CN116568454A

CN116568454A - 铁素体系不锈钢熔接丝

Info

Publication number: CN116568454A
Application number: CN202180082050.7A
Authority: CN
Inventors: 永冶仁; 上仲明郎; 平井宏树; 原理
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2020-12-08
Filing date: 2021-12-06
Publication date: 2023-08-08
Also published as: WO2022124274A1; JP2022090974A; US20240033862A1

Abstract

提供高温强度和耐氧化特性优异的铁素体系不锈钢熔接丝。一种铁素体系不锈钢熔接丝，以质量％计，包含：C：0.001～0.050％、Si：0.01～2.00％、Mn：0.01～1.50％、P：0.030％以下、S：0.010％以下、Cr：16.0～25.0％、Ti：0.001～0.150％、O：0.020％以下、N：0.050％以下，并且进一步包含：选自Nb：0.01～1.80％、Mo：0.01～3.60％、W：0.01～3.60％中的1种或2种以上，并且满足下式(1)、式(2)、式(3)，余量具有Fe和不可避免的杂质的组成。[Nb]+[Mo]+[W]+0.25[Si]≥2.2··式(1)，[Mo]+[W]≤3.6··式(2)，[Ti]+[Al]≤0.15··式(3)，其中，式中[]表示[]内元素的含有质量％。

Description

铁素体系不锈钢熔接丝

技术领域

本发明涉及铁素体系不锈钢熔接丝。

背景技术

与奥氏体系不锈钢相比，铁素体系不锈钢的价格低，并且因热膨胀系数低而能够抑制热应变，并且耐高温氧化特性也优异，因此大多在高温腐蚀气体环境下使用的汽车排气类部件中使用。例如，可以列举出：用于在汇总来自发动机的废气之后向排气管输送的排气歧管(exhaust manifold)；用于在催化剂存在下利用氧化还原反应净化废气的转换器的壳体等。这些具有复杂形状的部件通过将由铁素体系不锈钢构成的部件熔接而组装。通常，在铁素体系不锈钢的熔接中，使用由铁素体系不锈钢构成的熔接丝。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-320476号公报

发明内容

发明所要解决的课题

例如，如上述专利文献1所述，在现有的铁素体系不锈钢熔接丝中，为了提高高温强度而添加Nb、Mo、W等。此外，为了抑制因长时间暴露而成为高温强度降低的主要原因的Nb的碳氮化物的形成，添加了Ti。但是，Mo、W、Ti的添加会使熔接丝所需的耐氧化特性劣化。

本发明以上述情况为背景，目的在于提供高温强度和耐氧化特性优异的铁素体系不锈钢熔接丝。

用于解决课题的手段

在本发明中，研究了铁素体系不锈钢熔接丝中的各种添加成分对高温强度和耐氧化特性的影响，考虑各种添加成分对高温强度的影响度(程度)和对耐氧化特性的影响程度，通过使它们的添加量适当地平衡，从而有效地确保作为整体的效果的高温强度在所希望的值以上，同时确保耐氧化特性。

需要说明的是，在本发明中，对于提高高温强度有效的Nb、Mo、W、Si的各添加量由下式(1)规定。但是，在过量添加Mo、W的情况下，耐氧化特性劣化，因此由下式(2)规定Mo和W的总量。另外，抑制熔接性的劣化也对提高高温强度是有效的，因此，由下式(3)规定了影响熔接性的Ti和Al的总量。

而且，本发明的要旨如下所述。

[1]一种铁素体系不锈钢熔接丝，其特征在于，

以质量％计，包含：C：0.001～0.050％、Si：0.01～2.00％、Mn：0.01～1.50％、P：0.030％以下、S：0.010％以下、Cr：16.0～25.0％、Ti：0.001～0.150％、O：0.020％以下、N：0.050％以下，并且

进一步包含：选自Nb：0.01～1.80％、Mo：0.01～3.60％、W：0.01～3.60％中的1种或2种以上，并且满足下式(1)、式(2)、式(3)，

余量具有Fe和不可避免的杂质的组成，

[Nb]+[Mo]+[W]+0.25[Si]≥2.2··式(1)

[Mo]+[W]≤3.6··式(2)

[Ti]+[Al]≤0.15··式(3)

其中，式中[]表示[]内元素的含有质量％。

[2]根据[1]所述的铁素体系不锈钢熔接丝，其特征在于，

以质量％计，进一步含有Cu：0.1～3.0％、B：0.01％以下、V：0.1～2.0％、Ta：0.05～0.50％、Zr：0.001～0.010％、Y：0.001～0.010％中的任意1种以上。

发明的效果

根据本发明，可以提供高温强度和耐氧化特性优异的铁素体系不锈钢熔接丝。

附图说明

[图1]是用于说明本发明的实施例中的试验片的制作和获取方法的图。

具体实施方式

本实施方式涉及的铁素体系不锈钢熔接丝包含：C、Si、Mn、P、S、Cr、Ti、O、N，进一步包含选自Nb、Mo、W中的1种或2种以上，余量由Fe和不可避免的杂质构成。另外，可以进一步含有Al、Cu、B、V、Ta、Zr、Y。

以下，对本实施方式的铁素体系不锈钢熔接丝中的各化学成分的限定理由进行详细说明。需要说明的是，在以下的说明中，除非特别的限定，否则“％”表示“质量％”。

C：0.001～0.050％

从提高熔接部的强度的观点来看，C含有0.001％以上。但是，过量的添加会因马氏体形成而导致熔接部的脆化和延性韧性降低，因此将其上限设为0.050％。更优选的上限为0.042％。

Si：0.01～2.00％

Si是对抑制Nb的碳氮化物的粒界析出、防止熔接裂纹有效的元素。另外，通过含有0.01％以上，可以提高耐氧化特性。但是，过量的添加会导致韧性劣化、或抑制Mo的固溶而导致机械强度降低，因此将其上限设为2.00％。优选的Si的含量为0.30～1.95％。另外，更优选的Si的含量为0.30～1.00％。

Mn：0.01～1.50％

Mn在熔制时用作脱氧剂。但是，过量的添加会生成硫化物、使韧性降低，因此将Mn含量设在0.01～1.50％的范围内。优选的Mn的含量为0.30～0.90％。另外，更优选的Mn的含量为0.40～0.80％。

Cr：16.0～25.0％

Cr可以提高熔接金属的强度、并且通过在表面形成致密的氧化覆膜而提高耐氧化性、耐腐蚀性。为了发挥这样的特性，在本发明中含有16.0％以上。但是，过量的添加会导致脆化、硬化、韧性降低，因此将其上限设为25.0％。优选的Cr的含量为16.5～21.0％。另外，更优选的Cr的含量为17.0～19.2％。

Ti：0.001～0.150％

Ti通过形成碳氮化物而使熔接金属的晶粒微细化。另外，促进由Nb引起的固溶强化。但是，过量的添加会损害熔接性，因此将Ti含量设在0.001～0.150％的范围内。

O：0.020％以下

O形成SiO₂、Al₂O₃等氧化物而使韧性降低。因此，O量需要为0.020％以下。

N：0.050％以下

N使Cr氮化物析出而在粒界处形成Cr缺乏层。由此，熔接部的耐腐蚀性降低，因此N量需要为0.050％以下。更优选为0.049％以下。

P：0.030％以下、S：0.010％以下

当P量、S量过量时，容易引起熔接裂纹，熔接部的韧性降低。因此，P量需要为0.030％以下、S量需要为0.010％以下。

Nb：0.01～1.80％

Mo：0.01～3.60％

W：0.01～3.60％

在本实施方式中，含有有助于提高高温强度的Nb、Mo、W中的1种或2种以上。

Nb是对提高耐氧化性和高温强度有效的元素。但是，过量的添加会降低耐熔接裂纹性，因此将Nb含量设在0.01～1.80％的范围内。优选的Nb含量为0.20～1.72％。更优选的范围为0.20～0.80％。

Mo通过固溶强化提高强度。但是，过量的添加会使特性饱和、且材料成本上升，因此将Mo含量设在0.01～3.60％的范围内。优选的Mo含量为0.01～2.40％。更优选的范围为1.00～2.30％。

W通过固溶强化提高强度。但是，过量的添加会导致特性的饱和和成本增加，因此将W含量设在0.01～3.60％的范围内。优选的W含量为0.01～2.60％。更优选的范围为0.80～2.50％。

Al：0.001～0.150％

Al具有生成氮化物而使熔接金属的晶粒微细化的效果。但是，过量的添加会导致韧性降低、溅射增大，因此其优选的含量为0.001～0.150％。

Cu：0.1～3.0％

Cu对于提高拉伸强度和耐腐蚀性是有效的，因此可以根据需要含有。但是，过量的添加会导致韧延性的降低，因此其优选的含量为0.1～3.0％。

B：0.01％以下

B对于通过熔接金属的晶粒微细化而提高强度是有效的，因此可以根据需要含有。但是，过量的添加会导致特性的饱和，因此优选的B的含量为0.010％以下。

V：0.1～2.0％

V通过固溶强化而提高强度，因此可以根据需要含有。但是，过量的添加会导致特性的饱和，因此优选的V的含量为0.1～2.0％。

Ta：0.05～0.50％

Ta是C的稳定元素，对于防锈强化是有效的，因此可以根据需要含有。但是，过量的添加会导致特性的饱和，因此优选的Ta的含量为0.05～0.50％。

Zr：0.001～0.010％

Zr对于通过熔接金属的晶粒微细化而提高强度是有效的，因此可以根据需要含有。但是，过量的添加会导致特性的饱和，因此优选的Zr的含量为0.001～0.010％。

Y：0.001～0.010％

Y对于晶粒微细化、抑制高温氧化、提高机械强度是有效的，因此可以根据需要含有。但是，过量的添加会导致特性的饱和，因此优选的Y的含量为0.001～0.010％。

[Nb]+[Mo]+[W]+0.25[Si]≥2.2··式(1)

Nb、Mo、W、Si具有提高熔接部的高温强度的效果。式(1)中Nb、Mo、W、Si的系数分别表示对于高温强度的贡献度。

在式(1)左边的值过小的情况下，由固溶强化引起的强度提高变得不充分，因此以使式(1)左边的值成为2.2以上的方式调整成分。更优选的式(1)左边的值为2.4以上。

[Mo]+[W]≤3.6··式(2)

Mo、W具有提高高温强度的效果，另一方面，使熔接部的耐氧化特性劣化。在Mo和W的总量、即式(2)左边的值过大的情况下，可能形成低熔点/高挥发性的氧化物而导致异常氧化，因此以使式(2)左边的值成为3.6以下的方式调整成分。更优选的式(2)左边的值为3.4以下。

[Ti]+[Al]≤0.15··式(3)

Ti和Al影响熔接性。过量的Ti、Al的添加使熔融金属的表面张力增大，因此熔滴变大，并且熔滴移动受到阻碍。这样的熔接性的劣化产生熔接缺陷而使熔接部的强度降低。因此，在本例中，以使式(3)左边的值成为0.15以下的方式调整成分。更优选的式(3)左边的值为0.10以下。

由上述化学组成构成的本实施方式的熔接丝的主相为铁素体单相组织。对熔接丝的直径和长度没有特别地限定，可以选择与目标对应的值。另外，本实施方式的熔接丝可以是仅由铁素体系不锈钢构成的实心焊丝、或者也可以是含有助焊剂(flux)的含助焊剂丝。

实施例

接下来，以下对本发明的实施例进行说明。这里，对使用具有下表1所示的实施例和比较例的化学组成的熔接丝形成的熔接金属进行了耐氧化特性和高温强度的评价。

[表1a]

[表1b]

1.试验片的制作

熔制由上述表1所示的化学组成构成的合金，对得到的铸块进行热加工和冷加工，从而制作了直径φ1.2mm的熔接丝。

接着，如图1所示，将使用熔接丝在坡口面上进行预堆边焊(buttering)熔接的厚度为20mm的市售SUS430钢板作为供试母材，在如下所示的条件下，使用熔接丝在坡口部进行MIG熔接，从而形成了熔接金属。

熔接条件：熔接电流200A、电弧电压3.5V、熔接速度60cm/分钟、层间温度150～250℃、使用Ar+2体积％O₂作为保护气体(Shield gas)。

然后，如图1所示，根据JIS Z 3111，从熔接部(熔接金属)沿着熔接丝方向，以使试验片整体由熔接金属构成的方式获取高温强度评价用的圆棒型拉伸试验片。另外，还从该熔接部获取耐氧化特性评价用的试验片。

2.评价

2-1.耐氧化特性

使用从熔接部获取的试验片(尺寸：1.5×15×25mm)，根据JIS Z 2281，在大气下进行900℃×200hr的连续氧化试验，测定了氧化增量。判定基准如下所述。

◎：氧化增量为2.5mg/cm²以下

○：氧化增量超过2.5mg/cm²且为4.0mg/cm²以下

×：氧化增量超过4.0mg/cm²

这里，考虑到铁素体系不锈钢的熔接丝所要求的耐氧化特性，将氧化增量为4.0mg/cm²以下的情况、即上述的“◎”或“〇”的情况设为合格。该结果如下表2所示。

2-2.高温强度

使用从熔接部获取的圆棒型拉伸试验片，根据JIS G0567在900℃进行高温拉伸试验，测定了拉伸强度。判定基准如下所述。

◎：拉伸强度为40MPa以上

○：拉伸强度为35MPa以上且小于40MPa

×：拉伸强度小于35MPa

这里，为了确保即使在使用SUS444作为母材的情况下熔接部也不会成为最弱部位的强度，将拉伸强度为35MPa以上的情况、即上述“◎”或“〇”的情况设为合格。该结果如下表2所示。

[表2a]

[表2b]

根据表2的评价结果，可知以下内容。

比较例1是添加C超过本发明的上限0.05％、且不满足与高温强度相关的式(1)的条件的例子。在该比较例1中，高温时的拉伸强度低。

比较例2是添加C超过本发明的上限0.05％、且Cr低于本发明的下限16.0％的例子，氧化增量多且耐氧化特性低。另外，该比较例2也不满足与高温强度相关的式(1)的条件，高温时的拉伸强度的值也低。

比较例3是添加Si超过本发明的上限2.00％的例子。过量的Si使熔接部的韧性降低。因此，在比较例3中，高温时的拉伸强度的值低。

比较例4是添加A1超过本发明的上限0.15％、且不满足与熔接性相关的式(3)的条件的例子。适量的A1添加有助于晶粒微细化，但是在过量地添加A1而不满足与熔接性相关的式(3)的条件的情况下，容易产生熔接缺陷，在该比较例4中，高温时的拉伸强度的值低。

比较例5和比较例6均是添加Cu超过本发明的上限3.0％的例子。Cu的过量添加使熔接部的韧性延性降低。因此，比较例5和比较例6在高温时的拉伸强度的值低。

由上所述，各比较例的耐氧化特性、高温强度中的至少任意一者的评价为不合格(“×”)。

与此相对，熔接丝的化学组成在本发明的范围内的实施例1～38的耐氧化特性、高温强度的评价均为合格(“◎”或“○”)。

例如，当关注实施例1～7时，可知：在与高温强度相关的式(1)左边的值大的情况下，拉伸强度的值大，高温强度提高。

与未添加Al的实施例1～7相比，添加了Al的实施例8～14的拉伸强度的值大，确认了通过添加Al而提高高温强度的効果。

与未添加Cu的实施例1～7相比，添加了Cu的实施例15～18的耐氧化特性、高温强度均提高。

与实施例1～7相比，与Al一起添加了Cu、B、V、Ta、Zr、Y中的任意元素的实施例19～36的耐氧化特性、高温强度均提高。

以上，对本发明进行了详细地说明，但是本发明不限于上述实施方式和实施例，在不脱离本发明的主旨的范围内可以进行各种的改变。

工业实用性

本申请基于2020年12月8日提出的日本专利申请(日本特愿2020-203610)，其内容作为参照并入本说明书中。

Claims

1.一种铁素体系不锈钢熔接丝，其特征在于，

以质量％计，包含：

C：0.001～0.050％、

Si：0.01～2.00％、

Mn：0.01～1.50％、

P：0.030％以下、

S：0.010％以下、

Cr：16.0～25.0％、

Ti：0.001～0.150％、

O：0.020％以下、

N：0.050％以下，并且

进一步包含：选自

Nb：0.01～1.80％、

Mo：0.01～3.60％、

W：0.01～3.60％中的1种或2种以上，

并且满足下式(1)、式(2)、式(3)，

余量具有Fe和不可避免的杂质的组成，

[Nb]+[Mo]+[W]+0.25[Si]≥2.2··式(1)

[Mo]+[W]≤3.6··式(2)

[Ti]+[Al]≤0.15··式(3)

其中，式中[]表示[]内元素的含有质量％。

2.根据权利要求1所述的铁素体系不锈钢熔接丝，其特征在于，以质量％计，进一步含有：

Cu：0.1～3.0％、

B：0.01％以下、

V：0.1～2.0％、

Ta：0.05～0.50％、

Zr：0.001～0.010％、

Y：0.001～0.010％中的任意1种以上。

3.根据权利要求1或2所述的铁素体系不锈钢熔接丝，其特征在于，所述N为0.049质量％以下。

4.根据权利要求1至3中任1项所述的铁素体系不锈钢熔接丝，其特征在于，所述Cr为17.0～19.2质量％。

5.根据权利要求1至4中任1项所述的铁素体系不锈钢熔接丝，其特征在于，所述C为0.042质量％以下。

6.根据权利要求1至5中任1项所述的铁素体系不锈钢熔接丝，其特征在于，所述Al为0.001～0.150质量％。