JP2003064453A - 溶接部の耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ｃｒ欠乏層の生成に起因した溶接部の耐食性
低下を防止し，溶接部においても優れた耐食性が維持さ
れるオーステナイト系ステンレス鋼を提供する。 【構成】 このオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｃ
ｒ：13.0〜20.0％，Ｎｉ：8.0〜15.0％，Ｍｏ：0〜5.0
％，Ｃ：0.04％以下，Ｍｎ：0.5〜2．0％，Ｓｉ：0.6％
以下，必要に応じＣｕ：0.1〜4.0％，Ｎ：0.01〜0.3
％，Ｎｂ：0.1〜2.0％，Ｔｉ：0.1〜2.0％の１種又は２
種を含む組成をもち、初晶γが晶出する溶接凝固組織が
得られるように式（１）で定義されるＸ値を0.1以上に
調整している。 Ｘ＝Ｎｉ＋30Ｃ＋0.50Ｍｎ−0.55Ｃｒ−0.55Ｍｏ−0.8Ｓｉ・・・・（１）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶接部の耐食性に優
れ、塩素イオンを含む水や液体に接する容器，配管等に
適したオーステナイト系ステンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】ステンレス鋼は、表面に形成される不動
態皮膜によって優れた耐食性を呈する材料であり、建
材，厨房機器，温水器，貯蔵タンク等の広範な用途で使
用されている。なかでも、ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６
等のオーステナイト系ステンレス鋼が多用されている。
たとえば、水道配管等の屋内配管用途において、イニシ
ャルコストでライニング鋼管等よりも有利なＳＵＳ３０
４ステンレス鋼配管の使用が増加する傾向にある。塩素
イオン濃度の高い食品や飲料水を保管する容器や配管等
にあっては、更に優れた耐食性が要求されることからＳ
ＵＳ３１６が使用されている。

【０００３】ステンレス鋼製の容器，配管等は、大半が
ステンレス鋼板を所定形状に成形した後で溶接すること
によって組み立てられる。ところが、溶接されたステン
レス鋼では、溶接スケールやＣｒ欠乏層が生成して本来
の不動態皮膜が破壊され、耐食性が低下する。特に塩素
イオン濃度の高い水環境では、溶接部に孔食が発生して
穴開き腐食に成長し、機能性が損なわれることもある。
このような腐食の発生及び腐食に起因した機能性低下を
懸念し、塩素イオン濃度の高い環境に曝される用途で
は、Ｃｒ，Ｍｏを増量した高耐食性ステンレス鋼やライ
ニング鋼管等が、特に腐食性の強い食品飲料水環境で使
用される容器類にはＦＲＰや塗装鋼板が使用されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、塩化ビニルで
ライニングした配管や容器は、廃棄時にダイオキシン発
生の虞があり、リサイクル性に劣る。食品飲料水環境に
用いられている樹脂容器では、食品飲料水の殺菌作業時
に高温・高圧雰囲気に曝された際に材質劣化を起こしや
すい。他方、ステンレス鋼製の配管や容器は、塩化ビニ
ルライニングのような有害物質を排出せず、高温・高圧
雰囲気においても十分な耐久性をもっている。しかし、
Ｃｒ，Ｍｏの増量によって高耐食性を付与したステンレ
ス鋼は、鋼材コストが上昇することは勿論、目標形状へ
の加工も困難になる。そこで、塩化物が存在する水環境
下で優れた耐食性を呈し、溶接部においても耐食性が低
下しない安価なステンレス鋼が望まれている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような要
求に応えるべく案出されたものであり、δフェライト層
が密集しがたい凝固組織をもつ溶接部が形成される成分
設計を採用することにより、Ｃｒ欠乏層に起因した耐食
性低下を防止し、溶接部においても優れた耐食性が維持
されるオーステナイト系ステンレス鋼を提供することを
目的とする。

【０００６】本発明のオーステナイト系ステンレス鋼
は、その目的を達成するため、Ｃｒ：１３．０〜２０．
０質量％，Ｎｉ：８．０〜１５．０質量％，Ｍｏ：０〜
５．０質量％，Ｃ：０．０４質量％以下，Ｍｎ：０．５
〜２．０質量％，Ｓｉ：０．６質量％以下，残部が実質
的にＦｅの組成をもち、初晶γが晶出する溶接凝固組織
が得られるように式（１）で定義されるＸ値を０．１以
上に調整していることを特徴とする。 Ｘ＝Ｎｉ＋30Ｃ＋0.50Ｍｎ−0.55Ｃｒ−0.55Ｍｏ−0.8Ｓｉ・・・・（１） このオーステナイト系ステンレス鋼は、更にＣｕ：０．
１〜４．０質量％，Ｎ：０．０１〜０．３質量％の１種
又は２種、及び／又はＮｂ：０．１〜２．０質量％，Ｔ
ｉ：０．１〜２．０質量％の１種又は２種を含むことが
できる。

【０００７】

【作用】本発明者等は、オーステナイト系ステンレス鋼
溶接部の耐食性について種々調査検討した結果、ステン
レス鋼の成分を調整し、溶接凝固組織の形態を制御する
とき、溶接部の耐食性低下を抑制できることを見出し
た。溶接熱影響部では、鋼中のＣとＣｒとが結合して炭
化物となり、結果として溶接スケール直下にＣｒ欠乏層
が生じやすい。Ｃｒ欠乏層は、耐食性の確保に必要なＣ
ｒが不足し、腐食の起点になる。Ｃｒ欠乏層起因の耐食
性低下を防止する上では、鋼中のＣ量を低減してＣｒ欠
乏層の生成を抑制することが有効である。

【０００８】溶接凝固組織の形態は、ディロングの組織
図にみられるようにステンレス鋼のＣｒ当量とＮｉ当量
の関係から整理でき、オーステナイト単相凝固組織（Ａ
モード），初晶γ＋δフェライトの二相凝固組織（ＡＦ
モード），初晶δフェライト＋オーステナイトの二相凝
固組織（ＦＡモード）に大別される。溶接凝固組織が溶
接部の耐食性に及ぼす影響を調査したところ、δフェラ
イトが密集しない溶接凝固組織が耐食性確保に有効であ
った。溶接凝固組織の形態に応じて耐食性が変わる理由
は、次のように推察される。

【０００９】δフェライトは、Ｃｒの炭化物を含み、Ｃ
ｒ欠乏層が生成しやすい相であるため耐食性を低下させ
る。また、δフェライトが密集しているほど腐食の進行
に伴って脱粒しやすく、腐食の成長傾向が強化される。
初晶δフェライトが晶出するＦＡモードでは、δフェラ
イトが密集した溶接凝固組織になりやすい。これに対
し、初晶γが晶出するＡＦモードでは、δフェライトが
晶出する場合であってもδフェライトは密集することな
く分散し、Ｃｒ欠乏層が生成しがたい溶接凝固組織とな
る。δフェライトが密集しない溶接凝固組織が生成する
成分設計を採用するとき、ＡＦモードで溶接凝固組織が
形成され、耐食性に有害なδフェライトの密集が抑制さ
れる。ＡＦモードの溶接凝固組織は、前掲の式（１）で
定義されるＸ値が０．１以上となるように各合金成分の
含有量を選定することにより実現される。式（１）は、
本発明者等により調査検討の結果から導き出された関係
式であり、後述の実施例でもみられるように溶接凝固組
織を形態制御する上で有効な指標である。

【００１０】以下、本発明が対象とするオーステナイト
系ステンレス鋼の成分，含有量等を説明する。 Ｃｒ：１３．０〜２０．０質量％ 耐食性の確保に必須の合金成分であり、Ｃｒの増量に応
じて耐食性が向上する。Ｃｒ濃度が低いと溶接部以外の
耐孔食性が低下するので、Ｃｒ含有量の下限を１３．０
質量％に設定した。しかし、過剰量のＣｒが含まれる
と、ステンレス鋼が硬質化して加工性が低下する。フェ
ライト生成元素でもあり、Ｃｒ当量が多くなるに従って
溶接凝固組織に多量のδフェライトが生成しやすくなる
ので、溶接部の耐食性に関しては好ましくない。そのた
め、Ｃｒ含有量の上限を２０．０質量％に設定した。

【００１１】Ｎｉ：８．０〜１５．０質量％ オーステナイト生成元素であり、Ｎｉの増量に応じてＮ
ｉ当量が高くなりδフェライトの生成が抑制され、溶接
凝固組織の耐食性低下を有効に抑制する。このような効
果は、８．０質量％以上のＮｉ添加で顕著になる。しか
し、高価な元素であるＮｉを多量添加することは鋼材コ
ストを上昇させるので、Ｎｉ含有量の上限を１５．０質
量％に設定した。 Ｍｏ：０〜５．０質量％ 必要に応じて添加される合金成分であり、耐食性の改善
に寄与する。しかし、フェライト生成元素であり、溶接
凝固組織におけるδフェライトの生成を助長する。した
がって、Ｍｏを添加する場合、δフェライトの生成を抑
制するため上限を５．０質量％に規制する。

【００１２】Ｃ：０．０４質量％以下 オーステナイト生成元素であり、オーステナイト組織を
得る上では有効な合金成分である。しかし、溶接時に入
熱のある溶接部ではクロム炭化物，ひいてはＣｒ欠乏層
の生成を促進させる作用があり、溶接部に腐食が発生し
やすくなる。Ｃ含有量の低減が溶接部の耐食性低下を有
効に防止することから、Ｃ含有量の上限を０．０４質量
％に設定した。 Ｍｎ：０．５〜２．０質量％ Ｎｉ当量を高めるオーステナイト生成元素であり、溶接
凝固組織の耐食性低下を有効に防止する。このような効
果は、０．５質量％以上のＭｎ含有量で顕著になる。し
かし、腐食の起点になりやすい硫化物を形成し、過剰添
加は素材の耐孔食性にとっても有害であるので、Ｍｎ含
有量の上限を２．０質量％に設定した。

【００１３】Ｓｉ：０．６質量％以下 Ｓｉを添加したステンレス鋼を溶接すると、溶接時にＳ
ｉが優先酸化してＣｒの酸化が防止される。その結果、
造管後のビードや溶接継手近傍に生じる酸化スケールに
起因した耐食性低下が防止される。しかし、強力なフェ
ライト生成元素であり、溶接凝固組織にδフェライトが
生じやすくなるので、Ｓｉ含有量の上限を０．６質量％
に設定した。 Ｃｕ：０．１〜４．０質量％ 必要に応じて添加される合金成分であり、オーステナイ
ト生成元素として働き、溶接凝固組織にδフェライトの
生成を抑制する。δフェライト生成抑制効果は０．１質
量％以上のＣｕ添加で顕著になるが、過剰添加は靭性等
に悪影響を及ぼすので、Ｃｕを添加する場合には添加量
の上限を４．０質量％に規制する。

【００１４】Ｎ：０．０１〜０．３質量％ 必要に応じ添加される合金成分であり、Ｃｕと同様にオ
ーステナイト生成元素として働き、溶接凝固組織にδフ
ェライトの生成を抑制する。また、Ｎ添加したステンレ
ス鋼が腐食環境に曝されると、微量ではあるが腐食抑制
に有効なアンモニアが鋼板表面から発生する。δフェラ
イト生成に対する抑止効果は、０．０１質量％以上のＮ
添加で検出される。しかし、過剰添加は靭性，清浄度等
に悪影響を及ぼすので、Ｎを添加する場合には添加量の
上限を０．３質量％に規制する。

【００１５】Ｎｂ：０．１〜２．０質量％ 必要に応じて添加される合金成分であり、Ｃ，Ｎを固定
することによってＣｒ欠乏層の生成を抑え、溶接部の耐
食性を確保する作用を呈する。このような効果は、０．
１質量％以上のＮｂ添加で顕著になる。しかし、フェラ
イト生成元素であるため、過剰添加すると溶接部にδフ
ェライトが生成しやすくなり，しかも溶接部の靭性が低
下する。したがって、Ｎｂを添加する場合には添加量の
上限を２．０質量％に規制する。 Ｔｉ：０．１〜２．０質量％ 必要に応じて添加される合金成分であり、Ｎｂと同様に
Ｃ，Ｎを固定することによってＣｒ欠乏層の生成を抑
え、溶接部の耐食性を確保する作用を呈する。このよう
な効果は、０．１質量％以上のＮｂ添加で顕著になる。
しかし、過剰添加は溶接部の靭性に悪影響を及ぼすの
で、Ｔｉを添加する場合には添加量の上限を２．０質量
％に規制する。

【００１６】

【実施例１：溶接組織の凝固モードに及ぼすＸ値の影
響】表１の組成をもつ各種ステンレス鋼を溶製して，イ
ンゴットに鋳造した後、熱延，酸洗，冷延，仕上げ焼鈍
を経て板厚１．０ｍｍの冷延焼鈍板を製造した。各冷延
焼鈍板から切り出された試験片をＡｒガスシールし、溶
接電流１００Ａ，溶接速度６０ｃｍ／分でＴＩＧなめ付
け溶接し、溶接凝固組織を観察することにより溶接凝固
組織の形態を判定した。

【００１７】表１の調査結果にみられるように、Ｘ値が
０．１以上となるように成分調整した鋼種番号１〜４で
は、ＡＦモードで溶接凝固組織が生成しており、δフェ
ライトの密集が検出されなかった。他方、Ｘ＜０．１で
成分設計した鋼種番号５〜７では、ＦＡモードで溶接凝
固組織が生成し、溶接凝固組織にδフェライトが密集し
ていた。この結果から、δフェライトの密集がしないＡ
Ｆモード，δフェライトが密集するＦＡモードの何れで
溶接凝固組織が生成するかは、Ｘ値によって管理できる
ことが確認された。

【００１８】

【００１９】

【実施例２：溶接組織の凝固モードに応じた耐食性】表
２の組成をもつ各種ステンレス鋼から，実施例１と同様
な条件下で冷延焼鈍板を製造し、各冷延焼鈍板から切り
出された試験片をＴＩＧなめ付け溶接した。溶接後の試
験片を硝酸に浸漬して溶接スケールを溶解除去した後、
溶接部が中央に位置するように１０ｍｍ×１００ｍｍの
サンプルを切り出し、ＪＩＳ Ｇ０５７７に準拠して孔
食電位を測定した。測定結果を表２に併せ示す。

【００２０】表２から明らかなように、本発明に従って
Ｘ値が０．１以上となるように成分調整した鋼種Ａ〜Ｊ
は、何れも孔食電位が２００mV, SCEの高い値を示し、
溶接部でも比較的良好な耐食性が維持されることがわか
った。これに対し、Ｘ値が０.１に達しない鋼種Ｋ〜Ｐ
は、２００mV, SCEに達しない低い孔食電位を示し、溶
接部の耐食性に劣っていた。Ｘ値が０．１以上であって
も本発明で規定した組成を外れる鋼種Ｇも、孔食電位が
１７０mV, SCEと低く、多量のＣを含むために耐食性が
低下していた。この対比から、本発明で既定した組成条
件を満足し、且つＸ値が０．１以上となるように成分調
整したステンレス鋼は、溶接部においても良好な耐食性
を呈することが確認された。

【００２１】

【００２２】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明のオース
テナイト系ステンレス鋼は、成分的には汎用ステンレス
鋼の範疇にあるが、Ｘ値が０．１以上となるように成分
調整することによってＣｒ欠乏層の生成を抑え溶接部の
耐食性を改善している。そのため、オーステナイト系ス
テンレス鋼本来の優れた耐食性を活用し、溶接部腐食に
起因した外観劣化や機能性低下を来たすことなく、塩素
イオン濃度の高い食品，飲料水等と接する環境で使用さ
れる構造材として使用される。しかも、優れた耐孔食性
が発現されるため、環境の悪化に伴い次亜塩素酸等の殺
菌剤の多量使用が余儀なくされている上水，下水等と接
する容器，配管等の材料としても使用される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 名越 敏郎 山口県新南陽市野村南町4976番地 日新製 鋼株式会社ステンレス事業本部内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃｒ：１３．０〜２０．０質量％，Ｎ
   ｉ：８．０〜１５．０質量％，Ｍｏ：０〜５．０質量
   ％，Ｃ：０．０４質量％以下，Ｍｎ：０．５〜２．０質
   量％，Ｓｉ：０．６質量％以下，残部が実質的にＦｅの
   組成をもち、初晶γが晶出する溶接凝固組織が得られる
   ように式（１）で定義されるＸ値を０．１以上に調整し
   ていることを特徴とする溶接部の耐食性に優れたオース
   テナイト系ステンレス鋼。 Ｘ＝Ｎｉ＋30Ｃ＋0.50Ｍｎ−0.55Ｃｒ−0.55Ｍｏ−0.8Ｓｉ・・・・（１）
2. 【請求項２】 更にＣｕ：０．１〜４．０質量％，Ｎ：
   ０．０１〜０．３質量％の１種又は２種を含む請求項１
   記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
3. 【請求項３】 更にＮｂ：０．１〜２．０質量％，Ｔ
   ｉ：０．１〜２．０質量％の１種又は２種を含む請求項
   １又は２記載のオーステナイト系ステンレス鋼。