JP2003126989A

JP2003126989A - 高耐食性高Ｍｏオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法

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Publication number: JP2003126989A
Application number: JP2001320891A
Authority: JP
Inventors: Hiroshige Inoue; 裕滋井上; Shigeru Okita; 茂大北; Kazuhiro Suetsugu; 和広末次
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-10-18
Filing date: 2001-10-18
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2021-10-18
Also published as: JP3819755B2

Abstract

(57)【要約】【課題】耐海水、耐塩化物を目的とした高Ｍｏオース
テナイト系ステンレス鋼の溶接部において、腐食環境に
晒される面での耐食性に優れ、かつ、耐溶接高温割れ性
及び機械的特性に優れた溶接方法を提供する。【解決手段】開先底部での初層ビード溶接及び該初層
ビードの上から鋼材表面の下方１〜３ｍｍまでを、質量
％で、Ｃ：０．００１〜０．１％、Ｓｉ：０．０１〜
１．５％、Ｍｎ：０．０１〜２．０％、Ｃｒ：２０〜２
５％、Ｎｉ：１０〜１５％を含有し、かつ、１．１４×
Ｃｒ当量−Ｎｉ当量≧９．０を満たし、残部Ｆｅ及び不
可避不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼溶接
ワイヤを用いて溶接後、引き続いて、最終層までの厚み
範囲を、質量％で、Ｃ：０．００１〜０．０１％、Ｓ
ｉ：０．０１〜０．２％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｃ
ｒ：１４〜２５％、Ｎｉ：５５〜７５％、Ｍｏ：６〜１
６％含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる高Ｎ
ｉ合金溶接ワイヤを用いて溶接する溶接方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、海洋構造物、橋梁
などの耐海水、耐海塩粒子性が要求される環境下で使用
される溶接鋼構造物、及び化学プラント、食品製造プラ
ントなどの耐塩化物性が要求される環境下で使用される
溶接鋼構造物の組立で用いられる高耐食性高Ｍｏオース
テナイト系ステンレス鋼の溶接方法に関し、特に、鋼材
と同等以上の腐食環境下での耐食性を有し、かつ優れた
引張強度、靭性、曲げ延性などの機械的特性及び耐高温
割れ性などの溶接性を有する溶接部が経済的に得られる
高耐食性高Ｍｏオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、種々の化学プラント、食品製造プ
ラントなどの耐塩化物性、及び海洋構造物、橋梁、石油
・天然ガス輸送、あるいは海水利用技術等などの耐海
水、耐海塩粒子性が要求される苛酷な腐食環境に耐えら
れるような耐食材料として、各種のオーステナイト系ス
テンレス鋼、高合金が開発・適用されつつある。

【０００３】一方、一般に、これらの耐食鋼材を溶接施
工して鋼構造物を建造する場合、通常、溶接部の溶接金
属は凝固組織のままで使用されるため、同組成の母材と
比較してその耐食性が低くなる。したがって、耐食構造
物全体の耐食性を向上する上で、構造部材だけでなく溶
接部の溶接金属の耐食性を向上させることが重要な課題
である。

【０００４】近年、耐海水及び耐塩化物性に優れた耐食
材料として、耐食性の向上のためにＭｏを３．５〜８％
程度含有した高耐食性の高Ｍｏオーステナイト系ステン
レス鋼の適用が増加している。

【０００５】一般に、オーステナイト系ステンレス鋼を
溶接する場合に、共金系の溶接材料を用いており、その
ため、各種のオーステナイト系ステンレス鋼用の共金系
溶接材料が開発されている。しかし、高耐食性の高Ｍｏ
オーステナイト系ステンレス鋼を共金系の溶接材料を用
いて溶接すると、溶接金属中のＭｏ含有量が高いために
凝固偏析が起こりやすくなり、それによる耐食性の劣化
が生じ、これを抑制するために、通常、溶接後の熱処理
を行うことが必須となる。さらに、溶接金属中のＭｏ含
有量が高い場合には、溶接金属中にσ相などの脆弱な金
属間化合物が生成し溶接金属の延性・靭性が低下すると
いう問題も生じる。

【０００６】高耐食性の高Ｍｏオーステナイト系ステン
レス鋼を溶接する場合のこのような問題を改善するため
に、最近、共金系の溶接材料に替えて、高Ｃｒ−高Ｍｏ
含有高Ｎｉ合金の溶接材料が用いられている。この高Ｃ
ｒ−高Ｍｏ含有高Ｎｉ合金の溶接材料は、Ｎｉベースの
ため、溶接金属中のＭｏの凝固偏析を抑制すると共に、
Ｎｉ自体も耐食性を向上させる元素であるため、共金系
の溶接材料を用いて溶接する場合に比べて溶接金属の耐
食性は向上する。しかし、この高Ｃｒ−高Ｍｏ含有高Ｎ
ｉ合金の溶接材料では、溶接金属がオーステナイト単体
となるため、溶接時に高温割れが発生しやすく、さら
に、Ｍｏ含有量も多いために、室温での機械的特性は強
度は高いものの、溶接金属中にσ相などの金属間化合物
が生成しやすく延性及び靭性が低い等の問題があり、高
耐食性溶接構造用の溶接材料としては充分ではない。

【０００７】また、最近、特公平０３−３１５５６号公
報、特開平０１−２９３９９２号公報、特開平０７−２
１４３７４号公報、特開平０８−２５２６９２号公報等
に開示されているように、耐食性や靭性及び延性に有害
なＣｒ炭化物及び耐高温割れ性に有害なＷまたはＭｏ炭
化物を低減するためにＮｂによるＣの固定を用いずＣ含
有量を低減し、耐食性及び強度向上のためにＮ添加、固
溶させることにより、従来溶接材の耐食性、靭性、延
性、強度及び耐高温割れ性を改善した高Ｎｉ合金溶接材
料が開発されている。しかし、目的とする溶接金属特性
を得るためには、厳しい成分規制などによる製造コスト
の増大の問題があり、また、溶接金属の耐食性、靭性、
延性及び強度は良好ではあるものの、溶接金属がオース
テナイト単相のために耐高温割れ性が発生しやすい。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、耐海水
及び耐塩化物性に優れた溶接構造物用材料である高耐食
性高Ｍｏオーステナイト系ステンレス鋼を従来の溶接材
料を用いて単に溶接する方法では、耐海水及び耐塩化物
性を向上させ、かつ強度、靭性、曲げ延性等の機械的特
性及び耐溶接高温割れ性などの溶接作業性を充分に確保
できるだけの溶接部を溶接のままで得ることは困難であ
った。

【０００９】本発明は、こうした現状を鑑みて、高耐食
性高Ｍｏオーステナイト系ステンレス鋼を溶接するに際
に腐食環境に晒される面での耐食性に優れ、かつ機械的
特性及び耐溶接高温割れ性に優れた溶接部が得られる高
耐食性高Ｍｏオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するためになされたものであり、その発明の要旨は
以下の通りである。

【００１１】（１）化学成分として、質量％で、Ｃ：
０．００５〜０．０２％、Ｓｉ：０．３〜０．８％、Ｍ
ｎ：０．３〜１．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．
０１５％以下、Ｍｏ：３．５〜８．０％、Ｃｒ：１８〜
２５％、Ｎｉ：１５〜２２％を含有し、残部が鉄及び不
可避的成分からなり、かつミクロ組織がオーステナイト
単相である高耐食性高Ｍｏオーステナイト系ステンレス
鋼材を多層盛り片面溶接する際に、開先底部での初層ビ
ード溶接及び該初層ビードの上から鋼材表面の下方１〜
３ｍｍまでの厚み範囲を、化学成分として、質量％で、
Ｃ：０．００１〜０．１％、Ｓｉ：０．０１〜１．５
％、Ｍｎ：０．０１〜２．０％、Ｃｒ：２０〜２５％、
Ｎｉ：１０〜１５％を含有し、Ｓを０．０１％以下、Ｐ
を０．０３％以下に制限し、かつ、１．１４×Ｃｒ当量
−Ｎｉ当量≧９．０を満たし、残部Ｆｅ及び不可避的成
分からなるオーステナイト系ステンレス鋼溶接ワイヤを
用いて溶接後、引き続いて、鋼材表面の下方１〜３ｍｍ
から最終層までの厚み範囲を、化学成分として、質量％
で、Ｃ：０．００１〜０．０１％、Ｓｉ：０．０１〜
０．２％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｓ：０．０１％以
下、Ｐ：０．０１％以下、Ｃｒ：１４〜２５％、Ｎｉ：
５５〜７５％、Ｍｏ：６〜１６％を含有し、さらに、Ｎ
ｂ及びＷのうちの１種または２種の合計量：１〜４％、
Ｃｕ：０．１〜３％、Ｃｏ：０．１〜５％、及びＮ：
０．１〜０．３％のうちの１種または２種以上を含有
し、残部がＦｅ及び不可避的成分からなる高Ｎｉ合金溶
接ワイヤを用いて溶接することを特徴とする高耐食性高
Ｍｏオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法。但し、Ｃｒ当量＝Ｃｒ（質量％）＋Ｍｏ（質量％）＋
１．５×Ｓｉ（質量％）Ｎｉ当量＝Ｎｉ（質量％）＋０．５×Ｍｎ（質量％）＋
３０×Ｃ（質量％）

【００１２】（２）化学成分として、質量％で、Ｃ：
０．００５〜０．０２％、Ｓｉ：０．３〜０．８％、Ｍ
ｎ：０．３〜１．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．
０１５％以下、Ｍｏ：３．５〜８．０％、Ｃｒ：１８〜
２５％、Ｎｉ：１５〜２２％を含有し、残部が鉄及び不
可避的成分からなり、かつミクロ組織がオーステナイト
単相である高耐食性高Ｍｏオーステナイト系ステンレス
鋼材を多層盛り片面溶接する際に、鋼材裏面からの溶込
み深さが２ｍｍ以上となるように、化学成分として、質
量％で、Ｃ：０．００１〜０．０１％、Ｓｉ：０．０１
〜０．２％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｓ：０．０１％以
下、Ｐ：０．０１％以下、Ｃｒ：１４〜２５％、Ｎｉ：
５５〜７５％、Ｍｏ：６〜１６％を含有し、さらに、Ｎ
ｂ及びＷのうちの１種または２種の合計量：１〜４％、
Ｃｕ：０．１〜３％、Ｃｏ：０．１〜５％、及びＮ：
０．１〜０．３％のうちの１種または２種以上を含有
し、残部がＦｅ及び不可避的成分からなる高Ｎｉ合金溶
接ワイヤを用いて開先底部の初層ビード溶接を行った
後、引き続き、該初層ビードの上から最終層までの厚み
範囲を、化学成分として、質量％で、Ｃ：０．００１〜
０．１％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０１
〜２．０％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｎｉ：１０〜１５％
を含有し、Ｓを０．０１％以下、Ｐを０．０３％以下に
制限し、かつ、１．１４×Ｃｒ当量−Ｎｉ当量≧９．０
を満たし、残部がＦｅ及び不可避的成分からなるオース
テナイト系ステンレス鋼溶接ワイヤを用いて溶接するこ
とを特徴とする高耐食性高Ｍｏオーステナイト系ステン
レス鋼の溶接方法。但し、Ｃｒ当量＝Ｃｒ（質量％）＋Ｍｏ（質量％）＋
１．５×Ｓｉ（質量％）Ｎｉ当量＝Ｎｉ（質量％）＋０．５×Ｍｎ（質量％）＋
３０×Ｃ（質量％）

【００１３】（３）前記オーステナイト系ステンレス
鋼溶接ワイヤを用いて溶接した際に得られる室温状態で
の溶接金属の組織は、フェライトを２０％以下含有する
オーステナイト主体の組織であることを特徴とする上記
（１）または（２）の何れか１項に記載の高耐食性高Ｍ
ｏオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法。

【００１４】（４）前記高耐食性高Ｍｏオーステナイ
ト系ステンレス鋼の化学成分として、さらに、質量％で
Ｃｕ：０．５〜１．０％、Ｎ：０．１〜０．３％のうち
の１種または２種を含有することを特徴とする上記
（１）から（３）のうちの何れか１項に記載の高耐食性
高Ｍｏオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明者らは、高耐食性高Ｍｏオ
ーステナイト系ステンレス鋼を溶接する際に、溶接金属
の耐食性は良好であるが、Ｍｏ含有量が多いために靭性
及び延性が母材に比べて劣ることを特徴とする高Ｎｉ合
金溶接ワイヤと、Ｍｏを含有しないために溶接金属の靭
性及び延性は良好であるが、耐食性が母材に比べて劣る
ことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼溶接ワ
イヤを種々の条件で組み合わせて溶接を行うことにより
溶接継手を作製し、それらの溶接部の諸特性を詳細に調
査・検討した。

【００１６】その結果、高耐食性高Ｍｏオーステナイト
系ステンレス鋼の溶接において、腐食環境に晒される面
の溶接部を高Ｎｉ合金溶接ワイヤを用いて所定厚みで溶
接し、それ以外の溶接部の厚み範囲をＭｏを含有せず、
かつ室温状態での溶接金属組織が２０％以下のフェライ
トを含有したオーステナイト主体組織である溶接金属が
得られる成分系のオーステナイト系ステンレス鋼溶接ワ
イヤで溶接することにより、腐食環境に晒される面での
溶接部の耐食性を確保し、かつ、溶接部全体での引張強
度、靭性、曲げ延性などの機械的特性及び耐溶接高温割
れ性などの溶接作業性が良好である溶接継手が得られる
ことが明らかとなった。

【００１７】以下に本発明の詳細について説明する。

【００１８】図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施形
態の一例を示す溶接継手の断面図であり、何れも下向き
姿勢で多層盛り片面溶接する場合で、（ａ）は、腐食環
境に晒される面が鋼材表面の場合、（ｂ）は、腐食環境
に晒される面が鋼材裏面の場合を示す。なお、ここで
は、説明の便宜上、溶接姿勢が下向き姿勢であることを
前提として説明するが、これに限定する訳ではない。

【００１９】本発明の第１の実施形態として、腐食環境
１に晒される面が鋼材表面の高Ｍｏステンレス鋼２の溶
接方法は、図１（ａ）に示すように、開先底部での初層
ビード溶接及び該初層ビードの上から鋼材表面の下方１
〜３ｍｍまでの厚み範囲を、後述する強度、靭性、延性
などの機械的特性が良好なステンレス鋼溶接金属３が得
られるオーステナイト系ステンレス鋼ワイヤを用いて溶
接後、引き続いて、鋼材表面の下方１〜３ｍｍから最終
層までの厚み範囲を、後述する耐食性が良好な高Ｎｉ合
金溶接金属４が得られる高Ｎｉ合金ワイヤを用いて溶接
する。これにより、腐食環境に晒される鋼板表面側の溶
接部の耐食性が高Ｎｉ合金溶接金属によって鋼材並に向
上できると共に、それ以外の溶接部の強度、靭性、延性
などの機械的特性はオーステナイト系ステンレス鋼溶接
金属によって確保することができる。

【００２０】この発明方法において、高Ｎｉ合金溶接金
属及びオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属の所要特
性を確保するためには、それぞれの溶接金属の形成に用
いる高Ｎｉ合金ワイヤ及びオーステナイト系ステンレス
鋼ワイヤの成分組成を後述のように規定すると共に、高
Ｎｉ合金溶接金属及びオーステナイト系ステンレス鋼溶
接金属を形成する厚み範囲を規定する必要がある。

【００２１】高Ｎｉ合金溶接金属を形成する、つまり高
Ｎｉ合金ワイヤを用いて溶接する厚み範囲が、鋼材表面
の下方１ｍｍ未満の場合はオーステナイト系ステンレス
鋼溶接金属による希釈の影響が大きくなって、腐食環境
に晒される鋼板表面側の溶接部の耐食性が低下し、鋼材
並以上の耐食性を確保できない。一方、高Ｎｉ合金溶接
金属を形成する、つまり、高Ｎｉ合金ワイヤを用いて溶
接する厚み範囲が、鋼材表面の下方３ｍｍを超える場合
は、溶接部全体に占める高Ｎｉ合金溶接金属の体積が大
きくなり、溶接部の強度、靭性、延性などの機械的特性
が低下する。

【００２２】したがって、本発明では、高Ｎｉ合金ワイ
ヤを用いて溶接する厚み範囲を、鋼材表面の下方１〜３
ｍｍとし、それ以外の厚み範囲をオーステナイト系ステ
ンレス鋼ワイヤを用いて溶接する。

【００２３】次に、本発明の第２の実施形態として、腐
食環境１に晒される面が鋼材裏面の高Ｍｏステンレス鋼
の溶接方法は、図１（ｂ）に示すように、鋼材裏面から
の溶込み深さが２ｍｍ以上となるように、後述する耐食
性が良好な高Ｎｉ合金溶接金属４が得られる高Ｎｉ合金
溶接ワイヤを用いて開先底部の初層ビード溶接を行った
後、引き続き、この初層ビードの上から最終層までの厚
み範囲を、後述する強度、靭性、延性などの機械的特性
が良好なステンレス鋼溶接金属３が得られるオーステナ
イト系ステンレス鋼ワイヤを用いて溶接する。これによ
り、腐食環境に晒される鋼板裏面側の溶接部の耐食性が
高Ｎｉ合金溶接金属の初層ビードによって鋼材並に向上
できると共に、それ以外の溶接部の強度、靭性、延性な
どの機械的特性はオーステナイト系ステンレス鋼溶接金
属によって確保することができる。

【００２４】高Ｎｉ合金溶接金属の初層ビードを形成す
る、つまり高Ｎｉ合金ワイヤを用いて初層ビード溶接す
る厚み範囲が、鋼材裏面からの溶込み深さで、２ｍｍ未
満の場合は、初層ビード形成後のオーステナイト系ステ
ンレス鋼ワイヤによる溶接で再溶融して、高Ｎｉ合金溶
接金属とオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属が混合
した初層ビードが形成されるため、腐食環境に晒される
鋼板表面側の溶接部の耐食性が低下し、鋼材並以上の耐
食性を確保できない。

【００２５】したがって、本発明では、高Ｎｉ合金ワイ
ヤを用いて初層ビード溶接する厚み範囲を、鋼材裏面か
らの溶込み深さで２ｍｍ以上とし、初層ビードの上から
最終層までの厚み範囲をオーステナイト系ステンレス鋼
ワイヤを用いて溶接する。

【００２６】以下に、本発明の被溶接鋼材である、高耐
食性高Ｍｏオーステナイト系ステンレス鋼の成分及びそ
の含有量の限定理由について説明する。なお、下記説明
における「％」は、特に明記しない限り質量％を意味す
る。

【００２７】Ｃ：Ｃは鋼材の耐食性、特に溶接熱影響部
の耐食性に有害であるが、強度の観点からある程度の含
有が必要である。その含有量が０．００５％未満では強
度確保が難しく、製造コストも高くなるため、０．００
５％を上限とした。また、その含有量が０．０２％を超
えると加工性が低下すると共に、耐食性が著しく低下す
る。そのため、その含有量を０．００５〜０．０２％に
限定した。

【００２８】Ｓｉ：Ｓｉは脱酸剤及び強化元素として鋼
材中に添加されるが、その含有量が０．３％未満ではそ
の効果が十分ではなく、その含有量が０．８％超では延
性・靭性が大きく低下する。そのため、その含有量を
０．３〜０．８％に限定した。

【００２９】Ｍｎ：Ｍｎも鋼製造時に脱酸元素として鋼
中に添加するが、その含有量が０．３％未満では効果が
十分ではなく、一方、その含有量が１．０％超では鋼板
の加工性が劣化する。そのため、その含有量を０．３〜
１．０％に限定した。

【００３０】Ｐ：Ｐは不可避的不純物であり、多量に存
在すると鋼材の熱間加工性、延性を低下させるので少な
い方が望ましく、その含有量の上限を０．０３％とし
た。

【００３１】Ｓ：Ｓも不可避的不純物であり、多量に存
在すると鋼材の熱間加工性、延性及び耐食性を低下させ
るので少ない方が望ましく、その含有量の上限を０．０
１５％とした。

【００３２】Ｍｏ：Ｍｏは鋼中に固溶して耐食性及び強
度を向上させる元素である。特に耐食性向上の効果を十
分ならしめるためには３．５％以上必要であるが、一
方、８％を超えて含有すると、鋼中での延性・靭性に有
害な金属間化合物の生成を著しく促進する。そのため、
その含有量を３．５〜８．０％に限定した。

【００３３】Ｃｒ：Ｃｒは鋼の耐食性を付与する主要元
素であり、その効果を十分ならしめるためには１８％以
上の含有量が必要である。一方、Ｃｒ量が２５％超で
は、延性、靭性に有害な金属間化合物の生成を促す。そ
のため、その含有量を１８〜２５％に限定した。

【００３４】Ｎｉ：Ｎｉはオーステナイト安定元素であ
ると共に耐食性を向上する作用も有する。高Ｍｏステン
レス鋼であってもその組織がフェライト単相、あるいは
フェライト＋オーステナイト二相からなる場合には、耐
食性及び延性・靭性が必ずしも高くなく、また、組織中
にフェライト相が存在すると脆弱な金属間化合物が析出
しやすくなるので、本発明ではミクロ組織がオーステナ
イト単相となるようにその含有量を１５〜２２％に限定
した。

【００３５】なお、ここで、ミクロ組織は、エッチング
の後に直接組織観察する方法もしくはフェライトメータ
ーのような磁気的測定により判定できる組織である。

【００３６】以上が本発明で対象とする高Ｍｏオーステ
ナイト系ステンレス鋼の基本成分であり、他の成分は特
に限定されるものではないが、必要に応じて、他の成分
を含有できる。

【００３７】以上が、本発明が対象とする、高耐食性高
Ｍｏオーステナイト系ステンレス鋼の基本成分である
が、必要に応じて以下の１種または２種の元素を以下の
含有範囲で含有することができる。

【００３８】Ｃｕ：Ｃｕは、鋼材の耐食性と強度を高め
るのに顕著な効果があり、その含有量が０．５以上の添
加が有効であるが、その含有量が１．０％超の添加では
熱間加工性を低下させ、また、耐食性も害する。そのた
め、その含有量を０．５〜１．０％に限定した。

【００３９】Ｎ：Ｎも鋼材の耐食性と強度を高めるのに
有効な元素であり、その効果を十分ならしめるには０．
１％以上の添加が必要である。一方、その含有量が０．
３％超では、鋼板の製造性が著しく低下するため、その
含有量が０．１〜０．３％に限定した。

【００４０】以下に、本発明の溶接方法で用いる溶接ワ
イヤの成分及びその含有量の限定理由について説明す
る。なお、下記説明における「％」は、特に明記しない
限り質量％を意味する。

【００４１】先ず、本発明の溶接方法で用いるオーステ
ナイト系ステンレス鋼溶接ワイヤの成分及びその含有量
の限定理由を述べる。

【００４２】Ｃ：Ｃは溶接金属の強度向上の観点から
０．００１％以上含有させる。一方、その含有量が０．
１％超では溶接金属の加工性、靭性が著しく低下すると
共に、溶接のままの状態及び再熱を受けるとＣｒなどと
結合し、これらの領域の耐食性を著しく劣化させる。そ
のため、その含有量を０．００１％〜０．１％に限定し
た。

【００４３】Ｓｉ：Ｓｉは脱酸元素として添加される
が、その含有量が０．０１％未満ではその効果が十分で
なく、一方、その含有量が１．５％超では溶接金属のフ
ェライト相の延性低下に伴い、靭性が大きく低下すると
共に、溶接時の溶融溶込みも減少し、実用溶接上の問題
になる。したがって、その含有量を０．０１〜１．５％
に限定した。

【００４４】Ｍｎ：Ｍｎは脱酸元素として添加するが、
その含有量が０．０１％未満では効果が十分でなく、一
方、その含有量が２．０％を超えて添加すると溶接金属
の加工性が低下する。そのため、その含有量を０．０１
〜２．０％に限定した。

【００４５】Ｃｒ：Ｃｒはオーステナイト系ステンレス
鋼の主要元素であり、溶接金属の強度と耐食性に寄与す
る。その含有量が２０％未満では十分な強度が得られ
ず、また、その含有量が２５％超では延性・靭性が低下
するため、その含有量を２０〜２５％に限定した。

【００４６】Ｎｉ：Ｎｉはオーステナイト系ステンレス
鋼の主要元素であり、溶接金属のオーステナイト相を生
成・安定にする。その含有量が１０％未満では溶接金属
のオーステナイトの安定能が下がり、冷却中にマルテン
サイトへ変態して靭性が低下する。一方、その含有量が
１５％超ではオーステナイト単相となって溶接高温割れ
が発生する。そのため、その含有量を１０〜１５％に限
定した。

【００４７】Ｓ：Ｓは不可避的不純物であり、多量に存
在すると溶接部の耐高温割れ性、熱間加工性、延性及び
耐食性を低下させるので少ない方が望ましく、その含有
量を０．０１％を上限として制限する。

【００４８】Ｐ：Ｐも不可避的不純物であり、多量に存
在すると凝固時の耐高温割れ性及び靭性を低下させるの
で少ない方が望ましく、その含有量を０．０３％を上限
として制限する。

【００４９】本発明では、溶接金属の強度、靭性、曲げ
延性などの機械的特性を確保するために、オーステナイ
ト系ステンレス鋼溶接ワイヤの基本成分を以上のように
規定すると共に、さらに、溶接金属の高温割れ防止の観
点から室温時の溶接金属組織として、フェライトが２０
％以下特に１１％以下含有するオーステナイト主体組織
にさせることが必要である。

【００５０】本発明者らの実験の結果、室温時の溶接金
属組織がオーステナイト単相とならず、フェライトが２
０％以下含有するオーステナイト主体の組織となるため
の溶接ワイヤの成分系としては、オーステナイト系ステ
ンレス鋼溶接ワイヤの成分含有量がさらに、１．１４×
Ｃｒ当量−Ｎｉ当量≧９．０の関係式を満足させる必要
があることが判明した。

【００５１】ここで、Ｃｒ当量及びＮｉ当量は、以下の
（１）式及び（２）式でそれぞれ規定させるものであ
る。Ｃｒ当量＝Ｃｒ（質量％）＋Ｍｏ（質量％）＋１．５×Ｓｉ（質量％）・・・（１）Ｎｉ当量＝Ｎｉ（質量％）＋０．５×Ｍｎ（質量％）＋３０×Ｃ（質量％）・・・（２）したがって、本発明で使用するオーステナイト系ステン
レス鋼溶接ワイヤの成分含有量が１．１４×Ｃｒ当量−
Ｎｉ当量≧９．０の関係式を満足するように規定する。

【００５２】次に、本発明の溶接方法で用いる高Ｎｉ合
金ワイヤの成分及びその含有量の限定理由を述べる。

【００５３】Ｃ：Ｃは溶接金属の強化元素として０．０
０１％以上添加する。一方、Ｃは高Ｎｉ溶接金属におい
ては、特にＣｒと結合しやすく、その含有量が０．０１
％を超えると粒界等に炭化物として析出し、耐食性や延
性・靭性を阻害すると共に、Ｍｏ、Ｗとも結合して耐溶
接高温割れ性も低下させる。

【００５４】したがって、Ｃ含有量を０．００１〜０．
０１％に限定した。

【００５５】Ｓｉ：Ｓｉは、溶製時に脱酸元素として
０．０１％以上含有されるが、多量に含有すると溶接熱
サイクル中に高Ｃｒ−高Ｍｏ系の金属間化合物であるσ
相の析出を著しく促進し、その結果、耐食性や延性・靭
性が低下する。

【００５６】したがって、Ｓｉについてもできるだけ低
減するため、その含有量の上限を０．２％とした。

【００５７】Ｍｎ：Ｍｎは脱酸元素であり、同時に溶接
金属中のＮの固溶も促進するため、０．０１％以上の含
有が必要であるが、一方、多量に含有すると耐食性等に
有害な金属間化合物の析出も促進するため、その含有量
を０．０１〜２．０％に限定した。

【００５８】Ｓ、Ｐはいずれも不可避的不純物元素であ
り、両者とも溶接高温割れ感受性を著しく阻害する元素
である。また、多層溶接や補修溶接等の多重熱サイクル
中に粒界脆化も促進する。また、Ｓは熱間加工性に著し
く影響を及ぼす。したがって、両元素ともできるだけ低
減する必要があり、いずれもその含有量の上限を０．０
１％とした。

【００５９】Ｃｒ：Ｃｒは溶接金属の耐食性を付与する
主要元素であり、その効果を十分ならしめるためには１
４％以上が必要である。一方、多量に含有するとワイヤ
の製造性が著しく低下すると共に、耐食性に有害な金属
間化合物の析出を促す。それらを考慮して上限を２５％
とし、１４〜２５％に限定した。

【００６０】Ｎｉ：Ｎｉは溶接金属のマトリックスを構
成する主要元素である。溶接金属の耐食性の確保、凝固
のまま組織中でのＭｏ、Ｗの偏析の低減の観点から、少
なくとも５５％以上の含有が必要であるが、Ｃｒ等合金
元素を表記の量含有するためには７５％が上限であるた
め、その含有量を５５〜７５％に限定した。

【００６１】Ｍｏ：Ｍｏはいずれもマトリックスに固溶
して、溶接金属の耐食性、強度を向上させる。その効果
を十分ならしめるためには６％以上必要であるが、一
方、１６％を超えて含有すると、溶接金属中で耐食性、
延性・靭性に有害な金属間化合物の生成を著しく促進す
るため、その含有量を６〜１６％に限定した。

【００６２】Ｎｂ、Ｗ：Ｎｂ、Ｗはいずれも溶接金属の
強度を向上させる。その効果を十分ならしめるためには
それらの成分のうちの１種または２種の合計含有量とし
て１％以上必要であるが、一方、４％を超えて含有する
と、耐食性、延性・靭性に有害な金属間化合物の生成を
著しく促進するため、その含有量を１〜４％に限定し
た。

【００６３】Ｃｕ：Ｃｕは、硫黄環境等の非酸化性環境
や中性環境での溶接金属の耐食性を改善する元素であ
り、０．１％以上の添加が必要であるが、多量に含有す
ると熱間加工性を低下させるため溶接ワイヤの製造性を
害する上、塩化物含有酸化性環境での耐食性も害するこ
とから、これらを考慮して上限を３％とし、その含有量
を０．１〜３％とした。

【００６４】Ｃｏ：Ｃｏは通常Ｎｉ合金では不可避的に
０．１％未満含有されるが、０．１％以上添加すること
により、溶接金属の強度の改善が図られる。他方、５％
を超えて含有すると溶接ワイヤの製造性が低下する。し
たがって、その含有量を０．１〜５％に限定した。

【００６５】Ｎ：Ｎはマトリックスに固溶して、溶接金
属の耐食性、強度を向上させる。その効果を十分ならし
めるにはその含有量が０．１％以上必要であるが、一
方、０．３％を超えて含有させると溶接ワイヤの製造性
が著しく低下し、また、窒化物等の析出により溶接金属
の耐食性も低下する。そのため、その含有量を０．１〜
０．３％に限定した。

【００６６】以上が本発明の主要な構成要件である。

【００６７】なお、本発明が対象とする被溶接鋼材は、
溶接する場合の少なくとも何れか１方の被溶接鋼材が上
記成分を有する高耐食性高Ｍｏオーステナイト系ステン
レス鋼であれば良く、この高耐食性高Ｍｏオーステナイ
トステンレス鋼同士の溶接は勿論のこと、高耐食性高Ｍ
ｏオーステナイトステンレス鋼とその他のオーステナイ
トステンレス鋼または普通鋼との異材との溶接にも適用
できる。

【００６８】また、本発明の多層盛り片面溶接の溶接方
法としては、特に限定する必要はなく、ＴＩＧ溶接、Ｍ
ＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、プラズマ溶接、サブマージアー
ク溶接の何れでも良く、また、溶接が自動、半自動、手
動のいずれでも本発明の効果が発揮される。

【００６９】また、本発明の多層盛り片面溶接の溶接方
法に適用される溶接ワイヤは、その成分組成が本発明の
範囲内であれば、ソリッドワイヤでもフラックス入りワ
イヤでも適用できる。

【００７０】また、溶接姿勢も下向き、立向き、横向
き、上向き、のいずれでも良く、また、継手形状も突合
わせ溶接、すみ肉溶接のいずれでも良く、特に限定され
るものではない。

【００７１】

【実施例】以下、実施例にて本発明を説明する。

【００７２】表１に母材として用いた高耐食性高Ｍｏオ
ーステナイト系ステンレス鋼板の化学成分及びミクロ組
織を示す。この鋼板は、最終板厚：６ｍｍでの圧延後、
１１５０℃で溶体化熱処理が施されたものであり、臨界
孔食発生温度で７０℃以上の耐食性を有する。

【００７３】この高耐食性高Ｍｏオーステナイト系ステ
ンレス鋼板の突合せ端部に、開先角度：６０゜、ルート
フェース：０．５ｍｍのＹ開先を設け、表２に示すオー
ステナイト系ステンレス鋼溶接ワイヤ（Ｓ−１〜Ｓ−
４）または高Ｎｉ合金溶接ワイヤ（Ｎ−１〜Ｎ−４）の
成分を有する、ワイヤ径：１．２φの溶接ワイヤを用い
て、腐食環境に晒される面が鋼材表面の場合の実施例と
して表３に示す条件で、腐食環境に晒される面が鋼材裏
面の場合の実施例として表４に示す条件でそれぞれ前述
の図１（ａ）及び（ｂ）に示されるように溶接し、溶接
継手を作製した。溶接は、２％Ｏ₂＋９８％Ａｒガスを
用いたＭＩＧ溶接を用い、溶接電流：１４０〜２００
Ａ、アーク電圧：１６〜２７Ｖ、溶接速度：２０〜３５
ｃｍ／ｍｉｎの条件で行った。

【００７４】

【表１】

【００７５】

【表２】

【００７６】

【表３】

【００７７】

【表４】

【００７８】得られた溶接継手は、以下の方法で耐食性
及び機械的特性を調査した。

【００７９】耐食性を評価するための試験片は、溶接継
手から、いずれも溶接部を中央に含むよう３０×３０ｍ
ｍの大きさを採取後、余盛を削除して元厚（６ｍｍ）の
まま用い、腐食環境としては、ＪＩＳ−Ｇ０５７８−１
９８１に定める６％塩化第二鉄＋０．０５Ｎ塩酸水溶液
を用いた。耐食性の評価は、試験片を５℃間隔で管理さ
れた腐食環境に２４時間浸漬し、評価面側に孔食の発生
しない最高温度を塩化物環境での臨界孔食発生温度（Ｃ
ＰＴ）と定義し、その臨界孔食発生温度により評価し
た。

【００８０】一方、溶接継手の引張強度、靭性、曲げ延
性の機械的特性は、それぞれ溶接継手の引張試験、溶接
金属のシャルピー衝撃試験、溶接継手の表・裏曲げ試験
の結果から評価した。

【００８１】溶接部の引張強度は、溶接継手から余盛を
削除した試験片（１号試験片、ＪＩＳ−Ｚ３１２１−１
９６１）を採取し、引張試験を行い、その結果から引張
強度を求めた。

【００８２】溶接部の靭性は、溶接方向に垂直方向から
２ｍｍＶノッチ５ｍｍサブサイズシャルピー試験片を採
取し、０℃にてシャルピー衝撃試験を行い、その結果か
ら吸収エネルギーを求めた。

【００８３】溶接部の曲げ延性は、溶接継手から溶接方
向に垂直方向から余盛を削除した試験片（５ｔ×３０ｗ
×２５０Ｌｍｍ）を採取し、溶接部を表または裏から
ローラ曲げ（ＪＩＳ−Ｚ３１２４−１９６０、曲げ半
径：Ｒ＝１０ｍｍ）試験を行い、その結果から溶接継手
の曲げ延性を評価した。

【００８４】また、溶接高温割れ感受性は、Ｃ型ジグ拘
束突合せ溶接割れ試験（ＪＩＳ−Ｚ３１５５−１９７
４）により評価した。

【００８５】表３及び表４にそれぞれの腐食試験結果、
機械試験結果及び高温割れ試験の結果も示す。

【００８６】表３及び表４から明らかなように、本発明
範囲内の溶接条件、つまり、本発明範囲内の成分のＮ−
１〜３の高Ｎｉ合金ワイヤを用いて腐食環境に晒される
面の溶接部に相当する最終層（試験Ｎｏ１〜３）または
初層ビード（試験Ｎｏ．１０〜１２）を本発明範囲内の
厚みで溶接し、それ以外の溶接部の厚み範囲を本発明範
囲内の成分を有するＳ−１のオーステナイト系ステンレ
ス鋼溶接ワイヤを用いて溶接した、試験Ｎｏ１〜３及び
１０〜１２の本発明例は、全て、耐食性、引張強度、靭
性及び曲げ延性の機械的特性、耐高温割れ性の要求特性
を同時に満足できた。

【００８７】一方、試験Ｎｏ４、８、１３、及び１７の
比較例は、本発明範囲から外れた成分のＮ−４の高Ｎｉ
合金ワイヤを用いて腐食環境に晒される面の溶接部に相
当する最終層（試験Ｎｏ４）または初層ビード（試験Ｎ
ｏ．１３）を溶接したり、本発明範囲内の成分の高Ｎｉ
合金ワイヤを用いて本発明範囲から低く外れた厚みで最
終層（試験Ｎｏ８）または初層ビード（試験Ｎｏ．１
７）を溶接したために、何れも本発明例に比較して、耐
食性が低下し、目標よする母材並の耐食性が得られなか
った。

【００８８】試験Ｎｏ５〜７及び１４〜１６の比較例
は、本発明範囲内の成分のＮ−２の高Ｎｉ合金ワイヤを
用いて腐食環境に晒される面の溶接部に相当する最終層
または初層ビードを本発明内の厚みで溶接しているが、
それ以外の溶接部の厚み範囲の溶接を本発明範囲から外
れた成分のオーステナイト系ステンレス鋼溶接ワイヤ
（Ｓ−２〜４）を用いて溶接したために、試験Ｎｏ５、
１４は、引張強度が低下し、試験Ｎｏ６、１５は、引張
強度及び耐溶接高温割れ性が低下し、試験Ｎｏ７、１６
は靭性、曲げ延性及び耐溶接高温割れ性が低下し、目標
とする溶接金属の機械的特性及び溶接特性が得られなか
った。

【００８９】また、試験Ｎｏ９の比較例は、本発明範囲
内の成分のＮ−２の高Ｎｉ合金ワイヤを用いて腐食環境
に晒される面の溶接部に相当する最終層を溶接している
が、その溶接の厚み範囲が本発明範囲から外れているた
めに、それ以外の溶接部の厚み範囲に形成されたオース
テナイト系ステンレス鋼溶接金属の特性が充分に発揮で
きず、溶接部全体の靭性、曲げ延性及び耐溶接高温割れ
性が低下した。

【００９０】以上から、本発明の高耐食高Ｍｏオーステ
ナイト系ステンレス鋼の溶接方の適用により、耐食性の
みならず機械的特性、耐溶接高温割れ性にも優れた良好
な溶接部が得られことが判った。

【００９１】

【発明の効果】以上の本発明によれば、高Ｍｏオーステ
ナイト系ステンレス鋼の溶接において、腐食環境に晒さ
れる面での耐食性に優れ、かつ、耐溶接高温割れ性及び
機械的特性に優れる溶接部が得られるものであり、産業
の発展に貢献するところが極めて大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の一例を示す溶接継手の断面
図であり、何れも下向き姿勢で多層盛り片面溶接する場
合で、（ａ）は、腐食環境に晒される面が鋼材表面の図
であり、（ｂ）は、腐食環境に晒される面が鋼材裏面の
図である。

【符号の説明】

１腐蝕環境２高Ｍｏステンレス鋼３ステンレス鋼溶接金属４高Ｎｉ合金溶接金属

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２２Ｃ 38/44 Ｃ２２Ｃ 38/44 // Ｂ２３Ｋ 103:02 Ｂ２３Ｋ 103:02 (72)発明者末次和広東京都千代田区大手町２−６−３新日本製鐵株式会社内Ｆターム(参考） 4E001 AA03 CA03 DF01 EA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】化学成分として、質量％で、Ｃ：０．０
０５〜０．０２％、Ｓｉ：０．３〜０．８％、Ｍｎ：
０．３〜１．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１
５％以下、Ｍｏ：３．５〜８．０％、Ｃｒ：１８〜２５
％、Ｎｉ：１５〜２２％を含有し、残部が鉄及び不可避
的成分からなり、かつミクロ組織がオーステナイト単相
である高耐食性高Ｍｏオーステナイト系ステンレス鋼材
を多層盛り片面溶接する際に、開先底部での初層ビード
溶接及び該初層ビードの上から鋼材表面の下方１〜３ｍ
ｍまでの厚み範囲を、化学成分として、質量％で、Ｃ：
０．００１〜０．１％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍ
ｎ：０．０１〜２．０％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｎｉ：
１０〜１５％を含有し、Ｓを０．０１％以下、Ｐを０．
０３％以下に制限し、かつ、１．１４×Ｃｒ当量−Ｎｉ
当量≧９．０を満たし、残部Ｆｅ及び不可避的成分から
なるオーステナイト系ステンレス鋼溶接ワイヤを用いて
溶接後、引き続いて、鋼材表面の下方１〜３ｍｍから最
終層までの厚み範囲を、化学成分として、質量％で、
Ｃ：０．００１〜０．０１％、Ｓｉ：０．０１〜０．２
％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｓ：０．０１％以下、Ｐ：
０．０１％以下、Ｃｒ：１４〜２５％、Ｎｉ：５５〜７
５％、Ｍｏ：６〜１６％を含有し、さらに、Ｎｂ及びＷ
のうちの１種または２種の合計量：１〜４％、Ｃｕ：
０．１〜３％、Ｃｏ：０．１〜５％、及びＮ：０．１〜
０．３％のうちの１種または２種以上を含有し、残部が
Ｆｅ及び不可避的成分からなる高Ｎｉ合金溶接ワイヤを
用いて溶接することを特徴とする高耐食性高Ｍｏオース
テナイト系ステンレス鋼の溶接方法。但し、Ｃｒ当量＝Ｃｒ（質量％）＋Ｍｏ（質量％）＋
１．５×Ｓｉ（質量％）Ｎｉ当量＝Ｎｉ（質量％）＋０．５×Ｍｎ（質量％）＋
３０×Ｃ（質量％）
【請求項２】化学成分として、質量％で、Ｃ：０．０
０５〜０．０２％、Ｓｉ：０．３〜０．８％、Ｍｎ：
０．３〜１．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１
５％以下、Ｍｏ：３．５〜８．０％、Ｃｒ：１８〜２５
％、Ｎｉ：１５〜２２％を含有し、残部が鉄及び不可避
的成分からなり、かつミクロ組織がオーステナイト単相
である高耐食性高Ｍｏオーステナイト系ステンレス鋼材
を多層盛り片面溶接する際に、鋼材裏面からの溶込み深
さが２ｍｍ以上となるように、化学成分として、質量％
で、Ｃ：０．００１〜０．０１％、Ｓｉ：０．０１〜
０．２％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｓ：０．０１％以
下、Ｐ：０．０１％以下、Ｃｒ：１４〜２５％、Ｎｉ：
５５〜７５％、Ｍｏ：６〜１６％を含有し、さらにに、
Ｎｂ及びＷのうちの１種または２種の合計量：１〜４
％、Ｃｕ：０．１〜３％、Ｃｏ：０．１〜５％、及び
Ｎ：０．１〜０．３％のうちの１種または２種以上を含
有し、残部がＦｅ及び不可避的成分からなる高Ｎｉ合金
溶接ワイヤを用いて開先底部の初層ビード溶接を行った
後、引き続き、該初層ビードの上から最終層までの厚み
範囲を、化学成分として、質量％で、Ｃ：０．００１〜
０．１％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０１
〜２．０％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｎｉ：１０〜１５％
を含有し、Ｓを０．０１％以下、Ｐを０．０３％以下に
制限し、かつ、１．１４×Ｃｒ当量−Ｎｉ当量≧９．０
を満たし、残部がＦｅ及び不可避的成分からなるオース
テナイト系ステンレス鋼溶接ワイヤを用いて溶接するこ
とを特徴とする高耐食性高Ｍｏオーステナイト系ステン
レス鋼の溶接方法。但し、Ｃｒ当量＝Ｃｒ（質量％）＋Ｍｏ（質量％）＋
１．５×Ｓｉ（質量％）Ｎｉ当量＝Ｎｉ（質量％）＋０．５×Ｍｎ（質量％）＋
３０×Ｃ（質量％）
【請求項３】前記オーステナイト系ステンレス鋼溶接
ワイヤを用いて溶接した際に得られる室温状態での溶接
金属の組織は、フェライトを２０％以下含有するオース
テナイト主体の組織であることを特徴とする請求項１ま
たは２の何れか１項に記載の高耐食性高Ｍｏオーステナ
イト系ステンレス鋼の溶接方法。
【請求項４】前記高耐食性高Ｍｏオーステナイト系ス
テンレス鋼の化学成分として、さらに、質量％でＣｕ：
０．５〜１．０％、Ｎ：０．１〜０．３％のうちの１種
または２種を含有することを特徴とする請求項１から３
のうちの何れか１項に記載の高耐食性高Ｍｏオーステナ
イト系ステンレス鋼の溶接方法。