JP2006241564A - 溶接構造物用フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接部に隙間構造を有する温水機器に使用したときに優れた耐食性を安定して呈するフェライト系ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０.０２５％、Ｓｉ：０.６超え〜２％、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０.０４５％以下、Ｓ：０.０１％以下、Ｎｉ：０.６％以下、Ｃｒ：１７〜３５％、Ｍｏ：０.５〜３％、Ｎｂ：０.０５〜０.５％、Ｔｉ：０.０５〜０.３％、Ｃｕ：０.６％以下、Ａｌ：０.０２〜１％、Ｎ：０.０２５％以下、Ｂ：０〜０.００５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる溶接構造物用フェライト系ステンレス鋼。
【選択図】なし

Description

本発明は、溶接部を温水に曝して使用する部材に好適な溶接構造物用フェライト系ステンレス鋼に関する。

ＳＵＳ４４４（低Ｃ、Ｎの１８Ｃｒ−２Ｍｏ−Ｎｂ、Ｔｉ系）などのフェライト系ステンレス鋼は、耐孔食性、耐隙間腐食性に優れ、しかもオーステナイト系ステンレス鋼で問題となる応力腐食割れの心配がないことから、上水を用いる電気温水器や貯湯槽などの温水機器に使用されている。ステンレス鋼を用いた温水機器の多くは溶接にて組み立てられるが、その溶接部では一般的に耐食性が低下する。特に溶接部に隙間構造を有する場合、上水程度の希薄なＮａＣｌ環境でも腐食することがある。ステンレス鋼の耐隙間腐食性は溶接状態や隙間構造の形態によって大きく変化するので、ＳＵＳ４４４を用いた温水機器でも溶接部での腐食が問題となることがあった。

このような溶接部での温水による腐食を軽減するには、溶接施工後に酸洗して酸化スケールを除去することが有効である。しかし、そのような「後処理」は工程負荷を増大させ温水機器のコスト増に繋がるので好ましくない。したがって、後処理を施すことなく「溶接まま」の状態で使用しても、隙間構造を有する溶接部で安定した高耐食性が発揮されるステンレス鋼の開発が強く望まれてきた。

溶接部の耐食性を改善したステンレス鋼として、特許文献１にはＡｌとＲＥＭ（希土類元素）を添加したものが開示されている。これは、還元性の雰囲気で焼鈍し、鋼表面にＡｌ酸化物主体の皮膜を形成させることにより溶接時のＣｒの酸化を最小限にとどめ、溶接部での耐食性を向上させたものである。しかし、この鋼材では耐孔食性が向上するものの、隙間腐食については十分な検討がなされていない。また、希少で高価なＲＥＭの添加を必要とすることや、表面仕上げが限られること、疵が多発しやすいことなどの問題があり、実用化には至っていない。

特許文献２にはＴｉとＡｌを複合添加したステンレス鋼が開示されている。この鋼は溶接時にＡｌ酸化物の形成を容易にしてＣｒの酸化ロスを抑制することにより溶接部（熱影響部を含む）での耐食性向上を図ったものである。しかし、この鋼の場合も、耐孔食性に関しては顕著な向上効果が認められるものの、耐隙間腐食性については必ずしも十分考慮されているとは言えない。発明者らの調査によれば、この鋼を用いて溶接部に隙間構造を有する温水機器を作った場合、その隙間部での耐食性は改善されるが、その改善効果が不安定であることがわかった。Ｃｒ含有量をかなり高めたとしても、溶接部に隙間構造を有する温水機器において溶接ままの状態で安定的な高耐食性を期待するには不安が残る。

一方、溶接施工上の工夫により溶接部の耐食性を向上させることも可能である。例えば、耐食性低下の原因となるＣｒの酸化ロスを防ぐためには、Ａｒなどを用いた不活性ガスシールを徹底的に行うことが有効である。しかしこれには、トーチサイドでアフターガスシールをステンレス鋼の表面が酸化しない温度まで行い、かつバックサイドでもバックガスシールを同温度まで厳密に行うことが必要となる。これでは製造性が悪く、大量生産現場に適用するには無理がある。

特開昭６３−１１８０１１号公報 特開平５−７０８９９号公報

このように、フェライト系ステンレス鋼を用いた温水機器においては、隙間構造を有する溶接部で高耐食性を安定的に実現することは必ずしも容易ではない。
本発明は、溶接構造物を「溶接まま」の状態で使用しても、温水環境において溶接部での優れた耐隙間腐食性が安定して発揮され、かつコスト的にも有利なフェライト系ステンレス鋼を開発し提供しようというものである。

発明者らは詳細な検討の結果、フェライト系ステンレス鋼において、ＡｌとＴｉの複合添加に加え、更にＳｉを一定量以上添加することにより、溶接部での耐隙間腐食性が安定して改善されるようになることを見出した。すなわち本発明で提供される鋼は、質量％で、Ｃ：０.０２５％以下、Ｓｉ：０.６超え〜２％、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０.０４５％以下、Ｓ：０.０１％以下、Ｎｉ：０.６％以下、Ｃｒ：１７〜３５％、Ｍｏ：０.５〜３％、Ｎｂ：０.０５〜０.５％、Ｔｉ：０.０５〜０.３％、Ｃｕ：０.６％以下、Ａｌ：０.０２〜１％、Ｎ：０.０２５％以下であり、場合によっては更にＢ：０.００５％以下であり、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる溶接構造物用フェライト系ステンレス鋼である。

その溶接構造物としては、例えば温水器缶体のように、隙間構造を有する溶接部を例えば「溶接まま」の状態で温水に曝して使用するものが好適な対象となる。

本発明によれば、隙間構造を有する溶接部で、温水に対する耐隙間腐食性を安定して改善することのできるフェライト系ステンレス鋼が提供された。この鋼を用いた溶接構造物においては、例えば一般的なＴＩＧ溶接を適用する場合、溶接状態や隙間の形態にかかわらず耐食性改善効果が発揮される。このため、溶接後に工程負荷の大きい後処理を施すことなく「溶接まま」の状態で温水機器として使用することができる。溶接施工においても特殊な酸化防止手段を必要としないため製造性を阻害することがない。さらに、この鋼は一般的なフェライト系ステンレス鋼の成分元素で構成されるので、特殊元素を多量に添加することによるコスト増を伴わない。したがって、本発明は温水機器の信頼性向上とコスト低減に寄与するものである。

一般的にステンレス鋼の耐隙間腐食性は、その鋼の耐孔食性レベルの上昇に伴って向上する傾向にあることから、耐孔食性を主体とした試験によって耐隙間腐食性を比較的良好に推定することができる。しかしながら、溶接部に形成される隙間（以下「溶接隙間」という）においては事情が異なる。溶接部ではＣｒの酸化ロスによって周囲の母材部よりもＣｒ濃度の低い領域が形成され、これによる耐食性の低下が生じる。その上で更に隙間構造が形成されると、「Ｃｒ欠乏＋隙間形成」のダブル効果によって一般的な隙間部では通常生じないような著しい耐食性低下に見舞われることがある。このことが溶接隙間での安定した耐食性改善を難しくしている一因になっていると考えられ、現に前記特許文献に示されるような溶接部の耐食性向上を意図して開発された鋼においても、溶接隙間では本来の優れた耐食性が発揮されない場合が生じた。

発明者らは、このような厳しい条件にある溶接隙間での耐食性を安定的に付与する上で、従来、溶接部の耐食性改善元素として考慮されていなかったＳｉの添加が極めて有効であることを突き止め、本発明に至った。以下、各成分元素について説明する。元素含有量における「％」は特に示さない限り「質量％」を意味する。

Ｃ、Ｎは、鋼中に不可避的に含まれるが、その含有量を低減することにより鋼は軟質になり加工性が向上するとともに、炭化物、窒化物の生成が少なくなり溶接性および溶接部耐食性が向上する。このため本発明ではＣおよびＮは少ない方が好ましい。Ｃ、Ｎとも概ね０.０２５％までの含有が許容される。

Ｓｉは、一般的に鋼の脱酸元素として添加されるが、本発明では溶接隙間における安定した耐食性を実現する上で極めて重要な元素である。種々検討の結果、Ｓｉを０.６％を超えて添加すると、溶接隙間で安定した高耐食性を示すようになることがわかった。その耐食性レベルは、Ｃｒ含有量あるいはさらにＭｏ含有量に応じた鋼本来の耐食性レベルを反映したものとなる。Ｓｉが０.６％以下ではこの効果は十分発揮されない。Ｓｉ添加による溶接隙間での耐食性改善メカニズムについては、現時点では未解明であるが、Ｓｉを添加すると溶接酸化スケールの発生が抑制され、このことが何らかの要因になっているものと推察される。Ｓｉ含有量は０.７％以上とすることが好ましく、１％を超えるＳｉ含有量に規定することも有効である。ただし、Ｓｉは鋼を硬質にする元素であり、溶接部の低温靱性を損なうという面もある。このため、Ｓｉ含有量は２％以下の範囲で調整することが望ましい。

Ｍｎは、鋼中に不純物として存在するＳと結合し、化学的に不安定な硫化物であるＭｎＳを形成して耐食性を低下させる。さらに固溶Ｍｎも耐食性にはマイナス要因となる場合がある。このためＭｎは１％以下の含有量に制限される。

Ｐは、母材および溶接部の靱性を損なうのでできるだけ少ないことが望ましいが、Ｃｒ含有鋼の脱Ｐは困難でありかつ製造コストの上昇を招くので、本発明では０.０４５％程度まで許容する。

Ｓは、Ｍｎと硫化物を形成し孔食の起点となるが、孔食の成長を促進する作用はない。しかし、Ｓは溶接部の高温割れに悪影響を及ぼすため少ない方が好ましく、０.０１％以下に規制される。

Ｎｉは、フェライト系ステンレス鋼の靱性改善に有効な元素であるとともに、腐食の進行を抑制する作用がある。しかし、鋼を硬質にし加工性を阻害するので０.６％以下に規制される。

Ｃｒは、不動態皮膜の構成元素であり、耐孔食性、耐隙間腐食性および一般の耐食性を向上させる。これらの作用を温水機器用途において十分発揮させるには１７％以上のＣｒ含有が望まれる。Ｃｒ含有量の増加に伴い耐食性レベルが向上する反面、機械的性質や靱性が損なわれコスト増に繋がるため、ＮａＣｌ水溶液環境に適用する機器を対象とする場合は３５％以下のＣｒ含有量とすることが好ましい。一般的な電気温水器缶体や貯湯槽の用途では概ね１７〜３０％のＣｒ含有量範囲で良好な結果が得られ、コストを重視する場合は１７〜２５％、あるいは１７〜２２％程度のＣｒ含有量とすればよい。

Ｍｏは、Ｃｒとともに耐食性を高めるために有効な元素である。Ｍｏの耐食性改善作効果の発現にはＣｒが必須であり、Ｃｒ量が高い鋼ほど耐食性改善効果は大きくなる。上記Ｃｒ含有量範囲において温水環境での十分な耐食性レベルを確保するには、０.５％以上のＭｏ含有が望まれる。しかし、多量のＭｏ含有は加工性低下やコスト増加を招く。本発明の鋼では、Ｓｉの添加等により溶接時のＣｒ欠乏層形成が効果的に抑制されており、またＭｏ自体は溶接時のＣｒ欠乏層形成を抑制する作用をほとんど示さないので、Ｍｏ含有量は３％以下の範囲とすればよい。

Ａｌは、本発明において重要な元素である。すなわち本発明では、ＡｌとＴｉを複合添加することにより溶接時の加熱で鋼表面にＡｌ酸化物皮膜を形成させ、Ｃｒの酸化ロスを防止する、というＡｌとＴｉの複合添加作用を利用する。Ａｌ含有量が０.０２％未満では有効なＡｌ酸化物皮膜が形成しない。一方、１％を超える多量のＡｌ添加は素材の表面品質の劣化や溶接性の低下を招く。したがってＡｌ含有量は０.０２〜１％の範囲とする。好ましいＡｌ含有量は０.０３〜０.２％である。

Ｃｕは、適量の含有でフェライト系ステンレス鋼の孔食電位を上昇させるとともに、局部腐食の進行を抑える作用を呈する。しかし過剰に添加すると逆に耐食性を阻害する要因になるのでＣｕ含有量は０.６％以下に制限される。本発明では０.０２〜０.６％のＣｕ含有量であることが好ましい。

Ｎｂは、Ｃ、Ｎとの親和力が強く、フェライト系ステンレス鋼で問題となる粒界腐食を防止するのに有効であり、その作用を十分に得るには０.０５％以上のＮｂ含有が必要となる。しかし、過剰に添加すると溶接高温割れが生じるようになり、溶接部靱性も低下するので上限を０.５％とする。

Ｔｉは、本発明において重要な元素である。すなわち上述のようにＡｌとの複合添加によってＣｒの酸化ロスを抑える。さらにＮｂと同様にＣ、Ｎを固定して粒界腐食を抑制する作用もある。これらの作用を有効に発揮させるには０.０５％以上のＴｉ含有が必要である。ただし多量のＴｉ含有は素材の表面品質の低下や溶接性の低下を招くので、Ｔｉ含有量の上限は０.３％に規制される。

Ｂは、フェライト系ステンレス鋼の二次加工性を改善する元素である。また、溶接熱影響部における結晶粒の粗大化を抑制し、溶接継手の強度低下に対して有効に作用する。しかし、過剰に添加すると結晶粒界等にＣｒ硼化物として析出し耐食性を損なう。したがってＢを添加する場合は０.００５％以下の範囲で行う必要があり、０.０００３〜０.００５％の範囲で添加することが好ましい。

表１に示す組成のフェライト系ステンレス鋼を溶製し、熱間圧延にて板厚３ｍｍの熱延板を得た。その後板厚１.０ｍｍまで冷間圧延し、１０００〜１０７０℃で仕上焼鈍を施し、酸洗を行って供試材とした。

各供試材鋼板について、ビード・オン・プレートにてＴＩＧ溶接を行った。その際、ここでは酸化スケールの生成を促すために一般的なＴＩＧ溶接施工の場合よりＡｒシールガスの流量を少なくした。そして、はじめに形成したビードに重ねて更に２回同様の溶接を行った。

溶接後の板から図１に示す形状の溶接部を含む試験片を切り出し、これを９０℃、２００ｐｐｍＣｌ^-水溶液に浸漬して定電位法により孔食電位を測定した。ポテンショスタットを用いて試験片を一定電位で４８時間保持して腐食電流の有無を調べた。電位は５０ｍＶ間隔で設定し、腐食電流が流れない上限の電位を孔食電位とした。結果を表２に示す。表２には各鋼の公称組成を併記してある。

表２から判るように、本発明鋼を用いた溶接部を含む試験片の孔食電位はいずれもＳＵＳ４３６Ｌ（比較鋼７）およびＳＵＳ４４４（比較鋼８）のそれより貴であり、耐孔食性に優れていることが明白である。

実施例１で用いた板厚１ｍｍの各供試材鋼板から２０ｍｍ×４０ｍｍの板を複数切り出し、図２に示すように、２枚の板を少しずらせて重ね、ＴＩＧ溶接により１枚の板の短辺側を他の１枚の広面の一部に接合させた。そして、２枚の板の間に図２のようにφ５ｍｍのガラス棒を差し込んで溶接隙間を形成させた。このようにして得た試験片を８０℃の１０００ｐｐｍＣｌ^-水溶液中に３０日間浸漬して腐食電流の変化を監視した。図３には試験方法の構成を模式的に示してある。腐食を促進させるため、Ｐｔ補助カソードを試験片に接続している。この試験では容量３００Ｌの温水缶体に相当するカソード能力を有している。試験は各鋼ともｎ数＝１０で行った。３０日間試験後の試験片における腐食状況を侵食深さの測定によって調べた。そして、腐食電流および腐食状況について以下に示す基準で評価し、腐食電流と腐食状況のいずれもが○以上の評価となったものを合格と判定した。なお、腐食電流は１μＡ以下の場合に「消滅」とみなした。

〔腐食電流の評価基準〕
◎：７日経過時点で１０個全ての試料において腐食電流が消滅していた。
○：７日経過時点で１個以上の試料において腐食電流が継続していたが、３０日経過時点では１０個全ての試料において腐食電流が消滅していた。
×：３０日経過時点で１個以上の試料において腐食電流が継続していた。
〔腐食状況の評価基準〕
◎：１０個全ての試料において腐食が認められない。
○：１個以上の試料において侵食深さ０.１ｍｍ以下の軽微な腐食が認められるが、侵食深さ０.１ｍｍを超える腐食が認められる試料はない。
×：１個以上の試料において侵食深さ０.１ｍｍを超える腐食が認められる。
結果を表３に示す。

表３から判るように、本発明鋼はいずれも３０日以内に腐食電流が消滅し、かつ侵食深さ０.１ｍｍを超える腐食は認められなかった。すなわち、本発明鋼を使用した溶接構造物は、溶接隙間を有する場合でも、溶接ままの状態で温水環境において優れた耐食性を安定して呈することが確かめられた。

これに対し比較鋼Ｎｏ.７はＴｉとＡｌを複合添加しているものの、Ｓｉ含有量が低いため、一部の試料において腐食電流が消滅せず、安定した耐食性を示さなかった。Ｎｏ.８は２％程度のＭｏを含有するものの、Ｓｉ含有量が低くかつＡｌ含有量も低いため、一部の試料において腐食電流が消滅せず、また過半数の試料において侵食深さ０.１ｍｍ以上の腐食が認められた。Ｎｏ.９およびＮｏ.１０は２１〜２２％のＣｒと１〜２％のＭｏを含有する耐食性レベルの高い鋼であるが、Ｓｉ含有量が低くかつＴｉとＡｌ含有量が低いため、一部の試料において侵食深さ０.１ｍｍ以上の腐食が認められ、安定した耐食性を示さなかった。なお、Ｍｏ含有量はＮｏ.９で約１％、Ｎｏ.１０で約２％であるが、Ｍｏの増量による溶接隙間での耐食性改善効果は認められなかった。

実施例１の腐食試験片の形状を模式的に示した図。 実施例２の腐食試験片の形状を模式的に示した図。 実施例２の腐食試験方法の構成を模式的に示した図。

Claims (5)

1. 質量％で、Ｃ：０.０２５％以下、Ｓｉ：０.６超え〜２％、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０.０４５％以下、Ｓ：０.０１％以下、Ｎｉ：０.６％以下、Ｃｒ：１７〜３５％、Ｍｏ：０.５〜３％、Ｎｂ：０.０５〜０.５％、Ｔｉ：０.０５〜０.３％、Ｃｕ：０.６％以下、Ａｌ：０.０２〜１％、Ｎ：０.０２５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる溶接構造物用フェライト系ステンレス鋼。
2. 質量％で、Ｃ：０.０２５％以下、Ｓｉ：０.６超え〜２％、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０.０４５％以下、Ｓ：０.０１％以下、Ｎｉ：０.６％以下、Ｃｒ：１７〜３５％、Ｍｏ：０.５〜３％、Ｎｂ：０.０５〜０.５％、Ｔｉ：０.０５〜０.３％、Ｃｕ：０.６％以下、Ａｌ：０.０２〜１％、Ｎ：０.０２５％以下、Ｂ：０.００５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる溶接構造物用フェライト系ステンレス鋼。
3. 溶接構造物が、溶接ままの溶接部を温水に曝して使用するものである請求項１または２に記載の溶接構造物用フェライト系ステンレス鋼。
4. 溶接構造物が、隙間構造を有する溶接ままの溶接部を温水に曝して使用するものである請求項１または２に記載の溶接構造物用フェライト系ステンレス鋼。
5. 溶接構造物が、温水器缶体である請求項１または２に記載の溶接構造物用フェライト系ステンレス鋼。

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