JP2007021570A - 鋳鉄とステンレス鋼との溶接に用いる溶接ワイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】 溶接金属の耐割れ性を高めることができる安価な鋳鉄とステンレス鋼との溶接に用いる溶接ワイヤを提供する。
【解決手段】 重量％で、Ｃ：０．１〜０．８％、Ｓｉ：０．４〜２．０％、Ｍｎ：０．４〜４．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：２０．０〜４０．０％、Cr：１０．０〜４０．０％、Ｎｂ：０．５〜４．０％、残部がＦｅ及び不可避不純物から構成する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、鋳鉄とステンレス鋼との溶接に用いる溶接ワイヤに関するものである。

鋳鉄とステンレス鋼との溶接に用いる溶接ワイヤが開発されている。例えば、自動車エンジンに直結するエキゾーストマニホールドは、燃料の経済性、熱効率、有害廃棄物の減少等排気のコントロールのため球状黒鉛鋳鉄により形成されている。そして、このような鋳鉄のエキゾーストマニホールドに４００シリーズのステンレス鋼の触媒部が溶接により接続されている。このような溶接に用いる溶接材として、ＪＩＳ−Z−３３３４に規定されている ＹＮｉ−１、ＹＮｉＣｒ−３や、ＪＩＳ−Ｚ−３３２１に規定されているＹ３０９、Ｙ４３０系の溶接ワイヤが知られている。また、特許第２８５８０３７号公報や特開２００３−５８５８４号公報にもこのような溶接に用いる溶接ワイヤが提案されている。鋳鉄の溶接では、熱影響部が急冷により白銑化して割れやすい。そのため、一般的には溶接ワイヤでは、Ｃを殆ど固溶しないＮｉの含有量の高いワイヤを用い白銑化を防いでいる。
特許第２８５８０３７号公報 特開２００３−５８５８４号公報

しかしながら、従来の溶接ワイヤでは、溶接金属に発生する割れを十分に防止することができなかった。また、Ｎｉは高価なため、Ｎｉの含有量の高い従来の溶接ワイヤでは、価格が高くなるという問題があった。

本発明の目的は、溶接金属の耐割れ性を高めることができる安価な鋳鉄とステンレス鋼との溶接に用いる溶接ワイヤを提供することにある。

本発明の鋳鉄とステンレス鋼との溶接に用いる溶接ワイヤは、重量％で、Ｃ：０．１〜０．８％、Ｓｉ：０．４〜２．０％、Ｍｎ：０．４〜４．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：２０．０〜４０．０％、Cr：１０．０〜４０．０％、Ｎｂ：０．５〜４．０％、残部がＦｅ及び不可避不純物から構成されている。本発明の溶接ワイヤを用いれば、溶接金属の耐割れ性を高めることができる。特にＮｂの添加により耐割れ性が向上するものと考えられる。また、Ｎｉの含有量を抑えることができるので、溶接ワイヤの価格を抑えることができる。以下に、各組成の作用及び含有量の限定理由について説明する。

Cは、本発明の成分系のベースであるNiへの溶解度は少ないが、本発明の必須成分であるＣｒ、Nbや添加元素であるＭｏ、Ｗ，Ｔａ，Ｖ等と炭化物を形成し、高温の強度の確保と維持に有効である。Cは０．１％未満では高温の強度の確保の効果がなく、０．８％を越えると溶接用ワイヤの製造が困難になる。

Ｓｉは、ガスシールドアーク溶接において溶接金属の流動性を良くすると共に、脱酸及び耐高温酸化性に有効である。０．４％未満では脱酸及び耐高温酸化性の効果が少なくなる。母材の鋳鉄中のＳｉ量が高いため、２％を越える量のＳｉを添加しても、効果は向上しない。また、溶接用ワイヤの製造が困難になる。

Ｍｎは、脱酸剤として有効であり、MnSを形成し耐高温割れ性に有効で、ベースであるNiと同様オーステナイト生成元素で一部置換によるコスト低減効果がある。０．４％未満では効果が少なく、４％を越える量のＭｎを添加すると、効果は向上せず、溶接用ワイヤの製造が困難になる。

Ｐ及びＳは含有量が増すと溶接金属の耐割れ性、靭性が劣化するので少ないほうがいいが、製造コストを考慮し、それぞれ０．０４％、０．０３％以下とした。

Ｎｉは、鋳鉄の溶接材料の基本成分の１つであり、オーステナイト生成元素で、高温強度、耐食性、耐熱性に優れている。またFeとの合金系において、膨張率に大きく影響する。本発明の鋳鉄とステンレス鋼との異材溶接の場合、被溶接材相互の膨張率に差があるので、溶接材料、溶接の結果得られる溶接金属の膨張率は溶接割れ他に大きく影響する。２０％未満ではこれら効果が少なく、４０％を越えるとコスト低減効果が少なくなる。

CrはＮｂと同様強い炭化物形成元素であり、高温強度、耐酸化性に必要な成分で、１０％未満ではこれらの効果が十分に現れず、４０％を越えると硬化し製造が難しくなり、ベースのＮｉ量とのバランスが崩れる。また自体の価格増加に加え製造コストも増加する。

Ｎｂは強力な炭化物形成元素で、Crと同様炭化物を形成、高温強度、耐酸化性に必要な成分である。Crに比べると生成自由エネルギーは低く溶接の凝固過程でＣｒに先駆け生成する。一般的に使われている自動車排気系のガスシールドアーク溶接の場合、Nb炭化物の形成の時期と場所が、結果的に耐割れ性の改善に強く影響していると考えられる。Nb炭化物が溶接金属の凝固過程で、結晶の粒内及び粒界に析出し、これが結晶を強化したことによると考えられる。Ｎｂ炭化物であるNbCのNbは化学量論上、Ｃの約８倍であり、安定化ステンレス鋼ではＣの８倍以上と規定されているが、本発明では被溶接材の１つの鋳鉄はＣ量が高いこと及び試験結果を鑑みＣの５倍とした。

本発明の溶接ワイヤには、重量％で、Ｔａ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｃｕ：０．５％以下、Ｃｏ：０．５％以下のいずれか１種以上を更に含有させることができる。このようにすると、高温強度、耐食性、耐熱性を高めることができる。以下に、各組成の作用及び含有量の限定理由について説明する。

Ｔａ、Ｗは、Ｎｂと同様炭化物を形成、高温強度、耐酸化性に効果がある成分である。１％を越える量のＴａ、Ｗをそれぞれ添加しても効果は向上しない上に、溶接用ワイヤの製造が困難になる。

Ｍｏ，Ｖは、Ｎｂと同様炭化物を形成、高温強度、耐酸化性に効果がある成分である。０．５％を越える量のＭｏ，Ｖをそれぞれ添加しても効果は向上しない上に、溶接用ワイヤの製造が困難になる。

Ｃｕ，Ｃｏは、オーステナイト化元素で、Niと共に高温強度、耐食性、耐熱性に効果があり、Ｃｕは溶接金属の湯流れを良くし、良好なビード形成に効果がある。０．５％を越える量のＣｕ，Ｃｏをそれぞれ添加しても効果は向上しない。

重量％で、Ｃ：０．４〜０．８％、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｎ：０．７〜２．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：３０．０〜４０．０％、Cr：２０．０〜３０．０％、Ｎｂ：０．５〜３．０％、残部がＦｅ及び不可避不純物に限定すると、溶接金属の耐割れ性をさらに高めることができる。

また、このような溶接ワイヤにおいても、重量％で、Ｔａ：１．０％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｃｏ：０．５％以下のいずれか１種以上を更に含有させると、高温強度、耐食性、耐熱性を高めることができる。

本発明の溶接ワイヤを用いれば、溶接金属の耐割れ性を高めることができる。特にＮｂの添加により耐割れ性が向上したと考えられる。また、Ｎｉの含有量を抑えることができるので、溶接ワイヤの価格を抑えることができる。

本発明の効果を確認するために、各種の溶接ワイヤを作り、試験を行った。表１に示す組成の線径１．２ｍｍの実施例１〜１１及び比較例１〜１８の溶接ワイヤを作った。

次に、実施例１〜１１及び比較例１〜１８の溶接ワイヤを用いて下記の試験を行った。

（耐割れ性試験１Ａ）
耐割れ性試験１は、ＪＩＳ−Ｚ−３１５３のT型隅肉割れ試験に準拠して行った。具体的には、図１に示すように、１０ｍｍ×５０ｍｍ×１５０ｍｍの２枚のＦＣＤ４５０からなる鋳鉄母材（下記の表２に組成を示す）１を密着させてＴ型に配置し、試験ビードＢ１と拘束ビードＢ２とを形成するように、２つの鋳鉄母材に跨って各溶接ワイヤでシールドアーク溶接を行った。まず、９８％Ａｒ＋２％Ｏ_２のシールドガスを１５l/minの流速で流し、１５０Ａの電流及び２３Ｖの電圧により４０cm/minの溶接速度で実施例４の溶接ワイヤを用いて拘束ビードＢ２を形成した。次に、表１に示す各溶接ワイヤを用いて試験ビードＢ１を形成した。試験ビードＢ１は７０cm/minの溶接速度で溶接を行い、その他は拘束ビードＢ２と同じ条件で溶接した。そして、クレータ部を除く試験ビードＢ１の表面の割れ率［（割れ長さ／ビード長さ）×１００）］を求めて評価した。評価は、○：割れ率０％、△：割れ率 ０〜３０％、×：割れ率３０％以上とした。表１には、評価結果が併せて示されている。

表１より、実施例1〜１１の溶接ワイヤを用いれば、比較例６〜16の溶接ワイヤを用いた場合に比べて、割れ率が低く、耐割れ性が高いのが分かる。

（耐割れ性試験１Ｂ）
２枚の鋳鉄母材１を２ｍｍの空隙を隔ててＴ型に配置し、その他は耐割れ性試験１Ａと同様にして溶接を行い、試験ビードＢ１の表面の割れ率を求めて評価した。表１には、評価結果が併せて示されている。

表１より、各組成をさらに限定した実施例２，４，１１の溶接ワイヤ（Ｃ：０．４〜０．８％、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｎ：０．７〜２．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：３０．０〜４０．０％、Cr：２０．０〜３０．０％、Ｎｂ：０．５〜３．０％、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる溶接ワイヤ）を用いれば、実施例１，３，５〜１０及び比較例１〜５，１７，１８の溶接ワイヤを用いた場合に比べて、割れ率が低く、耐割れ性が高いのが分かる。

（耐割れ性試験２Ａ）
耐割れ性試験２は、図２に示すように、１０ｍｍ×５０ｍｍ×１５０ｍｍのＦＣＤ４５０からなる鋳鉄母材３と１．５ｍｍ×５０ｍｍ×１５０ｍｍのＳＵＨ４０９からなるステンレス鋼母材５（上記の表２に組成を示す）とを一部が重なるように配置し、継ぎ手部分に表１に示す各溶接ワイヤを用いて試験ビードＢ３を形成した。溶接は、耐割れ性試験１の試験ビードＢ１と同じ条件で行った。そして、クレータ部を除く試験ビードＢ３の表面の割れ率［（割れ長さ／ビード長さ）×１００）］を求めて評価した。評価は、○：割れ率０％、△：割れ率 ０〜３０％、×：割れ率３０％以上とした。表１には、評価結果が併せて示されている。

表１より、実施例２，４，１０の溶接ワイヤを用いれば、比較例８，１４，１６の溶接ワイヤを用いた場合に比べて、割れ率が低く、耐割れ性が高いのが分かる。

（耐割れ性試験２Ｂ）
耐割れ性試験２で溶接したものを試験ビードＢ３のスタート部及び終点部（クレータ）からそれぞれ５０ｍｍの位置で、試験ビードＢ３が延びる方向と直交する方向に切断した。そして、例えば、割れが３個の場合における図３に示すように、断面における割れ部Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の母材３，５の幅方向のそれぞれの長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３と 試験ビードＢ３の母材３，５の幅方向の長さＬとを求めた。そして、試験ビードＢ３の断面の割れ率［（割れ長さの合計：Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３／ビード長さ：Ｌ）×１００］を算出して評価した。評価は、各２箇所の断面の割れ率の平均値で、○：割れ率０％、△：割れ率 ０〜３０％、×：割れ率３０％以上とした。表１には、評価結果が併せて示されている。

表１より、実施例２，４，１０の溶接ワイヤを用いれば、比較例１，８，１４，１６，１８の溶接ワイヤを用いた場合に比べて、割れ率が低く、耐割れ性が高いのが分かる。

（耐割れ性試験３Ａ，３Ｂ）
鋳鉄母材３としてＦＣＤ４５０より割れ感受性の高いＦＣＤ５００（上記の表２に組成を示す）を用い、その他は耐割れ性試験２Ａ，２Ｂと同様に行った。表１には、評価結果が併せて示されている。

表１より、実施例２，４の溶接ワイヤを用いれば、比較例１，４，１４，１７の溶接ワイヤを用いた場合に比べて、割れ率が低く、耐割れ性が高いのが分かる。

（熱膨張率試験）
熱膨張計を用いて２００〜８００℃の範囲でＦＣＤ４５０からなる鋳鉄母材とＳＵＨ４０９からなるステンレス鋼母材と実施例４の溶接ワイヤと比較例４，１４，１６の溶接ワイヤの温度と熱膨張率との関係を調べた。図４はその測定結果を示している。

図４より、実施例４の溶接ワイヤは鋳鉄の溶接に多用されるインコネル系溶接ワイヤ（比較例４の溶接ワイヤ）と同程度の熱膨張率を示し、母材（ＦＣＤ４５０、ＳＵＨ４０９）より熱膨張率が少し高いのが分かる。このような熱膨張の特性により耐割れ性が向上したと考えられる。

各溶接ワイヤを用いて耐割れ性試験１を行う態様を説明するための図である。 各溶接ワイヤを用いて耐割れ性試験２Ａを行う態様を説明するための図である。 各溶接ワイヤを用いて耐割れ性試験２Ｂを行う態様を説明するための図である。 母材及び各溶接ワイヤの温度と熱膨張率との関係を示す図である。

符号の説明

１，３ 鋳鉄母材
５ ステンレス鋼母材
Ｂ１，Ｂ３ 試験ビード
Ｂ２ 拘束ビード

Claims (4)

1. 重量％で、Ｃ：０．１〜０．８％、Ｓｉ：０．４〜２．０％、Ｍｎ：０．４〜４．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：２０．０〜４０．０％、Cr：１０．０〜４０．０％、Ｎｂ：０．５〜４．０％、残部がＦｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする鋳鉄とステンレス鋼との溶接に用いる溶接ワイヤ。
2. 重量％で、Ｔａ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｃｕ：０．５％以下、Ｃｏ：０．５％以下のいずれか１種以上を更に含有することを特徴とする請求項１に記載の鋳鉄とステンレス鋼との溶接に用いる溶接ワイヤ。
3. 重量％で、Ｃ：０．４〜０．８％、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｎ：０．７〜２．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：３０．０〜４０．０％、Cr：２０．０〜３０．０％、Ｎｂ：０．５〜３．０％、残部がＦｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする鋳鉄とステンレス鋼との溶接に用いる溶接ワイヤ。
4. 重量％で、Ｔａ：１．０％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｃｏ：０．５％以下のいずれか１種以上を更に含有することを特徴とする請求項３に記載の鋳鉄とステンレス鋼との溶接に用いる溶接ワイヤ。

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