JP2008093715A - 高降伏強度高靭性ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】鋼製外皮およびフラックス中に、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量%の合計で、C:0.08〜0.3%、Si:0.2〜2%、Mn:0.5〜2.5%、P:0.02%以下、S:0.01%以下、Al:0.002〜0.3%、Ti:0.005〜0.3%、Ni:0.5〜11%、Mg:0.012〜0.5%、を含み、Mo:0.1〜4%、W:0.1〜3%、Nb:0.005〜0.1%、V:0.005〜0.5%、および、Ta:0.005〜0.5%の1種または2種以上を含有し、かつ、焼入性、析出強化、脱酸に関わる元素を各々パラメーターにより規定した、高降伏強度高靭性ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【選択図】 図1
Description
前記鋼製外皮およびフラックス中に、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量%の合計で、
C:0.08〜0.3%、
Si:0.2〜2%、
Mn:0.5〜2.5%、
P:0.02%以下、
S:0.01%以下、
Al:0.002〜0.3%、
Ti:0.005〜0.3%、
Ni:0.5〜11%、
Mg:0.012〜0.5%、
を含み、かつ、下記(1)式で示される炭素当量(Ceq.)が0.7〜2%、下記(2)式で示される脱酸元素当量(Aleq.)が0.2〜0.6%であり、さらに、
Mo:0.1〜4%、
W:0.1〜3%、
Nb:0.005〜0.1%、
V:0.005〜0.5%、および、
Ta:0.005〜0.5%、
のうちの1種または2種以上を含有し、かつ、下記(3)式で示されるNb当量(Nbeq.)が0.05〜0.5%であり、かつ、前記フラックス中に含有するスラグ形成剤およびアーク安定剤の含有量の合計を、ワイヤ全質量に対する質量%で、20%以下に制限し、残部がFeおよび不可避的不純物であり、かつ前記鋼製外皮はシームレスパイプであることを特徴とする高降伏強度高靭性ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
Ceq.=[C%]+[Mn%]/6+[Si%]/24+[Ni%]/40+[Mo%]/4+[W%]/8 ・・・(1)
Aleq.=[Al%]+[Mg%]+[Ti%]/10%+([Si%]+[Mn%])/30 ・・・(2)
Nbeq.=[Nb%]+[V%]/5+[Mo%]/20+[W%]/10+[Ta%]/5 ・・・(3)
ただし、上記[C%]、[Mn%]、[Si%]、[Ni%]、[Mo%]、[W%]、[Al%]、[Mg%]、[Ti%]、[Nb%]、[V%]および[Ta%]はそれぞれワイヤ中の鋼製外皮およびフラックス中に含有するC、Mn、Si、Ni、Mo、W、Al、Mg、Ti、Nb、VおよびTaのワイヤ全質量に対する質量%の合計を示す。
(2)前記鋼製外皮およびフラックス中に、金属または合金として、さらに、ワイヤ全質量に対する質量%の合計で、
Cu:0.01〜1.5%、
Cr:0.01〜2%、
Co:0.01〜6%、および、
B:0.001〜0.015%、
のうちの1種または2種以上を含有し、かつ下記(4)式で示される炭素当量(Ceq.)が0.7〜2%であることを特徴とする前記(1)に記載の高降伏強度高靭性ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
Ceq.=[C%]+[Mn%]/6+[Si%]/24+[Ni%]/40+[Cr%]/5+[Mo%]/4+[W%]/8 ・・・(4)
ただし、上記[C%]、[Mn%]、[Si%]、[Ni%]、[Cr%]、[Mo%]および[W%]はそれぞれワイヤ中の鋼製外皮およびフラックス中に含有するC、Mn、Si、Ni、Cr、MoおよびWのワイヤ全質量に対する質量%の合計を示す。
(3)質量%で、
Ca:0.0002〜0.01%、および、
REM:0.0002〜0.01%
のうちの1種または2種を含有し、かつ下記(5)式で示される脱酸元素当量(Aleq.)が0.2〜0.6%であることを特徴とする前記(1)または(2)に記載の高降伏強度高靭性ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
Aleq.=[Al%]+[Mg%]+[Ca%]+[REM%]/5+[Ti%]/10%+([Si%]+[Mn%])/30 ・・・(5)
ただし、上記[Al%]、[Mg%]、[Ca%]、[REM%]、[Ti]、[Si]および[Mn]はそれぞれワイヤ中の鋼製外皮およびフラックス中に含有するAl、Mg、Ca、REM、Ti、SiおよびMnのワイヤ全質量に対する質量%の合計を示す。
(4)上記(1)〜(3)の何れかに記載のフラックス入りワイヤは、前記鋼製外皮中に前記フラックスを充填した後、伸線途中または伸線後、600〜1100℃の加熱温度で焼鈍処理をしたものであることを特徴とする高降伏強度高靭性ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
溶接金属は基本的に凝固まま組織であり、鋼板のように熱間圧延等による細粒化工程や組織全体の焼戻し処理工程により組織制御することができず、明確な降伏現象を示さないため、引張強さの上昇に比例して降伏応力を高めることが困難である。
ワイヤ中の成分iの含有量の合計(質量%)=鋼製外皮中の成分iの含有量(質量%)×(1−充填率)+フラックス中の成分iの含有量(質量%)×充填率・・・(6)
なお、上記フラックス全質量は、金属または合金として添加する元素の他に、スラグ形成剤およびアーク安定剤を含んだフラックス中の成分含有量の合計量を意味する。また、フラックス中の成分含有量とは、フラックス全質量に対する、溶接金属組成に寄与する金属、合金中の元素量の割合を意味する。
Cは、強度を向上させる元素であり、溶接金属の降伏強度を1000MPa以上とするためには、溶接ワイヤ中に0.08%以上含有させる必要がある。
Siは、脱酸元素であり、溶接金属のO量を低減して清浄度を高めるために必要である。そのためには溶接ワイヤ中の含有量で最低限0.2%以上必要である。ただし、溶接ワイヤ中の含有量が2%を超えて過剰になると、溶接金属の靱性を著しく劣化させるため、本発明においては溶接ワイヤ中のSi含有量は0.2〜2%とする。
Mnは、焼入性を確保して強度を高めるために必須の元素である。強度向上効果を確実に発揮するためには、0.5%以上溶接ワイヤに含有させる必要がある。一方、溶接ワイヤに2.5%以上含有させると、残留オーステナイトが過剰に生成して降伏強度が含有量の割に向上しない上、粒界脆化感受性が増加して溶接金属の靱性劣化、耐溶接割れ性劣化の可能性が高くなるため、本発明においては、溶接ワイヤ中のMn含有量は0.5〜2.5%に限定する。
Pは不純物元素であり、靱性を阻害するため極力低減する必要があるが、溶接ワイヤ中の含有量が0.02%以下では靱性への悪影響が許容できるため、本発明では溶接ワイヤ中のP含有量は0.02%以下とする。
Sも不純物元素であり、溶接金属中に過大に存在すると靱性と延性とをともに劣化させるため、極力低減することが好ましい。溶接ワイヤ中の含有量が0.01%以下では靱性、延性への悪影響が許容できるため、本発明では溶接ワイヤ中のS含有量は0.01%以下とする。降伏強度が1100MPa以上となるような、特に高強度の溶接金属においては、Sの延性、靭性への悪影響がより顕著に表れるため、溶接ワイヤ中の含有量を0.005%以下にする方がより好ましい。
Alは脱酸元素であり、Siと同様、溶接金属中のO低減、清浄度向上に効果があり、本発明のフラックス入りワイヤにおいて溶接金属中のO量を許容範囲内とするためには必須の元素である。効果を発揮するためには溶接ワイヤ中に0.002%以上含有させる必要がある。一方、溶接ワイヤ中に0.3%を超えて過剰に含有させると、溶接金属中に粗大な酸化物を形成して、この粗大酸化物が靱性を著しく劣化させるため、好ましくない。
従って、本発明においては、溶接ワイヤ中のAl含有量を0.002〜0.3%とする。
TiもAlと同様、脱酸元素として有効であり、本発明のフラックス入りワイヤにおいて溶接金属中のO量を許容範囲内とするためには必須の元素である。さらに、固溶Nを固定して固溶Nの靱性への悪影響を緩和できるため、また、さらにはTiNを形成して多層盛溶接において再加熱される領域で加熱オーステナイト粒径を微細化するため、靭性向上にも有効である。これら効果を発揮させるためには、0.005%以上溶接ワイヤ中に含有させる必要がある。ただし、溶接ワイヤ中の含有量が0.3%を超えて過剰になると、粗大な酸化物の形成に起因した靱性劣化、過度な析出強化による靱性劣化が生じる可能性が大となる。
Niは固溶靱化により組織、成分によらず靱性を向上できる唯一の元素であり、特に、降伏強度が1000MPa以上の高強度の溶接金属で靱性を高めるには必須の元素である。固溶靱化効果を確実に発揮するためには溶接ワイヤ中に0.5%以上含有させる必要がある。Ni含有量が多いほど靱性を向上する上で有利であるが、溶接ワイヤ中の含有量が11%を超えると、該効果が飽和するのと、残留オーステナイトが過剰に生成して降伏強度が含有量の割に向上しない上、溶接ワイヤの製造コストが過大となるため、好ましくない。そのため、本発明においては、溶接ワイヤ中のNi含有量を0.5〜11%に限定する。
Mgは強脱酸元素であり、Si、Mn、AlおよびTiと複合添加し、溶接金属中のO量を低減し、溶接金属の延性及び靭性を向上させるために必須な元素であり、この効果を発揮するためには溶接ワイヤ中に0.012%以上含有させる必要がある。
Moは、焼入性向上元素であるが、かつ、フェライト安定化元素であるために残留オーステナイト低減に有効であり、また、微細炭化物を形成して、析出強化により降伏強度確保に有効である。これらの効果を発揮するためには、他の同様の効果を有する元素との複合効果を考慮しても最低限0.1%必要である。一方、4%を超えて溶接ワイヤ中に含有させると、粗大な析出物が生じて溶接金属の靭性を劣化させるため、本発明においては、溶接ワイヤ中にMoを含有させる場合の含有量は0.1〜4%とする。
Wも、Moとほぼ同様、焼入性向上元素であるが、かつ、フェライト安定化元素であるために残留オーステナイト低減に有効であり、また、微細炭化物を形成して、析出強化により降伏強度確保に有効である。これらの効果を発揮するためには、他の同様の効果を有する元素との複合効果を考慮しても最低限0.1%必要である。一方、3%を超えて溶接ワイヤ中に含有させると、靭性劣化が著しくなるため、本発明においては、溶接ワイヤ中にWを含有させる場合の含有量は0.1〜3%とする。
Nbもフェライト安定化元素であり、残留オーステナイト低減に有効であり、また、微細炭化物を形成して、析出強化により降伏強度確保に有効である。これらの効果を発揮するためには、他の同様の効果を有する元素との複合効果を考慮しても最低限0.005%必要である。一方、0.1%を超えて溶接ワイヤ中に含有させると、溶接金属中に過剰に含有され、粗大な析出物を形成して靭性を劣化させるため好ましくない。そのため、本発明においては、溶接ワイヤ中にNbを含有させる場合の含有量は0.005〜0.1%とする。
Vもフェライト安定化元素であり、残留オーステナイト低減に有効であり、また、微細炭化物を形成して、析出強化により降伏強度確保に有効である。これらの効果を発揮するためには、他の同様の効果を有する元素との複合効果を考慮しても最低限0.005%必要である。一方、0.5%を超えて溶接ワイヤ中に含有させると、溶接金属中に過剰に含有され、粗大な析出物を形成して靭性を劣化させるため好ましくない。そのため、本発明においては、溶接ワイヤ中にVを含有させる場合の含有量は0.005〜0.5%とする。
Taもフェライト安定化元素であり、残留オーステナイト低減に有効であり、また、微細炭化物を形成して、析出強化により降伏強度確保に有効である。これらの効果を発揮するためには、他の同様の効果を有する元素との複合効果を考慮しても最低限0.005%必要である。一方、0.5%を超えて溶接ワイヤ中に含有させると、溶接金属中に過剰に含有され、粗大な析出物を形成して靭性を劣化させるため好ましくない。そのため、本発明においては、溶接ワイヤ中にTaを含有させる場合の含有量は0.005〜0.5%とする。
溶接金属において、引張強さTSを1200MPa以上で、かつ降伏強度を1000MPa以上に向上するためには、溶接金属の焼入性を確保して溶接金属の変態組織を基本的にはマルテンサイト単相組織とする必要がある。わずかなベイナイト組織の生成は許容されるが、マルテンサイトの割合が90%以上のマルテンサイト主体組織とする必要がある。
上記(2)式で示される脱酸元素当量(Aleq.)は溶接金属における脱酸の効果をAl当量で表した実験データに基づく指標である。本発明の目的とする、引張強度が1200MPa以上、かつ降伏強度が1000MPa以上の高強度溶接金属において、溶接金属中のO量に起因する延性や靭性を劣化させずに、−40℃での2mmVノッチシャルピー衝撃試験における吸収エネルギーvE-40で27J以上の靭性を確保するためには、溶接金属中のO量を一定以下に抑制する必要がある。
Mo、W、Nb、V、および、Taの析出元素による降伏強度向上効果は、溶接金属中に析出した炭窒化物が応力付加時に移動する転位の抵抗になる効果と、マルテンサイト変態時に導入された可動転位上に析出して転位を固着する効果によるものと考えられる。
フラックス中のスラグ形成剤及びアーク安定剤の含有量の合計が、ワイヤ全質量に対する質量%で20%を超えると、溶接時にスラグ量が過度に増加し、溶接作業性が阻害される。
Cuは溶接ワイヤがメッキされて使用される場合には不可避的にワイヤ及び溶接金属に含有される。Cuは強度向上には有効な元素であり、効果を発揮させるためには0.01%以上含有させる必要がある。ただし、過剰に含有されると、溶接金属の靭性の劣化や耐高温割れ性の劣化を招くため好ましくない。メッキとして含有される場合、あるいは強度向上のために意図的に含有する場合とも、溶接金属の靭性の劣化や耐高温割れ性の劣化を生じない上限として、本発明においては、ワイヤのCu含有量の上限は1.5%とする。なお、Cuについてはその含有量は外皮自体やフラックス中に含有されている分に加えて、ワイヤ表面のメッキ分も含む。
Crは、焼入性を高めることにより高強度化に有効元素である。そのために溶接ワイヤ中に含有させる場合は0.01%以上必要である。一方、2%を超えて過剰に含有させると、ベイナイトやマルテンサイトを不均一に硬化させ、靱性を著しく劣化させるため、本発明においては、溶接ワイヤ中の含有量の上限を2%とする。
Coは、ベイナイト〜マルテンサイト組織において、極端に変態点が低下することを抑制することで、強度の調整、残留オーステナイトの生成抑制を介した降伏強度の確保に有効な元素である。該効果を確実に発揮するためには溶接ワイヤ中に0.01%以上含有させる必要がある。一方、6%を超えて含有させても効果が飽和し、製造コストが過大となるため、本発明においては、溶接ワイヤにCoを含有させる場合はその範囲を0.01〜6%とする。
Bは、溶接金属中に適正量含有させると、固溶Nと結びついてBNを形成して、固溶Nの靭性に対する悪影響を減じる効果があり、また、焼入性を高めて強度向上に寄与し得る元素である。これらの効果を確実に発揮するためには、溶接ワイヤ中のB含有量は0.001%以上必要である。一方、溶接ワイヤ中のB含有量が0.015%超になると、溶接金属中のBが過剰となり、粗大なBNやFe23(C、B)6等のB化合物を形成して靭性を逆に劣化させるため、好ましくない。そこで、本発明においては、溶接ワイヤにBを含有させる場合は、0.001〜0.015%に限定する。
Ca、REMはいずれも硫化物の構造を変化させ、また溶接金属中での硫化物、酸化物のサイズを微細化して延性及び靭性向上に有効である。その効果を発揮するための下限の含有量は、いずれも0.0002%である。一方、過剰に含有すると、硫化物や酸化物の粗大化を生じ、延性、靭性の劣化を招くため、また、溶接ビード形状の劣化、溶接性の劣化の可能性も生じるため、上限をいずれも0.01%とする。
ただし、より確実に、耐低温割れ停止特性を確保することを目的として、製造工程で水素減を低減するために、最終線径よりも大きな径を有するフラックス入り原線ワイヤから冷間成形により所望の線径にする製造工程において、鋼製外皮中にフラックスを充填した後の伸線途中あるいは伸線工程完了後に、加熱温度が600〜1100℃の焼鈍を少なくとも1回施すことができる。
Claims (4)
- 鋼製外皮の内部にフラックスが充填されたフラックス入りワイヤにおいて、
前記鋼製外皮およびフラックス中に、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量%の合計で、
C:0.08〜0.3%、
Si:0.2〜2%、
Mn:0.5〜2.5%、
P:0.02%以下、
S:0.01%以下、
Al:0.002〜0.3%、
Ti:0.005〜0.3%、
Ni:0.5〜11%、
Mg:0.012〜0.5%
を含み、かつ、下記(1)式で示される炭素当量(Ceq.)が0.7〜2%、下記(2)式で示される脱酸元素当量(Aleq.)が0.2〜0.6%であり、さらに、
Mo:0.1〜4%、
W:0.1〜3%、
Nb:0.005〜0.1%、
V:0.005〜0.5%、および、
Ta:0.005〜0.5%
のうちの1種または2種以上を含有し、かつ、下記(3)式で示されるNb当量(Nbeq.)が0.05〜0.5%であり、
かつ、前記フラックス中に含有するスラグ形成剤およびアーク安定剤の含有量の合計を、ワイヤ全質量に対する質量%で、20%以下に制限し、残部がFeおよび不可避的不純物であり、
かつ前記鋼製外皮はシームレスパイプであることを特徴とする高降伏強度高靭性ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
Ceq.=[C%]+[Mn%]/6+[Si%]/24+[Ni%]/40+[Mo%]/4+[W%]/8 ・・・(1)
Aleq.=[Al%]+[Mg%]+[Ti%]/10%+([Si%]+[Mn%])/30 ・・・(2)
Nbeq.=[Nb%]+[V%]/5+[Mo%]/20+[W%]/10+[Ta%]/5 ・・・(3)
ただし、上記[C%]、[Mn%]、[Si%]、[Ni%]、[Mo%]、[W%]、[Al%]、[Mg%]、[Ti%]、[Nb%]、[V%]および[Ta%]はそれぞれワイヤ中の鋼製外皮およびフラックス中に含有するC、Mn、Si、Ni、Mo、W、Al、Mg、Ti、Nb、VおよびTaのワイヤ全質量に対する質量%の合計を示す。 - 前記鋼製外皮およびフラックス中に、金属または合金として、さらに、ワイヤ全質量に対する質量%の合計で、
Cu:0.01〜1.5%、
Cr:0.01〜2%、
Co:0.01〜6%、および、
B:0.001〜0.015%
のうちの1種または2種以上を含有し、かつ下記(4)式で示される炭素当量(Ceq.)が0.7〜2%であることを特徴とする請求項1に記載の高降伏強度高靭性ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
Ceq.=[C%]+[Mn%]/6+[Si%]/24+[Ni%]/40+[Cr%]/5+[Mo%]/4+[W%]/8 ・・・(4)
ただし、上記[C%]、[Mn%]、[Si%]、[Ni%]、[Cr%]、[Mo%]および[W%]はそれぞれワイヤ中の鋼製外皮およびフラックス中に含有するC、Mn、Si、Ni、Cr、MoおよびWのワイヤ全質量に対する質量%の合計を示す。 - 質量%で、
Ca:0.0002〜0.01%、および、
REM:0.0002〜0.01%
のうちの1種または2種を含有し、かつ下記(5)式で示される脱酸元素当量(Aleq.)が0.2〜0.6%であることを特徴とする請求項1または2に記載の高降伏強度高靭性ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
Aleq.=[Al%]+[Mg%]+[Ca%]+[REM%]/5+[Ti%]/10%+([Si]+[Mn])/30 ・・・(5)
ただし、上記[Al%]、[Mg%]、[Ca%]、[REM%]、[Ti]、[Si]および[Mn]はそれぞれワイヤ中の鋼製外皮およびフラックス中に含有するAl、Mg、Ca、REM、Ti、SiおよびMnのワイヤ全質量に対する質量%の合計を示す。 - 前記請求項1〜3の何れかに記載のフラックス入りワイヤは、前記鋼製外皮中に前記フラックスを充填した後、伸線途中または伸線後、600〜1100℃の加熱温度で焼鈍処理をしたものであることを特徴とする高降伏強度高靭性ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
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