JP2010202973A - ブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＴＩＧ溶接部にブラックスポットが生成しにくく、溶接部の耐食性および加工性に優れた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：０．０２０％以下，Ｎ：０．０２５％以下，Ｓｉ：１．０％以下，Ｍｎ：０．５％以下，Ｐ：０．０３５％以下，Ｓ：０．０１％以下，Ｃｒ：１６〜２５％，Ａｌ：０．１５％以下，Ｔｉ：０．０５〜０．５％，Ｃａ：０．００１５％以下を含有し，残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり，下記(１)式を満足する，溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼とする。
ＢＩ＝３Ａｌ＋Ｔｉ＋０．５Ｓｉ＋２００Ｃａ≦０．８…（１）（なお、（１）式中のＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａは、鋼中の各成分の含有量［質量％］である。）
【選択図】図３
【解決手段】質量％で，Ｃ：０．０２０％以下，Ｎ：０．０２５％以下，Ｓｉ：１．０％以下，Ｍｎ：０．５％以下，Ｐ：０．０３５％以下，Ｓ：０．０１％以下，Ｃｒ：１６〜２５％，Ａｌ：０．１５％以下，Ｔｉ：０．０５〜０．５％，Ｃａ：０．００１５％以下を含有し，残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり，下記(１)式を満足する，溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼とする。
ＢＩ＝３Ａｌ＋Ｔｉ＋０．５Ｓｉ＋２００Ｃａ≦０．８…（１）（なお、（１）式中のＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａは、鋼中の各成分の含有量［質量％］である。）
【選択図】図３
Description
本発明は、ＴＩＧ溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼に関するものである。
フェライト系ステンレス鋼は一般に耐食性に優れるだけでなく、オーステナイト系ステンレス鋼に比較して熱膨張係数が小さいことや、耐応力腐食割れ性に優れる等の特徴を有する。
このため、食器、厨房機器や屋根材をはじめとする建築外装材料、貯水・貯湯用材料などに広く用いられている。さらに近年、Ｎｉ原料の価格高騰により、オーステナイト系ステンレス鋼からの切り替え需要も多く、その用途は広まってきている。
このため、食器、厨房機器や屋根材をはじめとする建築外装材料、貯水・貯湯用材料などに広く用いられている。さらに近年、Ｎｉ原料の価格高騰により、オーステナイト系ステンレス鋼からの切り替え需要も多く、その用途は広まってきている。
このようなステンレス鋼の構造体においては、溶接施工は不可欠なものである。元来フェライト系ステンレス鋼はそのＣ，Ｎ固溶限が小さいことから溶接部で鋭敏化を生じ、耐食性が低下する問題があった。この問題を解決するために、Ｃ，Ｎ量の低減やＴｉやＮｂなどの安定化元素の添加によるＣ，Ｎの固定等により、溶接金属部の鋭敏化を抑制する方法（例えば特許文献１参照）が提案されており、広く実用化されている。
また、フェライト系ステンレス鋼の溶接部における耐食性については、溶接の入熱で生じたスケール部は耐食性が劣化することが知られており、オーステナイト系ステンレス鋼に比較して不活性ガスによるシールドを十分に実施することが重要であることが知られている。
また、特許文献２には、式Ｐ１＝５Ｔｉ＋２０(Ａｌ−０．０１)≧１．５（式中のＴｉ，Ａｌは鋼中のそれぞれの含有量を示す）を満たすようにＴｉとＡｌを添加することで、溶接熱影響部の耐食性を改善するＡｌ酸化皮膜を、溶接時の鋼の表層部に形成させる技術が開示されている。
また、特許文献２には、式Ｐ１＝５Ｔｉ＋２０(Ａｌ−０．０１)≧１．５（式中のＴｉ，Ａｌは鋼中のそれぞれの含有量を示す）を満たすようにＴｉとＡｌを添加することで、溶接熱影響部の耐食性を改善するＡｌ酸化皮膜を、溶接時の鋼の表層部に形成させる技術が開示されている。
また、特許文献３には、ＡｌとＴｉとの複合添加に加え、Ｓｉを一定量以上添加することで、溶接部の耐すき間腐食性を向上させる技術が開示されている。
また、特許文献４には、４Ａｌ＋Ｔｉ≦０．３２（式中のＴｉ，Ａｌは鋼中のそれぞれの含有量を示す）を満足することで、溶接時の入熱を低減させて溶接部のスケール生成を抑制し、溶接部の耐食性を向上させる技術が開示されている。
前述の従来技術は、溶接部や溶接熱影響部の耐食性を改善させることを目的としたものである。
また、特許文献４には、４Ａｌ＋Ｔｉ≦０．３２（式中のＴｉ，Ａｌは鋼中のそれぞれの含有量を示す）を満足することで、溶接時の入熱を低減させて溶接部のスケール生成を抑制し、溶接部の耐食性を向上させる技術が開示されている。
前述の従来技術は、溶接部や溶接熱影響部の耐食性を改善させることを目的としたものである。
その他に、溶接部ではなく素材自身の耐候性および耐すき間腐食性を向上させる手段として、Ｐを積極的に添加し、ＣａおよびＡｌを適正量添加する技術がある（例えば、特許文献５参照）。特許文献５において、ＣａおよびＡｌは、鋼中の非金属介在物の形状と分布を制御するために添加されている。なお、特許文献５の最大の特徴はＰを０．０４％超えで添加することであり、特許文献５には溶接時の効果については一切記載がない。
従来のフェライト系ステンレス鋼においては、溶接部におけるシールド条件を適正化しても、溶接後の溶接裏ビード上に一般にブラックスポットやスラグスポットと呼ばれる黒点が点在することがあった。ブラックスポットは、ＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接の凝固時に、酸素との親和力の強いＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａが酸化物として溶接金属上に固化したものである。ブラックスポットの発生には、溶接条件、特に不活性ガスによるシールド条件が大きく影響しており、シールドが不十分なほどブラックスポットが多く発生する。
なお、ブラックスポット自身は酸化物であるため、ブラックスポットが少量点在していても、溶接部の耐食性及び加工性には全く問題がない。しかしながら、ブラックスポットが多量に生成したり連続的に生成したりすると、溶接部を研磨処理せずにそのままで用いる場合の外観を損ねるだけでなく、溶接部を加工した際にブラックスポット部の剥離が生じる場合がある。ブラックスポット部の剥離が生じると、加工性が低下したり、剥離したブラックスポット部とのすき間において、すき間腐食が生じたりする等の問題が発生する場合がある。また、溶接後に加工を施さない場合でも、ブラックスポットが厚く生成すると、構造上、溶接部に応力がかかるものではブラックスポットが剥離して耐食性が低下する場合がある。
したがって、ＴＩＧ溶接部の耐食性を向上させるには、単に溶接ビード部や溶接スケール部自体の耐食性を向上させるだけでなく、溶接部に生成するブラックスポットを制御することが重要である。しかしながら、溶接時に生じる変色を伴うスケールについては、溶接のシールド条件を強化する方法により、ほぼ抑制可能であるが、ＴＩＧ溶接部に生成するブラックスポットについては、シールド条件を強化したとしても従来の技術では十分に抑制することはできなかった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ＴＩＧ溶接部にブラックスポットが生成しにくく、溶接部の耐食性および加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供することを課題とするものである。
本発明者は、ブラックスポットの生成量を抑制するために以下に示すように鋭意研究を重ねた。その結果、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａ量を最適化することにより、ＴＩＧ溶接部におけるブラックスポットの生成を抑制できることを見出し、本発明のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼を想到した。
本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）質量％で，Ｃ：０．０２０％以下，Ｎ：０．０２５％以下，Ｓｉ：１．０％以下，Ｍｎ：０．５％以下，Ｐ：０．０３５％以下，Ｓ：０．０１％以下，Ｃｒ：１６〜２５％，Ａｌ：０．１５％以下，Ｔｉ：０．０５〜０．５％，Ｃａ：０．００１５％以下を含有し，残部としてＦｅおよび不可避的不純物からなり，下記(１)式を満足することを特徴とする，溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼。
ＢＩ＝３Ａｌ＋Ｔｉ＋０．５Ｓｉ＋２００Ｃａ≦０．８ …（１）
（なお、（１）式中のＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａは、鋼中の各成分の含有量［質量％］である。）
（１）質量％で，Ｃ：０．０２０％以下，Ｎ：０．０２５％以下，Ｓｉ：１．０％以下，Ｍｎ：０．５％以下，Ｐ：０．０３５％以下，Ｓ：０．０１％以下，Ｃｒ：１６〜２５％，Ａｌ：０．１５％以下，Ｔｉ：０．０５〜０．５％，Ｃａ：０．００１５％以下を含有し，残部としてＦｅおよび不可避的不純物からなり，下記(１)式を満足することを特徴とする，溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼。
ＢＩ＝３Ａｌ＋Ｔｉ＋０．５Ｓｉ＋２００Ｃａ≦０．８ …（１）
（なお、（１）式中のＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａは、鋼中の各成分の含有量［質量％］である。）
（２）さらに、質量％で、Ｎｂ：０．６％以下を含むことを特徴とする（１）に記載の溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼。
（３）さらに、質量％で、Ｍｏ：３．０％以下を含むことを特徴とする（１）または（２）に記載の溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼。
（４）さらに、質量％で、Ｃｕ：２．０％以下、Ｎｉ：２．０％以下から選ばれる一種又は二種を含むことを特徴とする（１）から（３）の何れかに記載の溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼。
（５）さらに、質量％で、Ｖ：０．２％以下、Ｚｒ：０．２％以下から選ばれる一種又は二種を含むことを特徴とする（１）から（４）の何れかに記載の溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼。
（６）さらに、質量％で、Ｂ：０．００５％以下を含有することを特徴とする（１）から（５）のいずれかに記載の溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼。
（３）さらに、質量％で、Ｍｏ：３．０％以下を含むことを特徴とする（１）または（２）に記載の溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼。
（４）さらに、質量％で、Ｃｕ：２．０％以下、Ｎｉ：２．０％以下から選ばれる一種又は二種を含むことを特徴とする（１）から（３）の何れかに記載の溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼。
（５）さらに、質量％で、Ｖ：０．２％以下、Ｚｒ：０．２％以下から選ばれる一種又は二種を含むことを特徴とする（１）から（４）の何れかに記載の溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼。
（６）さらに、質量％で、Ｂ：０．００５％以下を含有することを特徴とする（１）から（５）のいずれかに記載の溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼。
本発明によれば、ＴＩＧ溶接部にブラックスポットが生成しにくく、ＴＩＧ溶接部の耐食性および加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供できる。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼は、下記(１)式を満足するものである。
ＢＩ＝３Ａｌ＋Ｔｉ＋０．５Ｓｉ＋２００Ｃａ≦０．８ …（１）
（なお、（１）式中のＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａは、鋼中の各成分の含有量［質量％］である。）
Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａは、酸素との親和力が特に強い元素であり、ＴＩＧ溶接時にブラックスポットを生成させる元素である。また、鋼中に含まれるＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａの含有量を多くするほど、ブラックスポットが生成されやすくなる。上記(１)式におけるＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａの係数は、ブラックスポットの生成を促進する作用の大きさ（強さ）と鋼中の含有量とに基づいて決定されている。より詳細には、Ａｌは、後述する実験例に示されるように、ブラックスポットに最も高濃度で含まれており、ブラックスポットの生成を促進する作用が特に大きい元素である。このため、上記(１)式において、Ａｌの係数を３としている。また、Ｃａは鋼中の含有量が少ないにもかかわらず、ブラックスポットに高濃度で含まれており、ブラックスポットの生成を促進する作用が大きい元素である。このため、Ｃａの係数を２００としている。
上記ＢＩ値が０．８を超えると、ブラックスポットの生成が顕著になる。これに対して、ＢＩ値が０．８以下であると、ＴＩＧ溶接部のブラックスポットの生成が十分に少なくなり、耐食性に優れたものとなる。また、ＢＩ値が０．４以下である場合には、ブラックスポットの生成をより効果的に抑制でき、ＴＩＧ溶接部の耐食性をより一層向上させることができる。
本発明の溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼は、下記(１)式を満足するものである。
ＢＩ＝３Ａｌ＋Ｔｉ＋０．５Ｓｉ＋２００Ｃａ≦０．８ …（１）
（なお、（１）式中のＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａは、鋼中の各成分の含有量［質量％］である。）
Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａは、酸素との親和力が特に強い元素であり、ＴＩＧ溶接時にブラックスポットを生成させる元素である。また、鋼中に含まれるＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａの含有量を多くするほど、ブラックスポットが生成されやすくなる。上記(１)式におけるＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａの係数は、ブラックスポットの生成を促進する作用の大きさ（強さ）と鋼中の含有量とに基づいて決定されている。より詳細には、Ａｌは、後述する実験例に示されるように、ブラックスポットに最も高濃度で含まれており、ブラックスポットの生成を促進する作用が特に大きい元素である。このため、上記(１)式において、Ａｌの係数を３としている。また、Ｃａは鋼中の含有量が少ないにもかかわらず、ブラックスポットに高濃度で含まれており、ブラックスポットの生成を促進する作用が大きい元素である。このため、Ｃａの係数を２００としている。
上記ＢＩ値が０．８を超えると、ブラックスポットの生成が顕著になる。これに対して、ＢＩ値が０．８以下であると、ＴＩＧ溶接部のブラックスポットの生成が十分に少なくなり、耐食性に優れたものとなる。また、ＢＩ値が０．４以下である場合には、ブラックスポットの生成をより効果的に抑制でき、ＴＩＧ溶接部の耐食性をより一層向上させることができる。
次に、本発明のフェライト系ステンレス鋼の成分組成について、詳細に説明する。
まず、上記(１)式を規定する各元素について説明する。
Ａｌは脱酸元素として重要であり，また非金属介在物の組成を制御して組織を微細化する効果もある。しかし、Ａｌはブラックスポットの生成に最も寄与する元素である。また、Ａｌの過剰な添加は、非金属介在物の粗大化を招き，製品の疵発生の起点になる恐れもある。そのため，Ａｌ含有量の上限値を０．１５％以下とした。脱酸のためにはＡｌを０．０１％以上含有させることが好ましい。Ａｌ含有量は、より望ましくは０．０３％〜０．１０％である。
まず、上記(１)式を規定する各元素について説明する。
Ａｌは脱酸元素として重要であり，また非金属介在物の組成を制御して組織を微細化する効果もある。しかし、Ａｌはブラックスポットの生成に最も寄与する元素である。また、Ａｌの過剰な添加は、非金属介在物の粗大化を招き，製品の疵発生の起点になる恐れもある。そのため，Ａｌ含有量の上限値を０．１５％以下とした。脱酸のためにはＡｌを０．０１％以上含有させることが好ましい。Ａｌ含有量は、より望ましくは０．０３％〜０．１０％である。
Ｔｉは，Ｃ，Ｎを固定し，溶接部の粒界腐食を抑制して加工性を向上させる上で非常に重要な元素である。しかしながら、Ｔｉの過剰な添加は、ブラックスポットを生成させるだけでなく、製造時の表面疵の原因となる。このため，Ｔｉ含有量の範囲を０．０５％〜０．５％とした。より望ましくは０．０７％〜０．３５％である。
Ｓｉは，脱酸元素として重要な元素であり，耐食性，耐酸化性の向上にも有効である。しかし、Ｓｉの過剰な添加はブラックスポットの生成を促進するだけでなく、加工性，製造性を低下させる。そのため、Ｓｉの含有量の上限値を１．０％とした。脱酸のためにはＳｉを０．０１％以上含有させることが好ましい。Ｓｉ含有量は、より望ましくは０．０５％〜０．３％である．
Ｓｉは，脱酸元素として重要な元素であり，耐食性，耐酸化性の向上にも有効である。しかし、Ｓｉの過剰な添加はブラックスポットの生成を促進するだけでなく、加工性，製造性を低下させる。そのため、Ｓｉの含有量の上限値を１．０％とした。脱酸のためにはＳｉを０．０１％以上含有させることが好ましい。Ｓｉ含有量は、より望ましくは０．０５％〜０．３％である．
Ｃａは脱酸元素として非常に重要であり、非金属介在物として鋼中に微量に含まれる。ただしＣａは非常に酸化されやすいため、溶接時にブラックスポットを生成させる大きな要因となる。また、Ｃａは、水溶性介在物を生成させて、耐食性を低下させる場合もある。このため、Ｃａの含有量は極力低いことが望ましく、Ｃａの含有量の上限値を０．００１５％以下とした。より好ましくは０．００１２％以下である。
次に、本発明のフェライト系ステンレス鋼を構成するその他元素について説明する。
Ｃは，耐粒界腐食性および加工性を低下させるため，その含有量を低減させる必要がある。このため，Ｃの含有量の上限値を０．０２０％以下とした。しかし、Ｃの含有量を過度に低減させると、精錬コストが悪化するため，０．００２％〜０．０１５％であることがより望ましい。
Ｎは，Ｃと同様に耐粒界腐食性，加工性を低下させるため，その含有量を低減させる必要がある。このため，Ｎの含有量の上限を０．０２５％以下とした。しかし、Ｎの含有量を過度に低減させると、精錬コストが悪化するため、０．００２％〜０．０１５％であることがより望ましい。
Ｃは，耐粒界腐食性および加工性を低下させるため，その含有量を低減させる必要がある。このため，Ｃの含有量の上限値を０．０２０％以下とした。しかし、Ｃの含有量を過度に低減させると、精錬コストが悪化するため，０．００２％〜０．０１５％であることがより望ましい。
Ｎは，Ｃと同様に耐粒界腐食性，加工性を低下させるため，その含有量を低減させる必要がある。このため，Ｎの含有量の上限を０．０２５％以下とした。しかし、Ｎの含有量を過度に低減させると、精錬コストが悪化するため、０．００２％〜０．０１５％であることがより望ましい。
Ｍｎは，脱酸元素として重要な元素であるが，過剰に添加すると腐食の起点となるＭｎＳを生成しやすくなり，またフェライト組織を不安定化させる。このため，Ｍｎの含有量を０．５％以下とした。脱酸のためにはＭｎを０．０１％以上含有させることが好ましい。より望ましくは，０．０５％〜０．３％である。
Ｐは，溶接性，加工性を低下させるだけでなく，粒界腐食を生じやすくするため，低く抑える必要がある。そのためＰの含有量を０．０３５％以下とした。より望ましくは０．００１％〜０．０２％である。
Ｐは，溶接性，加工性を低下させるだけでなく，粒界腐食を生じやすくするため，低く抑える必要がある。そのためＰの含有量を０．０３５％以下とした。より望ましくは０．００１％〜０．０２％である。
Ｓは，ＣａＳやＭｎＳ等の腐食の起点となる水溶性介在物を生成させるため，低減させる必要がある。そのため、Ｓの含有量は０．０１％以下とする。ただし、過度の低減はコストの悪化を招く。このため，Ｓの含有量は、０．０００１％〜０．００５％であることがより望ましい。
Ｃｒは，ステンレス鋼の耐食性を確保する上で最も重要な元素であり，フェライト組織を安定化するために１６％以上含有させる必要がある。しかし、Ｃｒは、加工性，製造性を低下させるため，上限を２５％以下とした。Ｃｒの含有量は、望ましくは１６．５％〜２３％であり，より望ましくは１８．０％〜２２．５％である。
Ｎｂは，その特性上単独またはＴｉと複合して添加することが可能である。ＮｂをＴｉとともに含有させる場合（Ｔｉ＋Ｎｂ）／（Ｃ＋Ｎ）≧６（式中のＴｉ、Ｎｂ、Ｃ、Ｎは、鋼中の各成分の含有量［質量％］である。）を満たすことが好ましい。
Ｎｂは，Ｔｉと同様にＣ，Ｎを固定し，溶接部の粒界腐食を抑制して加工性を向上させる元素である。ただし、Ｎｂの過剰な添加は，加工性を低下させるため，Ｎｂの含有量の上限を０．６％以下とすることが好ましい。また、Ｎｂを含有させることにより、上記の特性を向上させるためには、Ｎｂを０．０５％以上含有させることが好ましい。Ｎｂの含有量は、望ましくは０．１％〜０．５％であり、更に望ましくは０．１５％〜０．４％である。
Ｎｂは，Ｔｉと同様にＣ，Ｎを固定し，溶接部の粒界腐食を抑制して加工性を向上させる元素である。ただし、Ｎｂの過剰な添加は，加工性を低下させるため，Ｎｂの含有量の上限を０．６％以下とすることが好ましい。また、Ｎｂを含有させることにより、上記の特性を向上させるためには、Ｎｂを０．０５％以上含有させることが好ましい。Ｎｂの含有量は、望ましくは０．１％〜０．５％であり、更に望ましくは０．１５％〜０．４％である。
Ｍｏは，不働態皮膜の補修に効果があり，耐食性を向上させるのに非常に有効な元素である。また、ＭｏはＣｒとともに含有されることにより耐孔食性を効果的に向上させる効果がある。またＭｏは，Ｎｉとともに含有されることにより耐流れさび性を改善する効果がある。しかし、Ｍｏを増加させると，加工性が低下し，コストが高くなる。このため、Ｍｏの含有量の上限を３．０％以下とすることが好ましい。また、Ｍｏを含有させることにより、上記の特性を向上させるためには、Ｍｏを０．３０％以上含有させることが好ましい。Ｍｏの含有量は、望ましくは，０．６０％〜２．５％であり，より望ましくは０．９％〜２．０％である。
Ｎｉは，活性溶解速度を抑制させる効果を有し，また水素過電圧が小さいために再不働態化特性に優れる。ただし、Ｎｉの過剰な添加は，加工性を低下させ，フェライト組織を不安定にする。このため，Ｎｉの含有量の上限を２．０％以下とすることが好ましい。また、Ｎｉを含有させることにより、上記の特性を向上させるためには、Ｎｉを０．０５％以上含有させることが好ましい。Ｎｉの含有量は、望ましくは０．１％〜１．２％であり，より望ましくは０．２％〜１．１％である。
Ｃｕは，Ｎｉと同様に活性溶解速度を低下させるだけでなく，再不働態化を促進する効果を有する。しかし、Ｃｕの過剰な添加は，加工性を低下させる。このため，Ｃｕを添加する場合は上限を２．０％以下とすることが好ましい。Ｃｕを含有させることにより、上記の特性を向上させるためには、Ｃｕは０．０５％以上含有させることが好ましい。Ｃｕの含有量は、望ましくは，０．２％〜１．５％であり、更に望ましくは０．２５％〜１．１％である。
ＶおよびＺｒは、耐候性や耐すき間腐食性を改善する。また，Ｃｒ，Ｍｏの使用を抑えてＶを添加すれば優れた加工性も担保することができる。ただし、Ｖおよび／またはＺｒの過度の添加は加工性を低下させる上，耐食性向上効果も飽和するため，Ｖおよび／またはＺｒを含有する場合の含有量の上限を０．２％以下とすることが好ましい。また、Ｖおよび／またはＺｒを含有させることにより、上記の特性を向上させるためには、Ｖおよび／またはＺｒは０．０３％以上含有させることが好ましい。また、Ｖおよび／またはＺｒの含有量は、より望ましくは０．０５％〜０．１％である。
Ｂは二次加工脆性改善に有効な粒界強化元素であるが，過度の添加はフェライトを固溶強化して延性低下の原因になる。このため、Ｂを添加する場合は下限を０．０００１％以下，上限を０．００５％以下とすることが好ましく、０．０００２％〜０．００２０％とすることがより望ましい。
表１および表２に示す化学成分（組成）を有するフェライト系ステンレス鋼からなる試験片を、以下に示す方法で製造した。まず、表１および表２に示す化学成分（組成）の鋳鋼を真空溶解にて溶製して４０ｍｍ厚のインゴットを製造し、これを熱間圧延で５ｍｍ厚に圧延した。その後、各々の再結晶挙動に基づいて温度８００〜１０００℃で１分間の熱処理を行って、スケールを研削除去し、さらに冷間圧延により厚み０．８ｍｍの鋼板を製造した。その後、最終焼鈍として各々の再結晶挙動に基づいて温度８００〜１０００℃で１分間の熱処理を行い、表面の酸化スケールを酸洗除去して供試材とし、これを用いてＮｏ．１〜４３の試験片を製造した。なお、表１および表２に示す化学成分（組成）において、残部は、鉄及び不可避的不純物である。
このようにして得られたＮｏ１〜４３の試験片に対し、以下に示す溶接条件でＴＩＧ溶接し、以下に示すようにしてブラックスポット生成長さ比を算出した。また、Ｎｏ１〜４３の試験片に対し、以下に示す腐食試験を行った。
「溶接条件」
ＴＩＧ溶接は、送り速度５０ｃｍ／ｍｉｎ、入熱５５０〜６５０Ｊ／ｃｍ２で同鋼種を突合せて行った。シールドにはトーチ側、裏面側ともアルゴンを用いた。
「溶接条件」
ＴＩＧ溶接は、送り速度５０ｃｍ／ｍｉｎ、入熱５５０〜６５０Ｊ／ｃｍ２で同鋼種を突合せて行った。シールドにはトーチ側、裏面側ともアルゴンを用いた。
「ブラックスポット生成長さ比」
ブラックスポット生成長さ比は、ＴＩＧ溶接後のブラックスポットの生成量を表す基準として求めた。ブラックスポット生成長さ比は、溶接部に生じた各ブラックスポットの溶接方向の長さを積算し、この積算値を、全溶接長さで割って求めた。溶接長さ約１０ｃｍ分をデジタルカメラで撮影して各ブラックスポットの長さを測定し、画像処理を用いて溶接長さ中におけるブラックスポットの長さの総和の溶接長さに対する比を計算させることにより求めた。
ブラックスポット生成長さ比は、ＴＩＧ溶接後のブラックスポットの生成量を表す基準として求めた。ブラックスポット生成長さ比は、溶接部に生じた各ブラックスポットの溶接方向の長さを積算し、この積算値を、全溶接長さで割って求めた。溶接長さ約１０ｃｍ分をデジタルカメラで撮影して各ブラックスポットの長さを測定し、画像処理を用いて溶接長さ中におけるブラックスポットの長さの総和の溶接長さに対する比を計算させることにより求めた。
「腐食試験」
腐食試験片は、ＴＩＧ溶接部を張り出し加工したものを用いた。張り出し条件は、ＪＩＳ２２４７に準拠したエリクセン試験条件で、溶接試験片の裏波側を表面として、２０ｍｍφのポンチを用いた。ただし張り出し高さは、加工条件を合わせるため、加工を途中で停止し、６ｍｍで統一した。耐食性評価は、ＪＩＳ Ｚ ２３７１に準拠して、５％ＮａＣｌの連続噴霧試験を実施し、４８時間後の流れさびの有無で評価した。なお、５％ＮａＣｌの連続噴霧試験による評価は、溶接部にさびが認められなかった場合を○、さびが発生した場合を×とした。
腐食試験片は、ＴＩＧ溶接部を張り出し加工したものを用いた。張り出し条件は、ＪＩＳ２２４７に準拠したエリクセン試験条件で、溶接試験片の裏波側を表面として、２０ｍｍφのポンチを用いた。ただし張り出し高さは、加工条件を合わせるため、加工を途中で停止し、６ｍｍで統一した。耐食性評価は、ＪＩＳ Ｚ ２３７１に準拠して、５％ＮａＣｌの連続噴霧試験を実施し、４８時間後の流れさびの有無で評価した。なお、５％ＮａＣｌの連続噴霧試験による評価は、溶接部にさびが認められなかった場合を○、さびが発生した場合を×とした。
表１および表２に示すように、化学成分（組成）が本発明の範囲であってＢＩ値が０．８以下である試験片Ｎｏ１〜３３では、ブラックスポット生成長さ比が小さく、ＴＩＧ溶接後のブラックスポットの生成が少なかった。さらにエリクセン試験機で加工した後の耐食性試験片における５％ＮａＣｌの連続噴霧試験でも溶接部からのさびは認めらなかった。このため、耐食性が良好であった。
一方、ＢＩ値が０．８を超える試験片Ｎｏ３４〜４１では、ＴＩＧ溶接後のブラックスポット生成長さ比が大きく、腐食試験でさびの発生が認められた。
また、Ｃｒの組成比が１６％未満である試験片Ｎｏ４２及びＴｉの組成比が０．０５％未満である試験片Ｎｏ４３では、腐食試験でさびの発生が認められた。
更に、試験片Ｎｏ３４〜４３をさび発生部が垂直に観察できるように断面埋め込みし、顕微鏡にて観察した結果、腐食起点部でのブラックスポット部の剥離が認められた。
また、Ｃｒの組成比が１６％未満である試験片Ｎｏ４２及びＴｉの組成比が０．０５％未満である試験片Ｎｏ４３では、腐食試験でさびの発生が認められた。
更に、試験片Ｎｏ３４〜４３をさび発生部が垂直に観察できるように断面埋め込みし、顕微鏡にて観察した結果、腐食起点部でのブラックスポット部の剥離が認められた。
「実験例１」
以下に示す化学成分（組成）を有するフェライト系ステンレス鋼を、冷間圧延により厚み１ｍｍの鋼板を製造したこと以外はＮｏ１の試験片の製造方法と同様にして供試材を製造した。これを用いて試験片Ａおよび試験片Ｂを得た。
「化学成分（組成）」
試験片Ａ
Ｃ：０．００７％，Ｎ：０．０１１％，Ｓｉ：０．１２％，Ｍｎ：０．１８％，Ｐ：０．
２２％，Ｓ：０．００１％，Ｃｒ：１９．４％，Ａｌ：０．０６％，Ｔｉ：０．１５％、
Ｃａ：０．０００５％、残部：鉄と不可避的不純物
試験片Ｂ
Ｃ：０．００９％，Ｎ：０．０１０％，Ｓｉ：０．２５％，Ｍｎ：０．１５％，Ｐ：０．
２１％，Ｓ：０．００１％，Ｃｒ：２０．２％，Ａｌ：０．１５％，Ｔｉ：０．１９％、
Ｃａ：０．００１５％、残部：鉄と不可避的不純物
このようにして得られた試験片Ａおよび試験片Ｂに対し、Ｎｏ１の試験片と同様の溶接条件でＴＩＧ溶接し、ＴＩＧ溶接時に裏側に生じたブラックスポットの外観を観察した。
その結果を図１に示す。
以下に示す化学成分（組成）を有するフェライト系ステンレス鋼を、冷間圧延により厚み１ｍｍの鋼板を製造したこと以外はＮｏ１の試験片の製造方法と同様にして供試材を製造した。これを用いて試験片Ａおよび試験片Ｂを得た。
「化学成分（組成）」
試験片Ａ
Ｃ：０．００７％，Ｎ：０．０１１％，Ｓｉ：０．１２％，Ｍｎ：０．１８％，Ｐ：０．
２２％，Ｓ：０．００１％，Ｃｒ：１９．４％，Ａｌ：０．０６％，Ｔｉ：０．１５％、
Ｃａ：０．０００５％、残部：鉄と不可避的不純物
試験片Ｂ
Ｃ：０．００９％，Ｎ：０．０１０％，Ｓｉ：０．２５％，Ｍｎ：０．１５％，Ｐ：０．
２１％，Ｓ：０．００１％，Ｃｒ：２０．２％，Ａｌ：０．１５％，Ｔｉ：０．１９％、
Ｃａ：０．００１５％、残部：鉄と不可避的不純物
このようにして得られた試験片Ａおよび試験片Ｂに対し、Ｎｏ１の試験片と同様の溶接条件でＴＩＧ溶接し、ＴＩＧ溶接時に裏側に生じたブラックスポットの外観を観察した。
その結果を図１に示す。
図１（ａ）は、ＴＩＧ溶接時に裏側に生じたブラックスポットの外観を示した写真である。また、図１（ｂ）は、ＴＩＧ溶接時に裏側に生じたブラックスポットの外観を示した模式図であり、図１（ａ）に示す写真に対応する図面である。
図１（ａ）および図１（ｂ）において左側はＢＩ値が０．４９の試験片Ａの写真であり、右側はＢＩ値が１．０７の試験片Ｂの写真である。
図１において矢印で示すように、ＢＩ値が０．４９の試験片Ａ及びＢＩ値が１．０７の試験片Ｂの双方に、斑点状のブラックスポットが散見される。しかし、ＢＩ値が大きい試験片Ｂ（右側の写真）において、ブラックスポットはより多く発生しているのが分かる。
図１（ａ）および図１（ｂ）において左側はＢＩ値が０．４９の試験片Ａの写真であり、右側はＢＩ値が１．０７の試験片Ｂの写真である。
図１において矢印で示すように、ＢＩ値が０．４９の試験片Ａ及びＢＩ値が１．０７の試験片Ｂの双方に、斑点状のブラックスポットが散見される。しかし、ＢＩ値が大きい試験片Ｂ（右側の写真）において、ブラックスポットはより多く発生しているのが分かる。
また、ＢＩ値が１．０７の試験片Ｂについて、溶接ビード部とブラックスポット部の２カ所について、オージェ電子分光分析（ＡＥＳ）測定を行った。その結果を図２に示す。
なお、ＡＥＳ測定においては、走査型ＦＥオージェ電子分光装置を用い、加速電圧１０ｋｅＶ、スポット径約４０ｎｍ、スパッタ速度１５ｎｍ／ｍｉｎの条件で、酸素の強度が殆ど観測されなくなるまで測定を実施した。なお、ＡＥＳの測定スポットは小さいため、測定位置により誤差が生じる場合があるが、概略の厚さを示すものとして今回採用した。
なお、ＡＥＳ測定においては、走査型ＦＥオージェ電子分光装置を用い、加速電圧１０ｋｅＶ、スポット径約４０ｎｍ、スパッタ速度１５ｎｍ／ｍｉｎの条件で、酸素の強度が殆ど観測されなくなるまで測定を実施した。なお、ＡＥＳの測定スポットは小さいため、測定位置により誤差が生じる場合があるが、概略の厚さを示すものとして今回採用した。
図２は、試験片の裏側におけるブラックスポットおよび溶接ビード部の元素深さプロファイル（深さ方向の元素の濃度分布）をＡＥＳで測定した結果を示したグラフである。図２（ａ）は溶接ビード部の結果であり、図２（ｂ）はブラックスポットの結果である。
図２（ａ）に示すように、溶接ビード部は、Ｔｉが主体であり、Ａｌ、Ｓｉを含む厚さ数百Åの酸化物であった。一方、図２（ｂ）に示すように、ブラックスポットは、Ａｌが主体であり、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａを含む厚さ数千Åの厚い酸化物であった。また、図２（ｂ）に示すブラックスポットのグラフより、Ａｌは、ブラックスポットに最も高濃度で含まれており、Ｃａは鋼中の含有量が少ないにもかかわらず、ブラックスポットに高濃度で含まれていることが確認できた。
図２（ａ）に示すように、溶接ビード部は、Ｔｉが主体であり、Ａｌ、Ｓｉを含む厚さ数百Åの酸化物であった。一方、図２（ｂ）に示すように、ブラックスポットは、Ａｌが主体であり、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａを含む厚さ数千Åの厚い酸化物であった。また、図２（ｂ）に示すブラックスポットのグラフより、Ａｌは、ブラックスポットに最も高濃度で含まれており、Ｃａは鋼中の含有量が少ないにもかかわらず、ブラックスポットに高濃度で含まれていることが確認できた。
「実験例２」
Ｃ：０．００２〜０．０１５％，Ｎ：０．０２〜０．０１５％，Ｃｒ：１６．５〜２３％，Ｎｉ：０〜１．５％，Ｍｏ：０〜２．５％を基本組成とし、ブラックスポットの主成分であるＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａ等の含有量の異なる種々の化学成分（組成）を有するフェライト系ステンレス鋼の供試材を、試験片Ａと同様の製造方法により製造した。これを用いて、複数の試験片を得た。
このようにして得られた複数の試験片に対し、Ｎｏ１の試験片と同様の溶接条件でＴＩＧ溶接し、Ｎｏ１の試験片と同様にしてブラックスポット生成長さ比を算出した。
Ｃ：０．００２〜０．０１５％，Ｎ：０．０２〜０．０１５％，Ｃｒ：１６．５〜２３％，Ｎｉ：０〜１．５％，Ｍｏ：０〜２．５％を基本組成とし、ブラックスポットの主成分であるＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａ等の含有量の異なる種々の化学成分（組成）を有するフェライト系ステンレス鋼の供試材を、試験片Ａと同様の製造方法により製造した。これを用いて、複数の試験片を得た。
このようにして得られた複数の試験片に対し、Ｎｏ１の試験片と同様の溶接条件でＴＩＧ溶接し、Ｎｏ１の試験片と同様にしてブラックスポット生成長さ比を算出した。
その結果、ブラックスポット生成長さ比は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａが増加するほど大きくなる傾向を示した。これらの元素は酸素との親和力が特に強い元素であり、このうち特にＡｌの効果が大きく、またＣａは鋼中の含有量が少ないにもかかわらずブラックスポットへの影響が大きいことが判明した。またＴｉ、Ｓｉに関しても同様にブラックスポットの生成に寄与することが分かった。
このことから、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａの添加量が多い場合には、シールドを施してもブラックスポットが発生する懸念が大きく、とくにＡｌ、Ｔｉはブラックスポットの生成に大きな影響を与えることが分かった。
また、複数の試験片それぞれについて下記(１)式で示されるＢＩ値を算出し、ブラックスポット生成長さ比との関係を調べた。
ＢＩ＝３Ａｌ＋Ｔｉ＋０．５Ｓｉ＋２００Ｃａ≦０．８ …（１）
（なお、（１）式中のＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａは、鋼中の各成分の含有量［質量％］である。）
その結果を図３に示す。図３は、ＢＩ値とブラックスポット生成長さ比との関係を示したグラフである。図３に示すように、ＢＩ値が大きいほどブラックスポット生成長さ比が大きくなることが分かる。
ＢＩ＝３Ａｌ＋Ｔｉ＋０．５Ｓｉ＋２００Ｃａ≦０．８ …（１）
（なお、（１）式中のＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａは、鋼中の各成分の含有量［質量％］である。）
その結果を図３に示す。図３は、ＢＩ値とブラックスポット生成長さ比との関係を示したグラフである。図３に示すように、ＢＩ値が大きいほどブラックスポット生成長さ比が大きくなることが分かる。
また、複数の試験片それぞれに対し、Ｎｏ１の試験片と同様にして腐食試験を行った。その結果を、図３に示す。図３のグラフに記載された●は、腐食試験でさびが発生しなかった試験片のデータであり、×は腐食試験でさびの発生が認められた試験片のデータである。図３に示すように、ＢＩ値が０．８を超えると、噴霧試験でさびの発生が確認された。
以上の結果から、図３に示す上記(１)式を満足するフェライト系ステンレス鋼は、ＴＩＧ溶接部のブラックスポットの生成が少なく、耐食性に優れていることが分かる。
以上の結果から、図３に示す上記(１)式を満足するフェライト系ステンレス鋼は、ＴＩＧ溶接部のブラックスポットの生成が少なく、耐食性に優れていることが分かる。
本発明のフェライト系ステンレス鋼は、外装材、建材、屋外機器類、貯水・貯湯タンク、家電製品、浴槽、厨房機器、潜熱回収型ガス給湯器のドレン水回収器とその熱交換器、各種溶接パイプなどのように、その他屋外・屋内の一般的な用途で、ＴＩＧ溶接されて形成される構造体において、耐食性を必要とする部材に好適に用いることができる。特に、本発明のフェライト系ステンレス鋼は、ＴＩＧ溶接後に加工を施す部材に好適である。また、本発明のフェライト系ステンレス鋼は、耐食性のみならずＴＩＧ溶接部の加工性にも優れるため、加工の厳しい用途においても広く適用可能である。
Claims (6)
- 質量％で，
Ｃ：０．０２０％以下，
Ｎ：０．０２５％以下，
Ｓｉ：１．０％以下，
Ｍｎ：０．５％以下，
Ｐ：０．０３５％以下，
Ｓ：０．０１％以下，
Ｃｒ：１６〜２５％，
Ａｌ：０．１５％以下，
Ｔｉ：０．０５〜０．５％，
Ｃａ：０．００１５％以下を含有し，残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり，
下記(１)式を満足することを特徴とする，溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼。
ＢＩ＝３Ａｌ＋Ｔｉ＋０．５Ｓｉ＋２００Ｃａ≦０．８ （１）
（なお、（１）式中のＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａは、鋼中の各成分の含有量［質量％］である。） - さらに、質量％で、Ｎｂ：０．６％以下を含むことを特徴とする、請求項１に記載の溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼。
- さらに、質量％で、Ｍｏ：３．０％以下を含むことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼。
- さらに、質量％で、Ｃｕ：２．０％以下、Ｎｉ：２．０％以下から選ばれる一種又は二種を含むことを特徴とする、請求項１から請求項３の何れかに記載の溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼。
- さらに、質量％で、Ｖ：０．２％以下、Ｚｒ：０．２％以下から選ばれる一種又は二種を含むことを特徴とする、請求項１から請求項４の何れかに記載の溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼。
- さらに、質量％で、Ｂ：０．００５％以下を含有することを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれかに記載の溶接部のブラックスポットの生成の少ないフェライト系ステンレス鋼。
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