JP2014039953A - 二相ステンレス鋼用溶接材料 - Google Patents
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- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Abstract
【解決手段】質量%で、C:0.06%以下、Si:1.0%以下、Mn:0.5〜3.0%、P:0.040%以下、S:0.005%以下、Cu:0.4〜4.0%、Ni:6.0〜12.0%、Cr:25.5〜30.0%、Mo:2.0〜4.0%、W:2.8〜5.0%、N:0.24〜0.40%およびAl:0.04%以下を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、強度指数SEW[14Cr+5Mn+10Mo+60Cu+50(C+N)+20W]が485以上であり、かつ、耐孔食性指数PREW[Cr+3.3(Mo+0.5W)+16N]が42以上である二相ステンレス鋼用溶接材料。
ただし、式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。
【選択図】 なし
Description
14Cr+5Mn+10Mo+60Cu+50(C+N)+20W≧485
ただし、式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。
SEW=14Cr+5Mn+10Mo+60Cu+50(C+N)+20W・・・(i)
PREW=Cr+3.3(Mo+0.5W)+16N・・・(ii)
ただし、(i)式および(ii)式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
Cは、オーステナイト相を安定化させるのに有効な元素である。また、Cを含有させることによって、固溶強化により鋼の強度を向上させることができる。しかし、その含有量が過剰な場合、炭化物が析出して、耐食性が劣化する。したがって、Cの含有量は0.06%以下とする。C含有量は0.05%以下であるのが好ましい。下限は特に設けないが、相安定性を重視する場合、C含有量は0.01%以上とするのが好ましい。
Siは、鋼の脱酸に有効な元素である。しかし、その含有量が過剰な場合、σ相の生成が促進される。そのため、Siの含有量は1.0%以下とする。Si含有量は0.7%以下であるのが好ましい。上記の効果は微量でも発揮されるが、特に、Siを脱酸剤として用いる場合には0.01%以上含有させることが好ましい。
Mnは、溶製時の脱硫および脱酸に有効な元素であるとともに、オーステナイト相の安定化に有効な元素である。また、Mnの添加は、鋼の高強度化にも有効である。さらに、MnにはNの溶解度を大きくする作用があり、N量の増加による高強度化にも寄与する。これらの効果を得るためにはMnの含有量は0.5%以上とする。しかし、その含有量が過剰な場合、耐食性を劣化させる。したがって、Mnの含有量は3.0%以下とする。Mn含有量は0.6%以上であるのが好ましく、2.5%以下であるのが好ましい。
Pは、鋼中に不可避的に混入する不純物元素である。その含有量が過剰な場合、耐食性および靭性を劣化させ、溶接割れ感受性を増大させる。したがって、Pの含有量は0.040%以下とする。P含有量は0.030%以下であるのが好ましい。
Sは、Pと同様、鋼中に不可避的に混入する不純物元素であり、鋼の熱間加工性を劣化させる。また、硫化物は孔食の発生起点となり耐孔食性を劣化させる。さらには溶接割れ感受性を増大させる。そのため、Sの含有量は少ない方が良く、0.005%以下であれば実用上特に問題とはならない。S含有量は0.003%以下であるのが好ましい。
Cuは、還元性の低いとされる低pH環境、例えば、H2SO4またはH2S環境での耐食性向上に特に有効な元素である。さらに本発明では、安価な強化元素として注目しており、これらの効果を得るためには、Cuを0.4%以上含有させる必要がある。しかし、過剰に含有させた場合、熱間加工性を劣化させるだけでなく、σ相の生成を促進する。そのため、Cuの含有量は4.0%以下とする。Cu含有量は0.5%以上であるのが好ましい。また、Cu含有量は3.5%以下であるのが好ましく、3.0%以下であるのがより好ましい。
Niは、オーステナイトを安定化させるために必須の元素である。Ni含有量が低いとフェライト量が多くなり過ぎて、二相ステンレス鋼としての特長が失われる。また、フェライト中へのNの固溶度は小さいため、フェライト量が多くなると窒化物が析出しやすくなり耐食性が劣化する。さらに、溶接金属では冷却速度が速くフェライトが多量に残りやすくなるため、相バランスおよび耐食性の観点から、母材と比べて高いNi含有量が必要となる。そのため、Niは6.0%以上含有させる。一方、Ni含有量が過剰な場合、σ相の析出が容易になり靱性が劣化する。したがって、Ni含有量は、12.0%以下とする。相安定性および耐食性の観点からは、Niは8.0%を超えて含有させるのが好ましい。一方、靱性の観点からは、Ni含有量は11.0%以下であるのが好ましい。
Crは、耐食性および強度を確保するために必須の元素である。Cr含有量が低いと、いわゆるスーパー二相ステンレス鋼といえるだけの耐食性が得られない。また、高強度化にも有効な元素であるため、Crは25.5%以上含有させる。一方、Crの含有量が過剰な場合、σ相の析出が顕著になり、耐食性の低下とともに、熱間加工性の低下および溶接性の劣化を招く。したがって、Cr含有量は30.0%以下とする。Crは26.0%を超えて含有させるのが好ましい。また、Cr含有量は28.5%以下であるのが好ましい。
Moは、Crと同様、耐食性の向上、特に耐孔食性および耐隙間腐食性の向上に有効な元素である。また、鋼の高強度化にも有効な元素であり、母材と同等の強度および耐食性を確保するためには、Moを2.0%以上含有させる必要がある。一方、その含有量が過剰な場合、σ相が析出しやすくなるため、Mo含有量は4.0%以下とする。Mo含有量は2.3%以上であるのが好ましく、3.5%以下であるのが好ましい。
Wは、Moと比べて、σ相などの金属間化合物の生成が少なく、耐食性、特に耐孔食性および耐隙間腐食性を向上させる元素である。また、鋼の高強度化にも非常に有効な元素であり、Wを適量含有させれば、CrおよびMoさらにはNの含有量を増やさずに高い耐食性を確保することができる。母材と同等の強度および耐食性を確保するためには、Wを2.8%以上含有させる必要がある。しかし、Wを過剰に含有させても耐食性の向上効果は飽和し、原料コストが増加するため、Wの含有量は5.0%以下とする。W含有量は3.0%以上であるのが好ましく、4.5%以下であるのが好ましい。
Nは、強力なオーステナイト生成元素であり、二相ステンレス鋼の熱的安定性および耐食性の向上ならびに高強度化に有効な元素である。フェライト相とオーステナイト相とのバランスを適正なものにするために、フェライト生成元素であるCrおよびMoの含有量との関係でNを適量含有させる必要がある。Nは、Cr、MoおよびWと同様に合金の耐食性を向上させる効果も有する。そのため、Nを0.24%以上含有させる必要がある。一方、その含有量が過剰になると、ブローホールの発生による欠陥、溶接時の熱影響による窒化物生成等により鋼の靱性および耐食性を劣化させる。したがって、Nの含有量は0.40%以下とする。Nは0.30%を超えて含有させるのが好ましく、0.32%を超えて含有させるのがより好ましい。
Alは、強脱酸元素であり、鋼の高強度化にも寄与する。しかし、その含有量が過剰な場合、脆化相の析出を誘発し、延性および靭性を低下させる。そのため、Alの含有量は0.04%以下とする。上記の効果を得たい場合には、Alを0.001%以上含有させるのが好ましい。
Cr、C、Mn、Mo、W、NおよびCuは高強度化に有効な元素であり、下記(i)式で表される強度指数SEWが485以上となる溶接材料を用いることで、耐食性に優れた高強度の溶接金属を得ることができる。より高強度の溶接金属を得るためには、SEWは520以上であるのが好ましい。SEWの上限は特に設けないが、高強度化による熱間加工性または伸線性の低下を抑制するため、SEWは720以下であるのが好ましい。
SEW=14Cr+5Mn+10Mo+60Cu+50(C+N)+20W・・・(i)
ただし、(i)式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。
上記の高強度化に有効な元素のうち、Cr、Mo、WおよびNの各元素については、本発明の二相ステンレス鋼用溶接材料は、耐食性、特に耐海水腐食性を改善するため、下記(ii)式で表される耐孔食性指数PREWが42以上である必要がある。PREWの上限は特に設けないが、高強度化による熱間加工性または伸線性の低下を抑制するため、PREWは52以下であるのが好ましい。
PREW=Cr+3.3(Mo+0.5W)+16N・・・(ii)
ただし、(ii)式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。
Mg:0.02%以下
B:0.02%以下
Ca、MgおよびBはいずれも、不純物のSが結晶粒界に偏析するのを抑制して、熱間加工性を向上させる元素であるので、本発明に係る二相ステンレス鋼用溶接材料に含有させても良い。しかし、これらの含有量が過剰な場合、鋼中に孔食の起点となる硫化物、酸化物、炭化物および窒化物が多く生成し、耐食性が劣化する。したがって、これらの元素から選択される一種以上を含有させる場合には、Ca、MgおよびBを0.02%以下の範囲で含有させることが好ましい。上記の熱間加工性向上の効果を得るためには、Ca、MgおよびBをそれぞれ0.0003%以上含有させるのが好ましい。上記のCa、MgおよびBは、そのうちのいずれか1種のみ、または2種以上の複合で含有することができる。これらの元素の2種以上を含有させる場合には、その合計含有量は0.04%以下とすることが好ましい。
本発明に係る溶接材料は二相ステンレス鋼の溶接に用いられるものである。母材については二相ステンレス鋼であれば特に制限はないが、優れた耐食性およびσ相析出抑制効果を有する高強度の溶接金属を得るためには、例えば、質量%で、C:0.03%以下、Si:0.3%以下、Mn:3.0%以下、P:0.040%以下、S:0.008%以下、Cu:0.2〜2.0%、Ni:5.0〜6.5%、Cr:23.0〜27.0%、Mo:2.5〜3.5%、W:1.5〜4.0%、N:0.24〜0.40%およびAl:0.04%以下を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、下記(ii)式で表わされる耐孔食性指数PREWが40以上である化学組成を有する二相ステンレス鋼母材を用いるのが好ましい。
PREW=Cr+3.3(Mo+0.5W)+16N・・・(ii)
ただし、(ii)式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。
Cは、オーステナイト相を安定化させるのに有効な元素である。しかし、その含有量が過剰な場合、炭化物が析出しやすくなり、耐食性が劣化する場合がある。したがって、Cの含有量は0.03%以下であるのが好ましい。C含有量は0.02%以下であるのがより好ましい。
Siは、鋼の脱酸に有効な元素である。しかし、その含有量が過剰な場合、σ相の生成が促進されるおそれがある。そのため、Siの含有量は0.3%以下であるのが好ましい。Si含有量は0.25%以下であるのがより好ましい。上記の効果は微量でも発揮されるが、特に、Siを脱酸剤として用いる場合には0.01%以上含有させることが好ましい。
Mnは、溶製時の脱硫および脱酸に有効な元素であるとともに、オーステナイト相の安定化に有効な元素である。Mnは、さらに熱間加工性の向上に寄与する。また、MnにはNの溶解度を大きくする作用がある。しかし、その含有量が過剰な場合、耐食性を劣化させる場合がある。したがって、Mnの含有量は3.0%以下であるのが好ましい。Mn含有量は2.5%以下であるのがより好ましい。上記の効果は微量でも発揮されるが、特に、Mnを脱硫または脱酸のために含有させる場合には、0.01%以上含有させることが好ましい。
Pは、鋼中に不可避的に混入する不純物元素である。その含有量が過剰な場合、耐食性および靱性の劣化が著しくなるおそれがある。したがって、Pの含有量は0.040%以下であるのが好ましい。P含有量は0.030%以下であるのがより好ましい。
Sは、Pと同様、鋼中に不可避的に混入する不純物元素であり、鋼の熱間加工性を劣化させるおそれがある。また、硫化物は孔食の発生起点となり耐孔食性を劣化させる場合がある。そのため、そのため、Sの含有量は少ない方が良く、0.008%以下であるのが好ましい。S含有量は0.005%以下であるのが好ましい。
Cuは、還元性の低いとされる低pH環境、例えば、H2SO4またはH2S環境での耐食性向上に特に有効な元素である。これらの効果を得るためには、Cuを0.2%以上含有させるのが好ましい。しかし、その含有量が過剰な場合、熱間加工性を劣化させるだけでなく、σ相の生成を促進するおそれがある。そのため、Cu含有量は2.0%以下であるのが好ましい。Cu含有量は0.3%以上であるのがより好ましく、0.4%以上であるのがさらに好ましい。また、Cu含有量は1.5%以下であるのがより好ましく、0.8%以下であるのがさらに好ましい。
Niは、オーステナイトを安定化させるために有効な元素である。Ni含有量が低いとフェライト量が多くなり過ぎて、二相ステンレス鋼としての特長が失われる。また、フェライト中へのNの固溶度は小さいため、フェライト量が多くなると窒化物が析出しやすくなり耐食性が劣化する場合がある。そのため、Niは、5.0%以上含有させるのが好ましい。一方、Ni含有量が過剰な場合、σ相の析出が容易になり靱性が劣化するおそれがある。したがって、Ni含有量は、6.5%以下であるのが好ましい。Ni含有量は5.3%以上であるのがより好ましく、6.0%以下であるのがより好ましい。
Crは、耐食性および強度を確保するために有効な元素である。Cr含有量が低いと、いわゆるスーパー二相ステンレス鋼といえるだけの耐食性が得られない。したがって、Crは23.0%以上含有させるのが好ましい。一方、Crの含有量が過剰な場合、σ相の析出が顕著になり、耐食性の低下とともに、熱間加工性の低下および溶接性の劣化を招くおそれがある。したがって、Cr含有量は27.0%以下であるのが好ましい。Cr含有量は25.0%以上であるのがより好ましく、26.0%以下であるのがより好ましい。
Moは、Crと同様、耐食性の向上、特に耐孔食性および耐隙間腐食性の向上に有効な元素である。また、鋼の高強度化にも有効な元素である。そのため、Moを2.5%以上含有させるのが好ましい。一方、その含有量が過剰な場合、σ相が析出しやすくなる。そのため、Mo含有量は3.5%以下であるのが好ましい。Mo含有量は、2.7%以上であるのがより好ましい。また、Mo含有量は3.2%以下であるのがより好ましく、3.0%未満であるのがさらに好ましい。
Wは、Moと比べて、σ相などの金属間化合物の生成が少なく、耐食性、特に耐孔食性および耐隙間腐食性を向上させる元素である。また、鋼の高強度化にも非常に有効な元素であり、Wを適量含有させれば、CrおよびMoさらにはNの含有量を増やさずに高い耐食性を確保することができる。母材と同等の強度および耐食性を確保するためには、Wを1.5%以上含有させるのが好ましい。しかし、Wを過剰に含有させても耐食性の向上効果は飽和する。したがって、Wの含有量は4.0%以下であるのが好ましい。W含有量は1.8%以上であるのがより好ましく、2.0%以上であるのがさらに好ましい。また、W含有量は3.8%以下であるのがより好ましい。
Nは、強力なオーステナイト生成元素であり、二相ステンレス鋼の熱的安定性および耐食性の向上ならびに高強度化に有効な元素である。フェライト相とオーステナイト相とのバランスを適正なものにするために、フェライト生成元素であるCrおよびMoの含有量との関係でNを適量含有させるのが好ましい。Nは、Cr、MoおよびWと同様に合金の耐食性を向上させる効果も有する。そのため、Nを0.24%以上含有させるのが好ましい。一方、その含有量が過剰になると、ブローホールの発生による欠陥、溶接時の熱影響による窒化物生成等により鋼の靱性および耐食性を劣化させるおそれがある。したがって、Nの含有量は0.40%以下であるのが好ましい。Nは0.30%を超えて含有させるのがより好ましく、0.32%を超えて含有させるのがさらに好ましい。
Al:0.04%以下
Alは、強脱酸元素であり、鋼の高強度化にも寄与する。しかし、その含有量が過剰な場合、脆化相の析出を誘発し、延性および靭性を低下させる場合がある。そのため、Alの含有量は0.04%以下であるのが好ましい。
Cr、Mo、WおよびNの各元素は、下記(ii)式で表される耐孔食性指数PREWが40以上であることが好ましい。これにより、著しく優れた耐食性を得ることができる。
PREW=Cr+3.3(Mo+0.5W)+16N・・・(ii)
ただし、(ii)式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。
Mg:0.02%以下
B:0.02%以下
希土類元素:0.2%以下
Ca、Mg、Bおよび希土類元素はいずれも、不純物のSが結晶粒界に偏析するのを抑制して、熱間加工性を向上させる元素であるので、本発明に係る溶接材料を用いる二相ステンレス鋼母材に含有させても良い。しかし、これらの含有量が過剰な場合、鋼中に孔食の起点となる硫化物、酸化物、炭化物および窒化物が多く生成し、耐食性が劣化するおそれがある。したがって、これらの元素から選択される一種以上を含有させる場合には、Ca、MgおよびBについては0.02%以下、希土類元素については0.2%以下の範囲で含有させることが好ましい。上記の熱間加工性向上の効果を得るためには、Ca、MgおよびBについてはそれぞれ0.0003%以上、希土類元素については0.01%以上含有させるのが好ましい。上記のCa、Mg、Bおよび希土類元素は、そのうちのいずれか1種のみ、または2種以上の複合で含有することができる。これらの元素の2種以上を含有させる場合には、その合計含有量は0.25%以下とすることが好ましい。
Claims (2)
- 質量%で、C:0.06%以下、Si:1.0%以下、Mn:0.5〜3.0%、P:0.040%以下、S:0.005%以下、Cu:0.4〜4.0%、Ni:6.0〜12.0%、Cr:25.5〜30.0%、Mo:2.0〜4.0%、W:2.8〜5.0%、N:0.24〜0.40%およびAl:0.04%以下を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、下記(i)式で表わされる強度指数SEWが485以上であり、かつ、下記(ii)式で表わされる耐孔食性指数PREWが42以上であることを特徴とする二相ステンレス鋼用溶接材料。
SEW=14Cr+5Mn+10Mo+60Cu+50(C+N)+20W・・・(i)
PREW=Cr+3.3(Mo+0.5W)+16N・・・(ii)
ただし、(i)式および(ii)式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。 - Feの一部に代えて、質量%で、さらにCa:0.02%以下、Mg:0.02%以下およびB:0.02%以下から選択される1種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の二相ステンレス鋼用溶接材料。
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