JP2016000412A - 肉盛溶接金属及び機械構造物 - Google Patents
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Abstract
Description
Niは、オーステナイト相を安定化させる作用がある元素である。Ni含有量が9質量%未満の場合、オーステナイト相を維持することができない。一方、Ni含有量が過剰になり11質量%を超えると、コストの増加を招く。よって、Ni含有量は9〜11質量%とする。なお、Ni含有量は、オーステナイト相の安定化の観点から、9.5質量%以上が好ましく、より好ましくは10質量%以上である。また、コスト削減の観点から、Ni添加量はできるだけ少なくすることが望ましい。具体的には、Ni含有量は、10.7質量%以下とすることが好ましく、より好ましくは10.5質量%以下である。
Crは、肉盛溶接金属としての基本的な特性を付与するために必須な元素であり、特に、肉盛溶接金属が優れた耐食性を示すために必須な成分である。しかしながら、Cr含有量が18質量%未満の場合、肉盛溶接金属に要求される耐食性が得られない。一方、Cr含有量が過剰になり21質量%を超えると、肉盛溶接金属の耐脆化性が低下する。よって、Cr含有量は18〜21質量%とする。なお、Cr含有量は、耐食性向上の観点から、18.5質量%以上とすることが好ましく、より好ましくは19質量%以上である。また、耐脆化性向上の観点からは、Cr含有量は20.5質量%以下とすることが好ましく、より好ましくは20質量%以下である。
Nbは、鋼中の炭素を固定してCr欠乏層の形成を抑制し、Crの耐食性への寄与を向上させる作用がある。しかしながら、Nb含有量が0.1質量%以下の場合、これらの効果が得られない。一方、Nb量が増えすぎると溶接金属の脆化を招くため、Nb含有量は1質量%以下とする。なお、Nb含有量は、耐食性向上の観点から、0.3質量%以上とすることが好ましく、Cの固定に十分な量を確保するためにC含有量の8倍以上とすることがより好ましい。また、耐脆化性向上の観点からは、Nb含有量は、0.9質量%以下にすることが好ましく、より好ましくは0.8質量%以下である。
Siは、脱酸作用をもたらし、湯流れ性を改善する効果があり、更に耐酸化性や耐食性を向上させる元素でもある。しかしながら、Si含有量が0.05質量%未満の場合、これらの効果が十分に得られない。一方、Siは、溶接金属を脆化させる作用もあり、過剰に含有すると耐脆化性が低下し、本発明の効果が損なわれため、Si含有量は1質量%以下に規制する。
Cは、耐食性を向上させる作用を持つCrを炭化物として固定し、炭化物周囲に腐食の起点となるCr欠乏層を形成してしまう。そこで、本実施形態の肉盛溶接金属では、良好な耐食性を維持するため、C含有量を0.08質量%以下に規制する。なお、耐食性向上の観点から、C含有量は、0.06質量%以下であることが好ましく、より好ましくは0.04質量%以下である。
Mnは、本発明の効果を得るために最も重要な元素であり、上記数式2を満足するCr含有量及びNi含有量の範囲において、できるだけMn量を低減することによって溶接金属の脆化を軽減することができる。具体的には、Mn含有量が0.9質量%を超えると、溶接金属の脆化軽減効果が十分に得られない。
Cuは、不可避的不純物であるが、過剰に含有すると溶接金属が析出強化され硬化してしまうため、0.75質量%以下に規制する。なお、Cu含有量は、析出強化抑制の観点から、0.06質量%以下にすることが好ましく、より好ましくは0.05質量%以下である。
Sも、不可避的不純物であるが、その含有量が増加すると、溶接金属が著しく脆化するため、0.03質量%以下に規制する。なお、S含有量は、耐脆化性向上の観点から、0.02質量%以下とすることが好ましく、より好ましくは0.015質量%以下である。
Pも、不可避的不純物であるが、その含有量が増加すると、溶接割れが発生しやすくなるため、0.040質量%以下に規制する。なお、P含有量は、耐溶接割れ性向上の観点から、0.030質量%以下とすることが好ましく、より好ましくは0.020質量%以下である。
Vも、不可避的不純物であるが、その含有量が増加すると、溶接金属中のフェライトが過度に増加して、耐食性の低下を招くため、0.15質量%以下に規制する。なお、耐食性向上の観点から、V含有量は、0.10質量%以下とすることが好ましく、より好ましくは0.050質量%以下である。
Nも、不可避的不純物あるが、その含有量が増加すると、CrN化合物を形成して耐食性を担う固溶Cr濃度を低下させてしまうことがあるため、0.08質量%以下に規制する。なお、耐食性向上の観点から、N含有量は、0.06質量%以下とすることが好ましく、より好ましくは0.05質量%以下である。
本実施形態の肉盛溶接金属における上記以外の成分、即ち、残部は、Fe及び不可避的不純物である。ここで、不可避的不純物としては、前述したCu、S及びPの他に、原料又はフラックス、施工雰囲気に由来するSn、Pb、Sb、As、Se、Zn、Ca、Al、Mg、Ti、Zr、Y、Ta、Hf、Sc、Co、Agなどが挙げられ、これらの成分が含まれていても、本発明の効果には影響しない。
Cr、Si、Nb、Mn、Ni及びCは、本実施形態の肉盛溶接金属の靭性に影響を及ぼす元素であり、上記数式3に示す関係は、Mn低減の作用を有効に得るために必要な条件である。そして、これらの元素の含有量が、上記数式3を満たさない場合、Mnを低減した効果が十分に得られず、高温化された溶接後熱処理を経た場合に靭性に優れた肉盛溶接金属が得られない。
Moは、Crと同様の作用があるため、耐食性の調整を目的として、必要に応じて添加される。ただし、Mo量が過剰になると、本発明の効果を大きく損なうほど溶接金属の耐脆化性が低下する。このため、Moを添加する場合は、その含有量を0.75質量%以下に規制する。なお、耐脆化性向上の観点から、Mo含有量は、0.4以下とすることが好ましく、より好ましくは0.3質量%以下である。なお、Moを過度に低減するには製造コストの増加を伴うため、費用対効果の観点から、Mo含有量は0.05質量%以上とすることが好ましい。
Moも、本実施形態の肉盛溶接金属の靭性に影響を及ぼす元素である。このため、肉盛溶接金属がMoを含有する場合は、前述した数式3にMo含有量を加えた上記数式4に示す関係を満たす必要がある。そして、上記数式4も、Mn低減の作用を有効に得るために必要な条件であり、これらの元素の含有量が、上記数式4を満たさない場合、Mnを低減した効果が十分に得られず、靭性に優れた肉盛溶接金属が得られない。
次に、本実施形態の肉盛溶接金属の形成方法について説明する。本実施形態の肉盛溶接金属は、例えば帯状電極肉盛溶接材料を用いたSAW(サブマージアーク溶接)やESW(エレクトロスラグ溶接)により形成することができるが、これらに限定されるものではなく、前述した組成の溶接金属成分を得られる方法であればよく、各種溶接方法を適用することができる。
その際、帯状電極は、実施例及び比較例の各肉盛溶接金属の化学成分に相当する30kgインゴットを溶解・鋳造し、熱間鍛造加工、熱延加工、冷間圧延加工及び光輝焼鈍を行った後、スリット加工することにより製造した。また、帯状電極のサイズは、幅75mm、厚さ0.4mmとした。この帯状電極を用いて、ESW(エレクトロスラグ溶接)によって、電流1400A、溶接速度18cm/分の条件で、9Cr−1Mo−V鋼からなる母材に1層施工し、これに750℃で32時間の溶接後熱処理を行って肉盛溶接金属を得た。
次に、実施例及び比較例の各溶接金属から、機械加工によって長さ55mm、幅10mm、厚さ2.5mmの板材を作製し、長さ55mm×2.5mmの面において、長さ22.5mmの位置にノッチ深さ2mm、ノッチ底半径1mmのU字型ノッチを形成して、JIS Z 2242に規定されるシャルピー衝撃試験片を得た。
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- 請求項1又は2に記載の肉盛溶接金属を備えた機械構造物。
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