JP2017507027A - 耐熱鋼用溶接材料 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1は、上記STS 300系ステンレス鋼を外皮にし、フラックスにREMやCa等の成分を用いてPとSによる亀裂発生を抑制しようとした。しかし、特許文献1でもPとSの含量が高いため溶接部のクラック発生の問題を完全に解決できていない。
本発明の溶接材料は、フラックス、及びフラックスを取り囲む外皮からなるフラックスコアード溶接材料である。
本発明の溶接材料は、フラックス及び外皮を含む全体の重量%で、C:0.03〜0.3%、Mn:0.5〜3.0%、Si:0.1〜2.0%、P:0.01%以下、S:0.01%以下、Ni:20〜40%、Cr:15〜35%、TiO2:3〜7%、SiO2:0.5〜2.5%、ZrO2:0.5〜2.5%を含む。
P及びSは、微量の添加によっても低融点化合物の生成を促進し材料の融点を低下させて高温亀裂感受性が増加するため、できる限り含まないことが好ましく、不可避に含まれる場合はそれぞれ0.01%を超えないことが好ましい。
Crは、フェライト形成元素であるが、耐高温強度を確保するために15%以上含まれることが好ましいが、その含量が35%を超えて含有されると、高温でのフェライトの形成及びクロム炭化物の形成によって靱性が低下するため15〜35%に管理することが好ましい。
SiO2は、スラグ粘度を向上させる元素で、0.5%未満ではその効果がわずかであり、2.5%を超過すると粘度が上昇しすぎて介在物が残留する等の欠陥が発生するため0.5〜2.5%に管理することが好ましい。
一方、前記溶接材料は、PとSの含量の和を0.012%以下に管理することが好ましい。PとSの含量が増加するにつれて、溶接部における凝固亀裂感受性が増加するため、これらはできる限り抑制されなければならない。従って、母材成分、及び溶接部における母材と溶接材料の希釈量を考慮して、PとSの和は0.012%を超えないことが好ましい。
Moは、高温強度及び耐酸化性の向上のために追加され得る元素であるが、2.0%を超過すると展延性の低下が懸念されるため、2.0%を超えないことが好ましい。
Cuは、高温耐酸化性を向上させるために1.0%以下含まれることができる。
また、本発明の溶接材料は、追加的に、Ti:0.5%以下、F:0.5%以下、Na2O:0.25%以下、K2O:0.3%以下、Al2O3:0.5%以下、MnO:0.5%以下、及びMgO:0.5%以下からなる群より選択された1種以上を更に含むことができる。
Fは、溶接スラグ(Slag)の広がりを向上させるために添加され得るが、0.5%を超えて多すぎると粘度が非常に低下して溶接ビーズの形状を悪くする可能性があるため、0.5%以下に管理することが好ましい。
Al2O3、MnO、MgOは、溶接スラグの粘度を制御して良好なビーズの形成及び溶湯の保護を目的に添加され得るが、0.5%以下に管理することが好ましい。
外皮は、30〜50%のNiを含むNi−Fe系合金であることが好ましい。本発明は、高耐食、高温耐食、高温強度、高靱性を有するとともに、高温亀裂抵抗性に優れた高合金系ステンレス鋼用溶接材料を製造するために、溶接材料の外皮成分でPとSの含有量が非常に低く、耐熱系合金成分であるNiの含量が高い高合金の外皮素材であるNi−Fe系合金を適用することが好ましい。
本発明におけるNi−Fe合金の一例としては36%Ni−Feのインバー(Invar)合金が用いられることができる。
前記フラックスは、自体重量%で、C:0.1〜2.0%、Mn:2.0〜10.0%、Si:0.5〜8.0%、P:0.01%以下、S:0.01%以下、Cr:40〜80%、Mo:0.1〜8.0%、TiO2:7〜25%、SiO2:2〜10%、ZrO2:1〜10%を含む。
Mnは、溶接中に酸素及び硫黄が反応して脱酸及び脱硫によりスラグ(slag)化して回収率が減少するため、これを考慮して2.0%以上含有しなければならない。10.0%を超えて添加するとフューム(fume)が増加し溶融金属の流動性が急激に減少するため、添加量を2.0〜10.0%に管理することが好ましい。
P及びSは、フラックスに不純物として含有されるためこれら不純物がフラックス全体の重量で0.01%以下になるように制御して使用しなければならない。フラックスに0.01%を超えて含有される場合、外皮に含有されたPとS、及び溶接時に母材から希釈されて入ったPとSによって高温亀裂感受性が増加するため、含有量を重量比で0.01%以下に管理することが好ましい。
TiO2は、アークの安定及びスラグの形成に必須のフラックス成分である。7%未満ではアークが不安定であり、特にスラグ量が少なすぎると溶接金属を完全に塗布できなくなってビーズが荒くなる。フラックスのうちその含量が25%を超過すると、ストリップ内にC、Cr、Si、Mn等の基本成分の添加が制限され、スラグ量も多すぎるようになって溶接性が低下するため、25%以下に管理することが好ましい。
ZrO2は、高温融点が高いためスラグの融点を高くするフラックス成分で、このためには1%以上含まれることが好ましいが、10%を超えて添加すると、アークに未溶融スパークを形成するため10%以下に管理することが好ましい。
Niは、オーステナイト組織を安定し、耐高温腐食、高温強度、及び靱性を向上させる耐熱合金の主な成分で、Fe−Ni系外皮合金に基本的に十分に含有されているが、追加的な高温腐食、高温強度、及び靱性を確保する必要がある場合に添加され得る。但し、他元素の添加を考慮して8%以下にすることが好ましい。
Al及びMgは、溶接金属の脱酸、脱硫、及び組織の微細化のために添加され得るが、Alの場合は3.5%を超過し、Mgの場合は2.5%を超過すると、フラックス溶融金属の表面張力が上昇してスパッタが発生しすぎるため、それぞれ3.5%以下及び2.5%以下添加することが好ましい。
Fは、溶接スラグ(Slag)の広がりを向上させるために、CaF2、AlF6の形態等で多様に添加するが、フラックスにFの総含量が8.0%を超えて添加されると、スラグの流動性が過度となって全姿勢溶接が不可能になり、溶接ビーズの形状を悪くする可能性があるため、2.0%以下に管理することが好ましい。
Na2O及びK2Oは、アルカリ族フラックス成分で、イオン化が容易でありスラグの流動性を向上させる目的で添加するが、Na2Oは2.5%、K2Oは4.0%を超過すると溶接フューム(fume)が発生しすぎるため、それぞれ2.5%、4.0%以下に管理することが好ましい。
下表1及び2の組成(重量%、残りは不可避不純物及びFeである)を有する溶接材料を製造した。上記溶接材料を用いて、表3の母材及び溶接方法を適用して溶接を行って溶接部を形成した。上記溶接部の亀裂発生の有無、ビーズ塗布性、亀裂以外の欠陥を観察してその結果を表4に示した。
これに対し、既存の300系の外皮を用いた従来例及び比較例1〜8は溶接部における亀裂が発生することが確認できる。また、高Ni−Fe合金を外皮として用いても、本発明の溶接材料の組成を満たさない比較例9、10及び11の場合は、溶接部の欠陥が発生するか、ビーズ塗布性又は他の欠陥が発生することを確認することができる。
Claims (10)
- フラックス、及び前記フラックスを取り囲む外皮を含む耐熱鋼用溶接材料であって、
前記溶接材料は、重量%で、C:0.03乃至0.3%、Mn:0.5乃至3.0%、Si:0.1乃至2.0%、P:0.01%以下、S:0.01%以下、Ni:20乃至40%、Cr:15乃至35%、TiO2:3乃至7%、SiO2:0.5乃至2.5%、ZrO2:0.5乃至2.5%、残りはFe及び不可避不純物を含み、
前記外皮は30乃至50%のNiを含むNi−Fe系合金であることを特徴とする耐熱鋼用溶接材料。 - 前記PとS含量の和は0.012%以下であることを特徴とする請求項1に記載の耐熱鋼用溶接材料。
- 前記溶接材料は、Mo:2.0%以下、Cu:1.0%以下、Al:0.5%以下、及びMg:0.5%以下からなる群より選択された1種以上を含むことを特徴とする請求項1に記載の耐熱鋼用溶接材料。
- 前記溶接材料は、Ti:0.5%以下、F:0.5%以下、Na2O:0.25%以下、K2O:0.3%以下、Al2O3:0.5%以下、MnO:0.5%以下、及びMgO:0.5%以下からなる群より選択された1種以上を含むことを特徴とする請求項1に記載の耐熱鋼用溶接材料。
- 前記Ni−Fe系合金はインバー(INVAR)合金であることを特徴とする請求項1に記載の耐熱鋼用溶接材料。
- 前記フラックスは、重量%で、C:0.1乃至2.0%、Mn:2.0乃至10.0%、Si:0.5乃至8%、P:0.01%以下、S:0.01%以下、Cr:40乃至80%、Mo:0.1乃至8.0%、TiO2:7乃至25%、SiO2:2乃至10%、ZrO2:1乃至10%、残りはFe及び不可避不純物を含むことを特徴とする請求項1に記載の耐熱鋼用溶接材料。
- 前記PとSの和は0.01%以下であることを特徴とする請求項6に記載の耐熱鋼用溶接材料。
- 前記フラックスは、Ni:8%以下、Cu:8%以下、Al:3.5%以下、Mg:2.5%以下、Ti:3.0%以下、及びF:8.0%以下からなる群より選択された1種以上をさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の耐熱鋼用溶接材料。
- 前記フラックスは、Na2O:2.5%以下、K2O:4.0%以下、Al2O3:4.0%以下、MnO:4.0%以下、及びMgO:4.0%以下からなる群より選択された1種以上をさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の耐熱鋼用溶接材料。
- 前記フラックスの充填率は15乃至40%であることを特徴とする請求項1に記載の耐熱鋼用溶接材料。
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