JP2018083210A - 肉盛溶接用材料及び肉盛部材 - Google Patents

Abstract

【課題】硬さが高く、かつ、フッ化水素環境下において高い耐食性を示す肉盛溶接用材料、及びこれを用いた肉盛部材を提供すること。【解決手段】肉盛溶接用材料は、３．０≦Ｍｏ≦６．０ｍａｓｓ％、３．０≦Ａｌ≦６．０ｍａｓｓ％２２．０≦Ｎｉ≦３０．０ｍａｓｓ％、２３．９≦Ｃｒ≦３０．０ｍａｓｓ％、及び、１．０≦Ｍｎ≦１．５ｍａｓｓ％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。肉盛部材は、基材と、前記基材の表面に形成された、本発明に係る肉盛溶接用材料からなる肉盛金属層とを備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、肉盛溶接用材料及び肉盛部材に関し、さらに詳しくは、母材表面への肉盛溶接に用いられる肉盛溶接用材料、及びこれを用いて肉盛溶接することにより得られる肉盛部材に関する。

「肉盛溶接」とは、母材の表面に所定の組成を有する金属を溶着させることをいう。肉盛溶接は、母材表面の硬化処理、母材表面の耐食性の向上、欠損した母材表面の補修などに用いられている。そのため、母材表面に溶着させる金属には、用途に応じて、硬度、耐食性、耐熱性などが求められる。このような肉盛溶接に用いられる材料（溶加材）に関し、従来から種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、肉盛溶接用材料ではないが、所定量のＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏ等を含むオーステナイト系ステンレス鋼管を造管溶接した後、造管ビード部を「なめ付け溶接（又は、化粧溶接）」するＭｏ含有高Ｃｒ高Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼管の製造方法が開示されている。
同文献には、造管溶接後、造管ビード部に「なめ付け溶接」を施すことによって、造管溶接時に生成したシグマ相が消失し、造管ビード部の延性の低下を抑制することができる点が記載されている。

また、特許文献２には、肉盛溶接用材料ではないが、所定量のＣｒ、Ｎｉ、Ａｌ等を含む耐熱合金鋼が開示されている。
同文献には、加熱炉内の搬送ローラやスキッドボタンとして、所定の組成を持つ耐熱合金鋼を用いると、その表面を肉盛層で被覆しなくても、ビルドアップ（被加熱鋼材の表面から剥離する金属粉や酸化スケールが表面に固着する現象）を抑制できる点が記載されている。

連続鋳造においては、鋳型の下部にフートロールを配置し、フートロール用いて鋳型の下部から高温の鋳片を連続的に引き抜くことが行われる。その際、フートロールと鋳片の焼き付きを防止するために、鋳片の表面に潤滑剤が散布される。潤滑剤には、一般にフッ素系の潤滑剤が用いられている。フッ素系潤滑剤は、高温に晒されると、分解してフッ化水素を生成する。そのため、フートロールのような高温で、かつ、フッ化水素が共存する環境下で使用される構造部材には、従来、硬さが高く、かつ、耐食性の高いＮｉ基合金（例えば、Ｎｉ−１９Ｃｒ−３Ａｌ−６Ｍｏ合金）が主に使用されていた。

しかしながら、Ｎｉ基合金は、一般に高価である。また、Ｎｉ基合金であっても、フッ化水素環境下で長時間使用すると、腐食が顕著に表れる。
一方、構造部材の基部を安価な材料で構成し、肉盛溶接法を用いてその表面を硬さ及び耐食性が高い肉盛層で被覆すれば、低コスト、高耐食性、及び高硬度を両立できると考えられる。しかしながら、硬さが高く、かつ、フッ化水素環境下において高い耐食性を示す肉盛溶接用材料が提案された例は、従来にはない。

特開２００２−０９６１１１号公報 特開２０００−１２９４０４号公報

本発明が解決しようとする課題は、硬さが高く、かつ、フッ化水素環境下において高い耐食性を示す肉盛溶接用材料、及びこれを用いた肉盛部材を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る肉盛溶接用材料は、
３．０≦Ｍｏ≦６．０ｍａｓｓ％、
３．０≦Ａｌ≦６．０ｍａｓｓ％
２２．０≦Ｎｉ≦３０．０ｍａｓｓ％、
２３．９≦Ｃｒ≦３０．０ｍａｓｓ％、及び、
１．０≦Ｍｎ≦１．５ｍａｓｓ％
を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを要旨とする。

本発明に係る肉盛部材は、
基材と、
前記基材の表面に形成された、本発明に係る肉盛溶接用材料からなる肉盛金属層と
を備えていることを要旨とする。

所定量のＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＡｌを含むＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金は、常温硬さ及び高温硬さがいずれも高く、かつ、フッ化水素に対する耐食性が高い。そのため、このようなＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金からなる肉盛溶接用材料を用いて肉盛溶接を行うと、硬さ及び耐食性に優れた肉盛部材が得られる。

実施例２で得られた肉盛部材の外観写真（上図）及び浸透探傷試験（Penetrant Testing）後の外観写真（下図）である。 実施例２及び比較例１で得られた肉盛部材の腐食試験前（左図）及び腐食試験後（中図）の外観写真、並びに、腐食試験後の２次電子像（右図）である。

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 肉盛溶接用材料］
［１．１． 構成元素］
本発明に係る肉盛溶接用材料は、以下のような元素を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。

（１）３．０≦Ｍｏ≦６．０ｍａｓｓ％：
Ｍｏは、常温硬さの向上、高温硬さの向上、及び耐食性の向上に寄与する。このような効果を得るためには、Ｍｏ量は、３．０ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ｍｏ量は、好ましくは、４．０ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは、５．０ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｍｏ量が過剰になると、溶接割れが発生しやすくなる。従って、Ｍｏ量は、６．０ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ｍｏ量は、好ましくは、５．５ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、５．３ｍａｓｓ％以下である。

（２）３．０≦Ａｌ≦６．０ｍａｓｓ％：
Ａｌは、Ｎｉと金属間化合物ＮｉＡｌを形成し、硬さの向上に寄与する。このような効果を得るためには、Ａｌ量は、３．０ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ａｌ量は、さらに好ましくは、４．５ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは、４．８ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ａｌ量が過剰になると、溶接割れが発生しやすくなる。また、Ａｌ量が過剰になると、γ相が消失する。従って、Ａｌ量は、６．０ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ａｌ量は、さらに好ましくは、５．６ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、５．３ｍａｓｓ％以下である。

（３）２２．０≦Ｎｉ≦３０．０ｍａｓｓ％：
Ｎｉは、オーステナイト生成元素である。また、Ｎｉは、Ａｌと金属間化合物ＮｉＡｌを形成する。一般に、マトリックス中に分散しているＮｉＡｌの量が多くなるほど、硬さが高くなる。さらに、Ｎｉは、Ｍｏと同様に耐食性の向上に寄与する。このような効果を得るためには、Ｎｉ量は、２２．０ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ｎｉ量は、好ましくは、２２．５ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは、２３．０ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｎｉ量が過剰になると、γ量が多くなり、必要な硬さが得られない。従って、Ｎｉ量は、３０．０ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ｎｉ量は、好ましくは、２７．０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、２４．０ｍａｓｓ％以下である。

（４）２３．９≦Ｃｒ≦３０．０ｍａｓｓ％：
Ｃｒは、マトリックスの耐酸化性を向上させる作用がある。また、Ｃｒは、Ｎｉ、Ｍｏと同様に耐食性の向上にも寄与する。このような効果を得るためには、Ｃｒ量は、２３．９ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ｃｒ量は、好ましくは、２５．０ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは、２６．０ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｃｒ量が過剰になると、靱性が低下し、溶接割れが発生しやすくなる。従って、Ｃｒ量は、３０．０ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ｃｒ量は、好ましくは、２８．０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、２６．０ｍａｓｓ％以下である。

（５）１．０≦Ｍｎ≦１．５ｍａｓｓ％：
Ｍｎは、脱酸性、硬度性等を目的として添加される。Ｍｎが少ないと、硬さが不十分となる。従って、Ｍｎ量は、１．０ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ｍｎ量は、好ましくは、１．３ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｍｎ量が過剰になると、溶接部の硬さが硬くなりすぎ、割れの原因となる。硬さ及び強度を安定化させるためには、Ｍｎ量は、１．５ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ｍｎ量は、好ましくは、１．５ｍａｓｓ％未満である。

（６）不可避的不純物：
本発明に係る肉盛溶接用材料は、不可避的不純物が含まれていても良い。不可避的不純物としては、例えば、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓなどがある。肉盛金属の特性に悪影響を与える不可避的不純物は、少ないほど良い。
許容される不純物量は、元素の種類により異なる。例えば、Ｃの場合、０．０８ｍａｓｓ％以下であれば、肉盛金属の特性に与える悪影響は少ない。

［１．３． 形状］
本発明に係る肉盛溶接用材料の形状は、特に限定されない。肉盛溶接用材料の形状としては、例えば、粉末、棒などがある。

［１．４． 用途］
本発明に係る肉盛溶接用材料は、種々の母材に対して肉盛溶接する際の溶加材として用いることができる。本発明に係る肉盛溶接用材料は、特に、母材の予熱、及び、肉盛溶接後の熱処理を行うことなく、母材に肉盛溶接するために用いるのが好ましい。本発明に係る肉盛溶接用材料は、成分が最適化されているので、肉盛溶接後の冷却過程でマトリックス中に金属間化合物を析出させることができ、時効処理を必要としない。

［２． 肉盛部材］
本発明に係る肉盛部材は、
母材と、
前記母材の表面に形成された、本発明に係る肉盛溶接用材料からなる肉盛金属層と
を備えている。

［２．１． 母材］
本発明において、母材の組成は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。
母材としては、例えば、ＪＩＳ Ｇ４４０４ ＳＫＤ６１（熱間鍛造金型用鋼）などがある。

［２．２． 肉盛金属層］
肉盛金属層は、本発明に係る肉盛溶接用材料を溶加材として用いて、肉盛溶接することにより得られる。肉盛金属層の厚さは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な厚さを選択することができる。肉盛溶接用材料の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。

［２．３． 常温硬さ］
本発明に係る肉盛溶接用材料において、各成分（特に、Ａｌ）を最適化すると、肉盛金属の常温硬さＨＶは、４００以上となる。各成分をさらに最適化すると、常温硬さＨＶは、４１０以上、あるいは、４２０以上となる。

［２．４． ６００℃の高温硬さ］
本発明に係る肉盛溶接用材料において、各成分（特に、Ａｌ及びＮｉ）を最適化すると、肉盛金属の６００℃の高温硬さＨＶは、２３０以上となる。各成分をさらに最適化すると、高温硬さＨＶは、２４０以上、あるいは、２５０以上となる。

［２．５． 耐食性］
本発明に係る肉盛溶接用材料において、各成分（特に、Ｍｏ）を最適化すると、高い耐食性が得られる。具体的には、各成分を最適化することによって、２０℃の５％フッ化水素酸に１００時間浸漬した時の腐食減量は、０．０３０ｍｇ／ｍｍ²以下となる。各成分をさらに最適化すると、腐食減量は、０．０２５ｍｇ／ｍｍ²以下、あるいは、０．０２０ｍｇ／ｍｍ²以下となる。

［３． 作用］
所定量のＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＡｌを含むＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金は、常温硬さ及び高温硬さがいずれも高く、かつ、フッ化水素に対する耐食性が高い。そのため、このようなＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金からなる肉盛溶接用材料を用いて肉盛溶接を行うと、硬さ及び耐食性に優れた肉盛部材が得られる。

（実施例１〜６、比較例１〜５）
［１． 試料の作製］
表１に示す化学成分を有する原料を真空炉にて溶解し、溶湯をガス噴霧し、分級にてφ６３〜２５０μｍの粉末とした。

［２． 試験方法］
［２．１． 硬さ］
粉末を用いて、母材の表面に肉盛溶接を行った。硬さ試験用試料の肉盛溶接については、３層盛とした。肉盛溶接後、肉盛金属層の表面を研磨し、常温及び６００℃におけるビッカース硬さを測定した。
［２．２． 浸透探傷試験（ＰＴ）］
肉盛金属層の浸透探傷試験を行い、溶接割れの有無を確認した。

［２．３． 腐食試験］
粉末を用いて、アーク溶接にて母材の表面に肉盛溶接した。腐食試験用試料の肉盛溶接については、母材による希釈が起きないようにするために８層盛とした。肉盛部材の内、希釈の影響を受け難い部分から、３０ｍｍ×２０ｍｍ×ｔ４ｍｍの試験片を切り出し、＃４００のエメリー紙で試験片の表面を研磨した。
得られた試料を２０℃の５％フッ化水素酸に１００時間浸漬した。浸漬前後の重量変化から、腐食減量（単位面積当たりの重量減少量）を算出した。

［３． 結果］
表１に、結果を示す。なお、表１には、各試料の成分も併せて示した。図１に、実施例２で得られた肉盛部材の外観写真（上図）及び浸透探傷試験（Penetrant Testing）後の外観写真（下図）を示す。図２に、実施例２及び比較例１で得られた肉盛部材の腐食試験前（左図）及び腐食試験後（中図）の外観写真、並びに、腐食試験後の２次電子像（右図）を示す。表１、及び図１〜２より、以下のことがわかる。

（１）比較例１は、Ｍｏを含んでいない。そのため、常温硬さ及び高温硬さは高いが、腐食減量は大きい。比較例２は、Ｎｉ基合金であり、腐食減量は相対的に小さいが、常温硬さが低い。比較例３は、Ａｌ及びＭｏを含まず、かつ、Ｎｉも含まないため、硬さが低くかつ腐食減量も大きい。比較例４は、Ｎｉが過剰であるため、腐食減量が大きく、常温硬さも低い。比較例５は、Ｃｒが過剰であるため、溶接割れが発生した。
これに対し、実施例１〜６は、腐食減量が小さく、常温硬さ及び高温硬さが高く、かつ、溶接割れも発生しなかった（表１、図１参照）。

（２）比較例１は、腐食試験後に孔食及び粒界腐食が認められた。一方、実施例２は、腐食試験後も孔食及び粒界腐食は認められなかった（図２参照）。図示はしないが、実施例１、３〜６も同様に、良好な耐食性を示した。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係る肉盛溶接用材料は、各種の母材の表面に肉盛溶接する際の溶加材として用いることができる。
本発明に係る肉盛部材は、加熱炉の搬送ローラやスキッドボタン、連続鋳造用のフートロールなどに用いることができる。

Claims (4)

1. ３．０≦Ｍｏ≦６．０ｍａｓｓ％、
   ３．０≦Ａｌ≦６．０ｍａｓｓ％
   ２２．０≦Ｎｉ≦３０．０ｍａｓｓ％、
   ２３．９≦Ｃｒ≦３０．０ｍａｓｓ％、及び、
   １．０≦Ｍｎ≦１．５ｍａｓｓ％
   を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる肉盛溶接用材料。
2. ２２．０≦Ｎｉ≦２４．０ｍａｓｓ％である請求項１に記載の肉盛溶接用材料。
3. ２３．９≦Ｃｒ≦２６．０ｍａｓｓ％である請求項１又は２に記載の肉盛溶接用材料。
4. 母材と、
   前記母材の表面に形成された、請求項１から３までのいずれか１項に記載の肉盛溶接用材料からなる肉盛金属層と
   を備えた肉盛部材。

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