JP2018130762A - 二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents
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Abstract
【課題】 強度及び靭性に優れた溶接金属性能が得られ、耐気孔欠陥性に優れ、耐食性が良好で、かつ、全姿勢溶接性が良好な二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを提供する。【解決手段】 ワイヤ全質量に対して質量％で、Ｓｉ：０．１０〜１．０％、Ｍｎ：１．５〜３．５％、Ｎｉ：６．５〜１０．５％、Ｃｒ：２０〜２４％、Ｍｏ：１．５〜３．５％、Ｔｉ：０．２〜１．５％、Ａｌ：０．０５〜１．０％、Ｎ：０．０８〜０．２０％、Ｃ：０．０４％以下を含有し、Ｃｕ：０．１０％以下で、ＴｉＯ2換算値：３〜７％、ＳｉＯ2換算値：０．２〜２．５％、Ｆ換算値：０．１〜０．７％、Ｂｉ換算値：０．０１〜０．０５％を含有し、Ｎａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計：０．２〜３．０％、Ａｌ2Ｏ3換算値：０．０６％以下、ＺｒＯ2換算値：０．０６％以下で、下記式から求められるＡ値が３０〜３７であることを特徴とする。Ａ＝［Ｃｒ］＋３．３［Ｍｏ］＋１６［Ｎ］【選択図】 なし
Description
本発明は、二相ステンレス鋼の溶接用フラックス入りワイヤに関し、母材と同程度の強度及び靭性に優れた溶接金属性能が得られ、ブローホール等の耐気孔欠陥性に優れ、耐食性が良好で、かつ、全姿勢溶接での溶接作業性が良好な二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤに関する。
従来、ＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌ、ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌに代表される二相ステンレス鋼は、優れた耐食性及び高い強度特性を持つステンレス鋼である。この二相ステンレス鋼のグレードとしては、その化学成分組織に含まれるＣｒ、Ｍｏ、Ｎ、Ｗの各含有量を基にして、耐孔食性指数であるＰＲＥ（Ｃｒ＋３．３Ｍｏ＋１６Ｎ）またはＰＲＥＷ（Ｃｒ＋３．３（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１６Ｎ）を用いて分類されている。この二相ステンレス鋼は、耐食性が要求される化学プラント、化学機器、油井及びガス井等の耐食材料として使用され、また強度も高いことから、車両等の構造材としても広く用いられている。また近年では、耐孔食性指数の低い安価な二相ステンレス鋼の研究が進んでおり、ＡＳＴＭではＵＮＳ Ｓ８２１２２として規格化されている。
一般的に二相ステンレス鋼に適用される溶接材料は、溶接金属部の凝固偏析による局部的な耐食性の低下が考えられるため、母材より高い耐食性指数が求められる。
このような状況の中、これら二相ステンレス鋼の溶接に対応でき、かつ、全姿勢溶接性が良好なフラックス入りワイヤの開発が望まれている。しかし、Ｎを多く含有する二相ステンレス鋼を溶接した場合、ブローホール等の気孔欠陥が発生しやすくなるという問題点がある。加えて、立向上進溶接ではビード形状が凸状になる傾向にあり、グラインダーによる手直しを必要とする等の問題点があった。
この問題点を解決するための技術として、例えば、特許文献１には、溶接用フラックス入りワイヤ中のＣｒ、Ｍｏ、Ｎの含有量を限定すると共に、スラグ剤として、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3及びＭｇＯの各含有量を規制することで、耐食性、低温靭性及び溶接作業性を良好にしたステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤが開示されている。しかし、特許文献１に記載されたステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤは、弗素化合物の含有量が多く、全姿勢溶接における溶接作業性も劣るという問題点があった。
また、特許文献２には、溶接用フラックス入りワイヤ中のＴｉＯ2、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3、金属Ｔｉの含有量を限定することにより、アークが安定し、スパッタ発生量が少なく、さらにビード形状、スラグ被包性及びスラグ剥離性に優れる二相ステンレス鋼の全姿勢溶接用フラックス入りワイヤが開示されている。しかし、特許文献２に記載された二相ステンレス鋼の全姿勢溶接用フラックス入りワイヤは、Ｔｉ添加量が少ないので、立向上進溶接ではメタル垂れが発生しやすく、ビード形状も不良となる。また、Ｔｉ等の脱酸元素が不足しているため溶接金属中の酸素量が高く、溶接金属の靭性が低下してしまうという問題点があった。
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤに関し、母材と同程度の強度及び靭性に優れた溶接金属性能が得られ、ブローホール等の耐気孔欠陥性に優れ、耐食性が良好で、かつ、全姿勢溶接における溶接作業性が良好な二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
本発明の要旨は、ステンレス鋼外皮内にフラックスが充填された二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計で、Ｓｉ：０．１０〜１．０％、Ｍｎ：１．５〜３．５％、Ｎｉ：６．５〜１０．５％、Ｃｒ：２０〜２４％、Ｍｏ：１．５〜３．５％、Ｔｉ：０．２〜１．５％、Ａｌ：０．０５〜１．０％、Ｎ：０．０８〜０．２０％を含有し、Ｃ：０．０４％以下、Ｃｕ：０．１０％以下であり、さらに、ワイヤ全質量に対して質量％で、フラックス中に、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計：３〜７％、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：０．２〜２．５％、弗素化合物のＦ換算値の合計：０．１〜０．７％、Ｂｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値の合計：０．０１〜０．０５％、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計：０．２〜３．０％を含有し、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計：０．０６％以下、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計：０．０６％以下であり、前記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎの含有量が下記（１）式から求められるＡ値が３０〜３７であり、残部はステンレス鋼外皮のＦｅ分、フラックスの鉄粉、鉄合金からのＦｅ分及び不可避不純物であることを特徴とする二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにある。
Ａ＝［Ｃｒ］＋３．３［Ｍｏ］＋１６［Ｎ］・・・（１）
（但し、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｎ］はワイヤ全質量に対する質量％）
Ａ＝［Ｃｒ］＋３．３［Ｍｏ］＋１６［Ｎ］・・・（１）
（但し、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｎ］はワイヤ全質量に対する質量％）
本発明を適用した二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤによれば、二相ステンレス鋼の溶接において、母材と同程度の強度及び靭性に優れた溶接金属が得られ、ブローホール等の耐気孔欠陥性に優れ、耐食性が良好で、かつ、全姿勢溶接での溶接作業性が良好な二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを提供することができる。
本発明者らは、上述した課題を解決するために、各種成分組成のフラックス入りワイヤを試作して詳細に検討した。その結果、フラックス入りワイヤ中のＣ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｎ、Ｃｕ、Ｂｉ換算値及びＺｒ酸化物の各含有量を適量にすることにより、溶接金属の必要な強度及び靭性を確保できることを見出した。また、Ｍｎは溶接金属中のＮ固溶度を高める効果があるため、Ｎの歩留を向上させてオーステナイトを安定化させ、固溶強化によって溶接金属の強度を高めることも見出した。耐食性に関しては、フラックス入りワイヤ中のＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎ、Ａｌ及びＺｒ酸化物の各含有量を適量にすることで、溶接金属のオーステナイト組織を安定化させて耐食性を改善でき、さらに、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎの各含有量を更に限定することで、耐食性をより改善できることを見出した。
一方、Ｍｎ及びＮの含有量が高くなるにつれ、ブローホール等の耐気孔欠陥性が劣下するといった問題点が生じる。また溶接による再熱により、オーステナイト／フェライト粒界中にＣｒ窒化物を生成し、溶接金属の靭性が低下して局部腐食性が劣化するといった課題も生じたため、更なる検討を加えた。その結果、フェライト生成元素であるＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉの各含有量の調整を行い、フェライトの晶出を安定化し、フェライト相にＮを固溶させることでブローホール等の耐気孔欠陥性の向上を図ることができ、またＣｒ窒化物の析出を低減し、靭性や局部腐食性の劣化を抑制できることを見出した。
溶接作業性に関しては、アークの安定性はＮｉ、Ｔｉ酸化物、Ｓｉ酸化物及びＮａ化合物及びＫ化合物の各含有量を適量とすることで、スラグ被包性はＳｉ、Ｔｉ、Ｓｉ酸化物及び弗素化合物の各含有量を適量とすることで、スラグ剥離性はＴｉ、Ａｌ、Ｎ、Ｓｉ酸化物、弗素化合物、Ｂｉ及びＢｉ酸化物、Ｎａ化合物及びＫ化合物、Ａｌ酸化物及びＺｒ酸化物の各含有量を適量とすることで、ビード形状及びビード外観はＳｉ、Ｔｉ、Ｔｉ酸化物、Ｓｉ酸化物及び弗素化合物の各含有量を適量とすることで良好にできることを見出した。また、Ｔｉ、Ｔｉ酸化物及びＮａ化合物及びＫ化合物の各含有量を適量とすることで、スラグの凝固速度を促進できるので、特に立向上進溶接での溶融金属の垂れ（以下、メタル垂れという。）を防止できることを見出した。
本発明は、ステンレス鋼外皮及び充填フラックスの各成分組成それぞれの単独及び共存による相乗効果によりなし得たもので、以下にそれぞれの各成分組成の添加理由及び限定理由を述べる。なお、各成分組成の含有量は、ワイヤ全質量に対する質量％で示すこととし、その質量％で示すときには単に％と記載して示すこととする。
［ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＳｉ：０．１０〜１．０％］
Ｓｉは、ステンレス鋼外皮、金属Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ及びＦｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等から添加され、一部酸化物となってスラグ被包性やビード形状を改善する効果を有する。Ｓｉが０．１０％未満では、スラグ量が少なく、スラグ被包性及びビード形状が不良になると共に、ビード表面が酸化してテンパーカラーが付着してビード外観が不良になる。一方、Ｓｉが１．０％を超えると、溶融金属の粘性が低下し、ビード形状が不良になる。従って、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＳｉは０．１０〜１．０％とする。
Ｓｉは、ステンレス鋼外皮、金属Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ及びＦｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等から添加され、一部酸化物となってスラグ被包性やビード形状を改善する効果を有する。Ｓｉが０．１０％未満では、スラグ量が少なく、スラグ被包性及びビード形状が不良になると共に、ビード表面が酸化してテンパーカラーが付着してビード外観が不良になる。一方、Ｓｉが１．０％を超えると、溶融金属の粘性が低下し、ビード形状が不良になる。従って、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＳｉは０．１０〜１．０％とする。
［ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＭｎ：１．５〜３．５％］
Ｍｎは、ステンレス鋼外皮、金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ及び窒化Ｍｎ等から添加され、溶接金属中のＮ固溶度を高めて強度を向上する効果があるが、Ｎの含有量が高くなるにつれてブローホール等の耐気孔欠陥性が劣化する。Ｍｎが１．５％未満では、Ｎ固溶度が不十分で、固溶強化によって溶接金属の強度を高める効果が十分に得ることができず目標とする強度が得られない。一方、Ｍｎが３．５％を超えると、耐気孔欠陥性が劣化してブローホールが発生する。従って、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＭｎは１．５〜３．５％とする。
Ｍｎは、ステンレス鋼外皮、金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ及び窒化Ｍｎ等から添加され、溶接金属中のＮ固溶度を高めて強度を向上する効果があるが、Ｎの含有量が高くなるにつれてブローホール等の耐気孔欠陥性が劣化する。Ｍｎが１．５％未満では、Ｎ固溶度が不十分で、固溶強化によって溶接金属の強度を高める効果が十分に得ることができず目標とする強度が得られない。一方、Ｍｎが３．５％を超えると、耐気孔欠陥性が劣化してブローホールが発生する。従って、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＭｎは１．５〜３．５％とする。
［ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＮｉ：６．５〜１０．５％］
Ｎｉは、ステンレス鋼外皮、金属Ｎｉ及びＦｅ−Ｎｉ等から添加され、オーステナイト相を安定化させて耐食性を改善すると共に、溶接金属の靱性や強度を改善する効果を有する。Ｎｉが６．５％未満では、オーステナイトの晶出量が減少して成分偏析を招き、耐食性が不良になると共に、溶接金属の靱性が低下する。一方、Ｎｉが１０．５％を超えると、オーステナイトの晶出量が増加して、フェライトの形態が変化し、溶接金属の強度が低下し、またアークが不安定となる。従って、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＮｉは６．５〜１０．５％とする。
Ｎｉは、ステンレス鋼外皮、金属Ｎｉ及びＦｅ−Ｎｉ等から添加され、オーステナイト相を安定化させて耐食性を改善すると共に、溶接金属の靱性や強度を改善する効果を有する。Ｎｉが６．５％未満では、オーステナイトの晶出量が減少して成分偏析を招き、耐食性が不良になると共に、溶接金属の靱性が低下する。一方、Ｎｉが１０．５％を超えると、オーステナイトの晶出量が増加して、フェライトの形態が変化し、溶接金属の強度が低下し、またアークが不安定となる。従って、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＮｉは６．５〜１０．５％とする。
［ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＣｒ：２０〜２４％］
Ｃｒは、ステンレス鋼外皮、金属Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｒ及び窒化Ｃｒ等から添加され、溶接金属の耐食性を改善する目的で添加する。Ｃｒが２０％未満では、溶接金属の耐食性を十分に得ることができない。一方、Ｃｒが２４％を超えると、シグマ相が析出して脆化し、溶接金属の靭性が低下する。従って、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＣｒは２０〜２４％とする。
Ｃｒは、ステンレス鋼外皮、金属Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｒ及び窒化Ｃｒ等から添加され、溶接金属の耐食性を改善する目的で添加する。Ｃｒが２０％未満では、溶接金属の耐食性を十分に得ることができない。一方、Ｃｒが２４％を超えると、シグマ相が析出して脆化し、溶接金属の靭性が低下する。従って、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＣｒは２０〜２４％とする。
［ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＭｏ：１．５〜３．５％］
Ｍｏは、ステンレス鋼外皮、金属Ｍｏ及びＦｅ−Ｍｏ等から添加され、溶接金属の耐食性や靭性を改善する効果を有する。Ｍｏが１．５％未満では、溶接金属の靭性が低下すると共に、耐食性を十分に得ることができない。一方、Ｍｏが３．５％を超えると、溶接金属中にシグマ相が析出して脆化して靭性が低下する。従って、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＭｏは１．５〜３．５％とする。
Ｍｏは、ステンレス鋼外皮、金属Ｍｏ及びＦｅ−Ｍｏ等から添加され、溶接金属の耐食性や靭性を改善する効果を有する。Ｍｏが１．５％未満では、溶接金属の靭性が低下すると共に、耐食性を十分に得ることができない。一方、Ｍｏが３．５％を超えると、溶接金属中にシグマ相が析出して脆化して靭性が低下する。従って、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＭｏは１．５〜３．５％とする。
［ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＴｉ：０．２〜１．５％］
Ｔｉは、ステンレス鋼外皮、金属Ｔｉ及びＦｅ−Ｔｉ等から添加され、その殆どがアーク中で酸化反応してＴｉＯ2となってスラグとして作用し、スラグ流動性を調整してスラグ被包性、スラグ剥離性及びビード形状を良好にする。また、ＴｉＯ2の融点が１８４０℃であるのに対し、Ｔｉの融点は１６６０℃と融点が低いため、早い時点でスラグ化し、特に立向上進溶接でのメタル垂れを防止する効果がある。Ｔｉが０．２％未満では、その効果が十分に得られず、立向上進溶接でメタル垂れが発生し、スラグ被包性、スラグ剥離性及びビード形状が不良となる。一方、Ｔｉが１．５％を超えると、溶接ビードのなじみが悪くなり、凸状のビード形状となる。従って、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＴｉは０．２％〜１．５％とする。
Ｔｉは、ステンレス鋼外皮、金属Ｔｉ及びＦｅ−Ｔｉ等から添加され、その殆どがアーク中で酸化反応してＴｉＯ2となってスラグとして作用し、スラグ流動性を調整してスラグ被包性、スラグ剥離性及びビード形状を良好にする。また、ＴｉＯ2の融点が１８４０℃であるのに対し、Ｔｉの融点は１６６０℃と融点が低いため、早い時点でスラグ化し、特に立向上進溶接でのメタル垂れを防止する効果がある。Ｔｉが０．２％未満では、その効果が十分に得られず、立向上進溶接でメタル垂れが発生し、スラグ被包性、スラグ剥離性及びビード形状が不良となる。一方、Ｔｉが１．５％を超えると、溶接ビードのなじみが悪くなり、凸状のビード形状となる。従って、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＴｉは０．２％〜１．５％とする。
［ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＡｌ：０．０５〜１．０％］
Ａｌは、ステンレス鋼外皮、金属Ａｌ及びＦｅ−Ａｌ等から添加され、強力な脱酸元素であるので、溶接金属の靭性を高めると共に、耐食性を改善する効果がある。Ａｌが０．０５％未満では、溶接金属の靭性が低下し、耐食性も劣化する。一方、Ａｌが１．０％を超えると、析出効果により強度過多となり靭性が低下するとともに、スラグ剥離性が不良になる。従って、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＡｌは０．０５〜１．０％とする。
Ａｌは、ステンレス鋼外皮、金属Ａｌ及びＦｅ−Ａｌ等から添加され、強力な脱酸元素であるので、溶接金属の靭性を高めると共に、耐食性を改善する効果がある。Ａｌが０．０５％未満では、溶接金属の靭性が低下し、耐食性も劣化する。一方、Ａｌが１．０％を超えると、析出効果により強度過多となり靭性が低下するとともに、スラグ剥離性が不良になる。従って、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＡｌは０．０５〜１．０％とする。
［ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＮ：０．０８〜０．２０％］
Ｎは、ステンレス鋼外皮、窒化Ｃｒ及び窒化Ｍｎ等から添加され、固溶強化元素であるので、溶接金属の強度を高めると共に、耐食性を改善する効果がある。Ｎが０．０８％未満では、溶接金属の強度が低下し、耐食性も劣化する。一方、Ｎが０．２０％を超えると、ブローホールが発生すると共に、スラグ剥離性が不良になる。従って、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＮは０．０８〜０．２０％とする。
Ｎは、ステンレス鋼外皮、窒化Ｃｒ及び窒化Ｍｎ等から添加され、固溶強化元素であるので、溶接金属の強度を高めると共に、耐食性を改善する効果がある。Ｎが０．０８％未満では、溶接金属の強度が低下し、耐食性も劣化する。一方、Ｎが０．２０％を超えると、ブローホールが発生すると共に、スラグ剥離性が不良になる。従って、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＮは０．０８〜０．２０％とする。
［ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＣ：０．０４％以下］
Ｃは、ステンレス鋼外皮、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ及びグラファイト等から添加され、溶接金属の強度を向上する効果があるが、過剰に添加すると、Ｃｒ及びＭｏ等と化合して炭化物を生成して靭性を低下させるので、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＣは０．０４％以下とし、望ましくは０．０２％以下とする。
Ｃは、ステンレス鋼外皮、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ及びグラファイト等から添加され、溶接金属の強度を向上する効果があるが、過剰に添加すると、Ｃｒ及びＭｏ等と化合して炭化物を生成して靭性を低下させるので、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＣは０．０４％以下とし、望ましくは０．０２％以下とする。
［ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＣｕ：０．１０％以下］
Ｃｕは、ステンレス鋼用外皮及び金属Ｃｕ等から含有され、極微量の添加でオーステナイト組織を安定化させて溶接金属の靭性を改善する効果があるが、Ｃｕが０．１０％を超えると、Ｃｕを含む金属間化合物を析出して溶接金属の靭性が低下するので、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＣｕは０．１０％以下とし、望ましくは０．０１％以上含有させる。
Ｃｕは、ステンレス鋼用外皮及び金属Ｃｕ等から含有され、極微量の添加でオーステナイト組織を安定化させて溶接金属の靭性を改善する効果があるが、Ｃｕが０．１０％を超えると、Ｃｕを含む金属間化合物を析出して溶接金属の靭性が低下するので、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計でＣｕは０．１０％以下とし、望ましくは０．０１％以上含有させる。
［フラックス中のＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計：３〜７％］
Ｔｉ酸化物は、アークを安定にしてビード形状を良好にする。Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が３％未満では、アークが不安定になり、ビード形状が不良になる。また、立向上進溶接ではメタル垂れが生じやすくなる。一方、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が７％を超えると、母材と溶接ビードとのなじみが悪くなり、凸状のビード形状となる。従って、フラックス中のＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計は３〜７％とする。なお、Ｔｉ酸化物は、フラックスからのルチール、酸化チタン、チタンスラグ、イルミナイト、チタン酸カリ及びチタン酸ソーダ等から添加できる。
Ｔｉ酸化物は、アークを安定にしてビード形状を良好にする。Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が３％未満では、アークが不安定になり、ビード形状が不良になる。また、立向上進溶接ではメタル垂れが生じやすくなる。一方、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が７％を超えると、母材と溶接ビードとのなじみが悪くなり、凸状のビード形状となる。従って、フラックス中のＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計は３〜７％とする。なお、Ｔｉ酸化物は、フラックスからのルチール、酸化チタン、チタンスラグ、イルミナイト、チタン酸カリ及びチタン酸ソーダ等から添加できる。
［フラックス中のＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：０．２〜２．５％］
Ｓｉ酸化物は、アークを安定にすると共に、スラグの流動性を調整してスラグ剥離性及びビード形状を良好にする効果がある。Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が０．２％未満では、アークが不安定となり、スラグ剥離性及びビード形状が不良となる。一方、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が２．５％を超えると、スラグが流れやすくなり、スラグ被包性が不良となる。従って、フラックス中のＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計は０．２〜２．５％とする。なお、Ｓｉ酸化物は、フラックスからの硅砂、硅石の他、カリ長石、ジルコンサンド、珪酸ソーダ等から添加できる。
Ｓｉ酸化物は、アークを安定にすると共に、スラグの流動性を調整してスラグ剥離性及びビード形状を良好にする効果がある。Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が０．２％未満では、アークが不安定となり、スラグ剥離性及びビード形状が不良となる。一方、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が２．５％を超えると、スラグが流れやすくなり、スラグ被包性が不良となる。従って、フラックス中のＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計は０．２〜２．５％とする。なお、Ｓｉ酸化物は、フラックスからの硅砂、硅石の他、カリ長石、ジルコンサンド、珪酸ソーダ等から添加できる。
［フラックス中の弗素化合物のＦ換算値の合計：０．１〜０．７％］
弗素化合物は、スラグ融点を調整し、スラグ被包性、スラグ剥離性及びビード形状を良好とする効果がある。弗素化合物のＦ換算値の合計が０．１％未満では、スラグ被包性、スラグ剥離性及びビード形状が不良になる。一方、弗素化合物のＦ換算値の合計が０．７％を超えると、スラグの融点が著しく低下し、ビード形状が不良となる。従って、フラックス中の弗素化合物のＦ換算値の合計は０．１〜０．７％とする。なお、弗素化合物は、フラックスからのＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＡｌＦ3、Ｋ2ＺｒＦ6、Ｋ2ＳｉＦ6等から添加でき、Ｆ換算値はそれらに含有するＦの含有量の合計である。
弗素化合物は、スラグ融点を調整し、スラグ被包性、スラグ剥離性及びビード形状を良好とする効果がある。弗素化合物のＦ換算値の合計が０．１％未満では、スラグ被包性、スラグ剥離性及びビード形状が不良になる。一方、弗素化合物のＦ換算値の合計が０．７％を超えると、スラグの融点が著しく低下し、ビード形状が不良となる。従って、フラックス中の弗素化合物のＦ換算値の合計は０．１〜０．７％とする。なお、弗素化合物は、フラックスからのＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＡｌＦ3、Ｋ2ＺｒＦ6、Ｋ2ＳｉＦ6等から添加でき、Ｆ換算値はそれらに含有するＦの含有量の合計である。
［フラックス中のＢｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値の合計：０．０１〜０．０５％］
Ｂｉは、多層盛溶接において溶接スラグの溶接金属からの剥離を促進して、スラグ剥離性を良好にする。Ｂｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値の合計が０．０１％未満であると、スラグ剥離を促進する効果が不十分である。一方、Ｂｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値の合計が０．０５％を超えると、溶接金属に割れが生じる場合があり、また靭性が低下する。従って、フラックスのＢｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値の合計は０．０１〜０．０５％とする。なお、Ｂｉ及びＢｉ酸化物は、金属Ｂｉ等の合金粉末や酸化Ｂｉ等から添加できる。
Ｂｉは、多層盛溶接において溶接スラグの溶接金属からの剥離を促進して、スラグ剥離性を良好にする。Ｂｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値の合計が０．０１％未満であると、スラグ剥離を促進する効果が不十分である。一方、Ｂｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値の合計が０．０５％を超えると、溶接金属に割れが生じる場合があり、また靭性が低下する。従って、フラックスのＢｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値の合計は０．０１〜０．０５％とする。なお、Ｂｉ及びＢｉ酸化物は、金属Ｂｉ等の合金粉末や酸化Ｂｉ等から添加できる。
［フラックスに含有するＮａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計：０．２〜３．０％］
Ｎａ化合物及びＫ化合物は、アーク安定剤及びスラグ形成剤としてとして作用する。Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計が０．２％未満であると、アークが不安定となりスパッタの発生量が多くなる。また、ビード外観も不良になる。一方、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計が３．０％を超えると、ヒュームの発生量が多くなるとともにスラグ剥離性が不良となる。また、立向上進溶接ではメタル垂れが生じやすくなる。従って、フラックスに含有するＮａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計は０．２〜３．０％とする。なお、Ｎａ化合物及びＫ化合物は、珪酸ソーダや珪酸カリ、珪酸リチウムからなる水ガラスの固質成分、カリ長石、弗化ソーダや珪弗化カリ、弗化リチウム等の粉末から添加できる。
Ｎａ化合物及びＫ化合物は、アーク安定剤及びスラグ形成剤としてとして作用する。Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計が０．２％未満であると、アークが不安定となりスパッタの発生量が多くなる。また、ビード外観も不良になる。一方、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計が３．０％を超えると、ヒュームの発生量が多くなるとともにスラグ剥離性が不良となる。また、立向上進溶接ではメタル垂れが生じやすくなる。従って、フラックスに含有するＮａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計は０．２〜３．０％とする。なお、Ｎａ化合物及びＫ化合物は、珪酸ソーダや珪酸カリ、珪酸リチウムからなる水ガラスの固質成分、カリ長石、弗化ソーダや珪弗化カリ、弗化リチウム等の粉末から添加できる。
［フラックス中のＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計：０．０６％以下］
Ａｌ酸化物は、フラックス中のＴｉ酸化物、カリ長石、硅砂等の不純物として不可避に含有され、Ａｌ2Ｏ3換算値の合計が０．０６％を超えると、母材または溶接金属中のＣ、Ｎ、Ｓと結合して固いスラグを生成し、ビード表面にスラグが焼付いてスラグ剥離性を不良にするので、フラックス中のＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計は０．０６％以下とする。なお、Ａｌ酸化物は、必須の成分ではなく、含有率がＡｌ2Ｏ3換算値の合計で０％とされても良い。
Ａｌ酸化物は、フラックス中のＴｉ酸化物、カリ長石、硅砂等の不純物として不可避に含有され、Ａｌ2Ｏ3換算値の合計が０．０６％を超えると、母材または溶接金属中のＣ、Ｎ、Ｓと結合して固いスラグを生成し、ビード表面にスラグが焼付いてスラグ剥離性を不良にするので、フラックス中のＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計は０．０６％以下とする。なお、Ａｌ酸化物は、必須の成分ではなく、含有率がＡｌ2Ｏ3換算値の合計で０％とされても良い。
［フラックス中のＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計：０．０６％以下］
Ｚｒ酸化物は、Ｔｉ酸化物、カリ長石、硅砂の不純物として不可避に含有され、Ｎとの親和力が高いので、ＺｒＯ2換算値の合計が０．０６％超えると、Ｎと結合して強固なスラグを生成し、ビード表面にスラグが焼付いてスラグ剥離性を不良にする。また、溶接金属中にＮと反応して窒化物を生成するので、溶接金属中の固溶Ｎが減少して耐食性が不良になり、靭性も低下するので、フラックス中のＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計は０．０６％以下とする。なお、Ｚｒ酸化物は、必須の成分ではなく、ＺｒＯ2換算値の合計で０％とされても良い。
Ｚｒ酸化物は、Ｔｉ酸化物、カリ長石、硅砂の不純物として不可避に含有され、Ｎとの親和力が高いので、ＺｒＯ2換算値の合計が０．０６％超えると、Ｎと結合して強固なスラグを生成し、ビード表面にスラグが焼付いてスラグ剥離性を不良にする。また、溶接金属中にＮと反応して窒化物を生成するので、溶接金属中の固溶Ｎが減少して耐食性が不良になり、靭性も低下するので、フラックス中のＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計は０．０６％以下とする。なお、Ｚｒ酸化物は、必須の成分ではなく、ＺｒＯ2換算値の合計で０％とされても良い。
［Ａ値：３０〜３７］
前記Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの含有量が下記（１）式で求められるＡ値で３０〜３７の範囲に限定することにより、安定した不動態被膜が生成され、溶接金属の耐食性を向上できる。Ａ値が３０未満では、この効果が十分得られず、溶接金属の耐食性が不良になる。一方、Ａ値が３７を超えると、Ｃｒ、Ｍｏの含有量が増加し、シグマ相が析出して脆化し、溶接金属の靭性が低下する。従って、Ａ値は３０〜３７とする。
Ａ＝［Ｃｒ］＋３．３［Ｍｏ］＋１６［Ｎ］・・・（１）
（但し、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｎ］はワイヤ全質量に対する質量％）
前記Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの含有量が下記（１）式で求められるＡ値で３０〜３７の範囲に限定することにより、安定した不動態被膜が生成され、溶接金属の耐食性を向上できる。Ａ値が３０未満では、この効果が十分得られず、溶接金属の耐食性が不良になる。一方、Ａ値が３７を超えると、Ｃｒ、Ｍｏの含有量が増加し、シグマ相が析出して脆化し、溶接金属の靭性が低下する。従って、Ａ値は３０〜３７とする。
Ａ＝［Ｃｒ］＋３．３［Ｍｏ］＋１６［Ｎ］・・・（１）
（但し、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｎ］はワイヤ全質量に対する質量％）
残部は、Ｆｅ分及び不可避不純物である。Ｆｅ分はステンレス鋼外皮のＦｅ分、フラックスの鉄粉、鉄合金（Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等のフェロアロイ）などからのＦｅ分である。不可避不純物は、Ｐ、Ｓ等の不可避に混入される不純物であり、耐割れ性の観点から、Ｐは０．０４０％以下、Ｓは０．０２０％以下が好ましい。
以上、本発明の二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤの成分組成の限定理由を述べたが、二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤの製造方法について、以下説明する。例えば、ステンレス鋼外皮を帯鋼から管状に成形する場合には、配合、混合、撹拌、乾燥した充填フラックスをＵ形に成形した溝に満たした後に丸形に成形し、所定のワイヤ径まで伸線する。この際、成形したステンレス鋼外皮シームを溶接することで、シームレスタイプの二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤとすることもできる。また、ステンレス鋼外皮がパイプの場合には、パイプを振動させてフラックスを充填し、所定のワイヤ径まで伸線することができる。
また、充填するフラックスは、供給、充填が円滑に行えるように、固着剤（珪酸カリ及び珪酸ソーダの水溶液）を添加、造粒して用いることもできる。
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
表１に示す化学成分のステンレス鋼外皮を用い、ステンレス鋼外皮の帯鋼をＵ字型に成形してフラックスを充填し、ステンレス鋼外皮の合わせ目を溶接して縮径、焼鈍し、表２に示す各種組成の二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを試作した。ワイヤ径は１．２ｍｍ、フラックス充填率は１８〜２８％とした。
これら試作ワイヤを用いて、溶接作業性、溶着金属性能、耐気孔欠陥性及び耐食性について調査を行った。
溶着金属試験は、表３に示す板厚２０ｍｍの二相ステンレス鋼板を用い、ＪＩＳ Ｚ ３１１１に準拠して開先角度２０°、ルート間隔１６ｍｍの試験体に、表４に示す溶接条件で試験を行った。
溶接作業性の評価は、表３に示す板厚２０ｍｍの二相ステンレス鋼板をＴ字に組み、表４に示す溶接条件で立向上進すみ肉溶接を行い、アーク安定性、メタル垂れの有無、スラグ被包性、スラグ剥離性、ビード形状及びビード外観について目視で調査した。
溶着金属性能の評価は、ＪＩＳ Ｚ ３１１１に準じて溶着金属試験を行い、溶着金属の厚板方向の中心部から引張試験片（Ａ０号）及び衝撃試験片（Ｖノッチ試験片）を採取し、引張試験及び衝撃試験を実施した。引張強さの評価は、６９０ＭＰａ以上を良好とした。靭性の評価は、試験温度−２０℃でシャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギーが３本の平均値で３５Ｊ以上を良好とした。
耐欠陥性及び耐割れ性の評価は、溶着金属試験後の溶接試験体を、ＪＩＳ Ｚ ３１０６に準拠してＸ線透過試験を実施し、ブローホール及び溶接割れの有無を調査した。
耐食性の評価は、溶着金属試験後の溶接試験体に、ＡＳＴＭ Ｇ４８ ＭＥＴＨＯＤ Ｅに準拠して腐食試験を行い、臨界孔食発生温度（以下、ＣＰＴという。）が２５℃以上を良好とした。それらの結果を表５にまとめて示す。
表２及び表５中のワイヤＮｏ．１〜１４が本発明例、ワイヤＮｏ．１５〜３０は比較例である。本発明であるワイヤＮｏ．１〜１４は、ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎ、Ｃ、Ｃｕ及びフラックス中のＴｉＯ2換算値の合計、ＳｉＯ2換算値の合計、Ｆ換算値の合計、Ｂｉ換算値の合計、Ｎａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計、Ａｌ2Ｏ3換算値の合計、ＺｒＯ2換算値の合計及び前記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎから求められるＡ値が適正であるので、溶接作業性が良好で、ブローホールは無く、ＣＰＴも２５℃以上であった。また、溶着金属の引張強さ及び吸収エネルギーも良好であり、極めて満足な結果であった。
ワイヤＮｏ．１５は、Ｓｉが少ないので、スラグ被包性、ビード形状及びビード外観が不良であった。また、Ｃｕが多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。
ワイヤＮｏ．１６は、Ｓｉが多いので、ビード形状が不良であった。また、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計が少ないので、アークが不安定でスパッタ発生量も多く、ビード外観も不良であった。
ワイヤＮｏ．１７は、Ｍｎが少ないので、溶着金属の引張強さが低かった。また、Ａｌ2Ｏ3換算値の合計が多いので、スラグ剥離性が不良であった。さらに、Ｂｉ換算値が多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低く、溶着金属に割れも生じた。
ワイヤＮｏ．１８は、Ｎｉが少ないので、ＣＰＴが低く、溶着金属の靭性も低かった。また、Ｍｎが多いので、ブローホールが発生した。さらに、ＳｉＯ2換算値の合計が多いので、スラグ被包性が不良であった。
ワイヤＮｏ．１９は、Ｃｒが少ないので、ＣＰＴが低かった。また、Ｎｉが多いので、アークが不安定で、溶着金属の引張強さが低かった。さらに、ＴｉＯ2換算値の合計が多いので、ビード形状が不良であった。
ワイヤＮｏ．２０は、Ｎが多いので、スラグ剥離性が不良で、ブローホールが発生した。また、ＴｉＯ2換算値の合計が少ないので、アークが不安定で、ビード形状が不良となるとともにメタル垂れが生じた。
ワイヤＮｏ．２１は、Ｍｏが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低く、ＣＰＴも低かった。また、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計が多いので、ヒュームの発生量が多くなるとともにスラグ剥離性が不良となり、メタル垂れも生じた。
ワイヤＮｏ．２２は、Ｍｏが多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。また、ＳｉＯ2換算値の合計が少ないので、アークが不安定で、スラグ剥離性及びビード形状が不良であった。
ワイヤＮｏ．２３は、Ｃｒが多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。また、Ｔｉが少ないので、メタル垂れが発生し、スラグ被包性、スラグ剥離性及びビード形状が不良であった。
ワイヤＮｏ．２４は、Ｔｉが多いので、ビード形状が不良であった。また、ＺｒＯ2換算値の合計が多いので、スラグ剥離性が不良で、溶着金属の吸収エネルギーが低く、ＣＰＴが低かった。
ワイヤＮｏ．２５は、Ｎが少ないので、溶着金属の引張強さが低く、ＣＰＴが低かった。
ワイヤＮｏ．２６は、Ａｌが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低く、ＣＰＴが低かった。また、Ｆ換算値の合計が少ないので、スラグ被包性、スラグ剥離性及びビード形状が不良であった。
ワイヤＮｏ．２７は、Ａｌが多いので、スラグ剥離性が不良で、溶着金属の吸収エネルギーが低くかった。また、Ｆ換算値の合計が多いので、ビード形状が不良であった。
ワイヤＮｏ．２８は、Ｃが多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。また、Ｂｉ換算値の合計が少ないので、スラグ剥離性が不良であった。
ワイヤＮｏ．２９は、Ａ値が低いので、ＣＰＴが低かった。
ワイヤＮｏ．３０は、Ａ値が高いので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。
Claims (1)
- ステンレス鋼外皮内にフラックスが充填された二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにおいて、
ワイヤ全質量に対する質量％で、ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計で、
Ｓｉ：０．１０〜１．０％、
Ｍｎ：１．５〜３．５％、
Ｎｉ：６．５〜１０．５％、
Ｃｒ：２０〜２４％、
Ｍｏ：１．５〜３．５％、
Ｔｉ：０．２〜１．５％、
Ａｌ：０．０５〜１．０％、
Ｎ：０．０８〜０．２０％を含有し、
Ｃ：０．０４％以下、
Ｃｕ：０．１０％以下であり、
さらに、ワイヤ全質量に対して質量％で、フラックス中に、
Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計：３〜７％、
Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：０．２〜２．５％、
弗素化合物のＦ換算値の合計：０．１〜０．７％、
Ｂｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値の合計：０．０１〜０．０５％、
Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計：０．２〜３．０％を含有し、
Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計：０．０６％以下、
Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計：０．０６％以下であり、
前記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎの含有量が下記（１）式から求められるＡ値が３０〜３７であり、残部はステンレス鋼外皮のＦｅ分、フラックスの鉄粉、鉄合金からのＦｅ分及び不可避不純物であることを特徴とする二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ。
Ａ＝［Ｃｒ］＋３．３［Ｍｏ］＋１６［Ｎ］・・・（１）
（但し、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｎ］はワイヤ全質量に対する質量％）
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