JP2018165384A - フェライト系ステンレス鋼および溶接構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的に低コストで製造でき、良好な耐食性および強度を確保できるだけでなく、溶接性に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：１．０％以上２．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｎｉ：０．５％以上１．０％以下、Ｃｒ：１８．０％以上２１．０％以下、Ｍｏ：０．４％以上１．１％以下、Ｃｕ：２．０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｎ：０．０３０％以下、および、Ａｌ：０．１５％以下を含有し、ＴｉおよびＮｂの少なくとも１種を合計で１０（Ｃ＋Ｎ）％以上０．７％以下で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。このような合金組成の各元素の含有量の範囲において、Ｍｎ＋２Ｎｉ＋０．５Ｍｏ≧１．５を満たし、５Ｓｉ＋Ｃｕ≧５．５を満たし、Ｃｒ＋Ｎｉ＋３Ｍｏ＋０．７５Ｓｉ≧２２を満たす。【選択図】なし

Description

本発明は、耐食性が良好なフェライト系ステンレス鋼および溶接構造物に関する。

例えばエコキュート（登録商標）等の電気温水器には、温水を貯めるための温水缶体が使用される。

温水缶体内での水温は、最高で８０℃程度となり、かつ、上水中には最大で２００ｐｐｍの塩化物イオンが存在するため腐食性の環境となる。したがって、温水缶体にはステンレス鋼が使用される。

また、温水缶体は、ステンレス鋼板を成形および溶接して製造されるが、溶接熱影響部は酸化により溶接前の素材よりも耐食性が低下する。

そのため、温水缶体の材料としては、高耐食性のフェライト系ステンレス鋼が広く用いられている。

この種の温水缶体の材料に使用されるフェライト系ステンレス鋼としては、例えば特許文献１等に記載される高耐食性のフェライト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４４５Ｊ１（２２Ｃｒ−１Ｍｏ）等が知られている。

また、温水缶体用の材料について、低コスト化、および、薄肉化による軽量化の観点からの検討も行われており、例えば特許文献２等に記載されているように、Ｃｒ低減による低コスト化したフェライト系ステンレス鋼が知られている。

さらに、温水缶体の軽量化に有効なフェライト系ステンレス鋼としては、特許文献３等に記載されているように、Ｓｉ添加により高強度化したフェライト系ステンレス鋼が知られている。

特開平５−２７１８８０号公報 特開２００７−２７０２２６号公報 特開２０１０−２２９４７０号公報

ここで、一般的にフェライト系ステンレス鋼は、熱伝導率が高く溶接熱が拡散しやすいため、溶接性が低く、特に温水缶体の薄肉化に伴って適正溶接範囲の調整が困難となることが想定される。

上述の特許文献１ないし３では、溶接部を含む耐食性および強度の向上に関しては検討されているが、溶接性に関して十分に検討されていない。

したがって、比較的に低コストで製造できる温水缶体用等の材料として、良好な耐食性および強度を確保できるだけでなく、溶接性に優れたフェライト系ステンレス鋼が求められていた。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、良好な耐食性および強度を確保できるだけでなく、溶接性に優れたフェライト系ステンレス鋼および溶接構造物を提供することを目的とする。

請求項１に記載されたフェライト系ステンレス鋼は、Ｃ：０．０３０質量％以下、Ｓｉ：１．０質量％以上２．０質量％以下、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｎｉ：０．５質量％以上１．０質量％以下、Ｃｒ：１８．０質量％以上２１．０質量％以下、Ｍｏ：０．４質量％以上１．１質量％以下、Ｃｕ：２．０質量％以下、Ｐ：０．０５０質量％以下、Ｓ：０．０２０質量％以下、Ｎ：０．０３０質量％以下、および、Ａｌ：０．１５質量％以下を含有し、ＴｉおよびＮｂの少なくとも１種を合計で１０（Ｃ＋Ｎ）質量％以上０．７質量％以下で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、Ｍｎ＋２Ｎｉ＋０．５Ｍｏ≧１．５を満たし、５Ｓｉ＋Ｃｕ≧５．５を満たし、Ｃｒ＋Ｎｉ＋３Ｍｏ＋０．７５Ｓｉ≧２２を満たすものである。

請求項２に記載されたフェライト系ステンレス鋼は、請求項１記載のフェライト系ステンレス鋼において、Ｖ、ＷおよびＣｏの少なくとも１種を合計で１．０質量％以下含有するものである。

請求項３に記載されたフェライト系ステンレス鋼は、請求項１または２記載のフェライト系ステンレス鋼において、ＲＥＭおよびＣａの少なくとも１種を合計で０．１０質量％以下含有するものである。

請求項４に記載された溶接構造物は、請求項１ないし３いずれか一記載のフェライト系ステンレス鋼が溶接されて形成されたものである。

本発明によれば、所定の範囲に規定された合金組成において、Ｍｎ＋２Ｎｉ＋０．５Ｍｏ≧１．５で、５Ｓｉ＋Ｃｕ≧５．５で、Ｃｒ＋Ｎｉ＋３Ｍｏ＋０．７５Ｓｉ≧２２であるため、良好な耐食性および強度を確保できるだけでなく、溶接性を向上できる。

耐食性を評価する試験の試験片形状を模式的に示す平面図である。

以下、本発明の一実施の形態の構成について詳細に説明する。

本発明に係る一実施の形態のフェライト系ステンレス鋼は、Ｃ（炭素）：０．０３０質量％以下、Ｓｉ（ケイ素）：１．０質量％以上２．０質量％以下、Ｍｎ（マンガン）：１．０質量％以下、Ｎｉ（ニッケル）：０．５質量％以上１．０質量％以下、Ｃｒ（クロム）：１８．０質量％以上２１．０質量％以下、Ｍｏ（モリブデン）：０．４質量％以上１．１質量％以下、Ｃｕ（銅）：２．０質量％以下、Ｐ（リン）：０．０５０質量％以下、Ｓ（硫黄）：０．０２０質量％以下、Ｎ（窒素）：０．０３０質量％以下、および、Ａｌ（アルミニウム）：０．１５質量％以下を含有し、Ｔｉ（チタン）およびＮｂ（ニオブ）の少なくとも１種を合計で１０（Ｃ＋Ｎ）質量％以上０．７質量％以下で含有し、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物からなる合金組成である。

また、必要に応じて、Ｖ（バナジウム）、Ｗ（タングステン）およびＣｏ（コバルト）の少なくとも１種を合計で１．０質量％以下含有してもよい。

さらに、必要に応じて、ＲＥＭ（希土類元素）およびＣａ（カルシウム）の少なくとも１種を合計で０．１０質量％以下含有してもよい。

そして、上記合金組成の各元素の含有量の範囲において、Ｍｎ、ＮｉおよびＭｏの含有量に基づくＭｎ＋２Ｎｉ＋０．５Ｍｏ≧１．５の（１）式を満足し、かつ、ＳｉおよびＣｕの含有量に基づく５Ｓｉ＋Ｃｕ≧５．５の（２）式を満足し、かつ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＭｏおよびＳｉの含有量に基づくＣｒ＋Ｎｉ＋３Ｍｏ＋０．７５Ｓｉ≧２２の（３）式を満足する。

なお、（１）式、（２）式および（３）式の各元素記号は、そのフェライト系ステンレス鋼が含有している各元素の含有量を示し、その含有量の値（質量％）が代入され、無添加のものは０が代入される。

Ｃは、鋼中に不可避的に含有され、耐粒界腐食性（鋭敏化抑制作用）や加工性を低下させる元素であるため、含有量を抑えることが好ましいが、その含有量を過度に低減させると精錬コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、Ｃの含有量は、０．０３０質量％以下とする。

Ｓｉは、高強度化、溶け込み不足抑制および耐食性（特に熱影響部）の向上に有効な元素であり、これらの作用を奏するには、１．０質量％以上含有させる必要がある。一方、Ｓｉを２．０質量％を超えて含有させると、加工性および溶接部靭性が低下してしまう可能性がある。したがって、Ｓｉの含有量は、１．０質量％以上２．０質量％以下とする。

Ｍｎは、溶け落ち抑制および溶接高温割れ抑制に有効な元素であるが、１．０質量％を超えて含有させると、腐食の起点となるＭｎＳを生成しやすくなり、また、フェライト相を不安定化させる可能性がある。したがって、Ｍｎの含有量は、１．０質量％以下とする。

Ｎｉは、溶け落ち性抑制、溶接部靭性の向上および耐食性の向上に有効な元素であり、これらの作用を奏するには０．５質量％以上含有させる必要がある。一方、Ｎｉを１．０質量％を超えて含有させると、フェライト相を不安定化させる可能性があるとともに、必要以上に材料コストを上昇させる。したがって、Ｎｉの含有量は、０．５質量％以上１．０質量％以下とする。

Ｃｒは、溶接部および熱影響部を含めステンレス鋼の耐食性を確保する上で重要な元素であり、この作用を奏するには１８．０質量％以上含有させる必要がある。一方、Ｃｒを２１．０質量％を超えて含有させると、融点の低下によって溶け落ちが生じやすくなる可能性や、溶接ビード形状の悪化により溶接部の強度が低下する可能性があるとともに、材料コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、Ｃｒの含有量は、１８．０質量％以上２１．０質量％以下とする。

Ｍｏは、溶接部および熱影響部を含めステンレス鋼の耐食性を向上させるために有効な元素であり、この作用を奏するには、０．４質量％以上含有させる必要がある。一方、Ｍｏを１．１質量％を超えて含有させると、加工性が低下してしまう可能性があるとともに、材料コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、Ｍｏの含有量は、０．４質量％以上１．１質量％以下とする。

Ｃｕは、２．０質量％を超えて含有させると、フェライト相を不安定化させる可能性があるとともに、材料コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、Ｃｕの含有量は、２．０質量％以下とする。

Ｐは、溶接性、溶接部靭性および加工性を低下させる元素であるため、含有量を抑えることが好ましいが、過度に低減させると精錬コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、Ｐの含有量は、０．０５０質量％以下とする。

Ｓは、溶接部靭性を低下させる元素であるとともに、腐食の起点となるＭｎＳを生成させるため、含有量を抑えることが好ましいが、過度に低減させると精錬コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、Ｓの含有量は、０．０２０質量％以下とし、好ましくは０．０１０質量％以下とする。

Ｎは、Ｃと同様に、耐粒界腐食性（鋭敏化抑制作用）や加工性を低下させる元素であるため、含有量を抑えることが好ましいが、過度に低減させると精錬コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、Ｎの含有量は、０．０３０質量％以下とする。

Ａｌは、脱酸元素として作用するが、０．１５質量％を超えて含有させると、表面疵の発生により製品の表面品質の低下の原因となる可能性がある。したがって、Ａｌの含有量は、０．１５質量％以下とする。

ＴｉおよびＮｂは、鋭敏化を抑制して耐粒界腐食性を向上させる元素であり、この作用を奏するには、耐粒界腐食性を低下させるＣおよびＮの含有量との関係から、ＴｉおよびＮｂを合計で１０（Ｃ＋Ｎ）質量％以上含有させる必要がある。一方、ＴｉおよびＮｂの合計含有量が０．７質量％を超えると、加工性が低下してしまう可能性がある。したがって、ＴｉおよびＮｂの合計含有量は、１０（Ｃ＋Ｎ）質量％以上０．７質量％以下とする。なお、Ｔｉを０．３質量％を超えて含有させると、加工性および表面品質が低下してしまう可能性があり、Ｎｂを０．４質量％を超えて含有させると、加工性および靭性が低下してしまう可能性があるため、Ｔｉの含有量は、０．３質量％以下が好ましく、Ｎｂの含有量は０．４質量％以下が好ましい。

Ｖ、ＷおよびＣｏは、これらの合計含有量が１．０質量％を超えると、加工性および靭性が低下してしまう可能性があるとともに、材料コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、Ｖ、ＷおよびＣｏの少なくともいずれかを含有する場合には、Ｖ、ＷおよびＣｏの合計含有量を１．０質量％以下とする。

ＲＥＭおよびＣａは、これらの合計含有量が０．１０質量％を超えると、材料コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、ＲＥＭおよびＣａのいずれかを含有する場合には、ＲＥＭおよびＣａの合計含有量を０．１０質量％以下とする。

ここで、従来鋼であるＳＵＳ４４５Ｊ１（２２Ｃｒ−１Ｍｏ）に対して、低コスト化のためにＣｒの含有量を減らしつつ、溶接熱影響部の耐食性を向上させるには、Ｓｉ添加による酸化の抑制作用、および、Ｎｉ添加による腐食進行の抑制作用が重要である。これらの観点から、上記合金組成において、Ｓｉ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏに含有量に基づくＣｒ＋Ｎｉ＋３Ｍｏ＋０．７５Ｓｉ≧２２で示す（３）式を満たすように合金成分が調整される。

溶接性の向上には、溶け込み不足を起こりにくくすることで、低い電流での溶接を可能にすること、および、溶け落ちを起こりにくくすることで、高い電流での溶接を可能にすることが有効である。すなわち、溶け込み不足および溶け落ちを同時に抑制することで適正溶接範囲を拡大でき、溶接性を向上できる。

そこで、適正溶接範囲の拡大について検討した。まず、Ｎｉ、ＭｎおよびＭｏの含有量について、Ｍｎ＋２Ｎｉ＋０．５Ｍｏ≧１．５で示す（１）式を満たすように合金成分を調整することで溶け落ちを抑制することができる。また、ＳｉおよびＣｕの含有量について、５Ｓｉ＋Ｃｕ≧５．５で示す（２）式を満たすように合金成分を調整することで溶け込み不足を抑制することができる。したがって、（１）式および（２）式を同時に満たすことで広い適正溶接範囲を確保できる。

そして、このように成分調整されたフェライト系ステンレス鋼を溶接することで、例えば電気温水器の温水缶体等の溶接構造物が形成される。

次に、上記一実施の形態の作用および効果を説明する。

上記フェライト系ステンレス鋼および溶接構造物によれば、各元素を上記範囲に規定することにより、低コスト化できるとともに、良好な強度を確保できる。

Ｍｎ＋２Ｎｉ＋０．５Ｍｏ≧１．５で示す（１）式を満たすように合金成分が調整されることにより、溶け落ちを抑制して、適正溶接電流の範囲を広くすることができ、溶接性を向上できる。

５Ｓｉ＋Ｃｕ≧５．５で示す（２）式を満たすように合金成分が調整されることにより、ＴＩＧ溶接が可能な電流値が低下させ溶け込み不足を生じにくくして、適正溶接電流の範囲を広くすることができ、溶接性を向上できる。

Ｃｒ＋Ｎｉ＋３Ｍｏ＋０．７５Ｓｉ≧２２で示す（３）式を満たすように合金成分が調整されることにより、Ｓｉによる酸化抑制作用、および、Ｎｉによる腐食進行抑制作用を利用して、溶接部を含む耐食性を向上できる。

したがって、上記合金組成および各式を満たすフェライト系ステンレス鋼は、例えばＳＵＳ４４５Ｊ１等の従来鋼に比べて比較的に低コストで製造でき、良好な耐食性および強度を確保できるだけでなく、溶接性に優れる。

また、このような耐食性、強度および溶接性に優れたフェライト系ステンレス鋼および溶接構造物は、例えば、自動車用部品、家電機器用部品および電気温水器の温水缶体等の用途に好適である。

以下、本実施例および比較例について説明する。

まず、表１に示す各合金組成のステンレス鋼をラボ溶解で溶製し、熱間圧延、焼鈍、冷間圧延、焼鈍および酸洗を施して、０．６ｍｍの焼鈍酸洗板を製造して、溶接性、機械的性質および耐食性を評価するための試験に供した。

なお、表１において、Ｎｏ．１〜１１が上記一実施の形態の条件を満たす本実施例で、鋼Ｎｏ．１２〜２３が比較例である。

溶接性の評価では、表１に示す各ステンレス鋼を、溶接速度６００ｍｍ／分、ガス流量１０Ｌ／分、バックガス流量５Ｌ／分、電極径１．６ｍｍおよび電極間距離０．６ｍｍにて、ＴＩＧなめ付け溶接を行った。

そして、溶接電流を変えて、溶け込み不足、および、溶け落ちが生じない溶接電流の範囲を適正溶接電流範囲（ΔＡ）とし、ΔＡ≧１００の場合を溶接性が良好である評価し、表１では○で示した。

機械的性質の評価では、ＪＩＳ Ｚ２２４１に規定される１３Ｂ号試験片で、試験片の中央部に引張方向と垂直に溶接を施したものを用いた。なお、溶接条件は、上記溶接性の評価と同じであり、溶接ビード幅３ｍｍとなるように電流調整した。そして、ＪＩＳ Ｚ２２９１に準拠して引張試験を行い、引張強度が５００ＭＰａ以上の場合を機械的性質（強度）が良好であると評価し、表１では○で示した。

耐食性の評価では、図１に示すように、長手方向長さ４０ｍｍで幅方向長さ１５ｍｍの矩形状の試験片の長手方向の中央部に長手方向と垂直に溶接を施して溶接部11を有する試験片を用いて定電位浸漬試験を行なった。なお、溶接条件は、上記溶接性の評価と同じであり、溶接ビード幅３ｍｍとなるように電流調整した。

定電位浸漬試験は、塩化物イオン濃度２００ｐｐｍ（水道水基準上限を想定）で、８０℃（電気温水器の使用上限温度を想定）の溶液に、試験片を浸漬し、Ａｒ脱気雰囲気とした。また、対極（Ｐｔ）および参照極（Ａｇ／ＡｇＣｌ）を浸漬し、印加電位を０．３（実環境最悪の０．２５Ｖを想定）とし、４８時間保持した。そして、４８時間後の電流値が１μＡ以下の場合に、腐食が発生しておらず耐食性が良好である評価し、表１では○で示した。

各本実施例および各比較例の合金組成、溶接性評価の結果、機械的性質評価の結果および耐食性評価の結果を表１に示す。

表１に示すように、本実施例であるＮｏ．１〜１１のいずれも、溶接性、機械的性質および耐食性が全て良好であった。

一方、上記合金成分の規定、（１）式、（２）式および（３）式の関係の少なくともいずれかを満たしていない比較例であるＮｏ．１２〜２０は、溶接性、機械的性質および耐食性の少なくともいずれかの基準を満たしていなかった。

（２）式の関係を満たしていない比較例であるＮｏ．２１は、適正溶接電流範囲が１００未満であり、溶接性の基準を満たしていなかった。

（１）式の関係を満たしていない比較例であるＮｏ．２２は、適正溶接電流範囲が１００未満であり、溶接性の基準を満たしていなかった。

（３）式の関係を満たしていない比較例であるＮｏ．２３は、定電位浸漬試験による耐食性の基準を満たしていなかった。

請求項１に記載されたフェライト系ステンレス鋼は、Ｃ：０．０３０質量％以下、Ｓｉ：１．０質量％以上２．０質量％以下、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｎｉ：０．５質量％以上１．０質量％以下、Ｃｒ：１８．０質量％以上２１．０質量％以下、Ｍｏ：０．４質量％以上１．１質量％以下、Ｃｕ：０．０３質量％以上２．０質量％以下、Ｐ：０．０５０質量％以下、Ｓ：０．０２０質量％以下、Ｎ：０．０３０質量％以下、および、Ａｌ：０．１５質量％以下を含有し、ＴｉおよびＮｂの少なくとも１種を合計で１０（Ｃ＋Ｎ）質量％以上０．７質量％以下で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、Ｍｎ＋２Ｎｉ＋０．５Ｍｏ≧１．５を満たし、５Ｓｉ＋Ｃｕ≧５．５を満たし、Ｃｒ＋Ｎｉ＋３Ｍｏ＋０．７５Ｓｉ≧２２を満たすものである。

本発明に係る一実施の形態のフェライト系ステンレス鋼は、Ｃ（炭素）：０．０３０質量％以下、Ｓｉ（ケイ素）：１．０質量％以上２．０質量％以下、Ｍｎ（マンガン）：１．０質量％以下、Ｎｉ（ニッケル）：０．５質量％以上１．０質量％以下、Ｃｒ（クロム）：１８．０質量％以上２１．０質量％以下、Ｍｏ（モリブデン）：０．４質量％以上１．１質量％以下、Ｃｕ（銅）：０．０３質量％以上２．０質量％以下、Ｐ（リン）：０．０５０質量％以下、Ｓ（硫黄）：０．０２０質量％以下、Ｎ（窒素）：０．０３０質量％以下、および、Ａｌ（アルミニウム）：０．１５質量％以下を含有し、Ｔｉ（チタン）およびＮｂ（ニオブ）の少なくとも１種を合計で１０（Ｃ＋Ｎ）質量％以上０．７質量％以下で含有し、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物からなる合金組成である。

Ｃｕは、２．０質量％を超えて含有させると、フェライト相を不安定化させる可能性があるとともに、材料コストが必要以上に上昇してしまう。したがって、Ｃｕの含有量は、０．０３質量％以上２．０質量％以下とする。

表１に示すように、本実施例であるＮｏ．１〜９，１１のいずれも、溶接性、機械的性質および耐食性が全て良好であった。

Claims (4)

1. Ｃ：０．０３０質量％以下、Ｓｉ：１．０質量％以上２．０質量％以下、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｎｉ：０．５質量％以上１．０質量％以下、Ｃｒ：１８．０質量％以上２１．０質量％以下、Ｍｏ：０．４質量％以上１．１質量％以下、Ｃｕ：２．０質量％以下、Ｐ：０．０５０質量％以下、Ｓ：０．０２０質量％以下、Ｎ：０．０３０質量％以下、および、Ａｌ：０．１５質量％以下を含有し、ＴｉおよびＮｂの少なくとも１種を合計で１０（Ｃ＋Ｎ）質量％以上０．７質量％以下で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
   Ｍｎ＋２Ｎｉ＋０．５Ｍｏ≧１．５を満たし、
   ５Ｓｉ＋Ｃｕ≧５．５を満たし、
   Ｃｒ＋Ｎｉ＋３Ｍｏ＋０．７５Ｓｉ≧２２を満たす
   ことを特徴とするフェライト系ステンレス鋼。
2. Ｖ、ＷおよびＣｏの少なくとも１種を合計で１．０質量％以下含有する
   ことを特徴とする請求項１記載のフェライト系ステンレス鋼。
3. ＲＥＭおよびＣａの少なくとも１種を合計で０．１０質量％以下含有する
   ことを特徴とする請求項１または２記載のフェライト系ステンレス鋼。
4. 請求項１ないし３いずれか一記載のフェライト系ステンレス鋼が溶接されて形成された
   ことを特徴とする溶接構造物。

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