JP2019077925A

JP2019077925A - スラグスポット発生抑止能に優れるステンレス鋼材並びに溶接構造部材およびその製造法

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Publication number: JP2019077925A
Application number: JP2017206555A
Authority: JP
Inventors: 靖弘江原; Yasuhiro Ebara; 森田　一成; Kazunari Morita; 一成森田
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2019-05-23
Anticipated expiration: 2037-10-25
Also published as: TW201923108A; KR102391566B1; TWI694160B; WO2019082427A1; KR20200067886A; JP7042057B2; CN112218965A

Abstract

【課題】ステンレス鋼を母材に用いたアーク溶接においてスラグスポットの発生が安定して顕著に抑制できるステンレス鋼材を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０.００５〜０.１００％、Ｓｉ：０.１０〜３.００％、Ｍｎ：０.１０〜６.５０％、Ｐ：０.００１〜０.０５０％、Ｓ：０.０００１〜０.０２００％、Ｎｉ：０〜２０.００％、Ｃｒ：１０.５０〜２６.００、Ｎ：０.００５〜０.２００％、Ｏ：０.００３０〜０.０１５０％であり、必要に応じＭｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｗ、Ｃｏ、Ｂ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭ（Ｙを除く希土類元素）、Ｙを所定範囲で含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、金属組織中に観察される酸化物系介在物の平均ＣａＯ／（ＳｉＯ2＋ＭｎＯ＋ＣａＯ）質量比が０.５０以下、平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比が１５.０以下であるステンレス鋼材。【選択図】図３

Description

本発明は、アーク溶接ビードに生じる溶接欠陥の一種である「スラグスポット」あるいは「ブラックスポット」と呼ばれる欠陥を発生させにくいステンレス鋼材に関する。また、その鋼材を用いた溶接構造部材、およびその製造法に関する。

ステンレス鋼材を母材に用いてアーク溶接を行うと、溶接ビード上に酸化物の凝集体が点在した「スラグスポット」と呼ばれる欠陥が生じることがある。図１に、非特許文献１に掲載されているスラグスポットが生じた溶接ビードの外観写真を引用して例示する。非特許文献の記載によれば、スラグスポットは、溶接ビード上に数ｍｍから数ｃｍ間隔で島状あるいは点状に残留浮上する微小なスラグであるとされる。アーク溶接時に溶融池に侵入した空気中の酸素が、鋼材中の微量成分であるＡｌ、Ｃａ、Ｔｉ等の活性元素と反応してスラグスポットとして残留すると考えられ、特に、溶融池の十分なガスシールドが難しい高速度ＴＩＧ溶接でスラグスポットの発生が顕著になる傾向があるという。

図２には、ＴＩＧ溶接により造管した鋼管の溶接ビード上に見られたスラグスポットの外観を例示する。この写真中に見られる長径１.０ｍｍ以上の大きさのスラグスポットのビード長さ方向１ｍ当たりの個数（以下、「ビード長さ方向個数密度」という。）は０.７個／ｍである。

溶接ビードにスラグスポットが多発すると、例えば以下のような問題がある。
（i）溶接ビード部の美観を損ねる。（ii）除去のためにビード表面研磨などの煩雑な手入れが必要となる場合がある。（iii）溶接鋼管の製造では、鋼管内面の溶接ビードを圧下してビートの高さを低くしてから内面研磨を施す用途もある。スラグスポットは裏ビード側にも生じることがあり、その場合には、鋼管内面のビード部を圧下した際にスラグスポットが押し込まれてビードの金属面に凹みが形成され、後の研磨工程で研磨残り（未研磨部）が生じる。（iv）スラグスポットを構成する異物とビードの金属表面の間で隙間腐食が生じる場合がある。（v）溶接鋼管の場合、内面ビード上に生成したスラグスポットが鋼管使用中に脱落し、中を流れる流体への異物混入の原因となり得る。（vi）アーク溶接時にスラグスポットの原因となる異物が溶融池内に凝集してくると、アークが不安定となり、ビード形状が乱れやすい。
したがって、アーク溶接の母材として使用したときにスラグスポットの発生が顕著に抑制できるステンレス鋼材の開発が待たれている。

特許文献１、２には、易酸化性元素であるＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａの含有量を最適化した鋼組成に調整することによってスラグスポット（ブラックスポット）の生成を低減したフェライト系ステンレス鋼が開示されている。しかし、発明者らの調査によれば、鋼組成の調整のみではスラグスポットの抑制効果は限定的であり、さらなる改善の余地が残されている。

特許文献３には、被覆管用オーステナイト系Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金において、加工割れの起点となる溶接部表面の異物を低減することが記載されている。溶接物表面に付着する異物はＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇ等の酸化物や窒化物を主体とするものであり、母材中に存在する非金属介在物は一般に高融点であるため、溶接時に溶融せず溶融金属の表面に浮上して凝集し、凝固する際、そのまま表面に残存して凹凸を形成すると教示されている（段落００３５）。また、溶接部表面に付着した異物は、母材中に存在する非金属介在物に由来するものであるという（段落００３８）。特許文献３に開示の技術では、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉの量を極力低減することに加えて、他の介在物構成元素であるＣａ、Ｍｇ、ＮおよびＯを低減することによって母材中に存在する介在物の個数を低減し、それによって溶接金属表面に観察される異物の低減を図っている（段落００３９）。しかしながら、発明者らの検討によれば、ステンレス鋼材中に存在する非金属介在物の数を単に低減するだけでは、例えば食品加工ラインや半導体製造設備で使用される溶接鋼管に要求されような、極めて異物（スラグスポット）の少ないアーク溶接ビードを安定して得ることは難しい。また、ステンレス鋼材中に存在する非金属介在物の量を大幅に低減することは、製鋼工程での負荷を増大させ、鋼材コストの上昇を招く。したがって、介在物の存在量を低減するという手法に頼らずにスラグスポットの低減を図ることができる、新たな手法の開発が望まれる。

特開２０１０−２０２９７３号公報特開２０１２−３６４４４号公報特開２０１４−８４４９３号公報

ステンレス協会編「ステンレス鋼便覧第３版」、日刊工業新聞社、１９９５年、ｐ.１０３０−１０３１

アーク溶接ビードのスラグスポットを低減する上で有効な溶接法として、溶接ワイヤを電極に使用する方法や、溶加材を添加する方法が挙げられる。フラックス入りの溶接ワイヤを使用することも有効である。一方で、ＴＩＧ溶接など、非溶極式の電極を用いるアーク溶接も広く行われており、溶加材を使用しないことも多い。
本発明は、溶接ワイヤや溶加材の使用に頼ることなく、非溶極式のアーク溶接法を採用した場合でも、オーステナイト系、フェライト系を問わず種々のステンレス鋼種でスラグスポットの発生が安定して顕著に抑制できる技術を提供しようというものである。

発明者らは詳細な研究の結果、ステンレス鋼母材中に存在する非金属介在物の量を低減することに加え、特に酸化物系介在物の組成を制御するという手法を採用することにより、上記課題が達成できることを知見した。本明細書では、以下の発明を開示する。

［１］質量％で、Ｃ：０.００５〜０.１００％、Ｓｉ：０.１０〜３.００％、Ｍｎ：０.１０〜６.５０％、Ｐ：０.００１〜０.０５０％、Ｓ：０.０００１〜０.０２００％、Ｎｉ：０〜２０.００％、Ｃｒ：１０.５０〜２６.００、Ｍｏ：０〜２.５０％、Ｃｕ：０〜３.５０％、Ｎｂ：０〜０.５００％、Ｖ：０〜０.５００％、Ｚｒ：０〜０.５００％、Ｗ：０〜０.５００％、Ｃｏ：０〜０.５００、Ｂ：０〜０.０２０、Ｎ：０.００５〜０.２００％、Ｔｉ：０〜０.０５０％、Ａｌ：０〜０.１００％、Ｃａ：０〜０.００１０％、Ｍｇ：０〜０.００１０％、ＲＥＭ（Ｙを除く希土類元素）：０〜０.０５０％、Ｙ：０〜０.０５０％、Ｏ：０.００３０〜０.０１５０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、Ｍｎを含有する酸化物系介在物が存在し、酸化物系介在物中のＳｉ、ＭｎおよびＣａの含有量をそれぞれＳｉＯ₂、ＭｎＯおよびＣａＯの質量割合に換算した場合の介在物組成において、金属組織中に観察される酸化物系介在物の平均ＣａＯ／（ＳｉＯ₂＋ＭｎＯ＋ＣａＯ）質量比が０.４０以下、平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比が１５.０以下であるステンレス鋼材。
［２］上記［１］に記載のステンレス鋼材からなるアーク溶接用母材。
［３］上記［１］に記載のステンレス鋼材からなるアーク溶接造管用鋼板母材。
［４］上記［１］に記載の鋼材を母材に用いたアーク溶接構造部材。
［５］上記［１］に記載の鋼材を母材に用いたアーク溶接鋼管。
［６］上記［１］に記載のステンレス鋼材を母材に用いて、溶加材を添加せずに非溶極式のアーク溶接を行う溶接構造部材の製造法。
［７］上記［１］に記載のステンレス鋼材である鋼板を母材に用いて、溶加材を添加せずに非溶極式のアーク溶接にて溶接鋼管とする、溶接鋼管の製造法。

ここで、上記の各鋼成分の含有量は、鋼中に存在する当該元素のトータル含有量である。したがって、一部が酸化物として存在する金属元素や酸素の含有量は、酸化物として存在する量を含んでいる。酸化物系介在物の平均ＣａＯ／（ＳｉＯ₂＋ＭｎＯ＋ＣａＯ）質量比、平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比は、以下のようにして求めることができる。アーク溶接構造部材は、アーク溶接により形成された溶接部を有する部材である。同様に、アーク溶接鋼管は、アーク溶接により形成された溶接部を有する鋼管である。これらの溶接部は、「溶加材無添加の溶接部」（すなわち、溶加材を添加せずに形成された溶接部）とすることができる。

〔平均ＣａＯ／（ＳｉＯ₂＋ＭｎＯ＋ＣａＯ）質量比、平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比の求め方〕
鋼材の断面についてＳＥＭ観察を行い、断面内に存在する酸化物系介在物の粒子から無作為に３０個以上の粒子を選択してＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）により組成分析を行う。個々の粒子について、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃａ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、ＣｒおよびＦｅの含有率をそれぞれ酸化物ＳｉＯ₂、ＭｎＯ、ＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＴｉＯ₂、Ｃｒ₂Ｏ₃およびＦｅＯの質量割合に換算し、これら８種類の酸化物に占めるＳｉＯ₂、ＭｎＯおよびＣａＯの質量割合を、それぞれ当該粒子のＳｉＯ₂含有量（質量％）、ＭｎＯ含有量（質量％）およびＣａＯ含有量（質量％）とする。個々の粒子のＳｉＯ₂含有量、ＭｎＯ含有量およびＣａＯ含有量をそれぞれ相加平均することにより、全測定粒子についてのＳｉＯ₂、ＭｎＯおよびＣａＯの平均含有量（質量％）を算出する。下記（１）式の各酸化物の化学式の箇所に、当該酸化物の前記平均含有量（質量％）の値を代入することにより、平均ＣａＯ／（ＳｉＯ₂＋ＭｎＯ＋ＣａＯ）質量比が定まる。同様に、下記（２）式の各酸化物の化学式の箇所に、当該酸化物の前記平均含有量（質量％）の値を代入することにより、平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比が定まる。
ＣａＯ／（ＳｉＯ₂＋ＭｎＯ＋ＣａＯ） …（１）
ＣａＯ／ＭｎＯ …（２）

本発明によれば、ステンレス鋼材のアーク溶接においてスラグスポットの発生を安定して顕著に抑制することが可能になった。この技術はオーステナイト系、フェライト系を問わず種々のステンレス鋼種に適用でき、特に溶加材を添加せずに行うＴＩＧ溶接で効果が大きい。

非特許文献１に掲載されているスラグスポットが生じた溶接ビードの外観写真の引用。ＴＩＧ溶接により造管した鋼管の溶接ビード上に見られたスラグスポットの外観写真。酸化物系介在物の平均ＣａＯ／（ＳｉＯ₂＋ＭｎＯ＋ＣａＯ）質量比とスラグスポット発生率の関係を示したグラフ。酸化物系介在物の平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比とスラグスポット発生率の関係を示したグラフ。図４の平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比が低い領域を拡大表示したグラフ。鋼材中のトータル酸素含有量と酸化物系介在物の平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比の関係を示したグラフ。図６の平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比が低い領域を拡大表示したグラフ。鋼材中のトータル酸素含有量とスラグスポット発生率の関係を示したグラフ。精錬時のスラグ塩基度とスラグスポット発生率の関係を示したグラフ。

〔鋼の成分組成〕
本発明では、オーステナイト系やフェライト系を問わず、種々の鋼種が適用対象となる。発明者らの検討によれば、以下の組成範囲において後述の介在物組成制御によるスラグスポットの抑止効果が得られる。
質量％で、Ｃ：０.００５〜０.１００％、Ｓｉ：０.１０〜３.００％、Ｍｎ：０.１０〜６.５０％、Ｐ：０.００１〜０.０５０％、Ｓ：０.０００１〜０.０２００％、Ｎｉ：０〜２０.００％、Ｃｒ：１０.５０〜２６.００、Ｍｏ：０〜２.５０％、Ｃｕ：０〜３.５０％、Ｎｂ：０〜０.５００％、Ｖ：０〜０.５００％、Ｚｒ：０〜０.５００％、Ｗ：０〜０.５００％、Ｃｏ：０〜０.５００、Ｂ：０〜０.０２０、Ｎ：０.００５〜０.２００％、Ｔｉ：０〜０.０５０％、Ａｌ：０〜０.１００％、Ｃａ：０〜０.００１０％、Ｍｇ：０〜０.００１０％、ＲＥＭ（Ｙを除く希土類元素）：０〜０.０５０％、Ｙ：０〜０.０５０％、Ｏ：０.００３０〜０.０１５０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物。

鋼材中のＰ、Ｓの含有量は一般に低い方が好ましいが、過剰な脱燐、脱硫は製鋼の負荷を高め不経済となるので、ここではＰ、Ｓ含有量が上記範囲の鋼を対象とする。Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｗ、Ｃｏ、Ｂ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭ（Ｙを除く希土類元素）、Ｙは任意含有元素である。これらは、鋼材の熱間加工性や各種特性を改善するためにステンレス鋼に適宜添加される一般的な元素であり、上記範囲内の含有量であれば、酸化物系介在物の平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比が後述の所定範囲に制御されている限り、アーク溶接ビードのスラグスポット抑止効果を阻害するものではない。Ｔｉ、Ａｌ、については、含有量が過剰であると介在物組成に悪影響を及ぼすことがあり、スラグスポットの発生原因となり得るので、Ｔｉは０.０５０％以下、Ａｌは０.１００％以下にそれぞれ制限される。Ｔｉは０.０１０％未満、Ａｌは０.００７％以下の含有量範囲となるように成分調整することがより好ましい。Ａｌ含有量を十分に低減するには、精錬においてＳｉ脱酸を行うことが望ましい。

〔酸化物系介在物の組成〕
ステンレス鋼材を母材に用いたアーク溶接ビードに生じるスラグスポットの発生要因としては、以下のパターンが考えられる。
（パターン１）母材中の易酸化性元素（Ａｌ、Ｃａ、Ｔｉ等）がガスシールドの不十分であった箇所で酸化物を形成してビード上に残留する。
（パターン２）母材中に存在する解離温度の高い非金属介在物がアークの掃引に随伴して凝集浮上し、ある程度凝集粒子が大きくなるとアークの掃引から取り残されてビード上に残留する。
発明者らの検討によると、ガスシールドを十分に行った場合であってもスラグスポットは発生することから、スラグスポットの発生を安定して顕著に抑制するためには上記パターン２の発生要因を克服することが必要である。上記パターン１の発生要因については母材の鋼組成において易酸化性元素等の含有量を上述の範囲に制限することによって解消できる。

上記パターン２の発生要因対策としては母材中の介在物制御が重要となる。非金属介在物のうち、スラグスポットの原因となるのは解離温度が高い酸化物系介在物である。上述の鋼組成を有するステンレス鋼の場合、鋼材中に存在する酸化物系介在物の代表的な構成成分としてＳｉＯ₂、ＭｎＯ、ＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯなどが挙げられる。これらのうち、ＣａＯは解離温度が高いため溶接時にも還元されず酸化物のまま存在する。これがアークの熱で溶融した金属の中で凝集合体すると、冷却後にスラグスポットとして現れる。一方、ＭｎＯやＳｉＯ₂は解離温度が比較的低いため、酸化物を構成するＭｎやＳｉは溶接時に還元されてメタルとなり、溶融金属中に溶解しやすい。そのためＭｎＯやＳｉＯ₂はスラグスポットの発生要因にはなりにくい。

発明者らは上述の鋼組成範囲にある種々のステンレス鋼種について、鋼材中に含まれている酸化物系介在物の組成を詳細に調べた。その結果、一般的なステンレス鋼材中に存在する酸化物系介在物の多くは、ＳｉＯ₂およびＣａＯの含有量が多いタイプのものであることがわかった。また、精錬条件を変えることによって、介在物のＣａＯ含有量を減少させ、代わりにＭｎＯ含有量を増加させるという介在物の組成制御が可能であることも確かめられた。さらに、介在物組成においてＳｉＯ₂、ＣａＯと共存するＭｎＯの含有量を増加させていくと、ＣａＯが存在しているにもかかわらず、スラグスポットの発生が顕著に抑制されることが明らかとなった。以下において、ＳｉＯ₂およびＣａＯの含有量が多い一般的なタイプの酸化物系介在物を便宜上「ＳｉＯ₂−ＣａＯタイプ」と呼び、介在物の組成制御によりＣａ濃度の減少およびＭｎ濃度の増加を図ったタイプの酸化物系介在物を便宜上「ＳｉＯ₂−ＭｎＯ−ＣａＯタイプ」と呼ぶ。

金属酸化物は温度が上昇すると一般に金属と酸素に解離する。例えばエリンガムダイヤグラムにおいて酸素分圧を１０^-12ａｔｍと仮定した場合の解離温度を見積もると、ＳｉＯ₂：約１５３０℃、ＭｎＯ：約１３８０℃、ＣａＯ：約２１００℃、Ａｌ₂Ｏ₃：約２０２０℃となる。ＳｉＯ₂−ＣａＯタイプの介在物を、できるだけＳｉＯ₂−ＭｎＯ−ＣａＯタイプに変えること、すなわち介在物の組成を相対的にＳｉＯ₂−ＭｎＯ−ＣａＯタイプ優位とすることが、スラグスポットの抑制に有利となる。なお、Ａｌ₂Ｏ₃は解離温度が高いが、上述の鋼組成に調整されている鋼材ではＡｌ₂Ｏ₃の存在量が少ないため、スラグスポットの発生要因にはなりにくい。

介在物組成におけるＳｉＯ₂−ＣａＯタイプとＳｉＯ₂−ＭｎＯ−ＣａＯタイプの相対的な優位性を定量的に表す指標として、本発明では「平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比」を採用する。この値が小さいほど、相対的にＳｉＯ₂−ＭｎＯ−ＣａＯタイプ優位の介在物組成であると評価でき、スラグスポットの発生抑制に有利となる。平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比は上述した方法で求めることができる。詳細な検討の結果、鋼組成が上述の範囲に調整されているステンレス鋼において、平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比が１５.０以下であるとき、従来のステンレス鋼材と比べスラグスポットの顕著な低減効果が認められる。平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比が１０.０以下であることがより好ましく、６.０以下に管理してもよい。

一方、酸化物系介在物中のＭｎＯ含有量が高い場合でも、ＣａＯ含有量が過度に高いと、スラグスポットの発生抑制効果が十分に得られない。検討の結果、平均ＣａＯ／（ＳｉＯ₂＋ＭｎＯ＋ＣａＯ）質量比が０.４０以下である介在物組成とすることが望ましい。平均ＣａＯ／（ＳｉＯ₂＋ＭｎＯ＋ＣａＯ）質量比は上述した方法で求めることができる。

〔介在物の組成制御〕
酸化物系介在物の平均ＣａＯ／（ＳｉＯ₂＋ＭｎＯ＋ＣａＯ）質量比、および平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比が適正化された上述のステンレス鋼材は、一般的なステンレス鋼の溶製設備を利用して製造することができる。代表的にはＶＯＤプロセスおよびＡＯＤプロセスが挙げられる。いずれにおいても、まず、含Ｃｒ溶鉄に酸素を吹き込む脱炭を施し、Ｃｒ酸化物含有スラグを湯面上に有する溶鋼（Ｃ含有量は例えば０.２０％以下）を常法にて製造する。この段階の溶鋼は酸素を吹き込む脱炭を終えた溶鋼であるから、易酸化性元素Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇなどは、溶鋼中から酸化除去されている。すなわち、溶鋼中にはＳｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇはほとんど存在していない。また、溶鋼中に多量に含まれるＣｒもその一部が酸化され、Ｃｒ酸化物として溶鋼の湯面上にスラグを形成している。一方、溶鋼中には脱炭のために吹き込んだ酸素が多量に溶存している。そのため、鋳造前には脱酸を行う必要がある。脱酸剤としてＡｌではなくＦｅＳｉ合金を使用して、最終的な成分調整を行う。

酸化物系介在物の平均ＣａＯ／（ＳｉＯ₂＋ＭｎＯ＋ＣａＯ）質量比を０.４０以下に維持しながら平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比を十分に低減するためには、脱酸および最終的な成分調整を行う際に、例えば以下の３点を満たすように精錬を行うことが極めて有効であることがわかった。

（１）鋼中の酸素含有量（酸化物として存在する酸素も含めたトータル酸素含有量）が０.００３０％（３０ｐｐｍ）以上となるように精錬を行う。酸素含有量が０.００３０％を下回ると平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比を安定して１５.０以下とするような精錬が難しくなる。平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比を１０.０以下、あるいは６.０以下にまで大きく低減させたい場合には酸素含有量を０.００４０％（４０ｐｐｍ）以上となるように調整することがより好ましい。ただし、酸素含有量が多くなりすぎるとＣｒ酸化物含有量の多い介在物が多量に生成し、製品品質の低下を招く要因となる。酸素含有量は０.０１５０％（１５０ｐｐｍ）以下に制限され、０.０１００％（１００ｐｐｍ）以下とすることがより好ましい。０.００６０％（６０ｐｐｍ）以下に管理してもよい
（２）Ｃａ含有量が例えば０.２０％以下の高純度ＦｅＳｉ合金を用いてＳｉ脱酸を行う。
（３）スラグ塩基度ＣａＯ／ＳｉＯ₂を１.２０〜１.６０の範囲に調整する。

ＶＯＤプロセスを利用して、表１に示すステンレス鋼を溶製し、連続鋳造スラブを得た。最終的な精錬過程で、鋼中のトータル酸素含有量、脱酸剤のＦｅＳｉ合金の種類、およびスラグ塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）の条件を変えて、介在物制御を試みた。表２中にそれぞれの条件を示してある。表２中の酸素含有量は、表１の値を再掲したものである。脱酸剤であるＦｅＳｉ合金としては、不純物量が少ない高純度品と、通常品を使用した。高純度品はＣａ含有量が０.２０質量％以下に低減されたものである。通常品のＣａ含有量は約０.５〜１.５質量％である。スラグ塩基度は、スラグから採取したサンプルを分析して求めた。

得られた連続鋳造スラブを用いて、熱間圧延、冷間圧延を含む工程で板厚０.５〜１.５ｍｍの冷延焼鈍鋼板を得た。この冷延焼鈍鋼板の圧延方向および板厚方向に平行な断面（Ｌ断面）についてＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察を行い、ＳＥＭに付属のＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）にて酸化物系介在物の組成分析を行った。無作為に選択した３０個の酸化物系介在物の測定値に基づいて、前掲の「平均ＣａＯ／（ＳｉＯ₂＋ＭｎＯ＋ＣａＯ）質量比、平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比の求め方」に従い、平均ＣａＯ／（ＳｉＯ₂＋ＭｎＯ＋ＣａＯ）質量比および平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比を求めた。結果を表２中に示してある。

各冷延焼鈍鋼板を素材に用いて、ＴＩＧ溶接にて通常の条件で溶接鋼管を製造した。管の外径は２５〜５１ｍｍの範囲にある。溶接に際し溶加材は添加していない。得られた鋼管製品から無作為にサンプルを抜き出し、連続する長さ５０ｍ以上の溶接ビードについてスラグスポットの発生を調査した。長径（粒子の最も長い部分の直径）が１.０ｍｍ以上であるスラグスポットの数をカウントし、１ｍあたりの上記スラグスポットの発生個数をスラグスポット発生率（個／ｍ）とした。上記サイズのスラグスポット発生率が０.３０個／ｍ以下であれば、従来より大幅にスラグスポットの発生が抑制されていると評価することができる。したがって、スラグスポット発生率が０.３０個／ｍ以下のものを合格と判定した。
これらの結果を表２に示す。

鋼組成が本発明規定範囲を満たし、かつ酸化物系介在物の平均ＣａＯ／（ＳｉＯ₂＋ＭｎＯ＋ＣａＯ）質量比および平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比が本発明規定範囲に制御された本発明例のものは、スラグスポットの発生が非常に少ない。

これに対し、比較例であるＮｏ.２１〜２３は精錬時のスラグ塩基度が高かったので酸化物系介在物の平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比が高くなり、スラグスポットの発生が多かった。Ｎｏ.２４〜２６は鋼中のトータル酸素含有量が低すぎ、かつ精錬時のスラグ塩基度が高かったので酸化物系介在物の平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比が他の例より著しく高くなり、スラグスポットの抑制効果は得られなかった。Ｎｏ.２７〜３０は脱酸剤であるＦｅＳｉ合金に「通常品」を使用したので所望の介在物制御ができず、酸化物系介在物の平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比が高くなってスラグスポットの発生が多かった。

図３に、各例について酸化物系介在物の平均ＣａＯ／（ＳｉＯ₂＋ＭｎＯ＋ＣａＯ）質量比とスラグスポット発生率の関係を示す。黒丸プロットは脱酸剤のＦｅＳｉ合金として「高純度品」を使用した例、白丸プロットは「通常品」を使用した例である（以下の図４〜図９において同様）。また、図４、図５に、各例について酸化物系介在物の平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比とスラグスポット発生率の関係を示す。図５は、図４の平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比が低い領域を拡大表示したものである。酸化物系介在物の平均ＣａＯ／（ＳｉＯ₂＋ＭｎＯ＋ＣａＯ）質量比を０.４０以下、かつ平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比を１５.０以下に制御することにより、スラグスポット発生抑制効果が顕著に向上することがわかる。

図６、図７に、各例について鋼材中のトータル酸素含有量と酸化物系介在物の平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比の関係を示す。図７は、図６の平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比が低い領域を拡大表示したものである。酸素含有量を０.００３０％以上にすることが酸化物系介在物の平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比を低く制御する上で極めて有効であることがわかる。

図８に、各例について鋼材中のトータル酸素含有量とスラグスポット発生率の関係を示す。脱酸剤のＦｅＳｉ合金に「高純度品」を使用し、酸素含有量を０.００３０％以上にすることが、スラグスポットの発生抑制に効果的であることがわかる。

図９に、精錬時のスラグ塩基度とスラグスポット発生率の関係を示す。脱酸剤のＦｅＳｉ合金に「高純度品」を使用し、スラグ塩基度を１.２０〜１.６０の範囲に調整することが、スラグスポットの発生抑制に効果的であることがわかる。

Claims

質量％で、Ｃ：０.００５〜０.１００％、Ｓｉ：０.１０〜３.００％、Ｍｎ：０.１０〜６.５０％、Ｐ：０.００１〜０.０５０％、Ｓ：０.０００１〜０.０２００％、Ｎｉ：０〜２０.００％、Ｃｒ：１０.５０〜２６.００、Ｍｏ：０〜２.５０％、Ｃｕ：０〜３.５０％、Ｎｂ：０〜０.５００％、Ｖ：０〜０.５００％、Ｚｒ：０〜０.５００％、Ｗ：０〜０.５００％、Ｃｏ：０〜０.５００、Ｂ：０〜０.０２０、Ｎ：０.００５〜０.２００％、Ｔｉ：０〜０.０５０％、Ａｌ：０〜０.１００％、Ｃａ：０〜０.００１０％、Ｍｇ：０〜０.００１０％、ＲＥＭ（Ｙを除く希土類元素）：０〜０.０５０％、Ｙ：０〜０.０５０％、Ｏ：０.００３０〜０.０１５０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、Ｍｎを含有する酸化物系介在物が存在し、酸化物系介在物中のＳｉ、ＭｎおよびＣａの含有量をそれぞれＳｉＯ₂、ＭｎＯおよびＣａＯの質量割合に換算した場合の介在物組成において、金属組織中に観察される酸化物系介在物の平均ＣａＯ／（ＳｉＯ₂＋ＭｎＯ＋ＣａＯ）質量比が０.４０以下、平均ＣａＯ／ＭｎＯ質量比が１５.０以下であるステンレス鋼材。
請求項１に記載のステンレス鋼材からなるアーク溶接用母材。
請求項１に記載のステンレス鋼材からなるアーク溶接造管用鋼板母材。
請求項１に記載の鋼材を母材に用いたアーク溶接構造部材。
請求項１に記載の鋼材を母材に用いたアーク溶接鋼管。
請求項１に記載のステンレス鋼材を母材に用いて、溶加材を添加せずに非溶極式のアーク溶接を行う溶接構造部材の製造法。
請求項１に記載のステンレス鋼材である鋼板を母材に用いて、溶加材を添加せずに非溶極式のアーク溶接にて溶接鋼管とする、溶接鋼管の製造法。