JP2971234B2

JP2971234B2 - 高Ｃｒオーステナイト系ステンレス鋼ガスシールドアーク溶接用ワイヤ及び被覆アーク溶接棒

Info

Publication number: JP2971234B2
Application number: JP5940292A
Authority: JP
Inventors: 夏目松吾; 小川恒司; 賢山下; 田中真一; 晃遠山; 雄介南
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd; JFE Engineering Corp
Priority date: 1992-02-13
Filing date: 1992-02-13
Publication date: 1999-11-02
Anticipated expiration: 2014-11-02
Also published as: JPH05220594A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高Ｃrオーステナイト系
ステンレス鋼のガスシールドアーク溶接用ワイヤ及び被
覆アーク溶接棒に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
国内外で開発が進められている石炭焚き火力プラントで
は、蒸気条件の高温高圧化のため、従来の１８Ｃr−８
Ｎi系ステンレス鋼よりも高クリープ強度の耐熱鋼が要
求されており、２０〜２５Ｃrオーステナイト系ステン
レス鋼が開発されている。

【０００３】しかしながら、従来、溶接材料において
は、高温特性を改良した１９Ｃr−１１.５Ｎi−０.１Ｃ
系のステンレス鋼の溶接用ワイヤ及び被覆アーク溶接棒
が開発されているものの、前述の如き、更なる高温高圧
化の環境変化に対応し得る材料の溶接に対しては、十分
な性能を有する溶接材料は未だ開発されていないのが現
状である。

【０００４】本発明は、かゝる要請に応えるべく、上述
の高温高圧の条件下で使用される材料である高Ｃrオー
ステナイト系ステンレス鋼の溶接材料を提供することを
目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
高Ｃrオーステナイトステンレス鋼、特に２０〜２５Ｃr
系溶接用の材料として、クリープ特性の優れた溶接材料
を見い出すべく鋭意研究を重ねた結果、ここに本発明を
完成したものである。

【０００６】すなわち、本発明は、Ｃ:０.０２〜０.１
％、Ｓi:０.１〜１.０％、Ｍn:０.５〜２.５％、Ｎi:１
３.００〜１８.００％、Ｃr:２０.００〜２５.００％、
Ｎb:０.２〜１.５％、Ｎ:０.０１〜０.２０％を含有
し、かつ、不純物としてＰ≦０.０１０％、Ｓ≦０.００
５％、Ａl≦０.０１０％、Ｔi≦０.０１０％、Ｂ≦０.
００１０％、Ｏ≦０.０１０％に抑制すると共に、Ｚr、
Ｍgの１種又は２種をＺr≦０.１０％、Ｍg≦０.１０
％、Ｚr＋Ｍg≦０.１０％に抑制し、残部がＦe及び他の
不純物からなることを特徴とする高Ｃrオーステナイト
系ステンレス鋼ガスシールドアーク溶接用ワイヤを要旨
とするものである。

【０００７】また、他の本発明は、被覆剤全重量に対し
て、金属炭酸塩：１０〜４５％、金属弗化物：５〜５０
％、ＳiＯ₂に換算したＳi化合物:１〜１０％、ＴiＯ₂に
換算したＴi化合物:１〜１５％、ＲＥＭ:０.５〜５％、
金属粉末≦２０％を主成分とする被覆剤を、上記化学成
分のワイヤを心線としてその周囲に塗布してなることを
特徴とする高Ｃrオーステナイト系ステンレス鋼被覆ア
ーク溶接棒を要旨とするものである。

【０００８】以下に本発明を更に詳細に説明する。

【０００９】

【作用】

【００１０】まず、本発明のガスシールドアーク溶接用
ワイヤにおける心線の化学成分を限定した理由について
説明する。

【００１１】Ｃ：０.０２〜０.１％Ｃは耐食性を低下させる成分であり、０.１％を超える
と粒界腐食を引き起こし好ましくない。しかし、０.０
２％未満ではクリープ破断強度が低下してしまう。よっ
て、Ｃ量は０.０２〜０.１％の範囲とする。

【００１２】Ｓｉ：０.１〜１.０％Ｓiは脱酸剤として、また、溶融金属の流動性を改善し
てビードのなじみを良くする成分である。しかし、０.
１％未満ではその効果がなく、また１.０％を超えると
高温割れ感受性が高くなる。よって、Ｓi量は０.１〜
１.０％の範囲とする。好ましくは０.６％以下である。

【００１３】Ｍn：０.５〜２.５％Ｍnは脱酸剤として、また、Ｓと結合してＭnＳとなり、
Ｓの高温割れへの影響を低減するのに有効な成分であ
る。しかし、０.５％未満ではその効果がなく、また２.
５％を超えて添加しても、その効果が飽和し、それ以上
の改善が認められない。よって、Ｍn量は０.５〜２.５
％の範囲とする。

【００１４】Ｎi：１３.００〜１８.００％Ｎiは母材と同等の耐食性を持たせるため、少なくとも
１４.００％以上が必要である。しかし、高価な成分で
あることから添加量増加に伴い製造コストが割高にな
る。よって、Ｎi量は１３.００〜１８.００％の範囲と
する。

【００１５】Ｃr：２０.００〜２５.００％Ｃrは母材と同等の耐食性、耐酸化性を持たせるため、
少なくとも２０.００％以上が必要である。しかし、過
度のＣr添加はδフェライトの形成を促進し、熱間加工
性を著しく低下させることから溶接用ワイヤ及び心線の
製作が困難になる。よって、Ｃr量は２０.００〜２５.
００％の範囲とする。

【００１６】Ｎb：０.２〜１.５％ＮbはＣの約８〜１０倍添加することにより、耐粒界腐
食性を改善する効果がある。しかし、強力なフェライト
生成元素であることから、過度に添加すると、Ｃrと同
様、熱間加工性を劣化させ、溶接用ワイヤ及び心線の製
作が困難になる。よって、Ｎb量は０.２〜１.５％の範
囲とする。

【００１７】Ｎ：０.０１〜０.２０％Ｎはクリープ強度を向上させる作用があるため、０.０
１％以上が必要である。しかし、０.２０％を超えて過
度に添加すると、Ｃrと窒化物を作り、耐食性に有効に
作用するＣr量を減少させることから、Ｎ量は０.０１〜
０.２０％の範囲とする。

【００１８】以上の成分を必須成分とするが、不純物は
可及的に少ないことが好ましく、特に以下の元素の含有
量を抑制する必要がある。

【００１９】Ｐ≦０.０１０％、Ｓ≦０.００５％Ｐ、Ｓはいずれも耐高温割れ性に対して有害な成分であ
ることから、Ｐ≦０.０１０％、Ｓ≦０.００５％に抑制
する。より好ましくは、Ｐ≦０.００５％、Ｓ≦０.００
３％である。

【００２０】Ａl≦０.０１０％Ａlは、０.０１０％を超えると溶融金属の流動性を著し
く阻害し、ビードのなじみを劣化させることから、Ａl
≦０.０１０％に抑制する。より好ましくはＡl≦０.０
０５％である。

【００２１】Ｔi≦０.０１０％Ｔiは、０.０１０％を超えるとスラグ発生量を増加さ
せ、スラグ巻きなど溶接欠陥の原因となる。したがっ
て、Ｔi≦０.０１０％に抑制する。より好ましくはＴi
≦０.００５％である。

【００２２】Ｂ≦０.００１０％ＢはＰ、Ｓと同様に、耐高温割れ性に対して有害な成分
であることから、Ｂ≦０.００１０％に抑制する。より
好ましくはＢ≦０.０００５％である。

【００２３】Ｏ≦０.０１０％Ｏは、０.０１０％を超えるとスラグ発生量を増加さ
せ、スラグ巻きなど溶接欠陥の原因となる。したがっ
て、Ｏ≦０.０１０％に抑制する。

【００２４】Ｚr≦０.１０％、Ｍg≦０.１０％、Ｚr＋
Ｍg≦０.１０％Ｚr、Ｍgは、Ｔiと同様、スラグ発生量を増加させる成
分であることから、Ｚr≦０.１０％又はＭg≦０.１０％
に抑制し、ＺrとＭgを同時に抑制する場合には、それぞ
れＺr≦０.１０％、Ｍg≦０.１０％に抑制すると共にＺ
r＋Ｍg≦０.１０％とする。

【００２５】上記化学成分を有する溶接用ワイヤは、Ｔ
ＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接など種々のガスシールドアーク溶
接に利用できる。シールドガスの成分系及び組成も特に
制限されるものでないことは云うまでもない。

【００２６】次に本発明の被覆アーク溶接棒の被覆剤の
限定理由について説明する。なお、成分量は被覆剤全重
量に対する重量％(以下、同じ)である。

【００２７】金属炭酸塩：１０〜４５％金属炭酸塩は、塩基性のスラグを形成し、溶接金属中の
Ｐ、Ｓ増加を抑制して耐高温割れ性を改善する作用があ
る。また、分解生成により生じたＣＯ₂ガスにより溶接
アークを大気からシールドすることで、ピット、ブロー
ホールなどの溶接欠陥を防止する作用もある。しかし、
１０％未満ではその効果がなく、また４５％を超えると
アーク安定性が劣化することから、金属炭酸塩の量は１
０〜４５％の範囲とする。なお、金属炭酸塩としては炭
酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、炭酸
リチウム、炭酸ストロンチウムなどがあり、それらの１
種又は２種以上を用いることができる。

【００２８】金属弗化物：５〜５０％金属弗化物は、スラグに適度な流動性を与え、ビード止
端を滑らかにする作用があり、融合不良やスラグ巻き込
みなどの溶接欠陥の低減に効果がある。しかし、５％未
満ではその効果がなく、また５０％を超えるとアークが
不安定となる。したがって、金属弗化物の量は５〜５０
％の範囲とする。なお、金属弗化物としては、弗化カル
シウム、弗化マグネシウム、弗化バリウム、弗化リチウ
ム、弗化ストロンチウム、弗化ソーダ、ケイ弗化カリ、
氷晶石などがあり、それらの１種又は２種以上を用いる
ことができる。

【００２９】ＳiＯ₂に換算したＳi化合物：１〜１０％Ｓi化合物は、アーク安定剤、スラグ生成剤として有効
である。しかし、１％未満ではスラグの焼き付きが発生
し易くなり、スラグ巻き込みの原因となる。また、１０
％を超えるとアーク安定性が損なわれることから、Ｓi
化合物はＳiＯ₂に換算した量で１〜１０％の範囲とす
る。なお、Ｓi化合物としてはシリカ、ケイ砂、長石、
マイカ、珪酸ソーダ、珪灰石などがあり、それらの１種
又は２種以上を用いることができる。

【００３０】ＴiＯ₂に換算したＴi化合物：１〜１５％Ｔi化合物は、アーク安定剤、スラグ生成剤として有効
である。しかし、１％未満ではスラグの焼き付きが発生
し易くなり、スラグ巻き込みの原因となる。また、１５
％を超えるとアーク安定性が損なわれるから、Ｔi化合
物はＴiＯ₂に換算した量で１〜１５％の範囲とする。な
お、Ｔi化合物としてはルチール、チタン酸カリ、イル
ミナイト、白チタンなどがあり、それらの１種又は２種
以上を用いることができる。

【００３１】ＲＥＭ：０.５〜５％ＲＥＭ(希土類元素)は、Ｓと結合して融点の高いＲＥＭ
硫化物を作り、耐高温割れ性を改善する作用がある。し
かし、０.５％未満ではその効果がなく、また５％を超
えるとアーク安定性が損なわれることから、ＲＥＭの量
は０.５〜５％の範囲とする。なお、ＲＥＭとしては酸
化イットリウム、酸化セリウム、ミッシュメタルなどが
あり、それらの１種又は２種以上を用いることができ
る。

【００３２】金属粉末≦２０％金属粉末は、溶接時の金属成分の酸化消耗分を補充した
り、心線成分の一部を被覆剤から添加する目的や、溶接
金属の機械的性能、耐食性の向上を図るために配合す
る。しかし、金属粉末が２０％を超えた場合はアーク安
定性が損なわれることから、金属粉末の量は２０％以下
とする。なお、金属粉末としては金属Ｍn、金属クロ
ム、金属ニッケル、Ｆｅ−Ｔi、Ｆe−Ｍn、Ｆe−Ｃr、
Ｆe−Ｎb、Ｆe−Ｓiなどがあり、これらの１種又は２種
以上を用いることができる。

【００３３】また、この被覆アーク溶接棒の心線として
は、上記ワイヤと同じ化学成分の鋼心線を用いるのが望
ましい。その理由は、被覆アーク溶接において被覆剤よ
り合金元素を多量に添加すると、溶接条件により被覆剤
より添加した合金元素の溶接金属への歩留りが変動し易
く、目標とする溶接金属の化学成分が安定して得られな
いためである。

【００３４】なお、被覆剤の主成分は上記のとおりであ
るが、ジルコン酸化物、鉄粉などの他の成分は適宜添加
できることは云うまでもない。また、被覆剤の被覆率は
適宜決められるが、２０〜４０％が望ましい。心線成分
の一部を被覆剤に添加して同様の溶接金属を得ることも
可能である。

【００３５】本発明の溶接材料が対象とする鋼は、高Ｃ
rオーステナイト系ステンレス鋼であり、特に２０〜２
５Ｃr系に対して効果が顕著である。勿論、高温特性の
良い成分組成のものであれば、Ｃrを主成分とし他の種
々の元素を添加したものが可能であることは云うまでも
ない。

【００３６】次に本発明の実施例を示す。

【００３７】

【実施例１】

【表１】に示す最終化学成分を有するインゴットを製作し、これ
を溶接用ワイヤに加工した。これを溶接試験に供する前
に加工性について評価した。加工が容易な場合を○、加
工が極めて困難な場合を×として評価した。次に、この
溶接用ワイヤを用いてガスタングステンアーク溶接法
(溶接条件：

【表６】 )により全溶着金属を作成した。ビードのなじみ性、ス
ラグ発生量、耐割れ性、融合不良、スラグの巻き込みの
溶接欠陥を調べた結果を加工性と共に

【表２】に示す。

【００３８】なお、ビードのなじみ性は、極めて良好な
場合を◎、良好な場合を○、不良の場合を×として評価
した。また、スラグ発生量は、極めて少ない場合を◎、
少ない場合を○、多い場合を×として評価した。更に、
耐割れ性は、溶接時に割れが発生しなかった場合を○、
割れが発生した場合を×として評価した。融合不良、ス
ラグの巻き込みの溶接欠陥については、溶接終了後、Ｊ
ＩＳＺ３１０６に定められた放射線透過試験を行い、
その等級が１級のものを○、１級でないものを×として
評価した。

【００３９】表２より、本発明例は、いずれも、ビード
のなじみ性、スラグ発生量、耐割れ性、加工性が優れて
いることがわかる。特に本発明例のワイヤＡ、Ｄ、Ｅ、
ＦはＴiが０.００５％以下に抑制されているため、スラ
グ発生量が極めて少なかった。また、本発明例のワイヤ
Ｂ、Ｃ、ＥはＡlが０.００５％以下に抑制されているた
め、ビードのなじみ性が極めて良好であった。

【００４０】一方、比較例のうち、ワイヤＧ〜Ｋについ
て検討してみると、ワイヤＧ、ワイヤＨはそれぞれ、Ｎ
b、Ｃrを多量に含むため、加工が極めて困難であった。
ワイヤＩはＳiが少なすぎ、またＡlを過剰に含有してい
るため、ビードのなじみ性が不良であった。ワイヤＪは
Ｓi、Ｂが過剰なために割れが発生した。またＴi、Ｏ、
Ｚr、Ｍgが過剰なためスラグ発生量が多く、スラグ巻き
が認められた。ワイヤＫはＰ、Ｓが過剰であったため割
れが発生した。

【００４１】

【実施例２】表１中の比較例Ｌに示す最終化学成分を有
するインゴットを製作し、これを溶接用ワイヤに加工し
た。次に、この溶接用ワイヤＬを用いてガスタングステ
ンアーク溶接法(実施例１と同じ条件)により全溶着金属
を作成し、ＧＬ＝３０mm、外径６mmφのクリープ試験片
を作成した。また、実施例１の本発明例Ａ〜Ｆで得られ
た全溶着金属からも同様にしてクリープ試験片を作成し
た。これらの試験片について６５０℃×３０.０kgf／mm
²と６５０℃×２２.０kgf／mm²の２条件でクリープ破断
試験を行い、クリープ破断時間を測定した。その試験結
果を図１に示す。この結果から、本発明例はいずれも、
従来溶接材料(ワイヤＬ)よりも飛躍的にクリープ破断時
間が延長されていることがわかる。

【００４２】

【実施例３】表１中の本発明例(Ａ〜Ｆ)に示す最終化学
成分を有するインゴットを製作し、これを被覆アーク溶
接用心線に加工した。心線寸法は直径３.２mmφとし
た。これらの被覆アーク溶接用心線と

【表３】に示す組成の被覆剤とを組合せて被覆アーク溶接棒を作
成した。次にこれらの被覆アーク溶接棒を用いて

【表７】に示す条件の溶接法により全溶着金属を作成した。アー
ク安定性、耐割れ性、ピット・ブローホールの有無、融
合不良、スラグの巻き込みの溶接欠陥について調べた結
果を

【表５】に示す。

【００４３】なお、アーク安定性は、良好な場合を○、
不良の場合を×として評価した。耐割れ性は、溶接時に
割れが発生しなかった場合を○、割れが発生した場合を
×として評価した。ピット・ブローホールの有無、融合
不良、スラグの巻き込みの溶接欠陥については、溶接終
了後、ＪＩＳＺ３１０６に定められた放射線透過試験
を行い、その等級が１級のものを○、１級でないものを
×として評価した。

【００４４】表５において、本発明例Ｎo.１〜Ｎo.８
は、いずれもアーク安定性、耐割れ性に優れ、溶接欠陥
も認められなかった。一方、比較例Ｎo.９〜Ｎo.１１に
ついて検討してみると、Ｎo.９は金属弗化物量が過剰な
ことからアークが不安定となり、ＴiＯ₂換算値合計、Ｓ
iＯ₂換算値合計がいずれも０であったことからスラグの
焼き付きが生じて、放射線透過試験においてスラグの巻
き込みが認められた。Ｎo.１０は金属炭酸塩が過小なた
めシールド不良となり、放射線透過試験においてピット
が認められた。更に溶接金属中のＰ、Ｓを低減すること
ができなかったことに加えて、ＲＥＭ量が０だったた
め、高温割れが発生した。また金属粉末が過剰なことと
ＳiＯ₂換算値合計が過剰であったためアーク安定性が不
良となった。Ｎo.１１は金属炭酸塩、ＴiＯ₂換算値合
計、ＲＥＭが過剰なためにアーク安定性が不良となっ
た。また金属弗化物が過小であるためビード止端が滑ら
かにならず、放射線透過試験において融合不良が認めら
れた。

【００４５】

【実施例４】

【表４】に示す化学成分の心線(心線径：３.２mmφ)を用いて表
２中の比較例Ｎo.１２に示す組成の被覆剤と組合せて被
覆アーク溶接棒Ｎo.１２を作成した。次にこの被覆アー
ク溶接棒を用いて表７に示す条件の溶接法により全溶着
金属を作成し、ＧＬ＝３０mm、外径６mmφのクリープ試
験片を作成した。また、実施例３の本発明例Ｎo.１〜Ｎ
o.８で得られた全溶着金属からも同様にしてクリープ試
験片を作成した。これらの試験片について６５０℃×３
０.０kgf／mm²と６５０℃×２２.０kgf／mm²の２条件で
クリープ破断試験を行い、クリープ破断時間を測定し
た。その試験結果を図２に示す。この結果から、本発明
例はいずれも、従来溶接材料Ｎo.１２よりも飛躍的に破
断時間が延長されていることがわかる。

【００４６】

【実施例５】

【表８】に示す溶接棒を用いて、

【表９】に示す溶接条件により溶接試験を行って試験板を作製し
た。母材としては

【表１０】に示す化学成分の高Ｃrオーステナイト系ステンレス鋼
で図３に示す開先形状のものを用いた。Ｘ線透過試験、
曲げ試験(試験片寸法９.５mmｔ×１０mmｗ×３００mm
ｌ)、引張試験(試験片寸法６mmφ：図４に示す位置より
採取)を行った結果をそれぞれ

【表１１】、

【表１２】、

【表１３】に示す。その結果、溶接金属は良好な継手性能を持つこ
とが確認された。

【００４７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
高Ｃrオーステナイト系ステンレス鋼の溶接、特に２０
〜２５Ｃr系の溶接において良好な溶接作業性と優れた
クリープ特性を持つ溶接材料を提供できる。特に石炭焚
き火力プラントのような高温高圧蒸気条件下で使用され
る鋼管の溶接に適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例２で作成した全溶着金属の６５０℃×３
０.０kgf／mm²と６５０℃×２２.０kgf／mm²の２条件で
のクリープ破断試験結果を示す図である。

【図２】実施例４で作成した全溶着金属の６５０℃×３
０.０kgf／mm²と６５０℃×２２.０kgf／mm²の２条件で
のクリープ破断試験結果を示す図である。

【図３】実施例５に用いた母材の開先形状及び寸法を示
す図である。

【図４】引張試験片の採取位置を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山下賢神奈川県藤沢市宮前字裏河内100−１株式会社神戸製鋼所藤沢事業所内 (72)発明者田中真一神奈川県藤沢市宮前字裏河内100−１株式会社神戸製鋼所藤沢事業所内 (72)発明者遠山晃東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者南雄介東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (56)参考文献特開昭54−64038（ＪＰ，Ａ) 特開平１−233094（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−6791（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−13692（ＪＰ，Ａ) 特公昭61−9112（ＪＰ，Ｂ２) 特公昭41−7939（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 35/30 B23K 35/36 - 35/368

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で(以下、同じ)、Ｃ:０.０２〜
０.１％、Ｓi:０.１〜１.０％、Ｍn:０.５〜２.５％、
Ｎi:１３.００〜１８.００％、Ｃr:２０.００〜２５.０
０％、Ｎb:０.２〜１.５％、Ｎ:０.０１〜０.２０％を
含有し、かつ、不純物としてＰ≦０.０１０％、Ｓ≦０.
００５％、Ａl≦０.０１０％、Ｔi≦０.０１０％、Ｂ≦
０.００１０％、Ｏ≦０.０１０％に抑制すると共に、Ｚ
r、Ｍgの１種又は２種をＺr≦０.１０％、Ｍg≦０.１０
％、Ｚr＋Ｍg≦０.１０％に抑制し、残部がＦe及び他の
不純物からなることを特徴とする高Ｃrオーステナイト
系ステンレス鋼ガスシールドアーク溶接用ワイヤ。
【請求項２】被覆剤全重量に対して、金属炭酸塩：１
０〜４５％、金属弗化物：５〜５０％、ＳiＯ₂に換算し
たＳi化合物:１〜１０％、ＴiＯ₂に換算したＴi化合物:
１〜１５％、ＲＥＭ:０.５〜５％、金属粉末≦２０％を
主成分とする被覆剤を、請求項１に記載のワイヤを心線
としてその周囲に塗布してなることを特徴とする高Ｃr
オーステナイト系ステンレス鋼被覆アーク溶接棒。