JP3131587B2

JP3131587B2 - 耐食性コバルト基溶接材料と該材料からなるティグ溶接棒、プラズマ・トランスファ・アーク溶接用粉末、被覆電弧溶接棒及び弁

Info

Publication number: JP3131587B2
Application number: JP11025059A
Authority: JP
Inventors: 正敏岡野; 整本田; 克己平野; 辰美渡辺
Original assignee: Okano Valve Mfg Co Ltd
Current assignee: Okano Valve Mfg Co Ltd
Priority date: 1999-02-02
Filing date: 1999-02-02
Publication date: 2001-02-05
Anticipated expiration: 2019-02-02
Also published as: JP2000218392A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、腐食性流体で使用
される機器に肉盛溶接される材料、特に、耐食性コバル
ト基溶接材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、腐食性流体に使用される弁等であ
って、仕切弁のように弁座が摺動する形態以外の弁の弁
座や流体接触部において、耐食性や耐キャビテーション
性が必要な箇所には、ステライトＮｏ２１と称される、
化学成分が重量％で、Ｃ：０．２０〜０．３０、Ｃｒ：
２５．５〜２９．０、Ｎｉ：１．７５〜３．２５以下、
Ｍｏ：５．０〜６．０、残部がＣｏよりなるコバルト基
溶接材料による肉盛溶接が適用されてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この溶接材料
を炭素鋼やオーステナイト系ステンレス鋼に適用する際
に、基材（主として鉄：Ｆｅ）の溶込みが５％以下とな
るような肉盛溶接を行なわない場合には、溶接部の結晶
粒界に炭化物が生成し、粒界腐食を生じてしまうという
傾向があった。また、このような傾向は、基材の溶込み
量が多くなるほど、促進されることが知られていた。

【０００４】ここで、図１は、正常なステライトＮｏ２
１溶接部の炭化物の分布状態を示す模式図である。この
図１に示すように、溶接材料たるステライトＮｏ２１の
本来の金属組織は、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏからなるマトリッ
クスの中に、Ｃｒを主体とする炭化物が点状に分布する
ものである。

【０００５】しかし、基材の溶込みが多くなると、点状
の炭化物が減少し、図２の模式図に示すように、結晶粒
界に炭化物が生成されるようになる。この現象は、基材
を主として構成するＦｅが溶込むと、合金中のＣｒ量が
相対的に減少して、凝固が最初に生じる結晶粒内で炭化
物を生成させることができなくなり、溶質が濃縮される
結晶粒界で炭化物の生成が生じる傾向が大きくなること
による。

【０００６】また、この際、結晶粒界に炭化物が生成す
ると、炭化物がＣｒを主体とした化合物であるため、粒
界隣接部のＣｒ量が極端に減少し、このＣｒ欠乏層が選
択的に腐食される条件が形成される。その結果、粒界腐
食が生じてしまうという問題が生じてしまうのである。

【０００７】一方、電弧を用いる溶接では、Ｆｅの溶込
みは避けられない問題である。そのため、このような粒
界腐食の発生傾向を必ず生ずるものであり、従って、電
弧溶接を行ってＦｅの溶込みが生じても、このような粒
界腐食を生じないステライトＮｏ２１相当材を開発する
ことが望まれていた。

【０００８】従って、本発明は、上述した従来の技術の
問題を解決するためになされたもので、粒界腐食を生じ
ることがなく、腐食性流体で使用することのできる耐食
性コバルト基溶接材料を提供することを主な目的とする
ものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、請求項１に記載の本発明は、耐食性コバルト基溶接
材料は、化学成分が重量％で、Ｃ：０．２０〜０．５
０、Ｃｒ：２５．０〜３０．０、Ｎｉ：４．０以下、Ｍ
ｏ：５．０〜６．０、Ｎｂ：１．６〜１０．０、残部が
実質的にＣｏよりなることを特徴としている。

【００１０】前記耐食性コバルト基溶接材料は、ティグ
溶接棒、プラズマ・トランスファ・アーク溶接用粉末、
被覆電弧溶接棒、弁等に適用することができる。

【００１１】

【作用】耐食性コバルト基溶接材料を、ステライトＮｏ
２１に相当する材料にＮｂを添加して上記のような化学
成分にすることにより、Ｎｂは、Ｃｒよりも材料中のＣ
と結合し易いために、合金中のＣは、Ｎｂと結合してＮ
ｂＣ（ニオブ炭化物）を生成し、Ｃｒはマトリックス中
に残るために、合金中において、Ｃｒ炭化物の生成がな
くなる。その結果、Ｃｒ炭化物隣接部のＣｒ欠乏層を生
じることがなくなり、これにより、Ｃｒ炭化物周囲の局
部が腐食される粒界腐食が防止される。

【００１２】また、このような耐食性コバルト基溶接材
料を、腐食性流体にさらされる弁やこの流体にされされ
る機器を溶接するためのティグ溶接棒、プラズマ・トラ
ンスファ・アーク溶接用粉末、被覆電弧溶接棒等に使用
すると、耐食性に優れているため、信頼性の高い装置等
が得られる。

【００１３】

【発明の実施の形態】まず最初に、本発明に従う耐食性
コバルト基溶接材料の各化学成分の割合の選択の根拠に
ついて述べる。

【００１４】Ｃ（炭素）は、従来のステライトＮｏ２１
においては、Ｃｒと結合して炭化物を生成し、合金の硬
度を高め、強度を維持するのに寄与していた。一方、本
発明に係る材料においては、Ｎｂと結合してＮｂ炭化物
（ＮｂＣ）を生成して、同じく合金の硬度を高めるた
め、大きな強度を維持するのに有効である。このため、
Ｃ量が少ないと、必要とする硬度や強度が得られず、Ｃ
量が多すぎると、ＣをＮｂ炭化物にするためのＮｂ量が
多くなる。従って、Ｃの含有量の範囲は、重量％で、
０．２０〜０．５０％とする。

【００１５】Ｃｒ（クロム）は、本合金の耐酸化性を向
上させ、また硝酸等の酸化性の酸に対する耐食性を向上
させる。このため、Ｃｒの含有量の範囲は、重量％で、
２５．０〜３０．０％とする。

【００１６】Ｎｉ（ニッケル）は、Ｃｏと類似な特性を
有するが、Ｃｏよりも耐酸化性が大きい。また、Ｎｉ
は、硫酸等の還元性の酸に対する耐食性を向上するが、
多量に含有すると、Ｃｏ合金が面心立方晶になるのを助
長して、Ｃｏ合金が六方晶であるε相に変態するのを妨
げる。なお、Ｃｏ基合金が優れた耐キャビテーション性
を示すのは、流体内における気泡の壊滅時の衝撃エネル
ギーを、面心立方から六方晶へ変態することで吸収する
からである。従って、Ｎｉの含有量の範囲は、重量％
で、その上限値を４．０％とする。

【００１７】Ｍｏ（モリブデン）は、主としてＣｏのマ
トリックス中に固溶し、高温強度を向上させるのに有効
である。従って、Ｍｏの含有量は、重量％で、５．０〜
６．０％とする。

【００１８】Ｎｂ（ニオブ）は、Ｃと結合してＮｂ炭化
物を生成し、ＣをＮｂ炭化物として固定することによ
り、Ｃｒ炭化物を生成しないようにする。このため、本
発明においては、最も重要な元素である。また、Ｃを固
定するＮｂの添加量は、Ｃの８倍より効果がある。しか
し、本発明では、この効果をさらに徹底させるために、
Ｃの２０倍までの添加を行う。従って、Ｎｂの含有量
は、重量％で、１．６〜１０．０％とする。

【００１９】以上のような検討によって、ステライトＮ
ｏ２１に相当する、本発明に係る耐食性コバルト基溶接
材料の化学成分組成を、重量％で、Ｃ：０．２０〜０．
５０、Ｃｒ：２５．０〜３０．０、Ｎｉ：４．０以下、
Ｍｏ：５．０〜６．０、Ｎｂ：１．６〜１０．０、残部
は実質的にＣｏよりなるように選定した。次に、本発明
に係る耐食性コバルト基溶接材料の機械的性質について
検討する。検討するに当たって、本発明者は、次の二種
類の比較実験を行なった。

【００２０】［比較実験１］本発明者は、金属粉末を混
合して、アルゴン中の不活性ガス雰囲気中でアーク溶解
して、表１（明細書の発明の詳細な説明の最後に添付）
に示す化学成分組成を有するΦ４０×２０ｔの約２００
ｇの合金塊を製作し、試験試料とした。試験試料として
は、ステライトＮｏ２１に炭素鋼が溶込んだ場合を模擬
した比較試料：Ｆ１，Ｆ２、そして、これに約５％のＮ
ｂを添加したＦＮ１，ＦＮ２およびＦＮ３の５種類を作
製した。なお、これらの試験試料には、実製品の場合と
同様に、６５０°Ｃ×４時間の応力除去焼鈍を加えた。

【００２１】試験は、これらの試験試料から腐食試験片
を加工して、ＪＩＳ・Ｇ０５７５に規定する硫酸・硫酸
銅の沸騰溶液による１６時間の粒界腐食試験と、ＪＩＳ
・Ｇ０５７２に規定する硫酸・硫酸第二鉄の沸騰溶液に
よる２４時間の粒界腐食試験との２種類を実施した。

【００２２】各試験における試験結果を表１に示す。表
１から分かるように、Ｎｂを添加しない試料Ｆ１および
Ｆ２では、両試験共に著しい粒界腐食を生じた。

【００２３】しかしながら、Ｎｂを添加した試料ＦＮ
１，ＦＮ２およびＦＮ３では、硫酸・硫酸銅溶液による
試験では、粒界腐食は生じなかった。また、硫酸・硫酸
第二鉄溶液による試験では、試料ＦＮ１で０．０４ｍ
ｍ、試料ＦＮ２で０．０５ｍｍの粒界腐食を生じたが、
Ｎｂを添加しない試料Ｆ１およびＦ２の０．４８ｍｍお
よび０．６９ｍｍの粒界腐食量に比して、約１／１０で
あり、はるかに少ない腐食深さであった。

【００２４】なお、鉄の含有量の多い試料ＦＮ３の硫酸
・硫酸第二鉄溶液での試験では、全面腐食が生じ、粒界
腐食は認められなかった。

【００２５】一般に、金属材料の耐粒界腐食特性は、例
えば、海水中程度の腐食環境では、硫酸・硫酸銅による
試験で粒界腐食が生じない場合には、実用上十分な耐粒
界腐食性があると評価してよい。また、溶接で基材（主
としてＦｅ）の溶込みの生じる量は、１５〜３０％程度
である場合が多い。従って、本試験結果から本発明に係
る材料を使用して溶接した溶接部を、海水、蒸気および
高温高圧水中で使用する場合には、十分な耐食性を有す
ると判断できる。

【００２６】また、硫酸・硫酸第二鉄溶液での試験は、
更に過酷な粒界腐食条件に関する試験である。しかし、
この試験条件下においても、本発明に係る材料を使用し
て溶接した溶接部は、鉄が３５％程度溶込んだ場合で
も、ステライトＮｏ２１を用いて溶接した溶接部より、
はるかに優れた耐粒界腐食性を示した。

【００２７】図３に、ステライトＮｏ２１と本発明に係
る材料とを用いて溶接した溶接部のヴィッカース硬さＨ
ｖを、Ｆｅ含有量と関連させて示す。ヴィッカース硬さ
は、溶接部の強度や耐キャビテーション・エロージョン
特性を示す指標になる。この図３に示すように、同一の
Ｆｅ含有量に対しては、ステライトＮｏ２１を用いた溶
接部よりも、本発明に係る材料を用いた溶接部の方が硬
く、溶接部の機械的性質において、本発明に係る材料
は、優れていることが推定された。

【００２８】［比較試験２］次に、本発明者は、金属粉
末を混合して、アルゴン不活性ガス雰囲気中でアーク溶
解して、表２（明細書の発明の詳細な説明の最後に添
付）に示す化学成分組成を有するΦ４０×２０ｔの約２
００ｇの合金塊を製作し、試験試料とした。試験試料と
しては、ステライトＮｏ２１自体、およびステライトＮ
ｏ２１にステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）が溶け込んだ
場合を模擬した比較試料：Ｓ０〜Ｓ４、そしてこれらに
Ｎｂを１．３〜２．５％添加したＳＮ０〜ＳＮ４、並び
にＮｂを約５％添加したＳＮ５〜ＳＮ８の１４種類を作
製した。なお、これらの試験試料には、実製品と同様
に、１０７０°Ｃ×４時間空冷の溶体化処理を加えた。

【００２９】試験は、これらの試験試料から腐食試験片
を加工して、［比較試験１］と同様に、ＪＩＳ・Ｇ０５
７５に規定する硫酸・硫酸銅の沸騰溶液による１６時間
の粒界腐食試験と、ＪＩＳ・Ｇ０５７２に規定する硫酸
・硫酸第二鉄の沸騰溶液による２４時間の粒界腐食試験
との２種類を実施した。

【００３０】各試験における試験結果を表２に示す。表
２から分かるように、硫酸・硫酸銅の沸騰溶液による腐
食試験では、ステライトＮｏ２１自体、並びにステライ
トＮｏ２１にステンレス鋼が溶込んだ場合共、Ｎｂ添加
の有無や量に関せず、粒界腐食は生じなかった。

【００３１】一方、硫酸・硫酸第二鉄の沸騰溶液中の腐
食試験では、ステライトＮｏ２１に鉄の溶け込みのない
場合には、Ｎｂ添加の影響は認められなかった。しかし
ながら、鉄の溶け込みが１５〜２７％では、Ｎｂ無添加
の試料（Ｓ１及びＳ２）に比してＮｂを２．１〜４．８
％添加した試料（ＳＮ１及びＳＮ２、ＳＮ６及びＳＮ
７）では、粒界腐食深さは、無添加のものに比して約１
／２となった。なお、ステンレス鋼の溶け込みが３５％
以上では、Ｎｂ添加材の試料（ＳＮ３及びＳＮ４）に比
してＮｂ無添加の試料（Ｓ３及びＳ４）の方が、むしろ
粒界腐食性は良好となった。

【００３２】前述したように、海水、蒸気および高温高
圧水環境での耐粒界質食性については、硫酸・硫酸溶液
の試験で粒界腐食が発生しなければ、実用的に十分な耐
粒界腐食性があると評価できる。従って、総ての試験試
料に対して粒界腐食が生じなかったので、このような使
用環境で使用されるステンレス鋼に対する溶接材料とし
て、本発明に係る材料を使用する必要はない。

【００３３】しかし、粒界腐食環境が硫酸・硫酸第二鉄
沸騰溶液で代表されるような、さらに厳しい環境におい
ては、本発明に係る材料は、この材料を用いて溶接した
溶接部に、ステンレス鋼がＦｅ量：１５〜３０％まで溶
け込んだ場合に、特に有効である。この溶込み量は、通
常の溶接における基材の溶込み量において、多く認めら
れる量に相当している。

【００３４】次に、Ｎｂの添加量の違いによる比較検討
をする。Ｎｂの添加量は、表２の試料ＳＮ３と試料ＳＮ
８とを比較すると分かるように、Ｎｂ量：１．６％の試
料より、Ｎｂ量：４．４％の試料の方が、Ｆｅの溶込み
量の多い範囲で良好な耐腐食性を示した。

【００３５】しかし、試料ＳＮ０〜ＳＮ３およびＳＮ５
〜ＳＮ８のＮｂ／Ｃの比と、粒界腐食の深さとについて
検討すると、Ｎｂ／Ｃ：１４〜２０倍と２９〜４９倍と
について、粒界腐食深さに大きな違いはない。そのた
め、本発明に係る材料のＮｂ／Ｃの比は、上述したよう
に、Ｃの２０倍まで選定することにした。

【００３６】図４に、ステライトＮｏ２１と本発明に係
る材料とを用いて溶接した溶接部のヴィッカース硬さＨ
ｖを、Ｆｅ含有量と関連させて示す。なお、上述したよ
うに、ヴィッカース硬さは、溶接部の強度や耐キャビテ
ーション・エロージョン特性を示す指標になる。図４に
示すように、ヴィッカース硬さは、Ｎｂを添加しないス
テライトＮｏ２１を用いた溶接部よりも、本発明に係る
Ｎｂを添加した材料を用いた溶接部の方が硬くなる。ま
た、Ｎｂ添加量については、Ｎｂ添加量が１．３〜２．
５％のものより、４．２〜４．８％添加のもののほうが
硬くなった。従って、本発明に係る材料を用いて溶接し
た溶接部の機械的性質は、ステライトＮｏ２１を用いて
溶接した溶接部より、優れていることが推定された。

【００３７】以上の２種類の試験結果より、ステンレス
鋼にステライトＮｏ２１を溶接して、蒸気や高温水、あ
るいは海水程度の腐食環境で使用する場合には、特にＮ
ｂの添加は必要でない。しかし、更に厳しい腐食環境下
でステンレス鋼が使用される場合には、Ｎｂを添加した
本発明に係るコバルト基溶接材料を使用すると有効であ
ることが判明した。以上、本発明に係る耐食性コバルト
基溶接材料を、溶接棒に実施した場合について説明した
が、本発明は、この実施例に限定されるものではなく、
厳しい腐食環境下で使用される弁等にも好適に適用でき
る。

【００３８】

【発明の効果】本発明に係る耐食性コバルト基溶接材料
を、ステライトＮｏ２１に相当する材料にＮｂを添加し
て請求項１に記載のような化学成分にすることにより、
Ｎｂは、Ｃｒよりも材料中のＣと結合し易いために、合
金中のＣは、Ｎｂと結合してＮｂＣ（ニオブ炭化物）を
生成し、Ｃｒはマトリックス中に残るために、合金中に
おいて、Ｃｒ炭化物の生成がなくなる。そのため、Ｃｒ
炭化物隣接部のＣｒ欠乏層を生じることがなくなり、こ
れにより、Ｃｒ炭化物周囲の局部が腐食される粒界腐食
が防止される。

【００３９】また、このような耐食性コバルト基溶接材
料を、腐食性流体にさらされる弁やこの流体にされされ
る機器を溶接するためのティグ溶接棒、プラズマ・トラ
ンスファ・アーク溶接用粉末、被覆電弧溶接棒等に使用
すると、耐食性に優れているため、信頼性の高い装置等
が得られる。

【表１】

【表２】

【図面の簡単な説明】

【図１】正常なステライトＮｏ２１溶接部の炭化物の
分布状態を示す模式図である。

【図２】鉄が約３０％溶込んだステライトＮｏ２１の
炭化物の分布状態を示す模式図である。

【図３】ステライトＮｏ２１ならびに本発明材を炭素
鋼に適用した場合のＦｅ溶込み量と硬さとの関係であ
る。

【図４】ステライトＮｏ２１ならびに本発明材をステ
ンレス鋼に適用した場合のＦｅ溶込み量と硬さの関係で
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡辺辰美福岡県北九州市門司区中町１番14号岡野バルブ製造株式会社内 (56)参考文献特開昭59−169696（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−33090（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−31595（ＪＰ，Ａ) 特開平４−124238（ＪＰ，Ａ) 特開平８−267276（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 35/30 C22C 19/07

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】化学成分が重量％で、Ｃ：０．２０〜
０．５０、Ｃｒ：２５．０〜３０．０、Ｎｉ：４．０以
下、Ｍｏ：５．０〜６．０、Ｎｂ：１．６〜１０．０、
残部が実質的にＣｏよりなる耐食性コバルト基溶接材
料。
【請求項２】請求項１に記載の耐食性コバルト基溶接
材料からなるティグ溶接棒。
【請求項３】請求項１に記載の耐食性コバルト基溶接
材料からなるプラズマ・トランスファ・アーク溶接用粉
末。
【請求項４】請求項１に記載の耐食性コバルト基溶接
材料からなる被覆電弧溶接棒。
【請求項５】請求項１に記載の耐食性コバルト基溶接
材料を適用した弁。