JP3422871B2 - 溶接性に優れたフェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

溶接性に優れたフェライト系ステンレス鋼

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はCr:10.5〜24.
0%を含有する溶接性に優れたフェライト系ステンレス
鋼に関わるものである。
【0002】
【従来の技術】フェライト系ステンレス鋼は、オーステ
ナイト系ステンレス鋼に比較して安価であり、また、強
度や塩化物環境での耐応力腐食割れ性という面でも優れ
ている。一般に、フェライト系ステンレス鋼は薄板で使
用され、その溶接では、溶接材料を添加しないで溶接す
るケースが非常に多い。具体的には、溶接材料を用いな
いTIGなめ付け溶接、抵抗シーム溶接等であるが、そ
の場合、溶接部組織の結晶粒の粗大化に起因して溶接部
の延性、靭性低下が大きな問題である。薄板に要求され
る加工性も溶接部の低延性ゆえに低下する。
【0003】このようなフェライト系ステンレス鋼溶接
部の延性、靭性低下を改善すべく、例えば特公昭55−
47102号公報や特開平2−107744号公報等に
示されているように、CおよびN量の制限、Ti,Nb
等の安定化元素の添加、さらに同特公昭55−4710
2号公報、特開昭50−109809号公報に示されて
いるように、Alの添加等の技術が発明されてきた。こ
れらの発明は、C,Nはフェライト中では靭性・延性に
有害であることから、C,Nをはじめから低く抑えたり
(高純化)、あるいは固相中でC,NをTi,Nb,A
lによって固定しようとするものである。一方、これら
従来技術を用いても、溶接部を含む部材を強加工するよ
うな場合はいまだ溶接部の延性不足が問題になることが
多い。すなわち根本的な問題は、溶接部の凝固組織が、
母材と比較して著しく粗大なことにある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】一方、自動車の排気系
や家電をはじめとするフェライト系ステンレス鋼の適用
の拡大、そしてその溶接構造物の設計・デザインの多様
化にともない、さらに溶接部の延性、靭性に優れたフェ
ライト系ステンレス鋼が強く望まれている。本発明はこ
のような背景からなされたものであり、従来より溶接部
の延性、靭性に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供
することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明者ら
は、種々の成分系のフェライト系ステンレス鋼を用い、
溶接材料を用いないTIGなめ付け溶接を行い、その溶
接部組織、溶接部の延性・靭性を調べ、それらに及ぼす
鋼材の成分元素の影響を検討した。その結果、従来知見
と異なり、鋼材のN量を低く抑えるのではなく、むしろ
ある適正レベルを確保し、それに対応する適量のTiを
添加することで、溶接部組織の等軸晶化・細粒化が達成
され、それによって溶接部延性も大幅に改善されること
が新たに明らかになった。またこの場合、Alの添加は
組織の細粒化、延性改善にむしろ有害であり、一方、N
iの添加は有効であることも明らかとなった。さらに、
鋼材の酸素レベルが非常に低い場合は、細粒化の効果が
十分得られないこともわかった。
【0006】すなわち、本発明は次の組成範囲からなる
フェライト系ステンレス鋼であって、TIGなめ付け溶
接部の細粒化が達成され、溶接部の靭性・延性もそれに
ともない向上することができる。 (1)重量%で、C :0.005〜0.02%、 S
i:0.01〜1.0%、Mn:0.01〜1.0%、
Cr:10.5〜24.0%、Ni:0.61〜
2.0%、 Al:0.001〜0.03%、T
i:(1.5×10-4×〔Cr〕)/〔N〕以上、0.
6%以下 但し、〔Cr〕,〔N〕は各々Cr量(%)およびN量
(%) N :0.015〜0.04%、 O :0.005〜
0.02%を含有し、残部が鉄および不可避的不純物元
素よりなるフェライト系ステンレス鋼。 (2)前項のステンレス鋼に、Mo:0.1〜2.25
%、 Nb:0.01〜0.5%の1種または2種
を含有させたことを特徴とするフェライト系ステンレス
鋼。
【0007】
【作用】以下に本発明において各成分等の限定理由を述
べる。なお、特に明記しない限り溶接部とは溶接材料を
添加せず、鋼材自身を溶融して得られる溶接部を意味す
る。
【0008】C:Cは耐食性に有害であるが、強度の観
点からある程度の含有が必要である。0.005%未満
の極低C量では製造コストが高くなり、また、0.02
%超では、加工性、靭性が著しく低下するとともに、溶
接ままの状態および再熱を受けるとCr等と結合し、こ
れらの領域の耐食性を著しく劣化させる。したがって
0.005〜0.02%に限定した。
【0009】Si:Siは脱酸剤および強化元素として
添加されるが、0.01%未満ではその効果が十分でな
く、一方、1.0%超では衝撃靭性が低下するととも
に、溶接時の溶融溶け込みを減じる。したがって、0.
01〜1.0%に限定した。
【0010】Mn:Mnも脱酸元素として添加するが、
0.01%未満では効果が十分でなく、一方、1.0%
超では、凝固まま溶接金属の結晶粒界に硬いマルテンサ
イトを生成する。したがって、0.01〜1.0%と限
定した。
【0011】Cr:Crはフェライト生成元素であり、
耐食性を付与する主要元素である。10.5%未満では
十分な耐食性が得られず、一方、24.0%超では鋼材
の靭性、延性が大きく劣化する。したがって、10.5
〜24.0%と限定した。
【0012】Ni:Niは靭性、延性に有効な元素であ
る。さらに、0.61%以上の添加が溶接部の細粒化に
必須であるが、2.0%超の添加では溶接部でのマルテ
ンサイト生成が増し、逆に靭性、延性が低下する。よっ
て0.61〜2.0%と限定した。
【0013】Al:Alは脱酸元素であり、また熱間加
工性にも有効である。0.001%以上の添加が必要で
あるが、0.03%超では、溶接部の溶融溶け込みを低
下させるとともに、靭性を劣化させる。したがって、
0.001〜0.03%と限定した。
【0014】Ti:Tiは強力な炭窒化物生成元素であ
り、特に溶接時には溶融地内で窒化物を形成し溶接部の
細粒化に主要な役割を果たす。種々の合金成分を用いた
実験から溶接部の細粒化はTi量,N量,Cr量に依存
することがわかった。回帰的に求めた結果、Ti量の下
限は(1.5×10-4×〔Cr〕)/〔N〕で表わされ
る。ここで、〔Cr〕,〔N〕は各々Cr量(%)およ
びN量(%)である。一方、Tiの0.6%超の含有で
は、母材製造時の熱間加工性が低下する。
【0015】N:Nは上述のように、溶接時にTiと結
合して溶接部の細粒化、それによる靭性、延性改善に寄
与する。その効果を確保するために、0.015%以上
の含有が必要であるが、一方、0.04%超の含有で
は、Crとも結合して耐食性を低下させる。したがっ
て、0.015〜0.04%と限定した。
【0016】O:Oは0.005%以上の含有で、表面
活性元素として溶接金属の溶け込みを深くし、溶接性な
らびにそのビード形状から溶接部の延性向上に役立つ。
しかし、0.02%超のO量では、最終的に脱酸不足と
なり、逆に溶接部の延性、靭性を阻害する。よって0.
005〜0.02%と限定した。
【0017】また、本発明はMo,Nbの1種または2
種を含有できる。 Mo:Moは特に塩化物環境での耐食性を向上させる元
素であり、0.1%以上の添加が有効であるが、2.2
5%超では母材および溶接部の延性、靭性が低下する。 Nb:NbはCと結合して、特に溶接部の炭化物析出を
抑えて耐食性を向上させる。0.01%以上の添加が有
効であるが、0.5%超の添加は、母材および溶接部の
延性、靭性を低下させる。
【0018】
【実施例】以下、実施例に基づき発明の効果を具体的に
述べる。表1に示す化学組成の鋼を真空溶解にて溶製
し、公知の条件で熱間圧延、熱延板焼鈍、酸洗、冷間圧
延、仕上げ焼鈍、酸洗を行い、板厚1.0mmの鋼板を作
成した。それらの鋼板を、以下に示す条件で、メルトラ
ンTIG溶接を行った後、溶接部の断面検鏡から円相当
の平均の結晶粒径を算出するとともに、溶接部の延性を
エリクセン試験により測定した。それらの結果を表2に
示す。 溶接条件:溶接電流 60A 溶接電圧 10V 溶接速度 70cm/min タングステン電極径 2.4mm 電極先端角 40° シールドガス トーチ Ar 20 l/min アフター Ar 35 l/min バック Ar 3 l/min
【0019】
【表1】
【0020】
【表2】
【0021】溶接金属の組織は、比較鋼においては、フ
ェライト結晶粒が溶融部境界から粗大に伸び、溶接金属
中央でいわゆる突き合わせ凝固しているのに対し、本発
明鋼では、溶融部境界からの粒成長が抑えられ、溶接金
属の大部分が等軸的なフェライト結晶粒からなる。した
がって、前者では、フェライトが時には1mm以上も伸び
円相当の結晶粒径がかなり大きいが、後者では等軸的で
100μm前後である。エリクセン試験における伸びの
差はこれを反映していると思われ、本発明鋼の溶接部の
エリクセン値はいずれも9〜10mmと、比較鋼のそれよ
り明らかに改善しており、母材の値(10〜11mm)と
同等あるいはそれに近い値を示す。さらに、エリクセン
試験での破断位置は、本発明鋼では溶接金属中で比較的
ランダムであるのに対し、比較鋼では、溶接部中央の突
き合わせ凝固の線に沿って鋭利に破断している。本発明
鋼における細粒化の効果と、比較鋼における粗大粒・突
き合わせ凝固の延性に対する悪影響がこれからもわか
る。
【0022】なお、本発明は溶加材を用いない溶接部の
特性に優れたフェライト系ステンレス鋼に関わるもので
あり、したがって、適用可能な溶接方法としてはフィラ
ーを用いないTIG溶接、プラズマ溶接、レーザー溶
接、電子ビーム溶接が考えられる。その場合、TIG溶
接は裏なみ溶接、プラズマ、レーザー、電子ビーム溶接
はフルペネトレーション溶接であり、可溶接条件範囲
は、いずれの場合も、板厚、目的溶接速度、ビームパワ
ー等によって決められる。
【0023】
【発明の効果】以上述べたように、本発明は、従来問題
であった溶接部の粗大粒を抑え、溶接部の延性を高めた
フェライト系ステンレス鋼を提供することを可能とした
ものであり、産業上の効果は極めて大といえる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 百合岡 信孝 千葉県富津市新富20−1 新日本製鐵株 式会社 技術開発本部内 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、 C :0.005〜0.02%、 Si:0.01〜1.0%、 Mn:0.01〜1.0%、 Cr:10.5〜24.0%、 Ni:0.61〜2.0%、 Al:0.001〜0.03%、 Ti:(1.5×10-4×〔Cr〕)/〔N〕以上、
    0.6%以下 但し、〔Cr〕,〔N〕は各々Cr量(%)およびN量
    (%)である。 N :0.015〜0.04%、 O :0.005〜0.02%を含有し、残部が鉄およ
    び不可避的不純物元素よりなるフェライト系ステンレス
    鋼。
  2. 【請求項2】 請求項1のステンレス鋼にさらに、重量
    %で、 Mo:0.1〜2.25%、 Nb:0.01〜0.5%の1種または2種を含有させ
    たことを特徴とするフェライト系ステンレス鋼。
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WO2016104883A1 (ko) * 2014-12-26 2016-06-30 주식회사 포스코 연성이 우수한 페라이트계 스테인리스 강재 및 그 제조방법
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