JP3820923B2

JP3820923B2 - １３Ｃｒ系合金の肉盛溶接方法

Info

Publication number: JP3820923B2
Application number: JP2001183253A
Authority: JP
Inventors: 裕二佐藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-06-18
Filing date: 2001-06-18
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2021-06-18
Also published as: JP2003001416A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、バンドアーク溶接法を用いた13Cr系合金の肉盛溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
連続鋳造設備や熱処理設備に用いられる各種のロールは、耐食性や耐摩耗性、さらには耐熱亀裂性を高めて、ロール寿命を延長するために、通常、その表面に13Cr系合金や13Cr含Ni系合金等の肉盛溶接が施される。
【０００３】
例えば、特開平10−6001号公報には、13Cr含Ni系合金を、帯状電極を用いたサブマージアーク溶接法によって肉盛溶接することからなる耐食性および耐摩耗性に優れた肉盛ロールの製造方法が提案されている。
しかしながら、上記の肉盛ロールは、一般的な連続鋳造用ロール等に適用した場合には特に問題は生ぜず、ロール寿命の大幅な延長が実現したが、図１に示すような、スラブ鍛圧用ピンチロールとして使用した場合には、依然として熱亀裂の発生を免れ得ず、十分なロール寿命を確保することができなかった。
【０００４】
図１は、熱間圧延ラインにおけるスラブの鍛圧工程を示したもので、図中番号１はスラブ、２はスラブ鍛圧用ピンチロールのうちの入側ピンチロール、３はスラブ鍛圧用ピンチロールのうちの出側ピンチロール、４は座屈防止用センタガイドロール、そして５が幅圧下用金型である。入側および出側ピンチロール２，３は、その直下にスラブ１の先端が進入時にスラブを狭持する。金型５は、図中矢印方向に互いに閉塞する際、スラブ１を鍛圧し、スラブ１は金型５の離隔時に別に矢印で示す搬送方向に金型に対し相対的に所定量だけ搬送される一連の動作を繰り返す。スラブ１は、金型５の離隔中の時間的な間隔の間だけ、入側および出側ピンチロール２，３で該ピンチロールの回転駆動により搬送され、金型の閉塞時には、スラブ１の搬送は停止され、入側および出側ピンチロール２，３の回転駆動も停止される。かような一連の熱間スラブ鍛圧のプロセスをゴー・ストップというが、かようなゴー・ストップの方式では、ストップ時すなわちスラブの停止時には各ロールのスラブとの接触部位は高温のスラブ１から急速加熱を受け、一方ゴー時すなわちスラブ１の搬送時には、ロールの回転に伴い加熱を受けていた各ロールの部位は、スラブ１から離隔あるいはさらに冷却水によって急速に冷却される。なお、この点は、スラブ鍛圧用金型も同様である。
また、フライングサイジングプレスと呼ばれるゴー・ストップの改良型の方式によれば、金型の閉塞動作と金型とスラブの搬送方向シフト動作とが同時に行われるため、ピンチロールの駆動の仕方はゴー・ストップの方式によるものよりは定速回転に近いが、熱サイクルの問題は解消されるわけではない。
【０００５】
よって、スラブ鍛圧用ピンチロールは、スラブとの接触と離隔の繰り返しによって急激な加熱および冷却を受け、激しい熱サイクルにさらされる結果、スラブ鍛圧用ピンチロールの表面には熱亀裂が生じ、長い月日のうちには、この熱亀裂は次第にロール表面からロール中心に向かって進展して、やがては限界に達し、ロール交換を余儀なくされるのである。
高温のスラブとスラブ鍛圧用ピンチロールとの接触は、ロールを円柱に見立てた場合でいう胴長方向接線上に直線的に行われるため、熱サイクルにより、ロールには、胴長伸縮方向に繰り返し応力が作用し、それと直角方向、すなわちロール周方向に熱亀裂が生じ、適切な時期にロールを交換しないと、ついにはロールが折損し、熱間圧延ラインの操業が長時間にわたり停止する大トラブルにつながるのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上記の問題を有利に解決するもので、スラブ鍛圧用ピンチロール等のように、激しい熱サイクルを受けるような用途に供した場合であっても、熱亀裂の発生・進展を阻止して、ロール寿命を大幅に延長することができる13Cr系合金の肉盛溶接方法を提案することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者は、上記の目的を達成するために、肉盛材料の成分組成および肉盛方法について綿密な検討を行った結果、以下に述べる知見を得た。
すなわち、肉盛材料である13Cr系合金について従来よりも幾分高めのＣ量とした上で、肉盛溶接時における溶接入熱量を所定の範囲に制限し、かつ一層当たりの肉盛厚みを適正な範囲に制限することによって、耐熱亀裂性の格段の向上が実現する、ことの知見を得た。
この発明は、上記の知見に立脚するものである。
【０００８】
すなわち、この発明は、Ｃを0.15〜0.43mass％含有する13Cr系合金を、バンドアーク溶接法を用いた多層盛によって肉盛溶接するに際し、溶接入熱を52〜71 kJ/cmの範囲に規制すると共に、一層当たりの肉盛厚みを2.5 mm以下に制限したことを特徴とする13Cr系合金の肉盛溶接方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体的に説明する。
まず、肉盛材である13Cr系合金の好適成分組成範囲について説明する。
この発明では、Ｃを0.15〜0.43mass％の範囲で含有していれば、他の成分については、従来から公知のいわゆる13Cr系合金および13Cr含Ni系合金をそのまま適用することができる。
【００１０】
ここに、13Cr系肉盛合金中のＣ量を上記の範囲に限定した理由は次のとおりである。
Ｃは、CrやNb，Ｖ，Ｗ等の炭化物形成元素と結合して炭化物を形成し、凝固過程で旧オーステナイト粒を分断して微細な旧オーステナイト粒とし、その結果、Ｍｓ温度（マルテンサイト変態開始温度）以下では微細なマルテンサイトラスを生成して粒界強度を高める働きがある。また、微細炭化物をマルテンサイトラス組織の内部およびラス境界に析出させることによって、マルテンサイト組織の一層の強度向上に貢献する。
しかしながら、含有量が0.15mass％に満たないとその添加効果に乏しくフェライト相が生成し、一方0.43mass％を超えると後述するCr，Mo，SiおよびNb等のフェライト形成元素やMn，Coなどのオーステナイト形成元素との関係で、目標とするマルテンサイト単相中に、オーステナイト相が生成し、耐熱亀裂性が劣化するので、Ｃ量は0.15〜0.43mass％の範囲に限定した。より好ましくは0.16〜0.32mass％、さらに好ましくは0.18〜0.22mass％の範囲である。
【００１１】
その他の成分については、上述したとおり、従来から公知のいわゆる13Cr系合金および13Cr含Ni系合金をそのまま適用することができるが、その代表組成を例示すると次のとおりである。
Si：0.2 〜1.0 mass％
Siは、脱酸剤として有用な元素であるが、含有量が 0.2mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 1.0mass％を超えるとフェライト相が生成するおそれがあるので、 0.2〜1.0 mass％程度とするのが好ましい。
【００１２】
Mn：0.5 〜2.0 mass％
Mnは、オーステナイト形成元素であり、焼入れ性を高め、強度を増大させるのに有用な元素であるが、含有量が 0.5mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 2.0mass％を超えると靱性の低下を招くだけでなく、Ｃ量との関係でオーステナイト相が生成するので、Mnは 0.5〜2.0 mass％の範囲で含有させることが好ましい。
【００１３】
Cr：11.5〜15.0mass％
Crは、高温酸化や水蒸気腐食を防止してロールの耐食性を維持する効果があるだけでなく、Ｃと結合して M₂₃C₆炭化物を形成し、凝固過程でオーステナイト粒の成長を抑制し、粒内分散炭化物として強度の向上を図る上で不可欠な元素である。しかしながら、Cr量が11.5mass％未満では、Crは M₂₃C₆の形成で消費され Cr₂O₃の形成能力が低下して、高温耐酸化性の維持が難しくなり、一方15.0mass％を超えるとフェライト相の生成によって耐熱亀裂性の低下を招くので、Crは11.5〜15.0mass％の範囲で含有させるのが好ましい。
【００１４】
以上の元素が基本成分であるが、その他にも、以下に述べる元素を適宜含有させることができる。
（Ni＋Co）：0.9 〜4.0 mass％
NiやCoは、合計量で 4.0mass％以下とすることによって、オーステナイト域を縮小し、伸長型の旧オーステナイト粒の形成を抑制する効果がある。この点、合計量が 4.0mass％を超えるとＡc₁変態点が低下し、使用中に逆変態γを生成して耐熱亀裂性の低下を招く。一方、含有量が 0.9mass％を下回ると、δフェライトが生成し、フェライト割れを起こし易くなる。よって、（Ni＋Co）は 0.9〜4.0 mass％の範囲で含有させるのが好ましい。
【００１５】
Mo：0.5 〜1.0 mass％
Moは、Ｃと結合して Mo₂C, M₂₃C₆等の炭化物を形成し、高温強度の向上に有効に寄与する。また、Mn添加に伴って高温焼戻し脆性が助長されるのを抑制する点でも有用な元素である。
ここに、Moの添加により焼戻し脆性を防止するためには、Mn 2.0mass％に対してMoを少なくとも 0.5mass％添加する必要がある。しかしながら、1.0 mass％を超えて添加しても、その効果は飽和に達し、むしろロール材料の価格上昇につながるので、Moは 0.5〜1.0 mass％の範囲で含有させることが好ましい。
【００１６】
Nb：0.05〜0.50mass％
Nbは、Ｃと結合してNbＣ炭化物を形成し、高温強度を高める有用元素であるが、含有量が0.05mass％未満ではその添加効果に乏しく、一方0.50mass％を超えるとフェライト相を生成する悪影響があるので、Nbは0.05〜0.50mass％程度とするのが好ましい。
【００１７】
Ｖ：0.10〜0.50mass％
Ｖも、Nbと同様、Ｃと結合してＶＣ、V₄C₃等の炭化物を形成し、高温強度の向上に寄与する有用元素であるが、0.10mass％未満ではその添加効果に乏しく、一方0.50mass％を超えると靱性の劣化を招くので、Ｖは0.10〜0.50mass％程度とするのが好ましい。
【００１８】
Ｗ：0.3 〜1.0 mass％
Ｗも、同様に、Ｃと結合してＷＣ、W₂Ｃ等の炭化物を形成し、高温強度を高める有用元素であり、そのためには少なくとも 0.3mass％の添加を必要とするが、1.0 mass％を超えると靱性が劣化するので、Ｗは 0.3〜1.0 mass％の範囲で含有させるのが好ましい。
【００１９】
Cu：0.5 〜2.0 mass％
Cuは、高温水蒸気に対する耐食性の向上に有効な元素であり、0.5 mass％以上の添加によってその効果を得ることができる。しかしながら、2.0 mass％を超えるとその効果は飽和に達し、むしろ凝固割れが生じるので、Cuは 0.5〜2.0 mass％の範囲で含有させることが好ましい。
【００２０】
次に、肉盛溶接条件について説明する。
まず、この発明では、溶接入熱を52〜71 kJ/cmの範囲に制限することが重要である。
というのは、熱亀裂には、肉盛溶接時の冷却過程で生じるマルテンサイト割れと、旧オーステナイト粒が凝固方向に長く伸びる形で粗大成長することによって凝固方向とそれと直交方向との強度差が生じることに起因してロール半径方向への亀裂の成長に伴って生じる割れの２種類があるが、溶接入熱量が52 kJ/cmに満たないとマルテンサイト割れが生じ易く、一方溶接入熱量が71 kJ/cmを超えると旧オーステナイト粒のロール半径方向への亀裂の成長に起因した割れを阻止するのが難しくなるからである。
【００２１】
なお、その他の溶接条件としては、溶接電流、溶接電圧、溶接速度等が挙げられるが、この発明では、これらの溶接条件について特に制限はなく、溶接入熱を上記の範囲に制御できさえすれば、いずれであっても良い。
【００２２】
また、この発明では、肉盛溶接の際に、一層当たりの肉盛厚みを2.5 mm以下に制限することが重要である。
というのは、多層盛溶接の場合には、後続の肉盛溶接によって、先の肉盛層の上層部が焼きならされることになるが、この発明のように、Ｃ量が比較的高い場合には、焼きならしを受けた領域の結晶粒が極めて微細になって、熱亀裂の進展を阻止する作用が生じる。しかしながら、一層当たりの肉盛厚みが大きいと、この熱亀裂進展阻止効果を十分に発揮することは難しく、この点、一層当たりの肉盛厚みが2.5 mm以下であれば、良好な熱亀裂進展阻止効果が得られるからである。
【００２３】
図２(a), (b)にそれぞれ、ロール基体に対し、単層盛および二層盛により肉盛溶接を施した場合における、熱亀裂の伝播状況を比較して示す。
同図(a) に示したとおり、単層盛の場合には、熱亀裂が発生すると、この亀裂が一直線に基体表面まで進展するが、同図(b) に示したとおり、二層盛の場合には、肉盛層の中間に焼きならしを受けた微粒領域（再熱ＨＡＺ部ともいう）が存在するので、内部に進展しようとする亀裂は、この再熱ＨＡＺ部で一旦その進展が阻止され、その分、熱亀裂の伝播が遅延することになる。
従って、熱亀裂の伝播を防止するには、肉盛溶接における層数は多ければ多いほど、また一層当たりの肉盛厚みは、過度の溶接能率の低下を招かない範囲において、薄ければ薄いほど有利となる。
【００２４】
なお、この発明において、肉盛を行う方向は特に限定されないが、ロールを回転させつつ、ロール胴の一端から他端まで連続して行う、いわゆるスパイラル溶接が、生産性の面から特に有利である。
また、肉盛溶接に用いるフープ形状についても特に制限されることはなく、通常使用されている厚さ：0.4 mm、幅：50mm程度のもので十分である。
【００２５】
また、この発明は、スラブ鍛圧用ピンチロールやスラブ鍛圧用金型などの鍛圧材料の肉盛溶接法としてとりわけ好適なものであるが、その用途はこれだけに限られるものではなく、連続鋳造用ロールや熱間圧延用テーブルロール、さらには転炉出鋼口周囲の炉体鉄皮等に対しても、同様にして適用することができる。
【００２６】
【実施例】
直径：430 mmのSCM430製ロール基材の表面に、Ｃ：0.17mass％、Si：0.50mass％、Mn：1.02mass％、Cr：13.2mass％、Ni：0.05mass％、Co：1.02mass％、Mo：0.80mass％、Nb：0.50mass％、Ｖ：0.20mass％、Ｗ：0.45mass％およびCu：1.08mass％を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になる13Cr系合金を、この発明法および従来法に従い、溶接入熱条件を種々に変化させながら肉盛溶接を施した。
発明法および従来法の肉盛溶接条件は次のとおりである。
・発明法：５層の多層盛。一層当たりの肉盛厚み：2.5 mm。余盛 2.5mmを旋削。
・従来法：３層の多層盛。一層当たりの肉盛厚み：4.5 mm。余盛 3.5mmを旋削。
かくして得られた肉盛ロールを、スラブ鍛圧用ピンチロールとして３ヶ月間使用した後の熱亀裂の進展速度について調べた結果を図３に示す。
同図に示したとおり、従来材は、溶接入熱を調整しても一ヶ月当たりの亀裂進展速度を10mmまでしか低減できなかったのに対し、発明材を使用した場合には一ヶ月当たりの亀裂進展速度を１〜２mmまで低減することができた。
【００２７】
【発明の効果】
かくして、この発明によれば、従来法で肉盛溶接した場合に比べて耐熱亀裂性を格段に向上させることができる。
従って、この発明を適用すれば、たとえ熱サイクルが激しいスラブ鍛圧用ピンチロールやスラブ鍛圧用金型であっても、それらの寿命を大幅に延長させることができ、熱間圧延の作業能率を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スラブの鍛圧工程を示した図である。
【図２】単層盛および二層盛により肉盛溶接を施した場合における、熱亀裂の伝播状況を比較して示した模式図である。
【図３】発明材と従来材の亀裂進展速度を比較して示したグラフである。
【符号の説明】
１スラブ
２入側ピンチロール
３出側ピンチロール
４座屈防止用センタガイドロール
５幅圧下用金型

Claims

Ｃを0.15〜0.43mass％含有する13Cr系合金を、バンドアーク溶接法を用いた多層盛によって肉盛溶接するに際し、溶接入熱を52〜71 kJ/cmの範囲に規制すると共に、一層当たりの肉盛厚みを2.5 mm以下に制限したことを特徴とする13Cr系合金の肉盛溶接方法。