JP3885656B2 - フェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤ - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤ、詳細には耐熱性の優れた溶接金属を得ることができるフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、自動車の排気系部品のコンバーダーおよびエキゾーストマニホールドには、コスト、耐食性の面からフェライト系ステンレス鋼が使用され、溶接材料としてJIS Y430に準じたフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤ、例えば、重量%で、C:0.02%、Si:0.47%、Mn:0.42%、P:0.021%、S:0.012%、Cr:16.8%、Fe:残部からなるフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤを使用してマグ溶接法(シールドガス:炭酸ガス+アルゴンガス)またはミグ溶接法(シールドガス:アルゴンガスなどの不活性ガス)により溶接して製造されていた。
【0003】
しかし、フェライト系ステンレス鋼を溶接母材としてJIS Y430に準じたフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤを使用し、マグ溶接法またはミグ溶接法によって溶接した場合、高温で長時間使用すると溶接金属の結晶粒が粗大化し、割れが発生しやすいことが知られている。
【0004】
その対策とし溶接金属の結晶粒を微細化する方法が提案されている。その方法として、溶接ワイヤにTiを添加し、それによって溶接金属中にTiNを分散させて結晶粒を微細化する方法、溶接ワイヤにAlおよびMgを複合添加し、これらの元素を共存させることによって等軸化・細粒化する方法が知られている。
しかし、これらの方法でも十分でなく、高温で長時間使用すると溶接金属の結晶粒が粗大化し、割れが発生しやすいという欠点を有していた。
【0005】
そこで、本出願人は、C:0.05%以下、Si:2.0%以下、Mn:2.0%以下、Cr:15.0〜25.0%、Al:0.01〜0.20%、Ti:0.01〜0.30%、N:0.04〜0.2%およびO:0.04%以下を含有し、更に必要に応じてNb:1.0%以下、Zr:0.1%以下、B;0.1%以下、Mo:5.0%以下およびW:5.0%以下のうちの1種または2種以上を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなるフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤを用い、シールドガスとしてAr+(0〜20%)O2 を使用して溶接する方法などを開発し、特願平2001−142196号として特許出願とした。
この方法で溶接した溶接金属は、高温引張強さ、伸びなどが優れているが、耐熱性、すなわち高温で長時間使用すると溶接金属の結晶粒が粗大化し、割れが発生しやすい点がまだ不十分であった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高温で長時間使用した場合でも高温強度が劣化しない溶接金属を得ることができるフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤを提供することを課題とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者らは、高温で長時間使用した場合に溶接割れが発生する原因、その対策などについて鋭意研究していたところ、Nは結晶粒を微細化するためには必要であるが、過剰に添加すると、高温で長時間加熱する場合に窒化物系介在物が異常に成長することにより結晶粒が粗大化し、初期の高温強度が保てなくなるので、Nを0.02%以下で0.005%以上にする必要があること、Oを多く含有させると窒化物の生成を阻害するので、0.02%以下にする必要があること、NおよびOを多く含有させ過ぎるとO、Nの固溶量が増加し、溶接金属の機械的性質を劣化させるので、Al+Ti≧5(N+O)にする必要があること、またTiとAlのバランスが5≦Ti/Al<10の条件を満たすと窒化物などの介在物が分散して結晶粒が微細化することなどの知見を得た。
本発明は、これらの知見に基づいて発明をされたものである。
【0008】
すなわち、本発明のフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤにおいては、その成分組成をC:0.05%以下、Si:2.0%以下、Mn:2.0%以下、Cr:10.0〜25.0%、Al:0.01〜0.05%、Ti:0.05〜0.50%、N:0.005〜0.02%およびO:0.02%以下を含有し、Al+Ti≧5(N+O)および5≦Ti/Al<10の条件を満たし、残部がFeおよび不可避不純物からなるものとすることである。
【0009】
また、本発明のフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤにおいては、その成分組成をC:0.05%以下、Si:2.0%以下、Mn:2.0%以下、Cr:10.0〜25.0%、Al:0.01〜0.05%、Ti:0.05〜0.50%、N:0.005〜0.02%およびO:0.02%以下を含有し、更にNb:1.0%以下、Zr:0.1%以下、B;0.1%以下、Mo:5.0%以下およびW:5.0%以下のうちの1種または2種以上を含有し、Al+Ti≧5(N+O)および5≦Ti/Al<10の条件を満たし、残部がFeおよび不可避不純物からなるものとすることである。
【0010】
【発明の実施の形態】
次に、本発明のフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤの成分組成を上記のように特定した理由を説明する。
C:0.05%以下
Cは、溶接金属に強度与えるためにある程度必要な元素であるが、多くなり過ぎるとマルテンサイトが生成して溶接金属の硬さを高め、溶接割れを生じやすくするので、その含有量を0.05%以下とする。
【0011】
Si:2.%以下
Siは、鋼の製造時に脱酸剤として添加するものであるとともに、耐溶接割れ性に有用な元素であるが、多量に含有させると溶接金属の靱性を損なうので、その含有量を2.0%以下、好ましくは1.7%以下とする。
Mn:2.0%以下
Mnは、Siと同様に鋼の製造時に脱酸剤とし添加するものであるが、多過ぎると耐食性および耐酸化性を低下させるので、その含有量を2.0%以下、好ましくは1.7%以下とする。
【0012】
Cr:10.0〜25.0%
Crは、溶接金属の強度を高めるとともに、耐食性および耐酸化性を高めるので、それらのために含有させる元素である。それらの作用効果を得るためには10.0%以上含有させる必要があるが、多くなると効果が飽和し、コストを高くするので、上限を25.0%とする。
【0013】
Al:0.01〜0.05%
Alは、窒化物を生成し、溶接金属の結晶粒を微細化させるので、そのために含有させる元素である。その作用効果を得るためには、0.01%以上含有させる必要があるが、多くなり過ぎると窒化物が凝集し、その密度が低下して結晶粒を微細化させなくなるので、その上限を0.05%とする。
Ti:0.05〜0.50%
Tiは、Alと同様に窒化物を生成し、溶接金属の結晶粒を微細化させるので、そのために含有させる元素である。その作用効果を得るためには、0.05%以上含有させる必要があるが、多くなり過ぎると窒化物が凝集し、その密度が低下して結晶粒を微細化させなくなるので、その上限を0.50%とする。
【0014】
N:0005〜0.02%
Nは、TiおよびAlと化合してTiNおよびAlNを形成し、これらが核となって溶接金属の結晶粒を微細化するので、そのために含有させる元素である。その作用効果を得るためには0.005%以上含有させる必要があるが、多くなり過ぎると溶接金属中に固溶して機械的性質を劣化させるので、その上限を0.02%とする。
O:0.02%以下
Oは、Nと比較してAlおよびTiの標準自由エネルギーが低いため、結晶粒微細化に有効な窒化物の生成を阻害するので、極力低いほうが好ましいが、少なくするとコストを上昇するので、その含有量を0.02%以下とする。
【0015】
Nb:1.0%以下、Zr:0.1%以下、B:0.1%以下
Nb、ZrおよびBは、溶接金属の結晶粒を微細化させる作用を有するので、そのために含有させる元素であるが、多くなり過ぎるとアークおよびビードの形成を不安定にするので、Nbは1.0%以下、ZrおよびBは0.1%以下とする。
【0016】
Mo:5.0%以下、W:5.0%以下
MoおよびWは、高温強さを高める作用を有するので、そのために含有させる元素であるが、多くなり過ぎると衝撃値および耐食性を低下させるので、その上限を5.0%とする。
【0017】
Al+Ti≧5(N+O)
(N+O)含有量が多過ぎると溶接金属中のOおよびNの固溶量が増加し、機械的性質を劣化させるので、その含有量を(Al+Ti)/5以下とする。
5≦Ti/Al<10
溶接金属の結晶粒微細化にはAlおよびTiの窒化物ならびに酸化物による核生成が有効であるが、Al含有量がTi含有量に比較して多過ぎるとAlNが多く生成し、このAlNが凝集して結晶粒を微細化する効果を低減し、またTi含有量がAl含有量に比較して多過ぎるとTiNが多く生成し、このTiNが凝集して結晶粒を微細化する効果が低減するので、Ti/Alを5以上で10未満とする。
【0018】
不純物について
Pは、溶接割れを生じ易くするとともに、溶接金属の靱性を低下する元素であるので、極力少なくするほうが好ましいが、0.030%以下であれば影響が少ないので、その含有量を0.030%以下とするのが好ましい。
Sは、溶接割れを生じ易くするとともに、溶接金属の靱性を低下する元素であるので、極力少なくするほうが好ましいが、0.010%以下であれば影響が少ないので、その含有量を0.010%以下とするのが好ましい。
【0019】
以上の成分組成を有するフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤを用い、シールドガスとして▲1▼Ar+(0〜20体積%)O2 、▲2▼Ar+(0〜20体積%)O2 +(0〜50体積%)CO2 、▲3▼Ar+(0〜20体積%)O2 +(0〜50体積%)CO2 +(0〜100体積%)HeなどのN2 ガスを含有しないガスを用いて溶接すると耐熱性の優れた溶接金属が得られる。
【0020】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
本溶接で用いる溶接ワイヤを用いて開先面にバタリング溶接した厚さ20mmの市販のSUS430鋼板を供試母材とし、JIS Z 3111に準拠して表1に示す本発明例および比較例の成分組成のフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤを用い、またシールドガスとしてAr+2体積%O2 を用いて下記に示す条件で溶接をした。この溶接したものから図1に示すように溶接線方向に沿って試験片全体が溶接金属からなるように丸棒型引張試験片を採取した。この試験片を用いてJIS G 0552に準拠して結晶粒度を測定するとともに、JIS G0567に準拠して上記試験片を950℃で高温引張試験を行った。その結果を下記表2に示す。
【0021】
また、上記溶接した供試母材および溶着金属を950℃に昇温し、この温度で1000時間、大気中で保持する熱処理を行った後、図1に示すように溶着金属から丸棒型引張試験片を採取した。この試験片を用いてJIS G 0552に準拠して結晶粒度(以下「粒度」という。)を測定するとともに、JIS G 0567に準拠して試験片を950℃で高温引張試験を行った。その結果を下記表2に示す。
溶接条件は、溶接電流200A、アーク電圧3.5V、溶接速度60cm/min、インターパス温度150〜250℃であった。
【0022】
【表1】
Figure 0003885656
【0023】
【表2】
Figure 0003885656
【0024】
表2の結果によると、本発明例は、溶接ままのものの粒度が5〜7であり、高温引張強さが34〜38MPaであった。また900℃で1000時間、大気中で保持する熱処理を行ったもの(以下「高温で熱処理したもの」という。)の粒度が5〜7であり、高温引張強さが34〜38MPaであった。
これに対して、Ti含有量が本発明より少なく、Al+Tiが5(N+O)以下であり、またTi/Alが本発明より低い比較例1は、溶接ままのものおよび高温で熱処理したものの粒度が1であり、高温引張強さが27MPaであった。いずれも本発明例に比較して粒度が非常に大きく、また高温引張強さもかなり低くなっていた。
【0025】
N含有量が本発明より多く、またAl+Tiが5(N+O)以下である比較例2、3、6〜8は、溶接ままのものの粒度が6または7であり、高温引張強さが38MPaまたは39MPaであった。また高温で熱処理したものの粒度がいずれも2であり、高温引張強さが27MPa〜29MPaであった。溶接ままのものはいずれも本発明例と同等であったが、高温で熱処理したものの粒度が非常に大きく、また高温引張強さもかなり低くなっていた。
【0026】
Ti/Alが本発明より高い比較例4と、Al+Tiが5(N+O)以下であり、またTi/Alが本発明より低い比較例5は、溶接ままのものの粒度が3と2であり、高温引張強さが30MPaと27MPaであった。また高温で熱処理したものの粒度が3と2であり、高温引張強さが29MPaと27MPaであった。両者とも粒度がかなり大きく、また高温引張強さもかなり低くなっていた。
【0027】
Ti含有量が本発明よりやや多く、またTi/Alが本発明よりかなり大きい比較例9と、Al含有量が本発明より多く、またTi/Alが本発明よりかなり小さい比較例10は、溶接ままのものの粒度が3と2であり、高温引張強さが30MPaと27MPaであった。また高温で熱処理したものの粒度も3と2であり、高温引張強さが27MPaと28MPaであった。両者は比較例4と5と同様に粒度がかなり大きく、また高温引張強さもかなり低くなっていた。
【0028】
【発明の効果】
本発明のフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤは、上記構成にしたことにより、高温で長時間使用した場合でも高温強度が劣化しない、すなわち耐熱性に優れた溶接金属を得ることができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例における丸棒型引張試験片の作製および採取方法を説明するための説明図である。

Claims (4)

  1. 質量%で(以下同じ)、C:0.05%以下、Si:2.0%以下、Mn:2.0%以下、Cr:10.0〜25.0%、Al:0.01〜0.05%、Ti:0.05〜0.50%、N:0.005〜0.02%およびO:0.02%以下を含有し、Al+Ti≧5(N+O)および5≦Ti/Al<10の条件を満たし、残部がFeおよび不可避不純物からなることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤ。
  2. C:0.05%以下、Si:2.0%以下、Mn:2.0%以下、Cr:10.0〜25.0%、Al:0.01〜0.05%、Ti:0.05〜0.50%、N:0.005〜0.02%およびO:0.02%以下を含有し、更にNb:1.0%以下、Zr:0.1%以下およびB;0.1%以下のうちの1種または2種以上を含有し、Al+Ti≧5(N+O)および5≦Ti/Al<10の条件を満たし、残部がFeおよび不可避不純物からなることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤ。
  3. C:0.05%以下、Si:2.0%以下、Mn:2.0%以下、Cr:10.0〜25.0%、Al:0.01〜0.05%、Ti:0.05〜0.50%、N:0.005〜0.02%およびO:0.02%以下を含有し、更にMo:5.0%以下およびW:5.0%以下のうちの1種または2種を含有し、Al+Ti≧5(N+O)および5≦Ti/Al<10の条件を満たし、残部がFeおよび不可避不純物からなることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤ。
  4. C:0.05%以下、Si:2.0%以下、Mn:2.0%以下、Cr:10.0〜25.0%、Al:0.01〜0.05%、Ti:0.05〜0.50%、N:0.005〜0.02%およびO:0.02%以下を含有し、更にNb:1.0%以下、Zr:0.1%以下およびB;0.1%以下のうちの1種又は2種以上を含有し、またMo:5.0%以下およびW:5.0%以下のうちの1種または2種を含有し、Al+Ti≧5(N+O)および5≦Ti/Al<10の条件を満たし、残部がFeおよび不可避不純物からなることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤ。
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