JP4318489B2

JP4318489B2 - フェライト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ

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Publication number: JP4318489B2
Application number: JP2003163307A
Authority: JP
Inventors: 義明村田
Original assignee: 日鐵住金溶接工業株式会社
Priority date: 2003-06-09
Filing date: 2003-06-09
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2023-06-09
Also published as: JP2004358552A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、フェライト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤに関し、例えば自動車排気系部品などに使われる高Ｓｉタイプの高純度フェライト系ステンレス鋼の溶接に使用され、溶接作業性が良好で、溶接金属の耐溶接割れ性、耐高温酸化性および熱疲労特性に優れた溶接継手が得られるフェライト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
１９７０年代の排ガス規制強化に伴い、自動車排気系部品にフェライト系ステンレス鋼が使用されるようになった。その背景には、触媒コンバーターによる三元触媒方式を用いた排ガス浄化対策を行うためには排ガス温度を７００℃以上にする必要があり、耐酸化性の観点からこれまでのＡｌめっきやＺｎめっき鋼では対応できなくなったからである。さらに、１９８０年代後半になると燃費向上や軽量化の動きの中で、排気マニフォルドは厚肉構造の耐熱鋳物から薄板や薄肉鋼管を利用した溶接構造物へと変遷し、これによりフェライト系ステンレス鋼の使用量が拡大した。また、耐熱材料としてはオーステナイト系ステンレス鋼も候補に挙げられるが、エンジンの始動、停止に伴う繰返し熱サイクルを伴う環境下では、熱膨張係数の小さいフェライト系の方が熱疲労特性や耐酸化性の点で有利であったからである。
【０００３】
これまで、フェライト系ステンレス鋼としてはＳＵＨ４０９Ｌ（低Ｃ−１１％Ｃｒ−Ｔｉ）やＳＵＳ４３０ＬＸ（低Ｃ−１７％Ｃｒ−Ｎｂ）が用いられていたが、燃費向上と軽量化の要求に対応した排ガス温度の上昇に伴い、耐酸化性や高温強度の改善を図ったＣｒ含有量の多い材質へと移行した。現在は、排ガス温度が９００℃程度となっており、低Ｃ−１８〜１９％Ｃｒ−Ｎｂ系の高級フェライト系ステンレス鋼が適用されている。また、高価なＣｒ量を低減して１％程度のＳｉを含有させることにより耐酸化性や高温強度の確保を図った新しいタイプの低Ｃ−１％Ｓｉ−１３〜１５％Ｃｒ−Ｎｂ系（ＳＵＳ４２５、ＳＵＳ４２９等）が開発され、この種の低コスト指向のフェライト系ステンレス鋼の適用が急増してきている。
【０００４】
ところで、ＳＵＨ４０９ＬやＳＵＳ４３０ＬＸ鋼等のフェライト系ステンレス鋼の溶接は、鋼材と同じ熱膨張特性を有する共金系溶接材料が最適であり、ＳＵＳ４３０Ｌ系の溶接用ワイヤが広く用いられている。溶接方法としては、シールドガスとしてＡｒ−２％Ｏ₂ やＡｒ−１０％ＣＯ₂ を用いたミグまたはマグ溶接の適用例が多い。図２は従来の一般的なワイヤを使用したときの溶接部のミクロ組織であるが、フェライトの安定化を図ったＮｂ含有ＳＵＳ４３０Ｌ系溶接用ワイヤを用いたＩ開先の１パス溶接では、この図に示すように溶接金属がフェライト単相凝固し、母材１の壁面２から中心部に向かって粗大な柱状晶３が発達する。このような場合、ビード中央付近での柱状晶会合部４は平坦となり、またこの柱状晶会合部４ではＳ等の低融点不純物の濃縮を生じやすいことからも脆弱化し、さらに溶接時の収縮歪みにより開裂してビード中央部での凝固割れ、いわゆる梨形ビード形状割れが発生しやすいことが問題となっている。なお図中５は等軸晶であって、このような従来の一般的なワイヤの場合には最終凝固部にのみ生成する。
【０００５】
また、Ｎｂを含まないＳＵＳ４３０Ｌ系溶接用ワイヤも適用されているが、炭酸ガスを含むシールドガスを用いたマグ溶接ではシールドガスからのＣのピックアップの影響によりフェライト相とその粒界の一部がマルテンサイト変態した二相組織となり、繰返し熱サイクルを伴う環境下では、熱疲労特性にも難があった。また、ＳＵＳ３０９Ｌ系のオーステナイト系溶接用ワイヤを用いた場合には柱状組織による梨形ビード形状割れの問題は解消できるが、溶接金属は母材希釈によりそのＮｉ量が約半減して、その組織がフェライト／オーステナイトの二相組織を呈するようになり、高温使用中にシグマ相変態を生じ高温脆化の問題があった。つまり、変態温度を挟んで温度変動が上下するような環境では、二相混合組織を有する溶接金属では異常変形や脆化現象を引き起こして熱疲労特性が劣化する場合があり、従ってこのような用途においては単相組織にするのが原則である。
【０００６】
フェライト系ステンレス鋼の溶接で梨型ビード形状割れを軽減するために、鋼中のＰ、Ｓ等の低融点不純物を抑制することは周知の事実であるが、その低減には経済的にも限界があり、十分な効果が得られなかった。さらに、従来から種々のフェライト系ステンレス鋼の溶接用ワイヤが提案されている。これらは溶接ワイヤ中に微細化元素の添加を行って、柱状晶の会合部に当たるビード中央付近に等軸晶を晶出させ、いわゆる組織の微細化を図って、力学的あるいはミクロ偏析の見地から梨型ビード形状割れの感受性の低下を図ろうというものである。
【０００７】
例えば、特開平９−８５４９１号公報には、フラックス中にＴｉ、Ａｌ、Ｎを意図的に添加させることにより、これら窒化物による組織の微細化を図ったフェライト系ステンレス鋼溶接用のフラックス入りワイヤが開示されている。また、特開２００１−２１９２９１号公報には、同様にＴｉ、Ａｌ、Ｎを添加させたソリッドワイヤが開示されている。しかしながら、このような微細化元素の添加を行うだけの手法では、梨形ビード形状割れを防止するだけの等軸晶を晶出させる効果は不十分であり、かえって溶接金属の清浄度を悪くさせるだけである。
【０００８】
ところで、こうしたフェライト系ステンレス鋼の耐酸化性は、金属表面を緻密なＣｒの酸化物が保護皮膜となって酸化の進行が阻止されることによっている。Ｃｒ酸化物内では酸素の拡散が阻止されるので、地金金属の酸化反応が進行しないからである。さらに、ＡｌやＳｉ添加によりこの酸化皮膜の耐酸化性が強化される。しかしながら上記の技術におけるＮの同時添加は耐酸化性に極めて有害である。すなわちＮを添加すると窒化アルミ（ＡｌＮ）が酸化皮膜上に形成する。窒化アルミ自体は耐酸化性の効果を持たないことから、これを起点として酸化が進行し異常酸化現象を生じさせることが知られており、結論として耐酸化性を損なうことになる。
【０００９】
また、近年ではエンジン始動直後の排ガス浄化効率を改善するために、排気マニフォルドやフロント管を二重構造にして断熱性を高める傾向になっている。内管用には従来よりも薄肉の部材が使用されるが、このような場合には溶接の際に溶込み深さが大きくなる傾向となり、完全溶け込みとなって裏波ビードが形成されやすくなる。こうした場合、過熱による母材自身の結晶粒粗大化に伴い、その結晶粒を起点としてエピタキシャル成長する溶接金属の粗大化に拍車をかける。また、熱拡散方向の絡みで母材壁面から中心部に向かう柱状晶の成長方向がほぼ真横になり、会合部の引張許容力がさらに低下して裏波ビード側に梨形ビード形状割れが加速されるという問題がある。
【００１０】
しかも溶接金属中の化学組成は、上記のように溶込み率の増加に伴う母材希釈の影響度が増加する。低Ｃ−１％Ｓｉ−１３〜１５％Ｃｒ−Ｎｂ系のフェライト系ステンレス鋼では従来の鋼材よりもＳｉが増量されているため、溶接金属中のＳｉ量が高くなる。Ｓｉはフェライト安定化傾向の強い元素で柱状晶の粗大化を促進する。また、Ｓｉは偏析して粒界を脆弱にする悪影響を及ぼすことから、高温割れ感受性を極めて高める結果となる。すなわち、低Ｃ−1％Ｓｉ−１３〜１５％Ｃｒ−Ｎｂ系の材質での薄肉化を対象とするフェライト系ステンレス鋼の溶接で、梨形ビード形状割れが阻止でき、同時に耐酸化性と熱疲労特性を確保できる技術は見当たらなかった。
【００１１】
【引用文献】
特許文献１：特開平９−８５４９１号公報
特許文献２：特開２００１−２１９２９１号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はＳｉを含有する高純度フェライト系ステンレス鋼の溶接において、溶接作業性が良好で、溶接金属の高温割れを発生し難く、かつ耐高温酸化性および熱疲労特性に優れた溶接継手が得られるフェライト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、
（１）金属外皮内にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤにおいて、金属外皮およびフラックス中にワイヤ全質量に対して質量％で、Ｎｂ：０．５〜１．０％、Ｃ：０．０１〜０．０５％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｓｉ：０．１０〜０．４５％、Ｃｒ：１３〜２０％、Ａｌ：０．２〜０．８％、ただし、ａ＝Ｃｒ＋２Ｓｉ＋０．８Ａｌ（各成分は質量％）で１４以上、Ｔｉ：０．１〜０．８％、アルカリ金属炭酸塩およびアルカリ土類金属炭酸塩の１種または２種以上：０．０５〜０．２５％を含有し、Ｍｏ：０〜１．５％、Ｎｉ：０〜０．５％、Ｃｕ：０〜０．５％、Ｎ：０．０１５％以下で、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
（２）金属外皮内にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤにおいて、金属外皮およびフラックス中にワイヤ全質量に対して質量％で、Ｎｂ：０．２％以上、Ｚｒ：０．３％以上、ただし、Ｎｂ＋Ｚｒ：１．０％以下、Ｃ：０．０１〜０．０５％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｓｉ：０．１０〜０．４５％、Ｃｒ：１３〜２０％、Ａｌ：０．２〜０．８％、ただし、ａ＝Ｃｒ＋２Ｓｉ＋０．８Ａｌ（各成分は質量％）で１４以上、Ｔｉ：０．１〜０．８％、アルカリ金属炭酸塩およびアルカリ土類金属炭酸塩の１種または２種以上：０．０５〜０．２５％を含有し、Ｍｏ：０〜１．５％、Ｎｉ：０〜０．５％、Ｃｕ：０〜０．５％、Ｎ：０．０１５％以下で、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
（３）フラックス入りワイヤのｂ＝Ｃｒ＋２Ｍｏ＋４Ｓｉ＋０．５（Ｎｂ＋Ｚｒ）（各成分は質量％）で表される値が、溶接するフェライト系ステンレス鋼母材の前記ｂで表される値より、０．２〜４高いことを特徴とする（１）または（２）記載のフェライト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ。
（４）フラックス中にワイヤ全質量に対して質量％で、希土類金属（Ｙを含む）の化合物を希土類金属換算値で０．０２〜０．２％含有することを特徴とする（１）ないし（３）記載のフェライト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明者等は前記課題を解決するために、溶接凝固現象での等軸晶の生成機構や、溶接金属の耐酸化性および熱疲労特性の解明とフラックス入りワイヤの成分組成が及ぼす影響について鋭意研究を重ねた。その結果、Ｎｂの含有量を調整することにより母材の壁面から成長する柱状晶の成長を抑制し、さらにＡｌとＴｉの添加により等軸晶の生成を促進して高温割れ（梨型ビード形状割れ）を防止し得ることを見出した。また、Ｃｒ、Ｓｉ、ＡｌおよびＮの含有量を調整することにより耐酸化性を改善し、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、ＮｂおよびＺｒの含有量を溶接するフェライト系ステンレス鋼母材の成分に応じて調整することによって熱疲労特性を改善できる。さらに、アルカリ金属炭酸塩および／またはアルカリ土類金属炭酸塩を微量含有することによって溶接作業性が良好になることを見出した。
以下、本発明におけるフェライト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ全質量に対する含有成分の組成限定理由について説明する。
【００１５】
［Ｎｂ：０．５〜１．０質量％］
Ｎｂは、溶接金属のミクロ組織改善と梨型ビード形状割れの抑制に最も効果がある。Ｎｂは例えば０．５質量％（以下、％という。）未満の添加では、かえって高温割れ感受性を高める作用があることはよく知られている。これは低融点のＮｂＣを粒界に形成するためであると考えられている。
【００１６】
ところで、図１は本発明のワイヤを使用したときの溶接部のミクロ組織の例であるが、この図に示すようにフェライト単相の溶接凝固過程では、まず溶接熱によって母材１の一部が溶融し、その未溶融の母材の結晶粒を核として母材壁面２から中心に向かって柱状晶３がエピタキシャル成長する。そして、ある条件が揃えば柱状晶３成長の固液界面前方、すなわち溶接金属の中央部で等軸晶５が晶出するようになる。ある条件とは、溶接凝固過程での、Ｎｂによる組成的過冷の程度とこの過冷帯に存在するＡｌ、Ｔｉ添加物による核生成触媒の数が関与し、組成的過冷が大きい程また核生成触媒の数が大きいほど等軸晶５が出やすい。さらに詳しくは、このようなフェライト系ステンレス鋼の凝固においては、その凝固速度にもよるが凝固界面に排出されたＮｂが拡散できずに濃化し、また凝固潜熱を放出することにより柱状晶３の凝固界面の過冷が低減され、その成長が抑制されるようになる。一方、凝固界面より少し前方の位置では大きな過冷が残っており、凝固界面直下より結晶が成長しやすい環境にあり、この過冷帯に核生成触媒が存在すると等軸晶５の生成が促進されるようになる。つまり、組成的過冷と核生成触媒のどちらが欠けても十分な等軸晶５は得られない。
【００１７】
Ｎｂ添加量が０．５％未満では組成的過冷をほとんど生じずに柱状晶３のみで凝固を終えて柱状晶会合部４を生成する。一方、０．５％以上のＮｂ添加は、その固液界面に過飽和のＮｂを排出することにより組成的過冷現象が発生し、柱状晶３の成長を抑制する。柱状晶３の成長が抑制された間に、ワイヤ中に添加されたＴｉやＡｌが核となり、残留溶液中で等軸晶５の成長を促進させる。その結果、ビード中央部に等軸晶５を存在させることが可能となり、板幅方向に作用する収縮力に対して抵抗性を高め、梨型ビード形状割れを防止できる。
【００１８】
すなわち、０．５％以上のＮｂ添加は柱状晶３の成長を抑制する作用を持つと共に、ＡｌとＴｉ添加は等軸晶５の成長を促進させる作用を持ち、これら両者の作用を複合してミクロ組織改善と梨型ビード形状割れの抑制に効果がある。またＮｂは炭化物や窒化物を生成して耐酸化性に有害なＣとＮのマトリックス中の濃度を低減し、間接的に耐酸化性改善に効果がある。さらに、高温使用中にもフェライト相の粗大化を阻止、安定化させ、熱疲労特性の改善作用もある。
【００１９】
しかし、Ｎｂが１．０％を超えると梨型ビード形状割れの抵抗性はもはや飽和して、Ｎｂ自身が割れ感受性を高めて、かえって耐溶接割れ性は劣化する。また、耐酸化性についても排ガス温度が９００℃を超える範囲では、Ｎｂの炭化物や窒化物が分解して耐酸化性が劣化するので、後述の通り、Ｎｂの一部をＺｒに置き換えるのが好ましい。
【００２０】
［Ｃ：０．０１〜０．０５％］
Ｃは、Ｃｒと炭化物を形成し、溶接金属の高温酸化性および耐塩害腐食性を低下させる。一方、Ｃはオーステナイト安定化元素としてフェライトの成長を抑制し、Ｎｂと炭化物を形成して等軸晶の生成に有効で、梨型ビード形状割れの抑制に効果がある。ＣはＣＯ₂ を含有するシールドガスから添加される場合もあるが、ＣＯ₂ を含まないシールドガスではその効果が期待できない。したがって、フラックス入りワイヤのＣを０．０１％以上に規定し、等軸晶の生成効果を得る。またマグ溶接においてはＣＯ₂ を含有するシールドガスから０．０４％程度のＣが混入される場合も想定して、フラックス入りワイヤのＣの上限を０．０５％とした。Ｃが０．０５％を超えると、溶接金属の耐酸化性および耐塩害腐食性を低下させる。
【００２１】
［Ｍｎ：０．２〜１．０％］
Ｍｎは、オーステナイト生成元素としての作用し、フェライトの成長を抑制する。また高融点のＭｎＳを形成して低融点の硫化物が粒界に晶出するのを防止し、高温割れ抑制に有効である。０．２％未満ではその効果が不十分であり、１．０％を超えると、溶接金属の高温酸化性を劣化させる。
【００２２】
［Ｓｉ：０．１０〜０．４５％］
Ｓｉは、その含有量を抑制することによりミクロ組織改善と梨型ビード形状割れや延性低下による割れの阻止に効果がある。またＳｉはフェライト安定化元素として溶接金属の柱状組織の粗大化を促進する作用があり、さらに粒界に偏析して脆弱化させる作用も有するため、梨型ビード形状割れと延性低下での割れによる高温割れの感受性を高め、溶接割れに対しては有害な元素である。
【００２３】
一方、ＳｉはＣｒとの共存で耐酸化性を改善する作用がある。酸化物と地金金属の界面、または粒界に沿ってＳｉＯ₂ を形成し保護皮膜としての作用と、楔止め作用によりＣｒ₂ Ｏ₃ やそのスピネル構造を持つ外層酸化物の密着性改善に効果がある。耐酸化性改善におよぼすＳｉの効果はＣｒの２倍である。また、アーク安定性やビード形状を改善する作用も有する。Ｓｉが０．１０％未満では、溶接金属の耐酸化性およびアーク安定性やビード形状を良化させる作用が不十分である。一方、０．４５％を超えると、梨型ビード形状割れが生じるようになる。
【００２４】
［Ｃｒ：１３〜２０％］
Ｃｒは、耐酸化性を確保する必須元素である。Ｃｒは、高温でＣｒ₂ Ｏ₃ 主体の酸化物を形成し、緻密で酸素の拡散が阻止できるので、耐酸化性の機能を発揮する。また、高温強度および耐塩害腐食性などの耐食性を確保する上でも、必須である。本発明のように、Ｃ、Ｎの低減およびＮｂ添加、ならびに耐酸化性を有するＡｌやＳｉの添加によりＣｒは１３％まで低くすることができる。２０％を超えると生成された酸化物と地金金属の密着性が悪くなり、耐酸化性を劣化させ、さらに、フェライトを安定させる作用があり、耐梨型ビード形状割れ性を劣化させる。
【００２５】
［Ａｌ：０．２〜０．８％］
Ａｌは、等軸晶の生成には必須元素である。溶接金属の脱酸作用により酸化物を形成し、この酸化物が等軸晶の生成を促進して梨型ビード形状割れを防止する作用を有する。また、Ｓｉと同様に、Ｃｒとの共存で耐酸化性に有用な元素である。その効果はＣｒの０．８倍である。Ａｌが０．２％未満では、これら効果は不十分である。０．８％を超えると、スパッタ発生量が多くなり、これがエンジン内部や触媒担体を閉塞させて破損原因となるので、好ましくない。
【００２６】
［ａ＝Ｃｒ＋２Ｓｉ＋０．８Ａｌ：１４以上］
Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌは耐酸化性を向上させる元素である。前述の通り、Ｃｒに対してＳｉは２倍、Ａｌは０．８倍の効果を持つので、耐酸化性の指標としては、ａ＝Ｃｒ＋２Ｓｉ＋０．８Ａｌが有効である。この式における各成分をその成分の質量％としたとき、ａ値が１４未満では、耐酸化性が劣る。
【００２７】
［Ｔｉ：０．１〜０．８％］
Ｔｉは、脱酸効果と等軸晶の生成に有効な元素である。等軸晶生成のメカニズムはＡｌと同じであり梨型ビード形状割れを防止する作用を有する。また、アーク安定性を向上させる作用がある。０．１％未満では、これら効果は不十分である。０．８％を超えると、アーク吹付け力が過剰となり、スパッタ発生量が多くなるので好ましくない。
【００２８】
［アルカリ金属炭酸塩およびアルカリ土類金属炭酸塩の１種または２種以上：０．０５〜０．２５％］
Ｎａ₂ ＣＯ₃ 、Ｋ₂ ＣＯ₃ 、Ｌｉ₂ ＣＯ₃ 等のアルカリ金属炭酸塩およびＣａＣＯ₃ 、ＢａＣＯ₃ 等のアルカリ土類金属炭酸塩は、アーク安定性とアーク集中性を高める。その効果は０．０５％未満では得られない。一方、０．２５％を超えると、アークの集中性が強すぎてスパッタ発生量が多くなる。
【００２９】
［Ｎ：０．０１５％以下］
Ｎは、窒化アルミ（ＡｌＮ）を酸化皮膜上に形成し、異常酸化現象を生じて耐酸化性を損なう。したがって、０．０１５％以下にすべきであり、低いほど好ましい。
【００３０】
［Ｎｂ：０．２％以上、Ｚｒ：０．３％以上でＮｂ＋Ｚｒ：１．０％以下］
前述のようにＮｂは、排ガス温度が９００℃程度ではＮの安定化および高温強度改善に有用であるが、９００℃を超えた環境ではＮｂ炭化物およびＮｂ窒化物が不安定となり解離する。Ｃ，Ｎが解離されるとオーステナイト相が形成され、Ｃｒ濃度が低下するのでポーラスなＦｅに富む酸化物が形成されるようになり、耐酸化性が劣化する。
【００３１】
一方、Ｚｒの炭化物および窒化物は熱的に非常に安定であり、より高温での耐酸化性が保証される。また、ＺｒはＮｂよりもＣとＮとの親和力が強いので、ＣとＮはＺｒと優先的に炭化物および窒化物を形成する。したがって、排ガス温度が９００℃を超える場合には、安定化元素としてＮｂをＺｒに置き換えることが好ましい。ＺｒによるＣとＮの安定化には、Ｚｒが０．３％以上必要である。なお、この場合にも柱状晶成長の抑制効果を確保するために０．２％以上のＮｂ含有が必要である。しかし、Ｎｂ＋Ｚｒが１．０％を超えると、割れ感受性を高めて耐溶接割れ性は劣化する。
以上が本発明のフェライト系ステンレス鋼用溶接用フラックス入りワイヤの必須要件であるが、本発明においては必要に応じてさらに、以下の条件を満たすのが好ましい。
【００３２】
［ｂ＝Ｃｒ＋２Ｍｏ＋４Ｓｉ＋０．５（Ｎｂ＋Ｚｒ）：溶接する鋼のｂ値より０．２〜４高い］
Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒは、高温強度を向上させる元素であるが、各元素の高温強度への効果はｂ＝Ｃｒ＋２Ｍｏ＋４Ｓｉ＋０．５（Ｎｂ＋Ｚｒ）を指標として整理できる。ところで、熱疲労特性の確保には溶接金属の強度が溶接するフェライト系ステンレス鋼母材の強度よりも高いことが必須である。溶接部の強度が溶接するフェライト系ステンレス鋼母材よりも低いと外部応力が負荷されると溶接金属が集中的に変形し破損しやすいからである。溶接金属の強度が溶接するフェライト系ステンレス鋼母材よりも高くするためには、上記の式における各成分をその成分の質量％としたとき、ｂ値で溶接用ワイヤが溶接するフェライト系ステンレス鋼母材のｂ値よりも０．２以上高くすることが必要である。しかし、前記ｂ値が溶接するフェライト系ステンレス鋼母材のｂ値よりも４を超えると、溶接熱影響部で破断しやすくなる。
【００３３】
［希土類金属（Ｙを含む）の化合物を希土類金属換算値で０．０２〜０．２％］前記Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌにより形成される酸化物は緻密であるが、脆くまた地金金属との密着性が良くない。希土類金属化合物の添加は、酸化物の機械的性質や耐クラック性の改善に効果があり、自動車排気系の加熱と冷却の繰り返し頻度が高い場合に特に耐酸化性の改善効果がある。ここで希土類金属にはＬａ、Ｃｅなどのランタニド以外にＹを含み、これらの１種以上からなるものである。希土類金属の化合物を希土類金属換算値で０．０２％未満では効果がなく、０．２％を超えるとスパッタ発生量が多くなる。
【００３４】
またさらに本発明のフラックス入りワイヤには、溶接金属の強度調整としてＭｏを１．５％以下、耐食性調整としてＮｉおよびＣｕをそれぞれ０．５％以下添加することも可能である。
また、高温割れを助長するＰおよびＳはできるだけ少ないのが好ましく、Ｐは０．０２５％以下、Ｓは０．０１５％以下でＰ＋Ｓで０．０３０％以下であることが好ましい。
以下、実施例により本発明の効果をさらに詳細に説明する。
【００３５】
【実施例】
（実施例１）
表１に示す化学成分の金属外皮を用いて、表２〜表４に示す化学成分のフラックス入りワイヤを試作した。ワイヤ径は１．２ｍｍであり、またフラックス充填率は２０〜２４％とした。
【００３６】
【表１】

【００３７】
【表２】

【００３８】
【表３】

【００３９】
【表４】

【００４０】
高温われ試験は、図３に示す自拘束形式の薄板材を対象としたHouldcroft魚骨形割れ試験に準じて耐梨型ビード形状割れ性を評価した。溶接に用いたフェライト系ステンレス鋼母材（板厚１．５ｍｍ）を表５に示す。図３において、試験片の寸法は長さ１３０ｍｍ、幅５５ｍｍで、スリット６は幅１．５ｍｍで試験片幅方向の両端から中心に向かって延び、溶接のスタート点Ｓ側では３８ｍｍスリット６のない部分を残し、溶接終了点Ｅ側では６ｍｍスリット６のない部分を残して、その間に７．５ｍｍ間隔でスリット６を設け、合計１１個のスリットにおけるスリットのない部分の長さが漸減で狭くなっている。
【００４１】
【表５】

【００４２】
割れ試験は表２〜表４のワイヤと表５のフェライト系ステンレス鋼母材とを各種組み合わせて行なった。フェライト系ステンレス鋼母材試験片の溶接のスタート点Ｓから溶接終了点Ｅまでバックシールドせずに裏波ビードを現出させて、梨型の溶接ビードを表６に示す溶接条件で作成し、割れ発生の有無を評価した。また、同時に溶接作業性の評価も行なった。
【００４３】
【表６】

【００４４】
さらに、前記割れ試験で割れの発生がなかった試験板から１．５ｍｍ厚×１０ｍｍ幅×４０ｍｍ長の酸化試験片を採取して、大気中で９００℃×２００時間保持して試験前後の重量を測定して酸化増量を求め、溶接継手の耐酸化性を評価した。なお、酸化増量が少ないほど、耐酸化性が優れることを意味し、１５ｇ／ｍ² 以下を良好とした。
【００４５】
また、熱疲労試験は、割れ試験で梨型ビード形状割れが生じなかった試験例のみ表５と同じ材質の外径３８ｍｍ、肉厚１．５ｍｍのフェライト系ステンレス鋼管を用いて、表６に示す溶接条件でＩ型開先の周継手溶接を行ない、長さ１５０ｍｍの試験片を作製した。試験は、溶接余盛りを削除して、試験片端部（鋼管端部）を固定して、図４に示す２００℃と９００℃の範囲の加熱／冷却熱サイクルを高周波加熱とエアーによる冷却によって印加して、その破断までの熱サイクルの繰返し数を測定して熱疲労特性を評価した。評価は、破断までの繰り返し数が５００回以上を良好とした。それらの試験結果を表７、表８に示す。
【００４６】
【表７】

【００４７】
【表８】

【００４８】
表７、表８中ワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ１２が本発明例、ワイヤ記号Ｗ１３〜Ｗ２８は比較例である。本発明例であるワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ１２は、フラックス入りワイヤの化学成分およびａ値が適正であるので、溶接作業性が良好で梨型ビード形状割れがなく、耐酸化性に優れており、また、ｂ値が組み合わせたフェライト系ステンレス鋼母材のｂ値との差が適正であるので、熱疲労特性に優れていた。さらに、ワイヤ記号Ｗ１およびＷ１１は、希土類金属の化合物を希土類金属換算値で適量含んでいるので、耐酸化性が優れており極めて満足な結果であった。
【００４９】
比較例中ワイヤ記号Ｗ１３は、Ｎｂが多く、ワイヤ記号Ｗ１４は、Ｎｂが少なく、ワイヤ記号Ｗ１６は、Ｃが少なく、ワイヤ記号Ｗ１９は、Ｓｉが多く、ワイヤ記号Ｗ２４は、Ａｌが少ないので、いずれも梨型ビード形状割れが生じた。
ワイヤ記号Ｗ１５は、Ｃが多いので、酸化試験で酸化増量が多く耐酸化性が不良であった。
【００５０】
ワイヤ記号Ｗ１７は、アルカリ金属炭酸塩とアルカリ土類金属炭酸塩の合計量が多いので、スパッタの発生量が多くなった。また、Ｍｎが多いので、酸化試験で酸化増量が多く耐酸化性が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ１８は、アルカリ金属炭酸塩とアルカリ土類金属炭酸塩の合計量が少ないので、アークが不安定であった。また、Ｍｎが少ないので、梨型ビード形状割れが生じた。
【００５１】
ワイヤ記号Ｗ２０は、Ｓｉが少ないので、アークが不安定でビード形状が不良であった。また、酸化試験で酸化増量が多く耐酸化性も不良であった。
ワイヤ記号Ｗ２１は、希土類金属のＬａ化合物のＬａ換算値が多いので、スパッタの発生量が多くなった。また、Ｃｒが多いので、梨型ビード形状割れが生じた。
【００５２】
ワイヤ記号Ｗ２２は、Ｃｒが少ないので、ワイヤ記号Ｗ２５は、Ｎが多いので、ワイヤ記号Ｗ２６は、ａ値が低いので、いずれも酸化試験で酸化増量が多く耐酸化性が不良であった。
ワイヤ記号２３は、Ｔｉが少ないので、アークが不安定であった。また梨型ビード形状割れも生じた。
【００５３】
ワイヤ記号Ｗ２７は、Ａｌが多いので、スパッタ発生量が多くなった。またｂ値が組み合わせた溶接母材のｂ値より高すぎるので、熱疲労試験で熱影響部から破断して、熱サイクルの繰り返し回数が少なかった。
ワイヤ記号Ｗ２８は、Ｔｉが多いので、スパッタ発生量が多くなった。またｂ値が組み合わせた溶接母材のｂ値との差が低いので、熱疲労試験で溶接金属から破断して、熱サイクルの繰り返し回数が少なかった。
【００５４】
（実施例２）
表１に示す化学成分の金属外皮を用いて、表９に示す化学成分のフラックス入りワイヤを試作した。ワイヤ径は１．２ｍｍであり、またフラックス充填率は２０〜２４％とした。高温われ試験および作業性の調査は、実施例１と同様に行った。
【００５５】
【表９】

【００５６】
酸化試験の試験片採取も実施例１と同様に実施したが、試験条件は、大気中で１０００℃×２００時間保持して試験前後の重量を測定して酸化増量を求め、１５ｇ／ｍ² 以下を良好とした。また、熱疲労試験の試験片も実施例１と同様とし、加熱／冷却熱サイクルを図４に示す２００℃と１０００℃として破断までの繰り返し数を測定した。繰り返し数が５００回以上を良好として評価した。それらの結果を表１０に示す。
【００５７】
【表１０】

【００５８】
表１０中ワイヤ記号Ｗ２９〜Ｗ３２が本発明例、ワイヤ記号Ｗ３３〜Ｗ３５は比較例である。本発明例であるワイヤ記号Ｗ２９〜Ｗ３２は、フラックス入りワイヤの化学成分、ａ値およびｂ値が組み合わせたフェライト系ステンレス鋼母材のｂ値との差が適正であるので、溶接作業性が良好で梨型ビード形状割れがなく、Ｚｒを適量含むので１０００℃における耐酸化性および熱疲労特性にも優れており、極めて満足な結果であった。
【００５９】
比較例中ワイヤ記号Ｗ３３は、Ｎｂが少ないので、ワイヤ記号Ｗ３５は、Ｎｂ＋Ｚｒが多いので、どちらも梨型ビード形状割れが生じた。
ワイヤ記号Ｗ３４は、Ｚｒが少ないので、１０００℃での酸化試験で酸化増量が多く耐酸化性が不良であった。
【００６０】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明のフェライト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤによれば、Ｓｉを含有する高純度フェライト系ステンレス鋼の溶接において、溶接作業性が良好で、溶接金属の高温割れがなく、かつ耐高温酸化性および熱疲労特性に優れた溶接継手が得られるので、産業の発展に貢献すること極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のワイヤを使用したときの溶接部のミクロ組織の例
【図２】従来の一般的なワイヤを使用したときの溶接部のミクロ組織の例
【図３】本発明の実施例に用いた高温溶接割れ試験の試験片形状を示す図
【図４】本発明の実施例に用いた熱疲労試験の加熱／冷却サイクルを示すグラフ
【符号の説明】
１母材
２母材壁面
３柱状晶
４柱状晶会合部
５等軸晶
６スリット
Ｓ溶接のスタート点
Ｅ溶接終了点

Claims

金属外皮内にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤにおいて、金属外皮およびフラックス中にワイヤ全質量に対して質量％で、Ｎｂ：０．５〜１．０％、Ｃ：０．０１〜０．０５％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｓｉ：０．１０〜０．４５％、Ｃｒ：１３〜２０％、Ａｌ：０．２〜０．８％、ただし、ａ＝Ｃｒ＋２Ｓｉ＋０．８Ａｌ（各成分は質量％）で１４以上、Ｔｉ：０．１〜０．８％、アルカリ金属炭酸塩およびアルカリ土類金属炭酸塩の１種または２種以上：０．０５〜０．２５％を含有し、Ｍｏ：０〜１．５％、Ｎｉ：０〜０．５％、Ｃｕ：０〜０．５％、Ｎ：０．０１５％以下で、残部はＦｅおよび不可避的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用フラックス入りワイヤ。
金属外皮内にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤにおいて、金属外皮およびフラックス中にワイヤ全質量に対して質量％で、Ｎｂ：０．２％以上、Ｚｒ：０．３％以上、ただし、Ｎｂ＋Ｚｒ：１．０％以下、Ｃ：０．０１〜０．０５％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｓｉ：０．１０〜０．４５％、Ｃｒ：１３〜２０％、Ａｌ：０．２〜０．８％、ただし、ａ＝Ｃｒ＋２Ｓｉ＋０．８Ａｌ（各成分は質量％）で１４以上、Ｔｉ：０．１〜０．８％、アルカリ金属炭酸塩およびアルカリ土類金属炭酸塩の１種または２種以上：０．０５〜０．２５％を含有し、Ｍｏ：０〜１．５％、Ｎｉ：０〜０．５％、Ｃｕ：０〜０．５％、Ｎ：０．０１５％以下で、残部はＦｅおよび不可避的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用フラックス入りワイヤ。
フラックス入りワイヤのｂ＝Ｃｒ＋２Ｍｏ＋４Ｓｉ＋０．５（Ｎｂ＋Ｚｒ）（各成分は質量％）で表される値が、溶接するフェライト系ステンレス鋼母材の前記ｂで表される値より、０．２〜４高いことを特徴とする請求項１または２記載のフェライト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ。
フラックス中にワイヤ全質量に対して質量％で、希土類金属（Ｙを含む）の化合物を希土類金属換算値で０．０２〜０．２％含有することを特徴とする請求項１ないし３記載のフェライト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ。