JP4698857B2

JP4698857B2 - 高耐食ステンレス鋼溶接用被覆アーク溶接棒

Info

Publication number: JP4698857B2
Application number: JP2001050700A
Authority: JP
Inventors: 学水本; 肇長崎; 裕滋井上
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Stainless Steel Corp
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2021-02-26
Also published as: JP2002248598A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海水淡水化プラント，海水熱交換器，屋根，煙突内筒ライニング等に用いられる高耐食ステンレス鋼の溶接に使用され、母材と同等の耐食性を有する溶接金属が得られる被覆アーク溶接棒に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、火力発電プラントでは、可採埋蔵量が天然ガスの３倍以上ある石炭を燃料とした石炭炊きプラントの導入が積極的に進められている。煙突内筒の腐食環境は、ＬＮＧ炊きの場合排ガス中に硫黄などの不純物がほとんど含まれず、比較的軽度な腐食環境であるが、石炭や石油炊きの場合、比較的低温部において燃焼ガス中のＳＯ₃が水分と反応して硫酸を発生させ、煙突内部の全面腐食やスケールとの間隙ですき間腐食が発生する。この様な強い腐食環境には、Ｃｒ，Ｍｏ含有量の高い高耐食ステンレス鋼が開発されている。これらの材料を構造材料として適用する場合、その多くは施工上溶接が必要となるが、一般に凝固組織のままで使用に供される溶接部は、Ｍｏ含有量が高いために、溶接金属中にσ相，χ相等の金属間化合物が生成して延性に乏しく、ぜい化に起因する割れを生じやすい。
【０００３】
よってこれらの高耐食ステンレス鋼の溶接に際してはインコネル６２５や特開平８−２５２６９２号公報に記載のようにインコネル６２５改良の溶接材料が使用されている。しかしこれらのＮｉを主成分とする溶接材料は非常に高価であること、またＮを含有するため、ブローホールが発生する、スラグの剥離性が悪いという課題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高耐食ステンレス鋼の溶接に際し、安価な共金系で母材と同等の耐食性を有し、溶接のままで延性が良好であり、耐ブローホール性、スラグの剥離性が良好な高耐食ステンレス鋼溶接用被覆アーク溶接棒を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明は、前記課題を解決するものであって、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）オーステナイト系ステンレス鋼を心線とし、心線と被覆剤の両者を合計して心線重量比で、Ｃ：０．０５％（重量％、以下同じ）以下、Ｓｉ：０．５〜１．６％、Ｎｉ：１６．０〜２５．０％、Ｃｒ：２０．０〜３４．０％、Ｍｏ：４．０〜７．０％、Ｃｕ：０．３〜１．８％、Ｎ：０．２０〜０．３５％、Ａｌ、Ｔｉのうち１種または２種の合計：０．５〜２．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、Ｓ＝Ｓｉ×（Ｃｒ＋Ｍｏ）／Ｎｉで算出されるＳ値が３．０以下であることを特徴とする高耐食ステンレス鋼溶接用被覆アーク溶接棒。
（２）前記高耐食ステンレス鋼は重量％で、Ｃｒ：１８．０〜２５．０％、Ｎｉ：１１．０〜２８．０％、Ｍｏ：２．０〜７．２％を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなるものである（１）に記載の高耐食ステンレス鋼溶接用被覆アーク溶接棒。
（３）（２）に記載の高耐食ステンレス鋼は重量％で、さらにＣｕ：０．３〜３．０％、Ｎ：０．１〜０．４％の少なくとも一方を含有するものである高耐食ステンレス鋼溶接用被覆アーク溶接棒。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の被覆アーク溶接棒が対象としている被溶接材は本発明の名称にもあるように高耐食ステンレス鋼である。組織としてはオーステナイト系のものであるが、オーステナイト系ステンレス鋼の代表的なものであるＪＩＳＳＵＳ３０４（１８Ｃｒ−８Ｎｉ）よりも特に耐食性が優れたものが対象となる。ＪＩＳ規格には高耐食ステンレス鋼の代表的なものとしてＳＵＳ３１７（１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−３．５Ｍｏ）があり、さらにこの系統の高耐食ステンレス鋼で特に耐食性が優れたものとして、ＳＵＳ３１７Ｊ４Ｌ（２２Ｃｒ−２５Ｎｉ−６Ｍｏ−０．２Ｎ−低Ｃ）やＳＵＳ３１７Ｊ５Ｌ（２１Ｃｒ−２４．５Ｎｉ−４．５Ｍｏ−１．５Ｃｕ−低Ｃ）などが規定されている。このようなことから、本発明が被溶接材とする高耐食ステンレス鋼はＪＩＳＳＵＳ３１７以上の耐食性を持つステンレス鋼とするが、上記のＪＩＳ規格にあるものの他に外国の規格や鋼材の製造者が定めた規格もある。
【０００７】
上記高耐食ステンレス鋼の成分としては一般的に以下のようなものである。すなわち、重量％で、Ｃｒ：１８．０〜２５．０％、Ｎｉ：１１．０〜２８．０％、Ｍｏ：２．０〜７．２％を必須の成分とし、必要に応じてＣｕ：０．３〜３．０％、Ｎ：０．１〜０．４％の少なくとも一方を成分とするものである。その他Ｆｅ以外にＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓなどを不可避的に含有するが、特にＣは０．０３％以下と低いことが耐食性のために望ましい。
【０００８】
本発明者らは高耐食ステンレス鋼を被覆アーク溶接するに当たり、溶接棒の合金組成を種々検討した。その結果、Ｓｉ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ量を適正とすることで、母材と同等の耐食性を有し、かつσ相，χ相等の金属間化合物の生成を抑制し、溶接ままでの延性が確保できるとの知見を得た。ブローホール性の改善には、脱酸及び脱窒剤の種類及び量を検討し、Ａｌ、Ｔｉの適正添加により耐ブローホール性が良好になるとの知見を得た。スラグの剥離性改善の検討を実施し、Ｓｉの添加が有効であるとの知見を得た。
本発明高耐食ステンレス鋼溶接用被覆アーク溶接棒は以上の知見を基に構成されたものであり、以下に各組成の数値限定理由を述べる。
【０００９】
ＣはＣｒと結合しやすく結晶粒界にＣｒ炭化物として析出する。その結果Ｃｒ欠乏層が粒界に形成され、耐粒界腐食性が劣化する。したがってＣは０．０５％以下にする必要がある。
【００１０】
Ｓｉはスラグの剥離性を良くする目的で添加するが、０．５％未満であるとその効果が不十分である。一方、１．６％を超えて添加するとσ相の析出を助長して延性を低下させる。したがってＳｉは０．５〜１．６％にする必要がある。
【００１１】
Ｎｉはオーステナイト系ステンレス鋼においてオーステナイトを形成させ、また耐食性を確保するために必要な元素である。またσ相の析出を抑制する作用もある。このためには１６．０％以上含有させる必要がある。しかしながらＮｉは高価な元素であるので多量の添加は経済性を損なう。したがってＮｉは１６．０〜２５．０％とした。
【００１２】
Ｃｒは耐食性を確保するために必要な元素であり、このためには２０．０％以上含有させる必要がある。一方、３４．０％を超えて添加するとσ相などの金属間化合物が析出しやすくなり、延性を著しく劣化させる。したがってＣｒは２０．０〜３４．０％とした。
【００１３】
Ｍｏは耐食性、特に塩素イオンを含む液に対する耐孔食性を向上させるが、４．０未満ではその効果が不十分である。一方、７．０％を超えて添加すると金属間化合物が析出し、延性を著しく劣化させる。したがってＭｏは４．０〜７．０％とした。
【００１４】
Ｃｕは耐食性を向上させるが、０．３％未満ではその効果が不十分である。一方、１．８％を超えて添加すると延性を低下させる。したがってＣｕは０．３〜１．８％とした。
【００１５】
Ｎはオーステナイトを安定化し、また強度を増大させる。しかし０．２０％未満ではその効果が不十分である。一方、０．３５％を超えて添加すると固溶できない窒素が窒化物として多量に析出し、延性を低下させる。したがってＮは０．２０〜０．３５％とした。
【００１６】
Ａｌ、Ｔｉは脱酸剤として使用するが、溶接金属の脱窒素ガス剤として耐ブローホール性を向上せせる。しかしその合計量が０．５％未満であるとその十分に得ることができない。一方、合計量で２．０％を超えて添加すると溶接金属中に酸化物や窒化物が多く析出し、延性が低下する。従ってＡｌ、Ｔｉのうち１種または２種の合計を０．５〜２．０％とした。
【００１７】
さらに本発明の溶接棒においては、Ｓ＝Ｓｉ×（Ｃｒ＋Ｍｏ）／Ｎｉで算出されるＳ値を規定する。すなわちＳ値はσ相，χ相等の金属間化合物の生成指標となり、３．０以下にすることで金属間化合物の生成が抑制でき、十分な延性が得られる。従ってＳ＝Ｓｉ×（Ｃｒ＋Ｍｏ）／Ｎｉで算出されるＳ値は３．０以下にすることが好ましい。
【００１８】
以上のように合金成分を特定量に限定することで、安価な共金系で母材と同等の耐食性を有し、溶接ままで延性が良好であり、耐ブローホール性、スラグの剥離性が良好な高耐食ステンレス鋼溶接用被覆アーク溶接棒を得ることができる。
【００１９】
なお、本発明において規定する心線重量比とは、下記の数式で示されるものである。同式中の被覆剤中の配合比とは被覆剤全重量に対して添加原料が占める配合割合を意味し、さらに被覆率とは溶接棒全重量に対して被覆重量の占める割合を意味する。
心線重量比％＝心線中の含有量％＋被覆剤中の配合比％×被覆率％／１００
【００２０】
被覆アーク溶接棒の製造方法について言及すると、心線と配合・混合した被覆剤を準備してから被覆剤に固着剤（珪酸カリおよび珪酸ソーダの水溶液）を添加しながら湿式混合を行い、心線周囲に被覆剤を塗装する。塗装後これを１５０〜４２０℃で約１〜３時間の乾燥・焼成を行うことにより製造することができる。
【００２１】
【実施例】
表１に使用した母材の化学成分を示す。母材はＡＳＴＭＡ２４０Ｓ３１２５４相当の高耐食ステンレス鋼である。表２に供試心線の化学成分を示す。表３〜表５に供試心線と被覆剤の組み合わせによる被覆アーク溶接棒の組成を示す。表３〜表５中のその他スラグ剤は、ＣａＯ、ＦｅＯ、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃等である。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【表２】

【００２４】
【表３】

【００２５】
【表４】

【００２６】
【表５】

【００２７】
溶接方法は、棒径３．２ｍｍの溶接棒を用い、溶接電流７０〜１００Ａ（ＡＣ）、アーク電圧２０〜２５Ｖ、溶接速度１００〜２００ｍｍ／ｍｉｎで、図１に示す開先形状の試験板を横向姿勢で溶接した。
この溶接した試験板についてスラグの剥離性を調査した。また耐ブローホール性はＸ線透過試験を実施し、ＪＩＳＺ３１６０の等級分類で判定し、１級を良好とした。延性はＪＩＳＺ３１２２の表曲げ試験片によりＲ＝２ｔ，曲げ角度６０°で欠陥の有無を調査し、無欠陥を良好とした。
【００２８】
耐食性試験は、石炭炊き煙突内筒の擬似環境として６．５％ＳＯ₄ ^-2 ＋３５０ｐｐｍＦ^- ＋２．０％Ｃｌ^- 、ｐＨ３．０、８０℃における隙間腐食再不動態化電位（Ｅ_R，_CREV）を測定した。Ｅ_R，_CREVは高いほど耐食性が良好なことを示し、母材と同等の耐食性である−２００ｍＶ以上を良好とした。
【００２９】
各試験結果を表６、表７に示す。表中溶接棒Ｎｏ．１〜１２が本発明、溶接棒Ｎｏ．１３〜２４が比較例である。
本発明である溶接棒Ｎｏ．１〜１２は、心線重量比でＣ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎ、Ｓ値、及びＡｌ、Ｔｉのうち１種または２種の合計量が適正であるのでスラグの剥離性、耐ブローホール性、延性、耐食性、経済性が良好であった。
【００３０】
【表６】

【００３１】
【表７】

【００３２】
比較例中溶接棒Ｎｏ．１３は、Ｃが高いため耐食性が悪く、またＡｌ、Ｔｉのうち１種または２種の合計が低いため耐ブローホール性が悪かった。また溶接棒Ｎｏ．１４はＮｉが高いため経済性を損なう。また溶接棒Ｎｏ．１５はＭｏが高いため延性が低い。
【００３３】
溶接棒Ｎｏ．１６はＳｉが高くため延性が低く、またＣｕが低いため耐食性が悪かった。また溶接棒Ｎｏ．１７はＮｉが低いため、また溶接棒Ｎｏ．１８はＭｏが低いためそれぞれ耐食性が悪い。、また溶接棒Ｎｏ．１９はＳｉが低いためスラグの剥離性が悪く、またＣｒが高いため延性が低い。
【００３４】
溶接棒Ｎｏ．２０はＮが低いため耐食性が悪く、またＡｌ、Ｔｉのうち１種または２種の合計が高いため延性が低い。また溶接棒Ｎｏ．２１はＳ値が高いため延性が低く、溶接棒Ｎｏ．２２はＣｒが低いため耐食性が悪い。また溶接棒Ｎｏ．２３はＮが高いため、また溶接棒Ｎｏ．２４はＣｕが高いためそれぞれ延性が低い。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば高耐食ステンレス鋼の溶接に際し、安価な共金系で母材と同等の耐食性を有し、溶接のままで延性が良好であり、耐ブローホール性、スラグの剥離性が良好な高耐食ステンレス鋼溶接用被覆アーク溶接棒を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に用いた溶接試験板を示す図

Claims

オーステナイト系ステンレス鋼を心線とし、心線と被覆剤の両者を合計して心線重量比で、
Ｃ：０．０５％（重量％、以下同じ）以下、
Ｓｉ：０．５〜１．６％、
Ｎｉ：１６．０〜２５．０％、
Ｃｒ：２０．０〜３４．０％、
Ｍｏ：４．０〜７．０％、
Ｃｕ：０．３〜１．８％、
Ｎ：０．２０〜０．３５％、
Ａｌ、Ｔｉのうち１種または２種の合計：０．５〜２．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、
Ｓ＝Ｓｉ×（Ｃｒ＋Ｍｏ）／Ｎｉで算出されるＳ値が３．０以下であることを特徴とする高耐食ステンレス鋼溶接用被覆アーク溶接棒。
前記高耐食ステンレス鋼は重量％で、Ｃｒ：１８．０〜２５．０％、Ｎｉ：１１．０〜２８．０％、Ｍｏ：２．０〜７．２％を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなるものである請求項１に記載の高耐食ステンレス鋼溶接用被覆アーク溶接棒。
請求項２に記載の高耐食ステンレス鋼は重量％で、さらにＣｕ：０．３〜３．０％、Ｎ：０．１〜０．４％の少なくとも一方を含有するものである高耐食ステンレス鋼溶接用被覆アーク溶接棒。