JP4699164B2 - 低温靱性と耐海水腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼溶接用非消耗電極式溶接ワイヤ - Google Patents
低温靱性と耐海水腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼溶接用非消耗電極式溶接ワイヤ Download PDFInfo
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Description
本発明は、海洋・湾岸環境、塩化物環境下で使用される高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼用の溶接ワイヤに関し、特に船体構造体の外殻、隔壁、骨材、水中翼等をステンレス鋼の溶接により組み立てる際に、海水環境下での耐孔食性や耐隙間腐食性に優れ、かつ低温靱性に優れた溶接金属が得られる高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼用非消耗電極式溶接溶接ワイヤに関するものである。
一般に、オーステナイト系ステンレス鋼は、耐食性が要求される環境で使用され、ＪＩＳで規定されているＳＵＳ３０４、非酸化性酸に対する耐食性を向上させるためにＮｉおよびＭｏを多く含有したＳＵＳ３１６およびＳＵＳ３１７、耐粒界腐食性を向上させるためにＣを低減したＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６ＬおよびＳＵＳ３１７Ｌがあり、腐食環境に応じてこれらの鋼種を選択して使用されている。
また、これらのオーステナイト系ステンレス鋼を溶接する際に用いられる溶接ワイヤとしては、ＪＩＳ Ｚ ３３２１に規定されているオーステナイト系ステンレス鋼用ワイヤやＪＩＳ Ｚ ３３２３に規定されているオーステナイト系ステンレス鋼用フラックス入りワイヤが多く用いられている。また、３０８、３１６、３０８Ｌ、３１６Ｌ系オーステナイト系ステンレス鋼用フラックス入りワイヤも用いられる（例えば特許文献１および２、参照）。
また、これらのオーステナイト系ステンレス鋼を溶接する際に用いられる溶接ワイヤとしては、ＪＩＳ Ｚ ３３２１に規定されているオーステナイト系ステンレス鋼用ワイヤやＪＩＳ Ｚ ３３２３に規定されているオーステナイト系ステンレス鋼用フラックス入りワイヤが多く用いられている。また、３０８、３１６、３０８Ｌ、３１６Ｌ系オーステナイト系ステンレス鋼用フラックス入りワイヤも用いられる（例えば特許文献１および２、参照）。
一方、特に耐海水腐食性を高めるためにＣｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎを含有し、かつ従来よりもＭｏ及びＮの含有量を多くして耐孔食性と耐隙間腐食性をより向上させた、例えば、ＳＵＳ８３６Ｌ、ＳＵＳ８９０Ｌ等の高耐食ステンレス鋼が開発されている。
これらの高耐食ステンレス鋼高耐海水腐食性ステンレス鋼を溶接する際に用いられる溶接材料としては、Ｍｏ：６．０〜７．０％、Ｎ：０．２５〜０．５０％、Ｃｒ：２１．５〜２５．０％、Ｎｉ：１７．５〜２０％、Ｃｕ：０．５〜１．０％を含有した高耐食ステンレス鋼溶接用の高Ｍｏ−高Ｎ系ＴＩＧおよびプラズマ溶接ワイヤ（例えば特許文献３、参照）、Ｍｏ：２．４〜６．７％、Ｎ：０．０５〜０．３０％、Ｃｒ：１８．６〜２８．９％、Ｎｉ：１２．７〜２７．３％、Ｃｕ：０．８〜２．４％を含有した高耐食ステンレス鋼溶接用の高Ｍｏ−高Ｎ系フラックス入りワイヤが提案されている（例えば特許文献４、参照）。
これらの高耐食ステンレス鋼高耐海水腐食性ステンレス鋼を溶接する際に用いられる溶接材料としては、Ｍｏ：６．０〜７．０％、Ｎ：０．２５〜０．５０％、Ｃｒ：２１．５〜２５．０％、Ｎｉ：１７．５〜２０％、Ｃｕ：０．５〜１．０％を含有した高耐食ステンレス鋼溶接用の高Ｍｏ−高Ｎ系ＴＩＧおよびプラズマ溶接ワイヤ（例えば特許文献３、参照）、Ｍｏ：２．４〜６．７％、Ｎ：０．０５〜０．３０％、Ｃｒ：１８．６〜２８．９％、Ｎｉ：１２．７〜２７．３％、Ｃｕ：０．８〜２．４％を含有した高耐食ステンレス鋼溶接用の高Ｍｏ−高Ｎ系フラックス入りワイヤが提案されている（例えば特許文献４、参照）。
また、これらの共金系ワイヤを用いずに、インコネル６２５（６０Ｎｉ−２２Ｃｒ−９Ｍｏ−３．５Ｎｂ）等の高Ｃｒ−高Ｍｏ系Ｎｉ合金ワイヤを用いて高耐食ステンレス鋼を溶接する場合もあった。
上記高Ｍｏ−高Ｎ系溶接ワイヤおよび高Ｃｒ−高Ｍｏ系Ｎｉ合金ワイヤを用いて高耐食ステンレス鋼を溶接する場合には、溶接金属の耐海水腐食性は十分に確保される。しかしながら、溶接による熱サイクルにより溶接金属中にシグマ相などの脆化相が析出し、溶接金属の靱性が著しく低下するという問題が生じ、特にワイヤ中のＭｏ含有量が増加するとともにこの問題は顕著となる（例えば、非特許文献１参照）。
上記高Ｍｏ−高Ｎ系溶接ワイヤおよび高Ｃｒ−高Ｍｏ系Ｎｉ合金ワイヤを用いて高耐食ステンレス鋼を溶接する場合には、溶接金属の耐海水腐食性は十分に確保される。しかしながら、溶接による熱サイクルにより溶接金属中にシグマ相などの脆化相が析出し、溶接金属の靱性が著しく低下するという問題が生じ、特にワイヤ中のＭｏ含有量が増加するとともにこの問題は顕著となる（例えば、非特許文献１参照）。
一般に、これらオーステナイト系ステンレス鋼用の溶接ワイヤは、溶接性の観点、つまり溶接金属の高温凝固割れを防止する点から、溶接により溶接組織中に体積率で数％〜１０％程度のフェライト相を含有する溶接金属が得られるように成分設計されている。しかし、溶接金属組織中にフェライト相を含有した溶接金属は、オーステナイト単相の溶接金属に比べて低温靱性が低下する問題が生じ、フェライト量の増加に伴いこの問題が顕著となる（例えば、非特許文献２参照）。
一方、海水環境下で使用され、かつ岩礁への座礁や船舶同士の衝突事故等に対する安全性の確保が要求される、船体構造体などを溶接により製造する場合には、溶接部として、海水環境下での耐孔食性、耐隙間腐食性に優れ、かつ、低温靱性に優れた、溶接金属を形成できる、高耐食ステンレス鋼溶接用共金系溶接ワイヤの開発が望まれている。
特開昭５８−２０５６９６号公報
特開昭６２−６８６９６号公報
特開平１−９５８９５号公報
特開平３−８６３９２号公報
恩沢他；溶接学会論文集, vol.5 (1987), 262-268
D.T.Read et.al.; Welding Journal, vol.59 (1980), 104s-113
一方、海水環境下で使用され、かつ岩礁への座礁や船舶同士の衝突事故等に対する安全性の確保が要求される、船体構造体などを溶接により製造する場合には、溶接部として、海水環境下での耐孔食性、耐隙間腐食性に優れ、かつ、低温靱性に優れた、溶接金属を形成できる、高耐食ステンレス鋼溶接用共金系溶接ワイヤの開発が望まれている。
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、特に海水環境下での耐久性、衝突安全性などが要求される船体構造体の外殻、隔壁、骨材、水中翼等をステンレス鋼の溶接により組み立てる際に、溶接性を維持しつつ、海水環境下での耐孔食性や耐隙間腐食性に優れ、かつ低温靱性に優れた溶接金属が得られる高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼用非消耗電極式溶接溶接ワイヤを提供することを目的とする。
本発明者らは、種々の成分組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼ソリッドワイヤを用いてタングステンアーク溶接試験を行い、溶接性を維持しつつ、低温靱性および海水環境下での耐食性に優れた溶接金属が得られる溶接ワイヤの成分組成を鋭意検討した。
その結果、溶接金属の低温靭性を向上させるためには、溶接ワイヤのＣｒ当量／Ｎｉ当量を０．８５〜１．２とし、さらに、海水腐食環境下での溶接金属の耐孔食性を向上するために、溶接ワイヤのＰＩ値を３５以上とすることが有効な手段であることを知見した。
その結果、溶接金属の低温靭性を向上させるためには、溶接ワイヤのＣｒ当量／Ｎｉ当量を０．８５〜１．２とし、さらに、海水腐食環境下での溶接金属の耐孔食性を向上するために、溶接ワイヤのＰＩ値を３５以上とすることが有効な手段であることを知見した。
本発明は、かかる知見を基になされたものであって、その要旨とするところは下記の通りである。
（１）質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜３．５％、Ｃｒ：２５．０〜２８．０％、Ｎｉ：１６．０〜２３．９％、Ｍｏ：１．６〜３．０％、Ｃｕ：０．１〜０．５％、Ａｌ：０．００１〜０．０２％、Ｎ：０．３０超〜０．５０％を含有し、
さらに、Ｏ：０．０３％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５％以下に制限し、
かつ、下記（Ａ）および（Ｂ）式で定義されるＣｒ当量とＮｉ当量の比（Ｃｒ当量／Ｎｉ当量）が０．８５〜１．２の範囲にあり、下記（Ｃ）式で定義されるＰＩ値が３５以上であり、残部が鉄および不可避的不純物からなることを特徴とする低温靱性と耐海水腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼溶接用非消耗電極式溶接ワイヤ。
Ｃｒ当量＝［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］＋１．５×［Ｓｉ］ ・・（Ａ）
Ｎｉ当量＝［Ｎｉ］＋０．５×［Ｍｎ］＋３０×［Ｃ］＋１９．５×［Ｎ］・・(Ｂ)
ＰＩ値=［Ｃｒ］＋３．３×［Ｍｏ］＋１０．４×［Ｎ］ ・・（Ｃ）
但し、上記［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｓｉ］、［Ｎｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃ］、［Ｎ］は溶接ワイヤ中の各成分含有量（質量％）を示す。
（２）質量％で、さらに、Ｔｉ：０．０１〜０．３％、および、Ｎｂ：０．０１〜０．３％のうちの１種または２種を含有することを特徴とする上記（１）に記載の低温靱性と耐海水腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼溶接用非消耗電極式溶接ワイヤ。
（３）質量％で、さらに、Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％、および、Ｍｇ：０．０００５〜０．００５０％のうちの１種または２種を含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の低温靱性と耐海水腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼溶接用非消耗電極式溶接ワイヤ。
（１）質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜３．５％、Ｃｒ：２５．０〜２８．０％、Ｎｉ：１６．０〜２３．９％、Ｍｏ：１．６〜３．０％、Ｃｕ：０．１〜０．５％、Ａｌ：０．００１〜０．０２％、Ｎ：０．３０超〜０．５０％を含有し、
さらに、Ｏ：０．０３％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５％以下に制限し、
かつ、下記（Ａ）および（Ｂ）式で定義されるＣｒ当量とＮｉ当量の比（Ｃｒ当量／Ｎｉ当量）が０．８５〜１．２の範囲にあり、下記（Ｃ）式で定義されるＰＩ値が３５以上であり、残部が鉄および不可避的不純物からなることを特徴とする低温靱性と耐海水腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼溶接用非消耗電極式溶接ワイヤ。
Ｃｒ当量＝［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］＋１．５×［Ｓｉ］ ・・（Ａ）
Ｎｉ当量＝［Ｎｉ］＋０．５×［Ｍｎ］＋３０×［Ｃ］＋１９．５×［Ｎ］・・(Ｂ)
ＰＩ値=［Ｃｒ］＋３．３×［Ｍｏ］＋１０．４×［Ｎ］ ・・（Ｃ）
但し、上記［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｓｉ］、［Ｎｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃ］、［Ｎ］は溶接ワイヤ中の各成分含有量（質量％）を示す。
（２）質量％で、さらに、Ｔｉ：０．０１〜０．３％、および、Ｎｂ：０．０１〜０．３％のうちの１種または２種を含有することを特徴とする上記（１）に記載の低温靱性と耐海水腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼溶接用非消耗電極式溶接ワイヤ。
（３）質量％で、さらに、Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％、および、Ｍｇ：０．０００５〜０．００５０％のうちの１種または２種を含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の低温靱性と耐海水腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼溶接用非消耗電極式溶接ワイヤ。
本発明によれば、海洋・湾岸環境、塩化物環境下で使用される高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼用の溶接ワイヤに関し、特に船体構造体の外殻、隔壁、骨材、水中翼等をステンレス鋼の溶接により組み立てる際に、溶接性を維持しつつ、海水環境下での耐孔食性や耐隙間腐食性に優れ、かつ低温靱性に優れた溶接金属が得られる高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼用非消耗電極式溶接ワイヤを提供することができる。
したがって、海洋・湾岸環境、塩化物環境下で使用されるステンレス鋼製構造体の信頼性を長期にわたって確保し、かつ溶接部のメンテナンス性改善による経済性効果など、本発明により海洋構造物、造船の分野など産業の発展に貢献するところは極めて大である。
したがって、海洋・湾岸環境、塩化物環境下で使用されるステンレス鋼製構造体の信頼性を長期にわたって確保し、かつ溶接部のメンテナンス性改善による経済性効果など、本発明により海洋構造物、造船の分野など産業の発展に貢献するところは極めて大である。
以下、本発明について詳細に説明する。
先ず、本発明において溶接金属の低温靱性および海水環境下での耐食性を向上させるための技術思想および溶接ワイヤ成分の基本設計について説明する。
本発明者らの実験などの検討によれば、オーステナイト系ステンレス鋼を共金系の溶接ワイヤにより溶接する場合には、ワイヤ成分により以下のように溶接金属の凝固形態が変化し、最終的な室温での溶接金属組織および溶接金属の低温靭性に大きく影響することを確認している。
つまり、溶接部に形成された溶接金属は、その成分組成に応じて、初晶凝固相がオーステナイト相もしくはフェライト相となった後、これらの相がそれぞれ単独で凝固を完了するものと、フェライト相＋オーステナイト相の二相で凝固が完了するものに凝固形態が分類される。
先ず、本発明において溶接金属の低温靱性および海水環境下での耐食性を向上させるための技術思想および溶接ワイヤ成分の基本設計について説明する。
本発明者らの実験などの検討によれば、オーステナイト系ステンレス鋼を共金系の溶接ワイヤにより溶接する場合には、ワイヤ成分により以下のように溶接金属の凝固形態が変化し、最終的な室温での溶接金属組織および溶接金属の低温靭性に大きく影響することを確認している。
つまり、溶接部に形成された溶接金属は、その成分組成に応じて、初晶凝固相がオーステナイト相もしくはフェライト相となった後、これらの相がそれぞれ単独で凝固を完了するものと、フェライト相＋オーステナイト相の二相で凝固が完了するものに凝固形態が分類される。
これらの中で、溶接金属の初晶凝固相がフェライト相で、その後、そのままフェライト単相で凝固が完了する溶接金属の凝固形態では、その後、溶接金属が室温まで冷却される過程でオーステナイト相が針状析出するが、最終的に室温の溶接金属中のフェライト相は体積率で約２０％以上も残留し、この結果、溶接金属の低温靱性は著しく低下する。
溶接金属の初晶凝固相がフェライト相で、その後、オーステナイト相の晶出によりフェライト相＋オーステナイト相の二相で凝固が完了する溶接金属の凝固形態では、その後、溶接金属が室温まで冷却される過程で、オーステナイト相はデンドライト樹芯であるフェライト相中へ成長することによって、最終的に室温の溶接金属中のフェライト量は体積率で数％〜２０％程度に減少する。しかし、この溶接金属中のフェライト相はネットワーク状に連結して残留し、衝撃荷重が付与されるとネットワーク状のフェライト相を介して亀裂が伝播するため、溶接金属の低温靱性は低くなる。また、室温の溶接金属においてネットワーク状に縮小したフェライト相中にはＣｒ、Ｍｏなどが凝固時よりも濃化され、シグマ相などの脆い金属間化合物が析出しやすくなるため、溶接金属の靱性が低下する。
溶接金属の初晶凝固相がフェライト相で、その後、オーステナイト相の晶出によりフェライト相＋オーステナイト相の二相で凝固が完了する溶接金属の凝固形態では、その後、溶接金属が室温まで冷却される過程で、オーステナイト相はデンドライト樹芯であるフェライト相中へ成長することによって、最終的に室温の溶接金属中のフェライト量は体積率で数％〜２０％程度に減少する。しかし、この溶接金属中のフェライト相はネットワーク状に連結して残留し、衝撃荷重が付与されるとネットワーク状のフェライト相を介して亀裂が伝播するため、溶接金属の低温靱性は低くなる。また、室温の溶接金属においてネットワーク状に縮小したフェライト相中にはＣｒ、Ｍｏなどが凝固時よりも濃化され、シグマ相などの脆い金属間化合物が析出しやすくなるため、溶接金属の靱性が低下する。
一方、溶接金属の初晶凝固相がオーステナイト相で、その後、フェライト相の晶出によりオーステナイト相＋フェライト相の二相で凝固が完了する溶接金属の凝固形態では、その後、室温まで冷却された溶接金属の組織は、オーステナイト樹間に球状のフェライト相が分散して残留し、フェライト量が数％以下まで低減されるため、上記の凝固形態に比べて溶接金属の低温靱性の低下は少ない。
また、溶接金属の初晶凝固相がオーステナイト相で、その後、そのままオーステナイト単相で凝固が完了する溶接金属の凝固形態では、溶接金属の低温靱性は良好であるが、溶接時に溶接金属の凝固割れが発生しやすくなる傾向にある。
本発明は、上記知見を基に、溶接金属中の低温靭性に有害なフェライト相を低減するために、溶接ワイヤの成分組成を、溶接により形成される溶接金属の初晶凝固相がオーステナイト相となる凝固形態とし、かつ、凝固割れの発生を抑えることを技術思想とする。
また、本発明者らの詳細な検討の結果、かかる技術思想を実現し、溶接金属の低温靭性を向上させるための溶接ワイヤの成分系は、以下のＣｒ当量、Ｎｉ当量の指標を用いて整理できることが判った。
また、溶接金属の初晶凝固相がオーステナイト相で、その後、そのままオーステナイト単相で凝固が完了する溶接金属の凝固形態では、溶接金属の低温靱性は良好であるが、溶接時に溶接金属の凝固割れが発生しやすくなる傾向にある。
本発明は、上記知見を基に、溶接金属中の低温靭性に有害なフェライト相を低減するために、溶接ワイヤの成分組成を、溶接により形成される溶接金属の初晶凝固相がオーステナイト相となる凝固形態とし、かつ、凝固割れの発生を抑えることを技術思想とする。
また、本発明者らの詳細な検討の結果、かかる技術思想を実現し、溶接金属の低温靭性を向上させるための溶接ワイヤの成分系は、以下のＣｒ当量、Ｎｉ当量の指標を用いて整理できることが判った。
図１に、溶接ワイヤのＣｒ当量およびＮｉ当量と溶接金属の凝固形態との関係を示す。また、図２に、バレストレイン試験による凝固割れ長さとＣｒ当量／Ｎｉ当量の関係を示す。
ここで、溶接ワイヤのＣｒ当量及びＮｉ当量は、下記（Ａ）式および（Ｂ）式による定義される。Ｃｒ当量はフェライト相の形成に対する溶接ワイヤ成分の寄与度を示す指標であり、Ｎｉ当量はオーステナイト相の形成に対する溶接ワイヤ成分の寄与度を示す指標である。
Ｃｒ当量＝［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］＋１．５×［Ｓｉ］ ・・（Ａ）
Ｎｉ当量＝［Ｎｉ］＋０．５×［Ｍｎ］＋３０×［Ｃ］＋１９．５×［Ｎ］・・(Ｂ)
但し、上記［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｓｉ］、［Ｎｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃ］、［Ｎ］は溶接ワイヤ中の各成分含有量（質量％）を示す。
ここで、溶接ワイヤのＣｒ当量及びＮｉ当量は、下記（Ａ）式および（Ｂ）式による定義される。Ｃｒ当量はフェライト相の形成に対する溶接ワイヤ成分の寄与度を示す指標であり、Ｎｉ当量はオーステナイト相の形成に対する溶接ワイヤ成分の寄与度を示す指標である。
Ｃｒ当量＝［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］＋１．５×［Ｓｉ］ ・・（Ａ）
Ｎｉ当量＝［Ｎｉ］＋０．５×［Ｍｎ］＋３０×［Ｃ］＋１９．５×［Ｎ］・・(Ｂ)
但し、上記［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｓｉ］、［Ｎｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃ］、［Ｎ］は溶接ワイヤ中の各成分含有量（質量％）を示す。
図１から、溶接ワイヤのＣｒ当量／Ｎｉ当量が１．０以上、１．２以下の場合に、溶接金属の初晶凝固相はオーステナイト相となり、その後、フェライト相の晶出によりフェライト相＋オーステナイト相の二相で凝固が完了する凝固形態となり、室温で溶接金属中の低温靭性に有害なフェライト量を低減し、低温靭性の向上が可能となる（図１中の●）。
一方、溶接ワイヤのＣｒ当量／Ｎｉ当量が１．２を越えると溶接金属の初晶凝固相はフェライト相となり、その後、そのままフェライト単相で凝固が完了しても、或いは、オーステナイト相の晶出によりフェライト相＋オーステナイト相の二相で凝固が完了しても、室温で溶接金属中の低温靭性に有害なフェライト相が多く含有するため、目的とする低温靭性の向上は図れない（図１中の○）。
また、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量が１．０未満になると溶接金属の初晶凝固相がオーステナイト相となり、その後、そのままオーステナイト単相で凝固が完了する。この溶接金属の凝固形態は、室温で溶接金属中の低温靭性に有害なフェライト量は低減され、溶接金属の低温靱性は良好となるが、溶接時に溶接金属の凝固割れが発生しやすい傾向となることが知られている（図１中の□）。
一方、溶接ワイヤのＣｒ当量／Ｎｉ当量が１．２を越えると溶接金属の初晶凝固相はフェライト相となり、その後、そのままフェライト単相で凝固が完了しても、或いは、オーステナイト相の晶出によりフェライト相＋オーステナイト相の二相で凝固が完了しても、室温で溶接金属中の低温靭性に有害なフェライト相が多く含有するため、目的とする低温靭性の向上は図れない（図１中の○）。
また、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量が１．０未満になると溶接金属の初晶凝固相がオーステナイト相となり、その後、そのままオーステナイト単相で凝固が完了する。この溶接金属の凝固形態は、室温で溶接金属中の低温靭性に有害なフェライト量は低減され、溶接金属の低温靱性は良好となるが、溶接時に溶接金属の凝固割れが発生しやすい傾向となることが知られている（図１中の□）。
しかしながら、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量が１．０未満は、オーステナイト単相凝固となる凝固形態の違いのみで成分系を規定しているだけで、実際の凝固割れと対比したものではない。そこで、低温靱性に有害なフェライト相を極限まで低減させ、かつ、凝固割れを発生しない成分を鋭意検討した。その結果を図２に示す。溶接金属のＣｒ当量／Ｎｉ当量が１．０未満でオーステナイト単相凝固であっても、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量が０．８５以上では凝固割れは発生していない。一方、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量が０．８５より小さくなると凝固割れが発生し、さらに、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量が小さくなるにしたがい凝固割れ長さが長くなっている。すなわち、溶接金属の凝固割れ感受性の観点から見れば、オーステナイト単相凝固の成分系でもＣｒ当量／Ｎｉ当量が０．８５以上では凝固割れは発生しないことが判明した。
したがって、本発明では、溶接金属の凝固割れの発生を抑えて良好な溶接性を維持しつつ、かつ、溶接金属中の低温靭性に有害なフェライト相を低減して、溶接金属の低温靱性を十分に向上するために、溶接ワイヤの成分組成を、上記（Ａ）及び（Ｂ）でそれぞれ定義される溶接ワイヤのＣｒ当量とＮｉ当量の比（Ｃｒ当量／Ｎｉ当量）が０．８５〜１．２の範囲を満足するものに規定した。
また、本発明者ら実験などの検討から、オーステナイト系ステンレス鋼を共金系の溶接ワイヤにより溶接する場合には、海水腐食環境下での溶接金属の耐孔食性は、ワイヤ成分を下記（Ｃ）式で定義されるＰＩ値で整理させることを確認した。
また、本発明者ら実験などの検討から、オーステナイト系ステンレス鋼を共金系の溶接ワイヤにより溶接する場合には、海水腐食環境下での溶接金属の耐孔食性は、ワイヤ成分を下記（Ｃ）式で定義されるＰＩ値で整理させることを確認した。
図３は、溶接ワイヤのＰＩ値と溶接金属の孔食電位との関係を示すものである。なお、孔食電位は、４０℃の３．５％ＮａＣｌ溶液中にて孔食試験を実施し、電流密度が１００ｍＡ／ｃｍ2の時の電位測定値を示す。
ＰＩ値=［Ｃｒ］＋３．３×［Ｍｏ］＋１０．４×［Ｎ］ ・・（Ｃ）
但し、上記［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｎ］は溶接ワイヤ中の各成分含有量（質量％）を示す。
図３から、溶接ワイヤの上記（Ｃ）式で定義されるＰＩ値が３５以上とすることにより、孔食試験における孔食発生電位が０．７３Ｖ以上となり、孔食は全く発生しなくなる。
したがって、本発明では、海水環境下での溶接金属の耐孔食性を十分に向上させるために、溶接ワイヤの成分組成を上記（Ｃ）で定義されるＰＩ値が３５以上を満足するものに規定した。
ＰＩ値=［Ｃｒ］＋３．３×［Ｍｏ］＋１０．４×［Ｎ］ ・・（Ｃ）
但し、上記［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｎ］は溶接ワイヤ中の各成分含有量（質量％）を示す。
図３から、溶接ワイヤの上記（Ｃ）式で定義されるＰＩ値が３５以上とすることにより、孔食試験における孔食発生電位が０．７３Ｖ以上となり、孔食は全く発生しなくなる。
したがって、本発明では、海水環境下での溶接金属の耐孔食性を十分に向上させるために、溶接ワイヤの成分組成を上記（Ｃ）で定義されるＰＩ値が３５以上を満足するものに規定した。
次に、本発明におけるオーステナイト系ステンレス鋼溶接用ワイヤの成分組成の限定理由を以下に説明する。
なお、以下に示す「％」は、特に説明がない限り「質量％」を意味するものとする。
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ため、０．００５％以上添加する。また、その含有量が０．０５％超では溶接のままの状態および再熱を受けるとＣはＣｒと結合してＣｒ炭化物を析出し、耐粒界腐食性および耐孔食性が著しく劣化するとともに、溶接金属の靱性、延性が著しく低下するため、その含有量を０．００５〜０．０５％に限定した。
Ｓｉ：Ｓｉは脱酸元素および溶滴の表面張力を抑える元素として添加されるが、０．１％未満ではその効果が十分でなく、一方、その含有量が１．０％超では延性低下に伴い、靱性が大きく低下するとともに、溶接時の溶融溶込みも減少し、実用溶接上の問題になる。したがって、その含有量を０．１〜１．０％に限定した。
Ｍｎ：Ｍｎは脱酸元素として、およびＮの溶解度を増加させる元素として添加するが、その含有量が１．０％未満では効果が十分でなく、一方、３．５％を越えて添加すると延性が低下するのでその含有量を１．０〜３．５％に限定した。
なお、以下に示す「％」は、特に説明がない限り「質量％」を意味するものとする。
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ため、０．００５％以上添加する。また、その含有量が０．０５％超では溶接のままの状態および再熱を受けるとＣはＣｒと結合してＣｒ炭化物を析出し、耐粒界腐食性および耐孔食性が著しく劣化するとともに、溶接金属の靱性、延性が著しく低下するため、その含有量を０．００５〜０．０５％に限定した。
Ｓｉ：Ｓｉは脱酸元素および溶滴の表面張力を抑える元素として添加されるが、０．１％未満ではその効果が十分でなく、一方、その含有量が１．０％超では延性低下に伴い、靱性が大きく低下するとともに、溶接時の溶融溶込みも減少し、実用溶接上の問題になる。したがって、その含有量を０．１〜１．０％に限定した。
Ｍｎ：Ｍｎは脱酸元素として、およびＮの溶解度を増加させる元素として添加するが、その含有量が１．０％未満では効果が十分でなく、一方、３．５％を越えて添加すると延性が低下するのでその含有量を１．０〜３．５％に限定した。
Ｃｒ：Ｃｒはオーステナイト系ステンレス鋼の主要元素として不働態皮膜を形成し耐食性の向上に寄与する。Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎを含有した場合に、初晶オーステナイト相で凝固し、かつ、海水環境下で優れた耐食性を得るには２５．０％以上必要である。一方、Ｃｒ含有量が多いほど海水環境下での耐孔食性は向上するが、シグマ相などの脆い金属間化合物が析出しやすくなるため靱性が低下する。また、Ｃｒはフェライト生成元素であるため、初晶オーステナイト相で凝固するには、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎも増量させる必要があり、ワイヤ製造性が低下するとともに製造コストも高くなるため、その含有量の上限を２８．０％とした。
Ｎｉ：Ｎｉは中性塩化物環境での腐食に対し、顕著な抵抗性を与え、かつ、不働態皮膜を強化するため、Ｎｉ含有量は多いほど耐食性に有効である。また、Ｎｉはオーステナイト生成元素でありオーステナイト系ステンレス鋼の主要元素として、オーステナイト相を生成・安定にする。本発明では、初晶オーステナイト相で凝固する成分系にする必要があるため、フェライト生成元素であるＣｒを２５．０〜２８．０％添加した場合の凝固形態および相バランスの観点から、Ｎｉ含有量は１６．０％〜２３．９％とした。なお、Ｎｉ含有量の上限２３．９％の限定理由は、Ｃｒのようなワイヤ製造性の低下は少ないが、製造コストが高くなるためである。
Ｍｏ：Ｍｏは不働態皮膜を安定化して高い耐食性を得るのに極めて有効な元素である。特に塩化物環境での耐孔食性向上は顕著であるが、１．６％未満ではその効果は不十分である。また、その含有量が３．０％を越えるとシグマ相など脆い金属間化合物を生成して溶接金属の靱性が低下するため、１．６〜３．０％に制限する。
Ｎｉ：Ｎｉは中性塩化物環境での腐食に対し、顕著な抵抗性を与え、かつ、不働態皮膜を強化するため、Ｎｉ含有量は多いほど耐食性に有効である。また、Ｎｉはオーステナイト生成元素でありオーステナイト系ステンレス鋼の主要元素として、オーステナイト相を生成・安定にする。本発明では、初晶オーステナイト相で凝固する成分系にする必要があるため、フェライト生成元素であるＣｒを２５．０〜２８．０％添加した場合の凝固形態および相バランスの観点から、Ｎｉ含有量は１６．０％〜２３．９％とした。なお、Ｎｉ含有量の上限２３．９％の限定理由は、Ｃｒのようなワイヤ製造性の低下は少ないが、製造コストが高くなるためである。
Ｍｏ：Ｍｏは不働態皮膜を安定化して高い耐食性を得るのに極めて有効な元素である。特に塩化物環境での耐孔食性向上は顕著であるが、１．６％未満ではその効果は不十分である。また、その含有量が３．０％を越えるとシグマ相など脆い金属間化合物を生成して溶接金属の靱性が低下するため、１．６〜３．０％に制限する。
Ｃｕ：Ｃｕは強度と耐食性を高めるのに顕著な効果があり、特にＮｉ、Ｍｏと共存して中性酸環境下で優れた耐食性を示し、その効果は０．１％以上で著しいが、０．５％を越えて添加してもその効果は飽和するとともに靱性が低下するので、Ｃｕ含有量は０．１〜０．５％とする。
Ａｌ：Ａｌは脱酸元素として添加されるとともに溶滴移行現象を向上させる元素として添加されるが、０．００１％未満ではその効果が十分でなく、一方、その過剰な添加はＮと反応してＡｌＮを形成し、靱性を阻害する。その程度はＮ含有量にも依存するが、Ａｌが０．０２％を越えると靱性低下が著しくなるため、その含有量を０．００１〜０．０２％に限定した。
Ｎ：Ｎは強力なオーステナイト生成元素であり、塩化物環境下での耐孔食性を向上させる。０．０３％超で耐孔食性および耐隙間腐食性を向上させ、含有量が多いほどその効果は大きいため、０．３０％超を下限とした。一方、Ｎ含有量を多くすると、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量を０．８５以上にするには、Ｃｒ、Ｍｏなどのフェライト生成元素を増量させる必要があり、製造コストが高くなる。さらに、０．５０％を越えると溶接中にブローホールが発生しやすくなる。したがって、Ｎ含有量は０．３０超〜０．５０％に制限する。
Ａｌ：Ａｌは脱酸元素として添加されるとともに溶滴移行現象を向上させる元素として添加されるが、０．００１％未満ではその効果が十分でなく、一方、その過剰な添加はＮと反応してＡｌＮを形成し、靱性を阻害する。その程度はＮ含有量にも依存するが、Ａｌが０．０２％を越えると靱性低下が著しくなるため、その含有量を０．００１〜０．０２％に限定した。
Ｎ：Ｎは強力なオーステナイト生成元素であり、塩化物環境下での耐孔食性を向上させる。０．０３％超で耐孔食性および耐隙間腐食性を向上させ、含有量が多いほどその効果は大きいため、０．３０％超を下限とした。一方、Ｎ含有量を多くすると、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量を０．８５以上にするには、Ｃｒ、Ｍｏなどのフェライト生成元素を増量させる必要があり、製造コストが高くなる。さらに、０．５０％を越えると溶接中にブローホールが発生しやすくなる。したがって、Ｎ含有量は０．３０超〜０．５０％に制限する。
Ｏ、Ｐ、Ｓは溶接金属において不可避成分であり、以下の理由で少なく制限する。
Ｏ：Ｏは酸化物を生成し、過剰な含有は靱性を著しく低下させるため、その含有量の上限を０．０３％とした。
Ｐ：Ｐは多量に存在すると凝固時の耐高温溶接割れ性および靱性を低下させるので少ない方が望ましく、その含有量の上限を０．０３％とした。
Ｓ：Ｓも多量に存在すると耐高温割れ性、延性および耐食性を低下させるので少ない方が望ましく、０．００５％を上限とした。
Ｏ：Ｏは酸化物を生成し、過剰な含有は靱性を著しく低下させるため、その含有量の上限を０．０３％とした。
Ｐ：Ｐは多量に存在すると凝固時の耐高温溶接割れ性および靱性を低下させるので少ない方が望ましく、その含有量の上限を０．０３％とした。
Ｓ：Ｓも多量に存在すると耐高温割れ性、延性および耐食性を低下させるので少ない方が望ましく、０．００５％を上限とした。
以上を本発明の溶接ワイヤの基本成分とするが、以下の成分を選択的に添加できる。
Ｔｉ：ＴｉはＣと結合してＣｒ炭化物の析出を抑え、溶接金属の耐食性を向上させる作用を有する。その効果を得るために０．０１％以上の添加が有効であるが、０．３％超の添加は延性、靱性を低下させるので、添加する場合は、その含有量を０．０１〜０．３％とする。
Ｎｂ：ＮｂもＣと結合してＣｒ炭化物の析出を抑え、溶接金属の耐食性を向上させる作用を有する。その効果を得るために０．０１％以上の添加が有効であるが、０．３％超の添加は延性、靱性を低下させるので、添加する場合は、その含有量を０．０１〜０．３％とする。
Ｃａ：Ｃａは熱間加工性を改善する元素であり、ワイヤ製造性を向上させる。しかし、過剰な添加は逆に熱間加工性を低下させるため、添加する場合は、その含有量を０．０００５〜０．００５０％とする。
Ｍｇ：Ｍｇも熱間加工性を改善する元素であり、ワイヤ製造性を向上させる。しかし、過剰な添加は逆に熱間加工性を低下させるため、添加する場合は、その含有量を０．０００５〜０．００５０％とする。
Ｔｉ：ＴｉはＣと結合してＣｒ炭化物の析出を抑え、溶接金属の耐食性を向上させる作用を有する。その効果を得るために０．０１％以上の添加が有効であるが、０．３％超の添加は延性、靱性を低下させるので、添加する場合は、その含有量を０．０１〜０．３％とする。
Ｎｂ：ＮｂもＣと結合してＣｒ炭化物の析出を抑え、溶接金属の耐食性を向上させる作用を有する。その効果を得るために０．０１％以上の添加が有効であるが、０．３％超の添加は延性、靱性を低下させるので、添加する場合は、その含有量を０．０１〜０．３％とする。
Ｃａ：Ｃａは熱間加工性を改善する元素であり、ワイヤ製造性を向上させる。しかし、過剰な添加は逆に熱間加工性を低下させるため、添加する場合は、その含有量を０．０００５〜０．００５０％とする。
Ｍｇ：Ｍｇも熱間加工性を改善する元素であり、ワイヤ製造性を向上させる。しかし、過剰な添加は逆に熱間加工性を低下させるため、添加する場合は、その含有量を０．０００５〜０．００５０％とする。
本発明では、オーステナイト系ステンレス鋼溶接用ワイヤとして、上述のように成分含有量を規定したソリッドワイヤを用いてオーステナイト系ステンレス鋼を溶接することにより、優れた低温靱性と海水環境下での耐食性を有する溶接金属が得られる。
なお、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼溶接用ワイヤは、溶接方法として、ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接、レーザ溶接などの非消耗電極式溶接の際に使用される他、被覆アーク溶接棒の芯線、あるいはフラックス入りワイヤの外皮としても使用することができる。さらに、当該溶接ワイヤは、溶接構造物の製作に適用するとともに、それら構造物の補修溶接あるいは肉盛りなどにも適用できる。
なお、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼溶接用ワイヤは、溶接方法として、ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接、レーザ溶接などの非消耗電極式溶接の際に使用される他、被覆アーク溶接棒の芯線、あるいはフラックス入りワイヤの外皮としても使用することができる。さらに、当該溶接ワイヤは、溶接構造物の製作に適用するとともに、それら構造物の補修溶接あるいは肉盛りなどにも適用できる。
以下、実施例にて本発明を説明する。
表１に作製した溶接用ソリッドワイヤの組成を示す。なお、ワイヤ径は１．２ｍｍφである。また、表１に示す組成の残部は鉄と不可避的不純物であり、凝固モードは、オーステナイト単相で凝固が完了するものをＡ、初晶オーステナイト＋フェライトの二相で凝固が完了するものをＡＦ、初晶フェライト＋オーステナイトの二相で凝固が完了するものをＦＡで示す。次に、表２に成分を示すオーステナイト系ステンレス鋼（板厚：１２ｍｍ）に、開先角度６０゜、ルート面１ｍｍの開先を作製し、表１に示した溶接用ソリッドワイヤを用いて、溶接電流：２００Ａ、アーク電圧：１２Ｖ、溶接速度：１０ｃｍ／ｍｉｎのタングステンアーク溶接（ＴＩＧ溶接）で溶接継手を作製した。なお、シールドガスは、１００％Ａｒガスで、ガス流量は１５リットル／ｍｉｎとした。
表１に作製した溶接用ソリッドワイヤの組成を示す。なお、ワイヤ径は１．２ｍｍφである。また、表１に示す組成の残部は鉄と不可避的不純物であり、凝固モードは、オーステナイト単相で凝固が完了するものをＡ、初晶オーステナイト＋フェライトの二相で凝固が完了するものをＡＦ、初晶フェライト＋オーステナイトの二相で凝固が完了するものをＦＡで示す。次に、表２に成分を示すオーステナイト系ステンレス鋼（板厚：１２ｍｍ）に、開先角度６０゜、ルート面１ｍｍの開先を作製し、表１に示した溶接用ソリッドワイヤを用いて、溶接電流：２００Ａ、アーク電圧：１２Ｖ、溶接速度：１０ｃｍ／ｍｉｎのタングステンアーク溶接（ＴＩＧ溶接）で溶接継手を作製した。なお、シールドガスは、１００％Ａｒガスで、ガス流量は１５リットル／ｍｉｎとした。
それぞれの溶接継手よりＪＩＳ Ｚ ２２０２に規定のＶノッチ試験片を採取し、試験温度−４０℃でシャルピー衝撃試験を実施した。また、それぞれの溶接金属の表層より孔食試験片を採取し、４０℃の３．５％ＮａＣｌ溶液中にて孔食電位の測定をＪＩＳ Ｇ ０５７７に規定される方法に準拠して実施した。
表３にシャルピー衝撃試験結果と孔食試験結果を示す。なお、表３中の孔食電位は、電流密度：１００ｍＡ／ｃｍ2の時の電位を示し、孔食電位の○印は、孔食は発生せず水の電気分解により酸素が発生したものを示している。
表３において、記号Hの比較例はＣｒが範囲外で、かつ、ＰＩ値が低いため、孔食が発生している。記号ＩはＮ含有量が少なく、記号ＪはＮｉ含有量が少なく、また、記号ＫはＣｒおよびＭｏが規定範囲より多いために、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量比が１．２を超え、初晶フェライト相凝固となり、シャルピー衝撃値が著しく低下している。記号Ｌは、各元素とも範囲内であるが、ＰＩ値が低いために孔食が発生している。また、記号Ｍも、各元素はいずれも範囲内であるが、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量比が１．２を超え、初晶フェライト相凝固となるために、シャルピー衝撃値は低くなっている。記号Ｎは、シャルピー衝撃値および耐孔食性とも良好であるが、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量比が０．８５未満のため、溶接時に凝固割れが発生している。
一方、記号Ａ〜Ｇの本発明例は、成分含有量および各成分の関係が本発明の範囲内であるため、比較例に比べ、シャルピー衝撃値は高く、かつ、孔食も発生していない。
表３にシャルピー衝撃試験結果と孔食試験結果を示す。なお、表３中の孔食電位は、電流密度：１００ｍＡ／ｃｍ2の時の電位を示し、孔食電位の○印は、孔食は発生せず水の電気分解により酸素が発生したものを示している。
表３において、記号Hの比較例はＣｒが範囲外で、かつ、ＰＩ値が低いため、孔食が発生している。記号ＩはＮ含有量が少なく、記号ＪはＮｉ含有量が少なく、また、記号ＫはＣｒおよびＭｏが規定範囲より多いために、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量比が１．２を超え、初晶フェライト相凝固となり、シャルピー衝撃値が著しく低下している。記号Ｌは、各元素とも範囲内であるが、ＰＩ値が低いために孔食が発生している。また、記号Ｍも、各元素はいずれも範囲内であるが、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量比が１．２を超え、初晶フェライト相凝固となるために、シャルピー衝撃値は低くなっている。記号Ｎは、シャルピー衝撃値および耐孔食性とも良好であるが、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量比が０．８５未満のため、溶接時に凝固割れが発生している。
一方、記号Ａ〜Ｇの本発明例は、成分含有量および各成分の関係が本発明の範囲内であるため、比較例に比べ、シャルピー衝撃値は高く、かつ、孔食も発生していない。
Claims (3)
- 質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜３．５％、Ｃｒ：２５．０〜２８．０％、Ｎｉ：１６．０〜２３．９％、Ｍｏ：１．６〜３．０％、Ｃｕ：０．１〜０．５％、Ａｌ：０．００１〜０．０２％、Ｎ：０．３０超〜０．５０％を含有し、
さらに、Ｏ：０．０３％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５％以下に制限し、
かつ、下記（Ａ）および（Ｂ）式で定義されるＣｒ当量とＮｉ当量の比（Ｃｒ当量／Ｎｉ当量）が０．８５〜１．２の範囲にあり、下記（Ｃ）式で定義されるＰＩ値が３５以上であり、残部が鉄および不可避的不純物からなることを特徴とする低温靱性と耐海水腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼溶接用非消耗電極式溶接ワイヤ。
Ｃｒ当量＝［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］＋１．５×［Ｓｉ］ ・・（Ａ）
Ｎｉ当量＝［Ｎｉ］＋０．５×［Ｍｎ］＋３０×［Ｃ］＋１９．５×［Ｎ］・・(Ｂ)
ＰＩ値=［Ｃｒ］＋３．３×［Ｍｏ］＋１０．４×［Ｎ］ ・・（Ｃ）
但し、上記［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｓｉ］、［Ｎｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃ］、［Ｎ］は溶接ワイヤ中の各成分含有量（質量％）を示す。 - 質量％で、さらに、Ｔｉ：０．０１〜０．３％、および、Ｎｂ：０．０１〜０．３％のうちの１種または２種を含有することを特徴とする請求項１に記載の低温靱性と耐海水腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼溶接用非消耗電極式溶接ワイヤ。
- 質量％で、さらに、Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％、および、Ｍｇ：０．０００５〜０．００５０％のうちの１種または２種を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の低温靱性と耐海水腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼溶接用非消耗電極式溶接ワイヤ。
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