JP5815291B2

JP5815291B2 - 溶接用ステンレス鋼

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Publication number: JP5815291B2
Application number: JP2011124061A
Authority: JP
Inventors: 正則御幸; 王　昆; 昆王; 轟　秀和; 秀和轟
Original assignee: Nippon Yakin Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nippon Yakin Kogyo Co Ltd
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2031-06-02
Also published as: JP2012250255A

Description

本発明は、炭素鋼へのステンレス鋼の肉盛溶接において、高温割れが防止されるとともに、溶接金属部において高耐食性が得られる溶接用ステンレス鋼に関する。

一般に、構造用炭素鋼部材に対して、耐食性、耐熱性、耐摩耗性等を部分的に付与する目的で、ステンレス鋼の肉盛溶接が行われている。肉盛溶接は、部材全体をこのような特性を持った鋼材で作製すると高価となる場合や、部材全体をこのような特性を持った鋼材で作製することが困難である場合、また、部材に生じた摩耗を補修する場合等に用いられる。一般的な構造用炭素鋼へのステンレス鋼の肉盛溶接には、溶接材料（溶接棒、溶接芯線、バンドア−ク鋼帯など）としてオ−ステナイト系ステンレス鋼（特許文献１参照）や、１〜５％程度のδフェライトを含有させた材料（特許文献２参照）が用いられる。溶接金属部にδフェライトが存在すると、ＰやＳ等の偏析が抑制され、高温割れの防止に有効であることはよく知られており、溶接性向上のために、溶接材料の高δフェライト化が求められている。

高δフェライト含有のステンレス鋼を溶接材として用いて、ＳＳ４００、Ｓ４５Ｃ、ＳＣＭ４１５等からなる炭素鋼部材に対して肉盛溶接を行うと、溶融した炭素鋼部材の表面に溶接材が溶着して溶接金属部が形成される。炭素鋼部材表面の溶接金属部では、溶接材であるステンレス鋼の成分であるＣｒが溶融した炭素鋼部材に拡散するため、溶接金属部ではＣｒ量が低下して希釈されており、溶接金属部の耐食性が低下し易い。これに対し、Ｃｒ量の低下を防ぐため、フラックス等にＣｒを含有させて、溶接時にフラックスから溶接金属部へＣｒが供給されるような方法も開発されている（特許文献３参照）。

特開平８−３１９５４１号公報特開２００１−２１４２５４号公報特開２０１０−２３４３９５号公報

δフェライトは高温割れの防止に有効であるが、δフェライトを多く含有するステンレス鋼は、熱間加工性が悪く熱間圧延時に耳割れが発生し易い。このため、高δフェライト含有ステンレス鋼は難加工性材料であり、薄板への加工時に耳割れが発生し、歩留りが低下するなど製造が困難である。また、ステンレス鋼の高δフェライト化には、ＣｒやＭｏ等の添加量を増やし、ＮｉやＮの添加量を低くすることによりδフェライトを生成させて行うが、スラブや熱延板等の冷却時にσ相等の金属間化合物が析出して脆化を招くため、割れが発生しやすい。

また、上記のようなフラックスから溶接金属部へＣｒを供給する方法では、溶接金属部に安定してＣｒを供給することが難しく、溶接部位の耐食性にばらつきが生じる原因となる。さらに、被覆アーク溶接では、溶接後にフラックスにより生成される溶接金属部表面のスラグに６価Ｃｒが残存し易く、環境や安全の観点から好ましくない。

このような背景から、本発明は、炭素鋼部材へのステンレス鋼の肉盛溶接において、高温割れが防止されるとともに、溶接金属部において高耐食性が得られる溶接用ステンレス鋼を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明者らは、溶接性向上の観点からδフェライト量、溶接金属部の耐食性向上の観点からＣｒ量に着目し、高δフェライト・高Ｃｒ含有ステンレス鋼について、熱間加工性、製造性、溶接性、σ析出挙動について調査および研究を行った。一般に、δフェライト量が高くなると、溶接時の高温割れを防止することができるが、その一方で、熱間加工時に割れが発生し易くなる。特に、δフェライトが１５体積％以上になると、従来のステンレス鋼では、熱間加工割れが顕著となって製造が困難となっている。したがって、ステンレス鋼中のδフェライト量を適切な範囲に規定することが重要である。また、炭素鋼に対してステンレス鋼を溶接材として肉盛溶接を行うと、ステンレス鋼中のＣｒが溶融した炭素鋼に移動し、溶接金属部ではステンレス鋼のＣｒが希釈されるため、ステンレス鋼中のＣｒ量は多い方が良い。通常、炭素鋼に肉盛を行う場合は、１０〜３０％程度希釈される。しかしながら、Ｃｒ量が２６質量％以上と高濃度になると、スラブや熱延板等の冷却過程でσ相などの金属間化合物が析出し易くなり、脆化による割れが起こり易くなってしまう。

そこで、本発明者らは、ステンレス鋼のＮｉ当量とＣｒ当量のバランスを検討し、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎの成分で調整することによってδフェライト量およびＣｒ量の好適な範囲を求めた。Ｎｉ当量およびＣｒ当量は、溶接金属中のδフェライト量を推定する計算式として広く用いられている式を利用し、Ｎｉ当量（質量％）＝Ｎｉ＋３０×Ｃ＋０．５×Ｍｎ＋３０×Ｎ、Ｃｒ当量（質量％）＝Ｃｒ＋１．５×Ｓｉにより求めた。また、本発明者らが溶接金属中のδフェライト量について研究を行ったところ、本発明におけるδフェライト量の範囲では、δフェライト量（体積％）＝２．８（１．５Ｓｉ＋Ｃｒ）−２．５（３０Ｃ＋３０Ｎ＋０．５Ｍｎ＋Ｎｉ）−１４．１が成り立つことが判明した。なお、各式における化学記号は当該化学成分の含有量（質量％）を示す。

以上の検討結果から、次の成分を持つ鋼であれば、希釈された溶接金属部においても２０質量％以上％以上のＣｒが含有され、溶接金属部の耐食性が向上されるステンレス鋼が得られることが明らかとなった。すなわち、本発明の溶接用ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．０８％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：１．２〜２．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｎｉ：１３〜１５％、Ｃｒ：２４．９〜３０％、Ｎ：０．０２〜０．１５％を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ下記数１、数２を満足することを特徴とする。

以下、本発明の溶接用ステンレス鋼の数値限定の根拠を本発明の作用とともに説明する。なお、本発明においては、特に断りのない限り、「％」は「質量％」を表す。

Ｃ：０．０２〜０．０８％
Ｃ含有量が低下すると、炭化物の生成が少なくなりステンレス鋼の加工性が向上するため、Ｃ含有量は０．０８％以下とする。一方、Ｃはδフェライトの過剰な生成を抑制する元素であるため、０．０２％以上必要である。したがって、Ｃの含有量は０．０２〜０．０８％とする。

Ｓｉ：０．２〜１．０％
Ｓｉは、σ相などの金属間化合物の析出を抑制する上で低減させる必要があり、また、溶接時の湯流れ性を低下させる。また、多量のＳｉは、δフェライトを過剰に生成し、熱間加工性を低下させる。このため、Ｓｉ含有量は１．０％以下とする。一方、Ｓｉは脱酸に必要であるため、０．２％以上添加することが必要である。このため、Ｓｉの含有量は０．２〜１．０％とする。

Ｍｎ：１．２〜２．０％
ＭｎもＳｉ同様にσ相などの金属間化合物の析出を抑制する上で低減させる必要があるため、その含有量を２．０％以下とする。一方、Ｍｎはδフェライトの過剰な生成を抑制する効果があるため、１．２％以上添加することが必要である。このため、Ｍｎの含有量は１．２〜２．０％とする。

Ｐ：０．０３％以下
Ｐは不純物として不可避的に混入する元素であり、結晶粒界に偏析しやすく、熱間加工性や溶接における高温割れを防止する観点から、少ないほうが望ましい。しかし、Ｐの含有量を極端に低減させることは原料コストや精錬等の製造コストの増加を招く。そこで、Ｐの含有量は０．０３％以下とする。

Ｓ：０．００５％以下
ＳはＰと同様に不純物として不可避的に混入する元素であり、結晶粒界に偏析しやすく、熱間加工性や溶接における高温割れを防止する観点から、少ないほうが望ましい。特に、０．００５％を超えて含有させると、その影響が顕著となる。そのため、Ｓの含有量は０．００５％以下とする。好ましくは、０．００３％以下とする。

Ｎｉ：１３〜１５％
Ｎｉはσ相などの金属間化合物を抑制する上で有効な元素であり、その含有量が１３％未満であると、σ相が析出し易くなり、δフェライトが過剰に生成されて、熱間加工性が低下する。一方、Ｎｉ含有量が１５％を超えると、δフェライトの生成が抑制されるため、所望のδフェライト量が得られず、溶接金属部の高温割れ感受性が高まる。よって、Ｎｉの含有量は、１３〜１５％とする。

Ｃｒ：２４〜３０％
Ｃｒは耐食性の向上に有効な元素である。δフェライトを十分に生成させ、かつ、耐食性を確保するために、溶接金属部に２０％以上のＣｒを含有させることが望ましい。このため、溶接金属部での希釈を考慮して、溶接材であるステンレス鋼にはＣｒを２４％以上含有させる必要がある。しかしながら、３０％を超えて含有させると、スラブ等の冷却過程でσ相などの金属間化合物が析出しやすく、脆化し、割れが起こり易くなる。そこで、Ｃｒの含有量は２４〜３０％とする。より好ましくは、２５〜２８ｗｔ％である。

Ｎ：０．０２〜０．１５％
ＮはＣｒと同様に耐食性を向上させるとともに、δフェライトの過剰な生成を抑制するのに有効な元素であり、その効果を得るには０．０２％以上含有させる必要がある。しかしながら、０．１５％を超えて含有させると、熱間変形抵抗が上昇して熱間加工性を低下させる。また、Ｎの含有量が大きいと、Ｎｉ当量が増え、Ｃｒ当量とのバランスが崩れて、溶接金属部での所望のδフェライト量を確保することが難しくなる。このため、Ｎの含有量は０．０２〜０．１５％とする。より好ましくは、０．０４〜０．１２％である。

Ｎｉ当量（質量％）：１５〜２２
Ｎｉ当量は、Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋３０×Ｃ＋０．５×Ｍｎ＋３０×Ｎにより求められるが、１５未満であると、σ相が析出し易くなり脆化し割れ易くなる。一方、Ｎｉ当量が２２を超えると、所望のδフェライト量が得難くなる。

Ｃｒ当量（質量％）：２４〜３０
Ｃｒ当量は、Ｃｒ当量＝Ｃｒ＋１．５×Ｓｉにより求められる。Ｃｒ当量が２４未満であると、所望のδフェライト量を得難くなる。一方、Ｃｒ当量が３０を超えると、σ相が析出し、脆化する。

δフェライト量（体積％）：１２〜１９
本発明におけるδフェライト量の範囲では、δフェライト量（体積％）＝２．８（１．５Ｓｉ＋Ｃｒ）−２．５（３０Ｃ＋３０Ｎ＋０．５Ｍｎ＋Ｎｉ）−１４．１が成り立つ。炭素鋼に対するステンレス鋼の異種溶接においては、溶接金属部のδフェライト量の増加に伴い高温割れが低減される。このため、この式により推定されるδフェライト量が１２未満であると、δフェライト量が不十分となり、高温割れの抑制効果が小さくなる。また、δフェライト量が１９を超えると、熱間加工性が低下する。したがって、δフェライト量は１２〜１９とする。

このように、本発明の溶接用ステンレス鋼を、数１、数２を満たす量の上記成分組成とすることにより、母材である炭素鋼との希釈を受ける溶接金属部において、２体積%以上のδフェライトを含有させることができる。したがって、溶接時の高温割れを防止することができる。

また、本発明の溶接用ステンレス鋼は、Ｃｒを多量に含有するため、ＳＳ４００、Ｓ４５Ｃ、ＳＣＭ４１５等の一般的なＣｒ濃度の鉄鋼材料に肉盛溶接を行っても、溶接金属部のＣｒ量を２０％以上とすることができ、溶接金属部の耐食性を確保することができる。このため、本発明の溶接用ステンレス鋼は、Ｃｒが２％未満の構造用鉄鋼材料に肉盛溶接を行うことが好ましい。また、本発明の溶接用ステンレス鋼を、サブマージアーク溶接、被覆アーク溶接、エレクトロスラグ溶接、フラックスコアドワイヤーによるマグ溶接、ソリッドワイヤーによるミグ溶接、ティグ溶接のいずれかの溶接法によって溶融させることが好ましい。

本発明によれば、炭素鋼部材へのステンレス鋼の肉盛溶接において、高温割れが防止されるとともに、溶接金属部において高耐食性が得られる溶接用ステンレス鋼を得ることができる。

実施例で用いた試料のδフェライト量とＣｒ量との関係を示すグラフである。

以下、本発明の溶接用ステンレス鋼についてさらに詳細に説明する。本発明の溶接用ステンレス鋼は、工業的に利用されている従来の方法によって製造することが可能である。最も工業的に望ましいのは、６０トンなど実機規模にて、製造するのが効率的かつ経済的である。まず、鉄屑、ステンレス屑、フェロクロム、フェロニッケル、純ニッケル、メタリッククロムなどの原料を、電気炉で溶解する。次に、ＡＯＤ（ＡｒｇｏｎＯｘｙｇｅｎＤｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ）および/またはＶＯＤ（ＶａｃｕｕｍＯｘｙｇｅｎＤｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ）において、酸素を吹精し、脱炭精錬する。ＡＯＤの煉瓦はマグクロあるいはドロマイトなどＭｇＯ含有耐火物が好ましい。ＶＯＤの取鍋は、マグクロあるいはドロマイトなどＭｇＯ含有耐火物が好ましい。ＡＯＤの場合は希釈ガスにＡｒおよび/または窒素を用いるのが良い。また、ＡＯＤにおいては、上から減圧用に炉内を排気可能な蓋を被せて、脱炭末期に減圧下において、Ａｒを吹精しながら強撹拌し、スラグ中に形成したＣｒ酸化物と溶鋼中のＣを積極的に反応させて、脱炭しても構わない。

脱炭後、ＦｅＳｉ合金および/またはＡｌを投入して、スラグ中のＣｒ酸化物を還元する。その後、石灰石、蛍石を添加して、ＣaＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ系スラグを形成して、脱酸、脱硫を行い、必要に応じて、窒素ガスを吹き込み、溶鋼中窒素濃度を、所望の範囲に制御する。Ｓ：０．００５％以下に制御するために、スラグ組成は塩基度質量％ＣaＯ/質量％ＳｉＯ_２比率：２〜６が望ましい。２未満であると、スラグのＳ許容能力が足りずに、Ｓが０.００５％を超えて高くなってしまい、熱間加工性が低下する。塩基度が６を超えて高いと滓化性に劣り、逆にスラグの流動性を低下させ、脱硫に不利になることで、Ｓが０.００５％を超えて高くなってしまう。ＭｇＯは３〜８％が望ましい。ＭｇＯが３％未満では、煉瓦の溶損が進行し、炉の寿命が短くなる。ＭｇＯが８％を超えて高いと、ＭｇＯが還元されて、溶鋼中にＭｇが供給され、非金属介在物がＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３スピネルとなりやすい。このスピネル介在物はタンディッシュから連続鋳造の鋳型に注湯する浸漬ノズルの内壁に付着して、堆積し、脱落すると、数百μｍ〜数ｍｍのサイズの大型介在物として、スラブ中に捕捉される。このようになってしまうと、鋼板の表面、あるいは鋼板内部に欠陥をもたらしてしまうので、ＭｇＯは３〜８％が望ましい。

このようにして、精錬して化学成分を所望の範囲に制御した溶鋼を、連続鋳造機で鋳造し、スラブを得る。連続鋳造スラブを冷却する際の冷却速度は、７００℃に至るまで１℃／ｍｉｎ以上とする。なお、１℃／ｍｉｎ未満で冷却すると、スラブ中でσ相が形成し、脆化し易くなる。さらに、得られたスラブを熱間圧延し、熱延板を製造する。熱間圧延においては、その熱延過程にて鋼が９００から７００℃まで冷却される温度域を１０℃／ｍｉｎ以上で冷却する。なお、１０℃／ｍｉｎ未満で冷却すると、σ相が形成し、脆化し易くなる。もちろん、高周波誘導炉を用いて、電解鉄、純クロム、純ニッケル、窒化フェロクロム、フェロシリコン、純マンガンなどの原料を溶解して、鋼塊を作製しても構わない。

以上のようにして作製した本発明の溶接用ステンレス鋼は、一般的なＣｒ濃度の炭素鋼材料に肉盛溶接を行っても、溶接金属部のＣｒ量を２０％以上とすることができ、溶接金属部の耐食性を確保することができる。たとえば、ＳＳ４００、Ｓ４５Ｃ、ＳＣＭ４１５等の構造用炭素鋼部材への肉盛溶接に好適である。本発明の溶接用ステンレス鋼は、サブマージアーク溶接、被覆アーク溶接、エレクトロスラグ溶接、フラックスコアドワイヤーによるマグ溶接、ソリッドワイヤーによるミグ溶接、ソリッドワイヤーによるティグ溶接のいずれかの溶接法によって肉盛溶接を行う。溶接条件は、特に規定しないが、たとえば次のような条件で溶接可能である。すなわち、厚み０．４ｍｍ、幅５０ｍｍのバンドアーク鋼帯として、溶接電流８６０Ａ、溶接電圧２４Ｖ、溶接速度２５０ｍｍ／ｍｉｎでサブマージアーク溶接を行うことができる。溶接におけるフラックスには、溶接金属部での所望のδフェライト量を満足するフラックスを使用すれば良い。

以下、実施例によってさらに本発明を詳細に説明する。まず、鉄屑、ステンレス屑、フェロクロム、フェロニッケル、純ニッケル、メタリッククロムなどの原料を、６０トンの電気炉で溶解した。その後、ＶＯＤにおいて、酸素を吹精し、脱炭精錬した。ＶＯＤの取鍋には、マグクロ耐火物を張った。脱炭後、ＦｅＳｉ合金およびＡｌを投入して、スラグ中のＣｒ酸化物を還元した。さらに、石灰石、蛍石を添加して、ＣaＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ系スラグを形成して、脱酸、脱硫を行い、窒素ガスを吹き込み、溶鋼中窒素濃度を制御した。このようにして精錬した溶鋼を、縦型連続鋳造機にて鋳造し、表１に示す組成のスラブ（試料１〜２０）を得た。

なお、表１に、下記数３、数４より算出した値を併記する。

各スラブに対して、熱間圧延と冷間圧延を行い、溶体化処理を施して、厚さ０．４ｍｍの冷延板を製造した。そして、超高温引張試験による熱間加工性と、熱間鍛造・冷間圧延工程までの歩留まり率から製造性を評価した。超高温引張試験は、１１００℃において、引張速度１００ｍｍ/ｓにおいて試験を行った。超高温引張試験では、破断後の断面減少率を熱間加工性として評価した。断面減少率が大きいほど、熱間加工性に優れるため好ましい。また、歩留まり率は、８５％以上を○とし、８４〜７０％を△、６９％以下を×として評価した。

また、各試料の溶接性および耐食性を評価するため、溶接実験を行い、溶接金属部の評価を以下の通りに行った。各試料から厚み０．４ｍｍ、幅５０ｍｍのバンドアーク鋼帯を作製し、溶接電流８６０Ａ、溶接電圧２４Ｖ、溶接速度２４０ｍｍ／ｍｉｎにおいて、表１に示す被溶接材に対してサブマージアーク溶接を行った。なお、被溶接材であるＳＳ４００のＣｒ量は、０．０１％、Ｓ４５ＣのＣｒ量は０．０１％、ＳＣＭ４１５のＣｒ量は１．０５％であった。フラックスとしては、本発明で規定した溶接金属部でのδフェライト量を満足するフラックスを使用した。そして、形成された溶接金属部について、高温割れ有無およびδフェライト量を調査して溶接性を評価し、Ｃｒ量およびＰＲＥを調査して耐食性を評価した。

高温割れの有無は、溶接後の肉盛面を０．２ｍｍ研削し、浸透探傷試験により求めた。高温割れが見られなかったものを○、割れが発生したものを×とした。また、δフェライト量は、フェライトメーターで測定することにより求めた。溶接金属中のδフェライト量が２質量%以上であれば、高温割れが生じにくいため、δフェライト量が２質量％以上の試料を○と評価した。

耐食性は、一般的に、溶接金属部においてＣｒが２０質量％以上含有されていれば十分な耐食性を有することが分かっている。このため、溶接金属部を切り出して、溶接金属中のＣｒ量を化学分析により求めることにより、耐食性をＣｒ濃度により評価した。Ｃｒが２０質量％以上を○、２０質量％未満を×とした。なお、溶接金属中のＣｒが２０質量％以上であれば、十分な耐食性を示すことは、ＡＳＴＭＧ４８ＭｅｔｈｏｄＣにより確認を行った。さらに、耐食性の指標としてＰＲＥを求めた。ＰＲＥは、ＰＲＥ＝Ｃｒ＋１６×Ｎより求め、高耐食性であるＳＵＳ３１６Ｌが２５であるため、２５以上の試料を○と評価した。各種結果を表２に示す。

図１に、各試料のδフェライト計算値とＣｒ量との関係を示す。図１では、製造性、溶接性、耐食性のすべてにおいて、その評価が良好であったものを●で表示し、いずれかが基準に満たなかったものを×と表示した。図１および表２から分かるように、本発明で規定した組成範囲の試料Ｎｏ．１〜１０の試料では、製造性、溶接性に優れるとともに、耐食性に優れることが確認された。他方、比較例である試料Ｎｏ．１１〜２０の試料では、歩留まりが低く製造性が低いものや、溶接金属中のδフェライト量が不足して溶接性が低いものや、溶接金属中のＣｒ量が２０％に満たないために耐食性が低いものがあった。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０２〜０．０８％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：１．２〜２．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｎｉ：１３〜１５％、Ｃｒ：２４．９〜３０％、Ｎ：０．０２〜０．１５％を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ下記数１、数２を満足することを特徴とする溶接用ステンレス鋼。