JP5857914B2 - 二相ステンレス鋼用溶接材料 - Google Patents
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Description
本発明は、フェライト相とオーステナイト相とからなる二相ステンレス鋼を溶接する際に使用される溶接材料に関する。
二相ステンレス鋼は、耐食性および溶接性に優れており、フェライト系ステンレス鋼またはオーステナイト系ステンレス鋼に比べて、特に、耐海水腐食性および強度に優れている。したがって、材料の薄肉化を容易に行うことができ、経済性を有する工業材料として古くから広範囲に使用されている。
特に、高Ｃｒ−高Ｍｏ二相ステンレス鋼は、優れた耐食性および強度を有するため、ラインパイプ、熱交換器用部品、石油・化学工業用のプロセス鋼管・配管、油井管等、様々な分野に適用されている。近年、油井用のアンビリカルチューブ等では、油井の深海化および材料の薄肉化に伴いさらなる高強度材料が要求される。しかしながら、二相ステンレス鋼中のＣｒおよびＭｏの含有量が高いほど、８００〜１０００℃程度の温度域において硬くて脆い金属間化合物（σ相、χ相）が析出しやすくなる。これは、下記の理由による。
二相ステンレス鋼の中実ビレットは、鋼塊を熱間鍛造または熱間圧延して得た長尺の鋼片を放冷した後、この鋼片に切断、切削等の機械加工が施されて製造される。高Ｃｒ−高Ｍｏ二相ステンレス鋼は、特に放冷時にσ相が析出し、素材が著しく硬化されるため、割れが発生しやすく、各種の加工時で切断および切削が困難となる。したがって、極力σ相の析出を抑制することが製造上望ましく、従来、ＣｒおよびＭｏの含有量の低減、熱処理条件の変更、冷却条件の変更等の様々な提案がなされている。
例えば、特許文献１では、組織安定指数ＰＳＩ（＝３Ｓｉ＋Ｃｒ＋３．３Ｍｏ）を４０以下とした二相ステンレス鋼が提案されている。特許文献１では、二相ステンレス鋼の通常の熱間加工時の加熱条件、熱処理条件および溶接条件でσ相等が生成しないとしている。
特許文献２では、二相ステンレス鋼を１１１０℃以上に加熱したのち、熱間加工を施して継目無鋼管を製造する方法において、最終圧延終了後に８００＋５Ｃｒ＋２５Ｍｏ＋１５Ｗ≦Ｔ（℃）≦１１５０を満足する温度範囲まで再加熱した後、急冷処理する二相ステンレス鋼の製造方法が提案されている。特許文献２では、σ相の析出なく、優れた耐食性を有し、かつ高強度二相ステンレス鋼管を製造できるとしている。
特許文献３では、フェライト量およびＰＲＥ値を所定範囲とした二相ステンレス鋼が提案されている。特許文献３では、これにより、耐海水性に優れた二相ステンレス鋼が得られるとされている。特許文献４では、Ｍｏ含有量を低減させてσ相の生成を抑制し、フェライト量およびＰＲＥＷを所定範囲とした二相ステンレス鋼が提案されている。特許文献４では、これにより、温間加工性、耐すきま腐食性および組織安定性に優れる二相ステンレス鋼が得られるとされている。
特許文献５および６では、フェライト量およびオーステナイト相とフェライト相それぞれのＰＲＥＷ値および比を所定範囲とした二相ステンレス鋼が提案されている。特許文献５および６ではいずれも、これにより、耐食性および組織安定性が良好な二相ステンレス鋼が得られるとされている。
一方、溶接構造物としての二相ステンレス鋼の使用を考えた場合、溶接金属にも母材と同等の性能が求められる。そのため、高機能化した母材にマッチングした溶接材料が必要となる。二相ステンレス鋼の溶接に用いられる溶接材料についても、これまで様々な提案がなされている。
特許文献７では、高い耐粒界腐食性を示すフェライト−オーステナイト二相ステンレス鋼溶接材料が提案されている。また、特許文献８では、フェライト量と水素量とを規定した遅れ割れの発生しないオーステナイト・フェライト系二相ステンレス鋼溶接材料が提案されている。
特許文献９では、フェライト容量指数Ｐｈを適正範囲に管理された高耐食高靱性二相ステンレス鋼溶接用溶接材料が提案されている。さらに、特許文献１０および１１では、優れた耐食性を有する尿素製造プラント用二相ステンレス鋼に好適な溶接材料が提案されている。
上述のように、耐食性向上元素であるＣｒおよびＭｏの含有量を低減させると、二相ステンレス鋼としての耐食性および強度を損なう。一方、ＣｒおよびＭｏ含有量を高めた鋼では、熱間鍛造または熱間圧延の後の冷却時、溶接時、熱間曲げ加工時などに、σ相が析出しやすい。その傾向は、特にビレット等の大型鋼材において顕著となる。そのため、特許文献１〜６のような鋼の化学組成、組織状態、さらには熱処理条件等を管理するだけではσ相の析出を抑制することができない。
さらに、アンビリカルチューブをはじめとして、ラインパイプ、熱交換器用部品等として適用する場合には、高強度化による薄肉化のニーズが経済性の点から求められているが、いずれの発明も高強度化については述べられておらず、特に耐食性向上元素としてのＭｏ、ＣｒおよびＷが強度に及ぼす影響については必ずしも明確ではなかった。
また、高機能化した二相ステンレス鋼を溶接構造物として使用する場合、溶接金属にも母材と同等以上の性能が求められる。しかしながら、母材と同一組成の溶接材料を用いて溶接した場合、冷却速度によってフェライト／オーステナイトの相バランスが母材に対して変化し、組織が変わるため、溶接金属の性能が母材と比較して劣化する。また、母材と異なる組成の溶接材料を用いた場合、溶接条件によって希釈が変化し溶接金属の組成が母材と異なるため、性能が変化してしまう。そのため、高機能化した母材にマッチングした母材と同等の性能を有する溶接材料が必要となるが、特許文献７〜１１に記載の溶接材料は、優れた耐食性および強度を有するとともに、σ相の析出を抑制することが可能な母材にマッチングしたものとはいえない。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、耐孔食性および強度に優れ、σ相析出を抑制することができる二相ステンレス鋼の溶接に好適な溶接材料を提供することを目的とする。
発明者らは高い耐孔食性を確保しつつσ相析出を抑制し、かつ高強度化を図った高濃度のＭｏおよびＷを含有する二相ステンレス鋼を溶接する際に用いる溶接材料について検討した。
少なくとも高濃度のＭｏおよびＷを含有する二相ステンレス鋼を溶接する際に用いる溶接材料としては、母材との混ざり合いで得られる溶接金属が母材と同等以上の耐孔食性および強度を有する必要がある。そこで発明者らは、母材とマッチングする溶接材料を検討するに際し、強度向上に有効なＣｒ、Ｃ、Ｍｎ、Ｍｏ、ＷおよびＮに加えて、特にＣｕに着目して、各元素の強度に及ぼす影響を鋭意調査した。その結果、下式を満たすように成分を規定した溶接材料を用いることで、高濃度のＭｏおよびＷを含有する高強度二相ステンレス鋼と同等以上の耐孔食性および強度を有する溶接金属を得ることができることを見出した。
１４Ｃｒ＋５Ｍｎ＋１０Ｍｏ＋６０Ｃｕ＋５０（Ｃ＋Ｎ）＋２０Ｗ≧４８５
ただし、式中の各元素記号は、各元素の含有量（質量％）を意味する。
１４Ｃｒ＋５Ｍｎ＋１０Ｍｏ＋６０Ｃｕ＋５０（Ｃ＋Ｎ）＋２０Ｗ≧４８５
ただし、式中の各元素記号は、各元素の含有量（質量％）を意味する。
本発明は、上記の知見を基礎としてなされたものであり、その要旨は下記の二相ステンレス鋼用溶接材料にある。
（１）質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．００８％以下、Ｃｕ：０．２〜２．０％、Ｎｉ：５．０〜６．５％、Ｃｒ：２３．０〜２６．０％、Ｍｏ：２．５〜３．５％、Ｗ：１．５〜４．０％、Ｎ：０．２４〜０．４０％およびＡｌ：０．０４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記（ii）式で表わされる耐孔食性指数ＰＲＥＷが４０以上である化学組成を有する二相ステンレス鋼母材の溶接に用いられる溶接材料であって、
質量％で、Ｃ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．２３〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｕ：０．４〜４．０％、Ｎｉ：６．０〜１２．０％、Ｃｒ：２５．５〜３０．０％、Ｍｏ：２．０〜４．０％、Ｗ：２．８〜５．０％、Ｎ：０．２４〜０．４０％およびＡｌ：０．０４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記（i）式で表わされる強度指数ＳＥＷが４８５以上であり、かつ、下記（ii）式で表わされる耐孔食性指数ＰＲＥＷが４２以上であることを特徴とする二相ステンレス鋼用溶接材料。
ＳＥＷ＝１４Ｃｒ＋５Ｍｎ＋１０Ｍｏ＋６０Ｃｕ＋５０（Ｃ＋Ｎ）＋２０Ｗ・・・（i）
ＰＲＥＷ＝Ｃｒ＋３．３（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１６Ｎ・・・（ii）
ただし、（i）式および（ii）式中の各元素記号は、各元素の含有量（質量％）を意味する。
質量％で、Ｃ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．２３〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｕ：０．４〜４．０％、Ｎｉ：６．０〜１２．０％、Ｃｒ：２５．５〜３０．０％、Ｍｏ：２．０〜４．０％、Ｗ：２．８〜５．０％、Ｎ：０．２４〜０．４０％およびＡｌ：０．０４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記（i）式で表わされる強度指数ＳＥＷが４８５以上であり、かつ、下記（ii）式で表わされる耐孔食性指数ＰＲＥＷが４２以上であることを特徴とする二相ステンレス鋼用溶接材料。
ＳＥＷ＝１４Ｃｒ＋５Ｍｎ＋１０Ｍｏ＋６０Ｃｕ＋５０（Ｃ＋Ｎ）＋２０Ｗ・・・（i）
ＰＲＥＷ＝Ｃｒ＋３．３（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１６Ｎ・・・（ii）
ただし、（i）式および（ii）式中の各元素記号は、各元素の含有量（質量％）を意味する。
（２）前記溶接材料が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらにＣａ：０．０２％以下、Ｍｇ：０．０２％以下およびＢ：０．０２％以下から選択される１種以上を含有することを特徴とする上記（１）に記載の二相ステンレス鋼用溶接材料。
（３）前記二相ステンレス鋼母材が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらにＣａ：０．０２％以下、Ｍｇ：０．０２％以下、Ｂ：０．０２％以下および希土類元素：０．２％以下から選択される１種以上を含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の二相ステンレス鋼用溶接材料。
（３）前記二相ステンレス鋼母材が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらにＣａ：０．０２％以下、Ｍｇ：０．０２％以下、Ｂ：０．０２％以下および希土類元素：０．２％以下から選択される１種以上を含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の二相ステンレス鋼用溶接材料。
本発明によれば、高い耐孔食性を確保しつつ、高強度化した溶接材料を用いて二相ステンレス鋼の溶接を行うことで、優れた耐孔食性およびσ相の析出抑制効果を有し、高濃度のＭｏおよびＷを含有する高強度二相ステンレス鋼溶接継手を得ることができる。
１．溶接材料の化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．０６％以下
Ｃは、オーステナイト相を安定化させるのに有効な元素である。また、Ｃを含有させることによって、固溶強化により鋼の強度を向上させることができる。しかし、その含有量が過剰な場合、炭化物が析出して、耐食性が劣化する。したがって、Ｃの含有量は０．０６％以下とする。Ｃ含有量は０．０５％以下であるのが好ましい。下限は特に設けないが、相安定性を重視する場合、Ｃ含有量は０．０１％以上とするのが好ましい。
Ｃは、オーステナイト相を安定化させるのに有効な元素である。また、Ｃを含有させることによって、固溶強化により鋼の強度を向上させることができる。しかし、その含有量が過剰な場合、炭化物が析出して、耐食性が劣化する。したがって、Ｃの含有量は０．０６％以下とする。Ｃ含有量は０．０５％以下であるのが好ましい。下限は特に設けないが、相安定性を重視する場合、Ｃ含有量は０．０１％以上とするのが好ましい。
Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効な元素である。しかし、その含有量が過剰な場合、σ相の生成が促進される。そのため、Ｓｉの含有量は１．０％以下とする。Ｓｉ含有量は０．７％以下であるのが好ましい。上記の効果は微量でも発揮されるが、特に、Ｓｉを脱酸剤として用いる場合には０．０１％以上含有させることが好ましい。
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効な元素である。しかし、その含有量が過剰な場合、σ相の生成が促進される。そのため、Ｓｉの含有量は１．０％以下とする。Ｓｉ含有量は０．７％以下であるのが好ましい。上記の効果は微量でも発揮されるが、特に、Ｓｉを脱酸剤として用いる場合には０．０１％以上含有させることが好ましい。
Ｍｎ：０．５〜３．０％
Ｍｎは、溶製時の脱硫および脱酸に有効な元素であるとともに、オーステナイト相の安定化に有効な元素である。また、Ｍｎの添加は、鋼の高強度化にも有効である。さらに、ＭｎにはＮの溶解度を大きくする作用があり、Ｎ量の増加による高強度化にも寄与する。これらの効果を得るためにはＭｎの含有量は０．５％以上とする。しかし、その含有量が過剰な場合、耐食性を劣化させる。したがって、Ｍｎの含有量は３．０％以下とする。Ｍｎ含有量は０．６％以上であるのが好ましく、２．５％以下であるのが好ましい。
Ｍｎは、溶製時の脱硫および脱酸に有効な元素であるとともに、オーステナイト相の安定化に有効な元素である。また、Ｍｎの添加は、鋼の高強度化にも有効である。さらに、ＭｎにはＮの溶解度を大きくする作用があり、Ｎ量の増加による高強度化にも寄与する。これらの効果を得るためにはＭｎの含有量は０．５％以上とする。しかし、その含有量が過剰な場合、耐食性を劣化させる。したがって、Ｍｎの含有量は３．０％以下とする。Ｍｎ含有量は０．６％以上であるのが好ましく、２．５％以下であるのが好ましい。
Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは、鋼中に不可避的に混入する不純物元素である。その含有量が過剰な場合、耐食性および靭性を劣化させ、溶接割れ感受性を増大させる。したがって、Ｐの含有量は０．０４０％以下とする。Ｐ含有量は０．０３０％以下であるのが好ましい。
Ｐは、鋼中に不可避的に混入する不純物元素である。その含有量が過剰な場合、耐食性および靭性を劣化させ、溶接割れ感受性を増大させる。したがって、Ｐの含有量は０．０４０％以下とする。Ｐ含有量は０．０３０％以下であるのが好ましい。
Ｓ：０．００５％以下
Ｓは、Ｐと同様、鋼中に不可避的に混入する不純物元素であり、鋼の熱間加工性を劣化させる。また、硫化物は孔食の発生起点となり耐孔食性を劣化させる。さらには溶接割れ感受性を増大させる。そのため、Ｓの含有量は少ない方が良く、０．００５％以下であれば実用上特に問題とはならない。Ｓ含有量は０．００３％以下であるのが好ましい。
Ｓは、Ｐと同様、鋼中に不可避的に混入する不純物元素であり、鋼の熱間加工性を劣化させる。また、硫化物は孔食の発生起点となり耐孔食性を劣化させる。さらには溶接割れ感受性を増大させる。そのため、Ｓの含有量は少ない方が良く、０．００５％以下であれば実用上特に問題とはならない。Ｓ含有量は０．００３％以下であるのが好ましい。
Ｃｕ：０．４〜４．０％
Ｃｕは、還元性の低いとされる低ｐＨ環境、例えば、Ｈ２ＳＯ４またはＨ２Ｓ環境での耐食性向上に特に有効な元素である。さらに本発明では、安価な強化元素として注目しており、これらの効果を得るためには、Ｃｕを０．４％以上含有させる必要がある。しかし、過剰に含有させた場合、熱間加工性を劣化させるだけでなく、σ相の生成を促進する。そのため、Ｃｕの含有量は４．０％以下とする。Ｃｕ含有量は０．５％以上であるのが好ましい。また、Ｃｕ含有量は３．５％以下であるのが好ましく、３．０％以下であるのがより好ましい。
Ｃｕは、還元性の低いとされる低ｐＨ環境、例えば、Ｈ２ＳＯ４またはＨ２Ｓ環境での耐食性向上に特に有効な元素である。さらに本発明では、安価な強化元素として注目しており、これらの効果を得るためには、Ｃｕを０．４％以上含有させる必要がある。しかし、過剰に含有させた場合、熱間加工性を劣化させるだけでなく、σ相の生成を促進する。そのため、Ｃｕの含有量は４．０％以下とする。Ｃｕ含有量は０．５％以上であるのが好ましい。また、Ｃｕ含有量は３．５％以下であるのが好ましく、３．０％以下であるのがより好ましい。
Ｎｉ：６．０〜１２．０％
Ｎｉは、オーステナイトを安定化させるために必須の元素である。Ｎｉ含有量が低いとフェライト量が多くなり過ぎて、二相ステンレス鋼としての特長が失われる。また、フェライト中へのＮの固溶度は小さいため、フェライト量が多くなると窒化物が析出しやすくなり耐食性が劣化する。さらに、溶接金属では冷却速度が速くフェライトが多量に残りやすくなるため、相バランスおよび耐食性の観点から、母材と比べて高いＮｉ含有量が必要となる。そのため、Ｎｉは６．０％以上含有させる。一方、Ｎｉ含有量が過剰な場合、σ相の析出が容易になり靱性が劣化する。したがって、Ｎｉ含有量は、１２．０％以下とする。相安定性および耐食性の観点からは、Ｎｉは８．０％を超えて含有させるのが好ましい。一方、靱性の観点からは、Ｎｉ含有量は１１．０％以下であるのが好ましい。
Ｎｉは、オーステナイトを安定化させるために必須の元素である。Ｎｉ含有量が低いとフェライト量が多くなり過ぎて、二相ステンレス鋼としての特長が失われる。また、フェライト中へのＮの固溶度は小さいため、フェライト量が多くなると窒化物が析出しやすくなり耐食性が劣化する。さらに、溶接金属では冷却速度が速くフェライトが多量に残りやすくなるため、相バランスおよび耐食性の観点から、母材と比べて高いＮｉ含有量が必要となる。そのため、Ｎｉは６．０％以上含有させる。一方、Ｎｉ含有量が過剰な場合、σ相の析出が容易になり靱性が劣化する。したがって、Ｎｉ含有量は、１２．０％以下とする。相安定性および耐食性の観点からは、Ｎｉは８．０％を超えて含有させるのが好ましい。一方、靱性の観点からは、Ｎｉ含有量は１１．０％以下であるのが好ましい。
Ｃｒ：２５．５〜３０．０％
Ｃｒは、耐食性および強度を確保するために必須の元素である。Ｃｒ含有量が低いと、いわゆるスーパー二相ステンレス鋼といえるだけの耐食性が得られない。また、高強度化にも有効な元素であるため、Ｃｒは２５．５％以上含有させる。一方、Ｃｒの含有量が過剰な場合、σ相の析出が顕著になり、耐食性の低下とともに、熱間加工性の低下および溶接性の劣化を招く。したがって、Ｃｒ含有量は３０．０％以下とする。Ｃｒは２６．０％を超えて含有させるのが好ましい。また、Ｃｒ含有量は２８．５％以下であるのが好ましい。
Ｃｒは、耐食性および強度を確保するために必須の元素である。Ｃｒ含有量が低いと、いわゆるスーパー二相ステンレス鋼といえるだけの耐食性が得られない。また、高強度化にも有効な元素であるため、Ｃｒは２５．５％以上含有させる。一方、Ｃｒの含有量が過剰な場合、σ相の析出が顕著になり、耐食性の低下とともに、熱間加工性の低下および溶接性の劣化を招く。したがって、Ｃｒ含有量は３０．０％以下とする。Ｃｒは２６．０％を超えて含有させるのが好ましい。また、Ｃｒ含有量は２８．５％以下であるのが好ましい。
Ｍｏ：２．０〜４．０％
Ｍｏは、Ｃｒと同様、耐食性の向上、特に耐孔食性および耐隙間腐食性の向上に有効な元素である。また、鋼の高強度化にも有効な元素であり、母材と同等の強度および耐食性を確保するためには、Ｍｏを２．０％以上含有させる必要がある。一方、その含有量が過剰な場合、σ相が析出しやすくなるため、Ｍｏ含有量は４．０％以下とする。Ｍｏ含有量は２．３％以上であるのが好ましく、３．５％以下であるのが好ましい。
Ｍｏは、Ｃｒと同様、耐食性の向上、特に耐孔食性および耐隙間腐食性の向上に有効な元素である。また、鋼の高強度化にも有効な元素であり、母材と同等の強度および耐食性を確保するためには、Ｍｏを２．０％以上含有させる必要がある。一方、その含有量が過剰な場合、σ相が析出しやすくなるため、Ｍｏ含有量は４．０％以下とする。Ｍｏ含有量は２．３％以上であるのが好ましく、３．５％以下であるのが好ましい。
Ｗ：２．８〜５．０％
Ｗは、Ｍｏと比べて、σ相などの金属間化合物の生成が少なく、耐食性、特に耐孔食性および耐隙間腐食性を向上させる元素である。また、鋼の高強度化にも非常に有効な元素であり、Ｗを適量含有させれば、ＣｒおよびＭｏさらにはＮの含有量を増やさずに高い耐食性を確保することができる。母材と同等の強度および耐食性を確保するためには、Ｗを２．８％以上含有させる必要がある。しかし、Ｗを過剰に含有させても耐食性の向上効果は飽和し、原料コストが増加するため、Ｗの含有量は５．０％以下とする。Ｗ含有量は３．０％以上であるのが好ましく、４．５％以下であるのが好ましい。
Ｗは、Ｍｏと比べて、σ相などの金属間化合物の生成が少なく、耐食性、特に耐孔食性および耐隙間腐食性を向上させる元素である。また、鋼の高強度化にも非常に有効な元素であり、Ｗを適量含有させれば、ＣｒおよびＭｏさらにはＮの含有量を増やさずに高い耐食性を確保することができる。母材と同等の強度および耐食性を確保するためには、Ｗを２．８％以上含有させる必要がある。しかし、Ｗを過剰に含有させても耐食性の向上効果は飽和し、原料コストが増加するため、Ｗの含有量は５．０％以下とする。Ｗ含有量は３．０％以上であるのが好ましく、４．５％以下であるのが好ましい。
Ｎ：０．２４〜０．４０％
Ｎは、強力なオーステナイト生成元素であり、二相ステンレス鋼の熱的安定性および耐食性の向上ならびに高強度化に有効な元素である。フェライト相とオーステナイト相とのバランスを適正なものにするために、フェライト生成元素であるＣｒおよびＭｏの含有量との関係でＮを適量含有させる必要がある。Ｎは、Ｃｒ、ＭｏおよびＷと同様に合金の耐食性を向上させる効果も有する。そのため、Ｎを０．２４％以上含有させる必要がある。一方、その含有量が過剰になると、ブローホールの発生による欠陥、溶接時の熱影響による窒化物生成等により鋼の靱性および耐食性を劣化させる。したがって、Ｎの含有量は０．４０％以下とする。Ｎは０．３０％を超えて含有させるのが好ましく、０．３２％を超えて含有させるのがより好ましい。
Ｎは、強力なオーステナイト生成元素であり、二相ステンレス鋼の熱的安定性および耐食性の向上ならびに高強度化に有効な元素である。フェライト相とオーステナイト相とのバランスを適正なものにするために、フェライト生成元素であるＣｒおよびＭｏの含有量との関係でＮを適量含有させる必要がある。Ｎは、Ｃｒ、ＭｏおよびＷと同様に合金の耐食性を向上させる効果も有する。そのため、Ｎを０．２４％以上含有させる必要がある。一方、その含有量が過剰になると、ブローホールの発生による欠陥、溶接時の熱影響による窒化物生成等により鋼の靱性および耐食性を劣化させる。したがって、Ｎの含有量は０．４０％以下とする。Ｎは０．３０％を超えて含有させるのが好ましく、０．３２％を超えて含有させるのがより好ましい。
Ａｌ：０．０４％以下
Ａｌは、強脱酸元素であり、鋼の高強度化にも寄与する。しかし、その含有量が過剰な場合、脆化相の析出を誘発し、延性および靭性を低下させる。そのため、Ａｌの含有量は０．０４％以下とする。上記の効果を得たい場合には、Ａｌを０．００１％以上含有させるのが好ましい。
Ａｌは、強脱酸元素であり、鋼の高強度化にも寄与する。しかし、その含有量が過剰な場合、脆化相の析出を誘発し、延性および靭性を低下させる。そのため、Ａｌの含有量は０．０４％以下とする。上記の効果を得たい場合には、Ａｌを０．００１％以上含有させるのが好ましい。
ＳＥＷ：４８５以上
Ｃｒ、Ｃ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗ、ＮおよびＣｕは高強度化に有効な元素であり、下記（i）式で表される強度指数ＳＥＷが４８５以上となる溶接材料を用いることで、耐食性に優れた高強度の溶接金属を得ることができる。より高強度の溶接金属を得るためには、ＳＥＷは５２０以上であるのが好ましい。ＳＥＷの上限は特に設けないが、高強度化による熱間加工性または伸線性の低下を抑制するため、ＳＥＷは７２０以下であるのが好ましい。
ＳＥＷ＝１４Ｃｒ＋５Ｍｎ＋１０Ｍｏ＋６０Ｃｕ＋５０（Ｃ＋Ｎ）＋２０Ｗ・・・（i）
ただし、（i）式中の各元素記号は、各元素の含有量（質量％）を意味する。
Ｃｒ、Ｃ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗ、ＮおよびＣｕは高強度化に有効な元素であり、下記（i）式で表される強度指数ＳＥＷが４８５以上となる溶接材料を用いることで、耐食性に優れた高強度の溶接金属を得ることができる。より高強度の溶接金属を得るためには、ＳＥＷは５２０以上であるのが好ましい。ＳＥＷの上限は特に設けないが、高強度化による熱間加工性または伸線性の低下を抑制するため、ＳＥＷは７２０以下であるのが好ましい。
ＳＥＷ＝１４Ｃｒ＋５Ｍｎ＋１０Ｍｏ＋６０Ｃｕ＋５０（Ｃ＋Ｎ）＋２０Ｗ・・・（i）
ただし、（i）式中の各元素記号は、各元素の含有量（質量％）を意味する。
ＰＲＥＷ：４２以上
上記の高強度化に有効な元素のうち、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＮの各元素については、本発明の二相ステンレス鋼用溶接材料は、耐食性、特に耐海水腐食性を改善するため、下記（ii）式で表される耐孔食性指数ＰＲＥＷが４２以上である必要がある。ＰＲＥＷの上限は特に設けないが、高強度化による熱間加工性または伸線性の低下を抑制するため、ＰＲＥＷは５２以下であるのが好ましい。
ＰＲＥＷ＝Ｃｒ＋３．３（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１６Ｎ・・・（ii）
ただし、（ii）式中の各元素記号は、各元素の含有量（質量％）を意味する。
上記の高強度化に有効な元素のうち、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＮの各元素については、本発明の二相ステンレス鋼用溶接材料は、耐食性、特に耐海水腐食性を改善するため、下記（ii）式で表される耐孔食性指数ＰＲＥＷが４２以上である必要がある。ＰＲＥＷの上限は特に設けないが、高強度化による熱間加工性または伸線性の低下を抑制するため、ＰＲＥＷは５２以下であるのが好ましい。
ＰＲＥＷ＝Ｃｒ＋３．３（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１６Ｎ・・・（ii）
ただし、（ii）式中の各元素記号は、各元素の含有量（質量％）を意味する。
本発明に係る二相ステンレス鋼用溶接材料は、上記の各元素を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなるものである。なお、「不純物」とは、二相ステンレス鋼用溶接材料を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
本発明に係る二相ステンレス鋼用溶接材料は、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらに以下に示す量のＣａ、ＭｇおよびＢから選択される１種以上を含有させても良い。
Ｃａ：０．０２％以下
Ｍｇ：０．０２％以下
Ｂ：０．０２％以下
Ｃａ、ＭｇおよびＢはいずれも、不純物のＳが結晶粒界に偏析するのを抑制して、熱間加工性を向上させる元素であるので、本発明に係る二相ステンレス鋼用溶接材料に含有させても良い。しかし、これらの含有量が過剰な場合、鋼中に孔食の起点となる硫化物、酸化物、炭化物および窒化物が多く生成し、耐食性が劣化する。したがって、これらの元素から選択される一種以上を含有させる場合には、Ｃａ、ＭｇおよびＢを０．０２％以下の範囲で含有させることが好ましい。上記の熱間加工性向上の効果を得るためには、Ｃａ、ＭｇおよびＢをそれぞれ０．０００３％以上含有させるのが好ましい。上記のＣａ、ＭｇおよびＢは、そのうちのいずれか１種のみ、または２種以上の複合で含有することができる。これらの元素の２種以上を含有させる場合には、その合計含有量は０．０４％以下とすることが好ましい。
Ｍｇ：０．０２％以下
Ｂ：０．０２％以下
Ｃａ、ＭｇおよびＢはいずれも、不純物のＳが結晶粒界に偏析するのを抑制して、熱間加工性を向上させる元素であるので、本発明に係る二相ステンレス鋼用溶接材料に含有させても良い。しかし、これらの含有量が過剰な場合、鋼中に孔食の起点となる硫化物、酸化物、炭化物および窒化物が多く生成し、耐食性が劣化する。したがって、これらの元素から選択される一種以上を含有させる場合には、Ｃａ、ＭｇおよびＢを０．０２％以下の範囲で含有させることが好ましい。上記の熱間加工性向上の効果を得るためには、Ｃａ、ＭｇおよびＢをそれぞれ０．０００３％以上含有させるのが好ましい。上記のＣａ、ＭｇおよびＢは、そのうちのいずれか１種のみ、または２種以上の複合で含有することができる。これらの元素の２種以上を含有させる場合には、その合計含有量は０．０４％以下とすることが好ましい。
２．母材の化学組成
本発明に係る溶接材料は二相ステンレス鋼の溶接に用いられるものである。母材については二相ステンレス鋼であれば特に制限はないが、優れた耐食性およびσ相析出抑制効果を有する高強度の溶接金属を得るためには、例えば、質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．００８％以下、Ｃｕ：０．２〜２．０％、Ｎｉ：５．０〜６．５％、Ｃｒ：２３．０〜２７．０％、Ｍｏ：２．５〜３．５％、Ｗ：１．５〜４．０％、Ｎ：０．２４〜０．４０％およびＡｌ：０．０４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記（ii）式で表わされる耐孔食性指数ＰＲＥＷが４０以上である化学組成を有する二相ステンレス鋼母材を用いるのが好ましい。
ＰＲＥＷ＝Ｃｒ＋３．３（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１６Ｎ・・・（ii）
ただし、（ii）式中の各元素記号は、各元素の含有量（質量％）を意味する。
本発明に係る溶接材料は二相ステンレス鋼の溶接に用いられるものである。母材については二相ステンレス鋼であれば特に制限はないが、優れた耐食性およびσ相析出抑制効果を有する高強度の溶接金属を得るためには、例えば、質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．００８％以下、Ｃｕ：０．２〜２．０％、Ｎｉ：５．０〜６．５％、Ｃｒ：２３．０〜２７．０％、Ｍｏ：２．５〜３．５％、Ｗ：１．５〜４．０％、Ｎ：０．２４〜０．４０％およびＡｌ：０．０４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記（ii）式で表わされる耐孔食性指数ＰＲＥＷが４０以上である化学組成を有する二相ステンレス鋼母材を用いるのが好ましい。
ＰＲＥＷ＝Ｃｒ＋３．３（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１６Ｎ・・・（ii）
ただし、（ii）式中の各元素記号は、各元素の含有量（質量％）を意味する。
なお、「不純物」とは、二相ステンレス鋼を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．０３％以下
Ｃは、オーステナイト相を安定化させるのに有効な元素である。しかし、その含有量が過剰な場合、炭化物が析出しやすくなり、耐食性が劣化する場合がある。したがって、Ｃの含有量は０．０３％以下であるのが好ましい。Ｃ含有量は０．０２％以下であるのがより好ましい。
Ｃは、オーステナイト相を安定化させるのに有効な元素である。しかし、その含有量が過剰な場合、炭化物が析出しやすくなり、耐食性が劣化する場合がある。したがって、Ｃの含有量は０．０３％以下であるのが好ましい。Ｃ含有量は０．０２％以下であるのがより好ましい。
Ｓｉ：０．３％以下
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効な元素である。しかし、その含有量が過剰な場合、σ相の生成が促進されるおそれがある。そのため、Ｓｉの含有量は０．３％以下であるのが好ましい。Ｓｉ含有量は０．２５％以下であるのがより好ましい。上記の効果は微量でも発揮されるが、特に、Ｓｉを脱酸剤として用いる場合には０．０１％以上含有させることが好ましい。
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効な元素である。しかし、その含有量が過剰な場合、σ相の生成が促進されるおそれがある。そのため、Ｓｉの含有量は０．３％以下であるのが好ましい。Ｓｉ含有量は０．２５％以下であるのがより好ましい。上記の効果は微量でも発揮されるが、特に、Ｓｉを脱酸剤として用いる場合には０．０１％以上含有させることが好ましい。
Ｍｎ：３．０％以下
Ｍｎは、溶製時の脱硫および脱酸に有効な元素であるとともに、オーステナイト相の安定化に有効な元素である。Ｍｎは、さらに熱間加工性の向上に寄与する。また、ＭｎにはＮの溶解度を大きくする作用がある。しかし、その含有量が過剰な場合、耐食性を劣化させる場合がある。したがって、Ｍｎの含有量は３．０％以下であるのが好ましい。Ｍｎ含有量は２．５％以下であるのがより好ましい。上記の効果は微量でも発揮されるが、特に、Ｍｎを脱硫または脱酸のために含有させる場合には、０．０１％以上含有させることが好ましい。
Ｍｎは、溶製時の脱硫および脱酸に有効な元素であるとともに、オーステナイト相の安定化に有効な元素である。Ｍｎは、さらに熱間加工性の向上に寄与する。また、ＭｎにはＮの溶解度を大きくする作用がある。しかし、その含有量が過剰な場合、耐食性を劣化させる場合がある。したがって、Ｍｎの含有量は３．０％以下であるのが好ましい。Ｍｎ含有量は２．５％以下であるのがより好ましい。上記の効果は微量でも発揮されるが、特に、Ｍｎを脱硫または脱酸のために含有させる場合には、０．０１％以上含有させることが好ましい。
Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは、鋼中に不可避的に混入する不純物元素である。その含有量が過剰な場合、耐食性および靱性の劣化が著しくなるおそれがある。したがって、Ｐの含有量は０．０４０％以下であるのが好ましい。Ｐ含有量は０．０３０％以下であるのがより好ましい。
Ｐは、鋼中に不可避的に混入する不純物元素である。その含有量が過剰な場合、耐食性および靱性の劣化が著しくなるおそれがある。したがって、Ｐの含有量は０．０４０％以下であるのが好ましい。Ｐ含有量は０．０３０％以下であるのがより好ましい。
Ｓ：０．００８％以下
Ｓは、Ｐと同様、鋼中に不可避的に混入する不純物元素であり、鋼の熱間加工性を劣化させるおそれがある。また、硫化物は孔食の発生起点となり耐孔食性を劣化させる場合がある。そのため、そのため、Ｓの含有量は少ない方が良く、０．００８％以下であるのが好ましい。Ｓ含有量は０．００５％以下であるのが好ましい。
Ｓは、Ｐと同様、鋼中に不可避的に混入する不純物元素であり、鋼の熱間加工性を劣化させるおそれがある。また、硫化物は孔食の発生起点となり耐孔食性を劣化させる場合がある。そのため、そのため、Ｓの含有量は少ない方が良く、０．００８％以下であるのが好ましい。Ｓ含有量は０．００５％以下であるのが好ましい。
Ｃｕ：０．２〜２．０％
Ｃｕは、還元性の低いとされる低ｐＨ環境、例えば、Ｈ２ＳＯ４またはＨ２Ｓ環境での耐食性向上に特に有効な元素である。これらの効果を得るためには、Ｃｕを０．２％以上含有させるのが好ましい。しかし、その含有量が過剰な場合、熱間加工性を劣化させるだけでなく、σ相の生成を促進するおそれがある。そのため、Ｃｕ含有量は２．０％以下であるのが好ましい。Ｃｕ含有量は０．３％以上であるのがより好ましく、０．４％以上であるのがさらに好ましい。また、Ｃｕ含有量は１．５％以下であるのがより好ましく、０．８％以下であるのがさらに好ましい。
Ｃｕは、還元性の低いとされる低ｐＨ環境、例えば、Ｈ２ＳＯ４またはＨ２Ｓ環境での耐食性向上に特に有効な元素である。これらの効果を得るためには、Ｃｕを０．２％以上含有させるのが好ましい。しかし、その含有量が過剰な場合、熱間加工性を劣化させるだけでなく、σ相の生成を促進するおそれがある。そのため、Ｃｕ含有量は２．０％以下であるのが好ましい。Ｃｕ含有量は０．３％以上であるのがより好ましく、０．４％以上であるのがさらに好ましい。また、Ｃｕ含有量は１．５％以下であるのがより好ましく、０．８％以下であるのがさらに好ましい。
Ｎｉ：５．０〜６．５％
Ｎｉは、オーステナイトを安定化させるために有効な元素である。Ｎｉ含有量が低いとフェライト量が多くなり過ぎて、二相ステンレス鋼としての特長が失われる。また、フェライト中へのＮの固溶度は小さいため、フェライト量が多くなると窒化物が析出しやすくなり耐食性が劣化する場合がある。そのため、Ｎｉは、５．０％以上含有させるのが好ましい。一方、Ｎｉ含有量が過剰な場合、σ相の析出が容易になり靱性が劣化するおそれがある。したがって、Ｎｉ含有量は、６．５％以下であるのが好ましい。Ｎｉ含有量は５．３％以上であるのがより好ましく、６．０％以下であるのがより好ましい。
Ｎｉは、オーステナイトを安定化させるために有効な元素である。Ｎｉ含有量が低いとフェライト量が多くなり過ぎて、二相ステンレス鋼としての特長が失われる。また、フェライト中へのＮの固溶度は小さいため、フェライト量が多くなると窒化物が析出しやすくなり耐食性が劣化する場合がある。そのため、Ｎｉは、５．０％以上含有させるのが好ましい。一方、Ｎｉ含有量が過剰な場合、σ相の析出が容易になり靱性が劣化するおそれがある。したがって、Ｎｉ含有量は、６．５％以下であるのが好ましい。Ｎｉ含有量は５．３％以上であるのがより好ましく、６．０％以下であるのがより好ましい。
Ｃｒ：２３．０〜２７．０％
Ｃｒは、耐食性および強度を確保するために有効な元素である。Ｃｒ含有量が低いと、いわゆるスーパー二相ステンレス鋼といえるだけの耐食性が得られない。したがって、Ｃｒは２３．０％以上含有させるのが好ましい。一方、Ｃｒの含有量が過剰な場合、σ相の析出が顕著になり、耐食性の低下とともに、熱間加工性の低下および溶接性の劣化を招くおそれがある。したがって、Ｃｒ含有量は２７．０％以下であるのが好ましい。Ｃｒ含有量は２５．０％以上であるのがより好ましく、２６．０％以下であるのがより好ましい。
Ｃｒは、耐食性および強度を確保するために有効な元素である。Ｃｒ含有量が低いと、いわゆるスーパー二相ステンレス鋼といえるだけの耐食性が得られない。したがって、Ｃｒは２３．０％以上含有させるのが好ましい。一方、Ｃｒの含有量が過剰な場合、σ相の析出が顕著になり、耐食性の低下とともに、熱間加工性の低下および溶接性の劣化を招くおそれがある。したがって、Ｃｒ含有量は２７．０％以下であるのが好ましい。Ｃｒ含有量は２５．０％以上であるのがより好ましく、２６．０％以下であるのがより好ましい。
Ｍｏ：２．５〜３．５％
Ｍｏは、Ｃｒと同様、耐食性の向上、特に耐孔食性および耐隙間腐食性の向上に有効な元素である。また、鋼の高強度化にも有効な元素である。そのため、Ｍｏを２．５％以上含有させるのが好ましい。一方、その含有量が過剰な場合、σ相が析出しやすくなる。そのため、Ｍｏ含有量は３．５％以下であるのが好ましい。Ｍｏ含有量は、２．７％以上であるのがより好ましい。また、Ｍｏ含有量は３．２％以下であるのがより好ましく、３．０％未満であるのがさらに好ましい。
Ｍｏは、Ｃｒと同様、耐食性の向上、特に耐孔食性および耐隙間腐食性の向上に有効な元素である。また、鋼の高強度化にも有効な元素である。そのため、Ｍｏを２．５％以上含有させるのが好ましい。一方、その含有量が過剰な場合、σ相が析出しやすくなる。そのため、Ｍｏ含有量は３．５％以下であるのが好ましい。Ｍｏ含有量は、２．７％以上であるのがより好ましい。また、Ｍｏ含有量は３．２％以下であるのがより好ましく、３．０％未満であるのがさらに好ましい。
Ｗ：１．５〜４．０％
Ｗは、Ｍｏと比べて、σ相などの金属間化合物の生成が少なく、耐食性、特に耐孔食性および耐隙間腐食性を向上させる元素である。また、鋼の高強度化にも非常に有効な元素であり、Ｗを適量含有させれば、ＣｒおよびＭｏさらにはＮの含有量を増やさずに高い耐食性を確保することができる。母材と同等の強度および耐食性を確保するためには、Ｗを１．５％以上含有させるのが好ましい。しかし、Ｗを過剰に含有させても耐食性の向上効果は飽和する。したがって、Ｗの含有量は４．０％以下であるのが好ましい。Ｗ含有量は１．８％以上であるのがより好ましく、２．０％以上であるのがさらに好ましい。また、Ｗ含有量は３．８％以下であるのがより好ましい。
Ｗは、Ｍｏと比べて、σ相などの金属間化合物の生成が少なく、耐食性、特に耐孔食性および耐隙間腐食性を向上させる元素である。また、鋼の高強度化にも非常に有効な元素であり、Ｗを適量含有させれば、ＣｒおよびＭｏさらにはＮの含有量を増やさずに高い耐食性を確保することができる。母材と同等の強度および耐食性を確保するためには、Ｗを１．５％以上含有させるのが好ましい。しかし、Ｗを過剰に含有させても耐食性の向上効果は飽和する。したがって、Ｗの含有量は４．０％以下であるのが好ましい。Ｗ含有量は１．８％以上であるのがより好ましく、２．０％以上であるのがさらに好ましい。また、Ｗ含有量は３．８％以下であるのがより好ましい。
Ｎ：０．２４〜０．４０％
Ｎは、強力なオーステナイト生成元素であり、二相ステンレス鋼の熱的安定性および耐食性の向上ならびに高強度化に有効な元素である。フェライト相とオーステナイト相とのバランスを適正なものにするために、フェライト生成元素であるＣｒおよびＭｏの含有量との関係でＮを適量含有させるのが好ましい。Ｎは、Ｃｒ、ＭｏおよびＷと同様に合金の耐食性を向上させる効果も有する。そのため、Ｎを０．２４％以上含有させるのが好ましい。一方、その含有量が過剰になると、ブローホールの発生による欠陥、溶接時の熱影響による窒化物生成等により鋼の靱性および耐食性を劣化させるおそれがある。したがって、Ｎの含有量は０．４０％以下であるのが好ましい。Ｎは０．３０％を超えて含有させるのがより好ましく、０．３２％を超えて含有させるのがさらに好ましい。
Ａｌ：０．０４％以下
Ａｌは、強脱酸元素であり、鋼の高強度化にも寄与する。しかし、その含有量が過剰な場合、脆化相の析出を誘発し、延性および靭性を低下させる場合がある。そのため、Ａｌの含有量は０．０４％以下であるのが好ましい。
Ｎは、強力なオーステナイト生成元素であり、二相ステンレス鋼の熱的安定性および耐食性の向上ならびに高強度化に有効な元素である。フェライト相とオーステナイト相とのバランスを適正なものにするために、フェライト生成元素であるＣｒおよびＭｏの含有量との関係でＮを適量含有させるのが好ましい。Ｎは、Ｃｒ、ＭｏおよびＷと同様に合金の耐食性を向上させる効果も有する。そのため、Ｎを０．２４％以上含有させるのが好ましい。一方、その含有量が過剰になると、ブローホールの発生による欠陥、溶接時の熱影響による窒化物生成等により鋼の靱性および耐食性を劣化させるおそれがある。したがって、Ｎの含有量は０．４０％以下であるのが好ましい。Ｎは０．３０％を超えて含有させるのがより好ましく、０．３２％を超えて含有させるのがさらに好ましい。
Ａｌ：０．０４％以下
Ａｌは、強脱酸元素であり、鋼の高強度化にも寄与する。しかし、その含有量が過剰な場合、脆化相の析出を誘発し、延性および靭性を低下させる場合がある。そのため、Ａｌの含有量は０．０４％以下であるのが好ましい。
ＰＲＥＷ：４０以上
Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＮの各元素は、下記（ii）式で表される耐孔食性指数ＰＲＥＷが４０以上であることが好ましい。これにより、著しく優れた耐食性を得ることができる。
ＰＲＥＷ＝Ｃｒ＋３．３（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１６Ｎ・・・（ii）
ただし、（ii）式中の各元素記号は、各元素の含有量（質量％）を意味する。
Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＮの各元素は、下記（ii）式で表される耐孔食性指数ＰＲＥＷが４０以上であることが好ましい。これにより、著しく優れた耐食性を得ることができる。
ＰＲＥＷ＝Ｃｒ＋３．３（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１６Ｎ・・・（ii）
ただし、（ii）式中の各元素記号は、各元素の含有量（質量％）を意味する。
本発明に係る溶接材料を用いる二相ステンレス鋼母材は、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらにＣａ：０．０２％以下、Ｍｇ：０．０２％以下、Ｂ：０．０２％以下および希土類元素：０．２％以下から選択される１種以上を含有させても良い。
Ｃａ：０．０２％以下
Ｍｇ：０．０２％以下
Ｂ：０．０２％以下
希土類元素：０．２％以下
Ｃａ、Ｍｇ、Ｂおよび希土類元素はいずれも、不純物のＳが結晶粒界に偏析するのを抑制して、熱間加工性を向上させる元素であるので、本発明に係る溶接材料を用いる二相ステンレス鋼母材に含有させても良い。しかし、これらの含有量が過剰な場合、鋼中に孔食の起点となる硫化物、酸化物、炭化物および窒化物が多く生成し、耐食性が劣化するおそれがある。したがって、これらの元素から選択される一種以上を含有させる場合には、Ｃａ、ＭｇおよびＢについては０．０２％以下、希土類元素については０．２％以下の範囲で含有させることが好ましい。上記の熱間加工性向上の効果を得るためには、Ｃａ、ＭｇおよびＢについてはそれぞれ０．０００３％以上、希土類元素については０．０１％以上含有させるのが好ましい。上記のＣａ、Ｍｇ、Ｂおよび希土類元素は、そのうちのいずれか１種のみ、または２種以上の複合で含有することができる。これらの元素の２種以上を含有させる場合には、その合計含有量は０．２５％以下とすることが好ましい。
Ｍｇ：０．０２％以下
Ｂ：０．０２％以下
希土類元素：０．２％以下
Ｃａ、Ｍｇ、Ｂおよび希土類元素はいずれも、不純物のＳが結晶粒界に偏析するのを抑制して、熱間加工性を向上させる元素であるので、本発明に係る溶接材料を用いる二相ステンレス鋼母材に含有させても良い。しかし、これらの含有量が過剰な場合、鋼中に孔食の起点となる硫化物、酸化物、炭化物および窒化物が多く生成し、耐食性が劣化するおそれがある。したがって、これらの元素から選択される一種以上を含有させる場合には、Ｃａ、ＭｇおよびＢについては０．０２％以下、希土類元素については０．２％以下の範囲で含有させることが好ましい。上記の熱間加工性向上の効果を得るためには、Ｃａ、ＭｇおよびＢについてはそれぞれ０．０００３％以上、希土類元素については０．０１％以上含有させるのが好ましい。上記のＣａ、Ｍｇ、Ｂおよび希土類元素は、そのうちのいずれか１種のみ、または２種以上の複合で含有することができる。これらの元素の２種以上を含有させる場合には、その合計含有量は０．２５％以下とすることが好ましい。
なお、希土類元素は、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、これらの元素から選択される一種以上を含有させることができる。希土類元素の含有量は上記元素の合計量を意味する。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
表１に示す化学組成を有する二相ステンレス鋼をＶＩＭ溶解炉にて３０ｋｇ溶製し、熱間鍛造および熱間圧延後、１１００℃で３０ｍｉｎの固溶化熱処理を実施し、水冷した。その後、厚さ８ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２５０ｍｍの試験片を採取した。また同じ溶製材を通常の方法で熱間鍛造した後、途中で固溶化熱処理を繰返しながら冷間加工して、直径が０．８ｍｍのソリッドワイヤ（巻き線）からなる溶接材料を作製した。
表２に示す化学組成を有する二相ステンレス鋼チューブ（外径１５．３ｍｍ、肉厚１．７ｍｍ）に対して、表１に示す化学組成を有する直径０．８ｍｍのソリッドワイヤを用いてＴＩＧにて突き合わせ周溶接を実施し、管状引張り試験を実施した。この際、始終端を除く全周にて表裏波ビード高さが２ｍｍ以下となるよう溶接条件を制御した。本発明の評価としては母材破断となる場合を良好、溶接金属破断となる場合を不良とした。また、溶接継手より孔食試験片を採取し溶接金属の臨界孔食発生温度ＣＰＴを測定した。孔食試験は、ＡＳＴＭ Ｇ４８に規定されている塩化第二鉄による孔食試験方法に準拠した。本発明ではＣＰＴが５０℃を超えていれば良好な結果であると判断した。これらの結果を表３に示す。
また、溶接金属の強度を、以下の方法により評価した。表１に示す化学組成を有する前記の厚さ８ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２５０ｍｍの試験片の表裏面に６０°Ｖ開先加工を施した後、その試験片の表裏面それぞれにプラズマ溶接にてメルトラン溶接を実施し、得られた溶接金属の中心部より引張り試験片を溶接線方向から採取した。その後、室温にて引張り試験を実施した。その結果を表３に併せて示す。本発明における評価基準としては０．２％耐力にて６００ＭＰａ以上であれば◎、５７０ＭＰａ以上６００ＭＰａ未満であれば○、５７０ＭＰａ未満であれば×とした。
本発明の規定を満足する溶接材料Ａ〜Ｈでは、母材との組み合わせにて得られた溶接継手の管状引張り試験において、いずれも母材破断となり、母材と同等以上の強度を有することが分かった。また、耐孔食性指数ＰＲＥＷの値が４２以上であるため、ＣＰＴが５０℃を超えて良好な耐孔食性を有する。さらに、溶接材料Ａ〜Ｈを用いて得られた溶接金属の強度は、いずれも０．２％耐力で５７０ＭＰａ以上と高い結果となった。
一方、耐孔食性指数ＰＲＥＷは本発明の規定を満足するものの、強度指数ＳＥＷが規定から外れる比較例Ｉでは、ＣＰＴが５０℃を超えて耐孔食性には優れるものの、管状引張り試験において溶接金属にて破断し、溶接金属の０．２％耐力が５７０ＭＰａ未満と低い結果となった。
また、強度指数ＳＥＷは本発明の規定を満足するものの、耐孔食性指数ＰＲＥＷが規定から外れる比較例Ｊでは、管状引張り試験において母材にて破断し、溶接金属の０．２％耐力も５７０ＭＰa以上であるものの、ＣＰＴは５０℃と低くなり、耐孔食性に劣る結果となった。
本発明によれば、高い耐孔食性を確保しつつ、高強度化した溶接材料を用いて二相ステンレス鋼の溶接を行うことで、優れた耐孔食性およびσ相の析出抑制効果を有し、高濃度のＭｏおよびＷを含有する高強度二相ステンレス鋼溶接継手を得ることができる。
Claims (3)
- 質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．００８％以下、Ｃｕ：０．２〜２．０％、Ｎｉ：５．０〜６．５％、Ｃｒ：２３．０〜２６．０％、Ｍｏ：２．５〜３．５％、Ｗ：１．５〜４．０％、Ｎ：０．２４〜０．４０％およびＡｌ：０．０４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記（ii）式で表わされる耐孔食性指数ＰＲＥＷが４０以上である化学組成を有する二相ステンレス鋼母材の溶接に用いられる溶接材料であって、
質量％で、Ｃ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．２３〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｕ：０．４〜４．０％、Ｎｉ：６．０〜１２．０％、Ｃｒ：２５．５〜３０．０％、Ｍｏ：２．０〜４．０％、Ｗ：２．８〜５．０％、Ｎ：０．２４〜０．４０％およびＡｌ：０．０４％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記（i）式で表わされる強度指数ＳＥＷが４８５以上であり、かつ、下記（ii）式で表わされる耐孔食性指数ＰＲＥＷが４２以上であることを特徴とする二相ステンレス鋼用溶接材料。
ＳＥＷ＝１４Ｃｒ＋５Ｍｎ＋１０Ｍｏ＋６０Ｃｕ＋５０（Ｃ＋Ｎ）＋２０Ｗ・・・（i）
ＰＲＥＷ＝Ｃｒ＋３．３（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１６Ｎ・・・（ii）
ただし、（i）式および（ii）式中の各元素記号は、各元素の含有量（質量％）を意味する。 - 前記溶接材料が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらにＣａ：０．０２％以下、Ｍｇ：０．０２％以下およびＢ：０．０２％以下から選択される１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の二相ステンレス鋼用溶接材料。
- 前記二相ステンレス鋼母材が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらにＣａ：０．０２％以下、Ｍｇ：０．０２％以下、Ｂ：０．０２％以下および希土類元素：０．２％以下から選択される１種以上を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の二相ステンレス鋼用溶接材料。
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