JP6442852B2 - 二相ステンレス鋼溶接継手 - Google Patents
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C:0.03%以下、
Si:0.41%以下、
Mn:1.0%以下、
P:0.04%以下、
S:0.003%以下、
Cr:21%以上29%未満、
Ni:4.0〜10.5%、
Mo:0.8〜4.0%、
N:0.1%を超え0.4%以下、
sol.Al:0.040%以下、
W:0〜4.0%、
Cu:0〜4.0%、
B:0〜0.005%、
REM:0〜0.2%、
残部:Feおよび不純物であり、
下記の(1)式から求められるオーステナイト指数aが0.1〜0.4であり、
Mn/N≧2.667を満足し、かつ、
下記(2)式から求められるPF指数が1.0以下であり、
母材および溶接金属の表面に形成された酸化スケール厚さが500nm以下であり、
Cr+3.3(Mo+0.5W)+16Nから算出されるPREWが32.9以上である、二相ステンレス鋼溶接継手。
a={Ni+30(C+N)−0.6(Cr+1.5Si+Mo)+5.6}/{Cr+1.5Si+Mo−6} (1)
PF=Mn×(100Pb+50Sb+30Zn+40As) (2)
ただし、上記式中の各元素記号は、それぞれの元素の含有量(質量%)を意味する。
Cu:0.2〜2.0%を含む、
上記(1)の二相ステンレス鋼溶接継手。
B:0.0005〜0.005%および
REM:0.0005〜0.2%から選択される一種以上を含む、
上記(1)または(2)の二相ステンレス鋼溶接継手。
Cは、オーステナイト相を安定化するのに有効な元素である。しかし、その含有量が0.03%を超えると炭化物が析出しやすくなり、耐食性が劣化する。よって、Cの含有量は0.03%以下とする。好ましくは0.02%以下である。上記の効果は、その含有量が不純物レベルでも発揮されるが、特に、0.005%以上とするのが好ましい。
Siは、鋼の脱酸に有効であるが、その含有量が過剰な場合、金属間化合物(シグマ相等)の生成を促進する。したがって、その含有量は0.5%以下とする。上記の効果は、その含有量が不純物レベルでも発揮されるが、特に、0.05%以上とするのが好ましい。
Mnは、二相ステンレス鋼の溶製時の脱硫および脱酸効果によって熱間加工性を向上させる。また、Nの固溶度を大きくして溶接部での窒化物析出を抑制する。しかし、その含有量が過剰な場合、耐食性を劣化させるので、その含有量は2%以下とする。好ましくは1.0%以下である。上記の効果は、その含有量が不純物レベルでも発揮されるが、特に、Nとの関係で、Mn/N≧2を満足する必要がある。また、特に、0.2%以上とするのが好ましい。
Pは、鋼中に不可避的に混入する不純物元素であり、その含有量が0.04%を超えると耐食性、靱性の劣化が著しくなる。よって、Pは0.04%を上限とする。
Sも鋼中に不可避的に混入する不純物元素で、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損なう。これらの悪影響を避けるため、その含有量を0.003%以下に抑える。
Crは、耐食性を維持するために有効な基本成分である。その含有量が21.0%未満では、耐孔食性が不十分である。一方、Crの含有量が29.0%以上の場合、金属間化合物(シグマ相等)の析出が顕著になり、熱間加工性の低下および溶接性の劣化を招く。よって、Cr含有量は21%以上29%未満とする。好ましい下限は23%であり、好ましい上限は27%である。
Niは、オーステナイトを安定化するために必須の成分であるが、その含有量が10.5%を超えるとフェライト量の減少により二相ステンレス鋼の基本的な性質が確保しにくくなり、またシグマ相等の析出が容易になる。一方、Niの含有量が4.0%より少ないとフェライト量が多くなり過ぎて同じく二相ステンレス鋼の特徴が失われる。また、フェライト中へのNの固溶度が小さいため窒化物が析出して耐食性が劣化する。よって、Ni含有量は、4.0〜10.5%とする。好ましい下限は5.0%であり、好ましい上限は9.5%である。
Moは、Crと同様に耐食性の向上に非常に有効な成分である。特に耐孔食性および耐隙間腐食性を高めるためには、その含有量を0.8%以上とする必要がある。1.5%以上とするのが好ましく、2%以上とするのがより好ましい。一方、Moを過剰に含有させると、製造中の素材の脆化の原因になり、Crと同様に金属間化合物の析出を容易にする作用が強い。従って、Moの含有量の上限は4.0%とする。好ましい上限は3.5%である。
Nは、強力なオーステナイト生成元素で、二相ステンレス鋼の熱的安定性と耐食性の向上に有効である。フェライト生成元素であるCr、Moを多量に含有させる本発明においては、フェライトとオーステナイトの二相のバランスを適正なものにするために、0.1%を超えるNを含有させる必要がある。
Alは、鋼の脱酸剤として有効であるが、鋼中のN量が高い場合にはAlN(窒化アルミニウム)として析出し、靱性および耐食性を劣化させる。さらには、酸化物を形成し、シグマ相の核生成サイトとなる。従って、Alは、酸可溶Al(sol.Al)の含有量として0.040%以下に抑える。本発明では、Siの多量の含有は避けているので、脱酸剤としてAlを用い場合が多いが、真空溶解を行う場合には必ずしもAlを含有させなくてもよい。好ましい上限は0.03%である。なお、Al含有量は極力少ないことが好ましいが、あまりに低減することは製造コストを上昇させる。このため、Alの下限は0.001%とすることが好ましい。
Wは、Moと同様、耐食性、特に孔食および隙間腐食への抵抗性を向上させる元素であり、就中、安定な酸化物を形成して、pHの低い環境で耐食性を向上させるのに有効な元素である。よって、Wを含有させてもよい。しかし、Wの含有量が4.0%を超えると、それに見合うだけの効果の増大はなく、徒にコストが嵩むだけである。よって、Wを含有させる場合には、その含有量を4.0%以下とする。好ましい下限は0.5%であり、好ましい上限は3.5%である。
Cuは、還元性の低pH環境、例えば、H2SO4または硫化水素環境での耐酸性の向上に特に有効な元素である。よって、Cuを含有させてもよい。しかし、Cuを過剰に含有させると、熱間加工性を劣化させる。よって、Cuを含有させる場合には、その含有量を4.0%以下とする。上記の効果を十分に得るためには0.2%以上含有させるのが好ましい。好ましい上限は3.0%である。
REM:0〜0.2%
本発明の二相ステンレス鋼は、S含有量を低く抑えており、Wを多量に含有させたとしても、これはシグマ相等の生成を促進しないから、元来、熱間加工性は良好である。また、本発明の二相ステンレス鋼は、鋳物として使用することが可能であり、更に、粉末にしてプレス、焼結等の粉末冶金法で管等の製品にすることも可能である。このような製造方法による場合には熱間加工性はさして問題にならない。しかし、鍛造、圧延、押出し等の工程を経て製品にする場合には熱間加工性が優れていることが求められる。
二相ステンレス鋼は、特に溶接部における合金元素の量によりフェライト相とオーステナイト相の比が敏感に変動するため、各元素の含有量の範囲を特定するだけでは不十分であり、下記の(1)式から求められるオーステナイト指数aを0.1〜0.4の範囲とする必要がある。
a={Ni+30(C+N)−0.6(Cr+1.5Si+Mo)+5.6}/{Cr+1.5Si+Mo−6} (1)
ただし、上記式中の各元素記号は、それぞれの元素の含有量(質量%)を意味する。
溶接時に生成する酸化スケール中に鋼中からPb、Sb、ZnおよびAsが混入すると、MnおよびFeの濃度の高くなったCr酸化被膜に微細な亀裂が生じやすくなる。このような亀裂が生じると、腐食環境によっては被膜の損傷が生じやすくなり、耐孔食性が劣化する。しかし、溶接時のスケールが存在してもPb、Sb、Zn、Asの量をMn量に応じて適切な範囲に規制する、すなわち、下記(2)式から求められるPF指数を1.0以下とすれば、被膜の損傷を防止でき、耐孔食性の劣化が防止できる。
PF=Mn×(100Pb+50Sb+30Zn+40As) (2)
ただし、上記式中の各元素記号は、それぞれの元素の含有量(質量%)を意味する。
一方、溶接時の酸化スケール厚さが過大な例(BW1、BW2)、および、個々の元素の含有量の範囲は本発明で規定される範囲にあるが、PF、オーステナイト指数a、PF指数およびMn/Nのいずれかが本発明で規定される範囲を外れる母材を用いた例(BW3〜BW9)では、溶接熱影響部において孔食が発生し、母材にくらべてCPTは30℃以上低くなっており、溶接時の酸化スケールによる耐孔食性の劣化が顕著となっていた。また、母材が本発明で規定される要件を全て満たしていても、本発明で規定される要件を満足しない溶接材料を用いた例(BW10〜BW12)では、溶接金属の化学組成が本発明で規定される範囲を外れるため、溶接金属にて溶接時の酸化スケールによる耐孔食性の劣化が生じていた。
Claims (3)
- 母材および溶接金属の化学組成が、質量%で、
C:0.03%以下、
Si:0.41%以下、
Mn:1.0%以下、
P:0.04%以下、
S:0.003%以下、
Cr:21%以上29%未満、
Ni:4.0〜10.5%、
Mo:0.8〜4.0%、
N:0.1%を超え0.4%以下、
sol.Al:0.040%以下、
W:0〜4.0%、
Cu:0〜4.0%、
B:0〜0.005%、
REM:0〜0.2%、
残部:Feおよび不純物であり、
下記の(1)式から求められるオーステナイト指数aが0.1〜0.4であり、
Mn/N≧2.667を満足し、かつ、
下記(2)式から求められるPF指数が1.0以下であり、
母材および溶接金属の表面に形成された酸化スケール厚さが500nm以下であり、
Cr+3.3(Mo+0.5W)+16Nから算出されるPREWが32.9以上である、
二相ステンレス鋼溶接継手。
a={Ni+30(C+N)−0.6(Cr+1.5Si+Mo)+5.6}/{Cr+1.5Si+Mo−6} (1)
PF=Mn×(100Pb+50Sb+30Zn+40As) (2)
ただし、上記式中の各元素記号は、それぞれの元素の含有量(質量%)を意味する。 - 前記の化学組成が、
Cu:0.2〜2.0%を含む、
請求項1に記載の二相ステンレス鋼溶接継手。 - 前記の化学組成が、
B:0.0005〜0.005%および
REM:0.0005〜0.2%から選択される一種以上を含む、
請求項1または2に記載の二相ステンレス鋼溶接継手。
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