JP6566126B2 - 溶接構造部材 - Google Patents
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Description
本発明は、溶接構造部材に関する。
火力発電用、産業用などのボイラには、その燃料として石油、石炭などの化石燃料が用いられる。化石燃料は、硫黄（Ｓ）を含むため、燃焼すると排ガス中に硫黄酸化物（ＳＯｘ）が生成する。排ガスの温度が低下すると、ＳＯｘはガス中の水分と反応して硫酸となる。よって、露点温度以下にある部材表面で結露し、腐食（硫酸露点腐食）が生ずる。同様に、各種産業で使用される排煙脱硫装置においても、ＳＯｘを含む排ガスが流れる場合、その温度が低下すると硫酸露点腐食が生じる。従来、硫酸露点腐食を防止するために、排ガス温度を１５０℃以上に保持していた。
ところが、近年のエネルギー需要の増大とエネルギー有効利用の観点から、熱エネルギーをできるだけ有効に回収するため、例えば熱交換器からの排ガス温度を硫酸の露点以下まで低くする動きがあり、硫酸に対して抵抗性を有する材料が求められるようになった。
国際公開第９９／００９２３１号（特許文献１）には、高濃度の硫酸が凝結する環境（５０〜１００℃の温度で４０〜７０％の濃度の硫酸が結露する環境）での耐食性に優れるとともに良好な熱間加工性を有するオーステナイト系ステンレス鋼として、質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：１２〜２７％、Ｃｒ：１５〜２６％、Ｃｕ：３．０％を超えて８．０％以下、Ｍｏ：２．０％を超えて５．０％以下、Ｎｂ：１．０％以下、Ｔｉ：０．５％以下、Ｗ：５．０％以下、Ｚｒ：１．０％以下、Ａｌ：０．５％以下、Ｎ：０．０５％未満、Ｃａ：０．０１％以下、Ｂ：０．０１％以下、希土類元素：合計で０．０１％以下を含み、残部はＦｅおよび不可避不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。
特開平４−３４６６３８号公報（特許文献２）には、熱間加工性に優れた耐硫酸露点腐食ステンレス鋼として、質量で、Ｃ：０．０５０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：２．００％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ｎｉ：８．０〜３０％、Ｃｒ：１５〜２８％、Ｍｏ：３％を超え７％以下、Ｃｕ：２％を超え５％以下、Ｎ：０．０５〜０．３５％、Ｂ：０．００１５％を超え０．０１０％以下を含有し、Ｏが６０ｐｐｍ以下で、しかも、合金中のＣｕ，Ｍｏ，ＢおよびＯの含有量が１００００×Ｂ／（Ｍｏ＋Ｃｕ＋１０００×Ｏ）＝１．５〜１０．０の関係を有するステンレス鋼が開示されている。
特開２００１−１０７１９６号公報（特許文献３）において、硫酸環境下で良好な耐食性を示す耐溶接割れ性に優れたオーステナイト鋼溶接継手として、質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｍｎ：３％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｎｉ：４〜７５％、Ｃｒ：１５〜３０％、Ａｌ：０．５％以下、Ｎ：０．１％以下、Ｏ（酸素）：０．１％以下、Ｎｂ、Ｔａ、ＴｉおよびＺｒのうちの少なくとも１種以上を合計で０．１〜５％、ＭｏまたはＷのいずれか一方または両方を合計で０〜２０％、Ｃｏ：０〜５％、Ｖ：０〜０．２５％、Ｂ：０〜０．０１％、Ｃａ：０〜０．０１％、Ｍｇ：０〜０．０１％、ＲＥＭ：０〜０．０１％を含み、さらに式「Ｓｉ≦０．１５（Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｔｉ＋Ｚｒ）＋０．２５」を満たすＳｉ、０〜８％以下で、かつ式「Ｃｕ≦１．５（Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｔｉ＋Ｚｒ）＋４．０」を満たすＣｕ、式「Ｓ≦０．００１５（Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｔｉ＋Ｚｒ）＋０．００３」を満たすＳを含有し、残部が実質的にＦｅからなり、Ｎｉ、ＣｏおよびＣｕの合計含有量が式「Ｎｉ＋Ｃｏ＋２Ｃｕ≧２５」を満たす化学組成からなる溶接金属部を有するオーステナイト鋼溶接継手が開示されている。
特許文献１および２に記載される化学組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼単体では、硫酸環境下で良好な耐食性を示す。しかし、このようなオーステナイト系ステンレス鋼材を用いた溶接構造部材の場合には、母材と溶接金属との界面において腐食が進行する、異種金属腐食が生じることがある。
また、特許文献３に記載される化学組成を有する溶接金属を有するオーステナイト鋼溶接継手であれば、硫酸環境下で良好な耐食性を示す耐溶接割れ性に優れる。しかし、この文献で提案される溶接金属を有するオーステナイト鋼溶接継手であっても、母材の化学組成によっては、異種金属腐食が生じることがある。
このように、従来、母材と溶接金属との間で生じる異種金属腐食について検討された例はない。
本発明は、母材と溶接金属との間で生じる異種金属腐食を抑制することができるオーステナイト系ステンレス鋼材継手を備える溶接構造部材を提供することを目的としている。
本発明者らは、上記の目的を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、下記の知見を得た。
（ａ）高濃度の硫酸が凝結する環境において、オーステナイト系ステンレス鋼に良好な耐食性を付与するためには、３．０％を超えるＣｕを含有させること、２．０％を超えるＭｏを含有させること、１５．０〜２０．０％のＣｒを含有させること、Ｎの含有量を０．０５％未満に管理することにより、鋼材表面に形成される不動態皮膜の組成を調整することが重要である。
（ｂ）一般に、Ｍｏは、Ｃｒとともに鋼材表面で緻密な不動態皮膜を形成して、鋼材に良好な耐食性を与えることが知られている。しかしながら、上述のように、溶接構造部材が腐食環境に曝されると、異種金属接触腐食の問題が発生する。ここで、溶接構造部材において、溶接金属表面にも酸化皮膜が形成され、その酸化皮膜が緻密な不動態皮膜であればよいが、溶接金属中のＭｏ含有量が０．１０％を超え６．０％未満の範囲にあると、溶接金属部の表面に形成される不動態皮膜が不安定なＭｏの酸化皮膜を含むことになり、また、皮膜へのＮｉおよびＣｕの濃化を阻害し、高濃度の硫酸が凝結する異種金属接触腐食環境における耐食性が劣化する。これに対して、溶接金属中のＭｏ含有量が６．０％を超える場合には、溶接金属表面にはＣｒおよびＭｏを含有する、安定な不動態皮膜が形成されるので、溶接金属の耐食性は優れるものとなる。このため、母材中のＭｏ含有量は２．０％を超えて５．０％以下に管理するとともに、溶接金属中のＭｏ含有量は６．０％以上に管理することが重要である。
（ｃ）異種金属接触腐食は、通常の腐食とは異なり、卑な（電位の低い）金属の電位が高くなるため、ＦｅおよびＣｒの溶解が加速される。オーステナイト系ステンレス鋼の母材に所定量のＣｏおよび／またはＳｎが含まれる場合には、このような異種金属接触腐食環境において、ＦｅおよびＣｒの溶解速度を低下させることができ、異種金属接触腐食環境における耐食性を飛躍的に改善することができる。
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、下記の発明を要旨とする。
オーステナイト系ステンレス鋼材継手を備える溶接構造部材であって、
母材の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０５％以下、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｎｉ：１２．０〜２７．０％、
Ｃｒ：１５．０％以上２０．０％未満、
Ｃｕ：３．０％を超えて８．０％以下、
Ｍｏ：２．０％を超えて５．０％以下、
Ｎｂ：０〜１．０％、
Ｔｉ：０〜０．５％、
Ｃｏ：０〜０．５％、
Ｓｎ：０〜０．１％、
Ｗ：０〜５．０％、
Ｚｒ：０〜１．０％、
Ａｌ：０〜０．５％、
Ｎ：０．０５％未満、
Ｃａ：０〜０．０１％、
Ｂ：０〜０．０１％、
希土類元素：合計で０〜０．０１％、
残部：Ｆｅおよび不可避不純物であり、
溶接金属の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０％以下、
Ｓｉ：０．５０％以下、
Ｍｎ：３．５％以下、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０３％以下、
Ｃｕ：０．５０％以下、
Ｎｉ：５１．０％以上６９．０％以下、
Ｃｒ：１４．５〜２３．０％、
Ｍｏ：６．０〜１７．０％、
Ａｌ：０．４０％以下、
Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される1種以上：合計で４．９０％以下、
Ｃｏ：２．５％以下、
Ｖ：０．３５％以下、
Ｗ：４．５％以下、
残部：Ｆｅおよび不可避不純物である、溶接構造部材。
母材の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０５％以下、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｎｉ：１２．０〜２７．０％、
Ｃｒ：１５．０％以上２０．０％未満、
Ｃｕ：３．０％を超えて８．０％以下、
Ｍｏ：２．０％を超えて５．０％以下、
Ｎｂ：０〜１．０％、
Ｔｉ：０〜０．５％、
Ｃｏ：０〜０．５％、
Ｓｎ：０〜０．１％、
Ｗ：０〜５．０％、
Ｚｒ：０〜１．０％、
Ａｌ：０〜０．５％、
Ｎ：０．０５％未満、
Ｃａ：０〜０．０１％、
Ｂ：０〜０．０１％、
希土類元素：合計で０〜０．０１％、
残部：Ｆｅおよび不可避不純物であり、
溶接金属の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０％以下、
Ｓｉ：０．５０％以下、
Ｍｎ：３．５％以下、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０３％以下、
Ｃｕ：０．５０％以下、
Ｎｉ：５１．０％以上６９．０％以下、
Ｃｒ：１４．５〜２３．０％、
Ｍｏ：６．０〜１７．０％、
Ａｌ：０．４０％以下、
Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される1種以上：合計で４．９０％以下、
Ｃｏ：２．５％以下、
Ｖ：０．３５％以下、
Ｗ：４．５％以下、
残部：Ｆｅおよび不可避不純物である、溶接構造部材。
本発明によれば、オーステナイト系ステンレス鋼材継手において、母材と溶接金属との間で生じる異種金属腐食を抑制することができるので、高濃度の硫酸が凝結する環境（５０〜１００℃の温度で４０〜７０％の濃度の硫酸が結露する環境）での耐食性に優れる。よって、そのような環境で用いられる溶接構造部材として最適である。オーステナイト系ステンレス鋼材継手とは、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼管継手である。
以下、本発明の溶接構造部材について詳細に説明する。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。
１．母材の化学組成
以下、母材の化学組成について詳しく説明する。
以下、母材の化学組成について詳しく説明する。
Ｃ：０．０５％以下
Ｃは、強度を高めるのに有効な元素である。しかし、Ｃは、Ｃｒと結合して粒界にＣｒ炭化物を形成し、耐粒界腐食性を低下させる。このため、その含有量は０．０５％以下とする。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．００２％である。強度を高める必要がある場合には、０．０３％を超えて含有させるのがよい。しかし、耐食性の確保が優先される場合には、Ｃの含有量は低い方がよく、０．０３％以下とすることが望ましい。
Ｃは、強度を高めるのに有効な元素である。しかし、Ｃは、Ｃｒと結合して粒界にＣｒ炭化物を形成し、耐粒界腐食性を低下させる。このため、その含有量は０．０５％以下とする。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．００２％である。強度を高める必要がある場合には、０．０３％を超えて含有させるのがよい。しかし、耐食性の確保が優先される場合には、Ｃの含有量は低い方がよく、０．０３％以下とすることが望ましい。
Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉは、添加しなくてもよいが、添加すれば、脱酸作用を有する。しかし、その含有量が１．０％を超えると熱間加工性の低下を助長し、３．０％を超えるＣｕを含有する場合には工業的規模での製品への加工が極めて難しくなる。したがって、Ｓｉ含有量は１．０％以下とする。この効果を確実に得るには、０．０５％以上の含有させることが好ましい。なお、熱間加工性を高める目的からＡｌ含有量を極めて低くした場合には、０．１％以上のＳｉを含有させて脱酸作用を充分に行わせることが好ましい。
Ｓｉは、添加しなくてもよいが、添加すれば、脱酸作用を有する。しかし、その含有量が１．０％を超えると熱間加工性の低下を助長し、３．０％を超えるＣｕを含有する場合には工業的規模での製品への加工が極めて難しくなる。したがって、Ｓｉ含有量は１．０％以下とする。この効果を確実に得るには、０．０５％以上の含有させることが好ましい。なお、熱間加工性を高める目的からＡｌ含有量を極めて低くした場合には、０．１％以上のＳｉを含有させて脱酸作用を充分に行わせることが好ましい。
Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは、添加しなくてもよいが、添加すれば、Ｓを固定して熱間加工性を高めるとともに、オーステナイト相を安定化させる作用を有する。しかし、２．０％を超えて含有させてもその効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｍｎの含有量を２．０％以下とした。上記の効果を確実に得るには、Ｍｎは０．１％以上の含有量とすることが好ましい。
Ｍｎは、添加しなくてもよいが、添加すれば、Ｓを固定して熱間加工性を高めるとともに、オーステナイト相を安定化させる作用を有する。しかし、２．０％を超えて含有させてもその効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｍｎの含有量を２．０％以下とした。上記の効果を確実に得るには、Ｍｎは０．１％以上の含有量とすることが好ましい。
Ｐ：０．０４％以下
Ｐは、熱間加工性および耐食性を劣化させるので、その含有量は低いほどよく、特に、０．０４％を超えると「高濃度の硫酸が凝結する環境」における耐食性の劣化が著しくなる。したがって、Ｐの含有量を０．０４％以下とした。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．００３％である。
Ｐは、熱間加工性および耐食性を劣化させるので、その含有量は低いほどよく、特に、０．０４％を超えると「高濃度の硫酸が凝結する環境」における耐食性の劣化が著しくなる。したがって、Ｐの含有量を０．０４％以下とした。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．００３％である。
Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、熱間加工性を劣化させる元素であり、その含有量はできるだけ少ない方がよい。特に、０．０１％を超えると熱間加工性の著しい劣化を招く。したがって、Ｓの含有量を０．０１％以下とした。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．０００１％である。
Ｓは、熱間加工性を劣化させる元素であり、その含有量はできるだけ少ない方がよい。特に、０．０１％を超えると熱間加工性の著しい劣化を招く。したがって、Ｓの含有量を０．０１％以下とした。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．０００１％である。
Ｎｉ：１２．０〜２７．０％
Ｎｉは、オーステナイト相を安定化させる作用を有するとともに、「高濃度の硫酸が凝結する環境」中での耐食性を高める作用もある。こうした効果を充分確保するためには、１２．０％以上の量のＮｉを含有させることが必要である。しかし、２７．０％を超えて含有させてもその効果は飽和する。更に、Ｎｉは高価な元素であるため、コストが極めて高くなって経済性に欠ける。したがって、Ｎｉの含有量を１２．０〜２７．０％とした。なお、「高濃度の硫酸が凝結する環境」中で充分な耐食性を確保するためには１５．０％を超える量のＮｉを含有させることが好ましく、２０．０％を超える量のＮｉを含有させれば一層好ましい。
Ｎｉは、オーステナイト相を安定化させる作用を有するとともに、「高濃度の硫酸が凝結する環境」中での耐食性を高める作用もある。こうした効果を充分確保するためには、１２．０％以上の量のＮｉを含有させることが必要である。しかし、２７．０％を超えて含有させてもその効果は飽和する。更に、Ｎｉは高価な元素であるため、コストが極めて高くなって経済性に欠ける。したがって、Ｎｉの含有量を１２．０〜２７．０％とした。なお、「高濃度の硫酸が凝結する環境」中で充分な耐食性を確保するためには１５．０％を超える量のＮｉを含有させることが好ましく、２０．０％を超える量のＮｉを含有させれば一層好ましい。
Ｃｒ：１５．０％以上２０．０％未満
Ｃｒは、オーステナイト系ステンレス鋼の耐食性を確保するのに有効な元素である。特に、Ｎを後述の含有量に規制したオーステナイト系ステンレス鋼において、１５．０％以上のＣｒ、好ましくは１６．０％以上のＣｒを後述する量のＣｕおよびＭｏとともに含有させると、「高濃度の硫酸が凝結する環境」で良好な耐食性を確保することができる。しかし、Ｃｒを多量に含有させると、Ｎ含有量を低くし、ＣｕとＭｏとを複合添加したオーステナイト系ステンレス鋼の場合であっても、前記の環境中における耐食性が却って劣化し、また、加工性の低下も生ずる。特に、Ｃｒ含有量が２６．０％を超えると前記環境中におけるオーステナイト系ステンレス鋼の耐食性劣化が著しくなる。また、ＣｕとＭｏとを複合添加したオーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工性を高めて、工業的規模での製品加工を容易にするには、Ｃｒの含有量を２０．０％未満にすることが好ましいので、Ｃｒの含有量を１５．０％以上２０．０％未満とした。
Ｃｒは、オーステナイト系ステンレス鋼の耐食性を確保するのに有効な元素である。特に、Ｎを後述の含有量に規制したオーステナイト系ステンレス鋼において、１５．０％以上のＣｒ、好ましくは１６．０％以上のＣｒを後述する量のＣｕおよびＭｏとともに含有させると、「高濃度の硫酸が凝結する環境」で良好な耐食性を確保することができる。しかし、Ｃｒを多量に含有させると、Ｎ含有量を低くし、ＣｕとＭｏとを複合添加したオーステナイト系ステンレス鋼の場合であっても、前記の環境中における耐食性が却って劣化し、また、加工性の低下も生ずる。特に、Ｃｒ含有量が２６．０％を超えると前記環境中におけるオーステナイト系ステンレス鋼の耐食性劣化が著しくなる。また、ＣｕとＭｏとを複合添加したオーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工性を高めて、工業的規模での製品加工を容易にするには、Ｃｒの含有量を２０．０％未満にすることが好ましいので、Ｃｒの含有量を１５．０％以上２０．０％未満とした。
Ｃｕ：３．０％を超えて８．０％以下
Ｃｕは、硫酸環境中での耐食性を確保するのに必須の元素である。３．０％を超えるＣｕを所定量のＣｒおよび後述する量のＭｏとともに含有させることで「高濃度の硫酸が凝結する環境」において、Ｎを後述の含有量にしたオーステナイト系ステンレス鋼に良好な耐食性を付与することができる。ＣｕおよびＭｏと複合添加するＣｕの含有量が多いほど耐食性向上効果が大きいので、Ｃｕは３．５％を超える含有量とすることが好ましく、４．０％を超える含有量とすることがより好ましく、５．０％を超える含有量とすれば一層好ましい。なお、Ｃｕの含有量を増やすことにより前記環境中での耐食性は向上するが熱間加工性が低下し、特に、Ｃｕの含有量が８．０％を超えると、Ｎを後述の含有量にしても熱間加工性の著しい劣化を生ずる。したがって、Ｃｕの含有量は、３．０％を超えて８．０％以下とした。
Ｃｕは、硫酸環境中での耐食性を確保するのに必須の元素である。３．０％を超えるＣｕを所定量のＣｒおよび後述する量のＭｏとともに含有させることで「高濃度の硫酸が凝結する環境」において、Ｎを後述の含有量にしたオーステナイト系ステンレス鋼に良好な耐食性を付与することができる。ＣｕおよびＭｏと複合添加するＣｕの含有量が多いほど耐食性向上効果が大きいので、Ｃｕは３．５％を超える含有量とすることが好ましく、４．０％を超える含有量とすることがより好ましく、５．０％を超える含有量とすれば一層好ましい。なお、Ｃｕの含有量を増やすことにより前記環境中での耐食性は向上するが熱間加工性が低下し、特に、Ｃｕの含有量が８．０％を超えると、Ｎを後述の含有量にしても熱間加工性の著しい劣化を生ずる。したがって、Ｃｕの含有量は、３．０％を超えて８．０％以下とした。
Ｍｏ：２．０％を超えて５．０％以下
Ｍｏは、オーステナイト系ステンレス鋼の耐食性を確保するのに有効な元素である。特に２．０％を超える量のＭｏを所定量のＣｒおよびＣｕとともに含有させると、「高濃度の硫酸が凝結する環境」において、所定量のＮを含むオーステナイト系ステンレス鋼に良好な耐食性を付与することができる。しかし、Ｍｏを多量に含有させると熱間加工性が低下し、特に、Ｍｏの含有量が５．０％を超えると、Ｎを所定の含有量にしても熱間加工性の著しい劣化を生ずる。したがって、Ｍｏの含有量は、２．０％を超えて５．０％以下とした。なお、「高濃度の硫酸が凝結する環境」中で充分な耐食性を確保するためには３％を超える量のＭｏを含有させることが好ましい。
Ｍｏは、オーステナイト系ステンレス鋼の耐食性を確保するのに有効な元素である。特に２．０％を超える量のＭｏを所定量のＣｒおよびＣｕとともに含有させると、「高濃度の硫酸が凝結する環境」において、所定量のＮを含むオーステナイト系ステンレス鋼に良好な耐食性を付与することができる。しかし、Ｍｏを多量に含有させると熱間加工性が低下し、特に、Ｍｏの含有量が５．０％を超えると、Ｎを所定の含有量にしても熱間加工性の著しい劣化を生ずる。したがって、Ｍｏの含有量は、２．０％を超えて５．０％以下とした。なお、「高濃度の硫酸が凝結する環境」中で充分な耐食性を確保するためには３％を超える量のＭｏを含有させることが好ましい。
Ｎｂ：０〜１．０％
Ｎｂは、添加しなくてもよいが、添加すれば、Ｃを固定して耐食性、なかでも耐粒界腐食性を高める作用を有する。しかし、その含有量が１．０％を超えると、Ｎを所定の含有量にした場合でも窒化物が生成して却って耐食性が低下し、また、熱間加工性の劣化も招く。したがって、Ｎｂの含有量を０〜１．０％とした。上記の効果を確実に得るには、Ｎｂは、０．０２％以上の含有量とすることが好ましい。
Ｎｂは、添加しなくてもよいが、添加すれば、Ｃを固定して耐食性、なかでも耐粒界腐食性を高める作用を有する。しかし、その含有量が１．０％を超えると、Ｎを所定の含有量にした場合でも窒化物が生成して却って耐食性が低下し、また、熱間加工性の劣化も招く。したがって、Ｎｂの含有量を０〜１．０％とした。上記の効果を確実に得るには、Ｎｂは、０．０２％以上の含有量とすることが好ましい。
Ｔｉ：０〜０．５％
Ｔｉは添加しなくてもよいが、添加すれば、Ｎｂと同様にＣを固定して耐食性、なかでも耐粒界腐食性を高める作用を有する。しかし、その含有量が０．５％を超えると、Ｎを所定の含有量にした場合でも窒化物が生成して却って耐食性が低下し、また、熱間加工性の劣化も招く。したがって、Ｔｉの含有量は、０〜０．５％とした。上記の効果を確実に得るには、Ｔｉは、０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。
Ｔｉは添加しなくてもよいが、添加すれば、Ｎｂと同様にＣを固定して耐食性、なかでも耐粒界腐食性を高める作用を有する。しかし、その含有量が０．５％を超えると、Ｎを所定の含有量にした場合でも窒化物が生成して却って耐食性が低下し、また、熱間加工性の劣化も招く。したがって、Ｔｉの含有量は、０〜０．５％とした。上記の効果を確実に得るには、Ｔｉは、０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。
Ｃｏ：０〜０．５％
Ｓｎ：０〜０．１％
前述のように、異種金属接触腐食は、通常の腐食とは異なり、卑な（電位の低い）金属の電位が高くなるため、ＦｅおよびＣｒの溶解が加速される。ＣｏおよびＳｎは、このような異種金属接触腐食環境において、ＦｅおよびＣｒの溶解速度を低下させることができ、異種金属接触腐食環境における耐食性を飛躍的に改善することができる元素である。このため、これらの元素の一種以上を含有させるのがよい。上記の効果は、Ｃｏは０．０１％以上、Ｓｎは０．００１％以上で顕著となる。ただし、これらの元素の含有量が過剰な場合には、 製造性を低下させるので、Ｃｏの上限は０．５％、Ｓｎの上限は０．１％とした。
Ｓｎ：０〜０．１％
前述のように、異種金属接触腐食は、通常の腐食とは異なり、卑な（電位の低い）金属の電位が高くなるため、ＦｅおよびＣｒの溶解が加速される。ＣｏおよびＳｎは、このような異種金属接触腐食環境において、ＦｅおよびＣｒの溶解速度を低下させることができ、異種金属接触腐食環境における耐食性を飛躍的に改善することができる元素である。このため、これらの元素の一種以上を含有させるのがよい。上記の効果は、Ｃｏは０．０１％以上、Ｓｎは０．００１％以上で顕著となる。ただし、これらの元素の含有量が過剰な場合には、 製造性を低下させるので、Ｃｏの上限は０．５％、Ｓｎの上限は０．１％とした。
Ｗ：０〜５．０％
Ｗは、添加しなくてもよいが、添加すれば、「高濃度の硫酸が凝結する環境」における耐食性を高める作用がある。しかし、５．０％を超えてＷを含有させてもその効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｗの含有量は、０〜５．０％とした。上記の効果を確実に得るには、Ｗは、０．１％以上の含有量とすることが好ましい。
Ｗは、添加しなくてもよいが、添加すれば、「高濃度の硫酸が凝結する環境」における耐食性を高める作用がある。しかし、５．０％を超えてＷを含有させてもその効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｗの含有量は、０〜５．０％とした。上記の効果を確実に得るには、Ｗは、０．１％以上の含有量とすることが好ましい。
Ｚｒ：０〜１．０％
Ｚｒは、添加しなくてもよいが、添加すれば、「高濃度の硫酸が凝結する環境」における耐食性を高める作用を有する。しかし、１．０％を超えてＺｒを含有させてもその効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｚｒの含有量は、０〜１．０％とした、上記の効果を確実に得るには、Ｚｒは、０．０２％以上の含有量とすることが好ましい。
Ｚｒは、添加しなくてもよいが、添加すれば、「高濃度の硫酸が凝結する環境」における耐食性を高める作用を有する。しかし、１．０％を超えてＺｒを含有させてもその効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｚｒの含有量は、０〜１．０％とした、上記の効果を確実に得るには、Ｚｒは、０．０２％以上の含有量とすることが好ましい。
Ａｌ：０〜０．５％
Ａｌは、添加しなくてもよいが、添加すれば、脱酸作用を有する。しかし、Ａｌの含有量が０．５％を超えると、Ｎを所定の含有量にしたオーステナイト系ステンレス鋼であっても熱間加工性が低下してしまう。したがって、Ａｌ含有量を０〜０．５％とした。Ａｌ含有量の下限は不可避不純物の範囲であってもよい。但し、Ａｌは脱酸作用を有するため、前記したＳｉの含有量を極めて低く抑えた場合には、０．０２％以上を含有させて脱酸作用を充分に行わせることが好ましい。なお、０．０５％以上のＳｉを含有させた場合でも、脱酸作用を充分に発揮させるためには、Ａｌの含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。
Ａｌは、添加しなくてもよいが、添加すれば、脱酸作用を有する。しかし、Ａｌの含有量が０．５％を超えると、Ｎを所定の含有量にしたオーステナイト系ステンレス鋼であっても熱間加工性が低下してしまう。したがって、Ａｌ含有量を０〜０．５％とした。Ａｌ含有量の下限は不可避不純物の範囲であってもよい。但し、Ａｌは脱酸作用を有するため、前記したＳｉの含有量を極めて低く抑えた場合には、０．０２％以上を含有させて脱酸作用を充分に行わせることが好ましい。なお、０．０５％以上のＳｉを含有させた場合でも、脱酸作用を充分に発揮させるためには、Ａｌの含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。
Ｎ：０．０５％未満
Ｎは、従来、オーステナイト組織の安定化、孔食や隙間腐食などの「局部腐食」に対する抵抗性を高める目的から積極的に添加されてきた。しかし、本発明が対象とする「高濃度の硫酸が凝結する環境」においては、Ｎの含有量が０．０５％以上になると、３．０％を超えるＣｕ、２．０％を超えるＭｏおよび１５．０％以上２０．０％未満のＣｒを含有させたオーステナイト系ステンレス鋼の耐食性が却って低下してしまう。更に、ＣｕとＭｏの含有量の上限をそれぞれ８．０％、５．０％にした場合であっても、Ｎの含有量が０．０５％以上になると熱間加工性が低下してしまう。このため、「高濃度の硫酸が凝結する環境」における耐食性と熱間加工性とをオーステナイト系ステンレス鋼に付与させるために、Ｎの含有量を０．０５％未満とした。なお、Ｎ含有量は低ければ低いほどよい。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．０００５％である。
Ｎは、従来、オーステナイト組織の安定化、孔食や隙間腐食などの「局部腐食」に対する抵抗性を高める目的から積極的に添加されてきた。しかし、本発明が対象とする「高濃度の硫酸が凝結する環境」においては、Ｎの含有量が０．０５％以上になると、３．０％を超えるＣｕ、２．０％を超えるＭｏおよび１５．０％以上２０．０％未満のＣｒを含有させたオーステナイト系ステンレス鋼の耐食性が却って低下してしまう。更に、ＣｕとＭｏの含有量の上限をそれぞれ８．０％、５．０％にした場合であっても、Ｎの含有量が０．０５％以上になると熱間加工性が低下してしまう。このため、「高濃度の硫酸が凝結する環境」における耐食性と熱間加工性とをオーステナイト系ステンレス鋼に付与させるために、Ｎの含有量を０．０５％未満とした。なお、Ｎ含有量は低ければ低いほどよい。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．０００５％である。
Ｃａ：０〜０．０１％
Ｃａは、添加しなくてもよいが、添加すれば、Ｓと結合して熱間加工性の低下を抑える効果を有する。しかし、その含有量が０．０１％を超えると鋼の清浄度が低下して、熱間での製造時に疵が発生する原因となる。したがって、Ｃａの含有量は、０〜０．０１％とした。上記の効果を確実に得るには、Ｃａは０．０００５％以上の含有量とすることが好ましい。より好ましいＣａの含有量の下限は０．００１％である。
Ｃａは、添加しなくてもよいが、添加すれば、Ｓと結合して熱間加工性の低下を抑える効果を有する。しかし、その含有量が０．０１％を超えると鋼の清浄度が低下して、熱間での製造時に疵が発生する原因となる。したがって、Ｃａの含有量は、０〜０．０１％とした。上記の効果を確実に得るには、Ｃａは０．０００５％以上の含有量とすることが好ましい。より好ましいＣａの含有量の下限は０．００１％である。
Ｂ：０〜０．０１％
Ｂは、添加しなくてもよいが、添加すれば、熱間加工性を改善する効果を有する。しかし、Ｂの多量の添加は粒界へのＣｒ−Ｂ化合物の析出を促し、耐食性の劣化を招く。特に、Ｂの含有量が０．０１％を超えると著しい耐食性の劣化をきたす。したがって、Ｂの含有量は０〜０．０１％とした。上記の効果を確実に得るには、Ｂは０．０００５％以上の含有量とすることが好ましい。より好ましいＢの含有量の下限は０．００１％である。
Ｂは、添加しなくてもよいが、添加すれば、熱間加工性を改善する効果を有する。しかし、Ｂの多量の添加は粒界へのＣｒ−Ｂ化合物の析出を促し、耐食性の劣化を招く。特に、Ｂの含有量が０．０１％を超えると著しい耐食性の劣化をきたす。したがって、Ｂの含有量は０〜０．０１％とした。上記の効果を確実に得るには、Ｂは０．０００５％以上の含有量とすることが好ましい。より好ましいＢの含有量の下限は０．００１％である。
希土類元素：合計で０〜０．０１％
希土類元素は、添加しなくてもよいが、添加すれば、熱間加工性を高める作用を有する。しかし、その含有量が合計で０．０１％を超えると鋼の清浄度が低下し、熱間での製造時に疵が発生する原因となる。したがって、希土類元素の含有量を合計で０．０１％以下とした。上記の効果を確実に得るには、希土類元素の含有量を合計で０．０００５％以上とすることが好ましい。なお、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称である。
希土類元素は、添加しなくてもよいが、添加すれば、熱間加工性を高める作用を有する。しかし、その含有量が合計で０．０１％を超えると鋼の清浄度が低下し、熱間での製造時に疵が発生する原因となる。したがって、希土類元素の含有量を合計で０．０１％以下とした。上記の効果を確実に得るには、希土類元素の含有量を合計で０．０００５％以上とすることが好ましい。なお、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称である。
母材の化学組成は、上記の各元素をそれぞれ規定される範囲で含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物である。
２．溶接金属の化学組成
次に、溶接金属の化学組成について詳しく説明する。
次に、溶接金属の化学組成について詳しく説明する。
Ｃ：０．１０％以下
Ｃは、マトリックスであるオーステナイト相を安定にする元素である。しかし、過剰に添加すると溶接熱サイクルによりＣｒ炭窒化物を生成し、耐食性の劣化を招くとともに強度低下の原因になる。さらに、Ｃは粒界に偏析したＳｉおよびマトリックス中のＦｅと反応して低融点化合物を生成し、再熱割れ感受性を増大させる。このため、Ｃ含有量は０．１０％以下とする。好ましい上限は０．０３％である。なお、Ｃ含有量はできる限り低い方が好ましいが、極度の低減はコスト上昇を招くので、その下限は０．００５％でもよい。
Ｃは、マトリックスであるオーステナイト相を安定にする元素である。しかし、過剰に添加すると溶接熱サイクルによりＣｒ炭窒化物を生成し、耐食性の劣化を招くとともに強度低下の原因になる。さらに、Ｃは粒界に偏析したＳｉおよびマトリックス中のＦｅと反応して低融点化合物を生成し、再熱割れ感受性を増大させる。このため、Ｃ含有量は０．１０％以下とする。好ましい上限は０．０３％である。なお、Ｃ含有量はできる限り低い方が好ましいが、極度の低減はコスト上昇を招くので、その下限は０．００５％でもよい。
Ｓｉ：０．５０％以下
Ｓｉは、脱酸剤として添加されるが、溶接金属の凝固時に結晶粒界に偏析し、ＣおよびマトリックスのＦｅと反応して低融点化合物を生成し、多層溶接時の再熱割れの原因となる。このため、Ｓｉ含有量は０．５０％以下とする。なお、Ｓｉ含有量は低ければ低いほどよく、脱酸に十分なＡｌ、Ｍｎ等を含む場合には、必ずしも添加する必要はない。脱酸効果を得る必要がある場合には０．０２％以上含有させるのがよい。
Ｓｉは、脱酸剤として添加されるが、溶接金属の凝固時に結晶粒界に偏析し、ＣおよびマトリックスのＦｅと反応して低融点化合物を生成し、多層溶接時の再熱割れの原因となる。このため、Ｓｉ含有量は０．５０％以下とする。なお、Ｓｉ含有量は低ければ低いほどよく、脱酸に十分なＡｌ、Ｍｎ等を含む場合には、必ずしも添加する必要はない。脱酸効果を得る必要がある場合には０．０２％以上含有させるのがよい。
Ｍｎ：３．５％以下
Ｍｎは、脱酸剤として添加され、マトリックスであるオーステナイト相を安定にする。しかし、過剰に添加すると高温かつ長時間の使用中に金属間化合物の生成を促進し、脆化を招く。このため、Ｍｎ含有量は３．５％以下とする。好ましい上限は２．０％である。なお、下限は特に定める必要はない。また、Ｍｎは、他の元素（Ｓｉ、Ａｌ）によって脱酸が十分に行われる場合には、その含有量は０％でもよい。
Ｍｎは、脱酸剤として添加され、マトリックスであるオーステナイト相を安定にする。しかし、過剰に添加すると高温かつ長時間の使用中に金属間化合物の生成を促進し、脆化を招く。このため、Ｍｎ含有量は３．５％以下とする。好ましい上限は２．０％である。なお、下限は特に定める必要はない。また、Ｍｎは、他の元素（Ｓｉ、Ａｌ）によって脱酸が十分に行われる場合には、その含有量は０％でもよい。
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、不可避不純物であり、溶接の際、溶接金属の凝固時に最終凝固部に偏析し、残留液相の融点を低下させ、凝固割れを発生させる。このため、Ｐ含有量は０．０３％以下とする。好ましい上限は０．０１５％である。なお、Ｐ含有量は製造コストに問題がない限り低ければ低いほどよい。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．００３％である。
Ｐは、不可避不純物であり、溶接の際、溶接金属の凝固時に最終凝固部に偏析し、残留液相の融点を低下させ、凝固割れを発生させる。このため、Ｐ含有量は０．０３％以下とする。好ましい上限は０．０１５％である。なお、Ｐ含有量は製造コストに問題がない限り低ければ低いほどよい。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．００３％である。
Ｓ：０．０３％以下
Ｓは、上記のＰと同様の不可避不純物であり、溶接の際、溶接金属の凝固時に低融点の共晶物を形成し凝固割れを発生させるとともに、結晶粒界に偏析して粒界の固着力を低下させ、再熱割れ発生の原因となる。このため、Ｓ含有量は０．０３％以下とする。好ましい上限は０．０１５％である。なお、Ｓ含有量は製造コストに問題がない限り低ければ低いほどよい。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．０００１％である。
Ｓは、上記のＰと同様の不可避不純物であり、溶接の際、溶接金属の凝固時に低融点の共晶物を形成し凝固割れを発生させるとともに、結晶粒界に偏析して粒界の固着力を低下させ、再熱割れ発生の原因となる。このため、Ｓ含有量は０．０３％以下とする。好ましい上限は０．０１５％である。なお、Ｓ含有量は製造コストに問題がない限り低ければ低いほどよい。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．０００１％である。
Ｃｕ：０．５０％以下
Ｃｕは、高濃度の硫酸環境での耐食性を向上させるのに有効な元素である。しかし、０．５０％を超えて含有させると、最終凝固する液相の融点を低下させ、凝固割れを発生させる。また、Ｃｕは凝固時に結晶粒界に偏析して粒界の固着力を低下させ、多層溶接時の再熱割れを招く。このため、Ｃｕ含有量は、０．５０％以下とする。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．０１％である。
Ｃｕは、高濃度の硫酸環境での耐食性を向上させるのに有効な元素である。しかし、０．５０％を超えて含有させると、最終凝固する液相の融点を低下させ、凝固割れを発生させる。また、Ｃｕは凝固時に結晶粒界に偏析して粒界の固着力を低下させ、多層溶接時の再熱割れを招く。このため、Ｃｕ含有量は、０．５０％以下とする。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．０１％である。
Ｎｉ：５１．０％以上 ６９．０％以下
Ｎｉは、マトリックスであるオーステナイト相を安定化させるとともに、高濃度の硫酸を含んだ環境中での耐食性を確保するために必須の元素である。しかし、過剰な添加は、溶接割れ感受性を高めるとともに、Ｎｉは高価な元素であるためにコスト上昇を招く。このため、Ｎｉ含有量は、５１．０％以上 ６９．０％以下とする。
Ｎｉは、マトリックスであるオーステナイト相を安定化させるとともに、高濃度の硫酸を含んだ環境中での耐食性を確保するために必須の元素である。しかし、過剰な添加は、溶接割れ感受性を高めるとともに、Ｎｉは高価な元素であるためにコスト上昇を招く。このため、Ｎｉ含有量は、５１．０％以上 ６９．０％以下とする。
Ｃｒ：１４．５〜２３．０％
Ｃｒは、高温での耐酸化性および耐食性の確保のために有効な元素であり、高濃度の硫酸を含んだ環境中での耐食性を確保するためには必須の元素である。十分な耐酸化性および耐食性を確保するためには、１４．５％以上が必要である。しかし、過剰な添加はかえって耐食性を劣化させるとともに、加工性を著しく劣化させる。このため、Ｃｒ含有量は１４．５〜２３．０％とする。
Ｃｒは、高温での耐酸化性および耐食性の確保のために有効な元素であり、高濃度の硫酸を含んだ環境中での耐食性を確保するためには必須の元素である。十分な耐酸化性および耐食性を確保するためには、１４．５％以上が必要である。しかし、過剰な添加はかえって耐食性を劣化させるとともに、加工性を著しく劣化させる。このため、Ｃｒ含有量は１４．５〜２３．０％とする。
Ｍｏ：６．０〜１７．０％
Ｍｏは、従来、添加すれば高濃度の硫酸環境での耐食性を向上させるのに有効な元素であると考えられてきたが、前記の化学組成を有する母材を用いた継手の場合、溶接金属中に０．１０％を超え６．０％未満の範囲のＭｏが含まれると、母材表面に形成される不動態皮膜と溶接金属表面に形成される不動態皮膜との間で電位差が生じ、異種金属腐食が進行しやすくなる。そこで、溶接金属中のＭｏ含有量を６．０％以上に管理すれば、十分なＭｏの皮膜を形成することができ、耐食性を改善することができる。一方、溶接金属中のＭｏ含有量が過剰な場合には、使用中に炭化物や金属間化合物の生成を招き、耐食性および靱性劣化の原因となる。このため、Ｍｏの含有量は、６．０〜１７．０％とした。
Ｍｏは、従来、添加すれば高濃度の硫酸環境での耐食性を向上させるのに有効な元素であると考えられてきたが、前記の化学組成を有する母材を用いた継手の場合、溶接金属中に０．１０％を超え６．０％未満の範囲のＭｏが含まれると、母材表面に形成される不動態皮膜と溶接金属表面に形成される不動態皮膜との間で電位差が生じ、異種金属腐食が進行しやすくなる。そこで、溶接金属中のＭｏ含有量を６．０％以上に管理すれば、十分なＭｏの皮膜を形成することができ、耐食性を改善することができる。一方、溶接金属中のＭｏ含有量が過剰な場合には、使用中に炭化物や金属間化合物の生成を招き、耐食性および靱性劣化の原因となる。このため、Ｍｏの含有量は、６．０〜１７．０％とした。
Ａｌ：０．４０％以下
Ａｌは、脱酸剤として添加されるが、多量に含まれると溶接中にスラグを生成して溶接金属の湯流れおよび溶接ビードの均一性を劣化させ、溶接施工性を著しく低下させる。また、裏波形成する溶接条件領域を狭くする。このため、Ａｌ含有量は０．４０％以下とする必要がある。好ましい上限は０．３０％、より好ましい上限は０．２０％である。Ａｌは少ないほどよく、０％であってもよい。ただし、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．００１％である。
Ａｌは、脱酸剤として添加されるが、多量に含まれると溶接中にスラグを生成して溶接金属の湯流れおよび溶接ビードの均一性を劣化させ、溶接施工性を著しく低下させる。また、裏波形成する溶接条件領域を狭くする。このため、Ａｌ含有量は０．４０％以下とする必要がある。好ましい上限は０．３０％、より好ましい上限は０．２０％である。Ａｌは少ないほどよく、０％であってもよい。ただし、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．００１％である。
Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される１種以上：合計で４．９０％以下
Ｔｉ、ＮｂおよびＴａは、溶接金属中のＣを炭化物として固定し、また、Ｓを含む酸化物を形成して結晶粒界の固着力を向上させるほか、炭化物を晶出して結晶粒界の形状を複雑にし、Ｓ、Ｃｕの結晶粒界偏析を分散させて多層盛り溶接時の再熱割れを防止する。しかし、Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される１種以上の合計含有量が４．９０％を超える場合には、炭化物の粗大化を招き、靱性の劣化を招くとともに、加工性を劣化させる。このため、Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される１種以上の合計含有量は、４．９０％以下とする。この合計含有量の下限は２．０％とするのが好ましい。
Ｔｉ、ＮｂおよびＴａは、溶接金属中のＣを炭化物として固定し、また、Ｓを含む酸化物を形成して結晶粒界の固着力を向上させるほか、炭化物を晶出して結晶粒界の形状を複雑にし、Ｓ、Ｃｕの結晶粒界偏析を分散させて多層盛り溶接時の再熱割れを防止する。しかし、Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される１種以上の合計含有量が４．９０％を超える場合には、炭化物の粗大化を招き、靱性の劣化を招くとともに、加工性を劣化させる。このため、Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される１種以上の合計含有量は、４．９０％以下とする。この合計含有量の下限は２．０％とするのが好ましい。
Ｃｏ：２．５％以下
Ｃｏは、添加しなくてもよいが、添加すれば、Ｎｉと同様にオーステナイト相を安定化させるとともに、高濃度の硫酸環境での耐食性を向上させるのに有効な元素である。しかし、Ｃｏは、Ｎｉに比べ非常に高価な元素で、多量添加はコスト上昇を招く。このため、Ｃｏ含有量は２．５％以下とする。好ましい上限は２．０％、より好ましい上限は１．５％である。上記の効果は０．５％以上で顕著になる。
Ｃｏは、添加しなくてもよいが、添加すれば、Ｎｉと同様にオーステナイト相を安定化させるとともに、高濃度の硫酸環境での耐食性を向上させるのに有効な元素である。しかし、Ｃｏは、Ｎｉに比べ非常に高価な元素で、多量添加はコスト上昇を招く。このため、Ｃｏ含有量は２．５％以下とする。好ましい上限は２．０％、より好ましい上限は１．５％である。上記の効果は０．５％以上で顕著になる。
Ｖ：０．３５％以下
Ｖは、添加しなくてもよいが、添加すれば、高温強度を向上させるのに有効な元素である。しかし、過剰な添加は多量の炭窒化物を析出させ、靭性の低下を招く。このため、Ｖ含有量は０．３５％以下とするのがよい。上記の効果は０．０５％以上で顕著になる。
Ｖは、添加しなくてもよいが、添加すれば、高温強度を向上させるのに有効な元素である。しかし、過剰な添加は多量の炭窒化物を析出させ、靭性の低下を招く。このため、Ｖ含有量は０．３５％以下とするのがよい。上記の効果は０．０５％以上で顕著になる。
Ｗ：４．５％以下
Ｗは、添加しなくてもよいが、添加すれば、高濃度の硫酸環境での耐食性を向上させるのに有効な元素である。しかし、その含有量が４．５％を超えると、その効果が飽和するばかりか、かえって使用中に炭化物や金属間化合物の生成を招き、耐食性および靱性劣化の原因となる。Ｗ含有量は、４．５％以下とする。上記の効果は、１．０％以上で顕著となる。
Ｗは、添加しなくてもよいが、添加すれば、高濃度の硫酸環境での耐食性を向上させるのに有効な元素である。しかし、その含有量が４．５％を超えると、その効果が飽和するばかりか、かえって使用中に炭化物や金属間化合物の生成を招き、耐食性および靱性劣化の原因となる。Ｗ含有量は、４．５％以下とする。上記の効果は、１．０％以上で顕著となる。
溶接金属の化学組成は、上記の各元素をそれぞれ規定される範囲で含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物である。
３．溶接材料の化学組成
上記の化学組成を有する母材を溶接し、上記の化学組成を有する溶接金属を得るための溶接材料としては、下記の化学組成を有するものを用いるのがよい。
すなわち、その溶接材料は、
Ｃ：０．０８％以下、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：３．２％以下、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０２％以下、
Ｎｉ：４．０〜６９．０％、
Ｃｒ：１５．０〜３０．０％、
Ａｌ：０．５％以下、
Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される１種以上：合計で４．９０％以下、
Ｍｏ：６．０〜１７．０％、
Ｗ：０〜４．５％、
Ｃｏ：０〜５．０％、
Ｃｕ：０〜８．０％、
Ｖ：０〜０．２５％、
Ｂ：０〜０．０１％、
Ｃａ：０〜０．０１％、
Ｍｇ：０〜０．０１％、
希土類元素：合計で０〜０．０１％、
残部：Ｆｅおよび不可避的不純物である化学組成を有するものを用いるのがよい。
Ｃ：０．０８％以下、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：３．２％以下、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０２％以下、
Ｎｉ：４．０〜６９．０％、
Ｃｒ：１５．０〜３０．０％、
Ａｌ：０．５％以下、
Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される１種以上：合計で４．９０％以下、
Ｍｏ：６．０〜１７．０％、
Ｗ：０〜４．５％、
Ｃｏ：０〜５．０％、
Ｃｕ：０〜８．０％、
Ｖ：０〜０．２５％、
Ｂ：０〜０．０１％、
Ｃａ：０〜０．０１％、
Ｍｇ：０〜０．０１％、
希土類元素：合計で０〜０．０１％、
残部：Ｆｅおよび不可避的不純物である化学組成を有するものを用いるのがよい。
各元素の限定理由は下記の通りである。
Ｃ：０．０８％以下
Ｃ含有量は、溶接金属に十分な性能を与えるためには、０．０８％以下であることが好ましい。下限は、０％でもよいが、上記の効果を得るための好ましい下限は、 ０．００２％である。
Ｃ含有量は、溶接金属に十分な性能を与えるためには、０．０８％以下であることが好ましい。下限は、０％でもよいが、上記の効果を得るための好ましい下限は、 ０．００２％である。
Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは、その含有量が２．０％を超えると溶接材料製造時の熱間加工性を著しく劣化させるとともに、溶接金属中のＳｉ含有量を増大させて再熱割れ感受性を増大させるので、２．０％以下であることが好ましい。下限は、０％でもよいが、上記の効果を得るための好ましい下限は、０．０２％である。
Ｓｉは、その含有量が２．０％を超えると溶接材料製造時の熱間加工性を著しく劣化させるとともに、溶接金属中のＳｉ含有量を増大させて再熱割れ感受性を増大させるので、２．０％以下であることが好ましい。下限は、０％でもよいが、上記の効果を得るための好ましい下限は、０．０２％である。
Ｍｎ：３．２％以下
Ｍｎは、その含有量が３．２％を超えると、溶接材料製造時の熱間加工性を劣化させるとともに、溶接時に多量のヒュームの発生を招くので、３．２％以下であることが好ましい。下限は、０％でもよいが、上記の効果を得るための好ましい下限は、０．０１％である。
Ｍｎは、その含有量が３．２％を超えると、溶接材料製造時の熱間加工性を劣化させるとともに、溶接時に多量のヒュームの発生を招くので、３．２％以下であることが好ましい。下限は、０％でもよいが、上記の効果を得るための好ましい下限は、０．０１％である。
Ｐ：０．０２％以下
Ｐは、不可避不純物であり、溶接の際、溶接金属の凝固時に最終凝固部に偏析し、残留液相の融点を低下させ、凝固割れを発生させるため、０．０２％以下であることが好ましい。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．００３％である。
Ｐは、不可避不純物であり、溶接の際、溶接金属の凝固時に最終凝固部に偏析し、残留液相の融点を低下させ、凝固割れを発生させるため、０．０２％以下であることが好ましい。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．００３％である。
Ｓ：０．０２％以下
Ｓは、その含有量が０．０２％を超えると溶接材料製造時の熱間加工性を劣化させるとともに、溶接金属中のＳ含有量を増大させて凝固割れ感受性および再熱割れ感受性を増大させるので、０．０２％以下であることが好ましい。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．０００１％である。
Ｓは、その含有量が０．０２％を超えると溶接材料製造時の熱間加工性を劣化させるとともに、溶接金属中のＳ含有量を増大させて凝固割れ感受性および再熱割れ感受性を増大させるので、０．０２％以下であることが好ましい。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．０００１％である。
Ｎｉ：４．０〜６９．０％
Ｎｉは、マトリックスであるオーステナイト相を安定化させるとともに、高濃度の硫酸を含んだ環境中での耐食性を確保するために必須の元素である。しかし、過剰な添加は、溶接割れ感受性を高めるとともに、Ｎｉは高価な元素であるためにコスト上昇を招く。このため、４．０〜６９．０％とする。ただし、Ｎｉ＋Ｃｏ＋２Ｃｕ≧２５を満たす量であることが好ましい。
Ｎｉは、マトリックスであるオーステナイト相を安定化させるとともに、高濃度の硫酸を含んだ環境中での耐食性を確保するために必須の元素である。しかし、過剰な添加は、溶接割れ感受性を高めるとともに、Ｎｉは高価な元素であるためにコスト上昇を招く。このため、４．０〜６９．０％とする。ただし、Ｎｉ＋Ｃｏ＋２Ｃｕ≧２５を満たす量であることが好ましい。
Ｃｒ：１５．０〜３０．０％
Ｃｒ含有量は、溶接金属に十分な耐再熱割れ性を与えるためには１５．０〜３０．０％であることが好ましい。
Ｃｒ含有量は、溶接金属に十分な耐再熱割れ性を与えるためには１５．０〜３０．０％であることが好ましい。
Ａｌ：０．５％以下
Ａｌは、脱酸剤として添加されるが、多量に含まれると溶接中にスラグを生成して溶接金属の湯流れおよび溶接ビードの均一性を劣化させ、溶接施工性を著しく低下させる。このため、Ａｌは０．５％以下であることが好ましい。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．０１％である。
Ａｌは、脱酸剤として添加されるが、多量に含まれると溶接中にスラグを生成して溶接金属の湯流れおよび溶接ビードの均一性を劣化させ、溶接施工性を著しく低下させる。このため、Ａｌは０．５％以下であることが好ましい。下限は、０％でもよいが、過剰な低減は製造コストの上昇を招くので、実用的な下限は、０．０１％である。
Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される1種以上：合計で４．９０％以下
Ｔｉ、ＮｂおよびＴａは、溶接金属中のＣを炭化物として固定し、また、Ｓを含む酸化物を形成して結晶粒界の固着力を向上させるほか、炭化物を晶出して結晶粒界の形状を複雑にし、Ｓ、Ｃｕの結晶粒界偏析を分散させて多層盛り溶接時の再熱割れを防止する。しかし、溶接金属中において、Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される1種以上の合計含有量が４．９０％を超える場合には、炭化物の粗大化を招き、靱性の劣化を招くとともに、加工性を劣化させる。このため、溶接材料中のこれらの合計含有量も制限する必要があり、具体的には、Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される1種以上の合計含有量は、４．９０％以下とするのがよい。この合計含有量の下限は２．０％とするのが好ましい。
Ｔｉ、ＮｂおよびＴａは、溶接金属中のＣを炭化物として固定し、また、Ｓを含む酸化物を形成して結晶粒界の固着力を向上させるほか、炭化物を晶出して結晶粒界の形状を複雑にし、Ｓ、Ｃｕの結晶粒界偏析を分散させて多層盛り溶接時の再熱割れを防止する。しかし、溶接金属中において、Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される1種以上の合計含有量が４．９０％を超える場合には、炭化物の粗大化を招き、靱性の劣化を招くとともに、加工性を劣化させる。このため、溶接材料中のこれらの合計含有量も制限する必要があり、具体的には、Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される1種以上の合計含有量は、４．９０％以下とするのがよい。この合計含有量の下限は２．０％とするのが好ましい。
Ｍｏ：６．０〜１７．０％
Ｍｏは、従来、添加すれば高濃度の硫酸環境での耐食性を向上させるのに有効な元素であると考えられてきたが、前記の化学組成を有する母材を用いた継手の場合、溶接金属中に０．１０％を超え６．０％未満の範囲のＭｏが含まれると、母材表面に形成される不動態皮膜と溶接金属表面に形成される不動態皮膜との間で電位差が生じ、異種金属腐食が進行しやすくなる。そこで、溶接金属中のＭｏ含有量を６．０％以上に管理すれば、十分なＭｏの皮膜を形成することができ、耐食性を改善することができる。一方、溶接金属中のＭｏ含有量が過剰な場合には、使用中に炭化物や金属間化合物の生成を招き、耐食性および靱性劣化の原因となる。このため、Ｍｏの含有量は、６．０〜１７．０％とした。
Ｍｏは、従来、添加すれば高濃度の硫酸環境での耐食性を向上させるのに有効な元素であると考えられてきたが、前記の化学組成を有する母材を用いた継手の場合、溶接金属中に０．１０％を超え６．０％未満の範囲のＭｏが含まれると、母材表面に形成される不動態皮膜と溶接金属表面に形成される不動態皮膜との間で電位差が生じ、異種金属腐食が進行しやすくなる。そこで、溶接金属中のＭｏ含有量を６．０％以上に管理すれば、十分なＭｏの皮膜を形成することができ、耐食性を改善することができる。一方、溶接金属中のＭｏ含有量が過剰な場合には、使用中に炭化物や金属間化合物の生成を招き、耐食性および靱性劣化の原因となる。このため、Ｍｏの含有量は、６．０〜１７．０％とした。
Ｗ：０〜４．５％
Ｗは、溶接金属中に含まれると、高濃度の硫酸環境での耐食性を向上させるのに有効な元素であるので、溶接材料に含有させてもよい。しかし、その含有量が４．５％を超えると、その効果が飽和するばかりか、かえって使用中に炭化物や金属間化合物の生成を招き、耐食性および靱性劣化の原因となる。よって、Ｗ含有量は、０〜４．５％とするのがよい。上記の効果は、１．０％以上で顕著となる。
Ｗは、溶接金属中に含まれると、高濃度の硫酸環境での耐食性を向上させるのに有効な元素であるので、溶接材料に含有させてもよい。しかし、その含有量が４．５％を超えると、その効果が飽和するばかりか、かえって使用中に炭化物や金属間化合物の生成を招き、耐食性および靱性劣化の原因となる。よって、Ｗ含有量は、０〜４．５％とするのがよい。上記の効果は、１．０％以上で顕著となる。
Ｃｏ：０〜５．０％
Ｃｏは、含まなくてもよいが、含む場合の含有量は、溶接金属に必要な性能を与えるためには、５．０％以下であることが好ましい。
Ｃｏは、含まなくてもよいが、含む場合の含有量は、溶接金属に必要な性能を与えるためには、５．０％以下であることが好ましい。
Ｃｕ：０〜８．０％
Ｃｕは、含まなくてもよいが、含む場合、その含有量が８．０％超であると溶接材料製造時の熱間加工性を著しく低下させるので、含む場合の含有量は８．０％以下であることが好ましい。
Ｃｕは、含まなくてもよいが、含む場合、その含有量が８．０％超であると溶接材料製造時の熱間加工性を著しく低下させるので、含む場合の含有量は８．０％以下であることが好ましい。
Ｖ：０〜０．２５％
Ｖは、含まなくてもよいが、含む場合の含有量は、溶接金属に必要な性能を与えるためには、０．２５％以下であることが好ましい。
Ｖは、含まなくてもよいが、含む場合の含有量は、溶接金属に必要な性能を与えるためには、０．２５％以下であることが好ましい。
Ｂ：０〜０．０１％
Ｂは、含まなくてもよいが、含む場合の含有量は、溶接金属に必要な性能を与えるためには０．０１％以下であることが好ましい。
Ｂは、含まなくてもよいが、含む場合の含有量は、溶接金属に必要な性能を与えるためには０．０１％以下であることが好ましい。
Ｃａ：０〜０．０１％
Ｍｇ：０〜０．０１％
希土類元素：合計で０〜０．０１％
Ｃａ、Ｍｇおよび希土類元素は、いずれも含まなくてもよいが、含む場合の各元素の含有量は、溶接金属に必要な性能を与えるためにはいずれの元素も０．０１％以下であることが好ましい。
Ｍｇ：０〜０．０１％
希土類元素：合計で０〜０．０１％
Ｃａ、Ｍｇおよび希土類元素は、いずれも含まなくてもよいが、含む場合の各元素の含有量は、溶接金属に必要な性能を与えるためにはいずれの元素も０．０１％以下であることが好ましい。
４．溶接継手の製造方法
本発明になる上記の溶接継手は、例えば、ＴＩＧ法、ＭＩＧ法などに代表されるガスシールドアーク溶接法、被覆アーク溶接法、潜弧溶接法などの溶接方法により製造することができる。なかでも、ＴＩＧ法を用いるのがよい。
本発明になる上記の溶接継手は、例えば、ＴＩＧ法、ＭＩＧ法などに代表されるガスシールドアーク溶接法、被覆アーク溶接法、潜弧溶接法などの溶接方法により製造することができる。なかでも、ＴＩＧ法を用いるのがよい。
表１に示す各種化学組成を有する、５０ｋｇのインゴットを製造し、このインゴットから熱間鍛造および熱間圧延により、厚さ１１ｍｍの鋼板を得た。この鋼板に、固溶化熱処理（１１００℃×３０ｍｉｎ）を施し、３００ｍｍＬ×５０ｍｍＷ×１０ｍｍｔの板材とした。
板材の片端を開先加工した後、二枚の板材を突合せた状態でＴＩＧ溶接を実施し、溶接継手を得た。溶接材料は、表２に示す化学組成を有するものを用いた。また、溶接金属部の化学組成を蛍光Ｘ線分析法により分析した結果を表３に示す。
得られた溶接継手から、溶接金属部を中央に含む腐食試験片（１０ｍｍＬ×７０ｍｍＷ×３ｍｍｔ）を採取し、腐食試験を実施した。
腐食試験は、腐食試験片を、１００℃に保った５０％Ｈ２ＳＯ４液中に３３６ｈ浸漬し、質量減少から腐食速度（試験片全体の腐食速度）を算出した。また、母材と溶接金属部との界面における腐食減肉（最大値）を測定した。一方で、上記の溶接継手の母材および溶金部から試験片（７ｍｍＬ×７ｍｍＷ×２ｍｍｔ）を切り出し、１００℃に保った５０％Ｈ２ＳＯ４液中で腐食電位を測定し、電位差（溶金部の腐食電位−母材の腐食電位）を算出した。これらの結果を表４に示す。
表４に示すように、比較例１〜３は、母材の化学組成が本発明で規定される範囲を外れており、比較例４〜８は、溶接金属の化学組成（特に、Ｍｏ含有量）が本発明で規定される範囲を外れている。その結果、いずれの比較例でも、母材と溶接金属の電位差が大きく、耐食性が劣化していた。これに対して、実施例１〜１１はいずれも、母材と溶接金属の電位差が小さく、良好な耐食性を備えていた。特に、母材にＣｏまたはＳｎが含まれる実施例８および９は、より良好な耐食性を備えていた。
本発明によれば、オーステナイト系ステンレス鋼材継手において、母材と溶接金属との間で生じる異種金属腐食を抑制することができるので、高濃度の硫酸が凝結する環境（５０〜１００℃の温度で４０〜７０％の濃度の硫酸が結露する環境）での耐食性に優れる。よって、そのような環境で用いられる溶接構造部材として最適である。
Claims (2)
- オーステナイト系ステンレス鋼材継手を備える、高濃度の硫酸が凝結する環境における耐食性に優れた溶接構造部材であって、
母材の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０５％以下、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｎｉ：１２．０〜２７．０％、
Ｃｒ：１５．０％以上２０．０％未満、
Ｃｕ：３．０％を超えて８．０％以下、
Ｍｏ：２．０％を超えて５．０％以下、
Ｎｂ：０〜１．０％、
Ｔｉ：０〜０．５％、
Ｃｏ：０〜０．５％、
Ｓｎ：０〜０．１％、
Ｗ：０．０１〜５．０％、
Ｚｒ：０．０１〜１．０％、
Ａｌ：０．０１〜０．５％、
Ｎ：０．０５％未満、
Ｃａ：０〜０．０１％、
Ｂ：０〜０．０１％、
希土類元素：合計で０〜０．０１％、
残部：Ｆｅおよび不可避不純物であり、
溶接金属の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０％以下、
Ｓｉ：０．５０％以下、
Ｍｎ：３．５％以下、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０３％以下、
Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、
Ｎｉ：５１．０％以上 ６９．０％以下、
Ｃｒ：１４．５〜２３．０％、
Ｍｏ：６．０〜１７．０％、
Ａｌ：０〜０．４０％、
Ｃｏ：０〜２．５％、
Ｖ：０〜０．３５％、
Ｗ、Ｎｂ、ＴａおよびＴｉから選択される１種以上を含み、下記の（１）または（２）の条件を満足し、
残部：Ｆｅおよび不可避不純物である、溶接構造部材。
（１）Ｗ：０〜４．５％で、かつＮｂ、ＴａおよびＴｉから選択される1種以上：合計で２．０〜４．９０％
（２）Ｗ：１．０〜４．５％で、かつＮｂ、ＴａおよびＴｉから選択される1種以上：合計で０〜４．９０％ - 前記母材の化学組成が、質量％で、
Ｃｏ：０．０１〜０．５％および／または
Ｓｎ：０．００１〜０．１％を含有する、
請求項１に記載の溶接構造部材。
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