JP6741861B2 - 隙間部の耐塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼管、管端増肉構造体、溶接継ぎ手、及び溶接構造体 - Google Patents
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Description
本願は、2017年3月30日に、日本に出願された特願2017−069284号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
この環境で起こる腐食は、隙間腐食ではなく、隙間環境で塩水や排ガス凝縮水が滞留しやすくなることにより促進される塩害腐食である。このように隙間部での腐食が促進される恐れがあるため、使用されるステンレス鋼としては、隙間部での耐塩害性に優れる鋼種が求められる。特に排気系部品では、腐食による穴あきは排気ガスの漏れに繋がるため、耐穴あき性の高い材料を適用することが重要となる。
A=[Cr]+[Si]+0.5[Mn]+10[Al]+15([Sn]+[Sb]) ・・・式(2)
特許文献5に記載の技術では、Sn、Sbを添加することで加熱後の耐食性を向上させているが、隙間が存在する際の耐食性について述べられていない。
A=[Si]×[Sn]+0.014[Si] ・・・(1)
ここで[Si]、[Sn]は、それぞれSi、Snの質量%としての含有量である。
特許文献8に記載の技術では、排気系部品の加熱後の耐食性について開示しているが、隙間環境での耐食性について述べられていない。
A=[Mo]×[Sn] ・・・(1)
特許文献9に記載の技術では、排気系部品の加熱後の耐食性について開示しているが、隙間環境での耐食性について述べられていない。
〔1〕本発明の一態様に係る隙間部の耐塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼管は、C:0.001〜0.100%、
Si:0.01〜2.00%、
Mn:0.01〜2.00%、
P:0.001〜0.05%、
S:0.0001〜0.005%、
Cr:10.5〜20.0%、
Sn:0.001〜0.600%、
Ti:0.001〜1.000%、
Al:0.001〜0.100%、
N:0.001〜0.02%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であり、管端部に管端増肉部を具備し、前記管端部に形成される隙間間隔d(μm)は、d≧Cr2/(1000Sn)(式中のCr及びSnはそれぞれの元素の含有量(質量%)を示す)の関係を満たすことを特徴とする。
Ni:0.1〜1.0%、
Mo:0.1〜3.0%、
Cu:0.10〜3.00%、
B:0.0001〜0.0050%、
Nb:0.001〜0.300%、
W:0.001〜1.00%、
V:0.001〜0.50%、
Sb:0.001〜0.100%、
Co:0.001〜0.500%、
のうち何れか1種または2種以上を含有することを特徴とする前記〔1〕に記載の隙間部の耐塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼管。
Ca:0.0001〜0.0050%、
Mg:0.0001〜0.0050%、
Zr:0.0001〜0.0300%、
Ga:0.0001〜0.0100%、
Ta:0.001〜0.050%、
REM:0.001〜0.100%、
のうち何れか1種または2種以上を含有することを特徴とする前記〔1〕または〔2〕に記載の隙間部の耐塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼管。
〔4〕管端増肉構造体に用いられることを特徴とする前記〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載の隙間部の耐塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼管。
〔6〕本発明の一態様に係る溶接継ぎ手は、前記〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載のフェライト系ステンレス鋼管からなる管端増肉部を有することを特徴とする。
〔7〕前記管端増肉部に溶接で接合された構造体をさらに有し、前記フェライト系ステンレス鋼管の単管部の板厚をtとすると、溶接部のうち、前記フェライト系ステンレス鋼管側の最大溶け込み深さが0.3t〜2.0tであることを特徴とする前記〔6〕に記載の溶接継ぎ手。
〔8〕本発明の一態様に係る溶接構造体は、前記〔7〕に記載の溶接継ぎ手を有することを特徴とする。
管端増肉パイプ(フェライト系ステンレス鋼管)の隙間環境を模擬して耐食性を評価する為に、本発明者らは種々の組成の鋼板を作製した。そして、これらの鋼板からスポット溶接により管端増肉パイプの隙間部を模擬した種々の隙間間隔を有する試験片を作製した。JASO−M610−92の自動車部品の外観の腐食試験方法に従って腐食試験を100サイクル実施して隙間部の塩害腐食性を評価した。評価には最大孔食深さを用い、最大孔食深さが500μm未満の試料を“○”(good)と評価し、最大孔食深さが500μm以上の試料を“×”(poor)と評価した。
以下に本実施形態で規定される鋼の化学組成についてさらに詳しく説明する。なお、%は質量%を意味する。
C:Cは、鋼の耐粒界腐食性、加工性を低下させるため、その含有量を低く抑える必要がある。そのため、C含有量を0.100%以下とする。しかしながら、過度に低めることは精練コストを上昇させるため、C含有量を0.001%以上とすることが望ましい。C含有量は、より望ましくは0.003〜0.050%、さらに望ましくは0.005〜0.020%である。
Ni:Niは耐食性を向上させるのに有用な元素であり、0.1%以上の量で含有させることができる。ただし、過剰な添加はコストを増大させるため、その上限を1.0%とする。Ni含有量は、より望ましくは0.2〜0.8%、さらに望ましくは0.3〜0.5%である。
なお、Ni、Mo、Cu、B、Nb、W、V、Sb、Coの1種または2種以上の合計含有量は、コストアップなどの点から6%以下が望ましい。
なお、REMとはCe、La、Pr、Nd等の希土類金属である。「REMの含有量」とは、これらの全REM元素の含有量の合計値を意味する。全含有量が上記範囲内であれば、REM元素の種類が1種類であっても2種類以上であっても、同様な効果が得られる。
管端部に存在する隙間間隔d(μm)は、d≧Cr2/(1000Sn)(式中のCr及びSnはそれぞれの元素の含有量(質量%)を示す)の関係を満たす。
製鋼においては、前記必須成分および必要に応じて添加される成分を含有する鋼を、転炉溶製し、次に2次精錬を行う方法が好適である。溶製した溶鋼は、公知の鋳造方法(連続鋳造)に従ってスラブとする。スラブは、所定の温度に加熱され、所定の板厚に連続圧延で熱間圧延される。熱間圧延後の焼鈍工程は省略しても良く、酸洗後の冷間圧延では、通常のゼンジミアミル、タンデムミルのいずれで圧延しても良いが、鋼管の曲げ性を考慮するとタンデムミル圧延の方が望ましい。
また、管外側に造肉する場合と、管内側に造肉する場合が考えられるが、管外側に造肉する場合は、造肉箇所の内径は素管と同じになる。一方、管内側に造肉する場合は、造肉箇所の外径は素管と同じになる。作業能率や寸法精度を考慮すると、スピニング加工の方が望ましく、管端を一度折り曲げ、次工程にて密着させる工法を採用することが好ましい。
上述の組成と関係式を満たすフェライト系ステンレス鋼管を、特に自動車部品、二輪用部品として使用することによって、薄肉化が可能となり、効率的な部品の製造および適用した自動車、二輪車の燃費の向上が可能となる。
また、上述の組成と関係式を満たすフェライト系ステンレス鋼管によれば、耐隙間部塩害性に優れた管端増肉部を有する溶接継ぎ手や溶接構造体を提供することができる。
前述の如く本実施形態のフェライト系ステンレス鋼管は、C、Si、Mn、P、S、Cr、Sn、Ti、Al、Nを規定の範囲内の量で含有する組成を有し、管外側に造肉されるか、管内側に造肉される管端増肉構造体用のステンレス鋼管である。
本実施形態の管端増肉構造体は、本実施形態のフェライト系ステンレス鋼管を有する。管端増肉構造体とは、鋼管を有し、この鋼管に管端増肉部が設けられた構造体を言う。本実施形態では、管端部に形成される隙間間隔d(μm)が、d≧Cr2/(1000Sn)(式中のCr及びSnはそれぞれの元素の含有量(質量%)を示す)の関係を有する管端増肉構造体を提供できる。
この管端増肉構造体であるならば、耐隙間部塩害性に優れた特徴を有する。
本実施形態の溶接継ぎ手は、耐隙間部塩害性に優れた管端増肉部を有する。
本実施形態の溶接継ぎ手を、特に自動車部品、二輪用部品として使用することによって、部品の薄肉化が可能となり、効率的な部品の製造および適用した自動車、二輪車の燃費の向上が可能となる。
管端増肉構造体1の管端部分に内側に折り返した部分が設けられて管端増肉部1aが形成されている。すなわち、図1の管端増肉部1aは、鋼管の端部を内側に180°折り返して形成されている。この管端増肉部1aの外側に鋼管2が溶接部3により接合されている。
管端増肉部1aにおけるステンレス鋼管の外側部分と内側部分の間に隙間部1bが形成されている。
図1の構造の継ぎ手Aにおいて、フェライト系ステンレス鋼管の上述の組成に応じて上述の関係式を満たす隙間間隔dを有する隙間部1bが形成されている。これにより、優れた耐隙間部塩害性を得ることができる。
フェライト系ステンレス鋼管の管端増肉部に構造体を溶接で接合する場合(溶接継ぎ手が、管端増肉部に溶接で接合された構造体をさらに有する場合)、フェライト系ステンレス鋼管の単管部の板厚をtとすると、溶接部のうち、フェライト系ステンレス鋼管側の最大溶け込み深さが0.3t〜2.0tであることが好ましい。
最大溶け込み深さは、以下の方法により測定される。溶接部の断面を観察し、溶接部において、最も深くまで溶解した箇所を最大溶け込み部とし、その深さを最大溶け込み深さとする。
図2は、図1の溶接部3周辺の拡大図を示す。フェライト系ステンレス鋼管の単管部の板厚をtとすると、図2(a)は、最大溶け込み深さが0.3tである場合を示し、図2(b)は、最大溶け込み深さが1.0tの場合を示し、図2(c)は、最大溶け込み深さが2.0tの場合を示し、(d)は、最大溶け込み深さが2.0t超の場合を示す。
図1,2は、管端増肉部の外周面側に電極/アークを近づけて溶接を行って溶接部3が形成された場合を示す。このため、管端増肉部の外周面が、電極/アーク側の面となり、管端増肉部の内周面が、電極/アーク側の面の反対側の面(裏面)となる。管端増肉部の外周面から最大溶け込み部までの距離(深さ)が最大溶け込み深さである。
図2に示されたように、最大溶け込み部が、管端増肉部の内周面に到達していない場合、最大溶け込み深さは2.0t未満である。最大溶け込み部が、管端増肉部の内周面にちょうど到達している場合、最大溶け込み深さは2.0tである。最大溶け込み部が、管端増肉部の内周面に到達し、内周面にも溶融部が存在する場合、最大溶け込み深さは2.0t超である。すなわち、最大溶け込み深さが2.0tを超える場合とは、溶接時の電極/アーク側の面の反対側の面(裏面)に溶融部が存在する場合である。
最大溶け込み深さを0.3t以上とすることで、溶接部の強度が担保される(確保される)とともに、耐隙間部塩害性に優れた管端増肉部を有する溶接継ぎ手や後述する溶接構造体が得られる。最大溶け込み深さが2.0tを超えると、溶接部の形状が不均一となり、強度の低下や耐食性の劣化、排気ガスの漏れなどの様々な不具合に繋がる恐れがある。
最大溶け込み深さを0.3t以上とすることで、管端増肉パイプ(フェライト系ステンレス鋼管)の外側の溶接部の形状が安定化し、腐食起点となりうる隙間構造が形成されなくなる。最大溶け込み深さは、好ましくは1.0t超であり、この場合、管端増肉パイプ(フェライト系ステンレス鋼管)の内側の隙間も塞がれ、腐食起点となりうる隙間構造がさらに減少する。これに加え、フェライト系ステンレス鋼管は、鋼中に0.001〜0.600%の量のSnを含有している。このため、万が一、腐食が発生した場合も、溶出したSn2+イオンが溶解表面に吸着し、鋼母材のさらなる溶出を抑制し、溶接部の耐食性の劣化を回避することが可能である。
すなわち、本実施形態の溶接継ぎ手の製造方法は、本実施形態のフェライト系ステンレス鋼管の管端増肉部と、構造体とを溶接により接合する工程を有する。溶接による接合工程では、溶接部にシールドガスを供給しながら溶接を行うことが好ましい。シールドガスとしては、Arなどの不活性ガスや、CO2とO2のいずれか一方又は両方と不活性ガスとの混合ガスなどが挙げられる。混合ガス中のCO2とO2の量は5体積%以下が好ましい。
特に溶接方法が、TIG溶接、ミグ溶接、又はマグ溶接の場合、溶接部にシールドガスを供給しながら溶接を行うことが好ましい。溶接方法がレーザー溶接の場合、シールドガスを供給しなくともよい。
上述の組成と関係式を満たすフェライト系ステンレス鋼管によれば、耐隙間部塩害性に優れた管端増肉部を有する溶接継ぎ手や溶接構造体を提供することができる。
そして、この溶接継ぎ手や溶接構造体を、特に自動車部品、二輪用部品として使用することによって、部品の薄肉化が可能となり、効率的な部品の製造および適用した自動車、二輪車の燃費の向上が可能となる。
(実施例1)
表1,2に示す組成の鋼を溶製した。特にSnはその効果を調べるため0.005、0.01、0.03、0.10%および0.30%の5水準とした。溶製した鋼に板厚4mmまで熱間圧延を施し、1050℃で1分間焼鈍を行い、酸洗を施した。その後、板厚0.8mmまで冷間圧延を施した。
図3において、間隔の小さな鎖線はSn量が0.10%の場合のd=Cr2/(1000Sn)で表される曲線を示す。Sn量が0.10%の試料No.A4、A6、A10、B5、B7、B10に関して、試料No.A4、A10、A6の隙間間隔dの値はこの間隔の小さな鎖線より上の値となり、試料No.B7、B5、B10の隙間間隔dの値はこの間隔の小さな鎖線より下の値となった。
図3において、実線はSn量が0.030%の場合のd=Cr2/(1000Sn)で表される曲線を示す。Sn量が0.030%の試料No.A2、A7、A9、A12、B3、B6、B8、B13、B14に関して、試料No.A7、A2、A9、A12の隙間間隔dの値はこの実線より上の値となり、試料No.B13、B3、B8、B14、B6の隙間間隔dの値はこの実線より下の値となった。
図3において、太い実線はSn量が0.005%の場合のd=Cr2/(1000Sn)で表される曲線を示す。Sn量が0.005%の試料No.A5、A8、A11、B4、B9、B12に関して、試料No.A5、A8、A11の隙間間隔dの値はこの太い実線より上の値となり、試料No.B4、B9、B12の隙間間隔dの値はこの太い実線より下の値となった。
従って、図3に示す結果から、本実施形態のフェライト系ステンレス鋼管からなる管端増肉構造体では、隙間間隔d(μm)が、d≧Cr2/(1000Sn)(式中のCr及びSnはそれぞれの元素の含有量(質量%)を示す)の関係を満たすことで、最大孔食深さの小さい管端増肉構造体を提供できることがわかる。
また、図3に示したように、本実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼管では、母材Cr量が増加するほど、隙間環境での孔食深さは増加することがわかる。そして、本実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼管では、Snを添加することで臨界隙間間隔が小さくなることがわかる。
表1,2に示す組成の鋼板を用いて、TIG溶接により直径60mmの鋼管(パイプ)を作製した。スピニング加工により、鋼管の端部を内側に180°折り返して長さ50mmの管端増肉部を作製した。以上により、直径が60mm、内側に折り返した端部(管端増肉部)の長さが50mmの管端増肉パイプを作製した。そして、折り返し部から60mmの長さで管端増肉パイプを切断した。
なお、管端増肉部における隙間部の隙間間隔は、スピニング加工の条件を調整することで種々の値とした。
各種の溶接の際、電流量を調節して溶接部の溶け込み深さを調整し、溶け込み深さの耐食性への影響を調べた。またシールドガスを用いる溶接の場合、様々なシールドガスを用いて溶接を行い、シールドガスの耐食性への影響も調べた。
なお、最大溶け込み深さは、以下の方法により測定した。同一の条件で溶接を施し、CCT試験片を別途、作製した。溶接部の断面を観察し、溶接部において、最も深くまで溶解した箇所を最大溶け込み部とし、その深さを最大溶け込み深さとした。詳細には、管端増肉パイプの端部(管端増肉部)の外周面と単管パイプとを重ねあわせ、管端増肉パイプの端部(管端増肉部)の外周面側に電極/アークを近づけて溶接を行った。このため、管端増肉パイプの端部(管端増肉部)の外周面が、電極/アーク側の面となり、管端増肉パイプの端部(管端増肉部)の内周面が、電極/アーク側の面の反対側の面(裏面)となる。管端増肉パイプの端部(管端増肉部)の外周面から最大溶け込み部までの距離(深さ)が最大溶け込み深さである。
即ち、本実施形態は産業上極めて有益である。
Claims (8)
- 質量%で
C:0.001〜0.100%、
Si:0.01〜2.00%、
Mn:0.01〜2.00%、
P:0.001〜0.05%、
S:0.0001〜0.005%、
Cr:10.5〜20.0%、
Sn:0.001〜0.600%、
Ti:0.001〜1.000%、
Al:0.001〜0.100%、
N:0.001〜0.02%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であり、
管端部に管端増肉部を具備し、前記管端部に形成される隙間間隔d(μm)は、d≧Cr2/(1000Sn)(式中のCr及びSnはそれぞれの元素の含有量(質量%)を示す)の関係を満たすことを特徴とする隙間部の耐塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼管。 - さらに質量%で
Ni:0.1〜1.0%、
Mo:0.1〜3.0%、
Cu:0.10〜3.00%、
B:0.0001〜0.0050%、
Nb:0.001〜0.300%、
W:0.001〜1.00%、
V:0.001〜0.50%、
Sb:0.001〜0.100%、
Co:0.001〜0.500%、
のうち何れか1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の隙間部の耐塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼管。 - さらに質量%で
Ca:0.0001〜0.0050%、
Mg:0.0001〜0.0050%、
Zr:0.0001〜0.0300%、
Ga:0.0001〜0.0100%、
Ta:0.001〜0.050%、
REM:0.001〜0.100%、
のうち何れか1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の隙間部の耐塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼管。 - 管端増肉構造体に用いられることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の隙間部の耐塩害性に優れたフェライト系ステンレス鋼管。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載のフェライト系ステンレス鋼管からなることを特徴とする管端増肉構造体。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載のフェライト系ステンレス鋼管からなる管端増肉部を有することを特徴とする溶接継ぎ手。
- 前記管端増肉部に溶接で接合された構造体をさらに有し、
前記フェライト系ステンレス鋼管の単管部の板厚をtとすると、溶接部のうち、前記フェライト系ステンレス鋼管側の最大溶け込み深さが0.3t〜2.0tであることを特徴とする請求項6に記載の溶接継ぎ手。 - 請求項7に記載の溶接継ぎ手を有することを特徴とする溶接構造体。
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