JPH032596B2

JPH032596B2 -

Info

Publication number: JPH032596B2
Application number: JP57023445A
Authority: JP
Inventors: Osamu Tanaka; Hiroshi Saida
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1982-02-15
Filing date: 1982-02-15
Publication date: 1991-01-16
Also published as: JPS58141890A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、例えばSUS405クラツド鋼等で代表
される耐食性鋼材に肉盛溶接を行なうに際し、に
耐割れ性の良好な溶接金属を与えるクロム系ステ
ンレス被覆アーク溶接棒に関するものである。水素脱流プロセスで用いられる反応塔等には応
力腐食割れの少ないSUS405系クラツド鋼が賞用
されており、またNiの存在を嫌う腐食環境にお
いてはSUS410系やSUS430系等のクラツド鋼が
利用されているが、この様なクラツド鋼における
クラツド部肉盛第１層目の溶接は、クラツド鋼の
母材、クラツド材及び溶接材料の３者が混合した
異材溶接となるので、溶接施工に当つては細心の
注意を払う必要がある。この種の異材溶接に用いる溶接材料としては、
従来オーステナイト系のD309被覆アーク溶接棒
が主流を占めていたが、この溶接棒を用いた場合
の継手には応力腐食割れ、熱膨張係数の差に
よる割れ、脱炭・浸炭現象の起こり易さ等、
種々の問題が内包される。また、インコネル系の
溶接材料も使用されているが、溶接部の組織がオ
ーステナイト系になつて母材との熱膨張係数の差
による割れの危険があつた。そこで共金系の
D430、D410の使用も検討されたが、溶接性が悪
いことから、最近ではNb入り18Cr系被覆アーク
溶接棒が使用される様になつてきた。即ちNb入
りの18Cr系溶接棒を用いて初層溶接を行ない、
２層目以後をNb入りの13Cr系溶接棒を用いて溶
接すると、初層から微細なフエライト組織を得る
ことができ、健全で高品質の溶接継手が得られ易
いことが分かつてきた。ところが母材の炭素含有
率が高い場合や、溶接条件の変化に伴なう希釈率
の変動によつては初層溶接部がマルテンサイトを
含む溶接金属組織となり易く、その結果溶接金属
が硬化し耐割れ性が乏しくなるという問題があ
り、こうした問題はSUSクラツド鋼に肉盛溶接
を行なう場合の初層溶接に限らず、SUSライニ
ング鋼の継目溶接あるいはCr系ステンレス鋼を
炭素鋼上に肉盛溶接する場合の如く、Cr系ステ
ンレス溶接材料が溶接工程で炭素鋼によつて希釈
される場合の共通の問題であつた。勿論マルテン
サイト組織といえども、十分な熱管理を行なえば
割れ防止は可能であるが、実施工において十分な
熱管理を行なうことは多くの場合困難である。従
つてNb入りCr系被覆アーク溶接棒の前述の様な
利点を有効に生かす為には、溶接のままの状態で
も溶接金属組織のマルテンサイト化を抑えること
ができる様な技術を確立する必要がある。本発明者等は上記の様な事情に着目し、溶接金
属組織のマルテンサイト化を防止して耐割れ性を
防止すべく、溶接棒心線及びフラツクスの成分組
成の側面から研究を進めてきた。本発明はかかる
研究の結果完成されたものであつて、その構成
は、心線外周にフラツクス〔フラツクス被覆率：
20〜50％（重量％：以下同じ）〕を塗布してなる
被覆アーク溶接棒において、心線中の合金成分
は、Ｃ：0.05％以下、Cr：20％以下、Ｎ：0.20％
以下、Si：1.0％以下、残部：Fe及び不可避的不
純物、若しくはこれらとAl：６％以下、Ti：４
％以下、Nb：3.0％以下の３元素よりなる群から
選択される１種以上の元素とからなり、フラツク
スは、CaCO₃15〜50％、CaF₂20〜60％を含有す
るか若しくはこれらとCr：40％以下、Al：12％
以下、Ti：８％以下、Ｎ：1.0％以下、Nb：８％
以下の５元素よりなる群から選択される１種以上
の元素とを含有し、且つ溶接棒全体に含まれる前
記合金成分の総量に対する各合金成分の割合が
Ｃ：0.15％以下、Cr：９〜25％、Ｎ：0.003〜0.16
％、Si：１％以下、Al：0.16〜15％、Ti：0.12〜
6.0％、Nb：0.5〜3.2％、及び残部：Fe及び不可
避的不純物となる様に調整し、更に｛〔心線中のNb（％）×100−Ｆ／100＋
フラツクス中の／〔心線中のＣ（％）×100−Ｆ／100＋
フラツクス中のＣ（％）×Ｆ／100※ ※Nb（％）×Ｆ／100 〕／＋
フラツクス中のCaCO₃（％）×Ｆ／100×12／100〕｝…
…（Ｉ）（但し上式においてＦはフラツクス率）で与えられる値（以下単にNb／Ｃ比と略記）を
13〜50となる様に調整してなるところに要旨が存
在する。以下本発明において各合金成分の含有率を定め
た理由を詳細に説明する。まず溶接棒全体に含まれる各合金成分の種類及
び含有率は、溶接金属の機械的性質、溶接作業性
及び溶接金属への歩留等を考慮して次の様に定め
られる。Ｃ：0.15％以下クロム系ステンレス鋼中に含まれる不可避元素
の１つであり、多過ぎると後述するNbの配合に
もかかわらず溶接部に硬くて脆いマルテンサイト
組織を生成し易くなるので、0.15％以下に抑えな
ければならない。 Cr：９〜25％前述の様な異材溶接において耐食性の良い溶接
金属を得る為の必須元素であり、９％未満では母
材による希釈を受けて溶接金属中のCr量が少な
くなりすぎ、十分な耐食性が得られなくなる。一
方25％を越えると溶接金属の475℃脆性が劣化す
る。 Nb：0.5〜3.2％Ｃを固定しマルテンサイト組織の生成を防止す
る為の不可欠元素であり、0.5％未満ではその効
果が有効に発揮されない。しかし3.2％を越える
と、溶接金属の伸びや衝撃値等の機械的性能が乏
しくなる。 Al：0.16〜15％、Ti：0.12〜6.0％、Ｎ：0.003〜
0.16％ Al、Ti及びＮは何れも溶接金属の結晶粒を微
細化して機械的性能を高める作用があり、夫々下
限値以上含有させなければならない。しかし多過
ぎるとスラグが焼付き易くなる等溶接作業性が低
下するので、夫々上限値以下に抑える必要があ
る。 Si：1.0％以下、Mn：1.0％以下 SiもMnも不純元素として微量混入することが
多いが、特に1.0％を越えると耐割れ性が著しく
悪くなる。又Mnについては1.0％以上配合させる
意味がない。本発明のクロム系ステンレス被覆アーク溶接棒
中に含まれる合金成分は上記の通りであり、これ
らのうちSiは心線だけから含有させ、他は心線及
びフラツクスの一方若しくは双方に含有させれば
よいが、溶接棒の生産性、フラツクス率及び溶接
金属への歩留り等を考慮すると、心線及びフラツ
クスの夫々に含有させる各合金成分量について
も、以下に示す様に上限を定める必要があること
が分かつた。尚上記各合金成分の溶着金属への歩
留りは、心線に含有させた場合とフラツクスに含
有させた場合とで異なり、一般的には下記の通り
であるから、これを参考にして定めることができ
る。〔心線からの合金成分の歩留り〕Ｃ：80〜95％、Cr：80〜95％、Al：３〜15％、
Ti：５〜20％、Ｎ：85〜95％、Nb：50〜80％、
Si：70〜90％、Mn：30〜80％〔フラツクスからの合金成分の歩留り〕 Cr：70〜90％、Al：１〜10％、Ti：２〜15％、
Ｎ：85〜95％、Nb：45〜70％またフラツクス率については予備実験の結果20
〜50％の範囲にすべきであるとの結論を得た。即
ち20％未満ではスラグ形成剤等の如く、良好な溶
接作業性を維持するための原料の添加量が制限さ
れ、棒焼けによる使用後の残棒長が長くなり、し
かも塗装時に偏心し易くなる。50％超では、保護
筒が大きくなりアーク切れをおこし易くなるので
好ましくない。まず、心線中に必須成分として含まれるＣ、
Cr、Ｎおよび心線中に含有させることができる
Al、Ti、NbをそれぞれC0.05％以下、Cr20％以
下、N0.20％以下、Al6％以下、Ti4％以下、
Nb3.0％以下としたのは次の理由からである（尚
Si、Mnは不純物として含まれることが多い）。Ｃ：ガス発生剤として被覆剤中に必須的に添加さ
れるCaCO₃から溶着金属中へＣが混入するた
め心線中がのC0.05％を越えると溶接部が割れ
易くなる。 Cr：20％を越えると心線が脆化し易くなり、心
線の製造が困難になる。Ｎ：0.2％を越えると心線が硬化し、伸線が困難
となる。 Al：６％を越えると、心線製造時の熱間加工性
が悪くなる。 Ti：４％を越えると、心線製造時の熱間加工性
が悪くなる。 Nb：3.0％を越えると硬化や脆化をおこし易くな
り伸線が困難になる。尚溶接棒全体に含有させるべき各合金成分をす
べて心線中に含有させた場合、フラツクスとして
は実質的にスラグ形成剤のみから構成すれば十分
であり、必要によりアーク安定剤やスラグの粘性
調整剤等を配合する場合もあるが、上記各合金成
分のうちＣ、Cr、Al、Ti、Ｎ、Nbの一部又は全
部をフラツクス中に含有させる場合は、以下に示
す様な理由からフラツクス中の各合金元素量の上
限を定める必要がある。尚Ｃは不純物として0.1〜0.4％程度含有されて
しまうものである。 Cr：40％以下 40％を越えると、スラグ形成剤やアーク安定
剤等の溶接作業性を良好にする原料の添加が困
難になる。 Al：12％以下、Ti：８％以下、Ｎ：1.0％以下、
Nb：８％以下 Al、Ti、Ｎ、Nbが夫々その上限を越えて添
加されると、スラグが焼きついてスラグの剥離
性が悪くなる。また溶接金属の耐割れ性（殊に耐遅れ割れ性）
に悪影響を及ぼすその他の要因としては、溶接金
属中への水素の浸入を考える必要がある。水素の
混入原因としては、フラツクス成分中の水素発生
材料及び吸着水や結晶水等を無視することができ
ないが、フラツクスに配合される無機材料と水素
侵入量の関係を別途研究したところ、炭酸石灰が
重大な影響を示すということが明らかになつてい
る。そこで炭酸石灰の含有量と1000℃水分量
（AWS A5.5により測定）の２因子に着目し、第
１表に示す組成の被覆剤原料に固着剤を加えて調
整した被覆剤を塗布した溶接棒（4.0mmφ×400mm
）を用いて試験溶接を行なつた。得られた溶接
金属の拡散性水素量を調べた（JIS Z3113により
測定）ところ、第１図に示す様な結果が得られ
た。

【表】その他成分はルチール、珪砂
等である。
第１図からも明らかな様に、被覆剤中の水分
量が略等しいものでは炭酸石灰量が多くなる程拡
散性水素量は減少し、溶接金属の耐割れ性が向上
する。特に炭酸石灰量が15％以上のものでは優
れた耐割れ性を示し、且つこの条件で1000℃水分
量が0.5％以下であれば割れの発生は皆無となる。
これらの結果より、溶接部の耐割れ性を改善する
為には、被覆剤成分として15％以上の炭酸石灰を
使用しなければならないとの結論を得た。また溶接部の耐割れ性を一層確実に改善する為
には1000℃水分量を0.5以下にすることが望まれ
る。尚1000℃水分量を0.5％以下にする方法とし
ては、含水率の低い原料を選択すると共に、被覆
棒製造時のベーキング温度を300℃以上の高温に
すればよい。また炭酸石灰量が50％を越えると、
溶接時の熱分解によつて生成するCO₂がＣ源とな
つて溶接金属中に多量混入し、Nb／Ｃ比を低下
させるので、50％以下に抑えなければならない。尚本明細書においてNb／Ｃ比を前記（Ｉ）式
で計算したのは次の理由による。即ち（Ｉ）式の
分子は、心線中のNbとフラツクス中のNbの総和
を、フラツクス率を考慮して計算したものであ
り、分母は、心線中のＣとフラツクス中の不純Ｃ
とCaCO₃に由来するＣの総和を、フラツクス率
及びCaCO₃からの歩留比率を考慮して計算した
ものである。従つてこれらの比は、容着金属中に
おけるNbとＣの比をほぼ正確に予測する値とな
つているが、Nb／Ｃ比を13〜50の間と設定した
理由は下記の通りである。即ち前に述べた様に、Ｃはマルテンサイト組織
の生成を助長して耐割れ性を低下させる元素であ
り、一方NbはＣを固定してマルテンサイト組織
の生成を抑制する作用がある。従つてNbとＣの
絶対量はもとよりNb／Ｃ比の値もマルテンサイ
ト組織生成量と密接に関係すると考えられる。そ
こで第２表に示す如くNb量及びＣ量の異なる数
種類の被覆アーク溶接棒（4.0mmφ×400mm）を
試作し、これを用いてNb／Ｃ比の異なる溶接金
属を得（第２表に併記）、夫々についてスリツト
割れ試験及びビードの表面硬度試験を行なつた。
尚スリツト割れ試験は、第２図Ａ（平面図）及び
第２図Ｂ（側面図）に示す如く、50mm^t×120mm^w×
300mm^lの炭素鋼１上に30mm^t×30mm^w×100mm^lの軟
鋼（SM50A）製ブロツク２，２，…を拘束溶接
（ｗ）し、その上に140A、ACで１パス溶接して
得た溶接ビードＢの割れ数によつて調べた。また
ビードの表面硬度はビツカース硬度計により測定
した。結果を第３図に示す。尚第２図のグラフに
付記した数値は、第２表の「No.」に対応させてい
る。

【表】固着剤：珪酸ソーダ（SiO₂：20％、Na₂O：10
％、H₂O：70％、珪酸ソーダ15c.c.／フラツク
ス100ｇ）被覆率：30％ Fe−Nb：Nb含有率は60％第３図からも明らかな様に、溶接棒中のNb／
Ｃ比が大きくなるにつれて割れ数は減少し、この
値が13以上になると割れ数は零となる。一方溶接
部の硬さをみると、Nb／Ｃ比が大きくなるにつ
れて小さくなり、特にNb／Ｃ比が13付近で急激
に減少し20付近でほぼ平衡状態に達する。但しこ
の比が50を越えると、硬さ自体は好ましい値を示
すが他の機械的性能（特に衝撃値）が劣化する。
これらの結果から、被覆棒中のNb／Ｃ比は13〜
50にするのがよいとの結論に達した。尚上述の溶接棒を用いてケラツド鋼の初層溶接
を行なつた場合における溶接金属の適正成分範囲
は下記の通りである。Ｃ≦0.097、14％≦Cr≦18％、0.04％≦Al≦0.2
％、0.04％≦Ti≦0.2％、0.005％≦Ｎ≦0.15％、
Si≦0.7％、Mn≦0.7％、0.7％≦Nb≦1.5％。本発明は概略以上の様に構成されるが、要は、
心線及び被覆剤の成分組成を特定すると共に溶接
棒全体の合金成分組成およびNd／Ｃ比を特定す
ることによつて、溶接のままでも優れた耐割れ性
の溶接金属を与えるクロム系ステンレス被覆アー
ク溶接棒を提供し得ることになつた。次に実験例を挙げて本発明の構成及び作用効果
を詳細に説明する。実験例第３表に示す成分の心線の外周に、第４表に示
す組成の被覆剤原料に固着剤を加えて調製した被
覆剤を所定の被覆率で塗布し、第５表に示す溶接
棒を調製した。得られた各溶接棒を用い、下記の条件で
SUS405クラツド鋼の溶接を行なつた。このとき
の溶接作業性、継手性能及び溶着金属組成を第６
表に一括して示す。第６表からも明らかな様に、本発明の要件を満
たす溶接棒（No.１〜５および19、20）は溶接作業
性及び継手性能共に優れているが、本発明の要件
を１つでも欠く溶接棒（No.６〜18および21）は何
れかの性能が不十分である。

【表】

【表】【図面の簡単な説明】

第１図は被覆剤中の炭酸石灰含有量と溶接金属
の拡散性水素量の関係を示すグラフ、第２図Ａ，
Ｂはスリツト割れ試験及びビツカース硬度試験の
為の拘束溶接法を示す平面図及び側面図、第３図
は被覆棒中のNb／Ｃと溶接金属のビツカース硬
さ及びスリツトの割れ発生数の関係を示すグラフ
である。

Claims

【特許請求の範囲】１肉盛溶接用クロム系ステンレス被覆アーク溶
接棒であつて、心線外周に、フラツクス率：20〜
50％（重量％：以下同じ）でフラツクスを塗布し
てなる被覆アーク溶接棒において、心線中の合金
成分は、Ｃ：0.05％以下、Cr：20％以下、Ｎ：
0.20％以下、Si：1.0％以下、Mn：1.0％以下、残
部：Fe及び不可避不純物、若しくはこれらと
Al：６％以下、Ti：４％以下、Nb：3.0％以下の
３元素よりなる群から選択される１種以上の元素
とからなり、フラツクスは、CaCO₃15〜50％、
CaF₂20〜60％を含有するか若しくはこれらと
Cr：40％以下、Al：12％以下、Ti：８％以下、
Ｎ：1.0％以下、Nb：８％以下の５元素よりなる
群から選択される１種以上の元素とを含有し、且
つ溶接棒全体に含まれる前記合金成分の総量に対
する各合金成分の割合がＣ：0.15％以下、Cr：９
〜25％、Ｎ：0.003〜0.16％、Si：1.0％以下、
Mn：1.0％以下、Al：0.16〜15％、Ti：0.12〜6.0
％、Nb：0.5〜3.2％、及び残部：Fe及び不可避
不純物となる様に調整し、更に｛心線中のNb（％）×100−Ｆ／100＋フ
ラツクス中の／〔心線中のＣ（％）×100−Ｆ／100＋フ
ラツクス中のＣ（％）×Ｆ／100※ ※Nb（％）×Ｆ／100 ／＋フ
ラツクス中のCaCO₃（％）×Ｆ／100×12／100〕｝（但し上式においてＦはフラツクス率：％）で与えられる値を13〜50となる様に調整してなる
ことを特徴とする肉盛溶接用クロム系ステンレス
被覆アーク溶接棒。