JPH07124785A

JPH07124785A - 耐熱フェライト系ステンレス鋼用シームレスフラックス入りワイヤ

Info

Publication number: JPH07124785A
Application number: JP29379393A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Okita; 茂大北; Takashi Tanaka; 隆田中; Nobutaka Yurioka; 信孝百合岡; Takeomi Kobayashi; 武臣小林; Hajime Nagasaki; 肇長崎; Satoyuki Miyake; 聰之三宅
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-11-01
Filing date: 1993-11-01
Publication date: 1995-05-16

Abstract

(57)【要約】【目的】時効後の高温強度と耐食性に優れたフェライ
ト系ステンレス鋼溶接金属を得、かつ溶接ワイヤ表面の
錆発生を防止し溶接性を改善する。【構成】ＭｏとＷの合計：０．２〜４．０％、Ｎｂ：
０．１〜１．０％、その他Ｓｉ、Ｃｒ、Ｔｉ等を適量含
有し、酸化物：０．２〜１．５％と、弗化物および硫化
物の合計：０．５％以下と、Ｎａ成分、Ｋ成分を規定し
た水ガラスとを配合した充填フラックスが、ワイヤ全重
量に対し１４〜２６％の割合でシームレスの鋼製外皮に
充填され、該鋼製外皮の表面に銅メッキが施されている
耐熱フェライト系ステンレス鋼用シームレスフラックス
入りワイヤ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温強度に優れた耐熱
フェライト系ステンレス鋼、特に自動車排気系や各種燃
焼装置のような高温度における耐熱性や耐食性を要求さ
れる部品などに使用されるフェライト系ステンレス鋼の
ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車の軽量化、高出力化を目的
に排気系材料としてＳＵＳ４０９およびＳＵＳ４３０に
代表されるフェライト系ステンレス鋼が使用され、溶接
により組立てられている。排気マニホールド用材料とし
ては熱疲労強度が必要であり、それには高温での耐力を
高くする必要がある。例えば、特開平３−２４８７９８
号公報に合金成分としてＮｂを添加することによりフェ
ライト系ステンレス鋼の高温強度を向上させることがで
きることが示されている。また、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖなどを
添加すれば高温強度が上昇することは一般に知られてい
るが、フェライト系ステンレス鋼がこれまで耐熱用の構
造物としてあまり使用されたことがないため、溶接金属
そのものの長時間後の強度についてはよくわかっていな
い。

【０００３】また、凍結防止などのために道路上に撒か
れる塩化マグネシウムなどの塩化物による常温および高
温での腐食の問題がある。これまで、常温における塩害
特性について多くの調査報告がありＣｒ、Ｍｏ添加によ
り耐食性が向上するとされているが、高温における塩害
腐食に関してはそれらの元素の効果も十分には検討され
ていない。

【０００４】さらに、溶接加工方法に関しては、従来は
被覆アーク溶接、ソリッドワイヤによるＭＩＧ溶接が行
われてきている。この構造は軽量化を目的として薄板あ
るいは薄肉のパイプの構造物となるため、溶け落ちの防
止、溶接作業性改善などを目的に、最近ではフラックス
入りワイヤを使用することが多い。たとえば、特開平２
−１２１８００号、特開平３−４２１９５号、特開平３
−２４３２９６号、特開平４−２１０８９１号の各公報
では、自動車の排気マニホールド用として溶接部の溶け
込みを浅くしてビードトウ部の形状を改善し、高温強度
を改善したフェライト系ステンレス鋼用フラックス入り
溶接ワイヤが開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の溶接ワイヤに関しては、軟鋼外皮を使用しているに
もかかわらず防錆処理がされておらず、放置しておくと
外皮に錆が発生する問題があった。さらにまた、ワイヤ
断面が円周方向に均等でないため、溶接の狙い精度の不
良、溶接時のワイヤ送給不良、ワイヤのつぶれ、座屈な
どの欠点があった。

【０００６】また、従来ワイヤにて得られる溶接金属で
は、Ｎｂを添加することによりその固溶状態のＮｂの利
用、もしくは微細なＮｂ析出物の利用により高温強度を
確保していた。このため自動車走行時に長時間高温にさ
らされることにより、Ｎｂの炭窒化物、Ｆｅ₂ Ｎｂ相の
析出および粗大化が生じるため、その強化機能を失う結
果となり、耐力が大きく低下してしまう問題があった。
さらに、従来の高温塩害に対してＣｒの添加のみに依存
する耐食性向上法には限界があり、十分ではなかった。

【０００７】一方、本発明の出願人は時効後高温強度、
高温塩害の優れたステンレス鋼素材の成分を開発し特願
平４−８９１２１、特願平４−３４９４８４等において
特許出願したが、溶接金属では溶接時に酸化物生成によ
る元素の歩留まり低下、酸化物の混入、凝固による偏析
等の問題があり、同一成分では目的とする特性が得られ
ない。

【０００８】本発明は、従来のフェライト系ステンレス
鋼溶接金属よりも、時効後の高温強度と耐食性に優れた
フェライト系ステンレス溶接金属を得、かつ溶接ワイヤ
表面の錆発生を防止し溶接性を改善することを目的とし
たものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するものであって、ワイヤ全重量に対し重量％で、Ｓ
ｉ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：１２〜２２％、Ａｌ：
０．１０〜１．０％、Ｔｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｏ
とＷの合計：０．２〜４．０％、Ｎｂ：０．１〜１．０
％を含有し、Ｃ：０．０２％以下、Ｐ：０．０２％以
下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎ：０．０２％以下で残部は
不可避不純物および鉄からなる金属成分と、酸化物：
０．２〜１．５％と、弗化物および硫化物の合計：０．
５％以下と、Ｎａ成分：０．０５〜０．１５％、Ｋ成
分：０．０１〜０．１５％、Ｎａ成分／Ｋ成分：１．０
〜３．５の条件を満たす水ガラスとを配合した充填フラ
ックスが、ワイヤ全重量に対し１４〜２６％の割合でシ
ームレスの鋼製外皮に充填され、該鋼製外皮の表面に銅
メッキが施されていることを特徴とする耐熱フェライト
系ステンレス鋼用シームレスフラックス入りワイヤであ
る。ここにおいて、充填フラックス中に、ワイヤ全重量
に対し重量％でさらにＭｎ：０．１〜１．５％を含有す
ることも特徴とする。

【００１０】ここで、酸化物は、ＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ
₃ 、ＭｇＯ、ＴｉＯ₂ 、ＭｎＯ、ＺｒＯ₂ およびＦｅＯ
の１種または２種以上、弗化物および硫化物は、Ｎａ
Ｆ、ＣａＦ₂ 、ＬｉＦ、Ｋ₂ ＺｒＦ₆ 、ＦｅＳの１種ま
たは２種以上とする。

【００１１】

【作用】通常、フェライト組織を持つ材料は７００〜８
００℃以上の高温では強度低下が著しいため、構造用材
料には使用されないが、熱膨脹率がオーステナイト系材
料よりも小さく、またコスト面でも有利であるため、自
動車のエキゾーストマニホールドなどの高温になる部位
にも使用されている。金属材料の高温強度は、種々の元
素を添加することにより析出強化あるいは固溶強化する
ことが知られているが、長時間加熱後における各元素の
添加効果に関してはよくわかっていなかった。また、高
温における塩害に関しても各種元素の影響が十分には把
握されていなかった。

【００１２】そこで本発明者らは、長時間時効後の高温
強度向上および高温での塩害特性の向上を目的として種
々の検討を行った結果、溶接金属において高温保持時の
固溶Ｎｂ、固溶Ｍｏ量および固溶Ｗ量を確保することが
高温強度確保、耐食性改善に重要であることを見いだし
た。特に、ＭｏおよびＷが時効後の高温強度の低下を軽
減し、かつ耐高温塩害性を向上させる知見を見いだし、
本溶接ワイヤの成分系を特定するに至った。

【００１３】また従来、鋼帯を折曲げて中にフラックス
を充填するワイヤではメッキができなかった。外皮に軟
鋼のパイプを使用し銅メッキを施せば錆の問題もなく、
送給性も優れたワイヤができることを見いだした。

【００１４】まず、本発明のシームレスフラックス入り
ワイヤとは図１に示すような断面形状のワイヤで、シー
ムレスパイプから成る外皮１によって充填フラックス２
を被包したものである。次に、本発明において規定した
各数値の限定理由について述べる。

【００１５】まず、ワイヤ全重量に対する各成分の重量
の限定理由について説明する。Ｃは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍ
ｏ、Ｃｒ、Ｎなどと結び付いて炭化物あるいは炭窒化物
を形成することから、溶接金属中の固溶Ｎｂ、固溶Ｍｏ
の確保という点からは低いほどよいが、溶接金属におい
て０．０５％を超えると析出物の生成が顕著となる。し
たがって、溶接中に混入するＣ量は条件によって異なる
がおおよそ０．０２％であり、外皮に通常使用されるＣ
量が０．０１％であることから、充填材から混入するＣ
量は０．０２％以下とする。

【００１６】Ｓｉは、溶接金属の脱酸材であるとともに
耐酸化性を向上させる元素であることから、０．１％以
上添加するが過剰添加は溶接金属の延性、靭性を阻害す
ることから２．０％以下とする。

【００１７】Ｍｎは必要に応じ添加される元素で、Ｓｉ
とともに溶接金属の脱酸作用を促進する元素であり、外
皮材製造時の脱酸元素として０．１％以上添加すること
が好ましい。過剰になると、低Ｃｒ材ではフェライトの
安定性が問題になることから添加する場合は０．１〜
１．５％とすることが好ましい。

【００１８】Ｐ，Ｓは不純物元素であり多くなると延性
の阻害要因となるため低い方が望ましいので、上限をそ
れぞれＰ：０．０２％、Ｓ：０．０１％とする。

【００１９】Ｃｒはフェライト安定化元素および耐熱耐
食特性を付与する元素として最低１２％必要であり、２
２％を超えると延性の低下、時効後の析出による硬化組
織の出現などの問題が発生するとともに、必要特性上意
味がなくまたコスト上昇にもなることから１２．０〜２
２．０％とする。

【００２０】ＭｏおよびＷは、固溶させることによって
高温強度と耐高温塩害特性を向上させる元素である。Ｍ
ｏおよびＷはそのＬＡＶＥＳ相の析出速度が遅く粗大化
しにくい。したがって、ＮｂがＬＡＶＥＳ相になって消
費されても、Ｍｏは固溶状態で残るため時効後の耐熱強
度の低下を軽減する効果がある。この効果はＭｏおよび
／あるいはＷの添加量が増加すると大きくなる。また、
Ｍｏおよび／あるいはＷの添加はＣｒ酸化物などの耐食
皮膜が破壊された時にその補修に寄与するために耐高温
腐食性を改善し、ＭｏとＷの合計で０．２％で効果が現
れ、０．５％の添加で十分な効果が現れる。しかしなが
ら、過剰の添加は経済的に不利であり、溶接金属の延性
を阻害することから４．０％を上限とする。

【００２１】Ｎｂは高温強度を向上させるために０．１
％以上添加するが過剰の添加は析出物増のため硬さの上
昇、延性の低下原因となるため上限を１．０％とする。

【００２２】Ｔｉは結晶粒の微細化効果を有し、延性を
改善する。また、炭窒化物を形成し、Ｃ、Ｎを固定し、
Ｎｂの炭窒化物形成を防止する。しかし、過剰添加はＴ
ｉＮもしくはＴｉＣの析出により著しく溶接金属の延
性、靭性を阻害する。したがって、溶接時の歩留まりを
考慮して０．０５〜１．０％の範囲とする。

【００２３】Ａｌは強力な脱酸元素であり酸化物を形成
し、Ｔｉ、Ｎｂ等の酸化消耗を防止するが、過剰添加は
延性の低下原因となることから溶接ワイヤに添加する量
を０．１０〜１．０％とする。

【００２４】Ｎの限定理由もＣと同様に、窒化物、炭窒
化物の形成抑制のために、外皮材、充填材から混入する
Ｎ量は０．０２％以下とする。

【００２５】フラックス中の金属成分の合計は乾燥後の
フラックス全重量に対して９０％未満ではスラグの発生
量が増加し、スラグ除去など溶接施工上の工程が増える
ことから９０％以上が好ましい。また、金属成分の合計
が９８％を超えると水ガラスなどのアーク安定性を確保
するための酸化物成分が不足することになるから上限は
９８％が好ましい。

【００２６】次に、ワイヤ全重量に対する金属成分以外
の重量の限定理由について説明する。酸化物は、溶接ビ
ードの溶け込み深さの低減、アークの安定性確保および
スラグの剥離性の調整を目的に添加するが、０．２％以
下ではその効果が得られず、１．５％以上の添加はスラ
グが多くなりすぎることから０．２〜１．５％とする。

【００２７】弗化物および硫化物は、水ガラス中のＮａ
およびＫも合わせ、アークの安定性、溶融金属の粘性、
スラグの剥離性などを目的に応じて調整する元素である
が、０．５％の添加で十分な効果があり、それを超える
とスラグの発生が多くなりすぎるため上限を０．５％と
する。

【００２８】水ガラス中のＮａおよびＫはアークの安定
性を向上させ薄板溶接における溶け落ちを防止し、ビー
ド形状を向上させるのに効果があるが、Ｎａ／Ｋの比率
が１．０％未満ではスパッターが増加し、３．５％を超
えるとアークが不安定となるため１．０〜３．５％の範
囲とする。また、Ｎａの添加率が０．０５％未満ではア
ーク不安定となり、０．１５％を超えると湿式混合によ
り造粒されたフラックスが粉砕されにくくなりワイヤの
伸線工程における断線トラブルが生じ易くなることから
０．０５〜０．１５％の範囲とする。さらに、ワイヤ重
量比でＫの添加率が０．０１％未満では、アークが不安
定でビード形状も凸になる傾向があり、０．１５％を超
えるとスパッターが増加するため０．０１〜０．１５％
の範囲とする。なお、ここで添加するＮａおよびＫは、
偏析による溶接性の劣化を防止する目的から、珪酸ソー
ダ、珪酸カリ等の水ガラスによりフラックスを湿式混合
して用いるものとする。

【００２９】フラックスの充填割合については、使用す
る鋼材の成分にも依存するが、ワイヤ全重量の１４％未
満では目的とする諸特性を得ることができず、２６％を
超えると伸線工程における断線トラブルが生じ易くなる
ことから１４〜２６％の範囲とする。

【００３０】ワイヤ表面の銅メッキは溶接ワイヤの防錆
と通電性を良くする目的で施すが、重量％で０．５％を
超えると溶接金属中のオーステナイト生成元素が増え、
マルテンサイト、オーステナイトが生成する危険がある
ためワイヤ重量比にて０．５％を超えない範囲が好まし
い。

【００３１】外皮の組成は伸線工程での加工性を確保す
るために、軟質であることが必要であることから、特に
規定はしないが低炭素であることが望ましい。また、外
皮の形状は、メッキを施すため、Ｃｕがフラックス中に
浸透しないようにワイヤの断面が隙間の無い円筒形であ
ることが必要である。

【００３２】

【実施例】表１に示す化学成分の外皮を用いて表２〜表
５の充填材の成分組成、充填率のフラックス入りワイヤ
を作成した。ワイヤＮｏ．１〜１７および２２〜３８は
シームレス、ワイヤＮｏ．１８〜２１は合わせ目のある
ワイヤである。ワイヤ径は１．２ｍｍとした。検討した
溶接条件範囲を表６に示した。試験には、１４Ｃｒ系の
板厚２ｍｍのフェライト系ステンレス鋼を使用し、図２
の（ａ）に示す突合せ継手溶接と（ｂ）に示す全溶着金
属溶接の試験片を作製し使用した。図２において３は母
材、４は溶接金属、５は裏当金である。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】

【表３】

【００３６】

【表４】

【００３７】

【表５】

【００３８】

【表６】

【００３９】試験は、溶接ままと９００℃にて２００時
間時効した溶接部の９００℃における引張り試験、溶接
まま材の高温塩害試験、溶接ワイヤの送給試験、溶接性
評価などを行い、表７，表８にまとめた。本発明例（Ｎ
ｏ．１〜１７）では溶接部の高温強度、耐塩害特性が良
好であるとともに溶接時の作業性、ビード形成、ワイヤ
製造性など全ての評価が良好であるのに対し、比較例
（Ｎｏ．１８〜３８）では、何れかの評価項目が満足さ
れていないことが明白である。

【００４０】

【表７】

【００４１】

【表８】

【００４２】

【発明の効果】本発明により、従来のフェライト系ステ
ンレス鋼溶接金属よりも時効後の高温強度が高く、高温
腐食性に優れた溶接金属が得られると同時に、ワイヤの
送給性、耐錆性、ビードの形状などワイヤそのものの溶
接作業性にも優れた溶接ワイヤができた。その溶接部特
性は、排気系等の溶接部が具備すべき特性を十分に満た
しており、その効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】シームレスフラックス入りワイヤの断面形状を
示す図

【図２】実施例における溶接形状を示す断面図で（ａ）
は突合せ溶接、（ｂ）は全溶着金属溶接

【符号の説明】

１外皮２充填フラックス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林武臣東京都千代田区大手町２−６−３新日本製鐵株式会社内 (72)発明者長崎肇千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者三宅聰之千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ワイヤ全重量に対し重量％で、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：１２〜２２％、Ａｌ：０．１０〜１．０％、Ｔｉ：０．０５〜１．０％、ＭｏとＷの合計：０．２〜４．０％、Ｎｂ：０．１〜１．０％、を含有し、Ｃ：０．０２％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎ：０．０２％以下、で残部は不可避不純物および鉄からなる金属成分と、酸
化物：０．２〜１．５％と、弗化物および硫化物の合
計：０．５％以下と、Ｎａ成分：０．０５〜０．１５
％、Ｋ成分：０．０１〜０．１５％、Ｎａ成分／Ｋ成
分：１．０〜３．５の条件を満たす水ガラスとを配合し
た充填フラックスが、ワイヤ全重量に対し１４〜２６％
の割合でシームレスの鋼製外皮に充填され、該鋼製外皮
の表面に銅メッキが施されていることを特徴とする耐熱
フェライト系ステンレス鋼用シームレスフラックス入り
ワイヤ。
【請求項２】充填フラックス中に、ワイヤ全重量に対
し重量％でさらにＭｎ：０．１〜１．５％を含有するこ
とを特徴とする請求項１記載の耐熱フェライト系ステン
レス鋼用シームレスフラックス入りワイヤ。