JPH07214374A - 高Ｎｉ合金溶接ワイヤ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐食性に優れ、かつ、耐溶接高温割れ性及び
機械的特性に関しても優れた高Ｎｉ合金溶接ワイヤを提
供する。 【構成】 Ｓｉ：０．０１〜０．２％、Ｍｎ：０．０１
〜２．０％、Ｃｒ：１８〜２５％、Ｎｉ：５５〜７５
％、Ｃｕ：０．１〜３％、Ｎ：０．１〜０．３％、Ｍ
ｏ，Ｗのうち１種または２種：これらの合計で６〜１２
％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％を含有し、Ｃ：０．
０１％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｐ：０．０１％以
下、Ｏ：２００ｐｐｍ以下で残りがＦｅ及び不可避不純
物よりなり、かつ［Ｓ＋Ｏ］＜２３０ｐｐｍとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐食性オーステナイト
系ステンレス鋼、高合金の溶接に供せられる高Ｎｉ合金
溶接ワイヤに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、種々の化学プラントや石油・天然
ガスの輸送の分野、あるいは海水利用技術等において、
苛酷化する使用環境に耐える耐食材料が要求されてきて
おり、これに伴い各種の高耐食オーステナイト系ステン
レス鋼、高合金が開発・適用されつつある。これらの材
料を構造材料として適用する場合、その多くは施工上溶
接が必要となるが、一般に凝固組織のままで使用に供さ
れる溶接部は同組成の母材と比較して耐食性が低い。し
たがって、耐食構造物においては、全体の耐食性を確保
する上で少なくとも母材と同程度以上の耐食性を有する
溶接部の作製が必要となる。

【０００３】この観点から、最近これら高耐食オーステ
ナイト系ステンレス鋼や高合金を母材とした溶接や、こ
れら耐食構造物の補修溶接においてはしばしば共金系の
溶接材料を用いずに、インコネル６２５（６０Ｎｉ−２
２Ｃｒ−９Ｍｏ−３．５Ｎｂ，ＡＷＳ−ＥＲＮｉＣｒＭ
ｏ−３）のような高Ｃｒ−高Ｍｏ含有の高Ｎｉ合金の溶
接材料が用いられている。しかしながら、インコネル６
２５は、本来、高強度、耐熱用を目的とした同組成の高
Ｎｉ合金の溶接用に発達してきた経緯から、耐食用とし
て有害元素のＣを固定するためにはＮｂの含有量が必要
以上に多く、このため、溶接時に高温割れが発生しやす
い。さらに、室温での機械的特性に関しては強度は高い
ものの延性・靱性が低い等の欠点があり、耐食構造用溶
接材料としては問題が多い。一方、Ｎｂ無添加の高Ｎｉ
合金であるハステロイ２７６（６０Ｎｉ−１５Ｃｒ−１
５Ｍｏ−３．５Ｗ）では、Ｃが０．０１ｗｔ％以下であ
り耐食性は良好であるが、Ｍｏ含有量が多いために溶接
金属中にσ相などの金属間化合物が生成し、靱性が低い
欠点がある。

【０００４】また近年、オーステナイト系ステンレス鋼
あるいは二相系ステンレス鋼において、耐食性向上の観
点からＮが添加されている。しかしながら、高Ｎｉ合金
においては、高温強度確保の観点からＴｉが添加されて
いる場合が多く、このような合金にＮを添加するとＴｉ
Ｎを生成し、高温強度および耐食性の両方が低下する。
したがって、従来の高Ｎｉ合金にはＮ添加はほとんどな
されていなかった。また、Ｃｕ添加による耐食性改善
は、特開昭５８−９３５９３号等の公報に開示されてい
るが、いずれもステンレス鋼を目的としたものである。
さらに、高Ｎｉ合金溶接材料としては、従来、特開昭５
６−１２８６９６号、特開昭５８−６６９９４号、特開
昭５８−８２１９０号等の公報に開示があるが、これら
は主に耐熱用溶接金属の強度や高温特性の改善を目的と
したものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来耐
食構造に用いられてきた高Ｎｉ溶接材料は、溶接高温割
れや機械的特性の面で必ずしも十分であると言えない。
本発明は耐食性に優れ、かつ、耐溶接高温割れ性及び機
械的特性に関しても優れた高Ｎｉ合金溶接ワイヤを提供
するものである。

【０００６】

【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、Ｓｉ：０．０１〜０．２％、Ｍｎ：
０．０１〜２．０％、Ｃｒ：１８〜２５％、Ｎｉ：５５
〜７５％、Ｃｕ：０．１〜３％、Ｎ：０．１〜０．３
％、Ｍｏ，Ｗのうち１種または２種：これらの合計で６
〜１２％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％を含有し、
Ｃ：０．０１％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｐ：０．０
１％以下、Ｏ：２００ｐｐｍ以下で残りがＦｅ及び不可
避不純物よりなり、かつ［Ｓ＋Ｏ］＜２３０ｐｐｍであ
ることを特徴とする高Ｎｉ合金溶接ワイヤである。また
さらにＣｏ：０．１〜５％を含有することも特徴とす
る。

【０００７】

【作用】本発明者らは種々の高Ｎｉ合金溶接ワイヤを用
いて溶着金属を作製し、それらの諸特性を調べた結果、
以下の知見を得た。すなわち従来のインコネル６２５相
当の高Ｎｉ合金溶接材料に対して、Ｎｂを含有させず、
Ｃ量を０．０１ｗｔ％以下に低減し、さらにＮを添加す
ることによって溶接時の高温割れ感受性が著しく改善さ
れるとともに、機械的特性面で問題のあった低延性・低
靱性も大幅に改善される。そして、Ｎに関しては０．１
ｗｔ％以上添加することにより、耐溶接高温割れ性、靱
性、延性に悪影響を及ぼすことなく強度を改善し、かつ
耐孔食性、耐隙間腐食性等の耐食性も改善できる。さら
にＯを２００ｐｐｍ以下に低減し、かつ、［Ｓ＋Ｏ］＜
２３０ｐｐｍにすることにより、ワイヤ製造時の鍛造
性、熱間加工性が改善される。またＣｕの添加は硫酸環
境等、特に非酸化性環境での耐食性改善に有効であり、
一方、さらに強度を向上させるためにはＣｏの添加が有
効である。

【０００８】次に、本発明の成分限定理由について述べ
る。まずＣは、高Ｎｉ溶接金属においては特にＣｒと結
合しやすく、粒界等に炭化物として析出し、耐食性や延
性・靱性を阻害するとともに、Ｍｏ，Ｗとも結合して耐
溶接高温割れ性も低下させる。したがって、Ｃはできる
だけ低減する必要があり、０．０１ｗｔ％を上限とし
た。

【０００９】次にＳｉは、溶製時に脱酸元素として０．
０１ｗｔ％以上含有されるが、多量に含有すると溶接熱
サイクル中に高Ｃｒ−高Ｍｏ系の金属間化合物であるσ
相の析出を著しく促進し、その結果、耐食性や延性・靱
性が低下する。したがって、Ｓｉについてもできるだけ
低減するため、０．２ｗｔ％を上限とした。

【００１０】Ｍｎは脱酸元素であり、同時にＮの固溶も
促進するため０．０１ｗｔ％以上の含有が必要である
が、一方、多量に含有すると耐食性等に有害な金属間化
合物の析出も促進するため、２．０ｗｔ％を上限とし
た。

【００１１】Ｃｒは耐食性を付与する主要元素であり、
その効果を十分ならしめるためには１８ｗｔ％以上が必
要である。一方、多量に含有するとワイヤの製造性が著
しく低下するとともに、耐食性に有害な金属間化合物の
析出を促す。それらを考慮して上限を２５ｗｔ％とし
た。

【００１２】Ｎｉはマトリックスを構成する主要元素で
ある。耐食性の確保、凝固のまま組織中でのＭｏ，Ｗの
偏析の低減の観点から、少なくとも５５ｗｔ％以上の含
有が必要であるが、Ｃｒ等合金元素を表記の量含有する
ためには７５ｗｔ％が上限である。

【００１３】Ｃｕは、硫黄環境等の非酸化性環境や中性
環境での耐食性を改善する元素であり、０．１ｗｔ％以
上の添加が必要であるが、多量に含有すると熱間加工性
を低下させるため溶接材料の製造性を害する上、塩化物
含有酸化性環境での耐食性も害することから、これらを
考慮して上限を３ｗｔ％とした。

【００１４】Ｓ，Ｐはいずれも不可避的不純物元素であ
り、両者とも溶接高温割れ感受性を著しく阻害する元素
である。また、多層溶接や補修溶接等の多重熱サイクル
中に粒界脆化も促進する。また、Ｓは熱間加工性に著し
く影響を及ぼす。したがって、両元素ともできるだけ低
減する必要があり、いずれも上限を０．０１ｗｔ％とし
た。

【００１５】Ｎはマトリックスに固溶して耐食性、強度
を向上させる。その効果を十分ならしめるには０．１ｗ
ｔ％以上必要であるが、一方、０．３ｗｔ％を超えて含
有させるとワイヤの製造性が著しく低下し、また、窒化
物等の析出により溶接金属の耐食性も低下するため、こ
れを上限とした。

【００１６】Ｍｏ，Ｗはいずれもマトリックスに固溶し
て、耐食性、強度を向上させる。その効果を十分ならし
めるためにはこれらの合計で６ｗｔ％以上必要である
が、一方、合計で１２ｗｔ％を超えて含有すると耐食
性、延性・靱性に有害な金属間化合物の生成を著しく促
進するため、上限を１２ｗｔ％とした。

【００１７】Ａｌは脱酸元素として０．００１ｗｔ％以
上添加されるが、０．０５ｗｔ％を超えて含有させると
耐食性、熱間加工性を低下させるため、０．００１〜
０．０５ｗｔ％と限定した。

【００１８】ＯはＳと同じように熱間加工性に著しく影
響を及ぼす元素であるため、２００ｐｐｍ以下に限定し
た。

【００１９】表１はワイヤの製造性に及ぼす成分元素の
影響を調べた結果である。Ｓ及びＯは熱間加工性に著し
く影響を及ぼす元素であり、表１に示すごとく［Ｓ＋
Ｏ］が２３０ｐｐｍ以上ではワイヤ製造時に割れが発生
する。したがって、［Ｓ＋Ｏ］＜２３０ｐｐｍに限定し
た。

【００２０】

【表１】

【００２１】また、本発明は必要に応じて、０．１〜５
ｗｔ％のＣｏを添加する。Ｃｏは通常Ｎｉ合金では不可
避的に０．１ｗｔ％未満含有されるが、０．１ｗｔ％以
上含有することにより、強度の改善が図られる。他方、
５ｗｔ％を超えて含有するとワイヤの製造性が低下す
る。したがって、上限を５ｗｔ％とした。

【００２２】上記成分の残部はＦｅ等の不可避的不純物
である。なお、本発明溶接ワイヤは、ＴＩＧ溶接、ＭＩ
Ｇ溶接、プラズマ溶接、サブマージアーク溶接等の溶接
法に溶接ワイヤとして使用されるほか、被覆アーク溶接
棒の芯線、さらにフラックス入り溶接用ワイヤの外皮と
しても使用することができる。これらは、高耐食オース
テナイト系ステンレス鋼及び高耐食高合金の溶接に適用
するとともに、それら構造物の補修溶接あるいは肉盛等
にも適用できる。

【００２３】

【実施例】以下、実施例にて本発明を説明する。表２に
示す５種の高Ｎｉ合金溶接ワイヤ（１．６ｍｍ径）を作
製した。表中、Ｎｏ．１〜３は本発明溶接ワイヤ例であ
り、Ｎｏ．４，５は比較のためのワイヤで、特にＮｏ．
４は従来この種の溶接に用いられてきたインコネル６２
５相当の溶接ワイヤである。

【００２４】

【表２】

【００２５】まずこれらの溶接ワイヤを用いて、２種類
の代表的な高耐食材料をＴＩＧ溶接法にて溶接した。母
材として用いた２種類の高耐食材料の化学成分を表３に
示すが、ＡはＡＳＴＭ−Ａ２４０−Ｓ３１２５４相当の
高耐食オーステナイト系ステンレス鋼であり、Ｂはイン
コネル６２５（ＡＳＭＥ−ＳＢ−４４３）相当の高Ｎｉ
合金である。なお、母材はいずれも５ｍｍ厚の板であ
り、溶接開先形状はＹ開先（８０°、ルートフェース：
０．５ｍｍ、ルート間隔無し）である。また、ＴＩＧ溶
接は、シールドガスとしてＡｒを使用し、溶接電流：１
５０Ａ、溶接電圧：１５Ｖ、溶接速度：１０ｃｍ／ｍｉ
ｎにて行った。

【００２６】

【表３】

【００２７】作製した溶接部はそれぞれ耐食性、機械的
特性を調べた。耐食性については、耐孔食性、耐粒界腐
食性及び全面腐食性を調べた。耐孔食性は塩化物環境で
の臨界孔食発生温度（ＣＰＴ）を求め評価した。腐食環
境としては、ＪＩＳ−Ｇ０５７８−１９８１に定める６
％塩化第二鉄＋０．０５Ｎ塩酸水溶液を用いた。臨界孔
食発生温度は、５℃間隔で管理された腐食環境に２４時
間浸漬し、孔食の発生しない最高温度を求め、それと定
めた。また、耐粒界腐食性及び全面腐食性については、
それぞれ６５％沸騰硝酸及び１０％沸騰硫酸中に、前者
は４８時間、後者は６時間浸漬して、腐食減量によって
評価した。それぞれの耐食性評価試験の試験片は、いず
れも溶接部を中央に含むよう３０ｍｍ×３０ｍｍの大き
さを採取し、余盛を削除して元厚（５ｍｍ）のまま用い
た。

【００２８】一方、機械的特性は、溶接継手引張試験、
溶接金属のシャルピー衝撃試験、及び溶接継手の表・裏
曲げ試験から評価した。継手引張試験は、溶接継手から
余盛を削除した試験片（１号試験片、ＪＩＳ−Ｚ３１２
１−１９６１）を採取し、引張強度を求めた。シャルピ
ー衝撃試験は、溶接方向と垂直方向からサブサイズシャ
ルピー試験片（５ｍｍ厚×１０ｍｍ幅×５５ｍｍ長）を
採取し、０℃にて試験し吸収エネルギーを求めた。曲げ
試験は、溶接継手から溶接方向と垂直方向から余盛を削
除した試験片（５ｍｍ厚×３０ｍｍ幅×２５０ｍｍ長）
を採取し、溶接部を表または裏からローラ曲げ（ＪＩＳ
−Ｚ３１２４−１９６０、曲げ半径：Ｒ＝１０ｍｍ）
し、溶接継手の曲げ延性を評価した。

【００２９】また、それぞれの溶接ワイヤ成分の溶接高
温割れ感受性をＣ型ジグ拘束突合せ溶接割れ試験（ＪＩ
Ｓ−Ｚ３１５５−１９７４）により調べた。試験片とし
ては、上記溶接継手特性評価に用いたのと同じ２種類の
耐食材料を用い、ＴＩＧ溶接により各溶接ワイヤによる
溶接部の割れを調べた。

【００３０】表４にそれぞれの腐食試験の結果を示し、
表５に機械試験及び高温割れ試験の結果を示す。

【００３１】

【表４】

【００３２】

【表５】

【００３３】まず、耐孔食性に関してであるが、本発明
例溶接ワイヤを用いた場合の溶接継手の臨界孔食発生温
度はいずれも７０〜８０℃の範囲であり、比較例溶接ワ
イヤＮｏ．４を用いた場合のＣＰＴ：６０〜６５℃，Ｎ
ｏ．５を用いた場合のＣＰＴ：５５℃と比較して高く、
耐孔食性が改善されている。ちなみに母材として用いた
Ａ，Ｂそれぞれの材料のＣＰＴはＡで７０〜７５℃、Ｂ
で７５〜８０℃と報告されているが、本発明例溶接ワイ
ヤを用いて作製した溶接継手はそれとほぼ同程度であ
り、母材同等の優れた耐孔食性を有しているといえる。

【００３４】次に耐粒界腐食性については、６５％沸騰
硝酸試験の結果では、本発明例溶接ワイヤによる溶接部
はいずれも母材の結果と同等の１．４６〜１．７９ｇ／
ｍ²・ｈｒの腐食速度を示し、良好な耐粒界腐食性を有
しているといえる。さらに、全面腐食性については、本
発明例溶接ワイヤを用いた継手は、いずれも比較の溶接
継手より耐食性に優れており、母材と比較しても同等以
上の耐全面腐食性を示した。これは、高Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗ
及びＣｕ添加の効果によるものである。

【００３５】他方、機械的特性に関しては、まず、シャ
ルピー衝撃試験の結果では、Ｎｏ．４溶接ワイヤによっ
て作製した溶接金属は非常に低い吸収エネルギーを示し
たのに対し、本発明例溶接ワイヤＮｏ．１〜３による溶
接金属はいずれも十分高い吸収エネルギーが得られた。
また、強度に関しては、本発明例溶接ワイヤＮｏ．１，
２による溶接部は従来材であるＮｏ．４と同等であり、
これはまた母材ともほぼ同等である。さらに、Ｎｏ．３
による溶接部はこれより約３〜５ｋｇｆ／ｍｍ² 程度高
い引張強度を示し、Ｃｏ添加による強度改善が認められ
る。曲げ試験では、本発明例溶接ワイヤＮｏ．１〜３の
いずれによる溶接部も、表曲げ、裏曲げのいずれの面に
も割れ、欠陥等は認められず、曲げ延性は良好であっ
た。しかるに、比較例Ｎｏ．４，５による溶接部は、曲
げ表面に多数の微小な割れが見られ、また、母材にＡの
高耐食オーステナイト系ステンレス鋼を用いたＮｏ．４
による溶接部の裏曲げ試験では、試験途中に溶接金属で
破断した。これらのことより、本発明例溶接ワイヤによ
る溶接部は、母材のタイプにかかわらず、従来の高Ｎｉ
合金溶接ワイヤによる溶接部より、耐食性のみならず機
械的特性にも優れていることが示され、耐食構造用溶接
材料として本発明が有効であることが明らかになった。

【００３６】さらに、溶接高温割れ試験結果からもわか
るように、比較例溶接ワイヤＮｏ．４，５の成分は割れ
感受性が極めて高いのに対し、本発明例溶接ワイヤは優
れた耐高温割れ性を示した。特に、比較ワイヤによる試
験溶接ビードでは、通常この試験において割れやすいと
されるクレータのみならず、それ以外の部分にもかなり
長い割れが見られた。一方、本発明例ワイヤによるビー
ドでは、クレータに若干の割れが見られた他は全く割れ
が認められず、実用上の耐割れ性は十分であるといえ
る。

【００３７】

【発明の効果】上記の実施例からもわかるように、本発
明高Ｎｉ合金溶接ワイヤを耐食構造物の溶接に使用する
ことによって、優れた耐食性及び機械的特性、耐溶接高
温割れ性を有する溶接部を作製することが可能になる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 百合岡 信孝 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 (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比で、 Ｓｉ：０．０１〜０．２％、 Ｍｎ：０．０１〜２．０％、 Ｃｒ：１８〜２５％、 Ｎｉ：５５〜７５％、 Ｃｕ：０．１〜３％、 Ｎ ：０．１〜０．３％、 Ｍｏ，Ｗのうち１種または２種：これらの合計で６〜１
   ２％、 Ａｌ：０．００１〜０．０５％を含有し、 Ｃ ：０．０１％以下、 Ｓ ：０．０１％以下、 Ｐ ：０．０１％以下、 Ｏ ：２００ｐｐｍ以下 で残りがＦｅ及び不可避不純物よりなり、かつ［Ｓ＋
   Ｏ］＜２３０ｐｐｍであることを特徴とする高Ｎｉ合金
   溶接ワイヤ。
2. 【請求項２】 さらにＣｏ：０．１〜５％を含有するこ
   とを特徴とする請求項１記載の高Ｎｉ合金溶接ワイヤ。