JPH0730427B2 - 溶接性に優れた高耐食性二相ステンレス鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼
に係わり、特に溶接熱影響部あるいは溶加材を用いない
溶接部においてフェライト・オーステナイトの相比の変
化が少なく、耐食性の良好な高耐食性二相ステンレス鋼
に関するものである。

〔従来の技術〕

フェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼（以下、
二相ステンレス鋼）は、フェライト相マトリックス中に
40〜65％のオーステナイトが微細混合した二相組織を有
し、オーステナイト系ステンレス鋼とフェライト系ステ
ンレス鋼の長所を併せ持つため、近年、耐食構造用材料
としてその適用が活発である。このような二相ステンレ
ス鋼に対しては、JIS SUS329やDIN 1.4462等の規格があ
り、また、母材の耐食性や機械的特性に優れるものとし
ては、特開昭55−44528号や特開昭56−127753号、特開
昭57−47852号等の公報に開示されている。

しかしながら、従来の二相ステンレス鋼では、溶接した
場合その熱影響部において、フェライトとオーステナイ
トの相バランスが崩れ、母材レベルよりかなりオーステ
ナイト量が低下することが知られている。また、溶加材
を用いないで、例えばTIG溶接、プラズマ溶接あるいは
電子ビーム（EB）溶接などによってなめ溶接した場合の
溶接金属も熱影響部と同様であり、かなりオーステナイ
ト量が低い。そのため、二相ステンレス鋼の溶接用の溶
加材は通常オーステナイト生成元素の含有量を高め、オ
ーステナイト量の低下を抑える成分設計がなされてい
る。しかし、母材の溶接熱影響部のオーステナイト量の
低減は、従来の二相ステンレス鋼では本質的に避けられ
ず、より厳しい腐食環境にこれらの溶接構造物を適用す
る場合、この領域の耐食性が大きな問題となると考えら
れる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の二相ステンレス鋼は融点直下から約100〜200℃程
度の範囲でフェライト単相であり、それ以下の温度で次
第にオーステナイトが安定になり、フェライトとオース
テナイトが二相共存する。すなわち、母材の場合は、鋳
造後、二相域の温度で圧延・熱処理することにより、フ
ェライトとオーステナイトの相バランスを確保すること
ができるが、溶接した場合、高温に加熱を受ける母材熱
影響部では、加熱ピーク温度の上昇に伴いオーステナイ
ト相が不安定になるためオーステナイト量が次第に減少
し相バランスが崩れる。さらに、より高温に加熱された
場合は高温においていったんフェライト単相になり、そ
の後の冷却過程でオーステナイトを生成するが、溶接熱
サイクルのような急速冷却の非平衡プロセスでは、冷却
過程中のオーステナイトの析出はかなり抑制され、組織
は粗大なフェライト粒とその粒界にわずかに生成するオ
ーステナイトからなり、ために、これらの領域ではオー
ステナイト量は著しく低下する。特に冷却速度が速い場
合は、ほぼフェライト単相になることもある。溶加材な
しの溶接でそのままの成分で溶融して凝固した部分の場
合も、フェライト単相で凝固するため、高温まで加熱さ
れてフェライト単相になる母材熱影響部と同様の組織と
なり、やはり著しくオーステナイト量の少ない組織にな
る。ところで、二相ステンレス鋼及び、特にその溶接部
においては、耐孔食性や耐粒界腐食性などの耐食性はそ
のオーステナイト量に強く依存し、相バランスが崩れる
と耐食性は低下し、オーステナイト量が約40〜65％にお
いて最も耐食性が優れていることが多く報告されてい
る。従って、上述の母材の溶接熱影響部や溶加材無しの
溶接部においてはオーステナイト量の低下のため、耐食
性劣化が起こる。このような局所的な耐食性劣化は、特
に腐食環境が厳しい場合大きな問題となる。さらに、フ
ェライト単相域の経由によって起こる結晶粒の粗大化と
組織中のオーステナイト量の減少は、これらの領域の靫
性・延性も阻害するという問題もある。これらの問題は
従来の二相ステンレス鋼に本質的に付随する問題点であ
り、今後厳しい腐食環境に二相ステンレス鋼を溶接構造
物として適用する場合の欠点として残されている。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、特に母材
溶接熱影響部及び溶加材無しの溶接部のオーステナイト
量低下を抑えることによりそれらの領域での耐食性等の
諸特性の劣化を抑えた高耐食性二相ステンレス鋼を提供
するものである。

〔問題点を解決するための手段、作用〕

即ち、本発明者らは、種々の成分系の二相ステンレス鋼
において、母材、溶接熱影響部及び溶加材無しで溶接し
た溶接部の組織、耐食性に及ぼす成分元素の影響を系統
的に検討した結果、以下の知見を得た。

まず第１図に示すごとく、熱間圧延後1050℃にて固溶化
処理した母材組織中のオーステナイト量は、Cr当量＝Cr
（wt％）＋1.5×Si（wt％）＋Mo（wt％）、Ni当量＝Ni
（wt％）＋30×Ｃ（wt％）＋0.5×Mn（wt％）＋30×Ｎ
（wt％）＋Cu（wt％）とした場合、Cr当量/Ni当量比に
ほぼ比例し、この値が大きいほどオーステナイト量は低
く、小さいほどオーステナイト量が高いこと、更にこの
比が1.9以上、2.4以下で母材組織中のオーステナイト量
は約40〜65％の範囲になるという関係が得られた。

一方、溶接熱サイクルによって加熱される母材溶接熱影
響部では、SUS329タイプやDIN1.4462タイプの場合、ピ
ーク温度が約1200℃以上でオーステナイト量が減少し、
特にピーク温度約1300℃以上ではフェライト単相域を経
由したと見られる粗大フェライト粒と粒界オーステナイ
トからなる組織に変わり、オーステナイト量の低下も著
しい。また、溶加材無しの溶接金属の組織もピーク温度
1300℃以上に加熱される母材溶接熱影響部と同様であ
る。このような従来の二相ステンレス鋼の母材熱影響部
及び溶加材無しで溶接された溶接金属の著しいオーステ
ナイト量低下に対して、第２図に示すように窒素量を従
来より大きく増加し、さらに合金元素の総量を大きく増
加した二相ステンレス鋼においては、このオーステナイ
ト量の低下の程度が著しく改善されることを見出した。
特に、後者に関しては、C,Siを除く合金元素の総量が45
wt％以上で、第３図に示すようにフェライト量の増加の
抑制と同時に、第４図に示すように、フェライト単相域
を経由して形成される粗粒な母材溶接熱影響部の幅も大
幅に減少するという知見も得た。

他方、その耐食性に関しては、一般にCr,Moの増加は耐
食性を向上させるとされているが、母材の場合はそれら
の増加に伴い耐食性は向上するものの、1300℃以上に加
熱される母材溶接熱影響部あるいは溶加材無しの溶接金
属においてはそれらの単独の増加は耐食性を向上させ
ず、それらの組織中のオーステナイト量を40〜65％にす
るように化学成分を調整することで初めて母材と同等の
効果を示すこともわかった。

即ち、本発明の要旨は、C:0.025wt％以下、Si:0.01〜0.
2wt％、Mn:1.0〜5.0wt％、Cr:28〜35wt％、Ni:6〜16wt
％、Mo:3.1〜6.0wt％、N:0.2〜0.4wt％を含有し、残部F
e及び不可避的不純物よりなり、また、必要に応じてCu:
0.1〜3.0wt％を含有する二相ステンレス鋼であり、か
つ、Cr当量＝Cr（wt％）＋1.5×Si（wt％）＋Mo（wt
％）、Ni当量＝Ni（wt％）＋30×Ｃ（wt％）＋0.5＋Mn
（wt％）＋30×Ｎ（wt％）＋Cu（wt％）とした場合にCr
当量/Ni当量比が1.9以上、2.4以下、さらに、上記当量
式中のＣ、Siを除く合金元素の総量が45wt％以上であ
り、母材並びに溶接熱影響部及び溶加材無しで溶接した
溶接部におけるオーステナイト量が40〜65％であること
を満たすフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼
にある。

次に本発明の成分限定の利用を述べる。

★C:0.025wt％以下 Ｃは溶接熱サイクル中にCr,Moなどと結合して、特に、
母材熱影響部、溶接金属に炭化物として析出し、これら
の領域の耐食性を著しく劣化させる。したがって、耐食
性向上の観点からできるだけ低減する必要があり、0.02
5wt％以下に限定した。

★Si:0.01〜0.2wt％ Siは製鋼反応上脱酸元素としては不可欠であるが、多量
に含有させると、母材熱影響部や溶接金属が多重溶接熱
サイクルを受けた場合、耐食性、機械的特性を著しく劣
化させるσ相の析出を著しく早める。したがって、脱酸
材として有効であり、かつ、σ相析出に影響を及ぼさな
い0.01〜0.2wt％に限定した。

★Mn:1.0〜5.0wt％ Si同様脱酸材として添加するが、同時に母材熱影響部及
び溶接金属において特にオーステナイト生成に有効な窒
素の固溶量の増加にも有効な元素であり、1.0wt％以上
の含有が好ましい。しかし、5.0wt％以上含有すると、
耐孔食性に有害であるMnSの生成を促進するとともに、
靫性も害するので5.0wt％を上限とした。

★Cr:28〜35wt％ 耐食性、耐酸化性を付与する主要元素であり、また、Mn
同様窒素の固溶量を増加させる。これらの観点から、高
い含有が望ましく、後述の合金元素の総量が45wt％以上
の条件を満たすためには少なくとも28wt％以上の含有が
必要である。しかし、35wt％以上含有すると、延性、靫
性の低下が著しく、また、溶接熱サイクル中のσ相析出
も促進するので35wt％を上限とした。

★Ni:6〜16wt％ オーステナイトを生成する主要元素である。靫性、延性
の改善に最も有効な元素であり、この観点から少なくと
も6wt％の含有が必要である。一方、後述のCr当量/Ni当
量比の条件を満たすためには、少なくとも16wt％以下で
あることが必要条件となる。

★Mo:3.1〜6.0wt％ 耐食性を向上させる主要元素であり、特にフェライト相
に分配されてフェライト相の耐食性、例えば塩化物を含
む環境での耐孔食性などを改善する。少なくとも3.1wt
％以上の含有が望ましい。一方、6.0wt％を越えて含有
する溶接熱サイクル中のσ相やｘ相といった有害な金属
間化合物の析出が起こり、また、延性も低下するため6.
0wt％を上限とした。

★N:0.2〜0.4wt％ オーステナイト生成元素であり、特に、母材溶接熱影響
部及び溶加材無しで溶接した溶接金属におけるオーステ
ナイト量の減少を抑えるうえで極めて有効な元素であ
る。しかも、強度の改善、オーステナイト相の耐孔食性
の向上などの点でも有効であり、できだけ多量の含有が
望ましい。これらの観点から少なくとも0.2wt％以上と
した。しかし、多量の含有は窒化物の析出の増加、熱間
加工性や延性の低下を起こすため、ここでは上限を固溶
限以内である0.4wt％とした。

★Cr当量/Ni当量比＝1.9以上、2.4以下（ただし、Cr当
量＝Cr（wt％）＋1.5×Si（wt％）＋Mo（wt％）、Ni当
量＝Ni（wt％）＋30×Ｃ（wt％）＋0.5×Mn（wt％）＋3
0×Ｎ（wt％）＋Cu（wt％）） 耐食性の観点から、マトリックス中のオーステナイト量
は40〜65％の範囲が最適であるが、Cr当量/Ni当量比が
1.9未満ではそれよりオーステナイトリッチになり、他
方2.4を越えるとそれよりフェライトリッチとなる。従
って表記の条件をつけた。

★C,Siを除く合金元素の総量が45wt％以上 母材溶接熱影響部及び溶加材無しで溶接した溶接金属の
オーステナイト量低下を抑えるうえで、C,Siを除く合金
元素の総量を高めることは極めて重要であり、特に総量
が45wt％以上では、オーステナイト量の低下が少ないの
で、母材溶接熱影響部及び溶加材無しで溶接した溶接金
属におけるオーステナイト量は40〜65％と、母材同等の
相バランスを保つことができる。また、合金元素の総量
が45wt％以上で、大きな組織変化を伴う熱影響部幅の減
少も顕著である。

さらに本発明はCuを0.1〜3.0wt％添加することもでき
る。すなわちCuは耐食性、特に還元性雰囲気の耐食性向
上に有効な元素であるが、一方3.0wt％を越えると加工
性の劣化を起こすからである。

以上の条件を満足する成分範囲で、耐食性に極めて優
れ、かつ、溶接による母材熱影響部、溶加材を用いない
で溶接された溶接金属においてオーステナイト量の低下
が少なく母材同等の相バランスを保ち、耐食性等の劣化
も極めて少ない二相ステンレス鋼を得ることができる。

〔実施例〕

以下、実施例によって本発明の効果を詳細に説明する。

第１表に示す16種の成分組成の二相ステンレス鋼を真空
溶解にて溶製し、それらの鋼塊を通常の方法で熱間圧
延、固溶化熱処理し、厚さ5mmの板とした。第１表のNo.
1〜８までが本発明鋼であり、９〜16が比較鋼である。
比較鋼の中には、商用のSUS329タイプ及びDIN 1.4462タ
イプの成分塑性も含め参考に供した。また第１表には、
同時にCr当量＝Cr（wt％）＋1.5×Si（wt％）＋Mo（wt
％）、Ni当量＝Ni（wt％）＋30×Ｃ（wt％）＋0.5＋Mn
（wt％）＋30×Ｎ（wt％）＋Cu（wt％）とした場合のそ
れぞれの成分組成のCr当量/Ni当量比、及び当量式中の
C,Siを除く合金元素の総量も示した。

これらの鋼板について、それぞれオーステナイト量の測
定をした後、それぞれの鋼板上に溶加材を用いずにTIG
ビートオンプレートを行い（入熱15kJ/cm）、母材熱影
響部及び溶接金属のオーステナイト量の測定、母材熱影
響部幅の測定を行うとともに、溶接部を含む腐食試験片
を採取し耐食性の評価を行った。オーステナイト量の評
価は光学顕微鏡観察により、組織がフェライトとオース
テナイトのみからなること確認した後、磁気的な方法に
よりフェライト量を多点測定し、平均算出した。さらに
この結果は、ポイントカウント法により確認した。ま
た、耐食試験としては実使用上特に問題となる局部腐食
を考慮し、65％硝酸試験（JIS G0573−1980）及び塩化
第二鉄腐食試験（JIS G0578−1981）を行った。腐食試
験用の溶接部試験片を第５図に示す。同図において１は
母材、２はTIG溶接ビードであり、なおａは5mm、b,cは
それぞれ30mmである。

第２表に各鋼の母材及び溶接熱影響部、溶接金属のオー
ステナイト量、及び溶接熱影響部幅の測定結果、更に溶
接部の各種耐食試験結果を示す。

第１表と第２表の比較から明らかなように、母材のオー
ステナイト量は本発明鋼のみなず比較鋼においても、Cr
当量/Ni当量比の値が1.9〜2.4の範囲で40〜65％の範囲
となり、Cr当量/Ni当量比の値が1.9未満では65％よりオ
ーステナイトリッチになり、Cr当量/Ni当量比の値が2.4
を越える場合はフェライトリッチになりオーステナイト
量は40％未満になる。したがって、母材成分は、少なく
ともCr当量/Ni当量比が1.9〜2.4の範囲にある必要があ
る。

一方、母材が適正オーステナイト量を含有しても、比較
鋼においては第２表よりわかるように溶接熱影響部及び
溶加材無しの溶接部におけるオーステナイト量の低下が
著しく、他方、本発明鋼ではオーステナイト量の低下が
極めて少ない。これに対応するように溶接部の65％硝酸
試験及び塩化第二鉄腐食試験の結果は、本発明鋼におい
てかなりの耐食性改善がなされていることを示してい
る。比較鋼においては、65％硝酸試験、塩化第二鉄腐食
試験後に見られる粒界腐食、あるいは孔食といった局部
腐食が溶接熱影響部からなる溶接金属にかけて集中して
おり、腐食減量も極めて大きいのに対して、本発明鋼で
は、それらの領域においても局部腐食の発生はほとんど
認められず、腐食減量は母材単独で試験した場合とほぼ
同等であり極めて小さい。本発明鋼における溶接部のこ
のような耐食性の改善は、溶接部のオーステナイト量が
比較鋼のそれと比べて適正な範囲にあり、またそれとあ
わせて合金元素のCr,Mo,N量が比較鋼より高いことによ
る効果を示すものである。

〔発明の効果〕 以上のように、本発明鋼は、それ自身の耐食性の高さは
いうまでもなく、従来二相ステンレス鋼で問題とされて
きた溶接熱影響部あるいは溶加材無しで溶接された溶接
金属の耐食性も極めて優れており、今後ますます厳しく
なるであろう高耐食構造用材料の要求に対して十分応え
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は固溶化処理後の母材オーステナイト量とCr当量
/Ni当量比の関係を示す線図、ただし、Cr当量＝Cr（wt
％）＋1.5×Si（wt％）＋Mo（wt％）、Ni当量＝Ni（wt
％）＋30×Ｃ（wt％）＋0.5×Mn（wt％）＋30×Ｎ（wt
％）＋Cu（wt％）、 第２図は入熱15kJ/cm相当の再現溶接熱サイクルにおい
て、最高加熱温度を変化させた場合のオーステナイト量
および母材及び溶加材を用いないTIGなめ溶接の場合の
オーステナイト量の変化を示す線図、 第３図はHAZにおけるオーステナイトの低下量（母材と
溶接熱影響部のオーステナイト量の差）に及ぼすC,Siを
除く合金元素の総量の影響を示す線図、 第４図は粗粒化したHAZの幅に及ぼすC,Siを除く合金元
素の影響を示す線図、 第５図は耐食試験片の斜視図である。 １……母材、２……TIGなめビード。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】C:0.025wt％以下 Si:0.01〜0.2wt％ Mn:1.0〜5.0wt％ Cr:28〜35wt％ Ni:6〜16wt％ Mo:3.1〜6.0wt％ N:0.2〜0.4wt％ を含有し、残部Fe及び不可避的不純物よりなり、かつCr
   当量＝Cr（wt％）＋1.5×Si（wt％）＋Mo（wt％）、Ni
   当量＝Ni（wt％）＋30×Ｃ（wt％）＋0.5×Mn（wt％）
   ＋30×Ｎ（wt％）とした場合にCr当量/Ni当量比が1.9以
   上、2.4以下、かつ、上記当量式中のＣ、Siを除く合金
   元素（Cr、Ni、Mo、Mn、Ｎ）の総量が45wt％以上であ
   り、母材並びに溶融熱影響部及び溶加材無しで溶接した
   溶接部におけるオーステナイト量が40〜65％であること
   を特徴とする溶接性に優れた高耐食性二相ステンレス
   鋼。
2. 【請求項２】C:0.025wt％以下 Si:0.01〜0.2wt％ Mn:1.0〜5.0wt％ Cr:28〜35wt％ Ni:6〜16wt％ Mo:3.1〜6.0wt％ Cu:0.1〜3.0wt％ N:0.2〜0.4wt％ を含有し、残部Fe及び不可避的不純物よりなり、かつCr
   当量＝Cr（wt％）＋1.5×Si（wt％）＋Mo（wt％）、Ni
   当量＝Ni（wt％）＋30×Ｃ（wt％）＋0.5×Mn（wt％）
   ＋30×Ｎ（wt％）とした場合にCr当量/Ni当量比が1.9以
   上、2.4以下、かつ、上記当量式中のＣ、Siを除く合金
   元素（Cr、Ni、Mo、Mn、Ｎ）の総量が45wt％以上であ
   り、母材並びに溶融熱影響部及び溶加材無しで溶接した
   溶接部におけるオーステナイト量が40〜65％であること
   を特徴とする溶接性に優れた高耐食性二相ステンレス
   鋼。