JPS63215388A - 二相ステンレス鋼部材の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は粉末冶金法によって製造された二相ステンレ
ス調部材の接合方法に関する。

（従来の技術） フェライトとオーステナイトの二相からなるステンレス
鋼はすでに周知である。この二相ステンレス鋼は、オー
ステナイトステンレス鋼に匹敵する耐食性、溶接性を備
え、かつオーステナイトステンレス鋼の短所である応力
腐食割れ（以下、当業者のｉｔｎ習に従ってＳＣＣと略
記する）に対する感受性が低いという大きな利点を有す
るため、特に塩素イオンを含有する雰囲気での耐食材料
として広く使用されるようになった。しかしながら通常
の溶製法（二相となるように配合された組成の鋼を溶解
、鋳造し、所定の塑性加工によって製品とする方法）に
よる場合、最終製品の二相組織中のフェライト相には必
然的に数％のＸｉが含有され、これが耐ＳＣＣ性を低下
させる。（「防食技術」ｖｏｌ、３０．１１＆１４．１
９８１．　ｐｐ、２１８〜２２６参照）上記の問題点の
解決方法として、本発明者等はフェライトステンレス鋼
、オーステナイトステンレス鋼のそれぞれの粉末を個別
に製造して、これ等を混合して焼結する粉末冶金法によ
る二相ステンレス鋼、或いはその製品の製造方法を提供
した（特開昭６０−１９０５５２号公報、同６１−２０
１７０６号公報参照）。これらの方法によれば、オース
テナイト相とＮｉを実質的に含まないフェライト相とか
らなる二相ステンレス鋼が得られ、製品そのものの耐Ｓ
ＣＣ性の低下ははゾ完全に防止される。かかる製品は、
従来の溶製二相ステンレス鋼ではなお不安な厳しい腐食
環境下での使用に向けて実用化が進めれている。

（発明が解決しようとする問題点） これまでの本発明者等の研究成果によって、二相ステン
レス鋼製品そのものについては大きな改良が達成された
。ところで、これらの製品、たとえば前記特開昭６１−
２０１７０６号公報記載の継目無鋼管など、は溶接接合
して使用されることが多い。

そして、通常の溶接による場合、下記の理由で溶接部の
耐ＳＣＣ性の低下という好ましくない現象が生じる。

ＳＣＣは、次の三つの要因の複合によって発生する。即
ち、■ＳＣＣを発生させる腐食環境、■材料のＳＣＣ感
受性、■材料にかかる引張応力、である。これらの要因
のうらひとつでも欠ければＳＣＣは発生しない。前記本
発明者等の提案した粉末冶金法による二相ステンレス鋼
は、■のＳＣＣ感受性をなくすることによって、■の環
境下で、しかも引張応力（残留応力を含む）の存在下で
あってもＳＣＣの発生が防止されるのである。しかしな
がら、これを通常の溶接法で接合した場合、１３００℃
以上の高温に加熱される溶接部近傍では、オーステナイ
ト相からフェライト相への旧の拡散がおこり粉末冶金法
で製造した二相ステンレス鋼の特徴、即ちフェライト相
には実質的にＮｉが含まれていないという長所、が失わ
れてしまう。更に、溶接による残留応力が加わってくる
ゆ１ら、これをＳＣＣ発生の環境下におけば前記の三要
件が全て満たされることになる。勿論この場合でも、従
来の溶製二相ステンレス鋼並みの耐ＳＣＣ性は十分期待
できるが、折角の粉末冶金法による二相ステンレス鋼の
すぐれた耐ＳＣＣ性が、その溶接部において失われるこ
とになる。

本発明の目的は、粉末冶金法によって製造された二相ス
テンレス鋼の部材を、その極めてすぐれた耐ＳＣＣ性を
損なわずに接合する方法を提供すること、にある。

（問題点を解決するための手段） 本発明の基本となる思想は、前述のＳＣＣ発生要因の■
と■を接合部において同時に発生させないこと、である
、具体的には、接合部近傍の母材におけるＮｉの拡散を
防止し、一方接合部には残留応力を生じさせないように
する。そのための手段として、本発明者は超塑性を示す
二相ステンレス鋼のインサート材を用いることに着眼し
た。超塑性を示す材料はすでに多数知られているが、本
発明の目的が二相ステンレス鋼部材の接合であるから、
上記インサート材は耐食性や機械的性質が母材と基本的
に同等の二相ステンレス鋼製のものでなければならない
、かかるインサート材を使用することにより、母材の二
相ステンレス鋼中でＮｉの拡散がおこらない比較的低温
での接合が可能となり、更に接合部の残留応力の発生が
抑制できる。

このような知見に基づく本発明の要旨は、下記の点にあ
る。

フェライト系ステンレス鋼粉とオーステナイト系ステン
レス鋼粉とを用いて粉末冶金法によって製造された二相
ステンレス鋼部材の接合方法であって、接合すべき部材
間に超塑性現象を発現する溶製二相ステンレス鋼のイン
サート材を介挿して加熱圧縮することを特徴とする接合
方法。

ここで、粉末冶金法によって製造された二相ステンレス
鋼部材とは、たとえば前掲の特開昭６０−１９０５５２
号公報や同６１−２０１７０６号公報に開示されるよう
な、それぞれ別個に製造されたフェライトステンレス鋼
とオーステナイトステンレス鋼の粉末を混合して圧縮成
形後、焼結して製造するもので、部材はたとえば継口無
管があるが、勿論これに限らず板、棒或いはその他の製
品、半製品であって、接合して使用されるもの全てが対
象となる。

超塑性を発現する溶製二相ステンレス鋼とは、Ｆｅ、　
Ｎｉ％Ｃｒを主成分として、ＭＯ％　Ｎ％　Ｓｉ、Ｍｎ
、ＣｕｓＮｂ、　Ｃａ、　Ｍｇ、　Ｂ等を適宜必要に応
じて含有する二相ステンレス鋼で、かつこれらの成分の
含有量が所定の接合温度において超塑性現象を発現する
ように調整されているもの、である。具体的には、Ｃｒ
：１５〜２８％（好ましくは２１〜２６％）　、Ｎｉ：
４〜１０％（好ましくは４．５〜７．５％）　、Ｎ：０
．０５〜０．２５％（好ましくは０．１０〜０．２０％
）を含有し、必要に応じてＭｏ：４％以下、Ｃｕ：２．
０％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｗ：０．５％以下を単
独又は複合して含有する二相ステンレス鋼、或いは更に
Ｓｂ２．０％以下、Ｍｎ：５．０％以下、Ｃａ：　０．
０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下、Ｂ：０．０１％以
下、の１種以上を含む二相ステンレス鋼がこれに含まれ
る。　（本明細書において「％」は全て重量％を意味す
る。） なお、本出願人が先に提案した特願昭６１−７０３８１
号記載の二相ステンレス鋼薄帯は本発明方法のインサー
ト材とし好適である。この薄帯とは次のように定義され
るものである。

Ｆｅｓ　Ｃｒ５Ｎｉを主成分として含有し、Ｃｒ　ｅｑ
　−（ｒ＋Ｍｏ＋１．５　Ｓｔ、　Ｎｉ　ｅｑ　　＝Ｎ
ｔ＋０．５　Ｍｎ＋３０Ｃ＋２５Ｎで示されるＣｒ　ｅ
ｑおよびＮｉ　ｅｑが次式を満足し、０．３２Ｃｒ　ｅ
ｑ−５≦Ｎｉ　ｅｑ≦０．７９Ｃｒ　ｅｑ　−８，６１
６≦Ｃｒ　ｅｑ　≦３５ かつ、固溶ＮｊｌＨが０．０１％以上の固相接合用２相
系・ステンレスｔ！Ａｍ帯。この薄帯は、たとえばロー
ル冷却法によって溶湯から急冷凝固させて２＋１１１厚
以下のものに直接製造することができる。

接合工程における加熱圧縮は、次のような条件を選ぶ。

まず加熱条件としては、母材中でＮｉの拡散が起らない
温度、望ましくは１１５０℃以下、とする。このような
比較的低温でも、インサート材が超塑性を発現する限り
、後述の適正な圧縮力を加えることによって接合すべき
両部材はインサート材との間で原子拡散がおこり、いわ
ゆる固相接合により十分な強度をもつ結合が得られる。

ただし、この固相接合が能率よく行われるためには加熱
温度を９００℃以上とするのが望ましい。そして、この
加熱は残留応力の分布を考慮して、接合部を中心とする
一定の幅に亘って、たとえば高周波誘導加熱によって行
う。

圧縮力は、０．５　ｋｇｆ／ｍｍ”以上とすべきである
。

これより小さい圧縮力では接合の能率が悪いだけでな（
、接合不完全で強度不足となるおそれがある。圧縮力の
上限は特に設ける必要がないが、圧縮力を増すことの利
点と接合装置の能力や部材自体の座屈、変形等の問題を
勘案すれば１０　ｋｇｆ／ｍｍ’程度がその上限となろ
う。圧縮力の保持時間は１０秒以上とすれ・ばは−゛十
分である。

接合作業は、接合部の酸化を防ぐ上で非酸化性ガスの雰
囲気で行うのが望ましい、特に窒素ガス雰囲気とすれば
、インサート材に拡散するＮがその超塑性の発現に好ま
しい影響を及ぼす。

（作用） 第１．２図は、本発明の作用効果を模式的に説明する図
である。第１図は、従来の溶接継手で、粉末冶金法で製
造した二相ステンレス鋼の母材１と２をインコネル６２
５溶加材を用いてＴｒＧ溶接によって結合したものであ
る。３は溶接金属である。

第２図は、本発明による継手で４がインサート材である
。（なお、インサート材は実際には数１程度以下の薄い
もので十分であるが、この図では説明の都合上厚く示し
ている。）５は接合時の灼熱帯の幅を示している。

まず、第１．２図の（ロ）は継手部のＳＣＣ感受性を示
すもので、従来法〔第１図（ロ）〕によるもの゛では、
インコネル６２５の溶着金属にはＳＣＣ感受性はないが
、溶接熱影響部の母材が大きなＳＣＣ感受性をもつ。こ
れに対して、本発明方法〔第２図（ロ）〕によるもので
は、インサート材自体はＳＣＣ感受性を持っているが母
材は、接合部近傍においてもＳＣＣ感受性をもたない。

これは、前述のとおり、接合温度が低いために母材中で
のフェライト相へのＮｔ拡散が抑止されているためであ
る。

第１．２図の（ハ）は引張残留応力の分布を示すもので
ある。従来方法による場合には、継手部に近いほど残留
応力が大きい。（ロ）、（ハ）の図を対比すればＳＣＣ
感受性の大きい部分と残留応力の大きい部分とが一致し
ていることがわかる。

一方、本発明方法の場合〔第２図（ハ）〕、接合時の均
熱をインサート材を中心とする比較的広い幅に亘って行
うため、残留応力は母材の継手部から遠い部分にあって
、しかも加熱温度が低いため応力の絶対値も小さい。

第１．２図の（ニ）が上記の結果を総合したＳＣＣ発生
の可能性を示す図で、従来の溶接法による場合は継手部
近傍の母材ではＳＣＣ感受性と引張り残留応力が併存す
るためにＳＣＣ発生の可能性が高い、これに対して、本
発明方法によれば、上記２つのＳＣＣ発生要因が併存す
る場合がないから、結局部材の接合に起因するＳＣＣの
発生する可能性はない、ということになる。

以上、概念的に説明した本発明の作用効果に関して、実
際の試験結果に基いてより具体的に説明する。試験に用
いた供試材およびその製造条件は下記のとおりである。

（ａｌ母材（接合部材） ＳＵＳ　３１６Ｌ　＜オースｆナイトステンレスｔｌＲ
）とＳＯ５４４４（フェライトステンレスｍ＞　のガス
アトマイズ鋼粉を１：１の割合で混合し、圧縮成形、焼
結によって製造した継目無管（外径２５．４ｍｍ、肉厚
１．ｈｍ）。

（ｂ）インサート材 第１表記載の組成をもつ溶製法によって製造した１　ｍ
＋＋＋厚の二相ステンレス鋼薄板。

第１表 ＋ｃ＋接合条件 ｔａ）の継目無管（長さ３０抛■）を２本用意し、その
間に（ｂｌのインサート材を置いて、誘導加熱により、
インサート材を中心として両側へ２０ＩＩ１１、全長４
０ｍ−の幅を加熱した。

加熱温度、圧縮力、保持時間はそれぞれ第２表および第
３表に示すように変化させた。

第２表は、接合条件と引張試験における破断位置の関係
を示すものである。破断位置が接合部であれば接合が不
完全で、その条件は好ましくない。

第３表は、同じ（接合条件と接合部のＳＣＣ発生の関係
を示すものである。ＳＣＣの試験は、接合部を含む長さ
１００ｍｍの管を沸騰４２％Ｍ　ｇ　Ｃ２ｇ溶液中に１
００時間浸漬した後、割れの発生を観察する方法によっ
た。

第２表をみれば、十分な機械的強度を持つ接合部を確実
に得るためには、９００℃以上の加熱温度、０．５　ｋ
ｇｆ／ｓｍ”以上の圧縮力、１０秒以上の保持時間が望
ましいことがわかる。また、第３表かられかるとおり、
１１７５℃以上のような高温加熱は、加熱部近傍の母材
にＮｉ拡散を発生させ、その耐ＳＣＣを損なわせる。

以上の試験結果をまとめると、接合条件としては、加熱
温度９００〜１１５０℃（好ましくは９５０〜１１００
℃）、圧縮力は０．５　ｋｇｆ／ｍ−冨以上、保持時間
は１０秒以上を選ぶべきである。加熱の幅は、インサー
ト材を中心として片側５１１１１以上、好ましくは１０
−一以上とするのがよい。

なお、超塑性インサート材を用いることによって、固相
接合法であっても機械的強度の十分な接合部が得られる
のは、被接合材に多少の凹−凸かあ・っても、圧縮力を
加えた時にインサート材がその超塑性現象によって被接
合面の間隙に良く入り込み、拡散が容易に進行するから
である。

第３表 （注）加熱境界部の母材に微小な割れ発注。

（実施例） 接合部材（母材）として前述と同じ＜　ＳＯ３３１６Ｌ
とＳＵＳ　４４４の粉末を原料とする粉末冶金法による
焼結二相ステンレス鋼継目無管（外径６〇−曽、肉厚８
１１１１）　ヲ製造した。外に比較材とし、同サイズの
ｓｕＳ　３１６Ｌ溶製材を準備した。

第４表に示すように、焼結二相ステンレス鋼管について
は本発明によるインサート材（その材質は第１表に同じ
）使用の方法（Ｉ１ｍｌ〜１５）とＡ１１ｏｙ６２５を
溶加材とする↑！Ｇ溶接法によるもの（Ｎａ１６）を用
意し、溶製３１６Ｌ鋼管は共金を用いたＴＩＧ　ｉ接の
試験片（ｌｋ１７）を作製した。

本発明方法による場合の接合の条件は１２頁の（Ｃ１と
同じである。

第４表に接合条件と引張試験およびＳＣＣ試験の結果を
示す、ＳＣＣ試験は、継手部を中心とする２００ｍｍ長
さの管をそのま＼４２％Ｍ　ｇ　Ｃ２ｚ沸騰溶液に１０
０時間浸漬する前掲の方法である。

同表にみられるとおり、本発明の実施例にあっては引張
試験の破断位置は全て母材側にあり、良好な接合強度が
得られていると同時に耐ＳＣＣ性の上でも全く問題がな
い、一方、焼結二相ステンレス鋼であっても、従来の溶
接法による時は、嵐１６にみられるように、わずかでは
あるが溶着金属近くの母材中に割れがみられる。なお、
参考例として掲げた３１６１Ｊ製材の共金によるＴＩＧ
溶接継手では、溶着金属およびその近傍にはげしいＳＣ
Ｃが発生していた。

第　　　　４　　　　表 ６辺　だ看酋属とその底切に多数の剖れ冗圧（発明の効
果） 本発明は粉末冶金法によって製造した二相ステンレス鋼
部材の接合方法として従来の溶接法にがわる新しい固相
接合法を提供する。この方法によれば、本質的に耐ＳＣ
Ｃ性にすぐれている上記二相ステンレス鋼の特性を、溶
接によって損なうことがない、これまでに例示した継目
無管のような部材は、たとえば熱交換器等に溶接組立し
て用いられることが多く、しかもその使用環境はＳＣＣ
を誘起する塩素イオンを含むような厳しい条件となるこ
とが多い、このような用途に、本発明の接合法を用いれ
ば、接合部のＳＣＣ発生という危険がなく、部材そのも
ののすぐれた特性を十分に生かすことができる。　これ
までの説明には、接合すべき部材として継目無管を代表
例として用いたが、本発明がその種類、形状にかかわら
ず、粉末冶金法によって製造される二相ステンレス鋼部
材の接合であれば全てに適用できることはいうまでもな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明の詳細な説明する模式図
で、第１図は従来の溶接法による場合、第２図は本発明
の方法による場合、をそれぞれ示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）フェライト系ステンレス鋼粉とオーステナイト系
   ステンレス鋼粉とを用いて粉末冶金法によって製造され
   た二相ステンレス鋼部材の接合方法であって、接合すべ
   き部材間に超塑性現象を発現する溶製二相ステンレス鋼
   のインサート材を介挿して加熱圧縮することを特徴とす
   る接合方法。
2. （２）インサート材がＣｒ１５〜２８％、Ｎｉ４〜１０
   ％およびＮ０．０５〜０．２５％を必須の合金元素とし
   て含有する溶製二相ステンレス鋼である特許請求の範囲
   第１項記載の接合方法。
3. （３）接合を９００〜１１５０℃の加熱温度、０．５ｋ
   ｇｆ／ｍｍ＾２以上の圧縮力で行う特許請求の範囲第１
   項又は第２項記載の接合方法。