JPS63248595A - 耐硝酸用ステンレス鋼溶接材料 - 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〕 本発明は導設化学プラント等のステンレス材料に対する
溶接材料に関し、特に耐硝酸用ステンレス鋼に対して有
利に適用しうる溶接材料に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、高濃度硝酸環境に使用される材料として、アルミ
ニウム、チタンと共に極低炭ｉ　−２５Ｏｒ−２ＯＮｉ
ステンレス鋼が実用化されている。この極低炭素−２５
Ｃｒ−２ＯＮｉ　ステンレス鋼（３１０ＵＬＣ）ＴＩＧ
又はＭＩ（）溶接材料としては、極低炭素−２５Ｃｒ−
２ＯＮｉ−２Ｍｎステンレス鋼溶接材料（５１０ＥＬＣ
）が実用化されている。これは、溶接材料の化学組成を
母材のそれと同一にすると溶接金属は完全オーステナイ
ト組織となシ、極低炭素の場合、高温割れの発生が著し
くなるので、高温割れ防止に有効とされているＭｎを２
−程度含有させたものである。

表１に２５Ｃｒ−２ＯＮｉ　ステンレス鋼（５１０Ｓ）
を２５０ｒ　−２０Ｎｉ　−２Ｍｎ　ステンレス鋼（Ｅ
Ｒ１＋１０）溶接材料で溶接した時に生ずる溶接金属及
び極低炭素−２５Ｃｒ　−２０Ｎｉ　ステンレス鋼（３
１０ＵＬＣ）を極低炭素−２５Ｃｒ　−２ＯＮｉ−２Ｍ
ｎ　（３１０ｇＬＣ）溶接材料で溶接した時に生ずる溶
接金属の硝酸腐食試験と高温割れ試験結果の１例を示す
。通常の炭素含有量をもつ組合せでは、耐割れ性はきわ
めてよいが、極低炭素の組合せでは耐高温割れ性が劣る
ことがわかる。一方、耐食性は、極低炭素の組合せのも
のが大幅に優れているが、未だ十分な耐食性を有してい
るとは言いがたい。

このように一般には炭素含有量を低く抑えると耐食性は
向上するが、耐高温割れ性は低下する。

表１　溶接金属の耐食性と耐割れ性 〔発明が解決しようとする問題点〕 以上のことから腐食性の強い硝酸溶液を使う化学プラン
トの場合、使用材料は耐食性に主眼を置いて極低炭素ス
テンレス鋼を用いる必要があるが、溶接金属に割れが存
在するとそこはいわゆるすき間を形成し、そこからすき
間腐食が発生・進行するため結果的に耐食性を低下させ
ることになる。従って実際の溶接施工においては非常に
きびしい溶接管理を行わざるを得す、実用上大きな問題
となる。

〔発明の目的〕 そこで本発明は、上記従来技術の欠点を排除し腐食性の
強い硝酸溶液に対し十分な耐食性を有する溶接金属を作
ると共に、耐高温割れ性の高い溶接材料を提供しようと
するものである。

〔問題点を解決するだめの手段〕

すなわち、本発明はＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接の材料で
、化学成分が重量パーセントでＣ：０、０２　％以下、
Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：５％以下、Ｐ　：　０．０
１　ＣＩ６以下、８：０．０１％以下、Ｎ１：２０〜２
２．５％、Ｃｒ：２５〜２８％、Ｎ：［１，０５〜０．
３　％、Ｔａ：０．０５〜１％の範囲で含有され、残部
がＦｅからなることを特徴とする耐硝酸用ステンＶス鋼
溶接材料である。

〔作用〕

本発明において、その化学成分の範囲を限定した理由を
以下に説明する。なお、チは全て重量％をあられす。

１）　　Ｃ Ｃはオーステナイト結晶粒界にＣｒ２３Ｃ６を形成して
粒界腐食を促進するので、Ｃの含有量は少なければ少な
いほど耐粒界腐食性は良好となる。

現状の製造技術では、Ｃの含有量をＯ，ＯＯ３％程度ま
で低くすることは可能であるが、製造コストが高くなり
経済的でない。

よって耐食性及び経済性の点からＣ量はＱ、０．０２％
以下とした。

２）ＳＩ Ｓｌは溶接中の脱酸剤として添加するが、脱酸性確保の
ためには、Ｑ、６ｔｓ程度で十分な効果が期待できる。

しかしながら、耐食性はＳｉ量が０．１％より増加する
と低下しはじめ、０．８〜１．５チで最低となシ、その
後再び上昇する。一方８１量が多くなると熱間加工性が
低下し、溶接心線への加工が非常に困難となる。

以上のことから溶接中の脱酸性の確保にはＭｎ等の他の
元素でおぎなうこととし、Ｓｉ量は耐食性と熱間加工性
から０．１％以下とした。

５）　　Ｍｎ 一般にＭｎはオーステナイト安定化元素で、溶接中の脱
酸剤としても１〜．０２％添加される。

本発明の極低炭素−２５Ｃｒ−２ＯＮｉ系の完全オース
テナイト組織のものでは、溶接中に低融点偏析物による
高温割れが発生しやすい。この低融点偏析物の析出を防
止するためには、溶接材料中に３チ以上のＭｎを含有さ
せるのが有効であシ、またＭｎの含有量が５〜６チ以上
になると再び高温割れが発生しやすくなる。

一方、硝酸溶液に対する耐食性はＭｎ量が増加すると低
下する傾向にあシ、Ｍｎ量が３チ以下の範囲では耐割れ
性と耐食性とで矛盾した傾向があった。

今回、この矛盾を解決するための手段として、Ｔａを添
加することによシ、低Ｍｕ域の耐割れ性を同上させるこ
とに成功したもので、耐割れ性の確保はＴａでおぎなう
こととし、Ｍｎ量は耐食性の点から５％以下とした。

４）　　Ｐ及びＳ Ｐ及びＳはいずれも低融点偏析物を析出して高温割れを
発生させる有害な元素であシ、その含有量は低くする程
高温割れ防止には有効である。現状の製造技術ではＰ及
びＳの含有量を共にＱ、ＯＯ１％程度まで低くすること
は可能であるが製造コストが高くなり経済的でない。

よってＰ及びＳの含有量はいずれも０．０１％以下とし
た。

５）　　Ｃｒ Ｃｒは耐硝酸性には最も有効な元素であシ、Ｃｒ量が多
いほど耐食性は良好である。しかし、２８チ以上では熱
間加工性が悪く、しかも完全なオーステナイト組織が得
られにくくなるため、Ｃｒ量の上限を２８チとした。

よって耐食性及び熱間加工性の点から、Ｃｒ量は２５〜
２８チと限定した。

６）　Ｎ１ Ｎ１は代表的なオーステナイト安定化元素であり、溶接
性、耐食性、熱間加工性の良好な完全オーステナイト組
織の溶接金属を得るために、Ｎｉ量を２０〜２２．５チ
と限定した。

７）　　Ｎ Ｎは、Ｎ１の３０倍もの強力なオーステナイト安定化元
素であシ、Ｎの添加により一般には強度が上昇し、延性
は低下する傾向にある。またＮは耐食性に効果のある元
素で、溶接材料中には０．０５　％以上のＮを含有させ
るのが非常に有効である。

一方溶接材料中にＮが０．３チ以上含有されると溶接中
に溶融金属からＮ２　　ガスが発生し溶接金属中にブロ
ーホールが発生する。

よって耐食性及びプローホールの発生からＮ量は０．０
５〜０．３チと限定した。

８）　　Ｔａ ’ｒａは、Ｃ，ＯｌＮとの親和力がきわめて強いため溶
融金属中で容易にＴａｇ、　ＴａＮ５ＴａＣを生成する
。これらの化合物は融点が高＜　（ＴａＣ；約３８００
℃、ＴａＯ；約３０００℃、ＴａＮ　；約３１００℃）
、溶接凝固時に多量の結晶核を形成する。またＴａ自身
も融点が高＜（’ｒａ；約３０００℃）、未反応Ｔａが
残留してもそれが低融点物質を生成することはない。し
たがって、Ｔａを溶接材料に添加すると、本発明に示す
ごとく、耐高温割れ性が同上した。

また、ＴａＣの生成は、Ｃｒ２３　ｃ６の生成を防止す
ることにもなシ、粒界腐食防止にも効果がある。

以上のことから、Ｔａ量は、耐食性及び耐高温割れ性に
効果を現わす量として０．０５　％以上、また多量に添
加した場合、耐高温割れ性が低下しはじめるので１％以
下と限定した。

〔実施例〕

次に実施例をあげて本発明を具体的に説明する。

実施例に供した溶接材料はすべて真空溶解炉で溶解し、
熱間圧延及び冷間加工によ！ｌ１１．６φ■径の溶接ワ
イヤに伸線した。その化学成分を表２に示す。

腐食試験片及び割れ試験片共に、母材と溶接ワイヤの混
合した溶接金属を用いた。

腐食試験片の寸法は３　ｗｍ　ｔ　Ｘ　２０　ｖａｎ　
Ｘ　２５１１１１とし、その際の溶接条件は次の通シで
ある。

ＴＩＧ溶接；溶接電流　１２０〜１５０Ａ１溶接電圧　
９〜１０Ｖ ワイヤ送給量　　８０〜１００露／ｍｉｎシールドガス
（Ａｒ　）流量　１５Ａ／ｍｉｎＭ工（）溶接；溶接電
流　２４０〜２６０Ａ溶接電圧　２４〜２６Ｖ ワイヤ送給量　２５０〜３００　ｗｍ／　ｍｉｎシール
ドガス（Ａｒ）流量　２０１／ｍｉｎ腐食試験の硝酸濃
度は８規定とし、腐食加速剤としてＣｒ’＋を１　ｇ／
Ｌ添加した。この溶液を沸騰状態に保ち、その中に腐食
試験片を２４時間、繰返し３回浸漬し、その後試験片を
取シ出しその腐食減量を調査した。

耐食性は、腐食減量を三段階に分けて表示した。すなわ
ち、腐食重量減をＷｇ／ｒＩＬ２・ｈｒ　とすると ○；Ｗ〈５ｇ／ｍ２・ｈｒ △；　５　、！９／ｍ２・ｈｒ≦Ｗ　（１０ｇ／＠２・
ｈｒＸ　；　１０　ｇ／ｍ２φｈｒ≦Ｗ とした。

耐高温割れ性はトランスパレストレイン試験によＦ）評
価した。トランスパレストレイン試験の条件は次の通り
である。

溶接電流　２００Ａ、溶接電圧　１０Ｖ溶接速度　１５
０　ｍ／ｍｉｎ　付加歪　０．３％試験後、溶接ビード
表面に発生した高温割れのトータル割れ長さを比較し耐
高温割れ性を評価した。

耐高温割れ性は、トータル割れ長さを三段階に分けて表
示した。すなわちトータル割れ長さをＬ■とすると Ｏ；しく１０１！１１ △；１０■≦Ｌ　（２０ｍ Ｘ　；　２０ｍ＋≦Ｌ とした。

実施例１ 本発明溶接材料と代表的な比較材料の腐食試験結果とト
ランスパレストレイン試験結果を表３に示す。試験片は
いずれも溶接金属とし、３１０Ｓ、３１０ＵＬＣの両岸
材については溶接材料無添加ＴＩＧ溶接部、他は母材３
１０ＵＬＣと溶接材料の溶接金属とした。

母材の試験結果によると、Ｃ量の多い５１０Ｓは、Ｃ量
の少ない３１０ＵＬＣに比べ、耐割れ性は優れているが
、耐食性は劣っている。

３１０ＵＬＣを母材にし、各溶接材料の耐食性、耐割れ
性を比較すると、Ｃ量の高いＥＲ３１０を溶接材料とし
た場合、母材の場合と同様、耐割れ性は優れているが、
耐食性は劣っている。

耐食性を向上させた従来の溶接材料３１０ＫＬＣ及び３
１０Ｍｎは、ＥＲｌｌｏに比べ耐食性は向上しているが
、耐割れ性は低下している。また、３１０ＥＬＣに比べ
３１０Ｍｎは、耐食性は若干劣るが耐割れ性は優れてい
る。これはＭｎ量の影響と考えられる。

一方、本発明材料は、Ｃ量の低下にもかかわらず、ＴＩ
Ｇ溶接及びＭＩ（）溶接共に耐食性及び耐割れ性は従来
のものに比べ優れている。

実施例２ 本発明溶接材料の化学成分の中のＣを除く他の合金元素
をほぼ一定にして、Ｃの含有量のみ異なる溶接材料を用
いて５１０ＵＬＣの母材に溶接し、腐食試験及びトラン
スパレストレイン試験を実施した。その結果を表４に示
す。（注、表４以下すべてＴＩＧ溶接金属である。）本
発明溶接材料随６、Ｉｌｌ［Ｌ７は、耐食性、耐割れ性
共に優れているが、Ｃ量の多い随２３、随２４は耐割れ
性は優れているが、耐食性は、Ｃ址の増加につれて低下
している。

実施例３ 本発明溶接材料の化学成分の中のＳｉを除く他の合金元
素をほぼ一定にして、ｓ１含有量のみが異なる溶接材料
を用いて３１０ＵＬＣの母材に溶接し腐食試験とトラン
スパレストレイン試験を実施した。その試験結果を表５
に示す。

Ｓｉ量が増加すると耐食性は若干低下する力（耐割れ性
はほぼ一定である。本発明材料ＮＩＬ６、Ｎ１１Ｌ８は
、耐食性、耐割れ性共に非常に優れている。

実施例４ 本発明溶接材料の化学成分の中のＭｎを除く他の合金元
素をほぼ一定にして、Ｍｎ含有量のみが異なる溶接材料
を用いて３１０ＵＬＣの母材に溶接し腐食試験とトラン
スパレストレイン試験を実施した。その試験結果を表６
に示す。

Ｍｎ量が増加すると耐食性は次第に低下するが、耐割れ
性は五５％Ｍｎ程度で最低となるようである。

本発明では、低Ｍｎ域においても耐割れ性が優れている
が、これはＴａを適量含むためで、これにより低Ｍｎ量
域で、耐食性と耐割れ性共に満足するものを得ることが
できた。

実施例５ 本発明溶接材料の化学成分の中のＮｉ量を除く他の合金
元素をほぼ一定にして、Ｎｉ量のみが異なる溶接材料を
用いて３１０ＵＬＣの母材に溶接し腐食試験とトランス
パレストレイン試験を実施した。その結果を表７に示す
。

本発明溶接材料のＮｉ成分範囲内においては、耐食性及
び耐割れ性共に優れていることがわかる。

実施例６ 本発明溶接材料の化学成分の中のＣｒ量を除く他の合金
元素をほぼ一定にして、Ｃｒ量のみが異なる溶接材料を
用いて５１０ＵＬＣの母材に溶接し腐食試験とトランス
パレストレイン試験を実施した。その結果を表８に示す
。

本発明溶接材料のｃｒ成分範囲内においては、耐食性及
び耐割れ性共に優れていることがわかる。

実施例７ 本発明溶接材料の化学成分の中のＮを除く他の合金元素
をほぼ一定にして、Ｎ量のみが異なる溶接材料を用いて
３１０ＵＬＣの母材に溶接し腐食試験とトランスパンス
トレイン試験を実施した。その結果を表９に示す。

耐食性は０．．０２％程度で、また耐割れ性は０．１％
程度で最低になるようである。

本発明材料は、耐食性、耐割れ性共に優れていることが
わかる。

実施例８ 本発明溶接材料の化学成分の中の’ｒａを除く他の合金
元素をほぼ一定にして、Ｔａ量のみが異なる溶接材料を
用いて３１０ＵＬＣの母材に溶接し腐食試験とトランス
パレストレイン試験を実施した。その結果を表１０に示
す。

’ｒａを添加すると１１１ｉｔ割れ性は著しく向上する
が、Ｔａ量が０．９チを越えると急激な耐割れ性の低下
が認められる。また、耐食性は、Ｔａの添加で向上する
が、供試材のＴａ　ｉｔ範囲では、耐食性に大きな変化
は認められない。

このように、Ｔａを添加することで、低Ｍｎ域の耐割れ
性を著しく同上でき、かつ耐食性も同上させることがで
きた。

表１０から本発明溶接材料は、耐食性及び耐高温割れ性
共に優れていることがわかる。

〔発明・考案の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明溶接材料を用い
たＴＩＧ、ＭＩＧ溶接部は酸化力の強い金属イオン、Ｃ
ｒ’十　が存在する硝酸溶液に対して十分な耐食性を有
すると共に、耐高温割れ性が優れておシ、よって本発明
溶接材料は硝酸プラント等のステンレス材に対する溶接
材として好適である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接の材料で、化学成分が重量パ
   ーセントでＣ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．１％以下、
   Ｍｎ：５％以下、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．０１％
   以下、Ｎｉ：２０〜２２．５％、Ｃｒ：２５〜２８％、
   Ｎ：０．０５〜０．３％、Ｔａ：０．０５〜１％の範囲
   で含有され、残部がＦｅからなることを特徴とする耐硝
   酸用ステンレス鋼溶接材料。