TW202043504A - 氣體金屬電弧銲接用實心線及氣體金屬電弧銲接方法 - Google Patents

氣體金屬電弧銲接用實心線及氣體金屬電弧銲接方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種適合作為高Mn鋼材用之銲接材料之氣體金屬電弧銲接用實心線及使用其之氣體金屬電弧銲接方法。上述實心線具有如下組成，即，以質量%計包含：C：0.20～0.80%、Si：0.15～0.90%、Mn：17.0～28.0%、P：0.030%以下、S：0.030%以下、Ni：0.01～10.0%、Cr：0.4～1.9%、B：0.0010～0.0050%，包含剩餘部分之Fe及不可避免之雜質，且由SFE(mJ/m2 )＝-53＋6.2Ni＋0.7Cr＋3.2Mn＋9.3Mo所定義之SFE滿足17～57(mJ/m2 )之範圍。本發明實心線之銲線製造性優異，且銲接時不致發生銲接破裂，耐高溫破裂性優異，藉由用於氣體金屬電弧銲接，可容易製造高強度高延展性且極低溫衝擊韌性優異之銲接接合部。

Description

氣體金屬電弧銲接用實心線及氣體金屬電弧銲接方法
本發明係關於一種氣體金屬電弧銲接用實心線及氣體金屬電弧銲接方法，尤其是關於一種於極低溫環境下所使用之含高Mn鋼材銲接用實心線及使用其之氣體金屬電弧銲接方法。
近年來，對環境之限制變得嚴格。液化天然氣(以下，亦稱為LNG)由於不含硫，故而被稱為不會產生硫化氧化物等大氣污染物質之清潔燃料，其需求增加。為了輸送或保管LNG，要求輸送或儲存LNG之容器(罐)於LNG之液化溫度之-162℃以下之溫度下保持優異之極低溫衝擊韌性。
而且，就需要保持優異之極低溫衝擊韌性之方面而言，作為容器(罐)等之材料，以往使用鋁合金、9%Ni鋼、沃斯田鐵系不鏽鋼等。
然而，鋁合金由於拉伸強度較低，故而需要將構造物之板厚設計得較大，又，存在銲接性較差之問題。又，9%Ni鋼由於需要使用高價之Ni基材料作為銲接材料，故而經濟上不利。又，沃斯田鐵系不鏽鋼存在價格高、母材強度亦較低之問題。
基於此種問題，作為輸送或儲存LNG之容器(罐)用材料，最近研究了以質量%計含有10～35%左右之Mn之含高Mn鋼(以下，亦稱為高Mn鋼)之應用。高Mn鋼具有如下特徵：即使於極低溫下，亦為沃斯田鐵相，不發生脆性破壞，又，與沃斯田鐵系不鏽鋼相比，具有更高強度。因此，期望開發一種可穩定銲接此種含高Mn鋼材之銲接材料。
針對此種期望，例如於專利文獻1中提出有「潛弧銲接及氣體金屬電弧銲接用實心線」。專利文獻1中所記載之實心線係具有如下組成之實心線：以重量%計包含C：0.15～0.8%、Si：0.5～1.5%、Mn：15～32%、Cr：5.5%以下、Mo：1.5～3%、S：0.025%以下、P：0.025%以下、B：0.01%以下、Ti：0.05～1.2%、N：0.005～0.5%，且剩餘部分包含Fe及不可避免之雜質。若使用專利文獻1中所記載之實心線進行銲接，則可確保銲接接合部具有試驗溫度-196℃下之夏比衝擊試驗吸收能量為32 J以上之優異衝擊韌性。
又，於專利文獻2提出有「極低溫衝擊韌性優異之高強度銲接接合部及用於其之電弧銲接用藥芯銲線」。專利文獻2中所記載之電弧銲接用藥芯銲線係具有如下組成之銲線：以重量%計包含C：0.15～0.8%、Si：0.2～1.2%、Mn：15～34%、Cr：6%以下、Mo：1.5～4%、S：0.02%以下、P：0.02%以下、B：0.01%以下、Ti：0.09～0.5%、N：0.001～0.3%、TiO2 ：4～15%、自SiO2 、ZrO2 及Al2 O3 中選擇之1種以上之合計：0.01～9%、自K、Na及Li中選擇之1種以上之合計：0.5～1.7%、F與Ca中之1種以上：0.2～1.5%、剩餘部分Fe及其他不可避免之雜質。若使用專利文獻2中所記載之電弧銲接用藥芯銲線進行銲接，則可有效地獲得具有-196℃下夏比衝擊試驗吸收能量為28 J以上之優異低溫韌性及常溫拉伸強度為400 MPa以上之高強度的銲接接合部，又，將銲線組成調整為Mo：1.5%以上，可確保銲接接合部具有優異之耐高溫破裂性。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：韓國登記專利第10-1560899號公報 專利文獻2：日本專利特表2017-502842號公報
(發明所欲解決之問題)
然而，於專利文獻1中所記載之技術中，僅可確認：關於以銲接熱輸入量0.9 kJ/mm進行銲接施工而成之銲接部，具有試驗溫度-196℃下之夏比衝擊試驗吸收能量滿足32 J以上之極低溫衝擊韌性。根據本發明人等之研究得知，專利文獻1中所記載之技術，於在實際施工銲接時之各種銲接條件下進行銲接施工之情形時，有銲接部於極低溫環境下發生脆性破壞之虞。其原因在於，專利文獻1中所記載之技術，於在實際施工銲接時之各種銲接條件下進行銲接時，存在因銲接部之經粗大化之樹枝狀結晶臂而使溶質元素變稀薄，從而使沃斯田鐵之穩定性降低之情形，於此種情形時，擔心銲接接合部於極低溫環境下發生脆性破壞。
又，於專利文獻2中所記載之技術中，由於其係藥芯銲線，故而存在銲接時煙霧之產生量變多而使銲接者暴露於煙霧量較多之環境下之問題。再者，根據本發明人等之研究得知，藉由製成實心線來代替藥芯銲線，使其組成減少了碳化物形成元素或B含量，提高實心線之製造性，可避免該問題。
本發明之目的在於解決上述先前技術之問題，提供一種氣體金屬電弧銲接用實心線及使用其之氣體金屬電弧銲接方法，該氣體金屬電弧銲接用實心線適合作為極低溫環境下使用之含高Mn鋼材用銲接材料，可製作兼具高強度高延展性、及優異之極低溫衝擊韌性之銲接接合部。
再者，此處所指之「高強度高延展性」係指藉由氣體金屬電弧銲接依據JIS Z 3111之規定所製作之熔接金屬(銲接金屬)之常溫降伏強度(0.2%保證應力)為400 MPa以上，拉伸強度為660 MPa以上，總伸長率為40%以上。又，「優異之極低溫衝擊韌性」係指藉由氣體金屬電弧銲接依據JIS Z 3111之規定所製作之熔接金屬(銲接金屬)於試驗溫度-196℃下之夏比衝擊試驗吸收能量vE- 196 為28 J以上，脆性破面率為10%以下。 (解決問題之技術手段)
本發明人等為了達成上述目的，而針對實心線之組成對熔接金屬之極低溫衝擊韌性所造成之影響進行了銳意研究。結果得知，為了提高熔接金屬之極低溫衝擊韌性，防止脆性破壞之發生，首先需要充分提高沃斯田鐵之穩定度。而且，本發明人等得知，根據與所含有之合金元素量之關聯，由下述(1)式所定義之SFE值可有效作為沃斯田鐵之穩定度之指標。 SFE(mJ/m2 )＝-53＋6.2Ni＋0.7Cr＋3.2Mn＋9.3Mo……(1) (其中，Ni、Cr、Mn、Mo：各元素之含量(質量%)) 而且，本發明人等得知，若為上述SFE滿足17～57(mJ/m2 )之範圍之組成之實心線，則銲接時所形成之沃斯田鐵得以穩定化，依據JIS Z 3111之規定於既定銲接條件下所製作之熔接金屬成為兼具所需之高強度高延展性、及所需之優異之極低溫衝擊韌性的熔接金屬。
而且，進而得知，藉由針對實心線之組成，尤其是將C調整為0.20～0.80%，將Si調整為0.15～0.90%，進而將Mn調整為15.0～28.0%之特定範圍，將Ni調整為0.01～10.0%之特定範圍，將Cr調整為0.4～1.9%之特定範圍，將B調整為0.0010～0.0050%之特定範圍，將屬於碳化物形成元素之V、Ti、Nb分別調整為0.5%以下之特定範圍，拉線加工時不致發生破裂等缺陷，從而成為實心線之製造性優異之實心線。
又，本發明人等想到，由於銲接凝固時所形成之樹枝狀結晶一面排出溶質元素、一面生長，故而形成溶質元素變稀薄之微區域，因此，沃斯田鐵之穩定度降低，從而思及調整銲接時之冷卻速度。得知藉此可防止樹枝狀結晶臂之粗大化，減少溶質元素之吐出量，使溶質元素變稀薄之微區域變窄，即使於微區域中亦可謀求沃斯田鐵之穩定化，並且得知藉此可使熔接金屬之極低溫衝擊韌性進一步提高，防止銲接接合部發生脆性破壞。
本發明係基於上述見解進一步加以研究而完成者。即，本發明之主旨如下所述。
(1)一種氣體金屬電弧銲接用實心線，其特徵在於，其具有如下組成，即，以質量%計包含： C：0.20～0.80%、 Si：0.15～0.90%、 Mn：15.0～28.0%、 P：0.030%以下、 S：0.030%以下、 Ni：0.01～10.0%、 Cr：0.4～1.9%、 B：0.0010～0.0050%， 並包含剩餘部分之Fe及不可避免之雜質，且由下述(1)式所定義之SFE滿足17～57(mJ/m2 )。 SFE(mJ/m2 )＝-53＋6.2Ni＋0.7Cr＋3.2Mn＋9.3Mo……(1) (其中，Ni、Cr、Mn、Mo：各元素之含量(質量%))
(2)如上述(1)之氣體金屬電弧銲接用實心線，其中，上述組成以質量%計進而含有合計1.0%以下之自V：0.5%以下、Ti：0.5%以下、Nb：0.5%以下中選擇之1種或2種以上。
(3)如上述(1)或(2)之氣體金屬電弧銲接用實心線，其中，上述組成以質量%計進而含有自Cu：1.0%以下、Al：0.10%以下、Ca：0.01%以下及REM(rare earth metal，稀土金屬)：0.02%以下中選擇之1種或2種以上。
(4)如上述(1)至(3)中任一項之氣體金屬電弧銲接用實心線，其中，上述組成以質量%計進而含有Mo：3.5%以下。
(5)一種氣體金屬電弧銲接方法，其係藉由使用實心線之氣體金屬電弧銲接而形成銲接金屬，將含高Mn鋼材接合者；其特徵在於， 上述實心線具有如下組成，即，以質量%計包含： C：0.20～0.80%、 Si：0.15～0.90%、 Mn：15.0～28.0%、 P：0.030%以下、 S：0.030%以下、 Ni：0.01～10.0%、 Cr：0.4～1.9%、 B：0.0010～0.0050%， 包含剩餘部分之Fe及不可避免之雜質，且由下述(1)式所定義之SFE滿足17～57(mJ/m2 )， SFE(mJ/m2 )＝-53＋6.2Ni＋0.7Cr＋3.2Mn＋9.3Mo……(1) (其中，Ni、Cr、Mn、Mo：各元素之含量(質量%)) 以1300～1200℃之溫度範圍之冷卻速度CR(℃/s)滿足[SFE＋(冷卻速度CR)1/2 ]：20～70之方式對上述氣體金屬電弧銲接進行調整。
(6)如上述(5)之氣體金屬電弧銲接方法，其中，上述實心線除了上述組成以外，以質量%計進而含有合計1.0%以下之自V：0.5%以下、Ti：0.5%以下、Nb：0.5%以下中選擇之1種或2種以上。
(7)如上述(5)或(6)之氣體金屬電弧銲接方法，其中，上述實心線除了上述組成以外，以質量%計進而含有自Cu：1.0%以下、Al：0.10%以下、Ca：0.01%以下及REM：0.02%以下中選擇之1種或2種以上。
(8)如上述(5)至(7)中任一項之氣體金屬電弧銲接方法，其中，上述實心線除了上述組成以外，以質量%計進而含有Mo：3.5%以下。 (對照先前技術之功效)
根據本發明，可提供一種氣體金屬電弧銲接用實心線及使用其之氣體金屬電弧銲接方法，該氣體金屬電弧銲接用實心線之銲線製造性優異，進而，可作為含高Mn鋼材之銲接材料而容易製造高強度且極低溫韌性優異之銲接接合部，於產業上發揮明顯之效果。
本發明實心線係適合用於含高Mn鋼材之氣體金屬電弧銲接之實心線。本發明實心線係一種可兼具高強度高延展性及優異之極低溫韌性，而可製作高強度高延展性且極低溫韌性優異之銲接接合部之銲接材料；該高強度高延展性係指藉由氣體金屬電弧銲接依據JIS Z 3111所製作之熔接金屬(銲接金屬)於常溫下之0.2%保證應力為400 MPa以上，拉伸強度為660 MPa以上，總伸長率為40%以上；該優異之極低溫韌性係指於試驗溫度-196℃下之夏比衝擊試驗之吸收能量為28 J以上，脆性破面率為10%以下。
本發明實心線具有如下組成：以質量%計包含C：0.20～0.80%、Si：0.15～0.90%、Mn：15.0～28.0%、P：0.030%以下、S：0.030%以下、Ni：0.01～10.0%、Cr：0.4～1.9%、B：0.0010～0.0050%作為基本組成，並包含剩餘部分之Fe及不可避免之雜質，且由下述(1)式所定義之SFE滿足17～57(mJ/m2 )。 SFE(mJ/m2 )＝-53＋6.2Ni＋0.7Cr＋3.2Mn＋9.3Mo……(1) (其中，Ni、Cr、Mn、Mo：各元素之含量(質量%))
首先，對組成之限定理由進行說明。再者，以下，組成中之「質量%」僅用「%」記述。
C：0.20～0.80% C係具有藉由固溶強化提高銲接金屬強度之作用之元素。又，C使沃斯田鐵相穩定化，提高銲接金屬之極低溫衝擊韌性。為了獲得此種效果，需要含有0.20%以上。然而，若含有C超過0.80%，則碳化物析出，極低溫衝擊韌性降低，進而，容易發生銲接時之高溫破裂。因此，C限定於0.20～0.80%之範圍。較佳為0.30～0.70%。
Si：0.15～0.90% Si作為去氧劑發揮作用，具有提高Mn之產率並且提高熔融金屬之黏性、穩定地保持銲珠形狀、減少濺鍍發生之效果。為了獲得此種效果，Si需要含有0.15%以上。然而，若含有Si超過0.90%，則降低銲接金屬之極低溫衝擊韌性。又，於凝固時發生偏析，於凝固晶胞界面生成液相，降低耐高溫破裂性。因此，Si限定於0.15～0.90%之範圍。較佳為0.20～0.70%。
Mn：15.0～28.0% Mn係廉價且使沃斯田鐵相穩定化之元素，於本發明中，需要含有15.0%以上。若Mn未滿15.0%，則銲接金屬(熔接金屬)中之Mn稀薄部中生成ε-麻田散鐵，極低溫下之韌性顯著降低。另一方面，即使含有Mn超過28.0%，不僅改善極低溫衝擊韌性之效果飽和，於凝固時發生過度之Mn偏析，而誘發高溫破裂。因此，Mn限制於15.0～28.0%之範圍。較佳為18.0～25.0%。
P：0.030%以下 P係於晶粒界發生偏析而誘發高溫破裂，並且降低銲接金屬之極低溫衝擊韌性之元素，於本發明中，其視為雜質元素而最好儘可能減少，若為0.030%以下，則可容許。因此，P限定於0.030%以下。較佳為0.02%以下。另一方面，過度之P減少會導致精練成本之高漲。因此，P較佳調整為0.003%以上。
S：0.030%以下 S於銲接金屬(熔接金屬)中以硫化物系中介物MnS之形式存在。由於MnS成為破壞發生起點，故使極低溫韌性降低。因此，S限定於0.030%以下。較佳為0.02%以下。另一方面，過度之S減少會導致精練成本之高漲。因此，S較佳調整為0.001%以上。
Ni：0.01～10.0% Ni係強化沃斯田鐵晶粒界之元素，其於晶粒界發生偏析，提高極低溫衝擊韌性。又，Ni使位錯遷移率提高。為了獲得此種效果，Ni需要含有0.01%以上。又，由於Ni亦具有使沃斯田鐵相穩定化之效果，故而若進一步增加含量，則使沃斯田鐵相穩定化，從而提高銲接金屬(熔接金屬)之極低溫衝擊韌性。然而，Ni為高價之元素，含有超過10.0%於經濟上不利。因此，Ni限定於0.01～10.0%。較佳為1.0～8.0%，更佳為2.0～7.0%。
Cr：0.4～1.9% Cr具有於極低溫下使沃斯田鐵相穩定化，並且提高晶粒界強度、提高銲接金屬之極低溫衝擊韌性的作用。又，Cr亦具有提高銲接金屬之強度之作用。又，Cr有效地發揮提高熔融金屬之液相線、抑制高溫破裂發生之作用。進而，Cr亦有效地發揮提高銲接金屬之耐蝕性之作用。為了獲得此種效果，Cr需要含有0.4%以上。若Cr未滿0.4%，則無法確保上述效果。另一方面，若含有Cr超過1.9%，則於冷卻速度較慢之情形時，於沃斯田鐵晶粒界生成Cr碳化物，導致極低溫衝擊韌性之降低。進而，因Cr碳化物之生成而銲線拉線時之加工性降低。因此，Cr限定於0.4～1.9%之範圍。較佳為0.5～1.8%。
B：0.0010%～0.0050% B具有藉由在沃斯田鐵晶粒界發生偏析而提高晶粒界強度、提高銲接金屬之極低溫衝擊韌性之作用。又，亦具有隨著晶粒界強度之提高而防止拉線加工時之斷裂之作用。為了獲得此種效果，B需要含有0.0010%以上。若B未滿0.0010%，則無法確保上述效果。另一方面，若含有B超過0.0050%，則與作為不可避免之雜質混入之N鍵結，於沃斯田鐵晶粒界形成氮化硼，使晶粒界強度降低。因該晶粒界強度之降低，於銲線之拉線加工時沃斯田鐵晶粒界成為破壞發生起點，產生斷線，降低拉線加工性，使銲線之製造性降低。因此，B限定於0.0010～0.0050%之範圍。較佳為0.0011～0.0030%。
於本發明實心線中，將上述成分作為基本成分。 為了提高銲接金屬(熔接金屬)之極低溫衝擊韌性，需要提高沃斯田鐵之穩定度，抑制銲接金屬之脆性破壞之發生。因此，於本發明實心線中，以由下述(1)式所定義之SFE(Stacking Fault Energy，疊差能)滿足17～57(mJ/m2 )之方式，於上述各成分之含有範圍內調整各成分之含量。 SFE(mJ/m2 )＝-53＋6.2Ni＋0.7Cr＋3.2Mn＋9.3Mo……(1) (其中，Ni、Cr、Mn、Mo：各元素之含量(質量%)) SFE係本發明中作為宏觀之沃斯田鐵之穩定度之指標所採用之值，由Ni、Cr、Mn、Mo之各含量利用(1)式定義。若SFE未滿17(mJ/m2 )，則沃斯田鐵之穩定度較低，無法滿足所需之極低溫衝擊韌性。另一方面，若SFE超過57(mJ/m2 )，則拉伸試驗時之加工硬化能降低，無法滿足所需之拉伸強度。因此，由(1)式所定義之SFE限定於17～57(mJ/m2 )之範圍。較佳為20～55(mJ/m2 )。再者，於不含有(1)式中所記載之元素之情形時，該元素之含量設為零，算出(1)式之值SFE。
於本發明實心線中，除了上述基本成分以外，亦可視需要進而選擇含有合計1.0%以下之自V：0.5%以下、Ti：0.5%以下及Nb：0.5%以下中選擇之1種或2種以上、及/或自Cu：1.0%以下、Al：0.10%以下、Ca：0.01%以下及REM：0.02%以下中選擇之1種或2種以上、及/或Mo：3.5%以下作為任意成分。
合計1.0%以下之自V：0.5%以下、Ti：0.5%以下及Nb：0.5%以下中選擇之1種或2種以上 V、Ti、Nb皆為形成碳化物、有助於提高銲接金屬強度之元素，可視需要選擇含有合計1.0%以下之1種或2種以上。
V：0.5%以下 V係碳化物形成元素，其使微細之碳化物析出，有助於提高銲接金屬之強度。為了獲得此種效果，較佳為含有0.001%以上。另一方面，若含有V超過0.5%，則使碳化物粗大化，於實心線之拉線加工時成為破裂發生起點，降低拉線加工性，降低銲線之製造性。因此，於含有V之情形時，V較佳為限定於0.5%以下。
Ti：0.5%以下 Ti係碳化物形成元素，其使微細之碳化物析出，有助於提高銲接金屬之強度。又，Ti使碳化物於銲接金屬之凝固晶胞界面析出，有助於抑制高溫破裂之發生。為了獲得此種效果，較佳為含有0.001%以上。然而，若含有Ti超過0.5%，則使碳化物粗大化，於實心線之拉線加工時成為破裂發生起點，降低拉線加工性，降低銲線之製造性。又，若含有Ti超過0.5%，則使碳化物粗大化，晶粒之微細化受到抑制，極低溫衝擊韌性降低。因此，於含有Ti之情形時，Ti較佳為限定於0.5%以下。
Nb：0.5%以下 Nb係碳化物形成元素，使碳化物析出、有助於提高銲接金屬之強度之元素。又，Nb使碳化物於銲接金屬之凝固晶胞界面析出，有助於抑制高溫破裂之發生。為了獲得此種效果，較佳為含有0.001%以上。然而，若含有Nb超過0.5%，則使碳化物粗大化，於實心線之拉線加工時成為破裂發生起點，降低拉線加工性，降低銲線之製造性。又，若含有Nb超過0.5%，則使碳化物粗大化，晶粒之微細化受到抑制，極低溫衝擊韌性亦降低。因此，於含有Nb之情形時，Nb較佳為限定於0.5%以下。
再者，若大量含有合計超過1.0%之V、Ti、Nb，則銲線之製造性、極低溫衝擊韌性降低。因此，於含有V、Ti、Nb之情形時，V、Ti、Nb較佳為限定於合計1.0%以下。
自Cu：1.0%以下、Al：0.10%以下、Ca：0.01%以下及REM：0.02%以下中選擇之1種或2種以上 Cu係有助於沃斯田鐵穩定化之元素，Al係提高銲接作業性之元素，Ca、REM係有助於提高加工性之元素，可視需要選擇含有1種或2種以上。
Cu：1.0%以下 Cu係使沃斯田鐵相穩定化之元素，即使於極低溫下亦使沃斯田鐵相穩定化，提高銲接金屬(熔接金屬)之極低溫衝擊韌性。為了獲得此種效果，較佳為含有0.01%以上。然而，若大量含有Cu超過1.0%，則熱延展性降低，銲線之製造性降低。因此，於含有Cu之情形時，Cu較佳為限定於1.0%以下。
Al：0.10%以下 Al係作為去氧劑發揮作用，具有提高熔融金屬之黏性、穩定地保持銲珠形狀、減少濺鍍發生之重要作用。又，Al提高熔融金屬之液相線溫度，有助於抑制銲接金屬之高溫破裂發生。此種效果藉由含有0.005%以上之Al而變得顯著，因此，較佳為含有0.005%以上。然而，若含有Al超過0.10%，則熔融金屬之黏性變得過高，反之，濺鍍增加，或銲珠不擴展而使融合不良等缺陷增加。因此，於含有Al之情形時，Al較佳為限定於0.10%以下。更佳為0.005～0.04%。
Ca：0.01%以下 Ca於熔融金屬中與S鍵結，形成高熔點之硫化物CaS。由於CaS之熔點高於MnS，故而於實心線之熱加工時不致在軋壓方向上進展而維持球形，有利地發揮提高實心線之加工性之作用。此種效果藉由含有0.001%以上之Ca而變得顯著。另一方面，若含有Ca超過0.01%，則銲接時電弧發生錯亂，難以進行穩定之銲接。因此，於含有Ca之情形時，Ca較佳為限定於0.01%以下。
REM：0.02%以下 REM係強力去氧劑，於銲接金屬(熔接金屬)中以REM氧化物之形態存在。REM氧化物為凝固時之成核位置，藉此使晶粒微細化，有助於提高銲接金屬(熔接金屬)之強度。此種效果藉由含有0.001%以上之REM而變得顯著。然而，若含有REM超過0.02%，則電弧之穩定性降低。因此，於含有REM之情形時，REM較佳為限定於0.02%以下。
Mo：3.5%以下 Mo係藉由固溶強化提高強度之元素，為了獲得此種效果，較理想為含有0.5%以上。另一方面，若含有Mo超過3.5%，則碳化物析出，熱加工性降低，銲線之拉線加工等銲線之製造性降低。因此，於含有Mo之情形時，Mo較佳為限定於3.5%以下。
上述成分以外之剩餘部分係包含Fe及不可避免之雜質。
其次，對本發明實心線之製造方法進行說明。 本發明實心線之製造係使用具有上述組成之鋼液，除此以外，無需特別限定其製造方法，常用之銲接用實心線之製造方法皆可應用。例如可藉由依序進行：鑄造步驟，係利用電爐、真空熔解爐等常用之熔製爐對具有上述組成之鋼液進行熔製，鑄造成既定形狀之鑄模等，從而獲得鋼錠；加熱步驟，係將所獲得之鋼錠加熱至既定溫度；及熱軋步驟，係對經加熱之鋼錠實施熱軋，從而獲得既定形狀之鋼素材(棒狀)；接著進行：對所獲得之鋼素材(棒狀)實施數次冷軋(冷拉線加工)並視需要實施退火溫度設為1000～1200℃之退火，而製成所需尺寸之銲線的冷軋步驟；而製造本發明之實心線。
其次，對使用具有上述組成之本發明實心線之氣體金屬電弧銲接方法進行說明。 於上述銲接方法中，以具有上述組成之本發明實心線作為銲接材料，藉由氣體金屬電弧銲接形成銲接金屬，而將含高Mn鋼材接合。氣體金屬電弧銲接亦稱為「氣體遮蔽電弧銲接」，一般可大致分為使用銲接材料(熔填材料)作為電極之「消耗性電極式(消耗電極式)」與使用鎢等非消耗電極之「非消耗電極式」。由達成高強度高延展性且優異之極低溫衝擊韌性之觀點而言，本發明實心線較佳為用於消耗性電極式之氣體金屬電弧銲接。 銲接姿勢、預熱、銲接熱輸入量(電流、電壓、銲接速度)、遮蔽氣體等銲接條件皆可應用常用者。
使用本發明實心線進行氣體金屬電弧銲接之含高Mn鋼材，係以高含量包含Mn作為合金元素。Mn含量之下限值無特別限定，例如為10質量%以上，較佳為15質量%以上，更佳為20質量%以上。Mn含量之上限值無特別限定，例如為35質量%以下，較佳為30質量%以下，更佳為27質量%以下。 若含高Mn鋼材之Mn含量處於上述範圍內，則藉由使用本發明實心線作為銲接材料進行氣體金屬電弧銲接，可穩定地獲得耐高溫破裂性及銲珠外觀優異、且兼具所需之高強度高延展性及優異之極低溫衝擊韌性之銲接金屬(熔接金屬)及銲接接合。 於上述含高Mn鋼材中，除Mn以外之合金元素之組成或鋼材之尺寸或形狀等無特別限定，可採用適於所需用途者，但由達成所需之高強度高延展性及優異之極低溫衝擊韌性之觀點而言，含高Mn鋼材為鋼板之情形時之板厚較佳為6 mm以上，更佳為10 mm以上，較佳為40 mm以下，更佳為30 mm以下。
使用本發明實心線之上述氣體金屬電弧銲接方法無特別限定，例如可用於製造具備要求高強度高延展性及優異之極低溫衝擊韌性之銲接金屬的製品等，較佳為用於採用含高Mn鋼材之LNG輸送用或儲存用容器等之製造等。
於使用本發明實心線之氣體金屬電弧銲接方法中，於銲接時之冷卻中，以銲珠(銲接部)之1300～1200℃之溫度範圍之冷卻速度CR(℃/s)滿足[SFE＋(冷卻速度CR)1/2 ]：20～70之方式調整銲接熱輸入。藉此，沃斯田鐵穩定化，可抑制銲接金屬(熔接金屬)發生脆性破壞，結果可獲得具有高強度高延展性及優異之極低溫衝擊韌性之銲接金屬(熔接金屬)。 [SFE＋CR1/2 ]之下限值為20，無特別限定，但較佳為25以上，更佳為30以上。於[SFE＋(冷卻速度CR)1/2 ]未滿20之CR(℃/s)時，冷卻較慢，無法防止樹枝狀結晶臂之粗大化，因此於樹枝狀結晶臂部分中，凝固時之溶質元素之吐出量變多，溶質元素稀薄之區域擴大，無法確保微觀之沃斯田鐵之穩定性。 [SFE＋CR1/2 ]之上限值為70，無特別限定，但較佳為65以下，更佳為60以下。於[SFE＋(冷卻速度CR)1/2 ]超過70之CR(℃/s)時，拉伸試驗時之加工硬化能降低，無法滿足所需之拉伸強度。再者，此處所指之「SFE」係作為宏觀之沃斯田鐵之穩定度之指標，由上述(1)式所定義者。
於銲接中，一般而言，每進行1行程之銲接，使所形成之銲珠(銲接部)冷卻至既定溫度使其凝固，其後進行後續作業、例如下一行程之銲接或任意之後熱處理等。於進行數個行程之銲接而經數次1300～1200℃之溫度範圍之冷卻過程之情形時，係以其所有冷卻過程中[SFE＋(冷卻速度CR)1/2 ]滿足20～70之方式調整各行程中之銲接熱輸入量。 於本發明之銲接方法中，藉由將所形成之銲珠(銲接部)於大氣中靜置放冷而使其冷卻，因此藉由調節各行程中之銲接熱輸入量，可控制1300～1200℃之溫度範圍之冷卻速度CR(℃/s)。具體而言，只要預先由預備實驗或稻垣之式求出使冷卻速度符合上述式之銲接熱輸入量，以該熱輸入量進行銲接即可。
以下，基於實施例，對本發明進一步進行說明。 [實施例]
藉由真空熔解爐對表1所示之組成之鋼液進行熔製，進行鑄造而獲得鋼錠100 kg。將所獲得之鋼錠加熱至1200℃後，進行熱軋，繼而進行冷軋，獲得1.2 mmφ之氣體金屬電弧銲接用實心線。銲線製造時，進行軋壓負重(拉線負重)之測定、破裂之觀察，從而評價各實心線之製造性。將判斷軋壓負重(拉線負重)較高、無法進行軋壓(拉線)加工之情形、觀察到破裂發生之情形、或因發生破裂而無法再繼續進行步驟之情形等評價為「不良」。除此以外則評價為「良」。
繼而，準備極低溫用高Mn鋼板(板厚：6～40 mm)作為試驗板，依據JIS Z 3111進行對接，形成45°V形溝槽，將由表1所示之組成之鋼液所製造之實心線作為銲接材料，進行消耗性電極式氣體金屬電弧銲接，於該溝槽內獲得熔接金屬。用作試驗板之鋼板係極低溫用高Mn鋼板，其具有以質量%計包含0.5%C-0.4%Si-25%Mn-3%Cr-剩餘部分Fe之組成。 上述銲接係使用由表1所示之組成之鋼液所製造之各實心線(直徑1.2 mm)作為電極，設為不預熱、以朝下之姿勢、行程間溫度：100～150℃、遮蔽氣體：80%Ar＋20%CO2 之條件實施。銲接時之溫度歷程係使用熱電偶進行實測，算出1300～1200℃之溫度範圍內之冷卻速度。
銲接後，藉由光學顯微鏡觀察熔接金屬，判定銲接破裂之有無。銲接破裂為高溫破裂，於觀察到破裂發生之情形時，視為耐高溫破裂性降低而評價為「不良」。於未觀察到破裂發生之情形時，視為耐高溫破裂性優異而評價為「良」。
又，藉由目視觀察銲珠之外觀，進行銲珠外觀之判定。於觀察到底切、重疊、凹坑之情形時，視為銲珠外觀不良，評價為「不良」。於未觀察到該等情況之情形時，視為銲珠外觀良好，評價為「良」。
依據JIS Z 3111之規定，自所獲得之熔接金屬採取銲接金屬之拉伸試片(平行部直徑6 mmφ)、及銲接金屬之夏比衝擊試片(V形凹槽)，實施拉伸試驗、衝擊試驗。再者，對於板厚未滿10 mm之鋼板，採取5 mm小尺寸之夏比衝擊試片(V形凹槽)，實施衝擊試驗。 拉伸試驗係於室溫下藉由各3個試片實施，將所獲得之值(0.2%保證應力、拉伸強度、總伸長率)之平均值設為使用該實心線而成之熔接金屬之拉伸特性。又，夏比衝擊試驗係藉由各3個試片實施，求出試驗溫度-196℃下之吸收能量vE- 196 ，將其平均值設為使用該實心線而成之熔接金屬之極低溫衝擊韌性。再者，對於5 mm小尺寸之夏比衝擊試片(V形凹槽)，評價所獲得之吸收能量之1.5倍之值作為極低溫衝擊韌性。再者，脆性破面率係藉由目視而求出。 將所獲得之結果示於表2。
[表1]
[表1]
鋼No. 化學成分(質量%) 備註
C Si Mn P S Ni Cr B Mo V、Ti、Nb V、Ti、Nb之合計 Cu、Al、Ca、REM SFE*
A 0.47 0.51 27.6 0.019 0.016 2.80 1.5 0.0015 - - - - 54 適合例
B 0.56 0.23 24.1 0.022 0.013 3.68 1.9 0.0021 - - - - 48 適合例
C 0.63 0.42 22.3 0.025 0.021 4.81 1.9 0.0036 - - - - 50 適合例
D 0.41 0.35 21.5 0.018 0.017 3.17 1.4 0.0026 1.4 - - - 49 適合例
E 0.35 0.40 23.6 0.015 0.018 2.48 1.2 0.0014 2.0 Ti：0.05、Nb：0.04 0.09 - 57 適合例
F 0.58 0.63 22.6 0.013 0.013 5.51 1.7 0.0042 - Ti：0.10、Nb：0.10 0.2 - 55 適合例
G 0.26 0.81 26.3 0.010 0.011 1.97 1.1 0.0015 - - - Cu：0.33、Al：0.05 44 適合例
H 0.60 0.19 17.5 0.012 0.011 7.16 1.9 0.0035 - - - Ca：0.005 49 適合例
I 0.72 0.51 26.9 0.023 0.020 3.27 1.9 0.0018 - - - Ca：0.004、REM：0.010 55 適合例
J 0.46 0.40 25.2 0.009 0.008 1.11 1.6 0.0010 - - - REM：0.015 36 適合例
K 0.48 0.71 16.8 0.010 0.009 2.43 1.5 0.0014 - V：0.10 0.1 Al：0.05 17 適合例
L 0.39 0.29 22.0 0.018 0.015 4.86 0.4 0.0020 0.8 Ti：0.20 0.2 Cu：0.05 55 適合例
M 0.56 0.22 27.5 0.015 0.012 2.21 1.3 0.0019 - Nb：0.20 0.2 Ca：0.005 50 適合例
N 0.15 0.45 18.3 0.018 0.020 3.01 0.6 0.0020 - - - - 25 比較例
O 0.41 0.65 20.8 0.015 0.018 2.88 2.4 0.0013 - - - - 33 比較例
P 0.67 0.58 19.8 0.023 0.024 1.01 0.9 0.0051 - - - - 17 比較例
Q 0.35 0.38 17.4 0.008 0.011 2.67 1.8 0.0014 3.9 - - - 57 比較例
R 0.73 0.85 16.4 0.025 0.021 6.68 1.5 0.0018 - - - Cu ： 1.2 42 比較例
S 0.42 0.46 14.5 0.021 0.023 1.33 1.0 0.0015 - - - - 2 比較例
T 0.51 0.80 18.5 0.019 0.018 ＜ 0.001 1.5 0.0012 - - - - 7 比較例
U 0.67 0.68 17.2 0.012 0.011 0.14 0.3 0.0017 - - - - 3 比較例
V 0.84 0.45 20.6 0.024 0.013 3.79 0.8 0.0013 - - - - 37 比較例
W 0.64 0.92 20.8 0.021 0.016 4.67 1.8 0.0028 - - - - 44 比較例
X 0.55 0.47 28.4 0.018 0.019 2.52 1.4 0.0016 - - - - 54 比較例
Y 0.72 0.65 22.2 0.034 0.020 2.04 1.9 0.0015 - - - - 32 比較例
Z 0.40 0.11 18.0 0.014 0.014 5.94 1.6 0.0017 - - - - 43 比較例
1A 0.53 0.54 21.5 0.015 0.013 5.84 1.5 0.0019 - - - Al ： 0.14 53 比較例
1B 0.31 0.39 22.7 0.017 0.016 2.38 1.9 0.0018 2.4 - - - 58 比較例
1C 0.65 0.64 18.8 0.024 0.023 1.25 1.9 0.0018 - - - - 16 比較例
1D 0.52 0.51 20.0 0.018 0.016 2.13 1.2 0.0009 - - - - 25 比較例
*)SFE(mJ/m2 )＝-53＋6.2Ni＋0.7Cr＋3.2Mn＋9.3Mo 下劃線表示本發明之範圍外
[表2]
[表2]
銲線No. 鋼No. 鋼板 板厚 (mm) 銲線 製造性 熔接金屬銲接條件 耐高溫 破裂性 銲珠外觀 熔接金屬特性***   
冷卻速度CR* (℃/s) SFE**＋ (CR1/2 ) 拉伸特性 極低溫衝擊韌性 備註
0.2% 保證應力 (MPa) 拉伸 強度 (MPa) 總伸長率 (%) 吸收能量 vE- 196 (J) 脆性破面率 (%)
1 A 12 良 28 59 良 良 473 780 60 61 0 本發明例
2 B 18 良 60 56 良 良 487 804 64 74 0 本發明例
3 C 21 良 110 60 良 良 492 778 65 81 0 本發明例
4 D 21 良 113 60 良 良 441 765 65 78 0 本發明例
5 E 30 良 160 70 良 良 423 678 42 65 0 本發明例
6 F 21 良 107 65 良 良 435 720 64 86 0 本發明例
7 G 21 良 118 55 良 良 412 783 63 58 0 本發明例
8 H 18 良 69 57 良 良 481 776 67 83 0 本發明例
9 I 24 良 128 66 良 良 483 708 53 64 0 本發明例
10 J 12 良 29 41 良 良 424 817 56 35 0 本發明例
11 K 6 良 10 20 良 良 420 845 68 30 0 本發明例
12 L 9 良 14 59 良 良 438 790 65 66 0 本發明例
13 M 18 良 99 67 良 良 447 696 44 50 0 本發明例
14 N 24 良 129 36 良 良 360 729 51 46 0 比較例
15 O 6 不良 **** **** **** **** **** **** **** **** **** 比較例
16 P 12 不良 -**** -**** -**** -**** -**** -**** -**** -**** -**** 比較例
17 Q 18 不良 -**** -**** -**** -**** -**** -**** -**** -**** -**** 比較例
18 R 24 不良 -**** -**** -**** -**** -**** -**** -**** -**** -**** 比較例
19 S 21 良 114 13 良 良 403 682 40 20 20 比較例
20 T 27 良 138 19 良 良 410 743 48 23 15 比較例
21 U 27 良 141 15 良 良 416 741 46 14 25 比較例
22 V 18 良 81 46 不良 良 488 795 63 64 0 比較例
23 W 12 良 39 50 不良 良 434 811 65 69 0 比較例
24 X 27 良 133 66 不良 良 425 696 45 57 0 比較例
25 Y 6 良 9 35 不良 良 453 866 59 38 5 比較例
26 Z 9 良 12 46 良 不良 422 767 65 63 0 比較例
27 1A 12 良 24 58 良 不良 467 815 60 53 0 比較例
28 K 6 良 5 19 良 良 437 840 55 25 12 比較例
29 E 30 良 215 72 良 良 416 651 38 64 0 比較例
30 1B 30 良 168 71 良 良 405 654 39 60 0 比較例
31 1C 6 良 8 19 良 良 450 823 66 26 12 比較例
32 1D 30 不良 **** **** **** **** **** **** **** **** **** 比較例
33 G 40 良 220 59 良 良 449 815 61 55 0 本發明例
*)1300～1200℃間之冷卻速度
**)SFE(mJ/m2 )＝-53+6.2Ni＋0.7Cr＋3.2Mn＋9.3Mo
***)依據JIS Z 3111 ****)無法測定 下劃線表示本發明之範圍外
本發明例皆為銲線製造性優異、銲接時未發生銲接破裂(高溫破裂)、耐高溫破裂性優異、銲珠外觀亦良好者。進而，屬於可獲得如下熔接金屬之銲接材料(實心線）：常溫下之降伏強度(0.2%保證應力)為400 MPa以上，拉伸強度為660 MPa以上，總伸長率為40%以上，而具有高強度高延展性；進而，試驗溫度-196℃下之夏比衝擊試驗之吸收能量vE- 196 為28 J以上，脆性破面率為10%以下，而具有優異之極低溫衝擊韌性。
另一方面，於脫離本發明之範圍之比較例中，銲線之製造性較差，或發生銲接破裂(高溫破裂)而耐高溫破裂性降低，或銲珠外觀較差，或者常溫下之0.2%保證應力未滿400 MPa、拉伸強度未滿660 MPa、總伸長率未滿40%，或吸收能量vE- 196 未滿28 J，或脆性破面率超過10%，無法獲得兼具所需之高強度高延展性及優異之極低溫衝擊韌性之熔接金屬。

Claims (8)

  1. 一種氣體金屬電弧銲接用實心線，其特徵在於，其具有如下組成，即，以質量%計包含： C：0.20～0.80%、 Si：0.15～0.90%、 Mn：15.0～28.0%、 P：0.030%以下、 S：0.030%以下、 Ni：0.01～10.0%、 Cr：0.4～1.9%及 B：0.0010～0.0050%， 並包含剩餘部分之Fe及不可避免之雜質，且 由下述(1)式所定義之SFE滿足17～57(mJ/m2 )， SFE(mJ/m2 )＝-53＋6.2Ni＋0.7Cr＋3.2Mn＋9.3Mo……(1) 其中，Ni、Cr、Mn、Mo：各元素之含量(質量%)。
  2. 如請求項1之氣體金屬電弧銲接用實心線，其中，上述組成以質量%計進而含有合計1.0%以下之自V：0.5%以下、Ti：0.5%以下、Nb：0.5%以下中選擇之1種或2種以上。
  3. 如請求項1或2之氣體金屬電弧銲接用實心線，其中，上述組成以質量%計進而含有自Cu：1.0%以下、Al：0.10%以下、Ca：0.01%以下及REM：0.02%以下中選擇之1種或2種以上。
  4. 如請求項1至3中任一項之氣體金屬電弧銲接用實心線，其中，上述組成以質量%計進而含有Mo：3.5%以下。
  5. 一種氣體金屬電弧銲接方法，係藉由使用實心線之氣體金屬電弧銲接而形成銲接金屬，將含高Mn鋼材接合者；其特徵在於， 上述實心線具有如下組成，即，以質量%計包含： C：0.20～0.80%、 Si：0.15～0.90%、 Mn：15.0～28.0%、 P：0.030%以下、 S：0.030%以下、 Ni：0.01～10.0%、 Cr：0.4～1.9%及 B：0.0010～0.0050%， 並包含剩餘部分之Fe及不可避免之雜質，且由下述(1)式所定義之SFE滿足17～57(mJ/m2 )， SFE(mJ/m2 )＝-53＋6.2Ni＋0.7Cr＋3.2Mn＋9.3Mo……(1) (其中，Ni、Cr、Mn、Mo：各元素之含量(質量%)) 以1300～1200℃之溫度範圍之冷卻速度CR(℃/s)滿足[SFE＋(冷卻速度CR)1/2 ]：20～70之方式，對上述氣體金屬電弧銲接進行調整。
  6. 如請求項5之氣體金屬電弧銲接方法，其中，上述實心線係除了上述組成以外，以質量%計進而含有合計1.0%以下之自V：0.5%以下、Ti：0.5%以下、Nb：0.5%以下中選擇之1種或2種以上。
  7. 如請求項5或6之氣體金屬電弧銲接方法，其中，上述實心線係除了上述組成以外，以質量%計進而含有自Cu：1.0%以下、Al：0.10%以下、Ca：0.01%以下及REM：0.02%以下中選擇之1種或2種以上。
  8. 如請求項5至7中任一項之氣體金屬電弧銲接方法，其中，上述實心線係除了上述組成以外，以質量%計進而含有Mo：3.5%以下。
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