JP5431373B2

JP5431373B2 - 二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ

Info

Publication number: JP5431373B2
Application number: JP2011008038A
Authority: JP
Inventors: 飛史行方; 学水本; 真吾大泉
Original assignee: 日鐵住金溶接工業株式会社
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2031-01-18
Also published as: JP2012148298A

Description

本発明は、二相ステンレス鋼の溶接に使用され、母材と同程度の高強度な溶着金属性能が得られ、靭性および耐食性が良好で、割れやブローホール等の耐欠陥性に優れ、かつ溶接作業性が良好な二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤに関する。

従来、ＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌ、ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌに代表される二相ステンレス鋼は、優
れた耐食性および強度特性を持つステンレス鋼である。この二相ステンレス鋼のグレードとしては、その化学成分組織に含まれるＣｒ、Ｍｏ、Ｎ、Ｗを基にして、耐孔食性指数ＰＲＥ（Ｃｒ％＋３．３Ｍｏ％＋１６Ｎ％）やＰＲＥＷ（Ｃｒ％＋３．３（Ｍｏ％＋０．５Ｗ％）＋１．６Ｎ％）を用いて分類されている。使用用途として、耐食性が要求される化学プラント、化学機器、油井およびガス井等の耐食材料として、また、強度も高いことから、車両等の構造材としても用いられている。

近年、耐孔食性指数ＰＲＥの低い二相ステンレス鋼が開発され、ＡＳＴＭではＵＮＳ
Ｎｏ．としてＳ３２１０１，Ｓ３２３０４，Ｓ３１８０３等が実用化されている。特に、Ｓ３２１０１は、ＮｉやＭｏをほとんど含まないため、ＳＵＳ３０４より低コストであり、塩化物イオンに対する高い耐食性や高強度を併せ持つ性能を有している。適用溶接材料は、これら鋼材の耐孔食性指数や強度に対して同等もしくはそれ以上の指数を有し、低コストで良好な溶着金属性能および溶接作業性が求められている。

このような状況の中で特に高能率な溶接が可能であり、溶接作業性が良好なフラックス入りワイヤの開発が望まれている。しかし、Ｎを多く含有する二相ステンレス鋼を溶接した場合、ブローホールなどの欠陥が発生するという課題がある。加えて、スラグ剥離性の劣化やスパッタ発生量の増加など溶接作業性に課題があった。

この課題を解決する技術として、例えば特許第３４７６１２５号公報（特許文献１）にＣｒ、Ｍｏ、Ｎ量を限定すると共に、スラグ剤として、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃およびＭｇＯ量を限制して、耐孔食性、靭性および溶接作業性を良好にしたフラックス入りワイヤが開示されている。しかし、このフラックス入りワイヤでは、従来の二相ステンレス鋼に比べてＭｏが多く添加されており、安価な二相ステンレス鋼に適用した場合、溶接材料のコストが高く、溶着金属の靭性が低いという課題があった。

また、本発明者らは先に、特開２０１０−１８８３８７号公報（特許文献２）で、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎを限定すると共に、Ｄ値を規制し、母材と同程度の高強度な溶着金属性能が得られ、靭性および耐食性が良好で、ブローホール等の耐欠陥性に優れ、かつ溶接作業性が良好な二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを提案した。しかし、このフラックス入りワイヤでは、安価な二相ステンレス鋼に適用した場合、フェライト晶出量が低くなるため高強度が得られ難いという課題があった。また、フェライト量が低いので耐割れ性についても課題があった。
特許第３４７６１２５号公報特開２０１０―１８８８３８７号公報

本発明は、安価な二相ステンレス鋼の溶接に使用され、母材と同程度の高強度な溶着金属が得られ、靭性および耐食性が良好で、割れやブローホール等の耐欠陥性に優れ、かつ溶接作業性が良好な二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。

本発明の要旨は、ステンレス鋼外皮の内部にフラックスが充填された二相ステンレス鋼
溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対して質量％で、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計で、Ｃ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｎｉ：７〜１１％、Ｃｒ：２５．５〜２８．５％、Ｍｏ：０.０１〜１．５％、Ｃｕ：０．１〜０．５％、Ｎ：０．０８〜０．３％を含有し、前記Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＣｕおよびＮが下記式のＡ値で１．５〜２．０であり、その他は、ステンレス鋼外皮のＦｅ成分、鉄合金からのＦｅ成分、金属酸化物、金属弗化物および不可避不純物であることを特徴とする二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにある。Ａ＝（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ）／（Ｎｉ＋３０Ｃ＋３０Ｎ＋０．５Ｍｎ＋０．２５Ｃｕ）・・・（式）

本発明の二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤによれば、安価な二相ステンレス鋼の溶接において、母材と同程度の高強度な溶着金属が得られ、靭性および耐食性が良好で、割れやブローホール等の耐欠陥性に優れ、かつ溶接作業性が良好な二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを提供することができる。

本発明者らは、上記の課題を解決するために、各種成分組成のフラックス入りワイヤを試作して詳細に検討した。その結果、Ｍｏを低減することで低コストとし、かつ溶接作業性が良好で母材と同程度の耐食性を得るためにはＭｎを添加してＮ固溶度を高めることが有効であることを見出した。Ｍｎは、溶着金属中のＮ固溶度を高める効果があるため、Ｎの歩留を向上させ、低コストでオーステナイトを安定化させ、固溶強化によって強度を高めることが可能となった。

一方、Ｎは含有量が高くなるにつれ、ブローホール等の耐欠陥性が劣下するといった課題が生じた。また溶接による再熱により、粒界中にＣｒ窒化物を生成し、靭性や局部腐食性が劣化するといった課題も生じたため、更なる検討を加えた。その結果、フェライト生成元素であるＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉや、オーステナイト生成元素であるＮｉを調整することによって、オーステナイトの晶出を安定化し、オーステナイト相にＮを固溶させることでスラグ剥離性やブローホール等の耐欠陥性の向上、またＣｒ窒化物の析出を低減して靭性や局部腐食性の劣化を抑制できることを見出した。さらに、Ｃｕを添加することによって耐食性および耐割れ性を向上させることか可能であることも見出した。

本発明は、ステンレス鋼外皮および充填フラックスの各成分組成それぞれの単独および共存による相乗効果によりなし得たものであるが、以下にそれぞれの各成分組成の添加理由および限定理由を述べる。
Ｃは、ＣｒおよびＭｏ等と炭化物を生成して耐食性および靭性を劣化させるため、Ｃの含有量は０．０６質量％（以下、％という。）以下とする。

Ｓｉは、スラグ被包性やビード形状を改善する効果を有する。Ｓｉが０．１％未満では
スラグ量が少なくスラグ被包性を損なってビード表面が酸化してテンパーカラー付着する。一方、１．０％を超えると溶融金属の粘性が低下してビード形状が劣化する。従って、Ｓｉは０．１〜１．０％とする。

Ｍｎは、アークを安定にすると共に溶着金属中のＮ固溶度を高めて歩留を改善する効果
を有する。Ｍｎが０．５％未満ではアークが不安定になる。またＮ固溶度が低くなり窒化物を析出するため耐食性が劣化する。一方、３．０％を超えるとスパッタ発生量が多くなる。従って、Ｍｎは０．５〜３．０％とする。

Ｎｉは、オーステナイト相を安定化させて靭性の改善や強度を調整する効果がある。Ｎ
ｉが７％未満ではオーステナイトの晶出量が減少して靭性が劣化する。一方、１１％を超えるとオーステナイトの晶出量が増加して、フェライトの形態が変化し強度が低下する。従って、Ｎｉは７〜１１％とする。

Ｃｒは、フェライト相を安定化させ強度や耐割れ性を調整する効果を有する。Ｃｒが２
５．５％未満では、フェライトの晶出量がフェライトの形態が低下して強度が低下する。一方、２８．５％を超えると液相線温度が上昇に伴い、固液共存領域の幅が増加し、割れ感受性が増加する。従って、Ｃｒは２５．５〜２８．５％とする。

Ｍｏは、耐食性を改善する効果を有する。Ｍｏが、０．０１％未満では耐食性を十分に得ることができない。一方、１．５％を超えるとコストが高くなる。従って、Ｍｏは０
．０１〜１．５％とする。

Ｃｕは、再不動態化を促進させ、不動態中のＣｒ濃度を上昇して耐食性を向上する。さ
らに、耐割れ性を改善する効果を有する。Ｃｕが、０．１％未満では、不動態皮膜中のＣｒ濃度が低いため耐食性を十分に得ることができない。一方、０．５％を超えると粒界中に低融点化合物を生成して耐割れ性を十分に得ることができない。

Ｎは、オーステナイト組織を安定化させると共に固溶強化元素であり溶着金属の強度を高める効果がある。Ｎが０．０８％未満では溶着金属の強度が低下する。一方、０．３０％を超えるとブローホールが多発し、耐欠陥性能が低下する。なお、Ｎは、フラックス中に窒素化合物の形で含有されるときにはＮに換算した量とする。

さらに、前記Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＣｕおよびＮが下記式のＡ値で１．
５〜２．０にすることによって、フェライト相からオーステナイトを適正量晶出させ、フェライト相とオーステナイト相のバランスを調整し、耐割れ性能と強度を調整する効果を有する。Ａ値が１．５未満ではフェライト晶出量が低下に伴いＰ、Ｓの固溶度が低下するため耐割れ性が低下する。一方、Ａ値が２．０を超えるとフェライトの晶出量が増加して強度が低下する。
Ａ＝（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ）／（Ｎｉ＋３０Ｃ＋３０Ｎ＋０．５Ｍｎ＋０．２５Ｃｕ）・・・（式）

その他は、ステンレス鋼外皮のＦｅ成分、鉄合金からのＦｅ成分、金属酸化物、金属弗
化物および不可避不純物であるが、金属酸化物は、アーク安定性の調整として必要で、溶滴移行を円滑にすることでアークの集中性を良好とする目的で添加する。金属酸化物はＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂等が使用でき、ＴｉＯ₂は３〜８％、ＳｉＯ₂は０．５〜５％、Ａｌ₂Ｏ₃とＺｒＯ₂の合計で０．０６％以下の範囲であることが好ましい。

金属弗化物はスラグの融点調整として必要で、ビード形状やスラグ剥離性を良好とする目
的で添加する。金属弗化物はＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ₂、ＡｌＦ₃、Ｋ₂ＺｒＦ₆、Ｋ₂Ｓ
ｉＦ₆等が使用でき、いずれの金属弗化物を使用しても同様な効果が得られるが、１種以上の合計で０．２〜１．５％であることが好ましい。また、Ｐは０．０４０％以下、Ｓは０．０３０％以下であることが強度および靭性の確保から好ましい。

以上、本発明の二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤの成分組成の限定理由を述
べたが、フラックス入りワイヤの製造方法について言及すると、例えば外皮を帯鋼より
管状に成形する場合には、配合、撹拌、乾燥した充填フラックスをＵ形に成形した溝に満たした後丸形に成形し、所定のワイヤ径まで伸線する。この際、整形した外皮シームを溶接することで、シームレスタイプのフラックス入りワイヤとすることもできる。また、外皮がパイプの場合には、パイプを振動させてフラックスを充填し、所定のワイヤ径まで伸線する。充填フラックスは、供給、充填が円滑に行えるように、固着剤（珪酸カリおよび珪酸ソーダの水溶液）を添加して造粒して用いることもできる。

以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
表１に示す化学成分のオーステナイト系ステンレス鋼外皮を用いて表２に示す各種組成の二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを試作した。ワイヤ径は１．２ｍｍとした。なお、金属酸化物はＴｉＯ₂：４〜７％、ＳｉＯ₂：０．９〜３．５％、Ａｌ₂Ｏ₃およびＺｒＯ₂は合計で０．０１〜０．０６％とした。金属弗化物はＮａＦおよびＫ₂ＳｉＦ₆の１種以上を用いた。フラックス充填率は１８〜２５％とした。

溶接試験は、表３に示す成分の二相ステンレス鋼（Ｂ１）を用いてＪＩＳＺ３３２３に準じて溶着金属試験を行った。

溶接後ＪＩＳＺ３１０６に準じてＸ線透過試験を実施し、溶接継手部の割れおよびブローホール発生状況の確認を行った。溶着金属性能は、ＪＩＳＺ３１１１に準じて引張試験および衝撃試験を行った。また、腐食試験は、ＪＩＳＧ０５７７に準じて実施した。耐割れ性能は、表３に示す成分の二相ステンレス鋼（Ｂ２）を用いてＪＩＳＺ３１５５に準拠してＣ型ジグ拘束突合せ溶接割れ試験を行った。溶接作業性は、表３に示す二相ステンレス鋼（Ｂ３）を用いて水平すみ肉溶接を行い、アーク安定性、スパッタ発生状態、スラグ被包性およびビード形状を調べた。なお、溶着金属試験および溶接作業性の調査の溶接電流は１８０〜２５０Ａ、シールドガス：ＣＯ₂で実施した。

Ｘ線透過試験は、第１種のきず点数が３点未満を良好とした。溶着金属性能は、引張試験の引張強さ：６９０ＭＰａ以上、衝撃試験の−２０℃における吸収エネルギー：２７Ｊ以上、腐食試験の孔食電位：３５０ｍＶ以上を良好とした。Ｃ型ジグ拘束突合せ溶接割れ試験は、試験板のルート間隔が２ｍｍ、試験ビード長さ約８０ｍｍを２本溶接し、平均割れ率が５％以下のものを良好とした。溶接電流は２００Ａ、シールドガス：ＣＯ₂で実施した。それらの結果を表４にまとめて示す。

表２および表４中のワイヤＮｏ．１〜１２が本願発明例、ワイヤＮｏ．１３〜２４は比較
例である。

本願発明であるワイヤＮｏ．１〜１２は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、ＮおよびＡ値が適正であるので、Ｘ線透過試験が良好で、引張強さ、吸収エネルギーおよび孔食電位が高く、耐割れ性および溶接作業性も良好であり、極めて満足な結果であった。これに対し、比較例中ワイヤＮｏ．１３は、Ｃが高いので吸収エネルギーおよび孔食電位が低かった。ワイヤＮｏ．１４は、Ｓｉが低いのでスラグ被包性が不良でテンパーカラーが付着した。また、Ａ値が高いので引張強さが低かった。

ワイヤＮｏ．１５は、Ｓｉが高いのでビード形状が不良であった。また、Ｃｕが高いので
割れ率が高かった。ワイヤＮｏ．１６は、Ｍｎが低いのでアークが不安定で孔食電位が
低かった。ワイヤＮｏ．１７は、Ｍｎが高いのでスパッタ発生量が多かった。ワイヤＮｏ．１８は、Ｎｉが低いので吸収エネルギーが低かった。また、Ｃｕを含んでいないので孔食電位も低かった。

ワイヤＮｏ．１９はＮｉが高いので、ワイヤＮｏ．２０はＣｒが低いので、いずれも引張
強さが低かった。ワイヤＮｏ．２１は、Ｃｒが高いので割れ率が高かった。ワイヤＮｏ
．２２は、Ｍｏが低いので孔食電位が低かった。また、Ａ値が低いので割れ率が高かった。ワイヤＮｏ．２３は、Ｎが低いので引張強さが低かった。ワイヤＮｏ．２４は、Ｎが高いのでＸ線透過試験できず点数が高かった。

特許出願人日鐵住金溶接工業株式会社
代理人弁理士椎名彊他１

Claims

ステンレス鋼外皮の内部にフラックスが充填された二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対して質量％で、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計で、Ｃ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｎｉ：７〜１１％、Ｃｒ：２５．５〜２８．５％、Ｍｏ：０.０１〜１．５％、Ｃｕ：０．１〜０．５％、Ｎ：０．０８〜０．３％を含有し、前記Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＣｕおよびＮが下記式のＡ値で１．５〜２．０であり、その他は、ステンレス鋼外皮のＦｅ成分、鉄合金からのＦｅ成分、金属酸化物、金属弗化物および不可避不純物であることを特徴とする二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ。
Ａ＝（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ）／（Ｎｉ＋３０Ｃ＋３０Ｎ＋０．５Ｍｎ＋０．２５Ｃｕ）・・・（式）