JP6494745B2 - ステンレス鋼溶接継ぎ手および燃料改質器用ステンレス鋼 - Google Patents
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Description
本発明は耐酸化性と高温強度に優れたステンレス溶接継ぎ手に関するものである。特に、フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の異材接合からなる溶接継ぎ手に関するものである。
燃料電池をはじめとする水素ガスを生成するための燃料改質器は、都市ガスや、灯油、ガソリンなどの燃料から燃料改質触媒を用いて水素を生成する装置である。しかし、水素を生成するための触媒作動温度が高温であるため、触媒を保持する構造体及びその周辺部位には優れた耐酸化性と高温強度が必要とされる。これらの高温での特性は構造物としての長期耐久性を確保するために必要であり、酸化損傷や高温での強度不足による部分的な破壊や変形が起こると水素ガス発生装置としての性能が低下する。このため、高温部材として、耐酸化性と高温強度に優れたステンレス鋼が使われている。
ステンレス鋼を、例えば、燃料改質器に使用する場合、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が使用されている場合がある。オーステナイト系では、ＳＵＳ３１０Ｓをはじめとするオーステナイト系ステンレス鋼の薄板を管状に溶接したものをそれぞれ何重にも重ねて一体型の筒型構造としたもの（特許文献１）や、成分を規定した溶接管構造高温機器用オーステナイト系ステンレス鋼が知られている（特許文献２）。一方、フェライト系では成分を規定したフェライト系ステンレス鋼（特許文献３、特許文献４）が公知である。
オーステナイト系ステンレス鋼及びフェライト系ステンレス鋼を高温で使用する場合、いずれも長所と短所がある。オーステナイト系ステンレス鋼の場合、高温強度に優れる特徴を持つが、熱膨張係数が大きいために高温−低温の熱サイクルにより、表層の酸化物が剥離し、耐酸化性が低下する場合がある。またオーステナイト系ステンレス鋼には一般的に６％以上のＮｉが含有されているため、原料コストがフェライト系ステンレス鋼に比べて高価である。一方、フェライト系ステンレス鋼は、高温強度はオーステナイト系ステンレス鋼に比べて一般的には低い。しかし熱膨張係数が小さいため、温度が変化した際の耐酸化性は比較的良好であり、加えて原料コストは一般的にオーステナイト系ステンレス鋼に比べて安価である。
以上のように燃料改質器用として各種ステンレス鋼及び構造が提案されている。しかし、実際の部材として使用した際に、耐酸化性の劣化や高温強度の低下、高温疲労等を原因として耐久性が低下する場合があるのが現状である。さらに、経済性をも考慮してフェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼を組み合わせた機器の提案がされている。しかし、これら異種材を接合する際に、その溶接継ぎ手自身の耐酸化性や高温特性（高温強度の低下や高温疲労）が問題となっている。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、経済性及び高温特性、耐酸化特性に優れたステンレス鋼溶接継ぎ手を提供することを目的とする。特に、フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼を組み合わせたステンレス鋼継ぎ手であって、高温特性、耐酸化特性のよい溶接継ぎ手を得ることを課題とする。
前述のごとくオーステナイト系ステンレス鋼は高温強度に優れるが、熱の繰り返しによる耐酸化性の劣化を生じる場合がある。一方、フェライト系ステンレス鋼では高温強度はオーステナイト系ステンレス鋼に比べて低位であるが、熱の繰り返しによる耐酸化性は良好である。また一般的にフェライト系ステンレス鋼はオーステナイト系ステンレス鋼に比べて原料コストが安価である。
本発明者らは、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溶接構造材を用いれば、高温強度はオーステナイト系ステンレス鋼で担保し、熱膨張−収縮に伴う耐酸化性の劣化も軽減できる可能性があると考えた。また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溶接構造体であれば、オーステナイト系ステンレス鋼単体の構造体に比べて原料コストが安価であると考えられる。
実験室にて種々のステンレス鋼及び溶接金属から溶接継ぎ手を作製して高温強度、高温疲労、耐酸化性を評価した結果、本発明に至った。本発明の要旨は以下のとおりである。
実験室にて種々のステンレス鋼及び溶接金属から溶接継ぎ手を作製して高温強度、高温疲労、耐酸化性を評価した結果、本発明に至った。本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）
フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼および溶接金属からなる溶接継ぎ手であって、前記フェライト系ステンレス鋼が、質量％で、Ｃ：０．００１〜０．０３％、Ｓｉ：０．０１〜３．０％、Ｍｎ：０．０１〜２．０％、Ｐ≦０．０４０％、Ｓ≦０．０１０％、Ｃｒ：１１．０〜２４．０％、Ｎｉ≦３．０％、Ｎ：０．００１〜０．０６％、Ａｌ：０．００１〜５．５％、Ｔｉ：０．００１〜０．２５％、Ｎｂ：０．００１〜０．６０％、を含有し、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃ、Ｎの関係が下記（１）式を満足し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、溶接継ぎ手の化学組成が、質量％でＣ：０．１％以下、Ｓｉ：３％以下、Ｍｎ：３％以下、Ｃｒ：１７〜２５％、Ｎｉ：７〜２０％、Ｎ：０．１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、溶接継ぎ手の表面硬度がＨｖ２５０以下であることを特徴とするステンレス鋼溶接継ぎ手。
Ｔｉ／４８＋Ｎｂ／９３ ≧ ２（Ｃ／１２＋Ｎ／１４） ・・・（１）
（２）
前記オーステナイト系ステンレス鋼であって、質量％で、Ｃ：０．００１〜０．１％、Ｓｉ：０．０１〜４．０％、Ｍｎ：０．０１〜４．０％、Ｐ≦０．０４０％、Ｓ≦０．００４％、Ｃｒ：１５．０〜２６．０％、Ｎｉ：７．０〜２３．０％、Ｎ：０．００１〜０．２５％、Ａｌ≦０．０５％、を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする（１）に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手。
（３）
前記フェライト系ステンレス鋼が、さらに質量％で、Ｃｕ：０．００１〜０．６％、Ｍｏ：０．００１〜２．１％、Ｓｎ：０．００１〜０．３％、Ｗ：０．００１〜０．３０％、Ｃｏ：０．００１〜０．３０％、Ｖ：０．０１〜０．２％、Ｚｒ：０．００１〜０．０３％、Ｂ≦０．００２％、Ｍｇ≦０．００２％、Ｃａ≦０．００２％、ＲＥＭ≦０．０１％、Ｓｂ：０．００１〜０．３０％、Ｇａ：０．００１〜０．１０％、Ｔａ：０．００１〜０．１０％の１種または２種以上を含むことを特徴とする（１）または（２）に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手。
（４）
前記オーステナイト系ステンレス鋼が、さらに質量％で、Ｃｕ：０．００１〜２．５％、Ｍｏ：０．００１〜２．４％、Ｓｎ：０．００１〜０．０３％、Ｗ：０．００１〜０．３０％、Ｃｏ：０．００１〜１．０％、Ｖ：０．０１〜０．２％、Ｚｒ：０．００１〜０．０３％、Ｂ≦０．００２％、Ｍｇ≦０．００１％、Ｃａ≦０．００２％、ＲＥＭ≦０．０１％、Ｓｂ：０．００１〜０．３０％、Ｇａ：０．００１〜０．１０％、Ｔａ：０．００１〜０．１０％Ｔｉ：０．０３〜０．３５％、Ｎｂ：０．０３〜０．３０％の１種または２種以上を含むことを特徴とする（２）に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手。
（５）
燃料改質器に用いることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載のステンレス鋼用溶接継ぎ手。
（６）
（５）に記載の燃料改質器用ステンレス鋼溶接継ぎ手に用いるフェライト系ステンレス鋼であって、（１）または（３）に記載の成分組成である燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼。
（７）
（５）に記載の燃料改質器用ステンレス鋼溶接継ぎ手に用いるオーステナイト系ステンレス鋼であって、（２）または（４）に記載の成分組成である燃料質器用オーステナイト系ステンレス鋼。
フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼および溶接金属からなる溶接継ぎ手であって、前記フェライト系ステンレス鋼が、質量％で、Ｃ：０．００１〜０．０３％、Ｓｉ：０．０１〜３．０％、Ｍｎ：０．０１〜２．０％、Ｐ≦０．０４０％、Ｓ≦０．０１０％、Ｃｒ：１１．０〜２４．０％、Ｎｉ≦３．０％、Ｎ：０．００１〜０．０６％、Ａｌ：０．００１〜５．５％、Ｔｉ：０．００１〜０．２５％、Ｎｂ：０．００１〜０．６０％、を含有し、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃ、Ｎの関係が下記（１）式を満足し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、溶接継ぎ手の化学組成が、質量％でＣ：０．１％以下、Ｓｉ：３％以下、Ｍｎ：３％以下、Ｃｒ：１７〜２５％、Ｎｉ：７〜２０％、Ｎ：０．１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、溶接継ぎ手の表面硬度がＨｖ２５０以下であることを特徴とするステンレス鋼溶接継ぎ手。
Ｔｉ／４８＋Ｎｂ／９３ ≧ ２（Ｃ／１２＋Ｎ／１４） ・・・（１）
（２）
前記オーステナイト系ステンレス鋼であって、質量％で、Ｃ：０．００１〜０．１％、Ｓｉ：０．０１〜４．０％、Ｍｎ：０．０１〜４．０％、Ｐ≦０．０４０％、Ｓ≦０．００４％、Ｃｒ：１５．０〜２６．０％、Ｎｉ：７．０〜２３．０％、Ｎ：０．００１〜０．２５％、Ａｌ≦０．０５％、を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする（１）に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手。
（３）
前記フェライト系ステンレス鋼が、さらに質量％で、Ｃｕ：０．００１〜０．６％、Ｍｏ：０．００１〜２．１％、Ｓｎ：０．００１〜０．３％、Ｗ：０．００１〜０．３０％、Ｃｏ：０．００１〜０．３０％、Ｖ：０．０１〜０．２％、Ｚｒ：０．００１〜０．０３％、Ｂ≦０．００２％、Ｍｇ≦０．００２％、Ｃａ≦０．００２％、ＲＥＭ≦０．０１％、Ｓｂ：０．００１〜０．３０％、Ｇａ：０．００１〜０．１０％、Ｔａ：０．００１〜０．１０％の１種または２種以上を含むことを特徴とする（１）または（２）に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手。
（４）
前記オーステナイト系ステンレス鋼が、さらに質量％で、Ｃｕ：０．００１〜２．５％、Ｍｏ：０．００１〜２．４％、Ｓｎ：０．００１〜０．０３％、Ｗ：０．００１〜０．３０％、Ｃｏ：０．００１〜１．０％、Ｖ：０．０１〜０．２％、Ｚｒ：０．００１〜０．０３％、Ｂ≦０．００２％、Ｍｇ≦０．００１％、Ｃａ≦０．００２％、ＲＥＭ≦０．０１％、Ｓｂ：０．００１〜０．３０％、Ｇａ：０．００１〜０．１０％、Ｔａ：０．００１〜０．１０％Ｔｉ：０．０３〜０．３５％、Ｎｂ：０．０３〜０．３０％の１種または２種以上を含むことを特徴とする（２）に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手。
（５）
燃料改質器に用いることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載のステンレス鋼用溶接継ぎ手。
（６）
（５）に記載の燃料改質器用ステンレス鋼溶接継ぎ手に用いるフェライト系ステンレス鋼であって、（１）または（３）に記載の成分組成である燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼。
（７）
（５）に記載の燃料改質器用ステンレス鋼溶接継ぎ手に用いるオーステナイト系ステンレス鋼であって、（２）または（４）に記載の成分組成である燃料質器用オーステナイト系ステンレス鋼。
本発明によれば、経済性及び高温特性に優れたステンレス溶接継ぎ手を提供することができる。特に燃料改質器のような水素ガスに接触する部分に適したステンレス鋼溶接継ぎ手を、従来よりも容易に製造することができる。
本発明の溶接継ぎ手及びそのステンレス鋼についてさらに説明する。
本発明は、鋼組織の９０％以上をオーステナイト相が占めるステンレス鋼（オーステナイト系ステンレス鋼）と鋼組織の９０％以上をフェライト相が占めるステンレス鋼（フェライト系ステンレス鋼）および溶接金属からなることを特徴とする溶接継ぎ手である。オーステナイト系ステンレス鋼は主として高温強度をフェライト系ステンレス鋼は耐酸化性を確保している。それぞれの相の割合が９０％に満たない場合、それぞれの優位性（高温強度、耐酸化性）を発揮することができない。以下で説明する溶接継ぎ手において、化学組成と硬さは溶接金属を主体として、母材の結晶粒が粗大化した熱影響部の領域を２０％以下の割合で含んでも構わないものとする。ここで、化学組成や硬さに関する溶接継ぎ手とは、その計測する面において、溶接金属の領域と、熱影響部（ＨＡＺ）のうち、溶接金属と隣接する領域であって面積率で２０％以下の領域を含むものと定義する。溶接継手において、明確に溶接金属を区別できる場合は、溶接金属をもって溶接継手の化学組成、硬さを代表させることができる。
以下では、先ず好適な溶接継ぎ手の化学組成と硬さについて高温特性と関連づけて説明する。その後、そのような溶接継ぎ手を得るために好適なフェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼および溶接材料について述べる。
本発明は、鋼組織の９０％以上をオーステナイト相が占めるステンレス鋼（オーステナイト系ステンレス鋼）と鋼組織の９０％以上をフェライト相が占めるステンレス鋼（フェライト系ステンレス鋼）および溶接金属からなることを特徴とする溶接継ぎ手である。オーステナイト系ステンレス鋼は主として高温強度をフェライト系ステンレス鋼は耐酸化性を確保している。それぞれの相の割合が９０％に満たない場合、それぞれの優位性（高温強度、耐酸化性）を発揮することができない。以下で説明する溶接継ぎ手において、化学組成と硬さは溶接金属を主体として、母材の結晶粒が粗大化した熱影響部の領域を２０％以下の割合で含んでも構わないものとする。ここで、化学組成や硬さに関する溶接継ぎ手とは、その計測する面において、溶接金属の領域と、熱影響部（ＨＡＺ）のうち、溶接金属と隣接する領域であって面積率で２０％以下の領域を含むものと定義する。溶接継手において、明確に溶接金属を区別できる場合は、溶接金属をもって溶接継手の化学組成、硬さを代表させることができる。
以下では、先ず好適な溶接継ぎ手の化学組成と硬さについて高温特性と関連づけて説明する。その後、そのような溶接継ぎ手を得るために好適なフェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼および溶接材料について述べる。
本発明の溶接継ぎ手において、化学組成と金属組織を限定する理由について説明する。なお、本明細書において各元素の％表示は、特に断りのない限り質量％を意味する。溶接継ぎ手の化学組成は、溶接する母材の化学組成や溶接材料の化学組成さらには母材と溶接材料の混合状況に影響される。しかしながら、本発明では、最終的な溶接継ぎ手の化学組成と金属組織を以下のようにすることで、本発明の目的を達することができる。
＜Ｃ：０．１％以下＞
Ｃは本発明の溶接継ぎ手において、オーステナイト相を安定化させて、高温使用時の疲労特性を高めるために有効な元素である。しかし、Ｃの過度な添加は、溶接時および高温使用時の炭化物析出を促進し、溶接継ぎ手の硬化による疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を著しく低下させる。そのため、上限は０．１％とする必要がある。好ましくは、０．０５％以下とする。Ｃ量は特に下限を設ける必要ないが、極端な低下は製造コストの著しい上昇を招くため、好ましい下限は０．００１％である。より好ましくは０．０１％である。
Ｃは本発明の溶接継ぎ手において、オーステナイト相を安定化させて、高温使用時の疲労特性を高めるために有効な元素である。しかし、Ｃの過度な添加は、溶接時および高温使用時の炭化物析出を促進し、溶接継ぎ手の硬化による疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を著しく低下させる。そのため、上限は０．１％とする必要がある。好ましくは、０．０５％以下とする。Ｃ量は特に下限を設ける必要ないが、極端な低下は製造コストの著しい上昇を招くため、好ましい下限は０．００１％である。より好ましくは０．０１％である。
＜Ｓｉ：３％以下＞
Ｓｉは本発明の溶接継ぎ手において、本発明の耐酸化性を高める有効な元素であり、材料強度の上昇にも効果的な元素である。Ｓｉ量は特に下限を設ける必要ないが、これら効果を発現させるため、０．３％以上とすることが好ましい。より好ましくは０．５％以上である。一方、Ｓｉの過度な添加は溶接部でシグマ相などの金属間化合物の生成を助長し、高温使用時の溶接継ぎ手の硬化による疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を著しく低下させる。そのため、上限は３％とする必要がある。好ましくは２．５％以下、より好ましくは２．０％以下とする。
Ｓｉは本発明の溶接継ぎ手において、本発明の耐酸化性を高める有効な元素であり、材料強度の上昇にも効果的な元素である。Ｓｉ量は特に下限を設ける必要ないが、これら効果を発現させるため、０．３％以上とすることが好ましい。より好ましくは０．５％以上である。一方、Ｓｉの過度な添加は溶接部でシグマ相などの金属間化合物の生成を助長し、高温使用時の溶接継ぎ手の硬化による疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を著しく低下させる。そのため、上限は３％とする必要がある。好ましくは２．５％以下、より好ましくは２．０％以下とする。
＜Ｍｎ：３％以下＞
Ｍｎは本発明の溶接継ぎ手において、オーステナイト相を安定化させて、高温使用時の疲労特性を高めるために有効な元素である。しかし、Ｍｎの過度な添加は、耐酸化性の低下に加えて、Ｓ系介在物の増加を招き、高温使用時の溶接継ぎ手の疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を低下させる。そのため、上限は３％とする必要がある。好ましくは２．５％以下、より好ましくは２．０％以下とする。
Ｍｎは本発明の溶接継ぎ手において、オーステナイト相を安定化させて、高温使用時の疲労特性を高めるために有効な元素である。しかし、Ｍｎの過度な添加は、耐酸化性の低下に加えて、Ｓ系介在物の増加を招き、高温使用時の溶接継ぎ手の疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を低下させる。そのため、上限は３％とする必要がある。好ましくは２．５％以下、より好ましくは２．０％以下とする。
＜Ｃｒ：１７〜２５％＞
Ｃｒは本発明の溶接継ぎ手において、耐酸化性と高温特性を高める必須の元素である。この効果を十分得るためにＣｒの下限は１７％とする必要がある。好ましくは１８％以上である。しかし、Ｃｒの過度な添加は、母材または溶接材料を高Ｃｒ鋼とする必要があり、コストの増加を招くにことに加え、金属間化合物の析出を助長して高温使用時の溶接継ぎ手の疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を低下にも繋がる。そのため、上限は２５％とする必要がある。好ましくは２３％以下とする。
Ｃｒは本発明の溶接継ぎ手において、耐酸化性と高温特性を高める必須の元素である。この効果を十分得るためにＣｒの下限は１７％とする必要がある。好ましくは１８％以上である。しかし、Ｃｒの過度な添加は、母材または溶接材料を高Ｃｒ鋼とする必要があり、コストの増加を招くにことに加え、金属間化合物の析出を助長して高温使用時の溶接継ぎ手の疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を低下にも繋がる。そのため、上限は２５％とする必要がある。好ましくは２３％以下とする。
＜Ｎｉ：７〜２０％＞
Ｎｉは本発明の溶接継ぎ手において、オーステナイト相を安定化させて、高温使用時の疲労特性と耐酸化性の両者を高めるために極めて有効な元素である。特に、溶接継ぎ手の高温使用時の硬化を抑制して疲労特性向上に大きく寄与する。Ｎｉ量は、これら効果を発現させるため、７％以上とする。好ましくは８％以上である。しかし、Ｎｉの過度な添加は、母材または溶接材料を高Ｎｉ鋼とする必要があり、コストの増加を招くにことに加え、金属間化合物の析出を助長して高温使用時の溶接継ぎ手の疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を低下にも繋がる。そのため、上限は２０％とする必要がある。好ましくは１５％以下、より好ましくは１２％以下とする。
Ｎｉは本発明の溶接継ぎ手において、オーステナイト相を安定化させて、高温使用時の疲労特性と耐酸化性の両者を高めるために極めて有効な元素である。特に、溶接継ぎ手の高温使用時の硬化を抑制して疲労特性向上に大きく寄与する。Ｎｉ量は、これら効果を発現させるため、７％以上とする。好ましくは８％以上である。しかし、Ｎｉの過度な添加は、母材または溶接材料を高Ｎｉ鋼とする必要があり、コストの増加を招くにことに加え、金属間化合物の析出を助長して高温使用時の溶接継ぎ手の疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を低下にも繋がる。そのため、上限は２０％とする必要がある。好ましくは１５％以下、より好ましくは１２％以下とする。
＜Ｎ：０．２％＞
Ｎは本発明の溶接継ぎ手において、オーステナイト相を安定化させて、高温使用時の疲労特性を高めるために有効な元素である。しかし、Ｎの過度な添加は、溶接時および高温使用時の窒化物析出を促進し、溶接継ぎ手の硬化による疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を著しく低下させる。そのため、上限は０．２％とする必要がある。好ましくは、０．１％以下とする。Ｎ量は特に下限を設ける必要ないが、極端な低下は製造コストの著しい上昇を招くため、好ましい下限は０．００１％である。より好ましくは０．０１％である。
Ｎは本発明の溶接継ぎ手において、オーステナイト相を安定化させて、高温使用時の疲労特性を高めるために有効な元素である。しかし、Ｎの過度な添加は、溶接時および高温使用時の窒化物析出を促進し、溶接継ぎ手の硬化による疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を著しく低下させる。そのため、上限は０．２％とする必要がある。好ましくは、０．１％以下とする。Ｎ量は特に下限を設ける必要ないが、極端な低下は製造コストの著しい上昇を招くため、好ましい下限は０．００１％である。より好ましくは０．０１％である。
＜金属組織＞
溶接継ぎ手の硬さは、前記した化学組成のみで一義的に決まらず、金属組織の影響も多分に受ける。本発明に係る溶接継ぎ手では、上記に限定した化学組成を満たし、溶接継ぎ手の表面のビッカース硬さ（Ｈｖ）を２５０以下とすることが重要である。Ｈｖ２５０を超えると、高温使用時の溶接継ぎ手の硬化による疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を著しく低下させる。好ましくは、Ｈｖ２２０以下、より好ましくはＨｖ２００以下とする。硬さの下限は特に設ける必要ないが、過度なＣとＮ量の低減によらず母材との接合による高温疲労特性を担保するためにＨｖ１００以上、好ましくはＨｖ１２０以上、より好ましくはＨｖ１５０以上とする。
溶接継ぎ手の硬さは、前記した化学組成のみで一義的に決まらず、金属組織の影響も多分に受ける。本発明に係る溶接継ぎ手では、上記に限定した化学組成を満たし、溶接継ぎ手の表面のビッカース硬さ（Ｈｖ）を２５０以下とすることが重要である。Ｈｖ２５０を超えると、高温使用時の溶接継ぎ手の硬化による疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を著しく低下させる。好ましくは、Ｈｖ２２０以下、より好ましくはＨｖ２００以下とする。硬さの下限は特に設ける必要ないが、過度なＣとＮ量の低減によらず母材との接合による高温疲労特性を担保するためにＨｖ１００以上、好ましくはＨｖ１２０以上、より好ましくはＨｖ１５０以上とする。
以上に述べたように、本発明の目標とする高温疲労特性を得るには、溶接継ぎ手の硬さの低下が必要不可欠である。溶接継ぎ手の硬さは、溶接後の冷却過程で生じる０．１μｍ以下の微細なＣｒを含む炭窒化物の析出により上昇する。特に、オーステナイト系とフェライト系からなる異材溶接の場合、ＣやＮの固溶限が小さいフェライト系の母材にかけて硬さ上昇を生じ易く、高温使用時の疲労破壊を誘発する原因となる。このような硬さ上昇の抑制には、フェライト系ステンレス鋼の溶接部そのものを減じるために、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接材料を使用することが有効である。更に、前記した硬さ上昇を効率的に抑制するには、溶接継ぎ手の金属組織は、炭窒化物の析出サイズ（球相当径）を０．０１μｍ未満まで低減し、かつ、析出物の体積率をＣｒの残さ量で０．０１質量％以下に制御することが好ましい。このような金属組織の制御には、例えば、溶接時の入熱を１０００Ｊ／ｃｍ以下まで低下させるか、あるいは溶接後８００℃以上に昇温し空冷するテンパー処理を施すことが好ましい。溶接材料を使用しない場合に特に有用である。このように組織制御することにより、所望の表面硬度（溶接継手表面のビッカース硬さ）が得られるのである。
次に、溶接継ぎ手の母材とするフェライト系ステンレス鋼の鋼組成について述べる。
Ｃ：フェライト系ステンレス鋼に多量に添加した場合、材料の硬質化、溶接熱影響部での鋭敏化を招くため低い方が好ましく、上限を０．０３％とした。下限は製造時の精錬コストを考慮し、０．００１％とした。好ましくは０．００３〜０．０１５％である。
Ｓｉ：脱酸元素として用いられ、耐酸化性の観点から多いほうが望ましいが、過剰に添加すると製造時に割れが発生しやすくなるため、上限を３．０％以下とした。望ましくは１．０％以下とする。下限は製造コストを考慮し、０．０１％とした。さらに好ましくは、０．０５〜０．８％である。
Ｍｎ：Ｓｉとのバランスにより耐酸化性を向上させる元素である。過剰の添加は、耐食性を低下させるため、上限を２．０％以下とした。下限は製造コストを考え、０．０１％とした。好ましくは０．０５〜０．５％である。
Ｐ：Ｐは粒界に偏析して材料の硬質化を招く元素であるので０．０４０％以下とした。望ましくは０．０３０％以下、さらに望ましいのは０．０２０％以下である。下限は特に規定する必要はないが、Ｐは原料から混入することが多く、Ｐを０．０１０未満にするには原料コストがかかるため、０．０１０％とすることが好ましい。
Ｓ：硫化物を多量に生成すると耐食性を低下させるため低い方が好ましく、０．０１０％以下とした。望ましくは０．００３％以下である。
Ｃｒ：Ｃｒはステンレス鋼の基本特性である耐食性、本発明で重要な耐食性ならびに耐熱性（高温強度、高温疲労特性、耐酸化性）を確保するために必要な元素であるため、１５．０％以上の添加を必要とする。しかし、多量の添加は製造時の靭性の低下を招くため、上限は２４．０％とした。好ましくは１６．０〜１９．５％である。
Ｎｉ：Ｎｉは耐食性を向上させる元素であるが、多量の添加は材料の硬質化を招くばかりでなく、フェライト相率を低下させるため、上限を３．０％とした。好ましくは０．６％以下である。下限は特に規定する必要はないが、不可避的に原料から混入するため、０．０１％以下にすることが困難であるため、０．０１％を下限とすることが好ましい。
Ｎ：Ｎはフェライト系においては固溶限が小さく、大半は窒化物として鋼中に存在する。多量の添加は窒化物の量を増やし、疲労特性を劣化させる場合があるため上限を０．０６％とした。下限は製造コストの観点から０．００１％とした。好ましくは０．００５〜０．０２０％である。
Ａｌ：耐酸化性向上元素として添加される。多量の添加は製造時の靭性劣化を招くため上限を５．５とした。下限は、製造コストを考慮し、０．００１％とした。好ましくは０．００３〜０．１０％である。
Ｔｉ：Ｔｉは、Ｃ及びＮを析出物として固定し、鋼中の固溶Ｃ及びＮを低減させ、加工性を向上させる効果を持つ。添加量が多すぎる場合には製造時の靭性低下や表面性状劣化をもたらすため、上限を０．２５%とした。下限は製造性を考慮し０．００１%とした。好ましい範囲は０．００２〜０．１８％である。
Ｎｂ：ＮｂもＴｉ同様にＣ及びＮと化合物を生成し、鋼中の固溶Ｃ，Ｎ量を低減し、加工性を向上させる効果を持つ。またＮｂは高温強度向上に寄与するため、部位によっては積極的に添加される。０．６０％超の添加は、製造性を著しく劣化させるため、これを上限とした。下限は製造性を考慮し、０．００１％とした。好ましくは０．００３〜０．４５％である。
またＴｉ，Ｎｂ，Ｃ，Ｎについては下記（１）式を満足することとする。
Ｔｉ／４８＋Ｎｂ／９３ ≧ ２（Ｃ／１２＋Ｎ／１４） ・・・（１）
これら元素の関係が（１）式を満足しない場合、フェライト系ステンレス鋼の溶接熱影響部における耐食性が低下する。
Ｔｉ／４８＋Ｎｂ／９３ ≧ ２（Ｃ／１２＋Ｎ／１４） ・・・（１）
これら元素の関係が（１）式を満足しない場合、フェライト系ステンレス鋼の溶接熱影響部における耐食性が低下する。
続いて、溶接継ぎ手の母材とするオーステナイト系ステンレス鋼の鋼組成について述べる。
Ｃ：オーステナイト組織を安定化するのに有効な元素である。しかし、含有量が多くなると耐食性の劣化を招くため、０．１％以下とした。下限は製造コストを考え０．００１％とした。好ましくは、０．０１〜０．０８％、さらに好ましくは、０．０１〜０．０５％である。
Ｓｉ：脱酸元素として用いられ、耐酸化性の観点から多いほうが望ましいが、過剰に添加すると材料の硬質化を招き、製造性を劣化させるので４．０％以下にした。望ましくは３．０％以下とする。下限は製造コストを考慮し、０．０１％とした。さらに好ましくは、０．３〜１．２％である。
Ｍｎ：オーステナイト組織を安定化するのに必要な元素である。過剰の添加は耐酸化性、耐食性を低下させるため４．０％以下とした。下限は製造コストを考え、０．０１％とした。好ましくは０．２〜３．０％、さらに好ましくは０．３〜１．２％である。
Ｐ：Ｐは粒界に偏析して材料の硬質化を招く元素であるので０．０４０％以下とした。望ましくは０．０３０％以下、さらに望ましいのは０．０２０％以下である。下限は特に規定する必要はないが、Ｐは原料から混入することが多く、Ｐを０．０１０未満にするには原料コストがかかるため、０．０１０％とすることが好ましい。
Ｓ：Ｓは製造時に熱間加工性を低下させ、析出物として製品に残存すると耐食性を低下させるため低い方が好ましいため、０．００４％以下とした。望ましくは０．００１％以下である。
Ｃｒ：Ｃｒはステンレス鋼の基本特性である耐食性、本発明で重要な高温強度、高温疲労特性を確保するために必要な元素であるため、１５．０％以上の添加を必要とする。しかし、多量の添加は製造時の熱間加工性及び靭性の低下を招くため、上限は２６．０％とした。好ましくは１９．０〜２５．５％である。
Ｎｉ：Ｎｉはオーステナイト組織を安定化して、高温での強度を確保するのに必要な元素であるため７．０％以上とした。しかし、含有量が多い場合には材料の硬質化し、原料コストが高くなるため、２３．０％以下とした。好ましくは８．０〜２１．０％である。
Ｎ：オーステナイト組織を安定化するのに有効な元素である。しかし、含有量が多くなると加工性を低下させたり、熱間加工性を劣化させるので０．２５％以下とした。下限は製造コストを考え、０．００１％とした。
Ａｌ：脱酸元素であるが、多量の添加は材料の硬質化を招くため上限を０．０５以下とした。不可避的に混入するレベルは材料特性に大きな影響を与えないため下限は特に規定する必要はないが、製造コストを考慮すると０．００１％とすることが好ましい。Ａｌ量の好ましい範囲は０．００２〜０．０３％である。
以下には、さらに積極的に添加する元素あるいは不純物として混入する可能性のある元素について述べる。フェライト系ステンレス鋼においては、次の元素を添加することが好ましい。
Ｃｕ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｗ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｔａ：Ｃｕ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｗ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｔａは原料のスクラップより混入する可能性があり、耐食性向上に有効な元素であるが、過剰に添加してもコストアップや製造性の低下となるので、Ｃｕ≦２．５％、Ｍｏ≦２．１％、Ｓｎ≦０．０３％、Ｗ≦０．３０％、Ｃｏ≦０．３０％、Ｓｂ≦０．３０％、Ｇａ≦０．１０％、Ｔａ≦０．１０％とする。下限は不可避なレベルとして、いずれも０．００１％とした。
Ｃｕ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｗ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｔａ：Ｃｕ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｗ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｔａは原料のスクラップより混入する可能性があり、耐食性向上に有効な元素であるが、過剰に添加してもコストアップや製造性の低下となるので、Ｃｕ≦２．５％、Ｍｏ≦２．１％、Ｓｎ≦０．０３％、Ｗ≦０．３０％、Ｃｏ≦０．３０％、Ｓｂ≦０．３０％、Ｇａ≦０．１０％、Ｔａ≦０．１０％とする。下限は不可避なレベルとして、いずれも０．００１％とした。
Ｖ、Ｚｒ：Ｖ、ＺｒはＣ、Ｎと結合して析出物を形成し鋼中の固溶Ｃ、Ｎを低減することから耐粒界腐食性向上に有効であるが、過剰の添加は政治の表面性状劣化ならびに製造コストの上昇をもたらすため、Ｖ≦０．２％、Ｚｒ≦０．０３％とする。下限はＶ：０．０１％、Ｚｒ：０．００１％とした。
Ｂ、Ｍｇ、Ｃａ：Ｂ、Ｍｇ，Ｃａは熱間での加工性改善に有効な元素であるが、過剰の添加は溶接性を低下させるのでＢ≦０．００２％、Ｍｇ≦０．００２％、Ｃａ≦０．００２％とする。
ＲＥＭ：Ｌａ、Ｃｅ、Ｙなどがあり、耐酸化性の向上、熱間での加工性向上に有効な元素であるが、過剰の添加は材料の硬質化を招くため、≦０．０１％とする。
オーステナイト系ステンレス鋼においては、次の元素を添加することが好ましい。
Ｃｕ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｗ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｔａ：Ｃｕ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｗ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｔａは原料のスクラップより混入する可能性があり、耐食性向上に有効な元素であるが、過剰に添加してもコストアップや製造性の低下となるので、Ｃｕ≦０．６％、Ｍｏ≦２．４％、Ｓｎ≦０．０３％、Ｗ≦０．３０％、Ｃｏ≦１．０％、Ｓｂ≦０．３０％、Ｇａ≦０．１０％、Ｔａ≦０．１０％とする。下限は不可避なレベルとして、いずれも０．００１％とした。
Ｖ、Ｚｒ、Ｔｉ，Ｎｂ：Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、ＺｒはＣ、Ｎと結合して析出物を形成し鋼中の固溶Ｃ、Ｎを低減することから耐粒界腐食性向上に有効であるが、過剰の添加は製造時の表面性状劣化をもたらすため、Ｔｉ≦０．３５％、Ｎｂ≦０．３０％、Ｖ≦０．２％、Ｚｒ≦０．０３％とする。下限はＴｉ：０．０３％、Ｎｂ：０．０３％、Ｖ：０．０１％、Ｚｒ：０．００１％とした。
Ｂ、Ｍｇ、Ｃａ：Ｂ、Ｍｇ，Ｃａは熱間での加工性改善に有効な元素であるが、過剰の添加は溶接性を低下させるのでＢ≦０．００２％、Ｍｇ≦０．００１％、Ｃａ≦０．００２％とする。
ＲＥＭ：Ｌａ、Ｃｅ、Ｙなどがあり熱間での加工性向上に有効な元素であるが、過剰の添加は溶接性を低下させるのでＲＥＭ≦０．０１％とする。
最後に、溶接材料について述べる。フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼を溶接するに際し、溶接材料としてオーステナイト系ステンレス鋼を用いることが好ましい。
溶接材料としてフェライト系ステンレス鋼を用いた場合は、溶接組織が粗大となり、高温での使用中に疲労破壊が生じやすい。
ここで言う溶接材料としてのオーステナイト系ステンレス鋼とは、ＪＩＳ Ｚ ３３２１記載の鋼種記号３０７，３０８，３０９，３１０，３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼を示す。またこれら鋼種の末尾にＬ．Ｓｉ，Ｍｏ，ＬＳｉ、ＬＮｂ、ＬＭｏ等の符号が含むもの全てを含む。すなわち溶接材料の金属組織はオーステナイト系ステンレス鋼主体となる材料とすることが好ましい。
ここで言う溶接材料としてのオーステナイト系ステンレス鋼とは、ＪＩＳ Ｚ ３３２１記載の鋼種記号３０７，３０８，３０９，３１０，３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼を示す。またこれら鋼種の末尾にＬ．Ｓｉ，Ｍｏ，ＬＳｉ、ＬＮｂ、ＬＭｏ等の符号が含むもの全てを含む。すなわち溶接材料の金属組織はオーステナイト系ステンレス鋼主体となる材料とすることが好ましい。
溶接材料を使用しない場合は、両ステンレス鋼が融合した溶接金属部がオーステナイトとフェライトの２相組織となり易く、高温疲労時に材料の硬質化による破壊が生じやすくなる。しかし、溶接部を構成する溶接金属の組成が、前述した本発明に係る溶接金属の組成範囲であり、溶接継ぎ手部の表面硬度がＨｖ２５０以下であればよい。本発明に係る溶接継ぎ手の組成範囲であれば、溶接継ぎ手自体もオーステナイトが多い組織となり、高温特性、耐酸化性が改善される。
また溶接方法は特に規定するものでなく、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、レーザー溶接、抵抗溶接等いずれの方法でも良い。
以下、本発明について実施例を挙げて具体的に説明するが、本願発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
表１に示す成分のステンレス鋼板を用いて、溶接継ぎ手を作製した。
表２に溶接継ぎ手の化学組成と断面硬さを示す。溶接継ぎ手の化学組成は、溶接部を切り出して分析した。溶接継ぎ手の硬さは、断面埋め込み試料を作製して、ビッカース硬さ試験により測定した。溶接部を中心に高温疲労試験片を採取し、高温平面曲げ疲労試験に供した。高温平面曲げ疲労試験は、所定の温度に昇温し、Ｒ＝−１の両振りで１０６回試験した後、室温まで冷却するサイクルを１サイクルとし、１０サイクル行った。試験１として試験温度が５００℃で応力が２００ＭＰａ、試験２として７００℃で６０ＭＰａの２条件において試験を実施し、前述のサイクルを１０サイクル後に未破断のものを合格とした。高温疲労試験により使用時の高温強度を確保できるかどうかを評価すると共に、冷却サイクルを途中で挟むことにより温度の高低による熱膨張-収縮を利用して耐酸化性の評価も同時に行う試験である。
表３に試験結果を示す。本発明実施例においては、いずれの溶接構造体においても合格しており、優れた高温特性を示す。
表２に溶接継ぎ手の化学組成と断面硬さを示す。溶接継ぎ手の化学組成は、溶接部を切り出して分析した。溶接継ぎ手の硬さは、断面埋め込み試料を作製して、ビッカース硬さ試験により測定した。溶接部を中心に高温疲労試験片を採取し、高温平面曲げ疲労試験に供した。高温平面曲げ疲労試験は、所定の温度に昇温し、Ｒ＝−１の両振りで１０６回試験した後、室温まで冷却するサイクルを１サイクルとし、１０サイクル行った。試験１として試験温度が５００℃で応力が２００ＭＰａ、試験２として７００℃で６０ＭＰａの２条件において試験を実施し、前述のサイクルを１０サイクル後に未破断のものを合格とした。高温疲労試験により使用時の高温強度を確保できるかどうかを評価すると共に、冷却サイクルを途中で挟むことにより温度の高低による熱膨張-収縮を利用して耐酸化性の評価も同時に行う試験である。
表３に試験結果を示す。本発明実施例においては、いずれの溶接構造体においても合格しており、優れた高温特性を示す。
本発明は、フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の異種材接合に利用することができる。特に燃料電池をはじめとする水素ガスを生成するための燃料改質器などの高温酸化性雰囲気において使用するステンレス鋼継手に利用することができる。
Claims (7)
- フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼および溶接金属からなる溶接継ぎ手であって、前記フェライト系ステンレス鋼が、質量％で、Ｃ：０．００１〜０．０３％、Ｓｉ：０．０１〜３．０％、Ｍｎ：０．０１〜２．０％、Ｐ≦０．０４０％、Ｓ≦０．０１０％、Ｃｒ：１１．０〜２４．０％、Ｎｉ≦３．０％、Ｎ：０．００１〜０．０６％、Ａｌ：０．００１〜５．５％、Ｔｉ：０．００１〜０．２５％、Ｎｂ：０．００１〜０．６０％、を含有し、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃ、Ｎの関係が下記（１）式を満足し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、溶接継ぎ手の化学組成が、質量％でＣ：０．１％以下、Ｓｉ：０．９９％以下、Ｍｎ：１．３８％以下、Ｃｒ：１７〜２５％、Ｎｉ：７〜１２．２％、Ｎ：０．１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、溶接継ぎ手の表面硬度がＨｖ２２０以下であることを特徴とするステンレス鋼溶接継ぎ手。
Ｔｉ／４８＋Ｎｂ／９３ ≧ ２（Ｃ／１２＋Ｎ／１４） ・・・（１） - 前記オーステナイト系ステンレス鋼であって、質量％で、Ｃ：０．００１〜０．１％、Ｓｉ：０．０１〜４．０％、Ｍｎ：０．０１〜４．０％、Ｐ≦０．０４０％、Ｓ≦０．００４％、Ｃｒ：１５．０〜２６．０％、Ｎｉ：７．０〜２３．０％、Ｎ：０．００１〜０．２５％、Ａｌ≦０．０５％、を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手。
- 前記フェライト系ステンレス鋼が、さらに質量％で、Ｃｕ：０．００１〜０．６％、Ｍｏ：０．００１〜２．１％、Ｓｎ：０．００１〜０．３％、Ｗ：０．００１〜０．３０％、Ｃｏ：０．００１〜０．３０％、Ｖ：０．０１〜０．２％、Ｚｒ：０．００１〜０．０３％、Ｂ≦０．００２％、Ｍｇ≦０．００２％、Ｃａ≦０．００２％、ＲＥＭ≦０．０１％、Ｓｂ：０．００１〜０．３０％、Ｇａ：０．００１〜０．１０％、Ｔａ：０．００１〜０．１０％の１種または２種以上を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手。
- 前記オーステナイト系ステンレス鋼が、さらに質量％で、Ｃｕ：０．００１〜２．５％、Ｍｏ：０．００１〜２．４％、Ｓｎ：０．００１〜０．０３％、Ｗ：０．００１〜０．３０％、Ｃｏ：０．００１〜１．０％、Ｖ：０．０１〜０．２％、Ｚｒ：０．００１〜０．０３％、Ｂ≦０．００２％、Ｍｇ≦０．００１％、Ｃａ≦０．００２％、ＲＥＭ≦０．０１％、Ｓｂ：０．００１〜０．３０％、Ｇａ：０．００１〜０．１０％、Ｔａ：０．００１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０３〜０．３５％、Ｎｂ：０．０３〜０．３０％の１種または２種以上を含むことを特徴とする請求項２に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手。
- 燃料改質器に用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手。
- 請求項５に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手に用いるフェライト系ステンレス鋼であって、請求項１または３に記載の成分組成であることを特徴とする燃料改質器用ステンレス鋼。
- 請求項５に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手に用いるオーステナイト系ステンレス鋼であって、請求項２または４に記載の成分組成であることを特徴とする燃料改質器用ステンレス鋼。
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