JP5289999B2

JP5289999B2 - 二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ

Info

Publication number: JP5289999B2
Application number: JP2009036145A
Authority: JP
Inventors: 飛史行方; 学水本
Original assignee: 日鐵住金溶接工業株式会社
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-02-19
Also published as: JP2010188387A

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、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の低い安価な二相ステンレス鋼が開発され、ＡＳＴＭではＵＮＳＮｏ．としてＳ３２１０１やＳ３２３０４等が実用化されている。適用溶接材料は、これら鋼材の耐孔食性指数に対して同等もしくはそれ以上の指数を有し、安価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に溶接でき、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溶接欠陥が発生するという課題がある。加えて、ビード形状は凸状となる傾向にあり、グラインダーによる手直しの工程を追加する必要があるなどの課題があった。

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を規定すると共に、スラグ剤として、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃およびＭｇＯを規制して、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。
特許第３４７６１２５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、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：２１〜２５％、Ｍｏ：０．０１〜１％、Ｎ：０．０８〜０．３％、金属弗化物：０．２〜１．５％、金属酸化物としてＴｉＯ ₂ ：３〜８％、ＳｉＯ ₂ ：０．５〜５％、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ とＺｒＯ ₂ の合計：０．０６％以下を含有し、その他は、ステンレス鋼外皮のＦｅ分、鉄合金からのＦｅ分および不可避不純物であることを特徴とする。

また、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＮが下記式のＤ値で５〜２５であることも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。
Ｄ＝３Ｃｒ＋４．５Ｓｉ＋３Ｍｏ−２．８Ｎｉ−８４（Ｃ＋Ｎ）−１．４Ｍｎ−２０・・（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、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を添加することが有効であることを見出した。

Ｍｎは、脱酸反応によって溶滴表面にＭｎＯを生成し、表面張力を低減させアーク安定性を改善することが明らかになった。また、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判明した。

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、オーステナイト／フェライト粒界中に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およびＳｉの調整を行い、フェライトの晶出を安定化し、フェライト相に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。

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が付着する。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、溶融金属の表面張力を低下し、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。Ｎｉ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強度が低下する。従って、Ｎｉは７〜１１％とする。

Ｃｒは、不働態皮膜を形成し耐食性を改善する効果を有する。Ｃｒが２１％未満では耐食性を十分に得ることができない。一方、２５％を超えるとフェライトの晶出量が増加して靭性が劣化する。従って、Ｃｒは２１〜２５％とする。
Ｍｏは、耐食性や靭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、１．０％を超えるとコストが高くなる。従って、Ｍｏは０．０１〜１．０％とする。

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する共に靭性が劣化する。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およびＮを下記式のＤ値で、５〜２５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、特に溶着金属の伸びを向上することができる。Ｄ値が５未満ではオーステナイトの晶出量が増加し強度が低下する。一方、Ｄ値が２５を超えるとフェライトの晶出量が増加して伸びが低下する。
Ｄ＝３Ｃｒ＋４．５Ｓｉ＋３Ｍｏ−２．８Ｎｉ−８４（Ｃ＋Ｎ）−１．４Ｍｎ−２０・・（式）

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、Ｋ₂ＳｉＦ₆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。

溶接は、表３に示す成分の二相ステンレス鋼（Ｂ１）を用いてＪＩＳＺ３３２３に基づいて溶着金属試験を行った。溶接後ＪＩＳＺ３１０６に基づいて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に準拠し、引張試験および衝撃試験を行った。また腐食試験は、ＪＩＳＧ０５７７に準拠した。

Ｘ線透過試験は、第１種の疵点数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：６５０ＭＰａ以上、伸び：１５％以上、衝撃試験の−２０℃における吸収エネルギー（ｖＥ−２０℃）：２７Ｊ以上、腐食試験の孔食電位：３５０ｍＶ以上を良好とした。

溶接作業性は、表３に示す二相ステンレス鋼（Ｂ２）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。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、ＮおよびＤ値が適正であるので、Ｘ線透過試験が良好で、引張強さ、伸び、吸収エネルギーおよび孔食電位が高く、溶接作業性も良好であり、極めて満足な結果であった。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。

ワイヤＮｏ．１５は、Ｓｉが高いのでビード形状が不良であった。ワイヤＮｏ．１６は、Ｍｎが低いので孔食電位が低かった。また、アークが不安定であった。ワイヤＮｏ．１７は、Ｍｎが高いのでスパッタが多発した。また、Ｄ値が低いので、引張強さが低かった。ワイヤＮｏ．１８は、Ｎｉが低いので吸収エネルギーが低かった。ワイヤＮｏ．１９は、Ｎｉが高いので引張強さが低かった。

ワイヤＮｏ．２０は、Ｃｒが低いので孔食電位が低かった。ワイヤＮｏ．２１は、Ｃｒが高いので吸収エネルギーが低かった。また、Ｄ値が高いので伸びが低かった。ワイヤＮｏ．２２は、Ｍｏが低いので孔食電位が低かった。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線透過試験できずの点数が５点であった。また、吸収エネルギーが低かった。

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：２１〜２５％、Ｍｏ：０．０１〜１％、Ｎ：０．０８〜０．３％、金属弗化物：０．２〜１．５％、金属酸化物としてＴｉＯ ₂ ：３〜８％、ＳｉＯ ₂ ：０．５〜５％、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ とＺｒＯ ₂ の合計：０．０６％以下を含有し、その他は、ステンレス鋼外皮のＦｅ分、鉄合金からのＦｅ分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。
Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＮが下記式のＤ値で５〜２５であることを特徴とする請求項１に記載の二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ。Ｄ＝３Ｃｒ＋４．５Ｓｉ＋３Ｍｏ−２．８Ｎｉ−８４（Ｃ＋Ｎ）−１．４Ｍｎ−２０・・・（式）