JP2010229470A - 溶接部の靭性に優れたステンレス鋼製溶接構造体および溶接用ステンレス鋼板 - Google Patents
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Abstract
【課題】
高強度でかつ溶接部の靭性を確保したステンレス鋼製溶接構造体を提供する。
【解決手段】
化学組成がＣ：０．０２５質量％以下、Ｓｉ：１．０〜２．０質量％、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｐ：０・０４５質量％、Ｓ：０．００１質量％以下、Ｎｉ：１．０質量％以下、Ｃｒ：１６．０〜２８．０質量％、Ｍｏ：０．２〜２．５質量％、Ｎｂ：０．０５〜０．５０質量％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０質量％、Ｃｕ：１．０質量％以下、Ａｌ：０．０２〜０．６質量％、Ｎ：０．０２５質量％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるステンレス鋼板よりなり、溶接金属部における介在物の最大径が１μｍ以下であるステンレス鋼製溶接構造体。
【選択図】 なし
高強度でかつ溶接部の靭性を確保したステンレス鋼製溶接構造体を提供する。
【解決手段】
化学組成がＣ：０．０２５質量％以下、Ｓｉ：１．０〜２．０質量％、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｐ：０・０４５質量％、Ｓ：０．００１質量％以下、Ｎｉ：１．０質量％以下、Ｃｒ：１６．０〜２８．０質量％、Ｍｏ：０．２〜２．５質量％、Ｎｂ：０．０５〜０．５０質量％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０質量％、Ｃｕ：１．０質量％以下、Ａｌ：０．０２〜０．６質量％、Ｎ：０．０２５質量％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるステンレス鋼板よりなり、溶接金属部における介在物の最大径が１μｍ以下であるステンレス鋼製溶接構造体。
【選択図】 なし
Description
本発明は、溶接部の靭性に優れたステンレス鋼溶接構造体および溶接用フェライト系ステンレス鋼に関するものである。
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安価であることなどを特徴に、様々な分野で使用されている。その中でも、高Ｃｒフェライト系ステンレス鋼は優れた耐食性を有しており、エコキュート(登録商標)として知られる温水器缶体、建材およびパネルタンクなどに適用され、その需要量は年々増加している。
これらの用途は加工性が要求されることから、高純度化により鋼板の軟質化を図っている。そのために、加工品の強度が低くなってしまうという問題がある。一方、これらの用途は成形後に溶接施工される場合が多いが、高Ｃｒフェライト系ステンレス鋼は溶接部の靭性が低く溶接構造部材には不向きであることが知られている。高純度化によって溶接した際の溶接部の靭性を向上させ、溶接施工する用途にも対応しているというのが現状である。
市場の拡大に伴い、鋼材に対する要求特性は多様化しているが、その中でもコストダウンや設置作業の負荷低減を目的とした鋼板の軽量化や社会情勢の観点から見た省資源化など、鋼板の薄肉化が求められるようになってきた。
容易に高強度化を測る手段としては調質圧延による加工硬化を利用した手法が知られている。しかし、調質圧延では強度は向上するが延性が著しく低下するため、加工性に劣るという問題点が生じる。また、溶接施工する場合にはその熱によって溶接金属部、熱影響部の強度が低下するという問題も生じる。
また、薄肉化する場合、使用時の強度を確保するためには鋼材の高強度化が必須であるが、そのために添加する強化元素の影響で溶接部の靭性の方は低下するという問題が生じる。本発明はこのような問題を解消すべくなされたものであり、高強度でかつ溶接部の靭性を確保したステンレス鋼製溶接構造体および溶接用ステンレス鋼板を提供するものである。
また、薄肉化する場合、使用時の強度を確保するためには鋼材の高強度化が必須であるが、そのために添加する強化元素の影響で溶接部の靭性の方は低下するという問題が生じる。本発明はこのような問題を解消すべくなされたものであり、高強度でかつ溶接部の靭性を確保したステンレス鋼製溶接構造体および溶接用ステンレス鋼板を提供するものである。
本発明に係るステンレス鋼製溶接構造体および溶接用ステンレス鋼板は、その化学組成がＣ：０．０２５質量％以下、Ｓｉ：１．０〜２．０質量％、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｐ：０・０４５質量％、Ｓ：０．００１質量％以下、Ｎｉ：１．０質量％以下、Ｃｒ：１６．０〜２８．０質量％、Ｍｏ：０．２〜２．５質量％、Ｎｂ：０．０５〜０．５０質量％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０質量％、Ｃｕ：１．０質量％以下、Ａｌ：０．０２〜０．６質量％、Ｎ：０．０２５質量％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、溶接金属部における介在物の最大径が１μｍ以下であるものである。
なお、ここで「介在物の最大径が１μｍ以下である」とは、溶接構造体の溶接金属部を光学顕微鏡を用いて１０μｍ2に観察される介在物の最大径を少なくとも３０視野の観察にて求め、それが１μｍ以下である場合を言う。
更に溶接部の靭性を高めるためには、その化学組成をＣ：０．０２５質量％以下、Ｓｉ：１．０〜２．０質量％、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｐ：０・０４５質量％、Ｓ：０．００１質量％以下、Ｎｉ：０．３〜２．０質量％、Ｃｒ：１６．０〜２８．０質量％、Ｍｏ：０．２〜２．５質量％、Ｎｂ：０．０５〜０．５０質量％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０質量％、Ｃｕ：１．０質量％以下、Ａｌ：０．０２〜０．６質量％、Ｎ：０．０２５質量％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とし、溶接金属部における介在物の最大径を１μｍ以下とする。
本発明においては、強化元素であるＳｉを適量添加することで、鋼板の延性を保ちつつ高強度化を図った。Ｓｉによる強化機構は固溶強化によるものであるため、溶接時に熱が加わっても溶接金属部、熱影響部の強度は低下しない。
更に、溶接部の靭性が求められる場合には、Ｎｉを適量添加する。
本発明に係るステンレス鋼製溶接構造体および溶接用ステンレス鋼板によれば、高強度で溶接部の靭性に優れた溶接構造体が提供でき、温水器缶体やパネルタンク、建材などに使用できる。また、高強度であるため、これらの溶接構造体を従来より更に薄肉・軽量化することが可能となる。
以下、本発明に係る溶接構造体の化学組成および介在物形態を特定した理由を説明する。
Ｃ、Ｎ：０．０２５質量％以下
Ｃ，Ｎは鋼中に不可避的に含有されるが、その含有量を低減することにより鋼は軟質になり加工性が向上すると共に炭化物・窒化物の生成が少なくなり、溶接性および溶接部の耐食性が向上する。そのため、上限を各々０．０２５質量％に限定する。好ましくは０．０１％以下とする。
Ｃ，Ｎは鋼中に不可避的に含有されるが、その含有量を低減することにより鋼は軟質になり加工性が向上すると共に炭化物・窒化物の生成が少なくなり、溶接性および溶接部の耐食性が向上する。そのため、上限を各々０．０２５質量％に限定する。好ましくは０．０１％以下とする。
Ｓｉ：１．０越え〜２．０質量％
Ｓｉは、本発明では高強度化に寄与する重要な元素である。強度を向上させる上では１．０質量％を超えるＳｉ含有量を確保することが必須である。１．０％を越えるＳｉを添加したとき、安定して５００Ｎ／ｍｍ２以上の引っ張り強度が得られるようになる。ただし、必要以上にＳｉを添加すると延性が低下することや溶接部の靭性を低下させることが懸念されることから、２．０％以下の範囲で調整する。
また、鋼中のＳｉは溶接施工後の溶接金属部における介在物の大きさにも寄与しており、Ｓｉ含有量を高めることで生成される介在物の径を小さくすることができる。
Ｓｉは、本発明では高強度化に寄与する重要な元素である。強度を向上させる上では１．０質量％を超えるＳｉ含有量を確保することが必須である。１．０％を越えるＳｉを添加したとき、安定して５００Ｎ／ｍｍ２以上の引っ張り強度が得られるようになる。ただし、必要以上にＳｉを添加すると延性が低下することや溶接部の靭性を低下させることが懸念されることから、２．０％以下の範囲で調整する。
また、鋼中のＳｉは溶接施工後の溶接金属部における介在物の大きさにも寄与しており、Ｓｉ含有量を高めることで生成される介在物の径を小さくすることができる。
Ｍｎ：１．０質量％以下
Ｍｎはオーステナイト生成元素であり、加工性、低温靭性の低下を招くことから、１．０％以下の含有量に制限される。
Ｍｎはオーステナイト生成元素であり、加工性、低温靭性の低下を招くことから、１．０％以下の含有量に制限される。
Ｐ：０．０４５質量％以下
Ｐは、母材および溶接部の靭性を損なうので出来るだけ少ないことが好ましいが、Ｃｒ含有鋼の脱りんは困難であり、かつ製造コストの上昇を招く。したがって、０．０４５質量％までに制限する。
Ｐは、母材および溶接部の靭性を損なうので出来るだけ少ないことが好ましいが、Ｃｒ含有鋼の脱りんは困難であり、かつ製造コストの上昇を招く。したがって、０．０４５質量％までに制限する。
Ｓ：０．０１質量％以下
Ｓは熱間加工性、耐溶接高温割れ性に悪影響を及ぼす元素であり、０．０１質量％以下に制限する。
Ｓは熱間加工性、耐溶接高温割れ性に悪影響を及ぼす元素であり、０．０１質量％以下に制限する。
Ｎｉ：０．３〜２．０質量％
Ｎｉは、フェライト系ステンレス鋼の靭性改善に有効な元素であり、０．３質量％以上添加することが望ましい。高強度化にも効果を発揮するが、過剰な添加は延性を損ねるため、２．０質量％以下に制限する。
Ｎｉは、フェライト系ステンレス鋼の靭性改善に有効な元素であり、０．３質量％以上添加することが望ましい。高強度化にも効果を発揮するが、過剰な添加は延性を損ねるため、２．０質量％以下に制限する。
Ｃｒ：１６〜２８質量％
Ｃｒは、不動態皮膜の構成元素であり、耐孔食性および一般の耐食性を向上させる。これらの作用を十分発揮させるには１６質量％以上のＣｒ含有が望まれる。しかし、Ｃｒ含有量の増加に伴い耐食性が向上する反面、機械的性質や靭性が損なわれコスト増に繋がることから、２８％質量以下のＣｒ含有量とすることが望ましい。
Ｃｒは、不動態皮膜の構成元素であり、耐孔食性および一般の耐食性を向上させる。これらの作用を十分発揮させるには１６質量％以上のＣｒ含有が望まれる。しかし、Ｃｒ含有量の増加に伴い耐食性が向上する反面、機械的性質や靭性が損なわれコスト増に繋がることから、２８％質量以下のＣｒ含有量とすることが望ましい。
Ｍｏ：０．５〜２．５質量％
Ｍｏは、Ｃｒとともに耐食性を高めるために有効な元素である。耐食性を維持する上で０．５％以上添加することが望ましい。しかし、多量のＭｏ添加は加工性の低下やコスト増を招くため、２．５％以下の範囲とする。
Ｍｏは、Ｃｒとともに耐食性を高めるために有効な元素である。耐食性を維持する上で０．５％以上添加することが望ましい。しかし、多量のＭｏ添加は加工性の低下やコスト増を招くため、２．５％以下の範囲とする。
Ｎｂ，Ｔｉ：０．０５〜０．５０質量％
Ｎｂ，Ｔｉは、Ｃ，Ｎとの親和力が強く、フェライト系ステンレス鋼で問題となる粒界腐食を防止するのに有効であり、その作用を十分に得るには０．０５質量％以上の含有を必要とする。しかし、必要以上に添加すると表面品質の低下や溶接部の靭性低下を招くため、０．５０質量％を上限とする。
Ｎｂ，Ｔｉは、Ｃ，Ｎとの親和力が強く、フェライト系ステンレス鋼で問題となる粒界腐食を防止するのに有効であり、その作用を十分に得るには０．０５質量％以上の含有を必要とする。しかし、必要以上に添加すると表面品質の低下や溶接部の靭性低下を招くため、０．５０質量％を上限とする。
Ｃｕ：１．０質量％以下
Ｃｕは、フェライト系ステンレス鋼の孔食電位を上昇させるとともに、局部腐食の進行を防止する作用を呈する。しかし、必要以上に添加すると逆に耐食性を阻害する要因になるので、１．０質量％を上限とする。
Ｃｕは、フェライト系ステンレス鋼の孔食電位を上昇させるとともに、局部腐食の進行を防止する作用を呈する。しかし、必要以上に添加すると逆に耐食性を阻害する要因になるので、１．０質量％を上限とする。
Ａｌ：０．０２〜０．６質量％
Ａｌは、Ｔｉと複合添加することにより溶接時の加熱で表面にＡｌ酸化物皮膜を生成させ、Ｃｒの酸化ロスを防止する、というＡｌとＴｉの複合添加作用を利用する。Ａｌ含有量が０．０２質量％未満では有効なＡｌ酸化物皮膜が生成しない。一方、必要以上に添加すると表面品質の低下や溶接性の低下を招くため事から、０．６質量％を上限とする。
Ａｌは、Ｔｉと複合添加することにより溶接時の加熱で表面にＡｌ酸化物皮膜を生成させ、Ｃｒの酸化ロスを防止する、というＡｌとＴｉの複合添加作用を利用する。Ａｌ含有量が０．０２質量％未満では有効なＡｌ酸化物皮膜が生成しない。一方、必要以上に添加すると表面品質の低下や溶接性の低下を招くため事から、０．６質量％を上限とする。
溶接金属部における介在物の最大径：１μｍ以下
本発明に係る溶接構造体においては、溶接金属部における介在物の最大径を１μｍ以下とする。溶接施工により溶接金属部には介在物が生成するが、粗大な介在物が生成されると溶接部の靭性が低下するという弊害がある。そのため、介在物の最大径は１μｍ以下となるよう制限する。
介在物の径は、本発明に定める合金成分よりなるステンレス鋼板を溶接電流３０〜６０Ａ、溶接速度２０〜４０ｃｍ／ｍｉｎの条件でＴＩＧ溶接することにより、１μｍ以下に制御することができる。その原理は必ずしも明らかではないが、鋼中の合金成分、特にＳｉにより溶融池の粘性が低くなったことから均一に溶融されるのと同時に介在物核も均一に分散され、凝固速度が速いので介在物の粗大化が抑制されているものと推察される。
本発明に係る溶接構造体においては、溶接金属部における介在物の最大径を１μｍ以下とする。溶接施工により溶接金属部には介在物が生成するが、粗大な介在物が生成されると溶接部の靭性が低下するという弊害がある。そのため、介在物の最大径は１μｍ以下となるよう制限する。
介在物の径は、本発明に定める合金成分よりなるステンレス鋼板を溶接電流３０〜６０Ａ、溶接速度２０〜４０ｃｍ／ｍｉｎの条件でＴＩＧ溶接することにより、１μｍ以下に制御することができる。その原理は必ずしも明らかではないが、鋼中の合金成分、特にＳｉにより溶融池の粘性が低くなったことから均一に溶融されるのと同時に介在物核も均一に分散され、凝固速度が速いので介在物の粗大化が抑制されているものと推察される。
[鋼材の調査]
表１の化学組成をもつフェライト系ステンレス鋼を３０ｋｇ真空溶解炉で溶製した後、熱間圧延にて板厚４ｍｍの熱延板を得た。その後、冷間圧延、仕上げ焼鈍、酸洗を施し、板厚０．９ｍｍの冷延焼鈍板を製造した。
表１の化学組成をもつフェライト系ステンレス鋼を３０ｋｇ真空溶解炉で溶製した後、熱間圧延にて板厚４ｍｍの熱延板を得た。その後、冷間圧延、仕上げ焼鈍、酸洗を施し、板厚０．９ｍｍの冷延焼鈍板を製造した。
製造された冷延焼鈍板について引張試験を行い、引張強さと伸びの関係を調査した。なお、引張試験片にはＪＩＳ
Ｚ ２２０１に規定される１３Ｂ号試験片を用いた。調査結果を表２に示す。鋼種Ｎｏ．１〜３については、引張強さは５００Ｎ／ｍｍ２以上、伸びが２０％以上と優れた強度・延性を示した。これに対し、鋼種Ｎｏ．４，５では、伸びは２０％以上と良好な延性を示したものの引張強さが５００Ｎ／ｍｍ２以下と強度不足であり、一方、鋼種Ｎｏ．６，７では引張強さは５００Ｎ／ｍｍ２以上と良好な強度示したが伸びが２０％以下と延性不足であった。これらの結果から、Ｓｉ含有量は１．０〜２．０質量％にすべきと判断した。
Ｚ ２２０１に規定される１３Ｂ号試験片を用いた。調査結果を表２に示す。鋼種Ｎｏ．１〜３については、引張強さは５００Ｎ／ｍｍ２以上、伸びが２０％以上と優れた強度・延性を示した。これに対し、鋼種Ｎｏ．４，５では、伸びは２０％以上と良好な延性を示したものの引張強さが５００Ｎ／ｍｍ２以下と強度不足であり、一方、鋼種Ｎｏ．６，７では引張強さは５００Ｎ／ｍｍ２以上と良好な強度示したが伸びが２０％以下と延性不足であった。これらの結果から、Ｓｉ含有量は１．０〜２．０質量％にすべきと判断した。
[溶接試験片の調査]
表３の組成を持つフェライト系ステンレス鋼を３０ｋｇ真空溶解炉で溶製した後、熱間圧延にて板厚４ｍｍの熱延板を得た。その後、冷間圧延、仕上げ焼鈍・酸洗を施し、板厚０．９ｍｍの冷延焼鈍板を製造した。
表３の組成を持つフェライト系ステンレス鋼を３０ｋｇ真空溶解炉で溶製した後、熱間圧延にて板厚４ｍｍの熱延板を得た。その後、冷間圧延、仕上げ焼鈍・酸洗を施し、板厚０．９ｍｍの冷延焼鈍板を製造した。
製造された冷延焼鈍板に溶接電流３０〜６０Ａ、溶接速度２０〜４０ｃｍ／ｍｉｎの条件で、ＴＩＧ溶接によるＴＩＧ溶接（ビードオンプレート）を施した後、溶接部の引張試験を行い、溶接部の引張強さと伸びの関係を調査した。また、引張試験片の破断部を観察し、延性、脆性を判断した。なお、引張試験片には、ＪＩＳ
Ｚ ２２０１に規定される５号試験片を用いた。調査結果を表４に示す。
Ｚ ２２０１に規定される５号試験片を用いた。調査結果を表４に示す。
鋼種８〜１２では、引張強さが５００Ｎ／ｍｍ２以上、伸びが２０％以上と優れた溶接部の強度と延性を示し、いずれも延性破断であった。また、介在物の最大径も、各々１μｍを下回っていた。このことから、発明鋼を溶接施工することにより、強度と靭性に優れた溶接構造体が得られることになる。
鋼種１３〜１４では良好な強度を示したが、伸びは著しく低下していた。破断面を観察した結果、脆性破断であることを確認した。鋼種１５〜１７では良好な強度を示し延性破断していたが、伸びが２０％以下と低い値を示した。
鋼種１３〜１４では良好な強度を示したが、伸びは著しく低下していた。破断面を観察した結果、脆性破断であることを確認した。鋼種１５〜１７では良好な強度を示し延性破断していたが、伸びが２０％以下と低い値を示した。
本発明は溶接部の靭性に優れていることから、溶接部を含む用途、例えば、エコキュートなどの温水容器缶体、建材およびパネルタンクなどに使用できる。
Claims (4)
- 化学組成がＣ：０．０２５質量％以下、Ｓｉ：１．０〜２．０質量％、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｐ：０・０４５質量％、Ｓ：０．００１質量％以下、Ｎｉ：１．０質量％以下、Ｃｒ：１６．０〜２８．０質量％、Ｍｏ：０．２〜２．５質量％、Ｎｂ：０．０５〜０．５０質量％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０質量％、Ｃｕ：１．０質量％以下、Ａｌ：０．０２〜０．６質量％、Ｎ：０．０２５質量％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるステンレス鋼板よりなり、溶接金属部における介在物の最大径が１μｍ以下であるステンレス鋼製溶接構造体。
- 化学組成がＣ：０．０２５質量％以下、Ｓｉ：１．０〜２．０質量％、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｐ：０・０４５質量％、Ｓ：０．００１質量％以下、Ｎｉ：０．３〜２．０質量％、Ｃｒ：１６．０〜２８．０質量％、Ｍｏ：０．２〜２．５質量％、Ｎｂ：０．０５〜０．５０質量％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０質量％、Ｃｕ：１．０質量％以下、Ａｌ：０．０２〜０．６質量％、Ｎ：０．０２５質量％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物なるステンレス鋼板よりなり、溶接金属部における介在物の最大径が１μｍ以下であるステンレス鋼製溶接構造体。
- 化学組成がＣ：０．０２５質量％以下、Ｓｉ：１．０〜２．０質量％、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｐ：０・０４５質量％、Ｓ：０．００１質量％以下、Ｎｉ：１．０質量％以下、Ｃｒ：１６．０〜２８．０質量％、Ｍｏ：０．２〜２．５質量％、Ｎｂ：０．０５〜０．５０質量％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０質量％、Ｃｕ：１．０質量％以下、Ａｌ：０．０２〜０．６質量％、Ｎ：０．０２５質量％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるステンレス鋼板よりなり、溶接施工した場合に溶接金属部における介在物の最大径が１μｍ以下となるステンレス鋼板。
- 化学組成がＣ：０．０２５質量％以下、Ｓｉ：１．０〜２．０質量％、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｐ：０・０４５質量％、Ｓ：０．００１質量％以下、Ｎｉ：０．３〜２．０質量％、Ｃｒ：１６．０〜２８．０質量％、Ｍｏ：０．２〜２．５質量％、Ｎｂ：０．０５〜０．５０質量％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０質量％、Ｃｕ：１．０質量％以下、Ａｌ：０．０２〜０．６質量％、Ｎ：０．０２５質量％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物であり、溶接施工した場合に溶接金属部における介在物の最大径が１μｍ以下となるステンレス鋼板。
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