JP5138242B2 - 二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents

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、ブローホール等に対する耐欠陥性に優れ、低温靭性が高く、耐食性が良好で、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。

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。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、これら二相ステンレス鋼にＣｕ、ＮやＷなどの合金剤を多量添加し、特に耐食性を向上させたより高性能な二相ステンレス鋼が開発されている。溶接材料もこれに適合した良好な溶着金属性能と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したり溶接直後にスラグの飛散やスラグの一部が溶接ビードに焼き付いて残るという課題がある。加えて、ビード形状は凸状の形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３８１４１６６号公報（特許文献１）にはＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、金属弗化物、Ｔｉ含有量を規制して、溶接金属性能および溶接作業性を良好にした技術の記載がある。しかし、このフラックス入りワイヤでは、Ｃｕ、ＷやＮなどが含有されたより高性能な二相ステンレス鋼に適用した場合、スラグの剥離性が不十分で、溶接作業性を著しく低下させる。また耐孔食性が不十分であるという課題がある。

また、特許第３４７６１２５号公報（特許文献２）には、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎを規定すると共に、スラグ剤として、ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯを規制して、耐孔食性、低温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Ｃｕ、ＷやＮなどを添加したより高性能な二相ステンレス鋼に用いた場合、耐孔食性や溶接作業性が不十分であるという課題がある。

さらに、特開２００１−９５８９号公報（特許文献３）には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎを規制することで高強度、高耐食性の二相ステンレス鋼溶接材料および溶接方法が開示されている。しかし、ビード形状が悪く、また靭性が低いという課題がある。
特許第３８１４１６６号公報 特許第３４７６１２５号公報 特開２００１−９５８９号公報

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が得られ、ブローホール等の耐欠陥性に優れ、低温靭性が高く、耐食性が良好で、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、外皮およびフラックスに含有される成分の合計として、ワイヤ全質量に対して質量％で、Ｃ：０．０６％以下、Ｎｉ：７．０〜１４．０％、Ｃｒ：２３．０〜２７．０％、Ｍｏ：１．５〜５．０％、Ｗ：０．０５〜５．０％、Ｃｕ：０．７％以下、Ｎ：０．０８〜０．３０％を含有し、その他はＳｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、金属酸化物、金属弗化物および不可避不純物であると共に、フラックスの成分として、ワイヤ全質量に対して質量％で、ＴｉＯ _２ ：３．０〜８．０％、ＳｉＯ _２ ：０．５〜５．０％、金属弗化物のＦ換算値：０．３〜０．９％を含有し、Ａｌ _２ Ｏ _３ ：０．０６％以下、ＺｒＯ _２ ：０．０６％以下でＡｌ _２ Ｏ _３ とＺｒＯ _２ の和を０．０６％以下、さらに前記Ａｌ _２ Ｏ _３ とＺｒＯ _２ の和とＮの比（Ａｌ _２ Ｏ _３ ＋ＺｒＯ _２ ）／Ｎを０．６５以下とし、かつスラグ剤成分の合計がワイヤ全質量の４．２〜１１．４％であるフラックスをステンレス鋼外皮内に１８〜３０％充填してなることを特徴とする。

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、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の溶着金属が得られ、ブローホール等に対する耐欠陥性に優れ、低温靭性が高く、耐食性が良好で、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、溶着金属をより高耐食とするため、従来の二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにＷ、Ｎを添加した場合、ＮはＡｌ_２Ｏ_３やＺｒＯ_２などと化合物を形成し、スラグが焼付きスラグ剥離性が悪くなるが、スラグ剤中のＡｌ_２Ｏ_３およびＺｒＯ_２量を低くすることによって、スラグ剥離性が大幅に向上する傾向が認められた。またＷは、シグマ相を析出させ、靭性が悪くなるといった課題があったが、Ｃｕを添加することによって、シグマ相の析出を抑制し、オーステナイトを安定化させて靭性の向上を図ることがができるということを見出した。

本発明は、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、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。以下の各元素は外皮およびフラックスに含有される成分の合計の、ワイヤ全質量に対する分量である。
Ｃは、ＣｒおよびＭｏ等と化合して炭化物を生成し、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。

Ｎｉは、オーステナイト組織を安定化させ、アーク安定性を改善し、かつ耐孔食性を改善する効果を有する。Ｎｉが７．０％未満ではオーステナイト量が減少し、成分偏析を招くため耐孔食性を損なう。１４．０％を超えるとアークが不安定となり溶接作業性が劣化する。従って、Ｎｉは７．０〜１４．０％とする。

Ｃｒは、耐孔食性を改善する目的で添加する。Ｃｒが２３．０％未満では耐孔食性を十分に得ることができない。２７．０％を超えるとシグマ相が析出して脆化し靭性が低下する。従って、Ｃｒは２３．０〜２７．０％とする。

Ｍｏは、耐孔食性や靭性を改善する効果を有する。Ｍｏが１．５％未満では耐孔食性を十分に得ることができない。５．０％を超えるとシグマ相が析出して脆化して靭性が低下する。従ってＭｏは１．５〜５．０％とする。

Ｗは、Ｍｏと同様に耐孔食性や靭性を改善する効果を有する。ＣｒやＭｏに比べてシグマ相の析出を助長する作用が相対的に小さく、Ｃｒ、Ｍｏの含有量を少なくして耐孔食性や靭性を高めることができる。Ｗが０．０５％未満では耐孔食性を十分に得ることができない。一方５．０％を超えるとラーベス相の析出が生じやすくなり靭性が低下する。従ってＷは０．０５〜５．０％とする。

Ｃｕは、極微量の添加でオーステナイト組織を安定化させ、靭性を改善する効果を有する。Ｃｕが０．７％を超えるとＣｕを含む金属間化合物を析出して靭性が劣化する。従って、Ｃｕは０．７％以下とするが、望ましくは０．０１％以上含有させる。

Ｎは固溶強化元素であり、溶着金属の強度を高めると共にオーステナイト組織を安定化させ、耐孔食性を改善する効果がある。０．０８％以下では溶着金属の強度が低下し、耐孔食性も劣化する。一方０．３０％を超えるとブローホールが発生するとともにスラグ剥離性が劣化する。なお、Ｎは鋼製外皮および充填フラックスのいずれか一方又は両方に含有されるものであり、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に換算した総量とする。

本発明はさらに以下の酸化物、弗化物などのフラックス成分を規制することが好ましい。これらのフラックス成分量はワイヤ全質量に対する分量である。
ＴｉＯ_２は、アークを安定にしてビード形状を良好にする。ＴｉＯ_２が３．０％未満ではアークの安定性が劣化する。一方８．０％を超えると母材と溶接ビードのなじみが悪くなり、凸状のビード形状となる。従って、ＴｉＯ_２は３．０〜８．０％とする。ＴｉＯ_２としてはルチール、チタンスラグ、イルミナイト、チタン酸カリ、チタン酸ソーダ等が使用できる。

ＳｉＯ_２は、アークを安定にし、またスラグの流動性調整に必要でスラグ剥離性を良好にし、ビード形状を良化させる成分である。ＳｉＯ_２が０．５％未満では、アークが不安定となりビード形状が不良となる。一方５．０％を超えるとスラグが流れやすくなりスラグ被包性が不良となる。従って、ＳｉＯ_２は０．５〜５．０％とする。ＳｉＯ_２としては、硅砂、硅石の他、カリ長石等が使用できる。

金属弗化物は、スラグ融点の調整として必要で、スラグ被包性およびスラグ剥離性を良好とし、ビード形状を良好とする目的で添加する。金属弗化物のＦ換算値が０．３％以下ではスラグ被包性およびスラグ剥離性が劣化する。しかし０．９％を超えるとスラグの融点が著しく低下し、ビード形状が不良となる。従って、金属弗化物のＦ換算値は０．３〜０．９％とする。金属弗化物はＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ_２、ＡｌＦ_３、Ｋ_２ＺｒＦ_６、Ｋ_２ＳｉＦ_６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。

Ａｌ_２Ｏ_３は、過度に含有すると母材または溶接金属中のＣ、Ｎ、Ｓと化合物を形成し、固いスラグを生成する。特にＮと化合物を形成したスラグはビード表面にスラグが焼付き、スラグ剥離性が低下する。Ａｌ_２Ｏ_３は低いほど好ましいが、ルチールなどのチタン酸化物、カリ長石、硅砂の不純物として含有されるため、Ａｌ_２Ｏ_３は０．０６％以下とする。

ＺｒＯ_２は、Ｎとの親和力が高いために、Ｎを多量添加したより高性能な二相ステンレス鋼を溶接した場合、Ｎと化合物を形成してビード表面にスラグが焼付き、スラグ剥離性が低下する。またＮと反応して溶着金属中に脆い化合物を生成し、固溶Ｎが減少して耐孔食性および靭性を劣化させる。ＺｒＯ_２は低いほど好ましいが、ルチールなどのチタン酸化物、カリ長石、硅砂の不純物として含有されるため、ＺｒＯ_２は０．０６％以下とする。

前記Ａｌ_２Ｏ_３とＺｒＯ_２の合計が多いと、ワイヤ先端のアーク発生点近傍の外皮とフラックスとの溶融速度差を生じさせて、アーク安定性を劣化させる。したがって、Ａｌ_２Ｏ_３とＺｒＯ_２の和は０．０６％以下とする。さらに前記Ａｌ_２Ｏ_３とＺｒＯ_２の和とＮとの比（Ａｌ_２Ｏ_３＋ＺｒＯ_２）／Ｎを０．６５以下にすることによって、オーステナイトから変態生成するフェライトを適正量にし、特に溶接金属の耐孔食性および強度を向上することができる。またＮとの化合物生成を抑制し、ビード表面のスラグ焼付きを防止してスラグ剥離性を良好にし、溶接作業性を改善する。Ａｌ_２Ｏ_３とＺｒＯ_２の和とＮとの比（Ａｌ_２Ｏ_３＋ＺｒＯ_２）／Ｎが０．６５を超えると、Ａｌ_２Ｏ_３およびＺｒＯ_２とＮの化合物を形成するためＮの固溶量が減少し、結晶粒の微細化が得られず溶着金属の強度が低下するとともに耐孔食性が劣化する。

フラックス中のスラグ剤成分は、スラグ被包性およびスラグ剥離性を良好にし、ビード形状を良好にする。ワイヤ全質量に対しスラグ剤成分の合計が４．２％未満では、スラグ量が少なくスラグ被包性が不十分となり、ビード形状が劣化する。一方、スラグ剤成分の合計が１１．４％を超えると、スラグ量が過剰となりスラグが不均一に被包するため、スラグ剥離性が劣化する。従って、スラグ剤成分の合計はワイヤ全質量に対し４．２〜１１．４％とする。なお、本発明におけるスラグ剤成分とは、酸化物、弗化物等の非金属成分の他、不純物としてのＰ、Ｓ等を意味するものである。

ステンレス鋼外皮へのフラックス充填率が１８％未満では、外皮の肉厚が厚くなり、溶滴が肥大化してアークが不安定となる。一方３０％を超えると逆に外皮の肉厚が薄く、スラグ量が過剰となりスラグ被包性およびスラグ剥離性が劣化する。従って、フラックス充填率は１８〜３０％とする。

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、その他の成分として、Ｓｉ：０．２〜０．６％、Ｍｎ：０．４〜１．８％の範囲で機械的性質の調整として外皮またはフラックスに添加することができる。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。

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、帯鋼をＵ形に連続成形しつつ溝に満たしたのち丸形に連続成形し、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、パイプを振動させつつフラックスを一端から充填し、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（Ｗ１，Ｗ２）および二相ステンレス鋼外皮（Ｗ３）を用いて表２および表３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。

溶接は、表４に示す成分の二相ステンレス鋼（Ｂ１）を用いてＪＩＳ Ｚ ３３２３に基づいて溶着金属試験を行った。溶接後ＪＩＳ Ｚ ３１０６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、ＪＩＳ Ｚ ３１１１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、ＪＩＳ Ｇ ０５７７に準拠した。

Ｘ線透過試験は、第１種のきず点数３点未満を良好とした。溶着金属性能は、引張強さ：８００ＭＰａ以上、−２０℃における吸収エネルギー（ｖＥ−２０℃）：１０Ｊ以上、孔食電位：１０００ｍＶ以上を良好とした。
溶接作業性は、表４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、スラグ被包性、スラグ剥離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：ＣＯ_２で実施した。それらの結果を表５にまとめて示す。

表２、表３および表５中のワイヤＮｏ．１〜１４が本発明例、ワイヤＮｏ．１５〜２６は比較例である。
本発明であるワイヤＮｏ．１〜１４は、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ、Ｎ、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３とＺｒＯ_２の和、Ａｌ_２Ｏ_３とＺｒＯ_２の和とＮの比、金属弗化物、スラグ剤成分の合計、フラックスの充填率が適正であるので、引張強さおよび吸収エネルギーが高く、耐孔食性に優れた溶着金属が得られ、耐ブローホール性に優れるとともに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．１５は、ＺｒＯ_２が高いので耐孔食性が不良で吸収エネルギーが低く、アークが不安定でスラグ剥離性も不良であった。
ワイヤＮｏ．１６は、ＴｉＯ_２が高いのでビード形状が不良であった。また、Ｎが高いのでブローホールが発生し、スラグ剥離性も不良であった。
ワイヤＮｏ．１７は、ＴｉＯ_２が低いのでアークが不安定であった。また、Ｃｒが高いので吸収エネルギーが低かった。

ワイヤＮｏ．１８は、ＳｉＯ_２が高いのでスラグ被包性が不良であった。また、Ｃｕが高いので吸収エネルギーが低かった。
ワイヤＮｏ．１９は、ＳｉＯ_２が低いのでアークが不安定性でビード形状が不良であった。また、Ｍｏが低いので耐孔食性が不良であった。さらに、Ｃが高いので吸収エネルギーが低かった。
ワイヤＮｏ．２０は、金属弗化物のＦ換算値が低いのでスラグ被包性およびスラグ剥離性が不良であった。また、Ｍｏが高いので吸収エネルギーが低かった。

ワイヤＮｏ．２１は、スラグ剤合計量が少ないのでスラグ被包性およびビード形状が不良であった。また、Ａｌ_２Ｏ_３が高いのでアークが不安定でスラグ剥離性も不良であった。さらに、Ｃｒが低いので耐孔食性が不良であった。
ワイヤＮｏ．２２は、スラグ剤合計量が多いのでスラグ被包性およびスラグ剥離性が不良であった。また、Ｎが低いので耐孔食性が不良で引張強さも低かった。

ワイヤＮｏ．２３は、フラックス充填率が低いのでアークが不安定であった。また、耐孔食性が不良であった。
ワイヤＮｏ．２４は、フラックス充填率が高いのでスラグ被包性およびスラグ剥離性が不良であった。また、Ｎｉが高いのでアークが不安定であった。

ワイヤＮｏ．２５は、Ｗが高いので吸収エネルギーが低かった。また、Ａｌ_２Ｏ_３とＺｒＯ_２の和とＮの比が高いので引張強さが低く、孔耐食性が不良であった。
ワイヤＮｏ．２６は、Ｗが低いので耐孔食性が不良であった。また、金属弗化物のＦ換算値が高いのでビード形状が不良であった。さらに、Ａｌ_２Ｏ_３とＺｒＯ_２の和が高いのでアークも不安定であった。

Claims (1)

1. 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、外皮およびフラックスに含有される成分の合計として、ワイヤ全質量に対して質量％で、Ｃ：０．０６％以下、Ｎｉ：７．０〜１４．０％、Ｃｒ：２３．０〜２７．０％、Ｍｏ：１．５〜５．０％、Ｗ：０．０５〜５．０％、Ｃｕ：０．７％以下、Ｎ：０．０８〜０．３０％を含有し、その他はＳｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、金属酸化物、金属弗化物および不可避不純物であると共に、フラックスの成分として、ワイヤ全質量に対して質量％で、ＴｉＯ _２ ：３．０〜８．０％、ＳｉＯ _２ ：０．５〜５．０％、金属弗化物のＦ換算値：０．３〜０．９％を含有し、Ａｌ _２ Ｏ _３ ：０．０６％以下、ＺｒＯ _２ ：０．０６％以下でＡｌ _２ Ｏ _３ とＺｒＯ _２ の和を０．０６％以下、さらに前記Ａｌ _２ Ｏ _３ とＺｒＯ _２ の和とＮの比（Ａｌ _２ Ｏ _３ ＋ＺｒＯ _２ ）／Ｎを０．６５以下とし、かつスラグ剤成分の合計がワイヤ全質量の４．２〜１１．４％であるフラックスをステンレス鋼外皮内に１８〜３０％充填してな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。