JPWO2020203336A1 - ガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤおよびガスメタルアーク溶接方法 - Google Patents
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Abstract
Description
SFE(mJ/m2)=−53+6.2Ni+0.7Cr+3.2Mn+9.3Mo ……(1)
(ここで、Ni、Cr、Mn、Mo:各元素の含有量(質量%))
で定義されるSFE値が、オーステナイトの安定度の指標として有効であることを知見した。
そして、本発明者らは、上記したSFEが17〜57(mJ/m2)の範囲を満足する組成のソリッドワイヤであれば、溶接時形成されるオーステナイトが安定化し、JIS Z 3111の規定に準拠して所定の溶接条件で作製された溶着金属が、所望の高強度高延性と、所望の優れた極低温衝撃靭性とを兼備した溶着金属となることを知見した。
C :0.20〜0.80%、
Si:0.15〜0.90%、
Mn:15.0〜28.0%、
P :0.030%以下、
S :0.030%以下、
Ni:0.01〜10.0%、
Cr:0.4〜1.9%、
B :0.0010〜0.0050%
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ、次(1)式
SFE(mJ/m2)=−53+6.2Ni+0.7Cr+3.2Mn+9.3Mo ……(1)
(ここで、Ni、Cr、Mn、Mo:各元素の含有量(質量%))
で定義されるSFEが17〜57(mJ/m2)を満足する組成を有することを特徴とするガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ。
前記ソリッドワイヤが、質量%で、
C :0.20〜0.80%、
Si:0.15〜0.90%、
Mn:15.0〜28.0%、
P :0.030%以下、
S :0.030%以下、
Ni:0.01〜10.0%、
Cr:0.4〜1.9%、
B :0.0010〜0.0050%
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ、次(1)式
SFE(mJ/m2)=−53+6.2Ni+0.7Cr+3.2Mn+9.3Mo ……(1)
(ここで、Ni、Cr、Mn、Mo:各元素の含有量(質量%))
で定義されるSFEが17〜57(mJ/m2)を満足する組成を有し、
前記ガスメタルアーク溶接を、1300〜1200℃の温度範囲の冷却速度CR(℃/s)が[SFE+(冷却速度CR)1/2]:20〜70を満足するように調整することを特徴とする、ガスメタルアーク溶接方法。
SFE(mJ/m2)=−53+6.2Ni+0.7Cr+3.2Mn+9.3Mo ……(1)
(ここで、Ni、Cr、Mn、Mo:各元素の含有量(質量%))
で定義されるSFEが17〜57(mJ/m2)を満足する組成を有する。
Cは、固溶強化により、溶接金属の強度を上昇させる作用を有する元素である。また、Cは、オーステナイト相を安定化させ、溶接金属の極低温衝撃靭性を向上させる。このような効果を得るためには、0.20%以上の含有を必要とする。しかし、0.80%を超えて含有すると、炭化物が析出し,極低温衝撃靭性が低下し、さらに、溶接時の高温割れが生じやすくなる。そのため、Cは0.20〜0.80%の範囲に限定した。好ましくは、0.30〜0.70%である。
Siは、脱酸剤として作用し、Mnの歩留りを高めるとともに、溶融金属の粘性を高め、ビード形状を安定的に保持し、スパッタの発生を低減する効果がある。そのような効果を得るためには、Siは0.15%以上の含有を必要とする。しかし、0.90%を超えてSiを含有すると、溶接金属の極低温衝撃靭性を低下させる。また、凝固時に偏析し、凝固セル界面に液相を生成して、耐高温割れ性を低下させる。そのため、Siは0.15〜0.90%の範囲に限定した。好ましくは0.20〜0.70%である。
Mnは、安価に、オーステナイト相を安定化する元素であり、本発明では15.0%以上の含有を必要とする。Mnが15.0%未満では、溶接金属(溶着金属)中のMn希薄部にε−マルテンサイトが生成し,極低温での靭性が著しく低下する。一方、Mnを28.0%を超えて含有しても、極低温衝撃靭性を改善する効果が飽和するだけでなく、凝固時に過度のMn偏析が発生し,高温割れを誘発する。そのため、Mnは15.0〜28.0%の範囲に制限した。好ましくは18.0〜25.0%である。
Pは、結晶粒界に偏析し、高温割れを誘発するとともに、溶接金属の極低温衝撃靭性を低下させる元素であり、本発明では、不純物元素としてできるだけ低減することが好ましいが、0.030%以下であれば、許容できる。そのため、Pは0.030%以下に限定した。好ましくは0.02%以下である。一方、過度のP低減は、精練コストの高騰を招く。そのため、Pは0.003%以上に調整することが好ましい。
Sは、溶接金属(溶着金属)中では、硫化物系介在物MnSとして存在する。MnSは、破壊の発生起点となるため、極低温靭性を低下させる。そのため、Sは0.030%以下に限定した。好ましくは0.02%以下である。一方、過度のS低減は、精練コストの高騰を招く。そのため、Sは0.001%以上に調整することが好ましい。
Niは、オーステナイト粒界を強化する元素であり、粒界に偏析し、極低温衝撃靭性を向上させる。また、Niは転位の易動度を向上させる。このような効果を得るためには、Niは0.01%以上の含有を必要とする。また、Niは、オーステナイト相を安定化する効果もあるため、さらに含有量を増加すれば、オーステナイト相を安定化させて、溶接金属(溶着金属)の極低温衝撃靭性を向上させる。しかし、Niは高価な元素であり、10.0%を超える含有は、経済的に不利となる。そのため、Niは0.01〜10.0%に限定した。好ましくは1.0〜8.0%であり、より好ましくは2.0〜7.0%である。
Crは、極低温ではオーステナイト相を安定化させるとともに、粒界強度を向上させ、溶接金属の極低温衝撃靭性を向上させる作用を有する。また、Crは、溶接金属の強度を向上させる作用も有する。また、Crは、溶融金属の液相線を高めて、高温割れの発生を抑制するのに有効に作用する。さらに、Crは、溶接金属の耐食性を高めるのにも有効に作用する。このような効果を得るためには、Crは0.4%以上の含有を必要とする。Crが0.4%未満では、上記した効果を確保できない。一方、1.9%を超えて含有すると、冷却速度が遅い場合にオーステナイト粒界にCr炭化物が生成し、極低温衝撃靭性の低下を招く。さらに、Cr炭化物の生成により、ワイヤ伸線時の加工性が低下する。そのため、Crは0.4〜1.9%の範囲に限定した。好ましくは、0.5〜1.8%である。
Bは、オーステナイト粒界に偏析することで、粒界強度を向上させ、溶接金属の極低温衝撃靭性を向上させる作用を有する。また、粒界強度の向上に伴い、伸線加工時の破断を防止する作用も有する。このような効果を得るために、Bは0.0010%以上の含有を必要とする。Bが0.0010%未満では、上記した効果を確保できない。一方、0.0050%を超えて含有すると、不可避的不純物として混入しているNと結合し、窒化ホウ素をオーステナイト粒界に形成し、粒界強度を低下させる。この粒界強度の低下により、ワイヤの伸線加工時に、オーステナイト粒界が破壊発生起点となり、断線を生じさせ、伸線加工性が低下し、ワイヤの製造性を低下させる。そのため、Bは0.0010〜0.0050%の範囲に限定した。好ましくは、0.0011〜0.0030%である。
溶接金属(溶着金属)の極低温衝撃靭性を向上するためには、オーステナイトの安定度を高め、溶接金属の脆性破壊の発生を抑制することが必要となる。そのために、本発明ソリッドワイヤでは、次(1)式
SFE(mJ/m2)=−53+6.2Ni+0.7Cr+3.2Mn+9.3Mo ……(1)
(ここで、Ni、Cr、Mn、Mo:各元素の含有量(質量%))
で定義されるSFE(Stacking Fault Energy)が17〜57(mJ/m2)を満足するように、上記した各成分の含有範囲内で各成分の含有量を調整する。SFEは、本発明で巨視的なオーステナイトの安定度の指標として採用した値であり、Ni、Cr、Mn、Moの各含有量から(1)式で定義される。SFEが17(mJ/m2)未満では、オーステナイトの安定度が低く、所望の極低温衝撃靭性を満足できない。一方、SFEが57(mJ/m2)を超えると、引張試験時の加工硬化能が低下し、所望の引張強さを満足できない。このため、(1)式で定義されるSFEは17〜57(mJ/m2)の範囲に限定した。好ましくは20〜55(mJ/m2)である。なお、(1)式に記載された元素を含有しない場合には、当該元素の含有量は零として、(1)式の値SFEを算出するものとする。
V、Ti、Nbはいずれも、炭化物を形成し、溶接金属の強度向上に寄与する元素であり、必要に応じて選択して1種または2種以上を合計で1.0%以下含有できる。
Vは、炭化物形成元素であり、微細な炭化物を析出させて、溶接金属の強度向上に寄与する。このような効果を得るためには0.001%以上含有することが好ましい。一方、0.5%を超えて含有すると、炭化物が粗大化して、ソリッドワイヤの伸線加工時に割れの発生起点となり、伸線加工性が低下し、ワイヤの製造性を低下させる。そのため、含有する場合には、Vは0.5%以下に限定することが好ましい。
Tiは、炭化物形成元素であり、微細な炭化物を析出させて、溶接金属の強度向上に寄与する。また、Tiは、溶接金属の凝固セル界面に炭化物を析出させて、高温割れの発生抑制に寄与する。このような効果を得るためには0.001%以上含有することが好ましい。しかし、Ti:0.5%を超えて含有すると、炭化物が粗大化し、ソリッドワイヤの伸線加工時の割れの発生起点となり、伸線加工性を低下させ、ワイヤの製造性を低下させる。また、Tiを0.5%を超えて含有すると、炭化物が粗大化し、結晶粒の微細化が抑制され、極低温衝撃靭性が低下する。そのため、含有する場合には、Tiは0.5%以下に限定することが好ましい。
Nbは、炭化物形成元素であり、炭化物を析出させて、溶接金属の強度向上に寄与する元素である。また、Nbは、溶接金属の凝固セル界面に炭化物を析出させて、高温割れの発生抑制に寄与する。このような効果を得るためには0.001%以上含有することが好ましい。しかし、Nbが0.5%を超えて含有すると、炭化物が粗大化し、ソリッドワイヤの伸線加工時に割れの発生起点となり、伸線加工性が低下し、ワイヤの製造性を低下させる。また、Nbが0.5%を超えて含有すると、炭化物が粗大化し、結晶粒の微細化が抑制され、極低温衝撃靭性も低下する。そのため、含有する場合には、Nbは0.5%以下に限定することが好ましい。
Cuはオーステナイト安定化に寄与する元素であり、Alは溶接作業性を向上させる元素であり、Ca、REMは加工性向上に寄与する元素であり、必要に応じて選択して1種または2種以上含有できる。
Cuは、オーステナイト相を安定化する元素であり、極低温でもオーステナイト相を安定化させて、溶接金属(溶着金属)の極低温衝撃靭性を向上させる。このような効果を得るためには、0.01%以上含有することが好ましい。しかし、1.0%を超えて多量に含有すると、熱間延性が低下し、ワイヤの製造性が低下する。そのため、含有する場合には、Cuは1.0%以下に限定することが好ましい。
Alは、脱酸剤として作用し、溶融金属の粘性を高め、ビード形状を安定的に保持し、スパッタの発生を低減する重要な作用を有する。また、Alは、溶融金属の液相線温度を高め、溶接金属の高温割れ発生の抑制に寄与する。このような効果は、0.005%以上の含有で顕著となるため、0.005%以上含有することが好ましい。しかし、0.10%を超えて含有すると、溶融金属の粘性が高くなりすぎて、逆に、スパッタの増加や、ビードが広がらず融合不良などの欠陥が増加する。そのため、含有する場合には、Alは0.10%以下に限定することが好ましい。より好ましくは0.005〜0.04%である。
Caは、溶融金属中でSと結合し、高融点の硫化物CaSを形成する。CaSは、MnSよりも高融点であるため、ソリッドワイヤの熱間加工時に圧延方向に進展せずに球形を維持し,ソリッドワイヤの加工性向上に有利に作用する。このような効果は0.001%以上の含有で顕著となる。一方、0.01%を超えて含有すると、溶接時にアークに乱れが生じ、安定な溶接が困難となる。そのため、含有する場合には、Caは0.01%以下に限定することが好ましい。
REMは、強力な脱酸剤であり、溶接金属(溶着金属)中ではREM酸化物の形態で存在する。REM酸化物は凝固時の核生成サイトとなることで、結晶粒を微細化し、溶接金属(溶着金属)の強度の向上に寄与する。このような効果は0.001%以上の含有で顕著となる。しかし、0.02%を超えて含有すると、アークの安定性が低下する。そのため、含有する場合には、REMは0.02%以下に限定することが好ましい。
Moは、固溶強化により強度を向上させる元素であり、このような効果を得るためには0.5%以上含有することが望ましい。一方、3.5%を超えて含有すると、炭化物が析出し、熱間加工性が低下し、ワイヤの伸線加工など、ワイヤの製造性が低下する。そのため、含有する場合には、Moは3.5%以下に限定することが好ましい。
本発明ソリッドワイヤの製造は、上記した組成を有する溶鋼を用いる以外は、とくにその製造方法を限定する必要はなく、常用の溶接用ソリッドワイヤの製造方法がいずれも適用できる。例えば、上記した組成を有する溶鋼を、電気炉、真空溶解炉等の常用の溶製炉で溶製し、所定形状の鋳型等に鋳造し、鋼塊を得る鋳造工程と、得られた鋼塊を、所定温度に加熱する加熱工程と、加熱された鋼塊に、熱間圧延を施し、所定形状の鋼素材(棒状)を得る熱延工程と、を順次行い、ついで、得られた鋼素材(棒状)を複数回の冷間圧延(冷間伸線加工)と必要に応じて、焼鈍温度:1000〜1200℃とする焼鈍を施して、所望寸法のワイヤとする冷延工程を行うことで、本発明のソリッドワイヤを製造することができる。
前記溶接方法では、高Mn含有鋼材を、上記した組成を有する本発明ソリッドワイヤを溶接材料として、ガスメタルアーク溶接により、溶接金属を形成して接合する。ガスメタルアーク溶接は、「ガスシールドアーク溶接」とも称され、一般に、溶接材料(溶加材)を電極として用いる「溶極式(消耗電極式)」とタングステン等の非消耗電極を用いる「非消耗電極式」とに大別することができる。本発明ソリッドワイヤは、高強度高延性で優れた極低温衝撃靭性を達成する観点から、溶極式のガスメタルアーク溶接に用いることが好ましい。
溶接姿勢、予熱、溶接入熱量(電流、電圧、溶接速度)、シールドガス等の溶接条件は、常用のものをいずれも適用できる。
前記高Mn含有鋼材において、Mn以外の合金元素の組成や鋼材のサイズや形状等は、特に限定されず、所望する用途に適したものを採用することができるが、所望の高強度高延性および優れた極低温衝撃靭性を達成する観点から、高Mn含有鋼材が鋼板である場合の板厚は6mm以上が好ましく、10mm以上がより好ましく、40mm以下が好ましく、30mm以下がより好ましい。
[SFE+CR1/2]の下限値は、20であり、特に限定されないが、25以上であるのが好ましく、30以上であるのがより好ましい。[SFE+(冷却速度CR)1/2]が20未満となるようなCR(℃/s)では、冷却が遅く、デンドライトアームの粗大化を防止できないため、デンドライトアーム部分では凝固時の溶質元素の吐出量が多くなり、溶質元素が希薄な領域が拡大し、微視的なオーステナイトの安定性が確保できない。
[SFE+CR1/2]の上限値は、70であり、特に限定されないが、65以下であるのが好ましく、60以下であるのがより好ましい。[SFE+(冷却速度CR)1/2]が70超となるようなCR(℃/s)では、引張試験時の加工硬化能が低下し、所望の引張強さを満足できない。なお、ここでいう「SFE」は、巨視的なオーステナイトの安定度の指標として、上記した(1)式で定義されるものである。
本発明の溶接方法では、形成した溶接ビード(溶接部)を大気中で静置して放冷することで冷却するため、各パスにおける溶接入熱量を調節することで、1300〜1200℃の温度範囲の冷却速度CR(℃/s)を制御することができる。具体的には、上記式に当てはまる冷却速度となるような溶接入熱量を予め予備実験または稲垣の式から求めておき、その入熱量で溶接すればよい。
前記溶接は、表1に示す組成の溶鋼から製造した各ソリッドワイヤ(直径1.2mm)を電極として用いて、予熱なし、下向き姿勢で、パス間温度:100〜150℃、シールドガス:80%Ar+20%CO2、として、実施した。溶接時の温度履歴は、熱電対を用いて実測し、1300〜1200℃の温度範囲における冷却速度を算出した。
引張試験は、室温で、各3本の試験片にて実施し、得られた値(0.2%耐力、引張強さ、全伸び)の平均値を、当該ソリッドワイヤを用いた溶着金属の引張特性とした。また、シャルピー衝撃試験は、各3本の試験片にて実施し、試験温度:−196℃における吸収エネルギーvE-196を求め、その平均値を、当該ソリッドワイヤを用いた溶着金属の極低温衝撃靭性とした。なお、5mmサブサイズのシャルピー衝撃試験片(Vノッチ)については、得られた吸収エネルギーを1.5倍にした値を、極低温衝撃靭性として評価した。なお、脆性破面率は目視で求めた。
得られた結果を表2に示す。
Claims (8)
- 質量%で、
C :0.20〜0.80%、
Si:0.15〜0.90%、
Mn:15.0〜28.0%、
P :0.030%以下、
S :0.030%以下、
Ni:0.01〜10.0%、
Cr:0.4〜1.9%および
B :0.0010〜0.0050%
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ、
下記(1)式で定義されるSFEが17〜57(mJ/m2)を満足する組成を有することを特徴とするガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ。
記
SFE(mJ/m2)=−53+6.2Ni+0.7Cr+3.2Mn+9.3Mo ……(1)
ここで、Ni、Cr、Mn、Mo:各元素の含有量(質量%) - 前記組成が、さらに、質量%で、V:0.5%以下、Ti:0.5%以下、Nb:0.5%以下のうちから選ばれた1種または2種以上を合計で1.0%以下含有することを特徴とする請求項1に記載のガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- 前記組成が、さらに、質量%で、Cu:1.0%以下、Al:0.10%以下、Ca:0.01%以下およびREM:0.02%以下のうちから選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載のガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- 前記組成が、さらに、質量%で、Mo:3.5%以下を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- 高Mn含有鋼材を、ソリッドワイヤを用いたガスメタルアーク溶接により、溶接金属を形成して接合するガスメタルアーク溶接方法であって、
前記ソリッドワイヤが、質量%で、
C :0.20〜0.80%、
Si:0.15〜0.90%、
Mn:15.0〜28.0%、
P :0.030%以下、
S :0.030%以下、
Ni:0.01〜10.0%、
Cr:0.4〜1.9%および
B :0.0010〜0.0050%
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ、次(1)式
SFE(mJ/m2)=−53+6.2Ni+0.7Cr+3.2Mn+9.3Mo ……(1)
(ここで、Ni、Cr、Mn、Mo:各元素の含有量(質量%))
で定義されるSFEが17〜57(mJ/m2)を満足する組成を有し、
前記ガスメタルアーク溶接を、1300〜1200℃の温度範囲の冷却速度CR(℃/s)が[SFE+(冷却速度CR)1/2]:20〜70を満足するように調整することを特徴とする、ガスメタルアーク溶接方法。 - 前記ソリッドワイヤが、前記組成に加えてさらに、質量%で、V:0.5%以下、Ti:0.5%以下、Nb:0.5%以下のうちから選ばれた1種または2種以上を合計で1.0%以下含有することを特徴とする請求項5に記載のガスメタルアーク溶接方法。
- 前記ソリッドワイヤが、前記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:1.0%以下、Al:0.10%以下、Ca:0.01%以下およびREM:0.02%以下のうちから選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項5または6に記載のガスメタルアーク溶接方法。
- 前記ソリッドワイヤが、前記組成に加えてさらに、質量%で、Mo:3.5%以下含有することを特徴とする請求項5〜7のいずれかに記載のガスメタルアーク溶接方法。
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