WO2021201122A1 - 溶接構造体及び貯蔵タンク - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a welded structure, particularly a welded structure and a storage tank that are suitably applicable to a hot water storage tank for storing hot water and a beverage storage tank for storing beverages.
- the present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2020-064501 filed in Japan on March 31, 2020, the contents of which are incorporated herein by reference.
- Stainless steel is used as a material for hot water storage tanks that store hot water and beverage storage tanks that store beverages because of its excellent corrosion resistance in the water environment.
- the hot water to be stored includes, for example, tap water, well water, hot spring water, and the like, and the temperature ranges from room temperature to a little less than 100 ° C.
- Examples of the beverage to be stored include beverages containing fruit juice, various electrolytes, weak acids and the like, and having a relatively low pH.
- ferritic stainless steel and austenitic stainless steel have been used as stainless steels applicable to such applications.
- Patent Document 1 below describes a hot water container made of ferritic stainless steel.
- Patent Document 2 below describes a container for hot water in which the container wall is made of ferritic stainless steel and the material to be welded to the container is made of austenitic stainless steel.
- ferritic stainless steel and austenitic stainless steel have lower durability than two-phase stainless steel. Therefore, it is necessary to increase the wall thickness in order to have a predetermined strength, and there is a problem that the demand for thin wall weight reduction cannot be sufficiently met. Further, since austenitic stainless steel contains a large amount of relatively expensive alloy components, there is a problem that it is disadvantageous in terms of cost. On the other hand, duplex stainless steel has a relatively high proof stress, so that it can meet the demand for thin wall weight reduction, and since the content of expensive alloy components is relatively small, it is also advantageous in terms of cost.
- the ratio of the ferrite phase to the austenite phase is controlled to be approximately 1: 1 by heat treatment in order to ensure excellent corrosion resistance.
- the fraction of the ferrite phase in the weld metal becomes higher than that of the base metal when the weld metal is cooled from the molten state in a short time.
- the austenite phase having a large solid solution amount of N is reduced, and N is concentrated in the ferrite phase.
- the solid solution amount of N in the ferrite phase is very small, excess N exceeding the solid solution limit is bonded to Cr to precipitate Cr nitride.
- duplex stainless steel there is a problem that a Cr-deficient layer is formed in the weld metal, and as a result, the corrosion resistance of the weld metal and the weld heat-affected zone is lowered.
- the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a welded structure made of duplex stainless steel, which has excellent proof stress and also excellent corrosion resistance at a welded portion. Another object of the present invention is to provide a storage tank having such a welded structure.
- the welded structure according to one aspect of the present invention has the following requirements.
- the welded structure is a welded structure including a base material made of duplex stainless steel and a welded portion in which the base materials are welded to each other.
- the chemical components of the base material are, in mass%, C: 0.050% or less, Si: 0.03 to 5.00%, Mn: 0.01 to 8.00%, P: 0.070% or less, S: 0.0500% or less, Ni: 1.0 to 30.0%, Cr: 15.0 to 30.0%, Mo: 0.010 to 8.000%, Cu: 0.010 to 5.000 %, N: 0.050 to 0.800%, Al: 0 to 1.00%, Ti: 0 to 0.400%, Nb: 0 to 0.40%, V: 0 to 0.50%, W : 0 to 1.0%, Zr: 0 to 0.200%, Ta: 0 to 0.100%, Sn: 0 to 0.50%, Sb: 0 to 0.50%, Ga: 0 to 0.
- the base material may contain one or more selected from the following first group and second group.
- Group 1 By mass%, Al: 1.00% or less, Ti: 0.010 to 0.400%, Nb: 0.01-0.40%, V: 0.01-0.50%, W: 0.01-1.0%, Zr: 0.001 to 0.200%, Ta: 0.001 to 0.100%, Sn: 0.001 to 0.50%, Sb: 0.001 to 0.50%, and Ga: 0.001 to 0.50%.
- Group 2 By mass%, B: 0.0002 to 0.0050%, Ca: 0.0002 to 0.0050%, Mg: 0.0002 to 0.0050%, and REM: 0.001 to 0.10%.
- the proof stress of the base metal may be 500 MPa or more, and the proof stress of the welded portion may be 440 MPa or more.
- the welded structure according to any one of the above [1] to [3] may be used for a storage tank for hot water.
- the welded structure according to any one of the above [1] to [3] may be used for a storage tank for beverages.
- the storage tank according to another aspect of the present invention is a storage tank for liquids, and has the welded structure according to any one of [1] to [3].
- the liquid may be any one or more of water, beverages, hot water, and dairy products.
- the welded structure of the present embodiment includes a base material made of duplex stainless steel and a welded portion in which the base materials are welded to each other.
- the base material is, for example, a duplex stainless steel plate.
- the base material and the welded portion will be described.
- C 0.050% or less If C is contained in excess of 0.050%, Cr carbides are generated and the corrosion resistance is deteriorated. Therefore, in order to ensure the corrosion resistance of the base material, the C content is limited to 0.050% or less.
- the C content is preferably 0.030% or less.
- C is an element that forms austenite that constitutes a two-phase structure. Therefore, the C content is preferably 0.005% or more, more preferably 0.010% or more.
- Si 0.03 to 5.00% Si is contained in an amount of 0.03% or more for deoxidation.
- the Si content is preferably 0.10% or more, more preferably 0.30% or more. However, if Si is contained in excess of 5.00%, precipitation of the ⁇ phase is promoted. Therefore, the Si content is limited to 5.00% or less.
- the Si content is preferably 2.00% or less, more preferably 0.60% or less.
- Mn 0.01-8.00% Mn is contained in an amount of 0.01% or more as a deoxidizing material and an austenite stabilizing element for forming a two-phase structure.
- the Mn content is preferably 0.10% or more, more preferably 1.50% or more. However, if Mn is contained in excess of 8.00%, the corrosion resistance deteriorates. Therefore, the Mn content is limited to 8.00% or less.
- the Mn content is preferably 5.00% or less, more preferably 4.00% or less.
- the P content is limited to 0.070% or less.
- the P content is preferably 0.050% or less, more preferably 0.035% or less.
- the P content is preferably 0.005% or more.
- the S content is limited to 0.0500% or less.
- the S content is preferably 0.0100% or less, more preferably 0.0010% or less.
- the S content is preferably 0.0003% or more.
- Ni 1.0 to 30.0% Since Ni is contained in the passivation film of stainless steel, it has an effect of suppressing the occurrence of pitting corrosion when the Fe concentration of the passivation film is high and an effect of suppressing the progress of corrosion when corrosion occurs. .. If the Ni content is less than 1.0%, sufficient corrosion resistance cannot be obtained. Therefore, the Ni content is set to 1.0% or more. The Ni content is preferably 2.0% or more, more preferably 4.0% or more. On the other hand, if the Ni content exceeds 30.0%, the Cr concentration of the film is too low, and sufficient corrosion resistance cannot be obtained. Therefore, it is necessary to reduce the Ni content to 30.0% or less. The Ni content is preferably 15.0% or less, more preferably 10.0% or less, still more preferably 7.0% or less.
- the Cr content is preferably 18.0% or more, more preferably 20.0% or more, still more preferably 21.0% or more.
- the Cr content exceeds 30.0%, the Cr concentration in the passive film becomes high, and sufficient corrosion resistance cannot be obtained in an environment where the natural potential of the stainless steel is high.
- the precipitation of the ⁇ phase increases, and the corrosion resistance and hot manufacturability deteriorate. Therefore, it is necessary to reduce the Cr content to 30.0% or less.
- the Cr content is preferably 28.0% or less, more preferably 25.0% or less.
- Mo 0.010 to 8,000% Mo is an element that improves the corrosion resistance of the base material, and its effect is exhibited when it is contained in an amount of 0.010% or more. Therefore, the Mo content is 0.010% or more.
- the Mo content is preferably 0.050% or more, more preferably 1.000% or more.
- Mo content is 8,000% or less, preferably 4.000% or less, and more preferably 1.500% or less.
- the Cu content is 0.010% or more.
- the Cu content is preferably 0.050% or more, more preferably 0.200% or more.
- the Cu content is 5.000% or less, preferably 3.000% or less, and more preferably 0.500% or less.
- N 0.050 to 0.800% N is an effective element for enhancing corrosion resistance, and when N of 0.050% or more is contained, corrosion resistance is improved. Therefore, the N content is 0.050% or more.
- the N content is preferably 0.100% or more, more preferably 0.120% or more.
- the N content is 0.800% or less.
- the N content is preferably 0.300% or less, more preferably 0.180% or less.
- the base material contains any one or more alloying elements selected from the following first group and second group for the purpose of adjusting various properties of steel. You may be. However, since these elements do not have to be contained, the lower limit is 0%.
- Group 1 Mass%, Al: 1.00% or less, Ti: 0.010 to 0.400%, Nb: 0.01 to 0.40%, V: 0.01 to 0.50%, W : 0.01 to 1.0%, Zr: 0.001 to 0.200%, Ta: 0.001 to 0.100%, Sn: 0.001 to 0.50%, Sb: 0.001 to 0 .50% and Ga: 0.001 to 0.50%.
- Group 2 Mass%, B: 0.0002 to 0.0050%, Ca: 0.0002 to 0.0050%, Mg: 0.0002 to 0.0050%, and REM: 0.001 to 0. 10%.
- Al is useful as a deoxidizing element, but it should not be contained in a large amount because it deteriorates processability.
- the Al content should be limited to 1.00% or less.
- the preferred range of Al content is 0.50% or less.
- the Al content may be 0.01% or more.
- Ti, Nb, V, W, Zr, Ta, Sn, Sb, and Ga are elements that improve corrosion resistance, and may be contained alone or in combination of two or more in the following range.
- Ti and Nb have an action of fixing C and N as carbonitride to improve corrosion resistance, particularly an action of suppressing intergranular corrosion. Therefore, one or both of Ti and Nb may be contained. The effect is exhibited when the Ti content is 0.010% or more and the Nb content is 0.01% or more at least one of them. On the other hand, the effect is saturated even if it is contained excessively. Therefore, the Ti content is 0.400% or less, and the Nb content is 0.40% or less.
- the total content of Ti and Nb is preferably 5 times or more and 30 times or less of the total content of C and N. More preferably, the total content of Ti and Nb is 10 times or more and 25 times or less the total content of C and N.
- V and W are elements that improve corrosion resistance, particularly crevice corrosion resistance, and may be contained as necessary.
- the content of each of V and W is preferably 0.01% or more.
- the V content and W content are preferably 0.04% or more.
- the inclusion of an excessive amount of V or W saturates the effect of lowering the workability and improving the corrosion resistance. Therefore, the V content is set to 0.50% or less, and the W content is set to 1.0% or less.
- the V content is preferably 0.30% or less.
- the W content is preferably 0.6% or less, more preferably 0.5% or less.
- Zr 0 to 0.200%
- Ta 0 to 0.100%
- Zr and Ta are elements that improve corrosion resistance by modifying inclusions, and may be contained if necessary. Further, since Zr is stably present as an oxide in the passive film, it functions to strengthen the passive film. Since the effect is exhibited by the Zr content of 0.001% or more, the Zr content is preferably 0.001% or more. The Zr content is preferably 0.010% or more. On the other hand, when the Zr content exceeds 0.200%, defects due to agglutination of oxides frequently occur. Therefore, the Zr content is set to 0.200% or less. The Zr content is preferably 0.100% or less.
- the lower limit of the Ta content is preferably 0.001% or more.
- the Ta content is preferably 0.100% or less, more preferably 0.050% or less.
- the Ta content is preferably 0.020% or less.
- Sn and Sb are elements useful for improving corrosion resistance, and may be contained within a range that does not impair low cost. If the Sn or Sb content is less than 0.001%, the effect of improving the corrosion resistance is not exhibited. Therefore, it is preferable that the Sn and Sb contents are 0.001% or more.
- the respective contents of Sn and Sb are preferably 0.01% or more.
- the respective contents of Sn and Sb are set to 0.50% or less.
- the respective contents of Sn and Sb are preferably 0.30% or less.
- Ga 0 to 0.50% Ga is an element that contributes to the improvement of corrosion resistance and processability, and may be contained.
- the Ga content is preferably 0.001% or more.
- the Ga content is preferably 0.01% or more, more preferably 0.015% or more.
- the Ga content is set to 0.50% or less.
- the Ga content is preferably 0.30% or less.
- B, Ca, Mg, and REM are elements that improve hot workability, and one or more of them may be contained for that purpose. Since the effects of B, Ca, and Mg are exhibited at a content of 0.0002% or more, it is preferable that the contents of each of B, Ca, and Mg are 0.0002% or more. In the case of REM, the content is preferably 0.001% or more. The content of each of B, Ca and Mg is more preferably 0.0005% or more. The REM content is more preferably 0.005% or more.
- the content of each of B, Ca, and Mg is 0.0050% or less, and the REM content is 0.10% or less.
- the content of each of B, Ca and Mg is preferably 0.0015% or less.
- the REM content is preferably 0.03% or less.
- REM rare earth element
- Sc scandium
- Y yttrium
- Lu lutetium
- the REM content is the total amount of these elements.
- the balance other than the above-mentioned elements is Fe and impurities, but in addition to the above-described elements, the effect of the present embodiment is not impaired. Can be contained in.
- the ferrite phase fraction in the weld metal is in the range of 45 to 75% by volume.
- the weld metal begins to solidify in the ferrite phase and transforms into the austenite phase after it becomes a complete solid phase.
- the cooling rate is relatively high as in welding, a sufficient time for solid phase transformation cannot be obtained, so that the ratio of the austenite phase decreases and the ratio of the ferrite phase inevitably increases.
- it is difficult to obtain sufficient time for solid phase transformation during welding. It cures when there are many austenite phases.
- a ferrite phase having a volume fraction of 45% or more is required in the weld metal in order to maintain sufficient workability in the welded portion.
- the volume fraction of the ferrite phase is set to 75% or less.
- the amount of precipitate is important in addition to the ferrite phase volume fraction.
- Precipitates are the starting point for rust in duplex stainless steel welds. Therefore, when welding duplex stainless steel, welding conditions that suppress precipitation are often set, but in the welded structure of the present embodiment, Cr carbonitide is difficult to precipitate, and Cr carbonitide is difficult to precipitate. Even if a substance is precipitated, Cr diffusion proceeds and the Cr-deficient layer is detoxified at a time during which solid-phase transformation to the austenite phase is possible. Therefore, if the precipitate is less than 10%, it does not become a starting point of rust. Therefore, the amount of precipitates formed in the ferrite phase is set to less than 10% in terms of area ratio. Examples of the precipitate include Cr carbonitride.
- the hardness of the weld metal has a great influence on the strength of the welded structure.
- the weld metal generally contains minute defects and is difficult to detect, but when it affects the strength of the structure, the weld metal itself shows a large change in hardness as compared with the base metal. Therefore, the hardness of an arbitrary portion of the weld metal is measured, and the ratio of the hardness of the weld metal to the hardness of the base metal (hardness of the weld metal / hardness of the base metal) is set in the range of 0.8 to 1.2.
- the hardness ratio is preferably in the range of 0.9 to 1.1.
- the welded structure of the present embodiment preferably has a proof stress of a base material of 500 MPa or more.
- the proof stress of the welded portion (the proof stress of the welded joint containing the weld metal) is preferably 440 MPa or more.
- the yield strength of the base metal and the yield strength of the weld are measured by a tensile test.
- the tensile test is carried out under the conditions in accordance with JIS Z 2241: 2011.
- the welded structure of the present embodiment can be suitably used as a storage tank for hot water. Further, the welded structure of the present embodiment can be suitably used as a storage tank for beverages.
- Duplex stainless steel is easily assumed to have high yield strength and is hard to deform.
- the structure of the welded portion once melts and changes to a solidified structure, so that it becomes coarse and soft. That is, it is necessary to consider the deformation of the welded structure with the welded portion as a reference.
- Increasing the plate thickness is a countermeasure to increase the strength against deformation, but the increase in plate thickness is accompanied by an increase in weight. If the weight increases, the laying work cost and the transportation cost will increase, which will cause an economic disadvantage. Therefore, it is desirable to reduce the weight if possible. Therefore, the welded structure of the present embodiment in which the decrease in strength of the welded portion is small has excellent characteristics as a welded structure. Further, since the decrease in strength is suppressed by the structure control, the decrease in corrosion resistance can also be suppressed in duplex stainless steel.
- a storage tank from the welded structure of the present embodiment, for example, a end plate as a base material is manufactured by a molding process such as press working, and a tank body as a base material is manufactured and these are welded.
- This welded structure is used to manufacture a storage tank.
- the strength of the base material is high, so that the springback of the end plate is strong. Therefore, it becomes difficult to form a gap structure in the vicinity of the welded portion between the tank body and the end plate.
- the end of the end plate is overlapped with the end of the tank body to form a welded portion at the overlapped portion, but if the strength of the end plate is high, in the vicinity of the welded portion, The gap structure is less likely to be formed. Therefore, when a storage tank is manufactured using the welded structure of the present embodiment, crevice corrosion is less likely to occur, and corrosion resistance can be further improved.
- the storage tank of the present embodiment is a storage tank for liquids and has the welded structure of the present embodiment described above. It may consist of the welded structure of the present embodiment. It is exemplified that the storage tank of the present embodiment has a end plate and a body portion, and the end plate and the cylindrical body portion are joined by welding. The end plate and the body may be made of one stainless steel plate or two or more stainless steel plates joined by welding.
- the welded structure of the present embodiment can be manufactured by welding duplex stainless steel having the above-mentioned chemical composition according to predetermined welding conditions.
- arc welding such as TIG welding, MIG welding, MAG welding, and shielded metal arc welding can be applied.
- the welding material may or may not be used.
- a welding material is used, a commonly used duplex stainless steel welding material can be used.
- the chemical component of the welding material for example, Type2209, which is a two-phase stainless steel welding material manufactured by Nippon Steel Stainless Steel Corporation, can be used, but the welding material is not limited to this.
- the welding material may be a welding rod, a solid wire, or a flux-cored wire.
- Shield gas is used for welding.
- the shield gas any one of N 2 , Ar, Ar + O 2 , and He will be used.
- the hardness ratio of the weld metal and the amount of precipitates on the welded portion can be set in a preferable range.
- the shield gas is H 2 , it causes hydrogen embrittlement.
- the present embodiment shows an embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following configurations.
- the present invention may adopt various conditions as long as it does not deviate from the requirements of the present invention and achieves the object of the present invention.
- the underline in the table indicates that it is out of the scope of the present invention.
- Stainless steel having the chemical components shown in Tables 1 and 2 was melted and cast in a vacuum induction melting furnace. Then, the heat was equalized to 1200 ° C., and then hot forging was performed. It was hot rolled to a thickness of 6.0 mm and annealed and pickled. Then, it was cold-rolled to a thickness of 0.6 to 4.0 mm, further subjected to annealing, pickling, and electrolytic treatment. From the above, a stainless steel plate as a base material was manufactured.
- TIG welding or MIG welding was performed using the obtained stainless steel plate as a base material.
- Welding material was supplied by welding wire as needed.
- two stainless steel plates as a base material are prepared, and as the end face treatment of each, if the plate thickness is less than 1.5 mm, it remains cut, and if the plate thickness is 1.5 mm or more, V A welded joint was manufactured by providing a groove and performing associative welding by supplying a welding material with a welding wire as needed.
- the shield gas was as shown in Table 3, and the flow rate of the shield gas was adjusted so that the outside air did not come into contact with the welded portion.
- the weld metal shown here indicates a portion that has been melted and resolidified during welding, and indicates a region in which a continuous layered structure from the base metal portion is discontinuous when the etching treatment shown below is performed.
- the method for measuring the ferrite phase volume fraction in the weld metal, the hardness ratio, and the amount of precipitates in the weld metal was as follows.
- the weld metal was oxalic acid etched in accordance with JIS G 0571: 2003.
- the electrolytic current was 0.1 A per 1 cm 2.
- the hardness at any 10 points was carried out with a load of 100 gf using the Vickers hardness test, and the average value of 8 points excluding the minimum value and the maximum value was obtained.
- the yield strength of the base metal and the yield strength of the welded joint containing the weld metal were measured.
- the proof stress of the base metal and the proof stress of the welded part were measured by a tensile test and carried out under the conditions in accordance with JIS Z 2241: 2011.
- the yield strength of the welded part a JIS No. 13B test piece in which the welded part is arranged in the center of the parallel part of the test piece is prepared, and if the welded part is thicker than the base metal and is in a built-up state, it is ground.
- the cross-sectional area shape was made to match the parallel portion of the base metal.
- the proof stress of the base metal was 500 MPa or more, and the proof stress of the tensile test piece containing the weld metal was 440 MPa or more.
- the present invention example No. In 1 to 15 no rust was generated in the weld metal, and the proof stress of the base metal and the proof stress of the welded portion were also satisfactory values.
- Comparative Example No. In 16 to 36 rust was generated in the weld metal, and the proof stress of the welded portion was not a satisfactory value for some samples.
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Abstract
Description
本願は、2020年03月31日に、日本に出願された特願2020-064501号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
前記母材の化学成分が、質量%で、C:0.050%以下、Si:0.03~5.00%、Mn:0.01~8.00%、P:0.070%以下、S:0.0500%以下、Ni:1.0~30.0%、Cr:15.0~30.0%、Mo:0.010~8.000%、Cu:0.010~5.000%、N:0.050~0.800%、Al:0~1.00%、Ti:0~0.400%、Nb:0~0.40%、V:0~0.50%、W:0~1.0%、Zr:0~0.200%、Ta:0~0.100%、Sn:0~0.50%、Sb:0~0.50%、Ga:0~0.50%、B:0~0.0050%、Ca:0~0.0050%、Mg:0~0.0050%、及びREM:0~0.10%、を含有し、残部はFeおよび不純物であり、
前記溶接部の溶接金属の金属組織におけるフェライト相の体積率が45~75%であり、
前記母材の硬度に対する前記溶接金属の硬度の比が0.80~1.20であり、
前記溶接金属の前記フェライト相内に生成する析出物量が面積率で10%未満である。
[2]上記[1]に記載の溶接構造体は、前記母材が、以下の第1群及び第2群より選択される1種以上を含有してもよい。
第1群:質量%で、
Al:1.00%以下、
Ti:0.010~0.400%、
Nb:0.01~0.40%、
V:0.01~0.50%、
W:0.01~1.0%、
Zr:0.001~0.200%、
Ta:0.001~0.100%、
Sn:0.001~0.50%、
Sb:0.001~0.50%、及び
Ga:0.001~0.50%。
第2群:質量%で、
B:0.0002~0.0050%、
Ca:0.0002~0.0050%、
Mg:0.0002~0.0050%、及び
REM:0.001~0.10%。
[3]上記[1]または[2]に記載の溶接構造体は、前記母材の耐力が500MPa以上であり、前記溶接部の耐力が440MPa以上であってもよい。
[4]上記[1]~[3]のいずれか一項に記載の溶接構造体は、温水用の貯蔵タンク用であってもよい。
[5]上記[1]~[3]のいずれか一項に記載の溶接構造体は、飲料用の貯蔵タンク用であってもよい。
[6]本発明の別の態様に係る貯蔵タンクは、液体用の貯蔵タンクであって、[1]~[3]のいずれか一項に記載の溶接構造体を有する。
[7]上記[6]に記載の貯蔵タンクでは、前記液体が水、飲料、温水、及び乳製品のいずれか1つ以上であってもよい。
本実施形態の溶接構造体は、二相ステンレス鋼からなる母材と、母材同士が溶接された溶接部と、を備える。母材は例えば二相ステンレス鋼板である。
以下、母材及び溶接部について説明する。
二相ステンレス鋼の化学成分の含有量の限定範囲とその理由について説明する。鋼の成分を示す%については、特に断らない限り質量%を意味する。
0.050%を超えてCを含有させると、Cr炭化物が生成して、耐食性が劣化する。したがって、母材の耐食性を確保するため、C含有量を0.050%以下に制限する。C含有量は、好ましくは0.030%以下である。
一方で、Cは、二相組織を構成するオーステナイトを形成する元素である。このため、C含有量は、好ましくは0.005%以上であり、より好ましくは0.010%以上である。
Siは脱酸のため0.03%以上含有させる。Si含有量は、好ましくは0.10%以上であり、より好ましくは0.30%以上である。しかしながら、5.00%を超えてSiを含有させると、σ相の析出が促進される。そのため、Si含有量を5.00%以下に限定する。Si含有量は、好ましくは2.00%以下であり、より好ましくは0.60%以下である。
Mnは、脱酸材および二相組織にするためのオーステナイト安定化元素として、0.01%以上含有させる。Mn含有量は、好ましくは0.10%以上であり、より好ましくは1.50%以上である。しかしながら、8.00%を超えてMnを含有させると耐食性が劣化する。そのため、Mn含有量を8.00%以下に限定する。Mn含有量は、好ましくは5.00%以下であり、より好ましくは4.00%以下である。
Pは熱間加工性および靭性を劣化させるため、P含有量を0.070%以下に制限する。P含有量は、好ましくは0.050%以下であり、より好ましくは0.035%以下である。一方、P含有量は低い方が好ましいものの、過度にP含有量を低減させると精錬コストが高くなる。そのため、コストの観点では、P含有量は、好ましくは0.005%以上である。
Sは熱間加工性、靭性および耐食性を劣化させるため、S含有量を0.0500%以下に制限する。S含有量は、好ましくは0.0100%以下であり、より好ましくは0.0010%以下である。一方、S含有量は低い方が好ましいものの、過度にS含有量を低減させると原料コストと精錬コストが高くなる。そのため、コストの観点では、S含有量は、好ましくは0.0003%以上である。
Niは、ステンレス鋼の不働態皮膜に含有されることで、不働態皮膜のFe濃度が高い場合に孔食発生を抑制する効果と、腐食が生じた際の腐食進展を抑制する効果とを有する。Ni含有量が1.0%未満では、十分な耐食性を得ることが出来ない。そのため、Ni含有量を1.0%以上とする。Ni含有量は、好ましくは2.0%以上であり、より好ましくは4.0%以上である。
一方、Ni含有量が30.0%を超えると、皮膜のCr濃度が低下しすぎるため十分な耐食性を得ることが出来ない。よって、Ni含有量を30.0%以下にする必要がある。Ni含有量は、好ましくは15.0%以下であり、より好ましくは10.0%以下であり、更に好ましくは7.0%以下である。
Cr含有量が15.0%未満の場合、十分な耐食性を得ることが出来ない。従ってCr含有量を15.0%以上にする必要がある。Cr含有量は、好ましくは18.0%以上であり、より好ましくは20.0%以上であり、更に好ましくは21.0%以上である。
一方、Cr含有量が30.0%を超えると、不働態皮膜中のCr濃度が高くなりステンレス鋼の自然電位が高い環境で十分な耐食性を得ることが出来ない。またσ相の析出が多くなり、耐食性、熱間製造性が劣化する。従ってCr含有量を30.0%以下にする必要がある。Cr含有量は、好ましくは28.0%以下であり、より好ましくは25.0%以下である。
Moは、母材の耐食性を向上させる元素であり、0.010%以上の含有で効果が発揮される。このため、Mo含有量は、0.010%以上である。Mo含有量は、好ましくは0.050%以上であり、より好ましくは1.000%以上である。
一方、8.000%以下であればMoを含有してもよいが、Mo含有量が4.000%を超えると、熱間加工時にσ相が析出し易くなる。そのため、Mo含有量は、8.000%以下であり、好ましくは4.000%以下であり、より好ましくは1.500%以下である。
0.010%以上のCuを含有させると、腐食が生じた際の腐食進展を抑制する効果が得られる。このため、Cu含有量は、0.010%以上である。Cu含有量は、好ましくは0.050%以上であり、より好ましくは0.200%以上である。
一方、5.000%以下の量であればCuを含有してもよいが、Cu含有量が3.000%を超えると、鋳造時に割れが発生し易くなる。そのため、Cu含有量は、5.000%以下であり、好ましくは3.000%以下であり、より好ましくは0.500%以下である。
Nは耐食性を高める有効な元素であり、0.050%以上のNを含有させると、耐食性が向上する。このため、N含有量は、0.050%以上である。N含有量は、好ましくは0.100%以上であり、より好ましくは0.120%以上である。
一方、0.800%超のNを含有させると、鋳造時に気泡が発生し易くなる。そのため、N含有量は、0.800%以下である。N含有量は、好ましくは0.300%以下であり、より好ましくは0.180%以下である。
第2群:質量%で、B:0.0002~0.0050%、Ca:0.0002~0.0050%、Mg:0.0002~0.0050%、及びREM:0.001~0.10%。
Al:Alは脱酸元素として有用であるが、加工性を劣化させるため多量に含有させるべきではない。Al含有量を1.00%以下に制限するのがよい。Al含有量の好ましい範囲は、0.50%以下である。Al含有量は0.01%以上であってもよい。
Ti:0.010~0.400%、Nb:0.01~0.40%、V:0.01~0.50%、W:0.01~1.0%、Zr:0.001~0.200%、Ta:0.001~0.100%、Sn:0.001~0.50%、Sb:0.001~0.50%、Ga:0.001~0.50%。
Nb:0.01~0.40%
TiおよびNbは、C、Nを炭窒化物として固定して耐食性を向上させる作用、特に粒界腐食を抑制する作用を有する。このため、TiとNbの一方又は両方を含有させてもよい。Ti含有量が0.010%以上、Nb含有量が0.01%以上の少なくとも一方であれば、効果が発揮される。
一方、過剰に含有させても効果は飽和する。そのため、Ti含有量は0.400%以下、Nb含有量は0.40%以下とする。
Ti、Nbの適正な含有量としては、TiとNbとの合計含有量がCとNとの合計含有量の5倍以上かつ30倍以下がよい。より好ましくは、TiとNbとの合計含有量が、CとNとの合計含有量の10倍以上、25倍以下であるのがよい。
V、Wは、耐食性、特に耐すき間腐食性を改善する元素であり、必要に応じて含有してもよい。この効果を得る場合、V、Wのそれぞれの含有量を0.01%以上とすることが好ましい。V含有量、W含有量は、好ましくは0.04%以上である。
一方、VやWの過度の量の含有は、加工性を低下させ、かつ耐食性を向上させる効果も飽和する。そのため、V含有量を0.50%以下とし、W含有量を1.0%以下とする。V含有量は、好ましくは0.30%以下である。W含有量は、好ましくは0.6%以下、より好ましくは0.5%以下である。
Ta:0~0.100%
Zr、Taは、介在物の改質により耐食性を向上させる元素であり、必要に応じて含有してもよい。
また、Zrは不働態皮膜中に酸化物として安定して存在するため、不働態皮膜の強化に機能する。0.001%以上のZr含有によって効果が発揮されるため、Zr含有量を0.001%以上とすることが好ましい。Zr含有量は、好ましくは0.010%以上である。
一方、Zr含有量が0.200%超の場合、酸化物の凝集合体による疵が多発する。そのためZr含有量を0.200%以下とする。Zr含有量は、好ましくは、0.100%以下である。
また、Taは、0.001%以上の含有によって、効果が発揮されるので、Ta含有量の下限を0.001%以上とすることが好ましい。
一方、Ta含有量が0.100%超の場合、常温延性の低下や靭性の低下を招く。そのため、Ta含有量は、好ましくは0.100%以下であり、より好ましくは0.050%以下である。少量のTa含有量で効果を発現させる場合には、Ta含有量を0.020%以下とすることが好ましい。
Sb:0~0.50%
微量のSn又はSbを含有させると、耐食性が向上する。このため、Sn、Sbは、耐食性を向上させるのに有用な元素であり、廉価性を損なわない範囲で含有させてもよい。Sn又はSbの含有量が0.001%未満では、耐食性を向上させる効果は発現されないので、Sn、Sbのそれぞれの含有量を0.001%以上とすることが好ましい。Sn、Sbのそれぞれの含有量は、好ましくは0.01%以上である。
一方、Sn又はSbの含有量が0.50%を超えると、コスト増が顕在化すると共に加工性も低下する。そのため、Sn、Sbのそれぞれの含有量を0.50%以下とする。Sn、Sbのそれぞれの含有量は、好ましくは0.30%以下である。
Gaは、耐食性および加工性向上に寄与する元素であり、含有させてもよい。効果を得る場合、Ga含有量は、0.001%以上が好ましい。Ga含有量は、好ましくは0.01%以上、より好ましくは0.015%以上である。
一方、Ga含有量が0.50%を超えると、靭性が低下し製造性が著しく低下する。そのため、Ga含有量を0.50%以下とする。Ga含有量は、好ましくは0.30%以下である。
B:0~0.0050%
Ca:0~0.0050%
Mg:0~0.0050%
REM:0~0.10%
B、Ca、Mg、REMは、熱間加工性を改善する元素であり、その目的で1種または2種以上を含有させてもよい。B、Ca、Mgの効果は0.0002%以上の含有量で発現することから、B、Ca、Mgのそれぞれの含有量を0.0002%以上とすることが好ましい。REMの場合は、含有を0.001%以上とすることが好ましい。B、Ca、Mgのそれぞれの含有量は、より好ましくは0.0005%以上である。REM含有量は、より好ましくは0.005%以上である。
一方、いずれも過剰な量の含有は、逆に熱間加工性を低下させる。そのため、その含有量を次のように設定することが好ましい。すなわち、B、Ca、Mgのそれぞれの含有量は0.0050%以下であり、REM含有量は0.10%以下である。
B、Ca、Mgのそれぞれの含有量は、好ましくは0.0015%以下である。REM含有量は、好ましくは0.03%以下である。
次に、溶接部について説明する。溶接部には、溶融し再凝固した溶接金属と、溶融はしなかったものの、溶接時に熱影響を受けた熱影響部が形成される。以下、溶接部が含む溶接金属の組織について説明する。
溶接金属は、フェライト相にて凝固が始まり、完全に固相になってからオーステナイト相へ変態する。溶接のような比較的冷却速度が大きい場合には、固相変態に十分な時間が得られないことから、オーステナイト相の比率が低下しフェライト相の比率が必然的に高くなる。しかしながら、溶接中に固相変態の時間を十分に稼ぐことは難しい。オーステナイト相が多いと硬化する。本実施形態の溶接構造体では、溶接部に十分な加工性を保たせるために、溶接金属において体積率で45%以上のフェライト相が必要である。一方で、フェライト相中のC,Nの固溶限界濃度は低いので、フェライト相が多くなると炭窒化物が生成する。この場合、Cr炭窒化物が生成するとCr欠乏層が形成されるが、Cr欠乏層はさびの起点となるので問題となる。したがって、フェライト相の体積率は75%以下とする。
母材の耐力は、JIS 13号B試験片を作製し、n=2の試験を実施し、低い方の値を採用する。
溶接部の耐力は、試験片平行部の中心に溶接部を配置したJIS 13号B試験片を作製し、溶接部が母材よりも厚く肉盛り状態となっている場合は、研削して断面積形状を母材平行部と一致させる。n=2の試験を実施し、低い方の値を採用する。
また、本実施形態の溶接構造体は、飲料用の貯蔵タンクとして好適に用いることができる。
本実施形態の溶接構造体は、母材の強度が高いので、鏡板のスプリングバックが強くなっている。このため、タンク胴部と鏡板との間の溶接部近傍では、すき間構造が形成されにくくなる。すなわち、通常、タンクの製造する際は、タンク胴部の端部に、鏡板の端部を重ね合わせ、重なった部分において溶接部を形成するが、鏡板の強度が高いと、溶接部近傍において、すき間構造が形成されにくくなる。
従って、本実施形態の溶接構造体を用いて、貯蔵タンクを製造した場合、すきま腐食が発生しにくくなり、耐食性をより高めることができる。
本実施形態の貯蔵タンクは、液体用の貯蔵タンクであって、上述した本実施形態の溶接構造体を有する。本実施形態の溶接構造体からなっていてもよい。
本実施形態の貯蔵タンクは、鏡板と、胴部とを有し、鏡板と円筒状の胴部とが溶接により接合されてなることが例示される。鏡板、及び胴部は、それぞれ、1枚のステンレス鋼板からなる場合、2枚以上のステンレス鋼板が溶接により接合されてなる場合のいずれでもよい。
本実施形態の溶接構造体は、上述した化学成分を有する二相ステンレス鋼を、所定の溶接条件に従って溶接することで、製造することができる。
溶接方法としては、TIG溶接、MIG溶接、MAG溶接、被覆アーク溶接等のアーク溶接を適用できる。溶接材料は、使用してもよく、使用しなくてもよい。溶接材料を使用する場合は、二相ステンレス鋼溶接材料として一般に使用されているものを用いることができる。好ましくは、母材の化学成分に近い化学組成を有する溶接材料を選択するとよい。溶接材料の化学成分としては、例えば、日鉄ステンレス株式会社製の二相ステンレス鋼の溶接材料であるType2209といったものを用いることができるが、溶接材料はこれに限定されない。
溶接材料としては、溶接棒、ソリッドワイヤ、フラックス入りワイヤのいずれであってもよい。
これらのいずれかのシールドガスを用いることで、大気中の酸素を溶接時の溶融金属に懸濁することが抑制され微細分散した酸化物の生成を回避することが可能となり、母材の硬度に対する溶接金属の硬度比、溶接部の析出物量を好ましい範囲とすることができる。
これら以外のシールドガスを用いた場合には、母材の硬度に対する溶接金属の硬度比、溶接金属のフェライト相内の析出物量を好ましい範囲とすることができない。また、例えば、シールドガスをH2とした場合には、水素脆化の原因となる。
表中の下線は本発明の範囲から外れていることを示す。
Claims (7)
- 二相ステンレス鋼からなる母材と、前記母材同士が溶接されてなる溶接部と、を備えた溶接構造体であって、
前記母材の化学成分が、質量%で、
C:0.050%以下、
Si:0.03~5.00%、
Mn:0.01~8.00%、
P:0.070%以下、
S:0.0500%以下、
Ni:1.0~30.0%、
Cr:15.0~30.0%、
Mo:0.010~8.000%、
Cu:0.010~5.000%、
N :0.050~0.800%、
Al:0~1.00%、
Ti:0~0.400%、
Nb:0~0.40%、
V:0~0.50%、
W:0~1.0%、
Zr:0~0.200%、
Ta:0~0.100%、
Sn:0~0.50%、
Sb:0~0.50%、
Ga:0~0.50%、
B:0~0.0050%、
Ca:0~0.0050%、
Mg:0~0.0050%、及び
REM:0~0.10%、
を含有し、残部はFeおよび不純物であり、
前記溶接部の溶接金属の金属組織におけるフェライト相の体積率が45~75%であり、
前記母材の硬度に対する前記溶接金属の硬度の比が0.80~1.20であり、
前記溶接金属の前記フェライト相内に生成する析出物量が面積率で10%未満である、
溶接構造体。 - 前記母材が、以下の第1群及び第2群より選択される1種以上を含有する、
請求項1に記載の溶接構造体。
第1群:質量%で、
Al:1.00%以下、
Ti:0.010~0.400%、
Nb:0.01~0.40%、
V:0.01~0.50%、
W:0.01~1.0%、
Zr:0.001~0.200%、
Ta:0.001~0.100%、
Sn:0.001~0.50%、
Sb:0.001~0.50%、及び
Ga:0.001~0.50%。
第2群:質量%で、
B:0.0002~0.0050%、
Ca:0.0002~0.0050%、
Mg:0.0002~0.0050%、及び
REM:0.001~0.10%。 - 前記母材の耐力が500MPa以上であり、前記溶接部の耐力が440MPa以上である、
請求項1または請求項2に記載の溶接構造体。 - 温水用の貯蔵タンク用である、請求項1~請求項3のいずれか一項に記載の溶接構造体。
- 飲料用の貯蔵タンク用である、請求項1~請求項3のいずれか一項に記載の溶接構造体。
- 液体用の貯蔵タンクであって、請求項1~請求項3のいずれか一項に記載の溶接構造体を有する、貯蔵タンク。
- 前記液体が水、飲料、温水、及び、乳製品のいずれか1つ以上である、
請求項6に記載の貯蔵タンク。
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