JP2017131900A - ステンレス鋼フラックス入りワイヤ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ワイヤ全質量当たり、C:0.04質量%以下、Si:0.8質量%以下、Mn:0.5〜5.0質量%、Cu:3.0質量%以下、Ni:13〜33質量%、Cr:15〜29質量%、Mo:2.0〜6.0質量%、Nb:1.0質量%以下、及びN:0.08〜0.25質量%を含有し、さらに前記フラックス中に、ワイヤ全質量あたり、TiO2:4.0〜12.0質量%、SiO2:0.05〜3.0質量%、ZrO2:0.5〜5.0質量%、Al2O3:2.0質量%以下、Bi化合物についてBi換算値:0.01質量%以下、アルカリ金属化合物についてアルカリ金属換算値での合計:0.1〜2.0質量%、及びフッ化物についてフッ素換算値:0.1〜1.0質量%、を含有することを特徴とするステンレス鋼フラックス入りワイヤ。
【選択図】なし
Description
従来のステンレス鋼溶接材料は強度および衝撃性能の仕様を満足することができないため、5%Ni鋼の溶接に使用されることはほとんどなかった。
また、特許文献2では超伝導コイル用構造物に使用されるステンレス鋼用に極低温での衝撃性能に優れた極低温用ステンレス鋼被覆アーク溶接棒が開示されている。
すなわち、溶接金属がフェライト組織を含むオーステナイト・フェライトの二相組織となる場合、低温においてフェライト相が脆化し、著しく衝撃性能が劣化する。そこで、5%Ni鋼の溶接金属に要求される低温靱性を達成することを目的として、本発明では完全オーステナイト組織となるように溶接金属の化学成分の調整を行った。
一般的にスラグ系フラックス入りワイヤのスラグ剥離性を改善することを目的に添加されているBiもまた、低融点酸化物を生成し、高温割れ感受性を高めることが確認されたため、本発明においてはBiを可能な限り無添加とすることとした。
溶接金属の最終凝固域には合金元素が凝固偏析により濃化し、溶融金属の融点を下げて高温割れ感受性を高めると考えられる。本発明ではミクロ組織観察や熱力学シミュレーションを用いた検討を行い、合金元素の影響について調査した。
その結果、最終凝固域に凝固偏析するCや、Cr及びMoなどの合金元素の偏析を促進させる効果のあるSiの添加量を低めに抑えることにより、耐高温割れ性を有効に改善できることを見出した。
しかしながら、過剰な添加はMn自体の凝固偏析を促進させ、最終凝固域の融点低下を招き、逆に耐高温割れ性を劣化させる。そのため、本発明ではMnの含有量をより低めで適正な範囲に調整する必要があることを見出した。
[1] ステンレス鋼の外皮にフラックスが充填されたステンレス鋼フラックス入りワイヤであって、
ワイヤ全質量当たり、
C:0.04質量%以下、
Si:0.8質量%以下、
Mn:0.5〜5.0質量%、
Cu:3.0質量%以下、
Ni:13〜33質量%、
Cr:15〜29質量%、
Mo:2.0〜6.0質量%、
Nb:1.0質量%以下、及び
N:0.08〜0.25質量%を含有し、
さらに前記フラックス中に、ワイヤ全質量あたり、
TiO2:4.0〜12.0質量%、
SiO2:0.05〜3.0質量%、
ZrO2:0.5〜5.0質量%、
Al2O3:2.0質量%以下、
Bi化合物についてBi換算値:0.01質量%以下、
Na、K及びLiからなるアルカリ金属化合物についてアルカリ金属換算値での合計:0.1〜2.0質量%、及び
フッ化物についてフッ素換算値:0.1〜1.0質量%、を含有することを特徴とするステンレス鋼フラックス入りワイヤ。
[2] ワイヤに含まれる各成分の含有量が下記関係式を満たすことを特徴とする前記[1]に記載のステンレス鋼フラックス入りワイヤ。
A/B≧1.4
A=Ni+30×(C+N)+0.5×Mn+12.4
B=Cr+Mo+1.5×Si+0.5×Nb
さらに、スラグ形成剤として添加される酸化物および炭酸塩における、Ti、Si、Zr、Alの酸化物量を規定することで、全姿勢で平坦なビード形状が得られ、スラグ剥離性も良好となる。
本発明に係るフラックス入りワイヤは、ステンレス鋼の外皮にフラックスが充填されたステンレス鋼フラックス入りワイヤであって、ワイヤ全質量当たり、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、Nb及びNを所定量含有し、さらに前記フラックス中に、ワイヤ全質量あたり、TiO2、SiO2、ZrO2、Al2O3、Bi化合物、Na、K及びLiからなるアルカリ金属化合物、並びにフッ化物を所定量含有することを特徴とする。
以下、本発明に係るフラックス入りワイヤの各成分について、ワイヤ全質量あたりの含有量を説明する。
Cは溶接金属の引張強度を向上させる元素である一方で、溶接金属の最終凝固部に偏析し、融液の融点を低下させ、耐高温割れ性を劣化させる。そのため、ワイヤ全質量あたりの添加量を0.04質量%以下に抑制する。C含有量が0.04質量%を超えると高温割れ感受性が高まる。また、好ましくは0.03質量%以下である。また、Cは含まれていなくともよいが、強度の確保のため、0.01質量%以上含むことが好ましい。
Siも溶接金属の最終凝固部に偏析し、融液の融点を低下させ、耐高温割れ性を劣化させるため、0.8質量%以下に添加量を抑制する。Si含有量が0.8質量%を超えると凝固偏析が促進され、高温割れ感受性が高まる。また、好ましくは0.6質量%以下である。また、Siは含まれていなくともよいが、溶接金属の強度や低温靱性の確保、ブローホールの抑制等のため、0.2質量%以上含むことが好ましい。
Mnは脱酸効果により酸素系ガスによるブローホール(BH)を抑制する効果があるとともに、オーステナイト組織を安定化させる効果があるため添加する。Mn添加量が0.5質量%未満では十分な脱酸効果が得られない。一方、Mn含有量が5.0質量%を超えるとMnの溶接金属最終凝固域への凝固偏析が促進され、融液の融点を低下させ、高温割れが発生し易くなる。したがって、フラックス入りワイヤにおけるMn含有量は、ワイヤ全質量あたり0.5〜5.0質量%とする。また、好ましくは1.0質量%以上であり、好ましくは4.0質量%以下である。
Cuは、その含有量が3.0質量%を超えると耐高温割れ性を劣化させるため、ワイヤ全質量あたり3.0質量%以下とする。好ましくは2.5質量%以下である。下限は特に規定はなく、オーステナイト組織を安定化させるためにCuを添加しても良い。
Niはオーステナイト組織を安定化させるために添加する。Ni含有量が13質量%未満では、オーステナイト組織が不安定となる。一方、Ni含有量が33質量%を超えると、CやNの固溶度が低下し、BHが発生しやすくなる。したがって、フラックス入りワイヤにおけるNi含有量は、ワイヤ全質量あたり13〜33質量%とする。Ni含有量は、好ましくは14質量%以上である。また、好ましくは30質量%以下である。
Crは溶接金属の強度を向上させるとともにオーステナイト相を安定化させる効果がある。Cr含有量が15質量%未満では、十分な強度が得られない。一方、Cr含有量が29質量%を超えると、溶接金属の靱性が劣化するとともに、Crの凝固偏析が促進され、耐高温割れ性が劣化する。したがって、フラックス入りワイヤにおけるCr含有量は、ワイヤ全質量あたり15〜29質量%とする。Cr含有量は、好ましくは17質量%以上である。また、好ましくは27質量%以下である。
MoはCrと同じく、溶接金属の強度を向上させる効果がある。Mo含有量が2.0質量%未満では、十分な強度が得られない。一方、Mo含有量が6.0質量%を超えると、溶接金属の靱性が劣化するとともに、Moの凝固偏析が促進され、耐高温割れ性が劣化する。したがって、フラックス入りワイヤにおけるMo含有量は、ワイヤ全質量あたり2.0〜6.0質量%とする。Mo含有量は、好ましくは2.5質量%以上である。また、好ましくは5.0質量%以下である。
Nbは溶接金属の強度を向上させる効果があるので、添加しても良いが、1.0質量%を超えると耐高温割れ性を劣化させる。したがって、フラックス入りワイヤにおけるNb含有量は1.0質量%以下とする。好ましくは0.8質量%以下である。下限は特に規定はない。
Nは固溶強化元素であり、溶接金属の強度を向上させる効果がある。N含有量が0.08質量%未満では、十分な強度が得られない。一方、N含有量が0.25質量%を超えると、BHが発生し易くなる。したがって、フラックス入りワイヤにおけるN含有量は、ワイヤ全質量あたり0.08〜0.25質量%とする。N含有量は、好ましくは0.10質量%以上である。また、好ましくは0.20質量%以下である。
A/B≧1.4
A=Ni+30×(C+N)+0.5×Mn+12.4
B=Cr+Mo+1.5×Si+0.5×Nb
TiO2はスラグ形成剤の主成分であり、均一で被包性の良いスラグを形成し、アーク安定性を向上させる効果がある。また、TiO2の添加はスラグ融点を上げて全姿勢溶接でのビード形状を平坦にさせる効果もある。TiO2含有量が4.0質量%未満では、上記の効果が得られない。一方、TiO2含有量が12.0質量%を超えると、フラックスが非常に溶けにくくなり、フラックス柱が溶け残り、スラグ巻の発生の原因となる。したがって、フラックス中のTiO2含有量は、ワイヤ全質量あたり4.0〜12.0質量%とする。TiO2含有量は、好ましくは5.0質量%以上である。また、好ましくは10.0質量%以下である。
SiO2はスラグの粘性を高め、スラグ被りを均一にすることでスラグ剥離性を良好にする効果がある。SiO2含有量が0.05質量%未満では、上記効果が得られない。一方、SiO2含有量が3.0質量%を超えると、スラグの凝固温度が低下し、全姿勢で溶接金属が垂れやすくなる。したがって、フラックス中のSiO2含有量は、ワイヤ全質量あたり0.05〜3.0質量%とする。SiO2含有量は、好ましくは0.2質量%以上である。また、好ましくは2.0質量%以下である。
ZrO2はスラグ凝固を早め、立向姿勢および上向姿勢での平坦なビード形状が得られる効果がある。ZrO2含有量が0.5質量%未満では、上記の効果が十分に得られない。一方、ZrO2含有量が5.0質量%を超えると、スラグ被包性の劣化を招き、スラグ剥離性が著しく劣化する。したがって、フラックス中のZrO2含有量は、ワイヤ全質量あたり0.5〜5.0質量%とする。ZrO2含有量は、好ましくは1.0質量%以上である。また、好ましくは4.0質量%以下である。
Al2O3はスラグ剥離性の劣化を招く。したがって、フラックス中のAl2O3含有量は、ワイヤ全質量あたり2.0質量%以下とする。Al2O3含有量は、好ましくは1.5質量%以下である。なお、下限値は特に規定はないが、Al2O3は含有しない方が好ましい。
Na、K、Liなどのアルカリ金属はアーク安定性を向上させる効果がある。これらはフッ化物や複合酸化物として添加でき、Na、K及びLiからなるアルカリ金属化合物はアルカリ金属換算値での合計で0.1〜2.0質量%含むようにする。Na、K及びLiの合計が0.1質量%未満では、アーク安定性が劣化する。一方、2.0質量%を超えると、スラグ融点が低下し、全姿勢溶接でのビード形状が劣化する。したがって、フラックス中のNa、K及びLiの合計はアルカリ金属換算値で、ワイヤ全質量あたり0.1〜2.0質量%とする。Na、K及びLiの合計は、好ましくは1.5質量%以下である。
フッ素は水分由来の気孔欠陥を低減する効果がある。フッ化物についてのフッ素換算値が0.1質量%未満では、気孔欠陥の低減効果が得られない。一方、フッ化物についてのフッ素換算値が1.0質量%を超えると、アーク安定性が劣化する。したがって、フラックス中のフッ化物のフッ素換算値は、ワイヤ全質量あたり0.1〜1.0質量%とする。フッ化物のフッ素換算値は、好ましくは0.2%質量%以上である。また、好ましくは0.8質量%以下である。
Biは溶接金属の最終凝固域に偏析し、溶接金属の耐高温割れ性を劣化させる。したがって、Bi化合物の含有量は、ワイヤ全質量あたり、Bi換算値で0.01質量%以下とする。Bi化合物の含有量は、好ましくは、Bi換算値で0.001質量%以下である。なお、下限値は特に規定はないが、Bi化合物は含有しない方が好ましい。
その他、フラックスの残部はFeがフープ、Fe合金、添付にて添加されており、ワイヤ全質量あたり30〜65質量%となる。また、その他に不可避的不純物が含まれる。フラックス内の不可避的不純物の含有量は、ワイヤ全質量あたり1.0質量%以下が好ましく、0.5質量%以下がより好ましい。
フラックス入りワイヤ全体としての成分の残部は、不可避的不純物である。不可避的不純物としては、例えば、P、S、Co、V等が挙げられる。ワイヤ内の不可避的不純物の含有量は、ワイヤ全質量あたり1.0質量%以下が好ましく、0.5質量%以下がより好ましい。特に、P及びSは耐高温割れ性を改善させるために合計で0.040質量%以下とすることが好ましい。
Caはスラグ融点を低下させ、全姿勢の溶接作業性を劣化させる。Caを低減することで、さらにスラグ剥離性が良く、全姿勢で平坦なビード形状が得られる。したがって、Ca化合物の含有量は、ワイヤ全質量あたり、Ca換算値で1.0質量%以下とする。Ca化合物の含有量は、好ましくは、Ca換算値で0.5質量%以下である。なお、下限値は特に規定はないが、Ca化合物は含有しない方が好ましい。
Baはスラグ融点を低下させ、全姿勢の溶接作業性を劣化させる。Baを低減することで、さらにスラグ剥離性が良く、全姿勢で平坦なビード形状が得られる。したがって、Ba化合物の含有量は、ワイヤ全質量あたり、Ba換算値で1.0質量%以下とする。Ba化合物の含有量は、好ましくは、Ba換算値で0.5質量%以下である。なお、下限値は特に規定はないが、Ba化合物は含有しない方が好ましい。
中でもAr+CO2混合ガスを用いたガスシールドアーク溶接等に好適に用いることができる。
本発明に係るフラックス入りワイヤは、低温用途のステンレス鋼や5%Ni鋼等の溶接において使用されることが好ましい。該ワイヤを用いて溶接された溶接物の好ましい特性は以下のとおりである。
溶接物のAWS B4.0に準じた試験で得られる引張強度は570N/mm2以上であることが好ましく、600N/mm2以上であることがより好ましい。
(低温靱性)
溶接物の靱性は、AWS B4.0に準じた−196℃のシャルピー試験において、吸収エネルギーは27J以上が好ましく、34J以上がより好ましい。
(耐欠陥性)
溶接物のAWS A5.22のRT試験に準じた評価において、合格基準を満たすものが好ましく、直径0.8mm以上の欠陥数が0個かつ直径0.4mm以上0.8mm未満の欠陥数が10個以下であることがより好ましい。
(耐高温割れ性)
溶接直後のビード表面に浸透探傷試験を実施し、割れの有無を調査することで評価することができる。具体的には、FISCO割れ試験において、溶接電流180Aかつ溶接速度40cpmとした場合に割れが発生しないことが好ましく、溶接電流200Aかつ溶接速度40cpmとした場合に割れが発生しないことがより好ましい。
溶接時のアーク安定性は、移行形態がスプレー移行に近い溶滴移行でスパッタの比較的少ないものが好ましく、溶滴が小粒でスパッタの少ないスプレー移行がより好ましい。
(スラグ剥離性)
溶接後のスラグ剥離性は、軽くハンマーで叩く程度以下の力でスラグが剥離することが好ましく、自然剥離することがより好ましい。
(立向上進性)
立向上進溶接姿勢で溶接をする場合において、ビード形状がAWS A5.22に準じたすみ肉の判定基準を満たすことが好ましく、かつ、フラットなビード形状となることがより好ましい。
表1に記載の化学組成の外皮を用いて、表2に示す化学組成のフラックス入りワイヤを作製した。
得られたフラックス入りワイヤの線径はいずれも1.2mmであり、フラックス率は21〜34質量%であった。
なお、表1及び表2における化学組成は、ワイヤ全質量に対する質量%での表示である。また、「Bi」とはBi化合物についてのBi換算値、「F」とはフッ化物についてのフッ素換算値、「Na+K+Li」とは、Na、K及びLiからなるアルカリ金属化合物についてのアルカリ金属換算値での合計をそれぞれ表す。また「式A」とはワイヤに含まれる各成分の含有量のうち、[Ni+30×(C+N)+0.5×Mn+12.4]で表される値であり、「式B」とはワイヤに含まれる各成分の含有量のうち、[Cr+Mo+1.5×Si+0.5×Nb]で表される値である。
具体的には、溶接金属性能として、引張強度、低温靭性、耐欠陥性、及び耐高温割れ性について評価した。また、溶接作業性として、アーク安定性、スラグ剥離性、及び立向上溶接姿勢でのビード形状について評価した。
なお、溶接作業性は立向上進のすみ肉溶接で評価した。具体的には、シールドガスに80%Ar−20%CO2を用いて、溶接電流(150〜180A)、アーク電圧(24〜27V)にて溶接を行い、溶接作業性を評価した。
各評価の具体的方法は以下のとおりであり、評価結果を表3に示す。
溶接物のAWS B4.0に準じた試験により引張強度の評価を行った。引張強度が600N/mm2以上であれば評価を◎(極めて良好)とし、570N/mm2以上600N/mm2未満を○(良好)、570N/mm2未満を×(不良)とした。
(低温靱性)
AWS B4.0に準じた−196℃のシャルピー試験により低温靱性の評価を行った。吸収エネルギーが34J以上であれば評価を◎(極めて良好)とし、27J以上34J未満を○(良好)、27J未満を×(不良)とした。
(耐欠陥性)
AWS A5.22に準じたRT試験により耐欠陥性の評価を行った。合格基準を満たし、かつ直径0.8mm以上の欠陥数が0個、直径0.4mm以上0.8mm未満の欠陥数が10個以下であれば評価を◎(極めて良好)とし、合格基準を満たすものを○(良好)、合格基準を満たさないものを×(不良)とした。
(耐高温割れ性)
溶接直後のビード表面に浸透探傷試験を実施し、割れの有無を調査した。具体的には、FISCO割れ試験において、溶接電流200Aかつ溶接速度40cpmとした場合に割れが発生しなければ評価を◎(極めて良好)とし、溶接電流180Aかつ溶接速度40cpmとした場合に割れが発生しなければ○(良好)、溶接電流180Aかつ溶接速度40cpmとした場合に割れが発生したものを×(不良)とした。
溶接時のアーク安定性が、溶滴が小粒でスパッタの少ないスプレー移行であれば評価を◎(極めて良好)とし、移行形態がスプレー移行に近い溶滴移行でスパッタの比較的少ないものを○(良好)、グロビュラー移行となり、溶滴が大きく多量のスパッタが発生したものを×(不良)とした。(スラグ剥離性)
溶接後のスラグ剥離性は、スラグが自然剥離したものを◎(極めて良好)とし、軽くハンマーで叩くことで剥離したものを○(良好)、スラグがビード表面に焼付いて剥離しなかったものを×(不良)とした。
(立向上進性)
立向上進溶接姿勢で溶接を行った際の、AWS A5.22に準じたすみ肉の判定基準を満たし、かつフラットなビード形状となったものを◎(極めて良好)とし、該判定基準を満たしたものを○(良好)、該判定基準を満たさず、凸なビードとなったものを×(不良)とした。
Claims (2)
- ステンレス鋼の外皮にフラックスが充填されたステンレス鋼フラックス入りワイヤであって、
ワイヤ全質量当たり、
C:0.04質量%以下、
Si:0.8質量%以下、
Mn:0.5〜5.0質量%、
Cu:3.0質量%以下、
Ni:13〜33質量%、
Cr:15〜29質量%、
Mo:2.0〜6.0質量%、
Nb:1.0質量%以下、及び
N:0.08〜0.25質量%を含有し、
さらに前記フラックス中に、ワイヤ全質量あたり、
TiO2:4.0〜12.0質量%、
SiO2:0.05〜3.0質量%、
ZrO2:0.5〜5.0質量%、
Al2O3:2.0質量%以下、
Bi化合物についてBi換算値:0.01質量%以下、
Na、K及びLiからなるアルカリ金属化合物についてアルカリ金属換算値での合計:0.1〜2.0質量%、及び
フッ化物についてフッ素換算値:0.1〜1.0質量%、を含有することを特徴とするステンレス鋼フラックス入りワイヤ。 - ワイヤに含まれる各成分の含有量が下記関係式を満たすことを特徴とする請求項1に記載のステンレス鋼フラックス入りワイヤ。
A/B≧1.4
A=Ni+30×(C+N)+0.5×Mn+12.4
B=Cr+Mo+1.5×Si+0.5×Nb
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