(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、必須添加元素として、
Ｃ：０．００３〜０．０１５％、
Ｓｉ：０．１〜０．５％、
Ｃｒ：１４〜２１％、
Ｍｏ：１．０〜３．０％、
Ｗ：１．０〜３．０％、
Ｂ：０．００３〜０．００６％、
Ｃａ：０．０００３〜０．００１５％、及び、
Ｎｂ：０．３０〜２．０％を含み、
これに任意添加元素として、
Ｍｎ：１．０％以下、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｎ：０．１０％以下で含み得る、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる金属ワイヤであることを特徴とする高温環境下における耐久性に優れた溶接部を与え得るフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤ。
【請求項２】
前記任意添加元素として、更に、
Ｔｉ：０．４０％以下
を含むことを特徴とする請求項１記載のフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤ。
【請求項３】
前記任意添加元素として、更に、
Ａｌ：０．３０％以下、
Ｖ：０．４０％以下で少なくとも１種類以上を含むことを特徴とする請求項１又は２記載のフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェライト系ステンレス鋼用の溶接ワイヤに関し、特に、高温環境下における耐久性に優れた溶接部を与え得るフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
フェライト系ステンレス鋼は、オ−ステナイト系ステンレス鋼に比べて低価格であるとともに、熱膨張係数が低いため熱歪を抑制でき、且つ、耐高温酸化性にも優れることから、高温腐食ガス環境下で使用される自動車排気系部品に多く使用されている。例えば、エンジンからの排気ガスをまとめた上で排気管へ送るためのエキゾーストマニホールドや、触媒存在下で酸化還元反応を利用して排気ガスを浄化させるためのコンバータのケースなどが挙げられる。これら複雑形状を有する部品では、フェライト系ステンレス鋼からなる部材を溶接して組み立てている。
【０００３】
ところで、近年の環境問題への意識の高まりから、排気ガスをより浄化できる技術が求められている。例えば、エンジン始動直後の排気ガス分解触媒の活性度は低く、排気ガスを十分に分解できないため、排気ガスの温度を高温化させて触媒の活性度を素早く高め得る技術が提案されている。また、ガソリンエンジンの燃焼効率をより高めるということは、その排気ガスの温度をより上昇させることでもある。このような状況の中で、自動車排気系部品がより高温に曝されることとなる。特に、その溶接部では結晶粒が一定以上に粗大化すると機械強度が急激に低下してしまう。そこで、結晶粒をあらかじめ細かくして、高温環境下における耐久性に優れた溶接部を与え得る溶接ワイヤが提案された。
【０００４】
特許文献１では、溶接部において溶接ワイヤが溶融・凝固する過程で溶接金属中にＮｂ及びＴｉの炭窒化物を生成し、微細な結晶粒の溶接部を与えるフェライト系ステンレス鋼用フラックス入り溶接ワイヤを開示している。かかる溶接ワイヤは、ワイヤ全重量に対して、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０５％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｃｒ：１２〜２５％、Ｍｏ：０．２〜３．０％、Ａｌ：０．１０〜１．０％、Ｔｉ：０．１〜１．５％、Ｎｂ：０．３〜１．５％、Ｎ：０．００５〜０．０２％を含有する鋼からなり、（Ｔｉ＋Ｎｂ）／Ｃｒ：０．０３〜０．１５を満たし、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０２％以下に規制されることを述べている。
【０００５】
また、特許文献２では、Ｂ、Ｎｂ及びＣなどの所定の成分組成を与えて固液共存温度の幅を狭め、より多くの凝固核を形成させることで微細な結晶粒の溶接部を与えるフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤを開示している。かかる溶接ワイヤは、質量％で、Ｃ：０．１３％以下、Ｓｉ:１．５％以下、Ｍｎ：３％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１３〜２５％、Ｍｏ：０〜３％、Ｎｉ：０〜４％、Ｔｉ：０．０１〜０．８％、Ａｌ：０．００３〜０．４％、Ｎ：０．００４〜０．０４５％、Ｂ：０．１〜０．６％、並びにＮｂ：０．４〜２％及びＺｒ：０．４〜２％の一方または両方を含む鋼からなり、［（Ｎｂ＋Ｚｒ）／１６］％がＣの含有量以下であることを述べている
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２９３５９６
【特許文献２】特開２００３−２３１９５０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１及び２に開示の如き溶接ワイヤでは、溶接後にあっては微細な結晶粒の溶接部を与え高い機械強度を得られるが、結晶粒の粗大化を与えるような高い温度環境下において使用していると、徐々に機械強度が低下してしまう。
【０００８】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高温環境下における耐久性に優れた溶接部を与え得るフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、質量％で、必須添加元素として、Ｃ：０．００３〜０．０１５％、Ｓｉ：０．１〜０．５％、Ｃｒ：１４〜２１％、Ｍｏ：１．０〜３．０％、Ｗ：１．０〜３．０％、Ｂ：０．００３〜０．００６％、Ｃａ：０．０００３〜０．００１５％、及び、Ｎｂ：０．３０〜２．０％を含み、任意添加元素として、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎ：０．１０％以下で含み得る残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる金属ワイヤであることを特徴とする。
【００１０】
かかる発明によれば、高温環境下における耐久性に優れた溶接部を与え得るのである。
すなわち、溶接時においては、Ｂ炭化物を結晶粒界に生成させた微細な結晶粒の溶接部を与え得る。そして、従来の結晶粒の粗大化を与えるような高い温度環境下にあっても、Ｂ炭化物のピン止め効果により結晶粒の粗大化を抑制させ得るとともに、Ｎｂの固溶を促進させて固溶強化による高い機械強度を維持するのである。
【００１１】
上記した発明において、前記任意添加元素として、更に、Ｔｉ：０．４０％以下を含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、溶接時において、Ｎｂ炭窒化物の生成を抑制させて、高い温度環境下では、より多くのＮｂの固溶を促進させて固溶強化によるより高い機械強度の溶接部を与え得るのである。
【００１２】
上記した発明において、前記任意添加元素として、更に、Ａｌ：０．３０％以下、Ｖ：〜０．４０％以下で少なくとも１種類以上を含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、固溶元素の固溶を促進させて固溶強化による高い機械強度を維持するのである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】溶接ワイヤの成分組成を示す図である。
【図２】溶接ワイヤによる溶接部の加熱保持前後の高温引張強度を示す図である。
【図３】従来の溶接ワイヤによる溶接部のミクロ断面組織写真である。
【図４】実施例の溶接ワイヤによる溶接部のミクロ断面組織写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明による実施例及び比較例のフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの加熱保持前後の機械強度変化を試験した結果について説明する。
【００１５】
まず溶接ワイヤを製造した。真空誘導溶解炉を用いて図１に示す各成分組成の鋼塊１５０ｋｇを溶製し、長さ２ｍ、直径５５ｍｍの丸棒に熱間鍛造した。これを７８０℃で４時間熱処理し、圧延後、再度、同様の熱処理を与えた。続いて、丸棒を直径１．２ｍｍまで伸線加工し、巻き取って、溶接ワイヤとした。
【００１６】
上記した溶接ワイヤにより溶接を行って、ＪＩＳ  Ｚ  ３１１１溶着金属の引張及び衝撃試験方法に準拠し、その溶接部から溶接線方向に沿って試験片を切り出した（以下、これを「溶接まま試験片」と称する）。溶接条件は、溶接電流２００Ａ、アーク電圧２０Ｖ、溶接速度４５ｃｍ／分、シールドガス９８％Ａｒ２％Ｏ２、シールドガス流量２０ｌ／分とした。この溶接まま試験片の一部について、９００℃で高温引張試験を行った。また、残りの溶接まま試験片について、９００℃で５００時間保持しそのままの温度で高温引張試験を行った（以下、これを「加熱保持後試験片」と称する）。なお、以下においては、Ｗ１〜Ｗ１５の溶接ワイヤにより得られる溶接部に対応した試験結果等は、便宜的に対応するＷ１〜Ｗ１５の引用符により表示する。
【００１７】
図２に試験結果を示す。ここで加熱保持前後の機械強度の減少率（％）は、溶接まま試験片の引張強度Ｔ１と、加熱保持後試験片の引張強度Ｔ２とすると、
減少率（％）＝１００×（Ｔ１−Ｔ２）／Ｔ１
で計算された。図２に示すように、実施例Ｗ１〜１０の高温引張強度は、溶接ままで５９〜６５ＭＰａ程度、加熱保持後で３９〜４５ＭＰａ程度となり、減少率は３１〜３３％であった。
【００１８】
詳細には、従来の溶接ワイヤである比較例Ｗ１１では、加熱保持前後の引張強度の減少率は５９％と大きく、加熱保持前後で引張強度を維持できなかった。一方、Ｂを添加した実施例Ｗ１では、加熱保持前後の引張強度の減少率は３３％と小さく、加熱保持前後で引張強度を高く維持できた。
【００１９】
この減少率に大きく差が出た理由を探るため、加熱保持後の引張試験片の断面組織を観察した。図３に示すように、比較例Ｗ１１の断面組織では、粗大な結晶粒の粒界にＮｂの炭窒化物が観察された。一方、図４に示すように、実施例Ｗ１の断面組織では、粒界にＮｂの炭窒化物はほとんど観察されず、代わりにＢ炭窒化物が観察された。また、結晶粒径は比較例Ｗ１１と比較して、非常に小さかった。つまり、Ｂの添加により、Ｎｂ炭窒化物の粒界での析出が抑えられ、Ｂ炭窒化物が粒界で生成して結晶粒の成長が抑制されるとともに、Ｎｂの粒内への固溶が促進されたものと考える。
【００２０】
同様に、比較例Ｗ１２及び１３に対し、Ｂを添加した実施例Ｗ２〜４では、溶接ままの高温引張強度は小さいが、加熱保持前後の引張強度の減少率は３１〜３３％と小さく、加熱保持後の引張強度をより高くすることができた。実施例Ｗ２〜４では、比較例Ｗ１２及び１３と比べ、加熱保持によりＮｂの粒内への固溶がより促進されるものと考える。
【００２１】
次に、Ｔｉ及びＡｌを添加させた比較例Ｗ１４に対して、同様にＴｉやＡｌを添加させた上で、更にＢを添加した実施例Ｗ５〜７及びＷ９では、溶接ままの高温引張強度はやはり小さいが、減少率は３１〜３３％と小さく、引張強度を大幅に高く維持できた。つまり、Ｔｉ及びＡｌなど固溶強化を与える元素を添加しても、Ｂの添加なしでは引張強度を維持できず、Ｂを添加すると加熱保持により固溶元素の粒内への固溶がより促進されるものと考える。
【００２２】
次に、Ｔｉ、Ａｌ及びＶを添加させた比較例Ｗ１５に対して、これにＢを添加した実施例Ｗ１０では、減少率は３１％と小さく、引張強度を大幅に高く維持できた。また、Ｔｉ及びＶを添加させた上で、更にＢを添加した実施例Ｗ８でも、減少率は３２％と小さく、引張強度を高く維持できた。つまり、上記同様、固溶強化を与える元素を添加しても、Ｂの添加なしでは引張強度を維持できず、Ｂを添加すると加熱保持により固溶元素の粒内への固溶がより促進されるものと考える。このように、Ｔｉ、Ａｌ及びＶのいずれか１以上を添加するとともに、Ｂを添加することで、引張強度を高く維持できる。
【００２３】
次に、上記した実施例を得るにあたり、また実施例の結果から、フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤとしての上記した所定の効果を与える必須添加元素の成分範囲について、以下を定めた。
【００２４】
Ｃを添加すると、ＢやＮｂなどの炭化物生成元素との間で炭化物や炭窒化物を生成させる。本発明では、上記したようにＢの炭窒化物をＮｂの炭窒化物よりも溶接時に優先的に結晶粒界に析出させるように一定量を添加しなければならない。その一方で、過剰に添加すると、オーステナイトやマルテンサイト組織を形成してフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの与える溶接部に必要とされる機械強度の低下をもたらす。そこで、Ｃの添加量は、０．００３〜０．０１５％とした。
【００２５】
Ｂを添加すると、Ｃと炭化物を生成させて本発明の効果を与える。これについては上記したＣの添加の欄で述べたので、省略する。その一方で、過剰に添加すると、フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの与える溶接部に必要とされる靱性を損なう。そこで、Ｂの添加量は、０．００３〜０．００６％とした。
【００２６】
Ｓｉを添加すると、耐高温酸化性を向上させる。一方で、過剰に添加するとＭｏの固溶を抑制させて、フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの与える溶接部に必要とされる機械強度を損なう。そこで、Ｓｉの添加量は、０．１〜０．５％とした。
【００２７】
Ｃｒを添加すると、耐食性を向上させる。一方で、過剰に添加するとフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの与える溶接部に必要とされる靱性を損なう。そこで、Ｃｒの添加量は、１４〜２１％とした。
【００２８】
Ｍｏを添加すると、固溶強化により機械強度を向上させる。一方で、過剰に添加すると、フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの与える溶接部に必要とされる延性を損なう。そこで、Ｍｏの添加量は、１．０〜３．０％とした。
【００２９】
Ｗを添加すると、固溶強化により機械強度を向上させる。一方で、過剰に添加すると、フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの与える溶接部に必要とされる延性を損なう。そこで、Ｗの添加量は、１．０〜３．０％とした。
【００３０】
Ｃａを添加すると、溶製時の脱酸及び脱窒を与える。一方で、過剰に添加すると、溶接時のアークが不安定となり、溶接性を損なう。そこで、Ｃａの添加量は、０．０００３〜０．００１５％とした。
【００３１】
Ｎｂを添加すると、固溶強化により機械強度を向上させる。また、粒界でＣｒ炭化物生成により鋭敏化を抑制させる。一方で、過剰に添加すると、フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの与える溶接部に必要とされる靱性を損なう。そこで、Ｎｂの添加量は、０．３０〜２．０％とした。
【００３２】
次に、任意添加元素の成分範囲を定めた指針について以下に述べる。
【００３３】
Ｍｎを過剰に含有させると、硫化物を生成し、フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの与える溶接部に必要とされる靱性を損なう。そこで、Ｍｎ量は、１．０％以下とした。
【００３４】
Ｐを過剰に含有させると、溶接時に割れを引き起こし易くなり、フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの与える溶接部に必要とされる靱性を損なう。そこで、Ｐ量は、０．０３％以下とした。
【００３５】
Ｓを過剰に含有させると、溶接時に割れを引き起こし易くなり、フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの与える溶接部に必要とされる靱性を損なう。そこで、Ｓ量は、０．０１％以下とした。
【００３６】
Ｎを過剰に含有させると、鋭敏化、高温脆性化を引き起こし、フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの与える溶接部に必要とされる耐食性、機械強度を損なう。そこで、Ｎ量は、０．１０％以下とした。
【００３７】
Ｔｉを添加すると、Ｔｉ窒化物を生成し、Ｎｂ窒化物の発生を抑制してＮｂによる固溶強化を促進させる。一方で、過剰に添加すると、フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの与える溶接部に必要とされる溶接性を損なう。そこで、Ｔｉの添加量は、０．１０〜０．４０％とした。
【００３８】
Ａｌを添加すると、固溶強化により機械強度を向上させるとともに、耐高温酸化性を向上させる。一方で、過剰に添加すると、フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの与える溶接部に必要とされる靱性を損なう。そこで、Ａｌの添加量は、０．１０〜０．３０％とした。
【００３９】
Ｖを添加すると、固溶強化により機械強度を向上させる。一方で、過剰に添加すると、フェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの与える溶接部に必要とされる延性を損なう。そこで、Ｖの添加量は、０．１０〜０．４０％とした。
【００４０】
ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく変形例について説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではない。当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるだろう。
【図２】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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