(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接金属が、質量％にて、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％を含み、残部がＦｅおよび不純物からなるフェライト系ステンレス鋼であることを特徴とする溶接構造物。
【請求項２】
溶接金属が、質量％にて、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：0.1〜４％、Ｔｉ：0.01〜0.8％、Ａｌ：0.003〜0.4％、Ｎ：0.004〜0.045％、ならびにＮｂ：0.4〜２％およびＺｒ：0.4〜２％の一方または両方を含み、かつ［（Ｎｂ＋Ｚｒ）／16］％がＣの含有量以下であり、残部がＦｅおよび不純物からなるフェライト系ステンレス鋼であることを特徴とする溶接構造物。
【請求項３】
溶接金属が、質量％にて、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：0.1〜４％、Ｔｉ：0.01〜0.8％、Ａｌ：0.003〜0.4％、Ｎ：0.004〜0.045％、Ｂ：0.1〜0.6％、ならびにＮｂ：0.4〜２％およびＺｒ：0.4〜２％の一方または両方を含み、かつ［（Ｎｂ＋Ｚｒ）／16］％がＣの含有量以下であり、残部がＦｅおよび不純物からなるフェライト系ステンレス鋼であることを特徴とする溶接構造物。
【請求項４】
４0kJ／cm以上の大入熱で溶接した溶接構造物であって、溶接金属の0℃の衝撃値が20J／cm２以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかの溶接構造物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、溶接金属がフェライト系ステンレス鋼である、溶接部によって一体化され形成される部品、容器、装置等の溶接構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼と同じ耐食性を示す環境下で適用されるとき、Ｎｉが少ない分経済的であり、また応力腐食割れに対して高い抵抗性を持っている。しかし、溶接構造物として使用する場合、溶接部の溶接金属の靱性が低い難点があり、とくに厚肉材への適用にはこれが大きな障害になって、フェライト系ステンレス鋼は薄板材として用いられることにとどまっている。
【０００３】
溶接部の靱性が低い理由は、溶接金属が粗大結晶粒組織になるためであることはよく知られている。これはＣｒ含有量が増すとオーステナイト相が生じなくなり、凝固点から常温までフェライト相のみの一相で変態がなく、粒成長はあっても再結晶などによる結晶粒微細化は生じないからである。
【０００４】
これに対し、フェライト系ステンレス鋼の溶接金属の結晶組織を微細化し、溶接部の靱性を改善しようとする試みがいくつかなされている。たとえば、特開平9-225680号公報に開示されたフェライト系ステンレス鋼の溶接ワイヤの発明は、鋼組成中にＡｌを0.005〜0.5％およびＭｇを0.001〜0.05％含有させる。これにより、溶接時に溶融池内で微細な酸化物が形成され、溶接金属組織の微細化が達成できるとしている。
【０００５】
また、特開平11-256285号公報には、Ｍｇを0.0005〜0.01％含有させることにより、溶接部および溶接熱影響部にて、最大径が0.01〜5μmであるＭｇを含有する酸化物粒子が任意断面観察で1個／mm２以上の密度で含まれるようにした、フェライト系ステンレス鋼薄鋼板の発明が開示されている。
【０００６】
さらに特開2001-254153号公報では、上記のＭｇに加えてＴｉを0.01〜0.8％またはＡｌを0.005〜0.2％添加して、この微細に分散したＭｇ酸化物粒子に複合させ、最大径が0.01〜5μmの酸化物粒子を3個／mm２以上の分布密度で含有させた、溶接性にすぐれたフェライト系ステンレス鋼の発明を開示している。
【０００７】
特開2001-219291号公報では、溶接金属が粒子径0.5μm以上のＴｉおよびＡｌの窒化物または酸化物を250個／mm２以上の密度で含有する、フェライト系ステンレス鋼の溶接部の発明を開示している。溶接金属にはＴｉおよび（または）Ａｌが0.05〜0.3％含有されるが、これら成分は母材または溶加材から供給され、母材、溶加材あるいはシールドガスからの酸素および窒素により上述の酸化物および窒化物が形成される。
【０００８】
これらの方法は、いずれも酸化物や窒化物の微細粒子を溶接金属中に存在させることにより、これが溶接溶融部の凝固核となって凝固組織を微細化させ、さらに凝固後または母材中では、この粒子の粒界移動ピニング効果により粒成長が抑止され、溶接部分の組織微細化を得ると考えている。
【０００９】
しかしながら上述の発明の方法は、主として板厚の薄い鋼板が対象になっていて、いずれも入熱が15kJ／cm以下の低い溶接熱入力の溶接部に関するものであり、板厚の厚い大入熱溶接が対象の場合、どの程度の効果が得られるのか明らかでない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、溶接金属がフェライト系ステンレス鋼である溶接構造物の溶接部において、40kJ／cm以上の大入熱溶接を用いた際の、靱性および耐溶接割れ性を改善した溶接金属の提供にある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らはより板厚の厚いフェライト系ステンレス鋼を溶接する際、溶接の施工効率を増すために入熱を大きくすると、高温割れが生じやすく溶接金属の靱性が劣ることに対し、これを改善すべく種々検討をおこなった。
【００１２】
まず、酸化物や窒化物の粒子分散による組織の微細化を試みたが、大入熱溶接では必ずしも有効でなかった。これは溶融時の温度勾配が小さいため、酸化物や窒化物が有効な凝固核にならないからではないかと思われた。
【００１３】
さらに検討を進める中で、一つの対処法になると考えられたのは、Ｂを多く含有する原子炉用のオーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工方法の改善である。この鋼はＢを多く含むため、熱間圧延の過程で側面に耳割れを生じやすく、圧延の歩留まりがよくない。これに対して、Ｂ含有オーステナイト系ステンレス鋼片の側面にＢを含むフェライト系ステンレス鋼を肉盛り溶接し、熱間圧延をおこなうと耳割れが抑止できる。この発明は、特開2001-239364号公報に開示されている。
【００１４】
上述の方法の開発過程で、施工速度を増すために大入熱の肉盛溶接をおこない、その溶着金属を調べていたところ、Ｂを多く含むフェライト系ステンレス鋼の溶着金属が、溶接高温割れを生じ難いばかりでなく、微細な結晶組織になっていることがわかった。溶接金属の微細化が可能になればフェライト系ステンレス鋼の厚肉材に対する大入熱溶接が可能になる。
【００１５】
Ｂ含有により凝固時の結晶組織が微細化する理由は、少量の含有で液相線と固相線との温度幅が小さくなり、そして融点が低下するためと推測された。これは凝固開始からわずかな温度低下で固相線温度に達するので、液相中に多数の凝固核発生しやすくなり、融点の低下はこれらの核の成長を抑止し、結果として凝固組織が微細になると考えられる。また、高温割れは、凝固後期の残存した液膜に熱応力が作用して生じるとされているが、固液共存温度幅の減少は、この液膜の残存量を減じ、高温割れを減少させるのではないかと思われる。
【００１６】
このＢと同様な、固液共存温度幅減少の効果をもたらす添加元素を、さらに種々調べてみると、ＮｂまたはＺｒが有効であり、その場合、Ｃが共に含有されている必要があることもわかった。ＮｂＣまたはＺｒＣとの共晶により固液共存温度幅が減少するものと思われる。これに対しＢ含有の場合、Ｃｒ、ＦｅおよびＢの共晶関係が有効に作用しており、その効果はＣ量には影響されない。
【００１７】
固液共存温度幅減少による溶接金属の細粒化は、同時に酸化物や窒化物の微細粒子が存在することにより、さらに一層確実にすることができる。これは、このような微細粒子は凝固の核にもなり得るので、固液共存温度幅減少と組み合わせることによって、細粒化の効果がより促進されると考えられる。
【００１８】
以上のような知見に基づき、通常のJIS規格にて規制されるフェライト系ステンレス鋼の厚さ10mm以上の鋼板を用い、溶接入熱が40kJ／cmを超える溶接部を対象に、溶接金属の組成と溶接欠陥や靱性を種々調査した。その結果、溶接金属にＴｉおよびＡｌを含有させ、これにＢ、またはＮｂとＺｒの一方、もしくは両方を含有させることにより、溶接金属の結晶組織が微細化され、欠陥のない靱性のすぐれた溶接部が得られることが明らかになった。
【００１９】
上述の結果から、さらにそれぞれの組成の限界を明確にし、本発明を完成させた。本発明の要旨は次のとおりである。
【００２０】
(1) 溶接金属が、質量％にて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％を含み、残部がＦｅおよび不純物からなるフェライト系ステンレス鋼であることを特徴とする溶接構造物。
【００２１】
(2)溶接金属が、質量％にて、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：0.1〜４％、Ｔｉ：0.01〜0.8％、Ａｌ：0.003〜0.4％、Ｎ：0.004〜0.045％、ならびにＮｂ：0.4〜２％およびＺｒ：0.4〜２％の一方または両方を含み、かつ［（Ｎｂ＋Ｚｒ）／16］％がＣの含有量以下であり、残部がＦｅおよび不純物からなるフェライト系ステンレス鋼であることを特徴とする溶接構造物。
【００２２】
(3)溶接金属が、質量％にて、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：0.1〜４％、Ｔｉ：0.01〜0.8％、Ａｌ：0.003〜0.4％、Ｎ：0.004〜0.045％、Ｂ：0.1〜0.6％、ならびにＮｂ：0.4〜２％およびＺｒ：0.4〜２％の一方または両方を含み、かつ［（Ｎｂ＋Ｚｒ）／16］％がＣの含有量以下であり、残部がＦｅおよび不純物からなるフェライト系ステンレス鋼であることを特徴とする溶接構造物。
【００２３】
(4)40kJ／cm以上の大入熱で溶接した溶接構造物であって、溶接金属の０℃の衝撃値が20J／cm２以上であることを特徴とする上記(1)から(3)までのいずれかの溶接構造物。
【００２４】
【発明の実施の形態】
溶接金属の組成は、溶融した母材組成と溶着した溶加材組成とが混合し、これにフラックスや雰囲気などとの接触による成分の増減が加わって定まる。本発明の溶接構造物の母材は、フェライト系ステンレス鋼鋼材が好ましいが、一般の鋼材あるいは、その他のステンレス鋼鋼材であってもよい。ここでは溶接金属の組成を、溶接中に溶融凝固した金属部分全体の平均値とするが、局所的に本発明にて規制する範囲から外れていてもよい。その平均組成を、質量％にて以下のように限定する。
【００２５】
Ｃ：0.13％以下
ＣはＣｒと結合して炭化物を形成し、靱性を低下させ耐食性を劣化させるので、少なければ少ないほどよい。Ｃ量が増加すると炭化物が増し、溶接金属の耐食性および靱性を大きく低下させるので、0.13％以下とする。ただし、ＮｂまたはＺｒを含有させるときは、固液共存温度幅低減による溶接金属の結晶粒微細化を得るため、［（Ｎｂ＋Ｚｒ）／16］％を超える量含有している必要がある。
【００２６】
Ｓｉ：1.5％以下
Ｓｉは、脱酸のため鋼に添加され、その結果として含有されるが、溶接金属を脆化させるので、少なければ少ないほどよい。大きな影響を及ぼさない範囲として、多くても1.5％以下とするのがよい。
【００２７】
Ｍｎ：3％以下
Ｍｎは、鋼の原料から混入してくるが、耐食性を悪くし、溶接母材や溶加材の加工性を低下させるので低いほど好ましい。大きな影響を及ぼさない範囲として上限を3％とする。
【００２８】
Ｐ：0.04％以下
鋼の不純物として混入してくるＰは、靱性を低下させるので低いほどよい。悪影響が大きくない範囲として0.04％以下とする。
【００２９】
Ｓ：0.01％以下
Ｓは鋼の不純物として混入してくるが、靱性を低下させ、耐食性を劣化させるので少なければ少ないほどよい。このような悪影響が顕著でない範囲として0.01％以下とする。
【００３０】
Ｃｒ：13〜25％
Ｃｒはステンレス鋼の耐食性をもたらす必須含有元素である。13％未満ではステンレス鋼としての耐食性が不十分となり、25％を超えると靱性が低下するので13〜25％の範囲で含有させる。
【００３１】
Ｍｏ：0〜4％
Ｍｏは含有させなくてもよいが、炭化物生成の抑止や孔食腐食の防止効果があり、必要により含有させる。含有させる場合、その効果を得るためには0.05％以上が望ましい。しかし、多く含有しすぎると靱性が低下してくるので、多くても4％までとする。
【００３２】
Ｎｉ：0〜4％
Ｎｉは含有させなくてもよいが、靭性の向上や耐食性向上の効果があり、本発明の溶接金属には含有させるのが望ましい。このような効果を得るためには、少なくとも0.1％以上含有させるとよい。しかし、多く含有しすぎると、オーステナイト相が残る傾向があり、炭化物が形成されやすくなるので、4％以下の範囲とする。
【００３３】
Ａｌ：0.003〜0.4％
Ａｌは鋼製造の際の脱酸剤として添加される。また、溶接時溶融金属中に微細な酸化物を形成し、溶接金属の細粒化に有効である。このような効果を得るには0.003％以上の含有が必要であるが、多くなりすぎると靱性を低下させるので、0.4％までとする。
【００３４】
Ｔｉ：0.01〜0.8％
Ｔｉは溶接時溶融金属中にてＴｉＮを形成し、さらにＡｌの酸化物と結合してフェライトの結晶と整合する微細なＡｌ-Ｏ-Ｔｉ-Ｎ複合粒子となり、これが凝固核になって溶接金属の結晶粒を細かくする作用がある。このような効果を得るためには、少なくとも0.01％の含有が必要である。しかし、多く含有しすぎると鋼の加工性を悪くするので、多くても0.8％までとする。
【００３５】
Ｎ：0.004〜0.045％
Ｎは上記のようにＴｉと結合して微細粒子を形成し、溶接金属の結晶粒を小さくする作用がある。このような効果を得るためには、0.004％以上の含有が必要である。しかし多く含有しすぎると溶接部の靱性を低下させるので、0.045％までとする。
【００３６】
Ｏ（酸素）：0.1％以下
鋼の不純物であり、加工性および靱性を低下させる点からは、酸素は少ないほどよい。しかし、溶接時フラックスや雰囲気からの混入は避け難く、ＡｌやＴｉと結合して溶接金属の結晶を細かくする作用があるので、0.01％以上の含有が好ましい。だだし、Ｏが過剰に含まれると靱性に影響が出てくるので、0.1％以下とするのがよい。
【００３７】
Ｂを含有させることにより、40kJ／cmを超える大入熱のフェライト系ステンレス鋼の溶接金属の高温割れを抑止し、溶接金属を細粒組織にすることができる。これは、固液共存温度幅の減少によると考えられるが、このような効果は0.1％未満では得られない。しかし多く含有させすぎると靱性が低下するので、0.6％までとする。
【００３８】
Ｎｂ：0.4〜2％、Ｚｒ：0.4〜2％
ＮｂおよびＺｒの一方または両方を含有させることにより、大入熱のフェライト系ステンレス鋼の溶接金属の高温割れを抑止し、溶接金属を細粒組織にすることができる。これは、Ｃと共晶を形成して固液共存温度幅を減少させることによると考えられるが、このような効果を得るためには、どちらの元素も0.4％以上の含有を必要とする。ただし、この場合Ｃと共存させる必要があり、過度に多く含有させると靱性が低下するので、［（Ｎｂ＋Ｚｒ）／16］％の値がＣ含有量以下の範囲で、かつそれぞれ2％までとする。
【００３９】
本発明の溶接金属を有する溶接構造物の施工方法は、被覆アーク溶接法、サブマージドアーク溶接法、エレクトロスラグ溶接法、エレクトロガス溶接法などが適用できる。溶接金属の組成の制御は、用いる母材組成と同等またはそれに近い組成をベースとした溶接ワイヤあるいは帯状電極などの溶加材を用い、母材から供給されない必要成分は希釈分を見込んで合金元素としてこれに含有させるか、あるいは目的とする組成となるよう、添加成分をフラックスに配合しておこなう。
【００４０】
本発明は40kJ／cm以上の大入熱の溶接をおこなうときにとくに有効で、溶接金属の靱性を高め高温割れを抑止するが、より入熱の小さいＴＩＧ、ＭＩＧあるいはＭＡＧに適用しても十分な効果が得られる。
【００４１】
【実施例】
〔実施例１〕
表１に示す組成の鋼を高周波真空溶解炉にて溶製し、鍛造、圧延、伸線をおこなって直径4mmの線の溶接用溶加材を作製した。溶接母材は、表２に示す組成のＳＵＳ430鋼の厚さ18mm、長さ600mm、幅150mmの鋼板を用い、長さ600mmの溶接線方向にＩ形開先を設けて、開先間隔10mmにて突き合わせ、溶け落ちを防ぐためにフラックスバッキング（裏当て材）を使用して、サブマージアーク溶接をおこなった。
【００４２】
【表１】
0003716980.tif 000002
【００４３】
【表２】
0003716980.tif 000003
【００４４】
溶接条件は、溶接電流を450Ａ、溶接電圧28Ｖ、溶接速度15cm／min（入熱量50.4kJ／cm）とし、フラックスは、質量％で、Ａｌ２Ｏ３：30％、ＳｉＯ２:20％、ＭｇＯ：15％、ＣａＦ２：15％を基本組成とし、残部の20％分の中に添加元素用配合剤を加えた。添加元素用配合剤は、Ｃについては黒鉛粉末、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｏ、ＺｒおよびＮｂについてはいずれも金属粉末、Ｔｉについては低炭素フェロチタンの粉末、ＢについてはＢ２Ｏ３を用い、含有目標量に応じてこれら配合剤の量を変え、残部は等量のＡｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２とし、合計量が20％となるようにした。
【００４５】
得られた溶接部にて、溶接金属部分の溶接線と直交する板厚方向断面を5ヶ所研磨し、浸透探傷試験により割れの有無を調べた後、この溶接線に垂直な断面の金属組織から溶接金属を観察し、この溶接金属を断面の複数箇所から削りだして組成の分析をおこなった。分析結果を表３に示すが、これらは溶接金属の平均組成である。これらの溶接部から、機械加工により溶接金属の中央にＶノッチを有する、幅方向が溶接方向と同じ４号試験片を採取し、0℃にて試験してシャルピー衝撃値を測定した。試験結果を表４に示す。
【００４６】
【表３】
0003716980.tif 000004
【００４７】
【表４】
0003716980.tif 000005
【００４８】
表３および表４の結果から明らかなように、溶接金属が本発明で定める組成範囲内である試番1〜10の場合は、いずれも溶接割れは認められず、すぐれた衝撃値を示している。これに対し、その組成範囲が本発明の範囲を逸脱する試番11〜16では、いずれも低い衝撃値になっており、さらに［（Ｎｂ＋Ｚｒ）／16］％の値がＣ含有量を超える試番14および15においては、溶接割れも生じていることがわかる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は、フェライト系ステンレス鋼の溶接部の靱性を向上させたものであり、とくに大入熱の溶接金属の結晶組織が微細化させている。これにより従来、耐食性では、フェライト系ステンレス鋼で十分であるにもかかわらず、溶接部の靱性が劣るために高価なオーステナイト系ステンレス鋼を使わざるを得なかった、板厚の厚いステンレス鋼溶接構造物に対し、低コストのフェライト系ステンレス鋼が適用できるようになる。