(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製外皮内にフラックスを充填してなる低温用鋼用塩基性フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全重量に対して重量％で、
ＣａＦ2 ：２．５〜４．０％
ＴｉＯ2 ：０．４〜０．７％
Ｍｎ    ：０．５〜３．０％
Ｎｉ    ：２．６〜５．０％
Ｃｕ    ：０．１〜０．５％
Ｔｉ    ：０．０１〜０．２０％
Ｂ      ：０．００１〜０．０１５％
酸化物≦０．９％（ＴｉＯ2 を含む）
酸化物（ＴｉＯ2 を含む）／弗化物（ＣａＦ2 を含む）≦０．３
さらに、
Ｍｇ  ：０．２〜１．２％
Ｓｉ  ：０．１〜１．５％
Ｚｒ  ：０．０４〜０．１５％
の１種または２種以上を含有し、残部は鉄粉および不可避的不純物からなる充填フラックスを含有することを特徴とする低温用鋼用塩基性フラックス入りワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、いわゆるアルミキルド鋼や低Ｎｉ鋼（２．５％Ｎｉ鋼など）などの低温用鋼に対し作業能率が良好で、優れたＣＴＯＤ特性（ＣＴＯＤ特性とは、脆性破壊発生を示す特性）を含む低温靱性の良好な溶接金属が得られ、さらにその溶接金属に対し残留応力除去のため溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）におけるＣＴＯＤ特性を含む低温靱性が維持でき、良好な耐蝕性が得られる低温用鋼用塩基性フラックス入りワイヤに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
低温用鋼用フラックス入りワイヤとして、チタニヤ系フラックス入りワイヤが優れたビード外観、ビード形状を与えると共に作業性および作業能率の向上が得られるため、海洋構造物、造船等の溶接に広く用いられている。しかし、チタニヤ系フラックス入りワイヤの問題点として、（１）溶接金属中の酸素量が多く、ＣＴＯＤ特性を含む低温靱性が低い、（２）残留応力除去のための溶接後熱処理によりＣＴＯＤ特性を含む低温靱性が劣化する、（３）耐蝕性が悪いなどがある。
【０００３】
低温靱性改善を図った発明として特公昭５６−６８４０号公報において、チタニヤ系フラックス入りワイヤにＴｉ，Ｂを複合添加して靱性改善を図っている発明が開示されているが、ＣＴＯＤ値、衝撃値に対し良好な値が得られなかった。さらに、特公昭５９−４４１５９号公報において、Ｍｇ，Ｔｉ，Ｂの複合添加により従来７００〜９００ｐｐｍ程度あった溶接金属中の酸素量を５００ｐｐｍ以下にし、これによって低温靱性を改善する技術が提案されたが、ＣＴＯＤ値、衝撃値に対し良好な値が得られなかった。
【０００４】
チタニヤ系以外のフラックス入りワイヤとして、特開昭６２−１６６０９８号公報においては弗化バリウム系フラックスにＭｎ，Ｓｉ，Ｎｉを添加することにより低温靱性の改善が図られている。しかしながらこのワイヤは作業性が悪く、さらにビード形状、ビード外観が悪く使用できなかった。また特開昭５２−６５７３６号公報にはＮｉ，Ｃｕ，Ｍｎ添加により残留応力除去のための溶接後熱処理による低温靱性劣化の改善を図った発明があるが、熱処理後のＣＴＯＤ特性を含む低温靱性の劣化は改善できなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、低温用鋼において良好なビード形状、作業性および作業能率を確保し、ＣＴＯＤ特性を含む低温靱性をより低温域まで確保し、残留応力除去のための溶接後熱処理によるＣＴＯＤ特性を含む低温靱性劣化がなく、さらに耐蝕性を改善し、従来ワイヤの欠点を解消し、適用分野を拡大することのできるフラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる課題を解決するためスラグ剤をＣａＦ2 系とし、ＣａＦ2 ，ＴｉＯ2 ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｂ，Ｃｕ、酸化物、酸化物／弗化物、Ｓｉ，Ｍｇ，Ｚｒを同時に規定することによりＣＴＯＤ特性を含む低温靱性を改善し、残留応力除去のための溶接後熱処理におけるＣＴＯＤ特性を含む低温靱性の脆化を改善し、さらに耐蝕性を改善したことを特徴とする。
【０００７】
すなわち本発明の要旨とするところは、鋼製外皮内にフラックスを充填してなる低温用鋼用塩基性フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全重量に対して重量％で、ＣａＦ2 ：２．５〜４．０％、ＴｉＯ2 ：０．４〜０．７％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｎｉ：２．６〜５．０％、Ｃｕ：０．１〜０．５％、Ｔｉ：０．０１〜０．２０％、Ｂ：０．００１〜０．０１５％、酸化物≦０．９％（ＴｉＯ2 を含む）、酸化物（ＴｉＯ2 を含む）／弗化物（ＣａＦ2 を含む）≦０．３、さらに、Ｍｇ：０．２〜１．２％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｚｒ：０．０４〜０．１５％の１種または２種以上を含有し、残部は鉄粉および不可避的不純物からなる充填フラックスを含有することを特徴とする低温用鋼用塩基性フラックス入りワイヤにある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
上述したごとく、チタニヤ系フラックス入りワイヤはビード形状が良好であり、作業性および作業効率に優れている点に最大の特徴があるが、脱酸剤であるＡｌ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｍｇ等を複合添加しても溶接金属中の酸素量を５００ｐｐｍ以下に低減できず、ＣＴＯＤ特性を含む低温靱性は改善できなかった。さらに、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｎを添加しても残留応力除去のための溶接後熱処理によりＣＴＯＤ特性を含む低温靱性劣化は改善できなかった。そこで、本発明者等はさらに実験を重ね以下の事実を見出した。
【０００９】
（１）スラグ剤をＴｉＯ2 系からＣａＦ2 系とし、さらに酸化物量を制限することにより溶接金属中の酸素量を２００〜２５０ｐｐｍに減少でき、ＣＴＯＤ特性を含む低温靱性が改善された。
【００１０】
（２）ＣａＦ2 系フラックスにＴｉＯ2 ，Ｔｉ，Ｂを添加することにより粒内フェライトの生成核となるＴｉ酸化物が溶接金属中に生成する。またＴｉがＴｉＮとして窒素を固定し、ＢＮの形成を妨げフリーＢを形成する。これらにより粒界から成長する粒界フェライトを一部抑制し粒内フェライト組織中に一部粒界フェライトを有する組織にすることにより残留応力除去のための溶接後熱処理後のＣＴＯＤ特性を含む低温靱性が一部改善した。さらに、Ｎｉを添加することにより溶接金属中のマトリックスが固溶強化され、残留応力除去のための溶接後熱処理後のＣＴＯＤ特性を含む低温靱性が改善された。
【００１１】
（３）Ｃｕ，Ｎｉを添加することによって、Ｃｕ，Ｎｉが溶接金属中のマトリックス内に固溶され局部電池の形成を防止し耐蝕性を改善した。
【００１２】
これらにより良好なビード形状、作業性を維持し、ＣＴＯＤ特性を含む低温靱性を改善し、残留応力除去のための溶接後熱処理をしたときのＣＴＯＤ特性を含む低温靱性が維持でき、良好な耐蝕性を得ることに成功した。以下に本発明における成分限定理由について述べる。
【００１３】
ＣａＦ2 ：２．５〜４．０％
ＣａＦ2 はスラグ形成剤さらに脱酸剤としての性質を示す。４．０％超では、スラグ剥離、ビード形状および作業性が悪くなる。２．５％未満では、スラグ形成剤としての作用がなく、スラグがビード全面に被らずビード形状が悪く、さらに脱酸剤としての効果がなくなるので、その範囲を２．５〜４．０％とした。
【００１４】
ＴｉＯ2 ：０．４〜０．７％
ＴｉＯ2 は溶接金属の金属組織中の粒内フェライトを形成する生成核となる効果がある。０．４％未満では、金属組織中に粒界フェライトが多量に生成し、低温靱性を劣化させ、一方０．７％超では、溶接金属中の酸素量が多く低温靱性が劣化するので、その範囲を０．４〜０．７％とした。
【００１５】
Ｍｎ：０．５〜３．０％
Ｍｎは脱酸を促進させ溶融金属の流動性を改善し、強度を改善する効果があり、さらに金属組織中の粒内フェライト生成の補助効果もある。０．５％未満では金属組織中で粒界フェライトが多量に生成し、低温靱性を劣化させる。一方３．０％超では強度が高く、金属組織がベイナイト組織となり、低温靱性が劣化する。したがってその範囲を０．５〜３．０％とした。
【００１６】
Ｎｉ：２．６〜５．０％
Ｎｉは溶接金属のマトリックス中に固溶し、高靱性を得るだけでなく残留応力除去のための熱処理後の靱性劣化を抑え、さらにＣｕと共に添加することにより局部電池の形成を抑制し耐蝕性向上の効果が得られる。図１のグラフに示すとおり２．６％未満では高靱性は得られず、熱処理により靱性劣化が起こり、５．０％超では高温割れが発生するおそれがあるため、その範囲を２．６〜５．０％とした。
【００１７】
Ｃｕ：０．１〜０．５％
ＣｕはＮｉと共に添加することによってマトリックス中に固溶し、局部電池の形成を防止するため耐蝕性向上効果が得られるが、０．１％未満では耐蝕性向上効果が小さく、０．５％超では高温割れが発生するおそれがあるため、その範囲を０．１〜０．５％とした。
【００１８】
Ｔｉ：０．０１〜０．２０％
Ｔｉは強脱酸剤であり溶接金属の酸素量を低減させる効果がある。またＴｉＮを形成してＮを固定することによりＢＮの生成を防止してフリーＢを確保し、オーステナイト粒界から粒界フェライトが生成するのを抑制する。しかしながら０．０１％未満ではほとんどが酸化消耗してＴｉＮの生成に寄与せず、多量の粒界フェライトの生成により靱性が劣化する。一方０．２０％を超えると溶接金属の硬度が過度に上昇して靱性が劣化する。したがってＴｉは０．０１〜０．２０％とした。
【００１９】
Ｂ：０．００１〜０．０１５％
Ｂはγ粒界においてフリーＢとすることにより、γ粒界から成長する粒界フェライトの生成を抑制し、粒内フェライト生成の補助効果がある。０．００１％未満では粒界フェライトの抑制効果がなく、粒界フェライトが多量に析出し低温靱性が劣化し、一方０．０１５％超ではベイナイト組織になり低温靱性が劣化する。したがってその範囲を０．００１〜０．０１５％とした。
【００２０】
酸化物≦０．９％（ＴｉＯ2 を含む）
本発明では、フラックス中のＴｉＯ2 の他、ＳｉＯ2 ，ＦｅＯ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＺｒＯ2 ，ＣａＣＯ3 等の酸化物を併用することができるが、酸化物の総添加量が０．９％超では溶接金属中の酸素量が増加し、低温靱性が劣化するため、酸化物の総添加量の上限を０．９％とした。
【００２１】
酸化物／弗化物≦０．３
本発明では、フラックス中のＣａＦ2 の他、ＭｇＦ2 ，ＮａＡｌＦ2 ，Ｋ2 ＺｒＦ6 ，Ｋ2 ＳｉＦ6 等の弗化物を併用することができるが、図２のグラフに示すように酸化物／弗化物＞０．３では、溶接金属中の酸素量が増加し、低温靱性が劣化するため、酸化物／弗化物≦０．３とした。
【００２２】
Ｍｇ：０．２〜１．２％
必要に応じて添加し、高温アーク中において酸素と反応し、ワイヤ先端の溶滴の段階で脱酸反応が行われる。その結果、脱酸生成物が溶融池内に残留せず、溶接金属中の酸素量を減少させる効果がある。しかし、０．２％未満では上記効果が不足し、１．２％超では、溶接金属中にＭｇが残留し低温靱性が劣化するので、その範囲を０．２〜１．２％とした。
【００２３】
Ｓｉ：０．１〜１．５％
必要に応じて添加するが、脱酸剤として溶接金属中の酸素量を低減させる効果がある。０．１％未満では脱酸効果が不足し、一方１．５％超では強度が高くなり低温靱性が劣化するので、その範囲を０．１〜１．５％とした。
【００２４】
Ｚｒ：０．０４〜０．１５％
必要に応じて添加し、強脱酸剤として溶接金属中の酸素量を低減し、溶接金属の酸化を防止し、かつ粒内フェライトを多量に析出させ低温靱性を改善させる。しかし０．０４％未満では粒内フェライトを多量に析出できず低温靱性改善効果がなく、一方０．１５％超では炭化物を形成し、著しく低温靱性が劣化するため０．０４〜０．１５％とした。
【００２５】
鋼製外皮としては、充填加工性の点から深絞り性の良好な冷間圧延鋼材または熱間圧延鋼材が用いられる。また、フラックスの充填率は特に限定されないが、伸線性を考慮して、ワイヤ重量に対して１０〜３０％の範囲が最も適当である。なお、ワイヤの断面形状には何ら制限がなく、２．０ｍｍ以下の細径の場合は比較的単純な円筒状のものがよく、また２．４〜３．２ｍｍ程度の太径ワイヤの場合は、フープの内部へ複雑に折り込んだ構造のものが一般的である。またシームレスワイヤにおいては、Ｃｕ等のメッキ処理を施すことも有効である。
【００２６】
【実施例】
実施例に基づき本発明をさらに具体的に説明する。鋼製外皮を用い、外皮の中空部にフラックスを充填後、伸線し、１．２ｍｍ径に仕上げてフラックス入りワイヤを作成した。ワイヤの成分組成を表１ないし表４に、試験結果を表５、表６に示す。これらの表において、Ｎｏ．１〜８は比較例であり、Ｎｏ．９〜２２は本発明の実施例である。
【００２７】
【表１】
0003559806.tif 000002
【００２８】
【表２】
0003559806.tif 000003
【００２９】
【表３】
0003559806.tif 000004
【００３０】
【表４】
0003559806.tif 000005
【００３１】
【表５】
0003559806.tif 000006
【００３２】
【表６】
0003559806.tif 000007
【００３３】
試験溶接は上記ワイヤを用いて作業性試験用と性能試験用と２種類行った。溶接条件をそれぞれ表７、表８に示す。熱処理温度は、炉内温度を５８０℃に設定し、保持時間を３時間、昇温は５０℃／時、降温は５０℃／時で実施した（ＪＩＳ  Ｚ３７００に準拠）。
【００３４】
【表７】
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【００３５】
【表８】
0003559806.tif 000009
【００３６】
機械的性能は常温引張試験で評価した。引張試験片は各試験体について図３の１ｓｔ側（始めに溶接した側）、２ｎｄ側（裏面を削って溶接した側）の表面下６ｍｍより採取した（ＪＩＳ  Ｚ３１１１に準拠）。なお、引張試験の試験温度は室温（２４℃）で実施した。
【００３７】
低温靱性は−７０℃での衝撃試験および−５０℃でのＣＴＯＤ試験で評価した。衝撃試験片は１ｓｔ側、２ｎｄ側の表面下６ｍｍより採取した（ＪＩＳ  Ｚ３１１１に準拠）。ＣＴＯＤ試験片は溶接部中央部に疲労ノッチを入れた（ＢＳ
５７６２に準拠）。
【００３８】
耐蝕性試験は、図３の１ｓｔ側、２ｎｄ側の溶接金属中央部、表面下１ｍｍから厚さ５ｍｍの試験片を採取し、３％食塩水中で３ケ月間の回転浸漬試験を行った。耐蝕性試験後の測定部溶接金属の最低厚さを測定し、試験前の厚さ５ｍｍとの差を求め、これが０．２ｍｍ以下を表５、表６において○とした。また溶接作業性試験は溶滴移行性、スパッタ、ビード形状等を総合判定し、良好なものを○とした。
【００３９】
表５、表６の試験結果から明らかなように、比較例であるＮｏ．１は、ＣａＦ2 量が少ないためスラグ被包性が悪く、酸化物／弗化物が大きいため溶接金属中の酸素量が多く、低温靱性が劣化した。またＮｏ．２は、ＣａＦ2 量が多いため作業性が悪く、Ｍｎ量が多いため強度が高く、低温靱性が劣化した。
【００４０】
Ｎｏ．３は、Ｎｉ量が多いため、強度が高く低温靱性が劣化した。またＮｏ．４は、Ｍｎ，Ｎｉ量が少なく、マトリックスの固溶強化が得られないため、低温靱性が劣化した。さらに、熱処理によって低温靱性が劣化した。
【００４１】
Ｎｏ．５は、Ｃｕを添加しないため耐蝕性が悪く、さらにＴｉ量が多く、Ｂが添加されないため、金属組織において粒界フェライトが多量に析出し、低温靱性が劣化した。またＮｏ．６は、Ｔｉ，Ｂの添加がないため金属組織において粒界フェライトが多量に析出し、さらに、Ｎｉ量が少ないためマトリックスの固溶強化が得られないため低温靱性が劣化した。
【００４２】
Ｎｏ．７は、Ｍｎの添加がなく、Ｍｇ量が多いためスラグの粘性が大きくなり作業性が悪く、Ｔｉ量が多いため金属組織がベイナイト組織になり低温靱性が劣化した。またＮｏ．８は、ＴｉＯ2 量が多く、酸化物／弗化物が大きいため、溶接金属中の酸素量が多く、Ｎｉ添加がないため、低温靱性が劣化した。
【００４３】
一方、本発明例であるＮｏ．９〜２２のワイヤでは、溶接作業性が良好であり、溶接金属中の酸素量が２００〜２５０ｐｐｍとなり、金属組織として粒内フェライト中に一部粒界フェライトを生成させることができ、さらにＮｉにより溶接金属中のマトリックスが固溶強化され、低温靱性、特に−５０℃でのＣＴＯＤ値、−７０℃での衝撃値に優れていることを確認した。さらに、残留応力除去のための熱処理後の溶接金属に対しても、低温靱性、特に−５０℃でのＣＴＯＤ値、−７０℃での衝撃値について脆化が起こらず優れていることを確認した。また、耐蝕性にも優れていることを確認した。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の低温用鋼用塩基性フラックス入りワイヤは以上のように構成されており、溶接作業性に優れている。また、スラグ剤を従来のＴｉＯ2 系からＣａＦ2 系にすることにより溶接金属中の酸素量を２００〜２５０ｐｐｍに低減し、ＴｉＯ2 ，Ｔｉ，Ｂの添加量を規定することにより金属組織として粒内フェライト中に一部粒界フェライトを析出させ、Ｎｉの添加量を規定することによりマトリックスが強化され、Ｃｕ，Ｎｉの添加量を規定することにより局部電池の生成を防止し、低温靱性を改善、熱処理後の低温靱性の劣化を改善また耐蝕性を改善することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ワイヤ中のＮｉ量とｖＥ−７０℃との関係を示すグラフ
【図２】ワイヤ中の酸化物量／弗化物量と溶接金属中の酸素量との関係を示すグラフ
【図３】１ｓｔ側、２ｎｄ側の母材の開先形状を示す図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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