(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーステナイト系ステンレス鋼心線に被覆剤が塗装されている二相ステンレス鋼用被覆アーク溶接棒において、被覆アーク溶接棒全質量に対する質量％で、心線と被覆剤の合計で、
Ｃ：０．０４％以下、
Ｓｉ：０．１５〜０．８５％、
Ｍｎ：０．５〜３．０％、
Ｎｉ：５〜１０％、
Ｃｒ：１９〜２８％、
Ｍｏ：０．２〜１．０％、
Ｎ：０．０５〜０．２％
を含有し、さらに、被覆剤に、
Ｂｉと、Ｂｉ酸化物のＢｉ換算値との和：０．０２〜０．０５％、
Ｔｉ酸化物のＴｉＯ２換算値：１０．０〜１５．０％、
Ｓｉ酸化物のＳｉＯ２換算値：１．０〜１．５％、
Ｚｒ酸化物のＺｒＯ２換算値：０．１〜０．２％、
Ａｌ酸化物のＡｌ２Ｏ３換算値：０．７〜１．２％、
Ｍｇ酸化物のＭｇＯ換算値：０．１〜０．２％、
金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計：４．０〜６．０％、
弗素化合物のＦ換算値：０．６〜１．０％、
Ｎａ化合物のＮａ２Ｏ換算値およびＫ化合物のＫ２Ｏ換算値の１種又は２種の合計：０．２〜１．５％
を含有し、残部は心線のＦｅ分、被覆剤中鉄合金のＦｅ分および不可避不純物であることを特徴とする二相ステンレス鋼用被覆アーク溶接棒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廉価な二相ステンレス鋼の溶接に使用され、母材と同程度の機械的性能を有する溶着金属が得られ、耐食性が良好で、ブローホール等の耐欠陥性に優れ、かつ溶接作業性が良好な二相ステンレス鋼用被覆アーク溶接棒に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌ、ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌに代表される二相ステンレス鋼は、優れた耐食性および強度特性を有するステンレス鋼である。この二相ステンレス鋼のグレードとしては、その化学成分組成に含まれるＣｒ、Ｍｏ、Ｎ、Ｗを基にして、耐孔食性指数ＰＲＥ（Ｃｒ％＋３．３Ｍｏ％＋１６Ｎ％）やＰＲＥＷ（Ｃｒ％＋３．３（Ｍｏ％＋０．５Ｗ％）＋１．６Ｎ％）を用いて分類されている。用途として、耐食性が要求される化学プラント、化学機器、油井およびガス井等の耐食材料として、また、強度も高いことから、鋼構造部材としても用いられている。
【０００３】
近年、耐孔食性指数ＰＲＥの低い廉価型の二相ステンレス鋼が開発され、ＡＳＴＭではＵＮＳ  Ｎｏ．としてＳ３２１０１やＳ３２３０４等が実用化されている。適用溶接材料は、これら鋼材の耐孔食性指数に対して同等もしくはそれ以上の指数を有し、健全な溶着金属および溶接作業性が求められている。
【０００４】
このような状況の中で機械的性能に優れ、溶接作業性が良好な被覆アーク溶接棒の開発が望まれている。しかし、Ｎを多く含有する二相ステンレス鋼を溶接した場合ブローホールなどの溶接欠陥が発生するという課題がある。加えて、スラグ剥離性が極度に悪く、ジェットタガネ等によるスラグ除去の工程を追加する必要があるなどの課題があった。
【０００５】
この課題を解決する技術として、例えば特開２００２−２４８５９８号公報（特許文献１）に、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎを規定した耐食性が良好な被覆アーク溶接棒が開示されている。しかし、この被覆アーク溶接棒では、高価なＮｉ，Ｍｏを多量に含有し、廉価な二相ステンレス鋼の溶接には、コストが高く不向きである。また、溶接作業性の優劣に作用する酸化物、弗素化合物および金属炭酸塩については規定しておらず、アークの安定やスラグ剥離性が劣るという課題があった。
【０００６】
また、特開２００３−１４８８号公報（特許文献２）には、被覆剤としてＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＣａＣＯ３およびＡｌＦ３の含有量を限定して、溶接作業性を良好にした被覆アーク溶接棒が開示されている。しかし、この被覆アーク溶接棒は、心線に高価な二相ステンレス鋼を使用しているので実用には不向きであり、また、従来の二相ステンレス鋼の溶接においては良好な溶接作業性であるが、廉価な二相ステンレス鋼の溶接に適用した場合は耐欠陥性が劣化するという課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２４８５９８号公報
【特許文献２】特開２００３−１４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、廉価な二相ステンレス鋼の溶接に使用することにより、母材と同程度の機械的性能を有する溶着金属が得られ、耐食性が良好で、ブローホール等の耐欠陥性に優れ、かつ溶接作業性が良好な二相ステンレス鋼用被覆アーク溶接棒を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の要旨は、オーステナイト系ステンレス鋼心線に被覆剤が塗装されている二相ステンレス鋼用被覆アーク溶接棒において、被覆アーク溶接棒全質量に対する質量％で、心線と被覆剤の合計で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．１５〜０．８５％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｎｉ：５〜１０％、Ｃｒ：１９〜２８％、Ｍｏ：０．２〜１．０％、Ｎ：０．０５〜０．２％を含有し、さらに、被覆剤に、Ｂｉと、Ｂｉ酸化物のＢｉ換算値との和：０．０２〜０．０５％、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ２換算値：１０．０〜１５．０％、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ２換算値：１．０〜１．５％、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ２換算値：０．１〜０．２％、Ａｌ酸化物のＡｌ２Ｏ３換算値：０．７〜１．２％、Ｍｇ酸化物のＭｇＯ換算値：０．１〜０．２％、金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計：４．０〜６．０％、弗素化合物のＦ換算値：０．６〜１．０％、Ｎａ化合物のＮａ２Ｏ換算値およびＫ化合物のＫ２Ｏ換算値の１種又は２種の合計：０．２〜１．５％を含有し、残部は心線のＦｅ分、被覆剤中鉄合金のＦｅ分および不可避不純物であることを特徴とする二相ステンレス鋼用被覆アーク溶接棒にある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の二相ステンレス鋼用被覆アーク溶接棒によれば、廉価な二相ステンレス鋼の溶接に使用され、母材と同程度の機械的性能を有する溶着金属が得られ、耐食性が良好で、ブローホール等の耐欠陥性に優れ、かつ溶接作業性が良好な二相ステンレス鋼用被覆アーク溶接棒を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明者らは、前記課題を解決するために、各種被覆アーク溶接棒を試作して、二相ステンレス鋼の溶接に適用した場合の機械的性能、耐食性、溶接作業性および耐欠陥性に対する各成分組成の影響を詳細に調査した。
【００１２】
その結果、フェライト生成元素であるＣｒ、ＭｏおよびＳｉ量の調整を行い、フェライトの晶出を安定化し、フェライト相にＮを固溶させることで溶着金属の耐食性を良好にし、スラグ剥離性やブローホール等の耐欠陥性の向上させた。また、Ｃ、ＭｎおよびＮｉ量の調整で溶着金属の機械的性能を母材と同程度にできた。さらに、アーク安定剤およびスラグ生成剤であるＴｉ酸化物、金属炭酸塩、ＮａおよびＫの酸化物および化合物の適量添加より良好な溶接作業性が得られることを見出した。
【００１３】
本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼心線および被覆剤の各成分組成それぞれの単独および共存による相乗効果によりなし得たものであるが、以下に、本発明の二相ステンレス鋼用被覆アーク溶接棒の成分組成の限定理由について説明する。
以下の成分は心線、被覆剤のいずれにも含有され得る。
【００１４】
［Ｃ：０．０４質量％以下］
Ｃは、Ｃｒと結合しやすく結晶粒界にＣｒ炭化物として析出する。その結果Ｃｒ欠乏層が粒界に形成され耐食性を劣化させるため、Ｃの含有量は被覆アーク溶接棒全質量に対する質量％（以下、％という）で、０．０４％以下とした。被覆剤のＣは、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−ＭｎおよびＦｅ−Ｓｉ−Ｍｎなどの鉄合金粉が微量含有するＣである。
【００１５】
［Ｓｉ：０．１５〜０．８５％］
Ｓｉは、溶融金属の粘性を下げビード形状を改善する効果がある。Ｓｉが０．１５％未満ではその効果は不十分である。一方、０．８５％を超えるとσ相の析出を助長して延性を低下させる。従って、Ｓｉは０．１５〜０．８５％とする。被覆剤のＳｉは、金属Ｓｉ、Ｆｅ−ＳｉおよびＦｅ−Ｓｉ−ＭｎなどからのＳｉである。
【００１６】
［Ｍｎ：０．５〜３．０％］
Ｍｎは、Ｎ固溶度を高めてＮの歩留を改善し、溶着金属の強度を向上させる効果を有する。Ｍｎが０．５％未満ではその効果は不十分である。一方、３．０％を超えると金属間化合物の析出を助長して耐食性が劣化する。従って、Ｍｎは０．５〜３．０％とする。被覆剤のＭｎは、金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、窒化ＭｎおよびＦｅ−Ｓｉ−ＭｎなどからのＭｎである。
【００１７】
［Ｎｉ：５〜１０％］
Ｎｉは、オーステナイト相のマトリックスを強化し、溶着金属の靭性を向上させる効果がある。Ｎｉが５％未満ではその効果は不十分である。一方、１０％を超えるとオーステナイトの晶出量が増加して溶着金属の強度が低下する。従って、Ｎｉは５〜１０％とする。被覆剤のＮｉは、金属ＮｉおよびＦｅ−ＮｉなどからのＮｉである。
【００１８】
［Ｃｒ：１９〜２８％］
Ｃｒは、耐食性を確保するために必要な成分である。Ｃｒが１９％未満ではその効果は不十分である。一方、２８％を超えるとσ相を析出して溶着金属の延性が低下する。従って、Ｃｒは１９〜２８％とする。被覆剤のＣｒは、金属Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｒおよび窒化Ｆｅ−ＣｒなどからのＣｒである。
【００１９】
［Ｍｏ：０．２〜１．０％］
Ｍｏは、耐食性を向上させ溶接金属のマトリックスを強化し、溶着金属の強度を向上させる効果がある。Ｍｏが０．２％未満ではその効果は不十分である。一方、１．０％を超えるとσ相の析出を促進して溶着金属の延性が低下する。従って、Ｍｏは０．２〜１．０％とする。被覆剤のＭｏは、金属ＭｏおよびＦｅ−ＭｏなどからのＭｏである。
【００２０】
［Ｎ：０．０５〜０．２％］
Ｎは、オーステナイト生成成分であると共にマトリックスを強化し、溶着金属の強度と靱性を向上させる効果がある。Ｎが０．０５％未満ではその効果は不十分である。一方、０．２％を超えるとブローホールが多発し欠陥が多くなる。また、窒化物として多量に析出するため溶着金属の靭性が劣化する。従って、Ｎは０．０５〜０．２％とする。被覆剤のＮは、窒化Ｍｎおよび窒化Ｆｅ−ＣｒからのＮである。
以下の成分は被覆剤に含有されるものである。
【００２１】
［Ｂｉと、Ｂｉ酸化物のＢｉ換算値との和：０．０２〜０．０５％］
ＢｉおよびＢｉ酸化物は、低融点でありスラグ剥離性を向上させる。ＢｉとＢｉ酸化物のＢｉ換算値との和が０．０２％未満ではその効果は不十分である。一方、０．０５％を超えると酸化物として析出し、溶着金属の靱性を劣化させる。従って、ＢｉとＢｉ酸化物のＢｉ換算値との和は０．０２〜０．０５％とする。
【００２２】
［Ｔｉ酸化物のＴｉＯ２換算値：１０．０〜１５．０％］
ルチールやチタンスラグなどのＴｉ酸化物は、被包性の良いスラグを形成するために添加する。Ｔｉ酸化物のＴｉＯ２換算値が１０．０％未満ではその効果は不十分で、ビード外観が不良となる。一方、１５．０％を超えるとスラグが多量に発生し、溶接中の溶融池にスラグが干渉し、アークが不安定になる。従って、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ２換算値は１０．０〜１５．０％とする。
【００２３】
［Ｓｉ酸化物のＳｉＯ２換算値：１．０〜１．５％］
珪砂やジルコンサンドなどのＳｉ酸化物は、スラグの粘性を下げビードの揃いを均一にするために添加する。Ｓｉ酸化物のＳｉＯ２換算値が１．０％未満ではその効果は不十分である。一方、１．５％を超えるとスラグの凝固が遅くなりビードが垂れやすくなり、ビードの端部の揃いが不均一になる。従って、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ２換算値は１．０〜１．５％とする。
【００２４】
［Ｚｒ酸化物のＺｒＯ２換算値：０．１〜０．２％］
ジルコンサンドや酸化ジルコンなどのＺｒ酸化物は、スラグの粘性を上げビードを平滑にするために添加する。高融点であるＴｉ酸化物が添加されているため補助的な役割で添加される。Ｚｒ酸化物のＺｒＯ２換算値が０．１％未満ではその効果は不十分である。一方、０．２％を超えるとＮと結合しやすくなりスラグ剥離性が劣化する。従って、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ２換算値は０．１〜０．２％とする。
【００２５】
［Ａｌ酸化物のＡｌ２Ｏ３換算値：０．７〜１．２％］
アルミナなどのＡｌ酸化物は、アークの吹き付けを強くし、アークを安定させる目的で添加する。Ａｌ酸化物のＡｌ２Ｏ３換算値が０．７％未満ではその効果は不十分である。一方、１．２％を超えるとアークの吹き付けが強くなり、スパッタの発生量が多くなる。従って、Ａｌ酸化物のＡｌ２Ｏ３換算値は０．７〜１．２％とする。
【００２６】
［Ｍｇ酸化物のＭｇＯ換算値：０．１〜０．２％］
マグネシアクリンカーや天然マグネシアなどのＭｇ酸化物は、スラグの流動性を良好にしビードを平滑にするために添加する。Ｍｇ酸化物のＭｇＯ換算値が０．１％未満ではその効果は不十分である。一方、０．２％を超えるとビードが凸となり形状が劣化する。従って、Ｍｇ酸化物のＭｇＯ換算値は０．１〜０．２％とする。
【００２７】
［金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計：４．０〜６．０％］
ＣａＣＯ３、ＢａＣＯ３およびＭｇＣＯ３などの金属炭酸塩は、溶滴の移行をスムーズにしアークの安定性およびビード形状を良好とするため添加する。金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計が４．０％未満ではその効果が不十分で、ビード形状が劣化する。一方、６．０％を超えると溶滴が大きく成長し、スパッタの発生量が多くなる。従って、金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計は４．０〜６．０％とする。
【００２８】
［弗素化合物のＦ換算値：０．６〜１．０％］
蛍石、弗化アルミニウム、弗化ソーダおよび弗化カリなどの弗素化合物からのＦは、スラグの流動性を適正にするために添加する。弗素化合物のＦ換算値が０．６％未満ではスラグの流動が悪く、アークが持続しにくくなり不安定になる。一方、１．０％を超えるとスパッタの発生量が多くなる。従って、弗素化合物のＦ換算値は０．６〜１．０％とする。
【００２９】
［Ｎａ化合物のＮａ２Ｏ換算値およびＫ化合物のＫ２Ｏ換算値の１種又は２種の合計：０．２〜１．５％］
珪酸ソーダ、珪酸カリ、カリ長石などからの、Ｎａ酸化物などのＮａ化合物やＫ酸化物などのＫ化合物はアークの安定性を良好にするために添加する。Ｎａ化合物のＮａ２Ｏ換算値およびＫ化合物のＫ２Ｏ換算値の１種又は２種の合計が０．２未満ではその効果は不十分である。一方、１．５％を超えると被覆アーク溶接棒中の被覆剤が水分を吸湿し、アークが不安定になる。従って、Ｎａ化合物のＮａ２Ｏ換算値およびＫ化合物のＫ２Ｏ換算値の１種又は２種の合計は０．２〜１．５％とする。
【００３０】
なお、本発明の二相ステンレス鋼用被覆アーク溶接棒おいては、上記成分以外の成分組成は特に規定されない。従って溶着金属の機械的性能、耐食性および溶接作業性を考慮してＣｕ、Ｎｂ、Ｗ等の組成を種々に調整できる。しかし、高温割れを助長するＰおよびＳはできるだけ少ないのが好ましく、Ｐ＋Ｓで０．０４５％以下であることが好ましい。
【００３１】
被覆剤の心線に塗布される被覆率は特に限定はしないが、溶接作業性の安定性を考慮して３０％以上、被覆アーク溶接棒の製造性を確保するため４０％以下であることが好ましい。
【実施例】
【００３２】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
表１に示す化学成分のオーステナイト系ステンレス鋼心線を用いて表２に示す各種組成の二相ステンレス鋼用被覆アーク溶接棒を試作した。心線径は４．０ｍｍ、被覆剤の被覆率は３０〜４０％とした。
【００３３】
【表１】
0005706354.tif 000002
【００３４】
【表２】
0005706354.tif 000003
【００３５】
溶接試験は、ＪＩＳ  Ｇ  ３１０６に規定するＳＭ４９０Ａを用いてＪＩＳ  Ｚ  ３２２１に基づいて、開先内に２層バタリングを施し、溶着金属試験を行った。溶接後ＪＩＳ  Ｚ  ３１０６に基づいてＸ線透過試験を実施し、溶着金属部のブローホール発生状況の確認を行った。溶着金属性能は、ＪＩＳ  Ｚ  ３１１１に準拠し、引張試験および衝撃試験を行った。また腐食試験は、ＪＩＳ  Ｇ  ０５７７に準拠した。
【００３６】
Ｘ線透過試験は、第１種のきず点数が５点未満を良好とした。溶着金属性能は、引張試験の引張強さ：６９０ＭＰａ以上、伸び：２０％以上、衝撃試験の−２０℃における吸収エネルギー：２７Ｊ以上、腐食試験の孔食電位：３５０ｍＶ以上を良好とした。
【００３７】
溶接作業性は、表３に示す化学成分の二相ステンレス鋼を用いて水平すみ肉溶接を行い、アーク安定性、スパッタ発生状態、ビード外観およびビード形状を調べた。なお、溶着金属試験および溶接作業性の調査の溶接電流は１２０〜１６０Ａで実施した。それらの結果を表４にまとめて示す。
【００３８】
【表３】
0005706354.tif 000004
【００３９】
【表４】
0005706354.tif 000005
【００４０】
表２および表４中の溶接棒Ｎｏ．１〜１０が本発明例、溶接棒Ｎｏ．１１〜２４は比較例である。本発明である溶接棒Ｎｏ．１〜１０は、各成分組成量が適正であるので、Ｘ線透過試験が良好で、溶着金属の引張強さ、伸び、吸収エネルギーおよび孔食電位が高く、溶接作業性も良好であり極めて満足な結果であった。
【００４１】
比較例中溶接棒Ｎｏ．１１は、Ｃｒが少ないので孔食電位が低かった。また、Ｎが多いのでＸ線透過試験によるきずの点数が高く、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。さらに、Ｎａ２Ｏ換算値とＫ２Ｏ換算値の合計が少ないのでアークが不安定であった。
溶接棒Ｎｏ．１２は、Ｃｒが多いので溶着金属の伸びが低かった。また、ＴｉＯ２換算値が多いのでアークが不安定であった。
【００４２】
溶接棒Ｎｏ．１３は、ＳｉＯ２換算値が多いのでビード形状が不良であった。また、Ｃが多いので孔食電位が低かった。
溶接棒Ｎｏ．１４は、Ｍｎが多いので孔食電位が低かった。また、Ｓｉが少ないのでビード形状が不良であった。
【００４３】
溶接棒Ｎｏ．１５は、Ｎｉが多いので溶着金属の引張強さが低かった。また、ＺｒＯ２換算値が多いのでスラグ剥離性が不良であった。
溶接棒Ｎｏ．１６は、Ｍｎが少ないので溶着金属の引張強さが低かった。また、ＭｇＯ換算値が多いのでビード形状が不良であった。さらに、金属炭酸塩が多いのでスパッタの発生量が多かった。
【００４４】
溶接棒Ｎｏ．１７は、ＢｉとＢｉ酸化物のＢｉ換算値との和が多いので溶着金属の吸収エネルギーが低かった。また、ＳｉＯ２換算値が少ないのでスラグの剥離性が不良であった。
溶接棒Ｎｏ．１８は、Ｓｉが多いので溶着金属の伸びが低かった。また、Ａｌ２Ｏ３換算値が多いのでスパッタの発生量が多かった。さらに、金属炭酸塩が少ないのでビード形状が不良であった。
【００４５】
溶接棒Ｎｏ．１９は、Ｍｏが多いので溶着金属の伸びが低かった。また、Ｎａ２Ｏ換算値とＫ２Ｏ換算値の合計が多いのでビード形状が不良であった。
溶接棒Ｎｏ．２０は、Ｍｏが少ないので溶着金属の引張強さが低かった。また、Ａｌ２Ｏ３換算値が少ないのでアークが不安定であった。
【００４６】
溶接棒Ｎｏ．２１は、Ｎが少ないので溶着金属の引張強さが低かった。また、ＭｇＯ換算値が少ないのでビード形状が不良であった。
溶接棒Ｎｏ．２２は、Ｎｉが少ないので溶着金属の吸収エネルギーが低かった。また、ＺｒＯ２換算値が少ないのでビード形状が不良であった。
【００４７】
溶接棒Ｎｏ．２３は、ＢｉとＢｉ酸化物のＢｉ換算値との和が少ないのでスラグ剥離性が不良であった。また、Ｆ換算値が多いのでスパッタの発生量が多かった。
溶接棒Ｎｏ．２４は、ＴｉＯ２換算値が少ないのでスラグの被包性が悪くビード外観が不良であった。また、Ｆ換算値が少ないのでアークが不安定であった。