(57)【要約】【課題】二相ステンレス鋼の溶接に使用され、母材と同程度の高強度な溶着金属が得られ、ブローホール等に対する耐欠陥性に優れ、低温靭性が高く、耐食性が良好で、かつ溶接作業性が良好なフラックス入りワイヤを提供する。【解決手段】ステンレス鋼外皮およびフラックスに含有される成分の合計として、Ｃ：０．０６％以下、Ｎｉ：７．０〜１４．０％、Ｃｒ：２３．０〜２７．０％、Ｍｏ：１．５〜５．０％、Ｗ：０．０５〜５．０％、Ｃｕ：０．７％以下、Ｎ：０．０８〜０．３０％を含有し、さらに好ましくはワイヤ全質量に対して、ＴｉＯ２：３．０〜８．０％、ＳｉＯ２：０．５〜５．０％、金属弗化物のＦ換算値：０．３〜０．９％、Ａｌ２Ｏ３：０．０６％以下、ＺｒＯ２：０．０６％以下でＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の和が０．０６以下、（Ａｌ２Ｏ３＋ＺｒＯ２）／Ｎが０．６５以下のフラックスを含有する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼外皮の内部にフラックスが充填された二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにおいて、外皮およびフラックスに含有される成分の合計として、ワイヤ全質量に対して質量％で、Ｃ：０．０６％以下、Ｎｉ：７．０〜１４．０％、Ｃｒ：２３．０〜２７．０％、Ｍｏ：１．５〜５．０％、Ｗ：０．０５〜５．０％、Ｃｕ：０．７％以下、Ｎ：０．０８〜０．３０％を含有し、その他はＳｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、金属酸化物、金属弗化物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溶接用フラックス入りワイヤ。
【請求項２】
ワイヤ全質量に対して質量％で、ＴｉＯ２：３．０〜８．０％、ＳｉＯ２：０．５〜５．０％、金属弗化物のＦ換算値：０．３〜０．９％を含有し、Ａｌ２Ｏ３：０．０６％以下、ＺｒＯ２：０．０６％以下でＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の和を０．０６％以下、さらに前記Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の和とＮの比（Ａｌ２Ｏ３＋ＺｒＯ２）／Ｎを０．６５以下とし、かつスラグ剤成分の合計がワイヤ全質量の４．２〜１１．４％であるフラックスをステンレス鋼外皮内に１８〜３０％充填してなることを特徴とする請求項１に記載の二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二相ステンレス鋼の溶接に使用され、母材と同程度の高強度な溶着金属性能が得られ、ブローホール等に対する耐欠陥性に優れ、低温靭性が高く、耐食性が良好で、かつ溶接作業性が良好な二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
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持つステンレス鋼である。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、車両等の構造材としても用いられている。近年、これら二相ステンレス鋼にＣｕ、ＮやＷなどの合金剤を多量添加し、特に耐食性を向上させたより高性能な二相ステンレス鋼が開発されている。溶接材料もこれに適合した良好な溶着金属性能と溶接作業性が求められている。
【０００３】
このような状況の中で特に高能率に溶接でき、溶接作業性が良好なフラックス入りワイヤ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したり溶接直後にスラグの飛散やスラグの一部が溶接ビードに焼き付いて残るという課題がある。加えて、ビード形状は凸状の形状となる傾向にあり、グラインダーによる手直しの工程を追加する必要があるなどの課題があった。
【０００４】
この課題を解決する技術として、例えば特許第３８１４１６６号公報（特許文献１）にはＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、金属弗化物、Ｔｉ含有量を規制して、溶接金属性能および溶接作業性を良好にした技術の記載がある。しかし、このフラックス入りワイヤでは、Ｃｕ、ＷやＮなどが含有されたより高性能な二相ステンレス鋼に適用した場合、スラグの剥離性が不十分で、溶接作業性を著しく低下させる。また耐孔食性が不十分であるという課題がある。
【０００５】
また、特許第３４７６１２５号公報（特許文献２）には、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎを規定すると共に、スラグ剤として、ＴｉＯ２とＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯを規制して、耐孔食性、低温靭性および溶接作業性を良好にしたフラックス入りワイヤが開示されている。しかし、このフラックス入りワイヤでは、従来の二相ステンレス鋼に比べてＣｕ、ＷやＮなどを添加したより高性能な二相ステンレス鋼に用いた場合、耐孔食性や溶接作業性が不十分であるという課題がある。
【０００６】
さらに、特開２００１−９５８９号公報（特許文献３）には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎを規制することで高強度、高耐食性の二相ステンレス鋼溶接材料および溶接方法が開示されている。しかし、ビード形状が悪く、また靭性が低いという課題がある。
【特許文献１】特許第３８１４１６６号公報
【特許文献２】特許第３４７６１２５号公報
【特許文献３】特開２００１−９５８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、二相ステンレス鋼の溶接に使用され、母材と同程度の高強度な溶着金属が得られ、ブローホール等の耐欠陥性に優れ、低温靭性が高く、耐食性が良好で、かつ溶接作業性が良好な二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ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】
【０００８】
本発明の要旨は、ステンレス鋼外皮の内部にフラックスが充填された二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにおいて、外皮およびフラックスに含有される成分の合計として、ワイヤ全質量に対して質量％で、Ｃ：０．０６％以下、Ｎｉ：７．０〜１４．０％、Ｃｒ：２３．０〜２７．０％、Ｍｏ：１．５〜５．０％、Ｗ：０．０５〜５．０％、Ｃｕ：０．７％以下、Ｎ：０．０８〜０．３０％を含有し、その他はＳｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、金属酸化物、金属弗化物および不可避不純物であることを特徴とする。
【０００９】
また上記の二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量に対して質量％で、ＴｉＯ２：３．０〜８．０％、ＳｉＯ２：０．５〜５．０％、金属弗化物のＦ換算値：０．３〜０．９％を含有し、Ａｌ２Ｏ３：０．０６％以下、ＺｒＯ２：０．０６％以下でＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の和を０．０６％以下、さらに前記Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の和とＮの比（Ａｌ２Ｏ３＋ＺｒＯ２）／Ｎを０．６５以下とし、かつスラグ剤成分の合計がワイヤ全質量の４．２〜１１．４％であるフラックスをステンレス鋼外皮内に１８〜３０％充填してなることも特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤによれば、二相ステンレス鋼の溶接において母材と同程度の高強度の溶着金属が得られ、ブローホール等に対する耐欠陥性に優れ、低温靭性が高く、耐食性が良好で、かつ溶接作業性が良好な二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明者らは、上記の課題を解決するために、各種成分組成のフラックス入りワイヤを試作して詳細に検討した。その結果、溶着金属をより高耐食とするため、従来の二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにＷ、Ｎを添加した場合、ＮはＡｌ２Ｏ３やＺｒＯ２などと化合物を形成し、スラグが焼付きスラグ剥離性が悪くなるが、スラグ剤中のＡｌ２Ｏ３およびＺｒＯ２量を低くすることによって、スラグ剥離性が大幅に向上する傾向が認められた。またＷは、シグマ相を析出させ、靭性が悪くなるといった課題があったが、Ｃｕを添加することによって、シグマ相の析出を抑制し、オーステナイトを安定化させて靭性の向上を図ることがができるということを見出した。
【００１２】
本発明は、外皮および充填フラックス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、それぞれの各成分組成の添加理由および限定理由を述べる。以下の各元素は外皮およびフラックスに含有される成分の合計の、ワイヤ全質量に対する分量である。
Ｃは、ＣｒおよびＭｏ等と化合して炭化物を生成し、靭性を劣化させるため、Ｃの含有量は０．０６質量％（以下、％という。）以下とする。
【００１３】
Ｎｉは、オーステナイト組織を安定化させ、アーク安定性を改善し、かつ耐孔食性を改善する効果を有する。Ｎｉが７．０％未満ではオーステナイト量が減少し、成分偏析を招くため耐孔食性を損なう。１４．０％を超えるとアークが不安定となり溶接作業性が劣化する。従って、Ｎｉは７．０〜１４．０％とする。
【００１４】
Ｃｒは、耐孔食性を改善する目的で添加する。Ｃｒが２３．０％未満では耐孔食性を十分に得ることができない。２７．０％を超えるとシグマ相が析出して脆化し靭性が低下する。従って、Ｃｒは２３．０〜２７．０％とする。
【００１５】
Ｍｏは、耐孔食性や靭性を改善する効果を有する。Ｍｏが１．５％未満では耐孔食性を十分に得ることができない。５．０％を超えるとシグマ相が析出して脆化して靭性が低下する。従ってＭｏは１．５〜５．０％とする。
【００１６】
Ｗは、Ｍｏと同様に耐孔食性や靭性を改善する効果を有する。ＣｒやＭｏに比べてシグマ相の析出を助長する作用が相対的に小さく、Ｃｒ、Ｍｏの含有量を少なくして耐孔食性や靭性を高めることができる。Ｗが０．０５％未満では耐孔食性を十分に得ることができない。一方５．０％を超えるとラーベス相の析出が生じやすくなり靭性が低下する。従ってＷは０．０５〜５．０％とする。
【００１７】
Ｃｕは、極微量の添加でオーステナイト組織を安定化させ、靭性を改善する効果を有する。Ｃｕが０．７％を超えるとＣｕを含む金属間化合物を析出して靭性が劣化する。従って、Ｃｕは０．７％以下とするが、望ましくは０．０１％以上含有させる。
【００１８】
Ｎは固溶強化元素であり、溶着金属の強度を高めると共にオーステナイト組織を安定化させ、耐孔食性を改善する効果がある。０．０８％以下では溶着金属の強度が低下し、耐孔食性も劣化する。一方０．３０％を超えるとブローホールが発生するとともにスラグ剥離性が劣化する。なお、Ｎは鋼製外皮および充填フラックスのいずれか一方又は両方に含有されるものであり、フラックス中に窒素化合物の形で含有されるときには、Ｎに換算した総量とする。
【００１９】
本発明はさらに以下の酸化物、弗化物などのフラックス成分を規制することが好ましい。これらのフラックス成分量はワイヤ全質量に対する分量である。
ＴｉＯ２は、アークを安定にしてビード形状を良好にする。ＴｉＯ２が３．０％未満ではアークの安定性が劣化する。一方８．０％を超えると母材と溶接ビードのなじみが悪くなり、凸状のビード形状となる。従って、ＴｉＯ２は３．０〜８．０％とする。ＴｉＯ２としてはルチール、チタンスラグ、イルミナイト、チタン酸カリ、チタン酸ソーダ等が使用できる。
【００２０】
ＳｉＯ２は、アークを安定にし、またスラグの流動性調整に必要でスラグ剥離性を良好にし、ビード形状を良化させる成分である。ＳｉＯ２が０．５％未満では、アークが不安定となりビード形状が不良となる。一方５．０％を超えるとスラグが流れやすくなりスラグ被包性が不良となる。従って、ＳｉＯ２は０．５〜５．０％とする。ＳｉＯ２としては、硅砂、硅石の他、カリ長石等が使用できる。
【００２１】
金属弗化物は、スラグ融点の調整として必要で、スラグ被包性およびスラグ剥離性を良好とし、ビード形状を良好とする目的で添加する。金属弗化物のＦ換算値が０．３％以下ではスラグ被包性およびスラグ剥離性が劣化する。しかし０．９％を超えるとスラグの融点が著しく低下し、ビード形状が不良となる。従って、金属弗化物のＦ換算値は０．３〜０．９％とする。金属弗化物はＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ２、ＡｌＦ３、Ｋ２ＺｒＦ６、Ｋ２ＳｉＦ６等が使用でき、いずれの金属弗化物を使用しても同様な効果が得られる。
【００２２】
Ａｌ２Ｏ３は、過度に含有すると母材または溶接金属中のＣ、Ｎ、Ｓと化合物を形成し、固いスラグを生成する。特にＮと化合物を形成したスラグはビード表面にスラグが焼付き、スラグ剥離性が低下する。Ａｌ２Ｏ３は低いほど好ましいが、ルチールなどのチタン酸化物、カリ長石、硅砂の不純物として含有されるため、Ａｌ２Ｏ３は０．０６％以下とする。
【００２３】
ＺｒＯ２は、Ｎとの親和力が高いために、Ｎを多量添加したより高性能な二相ステンレス鋼を溶接した場合、Ｎと化合物を形成してビード表面にスラグが焼付き、スラグ剥離性が低下する。またＮと反応して溶着金属中に脆い化合物を生成し、固溶Ｎが減少して耐孔食性および靭性を劣化させる。ＺｒＯ２は低いほど好ましいが、ルチールなどのチタン酸化物、カリ長石、硅砂の不純物として含有されるため、ＺｒＯ２は０．０６％以下とする。
【００２４】
前記Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の合計が多いと、ワイヤ先端のアーク発生点近傍の外皮とフラックスとの溶融速度差を生じさせて、アーク安定性を劣化させる。したがって、Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の和は０．０６％以下とする。さらに前記Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の和とＮとの比（Ａｌ２Ｏ３＋ＺｒＯ２）／Ｎを０．６５以下にすることによって、オーステナイトから変態生成するフェライトを適正量にし、特に溶接金属の耐孔食性および強度を向上することができる。またＮとの化合物生成を抑制し、ビード表面のスラグ焼付きを防止してスラグ剥離性を良好にし、溶接作業性を改善する。Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の和とＮとの比（Ａｌ２Ｏ３＋ＺｒＯ２）／Ｎが０．６５を超えると、Ａｌ２Ｏ３およびＺｒＯ２とＮの化合物を形成するためＮの固溶量が減少し、結晶粒の微細化が得られず溶着金属の強度が低下するとともに耐孔食性が劣化する。
【００２５】
フラックス中のスラグ剤成分は、スラグ被包性およびスラグ剥離性を良好にし、ビード形状を良好にする。ワイヤ全質量に対しスラグ剤成分の合計が４．２％未満では、スラグ量が少なくスラグ被包性が不十分となり、ビード形状が劣化する。一方、スラグ剤成分の合計が１１．４％を超えると、スラグ量が過剰となりスラグが不均一に被包するため、スラグ剥離性が劣化する。従って、スラグ剤成分の合計はワイヤ全質量に対し４．２〜１１．４％とする。なお、本発明におけるスラグ剤成分とは、酸化物、弗化物等の非金属成分の他、不純物としてのＰ、Ｓ等を意味するものである。
【００２６】
ステンレス鋼外皮へのフラックス充填率が１８％未満では、外皮の肉厚が厚くなり、溶滴が肥大化してアークが不安定となる。一方３０％を超えると逆に外皮の肉厚が薄く、スラグ量が過剰となりスラグ被包性およびスラグ剥離性が劣化する。従って、フラックス充填率は１８〜３０％とする。
【００２７】
以上、本発明の二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤの成分組成の限定理由を述べたが、その他の成分として、Ｓｉ：０．２〜０．６％、Ｍｎ：０．４〜１．８％の範囲で機械的性質の調整として外皮またはフラックスに添加することができる。また、Ｐは０．０４０％以下、Ｓは０．０３０％以下であることが強度および靭性の確保から好ましい。
【００２８】
フラックス入りワイヤの製造方法について言及すると、例えば外皮を帯鋼より管状に成形する場合には、配合、撹拌、乾燥した充填フラックスを、帯鋼をＵ形に連続成形しつつ溝に満たしたのち丸形に連続成形し、所定のワイヤ径まで伸線する。この際、整形した外皮シームを溶接することで、シームレスタイプのフラックス入りワイヤとすることもできる。また外皮がパイプの場合には、パイプを振動させつつフラックスを一端から充填し、所定のワイヤ径まで伸線する。充填フラックスは、供給、充填が円滑に行えるように、固着剤（珪酸カリおよび珪酸ソーダの水溶液）を添加して造粒して用いることもできる。
【実施例】
【００２９】
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外皮（Ｗ１，Ｗ２）および二相ステンレス鋼外皮（Ｗ３）を用いて表２および表３に示す各種組成の二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを試作した。ワイヤ径は１．２ｍｍとした。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
【表２】
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【００３２】
【表３】
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【００３３】
溶接は、表４に示す成分の二相ステンレス鋼（Ｂ１）を用いてＪＩＳ  Ｚ  ３３２３に基づいて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、溶接継手部の割れおよび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。
【００３４】
【表４】
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【００３５】
Ｘ線透過試験は、第１種のきず点数３点未満を良好とした。溶着金属性能は、引張強さ：８００ＭＰａ以上、−２０℃における吸収エネルギー（ｖＥ−２０℃）：１０Ｊ以上、孔食電位：１０００ｍＶ以上を良好とした。
溶接作業性は、表４に示す二相ステンレス鋼（Ｂ２）を用いて水平すみ肉溶接を行い、アーク安定性、スラグ被包性、スラグ剥離性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１８０〜２５０Ａ、シールドガス：ＣＯ２で実施した。それらの結果を表５にまとめて示す。
【００３６】
【表５】
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【００３７】
表２、表３および表５中のワイヤＮｏ．１〜１４が本発明例、ワイヤＮｏ．１５〜２６は比較例である。
本発明であるワイヤＮｏ．１〜１４は、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ、Ｎ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の和、Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の和とＮの比、金属弗化物、スラグ剤成分の合計、フラックスの充填率が適正であるので、引張強さおよび吸収エネルギーが高く、耐孔食性に優れた溶着金属が得られ、耐ブローホール性に優れるとともに溶接作業性も良好であり、極めて満足な結果であった。
【００３８】
比較例中ワイヤＮｏ．１５は、ＺｒＯ２が高いので耐孔食性が不良で吸収エネルギーが低く、アークが不安定でスラグ剥離性も不良であった。
ワイヤＮｏ．１６は、ＴｉＯ２が高いのでビード形状が不良であった。また、Ｎが高いのでブローホールが発生し、スラグ剥離性も不良であった。
ワイヤＮｏ．１７は、ＴｉＯ２が低いのでアークが不安定であった。また、Ｃｒが高いので吸収エネルギーが低かった。
【００３９】
ワイヤＮｏ．１８は、ＳｉＯ２が高いのでスラグ被包性が不良であった。また、Ｃｕが高いので吸収エネルギーが低かった。
ワイヤＮｏ．１９は、ＳｉＯ２が低いのでアークが不安定性でビード形状が不良であった。また、Ｍｏが低いので耐孔食性が不良であった。さらに、Ｃが高いので吸収エネルギーが低かった。
ワイヤＮｏ．２０は、金属弗化物のＦ換算値が低いのでスラグ被包性およびスラグ剥離性が不良であった。また、Ｍｏが高いので吸収エネルギーが低かった。
【００４０】
ワイヤＮｏ．２１は、スラグ剤合計量が少ないのでスラグ被包性およびビード形状が不良であった。また、Ａｌ２Ｏ３が高いのでアークが不安定でスラグ剥離性も不良であった。さらに、Ｃｒが低いので耐孔食性が不良であった。
ワイヤＮｏ．２２は、スラグ剤合計量が多いのでスラグ被包性およびスラグ剥離性が不良であった。また、Ｎが低いので耐孔食性が不良で引張強さも低かった。
【００４１】
ワイヤＮｏ．２３は、フラックス充填率が低いのでアークが不安定であった。また、耐孔食性が不良であった。
ワイヤＮｏ．２４は、フラックス充填率が高いのでスラグ被包性およびスラグ剥離性が不良であった。また、Ｎｉが高いのでアークが不安定であった。
【００４２】
ワイヤＮｏ．２５は、Ｗが高いので吸収エネルギーが低かった。また、Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の和とＮの比が高いので引張強さが低く、孔耐食性が不良であった。
ワイヤＮｏ．２６は、Ｗが低いので耐孔食性が不良であった。また、金属弗化物のＦ換算値が高いのでビード形状が不良であった。さらに、Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の和が高いのでアークも不安定であった。