(57)【要約】【課題】耐硫酸性および耐塩酸性に優れた溶接金属がえられ、かつ良好な溶接作業性を確保できる耐硫酸性および耐塩酸性に優れる低合金鋼のアーク溶接用被覆アーク溶接棒を提供する。【解決手段】鋼心線に被覆剤を被覆塗装してなる被覆アーク溶接棒において、前記鋼心線または被覆剤の何れか一方もしくは両方に、溶接棒全質量に対する質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１５％、Ｓｉ：０．５〜４％、Ｍｎ：０．２〜２．４％、Ｃｕ：０．１〜１．２％、Ｎｉ：０．１〜０．６％、Ｓｂ：０．０２〜０．２５を含有し、さらに、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下に制限し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする耐硫酸性および耐塩酸性に優れる低合金鋼溶接用の被覆アーク溶接棒。【選択図】　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼心線に被覆剤を被覆塗装してなる被覆アーク溶接棒において、前記鋼心線中または前記被覆剤中の何れか一方もしくは両方に、溶接棒全質量に対する質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．１５％、
Ｓｉ：０．５〜４％、
Ｍｎ：０．２〜２．４％、
Ｃｕ：０．１〜１．２％、
Ｎｉ：０．１〜０．６％、
Ｓｂ：０．０２〜０．２５
を含有し、
かつ、Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０３％以下
に制限し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする耐硫酸性および耐塩酸性に優れる低合金鋼溶接用の被覆アーク溶接棒。
【請求項２】
前記溶接棒全質量に対する質量％で、前記鋼心線中または被覆剤中の一方または両方に、
Ｓ：０．００５〜０．０２％
を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐硫酸性および耐塩酸性に優れる低合金鋼溶接用の被覆アーク溶接棒。
【請求項３】
前記溶接棒全質量に対する質量％で、前記鋼心線中または被覆剤中の一方または両方に、さらに、
Ｍｏ：０．０１〜０．６％
を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の耐硫酸性および耐塩酸性に優れる低合金鋼溶接用の被覆アーク溶接棒。
【請求項４】
前記溶接棒全質量に対する質量％で、前記鋼心線中または被覆剤中の一方または両方に、さらに、
Ｃｒ：０．１〜１．７％
を含有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の耐硫酸性および耐塩酸性に優れる低合金鋼溶接用の被覆アーク溶接棒。
【請求項５】
前記被覆剤全質量に対する質量％で、前記被覆剤中に、
金属炭酸塩：３５〜５５％、
金属弗化物：１３〜３０％、
金属酸化物：０．５〜１５％
を含有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の耐硫酸性および耐塩酸性に優れる低合金鋼溶接用の被覆アーク溶接棒。
【請求項６】
前記被覆剤中のＳｂの平均粒径が４５〜１５０μｍであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の耐硫酸性および耐塩酸性に優れる低合金鋼溶接用の被覆アーク溶接棒。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭焚きボイラーやごみ焼却施設の煙道、煙突のように硫酸および塩酸による低温腐食を生じるような雰囲気、すなわち濃厚硫酸および塩酸環境で優れた耐食性を示す耐硫酸露点腐食低合金鋼のアーク溶接用の溶接棒に関するものである。また、塩酸、硫酸などの単独または混合の酸洗液を収める鋼製めっき酸洗槽用の耐酸性に優れた鋼材のアーク溶接に適用する溶接棒に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に溶接構造物が腐食環境で使用される場合、溶接部と母材との間で耐食性に差異があると、耐食性の劣る方が選択的に腐食され、構造物の寿命が著しく短くなる。また、溶接部が選択的に腐食すると、腐食孔に応力集中が生じ、極端な場合は構造物の破壊を招く恐れもある。このように、溶接構造物の利用において、腐食劣化が無視できない用途の場合には、母材だけでなく溶接部の耐食性も十分に確保する必要がある。
【０００３】
石炭焚き火力やごみ焼却施設などの煙道、煙突などの排煙設備では、排ガス中の三酸化硫黄および塩化水素に起因して、硫酸露点腐食、塩酸露点腐食が生じる。
【０００４】
既存の耐食鋼用溶接棒は、Ｃｕを単独で含有するかまたはＣｕ−Ｃｒを含有する系であり、これらは、重油専焼ボイラのプラント排煙装置で生じる硫酸露点腐食環境では十分に優れた耐食性を示すが、　石炭焚きボイラやごみ焼却またはごみのガス化溶融施設などでは、硫酸露点腐食と塩酸露点腐食が同時に生じるため、溶接部の耐食性が十分でないといった問題があった。
【０００５】
更に、耐食性の改善例として、溶接金属にＣｕとＳｂ含有させることが提案されているが（例えば、特公昭４３−１３８０号公報参照。）、この技術も耐硫酸性向上のみであり耐塩酸性まで満足できるものではなかった。
【０００６】
【発明の解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、耐硫酸性および耐塩酸性に優れた溶接金属がえられ、かつ良好な溶接作業性を確保できる耐硫酸性および耐塩酸性に優れる低合金鋼のアーク溶接用の被覆アーク溶接棒を提供することをその目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、溶接金属の耐硫酸露点腐食性と耐塩酸露点腐食性に及ぼす冶金因子を詳細に検討した結果、鋼心線に被覆剤を被覆塗装してなる溶接棒全体の組成を特定することにより、耐食性に優れた溶接金属が得られることを見出した。すなわち、まず溶接棒の不純物であるＰ、Ｓを限定した上で、（１）特定のＣ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｂ系にすることにより優れた耐硫酸性および耐塩酸性の溶接金属が得られる。（２）前記（１）の成分系のＳを規定することにより耐硫酸性と耐塩酸性がさらに向上する。（３）前記（１）または（２）の成分系でＭｏを添加すると、耐塩酸性が飛躍的に向上させることができる。（４）前記（３）の成分系にＣｒを添加すると、酸化性雰囲気での耐高濃度硫酸性を向上させることができる。（５）前記（２）または（３）の成分系で被覆剤中の金属炭酸塩、金属弗化物および金属酸化物の含有量を規定することにより、良好な溶接作業性を確保できる。（６）前記（１）〜（５）のいずれか１項の成分系において、被覆剤にＳｂを含有させ、該Ｓｂの平均粒径を限定することにより良好な溶接を確保しつつ優れた耐食性が得られる。本発明は、これらの知見に基づいて完成させたもので、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）鋼心線に被覆塗装してなる被覆アーク溶接棒において、前記鋼心線中または被覆剤中の何れか一方もしくは両方に、溶接棒全質量に対する質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．１５％、
Ｓｉ：０．５〜４％、
Ｍｎ：０．２〜２．４％、
Ｃｕ：０．１〜１．２％、
Ｎｉ：０．１〜０．６％、
Ｓｂ：０．０２〜０．２５
を含有し、
さらに、Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０３％以下
に制限し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする耐硫酸性および耐塩酸性に優れる低合金鋼溶接用の被覆アーク溶接棒。
（２）前記溶接棒全質量に対する質量％で、前記鋼心線中または被覆剤中の一方または両方に、
Ｓ：０．００５〜０．０２％
を含有することを特徴とする（１）に記載の耐硫酸性および耐塩酸性に優れる低合金鋼溶接用の被覆アーク溶接棒。
（３）前記溶接棒全質量に対する質量％で、前記鋼心線中または被覆剤中の一方または両方に、さらに、
Ｍｏ：０．０１〜０．６％
を含有することを特徴とする（１）または（２）に記載の耐硫酸性および耐塩酸性に優れる低合金鋼溶接用の被覆アーク溶接棒。
（４）前記溶接棒全質量に対する質量％で、前記鋼心線中または被覆剤中の一方または両方に、さらに、
Ｃｒ：０．１〜１．７％
を含有することを特徴とする（１）〜（３）の何れか１つに記載の耐硫酸性および耐塩酸性に優れる低合金鋼溶接用の被覆アーク溶接棒。
（５）前記被覆剤全質量に対する質量％で前記被覆剤中に、
金属炭酸塩：３５〜５５％、
金属弗化物：１３〜３０％、
金属酸化物：０．５〜１５％
を含有することを特徴とする（１）〜（４）の何れか１つに記載の耐硫酸性および耐塩酸性に優れる低合金鋼溶接用の被覆アーク溶接棒。
（６）前記被覆剤中のＳｂの平均粒径が４５〜１５０μｍであることを特徴とする（１）〜（５）の何れか１つに記載の耐硫酸性および耐塩酸性に優れる低合金鋼溶接用の被覆アーク溶接棒。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の被覆アーク溶接棒は、鋼心線に被覆剤を被覆塗装してなるものであるが、所要の特性を有する溶接金属を得るための各元素は、鋼心線、被覆剤のいずれから添加しても良い。従って、以下の説明においては、特に断りのない限り、各成分元素は、鋼心線、被覆剤のいずれか一方または双方において、溶接棒全体として含有させれば良いものである。
【０００９】
まず、溶接棒全質量に対するＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｂの含有量規定について述べる。
Ｃは、本発明では被覆剤中の金属炭酸塩や有機物のＣＯまたはＣＯ２のＣ分は含まず、被覆剤原料、例えばＳｉＣやＦｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ中のＣと鋼心線中のＣであり、溶接金属の強度を確保するために添加するが、その合計が０．１５％を超えて添加すると、溶接金属の耐割れ性と耐硫酸性が低下する。耐硫酸性および耐塩酸性の観点ではＣの含有量は少ないほど好ましいが、０．００５％未満ではアーク力が弱く溶け込み不足となって溶接作業性が悪くなるので、０．００５〜０．１５％とする。なお、耐硫酸性と耐塩酸性とのバランスを考慮する必要がある場合は、０．０５％以下が最も好ましい。
【００１０】
Ｓｉは、０．５％以上含むと、Ｃｕと共存して、特に４０％程度の硫酸濃度域での溶接金属の耐硫酸性および耐塩酸性を向上させる。しかし、４％を超えると、耐食性の向上はみられず、溶接金属の靭性が著しく低下し、アーク力が過剰に強くなり溶接作業性の劣化を招くので、上限は４％とした。溶接作業性や溶接金属の靭性をより重視する場合は、０．５〜２％が好ましい。また、Ｓｉを被覆剤から添加する場合はＦｅ−Ｓｉを使用する。
【００１１】
Ｍｎは、溶接金属の脱酸および強度調整のため溶接棒全体に０．２％以上添加するが、２．４％を越えるとスラグの粘性が低下し、立向姿勢ビードが垂れ易くなるなど溶接作業性が悪くなるので、０．２〜２．４％を限定範囲とした。また、Ｍｎを被覆剤から添加する場合は金属ＭｎやＦｅ−Ｍｎを使用する。
【００１２】
Ｐは、不純物元素であり、溶接金属の耐硫酸性および耐塩酸性を著しく阻害するので、その範囲を０．０３％以下とした。より好ましくは０．０１％以下にすると耐硫酸性および耐塩酸性が著しく改善され、０．００５％以下が最も好ましい。
【００１３】
Ｓは、不純物元素であり、溶接金属の十分な耐硫酸性および耐塩酸性を確保する上で限定する必要がある。０．０３％を超えると、耐硫酸性が著しく低下するので上限を０．０３％とした。
【００１４】
また、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｓｂ系の溶接棒においては、Ｓを０．００５％以上含有させると、溶接金属の耐硫酸腐食性と共に、耐塩酸性が著しく向上する。しかし、０．０２％を超えて含有させてもその効果は飽和し、また、機械的性質（耐ラメラテア性など）および熱間加工性が低下するので、Ｓ含有量を０．００５〜０．０２％とするのが好ましい。
【００１５】
Ｃｕは、溶接金属の耐硫酸性および耐塩酸性を確保するためには、０．１％以上の添加が必須である。１．２％を超えて添加しても耐食性はほぼ飽和し溶接金属の耐割れ性劣化を招くため、０．１〜１．２％を限定範囲とした。好ましくは、０．２５〜０．７５％の添加が最も優れている。被覆剤からＣｕを添加する場合は、金属Ｃｕを使用する。
【００１６】
Ｎｉは、溶接金属の耐塩酸性の向上および、ＣｕまたはＳｂとの添加で生じる溶接金属凝固時の表面割れ防止を目的に０．１％以上添加する必須元素であるが、０．６％を超えて添加してもそれらの効果は飽和するので、０．１〜０．６％を限定範囲とした。０．１％〜Ｃｕ％×０．５の範囲が好ましい。また、被覆剤からＮｉを添加する場合はＦｅ−Ｎｉや金属Ｎｉを使用する。
【００１７】
Ｓｂは、Ｃｕとともに共存して溶接金属の耐硫酸性および耐塩酸性をさらに向上させる元素である。０．０２％未満では良好な耐食性が得られず、０．２５％を越えるとアーク状態の劣化とスラグの粘性が下がり過ぎ立向姿勢で溶接金属が垂れ易くなり凸ビードを呈するようになる。
【００１８】
また、Ｓｂを被覆剤から添加する場合は、金属Ｓｂを使用するが、平均粒径も重要であり、４５μｍ未満ではスラグの粘性が下がり、特に立向姿勢で凸ビードに成りやすくなり、１５０μｍを越えると被覆剤中の偏析が問題となり、溶接金属中のＳｂ量が安定せず耐食性に支障をきたすようになる。よって、さらに良好な溶接作業性と優れた耐食性を得るために、被覆剤中のＳｂの平均粒径を４５〜１５０μｍの範囲に限定するのが好ましい。
【００１９】
Ｍｏは、Ｃｕとともに溶接棒全質量に対して０．０１％以上添加すると、溶接金属の耐塩酸性を著しく向上させる元素であり、必要に応じて添加する。その効果はＣｕ−Ｓｂとの複合添加で更に増大する。その値が０．６％を超えて添加されると、耐硫酸性および耐塩酸性が低下するので、溶接棒全質量に対して０．０１〜０．６％に限定した。また、被覆剤からＭｏを添加する場合は金属ＭｏまたはＦｅ−Ｍｏを使用する。
【００２０】
Ｃｒは、特に排ガス中の硫黄酸化物含有量の多いプラントで生じる酸化性の硫酸露点腐食環境での耐食性を確保するために、必要に応じて、溶接棒全質量に対して０．１％以上添加し、１．７％を超えて添加すると、逆に耐食性が阻害される。
【００２１】
一方、Ｃｒは、０．１％以上添加すると耐塩酸性を阻害する元素であり、酸化性の硫酸露点腐食環境でない場合は、Ｃｒは無添加、すなわち０．１％未満が好ましい。なお、被覆剤からＣｒを添加する場合は金属ＣｒまたはＦｅ−Ｃｒを使用する。
【００２２】
なお、本発明の限定要件ではないが、溶接棒全体に必要に応じて、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｎ、ＲＥＭ、Ｃａの元素を添加してもよい。
【００２３】
Ｓｎは、添加または不可避的不純物として含有しても耐硫酸露点腐食性および耐塩酸露点腐食性を阻害するものではないが、０．０５％を超えると、溶接継手の靭性を著しく低化させるので、０．０５％以下に制限することが好ましい。
【００２４】
また、本発明で適用する鋼心線は良好な諸溶接性能と耐食性を得るためにＣが０．０８％以下、Ｓｉが０．０３％以下、Ｍｎを０．２０〜０．６０％、Ｐが０．０３５％以下、Ｓが０．０４０％以下が好ましい。
【００２５】
次に、被覆剤中の金属炭酸塩、金属弗化物のおよび金属酸化物添加量の限定理由について述べる。金属炭酸塩とは、炭酸石灰、炭酸バリウム、炭酸マグネシウムなどであるが溶接中にＣＯ２ガスを発生して大気からの窒素・酸素・水素を遮断し健全な溶接金属を得るのに用いる主要原料である。３５％未満ではその機能を発揮できず、５５％を越えるとアーク状態やビード形状の劣化を招き溶接作業性が悪くなる。
【００２６】
したがって、被覆剤中の金属炭酸塩の含有量は、３５〜５５％とするのが好ましい。
【００２７】
金属弗化物は、蛍石、氷晶石、弗化バリウムなどであり、良好なスラグ流動性を確保し金属炭酸塩と共に主要成分として添加し、１３％未満ではその機能が満たされず、３０％を越えるとスラグの剥離性が劣化し、ビード形状も悪くなる。したがって、被覆剤中の金属弗化物の含有量は、１３〜３０％とするのが好ましい。
【００２８】
金属酸化物は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ａｌ２Ｏ３などであり、溶接時のアーク状態とスラグ状態を良好に維持するために、被覆剤中に一種または２種以上の組合せで添加するのが好ましい。それらの合計含有量が０．５％未満ではアーク安定性とスラグ状態を良好に維持できず、一方、１５％を越えると溶融金属中の酸素が多くなり靱性性が低下する。
【００２９】
したがって、被覆剤中の金属弗化物の含有量は、０．５〜１５％とするのが好ましい。
【００３０】
本発明の溶接棒は、所要の組成の鋼を溶製した後、これを熱間あるいは冷間にて圧延、引抜きなどの加工により所要の径の鋼心線とし、これに被覆剤を塗布、乾燥して、被覆アーク溶接棒とすることができる。
【００３１】
【実施例】
本発明を実施例により、更に詳細に説明する。表１の組成の鋼心線（直径：４．０ｍｍ、長さ：４００ｍｍ）に表２の組成の被覆剤を被覆塗装し乾燥して、表３（表２のつづき）に示す組成の２６種類の溶接棒を作成した。この溶接棒を用い以下の試験条件で多層盛り溶接を行い、試験片を採取して、溶着金属の硫酸及び塩酸の耐食性試験と溶接作業性調査を行い、総合判定した。
【００３２】
【表１】
2004090044.tif 000002
【００３３】
【表２】
2004090044.tif 000003
【００３４】
【表３】
2004090044.tif 000004
【００３５】
耐食性試験に使用した試験片は、図１に示すように作成した。すなわち、母材成分の影響を受けないように。軟鋼母材３上に交流溶接機を用い電流１７０Ａを使用し、９層で盛上げ部４を形成し、５層目からの溶着金属２を機械加工で試験片１（４ｍｍ×２５ｍｍ×２５ｍｍ）を各４個採取した。腐食試験は、４０℃の２０％硫酸で２４時間、及び８０℃の１０％塩酸で２４時間の浸食腐食試験を行い、各試験片４個の平均腐食減量を求め、共に２．５ｍｇ／（ｃｍ２・ｈｒ）以下を良好、２．５〜１０ｍｇ／（ｃｍ２・ｈｒ）をやや劣る、１１ｍｇ／（ｃｍ２・ｈｒ）以上を劣る、とした。
【００３６】
溶接作業性の調査では、板厚１２ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ４５０ｍｍの軟鋼をＴ型に組み、交流溶接機を用い、水平隅肉では電流１７０Ａ、立向姿勢では１５０Ａを使用して溶接作業を行ない、アーク状態、スラグ状態、スパッタの多少、ビード形状などを調査した。その判定は、各姿勢の評価を総合判定し、良好を○印、やや劣るを△印、劣るを×とした。
【００３７】
その試験結果を表４に示す。
【００３８】
【表４】
2004090044.tif 000005
【００３９】
溶接棒Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１７は、本発明例であり、特に、溶接棒Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１５は、各要件が全て適正であるので耐硫酸及び耐塩酸での腐食減量が少なく良好な結果であり、溶接作業性も満足できるものであった。これらにくらべてＮｏ．１６、１７は、溶接金属の十分良好な耐食性が得られたものの、Ｎｏ．１６では、炭酸石灰の添加量が多いため良好なアーク状態が得られず溶接作業性がやや悪くなり、Ｎｏ．１７では、炭酸石灰が少ないのでアーク力が弱く溶接作業性がやや劣化した。
【００４０】
溶接棒Ｎｏ．１８〜Ｎｏ．２６は、比較例であり、Ｎｏ．１８とＮｏ．１９は、Ｓｂの平均粒径が適正でない場合であり、Ｎｏ．１８は、Ｓｂの平均粒径が小さいのでスラグの粘性が低下し立向姿勢で溶接金属が垂れ易くなり凸ビードとなり、Ｃｕが少ないので腐食し易くなった。また、Ｎｏ．１９は、Ｓｂの平均粒径が大き過ぎることとＮｉが添加されないので耐食性がやや悪くなった。
【００４１】
Ｎｏ．２０は、蛍石が多いのでスラグ剥離性が悪く、溶接棒全体のＣが多いので耐食性の劣化を招いた。
【００４２】
Ｎｏ．２１は、Ｓｉが少ないので溶接作業性が悪く、Ｓが多すぎるので硫酸での耐食性が悪くなった。また、Ｃｕが多すぎるので、耐割れ性が劣化した。
【００４３】
Ｎｏ．２２、Ｎｏ．２４〜Ｎｏ．２７は、溶接棒全体のＳｂが不足または添加されないため、耐硫酸性と耐塩酸性が悪い例である。Ｎｏ．２２は、Ｍｎが多いのでスラグの粘性が低下し立向姿勢でビードが垂れ易くなり溶接作業性の劣化を招いた。
【００４４】
Ｎｏ．２５とＮｏ．２６は、従来の溶接棒であるがＮｉも添加されないので腐食され易くなった。
【００４５】
Ｎｏ．２３は、蛍石が少なくＳｉが多いのでアーク力が強くなりスパッタの飛散が増加し、Ｐが過剰に多いので耐硫酸性と耐塩酸性が悪くなった。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は、以上詳述したように、極めて優れた耐硫酸性と耐塩酸性を有した溶接棒を容易にかつ安価に提供することが可能で、その産業上の価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）腐食試験片の採取要領を説明する図。（Ｂ）（Ａ）のａ−ａ´断面図。
【符号の説明】
１…溶着金属の腐食試験片
２…溶着金属
３…母材
４…盛上げ（９層）
【図１】
2004090044.tif 000006