(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶加材全質量に対する質量％で、
Ｃ：０．０２％以下、
Ｓｉ：０．１〜０．６％、
Ｍｎ：０．０５〜０．４％、
Ｃｒ：１３〜２０％、
Ａｌ：２〜４％、
Ｔｉ：０．０５〜０．４％、
Ｖ及びＮｂの１種または２種の合計：０．００５〜０．１８５％を含有し、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０１５％以下、
Ｏ：０．０１０％以下、
Ｎ：０．０４０％以下であり、
残部はＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼溶接用溶加材。
【請求項２】
溶加材全質量に対する質量％で、
Ｍｏ及びＣｕの１種または２種の合計：０．０２〜０．５％を更に含有することを特徴とする請求項１に記載のフェライト系ステンレス鋼溶接用溶加材。
【請求項３】
溶加材全質量に対する質量％で、
Ｎｉ：０．０１〜０．５％を更に含有することを特徴とする請求項１または２に記載のフェライト系ステンレス鋼溶接用溶加材。
【請求項４】
溶加材全質量に対する質量％で、
Ｓｎ：０．５％以下、Ｂ：０．００５％以下の何れか１種以上を更に含有することを特徴とする請求項１乃至３のうち何れか１項に記載のフェライト系ステンレス鋼溶接用溶加材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、暖房機器や厨房機器の燃焼機器部材、自動車の排気系部材及び燃料電池高温部材等に用いられるＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼のＴＩＧ溶接及びプラズマ溶接用のフェライト系ステンレス鋼溶接用溶加材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ストーブ等の暖房器具、電熱用材料または厨房機器の燃焼機器部材、自動車排気ガス浄化装置及び燃料電池高温部材として、フェライト系ステンレス鋼が使用されている。これら部材は優れた耐高温酸化性が求められる。さらに、各種形状への加工性も求められている。耐加工性及びＡｌ2Ｏ3を主体とする酸化被膜によって耐高温酸化性を具備したＡｌ含有のフェライト系ステンレス鋼が実用化されている。
【０００３】
一方、フェライト系ステンレス鋼溶接用ワイヤは、従来から実用化されており、例えば特許文献１〜特許文献４には、耐熱性、耐食性、耐酸化性、高温環境下における耐久性等に優れた溶接金属が得られるフェライト系ステンレス鋼溶接用ワイヤの開示がある。
【０００４】
しかし、特許文献１〜特許文献４に記載のフェライト系ステンレス鋼溶接用ワイヤは、Ａｒ−ＣＯ2またはＡｒ−Ｏ2のガスシールド中でのＭＡＧ溶接であり、スパッタの発生量が多く、溶接ビード表面に剥離性不良なスラグが生成するという問題点があった。また、Ａｌの含有量が少ないので、溶接金属表面にＡｌ2Ｏ3を主体とする酸化被膜を形成させることができないので耐高温酸化性が不十分であった。
【０００５】
一方、フェライト系ステンレス鋼のＴＩＧ溶接用ワイヤ（溶加材）も実用化されており、例えば特許文献５には、溶接用ワイヤにＭｇとＡｌを適量含有させてＯと結合させることによって溶接金属の組織を微細にして、溶接部の延性及び靭性を改善する技術の開示がある。しかし、特許文献５に記載の技術では、Ｍｇを含んでいるので溶接ビード表面に剥離性不良なスラグが点在する。また、Ａｌ含有量が最大で０．５重量％と少ないので、溶接金属表面にＡｌ2Ｏ3を主体とする酸化被膜を形成させることができないので耐高温酸化性が不十分であった。
【０００６】
また、特許文献６には、溶接用ワイヤのＴｉとＡｌの比を限定することによって、溶け込み深さを増大し、ＮｂとＴｉで溶接金属のＣ及びＮを炭窒化物として固定し粒界腐食を防止する技術の開示がある。しかし、特許文献６に記載の溶接用ワイヤは、Ａｌの含有量が最大で０．０６０質量％と少ないので、溶接金属表面にＡｌ2Ｏ3を主体とする酸化被膜を形成させることができないので耐高温酸化性が不十分であった。
【０００７】
さらに、特許文献７には、溶接ワイヤのＮｂとＴｉの合計とＣとＮの合計との比やＭｏ、Ｃｕ成分の限定と共に、ワイヤ表面に付着した不純物を低減することによって、溶接部の耐食性に優れた溶接金属を得るという技術の開示がある。しかし、特許文献７に記載の溶接用ワイヤでは、Ａｌが含まれていないので、溶接金属表面にＡｌ2Ｏ3を主体とする酸化被膜を形成させることができないので耐高温酸化性が不十分であるという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−３２０４７６号公報
【特許文献２】特開２００６−２３１４０４号公報
【特許文献３】特開２０１２−１１４２６号公報
【特許文献４】特開２０１４−４６３５８号公報
【特許文献５】特開平９−２２５６８０号公報
【特許文献６】特開２００６−２６３８１１号公報
【特許文献７】特開２００８−１３２５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、暖房機器や厨房機器の燃焼機器部材、自動車の排気系部材及び燃料電池高温部材等に用いられるＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼のＴＩＧ溶接及びプラズマ溶接に適用して、溶接スラグの生成がなく、溶接金属の耐割れ性、耐高温酸化性及び延性に優れたフェライト系ステンレス鋼溶接用溶加材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】
【００１０】
本発明者らは、フェライト系ステンレス鋼を溶接した場合に、溶接スラグの生成がなく、溶接金属の耐高温酸化性及び延性に優れた溶接金属を得るべく、溶加材の成分組成について種々検討を行い、成分組成を適正化した。その結果、Ｍｇを含まない構成とするとともに、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｔｉの含有率を最適化することにより、溶接ビード表面に剥離性不良な溶接スラグが形成されるのを防止し、Ａｌの含有量を多めに設定することにより、溶接金属表面にＡｌ2Ｏ3を主体とする酸化被膜をより好適に形成させるとともに更にＳｉ、Ｓ、Ｍｎ、Ｔｉの含有量を適用とすることで耐高温酸化性の向上を図ることができることを見出した。また、Ｓ、Ｍｎ、Ｎｉ等の含有量を最適化することで溶接金属の耐割れ性を向上させ、また上述した各成分の含有量を最適化することで延性に優れた溶接金属が得られることも見出した。
【００１１】
即ち、本発明の要旨は、以下のとおりである。
（１）溶加材全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．１〜０．６％、Ｍｎ：０．０５〜０．４％、Ｃｒ：１３〜２０％、Ａｌ：２〜４％、Ｔｉ：０．０５〜０．４％、Ｖ及びＮｂの１種または２種の合計：０．００５〜０．１８５％を含有し、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｏ：０．０１０％以下、Ｎ：０．０４０％以下であり、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼溶接用溶加材。
【００１３】
（２）溶加材全質量に対する質量％で、Ｍｏ及びＣｕの１種または２種の合計：０．０２〜０．５％を更に含有することを特徴とする（１）に記載のフェライト系ステンレス鋼溶接用溶加材。
【００１４】
（３）溶加材全質量に対する質量％で、Ｎｉ：０．０１〜０．５％を更に含有することを特徴とする（１）または（２）に記載のフェライト系ステンレス鋼溶接用溶加材。
【００１５】
（４）溶加材全質量に対する質量％で、Ｓｎ：０．５％以下、Ｂ：０．００５％以下の何れか１種以上を更に含有することを特徴とする（１）乃至（３）の何れかに記載のフェライト系ステンレス鋼溶接用溶加材。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のフェライト系ステンレス鋼溶接用溶加材によれば、暖房機器や厨房機器の燃焼機器部材、自動車の排気系部材及び燃料電池高温部材等に用いられるＡｌ含有フェライト系ステンレス鋼のＴＩＧ溶接及びプラズマ溶接に適用して、溶接スラグの生成がなく、溶接金属の耐割れ性、耐高温酸化性及び延性に優れた溶接金属が得られる。したがって、本発明によれば、溶接能率の向上及び溶接金属の品質向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例における溶接試験の開先形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を適用したフェライト系ステンレス鋼溶接用溶加材の成分と、その成分の含有率及び各成分の限定理由について説明する。なお、各成分の含有量は、フェライト系ステンレス鋼溶接用溶加材全質量に対する質量％で表すこととし、その質量％を表わすときには単に％と記載して表すこととする。
【００１９】
［Ｃ：０．０２％以下］
Ｃは、溶加材中に含まれる不可避的不純物であるが、Ｃ含有量が０．０２％を超えると溶接金属に高温割れが生じやすくなるとともに、溶接金属の延性が低下して加工性が不良となる。そのため、Ｃは少ないほど好ましいが、過度の低減は精錬コストの大幅な上昇を招くので、好ましくは０．０００５％以上とする。
【００２０】
［Ｓｉ：０．１〜０．６％］
Ｓｉは、溶接金属と母材とのなじみを良好にするとともに、高温酸化性雰囲気で溶接金属表面のＡｌ2Ｏ3被膜生成を促進する。Ｓｉが０．１％未満であると、溶接金属と母材とのなじみが不良となってアンダーカットが生じやすくなる。また、高温酸化性雰囲気で接金属表面のＡｌ2Ｏ3被膜生成を促進できなくなるので、耐高温酸化性が不良となる。一方、Ｓｉが０．６％を超えると、溶接時に剥離性が不良なスラグが生成し、また、溶接金属の延性が低下して加工性が不良となる。したがって、Ｓｉは０．１〜０．６％とする。
【００２１】
［Ｍｎ：０．０５〜０．４％］
Ｍｎは、溶接金属の耐高温割れ性を良好にする効果がある。Ｍｎが０．０５％未満であると、溶接金属に高温割れが生じやすくなる。一方、Ｍｎが０．４％を超えると、溶接時に剥離性が不良なスラグが生成する。またＭｎが０．４％を超えると、高温酸化性雰囲気で溶接金属表面のＡｌ2Ｏ3被膜生成を阻害するので、耐高温酸化性が不良となる。さらにＭｎが０．４％を超えると、溶接金属の延性が低下して加工性が不良となる。したがって、Ｍｎは０．０５〜０．４％とする。
【００２２】
［Ｃｒ：１３〜２０％］
Ｃｒは、ステンレス溶接金属に必要な耐食性を向上する。またＣｒは、高温酸化性雰囲気で溶接金属表面のＡｌ2Ｏ3被膜の密着性を良好にする効果がある。Ｃｒが１３％未満であると、耐食性が低下する。一方、Ｃｒが２０％を超えると、溶接金属の延性が低下して加工性が不良となる。したがって、Ｃｒは１３〜２０％とする。
【００２３】
［Ａｌ：２〜４％］
Ａｌは、高温酸化性雰囲気で溶接金属表面にＡｌ2Ｏ3被膜を形成して耐高温酸化性を良好にする。Ａｌが２％未満であると、高温酸化性雰囲気で溶接金属表面にＡｌ2Ｏ3被膜の生成が不十分で、耐高温酸化性が不良となる。一方、Ａｌが４％を超えると、溶接時に剥離性が不良なスラグが生成する。またＡｌが４％を超えると、溶接金属の延性が低下して加工性が不良となる。したがって、Ａｌは２〜４％とする。
【００２４】
［Ｔｉ：０．０５〜０．４％］
Ｔｉは、溶接金属中のＣやＮを炭窒化物として固定することによって、ＡｌＮの偏析を抑制する。その結果、Ａｌ2Ｏ3の生成を助長し、高温酸化性雰囲気で溶接金属表面のＡｌ2Ｏ3被膜の密着性を改善する。Ｔｉが０．０５％未満であると、高温酸化性雰囲気で溶接金属表面のＡｌ2Ｏ3被膜の密着性を改善する効果が得られない。一方、Ｔｉが０．４％を超えると、溶接時に剥離性が不良なスラグが生成する。またＴｉが０．４％を超えると、溶接金属に固溶Ｔｉが増加して延性が低下して加工性が不良となる。したがって、Ｔｉは０．０５〜０．４％とする。
【００２５】
［Ｐ：０．０２０％以下］
Ｐは、不可避的不純物であるが、Ｐ含有量が０．０２０％を超えると溶接金属の延性を低下して加工性が不良となる。したがって、Ｐは０．０２０％以下とする。
【００２６】
［Ｓ：０．０１５％以下］
Ｓは、不可避的不純物であるが、Ｓ含有量が０．０１５％を超えると溶接金属に高温割れが生じやすくする。また、高温酸化性雰囲気で溶接金属表面のＡｌ2Ｏ3被膜生成を阻害して、耐高温酸化性が不良となる。したがって、Ｓは０．０１５％以下とする。
【００２７】
［Ｏ：０．０１０％以下］
Ｏは、不可避的不純物であるが、Ｏ含有量が０．０１０％を超えると溶接時に前記Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ及びＴｉを酸化して、剥離性が不良なスラグを生成する。したがって、Ｏは０．０１０％以下とする。
【００２８】
［Ｎ：０．０４０％以下］
Ｎは、不可避的不純物であるが、溶接金属の延性を低下して加工性が不良となる。したがって、Ｎは０．０４０％以下とする。
【００２９】
［Ｖ及びＮｂの１種または２種の合計：０．００５〜０．１８５％］
Ｖ及びＮｂは、溶接金属中のＣやＮを炭窒化物として固定し、高温酸化性雰囲気で溶接金属表面のＡｌ2Ｏ3被膜の密着性を改善する。Ｖ及びＮｂの１種または２種の合計が０．００５％未満であると、高温酸化性雰囲気で溶接金属表面のＡｌ2Ｏ3被膜の密着性を改善する効果が得られない。一方、Ｖ及びＮｂの１種または２種の合計が０．１８５％を超えると、溶接金属の延性を低下して加工性が不良となる。したがって、Ｖ及びＮｂの１種または２種の合計は０．００５〜０．１８５％とする。
【００３０】
［Ｍｏ及びＣｕの１種または２種の合計：０．０２〜０．５％］
Ｍｏ及びＣｕは、溶接金属の耐食性を向上させる。Ｍｏ及びＣｕの１種または２種の合計が０．０２％未満であると、溶接金属の耐食性を向上させる効果が得られない。一方、Ｍｏ及びＣｕの１種または２種の合計が０．５％を超えると、溶接金属の延性が低下して加工性が不良となる。したがって、Ｍｏ及びＣｕの１種または２種の合計は０．０２〜０．５％とする。
【００３１】
［Ｎｉ：０．０１〜０．５％］
Ｎｉは、溶接金属の延性を向上して加工性を良好にする。Ｎｉが０．０１％未満では、溶接金属の延性が向上せず加工性を改善する効果が得られない。一方、Ｎｉが０．５％を超えると、溶接金属に高温割れが生じやすくなる。したがって、Ｎｉは０．０１〜０．５％とする。
【００３２】
［Ｓｎ：０．５％以下、Ｂ：０．００５％以下の１種以上］
Ｓｎは、溶接金属の粒界偏析元素であるとともにフェライト組織中の固溶強化元素としての作用も大きく、高温強度の上昇ならびにクリープ変形を抑制する。この効果を得るために、Ｓｎを０．５％以下の範囲で含有させることが望ましい。一方、Ｓｎが０．５％を超えると、溶接金属の延性が低下して加工性が不良となる。なお、Ｓｎの下限は、前記の効果を得るために０．００５％とすることが好ましい。さらに、Ｓｎを含有させるより好ましい範囲は０．０１〜０．３％とする。
【００３３】
Ｂは、微量添加で高温での耐力の上昇やクリープ変形を抑制する作用を有し、特に母材よりも結晶粒径の大きくなる溶接金属のクリープ強さを顕著に上昇させる効果がある。この効果を得るために、Ｂを０．００５％以下の範囲で含有させることが望ましい。一方、Ｂが０．００５％を超えると、耐食性が低下する。なお、Ｂの下限はクリープ強さ上昇の効果を得るために０．０００３％〜０．００５％とすることが好ましい。さらに、Ｂを含有させるより好ましい範囲は０．０００５〜０．００３％とする。
【００３４】
ＳｎとＢは、何れか１種のみを含有させても良いし、ＳｎとＢの両元素を含有させても良い。
【００３５】
なお、本発明を適用したフェライト系ステンレス鋼溶接用溶加材の残部は、Ｆｅ及び不可避不純物である。
【実施例】
【００３６】
以下、本発明の効果を実施例により具体的に説明する。
【００３７】
表１に示す各種成分の溶加材Ｗ６、Ｗ１０、Ｗ１２〜Ｗ２５、Ｗ２７〜Ｗ２８を試作して１ｍｍ径まで伸線して１５ｋｇのスプール巻きとした。
【００３８】
【表１】
0006385978.tif 000002
【００３９】
各試作溶加材について、溶接試験、耐食性試験、耐高温酸化性試験及び延性（加工性）の調査を実施した。
【００４０】
溶接試験は、図１に示すように板厚ｔが１．０ｍｍ及び２．０ｍｍの鋼板１間においてギャップなしのＩ開先３を形成させ、裏面に銅当金２を当てた試験体により行った。鋼板１を構成する各成分は、表２に示すような鋼板１の全質量に対する質量％の含有率とされ、表３に示す溶接条件でＴＩＧ溶接した時のビード外観、スラグの生成状態及び高温割れの有無を外観観察により調査した。
【００４１】
【表２】
0006385978.tif 000003
【００４２】
【表３】
0006385978.tif 000004
【００４３】
耐食性の調査は、板厚１．０ｍｍの鋼板１に溶接した溶接部が試験片中央に位置するように幅６０ｍｍ、長さ８０ｍｍの試験片を採取し、溶接の余盛を削除して全面を研磨した後、ＪＩＳ  Ｚ  ２３７１の塩水噴霧試験に準じて、１００時間噴霧試験を実施し、溶接金属部が発銹するか否かで評価した。
【００４４】
耐高温酸化性試験は、板厚２．０ｍｍの鋼板１に溶接した溶接部の余盛を除去し、ビード長手方向に幅５ｍｍで切断して、長さ４０ｍｍの試験片を採取して表面を研磨した後、高水蒸気・高酸素雰囲気下（５０体積％Ｈ2Ｏ−２０体積％ＣＯ2）で１０５０℃、３００時間保持の加速酸化処理をして、溶接金属表面にＡｌ2Ｏ3を主体とする酸化被膜を生成させた。次いで、７５０℃に３０分保持する加熱及び室温まで降温して５分保持する冷却のサイクルを１００回繰り返し、酸化被膜表面の酸化皮膜が剥離する個数を調査した。評価は、剥離した酸化被膜の個数が１ｃｍ2当たり１０個以下を良好とした。
【００４５】
延性（加工性）の評価は、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４７に準じてエリクセン試験を実施した。なお、試験は板厚１．０ｍｍの鋼板１に溶接した溶接部の余盛を削除し、溶接金属部が試験片の中央に位置するようにした。評価は、エリクセン試験を５回実施してエリクセリン値の平均値が６ｍｍ以上を良好とした。これらの結果を表４にまとめて示す。
【００４６】
【表４】
0006385978.tif 000005
【００４７】
表１及び表４中、溶加材記号Ｗ６、Ｗ１０、Ｗ１２及びＷ２４〜Ｗ２５が本発明例、溶加材記号Ｗ１３〜Ｗ２３、Ｗ２７及びＷ２８は比較例である。本発明例である溶加材記号Ｗ６、Ｗ１０、Ｗ１２及びＷ２４〜Ｗ２５は、各成分が本発明において規定した範囲内であるので、ビード外観が良好で、スラグの生成及び高温割れがなく、耐食性試験で発銹することがなく、耐高温酸化性試験においても剥離する被膜数が少なく、エリクセリン試験でエリクセン値が高いなど極めて満足な結果であった。なお、Ｎｉを適量含む溶加材記号Ｗ１０は、エリクセリン試験でエリクセン値が７ｍｍ以上得られた。またＳｎ、Ｂを適量含むＷ２４〜Ｗ２５は、エリクセリン試験でのエリクセン値が何れも６ｍｍ以上であり、延性に優れたものとなっており、また耐食性試験において発錆は確認できなかった。
【００４８】
比較例中溶加材記号Ｗ１３は、Ｃが多いので、溶接時にクレータ割れが生じ、エリクセン値も低値であった。また、Ｎｉが少ないので、エリクセリン試験でエリクセン値を向上させる効果は得られなかった。
【００４９】
溶加材記号Ｗ１４は、Ｓｉが低いので、溶接金属のビード止端部のなじみが不良で、耐高温酸化性試験において剥離被膜数が多かった。また、ＶとＮｂの合計が多いので、エリクセリン試験でエリクセン値が低値であった。
【００５０】
溶加材記号Ｗ１５は、Ｓｉが多いので、溶接時にスラグが生成し、エリクセリン試験でエリクセン値が低値であった。また、Ｓが多いので、溶接時にクレータ割れが生じ、耐高温酸化性試験において剥離被膜数が多かった。
【００５１】
溶加材記号Ｗ１６は、Ｍｎが少ないので、溶接時にクレータ割れが生じた。また、Ｎが多いので、エリクセリン試験でエリクセン値が低値であった。
【００５２】
溶加材記号Ｗ１７は、Ｍｎが多いので、溶接時にスラグが生成し、耐高温酸化性試験において剥離被膜数が多く、エリクセリン試験でエリクセン値も低値であった。なお、ＶとＮｂの合計が少ないので、酸化被膜の密着性を向上する効果が得られず、耐高温酸化性試験において剥離被膜数を低減できなかった。
【００５３】
溶加材記号Ｗ１８は、Ｎｉが多いので、溶接時にクレータ割れが生じた。また、Ｃｒが少ないので、耐食性試験で発銹したので、耐高温酸化性試験及びエリクセン試験は中止した。なお、Ｃｕが少ないので、耐食性を向上させる効果は得られなかった。
【００５４】
溶加材記号Ｗ１９は、Ｏが多いので、溶接時にスラグが生成した。また、Ｃｒが多いので、エリクセリン試験でエリクセン値が低値であった。
【００５５】
溶加材記号Ｗ２０は、Ａｌが少ないので、耐高温酸化性試験において剥離被膜数が多かった。また、ＭｏとＣｕの合計が多いので、エリクセリン試験でエリクセン値が低値であった。
【００５６】
溶加材記号Ｗ２１は、Ａｌが多いので、溶接時にスラグが生成し、エリクセリン試験でエリクセン値が低値であった。
【００５７】
溶加材記号Ｗ２２は、Ｔｉが少ないので、耐高温酸化性試験において剥離被膜数が多かった。また、Ｐが多いので、エリクセリン試験でエリクセン値が低値であった。
【００５８】
溶加材記号Ｗ２３は、Ｔｉが多いので、溶接時にスラグが生成し、エリクセリン試験でエリクセン値が低値であった。
【００５９】
溶加材記号Ｗ２７は、Ｍｎが少ないので、溶接時にクレータ割れが生じた。また、Ｓｎが多いので、延性が低下し、エリクセン試験でエリクセン値が低値であった。
【００６０】
溶加材記号Ｗ２８は、Ｏが多いので、溶接時にスラグが生成した。また、Ｂが多いので耐食性が劣化し、耐食性試験において発錆した。
【符号の説明】
【００６１】
１  鋼板
２  銅当金
３  Ｉ開先
【図１】
0006385978.tif 000006