(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）下記の成分組成（ｗｔ％）を有するフェライト・オーステナイト二相系ステンレス鋼用溶接材料であって、
Ｃ：０．０５％以下、 Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、 Ｎｉ：５〜１２％、Ｃｒ：２２〜２８％、Ｍｏ：３．０〜５．０％、Ｃｕ：０．０１〜０．２％、 Ｎ：０．１０〜０．２２％、Ｃｏ：０．１〜３％、Ｂ：０．０００５〜０．０１％、Ａｌ：０．０７％以下、Ｏ：０．０１％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物、
（ｂ)下記の(１)式に示すＰｈ値が０．２５〜０．６０、下記(２)式に示すγｃａｌが８０以下、下記(３)式に示すＰＲＥ値が３５以上を満足し、ＴＩＧ法またはＭＩＧ法に使用する線材であることを特徴とするフェライト・オーステナイト二相系ステンレス鋼用溶接材料。
Ｐｈ ＝｛Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．１Ｃｏ＋３０（Ｃ＋Ｎ）−０．４（Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋Ｍｏ）＋５．６｝／｛Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋Ｍｏ−６｝…（１)
γcal ＝ １５１．９×Ｃ−６．１５×Ｓｉ−２．８×Ｍｎ＋６．５×（Ｎｉ＋Ｃｏ）−５．７×Ｃｒ−３．８×Ｍｏ＋２０９．３×Ｎ＋１２９．８…（２）
ＰＲＥ＝Ｃｒ＋３．３Ｍｏ＋２０Ｎ…（３）
【請求項２】
フェライト・オーステナイト二相系ステンレス鋼を、請求項１に記載の溶接材料を用い、ＴＩＧ法またはＭＩＧ法により溶接した機器または構造物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、受水槽、温水器等水環境で使用される機器、あるいは油井、海水用構造物の素材となるフェライト・オーステナイト二相系ステンレス鋼の溶接に使用される溶接材料および当該溶接材料を用いて溶接された耐食性に優れる機器または構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フェライト・オーステナイト二相系ステンレス鋼はフェライト相、オーステナイト相のそれぞれの欠点を補完し特に耐食性に優れることからＳＵＳ３２９系として広く実用化されている。例えば、特開昭５６―１４２８５５号公報によれば、熱間加工性および耐局部腐食性に優れる二相系ステンレス鋼が提案されており、その他にも各種特性に優れる二相ステンレス鋼に関して多くの提案がなされている。
【０００３】
二相系ステンレス鋼の特徴は、▲１▼応力腐食割れ抵抗性  ▲２▼高強度  ▲３▼Ｃｒ、Ｍｏ量が多く優れた耐食性  ▲４▼Ｎｉが少なく省資源等であるが、一般的に二相系ステンレス鋼は熱間加工性や溶接性がフェライト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼に比べ劣るという欠点があった。二相ステンレス鋼を溶接するときの溶接材料としては、母材と同成分の共金材料を使用するのが一般的であるが、この場合には溶接部のオーステナイト相の析出量が不十分となり、相バランスが崩れるために溶接部の耐食性が母材に比べて劣化するという欠点を有している。
【０００４】
溶接部における耐食性劣化を防止する方策については、溶接材料の改良・開発による改善が図られており、例えば、特開平３−２０４１９６号公報では耐濃硫酸腐食性に優れた二相系ステンレス鋼溶接用ワイヤが提案されている。しかし、二相系ステンレスが広く使用される受水槽、温水器および海水用構造物等Ｃｌイオンを含む環境下での耐食性については言及されていない。また、特開平８−２６０１０１号公報では、厚板用二相系ステンレス鋼における多層溶接時の靭性および耐食性改善について提案がなされている。
【０００５】
特開平８−２６０１０１号によれば、確かに溶接部における靭性及び耐食性が改善されるが、Ｎ含有量が０．２４〜０．３５％と高く、そのため線材への加工が極めて困難であるという問題がある。また、スーパー２相系ステンレス鋼を対象としているためＷを含有しており、高価となる。本願発明の対象とする受水槽、温水槽等の薄板製品の溶接においては高価なＷを含有させる必要がない。
【０００６】
溶接部の耐食性、特にＣｌイオンを含む環境下における局部的な腐食形態である耐孔食性を改善することは構造物の品質安定性・信頼性を向上させ、かつより苛酷な条件での使用に耐えうるため最も強い要望がある。溶接部の耐孔食性劣化という欠点を解決するための方策は、フェライト相とオーステナイト相との比率を最適にすることであり、本提案は緻密な成分設計を行うことによりこの問題を解決したものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、溶接材料中の合金元素を最適なものにすることにより、溶接金属においてフェライト相：オーステナイト相の比率を概ね１：１とし、かつ凝固時の成分組成分布を均一なものとし、溶接部においても耐食性に優れるフェライト・オーステナイト二相系ステンレス鋼用溶接材料を提供するとともに優れた耐食性を有する溶接構造機器および構造物を提供することにある。
【０００８】
発明の第１の態様は、下記の成分組成（ｗｔ％）を有するフェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼用溶接材料である。
Ｃ：０．０５％以下、  Ｓｉ：０．０５〜２．０％、
Ｍｎ：２．０％以下、  Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０３％以下、  Ｎｉ：５〜１２％、
Ｃｒ：２２〜２８％、  Ｍｏ：３．０〜５．０％、
Ｃｕ：０．２％以下、  Ｎ：０．１０〜０．２２％、
Ｃｏ：０〜３％以下、  Ｂ：０．０００５〜０．０１％、
Ａｌ：０．０７％以下、Ｏ：０．０１％以下、
及び残部がＦｅおよび不可避的不純物から成る。
【０００９】
発明の第２の態様は、（ａ）下記の成分組成（ｗｔ％）を有するフェライト・オーステナイト二相系ステンレス鋼用溶接材料であって、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：５〜１２％、Ｃｒ：２２〜２８％、Ｍｏ：３．０〜５．０％、Ｃｕ：０．０１〜０．２％、Ｎ：０．１０〜０．２２％、Ｃｏ：０．１〜３％、Ｂ：０．０００５〜０．０１％、Ａｌ：０．０７％以下、Ｏ：０．０１％以下、並びに残部Ｆｅおよび不可避的不純物、（ｂ)下記(１)式に示すＰｈ値が０．２５〜０．６０、下記(２)式に示すγｃａｌが８０以下、下記(３)式に示すＰＲＥ値が３５以上を満足し、ＴＩＧ法またはＭＩＧ法に使用する線材である。Ｐｈ＝｛Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．１Ｃｏ＋３０（Ｃ＋Ｎ）−０．４（Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋Ｍｏ）＋５．６｝／｛Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋Ｍｏ−６｝…（１)  γcal ＝ １５１．９×Ｃ−６．１５×Ｓｉ−２．８×Ｍｎ＋６．５×（Ｎｉ＋Ｃｏ）−５．７×Ｃｒ−３．８×Ｍｏ＋２０９．３×Ｎ＋１２９．８…（２） ＰＲＥ＝Ｃｒ＋３．３Ｍｏ＋２０Ｎ…（３）
【００１０】
発明の第３の態様は、フェライト・オーステナイト二相系ステンレス鋼を、前記溶接材料を用い、ＴＩＧ法またはＭＩＧ法により溶接した機器または構造物である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の溶接材料の各成分について、その作用効果と含有量の限定理由を説明する。なお成分組成はｗｔ％である。
Ｃ：オーステナイト生成元素であり、溶接材料の材質強化および耐孔食性に寄与する元素であるが、０．０５％を超えると熱間加工性および靭性を劣化させるため、その上限を０．０５％に規定する。
【００１２】
Ｓｉ：精錬に際しての脱酸材として使用される。ただし、２．０％を超えると熱間加工性が劣化し、さらには溶接金属の靭性を低下させるため上限を２．０％に規定した。また、０．０５％未満であると溶湯の表面張力が低下し良好なビード形状を得ることができないため下限を０．０５％とする。
【００１３】
Ｍｎ：Ｓｉと同様に、精錬に際しての脱酸材として使用される。Ｍｎの添加は、硫化物を生成することによる熱間加工性の改善にも有効であるが、２．０％を超えると耐酸化性を劣化させるため上限を２．０％に規定した。
【００１４】
Ｐ：溶接性および熱間加工性の面より少ないほうが望ましいが、不可避的に混入する元素であり、製造技術と経済性の面から上限を０．０３％とする。
Ｓ：不可避的に混入する元素であり、０．０３％を超えると粒界に偏析して熱間加工性を低下させるため上限を０．０３％とする。
【００１５】
Ｎｉ：オーステナイト生成元素であり、溶接金属の相比を調整する基本元素である。さらには、靭性および耐食性の改善に極めて有効な元素でもある。上記効果を得るためには、５％以上の含有量が必要である。一方、１２％を超えて含有させるとフェライト相、オーステナイト相のバランスを崩し、かつ経済的にも不利になるので上限を１２％とする必要がある。
【００１６】
Ｃｒ：フェライト生成元素であり、耐孔食性を改善するのに有効な元素である。この含有量が２２．０％以下では上記効果を十分に得ることができず、また２８．０％を超えると高温域でフェライト単相になりやすく、さらにはσ相の析出を促進し靭性および耐食性を劣化させるため上限を２８．０％とする必要がある。
【００１７】
Ｍｏ：Ｃｒと同様に耐孔食性を改善するのに有効な元素である。溶接金属での耐孔食性改善には少なくとも３．０％含有させる必要がある。しかし、５．０％を超えるとσ相の析出を促進し靭性および耐食性を劣化させるため上限を５．０％とする必要がある。
【００１８】
Ｃｕ：オーステナイト生成元素であり、耐食性、耐候性を改善するのに有効な元素である。しかし、多量の添加は熱間加工性を劣化させるため、その上限を０．２％とした。
【００１９】
Ｎ：強力なオーステナイト生成元素であり、靭性および耐孔食性の改善に極めて有効な元素でもある。溶接金属に適正量オーステナイトを析出させるためには少なくとも０．１０％含有させる必要がある。しかし、０．２２％を超えて含有させると、熱間加工性を阻害しさらには溶接金属にブローホールが発生しやすくなるため、その上限を０．２２％とする。
【００２０】
Ｃｏ：高温域でオーステナイトの析出を促進させる元素であり、溶接金属に適正量オーステナイトを析出させるために含有させることが望ましい。ただし、３％を超えると窒化物が析出しやすくなり、耐食性および靭性を劣化させるので、０〜３％とする。
【００２１】
Ｂ：Ｓの粒界偏析を抑制し、熱間加工性向上のために極めて有効な元素である。その含有量が０．０００５％以下では上記の効果が少なく、０．０１％を超えると多量の脆い化合物が生成し脆化が生じるので０．０００５〜０．０１％に限定する。
【００２２】
Ａｌ：Ａｌは精錬時の強力な脱酸元素であり、鋼の清浄度を高めるのに有効な元素あるが、０．０７％を超えると溶接時の溶込み性が劣化するため、上限を０．０７％に規定する。
Ｏ：Ｏは、熱間加工性を阻害する元素であり、０．０１％（１００ｐｐｍ）を超えると線材加工が困難となるが、不可避的に混入元素であり０．０１％までは許容できる。
【００２３】
上記成分組成は既にフェライト・オーステナイト二相系ステンレス鋼の成分組成であり、溶接材料として使用できるものである。しかし、上記成分組成が下記のパラメタが所定の値を満足すると更に望ましい。即ち、Ｐｈ値（相バランスを示す値）、γｃａｌ値（加工性指標）およびＰＲＥ値（耐孔食性指標）を規定した理由について説明する。
【００２４】
ここで、Ｐｈ値、γｃａｌ値、およびＰＲＥ値はそれぞれ下式により計算する。
Ｐｈ ＝｛Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．１Ｃｏ＋３０（Ｃ＋Ｎ）―０．４（Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋Ｍｏ）＋５．６｝／｛Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋Ｍｏ―６｝…（１)
γcal ＝ １５１．９×Ｃ―６．１５×Ｓｉ―２．８×Ｍｎ＋６．５×（Ｎｉ＋Ｃｏ）―５．７×Ｃｒ―３．８×Ｍｏ＋２０９．３×Ｎ＋１２９．８…（２）
ＰＲＥ＝Ｃｒ＋３．３Ｍｏ＋２０Ｎ…（３）
【００２５】
溶接金属における耐食性および強度特性の確保には、フェライト相とオーステナイト相の相比を最適なものにする必要がある。すなわち、溶接金属部においては、母材よりフェライト相が多くなる傾向があるため、オーステナイト生成元素を積極的に添加しなければならない。
【００２６】
Ｐｈ値が０．２５未満では耐食性および強度特性を確保するのに十分なオーステナイト相が生成せず、一方０．６０を超えると、逆に溶接金属部でのフェライト相が少なくなり、その結果フェライト相中にＣｒとＭｏが過度に固溶しσ相の析出が促進されて耐食性および靭性を極端に劣化させる。したがって、Ｐｈ値を０．２５〜０．６０に調整することが望ましい。
【００２７】
また、一方で溶接棒の製造に関しては線材への加工性も考慮する必要がある。γｃａｌ値が８０を超えると熱間加工性が著しく劣化し、線材加工が困難になり製造歩留まりも著しく悪化させるため、γｃａｌ値は８０以下であることが望ましい。
さらに、耐孔食性の良否を判断する指標である耐孔食性指数ＰＲＥが一般的に提案されており、当該環境において十分な耐孔食性を示すにはＰＲＥを３５以上にすることが望ましい。
【００２８】
溶接部の耐食性および強度特性のみを確保する場合にはＰｈ値を０．２５〜０．６０に調整することが望ましい。また、溶接棒を線材に加工性する場合には、γｃａｌは８０以下であることが望ましい。更に、使用環境において十分な耐孔食性を要求される示すにはＰＲＥを３５以上にすることが望ましい。
【００２９】
本発明の溶接材で、フェライト・オーステナイト二相系ステンレス鋼を溶接する場合には、溶接材の成分、例えばＡｌ、Ｓｉ、Ｃｒ等の酸化しやすい成分の変動を避ける必要がある。そのためＴＩＧ法またはＭＩＧ法が望ましい。これらの溶接法はいずれもガスシールド溶接法であり、上記酸化し易い成分の変動を避けることができるためである。そこで、上記溶接方法で溶接した機器または構造物は耐食性に優れている。なお、場合により大気ガスに対してシール性のあるプラズマ溶接方法、エレクトロンビーム溶接方法も適用できる。
【００３０】
【実施例】
図１に表1として示す各種化学成分の供試鋼を溶製したのち、造塊し、鍛造により板厚１２ｍｍの板を作成した。この時、鍛造割れの有無を目視により調査し、熱間加工性を評価した。その後、１０５０℃での固溶化熱処理と冷間圧延を繰り返し、直径２ｍｍの線材に加工しこれを溶接材料とした。
【００３１】
母材には、ＪＩＳ規格によるＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌ相当の二相系ステンレス鋼（板厚１．５ｍｍ）を使用し、突合せＴＩＧ溶接により、溶接材料を適宜添加しながら図２に示す溶接継手を作成し、溶接部組織と孔食試験による耐食性を評価した。溶接部の顕微鏡写真を図３に示す。この写真は溶接部をしゅう酸とＫＯＨからなる溶液でエッチング後組織観察したものである。また、フェライト相の比率は４００倍の顕微鏡で２０×２０の格子を用いて点算法により定量した。孔食試験はＪＩＳ  Ｇ  ０５７７に準じて行った。但し、試験温度は７０℃とした。その結果を図４に表２として示す。
【００３２】
本発明で定める成分範囲をいずれも満足する溶接材料Ｎｏ．１〜５は、熱間加工性に優れ線材への加工が容易であり、かつ溶接部の相比がほぼフェライト相：オーステナイト相=１：１であり、耐孔食性にも優れる。一方、比較例であるＮｏ．６〜１０は本発明範囲を満足しない項目（表中下線で示す）があるため、熱間加工性もしくは耐食性が劣化する。Ｎｏ．６ではＰｈ値が本発明範囲より小さいため、溶接金属でのオーステナイト相析出が十分でなく耐食性が劣化する。
【００３３】
また、Ｎｏ．７においては、γｃａｌ値が本発明範囲より大きいため熱間鍛造時に割れが生じた。Ｎｏ．８はＰＲＥが３５に満たないため、母材に比較し明らかに耐食性が劣っている。Ｎｏ．９ではＭｏ量が高くσ相が生成したために、またＮｏ．１０では熱間加工性向上に有効なＢ量が少ないために熱間鍛造時割れが生じた。
図２は溶接部の光学顕微鏡組織で、（ａ）はＮｏ．３材でありフェライト相：オーステナイト相が概ね１：１であり、一方（ｂ）はＮｏ．６材でありフェライト相が過剰に分布しオーステナイト相の析出が極めて少ないので望ましくない。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の溶接材料は、耐食性に優れた二相系ステンレス鋼であり、二相系ステンレス鋼用の溶接材として望ましい。更にＰｈ値およびＰＲＥ値を所定の範囲とすることにより、溶接金属部の組織、元素分配を最適なものとし、特に耐孔食性を高めることができる。また、γｃａｌを所定の範囲とすることにより線材への熱間加工性にも優れる。したがって、受水槽、温水器や油井用として、本溶接材料をフェライト・オーステナイト二相系ステンレス鋼の溶接に使用した場合、母材と同等の耐孔食性を付与することができ、該機器あるいは構造物の耐食性向上に伴う安全性、経済性をきわめて高いものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の溶接材と比較材の成分組成を表として示す図である。
【図２】二相ステンレス鋼板をＴＩＧ溶接した際のビード形状で継手断面を示す図である。
【図３】本発明鋼および比較鋼の溶接部光学顕微鏡組織を示す図である。
（ａ）は本発明鋼
（ｂ）は比較鋼
【図４】溶接金属の特性を比較材と対比して表として示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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