(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で（以下同じ）、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ａｌ：０．０１〜０．０５％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０％、Ｎ：０．００５〜０．０２％およびＯ：０．０２％以下を含有し、Ａｌ＋Ｔｉ≧５（Ｎ＋Ｏ）および５≦Ｔｉ／Ａｌ＜１０の条件を満たし、残部がＦｅおよび不可避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ワイヤ。
【請求項２】
Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ａｌ：０．０１〜０．０５％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０％、Ｎ：０．００５〜０．０２％およびＯ：０．０２％以下を含有し、更にＮｂ：１．０％以下、Ｚｒ：０．１％以下およびＢ；０．１％以下のうちの１種または２種以上を含有し、Ａｌ＋Ｔｉ≧５（Ｎ＋Ｏ）および５≦Ｔｉ／Ａｌ＜１０の条件を満たし、残部がＦｅおよび不可避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ワイヤ。
【請求項３】
Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ａｌ：０．０１〜０．０５％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０％、Ｎ：０．００５〜０．０２％およびＯ：０．０２％以下を含有し、更にＭｏ：５．０％以下およびＷ：５．０％以下のうちの１種または２種を含有し、Ａｌ＋Ｔｉ≧５（Ｎ＋Ｏ）および５≦Ｔｉ／Ａｌ＜１０の条件を満たし、残部がＦｅおよび不可避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ワイヤ。
【請求項４】
Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ａｌ：０．０１〜０．０５％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０％、Ｎ：０．００５〜０．０２％およびＯ：０．０２％以下を含有し、更にＮｂ：１．０％以下、Ｚｒ：０．１％以下およびＢ；０．１％以下のうちの１種又は２種以上を含有し、またＭｏ：５．０％以下およびＷ：５．０％以下のうちの１種または２種を含有し、Ａｌ＋Ｔｉ≧５（Ｎ＋Ｏ）および５≦Ｔｉ／Ａｌ＜１０の条件を満たし、残部がＦｅおよび不可避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ワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤ、詳細には耐熱性の優れた溶接金属を得ることができるフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車の排気系部品のコンバーダーおよびエキゾーストマニホールドには、コスト、耐食性の面からフェライト系ステンレス鋼が使用され、溶接材料としてＪＩＳ  Ｙ４３０に準じたフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤ、例えば、重量％で、Ｃ：０．０２％、Ｓｉ：０．４７％、Ｍｎ：０．４２％、Ｐ：０．０２１％、Ｓ：０．０１２％、Ｃｒ：１６．８％、Ｆｅ：残部からなるフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤを使用してマグ溶接法（シールドガス：炭酸ガス＋アルゴンガス）またはミグ溶接法（シールドガス：アルゴンガスなどの不活性ガス）により溶接して製造されていた。
【０００３】
しかし、フェライト系ステンレス鋼を溶接母材としてＪＩＳ  Ｙ４３０に準じたフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤを使用し、マグ溶接法またはミグ溶接法によって溶接した場合、高温で長時間使用すると溶接金属の結晶粒が粗大化し、割れが発生しやすいことが知られている。
【０００４】
その対策とし溶接金属の結晶粒を微細化する方法が提案されている。その方法として、溶接ワイヤにＴｉを添加し、それによって溶接金属中にＴｉＮを分散させて結晶粒を微細化する方法、溶接ワイヤにＡｌおよびＭｇを複合添加し、これらの元素を共存させることによって等軸化・細粒化する方法が知られている。
しかし、これらの方法でも十分でなく、高温で長時間使用すると溶接金属の結晶粒が粗大化し、割れが発生しやすいという欠点を有していた。
【０００５】
そこで、本出願人は、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１５．０〜２５．０％、Ａｌ：０．０１〜０．２０％、Ｔｉ：０．０１〜０．３０％、Ｎ：０．０４〜０．２％およびＯ：０．０４％以下を含有し、更に必要に応じてＮｂ：１．０％以下、Ｚｒ：０．１％以下、Ｂ；０．１％以下、Ｍｏ：５．０％以下およびＷ：５．０％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤを用い、シールドガスとしてＡｒ＋（０〜２０％）Ｏ2 を使用して溶接する方法などを開発し、特願平２００１−１４２１９６号として特許出願とした。
この方法で溶接した溶接金属は、高温引張強さ、伸びなどが優れているが、耐熱性、すなわち高温で長時間使用すると溶接金属の結晶粒が粗大化し、割れが発生しやすい点がまだ不十分であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高温で長時間使用した場合でも高温強度が劣化しない溶接金属を得ることができるフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤを提供することを課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者らは、高温で長時間使用した場合に溶接割れが発生する原因、その対策などについて鋭意研究していたところ、Ｎは結晶粒を微細化するためには必要であるが、過剰に添加すると、高温で長時間加熱する場合に窒化物系介在物が異常に成長することにより結晶粒が粗大化し、初期の高温強度が保てなくなるので、Ｎを０．０２％以下で０．００５％以上にする必要があること、Ｏを多く含有させると窒化物の生成を阻害するので、０．０２％以下にする必要があること、ＮおよびＯを多く含有させ過ぎるとＯ、Ｎの固溶量が増加し、溶接金属の機械的性質を劣化させるので、Ａｌ＋Ｔｉ≧５（Ｎ＋Ｏ）にする必要があること、またＴｉとＡｌのバランスが５≦Ｔｉ／Ａｌ＜１０の条件を満たすと窒化物などの介在物が分散して結晶粒が微細化することなどの知見を得た。
本発明は、これらの知見に基づいて発明をされたものである。
【０００８】
すなわち、本発明のフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤにおいては、その成分組成をＣ：０．０５％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ａｌ：０．０１〜０．０５％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０％、Ｎ：０．００５〜０．０２％およびＯ：０．０２％以下を含有し、Ａｌ＋Ｔｉ≧５（Ｎ＋Ｏ）および５≦Ｔｉ／Ａｌ＜１０の条件を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるものとすることである。
【０００９】
また、本発明のフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤにおいては、その成分組成をＣ：０．０５％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ａｌ：０．０１〜０．０５％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０％、Ｎ：０．００５〜０．０２％およびＯ：０．０２％以下を含有し、更にＮｂ：１．０％以下、Ｚｒ：０．１％以下、Ｂ；０．１％以下、Ｍｏ：５．０％以下およびＷ：５．０％以下のうちの１種または２種以上を含有し、Ａｌ＋Ｔｉ≧５（Ｎ＋Ｏ）および５≦Ｔｉ／Ａｌ＜１０の条件を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるものとすることである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明のフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤの成分組成を上記のように特定した理由を説明する。
Ｃ：０．０５％以下
Ｃは、溶接金属に強度与えるためにある程度必要な元素であるが、多くなり過ぎるとマルテンサイトが生成して溶接金属の硬さを高め、溶接割れを生じやすくするので、その含有量を０．０５％以下とする。
【００１１】
Ｓｉ：２．％以下
Ｓｉは、鋼の製造時に脱酸剤として添加するものであるとともに、耐溶接割れ性に有用な元素であるが、多量に含有させると溶接金属の靱性を損なうので、その含有量を２．０％以下、好ましくは１．７％以下とする。
Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様に鋼の製造時に脱酸剤とし添加するものであるが、多過ぎると耐食性および耐酸化性を低下させるので、その含有量を２．０％以下、好ましくは１．７％以下とする。
【００１２】
Ｃｒ：１０．０〜２５．０％
Ｃｒは、溶接金属の強度を高めるとともに、耐食性および耐酸化性を高めるので、それらのために含有させる元素である。それらの作用効果を得るためには１０．０％以上含有させる必要があるが、多くなると効果が飽和し、コストを高くするので、上限を２５．０％とする。
【００１３】
Ａｌ：０．０１〜０．０５％
Ａｌは、窒化物を生成し、溶接金属の結晶粒を微細化させるので、そのために含有させる元素である。その作用効果を得るためには、０．０１％以上含有させる必要があるが、多くなり過ぎると窒化物が凝集し、その密度が低下して結晶粒を微細化させなくなるので、その上限を０．０５％とする。
Ｔｉ：０．０５〜０．５０％
Ｔｉは、Ａｌと同様に窒化物を生成し、溶接金属の結晶粒を微細化させるので、そのために含有させる元素である。その作用効果を得るためには、０．０５％以上含有させる必要があるが、多くなり過ぎると窒化物が凝集し、その密度が低下して結晶粒を微細化させなくなるので、その上限を０．５０％とする。
【００１４】
Ｎ：０００５〜０．０２％
Ｎは、ＴｉおよびＡｌと化合してＴｉＮおよびＡｌＮを形成し、これらが核となって溶接金属の結晶粒を微細化するので、そのために含有させる元素である。その作用効果を得るためには０．００５％以上含有させる必要があるが、多くなり過ぎると溶接金属中に固溶して機械的性質を劣化させるので、その上限を０．０２％とする。
Ｏ：０．０２％以下
Ｏは、Ｎと比較してＡｌおよびＴｉの標準自由エネルギーが低いため、結晶粒微細化に有効な窒化物の生成を阻害するので、極力低いほうが好ましいが、少なくするとコストを上昇するので、その含有量を０．０２％以下とする。
【００１５】
Ｎｂ：１．０％以下、Ｚｒ：０．１％以下、Ｂ：０．１％以下
Ｎｂ、ＺｒおよびＢは、溶接金属の結晶粒を微細化させる作用を有するので、そのために含有させる元素であるが、多くなり過ぎるとアークおよびビードの形成を不安定にするので、Ｎｂは１．０％以下、ＺｒおよびＢは０．１％以下とする。
【００１６】
Ｍｏ：５．０％以下、Ｗ：５．０％以下
ＭｏおよびＷは、高温強さを高める作用を有するので、そのために含有させる元素であるが、多くなり過ぎると衝撃値および耐食性を低下させるので、その上限を５．０％とする。
【００１７】
Ａｌ＋Ｔｉ≧５（Ｎ＋Ｏ）
（Ｎ＋Ｏ）含有量が多過ぎると溶接金属中のＯおよびＮの固溶量が増加し、機械的性質を劣化させるので、その含有量を（Ａｌ＋Ｔｉ）／５以下とする。
５≦Ｔｉ／Ａｌ＜１０
溶接金属の結晶粒微細化にはＡｌおよびＴｉの窒化物ならびに酸化物による核生成が有効であるが、Ａｌ含有量がＴｉ含有量に比較して多過ぎるとＡｌＮが多く生成し、このＡｌＮが凝集して結晶粒を微細化する効果を低減し、またＴｉ含有量がＡｌ含有量に比較して多過ぎるとＴｉＮが多く生成し、このＴｉＮが凝集して結晶粒を微細化する効果が低減するので、Ｔｉ／Ａｌを５以上で１０未満とする。
【００１８】
不純物について
Ｐは、溶接割れを生じ易くするとともに、溶接金属の靱性を低下する元素であるので、極力少なくするほうが好ましいが、０．０３０％以下であれば影響が少ないので、その含有量を０．０３０％以下とするのが好ましい。
Ｓは、溶接割れを生じ易くするとともに、溶接金属の靱性を低下する元素であるので、極力少なくするほうが好ましいが、０．０１０％以下であれば影響が少ないので、その含有量を０．０１０％以下とするのが好ましい。
【００１９】
以上の成分組成を有するフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤを用い、シールドガスとして▲１▼Ａｒ＋（０〜２０体積％）Ｏ2 、▲２▼Ａｒ＋（０〜２０体積％）Ｏ2 ＋（０〜５０体積％）ＣＯ2 、▲３▼Ａｒ＋（０〜２０体積％）Ｏ2 ＋（０〜５０体積％）ＣＯ2 ＋（０〜１００体積％）ＨｅなどのＮ2 ガスを含有しないガスを用いて溶接すると耐熱性の優れた溶接金属が得られる。
【００２０】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
本溶接で用いる溶接ワイヤを用いて開先面にバタリング溶接した厚さ２０ｍｍの市販のＳＵＳ４３０鋼板を供試母材とし、ＪＩＳ  Ｚ  ３１１１に準拠して表１に示す本発明例および比較例の成分組成のフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤを用い、またシールドガスとしてＡｒ＋２体積％Ｏ2 を用いて下記に示す条件で溶接をした。この溶接したものから図１に示すように溶接線方向に沿って試験片全体が溶接金属からなるように丸棒型引張試験片を採取した。この試験片を用いてＪＩＳ  Ｇ  ０５５２に準拠して結晶粒度を測定するとともに、ＪＩＳ  Ｇ０５６７に準拠して上記試験片を９５０℃で高温引張試験を行った。その結果を下記表２に示す。
【００２１】
また、上記溶接した供試母材および溶着金属を９５０℃に昇温し、この温度で１０００時間、大気中で保持する熱処理を行った後、図１に示すように溶着金属から丸棒型引張試験片を採取した。この試験片を用いてＪＩＳ  Ｇ  ０５５２に準拠して結晶粒度（以下「粒度」という。）を測定するとともに、ＪＩＳ  Ｇ  ０５６７に準拠して試験片を９５０℃で高温引張試験を行った。その結果を下記表２に示す。
溶接条件は、溶接電流２００Ａ、アーク電圧３．５Ｖ、溶接速度６０ｃｍ／ｍｉｎ、インターパス温度１５０〜２５０℃であった。
【００２２】
【表１】
0003885656.tif 000002
【００２３】
【表２】
0003885656.tif 000003
【００２４】
表２の結果によると、本発明例は、溶接ままのものの粒度が５〜７であり、高温引張強さが３４〜３８ＭＰａであった。また９００℃で１０００時間、大気中で保持する熱処理を行ったもの（以下「高温で熱処理したもの」という。）の粒度が５〜７であり、高温引張強さが３４〜３８ＭＰａであった。
これに対して、Ｔｉ含有量が本発明より少なく、Ａｌ＋Ｔｉが５（Ｎ＋Ｏ）以下であり、またＴｉ／Ａｌが本発明より低い比較例１は、溶接ままのものおよび高温で熱処理したものの粒度が１であり、高温引張強さが２７ＭＰａであった。いずれも本発明例に比較して粒度が非常に大きく、また高温引張強さもかなり低くなっていた。
【００２５】
Ｎ含有量が本発明より多く、またＡｌ＋Ｔｉが５（Ｎ＋Ｏ）以下である比較例２、３、６〜８は、溶接ままのものの粒度が６または７であり、高温引張強さが３８ＭＰａまたは３９ＭＰａであった。また高温で熱処理したものの粒度がいずれも２であり、高温引張強さが２７ＭＰａ〜２９ＭＰａであった。溶接ままのものはいずれも本発明例と同等であったが、高温で熱処理したものの粒度が非常に大きく、また高温引張強さもかなり低くなっていた。
【００２６】
Ｔｉ／Ａｌが本発明より高い比較例４と、Ａｌ＋Ｔｉが５（Ｎ＋Ｏ）以下であり、またＴｉ／Ａｌが本発明より低い比較例５は、溶接ままのものの粒度が３と２であり、高温引張強さが３０ＭＰａと２７ＭＰａであった。また高温で熱処理したものの粒度が３と２であり、高温引張強さが２９ＭＰａと２７ＭＰａであった。両者とも粒度がかなり大きく、また高温引張強さもかなり低くなっていた。
【００２７】
Ｔｉ含有量が本発明よりやや多く、またＴｉ／Ａｌが本発明よりかなり大きい比較例９と、Ａｌ含有量が本発明より多く、またＴｉ／Ａｌが本発明よりかなり小さい比較例１０は、溶接ままのものの粒度が３と２であり、高温引張強さが３０ＭＰａと２７ＭＰａであった。また高温で熱処理したものの粒度も３と２であり、高温引張強さが２７ＭＰａと２８ＭＰａであった。両者は比較例４と５と同様に粒度がかなり大きく、また高温引張強さもかなり低くなっていた。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤは、上記構成にしたことにより、高温で長時間使用した場合でも高温強度が劣化しない、すなわち耐熱性に優れた溶接金属を得ることができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における丸棒型引張試験片の作製および採取方法を説明するための説明図である。
【図１】
0003885656.tif 000004