(57)【要約】【課題】耐溶接割れ性及び耐食性が従来技術に比してより一層優れた溶接部を得るためのフェライト系ステンレス鋼溶接用ソリッドワイヤを提供する。【解決手段】フェライト系ステンレス鋼溶接用ソリッドワイヤは、質量％で、Ｃ：０．００３〜０．０２５％、Ｓｉ：０．１〜０．８５％、Ｍｎ：０．１〜０．８％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｕ：０．０５〜０．２５％、Ｃｒ：１４．０〜２１．０％、Ｔｉ：１．０５〜１．７０％、Ｎｂ：８×（［Ｃ］＋［Ｎ］）〜０．８０％、Ｍｏ：０．０５〜０．２５％、Ｎ：０．００３〜０．０２５％、を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、所定の化学成分の含有質量％が［Ｔｉ］＋［Ｎｂ］≧１．２５、［Ｃ］＋［Ｎ］≦０．０４０を満たす。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．００３〜０．０２５％、
Ｓｉ：０．１〜０．８５％、
Ｍｎ：０．１〜０．８％、
Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｃｕ：０．０５〜０．２５％、
Ｃｒ：１４．０〜２１．０％、
Ｔｉ：１．０５〜１．７０％、
Ｎｂ：８×（［Ｃ］＋［Ｎ］）〜０．８０％、
Ｍｏ：０．０５〜０．２５％、
Ｎ：０．００３〜０．０２５％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、かつ所定の化学成分の含有質量％が下記式（１）及び（２）を満たすことを特徴とするフェライト系ステンレス鋼溶接用ソリッドワイヤ。
［Ｔｉ］＋［Ｎｂ］≧１．２５  …式（１）
［Ｃ］＋［Ｎ］≦０．０４０    …式（２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェライト系ステンレス鋼溶接用ソリッドワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼に比較して安価であり、しかも塩化物環境下での耐応力腐食割れ性及び加工性の面で優れている。また、熱膨張係数が小さく、熱疲労特性にも優れていることから、自動車等の排気処理系部品への適用が拡大している。
この種のフェライト系ステンレス鋼の溶接には、フェライト系ステンレス鋼からなる溶接ワイヤを使用することが一般的であるが、溶接時における溶接部の高温割れや溶接後における溶接部の耐食性の低下が問題となる。このような問題を解消するために、フェライト系ステンレス鋼からなる溶接ワイヤに関して、種々の技術が提案されている（例えば、下記特許文献１，２参照）。
【０００３】
特許文献１では、溶接部の延性、靭性が低下するのを防止しつつ、耐食性を高めるとの観点から、Ｔｉを０．０１〜０．８０（質量％）添加するようにしている。
特許文献２では、溶接時のＮ２ガスとＴｉとの反応で形成される窒化物が結晶粒を微細化させる機能を果たすことに着目し、Ｔｉを０．０１〜１．５０（質量％）添加するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２５７６号公報
【特許文献２】特開２００１−７１１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献２に係る発明は、溶接割れの発生しないフェライト系ステンレス鋼材の溶接方法に関するものであり、溶接金属の結晶粒を微細化するためにＴｉの含有量は広範囲（０．０１〜１．５０（質量％））に設定するものの、Ｔｉに加えてＮｂを積極的に含有させるという発想を有するものではなく、当然のことながらＴｉとＮｂを合算した（Ｔｉ＋Ｎｂ）含有量を結晶粒微細化の指標とするものではない。
これに対し、上記特許文献１に係る発明は、耐溶接割れ性に加えて耐食性に優れた溶接部を得るためのフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤに関するものであり、上記特許文献２には開示のないＣｕ，Ｍｏ等を添加元素に含み、更にＴｉの含有量を比較的少量（０．０１〜０．８０（質量％））に設定し、溶接金属の結晶粒微細化に主眼を置くものではない点で、両発明の技術思想は大きく異なる。したがって、上記特許文献１に記載されたＴｉの含有量に代えて、上記特許文献２に記載されたＴｉの含有量の一範囲（１％を超える範囲）を採用するという発想は、当業者といえども容易に想到し得るものではない。
【０００６】
本願発明は以上のような事情を背景としてなされたものであり、その目的は、耐溶接割れ性及び耐食性が従来技術に比してより一層優れた溶接部を得るためのフェライト系ステンレス鋼用溶接ワイヤを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のフェライト系ステンレス鋼溶接用ソリッドワイヤは、質量％で、Ｃ：０．００３〜０．０２５％、Ｓｉ：０．１〜０．８５％、Ｍｎ：０．１〜０．８％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｕ：０．０５〜０．２５％、Ｃｒ：１４．０〜２１．０％、Ｔｉ：１．０５〜１．７０％、Ｎｂ：８×（［Ｃ］＋［Ｎ］）〜０．８０％、Ｍｏ：０．０５〜０．２５％、Ｎ：０．００３〜０．０２５％、を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、かつ所定の化学成分の含有質量％が下記式（１）及び（２）を満たすことを特徴とする。
［Ｔｉ］＋［Ｎｂ］≧１．２５  …式（１）
［Ｃ］＋［Ｎ］≦０．０４０      …式（２）
【発明の効果】
【０００８】
本発明のフェライト系ステンレス鋼溶接用ソリッドワイヤでは、（Ｔｉ＋Ｎｂ）を所定の含有量を上回るように添加する。これにより、結晶粒微細化を効果的に達成することができ、従来の溶接用ワイヤに比して耐溶接割れ性をより一層高めることが可能となる。また、（Ｃ＋Ｎ）を所定の含有量以下だけ添加する。これにより、例えばＣｒの炭化物や窒化物が粒界に形成されるのを抑制することができ、従来の溶接用ワイヤに比して耐食性をより一層高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（ａ）はローラ曲げ試験に供される試験板を模式的に示す斜視図。（ｂ）は（ａ）の試験板の溶接個所を示す説明図。（ｃ）はローラ曲げ試験の説明図。
【図２】（ａ）は耐溶接割れ性試験に供される試験板の正面図。（ｂ）は（ａ）の側面図。（ｃ）は（ａ）における溶接ビード（試験ビード）の説明図。
【図３】Ｃ＋ＮとＴｉ＋Ｎｂとの関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明のフェライト系ステンレス鋼溶接用ソリッドワイヤにおける各元素の組成限定理由及び限定条件について説明する。
【００１１】
（１）Ｃ：０．００３〜０．０２５％
Ｃは溶接部（溶接金属）の強度を高めるために含有させる。この効果を得るために０．００３％以上が必要である。一方、０．０２５％を超えて過剰に含有させると、溶接後の冷却過程でマルテンサイトが形成され、溶接部が脆くなって延性・靭性が低下しやすくなる。このため０．０２５％を上限とする。好ましくは０．００３〜０．０２０％である。
【００１２】
（２）Ｓｉ：０．１〜０．８５％
Ｓｉは鋼の溶製時に脱酸剤として使用される。この効果を得るために０．１％以上含有させる必要がある。一方、０．８５％を超えて過剰に含有させると、溶接部の耐食性・耐酸化性が低下しやすくなる。このため０．８５％を上限とする。好ましくは０．１〜０．７％である。
【００１３】
（３）Ｍｎ：０．１〜０．８％
Ｍｎは鋼の溶製時に脱酸剤として使用される。この効果を得るために０．１％以上が必要である。一方、０．８％を超えて過剰に含有させると、例えばマルテンサイト生成の促進を招き、溶接部の延性・靭性が低下しやすくなる。このため０．８％を上限とする。
【００１４】
（４）Ｐ：０．０４％以下
０．０４％を超えてＰを過剰に含有させると、冷間加工性が低下し、溶接ワイヤの製造が困難となる。このような過剰なＰを含む溶接ワイヤを用いて溶接すると、耐溶接割れ性（溶接時に溶接部に割れが生じ難いこと。以下、耐割れ性という）が低下しやすくなる。このため０．０４％を上限とする。
【００１５】
（５）Ｓ：０．０１０％以下
０．０１０％を超えてＳを過剰に含有させると、冷間加工性が低下し、溶接ワイヤの製造が困難となる。このような過剰なＳを含む溶接ワイヤを用いて溶接すると、溶接部の耐割れ性や延性・靭性が低下しやすくなる。このため０．０１０％を上限とする。好ましくは０．００６％以下である。
【００１６】
（６）Ｃｕ：０．０５〜０．２５％
Ｃｕは溶接部の強度と耐食性を高めるために含有させる。このような効果を得るために０．０５％以上含有させる必要がある。一方、０．２５％を超えて過剰に含有させると、上記効果が飽和するとともに、溶接部の延性・靭性が低下しやすくなる。このため０．２５％を上限とする。
【００１７】
（７）Ｃｒ：１４．０〜２１．０％
Ｃｒは耐食性を付与する主要元素である。高い耐食性を得るためには、１４．０％以上含有させる必要がある。一方、過剰に含有させると、材料が脆下してワイヤの製造が困難となる。このため２１．０％を上限とする。
【００１８】
（８）Ｔｉ：１．０５〜１．７０％
Ｔｉは溶接部の耐食性（耐鋭敏化）を高めるために含有させる。つまり、溶接部に含まれるＴｉがＣ，Ｎと結合することで、粒界にＣｒ炭化物やＣｒ窒化物が析出することが抑制され、ひいては溶接部の耐食性の低下が防止される。また、Ｔｉは溶接部の結晶粒を微細化させるために含有させる。これらの効果を得るために１．０５％上含有させる必要がある。ただし、１．７０％を超えて過剰に含有させると、ビードの形成が不安定となって逆に粗粒となり、溶接部の延性・靭性が低下しやすくなる。このため１．７０％を上限とする。
【００１９】
（９）Ｎｂ：８×（［Ｃ］＋［Ｎ］）〜０．８０％
Ｎｂは溶接部の耐食性（耐鋭敏化）を高めるために含有させる。つまり、溶接部に含まれるＮｂがＣ，Ｎと結合することで、粒界にＣｒ炭化物やＣｒ窒化物が析出することが抑制され、ひいては溶接部の耐食性の低下が防止される。この効果を得るために８×（［Ｃ］＋［Ｎ］）％以上、すなわちＮｂ量がＣ及びＮの総量に対して多くなるように（例えば、少なくとも０．０４８％以上）含有させる必要がある。ただし、０．８０％を超えて過剰に含有させると、溶接部の耐割れ性や延性・靭性が低下しやすくなる。このため０．８０％を上限とする。
【００２０】
（１０）Ｍｏ：０．０５〜０．２５％
Ｍｏは塩化物環境下での耐孔食性を高めるために含有させる。この効果を得るために０．０５％上含有させる必要がある。ただし、０．２５％を超えて過剰に含有させると、溶接部の延性・靭性が低下しやすくなる。このため０．２５％を上限とする。好ましくは０．０５〜０．２０％である。
【００２１】
（１１）Ｎ：０．００３〜０．０２５％
ＮはＴｉやＮｂと窒化物を形成し、溶接部の結晶粒を微細化させる。この効果を得るために０．００３％上含有させる必要がある。ただし、０．０２５％を超えて過剰に含有させると、溶接後の冷却過程で例えばマルテンサイト生成の促進を招き、溶接部の耐割れ性や延性・靭性が低下しやすくなる。このため０．０２５％を上限とする。
【００２２】
（１２）残部：Ｆｅ及び不可避不純物
なお、表１ではＦｅ及び不可避不純物の記載を省略してある。
【００２３】
（１３）下記式（１）を満たすこと
［Ｔｉ］＋［Ｎｂ］≧１．２５  …式（１）
上述したように、Ｔｉ及びＮｂは、それぞれ溶接部に含まれるＣ，Ｎと結合する。このようなＴｉ及びＮｂの作用により、Ｃｒ系の炭化物や窒化物が粒界に析出することが抑制され、溶接部の耐食性の低下が抑制される。しかし、Ｔｉのみを添加しただけでは、ＴｉＯ２となって溶接部から排出されやすい一方で、Ｎｂのみを添加しただけでは、溶接部が高温割れを起こしやすい。
【００２４】
そこで、上記したように、Ｔｉを１．０５〜１．７０％、Ｎｂを８×（［Ｃ］＋［Ｎ］）〜０．８０％含有させた上で、式（１）を満たすようにＮｂを含有させることで、耐割れ性及び耐食性に優れた溶接部を得ることができる（表１及び図３参照）。この場合、式（１）の右辺の値は好ましくは１．３０である。
【００２５】
（１４）下記式（２）を満たすこと
［Ｃ］＋［Ｎ］≦０．０４０      …式（２）
上記したように、Ｃを０．００３〜０．０２５％、Ｎを０．００３〜０．０２５％含有させた上で、式（２）を満たすようにＣ，Ｎをバランスさせることにより、式（１）による作用効果と相まって、耐食性を確保しつつ曲げ易くすることができる（表１及び図３参照）。右辺の値は好ましくは０．０３０である。
【実施例】
【００２６】
まず、表１に示す化学組成（残部はＦｅ及び不可避不純物）の合金を溶製した。得られた鋳塊の熱間加工及び冷間加工を行い、溶接用ソリッドワイヤを得た。
【００２７】
【表１】
2017202504.tif 000003
【００２８】
（ローラ曲げ試験）
次に、得られた各種溶接用ソリッドワイヤ（実施例１〜８、比較例１〜１７）を用いて、例えば図１（ａ）に示されるような試験板１０を作製した。試験板１０は、ＳＵＳ４３０製の板材（板厚１．５ｍｍ）を母材として切り出された、２枚の長方形状の板材１１，１２（例えば、１５０ｍｍ×３０ｍｍ）を含んでなる。
【００２９】
板材１１，１２は、例えば図１（ａ），１（ｂ）に示されるように、重ね幅が１０ｍｍとなるように長手方向の全長にわたって重ね合わされ、各溶接用ソリッドワイヤによる溶接ビード１３によりすみ肉溶接された。具体的な溶接条件は以下の通りである。
・シールドガス：９６．５％Ａｒ＋３．５％Ｏ２
・シールドガス流量：２０Ｌ／ｍｉｎ
・溶接方法：パルスミグ溶接
・溶接電流：１７０Ａ
・アーク電圧：２１．５Ｖ
・溶接速度：８０ｃｍ／ｍｉｎ
・母材間のギャップ：０ｍｍ
・前進角：０°
・トーチ回転角：４５°でルート部狙い
【００３０】
試験板１０は、例えば図１（ｃ）に示されるようなローラ曲げ試験機２０に供される。ローラ曲げ試験機２０は、所定間隔を空けて水平に配置された一対のローラ２１と、一対のローラ２１間の中間位置にて上下に移動可能に設けられた押し込み部２２とを備える。試験板１０は、板材１２が上側となり板材１１が下側となるように、すなわち溶接ビード１３が板材１２の下面側に位置するように一対のローラ２１により支持された状態で、押し込み部２２により下向きに押し込まれる。押し込み部２２の押し込み速度は、例えば１０ｍｍ／ｍｉｎとし、押し込み量は７０ｍｍと９０ｍｍの２種類とした。
【００３１】
ローラ曲げ試験機２０による曲げ試験後、浸透探傷試験により溶接ビード１３の表面割れを調査した。判定基準は以下の通りである。
・◎：亀裂なし
・○：長さ１ｍｍ未満の亀裂が１個発生
・△：長さ１ｍｍ未満の亀裂が２個発生
・×：長さ１ｍｍ以上の亀裂が発生、又は長さ１ｍｍ未満の亀裂が３個以上発生
【００３２】
（耐溶接割れ性試験（Ｔ形溶接割れ試験：ＪＩＳ  Ｚ３１５３））
得られた各種溶接用ソリッドワイヤ（実施例１〜８、比較例１〜１７）を用いて、例えば図２（ａ），２（ｂ）に示されるような試験板３０を作製した。試験板３０は、ＳＵＳ４１０Ｌ製の板材（板厚ｔ＝９ｍｍ）を母材として切り出された、２枚の長方形状の板材３１，３２（例えば、１２０ｍｍ×８０ｍｍ、１２０ｍｍ×５０ｍｍ）を含んでなる。
【００３３】
そして、図２（ｃ）に示されるように、水平に載置された板材３１の上面に板材３２が垂直に立設した状態で、板材３２の基端側の両端縁をタック溶接した後、下向姿勢１パスでビードＳ１を置き、直ちにビードＳ１と反対側にのど厚がビードＳ１よりも小さい試験ビードＳ２を置いた。ビードＳ１及びＳ２の溶接は、試験板３０のほぼ全長にわたって行った。
【００３４】
溶接条件は以下の通りである。
・シールドガス：９６．５％Ａｒ＋３．５％Ｏ２
・シールドガス流量：２０Ｌ／ｍｉｎ
・溶接方法：パルスミグ溶接
・溶接電流：約２６０Ａ（ビードＳ１）、約２５０Ａ（試験ビードＳ２）
・アーク電圧：約２６Ｖ（ビードＳ１）、約２５．５Ｖ（試験ビードＳ２）
・溶接速度：４０ｃｍ／ｍｉｎ
・Ｅｘｔ．：１５ｍｍ
【００３５】
試験板３０の溶接後、浸透探傷試験により試験ビードＳ２の表面割れの個数をカウントした。
【００３６】
（耐食性試験（しゅう酸エッチング試験））
耐食性試験用として、ローラ曲げ試験で用いた試験板１０を作製した。試験板１０の溶接後、溶接ビード１３の横断面について、樹脂埋込み試料を作製した。これを用いて、ステンレス鋼のしゅう酸エッチング試験を行った（ＪＩＳ  Ｇ０５７１）。判定基準は以下の通りである。
・○：段状組織が認められた
・△：部分的に溝状組織が認められた
・×：全ての結晶粒界で溝状組織が認められた
【００３７】
（結果）
表１に結果を示す。実施例１〜８では、２種類のローラ曲げ試験のいずれの実行時にも大きな亀裂が発生せず、かつ溶接割れも発生しなかった。また、しゅう酸環境下においても、強い耐食性を示した。
【００３８】
比較例１では、ローラ曲げ試験時に亀裂が発生した。これは、Ｃが過剰であることから、溶接後の冷却過程でマルテンサイトが生成したためであると考えられる。また、比較例１では、溶接割れも発生した。これは、Ｃが過剰であることから、溶接後の冷却過程で溶接部における結晶粒界に炭化物が析出したためであると考えられる。
【００３９】
比較例１〜３，５，６，１３〜１７では、２種類のローラ曲げ試験時に良くて「△」、悪くて「×」の評価に相当する亀裂が発生した。そのうち、比較例１，５，１４，１５，１７では、耐溶接割れ性試験時に溶接割れが発生した。各々の具体的な理由は以下の通りと考えられる。
【００４０】
比較例１では、Ｃが過剰であることから、溶接後の冷却過程でマルテンサイトが生成し、また結晶粒界に炭化物が析出したものと推定される。
比較例２，３，５，６では、それぞれＳｉ，Ｍｎ，Ｓ，Ｃｕが過剰であることから、溶接部の延性・靭性が低下したものと推定される。
【００４１】
また、比較例１３〜１７では、それぞれＴｉ，Ｎｂ，Ｔｉ及びＮｂ，Ｍｏ，Ｎが過剰であることから、溶接部の延性・靭性が低下したものと推定される。
【００４２】
一方、比較例４，７，８，１１では、２種類のローラ曲げ試験の結果はいずれも「○」であった。ただし、比較例４ではＰが過剰であることから、溶接割れが発生した。また、比較例７，８，１１では、それぞれＣｕ，Ｃｒ，Ｎｂが不足していることから、しゅう酸に対する耐食性が低くなった。
【００４３】
また、比較例９，１０，１２では、７０ｍｍのローラ曲げ試験の結果はいずれも「○」であったが、９０ｍｍのローラ曲げ試験の結果はいずれも「×」であった。これは、比較例９，１０，１２ではＴｉが不足し、かつＴｉ＋Ｎｂも不足していることから、溶接部の延性・靭性が低下したものと推定される。図３は、Ｃ＋ＮとＴｉ＋Ｎｂの関係に着目したグラフであり、実施例１〜８が「○」に対応し、比較例９，１０，１２が「▲」に対応する。実施例１〜８は、上記式（１）及び（２）を満たす領域に位置しており、式（１）及び（２）を満たすことで、より曲げ易い材質となることが推定できる。
【００４４】
以上の説明からも明らかなように、本発明のフェライト系ステンレス鋼溶接用ソリッドワイヤによれば、従来の溶接用ワイヤに比して耐割れ性及び耐食性をより一層高めることができる。
【００４５】
なお、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼溶接用ソリッドワイヤにおいて、直径や長さは、特に限定されるものではなく、目的に応じて適切な値を採用することができる。その他、本発明は上記実施例等に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えた態様で実施することが可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１０，３０  試験板
１１，１２，３１，３２  板材
１３  溶接ビード
２０  ローラ曲げ試験機
２１  一対のローラ
２２  押し込み部
Ｓ１  ビード
Ｓ２  試験ビード
【図１】
2017202504.tif 000004
【図２】
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【図３】
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