技術資料＞耐鋭敏化性に優れる自動車排気系部品用ステンレス鋼溶接ワイヤ

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技術資料
Technical Data

耐鋭敏化性に優れる自動車排気系部品用ステンレス鋼
溶接ワイヤ
上仲明郎＊

Stainless Steel Welding Wire for High Sensitization Resistance
Automotive Exhaust System Components
Akio Uenaka
Synopsis
The present study investigated the effects of Nb quantity of 15.5 mass% Cr ferritic stainless steel welding wire and welding
conditions on sensitization resistance in weld material.
Followings were found and confirmed from experimental works.
(1) C and N in weld metal increase with 2 factors ( ① C intrusion by adhesion oil on base metal and N2 entrainment byturbulence, ② C intrusion by using shielding gas of Ar-CO2 ) deteriorate sensitization resistance. But, with increasing theamount of Nb (0.7 % ～ ) in welding wire, high sensitization resistance is ensured in the severer environment than practicaluse.
(2) When the (Ti+Nb) / (C+N) of weld metal is 8 or more, the sensitization does not occur.

2012 年 12 月 18 日受付＊大同特殊鋼㈱研究開発本部（Daido Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）

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電気製鋼 第 83 巻 2 号 2012 年

1．緒

ルドガスのコストダウンを目的に Ar-CO2 系ガスの使用言が増えている．このため，加工油や Ar-CO2 系ガスからの溶接金属への C の侵入，シールドガス外からの大気

自動車業界では，地球環境保護にも配慮して，排気ガス浄化や軽量化による燃費向上，車体の長寿命化に取り組んでいる．例えば，排気ガス規制の各種対応製品の中で EGR システム

1）

窒素の混入，により溶接金属の鋭敏化が懸念されている．
そこで，本報では，厳しい溶接環境下や Ar-CO2 系のを適用し，排気ガスを吸気側に環流シールドガスを選択した際の溶接金属の鋭敏化挙動を調することで，燃焼温度を下げ，高温下で生成し易い窒素査し，溶接ワイヤの Nb 量を増加した時の鋭敏化抑制に酸化物（NOx）を抑制している．また，軽量化では，高ついて検討した．

耐熱性・高加工性フェライト系ステンレス鋼 2）〜 5）を採2．実験方法用し，板厚を減少させた排気系部品の開発が進められてきた．
自動車排気系部品用の溶接材料としては，被溶接物の2． 1

供試材

材質と同様にフェライト系のステンレス鋼溶接ワイヤが本実験で用いた供試材の化学成分を Table 1 に示す．

用いられている．この溶接ワイヤについても，使用条件

溶接ワイヤは Nb が 0.43 % 添加されているワイヤ A をと被溶接物の材質の変化に応じて高度化が求められるよ

基本仕様とし，Nb を 0.71 mass% と 0.98 mass% に高めうになってきており，組成や形態の異なる種々のワイヤ

たワイヤ B，ワイヤ C の計 3 鋼種である．これら 3 鋼が開発・市販化されている

6）
〜 7）

種を真空誘導炉にて溶製し，160 mm 角の鋼片に熱間．

排気系部品への要求特性としては，上記の耐熱性以外圧延した後，線材圧延，焼鈍，冷間線引き加工，焼鈍，に，EGR システムやコールドエンド（排気部品のエンジめっき処理，冷間線引き加工を行い，線径φ 1.2 mm のンから遠い側）における排ガス凝縮水に対する耐鋭敏化

溶接ワイヤとした．なお，めっきについては，芯線の表性が挙げられる．鋭敏化とは，溶接金属部に Cr リッチの面に予め Ni めっきを施し，さらに Cu めっきすること炭化物（M23C6）やクロム窒化物（Cr2N）が結晶粒界に析で，安定したコンタクトチップとの通電性およびワイ出し，粒界近傍に Cr 量の希薄帯ができることにより，そヤ送給性を確保した．母材は，板厚 1.5 mm の SUH409L

こで腐食が進行する現象である．その対策としてステンを使用した．

レス鋼板では，溶接金属での Cr 系の炭化物や窒化物の生成の防止を目的として，C，N の低減および Cr よりも C，N との化学的親和力の大きい Nb，Ti が添加され，耐鋭敏化性が改善されることが報告されている

8）〜 9）

2． 2

溶接条件

溶接部の耐鋭敏化性の実験については，Fig. 1 に示す．また，重ね継手ですみ肉溶接を行った．なお，耐鋭敏化性を阻Mo の適量添加により耐食性が改善されることが報告さ害する因子を 2 つ取り上げ，それぞれで実験水準を設定れている 10）．溶接ワイヤにおいても，同様な対策としてした．

組成の C，N が低く，Nb が約 0.4 % 添加された開発溶接ワイヤが使用されている．
溶接施工においては，フェライト系ステンレス鋼の①母材に付着しているプレス加工油による Cの混入と乱流による大気中の N2の巻き込みを想定した再現実験

ソリッドワイヤを用いた溶接では，一般的に 2 〜 5 %の O2 を含む Ar-O2 系のシールドガスが適用されている．

排気系部品は，プレス成形を経て，アーク溶接が行わところが，排気系部品の溶接環境の変化により，排気系れる．通常，プレス成形後には，10 ml/m2 程度以下のプ部品の鋼板に広く利用されている低 C，N 組成で Ti をレス加工油が母材に付着している．より厳しい溶接環境含む SUH409L 製の鋼板と開発溶接ワイヤの組合せでは，を想定し，不水溶性プレス加工油（精製鉱物油が主たる十分な耐鋭敏化性が得られない事例が増えている．すな構成要素）を用いて，プレス加工油の付着無し，20 ml/m2

わち，排気系部品の機能を向上させるために部品形状は（通常範囲における最大の 2 倍），40 ml/m2（通常範囲に複雑になる傾向があり，母材に付着したプレス加工油のおける最大の 4 倍）の 3 条件の付着量を設定した．

拭き取り残しや，狭隘な部位が増えることによるシール

また，排気系部品の形状はより複雑になり，狭隘な部

ド不良など，溶接環境が劣悪化しつつある．また，シー位が生じることがある．その場合，先端がテーパ形式の技術資料＞耐鋭敏化性に優れる自動車排気系部品用ステンレス鋼溶接ワイヤ

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Table 1. Chemical compositions of materials (mass%).

Fig. 1. Experimental setup and 2 factors inhibiting sensitization resistance.

溶接トーチを用いたり，ノズルからコンタクトチップを突き出した状態での溶接を強いられることが考えられ②Ar+20 %CO2の組成のシールドガスを選択することによる Cの混入る．そのような状況下では，溶接部で乱流が生じることによるシールド不良が起き，大気中の窒素が溶接金属に一般鋼・高張力鋼やフラックス入りワイヤの溶接で接触し，そして吸収される．そこで実験ではシールドガ

は，20 % の CO2 を含む Ar-CO2 系のシールドガスが一ス中に N2 ガスを添加することで，シールド不良現象を般的に用いられる．そこで，シールドガスの使用コスト再現した．

維持のため，ユーザでの Ar+20 % CO2 のシールドガス

N2 ガスは，2.5 ％（一般鋼の溶接ではブローホールがの使用を想定し，今回の供試ワイヤでの適用性を検討し発生する厳しいレベル）と 5.0 ％の 2 水準に設定した．

た．なお，この Ar+20 % CO2 のシールドガスの条件下

なお，フェライト系ステンレス鋼のソリッドワイヤをにおいて，母材に付着しているプレス加工油および乱流用いた溶接では，一般的に 2 〜 5 % の O2 を含む Ar-O2系のシールドガスが適用されているため，Ar+3.5 % O2を基本条件とした．

による N2 ガスの巻き込みの影響を同時に調査した．
これらの因子について，単独あるいは複数の組合せで溶接し，溶接部の横断面において，JIS G 0571 に準拠したしゅう酸エッチング試験を行い，耐鋭敏化性を調査した．

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3．実験結果および考察

Fig. 2 に，プレス加工油の付着が 20 ml/m2 で N2 ガスの混合が 2.5 % の組合せの条件における各ワイヤの断面ミクロ組織の一例を示す．ワイヤＡでは鋭敏化が生じてTable 1 の材料を，Table 2 の溶接条件で溶接後，溶接部の耐鋭敏化性を調査した．ただし，シールドガスにおり（溝状組織），ワイヤＢおよびＣでは．鋭敏化が認めれなかった（段状組織）．

N2 ガスを 5.0 % 混合し，母材にプレス加工油が付着しFig. 3 に，シールドガスが Ar+3.5 %O2 の場合の，耐ている条件では，アークが不安定でビード形成が困難で鋭敏化性に及ぼすプレス加工油と N2 ガス混合比率の関あったため，外観不良として扱い，溶接部の横断面調査係を示す．

からは除外した．

ワイヤＡではプレス加工油の付着がなく，N2 ガスのTable 2. Welding conditions for corrosion test.

混合もない場合にのみ鋭敏化は認められなかった．一方，プレス加工油の付着により部分的に鋭敏化が認められた（部分的に溝状の混合組織）．また，N2 ガスの混合比率が増すに従い，鋭敏化が生じる傾向にあり，またプレス加工油の付着との組み合わせでは鋭敏化が生じていた．
ワイヤＢでは，プレス加工油の付着が 40 ml/m2 で N2ガスの混合が 2.5 % の組合せの条件においてのみ部分的に鋭敏化が認められたが，その他の条件では鋭敏化は認められなかった．
ワイヤＣでは，いずれの条件においても，鋭敏化は認

3． 1 溶接部の鋭敏化について（Ar+3.5 %O2ガスを基本条件とした
プレス加工油とN2ガス混合の影響）められなかった．
以上より，ワイヤの Nb 量が多くなるに従い，C および N を固定する Nb が溶接金属中に十分にあるため，鋭敏化が生じない条件範囲が広くなったと考えられる．

Fig. 2. Microstrucures of weld metal (shielding gas: Ar+3.5 %O2+2.5 %N2, adhesion oil on basemetal: 20 ml/m2).

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Fig. 3. Effects of adhesion oil and N2 in shielding gas on sensitization resistance (Ar+3.5 %O2).

3． 2 Ar+20 %CO2ガスを用いた場合の溶接部の鋭敏化について（プレス加工油と N2 ガス混合の影響を同時調査）
Fig. 4 に，シールドガスに Ar+20 %CO2 を用いた場合

び N を固定する Nb が溶接金属中に十分存在し，鋭敏化が生じない条件範囲が拡がったものの，シールドガスがAr+3.5 ％ O2 の場合に比べると範囲は狭いことに注意が必要である．

いずれのワイヤにおいても，各溶接条件において，溶接金属の成分の変化について（Ar+3.5 %O2を基本条件とした
プレス加工油とN2ガス混合の影響）

Ar+3.5 %O2 の場合に比べ，同等の耐鋭敏化性あるいはそれぞれの溶接条件で作製した溶接試験片につい鋭敏化が生じる傾向にあった．これは，シールドガス中て，溶接金属の C, N, Ti, Nb の化学分析を実施した．一の C の溶接金属への混入により，Ti および Nb が欠乏

方，母材の希釈率を横断面で測定し（おおよそ 55 %），し，Cr 炭化物の生成を抑制できなかったためと考えらAr+3.5 %O2 のシールドガスで，プレス加工油の付着なれる．

しにおける溶接金属の成分を基本条件として算出した．の，鋭敏化に及ぼすプレス加工油と N2 ガス混合比率の関係を示す．

ワイヤＡでは，いずれの条件においても，鋭敏化が認められた．

3． 3

そして，プレス加工油の付着量および N2 ガスの混合比率の変化における各成分の変動を，基本条件での算出値

2

ワイヤＢでは，プレス加工油の付着が 20 ml/m までとの差分により調査した．Fig. 5 および Fig. 6 に，シーで，また N2 ガスの混合が 2.5 % まででは鋭敏化は認め

ルドガスが Ar+3.5 %O2 を基本条件とした場合の各成分られなかった．これらの条件以外では，部分的な鋭敏化の変動を示す．

あるいは鋭敏化が認められた．

C については，いずれのワイヤにおいても，プレス加2ワイヤＣでは，プレス加工油の付着が 40 ml/m で N2工油の付着がない場合，若干減分した．これは，シールガスの混合が 2.5 % の組合せの条件においてのみ部分的ドガス中の酸素による脱炭の影響と考えられる．また，に鋭敏化が認められたが，その他の条件では鋭敏化は認

プレス加工油の付着量が増すに従い，C は漸増した．

められなかった．
以上より，ワイヤの Nb 量が多くなるに従い，C およ

N については，N2 ガスの混合がない場合，若干増分した．また，N2 ガスの混合比率が増すに従い，N は漸130

電気製鋼 第 83 巻 2 号 2012 年

Nb については，いずれのワイヤおよびいずれの条件増した．
Ti については，いずれのワイヤ，いずれの条件におにおいても，増減は認められなかった．

いても，減分は 0.02 % 程度であった．これは，シールドガス中の酸素と一部の Ti が結合し，金属蒸気として溶接金属から放出されたためと考えられる．

Fig. 4. Effects of adhesion oil and N2 in shielding gas on sensitization resistance (Ar+20 %CO2).

Fig. 5. Effect of fluctations of chemical composition onadhesion oil (Ar+3.5 %O2).

Fig. 6. Effect of fluctations of chemical composition on
N2 in shielding gas (Ar+3.5 %O2).

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3． 4 Ar+20 %CO2ガスを用いた場合の溶接金属の成分の変化について（プレス加工油とN2 ガス混合の影響を同時調査）
Fig. 7 および Fig. 8 に，シールドガスに Ar+20 %CO2を用いた場合の各成分の変動を示す．
C については，いずれのワイヤにおいても，プレス加工油の付着がない場合，シールドガス中の C の取り込みにより，約 0.02 % の増分があった．また，プレス加工油の付着量が増すに従い，C は漸増した．その増分の度合いは，Ar+3.5 %O2 の場合と同様であった．
N については，N2 ガスの混合がない場合，若干増分した．また，N2 ガスの混合比率が増すに従い，N は漸増した．ただし，Ar+3.5 %O2 の場合に比べ，増分の度合いが小さかった．これは，N2 ガスの分圧が小さくなったため，あるいは Ti，Nb に対して化学的親和力のより大きい（標準生成自由エネルギーが小さい）C が優先的に結合した影響と考えられる．
Ti については，いずれのワイヤおよびいずれの条件

Fig. 7. Effect of fluctations of chemical composition onadhesion oil (Ar+20 %CO2).

においても，減分は 0.02 % であった．これは，シールドガス中の酸素と一部の Ti が結合し，金属蒸気として溶接金属から放出されたためと考えられる．
Nb については，いずれのワイヤおよびいずれの条件においても，増減は認められなかった．

3． 5 溶接金属の鋭敏化と鋭敏化感受性指標（Ti+Nb）/（C+N）の関係
溶接金属の耐鋭敏化性に及ぼす安定化元素量の影響を検討した 8）．
Fig. 9 には，溶接ワイヤ別に，全ての実験組合せでの，耐鋭敏化性に及ぼす溶接金属の Ti+Nb と C+N の影響を示す．鋭敏化感受性の指標となる（Ti+Nb）/（C+N）が8 以上の溶接金属の場合，鋭敏化は認められなかった．
一方，（Ti+Nb）/（C+N）が 8 未満の溶接金属の場合，部分的あるいは溶接金属全体で鋭敏化が認められた．
Ti，Nb は，C，N と 1：1 の原子数割合で結合するため，各元素の組合せによっては重量比で最小 3.3 から最大 7.7となる．従って，鋭敏化感受性指標（Ti+Nb）/（C+N）
が 8 以上では，C，N に対して必要な量の Ti,Nb が確保され，良好な耐鋭敏化性が得られていると考えられる．
ワイヤの Nb 量が高いワイヤＢ，特にワイヤＣでは，高い耐鋭敏化性を有していることが分かった．

Fig. 8. Effect of fluctations of chemical composition on
N2 in shielding gas (Ar+20 %CO2).

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方，Ar+20 %CO2 のシールドガスの施工では，Ar+3.5 ％O2 のシールドガスの場合に比べ，鋭敏化が生じない条件範囲が狭くなることに注意が必要である．
2）鋭敏化感受性指標（Ti+Nb）/（C+N）が 8以上の溶接金属の場合，鋭敏化が生じないことが分かった．
（文献）1）田 中真文，真壁弘：ニチアス技術時報，349（ 2007），
1，1.
2）宮崎淳，平澤淳一郎，古君修：自動車技術，55（2001），10，25.
3）井上宜治，菊池正夫：新日鉄技報，378（2003），55.
4）奥学，藤村佳幸，中村定幸，伊東健次郎，名越敏郎，植松美博：日新製鉄技報，80（2000），32.
5）藤田展弘，大村圭一，佐藤栄次，山本章夫：新日鉄技報，361（1996），20.
6）村田義明：溶接学会誌，72（2003），7，561.
7）N. Renaudot，P. O. Santacreu，J. Ragot，J. L. Moiron，Fig. 9. Effects of C+N and Ti+Nb content on sensitization
resistance.

R. Cozar，P. Pedarre and A. Bruyere： SAE TechnicalPaper Series，1（2000），314.
8）小 野山征生，辻正宣，安保秀雄，小川洋之，青木司郎：製鉄研究，292（1977），46.

4．結論9）宇都宮武志，古木寿之，足立俊郎：日新製鋼技報，71（1995），53.
10）片山正宏，中川大隆，酒井潤一，松島巖：腐食防食．

本実験では，Nb の増加量を変化させた Cu めっき付
きフェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤを作製し，溶接部の鋭敏化に及ぼす耐鋭敏化性の阻害因子の影響を調査した．
以下にその結果を記す．
1）耐鋭敏化性の阻害因子である，①母材に付着しているプレス加工油，乱流（シールド不良），また② Ar+20%CO2のシールドガスの選択により，溶接金属の C，Nは増分が生じ，耐鋭敏化性は低下傾向になる．しかし，Nb量を高めたワイヤでは，実用域以上の厳しい溶接環境においても高い耐鋭敏化性を有していることが分かった．
具体的には，Ar+3.5 %O2 のシールドガスにおいて，0.71% の Nb のワイヤでは，プレス加工油の付着が 40ml/m2 で N2 ガスの混合が 2.5 % の組合せの条件の場合のみ部分的に鋭敏化が認められたが，その他の条件では認められなかった．また，0.98 % の Nb のワイヤでは，いずれの条件においても，鋭敏化は認められなかった．一C-112（1986）