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JP2003320476A - フェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤ - Google Patents

フェライト系ステンレス鋼溶接ワイヤ

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JP2003320476A
JP2003320476A JP2002130870A JP2002130870A JP2003320476A JP 2003320476 A JP2003320476 A JP 2003320476A JP 2002130870 A JP2002130870 A JP 2002130870A JP 2002130870 A JP2002130870 A JP 2002130870A JP 2003320476 A JP2003320476 A JP 2003320476A
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welding wire
ferritic stainless
high temperature
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Keigo Inui
圭吾 乾
Hirotaka Namikawa
裕隆 南川
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Daido Steel Co Ltd
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Daido Steel Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 質量%で、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種又は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。

Description

【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:0.0
21%、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%)
2 を使用して溶接する方法などを開発し、特願平20
01−142196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:0.0
5%以下、Si:2.0%以下、Mn:2.0%以下、
Cr:10.0〜25.0%、Al:0.01〜0.0
5%、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、C
r: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N
b: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Ar
+(0〜20体積%)O2 、Ar+(0〜20体積
%)O 2 +(0〜50体積%)CO2 、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 055
2に準拠して結晶粒度を測定するとともに、JIS G
0567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 G0
567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】
【0023】
【表2】
【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、T
i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+T
i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T
i/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。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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、C
    r: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。
  2. 【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、Z
    r: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。
  3. 【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。
  4. 【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、Z
    r: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、A
    l+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。
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