JP3190290B2 - 溶接部の耐食性に優れるフェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接部の耐食性に
優れるフェライト系ステンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】ステンレス鋼は大きく分けてフェライト
系とオーステナイト系とがあるが、オーステナイト系は
耐食性、加工性、溶接性、高温強度などに優れるため、
幅広い用途を有する。しかし、塩化物溶液中では、しば
しば応力腐食割れが発生するという欠点をもつ。これに
対してフェライト系ステンレス鋼は比較的安価で、しか
も合金元素としてＮｉを含有しないため塩化物溶液中で
の応力腐食割れの危険性は殆どない。しかしフェライト
系ステンレス鋼の代表的鋼種であるＳＵＳ４３０を例に
とると、少し苛酷な環境に対し充分な抵抗力がないと
か、溶接時の加熱、冷却によって、粒界腐食をきたす等
の欠点を有している。耐食性を改善するにはＣｒ量の増
加やＭｏの添加等が有効であることはすでに周知の事実
である。

【０００３】しかし、Ｃｒ、Ｍｏの増加は材料自身の靱
性を阻害する。含Ｍｏ高Ｃｒ鋼の靱性はＣ、Ｎを低減さ
せることで改善しうることが知られている。このＣ、Ｎ
の低減は、耐粒界腐食性改善にも有効であるが、Ｃ、Ｎ
の低減にも自ら限界があり、現在、工業的に到達しえる
Ｃ、Ｎ量レベルではこの粒界腐食感受性を完全になくす
ことはできない。この粒界腐食性に対するＣ、Ｎの弊害
は、Ｃ、Ｎを固定しうるＴｉあるいはＮｂなどの安定化
元素を単独あるいは複合で添加することで解消しうるこ
とは周知の事実である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これらの技術的背景を
基にして、耐食性、靱性に優れた含Ｍｏ高Ｃｒが提唱さ
れ、現に、低炭素、低窒素１８Ｃｒ−２．０Ｍｏ−Ｎｂ
／Ｔｉ鋼が開発された。しかし、塩素イオンや残留塩素
など、腐食の要因となるイオンを多く含んだ環境で使用
される場合、短期間の内に溶接部に激しい腐食が発生す
るケースが多々あり、溶接部の耐食性に関してはまだ充
分ではない。

【０００５】これは、溶接時の入熱により、母材表層部
のＣｒが高温酸化され、表層部の金属Ｃｒが貧化し耐食
性が低下するためであると推察される。このようなこと
から、溶接時のＣｒ酸化ロスを少なくし、溶接熱影響部
と溶接金属部の耐食性を同時に満足する材料を開発する
ことが必要となった。したがって本発明の目的は、溶接
熱影響部と溶接金属部の耐食性を同時に満足する新たな
フェライト系ステンレス鋼を得ることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】 上記目的は、質量％に
おいて、 Ｃ ：０.０２５％以下 Ｓｉ：０.６％以下 Ｍｎ：１.０％以下 Ｐ ：０.０４％以下 Ｓ ：０.０１％以下 Ｎｉ：０.６％以下 Ｃｒ：１６〜３５％ Ｍｏ：０.３〜３.５％ Ｎ ：０.０２５％以下 Ａｌ：０.０１〜０.５％ Ｎｂ：０.１〜０.６％ Ｔｉ：０.０５〜０.３％ Ｃｕ：０.１〜１.０％を含有し、かつこれらの成分の間
に質量％において、 Ｃ＋Ｎ≦０.０４、およびＮｂ＋Ｔｉ≧７(Ｃ＋Ｎ)＋０.
１５の関係が成立し、なおかつ次の式、 Ｂ値＝Ｃｒ＋３(Ｍo＋Ｃu)≧２３.５、およびＰ値＝５
Ｔi＋２０(Ａｌ−０.０１) ≧１.５の関係が成立し、残
部は実質的に鉄および不可避的不純物からなる溶接部の
耐食性に優れるフェライト系ステンレス鋼によって達成
される。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明者らは、溶接部の耐食性に
およぼす合金元素の影響について詳細な検討を行ってき
た。その結果、次のような知見を得た。すなわち、溶
接金属部の耐食性はＣｒとＭｏ量を増加することにより
向上するが、Ｔｉの一定量以上の添加は溶接金属部の耐
食性を劣化させる。溶接熱影響部の耐食性改善にはＣ
ｒとＭｏ量の増加も有効ではあるが、特にＴｉとＡｌを
複合添加することにより熱影響部の耐食性は著しく向上
する。また適正量のＣｕを添加することにより、溶接
部（溶接金属部および溶接熱影響部）の耐食性は一層向
上する。

【０００８】ここで、上記に挙げたＴｉとＡｌを複合
添加することにより熱影響部の耐食性が著しく向上する
理由については、Ｔｉは溶接時、Ａｌ酸化物の形成を容
易にし、Ａｌ酸化物の形成はＣｒの酸化損失防止に有効
であり、酸化スケール直下の鋼表層部でのＣｒ貧化層を
著しく低減させるためであると考えられる。すなわち、
Ａｌの酸化物の標準生成自由エネルギは非常に低く、溶
接時の雰囲気でＡｌ酸化物を生成するには酸素ポテンシ
ャルが高すぎるため、Ｔｉが優先酸化して酸素ポテンシ
ャルを下げることにより、Ａｌの酸化が容易に起こるよ
うになるためだと思われる。Ｔｉはこのように、溶接熱
影響部の耐食性改善には有効な元素である。しかし、Ｔ
ｉの一定量以上の添加は表面疵や溶接金属の耐食性劣化
の原因となるため、必要最小限にする必要がある。これ
らの理由からＴｉ添加量の上限が規制される場合には、
Ｔｉのみの添加では粒界腐食の抑止は困難であり、さら
にＮｂを複合で添加する必要がある。

【０００９】以下、本発明鋼に含有させる各元素の作用
とその含有量の限定理由について説明する。

【００１０】Ｃ、Ｎは鋼中に不可避的に含まれる元素で
ある。Ｃ、Ｎ含有量を低減すると、軟質になり加工性が
向上するとともに炭化物、窒化物の生成が少なくなり、
溶接性および溶接部の耐食性が向上するため、低い方が
好ましく、Ｃ≦０.０２５％、Ｎ≦０.０２５％とする。

【００１１】Ｓｉは溶接部の高温割れや溶接部靱性に対
し有害であり、また、鋼を硬質にするので低い方が好ま
しく上限を０.６％とする。

【００１２】Ｍｎは鋼中に微量に存在するＳと結合し、
可溶性硫化物であるＭｎＳを形成し耐食性を低下させる
ので低い方が好ましく上限を１.０％とする。

【００１３】Ｐは母材および溶接部靱性を損なうので低
い方が望ましいが、含Ｃｒ鋼の脱Ｐは困難でありかつ製
造コストの上昇を招くので上限を０.０４％とする。

【００１４】Ｓは耐食性および溶接部の高温割れに悪影
響をおよぼすため低い方が好ましく上限を０.０１％と
する。

【００１５】Ｎｉはフェライト系ステンレス鋼の靱性改
善に有効な元素であるが多すぎるとコスト高になる。本
発明鋼も通常のフェライト系ステンレス鋼で規制されて
いる０.６％以下とする。

【００１６】Ｃｒは鋼の耐食性を高める主要元素であ
り、耐孔食性、耐隙間腐食性および一般の耐食性を著し
く向上させるが、１６％未満ではその効果は少なく、３
５％を越えると脆化が著しくなり、薄板製造上あるいは
製品の加工上困難を伴うため、Ｃｒ量は１６〜３５％と
する。

【００１７】 ＭｏはＣｒとともに耐食性を高める有効
な元素であり、その効果はＣｒ量が増すにつれ大きくな
る。しかし、本発明鋼のＣｒ量レベルにおいては ０.３
％未満では耐食性改善効果は小さく、３.５％を越えて
添加すると延性の低下を招くため、Ｍｏ量は０.３〜３.
５％とする。

【００１８】Ａｌは本発明を構成する上で重要な元素で
あり、Ｔｉとの複合添加により、溶接時に鋼の表層に容
易にＡｌ皮膜を形成し、Ｃｒの酸化ロスを防止すること
により耐食性を向上する。しかし、Ａｌ量が ０.０１％
未満ではＡｌ皮膜が形成されにくく、また、０．５％を
越えて添加すると素材の表面品質の劣化および溶接性が
悪くなるため、Ａｌ量は０.０１〜０.５％とする。

【００１９】ＮｂはＴｉとともに本発明鋼のＣ量のレベ
ルのフェライト系ステンレス鋼で問題となる粒界腐食を
防止するのに不可欠の元素であるが、多すぎると溶接部
靱性を阻害するので ０.６％を上限とする。なお、下限
は粒界腐食を防止する観点から決定され、０.１％以上
を必要とする。

【００２０】Ｔｉは本発明を構成する上で重要な元素で
あり、Ａｌとの複合添加により、溶接時に鋼の表層に容
易にＡｌ皮膜を形成し、Ｃｒの酸化ロスを防止すること
により耐食性を向上する。さらに、ＴｉはＣ、Ｎを固定
する作用も有する。しかし、Ｔｉ含有量が多すぎると、
素材の表面品質や溶接金属部の耐食性を劣化させるので
上限を ０.３％とする。なお、下限はＡｌ皮膜の形成お
よび粒界腐食防止の観点から決定され、０.０５％以上
を必要とする。

【００２１】また、本発明においては粒界腐食防止の観
点からＮｂとＴｉの複合添加量については、限定式〔Ｎ
ｂ＋Ｔｉ≧７(Ｃ＋Ｎ）＋０.１５〕を満足しなければな
らない。

【００２２】Ｃｕは溶接部の耐食性改善に有効な元素で
あるが、多すぎると溶接部靱性を阻害するので１.０％
を上限とし、また０.１％未満ではその効果が少ないの
で０.１％を下限とする。

【００２３】本発明鋼のように固定元素を添加する場合
には固定元素はＣと同様Ｎとも結合して消費されるので
(Ｃ＋Ｎ)の総和で両元素をコントロールすることが必要
となる。(Ｃ＋Ｎ)を多量に含有させると、それに見合っ
てＴｉ、Ｎｂ量も増加しなければならないが、これは鋼
の清浄度を劣化させるため（Ｃ＋Ｎ)量の上限は０.０４
％とする。一方、(Ｃ＋Ｎ)量は低い方が望ましく、特に
下限は設けない。

【００２４】以上の各成分の含有量限定に加えて、本発
明においてはＣr、Ｍｏ、Ｃu、Ａl、Ｔｉの各成分の間
において以下の限定式、Ｂ値＝Ｃｒ＋３(Ｍｏ＋Ｃｕ)≧
２３.５で、かつＰ値＝５Ｔｉ＋２０(Ａｌ−０.０１)≧
１．５を満足しなければならない。これらの式は、本発
明者らによる多くの実験例を通じて設定されたものであ
り、Ｂ値は溶接金属部の、Ｐ値は溶接熱影響部の耐食性
を満足するために必要な最小値を規制するものである。

【００２５】溶接金属部においてはＣｒ、Ｍｏは耐食性
改善のための基本成分であり、Ｍｏの方がＣｒよりも耐
食性改善に対する寄与が大きいことから係数をＣｒの３
倍とした。また、ＣｕはＭｏと同等の効果を有するため
係数をＭｏと同じにした。Ｂ値が ２３.５％未満では溶
接金属部の十分な耐食性が得られないため下限を２３.
５％とした。

【００２６】溶接熱影響部においては、ＴｉとＡｌを複
合添加することで溶接時に、鋼の表層部におけるＡｌ酸
化皮膜の形成を容易にし、形成されたＡｌ酸化皮膜は表
層部のＣｒの酸化損失を防止する。その結果Ｃｒ貧化層
の生成が抑止されるので溶接熱影響部の耐食性改善に有
効である。ＴｉとＡｌとの間においてこれらの効果を得
るためにはＰ値が１.５以上であることを必要とする。

【００２７】

【実施例】表１に示す化学組成を有するステンレス鋼を
溶製し、熱間圧延により板厚３.５mmの熱延板を製造し
た。その後、板厚１.０mmまで冷間圧延し、１０００〜
１０５０℃ で仕上焼鈍を施したうえ試供材とした。

【００２８】

【表１】

【００２９】表１中、Ｎo.７は本発明鋼であり、固定元
素としてＮｂとＴｉを複合添加し、微量元素としてＡｌ
を添加し、さらにＣｕを添加した鋼である。Ｎo.１１〜
Ｎo.１８は比較鋼であり、製造履歴は本発明鋼と同じで
ある。そのうち、Ｎo.１１〜Ｎo.１３、Ｎo.１５〜Ｎo.
１８は限定式を満たさない鋼で、さらに、Ｎo.１１、１
２はＴｉを、Ｎo.１３はＴｉ、Ａｌを、Ｎo.１８はＡｌ
を添加していない鋼である。Ｎo.１４はＮｂを添加して
いない鋼である。

【００３０】これらの鋼の表面きずの有無を目視観察し
た結果を表１に合わせて示した。表１の結果から、Ｔｉ
の過剰添加は表面きずの原因になることがわかる。本発
明では（Ｃ＋Ｎ)量の上限が０.０４％としていることか
ら、粒界腐食の発生を防ぐには ０.４３％以上のＴｉま
たはＮｂを含有させる必要がある。この場合、Ｔｉを
０.４３％以上も含有させると表面きずが発生するため
（比較鋼Ｎo.１４参照）、本発明のようにＴｉ含有量を
減らし、その分Ｎｂなどの固定元素を添加することが有
効である。

【００３１】前記のようにして製造した各鋼をＴＩＧ溶
接し、溶接部の耐食性を調べるために浸漬試験に供し
た。ＴＩＧ溶接は板厚１mmの板にビードオンプレートで
行った。溶接条件は電流８０Ａ、速度５０cm/min、トー
チシール側、バックシール側のＡｒガスシールはそれぞ
れ１０リットル/minとした。浸漬試験片は、そのほぼ中
央部に溶接ビード部を含み、溶接ビードに平行な方向が
１５mm、その直角方向が４０mmとなるように切り出した
ものを用いた。浸漬試験は、液温８０℃の上水＋１００
０ppm Ｃｌ^-＋１０ppmＣｕ²⁺溶液５００mlに試験片を入
れ、３０日間行った。なお、Ｃｕ²⁺は１週間毎に補充し
た。

【００３２】図１には溶接金属部の最大侵食深さを表１
に示すＢ値で整理した結果を、図２には熱影響部の最大
侵食深さを表１に示すＰ値で整理した結果をそれぞれ示
す。

【００３３】図１，図２より本発明鋼（Ｎo.７）は、溶
接金属部、熱影響部ともに侵食深さは０.１mm以下と浅
くなっていることがわかる。比較鋼のうちＴｉ単独添加
鋼のＮo.１４では熱影響部の侵食深さは約０.０７mm と
浅かったが、溶接金属部では約０.１３mmと深くなって
おり、また前述のように表面きずが発生した。その他の
比較鋼においても、溶接金属部と熱影響部の両方で同時
に侵食深さが０.１mm以下となるものは無かった。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、本発明によればＴＩＧ溶
接部の溶接金属部と熱影響部の耐食性を同時に満足する
フェライト系ステンレス鋼が得られた。この鋼は溶接部
の耐食性に優れているため、酸洗や研磨などの後処理を
行わず、溶接加工のままで、腐食性の環境に使用するこ
とが可能である。さらに、Ｔｉを多量に添加した鋼と比
べて表面きずも発生しにくいため冷延工程での歩留まり
が高く、比較的安価に製造することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】浸漬試験結果について横軸をＣｒ＋３(Ｍｏ＋
Ｃｕ)、縦軸を溶着部の最大侵食深さとして整理したグ
ラフ。

【図２】浸漬試験結果について横軸を ５Ｔｉ＋２０(Ａ
ｌ−０.０１）、縦軸を熱影響部の最大侵食深さとして
整理したグラフ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西川 光昭 山口県新南陽市野村南町4976番地 日新 製鋼株式会社 鉄鋼研究所 ステンレ ス・高合金研究部内 (56)参考文献 特開 昭57−137455（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−126954（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−149111（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−110415（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−264652（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−280948（ＪＰ，Ａ) 特表 平４−504140（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で Ｃ ：０.０２５％以下 Ｓｉ：０.６％以下 Ｍｎ：１.０％以下 Ｐ ：０.０４％以下 Ｓ ：０.０１％以下 Ｎｉ：０.６％以下 Ｃｒ：１６〜３５％ Ｍｏ：０.３〜３.５％ Ｎ ：０.０２５％以下 Ａｌ：０.０１〜０.５％ Ｎｂ：０.１〜０.６％ Ｔｉ：０.０５〜０.３％ Ｃｕ：０.１〜１.０％を含み、かつこれらの成分の間に
   質量％において、 Ｃ＋Ｎ≦０.０４、およびＮｂ＋Ｔｉ≧７(Ｃ＋Ｎ)＋０.
   １５の関係が成立し、なおかつ次の式、 Ｂ値＝Ｃｒ＋３(Ｍo＋Ｃu)≧２３.５、およびＰ値＝５
   Ｔi＋２０(Ａｌ−０.０１) ≧１.５の関係が成立し、残
   部は実質的に鉄および不可避的不純物からなる溶接部の
   耐食性に優れるフェライト系ステンレス鋼。