JP2007270290A - 溶接部の耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼。 - Google Patents

Abstract

【課題】塩素の添加量を増加した温水中での使用においても、十分な溶接部の耐食性を有する、特に温水器に用いて好適なフェライト系ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】Ｃ：0.020％以下、Si：0.10〜1.00％、Mn：1.00％以下、Ｐ：0.040％以下、Ｓ：0.010％以下、Cr：17.0〜31.0％、Ni：0.60％以下、Al：0.08％以下、Ｎ：0.020％以下、Ｏ：0.0020〜0.0150％、Mo：0.3〜3.0％、Ti：0.30％以下およびNb：0.10〜0.50％を含有し、
Cr+3.3Mo≧22.0並びに ４Al＋Ti≦0.32
を満足する成分組成に調整する。
【選択図】なし

Description

本発明は、耐食性、中でも溶接部の耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼に関するものである。

JIS−SUS444を典型例とする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と比較して、応力腐食割れ（SCC）の感受性が小さいという特徴から、電気温水器等の材料として使用されている。

さて、水道水には、衛生対策のため、残留塩素が含まれているが、この残留塩素による酸化作用による材料の腐食が問題となる。特に、溶接を施した製品においては、母材部に比較し、溶接部（溶接金属および溶接熱影響部）の耐食牲が問題となることが多い。

かような耐食性を改善する技術として、例えば特許文献１では、高純度化精錬技術を用いて、ＰとＳ並びにＣとＮを低減することにより、耐食性を向上させる方法が開示されている。

また、特許文献２では、Tiの添加量を制限し、かつTiとAlを複合添加し、さらに適正量のCuを添加することにより、溶接部の耐食性を向上させる技術が開示されている。
特開昭58−71356号公報 特開平10−81940号公報

近年、衝生対策の強化が求められ、建築物衛生法およびビル管理法が2003年に改正され、特定建築物については、給湯水についても0.1mg／ｌ以上の塩素の残留が求められることになった。

ここに、給湯システムで残留塩素が消耗することを考慮すると、給湯水に更なる塩素の添加が必要になる。このような使途においては、従来の特許文献１や特許文献２に開示の技術で対処することは難しく、十分な溶接部の耐食性を確保できないことが懸念される。

本発明は、残留塩素の増加を所期して塩素の添加量を増加した温水中での使用においても、十分な溶接部の耐食性を有する、特に温水器に用いて好適なフェライト系ステンレス鋼を提供しようとするものである。

発明者らは、上記した課題を達成するために、溶接部の耐食性に及ぼす鋼の化学成分の影響について、綿密な調査、そして検討を行った。その結果、次のような知見を得た。
(I)母材部および溶接部の耐食性は、Cr、MoおよびSi量を増加することにより向上するが、Si量の一定量以上の添加は溶接金属部の物性を劣化させるため、用途に応じた制限が必要である。
(II)溶接部の耐食性は、TiとAlの添加量を制限することにより向上する。
(III)溶接部の耐食性は、適正量のＯを添加することにより向上する。

本発明は、上述した知見に基づき、さらに検討を重ねて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
質量％で
Ｃ：0.020％以下、Si：0.10〜1.00％、Mn：1.00％以下、Ｐ：0.040％以下、Ｓ：0.010％以下、Cr：17.0〜31.0％、Ni：0.60％以下、Al：0.08％以下、Ｎ：0.020％以下、Ｏ：0.0020〜0.0150％、Mo：0.3〜3.0％、Ti：0.30％以下およびNb：0.10〜0.50％を含有し、
Cr+3.3Mo≧22.0並びに
４Al＋Ti≦0.32
を満足し、残部Fe及びその他不可避的不純物からなることを特徴とする溶接部の耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼。

本発明によれば、フェライト系ステンレス鋼における溶接部の耐食性を従来材に比較して大幅に向上させたことから、特に温水器用材料として使用した場合、水道水中の残留塩素量を増加しても、溶接部の腐食による損傷を格段に低減することができ、産業上、格段の効果を奏する。

以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明において鋼の化学成分を上記した範囲に限定した理由について説明する。なお、成分に関する「％」表示は、特に断らない限り質量％を意味するものとする。
Ｃ：0.020％以下
Ｃは、Crと結合してCr炭化物を形成しやすい。従って、溶接時、熱影響部にCr炭化物が形成されると、粒界腐食の原因となるため、Ｃは低い程望ましい。そこで、本発明では、Ｃを0.020％以下に限定した。

Si：0.10〜1.00％
Siは、本発明において重要な元素である。すなわち、Siは、溶接部の耐食性向上に有効な元素であり、通常はその含有量に比例して効果を有する。このような効果は、0.10％以上添加すると現われる。好ましくは0.30％超、より好ましくは0.6％以上添加すると良い。一方、Siは溶接部の成形性や靭性を低下させるため、上限を1.00％とした。

Mn：1.00％以下
Mnは、鋼中に存在するＳと結合して、可溶性硫化物であるMnSを形成し、耐食性を低下させる。そこで、本発明では、Mnを1.00％以下に限定した

Ｐ：0.040％以下
Ｐは、耐食性に有害な元素である。特に、0.040％を超えると顕著になる。このため、Ｐは0.040％以下に限定した。

Ｓ：0.010％以下
Ｓは、耐食性に有害な元素である。特に、0.010％を超えると顕著になる。このため、Ｓは0.010％以下に限定する。

Cr：17.0〜31.0％
Crは、耐食性を向上させる元素であり、フェライト系ステンレス鋼では不可欠の元素である。このような効果は17.0％以上の含有で顕著となる。一方、31.0％を超えて含有すると、靭性が顕著に低下する。このため、Crは17.0〜31.0％の範囲に限定する。

Ni：0.6％以下
Niは、靭性の向上に有利に寄与する元素であり、好ましくは0.1％以上で含有させる。しかし、0.6％を超えて含有させると、応力腐食割れ感受性が高くなる。このため、Niは0.6％以下に限定することが好ましい。

Al：0.08％以下
Alは、本発明の中で重要な元素であり、Alを脱酸剤として作用させるためには、0.02％以上で含有させることが好ましい。一方、溶接溶け込み性を低下させるため、十分な溶接裏ビード幅を得るためには、溶接入熱を大きくする必要がある。このため、本発明ではAlは0.08％以下に限定した。ここで、溶接溶け込み性とは、溶接金属（溶融金属）の板厚方向への流れ込み易さであり、一般に裏ビード／表ビードで評価される。この値が大きいほど溶融金属が板厚方向に流れることになり、溶け込み性が良いということになる。いいかえると、少量の電流値で、裏ビート幅が広いほど溶接での溶融金属が板厚方向へ流れ込み易く、溶接溶け込み性の良い材料となる。

Ｎ：0.020％以下
Ｎは、Crと結合してCr窒化物を形成しやすい。溶接時、熱影響部にCr窒化物が形成されると粒界腐食の原因となるため、Ｎは低い程望ましい。そこで、本発明では、Ｎを0.020％以下に限定した。

Ｏ：0.0020〜0.0150％
Ｏは、本発明の中で重要な元素である。Ｏは、溶接溶け込みを向上させる元素である。一方、多量の添加は介在物を増加させ、耐食性の劣化が顕著となる。このため、Ｏは0.0020〜0.0150％の範囲に限定する。

Mo：0.3〜3.0％
Moは、耐食性を顕著に向上させる元素である。このような効果は0.3％以上の含有で顕著となる。一方、3.0％を超えて含有すると、靭性が顕著に低下する。このため、Moは0.3〜3.0％の範囲に限定することが好ましい。

Nb：0.10〜0.50％
Nbは、Crよりも優先的に窒化物を形成する。従って、溶接時、熱影響部にCr窒化物が形成されるのを防ぎ、粒界腐食を抑制できる。そのためには、0.10％以上の含有が必要である。一方、0.50％を超えると逆に耐食性を低下させる。よって、Nbは0.10〜0.50％の範囲に限定する。

Ti：0.30％以下
Tiは、本発明において重要な元素である。Tiは、Nbと同様にCrよりも優先的に炭窒化物を形成する。従って、溶接時、熱影響部にCr炭窒化物が形成されるのを防ぎ、粒界腐食を抑制できる。TiとNbの合計が、化学当量的な関係から、８×（C＋N）％以上となるように添加するとよい。Tiは、溶接溶け込み性を低下させるので、十分な溶接裏ビート幅を得るためには、溶接入熱を大きくする必要がある。このため、本発明ではTiは0.30％以下に限定した。

以上、基本成分の適正組成範囲について説明したが、本発明では各成分が上記の組成範囲を単に満足しているだけでは不十分で、下記式（1）および（2）の関係も併せて満足する必要がある。
記
Cr+3.3Mo≧22.0・・・（1）
４Al＋Ti≦0.32・・・（2）
上記式（1）は、母材部および溶綾部の耐食性を得るために必要な条件である。すなわち、ステンレス鋼特有の不動態被膜はCr量とMo量が多いほど安定であり、特にMoはその効果が大きく、Cr量の3.3倍の効果があることが知られている。このため、本発明の温水器用途としては、Cr＋3.3Moを少なくとも22.0以上にすることが肝要である。

また、上記式（2）は、溶接部の耐食性を得るために必要な条件である。AlとTiはいずれも溶接溶け込み性を劣化させる元素である。TiとAlの共存により、溶接溶け込み性は著しく劣化する。TiとAlが共存する場合、十分な溶接裏ビード幅を得るためには、溶接入熱を大きくする必要がある。上掲式（2）の範囲外のAlとTiを含有する鋼に対し、大入熱で溶接した溶接部の耐食性は、若しく劣化するため、上掲式（2）を満足する必要がある。この原因として、AlやTi系介在物により耐食性が劣化すること、大入熱で溶接すると溶接部のスケール生成が著しくなり、溶接金属あるいは溶接熱影響部と溶接スケールによる腐食隙間の形成が促進されること、が推察される。
従って、上掲式（1）、〈2〉の関係を満足させることによって、溶接部の耐食性を向上することができる。

上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。不可避的不純物としては、Mg：0.0020％以下およびCa：0.0020％以下は許容できる。

次に、本発明鋼の好適製造方法について説明する。
上記した成分組成の溶鋼を、転炉、電気炉または真空溶解炉等の公知の方法で溶製し、連続鋳造法あるいは造魂・分塊法により鋼素材（スラブ）とする。この鋼素材を、その後加熱するか、あるいは加熱することなく直接、熱間圧延して熱延板とする。熱延板には、通常、熱延板焼鈍が施されるが、用途によっては熱延板焼鈍を省略してもよい。ついで、酸洗後、冷間圧延により冷延板としたのち、再結晶焼鈍を施して製品とする。

以下、実施例に基づいて、本発明をさらに詳しく説明する。
表１に示す成分組成になる鋼（No.1〜10が発明例、No.11〜22が比較例、No.23〜24が従来例）を、小型真空溶解炉で溶製し、50kgの鋼魂とした。これらの鋼塊を、1050〜1250℃に加熱後、仕上げ温度：750〜950℃および巻取り温度：650〜850℃の条件で熱間圧延を施して4.0mm厚の熱延板とした。ついで、これらの熱延板の一部に対しては800〜1000℃の熱延板焼鈍を施した後、酸洗してから、冷間圧延により板厚1.0mmの冷延板とし、再結晶焼鈍を施した。

上記のようにして得られた各鋼板から試験片を採取し、その試験片にビード・オン・プレートのティグ溶接を下記条件にしたがって行った。裏ビード幅が３mm以上になるように、溶接電流を制御した。評価面は、裏ビード面とした。
記
溶接電圧：10Ｖ
溶接電流：90〜110Ａ
溶接速度：600mm／min
電極:1.6mmタングステン電極
シールドガス：表ビード側 Ar 20ｌ／min
：裏ビード側 Ar＋２％0₂ 20ｌ／min

次に、温水器環境での耐食性を調査するために、溶接された試験片を、浸漬試験に供した。試験液には、80℃に保持した0.1％NaCl＋0.05％CuC1₂水溶液を用いた。試験液に、溶接された試験片を30日間浸漬し、溶接部に発生した孔食の最大孔食深さを測定した。そして、溶接部の耐食性を以下の基準で評価した。
Ａ：最大孔食探さが10μm未満
Ｂ：最大孔食深さが10μm以上、20μm未満
Ｃ：最大孔食深さが20μm以上、100μm未満
Ｄ：最大孔食深さが100μm以上

この耐食性の評価結果を表２に示すように、本発明例はいずれも優れた耐食性を有するものであった。一方、本発明の範囲を外れる比較例及び従来例は耐食性が劣る結果となった。

Claims (1)

1. 質量％で
   Ｃ：0.020％以下、
   Si：0.10〜1.00％、
   Mn：1.00％以下、
   Ｐ：0.040％以下、
   Ｓ：0.010％以下、
   Cr：17.0〜31.0％、
   Ni：0.60％以下、
   Al：0.08％以下、
   Ｎ：0.020％以下、
   Ｏ：0.0020〜0.0150％、
   Mo：0.3〜3.0％、
   Ti：0.30％以下および
   Nb：0.10〜0.50％
   を含有し、
   Cr+3.3Mo≧22.0並びに
   ４Al＋Ti≦0.32
   を満足し、残部Fe及びその他不可避的不純物からなることを特徴とする溶接部の耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼。