特許 7466413 オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手及びオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-04

(45)【発行日】2024-04-12

(54)【発明の名称】オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手及びオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/23 20060101AFI20240405BHJP

   C22C 38/00 20060101ALI20240405BHJP

   C22C 38/58 20060101ALI20240405BHJP

   B23K 9/167 20060101ALI20240405BHJP

   B23K 10/02 20060101ALI20240405BHJP

【ＦＩ】

B23K9/23 B

C22C38/00 302Z

C22C38/58

B23K9/167 A

B23K10/02 A

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020151780

(22)【出願日】2020-09-10

(65)【公開番号】P2022045984

(43)【公開日】2022-03-23

【審査請求日】2023-05-10

(73)【特許権者】

【識別番号】503378420

【氏名又は名称】日鉄ステンレス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100134359

【弁理士】

【氏名又は名称】勝俣 智夫

(74)【代理人】

【識別番号】100188592

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 洋

(72)【発明者】

【氏名】吉岡 優馬

(72)【発明者】

【氏名】福元 成雄

【審査官】岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１６／０７６２５４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－２１３５８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３１５０８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ９／２３

Ｃ２２Ｃ ３８／００

Ｃ２２Ｃ ３８／５８

Ｂ２３Ｋ ９／１６７

Ｂ２３Ｋ １０／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量％で、Ｃｒ：１８．００％以上、Ｎｉ：１６．００％以上、Ｍｏ：４．００％以上、Ｎ：０．１００～０．２５０％を含有し、下記式（１）で計算される耐孔食性指数ＰＲＥＮ_Ｂが４０．０以上であるオーステナイト系ステンレス鋼の母材と、溶接金属とを備えた溶接継手であって、
前記母材の耐孔食性指数ＰＲＥＮ_Ｂと、下記式（２）で計算される前記溶接金属の耐孔食性指数ＰＲＥＮ_Ｗとの差であるΔＰＲＥＮ（＝ＰＲＥＮ_Ｗ－ＰＲＥＮ_Ｂ）が１．５０以上であることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
ＰＲＥＮ_Ｂ＝［Ｃｒ］_Ｂ＋３．３［Ｍｏ］_Ｂ＋１６［Ｎ］_Ｂ …（１）
ＰＲＥＮ_Ｗ＝［Ｃｒ］_Ｗ＋３．３［Ｍｏ］_Ｗ＋１６［Ｎ］_Ｗ …（２）
ただし、式（１）における［Ｃｒ］_Ｂ、［Ｍｏ］_Ｂ、［Ｎ］_Ｂはそれぞれ、前記母材におけるＣｒ、Ｍｏ、Ｎの含有量（質量％）であり、式（２）における［Ｃｒ］_Ｗ、［Ｍｏ］_Ｗ、［Ｎ］_Ｗはそれぞれ、前記溶接金属におけるＣｒ、Ｍｏ、Ｎの含有量（質量％）である。

【請求項2】

前記溶接金属は、質量％で、Ｃｒ：１７．００％以上、Ｎｉ：１６．００％以上、Ｍｏ：４．００％以上、Ｎ：０．１００～０．５００％を含有し、かつ、前記溶接金属のＣｒ含有量がそれぞれ、前記母材のＣｒ含有量よりも少ないことを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。

【請求項3】

下記式（３）を満足することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
０＜［Ｃｒ］_Ｂ－［Ｃｒ］_Ｗ≦１．０ …（３）

【請求項4】

前記溶接継手が、なめ付け溶接継手であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。

【請求項5】

質量％でＣｒ：１８．００％以上、Ｎｉ：１６．００％以上、Ｍｏ：４．００％以上、Ｎ：０．１００～０．２５０％を含有し下記式（３）で計算される、耐孔食性指数ＰＲＥＮ_Ｂが４０．０以上であるオーステナイト系ステンレス鋼の母材とし、非消耗電極式アーク溶接法により溶接材料を使用せずに溶接する方法であって、
Ｎ_２を９５体積％以上含有するシールドガスを使用することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法。
ＰＲＥＮ_Ｂ＝［Ｃｒ］_Ｂ＋３．３［Ｍｏ］_Ｂ＋１６［Ｎ］_Ｂ …（３）

【請求項6】

前記非消耗電極式アーク溶接法がＴＩＧ溶接方法またはプラズマ溶接方法であることを特徴とする請求項５に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法。

【請求項7】

前記非消耗電極式アーク溶接法がプラズマ溶接方法の場合に、Ｎ_２を９５体積％以上含有するプラズマガスを使用することを特徴とする請求項５に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手及びオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＳＵＳ３１２Ｌ、ＳＵＳ８３６Ｌなどのオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎなどの含有量が高いため高耐食性を発揮できる。このため、オーステナイト系ステンレス鋼は、海洋構造物や化学プラント、食品タンクなどの塩化物イオン濃度が高い過酷な腐食環境下において使用されている。

【0003】

高耐食性のオーステナイト系ステンレス鋼を、構造物、配管として使用する場合、その多くは溶接によって施工される。溶接方法としてはＴＩＧ、プラズマ溶接法などの非消耗電極式アーク溶接が多く用いられる。これらの溶接方法は、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接などの消耗電極式アーク溶接に比べて溶着効率では劣るものの、シールドガスにＯ_２、ＣＯ_２などの活性ガスを含まないため、溶接金属中の酸素量が低く、介在物や気泡欠陥の少ない高品質な溶接金属を形成できる。

【0004】

上記の高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼は、初晶オーステナイト相が凝固するが、その溶接金属では凝固ミクロ偏析によってデンドライト樹芯のＣｒ、Ｍｏ濃度が低くなり、デンドライト樹間ではＣｒ、Ｍｏが高くなる傾向にある。このように、溶接金属中のデンドライト樹芯ではＣｒ、Ｍｏ濃度が低下するため、溶接金属の耐食性が母材に比べて低下することが問題となる。非特許文献１では、溶接金属のＮｉ含有量が増加すると前述のＣｒ、Ｍｏ濃度の低下が抑制されることが示されている。また、非特許文献２では、スーパーオーステナイト系ステンレス鋼の溶接材料としてハステロイＣ－２７６、Ｃ－２２またはインコネル６２５などのＮｉ基合金溶接材料が一般的に使用されると記載されている。また、特許文献１では、Ｎｉ基合金溶接材料を使用した高Ｍｏオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法が、更に特許文献２では、従来に比べて安価で溶接部健全性に優れたＮｉ基合金溶接材料とそれを使用した溶接方法が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００３－１２６９８９号公報

【文献】特開２００４－１４８３４７号公報

【非特許文献】

【0006】

【文献】小関敏彦、小川忠雄：「Ｃｒ－Ｎｉ－Ｆｅ－Ｍｏ高合金の溶接凝固の検討」，溶接学会論文集，９（１９９１），１４３－１４９．

【文献】王昆：「スーパーオーステナイト系ステンレス鋼の溶接について」，溶接学会誌，７６（２００７），８０．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１、２に記載された溶接方法は、Ｎｉ基合金溶接材料の使用を前提としているため、溶接金属のデンドライト樹芯におけるＣｒ、Ｍｏの濃度低下による耐食性低下の問題は顕在化されない。しかし、薄鋼板を母材とする溶接では、溶接後の余盛ビード研削工程を省略したいというニーズから、溶接材料を使用しないことも多い。溶接材料を使用しない場合は、外部からＮｉを供給ができないため、溶接金属の耐食性の向上が困難になる。このため、溶接材料を使用せずに、かつ耐食性に優れた高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法が望まれていた。

【0008】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、溶接材料を使用しない場合であっても、耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手を提供することを課題とする。また、本発明は、耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手を製造可能な溶接方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者らは、上記課題を解決するために種々検討した結果、シールドガスから溶接金属にＮを多量に吸収させて耐食性を高めることが有効であると知見した。ただし、一般的に市販されている、２～５体積％のＮ_２と残部Ａｒからなる混合ガスでは、ガス中のＮ_２濃度が低いため、十分にＮを吸収させることができず、また、このような混合ガスはＡｒガスよりも高価であり経済性を損ねる。そこで更に検討の結果、非消耗電極式アーク溶接法において一般的に使用されることのなかった安価なＮ_２ガスを使用することが有効であることを見出した。本発明はこれらの知見をもとになされたものであり、その要旨は以下の通りである。

【0010】

［１］ 質量％で、Ｃｒ：１８．００％以上、Ｎｉ：１６．００％以上、Ｍｏ：４．００％以上、Ｎ：０．１００～０．２５０％を含有し、下記式（１）で計算される耐孔食性指数ＰＲＥＮ_Ｂが４０．０以上であるオーステナイト系ステンレス鋼の母材と、溶接金属とを備えた溶接継手であって、
前記母材の耐孔食性指数ＰＲＥＮ_Ｂと、下記式（２）で計算される前記溶接金属の耐孔食性指数ＰＲＥＮ_Ｗとの差であるΔＰＲＥＮ（＝ＰＲＥＮ_Ｗ－ＰＲＥＮ_Ｂ）が１．５０以上であることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
ＰＲＥＮ_Ｂ＝［Ｃｒ］_Ｂ＋３．３［Ｍｏ］_Ｂ＋１６［Ｎ］_Ｂ …（１）
ＰＲＥＮ_Ｗ＝［Ｃｒ］_Ｗ＋３．３［Ｍｏ］_Ｗ＋１６［Ｎ］_Ｗ …（２）
ただし、式（１）における［Ｃｒ］_Ｂ、［Ｍｏ］_Ｂ、［Ｎ］_Ｂはそれぞれ、前記母材におけるＣｒ、Ｍｏ、Ｎの含有量（質量％）であり、式（２）における［Ｃｒ］_Ｗ、［Ｍｏ］_Ｗ、［Ｎ］_Ｗはそれぞれ、前記溶接金属におけるＣｒ、Ｍｏ、Ｎの含有量（質量％）である。
［２］ 前記溶接金属は、質量％で、Ｃｒ：１７．００％以上、Ｎｉ：１６．００％以上、Ｍｏ：４．００％以上、Ｎ：０．１００～０．５００％を含有し、かつ、前記溶接金属のＣｒ含有量がそれぞれ、前記母材のＣｒ含有量よりも少ないことを特徴とする［１］に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
［３］ 下記式（３）を満足することを特徴とする［１］または［２］に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
０＜［Ｃｒ］_Ｂ－［Ｃｒ］_Ｗ≦１．０ …（３）
［４］ 前記溶接継手が、なめ付け溶接継手であることを特徴とする［１］乃至［３］の何れか一項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
［５］ 質量％でＣｒ：１８．００％以上、Ｎｉ：１６．００％以上、Ｍｏ：４．００％以上、Ｎ：０．１００～０．２５０％を含有し下記式（３）で計算される、耐孔食性指数ＰＲＥＮ_Ｂが４０．０以上であるオーステナイト系ステンレス鋼の母材とし、非消耗電極式アーク溶接法により溶接材料を使用せずに溶接する方法であって、
Ｎ_２を９５体積％以上含有するシールドガスを使用することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法。
ＰＲＥＮ_Ｂ＝［Ｃｒ］_Ｂ＋３．３［Ｍｏ］_Ｂ＋１６［Ｎ］_Ｂ …（３）
［６］ 前記非消耗電極式アーク溶接法がＴＩＧ溶接方法またはプラズマ溶接方法であることを特徴とする［５］に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法。
［７］ 前記非消耗電極式アーク溶接法がプラズマ溶接方法の場合に、Ｎ_２を９５体積％以上含有するプラズマガスを使用することを特徴とする［５］に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、溶接材料を使用しない場合であっても、耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手を提供できる。また、本発明によれば、耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手を製造可能な溶接方法を提供できる。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明における「％」とは、特に明記しない限り「質量％」を意味する。また、シールドガス組成については「体積％」と明記する。

【0013】

本実施形態におけるオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手は、質量％で、Ｃｒ：１８．００％以上、Ｎｉ：１６．００％以上、Ｍｏ：４．００％以上、Ｎ：０．１００～０．２５０％を含有し、下記式（Ａ）で計算される耐孔食性指数ＰＲＥＮ_Ｂが４０．０以上であるオーステナイト系ステンレス鋼の母材と、溶接金属とを備えた溶接継手であって、母材の耐孔食性指数ＰＲＥＮ_Ｂと、下記式（Ｂ）で計算される溶接金属の耐孔食性指数ＰＲＥＮ_Ｗとの差であるΔＰＲＥＮ（＝ＰＲＥＮ_Ｗ－ＰＲＥＮ_Ｂ）が１．５０以上であるオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手である。
ＰＲＥＮ_Ｂ＝［Ｃｒ］_Ｂ＋３．３［Ｍｏ］_Ｂ＋１６［Ｎ］_Ｂ …（Ａ）
ＰＲＥＮ_Ｗ＝［Ｃｒ］_Ｗ＋３．３［Ｍｏ］_Ｗ＋１６［Ｎ］_Ｗ …（Ｂ）

【0014】

また、本実施形態の溶接継手の種類は特に制限はなく、突合せ溶接により形成される突合せ継手、すみ肉溶接により形成される重ね継手、Ｔ継手、十字継手、角継手、あるいはへり継手などに適用できる例えば、鋼板同士を突合せ、重ね、重ね隅肉、へり溶接した溶接継手、鋼管の端部同士を突合せ、重ね、重ね隅肉溶接した溶接継手などを例示できる。

【0015】

また、オーステナイト系ステンレス鋼の母材の形状は、板材、管材、棒材、線材など、特に限定されるものではない。

【0016】

本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼とは、いわゆる高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼あるいはスーパーステンレス鋼などと呼ばれるものであり、Ｃｒ：１８．００％以上、Ｎｉ：１６．００％以上、Ｍｏ：４．００％以上、Ｎ：０．１００～０．２５０％を含有し、上記式（Ａ）により計算される耐孔食性指数ＰＲＥＮ_Ｂが４０．０以上のものである。上記の化学組成及び計算式を満足すれば、それ以外の元素は特に限定されるものではない。

【0017】

以下、母材であるオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成の限定理由について説明する。

【0018】

Ｃｒ：１８．００％以上
Ｃｒは、ステンレス鋼の表面に不働態皮膜を形成して耐食性を高める効果がある。また、本発明において規定するように、非消耗電極式アーク溶接のシールドガスにＮ_２が９５体積％以上含まれる場合、溶接金属中のＮ含有量が母材に比べて著しく増大し、これに起因した気孔欠陥（ブローホール、ポロシティ）が発生しやすくなるが、Ｃｒは溶融金属中のＮの溶解度を増加させて、気孔欠陥を抑制する効果がある。これらの効果は、Ｃｒ含有量が１８．００％未満では十分に得られないため、Ｃｒ含有量は１８．００％以上とする。より好ましくは２０．００％以上である。Ｃｒ含有量の上限は特に規定するものではないが、コストの観点から３０．００％以下、より好ましくは２６．００％以下とすることが好ましい。

【0019】

Ｎｉ：１６．００％以上
Ｎｉは、オーステナイト形成元素であり、母材をオーステナイト組織とするために、フェライト形成元素であるＣｒ、Ｍｏ含有量の増加に応じて含有させる必要がある。また、Ｃｒ、Ｍｏ含有量が高い場合は、溶接熱サイクル過程において耐食性低下の原因となるσ相とよばれる金属間化合物が生成しやすくなるが、Ｎｉはオーステナイト組織を安定化させてσ相の析出を抑制する効果がある。これらの効果は、Ｎｉ含有量が１６．００％未満では十分に得られないため、Ｎｉ含有量は１６．００％以上とする。より好ましくは１８．００％以上である。Ｎｉ含有量の上限は特に規定するものではないが、コストの観点から３０．００％以下とすることが好ましく、２５．００％以下としてもよく、２３．００％以下としてもよい。

【0020】

Ｍｏ：４．００％以上
Ｍｏは、不働態皮膜を強化して耐食性を高める効果がある。高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼においてこの効果を十分に得るためには、Ｍｏを４．００％以上含有させる必要がある。より好ましくは６．００％以上である。Ｍｏ含有量の上限は特に規定するものではないが、過剰に含有させた場合にはσ相が析出しやすくなり靭性が低下する。加えて、合金コストの増大を招く。上記の観点からＭｏは８．００％以下とすることが好ましく、７．５０％以下としてもよい。

【0021】

Ｎ：０．１００～０．２５０％
Ｎは、強力なオーステナイト形成元素であるとともに、耐食性を高める効果がある。同じオーステナイト形成元素であるＮｉと比べて安価であり、高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼においては積極的に含有させることが望ましい。このため、Ｎ含有量は０．１００％以上とする。より好ましくは０．１５０％以上である。一方、母材におけるＮ含有量が高い場合、シールドガスからの供給による溶接金属のＮ含有量の増加は小さいため、本発明における効果が十分に得られない。このため、Ｎ含有量の上限を０．２５０％以下とし、好ましくは０．２４０％以下としてもよく、０．２２０％以下としてもよい。

【0022】

上記の通り、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎ以外の合金元素については特に限定しないが、本実施形態を適用できる高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼としては、例えばＣ：０．００１～０．０５０％、Ｓｉ：０．１０～１．５０％、Ｍｎ：０．１０～８．００％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１００％以下、Ｎｉ：１６．００～３０．００％、Ｃｒ：１８．００～３０．００％、Ｍｏ：４．００～８．００％、Ｃｕ：０．１０～２．００％、Ｎ：０．１００～０．２５０％、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成が挙げられる。この化学組成はあくまでも例示であり、本実施形態はこれによって限定されるものではない。この化学組成を挙げた理由は以下の通りである。

【0023】

Ｃ：０．００１～０．０５０％
Ｃ含有量が高いと、Ｃｒ炭化物が析出して鋭敏化を引き起こし、耐食性が低下することが懸念される。このため、Ｃ含有量は０．０５０％以下にすることが好ましい。より好ましくは０．０３０％以下であり、さらに好ましくは０．０２０％以下であり、０．０１５％以下でもよい。一方、Ｃ含有量を極端に低減することはコストアップにつながる。このため、Ｃ含有量は０．００１％以上とし、０．０１０％以上でもよい。

【0024】

Ｓｉ：０．１０～１．５０％
Ｓｉは脱酸元素であり、その効果を得るためには０．１０％以上含有させる必要がある。このため、Ｓｉ含有量は０．１０％以上が好ましく、０．５０％以上でもよい。一方、Ｓｉ含有量が高くなると溶接凝固割れ感受性が著しく高まるとともに、σ相の析出が促進される。このため、Ｓｉ含有量の上限は１．５０％以下とし、１．００％以下でもよく、０．７０％以下でもよい。

【0025】

Ｍｎ：０．１０～８．００％
Ｍｎはオーステナイト形成元素であるとともに、溶融金属におけるＮの溶解度を高めて気孔欠陥（ブローホール、ポロシティ）の発生を抑制する働きがある。この効果を十分に得るためには、Ｍｎ含有量を０．１０％以上にすることが好ましく、０．５０％以上でもよい。一方、Ｍｎを過剰に含有させると耐食性が低下するため、Ｍｎ含有量の上限は８．００％以下とし、４．００％以下でもよく、２．００％以下でもよい。

【0026】

Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは不純物であるが、溶接凝固割れ感受性を著しく高めるため、可能な限り低減することが好ましい。ただし、極端に低減させることは原料コストのアップにつながるため、Ｐ含有量の上限を０．０４０％以下とし、０．０３０％以下でもよく、０．０２０％以下でもよい。

【0027】

Ｓ：０．０１００％以下
Ｓは不純物であるが、Ｐと同様に溶接凝固割れ感受性を著しく高めるため、可能な限り低減することが好ましい。このためＳ含有量の上限は０．０１００％以下とする。好ましくは０．００５０％以下であり、さらに好ましくは０．００２０％以下であり、０．００１０％以下でもよい。

【0028】

Ｃｕ：０．１０～２．００％
Ｃｕはオーステナイト相を安定化させるために有効な元素である。その効果を得るためには、０．１０％以上含有させる必要があり、好ましくは０．５０％以上である。しかしながら、過剰に含有させると溶接凝固割れ感受性が著しく高くなる。このため、Ｃｕ含有量の上限は２．００％以下とする。好ましくは１．００％以下である。

【0029】

また、熱間加工性や耐食性、加工性などを改善するために、必要に応じてＡｌ：０．１０％以下、Ｃａ：０．００５０％以下、Ｍｇ：０．００５０％以下、ＲＥＭ：０．０５％以下、Ｂ：０．００５０％以下、Ｖ：２．０％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｔａ：０．５％以下、Ｗ：４．０％以下、Ｓｎ：１．０％以下、Ｃｏ：２．０％以下などを含有させることができる。なお、ＲＥＭ（Ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｍｅｔａｌ；希土類元素）は、スカンジウム（Ｓｃ）とランタン（Ｌａ）からルテチウム（Ｌｕ）までの１５元素（ランタノイド）の総称を指す。ＲＥＭとして、上記元素のうちの１種を単独で含有しても良いし、２種以上を含有しても良い。ＲＥＭとして上記元素のうち２種以上を含有する場合、ＲＥＭ含有量は、それらの元素の合計含有量である。

【0030】

化学組成の残部は、鉄及び不純物である。なお、ここで言う不純物とは、本発明に係る二相ステンレス鋼を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

【0031】

本実施形態に係る母材は、耐孔食性指数ＰＲＥＮ_Ｂは４０以上の耐食性に優れたステンレス鋼とする。このようなステンレス鋼は、特に、塩化物を起因とする孔食に対して優れた耐食性を示すものとなる。

【0032】

次に、溶接金属について説明する。

【0033】

本実施形態の溶接金属は、母材に対して溶接材料を用いずに溶接する、いわゆるなめ付け溶接によって形成される。そのため、溶接金属の化学組成は、母材の化学組成とほぼ同じと考えてよい。ただし、Ｃｒについては、溶接金属における含有量が、母材におけるＣｒの含有量に比べて少なくなる場合がある。また、本本実施形態の溶接継手は窒素雰囲気中で形成されるため、母材に比べて窒素量が増加する場合がある。溶接金属のＣｒ含有量（質量％）を［Ｃｒ］_Ｗとし、母材のＣｒ含有量（質量％）を［Ｃｒ］_Ｂとした場合、下記式（Ｃ）を満足することが好ましい。また、Ｃｒの含有量の減少及びＮの含有量の増加を考慮すると、溶接金属の化学組成は、質量％で、Ｃｒ：１７．００％以上、Ｎｉ：１６．００％以上、Ｍｏ：４．００％以上、Ｎ：０．１００～０．５００％を含有するものとしてもよい。

【0034】

０＜［Ｃｒ］_Ｂ－［Ｃｒ］_Ｗ≦１．０ …（Ｃ）

【0035】

また、本実施形態の母材にＭｎが含まれる場合の溶接金属のＭｎ含有量は、Ｃｒの場合と同様に、母材のＭｎ含有量よりも少なくなる場合がある。溶接金属のＭｎ含有量（質量％）を［Ｍｎ］_Ｗとし、母材のＭｎ含有量（質量％）を［Ｍｎ］_Ｂとした場合、下記式（Ｄ）を満足することが好ましい。また、Ｍｎ及びＣｒの含有量の減少とＮの含有量の増加とを考慮すると、溶接金属の化学組成は、質量％で、Ｃ：０．００１～０．０５０％、Ｓｉ：０．１０～１．５０％、Ｍｎ：０．０１～８．００％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１００％以下、Ｎｉ：１６．００～３０．００％、Ｃｒ：１７．００～３０．００％、Ｍｏ：４．００～８．００％、Ｃｕ：０．１０～２．００％、Ｎ：０．１００～０．５００％、残部がＦｅおよび不純物からなるものとしてもよい。

【0036】

０＜［Ｍｎ］_Ｂ－［Ｍｎ］_Ｗ≦０．５ …（Ｄ）

【0037】

次に、母材及び溶接金属の耐孔食性指数ＰＲＥＮ_Ｂ及びＰＲＥＮ_Ｗの差であるΔＰＲＥＮ（＝ＰＲＥＮ_Ｗ－ＰＲＥＮ_Ｂ）の限定理由について述べる。

【0038】

前述の通り、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接金属では、凝固ミクロ偏析によってデンドライト樹芯のＣｒ、Ｍｏ濃度が低くなるため、母材に比べて耐食性が低下してしまう。溶接材料を使用しない場合には、Ｃｒ、Ｍｏを外部から供給することは困難である。一方、Ｎについてはシールドガスから溶接金属に供給することは容易である。ＮはＣｒ、Ｍｏに比べて拡散速度が大きいため、デンドライト樹芯にも概ね均一に分布させることができ、これにより、溶接金属における耐食性を向上させる。この効果を十分に得るためにはΔＰＲＥＮ（＝ＰＲＥＮ_Ｗ－ＰＲＥＮ_Ｂ）≧１．５０を満たすようにＮを供給すればよい。すなわち、ΔＰＲＥＮを１．５０以上にすることで、溶接金属の耐食性の低下を防止できる。ΔＰＲＥＮは１．６０以上でもよく、１．８０以上でもよい。また、ΔＰＲＥＮの上限は特に限定する必要はないが、５．００以下でもよく、４．００以下でもよく、３．００以下でもよい。

【0039】

次に、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法について説明する。本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法では、溶接材料を使用しない非消耗電極式アーク溶接法を用いる。この溶接方法としてはＴＩＧ溶接法またはプラズマ溶接法のいずれを用いてもよい。入熱量は、板厚によって変化するため特に限定されるものではないが、例えば４００～３００００Ｊ／ｃｍの範囲において使用できる。なお、入熱量は６０×電流値（Ａ）×電圧値（Ｖ）÷溶接速度（ｃｍ／ｍｉｎ）により計算される。

【0040】

また、本実施形態の溶接方法は特に限定されるものではなく、突合せ溶接、重ね溶接、重ね隅肉溶接、へり溶接などであってもよい。例えば、鋼板同士の突合せ溶接、重ね溶接、重ね隅肉溶接、へり溶接であってもよく、鋼管の端部同士の突合せ溶接、重ね溶接、重ね隅肉溶接などを例示できる。また、溶接材料を使用しないため突合せ溶接における開先形状はＩ開先を基本とする。

【0041】

また、母材の形状は、板材、管材、棒材、線材など、特に限定されるものではない。ただし、本実施形態に係る溶接継手は、溶接材料を使用せずに溶接するものであるので、板材の板厚、管材の肉厚、棒材及び線材の径はそれぞれ小さいことが好ましい。例えば板材の場合、ＴＩＧ溶接では板厚が６ｍｍ以下、プラズマ溶接では板厚が２０ｍｍ以下の鋼板がよい。また、管材の場合、ＴＩＧ溶接では肉厚が３ｍｍ以下、プラズマ溶接では肉厚が１０ｍｍ以下の鋼管がよい。棒材または線材の場合、ＴＩＧ溶接では直径が６ｍｍ以下、プラズマ溶接では直径が２０ｍｍ以下のものがよい。

【0042】

（非消耗電極式アーク溶接法がＴＩＧ溶接法の場合）
ＴＩＧ溶接の場合、トーチから噴射するシールドガス（以下、トーチシールドガスという場合がある）として、Ｎ_２を９５体積％以上含有するガスを使用する必要がある。好ましくは、１００体積％のＮ_２ガスである。なお、トーチシールドガスに加えて、バックシールドガス及びアフターシールドガスを使用してもよく、使用しなくてもよい。バックシールドガス及びアフターシールドガスの組成については特に限定しないが、コストの観点から１００体積％のＮ_２ガスを使用することが好ましい。

【0043】

トーチシールドガスを９５体積％以上のＮ_２ガスにすると、溶融金属の平衡窒素溶解度に近い、母材より多量のＮが導入される。一般的に市販されている２～５体積％Ｎ_２と残部がＡｒの混合ガスではＮ_２濃度が低いため溶接金属のＮ含有量を十分に高めることができない上、この混合ガスはＡｒよりも高価であり経済性を損ねる。このため、本実施形態ではＮ_２を９５体積％以上含有するトーチシールドガスを用いることが、溶接金属中のＮ含有量を増加させて、デンドライト樹芯における耐食性を向上させ、ひいては溶接金属全体の耐食性を向上できる点で好ましい。

【0044】

トーチシールドガスの残部は、不純物でもよく、アルゴン等のその他のガス及び不純物であってもよい。より好ましいトーチシールドガスは、純窒素ガス（純度９９．９９５％以上（ＪＩＳ Ｋ １１０７：２００５））がよい。

【0045】

（非消耗電極式アーク溶接法がプラズマ溶接法の場合）
プラズマ溶接の場合、トーチから噴射するガスには、プラズマガス及びシールドガスがある。本実施形態では、プラズマガス及びシールドガス（以下、トーチシールドガスという場合がある）として、Ｎ_２を９５体積％以上含有するガスを使用する必要がある。好ましくは、１００体積％のＮ_２ガスである。なお、プラズマ溶接の場合においても、トーチシールドガスに加えて、バックシールドガス及びアフターシールドガスを使用してもよく、使用しなくてもよい。バックシールドガス及びアフターシールドガスの組成については特に限定しないが、コストの観点から１００体積％のＮ_２ガスを使用することが好ましい。

【0046】

プラズマガス及びトーチシールドガスの残部は、不純物でもよく、アルゴン等のその他のガス及び不純物であってもよい。より好ましいシールドガスは、純窒素ガス（純度９９．９９５％以上（ＪＩＳ Ｋ １１０７：２００５））がよい。

【0047】

トーチシールドガスとして、またはトーチシールドガス及びプラズマガスとして、Ｎ_２を９５体積％以上含有するガスを使用しつつ、ＴＩＧなめ付け溶接を行うことにより、ΔＰＲＥＮが１．５０以上であるオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手を製造することができる。この溶接継手は、なめ付け溶接によって形成されたものであるにも関わらず、優れた耐食性を示すものとなる。

【0048】

以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。

【実施例】

【0049】

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。

【0050】

表１に示す４種類の化学組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼を実験室にて溶製し、熱間鍛造、熱間圧延、冷間圧延、固溶化熱処理を経て、板厚１．０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの溶接用鋼板（母材）を作製した。表１には、各供試材料の耐孔食性指数ＰＲＥＮ_Ｂを合わせて示した。

【0051】

溶接用鋼板の幅中央にて、溶接材料を使用せずにＴＩＧ溶接法によりビードオンプレート溶接を行った。トーチシールドガスには１００体積％のＮ_２ガスを使用した。比較のため、１００体積％のＡｒガスを使用した場合についても実施した。トーチシールドガスの流量は１０Ｌ／ｍｉｎとした。溶接速度は１００ｃｍ／ｍｉｎで固定して、裏ビード幅が３ｍｍ程度になるように入熱量５００～１０００Ｊ／ｃｍの範囲で電流値を調節した。

【0052】

また、一部の溶接用鋼板に対して、溶接材料を使用せずにプラズマ溶接法によりビードオンプレート溶接を行った。トーチシールドガス及びプラズマガスには１００体積％のＮ_２ガスを使用した。トーチシールドガスの流量は１０Ｌ／ｍｉｎとした。プラズマガスの流量は１．２Ｌ／ｍｉｎとした。溶接速度は２００ｃｍ／ｍｉｎとして、裏ビード幅が３ｍｍ程度になるように入熱量５００～１０００Ｊ／ｃｍの範囲で電流値を調節した。

【0053】

［耐食性評価］
耐食性は電気化学的な臨界孔食発生温度（以下、電気化学ＣＰＴと記載）により評価した。溶接後、表ビード側の表面を約０．０５ｍｍ研削して６００番湿式研磨にて表面仕上げを行った。試験面には溶接金属、溶接熱影響部（ＨＡＺ）、母材を含むように４ｍｍ×２５ｍｍの領域を選択し、それ以外の領域はシリコーン樹脂で被覆した。試験面は５０℃の２５質量％硝酸水溶液に１時間浸漬することで不働態化処理を行った後、試験直前に６００番研磨紙で乾式研磨した。試験溶液は０．５Ｍ Ｈ_２ＳＯ_４＋１Ｍ ＮａＣｌとし、２５℃の試験溶液に１０ｍｉｎ浸漬した後、７４５ｍＶに定電位保持した状態で１℃／ｍｉｎにて昇温し、電流密度が１００μＡ／ｃｍ^２を超えたときの溶液温度を電気化学ＣＰＴとした。繰り返し数を４として測定を行い、その平均値を最終的な電気化学ＣＰＴとした。なお、参照電極にはＡｇ／ＡｇＣｌ電極（ＳＳＥ）を用いた。母材と溶接金属の電気化学ＣＰＴの差が５℃以下である場合に、溶接金属の耐食性が良好と判断し、「○」と評価した。母材と溶接金属の電気化学ＣＰＴの差が５℃超の場合を「×」とした。

【0054】

表２に耐食性の評価結果を示す。

【0055】

なお、番号１～９の溶接金属はいずれも、Ｎ含有量を除くと母材の化学成分とほぼ同じであり、質量％で、Ｃｒ：１７．００％以上、Ｎｉ：１６．００％以上、Ｍｏ：４．００％以上、Ｎ：０．１００～０．５００％を含有していた。また、番号１～９の溶接金属のＭｎ含有量及びＣｒ含有量はそれぞれ、母材のＭｎ含有量及びＣｒ含有量よりも若干少なかった。溶接金属のＭｎ含有量（質量％）及びＣｒ含有量（質量％）をそれぞれ［Ｍｎ］_Ｗ、［Ｃｒ］_Ｗとし、母材のＭｎ含有量（質量％）及びＣｒ含有量（質量％）をそれぞれ［Ｍｎ］_Ｂ、［Ｃｒ］_Ｂとした場合、番号１～９はいずれも、下記式（Ｅ）及び（Ｆ）を満足していた。また、溶接金属のＮ、Ｍｎ及びＣｒ以外の元素については、母材における含有量とほぼ同じだった。

【0056】

０＜［Ｍｎ］_Ｂ－［Ｍｎ］_Ｗ≦０．５ …（Ｅ）
０＜［Ｃｒ］_Ｂ－［Ｃｒ］_Ｗ≦１．０ …（Ｆ）

【0057】

トーチシールドガスに１００体積％のＮ_２ガスを使用した番号１～４の本発明例は、ΔＰＲＥＮ≧１．５０を満たしており、凝固ミクロ偏析によりデンドライト樹芯のＣｒ、Ｍｏ濃度が低くなったものの、トーチシールドガスからＮが供給されることにより良好な耐食性が得られることが明らかになった。

【0058】

トーチシールドガス及びプラズマガスに１００体積％のＮ_２ガスを使用した番号５の発明例は、番号１～４と同様に、ΔＰＲＥＮ≧１．５０を満たしており、良好な耐食性が得られることが明らかになった。

【0059】

一方、トーチシールドガスに１００体積％のＡｒガスを使用したことにより、ΔＰＲＥＮ≧１．５０を満たさなかった番号６～９の比較例では、凝固ミクロ偏析によりデンドライト樹芯のＣｒ、Ｍｏ濃度が低くなることに加えて、溶接金属のＮ含有量も母材より低くなり、十分な耐食性が得られないことが明らかになった。

【0060】

以上のように、本発明の要件を満たすオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手のみ、良好な耐食性が得られることが分かった。

【0061】

本発明によれば、高価なＮｉ基合金からなる溶接材料を使用せずとも、耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手を提供することを提供することができる。

【0062】

【表1】

【0063】

【表2】