図面 (/)

技術 ステンレス鋼溶接継ぎ手および燃料改質器用ステンレス鋼

出願人 日鉄ステンレス株式会社
発明者 秦野正治松山宏之木村謙
出願日 2016年3月28日 (3年4ヶ月経過) 出願番号 2017-509984
公開日 2017年12月28日 (1年7ヶ月経過) 公開番号 WO2016-158870
状態 特許登録済
技術分野 溶接材料およびその製造 アーク溶接一般
主要キーワード 溶接組織 高温疲労特性 高温疲労 高温疲労試験 ステンレス溶接 異種材 筒型構造 溶接構造体
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年12月28日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (0)

図面はありません

課題・解決手段

本発明は、経済性及び高温特性耐酸化特性に優れたステンレス鋼溶接継ぎ手を提供することを目的とし、特にフェライト系ステンレス鋼オーステナイト系ステンレス鋼を組み合わせたステンレス鋼継ぎ手であって、高温特性、耐酸化特性の良好な溶接継ぎ手を得ることを課題とする。 課題を解決するために、本発明は、フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼および溶接金属からなる溶接継ぎ手であって、溶接金属の化学組成が、質量%でC:0.1%以下、Si:3%以下、Mn:3%以下、Cr:17〜25%、Ni:7〜20%、N:0.1%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であり、溶接金属の表面硬度がHv250以下にすることを特徴とする。

概要

背景

燃料電池をはじめとする水素ガスを生成するための燃料改質器は、都市ガスや、灯油ガソリンなどの燃料から燃料改質触媒を用いて水素を生成する装置である。しかし、水素を生成するための触媒作動温度高温であるため、触媒を保持する構造体及びその周辺部位には優れた耐酸化性高温強度が必要とされる。これらの高温での特性は構造物としての長期耐久性を確保するために必要であり、酸化損傷や高温での強度不足による部分的な破壊や変形が起こると水素ガス発生装置としての性能が低下する。このため、高温部材として、耐酸化性と高温強度に優れたステンレス鋼が使われている。

ステンレス鋼を、例えば、燃料改質器に使用する場合、オーステナイト系ステンレス鋼フェライト系ステンレス鋼が使用されている場合がある。オーステナイト系では、SUS310Sをはじめとするオーステナイト系ステンレス鋼の薄板を管状に溶接したものをそれぞれ何重にも重ねて一体型筒型構造としたもの(特許文献1)や、成分を規定した溶接管構造高温機器用オーステナイト系ステンレス鋼が知られている(特許文献2)。一方、フェライト系では成分を規定したフェライト系ステンレス鋼(特許文献3、特許文献4)が公知である。

オーステナイト系ステンレス鋼及びフェライト系ステンレス鋼を高温で使用する場合、いずれも長所と短所がある。オーステナイト系ステンレス鋼の場合、高温強度に優れる特徴を持つが、熱膨張係数が大きいために高温−低温熱サイクルにより、表層酸化物剥離し、耐酸化性が低下する場合がある。またオーステナイト系ステンレス鋼には一般的に6%以上のNiが含有されているため、原料コストがフェライト系ステンレス鋼に比べて高価である。一方、フェライト系ステンレス鋼は、高温強度はオーステナイト系ステンレス鋼に比べて一般的には低い。しかし熱膨張係数が小さいため、温度が変化した際の耐酸化性は比較的良好であり、加えて原料コストは一般的にオーステナイト系ステンレス鋼に比べて安価である。

概要

本発明は、経済性及び高温特性耐酸化特性に優れたステンレス鋼溶接継ぎ手を提供することを目的とし、特にフェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼を組み合わせたステンレス鋼継ぎ手であって、高温特性、耐酸化特性の良好な溶接継ぎ手を得ることを課題とする。 課題を解決するために、本発明は、フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼および溶接金属からなる溶接継ぎ手であって、溶接金属の化学組成が、質量%でC:0.1%以下、Si:3%以下、Mn:3%以下、Cr:17〜25%、Ni:7〜20%、N:0.1%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であり、溶接金属の表面硬度がHv250以下にすることを特徴とする。

目的

本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、経済性及び高温特性、耐酸化特性に優れたステンレス鋼溶接継ぎ手を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

フェライト系ステンレス鋼オーステナイト系ステンレス鋼および溶接金属からなる溶接継ぎ手であって、溶接継ぎ手の化学組成が、質量%でC:0.1%以下、Si:3%以下、Mn:3%以下、Cr:17〜25%、Ni:7〜20%、N:0.1%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であり、溶接継ぎ手の表面硬度がHv250以下であることを特徴とするステンレス鋼溶接継ぎ手。

請求項2

前記フェライト系ステンレス鋼が、質量%で、C:0.001〜0.03%、Si:0.01〜3.0%、Mn:0.01〜2.0%、P≦0.040%、S≦0.010%、Cr:11.0〜24.0%、Ni≦3.0%、N:0.001〜0.06%、Al:0.001〜5.5%、Ti:0.001〜0.25%、Nb:0.001〜0.60%、を含有し、Ti、Nb、C、Nの関係が下記(1)式を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項1に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手。Ti/48+Nb/93≧2(C/12+N/14) ・・・(1)

請求項3

前記オーステナイト系ステンレス鋼であって、質量%で、C:0.001〜0.1%、Si:0.01〜4.0%、Mn:0.01〜4.0%、P≦0.040%、S≦0.004%、Cr:15.0〜26.0%、Ni:7.0〜23.0%、N:0.001〜0.25%、Al≦0.05%、を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項1または2に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手。

請求項4

前記フェライト系ステンレス鋼が、さらに質量%で、Cu:0.001〜0.6%、Mo:0.001〜2.1%、Sn:0.001〜0.3%、W:0.001〜0.30%、Co:0.001〜0.30%、V:0.01〜0.2%、Zr:0.001〜0.03%、B≦0.002%、Mg≦0.002%、Ca≦0.002%、REM≦0.01%、Sb:0.001〜0.30%、Ga:0.001〜0.10%、Ta:0.001〜0.10%の1種または2種以上を含むことを特徴とする請求項2または3に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手。

請求項5

前記オーステナイト系ステンレス鋼が、さらに質量%で、Cu:0.001〜2.5%、Mo:0.001〜2.4%、Sn:0.001〜0.03%、W:0.001〜0.30%、Co:0.001〜1.0%、V:0.01〜0.2%、Zr:0.001〜0.03%、B≦0.002%、Mg≦0.001%、Ca≦0.002%、REM≦0.01%、Sb:0.001〜0.30%、Ga:0.001〜0.10%、Ta:0.001〜0.10%Ti:0.03〜0.35%、Nb:0.03〜0.30%の1種または2種以上を含むことを特徴とする請求項3または4に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手。

請求項6

燃料改質器に用いることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のステンレス鋼用溶接継ぎ手。

請求項7

請求項6に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手に用いるフェライト系ステンレス鋼であって、請求項2または4に記載の成分組成であることを特徴とする燃料改質器用ステンレス鋼。

請求項8

請求項6に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手に用いるオーステナイト系ステンレス鋼であって、請求項3または5に記載の成分組成であることを特徴とする燃料改質器用ステンレス鋼。

技術分野

0001

本発明は耐酸化性高温強度に優れたステンレス溶接継ぎ手に関するものである。特に、フェライト系ステンレス鋼オーステナイト系ステンレス鋼異材接合からなる溶接継ぎ手に関するものである。

背景技術

0002

燃料電池をはじめとする水素ガスを生成するための燃料改質器は、都市ガスや、灯油ガソリンなどの燃料から燃料改質触媒を用いて水素を生成する装置である。しかし、水素を生成するための触媒作動温度高温であるため、触媒を保持する構造体及びその周辺部位には優れた耐酸化性と高温強度が必要とされる。これらの高温での特性は構造物としての長期耐久性を確保するために必要であり、酸化損傷や高温での強度不足による部分的な破壊や変形が起こると水素ガス発生装置としての性能が低下する。このため、高温部材として、耐酸化性と高温強度に優れたステンレス鋼が使われている。

0003

ステンレス鋼を、例えば、燃料改質器に使用する場合、オーステナイト系ステンレス鋼とフェライト系ステンレス鋼が使用されている場合がある。オーステナイト系では、SUS310Sをはじめとするオーステナイト系ステンレス鋼の薄板を管状に溶接したものをそれぞれ何重にも重ねて一体型筒型構造としたもの(特許文献1)や、成分を規定した溶接管構造高温機器用オーステナイト系ステンレス鋼が知られている(特許文献2)。一方、フェライト系では成分を規定したフェライト系ステンレス鋼(特許文献3、特許文献4)が公知である。

0004

オーステナイト系ステンレス鋼及びフェライト系ステンレス鋼を高温で使用する場合、いずれも長所と短所がある。オーステナイト系ステンレス鋼の場合、高温強度に優れる特徴を持つが、熱膨張係数が大きいために高温−低温熱サイクルにより、表層酸化物剥離し、耐酸化性が低下する場合がある。またオーステナイト系ステンレス鋼には一般的に6%以上のNiが含有されているため、原料コストがフェライト系ステンレス鋼に比べて高価である。一方、フェライト系ステンレス鋼は、高温強度はオーステナイト系ステンレス鋼に比べて一般的には低い。しかし熱膨張係数が小さいため、温度が変化した際の耐酸化性は比較的良好であり、加えて原料コストは一般的にオーステナイト系ステンレス鋼に比べて安価である。

先行技術

0005

特開2003−286005号公報
特開2013−166989号公報
特開2003−160844号公報
特開2008−156692号公報

発明が解決しようとする課題

0006

以上のように燃料改質器用として各種ステンレス鋼及び構造が提案されている。しかし、実際の部材として使用した際に、耐酸化性の劣化や高温強度の低下、高温疲労等を原因として耐久性が低下する場合があるのが現状である。さらに、経済性をも考慮してフェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼を組み合わせた機器の提案がされている。しかし、これら異種材接合する際に、その溶接継ぎ手自身の耐酸化性や高温特性(高温強度の低下や高温疲労)が問題となっている。

0007

本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、経済性及び高温特性、耐酸化特性に優れたステンレス鋼溶接継ぎ手を提供することを目的とする。特に、フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼を組み合わせたステンレス鋼継ぎ手であって、高温特性、耐酸化特性のよい溶接継ぎ手を得ることを課題とする。

課題を解決するための手段

0008

前述のごとくオーステナイト系ステンレス鋼は高温強度に優れるが、熱の繰り返しによる耐酸化性の劣化を生じる場合がある。一方、フェライト系ステンレス鋼では高温強度はオーステナイト系ステンレス鋼に比べて低位であるが、熱の繰り返しによる耐酸化性は良好である。また一般的に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に比べて原料コストが安価である。

0009

本発明者らは、オーステナイト系ステンレス鋼とフェライト系ステンレス鋼の溶接構造材を用いれば、高温強度はオーステナイト系ステンレス鋼で担保し、熱膨張-収縮に伴う耐酸化性の劣化も軽減できる可能性があると考えた。またオーステナイト系ステンレス鋼とフェライト系ステンレス鋼の溶接構造体であれば、オーステナイト系ステンレス鋼単体の構造体に比べて原料コストが安価であると考えられる。
実験室にて種々のステンレス鋼及び溶接金属から溶接継ぎ手を作製して高温強度、高温疲労、耐酸化性を評価した結果、本発明に至った。本発明の要旨は以下のとおりである。

0010

(1)
フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼および溶接金属からなる溶接継ぎ手であって、溶接継ぎ手の化学組成が、質量%でC:0.1%以下、Si:3%以下、Mn:3%以下、Cr:17〜25%、Ni:7〜20%、N:0.1%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であり、溶接継ぎ手の表面硬度がHv250以下であることを特徴とするステンレス鋼溶接継ぎ手。
(2)
前記フェライト系ステンレス鋼が、質量%で、C:0.001〜0.03%、Si:0.01〜3.0%、Mn:0.01〜2.0%、P≦0.040%、S≦0.010%、Cr:11.0〜24.0%、Ni≦3.0%、N:0.001〜0.06%、Al:0.001〜5.5%、Ti:0.001〜0.25%、Nb:0.001〜0.60%、を含有し、Ti、Nb、C、Nの関係が下記(1)式を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする(1)に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手。
Ti/48+Nb/93 ≧ 2(C/12+N/14) ・・・(1)
(3)
前記オーステナイト系ステンレス鋼であって、質量%で、C:0.001〜0.1%、Si:0.01〜4.0%、Mn:0.01〜4.0%、P≦0.040%、S≦0.004%、Cr:15.0〜26.0%、Ni:7.0〜23.0%、N:0.001〜0.25%、Al≦0.05%、を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする(1)または(2)に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手。
(4)
前記フェライト系ステンレス鋼が、さらに質量%で、Cu:0.001〜0.6%、Mo:0.001〜2.1%、Sn:0.001〜0.3%、W:0.001〜0.30%、Co:0.001〜0.30%、V:0.01〜0.2%、Zr:0.001〜0.03%、B≦0.002%、Mg≦0.002%、Ca≦0.002%、REM≦0.01%、Sb:0.001〜0.30%、Ga:0.001〜0.10%、Ta:0.001〜0.10%の1種または2種以上を含むことを特徴とする(2)または(3)に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手。
(5)
前記オーステナイト系ステンレス鋼が、さらに質量%で、Cu:0.001〜2.5%、Mo:0.001〜2.4%、Sn:0.001〜0.03%、W:0.001〜0.30%、Co:0.001〜1.0%、V:0.01〜0.2%、Zr:0.001〜0.03%、B≦0.002%、Mg≦0.001%、Ca≦0.002%、REM≦0.01%、Sb:0.001〜0.30%、Ga:0.001〜0.10%、Ta:0.001〜0.10%Ti:0.03〜0.35%、Nb:0.03〜0.30%の1種または2種以上を含むことを特徴とする(3)または(4)に記載のステンレス鋼溶接継ぎ手。
(6)
燃料改質器に用いることを特徴とする(1)〜(5)のいずれか1項に記載のステンレス鋼用溶接継ぎ手。
(7)
(6)に記載の燃料改質器用ステンレス鋼溶接継ぎ手に用いるフェライト系ステンレス鋼であって、(2)または(4)に記載の成分組成である燃料改質器用フェライト系ステンレス鋼。
(8)
(6)に記載の燃料改質器用ステンレス鋼溶接継ぎ手に用いるオーステナイト系ステンレス鋼であって、(3)または(5)に記載の成分組成である燃料質器用オーステナイト系ステンレス鋼。

発明の効果

0011

本発明によれば、経済性及び高温特性に優れたステンレス溶接継ぎ手を提供することができる。特に燃料改質器のような水素ガスに接触する部分に適したステンレス鋼溶接継ぎ手を、従来よりも容易に製造することができる。

0012

本発明の溶接継ぎ手及びそのステンレス鋼についてさらに説明する。
本発明は、鋼組織の90%以上をオーステナイト相が占めるステンレス鋼(オーステナイト系ステンレス鋼)と鋼組織の90%以上をフェライト相が占めるステンレス鋼(フェライト系ステンレス鋼)および溶接金属からなることを特徴とする溶接継ぎ手である。オーステナイト系ステンレス鋼は主として高温強度をフェライト系ステンレス鋼は耐酸化性を確保している。それぞれの相の割合が90%に満たない場合、それぞれの優位性(高温強度、耐酸化性)を発揮することができない。以下で説明する溶接継ぎ手において、化学組成と硬さは溶接金属を主体として、母材結晶粒が粗大化した熱影響部の領域を20%以下の割合で含んでも構わないものとする。ここで、化学組成や硬さに関する溶接継ぎ手とは、その計測する面において、溶接金属の領域と、熱影響部(HAZ)のうち、溶接金属と隣接する領域であって面積率で20%以下の領域を含むものと定義する。溶接継手において、明確に溶接金属を区別できる場合は、溶接金属をもって溶接継手の化学組成、硬さを代表させることができる。
以下では、先ず好適な溶接継ぎ手の化学組成と硬さについて高温特性と関連づけて説明する。その後、そのような溶接継ぎ手を得るために好適なフェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼および溶接材料について述べる。

0013

本発明の溶接継ぎ手において、化学組成と金属組織を限定する理由について説明する。なお、本明細書において各元素の%表示は、特に断りのない限り質量%を意味する。溶接継ぎ手の化学組成は、溶接する母材の化学組成や溶接材料の化学組成さらには母材と溶接材料の混合状況に影響される。しかしながら、本発明では、最終的な溶接継ぎ手の化学組成と金属組織を以下のようにすることで、本発明の目的を達することができる。

0014

<C:0.1%以下>
Cは本発明の溶接継ぎ手において、オーステナイト相を安定化させて、高温使用時疲労特性を高めるために有効な元素である。しかし、Cの過度な添加は、溶接時および高温使用時の炭化物析出を促進し、溶接継ぎ手の硬化による疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を著しく低下させる。そのため、上限は0.1%とする必要がある。好ましくは、0.05%以下とする。C量は特に下限を設ける必要ないが、極端な低下は製造コストの著しい上昇を招くため、好ましい下限は0.001%である。より好ましくは0.01%である。

0015

<Si:3%以下>
Siは本発明の溶接継ぎ手において、本発明の耐酸化性を高める有効な元素であり、材料強度の上昇にも効果的な元素である。Si量は特に下限を設ける必要ないが、これら効果を発現させるため、0.3%以上とすることが好ましい。より好ましくは0.5%以上である。一方、Siの過度な添加は溶接部シグマ相などの金属間化合物の生成を助長し、高温使用時の溶接継ぎ手の硬化による疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を著しく低下させる。そのため、上限は3%とする必要がある。好ましくは2.5%以下、より好ましくは2.0%以下とする。

0016

<Mn:3%以下>
Mnは本発明の溶接継ぎ手において、オーステナイト相を安定化させて、高温使用時の疲労特性を高めるために有効な元素である。しかし、Mnの過度な添加は、耐酸化性の低下に加えて、S系介在物の増加を招き、高温使用時の溶接継ぎ手の疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を低下させる。そのため、上限は3%とする必要がある。好ましくは2.5%以下、より好ましくは2.0%以下とする。

0017

<Cr:17〜25%>
Crは本発明の溶接継ぎ手において、耐酸化性と高温特性を高める必須の元素である。この効果を十分得るためにCrの下限は17%とする必要がある。好ましくは18%以上である。しかし、Crの過度な添加は、母材または溶接材料を高Cr鋼とする必要があり、コストの増加を招くにことに加え、金属間化合物の析出を助長して高温使用時の溶接継ぎ手の疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を低下にも繋がる。そのため、上限は25%とする必要がある。好ましくは23%以下とする。

0018

<Ni:7〜20%>
Niは本発明の溶接継ぎ手において、オーステナイト相を安定化させて、高温使用時の疲労特性と耐酸化性の両者を高めるために極めて有効な元素である。特に、溶接継ぎ手の高温使用時の硬化を抑制して疲労特性向上に大きく寄与する。Ni量は、これら効果を発現させるため、7%以上とする。好ましくは8%以上である。しかし、Niの過度な添加は、母材または溶接材料を高Ni鋼とする必要があり、コストの増加を招くにことに加え、金属間化合物の析出を助長して高温使用時の溶接継ぎ手の疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を低下にも繋がる。そのため、上限は20%とする必要がある。好ましくは15%以下、より好ましくは12%以下とする。

0019

<N:0.2%>
Nは本発明の溶接継ぎ手において、オーステナイト相を安定化させて、高温使用時の疲労特性を高めるために有効な元素である。しかし、Nの過度な添加は、溶接時および高温使用時の窒化物析出を促進し、溶接継ぎ手の硬化による疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を著しく低下させる。そのため、上限は0.2%とする必要がある。好ましくは、0.1%以下とする。N量は特に下限を設ける必要ないが、極端な低下は製造コストの著しい上昇を招くため、好ましい下限は0.001%である。より好ましくは0.01%である。

0020

<金属組織>
溶接継ぎ手の硬さは、前記した化学組成のみで一義的に決まらず、金属組織の影響も多分に受ける。本発明に係る溶接継ぎ手では、上記に限定した化学組成を満たし、溶接継ぎ手の表面のビッカース硬さ(Hv)を250以下とすることが重要である。Hv250を超えると、高温使用時の溶接継ぎ手の硬化による疲労破壊を誘発し、高温疲労特性を著しく低下させる。好ましくは、Hv220以下、より好ましくはHv200以下とする。硬さの下限は特に設ける必要ないが、過度なCとN量の低減によらず母材との接合による高温疲労特性を担保するためにHv100以上、好ましくはHv120以上、より好ましくはHv150以上とする。

0021

以上に述べたように、本発明の目標とする高温疲労特性を得るには、溶接継ぎ手の硬さの低下が必要不可欠である。溶接継ぎ手の硬さは、溶接後の冷却過程で生じる0.1μm以下の微細なCrを含む炭窒化物の析出により上昇する。特に、オーステナイト系とフェライト系からなる異材溶接の場合、CやNの固溶限が小さいフェライト系の母材にかけて硬さ上昇を生じ易く、高温使用時の疲労破壊を誘発する原因となる。このような硬さ上昇の抑制には、フェライト系ステンレス鋼の溶接部そのものを減じるために、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接材料を使用することが有効である。更に、前記した硬さ上昇を効率的に抑制するには、溶接継ぎ手の金属組織は、炭窒化物の析出サイズ球相当径)を0.01μm未満まで低減し、かつ、析出物体積率をCrの残さ量で0.01質量%以下に制御することが好ましい。このような金属組織の制御には、例えば、溶接時の入熱を1000J/cm以下まで低下させるか、あるいは溶接後800℃以上に昇温空冷するテンパー処理を施すことが好ましい。溶接材料を使用しない場合に特に有用である。このように組織制御することにより、所望の表面硬度(溶接継手表面のビッカース硬さ)が得られるのである。

0022

次に、溶接継ぎ手の母材とするフェライト系ステンレス鋼の鋼組成について述べる。

0023

C:フェライト系ステンレス鋼に多量に添加した場合、材料の硬質化、溶接熱影響部での鋭敏化を招くため低い方が好ましく、上限を0.03%とした。下限は製造時の精錬コストを考慮し、0.001%とした。好ましくは0.003〜0.015%である。

0024

Si:脱酸元素として用いられ、耐酸化性の観点から多いほうが望ましいが、過剰に添加すると製造時に割れが発生しやすくなるため、上限を3.0%以下とした。望ましくは1.0%以下とする。下限は製造コストを考慮し、0.01%とした。さらに好ましくは、0.05〜0.8%である。

0025

Mn:Siとのバランスにより耐酸化性を向上させる元素である。過剰の添加は、耐食性を低下させるため、上限を2.0%以下とした。下限は製造コストを考え、0.01%とした。好ましくは0.05〜0.5%である。

0026

P:Pは粒界偏析して材料の硬質化を招く元素であるので0.040%以下とした。望ましくは0.030%以下、さらに望ましいのは0.020%以下である。下限は特に規定する必要はないが、Pは原料から混入することが多く、Pを0.010未満にするには原料コストがかかるため、0.010%とすることが好ましい。

0027

S:硫化物を多量に生成すると耐食性を低下させるため低い方が好ましく、0.010%以下とした。望ましくは0.003%以下である。

0028

Cr:Crはステンレス鋼の基本特性である耐食性、本発明で重要な耐食性ならびに耐熱性(高温強度、高温疲労特性、耐酸化性)を確保するために必要な元素であるため、15.0%以上の添加を必要とする。しかし、多量の添加は製造時の靭性の低下を招くため、上限は24.0%とした。好ましくは16.0〜19.5%である。

0029

Ni:Niは耐食性を向上させる元素であるが、多量の添加は材料の硬質化を招くばかりでなく、フェライト相率を低下させるため、上限を3.0%とした。好ましくは0.6%以下である。下限は特に規定する必要はないが、不可避的に原料から混入するため、0.01%以下にすることが困難であるため、0.01%を下限とすることが好ましい。

0030

N:Nはフェライト系においては固溶限が小さく、大半は窒化物として鋼中に存在する。多量の添加は窒化物の量を増やし、疲労特性を劣化させる場合があるため上限を0.06%とした。下限は製造コストの観点から0.001%とした。好ましくは0.005〜0.020%である。

0031

Al:耐酸化性向上元素として添加される。多量の添加は製造時の靭性劣化を招くため上限を5.5とした。下限は、製造コストを考慮し、0.001%とした。好ましくは0.003〜0.10%である。

0032

Ti:Tiは、C及びNを析出物として固定し、鋼中の固溶C及びNを低減させ、加工性を向上させる効果を持つ。添加量が多すぎる場合には製造時の靭性低下表面性状劣化をもたらすため、上限を0.25%とした。下限は製造性を考慮し0.001%とした。好ましい範囲は0.002〜0.18%である。

0033

Nb:NbもTi同様にC及びNと化合物を生成し、鋼中の固溶C,N量を低減し、加工性を向上させる効果を持つ。またNbは高温強度向上に寄与するため、部位によっては積極的に添加される。0.60%超の添加は、製造性を著しく劣化させるため、これを上限とした。下限は製造性を考慮し、0.001%とした。好ましくは0.003〜0.45%である。

0034

またTi,Nb,C,Nについては下記(1)式を満足することとする。
Ti/48+Nb/93 ≧ 2(C/12+N/14) ・・・(1)
これら元素の関係が(1)式を満足しない場合、フェライト系ステンレス鋼の溶接熱影響部における耐食性が低下する。

0035

続いて、溶接継ぎ手の母材とするオーステナイト系ステンレス鋼の鋼組成について述べる。

0036

C:オーステナイト組織を安定化するのに有効な元素である。しかし、含有量が多くなると耐食性の劣化を招くため、0.1%以下とした。下限は製造コストを考え0.001%とした。好ましくは、0.01〜0.08%、さらに好ましくは、0.01〜0.05%である。

0037

Si:脱酸元素として用いられ、耐酸化性の観点から多いほうが望ましいが、過剰に添加すると材料の硬質化を招き、製造性を劣化させるので4.0%以下にした。望ましくは3.0%以下とする。下限は製造コストを考慮し、0.01%とした。さらに好ましくは、0.3〜1.2%である。

0038

Mn:オーステナイト組織を安定化するのに必要な元素である。過剰の添加は耐酸化性、耐食性を低下させるため4.0%以下とした。下限は製造コストを考え、0.01%とした。好ましくは0.2〜3.0%、さらに好ましくは0.3〜1.2%である。

0039

P:Pは粒界に偏析して材料の硬質化を招く元素であるので0.040%以下とした。望ましくは0.030%以下、さらに望ましいのは0.020%以下である。下限は特に規定する必要はないが、Pは原料から混入することが多く、Pを0.010未満にするには原料コストがかかるため、0.010%とすることが好ましい。

0040

S:Sは製造時に熱間加工性を低下させ、析出物として製品に残存すると耐食性を低下させるため低い方が好ましいため、0.004%以下とした。望ましくは0.001%以下である。

0041

Cr:Crはステンレス鋼の基本特性である耐食性、本発明で重要な高温強度、高温疲労特性を確保するために必要な元素であるため、15.0%以上の添加を必要とする。しかし、多量の添加は製造時の熱間加工性及び靭性の低下を招くため、上限は26.0%とした。好ましくは19.0〜25.5%である。

0042

Ni:Niはオーステナイト組織を安定化して、高温での強度を確保するのに必要な元素であるため7.0%以上とした。しかし、含有量が多い場合には材料の硬質化し、原料コストが高くなるため、23.0%以下とした。好ましくは8.0〜21.0%である。

0043

N:オーステナイト組織を安定化するのに有効な元素である。しかし、含有量が多くなると加工性を低下させたり、熱間加工性を劣化させるので0.25%以下とした。下限は製造コストを考え、0.001%とした。

0044

Al:脱酸元素であるが、多量の添加は材料の硬質化を招くため上限を0.05以下とした。不可避的に混入するレベル材料特性に大きな影響を与えないため下限は特に規定する必要はないが、製造コストを考慮すると0.001%とすることが好ましい。Al量の好ましい範囲は0.002〜0.03%である。

0045

以下には、さらに積極的に添加する元素あるいは不純物として混入する可能性のある元素について述べる。フェライト系ステンレス鋼においては、次の元素を添加することが好ましい。
Cu、Mo、Sn、W、Co、Sb、Ga、Ta:Cu、Mo、Sn、W、Co、Sb、Ga、Taは原料のスクラップより混入する可能性があり、耐食性向上に有効な元素であるが、過剰に添加してもコストアップや製造性の低下となるので、Cu≦2.5%、Mo≦2.1%、Sn≦0.03%、W≦0.30%、Co≦0.30%、Sb≦0.30%、Ga≦0.10%、Ta≦0.10%とする。下限は不可避なレベルとして、いずれも0.001%とした。

0046

V、Zr:V、ZrはC、Nと結合して析出物を形成し鋼中の固溶C、Nを低減することから耐粒界腐食性向上に有効であるが、過剰の添加は政治の表面性状劣化ならびに製造コストの上昇をもたらすため、V≦0.2%、Zr≦0.03%とする。下限はV:0.01%、Zr:0.001%とした。

0047

B、Mg、Ca:B、Mg,Caは熱間での加工性改善に有効な元素であるが、過剰の添加は溶接性を低下させるのでB≦0.002%、Mg≦0.002%、Ca≦0.002%とする。

0048

REM:La、Ce、Yなどがあり、耐酸化性の向上、熱間での加工性向上に有効な元素であるが、過剰の添加は材料の硬質化を招くため、≦0.01%とする。

0049

オーステナイト系ステンレス鋼においては、次の元素を添加することが好ましい。

0050

Cu、Mo、Sn、W、Co、Sb、Ga、Ta:Cu、Mo、Sn、W、Co、Sb、Ga、Taは原料のスクラップより混入する可能性があり、耐食性向上に有効な元素であるが、過剰に添加してもコストアップや製造性の低下となるので、Cu≦0.6%、Mo≦2.4%、Sn≦0.03%、W≦0.30%、Co≦1.0%、Sb≦0.30%、Ga≦0.10%、Ta≦0.10%とする。下限は不可避なレベルとして、いずれも0.001%とした。

0051

V、Zr、Ti,Nb:Ti、Nb、V、ZrはC、Nと結合して析出物を形成し鋼中の固溶C、Nを低減することから耐粒界腐食性向上に有効であるが、過剰の添加は製造時の表面性状劣化をもたらすため、Ti≦0.35%、Nb≦0.30%、V≦0.2%、Zr≦0.03%とする。下限はTi:0.03%、Nb:0.03%、V:0.01%、Zr:0.001%とした。

0052

B、Mg、Ca:B、Mg,Caは熱間での加工性改善に有効な元素であるが、過剰の添加は溶接性を低下させるのでB≦0.002%、Mg≦0.001%、Ca≦0.002%とする。

0053

REM:La、Ce、Yなどがあり熱間での加工性向上に有効な元素であるが、過剰の添加は溶接性を低下させるのでREM≦0.01%とする。

0054

最後に、溶接材料について述べる。フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼を溶接するに際し、溶接材料としてオーステナイト系ステンレス鋼を用いることが好ましい。

0055

溶接材料としてフェライト系ステンレス鋼を用いた場合は、溶接組織が粗大となり、高温での使用中に疲労破壊が生じやすい。
ここで言う溶接材料としてのオーステナイト系ステンレス鋼とは、JIS Z 3321記載の鋼種記号307,308,309,310,316等のオーステナイト系ステンレス鋼を示す。またこれら鋼種の末尾にL.Si,Mo,LSi、LNb、LMo等の符号が含むもの全てを含む。すなわち溶接材料の金属組織はオーステナイト系ステンレス鋼主体となる材料とすることが好ましい。

0056

溶接材料を使用しない場合は、両ステンレス鋼が融合した溶接金属部がオーステナイトとフェライトの2相組織となり易く、高温疲労時に材料の硬質化による破壊が生じやすくなる。しかし、溶接部を構成する溶接金属の組成が、前述した本発明に係る溶接金属の組成範囲であり、溶接継ぎ手部の表面硬度がHv250以下であればよい。本発明に係る溶接継ぎ手の組成範囲であれば、溶接継ぎ手自体もオーステナイトが多い組織となり、高温特性、耐酸化性が改善される。

0057

また溶接方法は特に規定するものでなく、TIG溶接MIG溶接レーザー溶接抵抗溶接等いずれの方法でも良い。

0058

以下、本発明について実施例を挙げて具体的に説明するが、本願発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

0059

表1に示す成分のステンレス鋼板を用いて、溶接継ぎ手を作製した。
表2に溶接継ぎ手の化学組成と断面硬さを示す。溶接継ぎ手の化学組成は、溶接部を切り出して分析した。溶接継ぎ手の硬さは、断面埋め込み試料を作製して、ビッカース硬さ試験により測定した。溶接部を中心に高温疲労試験片を採取し、高温平面曲げ疲労試験に供した。高温平面曲げ疲労試験は、所定の温度に昇温し、R=−1の両振りで106回試験した後、室温まで冷却するサイクルを1サイクルとし、10サイクル行った。試験1として試験温度が500℃で応力が200MPa、試験2として700℃で60MPaの2条件において試験を実施し、前述のサイクルを10サイクル後に未破断のものを合格とした。高温疲労試験により使用時の高温強度を確保できるかどうかを評価すると共に、冷却サイクルを途中で挟むことにより温度の高低による熱膨張-収縮を利用して耐酸化性の評価も同時に行う試験である。
表3に試験結果を示す。本発明実施例においては、いずれの溶接構造体においても合格しており、優れた高温特性を示す。

0060

0061

実施例

0062

0063

本発明は、フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の異種材接合に利用することができる。特に燃料電池をはじめとする水素ガスを生成するための燃料改質器などの高温酸化雰囲気において使用するステンレス鋼継手に利用することができる。

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

該当するデータがありません

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

  • 三菱電機株式会社の「 溶接補修方法及び容器」が 公開されました。( 2019/06/24)

    【課題・解決手段】第一シートメタル(1)のエッジを第二シートメタル(2)のエッジに対して溶接することにより溶接継手(3)を形成する。第一シートメタル(1)と第二シートメタル(2)との間の溶接継手(3)... 詳細

  • パナソニックIPマネジメント株式会社の「 アーク溶接制御方法」が 公開されました。( 2019/06/24)

    【課題・解決手段】アーク溶接を行う短絡溶接期間(Ts)とパルス溶接を行うパルス溶接期間(Tp)と冷却期間(Tn)とを順に繰り返すサイクルにて溶接を行う消耗電極式のアーク溶接制御方法であって、冷却期間(... 詳細

  • 株式会社神戸製鋼所の「 積層造形物の製造方法」が 公開されました。( 2019/06/20)

    【課題】溶融金属の凝固スピードを向上させ、垂れ落ちを防止しつつ、造形効率を向上できる積層造形物の製造方法を提供する。【解決手段】積層造形物の製造方法は、複数層の溶着ビード25の積層パスに応じて、温度の... 詳細

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

該当するデータがありません

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ