JP7679269B2 - Ferritic stainless steel laser welded structure, manufacturing method thereof, and exhaust heat recovery device - Google Patents
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Description
本発明は、フェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体及びその製造方法、並びに排熱回収装置に関する。 The present invention relates to a ferritic stainless steel laser welded structure, a manufacturing method thereof, and an exhaust heat recovery device.
近年の世界的なCO2排出抑制の取り組みを受け、排熱を有効利用する取り組みが広がっている。例えば、排気ガスから熱エネルギーを回収する技術として、自動車の排気系部品、プラント、家庭用エネルギー機器などにおいて多くの熱交換器が用いられており、今後もその利用が拡大することが期待されている。 In response to recent global efforts to reduce CO2 emissions, efforts to effectively utilize waste heat are becoming more widespread. For example, heat exchangers are used in many automobile exhaust system components, plants, and home energy equipment as a technology for recovering thermal energy from exhaust gas, and their use is expected to continue to expand in the future.
熱交換器に利用される排気ガスは、例えば、ガソリンやLPG(液化石油ガス)の燃焼排気ガスなどであり、高温(約400℃~約750℃)であるとともに、多くの水蒸気を含む酸化性ガスである。したがって、熱交換器には、このような環境に対する耐性(耐熱性及び耐食性)が要求されるため、ステンレス鋼材が素材として用いられている。
また、熱交換器は、低温(常温~約90℃)から高温(約400℃~約750℃)の温度差にも曝される。特に、熱交換器が大型になると、温度差による熱応力が大きくなって、変形し易くなる。そのため、熱交換器には、熱膨張が小さいフェライト系ステンレス鋼材が素材として用いられることが多い。
The exhaust gas used in heat exchangers is, for example, the combustion exhaust gas of gasoline or LPG (liquefied petroleum gas), which is high temperature (about 400°C to about 750°C) and is an oxidizing gas containing a lot of water vapor. Therefore, heat exchangers are required to have resistance to such environments (heat resistance and corrosion resistance), and stainless steel materials are used as the material.
Heat exchangers are also exposed to temperature differences from low temperatures (room temperature to about 90°C) to high temperatures (about 400°C to about 750°C). In particular, when heat exchangers become large, the thermal stress caused by the temperature difference increases, making them more likely to deform. For this reason, ferritic stainless steel, which has low thermal expansion, is often used as the material for heat exchangers.
ステンレス鋼材は、表面にCr酸化皮膜を形成することにより、優れた耐食性を有する。しかしながら、高温且つ水蒸気を多く含むような酸化性の強い環境下では、Cr酸化物の成長が早く、また、Cr酸化物が6価のCrとなって飛散するCr蒸発も生じる。
そこで、高温且つ水蒸気を多く含むような酸化性の強い環境下で用いられるステンレス鋼材には、表面にAl酸化物(Al2O3)を形成することができるフェライト系ステンレス鋼材が用いられている。
Stainless steel materials have excellent corrosion resistance due to the formation of a Cr oxide film on the surface. However, in a highly oxidizing environment such as high temperature and high water vapor, Cr oxide grows quickly and Cr vaporizes, causing the Cr oxide to turn into hexavalent Cr and scatter.
Therefore, for stainless steel materials used in highly oxidizing environments such as high temperatures and high water vapor content, ferritic stainless steel materials capable of forming aluminum oxide (Al 2 O 3 ) on the surface are used.
例えば、特許文献1には、Cr:11~22質量%、C:0.03質量%以下、N:0.03質量%以下、Mn:1.5質量%以下、S:0.008質量%以下、Si:2質量%以下、Al:1.0~6.0質量%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有するフェライト系ステンレス鋼材が提案されている。
また、特許文献2には、質量%で、C:0.03%以下、Si:3%以下、Mn:1.0%以下、P:0.04%以下、S:0.01%以下、Ni:0.5%以下、Cr:11~21%、Al:6%以下、Cu:0.01~0.5%、Mo:0.01~0.5%、Nb:0.1%以下、Ti:0.005~0.50%、Sn:0.001~0.1%、N:0.03%以下、O:0.002%以下、H:0.00005%以下、Pb:0.01%以下を含み、残部がFe及び不可避的不純物の組成を有するフェライト系ステンレス鋼材が提案されている。
さらに、特許文献3には、C:0.03質量%以下と、Si:0.5質量%以下と、Mn:1.0質量%以下と、P:0.04質量%以下と、S:0.01質量%以下と、Ni:0.6質量%以下と、Cr:15~20質量%と、N:0.03質量%以下と、Ti:0.5質量%以下と、B:0.0005~0.003質量%と、Al:1.5質量%以上4.0質量%未満と、を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有するフェライト系ステンレス鋼材が提案されている。
For example, Patent Document 1 proposes a ferritic stainless steel material having a composition containing 11 to 22 mass% Cr, 0.03 mass% or less C, 0.03 mass% or less N, 1.5 mass% or less Mn, 0.008 mass% or less S, 2 mass% or less Si, 1.0 to 6.0 mass% Al, with the balance being Fe and unavoidable impurities.
Patent Document 2 proposes a ferritic stainless steel material having a composition containing, by mass%, C: 0.03% or less, Si: 3% or less, Mn: 1.0% or less, P: 0.04% or less, S: 0.01% or less, Ni: 0.5% or less, Cr: 11 to 21%, Al: 6% or less, Cu: 0.01 to 0.5%, Mo: 0.01 to 0.5%, Nb: 0.1% or less, Ti: 0.005 to 0.50%, Sn: 0.001 to 0.1%, N: 0.03% or less, O: 0.002% or less, H: 0.00005% or less, Pb: 0.01% or less, with the balance being Fe and unavoidable impurities.
Furthermore, Patent Document 3 proposes a ferritic stainless steel material having a composition containing C: 0.03 mass% or less, Si: 0.5 mass% or less, Mn: 1.0 mass% or less, P: 0.04 mass% or less, S: 0.01 mass% or less, Ni: 0.6 mass% or less, Cr: 15 to 20 mass%, N: 0.03 mass% or less, Ti: 0.5 mass% or less, B: 0.0005 to 0.003 mass%, Al: 1.5 mass% or more and less than 4.0 mass%, with the balance being Fe and unavoidable impurities.
フェライト系ステンレス鋼材の耐食性は、フェライト系ステンレス鋼材中に固溶したC及びNの量と関係する。固溶したC及びNは、Crと結合してCrの炭化物や窒化物(以下、「炭窒化物」という)を形成し、粒界に優先的に析出する。Crの炭窒化物が析出した周囲はCrが欠乏した鋭敏化と呼ばれる状態となる。Crが欠乏した部分にはCr酸化物やAl酸化物が形成されず、Feが継続的に酸化してしまうため、耐熱性が担保できない。そのため、フェライト系ステンレス鋼材中のC及びNの含有量を極力低減するとともに、C及びNと優先的に結合するTiやNbなどの元素を添加して炭窒化物を形成させることでC及びNの固溶量を低減することが有効である。 The corrosion resistance of ferritic stainless steel is related to the amount of C and N dissolved in the ferritic stainless steel. The dissolved C and N combine with Cr to form Cr carbides and nitrides (hereinafter referred to as "carbonitrides"), which precipitate preferentially at grain boundaries. The area around the precipitated Cr carbonitrides is in a state called sensitization, where Cr is deficient. In the Cr-deficient area, Cr oxides and Al oxides are not formed, and Fe is continuously oxidized, so heat resistance cannot be guaranteed. Therefore, it is effective to reduce the amount of C and N in the ferritic stainless steel as much as possible, and to add elements such as Ti and Nb, which preferentially combine with C and N, to form carbonitrides and thereby reduce the amount of C and N dissolved in the ferritic stainless steel.
また、熱交換器などを含む排熱回収装置は、フェライト系ステンレス鋼材に対して溶接などの加工処理を施すことによって製造される。溶接を行うと、溶接金属部では、TiやNbの炭窒化物が固溶してC及びNの固溶量が増大する。上記のようなC及びN含有量を極めて低いレベルに制御したフェライト系ステンレス鋼材では、溶接後の自然冷却によってTiやNbの炭窒化物が再度形成されるため、C及びNの固溶量は低いレベルのままとなり、鋭敏化による耐熱性の低下を抑制することができる。しかしながら、Alを含む特許文献1~3に記載のフェライト系ステンレス鋼材は、Ti及びNbの拡散が遅いため、溶接後の自然冷却ではTiやNbの炭窒化物が再度形成され難く、C及びNの固溶量が増大する。これは拡散速度による影響が大きいため、TiやNbの過剰添加によって解決できるものではない。逆に、TiやNbを過剰添加すると、TiO2などの介在物の増加によって靭性の低下を招いてしまう。このように特許文献1~3は、フェライト系ステンレス鋼材を溶接して得られるフェライト系ステンレス鋼溶接構造体において、溶接金属部の耐熱性及び靭性が低下する問題について何ら認識していない。 In addition, exhaust heat recovery devices including heat exchangers are manufactured by subjecting ferritic stainless steel materials to processing such as welding. When welding is performed, carbonitrides of Ti and Nb are dissolved in the weld metal parts, and the amount of dissolved C and N increases. In the ferritic stainless steel materials in which the C and N contents are controlled to an extremely low level as described above, carbonitrides of Ti and Nb are formed again by natural cooling after welding, so the amount of dissolved C and N remains at a low level, and the decrease in heat resistance due to sensitization can be suppressed. However, in the ferritic stainless steel materials described in Patent Documents 1 to 3 containing Al, the diffusion of Ti and Nb is slow, so that carbonitrides of Ti and Nb are unlikely to be formed again by natural cooling after welding, and the amount of dissolved C and N increases. This is largely affected by the diffusion rate, so it cannot be solved by excessive addition of Ti and Nb. Conversely, excessive addition of Ti and Nb leads to a decrease in toughness due to an increase in inclusions such as TiO 2 . Thus, Patent Documents 1 to 3 do not recognize at all the problem of reduced heat resistance and toughness of the weld metal in a ferritic stainless steel welded structure obtained by welding ferritic stainless steel materials.
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、耐熱性及び靭性(特に、溶接金属部の耐熱性及び靭性)に優れるフェライト系ステンレス鋼溶接(特に、レーザー溶接)構造体及びその製造方法、並びに排熱回収装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and aims to provide a ferritic stainless steel welded (particularly laser welded) structure with excellent heat resistance and toughness (particularly the heat resistance and toughness of the welded metal part), a manufacturing method thereof, and an exhaust heat recovery device.
本発明者らは、母材及び溶接金属部を含むフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体について鋭意研究を行った結果、母材の組成及び所定の大きさの介在物の個数密度、母材のビッカース硬度と溶接金属部のビッカース硬度との差、並びに溶接金属部の平均結晶粒径を制御することにより、上記の問題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。また、本発明者らは、特定の組成を有するフェライト系ステンレス鋼材を母材とし、所定の照射エネルギーにてレーザー溶接を行うことにより、上記のフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体を製造し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。 The inventors conducted extensive research into ferritic stainless steel laser welded structures including a base material and a weld metal part, and discovered that the above problems could be solved by controlling the composition of the base material and the number density of inclusions of a given size, the difference between the Vickers hardness of the base material and the Vickers hardness of the weld metal part, and the average crystal grain size of the weld metal part, leading to the completion of the present invention. The inventors also discovered that the above ferritic stainless steel laser welded structure could be manufactured by using a ferritic stainless steel material having a specific composition as the base material and performing laser welding with a given irradiation energy, leading to the completion of the present invention.
すなわち、本発明は、母材及び溶接金属部を含むフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体であって、
前記母材は、質量基準で、C:0.001~0.050%、Mn:1.00%以下、Ni:1.00%以下、P:0.100%以下、S:0.050%以下、Cr:10.00~24.00%、N:0.001~0.050%、Cu:1.00%以下、Mo:1.00%以下、Si:3.00%以下、Al:0.80~5.00%、Nb:0.50%以下、Ti:0.50%以下、Mg及び/又はCa:0.0100%以下を含み、Nb及びTiの合計含有量が6(C+N)以上(C及びNは、C及びNの含有量をそれぞれ表す)であり、残部がFe及び不純物からなる組成を有し、
前記母材は、1~10μmの直径を有する介在物の個数密度が10.0個/mm2以上、10μm超過の直径を有する介在物の個数密度が1.0個/mm2以下、C及びNの合計固溶量が0.015質量%以下であり、
前記母材のビッカース硬度と前記溶接金属部のビッカース硬度との差が50HV以下であり、
前記溶接金属部は、平均結晶粒径が200μm以下である、フェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体である。
That is, the present invention is a ferritic stainless steel laser welded structure including a base material and a weld metal part,
The base material contains, by mass, C: 0.001 to 0.050% , Mn: 1.00% or less, Ni: 1.00% or less, P: 0.100% or less, S: 0.050% or less, Cr: 10.00 to 24.00%, N: 0.001 to 0.050% , Cu: 1.00% or less, Mo: 1.00% or less, Si: 3.00% or less, Al: 0.80 to 5.00%, Nb: 0.50% or less, Ti: 0.50% or less, Mg and/or Ca: 0.0100% or less, the total content of Nb and Ti is 6(C+N) or more (C and N represent the contents of C and N, respectively), and the balance is Fe and impurities,
The base material has a number density of inclusions having a diameter of 1 to 10 μm of 10.0 pieces/ mm2 or more, a number density of inclusions having a diameter exceeding 10 μm of 1.0 pieces/ mm2 or less, and a total solid solution amount of C and N of 0.015 mass% or less,
The difference between the Vickers hardness of the base metal and the Vickers hardness of the weld metal portion is 50 HV or less,
The weld metal part is a ferritic stainless steel laser-welded structure having an average crystal grain size of 200 μm or less.
また、本発明は、フェライト系ステンレス鋼材を母材とし、レーザー溶接を行うフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体の製造方法であって、
前記フェライト系ステンレス鋼材は、C:0.001~0.050%、Mn:1.00%以下、Ni:1.00%以下、P:0.100%以下、S:0.050%以下、Cr:10.00~24.00%、N:0.001~0.050%、Cu:1.00%以下、Mo:1.00%以下、Si:3.00%以下、Al:0.80~5.00%、Nb:0.50%以下、Ti:0.50%以下、Mg及び/又はCa:0.0100%以下を含み、Nb及びTiの合計含有量が6(C+N)以上(C及びNは、C及びNの含有量をそれぞれ表す)であり、残部がFe及び不純物からなる組成を有し、
前記フェライト系ステンレス鋼材は、1~10μmの直径を有する介在物の個数密度が10.0個/mm
2
以上、10μm超過の直径を有する介在物の個数密度が1.0個/mm
2
以下、C及びNの合計固溶量が0.015質量%以下であり、
前記レーザー溶接は、前記フェライト系ステンレス鋼材の厚みに対する照射エネルギーが10.0~40.0kJ/mm 3 の条件で行われる製造方法である。
The present invention also provides a method for producing a ferritic stainless steel laser welded structure using a ferritic stainless steel material as a base material and performing laser welding,
The ferritic stainless steel material has a composition comprising C: 0.001 to 0.050% , Mn: 1.00% or less, Ni: 1.00% or less, P: 0.100% or less, S: 0.050% or less, Cr: 10.00 to 24.00%, N: 0.001 to 0.050% , Cu: 1.00% or less, Mo: 1.00% or less, Si: 3.00% or less, Al: 0.80 to 5.00%, Nb: 0.50% or less, Ti: 0.50% or less, Mg and/or Ca: 0.0100% or less, the total content of Nb and Ti being 6(C+N) or more (C and N represent the contents of C and N, respectively), with the balance being Fe and impurities;
The ferritic stainless steel material has a number density of inclusions having a diameter of 1 to 10 μm of 10.0 pieces/mm2 or more, a number density of inclusions having a diameter exceeding 10 μm of 1.0 pieces/mm2 or less, and a total solid solution amount of C and N of 0.015 mass% or less,
The laser welding is a manufacturing method carried out under conditions in which the irradiation energy relative to the thickness of the ferritic stainless steel material is 10.0 to 40.0 kJ/ mm3 .
さらに、本発明は、前記フェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体を備える排熱回収装置である。 Furthermore, the present invention is a waste heat recovery device equipped with the above-mentioned ferritic stainless steel laser welded structure.
本発明によれば、耐熱性及び靭性(特に、溶接金属部の耐熱性及び靭性)に優れるフェライト系ステンレス鋼溶接(特に、レーザー溶接)構造体及びその製造方法、並びに排熱回収装置を提供することができる。 The present invention provides a ferritic stainless steel welded (particularly laser welded) structure with excellent heat resistance and toughness (particularly the heat resistance and toughness of the welded metal part), a manufacturing method thereof, and an exhaust heat recovery device.
以下、上記の観点に基づいて完成された本発明の実施形態について具体的に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施形態に対し変更、改良などが適宜加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
なお、本明細書において成分に関する「%」表示は、特に断らない限り「質量%」を意味する。
The following is a detailed description of the embodiments of the present invention that have been completed based on the above-mentioned viewpoints. The present invention is not limited to the following embodiments, and it should be understood that modifications and improvements made to the following embodiments based on the ordinary knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention are also within the scope of the present invention.
In this specification, the "%" designation for components means "% by mass" unless otherwise specified.
本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体は、母材及び溶接金属部を含む。このフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体は、フェライト系ステンレス鋼材を母材とし、レーザー溶接を行うことによって製造される。
ここで、本明細書において「フェライト系」とは、常温で金属組織が主にフェライト相であるものを意味する。したがって、「フェライト系」にはフェライト相以外の相(例えば、オーステナイト相やマルテンサイト相など)が僅かに含まれるものも包含される。また、「ステンレス鋼材」とは、ステンレス鋼から形成される材料のことを意味し、その材形は特に限定されない。材形の例としては、板状(帯状を含む)、棒状、管状などが挙げられる。また、材料は、断面形状がT形、I形などの各種形鋼であってもよい。
A ferritic stainless steel laser-welded structure according to an embodiment of the present invention includes a base material and a weld metal part. This ferritic stainless steel laser-welded structure is manufactured by using a ferritic stainless steel material as a base material and performing laser welding.
Here, in this specification, "ferritic" means that the metal structure is mainly ferritic phase at room temperature. Therefore, "ferritic" also includes those that contain small amounts of phases other than ferritic phase (e.g., austenite phase, martensite phase, etc.). Furthermore, "stainless steel material" means a material formed from stainless steel, and the shape of the material is not particularly limited. Examples of the material shape include plate (including strip), rod, tube, etc. Furthermore, the material may be various types of shaped steel with a cross-sectional shape such as T-shaped or I-shaped.
図1は、フェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体の模式的な部分拡大断面図を示す。
図1に示されるように、フェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体(100)は、母材(10)及び溶接金属部(30)を含む。また、フェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体(100)は、母材(10)と溶接金属部(30)との間に熱影響部(20)を更に含む。
ここで、「母材」とは、溶接の影響を受けない部分を意味する。また、「熱影響部」とは、溶接の影響によって溶融しないものの熱影響を受ける部分(HAZとも称される)のことを意味する。また、「溶接金属部」とは、溶接の影響によって溶融して再凝固する部分のことを意味する。
FIG. 1 shows a schematic enlarged partial cross-sectional view of a ferritic stainless steel laser-welded structure.
As shown in Figure 1, the ferritic stainless steel laser welded structure (100) includes a base material (10) and a weld metal portion (30). The ferritic stainless steel laser welded structure (100) further includes a heat affected zone (20) between the base material (10) and the weld metal portion (30).
Here, "base material" refers to the portion that is not affected by welding. "Heat-affected zone" refers to the portion that is affected by heat but does not melt due to welding (also called HAZ). "Weld metal zone" refers to the portion that melts and resolidifies due to welding.
母材は、溶接の影響を受けないため、フェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体の素材であるフェライト系ステンレス鋼材と同じ組成及び金属組織を有する。
母材(フェライト系ステンレス鋼材)は、C:0.100%以下、Mn:1.00%以下、Ni:1.00%以下、P:0.100%以下、S:0.050%以下、Cr:10.00~24.00%、N:0.100%以下、Cu:1.00%以下、Mo:1.00%以下、Si:3.00%以下、Al:0.80~5.00%、Nb:0.50%以下、Ti:0.50%以下、Mg及び/又はCa:0.0100%以下を含み、Nb及びTiの合計含有量が6(C+N)以上(C及びNは、C及びNの含有量をそれぞれ表す)であり、残部がFe及び不純物からなる組成を有する。
ここで、本明細書において「不純物」とは、ステンレス鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップなどの原料、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。例えば、不純物には、不可避的不純物も含まれる。不純物としては、例えばOが挙げられる。Oの含有量は、0.0020%以下であることが好ましい。
The base material is not affected by welding and therefore has the same composition and metal structure as the ferritic stainless steel material that is the raw material for the ferritic stainless steel laser welded structure.
The base material (ferritic stainless steel material) contains C: 0.100% or less, Mn: 1.00% or less, Ni: 1.00% or less, P: 0.100% or less, S: 0.050% or less, Cr: 10.00 to 24.00%, N: 0.100% or less, Cu: 1.00% or less, Mo: 1.00% or less, Si: 3.00% or less, Al: 0.80 to 5.00%, Nb: 0.50% or less, Ti: 0.50% or less, Mg and/or Ca: 0.0100% or less, with the total content of Nb and Ti being 6(C+N) or more (C and N represent the contents of C and N, respectively), and the balance being Fe and impurities.
In this specification, the term "impurities" refers to components that are mixed in due to various factors in raw materials such as ores and scraps and manufacturing processes during industrial production of stainless steel materials, and are acceptable within a range that does not adversely affect the present invention. For example, impurities include unavoidable impurities. An example of an impurity is O. The O content is preferably 0.0020% or less.
また、母材(フェライト系ステンレス鋼材)は、必要に応じて、Zr:1.00%以下、Co:1.00%以下、V:1.00%以下、W:1.00%以下から選択される少なくとも1種を更に含むことができる。
また、母材(フェライト系ステンレス鋼材)は、必要に応じて、REM:0.10%以下、Ca:0.10%以下から選択される少なくとも1種を更に含むことができる。
さらに、母材(フェライト系ステンレス鋼材)は、必要に応じて、Sn:0.10%以下、B:0.0100%以下から選択される少なくとも1種を更に含むことができる。
なお、以下の各元素の説明において、「母材」という場合には、フェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体の母材だけでなく、フェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体の製造に用いられるフェライト系ステンレス鋼材も含まれる。
In addition, the base material (ferritic stainless steel material) may further contain at least one selected from Zr: 1.00% or less, Co: 1.00% or less, V: 1.00% or less, and W: 1.00% or less, as necessary.
In addition, the base material (ferritic stainless steel material) may further contain at least one selected from REM: 0.10% or less and Ca: 0.10% or less, as necessary.
Furthermore, the base material (ferritic stainless steel material) may further contain at least one selected from Sn: 0.10% or less and B: 0.0100% or less, as necessary.
In the following description of each element, the term "base material" includes not only the base material of a ferritic stainless steel laser-welded structure, but also the ferritic stainless steel material used in the manufacture of a ferritic stainless steel laser-welded structure.
(C:0.100%以下)
Cは、母材の耐粒界腐食性(鋭敏化抑制作用)及びフェライト系ステンレス鋼材の加工性などの特性に影響を与える元素である。Cの含有量が多すぎると、母材の耐粒界腐食性及びフェライト系ステンレス鋼材の加工性が低下してしまう。そのため、Cの含有量の上限値は、0.100%、好ましくは0.080%、より好ましくは0.050%である。一方、Cの含有量の下限値は、特に限定されないが、Cの含有量を少なくすることは精練コストの上昇につながる。そのため、Cの含有量の下限値は、好ましくは0.0005%、より好ましくは0.001%である。
(C: 0.100% or less)
C is an element that affects the intergranular corrosion resistance (sensitization suppression effect) of the base material and the workability of the ferritic stainless steel material. If the C content is too high, the intergranular corrosion resistance of the base material and the workability of the ferritic stainless steel material will decrease. Therefore, the upper limit of the C content is 0.100%, preferably 0.080%, and more preferably 0.050%. On the other hand, the lower limit of the C content is not particularly limited, but reducing the C content leads to an increase in refining costs. Therefore, the lower limit of the C content is preferably 0.0005%, and more preferably 0.001%.
(Mn:1.00%以下)
Mnは、脱酸元素として有用な元素である。Mnの含有量が多すぎると、腐食起点となるMnSを生成し易くなるとともに、フェライト相を不安定化させる。そのため、Mnの含有量の上限値は、1.00%、好ましくは0.90%、より好ましくは0.80%である。一方、Mnの含有量の下限値は、特に限定されないが、好ましくは0.01%、より好ましくは0.05%である。
(Mn: 1.00% or less)
Mn is a useful element as a deoxidizing element. If the content of Mn is too high, MnS, which is the starting point of corrosion, is easily generated and the ferrite phase is destabilized. Therefore, the upper limit of the content of Mn is 1.00%, preferably 0.90%, and more preferably 0.80%. On the other hand, the lower limit of the content of Mn is not particularly limited, but is preferably 0.01%, and more preferably 0.05%.
(Ni:1.00%以下)
Niは、母材の耐食性及び溶接金属部の靭性を向上させるのに有効な元素である。Niの含有量が多すぎると、フェライト相が不安定化するとともに、製造コストも上昇する。そのため、Niの含有量の上限値は、1.00%、好ましくは0.80%、より好ましくは0.60%である。一方、Niの含有量の下限値は、特に限定されないが、上記の効果を得る観点から、好ましくは0.01%、より好ましくは0.05%である。
(Ni: 1.00% or less)
Ni is an element effective for improving the corrosion resistance of the base material and the toughness of the weld metal. If the Ni content is too high, the ferrite phase becomes unstable and the manufacturing cost increases. Therefore, the upper limit of the Ni content is 1.00%, preferably 0.80%, and more preferably 0.60%. On the other hand, the lower limit of the Ni content is not particularly limited, but is preferably 0.01%, and more preferably 0.05%, from the viewpoint of obtaining the above-mentioned effects.
(P:0.100%以下)
Pは、フェライト系ステンレス鋼材の溶接性や加工性などの特性に影響を与える元素である。Pの含有量が多すぎると、上記の特性が低下する恐れがある。そのため、Pの含有量の上限値は、0.100%、好ましくは0.080%、より好ましくは0.050%である。一方、Pの含有量の下限値は、特に限定されないが、Pの含有量を少なくすることは精練コストの上昇につながる。そのため、Pの含有量の下限値は、好ましくは0.001%、より好ましくは0.010%である。
(P: 0.100% or less)
P is an element that affects the properties of ferritic stainless steel materials, such as weldability and workability. If the P content is too high, the above properties may be degraded. Therefore, the upper limit of the P content is 0.100%, preferably 0.080%, and more preferably 0.050%. On the other hand, the lower limit of the P content is not particularly limited, but reducing the P content leads to an increase in refining costs. Therefore, the lower limit of the P content is preferably 0.001%, and more preferably 0.010%.
(S:0.050%以下)
Sは、腐食起点となるMnSを生成し、溶接金属部の靭性に影響を与える元素である。Sの含有量が多すぎると、溶接金属部の靭性が低下する恐れがある。そのため、Sの含有量の上限値は、0.050%、好ましくは0.040%、より好ましくは0.030%である。一方、Sの含有量の下限値は、特に限定されないが、Sの含有量を少なくすることは精練コストの上昇につながる。そのため、Sの含有量の下限値は、好ましくは0.0001%、より好ましくは0.0005%である。
(S: 0.050% or less)
S is an element that generates MnS, which becomes the starting point of corrosion, and affects the toughness of the weld metal part. If the S content is too high, the toughness of the weld metal part may decrease. Therefore, the upper limit of the S content is 0.050%, preferably 0.040%, and more preferably 0.030%. On the other hand, the lower limit of the S content is not particularly limited, but reducing the S content leads to an increase in refining costs. Therefore, the lower limit of the S content is preferably 0.0001%, and more preferably 0.0005%.
(Cr:10.00~24.00%)
Crは、母材の耐食性及び耐酸化性を向上させるのに有効な元素である。Crの含有量が多すぎると、母材の靭性が低下するとともに、製造コストの上昇につながる。そのため、Crの含有量の上限値は、24.00%、好ましくは23.50%、より好ましくは23.00%である。一方、Crの含有量が少なすぎると、上記の効果が十分に得られないことがある。そのため、Crの含有量の下限値は、10.00%、好ましくは10.50%、より好ましくは11.00%である。
(Cr:10.00-24.00%)
Cr is an element effective in improving the corrosion resistance and oxidation resistance of the base material. If the Cr content is too high, the toughness of the base material decreases and the manufacturing cost increases. Therefore, the upper limit of the Cr content is 24.00%, preferably 23.50%, and more preferably 23.00%. On the other hand, if the Cr content is too low, the above effects may not be sufficiently obtained. Therefore, the lower limit of the Cr content is 10.00%, preferably 10.50%, and more preferably 11.00%.
(N:0.100%以下)
Nは、母材の耐粒界腐食性(鋭敏化抑制作用)、及びフェライト系ステンレス鋼材の加工性などの特性に影響を与える元素である。Nの含有量が多すぎると、母材の耐粒界腐食性及びフェライト系ステンレス鋼材の加工性が低下してしまう。そのため、Nの含有量の上限値は、0.100%、好ましくは0.050%、より好ましくは0.030%である。一方、Nの含有量の下限値は、特に限定されないが、Nの含有量を少なくすることは精練コストの上昇につながる。そのため、Nの含有量の下限値は、好ましくは0.0005%、より好ましくは0.001%である。
(N: 0.100% or less)
N is an element that affects the intergranular corrosion resistance (sensitization suppression effect) of the base material and the workability of the ferritic stainless steel material. If the N content is too high, the intergranular corrosion resistance of the base material and the workability of the ferritic stainless steel material will decrease. Therefore, the upper limit of the N content is 0.100%, preferably 0.050%, and more preferably 0.030%. On the other hand, the lower limit of the N content is not particularly limited, but reducing the N content leads to an increase in refining costs. Therefore, the lower limit of the N content is preferably 0.0005%, and more preferably 0.001%.
(Cu:1.00%以下)
Cuは、母材の耐食性を向上させるのに有効な元素である。Cuの含有量が多すぎると、フェライト相が不安定化するとともに、製造コストも上昇する。そのため、Cuの含有量の上限値は、1.00%、好ましくは0.70%、より好ましくは0.30%である。一方、Cuの含有量の下限値は、特に限定されないが、好ましくは0.001%、より好ましくは0.01%である。
(Cu: 1.00% or less)
Cu is an element effective in improving the corrosion resistance of the base material. If the Cu content is too high, the ferrite phase becomes unstable and the manufacturing cost increases. Therefore, the upper limit of the Cu content is 1.00%, preferably 0.70%, and more preferably 0.30%. On the other hand, the lower limit of the Cu content is not particularly limited, but is preferably 0.001%, and more preferably 0.01%.
(Mo:1.00%以下)
Moは、母材の耐食性及び耐酸化性を向上させるのに有効な元素である。Moの含有量が多すぎると、フェライト系ステンレス鋼材の加工性が低下するとともに、製造コストが上昇する。そのため、Moの含有量の上限値は、1.00%、好ましくは0.80%、より好ましくは0.50%である。一方、Moの含有量の下限値は、特に限定されないが、好ましくは0.001%、より好ましくは0.005%である。
(Mo: 1.00% or less)
Mo is an element effective for improving the corrosion resistance and oxidation resistance of the base material. If the Mo content is too high, the workability of the ferritic stainless steel material decreases and the manufacturing cost increases. Therefore, the upper limit of the Mo content is 1.00%, preferably 0.80%, and more preferably 0.50%. On the other hand, the lower limit of the Mo content is not particularly limited, but is preferably 0.001%, and more preferably 0.005%.
(Si:3.00%以下)
Siは、母材の耐食性を向上させるのに有効な元素である。Siの含有量が多すぎると、フェライト系ステンレス鋼材の加工性及び溶接金属部の靭性が低下する。そのため、Siの含有量の上限値は、3.00%、好ましくは2.50%、より好ましくは2.00%である。一方、Siの含有量の下限値は、特に限定されないが、上記の効果を得る観点から、好ましくは0.01%、より好ましくは0.05%、更に好ましくは0.10%である。
(Si: 3.00% or less)
Si is an element effective in improving the corrosion resistance of the base metal. If the Si content is too high, the workability of the ferritic stainless steel material and the toughness of the weld metal part are reduced. Therefore, the upper limit of the Si content is 3.00%, preferably 2.50%, and more preferably 2.00%. On the other hand, the lower limit of the Si content is not particularly limited, but is preferably 0.01%, more preferably 0.05%, and even more preferably 0.10% from the viewpoint of obtaining the above-mentioned effects.
(Al:0.80~5.00%)
Alは、Siと同様に、母材の耐食性を向上させるのに有効な元素である。また、Alを用いることにより、Oの含有量を低減することができるため、介在物を微細に分散させることが可能となる。Alの含有量が多すぎると、母材の靭性が低下する。そのため、Alの含有量の上限値は、5.00%、好ましくは4.50%、より好ましくは4.00%である。一方、Alの含有量の下限値は、上記の効果を得る観点から、0.80%、好ましくは1.00%、より好ましくは1.20%である。
(Al: 0.80-5.00%)
Like Si, Al is an element effective in improving the corrosion resistance of the base material. In addition, the use of Al can reduce the content of O, making it possible to finely disperse inclusions. If the content of Al is too high, the toughness of the base material decreases. Therefore, the upper limit of the content of Al is 5.00%, preferably 4.50%, and more preferably 4.00%. On the other hand, the lower limit of the content of Al is 0.80%, preferably 1.00%, and more preferably 1.20%, from the viewpoint of obtaining the above-mentioned effects.
(Nb:0.50%以下、Ti:0.50%以下、Nb及びTiの合計含有量:6(C+N)以上)
Nb及びTiは、母材の耐粒界腐食性(鋭敏化抑制作用)などの特性に影響を与える元素である。
Nbの含有量が多すぎると、フェライト系ステンレス鋼材の加工性及び母材の靭性が低下する。そのため、Nbの含有量の上限値は、0.50%、好ましくは0.48%、より好ましくは0.45%である。
また、Tiの含有量が多すぎると、フェライト系ステンレス鋼材の加工性及び表面品質が低下する。そのため、Tiの含有量の上限値は、0.50%、好ましくは0.48%、より好ましくは0.45%である。
一方、Nb及びTiの合計含有量の下限値は、耐粒界腐食性を低下させるC及びNの含有量との関係から制御される。具体的には、Nb及びTiの合計含有量の下限値は、6(C+N)、好ましくは7(C+N)である。ここで、C及びNは、C及びNの含有量をそれぞれ表す。
(Nb: 0.50% or less, Ti: 0.50% or less, total content of Nb and Ti: 6(C+N) or more)
Nb and Ti are elements that affect the properties of the base material, such as intergranular corrosion resistance (sensitization suppression effect).
If the Nb content is too high, the workability of the ferritic stainless steel material and the toughness of the base metal are reduced, so the upper limit of the Nb content is 0.50%, preferably 0.48%, and more preferably 0.45%.
Moreover, if the Ti content is too high, the workability and surface quality of the ferritic stainless steel material deteriorates, so the upper limit of the Ti content is 0.50%, preferably 0.48%, and more preferably 0.45%.
On the other hand, the lower limit of the total content of Nb and Ti is controlled based on the relationship with the contents of C and N, which reduce intergranular corrosion resistance. Specifically, the lower limit of the total content of Nb and Ti is 6 (C+N), preferably 7 (C+N), where C and N represent the contents of C and N, respectively.
(Mg及び/又はCa:0.0100%以下)
Mg及びCaは、Alと同様に酸化し易い元素である。また、Mg及びCaの酸化物は、Alの酸化物(Al2O3)と凝集するため、介在物が粗大化することによって靭性を低下させる原因となる。そのため、Mg及び/又はCaの含有量(Mg及びCaの合計含有量)の上限値は、0.0100%、好ましくは0.0090%、より好ましくは0.0080%である。一方、Mg及び/又はCaの含有量(Mg及びCaの合計含有量)の下限値は、少ないほどよいため特に限定されないが、例えば0.0001%である。
なお、Mgの含有量は、Mg及びCaの合計含有量が上記範囲を満たせば特に限定されないが、例えば0.0030%以下、0.0025%以下、0.0020%以下又は0.0015%以下である。また、Caの含有量も、Mg及びCaの合計含有量が上記範囲を満たせば特に限定されないが、例えば0.0070%以下、0.0065%以下、0.0060%以下又は0.0055%以下である。
(Mg and / or Ca: 0.0100% or less)
Mg and Ca are elements that are easily oxidized, similar to Al. In addition, the oxides of Mg and Ca aggregate with the oxide of Al (Al 2 O 3 ), causing the inclusions to become coarse, thereby reducing the toughness. Therefore, the upper limit of the content of Mg and/or Ca (the total content of Mg and Ca) is 0.0100%, preferably 0.0090%, and more preferably 0.0080%. On the other hand, the lower limit of the content of Mg and/or Ca (the total content of Mg and Ca) is not particularly limited because the lower the better, but is, for example, 0.0001%.
The Mg content is not particularly limited as long as the total content of Mg and Ca satisfies the above range, and may be, for example, 0.0030% or less, 0.0025% or less, 0.0020% or less, or 0.0015% or less. The Ca content is also not particularly limited as long as the total content of Mg and Ca satisfies the above range, and may be, for example, 0.0070% or less, 0.0065% or less, 0.0060% or less, or 0.0055% or less.
(Zr:1.00%以下、Co:1.00%以下、V:1.00%以下、W:1.00%以下)
Zr、Co、V及びWは、母材の耐酸化性を向上させるのに有効な元素である。Zr、Co、V及びWの含有量が多すぎると、フェライト系ステンレス鋼材の加工性及び母材の靭性が低下するとともに、製造コストの上昇につながる。そのため、Zr、Co、V及びWの含有量の上限値はいずれも、1.00%、好ましくは0.80%、より好ましくは0.60%である。一方、Zr、Co、V及びWの含有量の下限値はいずれも、特に限定されないが、好ましくは0.001%、より好ましくは0.01%である。
(Zr: 1.00% or less, Co: 1.00% or less, V: 1.00% or less, W: 1.00% or less)
Zr, Co, V and W are elements effective for improving the oxidation resistance of the base material. If the content of Zr, Co, V and W is too high, the workability of the ferritic stainless steel material and the toughness of the base material decrease, and the manufacturing cost increases. Therefore, the upper limit of the content of Zr, Co, V and W is 1.00%, preferably 0.80%, more preferably 0.60%. On the other hand, the lower limit of the content of Zr, Co, V and W is not particularly limited, but is preferably 0.001%, more preferably 0.01%.
(REM:0.10%以下)
REM(希土類元素)は、母材の耐酸化性を向上させるのに有効な元素である。REMの含有量が多すぎると、フェライト系ステンレス鋼材の製造コストの上昇につながる。そのため、REMの含有量の上限値は、0.10%、好ましくは0.08%、より好ましくは0.05%である。一方、REMの含有量の下限値は、特に限定されないが、好ましくは0.0001%、より好ましくは0.003%である。
なお、REMは、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)の2元素と、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。これらは単独で用いてもよいし、混合物として用いてもよい。
(REM: 0.10% or less)
REM (rare earth elements ) are effective elements for improving the oxidation resistance of the base material. If the content of REM is too high, it leads to an increase in the manufacturing cost of the ferritic stainless steel material. Therefore, the upper limit of the content of REM is 0.10%, preferably 0.08%, and more preferably 0.05%. On the other hand, the lower limit of the content of REM is not particularly limited , but is preferably 0.0001%, and more preferably 0.003%.
REM is a collective term for two elements, scandium (Sc) and yttrium (Y), and 15 elements (lanthanoids) from lanthanum (La) to lutetium (Lu). These may be used alone or as a mixture.
(Sn:0.10%以下)
Snは、母材の耐食性を向上させるのに有効な元素である。Snの含有量が多すぎると、Snが偏析し、製造性が低下する。そのため、Snの含有量の上限値は、0.10%、好ましくは0.08%、より好ましくは0.05%である。一方、Snの含有量の下限値は、特に限定されないが、好ましくは0.001%、より好ましくは0.005%である。
(Sn: 0.10% or less)
Sn is an element effective for improving the corrosion resistance of the base material. If the Sn content is too high, Sn segregates and the manufacturability decreases. Therefore, the upper limit of the Sn content is 0.10%, preferably 0.08%, and more preferably 0.05%. On the other hand, the lower limit of the Sn content is not particularly limited, but is preferably 0.001%, and more preferably 0.005%.
(B:0.0100%以下)
Bは、フェライト系ステンレス鋼材の二次加工性を向上させるのに有効な元素である。Bの含有量が多すぎると、フェライト系ステンレス鋼材の疲労強度が低下する。そのため、Bの含有量の上限値は、0.0100%、好ましくは0.0080%、より好ましくは0.0050%である。一方、Bの含有量の下限値は、特に限定されないが、好ましくは0.0001%、より好ましくは0.0005%である。
(B: 0.0100% or less)
B is an element effective for improving the secondary workability of ferritic stainless steel materials. If the B content is too high, the fatigue strength of the ferritic stainless steel material decreases. Therefore, the upper limit of the B content is 0.0100%, preferably 0.0080%, and more preferably 0.0050%. On the other hand, the lower limit of the B content is not particularly limited, but is preferably 0.0001%, and more preferably 0.0005%.
母材は、1~10μmの直径を有する介在物の個数密度が10.0個/mm2以上、好ましくは15.0個/mm2以上、より好ましくは20.0個/mm2以上である。このような大きさの介在物の個数密度を制御することにより、溶接時の凝固過程において、この介在物が結晶生成核となり、溶接金属部の結晶粒の微細化に寄与する。そのため、溶接金属部の靭性を向上させることができる。一方、この介在物の個数密度の上限値は、特に限定されないが、好ましくは100.0個/mm2、より好ましくは80.0個/mm2、更に好ましくは50.0個/mm2である。
なお、本明細書において介在物とは、Al、Ca、Tiなどの元素の酸化物を主に意味する。また、本明細書において介在物の個数密度とは、後述する実施例に記載された方法で測定されたものを意味する。
The base metal has a number density of inclusions having a diameter of 1 to 10 μm of 10.0 pieces/ mm2 or more, preferably 15.0 pieces/ mm2 or more, and more preferably 20.0 pieces/ mm2 or more. By controlling the number density of inclusions of such a size, these inclusions become crystal formation nuclei during the solidification process during welding, contributing to the refinement of crystal grains in the weld metal part. Therefore, the toughness of the weld metal part can be improved. On the other hand, the upper limit of the number density of these inclusions is not particularly limited, but is preferably 100.0 pieces/ mm2 , more preferably 80.0 pieces/ mm2 , and even more preferably 50.0 pieces/ mm2 .
In this specification, the term "inclusions" refers mainly to oxides of elements such as Al, Ca, Ti, etc. Furthermore, in this specification, the number density of inclusions refers to that measured by the method described in the examples described later.
母材は、10μm超過の直径を有する介在物の個数密度が1.0個/mm2以下、好ましくは0.9個/mm2以下、より好ましくは0.8個/mm2以下である。このような大きさの介在物の個数密度を制御することにより、溶接金属部に粗大な介在物が生成することを抑制することができる。粗大な介在物は、破断の伝搬を助長し、靭性を低下させるため、当該介在物の個数密度を制御することにより、溶接金属部の靭性を向上させることができる。 The base metal has a number density of inclusions having a diameter exceeding 10 μm of 1.0 pieces/ mm2 or less, preferably 0.9 pieces/mm2 or less , and more preferably 0.8 pieces/ mm2 or less. By controlling the number density of inclusions of such a size, it is possible to suppress the formation of coarse inclusions in the weld metal part. Since coarse inclusions promote the propagation of fracture and reduce toughness, it is possible to improve the toughness of the weld metal part by controlling the number density of the inclusions.
母材は、C及びNの合計固溶量が0.015%以下、好ましくは0.014%以下、より好ましくは0.012%以下である。C及びNの合計固溶量を上記の範囲に制御することにより、高温環境下において固溶したC及びNがCrと結合してCr炭窒化物が析出することを抑制することができる。したがって、高温環境下における溶接金属部の靭性を向上させるとともに、鋭敏化を抑制することができる。一方、C及びNの合計固溶量の下限値は、特に限定されないが、典型的に0.0001%、好ましくは0.0005%、より好ましくは0.001%である。
なお、本明細書においてC及びNの合計固溶量とは、後述の実施例に記載された方法で算出されたものを意味する。また、C及びNの固溶量を個別に算出することは難しいため、本発明では、C及びNの合計固溶量を便宜的に算出している点に留意すべきである。
The total amount of solute C and N in the base metal is 0.015% or less, preferably 0.014% or less, and more preferably 0.012% or less. By controlling the total amount of solute C and N within the above range, it is possible to suppress the precipitation of Cr carbonitrides by the solid solution of C and N bonding with Cr in a high-temperature environment. Therefore, it is possible to improve the toughness of the weld metal part in a high-temperature environment and suppress sensitization. On the other hand, the lower limit of the total amount of solute C and N is not particularly limited, but is typically 0.0001%, preferably 0.0005%, and more preferably 0.001%.
In this specification, the total amount of dissolved C and N means the amount calculated by the method described in the Examples below. It should be noted that since it is difficult to calculate the amounts of dissolved C and N individually, the total amount of dissolved C and N is calculated for convenience in the present invention.
溶接金属部におけるC及びNの合計固溶量は、母材におけるC及びNの合計固溶量と同程度であることが望ましい。しかしながら、溶接金属部におけるC及びNの合計固溶量は、レーザー溶接を用いてフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体を作製すると、溶接金属部の面積が非常に小さいため、測定することが難しい。そこで、溶接金属部におけるC及びNの合計固溶量を表す指標としてビッカース硬度を用いる。
本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体は、母材のビッカース硬度と溶接金属部のビッカース硬度との差が、50HV以下、好ましくは45HV以下、より好ましくは40HV以下である。ビッカース硬度の差がこのような範囲であれば、溶接金属部におけるC及びNの合計固溶量が、母材におけるC及びNの合計固溶量と同程度であるといえるため、溶接金属部の靭性を向上させることができる。
なお、本明細書においてビッカース硬度とは、後述の実施例に記載された方法で測定されたものを意味する。
It is desirable that the total amount of dissolved C and N in the weld metal is approximately the same as the total amount of dissolved C and N in the base metal. However, when a ferritic stainless steel laser-welded structure is produced using laser welding, it is difficult to measure the total amount of dissolved C and N in the weld metal because the area of the weld metal is very small. Therefore, Vickers hardness is used as an index representing the total amount of dissolved C and N in the weld metal.
In the ferritic stainless steel laser-welded structure according to the embodiment of the present invention, the difference between the Vickers hardness of the base material and the Vickers hardness of the weld metal part is 50 HV or less, preferably 45 HV or less, and more preferably 40 HV or less. If the difference in Vickers hardness is within this range, it can be said that the total amount of solute C and N in the weld metal part is approximately the same as the total amount of solute C and N in the base material, and therefore the toughness of the weld metal part can be improved.
In this specification, the Vickers hardness means a value measured by the method described in the Examples section below.
溶接金属部は、平均結晶粒径が200μm以下、好ましくは180μm以下、より好ましくは150μm以下である。このような範囲に平均結晶粒径を制御することにより、溶接金属部の靭性を向上させることができる。
なお、本明細書において平均結晶粒径とは、後述の実施例に記載された方法で測定されたものを意味する。
The weld metal part has an average crystal grain size of 200 μm or less, preferably 180 μm or less, and more preferably 150 μm or less. By controlling the average crystal grain size within such a range, the toughness of the weld metal part can be improved.
In this specification, the average crystal grain size means one measured by the method described in the Examples section below.
一般的に、Alを含むフェライト系ステンレス鋼材を用いて製造されたフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体は、溶接金属部における鋭敏化を抑制するために、溶接後に熱処理を行うことで、TiやNbの炭窒化物を析出させ、C及びNの固溶量を低減することが必要となる。しかしながら、熱処理は、炉温や冷却速度の詳細な制御が必要であるため、製造コストが増加する。また、熱処理時に変形が生じることがあるとともに、サイズが大きくなると熱処理を実施すること自体も難しい。
これに対して本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体は、溶接後に熱処理を行わなくても、溶接金属部における鋭敏化を抑制することができる。
溶接後に熱処理を行わない本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体は、Al:30%未満を含む酸化皮膜を表面(母材、熱影響部及び溶接金属部の表面)に備える。酸化皮膜におけるAlの含有量は、好ましくは20%以下、より好ましくは10%以下、更に好ましくは5%以下である。なお、Alの含有量の下限値は、特に限定されないが、例えば0.1%である。
ここで、本明細書において酸化皮膜中のAlの含有量は、後述する実施例に記載された方法で測定されたものを意味する。
In general, in order to suppress sensitization in the weld metal part of a ferritic stainless steel laser-welded structure manufactured using a ferritic stainless steel material containing Al, it is necessary to perform heat treatment after welding to precipitate carbonitrides of Ti and Nb and reduce the amount of solid solution of C and N. However, the heat treatment requires detailed control of the furnace temperature and cooling rate, which increases the manufacturing cost. In addition, deformation may occur during the heat treatment, and it is difficult to perform the heat treatment itself when the size is large.
In contrast, in the ferritic stainless steel laser-welded structure according to the embodiment of the present invention, sensitization in the weld metal portion can be suppressed even without heat treatment after welding.
A ferritic stainless steel laser-welded structure according to an embodiment of the present invention, which is not subjected to heat treatment after welding, has an oxide film containing less than 30% Al on its surface (the surface of the base material, heat-affected zone, and welded metal part). The Al content in the oxide film is preferably 20% or less, more preferably 10% or less, and even more preferably 5% or less. The lower limit of the Al content is not particularly limited, but is, for example, 0.1%.
In this specification, the Al content in the oxide film means that which is measured by the method described in the examples described later.
ただし、発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体は、溶接後に熱処理を行ってもよい。溶接後に熱処理を行う本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体は、Al:30%以上を含む酸化皮膜を表面に備える。このような酸化皮膜を表面に設けることにより、耐高温酸化性を向上させることができる。酸化皮膜におけるAlの含有量は、耐高温酸化性を安定して高める観点から、好ましくは32%以上、より好ましくは35%以上である。一方、Alの含有量の上限値は、特に限定されないが、例えば90%、好ましくは80%である。 However, the ferritic stainless steel laser welded structure according to the embodiment of the invention may be heat treated after welding. The ferritic stainless steel laser welded structure according to the embodiment of the present invention, which is heat treated after welding, has an oxide film containing 30% or more Al on the surface. By providing such an oxide film on the surface, high-temperature oxidation resistance can be improved. From the viewpoint of stably increasing high-temperature oxidation resistance, the Al content in the oxide film is preferably 32% or more, more preferably 35% or more. On the other hand, the upper limit of the Al content is not particularly limited, but is, for example, 90%, preferably 80%.
本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体は、上記の組成を有するフェライト系ステンレス鋼材を母材として用い、所定の照射エネルギーにてレーザー溶接を行うことによって製造することができる。 The ferritic stainless steel laser welded structure according to the embodiment of the present invention can be manufactured by using a ferritic stainless steel material having the above composition as the base material and performing laser welding with a specified irradiation energy.
上記の組成を有するフェライト系ステンレス鋼材は、常法によって製造することができる。具体的には、まず、上記の組成を有するフェライト系ステンレス鋼を溶製して鍛造又は鋳造した後、熱間圧延を行って熱延材を得る。次に、熱延材に対して焼鈍、酸洗、冷間圧延を順次行って冷延材を得る。次に、冷延材に対して焼鈍及び酸洗を順次行って冷延焼鈍材を得る。なお、各工程における条件については、ステンレス鋼の組成などに応じて適宜調整すればよく、特に限定されない。このような方法で作製される熱延材、冷延材又は冷延焼鈍材をフェライト系ステンレス鋼材として用いることができる。これらの中でもフェライト系ステンレス鋼材は冷延焼鈍材であることが好ましい。また、熱延材、冷延材又は冷延焼鈍材は、所定の部材形状に成形加工を行ってもよい。成形加工としては、金型を用いた各種プレス加工、曲げ加工などの機械加工などが挙げられる。
なお、各工程における条件については、フェライト系ステンレス鋼材の組成に応じて適宜調整すればよく、特に限定されない。
また、フェライト系ステンレス鋼材の厚みは、特に限定されないが、好ましくは0.1~4.0mm、より好ましくは0.3~3.5mm、更に好ましくは0.5~3.0mmである。
The ferritic stainless steel material having the above composition can be manufactured by a conventional method. Specifically, first, the ferritic stainless steel having the above composition is melted and forged or cast, and then hot-rolled to obtain a hot-rolled material. Next, the hot-rolled material is annealed, pickled, and cold-rolled in sequence to obtain a cold-rolled material. Next, the cold-rolled material is annealed and pickled in sequence to obtain a cold-rolled annealed material. The conditions in each step are not particularly limited and may be appropriately adjusted according to the composition of the stainless steel. The hot-rolled material, cold-rolled material, or cold-rolled annealed material manufactured by such a method can be used as the ferritic stainless steel material. Among these, the ferritic stainless steel material is preferably a cold-rolled annealed material. In addition, the hot-rolled material, cold-rolled material, or cold-rolled annealed material may be formed into a predetermined member shape. Examples of the forming process include various press processes using a mold, mechanical processes such as bending, and the like.
The conditions in each step may be appropriately adjusted depending on the composition of the ferritic stainless steel material, and are not particularly limited.
The thickness of the ferritic stainless steel material is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 4.0 mm, more preferably 0.3 to 3.5 mm, and even more preferably 0.5 to 3.0 mm.
フェライト系ステンレス鋼材は、熱伝導率が高く、TIG溶接などのアーク溶接を用いると、入熱量が過剰となり易い。その結果、溶接時にTiやNbの炭窒化物が固溶してC及びNの固溶量が増大し、鋭敏化によって耐熱性が低下してしまう。
また従来、結晶粒の粗大化を抑制する方法として、溶接後の凝固時に結晶粒の生成核となる酸化物を予め分散させるために、アーク溶接のフラックスにTiO2を添加して溶接金属部における結晶粒を微細化する方法が知られている。しかしながら、TiO2は直径10μm以上となる場合が多く、フェライト系ステンレス鋼材に介在物として含まれると表面疵の原因となることが知られている。そのため、TiO2を意図的に析出させることは好ましくない。特に、靭性の低いAlを含有するフェライト系ステンレス鋼材を用いて形成されるフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体の溶接金属部においては、このような粗大な介在物が割れ伝搬の起点となり、靭性を低下させることとなる。
そこで、上記の問題を回避するために、本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体の製造においては、入熱量を制御し易いレーザー溶接を用いて溶接が行われる。
Ferritic stainless steel has a high thermal conductivity, and when arc welding such as TIG welding is used, the heat input is likely to be excessive. As a result, carbonitrides of Ti and Nb are dissolved during welding, increasing the amounts of C and N dissolved, and the heat resistance is reduced due to sensitization.
In addition, as a method for suppressing the coarsening of crystal grains, a method is known in which TiO2 is added to the flux of arc welding to refine the crystal grains in the weld metal part in order to disperse oxides that become the nuclei of crystal grains during solidification after welding. However, TiO2 often has a diameter of 10 μm or more, and it is known that when it is contained as an inclusion in a ferritic stainless steel material, it causes surface defects. Therefore, it is not preferable to intentionally precipitate TiO2 . In particular, in the weld metal part of a ferritic stainless steel laser welded structure formed using a ferritic stainless steel material containing Al with low toughness, such coarse inclusions become the starting point of crack propagation and reduce toughness.
Therefore, in order to avoid the above problems, in the manufacture of a ferritic stainless steel laser-welded structure according to an embodiment of the present invention, welding is performed using laser welding, which makes it easy to control the amount of heat input.
レーザー溶接は、フェライト系ステンレス鋼材の厚みに対する照射エネルギーが10.0~40.0kJ/mm 3 、好ましくは10.0~38.0kJ/mm 3 、より好ましくは10.0~35.0kJ/mm 3 の条件で行われる。このような範囲の照射エネルギーにてレーザー溶接を行うことにより、TiやNbの固溶によるC及びNの固溶量の増加、並びに介在物の粗大化を抑制することができる。その結果、フェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体の耐熱性及び靭性の両方を向上させることが可能となる。 Laser welding is performed under conditions where the irradiation energy relative to the thickness of the ferritic stainless steel material is 10.0 to 40.0 kJ/mm 3 , preferably 10.0 to 38.0 kJ/mm 3 , and more preferably 10.0 to 35.0 kJ/mm 3 . By performing laser welding with irradiation energy in this range, it is possible to suppress an increase in the amount of solid solution of C and N due to solid solution of Ti and Nb, and coarsening of inclusions. As a result, it is possible to improve both the heat resistance and toughness of a ferritic stainless steel laser-welded structure.
レーザー溶接において、フェライト系ステンレス鋼材の厚みに対する照射エネルギーは、例えば、レーザーの出力[kW]、焦点径[mm]、走査速度[m/分]を制御することによって制御することができる。具体的には、フェライト系ステンレス鋼材の厚みに対する照射エネルギー[kJ/mm 3 ]は、以下の式(1)によって求めることができる。
フェライト系ステンレス鋼材の厚みに対する照射エネルギー[kJ/mm 3 ]=照射エネルギー[kJ/mm2]/フェライト系ステンレス鋼材の厚み[mm] ・・・(1)
式(1)中、照射エネルギー[kJ/mm2]は、以下の式(2)によって求めることができる。
照射エネルギー[kJ/mm2]=出力密度[kW/mm2]×照射時間[秒] ・・・(2)
式(2)中、出力密度[kW/mm2]は、以下の式(3)によって求めることができる。
出力密度[kW/mm2]=出力[kW]/((焦点径[mm]/2)2×3.14) ・・・(3)
式(2)中、照射時間[秒]は、以下の式(4)によって求めることができる。
照射時間[秒]=焦点径[mm]/(走査速度[m/分]×1000/60) ・・・(4)
In laser welding, the irradiation energy relative to the thickness of the ferritic stainless steel material can be controlled by, for example, controlling the laser output [kW], the focal diameter [mm], and the scanning speed [m/min]. Specifically, the irradiation energy relative to the thickness of the ferritic stainless steel material [kJ/ mm3 ] can be calculated by the following formula (1).
Irradiation energy relative to thickness of ferritic stainless steel material [kJ/mm 3 ]=irradiation energy [kJ/mm 2 ]/thickness of ferritic stainless steel material [mm] (1)
In formula (1), the irradiation energy [kJ/mm 2 ] can be calculated by the following formula (2).
Irradiation energy [kJ/mm 2 ]=power density [kW/mm 2 ]×irradiation time [seconds] (2)
In formula (2), the power density [kW/mm 2 ] can be calculated by the following formula (3).
Output density [kW/mm 2 ] = Output [kW] / ((focal diameter [mm] / 2) 2 × 3.14) ... (3)
In formula (2), the irradiation time [seconds] can be calculated by the following formula (4).
Irradiation time [sec] = focal diameter [mm] / (scanning speed [m/min] × 1000/60) ... (4)
厚みの異なるフェライト系ステンレス鋼材をレーザー溶接する場合、厚みが小さいものを基準にして照射エネルギーを制御する。また、レーザー溶接は、複数のフェライト系ステンレス鋼材同士を溶接してもよいし、フェライト系ステンレス鋼材を他の材質の金属材に溶接してもよい。
レーザー溶接に用いられるレーザーとしては、特に限定されず、CO2レーザー、YAGレーザー、半導体レーザーなどの公知のものを用いることができる。
When laser welding ferritic stainless steel materials of different thicknesses, the irradiation energy is controlled based on the thinner one. Laser welding may be used to weld multiple ferritic stainless steel materials together, or to weld ferritic stainless steel materials to metal materials of other materials.
The laser used for laser welding is not particularly limited, and known lasers such as CO2 laser, YAG laser, and semiconductor laser can be used.
本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体は、レーザー溶接後に熱処理を行わなくても、溶接金属部における鋭敏化を抑制することができる。そのため、レーザー溶接後に熱処理を行わなくてもよい。
しかしながら、本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体の耐熱性を向上させるために、レーザー溶接後に熱処理を行ってもよい。
熱処理の条件は、特に限定されないが、2×10-5Pa以上の酸素分圧下、1000℃以上の温度域でフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体を1分以上加熱することが好ましい。なお、熱処理雰囲気中の酸素以外の気体は、特に限定されず、水素、アルゴンなどを用いることができる。また、熱処理は、例えば、加熱炉を用いて行うことができる。加熱炉の形態は、バッチ式であっても連続式であっても構わない。
また、熱処理後、900~750℃の温度域で5分以上保持されるようにして冷却することが好ましい。900~750℃の温度域で5分以上保持するためには、例えば、900~750℃の温度域での冷却速度を30℃/分以下とすればよい。また、900~750℃の温度域の任意の一定温度で5分以上保持した後、30℃/分を超える冷却速度で750℃未満の温度域まで冷却してもよい。
In the ferritic stainless steel laser-welded structure according to the embodiment of the present invention, sensitization in the weld metal part can be suppressed even without performing heat treatment after laser welding. Therefore, it is not necessary to perform heat treatment after laser welding.
However, in order to improve the heat resistance of the ferritic stainless steel laser-welded structure according to the embodiment of the present invention, a heat treatment may be performed after the laser welding.
The conditions for the heat treatment are not particularly limited, but it is preferable to heat the ferritic stainless steel laser-welded structure for 1 minute or more at an oxygen partial pressure of 2×10 −5 Pa or more and at a temperature range of 1000° C. or more. The gas other than oxygen in the heat treatment atmosphere is not particularly limited, and hydrogen, argon, etc. can be used. The heat treatment can be performed using, for example, a heating furnace. The type of the heating furnace may be a batch type or a continuous type.
After the heat treatment, it is preferable to cool the material by holding the material in the temperature range of 900 to 750° C. for 5 minutes or more. In order to hold the material in the temperature range of 900 to 750° C. for 5 minutes or more, for example, the cooling rate in the temperature range of 900 to 750° C. may be set to 30° C./min or less. Alternatively, the material may be held at any constant temperature in the temperature range of 900 to 750° C. for 5 minutes or more, and then cooled to a temperature range of less than 750° C. at a cooling rate exceeding 30° C./min.
本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体は、耐熱性及び靭性(特に、溶接金属部の耐熱性及び靭性)に優れているため、これらの特性が要求される各種用途で用いることができる。用途の例としては、自動車の排気系部品、プラント、家庭用エネルギー機器などに用いられる熱交換器を含む排熱回収装置が挙げられる。 The ferritic stainless steel laser welded structure according to the embodiment of the present invention has excellent heat resistance and toughness (particularly the heat resistance and toughness of the weld metal part), and can be used in various applications where these properties are required. Examples of applications include exhaust heat recovery devices including heat exchangers used in automobile exhaust system parts, plants, household energy equipment, etc.
本発明の実施形態に係る排熱回収装置は、上記のフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体を備える。このような特徴を有する本発明の実施形態に係る排熱回収装置は、耐熱性及び靭性(特に、溶接金属部の耐熱性及び靭性)に優れたフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体を備えているため、その性能を向上させることができる。 The exhaust heat recovery device according to the embodiment of the present invention is equipped with the above-mentioned ferritic stainless steel laser welded structure. The exhaust heat recovery device according to the embodiment of the present invention, which has such characteristics, is equipped with a ferritic stainless steel laser welded structure that has excellent heat resistance and toughness (particularly the heat resistance and toughness of the welded metal part), and therefore its performance can be improved.
以下に、実施例を挙げて本発明の内容を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定して解釈されるものではない。 The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention should not be construed as being limited to these.
<フェライト系ステンレス鋼板(母材)の作製>
表1に示す組成(残部はFe及び不純物である)を有するフェライト系ステンレス鋼を溶製し、熱間圧延して厚さ3.0mmの熱延板を得た後、熱延板を1050℃で焼鈍して酸洗することによって熱延焼鈍板を得た。次に、熱延焼鈍板を冷間圧延して厚さ0.6~2.0mmの冷延板を得た後、冷延板を1000℃で仕上焼鈍して酸洗することによって冷延焼鈍板を得た。次に、冷延焼鈍板から幅方向50mm×圧延方向500mmの試験片(母材試験片)を切削によって切り出した。
<Preparation of ferritic stainless steel plate (base material)>
A ferritic stainless steel having the composition shown in Table 1 (the balance being Fe and impurities) was melted and hot rolled to obtain a hot rolled sheet having a thickness of 3.0 mm, which was then annealed at 1050°C and pickled to obtain a hot rolled annealed sheet. Next, the hot rolled annealed sheet was cold rolled to obtain a cold rolled sheet having a thickness of 0.6 to 2.0 mm, which was then finish annealed at 1000°C and pickled to obtain a cold rolled annealed sheet. Next, a test piece (base metal test piece) having a width direction of 50 mm and a rolling direction of 500 mm was cut out from the cold rolled annealed sheet by cutting.
<フェライト系ステンレス鋼溶接構造体の作製>
上記の母材試験片を2枚用い、両者を突き合わせてレーザー溶接又はTIG溶接を行った。レーザー溶接ではCО2レーザーを用い、その条件は表2に示す通りとした。また、TIG溶接では、溶接幅を3.2mm、出力を90A、溶接速度を0.5m/分とした。
一部の実施例については、レーザー溶接後に熱処理を行った。熱処理は、溶接構造体を真空炉に入れ、加熱温度1025℃、加熱時間5分、酸素分圧5×10-4Paとして行った後、900~750℃の温度域での冷却速度を5℃/分として冷却した。なお、酸素分圧は、真空炉内の圧力を変えることによって制御した。また、冷却速度は、真空炉内への冷却用窒素ガスの導入量によって制御した。
<Fabrication of Ferritic Stainless Steel Welded Structure>
Two of the above-mentioned base metal test pieces were used, and the two were butted together and laser welding or TIG welding was performed. A CO2 laser was used for laser welding under the conditions shown in Table 2. For TIG welding, the welding width was 3.2 mm, the output was 90 A, and the welding speed was 0.5 m/min.
In some examples, heat treatment was performed after laser welding. The heat treatment was performed by placing the welded structure in a vacuum furnace, heating it at 1025°C for 5 minutes, and setting the oxygen partial pressure at 5x10-4 Pa, and then cooling it at a cooling rate of 5°C/min in the temperature range of 900-750°C. The oxygen partial pressure was controlled by changing the pressure in the vacuum furnace. The cooling rate was controlled by the amount of cooling nitrogen gas introduced into the vacuum furnace.
上記のようにして得られたフェライト系ステンレス鋼溶接構造体について以下の評価を行った。 The ferritic stainless steel welded structure obtained as described above was evaluated as follows.
<母材の介在物の個数密度>
上記の母材試験片の表面から15μm(100μm以内の任意)の深さの位置が観察位置となるように表面を鏡面研磨し、フッ硝酸でエッチングを実施して、結晶粒界及び介在物を現出させた。次に、FE-SEM(株式会社日立ハイテク製SU-5000)を用いて15mm×15mmの範囲を撮影し、画像解析を行うことにより、1~10μmの直径を有する介在物、及び10μm超過の直径を有する介在物の個数をそれぞれ求めた。なお、介在物の直径は(長辺×短辺)1/2とした。そして、各介在物の数を観察視野で除することにより、各介在物の個数密度を算出した。
<Number density of inclusions in base material>
The surface of the above-mentioned base metal test piece was mirror-polished so that the observation position was a depth of 15 μm (any depth within 100 μm) from the surface, and etching was performed with fluoronitric acid to reveal the grain boundaries and inclusions. Next, an FE-SEM (SU-5000 manufactured by Hitachi High-Tech Corporation) was used to photograph an area of 15 mm × 15 mm, and image analysis was performed to determine the number of inclusions having a diameter of 1 to 10 μm and inclusions having a diameter of more than 10 μm. The diameter of the inclusions was set to 1/2 (long side × short side). The number of each inclusion was then divided by the observation field to calculate the number density of each inclusion.
<母材におけるC及びNの合計固溶量>
まず、Ti及びNbの炭窒化物の生成量を以下の手順によって測定した。
上記の母材試験片から50mm×50mmの測定用試験片を切り出した後、測定用試験片の全面に#600湿式研磨を施した。この測定用試験片を、SPEED法を用いて電解エッチングした。電解エッチングは、10%のアセチルアセトン溶液中、400mVで電気量が5000クーロンになるまで定電位電解を行い、電解後の溶液を格子径0.05μmのフィルターでろ過して炭窒化物を採取した。そして、質量測定によって溶解量及び採取炭窒化物量を求めた。
次に、採取した炭窒化物について、X線回折(XRD)分析を行った。XRD分析では、XRDプロファイルからTi炭窒化物及びNb炭窒化物それぞれのピーク強度の和を求めた。以下、Ti炭窒化物のピーク強度の和を「Ti炭窒化物ピーク強度」、Nb炭窒化物のピーク強度の和を「Nb炭窒化物ピーク強度」という。なお、計算に用いた各炭窒化物のピーク位置(回折角度2θ)は、以下の通りである。
Ti炭窒化物~TiC:48.838°、TiN:49.895°
Nb炭窒化物~NbC:40.557°、NbN:41.307°
次に、Ti炭窒化物及びNb炭窒化物の形成に使用されたC及びNの消費量(以下、「消費C+N量」という)を以下の式によって算出した。
消費C+N量[質量%]=採取炭窒化物量[g]×(0.21×Ti炭窒化物ピーク強度+0.12×Nb炭窒化物ピーク強度)/(Ti炭窒化物ピーク強度+Nb炭窒化物ピーク強度)/溶解量[g]×100
次に、C及びNの合計含有量[質量%]から消費C+N量[質量%]を引くことによってC及びNの合計固溶量[質量%]を算出した。
<Total amount of C and N dissolved in base material>
First, the amounts of Ti and Nb carbonitrides formed were measured by the following procedure.
A 50 mm x 50 mm test specimen was cut out from the above base material test specimen, and the entire surface of the test specimen was subjected to #600 wet polishing. The test specimen was electrolytically etched using the SPEED method. The electrolytic etching was performed in a 10% acetylacetone solution at 400 mV with constant potential electrolysis until the amount of electricity reached 5000 coulombs, and the solution after electrolysis was filtered through a filter with a lattice diameter of 0.05 μm to collect carbonitrides. The amount of dissolved carbonitrides and the amount of collected carbonitrides were then determined by mass measurement.
Next, the collected carbonitrides were subjected to X-ray diffraction (XRD) analysis. In the XRD analysis, the sum of the peak intensities of the Ti carbonitrides and the Nb carbonitrides was calculated from the XRD profile. Hereinafter, the sum of the peak intensities of the Ti carbonitrides is referred to as the "Ti carbonitride peak intensity", and the sum of the peak intensities of the Nb carbonitrides is referred to as the "Nb carbonitride peak intensity". The peak positions (diffraction angles 2θ) of each carbonitride used in the calculation are as follows:
Ti carbonitride ~ TiC: 48.838°, TiN: 49.895°
Nb carbonitride ~ NbC: 40.557°, NbN: 41.307°
Next, the amounts of C and N consumed in forming Ti carbonitrides and Nb carbonitrides (hereinafter referred to as "consumed C+N amount") were calculated by the following formula.
Amount of C+N consumed [mass %]=amount of collected carbonitride [g]×(0.21×peak intensity of Ti carbonitride+0.12×peak intensity of Nb carbonitride)/(peak intensity of Ti carbonitride+peak intensity of Nb carbonitride)/amount dissolved [g]×100
Next, the total amount of C and N in solid solution [mass %] was calculated by subtracting the consumed C+N amount [mass %] from the total content of C and N [mass %].
<溶接金属部の平均結晶粒径>
上記のフェライト系ステンレス鋼溶接構造体から溶接部が幅方向中央部となるようにして圧延方向10mm×幅方向20mmのサンプルを切削によって切り出した。次に、溶接方向と直交する方向が観察面となるように樹脂埋めを施した。次に、樹脂埋めを行った測定用試験片を湿式研磨によって鏡面処理した後、フッ硝酸でエッチングして現出させた金属組織を光学顕微鏡で観察した。光学顕微鏡による観察は、JIS G0551:2013に準じ、50倍の光学顕微鏡画像上の任意の位置に直線を引き、直線と結晶粒界との交点の数を計測し、平均切片長さを結晶粒径とした。結晶粒径の測定は、複数の視野で20本以上の直線を引いて計測することにより行った。この計測を任意の5視野で行い、それらの平均値を平均結晶粒径とした。
<Average grain size of weld metal>
From the above ferritic stainless steel welded structure, a sample of 10 mm in the rolling direction × 20 mm in the width direction was cut out by cutting so that the welded part was in the width direction center. Next, resin filling was performed so that the direction perpendicular to the welding direction was the observation surface. Next, the resin-filled measurement test piece was mirror-finished by wet polishing, and then etched with fluoronitric acid to reveal the metal structure, which was observed with an optical microscope. The observation with an optical microscope was performed in accordance with JIS G0551:2013, by drawing a straight line at an arbitrary position on a 50x optical microscope image, measuring the number of intersections between the straight line and the grain boundary, and the average intercept length was taken as the grain size. The grain size was measured by drawing and measuring 20 or more straight lines in multiple fields of view. This measurement was performed in any 5 fields of view, and the average value of these was taken as the average grain size.
<母材のビッカース硬度と溶接金属部のビッカース硬度との差>
上記のフェライト系ステンレス鋼溶接構造体から溶接部が幅方向中央部となるようにして圧延方向25mm×幅方向25mmのサンプルを切削によって切り出した。次に、厚み方向断面が観察面となるように樹脂埋めを施した。次に、樹脂埋めを行った測定用試験片をSiC研磨紙及びダイヤモンドペーストを用いた湿式研磨によって鏡面処理した。その後、マイクロビッカース硬さ試験機を用いて、母材及び溶接金属部のビッカース硬度を測定した。この測定において、荷重は0.01kgとし、任意の5点で測定を行い、その平均値を結果とした。なお、母材のビッカース硬度は、溶接金属部のビッカース硬度を測定した位置から5mm以上離れた位置で測定した。得られた母材及び溶接金属部のビッカース硬度から母材のビッカース硬度と溶接金属部のビッカース硬度との差を算出した。
<Difference between Vickers hardness of base metal and Vickers hardness of weld metal>
A sample of 25 mm in the rolling direction x 25 mm in the width direction was cut out from the above ferritic stainless steel welded structure by cutting so that the weld was in the center of the width direction. Next, resin filling was performed so that the thickness direction cross section was the observation surface. Next, the resin-filled test piece was mirror-finished by wet polishing using SiC polishing paper and diamond paste. Thereafter, the Vickers hardness of the base material and the weld metal part was measured using a micro Vickers hardness tester. In this measurement, the load was 0.01 kg, and measurements were performed at any five points, and the average value was taken as the result. The Vickers hardness of the base material was measured at a position 5 mm or more away from the position where the Vickers hardness of the weld metal part was measured. The difference between the Vickers hardness of the base material and the Vickers hardness of the weld metal part was calculated from the obtained Vickers hardness of the base material and the weld metal part.
<酸化皮膜中のAl濃度>
フェライト系ステンレス鋼溶接構造体から30mm角の測定用試験片を切り出し、その表面をアセトンで脱脂した。次に、JIS K0167:2011に準拠し、オージェ電子分光法(AES)を用いて表面の成分濃度の分析を行った。この分析において、分析径は0.1mmとし、分析位置は溶接金属部とした。この分析で得られた成分濃度プロファイルにおいて、O(酸素)濃度が最大値の4分の3となる位置のAl、Fe及びCr濃度を求め、以下の式によって酸化皮膜中のAl濃度を求めた。
酸化皮膜中のAl濃度[質量%]=Al濃度/(Fe濃度+Cr濃度+Al濃度)×100
<Al concentration in oxide film>
A test piece of 30 mm square was cut out from the ferritic stainless steel welded structure, and the surface was degreased with acetone. Next, the component concentration of the surface was analyzed using Auger electron spectroscopy (AES) in accordance with JIS K0167:2011. In this analysis, the analysis diameter was 0.1 mm, and the analysis position was the weld metal part. In the component concentration profile obtained by this analysis, the Al, Fe, and Cr concentrations were obtained at the position where the O (oxygen) concentration was three-quarters of the maximum value, and the Al concentration in the oxide film was calculated by the following formula.
Al concentration in oxide film [mass %] = Al concentration / (Fe concentration + Cr concentration + Al concentration) × 100
<溶接金属部の靭性>
フェライト系ステンレス鋼溶接構造体の実際の使用環境を考慮し、フェライト系ステンレス鋼溶接構造体について、エレマ電気炉を用い、水分濃度が25体積%の大気雰囲気下、600℃で100時間加熱する使用環境模擬熱処理を行った。
次に、使用環境模擬熱処理後のフェライト系ステンレス鋼溶接構造体から50mm×10mm×1mmの測定用試験片3つを切削によって切り出した。次に、測定用試験片の幅方向の中心部に圧延方向に向かってVノッチ(ノッチ角度45°、ノッチ深さ2mm、ノッチ底半径0.25mm)を切削によって施した。いずれの測定用試験片においてもVノッチが溶接金属部となるようにした。この測定用試験片を用いてJIS Z2242:2018に準じ、試験温度25℃にてシャルピー衝撃試験を行った。測定は、3つの測定用試験片で行い、その平均値を測定結果とした。この評価において、単位面積当たりのシャルピー衝撃の吸収エネルギー(シャルピー衝撃値)が20J/cm2以上の場合を靭性が良好であると判断した。
<Toughness of weld metal>
Considering the actual usage environment of the ferritic stainless steel welded structure, the ferritic stainless steel welded structure was subjected to a heat treatment simulating the usage environment in which it was heated at 600°C for 100 hours in an air atmosphere with a moisture concentration of 25% by volume using an EREMA electric furnace.
Next, three test specimens of 50 mm x 10 mm x 1 mm were cut out from the ferritic stainless steel welded structure after the heat treatment simulating the usage environment. Next, a V-notch (notch angle 45°, notch depth 2 mm, notch bottom radius 0.25 mm) was cut in the center of the width direction of the test specimen toward the rolling direction. In each test specimen, the V-notch was made to be the weld metal part. Using this test specimen, a Charpy impact test was performed at a test temperature of 25°C in accordance with JIS Z2242:2018. The measurement was performed on three test specimens, and the average value was taken as the measurement result. In this evaluation, it was determined that the toughness was good when the Charpy impact absorption energy per unit area (Charpy impact value) was 20 J/ cm2 or more.
<溶接金属部の耐熱性>
フェライト系ステンレス鋼溶接構造体に対し、上記と同様にして使用環境模擬熱処理を行った。
次に、使用環境模擬熱処理を行ったフェライト系ステンレス鋼溶接構造体から30mm×30mmの測定用試験片を切り出した後、表面をアセトンで脱脂した。次に、JIS K0167:2011に準拠し、オージェ電子分光法(AES)を用いて表面の成分濃度の分析を行った。この分析において、分析径は0.1mmとし、分析位置は溶接金属部とした。この分析で得られた成分濃度プロファイルにおいて、O(酸素)濃度が最大値の4分の3となる位置のAl、Fe及びCr濃度を求め、以下の式によって酸化皮膜中のFe濃度を求めた。この評価において、酸化皮膜中のFe濃度が30質量%以下の場合を耐熱性が良好であると判断した。
酸化皮膜中のFe濃度[質量%]=Fe濃度/(Fe濃度+Cr濃度+Al濃度)×100
上記の各評価結果を表3に示す。
<Heat resistance of welded metal parts>
The ferritic stainless steel welded structure was subjected to a heat treatment simulating a usage environment in the same manner as described above.
Next, a test piece of 30 mm x 30 mm for measurement was cut out from the ferritic stainless steel welded structure that had been subjected to the heat treatment simulating the usage environment, and the surface was degreased with acetone. Next, in accordance with JIS K0167:2011, the component concentration of the surface was analyzed using Auger electron spectroscopy (AES). In this analysis, the analysis diameter was 0.1 mm, and the analysis position was the weld metal part. In the component concentration profile obtained by this analysis, the Al, Fe, and Cr concentrations were obtained at the position where the O (oxygen) concentration was three-quarters of the maximum value, and the Fe concentration in the oxide film was calculated by the following formula. In this evaluation, it was determined that the heat resistance was good when the Fe concentration in the oxide film was 30 mass% or less.
Fe concentration in oxide film [mass %] = Fe concentration / (Fe concentration + Cr concentration + Al concentration) x 100
The results of the above evaluations are shown in Table 3.
表3に示されるように、母材の組成及び所定の大きさの介在物の個数密度、母材のビッカース硬度と溶接金属部のビッカース硬度との差、並びに溶接金属部の平均結晶粒径が所定の条件を満たす実施例1~8は、溶接金属部の靭性及び耐熱性が良好であった。
これに対して比較例1は、フェライト系ステンレス鋼材の厚みに対する照射エネルギーが大きすぎたため、母材のビッカース硬度と溶接金属部のビッカース硬度との差が大きくなり、溶接金属部のC及びNの固溶量が多くなった。その結果、溶接金属部の靭性及び耐熱性が低下してしまった。
比較例2及び3は、フェライト系ステンレス鋼材の厚みに対する照射エネルギーを比較例1よりも更に大きくしたため、母材のビッカース硬度と溶接金属部のビッカース硬度との差が大きくなり、溶接金属部のC及びNの固溶量が多くなるとともに、溶接金属部の平均結晶粒径も大きくなった。その結果、溶接金属部の靭性及び耐熱性が低下してしまった。
比較例4は、溶接方法としてTIG溶接を用いたため、母材のビッカース硬度と溶接金属部のビッカース硬度との差が大きくなり、溶接金属部のC及びNの固溶量が多くなるとともに、溶接金属部の平均結晶粒径も大きくなった。その結果、溶接金属部の靭性及び耐熱性が低下してしまった。
As shown in Table 3, in Examples 1 to 8 in which the composition of the base metal and the number density of inclusions of a specified size, the difference between the Vickers hardness of the base metal and the Vickers hardness of the weld metal part, and the average crystal grain size of the weld metal part satisfied the specified conditions, the toughness and heat resistance of the weld metal part were good.
In contrast, in Comparative Example 1, the irradiation energy relative to the thickness of the ferritic stainless steel material was too large, which resulted in a large difference in Vickers hardness between the base material and the weld metal, and an increase in the amount of solid solution of C and N in the weld metal, resulting in a decrease in the toughness and heat resistance of the weld metal.
In Comparative Examples 2 and 3, the irradiation energy relative to the thickness of the ferritic stainless steel material was even greater than in Comparative Example 1, so that the difference between the Vickers hardness of the base material and the Vickers hardness of the weld metal increased, the amount of solid solution of C and N in the weld metal increased, and the average crystal grain size of the weld metal increased. As a result, the toughness and heat resistance of the weld metal decreased.
In Comparative Example 4, TIG welding was used as the welding method, so the difference between the Vickers hardness of the base material and the Vickers hardness of the weld metal was large, the amount of solid solution of C and N in the weld metal was large, and the average crystal grain size of the weld metal was also large. As a result, the toughness and heat resistance of the weld metal were reduced.
比較例5は、母材のAl含有量が少なすぎたため、O(不純物)含有量が多くなった。その結果、溶接金属部の耐熱性が低下してしまった。
比較例6は、Ti及びNbを含んでいないため、母材及び溶接金属部のC及びNの固溶量が増えてしまった。その結果、溶接金属部の耐熱性が低下してしまった。
比較例7及び8は、Mg及びCaの合計含有量が多すぎたため、母材における10μm超過の介在物の個数密度が増えてしまい、溶接金属部の靭性が低下してしまった。
In Comparative Example 5, the Al content of the base metal was too low, so the O (impurity) content was high, resulting in a decrease in the heat resistance of the weld metal portion.
Comparative Example 6 did not contain Ti and Nb, and therefore the amounts of C and N dissolved in the base metal and the weld metal increased, resulting in a decrease in the heat resistance of the weld metal.
In Comparative Examples 7 and 8, the total content of Mg and Ca was too high, so that the number density of inclusions exceeding 10 μm in size in the base metal increased, and the toughness of the weld metal joint decreased.
以上の結果からわかるように、本発明によれば、耐熱性及び靭性(特に、溶接金属部の耐熱性及び靭性)に優れるフェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体及びその製造方法、並びに排熱回収装置を提供することができる。 As can be seen from the above results, the present invention can provide a ferritic stainless steel laser welded structure with excellent heat resistance and toughness (particularly the heat resistance and toughness of the weld metal part), a manufacturing method thereof, and an exhaust heat recovery device.
Claims (14)
前記母材は、質量基準で、C:0.001~0.050%、Mn:1.00%以下、Ni:1.00%以下、P:0.100%以下、S:0.050%以下、Cr:10.00~24.00%、N:0.001~0.050%、Cu:1.00%以下、Mo:1.00%以下、Si:3.00%以下、Al:0.80~5.00%、Nb:0.50%以下、Ti:0.50%以下、Mg及び/又はCa:0.0100%以下を含み、Nb及びTiの合計含有量が6(C+N)以上(C及びNは、C及びNの含有量をそれぞれ表す)であり、残部がFe及び不純物からなる組成を有し、
前記母材は、1~10μmの直径を有する介在物の個数密度が10.0個/mm2以上、10μm超過の直径を有する介在物の個数密度が1.0個/mm2以下、C及びNの合計固溶量が0.015質量%以下であり、
前記母材のビッカース硬度と前記溶接金属部のビッカース硬度との差が50HV以下であり、
前記溶接金属部は、平均結晶粒径が200μm以下である、フェライト系ステンレス鋼レーザー溶接構造体。 A ferritic stainless steel laser welded structure including a base material and a weld metal part,
The base material contains, by mass, C: 0.001 to 0.050% , Mn: 1.00% or less, Ni: 1.00% or less, P: 0.100% or less, S: 0.050% or less, Cr: 10.00 to 24.00%, N: 0.001 to 0.050% , Cu: 1.00% or less, Mo: 1.00% or less, Si: 3.00% or less, Al: 0.80 to 5.00%, Nb: 0.50% or less, Ti: 0.50% or less, Mg and/or Ca: 0.0100% or less, the total content of Nb and Ti is 6(C+N) or more (C and N represent the contents of C and N, respectively), and the balance is Fe and impurities,
The base material has a number density of inclusions having a diameter of 1 to 10 μm of 10.0 pieces/ mm2 or more, a number density of inclusions having a diameter exceeding 10 μm of 1.0 pieces/ mm2 or less, and a total solid solution amount of C and N of 0.015 mass% or less,
The difference between the Vickers hardness of the base metal and the Vickers hardness of the weld metal portion is 50 HV or less,
A ferritic stainless steel laser-welded structure, wherein the weld metal part has an average crystal grain size of 200 μm or less.
前記フェライト系ステンレス鋼材は、C:0.001~0.050%、Mn:1.00%以下、Ni:1.00%以下、P:0.100%以下、S:0.050%以下、Cr:10.00~24.00%、N:0.001~0.050%、Cu:1.00%以下、Mo:1.00%以下、Si:3.00%以下、Al:0.80~5.00%、Nb:0.50%以下、Ti:0.50%以下、Mg及び/又はCa:0.0100%以下を含み、Nb及びTiの合計含有量が6(C+N)以上(C及びNは、C及びNの含有量をそれぞれ表す)であり、残部がFe及び不純物からなる組成を有し、
前記フェライト系ステンレス鋼材は、1~10μmの直径を有する介在物の個数密度が10.0個/mm 2 以上、10μm超過の直径を有する介在物の個数密度が1.0個/mm 2 以下、C及びNの合計固溶量が0.015質量%以下であり、
前記レーザー溶接は、前記フェライト系ステンレス鋼材の厚みに対する照射エネルギーが10.0~40.0kJ/mm 3 の条件で行われる製造方法。 A method for producing a ferritic stainless steel laser welded structure using a ferritic stainless steel material as a base material and performing laser welding,
The ferritic stainless steel material has a composition comprising C: 0.001 to 0.050% , Mn: 1.00% or less, Ni: 1.00% or less, P: 0.100% or less, S: 0.050% or less, Cr: 10.00 to 24.00%, N: 0.001 to 0.050% , Cu: 1.00% or less, Mo: 1.00% or less, Si: 3.00% or less, Al: 0.80 to 5.00%, Nb: 0.50% or less, Ti: 0.50% or less, Mg and/or Ca: 0.0100% or less, the total content of Nb and Ti being 6(C+N) or more (C and N represent the contents of C and N, respectively), with the balance being Fe and impurities;
The ferritic stainless steel material has a number density of inclusions having a diameter of 1 to 10 μm of 10.0 pieces/mm2 or more, a number density of inclusions having a diameter exceeding 10 μm of 1.0 pieces/mm2 or less, and a total solid solution amount of C and N of 0.015 mass% or less,
The laser welding is performed under conditions where the irradiation energy relative to the thickness of the ferritic stainless steel material is 10.0 to 40.0 kJ/ mm3 .
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