Q: 最近、主にグレード304ステンレス鋼で作られた部品を使用する作業を開始しました。このステンレス鋼は、それ自体と軟鋼に溶接されます。厚さ1.25インチまでのステンレス鋼同士の溶接部で、亀裂が発生する問題が発生しています。フェライト含有量が低いことが指摘されていますが、これはどういうことなのか、またどのように解決すればよいのか説明していただけますか？
A：これは良い質問ですね。はい、フェライト数が少ないとはどういうことか、そしてそれを防ぐ方法についてご説明できます。
まず、ステンレス鋼（SS）の定義と、フェライトが溶接継手とどのように関係しているかを確認しましょう。黒鋼および合金は、50%以上の鉄を含んでいます。これには、すべての炭素鋼とステンレス鋼、およびその他の定義されたグループが含まれます。アルミニウム、銅、チタンは鉄を含まないため、非鉄合金の優れた例です。
この合金の主成分は、鉄を90%以上含む炭素鋼と、鉄を70～80%含むステンレス鋼です。ステンレス鋼として分類されるには、少なくとも11.5%のクロムが添加されている必要があります。この最小閾値を超えるクロム含有量は、鋼の表面に酸化クロム皮膜の形成を促進し、錆（酸化鉄）や化学的攻撃による腐食などの酸化を防ぎます。
ステンレス鋼は主にオーステナイト、フェライト、マルテンサイトの3つのグループに分けられます。これらの名称は、それらを構成する室温での結晶構造に由来しています。もう一つの一般的なグループは二相ステンレス鋼で、これは結晶構造においてフェライトとオーステナイトのバランスが取れた状態です。
オーステナイト系鋼種である300シリーズは、16%～30%のクロムと8%～40%のニッケルを含み、主にオーステナイト結晶構造を形成します。オーステナイトとフェライトの比率を高めるために、製鋼工程中にニッケル、炭素、マンガン、窒素などの安定剤が添加されます。一般的な鋼種には、304、316、347などがあります。優れた耐食性を持ち、主に食品、化学サービス、医薬品、極低温用途に使用されます。フェライト形成を制御することで、優れた低温靭性が得られます。
フェライト系ステンレス鋼は、400シリーズのグレードで、完全に磁性を持ち、11.5%から30%のクロムを含み、フェライトが主成分の結晶構造を有しています。フェライトの形成を促進するために、製鋼工程ではクロム、シリコン、モリブデン、ニオブなどの安定剤が使用されます。これらのタイプのステンレス鋼は、自動車の排気システムや発電所などで一般的に使用され、高温用途は限られています。よく使用されるタイプとしては、405、409、430、446などがあります。
マルテンサイト系鋼は、403、410、440などの400シリーズで識別され、磁性を持ち、11.5%から18%のクロムを含み、結晶構造はマルテンサイトです。この組み合わせは金含有量が最も低いため、製造コストが最も安価です。耐食性があり、強度に優れ、食器、歯科・外科用器具、調理器具、および特定の種類の工具によく使用されます。
ステンレス鋼を溶接する場合、基材の種類と使用用途によって適切な溶加材が決まります。ガスシールド溶接を行う場合は、溶接に関連する特定の問題を防止するために、シールドガスの混合比に特に注意を払う必要がある場合があります。
304 をそれ自身にろう付けするには、E308/308L 電極が必要です。「L」は低炭素を意味し、粒界腐食を防ぐのに役立ちます。これらの電極の炭素含有量は 0.03% 未満です。これを超えると、炭素が粒界に析出し、クロムと結合して炭化クロムを形成するリスクが高まり、鋼の耐食性が実質的に低下します。これは、SS 溶接継手の熱影響部 (HAZ) で腐食が発生した場合に明らかになります。L グレード SS のもう 1 つの考慮事項は、直接 SS グレードよりも高温で引張強度が低いことです。
304はオーステナイト系のステンレス鋼であるため、対応する溶接金属にはオーステナイトが大部分含まれます。ただし、電極自体には、溶接金属中のフェライトの形成を促進するために、モリブデンなどのフェライト安定剤が含まれています。メーカーは通常、溶接金属のフェライト量の標準的な範囲を記載しています。前述のように、炭素は強力なオーステナイト安定剤であるため、これらの理由から、炭素が溶接金属に添加されないようにすることが重要です。
フェライト数は、ニッケルとクロムの当量式を使用して値を計算するシェフラー図と WRC-1992 図から導き出され、図にプロットすると正規化された数値が得られます。0 から 7 の間のフェライト数は、溶接金属中に存在するフェライト結晶構造の体積パーセントに対応しますが、パーセンテージが高いほど、フェライト数はより速い速度で増加します。SS のフェライトは炭素鋼のフェライトと同じではなく、デルタフェライトと呼ばれる相であることに注意してください。オーステナイト SS は、熱処理などの高温プロセスに関連する相変化はありません。
フェライトはオーステナイトよりも延性に優れているため、その形成は望ましいが、制御する必要がある。フェライト含有量が少ないと、用途によっては優れた耐食性を持つ溶接部が得られる場合もあるが、溶接中に高温割れが発生しやすい。一般的な使用条件では、フェライト含有量は5～10であるべきであるが、用途によってはそれよりも低い値または高い値が必要となる場合がある。フェライトは、フェライトインジケーターを使用して現場で簡単に確認できる。
亀裂の問題とフェライト数が少ないとのことですので、溶加材をよく調べて、十分なフェライト数（8程度）が得られることを確認してください。また、フラックス入りアーク溶接（FCAW）を使用している場合、これらの溶加材は通常、100%二酸化炭素シールドガスまたは75%アルゴン/25%二酸化炭素混合ガスを使用しますが、これにより溶接金属に炭素が取り込まれる可能性があります。炭素の取り込みの可能性を減らすために、ガス金属アーク溶接（GMAW）プロセスに切り替えて、98%アルゴン/2%酸素混合ガスを使用することを検討してください。
ステンレス鋼と炭素鋼を溶接するには、E309L溶加材を使用する必要があります。この溶加材は異種金属の溶接に特化しており、炭素鋼が溶接部に混入すると一定量のフェライトを形成します。炭素鋼は炭素を吸収するため、炭素がオーステナイトを形成する傾向を打ち消すために、溶加材にフェライト安定剤が添加されています。これにより、溶接時の熱割れを防ぐことができます。
要約すると、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手の高温割れをなくすには、適切なフェライト溶加材を確認し、適切な溶接方法に従ってください。入熱量を 50 kJ/インチ未満に抑え、中程度から低い層間温度を維持し、はんだ付け前にはんだ接合部に汚染がないことを確認してください。適切なゲージを使用して溶接継手のフェライト量を確認し、5 ～ 10 を目指してください。
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