Q: 最近、一部の部品を主にグレード 304 ステンレス鋼で製作し、ステンレス鋼自体と軟鋼に溶接する必要がある作業を開始しました。厚さ 1.25 インチまでのステンレス鋼同士の溶接でひび割れが発生しています。フェライト数が少ないと言われました。これは何なのか、またどのように修正するのか説明していただけますか。
A: いい質問ですね。はい、フェライト数が少ないことが何を意味するのか、またそれを防ぐにはどうすればよいのかを理解するお手伝いをいたします。
まず、ステンレス鋼 (SS) の定義と、フェライトが溶接接合部とどのように関係するかを確認しましょう。黒鋼と合金には 50% を超える鉄が含まれています。これには、すべての炭素鋼、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、チタンには鉄が含まれていないため、非鉄合金の優れた例です。
この合金の主成分は、少なくとも 90% の鉄を含む炭素鋼と、70 ～ 80% の鉄を含む SS です。SS 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。この最小しきい値を超えるクロム レベルは、鋼の表面に酸化クロム膜の形成を促進し、さび (酸化鉄) などの酸化の形成や化学攻撃による腐食を防ぎます。
SS 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。これらの名前は、それらを構成する室温の結晶構造に由来しています。もう 1 つの一般的なグループは二相 SS で、結晶構造においてフェライトとオーステナイトがバランスをとっています。
オーステナイト系グレードの 300 シリーズには、16% ～ 30% のクロムと 8% ～ 40% のニッケルが含まれており、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 - フェライト比の形成を促進するために、製鋼プロセス中にニッケル、炭素、マンガン、窒素などの安定剤が添加されます。一般的なグレードには、304、316、347 などがあります。優れた耐食性を備えており、主に食品、化学サービス、製薬、極低温アプリケーションで使用されます。フェライト形成の制御により、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、完全に磁性があり、11.5% ～ 30% のクロムを含み、フェライトが優勢な結晶構造を持つ 400 シリーズのグレードです。フェライトの形成を促進するために、鋼の製造中にクロム、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でよく使用され、高温用途は限られています。一般的に使用されるタイプには、405、409、430、446 などがあります。
マルテンサイト系合金は、403、410、440 などの 400 シリーズでも識別され、磁性があり、11.5% ～ 18% のクロムを含み、結晶構造としてマルテンサイトを持っています。この組み合わせは金含有量が最も低いため、製造コストが最も低くなります。ある程度の耐食性と優れた強度を備えており、食器、歯科用機器や外科用機器、調理器具、および特定の種類の工具によく使用されます。
SS を溶接する場合、基板の種類とその使用用途に応じて、使用する適切なフィラー金属が決まります。ガスシールド プロセスを使用する場合は、溶接に関連する特定の問題を防ぐために、シールド ガス混合物に特別な注意を払う必要がある場合があります。
304 をそれ自体にはんだ付けするには、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て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 グレードの SS に関するもう 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 SS であるため、対応する溶接金属にはオーステナイトがほとんど含まれます。ただし、電極自体には、溶接金属で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、溶接金属に炭素が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、シェフラー図と WRC-1992 図から導き出されます。これらの図では、ニッケルおよびクロム当量式を使用して値が計算され、図にプロットすると正規化された数値が生成されます。0 から 7 までのフェライト数は、溶接金属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、パーセントが高くなるほど、フェライト数の増加速度が速くなります。ステンレス鋼のフェライトは、炭素鋼のフェライトとは異なり、デルタ フェライトと呼ばれる相であることに留意してください。オーステナイト系ステンレス鋼には、熱処理などの高温プロセスに関連する相変態はありません。
フェライトはオーステナイトよりも延性が高いため、その形成は望ましいのですが、制御する必要があります。フェライト数が少ないと、一部の用途では優れた耐食性を備えた溶接部を生成できますが、溶接中に高温割れが発生しやすくなります。一般的な使用条件では、フェライト数は 5 ～ 10 にする必要がありますが、一部の用途では、より低い値またはより高い値が必要になる場合があります。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ます。
割れの問題があり、フェライト数が少ないとおっしゃっているので、フィラー メタルをよく調べて、十分なフェライト数（8 個程度）が生成されていることを確認する必要があります。また、フラックス入りアーク溶接（FCAW）を使用している場合、これらのフィラー メタルでは通常、100% 二酸化炭素シールド ガス、または 75% アルゴン/25% CO2 混合物が使用されるため、溶接金属に炭素が吸収される可能性があります。炭素の吸収の可能性を減らすために、ガスメタル アーク溶接（GMAW）プロセスに切り替えて、98% アルゴン/2% 酸素混合物を使用することをお勧めします。
SS を炭素鋼に溶接するには、E309L フィラー材を使用する必要があります。このフィラー メタルは異種金属の溶接に特化しており、炭素鋼が溶接部に希釈された後に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、フィラー メタルにフェライト安定剤が追加されます。これにより、溶接アプリケーションで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 SS 溶接継手の高温割れをなくしたい場合は、適切なフェライト フィラー メタルを確認し、適切な溶接手順に従います。入熱を 50 kJ/インチ未満に保ち、パス間温度を中程度から低く維持し、はんだ付け前にはんだ接合部に汚染物質がないことを確認します。適切なゲージを使用して、溶接接合部のフェライトの量を確認し、5 ～ 10 を目指します。
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