Q：最近、主に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。この部品は、ステンレス鋼同士、および軟鋼との溶接によって製造されます。厚さ1.25インチまでのステンレス鋼同士の溶接部に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原因であると指摘されました。フェライト含有量が低いとはどういうことか、またどのように改善すればよいか説明していただけますか？
A：それは良い質問ですね。はい、フェライト含有量が低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見ていきましょう。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、およびその他の特定の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、鉄含有量90%以上の炭素鋼と、鉄含有量70～80%のステンレス鋼です。ステンレス鋼（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。この最低基準値を超えるクロム含有量は、鋼材表面に酸化クロム皮膜の形成を促進し、錆（酸化鉄）や化学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系、フェライト系、マルテンサイト系の3種類に分けられます。これらの名称は、室温における構成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がバランスよく存在しています。
オーステナイト系鋼種である300系鋼は、クロムを16～30%、ニッケルを8～40%含有し、主にオーステナイト結晶構造を形成します。製鋼工程では、オーステナイトとフェライトの比率を調整するために、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。一般的な鋼種としては、304、316、347などがあります。優れた耐食性を有し、主に食品、化学、医薬品、極低温産業で使用されています。フェライト形成を制御することで、低温での優れた靭性を実現します。
フェライト系ステンレス鋼は、400系グレードで、完全磁性を持ち、クロムを11.5%～30%含有し、主にフェライト結晶構造を有します。フェライトの形成を促進するため、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パワートレインに一般的に使用され、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（400系とも呼ばれ、403、410、440など）は磁性を持ち、クロム含有量が11.5%～18%で、マルテンサイト結晶構造を有します。この組み合わせは金含有量が最も低いため、製造コストが最も安価です。耐食性と強度に優れ、食器、歯科・外科用器具、調理器具、一部の工具などに広く使用されています。
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。シールドガス溶接を行う場合は、溶接に伴う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ります。
304ステンレス鋼同士を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、粒界腐食の防止に役立ちます。これらの電極の炭素含有量は0.03%未満です。この値を超えると、粒界での炭素析出やクロム結合による炭化クロムの形成リスクが高まり、結果として鋼の耐食性が低下します。これは、ステンレス鋼溶接部の熱影響部（HAZ）で腐食が​​発生した場合に顕著になります。Lグレードのステンレス鋼に関するもう1つの考慮事項は、通常のステンレス鋼グレードよりも高温での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、溶接金属の大部分はオーステナイトで構成されます。しかし、溶接棒自体には、溶接金属中のフェライトの生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、溶接金属中のフェライト量の標準的な範囲を公表しています。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、溶接金属への炭素の添加は避けることが不可欠です。
フェライト数は、シェフラーチャートとWRC-1992チャートから導き出され、ニッケルとクロムの当量式を使用して計算された値をチャートにプロットすると、正規化された数値が得られます。フェライト数は0から7の間で、溶接金属中に存在するフェライト結晶構造の体積百分率に対応しますが、百分率が高くなるほどフェライト数は急速に増加します。SS中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注意してください。オーステナイト系ステンレス鋼は、熱処理などの高温プロセスに伴う相​​変態を起こしません。
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、フェライトの生成は望ましいが、その生成量を適切に制御する必要がある。フェライト含有量が少ないと、用途によっては溶接部に優れた耐食性をもたらすことができるが、溶接中に高温割れを起こしやすい。一般的には、フェライトの数は5～10個が望ましいが、用途によってはそれよりも少ない、あるいは多い値が必要となる場合もある。フェライトの量は、フェライトインジケーターを用いて現場で容易に確認できる。
亀裂やフェライト不足の問題を抱えているとのことですので、溶加材をよく調べて、十分なフェライトが生成されているか確認してください。フェライト含有量が8程度あれば十分でしょう。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%二酸化炭素または75%アルゴンと25%二酸化炭素の混合ガスをシールドガスとして使用しますが、これにより溶接金属が炭素を吸収する可能性があります。炭素の付着を防ぐには、金属アーク溶接（GMAW）に切り替えて、98%アルゴン/2%酸素の混合ガスを使用することをお勧めします。
ステンレス鋼と炭素鋼を溶接する際には、溶加材E309Lを使用する必要があります。この溶加材は異種金属溶接専用で、溶接時に炭素鋼が溶解した後、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抑制するために、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、溶接中の熱割れを防ぐことができます。
結論として、オーステナイト系ステンレス鋼溶接部の高温割れを補修する場合は、フェライト溶加材が十分にあることを確認し、適切な溶接方法に従ってください。入熱量を50 kJ/in以下に抑え、パス間温度を中程度から低めに保ち、はんだ付け前に接合部がきれいであることを確認してください。適切なゲージを使用して溶接部のフェライト量をチェックし、5～10を目指してください。
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