Q: 最近、一部の部品を主に304ステンレス鋼で製造し、SUS304ステンレス鋼自体と軟鋼を溶接す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割れが発生しています。フェライト含有量が低いと指摘されましたが、これは何なのか、またどのように解決すればよいのか教えていただけますか？
A: 良い質問ですね。はい、フェライト含有量の低下が何を意味するのか、そしてそれを防ぐにはどうすればよいのかをご理解いただけるようお手伝いいたします。
まず、ステンレス鋼（SS）の定義と、フェライトが溶接継手とどのように関係しているかを見てみましょう。黒鋼および合金は、鉄を50%以上含んでいます。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、鉄含有量が90%以上の炭素鋼と、鉄含有量が70～80%のステンレス鋼です。SSに分類されるには、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、鋼板表面にクロム酸化物膜の形成を促進し、さび（鉄酸化物）や化学腐食などの酸化の発生を防ぎます。
ステンレス鋼は主にオーステナイト系、フェライト系、マルテンサイトの3つのグループに分けられます。これらの名称は、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、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組み合わさっています。
オーステナイト系鋼種である300シリーズは、クロム16～30%とニッケル8～40%を含み、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、ニッケル、炭素、マンガン、窒素などの安定剤が添加され、オーステナイト-フェライト比の形成を促進します。一般的な鋼種には、304、316、347などがあります。優れた耐食性を備え、主に食品、化学、製薬、極低温産業で使用されます。フェライト形成を抑制することで、低温における優れた靭性が得られます。
フェライト系ステンレス鋼は400シリーズの鋼種で、完全に磁性を有し、11.5～30%のクロムを含み、主にフェライト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、鋼の製造工程ではクロム、シリコン、モリブデン、ニオブなどの安定剤が添加されます。これらのステンレス鋼は、自動車の排気システムやパワートレインによく使用され、高温用途は限定されています。一般的に使用される鋼種には、405、409、430、446などがあります。
マルテンサイト系ステンレス鋼（400シリーズとも呼ばれ、403、410、440など）は磁性があり、11.5～18%のクロムを含み、マルテンサイト結晶構造を有しています。この組み合わせは金含有量が最も低く、製造コストが最も安価です。ある程度の耐食性と優れた強度を備え、食器、歯科・外科用機器、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、母材の種類と使用用途に応じて適切な溶加材が決まります。シールドガスを使用する場合は、溶接に伴う特定の問題を防ぐため、シールドガスの混合比に特別な注意を払う必要がある場合があります。
304を鋼板同士のはんだ付けには、E308/308L電極が必要です。「L」は低炭素（Low Carbon）の略で、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、粒界への炭素析出やクロム結合によるクロム炭化物の形成リスクが高まり、鋼の耐食性が大幅に低下します。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。グレードLステンレス鋼のもう一つの考慮事項は、高温動作時の引張強度が、通常のステンレス鋼グレードよりも低いことです。
304はオーステナイト系ステンレス鋼であるため、溶接金属には主にオーステナイトが含まれます。しかし、溶接電極自体にはモリブデンなどのフェライト安定剤が含まれており、溶接金属中のフェライトの形成を促進します。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示しています。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を防ぐことが不可欠です。
フェライト価はシェフラーチャートとWRC-1992チャートから算出されます。これらのチャートでは、ニッケルおよびクロム当量式を用いて値を算出し、チャート上にプロットすると正規化された値が得られます。フェライト価が0～7の範囲にある場合、溶接金属中に存在するフェライト結晶構造の体積率に対応しますが、体積率が高くなるとフェライト価はより急速に増加します。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が高いため、生成は望ましいのですが、その形成を制御する必要があります。フェライト含有量が少ないと、一部の用途では優れた耐食性が得られますが、溶接中に高温割れが発生しやすくなります。一般的な用途では、フェライトの数は5～10個が適切ですが、用途によってはそれ以下の数やそれ以上の数が求められる場合があります。フェライト含有量は、フェライトインジケータを使用すれば、現場で簡単に確認できます。
割れやフェライト不足の問題があるとおっしゃっていますので、フィラーメタルをよく確認し、十分なフェライトが生成されていることを確認してください。8個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）をご使用の場合、これらのフィラーメタルでは通常、100%二酸化炭素または75%アルゴンと25%二酸化炭素の混合シールドガスが使用されるため、溶接金属が炭素を吸収する可能性があります。メタルアーク溶接（GMAW）プロセスに切り替え、98%アルゴンと2%酸素の混合ガスを使用することで、炭素堆積の可能性を低減できます。
ステンレス鋼と炭素鋼を溶接する場合は、E309Lという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溶接に特化しており、溶接部で炭素鋼が溶解し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抑えるために、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止できます。
結論として、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部における高温割れを修復する場合は、フェライト系フィラーが十分にあることを確認し、適切な溶接手順に従うことが重要です。入熱は50kJ/in以下に抑え、パス間温度は中程度から低めに保ち、はんだ付け前にはんだ接合部がきれいであることを確認してください。適切なゲージを用いて溶接部のフェライト量を確認し、5～10％を目安にしてください。
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