Q: 最近、一部のコンポーネントを主に 304 ステンレス鋼で製造し、それ自体と軟鋼に溶接する必要がある作業を開始しました。当社では、厚さ 1.25 インチまでのステンレス鋼とステンレス鋼の間で溶接亀裂が発生するという問題を経験しました。フェライトレベルが低いと述べました。それが何なのか、そしてそれを修正する方法を説明していただけますか?
A: 良い質問ですね。はい、フェライト低下の意味とそれを防ぐ方法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、フェライトが溶接継手にどのように関係するかを見てみましょう。黒鋼および合金には 50% 以上の鉄が含まれています。これには、すべての炭素鋼とステンレス鋼、および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。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。この最小閾値を超えるクロムレベルは、鋼表面上での酸化クロム膜の形成を促進し、錆（酸化鉄）や化学的腐食などの酸化の形成を防ぎます。
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 つのグループに分類されます。それらの名前は、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 1 つの一般的なグループは二相ステンレス鋼で、結晶構造におけるフェライトとオーステナイトのバランスが取れています。
オーステナイト 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ています。ニッケル、炭素、マンガン、窒素などの安定剤は、オーステナイトとフェライトの比率の形成を助けるために製鋼プロセス中に添加されます。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います。主に食品、化学、製薬、極低温産業で使用されます。フェライト生成の制御により、低温での優れた靭性が得られます。
フェライト SS は、完全に磁性を持ち、11.5% ～ 30% のクロムを含み、主にフェライト結晶構造を有する 400 シリーズ グレードです。フェライトの形成を促進するために、鋼の製造中に安定剤としてクロム、シリコン、モリブデン、ニオブが使用されます。これらのタイプの SS は自動車の排気システムやパワートレインで一般的に使用されており、高温での用途は限られています。よく使用されるいくつかのタイプ: 405、409、430、および 446。
403、410、440 などの 400 シリーズとも呼ばれるマルテンサイト グレードは磁性があり、11.5% ～ 18% のクロムを含み、マルテンサイト結晶構造を持っています。この組み合わせは金の含有量が最も低く、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、歯科および外科用器具、調理器具、および一部の種類の工具に一般的に使用されています。
ステンレス鋼を溶接する場合、母材の種類と実際の用途によって、使用する適切な溶加材が決まります。シールド ガス プロセスを使用している場合は、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」は低炭素を表し、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% 未満ですが、この値を超えると、粒界での炭素の析出とクロム結合による炭化クロムの形成のリスクが増加し、鋼の耐食性が効果的に低下します。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。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、高温の使用温度での引張強度がストレート 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のステンレス鋼であるため、対応する溶接金属には大部分のオーステナイトが含まれます。ただし、溶接金属でのフェライトの形成を促進するために、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います。メーカーは通常、溶接金属のフェライト量の一般的な範囲をリストしています。前述したように、炭素は強力なオーステナイト安定剤であり、これらの理由から、溶接金属への炭素の添加を防ぐことが不可欠です。
フェライト数値は、シェフラー チャートと WRC-1992 チャートから導出されます。これらは、ニッケルとクロムの等価式を使用して値を計算し、チャート上にプロットすると正規化された数値が得られます。0 ～ 7 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と、フェライト数はより急速に増加します。SS のフェライトは炭素鋼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。
フェライトの形成はオーステナイトより延性が高いため望ましいですが、制御する必要があります。フェライト含有量が低いため、一部の用途では溶接部に優れた耐食性が得られますが、溶接中に高温割れが非常に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 である必要がありますが、アプリケーションによっては、これより低い値または高い値が必要な場合があります。フェライトインジケーターを使用すると、フェライトを職場で簡単にチェックできます。
亀裂とフェライト不足の問題があるとおっしゃったので、溶加材をよく見て、十分なフェライトが生成されていることを確認する必要があります。8 程度で十分です。また、フラックス入りアーク溶接 (FCAW) を使用している場合、これらの溶加材は通常、100% 二酸化炭素、または 75% のアルゴンと 25% の CO2 の混合物のシールド ガスを使用するため、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て、98% アルゴン/2% 酸素の混合ガスを使用して、炭素堆積の可能性を減らすことができます。
ステンレス鋼を炭素鋼に溶接する場合は、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に特に使用され、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。炭素鋼はいくらかの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阻止するために、フィラーメタルにフェライト安定剤が添加されます。これにより、溶接時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の溶接部の高温亀裂を修復したい場合は、十分なフェライト溶加材があるかどうかを確認し、適切な溶接方法に従ってください。入熱を 50 kJ/インチ未満に維持し、パス間温度を中程度から低い温度に維持し、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。適切なゲージを使用して溶接部のフェライトの量を確認し、5 ～ 10 を目指します。
WELDER は、以前は Practical Welding Today と呼ばれていましたが、私たちが毎日使用し、一緒に作業する製品を製造する実際の人々を表しています。この雑誌は、20 年以上にわたって北米の溶接コミュニティに貢献してきました。
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