消耗品コーナー：フェライト数値とクラックの関係

Q: 最近、一部のコンポーネントを主に 304 グレードのステンレス鋼で製造し、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。厚さ最大 1.25 インチのステンレスとステンレスの溶接部分で亀裂の問題が発生しました。当社のフェライト数値が低いと述べました。これが何なのか、また問題を修正する方法を説明してもらえますか?

A: 素晴らしい質問ですね。はい、フェライト数値が低いということが何を意味するのか、また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) の定義を確認し、次にフェライトが溶接継手にどのように関係するかを確認しましょう。鉄鋼および合金には 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。

合金の主成分は、炭素鋼の場合は少なくとも 90 パーセント、SS の場合は 70 ～ 80 パーセントの鉄含有量です。 SS として分類されるには、少なくとも 11.5 パーセント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、鋼の表面にクロム酸化膜の形成を促進し、錆（酸化鉄）や化学的攻撃による腐食などの酸化形成を防ぎます。

SS には、オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系の 3 つの主要なグループがあります。それらの名前は、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。

300 シリーズであるオーステナイトグレードには、16 ～ 30 パーセントのクロムと 8 ～ 40 パーセントのニッケルが含まれており、優勢な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、および 347 があります。このグループは非磁性です。優れた耐食性を提供します。主に食品、化学サービス、製薬、および極低温用途で使用されます。フェライトの生成を制御することにより、優れた低温靱性を実現します。

400 シリーズグレードのフェライト SS は完全に磁性があり、11.5 ～ 30 パーセントのクロムを含み、フェライトとしての主結晶構造を持っています。フェライトの形成を促進するために、鉄鋼製造中に安定剤としてクロム、シリコン、モリブデン、ニオブが含まれます。これらのタイプの SS は一般に自動車の排気システムや発電所に使用されており、高温での用途は限られています。よく使用されるタイプとしては、405、409、430、および 446 があります。

403、410、440 などの 400 シリーズでも識別されるマルテンサイトグレードは磁性があり、11.5 ～ 18 パーセントのクロムを含み、結晶構造としてマルテンサイトを持ちます。このグループには合金の含有量が最も少ないため、製造コストが最も低くなります。これらはある程度の耐食性を提供します。優れた強度。通常は刃物、歯科および外科用機器、調理器具、および一部の種類の工具に使用されます。

SS を溶接する場合、母材の種類とその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。ガスシールドプロセスを使用している場合は、特定の溶接関連の問題を防ぐためにシールドガスの混合に特別な注意を払う必要がある場合があります。

304 をそれ自体に溶接するには、E308/308L 電極を使用する必要があります。「L」指定子は低炭素を表し、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 パーセント未満です。それを超えると、炭素が粒界に析出し、クロムと結合してクロム炭化物を形成するリスクが増大し、鋼の耐食性が事実上低下します。これは、SS 溶接継手の熱影響部 (HAZ) に腐食がある場合に顕著になることがあります。 L グレード SS に関するもう 1 つの考慮事項は、ストレート SS グレードと比較して、高温での使用温度での引張強度が低いことです。

304 はオーステナイト系 SS 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、溶接金属でのフェライトの形成を促進します。通常、メーカーは溶接金属の典型的なフェライト番号範囲をリストします。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、これらの理由により、溶接金属への炭素の添加を防ぐことが重要です。

フェライト番号は、ニッケルとクロムの等価式を利用して値を計算するシェフラー図と WRC-1992 図から導出され、図上にプロットすると標準化された数値が生成されます。 0 ～ 7 のフェライト番号は、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。ただし、パーセンテージが高くなると、フェライト数はより速い速度で増加します。 SS 内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して知ら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 SS は、熱処理などの高温プロセスに伴う相変化がありません。

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。フェライト数が低いと、特定の用途では優れた耐食性を備えた溶接が得られますが、溶接中に高温割れが非常に発生しやすくなります。一般的な使用条件では、フェライト番号は 5 ～ 10 の間に収まる必要がありますが、アプリケーションによっては、そ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、フェライトを現場で簡単に確認できます。

亀裂の問題と低いフェライト数があるとおっしゃったので、溶加材を詳しく調べて、適切なフェライト数が得られることを確認する必要があります。8 程度であれば効果があるはずです。また、フラックスコアアーク溶接 (FCAW) を行う場合、これらの溶加材には通常、100 パーセントの二酸化炭素シールドガス、または 75 パーセントのアルゴンと 25 パーセントの CO2 の混合ガスが使用され、これにより溶接金属内に炭素が取り込まれる可能性があります。ガスメタルアーク溶接 (GMAW) プロセスに切り替え、98% のアルゴンと 2% の酸素の混合ガスを使用して、カーボンの付着の可能性を減らすことができます。

SS を炭素鋼に溶接するには、E309L 溶加材を使用する必要があります。この溶加材は、異種金属を溶接するために特別に配合されており、溶接部への炭素鋼の希釈後にある程度のフェライトが形成されます。炭素鋼からはいくらかの炭素が取り込まれるため、炭素がオーステナイトを形成する傾向に対抗するために、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、溶接時の高温割れを防ぐことができます。

要約すると、オーステナイト SS 溶接継手の高温割れを除去しようとしている場合は、適切なフェライト価の溶加材を確認し、適切な溶接方法に従ってください。入熱量を 50 kJ/インチ未満に保ち、パス間温度を中程度から低い温度に維持し、溶接前に溶接接合部に汚染物質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数を 5 ～ 10 を目標にして確認します。