ステンレス鋼をステンレスたらしめているものは何ですか?

この GMAW ビードでは、腐食を促進する可能性がある熱の色合い (酸化物) とスパッタを除去するために溶接後の洗浄が必要です。

映画「キャディシャック」の中で、ビル・マーレーはホリネズミに対処する戦略を次のように説明しています。この男の毛皮の中に入って、数日間這い回らなければなりません。」

同様に、製造者はまず、何がステンレス鋼にそのステンレス特性を与えているのか、そして溶接前、溶接中、溶接後にそれらの特性が確実に損なわれないようにする方法について考える必要があります。

多くの溶接の課題を克服するための基礎は、ステンレス鋼が酸化クロムの層を形成することによってステンレスの特性を獲得することを思い出すことから始まります。

まずは炭素鋼について見ていきましょう。 湿気にさらされると、炭素鋼中の鉄が酸素と反応して、ゆっくりと赤みがかった酸化鉄を形成します。 砥石車で軽く触れると錆が取り除かれ、その下のきれいな鋼が現れます。

これをステンレス鋼上の酸化クロムの形成と比較してください。 ステンレス鋼は、グレードに応じて、約 50 パーセントの鉄と 10.5 パーセント（通常の最小量は 12 パーセント）から 30 パーセントの間のクロムで構成されます。

クロムが酸素と反応すると、ステンレス鋼の表面に酸化クロム層が形成されます。 これは瞬時に行われ、形成速度はナノ秒単位、膜厚はミクロン単位で測定されます。

では、なぜこれが重要なのでしょうか? これは、ステンレス鋼の最も顕著なステンレス特性は耐食性であることを意味します。これは、酸素の存在下で酸化クロム層を形成および再生する能力に起因します。 ただし、ステンレス鋼は酸化層より下では耐食性を提供しません。 そのため、一旦腐食が始まると急速に進行します。

この好例は、熱交換器のチューブとチューブシートの間の隙間で発生する可能性のある孔食または隙間腐食です。 シートにはチューブの束を支えるための数百の加工穴があり、チューブの周りには冷却水や蒸気が流れます。 液体が管と管板の間の隙間に浸透すると、その領域に酸素がアクセスして酸化クロムを再形成できないため、腐食が始まります。 その結果、熱交換器のメーカーは、通常はガスタングステンアーク溶接 (GTAW) を使用して各チューブの周囲にシール溶接を行います。 溶接は強固である必要はありませんが、防水である必要があります。

金属芸術家や愛好家は溶接中に生成される熱の色合いに惹かれるかもしれませんが、その色は溶接中にどの程度の酸化が起こったかについて製造業者に信号を送ります。

熱による色合いは、活性ガスまたは大気中の酸素が重い酸化物層を形成し、最表面層の直下のクロムを消費するために発生します。 銀色から麦わら色の層は良好ですが、紫/青みがかった色合いから灰色/黒の色合いに変化する重い層はあまり良くありません。 暗い色は過剰な熱入力を示すことが多いため、製造業者は「クロムを焼き尽くす」という俗語を使用します。 しかし、その根本的な原因は過剰な酸化です。

酸化クロムの微細な層がステンレス鋼に「ステンレス」の特徴を与えます。 酸化クロムは、ステンレス鋼中のクロム原子が大気中の酸素にさらされるとすぐに生成します。

原則として、すべてのステンレス溶接では、表面のクロム酸化膜が無傷であることを確認するために溶接後の洗浄が必要です。 そうしないと、溶接部分が錆びる可能性があります。 洗浄の種類は、最終用途および関連する規格および規格によって異なります。

ワイヤーブラシ、グラインディングディスク、チッピングハンマー、またはブラストメディアを使用して機械洗浄を行う場合は、相互汚染を防ぐために、これらのツールがステンレス鋼専用で専用であることを確認してください。 多くの製造業者は、ステンレスの溶接部に意図せず鉄を含浸させてしまったことに気づき、苦しみの叫び声を上げています。

次に、粗い表面は滑らかな表面よりも腐食や汚染を受けやすいことを考慮してください。 これは、医薬品部品に鏡面仕上げが必要な理由を説明しています。 スラグ、スパッタ、またはシリカ島があると、腐食が開始されやすい潜在的な場所となります。 ここでの教訓は、溶接後の洗浄に費やす時間は有意義であるということです。

一部のアプリケーションでは、溶接後の酸洗いまたは不動態化も必要です (部品を酸洗いすると不動態化も行われることに注意してください)。 これらのプロセスでは、硝酸溶液、または酸素を含む硝酸とフッ化水素酸の溶液を使用して遊離鉄を除去し、表面のすべてのクロムが酸素と結合するようにして耐食性を最大化します。

不活性雰囲気中で溶接すると、熱による色合いが形成されないことに注意することが重要です。 GTAW ガス レンズを使用すると、シールド ガスの適用範囲が大幅に向上し、渦巻くガスによって大気中の酸素が水たまりに引き戻される可能性があるため、ガス流量が高くなりすぎるのを防ぐことができます。

もちろん、ジョイントの前面の色は半分にすぎません。 ステンレス鋼の溶接の裏側を保護しないと、黒っぽい砂糖の結晶のように見える極度の酸化である「シュガーリング」が発生し、溶接の欠陥を引き起こす可能性があります。

バッキングガスをジョイントの根元側に導くためにさまざまな市販のオプションが利用可能ですが、自家製のバッキングデバイスとパージダムが最も一般的です。 選択される 2 つのバッキングガスは窒素とアルゴンです。 小型コンポーネントの場合、またはアルゴン源がすぐに入手できる場合には、アルゴンを使用する方が便利ですが、2 番目のガスを管理するコストを節約する価値はありません。

しっかりと取り付けられた接合部または接合部の背面をしっかりと含む溶接部には、バッキング ガスが必要ない場合があります。 ただし、裏面の温度が 500 °F を超える場合、技術的には、酸化物の形成を防ぐために接合部にバッキング ガスが必要になります。 専門家の中には、安全策を講じて最高温度として 300 °F を使用することを好む人もいます。 接合部の裏側をシールドする例外は、完全溶け込み溶接の一部として接合部をえぐって研磨する場合です。

Frank Babish は、ESAB ブランドである Exaton™ のアプリケーション スペシャリストです (住所 2800 Airport Road, Denton, TX 76207, 800-372-2123、www.esabna.com)。

熱交換器の管板には管と管板の間にシーム溶接が必要です。そうしないと、それらの間の隙間に水が入り、酸化クロムの形成に不可欠な酸素がブロックされてしまいます。