マルテンサイト系および二相ステンレス鋼の完全溶接

1.マルテンサイト系ステンレス鋼とは？

マルテンサイト系ステンレス鋼は、室温で のマルテンサイト結晶構造を特徴とするユニーク な鉄系合金である。この微細構造は、オーステナイト相か らの急冷 (焼入れ) により、硬く準安定な構 造が形成されたものである。マルテンサイト系ステンレ ス鋼の特徴は、熱処理によって機械的性質 が大きく変化することである。

これらの合金は、オーステナイト化、焼入れ、焼戻しという入念に制御された熱処理サイクルによって達成される焼入れ性で有名である。このプロセスにより、硬度、強度、靭性などの特性を、特定の用途要件を満たすように調整することができます。

マルテンサイト系ステンレス鋼は通常、耐食性 をもたらす11.5-18%のクロムと、マル テンサイトの形成を可能にし焼入れ性に寄与す る0.1-1.2%の炭素を含む。一部の鋼種は、特定の特性を向上させるために、少量のニッケル、モリブデン、バナジウムを含むこともある。

マルテンサイト系ステンレ ス鋼の一般的な鋼種は以下の通り：

• 1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13：これらの鋼種は、増加する炭素量（0.1～0.4%）と～13%のクロムを含み、さまざまな硬度と耐食性を提供する。
• 3Cr13Mo: 3Cr13に似ているが、耐食性を向上させるためにモリブデンが添加されている。
• 1Cr17Ni2, 2Cr13Ni2: 靭性と耐食性を高めるためにニッケルを含む。
• 9Cr18: 優れた耐食性と中程度の焼入れ性を持つ高クロム鋼種。
• 9Cr18MoV：モリブデンとバナジウムを添加した先進グレードで、高温での優れた強度と耐摩耗性を持つ。

関連記事 ステンレス鋼グレード

2.一般的な溶接方法

マルテンサイト系ステンレス鋼は、様々な電気アーク 溶接技術を使用して溶接することができ、そ れぞれが用途や要求される結果に応じて特 定の利点を提供する。

棒溶接としても知られる被覆アーク溶接（SMAW）は、その汎用性と費用対効果の高さから、依然として主要な溶接方法である。しかし近年、炭酸ガス・シールド・ガスを使用するガス・メタル・アーク溶接（GMAW）や、アルゴン-炭酸ガス混合シールド・ガスを使用するガス・タングステン・アーク溶接（GTAW）といった先進的なプロセスが脚光を浴びている。これらの溶接法は、溶接プー ル中の水素含有量を大幅に低減するため、熱影響部 (HAZ)における水素に起因する低温割れのリスクを最小限に 抑えることができる。

マルテンサイト系ステンレス鋼の溶接では、 最適な結果を得るために、溶接前熱処理と 溶接後熱処理が必要な場合が多い。200-300℃(392-572°F)の予熱は、冷却速度と 熱応力の低減に役立ち、650-750℃(1202-1382°F) の溶接後熱処理は、残留応力を緩和し、マル テンサイト組織を焼き戻し、溶接部の機械的性質と 耐食性を向上させる。

フィラーメタルを選択する場合、母材に 密接に適合するか、わずかにオーバーマッ チングする強度を持つ組成を選ぶことが極め て重要である。SMAWには低水素電極 (E410またはE410NiMo)が好ましく、GMAWおよびGTAWプロセスにはER410またはER410NiMoワイヤーが適している。

レーザービーム溶接(LBW)や電子ビーム溶接 (EBW)などの新技術も、マルテンサイト系ステンレス鋼の接合に有望である。

3.一般的な溶接材料

(1) Cr13 マルテンサイト系ステンレス鋼電極およびワイヤー

一般に、溶接部に高い強度が要求される場合は、Cr13 マルテンサイト系が使用される。 ステンレス鋼溶接 溶接金属の化学組成を母材の化学組成に近づけるた めに、棒やワイヤーが利用されるが、これでは冷間 割れが発生する可能性が高くなる。

検討する：

a.溶接前に予熱が必要で、475℃での脆化を防ぐ ため450℃を超えないようにする。

溶接後の熱処理が必要である。

温度が150～200℃に冷却された後、溶接後の熱処理を2時間実施し、溶接部のすべての部分を変質させる。 オーステナイト をマルテンサイトに変態させ、その後、温度を730～790℃に上げる高温焼戻しを行う。

保持時間は板厚1mmにつき10分、ただし2時間以上とし、最後に空冷する。

b.割れを防止するため、溶接棒およびワイヤ中の SおよびPの含有量は0.015%以下、Siの含有量は 0.3%以下でなければならない。

Si含有量の増加は、粗大な一次フェライトの形成を引き起こし、接合部の塑性を低下させる。

について 炭素含有量 通常、母材の焼入れ性を低下させる可能性があるため、母材の焼入れ性よりも低くする必要がある。

(2) Cr Ni オーステナイト系ステンレス鋼電極およびワイヤー

Cr Niオーステナイト鋼の溶接金属は高い塑性を有し、熱影響部でのマルテンサイト変態時に発生する応力を緩和することができる。

加えて、Cr Niオーステナイト系ステンレス鋼溶接 部は、水素に対する溶解度が高く、溶接金属から熱影響 部への水素の拡散を減少させ、効果的に防止する ことができる。 ひび割れしたがって予熱は必要ない。

しかし、溶接部の強度は 比較的低く、溶接後の熱処理で強化することはでき ない。

4.共通 溶接問題

(1) 溶接コールドクラック

マルテンサイト系ステンレス鋼はクロムの含有量が高く、焼入れ能力が著しく向上する。

溶接前の初期状態に関係なく、溶接は常に次のようなものを形成する。 マルテンサイト 縫い目の近く。

硬化傾向が強まると、接合部は冷間割れ を起こしやすくなり、特に水素が存在する場合に は顕著である。このような条件下で は、マルテンサイト系ステンレス鋼も、危険 な水素誘起遅れ割れを生じやすい。

M緩和策を提供する：

• ワイヤ・エネルギーの高い溶接電流は、冷却速度を低下させる。
• 鋼種によって必要なパス間温度は異なるが、これより低くしてはならない。 予熱温度.
• 溶接後、150～200℃まで徐冷し、その後溶接後熱処理を行うことが、溶接部をなくすために必要である。 残留応力このため、接合部の拡散性水素を除去し、接合部の構造と特性を改善することができる。

(2) 熱影響部の脆化

マルテンサイト系ステンレ ス鋼、特にフェライト生成元素を多く含む鋼種 は、結晶粒成長の傾向が高い。

冷却速度が遅いと、溶接熱影響部 (HAZ)に粗大なフェライト相や炭化物 が形成され、冷却速度が速いと、HAZに硬化や粗大 なマルテンサイトが形成される。

これらの粗大組織は、マルテンサイト系ステンレ ス鋼のHAZの塑性と靭性を低下させ、脆くする。

対策：

• 適切な冷却速度を維持する；
• 適切な予熱温度の選択。予熱温度は450℃を超えないこと。この閾値を超える高温に長時間さらされると、475℃での脆化を引き起こす可能性があるからである。
• 溶接の組成を調整し、溶接部における粗大フェライトの存在を最小化するために、溶接材料を賢く選択する。

5.溶接工程

1) 溶接前の予熱

溶接前の予熱は、低温割れを防止し、溶接 部の構造的完全性を確保するために重要な技 術である。このプロセスは、熱影響部 (HAZ)の冷却速度を低下させ、残留応力を最小化することで、水素誘起割れのリスクを軽減する。

炭素含有量が0.1%から0.2%の鋼の場合、 推奨される予熱温度は一般的に200℃から260℃ (392°Fから500°F)の範囲である。この温度範囲は、水分を除去し、溶接部と母材 間の熱勾配を減少させるのに十分である。

高強度鋼、特に降伏強度が690 MPa (100 ksi)を超える鋼は、より高い予熱温度を必要とすることが多い。これらの材料では、400℃～450℃ (752°F～842°F)の温度での予熱が一般的です。この高い温度範囲は、冷却速度をさらに低下させ、HAZにおける硬くて脆い微細構造の形成を管理するのに役立ちます。

最適な予熱温度は、炭素含有量だけでなく、そ の他の合金元素、断面厚さ、周囲温度、および使 用する特定の溶接プロセスによっても異なるこ とに注意することが重要である。溶接技術者は、関連規格（AWS D1.1または ISO 13916など）を参照し、必要な計算（例えば、 炭素当量）を行なって、各用途に最も適切な予熱 体制を決定すべきである。

2) 溶接後の冷却

溶接後の冷却は、特に高張力鋼や厚板部において、 溶接工程の重要なステップである。溶接中に形成されたオーステナイトが完全 に変態していない可能性があるため、溶接部 を溶接温度から焼戻し温度まで直接加熱すべきでは ない。

溶接直後の加熱と焼き戻しは、いくつかの有害な影響を引き起こす可能性がある：

1. オーステナイト粒界に沿った炭化物析出
2. オーステナイトからパーライトへの変化
3. 粗粒構造の形成

このような組織変化は、溶接部の靭性と全体的な機械的特性を著しく低下させる。

これらの問題を軽減するためには、制御された冷却プロセスが不可欠である：

1.低強度溶接の場合：

• 室温まで冷ます
• 焼戻し処理を行う

2.高強度で厚い溶接物用：

• 100～150℃に冷却する。
• この温度で0.5～1時間保持する（浸漬時間）
• 適切な焼戻し温度まで加熱する

この制御された冷却プロセスにより、確実に冷却される：

• 溶接部および熱影響部(HAZ)のオーステナイトは、 大幅に分解する。
• 残留応力が部分的に緩和される
• 水素拡散が促進され、水素によるクラッキングのリスクが低減される。

具体的な冷却速度と中間保持温度は、材 料組成、断面厚さ、希望する機械的性質によっ て異なる。最適な結果を得るために は、溶接手順仕様書（WPS）に従うか、冶金の 専門家に相談することが極めて重要である。

場合によっては、強制空冷や焼き入れといった高度な冷却技術が採用されることもあるが、歪みやクラックといった新たな問題を引き起こさないよう、慎重に管理しなければならない。

3) 溶接後の熱処理

溶接後熱処理（PWHT）は、溶接部品の機械的特性と 構造的完全性を最適化するために設計された重要 なプロセスである。その主な目的は、溶接部および熱影響部（HAZ） の硬度を下げ、延性と靭性を高め、溶接残留応力を 軽減することである。

PWHTには通常、焼戻しと完全焼鈍の2つの主な工程がある。焼戻しの場合、推奨される温度範囲は650～750℃（1202～1382°F）である。部品はこの温度で約1時間保持され、その後制御された空冷が行われる。この工程は、強度と延性のバランスを保ちながら、内部応力を効果的に緩和する。

溶接後の機械加工が必要な場合は、完全焼鈍を行 うことで、最小限の硬度と最大の機械加工性を達成 することができる。焼鈍工程では、溶接部を830-880℃ (1526-1616°F)の 温度範囲に加熱し、この温度を2時間維持する。その後、部品は595°C (1103°F) まで炉で徐冷され、その後室温まで空冷される。この冷却速度の制御は、所望の微細構造と特性を得るために極めて重要である。

具体的なPWHTパラメータは、材 料組成、断面厚さ、使用要件などの要因によっ て異なる可能性があることに注意することが重 要である。重要な用途の場合は、関連する業界規格（例：ASME BPVC Section IX）を参照し、機械試験を実施して熱処理工程の有効性を検証することが望ましい。

4) 溶接棒の選択

マルテンサイト系ステンレス鋼の溶接電極の選 択は非常に重要で、クロム・ステンレス鋼電極 とクロム・ニッケル・オーステナイト系ステン レス鋼電極の2種類に大別される。この選択は、溶接部の機械的特性、耐食性、 全体的な完全性に大きく影響する。

E410-15 (AWS A5.4)またはE410-16のようなクロ ムステンレス鋼電極が一般的に使用される。これらの電極は、それぞれ中国規格E1-13-15 (G207)およびE1-13-16 (G202)に対応し、良好な強度と中程度の耐食性を提供する。これらの電極は、母材組成に適合させたい場合に特に適しています。

高い延性と耐食性を必要とする用途には、 クロム・ニッケル系オーステナイト系ステンレス 鋼電極が好ましい。人気のある選択肢は以下の通り：

1. E308-16 / E308L-16（AWS A5.4）、E0-19-10-16（A102）に相当
2. E308-15 / E308L-15 (AWS A5.4)、E0-19-10-15 (A107)相当
3. E316-16 / E316L-16 (AWS A5.4)、E0-18-12Mo2-16 (A202)と同等。
4. E316-15 / E316L-15 (AWS A5.4)、E0-18-12Mo2-15 (A207)相当

L "グレードの電極（例えば、308L、316L）は、炭素含有量が低く、鋭敏化のリスクを低減し、高温での粒界腐食に対する耐性を向上させる。

これらの電極の選択は、以下のような要因によって決まる：

• サービス環境（腐食性媒体、温度など）
• 機械的特性要件
• 溶接後の熱処理
• 応力腐食割れの可能性

6.二相ステンレス鋼の溶接

1.二相鋼の溶接性

二相鋼は、オーステナイト鋼とフェライト鋼の長所と短所を併せ持ち、それぞれの短所を軽減している。

(1) 熱間割れのリスクは、オーステナイト鋼に比べてはるかに低い。

(2)冷間クラックのリスクは、通常の低合金に比べて著しく低い。 高張力鋼板.

(3)熱影響部での冷却後、フェライトの保持量が多くなり、腐食や水素誘起割れ（脆化）のリスクが高まる。

(4) 溶接継手 の二相鋼は、CrとFeの金属間化合物である δ相が析出しやすい。

その生成温度は600℃から1000℃であり、鋼種によって異なる。

表1 二相ステンレス鋼の固溶化熱処理温度範囲、相δおよび475 ℃脆性

2. 溶接方法の選択

について 溶接工程 二相鋼では、まずTIG溶接が行われ、次 に電極アーク溶接が行われる。

サブマージアーク溶接を使用する場合は、入熱とパス間温度を注意深く監視し、過度の希釈を避けなければならない。

注：

TIG溶接を行う場合は、1-2%の窒素を溶接部に加える。 シールドガス (2%を超える窒素添加は、気孔率を増加 させ、アークを不安定化させる可能性がある)。窒素の添加は、溶接金属からの窒素吸収を助け、 溶接表面領域での拡散による窒素損失を防止し、 溶接金属中のオーステナイト相の安定化に寄与 する。 溶接継手.

3.溶接材料の選択

溶接中のフェライト相からオーステナイト相への変態を 促進するために、オーステナイト形成元素（Ni、 Nなど）の含有量が高い溶接材料が選択される。

22.8.3L電極または溶接ワイヤは2205 鋼の溶接によく使用され、25.10.4L電極または 25.10.4R電極は2507鋼の溶接によく使 われる。

表2 代表的な二相鋼の溶接材料とFN

4.溶接箇所

(1) 溶接工程では、溶接エネルギー、パス間温 度、予熱、材料厚さの制御が冷却速度に影 響し、その結果、溶接部と熱影響部の構造と特 性に影響を与える。

最適な溶接金属特性を得るために、パス間温度 の上限を100℃に管理することを推奨する。溶接後の熱処理が必要な場合は、パス間温度の 制限を解除することができる。

(2) 二相鋼の溶接後の熱処理は避けるのが好ましい。

溶接後の熱処理が必要な場合、 水冷 が用いられる。熱処理の際、加熱は急速に行い、熱処理温度での保持時間は相バランスを回復させるのに十分な5～30分とする。

熱処理中は金属の酸化が懸念されるため、不活性ガスによる保護も考慮する必要がある。