サブマージアーク肉盛溶接用フラックス
【課題】高温及び激しい摩耗に曝され、水蒸気腐食しやすい環境下で使用される部材の肉盛溶接部において、優れた耐高温磨耗性及び耐水蒸気腐食性が得られるサブマージアーク肉盛溶接用フラックスを提供する。
【解決手段】サブマージアーク肉盛溶接用フラックス１は、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、金属炭酸塩及び金属フッ化物の含有量、造滓剤としての作用を有するＡｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の総量、並びにアーク安定剤としての作用を有するＫ２Ｏ及びＮａ２Ｏの総量が最適化され、Ｃ及びＣｒを適量含有することにより、溶接部に優れた耐高温磨耗性及び耐水蒸気腐食性が得られ、フラックス中の塩基性成分と酸化性成分とが最適なバランスで添加されることにより、高温環境下においても、溶接部に優れた耐割れ性が得られる。
【解決手段】サブマージアーク肉盛溶接用フラックス１は、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、金属炭酸塩及び金属フッ化物の含有量、造滓剤としての作用を有するＡｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の総量、並びにアーク安定剤としての作用を有するＫ２Ｏ及びＮａ２Ｏの総量が最適化され、Ｃ及びＣｒを適量含有することにより、溶接部に優れた耐高温磨耗性及び耐水蒸気腐食性が得られ、フラックス中の塩基性成分と酸化性成分とが最適なバランスで添加されることにより、高温環境下においても、溶接部に優れた耐割れ性が得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サブマージアーク肉盛溶接用フラックスに関し、特に、製鉄ロール等、高温及び激しい摩耗に曝され、水蒸気腐食しやすい環境下で使用される部材の溶接部において、優れた耐高温磨耗性及び耐水蒸気腐食性が得られるサブマージアーク肉盛溶接用フラックスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、製鉄ロール等、高温及び激しい摩耗に曝され、水蒸気腐食しやすい環境下で使用される部材においては、肉盛溶接を施工する方法として、サブマージアーク溶接又はエレクトロスラグ溶接が採用されている。しかし、エレクトロスラグ溶接は、サブマージアーク溶接に比して溶接作業環境が劣化しやすく、また、特殊な溶接装置の導入が必要であり、溶接装置の調整も煩雑であることから、近時、サブマージアーク溶接が実施される場合が増加している。サブマージアーク溶接は粒状のフラックス（融剤）と消耗式電極（ワイヤ又はバンドフープ）を使用し、電極と母材との間の空間をフラックス中に埋没した状態で、電極と母材との間に電圧を印加し、発生するアーク熱により電極及び母材を溶融させて溶接する方法であり、効率の高い溶接方法である。
【０００３】
このサブマージアーク肉盛溶接により得られる溶接部には、割れ及び気孔等の溶接欠陥が発生していないこと、スラグ剥離性が良好であること、及びビード形状が良好であることが求められ、優れた溶接作業性で健全な溶接部が得られる消耗電極及びワイヤの組成が検討されている。また、溶接金属においては、耐高温磨耗性及び耐水蒸気腐食性が優れ、肉盛溶接の施工時及び使用中における耐割れ性を備えていることが重要であり、これらの性能を確保するために、肉盛溶接金属の化学成分や施工方法に関して、従来、多くの研究がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、炭酸カルシウム等を含有する帯状電極用フラックスにおいて、フッ化カルシウム及びフッ化ナトリウムの総量及び両者間の重量比を規定することにより、溶接作業性が良好で、靭性が高く、且つ耐割れ性に優れた溶着金属が得られることが開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、化学反応容器及び原子炉反応容器等、ステンレス鋼からなる母材をステンレス鋼からなる帯状電極により肉盛溶接する際に使用されるサブマージアーク肉盛溶接用フラックスが開示されている。この特許文献２のサブマージアーク肉盛溶接用フラックスにおいては、ＳｉＯ２：３０乃至６０質量％及びＭｇＯ：３０乃至５０質量％を含有するＳｉＯ２−ＭｇＯ系複合酸化物を、フラックスの全質量比で１０乃至６０質量％含有させ、更に、Ａｌ２Ｏ３を１５乃至２５質量％含有させることにより、溶接ビード形状及び溶接ビード端部のなじみ性の劣化を防止し、また、アンダーカット等の溶接欠陥の発生も防止できることが開示されている。
【０００６】
特許文献３には、多層肉盛溶接した上層の溶接金属から割れ及び熱亀裂が母材に急速に伝播することを防止するために、下盛層の高温靭性を高めるフラックスの組成が開示されており、造滓剤としてのＣａＯ又はＣａＣＯ３、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ及びＳｉＯ２量、脱酸剤としてのＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＦｅ量が規定されている。
【０００７】
特許文献４には、化学反応容器及び原子炉反応容器等、ステンレス鋼からなる母材をステンレス鋼からなる帯状電極により多層盛溶接する方法が開示されており、帯状電極及びフラックス中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮｂの含有量、Ｎｂ及びＣの含有量比、並びに塩基度を規定することにより、溶接金属中の合金の歩留まりを良好に維持し、良好な溶接作業性が得られることが開示されている。
【０００８】
特許文献５には、耐火建築構造用鋼のサブマージアーク溶接に使用されるフラックスが開示されており、酸化物及びフッ化物を除いた成分中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ及びＡｌの含有量を最適化することにより、８００℃までの温度における耐火性に優れた溶接金属が得られることが開示されている。そして、この特許文献５の溶接方法においては、溶接作業性等を向上させるために、フラックス中に、金属酸化物として、ＴｉＯ２：８質量％以下、ＳｉＯ２：１０乃至１６質量％、ＣａＯ：３乃至２０質量％、ＺｒＯ２：１乃至９質量％、Ａｌ２Ｏ３：８乃至１８質量％及びＭｇＯ：１０乃至２３質量％を含有させ、ＣａＦ２等の金属フッ化物を１乃至１８質量％含有させ、ＣａＣＯ３及びＢａＣＯ３等の金属炭酸塩を３乃至６質量％含有させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭５９−６４１９３号公報
【特許文献２】特開２００１−３３４３９３号公報
【特許文献３】特開昭５８−９７９５号公報
【特許文献４】特開昭６０−２１０３９４号公報
【特許文献５】特開２００３−３１１４７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１乃至５のフラックスは、いずれも、製鉄ロール等、高温及び激しい摩耗に曝され、水蒸気腐食しやすい環境下で使用される部材において、十分な耐高温酸化性及び耐食性が得られるものではない。特に、特許文献２及び４に開示されたフラックスは、いずれも、化学反応容器及び原子炉反応容器等、ステンレス鋼からなる母材をステンレス鋼からなる帯状電極により肉盛溶接する際に使用されるものであり、製鉄ロール等、高温及び激しい摩耗に曝され、水蒸気腐食しやすい環境下で使用される部材を肉盛溶接する場合には、好適ではない。また、特許文献５のフラックスも、耐火建築構造用鋼の溶接に使用されるものであり、製鉄ロール等の肉盛溶接には好適ではない。
【００１１】
また、特許文献１においては、溶着金属中の拡散性水素量を低減し、靭性を向上させる成分として、フッ化カルシウム及びフッ化ナトリウムを多量に添加しており、アーク熱により多量に分解されるフッ素ガスにより、溶接金属にポックマークと呼ばれるガスの圧痕が多く発生し、ビード外観が損なわれる虞がある。
【００１２】
特許文献３に開示されたフラックスは、多層肉盛溶接を行う場合の下盛層の溶接のみに使用されるものであり、上層と下層とで肉盛溶接に使用するフラックスを使い分ける必要がある。
【００１３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、高温及び激しい摩耗に曝され、水蒸気腐食しやすい環境下で使用される部材の肉盛溶接部において、優れた耐高温磨耗性及び耐水蒸気腐食性が得られるサブマージアーク肉盛溶接用フラックスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係るサブマージアーク肉盛溶接用フラックスは、フラックス全質量あたり、
ＳｉＯ２：１０乃至３０質量％、ＭｇＯ：４乃至１０質量％、金属炭酸塩：ＣＯ２換算値で１乃至１０質量％、金属フッ化物：Ｆ換算値で２乃至１０質量％、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の少なくとも一方：総量で１０乃至３０質量％、及びＫ２Ｏ及びＮａ２Ｏの少なくとも一方：総量で１．５乃至５．０質量％を含有し、
更に、金属粉又は合金粉として、Ｃ：０．１乃至０．５質量％及びＣｒ：１１乃至２５質量％を含有し、
残部がＦｅ及び不純物であり、
フラックス中のＣａＯ、ＣａＦ２、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏの総量Ｘは、フラックス中のＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の含有量を夫々［ＳｉＯ２］、［Ａｌ２Ｏ３］及び［ＺｒＯ２］として下記数式１から算出される数値Ｙに対する比Ｘ／Ｙが０．３乃至１．５であることを特徴とする。
【００１５】
【数１】
【００１６】
本発明に係るサブマージアーク肉盛溶接用フラックスは、更に、金属粉又は合金粉として、Ｍｏ：０．５乃至３．５質量％及びＶ：０．１乃至２．０質量％からなる群から選択された１以上の成分を含有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のサブマージアーク肉盛溶接用フラックスは、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、金属炭酸塩及び金属フッ化物の含有量、造滓剤としての作用を有するＡｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の総量、並びにアーク安定剤としての作用を有するＫ２Ｏ及びＮａ２Ｏの総量が最適化されており、サブマージアーク肉盛溶接において、アーク安定性及びスラグ剥離性が優れ、良好な形状のビードを形成することができる。また、フラックス中のＣ及びＣｒの含有量が最適化されていることにより、溶接部に優れた耐高温磨耗性及び耐水蒸気腐食性が得られ、フラックス中の塩基性成分と酸化性成分とが最適なバランスで添加されているため、高温環境下においても、溶接部に優れた耐割れ性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明のフラックスを使用したサブマージアーク肉盛溶接方法を一例として示す模式図である。
【図２】本発明の実施例における多層肉盛溶接部を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本願発明者等は、製鉄ロール等、高温及び激しい摩耗に曝され、水蒸気腐食しやすい環境下で使用される部材において、溶接部に優れた耐高温磨耗性及び耐水蒸気腐食性を得るためのフラックスの組成について、鋭意実験検討を行った。そして、サブマージアーク肉盛溶接を施工する際に、優れたアーク安定性及びスラグ剥離性を得、良好な形状のビードを形成するためには、造滓剤及びアーク安定剤としての作用を有するＳｉＯ２、ＭｇＯ、金属炭酸塩、金属フッ化物、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｋ２Ｏ及びＮａ２Ｏの含有量を最適化すればよいことを知見した。
【００２０】
即ち、本発明に係るサブマージアーク肉盛溶接用フラックスは、フラックス全質量あたりＳｉＯ２：１０乃至３０質量％、ＭｇＯ：４乃至１０質量％、金属炭酸塩：ＣＯ２換算値で１乃至１０質量％及び金属フッ化物：Ｆ換算値で２乃至１０質量％を含有する。また、造滓作用を有するＡｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の少なくとも一方を総量で１０乃至３０質量％含有し、アーク安定作用を有するＫ２Ｏ及びＮａ２Ｏの少なくとも一方を総量で１．５乃至５．０質量％含有する。
【００２１】
本願発明者等は、上記知見の下に、製鉄ロール等のように、高温及び激しい摩耗に曝され、水蒸気腐食しやすい環境下で使用される部材において、溶接部に優れた耐高温磨耗性及び耐水蒸気腐食性を得るためには、Ｃ及びＣｒの添加量を適正化すればよいことを知見し、更に、フラックス中の塩基性成分と酸化性成分とを最適なバランスで添加することにより、高温環境下においても、優れた耐割れ性を有する溶接部が得られることを知見し、本発明を見出した。
【００２２】
即ち、サブマージアーク肉盛溶接用フラックスは、溶接金属の組成を調整する合金剤として、金属粉又は合金粉の状態で、Ｃ：０．１乃至０．５質量％及びＣｒ：１１乃至２５質量％を含有する。そして、フラックス中のＣａＯ、ＣａＦ２、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏの総量Ｘは、フラックス中のＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の含有量を夫々［ＳｉＯ２］、［Ａｌ２Ｏ３］及び［ＺｒＯ２］として前記数式１から算出される数値Ｙに対する比Ｘ／Ｙが０．３乃至１．５である。
【００２３】
本発明に係るサブマージアーク肉盛溶接用フラックスは、更に、合金剤として、金属粉又は合金粉の状態で、Ｍｏ：０．５乃至３．５質量％及びＶ：０．１乃至２．０質量％の少なくとも一方の成分を含有することが好ましく、これにより、高温環境下における耐摩耗性を更に向上させることができる。なお、サブマージアーク肉盛溶接用フラックスの上記成分以外の残部は、Ｆｅ及び不純物である。
【００２４】
以下、本発明のサブマージアーク肉盛溶接用フラックスの組成限定理由について説明する。
【００２５】
「ＳｉＯ２：１０乃至３０質量％」
ＳｉＯ２は造滓作用を有する成分として添加され、ガラス状のスラグの骨格を形成する。ＳｉＯ２の含有量が１０質量％未満であると、スラグの粘性が低下し、溶接ビード形状が劣化する。一方、ＳｉＯ２の含有量が３０質量％を超えると、スラグの粘性が高くなりすぎて、ビード形状が粗くなる。よって、本発明においては、ＳｉＯ２の含有量を１０乃至３０質量％と規定する。
【００２６】
「ＭｇＯ：４乃至１０質量％」
ＭｇＯは、造滓作用を有する成分として添加され、適量添加することにより、スラグの剥離性を向上させる。ＭｇＯの含有量が４質量％未満であると、スラグ剥離性を高める効果を十分に得られない。一方、ＭｇＯの含有量が１０質量％を超えると、スラグの粘性が高くなりすぎて、スラグ剥離性が劣化し、ビード形状も劣化する。従って、本発明においては、ＭｇＯの含有量を４乃至１０質量％と規定する。
【００２７】
「金属炭酸塩：ＣＯ２換算値で１乃至１０質量％」
金属炭酸塩は、ＣａＣＯ３を主体として添加され、溶接時の高温によって、ＣａＯ等の金属酸化物とＣＯ２とに分解される。ＣａＯ等の金属酸化物は造滓作用を有し、ＣＯ２はアーク及び溶融金属を大気から遮蔽する役割を果たす。金属炭酸塩の含有量がＣＯ２換算値で１質量％未満であると、分解により生成するＣＯ２量は少なくなり、大気からの十分な遮蔽作用が得られず、肉盛溶接金属に気孔が発生しやすくなり、溶接金属の耐食性も劣化する。一方、金属炭酸塩の含有量がＣＯ２換算値で１０質量％より多いと、分解により多く生成したＣａ等の金属酸化物により、スラグの粘性が高くなりすぎて、ビード形状が粗くなる。よって、本発明においては、金属炭酸塩の含有量をＣＯ２換算値で１乃至１０質量％と規定する。なお、金属炭酸塩としては、ＣａＣＯ３の他に、ＢａＣＯ３、ＭｇＣＯ３等が挙げられる。
【００２８】
「金属フッ化物：Ｆ換算値で２乃至１０質量％」
金属フッ化物は、造滓作用及びアーク安定作用を有する成分として添加され、スラグ剥離性及びアーク安定性の改善に寄与する。しかし、Ｆ換算値で２質量％未満ではこれらの効果が得られない。一方、金属フッ化物の含有量がＦ換算値で１０質量％を超えると、高温のアーク熱によって多量のフッ素ガスが分解されることにより、溶接金属にポックマークと呼ばれるガスの圧痕が多く発生し、ビード外観が損なわれる。このため、本発明においては、金属フッ化物の含有量をＦ換算値で２乃至１０質量％と規定する。なお、金属フッ化物としては、例えばＣａＦ２、ＮａＦ、ＢａＦ２及びＫ２ＳｉＦ６等が挙げられるが、金属フッ化物である限り、これらの成分に限定されない。
【００２９】
「Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２：少なくとも一方を総量で１０乃至３０質量％」
Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２は造滓作用を有するため、その一種以上が添加される。これらの酸化物成分はＣａＯ及びＭｇＯ等の強塩基性成分並びにＳｉＯ２等の強酸性成分との中間的な性質を有し、１０質量％以上添加することにより、美麗なビード形状の形成に寄与する。しかし、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の含有量が総量で３０質量％を超えると、スラグの剥離性が劣化する。よって、本発明においては、造滓作用を有するＡｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２は、その少なくとも一方を総量で１０乃至３０質量％添加する。
【００３０】
「Ｋ２Ｏ及びＮａ２Ｏ：少なくとも一方を総量で１．５乃至５．０質量％」
Ｋ２Ｏ及びＮａ２Ｏは仕事関数が小さい（放電しやすい）化合物であり、適量添加することにより、アークを安定化させると共に、美麗なビード形状の形成に寄与する。これらの含有量が総量で１．５質量％未満であると、上記効果を十分に得られない。一方、Ｋ２Ｏ及びＮａ２Ｏの含有量が総量で５．０質量％を超えると、Ｋ２Ｏ及びＮａ２Ｏが蒸発して溶接金属に気孔欠陥が発生しやすくなる。よって、本発明においては、Ｋ２Ｏ及びＮａ２Ｏの含有量を総量で１．５乃至５．０質量％と規定する。
【００３１】
「金属粉又は合金粉として、Ｃ：０．１乃至０．５質量％」
Ｃは溶接金属の組成を調整する合金剤及び脱酸剤として添加する。Ｃの含有量が０．１質量％未満であると、肉盛溶接金属に十分な硬度が得られず、製鉄ロール等の部品において、耐摩耗性が劣化する。一方、Ｃが０．５質量％より多くなると、肉盛溶接時に溶接割れが発生しやすくなり、溶接金属の耐高温割れ性も劣化する。よって、本発明においては、Ｃを０．１乃至０．５質量％添加する。このＣは、例えば、鋳鉄粉、ＣｒＣ、ＭｎＣ、ＷＣ及びＭｏＣ等の金属粉、又は高炭素のＦｅ−Ｃｒ及び高炭素のＦｅ−Ｍｎ等の合金粉として添加する。
【００３２】
「金属粉又は合金粉として、Ｃｒ：１１乃至２５質量％」
Ｃｒは、溶接金属の組成を調整する合金剤として、添加する。本発明においては、肉盛溶接金属に十分な耐高温酸化性及び耐食性を確保するために、Ｃｒを必須成分として従来よりも多く添加する。Ｃｒの含有量が１１質量％未満であると、十分な耐高温酸化性及び耐食性が得られない。一方、Ｃｒの含有量が２５質量％を超えると、肉盛溶接金属にＣｒが過剰に歩留まり、フェライトの形成が促進されて肉盛溶接金属の硬度が低下して耐高温割れ性が劣化し、耐摩耗性も低下する。また、多量のＣｒの添加はスラグ剥離性を劣化させる。よって、本発明においては、Ｃｒは、１１乃至２５質量％添加する。このＣｒは、Ｃｒの金属粉、又はＦｅ−Ｃｒ、Ｃｒ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｃｒ及びＣｒ−Ｍｏ等の合金粉として添加する。
【００３３】
「比Ｘ／Ｙ：０．３乃至１．５」
肉盛層は、高温に長時間曝されることにより、割れが発生する場合がある。即ち、高温長時間の使用中に肉盛溶着金属の粒界に炭化物が析出し、粒界強度が弱くなり、粒界割れが発生しやすくなる。本発明においては、この粒界割れを防止するために、肉盛溶着金属中の酸素量を制御する。即ち、肉盛溶着金属中の酸素量を制御することにより、適量の酸化物が肉盛溶着金属中に分散され、粒界にベイナイト組織が析出し、粒界割れの発生リスクを低減することができる。肉盛溶着金属中の酸素量は、主に溶接フラックスの組成により、コントロールできる。即ち、フラックス中の塩基性成分と酸化性成分との間で、適度なバランスを図ることにより、粒界割れを効果的に防止できる。本発明においては、フラックスに塩基性成分として添加されるＣａＯ、ＣａＦ２、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏの総量を、酸化性成分として添加されるＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２に対して最適化する。即ち、ＣａＯ、ＣａＦ２、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏの総量Ｘを前記数式１から算出される数値Ｙに対する比Ｘ／Ｙで０．３乃至１．５とすることにより、粒界割れを効果的に防止できる。前記比Ｘ／Ｙが０．３未満であると、肉盛溶着金属中の酸素量が過多となり、Ｃ及びＣｒの歩留まりが悪くなり、結果として、溶接金属の耐摩耗性及び耐食性が劣化する。一方、前記比Ｘ／Ｙが１．５を超えると、肉盛溶着金属中の酸素量は少なく、高温長時間の使用において、肉盛溶着金属に割れが発生しやすくなる。
【００３４】
「金属粉又は合金粉として、Ｍｏ：０．５乃至３．５質量％」
Ｍｏは、溶接金属の組成を調整する合金剤として、添加する。Ｍｏは、主に溶着金属のマトリックス中に分配され、常温及び高温環境下におけるマトリックスの強度を高め、溶着金属の耐摩耗性を改善する効果がある。しかし、Ｍｏの含有量が０．５質量％未満ではその効果が十分に得られず、３．５質量％を超えると耐摩耗性の改善効果が飽和し、不経済である。よって、本発明においては、Ｍｏの含有量を０．５乃至３．５質量％と規定する。
【００３５】
「金属粉又は合金粉として、Ｖ：０．１乃至２．０質量％」
Ｖは、溶接金属の組成を調整する合金剤として、添加する。Ｖは、主に初晶炭化物中に分配され、その硬度を高め耐摩耗性を向上させる。しかし、Ｖの含有量が０．１質量％未満ではその効果が十分に得られず、２．０質量％を超えると耐摩耗性の改善効果が飽和し、また、スラグの剥離性も劣化する。よって、本発明においては、Ｖの含有量を０．１乃至２．０質量％と規定する。
【００３６】
次に、本実施形態のサブマージアーク肉盛溶接用フラックスを使用した肉盛溶接について説明する。先ず、図１に示すように、母材３上に帯状電極１１及びホッパー１０を配置し、ホッパー１０からフラックス１を供給する。そして、帯状電極１１と母材３との間の空間をフラックス１中に埋没した状態で帯状電極１１と母材３との間に電圧を印加する。すると、帯状電極１１と母材３との間にアークが発生し、アーク熱により、フラックス１中のスラグ成分、帯状電極１１及び母材３が溶融して溶融金属４ｃとなる。また、溶融金属４ｃ上には、フラックス１中のスラグ成分が溶融して溶融スラグ４ｂが層状に形成される。
【００３７】
そして、ホッパー１０及び帯状電極１１を溶接方向に前進させると、ホッパー１０及び帯状電極１１の後方に、溶融金属４ｃ及び溶融スラグ４ｂが夫々凝固していき、ビード４（溶接金属４ｄ）及びその上部の凝固スラグ４ａが層状に形成されていく。多層肉盛溶接の場合には、凝固スラグ４ａを剥離した後、その上に層上に次層のビードを形成していく。
【００３８】
溶接の際、フラックスの散布量が多すぎると、ビード４の表面にポックマーク（圧痕）が発生しやすくなり、溶接部の品質上、問題がある。即ち、フラックス粉末による圧力がアーク雰囲気のガス圧よりも大きくなることにより、溶融部に圧痕が発生する。よって、ポックマークの発生を抑制するためには、アーク雰囲気のガス圧をフラックスの重量による圧力以上にした上で、フラックスの溶融により発生したガスの通気性を高めるため、例えば溶接方向におけるフープ材の後方のフラックス散布量を減らすことが好ましい。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明の構成による効果について、本発明の範囲を満足する実施例をその比較例と対比して、具体的に説明する。溶接方法は、図１に模式図で示すように、軟鋼からなる消耗式の帯状電極１１（幅ｗ：５０ｍｍ、厚さｔ：０．４ｍｍ）を送給ローラ１２により連続的に送給すると共に、母材３上にフラックス１を散布して、母材３と帯状電極１１との間の空間をフラックス中に埋没した状態で、母材３と帯状電極との間に電圧を印加し、帯状電極１１と母材３との間にアークを発生させてサブマージアーク肉盛溶接を実施した。表１に本実施例で使用した母材３の組成を示す。また、表２に本実施例における溶接条件を示す。帯状電極１１としては、下記表３に示す組成を有するものを使用し、表４−１乃至表４−３及び表５−１乃至表５−３に示す種々のフラックス１を使用して、図２に示すように、３層５パスの多層肉盛溶接を実施した。なお、表４−３及び表５−３に示す比較例の組成において、数値に付した下線は、本発明の範囲を満足しないことを意味する。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【００４２】
【表３】
【００４３】
【表４−１】
【００４４】
【表４−２】
【００４５】
【表４−３】
【００４６】
【表５−１】
【００４７】
【表５−２】
【００４８】
【表５−３】
【００４９】
上記各実施例及び比較例のサブマージアーク肉盛溶接用フラックスを使用した肉盛溶接において、スラグ剥離性、ビード形状及び溶接欠陥の有無を溶接作業性として評価した。スラグ剥離性は、スラグが自然剥離するか、又は手工具を使用して容易に除去できた場合を極めて良好（○）、エア工具は使用しないが手工具を使用しないとスラグが除去できない場合を良好（△）、エア工具を使用しないとスラグが除去できない場合を不良（×）と判定した。ビード形状については、滑らかなビードが形成された場合を良好（○）、形成されたビードが粗く、凹凸が大きかった場合を不良（×）と判定した。溶接欠陥は、気孔欠陥、溶接部の割れ又はスラグ巻き込み等が発生しなかった場合を良好（○）、前記溶接欠陥がいずれか１つでも発生した場合を不良（×）と判定した。各実施例及び比較例の溶接作業性について、各判定結果を表６−１乃至表６−３に示す。
【００５０】
また、肉盛溶接金属の耐摩耗性、耐割れ性及び耐食性の評価も行った。耐摩耗性は、ＡＳＴＭ Ｇ６５−００ｅ１規格に準拠し、溶接金属の摩耗量により評価した。そして、溶接金属の摩耗量が２ｇ以下であった場合を◎＋、摩耗量が２ｇを超え４ｇ以下であった場合を◎、摩耗量が４ｇを超え６ｇ以下であった場合を○、摩耗量が６ｇを超えた場合を×と評価した。耐割れ性は、非特許文献１（「溶接学会誌 第３３巻 第９号（内木、岡林、粂：応力除去焼戻割れに関する研究（第２報））」、社団法人溶接学会、１９６４年、第７１８乃至７２５頁）に記載されたＣリング割れ試験方法に準拠した加速割れ試験方法により評価し、溶接金属に割れが発生しなかった場合を○、割れが発生した場合を×と評価した。耐食性は、ＪＩＳ Ｚ２２９０，Ｚ２２９２規格に準拠し、溶接金属の単位面積あたりの腐食減量により評価した。そして、溶接金属の腐食減量が０．５ｍｇ／ｃｍ２以下であった場合を○、０．５ｍｇ／ｃｍ２を超えた場合を×と評価した。各実施例及び比較例の耐摩耗性、耐割れ性及び耐食性の評価結果を表６−１乃至表６−３にあわせて示す。また、スラグ剥離性、ビード形状、溶接欠陥、耐摩耗性、耐割れ性及び耐食性の全ての項目の評価が良好であった場合には、総合評価を○、いずれか１つの項目でも×であった場合には、総合評価を×として表６−１乃至表６−３に示す。
【００５１】
【表６−１】
【００５２】
【表６−２】
【００５３】
【表６−３】
【００５４】
表６−１乃至表６−３に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至３８は、フラックスの組成が本発明の範囲を満足するので、本発明の範囲を満足しない比較例Ｎｏ．３８乃至５６に比して、スラグ剥離性、ビード形状、溶接欠陥、耐摩耗性、耐割れ性及び耐食性の１以上の項目が優れていた。
【００５５】
フラックスの組成が本発明の範囲を満足する実施例Ｎｏ．１乃至３８のうち、実施例Ｎｏ．３０乃至３２及び実施例Ｎｏ．３４乃至３７は、Ｍｏ及びＶの含有量が本発明の請求項２を満足するので、他の実施例に比して、肉盛溶接金属の耐摩耗性が更に向上した。特に、Ｍｏ及びＶの双方を含有する実施例Ｎｏ．３１及び３５は、夫々の含有量が請求項２の範囲を満足するので、溶接金属の耐摩耗性が飛躍的に向上した。実施例Ｎｏ．３８は、Ｖを含有するものの、その含有量が過多となり、スラグ剥離性が若干劣化した。
【００５６】
比較例Ｎｏ．３９は、フラックス中のＳｉＯ２の含有量が本発明の範囲未満であったため、ビード形状が劣化した一方、比較例Ｎｏ．４０はＳｉＯ２の含有量が過剰となり、スラグの粘性が高くなりすぎてビード形状が劣化した。
【００５７】
比較例Ｎｏ．４１は、フラックス中の金属炭酸塩が少なく、気孔欠陥が発生し、溶接金属の耐食性も劣化した。比較例Ｎｏ．４２は、フラックス中の金属炭酸塩量が多いことにより、スラグの粘性が高くなり、ビード形状が劣化した。
【００５８】
比較例Ｎｏ．４３は、フラックス中のＭｇＯの含有量が少なく、スラグ剥離性が劣化した。一方、比較例Ｎｏ．４４は、フラックス中のＭｇＯ量が過多となり、ビード形状が劣化した。
【００５９】
比較例Ｎｏ．４５は、フラックス中の金属フッ化物量不足により、スラグ剥離性が劣化し、また、アークの安定性が劣化することにより、形成されるビードの形状が劣化した。一方、比較例Ｎｏ．４６は、金属フッ化物量が過多となり、ポックマークの発生によりビード形状が劣化した。
【００６０】
比較例Ｎｏ．４７は、造滓剤としてのＡｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の総量が少なく、ビード形状が劣化した一方、比較例Ｎｏ．４８は、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２が過多となったことにより、スラグ剥離性が劣化した。
【００６１】
比較例Ｎｏ．４９は、アーク安定剤としてのＫ２Ｏ及びＮａ２Ｏの総量が少なく、ビード形状が劣化した一方、比較例Ｎｏ．５０は、Ｋ２Ｏ及びＮａ２Ｏが過多となり、気孔欠陥が発生した。
【００６２】
比較例Ｎｏ．５１は、フラックス中の塩基性成分と酸化性成分との比Ｘ／Ｙが本発明の範囲未満であったため、溶接金属の耐摩耗性及び耐食性が劣化した。一方、比較例Ｎｏ．５２は、フラックス中の塩基性成分と酸化性成分との比Ｘ／Ｙが本発明の範囲を超え、溶接金属の耐割れ性が劣化した。
【００６３】
比較例Ｎｏ．５３は、フラックス中のＣ量不足により、十分な耐摩耗性が得られなかった一方、比較例Ｎｏ．５４は、Ｃ量が過多となり、溶接割れが発生し、溶接金属の耐高温割れ性も劣化した。
【００６４】
比較例Ｎｏ．５５は、フラックス中のＣｒ量が少なく、溶接金属に十分な耐食性が得られなかった一方、比較例Ｎｏ．５６は、Ｃｒ量が過多となり、スラグ剥離性が劣化し、溶接金属の耐割れ性及び耐摩耗性が劣化した。
【符号の説明】
【００６５】
１：サブマージアーク肉盛溶接用フラックス、１１：帯状電極（フープ）、１２：送給ローラ、１３：電源供給装置、３：母材、４：ビード、４ａ：凝固スラグ、４ｂ：溶融スラグ、４ｃ：溶融金属、４ｄ：溶接金属
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サブマージアーク肉盛溶接用フラックスに関し、特に、製鉄ロール等、高温及び激しい摩耗に曝され、水蒸気腐食しやすい環境下で使用される部材の溶接部において、優れた耐高温磨耗性及び耐水蒸気腐食性が得られるサブマージアーク肉盛溶接用フラックスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、製鉄ロール等、高温及び激しい摩耗に曝され、水蒸気腐食しやすい環境下で使用される部材においては、肉盛溶接を施工する方法として、サブマージアーク溶接又はエレクトロスラグ溶接が採用されている。しかし、エレクトロスラグ溶接は、サブマージアーク溶接に比して溶接作業環境が劣化しやすく、また、特殊な溶接装置の導入が必要であり、溶接装置の調整も煩雑であることから、近時、サブマージアーク溶接が実施される場合が増加している。サブマージアーク溶接は粒状のフラックス（融剤）と消耗式電極（ワイヤ又はバンドフープ）を使用し、電極と母材との間の空間をフラックス中に埋没した状態で、電極と母材との間に電圧を印加し、発生するアーク熱により電極及び母材を溶融させて溶接する方法であり、効率の高い溶接方法である。
【０００３】
このサブマージアーク肉盛溶接により得られる溶接部には、割れ及び気孔等の溶接欠陥が発生していないこと、スラグ剥離性が良好であること、及びビード形状が良好であることが求められ、優れた溶接作業性で健全な溶接部が得られる消耗電極及びワイヤの組成が検討されている。また、溶接金属においては、耐高温磨耗性及び耐水蒸気腐食性が優れ、肉盛溶接の施工時及び使用中における耐割れ性を備えていることが重要であり、これらの性能を確保するために、肉盛溶接金属の化学成分や施工方法に関して、従来、多くの研究がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、炭酸カルシウム等を含有する帯状電極用フラックスにおいて、フッ化カルシウム及びフッ化ナトリウムの総量及び両者間の重量比を規定することにより、溶接作業性が良好で、靭性が高く、且つ耐割れ性に優れた溶着金属が得られることが開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、化学反応容器及び原子炉反応容器等、ステンレス鋼からなる母材をステンレス鋼からなる帯状電極により肉盛溶接する際に使用されるサブマージアーク肉盛溶接用フラックスが開示されている。この特許文献２のサブマージアーク肉盛溶接用フラックスにおいては、ＳｉＯ２：３０乃至６０質量％及びＭｇＯ：３０乃至５０質量％を含有するＳｉＯ２−ＭｇＯ系複合酸化物を、フラックスの全質量比で１０乃至６０質量％含有させ、更に、Ａｌ２Ｏ３を１５乃至２５質量％含有させることにより、溶接ビード形状及び溶接ビード端部のなじみ性の劣化を防止し、また、アンダーカット等の溶接欠陥の発生も防止できることが開示されている。
【０００６】
特許文献３には、多層肉盛溶接した上層の溶接金属から割れ及び熱亀裂が母材に急速に伝播することを防止するために、下盛層の高温靭性を高めるフラックスの組成が開示されており、造滓剤としてのＣａＯ又はＣａＣＯ３、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ及びＳｉＯ２量、脱酸剤としてのＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＦｅ量が規定されている。
【０００７】
特許文献４には、化学反応容器及び原子炉反応容器等、ステンレス鋼からなる母材をステンレス鋼からなる帯状電極により多層盛溶接する方法が開示されており、帯状電極及びフラックス中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮｂの含有量、Ｎｂ及びＣの含有量比、並びに塩基度を規定することにより、溶接金属中の合金の歩留まりを良好に維持し、良好な溶接作業性が得られることが開示されている。
【０００８】
特許文献５には、耐火建築構造用鋼のサブマージアーク溶接に使用されるフラックスが開示されており、酸化物及びフッ化物を除いた成分中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ及びＡｌの含有量を最適化することにより、８００℃までの温度における耐火性に優れた溶接金属が得られることが開示されている。そして、この特許文献５の溶接方法においては、溶接作業性等を向上させるために、フラックス中に、金属酸化物として、ＴｉＯ２：８質量％以下、ＳｉＯ２：１０乃至１６質量％、ＣａＯ：３乃至２０質量％、ＺｒＯ２：１乃至９質量％、Ａｌ２Ｏ３：８乃至１８質量％及びＭｇＯ：１０乃至２３質量％を含有させ、ＣａＦ２等の金属フッ化物を１乃至１８質量％含有させ、ＣａＣＯ３及びＢａＣＯ３等の金属炭酸塩を３乃至６質量％含有させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭５９−６４１９３号公報
【特許文献２】特開２００１−３３４３９３号公報
【特許文献３】特開昭５８−９７９５号公報
【特許文献４】特開昭６０−２１０３９４号公報
【特許文献５】特開２００３−３１１４７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１乃至５のフラックスは、いずれも、製鉄ロール等、高温及び激しい摩耗に曝され、水蒸気腐食しやすい環境下で使用される部材において、十分な耐高温酸化性及び耐食性が得られるものではない。特に、特許文献２及び４に開示されたフラックスは、いずれも、化学反応容器及び原子炉反応容器等、ステンレス鋼からなる母材をステンレス鋼からなる帯状電極により肉盛溶接する際に使用されるものであり、製鉄ロール等、高温及び激しい摩耗に曝され、水蒸気腐食しやすい環境下で使用される部材を肉盛溶接する場合には、好適ではない。また、特許文献５のフラックスも、耐火建築構造用鋼の溶接に使用されるものであり、製鉄ロール等の肉盛溶接には好適ではない。
【００１１】
また、特許文献１においては、溶着金属中の拡散性水素量を低減し、靭性を向上させる成分として、フッ化カルシウム及びフッ化ナトリウムを多量に添加しており、アーク熱により多量に分解されるフッ素ガスにより、溶接金属にポックマークと呼ばれるガスの圧痕が多く発生し、ビード外観が損なわれる虞がある。
【００１２】
特許文献３に開示されたフラックスは、多層肉盛溶接を行う場合の下盛層の溶接のみに使用されるものであり、上層と下層とで肉盛溶接に使用するフラックスを使い分ける必要がある。
【００１３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、高温及び激しい摩耗に曝され、水蒸気腐食しやすい環境下で使用される部材の肉盛溶接部において、優れた耐高温磨耗性及び耐水蒸気腐食性が得られるサブマージアーク肉盛溶接用フラックスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係るサブマージアーク肉盛溶接用フラックスは、フラックス全質量あたり、
ＳｉＯ２：１０乃至３０質量％、ＭｇＯ：４乃至１０質量％、金属炭酸塩：ＣＯ２換算値で１乃至１０質量％、金属フッ化物：Ｆ換算値で２乃至１０質量％、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の少なくとも一方：総量で１０乃至３０質量％、及びＫ２Ｏ及びＮａ２Ｏの少なくとも一方：総量で１．５乃至５．０質量％を含有し、
更に、金属粉又は合金粉として、Ｃ：０．１乃至０．５質量％及びＣｒ：１１乃至２５質量％を含有し、
残部がＦｅ及び不純物であり、
フラックス中のＣａＯ、ＣａＦ２、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏの総量Ｘは、フラックス中のＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の含有量を夫々［ＳｉＯ２］、［Ａｌ２Ｏ３］及び［ＺｒＯ２］として下記数式１から算出される数値Ｙに対する比Ｘ／Ｙが０．３乃至１．５であることを特徴とする。
【００１５】
【数１】
【００１６】
本発明に係るサブマージアーク肉盛溶接用フラックスは、更に、金属粉又は合金粉として、Ｍｏ：０．５乃至３．５質量％及びＶ：０．１乃至２．０質量％からなる群から選択された１以上の成分を含有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のサブマージアーク肉盛溶接用フラックスは、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、金属炭酸塩及び金属フッ化物の含有量、造滓剤としての作用を有するＡｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の総量、並びにアーク安定剤としての作用を有するＫ２Ｏ及びＮａ２Ｏの総量が最適化されており、サブマージアーク肉盛溶接において、アーク安定性及びスラグ剥離性が優れ、良好な形状のビードを形成することができる。また、フラックス中のＣ及びＣｒの含有量が最適化されていることにより、溶接部に優れた耐高温磨耗性及び耐水蒸気腐食性が得られ、フラックス中の塩基性成分と酸化性成分とが最適なバランスで添加されているため、高温環境下においても、溶接部に優れた耐割れ性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明のフラックスを使用したサブマージアーク肉盛溶接方法を一例として示す模式図である。
【図２】本発明の実施例における多層肉盛溶接部を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本願発明者等は、製鉄ロール等、高温及び激しい摩耗に曝され、水蒸気腐食しやすい環境下で使用される部材において、溶接部に優れた耐高温磨耗性及び耐水蒸気腐食性を得るためのフラックスの組成について、鋭意実験検討を行った。そして、サブマージアーク肉盛溶接を施工する際に、優れたアーク安定性及びスラグ剥離性を得、良好な形状のビードを形成するためには、造滓剤及びアーク安定剤としての作用を有するＳｉＯ２、ＭｇＯ、金属炭酸塩、金属フッ化物、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｋ２Ｏ及びＮａ２Ｏの含有量を最適化すればよいことを知見した。
【００２０】
即ち、本発明に係るサブマージアーク肉盛溶接用フラックスは、フラックス全質量あたりＳｉＯ２：１０乃至３０質量％、ＭｇＯ：４乃至１０質量％、金属炭酸塩：ＣＯ２換算値で１乃至１０質量％及び金属フッ化物：Ｆ換算値で２乃至１０質量％を含有する。また、造滓作用を有するＡｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の少なくとも一方を総量で１０乃至３０質量％含有し、アーク安定作用を有するＫ２Ｏ及びＮａ２Ｏの少なくとも一方を総量で１．５乃至５．０質量％含有する。
【００２１】
本願発明者等は、上記知見の下に、製鉄ロール等のように、高温及び激しい摩耗に曝され、水蒸気腐食しやすい環境下で使用される部材において、溶接部に優れた耐高温磨耗性及び耐水蒸気腐食性を得るためには、Ｃ及びＣｒの添加量を適正化すればよいことを知見し、更に、フラックス中の塩基性成分と酸化性成分とを最適なバランスで添加することにより、高温環境下においても、優れた耐割れ性を有する溶接部が得られることを知見し、本発明を見出した。
【００２２】
即ち、サブマージアーク肉盛溶接用フラックスは、溶接金属の組成を調整する合金剤として、金属粉又は合金粉の状態で、Ｃ：０．１乃至０．５質量％及びＣｒ：１１乃至２５質量％を含有する。そして、フラックス中のＣａＯ、ＣａＦ２、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏの総量Ｘは、フラックス中のＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の含有量を夫々［ＳｉＯ２］、［Ａｌ２Ｏ３］及び［ＺｒＯ２］として前記数式１から算出される数値Ｙに対する比Ｘ／Ｙが０．３乃至１．５である。
【００２３】
本発明に係るサブマージアーク肉盛溶接用フラックスは、更に、合金剤として、金属粉又は合金粉の状態で、Ｍｏ：０．５乃至３．５質量％及びＶ：０．１乃至２．０質量％の少なくとも一方の成分を含有することが好ましく、これにより、高温環境下における耐摩耗性を更に向上させることができる。なお、サブマージアーク肉盛溶接用フラックスの上記成分以外の残部は、Ｆｅ及び不純物である。
【００２４】
以下、本発明のサブマージアーク肉盛溶接用フラックスの組成限定理由について説明する。
【００２５】
「ＳｉＯ２：１０乃至３０質量％」
ＳｉＯ２は造滓作用を有する成分として添加され、ガラス状のスラグの骨格を形成する。ＳｉＯ２の含有量が１０質量％未満であると、スラグの粘性が低下し、溶接ビード形状が劣化する。一方、ＳｉＯ２の含有量が３０質量％を超えると、スラグの粘性が高くなりすぎて、ビード形状が粗くなる。よって、本発明においては、ＳｉＯ２の含有量を１０乃至３０質量％と規定する。
【００２６】
「ＭｇＯ：４乃至１０質量％」
ＭｇＯは、造滓作用を有する成分として添加され、適量添加することにより、スラグの剥離性を向上させる。ＭｇＯの含有量が４質量％未満であると、スラグ剥離性を高める効果を十分に得られない。一方、ＭｇＯの含有量が１０質量％を超えると、スラグの粘性が高くなりすぎて、スラグ剥離性が劣化し、ビード形状も劣化する。従って、本発明においては、ＭｇＯの含有量を４乃至１０質量％と規定する。
【００２７】
「金属炭酸塩：ＣＯ２換算値で１乃至１０質量％」
金属炭酸塩は、ＣａＣＯ３を主体として添加され、溶接時の高温によって、ＣａＯ等の金属酸化物とＣＯ２とに分解される。ＣａＯ等の金属酸化物は造滓作用を有し、ＣＯ２はアーク及び溶融金属を大気から遮蔽する役割を果たす。金属炭酸塩の含有量がＣＯ２換算値で１質量％未満であると、分解により生成するＣＯ２量は少なくなり、大気からの十分な遮蔽作用が得られず、肉盛溶接金属に気孔が発生しやすくなり、溶接金属の耐食性も劣化する。一方、金属炭酸塩の含有量がＣＯ２換算値で１０質量％より多いと、分解により多く生成したＣａ等の金属酸化物により、スラグの粘性が高くなりすぎて、ビード形状が粗くなる。よって、本発明においては、金属炭酸塩の含有量をＣＯ２換算値で１乃至１０質量％と規定する。なお、金属炭酸塩としては、ＣａＣＯ３の他に、ＢａＣＯ３、ＭｇＣＯ３等が挙げられる。
【００２８】
「金属フッ化物：Ｆ換算値で２乃至１０質量％」
金属フッ化物は、造滓作用及びアーク安定作用を有する成分として添加され、スラグ剥離性及びアーク安定性の改善に寄与する。しかし、Ｆ換算値で２質量％未満ではこれらの効果が得られない。一方、金属フッ化物の含有量がＦ換算値で１０質量％を超えると、高温のアーク熱によって多量のフッ素ガスが分解されることにより、溶接金属にポックマークと呼ばれるガスの圧痕が多く発生し、ビード外観が損なわれる。このため、本発明においては、金属フッ化物の含有量をＦ換算値で２乃至１０質量％と規定する。なお、金属フッ化物としては、例えばＣａＦ２、ＮａＦ、ＢａＦ２及びＫ２ＳｉＦ６等が挙げられるが、金属フッ化物である限り、これらの成分に限定されない。
【００２９】
「Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２：少なくとも一方を総量で１０乃至３０質量％」
Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２は造滓作用を有するため、その一種以上が添加される。これらの酸化物成分はＣａＯ及びＭｇＯ等の強塩基性成分並びにＳｉＯ２等の強酸性成分との中間的な性質を有し、１０質量％以上添加することにより、美麗なビード形状の形成に寄与する。しかし、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の含有量が総量で３０質量％を超えると、スラグの剥離性が劣化する。よって、本発明においては、造滓作用を有するＡｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２は、その少なくとも一方を総量で１０乃至３０質量％添加する。
【００３０】
「Ｋ２Ｏ及びＮａ２Ｏ：少なくとも一方を総量で１．５乃至５．０質量％」
Ｋ２Ｏ及びＮａ２Ｏは仕事関数が小さい（放電しやすい）化合物であり、適量添加することにより、アークを安定化させると共に、美麗なビード形状の形成に寄与する。これらの含有量が総量で１．５質量％未満であると、上記効果を十分に得られない。一方、Ｋ２Ｏ及びＮａ２Ｏの含有量が総量で５．０質量％を超えると、Ｋ２Ｏ及びＮａ２Ｏが蒸発して溶接金属に気孔欠陥が発生しやすくなる。よって、本発明においては、Ｋ２Ｏ及びＮａ２Ｏの含有量を総量で１．５乃至５．０質量％と規定する。
【００３１】
「金属粉又は合金粉として、Ｃ：０．１乃至０．５質量％」
Ｃは溶接金属の組成を調整する合金剤及び脱酸剤として添加する。Ｃの含有量が０．１質量％未満であると、肉盛溶接金属に十分な硬度が得られず、製鉄ロール等の部品において、耐摩耗性が劣化する。一方、Ｃが０．５質量％より多くなると、肉盛溶接時に溶接割れが発生しやすくなり、溶接金属の耐高温割れ性も劣化する。よって、本発明においては、Ｃを０．１乃至０．５質量％添加する。このＣは、例えば、鋳鉄粉、ＣｒＣ、ＭｎＣ、ＷＣ及びＭｏＣ等の金属粉、又は高炭素のＦｅ−Ｃｒ及び高炭素のＦｅ−Ｍｎ等の合金粉として添加する。
【００３２】
「金属粉又は合金粉として、Ｃｒ：１１乃至２５質量％」
Ｃｒは、溶接金属の組成を調整する合金剤として、添加する。本発明においては、肉盛溶接金属に十分な耐高温酸化性及び耐食性を確保するために、Ｃｒを必須成分として従来よりも多く添加する。Ｃｒの含有量が１１質量％未満であると、十分な耐高温酸化性及び耐食性が得られない。一方、Ｃｒの含有量が２５質量％を超えると、肉盛溶接金属にＣｒが過剰に歩留まり、フェライトの形成が促進されて肉盛溶接金属の硬度が低下して耐高温割れ性が劣化し、耐摩耗性も低下する。また、多量のＣｒの添加はスラグ剥離性を劣化させる。よって、本発明においては、Ｃｒは、１１乃至２５質量％添加する。このＣｒは、Ｃｒの金属粉、又はＦｅ−Ｃｒ、Ｃｒ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｃｒ及びＣｒ−Ｍｏ等の合金粉として添加する。
【００３３】
「比Ｘ／Ｙ：０．３乃至１．５」
肉盛層は、高温に長時間曝されることにより、割れが発生する場合がある。即ち、高温長時間の使用中に肉盛溶着金属の粒界に炭化物が析出し、粒界強度が弱くなり、粒界割れが発生しやすくなる。本発明においては、この粒界割れを防止するために、肉盛溶着金属中の酸素量を制御する。即ち、肉盛溶着金属中の酸素量を制御することにより、適量の酸化物が肉盛溶着金属中に分散され、粒界にベイナイト組織が析出し、粒界割れの発生リスクを低減することができる。肉盛溶着金属中の酸素量は、主に溶接フラックスの組成により、コントロールできる。即ち、フラックス中の塩基性成分と酸化性成分との間で、適度なバランスを図ることにより、粒界割れを効果的に防止できる。本発明においては、フラックスに塩基性成分として添加されるＣａＯ、ＣａＦ２、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏの総量を、酸化性成分として添加されるＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２に対して最適化する。即ち、ＣａＯ、ＣａＦ２、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏの総量Ｘを前記数式１から算出される数値Ｙに対する比Ｘ／Ｙで０．３乃至１．５とすることにより、粒界割れを効果的に防止できる。前記比Ｘ／Ｙが０．３未満であると、肉盛溶着金属中の酸素量が過多となり、Ｃ及びＣｒの歩留まりが悪くなり、結果として、溶接金属の耐摩耗性及び耐食性が劣化する。一方、前記比Ｘ／Ｙが１．５を超えると、肉盛溶着金属中の酸素量は少なく、高温長時間の使用において、肉盛溶着金属に割れが発生しやすくなる。
【００３４】
「金属粉又は合金粉として、Ｍｏ：０．５乃至３．５質量％」
Ｍｏは、溶接金属の組成を調整する合金剤として、添加する。Ｍｏは、主に溶着金属のマトリックス中に分配され、常温及び高温環境下におけるマトリックスの強度を高め、溶着金属の耐摩耗性を改善する効果がある。しかし、Ｍｏの含有量が０．５質量％未満ではその効果が十分に得られず、３．５質量％を超えると耐摩耗性の改善効果が飽和し、不経済である。よって、本発明においては、Ｍｏの含有量を０．５乃至３．５質量％と規定する。
【００３５】
「金属粉又は合金粉として、Ｖ：０．１乃至２．０質量％」
Ｖは、溶接金属の組成を調整する合金剤として、添加する。Ｖは、主に初晶炭化物中に分配され、その硬度を高め耐摩耗性を向上させる。しかし、Ｖの含有量が０．１質量％未満ではその効果が十分に得られず、２．０質量％を超えると耐摩耗性の改善効果が飽和し、また、スラグの剥離性も劣化する。よって、本発明においては、Ｖの含有量を０．１乃至２．０質量％と規定する。
【００３６】
次に、本実施形態のサブマージアーク肉盛溶接用フラックスを使用した肉盛溶接について説明する。先ず、図１に示すように、母材３上に帯状電極１１及びホッパー１０を配置し、ホッパー１０からフラックス１を供給する。そして、帯状電極１１と母材３との間の空間をフラックス１中に埋没した状態で帯状電極１１と母材３との間に電圧を印加する。すると、帯状電極１１と母材３との間にアークが発生し、アーク熱により、フラックス１中のスラグ成分、帯状電極１１及び母材３が溶融して溶融金属４ｃとなる。また、溶融金属４ｃ上には、フラックス１中のスラグ成分が溶融して溶融スラグ４ｂが層状に形成される。
【００３７】
そして、ホッパー１０及び帯状電極１１を溶接方向に前進させると、ホッパー１０及び帯状電極１１の後方に、溶融金属４ｃ及び溶融スラグ４ｂが夫々凝固していき、ビード４（溶接金属４ｄ）及びその上部の凝固スラグ４ａが層状に形成されていく。多層肉盛溶接の場合には、凝固スラグ４ａを剥離した後、その上に層上に次層のビードを形成していく。
【００３８】
溶接の際、フラックスの散布量が多すぎると、ビード４の表面にポックマーク（圧痕）が発生しやすくなり、溶接部の品質上、問題がある。即ち、フラックス粉末による圧力がアーク雰囲気のガス圧よりも大きくなることにより、溶融部に圧痕が発生する。よって、ポックマークの発生を抑制するためには、アーク雰囲気のガス圧をフラックスの重量による圧力以上にした上で、フラックスの溶融により発生したガスの通気性を高めるため、例えば溶接方向におけるフープ材の後方のフラックス散布量を減らすことが好ましい。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明の構成による効果について、本発明の範囲を満足する実施例をその比較例と対比して、具体的に説明する。溶接方法は、図１に模式図で示すように、軟鋼からなる消耗式の帯状電極１１（幅ｗ：５０ｍｍ、厚さｔ：０．４ｍｍ）を送給ローラ１２により連続的に送給すると共に、母材３上にフラックス１を散布して、母材３と帯状電極１１との間の空間をフラックス中に埋没した状態で、母材３と帯状電極との間に電圧を印加し、帯状電極１１と母材３との間にアークを発生させてサブマージアーク肉盛溶接を実施した。表１に本実施例で使用した母材３の組成を示す。また、表２に本実施例における溶接条件を示す。帯状電極１１としては、下記表３に示す組成を有するものを使用し、表４−１乃至表４−３及び表５−１乃至表５−３に示す種々のフラックス１を使用して、図２に示すように、３層５パスの多層肉盛溶接を実施した。なお、表４−３及び表５−３に示す比較例の組成において、数値に付した下線は、本発明の範囲を満足しないことを意味する。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【００４２】
【表３】
【００４３】
【表４−１】
【００４４】
【表４−２】
【００４５】
【表４−３】
【００４６】
【表５−１】
【００４７】
【表５−２】
【００４８】
【表５−３】
【００４９】
上記各実施例及び比較例のサブマージアーク肉盛溶接用フラックスを使用した肉盛溶接において、スラグ剥離性、ビード形状及び溶接欠陥の有無を溶接作業性として評価した。スラグ剥離性は、スラグが自然剥離するか、又は手工具を使用して容易に除去できた場合を極めて良好（○）、エア工具は使用しないが手工具を使用しないとスラグが除去できない場合を良好（△）、エア工具を使用しないとスラグが除去できない場合を不良（×）と判定した。ビード形状については、滑らかなビードが形成された場合を良好（○）、形成されたビードが粗く、凹凸が大きかった場合を不良（×）と判定した。溶接欠陥は、気孔欠陥、溶接部の割れ又はスラグ巻き込み等が発生しなかった場合を良好（○）、前記溶接欠陥がいずれか１つでも発生した場合を不良（×）と判定した。各実施例及び比較例の溶接作業性について、各判定結果を表６−１乃至表６−３に示す。
【００５０】
また、肉盛溶接金属の耐摩耗性、耐割れ性及び耐食性の評価も行った。耐摩耗性は、ＡＳＴＭ Ｇ６５−００ｅ１規格に準拠し、溶接金属の摩耗量により評価した。そして、溶接金属の摩耗量が２ｇ以下であった場合を◎＋、摩耗量が２ｇを超え４ｇ以下であった場合を◎、摩耗量が４ｇを超え６ｇ以下であった場合を○、摩耗量が６ｇを超えた場合を×と評価した。耐割れ性は、非特許文献１（「溶接学会誌 第３３巻 第９号（内木、岡林、粂：応力除去焼戻割れに関する研究（第２報））」、社団法人溶接学会、１９６４年、第７１８乃至７２５頁）に記載されたＣリング割れ試験方法に準拠した加速割れ試験方法により評価し、溶接金属に割れが発生しなかった場合を○、割れが発生した場合を×と評価した。耐食性は、ＪＩＳ Ｚ２２９０，Ｚ２２９２規格に準拠し、溶接金属の単位面積あたりの腐食減量により評価した。そして、溶接金属の腐食減量が０．５ｍｇ／ｃｍ２以下であった場合を○、０．５ｍｇ／ｃｍ２を超えた場合を×と評価した。各実施例及び比較例の耐摩耗性、耐割れ性及び耐食性の評価結果を表６−１乃至表６−３にあわせて示す。また、スラグ剥離性、ビード形状、溶接欠陥、耐摩耗性、耐割れ性及び耐食性の全ての項目の評価が良好であった場合には、総合評価を○、いずれか１つの項目でも×であった場合には、総合評価を×として表６−１乃至表６−３に示す。
【００５１】
【表６−１】
【００５２】
【表６−２】
【００５３】
【表６−３】
【００５４】
表６−１乃至表６−３に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至３８は、フラックスの組成が本発明の範囲を満足するので、本発明の範囲を満足しない比較例Ｎｏ．３８乃至５６に比して、スラグ剥離性、ビード形状、溶接欠陥、耐摩耗性、耐割れ性及び耐食性の１以上の項目が優れていた。
【００５５】
フラックスの組成が本発明の範囲を満足する実施例Ｎｏ．１乃至３８のうち、実施例Ｎｏ．３０乃至３２及び実施例Ｎｏ．３４乃至３７は、Ｍｏ及びＶの含有量が本発明の請求項２を満足するので、他の実施例に比して、肉盛溶接金属の耐摩耗性が更に向上した。特に、Ｍｏ及びＶの双方を含有する実施例Ｎｏ．３１及び３５は、夫々の含有量が請求項２の範囲を満足するので、溶接金属の耐摩耗性が飛躍的に向上した。実施例Ｎｏ．３８は、Ｖを含有するものの、その含有量が過多となり、スラグ剥離性が若干劣化した。
【００５６】
比較例Ｎｏ．３９は、フラックス中のＳｉＯ２の含有量が本発明の範囲未満であったため、ビード形状が劣化した一方、比較例Ｎｏ．４０はＳｉＯ２の含有量が過剰となり、スラグの粘性が高くなりすぎてビード形状が劣化した。
【００５７】
比較例Ｎｏ．４１は、フラックス中の金属炭酸塩が少なく、気孔欠陥が発生し、溶接金属の耐食性も劣化した。比較例Ｎｏ．４２は、フラックス中の金属炭酸塩量が多いことにより、スラグの粘性が高くなり、ビード形状が劣化した。
【００５８】
比較例Ｎｏ．４３は、フラックス中のＭｇＯの含有量が少なく、スラグ剥離性が劣化した。一方、比較例Ｎｏ．４４は、フラックス中のＭｇＯ量が過多となり、ビード形状が劣化した。
【００５９】
比較例Ｎｏ．４５は、フラックス中の金属フッ化物量不足により、スラグ剥離性が劣化し、また、アークの安定性が劣化することにより、形成されるビードの形状が劣化した。一方、比較例Ｎｏ．４６は、金属フッ化物量が過多となり、ポックマークの発生によりビード形状が劣化した。
【００６０】
比較例Ｎｏ．４７は、造滓剤としてのＡｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の総量が少なく、ビード形状が劣化した一方、比較例Ｎｏ．４８は、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２が過多となったことにより、スラグ剥離性が劣化した。
【００６１】
比較例Ｎｏ．４９は、アーク安定剤としてのＫ２Ｏ及びＮａ２Ｏの総量が少なく、ビード形状が劣化した一方、比較例Ｎｏ．５０は、Ｋ２Ｏ及びＮａ２Ｏが過多となり、気孔欠陥が発生した。
【００６２】
比較例Ｎｏ．５１は、フラックス中の塩基性成分と酸化性成分との比Ｘ／Ｙが本発明の範囲未満であったため、溶接金属の耐摩耗性及び耐食性が劣化した。一方、比較例Ｎｏ．５２は、フラックス中の塩基性成分と酸化性成分との比Ｘ／Ｙが本発明の範囲を超え、溶接金属の耐割れ性が劣化した。
【００６３】
比較例Ｎｏ．５３は、フラックス中のＣ量不足により、十分な耐摩耗性が得られなかった一方、比較例Ｎｏ．５４は、Ｃ量が過多となり、溶接割れが発生し、溶接金属の耐高温割れ性も劣化した。
【００６４】
比較例Ｎｏ．５５は、フラックス中のＣｒ量が少なく、溶接金属に十分な耐食性が得られなかった一方、比較例Ｎｏ．５６は、Ｃｒ量が過多となり、スラグ剥離性が劣化し、溶接金属の耐割れ性及び耐摩耗性が劣化した。
【符号の説明】
【００６５】
１：サブマージアーク肉盛溶接用フラックス、１１：帯状電極（フープ）、１２：送給ローラ、１３：電源供給装置、３：母材、４：ビード、４ａ：凝固スラグ、４ｂ：溶融スラグ、４ｃ：溶融金属、４ｄ：溶接金属
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フラックス全質量あたり、
ＳｉＯ２：１０乃至３０質量％、ＭｇＯ：４乃至１０質量％、金属炭酸塩：ＣＯ２換算値で１乃至１０質量％、金属フッ化物：Ｆ換算値で２乃至１０質量％、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の少なくとも一方：総量で１０乃至３０質量％、及びＫ２Ｏ及びＮａ２Ｏの少なくとも一方：総量で１．５乃至５．０質量％を含有し、
更に、金属粉又は合金粉として、Ｃ：０．１乃至０．５質量％及びＣｒ：１１乃至２５質量％を含有し、
残部がＦｅ及び不純物であり、
フラックス中のＣａＯ、ＣａＦ２、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏの総量Ｘは、フラックス中のＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の含有量を夫々［ＳｉＯ２］、［Ａｌ２Ｏ３］及び［ＺｒＯ２］として下記数式から算出される数値Ｙに対する比Ｘ／Ｙが０．３乃至１．５であることを特徴とするサブマージアーク肉盛溶接用フラックス。
【請求項２】
更に、金属粉又は合金粉として、Ｍｏ：０．５乃至３．５質量％及びＶ：０．１乃至２．０質量％の少なくとも一方を含有することを特徴とする請求項１に記載のサブマージアーク肉盛溶接用フラックス。
【請求項１】
フラックス全質量あたり、
ＳｉＯ２：１０乃至３０質量％、ＭｇＯ：４乃至１０質量％、金属炭酸塩：ＣＯ２換算値で１乃至１０質量％、金属フッ化物：Ｆ換算値で２乃至１０質量％、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の少なくとも一方：総量で１０乃至３０質量％、及びＫ２Ｏ及びＮａ２Ｏの少なくとも一方：総量で１．５乃至５．０質量％を含有し、
更に、金属粉又は合金粉として、Ｃ：０．１乃至０．５質量％及びＣｒ：１１乃至２５質量％を含有し、
残部がＦｅ及び不純物であり、
フラックス中のＣａＯ、ＣａＦ２、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏの総量Ｘは、フラックス中のＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２の含有量を夫々［ＳｉＯ２］、［Ａｌ２Ｏ３］及び［ＺｒＯ２］として下記数式から算出される数値Ｙに対する比Ｘ／Ｙが０．３乃至１．５であることを特徴とするサブマージアーク肉盛溶接用フラックス。
【請求項２】
更に、金属粉又は合金粉として、Ｍｏ：０．５乃至３．５質量％及びＶ：０．１乃至２．０質量％の少なくとも一方を含有することを特徴とする請求項１に記載のサブマージアーク肉盛溶接用フラックス。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−７７１（Ｐ２０１３−７７１Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３４００８（Ｐ２０１１−１３４００８）
【出願日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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