PWHTステンレス鋼

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ステンレス鋼は、その耐食性と溶接性から産業機器に広く利用されているが、シグマ相の脆化とその後の割れを防止するために溶接後熱処理(PWHT)を実施しなければ、高温の使用環境で使用することはできない。.

PWHTは、耐食性の低下や機械的特性の経時劣化の原因となる有害な相の生成を最小限に抑えるため、アルゴンや窒素などの雰囲気中で実施されることが多い。.

耐食性

クロムはステンレス鋼の主成分であり、酸化と 腐食から保護する酸化皮膜を形成する。ニッケル (Ni)やモリブデン (Mo)などの他の合金元素を加えると、環境条件や用途のニーズに応じて耐食性がさらに向上する場合がある。.

ステンレス鋼は、他の多くの金属のように高温で 溶けることはない。しかし、溶接工程では、 強烈な熱と急速な冷却サイクルが発生し、 その結果、ステンレス鋼の内部で組織変化が起 こることがある。例えば、溶接金属 (HAZ)の粗大化やクロム炭化物の析出など である。このような変化は、強度、延性、耐食性 を損なう可能性がある。.

溶接は、2つの金属が接触することで発生する電 気腐食の一因となる可能性がある。例えば、ステンレス鋼溶接 部は、溶接金属に含まれる銅 (Cu) が溶接ガス中の酸素と 反応することで起こるガルバニック腐食によって 腐食する可能性がある。.

17-4やPH13-8Moなどの二相鋼は、304や316な どのオーステナイト系鋼種よりも耐食性が高い が、鋭敏化や粒界腐食の影響を受けやすい。この問題を解決するには、二相鋼溶接 部を腐食のない環境に置く必要がある。また、 溶接後熱処理 (PWHT)を施すことで、鋭敏化 を抑制し、溶接後の引張強さと硬さを向上さ せることができる。.

機械的特性

ステンレス鋼は一般的に強靭で弾力性のあ る材料であるが、溶接工程中の変化に弱い。溶接工程中に極端な温度に曝されると、 急激な熱サイクル工程により、溶接金属および HAZが脆くなり、ファブリックおよび溶接/HAZ材 料の微細構造変化を引き起こすことがある。.

PWHTの必要性は、溶接物の種類と使用条 件に大きく左右されるが、溶接後は必ずPWHTを行 い、溶接された部品の完全性を保護・保持すべきである。.

過酷な腐食環境で使用されるオーステナイト系クロ ム・ニッケル鋼種は、高温暴露による鋭敏化を最小 限に抑えるためにPWHTを必要とする場合がある。.

最近の研究では、プラズマ・ワイヤー熱処理 (PWHT)中のプラズマ・アーク溶接 316Lオーステナイト系ステンレス鋼溶接部のミクロ組織 と機械的性質に対するPWHTの影響について検討 された。その結果、PWHT温度が上昇するにつれて、 フェライト相の含有量も上昇することがわかった が、引張強さ、破壊靭性、一様伸び、全伸びはすべて、 PWHT処理時間が長くなるにつれて低下した。.

溶接プロセス

溶接は、ステンレス鋼の機械的特性と耐食性 に劇的な影響を与えるが、適切な溶接パラメー タを選択し、溶接後の熱処理を施すことによ り、エンジニアと溶接工は、こうした副作用を 最小限に抑え、その潜在能力を最大限に引き出す ことができる。.

溶接されたステンレス鋼は、残留応力を緩和 し、溶接性を向上させるために溶接後熱処理 (PWHT)を受けることがある。残念なことに、PWHTは溶接部に歪みを もたらす可能性がある。この可能性を抑えるた めには、伸縮によって主要な接続部に歪みが 生じない程度に、溶接部を緩くしておく 必要がある。.

PWHTは応力を低減するだけでなく、応力除去温度と固溶化熱処理温度間の温度勾配を最小化することにより、シグマ相脆化および高温クリープ損傷の感受性を低下させることができる。.

さまざまな溶接入熱の下で、光学顕微鏡を使用し、溶接オーバーレイの微細構造への溶接の影響を評価した。フェライト含有量は、溶接入熱の増加とともに増加した。このことは、デルタ・フェライトが融合中にシグマ・フェライトに優先的に変化し、人工腐食環境での耐孔食性試験を通じて測定された重量減少につながったことを示している。.

必要条件

ステンレス鋼の溶接後熱処理は、その機械的 特性を維持する必要がある。特にオーステナイト系鋼種では、酸化クロムを 含む不動態層の形成によりオーステナイト化 した表面層が溶接後も安定し、腐食問題を 最小限に抑える。.

したがって、ステンレス鋼に溶接後熱処理が必 要な場合と不要な場合を知ることは極めて重 要である。PWHTの必要性は、鋼種、予想される使用条 件、溶接手順によって大きく異なる。.

加圧プラントの溶接部など、ステンレス鋼を使 用する多くの産業用途では、PWHTは必要ない。これは、高度な溶接技 術、より小さな溶接部、粒界腐食の問題のない 環境が原因である。.

PWHTを必要とする溶接 部材は、過酷な環境や高応力条件下で使用され るものなど、特定のものである。粒界液化割れは、大幅な延性の低下と塩化物応力腐食割れの感受性の増大につながる。PWHTは、微細なニオブまたはモリブデンの炭化物形成を促すと同時に、「シグマ相」と呼ばれる合金のフェライト部分の成長を抑制する温度で接合部を加熱することによって機能する。.