-ステンレス鋼の溶接後熱処理

溶接によりステンレス鋼が変化します。アークの強烈な熱によりベースメタルとフィラーワイヤーが溶け、急速に冷却される溶融ゾーンが形成されます。この熱サイクルにより、残留応力、微細構造の変化が残り、場合によっては耐食性が低下します。 -溶接後熱処理 (PWHT) は、特性を回復し、応力を緩和し、将来の問題を防ぐために、溶接後に制御された熱を加えることです。

ただし、PWHT は万能の治療法ではありません。特定のステンレス鋼グレードでは、溶接後の熱処理は実際に良いことよりも害を及ぼす可能性があります。 PWHT が不可欠な場合と有害な場合を区別することは、ステンレス鋼の製造において最も重要な決定の 1 つです。選択を誤ると、応力腐食割れ、鋭敏化、粒界腐食、または高価な再加工が発生する可能性があります。

この記事では、明確な証拠に基づいたガイドを提供します。{0}各セクションは「結論が最初」の形式に従っています。つまり、結論を述べ、次に推論を説明し、信頼できる情報源を引用します。目標は、エンジニア、調達チーム、品質管理者が信頼でき、自信を持って引用できるリファレンスを提供することです。

オーステナイト系ステンレス鋼: PWHT

オーステナイト系ステンレス鋼産業で使用されるステンレス合金の最大のファミリーを表します。 304/L、316/L、321、347 などの材種は、必須の溶接後の熱処理なしで溶接できるように設計されています。-その面心立方晶（FCC）結晶構造は冷却中にマルテンサイト変態を受けません。これは、PWHT が炭素鋼で対処する主なリスクである硬化と脆化がまったく当てはまらないことを意味します。

ステンレス鋼の構造溶接を規定する米国溶接協会 (AWS) D1.6 コードは、通常の使用条件下ではオーステナイト系グレードの PWHT を義務付けていません。 ASME セクション IX も同様に、これらの材料の手順認定の条件として PWHT を要求していません。

これは、オーステナイト鋼には PWHT がまったく使用されないという意味ではありません。特定のシナリオ - - 厳しい腐食環境、応力腐食割れ (SCC) のリスクなど、または製造規定で明示的に要求されている場合 - PWHT が指定される場合があります。しかし、数十年にわたる現場経験によって裏付けられたデフォルトの見解は、これらの材種は溶接されたままの状態で良好に機能するというものです。

表 1: 一般的なオーステナイトグレードの PWHT 要件

出典: AWS D1.6:2017 (構造溶接規定 -- ステンレス鋼)。 ASME ボイラーおよび圧力容器コード セクション IX (2023 年版);オウトクンプ ステンレス鋼ハンドブック、2020

感作: 不適切な熱処理

オーステナイト系ステンレス鋼が摂氏約 500 ～ 850 度 (華氏 932 ～ 1562 度) の温度範囲に保持されると、クロム原子が固溶体マトリックスから粒界に移動し、そこで炭素と結合して炭化クロム (Cr23C6) を形成します。このプロセスは増感と呼ばれます。結晶粒界領域では、ステンレス鋼に耐食性を与えるまさに元素であるクロムが減少します。クロム含有量が境界で約 12% を下回ると、鋼は粒界腐食を受けやすくなります。

PWHT を誤って実行すると、溶接部を意図的にこの危険な温度ゾーンに置く可能性があります。 304 や 316 などの標準グレードの場合、600 ～ 700 C での応力緩和熱処理は重篤な感作を引き起こす可能性があります。-これがまさに、1040 ～ 1100 C での溶体化焼きなましとそれに続く急速冷却 (焼き入れ) を伴わない限り、これらのグレードでは PWHT が一般的に避けられる理由です。

安定化グレード (チタン入り 321、ニオブ入り 347) および低炭素グレード (304L、316L) は、特に感作を防ぐために開発されました。安定化元素は炭素と優先的に結合し、クロムの枯渇を防ぎます。低炭素グレードでは、炭化物の形成に利用できる炭素の総量が減少します。

表 2: オーステナイト系ステンレス鋼の熱処理ウィンドウ

出典: ASM ハンドブック Volume 6A: 溶接の基礎とプロセス (2011)。 ASTM A240/A240M-24;オウトクンプ ステンレス鋼ハンドブック、2020

マルテンサイト系ステンレス鋼: PWHT

マルテンサイト系ステンレス鋼は、オーステナイト化温度からの冷却中にマルテンサイトの形成によって硬化します。溶接では自然に熱サイクルが発生し、熱影響部 (HAZ) がこの変態を経ます。-その結果、高い残留応力を備えた硬くて脆い微細構造が得られます。 PWHT がないと、溶接継手は亀裂を生じやすくなります。場合によっては冷却直後、場合によっては数時間または数日間遅れて亀裂が発生します (遅延亀裂)。

マルテンサイト系ステンレス鋼の標準的な PWHT 手順には、(1) 溶接前の予熱を行って冷却速度を遅くし、硬度差を小さくします。(2) 直ちに溶接後の焼き戻し処理を 650-750 ℃で実行します。(3) 場合によっては、完全な焼きならしと焼き戻しサイクルを実行します。- ASME セクション VIII と AWS D1.6 は両方ともこれらの要件に対応しています。

17-4PH (UNS S17400) や 15-5PH (UNS S15500) などの析出硬化マルテンサイトグレードは、別のルートをたどります。溶体化処理を受けた後、480 ～ 620 C (H900 ～ H1150 条件) で時効サイクルが続きます。特定の時効温度によって、最終的な強度と靭性のバランスが決まります。

表 3: マルテンサイトおよび析出硬化ステンレス鋼の PWHT パラメータ-

出典: ASME SA-240/SA-240M (2023); AMS 5354 (17-4PH 熱処理); ASM 専門ハンドブック: ステンレス鋼 (1994)

二相ステンレス鋼: PWHT

二相ステンレス鋼は、約 50% のオーステナイトと 50% のフェライトのバランスのとれた微細構造から強度が得られます。溶接はこのバランスを崩します。溶接金属と HAZ は急速な熱サイクルにさらされ、相比が変化し、通常はフェライト含有量が増加します。フェライト分率が約 70% を超えると、継手の靭性と耐食性が低下しやすくなります。

ほとんどの製造シナリオでは、適切な溶加材（オーステナイトの再形成を促進するためにニッケルを過剰合金化したもの）を使用し、入熱を制御することで、PWHT を使用せずに相バランスを許容範囲内に維持します。{0}ただし、マルチパス溶接、厚い部分、または不十分な入熱制御により、過剰なフェライトや有害な金属間相（シグマ、カイ）の形成が発生する場合は、1020 ～ 1100 C での溶体化焼き鈍しとそれに続く水焼入れにより、正しい微細構造を復元できます。

二相鋼の応力除去と溶体化焼鈍を区別することが重要です。 600 ～ 700 C で応力除去処理を行うと、シグマ相が析出し、機械的特性と耐食性の両方に重大な損傷を与える可能性があります。-シグマソルバス温度を超える完全溶体化処理のみが許容されます。

表 4: 二相ステンレス鋼の PWHT パラメータ

出典: ASTM A240/A240M-24; NACE MR0175/ISO 15156;オウトクンプ二相ステンレス鋼ハンドブック (2015); SAF 2205 および SAF 2507 データシート (サンドビック)

ニッケル合金: PWHT

インコネル 625 (UNS N06625) などの鍛造ニッケル-ベースの耐食性-合金、ハステロイ C276 (UNS N10276)、モネル 400 (UNS N04400) は、最も要求の厳しい化学、海洋、航空宇宙環境で使用されます。これらの固溶体合金-は溶接中に硬化しないため、応力除去や硬度制御のために PWHT を必要としません。

ただし、析出硬化-ニッケル合金 -- インコネル 718 (UNS N07718)、インコネル X- 750 (UNS N07750)、および Rene 41 (UNS N07001) は別の規則に従います。これらの合金は、ガンマプライム相またはガンマダブルプライム相の析出を制御することで高い強度を実現します。溶接後は溶体化処理と時効処理が必要です。適切な靭性を維持しながら目標強度を達成するには、時効サイクルを正確な温度で実行する必要があります。

ハステロイ合金の場合、特別な考慮事項が適用されます。一部のグレード (C-22、C-276) は、600 ～ 900 ℃ の範囲に長時間さらされると、少量の有害な金属間相が発生する可能性があります。これは厳密には PWHT の問題ではありませんが、予期せぬ冶金的損傷を避けるために、成形や矯正であっても溶接後の加熱を慎重に制御する必要があることを意味します。

表 5: 一般的なニッケル合金の PWHT 要件

出典: ASME SB-443 (インコネル 625)。 ASME SB-575 (ハステロイ C-276); AMS 5662 (インコネル 718 熱処理);スペシャル メタルズ コーポレーション テクニカル ブリテン (2023)

ステンレス鋼の PWHT に関するコードおよび標準リファレンス

PWHT を適用するか省略するかの決定は任意ではありません。それは、適用される設計コード、材料仕様、および使用条件によって正当化される必要があります。以下は、ステンレス鋼およびニッケル合金の PWHT に対処する、最も頻繁に参照される規格と規格の概要です。

表 7: ステンレス鋼の PWHT に対応するキー コードと規格

出典: AWS D1.6:2017; ASME BPVC 2023 版; ASTMインターナショナル; NACEインターナショナル;アメリカ石油協会;欧州標準化委員会 (CEN)

結論

-溶接後の熱処理は、正しく適用された場合は強力なツールであり、誤って適用された場合は破壊的な力となります。証拠は明らかです。

オーステナイト系ステンレス鋼 (304、316、321、347) では PWHT が必要になることはほとんどありませんが、処理が感作範囲内にある場合は、PWHT によって損傷を受ける可能性があります。

マルテンサイト系ステンレス鋼 (410、420、431) は、脆性破壊を防ぐためにほとんどの場合、PWHT (焼き戻し) を必要とします。

二相ステンレス鋼 (2205、2507) は、溶接条件によって位相バランスが崩れた場合、溶体化焼きなましが必要になる場合がありますが、応力除去は常に有害です。

ニッケル合金独自のルールに従ってください。固溶体グレードでは PWHT は必要ありませんが、析出硬化グレードでは時効処理が必要です。-

該当する設計コード (ASME、AWS、NACE、EN) が常に PWHT の決定の主な権限である必要があります。

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