二相ステンレス鋼およびオーステナイト系ステンレス鋼溶接部におけるフェライト数の測定と制御

フェライト数（FN）は、ステンレス鋼の溶接部に含まれるフェライトの量を定量化する指標であり、溶接作業者はその値を制御することで溶接部の性能を確保します。デュプレックスおよびスーパー・デュプレックス鋼の溶接では、一般的に30～70 FN程度のフェライト量が目標とされ、これはバランスの取れた二相組織に対応します。一方、オーステナイト系鋼の溶接では、熱割れを防止するために、わずかではありますがゼロでないフェライト量（およそ3～10 FN）を目指します。FNは、校正済みのフェライトスコープで測定されることが多く、またWRC-1992図を用いて予測することも可能です。この値は、溶接条件と耐食性・靭性との関係を実用的に結びつける重要な制御パラメーターです。

フェライト数とは
フェライト数（FN）は、標準化された磁気指標であり、フェライトの体積パーセントを直接表すものではありません。これは、初期の「フェライト含有率（％）」測定結果が実験室ごとに大きくばらついたため、業界が磁気応答に基づく再現性の高いスケールを採用し、二次標準にさかのぼれるように定義したものです。低濃度域ではFNとフェライト体積パーセントはほぼ一致しますが、フェライト量が増加するにつれて両者は乖離します。そのため、デュプレックス鋼の規格では、許容範囲をFNで示すか、あるいは定義された換算方法によるパーセント値で示すかのいずれかが指定されています。この数値が重要なのは、フェライト相とオーステナイト相の特性が異なるためです。フェライト相は強度および塩化物応力腐食割れに対する耐性をもたらし、オーステナイト相は靱性と延性を付与します。溶接金属が凝固時に適切な相バランスをとらない場合、一方の特性を犠牲にして他方を得ることになります。

オーステナイト系鋼とデュプレックス鋼の溶接が異なる理由
オーステナイト系ステンレス鋼（例：304L、316L）では、母材は基本的に完全にオーステナイト組織ですが、溶接金属は意図的に数パーセントのデルタフェライトを含むように組成が調整されています。この少量のフェライトは、連続したオーステナイト粒界を切断し、硫黄やリンなどの不純物を溶解させることで、凝固時熱割れを防止します。フェライト量が少なすぎると（約3 FN未満）、割れのリスクが高まります。一方、多すぎても（おおよそ10～12 FNを超えると）、靭性が低下し、使用後の脆化が促進される可能性があります。デュプレックス系鋼では逆の考え方になります。母材自体がすでにオーステナイトとフェライトのバランスの取れた二相組織であるため、溶接部でも同様のバランスを再現することが目標です。デュプレックス溶接部においてフェライトが過剰になると（溶接部の冷却が速すぎてオーステナイトが再析出できなくなる場合）、靭性および耐食性が劣化します。また、オーステナイトが過剰になると強度が低下し、局所的に耐孔食性が損なわれる場合があります。

WRC-1992図表を用いたフェライト数（FN）の予測
WRC-1992図は、化学組成から溶接金属のフェライト量を予測するための現代的なツールである。この図では、フェライト形成元素の合計値を表すクロム相当量を横軸に、オーステナイト形成元素の合計値を表すニッケル相当量を縦軸にとり、その交点から予想フェライト数（FN）を読み取る。クロム相当量はCr＋Mo＋0.7×Nb、ニッケル相当量はNi＋35×C＋20×N＋0.25×Cuで算出される。窒素には大きな係数が適用されていることから、窒素添加が溶接金属をオーステナイト相へとシフトさせること、およびそれが二相系溶接材やシールドガスへの意図的な添加に利用されることも理解できる。母材、溶接材およびそれらの希釈率に基づいてそれぞれの予想FNを比較することで、溶接技術者は試験片を一つも切断する前に、目標FN範囲内に収まる溶接材および希釈率を選定できる。

表：代表的なフェライト目標値

実践におけるフェライト量の測定
フェライトスコープは、現場で広く使われる主力測定機器です。溶接部に磁場を印加し、その応答を測定することで、フェライト量に比例した値が得られ、標準試料による較正後には数秒で直接フェライト数（FN）を表示します。非破壊・携帯性に優れ、根元パスおよび表層パスの両方における生産現場での検査に適しています。仲裁や研究目的では、エッチング処理した断面を金属組織学的にポイントカウントし、体積百分率としてフェライト量を求める方法もあります。これら両手法は、いずれも公認された規格で規定されています。ただし、溶接部および熱影響部全体の希釈度や冷却条件は、継手の長手方向および幅方向で変化するため、単一の点ではなく、複数箇所で測定を行う必要があります。また、フェライトスコープは接触した表面近傍のみを測定するため、研磨や冷間加工、表面汚染などの影響を受けて測定値が偏ることがあります。さらに、小径曲管への適用では、形状補正が必要となる場合があります。設備の整った実験室では、フェライト量の測定に加え、衝撃試験および腐食試験を併せて行い、得られた良好な数値が実際に許容範囲内の機械的特性および耐食性を意味することを確認します。

製造工程によるフェライトの制御
フェライト量の制御には、熱入力と窒素の2つのプロセス・レバーが主に用いられる。熱入力は冷却速度を支配し、その冷却速度が、最初に凝固したフェライトから再生成されるオーステナイトの量を決定する。デュプレックス鋼の溶接では、熱入力が少なすぎると急冷が生じ、過剰なフェライトが固定され、オーステナイトの生成が阻害されて靭性が低下する。一方、熱入力が多すぎると冷却が遅くなりすぎて、金属間化合物が析出するリスクが高まる。そのため、通常はパス間温度を約150℃以下に制限するなど、熱入力を適切な範囲内に厳密に管理することが、組織のバランスを保つ上で不可欠である。窒素は化学的な制御レバーであり、アルゴン保護ガスに数パーセントの窒素を添加し、ニッケルおよび窒素を豊富に含む過合金化フィラー材を用いることで、オーステナイトの再生成を促進し、溶接部の耐食性を向上させる。特に、フィラー材も窒素を含まない保護ガスも用いない自己溶接（オートゲノス）では、溶接部の組成が母材の化学組成のみに依存するため、フェライト量が過剰に増加しやすくなる。このため、デュプレックス鋼の根元層（ルート・パス）は、ほぼ常に窒素を含む裏面保護ガスを用いて溶接される。誤った制御は明確な結果を招く。フェライト量が過剰なデュプレックス溶接部はシャルピー衝撃値が低く、塩化物応力腐食割れを起こしやすくなる。逆にフェライト量が不足した溶接部は強度と耐孔食性が低下し、さらにオーステナイト系溶接部でフェライト量が極端に少ない場合、凝固時に割れが発生する可能性がある。フェライト数（FN）の許容範囲を明示し、WRC-1992式で予測し、熱入力と窒素量を厳密に管理し、フェライトスコープで検証することで、溶接品質は「期待」ではなく、「制御された、記録可能な成果」となる。

よく 聞かれる 質問
Q: 2205二相ステンレス鋼の溶接部には、どのようなフェライト数（FN）が求められますか？
A: 平衡状態にある2205の溶接部では、通常、フェライト数（FN）を約30～60程度に調整します。フェライトが多すぎると靭性および耐食性が低下し、少なすぎると強度が低下します。
Q: 完成した溶接部のフェライト数は、どのように測定しますか？
A: 一般的には、校正済みのフェライトスコープを用いて非破壊で数秒間で測定します。仲裁目的や高精度な評価には、金属組織学的ポイントカウント法が用いられ、これは体積百分率としてフェライト量を示します。

二相ステンレス鋼およびオーステナイト系ステンレス鋼の配管について、所定のフェライト数目標値に基づき溶接・試験を行っている場合、浙江温州強ステンレス鋼有限公司（Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd.）までお問い合わせください。電話番号：+86 577 8922 2595 https://www.chinawqsteel.com/