ステンレス鋼の溶接焼け

今回は溶接と離れて、質問追記にある「ステンレス鋼の錆」について説明します。

ステンレス鋼は炭素鋼や低合金鋼(以下「鉄」と呼ぶ)に比べ化学薬品などに対して高い腐食抵抗を有しており、これを「耐食性が高い」と表現し、腐食により生成する物質を腐食生成物と呼びます。

「錆(または銹)」も腐食生成物の一種ですが、一般には薬品により発生するものではなく、通常の屋内屋外環境程度で発生するものととらえられています(厳密は定義はないが)。この場合は「耐食性」ではなく、「耐候性(または耐大気腐食性)」と呼んでいます。なお錆とは文献(J)2項に詳しく説明されているように、鉄の酸化物ではなくFeOOHやFe(OH)2などです。

もちろんステンレス鋼は鉄に比べい高い耐候性を有していますが、錆を発生することもあるため、その発生機構が研究されています。

鉄では全面に容易に錆が発生(全面腐食)するのに対し、ステンレス鋼には不動態被膜があるために全面腐食は起こらず、汚れや異物(砂、すす、など)が付着した部分のみに「隙間腐食」が、あるいは海水飛沫が付着した位置のみに「孔食」が発生します。その際には湿度や、湿潤と乾燥の繰り返しが大きく影響します。文献(K)5項や文献(L)に詳しい説明があります。

錆発生を抑制するには、文献(L)のまとめにあるように、錆、汚れ、付着物を除去することが必要であり、研磨により新生表面を作ることは得策ではないことが述べられています。

また文献(M)には、海水飛沫が付着した場合の孔食の原因物質は、NaClではなくMgCl2であることが指摘されています。

訂正。

「耐候性(または耐大気腐食性)」を「耐候性(または耐大気腐食性、耐銹性)」に変更します。

回答(2)の続きです。引用があるので別回答にしました。

「母材と溶接部よりも、遥かに溶接二番での錆が多い」。
この原因は、回答(1)への補足で述べられていた、HAZでのCr炭化物の粒界析出による耐食性の低下です。溶接応力で加工誘起マルテンサイト変態が起こることはないと思います。

「傷部分でも誘起マルテンサイト変態から錆が発生。
この件については、二つの観点が考えられます。

1)加工誘起マルテンサイトで耐食は劣化するのか。
文献(E)図2にグラインダーをかけた部分が錆びており、この原因をマルテンサイト変態によるとしています。しかし耐食性は基本的には成分が支配しており、結晶構造の影響は小さいので、マルテンサイト変態により耐食性が劣化するかどうかは微妙です。文献(F)では冷間加工により特定の耐食性の劣化が認められ、その原因を「マルテンサイト変態の不安定化」と推測しているものの、さらなる検討が必要としています(図11の下)。
文献(G)7.4項に詳しい解説があります。マルテンサイト変態により耐食性は少し低下するものの、弱い腐食環境ではほとんど影響はないと説明しています。
つまり湿潤大気中での錆ならば、マルテンサイト変態が原因ではないと考えられます。

2)「傷」が腐食の原因。
文献(G)図15にあるように隙間は「隙間腐食」の原因になります。鋭い傷でも同様です。簡単に言えば、隙間の内部では酸素供給がないため不動態被膜の再生ができずに耐食性が劣化します。

訂正。引用文献を間違えました。

「文献(G)7.4項に詳しい解説があります」の文献は(G)ではなく、下記の「7.ステンレス鋼の利用と加工技術」でした。
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jsms1963/27/296/27_296_488/_pdf

溶接作業については素人のため、溶接焼けの除去方法についてこのような話があることを初めて知りました。勉強になります。

溶接焼けは当然酸化現象と考えられます。ステンレス鋼の大気中高温酸化膜はCrの酸化物ではなく、表層側はFe酸化物(一般鋼と同じ)、その下にFe-Cr酸化物、その下にCr酸化物とされています(組成、温度、時間により異なる)。酸化膜は酸化の進行を抑制する効果がありますが、不動態被膜とは異なります。これを残したままにすると、不動態被膜生成の妨害、酸化物層内の孔に腐食液が濃化、生地と酸化物層間の隙間腐食、などにより耐食性が低下します。

引用された「Cr炭化物」は表面に生成するのではなく、内部の結晶粒界に析出します。表面にもその断面が現れますが、表面に集中して生成するわけではありません。溶接焼けとは別物です。

溶接焼けは高温酸化被膜よりは薄く、テンパカラーよりは厚いと考えられます。また短時間で生成することから、Crを含有するもののFeが主体の酸化物と推定されます。

溶接焼けを鉄ワイヤで除去すると、酸化物屑やワイヤ屑の付着、ワイヤ傷などが腐食の原因になります。ワイヤ屑の付着は回答(1)のもらい錆にもなります。文献(A)「ステンレス建築構造物の溶接施工」4.5項では、その後でペーパー研磨などでの仕上げをすることを要求しています。ワイヤ屑ではありませんが、文献(B)「無塗装鉄道車両の外板」に、鉄粉が付着した場合の錆の発生が説明されています。

質問で引用された溶接焼けの説明では、「ステンレスワイヤ」を使用すれば問題ないように書かれていますが、実際はどうなのかは判りません(ステンレスの種類にもよるので)。

「不動態化処理が命」?　
「不動態被膜が命」なら納得しますが、「処理が命」は違うと思います。回答(1)にあるようにステンレス鋼では不動態被膜が壊れてもすぐ再生するのが特徴のはずです。文献(C)「ステンレス鋼のパッシベーション」にあるように、ステンレス鋼には「自己不動態化」作用があります。


JISステンレス鋼材の製造方法には「不動態処理」は全くでてきません。しかし酸化スケールを酸洗で除去することになっており、これが不動態化とも言えますが、正式な不動態化処理とは異なります。この点については文献(C)の3項の頭に描かれています。

JISの中にはステンレス鋼の不動態化処理を挙げているものもあります。例えばJIS-B1047「耐食ステンレス鋼製締結用部品の不動態化」では、不動態化の定義を「自然に生じる高濃度Cr酸化被膜の厚さを増加させる処理」としています。その他に、ステンレス鋼の耐食性試験の中で、不動態化被膜が不完全なことが結果に大きく影響する試験では、試験片の作製方法によっては試験前に不動態化処理することを規定しているものもあります。

ステンレス鋼でも、条件によっては、もちろん錆ます。文献(C)や文献(D)「屋外のSUS304に発生した赤さび」を参照して下さい。

熔接協会の資料で鉄ワイヤブラシの『もらい錆』は本当にあると思います。
かといってステンレスブラシは柔くて擦り取れない。

不動態は傷ついてもクロムが染み出して酸化し回復するはず。
駄目なら酸に漬ける『パッシベート処理』をする。

にしても熔接焼け取りは少し実体験したが厄介な作業ですよ。
電解装置が最良。なければ危険な薬品に頼り廃液流すのは間違いなく法違反。
ブラストも様々に問題あり。

焼けたままは本来の酸化クロム膜でなく鉄錆の混合物なので錆を誘発するから放置できない。。。。であったハズ?

“硝”はまだしも“フッ”が怖いのです。

真っ当な処理は、余程な規模でないとやらずに集めて業者委託するはず。
人体への危険性も充分に認識しないまま、使った廃液をタレ流すことが横行する。

槽に浸して処理できない大型品や現地施工が多いから余計に難しくなると思います。

決定打と銘打つものが次々に出るのは決定打になってない証拠かと。