JP2001279395A - クロム−ニッケル系耐熱合金 - Google Patents
クロム−ニッケル系耐熱合金Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 500℃以上のガス雰囲気下における浸炭腐
食や、メタルダスティングコロージョンに対する耐食性
が著しく高く、長時間の使用に際しても減肉しない優れ
た耐熱合金を提供する。 【解決手段】 Cr−Ni−Feの3元系からなる耐熱
合金であって、合金中におけるNi含有量を重量%で
n、Cr含有量を重量%でcと表した場合に、式n+2
c>100で示される範囲に各成分が配合されたこと、
あるいは、合金中に微量成分としてSiもしくはY又は
これら両方を含み、これら微量成分の含有量が重量%
で、Si:5.0%以下、Y:1.0%以下であること
を特徴とするクロム−ニッケル耐熱合金。
食や、メタルダスティングコロージョンに対する耐食性
が著しく高く、長時間の使用に際しても減肉しない優れ
た耐熱合金を提供する。 【解決手段】 Cr−Ni−Feの3元系からなる耐熱
合金であって、合金中におけるNi含有量を重量%で
n、Cr含有量を重量%でcと表した場合に、式n+2
c>100で示される範囲に各成分が配合されたこと、
あるいは、合金中に微量成分としてSiもしくはY又は
これら両方を含み、これら微量成分の含有量が重量%
で、Si:5.0%以下、Y:1.0%以下であること
を特徴とするクロム−ニッケル耐熱合金。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高クロム−高ニッ
ケル系の耐熱合金に関し、さらに詳しくは、高温におけ
る耐食性が重要となる化学プラントにおける周辺機器や
改質炉、あるいは固体電解質型燃料電池の周辺部材など
の材料として好適に用いられる高クロム−高ニッケル系
の耐熱合金に関するものである。
ケル系の耐熱合金に関し、さらに詳しくは、高温におけ
る耐食性が重要となる化学プラントにおける周辺機器や
改質炉、あるいは固体電解質型燃料電池の周辺部材など
の材料として好適に用いられる高クロム−高ニッケル系
の耐熱合金に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、高温使用条件での耐食材料と
しては、種々の材料が開発されてきている。例えば、熱
効率の改善を目的とするような高温高圧ボイラでは、従
来のボイラに比較して、蒸気条件が高温・高圧化されて
いるため、高温強度や耐食性に対する一層厳しい要求性
能を満たさなければならない。このようなことから、酸
化雰囲気下での使用に耐えるために、Ni:35〜60
重量%、Cr:28〜38重量%で含有するオーステナ
イト鋼などが開発されている。
しては、種々の材料が開発されてきている。例えば、熱
効率の改善を目的とするような高温高圧ボイラでは、従
来のボイラに比較して、蒸気条件が高温・高圧化されて
いるため、高温強度や耐食性に対する一層厳しい要求性
能を満たさなければならない。このようなことから、酸
化雰囲気下での使用に耐えるために、Ni:35〜60
重量%、Cr:28〜38重量%で含有するオーステナ
イト鋼などが開発されている。
【0003】しかしながら、上記のような成分組成の材
料では、CO,CH4を多く含む、500℃以上のガス
雰囲気下において生じる腐食(浸炭腐食)、あるいは、
該浸炭腐食が更に進行した腐食(メタルダスティングコ
ロージョン)に対する耐食性が低く、より耐食性の高い
材料が求められている。ここで浸炭腐食とは、COやC
H4中の炭素原子が腐食する材料の表面に付着した後、
該材料中に拡散浸透して材料の靭性を低下させる腐食の
ことであり、メタルダスティングコロージョンとは、浸
炭腐食した箇所で、さらに減肉が起こるような腐食であ
り、腐食箇所が粉状に崩れていくものである。
料では、CO,CH4を多く含む、500℃以上のガス
雰囲気下において生じる腐食(浸炭腐食)、あるいは、
該浸炭腐食が更に進行した腐食(メタルダスティングコ
ロージョン)に対する耐食性が低く、より耐食性の高い
材料が求められている。ここで浸炭腐食とは、COやC
H4中の炭素原子が腐食する材料の表面に付着した後、
該材料中に拡散浸透して材料の靭性を低下させる腐食の
ことであり、メタルダスティングコロージョンとは、浸
炭腐食した箇所で、さらに減肉が起こるような腐食であ
り、腐食箇所が粉状に崩れていくものである。
【0004】一方、燃料電池の分野においても、浸炭腐
食に耐え得る耐食材料が必要にされてきている。例え
ば、固体電解質型燃料電池ではCOを多く含む改質ガス
の使用に伴い、電池部分へガスを供給する配管で浸炭環
境となる場合がある。電池及び周辺部には耐久性のある
材料が望まれており、長時間の運転に際しても安定した
電力供給を可能にする必要がある。ところが、これらの
装置に要求される耐久性、特に浸炭腐食のメカニズムと
耐浸炭腐食性の充分にある材料は知られていなかった。
食に耐え得る耐食材料が必要にされてきている。例え
ば、固体電解質型燃料電池ではCOを多く含む改質ガス
の使用に伴い、電池部分へガスを供給する配管で浸炭環
境となる場合がある。電池及び周辺部には耐久性のある
材料が望まれており、長時間の運転に際しても安定した
電力供給を可能にする必要がある。ところが、これらの
装置に要求される耐久性、特に浸炭腐食のメカニズムと
耐浸炭腐食性の充分にある材料は知られていなかった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記問
題点に鑑み、500℃以上のガス雰囲気下における浸炭
腐食や、該浸炭腐食が更に進行したメタルダスティング
コロージョンに対する耐食性が著しく高く、長時間の使
用に際しても減肉しないような優れた耐熱合金を開発す
べく、鋭意検討した。その結果、本発明者らは、Cr−
Ni−Feの3元系からなる耐熱合金において、合金中
におけるNiおよびCrの含有量を一定以上に規定する
こと、あるいは、合金中に微量成分としてSi又はYを
含むことによって、上記問題点が解決されることを見い
出した。本発明は、かかる見地より完成されたものであ
る。
題点に鑑み、500℃以上のガス雰囲気下における浸炭
腐食や、該浸炭腐食が更に進行したメタルダスティング
コロージョンに対する耐食性が著しく高く、長時間の使
用に際しても減肉しないような優れた耐熱合金を開発す
べく、鋭意検討した。その結果、本発明者らは、Cr−
Ni−Feの3元系からなる耐熱合金において、合金中
におけるNiおよびCrの含有量を一定以上に規定する
こと、あるいは、合金中に微量成分としてSi又はYを
含むことによって、上記問題点が解決されることを見い
出した。本発明は、かかる見地より完成されたものであ
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、C
r−Ni−Feの3元系からなる耐熱合金であって、合
金中におけるNi含有量を重量%でn、Cr含有量を重
量%でcと表した場合に、下式(1) n+2c>100 ・・・(1) で示される範囲に各成分が配合されたことを特徴とする
クロム−ニッケル系耐熱合金を提供するものである。こ
こで、コスト面から、Niの含有量はCr−Ni−Fe
の3元系の中で、好ましくは70重量%以下、より好ま
しくは60%以下である。また、本発明は、Cr−Ni
−Feの3元系からなる耐熱合金であって、合金中に微
量成分としてSiもしくはY又はこれら両方を含み、こ
れら微量成分の含有量が重量%で、Si:5.0%以
下、Y:1.0%以下、であることを特徴とするクロム
−ニッケル系耐熱合金を提供するものである。ここでク
ロム−ニッケル耐熱合金としては、上記微量成分である
SiもしくはYの含有量が、Si:1.0%を超え5.
0%以下、Y:0.1%を超え(特に好ましくは0.2
5%を超え)0.5%以下、であることが好ましい。
r−Ni−Feの3元系からなる耐熱合金であって、合
金中におけるNi含有量を重量%でn、Cr含有量を重
量%でcと表した場合に、下式(1) n+2c>100 ・・・(1) で示される範囲に各成分が配合されたことを特徴とする
クロム−ニッケル系耐熱合金を提供するものである。こ
こで、コスト面から、Niの含有量はCr−Ni−Fe
の3元系の中で、好ましくは70重量%以下、より好ま
しくは60%以下である。また、本発明は、Cr−Ni
−Feの3元系からなる耐熱合金であって、合金中に微
量成分としてSiもしくはY又はこれら両方を含み、こ
れら微量成分の含有量が重量%で、Si:5.0%以
下、Y:1.0%以下、であることを特徴とするクロム
−ニッケル系耐熱合金を提供するものである。ここでク
ロム−ニッケル耐熱合金としては、上記微量成分である
SiもしくはYの含有量が、Si:1.0%を超え5.
0%以下、Y:0.1%を超え(特に好ましくは0.2
5%を超え)0.5%以下、であることが好ましい。
【0007】本発明の耐熱合金を用いれば、現在、浸炭
腐食が問題となっている機器、例えば化学プラント改質
炉周辺機器や固体電解質型燃料電池(SOFC)などに
おいて、腐食寿命が向上し、材料コスト、メンテナンス
等の負担が軽減する。また、部分酸化(POX)改質炉
等において、腐食を考慮しない機器設計が可能となり、
装置の耐久性等の特性向上が可能になる。
腐食が問題となっている機器、例えば化学プラント改質
炉周辺機器や固体電解質型燃料電池(SOFC)などに
おいて、腐食寿命が向上し、材料コスト、メンテナンス
等の負担が軽減する。また、部分酸化(POX)改質炉
等において、腐食を考慮しない機器設計が可能となり、
装置の耐久性等の特性向上が可能になる。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面等を参考
にしながら、実施の形態に基づいて詳細に説明する。実施の形態(その1) 本実施の形態の耐熱合金は、Cr−Ni−Feの3元系
からなる合金である。但し、通常はこれら3元素以外
に、不可避的に混入もしくは含有する不純物は含まれて
いる。このクロム−ニッケル系合金中におけるNi含有
量を重量%でn、Cr含有量を重量%でcと表した場合
に、下式(1) n+2c>100 ・・・(1) で示される範囲に各成分が配合されている。Cr−Ni
−Feの3元系を示す図中に式〔Ni+2Cr=110〕を示す
と、図1のようになり、上記(1)式の不等号の範囲は
I領域を含む範囲を示すものである。本実施の形態のよ
うな高クロム−高ニッケル領域の合金は、500℃以上
のガス雰囲気下において生じる腐食(浸炭腐食)や、浸
炭腐食が更に進行した腐食(メタルダスティングコロー
ジョン)に対する耐食性が著しく高く、長時間の使用に
際しても減肉等に至ることが殆どない。
にしながら、実施の形態に基づいて詳細に説明する。実施の形態(その1) 本実施の形態の耐熱合金は、Cr−Ni−Feの3元系
からなる合金である。但し、通常はこれら3元素以外
に、不可避的に混入もしくは含有する不純物は含まれて
いる。このクロム−ニッケル系合金中におけるNi含有
量を重量%でn、Cr含有量を重量%でcと表した場合
に、下式(1) n+2c>100 ・・・(1) で示される範囲に各成分が配合されている。Cr−Ni
−Feの3元系を示す図中に式〔Ni+2Cr=110〕を示す
と、図1のようになり、上記(1)式の不等号の範囲は
I領域を含む範囲を示すものである。本実施の形態のよ
うな高クロム−高ニッケル領域の合金は、500℃以上
のガス雰囲気下において生じる腐食(浸炭腐食)や、浸
炭腐食が更に進行した腐食(メタルダスティングコロー
ジョン)に対する耐食性が著しく高く、長時間の使用に
際しても減肉等に至ることが殆どない。
【0009】合金中のCrは、材料の表面に安定な酸化
皮膜を形成することにより、ガス中から材料中への炭素
の侵入を防止する。これにより、耐酸化性、耐水蒸気性
あるいは耐腐食性の改善に優れた効果を発揮する。ま
た、Feはガス中の炭素と結合して化合物を形成し、材
料中から剥離して著しい減肉を引き起こすが、Ni量を
増加させることによって、相対的にFe量が減少し、減
肉が抑制される。Niは、オーステナイト組織を安定化
させ、靭性を高めるために必要不可欠な元素である。但
し、添加量が多すぎると材料のコストアップを招き、ま
た硫化腐食に対する耐食性が低下する。よって、Niの
含有量はCr−Ni−Feの3元系の中で、好ましくは
70重量%以下、より好ましくは60%以下である。
皮膜を形成することにより、ガス中から材料中への炭素
の侵入を防止する。これにより、耐酸化性、耐水蒸気性
あるいは耐腐食性の改善に優れた効果を発揮する。ま
た、Feはガス中の炭素と結合して化合物を形成し、材
料中から剥離して著しい減肉を引き起こすが、Ni量を
増加させることによって、相対的にFe量が減少し、減
肉が抑制される。Niは、オーステナイト組織を安定化
させ、靭性を高めるために必要不可欠な元素である。但
し、添加量が多すぎると材料のコストアップを招き、ま
た硫化腐食に対する耐食性が低下する。よって、Niの
含有量はCr−Ni−Feの3元系の中で、好ましくは
70重量%以下、より好ましくは60%以下である。
【0010】実施の形態(その2) 本実施の形態のクロム−ニッケル耐熱合金は、実施の形
態(その1)と同様にCr−Ni−Feの3元系からな
る耐熱合金であるが、合金中に微量成分としてSiもし
くはY又はこれら両方を含む。SiあるいはYはそれぞ
れ単独で含有されていても良いし、両方ともに含有され
ていても良い。これら微量成分の含有量は、重量%にて
Siが通常5.0%以下、好ましくは1.0%を超え
4.0%以下、特に好ましくは2.0〜4.0%であ
る。同様にYについては、重量%にて通常1.0%以
下、好ましくは0.1%を超え1.0%以下、さらに好
ましくは0.1〜0.5%である。
態(その1)と同様にCr−Ni−Feの3元系からな
る耐熱合金であるが、合金中に微量成分としてSiもし
くはY又はこれら両方を含む。SiあるいはYはそれぞ
れ単独で含有されていても良いし、両方ともに含有され
ていても良い。これら微量成分の含有量は、重量%にて
Siが通常5.0%以下、好ましくは1.0%を超え
4.0%以下、特に好ましくは2.0〜4.0%であ
る。同様にYについては、重量%にて通常1.0%以
下、好ましくは0.1%を超え1.0%以下、さらに好
ましくは0.1〜0.5%である。
【0011】Siは、一般には脱酸剤として添加される
ものであり、耐酸化性の改善に寄与する元素である。こ
のSi添加によって、本実施の形態の耐熱合金はYの添
加と同程度の耐食性を示す。Yは、一般には合金中の微
量不純物であるSを硫化物としてメタル中に固定してメ
タルと皮膜の密着性を高め、高温使用時における耐水蒸
気酸化性などを向上させる。このY添加によっても、耐
熱合金の耐食性は向上する。以下、本発明を実施例によ
りさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例
によって何ら限定されるものではない。
ものであり、耐酸化性の改善に寄与する元素である。こ
のSi添加によって、本実施の形態の耐熱合金はYの添
加と同程度の耐食性を示す。Yは、一般には合金中の微
量不純物であるSを硫化物としてメタル中に固定してメ
タルと皮膜の密着性を高め、高温使用時における耐水蒸
気酸化性などを向上させる。このY添加によっても、耐
熱合金の耐食性は向上する。以下、本発明を実施例によ
りさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例
によって何ら限定されるものではない。
【0012】
【実施例】実施例1 高い耐食性を有する材料成分の探索のため、まず、Cr
−Ni−Feの成分組成比を複数の系の合金を作製し
た。ここでは、Cr−Ni−Feの3元系の成分比を代
えた、50Ni−30Cr、50Ni−40Cr、45
A、45C(以上4種が実施例)、および、50Ni−
20Cr、30Ni−30Cr(以上2種が比較例)に
ついて実験した。下記表1に示す組成からなる上記Cr
−Ni−Fe3元系合金を製作し、加速環境での腐食試
験を行って耐食性を調べた。腐食試験の環境条件は、温
度:700℃、ガス:100%CO、圧力:5kgf/cm2
G、ガス流速:0.35L/分であり、800時間経過後
の重量変化を測定した。各試験材料の内、耐腐食性が劣
る合金は浸炭腐食、さらに生じるメタルダスティングコ
ロージョンによって、材料の減肉により重量が減少し
た。この試験の結果を、下記表1および図1に示す。
−Ni−Feの成分組成比を複数の系の合金を作製し
た。ここでは、Cr−Ni−Feの3元系の成分比を代
えた、50Ni−30Cr、50Ni−40Cr、45
A、45C(以上4種が実施例)、および、50Ni−
20Cr、30Ni−30Cr(以上2種が比較例)に
ついて実験した。下記表1に示す組成からなる上記Cr
−Ni−Fe3元系合金を製作し、加速環境での腐食試
験を行って耐食性を調べた。腐食試験の環境条件は、温
度:700℃、ガス:100%CO、圧力:5kgf/cm2
G、ガス流速:0.35L/分であり、800時間経過後
の重量変化を測定した。各試験材料の内、耐腐食性が劣
る合金は浸炭腐食、さらに生じるメタルダスティングコ
ロージョンによって、材料の減肉により重量が減少し
た。この試験の結果を、下記表1および図1に示す。
【0013】
【表1】
【0014】表1および図1に示されたように、高Cr
および高Niの一定以上の組成において、急激に腐食減
肉量が少なくなることがわかった。特に、図1に示すI
領域の合金に関しては、II領域における合金に比較し
て、著しい耐食性の向上が見られた。なお、図1では5
0Ni−30Crをc、50Ni−40Crをd、45
Aをb、45Cをa、および、50Ni−20Crを
i、30Ni−30Crをhで表わした。
および高Niの一定以上の組成において、急激に腐食減
肉量が少なくなることがわかった。特に、図1に示すI
領域の合金に関しては、II領域における合金に比較し
て、著しい耐食性の向上が見られた。なお、図1では5
0Ni−30Crをc、50Ni−40Crをd、45
Aをb、45Cをa、および、50Ni−20Crを
i、30Ni−30Crをhで表わした。
【0015】次に、Cr酸化膜によるガス中からの炭素
の侵入を抑制するため、30%Cr−30%Ni−Fe
合金(30Ni-30Cr)に対して、Si,Y(実施例)およ
びCe(比較例)を微量元素として添加した合金材料を
作製し、上述の腐食試験に供した。この結果を、上記表
1に併せて示す。この結果から、Ceの添加に関しては
効果がなかったが、Yを添加した合金(30Ni-30Cr-Y)
については耐食性が向上した。また、Siを添加した合
金(30Ni-30Cr-Si)についても耐食性が著しく向上する
ことがわかった。なお、表1には、比較として実験した
従来材であるSUS304(図1中のk)等についても
結果を示したが、いずれも耐食性が不十分であると同時
に、安定性に欠けることがわかった。以上、本発明の実
施例につき述べたが、本発明は既述の実施の形態や実施
例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲内において種々の変形及び変更を加え得るもので
ある。
の侵入を抑制するため、30%Cr−30%Ni−Fe
合金(30Ni-30Cr)に対して、Si,Y(実施例)およ
びCe(比較例)を微量元素として添加した合金材料を
作製し、上述の腐食試験に供した。この結果を、上記表
1に併せて示す。この結果から、Ceの添加に関しては
効果がなかったが、Yを添加した合金(30Ni-30Cr-Y)
については耐食性が向上した。また、Siを添加した合
金(30Ni-30Cr-Si)についても耐食性が著しく向上する
ことがわかった。なお、表1には、比較として実験した
従来材であるSUS304(図1中のk)等についても
結果を示したが、いずれも耐食性が不十分であると同時
に、安定性に欠けることがわかった。以上、本発明の実
施例につき述べたが、本発明は既述の実施の形態や実施
例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲内において種々の変形及び変更を加え得るもので
ある。
【0016】
【発明の効果】本発明の耐熱合金は、500℃以上のガ
ス雰囲気下において生じる腐食(浸炭腐食)や、浸炭腐
食が更に進行した腐食(メタルダスティングコロージョ
ン)に対する耐食性に著しく優れ、長時間の使用に際し
ても減肉しない優れた合金であり、現在、浸炭腐食が問
題となっている機器、例えば化学プラント改質炉周辺機
器や固体電解質型燃料電池(SOFC)の周辺部材など
において、腐食寿命が向上し、材料コスト、メンテナン
ス等の負担が軽減する。また、部分酸化(POX)改質
炉等において、腐食を考慮しない機器設計が可能とな
り、装置の耐久性等の特性向上が可能になる。
ス雰囲気下において生じる腐食(浸炭腐食)や、浸炭腐
食が更に進行した腐食(メタルダスティングコロージョ
ン)に対する耐食性に著しく優れ、長時間の使用に際し
ても減肉しない優れた合金であり、現在、浸炭腐食が問
題となっている機器、例えば化学プラント改質炉周辺機
器や固体電解質型燃料電池(SOFC)の周辺部材など
において、腐食寿命が向上し、材料コスト、メンテナン
ス等の負担が軽減する。また、部分酸化(POX)改質
炉等において、腐食を考慮しない機器設計が可能とな
り、装置の耐久性等の特性向上が可能になる。
【図1】Cr−Ni−Fe3元系の状態図の概略を示し
た図であり、三角形の頂点はそれぞれの元素が100重
量%の場合を示す。
た図であり、三角形の頂点はそれぞれの元素が100重
量%の場合を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平野 昌宏 東京都千代田区丸の内二丁目5番1号 三 菱重工業株式会社内 (72)発明者 永井 英彰 東京都千代田区丸の内二丁目5番1号 三 菱重工業株式会社内 (72)発明者 小林 一登 東京都千代田区丸の内二丁目5番1号 三 菱重工業株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 EE08 HH05
Claims (3)
- 【請求項1】 Cr−Ni−Feの3元系からなる耐熱
合金であって、合金中におけるNi含有量を重量%で
n、Cr含有量を重量%でcと表した場合に、下式
(1) n+2c>100 ・・・(1) で示される範囲に各成分が配合されたことを特徴とする
クロム−ニッケル系耐熱合金。 - 【請求項2】 Cr−Ni−Feの3元系からなる耐熱
合金であって、合金中に微量成分としてSiもしくはY
又はこれら両方を含み、これら微量成分の含有量が重量
%で、Si:5.0%以下、Y:1.0%以下、である
ことを特徴とするクロム−ニッケル系耐熱合金。 - 【請求項3】 上記微量成分であるSiもしくはYの含
有量が、Si:1.0%を超え5.0%以下、Y:0.
1%を超え1.0%以下、であることを特徴とする請求
項2に記載のクロム−ニッケル系耐熱合金。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000097190A JP2001279395A (ja) | 2000-03-31 | 2000-03-31 | クロム−ニッケル系耐熱合金 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000097190A JP2001279395A (ja) | 2000-03-31 | 2000-03-31 | クロム−ニッケル系耐熱合金 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001279395A true JP2001279395A (ja) | 2001-10-10 |
Family
ID=18611843
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000097190A Pending JP2001279395A (ja) | 2000-03-31 | 2000-03-31 | クロム−ニッケル系耐熱合金 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2001279395A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006075841A (ja) * | 2004-09-07 | 2006-03-23 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 溶接継手および溶接材料 |
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