JP2005288500A

JP2005288500A - 溶接用Ｎｉ基合金及びそれを用いる溶接方法

Info

Publication number: JP2005288500A
Application number: JP2004108190A
Authority: JP
Inventors: Masashi Kameyama; 雅司亀山; Naoki Chigusa; 直樹千種; Kazutoshi Nishimoto; 和俊西本; Kazuyuki Saida; 一幸才田
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】施工後の溶接金属（ビード）に割れが生じにくい溶接材料を提供する。
【解決手段】Ｃ：０．１５質量％以下、Ｎｉ：３０．０〜８０．０質量％、Ｓｉ：１．００質量％以下、Ｍｎ：１．５質量％以下、Ｃｒ：１４．０〜３１．０質量％、Ｆｅ：５１質量％以下、Ｒ（ただし、Ｒは、希土類元素の少なくとも１種を示す。）：０．０５質量％以下、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０１５質量％以下を含む溶接用Ｎｉ基合金に係る。
【選択図】なし

Description

本発明は、新規な溶接用Ｎｉ基合金及びそれを用いる溶接方法に関する。

Ｎｉ基合金は、高い耐食性、耐熱性等を有することから、工業材料の中でも必要不可欠な材料の一つとされている。Ｎｉ基合金は、主としてＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｍｏ系、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｃｏ系等の成分系の合金が知られている。これらは、固溶強化型合金と析出強化型合金に大別される。このうち析出強化型合金は、析出相として炭化物を主体とする弱析出型合金と金属内の化合物を主体とする強析出型に分類される。Ｎｉ基合金の場合は、強析出型合金が主流となる。一方、固溶強化型合金は、炭化物又は金属間化合物の析出による強化効果も見られるが、これらの析出硬化はいずれも耐食性や靭性の劣化を伴うため、意図的には利用されず、溶体化処理状態で得られる添加元素による固溶強化が主な強化機構となる。一般に、Ｎｉ基合金のγマトリックスの固溶強化元素としては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ等が知られている。

固溶強化型合金の中でも、比較的高いＣｒ量を有するInconel 690（Inconel：INCO社の登録商標）は、高い耐食性、耐応力腐食割れ性、耐熱性等を有することから、近年では原子力プラント、石炭ガス化プラント、ガラス熔解炉等に使用されている。そのため、耐食性、耐応力腐食割れ性等の物性について多くの研究・報告がなされているものの（非特許文献１〜４）、これらのプラントを建設する際に問題となる可能性がある溶接性についてはあまり研究されていない。
Jeffry M. Kikel, David M. Parker、"Ductility dip cracking susceptibil ity of Inconelfiller 52 and Inconel alloy 690"US DOE report(1998)pag e.21p Weite WU, C.H. TSAI, "Hot cracking susceptibility of Filler 52 and 8 2 in Alloy 690 welding", Metallurgical and Materials Transactions A V ol.30A, February(1999), 417-426 M.G. Collins, J.C.Lippold,"Quanifying Ductility-Dip Cracking Susceptibility in Nickel-Base Weld Metals using the Strain-to-Fracture Test", 6th international Trends in Welding Reaerch Conference Proceedings, 15-19 April 2002, Pine Mountain, GA, ASM International, 2003, 586-590 中尾嘉邦、篠崎賢二、"ミクロ割れ感受性に及ぼす不純物元素の影響"、溶接学会全国大会講演概要、第54集、(1994)70-71

しかしながら、加圧水型原子力発電プラントにおける蒸気発生器、原子炉容器管台等に多層盛溶接を行う場合、耐食性、耐応力腐食割れ性、耐熱性等に優れるInconel 690を用いたとしても、施工後のビード表面に１ｍｍ以下の微細な割れ（ミクロ割れ）が発生する。このようなミクロ割れは、施工後に行われる非破壊検査で検知することが困難である。また、たとえミクロ割れを発見できたとしても、その補修は非常に困難である。

従って、本発明の主な目的は、施工後の溶接金属（ビード）に割れが生じにくい溶接材料を提供することにある。

本発明者は、上記従来技術の問題に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定の組成からなる合金が上記目的を達成できることを見出した。

すなわち、本発明は、下記の溶接用Ｎｉ基合金及びそれを用いる溶接方法に係る。

１．Ｃ：０．１５質量％以下、Ｎｉ：３０．０〜８０．０質量％、Ｓｉ：１．００質量％以下、Ｍｎ：１．５質量％以下、Ｃｒ：１４．０〜３１．０質量％、Ｆｅ：５１質量％以下、Ｒ（ただし、Ｒは、希土類元素の少なくとも１種を示す。）：０．０５質量％以下、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０１５質量％以下を含む溶接用Ｎｉ基合金。

２．Ｃ：０．０５質量％以下、Ｎｉ：５８質量％以下、Ｓｉ：０．５質量％以下、Ｍｎ：０．５質量％以下、Ｃｒ：２７．０〜３１．０質量％、Ｆｅ：７．０〜１１．０質量％、Ｒ（ただし、Ｒは希土類元素の少なくとも１種を示す。）：０．０１〜０．０２質量％、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０１５質量％以下、Ｃｕ：０．５質量％以下を含む溶接用Ｎｉ基合金。

３．Ｒの一部又は全部がＬａである前記項１又は２に記載の溶接用Ｎｉ基合金。

４．さらにＭｏ：２．５〜１０．０質量％、Ｃｕ：３．００質量％以下、Ａｌ：１．８質量％以下、Ｔｉ：２．７５質量％以下、Ｎｂ＋Ｔａ：５．５質量％以下、Ｃｏ：１．０質量％以下、Ｂ：０．００６質量％以下を含む前記項１〜３のいずれかに記載の溶接用Ｎｉ基合金。

５．形態がワイヤ状である前記項１〜４のいずれかに記載の溶接用Ｎｉ基合金。

６．前記項１〜５のいずれかに記載のＮｉ基合金からなる肉盛溶接用合金。

７．前記項１〜５のいずれかに記載のＮｉ基合金からなる多層盛溶接用合金。

８．前記項１〜７のいずれかに記載のＮｉ基合金を用いてＮｉ系合金母材又はステンレス鋼母材の溶接を行う方法。

９．前記項１〜７のいずれかに記載のＮｉ基合金を用いてＮｉ系合金母材又はステンレス鋼母材の肉盛溶接を行う方法。

１０．前記項１〜７のいずれかに記載のＮｉ基合金を用いてＮｉ系合金母材又はステンレス鋼母材の多層盛溶接を行う方法。

１１．Ｎｉ系合金母材が、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金である前記項８〜１０のいずれかに記載の方法。

１２．Ｎｉ系合金母材が、Inconel 690合金である前記項８〜１０のいずれかに記載の方法。

本発明によれば、特定の組成からなる合金を溶接用材料として用いるので、溶接を施工した後の溶接金属に割れが生じにくく、溶接の信頼性を高めることができる。特に、多層盛溶接のように、溶接金属の上からさらに溶接されることにより当該溶接金属が再度加熱される場合であっても、当該容積金属の割れを効果的に抑制ないしは防止することができる。

本発明の溶接用Ｎｉ基合金は、Ｃ：０．１５質量％以下、Ｎｉ：３０．０〜８０．０質量％、Ｓｉ：１．００質量％以下、Ｍｎ：１．５質量％以下、Ｃｒ：１４．０〜３１．０質量％、Ｆｅ：５１質量％以下、Ｒ（ただし、Ｒは、希土類元素の少なくとも１種を示す。）：０．０５質量％以下、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０１５質量％以下を含む。

より好ましくは、本発明合金は、Ｃ：０．０５質量％以下、Ｎｉ：５８質量％以下、Ｓｉ：０．５質量％以下、Ｍｎ：０．５質量％以下、Ｃｒ：２７．０〜３１．０質量％、Ｆｅ：７．０〜１１．０質量％、Ｒ（ただし、Ｒは希土類元素の少なくとも１種を示す。）：０．０１〜０．０２質量％、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０１５質量％以下、Ｃｕ：０．５質量％以下を含む。

前記Ｒは、希土類元素の少なくとも１種を示す。例えば、Ｌａ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｅｒ等を使用することができる。特に、本発明では、Ｒの一部又は全部がＬａであることが望ましい。より好ましくは、ＲがＬａである。このような構成をとることによって、より優れた割れ防止効果を達成することができる。

また、本発明合金は、上記成分のほか、他の成分又は不可避不純物が含まれていても良い。例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｂ及びＴｉの少なくとも１種を加えることができる。これらの添加量は、合金の用途等に応じて適宜決定できるが、特にＭｏ：２．５〜１０．０質量％、Ｃｕ：３．００質量％以下（特に０〜３．００質量％）、Ａｌ：１．８質量％以下（特に０〜１．８質量％）、Ｔｉ：２．７５質量％以下（特に０〜２．７５質量％）、Ｎｂ＋Ｔａ：５．５質量％以下（特に０〜５．５質量％）、Ｃｏ：１．０質量％以下（特に０〜１．０質量％）、Ｂ：０．００６質量％以下（０〜０．００６質量％）を含むことが好ましい。

本発明の合金の製造方法は限定的でなく、公知の合金の製造方法に従って実施すれば良い。例えば、本発明合金の各成分の所定量を混合し、溶融することによって製造することができる。この場合は、溶融物を用いて、所定の形態（ワイヤ状、スティック状等）の成形すれば良い。また、本発明合金を粉末状の形態とする場合には、上記溶融で得られた溶製材をクラッシャー、ボールミル等で粉砕すれば良い。あるいは、上記溶融により得られる溶融物を用いてガスアトマイズ法、水アトマイズ法等によって所定の粉末を調製すれば良い。

本発明合金は、基本的には溶接用として幅広く用いることができる。溶接方法は、公知の手段を適用できる。例えば、被膜アーク溶接法、ＴＩＧ溶接法、レーザアーク溶接法、ＭＩＧ溶接法、ＭＡＧ溶接法、プラズマアーク溶接法、通電加熱法等のいずれの方法も適用することができる。

特に、本発明合金は、肉盛溶接用に適している。すなわち、基材表面に耐熱性、耐食性、耐熱性等の特性を付与することを目的とした用途（表面処理用）に好適に用いることができる。好ましくは、本発明合金は、多層盛溶接用として好適に用いることができる。多層盛溶接する方法自体は、公知の方法に従って母材上にビードを２層以上重ねるかたちで順次（１パスごと）に溶接すれば良い。

本発明合金を用いる場合、その溶接が可能な限り母材の種類は限定されないが、特にＮｉ系合金母材又はステンレス鋼に好ましく適用することができる。Ｎｉ系合金母材は、特にＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金母材であることが望ましい。Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金母材としては、例えばInconel 690合金、Inconel 600合金、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３０８、ＳＵＳ３０９等を挙げることができる。

以下、実施例を示し、本発明をより詳細に説明する。ただし、本発明の範囲は、これら実施例に限定されない。

実施例１
表１に示す組成を用い、各合金の溶製材を作製した。溶製材は、線径１．２ｍｍに圧延した後、酸洗・脱脂処理を行った後にスプールに巻いた状態で使用に供した。

表１中「Bass Metal」は、Inconel 690 である。

表１中「＊」印が付いたものは「ｐｐｍ」単位であることを示す。

試験例１
各合金のミクロ割れ感受性（割れの生じやすさ）について、図１に示すようなバレストレイン試験により評価した。１パスのＧＴＡ溶接した溶接金属（板厚３ｍｍ）に対してスポット及びトランスバレストレイン試験を実施し、再熱溶接金属のミクロ割れ感受性を調べた。多層盛溶接試験では、板厚２０ｍｍのInconel 690合金にＧＴＡＷによる多層盛溶接を施し、溶接部断面におけるミクロ割れ発生状況を調査した。また、再熱溶接金属の高温延性はグリーブル試験により測定した。
（１）Ｌａ含有合金のミクロ割れ感受性評価
＜ミクロ割れ感受性に及ぼすＬａ添加による効果＞
バレストレイン試験によって再熱溶接金属に発生するミクロ割れは、図２に示すように延性低下割れ、液化割れ及び凝固割れの３種類に分類できる。Ｌａ含有量を変化させたときのミクロ割れ感受性を評価した結果を図３に示す。延性低下割れについてみると、Ｌａを含まない合金では、割れ感受性は高いが、特にＬａを０．０１質量％以上含まれるときには、延性低下割れが完全に防止されていることがわかる。これに対し、液化割れ及び凝固割れは、Ｌａ含有量０．０３質量％以下の範囲で感受性が低い。よって、特に、Ｌａ含有量が０．０１〜０．０２質量％の範囲内で再熱溶接金属のミクロ割れ感受性が低くなることがわかる。
＜Ｌａ含有合金の有効性に関する検証＞
バレストレイン試験において、ミクロ割れ感受性が最も低いＬａ含有量０．０１質量％の合金（ＮＦ１）を用いて多層盛溶接を実施し、割れ発生状況について調べた。図４及び図５には、それぞれＬａ無添加合金及びＮＦ１を用いたときの多層盛溶接金属の断面様相を示す。溶接金属内の割れ個数及び総割れ長さ（３断面の平均値）を測定した結果を図６に示す。Ｌａ無添加合金では多くの割れが発生するが、ＮＦ１は割れが全く認められなかった。このことから、ＮＦ１が、Inconel 690 合金多層盛溶接金属のミクロ割れが完全に防止できることがわかる。
（２）Ｌａ含有合金によるミクロ割れ感受性改善機構
＜再熱溶接金属の高温延性＞
Ｌａ含有によるミクロ割れ感受性改善機構を明らかにすることを目的として、再熱溶接金属の高温延性について調査した。図７には、再熱溶接金属の高温延性（絞り）に及ぼす、Ｌａ含有量の影響を示す。再熱溶接金属の高温延性はいずれも試験温度が高くなるに伴って低下するが、試験温度１２００〜１６００Ｋの温度領域においてＬａ無添加合金に比べてＮＦ１の高温延性はかなり高いことがわかる。このことから、ＮＦ１においてミクロ割れが改善できた要因としては、ミクロ割れ（延性低下割れ）発生温度範囲である１２５０〜１６００Ｋにおける高温延性が改善したことに起因するものと推察される。
＜Ｌａ含有合金の生成相＞
再熱溶接金属の高温延性の改善要因を明確にするため、Ｌａ含有合金の生成相について調べた。Ｌａ含有量による溶接金属の生成相の変化を表２に示す。

Ｌａ含有合金では、主としてＬａ硫化物が同定され、Ｌａ含有量が多くなるとＮｉ−Ｌａ金属間化合物が確認された。なお、本試験の結果では、Ｌａリン化物は同定されるに至っていないが、ＬａとＰの親和力が低くないと推察されることから、Ｌａリン化物も少量ながら生成していると考えられる。

バレストレイン試験方法の概要を示す図である。バレストレイン試験において発生したミクロ割れを示すイメージ図（上図）及びイラスト（下図）である。ミクロ割れ感受性に及ぼすＬａ含有量の影響を示すグラフである。Ｌａ無添加合金による多層盛溶接金属の断面様相を示す図（左図：イメージ図、右図：イラスト）である。ＮＦ１による多層盛溶接金属の断面様相を示す図（左図：イメージ図、右図：イラスト）である。多層盛溶接金属のミクロ割れ感受性の程度（クラック数及び長さ）を調べた結果を示すグラフである。再熱溶接金属の高温延性に及ぼすＬａ含有量の影響を示すグラフである。

Claims

Ｃ：０．１５質量％以下、Ｎｉ：３０．０〜８０．０質量％、Ｓｉ：１．００質量％以下、Ｍｎ：１．５質量％以下、Ｃｒ：１４．０〜３１．０質量％、Ｆｅ：５１質量％以下、Ｒ（ただし、Ｒは、希土類元素の少なくとも１種を示す。）：０．０５質量％以下、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０１５質量％以下を含む溶接用Ｎｉ基合金。
Ｃ：０．０５質量％以下、Ｎｉ：５８質量％以下、Ｓｉ：０．５質量％以下、Ｍｎ：０．５質量％以下、Ｃｒ：２７．０〜３１．０質量％、Ｆｅ：７．０〜１１．０質量％、Ｒ（ただし、Ｒは希土類元素の少なくとも１種を示す。）：０．０１〜０．０２質量％、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０１５質量％以下、Ｃｕ：０．５質量％以下を含む溶接用Ｎｉ基合金。
Ｒの一部又は全部がＬａである請求項１又は２に記載の溶接用Ｎｉ基合金。
さらにＭｏ：２．５〜１０．０質量％、Ｃｕ：３．００質量％以下、Ａｌ：１．８質量％以下、Ｔｉ：２．７５質量％以下、Ｎｂ＋Ｔａ：５．５質量％以下、Ｃｏ：１．０質量％以下、Ｂ：０．００６質量％以下を含む請求項１〜３のいずれかに記載の溶接用Ｎｉ基合金。
形態がワイヤ状である請求項１〜４のいずれかに記載の溶接用Ｎｉ基合金。
請求項１〜５のいずれかに記載のＮｉ基合金からなる肉盛溶接用合金。
請求項１〜５のいずれかに記載のＮｉ基合金からなる多層盛溶接用合金。
請求項１〜７のいずれかに記載のＮｉ基合金を用いてＮｉ系合金母材又はステンレス鋼母材の溶接を行う方法。
請求項１〜７のいずれかに記載のＮｉ基合金を用いてＮｉ系合金母材又はステンレス鋼母材の肉盛溶接を行う方法。
請求項１〜７のいずれかに記載のＮｉ基合金を用いてＮｉ系合金母材又はステンレス鋼母材の多層盛溶接を行う方法。
Ｎｉ系合金母材が、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金である請求項８〜１０のいずれかに記載の方法。
Ｎｉ系合金母材が、Inconel 690合金である請求項８〜１０のいずれかに記載の方法。