JP4273339B2

JP4273339B2 - 高Ｃｒ鋼の溶接継手および溶接材料

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Publication number: JP4273339B2
Application number: JP2004376644A
Authority: JP
Inventors: 和博小川; 貴代子竹田; 孝裕小薄; 博之穴田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2024-12-27
Also published as: JP2006183082A

Description

この発明は、たとえば原子力発電用の軽水炉等の高温純水環境下で用いられる配管等の溶接継手であって、その溶接金属が耐応力腐食割れ性に優れている溶接継手、およびその溶接継手を作製するのに好適な溶接材料に関する。

オーステナイト系ステンレス鋼における溶接時の高温割れを防止するため、溶接金属中に生成するδフェライトの比率を高くすることが知られている。しかし、δフェライトが生成すると、δフェライトそのものによる低温靭性の低下、成分元素の分配、偏析による耐食性の劣化などが懸念される。

これに対して、特許文献１（特開平7−314178号公報）には、溶接金属中にδフェライトを生成させることなく高温割れが抑制され、低温靭性および高温脆化が改善された溶接金属が得られるオーステナイト系ステンレス鋼用の溶接材料が開示されている。この溶接材料は、溶接金属のNi等量とCr等量の和を制限し、かつMnを適正量含有せしめることによって上記の効果を得るものである。

オーステナイト系ステンレス鋼の溶接金属の応力腐食割れ（Stress corrosion cracking、以下SCCと記す）に対する抵抗性の改善に関する発明は、特許文献２（特開平05-65530号公報）に開示されている。この特許文献２の発明では、軽水炉プラントにおける溶接熱影響部の耐応力腐食割れ性の向上、特に改質処理後の低温鋭敏化による腐食に耐え、稼動期間中の応力腐食割れを防止できる表面改質処理技術を提供することを目的にしている。そして、Fe基またはNi基合金材料の表面に照射エネルギー密度が1.0〜100Ｊ／mmのレーザ光を照射して、10³〜10⁷℃／ｓの冷却速度で冷却させて、平均セル間隔が0.1〜3.0μｍの範囲にあるセル組織をもつ溶融凝固層を形成することで、耐SCC性改善の効果を得ている。

しかしながら、特許文献２の発明は、特許文献２自体の中にも開示されているように、Cr炭化物の析出にともなう粒界鋭敏化に起因するSCCを対象としている。従って、例えば、原子力発電用配管等の高温純水環境下で生じうる非鋭敏化起因のSCCに対しては特許文献２の技術は、耐SCC改善の対策にはならない。SCC発生の機構が異なるからである。

さらに、特許文献３（特開平9-137255号公報）には、化学工業用装置や核燃料再処理設備の配管等の溶接施工性に優れた高耐食オーステナイト系ステンレス溶接用材料が開示されている。しかし、その溶接材料は、溶接ビードの均一性と裏ビードの形成能を高めるためのものであり、高温純水環境での溶接部の耐SCC性改善のためのものではない。

特開平7−314178号公報特開平５−65530号公報特開平９−137255号公報

本発明の課題は、オーステナイト系溶接金属において、原子力発電用の軽水炉等の高温純水環境下で用いられる配管等の溶接構造物に要求される特性である耐応力腐食割れ性を改善し、割れを防止することにある。具体的には、溶接金属が耐応力腐食割れ性に優れている溶接継手、およびその継手を作製する際に使用するのに好適な溶接材料を提供することが本発明の目的である。

まず、本発明の基礎となった知見について述べる。以下、合金成分の含有量に関する％は、質量％を意味する。

いわゆる１８−８系ステンレス鋼を代表とするオーステナイト系鋼の溶接金属においては、溶接時の熱サイクルにより粒界に炭化物が析出するために、粒界近傍にCr濃度の低い、いわゆるCr欠乏域が生じて、SCC感受性が増大する。そこで、従来、炭化物の原因となる炭素を0.03％以下に低減する対策が採られているが、Cr炭化物が形成しない、即ち、Cr欠乏域が生じない溶接金属でもSCCが生じることがある。

本発明者らは、研究の結果、溶接金属では凝固時の不純物元素、特にＰとＳの偏析によってもSCCが生じること、および以下に述べる凝固プロセスの精緻な制御により、SCC発生の原因となる凝固偏析が緩和できて、その結果、耐SCC性が大きく向上することを知見した。

（１）溶接金属の凝固過程では、通常、ＰおよびＳは、固相に比べて液相に濃化しやすく、凝固の進行にともなって濃化が重畳され、凝固過程末期の液相では溶接金属中の平均濃度の100倍から1000倍のオーダーの濃度となる。凝固完了後、圧延等の加工や熱処理を加えずに使用される溶接金属では、凝固粒界に高濃度の不純物が存在する状態で使用されることになる。

（２）不純物濃度の高い粒界は、腐食環境では溶解しやすく、結果として応力腐食割れ感受性が高くなる。

（３）液相への不純物の濃化は、固相がオーステナイト相である場合に比べて、フェライト相である場合の方が相対的には低減されるが、それでも濃化は生じる。

（４）しかしながら、最初にフェライト相で凝固させて液相への不純物の濃化を抑え、それでも生じる濃化は、凝固終了温度よりも10℃以上高温の状態で、液相中からオーステナイトを晶出させて、固液界面を移動させることにより不純物の濃化位置を物理的に変えていくことで、凝固粒界での不純物濃化を大幅に抑制することができる。たとえ凝固過程の途中からオーステナイト相が晶出しても、そのときの温度と凝固完了温度との差が10℃未満であれば、言い換えれば、凝固完了直前であれば、固液界面の移動が不十分であり、不純物の濃化の抑制効果が小さいため、凝固過程の途中からのオーステナイト相晶出時期の制御が重要となる。

上述の技術知見を実現する具体的手段としては、合金元素の調整が最も有効である。本発明者らは、実験研究を重ねた結果、後述の(1)式で表されるＦＰの値を適正範囲とすればよいことを確認して、本発明を完成させた。

本発明は、下記１の溶接継手および下記２の溶接材料を要旨とする。

１．溶接金属が、質量％で、Ｃ：0.03％以下、Si：1.0％以下、Mn：0.1〜2.0％、Cr：22〜28％、Ni：12％を超えて22％まで、Mo：0〜3％およびＮ：0.001〜0.15％を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中のPは0.04％以下、Sは0.03％以下であり、さらに下記(1)式で表されるＦＰの値が−３から０までの範囲にあるオーステナイト系溶接金属であることを特徴とする溶接継手。

ＦＰ＝Ni＋30Ｃ＋20Ｎ＋0.5Mn−1.1Cr−1.32Mo−1.65Si＋９・・・(1)
なお、上記(1)式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を示す。

この溶接継手は、原子力発電設備の高温純水環境で用いる構造物の継手として好適である。

２．質量％で、Ｃ：0.03％以下、Si：1.0％以下、Mn：0.1〜2.0％、Cr：22〜28％、Ni：12％を超えて22％まで、Mo：0〜3％およびＮ：0.001〜0.15％を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中のPは0.04％以下、Sは0.03％以下であり、さらに下記(1)式で表されるＦＰの値が−３から０までの範囲にあることを特徴とするオーステナイト系溶接材料。

この溶接材料は、上記１の溶接継手を作製するのに好適である。

まず、前記の(1)式で表されるＦＰ値について説明する。

ＦＰの値が0を超える場合には、溶接金属の凝固がオーステナイト相で開始する。一方、(1)式の値が−３未満の場合には、凝固はフェライト相で開始するものの、凝固終了温度よりも10℃以上高い状態でのオーステナイト相の晶出は、生じなくなる。従って、本発明者らの新たな知見である「フェライト相で凝固を開始させ、かつ凝固終了温度よりも10℃以上で高い状態でオーステナイト相を晶出させて、凝固粒界での不純物の偏析を回避させ、耐SCC性を改善する」という技術を実現するには、ＦＰの値を−３以上で０以下とすることが必須となる。さらに好ましいＦＰの値は、−2.5以上で−0.5以下の範囲の値である。

次に溶接金属およびそれを作製するための溶接材料を構成する成分の作用効果と含有量の限定理由を説明する。

Ｃ：0.03％以下
Ｃは、オーステナイト形成元素としてオーステナイト相の安定化に寄与する。しかし、その含有が過剰になると、炭化物を形成し、耐食性の劣化を招く。特に、溶接金属ではCr炭化物の析出に起因して粒界腐食感受性が高くなり、即ち、鋭敏化されて、耐食性の劣化が頼著になる。従って、Ｃ含有量は0.03％以下とする。鋭敏化を防止するにはC含有量はできる限り低くするのが有効であり、より望ましいＣ含有量は0.02％未満である。

Si：1.0％以下
Siは脱酸剤として利用されるが、Siが過剰に含まれると溶接時の高温割れ感受性が増大するので、その含有量の上限は1.0％とする。より望ましいのは、0.60％以下である。なお、脱酸剤としての作用効果を得るためには、下限を0.1％とするのが望ましい。

Mn：0.1〜2.0％
Mnは脱酸剤として添加され、オーステナイト相の安定にも寄与する。また、溶接材料を線材に加工する際の熱間加工性の向上にも寄与する。さらに、溶接時にＳを固定化して高温割れ防止に主要な役割を果たす元素でもある。これらの諸効果を得るため、下限は0.1％とする。しかし、過剰に含有させると、溶接金属の表面に硫化物が優先的に濃化し、鋼材の耐食性を低下させるとともに、溶接作業性の低下、ヒユームの発生などの問題が生じる。従って、Mn含有量の上限は2.0％とする。より望ましい上限は1.5％である。

Cr：22〜28％
Crは、溶接部の耐食性の確保に不可欠な元素である。Cr含有量が22％未満の場合は、厳しい腐食環境ではこの効果が十分に得られない。一方、Cr含有量が28％を超えると、溶接金属を得るための溶接材料を製造する際の熱間加工が困難となる。従って、Cr含有量の適正範囲は22〜28％である。より望ましいのは23〜28％、最も望ましいのは24〜27％である。

Ni：12％を超えて22％まで
Niはオーステナイト相形成元素として溶接金属が凝固する際の形態に大きな影響を与える重要な元素である。上記のようにCrを22％以上含有する鋼においては、オーステナイト相を安定させるために、12％を超えるNiの含有が必要である。より好ましいのは14%以上である。Ni含有量の上限は、Cr含有量等との相関を主な要因とする前記(1)式で表されるＦＰ値を−３から０の範囲に収めることから決まるが、δフェライトを適度に晶出させる観点から22％を上限とする。

Mo：０〜３％
Moは含有させなくともよい。Moは、主として耐孔食性の向上に有効であり、SCCの起点となりうる孔食を抑えることにより、耐SCC性の向上に寄与する。このような効果を得るために含有させる場合は0.2%以上とするのが望ましい。しかし、過剰に含有させると靭性低下の要因となる金属間化合物が析出するため、上限は３％とした。好ましい範囲は0.5〜2.4％である。

Ｎ：0.001〜0.15％
Ｎは溶接金属のオーステナイト相を安定化させ、同時にその強度を高めるのに有効な元素であるが、過剰に含有させると裏ビード形成能を劣化させる。さらに、鋼中のCrと結合してCr窒化物を形成し、粒界耐食性を低下させる。従って、Ｎ含有量は0.001〜0.15％とする。より望ましいのは0.005〜0.10％である。
本発明の溶接継手を構成する溶接金属は、前記の成分以外、残部はFeと不純物からなるものである。不純物の中では特にPおよびSの上限を抑えることが必要である。

P：0.04％以下
Pは多量に存在すると溶接割れ感受性の増大を招くとともに凝固粒界偏析してSCC感受性を助長するので、できるだけ少ないことが望ましい。従って、その含有量は0.04％以下とする。

S：0.03％以下
Sは溶融池の溶け込み深さを深くし、裏ビード形成能を向上させるのに有用な元素である。しかし、その含有量が過剰になると、形成された硫化物が耐食性を劣化させ、また、溶接材料の線材加工時のキズ発生の原因となる。さらに、溶接時の高温割れ感受性が高くなる。従って、その含有量は0.03％以下とする。望ましいのは、0.01％以下である。

以上が本発明の溶接継手を構成する溶接金属および溶接材料の化学組成である。ただし、上記の各合金成分の範囲内で、前記の(1)式で定義されるＦＰ値が−３から０までの範囲に収まるように調整することが重要である。それによって溶接金属の優れた耐SCC性が確保されるからである。

本発明の溶接継手を構成する鋼材（母材）は、例えば、JISのSUS 304、SUS 304L、SUS 309、SUS 310、SUS 316およびSUS 316L等のオーステナイト系ステンレス鋼、ならびにこれらの相当鋼種である。

本発明の溶接金属を形成するための溶接方法としては、アーク溶接（被覆アーク溶接、TIG、MIG、サブマージアーク溶接等）が好ましい。

種々の化学組成のステンレス鋼を真空高周波炉で溶解後、鍛造、圧延により２mm径の線材とし、その線材を用いてSUS 310の板材の上にバタリング溶接して母材希釈の影響を無視できるようにした後、その上にTIG溶接を行った。TIG溶接では入熱量15kJ／cmで積層溶接して溶接金属を作製した。全溶接金属部の厚さは25層盛で約20mmとした。この全溶接金属部の化学組成を表１に示す。なお、表１には前記(1)式で定義されるＦＰ値も併記した。

得られた溶接金属の上層部分から機械加工により厚さ２mm、幅10mm、長さが50ｍｍのSCC試験片を採取して、図１に示すように、試験片１の10×50mmの評価面と治具２との間には、SCCの加速因子としての隙間を形成させるために、グラファイトファイバーウール３を介在させ、曲率半径100mmの鋼製の型材治具に挟み込んで加圧プレスで押さえながらボルト４で締めて固定し、隙間および定歪みを付与して、オートクレーブ中に浸漬してSCC試験に供した。オートクレーブの腐食環境は、300℃で30ppbの硫酸イオンを添加した純水とし、試験時間は2000時間とした。

試験後の試験片の表面を10倍の実体顕微鏡で観察し、割れの有無を観察した。結果を表１にまとめて示す。○印はSCCの発生がないことを示し、×印はSCCが発生したことを示す。

表１に示すとおり、溶接金属が本発明で定める要件を満たしている符号Ａ１からＡ５までにはSCCは認められなかった。一方、ＦＰの値が−３未満の符号Ａ６、およびＦＰの値が０を超える符号Ａ７とＡ８にはSCCが生じた。

本発明によれば、溶接金属が高温純水中における耐SCCに優れた溶接継手が得られる。この溶接継手は、本発明の溶接材料を用いて作製することができる。本発明は、特に原子力発電設備の建設に有効である。

応力腐食割れ試験における試験片のセッティングを示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

符号の説明

１：試験片、２：治具、３：グラファイトファイバーウール、４：ボルト

Claims

溶接金属が、質量％で、Ｃ：0.03％以下、Si：1.0％以下、Mn：0.1〜2.0％、Cr：22〜28％、Ni：12％を超えて22％まで、Mo：0〜3％およびＮ：0.001〜0.15％を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中のPは0.04％以下、Sは0.03％以下であり、さらに下記(1)式で表されるＦＰの値が−３から０までの範囲にあるオーステナイト系溶接金属であることを特徴とする溶接継手。
ＦＰ＝Ni＋30Ｃ＋20Ｎ＋0.5Mn−1.1Cr−1.32Mo−1.65Si＋９・・・(1)
上記(1)式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を示す。
原子力発電設備の高温純水環境で用いられる溶接構造物用である請求項１に記載の溶接継手。
質量％で、Ｃ：0.03％以下、Si：1.0％以下、Mn：0.1〜2.0％、Cr：22〜28％、Ni：12％を超えて22％まで、Mo：0〜3％およびＮ：0.001〜0.15％を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中のPは0.04％以下、Sは0.03％以下であり、さらに下記(1)式で表されるＦＰの値が−３から０までの範囲にあることを特徴とするオーステナイト系溶接材料。
ＦＰ＝Ni＋30Ｃ＋20Ｎ＋0.5Mn−1.1Cr−1.32Mo−1.65Si＋９・・・(1)
上記(1)式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を示す。
請求項１または請求項２に記載の溶接継手を作製するのに用いる請求項３の溶接材料。