JP5088457B1 - 溶接材料および溶接継手 - Google Patents

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Abstract

(i) Nbおよび／またはVを含有する耐粒界腐食性に優れたSUS310系ステンレス鋼母材の溶接に用いられる溶接材料であって、化学組成が、質量％で、C：0.02％以下、Si：2％以下、Mn：2％以下、Cr：26〜50％、N：0.15％以下、P：0.02％以下、S：0.002％以下および[5≦Ni≦Cr-14]を満足する量のNiを含有し、残部はFeおよび不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料。(ii) 上記母材と溶接材料とを用いてなる溶接金属とからなるオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【選択図】なし

Description

本発明は、溶接材料および溶接継手に関し、より詳しくは、耐溶接割れ性を有するオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手であって、特に、高温水環境で用いられる構造部材またはシュラウドのような炉心材料に好適な耐溶接割れ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手およびそれを作製するのに好適なオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料に関する。
ＳＵＳ３１０系ステンレス鋼は、ＳＵＳ３１６系ステンレス鋼およびＳＵＳ３０４系ステンレス鋼よりも耐食性に優れ、良好な加工性および機械的特性を有するため、例えば、原子力プラント等の高温水環境で用いられる構造部材として用いられている。
特許文献１には、ＳＵＳ３１０系ステンレス鋼にＮｂおよび／またはＶを添加することによって優れた耐粒界腐食性を有し、原子力発電プラントにおける高温水環境で用いられる構造部材のみならず、シュラウドのような炉心材料としても好適なステンレス鋼が開示されている。
一方、このような材料を原子力発電プラントにおいて構造部材等として使用するためには溶接施工が必須であり、溶接継手部において溶接割れ等の欠陥が生じないことが必要不可欠である。
特許文献２には、耐応力腐食割れ性に優れたＳＵＳ３１０系ステンレス鋼の溶接継手および溶接材料が開示されている。
また、非特許文献１および２には、溶接継手部における凝固割れおよび再熱割れについて記載されている。
国際公開第２０１０／１１０００３号 特開２００６−１８３０８２号公報
西本和俊、夏目松吾、小川和博、松本長：ステンレス鋼の溶接、産報出版、第８６頁 才田一幸、野本裕己、谷口彰、坂本昌、西本和俊：溶接学会論文集、２０１０年、第６１−７１頁
特許文献１のＳＵＳ３１０系ステンレス鋼は、原子力発電プラントにおける構造部材および炉心材料として最適である。しかし、特許文献１には溶接施工に用いる溶接材料、または溶接施工管理条件については記載されていない。
特に、特許文献１のＳＵＳ３１０系ステンレス鋼は、ＳＵＳ３１６系のステンレス鋼と比較して、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量を低く設定しオーステナイトが安定な成分バランスとしているため、非特許文献１に述べられているように、溶接金属の組成がＣｒ当量／Ｎｉ当量の低い母材の組成に近づくと、溶接継手部において凝固割れ、再熱割れと言った溶接割れが生じやすくなる場合がある。
さらに、高いＣｒおよびＮｉ含有量によって粒内そのものが固溶強化されていることに加え、Ｎｂおよび／またはＶが添加されているため、溶接金属においても凝固過程または積層溶接時の再熱過程において粒内から炭窒化物が析出して硬化しやすくなり、再熱割れ感受性が一段と高まることも考えられる。
そのため、特許文献１の耐粒界腐食性に優れたＳＵＳ３１０系ステンレス鋼を溶接構造体として使用するために、溶接割れを防止できるための溶接材料および溶接施工管理条件について検討することの意義は大きい。
また、特許文献２では、溶接対象となる母材にＮｂまたはＶが添加されていないため、再熱割れの問題に関しては全く配慮されていなかった。
溶接して得られる溶接金属の粒界が次層の溶接熱サイクルに起因する熱応力に耐え切れずに滑る再熱割れに関して、非特許文献２に完全オーステナイト凝固する６９０合金においては、不純物元素であるＰおよびＳの低減が有効であることが示されている。しかし、ＮｂまたはＶを含有することで粒内から炭窒化物が析出して粒内が強化されてしまうような溶接金属における再熱割れを防止する手法に関しては、非特許文献２には全く述べられていない。
そこで本発明は、Ｎｂおよび／またはＶを含有する耐粒界腐食性に優れたＳＵＳ３１０系ステンレス鋼を母材とした、溶接割れを生じない溶接継手およびそれを作製するのに好適な溶接材料を提供することを目的とする。
本発明者らは、Ｎｂおよび／またはＶを含有することを特徴とするＣｒ当量／Ｎｉ当量の低いＳＵＳ３１０系ステンレス鋼を対象とし、凝固割れのみならず再熱割れも防止することが可能な溶接継手につき鋭意研究を行った結果、以下の知見を得るに至った。
（Ａ）非特許文献１にも記載されているように、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接を行うに際し、凝固割れを防止するためには、溶接金属のＣｒ当量／Ｎｉ当量を増加させフェライトを晶析出させることが有効である。
（Ｂ）フェライトはＰ、Ｓ等の固溶限が大きいため、凝固段階でフェライトを晶出させることによって、粒界脆化を引き起こす元素の凝固偏析を緩和し、その結果、粒界偏析を軽減することができる。
（Ｃ）同時に、粒界にフェライトを適正量以上残存させることで、粒内がＮｂまたはＶに起因する炭窒化物の析出によって強化されたとしても、次層の溶接熱サイクルにより付与される熱応力を粒界フェライトが緩和し粒界滑り抵抗を高めるため、再熱割れを防止できる。
（Ｄ）凝固割れおよび再熱割れを防止するためには、特に、初層溶接時の凝固完了後における溶接金属中のフェライトを所定の量確保することが重要である。
そこで次に、本発明者らは、以上の条件を満たす溶接継手を得るための溶接材料について検討を行った結果、さらに以下の知見を得た。
（Ｅ）優れた溶接施工性を得るためには、溶接金属中における母材の流入する割合が７０％以上となる場合においても、凝固割れおよび再熱割れを防止できる溶接材料が必要である。
（Ｆ）溶接材料中のＣｒ量を母材より高くし、さらにＮｉ量を下記の式(I)を満たすように規定することによって、凝固割れおよび再熱割れを防止できる溶接材料を得ることができる。
５≦Ｎｉ≦Ｃｒ−１４ ・・・(I)
ただし、式(I)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、その要旨は、下記の（１）および（２）に示すオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料ならびに（３）〜（５）に示すオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手にある。
（１）質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｃｒ：２４〜２６％、Ｎｉ：１８〜２２％、Ｍｏ：０．１０％を超えて０．５０％未満、Ｎ：０．０４％を超えて０．１５％以下、Ｐ：０．０２％以下およびＳ：０．００２％以下、ならびにＮｂ：０．３０％以下およびＶ：０．４０％以下の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼の溶接に用いられる溶接材料であって、
該溶接材料の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｃｒ：２６〜５０％、Ｎ：０．１５％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００２％以下およびＮｉ：下記の式(I)を満足する量を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料。
５≦Ｎｉ≦Ｃｒ−１４ ・・・(I)
ただし、式(I)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
（２）溶接材料の化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらにＭｏ：１％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｖ：１％以下およびＲＥＭ：０．０５％以下のうちの１種または２種以上を含有し、かつ下記の式(II)を満足することを特徴とする上記（１）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料。
２×Ｎｂ＋Ｖ≦１ ・・・(II)
ただし、式(II)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
（３）質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｃｒ：２４〜２６％、Ｎｉ：１８〜２２％、Ｍｏ：０．１０％を超えて０．５０％未満、Ｎ：０．０４％を超えて０．１５％以下、Ｐ：０．０２％以下およびＳ：０．００２％以下、ならびにＮｂ：０．３０％以下およびＶ：０．４０％以下の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼からなる母材と、
質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｃｒ：２６〜５０％、Ｎ：０．１５％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００２％以下およびＮｉ：下記の式(I)を満足する量を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる溶接材料を用いてなる溶接金属とからなることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
５≦Ｎｉ≦Ｃｒ−１４ ・・・(I)
ただし、式(I)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
（４）溶接材料の化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらにＭｏ：１％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｖ：１％以下およびＲＥＭ：０．０５％以下のうちの１種または２種以上を含有し、かつ下記の式(II)を満足することを特徴とする上記（３）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
２×Ｎｂ＋Ｖ≦１ ・・・(II)
ただし、式(II)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
（５）沸騰水型原子力発電プラントのＰＬＲ配管またはシュラウド等の炉心材料として使用することを特徴とする上記（３）または（４）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
本発明によれば、耐粒界腐食性および耐溶接割れ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手を安定的に得ることが可能である。したがって、本発明に係る母材と溶接材料とを用いて得られる溶接継手は、原子力発電プラントにおいて粒界での腐食損傷が懸念されるＰＬＲ配管（再循環系配管）、またはシュラウドのような炉心材料として使用される溶接構造材に最適である。
１．母材の化学組成
本発明の溶接継手の母材となるオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成は、質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｃｒ：２４〜２６％、Ｎｉ：１８〜２２％、Ｍｏ：０．１０％を超えて０．５０％未満、Ｎ：０．０４％を超えて０．１５％以下、Ｐ：０．０２％以下およびＳ：０．００２％以下、ならびにＮｂ：０．３０％以下およびＶ：０．４０％以下の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる。
ここで「不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．０２％以下
Ｃは、鋼の脱酸および強度確保の目的で用いられる。しかしながら、耐食性の観点から炭化物の析出を防止するために、その含有量はできる限り低くするのが良い。したがって、Ｃの含有量を０．０２％以下とした。Ｃ含有量は０．０１５％以下とすることが好ましい。なお、鋼の脱酸および強度確保と炭化物析出とを考慮すると、Ｃの含有量は、０．００５％以上、０．０１０％以下とすることがより好ましい。
Ｓｉ：０．０１〜０．５％
Ｓｉは、鋼の脱酸の目的で用いられる。本発明鋼では、その含有量を０．０１％以上とする。ただし、Ｓｉを過剰に含有すると介在物の生成を促すので、その含有量は低い方が望ましく、０．０１〜０．５％とした。Ｓｉは、０．１５％以上、０．３％以下の含有量とすることが好ましい。
Ｍｎ：０．０１〜２％
Ｍｎは、鋼の脱酸およびオーステナイト相の安定に有効な元素で、０．０１％以上の含有量でその効果が得られる。一方、ＭｎはＳとともに硫化物を形成し、その硫化物は非金属介在物となる。さらに、Ｍｎは、鋼材が溶接される際には溶接部の表面に優先的に濃化して鋼材の耐食性を低下させる。したがって、Ｍｎの含有量を０．０１〜２％とした。望ましいＭｎの含有量の下限は０．３０％であり、より望ましいＭｎの含有量の下限は０．４０％である。また、望ましいＭｎの含有量の上限は０．８０％である。
Ｃｒ：２４〜２６％
Ｃｒは、鋼の耐食性を保つために不可欠な元素である。Ｃｒの含有量が２４％未満では十分な耐食性が得られない。一方、本発明鋼の想定される使用環境では、Ｃｒは２６％までの含有量であれば十分であり、２６％を超えると、加工性の低下を招き、さらに、実用鋼としての価格およびオーステナイト相安定の面から問題がある。したがって、Ｃｒ含有量を２４〜２６％とした。
Ｎｉ：１８〜２２％
Ｎｉは、オーステナイト相を安定させ耐食性を維持するために重要な元素である。耐食性の観点から、１８％以上のＮｉ含有量が必要である。一方、Ｃｒの含有量が２４〜２６％である本発明においては、Ｎｉの含有量が多くなって２２％を超えると溶接性の低下を招く。このため、溶接性の観点から、Ｎｉ含有量の上限を２２％とした。
Ｍｏ：０．１０％を超えて０．５０％未満
Ｍｏは、鋭敏化抑制作用を有し、０．１０％を超える含有量で効果が得られる。しかしながら、Ｍｏの含有量が多くなって０．５０％以上になっても前記の効果は飽和するので、コストが嵩むばかりである。このため、Ｍｏの含有量を０．１０％を超えて０．５０％未満とした。なお、Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．４０％である。
Ｎ：０．０４％を超えて０．１５％以下
Ｎは、本発明において重要な元素である。Ｎを含有させることによって鋼の強度を高めることができ、さらに、Ｎの含有量を高めることで、Ｃを粒内に固定するＮｂおよび／またはＶの炭窒化物を形成するだけでなく、Ｃｒを粒内にて固定できる窒化物を形成することで鋭敏化を抑制することができる。こうした効果を得るには、０．０４％を超えるＮ含有量が必要である。しかしながら、Ｎの含有量が過剰になって、特に０．１５％を超えると、粒内だけではなく粒界からのＣｒ窒化物の析出も促進して耐粒界腐食性を低下させる。したがって、Ｎの含有量を０．０４％を超えて０．１５％以下とした。Ｎ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、より好ましくは０．０７％である。また、好ましい上限は０．１３％である。
Ｐ：０．０２％以下
Ｐは、不純物として含有される元素であり、その含有量が多くなって、特に０．０２％を超えると、粒界脆化を引き起こし、また、耐食性も劣化させる。さらに、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、主に粒内でＣｒを窒化物として固定して粒界鋭敏化を抑制するものであり、粒内窒化物の析出促進により粒内強度が上昇するので、特にＰを０．０２％を超えて含む場合には、Ｐの偏析によって脆化した粒界との強度差が大きくなり、溶接熱影響部での割れ感受性の増大も生じる。したがって、Ｐの含有量は０．０２％以下に制限する必要がある。なお、Ｐの含有量は０．０１５％以下とすることが好ましい。
Ｓ：０．００２％以下
Ｓは、不純物として含有される元素であり、その含有量が多くなって、特に０．００２％を超えると、粒界脆化を引き起こし、また、耐食性も劣化させる。さらに、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、主に粒内でＣｒを窒化物として固定して粒界鋭敏化を抑制するものであり、粒内窒化物の析出促進により粒内強度が上昇するので、特にＳを０．００２％を超えて含む場合には、Ｓの偏析によって脆化した粒界との強度差が大きくなり、溶接熱影響部での割れ感受性の増大も生じる。したがって、Ｓの含有量は０．００２％以下に制限する必要がある。なお、Ｓの含有量は０．００１％以下とすることが好ましい。
Ｎｂ、Ｖ：Ｎｂ：０．３０％以下およびＶ：０．４０％以下の１種または２種
ＮｂおよびＶも本発明において重要な元素であり、これらの元素の１種または２種を含有させることによってＮｂまたはＶの炭窒化物の析出を促進する。ＮｂおよびＶの両方を含有させる場合には、Ｃｒ（Ｎｂ、Ｖ）Ｎの析出も促進するので、Ｃｒ（Ｎｂ、Ｖ）Ｎならびに一部ＮｂおよびＶの１種以上が固溶したＣｒ２Ｎの両窒化物を粒内析出させることができ、ＣおよびＣｒの粒内固溶量を低減させて鋭敏化を抑制することができる。
しかしながら、これらの元素を過剰に含有させると、具体的には、Ｎｂを０．３０％を超えて、また、Ｖを０．４０％を超えて含有させると、いずれの場合にも、粒界からのＣｒ系窒化物の析出を促進して耐粒界腐食性を劣化させるだけでなく、熱影響部での割れ感受性を著しく増大させるおそれがある。したがって、ＮｂおよびＶのそれぞれの含有量は、Ｎｂが０．３０％以下およびＶが０．４０％以下とした。なお、ＮｂおよびＶのより好ましい含有量の上限はそれぞれ、Ｎｂが０．２６％、Ｖが０．３５％である。
上記のＮｂおよびＶは、単独で、または２種の複合で含有させれば良いが、Ｃｒ系窒化物の析出による粒内Ｃｒ濃度の低減効果を得るために、それぞれの元素を単独で含有させる場合には、ＮｂおよびＶの含有量の下限は、ＮｂとＶとのいずれについても０．０１％とすることが好ましい。
なお、ＮｂおよびＶを複合して含有させる場合には、合計含有量で０．６％を超えると、粒界からのＣｒ系窒化物の析出を促進して耐粒界腐食性を劣化させることがあるため、合計含有量の上限は、０．６％にすることが好ましい。
また、ＮｂおよびＶを複合して含有させる場合には、ＮｂおよびＶの含有量の下限は、合計含有量で０．０１％となるようにすることが好ましい。
２．溶接材料の化学組成
上記母材を溶接する際に用いる本発明の溶接材料は、質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｃｒ：２６〜５０％、Ｎ：０．１５％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００２％以下およびＮｉ：下記の式(I)を満足する量を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる化学組成を有することを特徴とする。
５≦Ｎｉ≦Ｃｒ−１４ ・・・(I)
ただし、式(I)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
Ｃ：０．０２％以下
Ｃは、耐食性の観点から炭化物の析出を防止するために、その含有量はできる限り低くするのが良い。さらに、Ｃはオーステナイト安定化元素であるため、溶接材料中のＣ含有量を出来る限り低くするのが良い。したがって、溶接材料中のＣの含有量を０．０２％以下とした。Ｃ含有量は０．０１５％以下とすることが好ましい。
Ｓｉ：２％以下
Ｓｉは、溶接時における脱酸の目的で用いられる。さらに、Ｓｉはフェライトの安定性の向上にも有効な元素である。しかしながら、Ｓｉを過剰に含有させると溶接金属での凝固割れ感受性を増大させるので、Ｓｉ含有量を２％以下とした。Ｓｉ含有量は１．５％以下とすることが好ましい。なお、溶接時における脱酸の目的からは、Ｓｉ含有量を０．１５％以上とすることが好ましい。
Ｍｎ：２％以下
Ｍｎは、脱酸および高強度の目的で含有させる。しかしながら、含有量が過剰になるとオーステナイトを安定化してフェライトの晶出を抑制するため、上限を設けＭｎの含有量を２％以下とした。Ｍｎ含有量は１％以下とすることが好ましい。なお、脱酸および高強度の目的からは、Ｍｎ含有量を０．２％以上とすることが好ましい。
Ｃｒ：２６〜５０％
Ｃｒは、耐食性を保つために不可欠な元素である。本発明の溶接材料は、Ｃｒ含有量が母材と同じ、または高いことを特徴とする。加えてＣｒはフェライト安定化元素であり、含有量が多いほど溶接割れ防止には有効である。以上のことから、２６％以上のＣｒ含有量が必要である。一方、含有量が多くなって、特に５０％を超えると、溶接材料の伸線加工性の低下を招く。したがって、Ｃｒの含有量を２６〜５０％とした。Ｃｒ含有量は２７％以上とすることが好ましく、４０％以下とすることが好ましい。
Ｎ：０．１５％以下
Ｎは、強度および耐食性を向上させるために有効な元素である。しかしながら、オーステナイト安定化元素であるため、過剰に含有させると溶接割れ感受性が増大する。したがって、Ｎの含有量を０．１５％以下とした。好ましくは０．１％以下であり、より好ましくは０．０８％以下である。なお、Ｎの含有量は強度および耐食性を安定的に向上させるためには、０．０３％以上とすることが好ましい。
Ｐ：０．０２％以下
Ｐは不純物元素であり、溶接割れ感受性を増大させる元素である。そのため、その量は極力低減することが望ましいが、過度の減少はコスト増を招く。したがって、Ｐの含有量は０．０２％以下とした。好ましくは０．０１５％以下である。
Ｓ：０．００２％以下
ＳもＰと同様に不純物元素であり、溶接割れ感受性を増大させる元素である。そのため、その量は極力低減することが望ましいが、過度の減少はコスト増を招く。したがって、Ｓの含有量を０．００２％以下とした。好ましくは０．００１％以下である。
Ｎｉ：５％以上（Ｃｒ−１４）％以下
Ｎｉは、組織安定性や耐食性を向上させる元素である。一方、Ｎｉは強力なオーステナイト安定化元素であり、溶接割れ感受性を増大させる。しかしながら、Ｎｉ含有量に上限を設け、Ｃｒ含有量との関係で前記の式(I)を満たせば、溶接割れを抑制できる。なお、Ｎｉ含有量の過度の低減は、積層欠陥エネルギーの低下による耐鋭敏化特性の劣化を引き起こし、かつ組織安定性または強度の低下を招くことから、下限値を５％とすることが好ましい。
本発明の溶接材料の一つは、上記のＣからＮｉまでの元素を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる溶接材料である。
ここで「不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
本発明の溶接材料の他の一つは、Ｆｅの一部に代えて、以下に示す量のＭｏ、Ｎｂ、ＶおよびＲＥＭのうちの１種または２種以上を含有する溶接材料である。
Ｍｏ：１％以下
Ｍｏは、鋭敏化抑制作用を有するので、必要に応じて含有させても良い。しかしながら、Ｍｏ含有量が多くなって１％を超えると高温時にシグマ相の析出を誘発する。このため、Ｍｏを含有させる場合の量を１％以下とした。Ｍｏ含有量のより好ましい上限は０．５％である。なお、Ｍｏによる効果を安定して得たい場合は、０．１０％以上含有させるのが好ましく、０．１５％以上含有させるのがより好ましい。
Ｎｂ：０．５％以下およびＶ：１％以下
ＮｂおよびＶは、Ｃｒ系窒化物を形成することによる鋭敏化抑制作用を有するので、必要に応じてＮｂおよびＶの一方または両方を含有させても良い。しかしながら、ＮｂおよびＶの含有量がそれぞれ０．５％および１％を超えてＣｒ系窒化物を多量に析出させると、粒内強化が促進されて溶接金属での再熱割れ感受性が著しく増大する。また、ＮｂおよびＶの両方を含有させる場合には、２×Ｎｂ＋Ｖで計算される値が１％を超えると、溶接金属での再熱割れ感受性の増大が著しくなる。このため、ＮｂおよびＶの両方を含有させる場合には、下記の式(II)を満足させる必要がある。なお、式(II)の左辺の好ましい上限は０．７％である。Ｎｂおよび／またはＶによる上記の効果を安定して得たい場合は、式(II)の左辺の下限値を０．１％とすることが好ましく、０．１５％とすることがより好ましい。
２×Ｎｂ＋Ｖ≦１ ・・・(II)
ただし、式(II)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
ＲＥＭ：０．０５％以下
ＲＥＭは、ＳまたはＰといった再熱割れ感受性を増大させる元素を粒内に固定する作用を有する。そのため、溶接金属での再熱割れ抑制効果を得るために必要に応じてＲＥＭを含有させても良い。しかしながら、ＲＥＭの含有量が過剰になり、特に０．０５％を超えると、溶接金属での凝固割れ感受性を増大させる。そのため、含有させる場合のＲＥＭの量を０．０５％以下とした。より好ましいＲＥＭ含有量の上限は０．０３％である。ＲＥＭによる効果を安定して得たい場合は、０．０１％以上含有させることが好ましく、０．０１５％以上含有させるのがより好ましい。
なお、ＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量は上記元素の合計量を意味する。
本発明に用いられる溶接材料の形状については特に制限はなく、通常のＧＴＡＷ、ＧＭＡＷ等で用いられるソリッドワイヤ、フラックス入りワイヤ、インサートリング等を用いることができる。
３．溶接金属の化学組成
前記１に記載の化学組成の母材と上記２に記載の化学組成を有する溶接材料とを用いてなる溶接金属の化学組成は、母材と溶接材料との流入割合で決定される。したがって、本発明の溶接継手において、溶接金属の初層部は、質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．０６〜１．６％、Ｍｎ：０．０８〜２％、Ｃｒ：２４．５〜４５％、Ｎｉ：１２〜２５％、Ｍｏ：０．１〜０．９％、Ｎ：０．０３５〜０．１５％、Ｐ：０．０２％以下およびＳ：０．００２％以下ならびにＮｂ：０．００５〜０．３％およびＶ：０．００５〜０．３％の１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる化学組成を有する。
上記のうちでも、特に、Ｃ含有量は、０．０１５％以下であることが好ましい。また、Ｓｉ含有量は、０．１５％以上であることが好ましく、１．３％以下であることが好ましい。Ｍｎ含有量は、０．３％以上であることが好ましく、１％以下であることが好ましい。Ｃｒ含有量は、２５％以上であることが好ましく、３５％以下であることが好ましい。Ｎｉ含有量は、２２％以下であることが好ましい。Ｍｏ含有量は、０．１２％以上であることが好ましく、０．５％以下であることが好ましい。Ｎ含有量は、０．０４５％以上であることが好ましく、０．１１％以下であることが好ましい。Ｎｂ含有量は、０．０１％以上であることが好ましく、Ｖ含有量は、０．０１％以上であることが好ましい。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
表１に示す化学組成を有する２種類のオーステナイト系ステンレス鋼を溶解し、熱間鍛造および熱間圧延して１０６０℃で固溶化熱処理を施した後、ＪＩＳ Ｚ ３００１−１（２００８）の番号１４３４９においてルート半径ｒ＝１．５ｍｍ、ルート面ｂ＝１．５ｍｍ、開先角度θ＝４０°とするＵ開先加工および番号１４３４３においてルート面ｂ＝１ｍｍ、開先角度θ＝６０°とするＶ開先加工が施された厚さ１２ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの拘束溶接割れ試験用試験片を作製した。上記のようにして得た各拘束溶接割れ試験用試験片を用いて、被覆アーク溶接棒としてＪＩＳ Ｚ ３２２４（２０１０）に規定のＥＮｉ６１８２を用いて、厚さ２５ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ２００ｍｍのＪＩＳ Ｇ ３１０６（２００８）に規定のＳＭ４００Ｃの市販の鋼板上に、四周を拘束溶接した。
Figure 0005088457
その後、開先内を表２に示す４種類の直径１．２ｍｍのスプール溶接材料をそれぞれ用いて初層ＴＩＧ溶接を実施した。入熱は７．２〜１０．８ｋＪ／ｃｍの条件とし、溶接材料の送給速度も３１６〜７００ｍｍ／ｍｉｎの範囲で変化させた。その後、初層溶接部を半分ほど残して、残部を入熱７．２ｋＪ／ｃｍの条件にて積層溶接した。その際、パス間温度は１５０℃以下に管理した。
上記の溶接施工後、各試験体について、継手の断面ミクロ組織観察用試験片を、初層のみ溶接した部分から３個、積層溶接した部分から３個ずつ採取した。そして、断面を鏡面研磨した後クロム酸電解腐食し、割れの発生の有無を、光学顕微鏡を用いて倍率を５００倍として観察した。初層のみ溶接した部分において割れが認められた場合は凝固割れ、積層溶接した部分において割れが認められた場合は再熱割れであると考えられる。また、初層のみ溶接した部分から採取した溶接金属の中心部分をＥＰＭＡ分析して定量化することで溶接金属の組成を測定した。それらの結果を表３および４に示す。
Figure 0005088457
Figure 0005088457
Figure 0005088457
表３中の凝固割れおよび再熱割れの欄の数値は、割れの発生が認められた試験片数／断面ミクロ観察した試験片数を示す。なお、今回観察した割れ試験の評価は、観察した３断面中、一つでも割れの発生が認められたものを不合格とし、割れの発生が全く認められなかったものを合格とした。
化学組成が本発明の規定を満足する溶接材料Ａ〜Ｃを用いた場合、溶接条件によらず、いずれの試験体にも溶接金属に凝固割れ、再熱割れの双方とも発生しなかったのに対して、本発明の規定から外れる溶接材料Ｄを用いた場合、いずれの試験体にも溶接金属で溶接割れが認められた。
以上より、適正な化学組成の溶接材料を用いることによって、優れた耐凝固割れ性および耐再熱割れ性を有する溶接継手が得られることが明らかである。
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料を用いた溶接継手は、優れた耐粒界腐食性および耐溶接割れ性を有するため、原子力発電プラントにおいて粒界での腐食損傷が懸念されるＰＬＲ配管、またはシュラウドのような炉心材料として使用される溶接構造材に最適である。

Claims (5)

  1. 質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｃｒ：２４〜２６％、Ｎｉ：１８〜２２％、Ｍｏ：０．１０％を超えて０．５０％未満、Ｎ：０．０４％を超えて０．１５％以下、Ｐ：０．０２％以下およびＳ：０．００２％以下、ならびにＮｂ：０．３０％以下およびＶ：０．４０％以下の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼の溶接に用いられる溶接材料であって、
    該溶接材料の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｃｒ：２６〜５０％、Ｎ：０．１５％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００２％以下およびＮｉ：下記の式(I)を満足する量を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料。
    ５≦Ｎｉ≦Ｃｒ−１４ ・・・(I)
    ただし、式(I)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
  2. 溶接材料の化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらにＭｏ：１％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｖ：１％以下およびＲＥＭ：０．０５％以下のうちの１種または２種以上を含有し、かつ下記の式(II)を満足することを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼用溶接材料。
    ２×Ｎｂ＋Ｖ≦１ ・・・(II)
    ただし、式(II)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
  3. 質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｃｒ：２４〜２６％、Ｎｉ：１８〜２２％、Ｍｏ：０．１０％を超えて０．５０％未満、Ｎ：０．０４％を超えて０．１５％以下、Ｐ：０．０２％以下およびＳ：０．００２％以下、ならびにＮｂ：０．３０％以下およびＶ：０．４０％以下の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼からなる母材と、
    質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｃｒ：２６〜５０％、Ｎ：０．１５％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００２％以下およびＮｉ：下記の式(I)を満足する量を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる溶接材料を用いてなる溶接金属とからなることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
    ５≦Ｎｉ≦Ｃｒ−１４ ・・・(I)
    ただし、式(I)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
  4. 溶接材料の化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、さらにＭｏ：１％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｖ：１％以下およびＲＥＭ：０．０５％以下のうちの１種または２種以上を含有し、かつ下記の式(II)を満足することを特徴とする請求項３に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
    ２×Ｎｂ＋Ｖ≦１ ・・・(II)
    ただし、式(II)における各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
  5. 沸騰水型原子力発電プラントのＰＬＲ配管またはシュラウド等の炉心材料として使用することを特徴とする請求項３または請求項４に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
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