JPH012787A - 高耐食性ステンレス鋼−ジルコニウム接合用管継手及びその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 ジルコニウム又はジルコニウム合金を溶接して成る装置
部品とステンレス鋼を溶接して成る装置部品を接合する
ために用いる高耐食性ステンレス！（１− 鋼一ジルコニウム接合用管継手に係り、特に１機械的性
質と耐食性の良好な異材接合用管継手及びその＠漬方法
に関する。

〔従来の技術〕

′　従来のステンレス鋼とジルコニウム板との爆発接合
は特開昭５４−４６１６．３号に記載のようにステンレ
ス鋼とジルコニウム板との中間にチタン層を介して爆発
接合するようになっている。

また特開昭５９−４７０７８号では鋼とジルコニウム板
との間にニオブ等合金、あるいはタンタル等合金、さら
にこれらの金属がチタンを介して一体に接合される□ジ
ルコニウムクラッド鋼について記載されている。この多
層クラツド鋼は接合性を高めるため媒接材を多層爆接し
たもので１合材であるジルコニウム板を多層爆接したも
のではない。

これらの発明のクラツド鋼はジルコニウム板の優れた耐
食性を利用するため比較的安価な鋼にクラッドしたもの
で、ジルコニウム板と鋼板の接合性を向上させるために
、媒接材としてチタン、タンタル、ニオブあるいはこれ
らの合金を介層したものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の異種材の爆発接合技術によって作られたクラ
ツド鋼はクラツド板であるジルコニウム板の表面が腐食
環境に曝らされることを考慮して作られており、接合界
面が腐食環境下に曝されることを考慮していない。構造
物として使用される場合に作用する応力としても膜応力
を想定しており、ジルコニウム板とステンレス鋼をひき
ちぎるような張力応力を考慮して接合したものでない。

すなわち従来の爆発接合技術による接合部は継手として
使用さｊしる配慮がされていない。例えば、配管継手の
如き継手の爆発接合部が直接腐食液にさらされるような
場合における接合界面での腐食゛や媒接材の板厚に起因
する強度的な影響について配ｌはされておらず接合界面
に↓する耐食性の低い金属間化合物もしくは合金層によ
る局部腐食や継手強度に問題があった。

本発明の目的は、硝酸等の高腐食性環境下で耐食性を有
する高耐食性ステンレス鋼とジルコニウムの接合用管継
手及びその製造法を提供するにある。

〔問題点を解決する゛ための手段〕

本発明はステンレス鋼、ジルコニウム又はジルコニウム
合金からなる第１管状部材とステンレス鋼、ジルコニウ
ム又はジルコニウム合金からなる第２管状部材との端部
が互いに接合されてなる異種管継手において、第１管状
部材と第２管状部材とはタンタルを媒接材として“金属
結合しており、第１管状部材と媒接材及び第２管状部材
′と媒接材°との接合界面はいずれも波模様を有し、第
１管・状部材と媒接材との界面の媒接材内に第１管状部
材と媒接材との合金が所定の間隔で形成されていること
を特徴とする高耐食性ステンレス鋼−ジルコニウム接合
用管継手にある。

本発明は、ステンレス鋼板、ジルコニウム板又はジルコ
ニウム合金板からなる第１゛部材にタンタルを２媒接材
として爆発圧接する工程後、媒接材上にステンレス鋼板
、ジルコニウム板又はジルコニウム合金板からなる第２
部材を一層又は多層爆発圧接し、ステンレス鋼とジルコ
ニウム又はジルコニウム合金との複合板を形成する工程
、複合板を板厚方向に管状に切削加工し、第１部材から
なる第１管状部材と第２部材からなる第２管状部材との
端部が互いに接合されてなるステンレス鋼管とジルコニ
ウム管又はジルコニウム合金管との異種管継手とする工
程を有し、第１管状部材と媒接材及び第２管状部材と媒
接材との爆発圧接はいずれも波模様が形成されるように
行い、第１管状部材と媒接材との爆発圧接は第１管状部
材と媒接材との合金が媒接材内に所定の間隔で形成され
るように行うことを特徴とする高耐食性ステンレス鋼−
ジルコニウム接合用管継手の製造法にある。

即ち、本発明の異種管継手は厚板のステンレス鋼板入、
ステンレス・鋼よりはるかに薄いタンタル板をまず爆発
接合し、さらにそのタンタル板へステンレス鋼より薄い
が、タンタル板より厚いジルコニウム板を爆発接合し、
必要に応じて、さらにジルコニウム板へジルコニウム板
の爆発接合を順次行うことにより得られたジルコニウム
／タンタル／ステンレス鋼からなるクラツド板を板厚方
向にくり抜き、管継手を得ることができる。又はジルコ
ニウム板又はジルコニウム合金板にタンタルが媒接材と
して爆発圧接され、その後、前記タンタル板上にステン
レス鋼板を爆発圧接し、これらの複合板より積層方向に
切削加工等によりくり抜き、ステンレス鋼部とジルコニ
ウム部との端部を有する管継手を形成することができる
。このような管継手はステンレス鋼とジルコニウムとの
接合境界が高濃度の硝酸等を含む腐食性の環境下にさら
される継手として高耐食性を有する効果がある。

〔作用〕

ステンレス鋼母材は耐腐食性の面から低炭素、特に０．
０３重量％以下のオーステナイト系、オーステナイト−
フェライト系二相ステンレス鋼またはフェライト系ステ
ンレス鋼が良く、引張強さはタンタル仮より大きいもの
が良い。板厚はジルコニウム板合材の板厚の２．５倍程
度必要である。

母材の板厚が２．５倍以下になると爆発力により変形が
生じたり、割れの怖れがある。そのために爆発力を弱め
ると接合が不完全となるので、′ａ切な厚さとしたステ
ンレス鋼の多層板とすることも好ましい。タンタル仮は
純度９９．８０　　％以上が良く、その他は不純物で炭
素、酸素、タングステンは各々０．０３重量％以下、鉄
、硅素、ニッケルは０．０２％以下、窒素、水素、チタ
ンは０．０１％以下、ニオブは各々０．１重量％以下で
ある。

この材質の引張強さは２５〜３５ｋｇｆ　／ｍｎ＋２．
伸びは少なくとも２０％以上とし、硬さはビッカース硬
さで１３０以下が良い。また板厚は０．１　〜５、Ｏｒ
ｔｎのものを用いる。板厚が０．１　　ｍｎ程度より薄
くなると接合が技術的に困難となる。タンタル板が薄い
ほど強度の高いステンレス鋼とジルコニウム板との拘束
力により継手強度は上昇する。

５．０　ｒｒｎ以上では爆発力を大きくする必要がある
ので金属間化合物の発生が生じるようになり接合界面の
耐食性と強度低下をまねく。また、タンタルの板厚が厚
いほど母材と合材との拘束力が小さくなるので、継手と
しての強度低下をきたす。望ましくは０．７〜’１．５
ｎｗｎであり、この場合母材値の引張強さが得られる。

ジルコニウム板は純度がジルコニウム＋ハウニウムが９
９．２　％以上、ハフニウムは４．５　％以下、鉄＋ク
ロムは０．２％以下、炭素は０．０５％以下、酸素は０
．１６％以下、水素はＯ，ＯＯ’５％以下、窒素は０．
０２５　　％以下が良く、引張強さはタンタル板より高
いものが良い。特に伸びは少なくとも２５％以上、望ま
しくは３０％以上のものが良い。伸び率の良いものほど
ジルコニウム板の板厚を厚くして接合することが出来る
。板厚は薄い程接合性が良いが、ジルコニウム板の板厚
をステンレス鋼と同じ板厚に一確保するには厚板のジル
コニウム板の方が接合回数が少なくてすむので、ジルコ
ニウム板の板厚は６ｏＩ１１以上が良い。ステンレス鋼
の板厚が充分厚い場合ジルコニウムの板厚は１２ｉｗｎ
程度にしても良い。ジルコニウム板の同種材の爆発接合
では板厚１５・ｍ程度でも可能である。このような材料
を組合せて接合した爆接材は金属間化合物の生成が無く
更に、Ｚｒ特有の異方性が解消されるので、強度的にも
充分であり、継手として腐食性環境下で高い信頼性が得
られる。

以上の如く、本発明の管継手を構成するクラツド板の製
造方法は、ステンレス鋼へのジルコニウム又はジルコニ
ウム合金板の積層又は、この逆の構成にしてもよく、い
ずれも積層に当って予め溶接を考慮して溶接熱影響部が
接合部に入らないような厚さに積層することが必要であ
る。

前述の如く、本発明の異種管継手はタンタルを媒接材と
して爆接されており、管状部材におけるいずれの界面に
おいても波模様を有し、時に、タンタル内に所定の間隔
で媒接材どの溶融後凝固したと思われる合金が形成され
る゛。このような接合界面は適切な爆発接合によって形
成されるものである。このような接合界面として高い接
合率と接合界面における′媒接材と互いの管状部材との
過剰の合金化又は金属間化合物の形成を防止し、前述の
高濃度の硝酸に対する高耐食性を得るには管状部材の厚
さ、媒接材の厚さ、爆接の際の衝撃力。

管状部材の硬さ等の種々の条件が考慮されなければ得る
ことができない。

本発明は、その接合条件として管状部材の接合前の硬さ
に対してそれより２０％以上高い硬さを有する部分の厚
さを５ｎｎ以下とするように爆接させることにより、よ
り優れた耐食性が得られる。

この硬さ変化は爆接による加工硬化によって生じるもの
で、いずれも界面で最も高くなり、徐々に低下する。

爆接によって硬さが変化した部分の前述の厚さは３ｍ以
下が耐食性により好ましく、特に１〜３−が好ましい。

更に、前述のタンタル内に所定の間隔で形成される合金
は爆発圧接による接合性に影響を及ぼすもので、前述の
波模様の波長５０〜３００μｙｎ　。

波高１０〜１００μｍとするときに良好な間隔と大きさ
で形成される。波模様はタンタル側に形成され一合金は
波の間に巻込まれた形で形成される。

波長に対する波高の比は接合界面平均０．０５〜０．３
　が好ましい。形成される合金の接合方向の長さは１０
０μｍ以］：が好ましく、この合金が形成されるように
接合する。

（実施例１） 第１図は本発明の接合の様式を示す模式図である。母材
１の５ｕＳ３０４Ｌの低炭崇のステンレス鋼板３０ｎｗ
ｎ　Ｄ）Ｘ２５０ｍｍ　（ｗ）Ｘ３００ｕａ＋　（Ｑ）
に媒接材２のタンタル板１晴（ｔ）Ｘ３００ｍｍ＋（Ｗ
）　Ｘ　３５０　ｍｍ　（Ｑ　）を爆発接合し、その上
へ合Ｆｊ、３のジルコニウム板１０ｎｗｎ　（ｔ）Ｘ３
００ｎｎ＋（ｗ）　Ｘ　３５０ｖＩｌ（Ｄ、）を爆発接
合する。さらに、−層目のジルコニウム板より厚いジル
コニウム板１５＋＋ｅｎ　（ｔ）Ｘ３００ｍｍ　（ｗ）
Ｘ３５０ｎｍ　（Ｉｌｌ）を順次２．ＩＩｉ爆発接合す
る。２層目以降のジルコニウムの爆接に際して、５２０
℃のアルゴン雰囲中で３０分加熱し、爆接されたジルコ
ニウム板とステンレス鋼との接合界面を軟化させる熱処
理を行った。この熱処理はタンタルとステンレス鋼とが
実質的に相互拡散しない温度とし、又ジルコニウム及び
タンタルが酸化しないアルゴン中で実施した。熱処理時
間も接合部の硬化層を軟化させるために適当な時間を選
択した。この時間は長い方が良いが、アルゴン純度、真
空度、熱処理温度の管理によっては材質を劣化させるの
でこれらの条件を考慮して適切に選択する。熱処理はす
べての爆発接合が終了した時に実施した。第１図では４
回の爆発接合を実施した。第１表は使用材質の化学組成
と主な特性を示す。爆発接合に際しては接合界面の波高
を小さくすることが必要であり、好ましくは波高が実質
的に生じないで接合されるのが望ましい。

第２図は接合界面のマイクロヴイツカース硬さ（荷１１
．ｏｇ）を示す線図である。５ＩＪＳ３０４Ｌの硬さ（
Ｈｖ）は約２２０であり、接合前の硬さに対してそれよ
り２０％以上高い硬さを有する部分の厚さは１．３　ｍ
ｍ及びジルコニウムの接合前力硬さ（Ｈｖ）は約１４０
であり、この硬さ嘉こ対してそれより２０％以上高い硬
さを有する部分の厚さは約１．５　ｍであった。

第３図は５ＵＳ３０４Ｌとタンタルとの接合面の顕微鏡
写真である。図に示すように規則的な波模様が形成され
、タンタル内に５ＵＳ３０４Ｌとタンタルとの合金が巻
き込まれた形で波と波との間に形成されている。このも
のの接合面の波長は５０〜１００μｍであり、波高は約
６〜１８μｍであった。タンタル内に形成される合金は
接合方向の大きさが約４０〜７０μｍであった。

また、他の例では波長２００〜２６０μｍ、波高４０〜
７０μｍ、及び波長８０〜１５０μｍ。

波高１２〜３０μｍであった。

第４図はタンタルとジルコニウムとの接合面断面の顕微
鏡写真である。図に示すように波模様が形成され、タン
タル内にＺｒを巻込んだ形で形成されている。接合面の
波長は７０〜１３０μＴｎ　。

波高は２０〜４０μｍであった。

なお、比較のため媒接材３のタンタル板を用いないでス
テンレス鋼板とジルコニウム板とを直接爆発接合して、
管継手を得るためのクラッドを造った。この場合、接合
するのに大きな爆発力を必要とするのでステンレス鋼板
とジルコニウム板との界面は波形の大きな接合界面とな
り金属間化合物が生じた。第２表はステンレスｉｌｌ板
とジルコニウム板との接合部の引張試験結果を媒接材タ
ンタルの有無について比較したものである。

第　　　２　　　表 引張試験片は直径４　、０　＋ｎｍ　、標点量比！１５
　、　Ｏｎｍで、その中央がステンレス鋼とジルコニウ
ム板との接合界面、またはタンタル媒接材の板厚中心と
なるようにした。媒接材としてタンタル板を用いること
により接合部の強度は上昇は、ジルコニウム板素材の強
度より高くなる。なお、一連の実験で媒接材のタンタル
板が厚くなるに従い、継手特性はタンタル板の特性に近
づき継手強度は低下することが明らかとなった。媒接材
°としてのタンタル板の板厚は０．５ｎｎ〜３．０園が
良く、最大でも５．０閣であり、好ましくは０．７〜１
．５冊が良い。ジルコニウム板の同種材の接合部の強度
は素材より良好で伸び、絞りが低下するがその傾向は極
めて僅かであり、むしろ素材選択で実用−Ｌ解消される
。

接合部の硝酸試験を実施した。１４規定の濃硝酸に１１
００ｐｐ＋の硝酸ルテニウムを添加した沸賊溶液中で４
８時間、ステンレス鋼とジルコニウム板との接合界面を
有する試験片を浸漬した。その結果媒接材としてタンタ
ル板を用いない試験片はステンレス鋼表面が２０μｍの
厚さで全面腐食し、さらにステンレス鋼とジルコニウム
板との接合界面が選択的に深＜１０００μｍ程度浸触さ
れた。

この浸触は金属間化合物の生成と関連している。

なお、ジルコニウム板は腐食されない。一方、本発明の
媒接材としてタンタル板を用いたものは、ステンレス鋼
表面は２５μｍの厚さで全面腐食するが、ステンレス鋼
とタンタル板、タンタル板とジルコニウム板との接合界
面の局部腐食等、いかなる部分にも選択的な腐食は生じ
なかった。

第５図は前述の本発明によって爆発接合したクラツド鋼
板より切削加工して得た溶接継手用の配管部品である。

ステンレス鋼とジルコニウムの接合はタンタル板を介し
てほぼ部品中央にあり、部品軸方向端部は溶接開先であ
る。（ａ）は継手の肉厚を一定としたものであり、腐食
環境や強度的な面で緩やかな所で使用するのに良い。（
ｂ）は更にきびしい環境で使用するのに適している。ス
テンレス鋼とタンタルとの接合界面の肉厚が他の部分よ
り厚くしタンタル部の強度低下を補強するものである。

この厚肉部分は開先４を溶接する場合溶接熱の形容を小
さくする効果があり信頼比の高い部品となる。

（ｃ）の部品は最もきびしい環境下で使用するのに適し
ている。（ｂ）に較べ内径がステンレス鋼との接合部で
僅かに大きくなっている。この（Ｃ）図では腐食流体が
３のジルコニウム板側から流れており、ステンレス鋼接
合部でＤ部内な流体の減圧により腐食を防止する。逆に
流れがステンレス鋼側からジルコニウム板に変る場合は
タンタル板とジルコニウム板側の内径を僅かに大きくす
ると良い。

以上の実施例では中間材のタンタル板はジルコニウム又
はジルコニウム合金材よりも硬さが低いことが条件であ
り、ビッカース硬さで１３０以下で良いことが判明した
。

（実施例２） 第１図において母材１をジルコニウム板とし、その上に
媒接材３のタンタル板を爆発圧着して一体とし、そのタ
ンタル板上に合材２のステンレス鋼を順次爆発接合を行
ない、得られたクラツド板より異種管継手を同様に切削
加工により得た。この実施例は実施例１の母材と合材を
逆にしたちのである。この実施例２の継手の接合界面の
ｒｒｒ・ｆ食性及び継手強度は実施例１と同じ特性を示
した。

〔発明の効果〕

本発明の管継手はステンレス鋼とジルコニウム板との間
にそれらの金属間化合物の生成がない接合継手が得られ
るので、濃硝酸中での腐食のきびしいｒＡｋｎ下で耐食
性の高い継手として効果的である。この管継手を１硝酸
雰囲気にさらされる使用済原子燃料再処理プラント配管
の接合に用いることによってステンレス鋼配管とジルコ
ニウム配管

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すステンレス鋼板をタン
タル板を介してジルコニウム板と多層爆発接合したクラ
ツド板の断面図、第２図は本発明に係るクラツド材の断
面のマイクロヴイッカース硬さを示す線図、第３図は５
ＵＳ３０４Ｌとタンタルとの接合面及び第４図はジルコ
ニウムとタンタルとの接合面権面の金属組織を示す顕微
鏡写真、第５図は第１図に示すクラツド板を機械加工に
よって板厚方向にくり抜いて得られた本発明の管継手で
あり、ステンレス鋼管とジルコニウム管を接合するため
の溶接継手の断面図である。 １・・・ステンレス鋼板又はジルコニウム板、２・・・
タンタル板、３・・・ジルコニウム板又はステンレス鋼
板、４・・・溶接開先。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ステンレス鋼、ジルコニウム又はジルコニウム合金
   からなる第１管状部材とステンレス鋼、ジルコニウム又
   はジルコニウム合金からなる第２管状部材との端部が互
   いに接合されてなるステンレス鋼とジルコニウム又はジ
   ルコニウム合金との異種管継手において、第１管状部材
   と第２管状部材とはタンタルを媒接材として金属結合し
   ており、第１管状部材と媒接材及び第２管状部材と媒接
   材との接合界面はいずれも波模様を有し、第１管状部材
   と媒接材との界面の媒接材内に第１管状部材と媒接材と
   の合金が所定の間隔で形成されていることを特徴とする
   高耐食性ステンレス鋼−ジルコニウム接合用管継手。 ２、ステンレス鋼板、ジルコニウム板又はジルコニウム
   合金板からなる第１部材にタンタルを媒接材として爆発
   圧接する工程後、媒接材上にステンレス鋼板、ジルコニ
   ウム板又はジルコニウム合金板からなる第２部材を一層
   又は多層爆発圧接し、ステンレス鋼とジルコニウム又は
   ジルコニウム合金との複合板を形成する工程、複合板を
   板厚方向に管状に切削加工し、第１部材からなる第１管
   状部材と第２部材からなる第２管状部材との端部が互い
   に接合されてなるステンレス鋼管とジルコニウム管又は
   ジルコニウム合金管との異種管継手とする工程を有し、
   第１管状部材と媒接材及び第２管状部材と媒接材との界
   面にいずれも波模様が形成されるように前記爆発圧接を
   行い、第１管状部材と媒接材との界面には第１管状部材
   と媒接材との合金が媒接材内に所定の間隔で形成される
   ように爆発圧接することを特徴とする高耐食性ステンレ
   ス鋼−ジルコニウム接合用管継手の製造法。