JPH0558838B2 - - Google Patents

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
鋼−ジルコニウム接合用管継手に係り、特に、機
械的性質と耐食性の良好な異材接合用管継手及び
その製造方法に関する。 〔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54−46163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つている。 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ツド鋼について記載
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発したもので、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
ラツドしたもので、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つて作ら
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
として使用され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
配慮されておらず接合界面に生ずる耐食性の低い
金属間化合物もしくは合金層による局部腐食や継
手強度に問題があつた。 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、ステンレス鋼からなる第１管状部材
とジルコニウム又はジルコニウム合金からなる第
２管状部材とが互いに端面で接合されている異種
管継手において、前記第１管状部材と前記第２管
状部材とはタンタルを媒接材として爆発圧接され
ており、前記第１管状部材及び第２管状部材のい
ずれか一方は管軸方向に２層以上の管状部材が爆
発圧接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。 更に、本発明は、ステンレス鋼板、ジルコニウ
ム板及びジルコニウム合金板のいずれかよりなる
第１部材にタンタル板よりなる媒接材を爆発圧接
する工程、該媒接材上にステンレス鋼板、ジルコ
ニウム板及びジルコニウム合金板のいずれかを２
層以上爆発圧接しステンレス鋼板とジルコニウム
板又はジルコニウム合金板との複合板を形成する
工程、及び該複合板を切削加工することによつて
前記ステンレス鋼よりなる管と前記ジルコニウム
又はジルコニウム合金よりなる管とが互いに端面
で接合した異種管継手を形成する切削工程を有す
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
鋼板へ、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、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２層以上爆発圧接し、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−フエライト系二相ステンレス鋼または
フエライト系ステンレス鋼が良く、引張強さはタ
ンタル板より大きいものが良い。板厚はジルコニ
ウム板の板厚の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、適切な厚さとし
たステンレス鋼の多層板とする。タンタル板は純
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、ニツケルは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／mm²、伸
びは少なくとも20％以上とし、硬さはビツカース
硬さで130以下が良い。また板厚は0.1〜5.0mmの
ものを用いる。板厚が0.1mm程度より薄くなると
接合が技術的に困難になる。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。5.0mm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境界の耐食性と
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〜
1.5mmであり、この場合母材並びの引張強さが得
られる。 ジルコニウム板は純度がジルコニウムが94.7％
以上、ハフニイムは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0.005％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６mm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12mm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15mm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、いずれにも積層に当つて予め溶
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、特
に、ステンレス鋼からなる波模様が形成され、ま
たタンタル内に所定の間隔で媒接材との溶融後凝
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つて形成されるも
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５mm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つて生じる
もので、いずれも界面で最も高くなり、徐々に低
下する。 爆接によつて硬さが変化した部分の前述の厚さ
は３mm以下が耐食性により好ましく、特に１〜３
mm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50〜300μｍ、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、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100μ
ｍ以下が好ましく、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SUS304Lの低炭素のステンレス鋼
板30mm(t)×250mm(w)×300mm(l)に媒接材２のタンタ
ル板１mm(t)×300mm(w)×350mm(l)を爆発接合し、そ
の上へ合板３のジルコニウム板10mm(t)×300mm(w)
×350mm(l)を爆発接合する。さらに、一層目のジ
ルコニウム板より厚いジルコニウム板15mm(t)×
300mm(w)×350mm(l)を順次２枚爆発接合する。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
る熱処理を行つた。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つ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
（荷重1.0ｇ）を示す線図である。SUS304L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
1.3mm及びジルコニウムの接合前の硬さ（Hv）は
約140であり、こ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約1.5mmであつ
た。 第３図はSUS304L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SUS304L材の
規則的な波模様が形成され、タンタル内に
SUS304Lとタンタルとの合金（タンタル内の灰
色の部分）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であつた。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であつた。 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
あつた。 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。図に示すようにジルコニ
ウムからなる波模様が形成され、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70〜130μｍ、波高は20〜40μｍであつた。

【表】 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ツドを造
つた。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表はステンレス鋼板とジルコニ
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。

〔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
しい環境下で耐食性の高い継手として効果的であ
る。この管継手を濃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
とによつてステンレス鋼配管とジルコニウム配管
とを同種でアーク多層溶接することが可能とな
り、高信頼性のプラントが製造できる。

【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ツカース
硬さを示す線図、第３図はSUS304L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
との接合面断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つ
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 ステンレス鋼からなる第１管状部材とジルコ
   ニウム又はジルコニウム合金からなる第２管状部
   材とが互いに端面で接合されている異種管継手に
   おいて、前記第１管状部材と前記第２管状部材と
   はタンタルを媒接材として爆発圧接されており、
   前記第１管状部材及び第２管状部材のいずれか一
   方は管軸方向に２層以上の管状部材が爆発圧接さ
   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、ジルコニウム板及びジルコ
   ニウム合金板のいずれかよりなる第１部材にタン
   タル板よりなる媒接材を爆発圧接する工程、該媒
   接材上にステンレス鋼板ジルコニウム板及びジル
   コニウム合金板のいずれかを２層以上爆発圧接し
   ステンレス鋼板とジルコニウム板又はジルコニウ
   ム合金板との積層複合板を形成する工程、及び該
   複合板を切削加工することによつて前記ステンレ
   ス鋼よりなる管と前記ジルコニウム又はジルコニ
   ウム合金よりなる管とが互いに端面で接合した異
   種管継手を形成する切削工程を有することを特徴
   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。