JPS61115693A - ニツケル基耐熱合金の溶接用溶加材 - 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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は１．０００℃附近までの高温で使用するニッケ
ル基耐熱合金の溶接用溶加材に関する。

〔従来技術とその問題点〕

近年火力発電設備、化学工業の反応装置、ガスタービン
あるいは原子力機器など高温度で運転される装置才たは
機器類が増加するとともに、それらの構成材料として用
いられる耐熱材料の重要性も一段と認識が深められてい
る。これらの装置または機器類に用いられる金属材料は
、１，０００℃の高温度で致方時間あるいはそれ以上の
長時間にわたる使用に耐えることが要求されるが、その
際周知のように、高温では小さな外力によっても金属の
変形が刻ｋに進行し、遂には破断ｌこ至るというクリー
プ現象があり、耐熱金属材料としては高温度に詔ける大
きな強さ、じん性がその材料の具備すべき最も重要な性
質となっている。しかも上述の高温で使用される装置ま
たは機器類は、溶接構造になるこさが避けられないため
に、溶接継手のクリープ強度も母材の耐熱金属材料と同
等もしくはそれ以上であることが好ましい。クリープ強
度を表わす要因にはクリープ速度、クリープ破断時間、
クリープ破断延性の三つの材料特性が重要であり、溶接
構造物では、溶接金属が母材金属に対して同等またはそ
れ以上に上述の三特性を満足しているのが理想的といえ
る。一般的には、溶接金属のクリープ破断時間が母材金
属以上に大きいか、あるいは溶接金属のクリープ速度が
母材金属に比べて小さく、母材金属のみが変形して破断
するのがよいとされている。

しかしながら、溶接継手を形成する溶接金属は、溶接施
工に際して、溶融凝固したものであるから。

金属組織的にみれば凝固組織となっており、母材金属の
加工組織とは異なり、金属学的には安定な組織とはいえ
ず、そのためたとえ溶加材に母材と同一の金属材料を用
いたとしてもなお溶接金属のクリープ特性は母材金属と
はかけ離れたものとなるのが普通である。

すなわち溶接構造物では母材金属と溶接金属とのクリー
プ挙動のくい違いが、その部材の強度や信頼性を著しく
低下させるのである。次にこの例を実験結果について説
明する。

第１表は例えば主として原子力機器に用いられるＣｏを
含まないニッケル基耐熱合金の化学成分を示したもので
ある。原子炉などでは合金の酸化膜中に放射能をもった
Ｃｏが生成され１作業者に放射線被ばくの危険性が伴う
のでＣＯを含む耐熱合金を使用するのは好ましくない。

この材料を用いて第６図のとと＜　Ｋ３Ｌｊ〒ｈイヤ製
し代。

第１表 −゛　−すなわち母材金属１同志を電 接金属２を用いてつき合わせＴＩＧ溶接し、このものか
ら両端につかみ部をもち、平行部の中央に溶接金属が位
置するような試験片３を切り出した。

試験片３を用いて９００℃で４．５１ｅｆｆ／ｉの負荷
を与えてクリープ試験を行ったが、その際同時に溶接継
手のない母材金属だけの試験片についても同一条件の試
験を行って結果を比較した。その結果を第７図に示す。

第７図は試験時間に対するりＩＪ　＋プひずみの変化を
表わした線図であり１曲線イは溶接継手のない試験片、
曲線口は溶接継手のある試験片を用いた場合である。溶
接継手のある場合には、溶接金属のクリープ速度が小さ
いので、試験片全体のクリープひずみ量は母材だけの試
験片ｌこ比べて少ない。クリープ破断は溶接金属部ある
いは母材部のいずれかで起こっているがクリープ破断寿
命は溶接継手のある試験片、母材金属だけの試験片とも
ほとんど変らない。

一方第１表に示すニッケル基耐熱合金を用いて第８図に
示すような円筒試験体４を製作し、これと同じ組成の溶
加材を用いて試験体４の中央５で突き合わせＴＩＧ溶接
を行った形状のものについて、これを９００℃で内圧負
荷４．５ｋｆｆ％−を加えたクリープ試験を実施した。

同時に溶接継手のない母材金属のみの同一形状の円筒試
験体も製作し、前述の条件で内圧クリープ試験を行って
、溶接継手の有無によるクリープ特性を比較した。その
結果を第９図に示す。第９図は試験時間の推移番こ伴う
クリープひずみの変化を表わし１曲線イはＴＩＧ溶接を
行った試験体、曲線口は母材金属のみの試験体の内圧ク
リープ試験におけるそれぞれの性状を示している。第９
図かられかるように、溶接施工円筒試験体は溶接金属で
短時間に破断し、溶接金属をもたない母材金属のみの円
筒試験体に比べて、クリープ強さ、クリープ伸びともに
非常に小さい。

これは溶接金属のクリープ速度が小さいのに対し、クリ
ープ速度の大きい周囲の母材金属が無理に溶接金属を引
張るためであり、溶接金属は元来破断伸びが小さく、短
時間に許容伸びに達してしまうからである。

このように溶接構造物の高温におけるクリープ特性は溶
接金属に支配されるから、溶接施工の避けられない構造
物に用いる耐熱金属材料の高温強度およびじん性を向上
させるためには、溶接用溶加材の改良が必要となる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は第１表に示すコバルトを含まないニッケ
ル基耐熱合金における上述のような欠点を除き高温クリ
ープ特性を改善することができる溶加材を提供すること
にある。

〔発明の要点〕

本発明は第１表に示す組成のニッケル基耐熱合金の溶接
用溶加材としてこの耐熱合金と同じ組成を有する合金に
微量のＹ、ＺｒおよびＢを添加することにより達成され
る。

〔発明の実施例〕゛ 以下本発明を実施例に基づき説明する。

第１表に示したニッケル基耐熱合金と同じ組成を有する
合金にＹ、ＺｒおよびＢを種々の添加量で含有させたも
のを溶加材として溶製した。その代表的なものとしてＢ
のみｏ、ｏ　ｏ　ｓ重量％含有させた溶加材およびＹが
０．０２重量％、　Ｚｒが０．０１重量％。

Ｂが０．００４重量％となるように三元素とも含有させ
た溶加材についての実験結果を示す。溶接施工は第１表
のニッケル基耐熱合金を被溶接材料とし上記の溶加材を
用いてＴＩＧ溶接した。

擾 試験片の採取は第１図と前述した第６図のごとき２種類
の試験片を作製することにより行った。

第１図においてｌａは母材金属、２ａは溶接金属３ａは
試験片である。すなわち試験片は本発明の溶加材が用い
られた溶接金属から採取した３ａと第６図の３に対応す
る中央部に本発明の溶加材が用いられた溶接金属をもつ
試験片との２種類である。これら試験片のそれぞれにつ
いて９００℃、　４．５１ｗｆ／−の負荷を与えてクリ
ープ試験を実施した。この結果試験片中央に本発明によ
る溶加材をもつ試験片は全て母材部で破断し、母材より
も溶接金属の方がクリープ強度が大きいことがわかった
。さらに溶接金属から採取した試験片３ａについては溶
接金属自体のクリープ特性を求めて、従来の溶加材によ
る溶接金属のクリープ特性と比較し、その結果を第２図
および第３図に示した。

第２図はクリープ破断時間の比較を棒グラフで表わした
ものであり嬉２図中イは第１表に示したニッケル基耐熱
合金をこれと同一の材料を溶加材として用いた場合の従
来技術における溶接金属のクリープ破断時間であり１口
およびハは本発明による溶加材を用いたときの例である
。口はＢのみを０．００５重！−％含有した溶加材を用
いたものであり、ハはＹを０．０２重量％、Ｚｒを０．
０１重量％、Ｂを０．００４重３％含有した溶加材を用
いた試験片３ａのクリープ破断寿命である。第２図から
れかるように本発明によるＹ、Ｚｒ、Ｂを添加した溶加
材は従来技術に比べて４倍以上のクリープ破断寿命を有
する。

また第３図はクリープ破断紋りについての比較を棒グラ
フで表わしたものであり、第３図中の棒グラフィ、口、
ハはそれぞれ第２図中の４１口。

八を示す試験片と対応しており、この場合も本発明によ
る溶加材が用いられた溶接金属のクリープ破断紋りが従
来のものより約１０倍も大きい値を示し、高い延性をも
っていることがわかる。

以上は溶接金属の単軸クリープ試験の結果であるが１本
発明による溶加材を用いるときは溶接金属の強度が著し
く向上するので、例えば第８図に示した円筒試験体によ
る内圧クリープ試験を行うとき、溶接金属が周辺のクリ
ープ変形の大きい母材に引張られてもそれぞれ十分に対
抗しむしろ母材部のクリープ変形を抑制して溶接継手の
ない場合よりもクリープ寿命が延びることが期待できる
。

第４図はＹ、Ｚｒ、Ｂの添加量と第１図に示した試験片
３ａを用いて得られたクリープ破断時間との関係を表わ
した線図であり試験条件は前述したのと同じである。第
４図には母材のクリープ強度レベルを破線で記入しであ
る。第４図中曲線イはＢのみを添加したものであり、僅
かな添加量でクリープ破断寿命が著しく延びる。Ｂの添
加は母材のクリープ強度を満足する下限値は０．００３
重ｆチであり、０．０１重量％を超えると溶接割れの発
生量が多くなり実用的でなく、またこれ以上添加しても
クリープ強度を向上させるものではない。曲線口はＹを
単独添加した場合であり、同じクリープ破断時間に対し
て添加量も多くなるが母材と同程度のクリープ強度を得
る下限値は０．０２重量％であり、脆化して溶接割れを
生ずるようになる耐溶接割れ性はＹが最も良好で０．０
８重量％まで添加することができる。なおＺｒの添加量
については図示してないが同様に溶接金属のクリープ強
度が母材と同程度であり溶接割れを生じない範囲は０．
０１−０．０３重量％とするのが適当である。これらの
元素は単独添加してもクリープ強度を向上させる役割は
少いが、複合添加することにより結晶粒の均一性が良好
となり、クリープ強度のばらつきを減少させ。

かつクリープ破断延性を向上するという効果がある。曲
線ハはＹ、Ｚｒ、Ｂの三元素が同時添加された溶加材を
用いた場合であり、クリープ破断寿命が最も延びる。こ
の場合Ｙ単独添加した曲線口に比べて添加量が少くても
効果が大きいのは曲線イに示したＢが大きく寄与してい
るためである。これら三元素を複合添加するときは、総
量で０．０１５重量％以下では母材のクリープ強度を高
める効果が認められず、また０、１重量％に達すると溶
接割れが生じ、溶加材として用いるには実用上適当でな
い。なお溶加材の耐溶接割れ性の評価はフイスコ割れ試
験により行ったものである。

第５図は第１表に示したニッケル基耐熱合金を本発明に
よる溶加材を用いて溶接した溶接金属のクリープ試験後
の破断部近傍を倍率５０倍で表わした顕微鏡組織写真を
示した。本発明による溶加材はＹ、Ｚｒ、Ｂを添加する
ことにより、結晶粒界に存在してその強度を低下させる
不純物元素との間に高融点の化合物をつくり、これを結
晶粒内にとり込んで均一に分散させ、また結晶粒界に析
出する炭化物が粗大化するのを抑止し、この粗大炭化物
を起点とするき裂の発生を少くするなど結晶粒界を強化
し、破断延性を向上させている。しかもクリープの進行
中に再結晶が起こり、粗大結晶　　゛は微細化され、破
断形態はクリープの進行によって結晶粒界に生じた第５
図の空孔６が連って破断に至るものである。このような
破断形態は図示してない母材金属の場合と極めて類似し
ている。一方図示してない従来の溶加材を用いたときの
破断形態は、クリープ破断後においても溶接のままの状
態と同様の粗大な柱状組織であって、表面に発生したき
裂が結晶粒界に沿って直線状に進展するものである。こ
のようなき裂の進展から従来の溶加材を用いるときは非
常に短時間に破断し、破断紋りも小さいことがわかる。

したがって第５図のクリープ試験後の顕微鏡組織からも
本発明Ｙ、Ｚｒ。

Ｂを添加したことにより溶接金属の結晶組織を改良しク
リープ特性を向上させることが容易に理解される。

なお本発明による溶加材は、ニッケル基耐熱合金の溶接
施工に際して特に溶接方法が限定されるものではな（、
ＴＩＧ溶接、　ＭＩＧ溶接のみならず、例えば電子ビー
ム溶接、拡散溶接などの場合には。

溶加材を板状または箔状として被溶接物の間に挿入する
インサート材としても使用できるし、あるいは溶接性を
良くするためにフラックスと一体にした溶加材をつくる
ことも容易である。

〔発明の効果〕

以上実施例で説明したように、ｃｏを含まないニッケル
基耐熱合金の溶接は、従来同じ材料の溶加剤を用いて施
工されてきたのに対し５本発明では溶接金属のクリープ
特性を向上させるために、Ｙ。

Ｚｒ、Ｂを微量添加することによって溶接金属の組織を
改善し、溶接後も母材金属と同等以上の高温強度を保持
するとともに、延性を大にし、溶接金属に起因する欠陥
の発生を抑制することに成功したものである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第６図は単軸クリープ試験片の採取個所を説明
するための概念図、第２図は従来技術と本発明による溶
加材を用いた溶接金属のクリープ破断時間の比較を表わ
す棒グラフ、第３図は同じくクリープ破断紋りの比較を
表わす棒グラフ、第４図はＹ、Ｚｒ、Ｈの添加量とクリ
ープ破断時間との関係を示す線図、第５図は本発明の溶
加材を用いた溶接金属のクリープ破断後の顕微鏡組織写
真、第７図は溶接継手の有無による単軸クリープ試験の
クリープひずみの比較を示す線図、第８図は中央に溶接
継手を有する円筒状の内圧クリープ試験体の外観図、第
９図は溶接継手の有無による内圧クリープ試験のクリー
プひずみの比較を示す線図である。 １．１ａ・・・母材金属、２．２ａ・・・溶接金属、３
，３ａ・・・クリープ試験片、４・・・円筒試験体、５
・・・溶接部。 ｑ ｖ　１　図 第３図 Ｙ、　Ｚｒ、　Ｂ含眉量（ｐｐｍ） 第４図 蒲　５図 第６図 穿７図 時間（ｈ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）Ｃが０．０５〜０．２％、Ｃｒが１９．０〜２３．
   ０％、Ｆｅが１５．０〜２０．０％、Ｍｏが７．０〜１
   １．０％、Ｍｎが１．０％以下、Ｓｉが０．３〜１．０
   ％、Ｗが０．２〜１．０％、残部Ｎｉからなるニッケル
   基耐熱合金にＹ、ＺｒおよびＢを含有させたことを特徴
   とするニッケル基耐熱合金の溶接用溶加材。 ２）特許請求の範囲第１項記載の溶加材において、Ｙを
   ０．０２〜０．０８％、Ｚｒを０．０１〜０．０３％、
   Ｂを０．００３〜０．０１％それぞれ含有させたことを
   特徴とするニッケル基耐熱合金の溶接用溶加材。 ３）特許請求の範囲第１項または第２項に記載の溶加材
   において、Ｙ、ＺｒおよびＢの含有量の総和が０．０１
   ５〜０．１％であることを特徴とするニッケル基耐熱合
   金の溶接用溶加材。