JPS62220292A - ジルコニウム系異材継手構造 - 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〕 本発明は９通鋼、低合金鋼、ステンレス鋼などの鉄系材
料またはニッケル基合金材料と、純ジルコニウムまたは
ジルコニウム合金材料とを接続する継手構造に関する。

なお、本明細書においては以下、ジルコニウム等の金属
名称を全て元素記号で表わすものとする。

〔従来の技術〕

純ＺｒならびにジルカロイのようなＺｒ合金（以下これ
を総称してＺｒ系材料という）は、現在は主に核燃料被
覆管の材料として用いられているが、高温高濃度の酸に
対しても高い耐食性を示すので、化学工業プラント、酸
処理プラント等への広い需要が期待される。しかし、こ
の材料は高価であるので、腐食環境の苛酷な部分にのみ
、これを使用し、他の部分はＺｒに比べて安価なステン
レス鋼などで置き換えることが、有利と考えられる。

ところが、Ｚｒ系材料は、普通鋼、さらには高耐食性の
ステンレス鋼、あるいはインコネル（インコ社の商品名
）などのＮｉ基合金といった汎用材料との溶接が極めて
離しい。その理由はＺｒがＦｅ、Ｎｉ５Ｃｒとの間で金
属間化合物を形成しやすく、しかもこれらの化合物は脆
弱で、接合強度を著しく低下させることが挙げられる。

したがって、鉄系材料、Ｎｉ基合金とＺｒ系材料との間
にｒ＋ｃ；８接等の旧来からの溶接は用いることができ
ない。

一方、鉄系材料、Ｎｉ基合金とＺｒ系材料のように直接
融接しにくい異種金属を接合するための接合手段として
、拡散接合、爆着等が開発され、様々な方面で利用され
始めた。しかし、このような接合手段を採っても、Ｚｒ
系材料においては、その接合過程で脆弱な金属間化合物
を生じ、満足の行く接合強度は得られない。

異材継手は、このように直接接合することが困難な材料
を、第３の材料を介在させることにより、結合しようと
いう考えである。すなわち、第１図に見られるように、
直接接合できない２つの被接合材（１１＋２１の間に、
いずれの材料にも接合可能な第３の材料（３）を選択し
介在させることにより、被接合材＋１１　＋２１を接合
しようとするものである。しかしながら、従来の材料選
択では、鉄系材料、Ｎｉ基合金とＺｒ系材料とを実用上
十分に結合するまでには至らない。

〔発明が解決しようとする問題点〕 Ｚｒ系祠料０使用範囲は未だ狭く、したがって鉄系材料
やＮ１基合金との間の接合形態についての提案も少なく
、わずかに鋼とＺｒとの間にＴｉを挟んで爆着すること
が、クラツド鋼の製造方法として提案されている程度で
ある（特開昭５４−４６１６３号公報）。

この考えを鉄系材料、Ｎｉ基合金とＺｒ系材料との異材
継手に適用した場合、鉄系材料、Ｎｉ基合金側の接合界
面においてＴｉ−Ｆｅ系、Ｔｉ−Ｎｉ系の金属間化合物
を生じるものの、接合強度は直接接合の場合よりも高く
なる。しかし反面、これらの金属間化合物は耐食性が悪
く、結局のところは継手として適用できるまでには至ら
ない。

本発明はこのような問題点を解決して、鉄系材料または
Ｎｉ基合金とＺｒ系材料と高い強度で接合し、かつ接合
部の耐食性を悪化させることのない継手構造を提供する
ものである。

〔問題点を解決するための手段〕

鉄系材料またはＮｉ基合金とＺｒ系材料との直接接合に
おいて、接合強度を悪化させているのは、前述したとお
り接合界面に脆弱なＺｒ−Ｆｅ系、Ｚｒ−Ｎｉ系の金属
間化合物が形成されるのが主因である。

したがって接合部の脆化を防ぐためには、接合界面にこ
のような金属間化合物を形成させないことが先決となる
。しかし、これを実現するには、特にインサート材を用
いなければならない場合においては、下記のように多く
の制約を克服しなければならない。

両材料間に第３の材料をインサートする場合は、インサ
ート材が両側の材料いずれに対しても十分な接合強度を
示さなければならない上に、Ｔｉのように耐食性を悪化
させることも避けなければならない。また、インサート
材そのものが、両波接合材のうち少なくとも性能の劣る
方より低性能となることは回避されなければならない。

すなわち、Ｚｒとステンレス鋼を接合する場合について
説明すれば、ステンレス鋼はＺｒよりも強度、耐食性に
劣るが、インサート材自体がこのステンレス鋼よりも低
性能であると、たとえ悪性な金属間化合物を生じなくて
も、接合部の性能が局部的に低下する結果になり、継手
としての意味を持たなくなるのである。加えて継手は現
場で実施されることが多いので、接合の容易なことも求
められろ。

本発明者らは、これらの要求を総合的に満足させるジル
コニウム系異材継手を開発すべく、研究検討を繰り返し
た結果、鉄系材料またはＮｉ基合金とＺｒ系材料との間
にＴａ　（タンタル）を挿入するのが効果的であるとの
知見を得た。

すなわち、鉄系材料またはＮｉ基合金とＴｉとの間に生
じる金属間化合物は、共晶温度が９４０〜１０００℃と
低いため、拡散接合等の非溶融接合においてもその加熱
により容易に生じる。またその化合物自体、耐食性の低
いものである。これに対し、Ｔａは、鉄系材料やＮｉ基
合金との間にＴａ−Ｆｅ系、Ｔａ−Ｎｉ系の金属間化合
物を生じるもの、その共晶温度は１３００°Ｃ以上と高
く、したがってＴＩＧ溶接等の溶融溶接を用いない限り
、接合中に容易に生しにくい。また、たとえこれらの化
合物が生じたとしても、多量に生じない限り接合強度、
耐食性に悪影響を与えることは少ない。

しかしながら、Ｔａ−Ｆｅ系、Ｔａ−Ｎ＋系の金属間化
合物の形成を抑えたとしても、両方の被接合材の間が局
部的にしろ上記化合物で連結されることば回避されなけ
ればならない。すなわち、鉄系材料またはＮｉ基合金か
らなる一方の被接合材との間に生じた上記化合物がＺｒ
系材料からなる他方の被接合材に局部的にしろ到達した
場合は、Ｚｒ−Ｆｅ系、ｌ Ｚｒ−；／＠系の金属間化合物が形成され、接合強度、
耐食性が著しく劣化するのである。しかるに、Ｔａ−Ｆ
ｅ系、Ｔａ−Ｎｉ系の金属間化合物は、ＴＩＧ溶接等の
熔融溶接を用いない限り、たとえ発生しても高々１０μ
ｍ程度の厚さにしか形成されないことが本発明者らの実
験により確かめられている。したがって、Ｔａを挿入す
る場合にあっては、その厚みを１０μｍ以上にすれば、
一方の接合材である鉄系材料、Ｎｉ基合金との間に金属
間化合物を生じても、他方の被接合材であるＺｒ系材料
との間に完全なＴａ層が残り、画材′叫間の接合強度お
よび耐食性を保証することになる。

またＴａは両方の被接合材と比べて性能が低いというこ
とはなく、したがってＴａ自体が原因となって継手部の
強度を低下させたり耐食性を悪化させたりする危険もな
い。

本発明は上述の知見に基づきなされたもので、その要旨
とするところは、第１図に示すように、鉄系材料または
ニッケル基合金からなる一方の被接合材（１）と、ジル
コニウム系材料からなる他方の被接合材＋２１との間に
厚さ１０μｍ以上のタンタルからなるインサート材（３
）が挟着され、一方の被接合材＋１１とインサート材（
３）との間（４）は非）８融溶接、他方の被接合材（２
）とインサート材（３）との間（５目よ非溶融または溶
融溶接であることを特徴とするジルコニウム系異材継手
構造にある。

ところで、配管現場等において異材継手を施行するには
、第２図に示すように、異材継手用部材（６）を用いる
のが便利である。これは、一方の被接合部材（１１と他
方の接合部材（２）とが直接接合し得ない、あるいは現
場で接合するのが困１な場合に、一方の被接合部材（１
）と実質的に同一の組成の部材（１“）と、他方の被接
合部材（２）と実質的に同一の３且成の部材（２゛）と
を、インサート材（３）を介在させるなどして予め接合
しておいて、これを作業現場等で使用するというもので
ある。これによれば、部材（１゛）と（２゛）が十分に
接合されてさえいれば、部材（１１と（Ｉ゛）、（２）
と（２゛）はそれぞれ同一組成であるから、現場等にお
いてもＴＩＧ溶接等で簡単に接合でき、その結果として
部材ｆｉ＋と（２）が簡単に接合されることになる。

本発明の異材継手構造は、このような異材継手用部材（
６）の使用によって得られる継手構造をも含むものであ
り、むしろ作業性向上等の観点から、異材継手用部材（
６）の積極的な使用を促すものである。本発明の継手構
造が異材継手用部材（６）によって得られた場合、部材
（１゛）が一方の被接合材［１１、部材（２”）が他方
の被接合材（２）にそれぞれ相当するものとなる。

本発明の異材継手構造において、鉄系材料とは鋼、低合
金口、高合金鋼の総称であり、ｕ種を特定するものでは
ない。

Ｎｉ基合金についても特に種類が特定されるというもの
ではない。代表的なＮｉ基合金として、例えばＡ１１ｏ
ｙ６００（７５Ｎｉ−１５Ｃｒ−Ｆｅ）、Ａ１１ｏｙ６
２５（６ＯＮ＋−２０Ｃｒ−９Ｍｏ−３，５Ｎｈ−Ｆｅ
）などを挙げることができる。

Ｚｒ系材料とは純ＺｒとＺｒ合金との総称である。現在
容易に入手できるＺｒ合金にはジルカロイ−２（１，５
Ｓｎ−０，１２Ｆｅ−０，ｌＣｒ−０，０５Ｎｉ）およ
びジルカロイ−４（１，５Ｓｎ−０，１８Ｆｅ、０．Ｉ
Ｃｒ）がある。

溶融溶接とはＴＩＧ熔接溶接ＩＧ溶接、電子ビーム溶接
等、溶融池を形成して接合されるもの全てを意味するも
のである。

被溶融溶接とは、溶融池を形成せずに接合が行われるも
のを指し、具体的にば爆着、摩擦溶接、拡散接合、熱間
圧接などである。

個々の接合方法についてはいずれも汎用のものが適用で
きるので、詳しい説明を省略する。

第１の被接合材（１）である鉄系材料またはＮｉ基合金
とインサート材（３）であるＴａとの間を非溶融溶接と
したのは、溶融溶接によると接合界面にＴａ　−Ｆｅ系
、Ｔａ−Ｎｉ系の金属間化合物を多重に生し、脆侶化が
起きるためである。

第２の被接合材（１）であるＺｒ系材料と、インサート
材（３）であるＴａとの間を非溶融または溶融溶接とし
た、すなわち接合形態を問わないこととしだの本キ は、溶融→台によって悪性な金属間化合物を生じる危険
が少ないためである。

インサート材（３）であるＴａの厚みを１０μｍ以上と
したのは、前述したように一方の被接合材［１１との間
に非溶融溶接を採用しても、接合条件によってはＴａ−
Ｆｅ　、　Ｔａ−Ｎｉ系の金属間化合物が発生すること
がある。これらの金属間化合物は多量に生じない限り接
合強度、耐食性に与える影響は少ない。

しかし、少量であっても一方の被接合材（１）と他方の
被接合材（２）との間が局部的にしろ金属間化合物で埋
められることは回避されなければならない。

本発明者らの調査によれば、非溶融溶接を採用した場合
のＴａ−Ｆｅ　、　Ｔａ−Ｎｉ系の金属間化合物の形成
厚は高々ｌＯμｍであり、インサー１へ材（３）の厚み
を１０μｍ以上とすることによって一方の被接合材（２
）との間に完全なＴａ層を残存させることができること
による。

インサー１−材（３）の厚みの上限は特に設ける必要ユ
よない。ただし経済性の点からは１０ｍ■程度とするの
がよい。

現場作業等おいては非溶融溶接を行うのが困工「なこと
がある。このような場合は、一方の被接合材（１）にイ
ンサート材（３）を予め非溶融溶接したものを用、きし
ておき、これを施行した後、そのインサート材（３）の
部分に他方の被接合材（２）をＴＩＧ？８接等によって
溶融溶接する手法が特に有効である。

ただし、この場合は後記の理由から、インサート材（３
）の厚みが１０１厘以上必要である。

被接合材＋１１　（２１のいずれに先にインサート材（
３）を接合してもよい場合で、被接合材（２）とインサ
ート材（３）との間（５）に溶融溶接を採用する場合は
、被接合材＋１１とインサート材（３）との間（４）を
先に非溶融溶接すると、後から行う溶融溶接時の加熱が
非溶融溶接部に悪影響を与える可能性が生しるので、溶
融溶接を先に済ませる方が良い。ただし、この熱影響も
インサート材（３）の厚みが１（ｉｎ以上になると大き
な問題にならなくなる。

異材継手用部材（６）においては、予め所定形状に仕上
げた各部材を接合してこれを製造するようにしてもよい
し、クラツド材からの切出しによって製造するようにし
てもよい。

異材継手用部材（６）における被接合材（１′）（２”
）の長さは、部材（６）を被接合材［１１Ｆ２１に融接
する場合の熱がインサート材（３）との接合界面に影響
するのを防止する意味から、１０龍以上とするのが望ま
しい〔実　施　例〕 第１表に示すように、被接合材（１）に５ＵＳ３０４Ｌ
およびＡｌ］ｏｙ６２５、被接合材（２）に純Ｚｒ　（
ＡＳＴＭＧｒＲ６０７０２）およびＺｒ合金（ＡＳＴＭ
ＧｒＲ６０８０２）をそれぞれ使用し、インサート材（
３）には工業用純タンタル（ＪＩＳ１１４７０１゜Ｔａ
ＰおよびＴａ１（）と比較のための純Ｔｉおよび純Ｎｉ
とを用いて、下記の接合方法により種々の異材継手構造
を得た。材料形状は被接合材ｆｉ＋　（２１については
外径５０龍、肉厚５ｍｍ、長さ１０（１ｗｍの管体とし
、インサート材（３）については外径５０龍、内径４０
膳■、厚みｌＯ■璽の円環板体を基本とし、一部厚み０
．０１鰭、０．００７關の箔体とした。

接合は被接合材（１１とインサート材（３）の間、被接
合材（２）とインサート材（３）の間および比較のため
の被接合材ｆｉｌ　（２１間とも電子ビーム溶接、摩擦
溶接をとりまぜ行った。電子ビーム溶接条件は溶接雰囲
気の真空度１０−’Ｔｏｒｒ、加速電圧５０にＶ、ビー
ム電流２００ｍＡ、溶接速度８０ｃｍ／ｍｉｎであり、
摩擦溶接は材料の一方を回転させながらこれに他方の材
料を第３図に示すように圧力Ｐ１（３〜５ｋｇｆ／龍２
）で時間１゜（３〜５秒）の間、摩擦接触させた後、回
転を止めて圧力Ｐｚ（１０ｋｔｆ／龍２）で時間Ｌ２（
５秒）の間、管軸方向にアップセットするものとした。

得られた各種継手構造に対して、継手引張試験および腐
食試験を実施した。引張試験片は第４図（（）、１食試
験片は同図（ｎ）に示す寸法形状とし、腐食試験条件と
しては８ＮＨＮ０３．１００’Ｃ１３００ｈ浸清を用い
た。結果を第２表に示す。

第　　　１　　　表 第３表から明らかなように、本発明例ではいずれも引張
強さ４０ｋｇｆ／ｍｓ”以上、界面侵食深さ０μｍを得
ている。これに対し、インサート材（３）を用いないも
のでは非溶融溶接である摩擦溶接を用いているにもかか
わらず接合強度、耐食四とともに低い。また、インサー
ト材（３）を用いてもそれがＴａ以外のものであれば、
他の条件が本発明条件を　−満足していても、良好な継
手は得られない。なお、被接合材（１）とインサート材
（３）との間を溶融溶接したものは割れを生じた。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明のシルコニうム
系異材継手構造は、従来難接合の組合せとされていた鉄
系材料またはＮｉ基合金とＺｒ系材料とを高強度で接続
し、また接続部の耐食性も優れたものであるので、化学
工業プラント等の配管系統に用いて問題がないばかりで
なく、このような配管系統において本継手構造を用いる
ことにより、Ｚｒ系材料の局部的、選択的な使用が可能
となり、これによりＺｒ系材料の用途を太き（拡大する
ものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明のジルコニウム系異材継手
構造を例示する模式図、第３図は本発明の実施例におい
て用いた摩擦溶接の加圧パターンを示すタイムチャート
、第４図（イ）（ロ）は同しく試験片形状を示す寸法図
である。 図中、１．１゛ニ一方の被接合材、２．２’：他方の被
接合材、３：インサート材。 第　　ｌ　　；、匍 第　　２　　図 ４５３図 晴り里 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉄系材料またはニッケル基合金からなる一方の被
   接合材（１）と、ジルコニウム系材料からなる他方の被
   接合材（２）との間に厚さ、１０μｍ以上のタンタルか
   らなるインサート材（３）が挟着され、一方の被接合材
   （１）とインサート材（３）との間（４）は非溶融溶接
   、他方の被接合材（２）とインサート材（３）との間（
   ５）は非溶融または溶融溶接であることを特徴とするジ
   ルコニウム系異材継手構造。