JP4672555B2 - Ｎｉ基高Ｃｒ合金溶加材及び被覆アーク溶接用溶接棒 - Google Patents
Ｎｉ基高Ｃｒ合金溶加材及び被覆アーク溶接用溶接棒 Download PDFInfo
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Description
本発明は、高温で作動する加圧水型原子力発電プラント等の溶接で用いられるＮｉ基高Ｃｒ合金溶加材に関するものである。
３００〜３５０℃の高温で作動する加圧水型原子力発電プラントの蒸気発生器伝熱管材等に用いるＮｉ基高Ｃｒ合金溶加材として特表２００３−５０１５５７号（特許文献１）等に示されるものが知られている。
特表２００３−５０１５５７号
しかしながら、特表２００３−５０１５５７号に示されるＮｉ基高Ｃｒ合金溶加材では、耐溶接割れ性を高めるのに限界があった。
本発明の目的は、スケールの発生を抑制して耐溶接割れ性を十分に高めることができるＮｉ基高Ｃｒ合金溶加材及び耐溶接割れ性を十分に高めることができる被覆アーク溶接用溶接棒を提供することにある。
本発明のＮｉ基高Ｃｒ合金溶加材は、Ｃ：０．０４重量％以下、Ｓｉ：０．０１〜０．５重量％、Ｍｎ：７重量％以下、Ｃｒ２８〜３１．５重量％、Ｎｂ：０．５重量％以下、Ｔａ：０．００５〜３．０重量％、Ｆｅ：７〜１１重量％、Ａｌ：０．０１〜０．４重量％、Ｔｉ：０．０１〜０．４５重量％、Ｖ：０．５重量％以下を含有し、不可避不純物としてＰ：０．０２重量％以下、Ｓ：０．０１５重量％以下、Ｏ：０．０１重量％以下、Ｎ：０．００２〜０．１重量％を含有し、残部がＮｉからなる組成を有している。本発明のＮｉ基高Ｃｒ合金溶加材によれば、スケールの発生を抑制して耐溶接割れ性を高めることができる。特に従来のＮｉ基高Ｃｒ合金溶加材に比べてＮｂ量を低減し、Ｔａ量を高めたことにより耐溶接割れ性を有効的に高めることができる。以下に各元素の作用及び含有量の限定理由を説明する。
Ｃ（炭素）は固溶体強化元素であり、Ｃ量の増加と共に引張強度が増加する。しかしながら、Ｃ量が増加すると耐応力腐食割れ性を低下するので、これらの点を考慮してＣ量は０．０４重量％以下とした。
Ｓｉ（ケイ素）は溶接時に脱酸作用を発揮するので、０．０１重量％以上の添加が必要である。しかしながら、Ｓｉ量が増加すると溶接高温割れ感受性が高くなるので、Ｓｉ量は０．０１〜０．５重量％とした。
Ｍｎ（マンガン）は溶接時に脱酸作用及び脱硫作用を発揮し、溶接高温割れに有害なＳを固定して溶接割れ性を抑制する。しかし、７重量％を超えて添加すると、溶接時にスラグの湯流れを悪くして溶接作業性を低下させるので、Ｍｎ量は７重量％以下とした。
Ｃｒ（クロム）は耐食性を高めるのに必須の元素であり、耐応力腐食割れ性に十分な効果を発揮させるには２８重量％以上の添加が必要である。しかしながら、３１．５重量％を超えると溶加材製造時の熱間加工性が著しく低下するのでＣｒ量は２８〜３１．５重量％とした。
Ｎｂ（ニオブ）は炭素及び窒素の化合物を生成する元素で引張強度を高めるが、Ｎｂ量が増加すると耐溶接割れ感受性が低下するのでＮｂ量は０．５重量％以下とした。
Ｔａ（タンタル）は高温環境下における合金の固相及び液相の共存温度範囲を狭くし、耐溶接割れ感受性を高め、その効果を発揮するには０．００５重量％以上の添加が必要である。しかしながら、Ｔａ量が増加すると強度は高くなるものの延性が低下するのでＴａ量は０．００５〜３．０重量％とした。
Ｆｅ（鉄）は高Ｃｒ量の場合に生じるスケール発生を防止または抑制する。７重量％未満ではスケール発生が著しい。しかしながら、１１重量％を超えて添加すると応力腐食割れ性が劣化する。したがって、Ｆｅ量は７〜１１重量％とした。
Ａｌ（アルミニウム）は溶接用線材を溶製するときに脱酸剤として用いる。また、Ｎ安定化元素として溶着金属中のＮを固定し強度の向上に寄与する。その効果を発揮するには０．０１重量％以上の添加が必要である。しかしながらＡｌ量が過剰になるとティグ溶接またはミグ溶接において溶融池表面にスラグが浮上する。このスラグは、溶接金属表面にスケール皮膜として強固に密着するため、融合不良等の原因となり溶接作業性が低下する。したがってＡｌ量の上限値を０．４重量％とした。特に溶接作業性の改善の観点から詳細に検討した結果、プラズマティグ溶接など高入熱の下でもスケール皮膜の発生がなく、安定して優れた溶接作業性を得るにはＡｌ量は０．０５重量％程度が好ましいことが分かった。
Ｔｉ（チタン）はＡｌと同様にその酸化力を利用して脱酸剤として用いられる。また、溶加材製造時の熱間加工性の改善にも寄与する。またＴｉはＮと親和力が強くＴｉＮとして析出する。これにより、組織が微細化し、引張強度の改善に寄与する。その効果を発揮するには０．０１重量％以上の添加が必要である。しかしながら、Ａｌと同様にＴｉ量が過剰になると溶接中にスラグが発生し、溶接作業性が低下する。したがって、Ｔｉ量は０．０１〜０．４５重量％とした。
Ｖ（バナジウム）はマトリックスに固溶して引張強度を高めるが、０．５重量％を超えると延性が低下する。したがって、Ｖ量は０．５重量％以下とした。
Ｐ（リン）はＮｉと低融点の共晶（Ｎｉ−Ｎｉ３Ｐ等）を作る不可避不純物である。溶接割れ感受性を高めるので含有量は少ないほどよいが、過度な制限は経済性の低下を招く。したがって、Ｐ量は０．０２重量％以下とする必要がある。
Ｓ（硫黄）はＰと同様にＮｉと低融点の共晶を作る不可避不純物である。溶接割れ感受性を高めるので含有量は少ないほどよい。したがって、Ｓ量は０．０１５重量％以下とする必要がある。
Ｏ（酸素）は溶加材の溶製中に大気から侵入してくる不可避不純物である。Ｏは溶接金属の結晶粒界に酸化物の形で集まり、結晶粒界の高温強度を低下させる。また、Ｏは溶接割れ感受性を高めるので０．０１重量％以下とする必要がある。
Ｎ（窒素）はＯと同様に不可避的不純物であり、その含有量の限界値を定めることは重要である。ＮはＴｉ等と窒化物（ＴｉＮ等）を作り、引張強度を高めるのに寄与する。しかしながら、０．１重量％を超えると高温延性が低下する。したがって、Ｎは０．００２〜０．１重量％とするのが好ましい。
本発明のＮｉ基高Ｃｒ合金溶加材には、Ｂ（ホウ素），Ｚｒ（ジルコニウム），希土類元素から選択した一種以上：０．０１重量％以下を更に含有するのが好ましい。Ｂは、Ｎｉ基合金では高温において粒界を脆弱化させる硫化物より優先的に粒界に析出するため、結晶粒界を強化する効果がある。特に高温における延性低下割れを抑制するのに有効である。好ましくは０．００１〜０．００５重量％の範囲で添加する。
ＺｒはＯとの親和力が強く脱酸剤として用いる。しかし、Ｎとの親和力も強いのでＺｒＮとして析出して結晶粒を微細化させて耐溶接割れ感受性を低下させる。また、添加量が多いと低融点のＮｉとの共晶化合物を生成し溶接割れ感受性が高くなる。
希土類元素としては、Ｌａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）等を用いる。希土類元素は脱酸、脱硫効果が大きく、粒界強化による熱加工時に発生する割れを抑制する効果と溶接割れ感受性を低下させる効果とがある。しかし、添加量が多いと低融点のＮｉとの共晶化合物を生成し溶接割れ感受性が高くなる。
Ｂ，Ｚｒ，希土類元素は各々単独でも耐溶接割れ性を高める効果があるが、複合添加によっても同様の効果が得られる。しかしながら、過剰に添加すると溶接割れ感受性が高くなる。したがって、Ｂ，Ｚｒ，希土類元素の少なくとも一つは、０．０１重量％以下含有する。
また、本発明のＮｉ基高Ｃｒ合金溶加材には、Ｃａ（カルシウム）、Ｍｇ（マグネシウム）を更に含有するのが好ましい。Ｃａ，Ｍｇは強力な脱酸、脱硫元素であり、通常溶接線材中に微量に含まれている。しかし、Ｏとの親和力が強いので０．０１重量％未満に制限しないとティグ溶接、ミグ溶接においてスケール皮膜の発生原因となる。したがって、Ｃａ及びＭｇは、それぞれ０．０１重量％以下含有する。
本発明の被覆アーク溶接用溶接棒は、溶接後において、以下の溶接金属が得られるものが好ましい。なお、溶接金属とは、溶接棒と母材とが溶融した溶接部分からスラグを除去した部分の金属である。即ち、Ｃ：０．０４重量％以下、Ｓｉ：０．０１〜０．５重量％、Ｍｎ：７重量％以下、Ｃｒ２８〜３１．５重量％、Ｎｂ：０．５重量％以下、Ｔａ：０．００５〜３．０重量％、Ｆｅ：７〜１１重量％、Ｖ：０．５重量％以下を含有し、不可避不純物としてＰ：０．０２重量％以下、Ｓ：０．０１５重量％以下、Ｎ：０．００２〜０．１重量％を含有し、残部がＮｉからなる組成を有する溶接金属である。各元素の作用及び含有量の限定理由は、前述のＮｉ基高Ｃｒ合金溶加材と同様である。
本発明の被覆アーク溶接用溶接棒の溶接金属には、Ａｌ：０．０１〜０．４重量％、Ｔｉ：０．０１〜０．４５重量％、Ｂ，Ｚｒ，希土類元素から選択した一種以上：０．０１重量％以下が更に含有されているのが好ましい。各元素の作用及び含有量の限定理由は、前述のＮｉ基高Ｃｒ合金溶加材と同様である。
本発明の被覆アーク溶接によって形成される溶接金属は、Ｃ：０．０４重量％以下、Ｓｉ：０．０１〜０．５重量％、Ｍｎ：７重量％以下、Ｃｒ２８〜３１．５重量％、Ｎｂ：０．５重量％以下、Ｔａ：０．００５〜３．０重量％、Ｆｅ：７〜１１重量％、Ｖ：０．５重量％以下を含有し、不可避不純物としてＰ：０．０２重量％以下、Ｓ：０．０１５重量％以下、Ｎ：０．００２〜０．１重量％を含有し、残部がＮｉからなる組成を有する。
溶接金属はＡｌ：０．０１〜０．４重量％、Ｔｉ：０．０１〜０．４５重量％、Ｂ，Ｚｒ，希土類元素から選択した一種以上：０．０１重量％以下を更に含有するのが好ましい。
表１に示すような各種の元素配合のＮｉ基高Ｃｒ合金溶加材を用いてティグ溶接により拘束Ｔ型スミ肉溶接を行い、スケール発生の有無とビード割れの状態とを調べた。拘束Ｔ型スミ肉溶接は、ＪＩＳ−Ｚ３１５３に基づいて多少の修正を加えて行ったものであり、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように炭素鋼板に試験用溶接材料で二層肉盛溶接を行ったクラッド材１，２を隙間をあけてＴ字形に組み合わせて拘束ビード３及び試験ビード４を作って行った。表１には、スケール発生の有無とビードの割れの状態とを併せて示している。ビードの割れの状態の評価は、○：クレータ割れのみ発生、△：試験ビードに若干の割れ発生、×：試験ビードに顕著な割れ発生の３つで行った。
表１より、本発明の実施例１〜６の溶加材では、スケールの発生が無く、クレータ割れ以外の溶接割れは発生しないのが分かる。これに対してＡｌ−Ｔｉ量及びＣａ，Ｍｇ量が本発明の含有量と異なる比較例１〜７の溶加材では、スケール発生が認められた。また、Ｎｂ，Ｔａ量が本発明の含有量と異なる比較例８，９の溶加材では、試験ビードに若干の割れが発生が認められた。また、Ｂ，Ｚｒ，希土類元素の少なくとも一つの量が本発明の含有量と異なる比較例１０〜１６の溶加材では、試験ビードに顕著な割れが認められた。特に従来技術（特表２００３−５０１５５７号）に含まれる比較例８の溶加材では、試験ビードに若干の割れの発生が認められるのが分かる。
次に表２に示すような各種の溶接金属組成を溶接後に生成する被覆溶接棒を用いて被覆アーク溶接により拘束Ｔ型スミ肉溶接を行い、ビード割れの状態を調べた。拘束Ｔ型スミ肉溶接は、表１の試験と同様に行った。表２には、ビード割れの状態を併せて示している。ビード割れの状態の評価は表１の試験と同様に行った。
表２より、本発明の実施例７〜１０の溶接棒では、クレータ割れ以外の溶接割れは発生しないのが分かる。これに対して、Ｎｂ，Ｔａ量が本発明の含有量と異なる比較例１７〜２０の溶接棒では、試験ビードに若干の割れが発生が認められた。また、Ｂ，Ｚｒ，希土類元素の少なくとも一つの量が本発明の含有量と異なる比較例２１〜２７の溶接棒では、試験ビードに顕著な割れが認められた。
図２（ａ）及び（ｂ）は、上記試験の実施例３の試験ビードの溶接表面の電子顕微鏡写真とＳＥＭ−ＥＤＸによる定性分析結果とをそれぞれ示している。また、図３（ａ）及び（ｂ）並びに図４（ａ）及び（ｂ）は、上記試験の比較例４及び比較例７の試験ビードの溶接表面の電子顕微鏡写真とＳＥＭ−ＥＤＸによる定性分析結果とをそれぞれ示している。図２（ａ）より、実施例３では試験ビードの溶接表面にスケールが発生していないのが分かる。これに対して図３（ａ）及び図４（ａ）より、比較例４，７では試験ビードの溶接表面にスケールが発生しているのが分かる。また、図３（ｂ）より、比較例４では溶接表面のＴｉ量が高く、図４（ｂ）より、比較例７では溶接表面のＡｌ量が高いのが分かる。これらより、本発明では、Ａｌ及びＴｉの量を適宜に制御することによりスケールの発生を防止できるのが分かる。
本発明のＮｉ基高Ｃｒ合金溶加材によれば、スケールの発生を抑制して耐溶接割れ性を高めることができる。
Claims (4)
- Ｃ：０．０４重量％以下、Ｓｉ：０．０１〜０．５重量％、Ｍｎ：７重量％以下、Ｃｒ２８〜３１．５重量％、Ｎｂ：０．５重量％以下、Ｔａ：０．００５〜３．０重量％、Ｆｅ：７〜１１重量％、Ａｌ：０．０１〜０．４重量％、Ｔｉ：０．０１〜０．４５重量％、Ｖ：０．５重量％以下、不可避不純物としてＰ：０．０２重量％以下、Ｓ：０．０１５重量％以下、Ｏ：０．０１重量％以下、Ｎ：０．００２〜０．１重量％を含有し、残部がＮｉからなる組成を有するＮｉ基高Ｃｒ合金溶加材。
- Ｂ，Ｚｒ，希土類元素から選択した一種以上：０．０１重量％以下を更に含有する請求項１に記載のＮｉ基高Ｃｒ合金溶加材。
- Ｃａ：０．０１重量％以下、Ｍｇ：０．０１重量％以下を更に含有する請求項１または２に記載のＮｉ基高Ｃｒ合金溶加材。
- 被覆アーク溶接によって形成される溶接金属において、
Ｃ：０．０４重量％以下、Ｓｉ：０．０１〜０．５重量％、Ｍｎ：７重量％以下、Ｃｒ２８〜３１．５重量％、Ｎｂ：０．５重量％以下、Ｔａ：０．００５〜３．０重量％、Ｆｅ：７〜１１重量％、Ｖ：０．５重量％以下、Ｂ，Ｚｒ，希土類元素から選択した一種以上：０．０１重量％以下と、不可避不純物としてＰ：０．０２重量％以下、Ｓ：０．０１５重量％以下、Ｎ：０．００２〜０．１重量％とを含有し、残部がＮｉからなる被覆アーク溶接金属。
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