(57)【要約】【課題】従来に比べて引張強度を向上させた高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料及びこれを用いた溶接方法を提供する。【解決手段】高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料であって、質量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：２８．０％〜３１．５％、Ｍｏ：０．５０％以下、Ｆｅ：７．０％〜１１．０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｎｂ＋Ｔａ：０．１０％以下、Ａｌ：０．５％〜３．０％、Ｔｉ：０．５％〜３．０％を含有し、さらに不可避的不純物として、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１５以下を含み、残部がＮｉからなる組成を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：２８．０％〜３１．５％、Ｍｏ：０．５０％以下、Ｆｅ：７．０％〜１１．０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｎｂ＋Ｔａ：０．１０％以下、Ａｌ：０．５％〜３．０％、Ｔｉ：０．５％〜３．０％を含有し、さらに不可避的不純物として、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１５以下を含み、残部がＮｉからなる組成を有することを特徴とする高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料。
【請求項２】
請求項１に記載の高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料を用いて溶接を行った後、当該溶接を行った溶接部に、略６１５℃の温度で４５時間以上の熱処理を施して前記溶接部の引張強度を向上させることを特徴とする溶接方法。
【請求項３】
請求項１に記載の高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料を用いて溶接を行った後、当該溶接を行った溶接部に、７５０℃〜８５０℃の温度で５時間以上の熱処理を施して前記溶接部の引張強度を向上させることを特徴とする溶接方法。
【請求項４】
質量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：２８．０％〜３１．５％、Ｍｏ：０．５０％以下、Ｆｅ：７．０％〜１１．０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｎｂ＋Ｔａ：０．５％〜１．０％、Ａｌ：０．５％〜３．０％、Ｔｉ：０．５％〜３．０％を含有し、さらに不可避的不純物として、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１５以下を含み、残部がＮｉからなる組成を有することを特徴とする高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料。
【請求項５】
請求項４に記載の高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料を用いて溶接を行った後、当該溶接を行った溶接部に、略６１５℃の温度で４５時間以上の熱処理を施して前記溶接部の引張強度を向上させることを特徴とする溶接方法。
【請求項６】
請求項４に記載の高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料を用いて溶接を行った後、当該溶接を行った溶接部に、７５０℃〜８５０℃の温度で５時間以上の熱処理を施して前記溶接部の引張強度を向上させることを特徴とする溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高クロム（Ｃｒ）含有ニッケル（Ｎｉ）基合金溶接材料及びこれを用いた溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉の圧力容器の内面溶接や、制御棒駆動機構スタブチューブやシュラウドサポートの溶接部には、Ｎｉ基合金溶接材料が使用されている。現在使用されているＮｉ基合金溶接材料ＡＳＭＥ（アメリカ機械学会（The American Society of Mechanical Engineers : ASME））  ＳＦＡ−５．１４  ＥＲＮｉＣｒ−３のＣｒ含有量は約２０％である。
【０００３】
一方、Ｃｒ含有量が約３０％の高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料として、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金であるＡＳＭＥ  ＳＦＡ−５．１４  ＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７及びＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７Ａがあり、更なる耐食性向上のためにこれらの高Ｃｒ含有Ｎｉ基合溶接材料の適用が検討されている。
【０００４】
上記した溶接材料の化学成分に関する規定値を表１に示す。なお、表１に示した数値の単位は質量％である。
【０００５】
【表１】
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【０００６】
上記したＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７及びＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７Ａの引張強度は、溶接の際の相手材の１つであるＮＣＦ６９０の引張強度と略同等である。このため、溶接部の更なる強度向上が望まれている。
【０００７】
そこで、上記ＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７等をベースとし、添加元素の微調整を行うことにより引張強度に優れる高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料の開発が進められている。このような高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料の１つとして、例えば、窒素（Ｎ）を０．０３〜０．３％添加することにより、引張強度特性の向上を図った高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、窒素（Ｎ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）を複合添加することにより、引張強度特性の向上を図った高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３１７０１６６号公報
【特許文献２】特許第３３８２８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料については、ＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７をベースに、窒素（Ｎ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）を添加することにより、材料の引張強度の向上を図ることが行われている。この場合、窒素（Ｎ）は、チタン（Ｔｉ）等と窒化物（ＴｉＮ）を作り、材料の引張強度を改善する。また、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）は、マトリックスに固溶することにより、材料の引張強度を向上させる。
【００１０】
しかしながら、従来の高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料の開発においては、Ａｌ、Ｔｉ等の析出強化に寄与する元素の影響と引張強度との関係は言及されていない。
【００１１】
そこで、本発明は、ＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７系高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料におけるＡｌ及びＴｉの含有量と熱処理後の引張強度との関係を明らかにし、従来に比べて引張強度を向上させた高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料及びこれを用いた溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料の一態様は、質量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：２８．０％〜３１．５％、Ｍｏ：０．５０％以下、Ｆｅ：７．０％〜１１．０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｎｂ＋Ｔａ：０．１０％以下、Ａｌ：０．５％〜３．０％、Ｔｉ：０．５％〜３．０％を含有し、さらに不可避的不純物として、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１５以下を含み、残部がＮｉからなる組成を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料の他の態様は、質量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：２８．０％〜３１．５％、Ｍｏ：０．５０％以下、Ｆｅ：７．０％〜１１．０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｎｂ＋Ｔａ：０．５％〜１．０％、Ａｌ：０．５％〜３．０％、Ｔｉ：０．５％〜３．０％を含有し、さらに不可避的不純物として、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１５以下を含み、残部がＮｉからなる組成を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、従来に比べて引張強度を向上させた高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料及びこれを用いた溶接方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料中のＡｌ及びＴｉの含有量と溶接後の熱処理前後の常温及び高温引張強度との関係を示す図。
【図２】Ｎｉ基合金（Alloy718）中における析出曲線を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係る高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料及びこれを用いた溶接方法について、図面を参照して説明する。
【００１７】
本実施形態に係るＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７系高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料は、質量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：２８．０％〜３１．５％、Ｍｏ：０．５０％以下、Ｆｅ：７．０％〜１１．０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｎｂ＋Ｔａ：０．１０％以下、Ａｌ：０．５％〜３．０％、Ｔｉ：０．５％〜３．０％を含有し、さらに不可避的不純物として、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１５以下を含み、残部がＮｉからなる組成を有する。
【００１８】
表１に示したように、ＡＳＭＥ  ＳＦＡ−５．１４  ＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７では、Ａｌの含有量が１．１０質量％以下、Ｔｉの含有量が１．０質量％以下となっている。これに対して、本実施形態では、Ａｌの含有量を０．５質量％〜３．０質量％、Ｔｉの含有量を０．５質量％〜３．０質量％とすることによって、引張強度を向上させたＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７系高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料とすることができる。なお、上記の組成のうちＡｌ及びＴｉ以外については、表１に示したＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７と同一となっている。
【００１９】
上記の組成のうちＣは、固溶体強化元素であり、Ｃ量の増加により引張強度は増加するが、耐応力腐食割れ性を劣化させるので、両特性を考慮してＣ量は０質量％を超え０．０４質量％以下となっている。
【００２０】
Ｓｉは、溶接時における脱酸作用を有する一方Ｓｉ量が多くなると溶接高温割れ感受性が高くなるので、Ｓｉ量は０質量％を超え０．５０質量％以下となっている。
【００２１】
Ｍｎは、溶接時における脱酸作用及び脱硫作用を有する一方Ｍｎ量を１％を超えて添加すると、溶接時にスラグの湯流れを悪くし、溶接作業性を劣化させるので、Ｍｎ量は０質量％を超え１質量％以下となっている。
【００２２】
Ｃｒは、耐食性向上に必須の元素であり、耐応力腐食割れ性の効果を十分に得るためには２８質量％以上が必要である一方、３１．５質量％を越えると溶加材の製造時の熱間加工性が著しく劣化するのでＣｒ量は２８質量％〜３１．５質量％となっている。
【００２３】
Ｍｏは、マトリックスに固溶して引張強度を向上させるが、Ｍｏ量の増加は溶加材の製造時の熱間加工性が著しく劣化させる。このため、Ｍｏ量は０質量％を超え０．５０質量％以下となっている。
【００２４】
Ｆｅは、高Ｃｒ量の場合に生じるスケール発生を防止又は抑制するが、Ｆｅ量が７質量％未満ではスケール発生が著しくなり、１１質量％を超えて過剰に添加すると応力腐食割れ性を劣化させる。このため、Ｆｅは７質量％〜１１質量％となっている。
【００２５】
Ｃｕは、高温に加熱されるとマトリックス中に微細分散析出して引張強度を高めるが、過剰になると耐溶接割れ感受性を高めるのでＣｕ量は０質量％を超え０．３０質量％以下となっている。
【００２６】
Ｎｂ及びＴａは、炭化物を形成する傾向の強い元素であり、引張強度を向上させるが、Ｎｂ及びＴａ量の増加は加工性を損なうのでＮｂ＋Ｔａ量は０質量％を超え０．１０質量％以下となっている。
【００２７】
Ｐは、Ｎｉと低融点の共晶を作り、溶接高温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ため、Ｐ量は０．０２０質量％以下となっている。
【００２８】
Ｓは、Ｐと同じようにＮｉと低融点の共晶を作り、溶接高温割れ感受性を高めるので含有量は少ないほどよい。このためＳ量は０．０１５質量％以下となっている。
【００２９】
なお、Ａｌの含有量が０．５質量％〜３．０質量％、Ｔｉの含有量が０．５質量％〜３．０質量％となっている理由については後述する。
【００３０】
実施例として、Ａｌの含有量を０．６７質量％、Ｔｉの含有量を０．５３質量％としたＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７系高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料を作製した。また、比較例として、Ａｌの含有量を０．１０質量％、Ｔｉの含有量を０．２１質量％としたＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７系高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料を作製した。これら実施例と比較例のＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７系高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料の成分を表２に示す。なお、表２に示した数値の単位は質量％である。
【００３１】
【表２】
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【００３２】
図１は、上記の実施例と、比較例について、溶接後の熱処理前と熱処理後に、常温及び高温における引張強度を調べた結果を示すものである。なお、図１において、（Ａ）は常温引張強度（ＭＰａ）を、（Ｂ）は高温（３０２℃）引張強度（ＭＰａ）を示している。なお、このときの溶接の後熱処理の条件は、略６１５℃（６１５±２０℃程度）で４５時間であった。
【００３３】
図１（Ａ）に示すように、Ａｌ含有量が０．１０質量％、Ｔｉ含有量が０．２１質量％の比較例の場合、溶接後の熱処理による常温引張強度の上昇はほとんど見られず、熱処理前後ともに常温引張強度は約６００ＭＰａで、比較材であるＮＣＦ６９０合金の常温における引張強度５８６ＭＰａ（ＪＳＭＥ  発電用原子力設備規格  設計・建設規格（２００５年版）ＪＳＭＥ  Ｓ  ＮＣ１−２００５  付録図表Ｐａｒｔ５  材料の各温度における設計引張強さＳｕ（ＭＰａ））と略同等であった。
【００３４】
一方、Ａｌ含有量が０．６７％、Ｔｉ含有量が０．５３％の実施例の場合、溶接後の熱処理により、常温引張強度が約５７０ＭＰａから約６８０ＭＰａに上昇しており、熱処理後の常温引張強度は、比較材であるＮＣＦ６９０合金の常温における引張強度５８６ＭＰａよりも大きな値を示した。
【００３５】
また、図１（Ｂ）に示すように、Ａｌ含有量が０．１０％、Ｔｉ含有量が０．２１％の比較例の場合、溶接後の熱処理により高温（３０２℃）引張強度は、約５５０ＭＰａから約４９０ＭＰａに低下しており、熱処理後の高温引張強度は、比較材であるＮＣＦ６９０合金の高温（３０２℃）における引張強度５４０ＭＰａ（ＪＳＭＥ  発電用原子力設備規格  設計・建設規格（２００５年版）ＪＳＭＥ  Ｓ  ＮＣ１−２００５  付録図表Ｐａｒｔ５  材料の各温度における設計引張強さＳｕ（ＭＰａ））より低い値を示した。
【００３６】
一方、Ａｌ含有量が０．６７％、Ｔｉ含有量が０．５３％の実施例の場合、溶接後の熱処理により高温（３０２℃）引張強度が約５３０ＭＰａから約５６０ＭＰａに上昇しており、熱処理後の高温（３０２℃）引張強度は、比較材であるＮＣＦ６９０合金の高温（３０２℃）における引張強度５４０ＭＰａよりも大きな値を示した。このように、実施例において熱処理後に常温及び高温の引張強度が向上する理由としては、Ｎｉ３Ａｌ、Ｎｉ３Ｔｉ等の析出物が結晶粒内に析出したことによると考えられる。
【００３７】
以上の結果より、ＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７系高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料において、Ａｌ含有量及びＴｉ含有量を多くすることによって、溶接後の熱処理により常温引張強度及び高温（３０２℃）引張強度が高くなることが示された。すなわち、ＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７系高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料のＡｌ含有量を０．５０％以上の０．６７％、Ｔｉ含有量を０．５０％以上の０．５３％とし、溶接後、溶接部に、温度略６１５℃で４５時間の熱処理を施すことにより、ＮＣＦ６９０合金の引張強度よりも大きな引張強度が得られることが分かった。
【００３８】
一方、Ａｌを添加し過ぎると、他の特性を悪化させる可能性、例えば溶接作業性を劣化させる可能性がある。このため、Ａｌ含有量は、３．０質量％以下程度とすることが好ましい。また、Ｔｉの含有量についても、同様の理由から、３．０質量％以下程度とすることが好ましい。
【００３９】
以上の理由から、ＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７系高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料において、Ａｌ含有量Ａｌの含有量を０．５質量％〜３．０質量％、Ｔｉの含有量を０．５質量％〜３．０質量％とする。そして、溶接後、溶接部に対して略６１５℃の温度（例えば、６１５±２０℃の温度）で少なくとも４５時間の熱処理を施すことにより、常温及び高温の引張強度を向上させることができる。なお、溶接方法としては、ティグ溶接やミグ溶接等を用いることができる。
【００４０】
上記の実施例では、溶接後に略６１５℃の温度（例えば、６１５±２０℃の温度）で少なくとも４５時間の熱処理を施し、これによってＮｉ３Ａｌ、Ｎｉ３Ｔｉ等の析出物を結晶粒内に析出させて常温及び高温の引張強度を向上させた。しかし、このような熱処理の条件はかかる条件に限定されるものではなく、Ｎｉ３Ａｌ、Ｎｉ３Ｔｉ等の析出物を結晶粒内に析出させて常温及び高温の引張強度を向上させられる条件であればよい。
【００４１】
縦軸をエイジング温度、横軸をエイジング時間とした図２のグラフに、Ｎｉ基合金（Ａｌｌｏｙ７１８）中における析出曲線(SCC SUSCEPTIBILITY OF ALLOY 718, M.Tsubota et.al, Workshop on Advanced High-Strength Materials, EPRI, 1986)を示す。図２より、Ｎｉ基合金中において、Ｎｉ３Ａｌ及びＮｉ３Ｔｉは、約７５０℃〜約８５０℃の温度で５時間以上の熱処理を加えることで析出することが分かる。
【００４２】
したがって、ＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７系高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料のＡｌ含有量を０．５質量％〜３．０質量％、Ｔｉ含有量を０．５質量％〜３．０質量％とし、溶接後、この溶接部に、約７５０℃〜約８５０℃の範囲内の温度で５時間以上の熱処理を行う。これによって、ＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７系高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料の常温及び高温での引張強度を向上させることができる。
【００４３】
なお、上記の実施形態及び実施例では、Ｎｂ+Ｔａの含有量が０．１０質量％以下であるＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７系高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料について説明した。しかし、Ｎｂ+Ｔａの含有量が０．５質量％〜１．０質量％であるＥＲＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−７Ａ系高Ｃｒ含有Ｎｉ基合金溶接材料についても同様にして適用することができる。
【図１】
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【図２】
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