(57)【要約】  ニッケル基合金と、溶接溶加材金属として該合金を用いて、部品、例えば原子力発電所反応炉の高温冷却水に接触する反応炉の部品を製造、溶接肉盛及び補修する溶接方法や溶接材料とを提供する。本発明のニッケル基合金は、２６〜約３０重量％のクロム、２〜約４重量％の鉄、２〜約４重量％のマンガン、２〜約３重量％のニオブ、１〜約３重量％のモリブデン、０．６重量％以下のチタン、０．０３重量％以下の炭素、０．０５重量％以下の窒素、０．６重量％以下のアルミニウム、０．５重量％以下のケイ素、０．０１重量％以下の銅、０．０２重量％以下のリン、０．０１重量％以下の硫黄、残部のニッケル及び不可避的不純物からなる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２６〜約３０重量％のクロム、２〜約４重量％の鉄、２〜約４重量％のマンガン、２〜約３重量％のニオブ、１〜約３重量％のモリブデン、０．６重量％以下のチタン、０．０３重量％以下の炭素、０．０５重量％以下の窒素、０．６重量％以下のアルミニウム、０．５重量％以下のケイ素、０．０１重量％以下の銅、０．０２重量％以下のリン、０．０１重量％以下の硫黄、残部のニッケル及び不可避的不純物からなる、ニッケル基合金。
【請求項２】
クロム含量が約２７〜約２９重量％である、請求項１記載の合金。
【請求項３】
クロム含量が約２８重量％である、請求項１記載の合金。
【請求項４】
鉄含量が約２．５〜約３．５重量％である、請求項１記載の合金。
【請求項５】
マンガン含量が約２．５〜約３．５重量％である、請求項１記載の合金。
【請求項６】
ニオブ含量が約２．０〜約２．５重量％である、請求項１記載の合金。
【請求項７】
モリブデン含量が約１．９〜約２．２重量％である、請求項１記載の合金。
【請求項８】
チタン含量が約０．２〜約０．５重量％である、請求項１記載の合金。
【請求項９】
炭素含量が０．０２５重量％以下である、請求項１記載の合金。
【請求項１０】
窒素含量が約０．０２〜約０．０３重量％である、請求項１記載の合金。
【請求項１１】
アルミニウム含量が０．５重量％未満である、請求項１記載の合金。
【請求項１２】
ケイ素含量が０．２重量％以下である、請求項１記載の合金。
【請求項１３】
銅含量が０．０１重量％未満である、請求項１記載の合金。
【請求項１４】
リン含量が０．０１重量％未満である、請求項１記載の合金。
【請求項１５】
硫黄含量が約０．００１〜約０．００５重量％である、請求項１記載の合金。
【請求項１６】
請求項１記載の合金で形成した溶接材料。
【請求項１７】
請求項１記載の合金を用いて部品を溶接する方法であって、前記部品を前記合金で溶接して構造物に溶接部を形成する工程を含む方法。
【請求項１８】
前記部品が低合金鋼、ステンレス鋼及びニッケル基合金からなる群から選択される１種又は２種以上の合金で形成されている、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記部品が１種又は２種以上のＮｉＣｒＦｅ合金で形成されている、請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
前記構造物が原子力発電所の冷却水に接触する、請求項１７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に溶接方法及び溶接材料に関する。特に、本発明は、原子力発電所（ＮＰＰ）の部品を製造及び補修するのに特に適した耐食性溶加材金属及び溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）及び加圧水型原子炉（ＰＷＲ）では、冷却水は核分裂反応から発生する熱によって加熱される。沸騰水型原子炉では、冷却水の温度は高圧で約５５０Ｆ（約２９０℃）に達し、或いは上回ることがある。したがって、高温冷却水に接触する原子炉部品は高腐食環境にさらされる。
【０００３】
様々な合金、例えば低合金鋼、ステンレス鋼及びニッケル基合金が原子炉部品の製造に用いられている。ニッケル基合金の例には、ＮｉＣｒＦｅ合金、例えば周知の合金６００（７６Ｎｉ−１５Ｃｒ−８Ｆｅ）及び合金６９０（６２Ｎｉ−２９Ｃｒ−９Ｆｅ）がある。原子炉部品を製造及び補修する方法では、種々の溶接方法、例えば溶接接合、溶接肉盛及び溶接ビルドアップ及び種々の溶接技術、例えばガス・タングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、ガス・メタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、シールドメタル・アーク溶接（ＳＭＡＷ）、レーザー溶接、電子ビーム溶接及び超音波溶接を用いている。低合金鋼、ステンレス鋼及びニッケル基合金で形成された部品を溶接するには、ニッケル基溶加材金属が広く用いられている。
【０００４】
合金６００及び６９０で形成された構造物を製造及び補修するのに用いるニッケル基溶加材金属の例としては、合金８２、合金１８２、合金５２、合金１５２及び合金１３２として知られる市販の合金が挙げられる。合金８２は通常、１８．０〜２２．０重量％のクロム、２．５〜３．５重量％のマンガン、２．０〜３．０重量％のニオブ＋タンタル、３．０重量％以下の鉄、０．７５重量％以下のチタン、０．５０重量％以下のケイ素、０．５０重量％以下の銅、０．７５重量％以下のコバルト、０．１０重量％以下の炭素、０．０３０重量％以下のリン、０．０１５重量％以下の硫黄及び最小６７．０重量％のニッケル含量からなる組成をもつと報告されている。合金１８２は通常、１３．０〜１７．０重量％のクロム、５．０〜９．５重量％のマンガン、１．０〜２．５重量％のニオブ＋タンタル、１０．０重量％以下の鉄、１．０重量％以下のチタン、１．０重量％以下のケイ素、０．５０重量％以下の銅、０．１２重量％以下のコバルト、０．１重量％以下の炭素、０．０３０重量％以下のリン、０．０１５重量％以下の硫黄及び最小５９．０重量％のニッケル含量からなると報告されている。合金５２は、合金８２及び１８２よりクロム含量が多い新しい合金である。合金５２の組成は通常、２８．０〜３１．５重量％のクロム、７．０〜１１．０重量％の鉄、１．０重量％以下のマンガン、０．１０重量％以下のニオブ＋タンタル、１．０重量％以下のチタン、１．１０重量％以下のアルミニウム、１．５重量％以下のチタン＋アルミニウム、０．５０重量％以下のケイ素、０．３０重量％以下の銅、０．０４０重量％以下の炭素、０．０５重量％以下のモリブデン、０．０２０重量％以下のリン、０．０１５重量％以下の硫黄及び残部のニッケルであると報告されている。合金１５２は通常、２８．０〜３１．５重量％のクロム、５．０重量％以下のマンガン、１．０〜２．５重量％のニオブ＋タンタル、７．０〜１２．０重量％の鉄、０．５０重量％以下のチタン、０．７５重量％以下のケイ素、０．５０重量％以下の銅、０．０５重量％以下の炭素、０．０３０重量％以下のリン、０．０１５重量％以下の硫黄、０．５０重量％以下のアルミニウム、０．５０重量％以下のモリブデン及び残部のニッケルからなる組成をもつと報告されている。合金１３２は通常、１３．０〜１７．０重量％のクロム、３．５重量％以下のマンガン、１．５〜４．０重量％のニオブ＋タンタル、１１．５重量％以下の鉄、０．７５重量％以下のケイ素、０．５０重量％以下の銅、０．１２重量％以下のコバルト、０．０８０重量％以下の炭素、０．０３０重量％以下のリン、０．０２０重量％以下の硫黄及び最小６２．０重量％のニッケル含量からなる組成をもつと報告されている。上記に加えて、幾つかの種類の合金５２、例えばＳｐｅｃｉａｌ  Ｍｅｔａｌｓ社によって紹介された合金及び合金５２ｉとしてＫｎｏｌｌｓ  Ａｔｏｍｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙによって報告された組成物が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００６／０８１２５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
合金８２、特に合金１８２は、特定の原子力発電所の運転条件下、とりわけ高温冷却水環境、例えば約２９０℃以上の温度の冷却水などにさらされた場合、応力腐食割れ（ＳＣＣ）を起こしやすいと確認されている。合金５２は、合金８２及び１８２に比べて優れた耐食性を示すが、延性低下割れ（ＤＤＣ）及び熱間割れのために溶接がより困難であることがわかっている。したがって、従来技術の制限を克服するために優れた耐応力腐食割れ性並びに優れた溶接性を示すことができるニッケル基溶接溶加材金属を利用できれば望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ニッケル基合金と、溶接溶加材金属として該合金を用いて、部品、例えば原子力発電所反応炉の高温冷却水に接触する反応炉の部品を製造及び補修する溶接方法とを提供する。
【０００８】
本発明の第１の観点によるニッケル基合金は、２６〜約３０重量％のクロム、２〜約４重量％の鉄、２〜約４重量％のマンガン、２〜約３重量％のニオブ、１〜約３重量％のモリブデン、０．６重量％以下のチタン、０．０３重量％以下の炭素、０．０５重量％以下の窒素、０．６重量％以下のアルミニウム、０．５重量％以下のケイ素、０．０１重量％以下の銅、０．０２重量％以下のリン、０．０１重量％以下の硫黄、残部のニッケル及び不可避的不純物からなる。
【０００９】
本発明の別の観点は、上記の合金で形成された溶接材料と、上記の合金を用いて、ニッケル基合金で形成された部品同士を溶接する方法とを提供する。具体例には、原子力発電所の軽水炉の部品及び構造要素を製造するための、ＮｉＣｒＦｅ合金で形成された部品の溶接があるが、これに限らない。
【００１０】
本発明の技術的効果は、本ニッケル基合金が、従来の合金、例えば合金５２、８２、１３２、１５２及び１８２に比べて優れた耐応力腐食割れ性並びに優れた溶接性を示すことである。
【００１１】
本発明の他の観点及び利点は以下の詳細な説明から一層明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のニッケル基溶接溶加材合金を用いて２つの部品を溶接することにより形成された構造物の一部を示す線図である。
【図２】本発明のニッケル基溶接溶加材合金を用いて部品を溶接肉盛することにより形成された構造物の一部を示す線図である。
【図３】幾つかのニッケル基合金で、クロム含量が応力腐食割れ（ＳＣＣ）伝搬速度に与える効果を明らかにするデータを含むグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、２つの部品１２と部品１４とを溶接し、部品１２と部品１４とを金属接合する溶接部１６を形成することによって製造又は補修した構造物１０の線図である。図２は、部品２０の表面に溶接肉盛して部品表面に肉盛層の形態で溶接部２２を形成することにより製造又は補修した構造物１８の線図である。本発明を特に原子力発電所の反応炉のパーツ、例えば軽水炉の高温冷却水に接触する軽水炉部品である構造物１０及び１８について説明するが、別の用途も予想される。また、本発明を特にＮｉＣｒＦｅ合金、例えば合金６００及び６９０で形成された部品１２、１４及び２０について説明するが、本発明が種々の他の合金、例えば低合金鋼及びステンレス鋼の溶接も包含することは明らかである。ステンレス鋼の例には、オーステナイト３００系ステンレス鋼がある。
【００１４】
本発明の好ましい観点によれば、溶接部１６及び２２はニッケル基溶接溶加材合金で形成した溶接材料から形成され、溶加材合金の化学組成は、溶接性を増加し、溶接部１６及び２２の耐食性や耐割れ性を向上するように調整される。ここで用いる「溶接材料」は、電極、ワイヤー、粉末及び溶接部１６及び２２を形成する溶接プロセス時に本発明の合金を使用可能にする種々の他の形態をいう。特に、溶接技術の例には、ガス・タングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、ガス・メタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、シールドメタル・アーク溶接（ＳＭＡＷ）、レーザー溶接、電子ビーム溶接及び超音波溶接が挙げられる。溶接部１６及び２２を、それぞれ突合せ継手及び溶接肉盛として示すが、本発明の合金及び溶接技術は、種々の別の種類の溶接部を形成するのに使用でき、またキャビティを充填し、クラッドを形成し、材料をビルドアップする溶接部を形成するのにも、部品の表面に存在する種々の他の種類の欠陥を補修するのにも使用できることは明らかである。
【００１５】
通常、溶接部１６及び２２を形成するのに用いるニッケル基溶接溶加材合金は、溶接する部品１２、１４及び２０の合金に類似した物理的及び機械的特性をもつように処方される。この点で、ＮｉＣｒＦｅ合金、例えば合金６００及び６９０、ステンレス鋼及び低合金鋼を溶接するのに従前用いられている従来の溶接溶加材合金、例えば合金５２、８２、１３２、１５２及び１８２と同様に、本発明の溶接溶加材合金はニッケル、クロム及び鉄を含有する。しかし、本発明の溶接溶加材合金は、クロム及び鉄含量並びに有意な量のモリブデン及び窒素の意図的な添加に関して大きく異なる。本発明の合金の広範の、好適及び公称の化学組成を下記の表１にまとめる。表示成分に加えて、本発明の合金はさらに、不可避的不純物を含有することもあるが、このような不純物は合金の約０．５重量％を超える割合を占めないことが好ましい。
【００１６】
【表１】
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本発明の溶接溶加材合金中のクロムの上記合金レベルは、高温水中での応力腐食割れ（ＳＣＣ）に対する耐性を向上することを目指して選択した。溶接溶加材合金中のクロムの量は、耐応力腐食割れ性を向上するために合金１８２及び８２に比べて著しく多い。図３は、幾つかのニッケル基合金で、クロムがＳＣＣ伝搬速度に与える効果を示す。図３から合金中のクロム含量が増加するにつれて割れ成長速度が低減することが明らかである。本発明の溶接溶加材合金中のクロム濃度の点で、本発明の合金のＳＣＣ成長速度は、合金５２と同等になるが、合金１８２及び合金８２よりは大幅に低くなると予想される。本発明に至る試験で、合金中のクロム含量が増加すると、割れ成長速度は低くなり、対応して耐応力腐食割れ性が増加することが明らかになった。後述するように、本発明の溶接溶加材合金は、合金５２に比べ優れた溶接特性も示す。
【００１７】
さらに、本発明の溶接溶加材合金には、モリブデンを合金５２、８２、１３２、１５２及び１８２に許容されるレベルをはるかに超えて意図的に添加し、窒素も意図的に添加する。モリブデンの添加は合金の溶接特性を向上する目的で選んだ。モリブデンは、合金中の炭素と反応することによって炭化モリブデンの形成を促進するので、クロムと反応し、延性低下割れ（ＤＤＣ）の主な原因となる炭化クロムを形成するのに利用される炭素の量を低減する。当業界で知られているように、延性低下割れは合金の溶接性の尺度となる。モリブデンの添加は、高温水中の合金の耐食性も向上する。モリブデンの量は、最大３％に維持して凝固割れを回避する。
【００１８】
最後に、本合金のその他の成分のレベル、特に鉄、ニオブ、炭素、マンガン、ケイ素、窒素、リン及び硫黄のレベルを種々の理由から決定した。鉄含量を比較的低く（合金５２より低く）維持するのは、ラーベス相及びＭ23Ｃ6炭化物の形成の可能性を低減することによって溶接性を向上するためである。ラーベス相は、脆く、凝固割れの主な原因の１つである。本発明の溶接溶加材合金のニオブ含量は、良好な溶接特性をもつ合金８２と同等である。合金５２は、ニオブを含有せず、溶接性に乏しい。したがって、ニオブの添加は、炭化クロムの代わりに炭化ニオブの形成を優先することにより溶接性を向上するためであった。炭素の量（０．０３％以下）は合金１８２より少ない。炭素の量を少なくすることは、例えば溶接時の増感を回避するのに必要であると考えられる。マンガンの添加は、溶融池の流動性を増加させることによって溶接性を向上するので有益であると考えられる。本発明の溶接溶加材合金に含まれる低レベルのケイ素は、ラーベス相の形成及び凝固割れの発生を抑制する。ニッケル合金への窒素の溶解度は小さいが、一定限度量の窒素は溶接性を向上する。リン及び硫黄レベルは、低く維持して溶接時の熱間割れを低減する。
【００１９】
上記のことを考慮して、本発明の溶接溶加材合金で形成する溶接部は、溶接材料として該合金を用いる製造、補修及び肉盛プロセス時に優れた溶接性を示すことが予想される。また、溶接後の部品が、高温、例えば約２９０℃以上の冷却水に接触する軽水原子炉部品の場合のように、腐食を受けたり、高温にさらされたりしても、得られた溶接部は耐割れ性であることが予想される。したがって、本発明の技術的効果として、原子力発電所で用いる低合金鋼、ステンレス鋼及びニッケル基合金、特にＮｉＣｒＦｅ合金、例えば合金６００及び６９０で形成された溶接構造物の全体的性能の向上を達成できる。商業利益には、コスト削減の可能性と、原子力発電所の停止時の補修や交換をできる限り少なくすることがある。
【００２０】
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、当業者であれば別の形態を採用できることが明らかである。したがって、本発明の要旨は特許請求の範囲以外には限定されない。
【符号の説明】
【００２１】
１０  構造物
１２、１４  部品
１６  溶接部
１８  構造物
２０  部品
２２  溶接部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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