(57)【要約】【課題】耐ＳＣＣ性に良好で、かつ、溶接性に優れた溶接用Ｎｉ基合金および沸騰水型原子炉用溶加材を提供する。【解決手段】実施の形態の溶接用Ｎｉ基合金は、質量％で、Ｃｒ：２２．０以上２５．０以下、Ｃ：０．００５以上０．０５０以下、Ｆｅ：１．００以上３．００以下、Ｓｉ：０．０１以上０．５０以下、Ｎｂ：２．００以上５．００以下、Ｔｉ：０．０１以上０．７５以下、Ｍｎ：０．１０以上３．５０以下を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃｒ：２２．０以上２５．０以下、Ｃ：０．００５以上０．０５０以下、Ｆｅ：１．００以上３．００以下、Ｓｉ：０．０１以上０．５０以下、Ｎｂ：２．００以上５．００以下、Ｔｉ：０．０１以上０．７５以下、Ｍｎ：０．１０以上３．５０以下を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする溶接用Ｎｉ基合金。
【請求項２】
Ｎｂは２．００質量％以上３．００質量％以下含有することを特徴とする請求項１に記載の溶接用Ｎｉ基合金。
【請求項３】
前記不可避的不純物のうち、少なくともＳは０．０１０質量％以下含有することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接用Ｎｉ基合金。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の溶接用Ｎｉ基合金から構成されることを特徴とする沸騰水型原子炉用溶加材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、溶接用Ｎｉ基合金および沸騰水型原子炉用溶加材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、国内の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）プラントでは、炉内構造物であるシュラウドサポートなどにおける溶接部に応力腐食割れ（ＳＣＣ）が多数見つかる事象が報告されていた。また、海外のＢＷＲプラントにおいても、ＳＣＣによる溶接部の損傷についての報告例があった。
【０００３】
これらの事象については、ＳＣＣ感受性を有する１４質量％以上１７質量％以下のＣｒを含有する１８２合金を溶加材に使用したときに、ＳＣＣが溶接部で発生したものである。
【０００４】
このように、ＢＷＲプラントの溶加材には、従来、６００系合金である１８２合金を使用していたが、ＳＣＣによる溶接部の損傷が確認された。そのため、近年では、１８２合金よりもＣｒ濃度を高めた８２合金を使用している。８２合金は、１８質量％以上２２質量％以下のＣｒを含有するものであり、１８２合金に比べて耐ＳＣＣ性の向上した材料である。
【０００５】
また、ＢＷＲプラントよりも温度環境の厳しい加圧水型原子炉（ＰＷＲ）プラントの溶加材には、６９０系合金である５２合金が用いられている。５２合金は、２８質量％以上３１．５質量％以下のＣｒを含有しており、８２合金に比べてＣｒの含有率が高い。
【０００６】
一般的に、Ｃｒは合金の耐ＳＣＣ性を向上する元素である。そのため、合金に含まれるＣｒの割合が増加すると、合金のＳＣＣ感受性が減少する傾向にある。また、強酸雰囲気中における合金の耐食性については、約１６質量％から約３０質量％のＣｒの濃度範囲において、合金中のＣｒ濃度が高くなるにつれて、合金の耐食性が著しく向上する。このように、合金中のＣｒ濃度を高めることによって、合金の耐食性を向上する、すなわち合金のＳＣＣ感受性を減少させることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「高温高圧純水環境下のＮｉ基６００合金用被覆アーク溶接金属の応力腐食割れ感受性に及ぼすＣｒ濃度の影響」、溶接・非破壊検査技術センター  技術レビュー、Ｖｏｌ.７、２０１１、ｐ．３１−４１
【非特許文献２】「Ｎｉ基６９０合金に適用できる粒界腐食試験法」、日本金属学会誌、第４９巻、第２号、１９８５年、１２５−１３３頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、ＢＷＲプラントの溶加材には、耐ＳＣＣ性の高い８２合金が主に用いられている。この８２合金がＳＣＣにより損傷した場合、８２合金よりも優れた耐ＳＣＣ性を有すると共に、８２合金に代わるＢＷＲプラント用の溶加材を見つけることは困難である。
【０００９】
また、ＰＷＲプラントでは、８２合金よりも優れた耐ＳＣＣ性を有する５２合金が用いられている。しかしながら、Ｃｒ濃度の高い５２合金の溶接は、１８２合金や８２合金に比べて、高温割れや延性低下割れなどの溶接割れ感受性が高い。さらに、５２合金などの６９０系合金をＢＷＲプラント用の溶加材に使用した実績はない。この５２合金をＢＷＲプラントに使用するためには、溶接条件の確立など多くの問題がある。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、耐ＳＣＣ性に良好で、かつ、溶接性に優れた溶接用Ｎｉ基合金および沸騰水型原子炉用溶加材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施の形態の溶接用Ｎｉ基合金は、質量％で、Ｃｒ：２２．０以上２５．０以下、Ｃ：０．００５以上０．０５０以下、Ｆｅ：１．００以上３．００以下、Ｓｉ：０．０１以上０．５０以下、Ｎｂ：２．００以上５．００以下、Ｔｉ：０．０１以上０．７５以下、Ｍｎ：０．１０以上３．５０以下を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる。
【発明の効果】
【００１２】
本実施形態によれば、耐ＳＣＣ性に良好で、かつ、溶接性に優れた溶接用Ｎｉ基合金および沸騰水型原子炉用溶加材を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１で製造したＢＷＲ用溶加材を用いて溶接した溶接部の外観を観察した画像である。
【図２】実施例１で製造したＢＷＲ用溶加材を用いて溶接した溶接部の断面を観察した画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、実施の形態を説明する。
【００１５】
実施の形態における溶接用Ｎｉ基合金は、以下に示す化学組成範囲を有するＮｉ基合金で構成される。なお、以下の説明において、化学組成を表す％は、特に明記しない限り質量％とする。
【００１６】
実施の形態の溶接用Ｎｉ基合金は、Ｃｒ：２２．０％以上２５．０％以下、Ｃ：０．００５％以上０．０５０％以下、Ｆｅ：１．００％以上３．００％以下、Ｓｉ：０．０１％以上０．５０％以下、Ｎｂ：２．００％以上５．００％以下、Ｔｉ：０．０１％以上０．７５％以下、Ｍｎ：０．１０％以上３．５０％以下を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる。
【００１７】
上記した溶接用Ｎｉ基合金における不可避的不純物としては、例えば、Ｃｕ、Ｐ、およびＳなどが挙げられる。不可避的不純物は、例えば、溶接用Ｎｉ基合金を製造するときに必要な鉱石やスクラップなどの原材料や、製造工程から混入する成分である。
【００１８】
溶接用Ｎｉ基合金の形状は、特には限定されず、例えば塊状である。
【００１９】
上記した化学組成範囲を有する溶接用Ｎｉ基合金は、溶接用の溶加材として使用することができる。この溶接用Ｎｉ基合金は、ＢＷＲプラントの原子炉圧力容器内の炉内構造物を構成する部材全般を溶接するための溶加材、すなわちＢＷＲ用溶加材として好適に使用される。
【００２０】
ＢＷＲプラントの炉内構造物を構成する部材は、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ鋼などのステンレス鋼、インコネルなどのＮｉ基合金から構成される。
【００２１】
ＢＷＲプラントの稼動時において、溶接用Ｎｉ基合金によって溶接された炉内構造物の温度範囲は、ＰＷＲプラントよりも低く、例えば約２８０℃以上３００℃以下であり、平均温度は約２８８℃である。一方、ＰＷＲプラントの稼動時において、炉内構造物の平均温度は約３２５℃である。このように、ＰＷＲプラントに比べてＢＷＲプラントにおける炉内構造物の温度は低い。そのため、Ｃｒの含有量およびその他元素の含有量の範囲にて良好な耐ＳＣＣ性が得られるという理由から、実施の形態の溶接用Ｎｉ基合金はＢＷＲプラントに好適に用いることができる。
【００２２】
例えば、ＢＷＲプラントにおける炉内構造物を構成する部材の全てを実施の形態の溶接用Ｎｉ基合金で溶接してもよいし、炉内構造物を構成する部材の一部を実施の形態の溶接用Ｎｉ基合金で溶接してもよい。
【００２３】
実施の形態の溶接用Ｎｉ基合金は、従来の溶接用Ｎｉ基合金よりも、耐ＳＣＣ性および溶接性に優れている。このような実施の形態の溶接用Ｎｉ基合金によって溶接されたＢＷＲプラントの炉内構造物についても、耐ＳＣＣ性および溶接性に優れている。
【００２４】
ＢＷＲ用溶加材は、溶接用Ｎｉ基合金を棒状、ワイヤ状、粉末状などにしたものである。
【００２５】
次に、上記した実施の形態の溶接用Ｎｉ基合金における各化学組成範囲の限定理由を説明する。
【００２６】
（１）Ｃｒ（クロム）
Ｃｒは、溶接用Ｎｉ基合金の耐ＳＣＣ性、耐酸化性、耐食性および機械的強度を高めるのに不可欠な元素である。また、Ｃｒは、強化相であるＭ２３Ｃ６型炭化物の構成元素である。Ｃｒの含有率が２２．０％未満の場合には、ＢＷＲプラントの環境下において、十分な耐ＳＣＣ性が得られない。また、耐酸化性が低下する。一方、Ｃｒの含有率が増加するにつれて、溶接性が低下する。そして、Ｃｒの含有率が２５．０％を超えると、加工性が低下すると共に、材料としての価格が上がる。また、有害相であるσ相の析出により機械的強度が低下する。そのため、Ｃｒの含有率を２２．０％以上２５．０％以下とした。
【００２７】
（２）Ｃ（炭素）
Ｃは、溶解時の脱酸剤として、および機械的強度を高めるのに有用である。また、Ｃは、強化相であるＭ２３Ｃ６型炭化物の構成元素であると共に、鋳造時の溶湯の流動性を確保する効果を有する。Ｃの含有率が０．００５％未満の場合には、上記炭化物の十分な析出量を確保することができないため、機械的強度が低下するとともに、鋳造時の溶湯の流動性が低下する。一方、Ｃの含有率が０．０５０％を超えると、Ｃｒ炭化物の析出に伴い、粒界近傍にＣｒ欠乏が生じ、耐ＳＣＣ性が低下する。また、延性低下割れが生じやすくなる。そのため、Ｃの含有率を０．００５％以上０．０５０％以下とした。Ｃの含有率は、０．０１０％以上０．０４０％以下であることがより好ましい。
【００２８】
（３）Ｆｅ（鉄）
Ｆｅは、機械的強度を高めるのに有用である。Ｆｅの含有率が１．００％未満の場合には、機械的強度が低下する。一方、Ｆｅの含有率が３．００％を超えると、耐食性が低下する。そのため、Ｆｅの含有率を１．００％以上３．００％以下とした。Ｆｅの含有率は、１．５０％以上２．５０％以下であることがより好ましい。
【００２９】
（４）Ｓｉ（ケイ素）
Ｓｉは、溶解時の脱酸剤として有用であると共に、鋳造時の湯流れを向上させる効果を有する。Ｓｉの含有率が０．０１％未満の場合には、上記した効果が得られない。一方、Ｓｉの含有率が増加するにつれて、非金属介在物が生成され、耐食性が低下するので、Ｓｉの含有率は低いほうが好ましい。そして、Ｓｉの含有率が０．５０％を超えると、鋳造性や機械的強度が低下する。そのため、Ｓｉの含有率を０．０１％以上０．５０％以下とした。Ｓｉの含有率は、０．１０％以上０．３０％以下であることがより好ましい。
【００３０】
（５）Ｎｂ（ニオブ）
Ｎｂは、炭化物を形成することによりＣｒ炭化物の生成を抑制し、耐ＳＣＣ性を高める。Ｎｂの含有率が２．００％未満の場合には、ＢＷＲプラントの環境下において、十分な耐ＳＣＣ性が得られない。一方、Ｎｂの含有率が５．００％を超えると、粒界からのＣｒ炭化物の析出が促進され、耐ＳＣＣ性が低下する。さらに、溶接割れが生じやすくなる。そのため、Ｎｂの含有率を２．００％以上５．００％以下とした。Ｎｂの含有率は、２．００％以上３．００％以下であることがより好ましい。
【００３１】
（６）Ｔｉ（チタン）
Ｔｉは、炭化物を形成することによりＣｒ炭化物の生成を抑制し、耐ＳＣＣ性を高める。Ｔｉの含有率が０．０１％未満の場合には、ＢＷＲプラントの環境下において、十分な耐ＳＣＣ性が得られない。一方、Ｔｉの含有率が０．７５％を超えると、粒界からのＣｒ炭化物の析出が促進され、耐ＳＣＣ性が低下する。さらに、溶接割れが生じやすくなる。そのため、Ｔｉの含有率を０．０１％以上０．７５％以下とした。Ｔｉの含有率は、０．１０％以上０．５０％以下であることがより好ましい。
【００３２】
（７）Ｍｎ（マンガン）
Ｍｎは、オーステナイト安定化元素であると共に、脆性に起因するＳ（硫黄）と結合してＭｎＳとなり、脆性を防止し、強度や湯流れを向上させる。Ｍｎの含有率が０．１０％未満の場合には、上記した効果が得られない。一方、Ｍｎの含有率が３．５０％を超えると、Ｓなどと非金属介在物を形成しやすくなり、耐食性が低下する。さらに、オーステナイトの安定化によって、溶接割れ感受性が高くなる。そのため、Ｍｎの含有率を０．１０％以上３．５０％以下とした。
【００３３】
（８）Ｃｕ（銅）、Ｐ（リン）、およびＳ（硫黄）
Ｃｕ、Ｐ、およびＳは、実施の形態における溶接用Ｎｉ基合金において、不可避的不純物に分類されるものである。これらの不可避的不純物は、溶接用Ｎｉ基合金に残存する含有率を可能な限り０％に近づけることが好ましい。Ｃｕは、機械的強度を向上する一方、耐食性を低下する。そのため、Ｃｕの含有率は０．１０％以下に抑制されることが好ましい。Ｃｕの含有率が０．１０％以下であると、溶接割れが抑制される。Ｐは、粒界の脆化を生じさせて、耐食性を低下する。さらに、Ｐが偏析することによって、溶接割れが大幅に生じやすくなる。そのため、Ｐの含有率は０．００５％以下に抑制されることが好ましい。また、Ｓの含有率が０．０１０％よりも大きいと、Ｓは、Ｍｎと非金属介在物を形成し、耐食性を低下する。そのため、Ｓの含有率は、０．０１０％以下であることが好ましく、０．００５％以下に抑制されることがより好ましい。ＰおよびＳの含有率がそれぞれ０．００５％以下であると、凝固割れが抑制される。
【００３４】
なお、ＰやＳの含有率が上記範囲を超える場合には、脱リン処理や脱硫処理を施し、ＰやＳを上記範囲内の含有率とする。
【００３５】
ここで、実施の形態における溶接用Ｎｉ基合金、およびこの溶接用Ｎｉ基合金から構成されるＢＷＲ用溶加材の製造方法について説明する。
【００３６】
実施の形態における溶接用Ｎｉ基合金は、この溶接用Ｎｉ基合金を構成する組成成分を例えば細かい組成範囲を制御できる真空誘導溶解（ＶＩＭ）などを用いて溶解し、その溶湯を所定の型枠に注入して鋳塊を形成することで製造される。
【００３７】
また、実施の形態のＢＷＲ用溶加材は、実施の形態における溶接用Ｎｉ基合金を構成する組成成分を真空誘導溶解し、その溶湯を所定の型枠に注入して鋳塊を形成する。続いて、鋳塊を所定の温度、例えば１０００℃以上１１００℃以下で焼鈍した後、焼鈍した鋳塊を鍛造してスラブを形成する。溶解により偏析した鋳塊内の金属の結晶が均一に分散、微細化され、かつ内部欠陥を圧着させるため、鍛造中の鋳塊の温度は、１０５０℃以上を維持することが好ましい。続いて、スラブを圧延、例えば１１００℃以上１２００℃以下で熱間圧延して、線材を形成することで、鍛造により硬化したスラブが軟化され、その後の高加工が可能となる。続いて、線材を伸線加工して、ワイヤ状のＢＷＲ用溶加材が製造される。
【００３８】
なお、上記した溶接用Ｎｉ基合金およびＢＷＲ用溶加材を製造する方法は、一例を示すものであり、上記した方法に限定されるものではない。
【００３９】
上記したように、実施の形態の溶接用Ｎｉ基合金およびＢＷＲ用溶加材によれば、既存のＢＷＲ用溶加材を構成する合金、例えば８２合金に比べて優れた耐ＳＣＣ性を有すると共に、良好な溶接性を有する。そのため、実施の形態の溶接用Ｎｉ基合金をＢＷＲプラントにおける炉内構造物を溶接するためのＢＷＲ用溶加材に用いることによって、炉内構造物の溶接が容易になり、炉内構造物の溶接物における耐ＳＣＣ性はさらに向上する。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されない。
【００４１】
（実施例１）
表１に示す化学組成を有する実施例１の溶接用Ｎｉ基合金１を得るために必要な原材料を真空誘導溶解炉にて溶解し、直径１５０ｍｍ、長さ２００ｍｍの溶接用Ｎｉ基合金１の鋳塊を製造した。
【００４２】
続いて、製造した溶接用Ｎｉ基合金１の鋳塊の表面に形成された酸化皮膜を削り、押湯部分を切断した。続いて、鋳塊を、１１００℃±１０℃で焼鈍して、ハンマー鍛造機を用いて１１００℃で熱間鍛造した。なお、鍛造中に鋳塊が１０００℃以下になった場合、鋳造を中断し、鋳塊を１１００℃に再加熱して、鍛造を再開した。こうして、厚さ約４０ｍｍのスラブを得た。
【００４３】
続いて、スラブを約１１５０℃で熱間圧延して、直径１０ｍｍ、長さ２０ｍの線材を得た。このとき、線材の仕上がり温度は、約１０００℃であった。続いて、線材表面の欠陥の有無を確認した後、線材の先端を細くして、線材を伸線加工した。このとき、線材の表面に潤滑層を形成するため、線材の表面にシュウ酸と樹脂とによる皮膜処理を行った。伸線加工では、線材を５パスで直径約６ｍｍに延伸した。
【００４４】
続いて、延伸した線材を、有機溶剤で脱脂し、酸溶液で酸洗した。酸洗した線材を大気中において約１１５０℃で焼鈍した後、上記と同様に線材の表面にシュウ酸と樹脂とによる皮膜処理を行い、線材を伸線加工によって直径約３．５ｍｍに延伸した。
【００４５】
続いて、延伸した線材を、上記と同様に、有機溶剤で脱脂し、酸溶液で酸洗した。酸洗した線材を水素と窒素の混合ガス雰囲気中において約１１５０℃で焼鈍した後、上記と同様に線材の表面にシュウ酸と樹脂とによる皮膜処理を行い、線材を伸線加工によって直径約１．４ｍｍに延伸した。
【００４６】
続いて、延伸した線材を、上記と同様に、有機溶剤で脱脂し、酸溶液で酸洗した。酸洗した線材をアルゴンガス雰囲気中において約１０００℃で焼鈍した後、上記と同様に線材の表面にシュウ酸と樹脂とによる皮膜処理を行い、線材を伸線加工によって直径約１．２ｍｍに延伸した。こうして、溶接用Ｎｉ基合金１から構成されるＢＷＲ用溶加材１を製造した。
【００４７】
（実施例２〜３）
表１に示す化学組成を有する実施例２〜３の溶接用Ｎｉ基合金２〜３を得るために必要な原材料を用いた以外は実施例１と同様にして溶接用Ｎｉ基合金２〜３を製造した。また、実施例１と同様にして、溶接用Ｎｉ基合金２〜３から構成されるＢＷＲ用溶加材２〜３を製造した。
【００４８】
実施例で製造したＢＷＲ用溶加材１〜３について、下記の特性を評価した。
【００４９】
（溶接性）
製造したＢＷＲ用溶加材を用いて、入熱を１６０００Ｊ／ｃｍ、ベース電流を１４０Ａ、溶加材の送給速度を９００ｍｍ／ｍｉｎとして、ステンレス基板上に１層あたり１０パスで７層積層させて（合計７０パス）、ＴＩＧ溶接を行った。そして、溶接後の溶接部について、外観観察、染色浸透探傷試験、Ｘ線透過試験、断面のミクロ観察やマクロ観察、および側曲げ試験により、溶接性を評価した。表２に溶接性の評価結果を示す。溶接性の評価基準は以下の通りである。
【００５０】
Ａ：溶接部に割れが確認されない
Ｂ：溶接部に割れが確認された
【００５１】
図１は、実施例１で製造したＢＷＲ用溶加材１を用いて溶接した溶接部１００の外観を観察した画像である。ここでは、溶接性の評価時にＢＷＲ用溶加材１を用いてＴＩＧ溶接を行った後、溶接部１００の外観をデジタルカメラで観察した。また、図２は、実施例１で製造したＢＷＲ用溶加材１を用いて溶接した溶接部１００の断面を観察した画像である。ここでは、図１に示す溶接部１００を切断して、ステンレス基板２００上に形成した溶接部１００を光学顕微鏡で観察した。
【００５２】
（製造性）
溶接用Ｎｉ基合金を用いてＢＷＲ用溶加材を製造する製造性を評価した。具体的には、ＢＷＲ用溶加材の表面および断面を光学顕微鏡で観察し、表面および断面における割れの有無を確認した。表２に製造性の評価結果を示す。製造性の評価基準は以下の通りである。
【００５３】
Ａ：表面および断面に割れが確認されない
Ｂ：表面または断面に割れが確認された
【００５４】
【表１】
2017205800.tif 000003
【００５５】
【表２】
2017205800.tif 000004
【００５６】
表１〜２および図１〜２に示すように、溶接用Ｎｉ基合金１〜３から構成されるＢＷＲ用溶加材１〜３は、溶接性および製造性について良好であることから、耐ＳＣＣ性についても優れている。また、溶接部には偏析のような異常組織はみられなかった。
【００５７】
実施例１〜３によれば、耐ＳＣＣ性に良好で、かつ、溶接性に優れた溶接用Ｎｉ基合金および沸騰水型原子炉用溶加材を提供することができる。
【００５８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５９】
１００…溶接部、２００…ステンレス基板。
【図１】
2017205800.tif 000005
【図２】
2017205800.tif 000006