(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記の組成（重量％）：
最大０．０２％の炭素；
最大０．８％のマンガン；
最大０．０２％のリン；
最大０．０１５％のイオウ；
最大０．６％のケイ素；
４．５％〜５．５％のニッケル；
０．４％〜０．７％のモリブデン；
１０％〜１２．５％のクロム；
最大０．１％の銅；
残りは鉄および付随的不純物
からなる溶接用溶加材合金。
【請求項２】
マンガンの含有量が最大０．６％およびニッケルの含有量が４．５％〜５．０％である請求項１の溶加材合金。
【請求項３】
マンガンの含有量が最大０．６％；
リンの含有量が最大０．０１５％；
ケイ素の含有量が最大０．３％；
ニッケルの含有量が４．５％〜５．０％；および
クロムの含有量が１０％〜１２％
である請求項１の溶加材合金。
【請求項４】
リンの含有量が最大０．０１５％；
ケイ素の含有量が最大０．３％；
ニッケルの含有量が４．６％〜５．０％；および
クロムの含有量が１０％〜１２％
である請求項１の溶加材合金。
【請求項５】
下記の工程：
（ａ）望ましいステンレス鋼組成のステンレス鋼部品を供給し；
（ｂ）溶接される該ステンレス鋼部品を、９８２．２℃〜１０９３℃でオーステナイト化し；
（ｃ）アーク溶接技術を用い、さらに以下の組成（重量％）：
最大０．０２％の炭素；
４．５〜５．５％のニッケル；
０．４〜０．７％のモリブデン；
１０〜１２．５％のクロム；
最大０．１％の銅；
最大０．８％のマンガン；
最大０．０２％のリン；
最大０．０１５％のイオウ；
最大０．６％のケイ素；
残りは鉄および付随的不純物
からなる溶加材合金を用いて溶接することにより、該部品を接合して溶接組立品を供給し；次いで
（ｄ）該溶接組立品を、４９９℃〜７０４．４℃で焼戻すこと
を含むステンレス鋼部品の溶接方法。
【請求項６】
工程（ａ）において供給されるステンレス鋼部品がマルテンサイト系ステンレス鋼を含む請求項５の方法。
【請求項７】
前記マルテンサイト系ステンレス鋼部品が１３Ｃｒ-４Ｎｉ系ステンレス鋼である請求項６の方法。
【請求項８】
溶接される部品を接合してインペラー組立品を形成する請求項５の方法。
【請求項９】
前記インペラーがコンプレッサーに用いられる請求項８の方法。
【請求項１０】
オーステナイト化工程（ｂ）が９９３．３℃〜１０６６℃の温度で行われ；
接合工程（ｃ）のアーク溶接が、ガスタングステンアーク溶接技術またはサブマージアーク溶接技術の１つを用いて行われ；
溶加材合金が、ソリッドロッドまたはソリッドワイヤーの形態であり、かつ、最大０．６％のマンガンおよび４．５〜５．０％のニッケルを含み；
焼戻し工程（ｄ）が５９０．６℃〜６１８．３℃の温度で行われる請求項５の方法。
【請求項１１】
溶加材合金が、コアードロッドまたはコアードワイヤーの形態であり、かつ
溶加材合金の組成が重量％で：
最大０．０１５％のリン；
最大０．３％のケイ素；
４．５〜５．０％のニッケル；および
１０〜１２％のクロム
を含む請求項１０の方法。
【請求項１２】
オーステナイト化工程（ｂ）が、９９３．３℃〜１０６６℃の温度で行われ；
接合工程（ｃ）のアーク溶接が、被覆アーク溶接技術を用いて行われ；
溶加材合金が被覆溶接棒の形態であり、かつ、
溶加材合金の組成が、最大０．０１５％のリン；最大０．３％のケイ素；４．６〜５．０％のニッケル；１０〜１２％のクロムを含み；
焼戻し工程（ｄ）が６６２．８℃〜６９０．６℃の温度で行われ；次いで
第２焼戻し工程が、焼戻し工程（ｄ）に続いて、５９０．６℃〜６１８．３℃の温度で行われる請求項５の溶接方法。
【請求項１３】
オーステナイト化工程（ｂ）が９９３．３℃〜１０６６℃の温度で行われ；
接合工程（ｃ）のアーク溶接が、ガスタングステンアーク溶接技術またはサブマージアーク溶接技術の１つを用いて行われ、
溶加材合金が、ソリッドロッドまたはソリッドワイヤーの形態であり、かつ、最大０．６％のマンガンおよび４．５〜５．０％のニッケルを含み；次いで
焼戻し工程（ｄ）が４９９℃〜６０４．４℃の温度で行われる請求項５の溶接方法。
【請求項１４】
溶加材合金がコアードロッドまたはコアードワイヤーの形態であり；
さらに溶加材合金の組成が、最大０．０１５％のリン；最大０．３％のケイ素；および１０〜１２％のクロムを含む請求項１３の溶接方法。
【請求項１５】
オーステナイト化工程（ｂ）が９９３．３℃〜１０６６℃の温度で行われ；
接合工程（ｃ）のアーク溶接が、被覆アーク溶接技術を用いて行われ、
溶加材合金が被覆溶接棒の形態であり、かつ、
溶加材合金の組成が、最大０．０１５％のリン；最大０．３％のケイ素；４．６〜５．０％のニッケル；１０〜１２％のクロムを含み、
さらに焼戻し工程（ｄ）が４９９℃〜６０４．４℃の温度で行われる請求項５の溶接方法。
【請求項１６】
前記ステンレス鋼部品が、少なくとも１つのハブ、少なくとも１つのカバーおよび複数のブレードを含み、かつ、請求項５の方法により製作されるインペラー。
【請求項１７】
ステンレス鋼部品がマルテンサイト系ステンレス鋼である請求項１６のインペラー。
【請求項１８】
前記ステンレス鋼が１３Ｃｒ-４Ｎｉ系ステンレス鋼であり、かつ、溶加材合金が最大０．６％のマンガンおよび４．５〜５．０％のニッケルを含む請求項１６のインペラー。
【請求項１９】
前記ステンレス鋼が１３Ｃｒ-４Ｎｉ系ステンレス鋼であり、かつ、
溶加材合金が、最大０．６％のマンガン；最大０．０１５％のリン；最大０．３％のケイ素；４．５〜５．０％のニッケル；および１０〜１２％のクロムを含む請求項１６のインペラー。
【請求項２０】
前記ステンレス鋼が１３Ｃｒ-４Ｎｉ系ステンレス鋼であり、かつ、
溶加材合金が、最大０．０１５％のリン；最大０．３％のケイ素；４．６〜５．０％のニッケル；および１０〜１２％のクロムを含む請求項１６に記載のインペラー。
【請求項２１】
石油化学系腐食性流体への暴露および低温用途のコンプレッサーに用いられるインペラーであって、
中心ハブ；
中心ハブから間隔をおいた外部カバー；
対向した長いエッジ部分を有する複数のブレード
を含み、
各ブレードの第１エッジ部分が、溶接によりインペラーの中心ハブに接合され、各ブレードの対向したエッジ部分が、溶接ビードによりインペラーの外部カバーに接合されており；
ブレード、ハブおよびカバーは１３Ｃｒ-４Ｎｉ系ステンレス鋼製であり；さらに
ブレードをハブおよびカバーに接合する溶接ビードが、重量％で
最大０．０２％の炭素、
最大０．８％のマンガン、
最大０．０２％のリン、
最大０．０１５％のイオウ、
最大０．６％のケイ素、
４．５〜５．５％のニッケル、
０．４〜０．７％のモリブデン、
１０〜１２．５％のクロム、
最大０．１％の銅、
残りは鉄および付随的不純物
からなる溶加材合金によって形成されるインペラー。
【請求項２２】
石油化学系腐食性流体への暴露および低温を含む不良環境に用いられる製品であって、
該製品は１３Ｃｒ-４Ｎｉ系ステンレス鋼製の複数の部品を含み、
該部品は複数の溶接ビードにより接合され、
さらに該溶接ビードが、重量％で、
最大０．０２％の炭素、
最大０．８％のマンガン、
最大０．０２％のリン、
最大０．０１５％のイオウ、
最大０．６％のケイ素、
４．５〜５．５％のニッケル、
０．４〜０．７％のモリブデン、
１０〜１２．５％のクロム、
最大０．１％の銅、
残りは鉄および付随的不純物
からなる溶加材合金により形成される製品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般にステンレス鋼部品を接合するための溶接方法および溶加材に関し、より好ましくは、石油化学の環境において高い耐食性を有するきれいな溶接金属を形成できる溶接方法および溶加材に関する。なお、この高い耐食性は、低温における引張強度および靭性といった高い機械的特性に結びつく。
【０００２】
【技術的背景】
ステンレス鋼は、通常溶接ロッドまたはワイヤーの形態で、ベースのステンレス鋼と実質的に同じ化学的組成を有する溶加材を用いて溶接される。そうすることで、溶接金属の機械的特性および耐食性の低下に関する問題が、接合されるベースメタルの型によって生じる。このことは、溶接組立品が腐食環境、たとえば硫化水素の暴露が問題となっている石油化学工業で見られるような腐食環境で用いられる場合、特に厄介になる。このような暴露は、特に溶接金属における過度の腐食につながる。過度の腐食は、最終的には溶接部の早期破損となるであろう。
【０００３】
高い剪断応力を受ける溶接組立品、たとえばコンプレッサーに用いられるインペラーにとって、機械的特性の低下および溶接金属の過度の腐食は、溶接破損となるだけでなく、コンプレッサーの他の部分にも損傷をあたえる可能性がある。インペラーは、極端な温度条件、たとえば典型的にはアラスカ油田または北海油田において冬季に直面する極端な寒さにおいても、その特性を維持しなければならない。
【０００４】
ステンレス鋼を溶接するための溶接溶加材合金は、典型的には鉄と種々の他の合金元素からなり、典型的には以下の元素が挙げられる：
（１）炭素、過剰量の炭素はカーバイドとして析出し、クロムおよび他の機能性合金元素を消費し、それらの有効含有量を低下させる。
（２）ケイ素、脱酸素剤として有用な元素であるが、溶接金属の靭性に悪影響をもたらす。特に、1重量％を超えるケイ素含有量は金属間化合物、たとえばシグマ相の生成を促進し、溶接金属の耐食性および靭性を低下させる。
【０００５】
（３）マンガンは、効果的な脱酸素元素であり、溶接金属への窒素の溶解度を増加させる。1.5重量％を超えるマンガン含有量は、好ましくないことに溶接金属の耐食性および靭性を低下させる。
（４）リンは、不可避的に製鋼材からもたらされ、得られる合金鋼に不純物として残る。リン含有量は可能な限り低くすることが好ましい。0.04重量％を超えるリン含有量は、耐孔食および靭性を低下させ、高温クラッキングに対する感度を増す。
【０００６】
（５）イオウは、リンと同様、不可避的に製鋼材から導入され、得られる合金鋼に不純物として残る。0.02重量％を超えるイオウは、耐孔食を低下させ、高温クラッキングに対する感度を増加させる。
（６）ニッケルは、オーステナイト安定化元素であり、溶接金属中のフェライト相の形成を抑制する。
【０００７】
（７）クロムは、ステンレス鋼の十分な耐食性を確保するために必要である。過剰なクロムは金属間化合物、たとえばシグマ相の析出を促進し、鋼の靭性を著しく低下させる。
（８）モリブデンは、溶接金属の耐孔食を増加させる元素であり、シグマ相の析出を促進できる。モリブデンの好適な量は、シグマ相の析出を促進させずに、溶接金属の耐孔食を増加させる。
【０００８】
（９）銅は、耐食性、特に硫酸に対する耐食性を向上させるが、溶接金属の靭性を低下させる。
Murataらによる米国特許No.6,042,782は、ステンレス鋼の消耗または非消耗溶接棒溶接における用途の溶接材料であって、優れた耐食性および機械的特性を有する溶接金属を形成することができる溶接材料を開示している。この溶接材料は、鉄皮および鉄皮に包まれた溶加材で構成される複合溶接ワイヤーである。
【０００９】
Ishikawaらによる米国特許No.5,556,561は、オーステナイト系ステンレス鋼とフェライト鋼との間の溶接接合部を形成する方法を開示している。この方法は、高い耐食性および高い機械的特性、たとえば引張強度および靭性を有するきれいな溶接金属を形成する。
強靭で、耐食性で、マルテンサイト系のステンレス合金鋼、たとえば13Cr-4Ni系ステンレス鋼は、低温や石油化学用途を対象としたコンプレッサーに用いられるようなインペラーとしての用途に好ましい。しかし、市販されている従来技術の溶接溶加材は不良環境において必要な耐食性および極端な低温下での強度を与えない。
【００１０】
したがって、13Cr-4Ni系合金材料のようなステンレス鋼成分からなる強靭で、耐食性のある組立品を溶接する方法および溶加材の開発が必要である。この13Cr-4Ni系合金材料は、腐食性環境または極端な低温環境において特性を維持し、たとえばコンプレッサーに用いられるインペラーのような用途がある。
【００１１】
【発明の概要】
本発明は、最終組立品のステンレス鋼部品、特に13Cr-4Ni系ステンレス鋼部品の溶接のための溶加材として用いることができる金属合金を対象とする。溶接用溶加材合金は、重量％で最大0.02％の炭素；最大0.8％のマンガン；最大0.02％のリン；最大0.015％のイオウ；最大0.6％のケイ素；4.5％〜5.5％のニッケル；0.4％〜0.7％のモリブデン；10％〜12.5％のクロム；最大0.1％の銅；および残りは基本的に鉄および付随的不純物を含む。
【００１２】
溶加材合金は、より好ましくは重量％で0.0001〜0.02％の炭素；0.0001〜0.8％のマンガン；0.0001〜0.02％のリン；0.0001〜0.015％のイオウ；0.0001〜0.06％のケイ素；4.5〜5.5％のニッケル；0.4〜0.7％のモリブデン；10〜12.％のクロム；0.0001〜0.01％の銅；残りは基本的に鉄および付随的不純物から本質的になる。
【００１３】
本発明は、さらにステンレス鋼部品の溶接方法を対象とし、この溶接方法は以下の工程を含む：
(a)溶接されるステンレス鋼部品、好ましくは13Cr-4Ni系ステンレス合金鋼で形成される部品を供給し；
(b)溶接される該ステンレス鋼部品を、1800°F〜2000°F（982.2℃〜1093℃）の間の温度でオーステナイト化し；
(c)従来のアーク溶接技術を用いて、重量％で最大0.02％、より好ましくは0.0001〜0.02％の炭素；
最大0.8％、より好ましくは0.0001〜0.8％のマンガン；
最大0.02％、より好ましくは0.0001〜0.02％のリン；
最大0.015％、より好ましくは0.0001〜0.015％のイオウ；
最大0.6％、より好ましくは0.0001〜0.6％のケイ素；
4.5〜5.5％のニッケル；
0.4〜0.7％のモリブデン；
10〜12.5％のクロム；
最大0.1％、より好ましくは0.0001〜0.01％の銅；
残りは基本的に鉄および付随的不純物を含む溶加材を利用して、該オーステナイト化した部品を溶接して溶接組立品を供給し；次いで
(d)該溶接組立品を930°F〜1300°F（499℃〜704.4℃）の温度で焼戻す。
【００１４】
本発明の方法の実施態様により、インペラー部品がステンレス鋼、好ましくは13Cr-4Ni系ステンレス鋼であるコンプレッサー用インペラーが、上記溶加材合金で溶接して製造される。また、本発明は、本発明の溶加材によって溶接されたステンレス鋼の部品からなるコンプレッサー用インペラーについても対象とし、向上した機械的特性および耐食特性を与えるため、低温や石油化学用途において有用である。
【００１５】
本発明のこれらの利点および他の利点は、添付した図面（図面中の同一の参照符号は同一の構成要素を表す）とともに、好ましい実施態様の説明において明確にする。
【００１６】
【好ましい実施態様の詳細な説明】
本発明は、ステンレス鋼、特にマルテンサイト系ステンレス鋼部品を溶接する際に、溶加材として用いる独特の合金組成を提供する。市販されている溶加材、中でもスウェーデンにあるESABおよびアメリカ合衆国、ニュージャージー州にあるTECHALLOY Companyから市販されている溶加材を評価した。コンプレッサー用インペラーに要求される硬度レベルまたは低温特性を有する溶着物を生成できる溶加材はなかった。こうした問題を克服するために、ステンレス鋼部品の溶接に用いられる、好ましい溶加材合金組成を開発した。特に、この溶加材合金は、好ましいベースメタルであるマルテンサイト系ステンレス鋼および特に好ましいベースメタルである13Cr-4Ni系ステンレス鋼と相溶性がある。また、この溶加材合金は13Cr-4Ni系ステンレス鋼と類似の化学的組成を有する。
【００１７】
溶加材合金の好ましい組成は、採用される溶接方法および求められる溶接ロッドまたはワイヤーの型によって変化する。ガスタングステンアーク溶接（以後「GTAW」）技術またはサブマージアーク溶接（以後「SAW」）技術が用いられ、かつ溶加材合金がソリッドロッドまたはソリッドワイヤーの形態である場合、好ましい溶加材合金組成は、重量％で最大0.02％、またはより好ましくは0.0001〜0.02％の炭素；最大0.6％、またはより好ましくは0.0001〜0.6％のマンガン；最大0.02％、またはより好ましくは0.0001〜0.02％のリン；最大0.015％、またはより好ましくは0.0001〜0.015％のイオウ；最大0.06％、またはより好ましくは0.0001％〜0.6％のケイ素；4.5〜5.0％のニッケル；0.4〜0.7％のモリブデン；10〜12.5％のクロム；最大0.1％、またはより好ましくは0.0001〜0.1％の銅；残りは基本的に鉄および付随的不純物を含む。
【００１８】
GTAWまたはSAW技術が用いられ、かつ溶加材合金がコアードロッドまたはコアードワイヤーの形態である場合、好ましい溶加材合金は、重量％で最大0.02％、または0.0001〜0.02％の炭素；最大0.6％、または0.0001〜0.6％のマンガン；最大0.015％、または0.0001〜0.015％のリン；最大0.015％、または0.0001〜0.015％のイオウ；最大0.3％、または0.0001〜0.3％のケイ素；4.5〜5.0％のニッケル；0.4〜0.7％のモリブデン；10〜12.0％のクロム；最大0.1％、または0.0001〜0.1％の銅；残りは基本的に鉄および付随的不純物を含む。
【００１９】
被覆アーク溶接（以後「SMAW」）が用いられ、かつ溶加材合金が被覆溶接棒の形態である場合、好ましい溶加材合金は、重量％で最大0.02％、または0.0001〜0.02％の炭素；最大0.8％、または0.0001〜0.8％のマンガン；最大0.015％、または0.0001〜0.015％のリン；最大0.015％、または0.0001〜0.015％のイオウ；最大0.3％、または0.0001〜0.3％のケイ素；4.6〜5.0％のニッケル；0.4％〜0.7％のモリブデン；10〜12.0％のクロム；最大0.1％、または0.0001〜0.1％の銅；残りは基本的に鉄および付随的不純物を含む。
【００２０】
溶加材合金は、硫化水素用途に対してはNACE MR0175の要求を満たす溶着物を生成しなければならない。このNACE規格にて、一般に石油化学工業において遭遇するような不良環境における溶着物の耐食性能を評価する。また、溶加材合金は、-152°F（-102℃）という低温（典型的に北海油田の用途に特定される）で要求される低温靭性を有する溶着物を生成できなければならない。この衝撃靭性はCharpy V-ノッチ衝撃試験を用いて評価される。
【００２１】
また、本発明の方法は、上記の様々な要求を満足する溶着物を生成する最適溶接条件についても提供する。本発明の溶接方法に含まれる一般的な工程として、以下の工程が挙げられる：
(a)接合されるステンレス鋼合金部品（低温用途のための耐食性および良好な機械的特性をもつ13Cr-4Ni系ステンレス鋼のような組成からなる）を供給し；
(b)オーステナイト化工程。最初にステンレス鋼部品が均一に熱せられることを確実にするために十分な時間でオーステナイト化させる。この時間は結晶成長を促進させるほどの長さではない。オーステナイト化工程の時間は金属部品の厚さに依存し、典型的には金属部品の厚さ１インチあたり１時間を超えない；
(c)溶接工程。従来のアーク溶接方法を用いて溶接することにより、該部品が接合される。好ましい溶接方法として、GTAW、SAWおよびSMAWが挙げられる。上記の本発明の溶加材合金組成には、ソリッドロッド、ソリッドワイヤー、コアードロッド、コアードワイヤー、または被覆溶接棒形態のいずれかが用いられる。溶接は１インチあたり50,000ジュール以下の溶接入熱を用いて行われ、溶接組立品を形成することが好ましい；次いで
(d)焼戻し工程。溶接組立品は、特定温度に溶接組立品を維持することにより、焼戻しされる。焼戻しの時間は溶接組立品の厚さにより変わる。焼戻し工程の好ましい時間は、焼戻しされる金属組立品の厚さ１インチに対して約１時間である。
【００２２】
GTAWまたはSAW技術が、ソリッドロッドまたはソリッドワイヤーの形態の溶加材とともに用いられ、かつ硫化水素用途を想定する場合、ステンレス鋼部品、好ましくは13Cr-4Ni系ステンレス鋼を溶接する好ましい方法として、以下の工程が挙げられる：
(a)ステンレス鋼部品、好ましくは13Cr-4Ni系ステンレス鋼製の部品を供給し；
(b)該ステンレス鋼部品を、約1820°F〜1950°F（993.3℃〜1066℃）の温度でオーステナイト化し；
(c)GTAWまたはSAW技術のいずれかを用いて溶接することにより、該部品を接合して溶接組立品を供給し（なお、溶加材合金はソリッドロッドまたはソリッドワイヤーの形態であり、かつ重量％で：
最大0.02％、または0.0001〜0.02％の炭素；
最大0.6％、または0.0001〜0.6％のマンガン；
最大0.02％、または0.0001〜0.02％のリン；
最大0.015％、または0.0001〜0.015％のイオウ；
最大0.6％、または0.0001〜0.6％のケイ素；
4.5〜5.0％のニッケル；
0.4〜0.7％のモリブデン；
10〜12.5％のクロム；
最大0.1％、または0.0001〜0.1％の銅；
残りは基本的に鉄および付随的不純物を含む）；
(d)該溶接組立品を、約1225°F〜1275°F（662.8℃〜690.6℃）の温度で焼戻す第１段階；次いで
(e)溶接されて第１段階で焼戻した組立品を、約1095°F〜1145°F（590.6℃〜618.3℃）の温度で焼戻す第２段階。
【００２３】
GTAWまたはSAW技術が、コアードロッドまたはコアードワイヤーの形態の溶加材とともに用いられ、かつ硫化水素用途を想定する場合、ステンレス鋼部品、好ましくは13Cr-4Ni系ステンレス鋼を溶接する好ましい方法として、以下の工程が挙げられる：
(a)ステンレス鋼部品、好ましくは13Cr-4Ni系ステンレス鋼製の部品を供給し；
(b)該ステンレス鋼部品を、約1820°F〜1950°F（993.3℃〜1066℃）の温度でオーステナイト化し；
(c)GTAWまたはSAW技術のいずれかを用いて溶接することにより、該部品を接合して溶接組立品を供給し
（なお、溶加材合金はコアードロッドまたはコアードワイヤーの形態であり、かつ重量％で：
最大0.02％、または0.0001〜0.02％の炭素；
最大0.6％、または0.0001〜0.6％のマンガン；
最大0.015％、または0.0001〜0.015％のリン；
最大0.015％、または0.0001〜0.015％のイオウ；
最大0.3％、または0.0001〜0.3％のケイ素；
4.5〜5.0％のニッケル；
0.4〜0.7％のモリブデン；
10〜12.0％のクロム；
最大0.1％、または0.0001〜0.1％の銅；
残りは基本的に鉄および付随的不純物を含む）；
(d)該溶接組立品を、約1225°F〜1275°F（662.8℃〜690.6℃）の温度で焼戻す第１段階；次いで
(e)溶接されて第１段階で焼戻した組立品を、約1095°F〜1145°F（590.6℃〜618.3℃）の温度で焼戻す第２段階。
【００２４】
SMAW技術が、被覆溶接棒の形態の溶加材合金とともに用いられ、かつ硫化水素用途を想定する場合、ステンレス鋼部品を溶接する好ましい方法として、以下の工程が挙げられる：
(a)望ましい組成のステンレス鋼部品を供給し；
(b)該ステンレス鋼部品を、約1820°F〜1950°F（993.3℃〜1066℃）の温度でオーステナイト化し；
(c)SMAW技術を用いて溶接することにより、該部品を接合して溶接組立品を供給し（なお、溶加材合金は被服溶接棒の形態であり、かつ重量％で：
最大0.02％、または0.0001〜0.02％の炭素；
最大0.8％、または0.0001〜0.8％のマンガン；
最大0.015％、または0.0001〜0.015のリン；
最大0.015％、または0.0001〜0.015％のイオウ；
最大0.3％、または0.0001〜0.3％のケイ素；
4.6〜5.0％のニッケル；
0.4〜0.7％のモリブデン；
10〜12.0％のクロム；
最大0.1％、または0.0001〜0.1％の銅；
残りは基本的に鉄および付随的不純物を含む）；
(d)該溶接組立品を、約1225°F〜1275°F（662.8℃〜690.6℃）の温度で焼戻す第１段階；次いで
(e)溶接されて第１段階で焼戻した組立品を、約1095°F〜1145°F（590.6℃〜618.3℃）の温度で焼戻す第２段階。
【００２５】
GTAWまたはSAW技術が、ソリッドロッドまたはソリッドワイヤーの形態の溶加材とともに用いられ、かつ -152°F（-102℃）という低温用途を想定する場合、ステンレス鋼部品、好ましくは13Cr-4Ni系ステンレス鋼を溶接する好ましい方法として、以下の工程が挙げられる：
(a)ステンレス鋼部品、好ましくは13Cr-4Ni系ステンレス鋼の部品を供給し；
(b)該ステンレス鋼部品を、約1820°F〜1950°F（993.3℃〜1066℃）の温度でオーステナイト化し；
(c)該ステンレス鋼部品を、約950°F〜1120°F（510℃〜604.4℃）の温度で焼戻し；
(d)GTAWまたはSAW技術のいずれかを用いて溶接することにより、該部品を接合して溶接組立品を供給し（なお、溶加材合金はソリッドロッドまたはソリッドワイヤーの形態であり、かつ重量％で：
最大0.02％、または0.0001〜0.02％の炭素；
最大0.6％、または0.0001〜0.6％のマンガン；最大0.02％、または0.0001〜0.02％のリン；
最大0.015％、または0.0001〜0.015％のイオウ；
最大0.6％、または0.0001〜0.6％のケイ素；
4.5〜5.0％のニッケル；0.4〜0.7％のモリブデン；
10〜12.5％のクロム；最大0.1％、または0.0001〜0.1％の銅；残りは基本的に鉄および付随的不純物を含む）；次いで
(e)該溶接組立品を、約930°F〜1120°F（499℃〜604.4℃）の温度で焼戻す。
【００２６】
GTAWまたはSAW技術が、コアードロッドまたはコアードワイヤーの形態の溶加材とともに用いられ、かつ -152°F（-102℃）という低温用途を想定する場合、ステンレス鋼部品、好ましくは13Cr-4Ni系ステンレス鋼を溶接する好ましい方法として、以下の工程が挙げられる：
(a)ステンレス鋼部品、好ましくは13Cr-4Ni系ステンレス鋼の部品を供給し；
(b)該ステンレス鋼部品を、約1820°F〜1950°F（993.3℃〜1066℃）の温度でオーステナイト化し；
(c)該ステンレス鋼部品を、約950°F〜1120°F（510℃〜604.4℃）の温度で焼    戻し；
(d)GTAWまたはSAW技術のいずれかを用いて溶接することにより、該部品を接合して溶接組立品を供給し（なお、溶加材合金はコアードロッドまたはコアードワイヤーの形態であり、かつ重量％で：
最大0.02％、または0.0001〜0.02％の炭素；
最大0.6％、または0.0001〜0.6％のマンガン；
最大0.015％、または0.0001〜0.015％のリン；
最大0.015％、または0.0001〜0.015％のイオウ；
最大0.3％、または0.0001〜0.3％のケイ素；
4.5〜5.0％のニッケル；
0.4〜0.7％のモリブデン；
10〜12.0％のクロム；
最大0.1％、または0.0001〜0.1％の銅；
残りは基本的に鉄および付随的不純物を含む）；次いで
(e)該溶接組立品を、約930°F〜1120°F（499℃〜604.4℃）の温度で焼戻す。
【００２７】
GTAWまたはSAW溶接技術が、本発明の接合工程(d)で用いられる場合、入熱が１インチあたり50,000ジュールを超えない事が好ましい。
SMAW溶接技術が、被覆溶接棒の形態の溶加材とともに用いられ、かつ -152°F（-102℃）という低温用途を想定する場合、ステンレス鋼部品、好ましくは13Cr-4Ni系ステンレス鋼を溶接する方法として、以下の工程が挙げられる：
(a)ステンレス鋼部品、好ましくは13Cr-4Ni系ステンレス鋼の部品を供給し；
(b)該ステンレス鋼部品を、約1820°F〜1950°F（993.3℃〜1066℃）の温度でオーステナイト化し；
(c)該ステンレス鋼部品を、約950°F〜1120°F（510℃〜604.4℃）の温度で焼戻し；
(d)SMAW技術を用いて溶接することにより、該ステンレス鋼部品を接合して溶接組立品を供給し（なお、溶加材合金は被服溶接棒の形態であり、かつ重量％で：
最大0.02％、または0.0001〜0.02％の炭素；
最大0.8％、または0.0001〜0.8％のマンガン；
最大0.015％、または0.0001〜0.015％のリン；
最大0.015％、または0.0001〜0.015％のイオウ；
最大0.3％、または0.0001〜0.3％のケイ素；
4.6〜5.0％のニッケル；
0.4〜0.7％のモリブデン；
10〜12.0％のクロム；
最大0.1％、または0.0001〜0.1％の銅；
残りは基本的に鉄および付随的不純物を含む）；次いで
(e)該溶接組立品を、約930°F〜1120°F（499℃〜604.4℃）の温度で焼戻す。
【００２８】
本発明の好ましい実施態様は、上記の溶接方法の何れかを用いることを含み、金属部品がステンレス鋼、好ましくはマルテンサイト系ステンレス鋼、最も好ましくは13Cr-4Ni系ステンレス鋼であり、インペラー組立品の部品がブレード、ハブおよびカバーの形態である。得られるインペラー組立品は、好ましくはコンプレッサーに用いられる。
【００２９】
本発明の部品に用いられる好ましいステンレス鋼合金組成は、13Cr-4Niステンレス鋼である。合金13Cr-4Niは重量％で：0.015〜0.03％の炭素；12〜14％のクロム；3.5〜4.5％のニッケル；0.3〜0.7％のモリブデン；0.3〜0.6％のケイ素；0.5〜1％のマンガン；最大0.025％のリン；0.005％のイオウ；0.02〜0.05％の窒素；残りは基本的に鉄および付随的不純物を含む。
【００３０】
図１および図２を参照すると、本発明のコンプレッサー用インペラー組立品６が示されている。インペラー組立品６は、ハブ１、および溶接ビード４により接合されて一体となったブレード３を有するカバー２を含む。また、インペラー組立品６は、コンプレッサー（図示していない）の駆動軸に適合する径(bore)５も含む。ブレード３の第１側面はハブ１の側面に溶接され、ブレード３の反対側面はカバー２の側面に溶接されている。本発明の好ましい実施態様において、ハブ１、カバー２およびブレード３はステンレス鋼、好ましくはマルテンサイト系ステンレス鋼、最も好ましくは13Cr-4Ni系ステンレス鋼である。溶接ビードを形成する溶加材合金は、本発明の溶加材合金組成である。複数のブレード３はこのようにハブ１に接合されて、本発明の１つの観点であるインペラー組立品６の構造を得る。
【００３１】
本発明の方法および溶接溶加材合金を用いて製造されたインペラー組立品６は、硫化水素用途に対するNACE MR0175の要求を満たしており、さらに温度用途、すなわちCharpy V-ノッチ衝撃試験により測定した -152°F（-102℃）という低温に対して必要となる靭性も示した。
また、上記の方法は、コンプレッサーの用途のインペラーを製造するために用いられる場合、より効率的なインペラー製造方法を提供する。本発明の方法は、より低い予熱温度しか必要としない上に、得られるインペラー組立品の完全な熱処理を必要としない。また、本発明によって得られるインペラーは、対象となる用途条件の各々に対して構成材料を特注するのではなく、１つの材料からなる一般的に使用されるコンプレッサー用インペラーを提供することにより、効率的でもある。本発明の溶加材合金を用いることで、好ましい13Cr-4Ni系ステンレス鋼の改善された溶接性は、修理費および製造サイクル時間を減少させる。これらの改善は、得られるコンプレッサー用インペラー組立品の全体的な製造コストを減少させる。
【００３２】
本発明の特定の実施態様を詳細に説明したが、当業者には、これらの詳細に対する種々の変更および代替が、開示内容の教示に照らして発展され得ることが分かるであろう。本明細書に記載した現在好ましい実施態様は、説明したものだけを意味するのではなく、また本発明の範囲に限定されるものでもなく、付記した請求項およびこれの全ての均等物に、十分な広がりが与えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明によって作られたステンレス鋼インペラーの断片側面図の一部である。
【図２】  図２は、図１の区分線II-IIに沿って切り取られたインペラーのブレードの断面図である。
【図１】
0004170623.tif 000002
【図２】
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