オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手
【課題】優れた耐粒界腐食性および耐溶接割れ性を有するオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手を提供する。
【解決手段】Nbおよび／またはVを含有する耐粒界腐食性に優れたSUS310系ステンレス鋼を溶接するに際し、C：0.03％以下、Si：0.65％以下、Mn：1.0〜2.5％、Cr：19.5〜25％、Ni：9〜14％、Mo：0〜0.75％、Cu：0〜0.75％、N：0.1％以下、P：0.03％以下、S：0.03％以下を含有し、残部はFeおよび不純物からなる溶接材料を用いて得られる溶接金属の初層部における化学組成が、C：0.026％以下、Si：0.2％〜0.65％、Mn：0.01〜2％、Cr：19．5〜25.5％、Ni：9〜17.5％、Mo：0.75％以下、Cu：0〜0.75％、N：0.07％以下、P：0.03％以下、S：0.002％以下、Nb：0.1％以下およびV：0.15％以下の１種または２種を含有し、残部はFeおよび不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【解決手段】Nbおよび／またはVを含有する耐粒界腐食性に優れたSUS310系ステンレス鋼を溶接するに際し、C：0.03％以下、Si：0.65％以下、Mn：1.0〜2.5％、Cr：19.5〜25％、Ni：9〜14％、Mo：0〜0.75％、Cu：0〜0.75％、N：0.1％以下、P：0.03％以下、S：0.03％以下を含有し、残部はFeおよび不純物からなる溶接材料を用いて得られる溶接金属の初層部における化学組成が、C：0.026％以下、Si：0.2％〜0.65％、Mn：0.01〜2％、Cr：19．5〜25.5％、Ni：9〜17.5％、Mo：0.75％以下、Cu：0〜0.75％、N：0.07％以下、P：0.03％以下、S：0.002％以下、Nb：0.1％以下およびV：0.15％以下の１種または２種を含有し、残部はFeおよび不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐溶接割れ性を有するオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手に係り、特に、高温水環境で用いられる構造部材またはシュラウドのような炉心材料に好適な耐溶接割れ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＵＳ３１０系ステンレス鋼は、ＳＵＳ３１６系ステンレス鋼およびＳＵＳ３０４系ステンレス鋼よりも耐食性に優れ、良好な加工性および機械的特性を有するため、例えば、原子力プラント等の高温水環境で用いられる構造部材として用いられている。
【０００３】
特許文献１には、ＳＵＳ３１０系ステンレス鋼にＮｂおよび／またはＶを添加することによって優れた耐粒界腐食性を有し、原子力発電プラントにおける高温水環境で用いられる構造部材のみならず、シュラウドのような炉心材料としても好適なステンレス鋼が開示されている。
【０００４】
一方、このような材料を原子力発電プラントにおいて構造部材等として使用するためには溶接施工が必須であり、溶接継手部において溶接割れ等の欠陥が生じないことが必要不可欠である。
【０００５】
特許文献２には、耐応力腐食割れ性に優れたＳＵＳ３１０系ステンレス鋼の溶接継手および溶接材料が開示されている。
【０００６】
また、非特許文献１および２には、溶接継手部における凝固割れおよび再熱割れについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１０／１１０００３号
【特許文献２】特開２００６−１８３０８２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】西本和俊、夏目松吾、小川和博、松本長：ステンレス鋼の溶接、産報出版、第８６頁
【非特許文献２】才田一幸、野本裕己、谷口彰、坂本昌、西本和俊：溶接学会論文集、２０１０年、第６１−７１頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１のＳＵＳ３１０系ステンレス鋼は、原子力発電プラントにおける構造部材および炉心材料として最適である。しかし、特許文献１には溶接施工に用いる溶接材料、または溶接施工管理条件については記載されていない。
【００１０】
特に、特許文献１のＳＵＳ３１０系ステンレス鋼は、ＳＵＳ３１６系のステンレス鋼と比較して、Ｃｒ／Ｎｉ当量比を低く設定しオーステナイトが安定な成分バランスとしているため、非特許文献１に述べられているように、溶接金属の組成がＣｒ／Ｎｉ当量比の低い母材の組成に近づくと、溶接継手部において凝固割れ、再熱割れと言った溶接割れが生じやすくなる場合がある。
【００１１】
さらに、高いＣｒおよびＮｉ含有量によって粒内そのものが固溶強化されていることに加え、Ｎｂおよび／またはＶが添加されているため、溶接金属においても凝固過程または積層溶接時の再熱過程において粒内から炭窒化物が析出して硬化しやすくなり、再熱割れ感受性が一段と高まることも考えられる。
【００１２】
そのため、特許文献１の耐粒界腐食性に優れたＳＵＳ３１０系ステンレス鋼を溶接構造体として使用するために、溶接割れを防止できるための溶接材料および溶接施工管理条件について検討することの意義は大きい。
【００１３】
また、特許文献２では、溶接対象となる母材にＮｂまたはＶが添加されていないため、再熱割れの問題に関しては全く配慮されていなかった。
【００１４】
溶接して得られる溶接金属の粒界が次層の溶接熱サイクルに起因する熱応力に耐え切れずに滑る再熱割れに関して、非特許文献２で述べられているように完全オーステナイト凝固する６９０合金においては、不純物元素であるＰおよびＳの低減が有効であることが示されているものの、ＮｂまたはＶを含有することで粒内から炭窒化物が析出して粒内が強化されてしまうような溶接金属における再熱割れを防止する手法に関しては、非特許文献２には全く述べられていない。
【００１５】
そこで本発明は、Ｎｂおよび／またはＶを含有する耐粒界腐食性に優れたＳＵＳ３１０系ステンレス鋼を母材とした、溶接割れを生じない溶接継手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】
【００１６】
本発明者らは、Ｎｂおよび／またはＶを含有することを特徴とするＣｒ／Ｎｉ当量比の低いＳＵＳ３１０系ステンレス鋼を対象とし、凝固割れのみならず再熱割れも防止することが可能な溶接継手につき鋭意研究を行った結果、以下の知見を得るに至った。
【００１７】
（Ａ）非特許文献１にも記載されているように、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接を行うに際し、凝固割れを防止するためには、溶接金属のＣｒ／Ｎｉ当量比を増加させフェライトを晶析出させることが有効である。
【００１８】
（Ｂ）フェライトはＰ、Ｓ等の固溶限が大きいため、凝固段階でフェライトを晶出させることによって、粒界脆化を引き起こす元素の凝固偏析を緩和し、その結果、粒界偏析を軽減することができる。
【００１９】
（Ｃ）同時に、粒界にフェライトを適正量以上残存させることで、粒内がＮｂまたはＶに起因する炭窒化物の析出によって強化されたとしても、次層の溶接熱サイクルにより付与される熱応力を粒界フェライトが緩和し粒界滑り抵抗を高めるため、再熱割れを防止できる。
【００２０】
（Ｄ）凝固割れおよび再熱割れを防止するためには、特に、初層溶接時の凝固完了後における溶接金属中のフェライトを所定の量確保することが重要である。
【００２１】
（Ｅ）以上の条件を満たす溶接継手を得るためには、溶接材料として、母材と比較して相対的にＣｒ／Ｎｉ当量比の高い材料を選択し、また、溶接によって得られる溶接金属中における母材の流入する割合を一定値以下に抑制することによって、溶接金属の組成を調整する必要がある。
【００２２】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、その要旨は、下記の（１）〜（５）に示すオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手にある。
【００２３】
（１）質量％で、
Ｃ：０．０２％以下、
Ｓｉ：０．０１〜０．５％、
Ｍｎ：０．０１〜２％、
Ｃｒ：２４〜２６％、
Ｎｉ：１８〜２２％、
Ｍｏ：０．１０％を超えて０．５０％未満、
Ｎ：０．０４％を超えて０．１５％以下、
Ｐ：０．０２％以下および
Ｓ：０．００２％以下ならびに
Ｎｂ：０．３０％以下およびＶ：０．４０％以下の１種または２種
を含有し、
残部がＦｅおよび不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼を溶接するに際し、
Ｃ：０．０３％以下、
Ｓｉ：０．６５％以下、
Ｍｎ：１．０〜２．５％、
Ｃｒ：１９．５〜２５％、
Ｎｉ：９〜１４％、
Ｍｏ：０〜０．７５％、
Ｃｕ：０〜０．７５％、
Ｎ：０．１％以下、
Ｐ：０．０３％以下および
Ｓ：０．０３％以下
を含有し、
残部はＦｅおよび不純物からなる溶接材料を用いて得られる溶接金属の初層部における化学組成が、
Ｃ：０．０２６％以下、
Ｓｉ：０．２％〜０．６５％、
Ｍｎ：０．０１〜２％、
Ｃｒ：１９．５〜２５．５％、
Ｎｉ：９〜１７．５％、
Ｍｏ：０．７５％以下、
Ｃｕ：０〜０．７５％、
Ｎ：０．０７％以下、
Ｐ：０．０３％以下および
Ｓ：０．００２％以下ならびに
Ｎｂ：０．１％以下およびＶ：０．１５％以下の１種または２種
を含有し、
残部はＦｅおよび不純物からなることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【００２４】
（２）溶接材料の化学組成のうち、ＣｒおよびＮｉの含有量が、Ｃｒ：１９．５〜２２％、Ｎｉ：９〜１１％であり、溶接金属の初層部における化学組成のうち、ＣｒおよびＮｉの含有量が、Ｃｒ：１９．５〜２３％、Ｎｉ：９〜１６％であることを特徴とする上記（１）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【００２５】
（３）溶接材料の化学組成のうち、ＣｒおよびＮｉの含有量が、Ｃｒ：２３〜２５％、Ｎｉ：１２〜１４％であり、溶接金属の初層部における化学組成のうち、ＣｒおよびＮｉの含有量が、Ｃｒ：２３〜２５．５％、Ｎｉ：１２〜１７．５％であることを特徴とする上記（１）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【００２６】
（４）沸騰水型原子力発電プラントのＰＬＲ配管またはシュラウド等の炉心材料として使用することを特徴とする上記（１）から（３）までのいずれかに記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、耐粒界腐食性および耐溶接割れ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手を安定的に得ることが可能である。従って、本発明の溶接継手は、原子力発電プラントにおいて粒界での腐食損傷が懸念されるＰＬＲ配管（再循環系配管）、またはシュラウドのような炉心材料として使用される溶接構造材に最適である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
１．母材の化学組成
本発明の溶接継手の母材となるオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成は、質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｃｒ：２４〜２６％、Ｎｉ：１８〜２２％、Ｍｏ：０．１０％を超えて０．５０％未満、Ｎ：０．０４％を超えて０．１５％以下、Ｐ：０．０２％以下およびＳ：０．００２％以下ならびにＮｂ：０．３０％以下およびＶ：０．４０％以下の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる。
【００２９】
ここで「不純物」とは、合金を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【００３０】
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
【００３１】
Ｃ：０．０２％以下
Ｃは、鋼の脱酸および強度確保の目的で用いられる。しかしながら、耐食性の観点から炭化物の析出を防止するために、その含有量はできる限り低くするのが良い。従って、Ｃの含有量を０．０２％以下とした。Ｃ含有量は０．０１５％以下とすることが好ましい。なお、鋼の脱酸および強度確保と炭化物析出とを考慮すると、Ｃの含有量は、０．００５％以上、０．０１０％以下とすることがより好ましい。
【００３２】
Ｓｉ：０．０１〜０．５％
Ｓｉは、鋼の脱酸の目的で用いられる。本発明鋼では、その含有量を０．０１％以上とする。ただし、Ｓｉを過剰に含有すると介在物の生成を促すので、その含有量は低い方が望ましく、０．０１〜０．５％とした。Ｓｉは、０．１５％以上、０．３％以下の含有量とすることが好ましい。
【００３３】
Ｍｎ：０．０１〜２％
Ｍｎは、鋼の脱酸およびオーステナイト相の安定に有効な元素で、０．０１％以上の含有量でその効果が得られる。一方、ＭｎはＳと硫化物を形成し、その硫化物は非金属介在物となる。さらに、Ｍｎは、鋼材が溶接される際には溶接部の表面に優先的に濃化して鋼材の耐食性を低下させる。従って、Ｍｎの含有量を０．０１〜２％とした。望ましいＭｎの含有量は０．３０％以上である。Ｍｎの含有量は、０．４０％以上、０．８０％以下とすることがより望ましい。
【００３４】
Ｃｒ：２４〜２６％
Ｃｒは、鋼の耐食性を保つために不可欠な元素である。Ｃｒの含有量が２４％未満では十分な耐食性が得られない。一方、本発明鋼の想定される使用環境では、Ｃｒは２６％までの含有量であれば十分であり、２６％を超えると、加工性の低下を招き、さらに、実用鋼としての価格およびオーステナイト相安定の面から問題がある。従って、Ｃｒ含有量を２４〜２６％とした。
【００３５】
Ｎｉ：１８〜２２％
Ｎｉは、オーステナイト相を安定させ耐食性を維持するために重要な元素である。耐食性の観点から、１８％以上のＮｉ含有量が必要である。一方、Ｃｒの含有量が２４〜２６％である本発明においては、Ｎｉの含有量が多くなって２２％を超えると溶接性の低下を招く。このため、溶接性の観点から、Ｎｉ含有量の上限を２２％とした。
【００３６】
Ｍｏ：０．１０％を超えて０．５０％未満
Ｍｏは、鋭敏化抑制作用を有し、０．１０％を超える含有量で効果が得られる。しかしながら、Ｍｏの含有量が多くなって０．５０％以上になっても前記の効果は飽和するので、コストが嵩むばかりである。このため、Ｍｏの含有量を０．１０％を超えて０．５０％未満とした。なお、Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．４０％である。
【００３７】
Ｎ：０．０４％を超えて０．１５％以下
Ｎは、本発明において重要な元素である。Ｎを含有させることによって鋼の強度を高めることができ、さらに、Ｎの含有量を高めることで、Ｃを粒内に固定するＮｂおよび／またはＶの炭窒化物を形成するだけでなく、Ｃｒを粒内にて固定できる窒化物を形成することで鋭敏化を抑制することができる。こうした効果を得るには、０．０４％を超えるＮ含有量が必要である。しかしながら、Ｎの含有量が過剰になって、特に０．１５％を超えると、粒内だけではなく粒界からのＣｒ窒化物の析出も促進して耐粒界腐食性を低下させる。従って、Ｎの含有量を０．０４％を超えて０．１５％以下とした。Ｎ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、より好ましくは０．０７％である。また、好ましい上限は０．１３％である。
【００３８】
Ｐ：０．０２％以下
Ｐは、不純物として含有される元素であり、その含有量が多くなって、特に０．０２％を超えると、粒界脆化を引き起こし、また、耐食性も劣化させる。さらに、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、主に粒内でＣｒを窒化物として固定して粒界鋭敏化を抑制するものであり、粒内窒化物の析出促進により粒内強度が上昇するので、特にＰを０．０２％を超えて含む場合には、Ｐの偏析によって脆化した粒界との強度差が大きくなり、溶接熱影響部での割れ感受性の増大も生じる。従って、Ｐの含有量は０．０２％以下に制限する必要がある。なお、Ｐの含有量は０．０１５％以下とすることが好ましい。
【００３９】
Ｓ：０．００２％以下
Ｓは、不純物として含有される元素であり、その含有量が多くなって、特に０．００２％を超えると、粒界脆化を引き起こし、また、耐食性も劣化させる。さらに、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、主に粒内でＣｒを窒化物として固定して粒界鋭敏化を抑制するものであり、粒内窒化物の析出促進により粒内強度が上昇するので、特にＳを０．００２％を超えて含む場合には、Ｓの偏析によって脆化した粒界との強度差が大きくなり、溶接熱影響部での割れ感受性の増大も生じる。従って、Ｓの含有量は０．００２％以下に制限する必要がある。なお、Ｓの含有量は０．００１％以下とすることが好ましい。
【００４０】
Ｎｂ、Ｖ：Ｎｂ：０．３０％以下およびＶ：０．４０％以下の１種または２種
ＮｂおよびＶも本発明において重要な元素であり、これらの元素を含有させることによってＮｂおよびＶの炭窒化物だけでなく、Ｃｒ（Ｎｂ、Ｖ）Ｎの析出も促進する。このため、Ｃｒ（Ｎｂ、Ｖ）Ｎおよび一部ＮｂとＶの１種以上が固溶したＣｒ２Ｎの両窒化物を粒内析出させることができ、ＣとＣｒの粒内固溶量を低減させて鋭敏化を抑制することができる。
【００４１】
しかしながら、これらの元素を過剰に含有させると、具体的には、Ｎｂを０．３０％を超えて、また、Ｖを０．４０％を超えて含有させると、いずれの場合にも、粒界からのＣｒ系窒化物の析出を促進して耐粒界腐食性を劣化させるだけでなく、熱影響部での割れ感受性を著しく増大させるおそれがある。従って、ＮｂおよびＶのそれぞれの含有量は、Ｎｂが０．３０％以下およびＶが０．４０％以下とした。なお、ＮｂとＶのより好ましい含有量の上限はそれぞれ、Ｎｂが０．２６％で、また、Ｖが０．３５％である。
【００４２】
上記のＮｂとＶは、単独で、あるいは２種の複合で含有させれば良いが、Ｃｒ系窒化物の析出による粒内Ｃｒ濃度の低減効果を得るために、それぞれの元素を単独で含有させる場合には、ＮｂおよびＶの含有量の下限は、ＮｂとＶのいずれについても０．０１％とすることが好ましい。
【００４３】
なお、ＮｂとＶを複合して含有させる場合には、合計含有量で０．６％を超えると、粒界からのＣｒ系窒化物の析出を促進して耐粒界腐食性を劣化させることがあるため、合計含有量の上限は、０．６％にすることが好ましい。
【００４４】
また、ＮｂとＶを複合して含有させる場合には、ＮｂおよびＶの含有量の下限は、合計含有量で０．０１％となるようにすることが好ましい。
【００４５】
２．溶接材料の化学組成
上記母材を溶接する際に用いる本発明の溶接材料の化学組成は、質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．６５％以下、Ｍｎ：１．０〜２．５％、Ｃｒ：１９．５〜２５％、Ｎｉ：９〜１４％、Ｍｏ：０〜０．７５％、Ｃｕ：０〜０．７５％、Ｎ：０．１％以下、Ｐ：０．０３％以下およびＳ：０．０３％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる。
【００４６】
Ｃ：０．０３％以下
Ｃは、耐食性の観点から炭化物の析出を防止するために、その含有量はできる限り低くするのが良い。さらに、Ｃはオーステナイト安定化元素であるため、溶接材料中のＣ含有量を出来る限り低くするのが良い。従って、溶接材料中のＣの含有量を０．０３％以下とした。Ｃ含有量は０．０２％以下とすることが好ましい。
【００４７】
Ｓｉ：０．６５％以下
Ｓｉは、溶接時における脱酸の目的で用いられる。しかしながら、Ｓｉの過剰添加は溶接金属での凝固割れ感受性を増大させることから、Ｓｉ含有量を０．６５％以下とした。Ｓｉ含有量は０．５％以下とすることが好ましい。
【００４８】
Ｍｎ：１．０〜２．５％
Ｍｎは、脱酸や高強度の目的で添加される。そのため、Ｍｎは１．０％以上含有させる。しかしながら、含有量が過剰になるとオーステナイトを安定化してフェライトの晶出を抑制するため、上限を設けＭｎの含有量を２．５％以下とした。
【００４９】
Ｃｒ：１９．５〜２５％
Ｃｒは、耐食性を保つために不可欠な元素である。加えてＣｒはフェライト安定化元素であり、含有量が多いほど溶接割れ防止には有効である。この効果を得るためには、１９．５％以上のＣｒ含有量が必要である。一方、含有量が多くなって、特に２５％を超えると、溶接材料の伸線加工性の低下を招く。従って、Ｃｒの含有量を１９．５〜２５％とした。Ｃｒ含有量は２０％以上とすることが好ましい。
【００５０】
Ｎｉ：９〜１４％
Ｎｉは、組織安定性や耐食性を向上させる元素であり、９％以上含有させる。しかしながら、Ｎｉは強力なオーステナイト安定化元素であり、含有量が多くなって、特に１４％を超えると、溶接割れ感受性を増大させる。そのため、Ｎｉ含有量を９〜１４％とした。
【００５１】
Ｍｏ：０〜０．７５％
Ｍｏは必要に応じて含有させることができる。Ｍｏを含有させれば、耐食性を向上させる効果がある。ただし、０．７５％を超えて含有させると高温での脆化を招きやすくなる。従って、含有させるときの上限値は０．７５％とする。なお、上記の効果を安定的に発現するためには、０．１％以上含有させることが好ましい。
【００５２】
Ｃｕ：０〜０．７５％
Ｃｕは必要に応じて含有させることができる。Ｃｕを含有させれば、個温強度を向上させる効果がある。ただし、０．７５％を超えて含有させるとオーステナイトが安定化されるため溶接割れ感受性が増大する。従って、含有させるときの上限値は０．７５％とする。なお、上記の効果を安定的に発現するためには、０．１％以上含有させることが好ましい。
【００５３】
Ｎ：０．１％以下
Ｎは、強度を向上させるために有効な元素である。しかしながら、オーステナイト安定化元素であるため、過剰に含有させると溶接割れ感受性が増大する。従って、Ｎの含有量に上限を設け、０．１％以下とした。好ましくは０．０８％以下である。
【００５４】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは不純物元素であり、溶接割れ感受性を増大させる元素である。そのため、その量は極力低減することが望ましいが、過度の減少はコスト増を招く。従って、Ｐの含有量は０．０３％以下とした。好ましくは０．０２％以下である。
【００５５】
Ｓ：０．０３％以下
ＳもまたＰと同様に不純物元素であり、溶接割れ感受性を増大させる元素である。そのため、その量は極力低減することが望ましいが、過度の減少はコスト増を招く。従って、Ｓの含有量を０．０３％以下とした。好ましくは０．０１％以下である。
【００５６】
上記の溶接材料の中でも、例えば、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．６５％以下、Ｍｎ：１．０〜２．５％、Ｃｒ：１９．５〜２２％、Ｎｉ：９〜１１％、Ｍｏ：０〜０．７５％、Ｃｕ：０〜０．７５％、Ｎ：０．１％以下、Ｐ：０．０３％以下およびＳ：０．０３％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなるＪＩＳ Ｚ ３３２１（２０１０）に規定のＹＳ３０８Ｌ相当の溶接材料、または、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．６５％以下、Ｍｎ：１．０〜２．５％、Ｃｒ：２３〜２５％、Ｎｉ：１２〜１４％、Ｍｏ：０〜０．７５％、Ｃｕ：０〜０．７５％、Ｎ：０．１％以下、Ｐ：０．０３％以下およびＳ：０．０３％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなるＹＳ３０９Ｌ相当の溶接材料を用いることができる。
【００５７】
本発明に用いられる溶接材料の形状については特に制限はなく、通常のＧＴＡＷ、ＧＭＡＷ等で用いられるソリッドワイヤ、フラックス入りワイヤ、インサートリング等を用いることができる。
【００５８】
３．溶接金属の化学組成
溶接金属の化学組成は、母材と溶接材料との流入割合で決定される。本発明において、上記の母材および溶接材料を用いて溶接を行う場合、溶接金属中のフェライト量を一定量以上とするためには、母材の流入する割合を６０％以下とする必要がある。すなわち、本発明の溶接継手は、溶接金属の初層部における化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０２６％以下、Ｓｉ：０．２％〜０．６５％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｃｒ：１９．５〜２５．５％、Ｎｉ：９〜１７．５％、Ｍｏ：０．７５％以下、Ｃｕ：０〜０．７５％、Ｎ：０．０７％以下、Ｐ：０．０３％以下およびＳ：０．００２％以下ならびにＮｂ：０．１％以下およびＶ：０．１５％以下の１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなることを最大の特徴とする。
【００５９】
その中でも、前記ＹＳ３０８Ｌ相当の溶接材料を用いる場合の溶接金属の初層部における化学組成は、Ｃ：０．０２６％以下、Ｓｉ：０．２％〜０．６５％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｃｒ：１９．５〜２３％、Ｎｉ：９〜１６％、Ｍｏ：０．７５％以下、Ｃｕ：０〜０．７５％、Ｎ：０．０７％以下、Ｐ：０．０３％以下およびＳ：０．００２％以下ならびにＮｂ：０．１％以下およびＶ：０．１５％以下の１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなるのが好ましい。
【００６０】
上記の場合において、特に、Ｃ含有量は、０．０２％以下であることがより好ましく、０．０１５％以下であることがさらに好ましく、０．０１０％以下であることが最も好ましい。また、Ｃ含有量は、０．００５％以上であることがより好ましい。Ｓｉ含有量は、０．５％以下であることがより好ましく、０．３％以下であることが最も好ましい。Ｍｎ含有量は、０．３０％以上であることがより好ましく、０．４０％以上であることが最も好ましい。また、Ｍｎ含有量は、１．５％以下であることがより好ましい。Ｃｒ含有量は、２０％以上であることがより好ましい。Ｍｏ含有量は０．５％以下であることがより好ましく、０．４％以下であることがさらに好ましい。Ｐ含有量は０．０２％以下であることがより好ましい。Ｓ含有量は０．００１％以下であることがより好ましい。ＮｂおよびＶの含有量は、それぞれ０．０１％以上であることがより好ましい。ＮｂとＶとを複合して含有させる場合の含有量の合計は、０．２％以下であることが好ましい。
【００６１】
また、前記ＹＳ３０９Ｌ相当の溶接材料を用いる場合の溶接金属の初層部における化学組成は、Ｃ：０．０２６％以下、Ｓｉ：０．２％〜０．６５％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｃｒ：２３〜２５．５％、Ｎｉ：１２〜１７．５％、Ｍｏ：０．７５％以下、Ｃｕ：０〜０．７５％、Ｎ：０．０７％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００２％以下、Ｎｂ：０．１％以下およびＶ：０．１５％以下の１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなるのが好ましい。
【００６２】
上記の場合において、特に、Ｃ含有量は、０．０２％以下であることがより好ましく、０．０１５％以下であることがより好ましく、０．０１０％以下であることが最も好ましい。また、Ｃ含有量は、０．００５％以上であることがより好ましい。Ｓｉ含有量は、０．５％以下であることがより好ましく、０．３％以下であることが最も好ましい。Ｍｎ含有量は、０．３０％以上であることがより好ましく、０．４０％以上であることが最も好ましい。また、Ｍｎ含有量は、１．５％以下であることがより好ましい。Ｍｏ含有量は０．５％以下であることがより好ましく、０．４％以下であることがさらに好ましい。Ｐ含有量は０．０２％以下であることがより好ましい。Ｓ含有量は０．００１％以下であることがより好ましい。ＮｂおよびＶの含有量は、それぞれ０．０１％以上であることがより好ましい。ＮｂとＶとを複合して含有させる場合の含有量の合計は、０．２％以下であることが好ましい。
【００６３】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００６４】
表１に示す化学組成のオーステナイト系ステンレス鋼を溶解し、熱間鍛造および熱間圧延して１０６０℃で固溶化熱処理を施した後、ＪＩＳ Ｚ ３００１−１（２００８）の番号１４３４９においてルート半径ｒ＝１．５ｍｍ、ルート面ｂ＝１．５ｍｍ、開先角度θ＝４０°とするＵ開先加工および番号１４３４３においてルート面ｂ＝１ｍｍ、開先角度θ＝６０°とするＶ開先加工が施された厚さ１２ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの拘束溶接割れ試験用試験片を作製した。上記のようにして得た各拘束溶接割れ試験用試験片を用いて、被覆アーク溶接棒としてＪＩＳ Ｚ ３２２４（２０１０）に規定のＥＮｉ６１８２を用いて、厚さ２５ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ２００ｍｍのＪＩＳ Ｇ ３１０６（２００８）に規定のＳＭ４００Ｃの市販の鋼板上に、四周を拘束溶接した。
【００６５】
【表１】
【００６６】
その後、開先内を表２に示す２種類の１．２φ（ｍｍ）のスプール溶接材料をそれぞれ用いて初層ＴＩＧ溶接を実施した。入熱は７．２〜１０．８ｋＪ／ｃｍの条件とし、溶接材料の送給速度も３１６〜７００ｍｍ／ｍｉｎの範囲で変化させた。その後、初層溶接部を半分ほど残して、残部を入熱７．２ｋＪ／ｃｍの条件にて積層溶接した。その際、パス間温度は１５０℃以下に管理した。
【００６７】
上記の溶接施工後、各試験体について、継手の断面ミクロ組織観察用試験片を、初層のみ溶接した部分から３個、積層溶接した部分から３個ずつ採取した。そして、断面を鏡面研磨した後クロム酸電解腐食し、割れの発生の有無を、光学顕微鏡を用いて倍率を５００倍として観察した。初層のみ溶接した部分において割れが認められた場合は凝固割れ、積層溶接した部分において割れが認められた場合は再熱割れであると考えられる。また、初層のみ溶接した部分から採取した溶接金属の中心部分をＥＰＭＡ分析して定量化することで溶接金属の組成を測定した。それらの結果を表３および４に示す。
【００６８】
【表２】
【００６９】
【表３】
【００７０】
【表４】
【００７１】
表３中の凝固割れおよび再熱割れの欄の数値は、割れの発生が認められた試験片数／断面ミクロ観察した試験片数を示す。なお、今回観察した割れ試験の評価は、観察した３断面中、一つでも割れの発生が認められたものを不合格とし、割れの発生が全く認められなかったものを合格とした。
【００７２】
まず、ＹＳ３０８Ｌ相当の溶接材料Ａを用いた試験結果を見ると、溶接金属の化学組成が本発明を満足しないＡ１およびＡ２では積層溶接した溶接金属にて再熱割れが生じた。一方、溶接金属の化学組成が本発明範囲を満足するＡ３およびＡ４では、初層のみ溶接した部分および積層溶接した部分の双方において、溶接金属に割れの発生が認められなかった。
【００７３】
同様に、ＹＳ３０９Ｌ相当の溶接材料Ｂを用いた場合においても、溶接金属の化学組成が本発明を満足しないＢ１およびＢ２では積層溶接した溶接金属にて再熱割れが生じたのに対して、溶接金属の化学組成が本発明範囲を満足するＢ３およびＢ４では、初層のみ溶接した部分および積層溶接した部分の双方において、溶接金属に割れの発生が認められなかった。
【００７４】
以上より、適正な溶接金属組成を得るように溶接条件を管理することによって、優れた耐凝固割れ性および耐再熱割れ性を有する溶接継手が得られることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手は、優れた耐粒界腐食性および耐溶接割れ性を有するため、原子力発電プラントにおいて粒界での腐食損傷が懸念されるＰＬＲ配管、またはシュラウドのような炉心材料として使用される溶接構造材に最適である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐溶接割れ性を有するオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手に係り、特に、高温水環境で用いられる構造部材またはシュラウドのような炉心材料に好適な耐溶接割れ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＵＳ３１０系ステンレス鋼は、ＳＵＳ３１６系ステンレス鋼およびＳＵＳ３０４系ステンレス鋼よりも耐食性に優れ、良好な加工性および機械的特性を有するため、例えば、原子力プラント等の高温水環境で用いられる構造部材として用いられている。
【０００３】
特許文献１には、ＳＵＳ３１０系ステンレス鋼にＮｂおよび／またはＶを添加することによって優れた耐粒界腐食性を有し、原子力発電プラントにおける高温水環境で用いられる構造部材のみならず、シュラウドのような炉心材料としても好適なステンレス鋼が開示されている。
【０００４】
一方、このような材料を原子力発電プラントにおいて構造部材等として使用するためには溶接施工が必須であり、溶接継手部において溶接割れ等の欠陥が生じないことが必要不可欠である。
【０００５】
特許文献２には、耐応力腐食割れ性に優れたＳＵＳ３１０系ステンレス鋼の溶接継手および溶接材料が開示されている。
【０００６】
また、非特許文献１および２には、溶接継手部における凝固割れおよび再熱割れについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１０／１１０００３号
【特許文献２】特開２００６−１８３０８２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】西本和俊、夏目松吾、小川和博、松本長：ステンレス鋼の溶接、産報出版、第８６頁
【非特許文献２】才田一幸、野本裕己、谷口彰、坂本昌、西本和俊：溶接学会論文集、２０１０年、第６１−７１頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１のＳＵＳ３１０系ステンレス鋼は、原子力発電プラントにおける構造部材および炉心材料として最適である。しかし、特許文献１には溶接施工に用いる溶接材料、または溶接施工管理条件については記載されていない。
【００１０】
特に、特許文献１のＳＵＳ３１０系ステンレス鋼は、ＳＵＳ３１６系のステンレス鋼と比較して、Ｃｒ／Ｎｉ当量比を低く設定しオーステナイトが安定な成分バランスとしているため、非特許文献１に述べられているように、溶接金属の組成がＣｒ／Ｎｉ当量比の低い母材の組成に近づくと、溶接継手部において凝固割れ、再熱割れと言った溶接割れが生じやすくなる場合がある。
【００１１】
さらに、高いＣｒおよびＮｉ含有量によって粒内そのものが固溶強化されていることに加え、Ｎｂおよび／またはＶが添加されているため、溶接金属においても凝固過程または積層溶接時の再熱過程において粒内から炭窒化物が析出して硬化しやすくなり、再熱割れ感受性が一段と高まることも考えられる。
【００１２】
そのため、特許文献１の耐粒界腐食性に優れたＳＵＳ３１０系ステンレス鋼を溶接構造体として使用するために、溶接割れを防止できるための溶接材料および溶接施工管理条件について検討することの意義は大きい。
【００１３】
また、特許文献２では、溶接対象となる母材にＮｂまたはＶが添加されていないため、再熱割れの問題に関しては全く配慮されていなかった。
【００１４】
溶接して得られる溶接金属の粒界が次層の溶接熱サイクルに起因する熱応力に耐え切れずに滑る再熱割れに関して、非特許文献２で述べられているように完全オーステナイト凝固する６９０合金においては、不純物元素であるＰおよびＳの低減が有効であることが示されているものの、ＮｂまたはＶを含有することで粒内から炭窒化物が析出して粒内が強化されてしまうような溶接金属における再熱割れを防止する手法に関しては、非特許文献２には全く述べられていない。
【００１５】
そこで本発明は、Ｎｂおよび／またはＶを含有する耐粒界腐食性に優れたＳＵＳ３１０系ステンレス鋼を母材とした、溶接割れを生じない溶接継手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】
【００１６】
本発明者らは、Ｎｂおよび／またはＶを含有することを特徴とするＣｒ／Ｎｉ当量比の低いＳＵＳ３１０系ステンレス鋼を対象とし、凝固割れのみならず再熱割れも防止することが可能な溶接継手につき鋭意研究を行った結果、以下の知見を得るに至った。
【００１７】
（Ａ）非特許文献１にも記載されているように、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接を行うに際し、凝固割れを防止するためには、溶接金属のＣｒ／Ｎｉ当量比を増加させフェライトを晶析出させることが有効である。
【００１８】
（Ｂ）フェライトはＰ、Ｓ等の固溶限が大きいため、凝固段階でフェライトを晶出させることによって、粒界脆化を引き起こす元素の凝固偏析を緩和し、その結果、粒界偏析を軽減することができる。
【００１９】
（Ｃ）同時に、粒界にフェライトを適正量以上残存させることで、粒内がＮｂまたはＶに起因する炭窒化物の析出によって強化されたとしても、次層の溶接熱サイクルにより付与される熱応力を粒界フェライトが緩和し粒界滑り抵抗を高めるため、再熱割れを防止できる。
【００２０】
（Ｄ）凝固割れおよび再熱割れを防止するためには、特に、初層溶接時の凝固完了後における溶接金属中のフェライトを所定の量確保することが重要である。
【００２１】
（Ｅ）以上の条件を満たす溶接継手を得るためには、溶接材料として、母材と比較して相対的にＣｒ／Ｎｉ当量比の高い材料を選択し、また、溶接によって得られる溶接金属中における母材の流入する割合を一定値以下に抑制することによって、溶接金属の組成を調整する必要がある。
【００２２】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、その要旨は、下記の（１）〜（５）に示すオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手にある。
【００２３】
（１）質量％で、
Ｃ：０．０２％以下、
Ｓｉ：０．０１〜０．５％、
Ｍｎ：０．０１〜２％、
Ｃｒ：２４〜２６％、
Ｎｉ：１８〜２２％、
Ｍｏ：０．１０％を超えて０．５０％未満、
Ｎ：０．０４％を超えて０．１５％以下、
Ｐ：０．０２％以下および
Ｓ：０．００２％以下ならびに
Ｎｂ：０．３０％以下およびＶ：０．４０％以下の１種または２種
を含有し、
残部がＦｅおよび不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼を溶接するに際し、
Ｃ：０．０３％以下、
Ｓｉ：０．６５％以下、
Ｍｎ：１．０〜２．５％、
Ｃｒ：１９．５〜２５％、
Ｎｉ：９〜１４％、
Ｍｏ：０〜０．７５％、
Ｃｕ：０〜０．７５％、
Ｎ：０．１％以下、
Ｐ：０．０３％以下および
Ｓ：０．０３％以下
を含有し、
残部はＦｅおよび不純物からなる溶接材料を用いて得られる溶接金属の初層部における化学組成が、
Ｃ：０．０２６％以下、
Ｓｉ：０．２％〜０．６５％、
Ｍｎ：０．０１〜２％、
Ｃｒ：１９．５〜２５．５％、
Ｎｉ：９〜１７．５％、
Ｍｏ：０．７５％以下、
Ｃｕ：０〜０．７５％、
Ｎ：０．０７％以下、
Ｐ：０．０３％以下および
Ｓ：０．００２％以下ならびに
Ｎｂ：０．１％以下およびＶ：０．１５％以下の１種または２種
を含有し、
残部はＦｅおよび不純物からなることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【００２４】
（２）溶接材料の化学組成のうち、ＣｒおよびＮｉの含有量が、Ｃｒ：１９．５〜２２％、Ｎｉ：９〜１１％であり、溶接金属の初層部における化学組成のうち、ＣｒおよびＮｉの含有量が、Ｃｒ：１９．５〜２３％、Ｎｉ：９〜１６％であることを特徴とする上記（１）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【００２５】
（３）溶接材料の化学組成のうち、ＣｒおよびＮｉの含有量が、Ｃｒ：２３〜２５％、Ｎｉ：１２〜１４％であり、溶接金属の初層部における化学組成のうち、ＣｒおよびＮｉの含有量が、Ｃｒ：２３〜２５．５％、Ｎｉ：１２〜１７．５％であることを特徴とする上記（１）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【００２６】
（４）沸騰水型原子力発電プラントのＰＬＲ配管またはシュラウド等の炉心材料として使用することを特徴とする上記（１）から（３）までのいずれかに記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、耐粒界腐食性および耐溶接割れ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手を安定的に得ることが可能である。従って、本発明の溶接継手は、原子力発電プラントにおいて粒界での腐食損傷が懸念されるＰＬＲ配管（再循環系配管）、またはシュラウドのような炉心材料として使用される溶接構造材に最適である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
１．母材の化学組成
本発明の溶接継手の母材となるオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成は、質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｃｒ：２４〜２６％、Ｎｉ：１８〜２２％、Ｍｏ：０．１０％を超えて０．５０％未満、Ｎ：０．０４％を超えて０．１５％以下、Ｐ：０．０２％以下およびＳ：０．００２％以下ならびにＮｂ：０．３０％以下およびＶ：０．４０％以下の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる。
【００２９】
ここで「不純物」とは、合金を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【００３０】
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
【００３１】
Ｃ：０．０２％以下
Ｃは、鋼の脱酸および強度確保の目的で用いられる。しかしながら、耐食性の観点から炭化物の析出を防止するために、その含有量はできる限り低くするのが良い。従って、Ｃの含有量を０．０２％以下とした。Ｃ含有量は０．０１５％以下とすることが好ましい。なお、鋼の脱酸および強度確保と炭化物析出とを考慮すると、Ｃの含有量は、０．００５％以上、０．０１０％以下とすることがより好ましい。
【００３２】
Ｓｉ：０．０１〜０．５％
Ｓｉは、鋼の脱酸の目的で用いられる。本発明鋼では、その含有量を０．０１％以上とする。ただし、Ｓｉを過剰に含有すると介在物の生成を促すので、その含有量は低い方が望ましく、０．０１〜０．５％とした。Ｓｉは、０．１５％以上、０．３％以下の含有量とすることが好ましい。
【００３３】
Ｍｎ：０．０１〜２％
Ｍｎは、鋼の脱酸およびオーステナイト相の安定に有効な元素で、０．０１％以上の含有量でその効果が得られる。一方、ＭｎはＳと硫化物を形成し、その硫化物は非金属介在物となる。さらに、Ｍｎは、鋼材が溶接される際には溶接部の表面に優先的に濃化して鋼材の耐食性を低下させる。従って、Ｍｎの含有量を０．０１〜２％とした。望ましいＭｎの含有量は０．３０％以上である。Ｍｎの含有量は、０．４０％以上、０．８０％以下とすることがより望ましい。
【００３４】
Ｃｒ：２４〜２６％
Ｃｒは、鋼の耐食性を保つために不可欠な元素である。Ｃｒの含有量が２４％未満では十分な耐食性が得られない。一方、本発明鋼の想定される使用環境では、Ｃｒは２６％までの含有量であれば十分であり、２６％を超えると、加工性の低下を招き、さらに、実用鋼としての価格およびオーステナイト相安定の面から問題がある。従って、Ｃｒ含有量を２４〜２６％とした。
【００３５】
Ｎｉ：１８〜２２％
Ｎｉは、オーステナイト相を安定させ耐食性を維持するために重要な元素である。耐食性の観点から、１８％以上のＮｉ含有量が必要である。一方、Ｃｒの含有量が２４〜２６％である本発明においては、Ｎｉの含有量が多くなって２２％を超えると溶接性の低下を招く。このため、溶接性の観点から、Ｎｉ含有量の上限を２２％とした。
【００３６】
Ｍｏ：０．１０％を超えて０．５０％未満
Ｍｏは、鋭敏化抑制作用を有し、０．１０％を超える含有量で効果が得られる。しかしながら、Ｍｏの含有量が多くなって０．５０％以上になっても前記の効果は飽和するので、コストが嵩むばかりである。このため、Ｍｏの含有量を０．１０％を超えて０．５０％未満とした。なお、Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．４０％である。
【００３７】
Ｎ：０．０４％を超えて０．１５％以下
Ｎは、本発明において重要な元素である。Ｎを含有させることによって鋼の強度を高めることができ、さらに、Ｎの含有量を高めることで、Ｃを粒内に固定するＮｂおよび／またはＶの炭窒化物を形成するだけでなく、Ｃｒを粒内にて固定できる窒化物を形成することで鋭敏化を抑制することができる。こうした効果を得るには、０．０４％を超えるＮ含有量が必要である。しかしながら、Ｎの含有量が過剰になって、特に０．１５％を超えると、粒内だけではなく粒界からのＣｒ窒化物の析出も促進して耐粒界腐食性を低下させる。従って、Ｎの含有量を０．０４％を超えて０．１５％以下とした。Ｎ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、より好ましくは０．０７％である。また、好ましい上限は０．１３％である。
【００３８】
Ｐ：０．０２％以下
Ｐは、不純物として含有される元素であり、その含有量が多くなって、特に０．０２％を超えると、粒界脆化を引き起こし、また、耐食性も劣化させる。さらに、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、主に粒内でＣｒを窒化物として固定して粒界鋭敏化を抑制するものであり、粒内窒化物の析出促進により粒内強度が上昇するので、特にＰを０．０２％を超えて含む場合には、Ｐの偏析によって脆化した粒界との強度差が大きくなり、溶接熱影響部での割れ感受性の増大も生じる。従って、Ｐの含有量は０．０２％以下に制限する必要がある。なお、Ｐの含有量は０．０１５％以下とすることが好ましい。
【００３９】
Ｓ：０．００２％以下
Ｓは、不純物として含有される元素であり、その含有量が多くなって、特に０．００２％を超えると、粒界脆化を引き起こし、また、耐食性も劣化させる。さらに、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、主に粒内でＣｒを窒化物として固定して粒界鋭敏化を抑制するものであり、粒内窒化物の析出促進により粒内強度が上昇するので、特にＳを０．００２％を超えて含む場合には、Ｓの偏析によって脆化した粒界との強度差が大きくなり、溶接熱影響部での割れ感受性の増大も生じる。従って、Ｓの含有量は０．００２％以下に制限する必要がある。なお、Ｓの含有量は０．００１％以下とすることが好ましい。
【００４０】
Ｎｂ、Ｖ：Ｎｂ：０．３０％以下およびＶ：０．４０％以下の１種または２種
ＮｂおよびＶも本発明において重要な元素であり、これらの元素を含有させることによってＮｂおよびＶの炭窒化物だけでなく、Ｃｒ（Ｎｂ、Ｖ）Ｎの析出も促進する。このため、Ｃｒ（Ｎｂ、Ｖ）Ｎおよび一部ＮｂとＶの１種以上が固溶したＣｒ２Ｎの両窒化物を粒内析出させることができ、ＣとＣｒの粒内固溶量を低減させて鋭敏化を抑制することができる。
【００４１】
しかしながら、これらの元素を過剰に含有させると、具体的には、Ｎｂを０．３０％を超えて、また、Ｖを０．４０％を超えて含有させると、いずれの場合にも、粒界からのＣｒ系窒化物の析出を促進して耐粒界腐食性を劣化させるだけでなく、熱影響部での割れ感受性を著しく増大させるおそれがある。従って、ＮｂおよびＶのそれぞれの含有量は、Ｎｂが０．３０％以下およびＶが０．４０％以下とした。なお、ＮｂとＶのより好ましい含有量の上限はそれぞれ、Ｎｂが０．２６％で、また、Ｖが０．３５％である。
【００４２】
上記のＮｂとＶは、単独で、あるいは２種の複合で含有させれば良いが、Ｃｒ系窒化物の析出による粒内Ｃｒ濃度の低減効果を得るために、それぞれの元素を単独で含有させる場合には、ＮｂおよびＶの含有量の下限は、ＮｂとＶのいずれについても０．０１％とすることが好ましい。
【００４３】
なお、ＮｂとＶを複合して含有させる場合には、合計含有量で０．６％を超えると、粒界からのＣｒ系窒化物の析出を促進して耐粒界腐食性を劣化させることがあるため、合計含有量の上限は、０．６％にすることが好ましい。
【００４４】
また、ＮｂとＶを複合して含有させる場合には、ＮｂおよびＶの含有量の下限は、合計含有量で０．０１％となるようにすることが好ましい。
【００４５】
２．溶接材料の化学組成
上記母材を溶接する際に用いる本発明の溶接材料の化学組成は、質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．６５％以下、Ｍｎ：１．０〜２．５％、Ｃｒ：１９．５〜２５％、Ｎｉ：９〜１４％、Ｍｏ：０〜０．７５％、Ｃｕ：０〜０．７５％、Ｎ：０．１％以下、Ｐ：０．０３％以下およびＳ：０．０３％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる。
【００４６】
Ｃ：０．０３％以下
Ｃは、耐食性の観点から炭化物の析出を防止するために、その含有量はできる限り低くするのが良い。さらに、Ｃはオーステナイト安定化元素であるため、溶接材料中のＣ含有量を出来る限り低くするのが良い。従って、溶接材料中のＣの含有量を０．０３％以下とした。Ｃ含有量は０．０２％以下とすることが好ましい。
【００４７】
Ｓｉ：０．６５％以下
Ｓｉは、溶接時における脱酸の目的で用いられる。しかしながら、Ｓｉの過剰添加は溶接金属での凝固割れ感受性を増大させることから、Ｓｉ含有量を０．６５％以下とした。Ｓｉ含有量は０．５％以下とすることが好ましい。
【００４８】
Ｍｎ：１．０〜２．５％
Ｍｎは、脱酸や高強度の目的で添加される。そのため、Ｍｎは１．０％以上含有させる。しかしながら、含有量が過剰になるとオーステナイトを安定化してフェライトの晶出を抑制するため、上限を設けＭｎの含有量を２．５％以下とした。
【００４９】
Ｃｒ：１９．５〜２５％
Ｃｒは、耐食性を保つために不可欠な元素である。加えてＣｒはフェライト安定化元素であり、含有量が多いほど溶接割れ防止には有効である。この効果を得るためには、１９．５％以上のＣｒ含有量が必要である。一方、含有量が多くなって、特に２５％を超えると、溶接材料の伸線加工性の低下を招く。従って、Ｃｒの含有量を１９．５〜２５％とした。Ｃｒ含有量は２０％以上とすることが好ましい。
【００５０】
Ｎｉ：９〜１４％
Ｎｉは、組織安定性や耐食性を向上させる元素であり、９％以上含有させる。しかしながら、Ｎｉは強力なオーステナイト安定化元素であり、含有量が多くなって、特に１４％を超えると、溶接割れ感受性を増大させる。そのため、Ｎｉ含有量を９〜１４％とした。
【００５１】
Ｍｏ：０〜０．７５％
Ｍｏは必要に応じて含有させることができる。Ｍｏを含有させれば、耐食性を向上させる効果がある。ただし、０．７５％を超えて含有させると高温での脆化を招きやすくなる。従って、含有させるときの上限値は０．７５％とする。なお、上記の効果を安定的に発現するためには、０．１％以上含有させることが好ましい。
【００５２】
Ｃｕ：０〜０．７５％
Ｃｕは必要に応じて含有させることができる。Ｃｕを含有させれば、個温強度を向上させる効果がある。ただし、０．７５％を超えて含有させるとオーステナイトが安定化されるため溶接割れ感受性が増大する。従って、含有させるときの上限値は０．７５％とする。なお、上記の効果を安定的に発現するためには、０．１％以上含有させることが好ましい。
【００５３】
Ｎ：０．１％以下
Ｎは、強度を向上させるために有効な元素である。しかしながら、オーステナイト安定化元素であるため、過剰に含有させると溶接割れ感受性が増大する。従って、Ｎの含有量に上限を設け、０．１％以下とした。好ましくは０．０８％以下である。
【００５４】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは不純物元素であり、溶接割れ感受性を増大させる元素である。そのため、その量は極力低減することが望ましいが、過度の減少はコスト増を招く。従って、Ｐの含有量は０．０３％以下とした。好ましくは０．０２％以下である。
【００５５】
Ｓ：０．０３％以下
ＳもまたＰと同様に不純物元素であり、溶接割れ感受性を増大させる元素である。そのため、その量は極力低減することが望ましいが、過度の減少はコスト増を招く。従って、Ｓの含有量を０．０３％以下とした。好ましくは０．０１％以下である。
【００５６】
上記の溶接材料の中でも、例えば、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．６５％以下、Ｍｎ：１．０〜２．５％、Ｃｒ：１９．５〜２２％、Ｎｉ：９〜１１％、Ｍｏ：０〜０．７５％、Ｃｕ：０〜０．７５％、Ｎ：０．１％以下、Ｐ：０．０３％以下およびＳ：０．０３％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなるＪＩＳ Ｚ ３３２１（２０１０）に規定のＹＳ３０８Ｌ相当の溶接材料、または、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．６５％以下、Ｍｎ：１．０〜２．５％、Ｃｒ：２３〜２５％、Ｎｉ：１２〜１４％、Ｍｏ：０〜０．７５％、Ｃｕ：０〜０．７５％、Ｎ：０．１％以下、Ｐ：０．０３％以下およびＳ：０．０３％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなるＹＳ３０９Ｌ相当の溶接材料を用いることができる。
【００５７】
本発明に用いられる溶接材料の形状については特に制限はなく、通常のＧＴＡＷ、ＧＭＡＷ等で用いられるソリッドワイヤ、フラックス入りワイヤ、インサートリング等を用いることができる。
【００５８】
３．溶接金属の化学組成
溶接金属の化学組成は、母材と溶接材料との流入割合で決定される。本発明において、上記の母材および溶接材料を用いて溶接を行う場合、溶接金属中のフェライト量を一定量以上とするためには、母材の流入する割合を６０％以下とする必要がある。すなわち、本発明の溶接継手は、溶接金属の初層部における化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０２６％以下、Ｓｉ：０．２％〜０．６５％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｃｒ：１９．５〜２５．５％、Ｎｉ：９〜１７．５％、Ｍｏ：０．７５％以下、Ｃｕ：０〜０．７５％、Ｎ：０．０７％以下、Ｐ：０．０３％以下およびＳ：０．００２％以下ならびにＮｂ：０．１％以下およびＶ：０．１５％以下の１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなることを最大の特徴とする。
【００５９】
その中でも、前記ＹＳ３０８Ｌ相当の溶接材料を用いる場合の溶接金属の初層部における化学組成は、Ｃ：０．０２６％以下、Ｓｉ：０．２％〜０．６５％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｃｒ：１９．５〜２３％、Ｎｉ：９〜１６％、Ｍｏ：０．７５％以下、Ｃｕ：０〜０．７５％、Ｎ：０．０７％以下、Ｐ：０．０３％以下およびＳ：０．００２％以下ならびにＮｂ：０．１％以下およびＶ：０．１５％以下の１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなるのが好ましい。
【００６０】
上記の場合において、特に、Ｃ含有量は、０．０２％以下であることがより好ましく、０．０１５％以下であることがさらに好ましく、０．０１０％以下であることが最も好ましい。また、Ｃ含有量は、０．００５％以上であることがより好ましい。Ｓｉ含有量は、０．５％以下であることがより好ましく、０．３％以下であることが最も好ましい。Ｍｎ含有量は、０．３０％以上であることがより好ましく、０．４０％以上であることが最も好ましい。また、Ｍｎ含有量は、１．５％以下であることがより好ましい。Ｃｒ含有量は、２０％以上であることがより好ましい。Ｍｏ含有量は０．５％以下であることがより好ましく、０．４％以下であることがさらに好ましい。Ｐ含有量は０．０２％以下であることがより好ましい。Ｓ含有量は０．００１％以下であることがより好ましい。ＮｂおよびＶの含有量は、それぞれ０．０１％以上であることがより好ましい。ＮｂとＶとを複合して含有させる場合の含有量の合計は、０．２％以下であることが好ましい。
【００６１】
また、前記ＹＳ３０９Ｌ相当の溶接材料を用いる場合の溶接金属の初層部における化学組成は、Ｃ：０．０２６％以下、Ｓｉ：０．２％〜０．６５％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｃｒ：２３〜２５．５％、Ｎｉ：１２〜１７．５％、Ｍｏ：０．７５％以下、Ｃｕ：０〜０．７５％、Ｎ：０．０７％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００２％以下、Ｎｂ：０．１％以下およびＶ：０．１５％以下の１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなるのが好ましい。
【００６２】
上記の場合において、特に、Ｃ含有量は、０．０２％以下であることがより好ましく、０．０１５％以下であることがより好ましく、０．０１０％以下であることが最も好ましい。また、Ｃ含有量は、０．００５％以上であることがより好ましい。Ｓｉ含有量は、０．５％以下であることがより好ましく、０．３％以下であることが最も好ましい。Ｍｎ含有量は、０．３０％以上であることがより好ましく、０．４０％以上であることが最も好ましい。また、Ｍｎ含有量は、１．５％以下であることがより好ましい。Ｍｏ含有量は０．５％以下であることがより好ましく、０．４％以下であることがさらに好ましい。Ｐ含有量は０．０２％以下であることがより好ましい。Ｓ含有量は０．００１％以下であることがより好ましい。ＮｂおよびＶの含有量は、それぞれ０．０１％以上であることがより好ましい。ＮｂとＶとを複合して含有させる場合の含有量の合計は、０．２％以下であることが好ましい。
【００６３】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００６４】
表１に示す化学組成のオーステナイト系ステンレス鋼を溶解し、熱間鍛造および熱間圧延して１０６０℃で固溶化熱処理を施した後、ＪＩＳ Ｚ ３００１−１（２００８）の番号１４３４９においてルート半径ｒ＝１．５ｍｍ、ルート面ｂ＝１．５ｍｍ、開先角度θ＝４０°とするＵ開先加工および番号１４３４３においてルート面ｂ＝１ｍｍ、開先角度θ＝６０°とするＶ開先加工が施された厚さ１２ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの拘束溶接割れ試験用試験片を作製した。上記のようにして得た各拘束溶接割れ試験用試験片を用いて、被覆アーク溶接棒としてＪＩＳ Ｚ ３２２４（２０１０）に規定のＥＮｉ６１８２を用いて、厚さ２５ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ２００ｍｍのＪＩＳ Ｇ ３１０６（２００８）に規定のＳＭ４００Ｃの市販の鋼板上に、四周を拘束溶接した。
【００６５】
【表１】
【００６６】
その後、開先内を表２に示す２種類の１．２φ（ｍｍ）のスプール溶接材料をそれぞれ用いて初層ＴＩＧ溶接を実施した。入熱は７．２〜１０．８ｋＪ／ｃｍの条件とし、溶接材料の送給速度も３１６〜７００ｍｍ／ｍｉｎの範囲で変化させた。その後、初層溶接部を半分ほど残して、残部を入熱７．２ｋＪ／ｃｍの条件にて積層溶接した。その際、パス間温度は１５０℃以下に管理した。
【００６７】
上記の溶接施工後、各試験体について、継手の断面ミクロ組織観察用試験片を、初層のみ溶接した部分から３個、積層溶接した部分から３個ずつ採取した。そして、断面を鏡面研磨した後クロム酸電解腐食し、割れの発生の有無を、光学顕微鏡を用いて倍率を５００倍として観察した。初層のみ溶接した部分において割れが認められた場合は凝固割れ、積層溶接した部分において割れが認められた場合は再熱割れであると考えられる。また、初層のみ溶接した部分から採取した溶接金属の中心部分をＥＰＭＡ分析して定量化することで溶接金属の組成を測定した。それらの結果を表３および４に示す。
【００６８】
【表２】
【００６９】
【表３】
【００７０】
【表４】
【００７１】
表３中の凝固割れおよび再熱割れの欄の数値は、割れの発生が認められた試験片数／断面ミクロ観察した試験片数を示す。なお、今回観察した割れ試験の評価は、観察した３断面中、一つでも割れの発生が認められたものを不合格とし、割れの発生が全く認められなかったものを合格とした。
【００７２】
まず、ＹＳ３０８Ｌ相当の溶接材料Ａを用いた試験結果を見ると、溶接金属の化学組成が本発明を満足しないＡ１およびＡ２では積層溶接した溶接金属にて再熱割れが生じた。一方、溶接金属の化学組成が本発明範囲を満足するＡ３およびＡ４では、初層のみ溶接した部分および積層溶接した部分の双方において、溶接金属に割れの発生が認められなかった。
【００７３】
同様に、ＹＳ３０９Ｌ相当の溶接材料Ｂを用いた場合においても、溶接金属の化学組成が本発明を満足しないＢ１およびＢ２では積層溶接した溶接金属にて再熱割れが生じたのに対して、溶接金属の化学組成が本発明範囲を満足するＢ３およびＢ４では、初層のみ溶接した部分および積層溶接した部分の双方において、溶接金属に割れの発生が認められなかった。
【００７４】
以上より、適正な溶接金属組成を得るように溶接条件を管理することによって、優れた耐凝固割れ性および耐再熱割れ性を有する溶接継手が得られることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手は、優れた耐粒界腐食性および耐溶接割れ性を有するため、原子力発電プラントにおいて粒界での腐食損傷が懸念されるＰＬＲ配管、またはシュラウドのような炉心材料として使用される溶接構造材に最適である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．０２％以下、
Ｓｉ：０．０１〜０．５％、
Ｍｎ：０．０１〜２％、
Ｃｒ：２４〜２６％、
Ｎｉ：１８〜２２％、
Ｍｏ：０．１０％を超えて０．５０％未満、
Ｎ：０．０４％を超えて０．１５％以下、
Ｐ：０．０２％以下および
Ｓ：０．００２％以下ならびに
Ｎｂ：０．３０％以下およびＶ：０．４０％以下の１種または２種
を含有し、
残部がＦｅおよび不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼を溶接するに際し、
Ｃ：０．０３％以下、
Ｓｉ：０．６５％以下、
Ｍｎ：１．０〜２．５％、
Ｃｒ：１９．５〜２５％、
Ｎｉ：９〜１４％、
Ｍｏ：０〜０．７５％、
Ｃｕ：０〜０．７５％、
Ｎ：０．１％以下、
Ｐ：０．０３％以下および
Ｓ：０．０３％以下
を含有し、
残部はＦｅおよび不純物からなる溶接材料を用いて得られる溶接金属の初層部における化学組成が、
Ｃ：０．０２６％以下、
Ｓｉ：０．２％〜０．６５％、
Ｍｎ：０．０１〜２％、
Ｃｒ：１９．５〜２５．５％、
Ｎｉ：９〜１７．５％、
Ｍｏ：０．７５％以下、
Ｃｕ：０〜０．７５％、
Ｎ：０．０７％以下、
Ｐ：０．０３％以下および
Ｓ：０．００２％以下ならびに
Ｎｂ：０．１％以下およびＶ：０．１５％以下の１種または２種
を含有し、
残部はＦｅおよび不純物からなることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【請求項２】
溶接材料の化学組成のうち、ＣｒおよびＮｉの含有量が、Ｃｒ：１９．５〜２２％、Ｎｉ：９〜１１％であり、溶接金属の初層部における化学組成のうち、ＣｒおよびＮｉの含有量が、Ｃｒ：１９．５〜２３％、Ｎｉ：９〜１６％であることを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【請求項３】
溶接材料の化学組成のうち、ＣｒおよびＮｉの含有量が、Ｃｒ：２３〜２５％、Ｎｉ：１２〜１４％であり、溶接金属の初層部における化学組成のうち、ＣｒおよびＮｉの含有量が、Ｃｒ：２３〜２５．５％、Ｎｉ：１２〜１７．５％であることを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【請求項４】
沸騰水型原子力発電プラントのＰＬＲ配管またはシュラウド等の炉心材料として使用することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．０２％以下、
Ｓｉ：０．０１〜０．５％、
Ｍｎ：０．０１〜２％、
Ｃｒ：２４〜２６％、
Ｎｉ：１８〜２２％、
Ｍｏ：０．１０％を超えて０．５０％未満、
Ｎ：０．０４％を超えて０．１５％以下、
Ｐ：０．０２％以下および
Ｓ：０．００２％以下ならびに
Ｎｂ：０．３０％以下およびＶ：０．４０％以下の１種または２種
を含有し、
残部がＦｅおよび不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼を溶接するに際し、
Ｃ：０．０３％以下、
Ｓｉ：０．６５％以下、
Ｍｎ：１．０〜２．５％、
Ｃｒ：１９．５〜２５％、
Ｎｉ：９〜１４％、
Ｍｏ：０〜０．７５％、
Ｃｕ：０〜０．７５％、
Ｎ：０．１％以下、
Ｐ：０．０３％以下および
Ｓ：０．０３％以下
を含有し、
残部はＦｅおよび不純物からなる溶接材料を用いて得られる溶接金属の初層部における化学組成が、
Ｃ：０．０２６％以下、
Ｓｉ：０．２％〜０．６５％、
Ｍｎ：０．０１〜２％、
Ｃｒ：１９．５〜２５．５％、
Ｎｉ：９〜１７．５％、
Ｍｏ：０．７５％以下、
Ｃｕ：０〜０．７５％、
Ｎ：０．０７％以下、
Ｐ：０．０３％以下および
Ｓ：０．００２％以下ならびに
Ｎｂ：０．１％以下およびＶ：０．１５％以下の１種または２種
を含有し、
残部はＦｅおよび不純物からなることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【請求項２】
溶接材料の化学組成のうち、ＣｒおよびＮｉの含有量が、Ｃｒ：１９．５〜２２％、Ｎｉ：９〜１１％であり、溶接金属の初層部における化学組成のうち、ＣｒおよびＮｉの含有量が、Ｃｒ：１９．５〜２３％、Ｎｉ：９〜１６％であることを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【請求項３】
溶接材料の化学組成のうち、ＣｒおよびＮｉの含有量が、Ｃｒ：２３〜２５％、Ｎｉ：１２〜１４％であり、溶接金属の初層部における化学組成のうち、ＣｒおよびＮｉの含有量が、Ｃｒ：２３〜２５．５％、Ｎｉ：１２〜１７．５％であることを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【請求項４】
沸騰水型原子力発電プラントのＰＬＲ配管またはシュラウド等の炉心材料として使用することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手。
【公開番号】特開２０１２−２００７７８（Ｐ２０１２−２００７７８Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６９４２４（Ｐ２０１１−６９４２４）
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
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