溶接におけるニオブ添加の効果
1.ニオブはステンレス鋼の溶接性能を向上させる合金元素として機能する。
--その効果を知ろう。
347ステンレス鋼のような特定のオーステナ イト系ステンレス鋼では、粒界腐食に対する耐 性を高めるために、合金元素としてニオブが 添加される。これは、溶接時に特に重要である。
ニオブは、炭素と相互作用して炭化ニオブ (NbC)を形成し、炭素がクロムを隔離して炭化クロム (Cr23C6)を形成するのを防ぐからである。炭化クロムは粒界腐食を引き起こしやすく、材料の完全性を著しく損なう可能性がある。
ニオブは炭化ニオブを形成することで、この 過程を効果的に防止し、溶接部および熱影響部 (HAZ)の耐食性を向上させる。
従って、ニオブ合金ステンレス鋼は、熱交換器、圧力容器、高温や過酷な化学条件にさらされる部品などの高性能環境での使用に理想的である。
--このような効果は、いくつかの実験によって証明されている。
溶接用途におけるニオブの有益な効果は、いくつかの研究で確認されている。例えば、電子後方散乱回折(EBSD)を用いて溶接継手の結晶粒構造を研究し、熱影響部(HAZ)におけるニオブの役割を分析した。これらの研究から、ニオブの添加はHAZの結晶粒微細化をもたらし、粗粒熱影響部（CGHAZ）の範囲を縮小することがわかった。HAZの結晶粒が微細化することで、組織と靭性が改善され、溶接材料が応力下で破壊しにくくなる。
図1 ニオブ添加量の異なるステンレス鋼の溶接部の比較（上の方がニオブ添加量が少ない。）
出典
"中国長距離ガスパイプラインの現状".Chengjia Shang - IGRC - リオ 2017
また、モスクワで行われたCBMMの共同研究のようなプロジェクトからの研究データは、ニオブの含有量が高い鋼は、溶接中の入熱の増加に対してより大きな耐性を示すことを示している。この柔軟性は、溶接熱サイクルに耐える材料の能力を高め、溶接継手の信頼性を保証する。
2.ニオブ合金とステンレス鋼の異材溶接技術
--異材溶接の重要性と課題
ニオブ合金とステンレス鋼の異材溶接は、双方の高性能が要求される産業分野で多く採用されています。ニオブの卓越した高温性能、耐食性、超伝導性と、ステンレス鋼の強度とコストパフォーマンスの組み合わせは、この異種金属溶接を特に魅力的なものにしている。しかし、これら2つの材料の溶接には、物理 的、化学的、冶金学的特性の違いにより、い くつかの課題がある。
- 熱特性の違い：ニオブ合金の熱膨張係数(7.3×10-⁶/℃)は、ステンレス鋼の熱膨張係数(17.3×10-⁶/℃)と大きく異なるため、残留応力が発生します。
- 冶金学的不適合：Fe₂NbやCr₂Nbのような脆い金属間化合物を形成する危険性がある。
- 酸化感受性：ニオブは高温で非常に酸化されやすく、厳重な保護措置が必要。
- 溶接希釈制御：溶融プール内の組成を制御するのは難しい。
--溶接方法の比較と選択
--従来の溶接方法
ニオブ合金をステンレス鋼に溶接する場合、 適切な溶接方法の選択が極めて重要である。以下は、従来の溶接方法の一覧である。
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溶接方法 |
利点 |
限界 |
適用場面 |
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GTAW（タングステンイナートガス） |
シンプルな設備、柔軟な操作性 |
高入熱、大きな歪み |
薄板の突合せ接合、単純構造 |
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EBW（電子ビーム溶接） |
深さ対幅比が大きい、HAZが小さい |
真空環境が必要、高価な装置 |
高精度部品、航空宇宙用途 |
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LBW（レーザービーム溶接） |
正確な入熱、高度な自動化 |
高い組み立て精度が必要 |
薄板、精密接続 |
--高度な溶接技術
摩擦圧接(FW)、拡散圧接(DFW)、爆発圧接(EXW)などの高度な溶接技術も、ニオブ合金とステンレス鋼の溶接に特有の課題に対処するために使用できます。
- 摩擦圧接 (FW)
- 固体接合により溶接欠陥を回避。
- 特にパイプ接合に適している。
- パラメータ（速度、圧力、時間）の厳密な制御が必要。
- 拡散溶接 (DFW)
- 中間層（Ti、Cu、Ni）を使用して接合を改善する。
- 温度（800～950℃）と圧力を厳密に管理する必要がある。
- 接合強度は母材強度の90%に達する。
- 爆発溶接（EXW）
- 大面積の板状複合材に適している。
- 接合界面は波状の形状で、機械的にかみ合う。
- 残留応力を緩和するため、その後の熱処理が必要。
--主な工程管理ポイント
1.中間層材料の選択
中間層の材料の選択は、溶接品質を向上させ、 ニオブ合金とステンレス鋼の材料の不一致を 緩和する上で重要な役割を果たす。純ニッケル、銅ベースの複合材、バナジウム/ チタン遷移層などの中間層は、残留応力を緩和 し、脆性相の形成を防ぐのに役立つ。
例えば、純ニッケル中間層はFe-Nb脆性相の形成を効果的に抑制し、銅ベースの層は熱応力を緩和し、良好な電気伝導性を提供することができる。バナジウムやチタンの遷移層の使用は、 ニオブやステンレス鋼との相溶性に優れるが、 拡散温度を注意深く制御する必要がある。
2.保護雰囲気の制御
高温での酸化に非常に敏感なニオブ合金の 溶接には、溶接環境の制御が不可欠である。純度99.999%以上のアルゴンやヘリウムな どの不活性ガスの使用を推奨する。酸素含有量は10ppm未満に注意深く制御 し、溶接の完全性を確保するために二重ガス保 護システムを使用する必要がある。真空溶接の場合、酸化を防ぐために圧力を 5×10-³Pa未満に保つ必要がある。
結論
ニオブ合金とステンレス鋼の溶接技術は、大 きな進歩を遂げている。ステンレス鋼へのニオブの添加は、耐食性の 向上、結晶粒組織の微細化、靭性の向上によ り、溶接性能を著しく向上させる。溶接におけるニオブ添加の効果について、より深くご理解いただければ幸いです。詳しくはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。
参考文献
[1] CHEN Guoqing, GAN Zhanhua, ZHANG Ge, LENG Xuesong (2023).ニオブ合金とステンレス鋼の異種金属溶接技術の研究進展.Aeronautical Manufacturing Technology. https://doi.org/http://www.amte.net.cn/CN/10.16080/j.issn1671-833x.2023.19.093.
[2] Xingwen Zhou, Yuhua Chen, Yongde Huang, Yuqing Mao, Yangyang Yu, Effects of niobium addition on the microstructure and mechanical properties of laser-welded joints of NiTiNb and Ti6Al4V alloys, Journal of Alloys and Compounds, Volume 735, 2018, Pages 2616-2624, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838817340896.
