JP2004099999A

JP2004099999A - 自溶合金被覆金属条材の製造方法および溶融処理装置

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Publication number: JP2004099999A
Application number: JP2002265446A
Authority: JP
Inventors: Michio Tanabe; 田辺　道夫; Toshio Nagano; 永野　敏雄; Akihiko Tomiguchi; 冨口　明彦
Original assignee: Dai Ichi High Frequency Co Ltd
Current assignee: Dai Ichi High Frequency Co Ltd
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2004-04-02
Anticipated expiration: 2022-09-11
Also published as: JP4255258B2

Abstract

【課題】自溶合金被覆金属条材を簡便かつ安価に製造する。
【解決手段】金属条材の表面に自溶合金の定着層を形成する工程と、この定着層に溶融と凝固と冷却とを経過させることで緻密な溶着層に変成させる溶融処理工程とを含む自溶合金被覆金属条材の製造方法において、定着層の溶融のための加熱を、直接通電方式により金属条材をジュール発熱させて行う。その溶融処理工程に用いる溶融処理装置には、金属条材１０に取り付けて通電端子とするための電極金具の対２２，２３と、この電極金具の対に給電するための給電条件調整自在な交流給電機構３０と、この交流給電機構に給電条件を指示するための温度センサー４２を配した給電条件指示機構４０とを設ける。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自溶合金被覆金属条材の製造方法および自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置に関し、詳しくは、金属条材に自溶合金を被覆し、この被覆に加熱溶融を経過させて、下地に溶着した緻密な被覆を有する製品を得る技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自溶合金溶射についてＪＩＳＨ８３０３が規定され、ボイラ・熱交換器用合金鋼鋼管についてＪＩＳＧ３４６２が規定され、それらに関連する技術として、自溶合金にて被覆された金属管材を加熱して緻密に溶着させる手法が、幾つか知られている（例えば、特許文献１，２を参照。）。概括すると、そのような手法での自溶合金被覆金属管材の製造には、溶射等にて金属管材の表面に自溶合金の定着層を形成する工程と、この定着層に溶融と凝固とを経過させることで緻密な溶着層に変成させる溶融処理工程とが含まれている。
【０００３】
従来、定着層の溶融処理のための加熱には、ガス炎による加熱や，炉による加熱が多用されていた（例えば、特許文献１参照。）。近年は、品質や生産性を向上させるべく、高周波での誘導加熱も、利用されている（例えば、特許文献１，２参照。）。
また、定着層の溶融に続く凝固の後の冷却については、母材特性の変化や被覆の割れを伴うベイナイト変態を回避すべく、放冷後に徐冷を行って加熱後の冷却速度を調整する手法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
さらに、誘導加熱用電源装置であってパルス密度を調節可能なものも知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−４６３１５号公報　（第２−３頁）
【特許文献２】
特開２０００−３２９３０４号公報　（第１頁）
【特許文献３】
特開２００２−１７０６５７号公報　（第１頁）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の自溶合金被覆金属管材の製造手法では、溶融のための加熱を誘導加熱等にて行っていることから、そのための設備費用が無視できない。特に、多品種少量生産の場合、例えば管材が多様に曲がっていたりすると、それに適合したコイル等の部材を各種揃えたり、大型の炉を割り当てたりしなければならないため、設備費も運転費もコストダウンが難しい。
また、溶融に続く凝固の後の冷却については、加熱後の冷却速度を調整することで被覆層が割れないようになったが、放冷後に徐冷を行う調整手法は、徐冷のための炉設備や設営工数あるいは長い管理時間などの負荷を伴うものであり、作業能率，コストの両面において、十分に好ましいものとはなっていない。ついては、上記負荷を軽減することができるような冷却速度調整手法を案出することが期待される。しかも、それにはコストアップ回避も要請される。
【０００６】
ところで、母管が一本の金属管からなるような自溶合金被覆金属条材の場合、両端部は、連結や取付などのために被覆されていないことが多く、通電可能な接続状態を何時でも容易に確立しやすいところとなっている。
そこで、そのような特質を利用して溶融のための加熱を簡便かつ安価に行えるようにすることが課題となる。また、後続の冷却速度調整を簡便かつ安価に而もより適切に行えるようにすることも更なる課題となる。
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、簡便かつ安価な自溶合金被覆金属条材の製造方法を実現することを目的とする。また、その方法の実施に好適な自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置を実現することも目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために発明された第１乃至第７の解決手段について、その構成および作用効果を以下に説明する。
【０００８】
［第１の解決手段］
第１の解決手段の自溶合金被覆金属条材の製造方法は、出願当初の請求項１に記載の如く、鉄鋼系の金属条材の表面に自溶合金の定着層を形成する工程と、この定着層に溶融とこれに続く凝固とその後の冷却とを経過させることで緻密な溶着層に変成させる溶融処理工程との２工程を含む自溶合金被覆金属条材の製造方法において、前記定着層の溶融のための加熱を、直接通電方式により前記金属条材をジュール発熱させて行う、というものである。
【０００９】
このような第１の解決手段の自溶合金被覆金属条材の製造方法にあっては、定着層の溶融のための加熱が金属条材のジュール発熱にて行われ、その発熱が金属条材に直接通電することで行われる。
通電可能な接続状態を何時でも容易に確立しやすい自溶合金被覆金属条材は直接通電方式の適用が容易なばかりか、この方式によれば、条材の曲げ形状等による影響が緩和されて、熱履歴の均一化や，治具等の共通化・共用化，作業の容易化・単純化，設備の簡素化・小形化が達成される。
したがって、この発明によれば、簡便かつ安価に高品質製品が得られる自溶合金被覆金属条材の製造方法を実現することができる。
【００１０】
［第２の解決手段］
第２の解決手段の自溶合金被覆金属条材の製造方法は、出願当初の請求項２に記載の如く、上記の第１の解決手段の自溶合金被覆金属条材の製造方法であって、前記凝固後の冷却を、少なくとも前記金属条材のＡ_１変態点（約７３０℃）近傍にて実験選定した中間温度以降の冷却について、前記直接通電方式によるジュール発熱で冷却スケジュールを調整しながら行う、というものである。
【００１１】
ここで、上記Ａ_１変態点の「近傍」の目安は±５０℃程度である。どの辺りの温度が適切であるかは実験的に確認することができる。
また、上記冷却スケジュールの調整を、上記中間温度以降の冷却に関して必須としたのは、この温度以降の冷却条件が被覆の割れに大きく関わるからである。凝固から上記中間温度に至る間の冷却についても、直接通電を利用した冷却速度等の調整（緩冷化）は行われてよいが、実際にはその必要は生じていない。
【００１２】
このような第２の解決手段の自溶合金被覆金属条材の製造方法にあっては、凝固後の冷却を、冷却スケジュールを調整して行えるので、被膜の割れが生じないように行う冷却を、冷却に係るコストを削減できるような冷却スケジュールで行うことが可能となる。冷却速度に大きく依存する母材の変態や結晶粒度の制御・管理等も適切に行えて、金属条材を所望の硬さに仕上げることも容易になる。しかも、加熱に用いた直接通電が冷却スケジュールの遂行にも用いられることから、冷却速度の調整機能を拡張したにも拘わらず、特別な設備は増設しないで済むので、コストアップが抑えられるとともに、作業の煩雑化等も回避される。さらに、１０００℃前後の凝固終了温度で金属条材を炉内に入れる作業と比べて、危険性や作業負荷が遙かに少ない。
したがって、この発明によれば、簡便かつ安価で割れの少ない自溶合金被覆金属条材の製造方法を実現することができる。
【００１３】
［第３の解決手段］
第３の解決手段の自溶合金被覆金属条材の製造方法は、出願当初の請求項３に記載の如く、上記の第１，第２の解決手段の自溶合金被覆金属条材の製造方法であって、前記凝固後の冷却を、少なくとも前記金属条材のＡ_１変態点（約７３０℃）近傍にて実験選定した中間温度以降の冷却について、保温箱内で行う、というものである。
【００１４】
このような第３の解決手段の自溶合金被覆金属条材の製造方法にあっては、上記中間温度以降の冷却が保温箱内で行われる。
これにより、通電しなくても保温レベルの徐冷が行われることから、通電は所期の冷却スケジュールの実現に満たない分だけ行えば足りるので、節電になる。例えば、炉冷相当緩冷却であっても、大がかりな炉を長時間占有したりせずに、安価に用意できる保温箱を用い、しかも、加熱溶融のための直接通電システムを引き続き利用するスリムな形態で、行えることとなる。
【００１５】
なお、上記保温箱内への金属条材の収容は、金属条材を移動させて行っても良く、あるいは金属条材の周囲に保温壁を立ち上げる形で行っても良い。いずれにせよ、上記処置は、前記中間温度で行えばよいから、１０００℃前後の凝固終了温度で金属条材を炉内に入れる作業と比べて、危険性や作業負荷が遙かに少ない。
したがって、この発明によれば、簡便かつ安価で割れも電力消費も少ない自溶合金被覆金属条材の製造方法を実現することができる。
【００１６】
［第４の解決手段］
第４の解決手段の自溶合金被覆金属条材の製造方法は、出願当初の請求項４〜６に記載の如く、上記の第２，第３の解決手段の自溶合金被覆金属条材の製造方法であって、前記中間温度以降の冷却の冷却スケジュールを、冷却速度１．２〜６．０℃／分で温度降下させて行く過程を含むスケジュールとする、というものである。又は、その中間温度で一旦温度保持してから前記冷却速度で温度降下させて行くスケジュールとするというものである。あるいは、その中間温度で一旦温度を上げ下げしながら温度保持してから前記冷却速度で温度降下させて行くスケジュールとするというものである。
【００１７】
このような第４の解決手段の自溶合金被覆金属条材の製造方法にあっては、所定の冷却速度で温度が降下するので、しかも、その冷却速度がベイナイト変態等による金属条材の急激な体積膨張を回避する値として実験選定したものであるので、被覆層の割れが確実に減る。特に、冷却途中での降温停滞と組み合わせた場合には、被覆層に割れの発生する確率が更に小さくなる。
したがって、この発明によれば、簡便かつ安価で割れが極めて少ない自溶合金被覆金属条材の製造方法を実現することができる。
【００１８】
［第５の解決手段］
第５の解決手段の自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置は、出願当初の請求項７に記載の如く、表面に自溶合金の定着層が形成された金属条材に取り付けて通電端子とするための電極金具の対と、この電極金具の対に給電するための給電条件調整自在な交流給電機構と、この交流給電機構に給電条件を指示するための、前記金属条材の温度を検知する温度センサーを配した給電条件指示機構とを備えたものである。
ここで、「給電条件」は、ジュール発熱の量の可変制御に係る条件であり、「給電条件調整自在な」とは、金属条材の昇温に加えて降温や定温維持にも資するよう調整可能な、という意味である。
【００１９】
このような第５の解決手段の自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置にあっては、電極金具の対を金属条材の両端部等に取り付けることで簡単に直接通電方式での熱処理が可能になる。また、処理中には金属条材の温度が温度センサーによって検知され、それに基づいて給電条件指示機構から交流給電機構へ給電条件が指示され、それに応じて電極金具への給電が調整される。
これにより、金属条材の温度が冷却スケジュール等に則った形で推移するようジュール発熱量が可変制御されるので、この装置を用いれば、上述した各解決手段の製造方法が容易に且つ確実に実行しうることとなる。
したがって、この発明によれば、簡便かつ安価な自溶合金被覆金属条材の製造方法の実施に好適な溶融処理装置を実現することができる。
【００２０】
［第６の解決手段］
第６の解決手段の自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置は、出願当初の請求項８に記載の如く、上記の第５の解決手段の自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置であって、前記電極金具の対は複数対が配備されており、前記交流給電機構からの給電が、給電対象を随時に切り換えて代わる代わる行えるように構成されている、というものである。
【００２１】
このような第６の解決手段の自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置にあっては、電極金具が複数対なので、同時に複数個の金属条材に対して通電のための接続を行うことが可能である。また、給電対象を随時に切り換えて給電を代わる代わる行うことも可能である。
これにより、一台の装置で次々に複数の溶融処理をこなすことができるので、装置の使用効率・稼働率が向上するとともに、電極取付作業等の準備作業も纏めて手早く行えることとなる。
したがって、この発明によれば、簡便かつ安価な自溶合金被覆金属条材の製造方法の実施に好適な溶融処理装置であって効率の良いものを実現することができる。
【００２２】
［第７の解決手段］
第７の解決手段の自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置は、出願当初の請求項９に記載の如く、上記の第６の解決手段の自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置であって、前記交流給電機構は複数系統の出力部を備えており、前記給電対象とする電極金具対を複数対とした給電が、同時進行的に行えるように構成されている、というものである。
ここで、「複数系統の出力部」は、それぞれ給電条件を調整しうる出力部が複数あれば良く、電源の個数まで複数であることが必須なのでは無い。例えば、それぞれが出力部を具えた複数電源からなるものでも良いし、１電源内で時分割稼働する複数系統のスイッチングブリッジでも良い。
【００２３】
このような第７の解決手段の自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置にあっては、一台の装置で複数の溶融処理を並列処理・並行処理にて進めることができるので、高いスループット（生産効率）が達成される。また、そのようにしても、凝固時の加熱のための通電量が溶融時の加熱のための通電量より可成り少ないので、それらを合わせた出力のピークは、出力部の系統数が増えてもその割には高くならない。
これにより、電源の大形化を抑制しつつ処理効率の向上が達成される。
したがって、この発明によれば、簡便かつ安価な自溶合金被覆金属条材の製造方法の実施に好適な溶融処理装置であって一層効率の良いものを実現することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
このような解決手段や実施形態で達成された本発明の自溶合金被覆金属条材の製造方法および溶融処理装置について、これを実施するための具体的な形態を、以下の第１〜第３実施形態および第１，第２実施例により説明する。
図１に示した第１実施形態は、上述した第１〜第５の解決手段を具現化したものであり、図２，図３に示した第２実施形態は、上述した第６の解決手段を具現化したものであり、図４，図５に示した第３実施形態は、上述した第７の解決手段を具現化したものであり、図６に示した第１実施例、及び図７に示した第２実施例は、実施結果の一例である。
【００２５】
【第１実施形態】
本発明の自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置の第１実施形態について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図１（ａ）は、溶融処理装置の斜視図、同図（ｂ）は、溶融処理工程中の温度変化のグラフである。
【００２６】
この溶融処理装置は（図１（ａ）参照）、ボイラーチューブ１０（自溶合金被覆金属条材）に対し溶融処理を施して被覆層１２を緻密に変成させるのに用いられるものであり、そのために、ボイラーチューブ１０を保持してそれへの直接通電を可能とする加熱部２０と、これに高周波電流を供給する交流給電機構３０と、これに給電条件を指示するための給電条件指示機構４０とを具えている。装置の一部を成すものでは無いが、保温箱５０も、加熱部２０に並置されて併用可能となっている。
【００２７】
ボイラーチューブ１０は、鋼管等からなる母管１１（金属条材）の表面に対して、ニッケル自溶合金等の被覆層１２（定着層）を溶射や焼結あるいはスリップコーティング等にて数ｍｍ厚さに形成したものである（ＪＩＳＧ３４６２，ＪＩＳＨ８３０３，特許文献１参照）。両端部は、連結等のため、被覆層１２が無く、母管１１が露出している。中間でも支持部材取付等のため母管１１が露出していたり、既に支持部材が取り付けられていることもあるが、そうでないこともある。直管も有れば、曲管も有る。
【００２８】
加熱部２０は、適宜な長さのベース２１の両端部上面に電極２２，２３を載せて対向配置したものである。電極２２は、ボイラーチューブ１０に対する低抵抗の電気的接触を動的に確立するために、ボイラーチューブ１０の一端における母管１１露出部を挟持するようになっている。また、クランプレバー２２ａの操作にて簡単にボイラーチューブ１０の挟持・開放を行えるようにもなっている。電極２３も、同様の構造であり、クランプレバー２３ａを操作してボイラーチューブ１０の他端における母管１１露出部を挟持・開放しうるようになっている。一対の電極２２，２３は、それぞれ水冷ケーブル３１，３２に接続されており、装置構成上、必須のものであるが、ベース２１や曲がり防止治具２１ａは、ボイラーチューブ１０の形状等に応じて採択される適宜な台座や付加的用具である。
【００２９】
交流給電機構３０は、上記の水冷ケーブル３１，３２と、これらに二次側が接続された高周波トランス３３（第１出力部）と、その一次側に高周波用ケーブルを介して高周波電流出力端子が接続された電源部３４とを具えている。それら個々の構成は公知のもの例えば特許文献３記載の誘電加熱用電源装置と同様で良いが、負荷がコイルでなく、電極２２，２３の対を介してボイラーチューブ１０に直接通電するようになっている。また、電源部３４が、信号入力等にて指示Ｔｃを受けるとともに、それに応じて給電条件を調整するものとなっている。具体的には、パルス密度調整回路を内蔵していて、高周波トランス３３への出力パルスの密度を指示Ｔｃに応じて加減するようになっている。
【００３０】
給電条件指示機構４０は、ボイラーチューブ１０の温度を検出するための熱電対４２（温度センサー）と、それで検出した温度Ｔｆに基づいてフィードバック制御を行う温度制御回路４１とを具えている。温度制御回路４１は、マイクロプロセッサシステム等の電子回路からなり、検出温度Ｔｆが熱処理スケジュール（加熱スケジュール＋冷却スケジュール）に則って変化するよう、時々刻々、例えばＰＩＤ制御方式での演算を行って、電源部３４への指示Ｔｃを算出する。熱処理スケジュールは（図１（ｂ）参照）、一連の昇温期間Ａと高温保持期間Ｂと降温期間Ｃと停滞期間Ｄと降温期間Ｅとからなり、それぞれの温度または温度勾配と時間とが、図示しない設定器や入力装置の操作やダウンロード等にて、ほぼ任意に設定しうるようになっている。
【００３１】
それらの設定項目（Ａ〜Ｅ）には省略可能なものも有るが、停滞期間Ｄについては、少なくとも温度と時間を設定するようになっており、その温度については、一定値を設定することも、所定周期で所定範囲を上下するよう設定することも、選択的に行えるようになっている。
保温箱５０は（図１（ａ）参照）、断熱ボード等で作られた保温箱であり、加熱部２０とボイラーチューブ１０とを一緒に収納しうる大きさになっている。
【００３２】
このような溶融処理装置を用いて行う本発明の第１実施形態の自溶合金被覆金属条材の製造方法を、図１を参照しながら、説明する。
ボイラーチューブ１０の製造工程には、母管１１の表面に被覆層１２を形成する定着層形成工程と、その被覆層１２に溶融と凝固と冷却とを経過させる溶融処理工程とが含まれるが、定着層形成工程は溶射法など公知の手法で良いので、以下、溶融処理工程を詳述する。
【００３３】
溶融処理工程では、先ず準備作業として、ボイラーチューブ１０をベース２１に載せて、その一端に電極２２を取り付け、他端に電極２３を取り付ける。それから、熱電対４２も、ボイラーチューブ１０の温度計測可能なところに、溶接等で取り付ける。
また、温度制御回路４１に対して溶融処理スケジュールを設定する。その一例を挙げると、昇温期間Ａには温度も時間も指定せず、高温保持期間Ｂには温度が１０５０℃で時間が３分と指定し、降温期間Ｃには温度も冷却速度も指定せず、停滞期間Ｄには温度が７００℃で時間が２０分（あるいは０分＝停滞なし）と指定し、降温期間Ｅは冷却速度だけ１．８℃／分（あるいは停滞なしで１．２℃／分）と指定する。なお、停滞期間Ｄの長さは、上例に限らず、１０〜４０分程度の目安で適宜選定されてよい。
【００３４】
高温保持期間Ｂの温度１０５０℃と時間３分は、Ｃｒ含有Ｎｉ基の自溶合金からなる被覆層１２の溶融や再溶融に好適な値であり、停滞期間Ｄの温度７００℃はベイナイト変態等を生じさせることなく経過させうる温度（Ａ_１変態点近傍温度）であり、炭素鋼の共析温度にも近い。停滞期間Ｄの時間２０分と、降温期間Ｅの冷却速度１．８℃／分（あるいは１．２℃／分）は、炭素鋼からなる母管１１がベイナイト変態するのを上記７００℃での温度停滞条件と相まってのトータル的な緩冷却により実質的に回避すべく定められた値であり、単なる放冷や徐冷よりは緩冷却であるが、炉冷よりは十分に急冷却であって時間を要しない冷却速度である。
【００３５】
こうして準備が調ったところで、溶融処理装置に通電を開始させると、設定済み熱処理スケジュールを制御目標とし、ボイラーチューブ１０の温度Ｔｆをフィードバックして、追従制御が行われる。そして、随時、温度制御回路４１から電源部３４に指示Ｔｃが送出され、それに対応した給電が高周波トランス３３と水冷ケーブル３１，３２と電極２２，２３とを介してボイラーチューブ１０に対し直に行われて、その母管１１がジュール発熱する。そのとき、高周波の表皮効果により被覆層１２の加熱が効率良く行われる。
【００３６】
詳述すると、昇温期間Ａでは、速やかに昇温するよう概ね最大出力で加熱が行われ、１０５０℃に達すると高温保持期間Ｂに移行してその温度が維持され、その時間が過ぎると降温期間Ｃになる。降温期間Ｃでは、出力が止まって放冷すなわち自然空冷がなされる。そして、７００℃まで温度が降下すると、停滞期間Ｄに移行して、その温度を維持するよう、適切に制御された出力で加熱が行われる。その時間が過ぎると降温期間Ｅになるので、そのタイミングでボイラーチューブ１０及び加熱部２０を保温箱５０に納める。
【００３７】
この降温期間Ｅでは、単なる徐冷より緩やかに温度が低下するよう、適切に制御された出力で弱い加熱が行われる。その際、カオウール等の断熱材も併用することで、消費電力を更に節約することができる。
こうして、定着層の溶融ばかりかそれに続く凝固においても、冷却スケジュールの調整まで含めて、必要な加熱が直接通電方式によりボイラーチューブ１０をジュール発熱させることで行われる。
【００３８】
なお、降温期間Ｅの冷却速度は、上記一例の他、金属条材の材質や寸法・形状に応じて１．２〜６．０℃／分でも良い。ついては、上記通電加熱を省略した形の保温箱内冷却で事足りるケースもある。一般に、炉冷での冷却速度は０．５〜１℃／分程度であり、通電加熱無しの保温箱内での冷却速度は２〜５℃／分程度であり、降温期間Ｅの冷却速度は、その中間になっている。
また、停滞期間Ｄの温度保持を、例えば周期６０秒で温度範囲±５０℃を上下するよう設定することで、降温期間Ｅの冷却速度の好適範囲が３．０〜６．０℃／分という高位側に移って、冷却所用時間が短縮されるという更なる効果も得られる。その周期は３０〜１８０秒でも良く、上下する温度の幅は、±３０〜±７０℃でも良い。
さらに、降温期間Ｃについても例えば２０℃／分のように冷却速度を設定しても良い。
【００３９】
【第２実施形態】
図２に給電部６０の回路図を示した本発明の溶融処理装置が、上述した第１実施形態のものと相違するのは、電極２２，２３（１番目の電極金具の対）に加えてもう一組の電極２４，２５（２番目の電極金具の対）が配備された点と、それに対応して交流給電機構３０における出力部が２系統に拡張された点である。温度制御回路４１は、２系統のフィードバック制御を行うように拡張されて温度制御回路６１ｂとなり、パルス密度調整回路６１ａと共に制御ユニット６１に組み込まれている。その点も相違する。
【００４０】
詳述すると、給電部６０には、高周波トランス３３を介して電極２２，２３に給電を行うために、上述の電源部３４と同じく、商用交流の受電部あるいは交流発電機等の起電部等からなる一次電源３４ａと、ダイオードスタック等からなる整流回路３４ｂと、コンデンサ等からなる平滑回路３４ｃと、トランジスタＴ１〜Ｔ４のフルブリッジ回路等からなるスイッチング回路３４ｄ（第１出力部）とを具えている。そして、トランジスタＴ１〜Ｔ４のゲート等の制御端子Ｇ１〜Ｇ４をパルス密度調整回路６１ａにてオンオフ制御することで、インバータ動作して、０．５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度の高周波を発生するようになっている。
【００４１】
給電部６０には、もう一つのスイッチング回路６２（第２出力部）が設けられており、これが平滑回路３４ｃに対してスイッチング回路３４ｄと並列に接続されている。これも、トランジスタＴ５〜Ｔ８のフルブリッジ回路等からなり、トランジスタＴ５〜Ｔ８のゲート等の制御端子Ｇ５〜Ｇ８をパルス密度調整回路６１ａにてオンオフ制御することで、インバータ動作して、０．５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度の高周波を発生する。これは、追加の高周波トランス６３を介して電極２４，２５に給電するようになっている。
【００４２】
パルス密度調整回路６１ａは、高周波トランス３３への出力電流を検出してその検出信号Ｘに基づくフィードバック制御を行うとともに、高周波トランス６３への出力電流も検出してその検出信号Ｙに基づくフィードバック制御も行うために、位相ロック回路（ＰＬＬ）や発振回路（ＯＳＣ）を２組具えていて、何れの系統でも、温度制御回路６１ｂから与えられた各々の指示Ｔｃ，Ｔｃに従ってパルス密度の調整が行えるようになっている。
【００４３】
温度制御回路６１ｂも、交信可能な２つのマイクロプロセッサにて、又は単一のマイクロプロセッサにインストールされた複数の協動するプログラム等にて、２つの熱処理スケジュールを管理するようになっている。一方のスケジュールは電極２２，２３側の検出温度Ｔｆに基づくフィードバックに用いられ、他方のスケジュールは電極２４，２５側の検出温度Ｔｆに基づくフィードバックに用いられる。さらに、それらの熱処理スケジュールを図示しない入力装置の操作等にて択一的に適用することで、給電対象を随時に切り換えられるようにもなっている。
【００４４】
このような溶融処理装置を用いて行う本発明の第２実施形態の自溶合金被覆金属条材の製造方法を、図面を引用して説明する。図３は、処理進行状態を示すタイミングチャートであり、溶融処理工程における各期間Ａ〜Ｅの推移と給電量とを模式的に示している。
【００４５】
ここでも定着層形成工程は割愛して溶融処理工程を説明するが、電極２２，２３を取り付けた１番目のボイラーチューブ１０に高周波トランス３３を介して通電しながら溶融処理を行うとともに、それと並行して電極２４，２５を２番目のボイラーチューブ１０に取り付けたり熱処理スケジュールを設定するといった準備作業が行われる。そして、高周波トランス３３経由の通電を終えたら、電極２４，２５を取り付けた２番目のボイラーチューブ１０に高周波トランス６３を介して通電しながら溶融処理を行うとともに、それと並行して電極２２，２３を３番目のボイラーチューブ１０に取り付けたり熱処理スケジュールを設定するといった準備作業が行われる。
こうして、この場合は、給電対象が交互に切り換えられて、溶融処理工程が代わる代わる行われる。もちろん、片方だけで第１実施形態のときと同様に処理を進めても良い。
【００４６】
【第３実施形態】
図４に給電部７０の回路図を示した本発明の溶融処理装置が、上述した第２実施形態のものと相違するのは、更にもう一組の電極２６，２７（３番目の電極金具の対）が追加された点と、それに対応して交流給電機構３０における出力部が３系統に拡張された点である。具体的には、高周波トランス７３を介して電極２６，２７に給電するスイッチング回路７２（第３出力部）が追加されてスイッチング回路６２同様に並列接続されている。また、それに対応して制御ユニット６１も拡張されて制御ユニット７１となり、これが３系統のスイッチング回路３４ｄ，６２，７２を独立にフィードバック制御するようになっている。熱処理スケジュールの設定も個別に行えるようになっている。
【００４７】
このような溶融処理装置を用いて行う本発明の第３実施形態の自溶合金被覆金属条材の製造方法を、図面を引用して説明する。図５は、処理進行状態を示すタイミングチャートであり、溶融処理工程における各期間Ａ〜Ｅの推移と給電量とを簡略表示している。ここでも溶融処理工程を説明する。
【００４８】
電極２２，２３を取り付けた１番目のボイラーチューブ１０に高周波トランス３３を介して通電しながら溶融処理を行うとともに、それと並行して電極２４，２５を２番目のボイラーチューブ１０に取り付けたり熱処理スケジュールを設定するといった準備作業が行われる。そして、その処理が降温期間Ｅに進んだら高周波トランス３３経由の通電終了を待つことなく、電極２４，２５を取り付けた２番目のボイラーチューブ１０に高周波トランス６３を介して通電しながら溶融処理を行う。また、それと並行して電極２６，２７を３番目のボイラーチューブ１０に取り付けたり熱処理スケジュールを設定するといった準備作業が行われる。それから、その処理が降温期間Ｅに進んだら高周波トランス６３経由の通電終了を待つことなく、電極２６，２７を取り付けた３番目のボイラーチューブ１０に高周波トランス７３を介して通電しながら溶融処理を行う。
【００４９】
そして、高周波トランス３３経由の通電終了を待って４番目のボイラーチューブ１０に電極２２，２３を取り付け、他の高周波トランス６３，７３経由の処理が昇温期間Ａ〜停滞期間Ｄの何れにも入っていないことを確認してから、電極２２，２３を取り付けた４番目のボイラーチューブ１０に高周波トランス３３を介して通電しながら溶融処理を行う。同様に、高周波トランス６３経由の通電終了を待って５番目のボイラーチューブ１０に電極２４，２５を取り付け、他の高周波トランス７３，３３経由の処理が昇温期間Ａ〜停滞期間Ｄの何れにも入っていないことを確認してから、電極２４，２５を取り付けた５番目のボイラーチューブ１０に高周波トランス６３を介して通電しながら溶融処理を行う。
【００５０】
以下、同様にして順次、電極の対を付け替えて６番目，７番目，更に以降のボイラーチューブ１０に直接通電しながら溶融処理を行い、その合間を縫って準備作業が行われる。
こうして、この場合は、給電対象とする電極金具対を複数対とした給電が、複数系統の出力部を利用して、同時進行的に行われる。しかも、その際、昇温期間Ａ〜停滞期間Ｄだけは並行しないので、ピーク電力は、上述した第１，第２実施形態の場合と、ほとんど変わらない。
【００５１】
【第１実施例】
上述した溶融処理装置を用いて行った本発明の自溶合金被覆金属条材の製造方法の第１実施例について、その内容および結果を、図面を引用して説明する。図６は、定着層形成工程と溶融処理工程とを経たボイラーチューブ１０を切断して被覆層の断面についてビッカース硬度（Ｈｖ）を測定した結果のグラフである。
【００５２】
試験材は、鋼管（材質：ＪＩＳ／ＳＴＢＡ２４、寸法：φ４５×１１ｔ×４，５００Ｌ）からなる母管１１に対し、高Ｃｒ含有Ｎｉ基自溶合金（組成：ＪＩＳ／ＳＦＮｉ４）を溶射して被覆層１２（寸法：２．５ｔ×計４，０００Ｌ）を形成したものである。
それを上述の溶融処理装置にセットして直接通電方式による溶融処理工程を施した。具体的には、昇温期間Ａでは６０℃／分で昇温し、高温保持期間Ｂでは１０５０℃に３分間保持し、降温期間Ｃでは放冷し、停滞期間Ｄでは７００±５０℃（６０秒周期で上げ下げ）に１８分間保持し、降温期間Ｅでは３℃／分で降温した。溶融処理工程に費やした時間は上記Ａ〜Ｅ期間の合計で約５時間である。
【００５３】
こうして、ひび割れの無いボイラーチューブ１０が得られた。その被覆層１２は充分に緻密になっており、その硬度は７００Ｈｖ近傍で硬い。これに対し、母管１１は、硬度が１３０Ｈｖ程度に抑えられていて、ベイナイトの組織を含んでいない。これは、炉冷方式で冷却を行い、たとえば２４時間という十分な時間を費やして溶融処理を行ったときの結果に匹敵する。
【００５４】
【第２実施例】
上述した溶融処理装置を用いて行った本発明の自溶合金被覆金属条材の製造方法の第２実施例について、その内容および結果を、図面を引用して説明する。図７は、定着層形成工程と溶融処理工程とを経たボイラーチューブ１０を切断してその母管１１（鋼材）の断面についてビッカース硬度を測定した結果のグラフである。対比のため、停滞期間Ｄにおける処理条件を変えて得られた１０個のボイラーチューブ１０について測定結果のグラフを並記している。
【００５５】
試験材は、いずれも、鋼管（材質：ＪＩＳ／ＳＴＢＡ２４、寸法：φ４５×１１ｔ×３０００Ｌ）からなる母管１１に対し、高Ｃｒ含有Ｎｉ基自溶合金（組成：ＪＩＳ／ＳＦＮｉ４）を溶射して被覆層１２（寸法：２．０ｔ×計２７００Ｌ）を形成したものである。
それを上述の溶融処理装置にセットして直接通電方式による溶融処理工程を施したが、その際、昇温期間Ａでは７５℃／分で昇温し、高温保持期間Ｂでは１０６０〜１０８０℃に２分間保持し、降温期間Ｃでは放冷し、降温期間Ｅでは１．８℃／分で降温した。これらの期間Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅにおける給電条件は、総ての試験片に共通である。
【００５６】
ただし、停滞期間Ｄの条件はそれぞれ異なり、それに応じて母管１１の硬さも異なる。具体的には、設定時間“０”で等温の無いものの硬さは３４０Ｈｖ程度で硬い。これに対し、停滞期間Ｄに６５０℃で１０分間保持したものは２４０Ｈｖ程度、６５０℃で２０分間保持したものは２１０Ｈｖ程度、６５０℃で３０分間保持したものは１９０Ｈｖ程度、７００℃で１０分間保持したものは１３０Ｈｖ程度、７００℃で２０分間保持したものは１３０Ｈｖ程度、７００℃で３０分間保持したものは１４０Ｈｖ程度、７５０℃で１０分間保持したものは１８０Ｈｖ程度、７５０℃で２０分間保持したものは１７０Ｈｖ程度、７５０℃で３０分間保持したものは１７０Ｈｖ程度であり、何れも２５０Ｈｖを下回っている。
【００５７】
母管１１の硬さが２５０Ｈｖ以上になると被覆層１２に割れの発生する確率が高くなる傾向があり、等温なしのものの被覆層１２には割れが発生したが、それ以外は割れが生じなかった。被覆層１２の硬さは、グラフ表示を割愛したが、何れも充分に緻密で硬くなっている。
また、この実験結果より、停滞期間Ｄの温度と時間とについては、少なくとも６５０℃で３０分〜７５０℃で１０分の範囲であれば、母管１１の硬さが２００Ｈｖ以下に抑えられるので、充分に適正な条件と言える。
なお、停滞期間Ｄの設定時間“０”であっても、降温期間Ｅを７００℃から１．２℃／分の冷却速度で降温させるようにしたケースでは、母管硬さが２４０Ｈｖであり、被覆層の割れも生じなかった。
【００５８】
【その他】
なお、自溶合金被覆金属条材は、ボイラーチューブ１０等の耐食性伝熱管に限らず、その他の目的たとえば化学プラント等に用いられるものであっても良い。被覆層１２の形成も、溶射に限らず、例えば焼結やスリップコーティング等でも良い。
また、温度センサーは、金属条材の温度を検知できるものであれば、上述した熱電対に限らず、例えば放射温度計やサーミスタ等、その他のものであっても良い。
さらに、ボイラーチューブ１０及び加熱部２０を保温箱５０に納めるタイミングは、降温期間Ｅに限られる訳でなく、その他の期間Ａ〜Ｄでも良く、通電開始より早くても良い。
また、電極２２〜２７は、上述した挟持方式に限らず、通電可能であれば他の方式のものでも良い。例えば締結方式でも良い。水冷しても良い。
また、複数の条材で処理条件が共通であれば、それらの複数条材を直列状態に接続し、これに給電機構の一出力部から給電して、複数条材を一度に処理しても良い。
【００５９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の第１の解決手段の自溶合金被覆金属条材の製造方法にあっては、金属条材の特質に着目して直接通電にて加熱を行うようにしたことにより、簡便かつ安価に高品質製品が得られる自溶合金被覆金属条材の製造方法を実現することができたという有利な効果が有る。
【００６０】
また、本発明の第２の解決手段の自溶合金被覆金属条材の製造方法にあっては、溶融に用いた直接通電を冷却スケジュールの調整にも利用したことにより、簡便かつ安価で割れの少ない自溶合金被覆金属条材の製造方法を実現することができたという有利な効果が有る。
【００６１】
さらに、本発明の第３の解決手段の自溶合金被覆金属条材の製造方法および溶融処理装置にあっては、直接通電に保温箱も併用して冷却スケジュール調整を行うようにしたことにより、簡便かつ安価で割れも電力消費も少ない自溶合金被覆金属条材の製造方法を実現することができたという有利な効果を奏する。
【００６２】
また、本発明の第４の解決手段の自溶合金被覆金属条材の製造方法にあっては、適切な冷却速度で温度降下させるようにしたことにより、簡便かつ安価で割れが極めて少ない自溶合金被覆金属条材の製造方法を実現することができたという有利な効果が有る。
【００６３】
また、本発明の第５の解決手段の自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置にあっては、電極金具を金属条材に取り付けて通電するとともに金属条材の温度を検出して給電条件を自在に調節するようにしたことにより、簡便かつ安価な自溶合金被覆金属条材の製造方法の実施に好適な溶融処理装置を実現することができたという有利な効果を奏する。
【００６４】
また、本発明の第６の解決手段の自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置にあっては、一台の装置で次々に複数の熱処理をこなせるようにもしたことにより、簡便かつ安価な自溶合金被覆金属条材の製造方法の実施に好適な溶融処理装置であって効率の良いものを実現することができたという有利な効果が有る。
【００６５】
また、本発明の第７の解決手段の自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置にあっては、ピーク電力の増加を抑制しつつスループットを高めるようにしたことにより、簡便かつ安価な自溶合金被覆金属条材の製造方法の実施に好適な溶融処理装置であって一層効率の良いものを実現することができたという有利な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の自溶合金被覆金属条材の製造方法および溶融処理装置の第１実施形態について、（ａ）が溶融処理装置の斜視図、（ｂ）が溶融処理工程中の温度変化のグラフである。
【図２】本発明の自溶合金被覆金属条材の製造方法および溶融処理装置の第２実施形態について、溶融処理装置の給電部の回路図である。
【図３】処理進行状態を示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の自溶合金被覆金属条材の製造方法および溶融処理装置の第３実施形態について、溶融処理装置の給電部のブロック図である。
【図５】処理進行状態を示すタイミングチャートである。
【図６】本発明の自溶合金被覆金属条材の製造方法の第１実施例について、硬度測定結果のグラフである。
【図７】本発明の自溶合金被覆金属条材の製造方法の第２実施例について、硬度測定結果のグラフである。
【符号の説明】
１０　　ボイラーチューブ（自溶合金被覆金属条材）
１１　　　　母管（金属条材）
１２　　　　被覆層（皮膜、自溶合金の定着層）
２０　　加熱部（自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置）
２１　　　　ベース（台座）
２１ａ　　　　　曲がり防止治具
２２　　　　電極（通電端子、１番目の電極金具の対の一方）
２２ａ　　　　　クランプレバー
２３　　　　電極（通電端子、１番目の電極金具の対の他方）
２３ａ　　　　　クランプレバー
２４，２５　電極（通電端子、２番目の電極金具の対）
２６，２７　電極（通電端子、３番目の電極金具の対）
３０　　交流給電機構（自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置）
３１，３２　水冷ケーブル
３３　　　　高周波トランス（第１出力部）
３４　　　　電源部（給電条件調整手段）
３４ａ　　　　　一次電源（商用交流、起電部）
３４ｂ　　　　　整流回路（インバータ共通部）
３４ｃ　　　　　平滑回路（インバータ共通部）
３４ｄ　　　　　スイッチング回路（第１インバータ、第１出力部）
４０　　給電条件指示機構（自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置）
４１　　　　温度制御回路（ＭＰＵ，マイクロプロセッサシステム）
４２　　　　熱電対（温度センサー）
５０　　保温箱
６０　　給電部（交流給電機構＋給電条件指示機構）
６１　　　　制御ユニット（給電対象切換手段）
６１ａ　　　　　パルス密度調整回路（ＰＤＭ、パルス密度変調手段）
６１ｂ　　　　　温度制御回路（ＭＰＵ，マイクロプロセッサシステム）
６２　　　　スイッチング回路（第２インバータ、第２出力部）
６３　　　　高周波トランス（第２出力部）
７０　　給電部（交流給電機構＋給電条件指示機構）
７１　　　　制御ユニット（パイプライン処理手段）
７２　　　　スイッチング回路（第３インバータ、第３出力部）
７３　　　　高周波トランス（第３出力部）

Claims

鉄鋼系の金属条材の表面に自溶合金の定着層を形成する工程と、この定着層に溶融とこれに続く凝固とその後の冷却とを経過させることで緻密な溶着層に変成させる溶融処理工程との２工程を含む自溶合金被覆金属条材の製造方法において、前記定着層の溶融のための加熱を、直接通電方式により前記金属条材をジュール発熱させて行うことを特徴とする自溶合金被覆金属条材の製造方法。
前記凝固後の冷却を、少なくとも前記金属条材のＡ_１変態点近傍にて実験選定した中間温度以降の冷却について、前記直接通電方式によるジュール発熱で冷却スケジュールを調整しながら行うことを特徴とする請求項１記載の自溶合金被覆金属条材の製造方法。
前記凝固後の冷却を、少なくとも前記金属条材のＡ_１変態点近傍にて実験選定した中間温度以降の冷却について、保温箱内で行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の自溶合金被覆金属条材の製造方法。
前記中間温度以降の冷却の冷却スケジュールを、冷却速度１．２〜６．０℃／分で温度降下させて行く過程を含むスケジュールとする、ことを特徴とする請求項１乃至請求項３何れかに記載の自溶合金被覆金属条材の製造方法。
前記中間温度以降の冷却の冷却スケジュールを、この中間温度で一旦温度保持してから前記冷却速度で温度降下させて行くスケジュールとする、ことを特徴とする請求項４記載の自溶合金被覆金属条材の製造方法。
前記中間温度以降の冷却の冷却スケジュールを、この中間温度で一旦温度を上げ下げしながら温度保持してから前記冷却速度で温度降下させて行くスケジュールとする、ことを特徴とする請求項４記載の自溶合金被覆金属条材の製造方法。
表面に自溶合金の定着層が形成された金属条材に取り付けて通電端子とするための電極金具の対と、この電極金具の対に給電するための給電条件調整自在な交流給電機構と、この交流給電機構に給電条件を指示するための、前記金属条材の温度を検知する温度センサーを配した給電条件指示機構とを備えて成る自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置。
前記電極金具の対は複数対が配備されており、前記交流給電機構からの給電が、給電対象を随時に切り換えて代わる代わる行えるように構成されている、ことを特徴とする請求項７記載の自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置。
前記交流給電機構は複数系統の出力部を備えており、前記給電対象とする電極金具対を複数対とした給電が、同時進行的に行えるように構成されている、ことを特徴とする請求項８記載の自溶合金被覆金属条材の溶融処理装置。