JP2012200764A - エルハルト穿孔方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】高温引張試験による高温最大絞り率が90%以下であるオーステナイト系合金の鋼塊を壺内に装入しエルハルト穿孔する際、鋼塊の高温最大絞り率がα[%]である場合、壺内の平均断面積に対する鋼塊の平均断面積の比率で表される充填面積率β[%]が下記(1)式を満足する条件で穿孔を行う。
β≧−4/3×α+170 ・・・(1)
【選択図】図3
Description
(1)図1(a)に示すように、所定温度に加熱された鋼塊(インゴット)1を壺(コンテナ)2に装入し、壺2の上端の開口にマンドレルガイド4を装着するとともに、鋼塊1の中心線上にマンドレル3を配置する;
(2)図1(b)に示すように、マンドレル3をマンドレルガイド4により案内しながら下降させて鋼塊1を穿孔し、カップ状の底付き素管6を成形する;
(3)図1(c)に示すように、マンドレル3およびマンドレルガイド4を壺2から退避させた後、底付き素管6を突き上げ棒5により突き上げて壺2から取り出す。
(1)図1(d)に示すように、エルハルト穿孔によって得られた底付き素管6を加熱炉で所定温度に加熱した後、この底付き素管6にマンドレル7を挿入した状態で、底付き素管6をリングダイス8内に進入させて押抜く;
(2)このような加熱および押抜き加工を複数回繰り返し施し、最終的に所定寸法に仕上げた底付き仕上管9を成形する。
β≧−4/3×α+170 ・・・(1)
β≧−4/3×α+170 ・・・(1)
本発明の穿孔方法では、高温最大絞り率αが90%以下である高Cr、高Niのオーステナイト系合金材を対象とする。上記の通り、高温最大絞り率αが90%を超えるオーステナイト系合金材では、外面割れの発生はなく、高温最大絞り率αが90%以下であるオーステナイト系合金材の場合に、外面割れの発生が問題となるからである。
Crは、耐酸化性、耐水蒸気酸化性および耐食性を確保するための重要な元素である。高温下での耐食性を確保するためには最低限21%の含有量が必要である。耐食性はCrの含有量が多いほど向上するが、その含有量が31%を超えると、組織安定性が低下してクリープ強度を損なう。また、オーステナイト組織を安定にするために高価なNi含有量の増加を余儀なくされるだけでなく、溶接性も低下する。したがって、Cr含有量は21〜31%とする。
Niは、オーステナイト組織を安定にする元素であり、耐食性の確保にも重要な合金元素である。上記のCr含有量とのバランスから、Niは43%以上の含有が必要である。一方、Niの過剰な含有はコスト上昇を招くだけでなく、クリープ強度の低下を招くので、その上限は60%とする。
Cは炭化物を形成し、高温用オーステナイト系合金として必要な高温引張強さ、高温クリープ強度を確保する上で重要な成分であり、0.05%以上を含有させるのが好ましい。しかし、その含有量が0.10%を超えると、未固溶炭化物が生じたり、Crの炭化物が増えて溶接性が低下するので、上限は0.10%とするのが好ましい。
Siは、製鋼時に脱酸剤として添加されるが、合金の耐水蒸気酸化性を高めるためにも重要な元素であり、0.05%以上を含有させるのが好ましい。しかし、その含有量が過剰になると合金材の加工性が悪くなるので、上限は0.4%とするのが好ましい。
Mnは、合金中に含まれる不純物のSと結合してMnSを形成し、熱間加工性を向上させるが、その含有量が0.01%未満ではその効果が低下するので、0.01%以上を含有させるのが好ましい。一方、その含有量が過剰になると、合金材が硬くなって脆くなり、かえって加工性や溶接性を損なうので上限は1.3%とするのが好ましい。
Pは不純物として不可避的に混入するが、過剰なPの含有は溶接性および加工性を害するので、上限を0.030%とするのが好ましい。なお、P含有量は少ないほどよい。
Sも上記のPと同様に不純物として不可避的に混入するが、過剰なSの含有は溶接性および加工性を害するため、上限は0.010%とするのが好ましい。
Alは、脱酸剤として添加する場合、十分な脱酸効果を得るには0.005%以上を含有させるのが好ましい。また、Alは、Niと結合し金属間化合物として微細に粒内析出し、高温でのクリープ強度を確保することができるため、この効果を必要とする場合は、0.1%以上含有させるのが好ましい。一方、Alの含有量が多くなって、特に1.5%を超えると、高温での使用中に金属間化合物相が急速に粗大化して、クリープ強度および靱性の極端な低下をきたすおそれがある。したがって、Alの含有量の上限は1.5%とするのが好ましい。
Bは、粒界すべりクリープ抑制作用を有する元素であるが、その含有量が0.001%未満ではその作用効果が低下するので、0.001%以上を含有させるのが好ましい。一方、0.005%を超えて含有させると溶接性を損なうため、上限は0.005%とするのが好ましい。
Nは、オーステナイト相を安定にするのに有効な元素である。しかしながら、Nの含有量が過剰になって0.05%を超えると、TiやAlの窒化物以外にもCrの窒化物を形成し、クリープ延性や靱性の低下を招く。したがって、Nの含有量を0.05%以下とするのが好ましい。
第1群:Mo、WおよびCo
Mo:10%以下、W:9%以下
WおよびMoは、いずれもマトリックスであるオーステナイト組織に固溶して高温でのクリープ強度の向上に寄与するので、このような効果を得るためにWやMoを添加してもよい。しかしながら、WおよびMoの含有量が多くなって、特にMo含有量が10%またはW含有量が9%を超えると、逆にオーステナイト相の安定性が低下してクリープ強度の低下を招くことに加え、長時間の使用中にHAZの脆化割れ感受性が高くなる。このため、WおよびMoの含有量は各々10%以下および9%以下とする。一方、WやMoの含有による上記の効果を確実に得るためには、合計で1%以上のWおよびMoを含有させるのが好ましい。
Coは、Niと同様オ−ステナイト生成元素であり、オーステナイト相の安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与するので、このような効果を得るためにCoを添加してもよい。しかしながら、Coは極めて高価な元素であるため、含有量が多くなるとコスト増加を招き、特に、その含有量が13%を超えるとコスト増加が著しくなる。したがって、添加する場合のCoの含有量は、13%以下とするのが好ましい。一方、Coの含有による上記の効果を確実に得るためには、Co含有量の下限は0.5%とすることが好ましい。
Ti:1%以下
Tiは、高温域での使用において、炭化物の析出により高温強度の向上に寄与するので、このような効果を得るためにTiを添加してもよい。しかし、Tiは含有量が多くなると、未固溶炭窒化物や酸化物を形成してオーステナイト結晶粒の混粒化を助長したり、不均一なクリープ変形や延性低下の原因となるので、その含有量は1%以下とするのが好ましい。一方、その含有量が0.01%未満では、炭化物の析出により高温強度が向上する効果を得がたいので、Ti含有量は0.01%以上とするのがより好ましい。さらに好ましいのは0.03〜0.2%である。
Nbは、Tiのように有害な酸化物にはならないことから、炭化物によるクリープ強度の向上のために添加してもよい。しかし、過剰なNbは溶接性を害するので、その含有量の上限は1%とするのが好ましい。一方、その含有量が0.01%未満では、炭化物によりクリープ強度を向上させる効果が得がたいので、Nb含有量は0.01%以上とするのがより好ましい。さらに好ましいのは0.1〜0.5%である。
Zrは、粒界を強化して高温強度を向上させる作用を有する。したがって、その効果を得たい場合には積極的に添加含有させてもよい。しかし、その含有量が0.5%を超えると、前記のTiと同様に未固溶の酸化物や窒化物を生成し、粒界すべりクリープおよび不均一なクリープ変形を助長するだけでなく鋼質をも劣化させ、高温域でのクリープ強度および延性を損なう。したがって、Zr含有量は0.5%以下とするのが好ましい。一方、Zr含有量が0.0005%未満であると、粒界を強化して高温強度を向上させる効果が低下するので、Zr含有量は0.0005%以上とするのがより好ましい。さらに好ましいのは0.001〜0.2%である。
これらの元素は、いずれも無害で安定な酸化物や硫化物を形成して、OおよびSの好ましくない影響を小さくし、耐食性、加工性、クリープ強度およびクリープ延性を向上させる作用を有する。したがって、その効果を得たい場合には、これらの元素から選択される1種以上を積極的に添加含有させてもよく、その場合、それぞれ0.0005%以上の含有量で上記の効果が顕著になる。しかし、CaやMgはそれぞれの含有量が0.03%超えると、また希土類元素は含有量が0.1%を超えると、酸化物等の介在物が多くなり、加工性および溶接性を損なうだけでなく、コストの上昇を招く。したがって、Ca:0.03%以下、Mg:0.03%以下および希土類元素:0.1%以下が好ましい。
本発明では、上記の通り、高温最大絞り率αが90%以下であるオーステナイト系合金の鋼塊を穿孔対象とする。そして、穿孔対象の鋼塊に固有の高温最大絞り率αに応じ、充填面積率β{(鋼塊の平均断面積)/(壺内の平均断面積)×100[%]}が下記(1)式を満足する条件でエルハルト穿孔を行う。前記図3に示すように、充填面積率βが下記(1)式を満足すれば、エルハルト穿孔で外面割れの発生を防止できるからである。
β≧−4/3×α+170 ・・・(1)
1b:壺の内面と接触する鋼塊の凸部、
2:壺(コンテナ)、 2a:壺の内面、 3:マンドレル、
4:マンドレルガイド、 5:突き上げ棒、 6:底付き素管、
7:マンドレル、 8:リングダイス、 9:底付き仕上管
Claims (2)
- 高温引張試験による高温最大絞り率が90%以下であるオーステナイト系合金の鋼塊を壺内に装入しエルハルト穿孔する方法であって、
鋼塊の高温最大絞り率がα[%]である場合、壺内の平均断面積に対する鋼塊の平均断面積の比率で表される充填面積率β[%]が下記(1)式を満足する条件で穿孔を行うことを特徴とするエルハルト穿孔方法。
β≧−4/3×α+170 ・・・(1) - 前記オーステナイト系合金は、質量%で、Cr:21〜31%およびNi:43〜60%を含有することを特徴とする請求項1に記載のエルハルト穿孔方法。
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