JP2014030852A - ボンベの製造方法およびボンベ - Google Patents

Abstract

【課題】材料に比較的強固で軽量なステンレス鋼材を用いることによって、軽量で耐圧性を高めたボンベの製造方法を提供する。
【解決手段】成形体形成工程の深絞り加工（ｂ−２）の後に鋭敏化熱処理工程（ｃ）を施すことにより、深絞り加工により形成されたボンベ本体に生じる残留応力を緩和してボンベ本体の応力割れを抑制することができる。製造されたボンベ本体１１に固溶化熱処理工程（ｇ）を施してマルテンサイト相をオーステナイト相に逆変態させることにより、当該ボンベ本体１１の磁性除去・腐食性抑制・残留応力除去を図る。
【選択図】図３

Description

本発明は、各種高圧ガスが充填されるボンベの製造方法およびボンベに関する。

従来、内容量が１００ＣＣ未満となる小型高圧ガス容器（以下、ミニボンベという）に各種ガスを充填したガスカートリッジは、例えば、ソーダ水製造器，ビールサーバー等の注出力源、ライフジャケット，エアバック等の膨張源、消化器，スプレー等の噴射源として広い用途に利用されている。さらに、ミニボンベの小型軽量化が進むことにより、その利用分野が拡張しつつある。

従来のミニボンベは、高耐力のＭｎ鋼やアルミ合金を塑性加工や熱間塑性鍛造などにより加工して製造したり、プレス鏡板に口金を嵌め込み溶接して製造したり、継ぎ目無し管を周溶接して製造したりしていた。また、安全性や疲労強度等を加味すると、ボンベ本体の肉厚を厚くする必然性が生じ、ボンベ自体の重量が重くなっていた。一方、充填するガス圧を高圧にする場合であっても、肉厚を増やさなくてはならず、自ずと重量がさらに重くなっていた。
さらに、充填されるガスが耐食性を必要とする場合には、材質がＭｎ鋼やアルミ合金では、耐食性が十分に確保できないのが現状である。

特開平１１−１０４７６２号公報 特開２００５−３３７３９１号公報 特開２００５−３３７３９２号公報

本発明の目的は、軽量・高耐圧で、耐食性に優れたボンベおよびその製造方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明が採用するボンベの製造方法は、ステンレス鋼材からなる板体に深絞り加工を複数回行うことにより、有底筒形状の成形体を形成する成形体形成工程と、前記複数回の深絞り加工のうち、いずれか一の深絞り加工の前または後で、前記ステンレス鋼材を鋭敏化させる熱処理を行う鋭敏化熱処理工程と、前記鋭敏化熱処理工程の後で、前記成形体の開口側を切除する開口切除工程と、前記開口切除工程の後で、前記成形体の開口側を絞る絞り工程と、を有する。

上記ボンベの製造方法において、前記鋭敏化させる熱処理は、前記成形体を５５０〜６５０℃に加熱する処理であることが好ましい。

上記ボンベの製造方法において、前記鋭敏化熱処理工程の後で、前記加熱された成形体を水冷または急冷する冷却工程を有することが好ましい。

上記ボンベの製造方法において、前記成形体の開口部に口金を溶接によって取り付ける口金取付工程を有することが好ましい。

上記ボンベの製造方法において、前記鋭敏化熱処理工程の後で、前記成形体に前記ステンレス鋼材を固溶化する熱処理を行う固溶化熱処理工程を有することが好ましい。

上記ボンベの製造方法において、前記固溶化する熱処理は、前記成形体を１０５０〜１１５０℃に３分以上加熱する処理であることが好ましい。

上記ボンベの製造方法において、前記絞り工程は、前記開口側を角度の異なった金型に対して絞り加工を順次行う工程であることが好ましい。

上記ボンベの製造方法において、前記ステンレス鋼材は、オーステナイト系ステンレス鋼であることが好ましい。

前記目的を達成するために、本発明が採用するボンベは、上記記載の製造方法で製造されることを特徴とする。

前記目的を達成するために、本発明が採用するボンベは、０．１〜２．０ｍｍの肉厚を有して一体成形された有底筒状のステンレス鋼材からなるボンベ本体と、前記ボンベ本体の開口部に形成される口金と、を具備することを特徴とする。

上記記載のボンベにおいて、前記ステンレス鋼材は、オーステナイト系ステンレス鋼であることが好ましい。

本発明によるボンベにあっては、材料に比較的強固で軽量なステンレス鋼材を用いることによって、軽量で耐圧性を高めたボンベを製造することが可能となる。

また、成形体形成工程の複数回の深絞り加工のうち、いずれか一の深絞り加工の後に鋭敏化熱処理工程を施すことにより、成形体の応力割れを抑制することができる。

成形体に固溶化熱処理工程を施すことにより、当該成形体の磁性除去・腐食性抑制・残留応力除去を図ることができる。

本発明の実施形態によるミニボンベを示す斜視図である。 図１中の矢視II−II方向から見た断面図である。 ミニボンベの製造方法を示す工程図である。 鋭敏化熱処理工程において温度を変えた実験結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
［実施形態］
（Ａ：構成）
図１は本発明の一実施形態に係るミニボンベを示す斜視図、図２は図１の矢視II−II方向から見た断面図である。
このミニボンベ１０は、ステンレス鋼材（例えば、ＳＵＳ３０４Ｌ）によって有底筒状に一体成形されたボンベ本体１１と、ボンベ本体１１の開口部１５に溶接によって取り付けられ、段付き筒状の口金２０と、を具備する。
ボンベ本体１１は、円筒状の胴部１２と、この胴部１２の一方に形成された略半球状の底部１３と、前記胴部１２の他方に形成され、先端が開口部１５となる絞り部１４と、を有する。本実施形態のボンベ本体１１にあっては、その直径は約４０ｍｍ、全長約１１０ｍｍ、肉厚約１．０ｍｍとなる。

口金２０は、大径部２１と、この大径部２１の一方に形成された小径部２２と、前記大径部２１の他方に突出形成され、外周に雄ねじ部２４が刻設されたネジ部２３と、を有する。そして、口金２０は、その大径部２１と小径部２２の外周が開口部１５にＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接によって固着される。

（Ｂ：製造方法）
次に、図３を参照しつつ、ミニボンベ１０の製造方法について説明する。

（ａ）円板切出工程
まず、φ１３０ｍｍ、厚さ１ｍｍの円板１０１を、ステンレス鋼材からなる板体１００から切り出す。
（ｂ）成形体形成工程
次に、前記円板１０１に深絞り加工を複数回行うことにより、ボンベ本体１１の基材となる有底筒体１０４を形成する。（ｂ−１）の１回目の深絞り処理では、円板１０１を大径のカップ状体１０２（φ８０ｍｍ、高さ５５ｍｍ）に成形し、（ｂ−２）の２回目の深絞り処理では、大径のカップ状体１０２を小径のカップ状体１０３（φ５０ｍｍ、高さ８０ｍｍ）に成形し、（ｂ−３）の３回目の深絞り処理では、小径のカップ状体１０３をさらに小径の有底筒体１０４（φ４０ｍｍ、高さ１１０ｍｍ）に成形する。この成形体形成工程において、さらに小径の有底筒体１０４には、ボンベ本体１１の底部１３が形成されることになる。以下、カップ状体１０２，１０３、有底筒体１０４をあわせて「成形体」という。

（ｃ）鋭敏化熱処理工程
２回目の深絞り加工（ｂ−２）の後に、小径のカップ状体１０３を鋭敏化させる鋭敏化熱処理を行う。この鋭敏化熱処理は、小径のカップ状体１０３を５５０〜６５０℃に加熱する処理である。ステンレス鋼を５５０〜６５０℃に加熱すると、いわゆる「鋭敏化」が起こることが知られているので、ここではこの熱処理を「鋭敏化熱処理」という。この熱処理を行うことにより、以後の絞り工程での割れの発生が抑制される（すなわち歩留まりが向上する）というデータが得られた。さらに、温度が５５０〜６５０℃に達すると、カップ状体１０３は水冷または急冷（空冷）される。

鋭敏化熱処理工程において５５０〜６５０℃の範囲が最適であることは、発明者が鋭意実験した結果から得られたものである。ここで、実験結果を表１および図４に示す。この実験は、成形体の温度を５００〜６７０℃の範囲で加熱した後の成形体の状態（クラック（割れ））を観測したものである。

※ ＮＧは、冷却後にクラックが発生したもの。
図４は、表１の結果をグラフ化したもので、この図４からの明らかなように、鋭敏化熱処理工程において５５０〜６５０℃の範囲が最適であることが分かる。

（ｄ）開口切除工程
有底筒体１０４の開口側を切除することにより、切除部分１０５が発生し、残りの部分がボンベ本体基材１０６となる。この開口切除工程によって、製造されるミニボンベ１０の内容量が決まる。つまり、ミニボンベ１０の内容量に応じて、切除部分１０５（ボンベ本体基材１０６）を決めることで、単一の金型を用いても、種々の容量のミニボンベの製造が可能となる。

（ｅ）絞り工程
この絞り工程は、ボンベ本体基材１０６の開口側を絞り込んで、絞り部１４を形成する処理である。金型で一度に絞り込むと、絞り部１４に割れやしわが発生するため、この工程では、角度の異なったテーパを有する複数の金型を使って、数回に分けて行われる。この絞り工程によって、先端側には、口金２０を取り付けるための開口部１５（φ１６ｍｍ）を有する絞り部１４、および筒部１２が形成され、ボンベ本体１１の外形が成形されることになる。

（ｆ）口金取付工程
次に、ボンベ本体１１の開口部１５に口金２０をＴＩＧ溶接によって固着する。この際、開口部１５は内側に傾斜したテーパ面となっており、このテーパ面に口金２０の大径部２１と小径部２２とが合わさることになり、テーパのない面よりも大きい接触面積で溶接でき、口金２０をボンベ本体１１に強固に固定することが可能となる。

（ｇ）固溶化熱処理工程
今までの工程によってミニボンベ１０は、ステンレス鋼材からなる円板を深絞り加工して変形することにより、ステンレス鋼材がマルテンサイト相に変態（マルテンサイト変態）して磁性化する、また先の鋭敏化熱処理によってクロム濃度が低下した部分に腐食が発生し易くなる、さらに深絞り加工によって形成されたボンベ本体には残留応力が生じる、等の状況にある。

そこで、仕上げとして、ミニボンベ１０を１０５０〜１１５０℃に３分以上加熱する固溶化処理を行う。この固溶化熱処理によって、マルテンサイト相をオーステナイト相に変態させて磁性性化したステンレス鋼材の磁性を除去し、先の鋭敏化熱処理によって結晶粒界に析出したクロム炭化物（Ｃｒ23Ｃ6）を固溶化し、絞り加工によってボンベ本体１１
に生じた残留応力を緩和する。
さらに、口金２０と開口部１５との間の溶接部分も溶解するため、さらに強固に口金２０が取り付けられることになる。

（Ｃ：本実施形態の効果）
上述した製造方法にあっては、ＳＵＳ３０４Ｌからなる円板１０１を変形してボンベ本体１１を製造する。この際、残留応力によるボンベ本体１１への割れを防止するため、深絞り加工の途中に鋭敏化熱処理を行っている。このため、ボンベ本体基材１０６、ボンベ本体１１の状態であっても割れの発生を著しく低減することができるものの、クロム炭化物が析出されて腐食し易い状態になる。そこで、固溶化熱処理を施すことで、クロム炭化物を溶解させて耐食性を持たせる。

深絞り加工によってＳＵＳ３０４Ｌは、オーステナイト相からマルテンサイト相に変態し、この際部材が磁性を帯びる。しかし、固溶化熱処理を施すことで、マルテンサイト相からオーステナイト相に変態させて、ボンベ本体１１の磁化を除去する。

さらに、鋭敏化熱処理工程（ｃ）では５５０〜６５０℃、固溶化熱処理工程（ｇ）では１０５０〜１１５０℃に部材が加熱されるため、ボンベ本体１１を成形した段階で発生する残留応力を確実に低減して、当該ボンベ本体１１の割れを防止する。

このように、本実施形態による製造方法で製造されたボンベは、通常ステンレス鋼材の成形では使用していない鋭敏化する温度で加熱した上で、ステンレス鋼材の持つ脆弱性を補って深絞り加工が施工され、仕上げに固溶化熱処理によって、磁性除去・腐食性抑制・残留応力除去という機能を備えている。
このため、本実施形態によるミニボンベ１０は、ステンレス鋼材を使っているため、同
じ大きさのＭｎ鋼等に比べて軽量で、しかも肉厚を薄くしても高耐圧とすることができるため、使用強度に優れた容器とすることができる。
しかも、磁性除去・腐食性抑制という機能を備えており衛生的にも信用できるため、高耐圧という特性と併せて、本実施形態により製造されたボンベの使用範囲を広げることが可能となる。

（Ｄ：変形例）
本願発明によるミニボンベの製造方法は、前記実施形態に記載の製造方法に限るものではなく、以下のような変形例による構成・形状も考えられる。

（１）ミニボンベ本体１１の材料となるステンレス鋼材は、ＳＵＳ３０４Ｌに限るものではなく、鋭敏化を起こすのであれば、他の材料、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３２１またはＳＵＳ３４７等であってもよく、要は非磁性となるオーステナイト系ステンレス鋼であればよい。

（２）鋭敏化熱処理工程（ｃ）は、深絞り加工（ｂ−１）〜（ｂ−３）の工程のうち、どの工程の後で行ってもよい。或いは、深絞り加工（ｂ−１）の前に鋭敏化熱処理を行ってもよい。要は、絞り工程（ｅ）の前に行うのであれば、鋭敏化熱処理をいつ行ってもよい。特に、加工量の大きい工程の後で鋭敏化熱処理を行うことが好ましい。

（３）前記実施形態では、ボンベ本体１１の開口部１５に口金２０を取り付けることによって、ミニボンベ１０を製造していたが、本発明はこれに限らず、（ｅ）絞り加工工程において、絞り込んだ開口側をさらに変形させて口金を一体形成してもよい。

（４）成形体形成工程（ｂ）における深絞り加工の回数および絞り工程（ｅ）における絞り加工の回数、すなわちこれらの工程で用いられる金型の数は、実施形態で説明したものに限定されない。実施形態より多い、または少ない数の金型を用いて、これらの加工が行われてもよい。

（５）前記実施形態では、直径約４０ｍｍ、全長約１１０ｍｍ、肉厚約１．０ｍｍとなるボンベ本体１１を製造する場合を例示して説明したが、本発明はこの寸法に限定されるものではなく、本発明による製造方法にあっては、肉厚約０．１〜２．０ｍｍ、さらに内容量１００ＣＣ未満となる形状であれば製造可能である。

１０…ミニボンベ、１１…ボンベ本体、１５…開口部、２０…口金。

Claims (11)

1. ステンレス鋼材からなる板体に深絞り加工を複数回行うことにより、有底筒形状の成形体を形成する成形体形成工程と、
   前記複数回の深絞り加工のうち、いずれか一の深絞り加工の前または後で、前記ステンレス鋼材を鋭敏化させる熱処理を行う鋭敏化熱処理工程と、
   前記鋭敏化熱処理工程の後で、前記成形体の開口側を切除する開口切除工程と、
   前記開口切除工程の後で、前記成形体の開口側を絞る絞り工程と、
   を有するボンベの製造方法。
2. 請求項１記載のボンベの製造方法において、
   前記鋭敏化させる熱処理は、前記成形体を５５０〜６５０℃に加熱する処理である
   ことを特徴とするボンベの製造方法。
3. 請求項１または２記載のボンベの製造方法において、
   前記鋭敏化熱処理工程の後で、前記加熱された成形体を水冷または急冷する冷却工程を有する
   ことを特徴とするボンベの製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載のボンベの製造方法において、
   前記成形体の開口部に口金を溶接によって取り付ける口金取付工程を有する
   ことを特徴とするボンベの製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１に記載のボンベの製造方法において、
   前記鋭敏化熱処理工程の後で、前記成形体に前記ステンレス鋼材を固溶化する熱処理を行う固溶化熱処理工程を有する
   ことを特徴とするボンベの製造方法。
6. 請求項５記載のボンベの製造方法において、
   前記固溶化する熱処理は、前記成形体を１０５０〜１１５０℃に３分以上加熱する処理である
   ことを特徴とするボンベの製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１に記載のボンベの製造方法において、
   前記絞り工程は、前記開口側を角度の異なった金型に対して絞り加工を順次行う工程である
   ことを特徴とするボンベの製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１に記載のボンベの製造方法において、
   前記ステンレス鋼材は、オーステナイト系ステンレス鋼である
   ことを特徴とするボンベの製造方法。
9. 請求項１から８のいずれ１に記載の製造方法で製造されたボンベ。
10. ０．１〜２．０ｍｍの肉厚を有して一体成形された有底筒状のステンレス鋼材からなるボンベ本体と、
    前記ボンベ本体の開口部に形成される口金と、を具備する
    ことを特徴とするボンベ。
11. 請求項１０記載のボンベにおいて、
    前記ステンレス鋼材は、オーステナイト系ステンレス鋼である
    ことを特徴とするボンベ。

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