JP2015508450A - 高い炭素含有量を有するスチールから作製される部品と、低い炭素含有量を有するスチール又はニッケル合金から作製される部品とを、拡散溶接によって結合するためのプロセス:対応するアセンブリ - Google Patents

高い炭素含有量を有するスチールから作製される部品と、低い炭素含有量を有するスチール又はニッケル合金から作製される部品とを、拡散溶接によって結合するためのプロセス:対応するアセンブリ Download PDF

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Abstract

本願は、高い炭素含有量、及び低い炭化物形成元素含有量を有するスチールから作製される部品と、低い炭素含有量、及び高い炭化物形成元素含有量を有するニッケル合金から、又はスチールから作製される部品とを、拡散溶接によって、結合するプロセスであって、それぞれの部品は、結合される表面を含み、そのプロセスにおいて、中間材料は、結合される表面の間に配され、その後、二つの部品を結合するために拡散溶接が実施され、得られたアセンブリは冷却されるプロセスに関するものであり、中間材料は、オーステナイト微細構造を有し、且つ2質量%から25質量%のモリブデンを含む、ニッケル、並びに、任意で、鉄及び/又はコバルトのマトリックスを備えた合金であることを特徴とする。また、本願は、当該プロセスを用いて得られたアセンブリに関するものである。

Description

本発明は、高い炭素含有量を有するスチールから作製される部品と、低い炭素含有量を有するスチール又はニッケル合金から作製される部品と、を拡散溶接によって結合するためのプロセスに関する。
より正確には、本発明は、高い炭素含有量、及び低い炭化物形成元素含有量を有するスチールから作製される部品と、低い炭素含有量、及び高い炭化物形成元素含有量を有するスチール又はニッケル合金から作製される部品と、を拡散溶接によって結合するためのプロセスに取り組み、中間材料は部品の間に配される。
また、本発明は、そうして得られたアセンブリに関する。
本発明の技術分野は、一般的には拡散溶接として、特に、それらの間で炭素が拡散できる異なる金属合金から作製される二つの部品の拡散溶接として、定義され得る。
一方に、高い炭素含有量、及び低い総炭化物形成元素含有量を有するスチールと、他方に、高い炭化物形成元素含有量、及び低い炭素含有量を有するスチール又はニッケル合金との間で、中間材料無しで拡散溶接する間に、不十分な結合部が得られることが知られている。
実際は、第一材料から第二材料への炭素の拡散は、第二材料を脆くし、第一材料を弱くする浸炭を引き起こす。
図1は、低合金スチール16MND5(Fe−0.17%C−1.31%Mn−0.18%Cr−0.74%Ni−0.5%Mo)(図1の右)と、オーステナイト316LNステンレススチール(Fe−0.022%C−17.5%Cr−12.2%Ni−2.4%Mo−0.07%N)(図1の左)と、の間での、拡散溶接されたアセンブリの微細構造を示す(本明細書では全ての組成は、質量%で与えられることが特定されるべきである)[1]。
低合金スチールと、マルテンサイトステンレススチールとの間の界面は、図1において白色の矢印によって示される。
低合金スチールの脱炭は、白いフェライト粒子の出現として明確に示される。オーステナイトステンレススチールの浸炭は、図1における黒色の矢印によって示される炭化物の出現によって明確に示される。
図2は、このアセンブリを横切る炭素濃度の変動を示す。この図において、浸炭/脱炭現象が明確に示される。
同様のタイプの微細構造は、カーボンスチールS45C(Fe−0.47%C)と、オーステナイトステンレススチールSUS304(Fe−0.05%C−18.5%Cr−8.1%Ni)との間の拡散溶接の場合においてEnjoによって得られ[2]、同様に、低合金スチールAISI 4140 (Fe−0.42%C−0.72%Mn−0.87%Cr−0.19%Mo)と、二相のステンレススチール(Fe−0.024%C−24.5%Cr−4.23%Ni−0.83%Mo)又はオーステナイトスチール304 (Fe−0.052%C−19.2%Cr−8.5%Ni)のいずれかと、の間で拡散溶接されたアセンブリの場合においてKurtによって得られる[3]。
拡散溶接されたアセンブリ界面の脆性を評価するために、使用が、V型の又はU型の切り欠きが界面に面して配される、シャルピー試験片を用いて、大気の温度で実施された切り欠き衝撃試験から作製された。
実際は、機械的試験は、従来の引張試験よりも、界面の脆性に非常に敏感である。文献[1]におけるアセンブリの衝撃強度値は、約70Jであり、それに対して、オーステナイトステンレススチールに関しては310Jであり、低合金スチールに関しては214Jである。
従って、浸炭/脱炭効果の結果として、アセンブリは、その構成材料よりも明らかに低い強度である。文献[1]のそれに非常に近い、低合金スチールA508 (Fe−0.19%C−1.52%Mn−0.18%Cr−0.55%Ni−0.49%Mo)と、オーステナイト316L ステンレススチール (Fe−0.03%C−18.0%Cr−12.0%Ni−2.52%Mo)との間で拡散溶接されたアセンブリの場合、Besson[4]は、小さなシャルピーV試験片を用いて、界面で局所化された脆性破壊を得た。その際に切り欠きは界面の反対では機械加工されなかったが、しかしそれから1mmのところで機械加工され、それにもかかわらず界面の開放に不利である。
10CrMo9−10スチール(典型的にはFe−0.10%C−2.25%Cr−1%Mo)、及びAISI316スチール(典型的にはFe−<0.08%C−17.0%Cr−12.0%Ni−2.5%Mo)の粉末のブレンドを、3/7から8/2まで変動する比率で圧縮することによって得られる材料の場合、Praderは、70Jから110Jまでの、又はベースのスチール単独に関しての値の55%から70%までの衝撃強度KCV値を得る[5]。100%に近い値は、より希釈されないブレンドに関してのみ達成される。材料の切り欠き衝撃強度は、拡散溶接された結合部の場合のように、これらは脆弱であるので、10CrMn9−10/AlSI316界面の密度に依存することが分かり得る。
さらに、二つの材料の間での溶接拡散を促進するための中間材料の使用が知られている[6]。従って、炭素の拡散を防止するための一つの可能な解決法は、溶接される二つの材料の間でバリアとしての機能を果たす中間材料を挿入することである。
明らかに、この中間材料はそれ自身が、炭化物を形成してはいけない。Buchkremer[7]は、P92スチール(典型的にはFe−0.1%C−9%Cr−2%W)と、1.4910スチール(典型的にはFe−0.02%C−17%Cr−13%Ni−3%Mo−N)との間でのアセンブリが、アセンブリが中間材料無しで作製されるときよりも、Ni−16%Cr−15%Mo(Hastelloy S)から作製される中間材料が用いられるときに、あまり好ましくない機械的特性を示すことを報告する。実際は、第一の場合において、中間材料Ni−16%Cr−15%Moは、組立の間に非常に浸炭される。
中間材料は、例えば金属間化合物等の、組み立てられる材料と共に脆弱な化合物を形成してはならず、再度それ自身が脆弱であってはならない。従って、このような中間材料は、実質的に、銅、ニッケル、又は銀等の純金属であり得、その使用は、拡散溶接において知られている[6]。
一般的に、中間材料の使用は、界面付近における拡散効果の制御において効果的であるが、中間材料はしばしば、組み立てられる二つの材料よりも低い強度であるので、それはアセンブリの機械的特性を常に改善するわけではない。引張試験の場合、中間材料のこの脆弱性は、薄い(しかし、それでもなお、拡散に関連する問題を克服するのに十分に厚い)中間材料を選択することによって相殺され得る、ように見える:閉じ込めは、界面から離れた破綻でさえ、Klassen[8]が示すように、中間材料の機械的強度よりも大きい、見掛けの応力での破綻を促進する。
マンガンスチールFe−12.5%Mn−1.23%Cと、低合金スチールFe−0.45%C−1.3%Cr−0.3%Mo−4.0%Niとの間でのアセンブリの場合、Atkinsonは、アセンブリの強度に大きすぎる悪影響を有さないために、中間材料として用いられる純水なニッケルの厚さを制限しようとしている[9]。切り欠き衝撃強度試験の場合、切り欠きは、中間材料の厚さの途中に配される。薄い中間層によって達成される閉じ込めは、衝撃強度を改善しない。
一方で、高い炭素含有量、及び低い総炭化物形成元素含有量を有するスチールと、他方で、高い炭化物形成元素含有量、及び低い炭素含有量を有するスチール又はニッケル合金と、の間での拡散溶接による組み立ての問題はこれまで、完全に満足のいく解決法を見い出していない、ということが現れる前に行われていった。
従って、上述の先行技術におけるものよりもいかなる場合においても、高いレベルの大きな衝撃強度を備えた高強度の機械アセンブリを生み出す中間材料を用いて、高い炭素含有量、及び低い炭化物形成元素含有量を有するスチールから作製される部品と、低い炭素含有量、及び高い炭化物形成元素含有量を有する、スチール又はニッケル合金部品との間の拡散溶接による組み立てプロセスに関する必要性が存在する。
また、中間材料と部品との間の界面、又は組み立てられる部品のいずれの劣化も引き起こさないこのようなプロセスに関する必要性が存在する。
従って、中間材料は、炭素の拡散に起因する部品の材料の脆性を抑制しなくてはならないが、厚い中間材料を備えても、丈夫なアセンブリが得られることも可能にする。
厚い中間材料によって、その厚さが、低炭素含有量の、及び高い炭化物形成元素含有量のスチール又はニッケル合金の浸炭を防ぐために厳密に必要なものよりも大きい、例えば厚さが0.3mmよりも大きい材料を一般的に意味することが特定されるべきである。
可能な限り丈夫なアセンブリのために(アセンブリは、組み立てられる二つの部品を構成する、二つの材料のより弱い方と同じくらい丈夫な最大値としてよい)、以下が必要である:
−界面、又は複数の界面は、丈夫である。これは、浸炭の結果としての、直接の組み立てに関してはそのようでないことが知られている;
−中間材料は、部品の二つのベース材料のそれぞれを備えて丈夫な界面を示すだけでなく、それ自身が、二つのベース材料の弱い方よりも丈夫であり、さもなければ、これはそのままウィークポイントになるであろう。
本発明の目的は、高い炭素含有量、及び低い炭化物形成元素含有量を有するスチールから作製される部品と、低い炭素含有量、及び高い炭化物形成元素含有量を有するスチール又はニッケル合金から作製される部品と、を拡散溶接によって結合するためのプロセスであって、とりわけ、上述した全ての必要性、要求、及び基準を満たす、プロセスを提供することである。
さらに、本発明の目的は、高い炭素含有量、及び低い炭化物形成元素含有量を有するスチールから作製される部品と、低い炭素含有量、及び高い炭化物形成元素含有量を有するニッケル合金から、又はスチールから作製される部品と、を拡散溶接によって結合するためのプロセスであって、上述した先行技術のプロセスの欠点、障害、制限、及び不利な点を示さず、且つ先行技術のプロセスによる問題を解決するプロセスを提供することである。
この目的、及びさらに他のものは、高い炭素含有量、及び低い炭化物形成元素含有量を有するスチールから作製される部品と、低い炭素含有量、及び高い炭化物形成元素含有量を有するニッケル合金から、又はスチールから作製される部品と、を拡散溶接によって結合するためのプロセスであって、それぞれの部品が、結合される表面を含み、そのプロセスにおいて、中間材料が、結合される表面間に配され、その後、拡散溶接が実施されて、二つの部品を結合し、得られたアセンブリは冷却されるプロセスによって、本発明にしたがって達成される。中間材料は、拡散溶接温度でオーステナイト微細構造を有し、且つ合金の全質量に対して質量%として表される、以下の含有量を備えた以下の元素を、不可避の不純物とは別に含む、ニッケルから、並びに、任意で鉄及び/又はコバルトから作製されるマトリックスを備えた合金である:
−ニッケル(Ni):5から90、好ましくは35から75;
−コバルト(Co):0から50、好ましくは0から20;
−鉄(Fe):0から93、好ましくは23から63;
−モリブデン:2から25、好ましくは4から16;
−炭素:0.1未満、好ましくは0.05未満;
−クロム:10未満、好ましくは5未満、さらにより好ましくは1未満;
−オーステナイト合金において一般的に用いられる合金元素各々に関して:2未満、好ましくは1未満、より好ましくは0.5未満。
“不可避の不純物”、又は“偶発的な不純物”との用語は、当業者に知られた意味を有し、当該技術分野において広く用いられる。
このような不可避の不純物の例は、硫黄(S)、リン(P)、銅(Cu)、アルカリ金属、及びアルカリ土類金属である。
本発明によるプロセスは、中間材料として上記の特定の合金の使用によって基本的には定義される。
上記で定義されたような、二つの部品の結合のための中間材料としての特定の合金の使用であって、各々が、特定の材料、つまり、一方では、高い炭素含有量、及び低い炭化物形成元素含有量を有するスチールから作製される部品、並びに、他方では、低い炭素含有量、及び高い炭化物形成元素含有量を備えるニッケル合金から、又はスチールから作製される部品から作製される、特定の合金の使用は、特に上記で引用した文献によって代表されるような先行技術において記載も示唆もされていない。
このような使用は、特に、二つの特定の金属、又は合金の間の中間材料としての材料の挙動の予測不可能な特性のために、完全に予測できないものである。
中間材料が驚くべきことに上記の特定の合金で構成されている本発明によるプロセスは、とりわけ、上述の基準、及び要求の全てを満たし、先行技術のプロセスの欠点を示さず、且つ、前述の要件も満たす接合部(結合部、又はリンク)、及びアセンブリを作製可能にする。
本発明による中間材料の合金は、ニッケルの、並びに、任意で、モリブデンで強化された鉄の及び/又はコバルトのベースを備えた合金として定義され得る。
驚くべきことに、実際は、中間材料を作る合金におけるモリブデンの存在は、先行技術の中間材料と比較して、中間材料の機械的特性の改善をもたらし、それでもなお、拡散溶接操作の間の炭素の拡散によって中間材料が浸炭されることないことが判明する(実施例、特に実施例4を参照)。
中間材料にモリブデンを含むことが、中間材料が拡散によって浸炭されることなく、中間材料のオーステナイトマトリックスの硬度を向上させることは驚くべきことである。
実際は、モリブデンが、オーステナイト合金のより微細な粒子サイズにつながることが知られているだけでなく、モリブデンが炭化物を形成することも知られている。
従って、中間材料を構成する合金にモリブデンを含むことによって、中間材料の機械的特性は、モリブデンを含まない材料と比較して悪い影響を受けるであろうことを予想すべきであった。しかしながら、逆のことが本発明による中間材料において観測された。
従って、本発明は、当該技術分野における幅広い先入観に反するものであり、且つこの先入観を覆すものである。
さらに、モリブデンは、特定の含有量で、本発明によって用いられる中間材料を構成する合金に存在する。
中間材料を構成する合金のモリブデン含有量は、組み立てられる二つの材料の内の弱い方のものと実質的に等しい、又は優れた、中間材料の機械的特性のために十分でなくてはならない。実際は、Moの硬化効果は、Mo含有量に明確に依存する。
結果として、本発明によると、Mo含有量は、2質量%から25質量%、好ましくは4%から16%でなくてはならないことが決定される。
モリブデンの硬化効果は、この好ましい範囲において最適であったことが判明した。
実際は、2%未満のMoでは、モリブデンに起因する硬化効果は、使用には弱すぎる、言い換えると、二つのベース材料の内の弱い方は、実に柔らかくなくてはならないため、2%未満のモリブデンを含む中間材料が、二つのベース材料の内の弱い方よりも丈夫であり得るアセンブリの例はないであろう。
25%超のMoでは、Moが、脆弱な金属間の相の析出を引き起こすことがよく知られており、そのため、中間材料は、かなり脆弱になり、一方で固いままにもなるであろう。
中間材料は、ニッケルの、並びに、任意で、オーステナイト微細構造、つまり、組立温度で、例えば800℃超の温度で、面心立方結晶構造を有するコバルトの、及び/又は鉄のマトリックスを備えた合金である。
ここで、組立温度は、拡散溶接が実施される温度を意味すると理解されなくてはならず、組立温度、及び拡散溶接温度との用語は、同じ意味で用いられる。
従って、この合金は、不可避な不純物に加えて、質量%で表される以下の特定の含有量を備えたマトリックスの構成元素である以下の元素を含む。
−ニッケル(Ni):5から90、好ましくは35から75;
−コバルト(Co):0から50、好ましくは0から20;
−鉄(Fe):0から93、好ましくは23から63。
従って、マトリックスが所望のオーステナイト微細構造を示すことをこの構成要素が保証するために、ニッケルが常に存在することが留意されるべきであろう。
Ni含有量は上述される。本発明に従って用いられる中間材料の合金は、800℃超である組立温度、又は拡散溶接温度ではオーステナイトであることが保証される。
一方で、コバルト、及び鉄が存在することは必須ではない。
従って、本発明に従って用いられる中間材料の合金は、ニッケル−コバルト合金、又はニッケル−鉄合金、又はニッケル−鉄−コバルト合金であり、これらの合金はモリブデンで強化されている。
本発明による中間材料の合金は、単純にはNi−Mo合金であり得る。
コバルトの無い合金は、コストの理由、及び核応用における中性子活性化の理由で興味深い。
加えて、中間材料の合金は、それに関して十分に低い炭素含有量を示し、高い炭化物形成元素含有量、及び低い炭素含有量を有するニッケル合金又はスチールを実質的に浸炭しない。
従って、中間材料の合金の炭素含有量は、0.10質量%未満、好ましくは0.05質量%未満である。
さらに、中間材料合金は、それに関して十分に低いクロム(Cr)含有量を示し、高い炭素含有量を有するスチールによって浸炭されない。
そのクロム含有量は10質量%未満、好ましくは5%未満、及びさらにより好ましくは1%未満である。
本発明による材料の合金は、オーステナイト合金において一般的に用いられる一以上の合金元素を任意で含み得る。
これらの合金元素、それらの役割、及びそれらの含有量は、当該技術分野における当業者に既知である。
これらの合金元素は主に、合金の製造の間に、特定の不純物をトラップすることにおける役割を果たし、最終的な合金の特性、特に機械的特性に実質的に影響を与えない。
この/これらの合金元素の含有量は、それらが存在しているとき、それらの各々に関して、2質量%未満、好ましくは1質量%未満、及びさらにより好ましくは0.5%未満である。
有利には、中間材料合金は、合金の全質量に対して質量%として表される、以下の含有量を備えたオーステナイト合金において一般的に用いられる以下の合金元素の内の一以上を含む:
−マンガン(Mn):2未満;
−シリコン(Si):1未満;
−カルシウム(Ca):0.5未満、好ましくは0.1未満;
−アルミニウム(Al):1未満、好ましくは0.5未満。
マンガンは、硫黄をトラップするために用いられ、シリコン及びアルミニウムは、残留酸素をトラップするために用いられる。
カルシウムは、酸素及び硫黄をトラップする。
好ましい中間材料合金は、合金の全質量に対して質量%において、
−ニッケル:35%から55%、例えば45.3%;
−コバルト:0%から18%、例えば9.97%;
−モリブデン:4%から8%、例えば5.19%;
−及び、鉄、及び不可避の不純物である残りのもの、から成る。
一般的に、高い炭素含有量、及び低い炭化物形成元素含有量を有するスチールは、0.08質量%超の炭素、及び15質量%未満の炭化物形成元素、好ましくは、これらの炭化物形成元素の中で、12%未満のクロム含み得、低い炭素含有量、及び高い炭化物形成元素含有量を有するスチール又はニッケル合金は、0.08質量%以下の炭素、及び15質量%以上の炭化物形成元素を含む。
一般的に、炭化物形成元素は、元素の周期表の、Ti,Zr及びHf等の列IVB、V,Nb及びTa等の列VB、並びに、Cr,Mo及びW等の列VIBの元素から選択され得る。
有利には、高い炭素含有量、及び低い炭化物形成元素含有量を有するスチールは、工業スチール等のカーボンスチールグレードから、又は、圧力装置若しくは工具スチールのためのスチール等の低合金スチールグレードから選択され得る。
有利には、低い炭素含有量、及び高い炭化物形成元素含有量を有するニッケル又はスチールは、300シリーズのオーステナイトステンレススチール、及び合金800等のステンレススチールから、又は、Inconel(登録商標)、Haynes(登録商標)又はHastelloy(登録商標)タイプの合金等のニッケル合金から選択され得る。
有利には、組み立てられる部品の内の少なくとも一つは、粉末の形状であり得る。
言い換えると、高い炭素含有量、及び低い炭化物形成元素含有量を有するスチール、並びに、低い炭素含有量、及び高い炭化物形成元素含有量を有するスチール又はニッケル合金の何れか、又は両方は、固体の形状、又は粉末の形状を取り得る。
中間材料は、例えば0.1mmから0.3mmの厚さを備えたシート若しくはプレートの、又は、例えば0.3mmから10mm、好ましくは1mmから5mm、よりさらに好ましくは1mmから3mm、及び最高では1mmから2mmの厚さを備えた粉末、好ましくは粉末の層の形状で、組み立てられる表面の間に配され得る。または、中間材料は、組み立てられる表面の内の少なくとも一つの上に、例えば0.1mmから3mmの厚さを備えたコーティングの形状で堆積される。
この場合、中間材料は、粉末の熱スプレーコーティング、ワイヤー溶融、化学析出又は電解析出、及び真空蒸着から選択されたプロセスによって堆積され得る。
拡散溶接は、熱間等静圧圧縮成形(HIP)によって、又は一軸加圧成形によって実施され得る。
一以上の材料が粉末形状で生じるとき、粉末の圧密が、拡散溶接の間に実施される。
有利には、得られるアセンブリは、一以上の熱処理をさらに受けてよい。
この(これらの)熱処理は、熱(アニーリング)処理、急冷、及び焼き戻しから選択され得る。
さらに、本発明は、上述されたような本発明によるプロセスによって得られるアセンブルに関する。
このアセンブリは、特定の中間材料の組み立てプロセスにおける使用に特に関連した、すでに上述の全ての優位点を、固有の方法で、本質的に有する。
本発明の他の特徴、及び優位点は、添付の図面を参照して、例示的な目的だけのために与えられ、非限定的な、以下の説明を読むことでより明確に現れるであろう。
低合金16MND5スチール(右側)と、オーステナイト316LNステンレススチール(左側)との間での拡散溶接された結合部の微細構造を示す、光学顕微鏡によってとられた微細写真である。界面は白色の矢印で示され、炭化物は黒色の矢印で示される。図1で示されるスケールは、100μmを表す。 図1のアセンブリにおける界面を横切る炭素濃度における変動を示すグラフである。横座標は、μmでの界面からの距離を示し、縦座標は、硬度HV0.1を示す。界面は横座標のゼロである。 光学顕微鏡を用いて取られた微細写真であり、実施例1において熱間等静圧圧縮成形を用いた拡散溶接によって得られた、16MND5スチール(上部)、及びニッケルIN690合金(下部)のアセンブリに実施された引張試験後の、この合金の浸炭されたゾーンにおけるニッケル合金IN690へのダメージを示す。図3におけるスケールは、25μmを表す。 熱間等静圧圧縮成形を用いて4時間、1100℃、且つ1200barでの拡散溶接によって実施例4において得られた316L/FeNiCoMo/18MND5アセンブリの場合における、316L/FeNiCoMo界面の微細構造を示す、光学顕微鏡を用いてとられた顕微鏡写真である。スケールは50μmを示す。 熱間等静圧圧縮成形を用いて4時間、1100℃、且つ1200barでの拡散溶接によって実施例4において得られた316L/FeNiCoMo/18MND5アセンブリの場合における、FeNiCoMo/18MND5界面の微細構造を示す、光学顕微鏡を用いてとられた顕微鏡写真である。スケールは50μmを示す。
従って、本発明のプロセスは、高い炭素含有量、及び低い炭化物形成元素含有量を有するスチールから作製される部品と、低い炭素含有量、及び高い炭化物形成元素含有量を有するスチール又はニッケル合金から作製される部品と、を拡散溶接によって結合することを含む。
明らかに、便宜上、二つの部品の組み立ての場合が記載されるが、組み立てられる部品の数は、2より多くてよく、従って、より多くの数の部品が同時に組み立てられてもよい。
“部品”は、一般的に、任意の構成要素、又はいかなる任意の形状の実体を意味すると理解され、例えば、より大きな寸法の構造体において、一以上の他の部品と共に、組立後に、同時に、または同時ではなく含まれる。
本発明に係るプロセスによって組み立てられる部品の、構造、形状、及びサイズに制限は無い。特に、本発明によるプロセスは、複雑な、且つ込み入った構造及び形状を有する、特に、組み立てられる表面、複雑な込み入った形状を備える界面を有する部品と共に用いられ得る。
高い炭素含有量、及び低い炭化物形成元素含有量を有するスチール、並びに、低い炭素含有量、及び高い炭化物形成元素含有量を有するスチール又はニッケル合金、同様に中間材料は、すでに上記で定義された。
本発明によるプロセスは一般的に、拡散溶接プロセスにおいて用いられる通常の段階を含む。
そのため、本発明によるプロセスは、
−組み立てられる部品の、及び任意で中間材料の表面を洗浄する段階と、
−組み立てられる部品、及び中間材料(部品及び中間材料は互いに積層されていると言え得る)を、例えば容器における所定の位置にセットする段階と、を含み得る。
−部品、及び中間材料は、拡散溶接を実施するために、加熱及び圧縮サイクルを同時に受ける。
この加熱及び圧縮サイクルは、熱間等静水圧プレスを用いた熱間等静圧圧縮成形(圧密)によって、又は、炉を備えた加熱一軸圧縮プレスシステムを用いた加熱一軸圧縮によって実行され得、
−得られるアセンブリは冷却され、
−アセンブリは取り外され、例えば任意の容器が開けられ、
−任意で、得られたアセンブリは、特に、材料の初期特性を修復することを意図された、一以上の熱処理操作を受ける。
そのため、本発明によるプロセスは、好ましくは、まず第一に、組み立てられる部品の二つの表面を洗浄する段階を含む。洗浄する段階は、特に、拡散を妨害する可能性のある不純物を除去する。
それは、当業者に周知の技術によって実施され、且つ組み立てられる全ての部品に関連し、それがシート、パネル、又はコーティングの形状のときに、中間材料を含む。それが粉末形状であるとき、洗浄度は、適切な保管条件によって保証される。
洗浄する段階は、例えば、仏国特許出願公開第2758752号明細書において、又は仏国特許出願公開第2779983号明細書において記載される技術を介して実施され得、任意で、これらの技術を、特に、組み立てられる部品の、及び本発明によるプロセスにおいて用いられる中間材料の特徴に適用することによって、その記述の参照が実施され得る。
次の段階は、スリーブ、又は包装としても知られる、例えば容器における、組み立てられる部品の、及び中間材料の配置、又は位置決めである。
部品及び中間材料は、所望の積層に従って所定の位置に配され、又は置かれ、中間材料は、組み立てられる部品の、組み立てられる表面の間に配されると言われ得る。
中間材料がコーティングの形状であるとき、コーティングは、組み立てられる任意の部品の表面上に、又は、組み立てられる二つの部品の表面上に作製され、その上にコーティングが作製されるゾーンは、組み立てられる部品の内の一つの、組み立てられる表面、又は、組み立てられる二つの部品の組み立てられる表面を少なくともそれぞれ含む。
好ましくは溶射技術によって、組み立てられる部品の組み立てられる表面の内の少なくとも一つの上にコーティングの形状の中間材料フィラーを作製することによって、複雑な、且つ込み入った形状、及び構造の界面を備えた部品を組み立てることが可能であり、一方で、シート、又はパネルを込み入った構造に形作ることは困難であり、費用が掛かる。
中間材料が粉末の形状である場合、これは、組み立てられる部品の内の一つの表面の上の層において配され得、その後、組み立てられる第二の部品が粉末の上に配される。代わりに、ハウジングが、組み立てられる部品の間で作製され、その後、このハウジングは開口部を介して粉末によって満たされる。
組み立てられる部品の内の一つが粉末の形状であり、一方、他が固体形状(一つの固体部品)である場合、組み立てられる部品の、及び中間材料の配置は、中間材料を用いて、固体形状の部品から、粉末形状の部品を分離することによって積層体を作製することから成る。例えば、粉末形状の部品は、容器において配され得、中間材料によって被覆され、その後、固体(ワンピース)の塊形状の部品は上部に配される。
組み立てられる二つのピースが粉末形状の場合、中間の部品は、一般的に、シートの、又はパネルの形状であり、容器に配された粉末形状の二つの部品を分離する。
その後、所定の位置に置かれた、又は積層された部品、及び中間材料は、上述したような、粉末の圧密を任意で伴う、拡散溶接を実行するために、加熱及び圧縮サイクルを同時に受ける。
本発明によると、拡散溶接は、アセンブリ、及び丈夫な結合を形成するために、十分に長い期間の間、十分に高圧高温での処理を介して本質的に達成される。
この温度は一般的に800℃から1200℃であり、好ましくは950℃から1150℃であり、例えば1100℃である。この圧力は一般的に5MPaから200MPaであり、好ましくは50MPaから150MPaであり、例えば100MPaである。
この温度及びこの圧力が維持される期間は、一般的に0.5時間から10時間であり、好ましくは1時間から5時間であり、例えば約4時間である。
加熱及び圧縮サイクルは、異なる温度及び圧力で、複数回の間、実施される複数のフェーズで構成され得る。
拡散溶接は、例えば、加熱一軸加圧成形(加熱一軸圧縮)によって、又は熱間等静圧圧縮成形(HIP)によって実施され得、この最後の技術が好ましい。
実際は、熱間等静圧圧縮成形は、例えば数トンまでの質量によって、特に、大きなサイズの、及び複雑な形状の部品を組み立てることを可能にする。本発明によると、拡散溶接が熱間等方圧縮によって実施される時、所定の位置に置かれた中間材料及び部品は、包装、スリーブ、又は容器の中に導入され得、組み立てられる部品を、大気から分離し、その中で拡散溶接によって部品の組み立てのために包装を真空下に配することを可能にする。
また、明らかに、所定の位置に中間材料、及び部品を置く段階は、包装の中で直接実施されてもよい。
この包装は、一般的にボイラー作製技術を用いて、当業者に既知の従来の方法で実施される。
包装が満たされるとすぐに、当業者に既知の技術を用いて、脱ガスされ、密封される。
脱ガスされた包装に配された中間材料、及び部品は、その後、拡散溶接によって組み立てられ得る。
加熱及び圧縮サイクルは一般的に、
−拡散溶接が実施される、上述の温度、及び圧力までの、一般的に大気の温度、及び圧力からの、温度の、及び圧力の増加、
−上述の期間にわたって拡散溶接が実施される、上記圧力での、及び上記温度でのプラトー、
−一般的に大気の温度、及び圧力への、温度、及び圧力の減少、
を連続して含む。
例として、以下のHIPサイクルが実施され得る:
−3時間で1050℃、及び1200bar(120MPa)への上昇、
−2時間の間、1050℃、及び1200bar(120MPa)で維持、
−4時間で20℃、及び30bar(3MPa)への減少。
最後に、HIPを用いた拡散溶接に続いて、得られた生産物、つまり、高い炭素含有量、及び低い炭化物形成元素含有量を有するスチールから作製される部品と、低い炭素含有量、及び高い炭化物形成元素含有量を有するスチール又はニッケル合金から作製される部品とのアセンブリは、中間材料から作製される結合部を含み、一般的に、例えば加工によって、デスリーブ(de−sleeving)のための、又は包装の開放のための操作を受ける。
本発明によると、アセンブリは、加熱一軸加圧成形(加熱一軸圧縮)によって作製されてもよい。
組み立てられる部品、及び中間材料は、加熱システムを備えた、及び真空チャンバー、筺体を備えたプレスにおいて配され得る。
その後、約10−1Paから10−3Paのオーダーの真空が、上記筺体において生成され得る。
加熱一軸加圧成形は、約1MPaから100MPaの、例えば約5MPaから30MPaの圧力を加えることによって実施され得る。
加熱サイクルは一般的に、
−一般的に大気の温度から、拡散溶接が実施される温度までの、温度の増加、
−拡散溶接を実施するために十分な期間の間の、上記温度でのプラトー、
−一般的に大気の温度への温度の減少、
を連続して含む。
温度、及びこのサイクルに関する回数(times)は、例えば、熱間等方圧縮に関して記載されたものと同一であり得る。
その後、得られたアセンブリは、プレスから引き出され、取り外される。
本発明によると、得られたアセンブリは、追加で一以上の熱処理を受け得る。
任意の熱処理段階は、デスリーブの前後に実施され得る。これらの熱処理操作の目的は、一般的に、組み立てられる部品の材料の特性、及び微細構造を修復することである。そのため、アセンブリは、一般的にアセンブリの構成材料に関して推奨される熱処理操作から選択される一以上の熱処理操作を受け得る。
そのため、オーステナイト化、硬化、並びに、高炭素含有量スチールのための焼き戻し熱処理操作、及び低い炭素含有量を有するスチール又はニッケル合金のためのハイパー焼き戻し処理操作の間で、妥協が確定されなくてはならないことがある。
本発明によるアセンブリは、硬化、及び焼き戻し処理操作に関して十分な強度であり、形成されるアセンブリにダメージを与えない。
本発明によるプロセスによって作製される部品のアセンブリは、特に、加圧水型原子炉(PWR)の構成要素の“ステンレススチールのスメアリング(smearing)、バターリング(buttering)”の置き換えにおいて用途を見い出す。
本発明によるアセンブリの他の用途は、炭素−スチールタイプの構造材料、及びステンレススチールタイプの表面材料が関連する、耐食用途である。
本発明は、例示として、且つ非制限的に与えられる、以下の実施例を参照してこれから説明されるであろう。
実施例:
実施例1(比較)
1050℃で、且つ1000barの圧力で1時間の熱間等方圧縮は、16MND5スチール(Fe−0.165%C−1.30%Mn−0.74%Ni−0.18%Cr−0.48%Mo)から、及びIN690ニッケル合金(Ni−0.021%C−10.1%Fe−29.2%Cr−0.2%Ti−0.13%Al)からそれぞれ作製された、100mmの直径、及び50mmの厚さを備える二つのディスクの拡散溶接のために用いられる。
拡散溶接の後で、アセンブリは、900℃まで30分間加熱され、油焼き入れされ、その後、16MND5スチールの微細構造、及び特性を修復するために、640℃で5時間の間焼き戻しされる。
引張、及び衝撃強度試験片、並びに、冶金分析を意図された金属組織サンプルは、アセンブリからとられる。
界面は、光学顕微鏡法によって観測される。
引張試験片は、円筒形状であり、直径4mmのシャフト、及び25mmの有用な長さを有する。
衝撃強度試験片は、10mm×10mmの正方形の断面を備え、且つ55mmの長さを備えたバーである。
耐衝撃性試験は、界面に配されたU型の切り欠きによって、2010年10月の標準EN ISO 148−1に従って実施される。
耐衝撃性試験、及び引張試験の結果は、以下の表1に与えられる。
想定されるように、ニッケル合金の浸炭が存在する。
20℃での、及び300℃での張力下での破綻は、(界面で混在して、及びニッケル合金の浸炭されたゾーンにおける)結合部ゾーンにおける第一の場合において、又は、界面から離れた、ニッケル合金における、第二の、且つより良い場合において、の何れかにおいて生じる。第一の場合、破壊応力は、より弱い材料、ニッケル合金の機械的強度未満である。
第二の場合では、試験後の顕微鏡観察は、破壊が最終的にこのゾーンから離れて生じるが、ニッケル合金は、浸炭されたゾーンでダメージを受けることを示す(図3)。
得られる衝撃強度値は、数ジュールのオーダーで非常に低く、より正確には2Jから6Jである。従って、このアセンブリは、脆弱である。
実施例2(比較)
実施例1は、同一の材料、拡散溶接のための同一の条件、及び、拡散溶接後の同一の処理を用いて、同一の部品によって繰り返される。唯一の違いは、拡散溶接の前に、厚さ30μmのニッケルストリップが、スチールから作製される、及びニッケル合金から作製される二つのディスクの間に配されることである。
拡散溶接の後で、冶金分析は、ニッケルが、炭素の拡散に対するバリアの役割を実際に果たすことを示す。
しかしながら、硬化の間にアセンブリが自然に割れることが観測され、その脆性を示している。従って、中間材料としてのニッケルの使用は、優れた解決法ではない。
実施例3(比較)
1100℃での、且つ1000barでの1時間の間の熱間等静圧圧縮成形は、16MND5スチール(Fe−0.165%C−1.30%Mn−0.74%Ni−0.18%Cr−0.48%Mo)から、及び316LNオーステナイトステンレススチール(Fe−0.022%C−17.5%Cr−12.16%Ni−1.73%Mn−2.40%Mo)からそれぞれ作製された、100mmの直径、及び50mmの厚さを備えた二つのディスクの拡散溶接のために用いられる。
拡散溶接の前に、1mmの厚さの鉄−ニッケル(Fe−42%Ni)中間材料のシートが、二つの材料の間に配される。
拡散溶接の後で、アセンブリは、30分間で900℃へ加熱され、油焼き入れされ、その後、18MND5スチールの微細構造、及び特性を修復するために、640℃で5時間の間、焼き戻しされる。
引張、及び衝撃強度試験片、並びに、金属組織サンプルは、アセンブリからとられる。
界面は、光学顕微鏡法を用いて観測される。
引張試験片は、円筒形状であり、直径4mmのシャフト、及び25mmの有用な長さを有する。
衝撃強度試験片は、10mm×10mmの正方形の断面を備え、且つ55mmの長さを備えたバーである。
耐衝撃性試験は、中間材料の中間の厚さの点に配されたU型の切り欠きによって、2010年10月の標準EN ISO 148−1に従って実施される。
耐衝撃性試験、及び引張試験の結果は、以下の表1に与えられる。
実施例2におけるように、冶金分析は、鉄−ニッケルストリップが、炭素の拡散に対するバリアとしての役割を実際に果たしたことをを示す。
張力下での破綻が、中間材料において、又は鉄―ニッケル/316LN界面でのいずれかで生じる。
衝撃強度試験では、衝撃エネルギーは、40±3Jであり、アセンブリのベース材料のそれよりもかなり低い値である。
破綻は、本質的に、それゆえアセンブリの弱点を構成する中間材料において生じる。
実施例4(本願発明に従う)
1100℃での、且つ1200barの圧力での4時間の間の熱間等方圧縮は、18MND5スチール(Fe−0.18%C−1.51%Mn−0.22%Si−0.66%Ni−0.19%Cr−0.52%Mo)、及び316Lスチール(Fe−0.013%C−1.83%Mn−0.23%Si−10.24%Ni−16.89%Cr−2.04%Mo)からそれぞれ作製された、100mmの直径、及び50mmの厚さを備えた二つのディスクの拡散溶接のために用いられる。
本発明に従って、これらの二つのディスクの間に配されたのは、厚さ1mmの、且つ本発明による中間材料、FeNiCoMo合金(Fe−45.3%Ni−9.97%Co−5.19%Mo)から作製されたストリップである。
拡散溶接の後で、アセンブリは900℃へと加熱され、空気の流れにおいて急冷され、その後、650℃で5時間の間焼き戻しされる。
引張、及び衝撃強度(復元力)試験片、並びに、金属組織サンプルは、アセンブリからとられる。
界面は、光学顕微鏡法によって観測される。
引張試験片は、円筒形状であり、直径4mmのシャフト、及び25mmの有用な長さを有する。
衝撃強度(復元力)試験片は、10mm×10mmの正方形の断面を備え、且つ55mmの長さを備えたバーである。
衝撃強度(復元力)試験は、中間材料の中間の厚さの点で配された(U型の切り欠きよりも厳しい)V型の切り欠きによって、2010年10月の標準EN ISO 148−1に従って実施される。
衝撃強度、及び引張試験の結果は、以下の表1に与えられる。
図4は、316Lスチールの浸炭(4A)、又は18MND5の浸炭(4B)が存在しないことを示す。モリブデンの炭化物形成の特徴にも関わらず、FeNiCoMo材料の浸炭は存在しない。
大気の温度での引張試験の間、界面で、又は中間材料においてのいずれも、破綻、断裂は観測されないが、316Lにおいては観測される。
切り欠きが、本発明によるFeNiCoMo中間材料の中間の厚さの点で配されるときに得られる衝撃強度、つまり168Jは、アセンブリの二つの構成材料のそれぞれに関して得られるものよりも低いままであるが、実施例1及び3と比較して大きく改善される。さらに、破綻、断裂は、316Lステンレススチールにおける部品において生じ、一方で、試験構成は、界面での、又はFeNiCoMo中間材料における破綻、断裂を好む。
Figure 2015508450
表1に示される機械的検査の結果は、FeNiCoMoから作製される中間材料の使用が、炭素の拡散による材料の脆化を排除するだけでなく、先行技術の中間材料の代表よりも大きな強度のアセンブリが得られることにつながることを明確に示す。
実施例の比較は、本発明によって提供される改善が、本質的には、中間材料へのMoの追加に起因することを示す。
この追加は、界面(図4A、及び4B)、又は組み立てられる材料に悪影響を与えることなく、中間材料を強化する。
Figure 2015508450

Claims (14)

  1. 高い炭素含有量、及び低い炭化物形成元素含有量を有するスチールから作製される部品と、低い炭素含有量、及び高い炭化物形成元素含有量を有するニッケル合金から、又はスチールから作製される部品とを拡散溶接によって結合するためのプロセスであって、部品のそれぞれが、結合される表面を含み、そのプロセスにおいて、中間材料は、結合される表面の間に配され、その後、拡散溶接が実施されて二つの部品を結合し、得られたアセンブリは冷却され、
    中間材料は、ニッケルから、並びに、任意で鉄及び/又はコバルトから作製されるマトリックスを備える合金であり、拡散溶接温度でオーステナイト微細構造を有し、合金の全質量に対して質量%として表される、以下の含有量を備えた以下の構成要素を、不可避な不純物とは別に、含むことを特徴とするプロセス:
    −ニッケル(Ni):5から90、好ましくは35から75;
    −コバルト(Co):0から50、好ましくは0から20;
    −鉄(Fe):0から93、好ましくは23から63;
    −モリブデン:2から25、好ましくは4から16;
    −炭素:0.10未満、好ましくは0.05未満;
    −クロム:10未満、好ましくは5未満、より好ましくは1未満;
    −オーステナイト合金において一般的に用いられる合金要素であって、それらのそれぞれに関して:2未満、好ましくは1未満、より好ましくは0.5未満。
  2. 中間材料の合金が、合金の全質量に対して質量%として表される、以下の含有量を備えた、オーステナイト合金において一般的に用いられる以下の合金元素の内の一以上を含む、請求項1に記載のプロセス:
    −マンガン(Mn):2未満;
    −シリコン(Si):1未満;
    −カルシウム(Ca):0.5未満、好ましくは0.1未満;
    −アルミニウム(Al):1未満、好ましくは0.5未満。
  3. 中間材料の合金が、合金の全質量に対して質量%として:
    −ニッケル:35から55、例えば45.3;
    −コバルト:0から18、例えば9.97;
    −モリブデン:4から8、例えば5.19;
    −及び、鉄、及び不可避の不純物である残りのもの、
    から成る、請求項1又は2に記載のプロセス。
  4. 中間材料が、例えば0.1mmから3mmの厚さを備えたシートの、又はプレートの形状で、又は、例えば0.3mmから10mm、好ましくは1mmから5mmの厚さを備えた粉末の、好ましくは粉末の層の形状で、組み立てられる表面の間に配される、請求項1から3の何れか一項に記載のプロセス。
  5. 中間材料が、組み立てられる表面の内の少なくとも一つの上に、例えば厚さ0.1mmから3mmの厚さを備えたコーティングの形状で堆積される、請求項1から3の何れか一項に記載のプロセス。
  6. 中間材料が、粉末の熱スプレーコーティング、ワイヤー溶融、化学析出又は電解析出、及び真空蒸着から選択されるプロセスによって堆積される、請求項5に記載のプロセス。
  7. 高い炭素含有量、及び低い炭化物形成元素含有量を有するスチールが、0.08質量%超の炭素、及び15質量%未満の炭化物形成元素を含み、且つ、低い炭素含有量、及び高い炭化物形成元素含有量を有するニッケル合金又はスチールが、0.08質量%以下の炭素、及び15質量%以上の炭化物形成元素を含む、請求項1から6の何れか一項に記載のプロセス。
  8. 炭化物形成元素が、元素の周期表の列IVB、VB、及びVIBにおける元素から選択される、請求項1から7の何れか一項に記載のプロセス。
  9. 高い炭素含有量、及び低い炭化物形成元素含有量を有するスチールが、工業用スチール等のカーボンスチールグレードから、又は、圧力装置若しくは工具スチールのためのスチール等の低合金スチールグレードから選択され;且つ、低い炭素含有量、及び高い炭化物形成元素含有量を有するニッケル合金又はスチールが、300シリーズのオーステナイトステンレススチール、及び合金800等のステンレススチールから、又はニッケル合金から選択される、請求項1から8の何れか一項に記載のプロセス。
  10. 組み立てられる二つの部品の内の少なくとも一つが、粉末の形状である、請求項1から9の何れか一項に記載のプロセス。
  11. 拡散溶接が、熱間等静圧圧縮成形(HIP)によって実施される、請求項1から10の何れか一項に記載のプロセス。
  12. 拡散溶接が、一軸圧縮によって実施される、請求項1から10の何れか一項に記載のプロセス。
  13. 得られるアセンブリが、一以上の熱処理をさらに受ける、請求項1から12の何れか一項に記載のプロセス。
  14. 請求項1から13の何れか一項に記載のプロセスによって得られるアセンブリ。
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