JP2016055333A - 曲げ金属条材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＣＣ（面心立方格子）構造を有する金属条材の熱間曲げ加工にあたって部材表層部に亀裂が生じることを簡便かつ十分に防ぐ。
【解決手段】ＦＣＣ構造を有する金属条材の熱間曲げ加工のときに、予め定められた結晶粒径と許容引張ひずみとの関係に基づいて金属条材の結晶粒径に対応する許容引張ひずみを算出し、金属条材の曲げ外周側の条材表層部の引張ひずみを前記算出された許容引張ひずみより小さくする引張ひずみ低減処理（金属条材に材軸方向の圧縮力を加えるか又は曲げ半径を大きくする）を、金属条材を塑性変形させるときに実施する。許容引張ひずみｙは、結晶粒径をｘとして式〔ｙ＝２．５９×１０⁵×ｘ^-2.95〕により算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、曲げ金属条材の製造方法に係り、特に、面心立方格子（Face-centered Cubic／ＦＣＣ）構造を有する金属条材を熱間曲げ加工するときに部材表層部に生じることがある割れを防ぐ技術に関する。

面心立方格子（Face-centered Cubic／以下「ＦＣＣ」と言う）構造を有する金属条材、例えばオーステナイト系合金からなる金属管は、発電用ボイラの蒸気管などのような厚肉の耐高温高圧部材として、発電所や各種のプラント、工場などの産業施設において今日使用されている。

これらの金属条材（本発明の対象部材は管に限られないが、以下、典型的な態様として管を例にとって説明する）は、規格化され予め所定形状になされたエルボやベンド等の異形管が使用される一方で、施工対象に応じて直線状の管を曲げ加工した管（「曲げ管」と言う）も、様々な曲率・管路形状への要求に柔軟に対応できることから広範に使用されている。

かかる曲げ管を製造するには、一般に、加工対象である直線状の金属管の一部を誘導加熱コイル等によって環状に加熱するとともに、クランプアームによって金属管の誘導加熱コイルより前端側（管先端側）を把持しながら誘導加熱コイルに向けて金属管を押し進める。クランプアームは、支軸を中心として旋回し金属管の進路を弧状に規制するもので、このようなクランプアームによって金属管を把持しながら推進させることで、誘導加熱コイルによって加熱された部分に曲げモーメントが加わり、弧を描くように金属管を連続的に塑性変形させることが出来る。

また、このような金属条材の曲げ加工に関連する技術を開示するものとして、下記特許文献がある。

特開２０１４− ３４７２５号公報 特開２００２−１７８０４２号公報 特開２０１３−１５８８３０号公報

ところで、ＦＣＣ構造材料は熱間曲げ加工のときに部材表層部に微細な割れ（亀裂）が生じやすく、これを防ぐため上記特許文献のような提案が従来からなされている。

例えば特許文献１に記載の発明は、Ｎｉ、ＣｒおよびＷなどの成分を含むオーステナイト系合金部材について、外表面から５ｍｍ深さまでの領域における最高硬さＨＶ０．１（ｍａｘ）と、部材の平均結晶粒径ｄ（μｍ）とが、式〔ＨＶ０．１≦（−１／６）×ｄ＋３００〕を満すように管理すれば熱間曲げ加工時に亀裂が生じることを防ぐことが出来るとする。

ところが、本願発明者らが上記条件を満たすような部材、すなわち、平均結晶粒径ｄ＝５００μｍで硬度１８０ＨＶであり、〔１８０≦（−１／６）×５００＋３００＝２１６．７〕となる同様の部材を調製して曲げ試験を行ったところ、部材表層部に亀裂が観察されるものがあり、特許文献１記載の発明では亀裂の発生を必ずしも完全に防ぐことが出来ないことが確認された。

また、特許文献３記載の発明は、Ｎｉ基合金またはＦｅ−Ｎｉ基合金からなる超合金部材を加熱炉内で１１７５℃以上１２５０℃未満の温度で加熱した後に（加工硬化層消失工程）曲げ加工を行うことで、部材表層の粒界割れを防止する。しかしながら、本願発明者らが同様の熱処理（１２００℃まで加熱）を施した後に熱間曲げを行ったところ、部材表層部の割れを防ぐことは出来なかった。またこの文献記載の発明（特許文献２記載の発明も同様）では、曲げ加工前に熱処理と言う別工程が必要となり、加工工程が増える難もある。

このようにＦＣＣ構造材料における従来の割れ防止技術は十分なものとは言えず、割れ防止をより完全かつ簡便に図ることが出来る新たな技術の提供が望まれる。

したがって、本発明の目的は、ＦＣＣ構造を有する金属条材の熱間曲げ加工にあたって部材表層部に亀裂が発生することを簡便かつ十分に防ぐことを可能とする点にある。

前記課題を解決し目的を達成するため、本発明に係る曲げ金属条材の製造方法は、面心立方格子構造を有する金属条材の一部を環状に加熱すると共に、前記金属条材の加熱部近傍位置を把持可能で且つ当該把持部から一定距離隔てた支軸を中心として旋回可能なクランプアームによって前記金属条材を把持し、前記金属条材を材軸方向へ推進させることにより前記クランプアームによる把持部を旋回させ前記金属条材の少なくとも一部が弧を描いて湾曲するように案内することにより前記金属条材の加熱部に曲げモーメントを加えて当該金属条材の少なくとも一部を連続的に湾曲状態に塑性変形させる曲げ金属条材の製造方法であって、予め定められた結晶粒径と許容引張ひずみとの関係に基づいて、前記金属条材の結晶粒径に対応する許容引張ひずみを算出し、当該金属条材の曲げ外周側の条材表層部の引張ひずみを前記算出された許容引張ひずみより小さくする引張ひずみ低減処理を、前記金属条材を塑性変形させるときに実施する。

本発明では、加工対象である金属条材の一部を環状に加熱しながら曲げモーメントを加えることにより連続的に塑性変形させるが、加工にあたって予め結晶粒径と許容引張ひずみとの関係（後の実施形態の説明において述べる割れ感受性マップ）に基づいて当該加工対象である金属条材の許容引張ひずみを算出しておき、曲げ加工中に生じる引張ひずみがこの許容引張ひずみより小さな値になるように引張ひずみ低減処理を加工を行うときに実施する。

引張ひずみ低減処理の具体的態様としては、例えば、金属条材の推進中にクランプアームを引き戻す方向へ力をかけることにより金属条材に材軸方向の圧縮力を加える。加工中にこのような圧縮力を付加すれば、加工に伴う引張ひずみを低減させ、これを許容引張ひずみ内に抑えることが可能となる。なお、このような圧縮力をかけることなく単純に条材に曲げモーメントを加えて曲げ加工することを「単純曲げ」と称するのに対して、材軸方向に圧縮力をかけながら曲げ加工することを「圧縮曲げ」と称する。

金属条材に圧縮力をかける方法は特に問わない。例えば、金属条材の推進によるクランプアームの回転とは逆方向にクランプアームを回転させるようにクランプアームに対して外力（クランプアームを引き戻す力）をかけても良いし、クランプアームの回転軸（支軸）に逆回転力をかけても良い。また、当該回転軸に対して制動をかけたり、他の方法によっても構わない。

また、引張ひずみ低減処理として、上記圧縮力をかけることに代えて、あるいは圧縮力をかけることに加えて、金属条材の曲げ半径を大きくしても良い。曲げ半径を大きくすれば金属条材に生じる引張ひずみは小さくなるから、当該処理を行うことで引張ひずみを低減させて許容引張ひずみ内に抑えることが出来る。

前記結晶粒径と許容引張ひずみとの関係は、後に実施形態の説明において図面を参照して述べるように例えば次式からなり、曲げ加工により生じる引張ひずみを下記式から算出される許容引張ひずみｙより小さくする。なお、同式においてｘは結晶粒径（平均粒径）を、ｙは許容引張ひずみをそれぞれ示す。

ｙ＝２．５９×１０⁵×ｘ^-2.95

本発明に言う面心立方格子（Face-centered Cubic／「ＦＣＣ」と言う）構造を有する金属条材とは、言い換えればオーステナイト系合金からなる金属条材であり、材料としては例えばニッケル基合金からなる金属条材が含まれる。また、金属条材とは、典型的には管状部材（金属管／中空部材）であるが、これに限られず、様々な断面形状を有する棒状部材（中実部材）なども本発明に言う金属条材に含まれる。

本発明に係る曲げ金属条材の製造方法によれば、ＦＣＣ構造を有する金属条材の熱間曲げ加工にあたって部材表層部に亀裂が発生することをより簡便かつ良好に防ぐことが出来る。

本発明の他の目的、特徴および利点は、図面に基づいて述べる以下の本発明の実施の形態の説明により明らかにする。なお、各図中、同一の符号は、同一又は相当部分を示す。

図１は、結晶粒径と許容引張ひずみとの関係を示す線図である。 図２は、金属管の円周位置と引張ひずみとの関係を示す線図である。 図３は、金属管の円周位置を示す断面図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る曲げ金属条材の製造方法（初期状態）を模式的に示す平面図である。 図５は、前記実施形態に係る曲げ金属条材の製造方法（曲げ加工中の状態）を模式的に示す平面図である。

図１は結晶粒径と許容引張ひずみとの関係を示す線図（「割れ感受性マップ」と称する）であり、発明者が曲げ加工を行ったＦＣＣ構造を有する材料からなる複数の金属管についてそれらの結晶粒径と加工に伴って発生した引張ひずみを測定するとともに、曲げ加工により割れが発生したか判定を行い、これらのデータを横軸に結晶粒径を、縦軸に引張ひずみをとってプロットしたものである。

図１から分かるように結晶粒径と割れ発生の有無には相関関係が認められ、結晶粒径が大きくなるほど引張ひずみが小さくても割れが発生している。図１中の曲線は、割れが発生するか否かの境界を示すもので、この曲線（特に結晶粒径ｘが１００μｍ〜４００μｍの範囲において）より引張ひずみが小さい領域Ａでは加工に伴って割れは発生せず、この曲線より引張ひずみが大きな領域Ｂでは加工に伴って割れが発生している。また、当該曲線は、金属管の結晶粒径を「ｘ」、引張ひずみを「ｙ」とすると下記式１で表される。なお、結晶粒径ｘは、ＪＩＳ Ｇ ０５５１「鋼−結晶粒度の顕微鏡試験方法」に準拠した方法で測定を行った平均粒径である。

ｙ＝２．５９×１０⁵×ｘ^-2.95 …（式１）

したがって、本発明の一実施形態に係る曲げ金属条材の製造方法（金属管の曲げ加工方法）では、予め加工対象である金属管の結晶粒径ｘを測定し、上記式１により許容引張ひずみｙを算出して、加工により生じる引張ひずみがこの許容引張ひずみｙより小さな値になるように曲げ加工を行うときに引張ひずみ低減処理（具体的方法は後に述べる）を実施する。

一方、金属管を曲げ加工する場合、円周方向の位置によって引張ひずみの大きさが異なる。図３は曲げ加工された金属管の断面を示すものであるが、同図に示すように時計回りに円周方向の位置（円周位置）として金属管の上端を０°、右端を９０°、下端を１８０°、左端を２７０°と定義すると、各円周位置における引張ひずみは、図２に示すように曲げ外周側である９０°位置（右端）で最大となり、曲げ内周側である２７０°位置（左端）で最小となる。なお、当該金属管は左方向に水平に曲げ加工しており（後述の図５参照）、図３に示すように金属管の右側が曲げ外周側となって肉厚が減少している。

また図２は、結晶粒径３５０μｍの金属管を４種類の方法で曲げ加工した結果（円周位置と引張ひずみの関係）を示すものである。すなわち、（１）３ＤＲで単純曲げ、（２）４ＤＲで単純曲げ、（３）３ＤＲで圧縮曲げ、（４）前記（３）より大きな圧縮力をかけながら３ＤＲで圧縮曲げをそれぞれ行った。なお、「３ＤＲ」とは、金属管の呼称管径Ｄの３倍の曲げ半径Ｒ（図４〜図５参照）で曲げ加工することを意味する。「４ＤＲ」とは、同様に金属管の呼称管径Ｄの４倍の曲げ半径Ｒで曲げ加工することを示す。

図２から分かるように、曲げ外周側（４５°、９０°および１３５°位置）で大きな引張ひずみが生じ、右端（９０°位置）で引張ひずみが最大となっている。なお、前記図１の各加工事例の引張ひずみは、その大きさが最大となる金属管の曲げ外周側（図３の９０°の円周位置）の値を示している。また、（１）３ＤＲ曲げと（２）４ＤＲ曲げを比較すると明らかなように、曲げ半径が大きいと引張ひずみは小さくなる。さらに、（３）小さな圧縮力をかけた３ＤＲ曲げと（４）大きな圧縮力をかけた３ＤＲ曲げを比較すると分かるように、大きな圧縮力を付与すると引張ひずみをより低減させることが出来る。なお、図２においてマイナスの引張ひずみ（曲げ内周側／例えば２２５°位置、２７０°位置等）は圧縮ひずみが生じていることを示している。

割れについては、引張ひずみが０．８％より小さい領域Ａ（（１）〜（４）の各金属管について引張ひずみが０．８％より小さい円周位置）では割れは認められなかったが、引張ひずみが０．８％より大きい領域Ｂ、すなわち、圧縮力をかけることなく３ＤＲおよび４ＤＲ曲げを行った金属管（図２の（１），（２））の４５°、９０°および１３５°位置や、小さな圧縮力をかけながら３ＤＲ曲げを行った金属管（図２の（３））の９０°位置には割れが認められた。また、より大きな圧縮力をかけながら３ＤＲ曲げを行った金属管（図２の（４））では、いずれの円周位置においても割れは認められなかった。

したがって本実施形態の製造方法（曲げ加工方法）では、引張ひずみが最大となる曲げ外周側（この例の場合、９０°の円周位置である右端）における引張ひずみを前記割れ感受性マップ（図１）の許容引張ひずみｙより小さな値に低減させる引張ひずみ低減処理を施す。この引張ひずみ低減処理としては、本実施形態では加工中に金属管の材軸方向に圧縮力をかける。圧縮力をかける方法は特に問わないことは既に述べたとおりであるが、その具体的方法の一例を以下に述べる。

図４から図５は、本発明の一実施形態に係る曲げ金属条材の製造方法（金属管の曲げ加工方法）を実施する曲げ加工装置を示すものである。これらの図に示すようにこの装置は、加工対象である金属管１１の一部を環状に加熱する誘導加熱コイル１２（以下単に「コイル」と称することがある）と、コイル１２に向け金属管１１を推進する推進機構１４と、金属管１１の前方部分を把持する前方クランプ３３を有するとともに金属管１１の推進に伴い支軸３２を中心として回動することにより金属管１１に曲げモーメントを付与するクランプアーム３１と、金属管１１の推進と反対方向の力である引戻力を発生して金属管１１に圧縮力を付与する圧縮機構２１とを備えている。

なお、前記図３同様、図４および図５に前後左右上下の方向を示しており、本実施形態はこれらの方向に基づいて説明を行う。また、図中符号Ｃは、金属管の中心線を、符号Ｄは金属管の直径を、符号Ｒは金属管の曲げ半径をそれぞれ示している。

金属管１１を推進させる推進機構１４は、金属管１１の後部を把持する後方クランプ１５と、この後方クランプ１５を通じて金属管１１に前方への推進力を付与する推進駆動部１６とを有する。推進駆動部１６は、例えば油圧シリンダにより構成する。

一方、金属管１１に圧縮力をかける圧縮機構２１は、クランプアーム３１の下端部に固定されクランプアーム３１の支軸３２を中心としてクランプアーム３１と一緒に回転する（矢印Ｐ４参照）スプロケット２４と、このスプロケット２４と噛み合うチェーン２３と、チェーン２３を金属管１１の推進方向と逆方向（後方）へ引っ張る引戻力Ｐ５を発生する圧縮駆動部２２とを有する。圧縮駆動部２２は、例えば油圧シリンダにより構成すれば良い。

なお、これら推進機構１４および圧縮機構２１は、特定の構造に限定されるものではなく、本発明における推進機構１４は金属管１１を推進可能なものであれば、また、圧縮機構２１は金属管１１に対して圧縮力を付与可能なものあれば、それぞれ如何なるものであっても良く、図示した構造に限定されない。

金属管１１を加熱する誘導加熱コイル１２は、クランプアーム３１の後方に配置し、コイル１２に電力を供給する電源を含む駆動部（図示せず）によって駆動する。また、曲げ加工直後に金属管１１を冷却できるように冷却水を噴射可能な冷却機構（冷却機構自体は図示しないが、当該冷却機構から噴射される冷却水を図５において符号１０で示した）をコイル１２と一体に設けてあり、加工時にはコイル１２の直ぐ前方の金属管１１の表面に向け冷却水１０を吹き付け、加熱され曲げられた金属管１１を冷却する。なお、図中符号１３は、金属管１１を案内するガイドローラを示している。

加工にあたっては、金属管１１の後部を後方クランプ１５によって、金属管１１の前部を前方クランプ３３によってそれぞれ把持し、後方クランプ１５を介して油圧シリンダ１６により金属管１１を前方へ推進する（矢印Ｐ１参照）。

金属管１１が前方へ推進されると（矢印Ｐ２参照）、この推進力Ｐ２を受けてクランプアーム３１は支軸３２を中心として水平に回動し（矢印Ｐ３参照）、金属管１１を把持している前方クランプ３３は支軸３２を中心として弧を描くように旋回する。これに伴い、前方クランプ３３により把持された金属管１１には曲げモーメントが加わり、コイル１２によって加熱された部分が次々と曲げられて金属管１１が連続的に弧状に塑性変形される（図５参照）。

一方、金属管１１の推進に伴うクランプアーム３１の回動により、スプロケット２４が回転してチェーン２３が巻き取られるが、これに抗する力（後方への引戻力）Ｐ５を圧縮駆動部２２によってチェーン２３及びスプロケット２４を介してクランプアーム３１にかける。これにより、金属管１１に対して材軸方向の圧縮力を付与し、曲げ加工中に金属管１１に発生する引張ひずみを低減して割れの発生を防ぐ。なお、当該圧縮力の付与により、割れ発生防止に加え、金属管１１の曲げ外周側の減肉（肉厚が薄くなること）を抑制することも可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことができることは当業者に明らかである。

例えば、前記実施形態では、引張ひずみ低減処理として金属管１１に圧縮力をかけたが、これに代え、またはこれと共に、曲げ半径Ｒを大きくしても良い。具体的には、前記図４に示した前方クランプ３３はクランプアーム３１に沿って左右方向に位置を変更すること（矢印Ｓ参照）が可能であり（推進機構１４やコイル１２、ガイドローラ１３も前方クランプ３３の位置変更に対応してその位置を変更可能である）、前方クランプ３３をクランプアーム３１に沿って右方へ移動させ、支軸３２からより遠い位置において加工すべき金属管１１を把持するようにすれば、曲げ半径Ｒを大きくすることが出来る。

Ｃ 金属管の中心線
Ｄ 金属管の直径
Ｒ 曲げ半径
１１ 金属条材（金属管）
１２ 誘導加熱コイル
１３ ガイドローラ
１４ 推進機構
１５ 後方クランプ
１６ 推進駆動部
２１ 圧縮機構
２２ 圧縮駆動部
２３ チェーン
２４ スプロケット
３１ クランプアーム
３２ 支軸
３３ 前方クランプ

Claims (4)

1. 面心立方格子構造を有する金属条材の一部を環状に加熱すると共に、
   前記金属条材の加熱部近傍位置を把持可能で且つ当該把持部から一定距離隔てた支軸を中心として旋回可能なクランプアームによって前記金属条材を把持し、
   前記金属条材を材軸方向へ推進させることにより前記クランプアームによる把持部を旋回させ前記金属条材の少なくとも一部が弧を描いて湾曲するように案内することにより前記金属条材の加熱部に曲げモーメントを加えて当該金属条材の少なくとも一部を連続的に湾曲状態に塑性変形させる
   曲げ金属条材の製造方法であって、
   予め定められた結晶粒径と許容引張ひずみとの関係に基づいて、前記金属条材の結晶粒径に対応する許容引張ひずみを算出し、
   当該金属条材の曲げ外周側の条材表層部の引張ひずみを前記算出された許容引張ひずみより小さくする引張ひずみ低減処理を、前記金属条材を塑性変形させるときに実施する
   ことを特徴とする曲げ金属条材の製造方法。
2. 前記引張ひずみ低減処理は、前記金属条材の推進中に前記クランプアームを引き戻す方向へ力をかけることにより前記金属条材に材軸方向の圧縮力を加える処理である
   請求項１に記載の曲げ金属条材の製造方法。
3. 前記引張ひずみ低減処理は、前記金属条材の曲げ半径を大きくする処理である
   請求項１または２に記載の曲げ金属条材の製造方法。
4. 前記結晶粒径と許容引張ひずみとの関係は、結晶粒径をｘ、許容引張ひずみをｙとすると、
   ｙ＝２．５９×１０⁵×ｘ^-2.95
   である請求項１から３のいずれか一項に記載の曲げ金属条材の製造方法。

Images