JP2023516232A - 固体金属部材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
コアと、該コアを全方向に取り囲む外側シェルと、を有する固体金属部材であって、前記コアおよびシェルは、異なるグレードの鋼で構成され、前記コアの鋼は、前記シェルの鋼よりも低い、マルテンサイトおよびベイナイトの臨界冷却速度を有する、固体金属部材。
Description
本発明は、固体金属部材の製造の分野全般に関する。
本発明は、例えば、「管板」と呼ばれる、原子力発電所の蒸気発生器の下側部分に見られるような、大寸法かつ厚さの厚い金属部材の製造において、非排他的な用途が認められている。
そのような蒸気発生器の機能は、交流機のロータを駆動するタービンを作動させる回路（「二次」回路と称される）に出力させ、発電するため、熱源である水のカロリーを、原子力発電所の原子炉から、供給水と接触する何千ものU字形チューブを介して輸送することである。そのカロリーが蒸気発生器に放出された後、水は、原子炉入口に戻る。
前記数千のチューブは、極めて大きな長さを有し、管板に溶接されたスペーサにより、規則的な高さに保持され、水の自由な流入および流出を提供する孔が得られる。管板の底部には「ウォータボックス」と呼ばれる仕切りが設けられ、各種循環水が分離される。
加圧水力発電所における蒸気発生器の管板は、厚さが厚く（50から60cm）、大径の鍛造品で、交換管を通す何千もの穴が設けられる。両側の圧力差により、大きな機械的応力を受けるため、その剛性は、その厚さと、それを構成する材料、すなわち炭素マンガンクラスの低合金鋼の機械的特性とにより、得られる。
この部材の極めて堅固な性質は、2つの主要な製造上の困難さの要因となっている：
－必要なインゴットサイズ、および最終厚さにより要求される低レベルの鍛造に起因する、部材内の金属的および化学的な均一性は、極めて悪く、そのマスにおいて機械的特性の変動が生じる；
－使用される鋼の極めて大きな厚さ、および限定された焼入れ効果の組合せにより、品質熱処理後の板プレートコアにおいて、強化ベイナイトまたはマルテンサイトのミクロ組織（微細構造）が許容されない。これは、抵抗と粘り強さの間の最良の妥協の補償である。
－必要なインゴットサイズ、および最終厚さにより要求される低レベルの鍛造に起因する、部材内の金属的および化学的な均一性は、極めて悪く、そのマスにおいて機械的特性の変動が生じる；
－使用される鋼の極めて大きな厚さ、および限定された焼入れ効果の組合せにより、品質熱処理後の板プレートコアにおいて、強化ベイナイトまたはマルテンサイトのミクロ組織（微細構造）が許容されない。これは、抵抗と粘り強さの間の最良の妥協の補償である。
通常、部材の中心では、降伏強度、引張強度、および延性ベアリングが低下するが、弾性変化温度は、50℃超上昇する。
これらの凡庸な特性を改善することにより、より固体度が低く、従って製造が容易な板を設計すること、またはより大きな安全マージンを提供することが可能になる。
これに関連して、リードタイムの増加、および供給の自由度の増加も、強く期待されている。
この管板に必要な基本的な機能は、実質的に、
－異なる圧力負荷時の曲げ抵抗；
－管バンドルを受容し維持するための製造中および操作中の機械的安定性；
－蒸気発生器のフェルールとボウルにおける溶接能力；
－ステンレス鋼またはニッケル基合金を用いた溶接によりクラッドされる能力
である。
－異なる圧力負荷時の曲げ抵抗；
－管バンドルを受容し維持するための製造中および操作中の機械的安定性；
－蒸気発生器のフェルールとボウルにおける溶接能力；
－ステンレス鋼またはニッケル基合金を用いた溶接によりクラッドされる能力
である。
従って、簡略化のため、求められる妥協は、3つの特性に関係する：
－弾性限界および引張強さ；
－粘り強さおよび弾性；
－溶接性。
－弾性限界および引張強さ；
－粘り強さおよび弾性；
－溶接性。
この最後の特性（溶接性）に関し、基準EN10028-2に従って計算された鋼の炭素当量（C*）は、約0.52%（典型的な値）から0.62%（熱処理に最適化された鋼「18MND5」）であり、これは、あまり超えてはならない目標値を表すことが留意される。そうでなければ、各種溶接の予熱温度が低下する可能性があり、特に冷間割れのリスクがある。
そのような製造の従来技術では、前述の第1の問題（不均一性）に関し、インゴット鋳造、偏析ゾーンの低下、および板鍛造を達成することが難しく、廃棄のリスクがあることを示す。
また、第2の問題（制限された焼入れ性）に対しては、機械的性質、焼入れ性および溶接性の間の必要な妥協のため、鋼のグレードを変えることを除き、解決策がないことが示されている。
本発明の目的は、これらの欠点を克服することである。
この目的のため、本発明では、まず、
コアと、該コアを全方向に取り囲む外側シェルと、を有する固体金属部材であって、
前記コアおよびシェルは、異なるグレードの鋼で構成され、前記コアの鋼は、前記シェルの鋼よりも低い、マルテンサイトおよびベイナイトの臨界冷却速度を有する、固体金属部材に関する。
コアと、該コアを全方向に取り囲む外側シェルと、を有する固体金属部材であって、
前記コアおよびシェルは、異なるグレードの鋼で構成され、前記コアの鋼は、前記シェルの鋼よりも低い、マルテンサイトおよびベイナイトの臨界冷却速度を有する、固体金属部材に関する。
本発明のこれらの特徴のため、得られる部材は、特に均一な機械的特性を有する。これは、特に硬さに関する場合である。一方、弾性および靭性は高い。
本部材の他の有利な、かつ非限定的な特徴では、前記コアは、それ自体が少なくとも1つの内側シェルにより取り囲まれ、この内側シェルは、前記外側シェルにより取り囲まれ、前記コアの鋼は、前記内側シェルの鋼よりも低い、マルテンサイトおよびベイナイトの臨界冷却速度を有し、前記内側シェルのこれらの速度は、それ自体、前記外側シェルよりも低い。
また、本発明は、そのような部材を製造する方法に関する。
本方法は、前記コアと、前記シェルまたは複数のシェルの残りと、をそれぞれ同時に形成するため、付加製造法または溶接により、予め製造されたベース上に前記鋼を堆積するステップを有することを特徴とする。
本方法の他の非限定的で有意な特徴では、
－前記外側シェルの残りの鋼のグレードは、前記ベースのグレードと同じであり、
－前記外側シェルの残りの鋼のグレードは、前記ベースのグレードとは異なり、これらの2つのグレードは、等しくまたはほぼ等しい、マルテンサイトおよびベイナイトの臨界冷却速度を示し、
－前記ベースは、鍛造または圧延により製造され、
－前記ベースは、付加製造または溶接により製造される。
－前記外側シェルの残りの鋼のグレードは、前記ベースのグレードと同じであり、
－前記外側シェルの残りの鋼のグレードは、前記ベースのグレードとは異なり、これらの2つのグレードは、等しくまたはほぼ等しい、マルテンサイトおよびベイナイトの臨界冷却速度を示し、
－前記ベースは、鍛造または圧延により製造され、
－前記ベースは、付加製造または溶接により製造される。
本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照した以下に示す説明から明らかになる。添付図面は、例示的なものであり限定的ではなく、本発明の各種想定可能な実施形態を表す。
以下の記載から明らかなように、本発明は、注意深く組織化された材料と、品質処理後に、そのようにして製造された部材の厚さ全体にわたって、均一な高い機械的特性を提供する製造プロセスと、の組み合わせに基づく。
特許請求の範囲を含む本記載を通して、「部材」と言う用語は、板、すなわち、その厚さが長さおよび幅よりも小さい物体と、他の寸法よりも厚さが厚い任意の他の三次元物体、例えば、平行六面体または円柱状の物体の両方を意味することが理解される。
本発明では、図1に示すように、円盤ディスク状の中実金属板1が含まれる。
それは、ステンレス鋼またはインコネル（商標）で知られる合金の厚さ2に配置されることが示されている。図2および図3に示されるものとは異なり、この厚さは、製造後に板1に関連することが好ましい。
（前述のように）板が蒸気発生器の底板である場合、厚さ2は、一次水と接触し、従って、板1の残りの部分に対して腐食バリアを形成する。
この板1は、コア5と、外側シェル3とを有し、後者は、前記コア5を全方向で取り囲む。このコア5およびこのシェル3は、異なるグレードの鋼で構成される。
より正確には、ここに示した例では、コア5は、それ自体が内側シェル4により取り囲まれ、この内側シェル4は、前記外側シェル3により取り囲まれる。
図示されていない実施形態では、コアに直接接触する単一の外側シェル3を含むことができるが、逆に、2つ以上のシェルを含んでもよい。
いずれにせよ、本発明では、コア5の鋼と各シェル3および4の鋼のグレードは、異なっており、前記コア5の鋼は、それを取り囲むシェル4の鋼よりも、マルテンサイトおよびベイナイトの臨界冷却速度が低く、前のシェルを取り囲む各シェルに対しても同様である。
従って、図1の場合、内側シェル4の前記速度は、外側シェル3の前記速度よりも低い。
この板1は、以下に詳細に示す方法に従って製造することができる。
まず、通常10から15cmの間の一般的な厚さを有する厚板またはベース30が鍛造または圧延される。そのような厚さでは、マクロ偏析のない、極めて良好な金属的品質が確保される。必要な場合、この板30は、以下に記載の方法と同じ方法により製造することができる。
板1の残りの部分は、「堆積（成膜）」されると称され、追付加製造法または溶接により得られる。これは、板1の全厚さが徐々に厚くなることを意味する。
図2を参照すると、これは、ベース30を形成した後、シェル4の下側部分だけではなく、シェル3の側壁31（後者はベース30と側壁31の集合の端部で形成される）も、同時に形成されることを意味する。
この操作は、好ましくは、以下の方法の1つまたはそれらの組み合わせによって実施されることが好ましい：
－ガス金属アーク溶接（GMAW）または金属不活性ガス／活性不活性ガス（MIG／MAG）；
－サブマージドアーク溶接（SAW）、または固体フラックス（ASF）もしくは他のワイヤもしくはフラックスかでのストリップを用いたサブマージドアーク溶接；
－エレクトロスラグ溶接（ESW）または垂直スラグ溶接。
－ガス金属アーク溶接（GMAW）または金属不活性ガス／活性不活性ガス（MIG／MAG）；
－サブマージドアーク溶接（SAW）、または固体フラックス（ASF）もしくは他のワイヤもしくはフラックスかでのストリップを用いたサブマージドアーク溶接；
－エレクトロスラグ溶接（ESW）または垂直スラグ溶接。
これらの堆積方法において、包含されるバリエーションは、一般的な高成膜速度（kg／h）を有する以下の金属成膜であることが好ましい：
－タンデム（2本のワイヤまたはストリップとそれら自身の電源供給）；
－マルチワイヤ（磁心の電源供給を有する複数のワイヤ）；
－ツイン（同じ電源供給における2本のワイヤまたはストリップ）；
－電源供給のない共同ビルドアップ；
－前述の技術の組み合わせ；
－高温（すなわち予熱された）金属ビルドアップ。
－タンデム（2本のワイヤまたはストリップとそれら自身の電源供給）；
－マルチワイヤ（磁心の電源供給を有する複数のワイヤ）；
－ツイン（同じ電源供給における2本のワイヤまたはストリップ）；
－電源供給のない共同ビルドアップ；
－前述の技術の組み合わせ；
－高温（すなわち予熱された）金属ビルドアップ。
可能な限り低い予熱温度で、冷間割れを防止するため、ビルドアップ材料は、0.65%未満の炭素当量、典型的には0.62%未満の炭素当量を有するように選択され、極めて低い拡散可能な水素レベルを示すことが好ましい。
SAWおよびESW法で使用されるフラックスは、溶融ゾ－ンのより良好な特性が可能となる塩基性（basic）フラックスであることが好ましい。
板の寸法および熱処理の可能性に関する鋼のグレードの選択の概念は、最終部材の中心に近づいた際に、より「硬化可能」な（すなわち、硬化に適した）グレードを選択することである。
このように製造された焼入れ感度の勾配は、シェルとコアの間の焼入れ中の冷却速度の低下を補償することを意図するものである。
この目的のため、各種化学分析および局所的冷却速度で得られる、焼入れおよび焼戻し後の最終特性を考察した。局所的冷却速度の推定に関連した金属的変態モデルは、予測可能な方法でこれを達成するため、有益に使用することができる。
なお、現在の蒸気発生器の管板に関し、グレードは、以下のように選定されることが望ましい：
－ベ－ス30のグレ－ドは、現在の仕様では、「18MND 5」が理想であるが、熱処理に最適化されたバ－ジョンである。質量パ－セントの通常の分析は、Cが0.2、Mnが1.3、Moが0.5、Niが0.65である。
－板1の残りの部分を構成するように堆積された金属のグレ－ドは、マルテンサイトおよびベイナイトの臨界冷却速度を、さらに外側の前の層よりも低する必要がある。炭素当量が0.65%を超えないように、パ－ライトフェライト含有量をできるだけ少なく（＜10%）して、圧倒的なベイナイト微細構造を維持するためである。
－ベ－ス30のグレ－ドは、現在の仕様では、「18MND 5」が理想であるが、熱処理に最適化されたバ－ジョンである。質量パ－セントの通常の分析は、Cが0.2、Mnが1.3、Moが0.5、Niが0.65である。
－板1の残りの部分を構成するように堆積された金属のグレ－ドは、マルテンサイトおよびベイナイトの臨界冷却速度を、さらに外側の前の層よりも低する必要がある。炭素当量が0.65%を超えないように、パ－ライトフェライト含有量をできるだけ少なく（＜10%）して、圧倒的なベイナイト微細構造を維持するためである。
（実施例）
以下の表1（「表1」と称する）には、市販製品に基づく一例を示す。表１には、典型的な化学分析、炭素当量値、ならびにマルテンサイト（VcM）およびベイナイト（VcB）臨界冷却速度が含まれている。
以下の表1（「表1」と称する）には、市販製品に基づく一例を示す。表１には、典型的な化学分析、炭素当量値、ならびにマルテンサイト（VcM）およびベイナイト（VcB）臨界冷却速度が含まれている。
これらの後者の値は、板の極めて大きな厚さのため、得られた低い冷却速度と比較される必要がある：700℃での冷却速度Vr700（K／h）は、0、5、12、20、25cmの深さで、それぞれ、5400、3300、1700、770、475である。
硬度は、極めて均一であることがわかる。
また、パ－ライトフェライト含有量は、全ての堆積金属において10%以下に留まっており、これは、これらのC－Mn－Ni鋼の弾性と靭性が高いことを暗示している。
実際、微細組織の実際の品質基準がベイナイトおよびマルテンサイトの相対量である場合、フェライトおよびパ－ライトの量にも重点が置かれる。良好な機械的特性を示す微細構造は、90%を超えるベイナイト＋マルテンサイトを含むことが好ましく、従って、10%未満のフェライト＋パ－ライトを含む。
またその結果、フェライト＋パ－ライトの正確に10%に至る変態速度（「V10FP」（単位：K／h）と略される）も、重要である。
従って、前述の表は、以下のように完成され得る：
－ベ－ス30の場合、V10FP＝1900；
－内部シェル4の場合、V10FP＝590；
－コア5の場合、V10FP＝335；
－シェル3の部分31の場合、V10FP＝640。
－ベ－ス30の場合、V10FP＝1900；
－内部シェル4の場合、V10FP＝590；
－コア5の場合、V10FP＝335；
－シェル3の部分31の場合、V10FP＝640。
前述の実施例では、3から4つの異なる化学組成物が使用される。それは、2つのみの異なるグレードに、適切に減少させることができる。これらの代替例では、コアに向かって増大するシェルの焼入れ性の進展に適合することが適切である。
板1の幾何学的形状が円形であるため、堆積物は、これに限られるものではないが、半径方向にのみ移動可能で円周方向に溶接される溶接ヘッドにより容易に構成される。
これにより、この製造寸法を有するロボットのより高価な使用が回避される。
例えば、外側および内側のパスを形成するため、または単に製造時間を短縮するため、
いくつかの溶接ヘッドは、同時にまたは逐次的に、有意に使用することができる。
いくつかの溶接ヘッドは、同時にまたは逐次的に、有意に使用することができる。
予熱（150℃超）、パス間、および溶接後（24時間、250℃超）の温度を補償するため、温度制御装置が有意に使用される。
より良い製造戦略のため、これは、以下のように実施され得る：
a）必ずしも必要ではないが、タ－ニング装置に溶接する前に固定される鍛造ベ－スから始めることが有益である。
b）周辺ストリップを使用して、溶接後に機械加工される厚さを制限することができる。
c）構造は、下面から上面まで、層毎に付加的に行われる。
d）変形および残留応力を抑制し（550℃を超える応力緩和処理）、水素によるリスクを抑制し（予防処理)、下地材料の特性を回復するため、中間熱処理が実施され得る。
e）最終特性をさらに改善するため、中間鍛造作業を実施できる。同様に、最終鍛造も容易に実施できる。
f）応力除去処理／最初のオ－ステナイト化／空気冷却。
g）ブランクタイプの機械加工。
h）使用グレ－ドに応じた、低温（AC3＋40℃）でのオ－ステナイト化、水焼入れ、焼戻しによる品質処理（前述の例では、約635℃）。AC3は、加熱時のアルファ／ガンマ変態の終わりに対する従来の称呼である。
a）必ずしも必要ではないが、タ－ニング装置に溶接する前に固定される鍛造ベ－スから始めることが有益である。
b）周辺ストリップを使用して、溶接後に機械加工される厚さを制限することができる。
c）構造は、下面から上面まで、層毎に付加的に行われる。
d）変形および残留応力を抑制し（550℃を超える応力緩和処理）、水素によるリスクを抑制し（予防処理)、下地材料の特性を回復するため、中間熱処理が実施され得る。
e）最終特性をさらに改善するため、中間鍛造作業を実施できる。同様に、最終鍛造も容易に実施できる。
f）応力除去処理／最初のオ－ステナイト化／空気冷却。
g）ブランクタイプの機械加工。
h）使用グレ－ドに応じた、低温（AC3＋40℃）でのオ－ステナイト化、水焼入れ、焼戻しによる品質処理（前述の例では、約635℃）。AC3は、加熱時のアルファ／ガンマ変態の終わりに対する従来の称呼である。
本発明による方法は、以下の利点を有する：
（主な効果）
－マクロ偏析の除去、
－板の厚さ全体にわたる機械的性質の均一性、
－全体的に優れた機械的特性、特に、優れた抵抗／靭性のバランス。
（主な効果）
－マクロ偏析の除去、
－板の厚さ全体にわたる機械的性質の均一性、
－全体的に優れた機械的特性、特に、優れた抵抗／靭性のバランス。
（副次的な利点）
－サプライヤ選択の自由度が高く、もはや極めて大きなインゴットの成型能力を必要としない。
－全体の製造時間が短縮される可能性
－製造中の局所修理の可能性
－中間熱処理の可能性
－中間および最終の鍛造の可能性
－大型鍛造よりも経済的な設置。
－サプライヤ選択の自由度が高く、もはや極めて大きなインゴットの成型能力を必要としない。
－全体の製造時間が短縮される可能性
－製造中の局所修理の可能性
－中間熱処理の可能性
－中間および最終の鍛造の可能性
－大型鍛造よりも経済的な設置。
潜在的なそのような技術の使用者は、蒸気発生器製造者、固体部材の鍛錬工、ボイラ－製造者、鍛錬工、溶接機器および製品の製造者である。
Claims (7)
- コアと、該コアを全方向に取り囲む外側シェルと、を有する固体金属部材であって、
前記コアおよびシェルは、異なるグレードの鋼で構成され、前記コアの鋼は、前記シェルの鋼よりも低い、マルテンサイトおよびベイナイトの臨界冷却速度を有する、固体金属部材。 - 前記コアは、それ自体が少なくとも1つの内側シェルにより取り囲まれ、前記内側シェルは、前記外側シェルにより取り囲まれ、
前記コアの鋼は、前記内側シェルの鋼よりも低い、マルテンサイトおよびベイナイトの臨界冷却速度を示し、前記内側シェルのこれらの速度は、それ自体が前記外側シェルのものよりも低い、請求項1に記載の部材。 - 前記コアと、前記シェルまたは前記複数のシェルの残りとをそれぞれ同時に形成するため、付加製造法または溶接により、先に製造されたベ－ス上に、前記鋼を堆積するステップを有する、請求項1または2に記載の部材の製造方法。
- 前記外側シェルの残りの鋼のグレ－ドは、前記ベースと同じである、請求項3に記載の方法。
- 前記外側シェルの残りの鋼のグレードは、前記ベ－スのグレードとは異なり、これらの2つのグレードは、等しいまたはほぼ等しい、マルテンサイトおよびベイナイトの臨界冷却速度を示す、請求項3に記載の方法。
- 前記ベ－スは、鍛造または圧延により形成される、請求項3乃至5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ベ－スは、付加製造法または溶接により形成される、請求項3乃至5のいずれか一項に記載の方法。
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