JP3820654B2 - 肉盛り溶接による耐食性金属管の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、肉盛り溶接法による耐食性金属管の製造方法、詳しくは、金属管の外側にプラズマパウダーウェルディング（以下「ＰＰＷ」という）によりＣｒ−Ｍｏ−Ｎｉ合金を肉盛り溶接して、耐食性被覆層を形成することからなる耐食性金属管の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ゴミの焼却処理に当って、その燃焼熱を発電に利用することが企てられている。 この目的には、燃焼ガスの流路にスーパーヒーターチューブとよばれる金属管を配置し、その中で水をスチームに変えるボイラを構成するのが得策である。
【０００３】
問題はスーパーヒーターチューブの耐食性をいかに確保するかにある。 ３００℃以下の低温のスチームを発生する設備であれば、チューブにさしたる耐食性は求められないが、高効率の発電を行なうためには５００℃またはそれ以上の高温のスチームを発生させることが必要となり、その場合は、塩化物や硫化物を含有する焼却灰の腐食に耐えるチューブを使用しなければならない。
【０００４】
そのような高耐食性チューブとしては、高Ｎｉ合金や高Ｃｏ合金のチューブを使用すればよい。 しかし、チューブの加工性の点からもコストの点からも、これは不利であって、内部の強度を担う部分は低〜中合金鋼たとえばステンレス鋼やボイラ用鋼を使用し、耐食性を要求される表面だけをＣｒ−Ｍｏ−Ｎｉ合金で被覆する二層管の使用が有利である。
【０００５】
二層管の製造は、上記のステンレス鋼やボイラ用鋼の管を基材とし、その表面に、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｎｉ合金の粉末をＰＰＷ法で肉盛りすることによって行なうことができる。 具体的には、上記チューブを回転させながらＰＰＷを行ない、溶接トーチをチューブに沿って移動させることにより、チューブ表面にラセン状に連続した肉盛りが行なえる。
【０００６】
ところが、肉盛り被覆して好適な合金組成、代表的には２０Ｃｒ−１０Ｍｏ−６５Ｎｉの合金の粉末をＰＰＷにより肉盛り溶接すると、上記ラセン状の肉盛り層の隣接する層との間で融合不良が生じやすいことが経験された。 融合不良があると、そこが機械的な応力に対する弱点になって、曲げ加工のときなど支障が生じるし、耐食性に関しても欠陥となりやすい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ＰＰＷ肉盛り被覆による耐食性金属管の製造に当って、基材となる管上にラセン状に形成された被覆の層間に生じやすい融合不良を防止して製造を行なう方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の耐熱用管の製造方法は、図１に示すように、基材となる鋼管、ステンレス鋼管またはＣｒ−Ｍｏ−Ｎｉ合金管（２）の表面にＮｉ基合金粉末を肉盛り溶接して耐食性被覆（３）を形成することからなる耐食性金属管の製造方法において、肉盛り被覆に所望する合金組成よりＭｏ含有量を高くえらんで融点を低くした組成の合金Ａの粉末と、Ｍｏ含有量を低くえらんだ組成の合金Ｂの粉末とを、最終的なＭｏの含有量が所望の値になるような量比で組み合わせて溶接トーチ（１）に供給し、所望の組成の合金より低粘度の溶融金属を形成させて肉盛り溶接を行なうことを特徴とする。
【０００９】
代表的な例についていえば、下記の組成（重量％、以下同じ）を有する合金Ａおよび合金Ｂを使用し、
（Ａ）Ｃｒ：１８〜２２％、Ｍｏ：１２〜１５％、Ｎｉ：残部
（Ｂ）Ｃｒ：１５〜３５％、Ｍｏ：１〜１０％、Ｎｉ：残部
下記の組成を有する合金Ｃを
（Ｃ）Ｃｒ：１５〜３３％、Ｍｏ：２〜１３．５％、Ｎｉ：残部
肉盛り溶接金属として得ることを特徴とする。
【００１０】
基材となる管としては、ＳＵＳ３０４ＴＢ、３４７ＨＴＢ、ＳＴＢ３４０、ＳＴＢＡ２２およびＳＴＢＡ２４からえらんだ合金の管を使用するとよい。
【００１１】
【作用】
発明者らは、前記した所望の合金組成をもつＣｒ−Ｍｏ−Ｎｉ合金たとえば２０Ｃｒ−１０Ｍｏ−６５Ｎｉ合金の粉末のＰＰＷによる肉盛りを行なって、融合不良は図２に示すように、基材に近い部分で生じることを経験した。 図２において、ひとつの肉盛り溶接層（３１）と次の肉盛り溶接層（３２）との間に存在するのが、融合不良部分（３３）である。 融合不良の解決策として、発明者らは、図３に示すように、肉盛り層の基材からの立ち上り部分の傾斜がより小さくなるようにすることを考え、これを実現するため、ＰＰＷの対象とする粉末合金の組成を調整することによってその融点を低下させることを着想した。
【００１２】
そこで、合金の融点を下げる目的でＭｏの含有量を低めにえらんだ組成の合金の粉末を用意し、それとは別にＭｏの含有量がより高い組成の合金の粉末を用意し、
（低融点合金） 21.3Ｃｒ−13.9Ｍｏ−3.5 Ｗ−残部Ｎｉ 融点１３６８℃
（高融点合金） 21.3Ｃｒ− 9.1Ｍｏ−残部Ｎｉ 融点１３９４℃
両者を重量でほぼ８：２の割合でプラズマトーチに別々に供給してＰＰＷを実施したところ、融合不良は著しく減少し、実質上ゼロとなった。 この２種の合金の粉末を混合した上でプラズマアークに供給しＰＰＷを実施した場合も、同様な結果が得られた。
【００１３】
この事実から、低融点合金の粉末が優先的に溶融して相対的に低粘度の溶融金属層を形成し、そこへ高融点合金の粉末が溶け込むような形で後から溶融することによって肉盛り溶接が進行するものと理解される。 優先的に形成された低粘度の溶融金属層は、基体のチューブ表面に対して図３に示したような、より小さい傾斜角で存在し、その状態を保って固化すると考えられる。 この層に隣接してラセン状に形成された次の溶融金属層は、重力の作用で前の層におおいかぶさる形となって溶け込み、両者の融合が良好になると解される。 ちなみに、上記の高低二つの融点をもつＮｉ基合金から形成された混合金属を単独で製造してその融点を測定すると、１３８６℃である。
【００１４】
上述した機構から理解されるように、本発明は、主としてＭｏの量を、所望する最終的な合金組成をもつ肉盛り合金中のＭｏより高めに調節することによって融点を低くしたＣｒ−Ｍｏ−Ｎｉ合金（合金Ａ）を用意し、これと最終的な合金組成よりＭｏ含有量を低めに調節したＣｒ−Ｍｏ−Ｎｉ合金（合金Ｂ）を組み合わせることによって、より低融点の合金から低粘度の溶融金属を形成させて融合不良を防止するとともに、最終的に所望のＣｒおよびＭｏ含有量をもったＣｒ−Ｎｏ−Ｎｉ合金（合金Ｃ）の肉盛りを完成させるものである。
【００１５】
こうした機構を実現するためには、合金Ａの粉末は、ＰＰＷにより肉盛りする合金中、重量で１０％以上存在する必要がある。 好ましくは３０％以上、より好ましくは５０％以上である。
【００１６】
ＰＰＷは、既知の技術に従って実施すればよい。 プラズマトーチへの２種の合金粉末の供給は、それぞれ別のキャリアガス流にのせて行なってもよいし、粉末を混合してひとつのキャリアガス流にのせて行なってもよい。
【００１７】
【実施例】
ＳＴＢ３４０合金（０．１４Ｃ−０．５Ｍｎ−Ｆｅ）製の、外径３８．１mm、長さ６ｍのチューブを基材として使用し、その外周に約４mmの厚さに耐食性Ｃｒ−Ｍｏ−Ｎｉ合金の肉盛り被覆を施した。 ＰＰＷ装置は、図１に示したように、このチューブを水平に置いて１．５rpm で回転させながら、その上方に設けたトーチを９．５mm／min.の速度でチューブに沿って移動させる構造である。 チューブの内部には水を通して冷却した。
【００１８】
下記ａおよびｂの２種の合金粉末を用意し、
ａ）１９Ｃｒ−１２．５Ｍｏ−残部Ｎｉ
ｂ）２２Ｃｒ−７Ｍｏ−残部Ｎｉ
両者を重量で８：２の割合に混合してアルゴンガスの流れにのせて溶接トーチに供給し、最終的な肉盛り合金の組成が、下記ｃのようになることを意図した：
ｃ）１９．５Ｃｒ−１０Ｍｏ−残部Ｎｉ
ＰＰＷは、溶接電流１３０Ａ、粉末供給速度１．８kg／hrで行なった。
【００１９】
得られた肉盛り被覆チューブに対し、▲１▼溶接のまま、▲２▼１１００℃×２０分間の溶体化処理を施す、▲３▼表面をショットピーニング加工したのち１１００℃×２０分間の溶体化処理を施す、の三種の場合について試験片を採取し、ゴミ焼却炉で発生した下記の組成（重量％）の灰（ふるい分けて１５０メッシュ以下にしたもの）の中に埋め、かつ表面に灰を３mmの厚さにかぶせた状態で、
Ｆｅ₂Ｏ₃ 2.9％ Ｎａ₂Ｏ 3.24％ ＣｕＯ 0.04％
Ａｌ₂Ｏ₃ 16.9 ＣａＯ 23.0 ＣＯ₃ 0.5
ＳｉＯ₂ 20.1 ＭｇＯ 4.2 ＳＯ₃ 7.9
Ｃｒ₂Ｏ₃ 0.04 ＺｎＯ 0.92 Ｃｌ 2.35
Ｋ₂Ｏ 16.0 ＰｂＯ 0.19
下記の雰囲気のガス中に、温度５５０℃×１００時間保持したのちとり出し、
ＨＣｌ １０００ppm ＳＯ₂ ５０ppm Ｈ₂Ｏ ２０％
Ｏ₂ １０％ ＣＯ₂ １０％ Ｎ₂ 残
腐食減量をしらべた。 比較のため、ＳＴＢ３４０合金のチューブから採取した試験片についても、上記と同様の腐食試験を行なった。 結果は、つぎのとおりである。
【００２０】

溶接ままのものにくらべて、溶体化処理したものは若干耐食性が向上しているが、加工変形を与えたのちに溶体化処理したものは、耐食性の改善が著しい。 これは、粒界が再構築されて粒界侵食が防止されるためと考えられる。
【００２１】
上記の肉盛り被覆を施した耐食性管を、焼却炉内の４５０℃および４８０℃の位置において雰囲気ガスおよび灰と接触させる試験を行なった。 ８カ月後の腐食減肉量（厚さ）は、４５０℃で０．１５mm、４８０℃で０．２０mmであった。
【００２２】
【発明の効果】
本発明により、ボイラ管用鋼のチューブなど常用のチューブに対して耐食性が高いＣｒ−Ｍｏ−Ｎｉ合金を肉盛り被覆することによる耐食性の改善が、溶接層間の融合不良を生じることなく実施できるようになった。 この管は、したがってきびしい条件の曲管加工にも耐えて、ボイラ用チューブに加工することが可能である。 内部の強度を担う部分はステンレス鋼など常用のものを材料とすればよく、それらを基材とすることによって、コストが不相当に高くなることを避け、かつ加工性の高い耐食性管が得られる。
【００２３】
本発明の製造方法において、肉盛り被覆に続いてショットピーニング加工および溶体化処理を施す好ましい態様によるときは、いっそう高い耐食性が得られ、長期間の使用に耐えるスーパーヒーターチューブが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の耐食性金属管の製造方法を説明する装置の側面図。
【図２】 肉盛り被覆による耐食性管の製造において、融合不良が生じる状況を示す概念的な図。
【図３】 本発明に従って肉盛り被覆を行なうことにより融合不良が回避できる理由を示す、図２に対応する概念的な図。
【符号の説明】
１ 溶接トーチ
２ 基材（Ｎｉ基合金管）
３ 耐食性被覆
３１ 肉盛り溶接層
３２ 次の肉盛り溶接層
３３ 融合不良部分

Claims (6)

1. 基材となる鋼管、ステンレス鋼管またはＮｉ基合金管の表面にＣｒ−Ｍｏ−Ｎｉ合金粉末をプラズマパウダーウェルディングにより肉盛り溶接して耐食性被覆を形成することからなる耐食性金属管の製造方法において、肉盛り被覆に所望する合金組成よりＭｏ含有量を高くえらんで融点を低くした組成の合金Ａの粉末と、Ｍｏ含有量を低くえらんだ組成の合金Ｂの粉末とを、最終的なＭｏの含有量が所望の値になるような量比で組み合わせて溶接トーチに供給し、所望の組成の合金より低粘度の溶融金属を形成させて肉盛り溶接を行なうことを特徴とする製造方法。
2. 合金Ａおよび合金Ｂとして、下記の組成（重量％）を有するものを使用し、
   （Ａ）Ｃｒ：１８〜２２％、Ｍｏ：１２〜１５％、Ｎｉ：残部
   （Ｂ）Ｃｒ：１５〜３５％、Ｍｏ：１〜１０％、Ｎｉ：残部
   下記の組成を有する合金Ｃを
   （Ｃ）Ｃｒ：１５〜３３％、Ｍｏ：２〜１３．５％、Ｎｉ：残部
   肉盛り溶接金属として得る請求項１の製造方法。
3. 合金Ａの粉末および合金Ｂの粉末を、重量割合で１０：９０〜９０：１０の範囲で組み合わせ使用する請求項１または２の耐食性管の製造方法。
4. 合金Ａおよび合金Ｂの原料として下記の合金組成ａおよびｂの合金を使用し、ａ：ｂをほぼ８：２にすることによって、
   （ａ）１９Ｃｒ−１２．５Ｍｏ−残部Ｎｉ
   （ｂ）２２Ｃｒ−７Ｍｏ−残部Ｎｉ
   合金組成Ｃの肉盛り溶接金属として下記の組成ｃの合金
   （ｃ）２０Ｃｒ−１０Ｍｏ−残部Ｎｉ
   を得る請求項１または２の耐食性管の製造方法。
5. 基材となる管として、ＳＵＳ３０４ＴＢ、３４７ＨＴＢ、ＳＴＢ３４０、ＳＴＢＡ２２およびＳＴＢＡ２４からえらんだ合金の管を使用する請求項１または２の耐食性管の製造方法。
6. 請求項１ないし５のいずれかの製造方法により製造した耐食性管に対し、ショットピーニングを施したのち溶体化処理する工程を加え、耐食性がさらに向上した管を製造することからなる耐食性管の製造方法。

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