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