JP4113930B2

JP4113930B2 - 接合用インサートメタル

Info

Publication number: JP4113930B2
Application number: JP2002288813A
Authority: JP
Inventors: 暁男鈴村; 泰弘上野; 誠勝木; 辰三郎足立; 治男染谷; 俊昭志田; 宏次大石橋; 繁明宮田; 聡夫佐鳥; 隆北条; 茂樹宮口
Original assignee: 暁男鈴村; 全国圧接業協同組合連合会; ナイス株式会社
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2002-10-01
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2022-10-01
Also published as: JP2004122166A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼材同士を圧接にて接合する際に、接合される鋼材の間に挟み込ませるインサートメタルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、鋼管等の鋼材の端部同士を突合せ接合する方法として、ろう付けを応用したアモルファス接合法(液相拡散接合)が知られている。この方法は、図２に示すように、接合面の間に、母材（被接合材）より、融点の低い金属箔のインサートメタルを挿入し、母材同士を相互に加圧し、接合部をインサートメタルの融点以上に加熱して、インサートメタルを溶融させた後、インサートメタル中の融点降下元素（Ｂ、Ｓｉ等）を拡散させ、等温凝固させて接合する方法である。一般に、インサートメタルとしては、Ｎｉ基合金中にＳｉあるいはＢを添加して、インサートメタルの融点を低下させていた。
【０００３】
このようなインサートメタルに関する発明は、既に、いくつか開示されている。
【０００４】
例えば、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉを含有する固相接合用二相系ステンレス鋼薄帯に関する発明が既に開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、鋼を突合せ接合する際、Ｃｒ：１０〜２０重量％、Ｓｉ：４〜１０重量％、Ｂ１〜５重量％を含有し、残部がＮｉで構成されたインサート部材に関する発明も開示されている（例えば、特許文献２参照）。さらには、Ｔｉ量を０．００３〜０．０５５％、Ｎ量を０．００１〜０．００９％、Ｏ量を０．００３％以下とし、Ｔｉ／（Ｎ＋Ｏ）を１．２以上６．０としたインサートメタルにかかる発明も開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
このような、インサートメタルは、インサートメタル中の融点降下元素を拡散により接合するため、大きな加圧力を付与しなくても母材同士を接合させることができる点で優れている。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６２−２２７５９７号公報
【特許文献２】
特開平３−８５５５号公報
【特許文献３】
特開平６−１４５９１５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
鋼管等の鋼材をろう付け接合または液相拡散接合させる場合、Ｎｉ基よりも鉄基のインサートメタルのほうが、接合性が良好である。しかし、鉄基のインサートメタルは保管中に、錆が発生しやすいという問題点がある。インサートメタルに錆が発生すると、接合強度が大幅に低下してしまう。鉄基のインサートメタルに錆が発生することを防止するため、鉄基のインサートメタルを保管するときには、インサートメタルが大気と接触することの無いように、厳重な管理が必要であった。このため、多大な手間を必要とし、また保管に関するコストも多大なものとなっていた。
【０００８】
本発明は、かかる問題点に鑑みなされた発明であり、たとえ、大気中に長期間放置した場合であっても錆を発生することなく、しかも良好な接合性を備えたインサートメタルを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記課題を解決するために、鋼材同士を圧接させる際に前記鋼材の間に挟み込ませて、前記鋼材同士を接合させる接合用インサートメタルであって、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｂ、Ｍｏを含有し、残部がＦｅ及び不純物から組成され、前記Ｃｒの含有率が１２．０〜２０．０質量％である接合用インサートメタルを採用した。
【００１０】
本発明によれば、例え長期間にわたり接合用インサートメタルを大気中に放置した場合であっても、錆の発生を効果的に防止することができる。このため、鋼材同士を良好に接合させることができる。また、本発明によれば、接合用インサートメタルが大気と接触することを防止する特殊な取り扱いをする必要が無いため、保管に必要なコストを大幅に低減させることができる。
【００１１】
ここで、接合の対象となる鋼材はその形態に特に限定はなく、鋼管材、中実棒、ブロック材等、様々な形態の鋼材に適応させることができる。また、同種の形態を有する鋼材同士を接合する場合には限定されず、鋼管材と中実棒との接合のように、異なる形態の鋼材を接合する場合にも適用できる。
【００１２】
なお、上記接合用インサートメタルに関し、前記Ｓｉの含有率を１．０〜２．１質量％、前記Ｂの含有率を２．０〜８．０質量％とすることで、効果的にインサートメタルの融点を低下させることができ、また、前記Ｍｏの含有率を０．５〜３．０質量％とすることで、高い靱性を有する接合用インサートメタルを得ることができる。
【００１３】
このように、本発明では、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｂ、Ｍｏの各元素の含有率をこのように組成することで、錆の発生を防止することに加え、良好な接合性を有する接合用インサートメタルを得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は、本発明にかかるインサートメタル２を使用して２つの鋼管１，１をその軸方向の端面同士にて接合する様子を示している。このインサートメタル２は、粉末状に形成されており、接合しようとする鋼管の端面に付着されている。インサートメタル２は、接合される鋼管１，１より低い融点を有し、約１０００℃から溶融が開始されるように構成されている。
【００１６】
接合させる２つの鋼管１，１は、大気中にて、端面に付着されたインサートメタル２を介してこれらの端面同士が突き合わされている。これら鋼管１，１は、その軸方向に５ＭＰａ以上の圧力、好ましくは５ＭＰａ〜２０ＭＰａの範囲の圧力で加圧されている。また、鋼管１，１の接合部には、これらの外周部に高周波加熱コイル３が配置されている。高周波加熱コイル３には、図示しない高周波誘導装置が接続されており、この高周波加熱コイル３に高周波を発生させている。鋼管１，１同士の接合部は、高周波加熱コイル３により高周波を付与されることで加熱され、鋼管１，１より低い融点のインサートメタル２のみが溶融し、鋼管１，１の端面同士が溶着される。この際、鋼管１，１はその軸方向に相互に加圧されているので、鋼管１，１同士が強固に接合される。
【００１７】
なお、加圧力は、接合せしめる鋼管の種類に応じて適宜設定することで鋼材に応じた適切な接合性を得ることができる。また、加熱温度についても、後に説明するように所定の範囲で適宜設定することで、鋼管の種類に応じた適切な接合性を得ることができる。
【００１８】
この接合方法に使用されるインサートメタル２は、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｂ、Ｍｏを含有し、残部がＦｅ及び不純物から組成されている。Ｃｒは、１２．０〜２０．０質量％含有され、Ｓｉが１．０〜２．１質量％、Ｂが２．０〜８．０質量％含有されている。また、Ｍｏは、０．５〜３．０質量％含有されている。Ｃｒは、未使用のインサートメタル２を保管中に大気から保護し、インサートメタル２に錆が発生することを防止する役割を果たしている。また、Ｓｉ及びＢは、インサートメタル２の融点を低下させ、比較的低い温度を接合部に付与するだけで、鋼管１，１を適切に溶着させている。さらに、Ｍｏは、インサートメタル２の靱性を向上させ、接合後に脆性破壊等の生じることのない良好な接合状態を維持させる。
【００１９】
ここで、各元素の含有率を上記の範囲にした意義をそれぞれ説明する。
【００２０】
（１）Ｃｒの含有率について
Ｃｒの含有率が１２．０質量％を未満であると、インサートメタル２の酸化を防止する機能が低下してしまい、長期間インサートメタル２を放置しておくと、インサートメタル２に錆が発生してしまう。これに対し、１２．０質量％以上のＣｒを含有するインサートメタル２では、インサートメタル２の酸化を防止し、インサートメタル２に錆が発生することを効果的に防止する。一方、インサートメタル２にＣｒを２０．０質量％以上含有させても防錆効果には特に寄与しない。また、他の元素との含有率のバランスも悪くなり、接合力自体が低下してしまう。良好な接合性を維持しつつ、錆の発生を効果的に防止するために、Ｃｒの含有率を１２．０〜２０．０質量％としている。
【００２１】
（２）Ｓｉ、Ｂの含有率について
Ｓｉの含有率が１．０質量％未満であり、Ｂの含有率が２．０質量％未満であると、インサートメタル２の融点を効果的に低下させることができない。これに対し、インサートメタル２に２．１質量％を越えるＳｉを含有させ、８．０質量％を越えるＢを含有させると、融点の低下にほとんど影響を与えないだけでなく接合力の低下を招いてしまう。このような理由により、Ｓｉの含有率を１．０〜２．１質量％、Ｂの含有率を２．０〜８．０質量％として、インサートメタル２の融点を適切に低下させ、インサートメタル２が約１０００℃から溶融させると共に、良好な接合性を実現させている。
【００２２】
（３）Ｍｏの含有率について
インサートメタル２に含有されるＭｏが０．５質量％未満であると、靱性がやや劣り、鋼管１，１の接合部が脆性破壊しやすくなってしまう。一方、３．０質量％を越えるＭｏをインサートメタル２に含有させても、接合部の靱性の向上にはほとんど影響を与えない。かかる理由により、Ｍｏの含有率を０．５〜３．０質量％とする。
【００２３】
各元素の含有率がこのような範囲に設定されたインサートメタル２を使用する場合、高周波加熱コイル３で接合部を１２００℃〜１３６０℃に加熱することで、極めて良好な接合性を得ることができる。
【００２４】
なお、インサートメタルの形態は、粉末状に限定されるものではなく、厚さが８０μｍ以上のシート状に形成してもよい。この場合、インサートメタルの厚さは、接合させる鋼材に応じて適宜選択すればよい。なお、インサートメタルをシート状に形成した場合には、図２に示すように、インサートメタル４を両面から接合しようとする鋼管で挟み込み、高周波加熱コイルで接合部を加熱することで同様に鋼管同士を接合できる。また、この場合についても、接合部の加熱温度、並びに加圧力は、接合せしめる鋼材に応じて適宜設定することで鋼材に応じた適切な接合性を得ることができる。
【００２５】
次に、当該インサートメタル２について、以下の実施例に基づいてさらに詳細を説明する。
【００２６】
【実施例】
インサートメタルにＣｒをどの程度含有させればよいのかを調査するために、１０種類のインサートメタルＭ１〜Ｍ１０を作製し、これらインサートメタルＭ１〜Ｍ１０について耐食試験を行った。また、耐食試験で良好な結果を得たインサートメタルを使用して、鋼管を接合し、鋼管の接合部について引張試験を行い、機械的性質についても調査した。
【００２７】
耐食試験は、１０種類のインサートメタルＭ１〜Ｍ１０をガスアトマイズ法で作製し、これらのインサートメタルＭ１〜Ｍ１０を６ヶ月間にわたり大気中に放置し、錆の発生状態を調査することで行った。錆の発生は、酸素分析を行うことで調査した。表１は、作製したインサートメタルＭ１〜Ｍ１０の組成を示している。この表１に示すように、各インサートメタルＭ１〜Ｍ１０に含有させたＣｒは、５質量％〜１８質量％の範囲である。表１中、記号Ｍ１〜Ｍ６のインサートメタルがＣｒの含有率が１２．０質量％を下回るインサートメタルで、記号Ｍ７〜Ｍ１０がＣｒの含有率が１２．０質量％以上のインサートメタルである。
【００２８】
【表１】

【００２９】
これら１０種類のインサートメタルＭ１〜Ｍ１０を、６ヶ月にわたり大気に放置した後に、各インサートメタルＭ１〜Ｍ１０について酸素分析により耐食試験を行ったところ、表２に示すような結果を得た。
【００３０】
【表２】

【００３１】
この表２から明らかなように、含有されるＣｒが１２質量％を下回る場合には、６ヶ月の放置後、インサートメタルＭ１〜Ｍ６に２６０ｐｐｍ以上の酸素が吸収されている。一方、１２質量％以上のＣｒが含有されたインサートメタルＭ７〜Ｍ１０にあっては、６ヶ月間放置した後でも、８０ｐｐｍを下回る微量な酸素しか吸収されていないことが判る。また、外観に関しても、Ｃｒの含有率が１２質量％を下回るインサートメタルＭ１〜Ｍ６では、全面にわたり錆が発生していたが、１２質量％以上のＣｒが含有されたインサートメタルＭ７〜Ｍ１０にあっては、ほとんど錆は発生していなかった。
【００３２】
次に、耐食試験にて良好な結果を得ることができた記号Ｍ７〜Ｍ１０のインサートメタルを使用して、鋼管を接合し、接合部について引張試験を行った。試験は、ＳＧＰ５０Ａ並びにＳＧＰ１５０Ａの２種類の鋼管について行った。ＳＧＰ５０Ａは、外径が６０．９ｍｍ、肉厚が３．９ｍｍであり、ＳＧＰ１５０Ａは、外径が１６５ｍｍ、肉厚が５．２ｍｍである。表３に試験に使用した各鋼管のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓの組成を示す。表３中、記号Ｓ１がＳＧＰ５０Ａを表し、記号Ｓ２がＳＧＰ１５０Ａを表している。
【００３３】
【表３】

【００３４】
（１）ＳＧＰ５０Ａについて
ＳＧＰ５０Ａについては、２つの鋼管の端面同士でＭ７〜Ｍ１０のインサートメタルをそれぞれ挟み込み、高周波誘導加熱によって接合部を加熱して鋼管同士を接合させて引張試験用のテストピースＴ１〜Ｔ４を作製した。いずれのテストピースについても接合部を１３００℃に加熱し、５ＭＰａの圧力で鋼管同士を加圧し、この状態を６０秒間保持して作製した。なお、比較検討するために、耐食試験で良好な結果を得られなかったインサートメタルＭ６，Ｍ５についても、同様の条件でテストピースＴ５，Ｔ６を作製し、引張試験を行った。
【００３５】
この引張試験では、接合強度の合格基準を、母材の規格強度である２９０Ｎ／ｍｍ²とし、この値以上の接合強度を有するテストピースを合格とした。
【００３６】
引張試験の結果を表４に示す。
【００３７】
【表４】

【００３８】
この表４から明らかなように、耐食試験で良好な結果を得たＭ７〜Ｍ１０のインサートメタルで接合したテストピースＴ１〜Ｔ４は、いずれも合格基準である２９０Ｎ／ｍｍ²を遙かに上回る接合強度を得ることができた。また、これらＴ１〜Ｔ４のテストピースについては、接合部ではなく、母材である鋼管の位置で破断した。このことは、耐食試験で良好な結果を得ることができたインサートメタルを使用して鋼管を接合した場合には、その接合部の接合強度は母材である鋼管よりも高いことを意味している。
【００３９】
一方、耐食試験で錆が発生し、良好な結果を得ることができなかったインサートメタルＭ６，Ｍ５を使用して鋼管を接合したテストピースＴ５，Ｔ６は、その接合強度がわずかに合格基準の２９０Ｎ／ｍｍ²を下回った。また、これらのテストピースＴ５，Ｔ６では、接合部、即ち、インサートメタルＭ６，Ｍ５の部分で破断した。
【００４０】
（２）ＳＧＰ１５０Ａについて
ＳＧＰ１５０Ａについても、２つの鋼管の端面同士でＭ７〜Ｍ１０のインサートメタルをそれぞれ挟み込み、高周波誘導加熱によって接合部を加熱して鋼管同士を接合させて引張試験用のテストピースＴ１１〜Ｔ１４を作製した。ＳＧＰ１５０Ａでは、接合部を１３２０℃に加熱し、６ＭＰａの圧力で鋼管同士を加圧し、この状態を６０秒間保持して作製した。なお、比較検討するために、耐食試験で良好な結果を得られなかったインサートメタルＭ６，Ｍ５についても、同様の条件でテストピースＴ１５，Ｔ１６を作製し、引張試験を行った。
【００４１】
この引張試験に関しても、接合強度の合格基準を、母材の規格強度である２９０Ｎ／ｍｍ²とし、この値以上に接合強度を有するテストピースを合格とした。
【００４２】
引張試験の結果を表５に示す。
【００４３】
【表５】

【００４４】
この表５から明らかなように、ＳＧＰ１５０Ａの場合も、耐食試験で良好な結果を得たＭ７〜Ｍ１０のインサートメタルで接合したテストピースＴ１１〜Ｔ１４は、いずれも合格基準である２９０Ｎ／ｍｍ²を遙かに上回る接合強度を得ることができた。また、これらＴ１１〜Ｔ１４のテストピースについても、接合部ではなく、母材である鋼管の位置で破断した。このことから、耐食試験で良好な結果を得ることができたインサートメタルＭ７〜Ｍ１０を使用して鋼管を接合した場合には、その接合部の接合強度は母材である鋼管よりも高いことが判る。
【００４５】
一方、耐食試験で錆が発生し、良好な結果を得ることができなかったインサートメタルＭ６，Ｍ５を使用して鋼管を接合したテストピースＴ１５，Ｔ１６では、その接合強度がわずかに合格基準の２９０Ｎ／ｍｍ²を下回った。また、これらのテストピースＴ１５，Ｔ１６では、接合部、即ち、インサートメタルＭ６，Ｍ５の部分でそれぞれ破断した。
【００４６】
これらの実験結果から、Ｃｒを１２〜２０質量％含有するインサートメタルでは、長期間にわたりインサートメタルを大気中に放置しておいても、インサートメタルの酸化が効果的に防止され、錆の発生が防止されることが判る。また、かかるインサートメタルを使用して鋼管を接合した場合には、錆が発生していないので、きわめて良好な接合性を得ることもできる。
【００４７】
一方、表１に示す各インサートメタルの組成を比較した場合、Ｍ１〜Ｍ１０のいずれのインサートメタルについても、Ｓｉが１．０〜２．１質量％、Ｂが２．０〜８．０質量％、Ｍｏは、０．５〜３．０質量％の範囲内で含有されている。このことから、Ｓｉ並びにＢによりインサートメタルの融点を適正に低下させた場合、さらには、Ｍｏを添加して靱性を接合部に与えた場合であっても、いったんインサートメタルに錆が発生した場合には、接合強度が低下してしまうことを意味する。
【００４８】
以上、本発明にかかるインサートメタルを鋼管の接合に適用した場合を例に説明したが、適用の対象は、鋼管に限定されるものではなく、中実棒等その他の鋼材についても適用できる。
【００４９】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、鉄基のインサートメタルにＣｒを１２．０〜２０．０質量％含有させたことにより、インサートメタルが酸化することを効果的に防止し、インサートメタルを長期間にわたり大気中に放置した場合であっても、インサートメタルに錆が発生することを防止する。このため、インサートメタルの保管を容易にし、しかも保管にかかるコストを大幅に低減させることができる。
【００５０】
また、インサートメタルにＳｉを１．０〜２．１質量％、Ｂを含有率が２．０〜８．０質量％含有させることで、インサートメタルの融点を適切に低下させる。さらには、Ｍｏを０．５〜３．０質量％含有させることで、接合部の靱性を向上させ、衝撃荷重等に強い接合部を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の粉末状のインサートメタルを使用して鋼管の端面同士を接合させる態様の一例を示す図である。
【図２】シート状のインサートメタルを使用して鋼管の端面同士を接合させる態様の一例を示す図である。
【符号の説明】
１鋼管
２，４インサートメタル
３高周波加熱コイル

Claims

鋼材同士を圧接する際に前記鋼材の間に挟み込ませて前記鋼材同士を接合させる接合用インサートメタルであって、
Ｃｒが１２．０〜２０．０質量％、Ｓｉが１．０〜２．１質量％、Ｂが２．０〜８．０質量％、Ｍｏが０．５〜３．０質量％それぞれ含有され、残部がＦｅ及び不純物から組成されていることを特徴とする接合用インサートメタル。