JP6697802B2 - 曲部を備えた自溶合金外面被覆管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、曲部を備えた金属管の外面に自溶合金被覆層が形成されてなる自溶合金外面被覆管の製造方法に関する。

従来、ボイラチューブの曲管、炉内配管の曲管、熱交換器の曲管などの、曲部を備えた金属管の外面に自溶合金被覆層を形成して、その耐食性、耐摩耗性、耐熱性などの向上を図ることが行われている。

上記のような曲部を備えた自溶合金外面被覆管を製造する方法として、金属管の外面に自溶合金粉末を溶射して溶射皮膜を形成した後、高周波誘導加熱により、形成された溶射皮膜を再溶融処理しながら金属管の熱間曲げ加工を行って、金属管に曲部を形成するとともにこの金属管の外面に自溶合金被覆層を形成する方法が、本出願人により提案されている（下記特許文献１参照）。

ここに、溶射皮膜の再溶融処理を伴う曲げ加工時の加熱温度としては、通常１０００〜１２００℃とされ、上記特許文献１の実施例における加熱温度は１０５０〜１１００℃とされる。

特開平７−１２４６３８号公報

上記特許文献１に記載されたような製造方法において、高温環境下での耐食性に優れた自溶合金外面被覆管を製造するためには、高い割合でＣｒを含有する自溶合金粉末、具体的には、Ｃｒ含有量が２０質量％以上の自溶合金粉末を使用することが効果的である。

しかしながら、Ｃｒ含有量が２０質量％以上の自溶合金粉末の溶射皮膜は、曲げ加工時の加熱温度（１０００〜１２００℃）において十分な変形能を有しないために、基材である金属管の変形に追従することができず、得られる自溶合金外面被覆管において、金属管の曲部の背側（外側）に形成される自溶合金被覆層に割れ（毛割れ）が発生する、という問題がある。

本発明は以上のような事情に基いてなされたものである。
本発明の目的は、自溶合金粉末による溶射皮膜の再溶融処理を伴う熱間曲げ加工を経た後において、金属管の曲部の背側（外側）に形成される自溶合金被覆層に割れを発生させることのない、高温環境下での耐食性の良好な、曲部を備えた自溶合金外面被覆管を製造する方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明者等が鋭意検討を重ねた結果、曲げ加工時の加熱温度（１０００〜１２００℃）において十分な変形能を有しないものと考えられていた、高い割合でＣｒを含有する自溶合金粉末の溶射皮膜であっても、当該皮膜の気孔率を高く調整することにより、上記加熱温度における変形抵抗を低下させることができ、曲部の背側の領域においても割れのない自溶合金被覆層を形成できることを見出し、かかる知見に基いて本発明を完成するに至った。

本発明の曲部を備えた自溶合金外面被覆管の製造方法は、金属管の外面に自溶合金粉末を溶射して溶射皮膜を形成する溶射工程と、
高周波誘導加熱によって前記溶射皮膜を再溶融処理しながら前記金属管の熱間曲げ加工を行うことにより、前記金属管に曲部を形成するとともに前記金属管の外面に自溶合金被覆層を形成する熱間曲げ工程とを含む自溶合金外面被覆管の製造方法であって、
前記溶射工程において、Ｃｒ含有量が２０〜５０質量％である自溶合金粉末を溶射して気孔率が１５％以上である多孔質の溶射皮膜を形成することを特徴とする。

前記溶射工程において、気孔率が１５〜３５％である多孔質の溶射皮膜を形成することが好ましい。

また、前記溶射工程において、自溶合金粉末の供給量を通常よりも増加することにより、前記溶射皮膜の気孔率を調整する（増加させる）ことが好ましい。

また、前記溶射工程において、溶射時の火力を通常よりも低減させることにより、前記溶射皮膜の気孔率を調整する（増加させる）ことが好ましい。

本発明の製造方法によれば、金属管の曲部の背側（外側）に形成される自溶合金被覆層に割れを発生させないで、高温環境下での耐食性の良好な、曲部を備えた自溶合金外面被覆管を製造することができる。

以下、本発明の自溶合金外面被覆管の製造方法について詳細に説明する。
本発明の製造方法は、金属管の外面に自溶合金粉末の溶射皮膜を形成する溶射工程と、この溶射皮膜を再溶融処理しながら金属管の熱間曲げ加工を行う熱間曲げ工程とを含む。

溶射工程において、溶射が施される金属管の構成材料としては、ステンレス、炭素鋼、ＣｒＭｏ鋼などの低合金鋼、鋳鉄などの金属材料を挙げることができる。
なお、必要に応じて、被処理面である外面に対してショットブラスト等の表面洗浄処理を施すことが好ましい。

溶射工程で使用される自溶合金粉末において、Ｃｒの含有量は２０〜５０質量％とされ、好ましくは２５〜４０質量％とされる。

Ｃｒの含有量が２０〜５０質量％である自溶合金粉末による溶射皮膜は、これを再溶融処理することにより、高温環境下での耐食性の良好な自溶合金被覆層を形成することができる。

Ｃｒの含有量が２０質量％未満である場合には、高温環境下での耐食性の良好な自溶合金外面被覆管を製造することができない。
他方、Ｃｒの含有量が５０質量％を超える場合には、自溶合金の融点が上昇して、当該自溶合金粉末による溶射皮膜の再溶融温度が１２００℃を超えてしまう。そのような温度で再溶融処理を行うと、皮膜の酸化が激しくなり、また、基材においても結晶粒が粗大化するなど性能劣化を招くことになる。

本発明の製造方法は、溶射工程において、Ｃｒ含有量が２０〜５０質量％である自溶合金粉末を溶射して気孔率が１５％以上である多孔質の前記溶射皮膜を形成する点に特徴を有する。

気孔率が１５％以上である多孔質の溶射皮膜は、これを構成する自溶合金のＣｒ含有量が２０質量％以上であっても、その再溶融処理を伴って行われる金属管の熱間曲げ加工の際の変形能に優れ（変形抵抗が低く）、金属管の変形に十分に追従することができる。
このため、そのような溶射皮膜によって金属管の曲部の背側（外側）に形成される自溶合金被覆層に割れを発生させることはない。

溶射工程で形成される溶射皮膜の気孔率は１５％以上とされる。
溶射皮膜の気孔率が１５％未満であると、その再溶融処理を伴って行われる金属管の熱間曲げ加工の際の変形抵抗を十分に低下させることができず、金属管の曲部の背側（外側）に形成される自溶合金被覆層に割れを発生させやすい。

他方、溶射皮膜の気孔率が高過ぎる場合には、再溶融処理で抜けきれずに残存する気孔により、形成される自溶合金被覆層における気孔率が高くなり、そのような自溶合金被覆層によっては、耐摩耗性や耐食性を十分に発揮することができない場合がある。
このような観点から、溶射皮膜の気孔率は１５〜３５％であることが好ましく、更に好ましくは１５〜３０％、特に好ましくは１５〜２０％とされる。

なお、従来の自溶合金外面被覆管の製造方法では、自溶合金粉末の付着効率を高く維持し、形成される自溶合金被覆層に可能な限り気孔を残存させないという観点から、金属管の外面に形成される溶射皮膜の気孔率は１３％を超えることはなく、通常５〜１３％程度である。

溶射工程における溶射方法としては、フレーム溶射、高速フレーム溶射、プラズマ溶射などを挙げることができる。

溶射工程において、溶射皮膜の気孔率を１５％以上に調整する方法としては、自溶合金粉末の供給量を通常よりも増加したり、溶射時の火力を通常よりも低減させたりする方法を挙げることができる。

具体的には、溶射装置を構成する粉末供給装置の圧送エア流量や圧力を増加させて自溶合金粉末の供給量（吐出量）を増加させたり、燃焼ガスや酸素の流量を低下させて溶射時の火力を低減させたりすることにより、溶射皮膜の気孔率を調整することができる。

熱間曲げ工程は、溶射工程において金属管の外面に形成された溶射皮膜を再溶融処理しながら、金属管の熱間曲げ加工を行う工程であり、加熱手段として高周波誘導加熱が使用される。

熱間曲げ加工によって金属管には曲部が形成されるとともに、溶射皮膜の再溶融処理により、曲部を含む金属管の外面には、溶射皮膜が再溶融してなる緻密な被覆層（自溶合金被覆層）が形成される。

高周波誘導加熱による加熱温度としては、自溶合金の溶融温度以上であり、具体的には１０００〜１２００℃とされ、好ましくは１１００〜１２００℃とされる。

熱間曲げ工程において、曲部の背側（外側）になる金属管の部分および当該部分に形成された溶射皮膜には引張方向の力が作用し、曲部の内側になる金属管の部分および当該部分に形成された溶射皮膜には圧縮方向の力が作用する。

既述したように、Ｃｒの含有量が２０〜５０質量％である自溶合金粉末の溶射皮膜であっても、その気孔率が１５％以上であるものは、再溶融処理に伴う熱間曲げ加工時における変形能に優れ、金属管の外面に追従して変形することができる。
これにより、得られる曲部を備えた自溶合金外面被覆管において、金属管の曲部の背側（外側）に形成される自溶合金被覆層に割れを発生させることはない。

熱間曲げ工程により形成される自溶合金被覆層の厚さは特に限定されるものではないが、例えば０．５〜３．０ｍｍ程度とされる。
また、自溶合金被覆層の気孔率は５％以下であることが好ましい。

本発明の製造方法により得られる曲部を備えた自溶合金外面被覆管は、ボイラチューブの曲管、炉内配管の曲管、熱交換器の曲管などの用途に好適に使用することができる。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、以下の実施例および比較例において、基材である金属管としては、外径６３．５ｍｍ、内径５０．５ｍｍ、長さ１０００ｍｍのボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管（ＳＴＢ４１０）を使用した。また、自溶合金粉末としては、ＪＩＳ Ｈ ８２６０ ＮｉＣｒＣｕＭｏＢＳｉ ６９ １５ ３ ３Ａに相当する粒径４５〜１２５μｍの自溶合金粉末をベースにＣｒを添加してＣｒ含有量を３０質量％に調整したものを使用した。

＜実施例１＞
（１）溶射工程：
下記表１に示す条件（粉末吐出量＝２２Ｌｂｓ／Ｈｒ、アセチレン流量＝３０ｆｌｏｗ％、酸素流量＝４５ｆｌｏｗ％）および回転数＝２００ｒｐｍ、送り速度＝１６．７ｍｍ／ｓの条件で金属管の外面に自溶合金粉末をフレーム溶射することにより、厚さ２．３ｍｍの溶射皮膜を形成した。形成された溶射皮膜の断面を光学顕微鏡によって観察し、画像解析により測定した気孔率は１５％であった。

（２）熱間曲げ工程：
下記に示す条件で、高周波誘導加熱によって溶射皮膜を再溶融処理しながら金属管の熱間曲げ加工を行うことにより、金属管に曲部を形成するとともに当該金属管の外面に厚さ２ｍｍの自溶合金被覆層を形成し、曲部を備えた自溶合金外面被覆管を製造した。

・曲げ半径＝１．５ＤＲ
・曲げ角度＝１８０°
・温度＝１１００〜１２００℃
・送り速度＝０．３ｍｍ／ｓ
・冷却条件: 放冷

形成された自溶合金被覆層の断面を光学顕微鏡によって観察し、画像解析により測定した気孔率は０．８％であった。
また、この自溶合金外面被覆管において、金属管の曲部の背側における自溶合金被覆層を観察したところ、割れ（毛割れ）は認められなかった。

＜実施例２〜１０、比較例１〜４＞
（１）溶射工程：
下記表１に従って条件（粉末吐出量、アセチレン流量、酸素流量の少なくとも１つ）を変更したこと以外は実施例１（１）と同様にして、金属管の外面に下記表１に示す厚さの溶射皮膜を形成した。
形成された溶射皮膜の各々の断面を光学顕微鏡によって観察し、画像解析により測定した気孔率を下記表１に併せて示す。

（２）熱間曲げ工程：
上記（１）で溶射皮膜が形成された金属管の各々に対して、実施例１（２）と同様にして、高周波誘導加熱によって溶射皮膜を再溶融処理しながら金属管の熱間曲げ加工を行うことにより、金属管に曲部を形成するとともに当該金属管の外面に下記表１に示す厚さの自溶合金被覆層を形成し、曲部を備えた自溶合金外面被覆管を製造した。
形成された自溶合金被覆層の各々の断面を光学顕微鏡によって観察し、画像解析により測定した気孔率を下記表１に併せて示す。
また、この自溶合金外面被覆管において、金属管の曲部の背側における自溶合金被覆層を観察して、割れ（毛割れ）の発生の有無を確認した。結果を併せて下記表１に示す。

上記表１に示すように、溶射被膜の気孔率を１５％以上とした実施例１〜１０によって製造された自溶合金外面被覆管においては、金属管の曲部の背側に形成される自溶合金被覆層に割れを発生させることはない。

Claims (2)

1. 金属管の外面に自溶合金粉末を溶射して溶射皮膜を形成する溶射工程と、
   高周波誘導加熱によって前記溶射皮膜を再溶融処理しながら前記金属管の熱間曲げ加工を行うことにより、前記金属管に曲部を形成するとともに前記金属管の外面に自溶合金被覆層を形成する熱間曲げ工程とを含む自溶合金外面被覆管の製造方法であって、
   前記溶射工程において、Ｃｒ含有量が２０〜５０質量％である自溶合金粉末を溶射して気孔率が１５％以上である多孔質の溶射皮膜を形成することを特徴とする
   曲部を備えた自溶合金外面被覆管の製造方法。
2. 前記溶射工程において、気孔率が１５〜３５％である多孔質の溶射皮膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の曲部を備えた自溶合金外面被覆管の製造方法。