JPH02169191A - 異材継手の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はステンレス鋼又はニッケル基合金と、ジルコニ
ウム系材料又はチタン系材料とからなる異材継手の製造
方法に関する。

〔従来の技術〕

一１’Ｇに、純ジルコニウム、ジルカロイ等のジルコニ
ウム合金（以下、ジルコニウム系材料と総称する）又は
、純チタン、Ｔｉ−５％Ｔａ等のチタン合金（以下、チ
タン系材料と総称する）は、耐食性に優れており、また
熱中性子吸収断面積が極めて小さいので原子炉等の材料
として利用されている。

一方、原子炉等の１つのプラントには、上記各材料の他
に、高耐食性のステンレス鋼又はインコネル（商品名）
等のニッケル基合金等が利用されている。これらは、使
用環境及び経済性等を考慮して使い分けられており、単
一プラント内において、原子炉等の厳しい使用環境条件
下ではジルコニウム系材料又はチタン系材料が適してお
り、原子炉以外の相対的に緩やかな使用環境条件下では
前記ジルコニウム系材料、チタン系材料に比べて安価な
ステンレス鋼又はニッケル基合金でも十分である。従っ
て、これらの異種材料の境界部では異材接合が必要であ
る。この異材接合にフランジ継手を適用することが考え
られるが、フランジ継手においてはシール性についての
信幀性という点で問題であり、このような場合には金属
接合継手を用いるのが一般的である。ところが、ジルコ
ニウム系材料及びチタン系材料はステンレス鋼及びニッ
ケル基合金との溶接が困難である。その理由として、上
記溶接を行うとジルコニウム系材料及びチタン系材料の
成分であるジルコニウム（Ｚｒ）　及びチタン（Ｔｉ）
と、ステンレス鋼及びニッケル基合金の成分である鉄（
Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）が溶接箇所
に集まって非常に脆弱な金属間化合物（例えばＺｒｆｅ
、ＴｉＦｅ等）が形成されて、耐食性や延性が低下する
ので、ステンレス鋼及びニッケル基合金とジルコニウム
系材料及びチタン系材料とを直接溶接で接合することは
、実用には不向きである。

現在、上記したようなステンレス鋼及びニッケル基合金
と、ジルコニウム系材料及びチタン系材料とを接合する
金属継手の製造方法として例えば特開昭６１−５２９９
６号公報に開示されたものがある。

この方法は、Ｔｉ基又はＺｒ基の金属（但しβ型Ｔｉ基
合金及びβ型Ｚｒ％合金は除く）を第１部材とし、ステ
ンレス鋼を第２部材として両者を熱間静水圧加圧法によ
って拡散接合させるに当たり、β型Ｔｉ基合金又はβ型
Ｚｒ基合金をインサート材とし、このインサート材を第
１部材と第２部材の間に介在せしめ、第１部材のβ変態
点未満の温度に加熱して拡散接合を行うようにしたもの
である。

〔発明が解決しようとする課題〕

この方法においては、インサート材を介在させることに
よってステンレス鋼中の合金元素をインサート材中に固
溶化させることができて、接合界面における耐食性及び
曲げ延性を改善することができるものであるが、反面、
生産性が低く継手の価格が高くなるといった問題点があ
った。

そこで、本願出願人は生産性を考慮したものとして、先
に特願昭６１−６４６２１号（特開昭６２−２２０２９
１号）によってジルコニウム系クラッド材及び製造方法
を提案した。

この方法は、鉄系材料又はニッケル基合金からなる母材
と、ジルコニウム系材料からなる合わせ材との間に、タ
ンタルからなるインサート材を挿入し接合してクラッド
材となすに際し、母材とインサート材との間を非溶融溶
接、合わせ材とインサート材との間を非溶融又は溶融溶
接により接合するようにしたものである。

この方法は、金属接合継手において異種金属界面の耐食
性及び延性の低下を防止する優れた効果を発揮するもの
であり板状のクラッド材の熱間圧延製造に適したもので
はあるが、しかし、異種継手となり得る棒状・管状のク
ラッド材を製造するのに適した方法ではなかった。

また本願出願人は先に、特願昭６１−１８１０３５号（
特開昭６３−３６９０３号）によって複合材の製造方法
を提案している。

この方法は内層材よりも変形抵抗が大きい材質の円筒状
の外層材を用い、内層材の外表面及び外層材の内表面を
脱脂清浄して嵌合せしめ、次いでこの嵌合材を内層材、
外層材及びこれらの金属接合継手々の融点よりも低い温
度に加熱し、３個以上のコーン型ロールを有する傾斜圧
延機により１バス当たり３０％以上の減面率で延伸、圧
延するようにしたものである。

一方、上記方法において、外層材にステンレス鋼又はニ
ッケル基合金を用い、内層材にジルコニウム系材料又は
チタン系材料を用いた場合には、組み合わせ材料特有の
問題、即ち外層材と内層材とが高温域で掻端に変形抵抗
が異なるといった問題、具体的には１０００℃で５ＵＳ
３０４はジルコニウムの約７倍も変形抵抗が大きいとい
った問題があった。

従って上記方法は、外層材にステンレス鋼又はニッケル
基合金、内層材にジルコニウム系材料又はチタン系材料
を用いる場合には不適であった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、管状
の異材を接合する異材継手として、接合強度、耐食性に
優れたものを製造することができる製造方法を徒供する
ことを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、ステンレス鋼又
はニッケル基合金と、ジルコニウム系材料又はチタン系
材料とからなる異材継手の製造方法において、断面円形
の内層材と円筒状の外層材とを両者の間にタンタル層を
介在させて嵌合し、１ｉｉＪ記内層材、外層材及びタン
タル層からなる嵌合組み立て材料を８００″Ｃ〜１２０
０℃に加熱し、３個以上のコーン型ロールを有する傾斜
圧延機によって外径の絞り圧延を６５％以下の減面率で
且つ１回加熱で行って、棒状のクラッド材となし、この
クラッド材の少なくとも片端側の外層材を除去して継手
に形成する。また、クラッド材の内、外層を除去し、片
端側が外層材のみからなり、もう一方の片端側が内層材
のみからなる管状に形成する。

〔作用〕

本発明にあっては、内層材と外層材との間にタンタル層
を介在せしめたので、内層材と外層材との金属間化合物
が形成されることがない。また、８００℃〜１．２００
℃の範囲で加熱するようにしたので、Ｔａ−Ｆｅ系又は
ＴａＪＪｉ系の金属間化合物が形成されることがなくて
脆化を生じることがない。また、３個以上のコーン型ロ
ールを有する１頃斜圧延機によって圧延を行ったので、
２個のコーン型ロールを有する傾斜圧延機によって圧延
を行った場合に生じやすいマンネスマン破壊による内部
割れを生じることがない。また、６５％以下の減面率で
圧延を行ったので、被圧延材の断面を円形となすことが
できて圧延を良好に行える。また、１回加熱で圧延を行
ったので、クラッド材を形成する各材料（内層材、タン
タル層、外層材）の接合界面での耐食性が低下すること
がない。

そして、上記のようにして形成されたクラ７ド材の内、
外層部を除去して形成された異材継手によって２つの管
状の異材を接続すると、異材継手の片端側と同材料の管
材をこの片端側に溶着接続する一方、もう一方の片端側
と同材料の管材をこの片端側に溶着接続することによっ
て２つの異材の管材をこの異材継手によって接続し得る
。

〔実施例〕

以下本発明を図面に基づき具体的に説明する。

第１図は本発明で製造される嵌合組立材の正面断面図、
第２図はその一部破砕した側面図であり、図中１０は嵌
合組立材を示す。嵌合組立材１０は、ジルコニウム系材
料又はチタン系材料からなる断面円形の内層材１１の外
側にＴａ箔のテーピングによりクンクル層１３を介在せ
しめて、ステンレス鋼又はニッケル基合金からなる筒状
の外層材１２を嵌合させた丸棒状のものであり、この嵌
合した状態で内層材と外層材との間を真空状６．　（Ｉ
　Ｘ　１．０−　’　Ｔｏｒｒ以下）とした後に、図示
しない加熱炉にて加熱された後、傾斜圧延機へ送給され
る。ここで、内層材と外層材との間を真空状態にするの
は、この嵌合組立材を加熱したときに接合界面に酸化物
が形成されるのを回避するためである。

第３図は本発明に使用する傾斜圧延機４を示す模式図（
図中ロール１．２は第４図のＩＩＩ　−ＩＩＩ線による
断面図としている。）、第４図は第３図のＩＶ　−■線
による正面図、第５図は傾斜角βを示す側面図である。

傾斜圧延機４はパスライン周りに臨んで３個のコーン型
ロール１．　、２　、３を有し、３個のロール１．２．
３は出側端部にゴージ部１ａ、２ａ、３ａを備え、ゴー
ジ部を境にして入側は軸端に向けて漸次直径を縮小され
、また出側は拡大された円錐台形をなす入口面１ｂ、２
ｂ、３ｂ及び出口面１ｃ、２ｃ、３ｃを備えており、出
口面１ｃ、　２ｃ、　３ｃはパスラインとの距離をゴー
ジ部とパスラインとの距離に一致させるようにしている
。

このようなコーン型ロール１．２．３はいずれもその入
口面１ｂ、２ｂ、３ｂを嵌合組立材１０の移動方向上流
側に位置させた状態とし、また軸心線Ｙ−Ｙと、ゴージ
部１ａ、２ａ、３ａを含む平面との交点０（以下ロール
設定中心という）を、嵌合組立材１０のパスラインＸ−
Ｘと直交する同一平面上にてバスラインＸ−Ｘ周りに略
等間隔に位置せしめるべく配設されている。そして各ロ
ール１，２．３の軸心ｖＡｙ−ｙはロール設定中心回り
に、嵌合組立材１０のパスラインＸ−Ｘとの関係におい
て第３図に示すように前方の軸端がパスラインＸ−Ｘに
向けて接近するよう交叉角Ｔだけ交叉（傾斜）せしめら
れ、且つ第４図、第５図に示すように前方の軸端が嵌合
組立材１０の周方向の同じ側に向けて（ＩＱ　斜角βだ
け傾斜せしめられている。ロール１，２．３は図示しな
い駆動源に連繋されており、第４図に矢符で示す如く同
方向に回転駆動され、これらのロール１．２．３間に噛
み込まれた熱間の嵌合組立材１０はその軸心線回りに回
転駆動されつつ軸長方向に移動される。即ち螺進移動せ
しめられる。

嵌合組立材１０はロールＬ２，３を螺進移動せしめられ
る間に、第３図に示す如くロールバイト部へにて外径を
絞られて、嵌合組立材１０の圧下面Ｂが円錐台形状に成
形された後、ゴージ部、出口面にて所定の外径の丸棒状
のクラッド材１４となる。

この傾斜圧延機では、ロールの数が３個の場合について
説明したが、ロールが３個以上の場合も上記と同様にし
て行う。

次に、上述の熱間圧延時の設定条件を下記する。

（イ）８００℃〜１２００℃の範囲に加熱すること。

は、６５％以下とする。

（ハ）圧延は１回加熱のみ行い、再加熱圧延は行わない
こと。

また、上記各設定条件の理由を下記すると、まず加熱温
度の上限を１２００℃としたことは、温度が１３００℃
を超えるとＴａ−Ｆｅ系又はＴａ−Ｎｉ系の金属間化合
物が形成されて脆化を生じるので、圧延中に１３００℃
を超えないようにしなければならない。そして、本発明
での傾斜圧延では圧延中加工熱が発生するので、これに
よる温度上昇を考慮して加熱温度の上限を１２００℃と
した。一方、加熱温度の下限を８００“Ｃとしたのは、
圧延時金属界面で拡散接合させる必要があるので、８０
０℃以上に加熱しておくことが必要であるからである。

次に、減面率について述べると、嵌合組立材１０の横断
面積をへ〇圧延後のクラッド材１４の横断面積をＡ、と
すると、（Ａｏ　　　Ａｔ）／Ａｏを０．６５以下とす
る。これは、０．６５を超えると外ｊ材１２がロールｌ
。

２．３の間に張り出して被圧延材（嵌合組立材１０−ク
ラッド材１４）の断面が三角乃至三角の多角形形状とな
り、圧延ができなくなるからである。

次に、圧延時の加熱回数を１回とした理由について述べ
ると、圧延時に２回以上の再加熱を行うと、接合界面で
の耐食性が低下して問題となる。

従って、加熱回数は１回だけにすると良いことが判った
。

また、内層材１１と外層材１２との間にクンタル層１３
を設けたことについては、タンタルは異種金属材料間で
有害な金属間化合物の生成を抑制して、接合強度、耐食
性を保障するために用いている。

そして、内層材１１は中実材であっても中空材であって
もよい。また本発明にあって、熱間圧延に孔型圧延法で
はなく、傾斜圧延法を用いる理由について以下に述べる
。孔型圧延法はダイヤ・スフウェア孔型又はオーバル・
ラウンド孔型を有するロール配列によって多バス圧延を
行う方法であり、各バスでの圧下途中の断面形状は非円
形断面となる。従って、外層材と内層材との変形抵抗差
が極端な複合材（本発明にあっては嵌合組立材１０）を
圧延する場合には、内層材は圧延方向に伸び、外層材は
圧延方向と垂直な方向に伸びようとすることになり、各
パスごとに外層材と内層材とで隙間が発生することにな
って、円周方向で確実に接合された複合材（本発明にあ
ってはクラッド材１４）を得ることは不可能である。

上記の理由によって、本発明にあっては軸対称加工法で
ある傾斜圧延法を採用しており、従来の孔型圧延法では
不足していた接合強度を十分な強度まで高め得るように
、嵌合組立材１０を傾斜圧延する。その結果、８００℃
〜１２００℃に加熱した嵌合組立材１０の金属界面で拡
散が促進され、拡散接合が可能になる。また、この熱間
１頃斜圧延によって金属間化合物が生成しても高圧下圧
延によって金属間化合物層の厚みを薄肉化できて接合性
に優れたクラッド材１４を製造できる。

また、３個以上のコーン型ロールを有する傾斜圧延機を
用いる理由は、２個のロールを有する傾斜圧延機におい
ては、被圧延材中央部にいわゆるマンネスマン破壊によ
る内部割れが発生するので、これを回避するために３個
以上のロールを有する傾斜圧延機を採用するのである。

上記のようにして製造されたクラッド材１４を適宜の内
５外層を除去し、第６図に示すような異材継手１４Ａを
形成する。この異材継手１４Ａの内層材１１はその内部
を貫通穿孔して管状に形成しである。

このようにして形成された異材継手１４Ａは、第６図に
示すように、接続する２つの異材の管材Ｑ。

Ｒと異材継手１４Ａの同一材料同士（第６図において、
異材継手１４へのＳＵＳからなる外層材１２とＳＵＳか
らなる右側の管材Ｒ及び異材継手１４ＡのＺｒからなる
内層材１１とＺｒからなる左側の管材Ｑ）を、その突き
合わせ端部で互いに溶接することによって、２つの異材
の管材Ｑ、　　Ｒを接続する。

このように、接続する２つの異材の管材Ｑ、　　Ｒと異
材継手１４Ａの同一材料同士をその突き合わせ端部で互
いにン容接することによって、ジルコニウム系又はチタ
ン系材料管Ｑとステンレス鋼又はニッケル基台金Ｐとを
異材継手１４Ａで継ぐことができるようになる。

また、異材継手の形状としては、１４　Ａ以外にも第１
０図（ａ）、　（ｂｌ、　（Ｃ１，ｆｄｌに示すように
種々のものに加工が可能である。第１０図（ｂｌ、　ｆ
ｃｌ＋に示す異材継手１４Ａでは、内層材１１の一端側
中央部を奥行き方向途中まで穿孔しである。

次に試験片を用いて行った接合強度試験について下達す
る。

供試材には、内層材１１に純Ｚｒ及びＴｉ−５％Ｔａ合
金（両者ともに外径２７．７ｍｍの丸棒）を用い、外層
材１２に５Ｏ５３０４直外径４０φ、肉厚６ｍｍの管）
、中間材に純Ｔａ箔１３８（厚さ０．１ｍｍ　ｘ幅１０
０ｍｍ）を使用した。

これらの化学組成を表１と表２とに示す。

（以　下　余　白） そして、これらを用いて下記の方法で嵌合組立材を製作
した。内層材１１、外層材１２及びＴａ箔１３ａを脱脂
、洗浄したのち、Ｔａ箔１３ａを内層材１１に巻き付け
、これを管状の外層材１２に挿入して、その両端を外層
材１２と同じ材料からなる段付円盤状の蓋部材１２ａ、
　１２ｂ（第２図参照）で電子ビームにて３Ｘ　１０−
”Ｔｏｒｒの真空度の状態にして密閉溶接した。

また一方で、表３における記号イの場合では、Ｔａ箔１
３ａを用いない素材も製作した。

そして、次にこれらの嵌合組立素材を９ｏｏ′ｃに加熱
して傾斜圧延を行った。この時の圧延条件を次に示す。

交叉角（γ）が３°、傾斜角（β）が９°、１コール径
が１３５φ、ロール回転数が７０ｒｐｍである。

バス・スケジュールは表３に示す。

（以　下　余　白） 表 剪断強度−Ｐ／（π・Ｄ−ｈ） 但し、Ｄ−内層材の外径 剪断強度を求めた。

その結果を次の表４に示す。

表　　　４ ・・・（１） 次に、上記のようにして製造したクラッド材１４の剪断
強度（接合強度）を調査すべく、第７図に示す如く所定
長さのクラッド材１４の一端側を一定長さｈでそのまま
とし、他端側を内層材１１の外径よりも小さい外径の円
柱部とした試験片１４ａを各調査対象材について２個づ
つ作成し、内層材１１の外径よりも少し大きい直径の円
形開口部の縁部が、試験片１４ａの一端側の外層材１２
部分に当接し、その状態で他端側より押圧力を付与して
内層材１１と外層材１２とが破断する荷重Ｐを測定し、
その測定値を下記（１）式に代入し、 この表４に示す結果から１バスにおける減面率が６５％
を越える高加工度圧延のバス・スケジュールでは圧延で
きないことが判った。

従って、゛圧延はｌバスにおける減面率が６５％以下で
行なわなければならない。そして、ｌバスの圧延でも、
複数パスの圧延でも、接合強度は同等であることが判っ
た。

更に、耐食性を調査すべく、第８図に示すように半円状
で輻３關の腐食試験片１４ｂをクラフト材１４の圧延方
向と直交する平面で切断して製作した。

腐食試験液は次に示す通りである。尚、図中Ｒはクラッ
ド材１４の直径を示している。

８Ｍ１ｌＮ（ｈ　Ｉｔ　／　１１１ＮＯ３＋　１　ｍｇ
／　ｌ　Ｒｕ”　＋０．５ｍｇ／　１１　Ｃｅ”＋２０
０ｍｇ／　７！Ｆｅ”＋５０ｍｇ／　ｊ２Ｃｒ”＋５０
ｍｇ／　ＩＮｉ”そして、沸点に保持した状態で液中に
、試験片１４ｂを１２０ｈｒ浸清保持した後、切断ミク
ロ検鏡（５００倍）にて接合界面の腐食深さを測定した
。その結果を表５に示す。

（以　下　余　白） 表　　　　５ この表５に示す結果から、ＴａＦ５が無いクラ７１゛材
１４では接合界面で腐食が発生し、１回加熱だけの圧延
では、Ｔａ箔を中間材として介在させることによって、
接合界面での腐食は発止しないことが判った。

しかし、複数回加熱圧延したものは、接合界面で腐食が
発生してしまうことが判った。

従って、表４２表５の結果より、接合強度に優れ、かつ
、ｒ、ｉＪ食性に優れた接合界面を有するクラッド！、
（’１４を得るには、外層材１２と内層材１１との間に
タンタル層１３を介在せしめて、６５％以下の減面率で
１回加熱のみの圧延を行わなければならないことが判っ
た。

〔発明の効果〕

本発明によれば、上述のように、内層材と外層材との間
にタンタル層を介在させて、これを８００℃〜１２００
℃で１回加熱して、３個以上のコーン型ロールを有する
傾斜圧延機で外径の絞り圧延を６５％以下の減面率で圧
延して棒状のクラッド材となして、これの内、外層を除
去したことにより、管状の異材を接合する異材継手とし
て、接合強度、耐久性に優れた異材継手を製造すること
ができる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用する嵌合組立材の正面断面図、第
２図はその側面図、第３図は本発明に使用する傾斜圧延
機を示す模式図、第４図は第３図の■−ＩＶ線による正
面図、第５図は傾斜角βを示す側面図、第６図は本発明
によって製造される異材継手で異材を接合した状態の側
面図、第７図は剪断強さの測定内容説明図、第８図は腐
食試験に用いる試験片の正面図、第９図はその側面図、
第１０図ｆａｔ、　（ｂｌ、　（ｃｌ、　ｉｄ）は異材
継手の他の形状を示す側面図である。 １．２．３・・・ロール　４・・・傾斜圧延機１０・・
・嵌合組立材　１１・・・内層材　１２・・・外層材１
３・・・タンタル層　１４・・・クラッド材　１４６・
・・異材継手 特　許　出願人　　住友金属工業株式会社代理人　弁理
士　　河　　野　　登　　夫（外１名） 手 図 第 図 第 図 ４Ａ 弔 図 弔 図 ｂ 第 図 第 図 弔 図 （ａ） （ｂ） （ｄ） 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ステンレス鋼又はニッケル基合金とジルコニウム系
   材料又はチタン系材料からなる異材継手の製造方法にお
   いて、断面円形の内層材と円筒状の外層材との両者の間
   にタンタル層を介在させて嵌合し、前記内層材、外層材
   及びタンタル層からなる嵌合組み立て材料を８００℃〜
   １２００℃に加熱し、外径の絞り圧延を６５％以下の減
   面率で且つ１回加熱で棒状のクラッド材となし、クラッ
   ド材の片端側では外層材とタンタル層を除去する工程、
   一方の片端側では内層材とタンタル層を除去する工程と
   からなることを特徴とする異材継手の製造方法。 ２、請求項１の異材継手の内層材を貫通穿孔して管状と
   することを特徴とする異材継手の製造方法。 ３、請求項２の異材継手の内層材を途中まで穿孔するこ
   とを特徴とする異材継手の製造方法。 ４、請求項１の外径の絞り圧延を、３個以上のコーン型
   ロールを有する傾斜圧延機によって行うことを特徴とす
   る異材継手の製造方法。