JPS63119927A - ピルガー装置のダイ - 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】 ａｓ　ｃｙ＞ＬＬ この発明は、管部材の冷開成形即ちピルガ−製管に関し
、特にこのような製管工程で用いられるダイに関するも
のである。

原子炉の燃料要素で使用する管状被覆体の製作に当たっ
ては、被覆体はジルコニウム合金の円筒体の径をビルブ
ー縮小することによって通常作られる。熱間押出しされ
た管の形状は、多数回のビルが−縮小によって、一般的
には室温で横断方向の寸法が直径、肉厚ともに縮小され
る。ビルガー装置は対向したダイを用いており、該ダイ
は加工領域にあるダイ周面にテーパ溝を有する。内部の
マンドレルで支持された加工中の管の上で対向したダイ
か往復動することによって、管の冷間縮小が行なわれる
。この工程は、より小さな肉厚と直径に縮小すべき管を
少量ずつマンドレル上で軸方向に送り、その後ダイを前
方及び後方へ反復回軟させることによって徐々に行なわ
れる。各反復の終わりでは、送り量と横断面積寸法の縮
小によって得られた伸びとの積に等しい長さの縮径管が
生産される。

この工程での主なコスト要因はビルが−ダイの寿命であ
る。以前の加工作業は、＾ＩＳＩ型ト１１３鋼合金から
作られた低い応力のダイでは、溝の表面に対する垂直方
向の高い圧縮応力のために、紬受けでのものと同様の表
面のは（離によって、典型的には損傷が生じることを示
していた。約５８０フクウエルＣの硬さを有するボア　
ｔ　−（Ｂｏｆｏｒｓ）ＳＲ１８５５工兵用鋼から形成
されたダイのような高硬度ダイははく離に耐えることが
できる。しかしながら、これ等の高応力ダイは、ダイの
溝部の表面に反復して生じる引張応力による割れによっ
て損傷する。

それらの引張応力は、溝部の軸線に関して横方向への、
半円形溝部に作用する加工応力の分解によって生じる。

ビルが−ダイにおける反復引張応力を扱うために多数の
方法が提案された。ひとつは、ボアオー５Ｒ１８５５工
兵用鋼ダイのような高硬度のダイを通し焼よりもむしろ
肌焼のほうがよいということを保証している。肌焼は、
表面上に引張残留応力よりもむしろ圧縮残留応力を生じ
させることになり、この圧縮残留応力がダイの溝部にお
いて作用する引張応力に耐える働きをして、その結果ダ
イは十分に長い寿命となる。この肌焼を確認するための
一方法はこの出覇と同一の出願人による特開昭５６−３
３４３３号公報に記載されている。同公報に記載されて
いるように、ビルガー装置用の工具鋼に対する”指向性
急冷（ｃｌｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　　ｑｕｅｎｃｈｉｎ
ｇ）″熱処理工程では、オーステナイト化する温度範囲
にとル〃−ダイを加熱し、希望の焼き肌の方向において
は、ダイのその他の部分からの熱の除去速度よりも速い
所定の速度でダイから熱を選択的に除去し、その後ダイ
を焼きもどす、同公報に記載された熱処理工程で製造し
た肉厚的０．５ないし１インチ（１，２７なイＬ　２．
５４−１：　ンチ）ノホ７　ｔ　−５Ｒ１８５５即ち＾
ｌ５Ｉ５２１００工共鋼ダイは、５３ないし６３０フク
ウエルｃ硬！（Ｒｃ５３ないしＲｃ６３）の肌焼硬度を
有しているとともにダイの残余部が３５ないし４５０ツ
クウェルＣ硬さくＲｃ３５ないしＲｃ４５）の硬さを有
していた。

ビルガーダイにおける引張応力を処理するための他の方
法は、負荷により弾性的なたわみを生じさせてＷ部の領
域に圧縮応゛力を生じさせることで′＼ ある。この方法は特開昭６１−２１６８０７号公報に記
載されている。同公報に記載されているように、くばみ
が回転可能なビルガーダイの内周面に備えられており、
又外周面に溝を有しでいるので、ダイは加えられた負荷
によって曲がり、又溝部での引張力はくぼみの存在によ
る曲がりで生じる圧縮応力によって制御される。

ピルガ−ダイの肌焼はダイの外周面で圧縮残留応力を生
じさせる。ＩＩＬ焼とは、ダイの大部分が柔らかい変態
しない状態のままである間に表面層だけが鋼でのマルテ
ンサイト化反応によって硬化されるということを意味し
ている。残留応力は、冷却時の熱収縮と、マルテンサイ
ト化の硬化反応によって生じる体積膨張との結果である
。即ち、急冷操作の間、表面に対する急激な冷却がマル
テンサイト化の硬化反応と体積膨張とを生じさせる６ダ
イの内部が冷えるにつれて、ダイは、マルテンサイトに
変態することができ（それから通し焼という結果になる
）、そして冷却と熱収縮とを続けろ、ダイの内部らマル
テンサイトに変態すると、それに伴う体積膨張はすでに
冷却されそして硬化された表面を外側に押し退け、ダイ
の表面に残留引張応力を生じさせる。もし、内部がマル
テンサイトに変態しないが熱収縮を続ける場合には、そ
れに伴う収縮は６部及び焼き肌の表面に残留圧縮応力を
生じさせる。これらの二つの状態は、通し焼のダイで説
明された大変劣ったダイ寿命に比較してビルブーダイの
寿命に劇的な結果を生じさせた。残留応力とダイ寿命と
生産性は急冷中の内部即ち６邪の体積変化によって主に
決定される。６部の体積が増大するか減少するかは熱処
理手順により一般に決定される。

１」悲１」 管を縮小するのに用いられるビルガー装置のダイはリン
グ状部材から構成されており、該リング状部材（以下、
単にリングと呼ぶこともある）は、少なくとも二種類の
鋼合金部、即ちリングの外周面から、リングの肉厚のう
ちの短い距離であるが、ビルグー加工のためにリングに
形成された溝部を越えである距離延びた第１の鋼合金部
と、第１の鋼合金部からダイに形成された穴部に向けて
延びており、ダイの肉厚の大部分を構成する第２の鋼合
金部とからなっている。第２の鋼合金部は、第１の鋼合
金部を硬化させるために行なわれる熱処理条件下でもマ
ルテンサイトに変態しない材料からなっているのに対し
、第１の鋼合金部は所定の熱処理条件のもとマルテンサ
イトに変態することによって硬化される鋼合金からなっ
ているので、第１の鋼合金部、即ちダイの焼き肌は高い
圧縮応力に耐える望ましい強度と硬度とを有する鋼合金
からなり、また第２の鋼合金部、即ち６部は望ましい体
積縮小を生ずるのに必要な特性を有しており、その結果
焼き肌には望ましい残留圧縮応力が生じて動作中の反復
引張応力に酎えることができる。

この発明の一実施例においては、第１の鋼合金部はダイ
の厚みの約２５パーセントまでの距ｆｌａｔびでおり、
一方第２の鋼合金部はダイの残りの部分である。他の実
施例では、ダイの穴部から第１の鋼合金部から離れたあ
る点まで［１／る第３の鋼合金部が設けられており、こ
の第３の鋼合金部は、第１の鋼合金部の硬化の際に用い
られる熱処理条件下でマルテンサイに！！態することに
よって硬化される鋼合金からなり、ダイの厚みの約１０
パーセントまでの距ｗ１延びているが、第２の鋼合金部
は依然としてダイの大部分をなしている。

この発明の他の実施例のダイでは、ｔＩＳ２の鋼合金部
は、第１の鋼合金部を構成する材料の熱膨張率よりも高
い熱膨張率を有する材料からなっているので、冷却での
体積縮小が大きく、その結果ダイの焼き肌における残留
圧縮応力をさらに増加させる。

庇」Ｌ１凱」［ この発明のダイは、前述したように、残留応力の制御が
単一の組成の工具鋼合金と熱処理中の工具鋼合金内の冷
却速度の制御とに関係する従来のビルブーダイとは明ら
かに異なる。

この発明によると、ビルガーダイは熱処理中の体積変化
と残留応力とを制御するために２種類の鋼合金部からな
っている。第１の鋼合金部はダイの第１部分もしくは半
径方向の外側部分、即ち焼き肌のために用いられ、この
第１の鋼合金部は、ダイの１２部分もしくは半径方向の
内側部分、即ち６部のために用いられる第２の鋼合金部
とは異なる。

第１図（こ示すビルガーダイ１は環状のローラ即ちリン
グ（リング状部材）から構成されており、このリングは
、袖に装着するために該リングを貫通する穴部３を有す
る。リングの外周面Ｐは円形のテーパ溝部５を同外周面
に沿って有している。穴部３は紬にキーを係止するため
のキー溝部７を有し、ダイはこの紬に、ダイか運転中に
大きな力を受けるとき、軸に対してダイか回転しないよ
うに取り付けられる。ダイの周囲に沿った各部での溝部
５の横断面はほぼ半円形状の孤である。ダイの外周面の
少なくとも一部について、孤の半径は縮小すべき管の始
めの外径よりもわずかに大塾な大きさから縮小後の管の
外径よりもわずかに小さい大きに変わる。溝部は小さな
半径端からテーパ域を越えて多少の距離延びている。こ
の延長部は“仕上げ域”と呼ばれている。また、溝部は
またテーパの大きな半径端からも延びている。この端で
は、溝部の半径は管と工具鋼合金との接触を阻止するた
め及び管の送りを容易にするために大きくなっている。

溝部から広がるダイの円筒状の表面はトレッドと呼ばれ
、ダイの側部は側面と呼ばれる。溝部５の形状は第１図
ないしｆ５３図に示されている。

第４図の断面図に示されているように、この発明のビル
ガーダイは少なくとも二種類の鋼合金部ｐ塾らなってい
る。第１の鋼合金部９は熱処理下においてマルテンサイ
トに変！！！される第１の硬化鋼合金からなっている。

この硬化鋼合金部は、外周面からダイの穴部３に向かい
内方へ、溝部５の所定距離もしくは深さｄを越えて、穴
部３から離れた点１３まで広がっている。第２の鋼合金
部１１は第１の鋼合金がマルテンサイトに変態するに必
要な熱処理条件下にさらしてもマルテンサイトに変態し
ない第２の鋼合金からなっている。二Ｗｌｉ類の鋼合金
からなるダイを使用することによって、熱処理中の体積
変化と残留応力との制御が行なわれる。

ダイの焼き肌即ち第１の鋼合金部の硬化をもまたらすダ
イの急冷中に望ましい体積収縮を得るために、第２の鋼
合金部１１ｊｌｌｌち６部のために選択された鋼合金は
、ダイの第１の鋼合金部９即ちダイの焼き肌のために選
ばれた鋼合金とは異なっている。従って、焼き乳即ち第
１の鋼合金［９は、ビルブー毘作中にダイに働く高い圧
縮応力に耐える所望の強度もしくは硬さを有する工具鋼
合金からＮＩｔ成されている。しかしながら、第２の鋼
合金部即ち６部は、望ましい体積収縮を生じさせ、その
結果ピルグー操作中に生じる繰返し引張応力に耐える望
ましい残留圧縮応力を焼き風に生じさせるに必要な特性
を有する鋼合金からなっている。

ダイの第２の鋼合金部１１即ち６邪のために選択された
鋼合金は、その化学成分（即ち低炭素成分）がマルテン
サイト硬化反応を阻止し、そして急冷時に第２の鋼合金
部即ち６部での体積収縮とダイの第１の鋼合金部即ち焼
き肌での残留圧縮応力とを保証するものである他は、第
１の鋼合金ｉ９即ち焼き肌のそれと同様な鋼合金でよい
。

例えば、第１の調合＊部即ち焼き肌は、次の公称成分を
重量パーセントで有するボアオール５Ｒ１８８５のよう
な高張カニ兵制または同様なボッオール工共鋼から形成
することができる。

炭素　　−−０，９５ ７ン〃ン　−−０，９ シリコン　−一１．５ クロム　　−一１．１ 鉄　　　　　−一残り 他に適したこのような鋼は＾ｌ５Ｉ−５２１００である
。Δｌ５Ｉ−５２１００は次の公称成分を重量パーセン
トで有している。

炭素　　　−一１．０ マンがン　−−０，４ シリコン　−−０，３ クロム　　−−１，４５ 鉄　　　　　−一残り これらの成分のもの及び他の有用な成分のものハ、重量
で約１パーセントの炭素、約１パーセントまでのマンガ
ン、約１．５パーセントのシリコン、約１−１．５パー
セントのクロムそして通常の雑不純物を有する残りの鉄
とからなっている。即ち、第１の鋼合金部は次の公称の
成分を重量パーセントで有している＾ｌ５Ｉ−４８から
形成することができる。

炭素　　　　−一０．５３−０．５８ ７ン〃ン　　−−０．２５−０．３５ シリコン　　−−０．８５−１．１０ クロム　　　−一４．８０−５．１０ タングステンー−ｉ、ｏｏ−ｉ、ｓ。

モリブデン　−−１．００−１．５０ 鉄　　　　　　−一残り ダイのｆＢｌの鋼合金部９即ち焼さ肌は５３ないし６３
のロックウェル硬さＣ（５３Ｒｃないし６３Ｒｃ）の値
、望ましくは５６Ｒｃないし５８Ｒｃの値を有する硬さ
まで硬化できなければならない。

ダイの＠２の鋼合金部即ち６部は、低炭素鋼合金のよう
な非マルテンサイト化の鋼合金、例えば約０．２パーセ
ントかそれ以下の炭素を含む＾ｌ５Ｉ−１０２０から形
成される。低炭素含有量のものはマルテンサイト硬化反
応を阻止する。ダイの第２の鋼合金部１１即ち６部は３
５Ｒｅないし４５Ｒｃの値で、好ましくは約３８Ｒｃな
いし４５Ｒｃの値であるべきである。

この発明に従って、十分な各部材料を供するには、６部
即ち第２の鋼合金部はダイの厚みの大部分であるべきで
ある。従って、焼き肌即ちｍｉの鋼合金部は外周面Ｐか
らダイの穴３に向けて小さな距離延びるべきであるが、
溝部５より深く延びなければならない、前述したように
第１の鋼合金部はダイの溝部５を越えて延びていなけれ
ばならないが、外周面Ｐからダイの穴部３に向けて小さ
な距離だけ延びなければならず、好ましくはｆ：ｔＳ１
の鋼合金部はダイでの前記ｐｌＳ２の鋼合金部、ＪＩｇ
ち６部が大部分であることを保証するために前記外周面
からダイの厚みの約２５パーセントまでの距離延びなけ
ればならない。

最終縮小捏作において、ジルコニウム合金製の管を０．
フインチ（１，７７８センチ）の外径から０．３７５イ
ンチ（０，９２３センチ）の外径と０．０２３インチ（
０，０５８センチ）の肉厚とを有する管にピルが一製管
するためのダイの寸法は、約８インチ（２０，３２セン
チ）の直径と、回転軸に対して取り付けるために約４．
５インチ（１１，４３センチ）の内径とを有している。

こうして、リング部は約１．７５インチ（４，４４５セ
ンチ）の厚みを有している。ダイは約３インチ（７，６
２センチ）の幅があり、その内Ｒ深意で約０．３５イン
チ（０゜８８９センチ）の深さの溝部を有している。ｆ
５１の鋼合金部即ち焼き肌の厚みは少なくとも約０．６
インチ（１，５２４センチ）あり、溝部の深さよりも約
０．２５インチ（０，６３５センチ）深い、この上うな
ダイは第４図に示されている。

Ｐ！Ｓ５図に示されているように、この発明の他の実施
例では、第１および第２の鋼合金部に加えて、第３の鋼
合金部１５がダイの穴部３のところに設けられている。

この実施例の場合には、所定の熱処理条件下でマルテン
サイトに硬化することのできる鋼合金がダイの外周面Ｐ
及び穴部３とに設けられており、それらの間の第２の鋼
合金部については前記の熱処理条件下にさらしてもマル
テンサイトに変態しない物質からなる硬化しない鋼合金
からなっている０図に示されているように、ダイ１゛は
外周面Ｐに溝部５のある穴部３を有する環状のリング部
からなっている。所定の熱処理状態下においてマルテン
サイトに変態して硬化した鋼合金のｆＪＳｌの鋼合金部
９は溝ｇ５の深さｄを越え、穴部３から離れた点１３に
まで延びている。第３の鋼合金部ｇｔｓはまた所定の熱
処理状態下においてマルテンサイトに変態して硬化した
鋼合金からなっており、穴部３から＠ｉの鋼合金部から
離れた点１７＊での距１１１ｉｄ’延びている。第２の
鋼合金部１１はｔｔＳｉの鋼合金部と第３の鋼合金部と
をマルテンサイトに変態するに必要な熱処理条件下にさ
らしてもマルテンサイトに変態しないＰＡ２の鋼合金部
からなっている。このように約３５Ｒｃないし４５Ｒｃ
の間の硬さを有する硬化しない鋼合金はｆｆ１ｌの鋼合
金部即ち焼き肌と第３の鋼合金部即ち穴部との間に挟ま
れ、また後者の二種類の鋼合金は５３Ｒｃないし６３Ｒ
ｃの硬さを有している。

ダイに穴部に隣接した第３の鋼合金部１５が存在するこ
の実施例では、ダイの寸法は、第４図に描かれた寸法と
、ｍ３の鋼合金部が存在すること及び第３の鋼合金部が
リング部材の厚み（１，７５インチ）（４，４４５セン
チ）の約１０パーセントの厚み即ち約０．１７５イン・
チ（０，４４５センチ）の厚みを有する他は同一である
。このように、ｆｊＳｉの鋼合金部は外周面Ｐから溝部
５を越えて、ダイの厚みの約２５パーセントまでの距離
延びていなければならなず、一方第３の鋼合金部はダイ
の穴ｇ３からダイの厚みの約１０パーセントまでの距離
延びていなければならず、第２の鋼合金部はダイの多く
の部分に延びている。この上うなダイはｆＰＪ５図に示
されている。

両実施例では、６部即ちｆｊＳ２の鋼合金部１１は第１
の鋼合金部あるいは第１の鋼合金部と第３の鋼合金部と
の合計よりも厚みで大さく、第２の鋼合金部はダイのリ
ング部材の厚みの大きな部分を占めている。

この発明の実施例では、さらに前記第２の鋼合金部は、
！＃１の鋼合金部あるいは第３の鋼合金部に対する熱処
理条件下においてマルテンサイトに変態しない鋼合金か
らなっており、さらに、前記ｔＩＳ１の鋼合金部あるい
は第３の鋼合金部を構成している鋼合金の熱膨張率より
も高い熱膨張率を有している。このように、熱処理され
たダイの冷却による第２の鋼合金部の体積収縮は高く、
ダイのｆｊ＆１の鋼合金部即ち焼き肌では残留圧縮応力
がさらに増大する結果となる１例えば、第１の鋼合金部
は熱膨張係数６，９Ｘ　１０／”　Ｆ　（室温度Ｚｏｏ
″Ｆ）を有する＾ｌ５Ｉ−５２１００あるいは熱膨張係
数６．６Ｘ　１０／　Ｆ（室温度ＺＯＯ″Ｆ）を有する
＾ｌ５Ｉ−Ａ　８から成っており、一方第２の鋼合金部
は熱膨張係数９．４Ｘ１０／”Ｆ（室温度２００″Ｆ）
を有する＾ｌ５Ｉ−３０４ステンレス鋼のような鋼合金
がらなっている。

この発明の複合鋼合金のピルが一ダイは周知の冶金技術
により製造される６ｍ械的な焼ばめでは熱処理及び動作
に耐えるに十分な結合力を生じないので、この製造で基
本的に必要なことは二つの合金を冶金結合することであ
る。また、工具用炭素鋼からステンレス鋼のような鋼に
炭素が拡散するような、二つの鋼合金間に生じる潜在的
な有害反応は結合面にニッケル層を用いることによって
阻止される。

この）ｌｌｒ規なダイの製造に対する知られた二つの方
法には、他の方法も利用できるが、熱間等静圧綿成形法
と熱間押出し法とがある。熱間等静圧圧縮成形法の場合
には、６部となる鋼合金部からなるアセンブリを焼き肌
となる鋼合金部に挿入する。

熱間靜圧圧縮成形法によって望ましい結合を生むために
、各鋼合金部間の境界面の各ｇｉＩ部であるダイの二側
面に対するシール溶接が、所要の圧力差を発生させるた
めに必要とされる。結合は二時間の間約２０００°Ｆ　
、　２００００ｐｓｉ（１４００Ｋｇ／ｒｆｉ＆）ガス
圧にアセンブリをさらすことによって、十分に達成され
る。熱間押出し法では、適当な寸法、量、及び形状であ
る各鋼合金部の部分からなっているビレットの２０００
°Ｆでの熱間押出しの間に、鋼合金部は互いに結合され
る。熱間押出しはビレットの断面積を相当に縮小させる
ための基本的な手段であるので、熱間押出し前のビレッ
トの全断面積と各鋼合金部の断面積とは断面積の縮小分
だけ大きくなければならない、熱間押出し前の加熱の間
、結合すべき境界面を汚染から保護するために、各境界
面の外縁をシール溶接するか、あるいはとレフト全体を
囲じよう容器中に真空封入することがたいてい必要であ
る。この工程は一連のｇＪｌ造工程で、早めに社なわれ
、そしてビルガーダイの半製品を最終寸法にするために
は鍛造のような標準的な工程を要する。

この発明のピルが一ダイは現存のダイと比較して溝部で
は高い残留圧縮力を有しており、ダイの十分に高い生産
性を与える。＊た、この上うなダイは、焼き肌を確保す
るために現在の指向性急冷法で用いられている絶縁処理
を必要としないので、熱処理がより簡単になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のビルが−ダイの概略斜視図、第２図
は第１図のダイの平面図、第３図は第２図で示されたダ
イの側面図、第４図は第２図の４−４線に沿う断面図、
第５図はこの発明のダイの他の実施例を第４図のものと
同様にして示した図である。 １．１′・・ダイ（リング状部材）、３・・穴部、５・
・溝部、　９・・第１の鋼合金部、　１１・・ＰｊＳ２
の調合Ｊｋ都、　１５・・第３の鋼合金部。 出願人　　ウエチングハウス・エレクトリツＦＩＧ、　
　１゜ ＦＩＧ、　　５゜ ＦＩＧ、　　２゜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 管を縮径するビルガー装置のダイであって、所定深さの
   実質的に円形の溝部を外周面に沿って有する回転可能な
   リング状部材からなり、前記溝部の横断方向の断面は前
   記外周面に沿った第１の点から前記外周面に沿った第２
   の点まで徐々に減少した実質的な円弧であり、前記リン
   グ状部材は、該リング状部材を軸で支持するための内部
   にある穴部を有し、前記リング状部材は、少なくとも二
   種類の鋼合金部、即ち所定の熱処理条件のもとでマルテ
   ンサイトに変態することによって硬化される焼入鋼合金
   からなり、前記外周面から前記溝部の所定深さより内側
   に、前記穴部から離れた点まで延びた第１の鋼合金部と
   、前記ダイの大部分を構成し、前記点から前記穴部まで
   延び、前記第１の鋼合金部を硬化させるために用いられ
   た前記熱処理条件にしたときにマルテンサイトに変態し
   ない材料の第２の鋼合金部とからなる、管を縮径するビ
   ルガー装置のダイ。