JPH0280182A - 粒子分散合金管の接合方法 - 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、粒子分散合金管の接合方法に関する。

特に粒子分散合金の長所である高温強度を損なうことな
く強固な接合を実現する粒子分散合金管の接合方法に関
する。

（従来の技術） 金属材料は、高温において強度が低下する。これを克服
し高温強度を改善するため様々な合金の研究が行われて
いる。この結果、ある種のオーステナイト系ステンレス
鋼やフェライト系高合金鋼において、高温強度の優れた
材料が開発され、多く実用化されている。しかし、産業
・技術分野の高度化に従って、より高温でしかも苛酷な
状態でも使用できる耐熱材料への要求が高まっている。

特に、航空機エンジン・ガスタービン・新型原子炉など
では、設計温度の高温化がエネルギー効率の向上につな
がるため、高温材料に対する期待が大きい。

そこで合金のマトリックスに、微粒子を分散させて、高
温での強度向上をねらった粒子分散合金が有望な材料の
一つとして登場した。特公昭６〇−８２９６号公報の提
案する粒子分散型合金はその−例である、この公報の提
案する合金は、イントリア等の酸化物を均一に分散させ
ることによって得られ、オーステナイト系ステンレス鋼
（ＳＵＳ３１６）に比べ、かなり高い高温クリープ強度
を実現している。

（発明が解決しようとする課Ｍ） 高温強度の優れた粒子分散合金を機器の構成材料として
使用しても、接合部分の強度が劣っていたのでは材料の
特性を十分に生かすことはできない。従って粒子分散合
金の場合、特に溶接・接合方法が問題となる。

粒子分散合金にも従来の溶接法（たとえばＴＩＧ溶接）
の適用が可能である。しかし、溶接熱影響部（以下ＨＡ
Ｚという）の高温強度が母材に比べ、低下することは避
けられない、　ＨＡＺの中でも特に、溶接熱サイクルに
より融点直下にまで加熱された領域では加熱時に母材中
に均一に分散していた微粒子が凝集粗大化する。）ＩＡ
Ｚでの高温強度の低下は、この微粒子の凝集粗大化によ
るものと考えられる。従って、粒子分散合金においては
、通常の溶融溶接によって母材と同等の高温強度をもつ
接合部を得ることは極めて困難である。

そこで本発明の目的は、フェライト系粒子分散合金の高
温強度を損なうことのない強固な粒子分散合金管の接合
方法を提供することである。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは以上の目的を達成すべ（実験・研究を重ね
るうちに次のような着想を得た。

粒子分散合金の特徴である高温強度を損なわないために
は、分散微粒子の凝集が始まる温度以上の高温にまで合
金を加熱しないことが重要である。

従って通常の溶融溶接のように、材料の融点以上にまで
加熱することなく、非溶融状態で加熱接合する方法が望
ましい。このように母材の融点よりも低い温度で接合す
る方法を非溶融接合と定義すれば、この非熔融接合を粒
子分散合金管において実現する方法を採用する必要があ
る。

そこで本発明者らは、いわゆる液相拡散接合法を利用す
る事に気付いた。この接合法は接合界面に融点降下元素
を有する層を置き、中間層の熔融温度まで加熱する。こ
うして中間層のみを溶融させる。中間層内の融点降下元
素が母材側に拡散するのに伴い中間層の融点が上昇し凝
固する。こうして接合が完了する。

そこで本発明者らは、さらに研究を続はフェライト系の
粒子分散合金に対して、液相拡散接合法の適用可能性を
確認するとともに適用の条件を明らかにした。特に接合
に必要な接合界面への加圧力（約０．１　ｋｇｆ／■−
２以上）を得るため、オーステナイト系の材料を介在さ
せて、熱膨張差を与え、これによって生ずる熱応力を利
用する方法を開発し、本発明を完成した。

こうして本発明の要旨とするところは、フェライト系の
粒子分散合金管の内部にオーステナイト系材料から成る
丸棒または管を挿入して、合金管内面と丸棒外面または
管外面との間に融点降下元素を含有する中間層を、中間
層と管内面および中間層と丸棒または管の外面の間のす
きまの合計が合金管の内径の５％以下となるように配置
した後、中間層の融点以上で１２００℃以下の温度に加
熱保持して、合金管の内面と丸棒または管の外面を接合
する・ことを特徴とする粒子分散合金管の接合方法であ
る。

この際、加熱接合前に管外面を機械的に加圧して管径を
減少させることが好ましい。

（作用） 本発明の詳細な説明を始める前にまず、本発明における
合金管・丸棒・管・中間層の配置について説明してお（
。

第１図は、本発明による粒子分散合金管の接合原理を示
したもので、ｆａ）は加熱接合前の接合部の側断面図、
山）はその横断面図である。フェライト系粒子分散合金
管ｌの内部に丸棒または管２が挿入され、合金管１と丸
棒または管２の間に中間層３が介在している。中間層と
合金管ｌの内面、および丸棒または管２の外面の間の径
方向への隙間をそれぞれＣ１、Ｃ２とおくと、隙間の合
計（全クリアランス）は、Ｃ＋＋ＣＺで与えられる。さ
らに中間層３の厚さをｔ、とおくと、合金管１の内面と
丸棒２の外面の間の径方向への隙間はＣ，＋Ｃ，＋　ｔ
、である。

次に上に述べた本発明の方法における各限定理由および
作用について順を追って説明する。

２ニオ−ステナイト系 オーステナイト系材料とは、常温において面心立方構造
からなるいわゆるオーステナイト相のみの組織を存する
もので、具体的にはオーステナイト系ステンレス鋼また
はＮｉ基合金などがある。これらオーステナイト系材料
は、粒子分散合金管１を構成するフェライト系材料に比
べ、熱膨張率が大きい。たとえば、オーステナイト系の
５ＵＳ３０４とフェライト系５ＵＳ４０５の線膨張係数
を比べるとそれぞれ１．７　Ｘｌ０−’に一’、　１．
１　Ｘｌ０−’に一’であり、オーステナイト系ＳＯ５
３０４はフェライト系ＳＯ５４０５の約１．５倍となっ
ている。この丸棒または管２の材質としてオーステナイ
ト系と限定したのはこの両者の熱膨張差に起因する熱応
力を接合に必要な接合界面への加圧力に利用するためで
ある。従って、この丸棒または管２にオーステナイト系
粒子分散合金を用いても良い。

中間層３ 液相拡散接合法を行うためには融点降下元素を含んだ中
間層３が必要である。融点降下元素としては、拡散速度
の大きい元素が好ましい。具体的には、Ｐ、Ｂ等が挙げ
られる。ＰやＢの添加量としては、１〜５％程度、好ま
しくは１〜３％とする。中間Ｎ３の配置の方法としては
融点降下元素を含んだ金属箔を丸棒に巻き付けてインサ
ート材として用いるか、被接合材の接合面に、メツキ、
原着、イオン注入等の方法により予めＰ、Ｂ等をコーテ
ィングして中間層を形成させておく方法がある。

中間層３の厚さｔｏとしては０．０１μ蒙以上２００μ
ｍ以下が望ましい。中間層がこれより薄いと接合性の向
上には寄与できず、また厚過ぎると加熱接合時の融点降
下元素の拡散に長時間を有するため実用的でない。

１人部のクリアランス 合金管１、中間層３、丸棒または管２間の接合加熱前の
すき間（クリアランス）Ｃ＋＋Ｃｚは、合金管内径の５
％以下好ましくは３％以下とする。クリアランスをこの
ように限定するのは、クリアランスが大きすぎると、た
とえ管と丸棒の間に熱膨張差があっても、熱応力が発生
せずに、接合界面の加圧力が確保できないためである。

また、クリアランスは、中間層の配置の可能なかぎりゼ
ロに近くても良いため下限値は特に限定しない。

穆イ票支叉 中朋層３の融点以上で１２００℃以下とするが融点降下
元素の量によって異なるので９００〜１１００℃程度が
好ましい。この範囲より低温では液相拡散接合は不可能
であり、一方、温度が高すぎると、母材の性能（高温強
度）を損なうからである。

援企■■嵐皿■工 接合加熱時の熱膨張差による熱応力を大きくするには、
接合前に管外面を機械的に加圧して管径を減少させるこ
とにより、クリアランスを小さくしてから接合すること
が有効であり、接合強度の向上には望ましい。

加工度が大きすぎる場合、管が偏平になったり、割れた
りする可能性があるため、管外径の減少率で５％以下と
する。

（実施例） 次に本発明の実施例について詳しく説明する。

度金体構虞撚 まず始めに、本発明の方法による管の接合体の構成例に
ついて説明する。

第２図は、本発明により２本の粒子分散合金管ｌを、第
３図に示すオーステナイト系ステンレス鋼の丸棒２を介
して結合した接合体の製作例を示す。直径ｄ　、　（ｍ
ｍ）を有する丸棒２の両端を機械加工によりＪ径ｄ　ｚ
　（ｍｍ）に削り、中間層３として融点降下元素として
１．５％Ｂを含む金属薄帯（１９％Ｃｒ　−７，５％Ｓ
ｉ−残りＮｉ）を所定厚に巻回した後、丸棒２の両端を
合金管１にそれぞれ挿入し加熱して接合体を得る。この
場合、丸棒２の径ｄ！は合金管ｌの内径と薄帯厚さ、設
定クリアランス値に合せて選択し、ｄｌはｄ！＋３１１
ＩＩとした。また第３図ｔａ＋の１１．１２は例えば Ｎｉ　　＝　　３０＋＊ｍ １ｇ　　＝　　ｌＱｍｍ とする。

一方、第４図は合金管１の端部に丸棒２で栓をして得ら
れる接合体の構成例を示す、接合部の構成は第２図の場
合と同様である。

援査甚生斑 第５図に示す接合体（クリープ試験片）を本発明の方法
および比較法による種々の条件で製作し、性能を比較し
た。即ち管・丸棒・中間層の寸法・材質および加熱接合
条件を本発明の範囲内および範囲外において種々に変化
させ、高温接合強度（クリープ破断時間）を比較した。

第５図は、接合後の状態を示したもので、図の接合体は
、合金管ｌの両端に第４図と同様に端部に段差部を機械
加工した１対の丸棒２を接合して得られるものである。

参照符号４は中間層の溶融・拡散・凝固により得られた
接合界面を模式的に示す、第５図における各寸法は次の
とおりである。

Ａｘ　　＝　　４Ｏｎ＋ｍ ７！ａ　　＝　　２０１＋ｗ ’ｓ　　＝　　１０ｍｍ １．エ　８０＋ｗｍ なお、丸棒２の１４の部分の外周面にはクリープ破断試
験用のネジを刻設する。

試験片は、本発明の範囲内および範囲外において条件を
種々に変化させて製作した０次の第１表は、本発明によ
る例Ａ１〜Ａ１５および比較例８１〜Ｂ６の寸法・材質
・加熱温度等の条件とクリープ破断時間をまとめたもの
である。

第１表において ＩＨ：　　高周波誘導加熱 Ｆ：　熱処理炉への装入加熱 （Ｊ＋＋旧管外径を３％減少させる 冷間加工後、高周波誘導加熱 Ｖ　：　　１Ｏ−３Ｔｏｒｒの高真空 Ａｒ：　　９９．９％のＡ「雰囲気 ＮＢ：　　接合不良 である。

これらの例Ａｌ−Ａ１５　、Ｂ１−８２における合金管
１の材質はいづれもフェライト系粒子分散合金０ＤＳ１
である。丸棒２の材質は第１表中に示されている。

次の第２表はこれらの材質の組成を示す。

また中間層として薄帯インサートを用いる場合は、重量
％でＣｒを１９％、Ｓｉを７，５％、Ｂを１．５％、残
りをＮｉとする厚さ５０μ−または３００　μ曽、幅１
０１の薄帯を第２図の場合と同様にして丸棒２の外周に
巻き、合金管１内に入れて配置した。

また、中間層の形成方法としては、薄帯インサート法の
他に、 ■丸棒外周に幅１０＃＠の領域に、Ｂを蒸着後、Ｎｅイ
オンを加速電圧３０ｋＶ、ビーム電流３０ｍＡにて、イ
オン注入するイオン注入法、（Ａ１３）、■硫酸ニッケ
ル＋亜リン酸溶液中にて、丸棒外周に輻１０−の領域に
電流密度３　Ｘ　１０’　（Ａ／ｄａ”）にて、電気メ
ツキを行いＰ富化層を得るＰメツキ法（Ａ１２） を用いた。

加熱条件は第１表に示されている通りである。

即ち、１０−　’Ｔｏｒｒの高真空（Ｖ）または９９．
９％のＡｒ雰囲気（Ａｒ）にて１０００〜１３００℃の
一定温度に５分間保持後、空冷した。加熱方式は、管を
直接誘導加熱する方式（Ｉｌｌ）または熱処理炉方式（
Ｆ）とした、なおＡ１４の試験片には、加熱前に管外径
を３％減少させる冷間加工を加えた。

高温接合強度の評価は負荷応力１５　ｋｇｆ／ｍｓ”で
のクリープ破断試験によって行った。破断試験は丸棒外
周に刻設されたネジを利用して管の長手方向に引張荷重
を加えて行った。

この実験の結果は第１表に示されている。これから分か
るように本発明による接合例＾１〜へ１５では母材とほ
ぼ同等のクリープ強度が得られている。

しかし比較例８１〜Ｂ６では、傘で示すように、合金管
の内側に入れる丸棒にフェライト系ステンレス鋼を用い
たり、中間層を用いなかったり、また、クリアランスが
大きすぎたり、接合温度が低すぎたり大きすぎたりする
。このため比較例では良好な接合は得られず、接合して
もクリープ強度は極端に低い。

（発明の効果） 本発明法は以上のように、融点降下元素を含有する中間
層を合金管と丸棒または管との間に介在させて液相拡散
接合法を利用するとともに、各部材の材質・寸法および
加熱温度等を最適範囲に規定し、挿入丸棒または管の熱
膨張差を接合に利用している。従って本発明によれば高
温強度（クリープ特性）の優れた粒子分散合金の接合部
が得られ、接合強度・気密性が必要な場合の管の接合に
利用可能である。本発明は、例えば核燃料用の被覆管の
端栓接合や二本継ぎ接合にも利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理を示すもので、（ａｌは、管接
合部分の同図（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面図、山）は同
図１ａｌのＢ−ＢＭに沿う横断面図；第２図は、本発明
の接合部構成例を示すもので、（ａｌは接合部の同図（
ｂｌのＡ−Ａ線に沿う断面図、山ンは同図ｔａ＋のＢ−
Ｂ線断面図； 第３図は、第２図の接合に用いられる丸棒を示すもので
、（ａｌは正面図、（ｂｌは端面図；第４図は、本発明
の他の接合部構成例を示す図であって、ｆａ＋は同図山
）のＡ−Ａ！６１断面図、（′ｂ）は同図ｆａｔのＢ−
Ｂ線断面図；および 第５図は、本発明例および比較例の接合強度実験に用い
た試験片を模式的に示すもので、＋ａｌは部分破断図、
（ｂ）は同図（ｂｌのＢ−ＢｖＡに沿う横断面図である
。 １：　粒子分散合金管 ２：　丸棒 ３：　中間層 ４：　接合界面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）フェライト系の粒子分散合金管の内部にオーステ
   ナイト系材料から成る丸棒または管を挿入して、合金管
   内面と丸棒外面または管外面との間に融点降下元素を含
   有する中間層を、該中間層と合金管内面及び中間層と丸
   棒または管の外面の間のすきまの合計が合金管の内径の
   ５％以下となるように配置した後、前記中間層の融点以
   上で１２００℃以下の温度に加熱保持して、合金管の内
   面と丸棒または管の外面を接合することを特徴とする粒
   子分散合金管の接合方法。
2. （２）加熱接合前に管外面を機械的に加圧して管径を減
   少させる請求項１記載の粒子分散合金管の接合方法。