(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インゴットのβ相成形処理により得られた初期ビレットから２元ジルコニウム合金の管状製品を製造する方法であって、次の工程：
初期ビレットがα相にある間にこれを型成形して、断面積Ｓbilletを有する管状ビレットを成形する工程、
前記管状ビレットから断面積Ｓtubeを有する第１の中間の管をロール成形して、μ＜２．０（式中、μ＝Ｓbillet／Ｓtubeである。）とする工程、
前記第１の中間の管がα相にある間にこれを焼きなましする工程、及び、
前記第１の中間の管を少なくとももう一度ロール成形し、焼きなましして、最終断面積Ｓready tubeを有する中間の管製品を作製し、μΣ＜５０（式中、μΣ＝Ｓbillet／Ｓready tubeである。）とする工程、
を含む、前記製造方法。
【請求項２】
インゴットのβ相成形処理により得られた、少なくともさらに２成分を有するジルコニウムの合金の初期ビレットから、多元ジルコニウム合金の管状製品を製造する方法であって、次の工程：
初期ビレットがα相または（α＋β）相にある間にこれを型成形して、断面積Ｓbilletを有する管状ビレットを成形する工程、
中間の（α＋β）相からβ相への合金の相変態温度を３０〜６０℃超える温度で、前記管状ビレットを焼き入れする工程、
前記管状ビレットが焼き入れされた後にこれを機械加工し、次いで該管状ビレットがα相にある間にこれを焼き戻しする工程、
前記管状ビレットから断面積Ｓtubeを有する第１の中間の管をロール成形して、μ＜２．０（式中、μ＝Ｓbillet／Ｓtubeである。）とする工程、
前記第１の中間の管がα相にある間にこれを焼きなましする工程、及び、
前記第１の中間の管を少なくとももう一度ロール成形し、焼きなましして、最終断面積Ｓready tubeを有する中間の管製品を作製し、μΣ＜５０（式中、μΣ＝Ｓbillet／Ｓready tubeである。）とする工程、
を含む、前記製造方法。
【請求項３】
インゴットのβ相成形処理により得られた初期ビレットから２元ジルコニウム合金の管状製品を製造する方法であって、次の工程：
初期ビレットがα相または（α＋β）相にある間にこれを型成形して、断面積Ｓbilletを有する管状ビレットを成形する工程、
中間の（α＋β）相からβ相への合金の相変態温度を３０〜６０℃超える温度で、前記管状ビレットを焼き入れする工程、
前記管状ビレットが焼き入れされた後にこれを機械加工し、次いで該管状ビレットがα相にある間にこれを焼き戻しする工程、
前記管状ビレットから断面積Ｓtubeを有する第１の中間の管をロール成形して、μ＜２．０（式中、μ＝Ｓbillet／Ｓtubeである。）とする工程、
前記第１の中間の管がα相にある間にこれを焼きなましする工程、及び、
前記第１の中間の管を少なくとももう一度ロール成形し、焼きなましして、最終断面積Ｓready tubeを有する中間の管製品を作製し、μΣ＜５０（式中、μΣ＝Ｓbillet／Ｓready tubeである。）とする工程、
を含む、前記製造方法。
【請求項４】
インゴットのβ相成形処理により得られた初期ビレットから２元ジルコニウム合金の管状製品を製造する方法であって、次の工程：
初期ビレットがα相にある間にこれを型成形して、断面積Ｓbilletを有する管状ビレットを成形する工程、
前記管状ビレットから断面積Ｓtubeを有する第１の中間の管をロール成形して、μ＜２．０（式中、μ＝Ｓbillet／Ｓtubeである。）とする工程、
前記第１の中間の管がα相にある間にこれを焼きなましする工程、及び、
前記第１の中間の管を少なくとももう一度ロール成形し、焼きなましして、最終断面積Ｓready tubeを有する最終の管製品を作製し、μΣ＞１００（式中、μΣ＝Ｓbillet／Ｓready tubeである。）とする工程、
を含む、前記製造方法。
【請求項５】
インゴットのβ相成形処理により得られた、少なくともさらに２成分を有するジルコニウムの合金の初期ビレットから、多元ジルコニウム合金の管状製品を製造する方法であって、次の工程：
初期ビレットがα相または（α＋β）相にある間にこれを型成形して、断面積Ｓbilletを有する管状ビレットを成形する工程、
中間の（α＋β）相からβ相への合金の相変態温度を３０〜６０℃超える温度で、前記管状ビレットを焼き入れする工程、
前記管状ビレットが焼き入れされた後にこれを機械加工し、次いで該管状ビレットがα相にある間にこれを焼き戻しする工程、
前記管状ビレットから断面積Ｓtubeを有する第１の中間の管をロール成形して、μ＜２．０（式中、μ＝Ｓbillet／Ｓtubeである。）とする工程、
前記第１の中間の管がα相にある間にこれを焼きなましする工程、及び、
前記第１の中間の管を少なくとももう一度ロール成形し、焼きなましして、最終断面積Ｓready tubeを有する最終の管製品を作製し、μΣ＞１００（式中、μΣ＝Ｓbillet／Ｓready tubeである。）とする工程、
を含む、前記製造方法。
【請求項６】
インゴットのβ相成形処理により得られた初期ビレットから２元ジルコニウム合金の管状製品を製造する方法であって、次の工程：
初期ビレットがα相または（α＋β）相にある間にこれを型成形して、断面積Ｓbilletを有する管状ビレットを成形する工程、
中間の（α＋β）相からβ相への合金の相変態温度を３０〜６０℃超える温度で、前記管状ビレットを焼き入れする工程、
前記管状ビレットが焼き入れされた後にこれを機械加工し、次いで該管状ビレットがα相にある間にこれを焼き戻しする工程、
前記管状ビレットから断面積Ｓtubeを有する第１の中間の管をロール成形して、μ＜２．０（式中、μ＝Ｓbillet／Ｓtubeである。）とする工程、
前記第１の中間の管がα相にある間にこれを焼きなましする工程、及び、
前記第１の中間の管を少なくとももう一度ロール成形し、焼きなましして、最終断面積Ｓready tubeを有する最終の管製品を作製し、μΣ＞１００（式中、μΣ＝Ｓbillet／Ｓready tubeである。）とする工程、
を含む、前記製造方法。
【発明の詳細な説明】
発明の属する技術分野
本発明は、冶金技術、ロール加工技術の分野に係わり、特にジルコニウム合金の中間及び最終製品を製造する技術に関するものである。
発明の背景
従来のジルコニウム合金製品の製造方法としては、ビレットの熱間成形、予備冷間成形及び3〜4時間の恒温間隔により560〜590℃で行う真空焼きなまし、最終的な加工度が17〜31％となるような冷間ロール加工、及びそれに続く5〜7時間の恒温間隔により560〜585℃で行う最終真空焼きなましという工程を含んでいるものが知られている（ＲU特許No.2037555、C22F/18、1995参照)。
また、本出願に最も関係する技術としては、インゴットの製造、インゴットの予備β処理、α相ジルコニウムが存在する温度での熱間型成形によるビレットの製造、380〜650℃でのビレットの焼きなまし、ビレットの冷間成形とα相ジルコニウムが存在する温度での中間焼きなましとの繰り返し、及び完成品(最終製品)を得るための仕上げ、という工程順序を含んだものが存在する。（米国特許No.4649023、Cl.C22C16/00、1987参照)。
さらに上記従来技術の他に、以下の特徴を持った技術も知られている。
−インゴットの熱間型成形前に行われるβ処理の後に、ビレットは380〜650℃の温度で焼きなましされる。
−ビレットの熱間型成形後に行われる焼きなましの前に、ビレットは920〜1070℃の温度で焼き入れされる。上記焼きなましは380〜520℃の温度で行われる。
−上記焼入れは、60〜1000℃/sの冷却速度で行われる（RU Patent No.2032760、C22F1/18、1995参照)。
一方、高い機械的性質と幾何学的寸法精度を持つよう特別に作られた厚肉の管状中間製品を冷間ロール加工して最終寸法のジルコニウム合金管を製造することは広く知られている。上記中間製品は、海外文献(E.Ross Bradley,George P.Sabol共著「Zirconium in the Nuclear」:第11回国際シンポジュウムASTM Publication Coode Number(PCN):04−012950−04 ASTM 100 Barr Harbor Drive West Conshohocken,PA19428−2959参照）においてSUPER−TREXまたはTREXと呼ばれている。最も一般的な中間製品の幾何学的寸法は、63.5×10.9ｍｍ及び44.5×7.62mmである。
この63.5×10.9ｍｍ及び44.5×7.62mmの中間製品を使ってジルコニウム合金製２重管を製造する方法も知られている（FR Patent No.2584097、C22F1/18:C22 16/00、1987参照)。この方法では、１回の冷間ロール加工での加工度を５１％にして初めて高品質の２重管を製造できるもので、加工度80％では多くのクラックが発生してしまう。
発明の概要
本発明は、製品材料の連続性を阻害することない、つまり製品の軸方向においても径方向においても均質な金属組織を得る、成形条件の設定によってジルコニウム合金製品の品質を改善するとという課題を解決するものである。また、初期ビレット寸法を大きく設定可能にすることによる生産面の技術的及び経済的要素を改善し、さらに管状中間製品の品質を改善する課題をも解決するものである。
この狙いは、2元ジルコニウム合金から成る最終寸法管及びSUPER−TREX、TREXタイプの管状中間製品を製造するため、従来の工程に以下の工程を加えることによって達成される。
−インゴットを製造する
−初期ビレットの製造前に、インゴットをβ相での予備成形処理を行う
−α相ジルコニアが存在する温度で初期ビレットを熱間型成形し管状ビレットを製造する
−管状ビレットの冷間成形とα相ジルコニアが存在する温度での中間焼きなましを繰り返す
−完成品を得るためビレットの仕上げを行う
上記冷間成形は、最終寸法管の製造に対しては、総減少値をμΣ>100、あるいはSUPER−TREX、TREXタイプの管状中間製品の製造に対してはμΣ<50で行われる。また、初回における管のロール加工においてはμ<2.0とされ、管の最終焼きなましはα相ジルコニウムの存在する温度で行われる。
尚、上記減少値μ＝Ｓbillet/Ｓtubeであり、Ｓbilletはロール加工前のビレットの断面積、Ｓtubeはロール加工後の管の断面積である。また、μΣ＝Ｓinit.billet/Ｓready.tubeであり、Ｓinit.billetは初めてロール加工される（全くロール加工されていない）ビレットの断面積、Ｓready.tubeは最終ロール成形後の完成管の断面積である。
一方、多元ジルコニウム合金や２元ジルコニウム合金から成る最終寸法管またはSUPER−TREX、TREXタイプの中間製品を製造する際、品質改善した、（つまり管のいかなる部分においても水素酸化物の配向がFn<0.3であること、安定した金属組織であること等の要件を満足する）製品を得ることが必要な場合には、上記した工程に加え、α相または(α＋β)相ジルコニウムの存在する温度で熱間型成形した管状ビレットを、(α＋β)相ジルコニウムからβ相ジルコニウムへの相変態温度を30〜60℃超える温度で焼き入れすると共に、この焼き入れされたビレットを機械加工した後にα相ジルコニウムの存在する温度で焼き戻しすればよい。
本発明方法では従来技術より高い金属延性を確保できるようにしているので、総減少値がμΣ>100となるよう管の冷間ロール加工を行うことが可能となり、この際にも軸及び径方向において均質な組織を持った完成品を得ることができる。つまり、初回のロール加工による減少値を上記した限定値としているので、冷間ロール圧延機による成形で生じるせん断応力を、上記熱処理によってジルコニウム合金に生じる引張り応力より充分小さく押さえることができるので、多元合金やより延性のある２元合金のいずれに対しても連続性を阻害することなく合金の成形を行うことが可能となる。初回ロール加工及びその次に行われる焼き入れ後には合金の延性が増しているため、それに続くロール加工の際上記減少値を増加することができるのである。
尚、SUPER−TREX、TREXタイプの管状中間製品を製造する場合には、冷間ロール加工による総減少値はμΣ<50とされる。これは、最終寸法管では5〜８回の冷間ロール加工が行なわれるのに対し、中間製品は通常１〜３回の冷間ロール加工で製造されること、及び初回の冷間ロール加工での減少値がμ<2.0とされていることを考慮したものである。
また、管状ビレットを熱間型成形後、(α＋β)相ジルコニウムからβ相ジルコニウムへの相変態温度を30〜60℃超える温度で焼き入れすると共に、この焼き入れされたビレットを機械加工後、α相ジルコニウムの存在する温度で焼き戻ししすることによって、合金の完全な再結晶化が行われ、微粒子化(粒径0.16〜0.22mm)したマクロ組織を持ち、飽和固溶体の状態で添加物と合金成分とが凝固し金属間化合物及び添加物相が最大分散したマルテンサイト組織への変態が誘起される（第１図参照)。上記熱処理は、従来の方法に比し、初回の冷間ロール加工の際合金に2倍の延性を与えることができ（表１参照)、さらに、初回の冷間ロール加工における減少値を上記値に限定することと組み合わせれば、ミクロ及びマクロ欠陥を生じることなく冷間成形を行うことが可能となる(第2図参照)。その上、上述した成形及び熱処理により、プレス加工(型成形：押出しプレス等)されたビレットの軸方向及び径方向において均質な金属組織とすることができる(第４図参照)。これに対し、従来方法では、最終寸法の管が製造されるまで継続的に行われる特異なダイレクトプレス方法である(I.L.Perlin、L.H.Reitbarg、「Theory of Metal Pressing」Moscow. Metallurgy、1975、p.350参照）ため、プレス加工されたビレットは軸方向及び径方向において不均質な金属組織となっている（第3図参照)。
尚、本発明では焼き入れされた管状ビレットを機械加工するようにしているので、焼き入れ後ガス雰囲気にさらされることにより酸化された表面層を取り除くことができ、同時に熱間型成形の過程で生じたビレット内外面の欠陥も取り除くことができる。このビレット表面の品質改善によって、金属の延性低下を回避でき（G.V.Filimonov、Nikishov「Pilgering of Zirconium Tubes」Moscow. Metallurgy、1988、p.26参照)、その後の冷間成形の際表面欠陥によって連続性が損なわれることもない。
【図面の簡単な説明】
本発明は、以下の図によって説明される。
第1図は、本発明による焼き入れ、機械加工、及び焼き戻した後の、Zr-1.0Nb-1.5Sn-0.4Fe合金管のマクロ組織を示す。
第2図は、本発明による初回ロール加工及び焼きなましをした後の、Zr-1.0Nb-1.5Sn-0.4Fe合金管のマクロ及びミクロ組織を示す。
第3図は、従来の方法でのプレス加工及び焼きなましを行った後の、Zr-1.0Nb合金管のミクロ組織を示す。
第4図は、本発明によるプレス加工、焼き入れ、機械加工、及び焼き戻しを行った後の、Zr-1.0Nb合金管のミクロ組織を示す。
発明の実施形態
例１．Zr-1.0Nbジルコニウム合金からなるTREXタイプ管状中間製品の製造。
インゴットは、鍛造ハンマによってβ相ジルコニウムの存在する温度で熱間成形処理されたビレットに成形される。機械加工後、ビレットは580〜650℃の温度範囲で熱間プレスされ管状スリーブに成形される。成形されたスリーブは、総減少値μΣ＝30の管状中間製品に成形するため、３段階の冷間ロール圧延機で冷間成形される。この初回ロール加工での減少値はμ＝1.9とされる。上記中間製品に関する中間及び最終熱処理は560〜600℃の温度範囲で行われる。
例２．Zr-1.0Nbジルコニウム合金管の製造。
インゴットは、スクリュウロール圧延機によってβ相ジルコニウムの存在する温度で熱間成形処理されビレットに成形される。機械加工後、ビレットは580〜650℃の温度範囲で熱間プレスされ管状スリーブに成形される。成形されたスリーブは、910〜940℃の温度で焼き入れされ、機械加工及びその後に560〜580℃の温度で焼き戻しが行われる。焼き戻しされたビレットには、総減少値μΣ＝313の最終寸法管に成形するため、中間熱処理を介在させながら、６段階の冷間成形が行われる。この初回のロール加工の減少値はμ＝1.9とされる。上記最終寸法管に関する中間及び最終熱処理は560〜600℃の温度範囲で行われる。
例３．Zr-1.0Nb-1.5Sn-0.4Feジルコニウム合金からなるTREXタイプ管状中間製品の製造。
インゴットは、スクリュウロール圧延機によってβ相ジルコニウムの存在する温度で熱間成形処理されビレットに成形される。機械加工後、ビレットは600〜650℃の温度範囲で熱間プレスされ管状スリーブに成形される。成形されたスリーブは、930〜960℃の温度で焼き入れされ、機械加工及びその後に560〜600℃の温度で焼き戻しが行われる。焼き戻しされたビットは、総減少値μΣ＝20の管状中間製品に成形するため、２段階の冷間ロール圧延機で冷間成形される。この初回のロール加工での減少値はμ＝1.75とされる。上記中間製品に関する中間及び最終熱処理は540〜600℃の温度範囲で行われる。
例４．Zr-1.0Nb-1.5Sn-0.4Feジルコニウム合金管の製造。
インゴットは、スクリュウロール圧延機によってβ相ジルコニウムの存在する温度で熱間成形処理されビレットに成形される。機械加工後、ビレットは650〜750℃の温度範囲で熱間プレスされ管状スリーブに成形される。成形されたスリーブは、930〜960℃の温度で焼き入れされ、機械加工及びその後に580〜600℃の温度で焼き戻しが行われる。焼き戻しされたビレットは、総減少値μΣ＝165の最終寸法管に成形するため、５段階の冷間成形が行われる。この初回のロール加工での減少値はμ＝1.75とされる。上記製品に関する中間及び最終熱処理は540〜620℃の温度範囲で行われる。
産業への適用可能性
上述した本発明方法による管の製造例と従来方法による同種製品の製造例とを比較すれは、本発明方法が多元合金や２元合金製品の製造を欠陥なくより高品質で行えることが判る。その上本発明方法は従来方法と異なり、２元合金から多元合金までの相違するジルコニウム合金製品の製造を可能にするものである。本発明方法は、従来方法と比し幅広い範囲の製品に適用可能であり、これは、管の冷間ロール加工の総減少値が従来方法ではμΣ<50であるのに対し、本発明によればμΣ＝313にまですることができることからも明らかである。
現在本発明方法を適用したジルコニウム合金の最終製品及び中間製品の実験的製造テストがジョイントストック社（Joint Stock Compamy）の“Chepetsky Mechanical”プラントで行われている。
0003707799.tif 000002
【図１】
0003707799.tif 000003
【図２】
0003707799.tif 000004
【図３】
0003707799.tif 000005
【図４】
0003707799.tif 000006