(57)【要約】【課題】金属ベローズが伸縮を繰り返し行なうとしても、亀裂が入ったり破断したりしてしまうことを防止し、長期に渡り信頼性の高い金属ベローズを製造する方法を提供する。【解決手段】板状ベローズ素材Ｔの端部同士間を互いに溶接する前に、光輝焼鈍処理を行ない、その後に端部同士を溶接するようにした。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷間加工により薄板状に圧延され、後に中央に開口が形成される板状ベローズ素材の隣接する内径端部同士および外径端部同士を互いに溶接することにより、蛇腹状に一体化する金属ベローズの製造方法であって、
前記板状ベローズ素材の端部同士間を互いに溶接する前に、光輝焼鈍処理を行ない、その後に端部同士を溶接することを特徴とする金属ベローズの製造方法。
【請求項２】
前記板状ベローズ素材は、オーステナイト系ステンレスから形成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属ベローズの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属ベローズの製造方法に関し、詳しくは複数の板体が溶接により伸縮自在の蛇腹状に一体化される金属ベローズの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、金属ベローズは、柔軟性、密封性などを必要とする半導体製造装置、バルブ、配管継手、カプラ−など、幅広い分野で使用されている。また、この金属ベローズは、一方の取り付け部に力がかかってもそのひずみを吸収して他端に加えることがないという利点がある。
【０００３】
このような金属ベローズは、繰り返し伸縮されるため、その材質としては、適宜な強度と適宜な結晶粒度を備えたものが要求されており、例えば、ステンレス鋼などの耐食性金属材料から形成されている。
図４に示した金属ベローズ１は、６枚のベローズ素材Ｔ１〜Ｔ６と両端部のフランジ部材Ｆ、Ｆとにより伸縮自在に形成されている。そして、これらのベローズ素材Ｔは、予め冷間加工により圧延された冷延鋼材から形成されている。
【０００４】
金属ベローズ１を製造するには、先ず、冷間加工により圧延された板材から、図５に示したような円盤状のベローズ素材Ｔがプレス型により打ち抜かれる。
そして、円盤状に打ち抜かれたベローズ素材Ｔは、次の工程で、内径端部同士および外径端部同士が互いに溶接され、最外方にフランジ部材Ｆ，Ｆが溶接され、製品とされる。なお、図４において、符号Ｒは、内径端部および外径端部同士の溶接部を示したものである。
【０００５】
このように冷間圧延され、板状に延ばされた板材には、内部に引張方向の残留応力が存在していることが知られている（例えば、特開昭６２−１３７１２１号公報参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、引っ張り方向の残留応力が内在したベローズ素材Ｔを用いて、金属ベローズ１を形成した場合には、以下のような問題が発生する。
すなわち、金属ベローズ１を図６に示したように、外方向に引き伸ばすと、この外力Ｂ，Ｂ'とベローズ素材Ｔ内に存在する引っ張り方向の残留応力Ｃ，Ｃ'との相乗効果により、ベローズ素材Ｔは、破断する方向に力を受けることになる。その結果、例えば、溶接部Ｒの熱影響部の一部に亀裂が入ったり、ベローズ素材Ｔの途中、例えば、力が作用する中間点であるＥ点が破断したりして、金属ベローズ１の寿命が短くなるという問題があった。
【０００７】
本発明はこのような実状に鑑み、金属ベローズが伸縮を繰り返し行なうとしても、亀裂が入ったり破断したりしてしまうことを防止し、長期に渡り信頼性の高い金属ベローズ提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための、本発明に係る金属ベローズの製造方法は、
冷間加工により薄板状に圧延され、後に中央に開口が形成される板状ベローズ素材の隣接する内径端部同士および外径端部同士を互いに溶接することにより、蛇腹状に一体化する金属ベローズの製造方法であって、
前記板状ベローズ素材の端部同士間を互いに溶接する前に、光輝焼鈍処理を行ない、その後に端部同士を溶接することを特徴としている。
【０００９】
係る本発明の方法によれば、冷間加工により引っ張り方向に残留応力が内在する薄板状のベローズ素材を用いて、この素材を溶接し、金属ベローズを形成するとしても、溶接の前に光輝焼鈍処理が行なわれているので、引張方向の残留応力が圧縮方向の力に変化されている。よって、この光輝焼鈍処理がなされたベローズ素材から金属ベローズを形成したときに、内部に残存する力は、外力と反対方向の力となって作用するので、金属ベローズの破断、破壊、亀裂を可及的に阻止することができる。
【００１０】
ここで、前記板状ベローズ部材は、オーステナイト系ステンレスであることが好ましい。
このような構成であれば、半導体製造分野からバルブ、配管継手、カプラ−など種々の分野に適した金属ベローズを提供することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。
先ず、本発明の方法で製造される金属ベローズおよびベローズ素材は、例えば、図４および図５に示した金属ベローズ１およびベローズ素材Ｔと略同様のものである。すなわち、ベローズ素材Ｔの内径端部同士および外径端部同士が互いに溶接され、この両端部にフランジ部材Ｆが溶接されることにより、金属ベローズ１が構成される点は、従来例と同様である。
【００１２】
さらに、本実施例で使用されるベローズ素材Ｔは、ＳＵＳ３１６などのオーステナイト系のステンレス鋼材から形成されている。このようなベローズ素材Ｔを形成するには、先ず、図１に示したように、冷間圧延によりロール体４とされた冷延鋼材から円盤状のベローズ素材Ｔが所定のプレス型により、打ち抜かれている。
【００１３】
ここで、板状ベローズ素材Ｔを形成するための材料として納入されてきたＳＵＳ３１６の板材は、冷間圧延されたままの状態であるため、表面残留応力として、圧延方向と幅方向の二方向に引張方向の残留応力が内在されている。
そこで、本発明では、この引張り方向の残留応力の作用を除去するために、圧延後の薄板材の段階で、光輝焼鈍処理が実施されている。
【００１４】
光輝焼鈍処理とは、金属表面の酸化を防止し、金属光沢を失わないように還元雰囲気中あるいは真空中で行なう熱処理のことであるが、オーステナイト系ステンレス鋼材に光輝焼鈍処理を行なう場合は、例えば、１０００℃程度に設定された連続炉に材料が通される。これにより、結晶の成長が起こり、細かな組織が隣り同士で重なり合い、大きい結晶へと成長させることができる。なお、本実施例では、連続炉は１０００℃以上に設定されている。このような温度に設定された連続炉でＳＵＳ３１６に光輝焼鈍処理を施すことにより、引張り方向の残留応力を、圧縮方向の残留応力に変化させることができる。
【００１５】
次いで、このように光輝焼鈍処理がなされた鋼材から円盤状のベローズ素材Ｔを作成し、内径端部同士あるいは外径端部同士を互いに溶接し、最終端部にフランジ部材Ｆを溶接し、製品とする。ここで、製品となった金属ベローズ１に対し、図２に示したように、ベローズ素材Ｔが外方向に広がるように外力Ｂ，Ｂ'を作用させると、その外力Ｂ，Ｂ'の作用する方向に対し、ベローズ素材Ｔ内部の圧縮方向の力Ｄ，Ｄ'は、打ち消しあう方向の力として作用する。したがって、金属ベローズ１が繰り返し伸縮したとしても、例えば、応力集中が生じ易い溶接部Ｒの熱影響部に亀裂が入ったり、ベローズ素材が破断したりしてしまうことを防止することができる。よって、金属ベローズ１の気密性を可及的に向上させることができる。
【００１６】
本発明者らは、本発明の効果を確認するために試験を行った。その結果について説明する。
先ず、光輝焼鈍処理の効果を調べる試験を行なった。
光輝焼鈍処理
金属ベローズを製造するために仕入れられるオーステナイト系ステンレス鋼材は、適宜な硬さと適宜な結晶粒度とを有しているが、納入状態では、冷間圧延による残留応力等の状態については把握することができていない。今回の試験では、光輝焼鈍処理を行なう前と、光輝焼鈍処理を行なった後の残留応力を、Ｘ線応力測定法により測定した。
【００１７】
試験片としては、ＳＵＳ３１６Ｌ材を使用し、厚さは０．１ｍｍとした。
先ず、光輝焼鈍処理を行なう前の試験片の表面残留応力を測定した。
その後、試験片を連続炉において還元雰囲気中で、炉内を１０００℃以上に設定し、熱処理を行なった。その後、試験片を炉から取り出して、表面残留応力を測定した。
【００１８】
この試験によると、光輝焼鈍処理前の試験片では、図３に示したように、幅方向Ｘと圧延方向Ｙとの両方向に引張り残留応力が確認された。
一方、光輝焼鈍処理を行なってから表面残留応力を測定したが、試験によれば、幅方向Ｘ、圧延方向Ｙの二方向の引張残留応力が、圧縮方向の残留応力に変化していることが確認された。
【００１９】
結果を表１に示す。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
この表１から分かるように、光輝焼鈍処理を行なう前の３つの試験片１，２，３からなる比較例では、幅方向Ｘへの残留応力が、試験片１，２，３とも、全て９６ＭＰａで、全てプラスの値を示した。これに対し、光輝焼鈍処理を行なったのちのＸ方向への残留応力は、−３１、−６２、−３９ＭＰａであり、平均では、−４４ＭＰａであった。これにより、光輝焼鈍処理を行なうことにより、Ｘ方向への引張残留応力が、圧縮方向に変化していることが確認された。
【００２２】
一方、光輝焼鈍処理を行なう前の比較例１，２，３の圧延方向Ｙへの残留応力も、１１２、１０４，９６ＭＰａで、平均では１０４ＭＰａであったものが、光輝焼鈍処理を行なった後には、−３１、−５４、−５０ＭＰａで、平均では、−４５ＭＰａであった。
このように、光輝焼鈍処理を行なうことにより、引張残留応力が圧縮残留応力に変化していることが確認できた。なお、硬度についてもマイクロビッカース硬さ試験機を用いて測定したが、焼鈍前と焼鈍後に大きな変化は見られなかった。
【００２３】
次に、比較耐久試験の試験結果について説明する。
光輝焼鈍処理を行なうことにより、引張方向の残留応力が圧縮方向に変化していることを確認した後、光輝焼鈍処理前後の材料からそれぞれ金属ベローズを製造し、各金属ベローズを繰り返し伸縮させ、破断するまでの回数を測定する耐久試験を行なった。
【００２４】
試験片
試験片となるベローズ素材Ｔは、実施例、比較例とも、１５山とした。また、金属ベローズの内部圧を１Ｋｇｆ／ｃｍ2とした。初期状態での自由長ピッチは、１３．５ｍｍであった。金属ベローズを伸縮させる作動範囲は、１３．５ｍｍの自由長を基準として、縮ませた場合は６ｍｍ、延ばした場合は、２０．３ｍｍと設定し、通常の使用範囲よりも過酷な条件で行なった。試料数は、各３個である。
【００２５】
耐久試験の結果を表２に示す。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
このように、光輝焼鈍処理を行なった実施例の試料１，２，３は、今回の耐久試験に対し４７０２３回、４１１７９回、４４６６４回で破断したが、全て４万回以上となっていて、上下の幅が少なかった。これに対し、比較例の試料では、３６０２５回、２４９９８回、１４６５６回と、上下の幅が大きく、ばらつきが大きいことが確認された。
【００２８】
この２つの試験から明らかなように、光輝焼鈍処理を行なうことにより、オーステナイト系ステンレスから形成された金属ベローズ１の耐久性が向上することが確認された。
なお、圧廷された後、光輝焼鈍処理を行なう前に、１０００℃以下の適当な温度にて熱処理を行なうことにより、指定の硬さにすることも可能である。
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は実施例に何ら限定されない。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る金属ベローズの製造方法によれば、板状ベローズ素材に、光輝焼鈍処理がなされているため、冷間圧延加工により発生した引張方向の残留応力を圧縮方向の力に変化させることができる。したがって、これらのベローズ素材を溶接し一体化した場合に、内部の応力が亀裂の発生を防止することができる。
【００３０】
したがって、ベローズ素材として、オーステナイト系ステンレスを採用すれば、種々の分野に適した金属ベローズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の一実施例で使用されるステンレス鋼板のロール体を示す斜視図である。
【図２】図２は本発明の方法で製造された金属ベローズを外方に拡開したときの力の係り具合を示す断面図である。
【図３】図３は冷間圧延された板材の斜視図である。
【図４】図４は従来の金属ベローズの断面図である。
【図５】図５は図４に示した金属ベローズで採用されたベローズ素材の斜視図である。
【図６】図６は従来の金属ベローズを外方に拡開したときの力の係り具合を示す断面図である。
【符号の説明】
１        金属ベローズ
Ａ        開口
Ｔ        ベローズ素材
Ｒ        溶接部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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