(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｉ基系合金からなる管を製造する製管工程と、
前記製管工程で製管された管の表面に対して、ショットピーニングによる加工硬化を少なくともショット粒子の照射圧力が０．４ＭＰａで１分間行う加工硬化工程と、
前記加工硬化がされた管を、材料の１／２融点温度以上、且つ、固溶化処理温度以下、且つ、肉厚内部結晶粒の成長しない再結晶温度領域で加熱する再結晶熱処理工程と、
を備えたことを特徴とするＮｉ基系合金の管の製造方法。
【請求項２】
Ｎｉ基系合金からなる管を製造する製管工程と、
前記製管工程で製管された管の表面に対して、ショットピーニングによる加工硬化を少なくともショット粒子の照射圧力が０．４ＭＰａで１分間行う加工硬化工程と、
前記加工硬化がされた管を、材料の１／２融点温度以上、且つ、固溶化処理温度以下、且つ、肉厚内部結晶粒の成長しない再結晶温度領域で加熱する再結晶熱処理工程と、
前記再結晶熱処理工程がされた管を用いて高周波によって加熱し、曲げ加工を行う工程と、
を備えたことを特徴とするＮｉ基系合金の高周波加熱曲げ管の製造方法。
【請求項３】
Ｎｉ基系合金からなる管を製造する製管工程と、
前記製管工程で製管された管の表面に対して、ショットピーニングによる加工硬化を少なくともショット粒子の照射圧力が０．４ＭＰａで１分間行う加工硬化工程と、
前記加工硬化がされた管を、材料の１／２融点温度以上、且つ、固溶化処理温度以下、且つ、肉厚内部結晶粒の成長しない再結晶温度領域で加熱する再結晶熱処理工程と、
前記再結晶熱処理工程がされた管どうしを溶接する工程と、
を備えたことを特徴とするＮｉ基系合金の溶接接合管の製造方法。
【請求項４】
Ｎｉ基系合金からなる管を製造する製管工程と、
前記製管工程で製管された管の表面に対して、ショットピーニングによる加工硬化を少なくともショット粒子の照射圧力が０．４ＭＰａで１分間行う加工硬化工程と、
前記加工硬化がされた管を、材料の１／２融点温度以上、且つ、固溶化処理温度以下、且つ、肉厚内部結晶粒の成長しない再結晶温度領域で加熱する再結晶熱処理工程と、
前記再結晶熱処理工程がされた管からなるボイラ用の主蒸気管又は再熱蒸気管を作成する工程と、
を備えたことを特徴とするボイラ用の蒸気管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｉ基系合金からなる管の製造方法、および、Ｎｉ基系合金の高周波加熱曲げ管の製造方法、Ｎｉ基系合金の溶接接合管の製造方法およびボイラ用の蒸気管の製造方法に関し、特に、蒸気温度が７００℃前後となる発電プラントのボイラの主配管に好適に使用可能なＮｉ基系合金からなる管の製造方法、Ｎｉ基系合金の高周波加熱曲げ管の製造方法、Ｎｉ基系合金の溶接接合管の製造方法およびボイラ用の蒸気管の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラント用の大型ボイラにおいては、伝熱管や配管が多数使用されている。これらのうち、蒸気温度が５００℃以上の高温部の管寄せ、主蒸気管と再熱蒸気管等の厚肉で大径の管材には、従来２．２５〜１１％Ｃｒフェライト系耐熱鋼が長年用いられてきた。近年、二酸化炭素の排出抑制を背景として、特に石炭焚火力発電プラントではプラント効率向上のため蒸気温度が向上しつつあり、現在では主蒸気温度６００℃のプラントも稼動している。
一方、更なるプラント効率の向上を目指して主蒸気温度７００℃の発電プラント開発も欧州を中心に進められており、このような高温域では、高温強度及び耐食性に問題があるため、もはや従来のフェライト系耐熱鋼の適用は不可能となる。
このため高温部の配管に高強度Ｎｉ基系合金材料（固溶強化型・析出強化型Ｎｉ基合金，或いはＦｅ−Ｎｉ基合金を含む）の採用が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５３−１１４７２２号公報
【特許文献２】特開昭５４−１３８８１４号公報
【特許文献３】特開昭５５−５８３２９号公報
【特許文献４】特開２００５−２６５４４９号公報
【特許文献５】特開２０１３−４４２５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらの高強度Ｎｉ基系合金材料は、管材の製造過程において、熱間押し出しや熱間曲げなどの熱間加工が行われた場合、金属組織中に粗大析出物が形成し、強度の低下と耐食性の低下を生じるため、これを分解固溶させ，均一組織にして安定な組織、強度と耐食性を得る必要があるため、熱間加工毎に固溶化処理が行われるが、その固溶化処理温度が１２００℃近傍と非常に高い。
【０００５】
伝熱管に使用される肉厚が２０ｍｍ未満で外径（直径）が１００ｍｍ未満の薄い小径管では固溶化処理の保持時間が１２００℃前後で１０分以下程度と比較的短く、結晶粒が粗大化していないが、管寄せ等の肉厚が２０ｍｍ以上で外径が１００ｍｍ以上の厚肉大径管では、特に、均熱での保持時間を確保するために熱処理時間が１２００℃前後で１〜数時間程度と長くなるため、管材全体の結晶粒が小径管に比較して粗大化している（例えば平均結晶粒径：２００μｍ以上）。更に、管材の仕上げ工程として前工程で固溶化熱処理により析出物を拡散させる改善を行った後、管内表面や管外表面側に切削加工などの機械加工を行うため、管内表面や管外表面（以下、内外表面と称する）側近傍に機械加工による加工硬化が生じ、内外表面近傍の延性が低下し、次の段階の加工である高周波曲げ加工や溶接中に内外表面近傍に引張応力（曲げモーメントや溶接凝固時の収縮応力等）が作用した場合に，微細割れ発生の感受性が従来材より高いという問題を有している。
【０００６】
さらに具体的には、これらの高強度Ｎｉ基系合金（例えばＡｌｌｏｙ６１７（５２Ｎｉ−２２Ｃｒ−１３Ｃｏ−９Ｍｏ−Ｔｉ−１Ａｌ）、ＨＲ６Ｗ（４５Ｎｉ−２３Ｃｒ−７Ｗ−ＮｂＴｉ）、Ａｌｌｏｙ２６３（５０Ｎｉ−２０Ｃｒ−２０Ｃｏ−６Ｍｏ−２Ｔｉ−Ａｌ））では、上述のように管寄せや厚肉大径管用の材料において内外表面近傍の組織が粗粒化し、且つ機械加工による加工硬化が生じ、表面近傍の延性が低下したため、次の段階の加工である高周波曲げ加工や溶接中に表面近傍に微細割れが発生するポテンシャルが高いという問題があった。
【０００７】
図４は従来技術における機械加工時の厚肉大径管の説明図であり、図４Ａは材料表面のミクロ組織の観察図、図４Ｂは厚肉大径管の肉厚方向の硬さ分布のグラフである。
図４に、従来技術の機械加工により表面を仕上げた高強度Ｎｉ基系管寄せまたは厚肉大径管用材料表面のミクロ組織と、肉厚方向の硬さ分布の代表例を示す。
なお、図４は、高強度Ｎｉ基系合金としてのＨＲ６Ｗで作製された直径３５０ｍｍ、厚さ４０ｍｍの大径管において、図４Ａは、光学顕微鏡で１００倍で撮影したものであり、図４Ｂは、大径管周方向に輪切り切断して、その断面の外表面から内表面までのビッカース硬さを測定したものである。
図４Ａに示すように、従来技術の機械加工法では、ミクロ組織は粗粒組織になっており、図４Ｂに示すように、内外表面で硬さが突出して高くなっている。
【０００８】
図５は図４に示す大径管を加工した場合の説明図であり、図５Ａは高周波曲げ加工時の加工部の側面図、図５Ｂは図５ＡのＶＢ−ＶＢ線断面図、図５Ｃは図５ＢのＶＣ部分の拡大図、図５Ｄは溶接時の説明図、図５Ｅは図５ＤのＶＥ−ＶＥ線断面図である。
図５に前記の高強度Ｎｉ基系合金大径管を高周波誘導加熱曲げしたときと、溶接をしたときの加工部および溶接部に発生する表面近傍での微細割れの説明図を示す。
図５において、従来は前工程で高温での固溶化処理後に機械加工（切削加工）により最終寸法に仕上げた高強度Ｎｉ基系合金材料（例えばＡｌｌｏｙ６１７など）においては、図４Ａに示すように、内外表面が粗粒組織であるため、これをそのまま高周波誘導加熱曲げ加工（図５Ａ〜図５Ｃ参照）、又は溶接した場合（図５Ｄ、図５Ｅ参照）、内外表面近傍に機械加工による加工硬化が生じ、内外表面近傍の延性がさらに低下しているため、内外表面近傍での微細割れ発生の感受性は従来材より比較的高い。特に、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、曲げの外側には引張り応力が作用するため、微細割れの発生、進展が起こりやすい。
【０００９】
このような表面近傍の微細割れを回避するためには，管寄せまたは厚肉大径管全体の結晶粒度を細粒化することで改善することが望ましいが、実際には管寄せまたは厚肉大径管の製品寸法が長尺で厚肉であるため固溶化熱処理による組織の粗粒化が生じている。
【００１０】
従来法として、オーステナイトステンレス鋼を固溶化処理したのち、ショットピーニング加工、グラインダー加工および研磨加工等の冷間加工を管表面に加え、ついで再度、固溶化処理を施す表面細粒ステンレス鋼管の製造方法に関する方法が提案されている（例えば、特許文献１（特開昭５３−１１４７２２号公報）、特許文献２（特開昭５４−１３８８１４号公報）、特許文献３（特開昭５５−５８３２９号公報）、特許文献４（特開２００５−２６５４４９号公報））。これらの方法は、いずれもオーステナイト系ステンレス鋼小径管に関するもので、表面耐水蒸気酸化性を改善するために高温で固溶化処理を施すものである。
【００１１】
このような高温の溶体化熱処理は、Ｎｉ基系合金の場合、従来のオーステナイト鋼より結晶粒が成長し易いため、固溶化処理によって結晶粒が粗大化し、表面近傍の延性が改善されない場合が多い。また、従来の発明は、スケールの剥離抑制が目的であって、それによって形成されるのは、結晶粒界と結晶粒とが識別できる程度の比較的に浅い加工層（〜数十μｍ）にすぎないため、細粒層が形成されても十分な厚さが得られず、Ｎｉ基系合金の厚肉で大径の管材においては、管の溶接および曲げ加工中における表面近傍の微細割れの発生を防止することは難しい。
【００１２】
Ｎｉ基系合金の配管等において、溶接後の溶接面に対して、摩擦撹拌処理法（ＦＳＰ法）による処理を行った後に、固溶化処理を行う技術も知られている（例えば、特許文献５（特開２０１３−４４２５２号公報））。しかしながら、特許文献５記載の技術の適用対象は配管の溶接端面（平面）でのＦＳＰ回転処理で，本発明対象の配管内外面（曲面）に適用できない。また、ＦＳＰ処理を行うための処理時間が多くかかるため、表面から深くまで処理を行うのに適しておらず、厚肉の部材には適用が難しい。
【００１３】
本発明は、主蒸気温度が７００℃級の施設で使用可能な高強度のＮｉ基系合金からなる管材の溶接や曲げ加工等が行われる場合に、表面の割れの発生を抑制することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記技術的課題を解決するために、請求項１に記載の発明のＮｉ基系合金の管の製造方法は、Ｎｉ基系合金からなる管を製造する製管工程と、前記製管工程で製管された管の表面に対して、ショットピーニングによる加工硬化を少なくともショット粒子の照射圧力が０．４ＭＰａで１分間行う加工硬化工程と、前記加工硬化がされた管を、材料の１／２融点温度以上、且つ、固溶化処理温度以下、且つ、肉厚内部結晶粒の成長しない再結晶温度領域で加熱する再結晶熱処理工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
前記技術的課題を解決するために、請求項２に記載の発明のＮｉ基系合金の高周波加熱曲げ管の製造方法は、Ｎｉ基系合金からなる管を製造する製管工程と、前記製管工程で製管された管の表面に対して、ショットピーニングによる加工硬化を少なくともショット粒子の照射圧力が０．４ＭＰａで１分間行う加工硬化工程と、前記加工硬化がされた管を、材料の１／２融点温度以上、且つ、固溶化処理温度以下、且つ、肉厚内部結晶粒の成長しない再結晶温度領域で加熱する再結晶熱処理工程と、前記再結晶熱処理工程がされた管を用いて高周波によって加熱し、曲げ加工を行う工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
前記技術的課題を解決するために、請求項３に記載の発明のＮｉ基系合金の溶接接合管の製造方法は、Ｎｉ基系合金からなる管を製造する製管工程と、前記製管工程で製管された管の表面に対して、ショットピーニングによる加工硬化を少なくともショット粒子の照射圧力が０．４ＭＰａで１分間行う加工硬化工程と、前記加工硬化がされた管を、材料の１／２融点温度以上、且つ、固溶化処理温度以下、且つ、肉厚内部結晶粒の成長しない再結晶温度領域で加熱する再結晶熱処理工程と、前記再結晶熱処理工程がされた管どうしを溶接する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
前記技術的課題を解決するために、請求項４に記載の発明のボイラ用の蒸気管の製造方法は、Ｎｉ基系合金からなる管を製造する製管工程と、前記製管工程で製管された管の表面に対して、ショットピーニングによる加工硬化を少なくともショット粒子の照射圧力が０．４ＭＰａで１分間行う加工硬化工程と、前記加工硬化がされた管を、材料の１／２融点温度以上、且つ、固溶化処理温度以下、且つ、肉厚内部結晶粒の成長しない再結晶温度領域で加熱する再結晶熱処理工程と、前記再結晶熱処理工程がされた管からなるボイラ用の主蒸気管又は再熱蒸気管を作成する工程と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に記載の発明によれば、主蒸気温度が７００℃級の施設で使用可能な高強度のＮｉ基系合金からなる管の溶接や曲げ加工等がされる場合に、表面の割れの発生を抑制することができる。
請求項２に記載の発明によれば、表面の割れの発生が抑制された高周波加熱曲げ管が得られる。
請求項３に記載の発明によれば、表面の割れの発生が抑制された溶接接合管が得られる。
請求項４に記載の発明によれば、表面の割れの発生が抑制された主蒸気管や再熱蒸気管が得られ、蒸気温度が７００℃前後となる発電プラントに使用可能なボイラ用の蒸気管が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るＮｉ基系合金の管の一例としてのＮｉ基系合金の厚肉大径管の内外面にショット加工と細粒化熱処理を施す概略構成を示す図面である。
【図２】図２は実施例１の管の製造方法で製管された管の説明図であり、図２Ａは断面のミクロ組織の図、図２Ｂは表面近傍の硬さ分布の説明図である。
【図３】図３は図２に示す大径管を加工した場合の説明図であり、図３Ａは高周波曲げ加工時の加工部の側面図、図３Ｂは図３ＡのＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線断面図、図３Ｃは図３ＢのＩＩＩＣ部分の拡大図、図３Ｄは溶接時の説明図、図３Ｅは図３ＤのＩＩＩＥ−ＩＩＩＥ線断面図である。
【図４】図４は従来技術における機械加工時の厚肉大径管の説明図であり、図４Ａは材料表面のミクロ組織の観察図、図４Ｂは厚肉大径管の肉厚方向の硬さ分布のグラフである。
【図５】図５は図４に示す大径管を加工した場合の説明図であり、図５Ａは高周波曲げ加工時の加工部の側面図、図５Ｂは図５ＡのＶＢ−ＶＢ線断面図、図５Ｃは図５ＢのＶＣ部分の拡大図、図５Ｄは溶接時の説明図、図５Ｅは図５ＤのＶＥ−ＶＥ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例（以下、実施例と記載する）を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以下の図面を使用した説明において、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の実施形態に係るＮｉ基系合金の管の一例としてのＮｉ基系合金の厚肉大径管の内外面に対してショット加工と細粒化熱処理を施す概略構成を示す図面である。
本発明の実施例１のＮｉ基系合金の管の製造方法では、Ｎｉ基系合金からなる熱間押出或いは鍛造穴繰りで厚肉大径管１を製管する。
次に、製管した厚肉大径管１において、管１或いはショットノズル２を相対的に回転させながら、管１或いはショットノズル２を管長手方向に相対的に移動させ、管１の内外表面の全面を硬化処理の一例としてのショットピーニング加工による管内外表面ショット加工処理により管１内外表面近傍に高エネルギー密度の加工層３を形成させる。すなわち、ショット加工処理により、管１の表面近傍に、転位（線状の結晶欠陥）が高密度に分布した加工層３が形成される。
次に、管材全体に再結晶熱処理を行う。
【００２２】
ショットピーニングに用いる粒子は、硬質で効果のあるものであれば、その材質、形状は問われないが、ショット加工層３は０．５ｍｍ以上、管１の表面からの深さ０．３ｍｍ以上までの範囲では硬さはほぼ一定であり、且つ管１の内外面の全面に均一に形成されることが好ましい。一例として、高強度Ｎｉ基系合金としてのＨＲ６Ｗを使用した場合、ショット用粒子としてマルテングリットＭＧ−１２０を使用し、照射時間を１分、照射圧力を０．４ＭＰａとすると、０．５ｍｍ以上、管１の表面からの深さ０．３ｍｍ以上までの範囲では硬さはほぼ一定であり、且つ管１の内外面の全面に均一に形成された。
【００２３】
再結晶熱処理の温度および時間は、各材料の１／２融点温度以上、固溶化処理温度以下、且つ肉厚内部結晶粒の成長しない再結晶温度領域に設定されている。一例として、高強度Ｎｉ基系合金としてのＨＲ６Ｗを使用した場合、１／２融点温度である８００℃以上、固溶化処理温度である１２２０℃以下、且つ、肉厚内部結晶粒の成長しない再結晶温度領域である１０５０℃〜１２００℃を満足するように、１１００〜１１５０℃で、０．５〜１時間とすることが好ましい。
【００２４】
図２は実施例１の管の製造方法で製管された管の説明図であり、図２Ａは断面のミクロ組織の図、図２Ｂは表面近傍の硬さ分布の説明図である。
また、ショット加工および再結晶熱処理を行った後のＮｉ基系大径管１（例えばＨＲ６Ｗ）の断面ミクロ組織及び表面近傍硬さ分布の結果をそれぞれ図２に示す。
なお、図２は、図４と同様に、高強度Ｎｉ基系合金としてのＨＲ６Ｗで作製された、直径３５０ｍｍ、厚さ４０ｍｍの大径管において、図２Ａは、光学顕微鏡で１００倍で撮影したものであり、図２Ｂは、大径管周方向に輪切り切断して、その断面の外表面から内表面までのビッカース硬さを測定したものである。
【００２５】
この結果から、Ｎｉ基系大径管１の表面には、高エネルギー密度のショット加工層３の形成およびその後の再結晶熱処理により、厚さ０．３ｍｍ以上の細粒組織且つ肉厚中央と同等の硬さを有する延性の優れた表面層４の形成が確認された。従来法における機械加工仕上げ（ショット加工による加工硬化）では、表面近傍の硬さが硬くなるとともに、図４Ａに示すように粒径が大きいため、延性が乏しくなっている（割れやすくなっている）。延性の乏しい表面粗粒組織を有する従来のＮｉ基系合金大径管に対して、実施例１の管１では、ショット処理および再結晶熱処理を施したことにより、図２Ｂに示すように硬さの分布にムラが少なくなるとともに、図２Ａに示すように表面近傍で粒径が細かくなっており、表面層４の延性が向上している（割れにくくなっている）。よって、表面延性の優れた細粒組織を有するＮｉ基系大径管１の製品が製造できるようになった。
【００２６】
図３は図２に示す大径管を加工した場合の説明図であり、図３Ａは高周波曲げ加工時の加工部の側面図、図３Ｂは図３ＡのＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線断面図、図３Ｃは図３ＢのＩＩＩＣ部分の拡大図、図３Ｄは溶接時の説明図、図３Ｅは図３ＤのＩＩＩＥ−ＩＩＩＥ線断面図である。
よって、図３において、実施例１のショット加工および再結晶熱処理を施した表面延性の優れたＮｉ基系大径管１を用いた場合、図３Ａ〜図３Ｃに示すように高周波曲げ加工を行ったり、図３Ｄ、図３Ｅに示すように溶接を行ったりしても、延性が優れた表面層４により、従来技術のような表面微細割れの発生を抑制でき、高周波によって加熱した曲げ加工或いは溶接を容易に行うことができる。
なお、曲げ加工や溶接後に、最終的には、固溶化処理を行って、析出物（凝集）を拡散させることで、高周波加熱曲げ管や溶接接合管が作製可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
前述の本願発明の製造方法で作成された管は、主蒸気温度７００℃の発電プラントにおけるボイラの主蒸気管や再熱蒸気管に好適に使用可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１…管
２…ショットノズル
３…ショット加工による加工層
４…再結晶熱処理後の表面層
【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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