(57)【要約】  本発明は管状の内部空間を有する金属製構造部材の耐動圧性を高めるための方法であって、管状の内部空間に超硬合金球体を高圧下に押し込み、超硬合金球体がこれを押し込む前の管状内部空間の内径よりも大きい直径を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状の内部空間を有する金属製構造部材の耐動圧性を高めるための方法であって、管状の内部空間に超硬合金球体を高圧下に押し込み、超硬合金球体がこれを押し込む前の管状内部空間の内径よりも大きい直径を有する前記方法。
【請求項２】
超硬合金球体を構造部材の管状内部空間に押し込む際の圧力が２０００乃至７０００バール、好ましくは３０００乃至６０００バール、特に好ましくは３５００乃至５５００バールであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
超硬合金球体を構造部材の管状内部空間に押し込む際の圧力を、圧縮流体によって、好ましくは圧縮油によって発生させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
超硬合金球体の直径が、超硬合金球体を押し込まれる前の構造部材内径よりも１乃至５％、好ましくは１．５乃至４％、特に好ましくは２乃至３％だけ大きいことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
順次２回以上、好ましくは２乃至４回、特に好ましくは２回に亘って高圧下に超硬合金球体を構造部材の管状内部空間に押し込み、高圧下に超硬合金球体を構造部材の管状内部空間に押し込むごとに超硬合金球体の直径を次第に大きくすることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
金属製構造部材が非合金鋼、低合金鋼または高合金鋼から、好ましくは高合金鋼から成ることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
超硬合金球体を押し込む前に、金属製構造部材を固溶化焼鈍することを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
超硬合金球体を押し込む前に、金属製構造部材を冷間加工硬化または時効硬化処理することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
変動または脈動する内部圧力を伴う高圧環境下での使用を目的とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の方法によって製造された金属製構造部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は管状内部空間を有する金属製構造部材、特に金属製の管部材、取り付け用部材などのような圧力伝達性の構造部材の耐動圧性能もしくは曲げ疲労強度を高めるための方法に係わる。本発明はこの方法で製造される構造部材にも係わる。
【背景技術】
【０００２】
圧力伝達性の配管などのような構造部材は、例えば、高圧技術分野や化学工業のような多くの技術分野で使用されている。（一定不変の）静圧負荷と（変動または脈動する）動圧負荷とは区別される。圧力伝達性の構造部材は多くの場合遅かれ早かれ構造部材を機能不能に陥らせるほどの高レベルの負荷に曝される。影響を及ぼす負荷の影響要因としては、例えば、全体的な動圧、圧力変動の周波数および圧力δ（最大圧と最小圧の差）が挙げられる。個々の部材の耐動圧性能もしくは耐用寿命はこのような管または構造部材が静圧負荷の下で達成できる耐動圧性能または耐用寿命よりもはるかに劣る。
【０００３】
構造部材の耐静圧性能はとりわけ材料の機械的特性、例えば、伸長限度（Ｒｐ0.2）および引張強さ（Ｒm）によって決定される。これに対して、耐動圧性能はより多くのパラメータ、例えば、材料の延性（破断伸び Ａ）管壁に存在する亀裂の深さ、純度およびミクロ組織などによって決定される。
【０００４】
動圧負荷に起因する管やその他の構造部材の機能喪失は決定的な亀裂拡大、例えば、管の内面から外面にまで達するほどの亀裂拡大によって起こる。この場合、局所的な応力集中によって金属間の介在層に亀裂が発生するか、または既に存在していた亀裂が進行する可能性がある。従って、動圧負荷の作用下にある管やその他の構造部材の耐用寿命は特に圧力衝撃を受ける毎の亀裂成長および材料強度によって決定される。
【０００５】
一定の負荷条件下で動圧に対する構造部材の耐用寿命を長くするため、材料の製造段階において上記負荷の影響要因を最適化するか、または所定の材料特性を補足的に改善する方法、例えば、オートフレッタージュを採用する。
【０００６】
オートフレッタージュは高圧技術分野における構造部材の耐久性を高めるための方法である。この方法においては、管やその他の構造部材に計算上の破裂圧の約８０％、即ち、計算上の設計静圧よりもはるかに大きい圧力をほんの数秒間に亘って作用させる。この負荷の作用下に材料の伸長限度または降伏点を超えて材料中にミクロ塑性流れが発生し、材料を構成する物質中に内部応力が発生する。構造部材を負荷から開放した後もこの内部応力が材料中に残留して微細な亀裂の成長を抑制または軽減する。オートフレッタージュはこの処理を受ける材料の機械的特性に殆ど影響しないから、管または構造部材の耐静圧性能には殆ど影響せず、むしろ耐動圧性能に影響する。
【０００７】
オートフレッタージュの短所は必要な圧力およびこの処理を受ける構造部材の静圧負荷容量の点で制約がある。場合によっては、もしくは特定の材料によっては、所要の成果を達成するのに構造部材中に計算上１８，０００乃至２２，０００バールの圧力を発生させねばならず、結果として設備コストが極端に大きくなるか、もしくは現在の技術では実現されていない。さらにまた、オートフレッタージュ圧を任意に上昇させることはできず、さもないと構造部材が破壊されてしまうから、局所的に発生させることができる内部応力のレベルに限界がある。従って、オートフレッタージュ法には技術的に限界があり、多様な材料を対象に、計算上必要な圧力を供給することは不可能であり、しかも莫大なコストと手間を必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、高圧使用のための構造部材の耐動圧性能を高め、もしくは耐用寿命を改善するための、公知のオートフレッタージュの欠点と限界を克服する方法の実現が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は管状の内部空間を有する金属製構造部材の耐動圧性を高めるための方法において、管状の内部空間に超硬合金球体を高圧下に押し込み、超硬合金球体がこれを押し込む前の管状内部空間の内径よりも大きい直径を有することを特徴とする方法によって解決される。
【００１０】
本発明の方法はこの目的に使用されているオートフレッタージュと比較して下記のような一連の利点を有する：
【００１１】
ａ）管状内部空間内に超硬合金球体を移動させるのに必要な圧力はオートフレッタージュ法の際に発生させる圧力よりもはるかに低い。このことは設備技術上有利であり、超高圧を発生させるのに要する大きいコストが節約され、オートフレッタージュの場合のように金属の降伏点近くまで圧力を上げる必要がない。
【００１２】
ｂ）本発明の方法では、管状内部空間の内壁に存在する表面亀裂が部分的に、または完全に除去されるから、高圧使用中亀裂発生および亀裂成長の危険は著しく軽減される。
【００１３】
ｃ）本発明の方法によって発生する残留応力はオートフレッタージュの方法で得られるのと同じか、またはより優れた積極的な効果を有する。
【００１４】
ｄ）製造の段階で発生する可能性がある構造部材の管状内部空間の内径のバラつきが修正される。
【００１５】
ｅ）本発明の方法によって管状内部空間の内壁が平滑化されて、内壁の表面粗さが著しく改善され、構造部材内の流れ特性の点で多くの用途に有益である。
【００１６】
ｆ）本発明の方法によって加工された構造部材はオートフレッタージュ加工された構造部材よりもはるかに高い耐動圧性能を有する。
【００１７】
本発明において管状内部空間を有する金属製の構造部材という場合、管状内部空間を有する限り、圧力伝達性システムのすべての構造部材を指す。液体またはガスを流動させるための管であることが好ましいが、取り付け手段、Ｔ-字形部材、十字継ぎ手管、弁、弁座なども含まれる。
【００１８】
高圧技術の分野では管やその他の構造部材の製造に種々の金属材料が使用される。主な金属材料は非合金、低合金および高合金鋼である。高合金鋼から成る管またはその他の構造部材の場合、冷間加工硬化または時効硬化に続いて、下記の例から明らかなように、本発明の方法で処理することによって特に優れた耐動圧性能が得られる。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態では、超硬合金球体を構造部材の管状内部空間に圧入させるための圧力は２０００乃至７０００バール、好ましくは３０００乃至６０００バール、特に好ましくは３５００乃至５５００バールである。２０００バール未満の圧力を使用すると、構造部材の管状内部空間を通過する球体の移動が不規則になるか、または詰まってしまう。
【００２０】
本発明の他の好ましい実施形態では、超硬合金球体を構造部材の管状内部空間に圧入させるための圧力を、加圧された液体、好ましくは加圧されたオイルによって発生させる。摩擦抵抗などのような抵抗を克服して超硬合金球体を静止位置から構造部材の管状内部空間へ移動させるのに必要な「発射圧」と発射後、超硬合金球体を、構造部材の管状内部空間内を移動し続けさせるのに必要な「移動維持圧」とは区別される。発射圧は常に移動維持圧よりもはるかに大きい。いずれの圧力も種々のパラメータ、特に材料の機械的な剛性や、超硬合金球体の外径と構造部材の管状内部空間の内径との差に左右される。
【００２１】
構造部材の管状内部空間の内径よりも大きい外径を有する超硬合金球体を構造部材に押し込むのに必要な力が大きいにも拘らず、本発明の方法に必要な圧力は、同等の、またはより優れた耐動圧性能を達成するのに必要な公知のオートフレッタージュ法における圧力よりもはるかに小さい。
【００２２】
本発明の他の好ましい実施形態では、構造部材の管状内部空間へ押し込まれる前の超硬合金球体の直径は構造部材の管状内部空間の内径よりも１乃至５％、好ましくは１．５乃至４％、特に好ましくは２乃至３％大きい。球体の直径が大きすぎると、構造部材の管状内部空間を移動しないか、または途中で詰まってしまう。逆に小さ過ぎると、材料中に発生させる内部応力が小さすぎる結果となる。
【００２３】
本発明のさらに他の好ましい実施形態では、高圧下に構造部材の管状内部空間内に超硬合金球体を２回以上、好ましくは２乃至４回、特に好ましくは２回に亘って順次通過させ、構造部材の管状内部空間へ高圧下に順次押し込む毎に超硬合金球体の直径を大きくする。
【００２４】
このようにして構造部材の内面を複数の段階に亘って加工することができる。第１の超硬合金球体が構造部材内を通過した後、構造部材の管状内部空間の内径が拡張され、それと同時に上述したように材料特性が良化される。次いで、より大きい直径の超硬合金球体を構造部材内に通すことによって材料特性、構造部材内部表面およびこの方法によって得られる耐動圧性能をさらに向上させる。このように、直径が順次大きくなる２個、３個、４個、またはそれ以上の超硬合金球体を構造部材の管状内部空間に通すことによって所要の特性を段階的に向上させることができる。上記工程を正確に２回繰返す、即ち、直径を順次大きく設定した２個の超硬合金球体を構造部材に通すことが特に好ましく、所要の成果を達成するのに充分であることが判明している。但し、繰返しの回数、個々の直径の選択および超硬合金球体に作用させる圧力は構造部材の材料および感情内部空間の寸法に応じて異なる。所定の動圧負荷に対応する構造部材を製造するのに好適なパラメータは幾つかの実験とウェーラー曲線の形成によって決定できる。ウェーラー曲線は当業者に公知であり、所与の使用目的に好適な構造部材、材料および加工パラメータを選択するのに有用である。
【００２５】
本願明細書中に使用する語「超硬合金球体」は加工される構造部材の材料よりも硬い材料から成る球体であり、構造部材の管状内部空間に超硬合金球体を押し込んでも変形するのは超硬合金球体ではなく構造部材の材料である。これに関連して「超硬合金」という表現はクラシックな意味での燒結炭化物合金に限定されるものではなく、加工される構造部材の材料よりも硬いすべての材料を含む。但し、ＷＣ-燒結炭化物合金またはＳｉＣ-燒結炭化物合金から成る超硬合金球体が特に好ましい。但し、ＤＩＮ ＥＮ １００２７-１＋２もしくはＤＩＮ １７００７に規定の材料番号１．２００２、１．２０６７または１．４０２１のような冷間加工鋼から成る超硬合金球体もまた好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は材料ＨＰ１６０に関する耐動圧性能試験の結果を示す。
【図２】図２は材料ＴＰ３１６Ｌに関する耐動圧性能試験の結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
例
本発明の方法を実施するため、オーステナイト組織を有する２種類の異なる高合金鋼から成る管を試験した：
（１）Ｓａｎｄｖｉｋ ＴＰ３１６Ｌ
（＝材料番号１．４４０４＝Ｘ２ＣｒＮｉＭｏ１７-１２-３；
Ｓａｎｄｖｉｋ Ｐ&Ｐ、ウェルター、ドイツ）
（２）Ｓａｎｄｖｉｋ ＨＰ１６０
（材料番号省略；Ｓａｎｄｖｉｋ Ｐ&Ｐ、ウェルター、ドイツ）
【００２８】
いずれの材料から成るサンプルも長さが約２２０ｍｍ、内径が４．７ｍｍ、外径が１４．３ｍｍであった。サンプルは冷間加工された状態であった。材料の基準分析の結果を表１に示す。
表１：材料ＴＰ３１６ＬおよびＨＰ１６０の標準分析：
【表１】
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【００２９】
熱間仕上げ（溶融、ビレット形成、押出し）の後、管に対して、断面積縮小率６０−９０％の冷間ピルガー製管、１１２０℃での固溶化焼鈍（ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ）および断面積縮小率１０−２０％（ＨＰ１６０）もしくは３０−４０％（ＴＰ３１６Ｌ）の冷間引抜きの処理を施した。冷間加工させたサンプルの機械的標準値を表２に示す。
表２：ＴＰ３１６ＬおよびＨＰ１６０の機械的標準値：
【表２】
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【００３０】
次いで、サンプルにそれぞれ下記の後処理を施し、それぞれの耐動圧性能を試験した。
【００３１】
冷間加工させたサンプルの後処理：
１  後処理なし
２  オートフレッタージュ：
オートフレッタージュ圧：  ＨＰ１６０：１２０００バール
ＴＰ３１６Ｌ：６０００バール
保持時間：                ５分間
媒体：                    ハイドローリック・オイル
３  本発明の球体によるオートフレッタージュ（パス１回）
球体の材料：              炭化タンクステン
球体の直径：              ４．７６ｍｍ
媒体：                    ハイドローリック・オイル
圧力：                    ＨＰ１６０：５０００/３２００バール
ＴＰ３１６Ｌ：５０００/３２００バール
（発射圧/移動持続圧）
４  本発明の球体によるオートフレッタージュ（パス２回）
球体の材料：              炭化タンクステン
媒体：                    ハイドローリック・オイル
１．パスの態様  （ｃ）に記載の通り
２．パス：
球体の直径：              ４．７９ｍｍ
媒体：                    ハイドローリック・オイル
圧力：                    ＨＰ１６０：７０００/５０００バール
ＴＰ３１６Ｌ：５０００/４０００バール
（発射圧/移動持続圧）
【００３２】
耐動圧性能試験において、サンプル管にはオイル圧下で最大圧（Ｐｍａｘ）と最小圧（Ｐｍｉｎ）との負荷変動が６Ｈｚの周波数で作用させた。Ｐｍｉｎはいずれのサンプルにおいても２００バールに設定した。Ｐｍａｘはサンプルの種類に応じて３０００バール、３５００バールまたは４０００バールに設定した。
【００３３】
耐動圧性能試験の結果を材料ＨＰ１６０については図１に、ＴＰ３１６Ｌについては図２にそれぞれ示した。縦座標にはそれぞれに作用した最大圧を示した。横座標にはそれぞれサンプルが破断もしくは破裂するまでの負荷変動を示した。ＰｍｉｎとＰｍａｘの間の２百万回の負荷変動に対して無傷のままなら、このサンプルを「耐久性である」と格付けした。このサンプルに対する試験は２百万回の負荷変動までで中断された。
【００３４】
（後処理１無しで）冷間加工させただけのサンプルＨＰ１６０およびＴＰ３１６Ｌは既に数千回の負荷変動でＰｍａｘ３，０００、３，５００および４，０００バールにおいて機能不可能な状態になった。
【００３５】
従来のオートフレッタージュ（後処理２）では、材料ＴＰ３１６Ｌのサンプルの耐動圧性能はＰｍａｘ３５００において殆ど改善されなかった。従来のオートフレッタージュで加工された材料は３０００バールのＰｍａｘにおいてのみ約７００，０００負荷変動程度の耐用寿命が達成された。同じ後処理で、材料ＨＰ１６０はＰｍａｘ４０００バールにおいて約７５０，０００負荷変動の耐用寿命を達成し、Ｐｍａｘ３５００バールにおいて初めて２百万回を超える負荷変動の耐用寿命で耐えることができた。
【００３６】
本発明の方法によって、どちらの材料のサンプルもその耐動圧性能を著しく向上させることができた。本発明の球体オートフレッタージュを（後処理３と共に）１回行うだけで材料ＴＰ３１６ＬのサンプルはＰｍａｘ  ３５００バールにおいて約１．９百万回の負荷変動の耐用寿命を達成し、Ｐｍａｘ３００バールにおいて２百万回以上の負荷変動の耐用寿命で耐えた。（後処理４と共に）本発明の球体による２回パスのオートフレッタージュを実施した結果、既にＰｍａｘ４０００バールで耐久性を示した。
【００３７】
試験結果から明らかなように、本発明の方法によって耐動圧性能を従来のオートフレッタージュよりもさらに確実に高めることができる。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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