(57)【要約】【課題】ウォータージェット噴流により発生するキャビテーション壊蝕に対し、十分に耐え且つ長時間にわたる連続使用が可能なウォータージェット用ノズルを提供する。【解決手段】例えば、Ｔｉ−５５．５〜５６．５ｗｔ％のＮｉ、および残部がＴｉであるＴｉ−Ｎｉ系合金からなる円柱形のノズル本体２と、係るノズル本体２の軸心に沿って貫通し且つ内径が約３ｍｍであるノズル孔６と、を有し、上記Ｔｉ−Ｎｉ系合金の組織がオーステナイト相である、ウォータージェット用ノズル１。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｉ−Ｎｉ系合金、またはＴｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金からなる、
ことを特徴とするウォータージェット用ノズル。
【請求項２】
前記Ｔｉ−Ｎｉ系合金は、５５．５〜５６．５ｗｔ％のＮｉと、残部Ｔｉとからなる、
ことを特徴とする請求項１に記載のウォータージェット用ノズル。
【請求項３】
前記Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金は、５３〜５６ｗｔ％のＮｉと、０．５〜２．５ｗｔ％のＣｏと、残部Ｔｉとからなる、
ことを特徴とする請求項１に記載のウォータージェット用ノズル。
【請求項４】
前記Ｔｉ−Ｎｉ系合金、またはＴｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金は、オーステナイト相の組織である、
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のウォータージェット用ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧水をジェット噴射するウォータージェット用ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ウォータージェット技術は、砥粒を含んだ高圧水を鋼材などにジェット噴射して切断する所謂ウォータージェット切断として広く活用されている。
一方、水中において、１００ＭＰａ以上に加圧された高圧水を金属の表面にジェット噴射し、当該金属の表面に発生するキャビテーション気泡を利用することにより、上記金属の表面を改質するウォータージェットピーニングにも、適用が成されている。
ところで、高圧水を細い噴流でジェット噴射するウォータージェット用ノズルとして、複数のノズル孔を形成したマルチウォーターノズルを用いるウォータージェット装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、ウォータージェット用ノズルの素材は、例えばＳＵＳ６３０などのステンレス鋼が主に用いられている。このため、ウォータージェット用ノズルにおけるノズル孔の吐出口付近が、ウォータージェット噴射により発生するキャビテーション壊蝕によって局部的に破壊し、やがては脱落に至る。
その結果、ジェット噴流の噴射圧力の低下を招くため、約１０時間程度の連続使用でウォータージェット用ノズルの交換をせざるを得ず、交換を繁茂に行うため、長時間にわたる連続使用には適さない、という問題点があった。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２６４０８８号公報（第１〜８頁、図１，２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、背景技術において説明した問題点を解決し、ウォータージェット噴流により発生するキャビテーション壊蝕に対し、十分に耐え且つ長時間にわたる連続使用が可能なウォータージェット用ノズルを提供する、ことを課題とする。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するため、前記キャビテーション壊蝕に十分に耐えるＴｉ−Ｎｉ系合金をウォータージェット用ノズルの素材に適用する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明のウォータージェット用ノズル（請求項１）は、Ｔｉ−Ｎｉ系合金、またはＴｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金からなる、ことを特徴とする。
これによれば、軸心を貫通する単数または複数のノズル孔を有するノズル本体がＴｉ−Ｎｉ系合金、あるいはＴｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金からなるため、高圧水のジェット噴流により発生するキャビテーション壊蝕に対し、上記ノズル孔の吐出口付近が、従来のステンレス鋼からなるノズルに比べ、数倍〜約１０倍耐えることが可能となる。従って、長時間にわたる連続使用が可能なウォータージェット用ノズルを提供することができる。
【０００７】
尚、前記ウォータージェット用ノズルのノズル本体は、前記各合金からなる溶製材を熱間鍛造により円柱形の外形とされ、その軸心に沿って切削加工を施すことにより、内径が数ｍｍのノズル孔が形成されたものである。係るノズル本体は、上記熱間鍛造の後に、溶体化処理を施したり、あるいは、係る溶体化処理の後に、減面率が約１０％〜数１０％の冷間加工および形状記憶処理を施したものであっても良い。
【０００８】
また、前記Ｔｉ−Ｎｉ系合金は、５５．５〜５６．５ｗｔ％のＮｉと、残部Ｔｉとからなる、ウォータージェット用ノズル（請求項２）も本発明に含まれる。
これによっても、前記キャビテーション壊蝕に対し、上記ノズル孔の吐出口付近が、従来のステンレス鋼からなるノズルに比べて、数倍〜約１０倍耐えることが可能となる。
尚、Ｎｉが５５．５ｗｔ％未満なると、上記ノズルの合金組織がマルテンサイト相になって軟らかくなり過ぎ、一方、Ｎｉが５６．５ｗｔ％を越えると、Ｎｉ−ｒｉｃｈ相の析出などにより、ノズル素材の加工自体が困難になる。このため、Ｎｉの含有量を前記範囲としたものである。
【０００９】
更に、前記Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金は、５３〜５６ｗｔ％のＮｉと、０．５〜２．５ｗｔ％のＣｏと、残部Ｔｉとからなる、ウォータージェット用ノズル（請求項３）も本発明に含まれる。
これによっても、高圧水のジェット噴射により発生するキャビテーション壊蝕に対し、上記ノズル孔の吐出口付近が、従来のステンレス鋼からなるノズルに比べて、数倍〜約１０倍耐えることが可能となる。
尚、Ｃｏは、上記ノズル全体の硬度を上げると共に、上記合金のオーステナイト・マルテンサイト変態点を下げて、合金組織におけるオーステナイト領域を拡げるために添加される。係るＣｏの含有量が０．５％未満になると、硬度の上昇が得られず、且つオーステナイト・マルテンサイト変態点が下がりにくくなり、一方、Ｃｏが２．５ｗｔ％を越えると、上記各効果が飽和し且つコスト高になる。このため、Ｃｏの含有量を前記範囲としたものである。
一方、Ｎｉの含有量は、前記軟化を防ぎ且つ加工性を確保すると共に、上記Ｃｏの含有量にシフトさせるため、前記範囲としたものである。
【００１０】
加えて、前記Ｔｉ−Ｎｉ系合金、またはＴｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金は、オーステナイト相の組織である、ウォータージェット用ノズル（請求項４）も本発明に含まれる。これによれば、オーステナイト相の合金組織は超弾性を発現すると考えられるため、前記キャビテーション壊蝕に対し、上記ノズル孔の吐出口付近が破壊されにくく、従来のステンレス鋼製のノズルに比べ、一層確実に耐えることが可能となる。
尚、前記オーステナイト相の合金組織のノズルは、前記各合金からなる溶製材を熱間鍛造により円柱形の外形とし、これに溶体化処理（例えば、９００℃×１時間の加熱・保持した後に水焼き入れ）を施した後、その軸心に沿って切削加工を施して、内径が数ｍｍのノズル孔を形成することで得られる。あるいは、上記ノズル孔を形成したものに、上記溶体化処理を施し、更に例えば減面率が約１０％の冷間加工した後、形状記憶処理（例えば、４５０℃×１時間の加熱・保持した後に水焼き入れ）を施すことでも得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明のウォータージェット用ノズル１を示す外観図、図２は、係るノズル１を軸心方向に沿って切断した際の断面図である。
ウォータージェット用ノズル１は、図１，図２に示すように、円柱形を呈するノズル本体２と、図示で右端面に開口する給水孔３と、図示で左端面に開口し且つほぼ円錐形の噴射孔９と、係る噴射孔９および上記給水孔３の間をノズル本体２の軸心に沿って貫通する細径のノズル孔６と、を備えている。
上記ノズル本体２は、５５．５〜５６．５ｗｔ％のＮｉと、残部ＴｉとからなるＴｉ−Ｎｉ系合金、あるいは、５３〜５６ｗｔ％のＮｉと、０．５〜２．５ｗｔ％のＣｏと、残部ＴｉとからなるＴｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金の何れかからなる。
【００１２】
前記Ｔｉ−Ｎｉ系合金やＴｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金は、高圧水のジェット噴流に伴うキャビテーション気泡崩壊圧によって生じるキャビテーション壊蝕に対し、従来のステンレス鋼よりも約１０倍程度耐えられる。
図２に示すように、給水孔３におけるノズル本体２の右端面寄りの内周面には、雌ネジ４が刻設され、高圧水を供給する図示しないポンプの出口側にネジ結合可能としている。係る給水孔３の最奥部には、中心にノズル孔６の流入口７が開口するほぼ円錐形の傾斜面５が位置している。また、ほぼ円錐形を呈する噴射孔９の最奥部の中心には、上記ノズル孔６の吐出口８が開口している。
因みに、ノズル本体２のサイズは、長さ：５０ｍｍ、直径：３０ｍｍであり、ノズル孔６の内径は約３ｍｍ、噴射孔９の最大内径は約１５ｍｍである。
【００１３】
以上のようなウォータージェット用ノズル１は、前記Ｔｉ−Ｎｉ系合金、あるいは、前記Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金からなる溶製材を、熱間鍛造して円柱形の外形とした後、給水孔３、ノズル孔６、および噴射孔９などを、切削加工などを施すことにより製造される。
また、ノズル孔６などを形成したものに対し、例えば、９００℃×１時間の加熱・保持した後に水焼き入れをする溶体化処理を施したり、あるいは、係る溶体化処理を施した後、更に減面率が約１０％の冷間加工と、形状記憶処理（例えば、４５０℃×１時間の加熱・保持した後に水焼き入れ）とを施すことにより、超弾性を示すオーステナイト相の合金組織としても良い。
【００１４】
以上のようなウォータージェット用ノズル１によれば、ノズル孔６を有するノズル本体２がＴｉ−Ｎｉ系合金あるいはＴｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金からなるため、高圧水のジェット噴流により発生するキャビテーション壊蝕に対し、上記ノズル孔６の吐出口８付近が、従来のステンレス鋼からなるウォータージェット用ノズルに比べて、数倍〜約１０倍耐えることが可能となる。従って、長時間にわたる連続使用が可能なウォータージェット用ノズル１を提供することができる。
尚、前記ノズル本体２の軸心方向に沿って、複数のノズル孔６を形成したマルチウォーターノズル・タイプのウォータージェット用ノズルとしても良い。
【実施例】
【００１５】
Ｔｉ−５６ｗｔ％Ｎｉ（以下、Ｔｉ−Ｎｉ系とする）、Ｔｉ−５４．５ｗｔ％Ｎｉ−１．５Ｃｏ（以下、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系とする）、およびＳＵＳ６３０の３種類の溶製材に対し、熱間圧延、切削加工、および雌ネジ刻設加工を施して、各溶製材ごとに複数個のウォータージェット用ノズルを用意した。係るノズルは、ノズル本体２の長さ：５０ｍｍ、直径：３０ｍｍ、ノズル孔６の内径：約３ｍｍ、噴射孔９の最大内径：１５ｍｍ、傾斜角度：４５度である。
上記ＳＵＳ６３０からなる３個のノズルは、熱間鍛造および切削加工などのままとして、比較例のノズルとした。
【００１６】
前記Ｔｉ−Ｎｉ系およびＴｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系のノズルのうち、各々３個ずつは、上記熱間鍛造および切削加工などのままとして、実施例１，４のノズルとした。
また、Ｔｉ−Ｎｉ系およびＴｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系のノズルのうち、それぞれ３個ずつに対し、熱間鍛造し、９００℃×１時間に加熱・保持した後に、水焼き入れする溶体化処理を施し、更に切削加工および雌ネジ刻設加工を施して、実施例２，５のノズルとした。
更に、Ｔｉ−Ｎｉ系およびＴｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系のノズルのうち、それぞれ別の３個ずつに対し、熱間鍛造し、更に上記溶体化処理を施した後、冷間で断面減少率（減面率）１０％の縮径加工（冷間加工）を施し、引き続いて４５０℃×１時間に加熱・保持した後に、水焼き入れする形状記憶処理を施し、更に切削加工および雌ネジ刻設加工を施して、実施例３，６のノズルとした。
【００１７】
以上の実施例１〜６および比較例の各例ごとの３個ずつのノズルを、高圧水を供給する同じポンプの出口側に個別に取り付け、流量：１２０リットル／分、圧力：３００ＭＰａ同じ条件で、高圧水のジェット噴流を水中で連続して噴射した。
各例ごとのノズルにおいて、キャビテーション気泡が発生しなくなった時点、即ち、キャビテーション気泡崩壊圧によって、ノズル孔６の吐出口８付近にキャビテーション壊蝕が生じて、ジェット噴流が噴射できなくなった時点までの使用時間を測定した。その結果および各例ごとの平均値を、表１に示す。
尚、表１中において、各例のノズルの金属組織についても併せて示した。
【００１８】
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【００１９】
表１によれば、Ｔｉ−Ｎｉ系からなる実施例１〜３のノズルは、平均で４４，４５時間の連続使用に耐えられ、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系からなる実施例４〜６のノズルは、平均で６６〜６８時間の連続使用に耐えられた。
一方、ＳＵＳ６３０からなる比較例のノズルは、平均で１０時間の連続使用によって、キャビテーション壊蝕が生じたため、使用不能となった。
以上の結果によれば、Ｔｉ−Ｎｉ系やＴｉ−Ｎｉ−Ｃｏ系からなる実施例１〜６のノズルは、高圧水のジェット噴流に伴うキャビテーション気泡崩壊圧によって生じるキャビテーション壊蝕に対し、ステンレス鋼のノズルよりも少なくとも約４〜７倍程度耐えられることが確認された。
【００２０】
尚、実施例４〜６のノズルにおいて、溶体化処理を施した実施例５のノズルと、更に溶体化処理と形状記憶処理の双方を施した実施例６のノズルには、これらの処理をしなかった実施例４のノズルよりと同等のもののほか、やや耐用時間が長くなったものが含まれていた。これらは、実施例５．６のノズルの合金組織が超弾性を呈するオーストナイト相によるものと推定される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明のウォータージェット用ノズルを示す外観図。
【図２】上記ノズルを軸心方向に沿った断面図。
【符号の説明】
【００２２】
１……ウォータージェット用ノズル
２……ノズル本体
６……ノズル孔
【図１】
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【図２】
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