(57)【要約】【課題】熱間押出加工に起因した横切れの発生を抑制するＮｉ基合金管を提供する。【解決手段】本発明によるＮｉ基合金管は、質量％で、Ｃ：０．０４０％以下、Ｃｒ：１４〜１７％、Ｆｅ：６〜１０％、Ｎｂ：１〜３％、Ａｌ：０．５０％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以下及びＴｉ：０．３０％以下を含有し、残部はＮｉ及び不純物からなり、不純物としてのＰ、Ｓ、Ｏ及びＮの含有量はそれぞれ、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｏ：０．０１０％以下、Ｎ：０．００４０％以下に制限される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０４０％以下、Ｃｒ：１４〜１７％、Ｆｅ：６〜１０％、Ｎｂ：１〜３％、Ａｌ：０．５０％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以下及びＴｉ：０．３０％以下を含有し、残部はＮｉ及び不純物からなり、不純物としてのＰ、Ｓ、Ｏ及びＮの含有量はそれぞれ、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｏ：０．０１０％以下、Ｎ：０．００４０％以下に制限される、熱間押出性に優れたＮｉ基合金管。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．０４０％以下、Ｃｒ：１４〜１７％、Ｆｅ：６〜１０％、Ｎｂ：１〜３％、Ａｌ：０．５０％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以下及びＴｉ：０．３０％以下を含有し、残部はＮｉ及び不純物からなり、不純物としてのＰ、Ｓ、Ｏ及びＮの含有量はそれぞれ、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｏ：０．０１０％以下、Ｎ：０．００４０％以下に制限される素材を準備する工程と、
前記素材に対して熱間押出加工を実施してＮｉ基合金管を製造する、Ｎｉ基合金管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｉ基合金管及びＮｉ基合金管の製造方法に関し、さらに詳しくは、熱間押出加工により製造されるＮｉ基合金管及びＮｉ基合金管の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニッケル（Ｎｉ）基合金管は、優れた強度及び靭性を有し、耐食性及び耐熱性にも優れる。そのため、Ｎｉ基合金管は、化学プラントや、原子炉のスチームジェネレーター等の高温及び高圧な環境に多く利用される。
【０００３】
Ｎｉ基合金の機械的特性を改善する提案は、たとえば、特開２００２−１７３７２０号公報（特許文献１）及び特開昭６０−１３１９５８号公報（特許文献２）に開示されている。
【０００４】
特許文献１に開示されたＮｉ基合金は、Ｃ：０．０４５％以下、Ｃｒ：１４〜２６％、Ｆｅ：３〜２５％、Ｎｂ：４％以下、Ｎ：０．００５〜０．０４％、Ａｌ：０．２％以下、Ｓｉ：１．０％以下を含有し、残部はＮｉ及び不純物からなり、さらに、Ｓ含有量を１５０ｐｐｍ以下とし、かつ、酸素含有量を、１００−Ｓ／３．７５％以下にする。この場合、Ｓ及び酸素の粒界偏析による粒界脆化が抑制され、Ｎｉ基合金の熱間加工性が高まる、と記載されている。
【０００５】
特許文献２では、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｆｅ：５．０〜１０．０％、Ｃｒ：１８〜３０％、Ｔｉ：０．５０％以下、Ｎｂ：２．０〜５．０％、Ａｌ：０．４０％以下、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｎ：０．０３％以下を含有し、残部はＮｉ及び不純物からなる素材を、所定の熱間加工条件及び熱処理条件に基づいてＮｉ基合金管を製造する。この場合、高温高圧水環境下で耐応力腐食割れ性に優れる、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１７３７２０号公報
【特許文献２】特開昭６０−１３１９５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
Ｎｉ基合金は熱間加工性が低い。そのため、Ｎｉ基合金管は一般的に、ユジーン・セジュルネ法に代表される熱間押出加工により製造される。しかしながら、熱間押出加工によりＮｉ基合金管を製造する場合であっても、熱間押出加工時に受けるせん断歪みに起因して、Ｎｉ基合金管の軸方向に垂直な方向に（円周方向に）に沿って延びる割れが発生する場合がある。このような割れを「横割れ」という。横割れが発生すれば、歩留まりが低下する。したがって、熱間押出加工による横割れの発生を抑制できる方が好ましい。特許文献１及び特許文献２に開示されたＮｉ基合金を熱間押出加工してＮｉ基合金管を製造する場合、横割れが発生する場合がある。
【０００８】
本発明の目的は、熱間押出加工に起因した横割れの発生を抑制できるＮｉ基合金管及びＮｉ基合金管の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるＮｉ基合金管は、質量％で、Ｃ：０．０４０％以下、Ｃｒ：１４〜１７％、Ｆｅ：６〜１０％、Ｎｂ：１〜３％、Ａｌ：０．５０％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以下及びＴｉ：０．３０％以下を含有し、残部はＮｉ及び不純物からなり、不純物としてのＰ、Ｓ、Ｏ及びＮの含有量はそれぞれ、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｏ：０．０１０％以下、Ｎ：０．００４０％以下に制限される。
【００１０】
本発明によるＮｉ基合金管は、熱間押出加工に起因した横割れの発生を抑制できる。
【００１１】
本発明によるＮｉ基合金管の製造方法は、質量％で、Ｃ：０．０４０％以下、Ｃｒ：１４〜１７％、Ｆｅ：６〜１０％、Ｎｂ：１〜３％、Ａｌ：０．５０％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以下及びＴｉ：０．３０％以下を含有し、残部はＮｉ及び不純物からなり、不純物としてのＰ、Ｓ、Ｏ及びＮの含有量はそれぞれ、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｏ：０．０１０％以下、Ｎ：０．００４０％以下に制限される素材を準備する工程と、素材に対して熱間押出加工を実施してＮｉ基合金管を製造する。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を詳しく説明する。元素の含有量の「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。
【００１３】
本発明者らは、Ｎｉ基合金管の横割れの発生原因及び改善策について調査及び検討した。その結果、本発明者らは以下の知見を得た。
【００１４】
（ａ）Ｎｉ基合金は変形抵抗が高く、熱間押出性が低い。特に、熱間押出加工時における粒界強度が低下すれば、横割れが発生する可能性が高くなる。
【００１５】
（ｂ）窒素（Ｎ）は高温域において、鋼中の粒内に固溶して粒界の強度を低下する。したがって、熱間押出加工により製造されるＮｉ基合金管において、Ｎ含有量をできるだけ低く制限する。Ｎｉ基合金管において、Ｎ含有量を０．００４０％以下に制限すれば、熱間押出加工時における粒界強度の低下を抑制でき、横割れの発生を抑制できる。
【００１６】
以上の知見に基づいて本実施形態によるＮｉ基合金管は完成した。以下、本実施形態によるＮｉ基合金管について説明する。
【００１７】
［化学組成］
本実施形態によるＮｉ基合金管は、以下の化学組成を有する。
【００１８】
Ｃ：０．０４０％以下
炭素（Ｃ）は、合金の強度を高める。一方、Ｃ含有量が高すぎれば、耐応力腐食割れ性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０４０％以下である。鋼の強度を高める場合、好ましいＣ含有量は０．００５％以上である。Ｃ含有量のさらに好ましい下限は０．００５％よりも高く、Ｃ含有量の好ましい上限は０．０４０％未満である。
【００１９】
Ｃｒ：１４〜１７％
クロム（Ｃｒ）は、合金の耐食性を高める。一方、Ｃｒ含有量が高すぎれば、相対的にＮｉ含有量が低下する。そのため、合金の耐食性及び熱間加工性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は１４〜１７％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は１４％よりも高く、Ｃｒ含有量の好ましい上限は、１７％未満である。
【００２０】
Ｆｅ：６〜１０％
鉄（Ｆｅ）は、Ｎｉに固溶するため、高価なＮｉの代替として含有される。しかしながら、Ｆｅ含有量が高すぎれば、合金の耐食性が低下する。したがって、Ｆｅ含有量は６〜１０％である。Ｆｅ含有量の好ましい下限は６％よりも高く、好ましい上限は１０％未満である。
【００２１】
Ｎｂ：１〜３％
ニオブ（Ｎｂ）は、Ｃと結合してＮｂ炭化物を形成し、結晶粒界でＣｒ炭化物が生成するのを抑制する。そのため、Ｎｂは合金の耐応力腐食割れ性を高める。Ｎｂはさらに、Ｎｂ炭化物として結晶粒内に分散して合金の強度を高める。したがって、Ｎｂ含有量は１〜３％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は１％よりも高く、Ｎｂ含有量の好ましい上限は３％未満である。
【００２２】
Ａｌ：０．５０％以下
アルミニウム（Ａｌ）は、合金を脱酸する。Ａｌはさらに、合金表面にＡｌ２Ｏ３を形成し、合金表面の耐食性を高める。一方、Ａｌ含有量が高すぎれば、Ａｌは、合金中で酸化物系介在物を形成し、合金の清浄度を下げる。合金の清浄度が下がれば、合金の耐食性及び機械的特性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．５０％以下である。Ａｌ２Ｏ３の形成により合金表面の耐食性をより高める場合、好ましいＡｌ含有量は０．２５％以上であり、さらに好ましくは、０．２５％よりも高い。好ましいＡｌ含有量の上限は、０．４５％である。
【００２３】
Ｓｉ：０．５％以下
シリコン（Ｓｉ）は、鋼を脱酸する。一方、Ｓｉ含有量が高すぎれば、合金の清浄度が下がる。したがって、Ｓｉ含有量は０．５％以下である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．１５％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は、０．５％未満である。
【００２４】
Ｍｎ：１．０％以下
マンガン（Ｍｎ）は、熱間割れの原因となるＳと結合してＭｎＳを形成し、Ｓを固定する。そのため、Ｍｎは熱間押出性を高め、横割れ（熱間割れ）の発生を抑制する。Ｍｎはさらに、合金を脱酸する。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、合金の清浄度が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は１．０％以下である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．２０％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．７％である。
【００２５】
Ｔｉ：０．３０％以下
チタン（Ｔｉ）は、炭窒化物を形成して合金の強度を高め、熱間押出性も高める。一方、Ｔｉ含有量が高すぎれば、合金の清浄度を低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０．３０％以下である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は、０．０５％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は、０．２５％である。
【００２６】
本実施の形態によるＮｉ基合金管の残部は、ニッケル（Ｎｉ）及び不純物である。不純物は、合金の原料として利用される鉱石やスクラップ、あるいは製造過程の環境等から混入される元素であって、本実施形態のＮｉ基合金に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【００２７】
不純物のうち、特に、Ｐ、Ｓ、Ｏ及びＮの含有量は、次のとおり制限される。
【００２８】
Ｐ：０．０３０％以下
燐（Ｐ）は不純物である。Ｐは合金の耐食性を低下する。したがって、Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。Ｐ含有量は０．０３０％以下である。
【００２９】
Ｓ：０．０１５％以下
硫黄（Ｓ）は不純物である。Ｓは合金の耐食性及び熱間押出性を低下する。したがって、Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。Ｓ含有量は０．０１５％以下である。
【００３０】
Ｏ：０．０１０％以下
酸素（Ｏ）は不純物である。Ｏは粒界に析出し、熱間押出性を低下する。したがって、Ｏ含有量はなるべく低い方が好ましい。Ｏ含有量は０．０１０％以下である。
【００３１】
Ｎ：０．００４０％以下
窒素（Ｎ）は不純物である。Ｎは高温域において、粒内に固溶して粒界の強度を相対的に低下する。そのため、Ｎは熱間押出性を低下し、横割れの発生を促進する。したがって、Ｎ含有量はなるべく低い方が好ましい。Ｎ含有量は、０．００４０％以下である。好ましいＮ含有量は０．００４０％未満であり、さらに好ましくは０．００３５％以下であり、より好ましくは０．００３０％以下である。
【００３２】
［製造方法］
本実施形態によるＮｉ基合金管は、熱間押出加工により製造される。以下、Ｎｉ基合金管の製造方法について説明する。
【００３３】
初めに、上記化学組成を有する素材を準備する。素材は中空ビレットである。中空ビレットはたとえば、機械加工又は竪型穿孔により製造される。中空ビレットに対して熱間押出加工を実施する。
【００３４】
熱間押出加工の一例として、ユジーン・セジュルネ法による熱間押出加工について説明する。初めに、中空ビレットを加熱する。加熱された中空ビレットを熱間押出装置のコンテナ内に収容する。コンテナに収容された中空ビレットの心孔にマンドレルを挿入し、中空ビレットをステムにより前方に押し出す。コンテナの前方にはダイが配置される。ステムにより前方に押し出された中空ビレットは、ダイとマンドレルとの間から管状に押し出される。以上の熱間押出加工により、Ｎｉ基合金管が製造される。
【００３５】
中空ビレットの加熱温度は１１００〜１２５０℃とするのが好ましい。加熱温度が低すぎると、表面温度が高温延性の良好な温度に到達することなく、変形能が低下し、表面疵が発生し易い。また、加熱温度の低下に伴って変形抵抗が高くなり、押出加工時に製管設備への負荷が増大する。一方、加熱温度が高すぎると熱間押出時の加工発熱により粒界溶融に起因する割れ疵が発生し易い。
【００３６】
熱間押出加工における押出比は、次の式（１）で定義される。
押出比＝素材（中空ビレット）の断面積／熱間押出加工後のＮｉ基合金管の断面積  （１）
ここで、素材及びＮｉ基合金管の断面積とは、素材及びＮｉ基合金管の軸方向に垂直な断面積（横断面積）である。
【００３７】
好ましい押出比は４以上である。この場合、熱間押出加工により合金に十分な歪みが付与され、均一な再結晶が起こり、細粒化するためである。一方、押出比が過剰に大きければ、熱間押出時に横切れが発生しやすくなる。したがって、好ましい押出比の上限は３０である。
【００３８】
熱間押出加工後のＮｉ基合金管に対してさらに、冷間圧延及び／又は冷間抽伸といった冷間加工を実施してもよい。熱間押出加工の押出比を大きくすれば、混粒発生の防止に必要な冷間加工度を下げることができる。そのため、冷間加工具の寿命が向上する。混粒発生抑制のため、押出比が４以上の場合の好ましい冷間加工度は１３％以上である。押出比が４未満の場合の好ましい冷間加工度は２０％以上である。ここで、冷間加工度（％）は次の式（２）で定義される。
冷間加工度（％）＝（冷間加工前のＮｉ基合金管の断面積−冷間加工後のＮｉ基合金管の断面積）／冷間加工前のＮｉ基合金管の断面積×１００  （２）
【実施例】
【００３９】
種々の化学組成を有する複数のＮｉ基合金管を熱間押出加工により製造し、各Ｎｉ基合金の横割れの発生の有無を調査した。
【００４０】
［調査方法］
表１に示す化学組成を有する試験番号１〜６のＮｉ基合金の素材（中空ビレット）を準備した。
【００４１】
【表１】
2013100584.tif 000002
【００４２】
表１を参照して、試験番号１〜３の化学組成は、本発明の化学組成の範囲内であった。一方、試験番号４〜６のＮ含有量は、本発明のＮ含有量の上限を超えた。各試験番号の素材の寸法は、表２中の「押出前寸法」欄に記載のとおりであった。
【００４３】
【表２】
2013100584.tif 000003
【００４４】
試験番号１〜６の素材を、表２に示す加熱温度で加熱した。加熱された各素材に対して、ユジーン・セジュルネ法による熱間押出加工を実施し、Ｎｉ基合金管を製造した。各試験番号のＮｉ基合金管の寸法は、表２中の「押出後寸法」欄に記載のとおりであった。各試験番号における押出比は、表２中の「押出比」欄に記載のとおりであった。押出比は式（１）に基づいて算出した。製造された各Ｎｉ基合金の外面を目視観察し、横割れの有無を調査した。
【００４５】
［調査結果］
調査結果を表２に示す。表２の「横割れ」欄中の「無し」は、横割れが目視で観察されなかったことを示す。「有り」は横割れが観察されたことを示す。
【００４６】
試験番号１〜３の化学組成は、本発明の範囲内であった。そのため、試験番号１〜３のＮｉ基合金管には横割れが発生しなかった。特に、試験番号１及び２では、押出比が４以上と高かったにもかかわらず、横割れが発生しなかった。
【００４７】
一方、試験番号４〜６のＮ含有量は、本発明のＮ含有量の上限を超えた。そのため、試験番号４〜６のＮｉ基合金管のいずれにも、横割れが観察された。特に、試験番号５及び６の押出比は４未満と低かったにもかかわらず、横割れが発生した。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、熱間押出加工により製造されるＮｉ基合金管に広く適用可能であり、特に、高い押出比で製造されるＮｉ基合金管及びその製造方法に好適である。