Grade 91 材バルブボディの HIP ニアネット成形
シモダ技報 No.4（2018.12）
シモダ技報No.4-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Grade 91 材バルブボディの HIP ニアネット成形†
浦川博史*，上谷昌史＊，奥脇三男**，塩川豊人**
1.

緒言

末は，当然，非定形であるため，これを所定の形状に成形するために，製品に近い形状のカプセルをHIP（通称ヒップ）は，Hot Isostatic Pressing

準備し（通常は，軟鋼を溶接組立したもの），これ（または，Processing）の頭文字をとった呼称で，に粉末を充填し，真空に脱気したのち密閉する．

和訳すると「熱間等方圧（または静水圧）加圧」でこれを HIP 処理することによって，粉末を焼結し，あり，高温・高圧に保持した圧力容器内で被加工一体の成形物が生まれる．処理後，機械加工や酸物を全方向から圧縮する加工法である．

溶解によってカプセルを除去し，機械加工仕上を当社は，フランジをはじめとする種々の配管部施して製品が完成する．熱処理は，通常は，カプセ品を製造しているが，いずれも鍛造で成形したもル除去後施工するが，カプセル状態のまま施工すのである．そこで，今回，新しいプロセス開発テーる場合もある．

マとして，HIP の専門メーカーである金属技研株

ここで留意すべきこととして，粉末を HIP 処理式会社と共同で，配管部品への HIP プロセスの適する場合は，被処理物の収縮量が比較的大きいこ用に取り組んだ．とが挙げられる．粉末の粒子は球体であるため，HIP 処理が適用されているプロセスにはいくつ

カプセルに充填した場合には粒子間に隙間ができかの種類があるが，本稿で報告するプロセスは，る．通常，カプセル充填時の密度は 65～70%程度

金属粉末を製品形状に近い形状（Near Net Shape）であり，これを HIP 処理によって密度 100％にまのカプセルに封入して，HIP 処理によって加圧焼で圧縮すると，寸法で 10 数％の収縮を生じる．し結するプロセスであり，PM（Powder Metallurgy）

かも，充填率が，部位によって異なると，不均一なHIP NNS Process と呼んでいる収縮を来し，所期の形状を得られなくなる．した

1）

本試作では，このプロセスで，火力発電プラント

がって，PM HIP NNS プロセスにおいては，カプ用の実物大バルブボディを製作し，特性を調査しセル設計における収縮予測と，充填率の均一化，た．材質は，高温強度に優れた 9Cr- 1Mo（Grade

安定化が重要な要素である．

2)91）材 である ．
2.

HIP 処理の概要

2.1 HIP 装置
第 1 図に HIP 装置の模式図を示しており，十分な強度を有する圧力容器の中に，ヒーターを設置して容器内全体を加熱すると同時に，高圧のアルゴンガスを送り込み，被処理物を全方向から加圧する装置である．
2.2

HIP による製造プロセス

本稿で報告する PM HIP NNS Process は，金属粉末を原材料として成形するプロセスである．粉----------------------------------------------------†原稿受付 2018 年 12 月*
業務部 技術管理課 副主任**
金属技研株式会社

第1図1

HIP 装置の基本構造

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No.4（2018.12）------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2.3 PM HIP NNS プロセスの特長N）として規定されている．この材質は，鍛造品の本プロセスのメリットとして以下が挙げられる．

規格である ASTM A182 F91 の同等材として規定されていることから，本稿では Grade 91 と呼称(1)

粉末を素材とするため成分設計の自由度する．

が大きい．
(2)

内部の品質が，全断面で均一で，かつ，異3.2

方性がない．
(3)

試作する製品として，電力プラントの高温配管溶接組立構造の一体化による工程省略が部分で使用されるバルブボディを選択した．

可能であり，かつ，溶接部での強度や耐食性の劣製作のプロセスは，当社が，粉末の手配，カプセ化を解消できる．
(4)

製品の選択とプロセスの分担

ルの機械加工による除去，熱処理，仕上加工を施NNS 化によって歩留が向上し，素材，およ工し，カプセル設計と製作，粉末充填から HIP 処

び，機械加工のコストを大幅に削減できる．特に，理までを金属技研(株)が分担した．

Ni 基や Co 基合金など高価な材料に於いて，顕著な効果がある．
(5)

3.3

鍛造＋機械加工では成形できない中空形

第 1 表に，使用した粉末の化学成分を示す．

状なども成形できる．
(6)

第 2 図は，使用した粉末の SEM 写真であり，ほHIP 装置に入る範囲であれば，大サイズのぼ球形を呈しており，粒のサイズは，2～90μm で成形が可能である．
3.

粉末の性状あった．

バルブボディの製作

3.4 カプセル設計
第 3 図に，HIP 後の目標形状・寸法と，これに3.1

材料規格対応する HIP 前形状，すなわち，カプセル設計形

本試作品の材質は，高温特性に優れた 9Cr-1Mo状を示す．粉末充填密度を 67%と想定して平均収鋼の 1 種であり，HIP プロセスを前提とした材料縮率を求めたうえで，部位による剛性差などを考

規格 ASTM A989 K90901（9Cr-1Mo-0.2V- Nb-

慮してカプセルの各部寸法を決定した．

第1表

第2図

粉末の SEM 写真

化学成分(wt%)

第3図

2

バルブボディのカプセル設計

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No.4（2018.12）------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3.5 HIP 処理(4) シャルピー衝撃試験（2V，室温）カプセルに粉末を充填し，真空に脱気したのち，(5)

マクロ組織観察

粉末の投入口を密閉した．HIP 処理前の外観を第(6)ミクロ組織観察4 図に示す．これを，金属技研(株)の「GIGA HIP」

(7)

結晶粒度装置によって HIP 処理を施工した．

(8)

非金属介在物(9)

クリープ試験

4.1

常温引張試験

3.6 カプセル除去と熱処理
HIP 処理後，機械加工でカプセルを削除し，その後，下記の油焼き入れ焼き戻し処理を施工した．

断面の各部，各方向に試験片を採取して引張試

第 5 図は，熱処理後の外観である験を行った結果を第 6 図に示す．いずれも，採取部位，方向に関係なく，ほぼ同じ値を示しており，

1,050℃×3hr →油冷

HIP 施工品の重要な特長である全断面均一な特性

760℃×4.5hr →空冷が得られている．また，A989 の規格値も問題なく満足できている．

4.

評価試験
4.2

熱処理後のバルブボディ本体から試験片を切り

断面硬さ

バルブボディの断面 HB 硬さ分布を第 7 図に示出して，下記の試験を行った．

す．中央の軟鋼埋め込み部以外の硬さは，HB200±5 である．下部の貫通孔周りにわずかに低い部分(1)

常温引張試験があるものの，全 72 測定点中，88%は HB202±(2)

断面ブリネル硬さ

2 の範囲内であり，全断面において，非常に均一な(3)

高温引張試験

硬さ分布である．

第4図HIP 処理前外観

第5図

HIP・熱処理後外観

第6図

引張試験結果（採取位置）

3

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No.4（2018.12）------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4.4 シャルピー衝撃試験
常温引張試験と同じ採取位置から試験片を各 3個採取して，シャルピー衝撃試験（2V ノッチ，室温）を行った結果を第 9 図に示す．いずれの結果も，採取部位，方向にかかわらずほぼ一定の結果となっている．
4.5

マクロ組織観察

王水腐食によるマクロ組織を第 10 図に示す．
第7図

いずれも，均一な組織であり，偏析などは認めら

断面 HB 分布れない．また，当然のことながら，メタルフローは全く存在しない．バルブボディの中央の孔の下部の腐食状態の異なる部位は，軟鋼埋め込み部であ4.3

高温引張試験

る．

室温（20℃）と 100℃から 700℃までの高温引張試験での引張強さを第 8 図に示す．図中の二点4.6

鎖 線 は ， EPRI （ Electric Power Research

ミクロ組織をナイタール腐食で観察した．どの

ミクロ組織Institute：米国電力研究所) のデータ集 3) に示さ部位も，ほぼ同様の焼き戻しマルテンサイト組織

れている Gr.91 材の下限線であり，これを上回っであり，析出物などの異常組織は認められない．ている．

代表的な組織として，中央部の組織を第 11 図に示す．

第 8 図 高温引張試験結果

第9図

シャルピー衝撃試験結果

第 11 図第 10 図 断面マクロ組織

4

ミクロ組織

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No.4（2018.12）------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第 2 表 粒度測定結果

第3表

非金属介在物（測定位置）
4.7

結晶粒度

4.9

クリープ試験

ピクリン酸腐食により結晶粒度を測定した結果

バルブボディの内部からサンプルを採取して，を第 2 表に示す．全測定部位において粒度は 9.5

クリープ試験を実施した．結果を第 12 図に示し～10 であった．ており，全てが破断データである．最長試験時間

これらの粒度は、同材質の鍛造品の粒度に比べは，600℃の約 22,000 時間（約 2 年 6 ケ月）でて著しく細粒であり、また、鍛造品では、一般に表ある．

面部と内部で粒度に差を生じる（内部が比較的粗

図中の実線および破線は，NIMS（国立研究開発粒）のに対し、全部位においてほとんど均一にな

法人物質・材料研究機構）によって公開されていっており、PM HIP 処理品の特徴がよく表れている Gr.91 材の国内実績に基づく平均（実線）と 99%る。

確率での下限線（破線）である．
いずれの試験結果も国内実績の範囲内であるこ

4.8

非金属介在物とから，HIP プロセスを適用した今回の試作品は，各部位で非金属介在物を測定した結果を第 3 表

従来品と同等のクリープ強度を有していることがに示す． A 系，B 系，C 系の介在物は認められず，得られた．

D 系（粒状酸化物）のみが認められた．

第 12 図クリープ試験結果

5

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No.4（2018.12）------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------5. 仕上機械加工
6. 結言
第 5 図に示した熱処理完了品を用いて，仕上機Grade 91 材の粉末を用いて，PM HIP NNS プ

械加工を施工した結果，欠肉などを生じることなロセスによって火力プラント用バルブボディを試く，機械加工を完了できた．完成品の外観を第 13作し特性を調査した．

図に示す．
従来の一体鍛造品から削り出すプロセスでは，(1)

HIP 後の寸法・形状は良好であり，NNS 成直方体の素材重量が約 900kg になるが，HIP 処理形を実現することができた．これにより，鍛造一品の重量は 536kg であり，約 40%の素材重量削体素材を用いる場合に比べて，素材重量削減 40%，減を図ることができた．この NNS 化により，機械機械加工工数削減 30%の効果を得ることができ加工時間も大幅に短縮され，鍛造一体プロセスのた．

推定所要時間約 100hr に対し 70hr で加工を終えることができ，30％削減することができた．

(2)

種々の特性評価を行った結果，いずれの結果も，全断面，全方向において，均一であり，HIPプロセスの特長を実証することができた．これらの結果は，いずれも，ASTM の規格値を満足している．
(3)

クリープ強度は，国内従来品と同等であることが得られた．
以上
第 13 図完成品の外観【謝辞】
本試作評価に当たり，特に，クリープ強度の評価に関して，株式会社 IHI 殿に多くのご助言とご協力を賜りました．ここに，心より謝意を表します．

参考文(1) Introduction to PM HIP Technology, EPMA
(European Powder Metallurgy Association)2011 2nd edition.
(2) 浦川博史：Grade91の超大型粉末焼結部品のニア
ネット成形，火力原子力発電大会研究発表要旨集，2018.10献(3)

6Powder Metallurgy / Hot Isostatic Processing(PM/HIP) Data Package for Grade 91,EPRI