JPH02299767A - 球状黒鉛鋳鉄の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 本発明は、球状黒鉛鋳鉄の相互接合または球状黒鉛鋳鉄
と軟鋼との接合に用いられる球状黒鉛鋳鉄の接合方法に
関する。

〔従来の技術〕

鋳鉄は、ＦｅにＣ，Ｓｋを多量に添加することにより鋳
造性の改善が図られているが、そのために、鋼に比べて
機械的性質、特に延性、靭性が著しく劣っている０球状
黒鉛鋳鉄は、この延性、靭性を改善するために、析出し
ている黒鉛を熱処理により球状化したものである。とこ
ろが、この球状黒鉛鋳鉄は、溶接熱サイクルを受けると
、加熱時に黒鉛がマトリックス中に固溶してオーステナ
イト化し、冷却中にマルテンサイト変態して硬化をおこ
し、割れを生じる問題がある。

また、球状黒鉛鋳鉄の溶接では、溶接金属の延性を改善
す葛ためにＮｉ系の溶接材料がしばしば用いられている
が、そのような溶接では、溶接金属の融点が母材の融点
を上回り、ＨＡ　Ｚと称される溶接熱影響部が一部溶融
し、ＨＡＺに熱ひすみによる割れが発生することがある
。

こうした問題を解決するために、ガス溶接に改良を加え
た溶接法や、プラズマキーホール溶接を利用した溶接法
が、球状黒鉛鋳鉄の接合のために提案されている（特開
昭５６−３６３８４号公報、特開昭５９７８５３６７号
公報）。これらの溶接法は、溶接熱サイクルによる組織
変化に伴う硬化、脆化および割れを抑えるものであるが
、いずれも施工性に大きな問題がある。

［発明が解決しようとする課題］ すなわち、ガス溶接法では、技術的に高度の熟練が要求
され、作業性が悪い、その上、接合部の信鎖性が施工作
業者の技能に太き（左右される問題もある。一方、プラ
ズマキーホール溶接法は、プラズマアークにより溶融池
にキーホールをあけ、これを保持しながら裏波を形成す
るために、下向姿勢溶接には適している。従って、パイ
プの片側溶融では、溶接姿勢を固定し、パイプを回転さ
せながら溶接を行なう必要がある。しかし、プラント内
や大型機器内の配管工事では、パイプを固定したまま円
周溶接する必要もある。その場合には裏波形成に極めて
高度な技術が要求され、高度な技術で溶接を行っても全
周にわたって良好な裏波形成を行うことは難しい。また
、溶接ビード形状の再現性は、個々の技量に依存する問
題もある。

本発明は、こうした施工上の問題を解決するものであり
、その目的は、球状黒鉛鋳鉄を簡便、高能率に接合でき
、しかも健全な接合部を安定して得ることができる球状
黒鉛鋳鉄の接合方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段］ 球状黒鉛鋳鉄の溶接で問題になる割れは、母材が溶融す
ることに起因している。母材を溶融させない接合法とし
ては、インサートメタルを用いた拡散接合法が周知であ
る０本発明者らは、球状黒鉛鋳鉄の接合にはこの拡散接
合法が好適であると判断し、その実用化に向けて種々の
実験研究を繰り返した結果、次の知見を得た。

インサートメタルのみを溶融させるために、インサート
メタルに融点降下元素を添加し、母材が溶融する温度以
下でインサートメタルを溶融させる必要がある。

融点降下元素としては母材に拡散しやすい元素を選ぶ。

こうすることにより、接合層から融点降下元素が排除さ
れ、元素残留に伴う脆化が防止される。その結果として
接合部の健全化が図られるのみならず、接合雰囲気およ
び被接合面粗さの条件緩和が可能になり、施工性が改善
される。また、加圧力についても適正にコントロールす
ることにより、ふくれ等の変形も防止される。

インサートメタル溶融後は、高炭素のオーステナイト相
からの冷却速度を小さくし、マルテンサイト相の生成を
抑制することにより、接合部の硬化を防止し延性を改善
する。

以上の手段を組合せることにより、球状黒鉛鋳鉄が簡便
、高能率に接合でき、しかも健全な接合部が安定して得
られる。

本発明は、上記知見に基づきなされたもので、重量％で
Ｓｉ：８％以下、８１％以下、Ｐ；１１％以下の少なく
ても１種以上を含むＦｅ５またはＮｉ基で、融点が１１
００’Ｃ以下のインサートメタルを接合部に挟み、該接
合部を、０．５〜１．０ｋｇ　ｒ　／鴫２なる圧力によ
り加圧した状態で１１００℃以下、インサートメタルの
融点以上に６０秒以上Ｏｚ：２００ρｐｍ以下の雰囲気
中で保持した後、少なくとも５００″Ｃまでを１．５℃
／秒以下の速度で冷却することを特徴とする球状黒鉛鋳
鉄の接合方法を要旨とする。

本発明の接合方法に使用するインサートメタルには、重
量％でＣｒ：２５％以下、Ｃｏ：２５％以下の一種また
は二種を添加することができる。

接合後は５００〜７００″Ｃで２ｈ以上の加熱を行って
もよい、この加熱により、接合部の硬化防止、延性改善
が一層促進される。

本発明の接合方法は、球状黒鉛鋳鉄を相互に接合するだ
けでなく、球状黒鉛鋳鉄と軟鋼との接合にも用いること
ができる。

［作　　用］ 本発明の接合方法の接合対象となる球状黒鉛鋳鉄として
は、例えばＡＳＴＭＡｕ格ではＡ３３９−５５、Ａ３９
Ｂ−５８などを挙げることができる。

これらの鋳鉄は、溶融溶接法では健全な接合部を安定し
て得ることが容易でない。

本発明の接合方法に使用するインサートメタルにＳｉ、
Ｂ、Ｐの少なくても１種以上を添加するのは、インサー
トメタルの融点を低下させるためである。また、これら
の元素は接合中に母材へ拡散しやすくまた、拡散速度も
速い。したがって元素添加に伴う接合層の脆化を防止す
る。インサートメタルの融点を充分に低下させるために
、これらの元素は２重量％以上含有させるのが好ましい
。

ただし、添加量が過多になると、拡散しにくくなり接合
層に残存するので、Ｓｉ５８重量％、８５４重量％、２
５１１重量％にそれぞれ制限する。

記Ｓｔ、Ｂ、Ｐは上記範囲内で少なくても１種以上含有
すればよい。

Ｃｒ、Ｃｏは黒鉛の微細化に有効で、接合部の延性向上
に寄与する。しかし、過剰に添加されると、接合層の脆
化が進行する。従って、Ｃｒ、　　Ｃ。

を添加する場合はその上限をいずれの元素も２５重看％
とする。

インサートメタルの融点は、母材の局部溶融を防止する
ために１１００℃以下であることが必要であり、上記組
成を満足するインサートメタルであっても、融点が１１
００℃を超えるものは不適である。融点の下限は特に必
要ないが、現実的には７００℃程度になる。

インサートメタルの厚みについては、１０−１００μｍ
１好ましくは２０〜５０μｍが良い。極端に薄いとイン
サートメタルが不足し所望の効果が得られない、また、
厚すぎると接合時間が長くなり経済的でない。

接合雰囲気については、接合層の酸化防止のためにＯ１
量を２００ｐｐｍ以下に制限する。−最に拡散接合法で
は、接合層の脆化防止のために接合雰囲気（Ｏ量）の管
理が重要であり、そのために施工性の悪化を招いている
が、本発明の接合方法では、インサートメタルに添加し
た融点降下元素により接合層が液相化するため酸化物の
残存に伴なう欠陥の発生が防止される。その結果、接合
雰囲気の許容範囲が一般の拡散接合法と比べて広がり、
施工が容易になる。また、後述する加圧力、被接合面粗
さに対する条件も緩和される。

接合時の加圧力は、被接合面を密着させるためニ０．５
　ｋｇ　ｒ　／　ｍｍ”以上必要であるが、ｌ　ｋｇ　
ｆ　／ｍ”を超えると接合部の変形が大きくなるので、
０．５〜１ｋｇｒ／閣２とする。

被接合面の粗さについては、なるべくなめらかな粗さに
すべきであるが、本発明の接合法においては、６０μｍ
Ｒｍａ　ｘ程度でも所望の効果が得られる。

接合温度は、母材の局部溶融を防ぐために１１００″Ｃ
以下で且つインサートメタルの融点以上とする。ただし
、インサートメタルの融点が１０００℃以下の場合でも
接合温度は接合時間を短縮するために１０００℃以上と
することが望まれる。

接合温度保持時間は、融点降下元素を母材に充分に拡散
させるために６０秒以上が必要であるが、経済性確保の
ためにこの条件内で出来るだけ短時間とするのが望まし
い。

加熱保持後は、接合部の硬化防止のために、少なくとも
５００℃までを１．５℃／秒以下の速度で冷却する。す
なわち、接合時には、接合部近傍の母材組織は高炭素の
オーステナイトとなり、加熱保持後の冷却でマルテンサ
イト変態を生じた場合には硬化が進んで脆くなる。この
現象を防止するためには、少な（とも５００℃までの冷
却速度を充分に小さくすることが必要であり、１，５℃
／秒以下の速度とすることにより、接合部近傍の母材は
ベイナイト、パーライト、フェライトの混合組織となり
、硬化が抑制される。冷却速度の下限は特に必要ないが
、接合能率の点からは０．５℃／秒以上が望まれる。５
００℃以下における冷却は、冷却速度を制限する必要が
ない。

接合後は、接合部ｍｍの焼もどしを目的とした５００〜
７５０’Ｃ，２ｈ以上の熱処理を必要に応じて実施する
。熱処理温度が５００℃未満では焼もどし効果が少なく
、７５０℃超えでは組織の一部がオーステナイト化し、
冷却時にマルテンサイト化するので、熱処理温度は５０
０〜７５０℃とする。

保持時間は焼もどし効果確保のために２ｈ以上が必要で
あり、経済性の点からは短いほど望ましい。

（実施例） 外径２１６．３＋ｍｇ、肉厚１１１ＩＩ！ｌ、長さ５０
０　ｍの球状黒鉛鋳鉄管および同寸法の軟鋼管を管軸と
直角に切断し、その端面を５０μｍＲｍａｘに仕上げた
ものを供試材とした。供試材の組成を第１表に示す。

インサートメタルとしては、急冷凝固法により作製した
厚さ２０〜５０μｍの非晶質薄帯を用いた。使用したイ
ンサートメタルの化学成分を第２表に示す。

試験には、第１図に示すように、−組の供試材ｌａ、ｌ
ｂを突合せて固定する環状の加熱ヘッド２を使用した。

加熱ヘッド２は半割形で、両端に供試材１ａ、ｌｂに対
する拘束部３ａ、３ｂを備え、その間に誘導子４を備え
ている。そして、この加熱ヘッド２により、−組の供試
材１ａ、ｌｂをその端面間にインサートメタルを挟んで
固定し、供試材１ａ、ｌｂの内面側および加熱ヘッド２
内にＮ２ガスを流しながら、供試材１ａ、ｌｂの突合せ
部を誘導子４により加熱した。この加熱により、端面間
のインサートメタルが溶融すると共に、供試材１ａ、ｌ
ｂが軸方向に延び、接合面間に加圧力が付加される。そ
の結果、端面間が拡散接合される。加圧力は、拘束部３
ａ、３ｂの剛性を変化させて、供試材１ａ、ｌｂの熱膨
張による反力を緩和することにより調節した。また、接
合温度、加熱保持時間および冷却速度の調節は、誘導子
４の高周波電源５の操作により行った。

供試材１ａ、ｌｂを接合した後、その接合部から第２図
に示す試験片を採取し、試験片に引張試験を行った結果
および接合条件を第３表に示す。

第　　２　　表 本本発明条件外 試験Ａ１〜１０は球状黒鉛鋳鉄管を相互に接合した例で
ある。接合条件が本発明範囲内に管理されているので、
接合後に熱処理を行ったＡＩＯを除いて接合強度はいず
れも６０ｋｇｆ／閣２を超えている。また、Ａｌｌは球
状黒鉛鋳鉄管と軟鋼管との接合例であるが、軟鋼母材で
破断を生じ、健全な接合部がｉ）られていることを確認
できた。

これらに対し、Ｂ１は接合温度がインサートメタルの融
点に達していないために、接合強度が低い。Ｂ２は加熱
保持時間が不足するために、接合強度が低い、Ｂ３は加
圧力が過大のために、接合部にふ（れが生じた。Ｂ４，
５は冷却速度、接合温度が過大なために、接合部に割れ
が生じた。Ｂ６は雲丹雰囲気中の０量が多いために接合
強度が低い。Ｂ７，９．１０はインサートメタルにおけ
る融点降下元素が過剰のために、接合強度が低く、Ｂ８
は融点降下元素が不足のために、インサートメタルが熔
融せず、接合強度が低い。。

〔発明の効果〕

本発明の接合方法は、球状黒鉛鋳鉄の接合において、そ
の接合部に優れた接合強度を与え、しかも接合部の割れ
および変形を防止する。また、接合強度が接合条件に支
配され、作業者の技量による影響を受けないで、施工が
容易で接合部品質が安定する。さらに、接合条件の緩和
が図られているので、施工性に著しく優れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例で採用した接合方法の模式図、
第２図は試験片の形状説明図である。 図中、ｌａ、ｌｂ：供試材、２；加熱ヘッド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量％でＳｉ：８％以下、Ｂ：４％以下、Ｐ：１１
   ％以下の少なくても一種以上を含むＦｅ基またはＮｉ基
   で、融点が１１００℃以下のインサートメタルを接合部
   に挟み、該接合部を、０．５〜１．０ｋｇｆ／ｍｍ＾２
   なる圧力により加圧した状態で１１００℃以下、インサ
   ートメタルの融点以上に６０秒以上Ｏ＿２：２００ｐｐ
   ｍ以下の雰囲気中で保持した後、少なくとも５００℃ま
   でを１．５℃／秒以下の速度で冷却することを特徴とす
   る球状黒鉛鋳鉄の接合方法。 ２、インサートメタルが重量％でＣｒ：２５％以下、Ｃ
   ｏ：２５％以下の１種または２種を含むことを特徴とす
   る請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄の接合方法。 ３、接合後に５００〜７００℃で２ｈ以上の加熱を行う
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の球状化黒鉛
   鋳鉄の接合方法。 ４、球状黒鉛鋳鉄と軟鋼とを接合することを特徴とする
   請求項１〜３のいずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄の接合方
   法。