JPH069749B2

JPH069749B2 - 異材継手の製造方法

Info

Publication number: JPH069749B2
Application number: JP63306420A
Authority: JP
Inventors: 和行中筋; 和博小川; 誠一郎武田; 端板橋
Original assignee: Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan; Nippon Steel Corp
Priority date: 1988-12-02
Filing date: 1988-12-02
Publication date: 1994-02-09
Anticipated expiration: 2009-02-09
Also published as: JPH02169191A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はステンレス鋼又はニッケル基合金と、ジルコニ
ウム系材料又はチタン系材料とからなる異材継手の製造
方法に関する。

〔従来の技術〕

一般に、純ジルコニウム、ジルカロイ等のジルコニウム
合金（以下、ジルコニウム系材料と総称する）又は、純
チタン、Ti-5％Ta等のチタン合金（以下、チタン系材料
と総称する）は、耐食性に優れており、また熱中性子吸
収断面積で極めて小さいので原子炉等の材料として利用
されている。一方、原子炉等の１つのプラントには、上
記各材料の他に、高耐食性のステンレス鋼又はインコネ
ル（商品名）等のニッケル基合金等が利用されている。
これらは、使用環境及び経済性等を考慮して使い分けら
れており、単一プラント内において、原子炉等の厳しい
使用環境条件下ではジルコニウム系材料又はチタン系材
料が適しており、原子炉以外の相対的に緩やかな使用環
境条件下では前記ジルコニウム系材料、チタン系材料に
比べて安価なステンレス鋼又はニッケル基合金でも十分
である。従って、これらの異種材料の境界部では異材接
合が必要である。この異材接合にフランジ継手を適用す
ることが考えられるが、フランジ継手においてはシール
性についての信頼性という点で問題であり、このような
場合には金属接合継手を用いるのが一般的である。とこ
ろが、ジルコニウム系材料及びチタン系材料はステンレ
ス鋼及びニッケル基合金との溶接が困難である。その理
由として、上記溶接を行うとジルコニウム系材料及びチ
タン系材料の成分であるジルコニウム（Zr）及びチタン
(Ti)と、ステンレス鋼及びニッケル基合金の成分である
鉄(Fe)，ニッケル(Ni)，クロム(Cr)が溶接箇所に集まっ
て非常に脆弱な金属間化合物（例えばZrfe₂,TiFe等）が
形成されて、耐食性や延性が低下するので、ステンレス
鋼及びニッケル基合金とジルコニウム系材料及びチタン
系材料とを直接溶接で接合することは、実用には不向き
である。

現在、上記したようなステンレス鋼及びニッケル基合金
と、ジルコニウム系材料及びチタン系材料とを接合する
金属継手の製造方法として例えば特開昭61-52996号公報
に開示されたものがある。この方法は、Ti基又はZr基の
金属（但しβ型Ti基合金及びβ型Zr基合金は除く）を第
１部材とし、ステンレス鋼を第２部材として両者を熱間
静水圧加圧法によって拡散接合させるに当たり、β型Ti
基合金又はβ型Zr基合金をインサート材とし、このイン
サート材を第１部材と第２部材の間に介在せしめ、第１
部材のβ変態点未満の温度に加熱して拡散接合を行うよ
うにしたものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

この方法においては、インサート材を介在させることに
よってステンレス鋼中の合金元素をインサート材中に固
溶化させることができて、接合界面における耐食性及び
曲げ延性を改善することができるものであるが、反面、
生産性が低く継手の価格が高くなるといった問題点があ
った。

そこで、本願出願人は生産性を考慮したものとして、先
に特開昭61-64621号（特開昭62-220291号）によってジ
ルコニウム系クラッド材及び製造方法を提案した。

この方法は、鉄系材料又はニッケル基合金からなる母材
と、ジルコニウム系材料からなる合わせ材との間に、タ
ンタルからなるインサート材を挿入し接合してクラッド
材となすに際し、母材とインサート材との間を非溶融溶
接、合わせ材とインサート材との間を非溶融又は溶融溶
接により接合するようにしたものである。

この方法は、金属接合継手において異種金属界面の耐食
性及び延性の低下を防止する優れた効果を発揮するもの
であり板状のクラッド材の熱間圧延製造に適したもので
ははあるが、しかし、異種継手となり得る棒状・管状の
クラッド材を製造するに適した方法ではなかった。

また本願出願人は先に、特願昭61-181635 号（特開昭63
-36903号）によって複合材の製造方法を提案している。

この方法は内層材よりも変形抵抗が大きい材質の円筒状
の外層材を用い、内層材の外表面及び外層材の内表面を
脱脂清浄して嵌合せしめ、次いでこの嵌合材を内層材、
外層材及びこれらの金属間化合物夫々の融点よりも低い
温度に加熱し、３個以上のコーン型ロールを有する傾斜
圧延機により１パス当たり30％以上の減面率で延伸、圧
延するようにしたものである。

一方、上記方法において、外層材にステンレス鋼又はニ
ッケル基合金を用い、内層材にジルコニウム系材料又は
チタン系材料を用いた場合には、組み合わせ材料特有の
問題、即ち外層材と内層材とが高温域で極端に変形抵抗
が異なるといった問題、具体的には1000℃でSUS304はジ
ルコニウムの約７倍も変形抵抗が大きいといった問題が
あった。従って上記方法は、外層材にステンレス鋼又は
ニッケル基合金、内層材にジルコニウム系材料又はチタ
ン系材料を用いる場合には不適であった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、管状
の異材を接合する異材継手として、接合強度、耐食性に
優れたものを製造することができる製造方法を提供する
ことを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、ステンレス鋼又
はニッケル基合金と、とジルコニウム系材料又はチタン
系材料からなる異材継手の製造方法において、断面円形
の内層材と円筒状の外層状との両者の間にタンタル層を
介在させて嵌合し、前記内層材、外層材及びタンタル層
からなる嵌合組み立て材料を800℃〜1200℃に加熱し、
３個以上のコーン型ロールを有する傾斜圧延機によって
外径の絞り圧延を65％以下の減面率で且つ１回加熱で行
って、棒状のクラッド材となし、このクラッド材の少な
くとも片端側の外層材を除去して継手に形成する。ま
た、クラッド材の内，外層を除去し、片端側が外層材の
みからなり、もう一方の片端側が内層材のみからなる管
状に形成する。

〔作用〕

本発明にあっては、内層材と外層材との間にタンタル層
を介在せしめたので、内層材と外層材との金属間化合物
が形成されることがない。また、800℃〜1200℃の範囲
で加熱するようにしたので、Ta-Fe系又はTa-Ni系の金属
間化合物が形成されることがなくて脆化を生じることが
ない。また、３個以上のコーン型ロールを有する傾斜圧
延機によって圧延を行ったので、２個のコーン型ロール
を有する傾斜圧延機によって圧延を行った場合に生じや
すいマンネスマン破壊による内部割れを生じることがな
い。また、65％以下の減面率で圧延を行ったので、被圧
延材の断面を円形となすことができて圧延を良好に行え
る。また、１回加熱で圧延を行ったので、クラッド材を
形成する各材料（内層材、タンタル層、外層材）の接合
界面での耐食性が低下することがない。

そして、上記のようにして形成されたクラッド材の内，
外層部を除去して形成された異材継手によって２つの管
状の異材を接続すると、異材継手の片端側と同材料の管
材をこの片端側に溶着接続する一方、もう一方の片端側
と同材料の管材をこの片端側に溶着接続することによっ
て２つの異材の管材をこの異材継手によって接続し得
る。

〔実施例〕

以下本発明を図面に基づき具体的に説明する。第１図は
本発明で製造される嵌合組立材の正面断面図、第２図は
その一部破砕した側面図であり、図中10は嵌合組立材を
示す。嵌合組立材10は、ジルコニウム系材料又はチタン
系材料からなる断面円形の内層材11の外側にTa箔のテー
ピングによりタンタル層13を介在せしめて、ステンレス
鋼又はニッケル基合金からなる筒状の外層材12を嵌合さ
せた丸棒状のものであり、この嵌合した状態で内層材と
外層材との間を真空状態(1×10^-1Torr以下)とした後
に、図示しない加熱炉にて加熱された後、傾斜圧延機へ
送給される。ここで、内層材と外層材との間を真空状態
にするのは、この嵌合組立材を加熱したこちに接合界面
に酸化物が形成されるのを回避するためである。

第３図は本発明に使用する傾斜圧延機４を示す模式図
（図中ロール1,2は第４図のIII−III線による断面図と
している。）第４図は第３図のIV−IV線による正面図、
第５図は傾斜角βを示す側面図である。傾斜圧延機４は
パスライン周りに臨んで３個のコーン型ロール1,2,3を
有し、３個のロール1,2,3は出側端部にゴージ部1a,2a,3
aを備え、ゴージ部を境にして入側は軸端に向けて漸次
直径を縮小され、また出型は拡大された円錐台形をなす
入口面1b,2b,3b及び出口面1c,2c,3cを備えており、出口
面1c,2c,3cはパスラインとの距離をゴージ部とパスライ
ンとの距離に一致させるようにしている。

このようなコーン型ロール1,2,3はいずれもその入口面1
b,2b,3bを嵌合組立材10の移動方向上流側に位置させた
状態とし、また軸心線Y-Yと、ゴージ部1a,2a,3aを含む
平面との交点Ｏ（以下ロール設定中心という）を、嵌合
組立材10のパスラインX-Xと直交する同一平面上にてパ
スラインX-X周りに略等間隔に位置せしめるべく配設さ
れている。そして各ロール1,2,3の軸心線Y-Yはロール設
定中心回りに、嵌合組立材10のパスラインX-Xとの関係
において第３図に示すように前方の軸端がパスラインX-
Xに向けて接近するよう交叉角γだけ交叉（傾斜）せし
められ、且つ第４図，第５図に示すように前方の軸端が
嵌合組立材10の周方向の同じ側に向けて傾斜角βだけ傾
斜せしめられている。ロール1,2,3は図示しない駆動源
に連繋されており、第４図に矢符で示す如く同方向に回
転駆動され、これらのロール1,2,3間に噛み込まれた熱
間の嵌合組立材10はその軸心線回りに回転駆動されつつ
軸長方向に移動される。即ち螺進移動せしめられる。

嵌合組立材10はロール1,2,3を螺進移動せしめられる間
に、第３図に示す如くロールバイト部Ａにて外径を絞ら
れて、嵌合組立材10の圧下面Ｂが円錐台形状に成形され
た後、ゴージ部、出口面にて所定の外径の丸棒状のクラ
ッド材14となる。

この傾斜圧延機では、ロールの数が３個の場合について
説明したが、ロールが３個以上の場合も上記と同様にし
て行う。

次に、上述の熱間圧延時の設定条件を下記する。

（イ）800℃〜1200℃の範囲に加熱すること。

は、65％以下とする。

（ハ）圧延は１回加熱のみ行い、再加熱圧延は行わない
こと。

また、上記各設定条件の理由を下記すると、まず加熱温
度の上限を1200℃としたことは、温度が1300℃を超える
とTa-Fe系又はTa-Ni系の金属間化合物が形成されて脆化
を生じるので、圧延中に1300℃を超えないようにしなけ
ればならない。そして、本発明での傾斜圧延では圧延中
加工熱が発生するので、これによる温度上昇を考慮して
加熱温度の上限を1200℃とした。一方、加熱温度の下限
を800℃としたのは、圧延時金属界面で拡散接合させる
必要があるので、800℃以上に加熱しておくことが必要
であるからである。

次に、減面率について述べると、嵌合組立材10の横断面
積をA₀、圧延後のクラッド材14の横断面積をA₁とする
と、（A₀−A₁）/A₀を0.65以下とする。これは、0.65を
超えると外層材12がロール1,2,3の間に張り出して被圧
延材（嵌合組立材10→クラッド材14）の断面が三角乃至
五角の多角形形状となり、圧延ができなくなるからであ
る。

次に、圧延時の加熱回数を１回とした理由について述べ
ると、圧延時に２回以上の再加熱を行うと、接合界面で
の耐食性が低下して問題となる。従って、加熱回数は１
回だけにすると良いことが判った。

また、内層材11と外層材12との間にタンタル層13を設け
たことについては、タンタルは異種金属材料間で有害な
金属間化合物の生成を抑制して、接合強度、耐食性を保
障するために用いている。そして、内層材11は中実材で
あっても中空材であってもよい。また本発明にあって、
熱間圧延に孔型圧延法ではなく、傾斜圧延法を用いる理
由について以下に述べる。孔型圧延法はダイヤ・スクウ
ェア孔型又はオーバル・ラウンド孔型を有するロール配
列によって多パス圧延を行う方法であり、各パスでの圧
下途中の断面形状は非円形断面となる。従って、外層材
と内層材との変形抵抗差が極端な複合材（本発明にあっ
ては嵌合組立材10）を圧延する場合には、内層材は圧延
方向に伸び、外層材は圧延方向と垂直な方向に伸びよう
とすることになり、各パスごとに外層材と内層材とで隙
間が発生することになって、円周方向で確実に接合され
た複合材（本発明にあってはクラッド材14）を得ること
は不可能である。

上記の理由によって、本発明にあっては軸対称加工法で
ある傾斜圧延法を採用しており、従来の孔型圧延法では
不足していた接合強度を十分な強度まで高め得るよう
に、嵌合組立材10を傾斜圧延する。その結果、800℃〜1
200℃に加熱した嵌合組立材10の金属界面で拡散が促進
され、拡散接合が可能になる。また、この熱間傾斜圧延
によって金属間化合物が生成しても高圧下圧延によって
金属間化合物層の厚みを薄肉化できて接合性に優れたク
ラッド材14を製造できる。

また、３個以上のコーン型ロールを有する傾斜圧延機を
用いる理由は、２個のロールを有する傾斜圧延機におい
ては、被圧延材中央部にいわゆるマンネスマン破壊によ
る内部割れが発生するので、これを回避するために３個
以上のロールを有する傾斜圧延機を採用するのである。

上記のようにして製造されたクラッド材14を適宜の内，
外層を除去し、第６図に示すような異材継手14Aを形成
する。この異材継手14Aの内層材11はその内部を貫通穿
孔して管状に形成してある。このようにして形成された
異材継手14Aは、第６図に示すように、接続する２つの
異材の管材Ｑ，Ｒと異材継手14Aの同一材料同士（第６
図において、異材継手14AのSUSからなる外層材12とSUS
からなる右側の管材Ｒ及び異材継手14AのZrからなる内
層材11とZrからなる左側の管材Ｑ）を、その突き合わせ
端部で互いに溶接することによって、２つの異材の管材
Ｑ，Ｒを接続する。

このように、接続する２つの異材の管材Ｑ，Ｒと異材継
手14Aの同一材料同士をその突き合わせ端部で互いに溶
接することによって、ジルコニウム系又はチタン系材料
管Ｑとステンレス鋼又はニッケル基合金Ｐとを異材継手
14Aで継ぐことができるようになる。

また、異材継手の形状としては、14A以外にも第10図
(a)，(b)，(c)，(d)に示すように種々のものに加工が可
能である。第10図(b)，(d)に示す異材継手14Aでは、内
層材11の一端側中央部を奥行き方向途中まで穿孔してあ
る。

次に試験片を用いて行った接合強度試験について下述す
る。

供試材には、内層材11に純Zr及びTi-5％Ta合金（両者と
もに外径27.7mmの丸棒）を用い、外層材12にSUS304L
（外径40φ，肉厚6mmの管）、中間材に純Ta箔13a（厚さ
0.1mm×幅100mm）を使用した。これらの化学組成を表１
と表２とに示す。

そして、これらを用いて下記の方法で嵌合組立材を製作
した。内層材11、外層材12及びTa箔13aを脱脂、洗浄し
たのち、Ta箔13aを内層材11に巻き付け、これを管状の
外層材12に挿入して、その両端を外層材12と同じ材料か
らなる断付円盤状の蓋部材12a,12b（第２図参照）で電
子ビームにて３×10^-3Torrの真空度の状態にして密閉溶
接した。また一方で、表３における記号イの場合では、
Ta箔13aを用いない素材も製作した。

そして、次にこれらの嵌合組立素材を900℃に加熱して
傾斜圧延を行った。この時の圧延条件を次に示す。

交叉角（γ）が３゜，傾斜角（β）が９゜，ロール径が
135φ，ロール回転数が70rpmである。

パス・スケジュールは表３に示す。

次に、上記のようにして製造したクラッド材14の剪断強
度（接合強度）を調査すべく、第７図に示す如く所定長
さのクラッド材14の一端側を一定長さｈでそのままと
し、他端側を内層材11の外径よりも小さい外径の円柱部
とした試験片14aを各調査対象材について２個づつ作成
し、内層材11の外径よりも少し大きい直径の円形開口部
の縁部が、試験片14aの一端側の外層材12部分に当接
し、その状態で他端側より押圧力を付与して内層材11と
外層材12とが破断する荷重Ｐを測定し、その測定値を下
記(1)式に代入し、剪断強度＝Ｐ／（π・Ｄ・ｈ） …(1) 但し、Ｄ＝内層材の外径剪断強度を求めた。

その結果を次の表４に示す。

この表４に示す結果から１パスにおける減面率が65％を
越える高加工度圧延のパス・スケジュールでは圧延でき
ないことが判った。

従って、圧延は１パスにおける減面率が65％以下で行な
わなければならない。そして、１パスの圧延でも、複数
パスの圧延でも、接合強度は同等であることが判った。

更に、耐食性を調査すべく、第８図に示すように半円状
で幅３mmの腐食試験片14bをクラッド材14の圧延方向と
直交する平面で切断して製作した。腐食試験液は次に示
す通りである。尚、図中Ｒはクラッド材14の直径を示し
ている。

8MHNO₃l／lHNO₃＋１mg／lRu³⁺＋0.5mg／lCe³⁺ ＋200mg／lFe³⁺＋50mg／lCr³⁺＋50mg／lNi²⁺ そして、沸点に保持した状態で液中に、試験片14bを120
hr浸漬保持した後、切断ミクロ検鏡(500倍)にて接合界
面の腐食深さを測定した。その結果を表５に示す。

この表５に示す結果から、Ta箔が無いクラッド材14では
接合界面で腐食が発生し、１回加熱だけの圧延では、Ta
箔を中間材として介在させることによって、接合界面で
の腐食は発生しないことが判った。

しかし、複数回加熱圧延したものは、接合界面で腐食が
発生してしまうことが判った。

従って、表４，表５の結果より、接合強度に優れ、か
つ、耐食性に優れた接合界面を有するクラッド材14を得
るには、外層材12と内層材11との間にタンタル層13を介
在せしめて、65％以下の減面率で１回加熱のみ圧延を行
なわなければならないことが判った。

〔発明の効果〕

本発明によれば、上述のように、内層材と外層材との間
にタンタル層を介在させて、これを800℃〜1200℃で１
回加熱して、３個以上のコーン型ロールを有する傾斜圧
延機で外径の絞り圧延を65％以下の減面率で圧延して棒
状のクラッド材となして、これの内，外層を除去したこ
とにより、管状の異材を接合する異材継手として、接合
強度、耐久性に優れた異材継手を製造することができる
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用する嵌合組立材の正面断面図、第
２図はその側面図、第３図は本発明に使用する傾斜圧延
機を示す模式図、第４図は第３図のIV−IV線による正面
図、第５図は傾斜角βを示す側面図、第６図は本発明に
よって製造される異材継手で異材を接合した状態の側面
図、第７図は剪断強さの測定内容説明図、第８図は腐食
試験に用いる試験片の正面図、第９図はその側面図、第
10図(a)，(b)，(c)，(d)は異材継手の他の形状を示す側
面図である。１，２，３…ロール４…傾斜圧延機 10…嵌合組立材 11…内層材 12…外層材 13…タンタル層 14…クラッド材 14A…異材継手

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者武田誠一郎茨城県那珂郡東海村大字村松４番地33 動力炉・核燃料開発事業団東海事業所内 (72)発明者板橋端東京都港区赤坂１丁目９番13号動力炉・核燃料開発事業団本社内 (56)参考文献特開昭61−99590（ＪＰ，Ａ) 特公昭60−45991（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ステンレス鋼又はニッケル基合金とジルコ
ニウム系材料又はチタン系材料からなる異材継手の製造
方法において、断面円形の内層材と円筒状の外層状との
両者の間にタンタル層を介在させて嵌合し、前記内層
材、外層材及びタンタル層からなる嵌合組み立て材料を
800℃〜1200℃に加熱し、外径の絞り圧延を65％以下の
減面率で且つ１回加熱で棒状のクラッド材となし、クラ
ッド材の片端側では外層材とタンタル層を除去する工
程、一方の片端側では内層材とタンタル層を除去する工
程とからなることを特徴とする異材継手の製造方法。
【請求項２】請求項１の異材継手の内層材を貫通穿孔し
て管状とすることを特徴とする異材継手の製造方法。
【請求項３】請求項２の異材継手の内層材を途中まで穿
孔することを特徴とする異材継手の製造方法。
【請求項４】請求項１の外径の絞り圧延を、３個以上の
コーン型ロールを有する傾斜圧延機によって行うことを
特徴とする異材継手の製造方法。