JPS6410570B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は工具鋼に関し、特に工具鋼がピルガー
装置に用いられるときに改善された有用な寿命を
提するようにダイ鋼を処理する方法に関するもの
である。

ピルガー装置は、ダイ周辺の作業部分にテーパ
ー溝を有する対向したダイを用いるものである。
マンドレルで支持した加工すべき管上で対向した
ダイを往復させると管が冷間縮径される。

ダイ性能が満足すべきものかどうかの一つの基
準は、ダイ寿命中に加工された管の長さである。
一般にダイは溝表面が管表面に欠陥を生ぜしめる
程に劣化するまで用いられる。その後ダイの溝と
周辺を例えば研削により再加工して欠陥を無く
し、ダイを再び使用する。ダイは、ダイおよび装
置の寸法の限度内で可能な限り多数回に亘り溝を
再加工して再使用される。溝の再加工は６回ある
いはそれ以上にもなることがある。この理由は、
ビルガー装置を例えば原子炉用のジルカロイ管の
製造に用いる場合を考慮すれば明らかである。

原子炉燃料被覆用のジルカロイー４管の製造に
当つて配慮すべき一つの重要な点は、完成品の水
素化である。管材料に水素化物が生成するのは高
温冷却水によるジルカロイー４の稼動中の腐食に
よる当然の結果である。腐食反応により発生した
水素の一部が管材料中に拡散し、水素化ジルコニ
ウム小板を形成する傾向がある。この水素化物の
存在は、管壁内で径方向の向きに配列している場
合に特に管の機械的性質に悪影響を与える。

このような径方向水素化物の生成を最少限にす
る主な方法は、管の結晶学的組織を調整して水素
化物の小板が周方向に形成し易いようにすること
である。これは、主として管製造工程を適当に制
御することにより、また特に最終工程の冷間ピル
ガー加工装置による縮径を制御することにより行
なわれる。ジルカロイー４の管の径方向水素化物
を最小限にする手法は、冷間加工中の直径縮減に
対する肉厚縮減の大きさを最大限にすることであ
る。即ち直径縮減割合に対する肉厚縮減割合の比
を大きくすることである。これにより稠密六方格
子材料の組織となり基本極が主に径方向となる。
このような組織により、水素化試験中に原子炉稼
動中にも径方向水素化物の生成に対して大きな抵
抗を示す材料が得られる。

本発明によれば、残留圧縮応力を有する硬いケ
ースおよび強靭なボデーを与えるビルガーダイの
焼入れ方法に於て、上記ダイをオーステナイト化
温度範囲にまで加熱し、上記ダイの他の部分から
の除熱速度よりも大きな所定の速度で所望の肌焼
面の方向に上記ダイから選択的に除熱し、上記ダ
イを焼戻すことを特徴とするピルガーダイの焼入
れ方法が得られる。

最終用途に応じて空気焼入れ、油焼入れあるい
は水焼入れし得、熱処理により肌焼面を形成でき
る合金が用いられる。52100として知られている
鋼等の焼入れ組成物を用いて冷間ピルガー加工機
により特に優れた結果が得られた。同類の鋼は
Bofers社のSR1855である。一般に、、これらの鋼
は、約１％の炭素、約1.5％までのケイ素、約１
％までのマンガン、約1.25％のクロムを含み残部
は通常の不可避的不純物を含む鉄である。

このような材料を方向性を付けて焼入れする技
術には、熱処理を改善してダイの作業面上に完全
に焼入れされ焼戻された肌焼面を形成し、ダイの
他の部分には強靭なボデーを形成することがあ
る。この強靭なボデーは通常硬度が比較的低い。

この点でダイの周と溝とはピルガーダイの作業
面であり、ダイの中央部即ちボデーが完全には硬
化されていないために圧縮残留応力を生ずるよう
に熱処理される。この圧縮残留応力は使用中の溝
表面の劣化を遅らせ、硬度の大きな肌焼面は使用
中に必要な強度を与える。同時にダイの他の部分
には引張り応力が掛る。これは、ダイの中心孔と
焼入れの必要な溝および周辺を除く他の露出表面
とに断熱材を施すことにより行なわれる。このよ
うに断熱材を施こして熱処理すると、周辺と溝と
は焼入れされて強度が大きく残留圧縮応力を有す
るようになり、一方ボデーは強靭性を与えられて
方向性を付して焼入れされたダイの表面圧縮応力
と逆に略々引張り応力状態となる。

次に添附図面に示す本発明の実施例に沿つて本
発明を説明する。

本発明を実施するに当り、ダイ用の鋼として、
適当な肌焼面と強靭なボデーとを形成し、外周を
所要のダイ形状とすべく機械加工でき、また実際
の装置に適用できるものを選択する。ジルカロイ
ー４の燃料被覆管の製造には、空気焼入れ鋼ある
いは水焼入れ鋼も使用できるが、油焼入れ鋼が特
に優れている。特に次の２種を使用して良い結果
が得られた。SR1855は、炭素1.0％、ケイ素1.5
％、マンガン0.8％、クロム1.0％および少量の不
純物を有する鉄である残部を含んでいる。52100
として知られているものは、炭素1.0％、ケイ素
0.3％、マンガン0.4％、クロム約1.45％および少
量の不純物を有する鉄である残部を含んでいる。
これらの材料は、適切に焼なますと、ピルガーダ
イの所要の溝を形成するように機械加工でき、ま
たピルガー加工機にダイを取付けられるように中
心孔を形成することができる。本発明の方法を適
用するのは、ダイが最終的形状になつた後、即ち
ダイを冷間ピルガー加工機に取付けられるように
中心孔を設け、本発明の方法により仕上げされた
後実際にジルカロイー４の燃料被覆管を加工する
溝が設けられた後である。

第１図に示すダイ１０は、中心孔１２と周辺１
４とを有し、周辺１４には既に任意の適当な方法
により所定形状の溝１６が形成されている。ピル
ガーダイ１０にはこの後中心孔１２をプラグ１８
で詰塞するのに用いられる断熱材が設けられる。
ダイ１０の側壁に近接して通常は板状の同様の断
熱材２０が設けられ、この断熱材２０はダイ１０
の側壁に密接に望ましくは接触して保持される。
鋼製の端板２２がダイ１０の側壁と反対側の板状
断熱材に近接して設けられ、その後全体をボルト
２４とナツト２６とで所定位置に固定する。ボル
ト２４は、ダイ１０の一側の端板２２から他側の
端板２２まで貫通している。ピルガーダイはこの
ように組立られると熱処理が可能である。

先に述べた耐火断熱材は、カーボンランダム社
かららFiberFraxの名で販売されているもの、あ
るいはHitco社からRefrasilの名で販売されてい
るもので良く、いずれのものも良い結果が得られ
た。いずれのものを使用する場合でも、断熱性で
耐火性でなければならず、耐火性断熱材が適用さ
れる側壁および中心孔から除去され得る熱が、ダ
イの周辺および溝である耐火性断熱材の無い部分
の方向よりも実質的に小さな速度で除去されるよ
うにされる。

この組立体は、ダイをオーステナイト化温度に
するのに適当な時間維持されるオーステナイト化
温度にまで加熱され、次にダイを急冷する。即
ち、或る効果的な熱処理は、ダイを830℃乃至950
℃の温度範囲、望ましくは約870℃±７℃に加熱
することであつた。ダイはこの温度に通常１時間
保持され、その後ダイと組立られた断熱材とを通
常油中で約50℃乃至70℃に急冷する。この場合に
は、試験するとダイ周辺はロツクウエルＣ硬度約
61、中心孔はロツクウエルＣ硬度約45となる。

急冷の後には、通常焼戻しが行なわれ、通常２
回焼戻しが275℃乃至約350℃で行なわれる。温度
は中心孔および周辺に必要な強靭性および硬度に
依る。オーステナイト化温度からの油急冷により
幾らかオーステナイト相が残ることがあるので、
顕微鏡組織から残留オーステナイトが明らかな場
合には２回焼戻しをするのが望ましい。

本発明の熱処理方法の効果を明確に理解するた
めには、第２図を参照されたい。この図は、本発
明により処理したダイの周面からの距離に対する
硬度のグラフである。曲線３０は第３図のダイ部
分３８に図示的に示した溝の底３４から測つた距
離に対する硬度を示し、曲線３２は第３図に示す
線３６に沿つて測つたダイ踏面の周からの距離に
対する硬度を示すものである。このグラフから、
本発明によりピルガー加工機に用いられるダイに
硬度の大きい肌焼面と強靭なボデーとが形成され
ることが明らかである。

以下には本発明の方法を含む種々の熱処理によ
り製造されたピルガーダイの最初の溝の平均寿命
を比較する。この比較は、３回のピルガー縮径の
うち最終回の縮径により製造されたジルカロイー
４被覆管の長さを寿命として行なうと都合が良
い。最終回の縮径は最も費用の掛るピルガー縮径
であり、従つてダイ寿命の延長の効果が最も大き
い。一年間に、不完全焼入れを一回した第１溝ダ
イ寿命は平均25276ftの管を製造できた。熱処理
法を変えて普通の焼入れ法により硬い肌焼面を得
るために不完全焼入れを複数回行なつたものは、
第１溝寿命が３ケ月の運転で約20045ftであつた。
一方、本発明により処理されたダイの平均第１溝
寿命は41530ftであつた。

以上の説明から、本発明によりダイ交換までに
長時間のピルガー加工が可能となつてピルガー加
工管の単位長さ当りのダイ費用が減少するのでか
なりの費用節減が可能であることが明らかであ
る。更に、ピルガー加工管の単位長さ当りに要す
るダイ交換回数が減り、特に全体として生産性が
改善する。或る型のダイだけでも費用節減は計算
によれば少なくとも１年当り約50000ドルにもな
る。このような熱処理により、普通ロツクウエル
Ｃ硬度55乃至63の高硬度の焼戻しマルテンサイト
肌焼面が形成され、ダイボデーの他の部分はロツ
クウエルＣ硬度38乃至45のベーナイトあるいは焼
戻しベーナイトとなることが明らかである。この
ため強靭なボデーが得られ、鋼の表面が圧縮応力
状態であるのに対し鋼のボデーは引張応力状態と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図はピルガーダイを方向性をもつて焼入れ
る一方法を示す概略図、第２図は本発明による一
般的ピルガーダイの硬度分布を示すグラフ、第３
図はダイの一部分の断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 残留圧縮応力を有する堅いケースおよび強靭
   なボデーを与えるピルガーダイの焼き入れ方法に
   於いて、上記ダイをオーステナイト化温度範囲に
   まで加熱し、上記ダイの他の部分からの除熱速度
   よりも大きな所定の速度で所望の肌焼面の方向に
   上記ダイから選択的に除熱し、上記ダイを焼戻す
   ことを特徴とするピルガーダイの焼入れ方法。 ２ 上記肌焼面がテーパー溝および上記ダイの周
   を含み、上記ダイの露出表面の他の部分に少なく
   ともオーステナイト化処理中は断熱被覆を設ける
   特許請求の範囲第１項記載のピルガーダイの焼入
   れ方法。 ３ 上記肌焼面が、上記ダイの周から測つて1.27
   cm乃至2.54cmの厚さを有し、これに対応してロツ
   クウエルＣ硬度53乃至63の硬度を有する特許請求
   の範囲第１項記載のピルガーダイの焼入れ方法。 ４ 上記ダイの外周がロツクウエルＣ硬度61乃至
   63に硬化され、他の部分がロツクウエルＣ硬度35
   乃至45に硬化される特許請求の範囲第３項記載の
   ピルガーダイの焼入れ方法。