チタンチューブの冶金状態: 焼きなまし、冷間加工、析出硬化

チタンチューブは決して単なる「チューブ」ではありません。同じ公称サイズとグレードが複数の冶金学的状態で供給される可能性があり、その状態は、化学的性質だけよりもはるかに降伏強さ、延性、溶接性、腐食挙動を決定します。外径と肉厚のみを指定した購入者は、寸法的には正しいが、冶金学的に義務に対して間違っている製品を受け取ることがよくあります。以下に説明する州は、熱交換器、凝縮器、およびプロセス配管の注文の大部分をカバーしています。

焼きなまし状態

完全に焼きなまされたチューブは、商業用純チタンのデフォルトの供給条件です。チューブの縮小時の冷間加工の後に、組織を再結晶化させる焼鈍が行われ、加工硬化が除去され、延性が回復します。その結果、適度な強度、優れた成形性、溶接時の予測可能な挙動を備えたチューブが得られます。そのため、軽度の腐食性の冷却水での凝縮器および熱交換器の用途には焼きなましされた材料が使用されることが重要です。応力除去チューブ-は、冷間加工と完全な焼きなましの状態の間にあります。残留応力を緩和して寸法安定性を向上させるのに十分な焼きなましですが、完全な再結晶化には十分ではないため、冷間加工強度の有用な部分が保持されます。

冷間加工された状態

冷間加工されたチューブは完全な再結晶焼鈍を行わずに供給されるため、延性を犠牲にして高い強度を実現します。チューブが特定の圧力や振動に耐える必要がある場合や、曲げやフレアの要件が緩やかな場合に使用されます。欠点は、特定の環境では残留応力によりチューブが応力腐食割れを起こしやすくなり、その後の溶接作業により熱影響部が部分的に焼きなまされ、設計で許容しなければならない強度の不連続性が生じることです。

超塑性および細粒状態-

チタンを微細な等軸結晶粒構造（通常は数マイクロメートルの範囲）に加工すると、焼きなましされた材料は超塑性挙動を示します。つまり、ネッキングや破断を起こすことなく、高温で数百パーセント引き延ばすことができます。チタンチューブの場合、この状態は 2 つの点で貴重です。これにより、比較的低い成形圧力で複雑な成形操作を 1 つのステップで実行できるようになり、高いひずみ速度負荷下でも亀裂が生じにくい、丈夫で損傷に強い製品が得られます。そのため、要求の厳しい用途での熱交換材料として魅力的です。- Ti-6Al-4V などのアルファ-ベータチタン合金の超塑性成形は、通常、約 870 ～ 950 度の範囲で遅いひずみ速度で実行されます。

析出硬化状態

時効処理とも呼ばれる析出硬化は、溶体化処理とそれに続く時効処理に反応するチタン合金に適用されます。チューブは高温で溶体化処理され、急冷され、その後低温で時効されるため、微細な二次相が構造内に沈殿します。エージングしたチューブは室温で高い強度と硬度を持ち、高温でも有用な強度を維持します。そのため、高温と高圧の厳しい組み合わせの下で動作する熱交換器には析出硬化製品が選ばれます。アルファ-ベータおよびベータチタン合金の一般的な時効処理は約480〜540度の範囲にあり、強度と延性のバランスをとるように時間と温度が選択されます。

アルファ、アルファ-ベータおよびベータ構造

チタンチューブの状態はその相構造と密接に関係しています。商業的に純粋なグレードやパラジウム-またはモリブデン-の安定化腐食グレードを含むアルファ合金は、単相であり、容易に溶接可能で、適度な強度があります。 Ti-6Al-4V などのアルファ-ベータ合金には両方の相が含まれており、中強度から高強度、優れた可塑性、良好な溶接性能を備えており、中温の熱交換器に広く使用されています。ベータ合金は時効処理により非常に高い強度を得ることができますが、より厳密なプロセス制御が必要であり、一般的な熱交換サービスではチューブ形状で使用されることはあまりありません。

義務を負う州の選択

選択は、優先グレードではなく、使用条件から始まります。過酷な高温高圧で使用される熱交換器には、析出硬化製品が必要です。成形性、衝撃靱性、または溶接性に依存する用途には、焼きなましまたは超塑性材料が必要です。熱負荷なしで高い静的荷重を負荷しなければならないチューブでは、冷間加工条件が正当化される場合があります。次に、他のパラメータも状態とともにチェックする必要があります。材料の化学的性質とグレード、チューブの寸法と公差、表面状態、試験圧力、製造時に使用される溶接手順などです。

状態に対する処理の影響

状態は、発注書の文言だけではなく、処理ルートによって作成されます。冷間圧下比、焼きなましの温度と時間、冷却速度、矯正、最終表面処理はすべて、得られる特性を変化させます。チューブミルの変更、還元シーケンスの変更、または焼鈍炉の負荷の変更により、製品が当初認定された状態から外れてしまう可能性があります。このため、州の仕様は、参照される製品規格、最も一般的には凝縮器および熱交換器用の溶接シームレスチタンチューブの場合は ASTM B338、またはシームレスチタンパイプの場合は ASTM B861 と、それらの規格が課す機械的試験要件に関連付けられる必要があります。

典型的な状態とその応用

最小引張強さの要件は、グレード 1 の商用純粋材料の約 240 MPa からグレード 5 のチタン合金の約 895 MPa まで、同じ規格のグレード間で大きく異なります。そのため、グレードと状態を常に一緒に指定する必要があります。

よくある質問

Q: チタンチューブの「状態」とは実際には何を表すのでしょうか?
これは、再結晶化、残留応力、相構造、結晶粒径を含む最終加工ステップによって生成される冶金学的状態を記述し、実現される強度と延性を設定します。

Q: 海水冷却コンデンサーに最適な状態はどれですか?
完全に焼きなまされた市販の純粋なチューブ、または焼きなまされた耐食グレード-は、チューブとチューブシートの製造に必要な溶接性と延性を適切な腐食性能と組み合わせています。{1}{2}

Q: 析出硬化チタンチューブはどのような場合に選択すればよいですか?
熱交換器が厳しい高温高圧条件下で動作する場合、室温での強度と温度での硬度の保持の両方が重要です。

Q: 超可塑性チタンチューブはなぜ成形しやすいのですか?
微細な等軸結晶粒構造により、焼鈍した材料はネッキングすることなく高温で数百パーセント伸びることができるため、より少ない操作で複雑な形状を形成できます。

Q: 冷間加工によりあらゆる用途のチタンチューブが改善されますか?
いいえ、冷間加工されたチューブは強度は高くなりますが、延性が低く、応力腐食割れが発生しやすく、溶接により熱影響部が部分的に焼きなまされます。

Q: 異なる工場から同じグレードが異なる特性で出荷されるのはなぜですか?
冷間圧下比、焼鈍サイクル、冷却速度、および矯正はすべて最終状態を形成するため、その状態は参照される規格およびその機械的試験に結び付けられる必要があります。