JP2022507604A - 第一の金属ストリップと少なくとも1つの更なる金属ストリップとからロールプロファイリングにより原線材を製造する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
US2010/0047616A1(特許文献2)、段落[0014]によれば、横断面中のニッケルの割合とアルミニウムの割合はほぼ等しく分布すべきであり、そして同じ体積を有するべきである。しかし、アルミニウム及びニッケルは、溶射/溶接/溶融によって生じる合金が要求するような比率で線材の断面中に存在しなければならない。
a.ストリップの供給
US2010/0047616A1(特許文献2)では、アルミニウム及びニッケルを最初から、積層[0015]及び[0016]またはクラッド[0022]材料として一緒に加工することを提案している。しかし、両金属は異なる強度を有する。標準品質UNS N02200のソフトアニールされたニッケルの降伏点は100MPaであり、ソフトアニールされたENAW1050の降伏点は20MPaである。
比較的軟質の金属の降伏点を超える2つの金属ストリップの複合体に及ぼされる所与の圧力では、軟質及び硬質の金属は異なって変形する。この異なる変形は、閉じられた原線材を製造することによっては避けられない。US2010/0047616A1(特許文献2)、段落[0015]によれば、加工するべき両金属は積層されるべきである。これらの金属が一緒に加工される時にその開始時に積層されている場合は、加工可能な長さは制限される。6m長の原素材の製造に役立つ試験は、7.5cmと11.5cmとの間のアルミニウム封入物が 原線材末端から押し出されたことを示した。それによって、原線材中のNiとAlとの間の組成が大きくかつ予測不能に変化する。
a.US2010/0047616A1(特許文献2)による原線材寸法
プロファイリングによって製造された原線材は、6.35mm~7.62mmの直径を有する(US2010/0047616A1(特許文献2)、段落[0017])。それは、まだ完全に充填された断面を有しておらず(US2010/0047616A1(特許文献2)、図5参照)、そして打延、圧延または延伸によって、2.381mm~3.175mmまで減寸化されそしてそれによって高密化されなければならない(US2010/0047616A1(特許文献2)、段落[0018])。しかし、直径を約50%小さくすると、既に80%を超える面積の減少をもたらす。
本発明者らの経験によれば、原線材の横断面は、キャリブレーション及び減寸化によって高密化されそして完全に充填された寸法よりも、わずか20%だけ大きいものである必要がある。US2010/0047616A1(特許文献2)、段落[0017]及び[0018]の記載から計算される高い減寸化率は、比較的薄い出発ストリップが使用され、そしてそれよって、好ましくは再結晶化性アニールを避けることができる場合には、必要ではない。
-金属は粉末としてではなく、ストリップとして存在するべきである。
NiAl溶射用線材の製造のためには、多くの場合にアルミニウム粉末が、ニッケル製外被部中に充填される。粉末の表面積は、ストリップの表面積よりも大きいため、ストリップを介してよりも粉末を介しての方が、より多くの酸化物が導入される。従って、粉末の使用は不利である。
更に、アルミニウム粉末は、その粉末サイズが500μmを下回ると自燃物となる。
粉末は、流動するために、外被部及び充填された粉末からの横断面の正確な組成を制御することが困難であるという更なる欠点を有する。
-ストリップは、合金としてではなく、合金の成分として導入されるべきである。
80重量%のニッケル及び20重量%のアルミニウムからなる合金は、1.362℃で既に溶融する。ニッケルは1.455℃で始めて溶融する。それ故、一見は、溶射用線材として合金を使用することは有利のようである。複合線材の溶射の格別な利点は、AlとNiとの発熱反応が、溶射の時に直接、溶融の際に始めて起こる点にある。それによって高められた温度は、溶射された層と基材との良好な結合をもたらす。付着性を改善するための基材の前処理は、環境によっては、無しで済ませることができる。
-ニッケル及びアルミニウムの異なる強度は、線材に加工する時に、異なる伸長を招いてはならず、それ故、混合比の変更を招いてはならない。
-複合材は、好ましくは再結晶化下にアニールできるべきである。
線材は、好ましくは形状安定性であるべきである、すなわち搬送時に折れ曲がる程に軟質であってはならない。他方で、これは、搬送できなくなるほどには硬質であってもならない。それ故、複合線材の硬度は、好ましくは変形及びアニールによって調製することができるべきである。アニールの際には、発熱性の反応は起こってはならない。
-ニッケル及びアルミニウム層からの断面の構成
例えばアルミニウムが酸化物相に基づいて有するような大きな表面粗さは、ケーブルアセンブリの迅速な摩擦を招く。それ故、複合線材の外側層は好ましくはニッケルからなるべきである。同様に、線材の中央も、アルミニウムストリップの早々の圧着を避けるためにニッケルからなるのがよい。
-プロファイル横断面は、好ましくは完全に充填されているのがよい。
この好ましい態様では、空洞は残存するべきではない、というのも、加熱された際に空気が、結合された金属を酸化してしまうであろうからである。
ロールプロファイリングによって製造され及び少なくとも二つの金属ストリップから形成された複合線材が「原線材」と称される。
W形状の実行のためには、追加的に少なくとも二つのロールスタンド、特にブレークダウンスタンドが必要とされる。追加的なスタンド及び工具コストは、プロファイルプロセスをより高額なものとする。
有利には、複合線材の中央及び外被部の両方ともニッケルからなる:
ニッケルストリップを最初に、アルミニウム上にではなく、それ自体上に変形する場合は、ストリップを成形して線材とした後は、中央部全体が外被部の材料で充填される。
G1=成分1の質量分率%
G2=成分2の質量分率%
R1=成分1の密度
R2=成分2の密度
V1=成分1の体積分率%
V1=G1*R2/(G1*R2+G2*R1)
原材料 密度 質量% 原子%
g/cm3 wt% at%
アルミニウム 2.7 20 35.2260
ニッケル 8.91 80 4.7740
VAl=20*8.91/(20*8.91+80*2.7)=0.4521
Al=45.21%
Ni=54.79%
望ましい線材直径及び指定の表面積分布から、ストリップの厚さを計算することができる:
DV線材=12.72[mm] 複合線材の完成直径
pAl =2.70 [g/cm3] アルミニウムの密度
pNi =8.91 [g/cm3] ニッケルの密度
AAl%=45.21[%] 複合線材上のアルミニウムの表面積分率
ANi%=54.79[%] 複合線材上のニッケルの表面積分率
sAL =2.40 [mm] アルミニウムのストリップ厚(選択)
sNI =1.20 [mm] ニッケルのストリップ厚(選択)
bAl = [mm]
bNi = [mm]
AV線材=(DV線材)2*π/4
=122*π/4
=127.08[mm2]
bAl =AV線材*AAl%/100/sAl
=127.08*45.21/100/2.40
=23.94[mm2]
=24.00[mm2] 選択
bNi =AV線材*ANi%/100/sNi
=127.08*54.79/100/1.20
=58.02[mm2]
=58.00[mm2] 選択
本発明を、好ましい用途において、NiAl線材の製造の例に基づいて詳しく説明した。というのも、該製造の問題は、この場合に特に大きいからである。しかし、本発明は、この金属の組み合わせに限定されない。また、本発明は、比較的軟質の材料が内側にあること及び比較的硬質の材料が外被部及び心部を形成することにも限定されない。これは逆であることもできる。第二の及び場合により更に別の金属ストリップをロールプロファイリングプロセスに導入する前に、外被部材料をできるだけ大幅に成形して、本発明による予形成物とすることが重要である。遅延して挿入された金属ストリップには、水平なロールによる中央配置のために必要な圧力しかかけられないために、一つの金属ストリップだけでなく、桶形状に成形された複数の第一の金属ストリップ、特に、異なる降伏点を有するこのような複数の第一の金属ストリップを挿入することができる。
-例えば合金成分が分離する傾向があるために、ある種の合金を融解冶金学的に製造できないかまたは製造が困難な場合。この場合、ある種の合金成分の使用は制限する必要がある。
-例えば加工の時に脆くなるか、または迅速に硬化し、それ故しばしば中間アニールする必要があるために、合金の加工が困難である場合。これに対して、合金成分を層材料として加工する方が、かなりより簡単であり得る。
-オーステナイトフェライト系及びいわゆる二相鋼
オーステナイトフェライト系鋼(例えば、材料番号1.4462)は、2相構造の組織を有する。両組織成分がほぼ同じ割合で存在するオーステナイトフェライト系鋼は2相鋼とも称される(例えば、材料番号1.4362、1.4460、1.4501)。これらは、フェライト系クロム鋼の比較的高い強度と、オーステナイト系CrNi鋼の耐腐食性とを兼ね合わせて持つ。組織成分が同じ割合で存在しない品質、特にフェライト含有率が<25重量%でオーステナイト含有率が<25重量%の品質のものは製造が困難である。そのような組成のオーステナイト-フェライト系組織を持つ熱間圧延によって製造されたビレットは、角で亀裂を形成する傾向がある。亀裂は、表面中の隙間からも形成する。
フェライト系鋼の降伏点は、通常は、オーステナイト系鋼よりも高い。線材は、オーステナイト系外被部及びフェライト系心部を備えて、またはフェライト系鋼からなる外被部及びオーステナイト系鋼からなる心部を備えても製造することができる。
該複合線材は、溶接用線材として使用することができる。
-FeCrAl合金
融解冶金的に製造された合金のアルミニウム含有率は、最大で5~5.6%に制限される。というのも、アルミニウム含有率が高いほど、比較的高いAl含有率の合金は加工が困難になるからである。該新規方法を用いて、更に高いアルミニウム含有率、例えば9%の含有率を有する線材も製造できる。これは、アルミニウムのストックが多くなり、それ故、溶接によって形成された層の貯蔵寿命が向上するので有利である。特殊鋼ストリップ及びアルミニウムストリップから複合線材を製造する場合は、鋼品質としては、フェライト系特殊鋼、例えばUNSS43000、UNSS43400及びUNSS44600、好ましくは制限された硫黄含有率を有するものを使用することができる。別々のストリップによる合金元素の供給を含む方法の格別な利点は、加工が困難なFeCrAl合金が、拡散アニールによる製造プロセスの終了時に初めて、または溶接用線材として使用した時に初めて生成される点にある。
-FeNiCrAl及びFeNiAl
例えばCr26Ni14Al10FeBalまたは例えばNi30Al16FeBal。
-本発明に従い製造される線材は、溶接用線材及び溶射用線材として、例えばフレーム溶射、高速フレーム溶射、アークコーティング及びレーザー肉盛溶接のために、または線材注入による溶融物処理のためにも使用することができる。該線材は、Oak Ridge National Laboratoryによって開発されたエクソメルト(Exo-Melt)法に従う原料配置の改良において、製造が困難な合金、例えばニッケルアルミニドの融解のためにも使用できる。合金製造は、この方法に従い反応合成によって行われる。NiAl複合線材は、溶融して鋳物を製造するために特に適している。
99.98重量%の純度及び0.002重量%のC含有率を有するニッケルストリップを使用した。アルミニウムストリップとしては、EN AW 1050Aの品質のものを使用した。
多くの態様の寸法を考えることができ;厚さの変化は、幅の変化をも招くことを考慮すべきである。この例においてそれぞれ58mmまたは24mmであるNi及びAl使用ストリップの繰り出しから与えられる固定された幅の故に及び溶射用線材としての好ましい用途のためのAl/Ni=45.21%/54.79%の規定の表面積分布の故に、ニッケルストリップの厚さは1.2mmであり、アルミニウムストリップの厚さは2.40mmである。
検査
ロール成形プロセスにより原線材を製造する際は、比較的低い降伏点を有する金属が不釣り合いに伸長することを避けるために、個々のプロファイリング段階は以下のように進められる。個々のパスについては、図2を参照:
原線材の製造の後に中間アニールする必要がないため、更なる横断面減寸化を、一つの作業工程でロールプロファイリング(インライン)により行うことができる。この際、図1及び2に示した追加的な変形ステーションはもはや必要ではない。他方で、例えば以下に記載するように別個の作業工程は削減される。
原線材の楕円度は、横断面を圧延によって減寸化するべきに有利である。線材ロールスタンドは、交互に水平及び垂直に配向したロールススタンドから構成され、これは、楕円形のまたは円形の横断面を交互に圧延する。楕円物を圧延することによって、稜線の形成が避けられる。
ロールプロファイリングによって、使用した原材料は確かに硬化するが、変形能が使い尽くされる程には硬化しない。それ故、原線材のロールプロファイリングの直後の再結晶化アニールは必要ではない。このロールプロファイリングされた原線材は、4.及び5.で上述したように、8mmまで更に減寸化することができる。
アニールの後は、線材を、溶射用線材の標準的な寸法、すなわち3.2または1.6mmに減寸化する必要がある。
Claims (17)
- 第一の金属ストリップ(2)及び少なくとも一つの更に別の金属ストリップ(4)から、ロールプロファイリングによって原線材(7)を製造する方法において、特にここで、前記第一の金属ストリップ(2)及び前記少なくとも一つの更に別の金属ストリップ(4)は、異なる金属から構成され、好ましくは異なる降伏点を有する異なる金属から構成され、この際、複数のロールスタンド(G1、G2)を用いたロールプロファイリングによって、複数回のパスで、前記第一の金属ストリップ(2)から外被部が形成され、前記外被部は、最終形態では、前記少なくとも一つの更に別の金属ストリップ(4)を周方向で完全に取り囲む方法であって、先ず、第一のグループ(G1)のロールスタンドを用いて複数回のパスで、前記第一の金属ストリップ(2)だけが排他的に予形成物に成形され、そしてその後、第二のグループ(G2)のロールスタンドにおいて、前記第一の金属ストリップ(2)及び前記少なくとも一つの更に別の金属ストリップ(4)が一緒に最終形態に成形されることを特徴とする、前記方法。
- 前記第一の金属ストリップ(2)から前記予形成物への成形のための前記第一のグループ(G1)のロールスタンドを用いて、前記金属ストリップ(2)の長手方向に対して垂直な横断面で見て桶の形状、特に横側の桶形状脚部(2b)とこれらを繋ぐ桶形状底部(2c)とを有する桶形状が前記第一の金属ストリップ(2)から成形され、そしてその後、この桶形状の内部中に、桶形状の底部領域と接触するように前記少なくとも一つの更に別の金属ストリップ(4)が挿入され、その後、前記第一の金属ストリップ(2)及び前記少なくとも一つの更に別の金属ストリップ(4)が、前記第二のグループ(G2)のロールスタンドによって、互いに圧着した状態で一緒に成形されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記桶形状が、前記第一の金属ストリップ(2)の変形によって成形され、この成形は以下の変形ステップ、すなわち
a.前記第一の金属ストリップ(2)の相対する二つのストリップ縁部(2a)が、前記金属ストリップ(2)の表面上にそれぞれ180°で折り曲げられ、特にストリップ縁部(2a)が折り返されるステップ、
b.前記第一の金属ストリップ(2)の相対する二つの横側領域が、特に元の金属ストリップ平面からそれぞれ90°±15°で折り曲げられ二つの立ち上がった脚部(2b)が形成され、この際、これらの両脚部(2b)は桶形状の側面外壁を形成し、そしてこれらの脚部を繋ぐ領域は桶形状の底部(2c)を形成するステップ、
を含むことを特徴とする、請求項2に記載の方法。 - 前記桶形状の底部(2c)において、特にW型の桶形状を形成するために、桶形状の内側を向いた***部(2d)、好ましくは凸型の***部(2d)が形成されることを特徴とする、請求項3に記載の方法。
- 少なくとも一つの更に別の金属ストリップ(4)が、桶形状の底部(2c)と接触した状態で、桶中に中央に挿入されることを特徴とする、請求項2~4のいずれか一つに記載の方法。
- 前記少なくとも一つの更に別の金属ストリップ(4)が、前記凸型の***部(2d)に沿って曲げられることを特徴とする、請求項4または5に記載の方法。
- 前記第一の金属ストリップ(2)の桶形状の脚部(2b)が、前記少なくとも一つの更に別の金属ストリップ(4)の表面上に内側に向けて折り返されること、特に、前記の少なくとも一つの更に別の金属ストリップ(4)が、それの横側領域において、前記第一の金属ストリップ(2)の曲げられたストリップ縁領域(2a)によって圧着された状態でそれと接触せしめられることを特徴とする、請求項2~6のいずれか一つに記載の方法。
- 前記桶形状の脚部(2b)の外側面(2e)が、複数回のパスで互いに接触せしめられること、特に、桶形状の底部(2c)と、それと桶形状脚部(2b)との間で圧着された少なくとも一つの更に別の金属ストリップ(4)とを、前記桶形状の内部に対して凹型に成形/丸め曲げすることによって接触せしめられることを特徴とする、請求項2~7のいずれか一つに記載の方法。
- 前記金属ストリップ(2、4)が、それぞれコイル(1、3)から繰り出され、そして原線材(7)がコイル(6)に巻線されることを特徴とする、請求項1~8のいずれか一つに記載の方法。
- 前記第一の金属ストリップ(2)が、前記少なくとも一つの更に別の金属ストリップ(4)の金属の降伏点と比べてより高い降伏点を有する金属を含むことを特徴とする、請求項1~9のいずれか一つに記載の方法。
- 前記少なくとも一つの更に別の金属ストリップ(4)の幅が、前記少なくとも一つの更に別の金属ストリップ(4)の各外側ストリップ縁部と前記桶形状の脚部(2b)の下端との間に材料の流れによって閉じることが可能な/閉じる自由空間(2f)が形成されるように寸法決めされることを特徴とする、請求項1~10のいずれか一つに記載の方法。
- 前記原線材(7)が、特にキャリブレーション及び/または減寸化の後に、再結晶化アニールされることを特徴とする、請求項1~11のいずれか一つに記載の方法。
- 比較的高い降伏点を有する金属、特に前記第一の金属ストリップ(2)のための金属として、Ni≧99.6重量%及びC含有率≦0.02重量%の純度の純ニッケルが選択され、及び比較的低い降伏点を有する材料、特に単一の更に別の金属ストリップ(4)のための材料として、アルミニウムまたはアルミニウム合金が選択されることを特徴とする、請求項1~12のいずれか一つに記載の方法。
- 前記第一の金属ストリップ(2)及び前記少なくとも一つの更に別の金属ストリップ(4)のために、以下の材料の組み合わせのうちの一つが選択されることを特徴とする、請求項1~12のいずれか一つに記載の方法:
a.オーステナイト系特殊鋼とフェライト系特殊鋼、または
b.フェライト系特殊鋼とアルミニウムまたはアルミニウム合金、または
c.FeNiCrAl及びFeNiAlから複合線材を製造するために、鉄、鋼またはフェライト系特殊鋼とニッケル及びアルミニウムが使用される。 - 請求項1~14のいずれか一つに従い製造された細径化された原線材(7)の、好ましくはフレーム溶射、高速フレーム溶射、アークコーティングまたはレーザー肉盛溶接による(特に高耐熱性の)コーティングの形成のための溶接用線材または溶射用線材としての使用。
- 線材注入による溶融物処理のための、請求項1~14のいずれか一つに従い製造された原線材(7)の使用。
- 合金、特にニッケルアルミニドの融解のための、請求項1~14のいずれか一つに従い製造された原線材(7)の使用。
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