JP3071361B2

JP3071361B2 - 管内面への皮膜の形成方法

Info

Publication number: JP3071361B2
Application number: JP6131021A
Authority: JP
Inventors: 真事樺沢; 泰弘上野; 恭一佐々木; 直孝川口
Original assignee: JFE Engineering Corp; Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp; Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1994-05-20
Filing date: 1994-05-20
Publication date: 2000-07-31
Anticipated expiration: 2015-07-31
Also published as: JPH07314160A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、管内面への皮膜の形
成方法、特に、プラスチック射出成形機用シリンダー、
その他の耐熱、耐摩耗性を要求される小径管等の内面に
耐熱性および耐摩耗性に優れた皮膜を形成することがで
きる、管内面への皮膜の形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、耐熱性あるいは耐摩耗性等が要
求される部品に対しては、全体あるいは必要な部分のみ
が、要求される機能を有する材料で形成される。特に一
部分を、要求機能を有する材料で形成する方法について
は、部品の形状、機能を要求される部位、要求機能を満
たす材料の特性等により、種々の方法が提案されてい
る。

【０００３】本発明が対象としているのは、管状の形状
を有し、その内面に耐熱性および耐摩耗性が要求される
ような部品である。また、耐熱性あるいは耐摩耗性が激
しく要求される用途においては、セラミックスあるいは
セラミックスを添加した金属基材料が優れた性能を発揮
することが、一般に知られている。

【０００４】このような対象分野においては、従来技術
として種々の発明が提案されているが、発明者等が特に
着目している技術は、我々自身が出願した特願平３−３
５１６３３号「発明の名称；管内面への皮膜の形成方
法」である（以下、「先行技術１」という）。

【０００５】先行技術１の概要は以下の如くである。図
１に示すように、ステンレス等の金属管からなる芯管３
の外面に、セラミックス添加合金等の皮膜４を形成した
ものを素材１（以下、「内管１」という）とする。ま
た、炭素鋼等の金属管を素材２（以下、「外管２」とい
う）とする。図２に示すように、外管２の内側にインサ
ートメタル５を介して内管１を嵌合し、フタ板７をシー
ル溶接した上で、熱間静水圧加圧装置（ＨＩＰ装置とい
う）により外側から圧力を加えるとともに加熱し、内管
１と外管２とを液相接合する。接合後、図３に示すよう
に、内管１の芯管部分３を切削刃６等により除去するこ
とで、最終的に管材内面に皮膜を形成する。先行技術１
は、延性に欠けるセラミックスあるいはセラミックス添
加合金を、管材の内面に経済的に形成する方法としては
極めて合理的な方法である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】先行技術１を実施する
と、しばしば、インサートメタル凝固層の中において割
れを入ることが、判明した。このような割れは必ず生じ
るものでは無く、ある頻度で生じるものである。しかし
ながら、製品歩留りの観点から、経済上許容できる程度
の低い頻度にまで割れの発生を低減することが必要であ
る。

【０００７】従って、本発明の目的は、インサートメタ
ルの割れを生じにくい条件を提供し、その割れを極力低
く抑えることができ、経済的に有利な、管内面への皮膜
の形成方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の管内面への皮
膜の形成方法は、芯管の外面に皮膜を形成して内管を調
製し、次いで、前記内管をインサートメタルを介して外
管内に挿入し、次いで、前記外管の両端に円板状の蓋板
をシール溶接し、次いで、前記内管が挿入された前記外
管に対して前記外管の外側からのみ加圧する熱間静水圧
加圧処理を施して、前記内管と前記外管とを前記インサ
ートメタルを介して接合し、次いで、前記芯管を除去す
る工程からなり、前記インサートメタルは、液相線温度
が５００〜１１００℃の範囲の共晶系低融点合金からな
る箔と、前記共晶系低融点合金に５０ｗｔ．％以上含ま
れるベース金属からなる箔との複数枚を積層して合計厚
さを１ｍｍ以下とした材料からなり、且つ、前記ベース
金属からなる箔の合計厚が前記共晶系低融点合金からな
る箔の合計厚以上であり、前記熱間静水圧加圧処理は、
処理温度を前記共晶系低融点合金の液相線温度よりも５
０〜１５０℃高い温度範囲とする処理条件によって実施
することに特徴を有するものである。

【０００９】また、上記の管内面への皮膜の形成方法に
おいて、前記インサートメタルは、前記ベース金属から
なる箔上に、前記共晶系低融点合金からなる皮膜が形成
されたものを１枚または複数枚積層して合計厚さを１ｍ
ｍ以下とした材料からなり、且つ、前記ベース金属から
なる箔の合計厚が前記共晶系低融点合金からなる皮膜の
合計厚以上であるものを使用してもよい。

【００１０】

【作用】本発明により、インサートメタル部の割れが防
止される理由を以下に詳細に説明する。インサートメタ
ルが単純な１種類の低融点合金で構成されている場合、
インサートメタルすべてが溶融凝固層となる。一方、接
合終了後の冷却により、外管と内管それぞれの熱膨張率
の違いにより接合界面には熱応力が発生する。また、接
合時に加えられていた外側からの圧力も開放される。こ
の結果、外管と内管との界面には、垂直方向の残留応力
が発生する。熱応力は、圧縮応力として、外部圧力開放
は引張応力に影響するが、最終的には、残留応力は引張
応力となる。

【００１１】従って、外管と内管との間に存在するイン
サートメタル凝固部には、引張応力が作用するが、イン
サートメタルを構成する低融点合金の多くは共晶系であ
り、凝固後の共晶組織材料は、引張負荷に対し一般に延
性に欠ける。特に、先行技術１に提案されているＮｉ基
およびＦｅ基のインサートメタルはこれに該当する、低
延性の材料である。

【００１２】次に、本発明でのインサートメタルの作用
を図４により説明する。本発明は、インサートメタルの
共晶凝固金属が、外管と内管との界面に平行にならない
ような考案である。

【００１３】図４の（１）は最初のインサートメタルの
配置を示す。インサートメタルは、共晶系低融点合金か
らなる箔（合金箔９）と、前記共晶系低融点合金に５０
ｗｔ．％以上含まれるベース金属からなる箔（ベース金
属箔１０）とからなっている。ベース金属箔１０は、ベ
ース金属Ｘからなっており、合金箔９は共晶系低融点合
金ＸＹ合金からなっている。ＸにＹを添加した場合の相
状態図を図５に示す。ここで使用した組成はＹがａｗ
ｔ．％の共晶組成とする。

【００１４】図４の（２）は、接合温度Ｔ１に加熱した
直後の状態を示す。ＸＹ合金は液相となっているが、外
側から加圧力が加わっているため、外部に絞り出され、
残存液相は当初のＸＹ合金箔の量よりも少なくなる。

【００１５】図４の（３）は、接合温度Ｔ１に保持し続
けた場合である。残存した液相部と固相部が反応し、液
相部分は拡大していく。この場合、反応は固相部の結晶
粒界等、反応容易方向に生じるため、液状部分は網目状
となる。また、液相部分の拡大に伴い、液相組成はＹ成
分が減少する方向に進む。Ｙ成分の組成が図５のａとｃ
の中間組成ｂにあると、外管と内管の界面に平行な部分
は常に加圧力による絞り出し効果により、厚さが薄くな
るが、垂直方向ではこのような現象はなく、前者に比べ
厚さが厚いのが特徴である。

【００１６】図４の（４）は、冷却により液相が凝固し
た状態を示す。凝固は１００ｗｔ．％Ｘの固相が初晶と
して生じ、冷却中晶出を続ける。図５から明らかなよう
に、残存する液相のＹ成分は次第に高くなり、共晶点温
度Ｔ２において、Ｙ成分の組成はａになると同時に、共
晶凝固する。外管と内管の界面に平行な液相は厚さが薄
いため、すべてが晶出したＸに置換される。この結果、
共晶凝固金属は界面に垂直方向のみになる。初晶金属Ｘ
は、図４の（３）の固相部分と組成が同一であるから、
相的には区別がつかず、最終的に凝固する共晶金属部が
図４の（４）に示すように観察される。

【００１７】このような状態においては、界面に垂直方
向に引張残留応力が存在しても、脆弱な共晶凝固金属は
延性に富むＸ金属に囲われているため、割れが入ること
がない。

【００１８】これら現象を、残留応力の加わらないよう
に工夫した、実験室的再現サンプルにより確認した。サ
ンプルの断面写真を図７、図８、図９、図１０に示す。
図７および図９は試作シリンダの接合部、図８および図
１０は真空炉中で試作した接合部である。ここで、使用
したインサート材は、厚さ５０μの純Ｎｉ箔２枚を重ね
たものの表裏面と内側界面にそれぞれ厚さ１０μのＮｉ
Ｐ合金を重ねたものである。また、図９、図１０のＮｉ
Ｐ合金は、８ｗｔ．％Ｐ−Ｎｉであり、固相線温度８８
０℃、液相線温度１０１０℃である。接合温度９５０℃
では、固液２相状態にあり流動性が悪いため、絞り出し
効果が生じにくく、図９、図１０の中央部の横方向に、
界面と平行に共晶凝固組織が見られる（接合不良材）。
一方、図７、図８では、ＮｉＰ合金は１１ｗｔ．％Ｐ−
Ｎｉであり、液相線温度は８８０℃である。接合温度９
５０℃では、完全液相になるため、絞り出し効果が生じ
易く、界面と平行方向には共晶凝固組織は見られない
（接合良好材）。

【００１９】なお、図６は、上記の８ｗｔ．％Ｐ−Ｎｉ
について、図４と対応させた図面である。

【００２０】以上のような、共晶凝固金属の分布形態を
制御するに必要な因子を改めてまとめると次のようにな
る。（１）加圧力による液体金属の絞り出し。（２）ベース金属との反応による液相部分の網目状拡
大。（３）加圧力による液体金属の絞り出しによる界面に
平行な液相厚さ低減。（４）冷却によるベース金属の晶出。（５）液体金属の界面垂直方向への残存。（６）共晶凝固金属の界面垂直方向への分布。

【００２１】これら、因子と、請求項との関連を以下に
示す。（１）と（３）とは、加圧力が必要な過程であ
り、加圧力が不可欠な因子となる。（２）は、液体金属
と反応し易い金属と、低融点合金の共存が不可欠なこと
を意味し、ベース金属箔の存在の根拠となる。また、網
目状とならず、全面的に液相になっては目的が達せられ
ないので、ベース金属は低融点合金に対し、ある限度以
上必要である。一方、接合温度を液相線温度から高くす
るほど反応による液相が増す。接合される外管と内管の
材質劣化を考慮すると、接合温度はより低い方がよい。
このため、温度分布の均一性を考慮して安定して制御で
きる温度として、低融点合金の液相線温度の５０℃以
上、１５０℃以下の温度を接合温度とした。このような
温度を前提とし、網目状の液相分布が得られるベース金
属の厚さ下限として、実験より低融点合金の１倍以上と
の数値が決定された。

【００２２】以上の条件が得られれば、（４）、
（５）、（６）の条件は自動的に達成される。なお、本
発明ではインサートメタルの液相線温度より高い温度を
使用している。液相線温度と固相線温度の中間温度で
は、低融点合金は固液２相状態にあり流動性が低いた
め、圧力による絞り出し効果が生じにくい。

【００２３】

【実施例】次に、この発明を実施例によって、図１〜図
３を参照しながら説明する。図１に示すように、長さ
０．２ｍ、外径２６ｍｍ、内径約２２ｍｍ、肉厚２ｍｍ
のステンレス（ＳＵＳ３０４）製の芯管３の外面に、厚
さ３ｍｍのセラミックス添加合金（４０ＶＣｖｏｌ．％
−Ｃｏ）の皮膜４を粉体肉盛溶接によって形成した。次
に、図２に示すように、このように調製された内管１
を、所定の条件（表１参照）のインサートメタル５を介
して、ニッケルクロムモリブデン鋼（ＳＮＣＭ４３９）
からなる外管２に挿入した。なお、ここで供したインサ
ートメタル５は、ベース金属箔と低融点合金箔とを積層
したものである。

【００２４】

【表１】

【００２５】次に、上記のようにして内管１をその内部
に配置した外管２の両端に円板状のフタ板７をシール溶
接する。その後、管体内部を真空引きし密封する。この
ようにして組み立てられた管体をＨＩＰ装置内に収納し
て、（８００℃×５００気圧×１時間）→（接合温度×
３５０気圧×１時間）の２段階ＨＩＰ処理を行い、内管
１と外管２とを一体化した。ここで、１断目の処理は内
外管を予備的に密着させる工程であり、接合工程は２断
目の処理によりなされる。

【００２６】次に、処理終了後の管体について、外面よ
り超音波探傷試験を実施し、インサートメタル接合部に
おける界面平行方向の割れを調べた。試験の結果を表１
に示す。

【００２７】接合温度が液相線温度より５０〜１５０℃
高い温度にある場合、ベース金属箔の合計厚が低融点合
金箔または皮膜の合計厚の１倍以上であれば、低融点合
金の材料の如何にかかわらず良好な接合のできることが
確認された。また、接合温度が液相線温度より５０℃高
い温度未満の場合、および、液相線温度より１５０℃を
超える場合には、良好な接合の得られないことも本試験
結果から確認される。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、小径管の内面に、耐熱性および耐摩耗性に優れた皮
膜（被覆層）を容易に形成することができる熱間静水圧
加圧処理を伴う管内面への皮膜の形成方法において、従
来問題となっていたインサートメタルの割れの発生を排
除し、歩留り向上に寄与し、かくして、工業上有用な効
果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の工程を説明する斜視図である。

【図２】この発明の工程を説明する断面図である。

【図３】この発明の工程を説明する断面図である。

【図４】この発明の方法に係るインサートメタルの作用
を説明する模式図である。

【図５】インサートメタルの相状態図である。

【図６】この発明の範囲外の方法に係るインサートメタ
ルの作用を図４と対応させて説明する模式図である。

【図７】この発明の方法に係るインサートメタルの金属
組織を示す顕微鏡写真である。

【図８】この発明の方法に係るインサートメタルの金属
組織を示す顕微鏡写真である。

【図９】この発明の範囲外の方法に係るインサートメタ
ルの金属組織を示す顕微鏡写真である。

【図１０】この発明の範囲外の方法に係るインサートメ
タルの金属組織を示す顕微鏡写真である。

【符号の説明】

１内管２外管３芯管４皮膜５インサートメタル６切削刃７フタ板８シール溶接部９合金箔１０ベース金属箔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＣ２３Ｃ 4/16 Ｃ２３Ｃ 4/16 (72)発明者佐々木恭一静岡県沼津市大岡2068の３東芝機械株式会社沼津事業所内 (72)発明者川口直孝静岡県沼津市大岡2068の３東芝機械株式会社沼津事業所内 (56)参考文献特開平６−218556（ＪＰ，Ａ) 特開平５−138239（ＪＰ，Ａ) 特開平４−317476（ＪＰ，Ａ) 特開平３−234380（ＪＰ，Ａ) 特開平３−234381（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 20/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】芯管の外面に皮膜を形成して内管を調製
し、次いで、前記内管をインサートメタルを介して外管
内に挿入し、次いで、前記外管の両端に円板状の蓋板を
シール溶接し、次いで、前記内管が挿入された前記外管
に対して前記外管の外側からのみ加圧する熱間静水圧加
圧処理を施して、前記内管と前記外管とを前記インサー
トメタルを介して接合し、次いで、前記芯管を除去する
工程からなり、前記インサートメタルは、液相線温度が５００〜１１０
０℃の範囲の共晶系低融点合金からなる箔と、前記共晶
系低融点合金に５０ｗｔ．％以上含まれるベース金属か
らなる箔との複数枚を積層して合計厚さを１ｍｍ以下と
した材料からなり、且つ、前記ベース金属からなる箔の
合計厚が前記共晶系低融点合金からなる箔の合計厚以上
であり、前記熱間静水圧加圧処理は、処理温度を前記共晶系低融
点合金の液相線温度よりも５０〜１５０℃高い温度範囲
とする処理条件によって実施することを特徴とする管内
面への皮膜の形成方法。
【請求項２】前記インサートメタルは、前記ベース金
属からなる箔上に、前記共晶系低融点合金からなる皮膜
が形成されたものを１枚または複数枚積層して合計厚さ
を１ｍｍ以下とした材料からなり、且つ、前記ベース金
属からなる箔の合計厚が前記共晶系低融点合金からなる
皮膜の合計厚以上である請求項１記載の管内面への皮膜
の形成方法。
【請求項３】芯管の外面に肉盛り溶接によって皮膜を
形成する請求項１または２記載の管内面への皮膜の形成
方法。
【請求項４】芯管の外面に溶射によって皮膜を形成す
る請求項１または２記載の管内面への皮膜の形成方法。
【請求項５】前記内管の前記芯管は炭素鋼、低合金鋼
またはステンレス鋼からなり、そして、前記外管は炭素
鋼、低合金鋼またはステンレス鋼からなっている請求項
１または２記載の管内面への皮膜の形成方法。
【請求項６】前記皮膜は、Co基合金、Ni基合金または
Fe基合金等の金属、または、酸化物、炭化物、窒化物ま
たは硼化物等のセラミックス、または、前記金属と１種
または２種以上の前記セラミックスとの複合材からなっ
ている請求項１または２記載の管内面への皮膜の形成方
法。
【請求項７】前記インサートメタルは、NiにP 、B お
よびSiのうちの１種または２種以上を含有した合金また
はFeにB およびSiのうちの１種または２種以上をを含有
した合金からなっている請求項１または２記載の管内面
への皮膜の形成方法。
【請求項８】前記インサートメタルの液相線温度は、
前記芯管材料、前記外管材料および前記皮膜材料のいず
れの材料の固相線温度よりも低い温度である請求項７記
載の管内面への皮膜の形成方法。