JPH01113161A - 金属−セラミックス複合管体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、とくにスラリー、粉体等の輸送管路（パイ
プライン）に適した管体およびその製造方法に係り、更
に詳しくは金属−セラミックス複合材からなる耐摩耗性
にすぐれた管体およびその製造方法に関する。なお、本
明細書において管体とは、単なる管以外にエルボや分岐
管等の管継手をも含む意味とする。

〔従来の技術〕

スラリー、粉体等の輸送管路において、管内の流れの方
向が変わる曲管部や分岐部等は、輸送物の衝突により激
しい摩耗を受けることになり、この部分の寿命は他の直
管部に比べ非常に短い。

このような曲管部や分岐部等に対しては、金属に比べ格
段にすぐれた耐摩耗性を示すセラミックス材料を用いた
管継手の適用が考えられる。

ところが一般にセラミックスは、上記のようなすぐれた
特徴を有する反面、本質的には跪いものであり、それ単
体としては、構造用材料としての使用は基本的に困難で
、可能としても実用的でない。

そこでセラミックスについては従来より、金属との複合
化、すなわち管継手についていえば、耐摩耗性が要求さ
れる管内側面（内層）がセラミックスで、管外面側（外
Ｈ）が金属からなる継手が考えられ、そのような複合化
の技術について種々研究が進められている。

複合化の具体的な方法として一般に有用と考えられるの
は、鋳ぐるみによる方法である。すなわち、所要形状の
セラミックス材を鋳型に中子としてセットしておき、こ
れに金属溶湯を流し込んで鋳ぐるむというもので、これ
は基本的に形状的制約がなく、曲管部、分岐部等に対応
するものとして様々な形状が求められる管継手等の製造
に有利である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、この鋳ぐるみ法および同法による管体（以下
、鋳ぐるみ管という）には、次のような問題がある。

（１）　　鋳ぐるみ管を製造する場合には、予め目標と
する管体の形状に対応した形のセラミックス単体からな
る内層材を用意することが必要となるが、このセラミッ
クス内層材は、とくに１００Ａ以上の大径のものやＴ型
、Ｙ型等形状が複雑な管継手に対応するようなものは焼
成時の割れや変形が著しく、製造が困難である。したが
って適用範囲が限定される。

（２）　　また、大径サイズや複雑形状のものの場合に
は、鋳ぐるみ時におけるセラミックス内層材への熱衝撃
が大きく、鋳ぐるみの段階で内層材が割…を来すおそれ
があり、この点も問題となる。鋳込時の熱衝撃について
は、セラミックス内層材の溶湯と接触する面に断熱層を
形成しておくという対策が従来より知られているが、こ
の方法もとくにサイズが大径になると有効性が乏しく、
割損の懸念を排除するまでには至らない。

（３）更にまた、大径品や分岐管では鋳ぐるみ金属の冷
却時における収縮変形が対称的な形とならず、セラミッ
クス内層材の損傷を助長する結果となる。

（４）　　また、管体は施工時にあっては配管工事の際
過大なトルク等の変形力を受け、また施工後においても
、例えば流送物中の粗大粒子による機械的衝撃あるいは
管内詰り発生時におけるハンマ打撃等による衝撃力の付
与があるが、従来の鋳ぐるみ管は、このような異常な力
の作用に対し、内層のセラミックスが損傷を起こす危険
があり、安定した性能を保証できないものである。

上記実情に鑑み本発明は、小径のものから大径のものま
で、またＴ型、Ｙ型継手等の複雑形状のものも安定に製
造することが可能であり、しかも施工時または施工後に
おける異常な衝撃力等の付加に対しても、損傷を生じに
くい実用性に富む金属−セラミックス複合管体およびそ
の製造方法の提供を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者は上記目的に対し特に前記鋳ぐるみ管の改良を
企図し、製造時および使用時における問題を解決する方
策について、種々実験、研究を重ねた結果、次のような
事実を見い出した。

■　従来の鋳ぐるみ管はセラミックス材（内層）がセラ
ミックス成型体からなっているが、これを三次元骨格網
目横置を有する連続多孔型のセラミックス体（以下、セ
ラミックスフオームと呼ぶ）とし、その内部空孔部に金
属（マトリックス金属）を含浸充填して管体を形成する
ようにすれば、管径、形状にかかわりな（、焼成時にお
けるセラミックスの割れ、変形等の問題が回避できる。

すなわち、セラミックスフオームでは、網目を形成する
部分の厚みが小さいために、焼成時における内部温度勾
配が小さくなり、この結果焼成による割れ、変形が回避
されることになる。

■　そしてまた、セラミックスフオームは網目形成部分
の厚みが小さいために熱衝撃にもつよく、マトリックス
金属の鋳込時にも割れを生じる可能性が非常に低い。

このようなことから、製造上の制約は全面的に解消され
、大径品や複雑形状のものも問題なく製造することが可
能となる。

■　しかもこのように管体内部を構成すれば、使用時に
おける衝撃力等、過大な力の作用に対しても、含浸され
たマトリックス金属がセラミックスフオームを保護する
ことになり、それによる損傷が有効に防止されることに
なる。

■　また更に、このような複合構造でも、セラミックス
単体の場合に対し殆ど遜色のない耐摩耗性が確保し得る
。

輸送管路の管継手部における摩耗は、管内流送物の衝突
によるものであるが、この衝突角は、無論継手部の形状
で変化するが、１５°〜６０°程度の範囲にあり、この
ような角度での衝突による摩耗に対する性能として、セ
ラミックス単体と路間等のものが確保されるのである。

本発明は以上のような知見に基づくものであって、その
要旨とするところは、下記■、■にある。

■　三次元骨格網目状の内部空孔を有する連続多孔型の
セラミックス体からなる骨格体と、該骨格体内に含浸充
填されたマトリックス金属とからなることを特徴とする
金属−セラミックス複合管体。

■　三次元骨格網目状の内部空孔を有する連続多孔型の
セラミックス体で、目標管体製品の形状に対応する形状
の骨格体をつくり、該骨格体をそれに対応する内郭形状
を有する鋳型内にセットし、予熱後所要の金属溶湯を注
入して骨格体内に含浸させ金属マトリックスを形成する
ことを特徴とする金属−セラミックス複合管体の製造方
法。

〔作　　用〕

本発明において、セラミックスフオームは、管内流送物
による摩耗を防ぐための耐摩耗性を管内面に与えるため
に使用される。

セラミックスフオームをセットした鋳型に金属を鋳込め
ば、骨格体の粒子間に金属が浸透、充填され、金属マト
リックス中にセラミックスフオームがからみ込んだ形の
複合管体がつくり出される。

この複合管体はセラミックスフオームがマトリックスに
固定され、耐摩耗性、耐ａ！撃性の点ですぐれた性能を
発揮する。

なお、鋳込に先立ち鋳型を予熱することは、鋳込み金属
のセラミックスフオーム間への侵入を容易にする上で効
果がある。

以下、本発明を更に具体的に説明する。

本発明に基づく複合構造を第１図に示す。

図において、ｌＯはセラミックスフオーム１２の塊から
なる骨格体、１）は金属マトリックスである。セラミッ
クスフオームとは、先に述べたとおり、三次元綱目骨格
構造を有する多孔状のセラミックス体であり、内部空孔
部は三次元的に連通する形態となっている。

金属マトリックス１）は、この骨格体１０の内部空孔部
を隙間なく充填する形になっている。

ここで、骨格体ｌＯを形成するセラミックスフオームと
してはＡｌｚＯｓが一般的であるが、用途により、ＡＡ
２０３　　　ＺｒＯ，、、Ｚｒ０ｉ　、ＳｉＣ等を採用
することもできる。

また、空孔率、空孔径、網目形成部分の厚み（骨格層）
等については、とくに規定するものではないが、セル数
（１インチ当りの空孔数）　６〜１３で、骨格厚１）−
以上とするのがよい。すなわち、骨格１’！Ｉｎ未満で
は、衝撃に対する強度が低く、損傷し易すくなり、耐摩
耗性が確認できない。

またセル数については、６未満では空孔径が大きくなり
すぎてセラミックスの体積率が減少し、補強効果が低下
する。しかもセル数が少なくなるとセラミックスフオー
ムの！！！！造も困難となるため、６程度が限度である
。

一方、１３をこえると、骨格厚が薄くなり、セラミック
スフオームの強度が低下し、耐摩耗性が確保できない、
しかも空孔径が小さくなると溶湯の通りが悪くなるため
１３程度が限度である。

なお、セラミックスフオームは現在、種々の条件（セル
数、骨格厚）のものが市販されており、焼成品を安価に
入手可能となっている。

一方、マトリックス金属としては鋳造可能なものであれ
ば何れでも使用できる。ＦＣ材をはじめ、鋳鋼、各種合
金鋼、Ａｌその他が使用できる。ただし、溶接により配
管される場合など、溶接性が求められる場合には、外層
に溶接性を付与することが必要であり、実際上はこのよ
うな点を種々考慮して使用する材料を選定することにな
る。

なお管体厚は、使用条件等に応じ適宜決めるようにすれ
ばよいが、製造を容易にする観点からは１０ｆｉ程度が
好ましい。

次に、本発明に基く製造方法を具体的に説明する。

本発明の方法では、まず第２図（イ）に示すようなセラ
ミックスのフオーム１２からなる内層骨格体１０を用意
する。セラミックスフオームには市販のものがあり、こ
れを使用して骨格体とすることができる。

ところで、セラミックスフオームからなる骨格体１０は
、三次元網目骨格構造を有する多孔状のものであり、そ
のままでは、金属の鋳込時に内周面側から湯洩れを生じ
ることになる。

この場洩れを防止するため、内層骨格体ｌＯには、鋳込
に先立ち（ロ）図に示す如く内周面側に湯洩れ防止壁１
３を付与しておく。湯洩れ防止壁１３は、モルタルコー
ティングあるいはセラミックス単体管の装入により与え
ることができる。

次に、湯洩れ防止壁１３付の骨格体１０’を用い、その
内部空孔部１）にマトリックス金属を含浸させる鋳込を
行う。

方法を詳しくいうと、（ハ）１２１に示す如く、目標管
体の外郭形状に対応する内郭形状を有する鋳型３を用い
これに（ロ）図の湯洩れ防止壁１３付骨格体１０を鋳込
空間に予めセットする。

ここで、骨格体ｌＯの予熱、鋳型５全体の予熱を行う。

骨格体の予熱は、使用セラミックスの種類にもよるが、
大体１３００℃程度に行うようにするのがよい、この予
熱は、上部鋳込口３１および骨格体ｌＯの内部空間に通
じる鋳型の透孔３２よりガスバーナー４またはヒータ等
をＲませて行えばよい。

予熱後、所要の金属溶湯を鋳込口３１から注入して、こ
れを骨格体１０の内孔部に浸透させ、充填する。この際
、骨格体１０内面からの湯洩れは、湯洩れ防止壁１３に
より防がれる。

溶湯注入後、鋳込空間の隅々にまで湯を行きわたらせる
よう十分な押湯な行う。具体的には、鋳型上方に開口す
る押湯口３３および鋳込口３１にコークス塊５を投入し
て蓋３５をするゆこうすると、投入されたコークス塊７
が溶湯の熱によりＣＯガスを発生し、ガス圧で場面が加
圧されて、十分な押湯が行われる。

溶湯凝固後において型抜きを行う。そして抜き取った品
物から押湯部分を切除するとともに、内面側の湯洩れ防
止壁１３を取除く。湯洩れ防ＩＬ壁の除去は、例えばサ
ンドブラストにより管内側から軽い衝簀を与えるように
してやれば効率よく行える。

このようにして、第１図に示すように骨格体ｌＯの三次
元的網目内を埋めてそれにからみ込んだ形の金属マトリ
ックス１）を形成するのである。

なお、本発明は、図に示した直管のみならず、エルボ、
Ｙ型やＴ型の分岐管継手など、あらゆるタイプの管体の
製造に適用可能であることは言うまでもない。

〔実施例Ｉ〕

本発明の方法により、マトリックス８１属：５Ｃ４６、
骨格体（使用セラミックスフオーム゛）：セル数６（Ａ
ＮｚＯｈ充填率５Ｑｖｏ　１％）、セル数８　（へβ２
０．充填率４０ｖｏ　１％）、セル数１３　（Ａ　ｉｔ
　Ｏｘ充填率３Ｑｖｏ１％）、厚み：１０ｎ＋の５ＯＡ
のＴ型分岐管を試作した。

製造は、前出第２図の方法に従った。使用したセラミッ
クスフオーム成分（セル数６）を第１表に示す。

第　　１　　　表 その結果、セル数６．８．１３の何れのセラミックスフ
オームを使用したものも、内層セラミックスフオーム割
れは一切認められず、またセラミックスの鋳ぐるみの状
況も非常に良好なものであった。

〔実施例２〕 本発明法で得られる管体の特性を調査するため、〔実施
例１〕で製造したのと同し断面構造をもつ、５０ｗｍＸ
５０ｔＩＸ１０龍の板状および１０ｆｌＸ１０　ａｍ　
Ｘ　５０　ｍｍの棒状試験片を作製した。試験片製作は
、基本的に実施例１で述べた方法と同じ要領で行った。

これらの試験片について、下記のブラスト摩耗試験、衝
撃試験および曲げ試験を行った。衝撃試験は施工後にお
いて受ける衝撃力を、曲げ試験については施工時におい
て受ける変形力を、それぞれ想定したものである。

〔ブラスト摩耗試験〕

５０鶴×５０鰭×１０Ｒ試験片の５０龍Ｘ５０龍の面に
対し、ノズル径７ｆｉのブラスト処理装置を用い、ノズ
ルと試験片の間隔を５０１にしてモランダム＃３６の砥
粒を圧力４ｋｇ／ｃ＋ｊで衝突させ、この場合の表面摩
耗体積を調査した。

〔衝撃試験〕

５０＋ｎＸ　５０１ｍｘ　１０ｍ試験片の５０＝Ｘ５０
龍の面に対し、先端がカマボコ型で、その曲率半径が８
鶴である５ｋｇの重錘を種々の高さから落下させ、損傷
発生の有無を調べた。

〔曲げ試験〕

１０ｉｍＸ１０１ｍＸ１０試験片に３点曲げにより曲げ
モーメントを加え、損傷発生時の曲げ応力（限界曲げ応
力）を測定した。　。

試験の結果を、第４図乃至第６図に示す。同図には、比
較のためにＳＣ４６単体材、ＡｌｚＯ＊セラミックス単
体材の同上試験による評価をも併せて記した。

試験結果について説明する。

まず第３図において、衝突角度３０“の場合を見ると、
本発明に基づく複合材（以下、単に複合材という）では
、摩耗量が、ＳＣ４６材よりも格段に少なく、セラミッ
クス単体と比べても殆ど差のない値となっている。輸送
ラインの管継手部における流送物の衝突角は２０”〜４
５°程度が主であり、この角度での衝突が摩耗の原因に
なっているわけであるが、上記の結果から、複合材はこ
のような摩耗に対し、ＳＣ４６材より格段にすぐれ、セ
ラミックス単体と路間等の性能を有することが理解され
る。

なお、衝突角度９０°についてみると、セラミックス単
体の摩耗が相当大きなものとなっており、この場合には
複合材の方がむしろ摩耗は少なく、セラミックス単体に
対しＡ以下の摩耗量となっている。因に、ＳＣ４６材ｔ
よこの９０°においては、摩耗が少ない。

第４図において、セラミックス単体は僅か１．ｋｇ−ｍ
の衝撃エネルギーで破損を生じているが、複合材は５Ｃ
４６材同様、２０ｋｔｒ−ｍでも損傷は見られない。複
合材がこのように衝撃に強いのは、セラミックスがマト
リックスにより保護されていいることによる。

第５図によると、セラミックス単体に比べ複合材は、限
界曲げ応力がより高い値となっており、とくにセル数６
　（セラミックス充填率＃５０％）使用のものでは、こ
の値はセラミックス単体の２倍近くにも達している。そ
して、ここで特筆すべきことは、損傷形態のちがいであ
る。セラミックス単体において損傷と−は、完全分離の
割れを意味するが、複合材ではマトリックスに亀裂が入
ることであり、完全分離を意味しない。複合材の場合に
はしたがって、損傷が発生したあとも、条件によっては
継続使用が可能であり、このことは実際の輸送ラインへ
の適用上非常に大きなメリットとなる。

以上の結果よりして、本発明で得られる複合管体が、ス
ラリー、粉体等の管内輸送ライン用の管継手にとって非
常に有用性の高いものであることが明らかである。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように本発明の金属−セラミッ
クス単体管体およびその製造方法は、従来のようにセラ
ミックス単体の内層材を用意する必要がなく、またセラ
ミックスを粒子の形で使用するから、焼成時における割
れ、鋳込時における熱衝撃や鋳込み金属の冷却過程にお
ける変形等による割損も防止でき、あらゆる形状、サイ
ズのものを容易かつ安定に製造できるものである。また
、本発明法で得られる管体は衝撃や変形に強く、使用時
における衝撃力、曲げ力等の異常な力の作用に対しても
、損傷を生じることが少なく、しかもスラリー、粉体等
の管内輸送ライン用として、セラミックス単体使用の場
合とくらべ殆ど遜色のない良好な耐摩耗性を発揮し、著
しくすぐれた耐久性が期待できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にて得られる管体の断面構造を示す説明
図、第２図（イ）〜（ハ）は本発明に基づく製造プロセ
スを示す工程現用図、第３図〜第５図は〔実施例〕にお
ける試験結果であり、第３図はブラスト摩耗試験の結果
、第４図は衝撃試験の結果、第５図は曲げ試験の結果を
それぞれに示している。 図中、ｌＯ：骨格体、ｌｌ：内層マトリ、クス（マトリ
ックス金属）、１２：セラミソクスフォーム、１）湯洩
れ防止壁。 第　３１ 第　４　図 １００　　０　　５０　　４０　　３０（Ａ１６充填手
ｖｏＬｘ）第　　５　　図 １００　　０　　５０　　４０　　３０（ＡｈＯｓ光填
牢ＶＯＬ％）手　続　主甫　正　書帽発） 昭和６２年１２月０４日 昭和６２年特許願第２７２３０６号 ２、発明の名称 金属−セラミックス複合管体およびその製造方法３、補
正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　大阪市東区北浜５丁目１５番地名　称（２１）
）住友金属工業株式会社代表者新宮康男 ４、代理人 ６、補正の対象 「明細書の発明の詳細な説明の欄」および「図面」。 ７、補正の内容 （１）　　明細書第９頁９行目 ｒ−ＺｒＯ３，ＺｒＯｓ　ＪとあるをｒＺｒｏｚ。 ＺｒＯｓＪに補正します。 （２）同第１２頁２行目 「鋳型５」とあるを「鋳型３」に補正します。 （３）　　同第１２頁９行目 「金属溶湯」とあるを「金属溶湯１４Ｊに補正します。 （４）　　同第１２頁１３行目 「溶湯」とあるを［溶湯１４Ｊに補正します。 （５）　　同第１２貝１７行目 「コークス塊７」とあるを「コークス塊５」に補正しま
す。 （６）　　同第１６真３行目 「第４図乃至第６図」とあるを「第３図乃至第５図」に
補正します。 （７）図面の第２図（ハ）を別紙のとおり補正します。 以　　　上 第　２　＠

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）三次元骨格網目状の内部空孔を有する連続多孔型
   のセラミックス体からなる骨格体と、該骨格体内に含浸
   充填されたマトリックス金属とからなることを特徴とす
   る金属−セラミックス複合管体。
2. （２）三次元骨格網目状の内部空孔を有する連続多孔型
   のセラミックス体で、目標管体製品の形状に対応する形
   状の骨格体をつくり、該骨格体をそれに対応する内郭形
   状を有する鋳型内にセットし、予熱後所要の金属溶湯を
   注入して骨格体内に含浸させ金属マトリックスを形成す
   ることを特徴とする金属−セラミックス複合管体の製造
   方法。