JPH01192459A - 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）に通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、本質的には脆いものであり、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
層）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。

［１１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…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
くい実用性に冨む金属−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Ｎ）がセラ
ミックス成型体からなっているが、これを小サイズのセ
ラミックス粒子の集合体に変更し、その内部空孔（粒子
間の隙間）部に金属（マトリックス金Ｎ）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
なく、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、セラミックス粒子の場合、小粒子−つ一つを
前もうて焼成しておき、焼成済粒子を用いて管体形状を
つくり出すことになる。このため、焼成は小粒子の一つ
一つの事前焼成になり、このような小さなものでは割れ
、変形を生じることなく焼成することができるのである
。しかもセラミックス粒子はセラミックス系の接着剤を
使って結合することによりあらゆる形状を確保すること
が可能である。

■　そしてまた、個々のセラミックス粒子は小サイズで
あるがゆえに、熱衝撃につよく、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。

また鋳込金属の凝固収縮時においても個々の粒子の形が
球状でかつ粒子間が金属で結合された形になっているた
め、過大な変形力が働いて割れを生じるといった懸念も
ない。

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粒子を保護する形となり、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、下記の、■にある。

■　セラミックス粒子の集合よりなり、その粒子どうし
が同粒子と同質または異質のセラミックス材で結合して
された多孔状の骨格体と、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。

■　セラミックス粒子を同粒子と同質または異質のセラ
ミックス材で結合して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、予熱段所要の金属溶湯を
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、セラミックス粒子は、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。

セラミックス粒子は結合され、目標管体に対応する形状
の粒子塊（骨格体）とされるが、このセラミックス骨格
体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
ックス粒子が分散した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粒子がセラミックス接着剤
で相互につなぎ止められかつマトリックスに固定され、
耐摩耗性、耐衝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
のセラミックス粒子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、１０はセラミックス粒子１２の塊からなる
骨格体、１１ば金属マトリックスである。

セラミックス粒子１２・・・は、セラミックス接着剤１
２’・・・により隣接し合うものどうしが互いに結合渚
１定されて、骨格体１０を形成している。

金属マトリックス１１は、この骨格体ｌＯ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、セラミックス粒子１２の粒径は、１〜１０鰭程
度とするのがよい、１鶴程度になると、マトリックス金
属の湯廻りが悪化し粒子間への確実な浸透が難しくなる
。また、製品状態でも粒子がマトリックスから剥離し易
くなって耐摩耗性が急激に低下することになる。

一方粒子を大にすると、マトリックス金属からの剥離に
対する抵抗が大となって剥離し難くなり、その結果耐摩
耗性の向上が認められるとともに、径の大きい粒子は金
属で鋳ぐるみ易いので、本質的に金属の濡れ性の悪いア
ルミナ粒子のようなものでもマトリックス金属中に固定
することが可能となる。しかし反面径を大にすると、と
くに鋳込み時の熱衝撃割れの問題を生じるようになる。

しかしこの問題は粒子の予熱を行うことにより解決の方
向にむかう、従って上記の事情を勘案して粒子の上限と
しては５ｆｉが最も好ましく、予熱等の措置をとること
を考えれば１０ｍまでは好適な範囲ということできる。

また、セラミックス粒子は、耐摩耗性の観点から緻密質
セラミックスを使用するのが好ましい。

具体的には、Ａ１＊Ｏｓが一般的である。　Ａｒ１゜０
．の小径粒子は現在、粉砕用玉石として市販されており
、焼成品を安価で入手可能である。ただし粒子はこれに
限るものではな（、ＭｇＯ，Ｓ１３　Ｎａ　、ＳｉＣ，
Ｚｒ０ｇ等も使用できる。これらの粒子は、金属濡れ性
改善等のため所要のコーティング（Ｎｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、
ＴｉＮ、Ｔｉｃ等のコーティング）を施すことも可能で
ある。

セラミックス粒子の充填率（内層に占める割合）は、す
ぐれた耐摩耗性を得る意味において５０ｖｏ１％以上と
するのが好ましい、後述の実施例の記載から明らかなよ
うに、５０ｖｏ１％以上の充填率では、セラミックス単
体にくらべ大差ない耐摩耗性が確保されるのである。な
お、−この充填率は、マトリックス金属によって粒子間
に十分な接合強度を付与する意味から、７０ｖｏ１％を
上限とするのがよい。

次にセラミックス接ｆＦ荊１２’は、セラミックス粒子
１２と同質でも、また異質のものでもよいが、熱応力を
減少させるために熱膨張係数が類似したものを使用する
のがよい。

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、ＡＩｌ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法めるようにすれ
ばよいが、製造を容易にする観点からは１０ｍｍ程度が
好ましい。

次に、本発明に基く製造方法を、２工程に分けて具体的
に説明する。

○　骨格体作製 セラミックス粒子を用いて内層に対応する管体状の骨格
体をつくる工程である。

前出第１図に示されるようにセラミックス粒子１２をセ
ラミックス質の接着剤１２’で互いに固定、結合させて
、セラミックス粒子１２の集合塊からなる骨格体ｌＯを
つくるのである。

ところで、骨格体１０はセラミックス質接着剤１２’に
よって一体化されてはいるが、粒子１２と粒子１２の間
に隙間のある多孔状のものである。

したがってそのままの状態では、後述の鋳込み時にその
内周面側から湯洩れを生じることになる。

このため骨格体１０には、予め内面側に湯洩れ防止壁（
第２図（へ））を付与しておくことが求められるのであ
る。

湯洩れ防止壁の形成を含めた骨格体１０製造のプロセス
を説明すれば、以下のとおりである。

手順としては、まずはじめに、湯洩れ防止壁をつくる。

湯洩れ防止壁は、湯の温度に耐えしかも鋳込後において
除去の簡単なことが必要で、この意味からセラミックス
で形成する。

方法としては、第２図（イ）に示す如く型４にセラミッ
クススラリー１３’を流し込んで鋳込む、セラミックス
スラリーとしては、セラミックス添加Ｎ２〜３ｖｏ　１
％程度のものを使用するのがよい。

型４は、木型で構成すればよく、中子４０で必要な厚み
の鋳込空間を形成する。中子４０については、後述の焼
成（セラミックス質接着剤の焼成）時に消失する材料で
形成しておくのがよく、例えば発泡スチロールが好適で
ある。

セラミックススラリーの鋳込後、自然乾燥による硬化を
待ち、しかるのち型抜きしてセラミックス製の湯洩れ防
止壁１３を得るのである。

次に、この湯洩れ防止壁１３を中子４０付のまま、（ロ
）に示す型３に中子としてセントする。型３は、中子と
しての湯洩れ防止壁１３との間に、目標管体に対応する
鋳込空間を形成するように設定する。

そして、この型３の鋳込空間に、セラミックス粒子１２
と焼成前のセラミックス譬接着剤１２’との混合物を目
標充填率で充填する。セラミックス粒子１２は、事前焼
成されたものを使用する。

次いでこの充填物を、その一端側から熱風を吹込んで乾
燥、固化させる。そして型抜き後所定の温度に加熱し、
セラミックス接着剤１２′の焼成を行う０発泡スチロー
ルで形成された中子４０は、この過程で消失する。

このようにして（ハ）に示す湯洩れ防止壁１３付の骨格
体ｌＯを得るのである。

なお、骨格体ｌＯの厚み（内層形成層）は、継手の使用
条件等に応じ適宜法めればよいが、製造を容易にする観
点からは、１００程度が好ましい。

また骨格体ｌＯは、長大品や複雑な形のものの場合には
、全体を複数に分けてつくり、これらの組合せで構成す
るようにしてもよい。このような分割構成をとった場合
にも、後述マトリックス金属の鋳込みにより、結果的に
は一体に形成されることになる。

○　金属鋳込み この工程は、上記により得た骨格体ｌＯ内にマトリック
ス金属を含浸させるものである。

方法を詳しくいうと、第３図に示す如く、目標管体の外
郭形状に対応する内郭形状を有する鋳型５を用い、これ
に第２図（ハ）の骨格体１Ｇ（湯洩れ防止壁１３付）を
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。この熱は、上部鋳込口５１および骨格体１０の内
部空間に通じる鋳型の透孔５２よりガスバーナ６または
ヒータ等を臨ませて行えばよい。

予熱後、所要の金属溶湯を鋳込口５１から注入して、骨
格体ｌＯ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
よう十分な押湯を行う、具体的には、鋳型上方に開口す
る押湯口５３および鋳込口５１にコークス塊７を投入し
て蓋５５をする。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、湯洩れ防止壁の除去は、例えばサン
ドブラストにより管内側から軽い衝撃を与えるようにし
てやれば効率よく行える。前記したような方法で形成さ
れたセラミックスの湯洩れ防止壁１３は、ポーラスで非
常に脆いので、このような方法で簡単かつ残存なく除去
できる。

このようにして、第１図に示すように骨格体ｌＯの粒子
１２．１２間の隙間を埋める内層マトリックス１１が形
成されるのである。

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１〕 本発明に従って、マトリックス金属：５Ｃ４６、分散粒
子：ＩＷφ、３ｗφ、５龍φのＡｌｔｏｓ粒子（＆ｌ成
を第１表に示す）、充填率：６０ｖ。

１％９粒子粒子剤：アルミナ系結合剤（部品名ニアロン
セラミック）２ＶＯ１％、厚み３１０ｍｍの５０Ａ９０
°エルボを試作した。

製造は、前出第２図、第３図に示したプロセスに従って
、湯洩れ防止壁となるセラミックス管体の製作−湯洩れ
防止壁付骨格体の作製→マトリックスの鋳造形成の手順
によった。

第　　１　　　表 その結果、１ｍφ、３ｍφ、５顛φの何れの粒子を使用
したものも、分散粒子および結合セラミックス部に割れ
は一切認められず、また粒子の鋳ぐるみの杖況も非常に
良好なものであった。なお、結合剤としてのセラミック
スは、層厚が、ｏ、　ｔ　ｍ以下であり、しかも焼成さ
れているため、強度への悪影響はない。

〔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〕で製造したエルボと同じ断面構造をもつ、５０鶴
Ｘ５０額Ｘ１Ｏｎの板状および１０鶴ｘｌＱｍＸ５Ｑｍ
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うた。

これらの試験片について、下記のプラスト摩耗試験、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。

〔プラスト摩耗試験〕

５０ｗＸ５０ｍｍＸ１０ｍ試験片の５０ｍＸ５０鰭の面
に対し、ノズル径７Ｎのプラスト処理装置を用い、ノズ
ルと試験片の間隔を５０ｍにしてモランダム＃３６の砥
粒を圧力４ｋｇ／−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〕

５０ｍＸ５０ｍＸ１０ｍ試験片の５０龍×５０寵の面に
対し、先端がカマボコ型で、その曲率半径が８鶴である
５ｋＩｒ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〕

１０鶴ＸｌＯｗｓＸ５０ｗｍ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、Ａｌｔｏｓ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４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
クス単体と正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材は
この９０’においては、摩耗が少ない。

第５図において、セラミックス単体は僅か１ｋｇ−ｍの
衝撃エネルギーで破損を生じているが、複合材はＳＣ４
６材同様、２０ｋｇ−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６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１誼φ粒
子使用のものでは、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、亀裂損傷のあとも、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
クス複合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図は本発明に基く複合構造を示す断面図、第２図（
イ）〜（へ）は本発明の方法に基づく骨格体の製造プロ
セスを示す工程説明図、第３図は本発明法に基づく金属
鋳込みの工程を示す模式図、第４図〜第６図は〔実施例
〕における試験結果であり、第４図はブラスト摩耗試験
の結果、第５図は衝撃試験の結果、第６図は曲げ試験の
結果をそれぞれに示している。 図中、ｌｌ：内層マトリックス（マトリックス金属）、
１２：セラミックス粒子、１２′　；セラミックス質接
着剤、１３：湯洩れ防止壁。 第　４　図 竿　５　図 複合材 第　６　図 複合材 手続主書　正　書１発） 昭和６３年２月２４日 １、事件の表示 昭和６３年特許願第１６７１８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　本　人 住　所　　大阪市東区北浜５丁目１５番地名　称（２１
１）住友金属工業株式会社代表者新宮康男 ４、代理人 ５、補正命令の日付 ６、補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」の欄。 図面。 ７、補正の内容 （１）　　明細書第１８頁第１表を別紙Φ通り補正しま
す。 （２）図面の第３図を別紙の通り補正します。 以　　　上

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックス粒子の集合よりなり、その粒子どう
   しが同粒子と同質または異質のセラミックス材で結合し
   てされた多孔状の骨格体と、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）セラミックス粒子を同粒子と同質または異質のセ
   ラミックス材で結合して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。