JPH0137238B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱間静水圧プレス法（以下HIP法とい
う）を利用した金属クラツドセラミツクパイプの
製造方法に関する。

セラミツク材料は耐熱性、耐薬品性、耐摩耗性
に勝れているところから高温構造材料として注目
され、その利用開発が進められているが、一面 (1) 脆性材料であるため亀裂の伝播速度が早く、
破壊が瞬時に進行する。

(2) 機械加工が困難であるために金属部材や他の
セラミツク部材との結合ができない。

(3) 多くのセラミツク材料は気孔率が10〜30％と
大きいため粘性の低い流体、例えば水、ガラス
等が気孔内に浸透したり通過したりする などの欠点を有しているためセラミツク製のパイ
プの用途は非常に制約されており、未だ十分な性
能を具えたパイプを得るに至つていない。

そのためかかるセラミツク材料の欠点を補なつ
て、従来種々の材料が使用されており、例えば現
在、熱交換器材料として使用もしくは開発されつ
つあるセラミツクス材料としては反応焼結法によ
るSiCパイプやガラスがあるが、これら材料はあ
る程度の耐熱性を有するものの前記の如く脆性破
壊を生じ瞬時に大きなクラツクができる外、他の
部材との結合が困難であるという欠点が残り、
又、高温ガス・腐食性ガス輸送用パイプとして
は、高温ガス輸送用に用いられているセラミツク
スは現に殆んど見当らず、腐食性ガス輸送用には
黒鉛パイプに鉛の如き金属や樹脂などを含浸した
ものが多用されているが、使用温度は僅かに百数
十度以下であり、現在の高温を伴なう輸送には実
際上適していない。更に粉粒体噴出用や紡糸用ノ
ズル等では耐摩耗性を要求されるものが多いが、
金具への固定は単に押えているだけか、又は焼き
嵌めであり振動に弱いという欠点を曝露してい
る。

殊に従来、金属とセラミツクとの結合は極めて
難儀な技術課題の１つであり、長年にわたり研究
が重ねられて来たが、仲々効果的な手段を見出す
に至らず、漸く、最近になりセラミツク素材と熱
膨脹係数が近いFe−Ni−Co合金による高温ロウ
付け法によつて密着性にほぼ解決の端緒を見出し
たところである。

本発明者らは、かかる現状に即応し、それら各
欠点を解消すべく鋭意検討を重ね、その結果、近
時、鋳造欠陥の除去を始め金属の接合、あるいは
高密度化に顕著な効果を発揮するとして注目され
るHIP法の利用を知見するに及び、セラミツク材
料の欠点を金属材料でクラツドして、各種広範な
用途に使用でき得る金属クラツドセラミツクパイ
プの製造に到達した。

即ち、本発明はセラミツク材料の欠点を金属材
料でクラツドして解決し熱交換器用パイプ、高温
ガス、腐食性ガス輸送用パイプ、スラリー輸送用
パイプ、ノズル、バーナー用パイプ等広汎な分野
に使用して効果的な金属クラツドセラミツクパイ
プ及びその製造方法を提供すること、換言すれ
ば、耐熱性、耐熱衝撃性、気密性、耐摩耗性、耐
腐食性が要求される如き部材として使用でき、か
つ容易に他の材料とネジなどにより結合できるよ
うな金属クラツドセラミツクパイプとその製造方
法を提供することを目的とするものである。

しかして、かかる本発明の目的は、外面に凹凸
を有するセラミツクパイプを使用し、その外面に
クラツドする金属パイプを、一方、内面に前記金
属パイプ材料と溶接可能な金属からなるパイプ又
は中実材を配し、それら金属パイプ又は中実材と
前記外側の金属パイプとを少くともその両端部に
おいて接合しシールして、その後、HIP処理を行
なつて外側の金属パイプをセラミツクパイプの外
面に圧着させると共に、内側の金属パイプ又は中
実材を除去することによつて達せられる。

ここでクラツド製品の製作にHIP法を利用する
こと自体は、例えば鋼板を母材とし、これに金属
板をクラツドするクラツド鋼板の製造において本
出願人の提案するところであるが、これは金属同
志のクラツドであり比較的容易な面をもつている
が本発明方法はセラミツクパイプを母材とするも
のであり、かかる異種材料間のクラツドに関して
は現在末だ提案されておらず、本発明をもつて〓
矢とするものである。

以下、本発明方法の具体的な実施態様を添付図
面を参照しつつ順次詳述する。

第１図は、本発明において母材とするセラミツ
クパイプの１例であり、パイプ１外面には図示の
如く微細な凹凸が形成されている。この場合、凹
凸形状は、母材のセラミツクパイプと、クラツド
する金属パイプとの材質により適宜、適切な形状
が選択されるが例えば数ミリメートルの凹凸差を
もつ凹凸でもHIP処理によれば隙間なく完全にク
ラツドすることができる。なお、かかる外面に凹
凸を有するセラミツクパイプ１を得るにはセラミ
ツクパイプにシヨツトブラスト法等によりセラミ
ツク粉末を吹きつける等公知の手段によつて容易
に製造することができる。

前記セラミツクパイプ１は、その材質としては
例えばAl₂O₃、SiAlONなどの酸化物系セラミツ
クスのみならず、Si₃N₄、SiCなどの非酸化物系
セラミツクスも使用可能であり更にこれらにＹ、
Al、Mgなどの酸化物又は窒化物等を焼結助剤と
して混合したものも包含される。そして、前記セ
ラミツクパイプを母材としてクラツドパイプを製
造するに際しては、該セラミツクパイプ１を先ず
第２図に示すようにクラツドしようとする金属パ
イプ２と、内挿用金属パイプ３および内外両金属
パイプ２，３間で、下端部をシールするために嵌
着されるリング４とで形成される空間に配置し、
即ち、セラミツクパイプ１の外面にクラツドしよ
うとする金属パイプ２、一方、内面に内挿用金属
パイプ３を配して該空間の上端を脱気用パイプ５
を有する上部リング４′で蓋をし各金属部材で形
成される隙間を溶接などにより気密にする。

従つて外側の金属パイプ２と、内側の金属パイ
プ３とは互いに溶接可能な金属であることが望ま
しい。

上記セラミツクパイプ１にクラツドする前記金
属パイプ３の材質としては、一般にFe、Ni、
Ti、Crあるいはこれらの何れかを主成分とする
金属が使用され、一方、内側の内挿用金属パイプ
３の材質としてはHIP処理後の除去の点から熱膨
張係数の大きい金属が使用される。

かくて、このようにして配置され、気密にされ
た第２図に図示する構造体は、全体を室温下又は
高温下で脱気パイプ５を通じて真空引きし、内部
に残存している空気、付着した水分などを除去し
た後、通常のHIP処理におけると同様、脱気パイ
プを潰し鍛接し、更に溶接して内部の気密性が確
実に保持されるようにする。

なお、この脱気操作は本発明において必ずしも
必須ではないが、セラミツクパイプ１とクラツド
する金属パイプ２との界面を清浄に保持したい場
合や、HIP処理の確実性が重要である場合には実
施することが好ましく、かつ効果的である。又、
長いパイプで脱気パイプを設けても内部全体を清
浄にすることが困難な場合には、Fi、Zrなどの
ゲツタ材を内部に入れ、HIP処理後、除去するよ
うにしてもよい。

特にクラツドされるセラミツクパイプ１の肉厚
が余り厚くなく、比較的薄いような場合には外側
のクラツドする金属パイプ２と、内挿した金属パ
イプ３とを前記の如きリング４，４′を使用する
ことなく、両端部において直接溶着しても差支え
ない。

以上の操作を終え、脱気と共に端部の接合、シ
ールがなされ、内部の気密性が確実に保持された
セラミツクパイプ１、外側金属パイプ２及び内側
金属パイプ３からなる構造体は次いでHIP装置に
装入され、公知の手法によりHIP処理に付され
る。HIP処理は、クラツドする金属材料が充分に
塑性変形して密着し得る温度及び圧力下に保持す
る必要があり、処理時間は母材のセラミツク材料
とクラツドする金属材料が密着した状態で充分拡
散接合するだけの時間をかけなければならない。
特にHIP圧力と温度は、母材のセラミツク材料と
クラツドする金属材料の厚さと密接な関係があ
り、同一HIP温度の場合クラツドする金属材料の
厚さが厚い程その変形抵抗も大となるから両材料
を密着させるためには高いHIP圧力が要求され、
また同一HIP圧力では、クラツド材の厚さが厚い
程、クラツド材の軟化度を高めて密着し易くする
ためには高いHIP温度が必要となる。

しかし、HIP温度、HIP圧力を高くすること
は、それだけ昇温、昇圧時間及び降温、降圧時間
が長くなり、HIP処理に長時間を要し、生産性を
低下させるのみならずコストアツプの要因ともな
るので、これらHIP処理条件はセラミツク材料、
クラツドする金属材料及びこれらの厚さに応じて
適宜選定することが有利である。

かくしてHIP処理の終了した前記セラミツクパ
イプ１、金属パイプ２，３は、これを大気圧下で
該装置より取り出し内挿用金属パイプ３及びリン
グ４，４′を除去すると、外面が金属パイプ２で
クラツドされたセラミツクパイプが得られる。こ
の場合、内挿用金属パイプ３に前述の如く熱膨脹
係数の大きい材料を使用すれば、熱膨脹係数の差
により内挿金属パイプ３をセラミツクパイプ１よ
り容易に除去することができ好適である。又、除
去を容易にするために内挿用金属パイプ３に抜き
勾配をつけておくのも１つの方法である。

一般に、金属とセラミツクでは、金属の方がセ
ラミツクに比して熱膨脹係数が大きいため上記本
発明方法で製造された金属クラツドセラミツクパ
イプは、その円周方向に圧縮応力が、クラツドし
た金属には引張応力が残留していることは焼嵌め
の場合と同様である。しかしながらクラツドした
金属は前記HIP処理により塑性変形してセラミツ
クパイプ１の外面に形成された凹凸部に流入して
いるので、セラミツクパイプ１とクラツドした金
属との界面には実質上、凹凸による隙間は残つて
おらず焼嵌めの場合より遥かに強い結果が得られ
ている。

従つて、前述の如くセラミツクパイプ外面の凹
凸が数ミリメートルであつても、かかるHIP処理
の特質により隙間のないクラツドを得ることがで
きるのである。

なお、上記説明においては、内挿材が金属パイ
プである場合について述べて来たが、セラミツク
パイプ内側に内挿する金属部材は金属パイプに限
らず中実材を使用することも可能である。

そして、この場合には、第３図に図示する如
く、中実材３′を内挿したセラミツクパイプ１を
クラツドする金属からなる罐状のカプセル２′に
装入し、HIP処理に付すことができる。

以上述べた如く、本発明方法はセラミツクパイ
プの外面に凹凸を設け、その外面にクラツドする
金属材を、一方、内面に内挿材を配置して両者間
隙を確実にシールした後、HIP処理を行ない、セ
ラミツクパイプ外面に金属パイプを圧着せしめる
方法であるから、気孔率の大きいセラミツクパイ
プに対して容易に金属をクラツドすることがで
き、しかも焼嵌めの場合よりも遥かに強固な結合
を付与して従来、困難視されていたセラミツクと
金属とのクラツドによるパイプを提供する顕著な
効果を奏する。

しかも本発明方法は上記の如く、HIP法を利用
しクラツドするものであるからセラミツクパイプ
に金属が強固にクラツドされると共に、母材のセ
ラミツク自体も緻密化効果を受けて高密度化し、
クラツドパイプを粘性の低い流体の輸送などに使
用する場合でも、該流体のセラミツクへの浸透を
完全に阻止し、単なる熱間圧縮あるいは圧着によ
るクラツドとは比較にならない高性能を達成す
る。

更に上記本発明方法により得られるセラミツク
パイプは、その外側が金属でクラツドされている
ため、仮令セラミツクパイプが破壊するような場
合があつても、外側の金属の延性により瞬時に全
体が破損してバラバラになることがなく、従つて
内部に高圧の流体がある場合でも、爆発的に破壊
せず、クラツドした金属の最も弱い部分が延性的
に破れ小さな穴から流体が漏れる程度で、噴出す
るようなことがない。

しかも、クラツドした金属部は機械加工によ
り、ネジ切りなどが容易にできるので、他の部材
との接続、結合が容易であるのみならず、使用す
るクラツド材の両端にフランジを付設しておくこ
ともできるので、セラミツクパイプを順次継ぎ足
すことも容易である。

その他、本発明方法によるセラミツクパイプ
は、金属でクラツドされているため、気密性であ
る等の利点もあり、現在、耐熱性等の優れた特性
が認められていながら、脆性破壊等の欠点のた
め、その実用化が必らずしも十分進んでいなかつ
たセラミツクの各種用途分野への適用を可能に
し、本発明の有する意義は頗る顕著である。

なお、本発明による金属クラツドセラミツクパ
イプは前述の熱交換器用パイプ、高温ガス、なら
びに腐食性ガス輸送用パイプ、スラリー輸送用パ
イプ、粉粒体噴出ノズル、紡糸ノズル、バーナー
用パイプなどに用いて好適であるが更に本発明方
法はパイプのみならず、直径の方が長さより大き
いリングの部材に適用し同様な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法において母材として使用す
るセラミツクパイプの１例を示す斜視図、第２図
は本発明方法における処理時の各パイプ配置状態
の１例を示す断面概要図、第３図は本発明方法の
各パイプ配置状態の他の実施例を示す断面概要図
である。 １……セラミツクパイプ、２……クラツドする
金属パイプ、３……内挿用金属パイプ、３′……
内挿用中実体、４，４′……リング、５……脱気
管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 外面に凹凸を有するセラミツクパイプの前記
   外面にクラツドする材質よりなる金属パイプを配
   置し、内面には、前記金属と溶接可能な金属のパ
   イプ又は中実材を配し、該金属パイプ又は中実材
   を前記外側の金属パイプと少くともその両端部に
   おいて溶接により接合し、シールした後、熱間静
   水圧プレス処理を行なつて外側の金属パイプをセ
   ラミツクパイプの外面に圧着させ、その後、内側
   の金属パイプ又は中実材を除去して金属クラツド
   セラミツクパイプを得ることを特徴とする金属ク
   ラツドセラミツクパイプの製造方法。 ２ 外側金属パイプと、内側の金属パイプ又は中
   実材を接合する際に、各金属部材で形成される隙
   間空間に連通した脱気部を設け、シール時に該空
   間内の残存空気、付着水分などを脱気し、除去す
   る特許請求の範囲第１項記載の金属クラツドセラ
   ミツクパイプの製造方法。 ３ セラミツクパイプがAl₂O₃、Si₃N₄、SiC、
   SiAlONからなる群より選ばれた何れかを主成分
   とするパイプである特許請求の範囲第１項又は第
   ２項記載の金属クラツドセラミツクパイプの製造
   方法。 ４ クラツドする外側の金属パイプが、Fe、Ni、
   Ti、Cr又はこれらを主成分とする金属からなる
   パイプである特許請求の範囲第１項、第２項又は
   第３項記載の金属クラツドセラミツクパイプの製
   造方法。