JPH0328255B2

JPH0328255B2 -

Info

Publication number: JPH0328255B2
Application number: JP13730283A
Authority: JP
Inventors: Osamu Odawara; Yasumasa Ishii; Hiroshi Yamazaki
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Priority date: 1983-07-26
Filing date: 1983-07-26
Publication date: 1991-04-18
Also published as: JPS6027462A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、テルミツト反応を利用して、円筒管
内面にセラミツク層を被覆形成する複合構造管の
製造方法の改良に係り、特にそのセラミツク層の
品質の改善を図るための方法に関するものであ
る。

管内面にセラミツク層が被覆形成された複合構
造管は、セラミツク層が耐熱性、耐摩耗性、耐食
性等の良好な特性を発揮するため、各種流体の輸
送管や工業用配管部材として広汎な適用用途を有
している。

この種の複合構造管の製造手段としては、従来
種々の方法が実施されてきているが、最近ではそ
の好適な製造手段として遠心力とテルミツト反応
を利用するいわゆる遠心テルミツト法が提起され
ている。この方法を最も代表的なアルミニウム−
酸化鉄系のテルミツト反応を利用して、鋼管のよ
うな鉄又は鉄合金製円筒管の内面にアルミナ
（Al₂O₃）のセラミツクコーテイングを施す場合
を例に説明すると、第１図に示すように、鉄系円
筒管１内にアルミニウム（Al）と酸化鉄（Fe₂O₃
又はFe₃O₄）の各粉末あるいは粒子による一定比
率の混合物からなるテルミツト剤２を装填し、こ
れを高速回転による遠心力場内で着火して、下記
式に示す如きテルミツト反応を行なわせ、この発
熱反応により生成される溶融金属（Fe）と溶融
セラミツク（Al₂O₃）とを比重分離して、第２図
に示すように円筒管１の内面に金属層３を介して
所期のセラミツク層４を被覆形成するものであ
る。

Fe₂O₃＋2Al→Al₂O₃＋2Fe ＋199Kcal／Al₂O₃1モル 3Fe₃O₄＋8Al→4Al₂O₃＋9Fe ＋194Kcal／Al₂O₃1モルこの方法によれば、一般には上記のAl−酸化
鉄系のみならず種々の強還元性元素と金属酸化物
よりなるテルミツト反応系を利用することがで
き、その装填量を調整することによつて任意の金
属製円筒管に対して、その内面に所望の厚さで
種々のセラミツクコーテイングを簡単に施すこと
ができ、しかもそのセラミツクコーテイングは同
時に生成される金属層を介して円筒管に高い密着
状態で結合される利点を有する。

ここで、この遠心テルミツト法においても最も
利用性が大で、かつ代表的な前述の鉄系円筒管に
対しAl−Fe酸化物系のテルミツト反応を適用す
る場合について更に考察すると、この場合の鉄系
円筒管の内面に被覆形成されるセラミツク層は、
前記反応式より明らかなように、α−Al₂O₃（コ
ランダム）を主とするものからなる。この場合に
おける遠心テルミツト法の問題点として、その生
成セラミツク層の気孔率が高いことが掲げられ
る。

そこで、本発明者等はこの問題を改善するた
め、先に特願昭56−144376号において、テルミツ
ト剤に添加物としてSiO₂の粉末あるいは粒子を
添加する方法を提案した。この方法は、前記問題
の改善に大いに貢献したのであるが、尚、金属層
とセラミツク層との分離が不十分であり、またセ
ラミツク表面の平滑性に問題があつた。

本発明はかかる点に鑑みなされたもので、円筒
管内面にテルミツト反応を利用してセラミツクコ
ーテイングする場合、セラミツク層の気孔率の低
下をはじめ、金属層とセラミツク層の分離の促進
及び凝固後のセラミツク表面の平滑化、外観の改
善を目的としている。そして、その特徴とすると
ころは、円筒管内に、テルミツト剤を装填し、遠
心力場内で該テルミツト剤に着火し、テルミツト
反応を行なわせて、前記円筒管内面にテルミツト
反応により生成された金属及びセラミツク層を被
覆形成する方法において、前記テルミツト剤を装
填する前に、予め円筒管内面にバインダーを介し
て結合したケイ素化合物又は金属化合物粉末の被
膜を形成する点にある。

以下本発明について詳述する。

先ず、本発明に使用する円筒管１について述べ
る。前記説明では、この円筒管１として鉄系のも
のについて述べたが、本発明に使用する円筒管１
は鉄系に限らず、テルミツト反応に耐える高融点
の金属、例えば銅、ニツケルなども例示でき、更
にコンクリート、石綿セメントのような無機質系
のものであつてもよい。また、該円筒管１は、予
め作成されたものである必要はなく、通常の遠心
鋳造により形成された円筒管をそのまま引き続い
て使用してもよい。

次に、前記円筒管１内面に、バインダーを介し
て結合したケイ素化合物の一例としてSiO₂粉末
の被膜の形成方法について述べる。該被膜は、
SiO₂粉末に無機バインダー（例えば、水ガラス
水溶液）を加えて泥状にした後、これを前記円筒
管１内面に、刷毛やスプレーにより、均一な厚み
有する膜として形成し、しかる後に乾燥固化させ
たものである。第３図は、上記のようにしてバイ
ンダーを介して結合したSiO₂粉末の被膜５を有
する円筒管１の横断面を示している。ここで、
SiO₂のバインダーとしては、たとえば水ガラス
などが考えられ、粉末に対し、数％〜10数％ぐら
い加えることができる（場合によつては、30％ぐ
らいまで）。SiO₂粉末の結合度を増したい場合
は、水ガラスを増量する。また、SiO₂粉末の粒
子の大きさは、溶融セラミツクへの溶出の容易さ
から0.1mm以下が好ましく、使用するSiO₂粉末の
重量は、使用テルミツト剤の重量の1/20〜1/10程
度とする。

ところで、前記被膜５の生成素材は、SiO₂で
あるが、生成素材としては他のケイ素化合物又は
金属酸化物を適用することができる。ここで、他
のケイ素化合物又は金属化合物又とは、セラミツ
クと固溶体を形成し、溶融セラミツクの流動性を
増し、凝固後のセラミツクの性能を向上させる酸
化物を意味し、例えばケイ素化合物として
Si₃N₄、金属化合物としてTiO₂、ZrO₂、CuO₂、
MgO、BaO、CoO、NiO、MnO、Cr₂O₃、
Ni₂O₃、Mn₃O₄、NaF₂、CaF₂などを例示でき
る。

以上のようにして、円筒管１内面に、バインダ
ーを介して結合したSiO₂粉末の被膜５を形成し
た後、第４図に示すように、該円筒管１を遠心機
金枠６内に挿入し、その両端を中心部に孔８を有
するバンド７，７で固定し、所定の回転に達した
ところで、テルミツト剤散布用の樋９をバンド７
の孔８へ挿入反転し、テルミツト剤２を被膜５が
形成された円筒管１内へ散布する。今、被膜５は
SiO₂粉末が比較的強固に係合されているので、
単にSiO₂粉末を遠心力で円筒管１内面に付着さ
せた程度のSiO₂層に比べて、テルミツト剤２の
散布時に被膜５が破壊されることはなく、テルミ
ツト剤２が直に円筒管１内面に接触する心配がな
い。

次に、前記テルミツト剤２が散布された円筒管
１を更に高速で回転させ所定の回転（通常、
GNoで70〜200）にしたところで、円筒管１中の
テルミツト剤２に着火し、テルミツト反応を起こ
させる。このとき被膜５は、テルミツト反応の高
温により、そのバインダーが解離し、粉末SiO₂
層となり、溶融セラミツク中への溶出を容易にす
る。また、前記粉末SiO₂層は、テルミツト反応
生成熱の円筒管１への熱伝導を防ぎ、つまり断熱
層として作用し、テルミツト反応による高温状態
を保持し、溶融セラミツク中の気泡の放出や金属
層とセラミツク層の分離を促進する。

かくして、テルミツと反応が開始されると、テ
ルミツト剤はその反応生成物たる溶融金属と溶融
セラミツクとに変り、さらにこれらは両者の比重
差に基づき分離される。この頃には、前記粉末状
と化したSiO₂は、比重差により溶融アルミナ中
へ溶出し、Al₂O₃−SiO₂系セラミツクを形成す
る。こうして、テルミツト反応が終了し、円筒管
１を金枠６より取り出すと、良質なセラミツク
が、その内面にコーテイングされた複合構造管が
得られる。

次に、本発明の実施例、比較例を掲げて説明す
る。

実施例１円筒管として、外径101.6mm、厚さ4.2mm、全長
250mmの鋼管を使用し、管内面の錆を落とし磨い
た後、その内面にSiO₂150ｇ（粒径約40μｍ以下）
に水と水ガラス、それぞれ100ｇ、50ｇを混合し
泥状にしたものを均一な厚みを有するように塗布
し、しかる後に自然乾燥させ、更に加熱乾燥して
水分を完全に除去し、厚みが約１〜２mmの被膜を
得た。

次に、この被膜付の鋼管を遠心機金枠内に挿入
し、その両端をバンドで固定した後、金枠を約
500rpmで回転し、Al−Fe酸化物系テルミツト剤
1500ｇを管内へ散布した。その後、金枠の回転を
1600rpmに上げたところで、管内テルミツト剤に
着火し、テルミツト反応を起こさせた。反応終了
後充分時間をおき、金枠を冷却させ、遠心機を停
止し金枠より鋼管を取り出し、セラミツク複合管
を得た。

この複合鋼管の横断面を観察すると、鋼管の内
面より約1.5mmの生成鉄を介して、約3.0mmのセラ
ミツク層が形成されており、このセラミツク層は
極めて緻密であり、その表面は平滑であつた。ま
た、金属層とセラミツク層の分離もよく、明瞭に
その区分が判別できた。

実施例２円筒管として、外系101.6mm、厚さ4.2mm、全長
250mmの鋼管を使用し、内表面の錆を落として磨
いた後、その内面にSiO₂約60ｇ（粒径約40μｍ以
下）に水と水ガラスを、それぞれ40ｇ、20ｇを混
合し泥状にしたものを均一な厚みを有するように
塗布し、しかる後に自然乾燥させ、更に加熱乾燥
させ水分を完全に除去し、該鋼管の内面に被膜を
形成した。

次に、この被膜付の遠心機金枠内に、厚さ31mm
の黒鉛製円筒を介して挿入し、その両端をバンド
で固定した。黒鉛製円筒を介した理由は、黒鉛の
熱伝導率が、金枠の材料である鋼のそれより大き
く、前記被膜の作用を確認するのに好都合だから
である。ちなみに、黒鉛の熱伝導率は、
0.31cal／cm．sec.℃、鋼のそれは、0.13cal／cm．
sec.℃である。

そして、前記金枠を約500rpmで回転させ、
Fe₂O₃：Al＝699ｇ：236ｇからなるテルミツト剤
935ｇを前記鋼管内へ散布した後、回転を
1580rpm（GNOで130）に上げたところで、管内
テルミツト剤に着火し、テルミツト反応を起こさ
せた。反応終了後充分時間をおき、金枠を冷却さ
せ、遠心機を停止し金枠より鋼管を取り出し、セ
ラミツク複合鋼管を得た。

この複合鋼管の横断面を観察すると、実施例１
の場合と同様に、金属層とセラミツク層との分離
もよく、そのセラミツク層は非常に緻密なもので
あり、またその表面は、美麗で平滑であつた、ま
た、圧壊強度を調べたところ約2200Kg／cm²であつ
た。

比較例１実施例２におけるセラミツク複合構造管の製造
条件において、鋼管内面に被膜を形成する点を被
膜を形成せず、他は同様の条件でセラミツク複合
構造管を製造したところ、金属層とセラミツク層
の分離が悪く、セラミツク表面には凹凸が生じ、
また微粉末状の白色汚れも目立つた。そして圧壊
強度を調べたところ、1900Kg／cm²であり実施例１
の場合より低い値を示した。

比較例２実施例２におけるセラミツク複合構造管の製造
条件において、鋼管内面に被膜を形成する点を被
膜を形成せず、またテルミツト剤として、実施例
２のものを、これにSiO₂65ｇを加えたものとし、
他は同様の条件でセラミツク複合構造管を製造し
たところ、未だ、金属層とセラミツク層分離が十
分でなく、また、セラミツク層表面に気孔が目立
つた。しかし、セラミツク層は全般的に非常に緻
密化されており、圧壊強度は約2480Kg／cm²と比較
的良い値を示した。

以上のように本発明によると、生成セラミツク
層の品質が他のものに比べて優れたものであるこ
とが判つたが、本発明者等は、更に前記被膜の作
用、つまりセラミツク層を良質化する原因となる
テルミツト反応の高温保持作用を確めるため、放
射温度計を用いて、実施例２、比較例１、比較例
２について、セラミツク生成中の鋼管内の温度状
態を観察した。

この観察方法を述べると、第５図に示すように
放射温度計１２は、水平に設置された遠心機金枠
６の一方のバンド７から約３ｍ離れた位置に設置
された。そして、バンド７の孔８を通して、水平
方向と約18度の角度を有して、黒鉛製円筒１１中
の鋼管１０の内面で、鋼管１０の末端より約100
mm離れた位置の温度を測定すべく、放射温度計１
２の観測方向が設定され、その放射率は、0.3に
固定された。また、この放射温度計１２には、変
換器１２及びレコーダ１３が接続され、鋼管１０
の内面温度が自動的に記録された。

上記温度測定の結果を第６図に示す。第６図
は、見かけ温度2000℃を越えてからの経過時間に
伴う見かけの温度を示しており、セラミツクが溶
融状態であると考えられる2000℃以上の高温保持
時間は、実施例２の場合が、9.2秒、比較例１の
場合が6.6秒であり、実施例２の場合、つまり鋼
管９内面に被膜５を形成した場合が、他の場合、
つまり鋼管９内面に被膜５を形成しない場合に比
べて、高温保持時間が非常に長いことが確認され
た。

以上述べたように、本発明による複号構造管の
製造方法によれば、気孔率の低い緻密な、また、
金属層との分離が明瞭になされた、表面が平滑で
あり美麗なセラミツク層が、その内面にコーテイ
ングされた品質の優れたセラミツク複合構造管を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、遠心テルミツト法の製造
工程を示す円筒管の横断面説明図であり、第１図
はテルミツト反応前のテルミツト剤装填状態を、
第２図は、テルミツト反応後における金属層を介
してのセラミツク層の被覆状態を示している。第
３図から第５図は、本発明の実施例を示し、第３
図は、被膜が形成された円筒管の横断面図、第４
図は、被膜が形成された円筒管にテルミツト剤散
布用樋の挿入中の状態説明図、第５図は、テルミ
ツト反応中の円筒管内面の温度を観測している状
態説明図、第６図は、見かけ温度2000℃を越えて
からの経過時間に対するテルミツト反応中の円筒
管内面の温度の関係を示す図である。１……円筒管、２……テルミツト剤、３……金
属層、４……セラミツク層、５……被膜。

Claims

【特許請求の範囲】

１円筒管内に、テルミツト剤を装填し、遠心力
場内で該テルミツト剤に着火し、テルミツト反応
を行なわせて、前記円筒管内面にテルミツト反応
により生成された金属及びセラミツク層を被覆形
成する方法において、前記テルミツト剤を装填す
る前に、予め円筒管内面にバインダーを介して結
合したケイ素化合物又は金属化合物粉末の被膜を
形成することを特徴とする複合構造管の製造方
法。