JPH0361305A - 表面被覆金属の製造方法 - 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］ 本発明は表面被覆金属の製造方法に係り、さらに詳しく
は耐食性、耐高温腐食性、耐酸化性、耐摩耗性などの特
性を有する層で金属の表面を被覆する方法に関するもの
である。

［従来の技術］ 近年、産業の進歩と技術の発展により材料はますます厳
しい環境で使用されるようになってきた。例えば、エネ
ルギー資源開発では生産流体中に硫化水素や炭酸ガスを
多量に含む石油や天然ガス（いわゆるサワーオイルやサ
ワーガス）が開発されているが、開発に使用される油井
管やラインパイプなどの材料として低合金鋼では腐食や
割れを起こすため、ハステロイＣ−２７５やインコネル
６２５（いずれも商品名）といったニッケル合金が既に
使用されている。しかし、これら合金は非常に高価であ
ることが大きな難点である。従って、構造材の表面にの
みこれら合金を合わせ材として使用し、強度は下地の金
属（例えば低合金鋼〉で確保するいわゆるクラツド鋼の
使用が考えられた。

クラツド鋼はその形状が管の場合には継目無管或いは溶
接管として、形状が板の場合には圧延板として種々の製
造方法が確立または提案されている。しかし、いずれも
製造プロセスが複雑で歩留りが悪いという難点に加えて
、ハステロイＣ−２７６やインコネル６２５といったニ
ッケル合金を合わせ材とするクラツド鋼、なかでもクラ
ツド鋼管は製造が非常に困難であって未だ実用化されて
いない。本発明者等の研究によればその理由は、これら
合金の熱間加工時の変形抵抗が母材となる低合金鋼や炭
素鋼のそれに比べて著しく大きいため、熱間圧延などの
通常の製造プロセスでは合わせ材と母材とを均一に加工
できず、両金属が独立に変形するので接合することが難
しいことにあると考えられる。

一方、バルブのスピンドル部や往復動型ポンプのピスト
ンおよびシリンダーなどの慴動部、あるいはスラリー輸
送用パイプといった部材では耐摩耗性が必要であるため
、例えばステライト合金（商品名）などが、肉盛あるい
は溶射されて使用されている。さらに、高温で使用され
る圧力容器や鋼管には例えばＮ　ｉ−Ｃｒ合金やＮ　ｉ
−Ｃｒ−Ａ　Ｉ−Ｙ合金やＣｏ−Ｃｒ−Ａ　Ｉ−Ｙ合金
といった耐酸化性材料が、肉盛あるいは溶射によって被
覆される場合がある。しかし、これらはいずれも最終製
品に対して肉盛あるいは溶射されるため非常にコストの
高いものとなっている。加えて、小径パイプの内面とい
った狭い部分には被覆できないと言う難点を有している
。

また、特開昭６１−１９０００６号公報には金属円筒と
それに同心をなす円筒内に粉末を充填して熱間押出する
ことによって金属円筒が加工された層および粉末層が転
化した充実層とが積層されたクラッド金属管を得る方法
が、特開昭６１−１９０００７号公報および特開昭６１
−１９０００８号公報には、金属円筒とそれと径を異に
する円筒内に粉末を充填して等方静水圧で圧縮してビレ
ットを作り、これを熱間押出することによって金属円筒
が加工された層および粉末層が転化した充実層とが積層
されたクラッド金属管を得る方法が、それぞれ開示され
ている。しかし、これらの方法によっても超合金などを
被覆した複合材において被覆金属内に割れや空隙などの
欠陥のない良好な表面被覆金属を得ることは必ずしも容
易ではなかった。

これに対して本発明者らは、特開昭６４−２０２号公報
において、金属素材の表面に、他種金属の粉末を該他種
金属の固相線温度以下でガス圧を負荷する熱間静水圧プ
レス（ＨＩＰ）によって被覆層として形成せしめた後に
、熱間加工を施して延伸する方法、さらに被覆層として
形成せしめた後に溶体化処理を施して熱間加工を施して
延伸する方法、あるいは均熱処理を加えた後直ちに熱間
加工を施して延伸する方法などを提案している。

［発明が解決しようとするｉｌｆｆｌ 本発明は、耐食性、耐高温腐食性、耐酸化性、耐摩耗性
など表面被覆が目的とする特性を母材に具備せしめた材
料を、−段と安価にかつ容易に製造する方法を提供する
ものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明者等は上記の目的を達成するべく、その後も種々
実験と検討を重ねた結果、ついに他種金属の粉末をまず
金属素材（母材）の表面に冷間で成形かつ固着せしめて
から真空中で金属素材および他種金属の同相線温度以下
の高温に加熱し保持することによって他種金属被覆層を
形成する方法を見出すに至った。かかる方法で形成せし
めた他種金属被覆層は熱間加工に対して充分な熱間加工
性を持ち、被覆層（合わせ材）と金属素材（Ｂ）材）と
の間には充分な接合強度が付与されること、後続の熱間
加工において被覆層（合わせ材〉と金属素材（母材）と
を均一かつ同時は加工できること、得られた表面被覆金
属は被覆層（合わせ材〉と金属素材（母材）とのいずれ
も欠陥がなく肉厚などの寸法も均一であることがわかっ
た。従って、表面被覆金属を一段と安価に、迅速に、か
つ容易に製造することが可能である。

さらに本発明者らは真空中で加熱し保持する条件につい
て種々検討した結果、他種金属がニッケル基合金、鉄基
合金、コバルト基合金である場合には、１０５０℃〜１
２４０℃で１〜ｌＯｈ保持すれば良く、他種金属がチタ
ン基合金からなりかつ金属素材が鉄基合金からなる場合
には、６００℃〜９００℃で１〜ｔｏｈ保持すれば良い
ことがわかった。

本発明者らは金属素材の表面に他種金属の粉末を冷間で
固着せしめる方法を検討した結果、冷間プレスあるいは
冷間静水圧プレスが上記の目的に適していることも見出
した。一方、他種金属の粉末を冷間で固着せしめた後の
該他種金属粉末層の空孔率を３０％以下としておくと、
真空中で加熱し保持した後の他種金属層の熱間加工性が
一段と改善されること、また真空中において加熱し保持
するに際し、雰囲気の圧力をＩ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ
以下にしておくと、被覆層の熱間加工性が一段と良くな
ることを見出した。

本発明はＬ記の知見に基いてなされたものでその要旨と
するところは、金属素材の表面に他種金属の粉末を冷間
で固着せしめかつ粉末層として形成せしめた後に、真空
中において金属素材および他種金属の固相線温度以下の
高温に加熱し保持して被覆層として形成せしめた上で冷
却し、真空外へ取り出して熱間加工を施して延伸するこ
とを特徴とする表面被覆金属の製造方法にあり、さらに
上記方法において、他種金属粉末層の空孔率が３０％以
下にまで冷間で低減すること、冷間プレスもしくは冷間
静水圧プレスで他種金属の粉末を固着せしめかつ粉末層
として形成せしめること、雰囲気の圧力がＩ　Ｘ　１Ｏ
−３Ｔｏｒｒ以下の真空中で加熱し保持すること、他種
金属がニッケル基合金、鉄基合金、コバルト基合金であ
る場合には真空中で１０５０℃〜１２４０℃で１〜ｉｏ
ｈ保持し、他種金属がチタン基合金からなりかつ金属素
材が鉄基合金からなる場合には、真空中で６００℃〜９
００℃で１〜１０ｈ保持すること、を随時組み合わせ適
用した表面被覆金属の製造方法にもある。

ここで「母材」となる金属素材および「合わせ材」とな
る他種金属の種類については格別に制限されるものでは
なく、例えば金属素材としては炭素鋼、低合金鋼、ステ
ンレス鋼、ニッケル及びニッケル合金、コバルト及びコ
バルト合金、チタン及びチタン合金などが挙げられる。

一方、合わせ材としては耐食性、耐高温腐食性、耐酸化
性、耐摩耗性などの機能のうち、必要な機能に応じて選
択すればよく、例えばハステロイ、ステライト。

Ｎｉ−Ｃｒ合金、ステンレス鋼、Ｆｅ基超超合金ニッケ
ル及びニッケル合金、コバルト及びコバルト合金、チタ
ン及びチタン合金などを挙げることができる。

以下本発明の詳細な説明する。

［作用］ まず本発明においては金属素材の表面に他種金属の粉末
を冷間で固着せしめるのであるが、他種金属は粉末を用
いて、例えば第１図に示す要領で金属素材１と他種金属
粉末２とを容器３内に充填し、次いで冷間で容器の外部
から圧縮して他種金属粉末を凝集させるとともに予備成
形し、他種金属粉末層の金属素材の表面に固着せしめる
。このとき容器内は必ずしも真空である必要はなく、大
気ままでも良い。勿論真空としても良い。冷間で固着せ
しめる方法としては、例えば冷間プレスあるいは冷間静
水圧プレスなどを適用することができる。冷間での固着
を冷間静水圧プレスで行なう場合には、容器内は密閉す
る必要がある。なお、本発明において冷間とは金属素材
および他種金属の再結晶温度以下を指す。容器は必ずし
も剛性の高いものである必要はなく、他種金属粉末の充
填と冷間での固着に際し取扱いに支障のない程度に軟ら
かい材料であっても良い。

次に真空中において、金属素材および他種金属の固相線
温度以下の高温に加熱し保持するのであるが、この結果
として後の熱間加工によって他種金属を緻密化させなが
ら金属素材に接合させることが可能になる。加熱温度は
母材金属と合わせ材金属との種類によって異なるが、熱
間加工性を良好に保つためには両方の金属の固相線温度
以下でなければならない。それは、固相線温度を超えて
加熱すると一部あるいは全部が溶融し、冷却時に成分元
素の偏析を生じ熱間加工性が低下するためである。但し
、加熱温度は金属素材および他種金属の固相線温度以下
の範囲で高いほど効果的である。真空中での加熱・保持
が終了したら、取扱いに支障のない程度の温度まで冷却
した後に真空外へ取り出す。

他種金属がニッケル基合金、鉄基合金、コバルト基合金
のいずれかからなる場合には、真空中での加熱温度は１
０５０℃〜１２４０℃の範囲とし、加熱時間は１〜１０
ｈとすることが好ましい。加熱温度が１０５０℃未満で
は非常に長い時間の処理が必要となるためであり、加熱
温度が１２４０℃を超えると他種金属粉末層の熱間加工
性が低下するため、いずれも後続の熱間加工が困難にな
るためである。

方、加熱時間を上記の範囲とするのは、加熱時間が１ｈ
未満では上記の温度範囲でいかに加熱温度を高くしても
その効果が不充分であり、加熱時間をｔｏｈを超えてさ
らに長くしてもその効果は飽和しているからである。

他種金属がチタン基合金からなり金属素材が鉄基合金か
らなる場合には、真空中で６００　”Ｃ：〜９００℃の
範囲とし、加熱時間は１〜ｌＯｈとすることが好ましい
。加熱温度が６００℃未満では非常に長い時間の処理が
必要となるためであり、加熱温度が９００℃を超えると
チタンと鉄とが反応するために、いずれも後続の熱間加
工が困難になるためである。一方、加熱時間を上記の範
囲とするのは、加熱時間か１ｈ未満では上記の温度範囲
でいかに加熱温度を高くしてもその効果が不充分であり
、加熱時間をｔｏｈを超えてさらに長くしてもその効果
は飽和しているからである。

真空中で加熱し保持する際の真空が真空度の高い、即ち
雰囲気の圧力が低いほど好ましい。雰囲気の圧力がＩ　
Ｘ　１０’″３Ｔｏｒｒ以下であれば良好な熱間加工性
を有する被覆層を形成することができる。

一方、熱間加工後に良好な被覆金属を得るためには、加
熱前に冷間で固着された他種金属粉末層の相対密度が高
いほどよく、空孔率が３０％以下であれば真空中での加
熱によって他種金属粉末層を金属素材に接合させること
が可能であり、合わせて、良好な熱間加工性を有する被
覆層を形成することかできる。

次に本発明においては被覆層形成後熱間加工を行なうの
であるが、上記の条件で被覆層を形成した場合には複合
材であっても通常と同様にして熱間加工することができ
る。本発明における熱間加工の目的は被覆した金属素材
を延伸することによって長尺の表面被覆金属を製造した
り、或いは複雑な形状の表面被覆金属を製造することに
有り、製品の形状に応じて熱間圧延、熱間鍛造、熱間押
出などの熱間加工法を適用することができる。

尚、本発明において熱間加工とは母材である金属素材及
び合わせ材である被覆金属が成型等の目的で通常加工さ
れる温度範囲での加工を指すが、加工温度の選定に際し
ては母材及び被覆層の両方に対して適切な温度を選定す
る必要がある。

本発明においては金属素材の形状が板或いはバイブの場
合には被覆層を一つの面、例えば板の上面、バイブの内
面、バイブの外面としても良く、両市即ち板の七・Ｆ両
面、バイブの内・外画面とすることも可能である。製品
が使用される状況に応じて、−面あるいは両面のうち適
切なほうを選択すれば良い。

その地熱間加工を行なった後に、例えば母材の強度、靭
性等を調質する目的で行なう焼き入れ、焼き戻し、焼き
ならし等の熱処理、被覆層の耐食性を更に改善させる目
的で行なう溶体化熱処理や焼き鈍し等の熱処理、製品の
形状を調整するなどの目的で行なう冷間加工など必要に
応じてさらに他の加工を加えることもできる。いずれも
必要な強度、靭性、耐食性等に応じて選択することがで
きる。

本発明は腐食性物質に対する抵抗を必要とする製品、高
温酸化に対する抵抗を必要とする製品及び耐摩耗性を必
要とする製品などを製造するために応用することかでき
、例えば管、容器、板および棒など種々の形状に応用す
ることができる。あるいはさらに成形、溶接などを行な
って製品を製造するための素材として使用することも可
能であることはいうまでもない。

以下に本発明の実施例について説明する。

［実施例］ 実施例！ 第１表に示す材料及び製造条件で熱間加工に供する素材
を製造した。ここで、本発明例＆１〜２は中空ビレット
の内面に被覆層を形成した例、本発明例ｈ３〜４は中空
ビレットの内外面に被覆層を形成した例、本発明例＆５
〜６はスラブの上面に被覆層を形成した例、本発明例魚
７〜８はスラブの両面に被覆層を形成した例、本発明例
瓜９は丸棒の外面に被覆層を形成した例である。いずれ
も被覆層用の金属粉末を冷間で固着せしめた後に真空中
で高温に加熱し保持して被覆層として形成せしめた。各
々の形状を第２図、第３図、第４図、第５図及び第６図
にそれぞれ示す。第２図は中空ビレット４の内面に被覆
層５を形成した例である。第３図は中空ビレット４の内
面及び外面に被覆層５を形成した例である。第４図はス
ラブ６の上面に被覆層５を形成した例である。第５図は
スラブ６の上面および下面に被覆層５を形成した例であ
る。第６図は丸棒（中実ビレット）７の外面に被覆層５
を形成した例である。

一方、比較例Ｘ、ｔＯは合金粉末を冷間で中空ビレット
の内面に固着した後そのまま熱間加工した例であり、比
較例Ａｌｌは粉末層の性状及び真空焼結条件が不適切た
った例であり、また比較例＆、１２は他種金属として板
を用いて組み立てスラブを製造した後に熱間加工する従
来法である。熱間加工は次にこれらの材料を第２表に示
す条件で熱間加工して表面被覆金属を製造した。その結
果を第２表に合わせて示す。また良好に熱間加工できた
ものについては、各種試験を行なった結果も併せて第２
表に示した。第２表で曲げ試験はＪＩＳ　Ｇ　０６０１
およびＪＩＳ　Ｚ　３１２４に準じて行ない、超音波探
傷試験ＬＬＪＩＳ　Ｇ　０６０１およびＪＩＳ　Ｚ　３
１２４ニ準じて行なった。第２表中の曲げ試験結果でＯ
は割れ、剥離とも発生しなかったことを示す。

第２表のうち比較例である＆ｌＯ〜１１はいずれも被覆
層に微小割れを生じている。また、比較例のン１２は金
属素材（母材）と他種金属（合わせ材）とか均一に加工
されず、ましてや両者を接合することもできなかったも
のである。

これに対して本発明に従って製造した例ＮＣＬ１〜９の
各材料は曲げ試験特性に優れており、超音波探傷試験で
も非接合部などの欠陥は全く検出されなかった。また、
熱間加工後の断面のミクロ観察結果から、被覆層には気
孔は全くなく、かつ均一で良好な接合界面が得られてい
ることが確かめられた。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば優れた特性を有する表
面被覆金属を安価にして容易に製造することか可能であ
り、産業の発展に貢献するところ極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は金属素材の表面に他種金属の粉末を固着するた
めの冷間予備成形における充填要領を示１−断面図であ
る。第２図、第３図、第４図、第５図及び第６図はいず
れも本発明方法に従う加工素材の積層要領を示す断面図
である。 ｌ・・・金属素材、２・・・他種金属粉末、３・・・容
器、４・・・中空ビレット、５・・・被覆層、６・・・
スラブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属素材の表面に他種金属の粉末を冷間で固着せし
   めかつ粉末層として形成せしめた後に、真空中において
   金属素材および他種金属の固相線温度以下の高温に加熱
   し保持して被覆層として形成せしめた上で冷却し、真空
   外へ取り出して熱間加工を施して延伸することを特徴と
   する表面被覆金属の製造方法。 ２、他種金属がニッケル基合金からなり、真空中におい
   て加熱し保持するに際して１０５０℃〜１２４０℃で１
   〜１０ｈ保持する請求項１記載の表面被覆金属の製造方
   法。 ３、他種金属が鉄基合金からなり、真空中において加熱
   し保持するに際して１０５０℃〜１２４０℃で１〜１０
   ｈ保持する請求項１記載の表面被覆金属の製造方法。 ４、他種金属がコバルト基合金からなり、真空中におい
   て加熱し保持するに際して１０５０℃〜１２４０℃で１
   〜１０ｈ保持する請求項１記載の表面被覆金属の製造方
   法。 ５、他種金属がチタン基合金からなり、かつ金属素材が
   鉄基合金からなり、真空中において加熱し保持するに際
   して６００℃〜９００℃で１〜１０ｈ保持する請求項１
   記載の表面被覆金属の製造方法。 ６、金属素材の表面に他種金属の粉末を冷間で固着せし
   める手段が冷間プレスである請求項１〜５のいずれか１
   項記載の表面被覆金属の製造方法。 ７、金属素材の表面に他種金属の粉末を冷間で固着せし
   める手段が冷間静水圧プレスである請求項１〜５のいず
   れか１項記載の表面被覆金属の製造方法。 ８、金属素材の表面に他種金属の粉末を冷間で固着せし
   めた後の該他種金属粉末層の空孔率が３０％以下である
   請求項１〜７のいずれか１項記載の表面被覆金属の製造
   方法。 ９、真空中において加熱保持するに際し、雰囲気の圧力
   が１×１０＾−＾３Ｔｏｒｒ以下であることを特徴とす
   る請求項１〜８のいずれか１項記載の表面被覆金属の製
   造方法。