JPH0434627B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、内面が保護されたパイプ、チユーブ
ベアリング用スリーブなどとして最終的に使用さ
れる管状材の内面に金属保護層を形成するための
方法及び装置に関する。

技術的背景 一般的金属や鋼の管材の内面にクローム等の高
価な金属で層を形成する場合、管材全体をその高
価な金属で作つたよりも安く形成できることが望
まれる。腐蝕性又は摩耗性の流体等を通す管やベ
アリング、スリーブ若しくはカラー等の内面は、
耐腐蝕、耐摩耗性を有するクロームやその他の特
殊金属の保護層を設けることが望まれる場合が多
い。例えば、油井において使われるパイプストリ
ングは、その寿命を長くして油産出のコストを低
くするために、その内面が耐腐蝕性、耐摩耗性を
有することが望まれる。

鉛の層が形成された鋼等を除く通常の鋼は、メ
ツキ等によりクローム層が形成されて所要の強度
にされ、それが置かれる環況に適するようにされ
ることが知られている。

しかし、例えばクロームは高価であり、クロー
ムのメツキ処理はその排液処理等が困難で費用が
かかる。また、ベアリング材の支持面として作用
する管材の内面に十分な厚みの金属層を形成する
ことは技術的に難かしい。

棒状材の外面に金属層を形成する場合は、かな
りの範囲において、その化学メツキ処理に関する
望ましくない周囲への影響を回避することができ
る。一方、そのような棒状材に金属層を形成する
場合に従来から用いられてきた機械的方法による
金属層形成法は、アセチレン、プロパン等の燃焼
ガスを酸素を供給して燃焼するオープンフレーム
トーチを使用して、棒状材を加熱するとともに粉
末金属を少くとも部分的に溶ける温度にして棒状
材に溶着するのが普通である。このトーチを用い
た方法で管材の処理を行う場合は、トーチの火が
チユーブの壁を焼き切ることがしばしばあるので
経済的でないこともあり完全に満足の行くもので
はない。また、このトーチを用いた方法は、管材
の内面に金属層を形成するには適していない。そ
れはトーチを管材内部に入れるのが非常に困難だ
からである。

外表面に金属層を作る上記従来技術は、金属層
の厚さを正確に制御することができず、またその
結果として、厚さが不均一になるという欠点を有
している。更に、オープンフレームトーチを用い
粉末金属で金属層を作る場合、通常得られる最小
厚さは約0.008インチ（0.2mm）で最大厚さは約
0.015インチ（0.38mm）であり、両厚さとも必要
とされる金属層よりも大きいことがしばしばあ
り、従つてコストを高いものにする。更に、層を
作る材料として微細な粒子の粉末金属を用いる場
合には、トーチの温度が高すぎて当該粉末金属を
蒸発させてしまうことがしばしばある。また、厚
い金属層を形成する場合には、金属層の厚みを十
分に制御することができず、従つて、金属層の形
成される管材の内面を正確な円にすることが困難
であり、その金属層内面を正確な円にするために
は機械加工などの費用のかかる仕上げ処理をする
必要がある。

1982年５月３日に提出された米国特許第374282
号は、金属製部材の外表面に金属層を形成する改
良された方法が開示されている。この出願に係る
発明は、パイプ等の管材の内面に金属層を作る場
合のより困難な問題に向けられており、金属層の
最内層面を正確な円形にしようとしている。

本願発明に関する従来技術には、次の第１のグ
ループの米国特許がある。

第3158499号；第3359943号；第4122798号；第
4197336号；第4243699号；第4302482号及び再発
行特許第24852号。

調査によれば、次の第２のグループの米国特許
も関連先行技術として挙げられた。

第2198254号；第2241095号；第2289658号；第
3278331号；第4244985号；第4324818号；第
2803559号、第2887984号、第3108022号；第
3326177号；第3389010号；第3560239号；第
3599603号；第3922384号；第4082869号；第
4315883号；第2822291号；第2845336号；第
3063860号；第3207618号；第3218184号；第
3394450号；第3405000号；第3532531号；第
3654895号；第3814616号；第3974306号；第
3982050号及び第4169906号。

第１のグループの特許に係る発明は、管状材の
内面に保護層を形成することに関するものであ
る。第２のグループは、安価な金属製部材の表面
にクローム等の高価な金属の粉末材で保護層を形
成しようとする点で、本発明に関連のあるもので
ある。

発明の摘要 本発明は上述した従来技術に鑑み、管状材の内
面に粉末金属により保護層を形成するのに、管状
材の焼き切りや粉末金属の蒸発による材料のロス
がなく、しかも作られた金属層の厚みが均一で且
つ正確な円形性のあるものとすることができる方
法及び装置を提供することを目的としている。

すなわち、本発明の基本的考えを示せば次の通
りである。金属層を形成する管状材をその軸線方
向で送給し、送給される管状材の内部に粉末金属
を供給し、また、管状材の一部を加熱して該管状
材内部に供給された粉末金属を少くとも半溶融状
態にし、また、同管状材をその中心軸線を中心に
して回転し少くとも半溶融状態にされた金属が管
状材の内面に沿つて環状となるようにし、その状
態で更に管状材を加熱して金属を更に溶融して管
状材の内面に溶着させ、それを冷却するのであ
る。

従つて、本発明においては管状材の回転の際に
かけられる溶融金属への遠心力等により、作られ
る金属層は均一性が高く、正確な円形とされ、ま
た管状材との結合も強固なものとなる。

実施例 以下、本発明を添付図面に示した実施例に基づ
き説明する。

第１図には、パイプ１０の内面に金属層を形成
するための本発明に係る装置が断面図で示されて
いる。

パイプ１０は、周知のパイプ回転装置１２によ
つて支持されて回転される。パイプ回転装置１２
は一組だけ第１図の左側に示してあるが、同様の
装置を第１図の右側に設けることができることは
判るであろう。

回転装置１２は、パイプ１０の両側に配置され
た一対のパイプ係合駆動ローラ１４を有してい
る。これらローラは、パイプ１０と摩擦係合して
おり、部分的にパイプ１０の中間の高さより低く
されており、パイプの支持装置としても作用して
いる。ローラ１４は電気モータのような慣用の駆
動装置によつて駆動される。矢印１８で示される
駆動ローラの回転方向はパイプ１０の回転を生
じ、同時に矢印２０で示したパイプの軸線方向で
の動きも生じる。

パイプ１０の内部に金属層を形成するため、該
パイプは初めに第１図に破線だけで示す細長い内
部スピンドルまたはマンドレル２２に入子式に挿
入される。マンドレルはパイプの長さに従つてそ
の軸線方向長さを所望の長さにすることができる
が、最大径はパイプの孔の径よりも小さくして、
パイプがマンドレルの上に自由に入子式に設定で
きるようにする。

マンドレル２２は、細長いパイプ２４の形態で
示されており、第１図の金属層形成ステーシヨン
の左端に最も近い端部に中央を貫通する孔２８を
有する環状端壁２６を有している。

パイプ１０の右端も（図示しない）右側支持体
すなわちマンドレルと入子式の関係にすることが
でき、その端部壁２６′のみを示している。この
端部壁はパイプ１０の内面及びその上に作られた
金属層（第２図及び第４図参照）内を通れるよう
な径とされている。端部壁２６′にはその外周に
沿つて可撓性のフランジ又はスカートを設け、高
圧ガスがそこを通つて下流に流れるようにする。
また、端部壁２６′には孔２８′を設けて高圧ガス
がそこを通つて下流に逃げられるようにすること
もできる。

第１図に示すように、パイプ１０の孔内には、
片持ばり式の供給支持管３０が挿入されており、
該管を通して粉末金属が供給される。すなわち、
該金属は加圧された非酸素ガス流に含められ、第
１誘導加熱手段３４及び第２誘導加熱手段３６間
においてノズル３２からスプレー又はシヤワー状
Ｓにして供給される。

粉末金属の供給は加熱手段３４，３６の間で行
われるように示されているが、第１の加熱手段３
４に近い方が良い場合もあり、また、第１の加熱
手段の下流よりもむしろ上流にする方が良い場合
もある。

第１の加熱手段３４はらせんコイル状にされて
おり、それが巻かれた部分を第１の所定の温度に
加熱する。第１加熱手段からの熱は、ノズルから
供給された粉末金属を溶融する。

粉末金属が加熱手段３４により加熱された後
で、パイプ１０を回転しない状態で内部観察した
結果、溶融したまたは少くとも半溶融した金属が
パイプ１０の下方部分に溜つていた。

ノズル３２から供給される粉末金属も加熱手段
３４によつて加えられる熱に近い温度に予約する
のが好ましく、それは粉末金属を運ぶ非酸素ガス
を加熱して行うのが良い。非酸素ガスとしてはチ
ツ素ガスが好ましいが、ネオン、アルゴンなどの
希ガスを使用することもできる。このガスは主に
（図示しない供給源から）粉末金属をパイプ３０
及びノズル３２を通して金属層を形成する所に運
ぶことを主な作用としている。パイプ３０の端部
には、（図示しない）別個のチユーブにより粉末
金属が供給されるかまたはチユーブ２４の内部に
連通されて該チユーブを通して粉末金属が供給さ
れる。後者の場合、端壁２６内の中央孔２８は非
酸素ガスに含まれた粉末金属をパイプ１０内に供
給する追加の手段として作用する。

ノズル３２そして若しくは端壁２６の孔２８を
通してパイプ１０内に供給された粉末金属は、第
１加熱手段３４によつて少くとも半溶融状態にさ
れ、パイプ１０内の底部に溶融金属の溜りを作
る。

パイプ１０は比較的高速で回転される。従つて
少くとも半溶融状態の金属は周知の２つの力を受
ける。回転しているパイプ１０の内壁面はそれに
隣接した金属に接線方向での力を生じ、従つて層
状の流れが生じ、らせん若しくは同心状の層を作
る。同時に遠心力が加わる。溶融されている金属
中に重い粒子があれば、遠心力により軽い粒子よ
り半径方向外方に押圧される。従つて、金属中に
不純物が入つている場合には、該不純物も環状層
の半径方向内方に寄せられる。また上記の力によ
り、金属層の最内面はパイプの回転軸線のまわり
で最も正確に心出しされた円形性を有するように
なる。

上記の事が生じている時と同時に、パイプ及び
その中の溶融金属は右方へ動かされて第２の加熱
手段３６によつて発せられる第２のより高い熱を
受ける。第２の温度は第１の温度よりかなり高
く、金属は溶融され、その金属は高温の下で環状
にされて、その最外層はパイプ１０の内壁面に溶
着し他の層はその隣接する層に溶着するようにな
る。その後、パイプ１０が加熱手段３６の領域を
離れて第１図で見て右の方へ動かされるにつれて
金属層は冷却されて冷却され硬化する。硬化した
環状の金属層の最内面はパイプ１０の回転軸線の
まわりでかなり正確に心出しされたものとなる。

第２図乃至第４図は、第１図に示す装置によつ
て金属層が形成されたパイプを短かく切断して作
つたリング１０′を示している。このリングで、
４２は元のパイプ１０の外表面、４２は内表面、
Ｍは環状にされた金属層、４２′は該金属層の上
記内表面に溶着された外周面、４４は内周面を示
している。

内周面４４は、その上に生じた凹凸やそれに含
まれる不純物を除くために軽く研摩される。第２
図乃至第４図に示すリングは、ベアリングのスリ
ーブとして使うことができる。また、同リングを
直径方向で切断すれば２個の半円形部材が得ら
れ、回転シヤフトのジヤーナルやベアリングピロ
ー等に使うことができる。

第１図には、先端にノズルを備えたチユーブ３
０を使用したものを示したが、実際に行つた実験
では、パイプに対応する長さの通常の口径を有す
る1/8インチ（3.2mm）径の鋼管をパイプ１０内に
通し、その先端の開放端部を下向に曲げてノズル
として使つた。チツ素ガスは80p.s.i.（5.6Kg／cm²）
としそれ自体は加熱しなかつた。粉末金属のサイ
ズは種々のものとすることができ、実験では米国
ミシガン州デトロイトのColmonoy Corp.から販
売されている商標名“Colmonoy”のNo.63（融点
1025℃、ロツクエル硬さ58−63Cスチール、比重
7.8）を使つた。この粉末金属の平均粒子寸法は
250−325ミクロンであつた。

パイプ１０は外径41.4mm、内径31.8mm、厚さ4.8
mmのものを使用した。形成された金属層の平均厚
さは3.2mmであつた。パイプ１０は1750rpmで回
転し、且つ約99cm毎秒で軸方向に送つた。金属層
の内径は25.4mmよりわずかに小さかつた。

加圧した非酸素ガスはノズル３２の小さな開口
からパイプ１０内の径の大きい孔に通されるので
ガスは拡張し、それによりノズル３２及びチユー
ブ３２の一定長さ部分を冷却する。この冷却はパ
イプの加熱には悪影響を与えず、しかもチユーブ
３０を適正な温度に保つ。

粉末金属は溶剤に溶けた状態で製造者から送ら
れてくる。該金属が熱で溶融されて遠心力がかけ
られると、純粋な金属はパイプ１０の内側面に向
けて押圧され、溶剤等の不純物は形成される金属
層の内周面４４に折出される。

第２図乃至第４図に示された完成品のリングの
金属層は非常に密度が高く硬いものであることが
判つた。リングを作るのにパイプ１０を切断する
に際し、4140鋼の外側のパイプは金属用ノコギリ
で簡単に切れたが内側の金属層で同ノコギリは停
止してしまつた。金属層は56−58ロツクウエル硬
さを示していた。

金属層の内径を当該パイプの中心から測定した
結果、全ての点が0.0254mmの差の径の範囲内にあ
つた。一方、金属層を形成する前のパイプの内径
は0.127mmの差の範囲内にあるものであつた。

別のベース金属の径の異るパイプについて第１
図に示した装置を用いた金属層の形成が行われ
た。元のパイプは、Lone Star Steel Company
で作られた外径約40mm、内径約25.4mmのＣ−1020
級のものとし、Colmonoy社のニツケルベース合
金の粉末金属を用いて行つた。元のパイプの硬度
は内面で74RB、外面で66RBであつた。形成さ
れた金属層の硬度は内面で56RCであつた。金属
層と元のパイプとの結合は滑らかで極めて強固な
ものであつた。金属層の形成されたパイプをエア
ハンマで破壊したが、両者は分離せず、ただ半径
方向での割れが生じた。

他の試験において、金属層Ｍを元のチユーブか
ら剪断力により分離することが行われたが、元の
パイプの破壊は生じても該パイプの金属層との間
の境界面における分離は生ぜず、金属層が該境界
面に孔や間隙なしに元のパイプに結合されている
ことが示された。

上記の金属層形成を行うのに、加熱手段３４と
して内径約50mmの４巻のコイルを使い、それが巻
かれたパイプをその内部まで約470℃（900〓）に
加熱した。また、第２加熱手段３６として内径約
45mmで６巻の誘導加熱コイルを用いてそれが巻か
れた部分をクロームの溶融温度の約980℃以上に
加熱した。加熱手段３４，３６によつて消費され
た電力は、10KHzの周波数で約100KWであつた。
誘導加熱手段によつて生じる熱はコイルの巻数及
びそのパイプへの近さの関数となる。

下流側端部壁２６′の外径は、形成される金属
層が通れるようなものとされる。該壁２６′は第
１図の左側に示すパイプ２４と同様の（図示しな
い）支持材で支持される。

他の実施例としては、２つの端部壁２６，２
６′をそれらの間に伸びる（図示しない）細長い
支持棒の端部のアンカ部材又は支持材とし、粉末
金属を加熱手段３６′の上流すなわち第１図でノ
ズル３２で示すような位置に供給するチユーブを
この支持棒で支持することができる。このように
すると、ノズル３２を所望の位置に設定すること
ができる。

第５図に示す実施例においては、粉末金属を第
１及び第２加熱手段３４′，３６′間の所望の位置
に供給するため、オーガチユーブ５０及びそれと
同心状のオーガを使用している。

オーガチユーブはその左端で（図示しない）適
当な手段により支持されており、また右端は回転
支持部材Ｔ及び端部シールドプレート４６によつ
て支持され、パイプ１０の中心に配置され、オー
ガ５２に対して相対的に回転できるようにされて
いる。オーガ５２は周知のようにオーガチユーブ
５０の中心に設けられ、所望の速さで回転されて
所望量の粉末金属５４を第１及び第２加熱手段３
４′，３６′間に制御された割合で供給する。

第１図及び第２図に示した装置においては金属
層形成作用を行うエレメントを囲い、加熱手段に
より発せられた熱を保存し、且つ、加熱されるパ
イプを外部から保護する手段が設けられている。

処理チヤンバ６０はこの為のものであり、端部
壁６２，６４と軸線方向に伸びる筒状の壁６６と
を有している。端部壁６２，６４には相互に整合
された孔６３，６５を有しており、駆動ローラ１
４によつて軸線方向で動かれるパイプはこれら孔
を通される。操作においては、パイプ１０の先端
が軸線方向に動かされながら第１の孔６３を通さ
れ、駆動ローラによつて所望の速度で回転されな
がら軸線方向で動かされ、第２の孔６５を通して
処理チヤンバ６０から外方へ出される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る金属層を形成する装置
の作動状態を示している一部断面側面図；第２図
は、第１図の装置により金属層の形成された管状
材を短く切断した部分の端面図；第３図は、第２
図の切断部分の側面図；第４図は、同切断部分の
断面図；第５図は、他の実施例に係る装置の一部
断面側面図；である。 １２……管状材を軸線方向に動かす手段、管状
材を回転する手段；３０，３２……粉末金属を供
給する手段；３４……第１の加熱手段；３６……
第２の加熱手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 管状材の内面に金属層を形成する方法におい
   て、 管状材をその軸線方向に送給すること； 送給される管状材の内部に、金属層を形成する
   ための粉末金属を非酸素ガスに包んだ状態で供給
   すること； 管状材の送給路に沿つた第１の位置で、上記送
   給される管状材を加熱して該管状材内部に供給さ
   れた上記粉末金属を少なくとも半溶融状態にする
   こと； 管状材をその軸線を中心にして回転して、上記
   半溶融状態にされた金属が遠心力により管状材の
   内面に沿つて環状となり、その内面が上記軸線と
   共軸状になるようにすること； 上記送給方向を基準として上記第１の加熱手段
   より下流側に第２の位置で、管状材内部にで環状
   にされた金属を第１の位置におけるよりも高い温
   度で加熱して該環状の金属の外側面を当該管状材
   の内面に溶着させること； からなる管状材の内面に金属層を形成する方法。 ２ 上記予熱及びその後の加熱を、誘電加熱によ
   り行うようにした特許請求範囲第１項に記載の方
   法。 ３ 管状材の内面に金属層を形成する装置におい
   て、 処理チヤンバと； 管状材をその軸線を中心に回転しながら同軸線
   方向に送給する手段と； を有しており、 上記処理チヤンバが、上記送給される管状材を
   受け入れる入口開口と、同管状材を送り出す出口
   開口とを有しており、入口開口と出口開口との間
   の間隔が上記管状材の長さより小さくされてお
   り、当該装置が、更に、 処理チヤンバ内に設定され、管状材の上記入口
   開口を通過した部分を予熱して同部分の内部を第
   １の温度にあげる第１の加熱手段と、 第１の加熱手段によつて予熱された管状材内部
   に加圧非酸化ガスに包んだ状態で粉末金属を供給
   して該金属が半溶融状態となるようにするための
   粉末金属供給手段と、 処理チヤンバ内で、第１の加熱手段よりも上記
   出口開口近くに設定され、管状材を加熱して上記
   半溶融状態にされ上記回転による遠心力によつて
   当該管状材の内面に沿つて環状とされている上記
   金属を上記予熱の温度よりも高い温度に加熱し
   て、該環状の金属の外側面が管状材の内面に溶着
   させる第２加熱手段と、 からなる管状材の内面に金属層を形成する装置。 ４ 上記第１及び第２加熱手段が、誘電加熱装置
   とされている特許請求の範囲第３項に記載の装
   置。