JPS59107728A - 複合材料の製造方法 - 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】 本発明は、複合材料の製造方法に関し、特に、筒状や軸
状あるいは線状等をなす複合（クラッド）材料を一体性
よく且つ容易に製造し得る方法に関するものである。

一般に、かかるクラツド材は、材質等の異なる２種（場
合によってはそれ以上）の素材を接合。

一体化して得られるものであシ、互いの物性の相互補完
や、面側な材料の節約等を図シ得る点て艷常に有用な材
料である。

ところで、王妃のような筒状や軸状等をなすクラッド４
１は外側素材と内側素材とを接合して製造するのである
が、その製造方法として、従来よシ焼ぎ嵌め、圧入、バ
ルジ法、爆発成形法あるいは放電爆発成形法など、様々
の手法が知られている。

しかしながら、焼き嵌めによる接合では、焼き嵌め温度
以上の高温環境下において使用される場合に、内側およ
び外側の画素材の膨張率の差などにより、画素材が分離
して接合面に隙間が生じ、一体性が失なわれる場合があ
シ、また圧入による接合においても、高温下の使用で同
様な問題を内在している。他方、バルジ法や爆発成形法
等のように、筒状をなす内側素椙を膨出・拡径させて外
側部材に圧着せしめる手法では、内側素材が延性の乏し
いもろい材質のものであると、拡径の際、割れやクラッ
クを生じ易いだめに実質的にクラツド化が困難となシ、
従って材料的に制約を受けることを避は得す、また細い
クラッドパイプの製造についても、流体圧等を作用させ
難いところから、困難性がつきまとい、その点について
も制約があることを否めなかった。

本発明は、このような事情を背景として、上述のような
筒状ないし軸状等のクラッド材料を一体性良く、かつ材
質等の制約を受けることなく容易に製造し得る方法を提
供することを目的として為されたものであシ、その要旨
とするところは、引張されるべき所定の金属筒状素材内
に、その軸方向に延びる、複合されるべき所定の内側部
材を配置せしめる一方、その金属筒状素材を加熱せしめ
て軸方向に引張することにより、縮径さ−れたその金属
筒状素材によって上記内側部材を締め付け、一体化せし
めるようにしたことにある。

このようにすれば、金属筒状素材を加熱後、引張・縮径
した段階で、内側部材が締付けられて両者の良好な密着
状態が得られ、しかも金属筒状素材の温度降下による縮
径をも伴なって内側部材にさらに締付力が作用するため
、圧縮応力が大きく一体性が非常に高いクラッド材料が
得られる。従って、製品として高温下で使用される場合
でも、金属製の筒状素材の引張時の加熱温度の範囲内で
あれば、両材料の熱膨張の差などによる熱応力が吸収さ
れ得、接合面に分離が生じるおそれなく、クラッド構造
の一体性が安定に保たれ得る。

また、外側の金属筒状素材を引張・縮径させるところか
ら、内側部材が管体の場合に、バルジ法等のように拡径
による割れやクラックの生じる心配がなく、かつ、内側
部材には実質的に圧縮応力が生じるのみであるから、た
とえ内側部材が伸びに対してもろいものであっても、そ
の材質等にほとんど制約されることなく有効に金属筒状
素材と内側部材とを一体化することかでき、さらに、内
側部材の中空、中実の形態の如何に拘らず、また細いク
ラッドパイプであっても、本発明に従えば容易に製造す
ることができるのである。

ところで、このような本発明において使用される金属製
の筒状素材としては、例えば第１図乃至第４図の（ａ）
にそれぞれＷ＋で示されるように、通常円筒状の形態を
為すものが好適であって、製造されるべきクラツド材の
用途・目的に応じて、鋼をはじめとする鉄系金属あるい
は非鉄金属若しくは合金類等の中から、適宜の材質のも
のが選択される。なお、例えばテーパ状筒部材等、筒径
が一様でない形態のものも用いることかでｌる。

そして、かかる金属製の筒状素材内には、本発明に従っ
て、複合（クラッド）されるべき所定の内側部利を、該
金属製筒状素材の軸方向に延びるように配置せしめるこ
とになる。内側部材は、その筒状素材の内部空間断面に
ほぼ対応する横断面形状を有し、外径寸法が上記筒状素
材の内径寸法よシ一定量小さい部材であって、目的とす
るクラツド材に応じて種々の形態を採シ得る。例えば、
第１図乃至第４図の（ａ）にそれぞれＷ２　で示される
内側部材のように、中実材たるロッド、中空材たる単純
なパイプ、あるいは蛇腹状等の軸方向に凹凸状の断面形
状を有するパイプなどを代表例として挙げることができ
る。内側部材の材質は、材料的に要求される物性を備見
た材質等が目的に応じて種々選ばれることとなるため、
−概には言えないが、一般的には金属が採用される。た
だし７場合によっては、例えば、セラミックス等の非金
属からなる内側部材であっても差支えない。

一方、内側部材を金属製の筒状素材内に配置せしめる前
、あるいは配置せしめた後に、その筒状素材を所定の温
度に加熱する。この加熱を内側部材の配置の前・後いず
れの時期に行うかは、工程上の都合（例えば加熱手法）
などによシ選択されまだ加熱すべき温度は、金属製筒状
素材の材質や後に予定される引張工程での縮径率、引張
力等との関係で、適切々範囲に定められる。そして、筒
状素材に対する加熱態様としては、通常は、その素材全
体が均一な温度になるように加熱される。

ただし場合によっては、その素材の軸方向において温度
の低い部分を奔するように加熱する態様も採り得、例え
ば第５図のグラフに近似直線で概念的に示すように、筒
状素材の軸方向において温度の高い部分と低い部分とが
交互に生じるような温度分布を形成すれば、後の引張段
階で高温部分において主に伸び・縮径が生じるように々
す、例えば第３図（ｂ）にＷ＋’で示される如き形態が
得られる。

上記のような温度分布を得るためには、筒状素材の全体
を一様に加熱した後、部分的に冷却してもよいし、最初
から加熱部位を選定して部分的に加熱するようにしても
よい。

そして、金属製筒状素材の加熱手法としては、直接通電
加熱法、高周波誘導加熱法、ガス加熱法の他、赤外線加
熱法、電気炉等を使用する傍熱加熱法などの公知のあら
ゆる加熱手法が採用され得それらの中から適当々加熱手
段が適宜に選択されることとなる。均一な加熱には、例
えば直接通電法が便利である。ただし、筒状素材内へ内
側部材を配置した後に加熱を実施する場合に、内側部材
が部分的に筒状素材に接触して温度ムラが生じるおそれ
のある場合には、高周波誘導加熱法などの採用がよシ好
ましい。

なお、外側の金属製筒状素材のみならず、内側部材につ
いても加熱することが可能であるが、双方を加熱する場
合、内側部材の配置後に同時に行なうと両者の近接面に
酸化膜が生じ易い状況の場合には、別々に加熱しておい
て組み込むか、あるいは内側部材は加熱しないで筒状素
材のみを加熱するに留めることが望ましい。

そして、筒状素材が加熱され且つ内側部材が筒状素Ｆ’
！内に配置された状態、つまり、筒状素材の加州）が内
側部材の配置前であればその配置が完了した後、配置後
であれば加熱が完了した後の状態で、外側の筒状素材を
軸方向に引張する。この引張によって、加熱された状態
の外側筒状素材が引き伸ばされて縮径し、内側部材との
隙間が消滅して内側部材を締め付ける状態と々る。かか
る引張手法としては、チャック等適宜の把持手段によシ
筒状素材の両端を把持して引張するか、あるーは一端を
固定して他端を引張するなど、適切な手法を採シ得る。

また、引張速度や引張力、引張パターン等の引張条件に
ついては、筒状素材の材質や縮径率などとの関係で適宜
に定められるが、伸びに対する筒状素材の抵抗が比較的
強い場合とか、予定された縮径量がある程度大きい場合
等には、一段の引張に限らず、二段あるいはそれ以上の
多段階の引張を実施することも可能である。また、引張
速度を一様とする以外に、その速度を一定の率で増加あ
るいは減少させる等して変化させることもでき、例えば
筒状素材の内側周囲と内側部材の外側周囲とが最初に接
するまでは大きな速度で引張し、接した後は相対的に速
度を低くして引張する等、具体的場合に応じて好ましい
引張方式が採用され得る。

いずれにしても、外側の筒状素材の引張、縮径によって
、その素材が内側部材を締め付けだ状態で両者が一体化
されるのであわ、例えば第１図の場合には、（ａ）の状
態から山）の状態となって、引張後の筒状素材Ｗ、／の
内周面全体が、ロッド状内側部材Ｗ２の外周面全体に隙
間なく圧着させられ、また第２図の場合にも、同様に筒
状素材Ｗ　１’がパイプ状内側部材Ｗ２に内周面全体に
わたって圧着させられる。第３図における図例の場合に
は、引張前に、筒状素材Ｗ１　の軸方向に温度の高低を
連続的に付与したパターンで、素材Ｗ＋を加熱しておく
ことにより、（１〕）に示されるように、引張によって
高温度の部分が主に引き伸ばされて縮径し、引張後の素
材Ｗ＋’が波形状断面を有する筒（コルゲートパイプ）
形態となり、主に縮径された部分（谷の部分）の各々に
おいて、パイプ状内側部材Ｗ２を締め付け、圧着する状
態となる。さらに第４図の場合には、引張、縮径された
筒状素材Ｗ＋’が、蛇腹筒とコルゲートパイプ）状の内
側部材Ｗ２の大径山部／′にそれぞれ圧着し、その部位
においてとして挙げた形態から明らかなように、筒状素
材の引張完了時には、素材の内側面の全体あるいは部分
の相違はあっても、その締付けによって効果的に内側部
材と筒状素材とが圧着せしめられる。

しかも、引張後には、筒状素材の温度降下によって、筒
状素材がさらに収縮、縮径する方向に圧縮応力が生じる
ため、内側部材に対する筒状素材の締付力が一層大きく
なり、従って、引張時さらにの（１３）に示されるよう
な中実や中空のものが得られるのである。なお、内側部
材が比較的薄肉の円筒状パイプの賜金、その真円度に多
少の誤差が存在していても、外側からの筒状素材による
締付けによってそれが矯正され、円筒状内側部材の真円
度が高められるという副次的な効果も生じることが確認
されている。

以上のようにして得られたクラッド材料は、はとんどそ
の捷まの形態で、あるいは２次加工等を経た後、種々広
範囲の用途に使用されることとなるが、内・外画材料の
一体性に優れるため構造上の信頼性が高く、特に、高温
下の使用においても筒状素材の引張時の加熱温度内では
筒状素材の締付作用が維持され得、メｔ；ｉ’ｉｓ、ａ
−ｉ一体性が良好に保たれる。ここで、数ある用途の中
のいくつかの具体例を紹介する。

例えば第１図（ｂ）に示すようなりラッド形態のものに
おいて、外側の筒状素材Ｗ１′（以下、外側部材Ｗ＋’
とも称する）、を銅（Ｃｕ　）ないしアルミニウム（Ａ
ｐ、　）等の導電性のよい材料とし、内側部材Ｗ２を鋼
々どの比較的強度の高い材料とすれば、導電材として好
適であシ、また芯材として上記鋼などに代えて、ニッケ
ルーチタン（Ｎｉ　　−Ｔｉ　）　合金あるいはニオブ
（Ｎｂ）などの熱に対して伸び難い；Ｆ７１料、つまり
線膨張率が極めて低いものを採用することによシ、架空
送電線として好適に使用し得る。すなわち、大電流を流
しても熱によるタルシミが効果的に抑制されるから、市
街地等において既存の鉄塔をそのまま使用しながら、送
電能力の増大を図シ得るのである。また、第１図（ｂ）
のような形態のものは、溶接ワイヤ等にも有効に使用し
得例えば複合組成（成分）を含む単一構造のワイヤとし
たのでは、溶融などによっても馴染み性が悪くて製造し
難い場合等において、複合成分をそれぞれ単一成分に分
けて、各々内側部材Ｗ２．外側部利’Ｗ＋’としてクラ
ッドするのである。１だ、第２図−（ｂ）のような形態
のものは、例えば構造用等のに適し、例えば内側部材Ｗ
２をＳＵＳパイプ等の耐食性のあるものとする一方、外
側部材Ｗ＋’を軟鋼等とすれば、流体輸送パイプに好適
に用いることができる。さらに第３図（ｂ）に示すよう
な形態であれば、外側部材Ｗ　１’の表面積が大ぎいか
ら、材質を選ぶことに、よって熱交換用チューブなどに
効果的に使用し得る。また第４図（ｂ）のような形態の
ものについては、内側部材Ｗ２の表面積が大きいところ
から、その特長を生かした用途に供され得る。

本発明によれば、このよう々有益なりラッド材料を上述
のようにして容易に且つ一体性良く製造できるのであり
、その意義は非常に大きいと言える。

なお、上述の説明においては省略したが、筒状素材の引
張工程を経て得られたクラッド材料を次に内側部材とし
て使用し、さらにその外側に、上ヒ 拒渦様に金属製筒状体を圧着せしめることも可能であり
、順次そのような工程を繰シ返せば、三重管などの多層
構造のクラッド材料を得ることができる。

捷た、筒状素材内に内側部材を配置せしめる際に、両者
の間に、接合強度を一層高め得る機能等を有する第三の
金属薄膜々とを介在せしめ、それを介して内側および外
側の各材料を一体化す、ることも可能であシ、要するに
広い意味では、筒状素材内に挿入・配置されるもの全体
が内側部材として把握されるのである。

さらに、金属製筒状素材としては、必ずしも円形断面の
ものだけに限られるわけではなく、例えば隋円状断面の
筒体や、角形状断面の筒体等を用いることも可能であシ
、その場合には内側部材もほぼその断面形状に対応する
ものが用いられることになる。

最後に、種々試みられた本発明の実施例の中から代表的
なものを以下に示し、本発明をさらに具体的に明らかに
するが、本発明がこれら実施例の記載′、てよって何等
の制約をも受けるものではないことは言うまでもない。

実施例　１ 外径１３．８ｍｍ、肉厚２．０Ｈの５ＵＳ３１６製パイ
プを長さ２０００ｆｆ７１１に切断し、それを筒状素材
Ｗ】として用い、その両端部をそれぞれ５０ｔｔｔｙｒ
ｔの範囲長さで通電チャックによシ把持し、直接通電加
熱法により室温から８００℃まで２０秒間で加熱した。

ついで、外径９．Ｑｍｙｎ、肉厚０．５　ｍｍ、長さ２
００（Ｃ＋＋〃のブ ニオｊ（Ｎｂ）製パイグを内側部材Ｗ２　　として、こ
のパイプを上記加熱パイプに装入した。そしてパイプを
２００１１［／Ｓｅｃの引張速度で軸方向に２５０問伸
長せしめることによシ、引張操作を施した。

その結果、第６図に示されるような断面のクラッドパイ
プが得られ、最終的な断面寸法ｄ１　　乃至ｄ３　　は
、ｄ１＝　１２．５ｍ＊、　（１２＝　８．８ｍｍ％ｄ
ａ　＝７８朋であった。また、両パイプＷ１′およびＷ
２の接合部には顕微鏡で見ても隙間が存在せず、物理的
に良好に接合していることが認められた。

実施例　２ 外径：ｄ４．Ｏｍｔｎ、肉厚４．０＊７１．長さ４５０
Ｑｉ＊の熱間仕上継目無炭素鋼鋼管を、筒状素材Ｗ１　
として採用し、その両端部の各々９ＱＩｒＭを通電チャ
ックにて把持し、直接通電加熱法によシ室温から７６０
℃まで８０秒間で昇温せしめた。他方、外径２３０騎、
肉厚２．４　ｙｔｎｎ　、長さ−４５００ｍｙｎの継目
無ニッケル・クロム・鉄合金（ＮＣＦＩ　ＴＢ）Ｗを内
側部材Ｗ２として用い。それを１記加熱された鋼管内に
装入した。そして、通電チャックを引張チャックに置換
え、把持し直した後、　１００ＦＩｉ／ｓｅｅの引張速
度で外側の炭素鋼鋼管を軸方向如７５０喘伸長せしめた
。

その結果、第７図に示されるような断面のクラッドパイ
プが得られ、最終的な断面寸法ｄｉ　乃至ｄ８　は、そ
れぞれｄ＋　＝　２９．４ｆｆｉ、　ｄ２　＝　２２．
４騎、ｄ３　＝１７．８門であった。また接合部の状態
は前記実施例１とほぼ同様に良好であった。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は、本発明方法のいくつかの具体例を
それぞれ説明する工程図であシ、第５図は、金属製筒状
素材に対する加熱パターンの一例を示すグラフである。 第６図および第７図は、本発明の各実施例で得られたそ
れぞれのクラッドパイプを示す断面図である。 Ｗ】：金属製筒状素材（引張前） Ｗ１′二　　同　　上　　（引張後） Ｗ２　：内側部材 出願人　　大同特殊鋼株式会社 第５図 第６図 第７図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）引張されるべき所定の金属筒状素材内に、その軸
   方向に延びる、複合されるべき所定の内側部材を配置せ
   しめる一方、該金属筒状素材を加熱せしめて軸方向に引
   張することにより、縮径された該金属筒状素材によって
   前記内側部材を締め付け、一体化せしめるようにしたこ
   とを特徴とする複合材料の製造方法。
2. （２）前記金属筒状素材の加熱が、前記内側部材の配置
   前若しくは配置後に実施される特許請求の範囲第１項記
   載の製造方法。
3. （３）前記内側部材が、ロッド若しくはパイプである特
   許請求の範囲第１項まだは第２項記載の製造方法。
4. （４）前記引張せしめられる金属筒状素材が、その軸方
   向において、温度の低い部分を部分的に有する特許請求
   の範囲第１項記載の製造方法。