JPS5927747B2 - 金属−セラミツク複合構造管の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、低圧状態での遠心力の作用下におけるテルミ
ット反応を利用して、中空体状金属一セラミック複合構
造管を製造する方法に関するものである。

各種流体の輸送管、配管や化学反応用管体などの耐食性
、耐摩耗性、耐熱性を向上させるために、その内狽携セ
ラミック層を設けることは知られている。

これまでこのような金属中空体の内側にセラミック層を
設ける方法としては、表面処理法、金属中空体にあらか
じめ作製したセラミック中空体を嵌合し、両中空体間の
間隙に融点の低い金属を溶融して流し込む方法などが知
られているが、表面処理法では肉厚のセラミック層を形
成させることが困難であるし、また金属中空体とセラミ
ックス中空体を嵌合させる方法は、多工程を要する上に
熱膨張と、収縮の繰り返しや機械的衝撃などにより両者
が剥離するおそれがあるなどの欠点を有し、必ずしも満
足しうる方法とはいえない。本発明者らは、簡単な操作
で金属中空体内側に強固に結合した肉厚セラミック層を
形成させる方法を開発するために、鋭意研究を重ねた結
果、遠心力の作用下でテルミット反応を行なわせ、金属
とセラミックスを形成させると同時に発熱及び爆圧を利
用して生成した金属とセラミックスを中空体内壁に密着
させることにより、その目的を達成しうることを見出し
た。さらに、上記手法を減圧下で行うと、大気圧下より
緻密なセラミック層を得ることができること、及び金属
中空体を外部より強制冷却することによつて、肉厚の薄
い金属中空体を使用することができ、また生成物層の結
晶粒を細かくすることができることを見出し、この知見
に基づいて本発明を完成するに至つた。すなわち、本発
明は、金属中空体内に強還元性元素及び金属酸化物の粉
末混合物を充てんし、内部を低圧状態として遠心力を加
え、金属中空体外部を自然冷却若しくは強制冷却しなが
ら該粉末混合物に着火しテルミット反応を起させ、前記
中空体内壁に反応で生成した金属層を介して強固に結合
した緻密なセラミック層を形成させることを特徴とする
金属層セラミック複合構造管の製造方法を提供するもの
である。本発明方法は、いわゆるテルミット反応を利用
して金属とセラミックスを生成させ、かつ遠心力の作用
により、生成した比重の小さいセラミックスを同時に生
成した金属よりも内側に移行分離させ、テルミツト反応
に伴う発熱と、密閉状態下での爆圧によつてセラミツク
スを生成した金属を介して基本金属に密着させ、減圧す
ることにより介在するガスを強制的に除き緻密なセラミ
ツク層を得るものであるから、強還元性元素及び金属酸
化物の組合せとしては、通常のテルミツト反応に使用さ
れるものであればどのようなものでも使用しうる。

すなわち、強還元性元素の例としてはアルミニウム、マ
グネシウム、ケイ素、カルシウム−ケイ素合金などを挙
げることができる。また金属酸化物としては、例えば鉄
、クロム、ニツケル、チタン、マンガン又はジルコニウ
ムなどの酸化物が挙げられる。本発明方法で使用する中
空体の材質としては、テルミツト反応に耐えうる金属材
料であれば特に制限はなく、例えば鉄、ニツケル、クロ
ムあるいはこれらの合金などを任意に用いることができ
る。

本発明力法における強還元性元素と金属酸化物の使用割
合は、化学量論的割合であるのが好ましいが、所望なら
ばいずれか一方を過剰に用いることもできる。これらは
、できるだけ微細な粉末として使用するのが有利である
が、通常は５０メツシユ通過程度の粒度で十分である。
また、真空度が増すにしたがつて反応物の飛散が多くな
る場合には、結合剤を用いて上記粉末混合物を固形にし
て使用することが望ましい。結合剤としては、例えばケ
イ酸ナトリウムコロイダルシリカなどが好適である。本
発明方法においては、テルミツト反応を行なわせるため
の成分すなわち強還元性元素と金属酸化物以外に、さら
に所望に応じ反応に関与しない成分としてケイ素、炭素
、金属あるいはそれらの酸化物、炭化物、窒化物、フツ
化物を存在させてテルミツト反応を行なわせることもで
きる。

また、雰囲気を酸素、窒素あるいは不活性ガスで調節し
て行なうこともできる。これらの添加物や雰囲気調節は
、反応で生成する系の融点は下げセラミツクの流動性を
向土させる役割、あるいは不純物の介入を防ぎ反応を促
進し、生成するセラミツクと金属のぬれ性を高める役割
を果す。本発明方法においては、生成したセラミツク層
と金属層を分離形成させ、かつセラミツク層の気孔率を
十分小さくし緻密で健全な構造とするために、テルミツ
ト反応を低圧状態において遠心力の作用下で進行させる
必要がある。

低圧状態は、例えば金属中空体の一端から延長されたパ
イプをメカニカルシールで押さえロータリーポンプで引
くことにより１０−２ｔ０ｒｒ程度まで達成することが
できる。また、遠心力は金属中空体を高速回転すること
によつて与えることができる。この遠心力は、生成セラ
ミツクと生成金属との分離形成を達成できれば十分であ
り、そのためには少なくとも３０Ｇが必要である。大気
圧下での遠心効果と気孔率及び分離状態の関係を表に示
す。また、低圧状態の効果としては、本発明力法におけ
るテルミツト反応はガスの発生がないため、反応開始前
及び反応中の脱ガスにより、生成されるセラミツクをか
なり緻密にすることができることにある。

さらに、真空度が増すと内側からの反応熱の逃散が少な
くなつて内部を高温で保持する時間が長くなり、基体金
属と生成金属層とセラミツク層との結合力を著しく増大
させることができる。この圧力は遠心力の作用との相関
で任意に決めることができるが、３００ｔ０ｒｒでの気
孔率が大気圧下での気孔率の約２０％の低下であること
から、見掛けの気孔率が２０％以下であるような緻密な
セラミツク層を得るためには、圧力は３００ｔ０ｒｒ以
下、好ましくは０．１〜１０ｔ０ｒｒである。本発明方
法において生成されるセラミツクは一般に蒸気圧が低い
ため、かなり高い真空度においても本方法は適用されう
る。このようにして、金属中空体内壁に緻密なセラミツ
ク層が強固に結合した複合構造管が得られるが、このセ
ラミツク層の厚みは、中空体内に充てんする粉末混合物
の量を増減することによつて制鋪オＡｉ）−ｔｌ｛で↓
ス 苓帛惧春 本爬由灼仕出大厚も考慮する必要があり
、中空体あるいは中空体を保持する金型を外部より強制
的に冷却することにより、肉厚の薄い金属中空体を用い
ることができる。

また、生成物の凝固速度が早い場合には結晶粒の小さい
緻密な構造となる。したがつて、金属中空体の肉厚を薄
くする場合あるいは生成物層の結晶粒を細かくする場合
には、外部を強制的に冷却するのが有利である。本発明
によると、得られる複合構造管のセラミツク層の肉厚を
かなりの厚さまで均一に制御しうるので、各種管状体に
耐熱性、耐食性、耐摩耗性を付与する場合などに好適で
ある。

次に実施例によつて本発明をさらに詳細（こ説明する。

実施例 １ １２０℃で１日脱水処理したアルミニウム粉末７８９と
四三酸化鉄２５０９を混合し、第１図に示した遠心機金
型３中におかれた内径７０？、管長１００？、肉厚３Ｗ
１の配管用炭素鋼鋼管１中に均一に分布した。

遠心機の運転を開始すると同時にロータリーポンプを運
転し減圧した。圧力が１０ｔ０ｒｒになつた時、バルブ
６を閉じ密閉雰囲気をつくつた。回転数がほぼ１，００
０ｒｐｍ（約４０Ｇ）で試料に挿入してあるＭＯ線（０
．５？φ）４に約２０Ａ電流を通して加熱発火させ反応
を起した。反応は瞬時に終了するが、１５分間ほど回転
状態を維持し材料の自然冷却を持ち、その後運転を停止
し製造を完了した。このようにして得た複合構造管の横
断面図を第２図に示す。実施例 ２ １２０℃で１日脱水処理したアルミニウム粉末７８９と
四三酸化鉄２５０ｇを混合し、第１図に示した遠心機金
型中におかれた内径７３７１１１１、管長１００ＷＩ、
肉厚１．５１Ｉ！ｌの圧力配管用炭素鋼鋼管中に均一に
分布した。

遠心機の運転を開発すると同時にロータリーポンプを運
転し減圧した。圧力が１０ｔ０ｒｒになつた時、バルブ
を閉じ密閉雰囲気をつくつた。遠心効果が約８０Ｇで、
強制冷却用冷却媒体噴射口７より冷却水を噴射して試料
外部を水冷却すると同時に試料に挿入してあるＭＯ線に
通電を開始した。ＭＯ線の加熱により発火し反応が起こ
り、反応は瞬時に終了するが、１０分間ほど回転状態及
び水冷却を維持して材料の冷却を待ち、その後運転を停
止し製造を完了した。このようにして得た複合構造管の
外層金属中空体は健全であり、内層のセラミツクの粒も
目視ではあるが空冷より細かつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するための装置例、第２図は
本発明方法により得られた複合構造管の横断面図である
。 第１図中符号１は金属中空体、２は粉末混合物、３は遠
心機金型、４は点火用ＭＯ線、５はメカニカルシール、
６はバルブ、７は強制冷却用冷却媒体噴射口を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属中空体内に強還元性元素及び金属酸化物の粉末
   混合物を充てんし、内部を低圧状態として遠心力を加え
   、金属中空体外部を自然冷却若しくは強制冷却しながら
   該粉末混合物に着火しテルミット反応を起させ、前記中
   空体内壁に反応で生成した金属層を介して強固に結合し
   た緻密なセラミック層を形成させることを特徴とする金
   属−セラミック複合構造管の製造方法。 ２ 遠心力が少なくとも３０Ｇである特許請求の範囲第
   １項記載の方法。 ３ 金属中空体内部の低圧が３００ｔｏｒｒ以下である
   特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 金属中空体内部の低圧状態が酸素、窒素あるいは不
   活性ガス雰囲気である特許請求の範囲第１項記載の方法
   。