JP2527574B2 - 内側クラッドニッケル合金製管状製品の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の要約 本発明は、クラッド管状製品（clad tubular produc
t）の製造方法に関する。工業において、管状製品類が
必要とされ、それらの管状製品類においては、一表面が
流体やガスを含む腐食性の材料に対して極めて抵抗性の
高い材料で形成されている。本発明の基礎的な応用は、
管状鋼管の内側をクラッド法により被覆することの応用
である。第１ニッケルベース合金の高温強度及び／又は
経済性を有するが、第２ニッケルベース合金の腐食抵抗
性を有する管状製品に対して現在存在する必要の他の例
は、発電装置のボイラ管の例である。その他の必要は、
地熱さく井検層用井戸（gethermal wells）及び高温酸
性ガス井戸（high temperature sour gas wells）の掘
削用又は輸送用の用途（down hole and line applicati
ons）である。

大抵のニッケル合金類は、価格、腐蝕抵抗性及び（種
々の高温における）強度の妥協である。より良い腐食抵
抗性は、ずっと高い価格と実質的に常につながりがあ
る。非常に高い強度を結果として生ぜしめる固態のメカ
ニズム（mechanisms）は、しばしば腐蝕抵抗性の減少と
関係がある。ニッケル基板は、より高い適用温度におけ
る鋼基板の代用品として必要とされる。

特殊なニッケル材料の腐蝕抵抗性の利点とその他のニ
ッケル及び鋼合金の強度及び／又は経済性を充分に得る
ために、前記二つの金属が金属的に接合されていること
が必要である。金属の接合（metallic bond）を達成す
るためには、非常に清浄な表面を有する二つの金属が互
いに親密に接触せしめられ、且つ両金属に熱と圧力の複
合作用が加えられることが必要である。尚、この段階中
清浄さが維持される。金属の接合は三つの基本的利点を
有する。即ち、（ａ）金属の接合は、一般に接合される
（joined）金属と同様に非常に高い強度を有し、また
（ｂ）金属の接合は、腐蝕のメカニズムの影響を受ける
ことがなく、またそれによって左右されることもなく、
また（ｃ）金属の接合は破れ破壊を生ぜしめる割れ（cr
acks）の核形成用地（nucleation sites）として作用し
ない。

本発明は、継目なし管状材料を作る標準の工程の一部
として行うことができるクラッド管状製品を作る方法を
提供する。換言すれば、この方法は、存在する最新のニ
ッケル及び鋼ミルにおいて、最小限の変更で実施できる
ものである。本発明は二つの金属を金属的に接合させる
のに有効な基本的な考えに関連するものであるが、本発
明がクラッド管状製品を製造するのに特に有効なである
といえる。代表的なニッケル継目なしミルと関連しての
本発明の方法の実施においては、例えば、管状のホスト
部材が先ず形成される。これは、種々の方法によって達
成することができる。しかし、当該継目なし管状製品の
作る代表的な方法は、中空円筒状シェル（hollow cylin
drical sheelを形成するように穴あけ加工によって穴ぬ
きされる円筒状インゴッドを鋳造することによる。穴あ
け加工された穴は通常マンドレルで加熱されている間、
サイジングによって改善される。本発明を実施する場
合、これらの中空円筒状インゴットは（本明細書におい
て円筒状ホスト部材（cylindrical hosts）と称する）
次いで内側クラッド管状製品を形成するように処理され
るサブアセンブリを形成するために用いられる。その口
径は通常よりも大きな径を必要とする。サブアセンブリ
を形成する第１の段階は、円筒状ホスト部材の内側円筒
面に、約88ないし98重量パーセントのニッケルと約２な
いし12重量パーセントの燐よりなる組成のニッケル燐の
ような低融点接合金属合金をめっきすることである。こ
れは、円筒状ホスト部材を無電解めっき浴内に浸すこと
によって最も良く達成することができる。

管状クラッド部材（tubular cladding member）は、
例えば第２ニッケルベース合金よりなるもので、次に入
れ子式の管状ホスト部材内に挿入される。この部材は、
小さな径の鋳造された円筒でOD上で回転され、穴あけ加
工（drilling）によって穴ぬきされる（rierced）。こ
の細部を造る他の方法も使用することができる。クラッ
ド部材の第１の端部は、その全周にわたって管状ホスト
部材の第１の端部に溶接され、サブアセンブリが形成さ
れれる。次いで、サブアセンブリにクラッド部材の外側
とホスト部材の内側間に形成される環状空間から水蒸気
及び酸素が排出せしめられる。これは、先ず前記空間を
真空にし、次いで該空間にアルゴンのような不活性ガス
を充填することによって達成される。この順序は、前記
空間内の水分及び酸素の露点が、約−60゜F（約−51.1
℃）以下のレベルである状態を得るために必要なだけ繰
り返す。これは管状ホスト部材の第２の端部と管状クラ
ッド部材の第２の端部の間に円周袋部材を溶接すること
によって行うことができる。この円周袋部材は、空間か
らすべての実質的な水分と酸素を除くために必要な環状
空間を排気し、次いで該環状空間に不活性ガスを充満さ
せる手段を提供する小径の開口部を有している。

若干の場合、次の段階で使用される材料、温度及び圧
力次第によって、管状ホスト部材のめっきされた内側表
面とクラッド部材の外側表面間にフラックス材料を含ま
せるのが望ましい。これはクラッド部材が管状ホスト部
材内に挿入される以前に、クラッド部材の外側表面にフ
ラックスをコーティングすることによって行うことがで
きる。

環状空間内に不活性ガスを有するサブアセンブリは、
次いで約1650゜F（約898.9℃）ないし約2200゜F（約120
4.4℃）の間の接合金属合金を融解させるのに充分な温
度に迄加熱される。このような温度にある間にサブアセ
ンブリ半完成来んは、管に熱間押出しされ、同時に、ク
ラッド部材が円筒状ホスト部材に金属的に接合される。

ガス袋（gas bag）は、空気ポンプ式に押出す（pump
down）することを促進するのみならず、熱間押出し中に
追い出されるガスと過剰の接合金属のための溜めを提供
する。接合面（faying surfaces）の密封された状態は
炉における加熱中は勿論、この押出し中の汚染を防止す
るために必要とされる。

接合金属は液体界面拡散接合（liquid interface dif
fusion bonding）（LIDB）が達成するために必要とされ
る。LIDBは押出しの時間、圧力及び時間のパラメータ内
で金属接合に影響を与えるため必要とされる。接合金属
の融点及び反応速度は接合金属の正確な組成に直接に関
連がある。押出しの温度及び圧力は、いずれの材料も損
傷することがなく、またいずれの材料にも過度の応力を
負荷することなく、ホスト部材とクラッド材料間のすき
間を除くように経験的に決定される。接合金属の正確な
組成は、これらの展開される温度、圧力及び押出し速度
に適するように選択される。界面におけるすべての空所
（voids）を避けなければならない。

金属接合が完了したのち、製品は、予め選択された内
径（ID）及び外径（OD）を得るように継目なし管状製品
の製造において代表的な通常の縮小（reduction）の段
階を通過せしめられる。中間クラッド管状製品は、本体
標準の継目なし管状製品が今日の最新のミル工程におい
て処理されているように、次いで一定長さに切断され、
ひずみ取りが行われる（straightened）。任意の通例の
熱処理も行われる。

本発明は、更に押出しによって管状部材にクラッド法
による被覆加工を施す方法でサブアセンブリを形成する
とき使用される修正された袋を開示する。

発明の好ましい実施例の説明 第１図は、内側クラッド管状製品の製造方法において
使用されるサブアセンブリの部分断面図であり、半未完
成品がまさに加熱され、ミルにおいて熱間圧延される工
程における段階を示す。

第２図は、第１図示の内側クラッド管状製品の製造方
法において使用されるサブアセンブリの部分的断面図で
あって、但し押出しによりサブアセンブリを形成すると
きにおける修正された袋の使用を示す。

本発明は、他の方法でも実施できるが、先ずミル（mi
ckel mill）で継目なし管を作る公知の製造方法と共に
本発明が特に内側クラッド管状製品の製造に適用できる
ように、本発明につき説明する。ニッケル用ミルにおい
て、継目なし管は、固体円筒状ビレットを鋳造によって
先ず作ることによって製造される。このビレットは、次
いで中空シェル（hollow shell）を形成するように、穿
孔機によって、長さ方向に穿孔される。穿孔された穴は
マンドレルの大きさにサイジングされる。この中空シェ
ルは、加熱され次いで水平水圧プレス（horizontal hyd
raulic press）内に熱間押出しされ、かくして母管（mo
ther pipe）と呼ばれるものが形成される。この母管
は、未だ加熱されている間、或は冷えたときに引張り縮
小変形（stretch reducing）によって要求される直径に
形成される。

基本的な発明は、管状ホスト部材を形成する中空シェ
ルを製造するように穴があけられた後の丸形ビレットで
始まる。若干の製造工程においては、ビレットは、二度
穿孔されるが、本例においては、中空シェル又はホスト
部材製品を第２の穿孔が行われたのちに用いる。

第１図を参照すると、中空管状ホスト部材は、参照番
号10によって示されており、一般的には、管状製品の最
終の意図される用途に応じて、規定された組成を有する
鋼により形成される。この管状ホスト部材は、管状製品
の最終の直径より大きい直径を有し、且つ最終管状製品
の最終の長さより短い長さを有する。さらに、壁の厚さ
は、最終製品のものよりも厚くなっている。

管状ホスト部材10は、標準の製造工程から移され、内
面10Aが、低融点接合金属合金12の層でめっき被覆され
る。これは、管状ホスト部材10を洗浄浴に沈め、次いで
無電解めっき浴によって最も良好に達成される。

低融点接合金属合金は、ニッケル燐、ニッケル硼素、
ニッケルクロム燐、クロム燐或はこれらの合金の混合物
とすることができる。好ましい合金は、約88ないし98重
量パーセントのニッケルと、約２ないし12重量パーセン
トの燐とからなるニッケル燐である。若干の例において
は、付加的浸潤助剤（additional wetting aid）が有効
であり、このような場合には、約0.5ないし１重量パー
セントの硼素がめっき合金に使用される。めっきの厚さ
は、臨界的ではないが、約0.0005インチ（0.00127cm）
ないし0.002インチ（0.00508cm）の厚さとすることがで
きる。正確な組成は、熱間圧延のパラメータによって決
定される。

管状クラッド部材14は、次にめっきされたホスト部材
10中の入れ子式に挿入される。管のクラッド部材14は、
クラッド部材がホスト部材内の位置に自由に滑るように
管状ホスト部材の内径10Aよりも僅かに小さい外径14Aを
有している。若干の例において、フラックスが使用され
るのが好ましいが、その場合、フラックスは管状クラッ
ド部材の外側円筒面14Aが多分塗布されることになる。
他のフラックス材料が使用されるが、好ましい材料は氷
晶石である。

金属的に接合（joined）されるべき冶金学的術語の表
面は、接合面（faying surface）と呼ばれている。従っ
て、本発明の実施の態様において、図解で説明され、且
つ詳述されているように、その上にめっきされた接合金
属合金12を有するホスト部材の円筒状内面10Aが一方の
接合面であり、その上にフラックス16を有するか或は有
していない管状クラッド部材の外面14Aが他方の接合面
である。

管状クラッド部材14の挿入後に、その第１の端14B
が、ホスト部材の第１の端10Bに隣接して、ホスト部材1
0に溶接される。この溶接18が、気密な密封を形成する
ように、クラッド部材14及びホスト部材10の全円周にわ
たっている。この溶接18は、クラッド部材14の端に正確
に仕上げられる必要はない。すなわち、クラッド部材14
は、多分、ホスト部材の端10Bを幾分越えて延びるであ
ろう。この溶接段階の要点は、ホスト部材の内面10Aと
クラッド部材の外面14Aの間の環状空間20の一端を密封
することであり、この環状空間は、他端において、ガス
溜（gas reseservoir）を内蔵し、且つ接合面を密封す
るように、溶接により閉じられる。第１の端における溶
接は、また、構造用でもあり、圧延中二つの円筒の間で
応力を移す。

次の段階は、水蒸気及び酸素を環状空間20から取り除
くことである。これは、まず環状空間20を、真空にする
ことによって達成される。環状空間との閉鎖された連絡
を提供する一つの手段は、円筒状の袋22を使用するもの
である。要素22は、「袋」（bag）又は溜め（reservoi
r）と呼ばれるが、これは管状ホスト部材の内径10Aに少
なくとも等しい内径の金属材料であるのが好ましい。袋
22は、部分22Aを有している。適所に袋22がある場合に
は、溶接24は、袋の全円周端22Dの周りに、それをホス
ト部材の第２の端10Bに密封するように施される。次い
で、第２の溶接２、６はクラッド部材の外面14Aに袋を
を付着させるように円周に施される。かくして袋22が適
所に溶接され、閉鎖された連絡が、袋内の管状空間28
と、管状ホスト部材と管状クラッド部材間の環状空間20
の間に設けられる。

小径の開口部30は、ピンチ管（pinch tube）となるも
ので、袋22に形成され、袋を通して配管（図示せず）が
取り付けられる。

配管手段（図示せず）によって、環状空間20及び28
は、先ずホスト部材の内面10Aとクラッド部材の外面14A
間から空気を抜き取るように、真空にされる。

次に、アルゴンのような不活性ガスが、該環状空間20
に入り該環状空間に充満するように、開口部30を通して
注入される。

ホスト部材管の内面とクラッド部材の外面間の環状空
間20に、水分及び酸素が実質上なくなることが絶対に必
要である。「実質上なくなること（substantially fre
e）」は、該空間が、水分及び酸素の露点が、−60゜F
（−51.1℃）以下にある状態下にあることを意味してい
る。このような結果をもたらすために、該空間は、排気
され、不活性ガスが充満され、数回に亘って、排気及び
再充満がなされなければならない。環状空間内の水分及
び酸素レベルが、容認されるレベルまで低下せしめられ
たときには、環状空間内に残る不活性ガスの圧力は、比
較的低くすることができ、またその圧力は、袋を支持す
るのを手伝うのに充分であり、即ち、次のサブアセンブ
リを加熱し圧延する段階の間中、袋がつぶされないよう
に耐えるのに充分であるのが好ましい。この段階におい
て、５重量パーセントのような分量の水素が不活性ガス
に添加されても良い。

ホスト部材は、18のところで溶接されたホスト部材内
に挿入された管状クラッド部材14と共に、また適当な位
置に位置せしめられ、且つ24及び26において溶接された
袋22と共に、サブアセンブリを形成する。上記したよう
に、排気し、且つ環状空間20に不活性ガスを充満した
後、サブアセンブリは、クラッド管状部材を形成する最
終段階の準備ができる。このサブアセンブリは、次に、
ミルに戻され、続く段階は、例えば穿孔されたビレット
を用い、継目なし管の品目の製造を完了する。このサブ
アセンブリは、圧力をかけて接合が効果的に起こるよう
な温度に加熱される。

本発明の本質は、熱間圧延の通例の実施の範囲内で、
管状製品の金属接合を達成するように、液体界面拡散接
合を適用するにある。LIDBは、約1650゜F（約898.9℃）
以上の温度、或は接触圧及び非常に清浄な状態を要す
る。このためニッケルベース合金は2250゜F（1232.2
℃）以上の空気にさらされるべきではない。このため
に、約1650゜F（約898.9℃）ないし2100゜F（約1148.9
℃）の範囲の接合金属合金12が融解する温度にサブアセ
ンブリが加熱される。接合金属合金がニッケル燐である
場合は、サブアセンブリを約1950゜F（約1065.6℃）ま
で加熱される。

クラッド法により被覆加工された管がマンドレルミル
上で製造される本発明の模範的な応用例において、マン
ドレルは加熱されたサブアセンブリ内に挿入され、二つ
の材料が一緒に金属的に接合されるように、即ち、サブ
アセンブリが所要の温度に加熱されたのち圧力がクラッ
ド部材14とホスト部材10の間に加えられる。それはクラ
ッド部材14をホスト部材の内面10Aに金属的に接合する
ように、対向ロールのバンク（bank）によって熱間圧延
される。そのときホスト部材は、内側がクラッド法によ
り被覆加工される。その後、クラッド管状部材はマンド
レルミル上での継目なし管の製造において使用される正
規の段階を通過せしめられる。即ち、予め選択された内
径及び外径並びに長さを提供するように、引張り縮小変
形（stretch reduced）される。その後、クラッド管
は、長さに切断され、ひずみ取りが行われ（straighten
ed）、検査され、熱処理などがなされる。

袋22の使用は、本発明の重要な段階の実施を大層容易
にする。すなわち、この袋は、環状空間20から、酸素及
び水分を除去すると共に、非大気制御された炉（non−a
tmosphere controlled furnace）での加熱中及び熱管圧
延中に、そのような汚染物質の再導入を妨げることを容
易にする。さらに、この袋は、圧延中に、接合面の間か
ら移動する総てのガスを受け入れるように膨張する。ク
ラッド法により被覆加工する段階を完了した後に、管状
ホスト部材の端を越えて延びる管状クラッド部材の部分
14及び袋22は、切り離されて捨てられる。したがって、
袋22は、一時使用されるにすぎない。袋22は図で説明さ
れた形状を有することを必要としない。これは断面外形
でアーチ形であってもよく、或は截頭円錐形であっても
よい。総て必要なことは、既に記載された作業に適当な
装置である。

本発明は、今日世界中で使用されている標準継目なし
管状体の製造工程の利用を容易にするクラッド管状製品
の独特な製法を提供するものである。代表的な圧延機で
は使用されない本工程において必要な独自の付加的段階
として内側めっき用の穿孔されたビレットの移動、一端
におけるクラッド部材の挿入及び溶接、他端における袋
の取り付け並びに環状空間からの酸素及び水分の除去が
ある。サブアセンブリは、次いで標準の製造工程に戻さ
れて、加熱され、その後、継目なし管状品を製造する最
終段階に利用される正規の方法で処理される。

艶出し機（reeler）のような圧延装置をマンドレルミ
ルの代わりに容易に用いることができる。選択される正
確な装置は鋼用ミルの都合による。非常に大きな経の大
きさに対しては、ステンレススチールのようなホスト部
材よりもずっと高い熱膨張係数を有する金属より作られ
ているぴったり合うマンドレルを圧延によらないでクラ
ッド法により被覆加工するために使用することができ
る。そのかね合いはもっぱら経済性の問題にすぎず、す
べての選択は発明の本質を必要とする。

上記の方法は、第１ニッケル合金或は鋼合金より形成
される管状ホスト部材を第２ニッケル合金より形成され
るクラッド部材と内側で接合するために実施することが
できる。その場合ホスト部材は、鋼製継目なし管状体用
として代表的な圧延によらずして、押出しによって管に
変えることができる。

第２図は、第１図を参照して説明した本発明を実施す
る方法を示し、但し、その場合、改良されたガス袋の外
形が用いられる。この装置においては、クラッド部材14
は、ホスト部材と同じ長さに切断される、ガス袋23は、
環状軸に垂直な面で切ったトロイド（toroid）の二分の
一の形をしている。円周外側表面23Aは、ホスト部材の
第２の端10Cに溶接され、且つ円周内側表面23Bはクラッ
ド部材の第２の端14Cに溶接される。小経の開口30が、
ガス袋に管を受けるように設けられており、その管によ
って環状空間20及び28を真空にし、不活性ガスが前記空
間内に注入することができる。

第２図の袋は、サブアセンブリを形成するときに急速
に用いることができ、第１図示のサブアセンブリにおい
て袋23が果すのと同様な機能を果す。第２図の装置は、
サブアセンブリの大きく減少せしめられた長さより、溜
の容量をずっと小さくすることができる。また、その断
面は押出しプレスラムの形状に合わせて容易に修正する
ことができる。第２図の装置は自動溶接技術に従って当
然に可能である。

本発明は、ある程度の特殊性を持って記載したけれど
も、この開示の精神及び範囲からはずれることなく、多
くの変化を構造の詳細及び構成要素の配列に関して行う
ことができることは明白である。本発明が、例証のため
にここに延べられた実施態様に限定されることはなく、
その各要素が占める資格がある同等の全範囲を含む添付
の一つもしくは複数の特許請求の範囲によってのみ限定
されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、内側クラッド管状製品の製造方法において使
用されるサブアセンブリの部分断面図であり、半未完成
品がまさににに加熱され、ミルにおいて熱間圧延される
工程における段階を示す。 第２図は、第１図示の内側クラッド管状製品の製造方法
において使用されるサブアセンブリの部分的断面図であ
って、但し押出しによりサブアセンブリを形成するとき
における修正された袋の使用を示す。 10……中空管状ホスト部材 10A……中空管状ホスト部材の内面 10B……中空管状ホスト部材の第１の端 12……低融点接合金属合金 14……管状クラッド部材 14A……管状クラッド部材の外面 14B……管状クラッド部材の第１の端 16……フラックス 18……溶接 20……環状空間 22……袋 22A……袋の部分 22D……袋の全円周端 24……溶接 26……第２の溶接 28……袋内の管状空間 30……小径の開口部 23A……円周外面 23B……円周内面 10C……ホスト部材の第２の端 14C……クラッド部材の第２の端

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１及び第２の端部を有するニッケル合金
   製管状ホスト部材を用い、内側クラッドニッケル合金製
   管状製品の製造方法において、 （ａ） 前記管状ホスト部材の内面に、96ないし98重量
   パーセントのニッケルと、２ないし４重量パーセントの
   硼素から構成されている低融点接合金属合金をめっき
   し、 （ｂ） 第１及び第２の端部を有する前記管状クラッド
   部材を、該管状クラッド部材と実質的に同じ長さを有す
   る前記めっきが施こされた前記管状ホスト部材内に挿入
   し、 （ｃ） 前記クラッド部材の第１の端部を前記管状ホス
   ト部材の第１の端部に円周を取り巻くように溶接し、 （ｄ） 円周袋を、前記管状ホスト部材の第２の端部
   と、前記管状クラッド部材の第２の端部の間に溶接し、
   該袋は、内側円周面と外側円周面を規定する環状軸に垂
   直な面で切断されたトロイドの二分の一の実質的形状で
   あり、その内側円周面は、前記管状クラッド部材の第２
   の端部に溶接され、且つその外側円周面は前記管状ホス
   ト部材の第２の端部に溶接されており、 （ｅ） 総ての水分及び酸素を実質的に除くように前記
   袋へ装置を取り付けることによって、前記クラッド部材
   の外側と前記ホスト部材の内側の間の環状空間を排気
   し、及び不活性ガスを環状空間に幾分か充填し、 （ｆ） 1650゜F（898.9℃）ないし2200゜F（1204.4
   ℃）にサブアセンブリを加熱し、次いで、 （ｇ） 前記加熱されたサブアセンブリを、グラッド部
   材を管状ホスト部材に金属的に接合するようにミルで成
   形すことを特徴とする内側クラッドニッケル合金製管状
   製品の製造方法。