JP2635572B2 - 拡散接合による複合部材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、例えばバルブ部材の様にその両端の開口部
の口径よりも中間部の空洞部の径の方が大きな中空部を
有する部材や、その中空部内壁に１個以上の窪部を有す
る部材の如く、中空部の径が部所により一様ではない様
な部材の中空部内壁に耐熱，耐摩耗等各種特性を有する
表面層を被覆する方法に関するものである。

〈従来の技術〉 この種部材は産業界では数多く用いられているが、中
空部の内壁面に各種素材を被覆しなければならない為に
多くの難点がある。即ちメッキ法では素材が限定される
上に複雑な形状の物ではその厚さを均一にする事は難し
く、溶射法は施工部所が内部である為に実際上採用出来
ず、かつ又クラッド法も中空部の口径が部所によって変
化する為に採用する事は難しい。

従って工程が増えるにも拘らず、対象部材を２つある
いはそれ以上の分割型とし、上記各種の被覆法を採用せ
ざるを得ないのが一般的である。

なお特殊な方法として、被覆材料を粉粒体状で用い、
対象部材の中空部内壁の所望表面上で焼結させる、即ち
粉粒体被覆材を何らかのケースを用い対象部材の所望部
所にて成型せしめ、それをケース毎熱間等方圧加圧焼結
せしめるという方法が考えられる。しかるに対象部材の
中空部口径が部所によって一様でない場合、例えば第13
図に示す様な部材（ａ）の場合には、用いるケース
（ｂ）としてその中空部の形状と同形の物では内部に挿
入する事が出来ず、やむなく中空部開口端の口径よりも
小さな径の筒状ケース（ｂ）を用い、部材（ａ）とケー
ス（ｂ）間に粉粒状被覆材（ｃ）を詰めた状態で焼結す
る方法を採用せざるを得ない。しかしこの方法では目的
とする製品が第14図の様に中空部内壁に一様厚さの被覆
層（ｃ′）を有する物であるにも拘らず、不要に多量の
粉粒状被覆材（ｃ）を必要とし、高価な被覆材が無駄と
なる上に、その余分な部分を除去するのにそれが一般に
難削材であるが故に除去が困難であるという欠点があ
る。

〈発明が解決しようとする問題点〉 本発明は上記従来法の欠点を解消し、対象部材を分割
型とする事なく、かつ又必要量以上の被覆材料は用いる
事なく、しかも簡単に基材の中空部内表面に消耗する厚
さの被覆層を形成することが出来る方法を提供する事を
目的とする。

〈問題点を解決する為の手段〉 本発明は、塊状の基材内に形成された、少なくともそ
の一端が外方に開口し、且つ、部所によりその径が異な
った中空部内に、金属製筒状ケースを挿入し、基材とケ
ース間に形成された内部空間に焼結可能な粉粒体を装入
し、この空間部の開口をシールし、次いで、ケースの長
手方向中心軸を中心として基材とケースを自転させなが
らケース内周面から局部加圧し、その局部加圧部所を順
次移動してケースを拡径したのち、空間部に装入した焼
結可能な粉粒体を基材の中空部内表面に拡散接合するこ
とを特徴とする拡散接合による複合部材の製造方法であ
る。

なお本発明で用いる焼結性粉粒体は、金属（合金を含
む），所謂ガラスをも含むセラミック，カーボンあるい
はそれらの組み合わせであり、その後の焼結がし易い様
に粉粒体の表面に、焼結促進用の他の金属（合金を含
む）等がコーティングされた形態の物を用いる事もあ
る。この場合に於いて、後で詳記する如く、充填する粉
粒体の量をそれが収納される空間よりも小さな容積を占
める量としておけば、粉粒体の充填が容易な事は勿論、
その後の操作で成型される圧粉体が、その密度及び厚さ
の点でより均質となるので一層有効である。しかし粉粒
体をある空間それも特に細い空間へ充填する場合には特
別に押し込む或いは打撃振動等を与え乍ら極く少量ずつ
充填する等の特殊な方法を採用したとしても、粉粒体の
形状によっては、粉粒体間に生起する空隙あるいは「棚
吊り部」、更には充填時の上端部に生じる避けられない
空隙の為に必然的に粉粒体の占める容積は上記空間より
も小となるもので、これらの事実を考慮すれば上記いず
れの場合でもその程度の差はあるものゝ粉粒体の量はそ
れが収納される空間よりも小さな占有容積しか持たない
という事となる。

この様に被覆層の量によって決まる粉粒体を充填した
後は、中空部の開口部とケースとの間を直接的又は環状
端板等を当てシールするが、更に内部を真空状としてお
けば、その後の操作中あるいは待期の為の放置中に内部
の粉粒体が酸化等の汚染を受けないので好ましい。

なお本発明方法は、その基材に中空部が複数個ある場
合をも含むものであるが、粉粒体の充填，シール後の自
転は、各中空部内へ挿入されたケースの長軸を中心とし
て行うものであり、従って複数個の中空部を持つ基材を
対象とする場合にはケース挿入、粉粒体充填及びシール
は同時に行ってもよいが、その後の自転し乍らの局部加
圧は各ケース毎に行うものとする。

なお本発明方法でケース内に粉粒体を充填した後に、
それを自転させる場合はそのケースの形状等を考慮して
ケースを横置状，縦置状あるいは斜置状とする。粉粒体
の均等配分という点から見れば、一般的にはケースが縦
方向に長尺物である場合には重力の作用を軽減する意味
からは横置状が好ましく、ケースを短尺偏平状の場合に
は縦置のまゝでもさほど重力の影響はなく自転のさせ易
さを考えると縦置状が好ましいが、粉粒体をケースの隅
々まで十分に詰める、特に基材に枝管が付いており、該
枝管内にも粉粒体を十分に詰めるという如き場合には、
ケースを縦置状で自転させ、遠心力に加え重力をも活用
した方が望ましい事もある。またケースを縦置状で自転
させ、その際の遠心力と重力とを調整する事で粉粒体の
量（厚さ）をケース上部から下部になるにつれ順次大と
するという様な事も出来る。

従って自転を横向きでするか縦向きでするかは上記諸
事項を考慮して適宜選択し、場合によってはその両者の
中間としての斜方向もあり得るものである。

なおこの場合に於いて粉粒体の一部あるいは全部を一
方向に長い繊維状あるいはカットワイヤー状となす事に
より、自転させ乍ら空間部を徐々に狭めて行く場合、上
記粉粒体をケースの長手方向に沿って揃わしめる事が出
来、最終的に形成される被覆層に強度の方向性をもたし
める事も出来る。

又上記局部加圧は、冷間の他に加圧する局部毎の加熱
あるいは全体加熱による熱間状態で行う事もあり得る。

〈作用〉 以下図面を参酌し乍ら本発明方法を詳述する。

本発明は第１図に示す様に、中空部の中央部が開口部
の径よりも大となっている様な基材（１）、又は第２図
に示す様に中空部の径が部所により異なっている基材
（１）の中空部内壁面に所望特性の被覆層を形成する方
法である。基材（１）は、その外形はそれが断面円形で
も断面過度形でも、又は他の複雑な形状であっても構わ
ない。この第１図や第２図に示す如き基材（１）に対
し、その中空部の最も口径が小なる部所の口径よりもな
お外径が小なる筒状ケース（２）を挿入し、第３図に示
す様に基材（１）とケース（２）間に粉粒体（３）を収
容し、開口部に端板（４）を当接しシールする。この場
合の粉粒体（３）の量は得ようとする被覆層の厚さで決
まるが、基材（１）とケース（２）間の空間部に対する
粉粒体（３）の容量については前述の如くである。なお
第１図〜第３図では基材（１）の中空部はその両端共に
開口状の場合を示したが、この中空部の一端は閉塞状で
あってもよい、一方ケース（２）はそれを後に拡径変形
させる為にその操作のし易さ及び変形のし易さを考える
と原則としては両端開口状の物が好ましい。次いでこれ
を第４図に示す如く例えば横置状となし、適宜回転装置
（図示せず）を用いケース（２）の長手方向の軸を中心
に自転させ乍ら、ローラー等の加圧治具（５）をケース
（２）の内側から押圧し、それを順次移動させる事でケ
ース（２）を拡径して行く。この場合粉粒体（３）は、
自転による遠心力を受けるので粉粒体（３）の容積が両
ケース間の間隙空間よりも小の場合には即、又粉粒体が
見掛け上一ぱいに詰められている場合でも、自転に伴い
上述した粉粒体間の空隙や棚吊り部が解消される事で移
動可となるので、そのいずれの場合にも粉粒体が浮遊状
態とされ、ある時間自転を続ければどの部所に於いても
均一密度下とされ、この状態で局部加圧の繰り返しでケ
ースを拡径していけば、ケースの変形の量の部所による
差で存在する粉粒体の量（厚さ）は一定あるいは変化は
するが、どの部所でも均一密度の圧粉粒体が得られる。
なお詳述すれば基材（１）の中空部形状に沿って変形さ
せれば第５図の様に均一厚さの圧粉粒体を得れ、ケース
中央部の変形を前者（第５図の場合）よりもやゝ控え目
とすればその部分のみにより厚さ圧粉粒体を存在せしめ
る事が出来る。又第７図の様に中空部の両開口部から中
央部に向かうにつれ、順次圧粉粒体の厚さを増加させる
事も出来、更には基材（１）の中空部内壁面に条溝や凹
部を穿設した物を用いれば、その条溝や凹部のみに圧粉
粒体を存在せしめる、あるいは他の内壁部と共に該条溝
や凹部に圧粉粒体を存在せしめる等も出来る。又基材
（１）に条溝や凹部を形成する事なく、基材（１）の中
空部内壁面は平滑であってももケース（２）の加圧によ
り第８図に示す様に所望形状の突条を形勢させる事も出
来る。

なお本発明方法で用いる基材（１）は前述した如く、
その中央部の少なくとも一端が開口状であればよく他端
は閉塞状であってもよい訳で、例えば第９図に示す様な
形状の基材（１）とケース（２）との組み合わせを採用
する事も出来、この場合には基材（１）の内部の拡径空
洞部内周壁全面に被覆層を施す様な場合である。又基材
（１）はその内部に少なくとも一端が外部に開口状の中
空部を有しておれば、その外形はあるいは中空部の数に
ついては何ら制約される事はないという点については前
にも述べたが、基材（１）として具体的にバルブ部材を
用いる場合には、第10図に示す様に基材（１）の中央部
に、両端部よりも広い空間部を有するが如き形状の物を
用いる事もあり、更には第10図のＡ部に他の部材を挿入
する為の孔（枝管）を開け、かつその孔の内壁にも圧粉
粒体を存在せしめる必要がある場合には、基材（１）の
中空部内壁に設ける凹部を深くして、即ち第11図に示す
様に、充填する粉粒体が洩れない程度に基材（１）のそ
の部分を残すかあるいは第12図の様に凹部を基材（１）
の外面まで貫通せしめ、粉粒体洩出防止の為に別途蓋体
（４′）でシールをし、後で孔を開ける必要のある部所
にも圧粉粒体を形成させる方法を採る事もある。なおこ
の場合後に孔を開ける部所に予め中子を入れておく事も
あるのは勿論である。

この様にして、基材中空部内壁に、適宜形状で均一な
充填密度下に粉粒体を圧密化した後は、そのまゝの状態
で熱間等方圧加圧等各種の拡散接合手段により粉粒体を
その場で拡散結合させると共に基材に強固に接合させ、
ケースを切削等で除去し目的の製品を得るのである。

〈実施例〉 以下本発明の実施例につき説明する。

この実施例は、上記第１図に示した如き形状のバルブ
部材原料の中空部内壁に耐食，耐摩耗材料を被覆する方
法についてのものである。即ち第１図で示した如き形状
のS45C材から成る基材に、その両端の開口径よりも、10
mmだけ小なる外径の軟鋼製ケースを挿入し、基材とケー
ス間の空間の約80％の容積量のオーステナイト系ステン
レス（SUS316）粉粒体を充填し、両開口部間に軟鋼製環
状端板を当てシールした後、内部を真空引きし、全体を
横置状となし自転させ乍らケース内壁面側から小ローラ
ーを当て、局部加圧をケース全域に渡り行い、ケースを
基材の中空部にならう形状となるまで拡径した。次いで
熱間等方圧加圧装置内へ装入し、1150℃,1000kg/cm²の
条件下で２時間保持した後取出し、ケースを切削除去
し、ステンレス層が被覆された基材を得た。

〈発明の効果〉 以上述べて来た如く、本発明方法によれば、基材の形
状及び被覆層を施すべき部所から考え、用いるケースあ
るいは該基材そのものを分割組立タイプとしなければ、
粉粒体からの焼結被覆層が得難い様なバルブ部材等の内
部に拡径状空洞部を有する如き部材の製造、及び補修が
容易かつ正確に行えるものである。

そして本発明方法では用いるケースの大きさ及び粉粒
体の量を調整する事で最終製品の被覆層の厚さを適宜調
整可能であるし、又ケースを外部から局部加圧により変
形をなす前に内部を真空引きしておけば、その状態で放
置しておいても内部の粉粒体がその後の処理で汚染され
る事はなく、従って局部加圧変形の途中で加工硬化した
ケースを軟化熱処理をし、再度より複雑な形状に変形す
る処理も可能である。

又本発明方法では、粉粒体を充填した後に、局部加圧
で粉粒体を圧密成型するものである為に、粉粒体がその
形状によって見掛け密度が種々変化したとしても見掛け
密度とは無関係にその重量で正確な量を知る事が出来る
為に粉粒体の量の決定が容易かつ正確であると共に、圧
密化が乾式であが為に、例えば高圧液体を用いる湿式の
場合にあっては、万一ケースが破損したりした時には、
その高圧液体がケース内へ圧入し粉粒体全部を汚染する
という不安があるが、本発明方法ではその様な事態は考
えられず、万一ケースが破損したとしてもその場での補
修，取替えが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法で製造しようとする製品の概要説明
図、第２図〜第４図はそれぞれ本発明方法の各工程説明
図、第５図〜第９図はそれぞれ本発明方法で得られる各
種圧粉粒体の形状を示す説明図、第10図〜第12図はそれ
ぞれ本発明方法で基材中空部に枝管がある場合について
の説明図、第13図及び第14図はそれぞれ従来方法の説明
図。 図中、（１）：基材 （２）：ケース （３）：粉粒体 （４）：端板

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】塊状の基材内に形成された、少なくともそ
   の一端が外方に開口し、且つ、部所によりその径が異な
   った中空部内に、 金属製筒状ケースを挿入し、 基材とケース間に形成された内部空間に焼結可能な粉粒
   体を装入し、 この空間部の開口をシールし、 次いで、 ケースの長手方向中心軸を中心として基材とケースを自
   転させながらケース内周面から局部加圧し、その局部加
   圧部所を順次移動してケースを拡径したのち、 空間部に装入した焼結可能な粉粒体を基材の中空部内表
   面に拡散接合することを特徴とする拡散接合による複合
   部材の製造方法。
2. 【請求項２】焼結可能な粉粒体の挿入収容量を、基材と
   ケースとの間の内部空間の容積よりは小さな占有容積を
   有する量とすることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の拡散接合による複合部材の製造方法。
3. 【請求項３】ケースに対する局部加圧の加圧量を、部所
   により変化せしめ、ケースを所望形状に変形せしめるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項若しくは第２項記
   載の拡散接合による複合部材の製造方法。
4. 【請求項４】基材がその中空部内周壁に、１本またはそ
   れ以上の円周状あるいは螺旋状の条溝を有することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項から第３項のいずれかに
   記載の拡散接合による複合部材の製造方法。
5. 【請求項５】基材がその中空部内周壁に、１個またはそ
   れ以上の凹部を有することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項から第４項のいずれかに記載の拡散接合による複
   合部材の製造方法。
6. 【請求項６】装入した焼結性粉粒体の少なくとも一部
   が、繊維状，棒状等の一方向に長い形状であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項から第５項のいずれかに
   記載の拡散接合による複合部材の製造方法。