JP6045094B2

JP6045094B2 - 自溶合金皮膜の形成方法

Info

Publication number: JP6045094B2
Application number: JP2013046620A
Authority: JP
Inventors: 誠熊川; 登志生吉田; 昌範天本
Original assignee: Dai Ichi High Frequency Co Ltd
Current assignee: Dai Ichi High Frequency Co Ltd
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2033-03-08
Also published as: JP2014173131A

Description

本発明は、自溶合金皮膜の形成方法に関し、更に詳しくは、３ｍｍ以上の膜厚を有する自溶合金の溶融皮膜を金属基材の外周面に形成する方法に関する。

従来、金属基材である鋼管の外周面に自溶合金皮膜を形成する方法として、当該鋼管の外周面に自溶合金を１〜３ｍｍ程度の厚さに溶射被覆し、その後、この溶射皮膜を加熱・再溶融処理して溶融皮膜を形成する方法が行われている（下記特許文献１参照）。

然るに、自溶合金皮膜が形成された金属製品に一層良好な耐摩耗性および耐食性を発現させるために、自溶合金皮膜を更に厚くする（例えば３ｍｍ以上）ことが望まれる。

しかしながら、上記のような方法（溶射皮膜の形成および溶射皮膜の再溶融）により、厚膜の自溶合金皮膜を形成する場合には、溶射皮膜の形成にきわめて長い時間が必要になる。すなわち、１回（１パス）の溶射で形成できる溶射皮膜の厚さは５０μｍ程度であるために、３ｍｍ以上の膜厚を有する厚膜の自溶合金皮膜を形成する場合には、６０パス以上の溶射が必要となり、複数の溶射ガンを使用したとしても相当長い時間を要することになる。
また、溶射皮膜の形成工程（形成途中）において、ある程度の膜厚に成長した溶射皮膜に応力が発生して、当該溶射皮膜が基材表面から剥離するという問題もある。
更に、厚膜の溶射皮膜を形成する場合には、溶射材料である自溶合金粉末のロスも多大なものとなる。

一方、厚膜の自溶合金皮膜を金属基材の外周面に効率的に形成する方法として、本出願人は、金属基材の外周面の周りに、形成すべき膜厚より大きい間隙を持たせてセラミックの筒状外枠体を配置し、金属基材の外周面と、筒状外枠体の内周面とで囲まれる空間に自溶合金の粉末を充填し、筒状外枠体の外側に配置した誘導加熱手段によって、自溶合金の粉末を、その溶融温度より数百度低い温度になるまで加熱し、その後、筒状外枠体を取り外し、金属基材の外周面に付着している当該自溶合金の粉末を、その溶融温度まで加熱することにより、金属基材の外周面に自溶合金の溶融皮膜を形成する方法について提案している（下記特許文献２参照）。

特開平１０−４６３１５号公報特開昭６４−１７８７５号公報

しかしながら、上記特許文献２に記載の方法においては、自溶合金と反応（接合）させるべき金属基材の外周面が酸化されやすく、基材表面に酸化皮膜が形成されてしまうことにより、金属基材の外周面と、自溶合金の溶融皮膜との間に拡散接合層を形成することができなくなり、金属基材の外周面に対して自溶合金の溶融皮膜を強固に接合することができなくなるという問題がある。

このような問題に対して、溶融皮膜を形成するまでの一連の工程を不活性ガス雰囲気下で行うことも考えられるが、大きなサイズの金属基材（例えば、外径が３００ｍｍ程度のロール）に対応することができないばかりか、設備の複雑化、大型化を招き現実的ではない。

また、上記特許文献２に記載の方法においては、自溶合金の溶融温度よりも数百度低い温度に加熱した時点（自溶合金が再溶融されていない状態）で、筒状外枠体を取り外してしまうのであるが、この段階での自溶合金の粉末は、金属基材の外周面に対してきわめて弱い力で付着しているだけである。このため、筒状外枠体を取り外す作業中に、あるいは、筒状外枠体を取り外した後において、自溶合金の粉末が金属基材の外周面から脱落してしまい、その後に、これを溶融温度まで加熱しても、所期の溶融皮膜を形成することができないという問題もある。
また、自溶合金の粉末が、その溶融温度よりも数百度低い温度に到達したか否かを判断することはきわめて困難である。

本発明は以上のような事情に基いてなされたものである。
本発明の目的は、３ｍｍ以上の膜厚を有し、金属基材に対して高い接合力で接合された自溶合金の溶融皮膜を、当該金属基材の外周面に効率的に形成することができる自溶合金皮膜の形成方法を提供することにある。

本発明の自溶合金皮膜の形成方法は、３ｍｍ以上の膜厚を有する自溶合金の溶融皮膜を金属基材の外周面に形成する方法であって、
前記金属基材の外周面に厚さ５０〜２００μｍの自溶合金の溶射皮膜を形成し、この溶射皮膜にフラックスを塗布する第１工程と、
前記金属基材の外周面に形成された溶射皮膜に対して、その内周面を離間させた状態で、非磁性材料からなる筒状外枠体を前記金属基材の周りに装着し、前記金属基材の外周面に形成された溶射皮膜と、前記筒状外枠体の内周面とで囲まれる空間に自溶合金の粉末を充填し、前記筒状外枠体の外側に配置した誘導加熱手段によって前記金属基材を加熱し、当該金属基材からの伝熱によって前記自溶合金の粉末を加熱して溶融させることにより、当該自溶合金の溶融皮膜を形成する第２工程とを含むことを特徴とする。

このような形成方法によれば、第２工程において、金属基材の外周面に形成された溶射皮膜と、筒状外枠体の内周面とで囲まれるの空間に充填された自溶合金の粉末を加熱溶融させることによって当該自溶合金の溶融皮膜を形成するので、３ｍｍ以上の膜厚を有する溶融皮膜であっても短時間で効率的に形成することができる。

また、自溶合金の粉末を加熱溶融させる第２工程に先行して、金属基材の外周面に自溶合金の溶射皮膜を形成し、この溶射皮膜にフラックスを塗布する第１工程を実施することにより、金属基材の外周面が大気（酸素）と接触することを回避することができるので、金属基材の外周面に酸化皮膜が形成されることはない。これにより、金属基材の外周面と自溶合金の溶融皮膜との間に拡散接合層を形成することが可能となり、拡散接合層の形成によって金属基材の外周面に対して自溶合金の溶融皮膜を強固に接合させることができる。

なお、第１工程において形成される自溶合金の溶射皮膜は５０〜２００μｍと薄いので、短時間の溶射（１パス〜数パス）で、これを形成することができ、溶射時間が短いことにより、全体としての効率の向上を図ることができる。また、溶射皮膜が薄い（溶射材料である自溶合金粉末の使用量が少ない）ので、溶射材料である自溶合金粉末のロスもきわめて少ない。

また、筒状外枠体を装着した状態で、自溶合金の粉末を加熱溶融させる（溶融温度まで昇温する）ので、例えば、筒状外枠体の取り外し時に、自溶合金の粉末が金属基材の外周面から脱落するようなこと（特許文献２に記載された形成方法における問題点）はなく、所期の膜厚を有し、金属基材の外周面に対して強固に接合された溶融皮膜を形成することができる。

本発明の自溶合金皮膜の形成方法において、前記金属基材が、鋼鉄製の中空または中実の円柱状物であることが好ましい。また、前記筒状外枠体がセラミックを主原料とするスリーブからなることが好ましい。また、第１工程において使用する前記フラックスがホウ砂を含有することが好ましい。

本発明の形成方法によれば、３ｍｍ以上の膜厚を有し、金属基材に対して高い接合力で接合された自溶合金の溶融皮膜を、当該金属基材の外周面に効率的に形成することができる。

本発明の形成方法（第２工程）を実施するための装置の一例を示す説明図である。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の形成方法は、３ｍｍ以上の膜厚を有する自溶合金皮膜（自溶合金の溶融皮膜）を金属基材の外周面に形成する方法である。
本発明の方法により形成される溶融皮膜の膜厚としては、３ｍｍ以上とされ、好ましくは３〜５ｍｍとされる。このような厚膜の溶融皮膜を形成する際に、本発明の形成方法は好適である。

自溶合金の溶融皮膜を形成する金属基材としては、炭素鋼または合金鋼など、鋼鉄製の中空または中実の円柱状物を挙げることができる。具体的には、ボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管、熱間ロール用の中空ロールを例示することができる。
金属基材として使用する中空ロールの外径としては、通常１００〜５００ｍｍとされ、好ましくは１００〜３００ｍｍとされる。
また、当該鋼材の長さとしては通常３００〜２５００ｍｍとされ、好ましくは３００〜１５００ｍｍとされる。

＜第１工程＞
本発明の形成方法の第１工程は、金属基材の外周面に厚さ５０〜２００μｍの自溶合金の溶射皮膜を形成し、形成された溶射皮膜にフラックスを塗布する工程である。
これにより、金属基材の外周面が溶射皮膜により保護されて、大気（酸素）と接触することが回避され、金属基材の外周面に酸化皮膜が形成されることを有効に防止することができる。

溶射皮膜を形成するための自溶合金としては、ＪＩＳＨ８２６０（溶射用粉末材料）に規定されている自溶合金粉末を挙げることができる。
自溶合金の融点としては１０３０〜１０８０℃であることが好ましく、更に好ましくは１０４０〜１０７０℃とされる。

溶射皮膜の厚さとしては、通常５０〜２００μｍとされ、好ましくは５０〜８０μｍとされる。この範囲の膜厚であれば、１パス乃至数パスの溶射によって形成することができる。
溶射皮膜の厚さが５０μｍ未満であると、金属基材の外周面の酸化（酸化皮膜の形成）を十分に防止することができない。一方、２００μｍを超えて溶射皮膜を形成しても、膜厚の増加に見合う酸化防止効果を発揮することができない。

溶射皮膜に塗布されるフラックスとしては、溶射皮膜の内部に浸透して、当該溶射皮膜の封孔作用（延いては基材表面の酸化防止作用）を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、ホウ砂を含有するものであることが好ましい。ホウ砂を含有するフラックスとしては、ホウ砂をアルコールに分散させて調製することができる。フラックスを塗布することにより、ポーラス状の溶射皮膜が封孔され、溶射皮膜による酸化防止効果が格段に向上する。

＜第２工程＞
図１に示すように、本発明の形成方法の第２工程は、金属基材１の外周面の周りに筒状外枠体２を装着し、金属基材１の外周面に形成された溶射皮膜（図示省略）と、筒状外枠体２の内周面とで囲まれる空間に自溶合金の粉末３を充填し、筒状外枠体２の外側に配置した高周波誘導加熱コイル４（誘導加熱手段）によって金属基材１を加熱し、この金属基材１からの伝熱によってこの粉末３を加熱して溶融させることにより、当該自溶合金の溶融皮膜５を形成する工程である。
なお、図１において、６は下受治具、７は、金属基材１の位置合わせ用凸部である。

金属基材１の外周面の周りに装着される筒状外枠体２の内周面は、金属基材１の外周面に形成された溶射皮膜に対して離間しており、この離間距離（隙間）および溶射皮膜の厚さ（５０〜２００μｍ）が、最終的に得られる溶融皮膜５の厚さに相当する。

筒状外枠体２は、自溶合金の粉末３との反応（溶融皮膜５との接合）を回避するために、セラミック、ガラスなどの非磁性材料から構成される。
筒状外枠体は、１２００〜１３００℃程度の耐熱温度を有することが好ましい。好適な筒状外枠体としては、セラミックを主原料とするスリーブを挙げることができる。
セラミックを主原料とするスリーブとしては、セラミックファイバーに、無機バインダおよび微量の有機バインダを加え、円筒状に成形、乾燥させて得られるものを挙げることができ、そのようなスリーブは、日本サーマルセラミック（株）より「ＳＣスリーブ」の商品名で販売されている。

金属基材１の内径（ｄ₁）としては特に限定されない。
金属基材１の外径（Ｄ₁）は、例えば５０〜５００ｍｍとされ、好ましくは５０〜３００ｍｍとされる。
金属基材１の長さとしては、例えば３００〜２５００ｍｍとされ、好ましくは３００〜１５００ｍｍとされる。

筒状外枠体２の内径（ｄ₂）としては、金属基材１の外径（Ｄ₁）および形成する溶融皮膜５の厚さによって適宜調整されるが、例えば（Ｄ₁＋３ｍｍ）〜（Ｄ₁＋８ｍｍ）とされ、好ましくは（Ｄ₁＋３ｍｍ）〜（Ｄ₁＋５ｍｍ）とされる。
また、筒状外枠体２の外径（Ｄ₂）は、例えば（ｄ₂＋２０ｍｍ）〜（ｄ₂＋４０ｍｍ）とされ、好ましくは（ｄ₂＋２０ｍｍ）〜（ｄ₂＋３０ｍｍ）とされる。
筒状外枠体２の長さは、金属基材１の長さに応じて適宜調整される。

金属基材１の外周面に形成された溶射皮膜と、筒状外枠体２の内周面とで囲まれる空間に充填する自溶合金の粉末３としては、第１工程において溶射皮膜を形成するために使用した自溶合金と同一の材料（溶射用粉末材料）を使用することができる。
なお、この空間に充填される粉末３として、溶射工程に使用された後、金属基材に付着されずに回収された粉末を使用（再利用）することも可能である。

前記空間に充填された粉末３は、高周波誘導加熱コイル４によって加熱される鋼材からの伝熱により加熱される。
粉末３の加熱温度としては、粉末３を構成する自溶合金の融点以上とされ、好ましくは融点以上（融点＋５０℃）以下とされる。

加熱温度が自溶合金の融点未満であると、粉末３を溶融させることができず、形成される皮膜に気孔が残留したり、形成される皮膜が基材表面に対して十分な接着力を有するものとならなかったりする。
なお、自溶合金の融点を大幅に超えた温度で加熱した場合には、形成される溶融皮膜の硬度が低下して十分な耐摩耗性を有するものとならなくなる場合がある。

誘導加熱による加熱条件は、出力および高周波誘導加熱コイル４の移動速度により調整することができる。
また、粉末３の加熱温度は、例えば、金属基材１の内周面の温度から推測することが可能である。

金属基材１および形成された溶融皮膜５を冷却後、筒状外枠体２を取り外す。
なお、金属基材１の外周面に対して溶融皮膜５が強固に接合していること、筒状外枠体２が、粉末３との反応性を有しない非磁性材料から構成されることから、筒状外枠体２は容易に取り外すことができる。

本発明の方法によって形成された溶融皮膜５（自溶合金皮膜）は、内部に気孔のない緻密な皮膜であり、拡散接合層を介して、金属基材１の外周面に対して強固に接合されている。
本発明の形成方法により自溶合金皮膜が形成されてなる金属製品は、搬送ロール、ワークロール、ガイドロールなどの各種ロール材、耐食性伝熱管などとして好適に使用することができる。

（１）第１工程：
外径（Ｄ₁）＝６３．５ｍｍ、肉厚＝７．５ｍｍ、長さ＝７００ｍｍのボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管の外周面に、自溶合金（ＪＩＳＨ８２６０，コード番号２．１４，溶射ガス温度＝３０００℃）を溶射（１パス）して、厚さ８０μｍの溶射皮膜を形成した。
次いで、この溶射皮膜に、ホウ砂をメタノールに分散させて調製したフラックスを塗布して乾燥した。

（２）第２工程：
図１に示したような装置を使用して第２工程を実施した。
金属基材１の外周面の周りに、外径（Ｄ₂）＝１０２ｍｍ、内径（ｄ₂）＝７４ｍｍ、長さ＝５００ｍｍの筒状外枠体２（ＳＣスリーブ）を装着し、金属基材１の外周面に形成された溶射皮膜と、筒状外枠体２の内周面とで囲まれる空間に自溶合金（ＪＩＳＨ８２６０，コード番号２．１４）の粉末３を充填し、筒状外枠体２の外側に配置した高周波誘導加熱コイル４（誘導加熱手段）によって金属基材１を加熱し、この金属基材１からの伝熱によってこの粉末３を加熱して溶融させることにより、金属基材１の外周面（両端から３０ｍｍの範囲を除く）に、当該自溶合金による厚さ５．２５ｍｍの溶融皮膜５を形成した。
ここに、加熱条件としては、出力＝６０〜６５Ｗ、誘導加熱コイル４の移動速度＝１ｍｍ／秒とした。また、金属基材１の内周面で測定した温度から推測される加熱温度は１０５０〜１０８０℃である。
金属基材１および形成された溶融皮膜５を冷却後、筒状外枠体２を取り外し、金属基材１の外周面に形成されている溶融皮膜５を観察したところ、内部に気孔の少ない緻密な皮膜であった。また、この溶融皮膜５は、拡散接合層を介して、金属基材１の外周面に対して強固に接合されていた。

１金属基材
２筒状外枠体
３自溶合金の粉末
４高周波誘導加熱コイル
５溶融皮膜（自溶合金皮膜）
６下受治具
７位置合わせ用凸部

Claims

３ｍｍ以上の膜厚を有する自溶合金の溶融皮膜を金属基材の外周面に形成する方法であって、
前記金属基材の外周面に厚さ５０〜２００μｍの自溶合金の溶射皮膜を形成し、この溶射皮膜にフラックスを塗布する第１工程と、
前記金属基材の外周面に形成された溶射皮膜に対して、その内周面を離間させた状態で、非磁性材料からなる筒状外枠体を前記金属基材の周りに装着し、前記金属基材の外周面に形成された溶射皮膜と、前記筒状外枠体の内周面とで囲まれる空間に自溶合金の粉末を充填し、前記筒状外枠体の外側に配置した誘導加熱手段によって前記金属基材を加熱し、当該金属基材からの伝熱によって前記自溶合金の粉末を加熱して溶融させることにより、当該自溶合金の溶融皮膜を形成する第２工程とを含むことを特徴とする自溶合金皮膜の形成方法。
前記金属基材が、鋼鉄製の中空または中実の円柱状物であることを特徴とする請求項１に記載の自溶合金皮膜の形成方法。
前記フラックスがホウ砂を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の自溶合金皮膜の形成方法。