JPH02121784A - クラッド管の製造方法 - Google Patents

クラッド管の製造方法

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JPH02121784A
JPH02121784A JP27554488A JP27554488A JPH02121784A JP H02121784 A JPH02121784 A JP H02121784A JP 27554488 A JP27554488 A JP 27554488A JP 27554488 A JP27554488 A JP 27554488A JP H02121784 A JPH02121784 A JP H02121784A
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JP
Japan
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pipe
tube
stainless steel
clad
constituting
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JP27554488A
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Hiroshi Teranishi
寺西 洋志
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Nippon Steel Corp
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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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】 (産業上の利用分野) 本発明は、優れた高温強度を具備し、しかも管を構成す
る異種材料間の接合性に優れたステンレス鋼とTi或い
はZrとからなるクラツド管の製造方法に関するもので
ある。
(従来の技術) 例えば、高速増殖炉用燃料被覆管、化学工業用熱交換器
管、ボイラーの過熱器管等の高温高圧環境で使用される
管材は、主としてステンレス鋼が使用されている。この
中でも高速増殖炉用燃料被覆管には、5US316ステ
ンレス鋼が多く使用されているが、Pu01 00g燃
料の燃焼が進むと1.Cs等の核分裂性元素が発生し、
これらの元素は酸素が共存すると5tlS 316ステ
ンレス鋼燃料被覆管の腐食を促進する。この現象はFC
CI (Fuel C1ad Che*1cal In
teraction)として知られている。
このPCCIを防止するには、共存酸素を取り除くのに
効果の高いCr、 VSNb、 Ta、 Ti%Zr等
を管の内面に被覆するのが有効であるとされ、例えば、
fuel pinにNbをコーティングした例が報告さ
れている(Juornal of Nuclear M
aterials 89(1980)P。
7l−79) 、また、Tiをイオンブレーティング法
でSUS 316ステンレス鋼燃料被覆管の内面に被覆
したものは、FCCIの抑制が可能であるとの例も報告
されている(高速増殖炉研究開発の現状、動力炉・核燃
料開発事業団、昭和62年、PI3−13) 。
しかし、燃料被覆管は細径で長尺(例えば、外径6.5
m霞×内径5.5mm X長さ3000mm)であるた
め、その内面にイオンブレーティング法のような物理的
な方法でTiを均一に被覆することは技術的に困難であ
り、これを実生産に応用することも経済的に不利である
一方、外管がステンレス鋼で内管がTiまたはTi合金
(以下これらをTiクラツド管と総称する)或いはZr
またはZr合金(以下これらをZrクラツド管と総称す
る)で構成されたTiクラツド管やZrクラツド管も高
速増殖炉用燃料被覆管に使用することが可能である。こ
れらTiクラツド管やZrクラツド管の場合は、予め管
として製造されたものを嵌合するのであるから、ステン
レス鋼管の内面の全長にわたってTiやZrを均一に被
覆することが可能である。しかし、Tiクラツド管では
熱処理温度が高くなると接合界面にFe−Ti金属間化
合物が生じて脆弱化したり、1100°Cを超える温度
では共晶を生じて溶解するという問題があって、熱処理
温度が大きく制約される。そのために、クラツド管はS
[l3316ステンレス鋼燃料被覆管と比べて高温強度
に劣る。
高速増殖炉用燃料被覆管に使用される材料は、高温での
内圧に耐えるために高いクリープ破断強度が要求される
。クリープ破断強度は最終溶体化温度が高い程、高くな
る0通常、SUS 316ステンレス鋼燃料被覆管では
、必要なりリープ破断強度を得るためには、少なくとも
1050〜1100’Cの最終溶体化温度が必要である
。仮に、SOS 316ステンレス鋼燃料被覆管の内面
にTiを被覆することができたとしても、前記のような
高い温度で溶体化処理すればPe−Ti金属間化合物が
生成して脆弱化したり共晶による溶解が生じる恐れがあ
るために、Tiを内面に被覆した品質に優れるSUS 
316ステンレス鋼燃料被覆管を製造することができな
い、このことはZrについても同様である。
このようなTiやZrとステンレス鋼の構成元素のFe
、 Niとの反応を抑制するには、■、Nb、、Cr、
Ta等のTi、 Zr、 Fe、 Niのいずれの元素
にも固溶する元素をTi或いはZrとステンレス鋼との
間に介在させるのが有効である。板の製造分野では、■
またはNbをFeとTi合金との間に介在させてクラツ
ド鋼板を製造する例が知られている。(例えば、JOU
RNAL OF METALS November 1
986 P、44−46 )。
しかし、細径長尺の管において、内管と外管の間に上記
のような元素の層(インサート材)を均一に介在させる
ことは極めて難しい、その一つの対策として、本願出願
人が先に提案したのが金属箔の薄膜テープを介在させる
方法である(特開昭57−14415号)。
この先願発明は、内管を構成する金属の棒体の表面にイ
ンサート材の薄膜テープをスパイラル状に巻き付け、こ
れを外管を構成する金属管に装入してクラツド化する方
法であるから、ステンレス鋼の外管とTi或いはZrの
内管との間にインサート材を確実に介在させることがで
きる。しかし、この方法は能率が悪い上に薄膜テープを
巻き付けたTi或いはZrの内管をステンレス鋼の外管
内側に装入したときに、接合面間に空気が残留し、加熱
により金属接合させる際に酸化を生じ、健全な金属接合
が得られないという問題がある。この問題を回避するに
は真空中で脱気して両管端をシール溶接する必要があり
、製造工程が増す難点がある。
インサート材を形成する方法としては、真空蒸着やイオ
ンブレーティングという方法も考えられる。しかし、こ
れらの方法は、細径管の内面の被覆が原理的に困難であ
るということの外に、長尺材を能率よく処理するには複
雑な専用装置を必要とする等の問題があって、実用技術
としては採用し難い。
このように、5IIS 316ステンレス鋼燃料被覆管
内面に、耐食性を高めるのに有効なTi或いはZrをク
ラッドするにしても上記するような多くの問題がある。
一方、燃料被覆管はその表面は液体ナトリウムで冷却さ
れているために腐食が発生する。
この表面腐食を抑制するには、同様のTi或いはZrを
SO5316ステンレス鋼燃料被覆管の表面にもクラッ
ドするのが有効であるが、この場合にも、上記と同じ問
題がある。
(発明が解決しようとする課題) 本発明の課題は、高温高圧環境で使用されるステンレス
鋼管の耐食性を高めるのに有効なTi或いはZrをその
内面、或いは内外面にクラッドする場合において、クラ
ツド材界面での金属間化合物の生成を抑制して硬脆化を
防止し、かつ低融点共晶の生成を防止して、溶体化処理
温度の制約をなくすることにある。
本発明の直接の目的は、クリープ破断強度等の優れた機
械的性質を具備した接合性に優れるステンレス鋼とTi
或いはZrとからなる高速増殖炉用燃料被覆管に好適な
りラッド管の製造方法を提供することにある。
(課題を解決するための手段) ここに本発明の要旨は、下記の■および■にある。
■外管を構成するステンレス鋼管材の内面または/およ
び内管を構成するTi管材或いはZr管材の外面に、C
r、 Nb、、V、 Taの1種以上を厚さ5μ鋼以上
被覆し、次いで、前記ステンレス鋼管材の内側にTi管
材或いはZr管材を装入して接合することを特徴とする
クラッド二重管の製造方法。
■外管を構成するTi管材或いはZr管材の内面、内管
を構成するTi管材或いはZr管材の外面または/およ
び中間管を構成するステンレス鋼管材の外面または/お
よび内面に、Cr、 Nb、■、Taの1種以上を厚さ
5μm以上被覆し、次いで、前記外管を構成するTi管
材或いはZr管材の内側に中間管を構成するステンレス
鋼管材を、更に該ステンレス鋼管材の内側に内管を構成
するTi管材或いはZr管材を装入して接合することを
特徴とするクラッド三重管の製造方法。
上記の本発明において、ステンス管材というのは、SO
5316をはじめとして、5tlS 321.5US3
47、SO3310S、 Ti管材とは、純Ti、 T
i合金、Zr管材とは、純Zr、 Zr合金等である。
本発明においては、上記二重管の製造では、外管を構成
するステンレス鋼管材の内面に、Cr、 Nb、■、T
aの1種以上のインサート材を被覆する場合は、化学的
蒸着法(CVtl法)が推奨される。前記のとおり、細
径長尺のクラツド管の製造において、難しいのは管内外
面に均一にインサート材を施すことである。特に、内面
には蒸着やイオンブレーティングのような物理的方法に
よる被覆ができないが、化学的蒸着法ではガス状のハロ
ゲン化合物としてインサート材を被覆することができる
ので、対象物の幾何学的形状の制約が小さく、細径長尺
管の内面にも容易に被覆することができる。即ち、イン
サート材のハロゲン化合物(例えば、TiCf4、VC
Z、、Nbczs、CrCj!n等)を高温でガス化し
て水素ガス等の還元性ガスとともに管の内部に供給すれ
ば、インサート材(Ti、 V、 Nb、、Cr等)は
管の内表面に均一に析出するのである。また、反応温度
、時間、ガス濃度などの処理条件を調整することで被覆
厚みも精度よくコントロールすることができる。
一方、内管を構成するTi管材或いはZr管材の外面に
インサート材を被覆する場合、その方法には特に制約は
なく、化学的蒸着法、イオンブレーティング法、真空蒸
着法のいずれでも採用できる。
また、三重管の製造では、外管を構成するTi管材また
はZr管材、中間管を構成するステンレス管材の内面に
インサート材を被覆する場合は、上記と同じ理由で化学
的蒸着法によるのがよい、一方、内管を構成するTi管
材或いはZr管材および中間管を構成するステンレス鋼
管材の外面にインサート材を被覆する場合は、化学的蒸
着法、イオンブレーティング法および真空蒸着法のいず
れでもよい。
インサート材の被覆は、外側になる管の内面または内側
になる管の外面の何れかに施せば足りる。
しかし、必要に応じてその両面に施してもよい。
例えば、三重管の中間になるステンレス鋼管材には、化
学的蒸着法で、内外面同時にインサート材を被覆しても
よい。
(作用) インサート材としてCr、 V、Nb5Taの1種以上
を使用することで金属間化合物の生成による硬脆化およ
び共晶による溶解を防止することができる。
いま、ステンレス鋼とTiのクラツド管を例にとれば、
これらを冶金的に結合させるとステンレス鋼の構成元素
であるFeとTiとは、周知のFe−Ti状態図から明
らかなように、Fe−30wt%Tiの組成では108
6°Cで共晶を生じる。また、接合部ではFe −Ti
の組成に応じε相、ζ相等の硬跪化相が現れる。
しかし、チタンとステンレス鋼との間にインサート材と
してVを介在させた場合には、TiとVとステンレス鋼
の接合部において、Fe−V側では第1図のFe−V系
状態図に示すように融点は少なくとも1470°C以上
となり共晶による融点の低下は問題にならない、一方、
V−Ti側では第2図のTi−V系状態図に示すように
融点は最低でも1606°C以上である。また、Ti−
V系ではこれら元素は完全に固溶しあい金属間化合物を
形成することがない。
このように、ステンレス鋼とTiとの接合に■をインサ
ート材として用いれば、Tiとステンレス鋼を直接接合
させた場合の共晶点(1086°C)よりもFev系の
融点である1470°Cまで少なくとも400°C以上
高くなるので、従来よりも溶体化温度を高くとることが
できてクリープ破断強度の向上が図れるのである。
なお、Tiとステンレス鋼の接合に上記のV以外のCr
、 Nb、Taをインサート材として使用した場合でも
同じように共晶点を高めることができ、また金属間化合
物の生成を防止することができる。
また、Ti管材に替えてZr管材を使用し、上記のイン
サート材を被覆した場合も同様の効果が得られる。Zr
−ステンレス鋼の場合には、Fe −Zr共晶点は94
7°CとFe−Ti共晶点よりも低いが、V、Cr。
Nb、 Ta等をインサートすれば少なくとも1267
“C(V−Zr共晶温度)以上に融点を高めることがで
きる。
このような共晶反応による融解を防止する効果を十分に
得るには、介在させるインサート材を少なくとも5μm
以上被覆してやるのが望ましい、被覆厚みが5μm未満
では、軟化熱処理や溶体化熱処理時にTi或いはZrや
ステンレス鋼中のFeがインサート材中に拡散し、共晶
点を高める効果が減少するとともに金属間化合物(Fe
zTi、 FeZrz)が生成して硬脆化する。望まし
いインサート材の被覆厚みは、5μm以上、50μ麟以
下である。
なお、インサート材はCr、 Nb、 VSTaの2種
以上の合金であってもよく、また、これらが層状に重な
ったものであってもよい。
インサート材はクラッド二重管の場合には、外管を構成
するステンレス鋼管材の内面または/および外管を構成
するTi管材或いはZr管材の外面に上記のような方法
で所定厚み被覆する。その後ステンレス鋼管材の内側に
Ti管材或いはZr管材を挿入してこれらを接合するの
であるが、このとき、前記素材のステンレス鋼管材、T
i管材或いはZr管材は、最終製品寸法(外径、肉厚)
に近いステンレス鋼管、Ti管、Zr管であってもよく
、或いはこれらの材料の孔あきビレットであってもよい
そして、管形状の素材からは次のような方法でクラッド
二重管とすることができる。
即ち、化学的蒸着法でCr、 Nb、 V、 Taの1
種以上のインサート材をステンレス鋼管の内面に被覆し
、この内側にTi管或いはZr管(外面にインサート材
を被覆したものでも、そうでないものでもよい)を挿入
して、これを冷間抽伸又は冷間圧延して外管と内管を機
械的に密着させる。この冷間加工において良好な密着性
を得るには少なくとも5%以上の縮径加工を施すのが好
ましい0次いで、脱脂洗浄処理して清浄な管とした後、
800〜900°Cの温度で加熱し、外管とインサート
材と内管を冶金的接合させる。その後、とルガーミル或
いはHPTRミル等で冷間圧延を施し、1050〜11
50°Cで溶体化処理を行う、更にその後、中性子照射
によるスウェリング(膨れ)抵抗を得るために15〜2
5%の加工度で冷間抽伸を施し、所定の肉厚、外径、内
径、長さのクラッド二重管とする。
孔あきビレットからクラッド二重管とする場合は、イン
サート材を化学的蒸着法で内面に被覆したステンレス鋼
の孔あきビレットの内側にTi或Lし%は2「の孔あき
ビレット(外面にインサート材を被覆したものでも、そ
うでないものでもよい)を挿入し、Ti或いはZrの孔
あきビレ・ント内径を拡管加工で押拡げてステンレス鋼
の孔あきビレットとTi或いはZrの孔あきビレットを
機械的に密着させる。
次いで、1200°C程度の温度に加熱して熱間押出し
加工を施し、熱間素管を製造する。これを前記と同様に
冷間加工、溶体化処理、冷間抽伸して所定肉厚、外径、
内径、長さのクラッド二重管とする。
この孔あきビレットからスタートする方法は、インサー
ト材被覆の対象となる素材が短くなるから、処理装置が
簡略化できるという利点がある。
クラッド三重管の場合は、外管を構成するTi管材或い
はZr管材の内面、中間管を構成するTi管材或いはZ
r管材の外面に、または/および中間管を構成するステ
ンレス鋼管材の外面または/および内面にCr、 Nb
、 V、 Taの1種以上を厚さ5μ側以上被覆し、前
記外管を構成するTi管材或いはZr管材の内側に中間
管を構成するステンレス鋼管材を、更に該ステンレス鋼
管材の内側に内管を構成するTi管材或いはZr管材を
挿入し、先の二重管の場合と同じように加工して製造す
れば、共晶による溶解、金属間化合物の生成による硬脆
化を招くことなく、優れた耐食性と高温強度を具備した
接合性に優れたものとすることができる。ここでも、各
素材は、孔あきビレットであってもよい。クラッド三重
管は、例えば、ステンレス鋼の高速増殖炉用被覆管が、
その表面が冷却用の液体ナトリウムで腐食されるのを防
止するのに有効である。
以下、実施例により本発明更に説明する。
(実施例1) 外径710mm、肉厚: 0.9a++*、長さ: 1
000o+mの5OS316鋼管と、外径:8.1mm
、肉厚: 0.2mm、長さ21000m+wの純Ti
管および純Zr管を使用し、ステンレス鋼管の内面ない
し純Ti管又は純Zr管の表面に化学的蒸着法(CVD
)、もしくはTi管およびZr管の表面にCVO又は真
空蒸着法でV、 Cr、 Nb、 Taのいずれかを被
覆した。第1表に被覆法、外管に被覆したインサイド材
の種類および被覆厚みを示す。
次いで、ステンレス鋼管の内側にTi管或いはZr管を
挿入し、下記の(1)〜(6)の工程に従ってクラッド
二重管を製造した。
(1)冷間抽伸又は冷間圧延 10%の縮径加工度で外管と内管を密着(2)脱脂洗浄
処理 (3)加熱 800〜900°Cの温度で10分間加熱して外管とイ
ンサート材と内管を冶金的に接合 (4)冷間加工 ピルガーミル或いはIPTRミルで加工度42%で冷間
加工を施し、外径7.0■−X肉厚(外管肉厚0.51
+内管肉厚0.1m+m) X内径5.8mmの管に成
形 (5)溶体化処理 1100”CX 2分 (6)冷間抽伸 加工度24%で外径6.511IIa X肉厚(外管肉
厚0゜45m++m+内管肉厚0.05m+) X内径
4 、5mmのクラッド二重鋼管に成形 このようにして得られた二重クラツド管から試験片を採
取して、クリープ破断強度および剪断強度を調べた。そ
の結果を第1表に示す。また、符号Aの二重クラツド管
から冷間加工後および溶体化処理後にそれぞれ試験片を
採取して、接合状況を調べた。その結果を第3図および
第4図に示す。
(以下、余白) 第1表より明らかなように、比較例の符号りおよびNの
ようにインサート材を用いずに接合したものでは、溶体
化処理時に共晶により融解が起こり満足な製品とするこ
とができなかった。また、比較例の符号Mのようにイン
サート材の被覆厚みが本発明で規定する厚みより薄いも
のでは、溶体化処理時にところどころで共晶が生じ、部
分的に融解が起こり同様に満足な製品とすることができ
なかった。
これに対して、符号A−にの本発明方法で製造したクラ
ッド二重管は、加工度の高い冷間加工および冷間抽伸に
おいても接合部は剥離することなく、さらには高い温度
での溶体化処理でも共晶を生じることなく、接合部は割
れや剥離等のない健全なものである。また第3図(冷間
加工後のもの)および第4図(溶体化処理後のもの)の
顕微鏡写真で示すように、符号Aのクラッド二重管はそ
の接合面は健全で、割れ、剥離等がない。
(実施例2) 外径: 290INm、肉厚:35ml81長さ=50
011I11のステンレス鋼の孔あきビレットと、外径
: 219mm 、肉厚:32■、長さ: 500■の
Tiの孔あきビレットを使用し、ステンレス鋼の孔あき
ビレットの内面にCvOによりVを20μ膓被覆してT
iの孔あきビレットを挿入して合わせビレットを組み立
てた。この合わせビレットを拡管抽伸で加工して、Ti
の孔あきビレット内径を押拡げてステンレス鋼の孔あき
ビレットに機械的に密着させた0次いで、これを120
0℃の温度で熱閘押し加工を施して、外径50III1
1×肉厚(外管肉厚4II11+内管肉厚0.5+ug
) X内径41m−の熱間素管に成形した。その後、熱
間素管を冷間加工と軟化処理を繰り返して、外径: 7
.O+im、肉厚:(外管肉厚0.5■蒙+内管肉厚0
.1mm)、内径: 5.hmの管とし、これをHPT
Rミルで42%の加工度で冷間圧延し、1100°CX
2分の溶体化処理および24%の加工度で冷間抽伸を施
して、外径6.5mmX肉厚(外管肉厚0.45+ua
+内管肉厚0.05mm) X内径4.5tamのクラ
ッド二重管を製造した。
クラッド二重管は、製造中に剥離や共晶を生しることな
く、その結合を顕微鏡で観察したところ健全な結合であ
った。
(発明の効果) 以上説明した如く、本発明方法に従えば高い温度の溶体
化処理でも共晶による融解を起こすことなく且つ金属間
化合物を生成させることなくステンレス鋼とTiまたは
Zrのクラツド管を製造することができる。従って、本
発明方法で得られるクラツド管は、接合性、高温強度等
が優れたものとなるので、高速増殖炉用燃料被覆管に使
用しても十分な性能が発揮される。
【図面の簡単な説明】
第1図は、Fe−V系状態図、 第2図は、Ti−V系状態図、 第3図は、本発明の実施例1における符号Aのクラッド
二重管の冷間加工後の接合状態を示す金属組織の顕微鏡
写真、 第4図は、同符号Aのクラッド二重鋼管の溶体化処理後
の接合状態を示す金属組織の顕微鏡写真、である。 V(ψ尤九)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)外管を構成するステンレス鋼管材の内面または/
    および内管を構成するTi管材或いはZr管材の外面に
    、Cr、Nb、V、Taの1種以上を厚さ5μm以上被
    覆し、次いで、前記ステンレス鋼管材の内側にTi管材
    或いはZr管材を装入して接合することを特徴とするク
    ラッド二重管の製造方法。
  2. (2)ステンレス鋼管材の内面のCr、Nb、V、Ta
    の1種以上による被覆を、化学的蒸着法により行うこと
    を特徴とする特許請求の範囲第1項記載のクラッド二重
    管の製造方法。
  3. (3)外管を構成するTi管材或いはZr管材の内面、
    内管を構成するTi管材或いはZr管材の外面または/
    および中間管を構成するステンレス鋼管材の外面または
    /および内面に、Cr、Nb、V、Taの1種以上を厚
    さ5μm以上被覆し、次いで、前記外管を構成するTi
    管材或いはZr管材の内側に中間管を構成するステンレ
    ス鋼管材を、更に該ステンレス鋼管材の内側に内管を構
    成するTi管材或いはZr管材を装入して接合すること
    を特徴とするクラッド三重管の製造方法。
  4. (4)外管を構成するTi管材或いはZr管材、および
    中間管を構成するステンレス鋼管材の内面のCr、Nb
    、V、Taの1種以上による被覆を、化学的蒸着法によ
    り行うことを特徴とする特許請求の範囲第3項記載のク
    ラッド三重管の製造方法。
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