JPH02250906A - 表面被覆金属の製造方法 - Google Patents

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］ 本発明は表面被覆金属の製造方法に係り、さらに詳しく
は耐食性、耐高温腐食性、耐酸化性、耐摩耗性などの特
性を有する層で金属の表面を被覆する方法に関するもの
である。

［従来の技術］ 近年、産業の進歩と技術の発展により材料はますます厳
しい環境で使用されるようになってきた。例えば、エネ
ルギー資源開発では生産流体中に硫化水素や炭酸ガスを
多量に含む石油や天然ガス（いわゆるサワーオイルやサ
ワーガス）が開発されているが、開発に使用される油井
管やラインパイプなどの材料として低合金鋼では腐食や
割れを起こすため、ハステロイＣ−２７６やインコネル
６２５（いずれも商品名）といったニッケル合金が既に
使用されている。しかし、これら合金は非常に高価であ
ることが大きな難点である。従って、構造材の表面にの
みこれら合金を合わせ材として使用し、強度は下地の金
属（例えば低合金鋼）で確保するいわゆるクラツド鋼の
使用が考えられた。

クラツド鋼はその形状が管の場合には継目無管或いは溶
接管として、形状が板の場合には圧延板として種々の製
造方法が確立または提案されている。しかし、いずれも
製造プロセスが複雑で歩留りが悪いという難点に加えて
、ハステロイＣ−２７６やインコネル６２５といったニ
ッケル合金を合わせ材とするクラツド鋼、なかでもクラ
ツド鋼管は製造が非常に困難であって未だ実用化されて
いない。本発明者等の研究によればその理由は、これら
合金の熱間加工時の変形抵抗が母材となる低合金鋼や炭
素鋼のそれに比べて著しく大きいため、熱間圧延などの
通常の製造プロセスでは合わせ材と母材とを均一に加工
できず、両金属が独立に変形するので接合することが難
しいことにあると考えられる。

一方、バルブのスピンドル部や往復動型ポンプのピスト
ンおよびシリンダーなどの摺動部、あるいはスラリー輸
送用パイプといった部材では耐摩耗性が必要であるため
、例えばステライト合金（商品名）などが、肉感あるい
は溶射されて使用されている。さらに、高温で使用され
る圧力容器や鋼管には例えばＮ　ｉ−Ｃｒ合金やＮ　ｉ
−Ｃｒ−Ａ　Ｉ−Ｙ合金やＣｏ−Ｃｒ−Ａ　Ｉ−Ｙ合金
といった耐酸化性材料が、肉盛あるいは溶射によって被
覆される場合がある。しかし、これらはいずれも最終製
品に対して肉感あるいは溶射されるため非常にコストの
高いものとなっている。加えて、小径バイブの内面とい
った狭い部分には被覆できないと言う難点を有している
。

ところで、熱間静水圧プレス法は従来からよく知られた
技術であって、この方法を利用したクラッド製品の提案
もなされている。例えば、特開昭６１−２２３１０６号
公報には、高合金粉末を粉末の固相線温度以上に加熱す
ると共にガス加圧して能率よく高合金クラッド製品を製
造する方法が開示されている。しかし、この方法をはじ
めとして従来報告ないしは提案されている熱間静水圧プ
レス法を利用したクラッド製品の製造方法は何れも最終
製品に被覆するものであったため、コストが高く、かつ
大型製品や長尺品（例えば１２ｍ長さ）の製造はてきな
いという難点を有していた。

また、特開昭６１−１９０００７号公報および特開昭６
１−１９０００８号公報には、それぞれ厚肉の可鍛性金
属円筒およびくれと径を異にする薄肉金属円筒によって
構成されるカプセル内に粉末を充填して密閉し、これを
冷間等方静水圧によって加圧して、粉末を圧縮してビレ
ットを作り、これを熱間押出し加工する方法、また、同
心円筒状をなす内外２重壁を有するゴムまたは類似物質
の容器内に、可鍛性金属の円筒材料を一方の容器壁に密
着させて収容すると共に、他方の容器壁と上記円筒材料
との間に粉末材料を充填して密閉し、これを冷間等方静
水圧によって加圧し、この容器から取り出した材料をビ
レットとして熱間押出しする方法が開示されている。こ
れらの方法によっても、前述したハステロイＣ−２７６
やインコネル６２５といったニッケル合金等の変形抵抗
の大きな材料の被覆層を形成して熱間加工した場合、母
材との密着が弱いため母材からの剥離や被覆層の割れの
発生という難点は解消されるものではない。

これに対し本発明者らは、特願昭６３−４０６４４号に
おいて、金属素材の表面に、他種金属の粉末を該他種金
属の固相線温度以下でガス圧を負荷する熱間静水圧プレ
ス（以下ＨＩＰという）によって被覆層として形成せし
めた後に、熱間加工を施して延伸する方法、さらに被覆
層として形成せしめた後に溶体化処理を施して熱間加工
を施して延伸する方法、あるいは均熱処理を加えた後直
ちに熱間加工を施して延伸する方法などを提案している
。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、耐食性、耐高温腐食性、耐酸化性、耐摩耗性
など表面被覆が目的とする特性を母材に具備せしめた材
料を、−段と安価にかつ容易に製造する方法を提供する
ものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明者等は上記の目的を達成するべく、その後も種々
実験と検討を重ねた結果、ついに他種金属の粉末をまず
金属素材（母材）の表面に冷間で成形しかつ固着せしめ
てから真空中で該他種金属粉末層の表面近傍のみを溶融
させ、次いで凝固させた後に熱間静水圧プレスすること
によって被覆層を形成する方法を見出すに至った。かか
る方法によれば熱間静水圧プレスのための密閉容器が不
要であることから、密閉容器の製造・組立て、真空密閉
、および熱間静水圧プレス後の密閉容器の除去といった
プロセスが不要になる。また、かかる方法で形成せしめ
た被覆層は熱間加工に対して充分な熱間熱間加工性を持
ち、被覆層（合わせ材）と金属素材（母材）との間には
充分な接合強度が付与されることがわかった。従って、
表面被覆金属を一段と安価に、迅速に、かつ容易に製造
することが可能である。

さらに本発明者らは真空中で該他種金属粉末層の表面近
傍のみを溶融させる手段について種々検討した結果、電
子ビームおよび高出力レーザーが適していることを見い
だした。高出力レーザーとしては、炭酸ガスレーザーや
ＹＡＧレーザーなどを用いることができる。レーザーは
真空系外に設置し、真空容器に設けたレーザービーム導
入窓を介して他種金属粉末層の表面近傍に照射すれば良
い。

本発明者らは金属素材の表面に他種金属の粉末を冷間で
固着せしめる方法を検討した結果、冷間プレスあるいは
冷間静水圧プレスが上記の目的に適していることも見い
だした。一方他種金属の粉末を冷間で固着せしめた後の
該他種金属粉末層の空孔率を３０９６以下としておくと
、次の熱間静水圧プレスが効率的に行なえること、また
真空中において該他種金属粉末層の表面のみを溶融させ
直ちに凝固させるに際し、雰囲気の圧力を１　ｘ　１０
−’Ｔｏｒｒ以下にしておくと熱間静水圧プレス後の被
覆層の熱間加工性が一段と良くなることを見いだした。

本発明は上記の知見に基づいてなされたものでその要旨
とするところは、金属素材の表面に他種金属の粉末な冷
間で固着せしめかつ粉末層として形成せしめた後に真空
中において該他種金属粉末層の表面近傍のみを溶融させ
直ちに凝固させて表面近傍のみを緻密化させた後に真空
外へ取り出し、該他種金属の固相線温度以下で３００　
ｋｇ／ｃｍ２以上のガス圧力を負荷する熱間静水圧プレ
スによって被覆層として形成せしめ、熱間加工を施して
延伸することを特徴とする表面被覆金属の製造方法にあ
り、さらに上記方法において、他種金属粉末層の空孔率
が３０を以下にまで冷間で低減すること、冷間ブレスも
しくは冷間静水圧プレスで他種金属の粉末を固着せしめ
かつ粉末層として形成せしめること、雰囲気の圧力がＩ
　Ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒ以下の真空中で他種金属粉末層
の表面近傍のみを溶融させ直ちに凝固させて表面近傍の
みを緻密化させること、電子ビームもしくは高出力レー
ザーで他種金属粉末層の表面近傍のみを溶融させ直ちに
凝固させて表面近傍のみを緻密化せること、他種金属粉
末層の表面近傍を０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下の深さに溶
融すること、を随時組み合せ適用した表面被覆金属の製
造方法にもある。

ここで「母材」となる金属素材および「合わせ材」とな
る他種金属の種類については格別に制限されるものでは
なく、例えば金属素材としては炭素鋼、低合金鋼、ステ
ンレス鋼、ニッケル及びニッケル合金、コバルト及びコ
バルト合金、チタン及びチタン合金などが挙げられる。

一方、合わせ材としては耐食性、耐高温腐食性、耐酸化
性、耐摩耗性などの機能のうち、必要な機能に応じて選
択すればよく、例えばハステロイ、ステライト。

Ｎｉ−Ｃｒ合金、ステンレス鋼、Ｆｅ基超超合金ニッケ
ル及びニッケル合金、コバルト及びコバルト合金、チタ
ン及びチタン合金などを挙げることができる。

以下本発明の詳細な説明する。

［作用］ まず本発明においては金属素材の表面に他種金属の粉末
を冷間で固着せしめるのであるが、他種金属は粉末を用
いて、例えば第１図に示す要領で金属素材ｌと他種金属
粉末２とを容器３内に充填し、ついで冷間で容器の外部
から圧縮して他種金属粉末を凝集させるとともに予備成
形し、他種金属粉末層を金属素材の表面に固着せしめる
。このとき容器内は必ずしも真空である必要はなく、大
気ままでも良い。勿論真空としても良い。冷間で固着せ
しめる方法としては、例えば冷間ブレスあるいは冷間静
水圧プレスなどを通用することができる。冷間での固着
を冷間静水圧プレスで行なう場合には、容器内は密閉す
る必要がある。なお、本発明において冷間とは金属素材
および他種金属に再結晶温度以下を指す。容器は必ずし
も剛性の高いものである必要はなく、他種金属粉末の充
填と冷間での固着に際し取扱いに支障のない程度に軟ら
かい材料であって良い。

次に真空中において、第２図に示されるように他種金属
粉末層の表面近傍４のみを溶融させ直ちに凝固させるの
であるが、この結果として後の１２時に他種金属粉末層
に静水圧を有効に作用させることが可能になる。表面近
傍のみを溶融させるのは、あまりに深い部分まで溶融さ
せると凝固組織が粗大となって凝固時に成分元素の偏析
を生じ、熱間加工に支障をきたすからであり、一方）１
１Ｐのためには表面近傍のみが溶融と凝固によって緻密
化されていれば良いからである。溶融深さが０．３ｍｍ
未満では緻密化された領域がＨＩＰ時の変形によって破
断され他種金属粉末層に静水圧を有効に作用させること
ができなくなり、溶融深さを５ｍｍを超えて大きくして
も緻密化層の効果はもはや飽和しているばかりか、上記
の理由により熱間加工性が低下するのである。後の熱間
加工の観点からは溶融深さは小さいほうが好ましい。他
種金属粉末層の表面近傍４のみを溶融させ直ちに凝固さ
せるに際しては、他種金属粉末層が露出している表面は
全面を溶融させ直ちに凝固させる必要があり、そうしな
いと旧Ｐが不充分となって他種金属の被覆層が欠陥の多
いものとなってしまう。

凝固後の凝固組織を細かくし成分元素の偏析をできるだ
け少なくするためには、凝固速度を大きくすることが好
ましい。かかる目的に対しては、たとえば電子ビームや
高出力レーザーなどを使用することができる。

後の工程において熱間加工を良好に行なうためには被覆
層の熱間加工性を確保しなければならないた、そのため
には上記溶融・凝固を行なう際の真空が真空度の高い、
すなわち雰囲気の圧力が低いほど好ましい。雰囲気の圧
力が１　ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒ以下であれば良好な熱間
加工性を有する被覆層を旧Ｐによって形成することがで
きる。

一方、）ＩＩＰを効果的に行なうためには、冷間で固着
された他種金属粉末層の相対密度が高いほどよく、空孔
率が３０を以下であれば旧Ｐを効率的に行なうことが可
能であり、併せて、良好な熱間加工性を有する被覆層を
ＨＩＰによって形成することができる。

良好な熱間加工性を有する被覆層を得る目的のためには
、ＨＩＰは充分高い温度と圧力において充分長い時間性
なうことが重要である。

ＨＩＰ温度は母材金属と合わせ材金属の稲類によって異
なるが、熱間加工性を良好に保つためには両方の金属の
固相線温度より低い温度でなければならない。それは、
固相線温度を超えると冷却時に成分元素の偏析を生じ、
次の工程に於ける熱間加工性が著しく低下するからであ
る。ただし、１（ＩＰ待時間短縮するには、上記温度範
囲内で出来るだけ高い温度とすることが有効である。一
方、ＨＩＰ圧力は高いほど旧Ｐ温度・時間を減少できる
が、３００　ｋｇ／ｃＩ１１２未満の圧力では旧Ｐ温度
・時間をいかに選択しても他種金属粉末被覆層の焼結が
不充分で熱間加工性を確保できないので、熱間加工性を
良好に保つためには３００　ｋｇ／ｃｍ２以上の旧Ｐ圧
力とする必要がある。

次に本発明においては被覆層形成後熱間加工を行なうの
であるが、上記の条件で被覆層を形成した場合には複合
材であっても通常と同様にして熱間加工することができ
る。本発明における熱間加工の目的は被覆した金属素材
を延伸することによって長尺の表面被覆金属を製造した
り、或いは複雑な形状の表面被覆金属を製造することに
有り、製品の形状に応じて熱間圧延、熱間鍛造、熱間押
出などの熱間加工法を適用することができる。

尚、本発明において熱間加工とは母材である金属素材及
び合わせ材である被覆金属が成型等の目的で通常加工さ
れる温度範囲での加工を指すが、加工温度の選定に際し
ては母材及び被覆層の両方に対して適切な温度を選定す
る必要がある。

本発明においては金属素材の形状が板或いはバイブの場
合には被覆層を一つの面、例えば板の上面、バイブの内
面、パイプの外面としても良く、両面即ち板の上・下両
面、パイプの内・外内面とすることも可能である。製品
が使用される状況に応じて、−面あるいは両面のうち適
切なほうを選択すれば良い。

その地熱間加工を行なった後に、例えば母材の強度、靭
性等を調質する目的で行なう焼き入れ、焼き戻し、焼き
ならし等の熱処理、被覆層の耐食性を更に改善させる目
的で行なう溶体化熱処理や焼き鈍し等の熱処理、製品の
形状を調整するなどの目的で行なう冷間加工など必要に
応じてさらに他の加工を加えることもできる。いずれも
必要な強度、靭性、耐食性等に応じて選択することがで
きる。

本発明は腐食性物質に対する抵抗を必要とする製品、高
温酸化に対する抵抗を必要とする製品及び耐摩耗性を必
要とする製品などを製造するために応用することができ
、例えば管、容器、板および棒など種々の形状、に応用
することができる。あるいはさらに成形、溶接などを行
なって製品を製造するための素材として使用することも
可能であることはいうまでもない。

以下に本発明の実施例について説明する。

［実施例］ 実施例１ 第１表に示す材料及び製造条件で熱間加工に供する素材
を製造した。ここで、本発明例４１〜３は中空ビレット
の内面に被覆層を形成した例、本発明例五４〜６は中空
ビレットの内外面に被覆層を形成した例、本発明例五７
，８はスラブの上面に被覆層を形成した例、本発明例＆
９．１０はスラブの両面に被覆層を形成した例、本発明
例Ａｌｌは丸棒の外面に被覆層を形成した例である。い
ずれも被覆層用の金属粉末を冷間で固着せしめた後に真
空中で該他金属粉末層の表面近傍のみを溶融凝固させ、
さらに熱間静水圧プレスによって被覆層として形成せし
めた。各々の形状を第３図、第４図、第５図、第６図及
び第７図にそれぞれ示す。

第３図は中空ビレット５の内面に被覆層６を形成した例
である。第４図は中空ビレット５の内面及び外面に被覆
層６を形成した例である。第５図はスラブ７の上面に被
覆層６を形成した例である。

第６図はスラブ７の上面および下面に被覆層６を形成し
た例である。第７図は丸棒（中実ビレット）８の外面に
被覆層６を形成した例である。

一方、比較例五１２〜１３は合金粉末を冷間で中空ビレ
ットの内面に固着した後そのままＨＩＰ　シた例であり
、また比較例＆１４．１５は他種金属として管あるいは
板を用いて組み立て、ビレットあるいは組み立てスラブ
を製造した後に熱間加工する従来法である。なお、熱間
加工としてビレットでは熱間押出を、スラブでは熱間圧
延を行なった。

次にこれらの材料を第２表に示す条件で熱間加工して表
面被覆金属を製造した。その結果を第２表に合わせて示
す。また良好に熱間加工できたものについては、各種試
験を行なった結果も併せて第２表に示した。第２表で曲
げ試験はＪＩＳ　Ｇ　０６０１およびＪＩＳ　Ｚ　３１
２４に準じて行ない、超音波探傷試験ハＪＩｓ　Ｇ　０
６０１およびＪＩＳ　Ｚ　３１２４＆：準じて行ナッた
。第２表中の曲げ試験結果でＯは割れ、剥離とも発生し
なかったことを示す。

第２表のうち比較例である＆１２．１３はいずれも被覆
層に微小割れを生じている。また、比較例の＾１４．１
５は金属素材（母材）と他種金属（合わせ材）とが均一
に加工されず、ましてや両者を接合することもできなか
ったものである。

これに対して本発明に従って製造した例４１〜１１の各
材料は曲げ試験特性に優れており、超音波探傷試験でも
非接合部などの欠陥は全く検出されなかった。また、熱
間加工後功断面のミクロ観察結果から、被覆層には気孔
は全くなく、かつ均一で良好な接合界面が得られている
ことが確かめられた。

［発明の効果コ 以上述べたように本発明によれば優れた特性を有する表
面被覆金属を安価にして容易に製造することが可能であ
り、産業の発展に貢献するところ極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は金属素材の表面に他種金属の粉末を固着するた
めの冷間予備成形における充填要領を示す断面図である
。第２図は真空中で溶融・凝固させる他種金属粉末層の
表面近傍の相対的位置関係を示す断面図である。第３図
、第４図、第５図。 第６図及び第７図はいずれも本発明方法に従う加工素材
の積層要領を示す断面図である。 １・・・金属素材、２・・・他種金属粉末、３・・・容
器、４・・・溶融・凝固させる部分、５・・・中空ビレ
ット、６・・・被覆層、７・・・スラブ、８・・・中実
ビレット。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属素材の表面に、他種金属の粉末を冷間で固着せ
   しめかつ粉末層として形成せしめた後に真空中において
   該他種金属粉末層の表面近傍のみを溶融させ直ちに凝固
   させて表面近傍のみを緻密化させた後に真空外へ取り出
   し、該他種金属の固相線温度以下で３００ｋｇ／ｃｍ＾
   ２以上のガス圧を負荷する熱間静水圧プレスによって被
   覆層として形成せしめ、熱間加工を施して延伸すること
   を特徴とする表面被覆金属の製造方法。 ２、他種金属粉末層の表面近傍のみを溶融させ直ちに凝
   固させる手段が電子ビームである請求項１記載の表面被
   覆金属の製造方法。 ３、他種金属粉末層の表面近傍のみを溶融させ直ちに凝
   固させる手段が高出力レーザーである請求項１記載の表
   面被覆金属の製造方法。 ４、他種金属粉末層の表面近傍のみを溶融させ直ちに凝
   固させるに際し、溶融深さが０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下
   である請求項１、２または３記載の表面被覆金属の製造
   方法。 ５、金属素材の表面に他種金属の粉末を冷間で固着せし
   める手段が冷間プレスである請求項１、２、３または４
   記載の表面被覆金属の製造方法。 ６、金属素材の表面に他種金属の粉末を冷間で固着せし
   める手段が冷間静水圧プレスである請求項１、２、３ま
   たは４記載の表面被覆金属の製造方法。 ７、金属素材の表面に他種金属の粉末を冷間で固着せし
   めた後の該他種金属粉末層の空孔率が３０％以下である
   請求項１、２、３、４、５または６記載の表面被覆金属
   の製造方法。 ８、真空中において該他種金属粉末層の表面のみを溶融
   させ直ちに凝固させるに際し、雰囲気の圧力が１×１０
   ＾−＾３Ｔｏｒｒ以下であることを特徴とする請求項１
   、２、３、４、５、６または７記載の表面被覆金属の製
   造方法。