JPH04182023A - クラッド金属管の製造方法 - 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、母材の内面または外面または内・外両面に（
合せ材厚７合せ材外径）比で０．０２以下、（合せ材断
面積／全断面積）比で０．２５以下となる、具体的には
０．３〜０．０５ｓ＠厚の非常に薄い合せ材を接合した
クラッド金属管の製造方法に関する。

さらに具体的に言えば、耐食性に優れた形状記憶合金も
しくは金属間化合物合金から成るクラ。

ド金属管を製造する方法に関する。

（従来の技術） 従来、クラッド金属管は、主として母材の炭素鋼の耐食
性向上を狙って合せ材であるステンレス鋼またはＮｉ基
合金とのクラッド管を対象として熟間圧延または熱間押
出等の加工法により製造されている。また、一部爆着法
により製造されている。

特開昭５３−１９９５８号公報、特開昭５３−１４１５
５号公報、特公昭５Ｂ　−３４２３７号公報、特開昭５
８−１３４０４号公報参照。コスト・生産性から考える
と熱間圧延法が優れており、通常、穿孔圧延機、続いて
延伸圧延機を経る慣用の継目無管製造工程にて製造され
ている。

このような製造工程を経て製造されたクラッド管では、
合わせ材（断面積の大きい方を母材、断面積の小さい方
を合わせ材と呼ぶ）はせいぜい２−厚程度であって、そ
れより薄い厚さの合せ材を備えたクラッド管を製造する
ことは難しい。というのは、合わせ材を２＋Ｉ１１厚よ
り１＜シようとすれば、製造時（圧延時）合わせ材が破
断するという問題が発生するからである。

また、例えば、合わせ材厚が０．３１１Ｉｓ以下の薄い
クラッド管を得ようとすると、上記方法で得たクラッド
管の合わせ打倒を機械加工にて切削して製造することが
考えられる。しかし、通常圧延材の寸法精度としては良
くても±０．２１であるので、機械加工で切削すると合
わせ材が欠落する部分が発生するおそれがある。また、
切削加工は長尺の管内表面に施すことは不可能である。

従って、前記従来技術により合わせ材厚が０．３ＩＩ１
１以下というような非常に薄いクラッド管を製造するこ
とは困難である。

また、金属間化合物から成る金属管を通常の製管法（前
述のマンネスマン製管法や熱間押出法等）で製造すると
、材料に表面疵が発生する等の問題があった。従って、
これらにさらに他の金属材を接合してクラッド管とする
ことは困難であった。

（発明が解決しようとする課題） 前述のように、従来の製造方法では０．３〜０．０５−
一と非常に薄い合せ材を片面あるいは両面に接合したク
ラッド金属管を製造する方法は見い出されていなかった
。

したがって、本発明の一般的目的は、母材の内面、外面
または内・外面に例えば０．３〜０．０５ｍ＋ｗ厚の非
常に薄い合わせ材を接合したクラッド金属管の製造方法
を提供することである。

また、本発明のより具体的目的は、前記母材が金属間化
合物合金から成るクラッド金属管の製造方法を提供する
ことである。

ところで、化学プラント、熱交換装置等の配管には主と
してステンレス鋼管が使用されているが、局部腐食等に
より部分的に穴があく場合がある。

これに対しては、現状では全面的あるいは大部分の配管
の取替によって修理を行っているが、これでは、修理作
業費および材料費等が嵩み修理費が高くなるという点が
問題となっている。

しかし、現状では、配管の部分的な欠陥の修理に対して
有効な方法が見い出されておらず、したがって、部分的
な手直しが行える方法があれば簡便である。このための
現実的な一つの方法として、配管の内径よりも小さい形
状記憶合金管から成る管を腐食した部分まで持っていき
、形状を回復させて配管内面にこの管を張り付ける部分
修正を行う方法が提案されている。ところが、配管内を
流れる流体の種類によっては形状記憶合金では十分な耐
食性が保証されない。これを解決する方法として、片面
にステンレス鋼を合わせ材としたクラッド管を用いれば
高耐食性を有する形状記憶管となる。

したがって、本発明の別のより具体的目的は、片面もし
くは両面にステンレス鋼などの耐食性材料を合せ材とし
た形状記憶合金クラッド管の製造方法ならびにそれを利
用した配管の補修方法を提供することである。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明者は鋭意研究を重ねた
結果、以下に述べるような事項を確認し、それらに基づ
いて本発明を完成するに至った。

■薄い合せ材を備えたクラッド金属管を製造するには、
まず多層構造のクラッド材を製造した後、不必要な層（
部分）を例えば酸溶解によって除去することで目標とす
る（合セ材厚／合せ材外径）比で０．０２以下、（合せ
打所面積／全断面積）比で０．２５以下、具体的に言え
ば０　、３＋ａｍ以下の薄い合せ材を備えたクラッド管
を製造することができる。

切削などの機械的手段によらないために、必要な層を残
し不要な層のみを完全に除去できる。

■金属間化合物合金などの難加工材の場合、炭素鋼など
の軟加工材を用いて金属間化合物合金を被覆した状態で
加工することによって、表面疵等の欠陥発生を抑制して
金属間化合物の成形加工を容易に行うことができる。

■さらに、金属間化合物の合金であるＮｉＴｉ系形状記
憶合金とステンレス鋼またはＮｉ基合金とはクラッド化
が困難であるが、母材がＮｉＴｉ系形状記憶合金であっ
て、合せ材がステンレス鋼またはＮｉ基合金であり、必
要ならば中間材としてＴａまたはＮｂ層を介在せしめて
成るクラッド管構成材料は、その内外面を炭素鋼などの
軟加工材で被覆してから加工すると、容易にクラッド化
が可能となる。したがって、形状記憶合金の有する特性
とステンレス鋼などの有する優れた耐食性とを合わせて
利用することができ、配管の補修材としてはより苛酷な
腐食環境下で使用できる。

すなわち、上記した事項に基づいてなされた本発明は、
その一つの面からは、母材の内面または外面または内・
外両面に、例えば０．３　ｌｌ＋１１厚以下の合せ材を
接合したクラッド金属管を製造する方法において、母材
管の内面または外面または内−外両面に合せ材よりなる
管を積層してクラッド管素材とし、該クラッド管素材の
外面および内面を軟加工材で被覆してクラッド組立素棒
または素管とし、次いで該クラッド棒または管を加熱し
て熱間加工を行い、それぞれの接合面を拡散接合してか
ら、酸にて内・外面の前記軟加工材を除去することを特
徴とするクラッド金属管の製造方法である。

本発明の好適実施態様にあっては、前記母材が５０ａｔ
％Ｎｉ　　５０ａｔ％Ｔｉなどの形状記憶合金から成り
、前記合せ材がステンレス鋼またはＮｉ基合金から成る
ものであってもよい。これは管補修用の管材として有用
である。

上記形状記憶合金としてＮｉ−Ｔｉ系合金が使用される
場合、これは金属間化合物合金の一種でもあるため、保
護材として炭素鋼層で被覆することは、難加工材の加工
性改善とクラッド化による耐食性の改善との両者の意義
を有することになる。

母材と合せ材とのクラッド化を一層促進するために前記
母材と合せ材との間に、ＴａまたはＮｂ層を介在せしめ
るようにしてもよい。

なお、従来にあっても難加工材の成形加工に際して軟鋼
材で被覆した被加工材を成形する方法は、例えば粉末冶
金の分野で行われているが、本発明の場合には成形加工
と同時にクラッド化を図るものであって、その塑性加工
の思想を異にする。

すなわち、本発明の場合、加工中に発生する付加剪断変
形を積極的に活用して、接合界面での拡散接合を促進さ
せるものである。

（作用） 本発明の構成と作用について添付図面を参照してさらに
具体的に説明する。

まず、本発明にかかる方法の工程は、炭素鋼で被覆して
熱間押出加工する場合を例にとると、次のようである。

組立工程→脱気工程→端部溶接工程→加熱工程→熱間押
出・拡散接合工程→炭素鋼（管）溶解除去工程。

（１）組立工程： ＆−・・′の ■合わせ材厚が非常に薄いので、合わせ材が直接工具（
ロール、ダイス、マンドレル等）に接触すると破断また
は欠損する処がある。これを回避するために、合わせ材
が直接工具と接触しないように保護用の炭素鋼層を介在
せしめる必要がある。

■母材がＮｉＴｉ合金等の金属間化合物の合金を対象と
している場合、加工時の割れ等を回避するために、炭素
鋼でくるんでおくのが効率的な方法である。

■従って、最外層および内層または芯材に炭素鋼を用い
て、多層構造クラッド材とする。そして、炭素鋼を用い
るのは、酸にて比較的容易に除去可能であり、高温での
加工にも対応でき、機械加工や溶接等が容易でクラッド
素材の組立加工を容易に成し得るからである。

（２）脱気工程： クラッド素材が構成されたなら、接合面から排気を行い
、例えば（２〜３）ＸＩＯ−’　Ｔｏｒｒ程度にまで脱
気する。

（３）端部溶接工程 脱気終了後には例えば電子ビーム溶接（ＥＢＷ）による
端部溶接を行い接合面の酸化防止を図る。

第１図は、端部溶接が終了したときのクラッド管組立素
管１０の断面を略式で示す。図示例では炭素鋼棒材１２
の周りにステンレス鋼層１４を設け、それにＴａまたは
Ｎｂ層１５を介してＮｉＴｉ系合金層１６さらに最外殻
に炭素鋼層１７を設けている。端面部は同じく炭素鋼製
の止め板１８を設は周囲を例えばＥＢＨにより溶接され
ている。

（４）加熱工程： このようにして得られたクラッド素材は次いで、例えば
母材がＮｉ−Ｔｉ合金の場合９５０°Ｃ程度の高温に加
熱される。内外面ともに炭素鋼によって被覆されている
ためクラッド金属管の接合面自体は何ら酸化雰囲気に曝
されることななく、したがって接合面は清浄に保たれる
。

（５）熱間押出・拡散接合工程： このようにして多層構造クラッド素材を製作した後、熱
間加工を施して拡散接合を行わしめて多層構造クラッド
打出する。熱間加工プロセスとしては、組立素材が素管
の場合と素棒の場合とに分けて考えると、次にように例
示される。

芝ＩＬｉＬＬ萱： ■穿孔圧延機、続いて延伸圧延機を経る継目無管製造工
程 ■熱間押出、熱間静水圧押出による継目無管製造工程 多Ｍｌ土１工掩： ■孔型圧延機列の連続圧延による棒材製造工程■鍛造に
よる棒材製造工程 ■熱間押出、熱間静水圧押出による棒材製造工程■傾斜
圧延による棒材製造工程 等が考えられるが、これに限らず他の方法または上記方
法の組合わせ等が考えられる。

（６）炭素鋼（管）溶解除去工程： 合せ材厚が例えば０．３〜０．０５ｍ−と非常に薄いの
で機械加工で不必要な層（部分）を除去しようとすると
ｍ波加工の精度およびクラッド材の寸法精度とから合せ
材をも除去してしまう可能性が高い。

しかし、酸にて不必要な炭素鋼部分を溶解除去すると、
非常に薄い合せ材層を残すことができるのである。使用
できる酸としては例えば７０°Ｃ程度の加熱した１０〜
３０％硝酸水溶液などが例示される。

第２図（ａ）は多層クラッド金属管２０の場合を示すも
ので、内外面の炭素鋼層２２を酸溶解すると、図中矢印
で示す方向に変化して母材管２６内面に薄い合せ材層２
８を持ったクラッド金属管３０が得られる。

第２図（ｂ）は多層クラッド金属棒４０の場合を示すも
ので、内外面の炭素鋼層４２を酸溶解すると、図中矢印
で示す方向に変化して母材４４内面に薄い合せ材層４６
を持ったクラッド金属管ＳＯが得られる。

内部の炭素鋼の除去に先立って必要により芯材である炭
素鋼に穿孔加工を施してもよい。

本発明の別の好適態様によれば、母材としてのＮｉ−Ｔ
ｉ系形状記憶合金が使用されるが、その地形状記憶合金
としては、Ｃｕ　　Ｔｉ系合金、８４−Ｔｉ系合金が一
般的に知られている。Ｎｉ−Ｔｉ合金は、Ｃｕ　−Ｔｉ
系合金と比べ耐食性、あるいは外力、熱に対する回復能
力、回復率、寿命等の面で優れた特性を有しているから
好ましい。

ここで用いるＮｉ−Ｔｉ系形状記憶合金は、４７〜６０
ａｔｏｍ％のＮｉと残部がＴｉとからなるが、Ｔｉの一
部をＣｕ、　Ｖ、Ｍｏ、　Ｃｒ、　ＡＩ、　Ｃｏ、Ｆｅ
等の１種または２種以上の元素で置換した組成でもよい
。但し、これらの量は高々５ａｔｏｍ％以下である。

母材として形状記憶合金が使用され場合、好ましくは合
せ材としてはステンレス鋼またはＮｉ基合金が使用され
るが、上記Ｎｉ−Ｔｉ系合金では酸に対しては十分な耐
食性はないので、これを補うために耐食性に優れたステ
ンレス鋼またはＮｉ基合金を用いるのである。

合せ材厚を、（合せ材厚７合せ材外径）比で０．０２以
下、（合せ打所面積／全断面積）比で０．２５以下とす
るのは、合せ材厚みが厚い場合形状がほとんど戻らない
ことが起こるので、これを回避するためである。

上述のような材料の場合、接合強度が十分でないことが
あり、そのような場合には、母材と合わせ材との間にお
けるＴａまたはＮｂ層を介在させることが有効である。

Ｔａ、　Ｎｂ層を使用することにより、母材と合わせ材
との接合界面の接合強度を向上させると同時に接合界面
での耐食性を向上させることができるからである。

さらに、軟加工材で被覆してクラッド素材を製作し、拡
散接合後この軟加工材を除去することによって薄い合せ
材をクラッド化するという本発明は、棒・線材、形材、
板材等への適用が可能であることは言うまでもない。

（実施例） 次に、本発明の詳細な説明する。本例では母材が金属間
化合物合金である形状記憶合金の場合について示すが、
本発明はこれにより限定されるものではない。

まず、第２図［有］）に示すように、次の構成でクラッ
ド組立素材を製作した。単位は■である。

［素材１１炭素鋼管　　：６７φｘ６．ｇｔＮｉ−Ｔｉ
合金管：５３φＸ２．７５ｔＳｔｌＳ３１６Ｌ管　：　
４１．３φＸＱ、９を炭素鋼棒　　：　４５．３φ ［素材■］炭素鋼管　　：６７φｘ６．ｇｔＮｉ−Ｔｉ
合金管：５３φＸ２．７５ｔＴａ箔　　　　：　０．１
ｔ ＳＩＪＳ３１６Ｌ管　：　４７．０φＸ０．９を炭素鋼
棒　　：　４５．０φ 機械加工にて上記寸法に仕上げ、第１図に示すように（
２〜３）　Ｘｌ０−’Ｔｏｒｒの真空チャンバー内で両
端を電子ビーム溶接（ＥＢＷ）にて密閉溶接してクラッ
ド組立素材を製作した。

これらの組立素材を９５０　”Ｃに加熱した後、熱間押
出にて直径２５ｓＩ１１とした。そして、１８％硝酸で
保護材である内・外層の炭素鋼層を溶解除去して、今度
は直径１９．２ｘＯ，８ｔｘ０．２５ｔのＮｉ　−Ｔｉ
合金／５ＵＳ３１６Ｌクラクド管を得た。

ここで、Ｎｉ−Ｔｉ系合金には５０ａ　ｔｏ−％Ｎ＋　
−５０ａｔｏ＊％Ｔｉ合金を、炭素鋼には低炭素鋼を用
いた。

直径２５ＩＩ１１のクラッド管でのＮｉ−Ｔｉ合金と５
ＵＳ３１６°　Ｌとの接合界面の接合強さは、剪断強さ
で、素材■の場合：　１４．０．１４．６（ｋｇｆ／＋
ａｍ”）、素材■の場合；１７．５．１８．１（ｋｇｆ
／＋ａｍ”）であった。

さらに、接合界面を顕微鏡にて観察したところ、素材■
の場合、ところどこにボイド（非常に小さい未接合部）
が見られたが、素材■では欠陥は何ら見られなかった。

接合部にボイドがあれば、それが起点となって侵食が進
行するので、ボイドがあってはならない、これらのこと
より、接合強度を向上させ、耐食性を保持すいるために
は中間層としてＴａを介在せしめるのが良いということ
がわかった。また、Ｔａの他にＮｂを用いてもほぼ同じ
結果が得られた。

この直径１９．２ｍ−のクラッド管を冷間ダイス抽伸に
て直径１８．５ｗｍシ、次にこれを２００℃に加熱する
と、直径１８．９ｍ−に外径が回復した。このように合
せ材を非常に薄＜シておけば形状記憶クラッド管とする
ことは可能である。

（発明の効果） 本発明は、以上説明したように構成されており、内・外
層を炭素鋼で保護して多層クラッド材とした後、この保
護材を除去してクラッド管を製造することとしているの
で、合わせ材厚を非常に薄くすることができ、母材にＮ
ｉ−Ｔｉ合金を用いているので形状記憶クラッド管とす
ることができる。そして、合わせ材にステンレス鋼を用
いているので耐食性にも優れており、産業上極めて有用
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例における多層クラッド素材の
概略断面図：および 第２図（ａ）、（ｂ）は、本発明の多層構造クラッド材
のそれぞれ管材と棒材とについて炭素鋼の溶解除去前後
の状態を示す概略説明図である。 １０：　　クラッド組立素管、　１２：炭素鋼棒材、１
４：　　ステンレス鋼層、　　１５：　ＴａまたはＮｂ
層、１６：　ＮｉＴｉ系合金層、　　　１７：炭素鋼層
、１８：　　止め板

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）母材の内面または外面または内・外両面に合せ材
   を接合したクラッド金属管を製造する方法において、母
   材管の内面または外面または内・外両面に合せ材よりな
   る管を積層してクラッド管素材とし、該クラッド管素材
   の外面および内面を軟加工材で被覆してクラッド組立素
   棒または素管とし、次いで該クラッド組立素棒または素
   管を加熱して熱間加工を行い、それぞれの接合面を拡散
   接合してから、酸にて内・外面の前記軟加工材を除去す
   ることを特徴とするクラッド金属管の製造方法。 （２）前記母材が金属間化合物合金から成る請求項１記
   載のクラッド金属管の製造方法。（３）前記母材がＮｉ
   −Ｔｉ系形状記憶合金から成り、前記合せ材がステンレ
   ス鋼またはＮｉ基合金から成る請求項１記載のクラッド
   金属管の製造方法。 （４）前記合せ材の厚みが、（合せ材厚／合せ材外径）
   比で０．０２以下、（合せ材断面積／全断面積）比で０
   ．２５以下である請求項１ないし３のいずれかに記載の
   クラッド金属管の製造方法。 （５）前記母材と合せ材との間に、ＴａまたはＮｂ層を
   介在せしめた請求項１ないし４のいずれかに記載のクラ
   ッド金属管の製造方法。