JPH04341508A - 異種材料用の継手成形体の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、異種材料用の継手成形
体の製造方法に関する。詳述すれば、本発明は、異種材
料、すなわち金属材料特性の異なる２種類の金属材料、
例えば、磁性材料と非磁性材料、耐食材料と高強度材料
、耐熱材料と高靱性材料等の組合わせのように熱間変形
抵抗差および熱膨張率の大きな金属材料間の継手成形体
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】棒や管などの金属材料は使用環境により
、あるいは部位によって異なった材料特性が要求される
。このため、異種金属材料が同時にいわゆる多機能金属
材料として使用されることがあり、それらを一体的に組
立てるには異種金属材料の継手接合が必要である。

【０００３】特に近年は金属材料に要求される特性が多
岐にわたりかつ厳しくなってきている。そのような異種
金属材料では、溶接あるいはネジ継手による接合が困難
であったり、十分な継手接合強度が得られないなどの問
題があり、多機能金属材料の普及を制限している。この
ような現状から、異種金属材料の継手構造の改善が求め
られている。

【０００４】例えば、油井の分野などでは地中電磁波通
信用として材料特性の異なった異種金属材料が用いられ
ることがあるが、その接合が困難であるため、ネジ継手
となっている。

【０００５】従来にあっても、棒や管の金属材料の継手
接合方法としては、一般には溶接による接合あるいはネ
ジの締め付けによる接合がある。しかし、熱膨張率差の
大きなものや、機械加工のできないものについては、こ
のような接合方法が適用できないものがある。

【０００６】そこで例えば、実開昭６２−１４１９８５
号公報に開示されているように熱膨張率差を利用しては
め合い、冶金的に接合させる方法があるが、この方法で
は接合していない部分が残っている可能性がある。

【０００７】他方、金属粉末を利用したクラッド金属管
の製造方法は、例えば、特開昭５２−１８４５６　号公
報に開示されている。しかし、このようにして得られた
クラッド金属管は肉厚方向の異種材料の接合方法として
は有効であるが、いわゆる継手として軸方向の接合方法
には適用できない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ここに、本発明の目的
は、一般的には、接合界面における材料特性の良好な傾
斜機能を備えた、異種金属材料用の継手構造とその製造
方法を提供することである。

【０００９】本発明のより具体的目的は、異種金属管ま
たは棒用であって長手方向に金属材料特性が連続的ある
いは段階的に変化した、十分な接合強度を持った継手管
または棒とその製造方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者はかかる課題を
解決すべく種々検討を重ねた結果、（１）　異種金属材
料の継手構造としてはいわゆる傾斜機能を持った継手が
有効であること、および（２）　異種金属材料用の傾斜
機能継手の一体成形加工による製造は、粉末冶金法によ
り可能となることを知見した。

【００１１】そこで、傾斜機能特性を持った異種金属材
料の継手の粉末冶金法による一体成形加工による製造方
法の研究を行った結果、クラッド金属管では良好な接合
界面が得られる従来の粉末冶金法でも、熱間押出し成形
時に軸方向のメタルフローが材質により異なるため十分
な接合界面が得られない場合があるが、粉末冶金法によ
る一体成形加工は、被継手金属材料同士の熱間変形抵抗
、熱間変形能および熱膨張率の差が大きなものであって
も、特定条件下では容易に実現されることを知見し、本
発明を完成した。

【００１２】よって、本発明は、もっとも広義には、段
階的にあるいは連続的に金属組成を変化させた粉末充填
層の熱間押出し成形品から成る異種金属材料用継手構造
である。

【００１３】より具体的には、本発明は、異種材料であ
る第一部材と第二部材用の継手成形体の製造方法であっ
て、第一部材に同一あるいは近似する第一金属組成から
第二部材に同一か近似する第二金属組成まで段階的ある
いは連続的に変化する金属組成を有する粉末充填層を形
成し、次いで該粉末充填層を押出し成形することを特徴
とする異種材料用の継手成形体の製造方法である。

【００１４】本発明の好適態様においては、前記成形体
は棒あるいは管であって、その金属組成が軸方向に連続
的にもしくは段階的に変化する。

【００１５】前記第一金属組成と第二金属組成との熱間
変形抵抗比が　１．５以上の場合に効果があり、前記第
一金属組成と第二金属組成との固相線温度のうち固相線
温度の低い方の７０％以上からその固相線温度以下の温
度に前記第一部材粉末充填層及び第二部材の全体を加熱
して、熱間押出し成形を行うようするとよい。

【００１６】さらに、前記粉末充填層を第一金属組成と
第二金属組成とこれら第一および第二金属組成の混合金
属組成との三層構造とし、該混合金属組成から成る充填
層の厚さを２ｍｍ以上とするようにしてもよい。

【００１７】

【作用】次に、本発明の作用について説明する。

【００１８】図１ないし３は、本発明にかかる方法を実
施する態様の略式説明図であって、各図において同一部
材は同一符号をもって示す。

【００１９】まず、本発明における金属材料特性の異な
る異種金属材料とは、炭素鋼、低合金鋼、フェライト系
ステンレス鋼およびマルテンサイト系ステンレス鋼等の
磁性材料とオーステナイト系ステンレス鋼およびＮｉ基
高合金等の非磁性材料との組合せ、Ｎｉ基高合金等の耐
食材料とマルテンサイト系ステンレス鋼およびＣｏ基高
合金等の高強度材料との組合せ、そして、Ｎｉ基高合金
等の耐熱材料と低合金鋼、炭素鋼およびフェライト系ス
テンレス鋼とを組合せ等が考えられる。

【００２０】図１において、このような異種金属材料第
一部材と第二部材（　いずれも図示せず）　にそれぞれ
同一あるいは近似する金属組成の金属粉末１および３を
金属製容器４に充填し、境界には金属粉末１および３の
適宜混合粉末２が充填されている。このように、第一部
材に同一あるいは近似する金属組成の金属粉末１から第
二部材に同一か近似する金属組成の金属粉末３にまで、
図示例では二段階に段階的に変化する金属組成を有する
粉末充填層を形成する。

【００２１】本発明においてこのように、接合面の化学
成分を軸方向に連続的に変化させるのは、熱間変形抵抗
および熱膨張率の差が大きな金属材料を傾斜機能材料化
することにより応力集中をさけるためであり、傾斜機能
材料領域としては５ｍｍ以上が望ましい。

【００２２】熱間変形抵抗比が１．５　以上ある金属材
料同士の組合わせに適用するのは、熱間押出し成形加工
温度における変形抵抗比が１．５　未満の時は傾斜機能
材料領域がなくても十分な接合強度が得られるが、その
温度の変形抵抗比が１．５　以上の時は傾斜機能材料領
域がないと、メタルフローの差により接合面に空孔を生
じるためである。

【００２３】ここに、「熱間変形抵抗比」とは熱間成形
加工温度における金属材料固有の変形抵抗、つまり熱間
成形加工温度における第一部材と第二部材との変形抵抗
の比である。温度、歪速度および材質により大きく変化
する。したがって、ここで言う熱間変形抵抗比とは、同
じ歪速度、押出し成形温度における材質間の変形抵抗比
差であり、例えば１１００℃、歪速度１０−１ｓｅｃの
時、低合金鋼は８ｋｇ／ｍｍ２、ステンレス鋼は１６ｋ
ｇ／ｍｍ２の変形抵抗であるので、熱間変形抵抗比は２
．０　である。

【００２４】粉末充填層は加工性の良好な金属容器内に
設けられるが、この加工性の良好な金属容器とは、鉄、
炭素鋼、合金鋼およびステンレス鋼のように常温および
熱間押出し成形加工温度において展延性の良好な金属で
容器の肉厚は１〜４ｍｍが望ましい。これは熱間押出成
形加工時にダイスとマンドレルとの接触が金属容器で起
こり、この金属容器の熱間展延性が押出し成形体の成形
性に影響を及ぼすためである。

【００２５】次に、例えば金属材料粉末Ａと金属材料粉
末Ｂの間に充填する混合粉末の充填方法としては、金属
材料粉末Ａと金属材料粉末Ｂを体積割合でＡ：Ｂ＝２０
：８０〜Ａ：Ｂ＝８０：２０で混合したものを充填する
か、あるいは金属材料粉末Ａと金属材料粉末Ｂの混合割
合を段階的に変化させて軸方向にほぼ連続的に層状に粉
末充填すると良い。この時、混合粉末層の厚さは２ｍｍ
以上が望ましい。この理由は、熱間押出し成形加工した
ときにメタルフロー差が生じるが、これらの充填方法を
満足していなければ接合面に空孔が発生するためである
。

【００２６】このようにして金属製容器４内に金属粉末
充填終了後には脱気管５を経て内部の脱気を行う。この
とき、１×１０−１ｍｍＨｇ以上の真空度で常温から６
００　℃までの温度範囲で１０分以上保持する真空脱気
処理が望ましい。これは粉末表面の吸着ガスおよび吸着
水を効率よく除去するためであり、これにより製品の品
質の向上が図れる。脱気後、脱気管５の封口を行うが、
封口は真空状態で行い脱気管５の空孔中への空気混入は
避けることが望ましい。

【００２７】粉末ビレットは熱間押出し成形前に加熱す
るが、その手段として電気炉またはガス炉により均熱加
熱を行うか、あるいは急速加熱により短時間で保持温度
まで加熱できる高周波誘導加熱を行うと良い。この時、
高周波誘導加熱がスムーズに行えるように、予め粉末ビ
レットを金属材料の固相線温度の５０〜９０％で予備焼
結を行うか、あるいは高周波加熱前に粉末ビレットを冷
間静水圧プレスにより金属材料粉末の充填相対密度を７
５％以上にして高周波誘導加熱時の粉末ビレットの温度
分布の不均一性を小さくする必要がある。

【００２８】熱間押出し成形前の加熱温度を金属材料の
固相線温度の７０％以上から固相線温度以下に限定して
いるのは、固相線温度の７０％未満の温度では金属材料
粉末の変形抵抗が増大し、金属材料粉末の塑性変形が起
こりにくくなり、押出せずに途中でつまったり、押出せ
ても成形性が保てないためである。また、固相線温度を
越えると一部で溶融したりして偏析が起こり、成形性の
良好な棒および管が得られないためである。

【００２９】ここに、「固相線温度」とは、金属粉末を
構成する合金成分のうちの最も低い固相線温度を有する
もののそれである。合金材料は全て固相線　（部分的に
溶融を開始する温度）　と液相線　（材料全体が溶融し
終わる温度）　がある。この固相線、液相線は成分によ
り温度が大きく異なる。したがって、ここで言う固相線
はミクロ的に部分的に溶融を開始する温度である。

【００３０】金属材料の表面を覆っている金属容器は酸
洗あるいは機械加工により除去すると良い。また、必要
に応じて熱間押出し成形後に熱処理を行い使用環境に適
した特性を持たせることが望ましい。

【００３１】図２および図３は、金属管継手を製造する
場合の例を示すものであり、金属管４の替わりに、同心
状に二重管壁を備えた金属管９を用いる。金属粉末６、
８の境界には混合粉末層７が設けられているが、図示例
ではこの混合粉末層７はさらに多段層となっており、各
層で少し粉末組成を変えて、混合粉末層７全体である傾
斜をもって粉末組成が変化するようにしてある。脱気管
１０による脱気、封口操作などは図１に同じである。こ
の場合にも多段層となった混合粉末層７を合計して２ｍ
ｍ以上の厚さとするのが好ましい。

【００３２】図３は、図２の場合の金属粉末の金属組成
を何種類か変化させ多機能化して行う例を示すもので、
金属組成は金属粉末１１、金属粉末１３、金属粉末１５
および金属粉末１７で異なり、各部位で独立した機能を
持たせ、それぞれの混合粉末層１２、１４、１６におい
てそれらの間の金属組成が傾斜的に変化している。この
ように多段にすれば多機能管の製造ができる。各混合粉
末層は厚さ２ｍｍ以上とするのが好ましい。

【００３３】各金属粉末の混合割合、各金属粉末層の厚
さ、などはどのように金属特性を傾斜させるかによって
決定すればよく、これまでの説明から当業者であれば適
宜決定できる。

【００３４】このようにして製造された機能傾斜継手管
　（棒）　は、さらに必要により端部にネジを切ったり
して、あるいは溶接を行うなどして相手部材に接合され
、継手として使用される。

【００３５】

【実施例１】本例では図１に示す態様で図示寸法（ｍｍ
）の棒状の継手を押出し成形した。

【００３６】表１中の試料Ａ　の化学成分の水アトマイ
ズ粉末１　（平均粒径２５０　μｍ　以下）　を図１の
低炭素鋼容器４の中に充填し、この粉末１の上に表１中
の試料Ａ　の粉末と試料Ｂ　の化学成分のＮ２ガスアト
マイズ粉末（　平均粒径２５０　μｍ　以下）　を３０
：７０〜７０：３０の体積割合で混合した粉末２を１〜
１０ｍｍの高さに充填し、さらにこの混合粉末２の上に
表１中の試料Ｂ　の粉末を充填し、脱気管５より、１×
１０−２ｍｍＨｇの真空脱気を常温で１ｈｒ行い封口し
、粉末ビレットとした。

【００３７】この粉末ビレットをガス加熱炉に装入して
１２００℃に加熱後、ユジーン式熱間押出し機により押
出し比１０、押出し温度１１５０℃の条件で成形加工を
行い機能傾斜金属棒を作製した。

【００３８】この得られた棒を機械加工して低炭素鋼容
器を除去した。これにより得られた棒の継手特性を表２
の試験　Ｒｕｎ　Ｎｏ．１　〜５およびＲｕｎ　Ｎｏ．
１０　、１３に示す。

【００３９】

【実施例２】本例では図２に示す態様で図示寸法（ｍｍ
）の管状の継手を押出し成形した。

【００４０】表１中の試料Ｃ　の化学成分のＮ２ガスア
トマイズ粉末６（５００μｍ　以下）　を図２の低炭素
鋼容器９の中に充填し、この粉末６の上に表１中の試料
Ｃ　の粉末と試料Ｄの化学成分のＡｒガスアトマイズ粉
末（５００μｍ　以下）　を４：１、３：２、２：３、
１：４の割り合いで混合した粉末７を下より１ｍｍずつ
で高さ合計４ｍｍの層状に充填し、さらにこの混合粉末
７の上に表１中の試料Ｄ　の粉末を充填し、脱気管１０
より、１×１０−２ｍｍＨｇの真空脱気を４００　℃×
３０ｍｉｎ　行い封口した。

【００４１】この粉末ビレットの一部のものについては
冷間静水圧プレスにより４０００気圧の加圧を行い粉末
充填密度を高めた。この粉末ビレットをロータリー式ガ
ス炉で８００　℃まで予熱し、これに引き続いて更に１
２００℃まで高周波誘導加熱炉にて加熱後、ユジーン式
熱間押出し機により押出比７、押出し温度１１５０℃の
条件で成形加工し管を作製した。

【００４２】他の粉末ビレットについては電気炉にて１
０００〜１２００℃に加熱後、ユジーン式熱間押出し機
により押出し比７、押出し温度　９５０〜１１５０℃の
条件で成形加工し管を作製した。

【００４３】以上のようにして得られた管を機械加工し
て低炭素鋼容器を除去した。これにより得られた管の継
手特性を表２に試験　Ｒｕｎ　Ｎｏ．６　〜８に示す。

【００４４】

【実施例３】本例では図３に示す態様で図示寸法（ｍｍ
）の管状の継手を押出し成形した。

【００４５】表１中の試料Ａ　の化学成分の水アトマイ
ズ粉末１１（２５０μｍ　以下）　を図３の低炭素鋼容
器１８の中に充填し、この粉末１１の上に表１中の試料
Ａ　の粉末と試料Ｄ　の化学成分のＡｒガスアトマイズ
粉末（５００μｍ　以下）　を５０：５０の割り合いで
混合した粉末１２を５ｍｍの高さに充填し、さらにこの
混合粉末１２の上に表１中の試料Ｄ　の粉末１３を充填
する。

【００４６】この充填方法を繰り返して行う。すなわち
、粉末１３の上に試料Ａ　の粉末と試料Ｄ　の粉末を５
０：５０の割り合いで混合した粉末１４を５ｍｍの高さ
に充填し、混合粉末１４の上に試料Ａ　の粉末１５を充
填する。さらに粉末１５の上に試料Ａ　の粉末と試料Ｂ
の化学成分のＮ２ガスアトマイズ粉末（２５０μｍ　以
下）　を５０：５０の割り合いで混合した粉末１６を５
ｍｍの高さに充填し、混合粉末１６の上に試料Ｂ　の粉
末１７を充填する。

【００４７】この粉末ビレットの脱気管１９より、１×
１０−２ｍｍＨｇの真空脱気を４００　℃×１ｈｒ行い
封口した。この粉末ビレットを電気炉に入れて１２００
℃に加熱後、ユジーン式熱間押出し機により押出比７、
押出し温度１１５０℃の条件で成形加工を行い管を作製
した。

【００４８】以上のようにして得られた管を機械加工し
て低炭素鋼容器を除去した。これにより得られた管の継
手特性を表２の試験　Ｒｕｎ　Ｎｏ．９　に示す。

【００４９】

【表１】

【００５０】

【表２】

【００５１】次に、表２のＲｕｎ　Ｎｏ．４の粉末組成
、成形条件を基準にしてそれぞれ加熱温度、熱間変形抵
抗比、そして混合粉末層厚さを変化させたときの材料特
性を評価し、それらの結果を図４ないし図６にまとめて
示す。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、接合界面の良好な金属
材料特性の異なる傾斜機能材料継手構造が容易に製造で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いる傾斜機能材料粉末ビレットの実
施例の縦断面図である。

【図２】本発明に用いる傾斜機能材料粉末ビレットの実
施例の縦断面図である。

【図３】本発明に用いる傾斜機能材料粉末ビレットの実
施例の縦断面図である。

【図４】本発明の実施例の結果をまとめて示すグラフで
ある。

【図５】本発明の実施例の結果をまとめて示すグラフで
ある。

【図６】本発明の実施例の結果をまとめて示すグラフで
ある。

【符号の説明】

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　異種材料である第一部材と第二部材用
   の継手成形体の製造方法であって、第一部材に同一ある
   いは近似する第一金属組成から第二部材に同一か近似す
   る第二金属組成まで段階的あるいは連続的に変化する金
   属組成を有する粉末充填層を形成し、次いで該粉末充填
   層を押出し成形することを特徴とする異種材料用の継手
   成形体の製造方法。
2. 【請求項２】　　前記継手成形体が棒あるいは管であっ
   て、その金属組成が軸方向に連続的にもしくは段階的に
   変化する請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】　　前記第一金属組成と第二金属組成との
   熱間変形抵抗比が　１．５以上である請求項１または２
   記載の方法。
4. 【請求項４】　　前記第一金属組成と第二金属組成の固
   相線温度のうち低い固相線温度の７０％以上からその固
   相線温度以下の温度に前記粉末充填層を加熱して、熱間
   押出し成形を行う請求項１ないし３のいずれかに記載の
   方法。
5. 【請求項５】　　前記粉末充填層を第一金属組成と第二
   金属組成とこれら第一および第二金属組成の混合金属組
   成との三層構造とし、該混合金属組成から成る充填層の
   厚さを２ｍｍ以上とする請求項１ないし４のいずれかに
   記載の方法。