JPH0679782B2 - 複合管材とその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、複合管材とその製造方法に係り、特に耐食、
耐摩耗性に優れた長尺の複合管材並びにそれを経済的に
有利に製造する方法に関するものである。

（従来技術とその問題点） 近年、化学産業や石油産業等の分野において、その製造
条件が過酷となることにより、それら産業分野で用いら
れる管材（パイプ）にも、従来材により耐食、耐摩耗性
に優れた長尺の材料を安価に提供すべき要求が出てきて
いる。例えば、石油掘削において、その掘削深さが深く
なるに従って、掘削環境がより厳しくなるところから、
従来の掘削用パイプでは充分でなく、より優れた耐食、
耐摩耗性を有する管材料が要請されてきているのであ
る。

とろろで、そのような用途に用いられる管素材の性能を
向上する一つの手段としては、管材料としてCo基やNi基
等の材料を用いることにより、管材自体の特性の向上を
図ることが考えられるが、それらCo基、Ni基等の材料は
高価であり、そのために管材のコストが上昇する問題に
加えて、要求特性を満たすような材料を用いることによ
って、管材自体の加工が困難となる問題があり、実用的
ではない問題を内在している。

このため、比較的安価な鉄基材料からなる外管を用い、
その内面に所定の性能、例えば耐食、耐摩耗性に優れた
内層（内管）を所定厚さで形成するコーティング手法が
検討され、例えば遠心鋳造法、焼嵌め法、溶射法、TIG
法、MIG法等の各種の方法が検討されている。

しかしながら、このようなコーティング手法において
は、例えば遠心鋳造法では、長尺管には適用出来ない
他、内層を形成するための金属の湯流れが悪く、高粘性
の金属溶湯には適用出来ない等の製造上の大きな問題を
内在しており、また焼嵌め法では、長尺管を製造するこ
とが技術的に困難であり、且つ内層を形成するための内
管を所定の要求特性を付与すべき難加工材料から加工す
ることが困難であって、遠心鋳造法と同様に、その製造
上に大きな問題がある。

また、溶射法では、外管の内面を研磨する前処理が必要
となると共に、かかる内面に形成される内層の厚さを厚
くすることが出来ず、加えて形成される内層がポーラス
な構造となるところから、充分な耐食性や耐摩耗性を付
与することが出来ない問題がある。

さらに、TIG法やMIG法では、溶接ワイヤの送給ムラによ
り、湯切れや割れ等が発生して、長尺管の内面コーティ
ングは著しく困難となるのであり、しかも形成された内
層表面の凹凸が著しいために、その平滑化の為の後加工
を施す必要があり、また母材の溶込み量が多くなるとこ
ろから、形成される内層の性能が劣化して、耐食性や耐
摩耗性が低下する致命的な問題を内在している。

（解決手段） ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為さ
れたものであって、その特徴とするところは、少なくと
も２メートル以上の長さを有する金属外管の管内面全面
に亘って、外管素材より耐食、耐摩耗性に優れた金属及
び／又は金属間化合物からなる内層が、プラズマアーク
を熱源とし、Ni若しくはNi基合金、Co若しくはCo基合
金、Cr若しくはCr基合金、Cu若しくはCu基合金、Ti若し
くはTi基合金、Nb若しくはNb基合金、及びTa若しくはTa
基合金のうちから選ばれた金属粉末と、炭化物、酸化物
及び窒化物のうちの少なくとも一種との組合せからなる
粉末材料を溶加材とするプラズマ肉盛溶接手段によっ
て、内層厚さ／外管肉厚＝0.02〜0.5となるように形成
されてなる、耐食、耐摩耗性に優れた複合管材にある。

また、本発明にあっては、このような耐食、耐摩耗性に
優れた複合管材を有利に製造する方法として、少なくと
も２メートル以上の長さを有する所定の金属外管を、そ
の管軸が水平面に対して所定の角度を為すように傾斜せ
しめた状態において、該外管内にプラズマアークトーチ
を挿入し、該トーチによって発生せしめられるプラズマ
アークを熱源として、Ni若しくはNi基合金、Co若しくは
Co基合金、Cr若しくはCr基合金、Cu若しくはCu基合金、
Ti若しくはTi基合金、Nb若しくはNb基合金、及びTa若し
くはTa基合金のうちから選ばれた金属粉末と、炭化物、
酸化物及び窒化物のうちの少なくとも一種との組合せか
らなる、該トーチを通じて供給される粉末形態の溶加材
を溶融せしめて、該外管内周面に所定の肉盛溶接を行な
うようにすると共に、かかる外管を、前記プラズマアー
クトーチに対して相対的に管軸回りに回転させつつ管軸
方向に移動せしめることにより、前記肉盛溶接が外管内
周面全面に亘って行なわれ、耐食、耐摩耗性に優れた金
属及び／又は金属間化合物からなる内層が、内層厚さ／
外管肉厚＝0.02〜0.5において形成されるようにした手
法を採用するものである。

（作用・効果） このように、本発明によれば、プラズマアークを熱源と
し、特定の金属粉末と炭化物／酸化物／窒化物との組合
せからなる粉末材料を溶加材とするプラズマ肉盛溶接手
法によって、所定の長尺な金属外管の管内面全面に亘っ
て有効な内層を形成せしめて複合管材と為すものである
ところから、湯流れの悪い内層材料であっても、それを
粉末状の溶加材として供給して、プラズマアークにて溶
融せしめ、管内面の所定部位に効果的に肉盛操作を行な
うことが出来るのであり、これによって前記の如き特定
の組合せからなる難加工材料であっても有利に使用する
ことが出来ることとなったのである。

また、かかるプラズマ肉盛溶接手法によって形成される
内層は緻密であり、比較的平坦な表面として形成され、
また内層厚さ／外管肉厚の比を所定の範囲内に維持する
ことによって、十分な耐食性、耐摩耗性が発揮され、併
せて複合管材の強度を十分に保持することが出来ること
に加えて、母材（管材料）の溶込み量も少ないために、
供給される溶加材によって形成される金属及び／又は金
属間化合物からなる内層の性能も効果的に向上せしめら
れ得て、その耐食、耐摩耗性能を有利に発揮させ得るの
である。

そして、このようなプラズマ肉盛溶接手法による内層の
形成によって、長尺の金属管材の内面には耐食、耐摩耗
性に優れた内層を有利に付与することが出来ることとな
り、以て要求性能を満たす複合管材を経済的に安価に製
造することが出来ることとなったのである。

また、本発明手法によれば、所定の金属外管の内面にプ
ラズマ肉盛溶接手法によって耐食、耐摩耗性の内層を形
成するに際して、かかる金属外管を水平面に対して所定
角度傾斜せしめ、そして、この傾斜した金属外管内にプ
ラズマアークトーチを挿入して、肉盛溶接を行なうよう
にされているところから、かかるプラズマアークトーチ
内における粉末状の溶加材の給送を、棚吊り現象等の問
題を惹起することなく、効果的に行なうことが出来、以
て溶接トラブルの発生を有利に阻止し、また形成される
内層の品質等を高め得ることが出来るのである。

（構成の具体的な説明・実施例） 以下、本発明に従う複合管材及びその製造方法につい
て、図面を参照しつつ、更に詳細に説明することとす
る。

先ず、本発明において、所定の耐食、耐摩耗性の内層が
形成される金属外管は、得られる複合管材の使用目的に
応じて、適宜の管径において、少なくとも２メートル以
上の長さの長尺な管材として用いられ、またその管素材
としても適宜の金属材料が選ばれることとなるが、経済
性等の観点から、一般に鉄基材料が好適に採用されるこ
ととなる。

そして、このような金属外管の管内面に所定の内層を形
成するには、例えば第１図に示されるように、所定長さ
の長尺の金属外管10を、その管軸が水平面に対して所定
の角度：αを為すように傾斜せしめて回転可能に保持す
る一方、金属外管10内にプラズマアークトーチ12を挿入
し、このトーチ12によって発生せしめられるプラズマア
ークを熱源として、該トーチ12内を通じて供給される特
定組合せの粉末形態の溶加材を溶融せしめて、かかる金
属外管10の内周面に肉盛溶接を行ない、所定厚さの内層
14を形成せしめる。

より具体的には、プラズマアークトーチ12の先端のノズ
ル部16は、第２図に示されているように、トーチ12の先
端部において略直角方向に屈曲させられており、その中
心線上にタングステン電極18を備えている。そして、こ
の電極18の外側には、内筒20及び外筒22がそれぞれ所定
の距離を隔てて同心的に配設されており、更に外筒22の
外側にノズルカバー24が設けられている。また、それら
電極18と内筒20との間や、内筒20と外筒22との間には、
それぞれ環状の通路26及び28が形成されている。

なお、通路26は、トーチ12内に長手方向に配設された配
管30を介して、外部のプラズマガス供給装置（図示せ
ず）に接続されており、アルゴンガス等のプラズマガス
が供給されるようになっている。そして、この通路26内
に供給されたプラズマガスは、内筒20の先端に設けられ
た噴出部32から外部に噴出させられるようになってい
る。

また、内筒20と外筒22との間の通路28は、トーチ12内で
長手方向に配設された配管34を介して、外部の搬送ガス
供給装置（図示せず）に接続されており、更にその配管
34の中間部に接続されたパウダー供給装置（図示せず）
から所定の粉末材料（溶加材）が供給されるようになっ
ている。即ち、通路28には、所定量の粉末材料を含んだ
搬送ガスが供給されるようになっているのであり、そし
て外筒22の先端に設けられた噴出部36から外部に噴出せ
しめられるようになっているのである。なお、この搬送
ガスとしては、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性
ガスが用いられる。

さらに、外筒22とノズルカバー24との間の間隙には、ト
ーチ12内でその長手方向に配設された配管38を介して、
外部のシールドガス供給装置（図示せず）からアルゴン
ガス、ヘリウムガス等の所定のシールドガスが供給され
るようになっており、このシールドガスをノズル部16の
軸心（中心線）方向へ、略円筒状に吹き出すことによ
り、そのようなシールドガスによって溶接部が大気から
シールドされるようになっている。

そして、以上のように構成されたプラズマアークトーチ
12において、その先端ノズル部16における電極18と内筒
20との間には、電源40から所定のパイロット電流が供給
されるようになっていると共に、電極18と、肉盛溶接を
施すべき加工部材（母材）、即ち金属外管10との間に
は、電源40から所定の溶接電流が供給されるようになっ
ているのである。

従って、このように構成されたノズル部16を有するプラ
ズマアークトーチ12によって、金属外管10の内面を肉盛
溶接して、所定厚さの内層14を形成するには、先ず、電
源40からパイロット電流を供給し、電極18と内筒20の先
端部との間にパイロットアークを発生させると同時に、
プラズマガス供給装置から環状通路26内にプラズマガス
を供給し、これによって電極18の先端にプラズマアーク
を形成する。そしてその後、電極18と金属外管10との間
に電源40から溶接電流を供給し、ノズル部16内に形成さ
れているプラズマアークを金属外管10に移行させ、その
後搬送ガス供給装置及びパウダー供給装置から所定の粉
末材料を含む搬送ガスを通路28内に供給し、噴出部36か
ら噴出させる。この噴出された粉末材料はプラズマアー
クによって溶融され、金属外管10の内面の所定部位に肉
盛溶接されるが、この時当該部位は既に溶融状態となっ
ているため、供給された粉末材料は良好に溶融結合して
肉盛溶接されるのである。

また、このような肉盛溶接操作が行なわれている間、ノ
ズル部16の先端からはシールドガスが吹き出されて、溶
融された粉末材料や肉盛部が空気中の酸素等の影響を受
けないようにされている一方、トーチ12がオシレート乃
至はウィービングされて所定幅の肉盛溶接部が形成され
るようになっていると共に、外管10がその軸心回りに回
転せしめられ、更にトーチ12が管軸方向に漸次移動せし
められ、これによって外管10の内周面全面に亘って肉盛
溶接が施されることとなり、以てそこに所定厚さの内層
14が形成されることとなるのである。

なお、この外管10の内面全面に亘る肉盛溶接操作は、ト
ーチ12を回転させることによっても可能であるが、トー
チ12の構造上から外管10を回転させる方が実用的であ
り、またトーチ12の外管10の管軸方向への移動に代え
て、金属外管10自体を所定の傾斜角度：αを保持しつ
つ、管軸方向に移動せしめるようにしても何等差支えな
い。

ところで、このようなプラズマ肉盛溶接手法によって、
外管10の内面に均一に形成される内層14は、外管素材よ
り耐食、耐摩耗性に優れた金属及び／又は金属間化合物
から構成されるように、溶加材としての前記粉末材料と
しては、Ni若しくはNi基合金、Co若しくはCo基合金、Cr
若しくはCr基合金、Cu若しくはCu基合金、Ti若しくはTi
基合金、Nb若しくはNb基合金、及びTa若しくはTa基合金
のうちから選ばれた金属粉末と共に、アルミナ、ジルコ
ニア、酸化クロム、酸化チタンの如き酸化物、Nbc、V
C、WCの如き炭化物及び窒化珪素、窒化チタン、窒化硼
素等の窒化物の少なくとも一種が組み合わされて用いら
れることとなる。

また、このようにして、外管10の内面に形成される内層
14の厚さ（ｔ）は、外管10の肉厚（管壁厚:T）に対して
t/T＝0.02〜0.5の関係を満足するように形成され、これ
によって強度と耐食性、耐摩耗性を兼ね備えた複合管材
が実現されることとなるのである。なお、t/T比が余り
にも小さくなり過ぎると、内層14の厚さが薄くなり過
ぎ、充分な耐食性、耐摩耗性が発揮し得なくなるのであ
り、またt/T比が大きくなり過ぎると、複合管材の強度
を充分に保持することが困難となるのである。

さらに、本発明にあっては、上記の如く内層14を外管10
の内面に形成するに際して、外管10の管軸が水平面に対
して所定の角度：αを為すように、かかる外管10を傾斜
させており、これによって外管10内に挿入されるプラズ
マアークトーチ12も傾斜させられることによって、この
トーチ内に配設される溶加材（粉末材料）の給送管（3
4）内を、かかる粉末材料が搬送ガスと共に重量の作用
にてトーチ先端のノズル部16に効果的に導かれるように
なっており、これによってかかる給送管（34）内おける
粉末材料の棚吊り現象等が効果的に防止され得るのであ
る。なお、この外管10の傾斜角度：αとしては、一般
に、少なくとも５°以上、好適には５°〜30°の角度と
なるように外管10が傾斜せしめられる。

しかも、このような外管10の傾斜と共に、プラズマアー
クトーチ12の先端ノズル部16を、第３図に示される如
く、その中心線が垂線に対して５°〜30°の角度（β）
を為すように構成すれば、粉末材料の給送路を大きな角
度で屈曲させることなく、配管34側からノズル部16内の
内筒20と外筒22との間の環状通路28内に導くことが出来
るところから、給送路内における粉末材料の詰まり等の
問題も効果的に解消され、以てより一層良好な溶接操作
を行ない得るのである。

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、各種
の金属外管に各種の耐食、耐摩耗性の内層をプラズマ肉
盛溶接手法にて形成した幾つかの例を示すが、本発明が
それらの実施例並びに上述した具体例のみに限定して解
釈されるものでないことは、言うまでもないところであ
り、本発明は、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、当
業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加
えた形態において実施され得るものであり、そのような
実施形態の何れもが本発明の範疇に属するものであるこ
とが理解されるべきである。

なお、実施例中における耐食性は、肉盛表面を0.1mm研
削した面について、その腐食の度合を検査することによ
って評価し、また耐摩耗性は、大越式摩耗試験機を用い
た摩耗試験によって評価を行ない（比較材:SKD7）、更
に各実施例の各表中における評価記号は、以下の意味を
有するものである。

○……良好 △……やや不良 ×……不良 また、以下の各実施例におけるプラズマ肉盛溶接手法
（PPW）による内面肉盛条件は次の通りである。

外管傾斜角度：α＝30° ノズル部中心線角度：β＝10° 溶接電流＝150〜160A パウダ送給量＝30〜40g/min プラズマガス（Ar）＝2.5l/min パウダ搬送ガス（Ar）＝8.0〜9.0l/min シールドガス（Ar）＝30.0l/min トーチ移動速度＝50〜60mm/min ウィービング＝30回/min 実施例１ 外管： 素材……SCM445 外径……180mmφ 内径…… 80mmφ 管長…… 3M パウダ（粉末材料）： （１）Ni＋25vol％Al₂O₃ 実施例２ 外管： 素材……SCM445 外径…… 90mmφ 内径…… 60mmφ 管長…… 3M パウダ： （１）Co＋10vol％ZrO₂ （２）Co＋25vol％Si₃N₄ 実施例３ 外管： 素材……SCM445 管長…… 6M 外径／内径……（１）90mmφ/80mmφ （２）120mmφ/100mmφ （３）300mmφ/100mmφ パウダ： （１）Nb＋75vol％NbC （２）Ni基（ハステロイＣ）＋60vol％VC （３）50Cr−48Ni−2Ti＋10vol％Cr₂O₃ （４）Ti＋60vol％TiN （５）Ta＋10vol％TiO₂ （６）Ni基（ハステロイＣ）＋10vol％BN

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従って金属外管の内面にプラズマ肉
盛溶接を行なっている状態を示す一部切欠説明図であ
り、第２図は本発明にて用いられるプラズマアークトー
チのノズル部を示す要部断面略図であり、第３図は本発
明にて好適に用いられるプラズマアークトーチの先端ノ
ズル部の形態を示す説明図である。 10:金属外管、12:プラズマアークトーチ 14:内層、16:ノズル部 18:タングステン電極 20:内筒、22:外筒 24:ノズルカバー 26,28:通路 30,34,38:配管 32,36:噴出部 40:電源

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも２メートル以上の長さを有する
   金属外管の管内面全面に亘って、外管素材より耐食、耐
   摩耗性に優れた金属及び／又は金属間化合物からなる内
   層が、プラズマアークを熱源とし、Ni若しくはNi基合
   金、Co若しくはCo基合金、Cr若しくはCr基合金、Cu若し
   くはCu基合金、Ti若しくはTi基合金、Nb若しくはNb基合
   金、及びTa若しくはTa基合金のうちから選ばれた金属粉
   末と、炭化物、酸化物及び窒化物のうちの少なくとも一
   種との組合せからなる粉末材料を溶加材とするプラズマ
   肉盛溶接手法によって、内層厚さ／外管肉厚＝0.02〜0.
   5となるように形成されてなる、耐食、耐摩耗性に優れ
   た複合管材。
2. 【請求項２】少なくとも２メートル以上の長さを有する
   所定の金属外管を、その管軸が水平面に対して所定の角
   度を為すように傾斜せしめた状態において、該外管内に
   プラズマアークトーチを挿入し、該トーチによって発生
   せしめられるプラズマアークを熱源として、Ni若しくは
   Ni基合金、Co若しくはCo基合金、Cr若しくはCr基合金、
   Cu若しくはCu基合金、Ti若しくはTi基合金、Nb若しくは
   Nb基合金、及びTa若しくはTa基合金のうちから選ばれた
   金属粉末と、炭化物、酸化物及び窒化物のうちの少なく
   とも一種との組合せからなる、該トーチ内を通じて供給
   される粉末形態の溶加材を溶融せしめて、該外管内周面
   に所定の肉盛溶接を行なうようにすると共に、かかる外
   管を、前記プラズマアークトーチに対して相対的に管軸
   回りに回転させつつ管軸方向に移動せしめることによ
   り、前記肉盛溶接が外管内周面全面に亘って行なわれ、
   耐食、耐摩耗性に優れた金属及び／又は金属間化合物か
   らなる内層が、内層厚さ／外管肉厚＝0.02〜0.5におい
   て形成されるようにしたことを特徴とする複合管材の製
   造方法。
3. 【請求項３】前記金属外管が、水平面に対して少なくと
   も５°以上の角度を為す管軸を有するように、傾斜せし
   められる特許請求の範囲第２項記載の複合管材の製造方
   法。
4. 【請求項４】前記プラズマアークトーチの先端ノズル部
   が、その中心線が垂線に対して５°〜30°の角度を為す
   ように構成されている特許請求の範囲第２項または第３
   項記載の複合管材の製造方法。