JPS5934469B2 - 複合構造管の製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はテルミット反応を利用して金属製母管の内面に
セラミック層を被覆形成する複合構造管の製造方法の改
良に係り、特にそのセラミック層に割れを発生するのを
防止する方法に関する。

管内面にセラミック層を被覆形成せしめてなる複合構造
管は、セラミック層が耐熱性、耐摩耗性、耐食性等に良
好な特性を発揮するため、各種流体の輸送管や工業用配
管部材として広汎な適用用途）を有している。この種複
合構造管の製造手段としては、従来種種の方法が実施さ
れてきているが、最近ではその好適な製造手段として、
遠心力とテルミット反応を利用するいわゆる遠心テルミ
ット法が提起されている。

すなわち、この方法は第１図に示すように、金属製母管
１内に金属還元剤と金属酸化物との一定比率の混合物か
らなるテルミット剤２を装填し、これを高速回転による
遠心力場内で着火して、下記式に例示する如きテルミッ
ト反応を行なわしめ、この発熱反応により生成される溶
融金属と溶融セラミックとを比重分離して、第２図に示
すように母管１の内面に金属層３を介して所望のセラミ
ツク層４を被覆形成するものである。Ｆｅ２Ｏ３＋２Ａ
１→Ａｌ２Ｏ３＋２Ｆｅ＋１９９Ｋｃａ１（／Ａｌ２Ｏ
３ｌモル）この方法によれば、任意の金属製母管１の内
面に、厚さ０．５〜１０ｍｍ更に一般的には１〜３ｍ７
！Ｌ程度の金属層３を介して、厚さ１〜１０数關更に一
般的には２〜６ｍｍ程度のセラミツク層４を被覆形成し
た所期のセラミツクコーテイング複合管を容易に得るこ
とができるのであるが、とりわけこの方法による場合で
は、その母管１に溶融状態から金属層３、セラミツク層
４が形成されるため、母管１に対する金属層３、セラミ
ツク層４の密着性が良好で、母管一金属層並びに金属層
−セラミツク層間に高い結合力を有するものが得られる
利点がある。

例えば、この方法によつて得られた複合管にあつては、
その金属層−セラミツク層間の密着せん断力は１５０〜
２００ｋｇ／Ｃｌ！ｌにも達し、これはセラミツク溶射
による金属層−セラミツク層の結合状態のそれに匹敵す
るものである。このように遠心テルミツト法はセラミツ
クコーテイングを行なう複合構造管の製造手段として非
常に大きな利用価値を有するものであるが、反面改善す
べき点として、セラミツク層内に割れやクラツクを発生
し易い問題点を抱えている。

すなわち、遠心テルミツト法では金属層とセラミツク層
とが高温状態から密着されるため、その冷却過程では熱
膨張率の差による残留応力などに起因してセラミツク層
に割れを発生し易いものと考えられる。そこで、この割
れ発生を防止するために次のような改善手段も提唱され
ている。

その一は、テルミツト剤の装填量を増し生成物層（セラ
ミツク層）のコーテイング厚を増加して対処する方法で
あり、今一つはテルミツト反応の過激な反応を抑制して
穏やかに反応を進行せしめ対処する方法であつて、いず
れも割れ発生頻度の低下に奏効し得ることが知られてい
る。そして、上記改善手段のうち後者のものについては
、具体的にはテルミツト剤の粒度を粗いものとすること
によつて反応の緩和が達成され、例えば酸化鉄とアルミ
ニウム粉末からなるテルミツト剤については、その粉末
粒度を約２０メツシユよりも粗いものとすることによつ
て割れ防止に顕著な効果を発揮することが知られている
。本発明は遠心テルミツト法におけるコーテイングセラ
ミツク層の割れ発生の問題を、上記対策手段とは異なる
観点に基づいて、即ち使用テルミツト剤の配合比を調整
する手段に基づいて克服解消せんとするものであり、そ
の特徴とする処は、複合構造管の製造に当り、金属製母
管内に、金属還元剤と金属酸化物との混合物からなるテ
ルミツト剤を装填し、遠心力場内で該テルミツト剤に着
火しテルミツト反応を行なわしめて、前記母管内面にテ
ルミツト反応により生成された金属及びセラミツク層を
被覆形成する方法において、前記テルミツト剤に、金属
還元剤に対し金属酸化物を過剰に配合したものを用いる
点にある。

本発明者らは、上記対策手段とは異なる観点からセラミ
ツク層の割れ発生防止について鋭意実験研究を重ねた結
果、その使用されるテルミツト剤の配合比を積極的に調
整することによつて、形成されるセラミツク層の割れ発
生頻度を制御できることを知見するに至つた。

テルミツト剤はアルミニウムと酸化鉄に代表される金属
還元剤と金属酸化物との混合物からなりもとより化学量
論的に定まる一定の混合比の下に混合される。

例えば、前記に掲げたアルミニウムと酸化第二鉄の場合
では、その化学反応式から導かれるモル比から、両者の
理論配合比は重量比でＡｌ：Ｆｅ２Ｏ３−１：２．９６
の値に定まる。従来、遠心テルミツト法に使用されてい
るテルミツト剤も勿論この一般化学量論に基づいて配台
したものが使用され、配合誤差による多少の過不足はあ
つても、その金属還元剤と金属酸化物とは理論配合比を
指向して混合されている。しかるに、本発明ではそのテ
ルミツト剤に、金属還元剤と金属酸化物との配合比をそ
の理論配合比に拘わらず特に金属酸化物を積極的に過剰
配合せしめたものを使用することを基本的な技術思想と
するものであつて、かかる金属酸化物の過剰配合によれ
ば、テルミツト反応後に形成されるセラミツク層に実際
に顕著な割れ防止効果を発揮する。

このような金属酸化物の過剰配合による作用効果は、究
極的にはそれがテルミツト反応を緩やかなものにするた
めと考えられる。第３図は上記金属酸化物の過剰配合に
よる顕著な効果を裏付るために掲げるものであつて、一
例としてアルミニウムと酸化鉄からなるテルミツト剤の
場合について示している。

すなわち、横軸は理論配合比のテルミツト剤に対する酸
化鉄の過剰量を、縦軸は反応後に形成されるセラミツク
層の割れ発生頻度を示している。なお、前述のように母
管に対するテルミツト剤の装填量が増せば割れの頻度は
低下するため、パラメータとして母管重量に対する理論
配合比のテルミツト剤重量を一定としている。この図か
ら明らかなように、テルミツト剤の過剰酸化鉄重量比が
増するつれて割れ発生頻度は著しく低下し、特に過剰酸
化鉄の重量比が３％以上になると顕著な割れ防止効果が
確認でき、その割れ発生頻度はいずれも理論配合比のそ
れの１７％以下にまで抑えられている。このような過剰
酸化鉄による割れ頻度低下への寄与は、その過剰酸化鉄
の重量比の増加に伴い増大することが認められるが、テ
ルミツト反応の安定性や形成されるセラミツク層の性質
の点からは過剰酸化鉄の重量比には自ずと上限がある。

第４図は過剰酸化鉄の重量比とテルミツト反応熱との関
係を示したもので、過剰酸化鉄の増加に伴いその発熱量
は徐々に低下し、過剰酸化鉄の重量比が１５％を超える
と未反応のテルミツト剤が残存する傾向にある。このよ
うなテルミツト反応の不安定を来たす遠心テルミツト法
による複合管の製造に支障を来たすことは勿論である。
また一方、アルミニウムと酸化鉄からなるテルミツト剤
を使用する場合に形成されるセラミツク層についてみる
と、その主成分はα−Ａｌ２Ｏ３（コランダム）でこれ
にＦｅＯ−Ａｌ２Ｏ３（スピネル系物質）などが混つた
多結晶体構造を呈する。

然るに、テルミツト剤中の過剰酸化鉄が余り多くなり過
ぎ１５％を超えるようになると、前述のように反応熱が
過度に奪われ、未反応部分も残存するおそれが生じ、ひ
いてはコランダムを主体とした有用なセラミツク層の形
成にも問題を生じてくる。従つて、セラミツク性状の点
からも、過剰酸化鉄の重量比は実質的に１５％が限度で
ある。このように、テルミツト剤中の過剰酸化鉄の配合
量は、セラミツク層の割れ防止、テルミツト反応の安定
性及びセラミツク層性状の諸点について総合的に勘案す
れば、具体的には理論配合比のものに更に重量比で３〜
１５％の範囲で過剰に配合したものが適当である。

そして、更に好ましい範囲としては６〜１２％の範囲で
ある。以上はアルミニウムと酸化鉄からなるテルミツト
剤を使用する場合の例について述べたのであるが、本発
明は金属還元剤と金属酸化物の他の組合せに係るテルミ
ツト反応系全般についても同様に適用されるものである
。

なお、本発明で使用されるテルミツト剤は金属酸化物を
過剰に配合されるため、過剰酸化物が反応時に過激な反
応の進行を抑制するように作用する。

換言すれば、本発明では金属酸化物の過剰配合によつて
、前述のようにテルミツト反応を緩やかなものとするの
である。このことは、逆に反応の安定性を確保する見地
、即ちテルミツト反応が５その装填剤全部について完全
に起らず未反応部分を残存するのを防止する見地からは
、本発明は所謂反応の激しい即ち発熱量の大きいテルミ
ツト反応系を利用する場合に特に有効に適用されること
を意味する。本発明が適用される好ましいテルミＯツト
反応系は下記表の通りであつて、これらは何れも十分に
大きな発熱量を有するものである。すなわち、本発明で
使用される好ましいテルミツト剤としては、その金属還
元剤がＡｌからなり、一方金属酸化物はＦｅ２Ｏ３，Ｆ
ｅ３Ｏ４，ｃｒ２Ｏ３，ＮｉＯもしくはＭｎＯ２又はこ
れらの混合物からなるものを例示することができる。次
に本発明の実帷例を掲げて説明する。

く実帷例〉 各々１５０℃で２４時間以上乾燥処理した酸化第二鉄（
Ｆｅ２Ｏ３）とアルミニウム（Ｘのの粉末を用意しこれ
らをＡｌ４３２９：Ｆｅ２Ｏ３ｌ２７９９（重量比でＡ
ｌ：Ｆｅ２Ｏ３−１：２，９６）の理論配合比のテルミ
ツト剤１７１１９に秤量した。

この理論配合比のものには、更に３４θ（テルミツト剤
に対し重量比で２％）のＦｅ２Ｏ３が加えられ、これを
Ｖ型混合機で約１時間十分混合し、酸化第二鉄過剰のテ
ルミツト剤１７４５１を得た。このテルミツト剤は、遠
心機金枠内にセツトした外径１１４．３ｍ７７！、肉厚
６ｍ７！Ｌ１管長３００ｍｍの鋼管製母管内面に散布さ
れた。このさい、金枠は５００ｒ．ｐ．ｍの回転数で回
転されているため、テルミツト剤は遠心力によつて鋼管
内面に付着充填されている。しかして、その後漸次金枠
の回転数を増加し、テルミツト剤に着火した。すると、
反応はすぐに終了し、しばらくしてその赤熱状態が消え
た。この方法によつて製造された複合管は、セラミツク
及び生成金属の各層に、層厚３ｍｍ及び１．５ｍＴ１Ｌ
を有する均一なものが得られた。゛上記と同じ工程によ
つて理論配合比のテルミツト剤１７１１９を用意し、こ
れに酸化第二鉄１０３ｆ！（重量比で６％過剰）、１７
１９（同１０％過剰）、２７４ｇ（同１６％過剰）を各
々加えた酸化第二鉄過剰のテルミツト剤をつくつた。

これらを上記と同様にして複合管の製造に供した。上記
各テルミツト剤を使用した製造試験結果によると、Ｆｅ
２Ｏ３２％過剰のものでは、セラミツク層に未だへアク
ラツクの発生が観察されたのに対し、Ｆｅ２Ｏ３６％並
びに１０％過剰のものでは、その割れの発生は皆無であ
つた。なお、Ｆｅ２Ｏ３ｌ６％過剰のものでは、管の両
端部付近に少量の未反応テルミツト剤を残存する結果と
なつた。以上述べた如く、本発明は金属製母管の内面に
セラミツク層を被覆形成してなる複合構造管の製造手段
として有意義な遠心テルミツト法について、その難点で
あるセラミツク層の割れ発生問題を従来対策手段とは異
なるテルミツト剤の配合比の調整により簡単かつ確実に
解消することができるようにしたものであつて、遠心テ
ルミツト法の利用価値を倍加するものとして顕著な技術
的意義を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図とは遠心テルミツト法の製造プロセスを
示す断面図であつて、第１図はテルミツト反応前の装填
状態を、第２図は反応後における金属層を介してのセラ
ミツク層の被覆状態を示している。 第３図はテルミツト剤の金属酸化物過剰配合とセラミツ
ク層の割れ発生頻度との関係一例を示すグラフである。
第４図はテルミツト剤の金属酸化物過剰配合とテルミツ
ト反応の発熱量との関係一例を示すグラフである。１・
・・・・・金属製母管、２・・・・・・テルミツト剤、
３・・・・・・金属層、４・・・・・・セラミツク層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属製母管内に、金属還元剤と金属酸化物との混合
   物からなるテルミット剤を装填し、遠心力場内で該テル
   ミット剤に着火しテルミット反応を行なわしめて、前記
   母管内面にテルミット反応により生成された金属及びセ
   ラミック層を被覆形成する方法において、前記テルミッ
   ト剤に、金属還元剤に対し金属酸化物を過剰に配合した
   ものを用いることを特徴とする複合構造管の製造法。 ２ 金属還元剤がＡｌからなり、一方金属酸化物がＦｅ
   ＿２Ｏ＿３、Ｆｅ＿３Ｏ＿４、Ｃｒ＿２Ｏ＿３、ＮｉＯ
   もしくはＭｎＯ＿２又はこれらの混合物からなる特許請
   求の範囲第１項記載の製造法。 ３ テルミット剤は、金属還元剤と金属酸化物とを理論
   配合比で混合せしめたものに、更に金属酸化物を重量比
   で３〜１５％過剰に配合してなる特許請求の範囲第１項
   又は第２項記載の製造法。