JPS62248553A - 二層中空筒体の製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、異種の材料からなる外層と内層とが積層され
た二層構造を有し、例えばシリンダ類、輸送管等として
有用な二層中空筒体の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

シリシダ類、輸送管、化学プラント反応管・配管、その
他の各種構造用管体として、内層と外層との二層積層構
造を有する中空筒体が使用されることが多い。この二層
構造の中空筒体は、一種の材料だけでは得られない複数
の材料特性を内層材料と外層材料との組合わせにより兼
備させ、あるいは材料コストを節減しながら、所要の材
料特性を充足させようとするものである。例えば、化学
プラント反応管として、外層を耐熱鋼で、内層を耐食鋼
でそれぞれ形成して高温強度と耐食性とを兼備させたも
のが使用されている。また、プラスチック射出成形機の
シリンダにあっては、その内部を通過する溶融プラスチ
ックからの腐食性ガスによる腐食や、強化材として配合
されるセラミック繊維との摩擦による摩耗をうけるので
、内層材料として腐食抵抗性および摩耗抵抗性にすぐれ
た材料を適用し、外層材料としてはシリンダとして必要
な強度等を有するものを用いて二層構造とした中空筒体
を使用することが望ましい。

このような異種材料を組み合わせた二層中空筒体の製造
方法の代表的な方法として、管体の表面に溶接により異
種材料の肉盛層を形成する溶接肉盛法、異種材料を溶射
材料とし、その溶滴を管体表面に吹き付けて管体を溶射
層で被覆する溶射法、あるいはＡ心力鋳造用鋳型内に、
金属溶湯を注入して外層としての中空円筒体を鋳造し、
ついでその内側に異種の金属溶湯を注入して内層として
の中空円筒体を鋳造する遠心力鋳造法などがある。

〔解決しようとする問題点〕

しかるに、溶接肉盛法は、煩瑣な作業を必要とし、かつ
溶接材料の選択の制限が多く、しかも溶接割れ等を防止
するための予熱・後熱等の煩わしい処理を必要とする。

また、溶射法では、基材である管体とその表面の溶射層
との密着力が弱（、剥離し易いという問題がある。

遠心力鋳造法では、上述の難点は比較的少なく、工程が
簡素で大量生産にも適している。しかし、同法による場
合、内層および外層を形成するための金属溶湯の溶製作
業を、各々別の溶解・精錬炉で同時に並行して行うこと
が必要であるうえ、鋳造作業において、内・外両層を冶
金学的に密着一体化させるには、両層の鋳造温度および
鋳造のタイミング等、多くの因子を制御せねばならず、
更に両層の材料の選択・組合わせの決定に際して鋳造割
れ等の鋳造欠陥防止の点から少なからぬ制約を受ける。

また、遠心力を利用する方法であるから、形成される二
層中空筒体は、中空孔の内面が円形状のものに限られる
。

本発明は、上記従来法の欠点を解消するための新たな二
層中空筒体の製造方法を提供しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る二層中空筒体の製造方法は、外層材として
中空筒体を、また内層材として所要の成分組成に調合さ
れた粉末をそれぞれ使用し、該中空筒体の内側面に粉末
材を層状に充填して高周波加熱により粉末を溶融させて
内層を形成するようにしたものであって、 まず外層となるべき中空筒体の中空孔内に、少なくとも
表層部がセラミックからなる芯金部材を配置して中空筒
体の底部から頂部に恒って芯金部材のまわりに隙間を形
成し、その隙間に内層となるべき粉末材を投与充填した
後、中空筒体の外部に配設されている高周波加熱コイル
にて隙間内の粉末材を加熱溶融しながら該高周波加熱コ
イルを中空筒体の軸方向に漸次移動させることにより、
粉末材の溶融帯域を移動させると共に、高周波加熱コイ
ルが通過した部分の粉末溶融物を凝固させて中空筒体の
内表面に融着した内層を形成せしめ、しかるのち芯金部
材を抜去するようにしたことを特徴とする。

〔作用〕

本発明方法においては、外層材である中空筒体の内面側
に層状に充填された内層形成用粉末材を、中空筒体の外
部に配設された高周波コイルを加熱手段とする所謂ゾー
ンメルティング（帯域溶融）法により一端側から他端側
に向かって順次溶融することとしたので、高周波コイル
の電流制御および移動速度の調節により、健全な内層を
形成するための粉末の十分な溶解・融合、および形成さ
れる内層と外層材との界面の融着一体化に必要な給熱の
制御が行われる。また、粉末の溶融は、小範囲の帯域ご
とに行われるので、二種以上の粉末（例えば、金属粉末
とセラミック粉末）の混合物を使用した場合においても
、粉末の比重差による重力偏析と、それに伴って生じる
内層の上下方向の成分組成のバラツキは極めて少ない。

むろん、遠心力鋳造法におけるような遠心力の作用はな
いので、径方向の成分組成のバラツキが生じる懸念は皆
無である。

また、使用する芯金部材の外形状により、内層の内側面
を、円形状はむろんのこと、多角形状、あるいは大径部
と小径部を有する異形状、その他任意の形状に成形する
ことができる。

更に、芯金部材を用いて内層を形成する場合の最も困難
な問題として、芯金部材と内層との界面に生じる反応、
特に芯金部材の成分が内層へ拡散移行することにより内
層が汚染され、内層に好まシ＜ない材質変化が生じるこ
と、および芯金部材と内層との界面が融着するために、
芯金部材の抜き取りに著しく難渋するうえ、その抜き取
り時に内層が損傷することも少なくないことが挙げられ
る。本発明に使用される芯金部材は、少なくともその表
層部がセラミックで構成されているので、内層との反応
による内層の汚染・材質変化は殆どなく、また内層との
融着もないので、比較的容易に芯金部材を抜き取ること
ができ、抜き取り作業において内層を損傷するおそれも
ない。

〔実施例〕

本発明の実施例を添付図面により説明すると、第１図に
おいて、（１）は外層材である中空筒体、（３）は芯金
部材、（４）は回転台である。

外層材である中空筒体（１）と芯金部材（３）とは、そ
の底部において、フランジ（５）に芯出しされて溶接に
より固定された状態で回転台（４）の回転中心に立設さ
れ、チャック（６）にて固定されている。

（７）は高周波加熱コイルであり、回転台（４）に載置
された中空筒体（１）を囲むように配設され、図示しな
い昇降装置により中空筒体（１）の軸心に沿って所定の
速度で上下方向に移動するようになっている。

この図の例における外層材（１）は断面が略円形で全長
に恒って一様な径を有する管体であり、その中空孔内に
挿入されている芯金部材（３）は、正六角形断面を有す
る金属製柱状基体（３１）の表面をセラミック溶射層（
３２）で被覆した六角柱状体である。芯金部材（３）の
まわりには、底部から頂部に恒って、内層を形成するた
めの隙間（Ｇ）が、所定の内層層厚に応じた隙間幅をも
って形成されている。なお、芯金部材（３）の頂部には
、その上方から投与される粉末材を芯金部材（３）のま
わりに分散させるために、錐形状部材（９）が帽着され
ている。むろん、錐形状部材（３）と芯金部材（９）と
は一体物として製作してもよい。

回転台（４）は、図示しない回転駆動装置により軸（４
１）を中心に回転することによってその台上に立設され
た外層材（１）および芯金部材（３）を軸心を中心に回
転させる。外層材（１）および芯金部材（３）を軸心を
中心に回転させることにより、粉末体を外層材（１）の
頂部開口部から隙間（Ｇ）内に投与する際の粉末の落下
位置を変化させ、隙間（Ｇ）の周方向の各部分に対して
粉末を均一に分散させることができる。また、回転台（
４）による回転運動に伴って生じる振動効果により、隙
間（Ｇ）内に投与された粉末の充填密度が高められる。

更に、隙間（Ｇ）内の粉末材を高周波加熱コイル（７）
で加熱溶融する過程において外層材（１）と芯金部材（
３）を回転させることにより、隙間（Ｇ）内の粉末材に
対する給熱の周方向のバラツキが防止され粉末材の加熱
溶融温度の均一化が助長される。

本発明に使用される外層材（１）は、鋳造または塑性加
工等により製造された管体等の中空筒体である。外層材
（１）および内層を形成する粉末材の材質、成分組成は
、目的とする二層中空筒体の用途・要求性能に応じて適
宜選ばれる。例えば、プラスチック射出成形機のシリン
ダを製造する場合、外層材（１）として炭素鋼、鋳鉄な
どの管体が、また粉末材として、Ｎｉ系自溶性合金粉末
（Ｃｒ：５〜２５％、Ｂ：１〜４％、残部Ｎｉ）、また
はＣＯ茶系自溶合金（Ｃｒ：５〜２５％、Ｓｉ：１〜４
％、Ｂ：１〜４％、残部ＣＯ）、あるいはより高度の耐
摩耗性を得ることを目的として、上記金属粉末に、タン
グステン炭化物（ＷＣ，ＷｔＧ＞粉末を適量（例えば、
５〜５０重量％）配合した混合粉末等が使用される。

上記のように回転台（４）上に所定の部材を設置したの
ち、回転台（４）の回転により外層材（１）および芯金
部材（３）を軸心まわりに回転させながら、まずその外
層材（１）の頂部開口端から内層形成用粉末材（２）を
隙間（Ｇ）内に投与充填する。この場合、粉末材（２）
の加熱溶解過程における外層材（１）の内面および粉末
材（２）の酸化およびそれに伴う内層の材質劣化等を防
止する目的で、必要に応じ、粉末材の投与に先立って、
外層材（１）の頂部に天蓋部材（８）を被嵌し、天蓋部
材（８）の孔（８１）を介して不活性ガス（Ａｒガス、
窒素ガス等）を隙間（Ｇ）内に導入し、隙間（Ｇ）内に
無酸化雰囲気を形成する。また、外層材（１）の内表面
の乾燥（吸着水の除去）および粉末材の加熱溶融工程の
短縮化を目的として、粉末材の投与に先立って、外層材
（１）を高周波加熱コイル（７）により適当な温度に予
熱しておく場合もある。

外層材（１）内の隙間（Ｇ）に粉末材（２）を投与充填
したのち、その底部から高周波加熱コイル（７）による
粉末材（２）の加熱を開始し、溶融物域を形成すると共
に、該コイル（７）を所定の速度（例えば、０．１−０
．５　ｔｍ／秒）で上方に移動させることにより、粉末
材（２）の溶融域（ｍ）を、コイル（７）の移動に伴っ
て上方に移行させる。コイル（７）が通過した後の溶融
域（ｍ）は降温・凝固して外層材（１）の界面と融着一
体化した内層が形成される。こうして、隙間（Ｇ）内の
粉末材（２）をその底部から頂部まで順次溶融・凝固さ
せることにより、外層材（１）の内側全表面をおおう内
層（１２）を形成したのち、内層（１２）が適当な温度
（例えば、常温〜５０℃）に降温するのを待って、芯金
部材（３）を抜去する。なお、その間、内層（１２）の
材質に応じて、例えばその冷却過程に生じる熱応力に因
る割れを防止し、あるいは内層（１２）のｍ織を調整す
ることを目的として、高周波加熱コイル（７）により内
層（１２）に対し適量の給熱を行いながら冷却させる場
合もある。また、同様の目的のもとに、芯金部材（３）
の中空孔（３４）内に適宜の温度に調整された熱媒体（
熱風、冷風等）を送給して内層（１２）の冷却速度を制
御することもできる。更に、所望により適当な温度（例
えば、４００〜１０００℃）の炉内に装入して徐冷する
場合もある。

芯金部材（３）を抜去したのち、適宜の後処理加工（例
えば、内層（１２）の内表面の切削仕上げ加工等）を施
すことにより、第２図に示すように外層（１１）と内層
（１２）とがその界面で融着結合している二層積層構造
を有する中空筒体（１０）が得られる。

本発明に使用される芯金部材（３）は、目的とする二層
中空筒体の形状に応じた任意の外形状を有する。前記説
明では、正六角柱状の芯金部材を用いて第２図に示すよ
うに正六角形中空孔を有する二層中空筒体を得る例を挙
げたが、その他に、例えば第３図に示すような円柱状芯
金部材（３）を用いて第７図のような円形中空孔を有す
る二層中空筒体（１０）を得、また第４図に示すように
大径部（ａ′）と小径部（ｂ′）とからなる柱状芯金部
材（３）を使用して第８図に示すごとき大径部（ａ）と
小径部（ｂ）とを有する二層中空筒体（ｌＯ）を得るこ
とができる。その芯金部材（３）の大径部（ａ′）およ
び小径部（ｂ′）の断面形状は円形のほか六角形等の多
角形状に設計される場合もある。更に、第５図のように
、２つの円柱体を組み合わせた双眼状の芯金部材（３）
を用いることにより第９図に示すように２つの中空孔が
軸方向に並行する内面形状をもった二層中空筒体を形成
することができる。

芯金部材（３）は、第３図〜第５図に示したように、基
体（３１）　（このものは、鋳鉄・鋳鋼等の鋳造または
塑性加工品であってよい）の外表面にセラミック（例え
ば、アルミナ、ジルコニア、酸化クロム等）の層（３２
）を溶射法等により形成したものであってもよく、ある
いは第６図のようにセラミックの焼結晶として所定形状
に製作されたものであってもよい。

更に、芯金部材（３）は、必ずしも第３図〜第５図のよ
うに一体物である必要はなく、その形状によっては、製
作の都合上、または内層形成後の抜去作業の便宜上、例
えば第６図に示すように、複数個に分割し、各割型部材
（３・１）を再分割可能なように所定の形状の芯金部材
に組み立てて使用し、内層形成後、各割型部材ごとに抜
去するようにしてもよい。

本発明方法の具体例を挙げると、外層材（１）として３
４８Ｃ相当の炭素鋼からなる遠心鋳造管（外径：１１５
ｆｌ、内径＝８０ｆｉ、管長ニア００鶴）を使用し、そ
の中空孔内に５Ｓ４１材からなる正六角形断面の柱状基
体（３１）の表面をアルミナ（ＡＩｌ、Ｏ，）の溶射層
（３２）で被覆してなる六角柱状の芯金部材（３）（そ
の断面は直径６０ｍｍの円に外接する正六角形状）を外
層材（１）内に同軸に挿入固定して回転台（４）上に立
設する。ついで、回転台（４）の駆動により外層材（１
）と芯金部材（３）を軸心まわりに６Ｏｒｐｍで回転さ
せながら、高周波加熱コイル（７）にて外層材（１）を
加熱すると共に、隙間（Ｇ）内をＡｒガス雰囲気で置換
し、その隙間（Ｇ）内に、内層形成用粉末材として、Ｎ
ｉ系自溶性合金（Ｃｒ：１４．５％、Ｂ：３％、残部Ｎ
ｉ）にタングステン炭化物（ＷＣ）５重量％を配合した
混合粉末を充填する。この粉末を、高周波加熱コイル（
７）（周波数：　２０００Ｈｚ　）により粉末層の底部
から溶融し始め（外層表面温度：　１２５０℃）、該コ
イル（７）を０゜４Ｋｍ／秒の移動速度で頂部まで移動
させることにより、粉末層を帯域ごとに溶融・凝固させ
て外層材（１）の内表面全体を被覆する内層を形成せし
め、ついでその内層（１２）を自然放冷させて常温に降
下した時点で芯金部材（３）を抜去する。しかるのち、
両端の余肉部分を切断除去すると共に、内層（１２）の
内表面に軽度の切削加工を施して第２図に示すごとき、
内面の水平断面形状が六角形の二層中空筒体（１０）を
得た。この例において芯金部材（３）と内層（１２）と
の界面の反応および融着は殆ど皆無であり、従って芯金
部材（３）は容易に抜去することができ、芯金部材（３
）の抜去に伴う内層（１２）表面の損傷も認められなか
った。また、芯金部材（３）の成分の拡散による内層（
１２）の汚染も実質的に皆無であって、後処理における
内層（１２）表面の切削代は、わずかに０．１＋ｎ程度
で十分であった。

〔発明の効果〕

本発明方法は、中空筒体を外層材とし、その内面に充填
された粉末材をゾーンメルティング法により溶融して内
層を形成するので、従来の遠心力鋳造法、その他の製造
法に比し、簡素な設備・工程で二層中空筒体を製造する
ことができる。

特に、芯金部材として表層部がセラミックからなるもの
を使用することとしたので、内層と芯金部材との界面の
反応による内層の汚染を回避し、健全な内層を形成する
ことができる。また、内層と芯金部材との界面の剥離性
が良いので、内層形成後の芯金部材の抜去も極めて容易
であり、抜き取りのためのテーパを芯金部材の外表面に
形成する場合にも、極軽度のテーパで十分である。従っ
て、形成された内層の表面の切削加工代もわずかですむ
等、内層成形後の加工工程が大幅に簡略化される。

また、外層材および内層材の材質の選択に本質的な制限
はないので、目的とする二層中空筒体の用途・要求性能
に応じて、耐摩耗性、耐食性、耐熱性、その他の緒特性
を兼備させることができる。

形成される外層および内層の肉厚は、使用される外層材
の肉厚および外層材と芯金部材とで画成される隙間幅に
より定まるので、遠心鋳造法におけるような層厚制御の
困難もない。また、高周波加熱コイルによる給熱量の制
御により、内層と外層の界面の強固な融着結合関係を形
成することができる。

なお、外層および内層が割れ感受性の高い材質であって
も、高周波加熱コイルによる加熱・冷却速度の制御によ
り割れ発生を防止することができるので、一般に行われ
ているような予熱・後熱の煩わしい熱処理作業を省略す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（１）は本発明方法の実施要領の具体例を示す縦
断面図、（ＩＩ）はＨ−Ｈ断面図、第２図、第７図〜第
９図は本発明により得られる二層中空筒体の例を示す図
（各図ともＣＩ）は平面図、（ＩＩ）はＶ−Ｖ断面図）
、第３図〜第６図は本発明に使用される芯金部材の例を
示す図（各図とも（１）は平面図、（ＩＩ）は一部切欠
側面図）である。 ｌ：外層材、２：粉末材、３：芯金部材、４：回転台、
７：高周波加熱コイル、１０：二層中空筒体、１１：外
層、１２：内層。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）外層となるべき中空筒体の中空孔内に、少なくと
   も表層部がセラミックからなる芯金部材を配置し、中空
   筒体の底部から頂部に恒って芯金部材のまわりに形成さ
   れている隙間内に、内層となるべき所定の成分組成に調
   合された粉末材を投与充填した後、中空筒体の外部に配
   設されている高周波加熱コイルにより隙間内の粉末材を
   加熱溶融しながら該高周波加熱コイルを中空筒体の軸方
   向に漸次移動させることによって、粉末材の溶融帯域を
   移動させると共に、高周波加熱コイルが通過した部分の
   粉末溶融物を凝固させて中空筒体の内表面に融着した内
   層を形成せしめ、しかるのち芯金部材を抜去するように
   したことを特徴とする二層中空筒体の製造方法。
2. （２）中空筒体とその中空孔内に配置される芯金部材を
   水平回転台の回転中心に立設し、水平回転台による回転
   下に内層を形成することを特徴とする上記第１項に記載
   の二層中空筒体の製造方法。
3. （３）中空筒体と芯金部材の隙間内の雰囲気を、粉末材
   の投与充填に先立って不活性ガスで置換し、不活性雰囲
   気下に内層を形成することを特徴とする上記第１項また
   は第２項に記載の二層中空筒体の製造方法。
4. （４）芯金部材として、金属製基部材をセラミックで被
   覆した部材を使用することを特徴とする上記第１項ない
   しは第３項のいずれか１つに記載の二層中空筒体の製造
   方法。
5. （５）芯金部材として、セラミック焼成部材を使用する
   ことを特徴とする上記第１項ないしは第３項のいずれか
   １つに記載の二層中空筒体の製造方法。
6. （６）芯金部材として、複数個の部材が再分割可能なよ
   うに所要形状に組み立てられた割型部材を使用すること
   を特徴とする上記第４項または第５項に記載の二層中空
   筒体の製造方法。