JPS6326301A - 積層複合筒状体の製造方法 - 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、熱膨張係数の相異なる外層と内層との間に、
熱膨張係数が両層間にわたって漸次変化する中間層を有
する積層複合筒状体の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

熱膨張係数の相異なる異種材料を外層材および内層材と
して接合一体化した構造物は、その使用時に、両層間の
熱膨張係数の差に起因する内部応力により、割れが発生
ずる場合がある。

この対策として、外層と内層との間に、両層の中間の熱
膨張係数を有する材料を中間層として介在させ、内・外
層間の熱膨張係数の急激な変化を避けることにより、内
部応力を緩和することが知られている。

この中間層による内部応力緩和効果を高めるために、中
間層材として、熱膨張係数の相異なる複数の種類の材料
を使用し、それらを熱膨張係数の順に重ね合わせること
により、中間層の熱膨張係数を内・外層間に恒って段階
的に変化させることも行われている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記積層構造物が、例えば板状体や単純なブロック形状
である場合は、各層材料を上下に重ね合わせて圧着接合
するごとにより製作することができ、その製作工程に特
別の困難はない。しかし、円管などの筒状体である場合
には、各層材料として、所定の寸法に正確に加工された
リング状部材を準備し、これらを密接に嵌め合わせる（
クリアランスゼロまたは焼嵌め状態）ことが必要であり
、その製作工程は複雑かつ困難であり、加工コストも高
くつく。また、各層材料の熱膨張係数が異なることに起
因して製作不良となることも少なくない。これらの問題
は、中間層の熱膨張係数を段階的に変化させるべく組合
わされる中間層材の種類が多くなるほど著しくなる。更
に、そのような中間層を形成するための材料選択に当た
っては、構造材料としての強度設計面等からの制約をも
受けるので、熱膨張係数が望むとおりに順次変化するよ
うな適切な材料を選択し糺み合わせることは、実際上複
雑かつ困難を極める。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので
ある。

〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明に係
る積層複合筒状体の製造方法は、外層材と内層材との間
に、中間層材として、熱膨張係数の相異なる複数種の金
属粉末を、該両層間にわたって熱膨張係数が漸次変化す
るように充填して粉末充填体を形成し、ついでその粉末
充填体を加圧下に焼結処理することを特徴とする。

第１図は、本発明における粉末充填体の形成方法の例を
示している。（２０）は、同心円状の外側円筒壁（２１
）と内側円筒壁（２２）とを有する底付き容器であり、
その容器（２０）内には、同心円をなして回設された硬
質の薄肉シート（２４）により所定の数の層空間（Ｓｌ
、　３２．　Ｓ３．　Ｓ４．　Ｓ５）が画成されている
。

該シー）　（２４）は、金属粉末充填後、不要となるの
で、加熱により消失する材質のものが好ましい。

上記容器（２０）内の最外層空間（Ｓｌ）を外層形成空
間とし、これに外層材として所定の金属粉末（外層粉末
）を、他方最内層空間（Ｓ５）を内層形成空間とし、こ
れに内層材として所定の金属粉末（内層粉末）をそれぞ
れ充填すると共に、残る層空間（Ｓ２．　Ｓ３．　Ｓ４
）を中間層形成空間とし、その層空間のそれぞれに、中
間層材として別途準備した、熱膨張係数の相異なる金属
粉末を、熱膨張係数の順に投入充填する。

こうして、容器（２０）内に金属粉末を層状に充填して
第２図に示すように、外層となる粉末層（ＬＯ）、中間
層となる複数の粉末層（Ｌ、＋　　ＬＩ１１２１　　Ｌ
−３）、および内層となる粉末層（Ｌｉ）からなる粉末
充填体（１０）を形成する。この粉末充填体（１０）の
容器天面開口部に上蓋（２５）を溶接により接合し、上
蓋（２５）の脱気孔（２６）を介して容器内を真空引き
しながら、所定の温度に加熱することにより、シー）　
（２４）をガス化して消失させると共に、粉末層内を十
分に脱気し、ついで脱気孔（２６）を密封する。

しかるのち、この粉末充填体を、加圧下に、所定の温度
に加熱して粉末体を焼結する。

焼結処理を終えたのち、容器（２０）の外側円筒壁（２
１）、内側円筒壁（２２）、底部（２３）、および」二
蓋（２５）に機械加工を加えて除去することにより、内
層と外層との間に、熱膨張係数が段階的に（図の例では
３段階に）変化する中間層を有する積層複合筒状体の焼
成品が得られる。

上記説明では、粉末充填体（１０）の形成工程において
、中間層のみならず、外層および内層をも金属粉末を用
いて形成する例を示したが、外層材および／または内層
材として、金属粉末に代えて、鋳造または塑性加工等に
より形成された環状部材、あるいは金属粉末を加圧成形
して得られた環状部材を使用することもできる。

そのほか、容器（２０）の外側円筒壁（２１）や内側円
筒壁（２２）を、それぞれ外層および内層とすることも
できる。例えば、容器（２０）として、目的とする積層
複合筒状体の外層または内層のいずれか一方、例えば内
層と同一の材料を用いて製作したものを用いる場合には
、その内側円筒壁（２２）を内層として利用することが
できる。また、目的とする積層複合筒状体の外層と同一
の材料からなる外側円筒壁（２１）と、内層と同一の材
料からなる内側円筒壁（２２）とを溶接接合して組み立
てられた容器（２０）を使用することにより、その円筒
壁（２１）　（２２）のそれぞれを、目的とする積層複
合筒状体の外層および内層とすることができる。

第３図は、遠心力を利用して粉末充填体を形成する方法
を示す。（３０）は回転容器であり、開口端面には、基
板（３１）が取り外し可能に取付けられている。この容
器（３０）を回転駆動輪（４０，４０）上に水平に載置
し、容器の軸心を中心に回転させながら、粉末ボソパ（
５０）から、基板の孔（３２）を介して、まず外層粉末
を容器内に投与して遠心力の作用により、外層となる粉
末層（Ｌｏ）を形成する。ついで、中間層材として準備
した熱膨張係数の相異なる複数種の金属粉末を、熱膨張
係数の順に従って逐次投与することにより、中間層（Ｌ
ｍ）となる所定層数の粉末層（Ｌｌ、Ｌ−７，Ｌ−３）
を形成し、更にその内側に、内層粉末を投与して内層と
なる粉末層（Ｌｉ）を形成する。しかるのち、回転容器
（３０）内の粉末の積層構造を保形せしめるために、溶
融したワックスを鋳込み、内層粉末層（１，、ｉ）の内
面にワックス層（Ｌｗ）を形成し、そのワックス層（Ｌ
　ｗ）が冷却固化するのを待って、容器（３０）の回転
を停止する。ついで、該容器（３０）の基板（３１）を
取り外し、第４図に示すように、ワックス層（ＬＷ）の
内側（中空孔）内に円筒状芯材（３５）を嵌着したのち
、上蓋（３６）をかぶせて溶接により接合する。ごの粉
末充填体（１０）の上蓋（３Ｇ）の脱気孔（３７）から
容器内を真空引きしながら、加熱することにより、ワッ
クス層（Ｌｗ）を気化消失させると共に、粉末層内を十
分に脱気し、ついで脱気孔（３７）を密封する。かく形
成された粉末充填体を、加圧下に焼結処理し、焼結完了
後、容器（３０）、芯材（３５）および」二蓋（３６）
を機械加工により除去し、内層と外層との間に、熱膨張
係数が段階的に（図の例では３段階に）変化する中間層
を有する積層複合筒状体の焼成品が得られる。

上記遠心回転による粉末充填体の形成工程において、外
層材として金属粉末に代え、鋳造、塑性加工等により形
成された環状部材、または金属粉末を加圧成形して得ら
れる環状部材を使用し、これを容器（３０）の円周壁（
３８）の内周面に環装し、その内側に中間層となる粉末
層（Ｌ□、Ｌ１□、　　Ｌ−３）を形成することもでき
る。また、容器（３０）を、外層材と同一の材料で形成
し、その円筒壁（３８）を外層とすることもできる。他
方、内層材についても、粉末に代え、鋳造、塑性加工、
粉末の加圧成形等により形成された環状部材を準備して
おき、回転容器（３０）内に中間層（ｒ−ｍ）（ｒ、４
．　　Ｌ１１２．　　ｔ、ｍ３）を形成したのち、その
内面をワックス層（ＬＷ）で固定し、ワックス層（Ｌ　
ｗ　）の内側中空孔内に内層材を嵌着するようにしても
よい。この場合、内層材が、鋳造品や塑性加工品である
場合、芯材（３５）の役目を兼ねるので、あらためてそ
の内側に芯材を装着する必要はない。

上記第２図、第４図では、中間層（Ｌ　ｍ　）を３層に
分けた例を示しているが、むろんこれに限られるわけで
はなく、必要に応じて層数を増やし、層間の熱膨張係数
の変化をより緩やかにすることができる。特に、第３図
のように遠心回転を利用する場合は、中間材金属粉末の
調合により、熱膨張係数が略連続的に変化する中間層を
容易に形成することができる。

粉末充填体（１０）の焼結処理は、好ましくは熱間静水
圧加圧焼結法により行われる。この焼結処理により、極
めて緻密で、各層相互の界面の結合の強固な積層複合体
を得ることができる。

なお、本明細書において、中間層を形成する金属粉末と
は、単一の金属（合金を含む）粉末、または二種以上の
金属粉末の混合物のほか、これらの金属粉末にセラミッ
ク粉末が配合された混合物を包含する。外層材、または
内層材として使用される金属粉末についても同様である
。

〔実施例〕

実施例１ （１）粉末充填体の形成 （１）容器 第１図に示すように外・内円筒壁（２１，２２）を有す
る容器を使用。外側円筒壁の内径・肉厚：２５０鰭φ・
５ｍｍ’、内側円筒壁の外径・肉厚：１４Ｑ＊ｎφ・３
０ｍｎｔ。容器材質：５４５Ｃ炭素鋼。容器の内側の円
筒壁（２２）は内層材を兼ねる。

（２）層空間 容器内に、紙製シート（肉厚０．５ｍ）を等間隔に回設
し、３つの層空間（ａ）　（ｂ）　（ｃｌを画成。最外
層空間（ａｌを外層形成空間とし、内側の２つの層空間
（ｂ）（Ｃ１を中間層形成空間とする。

（３）層材料の調合および充填 Ｎｉ−Ｃｒ系自溶性合金粉末（以下、１合金粉末」）と
タングステン炭化物（ＷＣ）粉末（いずれも、＃３５０
アンダー）を用いて、外層材および２種の中間層材（イ
）（ロ）を調合し、層空間ｆａｌに外層材、層空間ｆｂ
ｌに中間層材（イ）、層空間（Ｃ１に中間層材（ロ）を
それぞれ充填（振動充填）する。その粉末充填体の各層
材料および熱膨張係数（α）（ａ　ｔ５０〜２００℃）
は次のとおりである。

外１林：合金粉末→−ＷＣ粉末４０％ α−７ｘｌＯ−６／’ｃ 中間層材（イ）：合金粉末＋ＷＣ粉末２０％α−９Ｘ１
０−６／’Ｃ 車皿履狂」旦）二合金粉末＋ＷＣ粉末５％α−１１ｘｌ
Ｏ−６／’ｃ 内層材：５４５Ｇ炭素鋼（容器円筒壁）α−１２Ｘ１０
−６／℃ （ＩＴ）粉末充填体のキャニングおよび焼結処理容器（
２０）に上蓋（２５）を溶接し、脱気孔（２６）から真
空引きしつつ５００℃×２時間加熱してシート（２４）
をガス化消失させると共に粉末層内を十分に脱気したの
ち、脱気孔（２６）を密封し、熱間静水圧加圧焼結装置
に供し、温度＝９２０°Ｃ１加圧カニ　２０００ｋｇｆ
／ｍ２、処理時間：２Ｈｒの焼結処理を行った。

焼結完了後、機械加工により容器の外側円筒壁（２１）
、底部（２３）および上蓋（２５）を除去すると共に、
内側円筒壁（２２）の内面を所定寸法に仕上げることに
より、外層、中間層および内層からなる３層構造の積層
複合中空円筒体（外径：２００φ、内径：１００φ、胴
長：　１００７！、　１ｍ）を得た。その外層および中
間層はＮｉ−Ｃｒ系自溶性合金をマトリックスとし、こ
れにＷＣ粒子が分散した緻密な複合組織を有している。

また、外層、中間層および３４５Ｃからなる内層の各熱
膨張係数は前記（１）（３）項のとおりであり、中間層
のそれは２段階に変化している。なお、各層内および層
間に割れ、その他の欠陥は存在しないことも確認された
。

実施例２ ＣＩ）粉末充填体の形成 （１）容器 第３図に示すごとき回転日筒容器（３０）　（３４５Ｃ
炭素鋼製）を使用。内径：　２５Ｏｎ、肉厚＝５１０（
２）層材料の調合 Ｎｉ−Ｃｒ系自溶性合金粉末（以下、「合金粉末」）と
タングステン炭化物（ＷＣ）粉末（いずれも、＃３５０
アンダー）を用いて、次のごとき組成を有する層材料を
調合。

乳１杜：合金粉末＋ｗｃ粉末４０％ α＝　７　Ｘｌ０−６／℃ 止置１１ン外層に隣接する部分の粉末として、「合金粉
末＋ＷＣ粉末３８％」　（α；７．３ＸＩＯ−６／”Ｃ
）を調合すると共に、以下ＷＣ’＄５１未配合比を２％
ずつ減らし、内層に隣接する粉末として［合金粉末＋ ＷＣ粉末２％」（α：　１１．３Ｘ１０−’／”Ｃ）に
到る合計１９種の混合粉末を準備。

貞１林二合金粉末（ＷＣ粉未配合なし）α−１２Ｘ　１
０−　’　／　℃ （３）粉末の充填 容器（３０）を回転駆動輪（４０，４０）にて、６０ｒ
ｐｍの回転速度で遠心回転させながら、容器内に、まず
外層粉末を投与して、層厚：約２０１１の粉末層を形成
し、ついで１９種の中間層粉末を、熱膨張係数の順に（
ＷＣ粉未配合比の多い順に）、等量ずつ逐次し投与する
ことにより、合計層厚：約１０ｍ１の粉末層を形成し、
更に内層粉末を投与して、全層厚：約７５翼ｍの粉末層
を形成した。ついで、ワックスとして、溶融したパラフ
ィンろうを注入し、層厚：約２．５龍のパラフィン層（
Ｌ　ｗ＞を形成した。

パラフィン層（Ｌ　ｗ）が固化したのち、容器の回転を
停止して容器を回転輪（４０，４０）からおろし、基板
（３１）を取り外してパラフィン層（Ｌｗ）の内面を機
械加工し、その中空孔内に、別途準備した円筒状芯材（
３５）　（３４５Ｃ炭素鋼製）を環装（クリアランス：
ゼロ）し、容器に溶接した。

（ＩＩ）粉末充填体のキャニングおよび焼結処理上記粉
末充填体に上蓋（３６）を溶接し、脱気孔（３７）から
真空に引きながら、４００’ＣＸ３Ｈｒ加熱してパラフ
ィン層（Ｌ　ｗ）を気化消失させると共に、粉末層内を
十分に脱気したのち、脱気孔（３７）を密封し、熱間静
水圧加圧焼結装置に供し、温度：９８０℃、加圧カニ　
１０００ｋｇ　ｆ　／　ｌ１２、処理時間：２　Ｈｒの
焼結処理を行った。

焼結終了後、機械加工により容器（３０）、上蓋（３６
）および芯材（３５）を除去することにより、外層、中
間層および内層の３層構造を有する複合中空円筒体（外
径：２０５φ２内径：１１ｏφ、胴長：　８ｆｌ　。

璽１）を得た。その複合中空円筒体の外層および中間層
はＮｉ−Ｃｒ系自溶性合金を７トリソクスとしてＷＣ粒
子が分散する複合組織を、また内層はＮｉ−Ｃｒ系自溶
性合金からなる金属単相組織を有し、各層とも緻密であ
る。また、外層、中間層および内層は前記（１）（２）
に示した熱膨張係数を有し、中間層のそれは略連続的に
変化している。

なお、各層内および層間に割れ、その他の欠陥は存在し
ないことも確認された。

〔発明の効果〕

本発明は、金属粉末を原料として中間層（所望により、
中間層と共に外層および内層）を形成することとしたの
で、原料粉末の調製により、外層から中間層を経て内層
に到る層間の熱膨張係数が多段階にまたは略連続的に変
化する積層複合筒状体を容易に製造することができる。

本発明方法は、原料粉末の充填工程と、粉末充填体の焼
結工程からなるので、従来のように、筒状部材を機械加
工し、焼嵌め等により嵌め合わせて圧着接合する方法に
比し、工程が簡素で、極めて能率的である。また、従来
法のように、各層材料の熱膨張係数が異なることに起因
する製作不良が発生するというごともない。

本発明方法は、各種のロール類、例えば鋼材搬送ロール
、圧延ロール等、あるいは石油化学工業用反応管等の製
造方法として有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に使用される容器の例を示す斜視図、
第２図は容器内に粉末層を形成した粉末充填体の例を示
す断面図、第３図（１）は本発明による粉末充填体形成
法の例を示す軸方向断面図、同図ＣＩ＋）は径方向断面
図、第４図は粉末充填体の他の例を示す断面図である。 １０：粉末充填体、２０：容器、２１：外側円筒壁、２
２：内側円筒壁、２４：シート、２５　、３６　：上蓋
、２６゜３７：脱気孔、３０：回転容器、３１：基板、
３５：芯材、４０：回転駆動輪、Ｌｏ：外層材、Ｌｍ（
Ｌｍ。 Ｌ１□、　　Ｌ−３）：中間層粉末層、Ｌｉ：内層材。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱膨張係数の相異なる外層と内層との間に、熱膨
   張係数が漸次変化する中間層を有する積層複合筒状体の
   製造方法であって、 外層材と内層材との間に、中間層材として、熱膨張係数
   の相異なる複数種の金属粉末を、該両層間にわたって熱
   膨張係数が漸次変化するように充填して粉末充填体を形
   成する工程と、その粉末充填体を、加圧下に焼結する工
   程とからなる積層複合筒状体の製造方法。
2. （２）粉末充填体の形成工程において、外層材と内層材
   との間に、シート材にて複数の同心円状層空間を画成し
   、各相空間内に、熱膨張係数の相異なる複数種の金属粉
   末を、熱膨張係数の順に投与することにより中間層を形
   成することを特徴とする上記第１項に記載の積層複合筒
   状体の製造方法。
3. （３）粉末充填体の形成工程において、円筒容器をその
   軸心を中心に回転させながら、遠心力の作用下に、熱膨
   張係数の相異なる複数種の金属粉末を、熱膨張係数の順
   に投与することにより中間層を形成することを特徴とす
   る上記第１項に記載の積層複合筒状体の製造方法。