TWI681075B - 形成金屬管內側金屬鍍層的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種形成金屬管內側金屬鍍層的方法，其包括以下步驟：步驟(A)：齊備一金屬管，該金屬管具有一內側表面和一外側表面；步驟(B)：塗佈一金屬漿料於該內側表面，形成一金屬漿料塗層；以及步驟(C)：以高週波感應加熱系統加熱該金屬漿料塗層，且經加熱的該金屬漿料塗層重熔並與該內側表面接合，於該金屬管的內側表面上形成一金屬鍍層；其中，該金屬管包含鐵磁性材料，該金屬漿料包含複數金屬顆粒和一溶劑。本發明適用於不同長度的金屬管，尤其可適用於較長尺寸的金屬管件。

Description

形成金屬管內側金屬鍍層的方法
本發明有關於一種金屬管加工方法，尤指一種在金屬管內側形成金屬鍍層的方法。
金屬管適用領域甚廣，可應用於日常生活中的給水設備、空調循環等民生應用時的管線，亦可應用於油氣輸送設備、化工熱交換器、廢水處理、冶金、海水淡化等工業用途的管線。為了避免整支金屬管件皆使用耐腐蝕金屬造成製造成本大增，通常採用於金屬管的內側覆蓋具有耐蝕性的金屬鍍層，以符合各應用領域的使用需求與可廣泛應用的實際效益。
目前已知的金屬管內側鍍層製造方法如熱噴塗法、真空濺鍍法、電鍍法、離心鑄造法等。但使用熱噴塗法時，雖塗層沉積速度快，但在狹小的金屬管內會有散熱不足而出現熱過度集中的現象，可能導致噴槍熔毀和鍍層與基材結合強度不高的問題，並且，因需使用機械手臂伸入金屬管中進行熱噴塗，因此機械手臂進入金屬管的距離會限縮適用的範圍，而現有技術難以在小尺寸管內延伸10公尺噴塗；真空濺鍍法因需在真空環境下操作，因此不適用於處理體積較大的工件，且無法同時製造管內側鍍層；電鍍法於操作過程通常需使用毒性較高的化學物質，故會對環境產生危害，且受限於電解液成分無法製作合金鍍層；離心鑄造法雖不需要使用型芯而可簡化管類鑄件的生產過程，然因離心鑄造法係將熔化的金屬液以旋轉管件之離心力送達至模內各處，當所述金屬液包含的各金屬成分之比重不同時，各金屬成分受到的離心力作用也不同，容易發生成分分布不均勻、導致形成的金屬鍍層之機械強度不足的問題，且因高溫的金屬液於管內流動時即開始冷卻固化，以及金屬管直度問題造成旋轉時的跳動，故使得離心鑄造法通常僅能適用於加工長度2公尺以下的短型管件，無法滿足各應用領域的使用需求。
有鑑於上述形成金屬管內側金屬鍍層的方法存在技術缺陷，本發明之目的在於提供一種形成金屬管內側金屬鍍層的方法，其可適用不同長度的金屬管，尤其可適用於長度10公尺以上的金屬管，進而更具製備商業產品的潛力。
本發明之另一目的在於提供一種形成金屬管內側金屬鍍層的方法，由所述方法得到的金屬管內側金屬鍍層，可使該金屬管具有良好的機械性質及良好的耐腐蝕能力。
為達成前述目的，本發明提供一種形成金屬管內側金屬鍍層的方法，其包括以下步驟：步驟(A)：齊備一金屬管，該金屬管具有一內側表面和一外側表面；步驟(B)：塗佈一金屬漿料於該內側表面，形成一金屬漿料塗層；以及步驟(C)：以高週波感應加熱系統加熱該金屬漿料塗層，且經加熱的該金屬漿料塗層重熔並與該內側表面接合，於該金屬管的內側表面上形成一金屬鍍層；其中，該金屬管包含鐵磁性材料，該金屬漿料包含複數金屬顆粒和一溶劑。
金屬管係由一金屬側壁環繞成一具有軸向通道的空心管結構，而金屬管之內側表面的直徑即該軸向通道的直徑。本發明係採用包含鐵磁性材料的金屬管，因此可利用高週波感應加熱，進而使塗佈於所述金屬管內側表面的金屬漿料塗層受熱重熔。因所述方法不須在真空腔內進行，也不須高速旋轉金屬管之離心力，不僅可簡化製程的設備，且欲加工的金屬管件的長度也不需限制。此外，由於金屬漿料塗層中的複數金屬顆粒重熔形成合金並具有流動性，進而使其與該金屬管的內側表面產生冶金性接合所形成的金屬鍍層具有平整的表面，且不易如離心鑄造法中因金屬粉末的比重不同而在製程中形成明顯分層，因此，本發明可改善金屬鍍層之成分分布不均勻的問題，且可適用於長度長的管件。
依據本發明，該金屬管包含的鐵磁性材料包含鎳金屬(Ni)、鐵金屬(Fe)、鈷金屬(Co)、鉻金屬(Cr)、錳金屬(Mn)、其等之金屬合金、其等之氧化物、或其組合，但不限於此；舉例而言，鐵磁性材料可為鎳金屬、鐵金屬、鈷金屬、鉻金屬、或錳金屬等金屬元素，但不限於此；鐵磁性材料可為三氧化四鐵(FeOFe 2O 3)、鎳鐵氧化物(NiOFe 2O 3)、銅鐵氧化物(CuOFe 2O 3)、鎂鐵氧化物(MgOFe 2O 3)、錳鐵氧化物(MnOFe 2O 3)、釔鐵石榴石(Y 3Fe 5O 12)等金屬氧化物，但不限於此；鐵磁性材料可為鐵鎳合金、釹鐵硼(NdFeB)、錳鉍合金(MnBi)、錳銻合金(MnSb)等金屬合金，但不限於此。較佳的，該金屬管的材料包含鐵金屬、鎳金屬、鐵鎳合金、不鏽鋼、或碳鋼等，但成分不限於此。其中，碳鋼可為中碳鋼、低合金鋼、中碳鉻鉬鋼、304不鏽鋼、316不鏽鋼等，但不限於此。
依據本發明，該金屬漿料包含的該等金屬顆粒包含鎳金屬、鉻金屬、銅金屬(Cu)、鉬金屬(Mo)、鐵金屬、鎢金屬(W)、其等之金屬合金、其等之氧化物、或其組合等，但不限於此。舉例而言，該等金屬顆粒可為鐵鎳鉻合金(Kovar)、釹鐵硼(NdFeB)、錳鉍合金、錳銻合金等金屬合金。考量到耐磨性和抗蝕性，較佳的，該等金屬顆粒包含鎳金屬。在一些實施例中，以該等金屬顆粒的重量為100重量%，該等金屬顆粒中包括至少40重量%的鎳金屬；較佳的，該等金屬顆粒中包括至少50重量%的鎳金屬。在一些實施例中，以該等金屬顆粒的重量為100重量%，該等金屬顆粒中包括大於0重量%至小於或等於5重量%的鎢金屬。在一些實施例中，以該等金屬顆粒的重量為100重量%，該等金屬顆粒中包括大於0重量%至小於或等於25重量%的鉬金屬；較佳的，該等金屬顆粒中包括大於或等於2重量%至小於或等於10重量%的鉬金屬。在一些實施例中，以該等金屬顆粒的重量為100重量%，該等金屬顆粒中包括大於0重量%至小於或等於25重量%的鉻金屬；較佳的，該等金屬顆粒中包括大於或等於10重量%至小於或等於20重量%的鉻金屬。
考量到金屬漿料整體的流動性，較佳的，該等金屬顆粒的平均粒徑為1微米(μm)至150 μm。更佳的，該等金屬顆粒的平均粒徑為25 μm至135 μm。
具體而言，該溶劑可為丁乙醇(hexan-3-ol)、二甲苯(dimethylbenzene)、正丁醇(butan-1-ol)、乙二醇單丁醚(2-butoxyethanol)等，但不限於此。
較佳的，該金屬漿料還可包括黏合劑，但不限於此。舉例而言，該黏合劑可為水溶性樹脂、松香等；舉例而言，水溶性樹脂可為聚乙烯醇(polyvinyl alcohol)、醋酸乙烯酯(ethenyl acetate)、甲基纖維素(methyl cellulose)、酚醛(phenol formaldehyde)等，但不限於此。
具體而言，步驟(B)中的塗佈係可使用任何現有技術已知的塗佈方式塗佈；舉例而言，所述塗佈方式可為旋轉塗佈、刮板印刷、壓縮空氣噴漆、高壓無空氣噴漆、靜電噴漆等方式，但不限於此。
在一些實施例中，該步驟(B)可包括：步驟(b1)：塗佈該金屬漿料於該內側表面；以及步驟(b2)：加熱使該金屬漿料乾燥硬化，形成該金屬漿料塗層；其中，加熱溫度為130°C至170°C，加熱時間為10分鐘以上，但不限於此。該金屬漿料塗層於步驟(C)加熱時，該金屬漿料塗層所包含的溶劑、黏著劑等會因高溫而燃燒逸散；此外，該金屬漿料塗層中的孔隙會被排除而使結構凝聚、緻密化；若金屬漿料塗層沒有足夠厚度，則在加熱後，可能會有金屬鍍層無法完全覆蓋金屬管內側表面的情況而影響耐腐蝕能力，因此，該步驟(b2)中，該金屬漿料塗層的厚度較佳為0.3毫米(mm)以上。
較佳的，該步驟(C)中所使用的高週波感應加熱系統，其頻率為1千赫茲(kHz)至100 kHz。
在一些實施例中，當該等金屬顆粒包含鎳金屬或含鎳合金時，為了使該等金屬顆粒能更均勻、完全的熔融，該步驟(C)中，較佳的，係包括以一線圈通以所述高週波感應電流加熱至830°C以上，該線圈套設於該金屬管外；更佳的，所述高週波感應電流加熱至950°C至1300°C。在前述加熱溫度範圍可使該等金屬顆粒互相融合，並且互相融合後的該等金屬顆粒與金屬管內側表面形成強力的冶金結合層。此外，於該步驟(C)中，可移動該線圈或該金屬管，使該線圈與該金屬管產生軸向的相對位移，讓該金屬管及該金屬漿料塗層均勻受熱，因此該金屬管及該金屬漿料塗層的整體溫度皆可加熱達至少830°C以上。
以下，將藉由下列一實施例說明本發明之具體實施方式，熟習此技藝者可經由本說明書之內容輕易地了解本發明所能達成之優點與功效，並且於不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更，以施行或應用本發明之內容。
本發明之形成金屬管內側金屬鍍層的方法可如下實施例1所述：
實施例1
首先，在步驟(A)中，齊備一長度為10公尺的金屬管，該金屬管具有一內側表面和一外側表面，該金屬管(使用符合美國石油標準的管線API管)的材質為中碳鋼，該金屬管的內側表面清潔除鏽後的中心線平均粗糙度(Ra)為4 μm至8 μm。接著，在步驟(B)中，以氣壓噴塗方式於100°C下塗佈一金屬漿料於該金屬管的內側表面，接著以130°C至170°C的溫度加熱，使該金屬漿料乾燥硬化，形成一金屬漿料塗層，該金屬漿料塗層的厚度為1.2 mm。以該金屬漿料的總重為100重量%，該金屬漿料包含80重量%的複數金屬顆粒以及20重量%的水性溶劑，其中，以該等金屬顆粒的重量為100重量%，該等金屬顆粒中包括約16重量%的鉻金屬、約4重量%至約6重量%的鉬金屬、至多2重量%的銅金屬、約2重量%至約3重量%的鐵金屬、約3重量%至約5重量%的矽、不大於1重量%的其他雜質，其餘該等金屬顆粒的成分為鎳金屬；該金屬漿料包含的該等金屬顆粒之平均粒徑為35 μm。
隨後，在步驟(C)中，使用包含紅外線動態偵測的高週波感應加熱系統，其可隨偵測到的金屬管之溫度自動調整功率，將高週波感應加熱系統包含的感應線圈之溫度升溫至1300°C，接著以5毫米/秒(mm/sec)至15 mm/sec範圍內的速度移動該線圈，使該線圈與該金屬管產生軸向位移，使該線圈均勻加熱整個金屬管，並使塗佈於該金屬管內側表面的該金屬漿料塗層重熔，其包含的該等金屬顆粒能熔融並互相黏合、該溶劑蒸發，而該等金屬顆粒熔融後與該內側表面產生冶金接合，於該金屬管的內側表面上形成一平整的金屬鍍層，該金屬鍍層的平均厚度為850 μm。
藉由掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM) (儀器型號：TM3030)觀察由實施例1所得的金屬管及其內側的金屬鍍層，其結果如圖1所示：所述金屬鍍層101具有平整的結構。此外，圖1中的虛線為所述金屬管10的內側表面和所述金屬鍍層101的交界處102，從圖1中可明顯看出，所述交界處102為一連續面，由此可知該金屬管10的內側表面和該金屬鍍層101已熔合產生冶金性接合。
另外，藉由SEM搭配能量分佈X-射線光譜儀(energy-dispersive X-ray spectrometer，EDS) (儀器型號：HITACHC TM3030)對圖1中所框出的線區域A進行元素分析，其測得之縱向區域的元素分布結果如圖2所示。
實驗結果討論
由圖1的SEM結果可以看出，由實施例1所得的金屬鍍層101具有完整的金屬鍍層結構，故使用本發明加工所得的金屬管，當腐蝕性流體(可能為液體或氣體)流過該金屬管內時，所述腐蝕性流體不易沖蝕金屬管的內側表面。
由圖2的結果可以明顯看出，該金屬鍍層101之成分分布均勻；此外，該金屬管10中的鐵元素擴散至該金屬鍍層101中，而該金屬鍍層101中的鎳元素等元素亦擴散到該金屬管10中，由此說明了使用高週波感應加熱系統加熱，可有效地將金屬漿料重熔並使其與金屬管內側表面形成冶金結合之強力鍵結。
另外，因金屬漿料含有黏著劑同時兼具黏滯性和流動性，容易均勻附著於金屬管的內側表面，即便金屬管的內側表面的粗糙度不大，金屬漿料亦能附著於金屬管的內側表面，只需在形成金屬管內側金屬鍍層前須於金屬管內側表面進行噴砂處理的步驟清潔管內。
再者，本發明之形成金屬管內側金屬鍍層的方法因先將金屬漿料塗佈於金屬管內側表面再使用感應加熱的高週波感應加熱系統，不須受到機械手臂進入金屬管內進行熱噴塗的距離限制，以及不會面臨離心鑄造法因金屬管直度問題造成旋轉時的跳動，因此可以適用於各種長度的金屬管，且業界探鑽用的耐腐蝕油管等大多以10公尺為使用規格，進而本發明之形成金屬管內側金屬鍍層的方法更具製備商業產品的潛力。
10‧‧‧金屬管
101‧‧‧金屬鍍層
102‧‧‧交界處
A‧‧‧線區域
圖1為實施例1之金屬管及其內側的金屬鍍層之剖面的掃描式電子顯微鏡的照片。 圖2為實施例1之金屬管及其內側的金屬鍍層之成分分析圖譜。
無。
10‧‧‧金屬管
101‧‧‧金屬鍍層
102‧‧‧交界處
A‧‧‧線區域

Claims (10)

  1. 一種形成金屬管內側金屬鍍層的方法，其包括以下步驟：步驟(A)：齊備一金屬管，該金屬管具有一內側表面和一外側表面，其中該內側表面的平均粗糙度為4微米至8微米；步驟(B)：塗佈一金屬漿料於該內側表面，形成一金屬漿料塗層；以及步驟(C)：不旋轉該金屬管，以高週波感應加熱系統加熱該金屬漿料塗層，且經加熱的該金屬漿料塗層重熔並與該內側表面接合，於該金屬管的內側表面上形成一金屬鍍層；其中，該金屬管包含鐵磁性材料，該金屬漿料包含複數金屬顆粒和一溶劑。
  2. 如請求項1所述的方法，其中，該等金屬顆粒包含鎳金屬、鉻金屬、銅金屬、鉬金屬、鐵金屬、鎢金屬、其等之金屬合金、其等之氧化物、或其組合。
  3. 如請求項1所述的方法，其中，該鐵磁性材料包含鎳金屬、鐵金屬、鈷金屬、鉻金屬、錳金屬、其等之金屬合金、其等之氧化物、或其組合。
  4. 如請求項1或2所述的方法，其中，該金屬管的材料包含碳鋼。
  5. 如請求項1至3中任一項所述的方法，其中，該等金屬顆粒的平均粒徑為1微米至150微米。
  6. 如請求項1至3中任一項所述的方法，其中，該金屬漿料還包括黏合劑。
  7. 如請求項1所述的方法，其中，該步驟(B)包括：步驟(b1)：塗佈該金屬漿料於該內側表面；以及步驟(b2)：加熱使該金屬漿料乾燥硬化，形成該金屬漿料塗層；其中，加熱溫度為130℃至170℃。
  8. 如請求項7所述的方法，其中，該步驟(b2)中，該金屬漿料塗層的厚度為0.3毫米以上。
  9. 如請求項1所述的方法，其中，該步驟(C)包括以一線圈通以高週波感應電流加熱至830℃以上。
  10. 如請求項9所述的方法，其中，該步驟(C)包括移動該線圈或該金屬管，使該線圈與該金屬管產生軸向的相對位移，使該金屬管及該金屬漿料塗層的整體溫度皆加熱達至少830℃以上。
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