JPH0730364B2 - 表面被覆金属の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は表面被覆金属の製造方法に係り、さらに詳しく
は耐食性，耐高温腐食性，耐酸化性，耐摩耗性などの特
性を有する層で金属の表面を被覆する方法に関するもの
である。

［従来の技術］ 近年、産業の進歩と技術の発展により材料はますます厳
しい環境で使用されるようになってきた。例えば、エネ
ルギー資源開発では生産流体中に硫化水素や炭酸ガスを
多量に含む石油や天然ガス（いわゆるサワーオイルやサ
ワーガス）が開発されているが、開発に使用される油井
管やラインパイプなどの材料として低合金鋼では腐食や
割れを起こすため、ハステロイC-276やインコネル625
（いずれも商品名）といったニッケル合金が既に使用さ
れている。しかし、これら合金は非常に高価であること
が大きな難点である。従って、構造材の表面にのみこれ
ら合金を合わせ材として使用し、強度は下地の金属（例
えば低合金鋼）で確保するいわゆるクラッド鋼の使用が
考えられた。

クラッド鋼はその形状が管の場合には継目無管或いは溶
接管として、形状が板の場合には圧延板として種々の製
造方法が確立または提案されている。しかし、いずれも
製造プロセスが複雑で歩留りが悪いという難点に加え
て、ハステロイC-276やインコネル625といったニッケル
合金を合わせ材とするクラッド鋼、なかでもクラッド鋼
管は製造が非常に困難であって未だ実用化されていな
い。本発明者等の研究によればその理由は、これら合金
の熱間加工時の変形抵抗が母材となる低合金鋼や炭素鋼
のそれに比べて著しく大きいため、熱間圧延などの通常
の製造プロセスでは合わせ材と母材とを均一に加工でき
ず、両金属が独立に変形するので接合することが難しい
ことにあると考えられる。

一方、バルブのスピンドル部や往復動型ポンプのピスト
ンおよびシリンダーなどの摺動部、あるいはスラリー輸
送用パイプといった部材では耐摩耗性が必要であるた
め、例えばステライト合金（商品名）などが、肉盛ある
いは溶射されて使用されている。さらに、高温で使用さ
れる圧力容器や鋼管には例えばNi-Cr合金やNi-Cr-Al-Y
合金やCo-Cr-Al-Y合金といった耐酸化性材料が、肉盛あ
るいは溶射によって被覆される場合がある。しかし、こ
れらはいずれも最終製品に対して肉盛あるいは溶射され
るため非常にコストの高いものとなっている。加えて、
小径パイプの内面といった狭い部分には被覆できないと
言う難点を有している。

ところで、熱間静水圧プレス法は従来からよく知られた
技術であって、この方法を利用したクラッド製品の提案
もなされている。例えば、特開昭61-223106号公報に
は、高合金粉末を粉末の固相線温度以上に加熱すると共
にガス加圧して能率よく高合金クラッド製品を製造する
方法が開示されている。しかし、この方法をはじめとし
て従来報告ないしは提案されている熱間静水圧プレス法
を利用したクラッド製品の製造方法は何れも最終製品に
被覆するものであったため、コストが高く、かつ大型製
品や長尺品（例えば12m長さ）の製造はできないという
難点を有していた。

また、特開昭61-190007号公報および特開昭61-190008号
公報には、それぞれ厚肉の可鍛性金属円筒およびこれと
径を異にする薄肉金属円筒によって構成されるカプセル
内に粉末を充填して密閉し、これを冷間等方静水圧によ
って加圧して、粉末を圧縮してビレットを作り、これを
熱間押出し加工する方法、また、同心円筒状をなす内外
２重壁を有するゴムまたは類似物質の容器内に、可鍛性
金属の円筒材料を一方の容器壁に密着させて収容すると
共に、他方の容器壁と上記円筒材料との間に粉末材料を
充填して密閉し、これを冷間等方静水圧によって加圧
し、この容器から取り出した材料をビレットとして熱間
押出しする方法が開示されている。これらの方法によっ
ても、前述したハステロイC-276やインコネル625といっ
たニッケル合金等の変形抵抗の大きな材料の被覆層を形
成して熱間加工した場合、母材との密着が弱いため母材
からの剥離や被覆層の割れの発生という難点は解消され
るものではない。

これに対して本発明者らは、特願昭62-69127号，特願昭
62-74484号，特願昭62-74485号および特願昭63-40644号
において、金属素材の表面に、他種金属の粉末を該他種
金属の固相線温度以下でガス圧を負荷する熱間静水圧プ
レス（HIP）によって被覆層として形成せしめた後に、
熱間加工を施して延伸する方法、さらに被覆層として形
成せしめた後に溶体化処理を施して熱間加工を施して延
伸する方法、あるいは均熱処理を加えた後直ちに熱間加
工を施して延伸する方法などを提案している。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、耐食性，耐高温腐食性，耐酸化性，耐摩耗性
など表面被覆が目的とする特性を母材に具備せしめた材
料を、安価にかつ容易に製造する方法を提供するもので
ある。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らは上記の目的を達成するべく、その後も種々
実験と検討を重ねた結果、ついに被覆層の形成に使用す
る他種金属の粉末の粒度が熱間静水圧プレス後の熱間加
工性に著しい影響を及ぼすことを見出した。そこで本発
明者らは他種金属の粉末の粒度を様々に変えて熱間静水
圧プレスした被覆素材を製造し、続いて熱間加工を行な
った。本発明者らが検討した結果によれば、他種金属の
粉末の粒度があまりに大きすぎると、たとえ熱間静水圧
プレスによって被覆層として形成せしめた素材であって
も熱間加工時に被覆層が割れる場合があること、かかる
割れは他種金属の粉末の粒度として300μｍ以下のもの
を大部分、具体的には重量分率として95％以上とすれば
防止できること、かつ74μｍ以下のものを重量分率とし
て65％以上とすればさらに安定して被覆層と母材金属と
を同時かつ均一に熱間加工できることがわかった。

さらに本発明者らは熱間静水圧プレスした被覆層の性状
についても詳細に検討した結果、熱間静水圧プレス後に
おける被覆層内の空孔率が0.5％以下である場合には、
被覆層と母材金属とを同時かつ均一に熱間加工すること
が一段と容易になることを見出した。

本発明は上記の知見に基づいてなされたものでその要旨
とするところは、金属素材の表面に、他種金属の粉末を
該他種金属の固相線温度以下でガス圧を負荷する熱間静
水圧プレスによって被覆層として形成せしめた後に、熱
間加工を施して延伸する方法において、他種金属の粉末
として粒度が300μｍ以下の粒子の重量分率が95％以上
であってかつ粒度が74μｍ以下の粒子の重量分率が65％
以上である粉末を使用して被覆層を形成せしめること、
さらに好ましくは上記熱間静水圧プレス後における被覆
層内の空孔率が0.5％以下であることを特徴とする表面
被覆金属の製造方法にある。

ここで「母材」となる金属素材及び「合わせ材」となる
他種金属の種類については格別に制限されるものではな
く、例えば金属素材としては炭素鋼，低合金鋼，ステン
レス鋼，ニッケル及びニッケル合金，コバルト及びコバ
ルト合金，チタン及びチタン合金などが挙げられる。一
方、他種金属としては耐食性，耐高温腐食性，耐酸化
性，耐摩耗性などの機能のうち、必要な機能に応じて選
択すればよく、例えばハステロイ，ステライト,Ni-Cr合
金，ステンレス鋼,Fe基超合金，ニッケル及びニッケル
合金，コバルト及びコバルト合金，チタン及びチタン合
金などを挙げることができる。

［発明の詳細］ 以下本発明を詳細に説明する。

まず本発明においては金属素材の表面に、他種金属の被
覆層を熱間静水圧プレス（以下HIPと略す）によって形
成せしめるのであるが、他種金属は粉末を用いて、例え
ば第１図に示す要領で金属素材１と他種金属粉末２とを
カプセル３内に充填・密閉し、次いで熱間静水圧プレス
して他種金属粉末を被覆層として形成せしめると同時に
被覆層と素材金属とを金属結合させることができ、接合
界面には充分な接合強度を持たせることができる。この
時、次の工程で良好に熱間加工するためには、被覆層の
熱間加工性を確保しなければならないが、そのためには
他種金属粉末の粒度として300μｍ以下の粒子の重量分
率が95％以上であってかつ粒度が74μｍ以下の粒子の重
量分率が65％以上である粉末を使用しなければならな
い。ここでいう粒度とは標準ふるいの規格でいうメッシ
ュに対応したもので、300μｍは50メッシュ、74μｍは2
00メッシュを指す。

一方、より優れた熱間加工性を被覆層に付与するために
は、熱間静水圧プレス後の被覆層内に存在する空孔をで
きるだけ少なくしなければならず、空孔率として0.5％
以下としなければならない。ここで、空孔率は体積率あ
るいは断面内の面積率で表わされる。

HIPにおいては密閉容器内を真空にすることが重要であ
り、容器内の真空の圧力は１×10^-3Torrより低いことが
好ましい。また、HIPは充分高い温度と圧力で充分長い
時間行なうことが重要である。

HIP温度は母材金属と合わせ材金属の種類によって異な
るが、熱間加工性を良好に保つためには両方の金属の固
相線温度より低い温度でなけばならない。それは、固相
線温度を超えると冷却時に成分元素の偏析を生じ、次の
工程に於ける熱間加工性が著しく低下するからである。
ただし、HIP時間を短縮するには、上記温度範囲内で出
来るだけ高い温度とすることが有効である。一方、HIP
圧力は高いほどHIP温度・時間を減少できる。

次に本発明においては被覆層形成後熱間加工を行なう
か、或は上記被覆層形成後均熱処理を加えた後直ちに熱
間加工を行うか、若しくは上記被覆層形成後溶体化処理
を施した後に熱間加工を行うのであるが、上記の条件で
被覆層を形成した場合には複合材であっても通常と同様
にして熱間加工することができる。本発明における熱間
加工の目的は被覆した金属素材を延伸することによって
長尺の表面被覆金属を製造したり、或いは複雑な形状の
表面被覆金属を製造することに有り、製品の形状に応じ
て熱間圧延、熱間鍛造、熱間押出などの熱間加工法を適
用することができる。

尚、本発明において熱間加工とは母材である金属素材及
び合わせ材である被覆金属が成型等の目的で通常加工さ
れる温度範囲での加工を指すが、加工温度の選定に際し
ては母材及び被覆層の両方に対して適切な温度を選定す
る必要がある。

本発明においては金属素材の形状が板或いはパイプの場
合には被覆層を一つの面、例えば板の上面、パイプの内
面、パイプの外面としても良く、両面即ち板の上・下両
面、パイプの内・外両面とすることも可能である。製品
が使用される状況に応じて、一面あるいは両面のうち適
切なほうを選択すれば良い。

その他熱間加工を行なった後に、例えば母材の強度、靱
性等を調質する目的で行なう焼き入れ、焼き戻し、焼き
ならし等の熱処理、被覆層の耐食性を更に改善させる目
的で行なう溶体化熱処理や焼き鈍し等の熱処理、製品の
形状を調整するなどの目的で行なう冷間加工など必要に
応じてさらに他の加工を加えることもできる。いずれも
必要な強度、靱性、耐食性等に応じて選択することがで
きる。

本発明は腐食性物質に対する抵抗を必要とする製品、高
温酸化に対する抵抗を必要とする製品及び耐摩耗性を必
要とする製品などを製造するために応用することがで
き、例えば管，容器，板および棒など種々の形状に応用
することができる。あるいはさらに成形、溶接などを行
なって製品を製造するための素材として使用することも
可能であることはいうまでもない。

以下に本発明の実施例について説明する。

［実施例］ 第１表に示す材料及び製造条件で熱間加工に供する素材
を製造した。ここで、本発明例No1〜３は中空ビレット
の内面に被覆層を形成した例、本発明例No4〜６は中空
ビレットの内外面に被覆層を形成した例、本発明例No7,
8はスラブの上面に被覆層を形成した例、本発明例No9,1
0はスラブの両面に被覆層を形成した例である。いずれ
も被覆層用の合金粉末を熱間静水圧プレスによって金属
素材の表面に被覆層として形成せしめた。各々の形状を
第２図，第３図，第４図及び第５図にそれぞれ示す。第
２図は中空ビレット４の内面に被覆層５を形成した例で
ある。第３図は中空ビレット４の内面及び外面に被覆層
５を形成した例である。第４図はスラブ６の上面に被覆
層５を形成した例である。第５図はスラブ６の上面及び
下面に被覆層５を形成した例である。

一方、比較例No11〜13はいずれも合金粉末を熱間静水圧
プレス法によって中空ビレットの内面に被覆層として形
成せしめた例であり、また比較例No14,15は他種金属と
して管あるいは板を用いて組み立てビレットあるいは組
み立てスラブを製造した後に熱間加工する従来法であ
る。

尚、熱間加工としてビレットでは熱間押出を、スラブで
は熱間圧延を行なった。

次にこれらの材料を第２表に示す条件で熱間加工して表
面被覆金属を製造した。その結果を第２表に合わせて示
す。また良好に熱間加工できたものについては、各種試
験を行なった結果も併せて第２表に示した。第２表で曲
げ試験はJIS G 0601およびJIS Z 3124に準じて行ない、
超音波探傷試験はJIS G 0601およびJIS Z 3124に準じて
行なった。

第２表のうち比較例であるNo11〜13はいずれも被覆層に
微小割れを生じている。また比較例のNo14,15は金属素
材（母材）と他種金属（合わせ材）とが均一に加工され
ず、ましてや両者を接合することもできなかったもので
ある。

これに対して本発明に従って製造した例No1〜10の各材
料は曲げ試験特性に優れており、超音波探傷試験でも非
接合部などの欠陥は全く検出されなかった。また、熱間
加工後の断面のミクロ観察結果から、被覆層には気孔は
全くなく、かつ均一で良好な接合界面が得られているこ
とが確かめられた。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば優れた特性を有する表
面被覆金属の製造が可能であり、産業の発展に貢献する
ところ極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は金属素材の表面に他種金属の被覆層を形成する
ための熱間静水圧プレスにおける充填要領を示す図であ
る。第２図，第３図，第４図及び第５図は何れも本発明
方法に従う加工素材の積層要領を示す断面図である。 １……金属素材、２……他種金属粉末、３……カプセ
ル、４……中空ビレット、５……被覆層、６……スラ
ブ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属素材の表面に、他種金属の粉末を該他
   種金属の固相線温度以下でガス圧を負荷する熱間静水圧
   プレスによって被覆層として形成せしめた後に、熱間加
   工を施して延伸する方法において、他種金属の粉末とし
   て粒度が300μｍ以下の粒子が重量分率が95％以上であ
   ってかつ粒度が74μｍ以下の粒子の重量分率が65％以上
   である粉末を使用して被覆層を形成せしめることを特徴
   とする表面被覆金属の製造方法。
2. 【請求項２】熱間静水圧プレス後における被覆層内の空
   孔率が0.5％以下である請求項１記載の方法。