JP2004518558A - Metallurgically bonded layered article with curved surface - Google Patents
Metallurgically bonded layered article with curved surface Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004518558A JP2004518558A JP2002560854A JP2002560854A JP2004518558A JP 2004518558 A JP2004518558 A JP 2004518558A JP 2002560854 A JP2002560854 A JP 2002560854A JP 2002560854 A JP2002560854 A JP 2002560854A JP 2004518558 A JP2004518558 A JP 2004518558A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- metal
- supported
- thickness
- tube
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/01—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic
- B32B15/013—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic one layer being formed of an iron alloy or steel, another layer being formed of a metal other than iron or aluminium
- B32B15/015—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic one layer being formed of an iron alloy or steel, another layer being formed of a metal other than iron or aluminium the said other metal being copper or nickel or an alloy thereof
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES, PROFILES OR LIKE SEMI-MANUFACTURED PRODUCTS OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
- B21C37/00—Manufacture of metal sheets, rods, wire, tubes, profiles or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
- B21C37/06—Manufacture of metal sheets, rods, wire, tubes, profiles or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of tubes or metal hoses; Combined procedures for making tubes, e.g. for making multi-wall tubes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES, PROFILES OR LIKE SEMI-MANUFACTURED PRODUCTS OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
- B21C37/00—Manufacture of metal sheets, rods, wire, tubes, profiles or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
- B21C37/06—Manufacture of metal sheets, rods, wire, tubes, profiles or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of tubes or metal hoses; Combined procedures for making tubes, e.g. for making multi-wall tubes
- B21C37/15—Making tubes of special shape; Making tube fittings
- B21C37/154—Making multi-wall tubes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/01—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/01—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic
- B32B15/018—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic one layer being formed of a noble metal or a noble metal alloy
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/02—Layer formed of wires, e.g. mesh
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/18—Layered products comprising a layer of metal comprising iron or steel
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/20—Layered products comprising a layer of metal comprising aluminium or copper
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
- Rigid Pipes And Flexible Pipes (AREA)
Abstract
被支持金属に冶金的に接合された支持金属で作製する、湾曲した表面を有する層状の物品。A layered article having a curved surface made of a supporting metal metallurgically bonded to a supported metal.
Description
【0001】
(発明の分野)
本発明は、同種の、または異種の金属からなる整形された層状の物品の分野にあるものである。
【0002】
(発明の背景)
単一の金属が、ある用途の物理的、化学的、または経済的要件に合致しない場合、多層、特に二層の金属物品が使用される。このような物品の例は、腐食性のある使用における熱交換器用管など、耐食性、または化学的に不活性でなければならない容器である。銅、金、または白金など、これらの要件に合致する金属は強度が不足する、または高価すぎて単独では使用できないおそれがある。これらの金属を、鋼などの、より強度があり、またはより廉価な金属層と組み合せることは、強度を提供し、またはコストを低減する一方法である。このような層を接合する種々の方法が開発されている。それらの方法の適合性は、その物品に課せられるであろう用途によって決まる。広い範囲にわたる高温の用途では特に、層間接合へのその要求が過酷である。
【0003】
金属層を組み合せる方法の中で、より一般的な方法の1つは、ゆるいライナ、すなわち、基体金属に接合されないライニングまたはインサートを使用することである。しかし、層間接合が存在しないと、その物品の層を通る熱伝導の効率に悪影響がある。したがって、ゆるいライナは、金属層間の良好な熱伝導を要する用途には不適当である。その上、ゆるいライナは、そのライナが基体金属に接合されないので、特に高温条件、または高流量条件で発生するおそれがある、つぶれに対して支持されない。
【0004】
層間の接合が所望される場合、種々の接合方法が使用可能である。このような方法の1つは、有機または無機接着剤を使用する、接着剤による接合である。このような接合技術には、接着剤の温度許容範囲によって限界がある。さらに、接着剤層は一般に、それが接合する金属層よりも熱伝導率が低く、そのため接着剤層が、接合された層を通る熱伝導を阻害する。
【0005】
爆発圧着(Gold Bulletin、vol.10、no.2、pp.34〜37、2Apr1977)によって、金属同士が接合される。この方法では、金属層の一方を爆薬で被覆する。爆発の際、その爆発力で、被覆された金属層を、第2の金属層にたたき付け、接合が達成される。しかし、この接合では、爆発の衝撃波特性により、金属上への衝撃圧力のばらつきが生じるので、強度、または被度が必ずしも均一ではない。同一の理由で、接合された界面が波形を有し、したがって金属層の厚さが不均一になるおそれがある。この方法の他の欠点は、爆発力によって、その金属の加工硬化を引き起こす可能性があり、必ずしも望ましいことではない。その上、一方の金属で、層間の良好な接合を得るのに必要な爆発力に耐える強度が不足している場合、爆発圧着は不適当である。また、その特性によって、この方法は、適用時の安全上の要件をも課し、制御するのが困難となる可能性がある。
【0006】
これらの層を合わせて圧延し、またはプレスすることによって、接合された層状の金属物品を作製することが知られているが、シートなどの平坦な物品にのみ適している。平坦でない物品については、圧延はしばしば可能ではなく、またプレスは、その物品の形状に合う工具、すなわち金型によってのみ行うことができる。より大きな物品については、また、種々の大きさおよび長さのものを作製したい場合、このことは極端にコストがかかる可能性がある。
【0007】
電気めっきは、薄層の応用分野にのみ実用的であり、また、全ての金属を電気めっきすることができるわけではない。溶接オーバーレイは、溶接装置でアクセスできる形状および大きさの物品に限定される。同時押出しは、押出し温度において流動特性が密接に整合している金属でのみ使用することができる。この流動特性を整合させる必要性により、同時押出しを行うことができる材料の組合せが限定される。ガス圧接合、または熱間静水圧プレスが、金属を接合するのに使用される。これは、オートクレーブ内で行われ、温度1100〜1700℃、圧力10,000〜15,000psi(70〜100MPa)が典型的なものである。この方法は、容器または管の内側表面にライナを施すには、十分適してはいない。
【0008】
非平坦的な、均一に冶金的に接合された層状の、異種性状を有する金属からなる物品、およびこのような物品を作製する方法の必要性が存在している。
【0009】
(発明の概要)
本発明の目的は、腐食性の使用における熱交換器向けの配管などの、少なくとも1つの表面において耐食性である、冶金的に接合された層状の物品を提供することである。
【0010】
本発明は、湾曲した表面を有し、支持金属の非平面層と、鍛練された被支持金属の非平面層とを備える層状の物品であって、支持金属層と被支持金属層とが、実質的に完全な接合を有する界面領域にわたって冶金的に接合され、かつその界面領域が本質的に、支持金属と被支持金属とからなる物品を提供する。被支持金属、または被支持層を、施される金属、または施される層とも呼ぶ。
【0011】
本発明の他の実施形態は、支持金属の外側層と、鍛練された被支持金属の内側層とからなる管であって、前記支持金属層と被支持金属層とが、実質的に完全な接合を有する界面領域にわたって冶金的に接合され、かつ前記界面領域が本質的に、前記支持金属と前記被支持金属とからなる管を対象とする。
【0012】
本発明のさらなる実施形態は、湾曲した表面を有する層状の物品を作製する方法であって、鍛練された被支持金属の非平面層を設けること、支持金属の非平面層を設けること、前記被支持金属層および支持金属層の対合面を仕上げること、その仕上げた被支持金属層および支持金属層の対合面を位置合わせすること、支持層に対して被支持層を機械的に伸長させること、被支持層に液圧圧力を加えることにより、支持層に対して被支持層を伸長させること、被支持層に空気圧圧力を加え、かつ、融点が低い方の金属の絶対融点の高々98%まで、最高数日までの間、その物品を加熱すること、ならびに、その物品を冷却することを含む方法に関する。
【0013】
本発明のさらなる実施形態は、管を作製する方法であって、支持金属の管状外側層、および鍛練された被支持金属の管状内側層を設けること、内側層の外側対合面、および外側層の内側対合面を仕上げること、外側層中に内側層を挿入すること、外側層に対して内側層を機械的に伸長させること、液圧圧力を加えることにより、外側層に対して内側層を伸長させること、内側層に空気圧圧力を加え、かつ、融点が低い方の金属の絶対融点の高々98%まで、最高数日までの間、その物品を加熱すること、ならびに、その物品を冷却することを含む方法に関する。
【0014】
(詳細な説明)
本発明は、湾曲した表面を有し、支持金属の非平面層と、鍛練された被支持金属の非平面層とを備える層状の物品であって、支持金属層と被支持金属層とが、実質的に完全な接合を有する界面領域にわたって冶金的に接合され、かつその界面領域が本質的に、支持金属と被支持金属とからなる物品を提供する。被支持金属、または被支持層を、施される金属、または施される層とも呼ぶ。
【0015】
一実施形態において、本発明は、第1の金属の外側層と、第2の金属の、ライニングとも呼ぶ、内側層とからなる管を対象とする。それらの層の一方は鍛練された金属でなければならず、またそれら両方を鍛練された金属とすることができる。好ましい実施形態において、層状の物品は管であり、その管において、内側層またはライニングは、白金、パラジウム、金、銀、銅、ロジウム、およびイリジウム、ならびに、これらの金属の少なくとも1つを含有する合金からなるグループから選択される金属であり、また外側層は鉄、ニッケル、銅、および、これらの金属の少なくとも1つを含有する合金からなるグループから選択される金属である。
【0016】
本明細書において使用する「金属」には、鋼、ステンレス鋼、ニッケル−銅合金(Monel(登録商標)などの範囲の合金)、または鉄系合金(Incoloy(登録商標)などの範囲の合金)もしくはニッケル系合金(Inconel(登録商標)もしくはHaynes(登録商標)もしくはHastelloy(登録商標)などの範囲の合金)、または青銅、黄銅などの、室温で固体である基本的な金属が含まれる。金属の広範な一覧表は、The Metals Handbook(登録商標)Desk Edition、H.E.Boyer and T.L.Gall,Eds.、American Society for Materials、Metals Park、Ohio、1985中に見出すことができる。本発明により作製する層状の金属物品は、その金属が同一の化学組成のものである層を有することができる。これは、例えば鍛練された被支持層が、同一化学組成の鋳造された支持層に接合されるとした場合であろう。
【0017】
被支持層はいつも、鍛練された金属の層であり、二層金属物品の2つの層のうち、一般により強度が低く、またはよりコストが高い。被支持層として好ましい金属には、白金、金、パラジウム、銀、ロジウム、イリジウム、および、これらの金属の少なくとも1つを含有する合金などの耐酸化性、または耐化学浸食性の金属が含まれる。2つ以上の金属層を施して、本発明による多層の物品を作製する場合、それぞれの施された層は、被支持層である。支持金属層を、鍛練されたものとすることができるが、このことは必須ではない。
【0018】
用語「鍛練された(wrought)」は、通常は鋳造状態から、圧延および鍛造などの熱間または冷間塑性変形によって整形された金属を指す。変形の効果は、鋳造物の粗大結晶粒の樹枝状晶構造体を破砕して、より均一な微細結晶粒の構造体を生成させることである。使用したいくつかの方法では、「Manufacturing Processes for Engineering Materials」、Serope Kalpakjian、Addison−Wesley、Reading、MA(1985)中に記載されるように、金属を整形する。被支持層の質量のより多くの部分が鍛練され、好ましくは80%を超えるものが鍛練され、より好ましくは90%を超えるものが鍛練され、最も好ましくは95%を超えるものが鍛練されている場合、この被支持層を、本発明の目的のために、鍛練されていると見なす。
【0019】
好ましい支持金属には、鋼、ステンレス鋼、ニッケル−銅合金(Monel(登録商標)などの範囲の合金)、鉄系合金(Incoloy(登録商標)などの範囲の合金)、ニッケル系合金(Inconel(登録商標)もしくはHaynes(登録商標)もしくはHastelloy(登録商標)などの範囲の合金)、または青銅、黄銅などの、鉄、ニッケル、および銅、ならびにこれらの金属の少なくとも1つを含有する合金が含まれる。被支持金属を形成する方法は、被支持金属片の最終的な形態または形状によって決まる。プレートは鋳造、または鍛練することができ、シートは鍛練され、管またはパイプは遠心鋳造することができ、または引抜き加工することができ、その場合金属は鍛練される。より複雑な形態に鍛造することができ、その場合金属は鍛練される。
【0020】
本発明は、上述の物品を作製する方法をも提供する。被支持層および支持層は、その対合面間の密着、および実質的に完全な接合をもたらすのに必要な加工を最小限とするため、それらの層の対合面、すなわち接合させたい表面が、できるだけほとんど同一の形状および大きさになるように整形する。
【0021】
支持層の表面は、ANSI/ASME B46.1−1985に従って測定し、好ましくは少なくとも約RMS 8の表面粗さまでホーニングすることにより、次いで、脱脂、酸洗いなどによるなど、表面を清浄にすることにより仕上げる。支持金属が、層状の物品を製作する過程で酸化または腐食を受け易い場合、酸化を防止するステップを取り入れなければならない。酸化は接合を妨げ、接合をより弱め、または不完全とするおそれがある。接合させたい金属表面に酸素が接触するのを防止する一方法は、当技術分野でよく知られている金、銀またはその他などの、耐酸化性である金属の薄い保護被膜を施すことによってである。この保護被膜は、フラッシュ、またはストライクとしても知られ、電気めっきにより、または非電着性コーティングにより、または他の手段により施すことができる。その厚さは、典型的には約0.1μmである。酸化を防止する他の方法は、加熱の過程で酸化が起らないように、層間領域を真空排気することである。しかし、特に、大きな物品の場合、完全な真空排気が可能ではないおそれがあるので、耐酸化性金属の保護被膜を施すのが好ましい。
【0022】
被支持層を同様に清浄にし、必要な場合、保護被膜を施す。被支持層または支持層のいずれか一方が、耐酸化性金属製である場合、他方の層上のどんな保護被膜も、被支持層と支持層の間のより良好な接合のため、できれば、同一の耐酸化性金属で作るのが好ましい。両層に保護被膜を施さなければならない場合、被支持層と支持層の間のより良好な接合を促進するため、両者とも同一の耐酸化性金属を使用するのが好ましい。
【0023】
被支持層に保護被膜を施す場合、被支持層は、上述のように鍛練された金属でなければならないが、保護被膜が鍛練されたものである必要はない。
【0024】
上述の表面の処理を行った後で、被支持層および支持層を、下記のように接合する。
【0025】
被支持金属および支持金属の対合面を、位置合わせする。支持層が、ライニングしようとする管である場合、被支持層も、その外径が、支持する管の内径よりもほんの僅かだけ小さい管である。これらの直径の差異は、内側の管を外側の管中に粘りつくことなく挿入できるのに要する差異を超えないものとするのであろう。
【0026】
被支持層を最初、支持層に対して機械的にプレスする。被支持層が、支持金属管内のライナである場合、例えば、支持される管層を通過させ、マンドレルを引き抜くことにより、支持する管の壁に対してライナを機械的にプレスする。
【0027】
この時点で、層間領域を任意選択的に真空排気して、連行されたガス、特に空気を除去することができる。その後の加熱ステップの間における酸化を防止するため真空排気を用いたい場合、層間の界面に達するように一方または他方の層を通して作成した、1つまたは複数の穴に真空を適用し、対合面間に残留するどんなガスも真空排気する。真空排気の後、それらの穴をシールする。
【0028】
次いで、被支持層を、支持層に対して液圧プレスする。被支持層が、物品の内部表面上にある場合、この物品を水などの液体で充たすことができ、かつ圧力を加えて、対合面をより密着させる。加える圧力の大きさは、被支持層の、また支持層の降伏強さによって決まる。この圧力は、被支持層を降伏させ動かして、支持層とより密接に接触させるのに十分であることが望ましい。したがって、この圧力は、被支持層を構成する金属の降伏強さを超えることが望ましい。多くの金属および合金の降伏強さは、The Metals Handbook(登録商標)Desk Edition、H.E.Boyer and T.L.Gall,Eds.、American Society for Materials、Metals Park、Ohio、1985中に示される。降伏強さの測定は、ASTM方法E8−99により行う。液圧プレスのステップの間、支持層を機械的に、または逆圧により支持することができる場合、加える圧力は、支持層の降伏強さを超えることができる。被支持層が、物品の外部表面上にある場合、その物品の形状によって決まる手段により、その外部表面に圧力を加える。例えば、物品が球状であり、被支持層がその球の表面上にある場合、その球を液体内に浸漬し、次いでその液体に圧力を加える。液圧プレスが終了すると、液圧液体を除去し、物品を乾燥させる。
【0029】
次いで、被支持層に適度の不活性ガス圧を加え、物品を加熱して、接合を完成させる。加熱温度は、被支持金属と支持金属の間に冶金的接合を形成させるのに十分であるものとする。本明細書において、「冶金的接合」は、被支持層および支持層内の金属の原子が相互拡散する、すなわち、お互いの間で拡散する接合を意味する。拡散接合または冶金的接合をもたらすのに、十分な圧力および熱を、十分な時間の間加える。アルゴンなどの不活性ガスで空気圧的に被支持層を加圧することにより、圧力を加える。加える圧力は、冶金的接合が形成されている間、支持層に対して被支持層を緊密に保持するのに必要な圧力以下である。圧力700〜3000kPaが通常適当であり、1500〜2500kPaが好ましい。この圧力は、ガス圧接合に用いる圧力よりも低い。
【0030】
このステップでは、冶金的な接合は、主として適用する温度に依存し、圧力は二次的な影響を有するに過ぎない。その温度は金属によって決まるが、熱間静水圧プレスで用いるであろう温度よりも低い。その温度は、融点が低い方の金属の絶対融点に近づけることができる。融点が低い方の金属の絶対融点に温度をどの位近づけることができるかは、加熱装置の温度制御の精度および正確さ、ならびに、融点が低い方の金属のたるみ易さ、またはクリープし易さによって決まり、このたるみ易さ、またはクリープし易さはまた、物品の形状により影響を受けるであろう。しかし、大抵の状況では、融点が低い方の金属の、絶対融点の98%以内まで加熱することが可能なはずである。好ましくは加熱する間の温度は、融点が低い方の金属の、絶対融点の50〜95%とすべきである。この加熱は、最高数日まで、好ましくは1から24時間、より好ましくは5から15時間、最も好ましくは8から12時間継続させる。第2に、この温度は、適度な時間間隔内に実質的な相互拡散が起るような温度とすべきである。これは、文献(例えば、Smithell′s Metals Reference Book、E.A.Brandes、G.B.BrookおよびC.J.Smithell、Butterworth−Heinemann、Boston、MA(1998)、p.13−1)から求められる拡散係数から推算することができる。
【0031】
驚くべきことに、機械的な力を加えること、または液圧的な圧力を加えることのいずれかを省略すると、層間の冶金的接合の品質が低下することが判明した。
【0032】
仕上げられた物品に、1つまたは複数の、同一の被支持金属の、または他の被支持金属の追加的な層を施す必要がある場合、この方法を繰り返すことができる。その結果得られる物品は、ともに冶金的に接合された、被支持層と支持層とを備えている。被支持層と支持層の界面には、金属が相互拡散されている領域が存在し、この領域を界面領域と呼ぶ。異なった金属を接合させる場合、その界面領域は、2つの層を構成する金属の合金を含む。この合金は、冶金的接合のステップの間に金属が相互拡散することにより形成される。化学的に同一の金属を接合させる場合、その界面領域は、被支持層および支持層の両方からの原子から構成される。冶金的接合を達成するため、いくらかの相互拡散がなければならない。完全な相互拡散により、支持金属上に被支持金属を成層するという目的が覆されるので、完全な相互拡散は望ましくない。したがって、被支持層または支持層の厚さよりも、その界面領域の厚さは小さくすべきである。数マイクロメートルの厚さの界面領域が適当である。界面領域は、層状の物品の横断面上での測定から決定する。厚さ「100〜0」は、エネルギー分散分光法(ECD)などの技術により測定したとき、金属の組成が、最初に被支持層だけの金属組成ではなくなる点から、金属の組成が、支持層だけの金属組成になる点までの距離である。時には厚さ「90〜10」を測定する方が容易である場合があり、厚さ「90〜10」は、被支持層の少なくとも1つの成分が、被支持層を構成する材料中のその成分濃度の90%まで減少している点から、その同一成分がその濃度の10%まで減少している点までの距離である。
【0033】
界面領域の厚さは、ここで厚さ「90〜10」として定義して、被支持層の、元の厚さの150%未満とすべきことが好ましく、被支持層の、元の厚さの50%未満がより好ましく、また、被支持層の、元の厚さの25%未満が最も好ましい。
【0034】
「界面領域にわたる実質的に完全な接合」とは、界面の面積の少なくとも80%、好ましくは90%、より好ましくは95%、また、最も好ましくは100%が接合されることをいう。
【0035】
被支持層および支持層の仕上がり面のいずれか一方、または両方に、耐酸化性被膜が施されている場合、界面領域は本質的に、被支持層および支持層を構成する金属の合金からなる。被支持層および/または支持層が、両層の接触面に耐酸化性被膜を有していても、それでも、両耐酸化性被膜の厚さが小さいので、得られた界面領域は本質的に、被支持層および支持層を構成する金属の合金からなる。
【0036】
第2の被支持層を施したい場合、上述のステップを繰り返す。
【0037】
(実施例)
被支持層および支持層の対合面の粗さは、米国機械学会(ASME)記号ASME B46.1−1995に記述されるように測定し、「RMS」数として報告する。層間における接合の存在は、超音波試験(UT)により測定する。この技術は、音波の透過率を用いて、接合が存在するかどうかを測定する。接合が存在する場合、音波が層状物品を透過し、層状物品の厚さが測定される。接合が全くない場合、音波は、支持金属部分だけを透過し、支持金属部分の厚さだけを、American Society for Materials Handbook、Volume 17:Nondestructive Evaluation and Quality Control、ASM、Metals Park、OH、p.231に示される方法により測定する。被支持層および支持層の金属の、相互拡散の領域の厚さは、走査電子顕微鏡法により、また、関係元素の電子分散X線分析(EDAX)プロフィルにより測定する。少なくとも厚さ10μmであり、かつ、拡散する元素の少なくとも10原子%を含有する接合が、本発明の目的のため冶金的であると考えられる。この接合を、金属組織学的試験によっても、すなわち、接合された物品から切断した横断面の高倍率光学顕微鏡または走査電子顕微鏡試験によっても検査する。顕微鏡写真が、被支持金属と支持金属との間に間隙が存在すること、ならびに、これら金属の界面に酸化物層または他の干渉層が存在することをはっきりと示すであろう。
【0038】
冶金的接合を形成するのに必要な時間および温度の推算を、金およびニッケルの場合について、ここに示す。平均貫入距離x、すなわちその距離にわたり、かなりの量の拡散が生じる距離を、フィックの拡散法則に対する近似解(Structure and Properties of Alloys、R.M.Brick、R.B.GordonおよびA.Phillips、McGraw−Hill(1965)、p.84)から推算することができる:
x2=D・t (1)
ただし、式中Dは、単位cm2/秒の拡散係数であり、tは秒単位の時間である。Dは、式2から推算することができる:
D=A・exp(−Q/RT) (2)
ただし、式中Aは0.034±0.007cm2/秒であり、またQは42.0±0.4kcal/モルであり、Rはガス定数であり、またTは絶対温度である。AおよびQの値は、D.N.Kuhl、K.HiranoおよびM.Cohen:Acta Met.、11、1(1963)から得ている。850℃(1123°K)において、式2からのDの値は、2.3・10−10cm2/秒である。式1にこのDの値を用いて、850℃で10時間における、上述のかなりの拡散の領域の厚さは、約30μmであると求められる。これは、下記の実施例1に記述する、90:10から10:90の領域の厚さ50μmとよく一致している。
【0039】
実施例1
この実施例は、本発明の好ましい実施形態による、金のライニングを有するInconel(登録商標)600合金の管の生産について記述する。このInconel(登録商標)管が、支持層である。金ライニングは、被支持層である。Inconel(登録商標)管は、外径26.7mmおよび内径20.9mmを有し、長さ1メートル未満である。金ライニングは、同一の長さの鍛練された管であり、外径20.50mmおよび内径18.50mmを有する。Inconel(登録商標)管の内部表面を、RMS 8の仕上がりまでホーニングし、最初はOakite#3セッケン熱溶液による脱脂によって清浄にする。硫酸および塩酸溶液(93%硫酸7.9体積%、32%塩酸12体積%、残量水の比率で混合する)を用いる酸洗いが、これに続く。酸洗い時間は10から20分である。次いで、脱イオン水で0.5から1分間、管をすすぐ。次いで、管を硝酸水溶液、(68%硝酸20体積%を、水80体積%中に混合することにより作製する)中で20分間酸洗いする。脱イオン水による0.5から1分間のすすぎ、および乾燥が、これに続く。管を外観検査し、なんらかの異常な個所が見られる場合、酸洗いのステップを繰り返す。
【0040】
適当な溶媒による脱脂、引き続いて硝酸(水中における68%硝酸20体積%により作製する水溶液)による20分間の酸洗いにより、金管を調製する。脱イオン水による0.5から1分間のすすぎ、および乾燥が、これに続く。
【0041】
金ライニングをマンドレル上にスエージングし、Inconel(登録商標)管中に引き込む。次いで、金ライニングを通して伸長プラグ、またはマンドレルを引き抜くことにより、このライニングを機械的に伸長させる。金ライニングの外径計算値が、Inconel(登録商標)管内径の公差以内となるまで、金ライニングを通して、次第により大きな伸長プラグを引き抜く。このInconel(登録商標)−金組合せ構造体を、「管」と呼ぶ。
【0042】
管の両端における金とInconel(登録商標)間の継ぎ目を、ニッケルろうを用いシールする。管に沿って間隔をとって、Inconel(登録商標)層だけに穴をあけ、金層とInconel(登録商標)層間の空間を真空排気できるように管継手を取り付ける。この空間を、真空排気する。次いで、管に水を充たし、室温で数時間、液圧圧力20MPaを加える。圧力を解放し、管から水を抜き、乾燥させる。次いで、管を、アルゴンなどの不活性ガスで約700kPaに加圧し、1050°K(777℃)から1150°K(877℃)で約8時間加熱する。冷却および脱圧後、管を試験して、接合の範囲を測定する(超音波試験では接合の品質は測定されない−超音波試験は、接合が存在するかどうかを測定する)。この管についての超音波試験は、99%を超える管表面上に接合が存在することを示した。管の金属組織学的横断面を調製し、金ライナがInconel(登録商標)に接合していることを確認している。金−Inconel(登録商標)界面には、汚染の形跡は全く存在しない。元素プロフィルを測定し、この接合が厚さ方向におよそ250μmにわたって伸びていることを決定している。これは、金含量が最初に100原子%から減少するのが見られるグラフ表示上の点から、金含量が最初に0原子%に達するのが見られるグラフ表示、図1および図2上の点までの距離である。金含量が90原子%である点から、金含量が10原子%である点までの距離は、50μmである。
【0043】
比較例A
実施例1中に記述するやり方で管を調製し、機械的伸長のステップを省いている点を除いて、記述されるように管を接合する。UTを用いて試験を行い、ライナと支持金属の間に、接合が全く存在しないことを測定している。このことは、冶金的接合を達成するのに、機械的伸長のステップが必要なことを示している。
【0044】
比較例B
実施例1中に記述するやり方で管を調製し、液圧伸長のステップを省いている点を除いて、記述されるように管を接合する。拡散接合を2ステップで行う:最初に775°K(502℃)で10時間、次いで1125°K(852℃)で10時間。超音波試験を行い、限定された冶金的接合があることが判明している。接合は、管表面のおよそ66%にわたって存在する。このことは、完全な冶金的接合を達成するのに、液圧伸長のステップが必要なことを示している。
【0045】
比較例C
実施例1中に記述するやり方で、管を調製する。この例では、実施例1中に記述するように、機械的伸長を行わせる。実施例1におけるように続ける代わりに、爆発接合による冶金的接合を試みている。金ライナを装薬で被覆し、次いでそれを爆発させる。Inconel(登録商標)管の長さおよび円周にわたって、超音波試験で最小限20%の接合が示されるまで、この手順を繰り返す。次いで、管をシールし、実施例1中に記述するように、拡散接合処理を行う。その後、管の徹底的なUT検査を行い、接合の範囲がおよそ20%であることを見出している。このことは、完全な冶金的接合を達成するには、爆発接合は不適当であることを示している。
【0046】
比較例D
この例は、管が長さ数メートルである点を除いて、実施例1におけるように調製する。実施例1の手順に従っているが、分析により、層間の接合がほとんど示されない。両層の試験により、それらの表面上に酸化物が存在することが示される。このことは、大きな物品の真空排気が完全ではなく、両表面を酸化するのに十分な空気が残留し、冶金的接合の形成を妨害していることを示している。
【0047】
実施例2
この実施例は、管の表面の調製を異なるように行っている点を除いて、例Dにおけるように調製する。Inconel(登録商標)管を清浄にした後、Inconel(登録商標)管を、非電着金めっきに適した浴中に浸漬し、その表面に厚さ約0.1μmの金層を付着させる。その後、実施例1中に記述するように管を加工する。金属組織学的試験では、その界面にどんな酸化物の兆候もなく、冶金的接合が良好に確立されていることを示している。このような酸化物は、金属間の接合を阻害するのであろう。この管では、超音波試験は行わなかった。非電着金めっきの利点は、拡散接合ステップの間、それがInconel(登録商標)の表面を酸化から保護することである。このことは、大きな管において特に重要であり、その場合は、環状空間を効率的に真空排気するのが困難であり、残留空気がそのままになり易い。
【図面の簡単な説明】
【図1】
金ライニングしたInconel(登録商標)管であって、前記管を本発明により作製している管の、横断面の元素プロフィルをプロットした図である。
【図2】
図1の詳細図である。[0001]
(Field of the Invention)
The present invention is in the field of shaped layered articles of the same or different metals.
[0002]
(Background of the Invention)
Where a single metal does not meet the physical, chemical, or economic requirements of an application, multiple layers, especially two layers, of metal articles are used. Examples of such articles are containers that must be corrosion resistant or chemically inert, such as heat exchanger tubes in corrosive use. Metals meeting these requirements, such as copper, gold, or platinum, may have insufficient strength or may be too expensive to use alone. Combining these metals with a stronger or less expensive metal layer, such as steel, is one way to provide strength or reduce costs. Various methods of joining such layers have been developed. The suitability of these methods depends on the application that will be imposed on the article. Especially for wide range of high temperature applications, the demands on interlayer bonding are severe.
[0003]
One of the more common methods of combining metal layers is to use a loose liner, ie, a lining or insert that is not bonded to the base metal. However, the absence of interlayer bonding has a negative effect on the efficiency of heat transfer through the layers of the article. Therefore, loose liners are not suitable for applications requiring good heat conduction between metal layers. In addition, loose liners are not supported against collapse, which can occur especially at high temperature or high flow conditions because the liner is not bonded to the base metal.
[0004]
If bonding between layers is desired, various bonding methods can be used. One such method is adhesive bonding using an organic or inorganic adhesive. Such bonding techniques are limited by the temperature tolerance of the adhesive. Further, the adhesive layer generally has a lower thermal conductivity than the metal layer to which it is bonded, so that the adhesive layer impedes heat conduction through the bonded layers.
[0005]
Metals are joined together by explosive pressure bonding (Gold Bulletin, vol. 10, no. 2, pp. 34 to 37, 2Apr1977). In this method, one of the metal layers is coated with an explosive. In the event of an explosion, the explosive force strikes the coated metal layer against the second metal layer, thereby achieving bonding. However, in this bonding, since the shock pressure on the metal varies due to the shock wave characteristics of the explosion, the strength or coverage is not always uniform. For the same reason, the bonded interface may have a corrugation, and thus the thickness of the metal layer may be uneven. Another disadvantage of this method is that the explosive force can cause work hardening of the metal, which is not always desirable. Moreover, explosive crimping is inadequate if one of the metals lacks the strength to withstand the explosive force required to achieve good bonding between the layers. Due to its properties, this method also imposes safety requirements when applied and can be difficult to control.
[0006]
Rolling or pressing these layers together is known to produce joined layered metal articles, but is only suitable for flat articles such as sheets. For non-planar articles, rolling is often not possible, and pressing can only be performed with tools, ie, dies, that conform to the shape of the article. For larger articles, and if one wishes to make different sizes and lengths, this can be extremely costly.
[0007]
Electroplating is only practical for thin layer applications and not all metals can be electroplated. Weld overlays are limited to articles of a shape and size accessible by the welding equipment. Coextrusion can only be used with metals whose flow properties are closely matched at the extrusion temperature. The need to match this flow characteristic limits the material combinations that can be co-extruded. Gas pressure bonding, or hot isostatic pressing, is used to bond the metals. This is done in an autoclave and is typically at temperatures between 1100 and 1700 ° C. and pressures between 10,000 and 15,000 psi (70-100 MPa). This method is not well suited for applying a liner to the inside surface of a container or tube.
[0008]
There is a need for non-planar, uniformly metallurgically bonded, layered, dissimilar metal articles and methods of making such articles.
[0009]
(Summary of the Invention)
It is an object of the present invention to provide a metallurgically bonded layered article that is corrosion resistant on at least one surface, such as piping for a heat exchanger in corrosive use.
[0010]
The present invention is a layered article having a curved surface, a non-planar layer of a supporting metal, and a forged non-planar layer of a supported metal, wherein the supporting metal layer and the supported metal layer are: An article is metallurgically bonded over an interface region having a substantially perfect bond, the interface region consisting essentially of a supporting metal and a supported metal. The supported metal or supported layer is also referred to as the applied metal or the applied layer.
[0011]
Another embodiment of the present invention is a tube comprising an outer layer of a supporting metal and an inner layer of a forged supported metal, wherein the supporting metal layer and the supported metal layer are substantially complete. It is intended for a tube which is metallurgically joined over an interfacial region having a joint and wherein the interfacial region consists essentially of the supporting metal and the supported metal.
[0012]
A further embodiment of the present invention is a method of making a layered article having a curved surface, comprising providing a non-planar layer of a wrought supported metal, providing a non-planar layer of a supporting metal, Finishing the facing surface of the supporting metal layer and the supporting metal layer, aligning the finished facing surface of the supporting metal layer and the supporting metal layer, and mechanically extending the supported layer with respect to the supporting layer. That is, by extending the supported layer with respect to the supporting layer by applying a hydraulic pressure to the supported layer, applying pneumatic pressure to the supported layer, and increasing the absolute melting point of the metal having the lower melting point by at most 98. %, Up to several days, and heating the article, as well as cooling the article.
[0013]
A further embodiment of the invention is a method of making a tube comprising providing a tubular outer layer of a support metal and a tubular inner layer of a wrought supported metal, an outer mating surface of the inner layer, and an outer layer. Finishing the inner mating surface of the inner layer, inserting the inner layer into the outer layer, mechanically stretching the inner layer relative to the outer layer, applying hydraulic pressure to the inner layer relative to the outer layer Stretching the inner layer, applying pneumatic pressure to the inner layer and heating the article up to 98% of the absolute melting point of the lower melting metal, up to several days, and cooling the article. A method comprising:
[0014]
(Detailed description)
The present invention is a layered article having a curved surface, a non-planar layer of a supporting metal, and a forged non-planar layer of a supported metal, wherein the supporting metal layer and the supported metal layer are: An article is metallurgically bonded over an interface region having a substantially perfect bond, the interface region consisting essentially of a supporting metal and a supported metal. The supported metal or supported layer is also referred to as the applied metal or the applied layer.
[0015]
In one embodiment, the invention is directed to a tube comprising an outer layer of a first metal and an inner layer, also called a lining, of a second metal. One of the layers must be a wrought metal, and both can be a wrought metal. In a preferred embodiment, the layered article is a tube, wherein the inner layer or lining contains platinum, palladium, gold, silver, copper, rhodium, and iridium, and at least one of these metals The outer layer is a metal selected from the group consisting of iron, nickel, copper, and alloys containing at least one of these metals.
[0016]
As used herein, “metal” includes steel, stainless steel, nickel-copper alloys (alloys in the range such as Monel®), or iron-based alloys (alloys in the range such as Incoloy®). Alternatively, a basic metal that is solid at room temperature, such as a nickel-based alloy (an alloy in a range such as Inconel® or Haynes® or Hastelloy®), or bronze or brass, is included. An extensive list of metals can be found in The Metals Handbook (R) Desk Edition, H.C. E. FIG. Boyer and T.S. L. Gall, Eds. , American Society for Materials, Metals Park, Ohio, 1985. The layered metal article made according to the present invention can have a layer whose metal is of the same chemical composition. This would be the case, for example, when a trained supported layer is bonded to a cast support layer of the same chemical composition.
[0017]
The supported layer is always a layer of wrought metal and, of the two layers of the two-layer metal article, generally has lower strength or higher cost. Preferred metals for the supported layer include oxidation-resistant or chemically-eroded metals such as platinum, gold, palladium, silver, rhodium, iridium, and alloys containing at least one of these metals. . When two or more metal layers are applied to make a multilayer article according to the present invention, each applied layer is a supported layer. The support metal layer can be forged, but this is not required.
[0018]
The term "wrought" refers to a metal that has been shaped by hot or cold plastic deformation, such as rolling and forging, usually from a cast state. The effect of the deformation is to crush the coarse-grained dendritic structure of the casting to produce a more uniform fine-grained structure. In some of the methods used, the metals are shaped as described in "Manufacturing Processes for Engineering Materials", Serope Kalpakjian, Addison-Wesley, Reading, MA (1985). More of the mass of the supported layer is forged, preferably more than 80% is forged, more preferably more than 90% is forged, and most preferably more than 95% is forged. In this case, this supported layer is considered to be trained for the purposes of the present invention.
[0019]
Preferred supporting metals include steel, stainless steel, nickel-copper alloys (alloys in the range such as Monel®), iron-based alloys (alloys in the range such as Incoloy®), nickel-based alloys (Inconel (Inconel®)). Or alloys such as Haynes® or Hastelloy®), or iron, nickel, and copper, such as bronze, brass, and alloys containing at least one of these metals. It is. The method of forming the supported metal depends on the final form or shape of the supported metal piece. Plates can be cast or forged, sheets can be forged, tubes or pipes can be centrifugally cast or drawn, in which case the metal is forged. It can be forged into more complex forms, in which case the metal is forged.
[0020]
The present invention also provides a method of making the above-described article. The supported and support layers should have a mating surface, i.e., the surface to be joined, of the layers to minimize the adhesion between the mating surfaces and the processing required to provide a substantially perfect bond. Are shaped so as to have almost the same shape and size as possible.
[0021]
The surface of the support layer is measured according to ANSI / ASME B46.1-1985, preferably by honing to a surface roughness of at least about RMS 8, and then by cleaning the surface, such as by degreasing, pickling, etc. Finish. If the supporting metal is susceptible to oxidation or corrosion during the fabrication of the layered article, steps must be taken to prevent oxidation. Oxidation can interfere with the bond and make it weaker or incomplete. One method of preventing oxygen from contacting the surface of the metal to be bonded is by applying a thin protective coating of an oxidation resistant metal, such as gold, silver or others, well known in the art. is there. This protective coating, also known as flash or strike, can be applied by electroplating or by electroless coating or by other means. Its thickness is typically about 0.1 μm. Another method of preventing oxidation is to evacuate the interlayer region so that oxidation does not occur during the heating. However, in particular, in the case of a large article, there is a possibility that complete evacuation may not be possible, so it is preferable to apply a protective coating of an oxidation-resistant metal.
[0022]
The supported layer is likewise cleaned and, if necessary, provided with a protective coating. If either the supported layer or the support layer is made of an oxidation resistant metal, any protective coating on the other layer is preferably the same for better bonding between the supported layer and the support layer. Of an oxidation-resistant metal. If both layers must be provided with a protective coating, it is preferred that both use the same oxidation resistant metal to promote better bonding between the supported layer and the support layer.
[0023]
If a protective coating is applied to the layer to be supported, the layer to be supported must be a metal that has been wrought as described above, but need not be a wrought protective coating.
[0024]
After performing the above-described surface treatment, the supported layer and the supporting layer are joined as described below.
[0025]
The mating surfaces of the supported metal and the supporting metal are aligned. If the supporting layer is a tube to be lined, the supported layer is also a tube whose outer diameter is only slightly smaller than the inner diameter of the supporting tube. These differences in diameter would not exceed the differences required to allow the inner tube to be inserted into the outer tube without sticking.
[0026]
The supported layer is first mechanically pressed against the support layer. If the supported layer is a liner in a supporting metal tube, the liner is mechanically pressed against the wall of the supporting tube, for example, by passing the supported tube layer and pulling out a mandrel.
[0027]
At this point, the interlayer region can optionally be evacuated to remove entrained gases, especially air. If it is desired to use vacuum pumping to prevent oxidation during the subsequent heating step, apply vacuum to one or more holes made through one or the other layer to reach the interface between the layers, Evacuate any gas remaining in between. After evacuation, seal the holes.
[0028]
Next, the supported layer is hydraulically pressed against the support layer. When the supported layer is on the interior surface of the article, the article can be filled with a liquid, such as water, and pressure is applied to make the mating surface more intimate. The magnitude of the applied pressure depends on the yield strength of the supported layer and of the support layer. Desirably, the pressure is sufficient to cause the supported layer to yield and move into more intimate contact with the support layer. Therefore, this pressure desirably exceeds the yield strength of the metal constituting the supported layer. The yield strength of many metals and alloys is described in The Metals Handbook® Desk Edition, H.E. E. FIG. Boyer and T.S. L. Gall, Eds. , American Society for Materials, Metals Park, Ohio, 1985. The measurement of the yield strength is performed according to ASTM method E8-99. If the support layer can be supported mechanically or by counter pressure during the hydraulic pressing step, the applied pressure can exceed the yield strength of the support layer. When the supported layer is on the outer surface of the article, pressure is applied to the outer surface by means determined by the shape of the article. For example, if the article is spherical and the supported layer is on the surface of the sphere, immerse the sphere in a liquid and then apply pressure to the liquid. Upon completion of the hydraulic press, the hydraulic liquid is removed and the article is dried.
[0029]
Next, an appropriate inert gas pressure is applied to the supported layer, and the article is heated to complete the bonding. The heating temperature shall be sufficient to form a metallurgical bond between the supported metal and the supporting metal. As used herein, "metallurgical bond" means a bond in which atoms of the metal in the supported layer and the metal in the support layer interdiffuse, that is, diffuse between each other. Sufficient pressure and heat are applied for a sufficient time to effect a diffusion or metallurgical bond. Pressure is applied by pneumatically pressurizing the supported layer with an inert gas such as argon. The pressure applied is less than or equal to the pressure required to keep the supported layer tight against the support layer while the metallurgical bond is being formed. A pressure of 700 to 3000 kPa is usually appropriate, and a pressure of 1500 to 2500 kPa is preferable. This pressure is lower than the pressure used for gas pressure bonding.
[0030]
In this step, the metallurgical bond mainly depends on the temperature applied, and the pressure has only a secondary effect. The temperature depends on the metal but is lower than the temperature that would be used in a hot isostatic press. The temperature can be close to the absolute melting point of the lower melting point metal. How close the temperature can be to the absolute melting point of the lower melting metal depends on the accuracy and precision of the temperature control of the heating device, and the ease of sagging or creep of the lower melting metal. This ease of sagging, or creep, will also be affected by the shape of the article. However, in most situations, it should be possible to heat up to 98% of the absolute melting point of the lower melting point metal. Preferably, the temperature during heating should be 50-95% of the absolute melting point of the lower melting metal. This heating lasts up to several days, preferably 1 to 24 hours, more preferably 5 to 15 hours, most preferably 8 to 12 hours. Second, the temperature should be such that substantial interdiffusion occurs within a reasonable time interval. This is from the literature (eg, Smithell's Metals Reference Book, EA Brandes, GB Brook and CJ Smithell, Butterworth-Heinemann, Boston, MA (1998), p. 13-1). It can be estimated from the required diffusion coefficient.
[0031]
Surprisingly, it has been found that omitting either the application of mechanical force or the application of hydraulic pressure reduces the quality of the metallurgical bond between the layers.
[0032]
The method can be repeated if the finished article needs to be provided with one or more additional layers of the same supported metal or of another supported metal. The resulting article comprises a supported layer and a support layer, both metallurgically bonded. At the interface between the supported layer and the support layer, there is a region where metal is interdiffused, and this region is called an interface region. If different metals are to be joined, the interface region comprises an alloy of the two constituent metals. This alloy is formed by interdiffusion of metals during the metallurgical bonding step. When chemically identical metals are joined, the interface region is composed of atoms from both the supported and support layers. To achieve a metallurgical bond, there must be some interdiffusion. Complete interdiffusion is undesirable because it completely defeats the purpose of layering the supported metal on the support metal. Therefore, the thickness of the interface region should be smaller than the thickness of the supported layer or the supporting layer. Interfacial areas with a thickness of a few micrometers are suitable. The interface area is determined from measurements on the cross section of the layered article. The thickness “100-0” is measured by a technique such as energy dispersive spectroscopy (ECD), since the metal composition is not the metal composition of only the supported layer first, so that the metal composition is It is the distance to the point where only the metal composition is obtained. Sometimes it is easier to measure the thickness "90 to 10", and the thickness "90 to 10" indicates that at least one component of the supported layer is the component in the material constituting the supported layer. The distance from the point where the concentration is reduced to 90% of the concentration to the point where the same component is reduced to 10% of the concentration.
[0033]
Preferably, the thickness of the interface region should be less than 150% of the original thickness of the supported layer, defined herein as the thickness "90-10", and the original thickness of the supported layer Is more preferably less than 50%, and most preferably less than 25% of the original thickness of the supported layer.
[0034]
"Substantially perfect bonding across the interface area" refers to bonding of at least 80%, preferably 90%, more preferably 95%, and most preferably 100% of the area of the interface.
[0035]
If one or both of the finished surface of the supported layer and the support layer is provided with an oxidation-resistant coating, the interface region consists essentially of an alloy of the metal constituting the supported layer and the support layer. . Even if the layer to be supported and / or the supporting layer has an oxidation-resistant coating on the contact surface of the two layers, the resulting interfacial area is essentially still small because of the small thickness of both oxidation-resistant coatings. And an alloy of the metal constituting the supported layer and the supporting layer.
[0036]
If a second layer to be supported is desired, the above steps are repeated.
[0037]
(Example)
The mating surface roughness of the supported and support layers is measured as described in the American Society of Mechanical Engineers (ASME) symbol ASME B46.1-1995 and is reported as an "RMS" number. The presence of a bond between the layers is measured by an ultrasonic test (UT). This technique uses the transmission of sound waves to determine whether a bond exists. If a bond is present, the sound waves penetrate the layered article and the thickness of the layered article is measured. In the absence of any bonding, the sound wave only penetrates the supporting metal part, and only the thickness of the supporting metal part can be measured by the American Society for Materials Handbook, Volume 17: Nondestructive Evaluation and Quality Control, SM, ATP. 231 is measured. The thickness of the interdiffusion region of the metal of the supported and support layers is measured by scanning electron microscopy and by electron dispersive X-ray analysis (EDAX) profiles of the elements concerned. A joint having a thickness of at least 10 μm and containing at least 10 atomic% of the diffusing element is considered metallurgical for the purposes of the present invention. The joint is also examined by metallographic examination, i.e. by high-power optical or scanning electron microscopy of a cross section cut from the joined article. The micrographs will clearly show the presence of gaps between the supported and supported metals, and the presence of oxide or other interference layers at the interface of these metals.
[0038]
Estimates of the time and temperature required to form a metallurgical bond are shown here for gold and nickel. The average penetration distance x, the distance over which a significant amount of diffusion occurs, is determined by the approximate solution to Fick's diffusion law (Structure and Properties of Alloys, RM Brick, RB Gordon and A. Phillips, It can be estimated from McGraw-Hill (1965), p.
x 2 = Dt (1)
However, in the formula, D is a unit cm. 2 / Diffusion coefficient and t is time in seconds. D can be estimated from Equation 2:
D = A · exp (−Q / RT) (2)
Where A is 0.034 ± 0.007 cm 2 / Sec, Q is 42.0 ± 0.4 kcal / mol, R is the gas constant, and T is the absolute temperature. The values of A and Q are N. Kuhl, K .; Hirano and M.C. Cohen: Acta Met. , 11, 1 (1963). At 850 ° C. (1123 ° K), the value of D from equation 2 is 2.3 · 10 -10 cm 2 / Sec. Using this value of D in Equation 1, the thickness of the significant diffusion region at 850 ° C. for 10 hours is determined to be about 30 μm. This is in good agreement with the thickness of 50 μm in the region from 90:10 to 10:90 described in Example 1 below.
[0039]
Example 1
This example describes the production of a tube of
[0040]
The brass tube is prepared by degreasing with a suitable solvent, followed by pickling with nitric acid (aqueous solution made with 68% nitric acid in 20% by volume in water) for 20 minutes. This is followed by a 0.5 to 1 minute rinse with deionized water and drying.
[0041]
The gold lining is swaged on a mandrel and drawn into an Inconel® tube. The lining is then mechanically extended by withdrawing an extension plug or mandrel through the gold lining. Withdraw the progressively larger extension plug through the gold lining until the calculated outer diameter of the gold lining is within the tolerance of the Inconel® tube inner diameter. This Inconel®-gold combination structure is called a “tube”.
[0042]
The seam between the gold and Inconel® at both ends of the tube is sealed with nickel braze. At intervals along the tube, only holes in the Inconel® layer are drilled and the fittings are attached so that the space between the gold layer and the Inconel® layer can be evacuated. This space is evacuated. The tube is then filled with water and a hydraulic pressure of 20 MPa is applied for several hours at room temperature. Release pressure, drain water from tube and allow to dry. The tube is then pressurized to about 700 kPa with an inert gas such as argon and heated at 1050 K (777 C) to 1150 K (877 C) for about 8 hours. After cooling and depressurization, the tubing is tested to determine the extent of the bond (the ultrasonic test does not measure the quality of the bond-the ultrasonic test determines whether a bond is present). Ultrasonic testing on this tube showed that there was a bond on more than 99% of the tube surface. The metallographic cross section of the tube was prepared to confirm that the gold liner was bonded to Inconel®. There is no evidence of contamination at the gold-Inconel® interface. The element profile was measured and it was determined that this junction extended in the thickness direction over approximately 250 μm. This is the point on the graphical representation where the gold content first reaches 0 atomic%, from the point on the graphical representation where the gold content is first seen to decrease from 100 atomic%, the point on the FIG. 1 and FIG. Is the distance to The distance from the point where the gold content is 90 atomic% to the point where the gold content is 10 atomic% is 50 μm.
[0043]
Comparative Example A
The tubing is prepared in the manner described in Example 1, and the tubing is joined as described, except that the step of mechanical stretching is omitted. A test was performed using a UT to determine the absence of any bond between the liner and the support metal. This indicates that a mechanical elongation step is required to achieve a metallurgical bond.
[0044]
Comparative Example B
The tubing is prepared in the manner described in Example 1, and the tubing is joined as described, except that the step of hydraulic stretching is omitted. Diffusion bonding is performed in two steps: first at 775K (502C) for 10 hours, then at 1125K (852C) for 10 hours. Ultrasonic testing has shown that there is limited metallurgical bonding. The joint exists over approximately 66% of the tube surface. This indicates that a hydraulic extension step is required to achieve a perfect metallurgical bond.
[0045]
Comparative Example C
A tube is prepared as described in Example 1. In this example, mechanical stretching is performed as described in Example 1. Instead of continuing as in Example 1, metallurgical joining by explosive joining is attempted. The gold liner is coated with a charge and then exploded. This procedure is repeated until the ultrasonic test shows a minimum of 20% bonding over the length and circumference of the Inconel® tube. The tube is then sealed and subjected to a diffusion bonding process as described in Example 1. A thorough UT inspection of the tube was then performed and found that the extent of the joint was approximately 20%. This indicates that explosive bonding is not suitable for achieving perfect metallurgical bonding.
[0046]
Comparative Example D
This example is prepared as in Example 1, except that the tube is several meters long. The procedure of Example 1 is followed, but analysis shows little bonding between layers. Testing of both layers shows the presence of oxide on their surface. This indicates that the evacuation of a large article is not complete, leaving enough air to oxidize both surfaces, preventing the formation of a metallurgical bond.
[0047]
Example 2
This example is prepared as in Example D, except that the preparation of the tube surface is done differently. After cleaning the Inconel® tubing, the Inconel® tubing is immersed in a bath suitable for electroless gold plating to deposit a layer of gold about 0.1 μm thick on its surface. Thereafter, the tube is machined as described in Example 1. Metallographic examination shows that the metallurgical bond is well established without any signs of oxide at the interface. Such an oxide would inhibit the bonding between the metals. No ultrasonic testing was performed on this tube. The advantage of electroless gold plating is that it protects the Inconel® surface from oxidation during the diffusion bonding step. This is especially important for large tubes, in which case it is difficult to evacuate the annular space efficiently, and residual air tends to remain.
[Brief description of the drawings]
FIG.
FIG. 2 is a plot of the cross-sectional elemental profile of a gold-lined Inconel® tube, the tube being made in accordance with the present invention.
FIG. 2
FIG. 2 is a detailed view of FIG. 1.
Claims (44)
鍛練された被支持金属の非平面層を設けること、支持金属の非平面層を設けること、前記被支持金属層および支持金属層の対合面を仕上げること、その仕上げた被支持金属層および支持金属層の対合面を位置合わせすること、支持層に対して被支持層を機械的に伸長させること、被支持層に液圧圧力を加えることにより支持層に対して被支持層を伸長させること、被支持層に空気圧圧力を加え、かつ、融点が低い方の金属の絶対融点の最高98%まで、最高数日までの間その物品を加熱すること、ならびに、その物品を冷却すること
を含むことを特徴とする方法。A method of making a layered article having a curved surface,
Providing a non-planar layer of forged supported metal, providing a non-planar layer of support metal, finishing a mating surface of the supported metal layer and the support metal layer, the finished supported metal layer and support Aligning the mating surfaces of the metal layers, mechanically extending the supported layer relative to the support layer, and extending the supported layer relative to the support layer by applying hydraulic pressure to the supported layer Applying pneumatic pressure to the supported layer and heating the article for up to several days up to 98% of the absolute melting point of the lower melting metal, and cooling the article. A method comprising:
支持金属の管状外側層、および鍛練された被支持金属の管状内側層を設けること、内側層の外側対合面、および外側層の内側対合面を仕上げること、外側層中に内側層を挿入すること、外側層に対して内側層を機械的に伸長させること、液圧圧力を加えることにより、外側層に対して内側層を伸長させること、内側層に空気圧圧力を加え、かつ、融点が低い方の金属の絶対融点の最高98%まで、最高数日までの間、その物品を加熱すること、ならびに、その管を冷却すること
を含むことを特徴とする方法。A method of making a tube, comprising:
Providing a tubular outer layer of support metal and a tubular inner layer of wrought supported metal, finishing the outer facing surface of the inner layer, and the inner facing surface of the outer layer, inserting the inner layer into the outer layer Doing, mechanically extending the inner layer relative to the outer layer, applying hydraulic pressure to extend the inner layer relative to the outer layer, applying air pressure to the inner layer, and having a melting point of A method comprising heating the article up to 98% of the absolute melting point of the lower metal, up to several days, and cooling the tube.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/US2001/003079 WO2002060683A1 (en) | 2001-01-31 | 2001-01-31 | Metallurgically bonded layered article having a curved surface |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004518558A true JP2004518558A (en) | 2004-06-24 |
| JP2004518558A5 JP2004518558A5 (en) | 2008-02-14 |
Family
ID=21742289
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002560854A Pending JP2004518558A (en) | 2001-01-31 | 2001-01-31 | Metallurgically bonded layered article with curved surface |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004518558A (en) |
| WO (1) | WO2002060683A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023140147A1 (en) * | 2022-01-18 | 2023-07-27 | 京セラ株式会社 | Sample tube for nuclear magnetic resonance equipment |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102233365A (en) * | 2011-07-11 | 2011-11-09 | 徐州市全球通精密钢管有限公司 | Manufacturing process of small-diameter seamless steel tubes |
| CN106269977A (en) * | 2016-08-07 | 2017-01-04 | 嘉兴市杰希希管道工程有限公司 | A kind of small-bore stainless steel tube drawing production process |
| JP6839732B2 (en) | 2019-07-08 | 2021-03-10 | 日本発條株式会社 | Stabilizer and manufacturing method of stabilizer |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5857944A (en) * | 1981-10-02 | 1983-04-06 | ヤマハ株式会社 | Composite metallic pipe and its manufacture |
| JPS6130290A (en) * | 1984-07-20 | 1986-02-12 | Tokuriki Honten Co Ltd | Production of noble metal clad pipe |
| JPS61279312A (en) * | 1985-06-04 | 1986-12-10 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | Manufacture of clad steel pipe |
| JPS63183717A (en) * | 1987-01-26 | 1988-07-29 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Manufacture of inner face silver clad aluminum pipe |
| JPH0218955B2 (en) * | 1982-08-31 | 1990-04-27 | Kuroki Kogyosho Kk | |
| JPH02247085A (en) * | 1989-02-07 | 1990-10-02 | Usui Internatl Ind Co Ltd | Thick-walled fine diameter fuel injection pipe and its manufacture |
| JPH05258626A (en) * | 1992-03-11 | 1993-10-08 | Sumitomo Metal Ind Ltd | Composite tube for sheath and method of manufacturing superconducting wire using the same |
| JPH06142948A (en) * | 1992-10-30 | 1994-05-24 | Sumitomo Metal Ind Ltd | Production of metallic double pipe |
| JP2595856B2 (en) * | 1992-01-30 | 1997-04-02 | 住友金属工業株式会社 | Manufacturing method of seamless clad metal tube |
| JPH11333514A (en) * | 1998-05-22 | 1999-12-07 | Nippon Steel Corp | Manufacturing method of clad steel pipe |
| WO2000054704A1 (en) * | 1999-03-16 | 2000-09-21 | Advanced Cardiovascular Systems, Inc. | Multilayer stent |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3156976A (en) * | 1961-03-17 | 1964-11-17 | Texas Instruments Inc | Method of making composite metal products |
| GB2100641B (en) * | 1981-06-11 | 1985-10-09 | Kawasaki Steel Co | A method of manufacturing bimetallic tubes. |
| GB2222105B (en) * | 1988-08-25 | 1991-11-27 | Special Melted Products Limite | Composite tubular products |
| US4962007A (en) * | 1988-10-14 | 1990-10-09 | Verne Q. Powell Flutes, Inc. | Flute tubing of laminated metal including a bonded layer of precious metal alloy |
| US5858556A (en) * | 1997-01-21 | 1999-01-12 | Uti Corporation | Multilayer composite tubular structure and method of making |
-
2001
- 2001-01-31 WO PCT/US2001/003079 patent/WO2002060683A1/en not_active Ceased
- 2001-01-31 JP JP2002560854A patent/JP2004518558A/en active Pending
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5857944A (en) * | 1981-10-02 | 1983-04-06 | ヤマハ株式会社 | Composite metallic pipe and its manufacture |
| JPH0218955B2 (en) * | 1982-08-31 | 1990-04-27 | Kuroki Kogyosho Kk | |
| JPS6130290A (en) * | 1984-07-20 | 1986-02-12 | Tokuriki Honten Co Ltd | Production of noble metal clad pipe |
| JPS61279312A (en) * | 1985-06-04 | 1986-12-10 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | Manufacture of clad steel pipe |
| JPS63183717A (en) * | 1987-01-26 | 1988-07-29 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Manufacture of inner face silver clad aluminum pipe |
| JPH02247085A (en) * | 1989-02-07 | 1990-10-02 | Usui Internatl Ind Co Ltd | Thick-walled fine diameter fuel injection pipe and its manufacture |
| JP2595856B2 (en) * | 1992-01-30 | 1997-04-02 | 住友金属工業株式会社 | Manufacturing method of seamless clad metal tube |
| JPH05258626A (en) * | 1992-03-11 | 1993-10-08 | Sumitomo Metal Ind Ltd | Composite tube for sheath and method of manufacturing superconducting wire using the same |
| JPH06142948A (en) * | 1992-10-30 | 1994-05-24 | Sumitomo Metal Ind Ltd | Production of metallic double pipe |
| JPH11333514A (en) * | 1998-05-22 | 1999-12-07 | Nippon Steel Corp | Manufacturing method of clad steel pipe |
| WO2000054704A1 (en) * | 1999-03-16 | 2000-09-21 | Advanced Cardiovascular Systems, Inc. | Multilayer stent |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023140147A1 (en) * | 2022-01-18 | 2023-07-27 | 京セラ株式会社 | Sample tube for nuclear magnetic resonance equipment |
| JPWO2023140147A1 (en) * | 2022-01-18 | 2023-07-27 | ||
| JP7678149B2 (en) | 2022-01-18 | 2025-05-15 | 京セラ株式会社 | Sample tubes for nuclear magnetic resonance spectrometry |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2002060683A1 (en) | 2002-08-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jing et al. | A novel reduction-bonding process to fabricate stainless steel clad plate | |
| CN103769802B (en) | Corrosion-resistant fluid-conducting component, device and component replacement method utilizing the same | |
| JP5086806B2 (en) | Clad alloy substrate and manufacturing method thereof | |
| EP0283877B1 (en) | Method of producing clad metal tubes. | |
| US20050058851A1 (en) | Composite tube for ethylene pyrolysis furnace and methods of manufacture and joining same | |
| EP1324879B1 (en) | Metallurgically bonded layered article having a curved surface | |
| Zhao et al. | Interfacial structure and mechanical properties of hot-roll bonded joints between titanium alloy and stainless steel using niobium interlayer | |
| JP5489382B2 (en) | Pipe manufacturing method | |
| JP2004518558A (en) | Metallurgically bonded layered article with curved surface | |
| US6955288B2 (en) | Metallurgically bonded layered article having a curved surface | |
| US20010046610A1 (en) | Metallurgically bonded layered article having a curved surface | |
| CN102933327A (en) | Double-walled pipe with a gap, and manufacturing method therefor | |
| Kumar et al. | Study on requirement of nickel electroplating in OFE copper-316L stainless steel brazed joints | |
| US4869422A (en) | Subassembly for use in manufacturing a clad steel plate | |
| JP5023059B2 (en) | Method for joining and manufacturing workpieces and microstructured components | |
| US6202281B1 (en) | Method for producing multilayer thin-walled bellows | |
| RU2612331C2 (en) | Titan steel adapter production method | |
| US4141483A (en) | Method and apparatus for fabricating polymetallic articles by solid-state diffusion bonding process | |
| JPH08290213A (en) | Manufacturing method of metal double tube | |
| Haneklaus et al. | Development of Engineering Parameters for Low Pressure Diffusion Bonds of 316 SS Tube‐To‐Tube Sheet Joints for FHR Heat Exchangers | |
| JPS59110486A (en) | Production of ti clad wire rod | |
| JPS58167089A (en) | Manufacture of clad pipe | |
| US20230341076A1 (en) | Connector system for use in ultra-high vacuum systems | |
| JPH05295407A (en) | Production of double pipe | |
| CN120587630A (en) | A method for plastic deformation joining of titanium alloy and nickel-based high-temperature alloy dissimilar materials |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20071217 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20071217 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20071217 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20100824 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100827 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20110208 |