(57)【要約】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。
2004518558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、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ことを特徴とする物品。
【請求項２】
第２の、鍛練された被支持金属の非平面層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の層状の物品。
【請求項３】
被支持金属が、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、また支持金属が、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ことを特徴とする請求項１に記載の層状の物品。
【請求項４】
被支持金属が金であり、また支持金属がニッケルの合金であることを特徴とする請求項３に記載の層状の物品。
【請求項５】
被支持金属がパラジウムであり、また支持金属がニッケルの合金であることを特徴とする請求項３に記載の層状の物品。
【請求項６】
界面領域の厚さが、被支持金属層の、元の厚さの１５０％未満であることを特徴とする請求項１に記載の層状の物品。
【請求項７】
界面領域の厚さが、被支持金属層の、元の厚さの５０％未満であることを特徴とする請求項１に記載の層状の物品。
【請求項８】
界面領域の厚さが、被支持金属層の、元の厚さの２５％未満であることを特徴とする請求項１に記載の層状の物品。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
物品を、融点が低い方の金属の、絶対融点の５０〜９５％以内まで加熱することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
物品を、１から２４時間加熱することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
さらに、前記仕上げステップの後、被支持層または支持層のいずれか一方、あるいはそれら両方の仕上り面に、厚さ約０．１μｍの耐酸化性金属層を施すことを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
耐酸化性金属が金であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
耐酸化性金属がパラジウムであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
支持層および被支持層の対合面を、少なくとも約ＲＭＳ  ８の表面粗さまで仕上げることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
さらに、被支持層と支持層の間の空間を、真空排気することを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
さらに、被支持層と支持層の間の空間を、真空排気することを含み、前記真空排気を機械的伸長のステップと液圧伸長のステップの間に実施することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１８】
支持金属層がニッケルの合金であり、また被支持金属層が金であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１９】
支持金属層がニッケルの合金であり、また被支持金属層がパラジウムであることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項２０】
界面領域の厚さが、被支持金属層の、元の厚さの１５０％未満であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項２１】
界面領域の厚さが、被支持金属層の、元の厚さの５０％未満であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項２２】
界面領域の厚さが、被支持金属層の、元の厚さの２５％未満であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項２３】
支持金属の外側層と、鍛練された被支持金属の内側層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ことを特徴とする管。
【請求項２４】
被支持金属が、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、また支持金属が、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ことを特徴とする請求項２３に記載の管。
【請求項２５】
支持金属がニッケルの合金であり、また被支持金属が金であることを特徴とする請求項２４に記載の管。
【請求項２６】
支持金属がニッケルの合金であり、また被支持金属がパラジウムであることを特徴とする請求項２４に記載の管。
【請求項２７】
支持層および被支持層が、円形の横断面のものであることを特徴とする請求項２３に記載の管。
【請求項２８】
界面領域の厚さが、被支持金属の内側層の、元の厚さの１５０％未満であることを特徴とする請求項２７に記載の管。
【請求項２９】
界面領域の厚さが、被支持金属の内側層の、元の厚さの５０％未満であることを特徴とする請求項２７に記載の管。
【請求項３０】
界面領域の厚さが、被支持金属の内側層の、元の厚さの２５％未満であることを特徴とする請求項２７に記載の管。
【請求項３１】
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。
【請求項３２】
さらに、前記仕上げステップの後、内側層または外側層のいずれか一方、あるいは両方の仕上り面に、厚さ約０．１μｍの耐酸化性金属層を施すことを含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
耐酸化性金属が金であることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
耐酸化性金属がパラジウムであることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
管を、融点が低い方の金属の、絶対融点の５０から９５％まで加熱することを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
管を、１から２４時間加熱することを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３７】
支持層の内側対合面および被支持層の外側対合面を、少なくとも約ＲＭＳ  ８の表面粗さまで仕上げることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３８】
さらに、被支持層と支持層の間の空間を、真空排気することを含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３９】
さらに、被支持層と支持層の間の空間を、真空排気することを含み、前記真空排気を機械的伸長のステップと液圧伸長のステップの間に実施することを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項４０】
管状外側層がニッケルの合金であり、また管状内側層が金であることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項４１】
管状外側層がニッケルの合金であり、また管状内側層がパラジウムであることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項４２】
界面領域の厚さが、被支持金属の管状内側層の、元の厚さの１５０％未満であることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項４３】
界面領域の厚さが、被支持金属の管状内側層の、元の厚さの５０％未満であることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項４４】
界面領域の厚さが、被支持金属の管状内側層の、元の厚さの２５％未満であることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【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。
【図１】
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【図２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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