特許 7018699 管材、二重壁鋼管および二重壁鋼管を製造する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-02-03

(45)【発行日】2022-02-14

(54)【発明の名称】管材、二重壁鋼管および二重壁鋼管を製造する方法

(51)【国際特許分類】

   F16L 9/02 20060101AFI20220204BHJP

   B21C 37/06 20060101ALI20220204BHJP

   C23C 2/12 20060101ALI20220204BHJP

【ＦＩ】

F16L9/02

B21C37/06 C

C23C2/12

【請求項の数】 16

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2016139775

(22)【出願日】2016-07-14

(65)【公開番号】P2017026147

(43)【公開日】2017-02-02

【審査請求日】2019-06-20

(31)【優先権主張番号】62/197,112

(32)【優先日】2015-07-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】15/099,732

(32)【優先日】2016-04-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】506341607

【氏名又は名称】クーパー－スタンダード・オートモーティブ・インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100114188

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100119253

【弁理士】

【氏名又は名称】金山 賢教

(74)【代理人】

【識別番号】100124855

【弁理士】

【氏名又は名称】坪倉 道明

(74)【代理人】

【識別番号】100129713

【弁理士】

【氏名又は名称】重森 一輝

(74)【代理人】

【識別番号】100137213

【弁理士】

【氏名又は名称】安藤 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100143823

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 英彦

(74)【代理人】

【識別番号】100151448

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 孝博

(74)【代理人】

【識別番号】100183519

【弁理士】

【氏名又は名称】櫻田 芳恵

(74)【代理人】

【識別番号】100196483

【弁理士】

【氏名又は名称】川嵜 洋祐

(74)【代理人】

【識別番号】100203035

【弁理士】

【氏名又は名称】五味渕 琢也

(74)【代理人】

【識別番号】100185959

【弁理士】

【氏名又は名称】今藤 敏和

(74)【代理人】

【識別番号】100160749

【弁理士】

【氏名又は名称】飯野 陽一

(74)【代理人】

【識別番号】100160255

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 祐輔

(74)【代理人】

【識別番号】100202267

【弁理士】

【氏名又は名称】森山 正浩

(74)【代理人】

【識別番号】100146318

【弁理士】

【氏名又は名称】岩瀬 吉和

(74)【代理人】

【識別番号】100127812

【弁理士】

【氏名又は名称】城山 康文

(72)【発明者】

【氏名】ホセ・レイエス・フローレス・ラミレス

(72)【発明者】

【氏名】クリシュナマチャリ・ゴパラン

(72)【発明者】

【氏名】ライル・オトレンバ

【審査官】▲高▼藤 啓

(56)【参考文献】

【文献】特開平０６－３３０３４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－３１９５４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１５－００７５２７７（ＫＲ，Ａ）

【文献】特開２００２－１０５６８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１３２９５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｌ ９／０２

Ｂ２１Ｃ ３７／０６

Ｃ２３Ｃ ２／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉄合金の内側層と、
アルミニウムおよびケイ素の合金の第１および第２の外側層と、
前記内側層と前記第１の外側層との間に配置される第１の中間層と、
前記内側層と前記第２の外側層との間に配置される第２の中間層とを備え、
前記第１および第２の外側層は、１２重量％のケイ素組成を有し、
前記第１および第２の中間層は、アルミニウム、ケイ素および鉄からなり、２．４ミクロンから４．０ミクロンの厚さを有する、管材。

【請求項2】

前記第１および第２の外側層が、それぞれ５ミクロンから１６ミクロンの厚さを有する、請求項１に記載の管材。

【請求項3】

前記第１および第２の外側層が、それぞれ１０ミクロンの厚さを有する、請求項１に記載の管材。

【請求項4】

前記鉄が、高強度鋼である、請求項１に記載の管材。

【請求項5】

前記第１および第２の中間層が、４４重量％のアルミニウム、７重量％のケイ素、および４９重量％の鉄を含む、請求項１に記載の管材。

【請求項6】

内側管壁と、
外側管壁と、
前記内側管壁と前記外側管壁との間に、ろう付け接合部とを備え、
前記ろう付け接合部は、フラックスを含まず、
前記内側管壁および前記外側管壁は、鉄合金の内側層と、アルミニウムおよびケイ素の合金の第１および第２の外側層と、前記内側層と前記第１の外側層との間に配置される第１の中間層と、前記内側層と前記第２の外側層との間に配置される第２の中間層とを含む管材から形成され、
前記第１および第２の外側層が、１２重量％のケイ素組成を有し、
前記第１および第２の中間層は、アルミニウム、ケイ素および鉄からなる、二重壁鋼管。

【請求項7】

前記第１および第２の外側層が、それぞれ５ミクロンから１６ミクロンの厚さを有する、請求項６に記載の二重壁鋼管。

【請求項8】

前記第１および第２の外側層が、１０ミクロンの厚さを有する、請求項６に記載の二重壁鋼管。

【請求項9】

前記鉄合金が、高強度鋼である、請求項６に記載の二重壁鋼管。

【請求項10】

前記第１および第２の中間層が、４４重量％のアルミニウム、７重量％のケイ素、および４９重量％の鉄を含む、請求項６に記載の二重壁鋼管。

【請求項11】

二重壁鋼管を製造する方法であって、
鉄合金基板をアルミニウムおよびケイ素の液体浴中に浸漬し、鋼基板上にアルミニウムおよびケイ素の合金の第１および第２の外側層を形成するステップであって、前記第１および第２の外側層が、１２重量％のケイ素組成を有するステップと、
前記アルミニウムおよびケイ素を、前記鉄合金基板の鉄と反応させ、アルミニウム、ケイ素および鉄からなる第１および第２の中間層を形成するステップと、
得られた管材を、内側管壁および外側管壁を有する二重壁管にロール成形するステップと、
前記二重壁管をろう付けして、前記内側管壁および前記外側管壁を融合するステップとを含み、
前記ろう付けは、フラックスなしで行われる方法。

【請求項12】

前記二重壁管をろう付けするステップが、４８０℃から６００℃の間の温度でろう付けすることを含む、請求項１１に記載の二重壁鋼管を製造する方法。

【請求項13】

前記第１および第２の外側層が、それぞれ５ミクロンから１６ミクロンの厚さを有する、請求項１１に記載の二重壁鋼管を製造する方法。

【請求項14】

前記第１および第２の外側層が、それぞれ１０ミクロンの厚さを有する、請求項１１に記載の二重壁鋼管を製造する方法。

【請求項15】

前記鉄合金が、高強度鋼である、請求項１１に記載の二重壁鋼管を製造する方法。

【請求項16】

前記第１および第２の中間層が、４４重量％のアルミニウム、７重量％のケイ素、および４９重量％の鉄を含む、請求項１１に記載の二重壁鋼管を製造する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、概して、管材および二重壁鋼管に関する。本開示はまた、概して、二重壁鋼管を製造する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

この項は、単に本開示に関する背景技術情報を提供するものであり、先行技術を構成し得るものではない。

【0003】

二重壁管は、従来から様々な用途に使用されている。例えば、二重壁管は、ブレーキ液等の自動車油圧油に使用され得る。燃料経路、油送経路、加熱および冷却ユニット等を含む、二重壁管の他の多くの用途が知られている。

【0004】

従来、二重壁管は、（ＡＳＴＭ Ａ－２５４基準に記載のように）銅めっき低炭素鋼帯から構成され得る。銅めっき鋼帯は、管形態にロールされ、その後還元雰囲気中でろう付けされる。ろう付けは、抵抗溶接、誘導溶接または炉内融接により達成され得る。適切な接合を達成するためには、約１０１０℃の温度に達することが必要である。層は互いに融合し、または温度が低下するにつれて固化する。

【0005】

低炭素鋼系材料を１０１０℃から１２００℃の温度範囲に曝露すると、再結晶として知られる冶金学的変態が生じる。この冶金学的変態は、粒度だけでなく、鋼の全体的な機械特性にも悪影響を及ぼし得る。その結果、高温が関与するこれらのろう付け条件は、二重壁管との使用に好適な鋼種の範囲を大きく制限する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

既知の二重壁鋼管、および二重壁鋼管を製造する関連した方法は、それらの使用目的に概して許容され得ることが証明されているが、関連技術において引き続き改善の必要性がある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この項は、本開示の概要を提供するものであり、その全範囲またはその特徴の全ての包括的な開示ではない。

【0008】

１つの具体的態様によれば、本教示は、内側層と、第１および第２の外側層と、第１および第２の中間層とを含む管材を提供する。内側層は、鉄である。第１および第２の外側層は、アルミニウムおよびケイ素の合金である。第１の中間層は、内側層と第１の外側層との間に配置される。第２の中間層は、内側層と第２の外側層との間に配置される。第１および第２の中間層は、アルミニウム、ケイ素および鉄を含む。

【0009】

別の具体的態様によれば、本教示は、内側管壁と外側管壁とを含む二重壁鋼管を提供する。内側および外側管壁は、内側層と、第１および第２の外側層と、第１および第２の中間層とを含む管材から形成される。内側層は、鉄である。第１および第２の外側層は、アルミニウムおよびケイ素を含む。第１の中間層は、内側層と第１の外側層との間に配置される。第２の中間層は、内側層と第２の外側層との間に配置される。第１および第２の中間層は、アルミニウム、ケイ素および鉄を含む。

【0010】

さらに別の具体的態様によれば、本教示は、二重壁鋼管を製造する方法を提供する。方法は、鋼基板をアルミニウムおよびケイ素の液体浴中に浸漬し、鋼基板上にアルミニウムおよびケイ素の外側層を形成するステップを含む。方法は、さらに、アルミニウムおよびケイ素を鋼と反応させ、アルミニウム、ケイ素および鉄の第１および第２の中間層を形成するステップを含む。方法は、さらに、得られた管材を、内側管壁および外側管壁を有する二重壁管にロール成形するステップを含む。方法は、さらに、二重壁管をろう付けして、内側および外側管壁を融合するステップを含む。

【0011】

さらなる適用分野は、本明細書に記載の説明から明らかとなる。本概要における説明および具体例は、例示のみを目的とすることを意図し、本開示の範囲を限定することを意図しない。

【0012】

本教示は、詳細な説明、任意の添付の請求項、および以下の図面からより十分に理解される。図面は、例示のみを目的とし、本開示の範囲を限定することを意図しない。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本教示に従って構築された管材の層を通して描かれた断面図である。

【図1A】図１と同様の断面画像である。

【図1B】図１Ａの四角で囲まれた部分の拡大図である。

【図2】本教示に従って構築された二重壁鋼管の簡略化された断面図である。

【図2A】図２と同様の断面画像である。

【図2B】図２Ａの四角で囲まれた部分の拡大図である。

【図2C】図２Ｂの四角で囲まれた部分の拡大図である。

【図3】本教示による二重壁鋼管を製造するための方法の概略的ステップを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図面のいくつかの図を通して、対応する参照数字は、対応する部分を指す。

【0015】

以下の説明は、本質的に単なる例示であり、本開示、その用途または使用を限定することを意図しない。図面を通して、対応する参照数字は、類似または対応する部分および特徴を示すことが理解されるべきである。

【0016】

最初に図１Ａおよび１Ｂの断面図を参照すると、本教示に従って構築された管材が示され、概して参照文字１０で特定される。管材１０は、概して、内側層１２と、第１および第２の外側層１４と、第１および第２の中間層１６とを含むように示されている。内側層１２は、鋼または高強度鋼帯であってもよい。外側層１４は、アルミニウムおよびケイ素のアルミニウム合金コーティングであってもよい。中間層１６は、金属間相であってもよい。

【0017】

管材１０は、溶融めっきプロセスにより得られてもよい。溶融めっきアルミコーティングは、フェライト基板が溶融アルミニウム中に含浸された際の鉄とアルミニウムとの間の冶金反応に起因して形成される、異なる相の不均一集合体からなる。溶融アルミニウムを使用した従来の溶融めっきプロセスを通して、固化後のコーティングは、１００％アルミニウムの外側層と、ＦｅＡｌ３およびＦｅ２Ａｌ５の金属間相からなる合金層と呼ばれる中間層とからなる。この相の成長速度論は拡散律速であり、律速段階は境界層Ｆｅ２Ａｌ５を通したＡｌ原子の拡散であることが報告されている。

【0018】

本教示によれば、鋼基板１２は、溶融めっき浴内で処理される。１つの具体的用途において、鋼基板１２は、高強度鋼、例えば高強度低合金鋼またはＨＳＬＡ鋼である。しかしながら、本教示の範囲内で、他の鋼が利用されてもよいことが理解される。例示的な鋼は、その比較的低いコストを考慮して、ある特定の用途に好ましいものとなり得る。

【0019】

Ａｌ溶融物にＳｉが存在しないことにより、Ｆｅは遊離Ａｌと結合して、金属／コーティング界面に位置するＦｅ２Ａｌ５金属間層を主に形成する。この金属間相の成長速度は、約２秒の期間内に約４～７ミクロンの大きさに達するように非常に急速となり得る。一方、Ａｌ溶融物にＳｉが添加されると、ＳｉはＦｅの速度を低下させ、したがってＡｌとの結合は非常に遅くなる。その結果、Ａｌ－Ｆｅの間の結合プロセスが遅いことによって、新たに形成されるＦｅ_ｘＳｉ_ｙＡｌ_ｚの金属間層の成長速度が遅くなり、したがって、大きさは、約２秒の期間中に約５００ｎｍから３ミクロンの間となる。さらに、Ｓｉは、有益にも、プロセスに温度安定性をもたらす。これは、Ｆｅ_ｘＳｉ_ｙＡｌ_ｚ金属間層が、ろう付けプロセスの間温度により悪影響を受けず、また受けないであろうことを意味する。換言すれば、Ｆｅ_ｘＳｉ_ｙＡｌ_ｚ金属間層は、成長しない。６重量％を超えると、Ｓｉは、金属間層の大きさ（すなわち厚さ）に対して、認識され得るさらなる影響を有し得ない。その結果、１２重量％の共晶点に達することが可能であり、ＡｌおよびＳｉの完全な混和性を伴って溶融めっきプロセスを実行することがより容易である。この薄いＦｅ_ｘＳｉ_ｙＡｌ_ｚ金属間層１６は、コーティングの延性を改善し、それにより、剥離のないより厳しい条件の製造が可能となる。

【0020】

溶融めっき浴は、約１～１５重量％のケイ素を含有してもよい。１つの具体的用途において、溶融めっき浴は、約１２重量％のケイ素を含有する。他の用途において、溶融めっき浴は、より高い、またはより低い重量％のケイ素を含んでもよい。

【0021】

溶融めっき浴が１２重量％のケイ素を有する場合、第１および第２の外側層または外側コーティング１４は、それに対応して１２重量％のケイ素を有する。鋼基板１２上にアルミニウム層を堆積させるために、より低い温度が必要となり得る（共晶点溶融めっきプロセス）。換言すれば、ケイ素の添加により、より低い温度の使用が可能となる。また、１２重量％のケイ素を有することは、アルミ被覆層内への鉄の拡散、および鋼基板内へのアルミニウムの拡散を低減するのに役立つ。第１および第２の外側層１４の厚さは、約５ミクロンから約１６ミクロンの範囲であってもよい。１つの具体的用途において、第１および第２の外側層１４の厚さは、約１０ミクロンである。この具体的用途において、Ｆｅ_ｘＳｉ_ｙＡｌ_ｚ金属間層１６は、約２．４ミクロンから約４．０ミクロンの範囲であってもよい。この明確な金属間層は、図１の断面図において具体的に示されており、図１Ａおよび１Ｂの断面図においてさらに示されている。１つの具体的用途において、金属間層１６は、重量パーセントに関して、Ａｌが４４重量％、Ｓｉが７重量％、およびＦｅが４９重量％である。この「中間」層の組成は、拡散／反応が生じる場所に存在する。

【0022】

図２、２Ａ、２Ｂおよび２Ｃを具体的に参照すると、本教示の管材１０で構築された例示的二重壁鋼管が示され、概して参照文字２０で特定されている。管材１０は、例えば第１または外側管層２２および第２または内側管層２４を含むように、従来の様式で図２に示される形態にロール成形または別様に成形され得る。図２は、簡略化された断面図であることが理解される。これに関して、外側および内側管２２および２４の層（例えば図１を参照されたい）は、具体的に示されていない。鋼管２０は、管２０の外側および内側層２２および２４の間にろう付けされた接合部２６を含むように示されている。従来、アルミニウムまたはアルミニウム合金をろう付けする場合、金属の表面上に堆積した酸化アルミニウム層が、ろう付けプロセスの間悪影響を及ぼす。銅集合体のろう付けとは異なり、アルミニウム構成要素のろう付けは、典型的には、フラックスの使用を必要とする。冶金学において、フラックスは、化学的清浄化剤、流動化剤、または浄化剤である。接合プロセスにおけるフラックスの役割は、典型的には２つあり、（１）金属表面上の酸化物を溶解し、溶融金属による濡れを促進すること、および（２）高温表面をコーティングすることにより酸素バリアとして作用し、その酸化を防止することである。

【0023】

本教示の管材１０は、有利には、フラックスなしでろう付けされ得る。アルミ被覆鋼のろう付けは、有利には、電流に関してより幅広いウィンドウを提供する（ろう付けは、導電性ろう付けまたは連続抵抗溶接として知られるプロセスを通して行われる）。低電流（例えばＩ＝６アンペア以下）では、アルミ被覆鋼の表面は、良好で強固なろう付け接合を達成するために、アルカリ溶液で清浄化されるべきである。高電流（例えばＩ＝１１アンペア以上）では、良好で強固なろう付け接合を提供するために、アルミ被覆鋼の表面を清浄化する必要はない。１つの用途によれば、二重壁管２０は、約０．８９～２．１ｋＮの電極加圧力、約６～１１ｋＡの電流、および約８００ミリ秒から３秒のろう付け時間でろう付けされる。

【0024】

アルミ被覆鋼帯を使用することにより、銅めっき二重壁鋼管に対する従来のろう付け（１０００～１１００℃）と比較して、より低い温度（４８０～６００℃）を使用して二重壁管２０をろう付けすることが可能である。ろう付け温度を低下させることにより、高強度鋼が、従来の低炭素低強度用品鋼（「軟鋼」とも呼ばれる）の代替品として利用され得る。本明細書において使用される場合、「高強度鋼」という用語は、４００ＭＰａ以上の降伏強度、４８０ＭＰａ以上の引張強度、および２４％以上の５０ｍｍ伸長率を有する鋼を意味するように理解される。高強度鋼系材料の使用は、従来の低炭素（軟）鋼系材料の使用と比較して、二重壁管２０の全質量を３０％まで低減し得る。

【0025】

ここで、図３を参照すると、上記に基づいて、本教示の方法が、鋼基板１２を溶融または液体アルミニウムおよびケイ素の浴中に浸漬し、アルミニウムおよびケイ素を含有するアルミニウム合金の外側層１４を提供する第１の概略的ステップ１００を含んでもよいことが理解される。第２の概略的ステップ１１０において、本方法は、Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌの中間層１６を形成するステップを含んでもよい。第３の概略的ステップ１２０において、本方法は、得られた管材１０を二重壁管２０にロール成形するステップを含んでもよい。第４の概略的ステップ１３０において、本方法は、管状形態をろう付けして、管２０の第１および第２の層２２および２４を融合するステップを含んでもよい。

【0026】

特定の例が明細書において議論され、図面に例示されているが、当業者には、本教示の範囲から逸脱せずに様々な変更が行われてもよく、均等物がその要素と置換されてもよいことが理解される。さらに、様々な例の間での特徴、要素および／または機能の混合および調和が、本明細書において明示的に企図され得、したがって当業者には、本教示から、上で異なるように議論されていない限り、１つの例の特徴、要素および／または機能が別の例に適宜組み込まれてもよいことが理解される。さらに、具体的な状況または材料を本教示に適応させるために、その本質的な範囲から逸脱せずに、多くの変更がなされてもよい。したがって、本教示は、本教示を実行するために現在企図される最良の形態として図面により例示され、本明細書において議論された具体例に限定されず、本開示の範囲は、上記説明および任意の添付の請求項に含まれる任意の実施形態を含むことが意図され得る。

【図1】

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】