二層構造の丸棒の作り方

Question

学生です。実験試料として二層構造の金属丸棒を入手したいと考えています。
イメージとしては、中空丸棒に異なる材料の中実丸棒を差し込んだようなものです。

仕様・条件としては
・長さ300mm
・外径30mm、内径20、24、28mmの3種類。

・外側の厚みは(5、3、1mm)で均一であること。
・外側の材料と内部の材料が違う種類であること。
・外側の材料と内部の材料との境界に空気の層が無いこと。
・外側の材料の硬さが、内部の材料の硬さよりも硬いこと。
・各材料の性質が一様であること。
・内部の材料に気泡などが入っていないこと。

が挙げられます。

クラッド材も考えたのですが、問い合わせ先の御回答では「この仕様だと不可能」との事でした。

他にも、中空丸棒に融解した低融点の金属(私の学校での融解はスズが精一杯)を流し込む事も考えてますが、直径20mm長さ300mmの中に気泡を作らず流し込むのは難しいのでは？と思っています。(経験値ゼロの私にはどれほどの粘性かも想像がつきません)

他に何か良い方法はありますでしょうか？
また、このような二層構造の丸棒を作って頂ける企業がありましたら御紹介して頂きたいです。

よろしくお願いします。

Accepted Answer

回答（１）再出

外圧を受ける薄肉円筒の座屈
問題があって焼きバメ・圧入はおそらくダメ。経験上は肉厚３でも危ない。
圧入応力計算はしたものの、座屈を忘れた為、三角おむすびのような形で歪んでしまう失敗を経験してます。

座屈問題は最近いくつか出ているが
　　http://mori.nc-net.or.jp/EokpControl?&tid=262146&event=QE0004
　　http://mori.nc-net.or.jp/EokpControl?&tid=261088&event=QE0004
勘での判断も重要。しかし必要な時には計算をすべき。どうもスッキリしてない。

大学だから座屈について詳細な見解を出せる専門家が居るはずで、その結果、圧入シロを少なくして可能との判断が出来ても、工作精度が無理に近い難題。僅かな圧入シロでは温度変化で霧散しないかも要検討。

中もパイプだと誤解してました。
外径パイプに中実丸棒圧入なので座屈は生じずに、可能です。

圧入では、既述のように加工精度が非常に厳しいので削り易い材質を挙げると、
純アルミを除くアルミ合金、快削黄銅C3604、快削鋼SUM24、
硬さがかなり近接（削り易さは硬すぎず軟らかすぎずとも言えるから）。アルミ合金はその範囲が広く
　　http://www.labnotes.jp/pdf2/aluminum.pdf
市場性あるもの A5052 と A7075（YH75）でブリネル硬さ６８：１５０の選択が可能。

めっきは回答（２）と逆。中実棒外側にめっきを施す必要。
厚めっきなら銅に限られると言ったが、銅は軟かいので外側に銅はイマイチ。
質問にあるとおり、内側中実棒を錫にするなら外側に銅は使えるが、その場合は銅パイプに錫の溶解が早い。それなら外側パイプは選択自由度が拡がる。ステンレス、鋼なども。内側に残る溶接痕は手入れ不要。

実験レベルでは、やはりこれでしょう。パイプの製造範囲は限られ、ムクから加工するには快削黄銅C3604がお奨め。精度を必要としないから気楽に削れる。ハンダ付になるので黄銅（銅）は付きやすい。

＞気泡を作らず流し込むのは難しいのでは？
真空加熱が望ましいが、温度を上げるとイケルのでは。上げすぎると錫と銅は合金化（銅喰われ）してくるのでパイプ内側に薄くニッケルめっきを施す対策もあります。

Answer

あくまでも見ていて思った感想のようなものなのですので参考までに。

肉厚が薄いことが問題であれば最初は肉厚をもっと厚い部材で作成し
その後外径を削ってφ30に仕上げてはいかがでしょうか？

コストアップなどはあるかもしれませんが無理やり製作して
失敗作を大量につくるよりはいいのでは？

Answer

焼ばめによる圧入は如何でしょうか？

外側の厚みは(5、3、1mm)で均一であることの特に厚み1mmが、外側の材料と内部の材料との
境界に空気の層が無いことが満足するかが少し心配ですが。
（境界に空気の層が無いことのレベルが判りません）

この森の過去ログを“圧入”の用語で検査しますと、圧入力の計算方法が求まります。
そして、円筒側面圧力計算もその式を応用しますと算出可能です。
<円筒側面圧力×円筒側面面積×摩擦係数 ＝ 圧入力　にて>
円筒側面圧力から密着仕様を求め、貴殿が提出のスペックに合っているかを確認下さい。

熱膨張や収縮を利用してのインサートなので、外側が比較的に薄い場合でも負荷は殆ど
掛かりません。

只、あまり大きな圧力が掛けられないので、密着性を心配しての記述です。
薄肉円筒部品の焼ばめは、一般的によく行ないます。

再投稿の内容に誤解をしないでください。

Answer

一つ質問させて下さい。

外側材と内側材の界面に隙間がないことが必要条件であることは明確に
なっていますが、その界面は滑ってもよいのでしょうか？

上記の質問とは直接の関わりはありませんが、方法論としては、
焼きバメのような手法も考えられると思います。

回答(1)さんの発想を展開して、軟質材（例えばCu)の芯に、硬質材（例えば
Ni)などをめっき（電鋳）することも考えられそうです。

＞中空丸棒に融解した低融点の金属(私の学校での融解はスズが精一杯)を流
し込む事。

例えば、黄銅のパイプに、鉛やはんだを流し込むのは、それほど難しいこと
ではありません。気泡などの制御がどれほど厳密に必要なのかは判りません
が、長めに作っておき、材料性能の不確かな端部は切り捨ててしまうことも
一つの方法と思います。

黄銅の表面を清浄に保ち、適切なフラックスを塗布しておけば、黄銅と鉛（
又ははんだ）は、合金層を形成して金属結合してくれるものと思います。

ＳＵＳは、表面の酸化膜が強固なので、単純な流し込みでは合金層を形成が
難しそうに思います。

Answer

合計８条件として
うしろ５条件について、外側をステンレスパイプにして、
　　http://www.mory.co.jp/product/stainless/circle.html

中側は銅メッキにすれば満足できる。銅メッキは型の反転などで厚付けすることがある。
厚付けそれだけでは均一な厚みが得られず、余分に付けて切削加工する。切削はギリギリ可能。

前の３条件については、サイズ探すかありあわせで妥協するか。それとパイプの製法は溶接が基本なので完全に均一とは限らない。
S45C、SUM24 などのムク鋼棒から削ることも出来るが、肉厚１は少し厳しい。

銅メッキは当サイト回答限定の特許・・・最近他人のアイデア横取りした回答が目立つから・・・

二層構造の丸棒の作り方