CN106132625B - 金属层叠材料的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种用于高效地制造具有高接合力的金属层叠体的制造方法。金属层叠材料的制造方法包括：对不锈钢与铝的各接合面进行溅射蚀刻，使得氧化膜残留的工序；通过滚焊将所述不锈钢和所述铝的接合面临时接合的工序；以及对临时接合的层叠材料在低于不锈钢的重结晶温度的温度下进行热处理，至少使不锈钢所含有的金属元素向铝热扩散的工序。

Description

金属层叠材料的制造方法
技术领域
本发明涉及一种将不锈钢与铝层叠而成的金属层叠材料的制造方法。另外，还涉及通过该制造方法获得的金属层叠材料。
背景技术
将2块以上的金属板层叠而成的金属层叠材料(包层材料)由于具有通过单一材料无法获得的复合特性，而被用于各种领域。作为金属层叠材料，例如已知有使用铜/镍、铜/铝、不锈钢/铝的金属层叠材料。
其中，不锈钢与铝的金属层叠材料具有铝的轻量性和不锈钢的强度这两方面的特性，与单一的不锈钢材料相比，具有高成型性和导热性，因此被广泛使用。
另外，作为金属层叠材料的制造方法，例如，专利文献1记载了一种包层金属板的制造方法，即，在真空槽内，在特定条件下预先对异种金属板的接合面进行活性化处理之后，将该异种金属板聚合并进行冷轧接合。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开平1-224184号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，现有的金属层叠材料，在其制造时，如果不将层叠的金属板表面的表面吸附物及氧化膜完全除去，则无法获得具有足够接合力的金属层叠材料。然而，完全除去金属板表面的氧化膜需要时间，现有的金属层叠材料的制造方法无法提高其生产率。
因此，本发明的目的在于提供一种用于高效地制造具有高接合力的金属层叠体的制造方法。
解决课题的技术方案
为了解决上述课题，本发明人等进行了深入研究，结果发现在将不锈钢与铝层叠而成的金属层叠体的制造中，在使不锈钢与铝的各接合面的表面残留有氧化膜的状态下进行临时接合，然后在特定温度下进行热处理，由此能够高效地制造具有高接合力且防止不锈钢软化的金属层叠体，最终完成了发明。即，本发明的要点如下。
(1)一种金属层叠材料的制造方法，包括：对不锈钢与铝的各接合面进行溅射蚀刻，使得氧化膜残留的工序；通过滚焊(ロール圧接)将所述不锈钢和所述铝的接合面临时接合的工序；以及对临时接合的层叠材料在低于不锈钢的重结晶温度的温度下进行热处理，至少使不锈钢所含有的金属元素向铝热扩散的工序。
(2)根据(1)所述的金属层叠材料的制造方法，其中，在所述热扩散的工序中，至少使不锈钢所含有的Fe元素从接合表面向铝方向在5nm的地点扩散8原子％以上。
(3)根据(1)或(2)所述的金属层叠材料的制造方法，其中，所述热扩散的工序是对临时接合的层叠材料在低于不锈钢的重结晶温度的温度下进行热处理，使不锈钢所含有的金属元素与铝相互热扩散。
(4)根据(1)～(3)中任一项所述的金属层叠材料的制造方法，其中，热处理温度为100℃～500℃。
(5)根据(1)～(4)中任一项所述的金属层叠材料的制造方法，其中，热处理温度为200℃～400℃。
(6)根据(1)～(5)中任一项所述的金属层叠材料的制造方法，其中，不锈钢的接合面的表面的蚀刻量为1nm～10nm。
(7)根据(1)～(6)中任一项所述的金属层叠材料的制造方法，其中，铝的接合面的表面的蚀刻量为1nm～10nm。
(8)一种通过(1)～(7)中任一项所述的制造方法获得的金属层叠材料。
本说明书包含作为本申请优先权基础的日本专利申请2014-075602号的说明书和/或附图中记载的内容。
发明效果
通过本发明，能够高效且不会产生不锈钢软化地制造将不锈钢与铝层叠而成的、具有高接合力的金属层叠体。
附图说明
图1是表示本发明的金属层叠材料的制造工序的图。
图2是表示实施例1及比较例3的临时接合的层叠材料的AES分析结果的图。
图3是表示实施例1和比较例4的金属层叠材料的热处理前后的剥离强度的图。
图4是表示不锈钢的溅射蚀刻量与表面吸附物层的关系的图。
图5是表示铝的溅射蚀刻量与表面吸附物层的关系的图。
具体实施方式
下面对本发明进行详细说明。
本发明的金属层叠材料是将不锈钢与铝层叠而成的金属层叠材料。本发明的金属层叠材料可以是只在铝的单面上层叠不锈钢而成的金属层叠材料，也可以是在铝的双面上层叠不锈钢而成的金属层叠材料，或是在不锈钢的双面上层叠铝而成的金属层叠材料。
作为能够用于本发明的金属层叠材料的不锈钢，没有特别限制，可以列举SUS304、SUS201、SUS316、SUS316L、SUS430等板材。这些不锈钢的厚度通常为0.01mm以上即可使用，从获得的金属层叠材料的机械强度及加工性的观点考虑，优选为0.01mm～1mm，但不限于该范围。
作为能够用于本发明的金属层叠材料的铝，没有特别限制，可以使用纯铝或铝合金。作为铝合金，可以使用JIS规定的1000系、3000系、5000系等铝合金等。铝的厚度通常为0.01mm以上即可使用，从获得的金属层叠材料的机械强度及加工性的观点考虑，优选为0.01mm～1mm，但不限于该范围。
下面通过图1对本发明的金属层叠材料的制造方法进行说明。本发明的金属层叠材料5可以通过包括以下工序的方法制造：(1)对不锈钢1与铝2的各接合面进行溅射蚀刻，使得氧化膜3残留的工序；(2)通过滚焊将所述不锈钢1和所述铝2的接合面临时接合的工序；(3)对临时接合的层叠材料4在低于不锈钢的重结晶温度的温度下进行热处理，至少使不锈钢所含有的金属元素向铝热扩散的工序。
在本发明的金属层叠材料的制造方法的工序(1)中，对不锈钢与铝的各接合面进行溅射蚀刻，使得氧化膜残留。本发明的金属层叠材料的制造方法，其特征在于，通过溅射蚀刻处理，将不锈钢与铝的各接合面表面的吸附物完全除去而残留氧化膜。由此，与通过溅射蚀刻处理完全除去表面的吸附物及表面的氧化膜的现有金属层叠材料的制造方法相比，能够大幅减少溅射蚀刻处理时间，提高金属层叠材料的生产率。
具体而言，溅射蚀刻处理如下进行：溅射蚀刻处理是准备不锈钢和铝作为宽100mm～600mm的长条线圈，分别将具有接合面的不锈钢和铝作为接地的一个电极，在与绝缘支撑的另一个电极之间施加1MHz～50MHz的交流电使其产生辉光放电，并且将通过辉光放电而产生的等离子中露出的电极的面积设为所述另一个电极的面积的1/3以下。在溅射蚀刻处理中，接地的电极采用冷却辊的形状，防止各运送材料温度上升。
在溅射蚀刻处理中，通过在真空下利用惰性气体对不锈钢与铝的接合面进行溅射，将表面的吸附物完全除去且使表面的氧化膜残留。作为惰性气体，可以使用氩气、氖气、氙气、氪气等、和至少包括其中一种的混合气体。对于不锈钢和铝中的任一种，都能够以蚀刻量约1nm左右将表面的吸附物完全除去。
不锈钢的溅射蚀刻处理能够在真空下，以例如100W～10KW的等离子功率、线速度1m/分～30m/分进行。此时的真空度优选为高真空度，以防止吸附物再次吸附到表面，例如1×10-5Pa～10Pa即可。在溅射蚀刻处理中，从防止软化的观点考虑，不锈钢的温度优选为保持在常温～150℃。
本发明中，表面残留有氧化膜的不锈钢通过将不锈钢的蚀刻量设为例如1nm～10nm而获得。
铝的溅射蚀刻处理能够在真空下，以例如100W～10KW的等离子功率、线速度1m/分～30m/分进行。此时的真空度优选为高真空度，以防止吸附物再次吸附到表面，1×10-5Pa～10Pa即可。
本发明中，表面残留有氧化膜的铝通过将铝的蚀刻量设为1nm～10nm而获得。
在本发明的金属层叠材料的制造方法的工序(2)中，通过滚焊将经过了溅射蚀刻处理的不锈钢和铝的接合面临时接合。
用于临时接合不锈钢和铝的接合面的滚焊的滚压线(圧延線)荷载没有特别限制，例如为0.1～10tf/cm。另外，通过滚焊进行临时接合时的温度没有特别限制，例如为常温～150℃。
通过滚焊进行的临时接合，优选为在非氧化气氛中、例如Ar等惰性气体气氛中进行，以防止不锈钢和铝表面再次吸附氧而导致二者间的接合强度下降。
在本发明的金属层叠材料的制造方法的工序(3)中，对经过了临时接合的不锈钢和铝的层叠材料进行热处理。该热处理需要在低于不锈钢的重结晶温度的温度下进行。例如，不锈钢(SUS316)的重结晶温度为533.85℃。这是为了防止不锈钢因重结晶而软化。
进一步地，该热处理需要在至少使不锈钢的金属元素向铝热扩散的温度下进行。该金属元素例如为Fe、Cr、Ni。该热扩散使接合力得以提高。优选地，通过热处理，至少使不锈钢所含有的Fe元素从不锈钢与铝的层叠材料的接合表面向铝方向在5nm的地点扩散8原子％以上。由此，获得的金属层叠材料的接合力得以进一步提高。需要说明的是，不锈钢所含有的金属元素和铝也可以相互热扩散。
具体而言，可以在100℃～500℃的温度下进行热处理。当热处理温度为该范围时，通过热扩散所获得的金属层叠材料具有高接合力并具有高加固材料硬度，能够防止加热和重结晶导致的不锈钢软化。从进一步提高接合力、同时防止不锈钢软化的观点考虑，热处理温度优选为200℃～400℃。热处理时间因温度而异，例如300℃时可以保持1秒(不含升温时间)～240分钟左右。
本发明还涉及通过所述制造方法而获得的金属层叠材料。
在本发明的一个实施方式中，本发明的金属层叠材料是通过包括以下工序的制造方法获得的：对不锈钢与铝的各接合面进行溅射蚀刻，使得氧化膜残留的工序；通过滚焊将所述不锈钢和所述铝的接合面临时接合的工序；在100℃～500℃、优选200℃～400℃的温度下对临时接合的层叠材料进行热处理的工序。
实施例
下面基于实施例及比较例对本发明做进一步详细说明，但本发明并不限于这些实施例。
(实施例1)
不锈钢使用SUS304-BA(厚度0.05mm)，铝使用A1050-H18(厚度0.18mm)。使用扫描型俄歇电子能谱分析装置(AES)对SUS304-BA及A1050-H18的表面进行测定，测得SUS304-BA的氧化膜厚度为10～15nm，A1050-H18的氧化膜厚度为80～150nm。对SUS304-BA和A1050-H18实施溅射蚀刻处理。SUS304-BA的溅射蚀刻是在0.1Pa下，以等离子功率800W、线速度3.5m/分实施；A1050-H18的溅射蚀刻是在0.1Pa下，以等离子功率2600W、线速度3.5m/分实施，将SUS304-BA及A1050-H18的表面吸附物完全除去。SUS304-BA的蚀刻量约为2nm，A1050-H18的蚀刻量约为6nm。在常温下，以滚压线荷载2tf/cm(滚压荷载0.4MN)通过滚焊将溅射蚀刻处理后的SUS304-BA和A1050-H18临时接合，形成层叠材料。
对获得的临时接合的层叠材料进行AES分析。将实施例1的临时接合的层叠材料和后述的比较例3的临时接合的层叠材料的AES分析结果示于图2。由图2观察到临时接合的层叠材料的表面的前后具有源自氧(O)的峰值，确认SUS304-BA和A1050-H18各自的表面残留有氧化膜。
在240℃下对临时接合的层叠材料进行30分钟热处理。测定获得的金属层叠材料的剥离强度(90°)。
(比较例1)
除了不对临时接合的层叠材料进行热处理外，与实施例1相同。
(比较例2)
除了不进行溅射蚀刻处理外，与实施例1相同。在临时接合后的层叠材料的表面，SUS304-BA和A1050-H18各自的表面一直存在氧化膜和吸附物。
(比较例3)
不锈钢使用SUS304-BA(厚度0.05mm)，铝使用A1050-H18(厚度0.17mm)。对SUS304-BA和A1050-H18实施溅射蚀刻处理。SUS304-BA的溅射蚀刻是在0.1Pa下，以等离子功率700W、对接合面进行180分钟的溅射照射而实施；A1050-H18的溅射蚀刻是在0.1Pa下，以等离子功率700W、对接合面进行180分钟的溅射照射(板静止不动的状态下实施溅射蚀刻。若像实施例1那样通过线，则线速度可换算为5.6×10-3m/分)而实施，将SUS304-BA及A1050-H18的表面的吸附物和氧化膜完全除去。SUS304-BA的蚀刻量约为600nm，A1050-H18的蚀刻量约为460nm。在常温下，以滚压线荷载2tf/cm(滚压荷载0.4MN)通过滚焊将溅射蚀刻处理后的SUS304-BA和A1050-H18临时接合，形成层叠材料。测定获得的临时接合的层叠材料的剥离强度(90°)。
(比较例4)
与比较例3相同，在240℃下对获得的临时接合的层叠材料进行30分钟热处理。测定获得的金属层叠材料的剥离强度。
将实施例1及比较例1-4的金属层叠材料的剥离强度示于表1。另外，图3表示实施例1和比较例4的金属层叠材料的热处理前后的剥离强度。在此，实施例1和比较例4的金属层叠材料的热处理前的层叠材料分别对应比较例1和3的层叠材料。
【表1】
由表1可知，通过进行热处理，实施例1的金属层叠材料的剥离强度得到提高(实施例1和比较例1)。另外，使SUS304-BA及A1050-H18的表面残留氧化膜而获得的实施例1的金属层叠材料，得到了与从SUS304-BA及A1050-H18的表面完全除去氧化膜而获得的比较例4的金属层叠材料同等的剥离强度。此外，在实施例1中，与比较例4相比，溅射蚀刻时间能够缩短约63倍(相对于实施例1的线速度3.5m/分，比较例4的线速度换算值为5.6×10-3m/分，据此计算而得)。另外，由图3可知，相比较的，实施例1的金属层叠材料、比较例4的金属层叠材料在热处理前后的剥离强度有较大提高。
(实施例2-6及比较例5、6)
在实施例2-6及比较例5、6中，调查了对临时接合的层叠材料进行热处理的温度对于获得的金属层叠材料的剥离强度及硬度的影响。
在实施例2-6及比较例5、6中，使用厚度0.1mm的SUS304-1/2H代替厚度0.05mm的SUS304-BA，使用厚度0.4mm的AL1050(H24)代替厚度0.18mm的A1050-H18，将溅射蚀刻由线速度3.5m/分变更为线速度3.0m/分而实施，将通过滚焊进行的临时接合由滚压线荷载2tf/cm变更为滚压线荷载2.8tf/cm而实施，除此以外，与实施例1相同，获得临时接合的层叠材料。SUS304-1/2H的蚀刻量为3nm，AL1050(H24)的蚀刻量为5nm。在规定温度下对获得的临时接合的层叠材料进行240分钟热处理。实施例2-6及比较例5、6中的热处理温度如表2所示。关于获得的金属层叠材料，测定了从金属层叠材料的接合表面向铝层中5nm地点的铁(Fe)的量、剥离强度(90°)以及SUS侧的硬度。将结果示于表2。
【表2】
由表2可知，热处理温度为100℃～500℃的实施例2-6的金属层叠材料与热处理温度为该温度范围外的温度的比较例5、6的金属层叠体相比，剥离强度高，另外硬度也高。关于从金属层叠材料的接合表面向铝层中5nm地点的铁(Fe)的量，在测定的范围内，热处理温度越高，不锈钢成分铁向铝层中扩散得越多，由此可以推测，金属层叠材料的剥离强度变高。热处理温度在100℃～500℃的范围内时，热处理温度越高，剥离强度越高。
需要说明的是，关于从金属层叠材料的接合表面向铝层中5nm地点的铁(Fe)的量，更优选为扩散8原子％以上，认为具有提高接合力的效果。
(表面吸附物的去除)
对于不锈钢(SUS316)及铝(A1050)，分别调查了溅射蚀刻量与表面的吸附物层的关系。图4表示不锈钢中的结果，图5表示铝中的结果。由图4和图5可知，不锈钢及铝中的任何一方，通过约1nm左右的蚀刻，表面的吸附物层被完全除去。
符号说明
1 不锈钢
2 铝
3 氧化膜
4 层叠材料
5 金属层叠材料
本说明书所引用的全部刊物、专利以及专利申请直接作为参考而编入本说明书。

Claims (5)

1.一种由不锈钢和铝构成的金属层叠材料的制造方法，包括：
对不锈钢与铝的各接合面进行溅射蚀刻，使得表面的吸附物完全除去且氧化膜残留，所述不锈钢与铝的各接合面的表面的蚀刻量为1nm～10nm的工序；
通过滚焊将所述不锈钢和所述铝的接合面临时接合的工序；以及
对临时接合的层叠材料在低于不锈钢的重结晶温度的温度下进行热处理，至少使不锈钢所含有的金属元素向铝热扩散，至少使不锈钢所含有的Fe元素从接合表面向铝方向在5nm的地点扩散8原子％以上的工序。
2.根据权利要求1所述的金属层叠材料的制造方法，其中，所述热扩散的工序是对临时接合的层叠材料在低于不锈钢的重结晶温度的温度下进行热处理，使不锈钢所含有的金属元素与铝相互热扩散。
3.根据权利要求1或2所述的金属层叠材料的制造方法，其中，热处理温度为200℃～500℃。
4.根据权利要求1或2所述的金属层叠材料的制造方法，其中，热处理温度为200℃～400℃。
5.一种金属层叠材料，通过权利要求1～4中任一项所述的制造方法获得。
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