JP2001179467A - アルミニウム−鉄系クラッド材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アルミニウム材と鉄材をクラッドして、接合
率が高く、耐衝撃性に優れたアルミニウム−鉄系クラッ
ド材の歩留りが高く、効率の良いアルミニウム−鉄系ク
ラッド材の圧延法に依る連続的製造方法の提供。 【解決手段】 鉄材／冷間圧延により接合したアルミニ
ウム材（第１アルミニウム材）／熱間圧延により接合し
たアルミニウム材（第２アルミニウム材）の３層構成か
らなるアルミニウム−鉄系クラッド材を製造するに際
し、鉄材に第１アルミニウム材を冷間圧延で接合した
後、この第１アルミニウム材面に第２アルミニウム材を
重ねた２組を、第２アルミニウム材同士が内側になり、
その間に離型材を挟む様に重ねて熱間圧延を行い、それ
ぞれの第１アルミニウム材面と第２アルミニウム材を接
合した後に離型材面で剥離することを特徴とするアルミ
ニウム−鉄系クラッド材の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】アルミニウム材の電磁調理器
分野への利用、あるいは自動車産業、航空機産業などの
輸送機器の軽量化のためのアルミニウム−鉄系クラッド
材、特に接合率が高く、耐衝撃性のあるアルミニウム−
鉄系クラッド材の効率的な連続製造方法の開発を目的と
する。

【０００２】

【従来の技術】異種金属を重ね合わせて完全に結合させ
た層状の複合材、いわゆるクラッド材は、クラッド材と
することにより単独の材料としては得られない性質が現
れ構成する素材それぞれの優れた特徴を兼ね備え、欠点
を補いあう、あるいは素材の特徴的な性質を保持しなが
ら大幅にコストダウンが可能となるなどの理由から各種
の金属の組み合わせが利用されている。クラッド材では
各種の特性、例えば機械的性質としては弾性率、降伏強
さ、加工硬化、引張強さ、耐衝撃性、疲労、剛性など、
物理的性質としては、熱膨張係数、熱伝導度、電気抵
抗、電磁性、化学的性質としては耐食性などを兼ね備え
た素材の開発を目的として開発されている。

【０００３】例えばアルミニウム材としては、軽量であ
り、熱伝導度が大きい、電気伝導度が大きい、磁性がな
い、硬度が低い、溶接性が悪い、熱膨張係数が一般金属
に比して大きい、酸化皮膜ができ易く、酸化性の溶液に
対して耐食性を有する、などの特性がある。一方鉄材
は、アルミニウム材に比して熱伝導度、電気伝導度はと
もに小さく、強磁性体であり、溶接は容易、熱膨張係数
はアルミニウム材より小さい、酸化性溶液に対して耐食
性がないなどの特性がある。これらの特性は、使用する
目的によっては有利な点となったり、欠点となったりす
るので、これをクラッド材として一方のその特性を利用
し他方の欠点をカバーすることによりアルミニウム−鉄
系クラッド材が利用されている。

【０００４】現在のアルミニウム−鉄系クラッド材の接
合は、２層または多層クラッドが行われているが、主と
して真空あるいは不活性ガス雰囲気中で熱間圧延方式に
依る拡散接合方法が行われているといわれる。しかしこ
の方法は、接合温度や圧着時間に接合性が大きく影響
し、管理範囲が非常に狭い。例えば、接合温度が低く、
圧着時間が短い時は接合強度が小さく、一方接合温度が
高く、圧着時間が長いと接合界面に厚い金属間化合物を
形成し、衝撃破壊を起こしたりして接合強度を低下させ
るなど操業のコントロールが困難な方法である。その他
の接合方法としては、摩擦圧接や爆着法があるが、前記
の方法に比べて金属間化合物の形成が少なく、接合強度
を確保し易い反面、大面積の接合に適用することは設備
的に困難で、ハイパワーの設備や防爆設備を必要とし、
限界がある。また、これらの方法は小面積で複雑形状の
接合に適しているが、大面積で連続性を要する接合には
適していない。

【０００５】大面積で連続性を可能にした方法としては
熱間圧延方法があるが、この方法は同種金層やその合金
また高温において酸化されにくい異種金属同士の接合に
は好適であるが、特に高温において酸化され易い金属同
士や異種金属では問題があり、圧下率を大きく取った
り、インサート材によって接合性を高めることが必要と
なっている。このような方法をとったとしてもアルミニ
ウム−鉄系クラッド材においては、鉄材とアルミニウム
材とでは、ともに酸化され易い金属であるうえ、熱膨張
係数が大きく異なり、さらに材料の剛性が大きく異なる
ため接合面積やクラッド厚さを制御することが非常に困
難で、接合率も悪く、耐衝撃性の高いクラッド材を得る
には歩留まりが悪く改善が必要とされていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、酸化され易
く、接合が困難な剛性が大きく異なるアルミニウム材と
鉄材をクラッドして、接合率が高く、耐衝撃性に優れた
アルミニウム−鉄系クラッド材の、コストが易く、歩留
りが高く、効率の良いアルミニウム−鉄系クラッド材の
圧延法に依る連続的製造方法の開発を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、［１］ 鉄材
／冷間圧延により接合したアルミニウム材（第１アルミ
ニウム材）／熱間圧延により接合したアルミニウム材
（第２アルミニウム材）の３層構成からなるアルミニウ
ム−鉄系クラッド材を製造するに際し、鉄材に第１アル
ミニウム材を冷間圧延で接合した後、この第１アルミニ
ウム材面に第２アルミニウム材を重ねた２組を、第２ア
ルミニウム材同士が内側になり、その間に離型材を挟む
様に重ねて熱間圧延を行い、それぞれの第１アルミニウ
ム材面と第２アルミニウム材を接合した後に離型材面で
剥離することを特徴とするアルミニウム−鉄系クラッド
材の製造方法、［２］ 鉄材が軟鋼またはステンレスス
チール、第１アルミニウム材が純アルミニウム、第２ア
ルミニウム材が純アルミニウムまたはアルミニウム−マ
グネシウム系もしくはアルミニウム−マグネシウム−け
い素系の合金である上記［１］に記載のアルミニウム−
鉄系クラッド材、［３］ 熱間圧延の温度が３００〜５
５０℃、第２アルミニウム材の圧下率が４０〜６０％と
なるようにした上記［１］に記載のアルミニウム−鉄系
クラッド材の製造方法、及び［４］ 離型材が、炭素系
化合物、フッ素系化合物、二硫化モリブデンの粉末また
はフィルム状成形品である請求項５に記載のアルミニウ
ム−鉄系クラッド材の製造方法、を開発することに依り
上記の課題を解決した。

【０００８】

【発明の実施の形態】クラッド材の製造方法は、目的と
するクラッド材の金属の組み合わせ、クラッド材の形状
などにより、極めて多種多様の方法により製造されてい
る。例えば代表的な方法としては圧延法、爆発圧接法、
ろう付け法、共押出法、鋳ぐるみ法、熱間あるいは冷間
加工による線材製造法、粉末燒結圧延法、高液圧押出法
などが挙げられるが、本発明におけるクラッド材として
は、圧延法によるアルミニウム−鉄系クラッド材の製造
法であり、板状またはシート状のものに限られる。本発
明の対象とするアルミニウム−鉄系クラッド材の製造方
法は、鉄材とアルミニウム材をロール圧延する方法で、
大面積の者を高速で生産性良く製造できる製造方法の改
良方法である。冷間圧延と熱間圧延を組み合わせること
により酸化皮膜の発生を防止し、構造材である第２アル
ミニウム材を鉄材と一体化したクラッド材を効率よく製
造する方法である。

【０００９】以下図面を参照しながら本発明を説明す
る。本発明は主として冷間圧延工程と熱間圧延工程の２
段の工程からなり、冷間圧延において鉄材と第１アルミ
ニウム材を接合してまず中間材を作成し、該中間材に構
造材の第２アルミニウム材を重ねた２組の材料をこの第
２アルミニウム材の間に離型材を挟んで重ね合わせ、同
時に熱間圧延することからなるものである。本発明のア
ルミニウム−鉄系クラッド材の原料として用いる鉄材１
としては、目的とするクラッド材に用いられれている鉄
材であればその種類は問わない。用途的に使用量が多い
軟鋼またはステンレススチールが好ましい。形状は圧延
法に適用可能な板状あるいはシート状のものであれば使
用可能である。

【００１０】本発明に適用するアルミニウム材としては
冷間圧延に使用するアルミニウム材（第１アルミニウム
材）２及び熱間圧延に使用するアルミニウム材３（第２
アルミニウム材）がある。第１アルミニウム材（インサ
ート材）２としては、クラッド材の主たるアルミニウム
材に使用する第２アルミニウム材の接合性を改善するた
めにインサート材として使用するものであり、それ自体
がクラッド材のアルミニウム材としての性能を必要とす
るものではない。したがって第１アルミニウム材として
は鉄材１との接合性及び第２アルミニウム材３との接合
性の良いアルミニウム材であればいかなるアルミニウム
材（アルミニウム合金材を含む）であっても良い。中で
も純アルミニウム材（１０００系及び１Ｎ系アルミニウ
ム）が第２アルミニウム材の種類（合金）によらず適用
可能であること、鉄材との接合性、熱処理における金属
間化合物の発生量の調整、熱間圧延の際の接合性などに
優れており、最も好ましい材質である。

【００１１】圧延においては鉄材はほとんど塑性変形が
起こらず、第１アルミニウム材のみが塑性変形するが、
圧下率としては３０〜７０％、好ましくは４０〜７０
％、より好ましくは４５〜６５％であれば接合性の良い
中間材ができる。この場合、第１アルミニウム材として
はクラッド材の構成材の性能を必要とせず単にインサー
ト材としてその機能を有すれば良いので、第１アルミニ
ウム材としての厚さはアルミニウム−鉄系クラッド材の
種類により異なるとしても、第２アルミニウム材の厚さ
に比して十分に薄いことが必要であるが、通常は２０ｍ
ｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ〜５ｍｍ程度である。冷
間圧延により得られたクラッド中間材（鉄材／第１アル
ミニウム材）１０はそのままあるいは必要に応じて熱処
理して接着を完全にする。冷間圧延では鉄材／アルミニ
ウム材間に金属間化合物の生成はほとんど起きない。

【００１２】金属間化合物がある程度生成した時に鉄材
／第１アルミニウム材の接合強度が増大するが、その厚
さが２０ミクロンを超えた厚さになると金属間化合物面
において耐衝撃性が低下し、打撃、落下などの衝撃を受
けた時に接合面から剥離を起こしやすくなる。第２アル
ミニウム材が十分に厚い時は熱間圧延に必要な温度にす
るために加熱することが必要であり、その間に熱処理
（金属間化合物の生成）が進行するので熱処理工程が不
要となることも多い。第２アルミニウム材が薄い場合、
あるいは中間材における鉄材／アルミニウム材の接着性
を完全にするために、必要に応じ熱処理を行ってもよ
い。熱処理の温度としては３００〜６００℃、熱処理時
間は鉄材１と第１アルミニウム材２の接合面に生成する
金属間化合物が２０ミクロン以下に成長したところで中
止する。該金属間化合物の生成量は鉄材及びアルミニウ
ム材の合金の種類により一定してはいないが、温度が高
いほど早く成長するため、金属間化合物の厚さを測定し
て決定することが必要である。

【００１３】この金属間化合物の厚さについて成長速
度、温度、時間の関係をあらかじめ測定しておけば、そ
の都度金属間化合物を測定しながら熱処理を行う必要性
の有無及び熱処理を行う場合においてもその熱処理温度
及び熱処理時間をあらかじめ測定しておくことにより、
容易に目的とする金属間化合物の厚さのクラッド中間材
を製造できる。熱処理時間が長いほど、熱処理温度が高
いほど接着力が高くなるが、それに伴って金属間化合物
の成長も進むのでこのコントロールが必要となる。

【００１４】熱間圧延に用いる第２アルミニウム材３と
しては、接合性のみを考えれば第１アルミニウム材２と
ほぼ同様な性質のアルミニウム材が好ましいが、このア
ルミニウム材はクラッド材の構成材としての性能を必要
とするものであって、クラッド材の目的によりアルミニ
ウム材としてその性能を具備するものを選択することが
必要である。一般的には純アルミニウム材及びＡ５００
０系合金（Ａｌ−Ｍｇ系合金）、Ａ６０００系合金（Ａ
ｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）などが挙げられる。

【００１５】この場合の熱間圧延は、鉄材１に直接第２
アルミニウム材３を接合するのではなく、この第２アル
ミニウム材とすでに冷間圧延により得られたクラッド中
間材の第１アルミニウム材面であって、その接合面には
前もってインサート材として接合した第１アルミニウム
材（インサート材）３があるので、異種金属間の接合で
なくアルミニウム材同士の接合となり、接合は極めてス
ムースにかつ完全に行うことができる。熱間圧延の場合
には、金属間化合物の生成がないので接合後に熱処理の
必要性は小さい。

【００１６】本発明においては効率よくアルミニウム−
鉄系クラッド材を製造するために、図１に示すように、
鉄材にインサート材（冷間圧延により接合した第１アル
ミニウム材）を接合したクラッド中間材１０と熱間圧延
により接合する第２アルミニウム材とをアルミニウム材
同士を重ねた２組を、第２アルミニウム材間に離型材４
を挟んで重ね、熱間圧延を行い、圧延を行った後に離型
材面で剥離することにより行うことができる。該熱間圧
延の条件はアルミニウム材によって一定しないが通常３
００〜５５０℃、加圧は、圧下率として４０〜６０％、
好ましくは４５〜６０％、より好ましくは５０〜６０％
である。第２アルミニウム材の厚さは、第１アルミニウ
ム材の厚さがほとんど第２アルミニウム材の厚さに比し
て無視できるほどの薄さであるためアルミニウム−鉄系
クラッド材の必要とするアルミニウム材の厚さとほぼ同
一の厚さ（厳密には第１アルミニウム材の厚さを差し引
く必要はある。）であってよい。場合によっては最高数
１００ｍｍの場合も考えられる。

【００１７】この場合に使用する離型材４としては、黒
鉛などの含炭素潤滑材、窒化ホウ素（ＨＢＮ）、二硫化
モリブデンなどの無機固形潤滑剤、含フッ素系化合物の
粉末またはフィルムをあらかじめ２組のアルミニウム材
の間に使用する。この離型材４を挟まないとアルミニウ
ム材同士が接合して剥離できなくなることが多い。この
場合のクラッド中間材／アルミニウム材の２組の構成
は、２組の圧延抵抗を同じにしておき、両面が対称とな
るように構成することが好ましい。この２組の間におい
て圧延抵抗が著しく異なる時は圧下率などの調整がしに
くくなり製造におけるクラッド材の厚さの調整などが困
難となる。

【００１８】クラッド材の製造に際しては、鉄材／第１
アルミニウム材（インサート材）、第１アルミニウム材
（インサート材）／第２アルミニウム材の接合面は清浄
な金属面同士を重ね合わせることが必要である。これが
油やごみなどで汚れていると接合がうまく行かず、必要
以上の圧力を必要とするだけでなく、その結果圧下率の
コントロールができなくなり、接合強度や耐衝撃性を失
うことになる。これらの金属、特にアルミニウム材は酸
化され易く、その結果金属面が酸化物で覆われるので熱
間圧延においては目標温度に達したらただちに圧延する
ことが好ましい。

【００１９】

【実施例】［評価方法］ 接合率：断面観察による接合率を測定した。 接合率＝（未接合距離／測定距離）×１００ 耐衝撃性：落下衝撃試験により行った。サンプルを
１．５ｍの高さから鉄製の床面に２０回自由落下させ剥
離を観察した。

【００２０】（実施例１〜８）鉄材として、厚さ１．０
ｍｍの軟鋼（ＳＰＣＣ）及びステンレス鋼（ＳＵＳ３０
４）、第１アルミニウム材（インサート材）として厚さ
０．５ｍｍの９９．９９９％純アルミニウム（１Ｎ９
９）を用い、圧下率は３２〜６８％の間に変化させなが
ら冷間圧延を行い、次いで熱処理（温度は３００〜５５
０℃）を、あらかじめ金属間化合物の生成速度を測定
し、２０ミクロン以下となるように熱処理時間を１時間
としてクラッド材中間材を得た。この中間材を用い、第
２アルミニウム材として厚さ１０ｍｍの純アルミニウム
（Ａ１１００）及びＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合
金材（ＪＩＳ Ａ６０６３）を用いて、これを２セット
を用意し、第２アルミニウム材の間に炭素系剥離材（日
本アチソン（株）製［プロダック］）の粉末をアセトン
に分散した懸濁液を塗布して重ね合わせ、熱間圧延温度
５００℃で表２に示す圧下率で熱間圧延を行った。得ら
れたクラッド材を１０ｃｍ×１０ｃｍにカットし、接合
率及び耐衝撃性を測定した。結果を表１に示す。

【００２１】（比較例１）実施例における冷間圧延工程
及び熱処理工程を省略し、中間材に変えて軟鋼（ＳＰＣ
Ｃ）を使用し、これに直接厚さ１０ｍｍの純アルミニウ
ム（Ａ１１００）を用い、実施例 1と同様にして６００
℃で熱間圧延した。評価結果は表１に示す。 （比較例２）比較例１における鉄材として、軟鋼（ＳＰ
ＣＣ）に代えて厚さ１．０ｍｍのステンレススチール
（ＳＵＳ３０４）を用いたほかは比較例１と同様に行っ
た。評価結果は表１に示す。 （比較例３）第２アルミニウム材同士の剥離性を検討す
るため、実施例３で得たクラッド中間材にＡｌ−Ｍｇ−
Ｓｉ系アルミニウム合金（Ａ６０６３）を実施例１と同
様に重ね合わせた２組を、剥離材を塗布せずに同一条件
で熱間圧延を行った。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【発明の効果】本発明は、アルミニウム−鉄系クラッド
材を製造するに際し、インサート材を用い、冷間圧延及
び熱間圧延を組み合わせて行うものであるが、この熱間
圧延はアルミニウム材同士であるため、酸化されやすい
アルミニウム材同士であっても容易に接合が行われる。
このため第２アルミニウム材の圧下率は低く良好なクラ
ッドが可能となった。特に本発明は鉄材／第１アルミニ
ウム材からなる中間材の第１アルミニウム材面に、第２
アルミニウム材重ねたセットの２組をその間に剥離材を
挟んでを接合するので、同時に２組のクラッド材を生産
することが可能であり、効率的にアルミニウム−鉄系ク
ラッド材を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の２組のクラッド中間材／アルミニウム
材を同時に圧延してアルミニウム−鉄系クラッド材を製
造する方法。

【符号の説明】

１ 鉄材 ２ 冷間圧延用アルミニウム材（インサート材） ３ 熱間圧延用アルミニウム材 ４ 離型材 １０ クラッド中間材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4E002 AA07 AD12 BC05 BC07 CB01 CB08 4E067 AA03 AA05 BB02 BD02 BD03 DA12 DA17 DC06 DC07 EB11

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄材／冷間圧延により接合したアルミニ
   ウム材（第１アルミニウム材）／熱間圧延により接合し
   たアルミニウム材（第２アルミニウム材）の３層構成か
   らなるアルミニウム−鉄系クラッド材を製造するに際
   し、鉄材に第１アルミニウム材を冷間圧延で接合した
   後、この第１アルミニウム材面に第２アルミニウム材を
   重ねた２組を、第２アルミニウム材同士が内側になり、
   その間に離型材を挟む様に重ねて熱間圧延を行い、それ
   ぞれの第１アルミニウム材面と第２アルミニウム材を接
   合した後に離型材面で剥離することを特徴とするアルミ
   ニウム−鉄系クラッド材の製造方法。
2. 【請求項２】 鉄材が軟鋼またはステンレススチール、
   第１アルミニウム材が純アルミニウム、第２アルミニウ
   ム材が純アルミニウムまたはアルミニウム−マグネシウ
   ム系もしくはアルミニウム−マグネシウム−けい素系の
   合金である請求項１に記載のアルミニウム−鉄系クラッ
   ド材。
3. 【請求項３】 熱間圧延の温度が３００〜５５０℃、第
   ２アルミニウム材の圧下率が４０〜６０％となるように
   した請求項１に記載のアルミニウム−鉄系クラッド材の
   製造方法。
4. 【請求項４】 離型材が、炭素系化合物、フッ素系化合
   物、二硫化モリブデンの粉末またはフィルム状成形品で
   ある請求項５に記載のアルミニウム−鉄系クラッド材の
   製造方法。