JP2002513698A - 調理器具用の銅コア五層複合材及びその製造方法 - Google Patents
調理器具用の銅コア五層複合材及びその製造方法Info
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Abstract
Description
品の熱伝導性と、耐腐食性と、美観とを向上させるための、銅コアステンレス鋼
外装複合材に関する。
材料として、その価値を認められて久しい。しかしながら、ステンレス鋼は、熱
伝導率が低く、ステレンス鋼と、銅やアルミニウム等のより熱伝導率の高い金属
を組み合わせる様々な技術が考案され開発されている。銅は、市販されている金
属中で最も伝導率が高い。様々な金属の熱伝導率を比較する一般的な方法は、銅
の伝導率を100%とする方法である。これに対して、アルミニウムは銅の熱伝
導率の約55%であり、ステレンス鋼は銅の熱伝導率の僅か3%を有するに過ぎ
ない。
の方法はそれぞれ大きな欠点がある。次に、これらの方法を簡単に概説する。
レンス鋼と銅の厚板を組み付けるものである。その後、接合された板は、使用可
能なゲージにまで、熱間、冷間圧延される。銅の許容可能な最高加工温度とステ
レンス鋼の最低加工温度との間には非常に僅かなオーバラップしかない。これに
より、取扱い及び加工において複数の再加熱と多くの工程が必要となる。この技
術は、高コストで、本来的に材料収量(yield)が低く、これによってこの
技術は、ポットや鍋等の調理器具製品の製造に有用な軽ゲージ用として経済的に
実施不能である。
延絞り加工によって接合することが可能である。しかしながら、これを行うため
の装置は、非常に軽ゲージのものを除いて、極めて大きなものとなり、実用的で
ない。この技術は、更に、最終焼なましを必要とし、これによって、再び、ステ
レンス鋼と銅との加工温度の違いの問題が生じる。
ろう付けは可能であるが、これを行うためには、高価な銀ベースのろう付け剤を
使用することが必要であり、これによって、この方法はこのようなゲージでは経
済的実施不能である。また、その結果得られる製品は、ある種の固有の形成制限
を有する。
、アルミニウムの片面又は両面にステレンス鋼を接合する方法を採用してきた。
この材料構成の特徴は、接合の容易性と、高い製品収量(yield)にある。
接合工程は、加熱と圧延とによって行われるが、成形前の接合後焼なましが必要
とされるほど、ステレンス鋼に十分な圧延を課するものではない。その加工温度
は800゜F以下であり、これはステレンス鋼とアルミニウムとが不要な脆性金
属間化合物(brittle intermetallic)を形成し始める1
050゜Fよりも十分に低い。アルミニウムは、その軽量性と冷間加工の容易性
の為に、高品質調理器具の製造用として好適な材料である。そのような製品のア
ルミニウムコアは、通常、「アルクラッド」(Alclad)タイプの製品であ
り、これは、外側の非常に薄い高純度アルミニウム(ECグレード、又は110
0,1130,1230,1175,7072,1050,1145,1060
及び類似の1000シリーズ合金、等)の層を備えるアルミニウムと、アルミニ
ウム合金コアとの予備接合帯材である。純アルミニウムは、適切な接合状態を達
成するために、ステレンス鋼の近傍に必要であり、アルミニウム合金コアは、そ
の高い強度に依る深絞り加工特性のために設けられる。アルミニウム合金層は、
更に、絞り加工された製品の外面上に粗いテキスチャを発生させる「ゆずはだ」
(orange peel)現象を防止する。その粒子の性質に依り、これは固
体純アルミニウムコアが使用された時に発生する。
実用的なコア材料として使用されることはなかった。ジョン・ビー・ウラム(J
ohn B.Ulam)の米国特許第4,246,045号は、銅コアの望まし
い性質と、アルミニウム/ステレンス鋼接合の容易性とを組み合わせることを試
みている。同氏の技術に依れば、製品は、その両方のアルミニウム成分がアルク
ラッドタイプであるアルミニウム/銅/アルミニウム予備接合シートから製造さ
れる。
の‘045ウラム特許は、前記アルクラッドアルミニウムの存在によって、ゆず
はだの発生が防止されると教示している。このウラムの方法に依れば、前記予備
接合コアの純アルミニウム表面は、化学薬品又は研磨手段によって洗浄、調整さ
れ、その後、加熱され、アルミニウムコアステレンス鋼の接合に類似の方法によ
って、ステレンス鋼に接合される。これによって得られた9層の複合材は、その
後、従来方法によって、調理容器に深絞り加工される。
究した。そして、私は、ウラムの教示内容の重要な側面は、私の実験研究の結果
に反することを見出した。
複合材、及びその製造方法を提供するものである。前記複合材の層は、両外面の
ステレンス鋼と、ソリッドな銅のコアとを含む。前記銅コアとステレンス鋼外装
との間の各界面間には高純度アルミニウムの薄い層が配設されている。この材料
は、銅とアルミニウムの伝熱特性と、ステレンス鋼の美観性及び成形性とを併せ
持つ。
ア層と、ECグレード又は1000シリーズグレードアルミニウム等の純アルミ
ニウムの二つの薄いシートとを提供する工程を有する。これら銅とアルミニウム
のシートは、洗浄され、その後、アルミニウムを、銅コアの両面に対して、約5
0%の圧延比(reduction)で冷間圧延することによって、接合される
。その後、前記銅コア、アルミニウム予備接合複合材は、接合部を強化するべく
熱処理される。次に、比較的軽ゲージステレンス鋼の二つの層を、前記銅コア−
純アルミニウム予備接合複合材に対して、好ましくは、約20〜30%の総熱間
圧延比で行われる2回の熱間圧延加工によって接合し、五層複合材を作る。この
五層銅コア、アルミニウム−ステレンス鋼外装複合材を、その後、この圧延結合
製品を強化するべく熱処理する。本発明のこの五層製品は、その後、例えば、フ
ライパン、ソースパン、ストックパン等の所望の形状の調理容器へと絞り加工す
ることにより、従来の深絞り成形手段によって成形され、研磨される。
外周部に形成された装飾用切削溝又はリングによって、良好な美観を備えた調理
器具を提供する。この特有の美観特徴は、前記ステレンス鋼と純アルミニウムの
外側層を、約0.015インチの深さ、約0.25インチの幅で、切削、即ち、
機会加工削除して前記銅コアを視覚的に露出させることによって達成される。所
望の場合には、調理容器の美観を変えるために、一つ以上の切削リングを形成す
ることができる。前記切削工程によって形成される研磨銅材の露出リングは、調
理器具の側壁の周りの研磨されたステレンス鋼に対して、美観に優れたコントラ
ストを提供する。重い銅コアが本発明の前記五層材に於ける実質的な熱伝導体で
あるため、前記切削リングによる前記ステレンス鋼及び純アルミニウムの層の完
全な切除によって、調理容器の側壁に沿った伝熱性が損なわれることはなく、銅
の厚みが切削加工によって減ることもない。
は半曲(radiused)状態にフレア形成され、垂直軸心に沿ってせん断さ
れて、この調理容器の上縁周部周りの銅コアとステレンス鋼の層が、視覚的に露
出され、その厚い銅コアとこれに隣接するステレンス鋼層との間の視覚的コント
ラストによって、調理器具の美観を更に向上させる。
示す、従来技術によって教示されているものよりも優れた製品を作るための、銅
コア、ステレンス鋼複合材とその製造方法を提供する。この材料の内部は、銅コ
ア2の両面上に、純粋又は高純度のアルミニウム4(以下、「純アルミニウム」
と称する。)を有する三層予備接合複合材6を有する。前記純アルミニウム4の
層の厚みは最小化されて、前記銅とステレンス鋼とを互いに接合するための「冶
金的接着剤」として作用することが意図されている。前記純アルミニウム4−銅
2−純アルミニウム4の予備接合複合材シート6は、積層されたこれら三つの層
を、室温で約50%の圧延比での冷間絞り加工によって圧延接合することによっ
て作られる。図1に、圧延接合前の、前記銅コア2の両面上に配置された純アル
ミニウム4の層が図示されている。この三層複合材シートの、冷間絞り接合後の
状態が図2に図示されており、これを、前記予備接合複合材シート6と称する。
前記予備接合複合材シート6の550゜F以下の中程度の温度での冷間圧延後加
熱も、接合強度を改善するために行われる。前記予備接合複合材シート6の前記
純アルミニウム層4の表面は、表面酸化物、オイル、油脂、及びその他の汚染物
質を除去するために化学的又は機械的に洗浄され、前記ステレンス鋼シート8間
に載置される。その後、図3に図示する積層アレイ全体を、520゜〜600゜
F、好ましくは550゜〜580゜Fより狭い範囲の温度に加熱する。その後、
図3の加熱済み積層アレイを、圧延ミルのバイトに投入する。タンデムミル内で
の同じ昇温条件での、第1回目の圧延パスで2%〜10%の圧延比とし、第2回
目の圧延パスで10%〜30%の圧延比として、図4に図示されている本発明の
五層複合材製品10が作り出される。その後、この五層複合材10の熱間圧延後
加熱を、550゜F以下の温度で行う。圧延された五層複合材10内での均一な
温度が達成されたらすぐに、この圧延材を、前記昇温状態でそれ以上保持するこ
となく、冷却する。これによって得られる材料は、全ての金属境界面に於ける優
れた結合強度を示し、深絞り成形に必要な延性を有する。
小限にすることを意図している。私は、過剰な熱(550゜〜600゜F)又は
熱に対する長引く露出は、前記予備接合シートの銅とアルミニウムとの間の脆性
金属間化合物の形成を促進させることを見出した。この金属間化合物によって、
成形中に、外装層の分離が起こる。しかしながら、種々の層が十分に加熱されな
ければ、ステンレス鋼とアルミニウム間の接合は弱くなり、或いは、前述した圧
延時に存在し得ないであろうということに注意しなければならない。この事実か
ら、本発明の別の重要で特有の態様が導かれる。即ち、私の実験研究に依れば、
どのような圧延接合物でもアルミニウムの厚みを最小化することによって接合強
度が増加するということが示された。私は、これを、圧延ロールの接触部の弧に
対する圧延の相対量に依るものとしている。昇温されたアルミニウムのように降
伏強さの弱い材料はローリングミルが回転するにつれて前記ローリングミルの入
り口側に向かって押し出される傾向にある。その結果、ロールに対する分離力が
小さくなり、従って、材料の界面に対する圧縮力が少なくなる。本発明の前記予
備接合銅複合材シート6は、前記薄い純アルミニウム層4の作用により、圧延中
において一つの金属として挙動する。より降伏強さの強い銅コア2が厚みの割合
として最大化されれば、コアの降伏強さは当然より大きくなり、より低い温度で
の最終接合強度を大きくすることが可能となる。前記‘045ウラム特許によっ
て教示されているような、アルクラッド層のアルミニウムを含ませる慣行によっ
ては、アルミニウムの全体厚みが必然的に増大するが、これは、本発明の明証に
反するものである。アルクラッド材を使用すれば、又、予備接合材がより高価に
なる傾向がある。更に、前記層4中の純アルミニウムの厚みを最小化することは
、純アルミニウムを使用する副作用として発生し得る、ゆずはだ作用の影響を最
小限にすることにもなる。前記純アルミニウムの厚みを最小限に留めることによ
って、この作用は僅かなものとなる。現時点において好適な、純アルミニウム外
装銅を有する予備接合複合材6は、例えば、前記ステレンス鋼との接合の前にお
いて、約0.090インチの総厚みを有し、前記各純アルミニウム層4は、予備
結合コア複合材の総厚みの約10%以下を占める。これにより、各純アルミニウ
ム層4は、ステレンス鋼の外層8との圧延接合前において、約0.009インチ
の厚みである。
する非常に重い金属である。最終製品のアルミニウム層2の厚みは、高い機能性
を提供するのに十分であるが、容器の重量を非実用的なものとするほど大きなも
のとするべきでない。銅の必要量は、個々の容器の実際の使用目的に応じて決め
られるであろう。
合において、各純アルミニウム層4の厚みは、予備接合シート総厚みの約10%
、又は、0.009インチであり、銅の内層の厚みは、予備接合シート総厚みの
約80%、又は、0.072インチである。ここで使用する「純アルミニウム」
という用語は、例えば、ECグレードのアルミニウム、1000シリーズアルミ
ニウム合金ファミリ等の高アルミニウム含有率の合金を含むものである。前記ス
テレンス鋼の外層8との圧延接合後、本発明の前記五層複合材10は、本好適実
施例において、約0.072インチの総厚みを有し、これは、様々なサイズの調
理器具の製造に特に好適である。例えば、そのような厚みが0.072インチの
五層複合材10は、0.036インチの厚みの銅コア2と、夫々厚みが0.00
4インチの純アルミニウム層4と、厚みが0.014インチのステレンス鋼の外
層8とを有したものとなる。この例の図3に図示した金属シートの五層積層アレ
イは、熱間圧延前において夫々が0.017インチの厚みを有する304タイプ
のステレンス鋼層8を使用したものである。
2インチの厚みの金属シートとして形成された前記五層複合材10を、絞り加工
によって、図5に示す調理容器20に成形した。複合材金属シートの絞り加工は
周知であり、複動式プレス機又は油圧成形機等によって行うことができる。もち
ろん、本発明の前記五層複合材10から、フライパン、シチュー鍋、ストックポ
ット、ロースト用及びベーキング用鍋、等の様々なタイプ、サイズの調理器具を
作ることが可能である。
れており、開口上部22と、底部24と側壁26とを有する。前記容器20の上
部22には、前記絞り加工中に、外向きの半曲仕上げ27を与えることができる
。その後、トリミングダイを使用して、前記側壁26に対してほぼ平行な形成エ
ッジ28を切除する。前記形成エッジ28は、例えば、3/8インチの半径で丸
み形成される。前記半径に渡ってトリミングダイによって縦に切除することによ
って、非垂直平面に沿って前記銅コアが露出され、これによって銅のエクスポー
ネント(exponent)を最大化する。前記形成エッジ28は、前記両ステ
レンス鋼層8間に挟まれた銅コア2を視覚的に露出させることによって、容器2
0の美観を向上させる。
る凹溝として、切削装飾リング30を追加することによって更に劇的に向上する
。前記切削装飾リング30は、前記外側ステレンス鋼層8と純アルミニウム層4
とを切除して、図5及び6に図示されているように、前記側壁26の周部周りで
前記銅コア2を視覚的に露出させることによって形成される。本実施例において
、前記銅コア2は、前記容器側壁26を、約0.015インチの深さで機会加工
削除することによって視覚的に露出される。この切削リング30の機会加工削除
は、好ましくは、容器20を回転させながら、固定の切断具が前記リング30を
形成するプログラマブルCNC旋盤によって行われる。前記装飾リング30は、
例えば、約1/4インチの幅にカット形成することができる。所望の場合には、
一つ以上の装飾切削リング30を設けて、更に異なる美観を達成してもよい。
がら、前記上部エッジ28を固定具に当てることによってスムージングされる。
その後、容器20は、光沢を出すために、バフ磨き、研磨される。前記側壁26
の研磨されたステレンス鋼と、前記切削リング30に沿った前記銅コア2との視
覚的なコントラストは、非常に特徴的で視覚的に魅力的である。同様に、前記形
成エッジ28は、前記銅コア2と、視覚的にその周りで顕著なステレンス鋼層8
との間のコントラストによって外観的に向上する。
には、400シリーズのフェライト型磁性グレードのステレンス鋼を前記外層と
して使用して、容器を電磁調理器(induction cooking ra
nges)で使用可能としてもよい。前記銅コア2用の銅材料は、好ましくは、
C102高純度銅である。銅の含有率が高ければ高いほど、熱伝導率は高くなる
。前記ステレンス鋼を銅コア2に圧延接合するための「冶金的接着剤」を提供す
る前記薄い純アルミニウム層4によって、もしもそれらがなければ、前記従来技
術‘045ウラム特許のアルクラッド材のアルミニウム合金層の存在によって小
さなものとされてしまう、前記銅コア2の厚みを最大化することが可能である。
とによって銅コア2の厚みが最大化された為に、優れた美観を備え改良された調
理特性が提供されるのである。
全体の教示に鑑みて、種々の改変及びこれらの詳細構成に対する代替構成を開発
することが可能であることが、理解されるであろう。ここに記載した現時点にお
いて好適な実施例は、例示的なものでしかなく、添付の請求項の全範囲によって
与えられるところの本発明の範囲、及びその全ての均等物を限定するものではな
い。
断面図
合材の断面図
びステレンス鋼層の断面図
れた切削リングの一部を図示する側方断面図
Claims (15)
- 【請求項1】 五層複合材金属製品を製造する方法であって、以下の工程を
有する、 銅コアと、この銅コアの両側に接合された純アルミニウムとから成る予備接合
複合材を提供する、そして 前記予備接合複合材の両側の前記純アルミニウムに、ステレンス鋼のシートを
接合して前記五層複合材金属製品を提供する。 - 【請求項2】 請求項1の方法であって、前記予備接合複合材は、高純度銅
シートと純アルミニウムシートとを、約50%の圧延比で冷間圧延し、その後、
550゜F以下の最高温度で冷間圧延後加熱を行うことによって形成され、前記
予備接合複合材に対する前記ステレンス鋼の接合工程は、以下の工程を有する熱
間圧延によって行われる、 前記ステレンス鋼と前記予備接合複合材とを、520゜〜600゜Fの範囲の
温度に加熱し、これら金属を、積層アレイとして、2%〜10%の圧延比での1
回目の圧延パスと、10%〜30%の圧延比での2回目のパスとで圧延し、その
後、これら圧延された金属中での温度均一性を達成するために、600゜F以下
での熱間圧延後に加熱を行い、その後、前記銅とアルミニウムとの間の脆性金属
間化合物の形成を避けるために速やかに冷却する。 - 【請求項3】 請求項1の方法であって、前記純アルミニウムは、ECグレ
ードと、1000シリーズの高アルミニウム含有率合金とから成るグループから
選択され、前記各純アルミニウム層は、前記予備接合複合材の厚みの約10%を
占め、前記銅コアは、前記厚みの約80%を占める。 - 【請求項4】 請求項1の方法であって、更に、前記五層複合材金属製品を
絞り加工によって成形調理容器に成形する工程を有する。 - 【請求項5】 請求項4の方法であって、更に、ステレンス鋼の外層と純ア
ルミニウムとを機会加工削除することによって、前記調理容器の周部の周りに少
なくとも一つの切削リングを形成して前記銅コアを視覚的に露出させる工程を有
する。 - 【請求項6】 請求項4の方法であって、更に、前記調理容器の周部の上部
に半曲側壁を形成する工程と、この半曲側壁を垂直軸心に沿ってせん断して前記
銅コアとステレンス鋼層とを前記五層複合材金属の断面に渡って視覚的に露出さ
せて、前記容器側壁に対してほぼ平行な上部エッジを形成する工程を有する。 - 【請求項7】 五層複合材金属調理容器を製造する方法であって、以下の工
程を有する、 銅シートを提供する、 純アルミニウムの二枚のシートを提供する、ここで、これら純アルミニウムシ
ートのそれぞれは、前記銅シートの厚みの約10%の厚みを有する、 前記純アルミニウムシートと前記銅シートとの対向面を洗浄する、 前記純アルミニウムシートと前記銅シートとの積層アレイを冷間圧延する、こ
こで、前記銅シートは前記アレイのコアを形成する、そして、前記アレイを約5
0%に圧延して、予備結合三層複合材シートを形成する、 前記三層複合材シートを550゜Fにまで加熱する、 二枚のステレンス鋼シートを提供し、これらステレンス鋼シートと、前記予備
接合三層複合材シートの前記純アルミニウム面との対向面を洗浄し、前記各ステ
レンス鋼シートの洗浄済み対向面を、前記三層複合材の前記純アルミニウム面の
洗浄済み面上に載置して五層積層アレイを形成する、 前記五層積層アレイを520゜〜600゜Fの範囲の温度にまで加熱し、この
五層積層アレイを、2%〜10%の圧延比での1回目の圧延パスと、10%〜3
0%の圧延比での2回目のパスとで熱間圧延して五層複合材シートを形成する、 前記五層複合材シートを、熱間圧延後、この五層複合材シート中での温度均一
性を達成するために、600゜Fを超えない温度にまで加熱し、その後、速やか
に冷却を行う、そして 前記五層複合材シートを所望の調理容器形状に成形する。 - 【請求項8】 請求項7の方法であって、更に、ステレンス鋼の外層と純ア
ルミニウムとを機会加工削除することによって、前記調理容器の周部の周りに少
なくとも一つの切削リングを形成して前記銅コアを視覚的に露出させる工程を有
する。 - 【請求項9】 請求項7の方法であって、更に、前記調理容器の周部の上部
に半曲側壁を形成する工程と、この半曲側壁を垂直軸心に沿ってせん断して前記
銅コアとステレンス鋼層とを前記五層複合材金属の断面に渡って視覚的に露出さ
せて、前記容器側壁に対してほぼ平行な上部エッジを形成する工程を有する。 - 【請求項10】 純アルミニウムの層に接合された銅コアと、前記純アルミ
ニウム層に接合された二つのステレンス鋼層とを有する五層複合材シートから成
形される形状を有する調理容器であって、前記各純アルミニウム層の夫々は、前
記銅層の厚みの約10%以下の厚みを有する。 - 【請求項11】 請求項10の調理容器であって、前記銅コアを視覚的に露
出させるべく前記容器の周部の周りに形成された少なくとも一つの切削リングを
有する。 - 【請求項12】 請求項10の調理容器であって、前記銅コアを視覚的に露
出させるエッジ面を備える半曲上端を有する。 - 【請求項13】 請求項10の調理容器であって、前記銅コアを視覚的に露
出させるべく前記容器の周部の周りに形成された少なくとも一つの切削リングと
、更に、前記銅コアを視覚的に露出させるエッジ面を備える半曲上端とを有する
。 - 【請求項14】 請求項10の調理容器であって、前記容器の内面を形成す
る前記ステレンス鋼層の一方はタイプ304であり、他方の前記容器の外面を形
成するステレンス鋼層は、前記調理容器を電磁調理器での使用に適したものとす
るべくフェライト型磁性グレードのステレンス鋼である。 - 【請求項15】 銅コアを有する複層複合材から形成される調理容器であっ
て、前記銅コアを視覚的に露出させるべく前記容器の周部の周りに形成された少
なくとも一つの切削リングを有する。
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