JP2005074450A - チタンクラッド鋼板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チタンと鋼とを拡散接合によって接合して得られるチタンクラッド鋼板において、その接合界面に金属間化合物が生成することを抑制し、チタンクラッド鋼板の加工性および溶接性を改善すること。
【解決手段】チタン１１と鋼１２の中間位置に金属間化合物の生成を抑制するための中間材として高融点金属１３および銅１４を配置し、熱間等方圧加圧法による拡散接合によって接合してチタンクラッド鋼板を得る。その際、中間材としての高融点金属１３はチタン１１側にに配置し、銅１４は鋼１２側に配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、耐食性、軽量性、比強度および意匠性を必要とする部位に用いられるチタンと鋼から構成されるクラッド鋼のうち、特に、優れた加工性および溶接性が要求される部位に用いられるチタンクラッド鋼板およびその製造方法に関するものである。

優れた耐食性、軽量性、比強度および意匠性をもつチタンおよびチタン合金は、経済的な理由から鋼と複合化したチタンクラッド鋼として盛んに多種の産業、民生分野で使用されてきた。なお、ここでいう、チタンおよびチタン合金はチタン（Ｔｉ）を主成分として含む金属および合金を、鋼は鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属および合金の総称であり、鋼にはもちろん炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼が含まれる。

チタンクラッド鋼板の製造方法としては、鋳込み、鋳かけなどの溶融接合法、ろう付け、圧延接合法、爆着接合法、拡散接合法等の非溶融接合法など、多種の接合法が採用され、各接合法ごとに多種の特徴をもったチタンクラッド鋼板が開発されてきた。

しかしながら、上記のそれぞれの方法には以下のような欠点がある。

溶融接合法である鋳込み、鋳かけは高温である鋼溶湯の保持、運搬を伴い、接合雰囲気を非酸化雰囲気とする必要があるため、製造装置設備が特別仕様なものとなり製造コストも高くなる。かつ、湯流れ性および濡れ性促進のために、母材を予熱することが必要となり、接合界面を均一な温度分布とするための制御が困難であるため界面性能が不均一となることがある。

圧延接合法の場合は加熱雰囲気を非酸化性雰囲気とする雰囲気制御を必要とし、原料の組立てが煩雑で、形状の自由度が低く、母材の形状、寸法および材質にも制限が多い。

さらに、爆着接合法の場合にはバッチ生産方式であるため製造コストが高く、衝撃を伴う接合法であるため適用できる材質組合せ範囲が狭く、厚さの薄い製品への適用が困難であるなどの寸法の自由度にも制限があり、同一バッチ内でも均一な界面性能を得ることが困難である。そのうえ、爆着接合は方向性のある圧力負荷により接合を行うため形状変化を起こしやすく、機械強度の高い合金鋼の場合には接合後の形状矯正が炭素鋼の場合より困難となる。

一方、熱間等方圧加圧法やホットプレス法による拡散接合法においてもバッチ生産方式であるため製造方案によっては製造コストが高くなる場合があるが、特に、熱間等方圧加圧法によれば、均一な高圧力と温度が等方的にあらゆる位置に作用することによる品質向上等の効果が期待され、例えば、特許文献１、２には、熱間等方圧加圧法による拡散接合を利用したクラッド材の製造方法が開示されている。

しかし、拡散接合法によってチタンと鋼を接合する場合、その接合界面に金属間化合物が生成し、その結果、クラッド鋼板の加工性および溶接性が劣化するという問題がある。

すなわち、本来活性な特性をもつチタンは、鋼をはじめとするあらゆる金属および合金との間で接合界面に金属間化合物を生成し、生成された金属間化合物はセラミックスに近い脆性的な機械的性質を持っているため、製品としてのクラッド鋼板の接合強度を低下させるのみではなく、製造工程中において破壊するなどクラッド鋼板の製造自体が不可能となることもある。仮に、クラッド鋼板として中間製品を製造できたとしても、曲げ加工性、打ち抜き性、プレス成形性といった加工性が金属間化合物の生成により劣化しているため、最終製品への２次加工のほとんどが不可能となってしまう。

さらにアーク溶接や抵抗溶接などの溶接性にも金属間化合物は大きな影響を与え、溶接熱により金属間化合物はさらに成長し、溶接による加熱冷却および応力作用により金属間化合物の破壊が起こり、溶接組立ておよび溶接取付けはほとんど不可能である。
特開２００１−２２５１７６号公報 特開平９−６０７３８号公報

本発明が解決しようとする課題は、チタンと鋼とを拡散接合によって接合して得られるチタンクラッド鋼板において、その接合界面に金属間化合物が生成することを抑制し、チタンクラッド鋼板の加工性および溶接性を改善することにある。

上記課題を解決するため、チタン（Ｔｉ）と鋼を構成する主成分である鉄（Ｆｅ）との金属間化合物の生成を抑制する中間材について鋭意研究した結果、特にチタンを相手とする場合においては高融点金属であるところの、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）およびバナジウム（Ｖ）が金属間化合物の生成に抑制効果があることが判った。

そして、鋼に恒常的に含まれる炭素（Ｃ）はチタンをはじめ、高融点金属とも炭化物を生成することがあるため、炭化物の生成抑制のために銅（Ｃｕ）を高融点金属と鋼の中間位置に配置することでさらに金属間化合物の生成を抑制した安定的な接合界面を形成できることも判った。

本発明は上記の知見に基づきなされたもので、チタンと鋼の中間位置に金属間化合物の生成を抑制するための中間材として高融点金属および銅を配置し、拡散接合によって接合することを特徴とするものである。

中間材として用いる高融点金属および銅（Ｃｕ）は金属間化合物の生成抑止が主目的であるため、その厚さは最小必要限で抑止効果を発揮するが、加工性を考慮すればチタンおよび鋼より十分に薄い厚さ、例えば箔に類する０．１ｍｍ未満で十分であり、経済的な理由からすると０．１ｍｍ前後が適切である。

溶接性および加工性の要因を考慮すれば、融点の高い高融点金属は熱的な耐性も十分であり、銅は延性が十分に高いので応力緩和作用で曲げ性やせん断加工性を向上させる効果もさらに期待できる。

拡散接合による接合は、チタン、鋼およびその中間位置に配置した中間材を、非酸化雰囲気を保持できる装置または容器中で７００〜１０００℃の温度範囲に加熱保持することによって行い、この拡散接合の過程を経ることによってクラッド鋼板を製造する。

本発明でいうクラッド鋼板とは、加工性および溶接性を特に困難としない範囲の小さい板厚をもったクラッド鋼であり、板厚が大きくなると一般にプレス成形性や打ち抜き性といった加工性は劣化し、アーク溶接や抵抗溶接などの溶接性においても条件の制約が増えることから、概して本発明では板厚０．１ｍｍ以上で５ｍｍ以下の範囲をクラッド鋼板の代表例として示すことができる。

本発明によれば、チタンと鋼との接合界面における金属間化合物の生成を抑制できるため、プレス成形性や打ち抜き性といった加工性およびアーク溶接や抵抗溶接などの溶接性に優れたチタンクラッド鋼板を得ることができる。

本発明のチタンクラッド鋼板を構成するチタンおよび鋼は、それぞれチタン（Ｔｉ）を主成分として含む金属および合金、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属および合金であり、一般に市場で入手可能な材料であればよく、中間材として用いる高融点金属や銅（Ｃｕ）も同様に市場で入手可能な材質のものでよく、本発明独自の特殊な仕様による品質特性を持ったものではない。

これらのクラッド鋼板の構成材料は、本発明によれば圧延接合のような板厚変化の起こるマクロ的な変形は発生しないため、原料寸法がそのままでほぼ製品寸法となる特徴がある。

ここでは、チタンクラッド鋼板として最も単純な角板を製造する場合について述べるが、円板状または管状などの複雑形状についても適用は可能である。

本発明においては接合雰囲気を非酸化雰囲気とするため、非酸化雰囲気を保持できる容器内にチタン、鋼および中間材を配置するが、非酸化雰囲気を保持できる容器は軟鋼などの溶接および機械加工が可能な鋼であれば良く、さらに言えばクラッド鋼板を構成する鋼を容器の一部とすることもできる。

中間材としての高融点金属としては経済性からタンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）およびニオブ（Ｎｂ）が比較的入手が容易で、後述する実施例においてはタンタル（Ｔａ）とモリブデン（Ｍｏ）を用いた。また、もう一つの中間材である銅（Ｃｕ）は流通性に問題はなく、材質的には無酸素銅（Ｃ１０２０）、タフピッチ銅（Ｃ１１００）およびリン脱酸銅（Ｃ１２２０）が使用可能である。

そして、中間材としての高融点金属はチタンクラッド鋼板のチタン側に、銅は鋼側に配置することが好適であり、本発明のチタンクラッド鋼板は、チタン／高融点金属、高融点金属／銅、銅／鋼という３種類の接合界面を含むことになる。このような配置とすることで、高融点金属による金属間化合物生成抑制の効果と、銅による炭化物生成抑制の効果の両方を最大限に発揮させることができる。

チタンクラッド鋼板の製造にあたっては、製品形状に対応した容器を組み立て、容器内部にチタンクラッド鋼板を構成するチタン、鋼および中間材を所定位置に配置し、容器内部を真空または不活性雰囲気となる非酸化雰囲気として封入する。

容器を雰囲気封入する方法は、拡散接合工程における若干の変形および加熱保持状態で連続して雰囲気を保持できる方法であれば良く、真空雰囲気を採用する場合は真空排気ポンプを用いた加熱脱気後における鍛接封入、または真空チャンバー中での溶接である電子ビーム溶接がより好適である。

本発明の場合、７００〜１０００℃の温度範囲に加熱保持して、チタンクラッド鋼板を構成するチタン、鋼、ならびに中間材の高融点金属および銅が変形する以上の等方圧力を容器を通して加えるため、加熱と加圧を同時に行える装置および方法が適しており、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ：Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）法が最も好適である。なお、ＨＩＰ法のほかに、ホットプレス法、真空圧延法なども適用できる。

もちろん、ＨＩＰ法では一般にアルゴンガスを加圧媒体として用いているため、ＨＩＰ処理装置内に装入可能な寸法形状であれば、管状製品の場合の円筒形状で容器内径が細くさらに穴が長い場合でも均一な内面圧力を作用させることが可能なため、１バッチ当たりでの複数処理および１容器当たりでの複数製品処理の採用によってコスト的には有利となる。

１容器当たりの複数製品処理の場合、容器内配置のときにチタンクラッド鋼板製品１セット毎に剥離材を配置し、ＨＩＰ処理後に容器を除去すればチタンクラッド鋼板製品は剥離材配置位置で分離して取り出すことが可能である。剥離材としては、チタンクラッド鋼板を構成するチタン、鋼および中間材、特にチタンおよび鋼と反応しない物質であればよく、成分的にはセラミックス系、黒鉛系など、形状的には板状、粉状などのものが適用できるが、作業性および反応性を考慮すればバインダーを含んだセラミックス系剥離材をスプレー塗布する方法が好適である。

添付各図は本発明に基づいてチタン、鋼、ならびに中間材である高融点金属および銅からなるチタンクラッド鋼板を熱間等方圧加圧法により製造する場合の製作要領を示す。

比較例として、中間材として銅を用いず高融点金属のみとした場合も行ったが、製作要領は同じであるため中間材を高融点金属および銅からなる場合を代表例として以下に述べる。

図１は角形容器を用いてチタン（ＴＰ３４０）、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４Ｌ）および中間材の組合せであるであるモリブデン（Ｍｏ）またはタンタル（Ｔａ）と銅（Ｃ１０２０）からなるチタンクラッド鋼板を製造する例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ矢視図、（ｃ）は（ａ）のＹ−Ｙ矢視図である。

同図に示す角形容器は、チタンクラッド鋼板構成材料１を内部に配置するものであり、容器本体２と蓋３および側板４からなり、容器本体２と蓋３および側板４は溶接により組み立てられ、内部雰囲気を保持可能に構成されている。

図１の場合、容器本体２および蓋３は厚さが２．３ｍｍの冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）を用いており、容器本体２の内容積が約３０×１００×２００ｍｍで、側板４は板厚１６ｍｍの一般構造用圧延鋼材（ＳＳ４００）を所定の寸法形状に機械加工して用いた。

また、容器の内容積内にはチタンクラッド鋼板構成材料１を上下から拘束するためのダミー板５（ＳＳ４００）を配置して、構成材料の配置時における拘束および板厚調整の役目も持たせている。

容器本体２内部には、板厚１ｍｍのチタン板１１（ＴＰ３４０）、中間材としての板厚０．１ｍｍモリブデン（Ｍｏ）またはタンタル（Ｔａ）板１３と同じく板厚０．１ｍｍの銅板１４（Ｃ１０２０）、そして板厚１ｍｍのステンレス鋼板１２（ＳＵＳ３０４Ｌ）からなるチタンクラッド鋼板構成材料１（図２参照）が、ほぼ容器本体２の内容積を満たすように合計５セット配置される。今回の各構成材の接合面積は１００×２００ｍｍであるが、この面積はＨＩＰ処理装置の容積制限で大型化することは可能であり、１容器内の製品数も今回は５セットとしたがこれもＨＩＰ処理装置の容積制限内で多数化することも可能である。そして、剥離材として有機溶剤をバインダーとした窒化ホウ素（ＢＮ）が各セットの所定の分離面に相当する両面全面にスプレー塗布されている。

このチタンクラッド鋼板構成材料１を配置した容器をＴＩＧ溶接で組み立てた後、１０^−２Ｐａ以下の真空度を保った真空雰囲気に側板４に取り付けた脱気管６を通して容器を１５０℃に加熱しながら真空ポンプで脱気し、容器内部を真空雰囲気に保持できるように脱気管６の一部を鍛接封止した。

内部を加熱脱気した容器ごとＨＩＰ処理装置内の処理室に配置し、８００℃×９８ＭＰａの保持条件でＨＩＰ処理した。加熱、加圧および冷却速度は特別な条件に制限されず、均一な温度分布と圧力作用が達成できる条件設定であれば良い。

得られたＨＩＰ処理後の容器は、構成材料配置および組立て時の隙間に相当する空間が加圧高密度化に伴った変形をしていたが、体積的な変化はＨＩＰ処理前とほとんど変わらない形状寸法を保っていた。

容器の一部を機械加工にて除去したところ、熱膨張係数の差異によるチタン側が凸となる反りが発生したが、矯正加工で容易に除去できる程度の変形であり、チタンクラッド鋼板の品質および製品歩留上には何ら問題はなかった。

また、反りの発生により各チタンクラッド鋼板は剥離材塗布面で分離し、剥離材を用いた複数製品処理が可能であることが確認された。

全厚２．２ｍｍで１００×２００ｍｍの接合面積をもつチタンクラッド鋼板が５セット得られたが、これからまず予備評価試験用サンプルを各種採取し、マクロおよびミクロ組織観察、片側拘束９０度曲げ試験を行った。その結果を表１に示す。

予備試験の結果、すべてのマクロおよびミクロ組織とも接合界面に異常組織は見られず、健全な金属組織であることが判ったが、曲げ試験で中間材としてモリブデン（Ｍｏ）を単独で用いた比較例１では一部のＭｏ／ＳＵＳ３０４Ｌ接合界面に剥離が発見された。

そして、曲げ試験で合格した構成のチタンクラッド鋼板について応用試験としてパンチ打抜き試験およびスポット式抵抗溶接試験を行った。
パンチ打抜き試験はダイス穴径φ１０．０ｍｍで、パンチ径φ９．５ｍｍのタレットパンチを用いて約１５ｍｍピッチで２０個以上の連続打抜きを行い、直径φ１０ｍｍチタンクラッド鋼板打抜き片のせん断面において剥離の有無などを調べた。

また、直径φ１０ｍｍチタンクラッド鋼板打抜き片をインサートとして、インサートのチタン側に工業用純チタン１種（ＴＰ２７０）を、インサートのステンレス鋼側にニッケル（Ｎｉ２０１）を配置して同時スポット式抵抗溶接試験を行った。そして、溶接後の外観に異常のない溶接継ぎ手のみについて引張試験を実施した。抵抗溶接試験は３相直流式抵抗溶接機を用いて、電流値８０００〜１２０００Ａで７サイクルの基本条件で加圧力などの条件出しを行った上で、最適条件と思われる溶接条件で行った。
その結果、打抜き試験においてはモリブデン（Ｍｏ）のみを中間材とした比較例１の場合には全数についてＭｏ／ＳＵＳ３０４Ｌ界面において剥離が発生し、そしてタンタル（Ｔａ）のみを中間材とした比較例２の場合には約１０％の打抜き片についてＴａ／ＳＵＳ３０４Ｌ界面において剥離が発生した。

打抜き試験で合格した実施例１および実施例２について１０式以上のスポット式抵抗溶接試験を行った結果、実施例１の中間材としてモリブデン（Ｍｏ）および銅（Ｃｕ）を用いた場合には溶接片がＣｕ／ＳＵＳ３０４Ｌ界面にタガネを打ち込むことで分離したため、引張試験はタガネの打ち込みで分離しなかった実施例２のみについて行った。加工性のみの要求仕様であれば、中間材をモリブデン（Ｍｏ）および銅（Ｃｕ）とした実施例１も十分に使用可能なチタンクラッド鋼板であると判断された。

中間材をタンタル（Ｔａ）と銅（Ｃｕ）とした実施例２は引張強さが３０００Ｎ以上であり、溶接継ぎ手としても十分な接合強度を有していることが判った。

本発明のチタンクラッド鋼板は、チタンクラッド鋼が元来有する耐食性、軽量性、意匠性等の特性に加えて、加工性および溶接性が要求される部材、例えば、反応容器の内張材、表面処理装置の電極材、車両の構造材、建築物の外装材等として有用である。

角形容器を用いて中間材として高融点金属および銅を含むチタンクラッド鋼板を製造する例を示す。 中間材として高融点金属および銅を含むチタンクラッド鋼板の構成例を示す。

符号の説明

１ チタンクラッド鋼板構成材料
１１ チタン板
１２ ステンレス鋼板
１３ モリブデンまたはタンタル板
１４ 銅板
２ 容器本体
３ 蓋
４ 側板
５ ダミー板
６ 脱気管

Claims (6)

1. チタンと鋼とを拡散接合によって接合して得られるチタンクラッド鋼板において、チタンと鋼の中間位置に金属間化合物の生成を抑制するための中間材として高融点金属および銅を配置したことを特徴とするチタンクラッド鋼板。
2. チタン側に高融点金属を配置し、鋼側に銅を配置した請求項１に記載のチタンクラッド鋼板。
3. 拡散接合による接合が、熱間等方圧加圧法によって行われた請求項１または２に記載のチタンクラッド鋼板。
4. チタンと鋼の中間位置に金属間化合物の生成を抑制するための中間材として高融点金属および銅を配置し、拡散接合によって接合することを特徴とするチタンクラッド鋼板の製造方法。
5. チタン側に高融点金属を配置し、鋼側に銅を配置するようにした請求項４に記載のチタンクラッド鋼板の製造方法。
6. 拡散接合による接合を、熱間等方圧加圧法によって行う請求項４または５に記載のチタンクラッド鋼板の製造方法。
   

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