JP2013040370A - クラッド材 - Google Patents

Abstract

【課題】耐食性をより向上させると共に、さらに軽量化を図ることが可能な、自動車部品に好適に用いられるクラッド材を提供する。
【解決手段】ステンレス鋼板２と、ステンレス鋼板２の上層として設けられたＴｉ層３と、Ｔｉ層３に接するように設けられたＴｉ−Ａｌ系金属間化合物層４と、を備えることを特徴とするクラッド材。
【選択図】図１

Description

本発明はクラッド材に関し、特に自動車部品に好適に用いられるクラッド材に関する。

一般に、耐食性を必要とする基材を被覆して複合材を作成する方法として、めっき法や溶射法、クラッド法が知られている。めっき法は、被覆層の層厚を厚くできないという欠点がある。溶射法は、膜の密着性に難がある場合がある。この点で、金属基板の表面に異種金属を圧着するクラッド法で作成されたクラッド材には、そのような問題がなく、腐食しやすい環境下で多く使用されている。

腐食しやすい環境下では、ステンレス鋼板にバリア層となるＮｉをクラッドすることで耐食性を高めたクラッド材が提案されている。例えば、特許文献１では、クラッド材にも適用できるとして、ステンレス鋼板の表面にＮｉではなく、Ｎｉ−Ａｌ系金属間化合物層を設けた複合材が提案されている。このＮｉ−Ａｌ系金属間化合物層は、Ａｌを含有させたステンレス鋼板の表面にＮｉ被覆層を形成し、これらの界面に、ＡｌとＮｉ同士を熱拡散反応させることにより生成している。これによれば、ステンレス鋼板中のＡｌをＡｌ供給源としているので、Ａｌ被覆層を設けることなく、熱処理だけでＮｉ−Ａｌ系金属間化合物層を生成できるというメリットがある。また、ステンレス鋼板表面にＮｉ−Ａｌ系金属間化合物層を生成することにより、ステンレス鋼板表面の耐食性が向上する。

特開平１０−２６５９３８号公報

しかしながら、上述した従来のクラッド材では、ステンレス鋼板を被覆する金属がＮｉ系金属であるため、クラッド材の軽量が図れないという問題があった。これに加え、より厳しい環境下では、なお耐食性に改善の余地があった。

特に、自動車部品では、排気ガス環境に代表されるように、さらに腐食しやすい過酷な環境下で使用されるようになっている。例えば、自動車の排気ガスを回収する排気回収装置では、それに用いるクラッド部材が高温の排気ガスにさらされる。その結果、そのクラッド材が、特許文献１のような、耐食性に優れたＮｉ−Ａｌ系金属間化合物層を表面に有するステンレス鋼板から構成されていても、孔食等の腐食の進行を食い止めることができない。なお、ＳＵＳ４４４に代表される高耐食性ステンレスもあるが、これらを単品で使用しても同様であった。

そこで、本発明は、上記課題を解決し、耐食性をより向上させると共に、さらに軽量化を図ることが可能なクラッド材を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。
本発明の第１の態様によれば、ステンレス鋼板と、前記ステンレス鋼板の上層として設けられたＴｉ層と、前記Ｔｉ層に接するように設けられたＴｉ−Ａｌ系金属間化合物層と、を備えるクラッド材が提供される。

本発明の第２の態様によれば、前記Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層は、前記Ｔｉ層の上層に設けられている第１の態様に記載のクラッド材が提供される。

本発明の第３の態様によれば、前記Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層は、前記Ｔｉ層と該Ｔｉ層の表面に設けられるＡｌ層との間に、前記Ｔｉ層のＴｉと前記Ａｌ層のＡｌとの熱拡散反応により生成されたものである第１又は第２の態様に記載のクラッド材が提供される。

本発明の第４の態様によれば、前記Ｔｉ層は、熱拡散反応前における厚さが２０μｍ以上６０μｍ以下であり、前記Ａｌ層は、熱拡散反応前における厚さが５μｍ以上３０μｍ以下である第１〜第３の態様のいずれかに記載のクラッド材が提供される。

本発明の第５の態様によれば、前記Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層は、Ａｌを含むステンレス鋼板と前記Ｔｉ層との間であって、前記ステンレス鋼板と前記Ｔｉ層との両方に接するように設けられている第１の態様に記載のクラッド材が提供される。

本発明にかかるクラッド材によれば、耐食性をより向上させると共に、軽量化を図ることが可能となる。

本発明の一実施形態にかかるクラッド材を示す概略断面図である。 図１に示すクラッド材の熱拡散反応前を示す概略断面図である。 図１に示すクラッド材の熱拡散反応後にＡｌ層が残存する場合を示す概略断面図である。 本発明の他の実施形態にかかるクラッド材の熱拡散反応前を示す概略断面図である。 図４に示すクラッド材の熱拡散反応後を示す概略断面図である。

（本発明の一実施形態）
以下に、本発明にかかるクラッド材の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施形態にかかるクラッド材１は、基材としてのステンレス鋼板２と、ステンレス鋼板２の表面に設けられたＴｉ層３と、Ｔｉ層３の表面に（上層に）設けられたＴｉ−Ａｌ系金属間化合物層４と、を備えて構成されている。そして、このクラッド材１は、図２に示すように、ステンレス鋼板２の表面にＴｉ層３を設け、Ｔｉ層３の表面にＡｌ層５を設けた後、圧延処理等及び熱処理を施すことによって形成される。

ステンレス鋼板２としては、オーステナイト系、フェライト系等の、種々のステンレス鋼板を用いることができる。特に、自動車部品として用いられる場合、ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６等の耐食性に優れるものを使用することが好ましい。また、ステンレス鋼板２の厚さは６００μｍ以上８００μｍ以下が好ましい。

Ｔｉ層３は、Ｔｉ材（Ｔｉ箔）をステンレス鋼板２の上層に、すなわちステンレス鋼板２の表面に設けることによって形成される。Ｔｉは、Ｎｉより密度が小さい。このため、本実施形態にかかるクラッド材１は、上述した従来のＮｉを使用した場合よりも、軽くすることができ、また加工しやすくなる。

Ｔｉ層３の厚さは、圧延処理後、後述する熱拡散反応前の厚さで、２０μｍ以上６０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以上４０μｍ以下である。本実施形態にかかるクラッド材１の軽量化を図るために、Ｔｉ層３の厚さは薄い方が好ましい。しかしながら、Ｔｉ層３の厚さが２０μｍ未満であると、リップルが発生するため、圧延処理等を施してクラッド材を得ることが難しくなる場合がある。一方、Ｔｉ層３の厚さが６０μｍを超えると、材料コストが高くなるという問題がある。

Ａｌ層５は、Ａｌ材（Ａｌ箔）を上述したＴｉ層３の表面に設けることによって形成される。Ａｌ層５の厚さは、圧延処理後、後述する熱拡散反応前の厚さで、５μｍ以上３０μｍ以下、好ましくは５μｍ以上２０μｍ以下である。本実施形態にかかるクラッド材１の軽量化を図るために、Ａｌ層５の厚さは薄い方が好ましい。しかしながら、Ａｌ層５の厚さは５μｍ以上であることが好ましい。これにより、後述するＴｉ−Ａｌ系金属間化合物層４の厚さが薄すぎることがなくなり、孔食を防止する等の耐食性を向上させることができる。一方、圧延処理が、例えば冷間圧延である場合、Ａｌ層５の厚さが厚すぎると、圧延工程で板厚のばらつきが生じる場合がある。このため、Ａｌ層５の厚さは３０μｍ以下がより好ましい。

上述したように、ステンレス鋼板２の表面に、Ｔｉ層３とＡｌ層５とを設けた後、冷間圧延や温間圧延等の圧延処理や、プレス等を用いて、クラッド材１が形成される。その後、クラッド材１に、熱処理を施すことにより、図１に示すように、Ｔｉ層３の表面にＴｉ−Ａｌ系金属間化合物層４が生成される。

すなわち、クラッド材１に熱処理を施すことにより、Ｔｉ層３からＴｉが拡散し、Ａｌ層５からＡｌが拡散する。そして、このＴｉとＡｌとが熱拡散反応することにより、Ｔｉ層３の表面に、すなわちＴｉ層３とＡｌ層５との界面に、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層４がＴｉ層３と接するように生成される。Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層４は高耐食性を有する。従って、本実施形態にかかるクラッド材１は、耐食性に優れるものとなる。

ここで、熱拡散反応により生成されるＴｉ−Ａｌ系金属間化合物層４のＴｉ−Ａｌ系として、主に、Ｔｉ_３−ＡｌとＴｉ−Ａｌとがある。Ｔｉ_３−ＡｌとＴｉ−Ａｌとを比較したとき、Ｔｉ−Ａｌの方が耐食性により優れる。このため、クラッド材１の耐食性をより向上させるために、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層４中に、Ｔｉ−Ａｌがより多く生成されることが好ましい。従って、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層４を生成する熱処理の温度は６００℃〜６５０℃が好ましい。

また、図１に示すように、熱拡散反応によって生成されるＴｉ−Ａｌ系金属間化合物層４が、クラッド材１の最表層となることが好ましい。すなわち、熱拡散反応後に、クラッド材１にＡｌ層５が残存しないように、Ａｌ層５のＡｌは全て、Ｔｉ層３のＴｉと熱拡散反応させて、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層４とすることが好ましい。なお、図３に示すように、熱拡散反応後、クラッド材１の表面にＡｌ層５が残存する場合には、Ａｌ層５の除去を行うことが好ましい。これにより、クラッド材１の耐食性をより向上させることができる。すなわち、クラッド材１の表面にＡｌ層５が残存していると、Ａｌ層５が腐食することがある。このため、クラッド材１の表面にＡｌ層５が残存しないようにすることによって、Ａｌ層５の腐食に起因するクラッド材１の耐食性の低下を防止することができる。

本実施形態にかかるクラッド材１では、上述し、また図１〜図３に示すように、Ｔｉ層３がステンレス鋼板２とＡｌ層５との間に設けられている。このため、熱処理を行う際、Ｔｉ層３は、Ａｌ層５のＡｌがステンレス鋼板２に拡散することを防止するためのバリヤ層として機能する。従って、Ａｌ層５のＡｌとステンレス鋼板２中のＦｅとが反応することによって、ステンレス鋼板２の表面（界面）に、非常に脆いＡｌ−Ｆｅ金属間化合物層
が生成されることを防止することができる。この結果、本実施形態にかかるクラッド材１は、ステンレス鋼板２の強度や耐力等の機械的特性の低下を防止することができる。

仮に、ステンレス鋼板２の表面にＡｌ層５が設けられ、Ａｌ層５の表面にＴｉ層３が設られた場合、すなわち、Ａｌ層５がステンレス鋼板２とＴｉ層３との間に設けられた場合、熱拡散反応によって、非常に脆いＡｌ−Ｆｅ金属間化合物層が生成されてしまう。すなわち、熱拡散反応によって、Ａｌ層５のＡｌとステンレス鋼板２中のＦｅとが反応して、ステンレス鋼板２とＡｌ層５との界面にＡｌ−Ｆｅ金属間化合物層が形成されてしまう。従って、上述したように、本実施形態にかかるクラッド材１は、ステンレス鋼板２とＡｌ層５とが接しないように構成している。

なお、上述したクラッド材１は、ステンレス鋼板２上に、Ｔｉ材及びＡｌ材を積層して積層材とする積層工程と、積層材に圧延処理等を施してステンレス鋼板２上にＴｉ層３及びＡｌ層５を形成する圧延工程と、圧延工程後に熱処理を施し、熱拡散反応させることによりＴｉ−Ａｌ系金属間化合物層４を生成する熱拡散反応工程と、を少なくとも経て作製される。

（本実施形態にかかる効果）
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果を奏する。

（ａ）本実施形態によれば、ステンレス鋼板２と、ステンレス鋼板２の表面に設けられたＴｉ層３と、Ｔｉ層３の表面に設けられたＴｉ−Ａｌ系金属間化合物層４とを備える。そして、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層４は、Ｔｉ層３と、Ｔｉ層３の表面に設けられたＡｌ層５との間に、Ｔｉ層３のＴｉとＡｌ層５のＡｌとの熱拡散反応により生成されたものである。Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層４は、硬質で、高耐食性を有する。従って、クラッド材１が耐食性に優れるものとなる。また、Ｔｉは軽量であるため、クラッド材１を軽量とすることができる。

（ｂ）本実施形態によれば、Ｔｉ層３は、熱拡散反応時にＡｌ層５のＡｌがステンレス鋼板への拡散を抑制するバリア層として機能する。このため、脆いＡｌ−Ｆｅ金属間化合物層の形成を防止することができる。従って、ステンレス鋼板２の機械的特性の低下を防止することができる。

（ｃ）本実施形態によれば、圧延処理後、熱拡散反応前における、Ｔｉ層３の厚さが２０μｍ以上６０μｍ以下である。そして、圧延処理後、熱拡散反応前における、Ａｌ層５の厚さが５μｍ以上３０μｍ以下である。これにより、クラッド材１は耐食性に優れるとともに、クラッド材１の軽量化を図ることができる。

（ｄ）本実施形態によれば、熱拡散反応によって、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層４を形成する熱処理の温度は６００℃〜６５０℃である。これにより、クラッド材１の耐食性をより向上させることができる。

（ｅ）本実施形態によれば、クラッド材１が優れた耐食性を有する。そして、クラッド材１がより軽量である。このため、自動車部品に好適に用いることができる。特に、例えば、加熱部と冷却部とが、蒸気流路と液流路とによって環状に連結された排気回収装置等の、過酷で腐食しやすい環境下で長期間使用される自動車部品として、クラッド材１は好適に用いることができる。また、クラッド材１は、燃料電池用のセパレータとしても好適に用いることができる。

（本発明の他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

上述した実施形態では、基材として、Ａｌが含まれないステンレス鋼板２を用いた。すなわち、Ａｌが含まれないステンレス鋼板２の表面にＴｉ層３を設け、Ｔｉ層３の表面にＡｌ層５を設けて、圧延等の処理を施した後、熱拡散反応により、Ｔｉ層３の表面にＴｉ−Ａｌ系金属間化合物層４を設ける構成とした。しかしながら、基材として、Ａｌを含むステンレス鋼板２ａを用いてもよい。以下、このような構成を備えた実施形態について説明する。

図４は、本実施形態にかかるクラッド材の熱拡散反応前を示す概略断面図である。図５は、図４に示すクラッド材の熱拡散反応後を示す概略断面図である。本実施形態に係るクラッド材１ａは、基材としてＡｌを含むステンレス鋼板２ａを用い、Ａｌ層５を設けなかった点が、上述の実施形態と異なる。その他は、上述の実施形態と同様である。

本実施形態にかかるクラッド材１ａは、基材としてＡｌを含むステンレス鋼板２ａを用い、ステンレス鋼板２ａの表面にＴｉ層３を設けた後、圧延処理等を施すことによって形成される。そして、その後、クラッド材１ａに、熱処理を施すことにより、ステンレス鋼板２ａの表面、すなわちステンレス鋼板２ａとＴｉ層３との界面に、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層４が生成される。すなわち、クラッド材１ａに熱処理を施すことにより、ステンレス鋼板２ａからＡｌが拡散し、Ｔｉ層３からＴｉが拡散する。そして、このＡｌとＴｉとが熱拡散反応することにより、ステンレス鋼板２ａとＴｉ層３との間の界面に、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層４がステンレス鋼板２ａとＴｉ層３との両方に接するように生成される。

本実施形態によれば、図５に示すように、Ｔｉ層３がクラッド材１の最表層となる。また、Ｔｉ層３の耐食性とＴｉ−Ａｌ系金属間化合物層４の耐食性とを比較した場合、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層４の耐食性の方が高い。従って、Ｔｉ層３がクラッド材１の最表層であるので、Ｔｉ層３が腐食しても、より高い耐食性を有するＴｉ−Ａｌ系金属間化合物層４が存在する。このため、本実施形態にかかるクラッド材１ａは、優れた耐食性を有する。

また、本実施形態によれば、ステンレス鋼板２ａ中にＡｌを含有させることにより、ステンレス鋼板２ａ上にＡｌ層５を形成しなくても、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層４を生成することができる。従って、クラッド材１ａを作製する工程数を低減することができる。

次に、本発明の実施例を比較例とともに説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。表１に、後述する実施例１〜６及び比較例１の条件、結果をまとめて示す。

（実施例１）
実施例１では、基材として、Ａｌを含まない、厚さが６００μｍのＳＵＳ３０４（ステンレス鋼板２）を用意した。そして、厚さが１２５μｍのＴｉ材及び厚さが４０μｍのＡｌ材を用意した。そして、ステンレス鋼板２（ＳＵＳ３０４）の表面にＴｉ材を設け、Ｔｉ材の表面にＡｌ材を設けた。その後、冷間圧延処理を施し、ステンレス鋼板２上に、厚さが２５μｍのＴｉ層３と、厚さが８μｍのＡｌ層５とが形成されたクラッド材１を作製した。その後、クラッド材１を加熱装置を用いて６５０℃で１０分間加熱して、クラッド材１に熱処理を施し、熱拡散反応によって、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層４をＴｉ層３の表面に形成した。

（実施例２）
実施例２では、基材として、Ａｌを含まない、厚さが７００μｍのＳＵＳ３０４（ステンレス鋼板２）を用意した。そして、厚さが１５０μｍのＴｉ材及び厚さが２５μｍのＡｌ材を用意した。そして、冷間圧延処理を施し、ステンレス鋼板２上に、厚さが３０μｍのＴｉ層３と、厚さが５μｍのＡｌ層５とを形成した。その他は、上述の実施例１と同様にしてクラッド材１を作製した。

（実施例３）
実施例３では、基材として、Ａｌを含まない、厚さが６５０μｍのＳＵＳ３０４（ステンレス鋼板２）を用意した。そして、厚さが１４０μｍのＴｉ材及び厚さが５０μｍのＡｌ材を用意した。そして、冷間圧延処理を施し、ステンレス鋼板２上に、厚さが２８μｍのＴｉ層３と、厚さが１０μｍのＡｌ層５とを形成した。その他は、上述の実施例１と同様にしてクラッド材１を作製した。

（実施例４）
実施例４では、基材として、Ａｌを含まない、厚さが６００μｍのＳＵＳ３１６（ステンレス鋼板２）を用意した。そして、厚さが１０５μｍのＴｉ材及び厚さが７５μｍのＡｌ材を用意した。そして、冷間圧延処理を施し、ステンレス鋼板２上に、厚さが２１μｍのＴｉ層３と、厚さが１５μｍのＡｌ層５とを形成した。その他は、上述の実施例１と同様にしてクラッド材を作製した。

（実施例５）
実施例５では、基材として、Ａｌを含まない、厚さが６５０μｍのＳＵＳ３１６（ステンレス鋼板２）を用意した。そして、厚さが１８５μｍのＴｉ材及び厚さが６０μｍのＡｌ材を用意した。そして、冷間圧延処理を施し、ステンレス鋼板２上に、厚さが３７μｍのＴｉ層３と、厚さが１２μｍのＡｌ層５とを形成した。その他は、上述の実施例１と同様にしてクラッド材１を作製した。

（実施例６）
実施例６では、基材として、Ａｌを含まない、厚さが８００μｍのＳＵＳ３１６（ステンレス鋼板２）を用意した。そして、厚さが３００μｍのＴｉ材及び厚さが１５０μｍのＡｌ材を用意した。そして、冷間圧延処理を施し、ステンレス鋼板２上に、厚さが６０μｍのＴｉ層３と、厚さが３０μｍのＡｌ層５とを形成した。その他は、上述の実施例１と同様にしてクラッド材１を作製した。

（比較例１）
比較例１では、基材として、Ａｌを０．５％以上含むステンレス鋼板を用意した。そして、厚さが１００μｍのＮｉ材を用意した。そして、ステンレス鋼板の表面にＮｉ材を設けた。そして、冷間圧延処理を施し、ステンレス鋼板上に、厚さが２０μｍのＮｉ層が形成されたクラッド材を作製した。その後、このクラッド材を加熱装置を用いて６５０℃で１０分間加熱して、クラッド材に熱処理を施し、熱拡散反応によって、Ｎｉ−Ａｌ系金属間化合物層をステンレス鋼板とＮｉ層との界面に生成した。

こうして作製したクラッド材の耐食性及びコストを評価した。耐食性の評価は、高温腐食試験を行って評価した。すなわち、各クラッド材から３×２０×０.５〜２.０ｍｍの角棒形状の試験片を作成した。そして、その試験片を約３１０℃の沸騰硫酸中に一定時間浸漬した後、重量を測定した。そして、試験前のクラッド材の試験片の重量に対する試験後のクラッド材の試験片の重量の減少量を測定した。減少量が２００ｍｇ／ｃｍ^２以上の場合は「×（不合格）」とし、２００ｍｇ／ｃｍ^２未満は「○（合格）」とした。

表１に示すように、実施例１〜６のクラッド材は、いずれも耐食性に優れることが判った。特に、実施例１〜５のクラッド材では、実施例６のクラッド材と比較して、耐食性に加えてコストの面でも優位であることが判った。また、実施例１〜６のクラッド材は、基材として、高価なＳＵＳ４４４（ステンレス鋼板）を用いなくても、耐食性に優れるクラッド材とすることができることが判った。また、実施例１〜６のクラッド材は、ステンレス鋼板を被覆する金属にＮｉ系金属を使用していないため、高い耐食性を有するとともに、さらに軽量化も実現したクラッド材とすることができることが判った。一方、比較例１のＮｉ層を設け、Ｎｉ−Ａｌ系金属間化合物層を生成したクラッド材では、耐食性が劣る結果であった。

１，１ａ クラッド材
２，２ａ ステンレス鋼板
３ Ｔｉ層
４ Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層
５ Ａｌ層

Claims (5)

1. ステンレス鋼板と、
   前記ステンレス鋼板の上層として設けられたＴｉ層と、
   前記Ｔｉ層に接するように設けられたＴｉ−Ａｌ系金属間化合物層と、を備える
   ことを特徴とするクラッド材。
2. 前記Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層は、前記Ｔｉ層の上層に設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載のクラッド材。
3. 前記Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層は、前記Ｔｉ層と該Ｔｉ層の表面に設けられるＡｌ層との間に、前記Ｔｉ層のＴｉと前記Ａｌ層のＡｌとの熱拡散反応により生成されたものである
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のクラッド材。
4. 前記Ｔｉ層は、熱拡散反応前における厚さが２０μｍ以上６０μｍ以下であり、前記Ａｌ層は、熱拡散反応前における厚さが５μｍ以上３０μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のクラッド材。
5. 前記Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物層は、Ａｌを含むステンレス鋼板と前記Ｔｉ層との間であって、前記ステンレス鋼板と前記Ｔｉ層との両方に接するように設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載のクラッド材。

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