JP2013522041A - αアルミナを得るために熱処理されたアルミニウムシートと、接合圧延により表面に埋め込まれる、凹凸を表面に有する他のシートとを具備する金属集成体の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、アルミニウムシートおよび少なくとも１つの金属シートを含む金属集成体の製造方法であって、前記アルミニウムシート（１０）の表面のαアルミナ層を生成し安定させるために、十分な時間、前記アルミニウムシート（１０）を構成する材料の融点温度の８０％〜１００％の温度まで前記シートを加熱することによって前記アルミニウムシート（１０）を熱処理し、その後、前記シートを冷却することと、前記アルミニウムシート（１０）の延性以下の延性を有し、前記αアルミナ層の厚さ以上の深さの表面上の凹凸（２１）を有する金属シート（２０）を用意することと、前記金属集成体（１）を製造するために圧延機にて前記アルミニウムシート（１０）と前記金属シート（２０）とを接合圧延することと、を含み、前記圧延機が、その圧延用外面が凸部を有する少なくとも１つのシリンダーを備える製造方法に関する。

Description

本発明は主に、アルミニウム／金属集成体の製造に関する。詳細には、本発明は良好な密着力を有する金属集成体を得るために互いに接合されて形成されたアルミニウムシートと金属シートを備える集成体の製造方法に関する。

アルミニウムは、優れた耐酸化性、低密度、高い伝導率を有し、可鍛性のある常磁性の金属である。アルミニウムが大気中で酸化されると、アルミニウムは、その表面が酸化されてアルミニウムを保護するアルミナの薄い層を急速に形成する。この天然のアルミナ層は、約１〜３マイクロメートルの厚さを有する。

しかしながら、アルミナは、アルミニウムとは異なり、高い絶縁性を有し、特に、他の金属（例えば、鉄、鋼鉄、又は銅）上において、アルミニウムの濡れ性を妨げるバリアを形成する。また、用途により、伝導率、低密度等のアルミニウムの特性だけではなく、特に鋼鉄やニッケルが示す磁性、破断強度、溶接性、剛性等の付加的な特性が必要とされる場合がある。また、アルミニウムと鉄の組合せは難しいので、これらの材料からなる集成体の製造には多くの問題がある。典型的には、平衡状態図はアルミニウムと強磁性材料の合金が可能であることを示すが、それらの合金は、機械的に脆く常磁性を有する所定の化合物を形成することができるのみである。

アルミニウムのシート（又は板）と、別の金属、特にニッケル、銅、コバルト、又はアルミニウムから製造されるシート（板）とを備える金属集成体の製造および形成は、製造者にとって興味のあるものである。なぜなら、軽量で剛性のある金属集成体は、現状において、全ての種類の金属、特にアルミニウムに対して容易に達成できない溶接、接着等による集成を必要とするからである。例えば、熱交換器の場合、耐腐食性を有し、低密度、低コストで剛性のある金属集成体を得ることが望まれる。しかしながら、商業上入手可能なアルミニウム板の使用は、可鍛性の面で適切なものではなく、また、表面上に存在するアルミナ層のために、それらの（板、粉末等の形態の）他の金属との集成は困難なものとなっている。

アルミニウムをベースにした数多くの金属集成体が開発されているが、いずれも実施に時間がかかり、かつ困難な欠点があり、多くの場合、専用の設備を必要とし、エネルギーコストが高いという欠点を有する。

そこで、本発明の１つの目的は、低いエネルギー消費で再生できる低コストの金属集成体の製造方法を提案し、軽量で、大きな剛性を有し、該当する場合には、良好な耐腐食性を有する金属集成体を得ることである。

上記目的のために、本発明は、アルミニウムをベースにした第１のシートと、少なくとも１つの第２の金属シートを備える金属集成体の製造方法であって、
前記アルミニウムシートの表面に存在する酸化物層の同素変態によってαアルミナ層を生成して安定させるために、前記アルミニウムシートを、それを構成する材料の融点の８０％〜１００％の温度まで加熱することによって熱処理し、その後、再びそれを冷ますステップと、
前記アルミニウムシートの延性以下の延性を有し、前記αアルミナ層の厚さ以上の深さの表面上の凹凸を有する金属シートを用意するステップと、
前記金属集成体を得るために圧延機にて前記アルミニウムシートと前記金属シート（２０）とを接合圧延するステップと、を含み、
前記圧延機が、その圧延用外面がレリーフを有する少なくとも１つのシリンダーを備える、金属集成体の製造方法を提供する。

本発明の製造方法は、以下の非制限的な好ましい態様がある。
・前記接合圧延は、低温で実施する態様がある。
・前記接合圧延は１回の通過工程で実施する態様がある。
・前記アルミニウムシートの前記熱処理の時間は、約２０分〜約２時間とする態様がある。
・前記レリーフが、溝又は十字である態様がある。
・前記溝が、直線状、歯状、狭間模様、および／又は波状である態様がある。
・前記レリーフが前記圧延機におけるシートの圧延方向に対して概略、平行な方向および／又は横切る方向に延在している態様がある。
・前記圧延機の２つの相補的なシリンダーの圧延用外面が前記接合圧延中に逆位相で、かつ同一のレリーフを有する態様がある。
・前記２つのシリンダーの１つのシリンダー表面がレリーフを有し、対向するシリンダーが滑らかである態様がある。
・前記金属シートが、金属グリル(grille)、金属ラティス（lattice)、金属発泡体、金属ハニカム構造、金属ケーブル、および粗い金属シートの群から選択される１つの要素で形成される態様がある。
・前記金属シートが、鋼鉄、鉄、ニッケル、コバルト、銅、面心立方結晶構造を有する金属、およびそれらの合金の群から選択される１つの材料である態様がある。
・前記シートの接合圧延ステップの前に、前記金属シートの厚さに応じて決められる時間、前記金属シートを構成する金属の融点の７０％〜９８％の温度まで前記金属シートを加熱するステップと、前記シートを周囲温度まで冷ますステップと、を含む。
・前記冷却ステップと接合圧延ステップの間に、前記金属シートをストリッピングするステップをさらに含む態様がある。
・前記金属シートが補助的なアルミニウムシートであり、前記シートの接合圧延ステップの前に、前記補助的なアルミニウムシートの表面にαアルミナ層を生成し安定させるために、十分な時間、それを構成する材料の融点の８０％〜１００％の温度まで加熱する加熱ステップと、前記補助的なアルミニウムシートを冷ます冷却ステップと、を含む態様がある。
・前記金属シートが表面処理を受けるステップをさらに含む態様がある。
・前記アルミニウムと前記金属シートの接合圧延の前に、それらを集成するステップをさらに含む態様がある。
・前記シートを集成するステップは、リベット留め、点溶接、前記シートのヘッドの予備圧延、自己貫通ネジ、電子ビーム溶接、接着剤による接着、および／又はフランジングによって実施する態様がある。
・補助的な金属シートが、さらに前記アルミニウムシートおよび金属シートと接合圧延される態様がある。
・前記２つの金属シートと前記アルミニウムシートとが１回のステップで同時に接合圧延される態様がある。
・平坦な集成体を得るために滑らかなシリンダーを備える圧延機にて、前記アルミニウムシートと前記金属シートとを最初に接合圧延し、その後、前記金属集成体を得るためにレリーフを有する１つ又は複数のシリンダーを備える圧延機にて前記平坦な集成体が前記補助的な金属シートと接合圧延する態様がある。
・前記接合圧延ステップの前に、前記アルミニウムシートに粉末の層を適用するステップをさらに含む態様がある。
・平坦な集成体を得るために、滑らかなシリンダーを備える圧延機にて前記アルミニウムシートと前記粉末とを接合圧延し、その後、前記金属集成体を得るために、その圧延用外面がレリーフを有する少なくとも１つのシリンダーを備える圧延機にて前記平坦な集成体を前記金属シートと接合圧延する態様がある。
・前記粉末が前記接合圧延ステップの前に、前記アルミニウムシートと前記金属シートとの間に適用され、その後、前記アルミニウムシートと、前記粉末と、前記金属シートとを備える前記集成体を前記圧延機にて接合圧延する態様がある。
・前記金属粉末の前記アルミニウムシートへの適用の前に、前記金属粉末を脱水する補助的なステップをさらに含む態様がある。

第２の態様において、本発明は、圧延方向に縦に延在する溝を有する圧延用外面を有する第１シリンダーと、その圧延用外面が滑らか又は第１シリンダーの溝と逆位相の溝を有する第２シリンダーを備える圧延機において、本発明の方法にしたがった少なくとも１つの金属シートとともにアルミニウムシートを形成するステップを含む、熱交換器の製造方法を提供する。

本発明の第２の態様の製造方法は、以下の非制限的な好ましい態様がある。
・前記金属シートは、銅、鉄、又は鋼鉄のシートである態様がある。
・前記金属シートが、補助的なアルミニウムシートであり、前記シートの接合圧延ステップの前に、前記補助的なアルミニウムシートの表面にαアルミナ層を生成し安定させるために、十分な時間、それを構成する材料の融点の８０％〜１００％の温度まで加熱するステップと、前記補助的なアルミニウムシートを冷ますステップとを含む態様がある。

本発明の他の特徴、目的および利点は、限定しない例として与えられる添付図面を参照して、以下の詳細な説明を読むことによってより明らかになるだろう。

本発明の方法により製造できる、第1例に係る金属集成体の横断面図。 図１の金属集成体の長手方向断面図。 本発明の方法により製造できる第２例に係る金属集成体の横断面図。 本発明の方法により製造できる第3例に係る金属集成体の横断面図。 本発明の方法により製造できる第4例に係る金属集成体の横断面図。 本発明の方法により製造できる第5例に係る金属集成体の横断面図。

まず、密着した積層体を形成する少なくとも一のアルミニウムシート１０と一の金属シート２０を備える、本発明の金属集成体の概略的な製造方法を説明する。この方法は、アルミニウムシートの熱処理ステップ、シリンダーのうち、少なくともその１つの外面が滑らかではなくレリーフ（浮彫）を有するシリンダーを備える圧延機を用いて結合圧延する接合圧延ステップを含む。

第１ステップにおいて、アルミニウムシート１０の表面上に存在する酸化物層の同素変態を実施する。この目的のために、アルミニウムシート１０は、層を安定化かつ均質化させるために十分に長い時間、その成分材料の融点の８０％〜１００％の温度まで加熱する。このステップは、乾燥した環境で実施されることが好ましい。好ましくは、アルミニウムシート１０は、融点の９３％〜９８％の温度、より好ましくは、約９５％（＋／−１％）の温度に加熱する。ここで、「シート」は薄い板（厚さ数ミリ）、箔（厚さ数ミクロン）等、又は圧延できる実質的に平坦な任意の形状のものを意味する。また、アルミニウムシート１０は、純アルミニウムであってもよいし、アルミニウム合金であってもよい。

但し、本発明は、良好な熱伝導性を有しており、その体積全体にわたって均一な温度に加熱することができるアルミニウムシートに特に適している。典型的には、国際分類システムにおける１０００系（Ａ５〜Ａ９等）から製造されるアルミニウムシートがある。例えば、アルミニウムシートは５００℃〜６６０℃に加熱された、厚さ５〜２０ミクロンの、食品に使用可能なアルミニウム紙であってもよい。アルミニウムシート１０のこれら２つの例に対し、熱処理の時間は約２０分〜約２時間であり、好ましくは約３０分である。厚いアルミニウム箔１０、典型的には１２ｍｍの場合、熱処理時間は約４５分とすることが好ましい。

上述したように、アルミニウムシート１０の厚さは、圧延条件によって数ミリメートルに制限される。しかしながら、全ての場合において、熱処理の時間は、２時間を超えないことが好ましい。当然、上記に示された時間は大きさの程度であり、熱処理の実施条件、特に使用されるアルミニウムの種類や初期品質、炉の特性、および周囲の残留湿度に応じて拡張されてもよい。劣悪な条件下で処理時間が長くなりすぎると、αアルミナ層が劣化する可能性がある。熱処理は、例えば、残留水分を取り除き、αアルミナの水酸化を防止するために炉を予備加熱することによって、乾燥した環境で実施することが好ましい。それにより、アルミニウムシート１０に損傷を与えることなく、熱処理の時間を、例えば、最大で４時間まで延ばすことができる。

また、通気のために炉の外部の大気を使用する炉の使用も、αアルミナ層が水酸化されるという危険性を伴うので、良質なものではない。好ましくは、熱処理の時間を延ばすことが望まれる場合、雰囲気制御式の炉を使用する。また、αアルミナ層の品質も、シート１０におけるアルミニウムの種類および炉の品質に依存するだろう。即ち、アルミニウムの純度が高ければ高いほど（例えば、Ａ９アルミニウム）、そして炉の汚染が少なければ少ないほど、αアルミナ層に損傷を与える危険性を伴わずにアルミニウムシートの熱処理を長引かせることができる。例えば、「汚染された」炉にてＡ５合金からなるアルミニウムシートの熱処理を４時間行った場合、αアルミナ層は安定化するが、Ａ５合金を構成する多様な材料と炉の金属との反応により、その品質は劣悪なものとなり、緑や黒の斑点を生じる。

第２のステップにおいて、アルミニウムシート１０を冷却する。実際には、アルミニウムシート１０を冷却するために必要な時間と、考慮する必要があるアルミニウム層の安定化温度での残留時間とを区別することが必要である。実際、アルミニウムシート１０の「低温圧延」が可能な温度まで十分に低下していれば（後述記載参照）、冷却時間および冷却後の最終的な温度自体は決定的な特性ではない。実際、得られるシート１０に影響を与えることなしに、シート１０を大気中でゆっくりと冷ますこともできるし、又は（例えば、急冷によって）急速に冷却することもできる。

最終的な冷却温度は、例えば、本方法が実施される室温、典型的には約２０℃である。しかしながら、アルミニウムシート１０をさらに冷却することもできるし（例えば、摂氏０℃）、又はそこまで冷却しなくてもよい（例えば、約摂氏６０℃）。そして、熱処理前のアルミニウムシートの破断強度より低い破断強度（熱処理前の約６０ＭＰａより低い１５〜２０ＭＰａ）を有するアルミニウムシート１０が得られる。実際、熱処理は、アルミニウムの粒子サイズを増大させ、その後に行う加工を容易にする。

最後のステップにおいて、アルミニウムシート１０は、選定された金属シート２０と圧延機により接合圧延する。接合圧延は、熱処理後すぐに行う必要はない。例えば、熱処理とシートの接合圧延との間は、数時間あるいは数週間あいていてもよい。金属シート２０は、その役割として、本発明の方法によるアルミニウムシート１０との密着した集成体を保証するために、特定の物理的特性を有さなければならない。特に、金属シート２０の少なくとも一の面は、アルミニウムシート１０の熱処理中に生成されたαアルミナ層の厚さ以上の深さ、典型的には約５ミクロンの深さを有する表面上の凹凸２１を有さなければならない。熱処理がアルミニウムシート１０を安定化させるために十分な時間を超えて継続された場合であっても、アルミナ層の厚さがアルミニウムシート１０の厚さに関係なく、約５ミクロン（１〜２ミクロン以内に）の状態を維持することに注意することが重要である。しかしながら、数時間（概ね４時間）を超えると、熱処理は「均質化」処理になる。即ち、αアルミナ層は劣化し、それを構成している粒子はもはや同一平面上には存在しなくなるので、αアルミナ層の最終的な厚さが変更され、黒や緑を呈する。

例えば、金属シート２０はラティス（又は、より一般的な用語であるグリル）又はハニカム構造であってもよく、そして表面凹凸２１はシート２０に存在する貫通孔又は塞がれた孔によって形成されてもよい。ここで「ラティス」は、圧延された金属をクロッピング(cropping)およびドローイング（drawing）によって単一の部材で製造された格子を意味し、「グリル」は、例えば、ワイヤを編んで製造されたシートを意味する。

また、金属シート２０は、細孔２１が好ましくは開口して、５ミクロン以上の直径を有する発泡金属や、５ミクロン以上のサイズの表面粗さを有する金属シートであってもよい。当然のことながら、表面凹凸２１が十分に大きいサイズを有すれば、他の種類の金属シートも使用可能である。例えば、滑らかな表面を有する金属シート２０を十分な凹凸を与えるために、スチールウールによるブラッシング、研磨、化学処理等によって処理し、本発明で使用できるようにしてもよい。また、金属シートは、金属シート２０の電気伝導性、透磁率、摩擦係数の変更等の物理的な特性のいくつかと同様に、金属シートの特に耐腐食性を増加させるために、湿式又は乾式の方法による表面処理を行うことができる。例えば、鋼鉄の金属シート２０の耐腐食性を増大させるためにそれにニッケルの堆積を実施することができる。

金属シート２０は、接合圧延ステップ中に金属シート２０の表面上の凹凸２１におけるアルミニウムの互いの浸透を可能にするために、熱処理後にアルミニウムシート１０より小さい延性を有さなければならない。それは、例えば、鋼鉄、鉄、ニッケル、コバルト、銅、面心立方結晶構造を有する金属（金、銅、銀等）、又はそれらの合金が挙げられる。

第１アルミニウムシートと同一又は類似のアルミニウムシートであって、熱処理が施されるアルミニウムシートは、実際に、本製造方法における金属シートとして使用するための要件を満足する。なぜなら、熱処理は、第１に、約５ミクロンの厚さの粗さを有するαアルミナ層（およびそれによる十分な凹凸を有する表面）を表面上に生成および安定させ、第２に、シートの延性を実質的に第１アルミニウムシートと同程度にするからである。

それゆえ、アルミニウムシート１０の金属シート２０との接合圧延は、高温又は低温で実行することができ、１回又は複数回の通過工程で実行することができる。しかしながら、これに関し、発明者は、単一通過工程における、シートを新たに加熱することのない低温（即ち、周囲温度）の、例えば、約０℃から６０℃の間での接合圧延が大幅に良好な結果を得られることを書き留めておく。なぜなら、複数回の通過工程によって、アルミニウムシート１０と金属シート２０によって形成される金属集成体１は剥離の危険性を生ずるのに対し、１回の通過工程のみの場合にはアルミニウムシート１０は密着した金属集成体１を形成するために金属シート２０と互いに浸透するからである。

特に、接合圧延は、例えば、約２〜１０の圧延減少率で、０．１ｋｍ／ｈ〜３ｋｍ／ｈの速度で実行することができる。接合圧延中に金属集成体１が変形したり横滑りしたりすることを防止するために、接合圧延の前に、例えば、シート１０と２０のリベット留め、点溶接、集成体ヘッド１の予備圧延、自己貫通ネジ、電子ビーム溶接、又は任意の従来の接着剤又はフランジングシステムによって、アルミニウムシート１０と金属シート２０を集成してもよい。冶金学の分野にある先入観に反し、シートの点溶接は、実際には、アルミニウムシート１０に施される熱処理のために、特に同素変態および酸化物層の安定化の理由により可能となる。

さらに、上述したように、圧延機の少なくとも１つのシリンダーの外面はレリーフを有する。例えば、レリーフは圧延方向に平行又は横切る方向に延在する溝（furrow）、十字等の形状を有する。溝は直線状（狭間模様シリンダー）であってもよいし、非直線状（特に、歯状、狭間模様、波状の溝、又はこれらのパターンの組み合わせ）であってもよいし、均一（一定の幅のＵ型の壁）であってもよいし、非均一（シリンダーの表面に沿って可変の幅のＵ型の壁）であってもよい。

圧延機の隣接する２つのシリンダーがレリーフを備えている場合、集成体の圧延中にレリーフの突起部分が互いに向かい合うように、これらのレリーフを同一かつ同相としてもよい。典型的には、圧延方向に平行に延在する直線状の溝の形状のレリーフの場合、アルミニウムシートと金属シートを集成し、それらの間に圧延方向に延在する溝（furrow）を有する金属集成体が得られる（特に、図１、図２参照）。

変形例において、レリーフは、また、同一かつ逆位相のものであってもよい。圧延方向に平行に延在する直線状の溝の形状の場合、図６のように、互いに接合されたチューブ３０を備える金属集成体が得られる。そのような集成体は特に、熱交換器の製造に使用することができる。一般に、これらの金属集成体は（アルミニウムの使用にもかかわらず）圧延方向の大きな剛性、低密度、増大された耐腐食性を有する。さらに一般的には、レリーフの選択は金属集成体の応用例によっても左右される。なぜなら、任意の概略的な方向に拡張する金属シート２０のレリーフおよび材料の使用は、金属集成体のその方向への強度を増大させるからである。例えば、シリンダーが狭間模様の場合、レリーフは圧延方向に平行な直線上の溝となり、圧延は最終的な金属集成体に対しこの方向の大きな剛性を与える。さらに、歯状、波状、狭間模様の溝等の、２つの延在方向を有するレリーフの使用は圧延方向に平行な方向および横切る方向の両方に対して大きな強度を有する金属集成体を得ることを可能にする。

金属集成体の最終的な厚さは、アルミニウムシートおよび金属シートの初期の厚さ、シリンダー状のレリーフ、および圧延機に適用される力に依存する。αアルミナ層はまた、金属集成体１の接合圧延中に潤滑油の役割を果たすとともに、アルミニウムの耐腐食性を実質的に増大させる。そして、増大された腐食および引っ張り力に対する耐性、重量比に対する高い機械的強度、純アルミニウムより広範囲の使用温度範囲（アルミニウム／鉄集成体の場合、約−２００℃〜＋２００℃）、又は熱処理前のアルミニウムと同程度の伝導性等の優れた特性を有する金属集成体１が得られる。また、金属集成体１には、他の従来の金属シートと同様に、表面処理が施されてもよいし、打ち抜き、成形、溶接等が行われてもよい。

最後に、金属集成体は、複数の異なる又は同一の金属シートを備えてもよい。そして、これらのシートは１回の通過工程かつ低温で直接的に一緒に接合圧延されることが好ましい。変形例として、接合圧延の前に２枚のシート、例えば、２枚のアルミニウムシートの間に広げられる金属粉末の層の追加によって増強されてもよい。そのような金属層２０は、そのグラニュロメトリーがアルミニウムシート１０のアルミナ層の厚さ以上である場合、表面上の凹凸２１に関して課される条件を満足する。金属粉末は鋼鉄、鉄、ニッケル、コバルト、銅、面心立方結晶構造を有する金属（金、銅、銀等）、又はそれらの合金から構成されるものであってもよい。

以下に、使用可能な金属シートおよびレリーフの例を挙げながら、本発明の製造方法をより詳細に説明する。但し、以下の例は、本発明を説明するためのものであって本発明を限定するものではない。さらに、以下に具体的に示す加熱、冷却、および接合圧延のステップは、例示であり、上述の概略的な製造方法と照らすべきものである。

アルミニウムシート１０および鋼鉄シート２０を備える金属集成体１の場合、本発明の方法は、鋼鉄シートの厚さに依存する時間、通常、１ミリメートル厚のシート２０の場合、３０分間、鋼鉄シートの融点の７０％〜９８％の温度、例えば、１１００℃まで鋼鉄シートを加熱する補助的なステップを備えてもよい。加熱時間は、鋼鉄シート２０の密度、熱容量、熱伝導率、および厚さに依存する。本実施例において、アルミニウムシート１０は１０００系の合金から製造され、鋼鉄シート２０は軽量合金ＸＣ１０鋼鉄シートから製造する。そして、鋼鉄は、アルミニウムシートの冷却温度まで冷却する。先に述べたように、アルミニウムシート１０と同様に、鋼鉄の冷却時間および冷却された鋼鉄の最終的な温度は決定的なパラメータではない。

鋼鉄シート２０は、密着した金属集成体１の形成を妨害する可能性がある表面上の酸化物層を除去するように、機械的又は化学的にストリッピングする。一実施例によれば、このストリッピングは、サンドブラストによって実施される。金属シート２０の表面が平らであってはいけないということを考慮すると、サンドブラストのグラニュロメトリーは重要ではない。その一方で、金属への研磨用の粒子の侵入を防ぐために、サンドブラストの圧力は制御されなければならない。

変形例において、ストリッピングはスチールウールによるブラッシングによる（例えば、塩酸による）酸による浸食又は他の周知の技術によって実施される。このように得られた鋼鉄シート２０は、好ましくは低温かつ１回の通過工程で、少なくとも１つのシリンダーの外面がレリーフを有する圧延機において、熱処理されたアルミニウムシート１０とともに接合圧延される。このようにして得られた金属集成体１は予想外の特性を有する。

まず、金属集成体１は、アルミニウムおよび鋼鉄シート２０が別々に使用されたときに呈する特有な特性のいくつかを兼ね備える。即ち、金属集成体１は、良好な電気伝導性および低密度を有するとともに、強磁性であり、磁石を引き付け、それらをその外面に接触させたままにできることがわかった。例えば、等級Ａ５の食品に使用可能なアルミニウム紙および約１ｍｍ圧のニッケルラティスからなる金属集成体１の場合、集成体は約４．７の密度を有するとともに、その比透磁率は約３００であり、伝導率はアルミニウムの伝導率（約４．６×１０^＋８ｏｈｍｓ^−１．ｍ^−１）に近く、機械的引っ張り強さは約１０ＭＰａである（これは約１００ミクロン程度の薄さのシート１０にとって意義がある）。かくして、アルミニウム１０および金属２０のシートの選択された厚さに応じて、軽量で、機械的に強く、可撓性電磁遮蔽を呈すべく、本発明の方法により得られるアルミニウム／ニッケル金属集成体１を利用することが可能になる。

加えて、集成体１には連続的に接合圧延を施すことができ、単一の初期の集成体から層の数を機械的に増やすことができる。そして、この複数の層は特に、厚さによる良好な分布によって機械的な強度（引っ張り(traction)／引き裂き（tearing））および磁気抵抗の面で初期の集成体よりもさらに優れた特性を有する。好ましくは、連続的な圧延の場合、最初の接合圧延動作は滑らかなシリンダーを有する圧延機で実施され、最後の接合圧延だけが表面にレリーフを有する１つ又は複数のシリンダーによって実施される。

さらに、金属シート２０が鋼鉄から作製する例としての実施形態においては、集成体１は圧延中、十分に整列された状態のままとなるので、４つ（又はそれ以上の）シリンダーを備えた圧縮圧延機の代わりに２つのシリンダーを有する圧延機だけを使用することが可能となる。さらに、そのような金属集成体１に対して実施された試験は、金属集成体１が１２時間の２１０℃の飽和水蒸気下で腐食および剥離に対して耐性を有することを示した。同様に、得られた集成体は剥離することなく、７７Ｋ（約−１９６℃）の温度に耐性を示した。また、試験は、本発明の方法の第１ステップにて実施される熱処理の後に得られたアルミニウムシートが（シート単体に対する使用温度範囲である−２００℃〜＋１５０度より広い、約−２００℃〜＋２００℃の）広範囲の使用温度を有することを示した。

しかしながら、金属シート２０の熱処理は、全ての材料に対して必ずしも必要ではない。その目的は、構成する材料を機械的に柔らかくすることである。例えば、アルミニウムシート１０をニッケル、銅、金、又は他の面心立方材料のシート２０と互いに浸透させて形成する金属集成体１を製造する場合、金属シート２０を加熱するステップおよびその表面をストリッピングするステップは選択的なものである。さらに、好ましい実施形態によれば、アルミニウムシート１０は、事前に予備圧延ステップを施すことなく、本発明による方法に従って直接的に熱処理する。なぜなら、そのような事前圧延は、アルミニウムの一次的又は二次的な再結晶化を生じさせる可能性があり、次に行われる接合圧延をより困難なものにする可能性があるためである。

第２の実施形態によれば、金属シート２０は銅シート２０、特に、グリッド（grid）又はラティスとすることができる。そして、それは、アルミニウムシートの熱処理後、金属集成体を得るために、集成体の産業上の用途に応じて選択した１つ又は複数の適切なレリーフを有する圧延機において、１回の通過工程かつ低温で、アルミニウムシートと銅シートを接合圧延させるだけで十分である。

この金属集成体は、典型的には、（銅シートの存在によって初期のアルミニウムシートに比べて改善された）良好な伝導率、低密度、良好な耐腐食性、レリーフの主方向における大きな剛性等の、目的とする多数の特性を有する。この金属集成体は、例えば、燃料電池の電極の製造、又は軽量かつ剛性でありながら良好な伝導率および耐腐食性を必要とする他の金属集成体に対して適したものである。さらに、そのような電極を一方のシリンダーの圧延面だけがレリーフを有し、他方のシリンダーが滑らかな圧延機にて製造することも可能である。また、集成体は、最終的な集成体の伝導率をさらに改善するために、アルミニウムシートの露出側の面に配置し、他のシートと同時に接合圧延する第２の銅シートを備えていてもよい。

第３の実施形態によれば、上述したように本発明の方法は、互いに浸透しあう２枚のアルミニウムシートから形成された集成体を製造することができる。この場合、金属シート２０は、補助的なアルミニウムシートである。従って、この実施形態によると、特に、アルミナ層のバリアのために従来の溶接技術では予見できなかった、２枚のアルミニウムシートの溶接を可能にする。この目的のために、２枚のアルミニウムシートの金属集成体１の製造方法は、本発明の一般的な方法に対して、単に、金属シート（ここでは、補助的なアルミニウムシート）の加熱および冷却の補助的なステップを含む。より正確には、２枚のアルミニウムシートは上で詳細に説明された一般的な方法の最初の２つのステップ（加熱およびその後の冷却）に従って、同時に又は順番に熱処理し、その後に冷却する。

次に、２枚のアルミニウムシートは、互いに浸透しあい、１つ又は複数のシリンダー上のレリーフと相補的なレリーフを有する２枚のアルミニウムシートを備える金属集成体１が得られるように、好ましくは低温かつ１回の通過工程で、接合圧延する。金属集成体１は、特に、機械的な特性を向上し、さらにそれぞれの熱処理後に別々の状態で得られるアルミニウムシートの特性と同等の特性を有する。特に、金属集成体１は（特に、６８％の硝酸における）増強された耐腐食性を有し、点溶接することが可能であり、広範囲の温度範囲で使用することができる。

第４の実施形態によれば、上述の方法に従って得られた金属集成体に付加的なアルミニウムシート１０'を溶接することができる。この目的のために、付加的なアルミニウムシート１０'は、前記方法の最初の２つのステップに従って加熱および冷却する。その後、アルミニウムシート１０、単一又は複数の金属シート２０、および付加的なアルミニウムシート１０'は、少なくとも３つの層を備える、レリーフを伴った最終的な金属集成体を形成するために、好ましくは低温かつ１回の通過工程で、直接的に接合圧延される。

変形例において、本方法は、上述の方法の最初の２つのステップに従って熱処理された付加的なアルミニウムシートを、上述された方法に従って得られた金属集成体と接合圧延することを繰り返すことができる。この場合、平らで密着した集成体を得るために基礎となる（アルミニウムシート１０および金属シート２０を備える）金属集成体１を滑らかなシリンダーを備えた圧延機にて接合圧延し、最終的な金属集成体１に対してのみ、レリーフを有するシリンダーを備えた圧延機にて接合圧延することが好ましい。

従って、例えば、図３に図示されているように、１回の通過工程による２枚のアルミニウム１０、１０'と銅シート２０又は鋼鉄ラティス２０の同時的な接合圧延によって、又は前記方法のステップを繰り返すことによって得られる、２枚のアルミニウム１０、１０'の間に銅シート２０又は鋼鉄ラティス２０を備える集成体が得られる。

金属集成体１が鋼鉄、鉄、又は上述の他の材料のシート２０を用いて製造する場合、接合圧延の前に、上述された方法の第１ステップに従って金属集成体１を数分間、例えば、約３０分間、アルミニウムシートの融点の８０％〜１００％の温度まで加熱させることが必要である。これらの加熱、冷却、および接合圧延ステップを繰り返すことによって、３つ以上の金属集成体１を備えるサンドイッチ（サンドイッチ状のもの）が得られる。積層される金属集成体１の数および１枚又は複数枚の金属シート２０、２０'の選択は、本質的に、サンドイッチ２に対して要求される特性に依存する。引っ張り強さは、典型的には、５０から１５０ＭＰａに改善する（例えば、アルミニウム／鉄集成体に対する破断強度は単体のアルミニウムと比較して約３倍以上である）。

変形例において、１回の通過工程かつ低温で、レリーフを有する圧延機において最終的な金属集成体１を構成する全てのシートを同時に接合圧延することも可能である。この目的のために、熱処理は、上述の一般的な方法の第１ステップに従って全てのアルミニウムシートに適用される。そして、該当する場合には、熱処理、表面処理等が金属シートに適用され、その後、製造することが望まれる金属集成体を構成する積層体は、低温かつ１回の通過工程で、レリーフを有する圧延機において接合圧延する。

第５の実施形態によれば、金属集成体１は、金属粉末の層を備える。好ましくは、この金属層は少なくとも２枚のシート、典型的には、２枚のアルミニウムシートの間、（図５に図示されているように）アルミニウムシートと金属シートの間、又は２枚のアルミニウムシートと金属シートの間に封入される。

変形例として、粉末層は、アルミニウムシートと金属粉末だけ、又は該当する場合には、金属シート２０も備え、圧延機のシリンダーと相補的なレリーフを有する密着した金属集成体を得るために、滑らかなシリンダーを備えた圧延機にてアルミニウムシートと接合圧延し、その後レリーフを有するシリンダーを備えた圧延機だけで接合圧延する。

また、接合圧延ステップの前に、金属粉末２２の補助的な熱処理ステップを含むことができる。なぜなら、試験によって粉末２２の脱水が、得られる金属集成体１の密着力を改善することが証明されたからである。粉末２２を構成する単体の比表面積は、アルミニウムおよび金属シートの比表面積より大きい。従って、特に、集成体１が、蒸気の局所的な内部過圧によって、剥離点を生じる１００℃より高い温度で使用する場合、水和レベルは最終的に得られる結果に対して重要となる。なぜなら、一般に、金属粉末は重量比で約１５％の水分を含み、それは特に、エイジング処理中に、飽和水蒸気がシートの剥離を生ずるという問題を引き起こす可能性があるからである。

従って、より良好な結果のためには、粉末２２の水和度を十分に低下させ（典型的には、１％未満の表面水分および結合水分）、アルミニウムシート１０との接合圧延中に界面上の飽和水蒸気を減少させるために、金属粉末の層２０の熱処理を実施することが好ましい。好ましくは真空で行われる加熱の時間もやはり、金属シート２０の密度、熱容量、熱伝導率、および厚さに依存する。

例えば、鉄粉末の層２０の場合、熱処理は、粉末２２を完全に乾燥させるために３００℃で約３０分〜２時間行われる。しかしながら、親水性の強くない特定の種類の粉末２２に対しては、真空中における１２０℃で約６０分の部分的な乾燥で十分であるだろう。例えば、脱水アルミナの粉末は、一般に、４％の表面水分と１０％の結合水分しか含まない。このように、単純な予備加熱処理によりアルミニウムシート１０との接合圧延中に良好な結果を得るために十分な程度まで水和度を低下させ、剥離の危険性を減少させることができる。

このようにして得られた金属粉末の層２０は、好ましくは低温かつ１回の通過工程で、滑らかなシリンダーを備えた圧延機にて熱処理されたアルミニウムシート１０と接合圧延されるか、あるいはレリーフを有する１つ又は複数のシリンダーを備える圧延機で２枚のシートの間で接合圧延される。このアルミニウムシート１０の金属粉末、および該当する場合には、付加的な金属シートとの接合圧延のステップは、粉末２２に水分が再度取りこまれることを防ぐために、粉末２２の脱水と連続して、例えば、脱水後数分以内に実施されることが好ましい。該当する場合には、粉末２２を再度、脱水するためにさらなる熱処理を実施することも可能である。

この接合圧延もやはり、低温かつ１回の通過工程で実施されることが好ましい。さらに、粉末の量は所望の応用例に応じて変更されてもよい。実際、非常に薄い粉末層、不連続な粉末層、完全な層、または複数の厚さの粉末層を適用することが可能である。このようにして得られた結果は、適用された粉末２２のグラニュロメトリーと粉末２２の量の間の比に依存する。例えば、約５ミクロンの最小の厚さを有する非常に薄い層は、接合圧延を困難にするボール効果を有する霧状の粉末２２を含むだろう。一方、例えば、最大で２ミリメートルであってもよい厚い層は、接合圧延が容易な角張った粉末２２を含むだろう。

このようにして得られた金属集成体１は、特に、アルミニウムシート単体と比較して良好な機械的特性、および長期にわたる安定性等の予想外の特性を有する。なぜなら、金属集成体１は、それらが別々に使用されたときに呈する、アルミニウムに特有な特性のいくつかと粉末を構成する材料に特有な特性とを兼ね備えるからである。即ち、鉄粉末を用いる場合、金属集成体１が良好な電気伝導性および低密度を有するとともに、強磁性であり、磁石を引き付け、それらをその外面に接触させたままにできることがわかった。

従って、本発明の方法は、少なくとも１つの金属集成体と付加的な金属又はアルミニウムのシートを備えるサンドイッチが製造できる。例えば、それは２枚のアルミニウムシートの間に挟まれた金属シート（特に、ラティス）および金属粉末（特に、ニッケル粉末）、２枚の金属シート（特に、２枚の銅グリル）の間に挟まれたアルミニウムシート等が挙げられる

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例えば、０．８ミリメートル厚のＸＣ１０鋼鉄ラティス（２０'）を封入する２枚の０．８ミリメートル厚の等級Ａ５のアルミニウムシート（１０）、（１０'）を備える金属サンドイッチ２の場合、得られるサンドイッチの溝の厚さは約０．８ミリメートルであり、比透磁率は約１００であり、密度は３．２であり、電気伝導率は約４．４×１０^＋８ｏｈｍｓ^−１．ｍ^−１である。さらに、パターンが（約１．５ｍｍの高さに対して約２ｍｍの集成体平面に（溝の主方向に対応する、圧延方向に対して横切る方向の）幅を有する）縦方向の溝である場合、
・サンドイッチの縦方向の（即ち、溝の主方向の）機械的引っ張り強さは同一の厚さを有する処理されていないアルミニウムシートの引っ張り強さの約３倍以上であり、それは冶金の状態に依存するが通常２５〜８０ＭＰａである。
・溝を横切る軸方向に沿った曲げ強度は、同一のサイズを有する処理されていないアルミニウムシートの引っ張り強さの少なくとも５倍以上であり、その冶金の状態にも依存するが、通常６０ＭＰａである。

有利なこととして、鋼鉄シート２０を封入する２枚のアルミニウムシート１０、１０'を備えるサンドイッチ２は驚くほど高い耐腐食性と高い剥離耐性を有する。即ち、そのようなサンドイッチ２の７７Ｋ（約−１９６℃）の液体窒素浴への浸漬は、アルミニウムと鋼鉄との膨張係数の差にもかかわらずサンドイッチ２が密着したままであった。さらに、本発明にしたがったサンドイッチ２は数日間にわたる６８％濃度の硝酸による浸食に耐えることができる。サンドイッチ２の縁が保護されてない場合、即ち、アルミニウムシート１０、１０'によって封入されている金属シート２０が酸と接触している場合、金属シート２０だけが浸食される。

一方、サンドイッチの金属中央部分２０の不浸透性は、それが粉末からなるものから得る場合、容易に達成することができる。実際、接合圧延中にアルミニウムシート１０、１０'の縁に粉末を配置しないというだけで十分である。金属中央部分の酸化による層間剥離が防止できる。

サンドイッチは、目的とする特定の特性を組み合わせるために複数の異なる種類の金属シートおよび／又は金属粉末とともに製造されてもよい。例えば、鋼鉄シートを備える金属集成体１とニッケルシートを備える金属集成体１との製造は、例えば、設計される応用例に対して伝導率、透磁率、および密度を適合させるためにアルミニウム、鋼鉄、およびニッケルを同時に備えるサンドイッチが得られる。

有利な点として、本発明の方法により得られた金属シートの金属集成体１およびサンドイッチは、融解によって容易に回収することができる点が挙げられる。具体的には、最も低い融点を有する金属集成体１の成分を重力によって分離および回収することができる。金属シートに対して２つ以上の異なる種類の材料からなる混合のサンドイッチの場合、それらの残留物が１種類の材料になるまで、この操作を繰り返すだけで十分である。さらに、低温の接合圧延ステップおよび熱処理の時間の短縮の理由により、本方法のエネルギーコストは低くすることができる。

Claims (27)

1. アルミニウムをベースにした第１のシートと、少なくとも１つの第２の金属シートを備える金属集成体の製造方法であって、
   前記アルミニウムシート（１０）の表面に存在する酸化物層の同素変態によってαアルミナ層を生成して安定させるために、前記アルミニウムシート（１０）を、それを構成する材料の融点の８０％〜１００％の温度まで加熱することによって熱処理し、その後、再び冷ますステップと、
   前記アルミニウムシート（１０）の延性以下の延性を有し、前記αアルミナ層の厚さ以上の深さの表面上の凹凸（２１）を有する金属シート（２０）を用意するステップと、
   前記金属集成体（１）を得るために圧延機にて前記アルミニウムシート（１０）と前記金属シート（２０）とを接合圧延するステップと、を含み、
   前記圧延機が、その圧延用外面がレリーフを有する少なくとも１つのシリンダーを備える、金属集成体の製造方法。
2. 前記接合圧延が低温で実施される、請求項１に記載の方法。
3. 前記接合圧延が１回の通過工程で実施される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記アルミニウムシート（１０）の前記熱処理の時間が約２０分〜約２時間である、請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
5. 前記レリーフが溝又は十字である、請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
6. 前記溝が直線状、歯状、狭間模様、および／又は波状である、請求項５に記載の方法。
7. 前記レリーフが前記圧延機におけるシートの圧延方向に対して概略平行な方向および／又は横断する方向に延在している、請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
8. 前記圧延機の２つの相補的なシリンダーの圧延用外面が、前記接合圧延中に逆位相かつ同一のレリーフを有する、請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法。
9. 前記２つのシリンダーのうちの１つのシリンダー表面がレリーフを有し、対向するシリンダーが滑らかである、請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法。
10. 前記金属シート（２０）が、金属グリル(grille)、金属ラティス（lattice)、金属発泡体、金属ハニカム構造、金属ケーブル、および粗い金属シートの群から選択される１つの要素で形成される、請求項１〜９のいずれか１つに記載の方法。
11. 前記金属シート（２０）が、鋼鉄、鉄、ニッケル、コバルト、銅、面心立方結晶構造を有する金属、およびそれらの合金の群から選択される１つの材料である、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の方法。
12. 前記シート（１０、２０）の接合圧延ステップの前に、
    前記金属シート（２０）の厚さに応じて決められる時間、前記金属シートを構成する金属の融点の７０％〜９８％の温度まで前記金属シートを加熱する加熱ステップ、
    前記シート（２０）を周囲温度まで冷ます冷却ステップ、をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記冷却ステップと前記接合圧延ステップの間に、前記金属シート（２０）をストリッピングするステップを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記金属シート（２０）が補助的なアルミニウムシートであり、前記シートの前記接合圧延ステップの前に、
    前記補助的なアルミニウムシート（２０）の表面にαアルミナ層を生成して安定させるために、十分な時間、それを構成する材料の融点の８０％〜１００％の温度までを加熱する加熱ステップと、
    前記補助的なアルミニウムシート（２０）を冷ます冷却ステップと、をさらに含む、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の方法。
15. 前記金属シートが表面処理を受けるステップをさらに含む、請求項１〜１４のいずれか１つに記載の方法。
16. 前記アルミニウム（１０、１０'）と前記金属シート（２０、２０'）の接合圧延の前にそれらを集成するステップをさらに含む、請求項１〜１５のいずれか１つに記載の方法。
17. 前記シート（１０、１０'、２０、２０'）を集成するステップは、リベット留め、点溶接、前記シート（１０、１０'、２０、２０'）のヘッドの予備圧延、自己貫通ネジ、電子ビーム溶接、接着剤による接着、および／又はフランジングによって実施される、請求項１６に記載の方法。
18. 補助的な金属シートがさらに前記アルミニウムシート（１０）および金属シート（２０）と接合圧延される、請求項１〜１７のいずれか１つに記載の方法。
19. 前記２つの金属シート（２０、２０'、１０'）と前記アルミニウムシート（１０）とが１回のステップで同時に接合圧延する、請求項１８に記載の方法。
20. 平坦な集成体を得るために滑らかなシリンダーを備える圧延機にて前記アルミニウムシート（１０）と前記金属シート（２０）とを最初に接合圧延し、
    その後、前記金属集成体を得るためにレリーフを有する１つ又は複数のシリンダーを備える圧延機にて、前記平坦な集成体を前記補助的な金属シート（１０'、２０'）と接合圧延する、請求項１８に記載の方法。
21. 前記接合圧延ステップの前に、前記アルミニウムシートに粉末の層を適用するステップをさらに含む、請求項１〜２０のいずれか１つに記載の方法。
22. 平坦な集成体を得るために滑らかなシリンダーを備える圧延機にて前記アルミニウムシートと前記粉末とが接合圧延され、その後、前記金属集成体を得るために、その圧延用外面がレリーフを有する少なくとも１つのシリンダーを備える圧延機にて前記平らな集成体が前記金属シートと接合圧延される、請求項２１に記載の方法。
23. 前記粉末が前記接合圧延ステップの前に、前記アルミニウムシートと前記金属シートとの間に適用され、その後、前記アルミニウムシートと、前記粉末と、前記金属シートとを備える前記集成体が前記圧延機にて接合圧延される、請求項２１に記載の方法。
24. 前記金属粉末の前記アルミニウムシートへの適用の前に、前記金属粉末を脱水する補助的なステップをさらに含む、請求項２１〜２３のいずれか１つに記載の方法。
25. 圧延方向に縦に延在する溝を有する圧延用外面を有する第１シリンダーと、その圧延用外面が滑らか又は第１シリンダーの溝と逆位相の溝を有する第２シリンダーを備える圧延機において、
    請求項１〜２４のいずれか１つに記載の少なくとも１つの金属シートを伴うアルミニウムシートを形成するステップを含む、熱交換器の製造方法。
26. 前記金属シート（２０）は、銅、鉄、又は鋼鉄のシートである、請求項２５に記載の方法。
27. 前記金属シートが、補助的なアルミニウムシートであり、前記製造方法が前記シートの接合圧延ステップの前に、
    前記補助的なアルミニウムシート（２０）の表面にαアルミナ層を生成し安定させるために、十分な時間、それを構成する材料の融点の８０％〜１００％の温度まで加熱するステップと、
    前記補助的なアルミニウムシート（２０）を冷ますステップ、とを含む、請求項２５又は２６に記載の方法。

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