JP2014190664A - ステンレス鋼製熱交換器部品およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】低面圧でＨＩＰ法と同等レベルの強固な接合面をもち、流路形状の精度が良好な高性能なステンレス製熱交換器部品を提供する。
【解決手段】打抜きまたはエッチングにより流路溝および流路面積が付与されたステンレス鋼薄板製の流路板１とステンレス鋼薄板製の仕切り板４とを交互に積層したものをさらにステンレス鋼板製の上板２と下板３ではさむことにより構成される真空中で拡散接合されたステンレス鋼製熱交換器部品であって、流路板１は流路幅Ｗと板厚tが５００＞Ｗ／ｔ＞１、表面のＲａが０.３μｍ以下となる流路溝および流路面積が付与されているともに板表面のＲａが０.３μｍ以下であり、仕切り板４および上板２と下板３の板表面のＲａが０.３μｍ以下、仕切り板４のたわみ量δとその板厚との関係がδ/t＜０．２となることを特徴とする、ステンレス鋼製熱交換器部品。
【選択図】図１
【解決手段】打抜きまたはエッチングにより流路溝および流路面積が付与されたステンレス鋼薄板製の流路板１とステンレス鋼薄板製の仕切り板４とを交互に積層したものをさらにステンレス鋼板製の上板２と下板３ではさむことにより構成される真空中で拡散接合されたステンレス鋼製熱交換器部品であって、流路板１は流路幅Ｗと板厚tが５００＞Ｗ／ｔ＞１、表面のＲａが０.３μｍ以下となる流路溝および流路面積が付与されているともに板表面のＲａが０.３μｍ以下であり、仕切り板４および上板２と下板３の板表面のＲａが０.３μｍ以下、仕切り板４のたわみ量δとその板厚との関係がδ/t＜０．２となることを特徴とする、ステンレス鋼製熱交換器部品。
【選択図】図１
Description
本発明は、薄板積層型の熱交換器部品およびその製造方法に関するものである。
現在、熱交換器能力の向上を目的として薄板積層型の拡散接合製熱交換器（マイクロチャンネル熱交換器）の実用化が進んでいる。マイクロチャンネル熱交換器は、ステンレス鋼などが基材として使用され、エッチングにより流路が付与された流路板と流路板同士を隔離するための中板から構成されている。熱交換器の熱交換率は伝熱壁が薄いほど、伝熱面積が広いほど良好となり、流路断面の面積が小さいほど圧力損失は大きくなる。流路板と中板との接合にはＨＩＰ（熱間等方圧加圧法）による拡散接合が利用されている（例えば、非特許文献１、特許文献１）。一般的に、ＨＩＰは航空機や蒸気タービンなどの接合に適用されており、被処理体が挿入されたカプセル内を密封かつ真空状態とし、Ａｒガスなどが充填された圧力容器内を加熱し等方的な圧力を付与することで接合が行われる。被処理体には積層部材や粉末材料が使用されるが、積層部材は表面形状を含む部材全体が相似的に収縮し接合界面が消失し、粉末材料は相似的な収縮と同時に残存する内部の空隙が消失する。ＨＩＰは一般的に、接合圧力が１０ＭＰａ〜２００ＭＰａ、接合温度が約１００℃〜２０００℃の設備仕様を有する装置が使用されており、等方高面圧付与が可能であることを特徴としている（例えば、特許文献２）。
第９０回界面接合研究委員会資料(IJ-07-12)
このようにＨＩＰによる拡散接合は、部材全体の相似的収縮を伴うため緻密な中空構造を呈する図１のようなマイクロチャンネル部品を接合すると、流路が板厚方向または幅方向に収縮し、寸法精度の低下や流路埋没などの不具合が発生する。流路の縮小は圧力損失拡大による熱交換器性能を招き、寸法精度のばらつきは熱交換器性能の量産安定性を損ねる結果となる。特に中板の板厚が流路板の流路幅よりも相対的に薄くなるほど、または伝熱面積が大きくなるほど接合時の流路板の板厚方向の剛性は低下するため、板厚方向への流路の縮小や埋没は発生し易くなる。
従来のＨＩＰ法では、仕切り板の厚みが小さく伝熱面積が広い熱交換器の接合は困難であった。本発明は簡易的な拡散接合方法により、低面圧でＨＩＰ法と同等レベルの強固な接合面をもち、流路形状の精度が良好な高性能なステンレス製熱交換器部品を提供することである。
上記の課題は、熱交換器部品及びその製造方法を以下の構成とすることにより解決可能である。
［１］
打抜きまたはエッチングにより流路溝および流路面積が付与されたステンレス鋼薄板製の流路板とステンレス鋼薄板製の仕切り板とを交互に積層したものをさらにステンレス鋼板製の上板と下板ではさむことにより構成される真空中で拡散接合されたステンレス鋼製熱交換器部品であって、
流路板は流路幅Ｗと板厚tが５００＞Ｗ／ｔ＞１、表面のＲａが０.３μｍ以下となる流路溝および流路面積が付与されているともに板表面のＲａが０.３μｍ以下であり、
仕切り板および上板と下板の板表面のＲａが０.３μｍ以下、
仕切り板のたわみ量δとその板厚との関係がδ/t＜０．２となることを特徴とする、ステンレス鋼製熱交換器部品。
［１］
打抜きまたはエッチングにより流路溝および流路面積が付与されたステンレス鋼薄板製の流路板とステンレス鋼薄板製の仕切り板とを交互に積層したものをさらにステンレス鋼板製の上板と下板ではさむことにより構成される真空中で拡散接合されたステンレス鋼製熱交換器部品であって、
流路板は流路幅Ｗと板厚tが５００＞Ｗ／ｔ＞１、表面のＲａが０.３μｍ以下となる流路溝および流路面積が付与されているともに板表面のＲａが０.３μｍ以下であり、
仕切り板および上板と下板の板表面のＲａが０.３μｍ以下、
仕切り板のたわみ量δとその板厚との関係がδ/t＜０．２となることを特徴とする、ステンレス鋼製熱交換器部品。
［２］
流路板、仕切り板、上板ならびに下板を構成するステンレス鋼板が、質量％で、Ｃｒ：２０.０〜３５.０％、ＴｉとＡｌの一種以上の合計：０〜０.１５％、Ｃ：０.００１〜０.０５０％、Ｎ：０.００１〜０.０５０％、Ｓｉ：０.０１〜１.００％、Ｍｎ：０.０５〜３.００％、Ｐ：０.００１〜０.１００％、Ｓ：０.０００５〜０.０１０％、Ｎｉ：０〜１.００％、Ｖ：０〜０.１５％、Ｃｕ：０〜２.００％、Ｍｏ：０〜４.００％、Ｗ：０〜４.００％、Ｎｂ：０〜１.００％、Ｂ：０〜０.０１００％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、１２００℃以下の温度域でフェライト単相組織となる組成を有するフェライト系ステンレス鋼であることを特徴とする［１］に記載のステンレス鋼製熱交換器部品。
流路板、仕切り板、上板ならびに下板を構成するステンレス鋼板が、質量％で、Ｃｒ：２０.０〜３５.０％、ＴｉとＡｌの一種以上の合計：０〜０.１５％、Ｃ：０.００１〜０.０５０％、Ｎ：０.００１〜０.０５０％、Ｓｉ：０.０１〜１.００％、Ｍｎ：０.０５〜３.００％、Ｐ：０.００１〜０.１００％、Ｓ：０.０００５〜０.０１０％、Ｎｉ：０〜１.００％、Ｖ：０〜０.１５％、Ｃｕ：０〜２.００％、Ｍｏ：０〜４.００％、Ｗ：０〜４.００％、Ｎｂ：０〜１.００％、Ｂ：０〜０.０１００％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、１２００℃以下の温度域でフェライト単相組織となる組成を有するフェライト系ステンレス鋼であることを特徴とする［１］に記載のステンレス鋼製熱交換器部品。
［３］
流路板、仕切り板、上板ならびに下板を構成するステンレス鋼板が、質量％で、Ｃｒ：９．０〜３５.０％、ＴｉとＡｌの一種以上の合計：０〜０.１５％、Ｃ：０.００１〜０.０５０％、Ｎ：０.００１〜０.０５０％、Ｓｉ：０.００１〜０．５％、Ｍｎ：０.０５〜３.００％、Ｐ：０.００１〜０.１００％、Ｓ：０.０００５〜０.０１０％、Ｎｉ：３．０超え〜４０.０％、Ｖ：０〜０.１５％、Ｃｕ：０〜４.００％、Ｍｏ：０〜４.００％、Ｗ：０〜４.００％、Ｎｂ：０〜１.００％、Ｂ：０〜０.０６％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、１２００℃以下の温度域でオーステナイト単相組織となる組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする［１］に記載のステンレス鋼製熱交換器部品。
流路板、仕切り板、上板ならびに下板を構成するステンレス鋼板が、質量％で、Ｃｒ：９．０〜３５.０％、ＴｉとＡｌの一種以上の合計：０〜０.１５％、Ｃ：０.００１〜０.０５０％、Ｎ：０.００１〜０.０５０％、Ｓｉ：０.００１〜０．５％、Ｍｎ：０.０５〜３.００％、Ｐ：０.００１〜０.１００％、Ｓ：０.０００５〜０.０１０％、Ｎｉ：３．０超え〜４０.０％、Ｖ：０〜０.１５％、Ｃｕ：０〜４.００％、Ｍｏ：０〜４.００％、Ｗ：０〜４.００％、Ｎｂ：０〜１.００％、Ｂ：０〜０.０６％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、１２００℃以下の温度域でオーステナイト単相組織となる組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする［１］に記載のステンレス鋼製熱交換器部品。
［４］
流路板、仕切り板、上板ならびに下板の少なくとも１枚に［２］に記載のフェライト系ステンレス鋼板を用い、残りの板に請求項［３］に記載のオーステナイト系ステンレス鋼を用いることを特徴とするステンレス鋼製熱交換器部品。
流路板、仕切り板、上板ならびに下板の少なくとも１枚に［２］に記載のフェライト系ステンレス鋼板を用い、残りの板に請求項［３］に記載のオーステナイト系ステンレス鋼を用いることを特徴とするステンレス鋼製熱交換器部品。
［５］
［１］に記載の熱交換器部品の製造法であって、拡散接合の条件が接触面圧０.１〜１.０ＭＰａで直接接触させた状態とし、圧力１０−３Ｐａ以下、露点−４０℃以下の炉内で９５０〜１１５０℃に加熱することにより拡散接合を進行させることを特徴とする、ステンレス鋼製熱交換器部品の製造方法。
［１］に記載の熱交換器部品の製造法であって、拡散接合の条件が接触面圧０.１〜１.０ＭＰａで直接接触させた状態とし、圧力１０−３Ｐａ以下、露点−４０℃以下の炉内で９５０〜１１５０℃に加熱することにより拡散接合を進行させることを特徴とする、ステンレス鋼製熱交換器部品の製造方法。
［６］
［２］〜［４］に記載のステンレス鋼板を用いることを特徴とする、[５]に記載の熱交換器部品の製造方法。
［２］〜［４］に記載のステンレス鋼板を用いることを特徴とする、[５]に記載の熱交換器部品の製造方法。
本発明によれば、低面圧でＨＩＰ法と同等レベルの強固な接合面をもち、流路形状の精度が良好な高性能なステンレス製熱交換器部品を提供することができる。
発明者らは、ＨＩＰ法と同等レベルの強固な接合面を低付加面圧かつ極力低温度で得られる拡散接合性良好なステンレス鋼の検討を行った結果、以下の知見を得た。図１のような積層品をＨＩＰ法により拡散接合を行うと、積層品外周には等方圧力が付与されため外周仕切り板の表面に圧力が付与され仕切り板がたわむ。流路溝に仕切り板が、板厚にくらべ流路幅が大きくなるほど仕切り板の張り剛性は小さくなるためである。本発明では上下１軸方向の錘を使用した簡易的な直接拡散接合を行った結果、δ／ｔ＜０．２となる好適なＷ／ｔの範囲を見つけるに至った。拡散接合に供するステンレス鋼板の表面はできるだけ平滑であることが望ましい。拡散接合では接合圧力によって材料にすべり変形とクリープ変形を生じ密着化が進行していく。その際、ステンレス鋼板表面の凸部同士が優先的に接合されるため、表面粗さが大きいと、凹部がボイドとして残存し、接合強度を低下させる要因となる。種々検討の結果、ステンレス鋼板の拡散接合に供する表面の表面粗さＲａは０.３０μｍ以下で接合性は向上することが解った。なお、０.２５μｍ以下とすることがより好ましい。
ステンレス鋼材の直接拡散接合は、従来の手法に従えば、（i）接合面の凹凸が変形して密着し、接合した箇所の接合面積が増大する過程、（ii）密着した箇所で接合前鋼材の表面酸化物皮膜が消失する過程、（iii）ボイド内の残留ガスが母材と反応する過程、が並行して進行することにより完了すると考えられる。しかし、このような従来のメカニズムで拡散接合させる場合、特に（ii）の反応を完全に終了させるためにはＨＩＰなどにより高温、高面圧、長時間を要し、これが直接拡散接合法を用いた板状積層型熱交換器の工業的生産性を向上させるためのネックとなっていることがわかった。
発明者らは、直接拡散接合でステンレス鋼材同士を接合する際に、特に上記（ii）の過程がネックとなる生産性の低下を回避すべく、種々研究を重ねてきた。その結果、対象材料がフェライト系ステンレス鋼材の場合、以下の手法が極めて有効であることを見出した。
（１）拡散接合に供する表面の酸化皮膜をできるだけ薄くする。
（２）その酸化皮膜中に易酸化性元素であるＴｉやＡｌの酸化物ができるだけ含まれないようにする。
（３）拡散接合に供する表面の表面粗さを小さくする。
（１）拡散接合に供する表面の酸化皮膜をできるだけ薄くする。
（２）その酸化皮膜中に易酸化性元素であるＴｉやＡｌの酸化物ができるだけ含まれないようにする。
（３）拡散接合に供する表面の表面粗さを小さくする。
上記（１）および（３）の要件を満たすためには例えば酸洗後に調質圧延を施すことが有効である。
上記（２）の要件を満たすためには例えば鋼中のＴｉおよびＡｌの含有量が過大とならないように規制することが有効である。鋼中のＣｒ含有量を高めることも有効である。酸化皮膜中にＴｉ酸化物やＡｌ酸化物が多く存在すると真空拡散接合の熱処理雰囲気でそれらの酸化物は還元されにくいので、上記（ii）の過程の障害となる。鋼中のＴｉおよびＡｌの含有量が少なければ、それに伴って酸化皮膜中のＴｉ酸化物およびＡｌ酸化物の量は減少する。また、鋼中のＣｒ含有量が高くなれば酸化皮膜中のＣｒ酸化物の割合が増大し、その分、ＴｉやＡｌの酸化物の量は減少する傾向となることがわかった。ＴｉやＡｌはＣｒより酸化されやすい元素であるが、Ｃｒはステンレス鋼の主成分として鋼中にＴｉやＡｌより多量に含まれているので、Ｃｒ含有量が高くなるほど酸化皮膜中の酸化物はＣｒ酸化物リッチとなる。真空拡散接合の熱処理条件下（例えば圧力１０−３Ｐａ以下、露点−４０℃以下、温度９５０〜１１５０℃）においてＴｉ酸化物やＡｌ酸化物は還元されにくいが、Ｃｒ酸化物は還元されるので、上記（ii）の過程を進行させるためには酸化皮膜をできるだけＣｒ酸化物リッチとすることが有利となる。
〔フェライト系ステンレス鋼の成分組成〕
Ｃｒは、耐食性を確保する上で重要なステンレス鋼の主要成分である。また、酸化皮膜中のＣｒ酸化物の割合を増大させるためには、鋼中のＣｒ含有量を十分に確保する必要がある。種々検討の結果、Ｃｒ含有量を１８.０質量％以上としたとき、Ｃｒ濃度が４０原子％以上のＣｒ濃化域を持つ酸化皮膜状態とすることが容易となり、真空拡散接合時の酸化皮膜の還元性を向上させるうえで有利となる。またＣｒ含有量を２０.０質量％以上とすることによってＣｒ濃度が５０原子％以上のＣｒ濃化域を持つ酸化皮膜状態とすることが可能となり、真空拡散接合時の酸化皮膜の還元性は更に向上する。ただし、Ｃｒ含有量が過剰となると耐食性向上効果や酸化皮膜への還元性付与効果は飽和する一方、加工性や製造性を損なう要因となるので、Ｃｒ含有量は３５.０質量％以下の範囲とする。
Ｃｒは、耐食性を確保する上で重要なステンレス鋼の主要成分である。また、酸化皮膜中のＣｒ酸化物の割合を増大させるためには、鋼中のＣｒ含有量を十分に確保する必要がある。種々検討の結果、Ｃｒ含有量を１８.０質量％以上としたとき、Ｃｒ濃度が４０原子％以上のＣｒ濃化域を持つ酸化皮膜状態とすることが容易となり、真空拡散接合時の酸化皮膜の還元性を向上させるうえで有利となる。またＣｒ含有量を２０.０質量％以上とすることによってＣｒ濃度が５０原子％以上のＣｒ濃化域を持つ酸化皮膜状態とすることが可能となり、真空拡散接合時の酸化皮膜の還元性は更に向上する。ただし、Ｃｒ含有量が過剰となると耐食性向上効果や酸化皮膜への還元性付与効果は飽和する一方、加工性や製造性を損なう要因となるので、Ｃｒ含有量は３５.０質量％以下の範囲とする。
Ｔｉは、Ｃ、Ｎを固定する作用を有するため耐食性や加工性を改善するうえで有効な元素であり、ステンレス鋼にはしばしば添加される。Ａｌは、脱酸剤として添加されることが多い。ただし、ＴｉおよびＡｌは易酸化性元素であるため、酸化皮膜中に含まれるＴｉ酸化物やＡｌ酸化物は上述のように真空拡散接合の熱処理において還元されにくい。そのためＴｉ酸化物やＡｌ酸化物の存在量が多い場合は上記（ii）の過程の進行が妨げられる。種々検討の結果、Ｃｒを１８.０質量％以上含有するフェライト系ステンレス鋼において、鋼中のＴｉとＡｌの合計含有量が０〜０.１５質量％の範囲であれば、Ｔｉ酸化物やＡｌ酸化物による拡散接合性の低下は回避できることがわかった。
Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ以外の成分元素については、拡散接合性の観点からは特にこだわる必要はなく、用途に応じて種々の成分組成を採用することができる。ただし、本発明では１２００℃以下の温度域でフェライト単相組織となる化学組成を有する鋼を対象とする。発明者らの検討によると、１２００℃以下の温度域でフェライト＋オーステナイトの２相組織となるような特定組成範囲の鋼では、拡散接合時にフェライト相からオーステナイト相が生成するときの変態による駆動力を利用して、比較的容易に良好な拡散接合性を実現することができる。しかし、フェライト単相系ステンレス鋼ではそのような駆動力が利用できず、上記（１）〜（３）に示した手法を適用することによって低面圧、低温度で直接拡散接合が可能となる。
本発明で適用対象となるフェライト系ステンレス鋼の具体的な成分組成範囲として以下のものを例示することができる。
質量％で、Ｃｒ：１８.０〜３５.０％、ＴｉとＡｌの一種以上の合計：０〜０.１５％、Ｃ：０.００１〜０.０５０％、Ｎ：０.００１〜０.０５０％、Ｓｉ：０.０１〜１.００％、Ｍｎ：０.０５〜３.００％、Ｐ：０.００１〜０.１００％、Ｓ：０.０００５〜０.０１０％、Ｎｉ：０〜１.００％、Ｖ：０〜０.１５％、Ｃｕ：０〜２.００％、Ｍｏ：０〜４.００％、Ｗ：０〜４.００％、Ｎｂ：０〜１.００％、Ｂ：０〜０.０１００％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物。
質量％で、Ｃｒ：１８.０〜３５.０％、ＴｉとＡｌの一種以上の合計：０〜０.１５％、Ｃ：０.００１〜０.０５０％、Ｎ：０.００１〜０.０５０％、Ｓｉ：０.０１〜１.００％、Ｍｎ：０.０５〜３.００％、Ｐ：０.００１〜０.１００％、Ｓ：０.０００５〜０.０１０％、Ｎｉ：０〜１.００％、Ｖ：０〜０.１５％、Ｃｕ：０〜２.００％、Ｍｏ：０〜４.００％、Ｗ：０〜４.００％、Ｎｂ：０〜１.００％、Ｂ：０〜０.０１００％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物。
発明者らは、オーステナイト系ステンレス鋼の場合、以下の手法が極めて有効であることを見出した。
（１）拡散接合に供する表面の酸化皮膜をできるだけ薄くする。
（２）その酸化皮膜中に易酸化性元素であるＳｉの酸化物ができるだけ含まれないようにする。ＴｉやＡｌを含有する鋼種ではそれらの酸化物もできるだけ含まれないようにする。
（３）拡散接合に供する表面の表面粗さを小さくする。
（１）拡散接合に供する表面の酸化皮膜をできるだけ薄くする。
（２）その酸化皮膜中に易酸化性元素であるＳｉの酸化物ができるだけ含まれないようにする。ＴｉやＡｌを含有する鋼種ではそれらの酸化物もできるだけ含まれないようにする。
（３）拡散接合に供する表面の表面粗さを小さくする。
上記（１）および（３）の要件を満たすためには例えば酸洗後に調質圧延を施すことが有効である。
上記（２）の要件を満たすためには例えば鋼中のＳｉ含有量が過大とならないように規制することが有効である。ＴｉやＡｌを含有する鋼種ではそれらの含有量についても過大とならないように規制することが有効である。酸化皮膜中にＳｉ酸化物が多く存在すると真空拡散接合の熱処理雰囲気でその酸化物は還元されにくいので、上記（ii）の過程の障害となる。Ｔｉ酸化物やＡｌ酸化物についても同様である。Ｓｉ、ＴｉおよびＡｌの含有量が少なければ、それに伴って酸化皮膜中のＳｉ酸化物、Ｔｉ酸化物およびＡｌ酸化物の量は減少する。真空拡散接合の熱処理条件下（例えば圧力１０−３Ｐａ以下、露点−４０℃以下、温度９５０〜１１５０℃）においてＳｉ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ａｌ酸化物は還元されにくいが、Ｃｒ酸化物は還元されるので、上記（ii）の過程を進行させるためには酸化皮膜をできるだけＣｒ酸化物リッチとすることが有利となる。
〔オーステナイト系ステンレス鋼の成分組成〕
Ｃｒは、耐食性を確保する上で重要なステンレス鋼の主要成分である。また、酸化皮膜中のＣｒ酸化物の割合を増大させることは、還元されにくいＳｉ酸化物や、Ｔｉ酸化物、Ａｌ酸化物の存在割合を減少させるためにも有効である。これらの作用を十分に発揮させるためにはＣｒ含有量を９.０質量％以上とする必要がある。１７.０質量％以上とすることがより効果的である。ただし、Ｃｒ含有量が過剰となると耐食性向上効果や酸化皮膜への還元性付与効果は飽和する一方、加工性や製造性を損なう要因となるので、Ｃｒ含有量は３５.０質量％以下の範囲とする。
Ｃｒは、耐食性を確保する上で重要なステンレス鋼の主要成分である。また、酸化皮膜中のＣｒ酸化物の割合を増大させることは、還元されにくいＳｉ酸化物や、Ｔｉ酸化物、Ａｌ酸化物の存在割合を減少させるためにも有効である。これらの作用を十分に発揮させるためにはＣｒ含有量を９.０質量％以上とする必要がある。１７.０質量％以上とすることがより効果的である。ただし、Ｃｒ含有量が過剰となると耐食性向上効果や酸化皮膜への還元性付与効果は飽和する一方、加工性や製造性を損なう要因となるので、Ｃｒ含有量は３５.０質量％以下の範囲とする。
Ｎｉは、オーステナイト単相組織を得るために有効な元素であり、３.０質量％を超える含有量を確保する必要がある。ただし過剰なＮｉ含有はコスト増となるので、Ｎｉ含有量は４０.質量％以下とする。３０.０質量％以下、あるいはさらに２５.０質量％以下の範囲に管理してもよい。
Ｓｉは、脱酸剤やその他の目的でオーステナイト系ステンレス鋼にしばしば添加される。しかし、鋼中のＳｉ含有量が増大すると、それに伴って酸化皮膜中のＳｉ酸化物の存在割合が増大する。Ｓｉは易酸化性元素であるため、酸化皮膜中に含まれるＳｉ酸化物は上述のように真空拡散接合の熱処理において還元されにくい。発明者らの研究によれば、オーステナイト系ステンレス鋼においては特にＳｉ酸化物の存在が拡散接合時における上記（ii）の過程の進行の妨げとなりやすいことがわかった。そのため、本発明では鋼中のＳｉ含有量を厳しく制限する。検討の結果、鋼中のＳｉ含有量は０.０５０％以下とすることが極めて有効である。０.０２０質量％以下とすることがより効果的である。ただし、Ｓｉは脱酸剤として有効であり、またスクラップ等の原料からも混入しやすいので、通常、０.００１質量％以上の含有量となる。
Ｔｉは、Ｃ、Ｎを固定する作用を有するため耐食性や加工性を改善するうえで有効な元素であり、ステンレス鋼にはしばしば添加される。Ａｌは、脱酸剤として添加されることが多い。ただし、ＴｉおよびＡｌは易酸化性元素であるため、酸化皮膜中に含まれるＴｉ酸化物やＡｌ酸化物は真空拡散接合の熱処理において還元されにくい。そのためＴｉ酸化物やＡｌ酸化物の存在量が多い場合はＳｉ酸化物と同様、上記（ii）の過程の進行が妨げられる。種々検討の結果、ＴｉやＡｌの一種以上を含有させる場合、鋼中のＴｉとＡｌの合計含有量は０.１５質量％以下とする必要がある。
Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ以外の成分元素については、拡散接合性の観点からは特にこだわる必要はなく、用途に応じて種々の成分組成を採用することができる。ただし、本発明では１２００℃以下の温度域でオーステナイト単相組織となる化学組成を有する鋼を対象とする。発明者らの検討によると、１２００℃以下の温度域でフェライト＋オーステナイトの２相組織となるような特定組成範囲の鋼では、拡散接合時にフェライト相からオーステナイト相が生成するときの変態による駆動力を利用して、比較的容易に良好な拡散接合性を実現することができる。しかし、オーステナイト単相系ステンレス鋼ではそのような駆動力が利用できず、上記（１）〜（３）に示した手法を適用することによって低面圧、低温度で直接拡散接合が可能となる。
本発明で適用対象となるオーステナイト系ステンレス鋼の具体的な成分組成範囲として以下のものを例示することができる。
質量％で、Ｃｒ：９.０〜３５.０％、Ｎｉ：３.０超え〜４０.０％、Ｓｉ：０.００１〜０.０５０％、ＴｉとＡｌの一種以上の合計：０〜０.１５％、Ｃ：０.０１〜０.２０％、Ｎ：０.０１〜０.５０％、Ｍｎ：０.０５〜３.００％、Ｐ：０.００１〜０.１００％、Ｓ：０.０００５〜０.０１０％、Ｖ：０〜０.１５％、Ｃｕ：０〜４.００％、Ｍｏ：０〜４.００％、Ｗ：０〜４.００％、Ｎｂ：０〜１.００％、Ｂ：０〜０.０１００％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物。
質量％で、Ｃｒ：９.０〜３５.０％、Ｎｉ：３.０超え〜４０.０％、Ｓｉ：０.００１〜０.０５０％、ＴｉとＡｌの一種以上の合計：０〜０.１５％、Ｃ：０.０１〜０.２０％、Ｎ：０.０１〜０.５０％、Ｍｎ：０.０５〜３.００％、Ｐ：０.００１〜０.１００％、Ｓ：０.０００５〜０.０１０％、Ｖ：０〜０.１５％、Ｃｕ：０〜４.００％、Ｍｏ：０〜４.００％、Ｗ：０〜４.００％、Ｎｂ：０〜１.００％、Ｂ：０〜０.０１００％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物。
〔表面粗さ〕
拡散接合に供する表面はできるだけ平滑であることが望ましい。表面粗さが大きくなると、上記（ii）の過程における酸化皮膜の消失が遅くなり、接合性の良好な直接拡散接合を実現することが難しくなる。種々検討の結果、拡散接合に供する表面の表面粗さＲａは０.３０μｍ以下とする。０.２５μｍ以下とすることがより好ましい。なお、Ｒａは圧延方向に直角の方向に測定した値が採用される。
拡散接合に供する表面はできるだけ平滑であることが望ましい。表面粗さが大きくなると、上記（ii）の過程における酸化皮膜の消失が遅くなり、接合性の良好な直接拡散接合を実現することが難しくなる。種々検討の結果、拡散接合に供する表面の表面粗さＲａは０.３０μｍ以下とする。０.２５μｍ以下とすることがより好ましい。なお、Ｒａは圧延方向に直角の方向に測定した値が採用される。
〔酸化皮膜厚さ〕
拡散接合に供する表面の酸化皮膜厚さは、上記（ii）の過程を迅速に進行させるために、できるだけ薄いことが望ましい。ステンレス鋼の表面は不動態皮膜に覆われているので、具体的には上述のように、酸洗後に調質圧延を施すことが特に有効である。発明者らの検討によれば、拡散接合に供する表面についてのＧＤＳによる深さ方向への分析において、最表面からＯ（酸素）濃度がピーク値の１／２に低下する位置までの深さで定義される酸化皮膜厚さが１０ｎｍ以下であることが極めて有効である。５ｎｍ以下であることがより好ましい。
拡散接合に供する表面の酸化皮膜厚さは、上記（ii）の過程を迅速に進行させるために、できるだけ薄いことが望ましい。ステンレス鋼の表面は不動態皮膜に覆われているので、具体的には上述のように、酸洗後に調質圧延を施すことが特に有効である。発明者らの検討によれば、拡散接合に供する表面についてのＧＤＳによる深さ方向への分析において、最表面からＯ（酸素）濃度がピーク値の１／２に低下する位置までの深さで定義される酸化皮膜厚さが１０ｎｍ以下であることが極めて有効である。５ｎｍ以下であることがより好ましい。
〔拡散接合製品の製造方法〕
上述の本発明の規定に従うステンレス鋼材同士を直接法による真空拡散接合に供することにより、接合性の良好な拡散接合製品を得ることができる。具体的には、例えば接触面圧０.１〜１.０ＭＰａで直接接触させた状態とし、圧力１０−３Ｐａ以下、露点−４０℃以下の炉内で９５０〜１１５０℃に加熱保持することにより拡散接合を進行させる。保持時間は０．５〜３ｈの範囲で調整すればよい。
上述の本発明の規定に従うステンレス鋼材同士を直接法による真空拡散接合に供することにより、接合性の良好な拡散接合製品を得ることができる。具体的には、例えば接触面圧０.１〜１.０ＭＰａで直接接触させた状態とし、圧力１０−３Ｐａ以下、露点−４０℃以下の炉内で９５０〜１１５０℃に加熱保持することにより拡散接合を進行させる。保持時間は０．５〜３ｈの範囲で調整すればよい。
上述の条件で製作されたステンレス製熱交換器は、精度良好な流路形状が付与されたシート状の積層構造品とすることが可能なため、２次加工として曲げや絞り加工を付与しても所望形状に加工することが可能である。またロールフォーミングで丸め、溶接することでチューブ状の熱交換器を製作することが可能である。
[拡散接合製品の作製]
表１に示す化学組成の鋼を溶製し、熱間圧延にて板厚３〜４ｍｍの熱延板とし、焼鈍、酸洗、冷間圧延、仕上焼鈍、酸洗、調質圧延の工程により、板厚１ｍｍの供試材（２Ｂ仕上げ材）とした。一部の鋼については仕上焼鈍後の酸洗仕上のままの試料も作製し、板厚１ｍｍの供試材（２Ｄ仕上げ材）とした。その２Ｄ仕上げ材の一部の試料においてエメリー研磨を施すことにより表面粗さおよび酸化皮膜の状態を異なるものとした。
表１に示す化学組成の鋼を溶製し、熱間圧延にて板厚３〜４ｍｍの熱延板とし、焼鈍、酸洗、冷間圧延、仕上焼鈍、酸洗、調質圧延の工程により、板厚１ｍｍの供試材（２Ｂ仕上げ材）とした。一部の鋼については仕上焼鈍後の酸洗仕上のままの試料も作製し、板厚１ｍｍの供試材（２Ｄ仕上げ材）とした。その２Ｄ仕上げ材の一部の試料においてエメリー研磨を施すことにより表面粗さおよび酸化皮膜の状態を異なるものとした。
[表面粗さＲａの測定]
供試材の拡散接合に供する表面について表面粗さ測定装置(東京精密社製；ＳＵＲＦＣＯＭ２９００ＤＸ)により圧延方向に対し直角方向の表面粗さＲａを測定した。
供試材の拡散接合に供する表面について表面粗さ測定装置(東京精密社製；ＳＵＲＦＣＯＭ２９００ＤＸ)により圧延方向に対し直角方向の表面粗さＲａを測定した。
[拡散接合性の評価]
得られた拡散接合製品の板厚方向に垂直な断面について、接合界面上を合計長さＬ０＝０．３ｍｍにわたって顕微鏡で観察して、その観察部分に存在する未接合部(点在するボイド存在箇所を含む)の合計長さＬ１(ｍｍ)を測定し、下記[１]式により定まる接合率Ａ（％）を求めた。
Ａ＝（Ｌ０−Ｌ１）／Ｌ０×１００・・・（１）
この接合率Ａが５０％以上であれば拡散接合品として種々の用途で実用的な接合強度を有すると判断できる。また接合率Ａが９０％以上であれば接合強度や密封性において極めて優れた性能を発揮すると判断できる。したがって、以下の基準で接合性を評価し、○評価以上を合格とした。
◎：接合率Ａが９０％以上（接合性；優秀）
○：接合率Ａが５０％以上９０％未満（接合性；優秀）
×：接合率Ａが５０％未満（接合性；不良）
表３に鋼材１と鋼材２の組合わせ、表面粗さ（表２に記載の値）、拡散接合条件、接合性評価を示す。
得られた拡散接合製品の板厚方向に垂直な断面について、接合界面上を合計長さＬ０＝０．３ｍｍにわたって顕微鏡で観察して、その観察部分に存在する未接合部(点在するボイド存在箇所を含む)の合計長さＬ１(ｍｍ)を測定し、下記[１]式により定まる接合率Ａ（％）を求めた。
Ａ＝（Ｌ０−Ｌ１）／Ｌ０×１００・・・（１）
この接合率Ａが５０％以上であれば拡散接合品として種々の用途で実用的な接合強度を有すると判断できる。また接合率Ａが９０％以上であれば接合強度や密封性において極めて優れた性能を発揮すると判断できる。したがって、以下の基準で接合性を評価し、○評価以上を合格とした。
◎：接合率Ａが９０％以上（接合性；優秀）
○：接合率Ａが５０％以上９０％未満（接合性；優秀）
×：接合率Ａが５０％未満（接合性；不良）
表３に鋼材１と鋼材２の組合わせ、表面粗さ（表２に記載の値）、拡散接合条件、接合性評価を示す。
本発明例のものは接合性の良好な直接拡散接合を実現することができた。特に、Ｒａ
が０．３μｍ未満、接触面圧が0.1ＭＰａ以上、加熱温度が１０００℃以上の接合条件のものは特に優れた接合性（◎評価）が得られた。また、本接合範囲において異鋼種材同士の接合を実現することができた。
が０．３μｍ未満、接触面圧が0.1ＭＰａ以上、加熱温度が１０００℃以上の接合条件のものは特に優れた接合性（◎評価）が得られた。また、本接合範囲において異鋼種材同士の接合を実現することができた。
表１中の試料Ｆ−１−１を使用して図１記載の流路板に加工し、図中のように上下板、流路板、仕切り板を積層して拡散接合を行い熱交換器模擬品を製作した。供試材は板厚が０．０１ｍｍからとなるように焼鈍、酸洗、冷間圧延、仕上焼鈍、酸洗、調質圧延を行ったものを使用した。図２は接合品の断面形状を示しており、接合品表裏面のたわみ量δ1(ｍｍ) およびδ2(ｍｍ)を測定し、平均値を板厚（ｍｍ）で除すことで平均たわみ量δ／ｔを求めた。
流路部のたわみ量が０．２以上となると流路断面積が縮小することによる圧力損失の影響が大きくなり、熱交換器の性能が著しく劣化する。そのため接合後の評価はδ／ｔが０．２未満を良好、０．２以上を不良とした。表４にＨＩＰ法と直接拡散接合法の試料板厚、流路幅を板厚で除したＷ／ｔ、拡散接合条件、接合性評価を示す。
流路部のたわみ量が０．２以上となると流路断面積が縮小することによる圧力損失の影響が大きくなり、熱交換器の性能が著しく劣化する。そのため接合後の評価はδ／ｔが０．２未満を良好、０．２以上を不良とした。表４にＨＩＰ法と直接拡散接合法の試料板厚、流路幅を板厚で除したＷ／ｔ、拡散接合条件、接合性評価を示す。
ＨＩＰ法で行ったものについてはＷ／ｔが０．５未満で接合性評価は×であったが、直接拡散接合法でおこなったものはＷ／ｔが５００まで良好であった。以上から５００＞Ｗ／ｔ＞１の範囲で直接拡散接合の優位性が確認できた。
１ 流路板
２ 上板
３ 下板
４ 仕切り板
２ 上板
３ 下板
４ 仕切り板
Claims (6)
- 打抜きまたはエッチングにより流路溝および流路面積が付与されたステンレス鋼薄板製の流路板とステンレス鋼薄板製の仕切り板とを交互に積層したものをさらにステンレス鋼板製の上板と下板ではさむことにより構成される真空中で拡散接合されたステンレス鋼製熱交換器部品であって、
流路板は流路幅Ｗと板厚tが５００＞Ｗ／ｔ＞１、表面のＲａが０.３μｍ以下となる流路溝および流路面積が付与されているともに板表面のＲａが０.３μｍ以下であり、
仕切り板および上板と下板の板表面のＲａが０.３μｍ以下、
仕切り板のたわみ量δとその板厚との関係がδ/t＜０．２となることを特徴とする、ステンレス鋼製熱交換器部品。 - 流路板、仕切り板、上板ならびに下板を構成するステンレス鋼板が、質量％で、Ｃｒ：２０.０〜３５.０％、ＴｉとＡｌの一種以上の合計：０〜０.１５％、Ｃ：０.００１〜０.０５０％、Ｎ：０.００１〜０.０５０％、Ｓｉ：０.０１〜１.００％、Ｍｎ：０.０５〜３.００％、Ｐ：０.００１〜０.１００％、Ｓ：０.０００５〜０.０１０％、Ｎｉ：０〜１.００％、Ｖ：０〜０.１５％、Ｃｕ：０〜２.００％、Ｍｏ：０〜４.００％、Ｗ：０〜４.００％、Ｎｂ：０〜１.００％、Ｂ：０〜０.０１００％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、１２００℃以下の温度域でフェライト単相組織となる組成を有するフェライト系ステンレス鋼であることを特徴とする、請求項１に記載のステンレス鋼製熱交換器部品。
- 流路板、仕切り板、上板ならびに下板を構成するステンレス鋼板が、質量％で、Ｃｒ：９．０〜３５.０％、ＴｉとＡｌの一種以上の合計：０〜０.１５％、Ｃ：０.００１〜０.０５０％、Ｎ：０.００１〜０.０５０％、Ｓｉ：０.００１〜０．５％、Ｍｎ：０.０５〜３.００％、Ｐ：０.００１〜０.１００％、Ｓ：０.０００５〜０.０１０％、Ｎｉ：３．０超え〜４０.０％、Ｖ：０〜０.１５％、Ｃｕ：０〜４.００％、Ｍｏ：０〜４.００％、Ｗ：０〜４.００％、Ｎｂ：０〜１.００％、Ｂ：０〜０.０６％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、１２００℃以下の温度域でオーステナイト単相組織となる組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする、請求項１に記載のステンレス鋼製熱交換器部品。
- 流路板、仕切り板、上板ならびに下板の少なくとも１枚に請求項２に記載のフェライト系ステンレス鋼板を用い、残りの板に請求項３に記載のオーステナイト系ステンレス鋼板を用いることを特徴とする、ステンレス鋼製熱交換器部品。
- 請求項１に記載の熱交換器部品の製造法であって、拡散接合の条件が接触面圧０.１〜１.０ＭＰａで直接接触させた状態とし、圧力１０−３Ｐａ以下、露点−４０℃以下の炉内で９５０〜１１５０℃に加熱することにより拡散接合を進行させることを特徴とする、ステンレス鋼製熱交換器部品の製造方法。
- 請求項２〜４に記載のステンレス鋼板を用いることを特徴とする、請求項５に記載の熱交換器部品の製造方法。
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