JP4343368B2

JP4343368B2 - アルミニウム−鉄系クラッド材及びその製造方法

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Publication number: JP4343368B2
Application number: JP36596799A
Authority: JP
Inventors: 康弘納; 清司田崎
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: JP2001179304A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
アルミニウム材の電磁調理器分野への利用、あるいは自動車産業、航空機産業などの輸送機器の軽量化のためのアルミニウム−鉄系クラッド材、特に接合率が高く、耐衝撃性のあるアルミニウム−鉄系クラッド材の提供及びその製造方法の開発を目的とする。
【０００２】
【従来の技術】
異種金属を重ね合わせて完全に結合させた層状の複合材、いわゆるクラッド材は、クラッド材とすることにより単独の材料としては得られない性質が現れ構成する素材それぞれの優れた特徴を兼ね備え、欠点を補いあう、あるいは素材の特徴的な性質を保持しながら大幅にコストダウンが可能となるなどの理由から各種の金属の組み合わせが利用されている。
クラッド材では各種の特性、例えば機械的性質としては弾性率、降伏強さ、加工硬化、引張強さ、耐衝撃性、疲労、剛性など、物理的性質としては、熱膨張係数、熱伝導度、電気抵抗、電磁性、化学的性質としては耐食性などを兼ね備えた素材の開発を目的として開発されている。
【０００３】
例えばアルミニウム材としては、軽量であり、熱伝導度が大きい、電気伝導度が大きい、磁性がない、硬度が低い、溶接性が悪い、熱膨張係数が一般金属に比して大きい、酸化皮膜ができ易く、酸化性の溶液に対して耐食性を有する、などの特性がある。
一方鉄材は、アルミニウム材に比して熱伝導度、電気伝導度はともに小さく、強磁性体であり、溶接は容易、熱膨張係数はアルミニウム材より小さい、酸化性溶液に対して耐食性がないなどの特性がある。
これらの特性は、使用する目的によっては有利な点となったり、欠点となったりするので、これをクラッド材として一方のその特性を利用し他方の欠点をカバーすることによりアルミニウム−鉄系クラッド材が利用されている。
【０００４】
現在のアルミニウム−鉄系クラッド材の接合は、２層クラッドが行われているが、主として真空あるいは不活性ガス雰囲気中で熱間圧延方式に依る拡散接合方法が行われているといわれる。しかしこの方法は、接合温度や圧着時間に接合強度が大きく影響し、許される管理範囲が非常に狭い。例えば、接合温度が低く圧着時間が短い時は接合強度が小さく、一方接合温度が高く圧着時間が長いと接合界面に厚い金属間化合物を形成し、衝撃破壊を起こしたりして接合強度を低下させるなど操業のコントロールが困難な方法である。
その他の接合方法としては摩擦圧接や爆着法などがあるが、前記の圧延方法に比べて金属間化合物の形成が少なく接合強度を確保し易い反面、大面積の接合に適用することは設備的に困難で、ハイパワーの設備や防爆設備を必要とし限界がある。また、これらの方法による接合は小面積で複雑形状の接合に適しているが大面積で連続性を要する接合には適していない。
【０００５】
大面積で連続性を可能にした方法としては熱間圧延方法があるが、この方法は同種金属層やその合金を接合する場合または高温において酸化されにくい異種金属同士の接合する場合には好適であるが、特に高温において酸化され易い金属同士や異種金属では問題があり、圧下率を大きく取ったりして接合性を高めることが必要となっている。このような方法をとったとしてもアルミニウム−鉄系クラッド材においては、鉄材とアルミニウム材とではともに酸化され易い金属であるうえ熱膨張係数が大きく異なり、さらに材料の剛性が大きく異なるため接合面積やクラッド厚さを制御することが非常に困難で、接合強度も低く、耐衝撃性の高いクラッド材を得るには歩留まりが悪く改善が必要とされていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、酸化され易く接合性が悪く困難であって、剛性が大きく異なるアルミニウム材と鉄材をクラッドして、接合強度が高く、耐衝撃性に優れたアルミニウム−鉄系クラッド材の提供及び大面積であり、接合強度が高く、コストが易く、歩留りが高く、効率の良い前記のアルミニウム−鉄系クラッド材の連続的製造方法の開発を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
［１］鉄材に冷間圧延により接合したアルミニウム材（第１アルミニウム材）、該アルミニウム材に熱間圧延により接合したアルミニウム材（第２アルミニウム材）の鉄材−第１アルミニウム材−第２アルミニウム材の３層構成からなり、第１アルミニウム材は第２アルミニウム材に比して薄い層であることを特徴とするアルミニウム−鉄系クラッド材、
［２］鉄材が軟鋼またはステンレススチール、第１アルミニウム材が純アルミニウム、第２アルミニウム材が純アルミニウムまたはアルミニウム−マグネシウム系もしくはアルミニウム−マグネシウム−けい素系の合金である上記［１］に記載のアルミニウム−鉄系クラッド材、
【０００８】
［３］鉄材に厚さ２０ｍｍ以下の第１アルミニウム材を冷間圧延で接合し、更に第１アルミニウム材に厚さが第１アルミニウム材より厚い第２アルミニウム材を３００〜５５０℃の温度において熱間圧延で接合することを特徴とするアルミニウム−鉄系クラッド材の製造方法、
［４］鉄材に第１アルミニウムを接合した後、３００〜６００℃の温度で金属間化合物層の厚さが２０ミクロン以下となる範囲で熱処理を行うことからなる
上記［３］に記載のアルミニウム−鉄系クラッド材の製造方法、
［５］冷間圧延における第１アルミニウム材の圧下率が３０〜７０％、熱間圧延での第２アルミニウム材の圧下率が４０〜６０％となるようにした上記［３］または［４］に記載のアルミニウム−鉄系クラッド材の製造方法、及び
［６」冷間圧延におけるアルミニウム材の圧下率が３０〜７０％、熱間圧延の温度が３００〜５５０℃、圧下率が４０〜６０％となるようにした上記［３］に記載のアルミニウム−鉄系クラッド材の製造方法、を開発することに依り上記の課題を解決した。
【０００９】
【発明の実施の形態】
クラッド材の製造方法は、目的とするクラッド材の金属の組み合わせ、クラッド材の形状などにより、極めて多種多様の方法により製造されている。例えば代表的な方法としては圧延法、爆発圧接法、ろう付け法、共押出法、鋳ぐるみ法、熱間あるいは冷間加工による線材製造法、粉末燒結圧延法、高液圧押出法などが挙げられるが、本発明におけるアルミニウム−鉄系クラッド材としては、圧延法によるアルミニウム−鉄系クラッド材の製造法であり、板状またはシート状のものに限られる。
本発明の対象とする圧延法は、異種金属を重ね合わせて両者をロール圧延する方法で大面積のクラッド材を高速で生産性良く製造できる最も一般的な製造方法である。冷間圧延と熱間圧延を組み合わせて行うものであり、圧力、温度の条件、材料の融点、厚さの比などが重要な要件となる。
【００１０】
以下図面を参照しながら本発明を説明する。
本発明のアルミニウム−鉄系クラッド材の原料として用いる鉄材１としては、目的とするクラッド材に用いられれている鉄材であればその種類は問わない。用途的に使用量が多い軟鋼またはステンレススチールが好ましい。形状は圧延法に適用可能な板状あるいはシート状のものであれば使用可能である。
【００１１】
本発明に適用するアルミニウム材としては冷間圧延に使用するアルミニウム材（第１アルミニウム材）２及び熱間圧延に使用するアルミニウム材３（第２アルミニウム材）がある。
第１アルミニウム材（インサート材）２としては、クラッド材の主たるアルミニウム材に使用する第２アルミニウム材の接合性を改善するためにインサート材として使用するものであり、それ自体がクラッド材のアルミニウム材としての性能を必要とするものではない。
したがって第１アルミニウム材としては鉄材１との接合性及び第２アルミニウム材３との接合性の良いアルミニウム材であればいかなるアルミニウム材（アルミニウム合金材を含む）であっても良い。
中でも純アルミニウム材（１０００系及び１Ｎ系アルミニウム）が第２アルミニウム材の種類（合金）によらず適用可能であること、鉄材との接合性、熱処理における金属間化合物の発生量の調整、熱間圧延の際の接合性などに優れており、最も好ましい材質である。
【００１２】
圧延においては鉄材はほとんど塑性変形が起こらず、アルミニウム材のみが塑性変形するが、圧下率としては３０〜７０％、好ましくは４０〜７０％、より好ましくは４５〜６５％であれば、ほとんど接合性の良いクラッドができる。
この場合、第１アルミニウム材としては構成材の性能を必要とせず単にインサート材としてその機能を有すれば良いので、アルミニウム材としての厚さはアルミニウム−鉄系クラッド材の種類により異なるとしても、第２アルミニウム材の厚さに比して十分に薄いことが必要であるが、通常は２０ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ〜５ｍｍ程度である。
冷間圧延により得られたクラッド中間材（鉄材−第１アルミニウム材）１０は必要に応じて熱処理され、接着を完全にする。冷間圧延では鉄材−アルミニウム材間に金属間化合物の生成はほとんど起きない。
【００１３】
金属間化合物がある程度生成した時に鉄材−第１アルミニウム材の接合強度が増大するが、その厚さが２０ミクロンを超えた厚さになると金属間化合物面において耐衝撃性が低下し、打撃、落下などの衝撃を受けた時に接合面から剥離を起こしやすくなる。
第２アルミニウム材が十分に厚い時は熱間圧延に必要な温度にするために加熱することが必要であり、その間に熱処理（金属間化合物の生成）が進行するので熱処理工程が不要となることも多いが、第２アルミニウム材が薄い場合、あるいは中間材における鉄材−アルミニウム材の接着性を完全にするために必要に応じ熱処理を行ってもよい。熱処理の温度としては３００〜６００℃、熱処理時間は鉄材１と第１アルミニウム材２の接合面に生成する金属間化合物が２０ミクロン以下に成長したところで中止する。該金属間化合物の生成量は鉄材及びアルミニウム材の合金の種類により一定してはいないが、温度が高いほど早く成長するため、金属間化合物の厚さを測定して決定することが必要である。
【００１４】
この金属間化合物の厚さについて成長速度、温度、時間の関係をあらかじめ測定しておけば、その都度金属間化合物を測定しながら熱処理を行う必要性、及び熱処理を行う場合においてもその熱処理温度及び熱処理時間をあらかじめ測定しておくことにより、容易に目的とする金属間化合物の厚さのクラッド中間材を製造できる。
熱処理時間が長いほど、熱処理温度が高いほど接着力が高くなるが、それに伴って金属間化合物の成長も進むのでこのコントロールが必要となる。
【００１５】
熱間圧延に用いる第２アルミニウム材３としては、接合性のみを考えれば第１アルミニウム材２とほぼ同様な性質のアルミニウム材が好ましいが、このアルミニウム材はクラッド材の構成材としての性能を必要とするものであって、クラッド材の目的によりアルミニウム材としてその性能を具備するものを選択することが必要である。一般的には純アルミニウム材及びＡ５０００系合金（Ａｌ−Ｍｇ系合金）、Ａ６０００系合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）が挙げられる。
熱間圧延に使用する温度は、アルミニウム材によって一定しないが通常３００〜５５０℃、加圧は、圧下率として４０〜６０％、好ましくは４５〜６０％、より好ましくは５０〜６０％である。第２アルミニウム材の厚さは、第１アルミニウム材の厚さがほとんど第２アルミニウム材の厚さに比して無視できるほどの薄さであるためアルミニウム−鉄系クラッド材の必要とするアルミニウム材の厚さとほぼ同一の厚さ（厳密には第１アルミニウム材の厚さを差し引く必要はある。）であってよい。場合によっては最高数１００ｍｍの場合も考えられる。
【００１６】
この場合の熱間圧延は、鉄材１に直接第２アルミニウム材３を接合するのではなく、この第２アルミニウム材とすでに冷間圧延により得られたクラッド中間材の第１アルミニウム材面であって、その接合面には前もってインサート材として接合した第１アルミニウム材（インサート材）３があるので、異種金属間の接合でなくアルミニウム材同士の接合となり、接合は極めてスムースにかつ完全に行うことができる。熱間圧延の場合には、金属間化合物の生成がないので接合後に熱処理の必要性は小さい。
【００１７】
クラッド材の製造に際しては、鉄材−第１アルミニウム材（インサート材）、第１アルミニウム材（インサート材）−第２アルミニウム材の接合面は清浄な金属面同士を重ね合わせることが必要である。これが油やごみなどで汚れていると接合がうまく行かず、必要以上の圧力を必要とするだけでなく、その結果圧下率のコントロールができなくなり、接合強度や耐衝撃性を失うことになる。
これらの金属、特にアルミニウム材は酸化され易く、その結果金属面が酸化物で覆われるので熱間圧延においては目標温度に達したらただちに圧延することが好ましい。
【００１８】
【実施例】
［評価方法］
▲１▼接合率：断面観察による接合率を測定した。
接合率＝（未接合距離／測定距離）×１００
▲２▼耐衝撃性：落下衝撃試験により行った。サンプルを１．５ｍの高さから鉄製の床面に２０回自由落下させ剥離を観察した。
【００１９】
（実施例１〜８）
鉄材として、厚さ１．０ｍｍの軟鋼（ＳＰＣＣ）及びステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、第１アルミニウム材（インサート材）として厚さ０．５ｍｍの９９．９９９％純アルミニウム（１Ｎ９９）及び第２アルミニウム材として厚さ１０ｍｍの純アルミニウム（Ａ１１００）及びアルミニウム合金材（ＪＩＳＡ６０６３）を用いた。
冷間圧延における圧下率は３２〜６８％の間に変化させた。熱処理温度は３００〜５００℃であり、あらかじめ金属間化合物の生成速度を測定し２０ミクロン以下となるように熱処理時間は一定として１時間とした。熱間圧延は温度５００℃で行い、圧下率を４５〜５８％と変化させて行った。
得られたクラッド材を１０ｃｍ×１０ｃｍにカットし、接合率及び耐衝撃性を測定した。結果を表１に示す。
【００２０】
（比較例１）
実施例における冷間圧延工程及び熱処理工程を省略し、軟鋼（ＳＰＣＣ）に直接厚さ１０ｍｍの純アルミニウム（Ａ１１００）を実施例３と同一の条件で熱間圧延した。評価結果は表１に示す。
（比較例２）
比較例１における鉄材として、軟鋼（ＳＰＣＣ）に代えて厚さ１．０ｍｍのステンレススチール（ＳＵＳ３０４）を用いたほかは同様に行った。評価結果は表１に示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【発明の効果】
本発明にかかるアルミニウム−鉄系クラッド材は、鉄材−薄い第１アルミニウム材−厚い第２アルミニウム材からなるものである。第１アルミニウム材を冷間圧延で鉄材に接合する時は、共に酸化されやすい材料であっても冷間で行うためほとんど酸化されず、接合率及び接合強度の高い接合を行うことができる。この様にして得られた中間材の第１アルミニウム材面に、熱間圧延で厚板の第２アルミニウム材を接合する時は、アルミニウム材同士であるため熱間圧延であっても容易に接合が行われる。このため第２アルミニウム材の圧下率は低く良好なクラッドが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法によるアルミニウム−鉄系クラッド材の製造方法のフロースキーム。
【符号の説明】
１鉄材
２冷間圧延用アルミニウム材（インサート材）
３熱間圧延用アルミニウム材
１０クラッド中間材

Claims

鉄材に冷間圧延により接合したアルミニウム材（第１アルミニウム材）、該アルミニウム材に熱間圧延により接合したアルミニウム材（第２アルミニウム材）の鉄材−第１アルミニウム材−第２アルミニウム材の３層構成からなり、第１アルミニウム材は第２アルミニウム材に比して薄い層であることを特徴とするアルミニウム−鉄系クラッド材。
鉄材が軟鋼またはステンレススチール、第１アルミニウム材が純アルミニウム、第２アルミニウム材が純アルミニウムまたはアルミニウム−マグネシウム系もしくはアルミニウム−マグネシウム−けい素系の合金である請求項１に記載のアルミニウム−鉄系クラッド材。
鉄材に厚さ２０ｍｍ以下の第１アルミニウム材を冷間圧延で接合し、更に第１アルミニウム材に厚さが第１アルミニウム材より厚い第２アルミニウム材を３００〜５５０℃の温度において熱間圧延で接合することを特徴とするアルミニウム−鉄系クラッド材の製造方法。
鉄材に第１アルミニウムを接合した後、３００〜６００℃の温度で金属間化合物層の厚さが２０ミクロン以下となる範囲で熱処理を行うことからなる請求項３に記載のアルミニウム−鉄系クラッド材の製造方法。
冷間圧延における第１アルミニウム材の圧下率が３０〜７０％、熱間圧延での第２アルミニウム材の圧下率が４０〜６０％となるようにした請求項３または４に記載のアルミニウム−鉄系クラッド材の製造方法。
冷間圧延におけるアルミニウム材の圧下率が３０〜７０％、熱間圧延の温度が３００〜５５０℃、圧下率が４０〜６０％となるようにした請求項３に記載のアルミニウム−鉄系クラッド材の製造方法。