JP4993141B2

JP4993141B2 - サンドイッチパネル

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Publication number: JP4993141B2
Application number: JP2008294449A
Authority: JP
Inventors: 義人沖; 智将平山
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2008-11-18
Filing date: 2008-11-18
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2028-11-18
Also published as: JP2010120216A

Description

本発明は、一対の表面板間にコア材を介在させ、これら表面板とコア材、及びコア材同士をろう付にて接合してなるサンドイッチパネルに関するものである。

一般に、屋根材や外壁材等の建材に用いられるパネル材として、上下一対の表面板と、これら表面板間に配置された多数のコア材とからなる、いわゆるサンドイッチパネルが知られている。このサンドイッチパネルは高剛性で、しかも軽量であるという特性を有している。
そして、サンドイッチパネルにおける面材とコア材の接合には、接着剤によるものとろう付けによるものがあるが、屋外で使用されるサンドイッチパネルについては耐候性の観点からろう付け接合によるものが多用されている。

このろう付けによるサンドイッチパネル、即ちろう付けサンドイッチパネルの製造方法については特許文献１及び特許文献２の技術が知られている。
例えば特許文献１では、ろう材として、Al−Si系の二元共晶合金を用いている。また特許文献２では、ろう材として、より融点の低いAl−Si−Cu系の三元共晶合金を用いている。
特開平１１−３４７７２２号公報特開２００６−３０７４２７号公報

しかしながら、特許文献１で提案された方法では、AlとSiの二元共晶を利用するものであるため、ろう付けに際して約600℃程度まで加熱する必要がある。このため、面材の素材であるアルミニウム若しくはアルミニウム合金の溶融温度とろう付け温度とが近接していることから、ろう付けの際に軟化して歪みや撓みが発生するおそれがある。
そこで、面材を厚くするか、あるいは特許文献１のようにアルミニウム皮膜を表面に被覆した鉄板を面材としても、パネル自体の重量が嵩むため、軽量であるというサンドイッチパネルの特性を失うおそれがある。

特許文献２では、ろう材としてより融点の低いAlとSiおよびCuからなる三元共晶を利用するものを用いているために、面材に薄肉のアルミニウム板材を用いることが可能になる。
しかしながら、面材に用いるアルミニウム板材を薄くすると、その強度が低下してサンドイッチパネル自体の強度に影響を与える。一般的に、アルミニウム板材の厚さを変えることなく強度を向上させる方法としては、アルミニウム板材の素材であるアルミニウム合金にＣｕを添加する方法が知られているが、この方法ではアルミニウム板材の耐食性が低下し、サンドイッチパネル自体の耐食性及び外観に影響を与えるおそれがある。

本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、耐食性低下の原因となるＣｕの添加量を低減させるとともに強度を向上させたアルミニウム板材を面材とし、軽量で歪が少なく且つ強度と耐食性に優れたろう付けサンドイッチパネルを提供することを目的とする。

本発明のサンドイッチパネルは、その目的を達成するため、上下に対向して配置された二枚のアルミニウム合金製の面材と当該二枚の面材の間に配置されたアルミニウム製またはアルミニウム合金製のコア材とからなるサンドイッチパネルであって、前記各面材と前記コア材とがろう付け接合によって互いに接合されており、前記各面材は、Si：0.4〜1.2質量％、Fe：1.0質量％以下、Mn：1.0〜2.0質量％、Cu：0.05〜0.20質量％を含み、残部がAl及び不可避的不純物からなる組成と、ろう付け後に55MPa以上の耐力を呈するアルミニウム合金板から構成されていることを特徴とする。

前記各面材としては、前記組成の合金溶湯を30℃／sec以上の冷却速度で鋳造されたスラブを冷延することによって得られたものが好ましい。
このような冷却速度で鋳造され、その後冷延された面材としては、スラブの生産性や品質を考慮すると、エンドレスベルトを備え上下に対峙する一対の回転ベルト部と、当該一対の回転ベルト部の間に形成されるキャビティーと、前記回転ベルト部の内部に設けられた冷却手段とを備え、前記キャビティー内に金属溶湯が供給されて連続的にスラブを鋳造する双ベルト式鋳造機によって製造された薄スラブを冷延することによって得られたものが好ましい。
また、前記ろう付け接合は、Cu：27〜37質量％、Si：5〜10質量％含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなるろう材によってなされていることが好ましい。

本発明により提供されるサンドイッチパネルは、面材としてCu含有量を0.2質量％以下に制限するとともに、Mn含有量を1.0質量％以上、およびSi含有量を0.4質量％以上としたアルミニウム合金板を用いている。このため、耐食性に優れ、ろう付け後にあっても所要の強度を維持したものとなっている。
また、本発明により提供されるサンドイッチパネルであって、面材として双ベルト式鋳造機によって連続的に鋳造された板材を用いたものは、鋳造時に多く固溶したMnおよびSiがろう付け工程で高密度かつ微細に析出することにより高強度化が図られている。
さらに、AlとSiおよびCuからなる融点の低い三元共晶合金による低温ろう付けを行うことで、薄肉の面材を用いてもろう付け時の加熱による面材の軟化、変形が起こることなく、歪みのない表面外観の優れたパネルが生産性よく製造できる。したがって、品質の優れたサンドイッチパネルが低コストで提供される。

本発明者等は、軽量で歪が少なく且つ強度と耐食性に優れたろう付けサンドイッチパネルを得る手段について、鋭意検討を重ねてきた。
まず耐食性が低下する一因となるCuの含有量を少なくすることとした。Cu含有量の少ない展伸材として3003合金があるので、この合金のCu含有量を維持した状態で他の成分含有量を変化させた3000系合金を面材として用いることとした。
また、Cu含有量の少ない3000系合金の半連続鋳造スラブを素材とし、面削、均質化処理、熱延、冷延を施した薄板では、ろう付け後に所要の機械的特性が得られない。そこで、合金溶湯を30℃／sec以上の冷却速度で鋳造されたスラブ、好ましくは双ベルト式連続鋳造機による鋳造を連続して行って得た同じ3000系合金の薄スラブを素材とし、均質化処理や中間焼鈍を施すことなく直接冷延を施して得た薄板を用いることとした。
さらに、AlとSiおよびCuからなる融点の低い三元共晶合金を用いた低温ろう付けすることとした。
以下、その詳細を説明する。

まず、用いるアルミニウム合金の成分組成について説明する。
Si：0.4〜1.2質量％
Siは鋳造時に過飽和に固溶し、同じく過飽和に固溶したFe、Mnとともにろう付工程で微細なAl−(Fe・Mn)−Si系の金属間化合物として析出し、強度を向上させる作用を呈する。この作用を発現させるには少なくとも0.4質量％の含有を必要とする。しかし、多量に含ませると固相線温度を低下させ、ろう付け時における面材の軟化・変形の原因となるので、その含有量は1.2質量％以下とした。

Fe：1.0質量％以下
Feも、Mn，Siの共存下で、ろう付工程で微細なAl−(Fe・Mn)−Si系の金属間化合物を析出させ、強度を向上させる作用を呈する。しかし、多量に含ませると鋳造時に晶出する金属間化合物が粗大化し、鋳造性および圧延性を低下させることになるので、その含有量は1.0質量％以下とした。

Mn：1.0〜2.0質量％
Mnも、Si、Feの共存下で、ろう付工程で微細なAl−(Fe・Mn)−Si系の金属間化合物を析出させ、強度を向上させる作用を呈する。Ｍｎ含有量が1.0質量％に満たないと所望の強度は得られない。逆に2.0質量％を超えるほどに多量に含ませると晶出する金属間化合物が粗大化し、鋳造性および圧延性を低下させることになる。

Cu：0.05〜0.20質量％
Cuはマトリックス中に固溶して強度を向上させる作用を呈する。所要の強度を発現させるには0.05質量％以上の含有を必要とする。しかしCu含有量が増えるほど、耐食性が低下する傾向となる。建材に用いられるパネル材としての耐食性を確保するためにはＣｕ含有量は0.20質量％を上限とする。

その他、スラブの結晶組織を微細化するためにTiあるいはTi＋Bを微量含有させてもよい。ただし、それら結晶粒微細化剤の含有量が多すぎると鋳造時にTiAl₃等の粗大な金属間化合物を生成して成形性を低下させる場合がある。したがって、それらを含有させる場合、Tiは0.10質量％、Bは0.01質量％を上限とする。
他に、アルミニウム地金や返り材、あるいはフラックスなどから、Zn，Mg，Ni，Ca，Vなどが混入することがあるが、これらはいずれも不可避的不純物である。極力低減することが好ましい。

次に、本発明サンドイッチパネルに用いた面材の機械的特性について説明する。
従来、サンドイッチパネルの面材として、低温ろう付け用面材として使われる場合が多い、比較的に強度の高い3N33合金が用いられることがある。この3N33合金のろう付け後の耐力が約55MPaである。しかし、この3N33材はCuを比較的に多く含む材料であるため耐食性に難点がある。そこで、本発明のサンドイッチパネルに用いる面材は、従来の面材3N33に代わる面材として、ろう付け後に55MPa以上の耐力を有し、かつ耐食性に優れた材料を用いた。

この耐力55MPa以上は、合金溶湯を30℃／sec以上の冷却速度で鋳造されたスラブ、好ましくは双ベルト式連続鋳造機による鋳造を連続して行って得たCu量の少ない薄スラブを素材とし、均質化処理を施すことなく直接冷延を施して得た薄板を低温ろう付け温度に加熱することによって発現される。必要に応じて、冷延の途中または最後に焼鈍を行っても効果を損なうことはない。
すなわち、Mn含有量が1.0〜2.0質量％、およびSi含有量が0.4〜1.2質量％であるアルミニウム合金溶湯を30℃／sec以上の冷却速度で鋳造するとき、凝固・冷却速度が速いため、MnおよびSiは過飽和に固溶しやすくなる。得られたスラブに均質化処理を施すことなく冷延を施すと、MnおよびSiが過飽和に固溶したままの冷延材となる。過飽和に固溶されたMnおよびSiは、ろう付け温度に加熱・冷却されたときに金属間化合物を形成して微細に析出する。このため、通常のDC鋳造スラブを素材とした冷延材を用いたよりも強度の高い面材となり、例えば3003合金組成の板材であっても55MPa以上の耐力を発現する。

所定の成分組成を有するアルミニウム合金溶湯を鋳造する際の冷却速度が30℃／secに満たない程に遅いと、MnおよびSiの固溶量が少なく、ろう付け時に所望の析出強化作用が発現しない。
なお、双ベルト式連続鋳造機により製造された薄スラブを直接冷延した冷延材は、その必要に応じて最終焼鈍が施されている。
焼鈍の態様としては、連続焼鈍炉もしくはバッチ焼鈍炉を用い、温度・時間はいずれも適宜設定して良い。

続いて、低融点ろう材を用いて低温ろう付けする態様を説明する。
低温ろう材としては、Cu：27〜37質量％、Si：5〜10質量％含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなるものを用いる。このような成分組成のろう材を用いることにより、ろう付け温度を540〜560℃に下げることができる。
低温ろう材としては、溶湯を真空中又は不活性ガス中で噴霧して急冷することにより得られた10〜100μmの平均粒径を有する粉末状アルミニウム合金ろう材を用いることが好ましい。さらに、固形分として11質量％以上のCsFを含むフッ化物系フラックスを併用することが好ましい。

現実的なろう付け態様としては、面板、及び必要に応じてコア材のろう付け面に粉末状アルミニウム合金ろう材とCsF含有フッ化物系フラックス含む混合スラリーを塗布した後、混合スラリーを塗布した二枚の面板のろう付け面間にコア材をその側面が互いに接触するように配置した状態で、面板及びコア材を不活性ガス中で加熱して両者をろう付けすることが好ましい。
低温ろう付けにより、ろう付け時に接合する各部材が変形したり強度が低下したりすることがなく、表面外観に優れたサンドイッチパネルが得られる。また低温ろう付けが可能となることにより、生産速度を早くすることができ、結果的に低コストでサンドイッチパネルを製造することができる。

実施例１；
耐食性の評価事例
表１に示す３種類のアルミニウム合金のうち、Cu含有量が異なる合金No.1−1及びNo.1−2について耐食性の違いを調べた。
まず、No.1−1の合金組成のアルミニウム合金については、溶解炉で溶製した溶湯を、セラミックスフィルターを通してろ過し、エンドレスベルトを備え上下に対峙する一対の回転ベルト部と、当該一対の回転ベルト部の間に形成されるキャビティーと、前記回転ベルト部の内部に設けられた冷却手段とを備え、前記キャビティー内に金属溶湯が供給されて連続的にスラブを鋳造する双ベルト式鋳造機で10mmの厚さのスラブを製造してコイルに巻き取った。得られた薄スラブはその後、均質化処理、中間焼鈍を施すことなく最終板厚1.5mmまで冷延した。さらにバッチ式焼鈍炉で330℃×3時間の焼鈍を施してH24調質材とした。

No.1−2の合金組成のアルミニウム合金については、溶解炉で溶製した溶湯を、セラミックスフィルターを通してろ過したアルミニウム合金溶湯をDC鋳造機にて鋳造し、406mm×1050mm×2300mmのスラブに鋳造し、両面面削した後、熱処理炉にて480℃×6時間の均質化処理を施した。引き続き熱間圧延機にて熱延し、厚さ6mmの熱延板をコイルに巻き取った。その後、中間焼鈍することなく、1.5mmの最終板厚まで冷延した。さらにバッチ式焼鈍炉で270℃×1時間の焼鈍を施してH24調質材とした。

これらの冷延焼鈍材を上下の面材とし、0.5mm厚の3003合金板を素材とした直径25mm、高さ37.0mmの円筒体をコア材としてサンドイッチパネルを試作した。
なお、ろう材としてCu：30.9質量％及びSi：9.3質量％を含有し、残部がAlと不可避的不純物からなるアルミニウム合金であって、平均粒径が40μmの球状を呈するものを用い、フラックスとしてフッ化セシウム（CsF）を16質量％含有したKF−AlF₃系の錯体からなるフッ化物系フラックスを固形分30％含む水溶液を用い、それぞれ、100ｇ／m²、130g／m²の付着量で塗布した。そして、550℃の温度でろう付けした。

得られた二種のサンドイッチパネルの面材から、それぞれ70mm×150mmの試験体を切り出し、切断面をシールして粒界腐食感受性試験を行った。
なお、粒界腐食感受性の評価は、酢酸酸性食塩水交互浸漬試験（5％NaCl＋酢酸6ml／l、35℃、10分浸漬→50分乾燥、168サイクル）を行った後の面材断面を光学顕微鏡で観察して行った。観察結果を図１に示す。
合金No.1−2では、若干ではあるが粒界腐食が観察された。一方、合金No.1−1では、問題になるほどの粒界腐食は観察されなかった。
この結果、Cu含有量を低減することにより耐食性低下を抑制できることがわかった。

実施例２；
機械的特性の評価事例
上記実施例１で試作した２種類のサンドイッチパネルの他に、表１中、合金No.1−3で示すアルミニウム合金を面材としたサンドイッチパネルを試作した。
合金No.1−3のアルミニウム合金については、前記合金No.1−2で作製した冷延焼鈍板と全く同じ態様で冷延焼鈍板を作製した。
そして、得られた板材を面材として、実施例１と全く同じ条件でサンドイッチパネルを試作した。

３種類のサンドイッチパネルの上下面からパネル長手方向に長さ200mm×幅30mmの試験片を各３枚ずつ切り出し、コアを削除した後。JIS5号引張試験片に加工し、引張試験を行った。
引張試験は、（株）島津製作所社製の50kN級の精密万能試験機を用い、0.2％耐力までは2mm／分、0.2％耐力以降は10mm／分の引張速度で行い、抗張力、耐力、伸びを測定した。

その結果を表２に示す。表中の数値は、上下各３枚ずつの６個の数値の平均値である。
表２に示す結果から、DC鋳造スラブを素材とするのではなく、双ベルト式連続鋳造機で連続的に鋳造した薄スラブを素材としたサンドイッチパネルの方が、面材の機械的特性に優れていることがわかる。

これを確認するため、各サンドイッチパネルの面材から透過型電子顕微鏡観察用の試料を切り出し、断面の組織観察を行った。
その観察結果を図２に示す。
透過型電子顕微鏡観察の結果、合金No.1−1は、合金No.1−2およびNo.1−3と比べて、微細な析出物が高密度に析出していることがわかる。

以上の組織観察を基にして各種面材の機械的特性の違いを考察すると、双ベルト式連続鋳造機で連続的に鋳造して板厚の薄いスラブでは、冷却速度が速かったためにMn固溶量が多くなり、この多く固溶したＭｎが、ろう付け工程で金属間化合物を形成して高密度微細に析出したためと考えられる。

含有Ｃｕ量の違いによる粒界腐食状況の違いを示す図各種合金面材断面の透過型電子顕微鏡観察結果を示す図

Claims

上下に対向して配置された二枚のアルミニウム合金製の面材と当該二枚の面材の間に配置されたアルミニウム製またはアルミニウム合金製のコア材とからなるサンドイッチパネルであって、
前記各面材と前記コア材とがろう付け接合によって互いに接合されており、
前記各面材は、Si：0.4〜1.2質量％、Fe：1.0質量％以下、Mn：1.0〜2.0質量％、Cu：0.05〜0.20質量％を含み、残部がAl及び不可避的不純物からなる組成と、ろう付け後に55MPa以上の耐力を呈するアルミニウム合金板から構成されている
ことを特徴とするサンドイッチパネル。
前記各面材は、前記組成からなる溶湯を30℃／sec以上の冷却速度で鋳造されたスラブを冷延することによって得られたものである請求項１に記載のサンドイッチパネル。
前記各面材は、エンドレスベルトを備え上下に対峙する一対の回転ベルト部と、当該一対の回転ベルト部の間に形成されるキャビティーと、前記回転ベルト部の内部に設けられた冷却手段とを備え、前記キャビティー内に金属溶湯が供給されて連続的にスラブを鋳造する双ベルト式鋳造機によって製造された薄スラブを冷延することによって得られたものである請求項２に記載のサンドイッチパネル。
前記ろう付け接合は、Cu：27〜37質量％、Si：5〜10質量％含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなるろう材によってなされている請求項１〜３のいずれか１項に記載のサンドイッチパネル。