JP5284542B1

JP5284542B1 - アルミニウム合金クラッド材の製造方法

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Publication number: JP5284542B1
Application number: JP2012544979A
Authority: JP
Inventors: 和子藤田; 崇村瀬; 昭男新倉
Original assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Current assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2031-11-02
Also published as: US9802273B2; JPWO2013065160A1; US20140367454A1; CN104093519A; WO2013065160A1

Abstract

第１層（１１）と第２層（１２）とを中間層（２１）を介在させて積層する。その積層体を中間層（２１）から生成される液相の質量の比が５％以上３５％以下となる温度で加熱して接合し、圧延することでクラッド材（１）を製造する。上記のような第１層（１１）と第２層（１２）との２層材であるクラッド材（１）の他に、第３層、第４層及び第５層などを有することとしてもよい。

Description

本発明は自動車、船舶、航空機等の構造部材や部品に用いられるアルミニウム合金クラッド材の製造方法に関するものである。

アルミニウム合金クラッド材の製造方法は、従来から、例えば以下に示すような熱間合わせ圧延により行われている。まず、目的のクラッド率に応じて心材と皮材を準備する。通常、心材は鋳塊を面削して所定の厚さにする。皮材は鋳塊の面削、熱間圧延を経て所定の板厚まで圧延し、心材合金の長さに合わせて切断する。必要に応じて心材の均質化処理を行った後、心材と皮材を合わせ、熱間圧延前の加熱を行い、リバースタイプの熱間圧延機で合わせ圧延を行う。合わせ圧延により心材と皮材は圧着され、圧着した後は通常のアルミニウム合金鋳塊を熱間圧延する要領で目的の厚さまで圧延する。

しかし、この熱間合わせ圧延では剥離や板反り抑制のために圧着強度が十分になるまで低圧下で圧延する必要があり、通常の圧延より生産性が劣る。また、アルミニウム合金材又は純アルミニウム材（以下、アルミニウム合金材で統一する）同士が圧着されるためには圧着界面の酸化皮膜が変形により機械的に破壊され新生面が出る必要がある。そのため、クラッド率が高い場合にはロールの接触面からより遠い部分に圧着界面の酸化皮膜を破壊するのに十分な荷重をかける必要があり、圧延機設備による制約もある。よって、圧着圧延によるクラッド材の製造方法では２０％を超える高クラッド率の材料を製造するのはかなり困難である。また、多層材についても難易度は高く、例えば圧着圧延を２度以上に分けて行う方法があるが、この方法ではかなりの手間を有する。

上記のようなクラッド材製造の問題点に対し、特許文献１ではアルミニウム合金のクラッド材を製造する際に、合わせ材の表層部のみを加熱し、合わせ圧延時のクラッド界面の剥離を防止しつつ、高圧下率にて圧着圧延を行うことのできる製造方法が提案されている。しかし、特許文献１では、想定を超える高圧下で圧着圧延を行うと合わせ面同士が未接合であるために、反りが生じて圧着面が剥離し、クラッド材が製造できない可能性がある。

高クラッド率のクラッド材を得る方法としては特許文献２に示された方法によると可能であると考えられる。特許文献２では金属材料の接合方法として、接合しようとする金属合わせ材との間にアルミニウムなどの軟質金属中に固体状態では母相に溶け込まない元素を点在させた中間材を挟んで、圧延や押出、引き抜き等で加熱・加圧する方法が提案されている。この方法では、中間材が溶融する温度範囲内で強い圧下を加えなければならないという製造上の制約がある。また、中間材に添加されているのは融点が低く、固体状態では固溶しない元素であり、接合に使用できるのは表面に存在する低融点金属のみと推定される。そのため、十分な接合強度を得るための添加量はかなり多くなり、接合後に接合界面に残存する低融点金属成分が多く、金属母材の特性に悪影響を及ぼすことが懸念される。

また、固相拡散接合や液相拡散接合により面接合することでクラッド材を製造する方法もある。固相拡散接合では、拡散現象を利用するために、溶接やろう付などと比べて接合に長時間を要する。通常、３０分程度からそれ以上の時間、所定温度での保持が必要となる。また、接合に加圧が必要であるため、接合操作の煩雑化やコスト増加が避けられない。更に、アルミニウム合金材の場合には、その表面に安定で強固な酸化皮膜が存在しこれによって拡散が阻害されるために、固相拡散接合の適用が難しい。液相拡散接合では特に大型の工業製品に用いた場合、液相となるインサート材の接合後における残存量を最適に制御することが難しく、また、接合部に生成される金属間化合物の成長を抑制することも困難である。よって、液相拡散接合では健全な接合性を保つのは難しい。

特開２００８−２６４８２５号公報特開平８−３１８３８１号公報

アルミニウム合金クラッド材の製造には熱間合わせ圧延で行う場合には高度な製造技術が必要とされ、さらに熱間圧延機の能力による制約や、クラッド率や多層材等の製造限界があった。さらには接合界面の剥離防止や板反り抑制のために熱間合わせ圧延で生産性が劣る問題もあった。そのため、より簡便でクラッド材構成の自由度の高い生産性に優れたアルミニウム合金クラッド材の製造方法が望まれていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、容易にクラッド材を製造できるとともに、高クラッド率かつ多層で構成することが可能なアルミニウム合金クラッド材の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るアルミニウム合金クラッド材の製造方法は、複数のアルミニウム合金材（純アルミニウム材を含む）を各層間に中間層を介在させて積層し、前記中間層から生成される液相の質量の比が５％以上３５％以下となる温度での加熱により接合し、接合した後に圧延することを特徴とする。

前記中間層の材料がＭｇ：０．５ｍａｓｓ％以下（０ｍａｓｓ％を含む）、Ｓｉ：０．４〜４．５ｍａｓｓ％を含有するアルミニウム合金であり、フッ化物系のフラックスが接合部材間に塗布された状態で非酸化性雰囲気中で接合することとしてもよい。

前記中間層の材料がＭｇ：０．５ｍａｓｓ％以下（０ｍａｓｓ％を含む）、Ｃｕ：０．７〜１０ｍａｓｓ％を含有するアルミニウム合金であり、フッ化物系のフラックスが接合部材間に塗布された状態で非酸化性雰囲気中で接合することとしてもよい。

前記中間層の材料がＭｇ：０．５ｍａｓｓ％以下（０ｍａｓｓ％を含む）、Ｃｕ：０．４〜１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．３〜４．５ｍａｓｓ％を含有するアルミニウム合金であり、フッ化物系のフラックスが接合部材間に塗布された状態で非酸化性雰囲気中で接合することとしてもよい。

前記中間層の材料がＭｇ：０．５ｍａｓｓ％以下（０ｍａｓｓ％を含む）、Ｓｉ：０．３〜４．５ｍａｓｓ％、Ｚｎ：０．５〜２０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．３〜１０ｍａｓｓ％を含有するアルミニウム合金であり、フッ化物系のフラックスが接合部材間に塗布された状態で非酸化性雰囲気中で接合することとしてもよい。

前記中間層の材料がＭｇ：０．２〜２．０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．３〜５．０ｍａｓｓ％を含有するアルミニウム合金であり、大気中、非酸化性雰囲気中または真空中で接合することとしてもよい。

前記中間層の材料がＭｇ：０．２〜２．０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．１〜１０ｍａｓｓ％を含有するアルミニウム合金であり、大気中、非酸化性雰囲気中または真空中で接合することとしてもよい。

前記中間層の材料がＭｇ：０．２〜２．０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．１５〜１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１〜４．５ｍａｓｓ％を含有するアルミニウム合金であり、大気中、非酸化性雰囲気中または真空中で接合することとしてもよい。

前記中間層の材料がＭｇ：０．２〜２．０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１〜４．５ｍａｓｓ％、Ｚｎ：０．１〜２０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．１〜１０ｍａｓｓ％を含有するアルミニウム合金であり、大気中、非酸化性雰囲気中または真空中で接合することとしてもよい。

前記中間層の前記アルミニウム合金が、さらにＳｉ：０．０５〜１．０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｆｅ：０．０５〜１．０ｍａｓｓ％、Ｚｎ：０．０５〜３．０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．１〜１．８ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．０１〜０．３ｍａｓｓ％、Ｚｒ：０．０１〜０．３ｍａｓｓ％から選択される１種又は２種以上を更に含有することとしてもよい。

上記アルミニウム合金クラッド材の製造方法において、前記接合の熱処理を露点０℃以下の雰囲気で行うこととしてもよい。

本発明によれば、容易にクラッド材を製造できるとともに、高クラッド率かつ多層で構成することが可能なアルミニウム合金クラッド材の製造方法が得られる。

Ａｌ−Ｓｉ合金の組成と温度との関係を示す状態図である。液相の生成過程を示す模式図である。図２Ａに引き続き、液相の生成過程を示す模式図である。図２Ｂに引き続き、液相の生成過程を示す模式図である。図２Ｃに引き続き、液相の生成過程を示す模式図である。クラッド材の構成例を示す断面図である。クラッド材の構成例を示す断面図である。クラッド材の構成例を示す断面図である。クラッド材の構成例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。

本発明のアルミニウム合金クラッド材の製造方法は、複数のアルミニウム合金材を中間層を介在させて積層し、該アルミニウム合金材の固相線温度より低く前記中間層から生成される液相の質量の比（以下、「液相率」と記す）が５．０％以上３５％以下となる温度に加熱することにより、積層された層の接合面を全面あるいは部分的に接合し、その後圧延を行うものである。接合は積層された層の接合面を全面あるいは部分的に接合し、その後の圧延を容易にする。

液相率が３５％を超えると、生成する液相の量が多過ぎてアルミニウム合金材が形状を維持できなくなり大きな変形をしてしまう。そのため、接合が均一になされず、接合率が低下する。一方、液相率が５．０％未満では接合が困難となる。好ましい液相率は５．０〜３０％であり、より好ましい液相率は１０〜２０％である。

加熱中における実際の液相率を測定することは、極めて困難である。そこで、本発明で規定する液相率は平衡計算によって求めるものとする。具体的には、Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃなどの熱力学平衡計算ソフトによって合金組成と加熱時の最高到達温度から計算される。

なお、接合を確実に行う為には、中間層の液相率が５．０％以上となる温度に少なくとも１０分以上保持することが望ましい。本発明において、接合は接合時間が長いほどより確実となる。

＜接合における金属組織の挙動＞
液相の生成メカニズムについて説明する。図１に代表的な２元系共晶合金であるＡｌ−Ｓｉ合金の状態図を模式的に示す。Ｓｉ濃度がｃ１であるアルミニウム合金材を加熱すると、共晶温度（固相線温度）Ｔｅを超えた付近の温度Ｔ１で液相の生成が始まる。共晶温度Ｔｅ以下では、図２Ａに示すように、結晶粒界で区分されるマトリクス中に晶析出物が分布している。ここで液相の生成が始まると、図２Ｂに示すように、晶析出物分布の偏析の多い結晶粒界が溶融して液相となる。次いで、図２Ｃに示すように、アルミニウム合金のマトリクス中に分散する主添加元素成分であるＳｉの晶析出物粒子や金属間化合物の周辺が球状に溶融して液相となる。更に図２Ｄに示すように、マトリクス中に生成したこの球状の液相は、界面エネルギーにより時間の経過や温度上昇と共にマトリクスに再固溶し、固相内拡散によって結晶粒界や表面に移動する。

次いで、図１に示すように温度がＴ２に上昇すると、状態図より液相量は増加する。図１に示すように、一方のアルミニウム合金材のＳｉ濃度が最大固溶限濃度より小さいｃ２の場合には、固相線温度Ｔｓ２を超えた付近で液相の生成が始まる。但し、ｃ１の場合と異なり、溶融直前の組織は図２Ａに示すように、マトリクス中に晶析出物が存在しない場合がある。この場合、図２Ｂに示すように粒界でまず溶融して液相となった後、図２Ｃに示すようにマトリクス中において局所的に溶質元素濃度が高い場所から液相が発生する。図２Ｄに示すように、マトリクス中に生成したこの球状の液相は、ｃ１の場合と同様に、界面エネルギーにより時間の経過や温度上昇と共にマトリクスに再固溶し、固相内拡散によって結晶粒界や表面に移動する。温度がＴ３に上昇すると、状態図より液相量は増加する。このように、本発明に係るクラッド材の製造方法は、アルミニウム合金材内部の部分的な溶融により生成される液相を利用して積層されたアルミニウム合金材をあらかじめ接合するものである。

＜酸化皮膜の破壊＞
アルミニウム合金材の表層には酸化皮膜が形成されており、これによって接合が阻害される。従って、接合においては酸化皮膜を破壊する必要がある。本発明に係るクラッド材の製造方法では、接合時に酸化被膜を破壊するために以下のＤ−１又はＤ−２に示すいずれかの方法が採用される。

Ｄ−１．フラックスによる酸化皮膜の破壊
この方法では、酸化皮膜を破壊する為に少なくとも接合部にフラックスを塗布する。フラックスはアルミニウム合金のろう付で用いるＫＡｌＦ_４やＣｓＡｌＦ_４などのフッ化物系フラックス又はＫＣｌやＮａＣｌなどの塩化物系フラックスが用いられる。これらフラックスは、液相が溶融する前に又は接合温度に至る前に溶融し、酸化皮膜と反応して酸化皮膜を破壊する。

更にこの方法では、酸化皮膜の形成を抑制するために、窒素ガスやアルゴンガスなどの非酸化性雰囲気中で接合する。特にフッ化物系のフラックスを用いる場合は、酸素濃度を２５０ｐｐｍ以下に抑え、露点を−２５℃以下に抑えた非酸化性ガス雰囲気中で接合するのが好ましい。

また、フッ化物系のフラックスを用いる場合、一方及び他方の被接合部材のアルミニウム合金材においてアルミニウム合金中にＭｇが０．５０ｍａｓｓ％を超えて含有されると、フラックスとＭｇが反応してフラックスの酸化皮膜破壊作用が損なわれる。従って、本発明では、液相を生成するアルミニウム合金が０．５０ｍａｓｓ％以下のＭｇを含有するものとする。

Ｄ−２．Ｍｇのゲッター作用による酸化皮膜の破壊
アルミニウム合金材にＭｇが所定量添加されている場合は、接合部にフラックスを塗布しなくても、酸化被膜が破壊されて接合が可能になる。この場合、真空フラックスレスろう付と同様に、アルミニウム合金が溶融し液相が表層に出てくるときに、アルミニウム合金中より蒸発するＭｇのゲッター作用によって酸化皮膜が破壊される。Ｍｇのゲッター作用により酸化皮膜を破壊する場合、酸化皮膜の形成を抑制するために、真空中又は上記の非酸化性雰囲気中で接合する。但し、本発明の場合は面接合であるので、乾燥した大気であっても接合可能である。Ｍｇのゲッター作用により酸化皮膜を破壊する為には、本発明では、液相を生成するアルミニウム合金材が０．２０ｍａｓｓ％以上かつ２．０ｍａｓｓ％以下のＭｇを含有するものとする。０．２０ｍａｓｓ％未満では、十分なゲッター作用が得られず良好な接合が達成されない。一方、２．０ｍａｓｓ％を超えると、表面でＭｇが雰囲気中の酸素と反応して酸化物ＭｇＯが多く生成され接合が阻害される。

＜液相を生成するアルミニウム合金の成分（Ｍｇ以外）＞
Ａｌ−Ｓｉ合金：
Ｓｉの含有量が０．４０〜４．５ｍａｓｓ％のものが好適に用いられる。０．４０ｍａｓｓ％未満の場合、液相率が５．０％〜３５％となる温度範囲が狭くなり、安定した接合が困難となる場合がある。一方、４．５ｍａｓｓ％を超えると、固相線温度＝共晶温度で発生する液相の量が３５％に近くなり、固相線温度から液相率３５％の温度範囲が狭くなって安定した接合が困難となる場合がある。より好ましいＳｉ含有量は、１．２〜３．０ｍａｓｓ％である。

Ａｌ−Ｃｕ合金：
Ｃｕの含有量が０．７０〜１０ｍａｓｓ％のものが好適に用いられる。０．７０ｍａｓｓ％未満の場合、液相率が５．０％〜３５％となる温度範囲が狭くなり、安定した接合が困難となる場合がある。一方、１０ｍａｓｓ％を超えると、強度が高くなり、圧延時に割れが発生して製造できない。より好ましいＣｕ含有量は、１．５〜６．０ｍａｓｓ％である。

Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金：
Ｃｕの含有量が０．４０〜１０ｍａｓｓ％、Ｓｉの含有量が０．３０〜４．５ｍａｓｓ％のものが好適に用いられる。Ｃｕの含有量が０．４０ｍａｓｓ％未満の場合、液相率が５．０％〜３５％となる温度範囲が狭くなり、安定した接合が困難となる場合がある。一方、１０ｍａｓｓ％を超えると、強度が高くなり、圧延時に割れが発生して製造できない。Ｓｉの含有量が０．３０ｍａｓｓ％未満の場合、液相率が５．０％〜３５％となる温度範囲が狭くなり、安定した接合が困難となる場合がある。一方、４．５ｍａｓｓ％を超えると、固相線温度＝共晶温度で発生する液相の量が３５％に近くなり、固相線温度から液相率３５％の温度範囲が狭くなって安定した接合が困難となる場合がある。より好ましいＣｕ含有量は、１．５〜６．０ｍａｓｓ％であり、より好ましいＳｉ含有量は１．２〜３．０ｍａｓｓ％である。

Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ−Ｃｕ合金：
Ｓｉの含有量が０．３０〜４．５ｍａｓｓ％、Ｚｎの含有量が０．５０〜２０ｍａｓｓ％、Ｃｕの含有量が０．３０〜１０ｍａｓｓ％のものが好適に用いられる。Ｓｉの含有量が０．３０ｍａｓｓ％未満の場合、液相率が５．０％〜３５％となる温度範囲が狭くなり、安定した接合が困難となる場合がある。一方、４．５ｍａｓｓ％を超えると、固相線温度＝共晶温度で発生する液相の量が３５％に近くなり、固相線温度から液相率３５％の温度範囲が狭くなって安定した接合が困難となる場合がある。Ｚｎの含有量が０．５０ｍａｓｓ％未満の場合、液相率が５．０％〜３５％となる温度範囲が狭くなり、安定した接合が困難となる場合がある。一方、２０ｍａｓｓ％を超えると、アルミニウムマトリックスが脆くなり、圧延時に割れが発生して製造できない。Ｃｕの含有量が０．３０ｍａｓｓ％未満の場合、液相率が５．０％〜３５％となる温度範囲が狭くなり、安定した接合が困難となる場合がある。一方、１０ｍａｓｓ％を超えると、強度が高くなり、圧延時に割れが発生して製造できない。

Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金：
Ｓｉの含有量が０．３０〜５．０ｍａｓｓ％のものが好適に用いられる。０．４０ｍａｓｓ％未満の場合、液相率が５．０％〜３５％となる温度範囲が狭くなり、安定した接合が困難となる場合がある。一方、４．５ｍａｓｓ％を超えると、固相線温度＝共晶温度で発生する液相の量が３５％に近くなり、固相線温度から液相率３５％の温度範囲が狭くなって安定した接合が困難となる場合がある。より好ましいＳｉ含有量は、１．２〜３．０ｍａｓｓ％である。

Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ合金：
Ｃｕの含有量が０．１０〜１０ｍａｓｓ％のものが好適に用いられる。０．７０ｍａｓｓ％未満の場合、液相率が５．０％〜３５％となる温度範囲が狭くなり、安定した接合が困難となる場合がある。一方、１０ｍａｓｓ％を超えると、強度が高くなり、圧延時に割れが発生して製造できない。より好ましいＣｕ含有量は、１．５〜６．０ｍａｓｓ％である。

Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｍｇ合金：
Ｃｕの含有量が０．１５〜１０ｍａｓｓ％、Ｓｉの含有量が０．１０〜４．５ｍａｓｓ％のものが好適に用いられる。Ｃｕの含有量が０．１５ｍａｓｓ％未満の場合、液相率が５．０％〜３５％となる温度範囲が狭くなり、安定した接合が困難となる場合がある。一方、１０ｍａｓｓ％を超えると、強度が高くなり、圧延時に割れが発生して製造できない。Ｓｉの含有量が０．１０ｍａｓｓ％未満の場合、液相率が５．０％〜３５％となる温度範囲が狭くなり、安定した接合が困難となる場合がある。一方、４．５ｍａｓｓ％を超えると、固相線温度＝共晶温度で発生する液相の量が３５％に近くなり、固相線温度から液相率３５％の温度範囲が狭くなって安定した接合が困難となる場合がある。

Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ−Ｃｕ−Ｍｇ合金：
Ｓｉの含有量が０．１０〜４．５ｍａｓｓ％、Ｚｎの含有量が０．１０〜２０ｍａｓｓ％、Ｃｕの含有量が０．１０〜１０ｍａｓｓ％のものが好適に用いられる。Ｓｉの含有量が０．１０ｍａｓｓ％未満の場合、液相率が５．０％〜３５％となる温度範囲が狭くなり、安定した接合が困難となる場合がある。一方、Ｓｉの含有量が４．５ｍａｓｓ％を超えると、固相線温度＝共晶温度で発生する液相の量が３５％に近くなり、固相線温度から液相率３５％の温度範囲が狭くなって安定した接合が困難となる場合がある。Ｚｎの含有量が０．１０ｍａｓｓ％未満の場合、液相率が５．０％〜３５％となる温度範囲が狭くなり、安定した接合が困難となる場合がある。一方、Ｚｎの含有量が２０ｍａｓｓ％を超えると、アルミニウムマトリックスが脆くなり、圧延時に割れが発生して製造できない。Ｃｕの含有量が０．１０ｍａｓｓ％未満の場合、液相率が５．０％〜３５％となる温度範囲が狭くなり、安定した接合が困難となる場合がある。一方、Ｃｕの含有量が１０ｍａｓｓ％を超えると、強度が高くなり、圧延時に割れが発生して製造できない。

また、上記の各合金は、さらにＳｉ：０．０５〜１．０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０ｍａｓｓ％、Ｆｅ：０．０５〜１．０ｍａｓｓ％、Ｚｎ：０．０５〜３．０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．１０〜１．８ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．０１〜０．３０ｍａｓｓ％、Ｚｒ：０．０１〜０．３０ｍａｓｓ％から選択される１種又は２種以上を更に含有してもよい。

本発明のアルミニウム合金クラッド材の製造方法では、液相を生成するアルミニウム合金材の固相線温度と液相線温度の差を１０℃以上とするのが好ましい。固相線温度を超えると液相の生成が始まるが、固相線温度と液相線温度の差が小さいと、固体と液体が共存する温度範囲が狭くなり、発生する液相の量を制御することが困難となる。

なお、固相線温度と液相線温度の差は大きくなるほど適切な液相量に制御するのが容易になる。従って、固相線温度と液相線温度の差に上限は特に設けない。また、液相を生成するアルミニウム合金は、液相率が５．０％〜３５％の温度が１０℃以上であることがより好ましく、液相率が５．０〜３５％の温度が２０℃以上であることが更に好ましい。

接合の熱処理は露点を０℃以下に制御した炉を用いることが望ましい。炉中の酸素濃度については好ましくは５．０％以下とする。

本発明のアルミニウム合金クラッド材の製造方法では、高温での接合後に圧延を実施する。圧延は熱間圧延でも冷間圧延でも可能であり、接合前のアルミニウム合金材の板厚が厚い場合は熱間圧延を行う。圧延を実施するのは、液相による接合では接合が不十分であるのを補う効果があり、圧延を実施することでより信頼度の高いアルミニウム合金クラッド材を製造することができる。

接合を確実に行うためには、熱処理中に鉄バンドで固定をするか、重りを載せるなどして、接合界面に極力隙間を作らないことが望ましい。ただし、接合する鋳塊厚さが厚い場合には自重により接合面の隙間が小さくなるため、必ずしも加圧は必要ではない。接合率（後述）が高ければ高いほど圧延が容易になるが、接合率が低かったとしても圧延中に圧着され、接合がなされる。その接合率としては１０〜１００％が好ましく、２０〜１００％であることがより望ましい。接合率が１０％未満であると、圧延中に各層が分離してしまう可能性が高い。

接合する材料はクラッド率に応じて鋳塊を面削するか、あらかじめ熱間圧延にて所定の厚さに準備しておく。接合界面に関しては接合率を高めるために酸またはアルカリで洗浄することも可能である。

液相を生成するアルミニウム合金材によって接合されるアルミニウム合金材は、液相を生じるアルミニウム合金材の固相線温度（共晶温度）よりも固相線温度（共晶温度）が高くなければならない。つまり、接合するアルミニウム合金に応じて液相を生成するアルミニウム合金材の成分を選定する必要がある。例えば、非酸化性雰囲気中でフッ化物系のフラックスを使用して接合する場合は、接合するアルミニウム合金もＭｇ量を０．５０ｍａｓｓ％以下とする必要がある。Ｍｇが０．５０ｍａｓｓ％を超えて含有されると、フラックスとＭｇが反応してフラックスの酸化皮膜破壊作用が損なわれる。

また、大気中、非酸化性雰囲気中または真空中でＭｇのゲッター作用を利用して接合する場合は、接合するアルミニウム合金のＭｇ量を２．０ｍａｓｓ％以下とする必要がある。２．０ｍａｓｓ％を超えると、表面でＭｇが雰囲気中の酸素と反応して酸化物ＭｇＯが多く生成され接合が阻害される。ただし、この場合の接合は面接合であるため、炉中の雰囲気を非酸化性の雰囲気または真空とする場合は、Ｍｇ量を６．０ｍａｓｓ％まで引き上げても接合が可能である。

熱処理後の接合率については、１５％以上接合していることが好ましい。接合率が１５％未満であると、圧延時に剥離が生じ、クラッド材が製造できない。

液相を生成する層の厚さに関しては０．１０〜１０ｍｍが好ましい。０．１０ｍｍより小さいと生成する液相量が十分ではなく、接合が不十分となる。１０ｍｍを超える厚さになると、生成する液相が多過ぎて炉中で液相が流れ出すおそれがあり、好ましくない。図３Ａ〜図３Ｄに示すように、クラッド材１〜４のような例えば２層材、３層材、４層材及び５層材とすることができる。また、さらに多層材としてもよい。図３Ａ〜図３Ｄでは、第１層１１〜１５の各層間に、液相を生成する層、即ち中間層２１〜２４を挿入してあらかじめ接合がなされることで、合わせ圧延を簡便かつ有利にすることができる。

以上説明したように、本発明者らは上記問題に鑑み鋭意検討の結果、熱間圧延前にクラッドするアルミニウム合金材層同士をあらかじめ接合させ、熱間合わせ圧延を不要または簡便にし、高クラッド率かつ多層のアルミニウム材料を製造することのできる方法を見出した。本製造方法を用いると熱間合わせ圧延を高圧下率にすることができるので生産性にも優れる。

本発明のアルミニウム合金クラッド材の製造方法は、熱間圧延前にあらかじめクラッドする材料同士を全面あるいは部分的に接合し、通常は熱間合わせ圧延が必要である製造工程を容易にするものである。接合は固相線温度の最も低いアルミニウム合金層のみが部分溶融する温度での熱処理により行う。本発明の製造方法では、通常は高い製造技術が求められる合わせ圧延が必要なくなるか、または熱間合わせ圧延に対する負荷が大きく低減される。そのため、熱間圧延機の能力による制約が小さくなる。また、通常は困難である高クラッド率の場合や３層材以上の多層材の場合も比較的容易にクラッド材とすることができる。さらには、通常の鋳塊を圧延する際と近い状態で圧延できるため、幅方向および長手方向でのクラッド率の安定領域が広がり、歩留まりを向上することができる。さらには、接合の熱処理と心材の均質化熱処理を兼ねることができる場合は、工程を増やすことなく製造方法を簡便にすることができ、コストダウンが可能である。

以下にこの発明の実施例を比較例とともに記す。なお以下の実施例は、この発明の効果を説明するためのものであり、実施例記載のプロセス及び条件がこの発明の技術的範囲を制限するものではない

（実施例１：２層材）
表１，２に接合にクラッド材製造に用いた液相を生じる役目を果たすアルミニウム合金材（以下、実施例及び表において「中間層」ともいう）の成分を示す。表３に接合するアルミニウム合金材（以下、実施例及び表において「主層」ともいう）の成分を示す。表１〜３には各合金の固相線温度を併記した。固相線温度は、熱力学計算ソフトＴｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃによる計算値である。なお、表１〜３における各成分「−」は当該元素を含有していない（検出限界未満）ことを意味する。

表１，２に示す成分の合金鋳塊を調製した後、面削し、熱間圧延を実施した。また、表３に示す合金鋳塊を調製した後、面削加工を実施し、必要により熱間圧延及び冷間圧延により所定の厚さの圧延板を得た。表３に示す各合金材から選ばれた主層の２種類の鋳塊の間に表１，２に示す中間層の合金材を挟み込むかたちで積層し、鉄バンドで軽く固定してから接合のための熱処理を行った。フラックスを塗布して接合するクラッド材では、フッ化カリウム系又はフッ化セシウム系の非腐食性フラックスを接合面に塗布した。フラックス塗布の有無と種類を表４、５に示す。これらの表において、「Ｋ」はフッ化カリウム系非腐食性フラックス（ＫＡｌＦ_４）を、「Ｃｓ」はフッ化セシウム系の非腐食性フラックス（ＣｓＡｌＦ_４）を、「無」はフラックスを塗布しなかった場合を示す。

表４，５に積層する合金の組み合わせおよび接合条件、接合後の結果を示す。鋳塊サイズは幅１０００ｍｍ×長さ２０００ｍｍとし、厚さは各々表４，５に示した値とした。接合にはバッチ式の炉を使用し、表４，５に示す接合時の加熱温度に到達するまで加熱し、保持時間は３時間とした。熱間圧延は接合加熱後に冷却し、接合加熱温度から冷却して表４，５に示す温度から開始した。圧延の条件は各パスの圧延率を５〜５０％で実施した。接合後の結果は熱処理後の接合率調査と組織観察、圧延後の結果を示した。接合率は長さ中央位置で幅方向の３点（中央、両端）で測定した平均値とした。測定方法は接合部を切り出し、断面を光学顕微鏡で観察し、測定長さに対する接合割合を計算して接合率とした。接合後の組織観察において、接合するアルミニウム合金材で溶融が生じたものを×、生じなかったものを○とした。圧延後の結果については、液相を生じる合金材を製造する際の圧延で割れが発生したものを×、割れが発生せずに製造できた合金材については○と示した。また、接合後の圧延で接合界面が剥離することなく、圧延できたクラッド材を○、圧延途中に剥離が生じたものを×とした。

実施例１〜７２では熱処理での接合が十分になされたため、その後の圧延時に剥離することなく、クラッド材が製造できた。

比較例１、３、５、７、１１、１２、１３、１５、１７、１８、２３では、中間層から生成する液相が５．０％未満で十分であったため、接合が十分になされず、圧延後の層の剥離が起こり、不十分な結果となった。また、接合に必要な液相を生成させる目的で温度を上げ過ぎた場合は第１層又は第２層の溶融が発生した。
比較例２、２４では、中間層から生成する液相が３５％を超えたため、接合が十分になされず、圧延後の層の剥離が起こり、不十分な結果となった。
比較例１０では、フラックスを使用する場合の中間層のＭｇ添加量が本発明の範囲外であり、接合時に表面の酸化膜が破壊されず、接合が十分になされず、圧延後の層の剥離が起こり、不十分な結果となった。
比較例２１、２２では、フラックスを使用しない場合の中間層のＭｇ添加量が本発明の範囲外であり、接合時に表面の酸化膜が破壊されず、接合が十分になされず、圧延後の層の剥離が起こり、不十分な結果となった。

比較例４，６，８，９，１４，１６，１９，２０では、液相を生じるアルミニウム合金材（中間層）の熱延時に割れが生じたため、クラッド材の製造ができなかった。なお、表５では、当該比較例について中間層自体に関する項目以外は「−」で表示している。

（実施例２：３層材以上）
次に３層材以上の多層材の実施例７３〜７７を示す。表６に接合条件および接合率を示す。いずれの実施例でも接合するアルミニウム合金材の溶融はなく、圧延時の各層の剥離もなく、良好に圧延できた。

本発明は、２層又は３層以上のアルミニウム合金材を積層して構成されるアルミニウム合金クラッド材に適用できる。

１〜４クラッド材
１１〜１５第１層〜第５層
２１〜２４中間層

Claims

複数のアルミニウム合金材（純アルミニウム材を含む）を各層間に中間層を介在させて積層し、前記中間層から生成される液相の質量の比が５％以上３５％以下となる温度での加熱により接合し、接合した後に圧延することを特徴とするアルミニウム合金クラッド材の製造方法。
前記中間層の材料がＭｇ：０．５ｍａｓｓ％以下（０ｍａｓｓ％を含む）、Ｓｉ：０．４〜４．５ｍａｓｓ％を含有するアルミニウム合金であり、フッ化物系のフラックスが接合部材間に塗布された状態で非酸化性雰囲気中で接合することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金クラッド材の製造方法。
前記中間層の材料がＭｇ：０．５ｍａｓｓ％以下（０ｍａｓｓ％を含む）、Ｃｕ：０．７〜１０ｍａｓｓ％を含有するアルミニウム合金であり、フッ化物系のフラックスが接合部材間に塗布された状態で非酸化性雰囲気中で接合することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金クラッド材の製造方法。
前記中間層の材料がＭｇ：０．５ｍａｓｓ％以下（０ｍａｓｓ％を含む）、Ｃｕ：０．４〜１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．３〜４．５ｍａｓｓ％を含有するアルミニウム合金であり、フッ化物系のフラックスが接合部材間に塗布された状態で非酸化性雰囲気中で接合することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金クラッド材の製造方法。
前記中間層の材料がＭｇ：０．５ｍａｓｓ％以下（０ｍａｓｓ％を含む）、Ｓｉ：０．３〜４．５ｍａｓｓ％、Ｚｎ：０．５〜２０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．３〜１０ｍａｓｓ％を含有するアルミニウム合金であり、フッ化物系のフラックスが接合部材間に塗布された状態で非酸化性雰囲気中で接合することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金クラッド材の製造方法。
前記中間層の材料がＭｇ：０．２〜２．０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．３〜５．０ｍａｓｓ％を含有するアルミニウム合金であり、大気中、非酸化性雰囲気中または真空中で接合することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金クラッド材の製造方法。
前記中間層の材料がＭｇ：０．２〜２．０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．１〜１０ｍａｓｓ％を含有するアルミニウム合金であり、大気中、非酸化性雰囲気中または真空中で接合することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金クラッド材の製造方法。
前記中間層の材料がＭｇ：０．２〜２．０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．１５〜１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１〜４．５ｍａｓｓ％を含有するアルミニウム合金であり、大気中、非酸化性雰囲気中または真空中で接合することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金クラッド材の製造方法。
前記中間層の材料がＭｇ：０．２〜２．０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１〜４．５ｍａｓｓ％、Ｚｎ：０．１〜２０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．１〜１０ｍａｓｓ％を含有するアルミニウム合金であり、大気中、非酸化性雰囲気中または真空中で接合することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金クラッド材の製造方法。
前記中間層の前記アルミニウム合金が、さらにＳｉ：０．０５〜１．０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｆｅ：０．０５〜１．０ｍａｓｓ％、Ｚｎ：０．０５〜３．０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．１〜１．８ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．０１〜０．３ｍａｓｓ％、Ｚｒ：０．０１〜０．３ｍａｓｓ％から選択される１種又は２種以上を更に含有することを特徴とする請求項２〜９のいずれか１項に記載のアルミニウム合金クラッド材の製造方法。
前記接合の熱処理を露点０℃以下の雰囲気で行うことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のアルミニウム合金クラッド材の製造方法。