JP6381944B2 - 金属積層材の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ステンレス鋼とアルミニウムを積層した金属積層材の製造方法に関する。また、この製造方法によって得られた金属積層材にも関する。
２つ以上の金属板を積層した金属積層材（クラッド材）は、単一材料では得ることが出来ない複合特性を持つため、様々な分野で利用されている。金属積層材としては、例えば、銅／ニッケル、銅／アルミニウム、ステンレス鋼／アルミニウムを用いた金属積層材が知られている。
この中で、ステンレス鋼とアルミニウムの金属積層材は、アルミニウムの軽量性及びステンレス鋼の強さの両方の特性を有しており、ステンレス鋼単一の材料と比べ、高い成形性及び熱伝導性を有するため、広く用いられている。
また、金属積層材の製造方法としては、例えば、特許文献１には、真空槽内で、特定の条件下で異種金属板の接合面を予め活性化処理した後、該異種金属板を重合して冷間圧延接合を行うクラッド金属板の製造方法が記載されている。
特開平１−２２４１８４号公報
しかし、従来の金属積層材は、その製造の際に、積層する金属板の表面の表面吸着物及び酸化膜を完全に除去しないと十分な接合力を有する金属積層材を得ることができなかった。しかし、金属板の表面の酸化膜を完全に除去するためには時間を要し、従来の金属積層材の製造方法では、その生産性の向上が図れなかった。
そこで本発明は、高い接合力を有する金属積層体を効率よく製造するための製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、前記課題を解決するため鋭意検討を行った結果、ステンレス鋼とアルミニウムを積層した金属積層体の製造において、ステンレス鋼とアルミニウムの各接合面の表面に酸化膜を残存させた状態で仮接合を行い、その後特定の温度で熱処理を行うことにより、高い接合力を有し、かつ、ステンレス鋼の軟化を防止した金属積層体を効率よく製造することが可能となることを見出し、発明を完成した。すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）ステンレス鋼とアルミニウムの各接合面を酸化膜が残存するようにスパッタエッチングする工程と、前記ステンレス鋼と前記アルミニウムの接合面をロール圧接により仮接合する工程と、仮接合した積層材をステンレス鋼の再結晶温度未満で熱処理して、少なくともステンレス鋼に含まれる金属元素をアルミニウムに熱拡散させる工程とを含む金属積層材の製造方法。
（２）前記熱拡散させる工程では、少なくともステンレス鋼に含まれるＦｅ元素が、接合界面からアルミニウム方向に５ｎｍの地点で８原子％以上拡散している（１）の金属積層材の製造方法。
（３）前記熱拡散させる工程が、仮接合した積層材をステンレス鋼の再結晶温度未満で熱処理してステンレス鋼に含まれる金属元素とアルミニウムとを相互に熱拡散させる（１）又は（２）の金属積層材の製造方法。
（４）熱処理温度が１００℃〜５００℃である（１）〜（３）のいずれかの金属積層材の製造方法。
（５）熱処理温度が２００℃〜４００℃である（１）〜（４）のいずれかの金属積層材の製造方法。
（６）ステンレス鋼の接合面の表面のエッチング量が１ｎｍ〜１０ｎｍである（１）〜（５）のいずれかの金属積層材の製造方法。
（７）アルミニウムの接合面の表面のエッチング量が１ｎｍ〜１０ｎｍである（１）〜（６）のいずれかの金属積層材の製造方法。
（８）（１）〜（７）のいずれかの製造方法で得られた金属積層材。
本発明によれば、ステンレス鋼とアルミニウムを積層した高い接合力を有する金属積層体を効率よく、かつ、ステンレス鋼の軟化を伴わずに製造することができる。
図１は本発明の金属積層材の製造工程を示す図である。 図２は実施例１及び比較例３の仮接合した積層材のＡＥＳ分析の結果を示す図である。 図３は実施例１と比較例４の金属積層材の熱処理前後のピール強度を示す図である。 図４はステンレス鋼についてのスパッタエッチング量と表面の吸着物層についての関係を示す図である。 図５はアルミニウムについてのスパッタエッチング量と表面の吸着物層についての関係を示す図である。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の金属積層材は、ステンレス鋼とアルミニウムを積層した金属積層材である。本発明の金属積層材は、アルミニウムの片面のみにステンレス鋼を積層させたものでもよいし、アルミニウムの両面にステンレス鋼を積層させたもの、又はステンレス鋼の両面にアルミニウムを積層させたものでもよい。
本発明の金属積層材に用いることができるステンレス鋼としては、特に限定されずに、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ４３０等の板材を挙げることができる。これらのステンレス鋼の厚さは、通常０．０１ｍｍ以上であれば適用可能であり、得られる金属積層材の機械的強度及び加工性の観点から、０．０１ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましいが、この範囲に限定されるものではない。
本発明の金属積層材に用いることができるアルミニウムとしては、特に限定されずに、純アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることができる。アルミニウム合金としては、ＪＩＳに規定の１０００系、３０００系、５０００系などのアルミニウム合金などを用いることができる。アルミニウムの厚さは、通常０．０１ｍｍ以上であれば適用可能であり、得られる金属積層材の機械的強度及び加工性の観点から、０．０１ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましいが、この範囲に限定されるものではない。
本発明の金属積層材の製造方法を図１により説明する。本発明の金属積層材５は、（１）ステンレス鋼１とアルミニウム２の各接合面を酸化膜３が残存するようにスパッタエッチングする工程と、（２）前記ステンレス鋼１と前記アルミニウム２の接合面をロール圧接により仮接合する工程と、（３）仮接合した積層材４をステンレス鋼の再結晶温度未満で熱処理して、少なくともステンレス鋼に含まれる金属元素をアルミニウムに熱拡散させる工程とを含む方法によって製造することができる。
本発明の金属積層材の製造方法の工程（１）では、ステンレス鋼とアルミニウムの各接合面を酸化膜が残存するようにスパッタエッチングする。本発明の金属積層材の製造方法では、スパッタエッチング処理によって、ステンレス鋼とアルミニウムの各接合面の表面の吸着物が完全に除去されるが、酸化膜は残存することを特徴とする。これによって、スパッタエッチング処理によって表面の吸着物及び表面の酸化膜を完全に除去する従来の金属積層材の製造方法と比較して、スパッタエッチング処理時間を大幅に減少させ、金属積層材の生産性を向上させることができる。
スパッタエッチング処理は、具体的には、ステンレス鋼及びアルミニウムを、幅１００ｍｍ〜６００ｍｍの長尺コイルとして用意し、接合面を有するステンレス鋼とアルミニウムをそれぞれアース接地した一方の電極とし、絶縁支持された他の電極との間に１ＭＨｚ〜５０ＭＨｚの交流を印加してグロー放電を発生させ、且つグロー放電によって生じたプラズマ中に露出される電極の面積を前記の他の電極の面積の１／３以下として行う。スパッタエッチング処理中は、アース接地した電極が冷却ロールの形をとっており、各搬送材料の温度上昇を防いでいる。
スパッタエッチング処理では、真空下でステンレス鋼とアルミニウムの接合する面を不活性ガスによりスパッタすることにより、表面の吸着物を完全に除去し、かつ表面の酸化膜を残存させる。不活性ガスとしては、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトンなどや、これらを少なくとも１種類含む混合気体を適用することができる。ステンレス鋼とアルミニウムのいずれについても、表面の吸着物は、エッチング量約１ｎｍ程度で完全に除去することができる。
ステンレス鋼についてのスパッタエッチング処理は、真空下で、例えば、１００Ｗ〜１０ＫＷのプラズマ出力、ライン速度１ｍ／分〜３０ｍ／分で行うことができる。この時の真空度は、表面への再吸着物を防止するため高い方が好ましいが、例えば、１×１０−５Ｐａ〜１０Ｐａであればよい。スパッタエッチング処理において、ステンレス鋼の温度は、軟化防止の観点から、好ましくは常温〜１５０℃に保たれる。
本発明において、表面に酸化膜が残存するステンレス鋼は、ステンレス鋼のエッチング量を、例えば１ｎｍ〜１０ｎｍにすることによって得られる。
アルミニウムについてのスパッタエッチング処理は、真空下で、例えば、１００Ｗ〜１０ＫＷのプラズマ出力、ライン速度１ｍ／分〜３０ｍ／分で行うことができる。この時の真空度は、表面への再吸着物を防止するため高い方が好ましいが、１×１０−５Ｐａ〜１０Ｐａであればよい。
本発明において、表面の酸化膜が残存するアルミニウムは、アルミニウムのエッチング量を、１ｎｍ〜１０ｎｍにすることによって得られる。
本発明の金属積層材の製造方法の工程（２）では、スパッタエッチング処理したステンレス鋼とアルミニウムの接合面をロール圧接により仮接合する。
ステンレス鋼とアルミニウムの接合面を仮接合するためのロール圧接の圧延線荷重は、特に限定されずに、例えば、０．１〜１０ｔｆ／ｃｍである。また、ロール圧接による仮接合時の温度は、特に限定されずに、例えば、常温〜１５０℃である。
ロール圧接による仮接合は、ステンレス鋼とアルミニウム表面への酸素の再吸着によって両者間の接合強度が低下するのを防止するため、非酸化雰囲気中、例えばＡｒなどの不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。
本発明の金属積層材の製造方法の工程（３）では、仮接合したステンレス鋼とアルミニウムの積層材の熱処理を行なう。この熱処理は、ステンレス鋼の再結晶温度未満で行なう必要がある。例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）の再結晶温度は５３３．８５℃である。これはステンレス鋼が再結晶により軟化するのを防止するためである。
さらに、この熱処理は、少なくともステンレス鋼の金属元素がアルミニウムに熱拡散する温度で行なう必要がある。この金属元素は例えば、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉである。この熱拡散により接合力が向上する。好ましくは、熱処理により、少なくともステンレス鋼に含まれるＦｅ元素が、ステンレス鋼とアルミニウムの積層材の接合界面からアルミニウム方向に５ｎｍの地点で８原子％以上拡散する。これによって、得られる金属積層材の接合力がより向上する。なお、ステンレス鋼に含まれる金属元素とアルミニウムとを相互に熱拡散させてもよい。
具体的には１００℃〜５００℃の温度で熱処理することができる。熱処理温度がこの範囲であると、熱拡散により得られる金属積層材が高い接合力を有し、かつ高い補強材硬度を有し、加熱による再結晶によるステンレス鋼の軟化を防止することができる。熱処理温度は、より接合力を向上させ同時にステンレス鋼の軟化を防止する観点から、好ましくは２００℃〜４００℃である。熱処理時間は、温度によって異なるが、例えば３００℃であれば１秒（昇温時間は含まない。）〜２４０分程度保持するとよい。
本発明は、前記の製造方法で得られた金属積層材にも関する。
本発明の一つの実施形態において、本発明の金属積層材は、ステンレス鋼とアルミニウムの各接合面を酸化膜が残存するようにスパッタエッチングする工程と、前記ステンレス鋼と前記アルミニウムの接合面をロール圧接により仮接合する工程と、仮接合した積層材を１００℃〜５００℃、好ましくは２００℃〜４００℃の温度で熱処理する工程とを含む製造方法によって得られる。
以下、実施例及び比較例に基づき本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
ステンレス鋼としてＳＵＳ３０４−ＢＡ（厚さ０．０５ｍｍ）を用い、アルミニウムとしてＡ１０５０−Ｈ１８（厚さ０．１８ｍｍ）を用いた。ＳＵＳ３０４−ＢＡ及びＡ１０５０−Ｈ１８の表面について走査型オージェ電子分光分析装置（ＡＥＳ）により測定を行ったところ、ＳＵＳ３０４−ＢＡの酸化膜の厚さは１０〜１５ｎｍであり、Ａ１０５０−Ｈ１８の酸化膜の厚さは８０〜１５０ｎｍであった。ＳＵＳ３０４−ＢＡとＡ１０５０−Ｈ１８に対してスパッタエッチング処理を施した。ＳＵＳ３０４−ＢＡについてのスパッタエッチングは、０．１Ｐａ下で、プラズマ出力８００Ｗ、ライン速度３．５ｍ／分にて実施し、Ａ１０５０−Ｈ１８についてのスパッタエッチングは、０．１Ｐａ下で、プラズマ出力２６００Ｗ、ライン速度３．５ｍ／分にて実施し、ＳＵＳ３０４−ＢＡ及びＡ１０５０−Ｈ１８の表面の吸着物を完全に除去した。ＳＵＳ３０４−ＢＡのエッチング量は約２ｎｍであり、Ａ１０５０−Ｈ１８のエッチング量は約６ｎｍであった。スパッタエッチング処理後のＳＵＳ３０４−ＢＡとＡ１０５０−Ｈ１８を、常温で圧延線荷重２ｔｆ／ｃｍ（圧延荷重０．４ＭＮ）にてロール圧接により仮接合して積層材を形成させた。
得られた仮接合した積層材のＡＥＳ分析を行った。実施例１の仮接合した積層材と後記の比較例３の仮接合した積層材のＡＥＳ分析の結果を図２に示す。図２より、仮接合した積層材の界面の前後に酸素（Ｏ）に由来するピークが観察され、ＳＵＳ３０４−ＢＡとＡ１０５０−Ｈ１８のそれぞれの表面に酸化膜が残存することが確認された。
仮接合した積層材を２４０℃で３０分間熱処理した。得られた金属積層材のピール強度（９０°）を測定した。
（比較例１）
仮接合した積層材の熱処理を行わない以外は実施例１と同様にした。
（比較例２）
スパッタエッチング処理を行わない以外は実施例１と同様にした。仮接合後の積層材の界面において、ＳＵＳ３０４−ＢＡとＡ１０５０−Ｈ１８のそれぞれの表面には酸化膜と吸着物が存在したままであった。
（比較例３）
ステンレス鋼としてＳＵＳ３０４−ＢＡ（厚さ０．０５ｍｍ）を用い、アルミニウムとしてＡ１０５０−Ｈ１８（厚さ０．１７ｍｍ）を用いた。ＳＵＳ３０４−ＢＡとＡ１０５０−Ｈ１８に対してスパッタエッチング処理を施した。ＳＵＳ３０４−ＢＡについてのスパッタエッチングは、０．１Ｐａ下で、プラズマ出力を７００Ｗ、接合面へのスパッタ照射時間を１８０分として実施し、Ａ１０５０−Ｈ１８についてのスパッタエッチングは、０．１Ｐａ下で、プラズマ出力を７００Ｗ、接合面へのスパッタ照射時間を１８０分（板は動かさずに止まった状態でスパッタエッチングを実施した。実施例１のようにラインを通しながらだと、ライン速度はライン速度５．６×１０−３ｍ／分に換算できる。）として実施し、ＳＵＳ３０４−ＢＡ及びＡ１０５０−Ｈ１８の表面の吸着物及び酸化膜を完全に除去した。ＳＵＳ３０４−ＢＡのエッチング量は約６００ｎｍであり、Ａ１０５０−Ｈ１８のエッチング量は約４６０ｎｍであった。スパッタエッチング処理後のＳＵＳ３０４−ＢＡとＡ１０５０−Ｈ１８を常温で圧延線荷重２ｔｆ／ｃｍ（圧延荷重０．４ＭＮ）にてロール圧接により仮接合して積層材を形成させた。得られた仮接合した積層材のピール強度（９０°）を測定した。
（比較例４）
比較例３と同様にして得られた仮接合した積層材を２４０℃で３０分間熱処理した。得られた金属積層材のピール強度を測定した。
実施例１及び比較例１−４の金属積層材のピール強度を表１に示す。また、図３に、実施例１と比較例４の金属積層材の熱処理前後のピール強度を示す。ここで、実施例１と比較例４の金属積層材の熱処理前の積層材は、それぞれ比較例１及び３の積層材に対応する。
Figure 0006381944
表１より、実施例１の金属積層材は、熱処理を行うことによってピール強度が向上した（実施例１と比較例１）。また、ＳＵＳ３０４−ＢＡ及びＡ１０５０−Ｈ１８の表面に酸化膜を残存させて得た実施例１の金属積層材では、ＳＵＳ３０４−ＢＡ及びＡ１０５０−Ｈ１８の表面から酸化膜を完全に除去して得た比較例４の金属積層材と同等のピール強度が得られた。また、実施例１では、比較例４と比較してスパッタエッチング時間を約６３倍短縮（実施例１はライン速度３．５ｍ／分に対して比較例４はライン速度換算値が５．６×１０−３ｍ／分であることから計算した。）することができた。また、図３より、実施例１の金属積層材は、比較例４の金属積層材と比較して、熱処理前後のピール強度向上が大きかった。
（実施例２―６及び比較例５、６）
実施例２−６及び比較例５、６において、仮接合した積層材に対する熱処理温度の、得られる金属積層材のピール強度及び硬度に対する影響を調べた。
実施例２−６及び比較例５、６では、厚さ０．０５ｍｍのＳＵＳ３０４−ＢＡに代えて厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３０４−１／２Ｈを用い、厚さ０．１８ｍｍのＡ１０５０−Ｈ１８に代えて厚さ０．４ｍｍのＡＬ１０５０（Ｈ２４）を用い、スパッタエッチングをライン速度３．５ｍ／分からライン速度３．０ｍ／分に変更して実施し、ロール圧接による仮接合を、圧延線荷重２ｔｆ／ｃｍから圧延線荷重約２．８ｔｆ／ｃｍに変更して実施する以外は実施例１と同様にして仮接合した積層材を得た。ＳＵＳ３０４−１／２Ｈのエッチング量は３ｎｍであり、ＡＬ１０５０（Ｈ２４）のエッチング量は５ｎｍであった。得られた仮接合した積層材を所定の温度で２４０分間熱処理した。実施例２−６及び比較例５、６における熱処理温度は表２に示した。得られた金属積層材について、金属積層材の接合界面からアルミニウム層中へ５ｎｍ地点での鉄（Ｆｅ）の量、ピール強度（９０°）及びＳＵＳ側の硬度を測定した。結果を表２に示す。
Figure 0006381944
表２より、熱処理温度が１００℃〜５００℃である実施例２−６の金属積層材は、熱処理温度がこの温度の範囲外の温度である比較例５、６の金属積層体と比較して、ピール強度が高く、また、硬度も高かった。金属積層材の接合界面からアルミニウム層中へ５ｎｍ地点での鉄（Ｆｅ）の量については、測定した範囲内において、熱処理温度が高くなるほど、アルミニウム層中へのステンレス鋼の成分である鉄の拡散が多く、これにより、金属積層材のピール強度が高くなったと推測される。熱処理温度が１００℃〜５００℃の範囲内では、熱処理温度が高くなるほどピール強度は高くなった。
なお、金属積層材の接合界面からアルミニウム層中へ５ｎｍ地点での鉄（Ｆｅ）の量についてはより好ましくは、８原子％以上拡散していると接合力向上の効果があると考えられる。
（表面吸着層の除去）
ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）及びアルミニウム（Ａ１０５０）のそれぞれについて、スパッタエッチング量と表面の吸着物層についての関係を調べた。図４にステンレス鋼における結果を示し、図５にアルミニウムにおける結果を示す。図４及び図５より、ステンレス鋼及びアルミニウムのいずれにおいても、約１ｎｍ程度のエッチングで表面の吸着物層は完全に除去された。
１ ステンレス鋼
２ アルミニウム
３ 酸化膜
４ 積層材
５ 金属積層材

Claims (7)

  1. ステンレス鋼とアルミニウムの各接合面を酸化膜が残存するようにスパッタエッチングする工程であって、前記ステンレス鋼とアルミニウムの各接合面の表面のエッチング量が１ｎｍ〜１０ｎｍである工程と、
    前記ステンレス鋼と前記アルミニウムの接合面をロール圧接により仮接合する工程と、
    仮接合した積層材をステンレス鋼の再結晶温度未満で熱処理して、少なくともステンレス鋼に含まれる金属元素をアルミニウムに熱拡散させる工程であって、少なくともステンレス鋼に含まれるＦｅ元素が、接合界面からアルミニウム方向に５ｎｍの地点で８原子％以上拡散している工程と、
    を含む金属積層材の製造方法。
  2. 前記熱拡散させる工程が、仮接合した積層材をステンレス鋼の再結晶温度未満で熱処理してステンレス鋼に含まれる金属元素とアルミニウムとを相互に熱拡散させる、請求項１に記載の金属積層材の製造方法。
  3. 熱処理温度が２００℃〜５００℃である、請求項１又は２に記載の金属積層材の製造方法。
  4. 熱処理温度が２００℃〜４００℃である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属積層材の製造方法。
  5. 前記ステンレス鋼とアルミニウムの各接合面の表面の吸着物を完全に除去する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属積層材の製造方法。
  6. 接合前のステンレス鋼の厚さが０．０１ｍｍ〜１ｍｍであり、接合前のアルミニウムの厚さが０．０１ｍｍ〜１ｍｍである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属積層材の製造方法。
  7. 接合前のステンレス鋼及びアルミニウムを幅１００ｍｍ〜６００ｍｍの長尺コイルとして用意する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属積層材の製造方法。
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