JP7440755B2

JP7440755B2 - クラッド

Info

Publication number: JP7440755B2
Application number: JP2020056045A
Authority: JP
Inventors: 文崇市川; 夏子杉浦; 利行奥井; 善久米満
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2024-02-29
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: JP2021154327A

Description

本発明はクラッドに関する。

クラッドは特性の異なる素材を複数積層し、一体化した材料であり、各素材の優れた特性を効率的に活用しつつ、比較的安価かつ安定した製造が可能である。また、素材の組合わせは無数に及び、新たな用途にも対応可能であり、今後も適用拡大が期待される。

上記は強度と優れた加工性を有し、広範な用途に適用される金属素材を組み合わせた場合も同様である。ここでは、以降、金属素材を用いたものをクラッドと呼称する。例えば、次のような用途がある。

乗用車やトラック等に用いられるバンパー材等の自動車用部材は、車体全体の重量軽減のため、アルミやチタンなど、軽金属の積極活用による軽量化が求められている。一方、素材コストをかけずに意匠性を確保するために、耐食性や金属光沢に優れるステンレス鋼を用いることが考えられる。たとえば、外側にステンレス鋼を配し、内側にアルミまたはチタン等の軽金属を配したクラッド鋼板を適用することにより、素材コスト、意匠性、軽量性を高いレベルでバランスできることから、今後ニーズが高まってくるものと思われる。

また、鍋やフライパン、ＩＨ調理器等の調理用器物に用いられる材料は、外観美麗性や衛生上の観点から、ステンレス鋼が多く用いられているが、食材に効率的に熱が伝わらない、局所的にのみ熱が集中して焦げ付きが起こる等、ステンレス鋼の伝熱性の低さに起因する課題が多くある。そこで同様に、外側にステンレス鋼、内部にアルミまたは銅といった伝熱性の高い金属を配したクラッドを適用することにより、外観美麗性、衛生的特性と伝熱性の両立を図ることができ、現在各種調理用器物用の材料として徐々に普及しつつある。

近年、乗用車のデザイン性や空力制御の観点から、バンパー材を含む車体材料構造の複雑化の加工性の向上が求められている。また調理用器物においても、ＩＨ等の電気調理器具を中心に市場が拡大し、商品の高機能化による器物構造の複雑化が考えられる。このような複雑形状への成形に供されるクラッドは、プレス等の成型加工時に、異種金属界面の接合性不足から剥離が起こることが予想される。そのため、現行製品より更に接合性の高いクラッド材が求められると予測される。

特許文献１には、金属材料層とアルミニウム層が圧延により強固に接合した、プレス成形後の表面性状に優れるクラッドが開示されている。

国際公開第２０１９／０８７２６５号

クラッドは、生産性を考慮した場合、冷延したコイル状の金属素材を重ね合わせ、温間の接合圧延によって製造するのが効率的である。今後、加工条件がより厳しくなると予想される自動車用部材や調理用器物用のクラッドでは、成型加工時に金属の界面での接合性不足から生じる剥離が問題となる。これは、形状の変化など大きな加工で顕在化し、それが可能となる比較的厚いクラッドで問題になる。具体的には、厚さが０．５ｍｍを超える場合と推定される。そのため、更に剥離強度の高いクラッドが求められると予測される。

本発明は上記の事情に鑑み、厚さが０．５ｍｍを超えるような、自動車用部材や調理用器物等の構造体に適する、剥離強度が高く、かつ、十分な強度、伸びを持つステンレス鋼を含むクラッドを提供することを課題とする。

本発明者らは厚さが０．５ｍｍを超えるクラッドにおいて、ステンレス鋼と金属材料の界面の剥離強度を高める方法について鋭意検討した。その結果、ステンレス鋼である層の表面の窒素量を高めることにより、ステンレス鋼と他の金属材料の界面の剥離強度を高めることができることが分かった。

本発明は上記の知見に基づき、さらに検討を進めてなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。

（１）異なる金属材料が板厚方向に２層以上積層されたクラッドであって、前記クラッドの一方又は両方の表面の層は金属材料が厚さ０．０３ｍｍ以上のステンレス鋼であり、ステンレス鋼である前記層において、厚さ方向の中心から±０．００５ｍｍの領域における窒素量の平均値が０．０１～０．３質量％であり、かつ、厚さ方向の両端から０．０１ｍｍまでの領域における窒素量の平均値が、厚さ方向の中心から±０．００５ｍｍの領域における窒素量の平均値の１．３０倍超であることを特徴とするクラッド。

（２）厚さが０．５ｍｍ超であることを特徴とする前記（１）のクラッド。

（３）ステンレス鋼である前記層の、異なる金属との接合界面から０．０２ｍｍまでの領域において、平均粒径で０．００５ｍｍ未満の化合物相が存在することを特徴とする前記（１）又は（２）のクラッド。

本発明によれば、自動車用部材や調理用器物等の構造体に適する、剥離強度が高く、かつ、十分な強度、伸びを持つステンレス鋼を含むクラッドを得ることができる。

剥離試験法の概略を説明する図である。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明のクラッドは、異なる金属材料が板厚方向に２層以上積層されたクラッドであり、クラッドの一方、又は両方の表面の層は厚さ０．０３ｍｍ以上のステンレス鋼である。クラッド全体の厚さは０．５ｍｍ超が好ましい。

ステンレス鋼としては、たとえば、ＪＩＳ規格（Ｇ４３０４：２０１２、Ｇ４３０５：２０１２）に規定されるＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌ、ＳＵＳ４４４系を用いることができる。ステンレス鋼以外の層に用いられる金属材料には、たとえば、純アルミ、アルミ合金（ＪＩＳＨ４０００：２０１４）、純銅、銅合金（ＪＩＳＨ３２６０：２０１８）、純チタン、チタン合金（ＪＩＳＨ４６００：２０１２）を用いることができる。

一方、又は両方の面がステンレス鋼であれば、他の層の構成は特に限定されない。たとえば、ステンレス鋼と他の金属材料の２層、両側がステンレス鋼で中央が他の金属材料の３層、両側がステンレス鋼で中央がそれ以外の金属材料が複数積層された多層の構造などが例示できる。

ステンレス鋼は、一般に、接合圧延後に表面の平滑性および光沢を確保するために、光輝焼鈍したままのものを用いる。光輝焼鈍とはステンレス鋼帯を還元雰囲気であるアンモニア分解ガス中で焼鈍する工程であり、接合圧延時、クラッド界面での変型能確保のために必要な工程である。しかしながら、従来のステンレス鋼の光沢焼鈍材を用いたクラッドでは十分な剥離強度を得られない問題があった。

本発明者らは、クラッドの剥離強度に影響する因子について、ステンレス鋼の層、特にその表面に着目して鋭意調査を行った。

アンモニア分解ガスを用いて光輝焼鈍を施したステンレス鋼の層の表面には、焼鈍温度や保持時間等、光輝焼鈍の設定によっては窒素が濃化した層が形成されることが知られている。このような窒素濃化層が、中心部と比較して十分に濃化していない場合、一部のクラッド界面の剥離強度が十分確保できないことが分かった。そこで、光輝焼鈍条件を適切に制御し、窒素濃化層における窒素量が一定量以下である場合に、クラッド界面の剥離強度が大きく向上することを新たに知見した。

具体的には、ステンレス鋼である層において、厚さ方向の中心から±０．００５ｍｍの領域における窒素量の平均値が０．０１～０．３質量％であり、かつ、厚さ方向の両端から０．０１ｍｍまでの領域における窒素量の平均値が、厚さ方向の中心から±０．００５ｍｍの領域における窒素量の平均値の１．３０倍超であれば、剥離強度を安定して確保できることがわかった。

厚さ方向の中心から±０．００５ｍｍの領域（板厚中心部）における窒素量は、ＪＩＳ規格（Ｇ４３０４：２０１２、Ｇ４３０５：２０１２）に規定されるステンレス鋼であり、窒素吸収前の素材に対応する値を想定している。好ましくは、０．０２～０．２８質量％であり、更に好ましく、０．０３～０．２５質量％である。なお、窒素量が少ない素材は、例えば、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３０などのフェライト系ステンレス鋼に属し、窒素固溶限が小さく、本発明で必要とする窒素吸収量も小さくなる。他方、上限値は溶解をはじめとする製造中に粗大な窒化物を形成し、板の製造、製品への加工が難しくなる可能性が高い。厚さ方向の両端から０．０１ｍｍまでの領域は表面窒素吸収層であり、その活用のために前記の板厚中心部に対して高いことが望ましい。なお、素材での変動も加味し、１．３０倍超とした。好ましくは、１．４０倍以上であり、更に好ましくは、１．５０倍以上である。

ここで窒素の含有量は、クラッドの一方の表面から他方の表面に向かう直線に沿って、ＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ）を用いて線分析を行い求めるものとする。

さらに好ましくは、オーステナイト系ステンレス鋼の層と異なる金属との接合界面から０．０２ｍｍまでの領域において、平均粒径で０．００５ｍｍ未満の、窒化物を主とする化合物相が存在する場合に、剥離強度が上昇することが分かった。更に好ましくは、０．００４ｍｍ以下である。

ステンレス鋼の層の表面に窒素が濃化したり、適切な寸法の窒化物として存在したりすることで、クラッド界面の剥離強度が上昇するメカニズムは必ずしも明らかではないが、窒素吸収によって表層が硬質化したステンレス鋼が、接合圧延時に隣接する他のより軟質な金属材料に食い込むことによるアンカー効果であると考えられる。

窒素は強力な固溶強化元素であり、光輝焼鈍の際にステンレス鋼表層に窒素濃化層が形成されると表面が選択的に硬質化する。そのため接合圧延時に窒素が濃化したステンレス鋼が一部食い込み、アンカー効果を発揮すると考えられる。これに加えて、ステンレス鋼表層の窒素濃化層にＣｒ窒化物等を中心とした硬質な窒化物相が存在する場合、窒化物が軟質金属に食い込むことで、より強固なアンカー効果を発揮すると考えられる。これは、前記のように製品や部品への大きな形状の変化とともに、接合圧延時にも大きな断面積（主に板厚）の減少が可能となる比較的厚い一部のクラッドで顕在化すると考えられる。

軽量、高強度かつ優れた加工性が必要となる構造体への適用を考えた場合、さらに剥離強度に加えて十分な強度、延性を両立することが好ましい。具体的には、クラッド材の圧延方向に平行な方向（Ｌ方向）の引張強度が２００～４００ＭＰａ、伸び（全伸び）が２０～５０％であることが好ましい。

クラッドのステンレス鋼の層の厚さ方向の両端から０．０１ｍｍまでの領域における窒素量の平均値が０．０１～０．３質量％であり、かつ、厚さ方向の両端から０．０１ｍｍまでの領域における窒素量の平均値が、厚さ方向の中心から±０．００５ｍｍの領域における窒素量の平均値の１．３０倍超であれば、表面窒素濃化層が高強度化し、軟質な内層が高い伸びを維持するため、２００～４００ＭＰａの引張強度、２０～５０％の伸び（全伸び）のより優れた特性が両立でき、好ましい。更に好ましくは、引張強度が２５０～４００ＭＰａ、伸びが２５～５０％である。

以下、上述した本発明のクラッドの製造方法の一例を説明する。

本発明のクラッドの製造方法においては、金属材料と接合するステンレス鋼の熱処理、及び接合圧延の条件が重要である。

ステンレス鋼の層に用いられる素材としては、圧延ままのステンレス鋼ではなく、光輝焼鈍を施したステンレス鋼を用いる。加工硬化したステンレス鋼を用いた場合、加工性に劣るため、接合圧延時に十分に断面積（主に板厚）を減少できない。表面のみが硬化し、加工性に劣ることで、大部分を占める板厚中心部がそれに比べて大きく変形（延び）した際、硬化したステンレス鋼の表面が軟質な材料の表面に食い込み、より顕著にアンカー効果を発現するのである。窒素吸収したステンレス鋼が望ましい。また、他の金属材料がアルミの場合、接合圧延後にアルミの融点を超える温度での焼鈍ができないため、ステンレス鋼の層が十分に焼鈍されず、クラッドの十分な伸びが確保できない。

ステンレス鋼の光輝焼鈍雰囲気は、ステンレス鋼表面への窒素吸収を促すために、窒素濃度が高い雰囲気、例えば、アンモニア分解ガス、あるいはアンモニア分解ガスと同等の成分を含んだ混合ガス等を使用することが好ましい。好ましい窒素濃度が高い雰囲気とは、少なくと、窒素濃度が５％以上である。更に好ましくは１０％以上であり、他の成分は水素などの還元性ガス、Ａｒなどの不活性ガスなどの非酸化性の雰囲気であればよい。

光輝焼鈍時の温度は、クラッドとしたときの引張強度と伸びのバランス確保の観点から９００～１１５０℃の範囲内とする。９００℃未満では窒素が吸収されず、１１５０℃超では粗大な窒素化合物が析出し、クラッドの接合や加工性に悪影響を及ぼす可能性が高くなる。好ましくは、９２０℃～１１３０℃、更に好ましくは、９５０℃～１１００℃である。また、窒素化合物は前記のように平均粒径で０．００５ｍｍ未満が好ましい。粗大な窒素化合物とは、平均粒径で０．０１０ｍｍ以上である。

本発明者らの検討によれば、焼鈍時の鋼板表面に十分な窒素濃化層を形成させるため、焼鈍温度をＴ（℃）、保持時間をｔ（ｓ）としたとき、下記（１）式を満たす範囲内で実施するのが好ましい。

ｔ≧２×１０^２３×Ｔ^{－７．２１６} …（１）

上記（１）式を満足する焼鈍条件で光輝焼鈍を行うことにより、クラッド素材となるステンレス鋼の表面の窒素吸収を十分に行うことが出来る。このようにして得られたステンレス鋼と他の金属材料（たとえば、アルミ板）を重ね合わせ、圧延することにより接合する。圧延によりそれぞれの金属層は大きく変形するので、窒素吸収により硬化したステンレス鋼の表面が軟質な他の金属材料に食い込み、アンカー効果による界面強度上昇の効果を効率よく得ることができる。その際、圧延前の各層素材の加熱速度は、製造効率を高める観点から１０℃／ｓ以上、ステンレス層素材の温度均一性確保の観点から２００℃／ｓ以下とするのが好ましい。

このようにクラッドを製造することにより、上記の特性を持つクラッドを安定的に製造することができる。両面にステンレス鋼の層を有するクラッドの場合も同様にして製造可能である。

以下、実施例により本発明の効果を説明するが、本発明は、以下の実施例で用いた条件に限定されるものではない。

クラッドの第１層として、０．２５ｍｍ厚のステンレス鋼ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０またはＳＵＳ４０３を、第２層として１．００ｍｍ厚の純Ａｌ（Ａ１１００）または純Ｃｕ（Ｃ１１００）を使用した。一部の試料には、第３層として第１層と同じステンレス鋼を使用した。その際、積層の順番は、２層のクラッドであれば第１層、第２層、３層のクラッドであれば第１層、第２層、第３層とした。

第１層および第３層の素材となるステンレス鋼は、接合圧延前に予め種々の条件で光輝焼鈍を行った。光輝焼鈍の雰囲気は全てアンモニア分解ガスを用いた。これらの薄板素材を用いて、種々の条件で接合圧延を行った。この際、圧延前の素材加熱速度は４０℃／ｓとし、２層のクラッドは、圧延後の全層の総厚みが１．００ｍｍ、３層のクラッドであれば１．２０ｍｍになるよう圧延を施した。

クラッド材のステンレス鋼の層の窒素量について、ＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ）を用いて板厚方向に沿って線分析を行った。その結果から、異なる金属との接合界面乃至クラッド表面である両端から０．０１ｍｍまでの窒素量の平均値と、両端中央から±０．００５ｍｍ（中心部０．０１ｍｍ）の窒素量の平均値を計算した。

また、ステンレス鋼の層の表面における化合物の有無は、各素材Ｌ断面を鏡面研磨後、エッチングを行い現出した組織の光学顕微鏡またはＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察の結果から測定した。

これらのクラッド試料について剥離試験法によって接合強度を評価した。個々のクラッド試料から圧延方向を長手方向とした幅１０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの短冊状の試験片を切出し、の長手方向片側端部を機械的に強制剥離させ、図１に示すように第１層と第２層の界面を開き、接合部を一定量残したまま丁字型に変形させ、剥離させた第１層と第２層を、それぞれ引張試験機の片方ずつのチャックに固定し、１５０ｍｍ／分の引張を行うことで接合部の界面を剥離させた。この引張で得られたクロスヘッド荷重（Ｎ）の平均値を試験片幅（ｍｍ）で除した値を接合強度（Ｎ／ｍｍ）と定義した。なお、３層クラッドの場合も第１層と第２層の間の接合強度を測定した。

また、同じクラッド試料からＬ方向のＪＩＳ１３号Ｂ引張試験片を採取し、常温引張試験（ＪＩＳＺ２２４１準拠）によって引張強度、全伸びを測定した。

それぞれの試験について、剥離試験においては、接合強度が２０Ｎ／ｍｍ以上あること、常温引張試験においては引張強度が２００～４００ＭＰａ、伸び（全伸び）が２０～５０％であれば、本発明のクラッドとして十分な特性を満足すると判断した。

それぞれのクラッド試料の製造条件を表１、評価結果を表２に示す。表１、表２からわかるように、本発明のクラッドは厚さ０．５ｍｍ超の器物、軽量かつ高強度が必要となる構造体等への適用に好適な強度を有し、かつ、剥離強度に優れることが確認できた。

Claims

異なる金属材料が板厚方向に２層以上積層されたクラッドであって、
前記クラッドの一方又は両方の表面の層は金属材料が厚さ０．０３ｍｍ以上のステンレス鋼であり、
ステンレス鋼以外の層は、純アルミ、アルミ合金、純銅、銅合金、純チタン、又はチタン合金であり、
ステンレス鋼である前記層において、厚さ方向の中心から±０．００５ｍｍの領域における窒素量の平均値が０．０１～０．３質量％であり、かつ、厚さ方向の両端から０．０１ｍｍまでの領域における窒素量の平均値が、厚さ方向の中心から±０．００５ｍｍの領域における窒素量の平均値の１．３０倍超である
ことを特徴とするクラッド。
厚さが０．５ｍｍ超であることを特徴とする請求項１に記載のクラッド。
ステンレス鋼である前記層の、異なる金属との接合界面から０．０２ｍｍまでの領域において、平均粒径で０．００５ｍｍ未満の化合物相が存在することを特徴とする請求項１又は２に記載のクラッド。