JP7440756B2

JP7440756B2 - クラッド

Info

Publication number: JP7440756B2
Application number: JP2020056302A
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: JP2021154335A

Description

本発明はクラッドに関する。

スマートフォンやタブレット等に代表されるスマートデバイスは、情報処理機能の向上や、４Ｇ、５Ｇ等の高速通信技術の発達に伴い、内部電子機器実装スペースの微細構造化、複雑化が進み、筐体に関しても同様に複雑形状になると考えられる。また、熱暴走のリスクが高まることから、熱を均一放散させる技術に対するニーズも高まっている。

スマートデバイスに用いられる筐体には、現在ＡＢＳ等の樹脂素材、又はステンレス鋼、アルミ等の金属材料が主に用いられている。しかしながら、樹脂素材は強度や耐衝撃性に劣る。また、金属材料素材も、複雑な形状への加工を維持した上でスマートデバイスの小型軽量化（素材の薄板化）を可能とする高強度、例えば、使用中の汗や皮脂の付着に耐える高耐食性や高熱伝導率等が要望され、筐体に関わる各種特性を単体で全て十分に満足できるものはなかった。

これらの課題を克服するため、異なる種類の金属材料を板厚方向に積層したクラッドが使用され始めている。ステンレス鋼とアルミ、銅、あるいはそれらの合金を積層したクラッドは、ステンレス鋼の強度、耐食性と、アルミ、銅の高熱伝導率を両立することから、理想的な筐体用材料として注目されている。

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

クラッド薄板は、一般的に、冷延したコイル状の金属素材を重ね合わせ、温間での接合圧延または圧着によって製造される。しかし、電子機器筐体においては、使用されるデバイスの小型軽量化を可能とするため、また、内部のスペースの制約から、総厚さは５０～５００μｍと極薄であり、更に減少傾向にある。他方、プレス成形によって複雑な形状に成形されるため、その際の金属素材の剥離を抑える優れた接合性も必要となっている。

今後スマートデバイス筐体の構造の更なる複雑化が進むにつれ、総厚さが５００μｍ以下のクラッド薄板のプレス成型性に関する課題は更に顕在化していくと考えられる。これに伴い、接合界面、特にステンレス鋼と他の金属材料との界面が十分な接合性を有するクラッド薄板のニーズがより高まっていくと予想される。

本発明は上記の事情に鑑み、小型の精密電子機器の筐体等への適用に好適な強度を有し、かつ、接合性に優れ、複雑な形状へのプレス成型が可能なステンレス鋼を含むクラッド薄板を提供することを課題とする。

本発明者らは総厚さ５０～５００μｍのクラッド薄板において、それらを構成するステンレス鋼と他の金属材料の接合性を高める方法について鋭意検討した。

一般的に、素材となるステンレス鋼は、優れた強度と耐食性を両立する有効な元素として、窒素を含有することがある。クラッド薄板の製造に関しては、デバイスに必要とされる各層の比率、優れた形状を達成するため、各素材を大きく変形させない圧着が歩留まり等の点からも有効である。更に、接合性の観点からも、素材となるステンレス鋼薄板は平滑で美麗な表面が有利であり、後述する光輝焼鈍が実施される。

ステンレス鋼薄板の光輝焼鈍は、コスト面も加味して一般に還元雰囲気であるアンモニア分解ガス、水素と窒素の混合ガス、それらと不活性ガスを混合したガスなどの雰囲気中で実施される。この際、ステンレス鋼薄板の表面では窒素吸収が起こる。更に言えば、素材となるステンレス鋼は、その一種であるオーステナイト系ステンレス鋼がより優れた強度と耐食性を両立でき、窒素固溶限も高く、窒素吸収が起こりやすいので、表面の窒素濃度が高くなりやすい。

本発明者らの検討の結果、ステンレス鋼素材をクラッド薄板に活用する場合、表面の窒素濃度が高いと、ステンレス鋼の接合性が低下することが明らかになった。そして、本発明者らが検討を勧めた結果、ステンレス鋼である層の表面の窒素濃度を低下させることにより、ステンレス鋼と他の金属材料の接合性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１．３倍以下であることを特徴とするクラッド。

（２）厚さが０．５ｍｍ以下であることを特徴とする前記（１）のクラッド。

（３）ステンレス鋼がオーステナイト系ステンレス鋼である前記（１）又は（２）のクラッド。
（４）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以上の化合物相が存在しないことを特徴とする前記（１）～（３）のいずれかのクラッド。

（５）ステンレス鋼である前記層の平均粒径が０．２～９．０μｍであることを特徴とする前記（１）～（４）のいずれかのクラッド。

本発明により、小型の精密電子機器の筐体等への適用に好適な強度を有し、かつ、接合性に優れ、複雑な形状へのプレス成型が可能なステンレス鋼を含むクラッドの安定製造が可能となる。

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以下が好ましい。更に言えば、ステンレス鋼はオーステナイト系ステンレス鋼であることが好ましい。

ステンレス鋼としては、たとえば、ＪＩＳ規格（Ｇ４３０５：２０１２）に規定されるオーステナイト系ステンレス鋼、オーステナイト・フェライト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、析出硬化系ステンレス鋼が適用できる。具体的に言えば、それらの中でも強度と耐食性を両立するＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３２９Ｊ１、ＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌ、ＳＵＳ８２１Ｌ１、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４４４系を用いることが可能である。更に言えば、前記ステンレス鋼の中でも、小型の精密電子機器の筐体等に適する優れた強度－延性バランスを有するオーステナイト系ステンレス鋼であることが好ましい。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、純銅、銅合金を用いることができる。

クラッドは、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層構造、両側がステンレス鋼で中央が他の金属材料の３層構造、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構造などが例示できる。

ステンレス鋼は、一般に、接合圧延または圧着の前後での表面の平滑性および光沢を確保するために、光輝焼鈍したものを用いる。光輝焼鈍とは、ステンレス鋼帯を前述したように還元雰囲気であるアンモニア分解ガス、水素と窒素の混合ガス、それらと不活性ガスとの混合雰囲気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や、クラッドの成型性確保のためにも必要な工程である。しかしながら、従来のステンレス鋼の光輝焼鈍材を用いたクラッドでは十分な接合性を得られない問題があった。

本発明者らは、クラッド薄板の接合性に影響する因子について、ステンレス鋼の表層の状態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最表面には、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。所謂、窒素吸収が起こる。しかし、このような窒素濃化層がクラッドにおけるステンレス鋼の層に残存すると、クラッド界面の接合性が不十分となることが分かった。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、クラッド界面の接合性が優れ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１．３倍以下であれば、優れた接合性を安定して確保できることがわかった。

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、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以上の化合物相が存在しない場合に、接合性が向上することが分かった。

ステンレス鋼の層に窒素が濃化することで、クラッド界面の接合性が低下するメカニズムは必ずしも明らかではないが、以下の理由が考えられる。

（１）ステンレス層表面での拡散の阻害

光輝焼鈍の際に表面に窒素濃化層が形成された場合、前述のようにクラッド接合では、温間での接合圧延または圧着時に各層の表面での接合が阻害される。これは、大きな変形を伴わない圧着の場合、特に顕在化する。一般的に、高温でも安定かつ厚い酸化被膜が形成された場合、母材を構成する金属元素の拡散が阻害されることを一因として接合性は低下する。この場合、例えば、温間での接合圧延での変形により酸化被膜を破砕し、母材を構成する金属元素からなる表面（所謂、新鮮面）同士を接触させることにより接合性が向上すると考えられる。すなわち、窒素濃化層が同様に母材を構成する金属元素の拡散を阻害していることが考えられる。

（２）ステンレス層表面における窒化物の生成

ステンレス鋼は窒化物を形成するＣｒを多く含むため、表面における窒素の濃化によりＣｒ窒化物が析出する。表面の窒化物はクラッド界面での剥離の一因となる。また、前述の拡散も阻害する。

本発明のクラッドように、ステンレス鋼素材の表面での窒素を低減することにより、接合性の低下を防ぐことができる。

スマートデバイス筺体への適用を考えた場合、さらに接合性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。更に好ましくは、引張強度が２５０～４００ＭＰａ、伸びが２５～５０％である。

クラッドのステンレス鋼の層において、表面近傍に窒素濃化層が存在せず、かつ粒径が０．２～９．０μｍであれば、２００～４００ＭＰａの引張強度、２０～５０％伸び（全伸び）が得られ、好ましい。一般的にも、粒軽はより細かいことが好ましい。

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、一般的に光輝焼鈍を施したステンレス鋼を用いる。これは、加工硬化した圧延ままのステンレス鋼を用いた場合、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、十分な性能調整をできないことが一因である。

ステンレス鋼の光輝焼鈍雰囲気は、接合性確保の観点から、窒素濃度が少ない雰囲気が好ましい。しかしながら、窒素濃度を下げると製造コストが大幅に上昇するので、コストの観点からアンモニア分解ガスを用いてもよい。

光輝焼鈍時の温度は、クラッド板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７５０～９００℃の範囲内とする。

本発明者らの検討によれば、焼鈍時の鋼板表面の窒素吸収を最小限とするため、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≦３× １０^４９×Ｔ^{－１６．１２} …（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、ステンレス鋼である層の表面の窒素吸収を最小限に抑えることができる。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、アルミニウム板）を重ね合わせ、２５０℃で圧接し、次いで、界面における相互拡散の促進のため２００～２５０℃での熱処理を２０～３０ｍｉｎ行う。

圧接に代えて、重ね合わせたステンレス鋼と金属材料を圧延することにより接合してもよい。その場合は、ステンレス層素材の加熱速度を、ステンレス層の結晶粒成長を抑える観点から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以下とし、加えて、ステンレス層素材の昇温完了からロール挿入までの時間を１５ｓ以内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、上記の特性を持つ極薄の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、アルミニウム板以外の金属材料を挟む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、０．１ｍｍ厚のオーステナイト系ステンレス鋼のＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０１またはフェライト系ステンレス鋼のＳＵＳ４３０を、第２層として０．３ｍｍ厚の純アルミ（Ａ１１００）または純銅（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０．１ｍｍ厚のオーステナイト系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層及び第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、接合圧着を行った。この際、圧接温度は２５０℃で行い、その後界面相互拡散を目的とした、３０ｍｉｎの拡散熱処理を実施した。

クラッド材のステンレス鋼の層の窒素濃度について、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までの窒素濃度の平均値と、両端中央から±０．００５ｍｍ（中心部０．０１ｍｍ）の窒素濃度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、および母相粒径は、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、クラッド素材の圧延方向（Ｌ方向）を長手方向とした１５ｍｍ幅、１５０ｍｍ長さの短冊状切板を切出した。短冊状切板を使用して、ＪＩＳＺ２２４８準拠の１８０°曲げ試験を行い、ステンレス層と異なる金属との界面の接合性を評価した。具体的には、曲げ半径をｒとし、押曲げ法にて１７０°まで試験片を曲げたのち、支え間の距離をＬ、厚さをｔとするとき、Ｌ＝２ｒ＋２ｔとなるよう、中間に厚さ２ｒの挟み物を用いて試験片の両端を押し合う形で１８０°曲げを行い、その際のクラッド界面の剥離の有無で接合性を評価した。なお、曲げ半径ｒは、電子機器筐体等への加工を考慮した従来通常用いられているよりも厳しい条件である１．０ｍｍと０．４ｍｍの２水準で行った。

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、１８０°曲げ試験においては、曲げ半径ｒが１．０ｍｍの条件で界面剥離がないこと、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、スマートデバイス筺体用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小型の精密電子機器の筐体等への適用に好適な強度を有し、かつ、接合性に優れることが確認できた。さらに、ＳＵＳ接合界面の化合物粒径や、ステンレス層の結晶粒径が好ましい範囲であれば、より優れた接合性および強度―延性バランスが得られることが確認できた。

なお、本実施例では接合性の評価を曲げ試験により行ったが、本実施例の試験と同程度の試験条件での深絞り、張出しなどの成形加工でも同様の効果が得られることは明らかである。

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、又は銅合金であり、
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１．３倍以下
であることを特徴とするクラッド。
厚さが０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のクラッド。
ステンレス鋼がオーステナイト系ステンレス鋼である請求項１又は２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以上の化合物相が存在しないことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のクラッド。
ステンレス鋼である前記層の平均粒径が０．２～９．０μｍであることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のクラッド。