JPH01150490A - Ａｌ青銅クラッド鋼板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、原子力発電用海水熱交換器や海水淡水化プラ
ントなど海水中での耐食性を要求される機器の中で強度
を必要とする部位に用いられるアルミニウム青銅（以下
ＡＱ青銅という）クラッド鋼板およびその製造方法に関
する。

（従来の技術） 従来のＡＱ青銅（ＪＩ５１＋３１００　Ｃ６１６１Ｐ）
クラッド鋼は、ＡＱ青銅を合せ材、鋼を母材とし、合せ
材にＣｕおよびＮｉをインサート材としてメツキしてい
た。

即ち、Ｍ青銅合せ材にＣｕメツキを施した後、Ｃｕメツ
キ表面層にＮｉメツキを行っていた。インサート材の内
Ｃｕは圧延加熱時のＮｉ−Ａｌ化合物の生成を防止し、
また、Ｎｉは接合面側のＣｕの表面酸化防止を目的とし
て用いられたものである。前記アルミニウム青銅クラッ
ド鋼はインサート材をメツキで行うことが多用されてい
るため、コスト高の要因ともなっていた。

（発明が解決しようとする問題点） このような、従来のＣｕ／Ｎｉ２層メツキインサート法
による鵠青洞クラッド鋼は、熱間圧延後の界面接合強度
は良好である。しかし熱処理により接合強度低下をおこ
すため、焼ならし等の熱処理を必要とする母材を用いる
ことが出来なかった。

熱処理による接合強度劣化の原因は母材と合せ材の界面
における脆弱なβ′相（ＮｉＡＱ　＋　Ｎ１ＪＱ　＋Ｃ
ｕ）の生成にある。β”相は極めて脆弱であり、界面接
合強度を著しく低下させる。

β′相の生成機構は次のとおりである。

Ｃｕ／Ｎｉ２層インサート材を有するクラッド鋼の界面
近傍の組織は、熱処理の前において次のような構成を有
する。母材上のＮｉ層（α相）と合せ材のＡｌ　ｔ！？
銅（α＋β相）の間に、拡散の結果Ａｌ青銅中のＡＱ？
３度が低下したＭ青銅とＣｕが７Ｂｙ合したα相領域が
存在している。

ここで熱処理が行われると、さらに拡散が進行し、Ｎｉ
　（α相）とＡｌ青銅（α＋β相）はともに後退する。

この際、両者の間に次の各層■〜■が形成される（Ａｌ
青銅側から順に掲げる）：■酸濃度が低下したＭ青銅、
Ｃｕ混合相（α相■旧Ａｌ＋Ｎｉ３Ａ（！＋Ｃｕ　（β
′相）■Ｎ１ＡＱ＋Ｎ１ｚＡＱ　＋Ｆｅ　　（α’　相
）このように従来のＡｌ青銅クラッド鋼板では、熱処理
の過程で脆弱なβ′層が界面に形成され、熱処理後の界
面強度が著しく低下していた。

従って本発明の目的は、熱処理の過程で脆弱な金属間化
合物を生成せず、熱処理後においても界面接合強度の良
好な（剪断強さ２０　ｋｇｆ／ｍｍ”以上である）　Ａ
Ｑ青銅クラッド鋼板およびその製造方法を提供すること
である。

（問題点を解決するための手段） 上に述べたように、従来のＭ青銅クラッド鋼板ではＣｕ
／Ｎｉ２層メツキインサート材を用いている。

従来はＣｕおよびＣｕ合金クラッド鋼板の界面酸化の酸
素源は大気中の酸素と考えられていた。Ｎｉメツキイン
サート材は、圧延加熱時の接合面側のＣｕ表面酸化を防
止するために用いられてきた。

しかし本発明者らは研究を重ねた結果、接合面側のＣｕ
の表面酸化の主な酸素源はＣｕ中の酸素であることを見
い出した。またＮｉインサート材を用いると焼ならしの
だめの加熱によりＣｕ／Ｎｉ界面にＣｕ中の酸素による
Ｎｉ酸化物が面状に並ぶため、かえって接合強度が低下
することを発見した。即ち低酸素Ｃｕを用いればＮｉ層
不用であるとの知見を得た。

本発明者らはこれらの知見に基づき、Ｃｕのみをインサ
ート材とする、熱処理に適したＡＱ青銅クラッド鋼板の
開発に努め、界面酸化の抑制に必要なＣｕ中酸素ン；度
を決定した。また熱処理中における八Ｑの母材への拡散
防止に必要なＣｕインサート材の厚み等を理論的、実験
的に究明して本発明の製法を完成した。

かくして本発明の要旨とするところは、アルミニウム青
銅を合せ材、綱を母材とし、該合せ材と母材との間に、
酸素含有量０．００８％以下のＣｕ層を有することを特
徴とするアルミニウム青銅クラッド鋼板である。

また製法にかかる本発明の要旨とするところは、アルミ
ニウム青銅を合せ材、鋼を母材とし、該合せ材と母材と
の間に、酸素含有１０．００８％以下のＣｕをインサー
ト材として介在させて重ね合せてクラッド組立体を構成
し、次いでこれらの合せ材および母材の接合面を真空に
保持した後、熱間圧延を行って接合させる、熱処理後の
界面接合強度の優れたアルミニウム青銅クラッド鋼板の
製造方法であって、該熱処理の加熱温度をＴ（Ｋ）、加
熱時間をｔ　（Ｓ）とするとき、圧延後のＣｕインサー
ト材の厚みＷＣｕ（μｍ）が次式の条件を満たすことを
特徴とするアルミニウム青銅クラッド鋼板の製造方法で
ある： ただし、 Ｄｏ：　Ｃｕ中の八Ｑの振動散型（＝０．０４５　ｃＪ
／ｓ）Ｑ　：　Ｃｕ中の八Ｑの活性化エネルギー（＝３
９５００　ｃａｌ／ｍｏｌ）Ｒ：ガス定数（＝１．９８
６　ｃａｌ／Ｋ）特に、Ｃｕインサート材はコスト面か
らＣｕ’４を用いることが好ましい。

（作用） 本発明にかかるクラッド鋼板においては、Ｃｕインサー
ト材の酸素含有量を限定している。また本発明の製法に
おいては、さらに、Ｃｕインサート材の厚みをも限定し
ている。これらの限定理由は次のとおりである。

Ｃｕインサートオコの　ノばし１址 Ｃｕインサート材中の酸素含有量は、圧延加熱時の界面
酸化物生成の原因となるため低いほど望ましい。

熱処理後の界面接合強度が目標性能（界面の剪断強さ≧
２０　ｋｇｆ／ｍｍ２）を満足するためには、０．００
８％以下とすることが必要である。さらに優れた強度を
保障するためには０．００５％以下とすることが好まし
い。

Ｃｕインサート　の１８二ｒ服 ＡＱ青銅中のＡＱがＣｕ中を拡散してＣｕ／Ｆｅ界面に
到達すると、Ｆｅ−ＡＱ化合物を生成して界面接合強度
を劣化させる。従って熱処理の温度および時間に応じて
Ｃｕインサート材のＪ７みの下限値を設定し、Ｆｅ−Ａ
ｌ化合物の生成を防止することが必要である。

このＣｕインサート材厚みの下限値を決定するため、ク
ラッド鋼の界面における元素の拡散挙動をまず理論的に
検討した。この結果を次に述べる。

一般に元素Ａの元素Ｂ中での拡１１り距離は次式で求め
られることが知られている＝ ここで、 ｊ！４７６：元素Ａの元素Ｂ中の拡散距離（Ｃｍ）Ｄ：
拡散係数　　　　（ｃｆｆｌ／Ｓ）ｔ：時間　　　　　
　（Ｓ） であり、Ｄは次式であられされる： Ｄ＝　Ｄｏ　ｅｘｐ（−）　　・・・１２１Ｔ ここで、 Ｄｏ：振動散型　　　　（Ｃ己／Ｓ） Ｑ：活性化エネルギー（ｃａｌ／ｍｏ＋）Ｒ：ガス定数
　　　　（ｃａｌ／Ｋ） Ｔ：温度　　　　　　（Ｋ） Ｃｕ中のＡｌの拡散については、ＤｏおよびＱは次の値
を有する： Ｄｏ＝０．０４５　ｃｔ／ｓ Ｑ　；３９５００　ｃａｌ／ｍｏ！ またガス定数Ｒの値は、 Ｒ＝１．９８６　ｃａｌ／に である。

従って加熱処理の処理温度Ｔ　（Ｋ）および処理時間ｔ
　（Ｓ）が決まると、上記ｆｉｌ、（２）式から加熱処
理中におけるＣｕインサート材中のＡＱの拡散距離βＡ
ｌ／ｃｕを求めることができる。

例えば焼ならし処理条件をＴ＝１１７３Ｋ　（９００℃
）、ｔ　＝３６０Ｏ５（１時間）とすると、この熱処理
工程におけるＣｕインサート材中のＡＱの拡散距離βＡ
Ｌ／Ｃｕは、 −０，００２６５ｃｍ　＝　２６．５９ｍ従って該熱処
理工程においてＦｅ−ＡＱ化合物の生成を防止するため
に必要なＣｕインサート材の厚みの下限は理論的には２
６．５μｍである。

以上は理論的検討である。　しかし、該条件下において
必要とされるＣｕインサート材厚みを実験的に求めると
理論値の約１．１倍となった。そこで、安全率を織込ん
でＣｕインサート材厚みの下限値を理論値の１．２倍と
設定した。すなわちＣｕインサ−ト材の厚みの下限を次
式で規定する； 一方、Ｃｕインサート材の厚みの増加に伴って、界面に
形成される、Ａｌ肘の低下したＡｌ青銅とＣｕとの混合
相であるα相の厚さが増加する。このα相はＡＱ青銅に
比べて強度が低く、この厚みの増加は界面接合強度を低
下させる。従ってＣｕインサート材の厚みの上限値を設
定する必要がある。

そこで熱処理工程で形成される界面のα相の厚みを測定
した。この結果、焼ならし処理後のα相の厚みＷａは次
式で求められることが分かった；Ｗ、−４Ｗｃｕ・・・
・（４） 一方、α相の厚みＷｅ、が１０００メｊｍを超えると著
しく界面接合強度が低下する。Ｗ４を１０００μｍ以下
とするためには（４）式よりＷ、ｕを２５０μｍ以下と
することが必要である。従ってＷｌの上限を次式により
規定する： Ｗ、ｕ　　≦　２５０　（μｍ）・　・　・　・（５）
なおＣｕインサート材の厚みの上限の２５０　μｍとし
て（３）式から熱処理の限界条件を計算すると、９５０
℃×３０時間の熱処理まで行えることがわかる。

従って実用鋼の炭素鋼および低合金鋼については、はぼ
すべての鋼が本発明にかかるＡＱ青銅クラッド鋼の母材
として使用できる。

（実施例） 本発明にかかる実施例Ａｌ青銅クラッド鋼板と、比較例
・従来例ＡＱ青１１４クラッド鋼板について熱処理後の
界面接合強度を比較する実験を行った。実験に用いたＡ
ｌ青銅クラッド鋼板Ａ−Ｌの製造方法は次のとおりであ
る。

久Ｊ１医八けＬ洞りラット′鋼牟反Ａ−Ｆ第１図は、本
発明にかかるＡＱｉ￥銅クラツクラッド鋼板に用いるク
ラッド組立体の断面図である。

母材の鋼板１上にインサート材のＣｕ箔２を介して合せ
材の醇青１１１３をのせ、さらに剥離剤４を介してダミ
ー材の鋼板５で覆う。次に側面を鋼板６で囲んで溶接７
を施し、真空排気（１０−”　Ｔｏｒｒ）を行う。

この組立体に用いた各村の材質、圧延前の厚みは次の通
りである： 母材鋼板：　ＪＩＳ　・Ｇ３１１８　・ＧＶ４９．　　
　１２５　ｍｍＣｕ箔：酸素含有ｑＡ０．００２％、　
　５００μｍＢ　０．００５％、５００．ｃａｍ ＣＯ，００８％、５００μｍ Ｄ　０．００５％、　　３００μｍ Ｅ　０．００５％、　１０００．ｃｒｍＦ　０．００５
％、　１２００　ｐ　ｍＡｌ青１同：　　　ＪＩＳ４１
３１００　　・　Ｃ６１６１Ｐ、　　　　　１５ｍｍｆ
ｆ１ｌｌ離剤：　　　アルミナわ）末、　　　５００μ
ｍダミー（オ鋼板：　ＪＩＳ−Ｇ３１０１−５Ｓ４１．
　　　２５　ｍｍ組立体は、９５０°Ｃで１時間加熱し
た後、９５０〜８００℃の間で熱間圧延を行った。スラ
ブ組立体の板厚は１６５ｍｍ　、圧延後の鋼板の板厚は
約３３１であり圧下比は５であった。圧延後、上部ダミ
ー材鋼板を取り除いてＡｌ青銅クラッド鋼板を得た。

比較例Ｇ−におよび従来例し 比較例Ｇ−におよび従来例しの製造方法も以下の点を除
き実施例Ａ−Ｆと同様である。

比較例Ｊ、にでは第１図のクラッド組立体の鋼板１とＣ
ｕ箔２の間にＮｉ箔インサート材を介在させた。圧延前
の旧インサート材の厚みは次の通りである： Ｎｉ箔インサート材：Ｊ　　　１００μｍＫ１００　μ
ｍ また従来例しではＣｕ／Ｎｉインサート材は両者ともメ
ツキによるインサート材であって、圧延前の厚みは次の
とおりである： Ｎｔメツキインサート材：　　Ｌ　１５０μｍクラッド
組立体に用いたＣｕインサート材の酸素含有量および厚
み（圧延前）は次の通りである：Ｃｕインサー）：　　
Ｇ　　Ｏ，０１９％、５００μｍＨ０，００５％１１５
０μｍ Ｉ　　Ｏ，００５％、１５００．ｃａｍＪ　Ｏ，００５
％１５００．ｃｎｎ Ｋ　Ｏ，０２３％、５００μｍ Ｌ　０．００７％、５００μｍ 尖壌植果 次の表は、上のようにして製造されたＭ青銅クラッド鋼
板Ａ−Ｌの諸元および界面度合強度をまとめて示したも
のである。

表における界面接合強度はＡ（２青銅／鋼界面の剪断強
さをＪＩＳ　−ＧＯ６０１に従い試験したものである。

また焼ならし処理は、９００℃×２時間加熱後空冷して
行った。

焼ならし処理が９００℃×２時間加熱のときに必要な最
小のＣｕインサートの厚みを（３）式を用いて求めると
、 ＷＣＵ　　≧４５　μｍ となる。

従って上の例の場合Ｃｕインサート材の厚みは本発明に
よれば４５〜２５０　μｍの範囲にあることが必要であ
る。本発明例Ａ−ＦはすべてＣｕインサート材の厚みが
この範囲にある。

第２図はＣｕ中酸素含有量と剪断強さの関係を示すグラ
フであるｃ本発明例：Ａ−Ｃ１比較例；Ｇ。

Ｋ）。また第３図は、Ｃｕインサート材の厚みと剪断強
さの関係を示す（本発明例：　Ｂ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、比較例
：　Ｈ，Ｉ、従来例：Ｌ）。

比較例Ｇ、にはＣｕ中の酸素量が高いため、圧延のまま
および焼ならし後の剪断強さが低い。第２図に示される
ようにＣｕ中酸素含有廿を０．００８％以下とすること
により、界面の剪断強さを確実に２０ｋｇｆ／ｍｍ２以
上に確保できる。また０、００６％以下とすれば剪断強
さは一段と上昇する。

比較例ＨはＣｕインサート材の厚みが本発明の規定する
下限より小さい。ＩはＣｕインサート材の厚みが大きい
。また従来例しはＮｉインサートを行っている。従って
第３図に示されるようにこれらは圧延ままでの剪断強さ
は目標値２０　ｋｇｆ／ｍｍ”を越えているが、焼なら
し後の剪断強さは大幅に下落し目標イ直を下回る。

このように本発明例Ａ−Ｆは、圧延のまま、および９０
０℃×２時間加熱後空冷の熱処理後共に界面の剪断強さ
が目標性能（剪断強さ２０　ｋｇｆ／ｍｍ”以上）を満
足しているのに対し、比較例、従来例Ｇ〜Ｌは、本発明
の限定条件のうちいづれかを満足していないので圧延の
まま、および／または熱処理後の剪断強さが目標性能に
達しない。

（発明の効果） 本発明のＡｌ青洞クラッド銅板においては、以上のよう
にＣｕのみをインサート材とし、その酸素含有量を限定
している。また本発明の製法においては、さらにＣｕイ
ンサート材の厚みを限定している。

従って圧延のままの界面の剪断強さのみでなく、熱処理
後の剪断強さも十分な値が確保できる。よって圧延後に
熱処理を必要とする実用鋼をもＡＱ青銅クラッド鋼板の
母材に利用できる。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明にかかるＡｌ青銅クラッド鋼板の製造
に用いるクラッド組立体の断面図；第２図は、ＡＱ青銅
クラッド鋼板中のＣｕインサート材の酸素含有量と剪断
強さの関係を示すグラフ；および 第３図は、ＡＱ青銅クラッド鋼板中のＣｕインサート材
の厚みと剪断強さの関係を示すグラフである。 ｌ：鋼板（母材） ２：Ｃｕ箔（インサート材） ３：Ｍ青銅（合せ材） ４：剥離剤 ５．６：鋼板 ７：溶接部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）アルミニウム青銅（Ａｌ青銅）を合せ材、鋼を母
   材とし、該合せ材と母材との間に、酸素含有量０．００
   ８％以下のＣｕ層を有することを特徴とするＡｌ青銅ク
   ラッド鋼板。 （２）アルミニウム青銅（Ａｌ青銅）を合せ材、鋼を母
   材とし、該合せ材と母材との間に、酸素含有量０．００
   ８％以下のＣｕをインサート材として介在させて重ね合
   せてクラッド組立体を構成し、次いでこれらの合せて材
   および母材の接合面を真空に保持した後、熱間圧延を行
   って接合させる、熱処理後の界面接合強度の優れたアル
   ミニウム青銅クラッド鋼板の製造方法であって、該熱処
   理の加熱温度をＴ（Ｋ）、加熱時間をｔ（Ｓ）とすると
   き、圧延後のＣｕインサート材の厚みＷ＿Ｃ＿ｕ（μｍ
   ）が次式の条件を満たすことを特徴とするＡｌ青銅クラ
   ッド鋼板の製造方法： １．２×１０＾４√｛Ｄｏ・ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ）ｔ｝
   ≦Ｗ＿Ｃ＿ｕ≦２５０（μｍ）ただし、 Ｄｏ：Ｃｕ中のＡｌの振動数項（＝０．０４５ｃｍ＾２
   ／ｓ）Ｑ：Ｃｕ中のＡｌの活性化エネルギー（＝３９５
   ００ｃａｌ／ｍｏｌ）Ｒ：ガス定数（＝１．９８６ｃａ
   ｌ／Ｋ） （３）Ｃｕインサート材はＣｕ箔インサート材であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のＡｌ青銅ク
   ラッド鋼板の製造方法。