JPH02251386A - 銅または銅合金を中間媒接材としたチタンクラッド鋼板の製造方法 - 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、チタンクラッド鋼板の製造方法に関するもの
である。

鋼は、安価で良好な機械的、熱的、電気的特性を有して
いるため、古くから非常に広い用途に使用されてきた。

しかし、鋼にはそのまま使用すると短時間で錆びたり腐
食したりするという致命的な欠点がある。一方チタンは
、鋼に比べると著しく耐食性が優れているので、腐食や
防錆の問題は解決するが、他の特性、例えば熱伝導性な
どは鋼とはかなり異なった特性を示すために、チタンで
完全に代替することは必ずしも容易ではないのである。

さらに、チタンは鋼に比べると著しく高価であるために
、資源的経済的にも困難といわざるをえないのが実情で
ある。

これらの問題を解決する方法として、表面をチタン、中
心部を鋼としたクラッド鋼が使用されている。クラッド
鋼は、母材に目的とする特性に合致した炭素鋼ないしス
テンレス鋼を利用し、表面に耐食性の優れたチタンを用
いることで、優れた耐食性を有しかつ目的とする特性を
満足する材料が得られるために、熱交換機などの化学装
置では広く利用されている。

本発明は、このようなチタンクラッド鋼を技術的に容易
に、そして安価に製造する方法を提供するものである。

（従来の技術） いわゆるクラッド鋼板の製造方法には大きく分けて２種
類がある。すなわち、溶鋼レベルで複合化を行なういわ
ゆる鋳包み法と固相レベルで接合させる方法である。

チタンクラッド鋼の場合、チタンと鋼の界面に脆いＦｅ
／Ｔｌ金属間化合物やＴｉｃなどの層が生成すると界面
で剥離する。従って、溶鋼レベルで行なう鋳包み法は通
用できず、固相レベルでの接合が採用されている。中で
も爆着による方法は、中間媒接材を使用せずしかも接合
強度に対して信頼性が高いことから、現在量も広く使用
されている方法である。しかし、爆着法は強力な爆発の
力を利用するために、どこでも実施が可能というわけに
はいかず、通常人里離れた山中などで行なわざるを得な
い。しかも、大量生産には不向きであることなどから非
常に高価な材料である。また、爆着法ではサイズも限定
され特に薄板の製造は困難である。

圧接による方法は、生産性が高く板厚が比較的自由にと
れることや従来の製造工程が適用できることなどから１
着法に比べて有利な方法である。しかし、圧接による方
法では接合界面に金属間化合物等の脆い層が生成する可
能性が非常に高い上に、界面に酸化物などが存在すると
接合が不可能になる。特に熱間圧接の場合、拡散速度や
酸化速度がはやいので、これらの危険性は高くなる。

界面の脆い中間層の生成を抑制して接合させる方法とし
て、特開昭６２−６７８３号公報には熱延加熱条件の限
定が、また例えば特開昭５５−・４８４６８号、特開昭
５７−１０９５８８号、特開昭５７−１１２９８５号や
特開昭５７−１９２２５６号の公報には、クラッド界面
に純鉄やニッケル、銅などの板ないし箔を中間媒接材と
して挟み込む方法が提案されている。

一方接合界面の酸化を防止するには、少なくとも合せ面
を真空にしたり不活性雰囲気にする以外に適切な方法が
ない。例えば特開昭５７−１０９５８８号公報では環境
をＩ　Ｔｏｒｒ以下の真空にすることを必須条件として
いる。このために、コストの低下をはかることができず
、安価であるというクラッド鋼の特徴を生かすことが必
ずしも容易ではない状況にある。従って、通常チタンク
ラッド鋼板は厚板として、チタンの耐食性が不可欠な熱
交換機などの化学装置に利用されているに過ぎない。

ステンレス鋼などのクラッド鋼板の場合、合せ面を溶接
してから圧延などを行なう方法も提案されているが、チ
タンクラッド鋼板の場合はＦｅ／Ｔｌ金属間化合物が生
成して適用することはできない。

このほかに、接合界面の酸化を防止する方法として、特
開昭５７−１１２９８５号公報ではフテックスで界面を
覆うことを提案している。しかし、特殊な設備が必要で
あることからやはりコスト低下には致らない。

これに対して、本発明者はすでに出願した特願昭６２−
２７７８２８号でＴＩと鋼の界面に溶融したＴｌ／Ｃｕ
金属間化合物を生成せしめ、圧下によってその溶融金属
間化合物とともに酸化物等を絞り出すことによって、Ｔ
ｉと鋼を接合する方法を発明した。ＴＩと鋼の間にＣｕ
を挟むことによるこの発明呻より、大気中でチタンクラ
ッド鋼板を安価に製造することが可能となった。しかし
、ＴＩと鋼の間にＣｕを挟む方法は、この発明によりＴ
ｉとＣｕの接合は確実であるものの、素材に厚板や鋼片
を用いる母材すなわち鋼と残留したＣｕの接合は、不良
部分を生ずることがあり歩留りの低下の原因となってい
た。このため、Ｃｕの厚さを加熱温度時間との関係で厳
密に制御し、Ｃｕが全て金属間化合物に反応し残留しな
いよう限定する必要があった。

クラッド鋼の製造において中間材としてＣｕを利用する
方法は、すでに多くの提案があるが、その中に母材や合
せ材にメッキする方法が開示されている（特開昭５２−
１３４６０号公報）。しかし、メッキしたＣｕはＴｌと
の金属間化合物を作るのでその点からメッキ厚さは薄い
ことが望ましい。これに対して上述の特願昭６２−２７
７８２６号で用いるＣｕ層は、むしろＴｉと反応して金
属間化合物を作りかつ絞り出すことを前提としているた
めに、むしろ厚い方が望ましい。従来の開示された方法
のほとんどが、真空中で接合することを前提としている
ために、生成した金属間化合物を絞り出すという考え方
はなく従って中間層は必要最小限にとどめるものである
。これに対して、本発明は従来の考え方より中間層を厚
くし生成した金属間化合物とともに接合にとって不都合
な空気や酸化物を絞り出そうとするものであるため、メ
ッキ層にしても従来の考え方とは逆に厚いメッキを指向
するものである。このように本発明は同じメッキを実施
しても、従来の開示された技術とは技術的な考え方及び
発明の構成が異なるものである。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、ＴＩと鋼の界面に溶融したＴｌ／Ｃｕ金属間
化合物を生成せしめ、圧下によってその溶融金属間化合
物とともに酸化物等を絞り出すことによって、大気中で
製造するチタンクラッド鋼板の製造において、金属Ｃｕ
層が残留しても接合性が低下することなく容易にチタン
クラッド鋼板の製造を可能ならしめるべく、鋼とＣｕの
接合部不良を解消する方法を開示するものである。

（ｎ題を解決するための手段） 本発明者らは、鋼とＣｕの接合部不良を解消するための
方法として、ＴｉとＣｕの反応を進行させ金属Ｃｕ相を
消滅させるのではなく残留したＣｕとＴｉの接合性を向
上する方向で検討した。その結果、母材にＣｕをメッキ
ないし溶射によりて被覆しその上に合せ板であるＴｔを
積層し圧延する方法を見出した。

すなわち本発明の要旨とするところは次の通りである。

（１）母材が鋼、合せ材がチタンないしチタン合金であ
るクラッド鋼板の製造において、母材である鋼の表面に
銅または銅を３０％以上含有する銅合金を下地メッキを
することなく直接少なくとも１０μｍ以上の厚さでメッ
キし、しかる後メッキした面の上に合せ材であるチタン
ないしチタン合金を重ね、８５０℃超１０００℃以下の
温度で、１０％以上の圧下率で少なくとも１パス圧延し
、溶融したチタンと銅の金属間化合物層を絞り出して接
合することを特徴とするチタンクラッド鋼板の製造方法
。

（２）母材が鋼、合せ材がチタンないしチタン合金であ
るクラッド鋼板の製造において、母材である鋼の表面に
銅または銅を３０％以上含有する銅合金を直接少なくと
も１０μｍ以上の溶射し、しかる後溶射した面の上に合
せ材であるチタンないしチタン合金を重ね、８５０℃超
１０００℃以下の温度で、１０％以上の圧下率で少なく
とも１パス圧延し、溶融したチタンと銅の金属間化合物
層を絞り出して接合することを特徴とするチタンクラッ
ド鋼板の製造方法。

（３）上述の（１）ないしく２）項で製造したチタンク
ラッド鋼板を、必要に応じて脱スケールし、次いで冷間
圧延することを特徴とするチタンクラッド鋼板の製造方
法。

（４）上述の（３）項で製造したチタンクラッド鋼板を
、焼鈍し必要に応じて脱スケールし、次いで必要に応じ
て５％以下の調質圧延を行なうことを特徴とするチタン
クラッド鋼板の製造方法。

（５）上述の（４）項で実施する焼鈍が大気中ないし不
活性ガス中であることを特徴とするチタンクラッド鋼板
の製造方法。

めっきや溶射は、すでに表面に金属層を被覆する処理方
法としては完成された公知技術であるが、ＴＩと鋼の界
面に溶融したＴｉ／Ｃｕ金属間化合物を生成せしめ、圧
下によってその溶融金属間化合物とともに酸化物等を絞
り出すことによって、大気中で製造するチタンクラッド
鋼板の製造技術に適用することは従来者えられなかった
技術である。

本発明で述べるメッキ又は溶射は、従来完成されていた
技術とはその内容において異なるものである。一般に、
メッキや溶射は被覆のままで使用するので、メッキや溶
射処理だけで確実に接合していることが必須であったり
、表面状態を厳密に制御管理する必要があった。このた
めに、事前に下地処理を施したり、処理条件を厳密に制
御することで完成した技術である。これに対して、本発
明方法におけるメッキ又は溶射では、界面で接合する必
要は全くないのである。

本発明において、接合していなくともあるいは表面に酸
化物が付着したとしても全く問題がないのは、その後の
Ｔｌ／Ｃｕ金属間化合物生成処理でＣｕ層が消滅するか
、例えＣｕ層が残留しても金属間化合物を絞り出す圧下
工程によって、Ｃｕと鋼はメッキ又は溶射による接合よ
りはるかに強固に接合されるためである。むしろ、下地
処理は全く不要であるのではなく有害であるので、本発
明においては除外した。すなわち、下地処理を行なうこ
とによってＴＬとの間でＴｉ／Ｃｕ金属間化合物とは異
なる金属間化合物が生じ、界面の接合性を劣化させる危
険性がある。

本発明で製造したクラッド鋼板は、必要に応じて酸洗冷
延調質圧延焼鈍を行ない、いわゆる冷延仕上のクラッド
鋼板とすることが可能である。冷延後の焼鈍は純チタン
板の焼鈍に準じて実施することもできるが、純チタンと
は異なり大気中や不活性ガス中で実施することも可能で
ある。

次に本発明の限定条件を示す。

メッキや溶射によるＣｕ１ｌの厚さは、１０μｍ未満で
はＴｌと反応して生成するＴｉ／Ｃｕ金属間化合物の量
が少なく界面の酸化物や空気などを同時に絞り出すため
には不足するために、下限とした。

下地処理を行なうことによってＴｉとの間でＴｉ／Ｃｕ
金属間化合物とは異なる金属間化合物が生じ、界面の接
合性を劣化させる危険性がある。下地メッキや下地溶射
をしないことに限定した。

積層後の加熱温度は、８５０℃以下ではＴｉ／Ｃｕ金属
間化合物が生成せず、１０００℃を超えるとＴｌの拡散
による金属間化合物生成速度が大きくなり不溶性金属間
化合物が生成するとともに金属間化合物層の厚さが厚く
なるために、８５０　を超１０００℃以下の温度とした
。

また、Ｔｌ／Ｃｕ金属間化合物とともに界面の酸化物や
空気などを同時に絞り出すために、１０％以上の圧下率
で少なくとも１パス圧延することを限定した。この際圧
下率が１０％未満では絞り出しが不十分であるので下限
とした。

必要に応じて実施する冷延焼鈍後の調質圧延は、５％を
超えると加工硬化が進行し冷延鋼板として必要な延性が
確保できなくなるために上限とした。

なお、本発明においてメッキ又は溶射するＣｕは、純銅
でも銅合金でも全く同様に取扱うことができるため、特
別に限定しない。

（作　　　用） 以上示したとおり、Ｔｉと鋼の界面に溶融したＴｉ／Ｃ
ｕ金属間化合物を生成せしめ、圧下によってその溶融金
属間化合物とともに酸化物等を絞り出すことによフて、
大気中で製造するチタンクラッド鋼板の製造において、
Ｃｕと鋼の間の接合性が向上した。この結果、界面に金
属Ｃｕ層が残留しても接合性を阻害することがなくなっ
た。

これは、メッキ又は溶射によって例え接合が不完全であ
ったとしてもその後の加熱時にＣｕと鋼の間が酸化した
り多量に空気が入り込むことがなくなったためである。

溶融Ｔｉ／Ｃｕ金属間化合物の絞り出しによって、ＴＩ
とＣｕの界面は酸化物や残留空気が絞り出されるが、仮
に金属Ｃｕが残留した場合Ｃｕと鋼との間の酸化物や残
留空気は押出されることがない。これが従来方法では歩
留りの低下となっていたのである。本発明方法によって
、Ｃｕと鋼の接合性が確実性を増したために素材のＣｕ
の厚さにかかわらず特に端部で接合不良がなくなり、歩
留りが向上した。

また、本発明によるチタンクラッド鋼は、Ｃｕ層の残留
があっても従来方法の真空を利用して製造したチタンク
ラッド鋼と界面の接合性をはじめ、クラッド鋼板として
の品質の劣化は認められなかった。

なお、第１図、第２図に本発明方法によるチタンクラッ
ド鋼製造のための圧延前素材の組み立て実施態様を示す
が、第１図はサンドイッチタイプ、第２図はセミサンド
インチタイプのそれぞれの組み立て断面概念図である。

図中、１は母材である炭素鋼、ステンレス鋼等の鋼、２
は合せ材であるチタンまたはチタン合金、３は中間媒接
材で１の母材表面に銅または銅を３０％以上含有する銅
合金をメッキしたメッキ層あるいは溶射した溶射層、４
は当て板、５は分離剤、６は捨て材、７は溶接箇所、８
は金属間化合物の溜り場である。

（実　施　例） 合せ材としての４．０ｍｍ厚のＪＩＳ−１種の純チタン
板を、母材として片面に約８０ｕ＠のＣｕメッキを行な
った０、１１２％のＣを含有する５０ｍｍ厚の炭素鋼の
鋼片を７１面とメッキしたＣｕ面が相対するようにサン
ドイッチ状に重ね、さらにチタンの上からＺｒＯ２系分
離剤を介して同じ組合せのチタンおよび炭素鋼を重ね、
端面および側面に２、Ｏａ＋ｍ厚の母材と同じ成分組成
の鋼板の当て板を当て端面および側面のそれぞれ約半分
を溶接して固定した。その後、９２０℃に加熱して８８
０〜９００℃で２２％の圧下を１パス行なった。この際
、端面および側面の溶接固定していない部分から溶融し
た銅とチタンの金属間化合物が溜り場へ絞り出された。

その後冷却し、Ｚｒ０ｚ系分離剤の部分で上下に分離し
、それぞれ８５０℃から７３０℃の間に再加熱し全板厚
が３１１１ｆｆ＋になるまで連続式熱間圧延機にて熱間
圧延した。製造し・たチンタフラッド熱延鋼板は、界面
の接合性をはじめ、チタンクラッド鋼としての品質およ
び合せ材の耐食性母材の機械的特性にはなんら問題がな
かフた０次いで、脱スケールを行ない、１　ｍｍ厚まで
冷間圧延を実施し、大気中で７００℃−１ｇ１！Ｉの焼
鈍、酸洗による脱スケール、０．５％の調質圧延を行な
った。製造したチタンクラッド冷延鋼板は、界面の接合
性をはじめ、チタンクラッド鋼としての品質および合せ
材の耐食性母材の機械的特性にはなんら問題がなかった
。

また、ＺｒＯ２系分離剤の部分で上下に分離した材料を
８００〜８３０℃に再加熱し、リバース式の熱間圧延機
にて１０ｍｍまで圧延した。製造したチタンクラッド鋼
厚板は、界面の接合性をはじめ、チタンクラッド鋼厚板
としての品質および合せ材の耐食性母材の機械的特性に
はなんら問題がなかった。

次に、合せ材としテノ３．（１ｍＩ１１厚）ＪＩＳ−２
ｆ！ノ純チタン板を、母材として片面に約０．２＋ｎｍ
厚さでＣｕ溶射を行なフた１９．３％のＣｒ、　０．４
％のＣｕ。

０．６％のＮｂおよびｏ、ｏｏａ％のＣを含有す３０ｍ
ｍ厚のステンレス鋼の鋼片をＴｉ面と溶射したＣｕ面が
相対するようにサンドイッチ状に重ね、さらにチタンの
上からＺｒＯ２系分離剤を介して１．０ｍｍ厚の母材と
ほとんど同じ成分組成の鋼板の捨て材で覆い、母材側面
の約半分を溶接して固定した。その後、９２０℃に加熱
して８８０〜９００℃で１６％の圧下を１パス行ない、
続けて８５０℃から７３０℃の間で全板厚が４ｍｍにな
るまで熱間圧延した。この結果、１パス目で溶接固定し
ていない部分から溶融した銅とチタンの金属間化合物が
溜り場へ絞り出された。しかし、剥離することなく圧延
が完了した。製造したチタンクラッド鋼は、界面の接合
性をはじめ、チタンクラッド鋼としての品質および合せ
材の耐食性母材の機械的特性にはなんら問題がなかった
。

比較例として、銅を使用せずに単にステンレス鋼の上に
チタンを乗せ上記と同様に鋼片を組立圧延を行なったと
ころ、１パス目で溶接固定していない部分が剥離し、３
パス目で完全に剥がれ分離しクラッド鋼の製造ができな
かった。

一部接合していた部分も、冷却後曲げ曲げ戻し加工を行
なったところ簡単に剥離し、接合性は不良であった。

（発明の効果） 本発明により、チタンクラッド鋼の製造のために真空装
置が不要となった。この結果、チタンクラッド鋼板の大
量製造が技術的に容易になり、その結果コストは安価に
なるので、チタンの優れた耐食性を低コストで享受する
ことができ、資源的経済的な利益は大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明方法によるチタンクラッド鋼製
造のための圧延前素材の組み立て実施態様を示す図で、
第１図はサンドイッチタイプ、第２図はセミサンドイン
チタイプの組立て断面概念図である。 １・・・母材である炭素鋼、ステンレス鋼等の鋼２・・
・合せ材であるチタンまたはチタン合金３・・・中間媒
接材である銅または銅合金４・・・当て板 ５・・・分離剤 ６・・・捨て材 ７・・・溶接箇所 ８・・・金属間化合物の溜り場 他４名

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　母材が鋼、合せ材がチタンないしチタン合金である
   クラッド鋼板の製造において、母材である鋼の表面に中
   間媒接材として銅または銅を３０％以上含有する銅合金
   を下地メッキをすることなく直接少なくとも１０μｍ以
   上の厚さでメッキし、しかる後メッキした面の上に合せ
   材であるチタンないしチタン合金を重ね、８５０℃超１
   ０００℃以下の温度で、１０％以上の圧下率で少なくと
   も１パス圧延し、溶融したチタンと銅の金属間化合物層
   を絞り出して接合することを特徴とする銅または銅合金
   を中間媒接材としたチタンクラッド鋼板の製造方法 ２　母材である鋼の表面に中間媒接材として銅または銅
   を３０％以上含有する銅合金を直接少なくとも１０μｍ
   以上の厚さで溶射する請求項１記載の銅または銅合金を
   中間媒接材としたチタンクラッド鋼板の製造方法 ３　請求項１又は２記載の製造方法で製造したチタンク
   ラッド鋼板を脱スケールし、次いで冷間圧延することを
   特徴とする銅または銅合金を中間媒接材としたチタンク
   ラッド鋼板の製造方法 ４　請求項３記載の製造方法で製造したチタンクラッド
   鋼板を焼鈍し脱スケールし、次いで５％以下の調質圧延
   を行うことを特徴とする銅または銅合金を中間媒接材と
   したチタンクラッド鋼板の製造方法 ５　焼鈍が大気中又は不活性ガス中である請求項４記載
   の銅または銅合金を中間媒接材としたチタンクラッド鋼
   板の製造方法