JPH0565272B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、チタンクラツ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
とはかなり異なつ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ツド鋼が使用されて
いる。クラツド鋼は、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ツド鋼を技術
的に容易し、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〕

いわゆるクラツ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。

チタンクラツド鋼の場合、チタンと鋼の界面に
脆いFe−Ti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。従つて、溶鋼レベルで行
なう鋳包み法は適用できず、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、現在最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
ことなどから爆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号公
報、特開昭57−109588号公報、特開昭57−112985
号公報や特開昭57−192256号公報には、クラツド
界面に純鉄やニツケル、銅などの板ないし箔を中
間媒接材として挾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1Torr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ツド
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。従つて、通常チタンクラツド鋼板は厚
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ツド鋼板の場合、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、チタンクラツド鋼板の場合はFe−
Tiの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号公報ではフラツクスで
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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上示した従来方法の共通の欠点は、界面の酸
化の防止を目的として、合せ面を真空ないし不活
性ガスで覆うなどの処理を行なう必要があるため
に、コストが高くならざるを得ない点である。

本発明は、コストを低下するために大気中で固
相接合を行ないクラツド化することを指向した。
本発明のポイントは、大気中での接合において界
面の酸化物を除去しかつ酸化物を生じさせない技
術を完成させた点である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者らは、合せ面に酸化物を生じさせない
ためには、その界面から大気を除去することが重
要で、そのためには大気以外の非酸化性物質を充
填すれば達成できると考えた。この考えに基づ
き、非酸化性物質を種々検討した結果、溶融金属
などの低融点物質で達成できることを見出した。
すなわち、合せ面は厳密には完全な平滑面ではな
いために、例え中間媒接材を挿入したとしてもそ
れが固体であるならば、単に合せただけでは必ず
空気が残留するものである。ところが液体状の物
質を充填させるならば、合せ面に非接触部分がで
きたとしても、空気を追出すことが可能となるの
である。合せ面に挾み込む中間媒接材としては、
種々の合金や化合物が考えられるが、本発明では
銅または銅合金を利用した。すなわち、合せ面に
銅または銅合金を挾んでおくと約850℃で銅とチ
タンの共晶温度に達し溶融を開始する。一方、鋼
側には銅の一部が粒界に侵入しはじめ、低温域で
は脆化することなく強固に接合することになる。

しかし、合せ面がいつまでも溶融状態であるな
らば接合が不可能であるし、温度が低下して溶融
した銅とチタンの合金相が凝固したとしても、そ
れでは目的が達せられない。そこで、本発明で
は、銅とチタンの溶融層が溶融している温度域で
圧下を行ない、余分な溶融合金と同時にわずかに
残留している空気層を端部から絞り出すこととし
た。

次に、本発明によるチタンクラツド鋼製造過程
の挙動について第１図を用いて説明する。

本発明方法によるチタンクラツド鋼の製造にあ
たつては、第１図のようにまず合せ板であるチタ
ンないしチタン合金１と中間媒接材として使用す
る銅または銅合金２を母材である鋼３の上にサン
ドイツチ状に重ね、端部を部分的に溶接等で固定
する。この状態で銅とチタンの合金の融点より高
い温度まで加熱し拡散反応により合金形成せしめ
ると同時に溶融させる。次いで、合金が凝固する
以前に少なくとも１パスの圧下を加え、余分の合
金や空気等を端部から絞り出す。これによつて、
合せ面にはその面の凹凸を埋めるに足る最小限の
銅または銅合金が残留し、チタンないしチタン合
金と鋼が圧接によつて接合することとなる。ま
た、界面に空気が残つていたために、銅または銅
合金が生成する前にチタン鋼の表面に生じていた
薄い酸化物層は、大部分が溶融した銅とチタンの
合金と同時に絞り出される。さらに残留した酸化
物は非常にわずかとなるためにさらに圧延を行な
うことによつて合せ材のチタンによつて還元さ
れ、酸素はチタン中に拡散固溶することとなる。

次に接合の可能性を検討するために、大気中で
チタンと鋼の10mmφの棒を銅板を挾んで重ね10Kg
ｆ／mm²の荷重で押しつけた。第２図に接合温度と
冷却後の引張により接合面の破断強度の関係を示
した。650℃以下では接合せず銅板が単に変形し
たのみであつたが、700℃以上で接合した。しか
し850℃以下では接合面の破断強度が数Kgｆ／mm²
以下で容易に破断した。850℃を超える温度では
界面でチタンと銅の合金の溶融層が生成し、接合
面の破断強度も10Kgｆ／mm²以上に向上した。ま
た、1050℃以上になると合金の溶融層が厚くな
り、チタンと鋼がずれたり接合面で折れ曲るよう
な形で接合した。

次に、本発明の限定条件を説明する。

中間媒接材の銅または銅合金は、合わせ材のチ
タンと拡散固溶して溶融する必要があるので、銅
の含有率が30％以上とした。

圧下によつて溶融した余分の中間層を端部より
絞り出すためには、溶融している必要があるの
で、第２図からチタンと銅の合金の溶融している
温度域すなわち850℃を超える温度で圧下を加え
ることを限定した。しかし、接合の温度が高すぎ
るとチタンと銅の固相反応が進行しすぎてチタン
の厚さが低下するのみならず、溶融層の粘度が低
下して接合せずに滑りを生ずるために、やはり第
２図から上限温度を1000℃とした。

この圧下は、１パスでも十分に目的を達せられ
るし、２パス以上となつても障害がないが、加え
ないと接合しなかつたり例え接合してもクラツド
鋼としての十分な品質が得られないので、１パス
以上の圧下を加えることと限定した。

また、圧下率は10％未満では中間媒接材のはみ
出しが不十分なため、10％以上で圧下することを
限定した。

〔作用〕

以上示したとおり、本発明は真空を利用するこ
となくチタンクラツド鋼を製造することが可能と
なつた。真空を必要としないことによつて例えば
真空ポンプや真空槽などの高価な設備が不要とな
り、真空にする処理がなくなる上に、大気環境下
で作業が行なえるために製造が著しく簡素化され
ることになる。

また、本発明によるチタンクラツド鋼は、従来
方法の真空を利用して製造したチタンクラツド鋼
と品質的には差がない。しかし、界面近傍のチタ
ンおよび鋼中にはCu含有量の高い層が認められ、
Cuは母材の鋼および合せ材のチタンの両方に固
溶し拡散したことが推定される。しかし、界面の
接合性をはじめ、クラツド鋼としての品質の劣化
は認められない。

〔実施例〕

合せ材としての3.0mm厚のJIS1種の純チタン板
を、中間媒接材として99.％以上の純度を持つ0.7
mm厚の銅板を、母材として19.2％のCr、0.4％の
Cu、0.6％のNbおよび0.008％のＣを含有する30
mm厚のステンレス鋼の鋳片をサンドイツチ状に重
ね、さらにチタンの上からAl₂O₃系剥離材を介し
て1.0mm厚の母材とほとんど同じ成分組成の鋼板
で覆い、母材側面の約半分を溶接して固定した。
これらの素材の表面粗さ（H_nax）は5μｍ以下と
し機械仕上げしてから組み立てた。その後、980
℃に加熱して銅とチタンの合金層を形成せしめる
と同時に合金層を溶融せめ、次いで同合金層の溶
融温度域に含まれる870〜950℃で14％および18％
の圧下を１パス行ない、次いで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合金が絞り出された。しか
し、剥離することなく圧延が完了した。製造した
チタンクラツド鋼は、界面の接合性をはじめ、チ
タンクラツ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つた。

比較として、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
を行なつたところ、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クラツ
ド鋼の製造ができなかつた。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つたところ
簡単に剥離し、接合性は不良であつた。

さらに、合せ材としての4.0mm厚のJIS1種の純
チタン板を、中間媒接材として99.9％以上の純度
を持つ1.0mm厚の銅板を母材として0.002％のＣを
含有する50mm厚の炭素鋼の鋳片をサンドイツチ状
に重ね、さらにチタンの上からAl₂O₃系剥離材を
介して同じ組合せのチタン、銅および炭素鋼を重
ね、端面および側面に2.0mm厚の母材と同じ成分
組成の鋼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。これらの素材の表面粗さ
（H_nax）は5μｍ以下とし機械仕上げしてから組み
立てた。その後、920℃に加熱して880〜920℃で
13％の圧下を１パス行なつた。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
とチタンの合金が絞り出された。その後冷却し、
Al₂O₃系剥離材の部分で上下に剥離し、それぞれ
850℃から730℃の間で全板厚が３mmになるまで熱
間圧延した。製造したチタンクラツド鋼は、界面
の接合性をはじめ、チタンクラツド鋼として品質
および合せ材の耐食性母材の機械的特性にはなん
ら問題がなかつた。

〔発明の効果〕

本発明により、真空を物理的に作り出すことな
くチタンクラツド鋼を製造することが可能となつ
た。この結果、チタンクラツド鋼の製造が技術的
に容易になり、しかもコスト的には安価になるの
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図は、本発明方法によるチタンクラツド鋼
製造のための圧延前素材の組み立てを説明した
図、第２図は、接合温度と冷却後の引張による接
合面の破断強度の関係を示した図である。 １……合せ材のチタンないしチタン合金、２…
…中間媒接材の銅又は銅合金、３……母材である
炭素鋼又はステンレス鋼。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 母材が鋼、合せ材がチタンないしチタン合金
   であるクラツド鋼板の製造において、母材と合せ
   材の間に銅または銅を30％以上を含有する銅合金
   を中間媒接材として挟み、空気を遮断することな
   く、850℃超1000℃以下の温度で加熱し、銅とチ
   タンの合金を形成せしめると同時に溶融せしめ、
   次いで銅・チタン合金の溶融層が溶融している温
   度域下で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合金層を絞り出して
   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ツド鋼板の製造方法。