JPH06155049A

JPH06155049A - 銅を中間媒接材としたチタンクラッド鋼板の熱延方法

Info

Publication number: JPH06155049A
Application number: JP31910492A
Authority: JP
Inventors: Akio Yamamoto; 章夫山本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-11-27
Filing date: 1992-11-27
Publication date: 1994-06-03

Abstract

(57)【要約】【目的】接合強度の高いチタンクラッド鋼板の製造方
法。【構成】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、母材と合せ材の間
に銅または銅を３０％以上含有する銅合金を中間媒接材
として挟み、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ないし合金層を絞り出して接合
し、続く８５０℃以下の圧下も含めて全圧下比を５以上
とし、新生面での接合面積を十分確保して接合界面の強
度を高くすることを特徴とするチタンクラッド鋼板の熱
延方法。【効果】圧下比を確保するのみで、新生面での接合面
積が高くなり接合強度の高いチタンクラッド鋼板の製造
が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、チタンクラッド鋼板の
連続熱延による製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】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
を得ないのが実情である。

【０００３】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。

【０００４】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−Ｔｉ金属間化合物やＴｉＣなどの層が厚く
生成すると界面で剥離しやすくなる。従って、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。

【０００５】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などの脆い
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。

【０００６】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５７−１１２
９８５号や特開昭５７−１９２２５６号の各公報には、
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。

【０００７】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が開示され
ているが、これを必須条件としているために、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化学反応装置などに利用されて
いるに過ぎない。

【０００８】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−Ｔｉの金
属間化合物が生成して適用することはできない。

【０００９】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到らな
い。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】これに対して本発明者
らは、チタンと銅の金属間化合物を積極的に利用し真空
を不要とするチタンクラッド薄鋼板の製造方法を発明し
た（特開平０１−１２２６７７号公報参照）。この結
果、従来の厚板のチタンクラッド鋼板に比べて飛躍的に
コストの低いチタンクラッド薄鋼板の製造が可能になっ
たのである。しかし、以上の方法を適用し熱延によりチ
タンクラッド鋼の薄板を製造した場合、製造したクラッ
ド鋼板の接合面の剥離強度が劣り、例えばシャーで切断
した際に接合面が容易に剥離する場合があった。

【００１１】本発明は、以上の問題を解決すべく、安定
して剥離強度の高いチタンクラッド薄鋼板の連続熱延に
よる製造方法を提供するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、チタンク
ラッド鋼板をシャー切断したところ破断面で剥離開孔す
るものとしないものがあることを見出した。そしてシャ
ー切断で剥離開孔するチタンクラッド鋼板の剥離状況を
詳細に観察した結果、剥離した界面には局部的にかなり
厚い噛み込み状態を呈した界面の金属間化合物層が認め
られた。

【００１３】さらに、局部的な厚い噛み込み状金属間化
合物層のある材料は、圧下比の小さいものに集中してい
ることがわかった。この理由については、鋭意研究中で
あるが、次のように考えている。圧延中の温度域では、
金属間化合物の成長は防止不可能であるので、融液状の
金属間化合物を絞り出した後も成長は続く。それと同時
に、金属間化合物は圧下によって延伸されるはずであ
る。しかし、母材や合せ材の金属層に比較して変形抵抗
の大きい金属間化合物の延伸は、不均一になるものと思
われる。特に圧下比が小さい場合、その傾向は大きいも
のと推定される。この結果、圧下比が小さい範囲で局部
的な厚い噛み込み状金属間化合物層が残留するものと考
えられる。本発明は、以上の知見に基づいてなされたも
のである。

【００１４】接合界面における噛み込み状の金属間化合
物の有無に及ぼす圧下比の影響を検討するために、銅を
中間媒接材としたチタンクラッド鋼板の圧延試験を行な
った。圧延条件は、加熱温度を９００℃、１パス目に１
５〜２０％の圧下を行ない融液状の金属間化合物を絞り
出した後、１パスあたり１５〜２５％の圧下を１〜９パ
ス行ない熱延板を製造した。なお、融液状金属間化合物
の絞り出し後の圧下が３パス以下では接合せず、クラッ
ド鋼板ができなかった。冷却後、圧延板を斜研磨し、ナ
イタール腐食を行なって認められた変色域の最小幅およ
び最大幅を測定して評価した。この結果を、図１に示し
た。

【００１５】図から明らかなように、界面の金属間化合
物層の最少厚さは、わずかに圧下比の小さい場合が大き
めであるが、その差は小さい。むしろ、圧延後の板厚
が、圧下比の小さい場合の方が厚く、冷却速度が低いた
めに高温域の通過時間が長くなったことを考慮すると、
金属間化合物の厚さに及ぼす圧下比の影響はないと判断
される。これに対して、最大厚さは圧下比の上昇ととも
に大きく低下し、圧下比が５を超えると最少厚さとの比
がせいぜい１．５倍となって、見掛け上も単なるばらつ
きと見做し得る状態となった。

【００１６】次に、圧延板を２mmまで切削し、曲率半径
２mm（ｔ曲げ）で曲げ試験を行なった。この結果を図２
に示した。図から明らかなように、圧下比の小さいもの
は切削時に剥離したり曲げによってＴｉ／Ｃｕ界面で剥
離したが、圧下比が５以上となると剥離することなく曲
げが可能であった。

【００１７】以上の知見に基づいて、熱延の圧下比を限
定するチタンクラッド鋼板の熱延による製造方法、すな
わち、本発明を完成したものであり、その基本構成は、
（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、母材と合せ材の間に銅
または銅を３０％以上含有する銅合金を中間媒接材とし
て挟み、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ないし合金層を絞り出して接合し、
続く８５０℃以下の全圧下比を５以上とすることを特徴
とするチタンクラッド鋼板の熱延方法である。

【００１８】本発明では、中間媒接材のＣｕは必ずしも
板を挟み込む必要はなく、めっきや溶射によって挟み込
むことも可能である。従って、本発明は、（２）前項１
において、中間媒接材の銅または銅を３０％以上含有す
る銅合金を、母材である鋼の表面に下地めっきをするこ
となく直接少なくとも１０μｍ以上の厚さでめっきした
ことによるチタンクラッド鋼板の熱延方法、および、
（３）前項１において、中間媒接材の銅または銅を３０
％以上含有する銅合金を、母材である鋼の表面に直接少
なくとも１０μｍ以上の厚さで溶射したことによるチタ
ンクラッド鋼板の熱延方法を特徴の一つとする。

【００１９】また、本発明を有効に実施するには、その
装置は従来チタンクラッド鋼の製造に用いられていたリ
バース型の熱延機より、炭素鋼などの熱間圧延に利用さ
れている連続熱間圧延機の方が適している。すなわち、
本発明は複数回の圧下を１台ないし複数台の粗圧延機お
よび複数台の仕上げ圧延機からなる連続熱間圧延機で行
なうことで最も効果が発揮される。すなわち、本発明
は、（４）前項１，２および３の何れかにおいて、圧下
を１台ないし複数台の粗圧延機および複数台の仕上げ圧
延機からなる連続熱間圧延機で行なうチタンクラッド鋼
板の熱延方法を第４の発明とする。第４の発明にかかる
連続熱間圧延機は、１台ないし複数台の粗圧延機および
複数台の仕上げ圧延機以外に、１台ないし複数台の中間
圧延機やデスケール用の軽圧下装置などが付属するもの
も含むものである。

【００２０】次に、本発明の限定条件を説明する。中間
媒接材として使用する銅または銅合金は、合せ材のチタ
ンと相互拡散して固相反応を起こし金属間化合物となる
必要があるので、銅の含有率が３０％以上とした。

【００２１】圧下によって溶融した中間層を端部より絞
り出すためには、中間層が溶融している必要があるの
で、チタンと銅の合金の溶融している温度域すなわち８
５０℃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、上
限温度を１０００℃とした。この圧下は、１パスでも十
分に目的に達せられるし、２パス以上となっても障害が
ないが、加えないと接合しなかったり例え接合してもク
ラッ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した。また、８５０℃超１０
００℃以下の温度での圧下の圧下率は、１０％未満では
溶融した中間媒接材の絞り出しが不十分なため、１０％
以上で圧下することに限定した。熱延の全圧下比は、図
１および図２の結果から５以上に限定した。

【００２２】また、めっきまたは溶射した銅または銅合
金の厚みを１０μｍ以上に限定した理由は、１０μｍ未
満の場合、スラブ加熱時に生成する金属間化合物の量が
少ないため、所定の液相の厚さが確保できないためであ
る。

【００２３】

【作用】以上示したとおり、熱延鋼板の全圧下比の下限
を限定することで界面の噛み込み状の金属間化合物の残
留を防止し、その結果接合界面の耐剥離性を向上させる
ことに成功した。この結果、安定した品質のチタンクラ
ッド鋼の薄鋼板を通常の鋼と同じ設備工程で製造するこ
とが可能となった。本発明によるチタンクラッド鋼は、
界面の金属間化合物層も急冷した場合と大差なく、しか
も界面の残留応力が低いレベルに緩和されているため
に、クラッド薄鋼板としての品質の劣化は認められなか
った。また、薄鋼板としての加工性（曲げ性）は、ほぼ
溶融亜鉛めっき材並みの特性を有していた。

【００２４】

【実施例】

〔実施例１〕合せ材としての２．０mm厚のＪＩＳ２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０．５mm厚の銅板を介在させ、母材として０．
０７％のＣを含有する２２mm厚の炭素鋼鋳片とサンドイ
ッチ状に重ね、さらにチタンの上からＡｌ₂Ｏ₃＋Ｚｒ
Ｏ₂系分離材を介して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。次いで、この組立スラブを９００℃に加熱し、
１パス目に１５〜２０％の圧下を行ない融液状の金属間
化合物を絞り出した後、１パスあたり１５〜２５％の圧
下を１〜９パス行ない熱延板を製造した。なお、融液状
金属間化合物の絞り出し後の圧下が４パス以下では接合
せず、クラッド鋼板ができなかった。冷却後、圧延板を
２mmまで切削し、シャー切断を行なった。その結果を表
１に示した。圧下比の小さいものは切削時に剥離した
が、圧下比が５以上となると剥離することなく切断が可
能であった。

【００２５】

【表１】

【００２６】〔実施例２〕合せ材としての７．０mm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厚の銅板を介在させ、母
材として０．１２％のＣを含有する５５mm厚の炭素鋼鋳
片とサンドイッチ状に重ね、さらにチタンの上からＡｌ
₂Ｏ₃＋ＺｒＯ₂系分離材を介して同じ組合せのチタ
ン、銅および炭素鋼を上下対称に重ね、端面および側面
に１６mm厚の母材と同じ成分組成の鋼板を挟み、大気中
で端面および側面を溶接し固定した。この際、端面溶接
の一部に空気抜きの穴を設けた。次いで、この組立スラ
ブを９００℃に加熱し、粗圧延機が１台、仕上げ圧延機
が６台の連続熱延機を用いて、８５０℃までに２０〜２
５％の圧下を３パス加えて溶融したチタンと銅の金属間
化合物ないし合金層を絞り出し、合計１６パスで板厚５
mmまで圧下した。その後、Ａｌ₂Ｏ₃＋ＺｒＯ₂系分離
材の部分で上下に分離し２．５mmの熱延コイルとした。
この熱延板は、全圧下比が、２５以上であるために、接
合界面に噛み込み状の金属間化合物の残留は認められ
ず、シャー切断を行なっても破断面には剥離開孔が見ら
れなかった。

【００２７】〔実施例３〕合せ材としての８．０mm厚の
ＪＩＳ２種の純チタン板と、母材として片面に約６０
μｍのＣｕめっきを行なった０．１３％のＣを含有する
５０mm厚の炭素鋼の鋼片とを、Ｔｉ面とめっきした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Ａｌ₂Ｏ₃＋ＺｒＯ₂系分離材を介して同じ
組合せのチタンおよび炭素鋼を重ね、端面および側面に
１６．０mm厚の母材と同じ成分組成の鋼板を挟み、一部
を残して端面および側面を溶接して固定した。この組立
スラブを、９２０℃に加熱して８５０〜９００℃で１５
〜２５％の圧下を３パス行ない、さらに８５０〜７３０
℃の間で１３パス全板厚が６mmになるまで熱延した。そ
の後、Ａｌ₂Ｏ₃＋ＺｒＯ₂系分離材の部分で上下に分
離し３mmの熱延コイルとした。この熱延板は、全圧下比
が、１９以上であるために、接合界面に噛み込み状の金
属間化合物の残留は認められず、シャー切断を行なって
も破断面には剥離開孔が見られなかった。

【００２８】〔実施例４〕合せ材としての３．０mm厚の
ＪＩＳ２種の純チタン板と、母材として片面に約０．
２mm厚さでＣｕ溶射を行なった１９．３％のＣｒ、０．
４％のＣｕ、０．６％のＮｂおよび０．００８％のＣを
含有する３０mm厚のステンレス鋼の鋼片とを、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。その後、９
２０℃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
間化合物か絞り出された。しかし、剥離することなく圧
延が完了した。この熱延板は、全圧下比が、８以上であ
るために、接合界面に噛み込み状の金属間化合物の残留
は認められず、シャー切断を行なっても破断面には剥離
開孔が見られなかった。

【００２９】

【発明の効果】本発明により、特殊な工程や設備を必要
とせず、通常の鋼製造設備や工程をそのまま利用してチ
タンクラッド鋼薄板を量産することが可能となった。こ
の結果、チタンクラッド鋼薄板が工業的に実用可能とな
り、しかもコスト的には従来の厚板から予想される価格
よりもはるかに安価になるので、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。また、本発明により量産されるチ
タンクラッド鋼板は、従来の厚板と異なりチタン層の厚
さを薄くすることができるために、使用時の注意や取扱
要領がクラッド材と認識するよりめっき材料と考えた方
が適切となるため、従来の特殊な用途や苛酷な腐食環境
以外にも多くの分野で使用可能となる。この結果、種々
の工業設計において、材料選択の幅を拡大せしめること
で設計が容易になるなど、工業的、社会的利益は大き
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】実験室製造のチタンクラッド鋼板の接合界面の
金属間化合物層の最大厚さおよび最少厚さに及ぼす圧下
比の影響を示した図である。

【図２】同じく実験室製造のチタンクラッド鋼板の切削
および曲げ試験結果を示した図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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、母材と合せ材
の間に銅または銅を３０％以上含有する銅合金を中間媒
接材として挟み、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ないし合金層を絞り出して
接合し、続く８５０℃以下の圧下も含めて全圧下比を５
以上とすることを特徴とするチタンクラッド鋼板の熱延
方法。
【請求項２】中間媒接材の銅または銅を３０％以上含
有する銅合金を、母材である鋼の表面に下地めっきをす
ることなく直接少なくとも１０μｍ以上の厚さでめっき
したことを特徴とする請求項１記載のチタンクラッド鋼
板の熱延方法。
【請求項３】中間媒接材の銅または銅を３０％以上含
有する銅合金を、母材である鋼の表面に直接少なくとも
１０μｍ以上の厚さで溶射したことを特徴とする請求項
１記載のチタンクラッド鋼板の熱延方法。
【請求項４】圧下を１台ないし複数台の粗圧延機およ
び複数台の仕上げ圧延機からなる連続熱間圧延機で行な
うことを特徴とする請求項１，２あるいは３の何れかに
記載のチタンクラッド鋼板の熱延方法。