JPH0645072B2

JPH0645072B2 - 耐食性バイメタル板の製造方法

Info

Publication number: JPH0645072B2
Application number: JP61171155A
Authority: JP
Inventors: 憲治宮本; 雅昭石尾; 川上　　誠
Original assignee: Sumitomo Special Metals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 1986-07-21
Filing date: 1986-07-21
Publication date: 1994-06-15
Anticipated expiration: 2009-06-15
Also published as: JPS6330187A

Description

【発明の詳細な説明】利用産業分野この発明は、４層構造及び５層構造のバイメタル板の製
造方法に係り、各積層板に施したレーザービームの照射
面同志を対向，冷間圧接することにより、表面品質並び
に密着強度のすぐれたバイメタル板を得る製造方法に関
する。

背景技術一般に、高膨脹側合金板と低膨脹側合金とからなる２枚
重ねのバイメタルは、熱制御機器用部品等に用いられ、
また、高膨脹側合金と低膨脹側合金との間に中間層合金
を介在圧着した３枚重ねのバイメタルは、電流ブレーカ
ー用等に用いられるが、さらに、耐食性を向上させるた
め、高膨脹側合金板外面に熱膨脹係数が近似する18-8系
オーステナイトステンレス鋼板を被着し、低膨脹側合金
の外面に熱膨脹係数が近似する13Cr系フェライトステン
レス鋼板を被着した４層構造あるいは５層構造の耐食性
バイメタル板が用いられ、いずれも同様の工程で製造さ
れる。

一例として、４層構造のバイメタルの製造方法について
説明すると、まず、オーステナイト系ステンレス鋼板コ
イル、高膨脹側合金コイル、低膨脹側合金コイル並びに
フェライト系ステンレス鋼板コイルを巻き戻しながら、
圧接被着予定面をワイヤバフ等の機械的研摩法にて清浄
化したのち、かかる被圧接材料を４枚重ねて同時に冷間
圧接し、さらに拡散焼鈍、中間冷延及び中間焼鈍、仕上
冷延する。

しかし、ワイヤバフ研摩等の機械的研摩では、所要の圧
接予定研摩表面に、研摩による微小亀裂の発生や鱗片状
金属粉の発生付着及び異物が残存する恐れがあり、前記
両合金コイルの圧接の際に圧接面に金属粉，該異物の巻
き込みが起り、圧接強度の低下に伴ない、バイメタル板
が剥離する問題がある。

発明の目的この発明は、従来の耐食性バイメタル板の製造方法にお
ける高膨脹側及び低膨脹側合金板表面並びにオーステナ
イト系ステンレス鋼板とフェライト系ステンレス鋼板の
各被圧接材料板表面に施す機械研摩による清浄化に基因
する問題点を解消し、圧接強度の向上を図り、すぐれた
品質を有する４層構造及び５層構造の耐食性バイメタル
板が得られる製造方法を目的としている。

発明の構成と効果この発明は、耐食性バイメタル板の製造方法における最
外表面のオーステナイト系及びフェライト系ステンレス
鋼板、高膨脹側及び低膨脹側合金板並びに中間層金属板
表面の清浄化、各材料間の圧着強度の向上、バイメタル
板の品質向上を目的に種々検討した結果、走行中の前記
被圧接材料板表面の圧接予定表面に、レーザービーム
を、ジグザグ状，蛇行あるいは縞状に照射を行ない、接
合不良の原因となる異物，油脂，水分に吸収され易い波
長のレーザービームを照射することにより、表面に付着
している異物，油脂，水分がレーザー光を吸収してガス
化し、除去されるため、清浄な表面が得られ、さらに、
前記被圧接材料板同志をレーザービーム照射層を対向さ
せて圧接すると、表面が清浄なために容易に原子間結合
が起り、実用上、差支えない範囲の充分な圧接強度が得
られることを知見した。

さらに、異物等だけでなく、オーステナイト系及びフェ
ライト系ステンレス鋼板、高膨脹側及び低膨脹側合金板
並びに中間層金属板にも吸収され易い波長、すなわち、
波長５μｍ以下のレーザービームを用いれば、10μｍ以
下、望ましくはサブミクロンオーダーの極表面層を、溶
融凝固させて硬化層を形成し、各圧接材の冷間圧接時
に、基板表面の硬化層に内部のすべり変形によって表面
に微細な亀裂を生じさせることにより、内部の新生面を
露出させて両合金板あるいはさらに各被圧接材料板間の
密着強度を著しく向上させることができ、従来のワイヤ
バフ等の機械的研摩にともなう表面の割れ，金属粉，残
留異物の発生，付着を防止でき、圧接強度が高く品質の
すぐれた耐食性バイメタル板が得られることを知見し、
この発明を完成したものである。

すなわち、この発明は、４層構造耐食性バイメタル板の
場合、オーステナイト系ステンレス鋼板、高膨脹側合金
板、低膨脹側合金板、フェライト系ステンレス鋼板を積
層圧接したバイメタル板の製造方法において、オーステ
ナイト系ステンレス鋼板とフェライト系ステンレス鋼板
の片面、並びに高膨脹側合金板と低膨脹側合金板の両面
に、レーザービームを照射し、オーステナイト系ステン
レス鋼板、高膨脹側合金板、低膨脹側合金板、フェライ
ト系ステンレス鋼板の順に各板の前記照射により形成さ
れた照射層を含む圧接予定表面を相互に対向させて、冷
間圧接することを特徴とする耐食性バイメタル板の製造
方法である。

また、５層構造耐食性バイメタル板の場合、中間層金属
板を介在させて高膨脹側合金板と低膨脹側合金板並びに
その外面にオーステナイト系ステンレス鋼板とフェライ
ト系ステレス鋼板を各々積層圧接したバイメタル板の製
造方法において、高膨脹側合金板及び低膨脹側合金板の
両面並びに中間層金属板の両面、オーステナイト系ステ
ンレス鋼板とフェライト系ステンレス鋼板の片面に、レ
ーザービームを照射し、両面に前記照射により形成され
た照射層を有する中間層金属板を挟み、両合金板の該照
射層を含む圧接予定表面を対向させて、さらに高膨脹側
合金板の他照射層を含む圧接予定表面にオーステナイト
系ステンレス鋼板の該照射層を含む圧接予定表面、低膨
脹側合金板の他照射層を含む圧接予定表面にフェライト
系ステンレス鋼板の該照射層を含む圧接予定表面をそれ
ぞれ対向させて冷間圧接することを特徴とする耐食性バ
イメタル板の製造方法である。

発明の好ましい実施態様この発明において、高膨脹側合金は、 Ni17wt％〜26wt％に Cr2.5wt％〜12wt％，Mn5wt％〜7wt％， Mo3wt％〜7wt％の１種を含有するFe合金あるいはMn70wt％〜80wt％、Ni5wt％〜15wt％含有、残
部CuのMn合金、低膨脹側合金には、 Ni35wt％〜50wt％またはCr13wt％〜18wt％含有のFe合金
が利用し得る。

この発明において、高膨脹側Fe合金は、 Niが17wt％未満では熱膨脹係数が小さくなりすぎ、ま
た、26wt％を越えると同様に熱膨脹係数が小さくなりす
ぎて好ましくない。また、Mnが5wt％未満、Crが2.5wt％
未満、Mo3wt％未満では、高膨脹特性の安定性の点で好
ましくなく、Mnが7wt％を越えると耐食性が悪くなり、
また、Crが12wt％を越えたり、Moが7wt％を越えると加
工性が悪くなるため好ましくない。

従って、高膨脹側Fe合金は、 Ni17wt％〜26wt％にMn5wt％〜7wt％または Cr2.5wt％〜12wt％あるいはMo3wt％〜7wt％の１種を含
有するFe合金とし、特に、 Ni19〜21−Cr5.0〜7.0−Fe合金（wt％）、 Ni19.0〜23−Cr2.5〜5.0−Fe合金（wt％）、 Ni17.0〜20.0−Cr10.0〜12.0−Fe合金（ｗｔ％）、 Ni23〜27−Mo3.0〜7.0−Fe合金（wt％）、 Ni19.0〜24.0−Mn5.0〜7.0−Fe合金（wt％）が好まし
い。

また高い膨脹係数が得られるMn合金として、Mn70wt％〜
80wt％、Ni5wt％〜15wt％、残部CuのMn合金が好まし
い。

また、低膨脹側Fe合金は、Niが35wt％未満、Crが13wt％
未満では熱膨脹係数が大きくなりすぎ、また、Niが50wt
％を越え、Crが18wt％を越えると同様に熱膨脹係数が大
きくなりすぎて好ましくないため、Ni35wt％〜50wt％、またはCr13wt％〜18wt％含有のFe合金とし、アンバー合
金，Ni38wt％−Fe合金、Ni42wt％−Fe合金、Cr13〜18wt
％−Fe合金が好ましい。

中間層金属板は、バイメタル板の電気抵抗を調整するた
め、その用途等に応じて、Ni合金あるいはCu合金から適
宜選定すればよい。

高膨脹側合金板に圧接する最外側のオーステナイト系ス
テンレス板としては、18-8系のSUS301、SUS302、SUS30
4、SUS316の材質が好ましい。

また、低膨脹側合金板に圧接する最外側のフェライト系
ステンレス板としては、13％Cr系のSUS430、SUS410の材
質が好ましい。

この発明において、レーザービームの照射方法は、各被
圧接材料板の圧接予定表面に、スポット状のビームをミ
ラーを用いて２次元的に走行、あるいはレンズ，ミラー
を用いて、ビームを拡げて板幅方向に一括照射を行な
い、被着予定表面の全面に均一に照射するか、あるいは
被着予定表面上にビームをジグザグ走行，蛇行させた
り、縞状に部分照射するものである。

また、この発明において、レーザービームを部分的に照
射した各合金板及び中間層金属板並びに各ステンレス鋼
板の表面状態は、前記の如く、照射表面の清浄化と極表
面層の溶融凝固による硬化層を形成し、非照射部分も周
囲の照射部分の熱影響により、表面が清浄化されてい
る。このため、レーザービームの照射層を含む圧接予定
面同志を対向させて被圧接材料板を冷間圧接すると、前
述の如く、照射部分において前記各被圧接材料板か強固
に接着し、また非照射部分も表面が清浄化されるため、
各材料間の密着性が向上して充分な圧接強度が得られ
る。

この発明において、レーザービームの照射は、表面の付
着物，油脂，水分の除去ができればよく、好ましくは10
μｍ以下の極表面層の溶融凝固が可能であれば、いかな
る方法でもよく、例えば、スポット状にビームを集光さ
せて合金板表面の直交方向に照射したり、合金板とレー
ザービームとを合金板の長手方向に同方向あるいは逆方
向に移動させたり、さらには、レーザービームを板幅方
向に振幅させながら板長手方向に移動させるなどの方法
が採用できる。

また、レーザービームは、レーザー発振器から発振され
て、コリメータ，レンズにより集光し、光ファイバーに
て所要位置に導いて照射する方法も採用できる。

この発明において、レーザービームの照射条件として、
ビームのパワー密度は、100kW/mm²〜1500kW/mm²の範囲
が好ましく、さらに好ましくは、300kW/mm²〜900kW/mm²
である。

レーザービームのパワー密度が100kW/mm²未満では、被
圧接材料板に対する表面清浄化効果がなく、また、1500
kW/mm²を越えると、表面の凹凸が激しくなり、パワー密
度の上昇に伴ない板に孔が生成し好ましくない。

また、レーザー波長は、５μｍ以下であれば有効である
が、２μｍを越えると合金板への吸収効果が低下するた
め、２μｍ以下の波長を用いることが望ましい。

さらに、レーザービームの照射能率を向上させるため
に、前記高低膨脹両合金の両面あるいは中間層金属板両
面、オーステナイト系及びフェライト系ステンレス鋼板
の片面にレーザービームを照射する前に、無酸化雰囲気
中にて、200℃〜500℃に予熱することが好ましい。

発明の図面に基づく開示第１図はこの発明による合金板へのレーザービームの照
射を示す斜視説明図である。第２図と第３図はこの発明
による冷間圧接を示す被圧接材料板の説明図である。

高膨脹側合金板(1)コイルは、巻き戻されされてレーザ
ービーム照射装置(2)方向へ進行する。レーザービーム
照射装置(2)は、通過する合金板(1)の上面にレーザービ
ームを照射するための照射ボックス(3)と発振装置(4)か
らなり、照射ボックス(3)は合金板(1)全体を包囲し、内
部にArガスを通気してあり、Arガス雰囲気中でレーザー
ビーム照射できる構成である。

レーザービームは、例えば、発振装置(4)において、YAG
レーザーのレーザー発振器から発振されてコリメーター
を通して、ガルバニックミラー(5)にて所要角度に反射
され、ｆθレンズ(6)により集光し焦点を結んだのち、
焦点より所要距離、離間した位置で、合金板(1)の所要
幅部分を照射できるよう、ｆθレンズ(6)位置が調整さ
れており、かかる照射装置が４台、合金板(1)幅方向に
並列配置され、板幅全面にレーザービームを照射できる
構成である。

なお、この発明に使用されるレーザービーム発生装置
は、カルバニックミラー(5)に代えて、多面体ミラーも
しくはセグメントミラーを用いることにより、レーザー
走査速度を速くすることができ、また、シリンドリカル
レンズを用いて、板幅方向を一括して照射することによ
り、照射速度の向上を図ることができる。

合金板(1)は、幅方向全面を、全面照射あるいはジグザ
グ状、縞状に、レーザービーム照射されて、極表面層を
溶融凝固し、表面の付着物，油脂，水分が除去された新
生面であるレーザービーム照射層(7)が形成される。

続いて、片面側の全面にレーザービーム照射を施した前
記高膨脹側合金板(1)コイルを巻き戻し、他面に同様方
法にてレーザービーム照射を行ない、両面にレーザービ
ーム照射層を設ける。

上述の方法にて、低膨脹側合金板の両主面、並びにオー
ステナイト系ステンレス鋼板及びフェライト系ステンレ
ス鋼板の片面に、レーザービーム照射面を設け、所要コ
イルとなす。

次に、第２図に示す如く、レーザービーム照射を行なっ
たオーステナイト系ステンレス鋼板(10)コイルを巻き戻
し、圧接ロール(8)方向へ進行させ、同様に高膨脹側合
金板(1)コイル、低膨脹側合金板(11)コイル、フェライ
ト系ステンレス鋼板(12)を巻き戻し、被圧接材料板間で
前記レーザービーム照射層を対向させて前記順に積層
し、圧接ロール(8)にて同時に圧接することにより、４
層構造のバイメタル板(13)となし、さらに拡散焼鈍、中
間冷延及び中間焼鈍、仕上冷延を施し、この発明による
耐食性バイメタル板を得る。

かかる圧接により、各被圧接材料板(10)(1)(11)(12)の
各照射面の溶融凝固層が内部のすべり変形の影響により
表面に微細な亀裂を生じ、内部の新生面が露出して、オ
ーステナイト系ステンレス鋼板、高膨脹側合金板、低膨
脹側合金板、フェライト系ステンレス鋼板が相互に圧接
されるため、従来の機械的研摩表面に比較して、清浄度
がすぐれ、かつ圧着強度が向上した品質のすぐれた耐食
性バイメタル板を得ることができる。

また、前記圧接方法において、高膨脹側合金板(1)と低
膨脹側合金板(11)間に、両面にレーザービーム照射層を
設けた所要の中間層金属板を介在させることにより、５
層構造の耐食性バイメタル板を得ることができる。

従って、耐食性バイメタル板の構成材料の材質や寸法等
により、レーザービームの発振方法や照射出力，ｆθレ
ンズによる焦点と照射表面までの距離、被照射板の移動
速度などを適宜選定する必要がある。

実施例実施例１オーステナイト系ステンレス鋼板として、板厚1mm、板幅300mmの18％Cr-8％Ni-Feステンレス板（w
t％）を使用し、高膨脹側合金板には、板厚2.5mm、板幅300mmの20％Ni-6％Cr-Fe合金板（wt
％）を使用し、低膨脹側合金板には、板厚2.5mm、板幅300mm、36％Ni-Fe合金板（wt％）を使
用した。

フェライト系ステンレス鋼板として、板厚1mm、板幅300mmの13％Cr-Feステンレス板（wt％）
を使用し、また、照射ボックス内雰囲気ガスはArガス、前記合金板移動速度は1m/minであった。

レーザー照射装置には、出力100W,10kHzQスイッチレー
ザーを３台用い、上述した第１図のこの発明と同様の方
法で、レンズ焦点間距離100mm、波長；1.06μｍ、レーザーパワー密度；500kW/mm²の条件で、各被圧接材
料板幅方向に100mmの３条のビームを前記材料板長手方
向に連続して、レーザービームによる照射面を所要面に
それぞれ形成した。

前記の各被圧接材料板の照射面同志を対向させて、オー
ステナイト系ステンレス鋼板、高膨脹側合金板、低膨脹
合金側板、フェライト系ステンレス鋼板の順に積層し圧
接ロールにて、圧延率55％で冷間圧接した。

さらに、拡散焼鈍、中間圧延、中間焼鈍、仕上圧延を施
したのち、スリッターにて板厚み0.8mm×板幅65mmの４
層構造の耐食性バイメタル板を得た。

また、比較のため、同種のオーステナイト系ステンレス
鋼板とフェライト系ステンレス鋼板、高膨脹側合金板及
び低膨脹側合金板を用い、ステンレス鋼板の片面及び各
合金板の両面の全面に、0.5mmΦワイヤー回転ブラシ、
移動速度15m/sのワイヤーバフ研摩条件で、従来の機械
的研摩を施したのち、前記と同一の条件にて、冷間圧
接、拡散焼鈍、中間圧延、中間焼鈍、仕上圧延を施した
のち、スリッターにて板厚み0.8mm×板幅65mmの耐食性
バイメタル板を得た。

得られた２種の耐食性バイメタル板の圧着強度及び外観
性状を調べ、その結果を第１表に示す。

圧着強度は、第３図ａ図に示す如く、バイメタル板を長
さ方向に40mm長さに切断した後、圧着部長さ10mm部分を
圧着して張合わせ、例えば、オーステナイト系ステンレ
ス鋼板(10)と高膨脹側合金板(1)との間で開き、断面Ｔ
字型状となした試験片、すなさち、被測定面となる各種
層面毎に開いた構成の３種類の試験片を各々30個作製
し、圧着部に直角方向に引張り、圧着部が剥れる時の荷
重にて圧着強度を評価した。

第１表から明らかなように、本発明方法によると、従来
法より圧着強度が高くかつそのばらつきも少なく、外観
性状もすぐれ、すこぶる品質のよい耐食性バイメタル板
が得られることが分る。

実施例２オーステナイト系ステンレス鋼板として、板厚1mm、板
幅240mmの18％Cr-8％Ni-Feステンレス板（wt％）を使用
し、高膨脹側合金板には、板厚2mm、板幅240mmの５％Mn-23％Ni-Fe合金板（wt％）
を使用し、中間層金属板には、板厚0.5mm、板幅240mm、0.5％Fe-Ni合金板（wt％）使用
した。

低膨脹側合金には、板厚2mm、板幅240mm、38％Ni-Fe合金板（wt％）を使用
しフェライト系ステンレス鋼板として、板厚1mm、板幅240mmの13％Cr-Feステンレス板（wt％）
を使用し、また、照射ボックス内雰囲気ガスはArガス、前記被照射
材料板移動速度は1.2m/minであった。

レーザー照射装置には、出力100Ｗ，10kHzQスイッチレ
ーザーを３台用い、上述した第１図のこの発明と同様の
方法で、レンズ焦点間距離100mm、波長；1.06μｍ、レーザーパワー密度；500kW/mm²の条件で、被照射材料板幅方向に80mmの３条のビームを、高膨脹，
低膨脹各合金板及び中間層金属板の長手方向に連続し
て、両面にレーザービームによる照射面をそれぞれ形成
した。同様に各ステンレス鋼板の片面に照射層を形成し
た。

前記の各被圧接材料板の照射面同志を対向させて、オー
ステナイト系ステンレス鋼板、高膨脹側合金板、中間層
金属板、低膨脹側合金板、フェライト系ステンレス鋼板
の順に積層し圧接ロールにて、圧延率53％で冷間圧接し
た。

さらに、拡散焼鈍、中間圧延、中間焼鈍、仕上圧延を施
したのち、スリッターにて板厚み0.6mm×板幅40mmの５
層構造耐食性バイメタル板を得た。

また、比較のため、同種のオーステナイト系ステンレス
鋼板とフェライト系ステンレス鋼板、高膨脹側合金板，
低膨脹側合金板及び中間層金属板を用い、各ステンレス
鋼板の片面の全面並びに各合金板及び中間層金属板の両
面の全面に、0.5mmΦワイヤー回転ブラシ、移動速度15m
/minのワイヤーバフ研摩条件で、従来の機械的研摩を施
したのち、前記の条件にて、冷間圧接、拡散焼鈍、中間
圧延、中間焼鈍、仕上圧延を施したのち、スリッターに
て板厚み0.6mm×板幅40mmの耐食性バイメタル板を得
た。

得られた２種の耐食性バイメタル板の圧着強度及び外観
性状を調べ、その結果を第２表に示す。

圧着強度は、第３図ｂ図に示す如く、バイメタル板を長
さ方向に40mm長さに切断した後、圧着部長さ10mm部分を
圧着して張合わせ、例えば、高膨脹側合金板(1)と中間
層金属板(14)との間で開き、断面Ｔ字型状となした試験
片、すなわち、被測定面となる各積層面毎に開いた構成
の４種類の試験片を各々30個作製し、圧着部に直角方向
に引張り、圧着部が剥れる時の荷重にて圧着強度を評価
した。

第２表から明らかなように、本発明方法によると、従来
法より圧着強度が高くかつそのばらつきも少なく、外観
性状もすぐれ、すこぶる品質のよい耐食性バイメタル板
が得られることが分る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による合金板へのレーザービームの照
射を示す斜視説明図である。第２図はこの発明による冷間圧接を示す被圧接材料板の
説明図である。第３図a,b図は被圧接材料板の圧着強度
試験方法を示す試験片の説明図である。１…高膨脹側合金板、２…レーザービーム照射装置、３
…照射ボックス、４…発振装置、５…ガルバニックミラ
ー、６…ｆθレンズ、７…照射層、８…圧接ロール、10
…オーステナイト系ステンレス鋼板、11…低膨脹側合金
板、12…フェライト系ステンレス板、13…バイメタル
板、14中間層金属板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】オーステナイト系ステンレス鋼板、高膨脹
側合金板、低膨脹側合金板、フェライト系ステンレス鋼
板を積層圧接したバイメタル板の製造方法において、オ
ーステナイト系ステンレス鋼板とフェライト系ステンレ
ス鋼板の片面、並びに高膨脹側合金板と低膨脹側合金板
の両面に、レーザービームを照射し、オーステナイト系
ステンレス鋼板、高膨脹側合金板、低膨脹側合金板、フ
ェライト系ステンレス鋼板の順に各板の前記照射により
形成された照射層を含む圧接予定表面を相互に対向させ
て、冷間圧接することを特徴とする耐食性バイメタル板
の製造方法。
【請求項２】中間層金属板を介在させて高膨脹側合金板
と低膨脹側合金板並びにその外面にオーステナイト系ス
テンレス鋼板とフェライト系ステンレス鋼板を各々積層
圧接したバイメタル板の製造方法において、高膨脹側合
金板及び低膨脹側合金板の両面並びに中間層金属板の両
面、オーステナイト系ステンレス鋼板とフェライト系ス
テンレス鋼板の片面に、レーザービームを照射し、両面
に前記照射により形成された照射層を有する中間層金属
板を挟み、両合金板の該照射層を含む圧接予定表面を対
向させて、さらに高膨脹側合金板の他照射層を含む圧接
予定表面にオーステナイト系ステンレス鋼板の該照射層
を含む圧接予定表面、低膨脹側合金板の他照射層を含む
圧接予定表面にフェライト系ステンレス鋼板の該照射層
を含む圧接予定表面をそれぞれ対向させて冷間圧接する
ことを特徴とする耐食性バイメタル板の製造方法。