JPH0675946B2 - チタン系金属クラツド鋼とその製法 - Google Patents

チタン系金属クラツド鋼とその製法

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JPH0675946B2
JPH0675946B2 JP955287A JP955287A JPH0675946B2 JP H0675946 B2 JPH0675946 B2 JP H0675946B2 JP 955287 A JP955287 A JP 955287A JP 955287 A JP955287 A JP 955287A JP H0675946 B2 JPH0675946 B2 JP H0675946B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、チタン系金属のクラッド鋼およびその製法に
関する。特に、本発明は、インサート材として低炭素鋼
およびニッケル合金、例えば鉄−ニッケル−クロム合金
を利用した圧延によるチタン系金属のクラッド鋼および
その製造方法に関する。
(従来の技術) 異種材料を接合して成るクラッド材、特に母材に鋼板を
利用するクラッド鋼は、合せ材および母材それぞれの材
料の特徴を生かすことができるため近年に至りその応用
分野を拡大しつつあり、特にチタン材を合せ材としたク
ラッド鋼はチタン材のもつ欠点を鋼板によって補充する
もので、海水淡水化プラントなどへの需要が増大しつつ
あり、信頼性のある安価な製法の開発はその実用化、一
般化を図るうえで重要な意義を有する。
今日、チタン材を合せ材としたクラッド鋼は、爆着法お
よび低炭素鋼板(含純鉄材)をインサート材とした圧延
法により製造されている。
しかしながら、爆着法では、組立スラブ寸法に制限があ
り、製品寸法が小さい。また、寸法精度が劣るため、ク
ラッド層の均一性に欠ける等の欠点がみられる。さら
に、SR(後熱処理)による接合強度の低下が大きく、ま
だ十分満足すべきものとはなっていない。
一方、低炭素鋼をインサート材とした圧延法は、Fe中で
のCの拡散速度が大きいため、母材鋼板のCがインサー
ト材を通じてTi界面へ到達しTiCが生成してしまう。こ
の母材鋼板のCはインサート材の厚さを増しても粒界を
通じて容易に拡散してしまう。特に、熱間圧延によって
クラッド鋼の板厚が減少した後、SR処理が施される場合
にはその拡散は容易となる。このようにして生成したTi
Cは非常に硬くて脆いため、このようにして得られるク
ラッド鋼の強度劣化は免れない。
(発明が解決しようとする問題点) このように、TiCの析出は接合強度の低下を招くため、
その生成を可及的に防止しなければならない。したがっ
て、前述のように、TiCの生成を抑制するためにはTi/母
材鋼界面に低炭素鋼や純鉄をインサートすることが行わ
れている。
しかし、高温に加熱して圧延でクラッド鋼板を製造する
場合にはたとえインサート材を使ったとしても母材鋼板
に含有される炭素がこれらインサート材を通じてTi界面
にまで拡散し接合強度の低下をもたらすTiCの析出を生
じせしめることとなる。インサート材の厚さが薄い程、
また加熱温度が高い程、この傾向は大きい。特に、最近
のようにクラッド鋼が薄層化して大きな量の加工を行う
ようになってきていると、また生産性を上げるため圧下
量を大きくするため高温での圧延が行われるようになっ
てくると、上述のようなTiCの生成が重要な問題となっ
てきている。
かくして、本発明の目的は、インサート材の薄層化、圧
延の高温化にもかかわらず、TiC生成の問題の生じな
い、チタン系金属クラッド鋼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) 本発明者らは、かかる目的達成のため種々検討したとこ
ろ、純鉄板を包含する低炭素鋼材とニッケル材との組合
せ材をインサート材とすることが効果的であることを見
い出し、特願昭61-38887号として特許出願した。
すなわち、合せ材側に脆い金属間化合物やTiCの生成が
少なく、しかも、適度に相互拡散層を生じせしめる低炭
素鋼材を、さらに、低炭素鋼材と母材鋼材との間に炭素
の拡散を遅らせるNi材をインサート材として用いると、
圧延のまゝおよび後熱処理が付加されるいずれの場合で
もTiCの析出が効果的に防止でき、優れた接合強度を有
するクラッド鋼板を製造できるのである。
ここに、本発明者らは、さらに種々検討を重ねたとこ
ろ、上記インサート材としては純Ni材に限らず、例えば
鉄−ニッケル−クロム合金板などのニッケル合金一般に
ついてその効果が認められ、そのようなニッケル合金を
インサート材として利用しても効果的であることを知
り、本発明を完成した。
よって、本発明の要旨とするところは、チタン系金属の
合せ材と、該合せ材に接合された炭素含有量が0.01重量
%以下の低炭素鋼層と、該低炭素鋼層に接合されたニッ
ケル合金層と、該合金層に接合された母材鋼板とから構
成されたチタン系金属とのクラッド鋼である。
また、別の面からは、本発明はチタン系金属の合せ材と
母材鋼板との間に前述の低炭素鋼およびニッケル合金の
中間材を介在させてクラッド素材とし、次いで熱間圧延
よってクラッド鋼を製造する方法であって、これらの部
材間の接合面に酸素の供給が行われないように該クラッ
ド素材にシール溶接を行なった後、少なくとも上記チタ
ン系金属の合せ材と低炭素鋼材との接合面に真空脱気処
理を行い、これを圧延開始温度500℃以上、1050℃以下
でロール圧延することを特徴とするチタン系金属とのク
ラッド鋼の製法である。
「チタン系金属」とは純チタンおよびチタン基合金を包
含するものであり、「炭素含有量が0.01重量%以下の低
炭素鋼」には純鉄も包含される趣旨である。さらに、
「ニッケル合金」は、好ましくはNi25重量%以上のニッ
ケル合金であり、さらに好ましくはFe-Ni-Crを主成分と
するオーステナイト系合金である。その特定例にあっ
て、その合金組成は、重量%で、以下のように限定され
る。
Cr≦18、Ni≧−0.78Cr+26 Cr>18、Ni≧1.13(Cr−18)+12 残部Feおよび不可避不純物。
さらに本発明の別の好適態様にあっては、上記鉄−ニッ
ケル−クロム合金は、さらにC:0.05重量%以下、その他
の合金元素合計5重量%以下を含有してもよい。
このように、本発明は、合せ材と母材鋼板を高い接合力
で接着させるには、界面にTiCを析出させないでTiとFe
の相互拡散を生じさせることが重要であること、さら
に、圧延材をSR処理するとTiCの析出が一層促進され接
合強度が低下するとの知見に基づくもので、これを解決
するためにはTiとの界面へCを供給しないことが重要
で、そのために合せ材側に低炭素鋼を、さらに、母材鋼
板側にCの拡散係数の小さいニッケル合金をインサート
材として用い、さらに圧延前の加熱中に合せ材と母材鋼
板およびインサート材表面に酸化層が生成するとTiとFe
の相互拡散が生じないため、かかる酸化層の生成を防止
するために加熱に先立って真空脱気処理を行うのであ
る。
ここに、ニッケル合金インサート材の必要厚さは加熱温
度と時間、および低炭素鋼(および純鉄)インサート材
の厚さによって適宜変化させてもよい。特に制限される
ものではない。
圧延に先立って、クラッド素材を所定温度に加熱する
が、すでに述べたように、この加熱中、これら接合界面
に酸素が供給されると表面酸化層が生成し、これが固相
接合の基本となる元素の相互拡散を生じさせなくなる。
これを防止するために、本発明においては、加熱に先立
ってクラッド素材のシール溶接を行い、例えば10-1Torr
以下に脱気処理を行なうのが好ましい。Ti/Fe界面に生
成する金属間化合物の溶融温度が1085℃であることか
ら、このときの加熱温度の上限を1050℃とした。
母材鋼板SS41鋼板からのCの拡散を抑制するには低炭素
鋼インサート材の厚さを大とする程効果的であるが、そ
の厚さが2mmを超えると、剪断試験での強度がインサー
ト材そのものの剪断強さを示すため好ましくない。
(作用) 次に、添付図面を参照しながら本発明をさらに詳細に説
明する。
第1図は、本発明にかかるチタン系金属とのクラッド鋼
板の製造過程にみられるクラッド素材の斜視図である。
最終的に得られるクラッド鋼にあってもそのクラッド構
造そのものは同一であるので、第1図によって説明する
と、母材鋼板1の上には中間材である鉄−ニッケル−ク
ロム合金層2が設けられており、さらに別の中間材であ
る低炭素鋼(含純鉄)層3も設けられている。そして、
この低炭素鋼層3を介して合せ材であるチタン板4がク
ラッドされている。
特に各板材の厚さは制限ないが、好ましくは、最終材と
してインサート材の合計厚さは組合せ鋼板全厚さの0.1
〜10%程度、通常は0.5〜3.0%程度とするのが良い。
次に、本発明にかかるクラッド鋼の製法について説明す
ると、まず、母材鋼板、合せ材のチタン板、インサート
材である鉄−ニッケル−クロム合金材および低炭素鋼材
を用意する。各接合すべき面は、脱脂等の処理を経て可
及的に清浄なものとするのがよい。
(1)クラッド素材の組立: 第1図に示すように各素材である鋼板1、鉄−ニッケル
−クロム合金材または層2、低炭素鋼材または層3およ
びチタン板4を積層化し、そのとき各インサート材およ
びチタン板の大きさを母材鋼板よりわずかに小さなもの
とすることにより、母材上の各素材を別の低炭素鋼板で
あるカバー5で被覆し、各継目6を溶接してシールし
て、クラッド素材7とする。インサート材は合せ材(チ
タンまたはチタン合金)側は低炭素鋼、母材鋼板側はニ
ッケル合金、例えば鉄−ニッケル−クロム合金とする。
第1図において鋼板1の一部に脱気用の吸引口8が設け
られている。
(2)脱気 クラッド素材7を得てから吸引口8を経て内部をロータ
リーポンプ等で脱気し、10-1Torr以下の真空度とする。
このときの真空脱気処理は少なくともインサート材同士
の接合面に行う。脱気処理は加熱しながら脱気するとよ
り容易に高真空となる。所定の脱気が終了したら吸引口
8を溶断するなど適宜な手段で遮断する。
(3)加熱・圧延: 加熱温度は1050℃以下、500℃以上である。好ましくは7
00〜900℃で十分である。圧延はあまり低温仕上げとす
ると加工硬化やマルテンサイト変態によって変形抵抗が
増大するため400℃以上の仕上げ温度が好ましい。
かくして本発明により製造されたクラッド鋼にあっては
TiCの生成は実質上みられず、後熱処理によっても強度
低下はみられなかった。
圧延終了後、カバーである鋼板を剥ぐことによって目的
とするチタン系金属クラッド鋼が得られる。
次に、本発明の実施例を示す。
実施例 JIS H4600 1種相当のチタン板(厚さ10mm)とSS41相
当の炭素鋼板(厚さ90mm)を用い種々の試験を実施し
た。
第1表に示す化学組成を有する低炭素鋼および/または
第2表に組成を示す鉄−ニッケル−クロム合金をインサ
ート材として使用し、加熱温度とこれらインサート材の
必要厚さの関係をJIS 601およびJIS 3603にしたがって
その剪断強度との関連で調査した。
これら素材を第1図の如く組立て、端部に設けた脱気孔
よりロータリーポンプにて排気した。10-1Torr以下に減
圧した後、脱気孔を溶接でふさぎ、850℃に5時間加熱
した。そして、その圧延材と、さらに、後熱処理を施し
た板について剪断強度を測定した。なお、圧延の圧下比
は5、後熱処理の条件は600℃×5時間一定のもとで調
査した。
第2図は、第2表の合金組成をNiおよびCr含有量によっ
てプロットしたグラフであり、図中の数字は第2表の合
金No.を示す。
低炭素鋼板の板厚を200μm一定として、第2表に示し
た種々の合金成分のFe-Ni-Cr合金材と合せ、前者を合せ
材側、後者を母材側として得たクラッド鋼板の熱間圧延
後の接合強度特性を示す。この場合、Fe-Ni-Cr合金材の
板厚を最大1000μmまで変化させた。結果を第3図にま
とめて示す。
第3図に示す結果からも明らかなように、第2図におい
て斜線で囲んだ領域のC量が0.05重量%以下の合金板を
インサート材として用いた場合、その厚さが200μm以
上では極めて剪断強度の高い性質を示した。しかし、一
方、これら合金成分であってもC量が0.05重量%超含ま
れたもの、およびこれら領域以外のいわゆるフェライト
系合金を用いた場合にはその板厚を増しても接合強度は
低い値を示した。その理由は、加熱圧延の過程でSS41中
のCが合金板と低炭素鋼板を通過してTi板との界面にま
で到達し、TiCを生成したためである。
この温度、時間中におけるCの拡散距離が約400μmで
あるため低炭素鋼板の板厚を400μm以上と厚くした場
合には、該鋼板を通過してSS41中のCがTi界面へ達する
ことはない。したがって、圧延クラック鋼の接合強度が
これら合金材の成分によって影響されることはない。
第4図は、第3図に示した圧延板を大気中600℃×1時
間の熱処理を行った後の剪断強度の変化を示す。
第2図の斜線内の合金成分でC量が0.05重量%以下の合
金材をインサート材として用いたものでは圧延後と変化
のない高接合強度を維持した。一方、これら合金成分で
あってもC量が0.05重量%を越えるものおよびこれら領
域外のフェライト系合金では、圧延によって板厚が約1/
5に減少したことと、この温度での低炭素鋼およびフェ
ライト系合金中での炭素の拡散がより速いことから、圧
延材よりも接合強度はさらに低下した。
(発明の効果) 以上詳述したように、本発明によれば低炭素鋼およびニ
ッケル合金をインサート材として利用することにより接
合強度のすぐれたチタン系金属クラッド鋼が容易に製造
でき、特にニッケル合金の組成を適当に設定することに
より圧延後はもちろん、後熱処理においてもほとんど変
わらない高い接合強度を維持できるチタン系金属クラッ
ド鋼が得られ、従来の爆着法に代わる信頼性ある安価な
圧延法によるチタン系金属クラッド鋼およびその製法と
して、その利益は大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は、クラッド素材を一部破壊して示す斜視図; 第2図は、本発明の実施例において使用したニッケル合
金の組成を示すグラフ;および 第3図および第4図は、本発明の実施例における接合強
度をまとめて示すグラフである。 1:母材鋼板、2:Ni板 3:低炭素鋼板、4:チタン板 5:カバー、6:継目 7:クラッド素材、8:吸引口

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】チタン系金属の合せ材と、該合せ材に接合
    された炭素含有量が0.01重量%以下の低炭素鋼層と、該
    低炭素鋼板に接合されたニッケル合金層と、該合金層に
    接合された母材鋼板とから構成されたチタン系金属クラ
    ッド鋼。
  2. 【請求項2】前記ニッケル合金層が、重量%で、下記の
    合金組成を有する特許請求の範囲第1項記載のチタン系
    金属クラッド鋼。 Cr≦18、Ni≧−0.78Cr+26 Cr>18、Ni≧1.13(Cr−18)+12 残部Feおよび不可避不純物。
  3. 【請求項3】前記合金組成がさらにC:0.05重量%以下、
    その他の合金元素合計5重量%以下を含有する、特許請
    求の範囲第2項記載のチタン系金属クラッド鋼。
  4. 【請求項4】チタン系金属の合せ材と母材鋼板を重ね合
    せて熱間圧延によってクラッド鋼を製造する方法におい
    て、両部材間に合せ材側に炭素含有量が0.01重量%以下
    の低炭素鋼材を、さらに、母材鋼板側にニッケル合金材
    を介在させてクラッド素材とし、これらの部材間の接合
    面に酸素の供給が行われないように該クラッド素材にシ
    ール溶接を行なった後、少なくとも上記チタン系金属の
    合せ材と低炭素鋼材との接合面に真空脱気処理を行い、
    これを圧延開始温度500℃以上、1050℃以下でロール圧
    延することを特徴とするチタン系金属クラッド鋼の製
    法。
  5. 【請求項5】前記ニッケル合金が、重量%で、下記の合
    金組成を有する特許請求の範囲第4項記載のチタン系金
    属クラッド鋼。 Cr≦18、Ni≧−0.78Cr+26 Cr>18、Ni≧1.13(Cr−18)+12 残部Feおよび不可避不純物。
  6. 【請求項6】前記合金組成がさらにC:0.05重量%以下、
    その他の合金元素合計5重量%以下を含有する、特許請
    求の範囲第5項記載のチタン系金属クラッド鋼。
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