JPH067969A - 加工性と接合強度に優れた複合金属板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 含有成分を特定した極低炭素冷延鋼板とアル
ミニウム板をそれぞれ特定の温度に加熱し、特定の温度
範囲内で両表面が鉄層、中心がアルミニウム層となるよ
うに重ね合わせ、両表面から外力を加えてそれぞれの層
の板厚減少率が特定の範囲となる接合強度と加工性の優
れた複合金属板の製造法を提供する。 【構成】 両表面が鉄、中心がアルミニウム或はアルミ
ニウム合金の３層からなる複合金属板を製造するに際し
て、鉄層を６７０℃以上９００℃以下に加熱し、アルミ
ニウム層を５５０℃以下に加熱して重ね合わせ、直ちに
両表面から外力を加え鉄層の板厚減少率を５％以下に
し、アルミニウム層の板厚減少率を２％以上にし、その
後放冷または強制冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は従来薄鋼板が適用されて
いた用途に対し、軽量化した複合金属板を提供するもの
であって、深絞り等の加工を行う用途に適する。

【０００２】

【従来の技術】構造材料として使用される薄鋼板の軽量
化は大きな課題となっており、その手段は種々指向され
ている。軽量化手段の一つに、アルミニウムを部分的に
使用する方法がある。しかし、アルミニウムによる軽量
化および強度は理論的には可能であるが、アルミニウム
はそれ自体では剛性が小さいため鋼に比べてかなり厚く
しなくてはならない。このため軽量化効果が減少し、コ
ストの面でも不利になる。さらに、アルミニウムやアル
ミニウム合金は加工性が鋼板に比べて大幅に劣る。以上
のようなことからアルミニウムは限られた用途にしか使
用できないのが現状である。

【０００３】これを解決するために両面が鉄層、中心が
アルミニウム層で構成される３層の複合板が有望と考え
られる。アルミニウムと鉄とを複合化した板材はその製
造が技術的に困難なため実用例は少ない。爆着法で作る
アルミニウム厚５mm、鋼板厚１５mmの厚板の実用例はあ
るが薄板に関する実用例は無い。

【０００４】一方、薄板に関する方法では重ね圧延法と
いわれるものが提案されている。例えば、特開昭６３−
１５７７７４号公報に開示されているようにアルミニウ
ム素材を３５０〜５５０℃程度に加熱し、鉄素材と温間
で圧延し接合する方法、特公昭５６−５２６７９号公報
に開示されるように鉄素材の表面にあらかじめアルミニ
ウムメッキを施しこれを５００℃程度に加熱しアルミニ
ウム素材と温間で圧延し接合する方法等がある。

【０００５】しかし、これらの方法では鉄とアルミニウ
ムを接合する際に強い圧下による加工が必須であり、特
開昭６３−１５７７７４号公報では板厚減少率で最低
７．３％以上となるような圧延が必要で、特公昭５６−
５２６７９号公報では最低１０％以上の圧延が必要であ
る。このように圧延による板厚減少率を大きくすると材
料の加工量が多くなるため材料が加工硬化し、素材の加
工性が大幅に低下するという問題がある。

【０００６】また、上記公報ではいずれもアルミニウム
またはアルミメッキされた鋼板のアルミニウム部が加熱
されていることが特徴で、接合は主としてアルミニウム
原子の鉄層への拡散により行われる。しかし、アルミニ
ウムのみの拡散だけでは鉄素材との相互拡散が不充分の
ため充分な界面強度が得られにくいという欠点がある。
特開昭６３−１５７７７４号公報の例では複合板は剪断
剥離試験では剥離していないがその接合強度が全く示さ
れていない。また、特公昭５６−５２６７９号公報の例
では接合板は１８０°曲げをわずか一回行い剥離してい
ないという結果のみ示されているが、この曲げ試験を数
回行った場合の剥離状況については示されておらず、接
合強度についても全く示されていない。

【０００７】さらに、これらの方法では接合前の鉄層を
加熱しないか、あるいは加熱してもその温度が５００℃
程度と低温のため複合板の鉄素材に冷延ままの素材を使
用した場合、複合板の鉄部が再結晶を起こさず充分な加
工性が得られないという問題がある。このように、接合
用素材として冷延ままの板、焼鈍済の板のいずれを使っ
た場合でも充分な加工性および接合強度を持つ鉄とアル
ミニウムの複合板の製造方法についてはこれまで知られ
ていない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような状況から本
発明は良好な加工性と接合強度を持つ鉄とアルミニウム
の複合金属板の製造方法を提供することを目的とするも
のである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記課題を
解決するために、鋼板およびアルミニウムの組成、外力
を加えて接合する場合のそれぞれの金属の温度および板
厚減少率等を検討した結果、良好な加工性を持つ鉄とア
ルミニウムの複合金属板の製造方法を見出した。

【００１０】すなわち、その要旨は、両表面が鉄、中心
がアルミニウムの３層からなる複合金属板を製造するに
際して、鉄層は化学成分が重量比でＣ：０．０００５〜
０．０１％、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．０４〜
０．５％、Ｐ：０．１％以下、ｓｏｌ Ａｌ：０．００
２〜０．１％、Ｎ：０．００５％以下、Ｔｉ：Ｃ量の４
倍以上でかつ０．００１５〜０．１５％、残部鉄および
不可避的不純物とし、アルミニウム層は化学成分が重量
比で９９％以上のＡｌとし、鉄層を６７０℃以上９００
℃以下に加熱すると共にアルミニウム層を５５０℃以下
とし、いずれの層もこれらの温度範囲内にあるときに重
ね合わせ、直ちに両表面から外力を加え、この際外力に
よる鉄層の板厚減少率が５％以下、アルミニウム層の板
厚減少率が２％以上になるようにし、その後放冷または
強制冷却することを特徴とするものである。また、この
複合金属板を構成する鉄層はさらに上記成分に加えてＮ
ｂ：０．００３〜０．０１５％を含むことも特徴とす
る。また、この複合金属板を構成するアルミニウム層は
上記成分にかわり６％以下のＭｇ、２％以下のＭｎの少
なくとも一方を含有するアルミニウム合金であることも
特徴とする。また、さらに上記成分に加えて０．５％以
下のＳｉ、０．５％以下のＣｒ、０．５％以下のＺｎの
１種または２種以上を含有することも特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明においては鉄素材およびアルミニウム素
材はいずれも冷間圧延ままの素材あるいは焼鈍後の素材
のいずれを用いても良い。その理由は、本発明で適用さ
れる鉄素材の加熱によって鉄素材が再結晶し冷間圧延材
でも充分な加工性を持つ鋼板となるからである。また、
冷間圧延後のアルミニウム素材であっても本発明の製造
法により軟質化され、加工に充分耐えられるアルミニウ
ム板となる。

【００１２】以下、本発明について詳細に説明する。鉄
素材中のＣ含有量は多いほど鋼中のＴｉＣの生成量が増
大するためｒ（平均）値、延性は劣化し、降伏強度が上
昇し加工性は低下する。従って、Ｃ量は少ない方がプレ
ス加工性は良くなるためＣは０．０１０％以下とするの
が良い。しかし、Ｃを０．０００５％以下にするために
は脱炭コストが高くなるという問題がある。従ってＣ量
を０．００５〜０．０１％に限定した。

【００１３】Ｓｉは微量では問題は無いが、含有量が多
くなると加工性を低下させる。従って０．１％以下でな
ければならない。Ｍｎは鋼中に不可避的含有物として存
在するＳによる熱間脆性を防止するために必要な成分で
あるが、０．０４％未満ではＦｅＳが生成しその効果が
無い。また、０．５％を超えると加工性が劣化する。従
ってＭｎ量を０．０４〜０．５％に限定した。Ｐは多量
に含有すると粒界に偏析して脆化させ加工性低下の原因
となる。従ってＰ量を０．１％以下に限定した。

【００１４】Ａｌは鋼中の酸素量をコントロールするの
に必要な元素でありＴｉの添加前に脱酸材として添加す
る。鋼中の酸可溶性Ａｌとして０．００２％未満では脱
酸が充分に行われず、Ｔｉの歩留り低下が著しい。しか
し、０．１％を超えると介在物が増加し鋼板の加工性が
低下する。従って、Ａｌ量を０．００２〜０．１％に限
定した。Ｎは鋼中に固溶すると加工性を著しく低下させ
るためＴｉによりＴｉＮとして固定されなければならな
い。また、生成したＴｉＮの量も極力少ない方が良い。
従って、Ｎ量は０．００５％以下とする。

【００１５】ＴｉはＣおよびＮを充分に固定するだけの
量が必要である。そのためには、最低限ＣとＮをあわせ
た原子数に相当するＴｉ量が必要である。しかし、固定
されたＴｉＣやＴｉＮの数が多いと加工性が低下するた
めこれらのサイズを大きくする必要がある。そのために
はＣとＮをあわせた原子数に相当するＴｉ量では不充分
で、０．０１５％は必要である。しかし、０．１５％を
超えると固溶Ｔｉが多くなり加工性を低下させる。従っ
て、Ｔｉ量を０．０１５〜０．１５％に限定した。

【００１６】上記成分以外はＦｅおよび不可避的不純物
よりなるものであるが、必要に応じてさらにＮｂを０．
００３〜０．０１５％添加しても良い。Ｎｂを０．００
３％以上添加することによりＴｉとの複合炭化物を析出
し、これがＴｉ単独の炭化物より大きく成長しやすいた
め焼鈍時の再結晶がより良好に行われる。しかし、０．
１５％を超えて添加すると加工性が低下するので好まし
くない。

【００１７】上記成分の鉄素材は通常の熱延、冷延工程
によって製造されたもので良い。また、冷延ままの鋼板
でも焼鈍を行った鋼板のいずれでも良い。

【００１８】次に、アルミニウム素材の材質については
純アルミニウム、アルミニウム合金のいずれでも良い。
アルミニウム合金の種類については限定するものでは無
いが、６％以下のＭｇ、２％以下のＭｎの少なくとも一
方を含有するアルミニウム合金が特に好ましい。これら
の合金成分は焼鈍状態でのアルミニウムの強度を上昇さ
せ、しかも絞り加工等の加工性もあまり損なわない。Ｍ
ｇの量が６％を超えたり、Ｍｎの量が２％を超えると硬
化が著しく、加工性を害するので、これら成分の範囲は
上記が適当である。

【００１９】また、さらに上記成分とあわせて０．５％
以下のＳｉ、０．５％以下のＣｒ、０．５％以下のＺｎ
の１種または２種を含有させると加工性を良好に保ちな
がらさらに強度を上げることができる。しかし、Ｓｉ，
Ｃｒ，Ｚｎの量は上記範囲を超えて添加すると硬度が上
がり過ぎ加工性を害するので上記範囲を限度とする。上
記成分のアルミニウム素材は、冷延ままの素材でも焼鈍
を行った素材のいずれでも良い。

【００２０】次に、素材の加熱温度について述べる。冷
延ままの鉄素材は本発明の加熱範囲である６７０〜９０
０℃に加熱された場合、再結晶し、充分な加工性の板と
なる。６７０℃未満の温度では鉄板の再結晶が充分に行
われず深絞り性が向上しないこと、および接合時にアル
ミニウム原子と鉄の原子の拡散が起こりにくいため接合
強度が弱いこと等のため好ましくない。９００℃を超え
る温度に加熱すると鉄の組織はいったんγ相となるため
深絞り性が低下し好ましくない。なお、すでに焼鈍が完
了した鉄素材でも本発明範囲内に加熱することで加熱前
の素材の場合と同等以上の加工性を持った板となる。

【００２１】一方、純アルミニウムまたはアルミニウム
合金（以下アルミニウム層という）は外力を加えて鉄層
と接合するときに鉄層の板厚減少率を５％以下にするた
めにある程度柔らかくなければならない。従って、冷間
圧延ままのアルミニウム素材のように硬化している場合
は、必要に応じて接合前に５５０℃以下に加熱して軟化
させる処理を行わなければならない。しかし、アルミニ
ウム層を５５０℃を超える温度に加熱した場合、アルミ
ニウム自体の温度に加えて接合時に鉄層からの熱が加え
られるため鉄層との接合界面に脆い合金層が形成され接
合強度が低下する。従って、アルミニウム層の加熱温度
は５５０℃以下とする。接合前にアルミニウム層がすで
に充分軟化しており接合時に鉄板の板厚減少率を５％以
下にできる場合はアルミニウム層を加熱する必要は無
い。

【００２２】鉄層とアルミニウム層を上記温度範囲に加
熱した後、この温度範囲内にあるときにそれぞれの金属
を重ね合わせて直ちに外力を加える必要がある。上記温
度範囲からはずれた温度で重ね合わせた場合は充分な接
合強度が得られない。

【００２３】次に、外力により鉄層とアルミニウム層を
接合する場合に必要なそれぞれの板厚減少率について述
べる。鉄層は上記加熱により接合前に再結晶し良好な加
工性が得られているため、接合時に多く加工されると加
工硬化による材質低下を起こし好ましくない。図１は、
表１に示す組成、板厚の鉄層を、同じく表１に示す組
成、板厚のアルミニウム層の両面に接合する際に、図３
に示す通電加熱圧接設備で鉄層を８５０℃に加熱し、一
方でアルミニウム層の加熱温度を５５０℃以下の範囲で
変えてアルミニウムの硬さを変えた後、鉄層に接触する
２本のロールにより外力を加えることにより鉄層の板厚
減少率を変化させ接合し、放冷して得られた複合鋼板の
エリクセン値におよぼす鉄層の板厚減少率を示したもの
である。

【００２４】

【表１】

【００２５】図１から明らかなように、鉄層の板厚減少
率が５％を超えると複合板のエリクセン値が大幅に低下
する。この傾向は本発明範囲内の他の組成の鋼板および
アルミニウム板によっても確認された。以上のことか
ら、接合の際は鉄層の板厚減少率は５％以下でなければ
ならない。

【００２６】一方、アルミニウム層は接合前に表面に薄
いアルミニウムの酸化膜が形成されている。この膜が存
在すると接合力が低下する。鉄層との接合時にアルミニ
ウム層に加工が加わることにより、この酸化膜は分断さ
れ鉄層と接合しやすくなる。図２は表１に示す組成の鉄
層とアルミニウム層を上記と同様の方式で接合する際
に、鉄層とアルミニウム層の加熱温度を本発明範囲内で
変えることにより、アルミニウム層の板厚減少率を変え
た場合の接合後の複合板の接合強度（Ｔ型引き剥がし強
度）におよぼすアルミニウム層の板厚減少率の影響を示
した図である。図２よりアルミニウム層の板厚減少率を
２％以上とすることにより充分な接合強度が得られるこ
とがわかる。なお、この傾向は本発明範囲内の他の組成
の鋼板およびアルミニウム板によっても確認された。以
上のことから、接合の際はアルミニウム層の板厚減少率
は２％以上とした。

【００２７】なお、図３に示す通電加熱圧接設備は、素
材の鉄層１，３とアルミニウム層２とを、これらにそれ
ぞれ通電ロール１１，１３，１２を設け、この通電と加
圧を兼ねた２本のロール４の間に連続的に送り込んで複
合板５を製造するものである。電源は低周波の交流電
源、直流電源いずれも使用できる。電源２１の電流は鉄
層１の通電ロール１１から鉄層１とアルミニウム層２を
通り、これの通電ロール１２に至る。同様に電源２２の
電流はアルミニウム層２と鉄層３との直列回路を流れ
る。交流の場合上記２つの電源２１，２２の位相を適当
に合わせておけばアルミニウム層２の電流は２つの電源
からの電流の和になる。この場合、鉄層の方がアルミニ
ウム層より電気抵抗が高いため鉄層とアルミニウム層が
同程度の厚みであれば鉄層の方が発熱は大きく高温にな
る。もし、鉄層の加熱温度が目標の温度に達しない場合
は、補助加熱用の設けられた通電ロール１４，１５にそ
れぞれ補助加熱用電源２３，２４から通電を行うことに
よって補助加熱を行う。

【００２８】板どうしの接合は上記条件により瞬間的に
行われるが、接合後高温のまま保定すると鉄とアルミニ
ウムの界面に脆い合金層が形成され接合強度が低下す
る。従って、複合板は速やかに冷却しなければならな
い。冷却速度は放冷で得られる速度であれば良いが、冷
却時間をさらに短縮するためにはガスまたは液体による
強制冷却でも良い。

【００２９】鉄層とアルミニウム層の接合を行う場合、
上記接合条件さえ満足できれば、接合方式は特に限定さ
れるものでは無く、図３のような２本のロール間で外力
を加える方式でも良く、プレスのような方式でも良い。
接合用素材の加熱方法も通電加熱、誘導加熱、加熱炉に
よる加熱等どのような方式でも良い。

【００３０】以上のような方法で鉄層とアルミニウム層
を接合することにより、加工性と接合強度に優れた両表
面が鉄層で中心がアルミニウム層の鉄とアルミニウムの
複合板を製造することができる。以下に本発明の実施例
を比較例と共に示す。

【００３１】

【実施例】表２に示すような組成の熱延板を冷間圧延し
冷延鋼板を製造した。さらに、これらの鋼板を再結晶焼
鈍を施したものと施さないものに分け接合用鉄層の素材
とした。素材鉄層の焼鈍の有無は表３に示す。アルミニ
ウム層は表２に示すように純アルミニウムおよび各種ア
ルミニウム合金を接合用素材として使用した。これらの
素材はコイル状に巻かれており、接合前にコイルをほど
きながら図３に示す通電加熱設備により連続的に加熱し
た。加熱後は直ちに両表面が鉄、中心がアルミニウムの
３層になるように重ね合わせると同時に図３に示すよう
に鉄層に接触する２本のロールによる外力を加え、鉄層
とアルミニウム層を連続的に接合した。接合時のそれぞ
れの層の温度、断面減少率を表３に示す。なお、表２の
試料番号の鉄層とアルミニウム層を表３の同一番号の条
件で接合した。

【００３２】

【表２】

【００３３】

【表３】

【００３４】

【表４】

【００３５】

【表５】

【００３６】試料番号１〜１４は組成、接合条件のいず
れも本発明範囲内のものであり、試料１５〜２６はいず
れか一つ以上が本発明範囲から外れたものである。

【００３７】接合後、得られた複合板の材質および接合
強度を表４に示す。表４からわかるように本発明範囲内
で製造された複合板は優れた加工性および接合強度を示
す。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明で製造され
る鉄とアルミニウムの複合板は優れた加工性および接合
強度を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】複合板のエリクセン値におよぼす接合の際の鉄
層の板厚減少率の影響を示す図。

【図２】複合板の接合強度におよぼす接合の際のアルミ
ニウム板の板厚減少率の影響を示す図。

【図３】複合板の製造に使用できる装置の一例を示す
図。

【符号の説明】

１，３ 鉄層 ２ アルミニウム層 ４ ロール（通電、加圧） ５ 複合板 １１，１２，１３ 通電ロール １４，１５ 補助通電ロール ２１，２２ 電源 ２３，２４ 補助電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 織田 昌彦 兵庫県姫路市広畑区富士町１番地 新日本 製鐵株式会社広畑製鐵所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】 焼鈍
1. 【請求項１】 両表面が鉄、中心がアルミニウムの３層
   からなる複合金属板を製造するに際して、鉄層は化学成
   分が重量比でＣ：０．０００５〜０．０１％、Ｓｉ：
   ０．１％以下、Ｍｎ：０．０４〜０．５％、Ｐ：０．１
   ％以下、ｓｏｌＡｌ：０．００２〜０．１％、Ｎ：０．
   ００５％以下、Ｔｉ：Ｃ量の４倍以上でかつ０．００１
   ５〜０．１５％、残部鉄および不可避的不純物とし、ア
   ルミニウム層は化学成分が重量比で９９％以上のＡｌと
   し、鉄層を６７０℃以上９００℃以下に加熱すると共に
   アルミニウム層を５５０℃以下とし、いずれの層もこれ
   らの温度範囲内にあるときに重ね合わせて直ちに両表面
   から外力を加え、この際外力による鉄層の板厚減少率を
   ５％以下、アルミニウム層の板厚減少率を２％以上にな
   るようにし、その後放冷または強制冷却することを特徴
   とする加工性と接合強度に優れた複合金属板の製造方
   法。
2. 【請求項２】 請求項１において、鉄層は化学成分とし
   てさらに重量比でＮｂ：０．００３〜０．０１５％を含
   むことを特徴とする加工性と接合強度に優れた複合金属
   板の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１および２において、アルミニウ
   ム層はＡｌ以外に重量比で６％以下のＭｇ、２％以下の
   Ｍｎの少なくとも一方を含有するアルミニウム合金であ
   ることを特徴とする加工性と接合強度に優れた複合金属
   板の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項３において、アルミニウム層はさ
   らに重量比で０．５％以下のＳｉ、０．５％以下のＣ
   ｒ、０．５％以下のＺｎの１種または２種以上を含有す
   ることを特徴とする請求項３記載の加工性と接合強度に
   優れた複合金属板の製造方法。