JPH07173611A

JPH07173611A - 表面処理鋼板の接合方法

Info

Publication number: JPH07173611A
Application number: JP31828093A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Hyodo; 知明兵藤; Junichi Ozaki; 純一小崎; Yoshimasa Funakawa; 義正船川; Makoto Kabasawa; 真事樺澤; Tetsuo Toyoda; 哲郎豊田
Original assignee: Showa Aircraft Industry Co Ltd; NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: Showa Aircraft Industry Co Ltd; JFE Engineering Corp
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1993-12-17
Publication date: 1995-07-11

Abstract

(57)【要約】【目的】ろう付けにおける介装が容易でコスト面に優れ
る表面処理鋼板を使用して、しかも、接合強度を低下さ
せず、基材の異種組織化に起因する熱歪みの発生を抑え
る表面処理鋼板の接合方法を提供する。【構成】少なくとも一方の面にろう付け性皮膜を０．１
〜１５μｍめっき形成した表面処理鋼板を用意し、この
表面処理鋼板を、５℃／ｍｉｎ以上の加熱速度、１１０
０℃〜１２５０℃の温度域で３〜１８０分間のろう付け
熱処理を行なうろう付け性に優れた表面処理鋼板の接合
方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ろう付け性皮膜を設け
た表面処理鋼板、特にろう付け性および耐高温酸化性が
要求される表面処理鋼板の接合方法に係わり、具体例を
挙げれば、自動車エンジン等の排気ガスを清浄化する触
媒コンバータにおいて触媒が付着される担体基材を製造
するに有効な表面処理鋼板の接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に金属製の自動車の排ガス浄化触媒
用担体基材は、平板状の耐熱鋼板と波板状の耐熱鋼板と
を重ねてロール状に巻き、ハニカム形状とした後に外筒
を被覆し、ろう付けにより接合している。

【０００３】公知のろう付け接合方法として、ろう材箔
を平板と波板の間に介挿し、あるいはろう材成分をロー
ルにより平板あるいは波板に塗布した後平板と波板をロ
ール状に巻き付けた後、両者を加熱接合する方法がある
（特開平3-60740 号参照）。

【０００４】しかし、ろう材箔（あるいは塗布するろう
材成分）は高価であり（特開平1-171641号参照）、また
強度の面でも必ずしも全面に介装する必要もないため、
部分的にろう材箔を介挿したり（特開平3-86329 号、特
開平3-86370 号、特開平3-278815号参照）、あるいは部
分的に塗布したり、またろう材箔の重量を基板となる箔
に対してある一定の範囲に調整して（特開平3-65244 号
参照）、ろう材成分の被覆量を少なくすることが行なわ
れている。また、ろう付け性皮膜を基材表面にめっきす
る方法も検討されつつある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ろう材箔を介
挿する方法は以下の問題点がある。 (1) ろう材箔の介挿が容易でなく、位置決めが困難であ
る。 (2) ろう材の量が多いので、ろう付け時の温度上昇に伴
い、ろう材が基材中に拡散し基材のフェライト組織から
オーステナイト組織に変化させるため、実際の使用に際
して両組織の熱膨脹の差に起因する熱歪みが発生する。 (3) ろう材箔（20〜50μｍ）では、NiやＢなどの材料費
が高く、延性が劣るため急冷凝固の非晶質金属箔にする
ので生産性が悪くろう材箔の使用コストが高い。

【０００６】また、ろう材を塗布する方法では以下の問
題点がある。 (1) 薄く塗布することが技術的に困難で、ろう材塗布量
が多くなる。このため、ろう材箔使用と同様に、エンジ
ン運転時の温度上昇に伴い、ろう材が基材中に拡散し基
材性能を劣化させる。

【０００７】一方、ろう付け性皮膜を基材表面にめっき
する方法では以下の問題点がある。 (1) 湿式めっき法ではCrを添加したNi系合金めっきを形
成できず、耐高温酸化性に問題がある。 (2) 皮膜厚さが薄く、ろう付け性皮膜組成（Ni、Ｂ、Si
など）と基材成分（Feなど）とが相互に拡散しやすく、
接合部の融点がろう付け性皮膜単独の融点よりも上昇す
る。この結果、ろう付け接合が不十分となりやすく、接
合強度が低下する。

【０００８】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、ろう付けにおける介装が
容易でコスト面に優れる表面処理鋼板を使用して、しか
も、接合強度を低下させず、基材の異種組織化に起因す
る熱歪みの発生を抑える表面処理鋼板の接合方法を提供
するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、第一の発明
は、少なくとも一方の面にろう付け性皮膜を乾式めっき
等で厚さ０．１〜１５μｍにめっき形成した表面処理鋼
板を用意する工程と、この表面処理鋼板を、５℃／ｍｉ
ｎ以上（好ましくは５℃／ｍｉｎ〜１００℃／ｍｉｎ）
の加熱速度、１１００℃〜１２５０℃の温度域で３〜１
８０分間のろう付け熱処理を行なう工程とを備えたろう
付け性に優れた表面処理鋼板の接合方法である。

【００１０】ここで、耐熱性鋼板とは、特に600 ℃以上
の高温環境化において耐熱性を有する鋼板をいい、高温
時における熱膨脹を抑制する目的で、フェライト組織を
有する耐熱ステンレス鋼箔が好ましい。また、この鋼板
でハニカムコアを形成する場合、ハニカムコアの強度確
保、成型性および軽量化の兼合から、その厚さが30μｍ
以上200 μｍ以下とするのが好ましい。そして、その形
状はハニカムコアを形成するために平板状または波板状
とし、平板状鋼板と波板状鋼板とを組み合わせて巻装す
ることによりハニカムコアが形成される。

【００１１】このろう付け性皮膜（合金皮膜）は、0.1
μｍ以上15μｍ以下の膜厚を有するものとする。膜厚を
この範囲に限定した理由は次のとおりである。0.1 μｍ
未満の膜厚では接合力が確保されない。また、15μｍを
越え付着量が過大な場合には、ろう材成分が基材である
金属部材（耐熱鋼板）に多く拡散し基材板厚が薄いので
基材成分を劣化させる。例えば、Ni基ろう材成分をめっ
きする場合、オーステナイト形成元素であるNiが、フェ
ライト組織を有する鋼やステンレス鋼板などの基材に拡
散し、基材の耐熱性と高温強度を損なう問題点を生じ
る。さらに、接合部と基材の熱膨脹係数が異なるため熱
歪みを生じる可能性がある。

【００１２】ろう付け性皮膜としてNi-Cr 系合金皮膜が
有効である。好適なNi-Cr 系合金皮膜は、Cr5 〜40重量
％と、ＢおよびSiの一種または二種を1 〜20重量％と、
残部Niおよび不可避不純物からなる。具体的には、Ni-C
r 系合金、Ni-Cr-Si系合金、Ni-Cr-Si- Ｂ系合金で、こ
れらの合金は、ろう付け性、耐高温酸化性が優れている
とともに、めっき、特に乾式めっきで所望成分の皮膜を
形成できる合金である。この合金の成分理由およびその
含有範囲の限定理由は以下のとおりである。Crは、異常
酸化を防止して耐高温酸化性を確保するために添加する
が、５重量％未満のCr量では耐高温酸化性が確保され
ず、40重量％を越えるとNi量が減少して耐高温酸化性が
劣化する。

【００１３】Ｂ、Siの一種または二種は、ろう材成分の
融点を低下させるために添加するが、１重量％未満では
液相温度が無添加のNi-Cr 合金と比べて低下せず、その
添加効果を発揮しない。また20重量％を越えるとＢ添加
材ではホウ化物が、Si添加ではケイ化物が形成されて脆
化する。

【００１４】ろう付け性皮膜（ろう付け性および耐高温
酸化性合金皮膜）の形成方法に制約はないが、皮膜元素
を自由に選べる任意性の点で乾式めっきが好ましく、乾
式めっきの中では生産性の点で真空蒸着やイオンプレー
ティングが望ましい。

【００１５】ろう付け接合の熱処理条件を5 〜100 ℃／
min の加熱速度、かつ1100〜1250℃の温度域で3 〜180
分間保持するものとする。このように規定した限定理由
は以下の通りである。

【００１６】5 ℃/min未満の加熱速度では、加熱昇温時
にろう付け性皮膜中のNi、Ｂ、Siなどが基材中に拡散す
るとともに、基材中のFeはろう付け性皮膜中に多く拡散
するため、ろう材成分の融点が上昇し、接合されにくく
なる。一方、100 ℃/minを越える加熱速度では、熱処理
ヒーター容量が大きくなり設備費が高額となるため生産
コストが上昇し、好ましくはない。拡散防止の点で顕著
な効果が得られ、また、生産性がよく、かつ過剰な熱処
理設備仕様としない特に好適な範囲は、8 ℃/min以上40
℃/min以下の加熱速度である。

【００１７】保持温度について、1100℃未満ではろう付
け性皮膜が溶けることができず、1250℃を越える温度で
は接合性に与える大幅な改善効果は見込まれず、熱処理
装置のヒータ容量が大型化するため設備費が上昇し生産
コストが高くなる。保持時間について、3 分間未満では
ろう付け皮膜が溶融しない。一方、180 分間を越える時
間では接合性に与える改善効果が見込まれず生産性が劣
化する。

【００１８】第二発明は、少なくとも一方の面にろう付
け性皮膜を０．１〜１５μｍめっき形成した表面処理鋼
板を用意する工程と、この表面処理鋼板を、１１００℃
〜１２５０℃の温度及び３０〜１０００ｇ／ｃｍ² の圧
力でろう付け熱処理を行なう工程とを備えたろう付け性
に優れた表面処理鋼板の接合方法である。

【００１９】第二発明では、ろう付け接合の保持温度１
１００〜１２５０℃、ろう付け熱処理の圧力を３０〜１
０００ｇ／ｃｍ² とする。保持温度を限定した理由は、
第一の発明と同じなどなのでここでは説明を省略する。
ろう付け熱処理の圧力を３０〜１０００ｇ／ｃｍ² と限
定したのは次の理由による。ろう付け性皮膜（０．１〜
１５ミクロン）は、より膜厚が厚いろう材箔と比べ、ろ
う付け性成分に基材成分が拡散する場合に粘性が大きく
なる。３０ｇ／ｃｍ² 未満の圧力では、基材との接触が
十分でなくなり、強固に接合されない。一方、１０００
ｇ／ｃｍ² を越える圧力では基材が変形する。

【００２０】なお、ろう付け性皮膜の膜厚の限定理由、
ろう付け熱処理温度の限定理由は第一発明と同じなので
ここでの説明は省略する。また、好適なめっき下地鋼板
の種類、ろう付け性皮膜の種類、形成方法等も、第一発
明と同じなのでここでの説明は省略する。第二発明の好
適なろう付け熱処理時間は、１０〜６０分である。この
理由は、１０分間未満の場合には接合が十分行われず、
６０分間を越えて熱処理を行っても改善効果は少ない。

【００２１】

【作用】本発明に係る表面処理鋼板は、めっきによりろ
う付け性皮膜（ろう付け性および耐高温酸化性合金皮
膜）を形成するので、従来に比べてこの皮膜の厚さを所
望の薄さにすることが出来る。また、その化学組成の調
整も公知のめっき技術を適用すれば、金属部材（耐熱鋼
板）の所望箇所にろう付け性皮膜を形成できる。

【００２２】本発明の表面処理鋼板は、予めろう材成分
をめっきしプレコート化してあるので、この鋼板を使用
すれば、ろう材箔を用い成型する方法でハニカムコアを
製造する場合よりも作業工程が簡略化でき、またろう材
箔を設ける際に発生する位置決めの誤差を生じることが
ない。さらに、ろう付け接合における熱処理において、
接合条件を適切に選択するので、過剰にろう付け性皮膜
組成と基材組成が相互拡散することがなく、ろう付け接
合部の融点が低く保たれるため、十分な接合強度が得ら
れる。

【００２３】従って、この様にして得られた本発明の表
面処理鋼板は、600 ℃以上の高温環境、特に自動車やオ
ートバイの排気ガス浄化装置用として使用されるろう付
けによる接合が必要なメタル担体基材（ハニカムコア）
として有用である。この表面処理鋼板を用いて、ハニカ
ムコアを形成するには、合金皮膜を形成した波板状の表
面処理鋼板と平板状の表面処理鋼板を用意し、両鋼板の
めっき面どうし、あるいは、めっき面とめっきを施さな
い面とを当接しろう付けする。そしてこのハニカム体を
外筒で被覆し、スポット溶接やろう付けにより接合する
ことにより排気ガス浄化装置用の担体基材（ハニカムコ
ア）が製造される。そして、この担体基材に触媒を付着
させることにより排気ガス浄化装置が作られる。

【００２４】なお、公知技術として特開昭62-38784号に
記載される拡散接合用インサート材がある。これは、二
つの金属部材を接合させるインサート材であり、拡散接
合層を支持する素材は接合層の担体としてのみ機能し、
構造体として機能しない。そのため、インサート材と基
材との間で強度差を生じ歪みを発生する可能性がある。
一方、本発明は素材自体が構造体を形成するもので、上
記の公知技術とは目的を異にし、かつ歪みを生じること
がない。

【００２５】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
図１〜図２は本発明に係る表面処理鋼板の接合方法を用
いて製造されたハニカム成型耐熱構造体１の一例を示す
斜視図で、巻き付けられた波板状鋼板２と平板状鋼板３
とからなるハニカム体４を外筒５で被覆し、ろう付けし
ている。本発明方法では基材箔（鋼板）を準備する工程
と、基材箔にろう材成分をめっきする工程と、波板状鋼
板に成型加工する工程と、波板状鋼板２と平板状鋼板３
をろう付け熱処理する接合工程に分類される。

【００２６】図３を参照して片面めっき法に基づき説明
する。まず、鋼板の少なくとも一方の面にNi-Cr-B 系、
Ni-Cr-B-Si、又はNi-Cr-Si系合金めっき（以下Ni-Cr 系
合金めっきと略称する）をして合金皮膜６を形成する。
次の成型工程では合金皮膜６を形成した鋼板（箔）の一
部はそのまま平板状鋼板として準備される。さらに平板
状鋼板の一部はコルゲート装置にてコルゲート加工され
ることにより、所定の直線的な波板の凹凸が連続的に折
曲げ形成された波板状鋼板２として準備される。これら
波板状鋼板２と平板状鋼板３が一定中心から交互に巻き
付け重ねつつ多重に巻き取られる。接合工程では、成型
工程の後上述したろう付け加熱条件下で加熱を行ない波
板状鋼板２と平板状鋼板３を接合する。すなわち、ろう
付け成分めっき工程で積層されたNi基成分は加熱により
溶融して波板状鋼板２と平板状鋼板３の両者を接合す
る。そして、これらの製造工程、すなわち準備工程、ろ
う付け成分めっき工程、成型工程、および接合工程を経
ることにより耐熱構造体が製造される。

【００２７】両面めっきを行なう場合には、めっき工程
で鋼板（箔）の両面にNi-Cr 系合金めっきを行なった後
そのまま平板状鋼板３として準備され、めっきを施さな
い鋼板をコルゲート装置にてコルゲート加工され準備さ
れた、所定の直線的な波板の凹凸が連続的に折曲げ形成
された波板状鋼板２と、加熱により溶融されて両者が接
合される。また、めっき工程で鋼板（箔）の両面にNi-C
r 系合金めっきを行なった後コルゲート装置にてコルゲ
ート加工され、凹凸が連続的に折曲げ形成された波板状
鋼板２となり、めっきされない平板状鋼板３と加熱によ
り接合される場合もある。

【００２８】（第一の発明に対応する具体例）耐熱性鋼
板として、表１に示す30〜200 μｍのフェライト系ステ
ンレス鋼を主として用いた。この耐熱性鋼板にNi-Cr 系
合金皮膜をめっきする方法として真空蒸着法及びイオン
プレーティング法を用いた。合金皮膜の組成として表１
に示すNi-Cr 系のめっき種を用いた。

【００２９】めっき面どうしの接合性およびめっき面と
めっきを施さない基材との接合性（ろう付け性）は以下
に述べるハニカム成型耐熱構造体の製造工程をシュミレ
ートする方法で調べた。

【００３０】まず、めっきされた耐熱ステンレス箔とめ
っき施さない耐熱ステンレス箔を、それぞれ15mm×15mm
の寸法に切り出した。いずれか一方に、図４に示す３点
の半球状の突起を上面から見て正三角形の位置に押し込
みにより形成した。次いで、突起を有する耐熱ステンレ
ス箔（めっきされた耐熱ステンレス箔、あるいはめっき
を施さない耐熱ステンレス箔）と、突起を持たない耐熱
ステンレス箔（めっきされた耐熱ステンレス箔）とを重
ね、２枚の上に2 〜5gの重石を乗せた。次いで、10^-4To
rrの真空雰囲気において、5 〜100 ℃/minの加熱速度、
1100〜1250℃で3 〜180 分間保持の条件で接合試験を実
施した。この後、図５に示す突起部分を含む３個に切断
し、非接触部に1mm 直径の穴を開け、ワイヤーを通し接
合部分を引き剥がし強度と破断形態を調べた。この結
果、接合部では破断されず基材箔部分で破断が認められ
たものを合格とした。これらの得られた結果を成膜方法
およびろう付け接合条件と合わせ表１にまとめて示す。

【００３１】次いで、上述した片面めっき法および両面
めっき法でメタル担体（ハニカムコア）を製作し、平板
状鋼板と波板状鋼板の接合部を含むように試験片を切り
出し接合性を評価した。得られた結果を表１に示す。

【００３２】また、ろう付け成分の皮膜の膜厚、接合条
件が本発明の範囲から外れる比較例及びろう材箔を用い
た比較例についても実験を行ない、その結果を表１に併
記する。

【００３３】下記の表１から、膜厚と合金組成が本発明
の範囲から外れる比較例及びろう材箔を使用した比較例
の場合には、接合強度が劣化する、あるいは生産性が劣
る。これに対し、本発明では良好な接合強度が得られ、
生産性と経済性にも優れていることが明らかである。

【００３４】（第二の発明に対応する具体例）耐熱性鋼
板として、表２に示す30〜200 μｍのフェライト系ステ
ンレス鋼を主として用いた。この耐熱性鋼板にNi-Cr 系
合金皮膜をめっきする方法として真空蒸着法及びイオン
プレーティング法を用いた。合金皮膜の組成として表２
に示すNi-Cr 系のめっき種を用いた。

【００３５】めっき面どうしの接合性およびめっき面と
めっきを施さない基材との接合性（ろう付け性）は以下
に述べるハニカム成型耐熱構造体の製造工程をシュミレ
ートする方法で調べた。

【００３６】まず、めっきされた耐熱ステンレス箔とめ
っき施さない耐熱ステンレス箔を、それぞれ15mm×15mm
の寸法に切り出した。いずれか一方に、図４に示す３点
の半球状の突起を上面から見て正三角形の位置に押し込
みにより形成した。次いで、突起を有する耐熱ステンレ
ス箔（めっきされた耐熱ステンレス箔、あるいはめっき
を施さない耐熱ステンレス箔）と、突起を持たない耐熱
ステンレス箔（めっきされた耐熱ステンレス箔）とを重
ね、２枚の上にステンレス性の重石を乗せた。付加され
た圧力は３０〜１０００ｇ／ｃｍ² の範囲である。次い
で、10^-4Torrの真空雰囲気において、1100〜1250℃で10
〜30分間保持の条件で接合試験を実施した。この後、図
５に示す突起部分を含む３個に切断し、非接触部に1mm
直径の穴を開け、ワイヤーを通し接合部分を引き剥がし
強度と破断形態を調べた。この結果、接合部では破断さ
れず基材箔部分で破断が認められたものを合格とした。
これらの得られた結果を成膜方法およびろう付け接合条
件と合わせ表２にまとめて示す。

【００３７】次いで、上述した片面めっき法および両面
めっき法でメタル担体（ハニカムコア）を製作し、平板
状鋼板と波板状鋼板の接合部を含むように試験片を切り
出し接合性を評価した。得られた結果を表２に示す。

【００３８】また、ろう付け成分の皮膜の膜厚、接合条
件が本発明の範囲から外れる比較例及びろう材箔を用い
た比較例についても実験を行ない、その結果を表２に併
記する。

【００３９】下記の表２から、膜厚と合金組成が本発明
の範囲から外れる比較例及びろう材箔を使用した比較例
の場合には、接合強度が劣化する、あるいは生産性が劣
る。これに対し、本発明では良好な接合強度が得られ、
生産性と経済性にも優れていることが明らかである。

【００４０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の接合方法
によれば、Ni-Cr 系ろう付け性皮膜付きの表面処理鋼板
を用いてろう付けする場合、以下に示す効果を発揮す
る。第一に、従来のろう材箔を鋼板の中間（ハニカム体
の場合、平板状鋼板と波板状鋼板の中間）に配置するも
のと比べ、位置決めを行なう必要がない。このため簡単
容易に製造でき工程が簡略化される。

【００４１】第二に、従来のろう材箔と比べろう付け成
分層が薄く母材の異種組織化が無視できる程度に小さく
なる。このため、耐高温酸化性と耐久性が向上する。第
三に、高価なろう付け成分層の膜厚が薄い。このため、
軽量化されると同時にコストが安くなる。

【００４２】第四に、拡散量の少ない表面処理鋼板にお
いて、熱処理条件を規定することによってさらにろう付
け成分と基材成分の相互拡散が抑制される。このため、
ろう付け層の融点が上昇せず十分な接合強度が得られ
る。

【００４３】

【表１】

【００４４】

【表２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る耐熱構造体の説明に供する斜視
図。

【図２】成型工程の説明に供する斜視図。

【図３】本発明に係る表面処理鋼板の皮膜構成と接合方
法の関係を示す図。

【図４】ハニカム成型をシミュレートした接合試験の説
明図。

【図５】接合強度の測定方法。

【符号の説明】

１…耐熱構造体、２…波板状鋼板、３…平板状鋼板、４
…ハニカム体、５…外筒、６…合金皮膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者船川義正東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者樺澤真事東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者豊田哲郎東京都新宿区西新宿一丁目13番12号昭和飛行機工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一方の面にろう付け性皮膜を
０．１〜１５μｍめっき形成した表面処理鋼板を用意す
る工程と、この表面処理鋼板を、５℃／min以上の加熱
速度、１１００℃〜１２５０℃の温度域で３〜１８０分
間のろう付け熱処理を行なう工程とを備えたろう付け性
に優れた表面処理鋼板の接合方法。
【請求項２】少なくとも一方の面にろう付け性皮膜を
０．１〜１５μｍめっき形成した表面処理鋼板を用意す
る工程と、この表面処理鋼板を、１１００℃〜１２５０
℃の温度及び３０〜１０００ｇ／ｃｍ² の圧力でろう付
け熱処理を行なう工程とを備えたろう付け性に優れた表
面処理鋼板の接合方法。
【請求項３】ろう付け性皮膜は、Ｃｒ５〜４０重量％
とＢ及びＳｉの一種又は二種を１〜２０重量％と残部Ｎ
ｉ及び不可避不純物からなり、ろう付け熱処理は５℃／
min 〜１００℃／min の加熱速度でおこなうろう付け性
及び耐高温酸化性に優れた請求項１又は２に記載の表面
処理鋼板の接合方法。
【請求項４】合金皮膜は乾式めっき皮膜であるろう付
け性及び耐高温酸化性に優れた請求項１又は２に記載の
表面処理鋼板の接合方法。
【請求項５】めっき下地鋼板は、フェライト系ステン
レス鋼板であるろう付け性及び耐高温酸化性に優れた請
求項３に記載の表面処理鋼板の接合方法。
【請求項６】めっき下地鋼板は、フェライト系ステン
レス鋼板であるろう付け性及び耐高温酸化性に優れた請
求項４に記載の表面処理鋼板の接合方法。