JPH0757425B2 - チタンクラッド鋼板の熱間圧延方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、チタンクラッド鋼板の製造方法に関するもの
である。

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えないのが実
情である。

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。

本発明は、このようなチタンクラッド鋼板ないし帯を技
術的に容易に、そして安価に製造する方法を提供するも
のである。

［従来の技術］ 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などの層が生成すると界面で剥離
する。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。

圧接による方法は、生産性が高く板厚は比較的自由にと
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等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。

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57−112985号や特開昭57−192256号には、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。

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号では環境を1Torr以下
の真空にすることを必須条件としている。このために、
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熱交換機などの化学装
置に利用されているに過ぎない。

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。

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致らない。

さらにこれに対して本発明者らは、特開平１−122677号
公報でTiとCu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。
この結果、従来の厚板のチタンクラッド鋼板に比べて飛
躍的にコストが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。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、以上の方法を適用した熱延によりチタンクラッ
ド鋼の薄板を製造した場合、本発明者らが前に発明し
た、TiとCu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でも、界面を真
空にし中間媒接材を使用しない組立スラブを圧延する従
来から行なわれていた方法によっても、接合強度が極端
に低い場合を生ずることがあった。

本発明は、以上の問題を解決すべく、安定して接合強度
の高いチタンクラッド薄鋼板の熱延による製造方法を提
供するものである。

［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。そしてシャーで剥離するチタンクラッド鋼
板の界面を詳細に調査したとこと、剥離しないものに比
べて界面の金属間化合物層に局部的にかなり厚い噛み込
み状態を呈した部分があった。この結果から、シャー切
断で界面が剥離しないような接合強度の高いチタンクラ
ッド鋼板は、金属間化合物が単に薄いだけでなく、厚さ
にばらつきがないことが必要であることが判明した。

さらに、界面の金属間化合物層の厚さに影響を及ぼす因
子を検討したところ、素材スラブの加熱温度や加熱時間
と同時に、圧下パスの間隔が重要な影響を及ぼしている
ことを見出した。すなわち、圧下後保定される時間が長
いほど金属間化合物層が厚くなることがわかったのであ
る。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。金属間化合物の成長はおのおのの金属
原子の拡散に依存しているので、圧下後の保定されると
それだけ拡散が進行し、金属間化合物層が厚くなる。す
なわち、出来る限り保定時間を無くし、所定の厚さまで
圧下して冷却することが好ましいのである。また、バス
間隔が長く比較的厚く金属間化合物層が成長すると、界
面と母材あるいは合せ材との間の熱間変形抵抗の差が大
きくなり、界面の変形にむらを生ずるため、金属間化合
物層の厚さにばらつきが生ずることとなる。

本発明は、以上の知見に基づいてなされたものである。

界面の金属化化合物層の厚さ及び噛み込み状の金属間化
合物の有無に及ぼす圧延パス間時間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製造
圧延試験を行なった。圧延条件は、加熱温度を900℃、
各パス20〜25％の圧下を５パスとし、１パス目と２パス
目の保定時間を種々変えた。金属間化合物の厚さは、圧
延後の板を斜研磨し、ナイタールを腐食を行なって認め
られた変色域とした。この結果を、第１図に示した。な
お、図において、金属間化合物の厚さは測定視野内で特
例的に厚い噛み込み状部分を除いた最大の厚さを数視野
平均して示した。また、●印のデータは、図上で示した
厚さの金属間化合物のほかに、局所的に著しく厚い噛み
込み状の金属間化合物が認められたことを示した。

図から明らかなように、界面の金属間化合物層の平均的
な厚さは、１パス目と２パス目のパス間保定時間が長く
なるほど厚くなる傾向が認められたが、その程度はわず
かで、例え1min保定してもせいぜい平均的には2.0μｍ
程度の厚さで、最短時間（７秒）での圧延に比べて1.5
倍程度にしかならない。実験装置上の制限から７秒以内
の短時間パス間保定は出来なかったが、金属間化合物層
の厚さに及ぼすパス間保定時間の影響は小さいことがわ
かった。しかし、30秒を超えると局所的に５μｍを超え
るような厚い噛み込み状の金属間化合物が残存するのが
認められたのである。

以上の知見に基づいて、熱延のパス間時間を限定するチ
タンクラッド鋼板の製造方法、すなわち、 （１）「母材が鋼、合せ材がチタンまたチタン合金であ
るチタンクラッド組立スラブを、複数回の圧下によって
熱間圧延鋼板を製造する工程において、750℃以上の圧
延における圧下パス間隔を30秒以内とするチタンクラッ
ド鋼板の熱間圧延方法。」 を発明した。

本発明においては、Tiと鋼の界面に中間媒接材を挟んだ
方法でも、あるいは本発明者らの発明した前記特開平１
−122677号に示したTiとCuの金属間化合物を積極的に利
用して真空を不要としたチタンクラッド薄鋼板の製造方
法でも同じ効果が得られる。従って、第２および第３の
発明として、 （２）「母材が鋼、合せ材がチタンまたはチタン合金
で、母材と合せ材の間に接合のための中間媒接材を挟ん
だチタンクラッド組立スラブを、複数回の圧下によって
熱間圧延鋼板を製造する工程において、750℃以上の圧
延における圧下パス間隔を30秒以内とするチタンクラッ
ド鋼板の熱間圧延方法。」 （３）「母材が鋼、合せ材がチタンまたはチタン合金
で、母材と合せ材の間に接合のための中間媒接材として
銅または銅を30％以上含有する銅合金を挟んだチタンク
ラッド組立スラブを、複数回の圧下によって熱間圧延鋼
板を製造する工程において、850℃超1000℃以下の温度
で、10％以上の圧下率で少なくとも１パス圧下して、溶
融したチタンと銅の金属間化合物ないし合金層を押出
し、かつ750℃以上の圧延における圧下パス間隔を30秒
以内とするチタンクラッド鋼板の熱間圧延方法。」 を発明した。

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。従って、第４の発明として （４）「前記（１），（２）または（３）において、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チタン
クラッド鋼板の熱間圧延方法。」 を発明した。

次に、本発明の限定条件を説明する。

パス間保定時間は、第１図の結果から厚い噛み込み状の
金属間化合物の存在しない30秒を上限とした。一方、パ
ス間隔は短いほど金属間化合物の成長が抑制され厚い噛
み込み状の金属間化合物の生成もないことが明らかなの
で、下限は装置に依存する最短のパス間時間で全く問題
がない。従って、下限は設定しない。

パス間隔を限定する温度域は、金属間化合物の成長が起
こる温度域である。すなわち長時間放置しても金属間化
合物の成長が起きなければ限定する必要はない。従っ
て、下限温度は750℃とした。一方上限は、加熱温度で
限定されるので本発明では限定しない。

中間媒接材として使用する銅または銅合金は、合わせ材
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80％以上とした。

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850℃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を達せられるし、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限
定した。

また、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を限定し
た。

［作用］ 以上示したとおり、圧延のパス間隔を適切に限定するこ
とで、界面の金属間化合物層の肥厚化を抑制し、しかも
噛み込み状の金属間化合物の生成を防止することに成功
した。この結果、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。さら
に、連続熱間圧延機を用いてチタンクラッド鋼の薄鋼帯
を史上初めて製造することも可能となった。

本発明によるチタンクラッド鋼は、界面の金属間化合物
層が薄くしかも噛み込み状の金属間化合物がないため
に、界面の接合性をはじめ、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。

［実 施 例］ （１）合せ材としての4.0mm厚のJIS 2種の純チタン板
を、母材として0.07％のＣおよび0.05％のTiを含有する
25mm厚の炭素鋼の鋳片をサンドイッチ状に重ね、さらに
チタンの上からAl₂O₃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2.0mm厚の
母材と同じ成分組成の鋼板を当て内部を真空にして端面
および側面を溶接し固定した。この素材の表面は、H_max
で５μｍ以下に機械仕上げしてから組み立てた。その
後、900℃に加熱して850℃以上で２パス、750℃までに
４パス、さらに700℃までに４パス板厚4mmまで圧延し、
610〜630℃で熱延板とした。その後冷却し、Al₂O₃系分
離材の部分で上下に剥離し2mmの熱延板とした。この
際、３パス目までの２回のパス間の内最長保定時間およ
び３から６パス目までの３回のパス間の内最長保定時間
と、圧延後のチタンクラッド薄鋼板界面の観察から判定
した噛み込み状の金属間化合物の有無との関係を第１表
の実施例No.1、２および比較例No.3、４に示した。パス
間保定時間が、いずれも30秒以内であると噛み込み状の
金属間化合物が光学顕微鏡では観察できず、シャー切断
したところ破断面には剥離開孔が見られなかった。しか
し、パス間保定時間が１回でも30秒を超えると、噛み込
み状の金属間化合物が光学顕微鏡で観察可能なレベルま
で厚くなり、シャー切断で破断面の一部に剥離開孔を生
じた。

（２）次に、合せ材としての4.0mm厚のJIS 2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0.2m
m厚の純鉄板を、母材として0.14％のＣを含有する25mm
厚の炭素鋼の鋳片をサンドイッチ状に重ね、さらにチタ
ンの上からAl₂O₃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2.0mm厚の母材
と同じ成分組成の鋼板を当て内部を真空にして端面およ
び側面を溶接し固定した。この素材の表面は、H_maxで５
μｍ以下に機械仕上げしてから組み立てた。その後、90
0℃に加熱して850℃以上で２パス、750℃までに４パ
ス、さらに700℃までに４パス板厚4mmまで圧延し、610
〜630℃で熱延板とした。その後冷却し、Al₂O₃系分離材
の部分で上下に剥離し2mmの熱延板とした。この際、３
パス目までの２回のパス間の内最長保定時間および３か
ら６パス目までの３回のパス間の内最長保定時間と、圧
延後のチタンクラッド薄鋼板界面の観察から判定した噛
み込み状の金属間化合物の有無との関係を第１表の実施
例No.5、６およひ比較例No.7、８に示した。パス間保定
時間が、いずれも30秒以内であると噛み込み状の金属間
化合物が光学顕微鏡では観察できず、シャー切断したと
ころ破断面には剥離開孔が見られなかった。しかし、パ
ス間保定時間が１回でも30秒を超えると、噛み込み状の
金属間化合物が光学顕微鏡で観察可能なレベルまで厚く
なり、シャー切断で破断面の一部に剥離開孔を生じた。

（３）次に、合せ材としての4.0mm厚のJIS 1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1.0m
m厚の銅板を、母材として0.12％のＣを含有する50mm厚
の炭素鋼の鋳片をサンドイッチ状に重ね、さらにチタン
の上からAl₂O₃系分離材を介して同じ組合せのチタン、
銅および炭素鋼を重ね、端面および側面に2.0mm厚の母
材と同じ成分組成を鋼板を当て端面および側面を空気抜
きの穴を数箇所残して溶接し固定した。これらの素材の
表面は、H_maxで５μｍ以下に機械仕上げしてから組み立
てた。その後、910℃に加熱して850℃以上で３パス（平
均圧下率15％）、750℃までに８パス、さらに700℃まで
に５パス板厚4mmまで圧延し、610〜630℃で熱延コイル
として巻取った。この際、９パス目までは１台の粗圧延
機を用いてリバース圧延を行ない、10パス目以降は１台
の中間圧延機および６台の仕上圧延機で連続して圧下し
た。その後冷却し、Al₂O₃系分離材の部分で上下に剥離
し2mmの熱延コイルとした。この際、４パス目までの３
回のパス間の内最長保定時間および４から11パス目まで
の７回のパス間の内最長保定時間と、圧延後のチタンク
ラッド薄鋼板界面の観察から判定した噛み込み状の金属
間化合物の有無との関係を第１表の実施例No.9、10およ
び比較例No.11、12に示した。パス間保定時間が、いず
れも30秒以内であると噛み込み状の金属間化合物が光学
顕微鏡では観察できず、シャー切断したところ破断面に
は剥離開孔が見られなかった。しかし、パス間保定時間
が１回でも30秒を超えると、噛み込み状の金属間化合物
が光学顕微鏡で観察可能なレベルまで厚くなり、シャー
切断で破断面の一部に剥離開孔を生じた。

［発明の効果］ 本発明により、特殊な工程や設備が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薄鋼
板および鋼帯を量産することが可能となった。この結
果、チタンクラッド薄鋼板の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
クラッド薄鋼板および鋼帯は、従来の厚板と異なりTi厚
さが薄いために、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、設計基準が
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】

第１図は、チタンクラッド鋼界面の金属間化合物層の厚
さに及ぼす熱延パス間時間の影響を示した図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】母材が鋼、合せ材がチタンまたはチタン合
   金であるチタンクラッド組立スラブを、複数回の圧下に
   よって熱間圧延鋼板を製造する工程において、750℃以
   上の圧延における圧下パス間隔を30秒以内とするチタン
   クラッド鋼板の熱間圧延方法。
2. 【請求項２】母材が鋼、合せ材がチタンまたはチタン合
   金で、母材と合せ材の間に接合のための中間媒接材を挟
   んだチタンクラッド組立スラブを、複数回の圧下によっ
   て熱間圧延鋼板を製造する工程において、750℃以上の
   圧延における圧下パス間隔を30秒以内とするチタンクラ
   ッド鋼板の熱間圧延方法。
3. 【請求項３】母材が鋼、合せ材がチタンまたチタン合金
   で、母材と合せ材の間に接合のための中間媒接材として
   銅または銅を30％以上含有する銅合金を挟んだチタンク
   ラッド組立スラブを、複数回の圧下によって熱間圧延鋼
   板を製造する工程において、850℃超1000℃以下の温度
   で、10％以上の圧下率で少なくとも１パス圧下して、溶
   融したチタンと銅の金属間化合物ないし合金層を押出
   し、かつ750℃以上の圧延における圧下パス間隔を30秒
   以内とするチタンクラッド鋼板の熱間圧延方法。
4. 【請求項４】請求項１、２または３において、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チタンクラッ
   ド鋼板の熱間圧延方法。