JPWO2017043360A1 - Clad plate and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
特に過酷な摺動環境下で使用される摺動部材の素材として用いられても、摩擦圧力と摩擦熱による使用中の変形に対して高い抵抗性を有するクラッド板を提供する。板厚方向へ積層された第1層2、第2層3および第3層4をこの順に備えるクラッド板1である。第1層2および第3層4は、焼入れ硬化した炭素鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼であって、同一の材料からなる。第2層3はアルミニウム合金からなる。400℃におけるアルミニウム合金の耐力は10MPa超である。完全焼き鈍し後の常温におけるアルミニウム合金の耐力は、焼入れ硬化した炭素鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼の耐力の1/10以下である。第1層2および第3層4それぞれの残留応力の差は150MPa以内である。Provided is a clad plate having high resistance against deformation during use due to frictional pressure and frictional heat even when used as a material for a sliding member used in a particularly severe sliding environment. A clad plate 1 having a first layer 2, a second layer 3, and a third layer 4 stacked in this order in the thickness direction. The first layer 2 and the third layer 4 are quench hardened carbon steel or martensitic stainless steel, and are made of the same material. The second layer 3 is made of an aluminum alloy. The yield strength of the aluminum alloy at 400 ° C. is more than 10 MPa. The yield strength of the aluminum alloy at room temperature after complete annealing is 1/10 or less of the yield strength of quench-hardened carbon steel or martensitic stainless steel. The difference in residual stress between the first layer 2 and the third layer 4 is within 150 MPa.
Description
本発明は、クラッド板とその製造方法に関する。 The present invention relates to a clad plate and a manufacturing method thereof.
機械部品の摺動部材(例えば、減速装置のローター板やクラッチ板など)の素材として用いられる金属板は、高い耐摩耗性の表面を有することにより、摺動時の摩擦による損傷を起こさないことを要求される。 A metal plate used as a material for a sliding member of a mechanical part (for example, a rotor plate or a clutch plate of a reduction gear) has a high wear-resistant surface so that it does not cause damage due to friction during sliding. As required.
この金属板は、熱伝導性に優れることにより、摩擦により生じる熱を効率的に放散できることを要求される。この金属板は、圧力や熱サイクルなどの摺動環境が過酷である場合には、高い面圧と熱サイクルによる変形に対する高い抵抗性を要求される。 This metal plate is required to efficiently dissipate heat generated by friction by being excellent in thermal conductivity. This metal plate is required to have high surface pressure and high resistance to deformation due to thermal cycle when the sliding environment such as pressure and thermal cycle is severe.
少なくとも表面に用いる金属材料の硬度を高くすることが、耐摩耗性に優れた表面を有する摺動部材を得るために、有効である。この硬度は、JIS Z2244:2009に規定されるビッカース硬度で350Hv以上であることが望ましい。焼入れ硬化した炭素鋼板または焼入れ硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼板が優れた耐摩耗性を有する金属板として知られる。 Increasing the hardness of at least the metal material used for the surface is effective for obtaining a sliding member having a surface with excellent wear resistance. This hardness is desirably 350 Hv or more in terms of Vickers hardness as defined in JIS Z2244: 2009. A quench-hardened carbon steel plate or a quench-hardened martensitic stainless steel plate is known as a metal plate having excellent wear resistance.
単一の材料からなるこれらの金属板の熱伝導性は低い。これらの金属板は、摺動時に発生する熱を十分に放散できないために、熱変形を生じ、あるいは、焼き付きによって損傷する。 These metal plates made of a single material have low thermal conductivity. Since these metal plates cannot sufficiently dissipate heat generated during sliding, they are thermally deformed or damaged by seizure.
優れた耐摩耗性を有する金属板と優れた熱伝導性を有する金属板とを積層して接合したクラッド板が、優れた耐摩耗性を有する金属板の熱伝導性を改善するために、有効である。 A clad plate made by laminating and bonding a metal plate having excellent wear resistance and a metal plate having excellent thermal conductivity is effective for improving the thermal conductivity of the metal plate having excellent wear resistance. It is.
本発明者は、特許文献1により、3層からなる優れた耐摩耗性および熱伝導性を有するクラッド板を開示した。3層は、少なくとも一方の表面の硬さがビッカース硬度で350Hv以上である金属層と、アルミニウムまたはアルミニウム合金層と、任意の金属層である。
The present inventor disclosed, in
本発明者が検討した結果、特許文献1により開示されたクラッド板は、特に過酷な摺動環境下で使用される摺動部材の素材として用いられると、アルミニウムまたはアルミニウム合金層が高い面圧によって圧縮して変形するおそれがあること、および、反りが熱サイクルによって生じるおそれがあることが判明した。特に、発生した反り量が大きいと、摺動部材が他の部材と干渉し、機械部品を使用できなくなる。
As a result of the study by the present inventors, the clad plate disclosed in
本発明の目的は、優れた耐摩耗性を有する高硬度の金属材料からなる表層と、優れた熱伝導性を有する中間層とを有するクラッド板であって、特に過酷な摺動環境下において、中間層が高い面圧によって圧縮して変形すること、および、反りが熱サイクルによって生じることをいずれも防止できるクラッド板と、その製造方法を提供することである。 An object of the present invention is a clad plate having a surface layer made of a high-hardness metal material having excellent wear resistance and an intermediate layer having excellent thermal conductivity, and particularly under a severe sliding environment, It is an object of the present invention to provide a clad plate that can prevent both an intermediate layer from being compressed and deformed by a high surface pressure and a warp from being caused by a thermal cycle, and a method for manufacturing the same.
すなわち、本発明の目的は、摩擦圧力および摩擦熱による変形に対して高い抵抗性を有するために、特に過酷な摺動環境下で使用される摺動部材の素材として好適に用いられるクラッド板と、その製造方法を提供することである。 That is, an object of the present invention is to provide a high resistance to deformation caused by frictional pressure and frictional heat. It is to provide a manufacturing method thereof.
本発明者は、以下に列記の知見A〜Eを得て、本発明を完成した。
(A)第1層(表層)、第2層(中間層)および第3層(表層)の3層からなるクラッド板が、特に過酷な摺動環境下で使用される摺動部材の素材として、用いられる。The inventor obtained the knowledge A to E listed below and completed the present invention.
(A) A clad plate composed of three layers of a first layer (surface layer), a second layer (intermediate layer), and a third layer (surface layer) is used as a material for a sliding member used in a particularly severe sliding environment. Used.
(B)焼入れ硬化した炭素鋼または焼入れ硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼であって、同一の材料が、第1層および第3層として、用いられる。 (B) Quench-hardened carbon steel or quench-hardened martensitic stainless steel, and the same material is used as the first layer and the third layer.
(C)アルミニウム合金が第2層として用いられる。400℃におけるこのアルミニウム合金の耐力は10MPa超である。さらに、完全焼き鈍し後の常温におけるこのアルミニウム合金の耐力は、第1,3層を構成する焼入れ硬化した炭素鋼または焼入れ硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼の耐力の1/10以下である。 (C) An aluminum alloy is used as the second layer. The yield strength of this aluminum alloy at 400 ° C. is over 10 MPa. Furthermore, the proof stress of this aluminum alloy at room temperature after complete annealing is 1/10 or less of the proof strength of the quench-hardened carbon steel or quench-hardened martensitic stainless steel constituting the first and third layers.
(D)第1層および第3層それぞれの残留応力の差の絶対値は150MPa以内である。これにより、摺動部材として使用中における反り(熱変形)の発生が実質的に防がれる。 (D) The absolute value of the difference in residual stress between the first layer and the third layer is within 150 MPa. Thereby, generation | occurrence | production of the curvature (thermal deformation) in use as a sliding member is prevented substantially.
(E)これらの第1層、第2層および第3層を有するクラッド板は、高い面圧や熱サイクルに曝された時でも、摺動部材の変形を実質的に防止できる。
本発明は以下に列記の通りである。(E) The clad plate having the first layer, the second layer, and the third layer can substantially prevent deformation of the sliding member even when exposed to a high surface pressure or thermal cycle.
The present invention is listed below.
(1)板厚方向へ積層された第1層、第2層および第3層をこの順に備えるクラッド板であって、
前記第1層および前記第3層は、焼入れ硬化した炭素鋼または焼入れ硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼であって、同一の材料からなり、
前記第2層はアルミニウム合金からなり、
400℃における前記アルミニウム合金の耐力は10MPa超であり、
完全焼き鈍し後の常温における前記アルミニウム合金の耐力は、前記焼入れ硬化した炭素鋼または焼入れ硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼の耐力の1/10以下であるとともに、
前記第1層および前記第3層それぞれの残留応力の差の絶対値は150MPa以内である、クラッド板。(1) A clad plate comprising a first layer, a second layer, and a third layer laminated in this order in the thickness direction,
The first layer and the third layer are quench-hardened carbon steel or quench-hardened martensitic stainless steel, and are made of the same material,
The second layer is made of an aluminum alloy,
The proof stress of the aluminum alloy at 400 ° C. is more than 10 MPa,
The yield strength of the aluminum alloy at room temperature after complete annealing is 1/10 or less of the yield strength of the quench-hardened carbon steel or quench-hardened martensitic stainless steel,
The clad plate, wherein an absolute value of a difference in residual stress between each of the first layer and the third layer is within 150 MPa.
(2)前記アルミニウム合金は、JIS H4000:2014に規定される3000系アルミニウム合金または5000系アルミニウム合金である、1項に記載のクラッド板。
(2) The clad plate according to
(3)前記第1層および前記第3層の硬度は、いずれも、JIS Z2244:2009に規定されるビッカース硬度で350Hv以上である、1または2項に記載のクラッド板。 (3) The clad plate according to 1 or 2, wherein the hardness of each of the first layer and the third layer is Vickers hardness of 350 Hv or more as defined in JIS Z2244: 2009.
(4)下記摩擦試験により測定される反り量は1.5mm以下である、1または2項に記載のクラッド板。
摩擦試験:クラッド板を直径100mmのディスクに加工し、ディスクの最外周から半径方向へ10mm離れた位置を、材質:JIS G4805:2008に規定されるSUJ2,および断面積:1cm2の2本のピンにより挟んで100Nの荷重を負荷しながら、ディスクを100rpmで回転させ、ディスクの表面温度が300℃に到達した時点で荷重を1000Nに高めて制動することを10サイクル行った後、ディスクを定盤上に平置きし、ディスクが定盤の表面から離れた量の最大値である反り量を測定する。(4) The clad plate according to 1 or 2, wherein a warpage amount measured by the following friction test is 1.5 mm or less.
Friction test: A clad plate was processed into a disk with a diameter of 100 mm, and a position 10 mm away from the outermost periphery of the disk in the radial direction was made of two materials of SUJ2 defined in JIS G4805: 2008 and a cross-sectional area of 1 cm 2 . Rotate the disk at 100 rpm while applying a load of 100 N with a pin, and when the surface temperature of the disk reaches 300 ° C., increase the load to 1000 N and perform braking for 10 cycles. Place it flat on the board and measure the amount of warpage, which is the maximum value of the amount of the disc separated from the surface of the surface plate.
(5)前記第1層および前記第3層と前記第2層との接合強度は10N/mm以上である、1または2項に記載のクラッド板。 (5) The clad plate according to 1 or 2, wherein a bonding strength between the first layer and the third layer and the second layer is 10 N / mm or more.
(6)第1の焼入れ硬化した炭素鋼板または焼入れ硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼板と、アルミニウム合金板と、前記第1の焼入れ硬化した炭素鋼板または焼入れ硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼板と同一の材料から構成される第2の焼入れ硬化した炭素鋼板または焼入れ硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼板とを、250〜430℃に加熱し、この順に積層して積層体とする積層工程と、
前記積層体を圧下率10%以上で接合圧延して、焼入れ硬化した炭素鋼または焼入れ硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼からなる第1層と、アルミニウム合金からなる第2層と、前記第1層と同一の材料からなる第3層とを有するクラッド帯とする第1圧延工程と、
前記クラッド帯に300〜500℃で3分間以上保持する第1熱処理を行う第1熱処理工程と、
前記第1熱処理を行われたクラッド帯を、10kg/mm2以上の前方張力および後方張力を付与しながら2.0%以上破断伸び値以下の圧下率で圧延する第2圧延工程と、
前記前方張力および前記後方張力を付与されながら圧延されたクラッド帯に300〜500℃で3分間以上保持する第2熱処理を行う第2熱処理工程を含む、クラッド板の製造方法。
ただし、前記前方張力および前記後方張力の値は、前記クラッド帯における前記第1層および第3層の断面積に基づいて求められる。(6) From the same material as the first quench-hardened carbon steel plate or quench-hardened martensitic stainless steel plate, an aluminum alloy plate, and the first quench-hardened carbon steel plate or quench-hardened martensitic stainless steel plate The second quenching-hardened carbon steel plate or the quench-hardening martensitic stainless steel plate is heated to 250 to 430 ° C., and laminated in this order to form a laminate,
The laminate is joined and rolled at a rolling reduction of 10% or more, a first layer made of quench-hardened carbon steel or quench-hardened martensitic stainless steel, a second layer made of an aluminum alloy, and the first layer, A first rolling step as a clad band having a third layer made of the same material;
A first heat treatment step of performing a first heat treatment for holding the clad band at 300 to 500 ° C. for 3 minutes or more;
A second rolling step of rolling the clad band subjected to the first heat treatment at a rolling reduction of 2.0% or more and a breaking elongation value or less while applying a front tension and a rear tension of 10 kg / mm 2 or more;
A method for manufacturing a clad plate, comprising: a second heat treatment step of performing a second heat treatment in which the clad band rolled while being applied with the front tension and the rear tension is held at 300 to 500 ° C. for 3 minutes or more.
However, the values of the front tension and the rear tension are obtained based on the cross-sectional areas of the first layer and the third layer in the cladding band.
(7)前記前方張力は15kg/mm2以上である、6項に記載のクラッド板の製造方法。(7) The method for manufacturing a clad plate according to item 6, wherein the front tension is 15 kg / mm 2 or more.
(8)前記第2熱処理を行われたクラッド帯をレベラにより平坦矯正する平坦矯正工程を含む、6または7項に記載のクラッド板の製造方法。 (8) The method for manufacturing a clad plate according to item 6 or 7, including a flattening step of flattening the clad band subjected to the second heat treatment with a leveler.
本発明に係るクラッド板は、摩擦圧力と摩擦熱による使用中の変形に対して高い抵抗性を有する。本発明に係るクラッド板は、特に過酷な摺動環境下で使用される摺動部材の素材として用いられる場合に、高い面圧によって第2層が圧縮して変形することや、反りが熱サイクルによって生じることを実質的に防止できる。 The clad plate according to the present invention has high resistance to deformation during use due to frictional pressure and frictional heat. When the clad plate according to the present invention is used as a material for a sliding member that is used particularly in a severe sliding environment, the second layer is compressed and deformed by a high surface pressure, and warping is a thermal cycle. Can be substantially prevented.
このため、本発明に係るクラッド板は、特に過酷な摺動環境下で使用される摺動部材の素材として好適に用いられる。 For this reason, the clad plate according to the present invention is suitably used as a material for a sliding member used in a particularly severe sliding environment.
1.本発明に係るクラッド板1
(1)全体構成
図1は、本発明に係るクラッド板1の一例の全体構成を示す説明図である。1.
(1) Overall Configuration FIG. 1 is an explanatory diagram showing an overall configuration of an example of a
図1に示すように、クラッド板1は、第1層(表層)2、第2層(中間層)3および第3層(表層)4を備える。第2層3は、二面のうちの一方の面を介して第1層2と接合される。第2層3は、二面のうちの他方の面を介して第3層4と接合される。
As shown in FIG. 1, the
クラッド板1は、耐摩耗性に優れる高硬度金属からなる第1層2および第3層4を表層として有する。さらに、クラッド板1は、熱伝導性に優れるアルミニウム合金からなる第2層3を中間層として有する。
The
例えば、高硬度金属およびアルミニウムの2層からなるクラッド板、あるいは、第1層2および第3層4に熱膨張率が異なる金属を有する3層からなるクラッド板は、バイメタル効果による熱変形が摺動部材として使用中に発生するため、熱サイクルによる変形を抑制できない。
For example, a clad plate composed of two layers of high hardness metal and aluminum, or a clad plate composed of three layers having metals having different coefficients of thermal expansion in the
このため、本発明に係るクラッド板1は、第1層2、第2層3および第3層4の3層からなるクラッド板である。第1層2および第3層4は、いずれも、焼入れ硬化した炭素鋼もしくは焼入れ硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼であって、同一の材料からなる。さらに、第2層3はアルミニウム合金からなる。
For this reason, the
本発明において、「第1層2および第3層4は同一の材料から構成される」とは、第1層2および第3層4が、ともに、焼入れ硬化した炭素鋼同士、または焼入れ硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼同士であり、金属組織としての相や強度が工業的な製造ばらつきの範囲内で同一であることを意味し、化学組成が完全に同一であることを意味しない。
In the present invention, “the
(2)第1層2,第3層4
第1層2および第3層4は、ともに、焼入れ硬化した炭素鋼もしくは焼入れ硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼(以降の説明では「焼入れ硬化鋼」と総称する)であって、同一の材料からなる。(2)
Both the
焼入れ硬化鋼を、第1層2および第3層4として用いる理由は、
(a)焼入れ硬化鋼が優れた耐摩耗性を発揮できる、350Hv以上のビッカース硬度が容易に得られること、およびThe reason why the hardened steel is used as the
(A) Quenching hardened steel can exhibit excellent wear resistance, Vickers hardness of 350 Hv or more can be easily obtained, and
(b)クラッド板1の使用温度範囲(常温〜400℃、さらには短時間に限って許容される最高到達温度である500℃の範囲)での変形原因である、温度履歴に起因した特性の変化が、使用前に予め300〜500℃で熱処理して時効硬化させることにより、比較的小さく抑制されること
である。(B) The characteristic due to the temperature history, which is the cause of deformation in the operating temperature range of the clad plate 1 (room temperature to 400 ° C., and the range of 500 ° C. which is the highest temperature allowed only for a short time). A change is restrained comparatively small by heat-treating at 300-500 degreeC before use and age-hardening.
第1層2および第3層4それぞれの残留応力の差は、150MPa以内であり、小さな値に抑制される。これにより、クラッド板1は、摺動部材として使用中における反りを実質的に防止できる。この残留応力の差は、望ましくは100MPa以内であり、さらに望ましくは80MPa以内である。
The difference in residual stress between the
クラッド板1の第1層2および第3層4それぞれの残留応力は、第1層2および第3層4それぞれの外表面における圧延方向と平行な方向の応力について測定し、エックス線回折装置を用いた並傾法測定によって得られる2θ−sin2ψ線図の勾配から算出する。第1層2および第3層4それぞれの残留応力の差は、第1層2の外表面における残留応力から第3層4の外表面における残留応力を減算することにより、得られる。The residual stress of each of the
(3)第2層3
第2層3はアルミニウム合金からなる。400℃におけるこのアルミニウム合金の耐力は10MPa超である。さらに、完全焼き鈍し後の常温におけるこのアルミニウム合金の耐力は、焼入れ硬化鋼の耐力の1/10以下である。(3)
The
銅、アルミニウム、銅合金またはアルミニウム合金が第2層(中間層)3に用いる熱伝導性に優れた金属として考えられる。大気中での温間圧延接合が可能なアルミニウム合金が、クラッド板の製造性の観点から、望ましい。 Copper, aluminum, a copper alloy, or an aluminum alloy is considered as a metal having excellent thermal conductivity used for the second layer (intermediate layer) 3. An aluminum alloy capable of warm rolling joining in the air is desirable from the viewpoint of the productivity of the clad plate.
400℃(クラッド板1の継続的な使用温度範囲の上限)において、第2層3の耐力が10MPaを下回ると、特に過酷な摺動環境下において摺動部材の温度が上昇した場合に、第2層3が高い摩擦力と摩擦発熱によって圧縮の塑性変形を生じ、摺動部材が変形するおそれがある。このため、クラッド板1の第2層3は、JIS H4000:2014により規定される純アルミニウム(1000番系)ではなく、アルミニウム合金からなる。
When the proof stress of the
400℃における第2層3の耐力は、望ましくは12MPa以上であり、さらに望ましくは15MPa以上である。
さらに、中間層である第2層3として用いるアルミニウム合金の耐力は、第1層2,第3層4として用いる焼入れ硬化鋼の耐力の1/10以下である。これにより、摺動中の熱履歴によって摺動部材が加熱されて第1層2,第3層4と第2層3との間に熱膨張差が生じても、耐力の小さなアルミニウム合金からなる第2層3が塑性変形して応力を解放し、反りが軽減される。The yield strength of the
Furthermore, the proof stress of the aluminum alloy used as the
アルミニウム合金の耐力は第1層2,第3層4として用いる焼入れ硬化鋼の耐力の1/12.5以下であることが望ましい。
The proof stress of the aluminum alloy is desirably 1 / 12.5 or less of the proof strength of the hardened and hardened steel used as the
特に、使用開始前から第1層2および第3層4それぞれの厚みが異なる場合、または、使用中の摩耗によって第1層2および第3層4それぞれが不均一に減肉したために第1層2および第3層4それぞれの厚みが異なる場合であっても、第2層3のアルミニウム合金の耐力が第1層2,第3層4の焼入れ硬化鋼の耐力に比べて充分に小さいことにより、摺動部材の変形が軽減される。
In particular, when the thicknesses of the
JIS H4000:2014により規定される3000系や5000系の非熱処理型アルミニウム合金を第2層3に用いることが、第2層3に求められる特性を満たすために、望ましい。
In order to satisfy the characteristics required for the
ジュラルミンに代表される2000系,6000系,7000系の熱処理型(析出硬化型)アルミニウム合金の耐力は高い。しかし、熱処理型アルミニウム合金の強度は、クラッド板1の使用温度範囲(常温〜500℃)で大きく変化する。このため、熱処理型アルミニウム合金を第2層3に用いることは、望ましくない。
The proof stress of heat treatment type (precipitation hardening type) aluminum alloys of 2000 series, 6000 series and 7000 series represented by duralumin is high. However, the strength of the heat-treatable aluminum alloy varies greatly within the operating temperature range (room temperature to 500 ° C.) of the
第1層2、第2層3および第3層4それぞれの厚さは、摺動部材に要求する性能を勘案して適宜設定すればよい。第1層2および第3層4それぞれの厚さは、反りを軽減するために、同じであることが望ましい。例えば、第1層2および第3層4それぞれの厚さ:0.2〜1.0mm、第2層の厚さ:0.5〜1.0mmである。
The thickness of each of the
2.クラッド板1の製造方法
(1)全体工程
クラッド板1を製造する方法は、特許文献1により開示された方法と概ね同じである。相違点は、クラッド帯に前方張力を高めて第2圧延を行うこと、および、必要に応じて、最終工程でレベラにより平坦矯正することである。2. Manufacturing method of clad plate 1 (1) Overall process The method of manufacturing the
[積層工程]
第1層2の素材(硬さがビッカース硬度で350Hv以上の焼入れ硬化した炭素鋼板もしくは焼入れ硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼板、以降の説明では「焼入れ硬化鋼板」と総称する)と、第2層3の素材(アルミニウム合金板)と、第3層4の素材(第1層2と同一材料から構成される焼入れ硬化鋼板)とを個別に250〜430℃に加熱し、この順序で積層して積層体とする工程、[Lamination process]
The material of the first layer 2 (hardened carbon steel having a Vickers hardness of 350 Hv or more or quench-hardened martensitic stainless steel plate, hereinafter collectively referred to as “quenching-hardened steel plate”) and the
[第1圧延工程]
積層体を圧下率10%以上で接合圧延(第1圧延)して、焼入れ硬化鋼からなる第1層と、アルミニウム合金からなる第2層と、第1層と同一の材料からなる第3層とを有するクラッド帯とする工程、[First rolling step]
The laminated body is joined and rolled (first rolling) at a rolling reduction of 10% or more, a first layer made of quench-hardened steel, a second layer made of an aluminum alloy, and a third layer made of the same material as the first layer. A clad band having
[第1熱処理工程]
クラッド帯に、300〜500℃で3分間以上保持する第1熱処理を行う工程、
[第2圧延工程]
第1熱処理を行われたクラッド帯に、10kg/mm2以上の前方張力および後方張力を付与して2.0%以上破断伸び値以下の圧下率で第2圧延を行う工程、および[First heat treatment step]
Performing a first heat treatment for holding the clad band at 300 to 500 ° C. for 3 minutes or more;
[Second rolling step]
Applying a first tension and a rear tension of 10 kg / mm 2 or more to the clad band subjected to the first heat treatment and performing a second rolling at a rolling reduction of 2.0% or more and a breaking elongation value or less; and
[第2熱処理工程]
第2圧延を行われたクラッド帯に、300〜500℃で3分間以上保持する第2熱処理を行う工程
を経て、クラッド板1が製造される。必要に応じて、さらに[Second heat treatment step]
The
[平坦矯正工程]
第2熱処理を行われたクラッド帯をレベラにより平坦矯正する工程
を経てもよい。以下、各工程を順次説明する。[Flatening process]
A step of flattening the clad band subjected to the second heat treatment with a leveler may be performed. Hereinafter, each process is demonstrated one by one.
(2)積層工程および第1圧延工程
はじめに、第1層2の素材である焼入れ硬化鋼板と、第2層3の素材であるアルミニウム合金板と、第1層2と同一材料から構成される第3層4の素材である焼入れ硬化鋼板とを、個別に、250℃以上430℃以下に加熱し、この順で積層して積層体とする。そして、この積層体を圧下率10%以上で接合圧延(第1圧延)してクラッド帯とする。(2) Lamination process and first rolling process First, a hardened and hardened steel plate as a material of the
加熱温度が250℃未満である場合、接合界面の化学的な活性が十分に得られない。一方、加熱温度が430℃超である場合、厚い酸化被膜が第1層2,第2層3,第3層4の素材の表面に形成され、接合が阻害される。このため、いずれの場合にも十分な接合強度が得られない。したがって、加熱温度は250〜430℃である。加熱温度は、望ましくは300℃以上であり、望ましくは400℃以下である。
When the heating temperature is less than 250 ° C., the chemical activity of the bonding interface cannot be sufficiently obtained. On the other hand, when the heating temperature is higher than 430 ° C., a thick oxide film is formed on the surface of the material of the
第1圧延は、第1層2の素材、第2層3の素材および第3層4の素材を仮接合状態とし、第1圧延後の第1熱処理により相互拡散を進行させるために、行う。しかし、第1圧延の圧下率が10%未満であると、第1熱処理を行っても相互拡散が接合界面で十分に進行しない
The first rolling is performed so that the material of the
したがって、第1圧延の圧下率は、10%以上であり、望ましくは20%以上である。第1圧延の圧下率の上限は限定しない。第1圧延の圧下率は、圧延機への負荷の増大や、製品形状の確保の困難性の観点から、望ましくは60%以下であり、望ましくは50%以下である。なお、圧下率(%)は、100×{(積層体の板厚)−(クラッド帯の板厚)}/(積層体の板厚)として求められる。 Therefore, the rolling reduction of the first rolling is 10% or more, desirably 20% or more. The upper limit of the rolling reduction of the first rolling is not limited. The rolling reduction of the first rolling is desirably 60% or less, desirably 50% or less, from the viewpoint of increasing the load on the rolling mill and difficulty in securing the product shape. The reduction ratio (%) is obtained as 100 × {(plate thickness of the laminate) − (plate thickness of the clad band)} / (plate thickness of the laminate).
積層工程および第1圧延工程では、第1層2,第2層3および第3層4それぞれの素材を積層した積層体が大気中で温間圧延接合される。これにより、積層体は、焼入れ硬化鋼からなる第1層と、アルミニウム合金からなる第2層と、第1層と同一の材料からなる第3層とを有するクラッド帯とされる。
In the laminating step and the first rolling step, the laminated body in which the materials of the
クラッド板1を構成する第1層2および第3層4それぞれの素材(焼入れ硬化鋼板)は、第2層3の素材(アルミニウム合金板)に比べて特に高強度である。このため、第2層3の素材(アルミニウム合金板)のみが接合圧延の際に展伸する。
The material (quenched hardened steel plate) of each of the
クラッド接合に必要な新生表面が、クラッド板1を構成する第1層2および第3層4それぞれの素材(焼入れ硬化鋼板)には殆ど生成しない。このため、第1圧延を完了したクラッド帯は充分な接合強度を有さない。第1層2の素材、第2層3の素材および第3層4の素材は仮接合状態にある。
A new surface necessary for clad bonding is hardly generated in each material (quenched hardened steel plate) of the
(3)第1熱処理工程および第2圧延工程
300℃以上500℃以下で3分間以上保持する第1熱処理が、第1圧延工程を経て得られたクラッド帯に行われる。さらに、第2圧延が第1熱処理を行われたクラッド帯に行われる。第2圧延は、圧下率:2.0%以上破断伸び値以下,前方張力(圧延機出口側で圧延方向へ向けた張力)および後方張力(圧延機入口側で圧延方向と反対の方向へ向けた張力):10kg/mm2以上の条件で、行われる。ただし、前方張力および後方張力の値は、クラッド帯の第1層および第3層の断面積に基づいて求められる。(3) 1st heat treatment process and 2nd rolling process The 1st heat processing hold | maintained at 300 degreeC or more and 500 degrees C or less for 3 minutes or more is performed to the clad belt obtained through the 1st rolling process. Further, the second rolling is performed on the clad band subjected to the first heat treatment. In the second rolling, the rolling reduction: 2.0% or more and the breaking elongation value or less, the front tension (tension in the rolling direction on the exit side of the rolling mill) and the rear tension (in the direction opposite to the rolling direction on the entrance side of the rolling mill) (Tension): 10 kg / mm 2 or more. However, the values of the front tension and the rear tension are obtained based on the cross-sectional areas of the first layer and the third layer of the clad band.
第1熱処理は、接合界面での相互拡散を進行させるために、行う。高い接合強度が、第1熱処理を行った後に後述の第2圧延および第2熱処理を行うことにより、得られる。 The first heat treatment is performed to advance interdiffusion at the bonding interface. High joint strength can be obtained by performing the second rolling and second heat treatment described later after the first heat treatment.
しかし、第1熱処理の温度が300℃未満の場合には、接合界面での相互拡散が進行しない。一方、第1熱処理の温度が500℃を超える場合には、脆い金属間化合物が接合界面に生成する。このため、いずれの場合にも最終的に十分な接合強度が得られない。第1熱処理の温度は、望ましくは320℃以上であり、望ましくは400℃以下である。 However, when the temperature of the first heat treatment is less than 300 ° C., mutual diffusion does not proceed at the bonding interface. On the other hand, when the temperature of the first heat treatment exceeds 500 ° C., a brittle intermetallic compound is generated at the bonding interface. For this reason, in any case, finally sufficient bonding strength cannot be obtained. The temperature of the first heat treatment is desirably 320 ° C. or higher, desirably 400 ° C. or lower.
また、接合界面の相互拡散は短時間の熱処理でも進行する。3分間以上、望ましくは10分間以上の熱処理時間が、接合界面全体で均質に相互拡散させるために、有効である。したがって、第1熱処理は、300〜500℃で3分間以上保持することにより、行う。なお、第1熱処理の時間は、製造コストの観点から、望ましくは2時間以下である。 Further, the interdiffusion at the bonding interface proceeds even by a short heat treatment. A heat treatment time of 3 minutes or more, preferably 10 minutes or more is effective for interdiffusing uniformly across the bonding interface. Therefore, 1st heat processing is performed by hold | maintaining at 300-500 degreeC for 3 minutes or more. The time for the first heat treatment is desirably 2 hours or less from the viewpoint of manufacturing cost.
上述のように、この第2圧延の前のクラッド帯は、第1熱処理により接合界面での相互拡散が進行した状態にある。このため、第1層2および第3層4それぞれの素材(焼入れ硬化鋼板)と、第2層3の素材(アルミニウム合金板)とは、ある程度の接合強度(例えば3N/mm以上)で接合される。第1層2、第2層3および第3層4それぞれの素材が、この状態のクラッド帯に第2圧延を行うことにより、略同じ圧下率で展伸する。これにより、第1層2および第3層4それぞれの素材の表面における新生表面が効率的に生成する。
As described above, the clad band before the second rolling is in a state in which interdiffusion at the bonding interface has progressed by the first heat treatment. For this reason, the material of each of the
第1層2、第2層3および第3層4それぞれの個別圧下率は、いずれも、総圧下率とほぼ同じである。このため、新生表面が第1層2および第3層4それぞれの素材の表面に総圧下率と同じ比率で生成し、接合が進行する。
The individual reduction ratios of the
しかし、第2圧延の圧下率が2.0%未満であると、第2圧延後に第2熱処理を行っても、クラッド板1の接合強度が10N/mmを下回る。このため、第2圧延の圧下率は、2.0%以上であり、望ましくは3.0%以上である。
However, if the rolling reduction of the second rolling is less than 2.0%, the bonding strength of the
一方、第1熱処理後のクラッド帯の破断伸び値を超える圧下率で第2圧延を行うと、第1層2および第3層4に断続的な割れが発生し、クラッド帯の接合界面が剥離する。このため、第2圧延の圧下率は、第1熱処理後のクラッド帯の破断伸び値以下である。
On the other hand, when the second rolling is performed at a reduction rate exceeding the fracture elongation value of the clad band after the first heat treatment, intermittent cracks occur in the
なお、第2圧延の圧下率(%)は、100×{(第2圧延前のクラッド帯の板厚)−(第2圧延後のクラッド帯の板厚)}/(第2圧延前のクラッド帯の板厚)として求められる。 The rolling reduction (%) of the second rolling is 100 × {(the thickness of the clad band before the second rolling) − (the thickness of the clad band after the second rolling)} / (the clad before the second rolling) It is calculated as the thickness of the strip).
このように、クラッド帯は、第1熱処理を行うことにより、引き続いて行われる第2圧延に耐え得る接合強度を有する。そして、クラッド帯に第2圧延を行うことにより、第1層2および第3層4それぞれの素材(焼入れ硬化鋼板)が展伸する。これにより、新生表面が接合界面に発生する。
Thus, the clad band has a bonding strength that can withstand the second rolling performed subsequently by performing the first heat treatment. And the raw material (hardening hardening steel plate) of each of the
クラッド帯に前方張力を高めて第2圧延を行う理由は、第2圧延によって第1層2および第3層4それぞれの素材に付与される加工歪みを均一化し、これにより、クラッド板1の表面、裏面をなす第1層2、第3層4の残留応力の差の絶対値を小さくするためである。
The reason why the second rolling is performed by increasing the forward tension on the clad band is to uniformize the processing strain applied to the materials of the
圧延ロールの直下でのクラッド帯の変形に要する圧下力が後方張力の増加により減少し、板厚がより小さな圧下力で減少する。これに対し、圧延されたクラッド帯の第1層および第3層それぞれに内在する残留応力の差が前方張力の増加により小さくなり、クラッド板1の第1層2および第3層4それぞれの表層における残留応力の差が150MPa以内と小さくなる。
The reduction force required for deformation of the clad band directly under the rolling roll is reduced by the increase of the rear tension, and the plate thickness is reduced by a smaller reduction force. On the other hand, the difference in residual stress inherent in each of the first layer and the third layer of the rolled clad band is reduced by an increase in the front tension, and the surface layer of each of the
一般的に、金属板の冷間圧延では、圧延負荷を軽減するために後方張力を高める。これに対し、本発明では、前方張力を高めて第2圧延を行うことにより、第1層2および第3層4それぞれに付与される加工歪みを均一化する。
Generally, in cold rolling of a metal plate, the rear tension is increased in order to reduce the rolling load. On the other hand, in this invention, the processing strain provided to each of the
前方張力および後方張力の値は、いずれも、クラッド帯における第1層および第3層の断面積に基づいて求められ、10kg/mm2以上である。前方張力は、望ましくは15kg/mm2以上である。なお、前方張力は、強くし過ぎると板幅方向の縮み変形に起因して幅反りを生じる恐れがあるために、望ましくは35kg/mm2以下である。The values of the front tension and the rear tension are both determined based on the cross-sectional areas of the first layer and the third layer in the clad band and are 10 kg / mm 2 or more. The forward tension is desirably 15 kg / mm 2 or more. The forward tension is desirably 35 kg / mm 2 or less because there is a risk of causing warping due to shrinkage deformation in the plate width direction if it is excessively increased.
(4)第2熱処理工程および平坦矯正工程
クラッド板1は、300〜500℃で3分間以上保持する第2熱処理を行うことにより、製造される。第2熱処理の目的は、クラッド板1として必要な接合強度を確保すること、および、摺動部材としての使用に先立って第1層2、第2層3および第3層4それぞれを予め均質化することにより、第1層2、第2層3および第3層4それぞれの強度を使用中の熱サイクルにより変動させないことである。(4) Second heat treatment step and flatness correction step The
クラッド帯の接合強度は、第2圧延および第2熱処理を行うことにより、急激に増加する。新生表面が、第2圧延を行われたままの第1層2および第3層4それぞれの素材の接合界面に生成する。しかし、相互拡散がこの接合界面に進行していない。このため、第2圧延後のクラッド帯の接合強度は小さい。このクラッド帯に第2熱処理を行うことにより接合界面に相互拡散が進行し、接合強度が増加する。
The joint strength of the clad band increases rapidly by performing the second rolling and the second heat treatment. A new surface is generated at the bonding interface of the respective materials of the
しかし、第2熱処理の温度が300℃未満の場合には、接合界面での相互拡散が進行しない。一方、第2熱処理の温度が500℃を超える場合、脆い金属間化合物が接合界面に生成する。したがって、いずれの場合にも十分な接合強度が得られない。第2熱処理の温度は、望ましくは300℃以上であり、望ましくは400℃以下である。 However, when the temperature of the second heat treatment is less than 300 ° C., mutual diffusion does not proceed at the bonding interface. On the other hand, when the temperature of the second heat treatment exceeds 500 ° C., a brittle intermetallic compound is generated at the bonding interface. Therefore, in any case, sufficient bonding strength cannot be obtained. The temperature of the second heat treatment is desirably 300 ° C. or higher, desirably 400 ° C. or lower.
ここで、3分間以上の熱処理時間が接合界面全体に均質な相互拡散を得るために有効である。したがって、第2熱処理は、300〜500℃で3分間以上、望ましくは10分間以上保持することにより行う。なお、製造コストの観点からは、第2熱処理の時間は2時間以下であることが望ましい。 Here, a heat treatment time of 3 minutes or more is effective for obtaining uniform interdiffusion over the entire bonding interface. Therefore, the second heat treatment is performed by holding at 300 to 500 ° C. for 3 minutes or longer, desirably 10 minutes or longer. From the viewpoint of manufacturing cost, it is desirable that the time for the second heat treatment is 2 hours or less.
また、第2熱処理は、マルテンサイト系ステンレス鋼においては300〜500℃で進行する時効硬化を予め発生させ、また、アルミニウム合金においては300〜500℃で進行する軟化熱処理を予め発生させる。これにより、クラッド板1の実際の使用時における熱サイクルによる特性の変化が防止される。
In addition, the second heat treatment pre-generates age hardening that proceeds at 300 to 500 ° C. in martensitic stainless steel, and pre-softens heat treatment that proceeds at 300 to 500 ° C. in aluminum alloy. Thereby, the change of the characteristic by the heat cycle at the time of actual use of the
第2熱処理を行った後に、必要に応じて、レベラによる平坦矯正を行うことが望ましい。これにより、上記特性の変化により生じる内部応力のバランスの歪みが均質化される。 After performing the second heat treatment, it is desirable to perform leveling with a leveler as necessary. Thereby, the distortion of the balance of the internal stress which arises by the change of the said characteristic is homogenized.
このようにして、耐摩耗性に優れた表層である第1層2および第3層4と、熱伝導性に優れた中間層である第2層3とを有するクラッド板1が製造される。
In this way, the
クラッド板1は、特に過酷な摺動環境下で使用される場合における高い面圧によって、アルミニウム合金からなる第2層3が圧縮して変形すること、および熱サイクルによって反りが発生することを、防止できる。
The
表1に示すように、第1層2,第2層3および第3層4それぞれの素材の構成と製造条件とを種々変更することにより、図1に示すクラッド板1を作成し、得られたクラッド板1の第1層2のビッカース硬度および接合強度と、第1層2および第3層4の残留応力差を測定した。残留応力差は上述した方法により求めた。また、第2圧延の前方張力、後方張力は、各々リールモーターの電力値からの換算により求めた。
As shown in Table 1, the
また、クラッド板1に前記摩擦試験を行って、前記反り量を測定した。この反り量が1.5mmを超えた場合を不良として判定した。
Moreover, the said friction test was done to the
試験の条件および結果を表1にまとめて示す。表1における番号1〜5,12は、本発明の規定を全て満足する本発明例であり、番号6〜11,13〜15は、本発明の規定を満足しない比較例である。
The test conditions and results are summarized in Table 1.
表1に示すように、番号1〜5,12の本発明例は、いずれも、反り量が1.5mm以下の目標値に抑制されている。なお、番号12の本発明例は、レベラによる平坦矯正を行わなかったために、反り量が1.5mmと若干大きくなったものの、合格レベルであった。
As shown in Table 1, in all of the inventive examples of
これに対し、番号6の比較例は、第1層のビッカース硬度が320Hvと本発明の範囲に達しないため、摩擦試験によりディスクの表面(第1層2および第3層4)が摩耗し、7サイクル目で破損した。
On the other hand, in the comparative example of No. 6, since the Vickers hardness of the first layer is 320 Hv and does not reach the range of the present invention, the surface of the disk (the
番号7の比較例は、第1層2および第3層4が異なる材料からなるため、反り量が3.5mmとなった。
In the comparative example of No. 7, since the
番号8の比較例は、第2層3および第3層4の加熱温度が本発明の範囲に達しないために接合強度が低く、摩擦試験の3サイクル目で剥離を生じて破損した。
In the comparative example of No. 8, since the heating temperature of the
番号9の比較例は、第1圧延の圧下率が本発明の範囲に達しないため、未接合であり、以降の実験を中止した。 The comparative example of No. 9 was not joined because the rolling reduction of the first rolling did not reach the range of the present invention, and the subsequent experiment was stopped.
番号10の比較例は、第2圧延における前方張力が本発明の範囲に達しないために第1層2および第3層4に付与される加工歪みが均一にならず、第1層2および第3層4それぞれの残留応力の差の絶対値が本発明の範囲の上限を超え、反り量が1.7mmとなった。
In the comparative example of No. 10, since the forward tension in the second rolling does not reach the range of the present invention, the processing strain applied to the
番号11の比較例は、第2熱処理の温度が本発明の範囲に達しないために第1層2,第2層3および第3層4それぞれの材料特性が均一化されず、反り量が1.9mmとなった。
In the comparative example of No. 11, since the temperature of the second heat treatment does not reach the range of the present invention, the material characteristics of the
番号13,15の比較例は、第2層3として用いるアルミニウム合金の400℃における耐力が本発明の範囲に達しないため、反り量がそれぞれ2.7mm,3.3mmとなった。
In Comparative Examples Nos. 13 and 15, since the proof stress at 400 ° C. of the aluminum alloy used as the
さらに、番号14,15の比較例は、第2層3として用いるアルミニウム合金の常温における耐力が本発明の範囲を上回るため、反り量がそれぞれ2.1mm,3.3mmとなった。
Further, in Comparative Examples Nos. 14 and 15, since the yield strength of the aluminum alloy used as the
1 本発明に係るクラッド板
2 第1層
3 第2層
4 第3層
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記第1層および前記第3層は、焼入れ硬化した炭素鋼または焼入れ硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼であって、同一の材料からなり、
前記第2層はアルミニウム合金からなり、
400℃における前記アルミニウム合金の耐力は10MPa超であり、
完全焼き鈍し後の常温における前記アルミニウム合金の耐力は、前記焼入れ硬化した炭素鋼または焼入れ硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼の耐力の1/10以下であるとともに、
前記第1層および前記第3層それぞれの残留応力の差は150MPa以内である、クラッド板。A clad plate comprising a first layer, a second layer, and a third layer laminated in this order in the thickness direction,
The first layer and the third layer are quench-hardened carbon steel or quench-hardened martensitic stainless steel, and are made of the same material,
The second layer is made of an aluminum alloy,
The proof stress of the aluminum alloy at 400 ° C. is more than 10 MPa,
The yield strength of the aluminum alloy at room temperature after complete annealing is 1/10 or less of the yield strength of the quench-hardened carbon steel or quench-hardened martensitic stainless steel,
The clad plate, wherein the difference in residual stress between the first layer and the third layer is within 150 MPa.
摩擦試験:クラッド板を直径100mmのディスクに加工し、ディスクの最外周から半径方向へ10mm離れた位置を、材質:JIS G4805:2008に規定されるSUJ2,および断面積:1cm2の2本のピンにより挟んで100Nの荷重を負荷しながら、ディスクを100rpmで回転させ、ディスクの表面温度が300℃に到達した時点で荷重を1000Nに高めて制動することを10サイクル行った後、ディスクを定盤上に平置きし、ディスクが定盤の表面から離れた量の最大値である反り量を測定する。The clad plate according to claim 1 or 2, wherein the amount of warpage measured by the following friction test is 1.5 mm or less.
Friction test: A clad plate was processed into a disk with a diameter of 100 mm, and a position 10 mm away from the outermost periphery of the disk in the radial direction was made of two materials of SUJ2 defined in JIS G4805: 2008 and a cross-sectional area of 1 cm 2 . Rotate the disk at 100 rpm while applying a load of 100 N with a pin, and when the surface temperature of the disk reaches 300 ° C., increase the load to 1000 N and perform braking for 10 cycles. Place it flat on the board and measure the amount of warpage, which is the maximum value of the amount of the disc separated from the surface of the surface plate.
前記積層体を圧下率10%以上で接合圧延して、焼入れ硬化した炭素鋼または焼入れ硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼からなる第1層と、アルミニウム合金からなる第2層と、前記第1層と同一の材料からなる第3層とを有するクラッド帯とする第1圧延工程と、
前記クラッド帯に300〜500℃で3分間以上保持する第1熱処理を行う第1熱処理工程と、
前記第1熱処理を行われたクラッド帯を、10kg/mm2以上の前方張力および後方張力を付与しながら2.0%以上破断伸び値以下の圧下率で圧延する第2圧延工程と、
前記前方張力および前記後方張力を付与されながら圧延されたクラッド帯に300〜500℃で3分間以上保持する第2熱処理を行う第2熱処理工程を含む、クラッド板の製造方法。
ただし、前記前方張力および前記後方張力の値は、前記クラッド帯における前記第1層および第3層の断面積に基づいて求められる。The first quench-hardened carbon steel plate or the quench-hardened martensitic stainless steel plate, the aluminum alloy plate, and the same material as the first quench-hardened carbon steel plate or the quench-hardened martensitic stainless steel plate. A second quenching and hardening carbon steel plate or a quench hardening martensitic stainless steel plate is heated to 250 to 430 ° C. and laminated in this order to form a laminate,
The laminate is joined and rolled at a rolling reduction of 10% or more, a first layer made of quench-hardened carbon steel or quench-hardened martensitic stainless steel, a second layer made of an aluminum alloy, and the first layer, A first rolling step as a clad band having a third layer made of the same material;
A first heat treatment step of performing a first heat treatment for holding the clad band at 300 to 500 ° C. for 3 minutes or more;
A second rolling step of rolling the clad band subjected to the first heat treatment at a rolling reduction of 2.0% or more and a breaking elongation value or less while applying a front tension and a rear tension of 10 kg / mm 2 or more;
A method for manufacturing a clad plate, comprising: a second heat treatment step of performing a second heat treatment in which the clad band rolled while being applied with the front tension and the rear tension is held at 300 to 500 ° C. for 3 minutes or more.
However, the values of the front tension and the rear tension are obtained based on the cross-sectional areas of the first layer and the third layer in the cladding band.
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