JP2005305545A - 接合用部材およびそれを用いた器物 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 接合用部材は、チタン層10と、チタン層10の一方の表面上に形成された接合層としての銅層8とを備える。銅層8に含まれる銅の平均結晶粒径が0.5μm以下である。チタン層10の他方の表面には、チタンの不導体膜が形成されてもよい。またこの他方の表面に発色アルマイト層が形成されてもよい。また、この他方の表面にフッ素樹脂層が形成されてもよい。
【選択図】 図1
Description
図1は、サンプル1から8の器物の構成を示す表である。図1では、調理用器物の例を示す。図1中のサンプル1から8について以下に説明する。なお、図1中の各組成下に示す数字は、各層の厚みを示す。例えば、サンプル1において、「Ti2mm」とは、厚みが2mmのTi層が形成されていることを示す。
サンプル1は、本発明になる接合用部材の1例と、別の接合用部材を組み合わせてなる複合材を用いた器物の例である。この器物は、主として、チタン層/アルミニウム層/フッ素樹脂層(PTFE)により構成される。なお、接合用皮膜構成は省略している。サンプル1のように構成することで、フライパン、鍋や釜として使用した場合には、熱伝導性に優れ、軽く、高強度であり、傷がつきにくく、直火加熱などの高温にも耐え、腐食することがない。内面には、フッ素樹脂(PTFE)がコーティングされており、調理物がこびり付くことはない。しかし、フッ素樹脂は柔らかいため金属製束子などを使用することはできない。
サンプル2は、本発明になる接合用部材の2つの例を用い、間に両面接合部材を用いた複合材として器物を作製している。この器物は、主としてチタン層/アルミニウム層/チタン層により構成される。より詳細には、器物の外側から内側へ向かってチタン層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層、亜鉛層、アルミニウム層、亜鉛層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層、チタン層の順に配置される。サンプル2で示される器物を鍋や釜として使用した場合には、熱伝導性に優れ、軽く、高強度であり、傷がつきにくく、直火加熱などの高温にも耐え、腐食することがない。フッ素樹脂ほどの非粘着性はないが、表面が硬質であり、傷が付きにくいことから、調理物の付着は少なく、さらに金属束子などで調理物を残存なく除去することが可能である。
サンプル3は、本発明になる接合用部材の2種類の形態を両側に用い、間に両面接合部材を配した複合材を器物にした例である。この器物は、主としてチタン層/アルミニウム層/酸化処理したチタン層により構成される。具体的には、器物の外側から内側へ向かって、チタン層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層、亜鉛層、アルミニウム層、亜鉛層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層、チタン層および酸化チタン層が配置される。サンプル3では、非粘着性は有さないが、酸化チタンが超親水性を示し、酸化チタン表面に水が浸透しやすいため汚れが落ちやすい。また、炊飯釜として使用した場合は、釜内面全面により沸騰が起こり、細かな対流が発生するためにおいしいご飯が炊飯できる。
サンプル4は、本発明になる接合用部材の2種類の形態を両側に用い、間に両面接合部材を配した複合材を器物にした例である。この器物は、主としてチタン層/アルミニウム層/酸化処理したチタン層/フッ化黒鉛層(CF)により構成される。具体的には、器物の外側から内側に向かって、チタン層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層、亜鉛層、アルミニウム層、亜鉛層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層、チタン層、酸化チタン層、フッ化黒鉛層が配置される。酸化チタンはフッ化黒鉛などのセラミックスと大きな密着性を持ち、従来の非粘着性表面として使用されてきたフッ素樹脂と異なり、フッ化黒鉛は高強度であるため、金属製の箆や束子を使用することが可能である。
サンプル5は、本発明になる接合用部材を片側に用い、間に両面接合部材を配し、器物内側には別の接合用部材を用いて作製された器物の例である。この器物の例は、主として、チタン層/ステンレス層(SUS430)/アルミニウム層/フッ素樹脂層(PTFE)により構成される。具体的には、器物の外側から内側に向かって、チタン層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層、ステンレス層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層、亜鉛層、アルミニウム層およびフッ素樹脂層が配置される。IH加熱用のステンレスの外面にチタンを被覆しても、非磁性であるため磁力線が通過し、問題なくステンレス層で発熱する。なお、チタンは非常に薄いため磁気遮蔽として機能しない。外面は保温性のよいチタンであるため、外部への熱の逃げが少なく、熱伝導のよい内面アルミニウム層へ熱が効率よく伝わり、省エネルギ効果も大きい。また、チタンが最表面にあることで、大きな耐食性を有することと、チタンカラーと称される独特な色調で差別化も期待できる。また、着色アルマイト処理を施せば、耐候性に優れる7色の着色が可能となる。すなわち、この実施の形態では、チタン層表面に着色アルマイト処理を施すことが可能である。
サンプル6は、本発明になる接合用部材の一例を2枚用い、両方の銅を向かい合わせに接合してなる複合材を用いた器物である。この器物は、主としてチタン層/銅層/チタン層により構成される。具体的には、器物の外側から内側に向かって、チタン層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層およびチタン層が配置される。接合用銅鍍金を厚膜化してもよく、また銅箔を用いて銅層を構成してもよい。機能的には、サンプル6はサンプル2と同等であるが、アルミニウムより熱伝導性に優れる銅を薄い中間層として使用することで全体的な軽量化を図ることができる。
サンプル7は、本発明の接合用部材の一例を片側に用い、別の接合用部材と複合化してなる器物の例である。この器物は、主としてチタン層/銅層/ステンレス層(SUS430)により構成される。接合用の銅鍍金(銅層)を厚膜化してもよく、銅箔と接合してもよい。基本性能はサンプル6と同等であるが、ステンレス層を構成するSUS430はIH用であり、IH調理器への適用が可能である。熱伝導性の大きな銅を中間層とすることで調理むらを生じない。
サンプル8は、本発明の接合用部材に用いる基材として、チタンの圧延クラッド鋼板(SUS430)を用いた例である。すなわち、チタン層とステンレス層とが直接圧延により接合された基材を用いる。チタンと鋼板の圧延クラッドは、双方とも高融点であり容易に得ることができる。このクラッド板を基材とした接合用部材とアルミ二ウムを基材とした接合用部材を用いた複合材とすることで、接合用銅鍍金を減らしたものでもサンプル5と同等の性能が望める器物を得ることができる。
本明細書でいう拡散接合とは、固相拡散接合と呼ばれるもので、母材を溶融させずに固相状態のまま接合する手法を指す。固相状態で接合を行なうには、接合界面近傍で塑性変形もしくはクリープ変形を起こして両面を密着させ、拡散による原子の移動を利用する。変形と拡散は母材の強度や拡散係数などに依存し、温度や加圧によって大きく変化する。加熱して金属は軟化し、変形しやすくなると同時に原子拡散も活発になる。すなわち、拡散接合を支配する因子は、拡散速度であり、相互拡散速度の大きい界面を有する金属層を形成する技術である。一般的には、拡散速度は温度が支配的因子となり、銅同士の拡散接合では、温度800℃程度の温度が使用される。銅中への銅の拡散速度を図5で示す。
ニッケル層の外表面には、銅が被覆される。
SUS430基材[材質:Fe−18%Cr、厚み:0.5mm]をNaOH水溶液中で陽極電解脱脂を施し、表面に存在する有機不純物と不働態クロム酸化層を溶解した。その後、塩酸で洗浄し、水洗を経て、ニッケルストライク鍍金浴(第2の鍍金液)で厚みが0.2μmのニッケル鍍金膜(ニッケル層)を形成した。
チタン層[材質:純度99.9%Ti、厚み:0.05mm]をNaOH水溶液中で陽極電解脱脂を施し、表面に存在する有機不純物を溶解した。その後、EDTA(エチレンジアミン四酢酸)70g/dm3と過酸化水素水(35%)を60cm3/dm3の溶液中に室温で含浸処理を施し表面の不働態皮膜を除去した。さらに、塩酸で洗浄し、水洗を経て、ニッケルストライク鍍金浴(第2の鍍金液)で厚みが0.2μmのニッケル鍍金を施した。水洗、希塩酸での洗浄の後、第1の鍍金液で銅鍍金を8μm施した。銅鍍金の結晶粒径制御は、ステンレス層への銅鍍金と同様である。後処理として、銅表面は酸化しやすいため酸化防止処理として、ベンゾトリアゾールを主成分とする水溶液を塗布もしくは含浸し、温風にて乾かした。図7は、ニッケル層形成の前処理工程を示す図である。図7を参照して、前処理として基材に有機酸処理を施した後に、ニッケルめっきによりニッケル層を形成する。
拡散接合すべき、基材の銅層同士を対向させ、真空チャンバ中に配置し大気を排気する。真空状態のまま、9.8×102N/cm2程度の圧力を加え、温度280℃まで昇温し拡散接合を実施する。この状態を30分間保持した後、室温まで冷却し大気圧に戻す。なお、この際、高温での保持時間にも関係するが、温度300℃で20分間の保持では特に問題はないが、同温度で30分保持すれば異種金属の拡散速度差に起因するカーケンダルボイドが銅鍍金下地の界面で発生し、複合材の接合力が大きく低下する。望ましい拡散接合条件は温度280℃で30分であるが、温度300℃を超えると好ましくなく、さらに時間が30分を超えることも好ましくない。
(1) 超親水化処理:本処理は高温を伴うため、拡散接合する前の基材単体で実施する。チタン板もしくはチタンクラッド鋼板を10-7mmHg(1.3×10-5Pa)の高真空中でアルゴンイオン衝突法により表面をクリーニングする。その後、分圧が1×10-4mmHg(1.3×10-2Pa)程度となるように酸素ガスを制御して導入する。基材を加温することで成長速度は幾分増加する。この処理により、チタン表面には、酸化チタンよりなる、水との接触角がゼロ度に近い超親水膜が得られる。酸化チタン自身でも十分な耐久性は存在するが、さらに高強度化し耐久性を強化するためには、真空処理時に塩化ケイ素もしくは、メチルオルトシリケートにより発生したシリコン蒸気を導入し、酸化チタン+酸化ケイ素複合膜とすることも可能である。
Claims (15)
- 金属最外層にチタン層を有する基材と、前記基材の一方の表面上にニッケル層を介して形成された銅の接合層とを備え、前記接合層に含まれる銅の平均結晶粒径が0.5μm以下である、接合用部材。
- 前記チタン層とニッケル層の間にステンレス層を有する、請求項1に記載の接合用部材。
- 前記接合層は電気鍍金により形成され、該電気鍍金の際に電解浴にメルカプトプロパンスルホン酸、ポリオールおよび染料の少なくとも一種を添加することで前記接合層中の銅の粒径が制御されている請求項1または2に記載の接合用部材。
- 前記基材において、接合層と反対側の表面にチタンの不働態膜、発色アルマイト層、炭化フッ素から選択される少なくとも1つの層がさらに形成されている、請求項1または2に記載の接合用部材。
- 前記ニッケル層は、前記チタン層またはステンレス層の表面を有機酸で処理した後に、その表面に形成される、請求項1または2に記載の接合用部材。
- 前記ステンレス層は、前記チタン層に直接接触する磁性ステンレス層である、請求項2に記載の接合用部材。
- 前記銅の接合層に含まれる硫黄の濃度が質量比で100ppm以下であり、表面の硬度が400Hv以下である、請求項1または2に記載の接合用部材。
- 最外層より、チタン層、ニッケル層、銅層で形成されてなる接合用部材と、銅層、ニッケル層、亜鉛層、アルミニウム層、フッ素樹脂層の順に積層されてなる接合用部材とを、銅層を向かい合わせに接合することにより形成されてなる複合材を加工してなる器物。
- 最外層より、チタン層、ニッケル層、銅層で形成されてなる接合用部材2個と、銅層、ニッケル層、亜鉛層、アルミニウム層、亜鉛層、ニッケル層、銅層の順に積層されてなる両面接合用部材とを、銅層を向かい合わせにして接合することにより形成されてなる複合材を加工してなる器物。
- 最外層より、チタン層、ニッケル層、銅層で形成されてなる接合用部材と、銅層、ニッケル層、亜鉛層、アルミニウム層、亜鉛層、ニッケル層、銅層の順に積層されてなる両面接合用部材と、銅層、ニッケル層、チタン層、チタン不働態層の順に積層されている接合用部材とを、銅層を向かい合わせにして接合することにより形成されてなる複合材を加工してなる器物。
- 最外層より、チタン層、ニッケル層、銅層で形成されてなる接合用部材と、銅層、ニッケル層、亜鉛層、アルミニウム層、亜鉛層、ニッケル層、銅層の順に積層されてなる両面接合用部材と、銅層、ニッケル層、チタン層、チタン不働態層、炭化フッ素層の順に積層されている接合用部材とを、銅層を向かい合わせにして接合することにより形成されてなる複合材を加工してなる器物。
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