JPH01122677A - 銅または銅合金を中間媒接材としたチタンクラツド鋼板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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攬
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なと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、生産性が高く板厚が比較的自由にと
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Ｖｃｒ１１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号公報には熱延加熱条件の限
定が、また例えば特開昭５５−４８４６８号公報、特開
昭５７−１０９５８８号公報、特開昭５７−１１２９８
５号公報や特開昭５７−１９２２５６号公報には、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
媒接材として挾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０例えば特開昭５７−１０９５８８号公報では環境
をｌ　’ｌ’ｏｒｒ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号公報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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上示した従来方法の共通の欠点は、界面の酸化の防止
を目的として、合せ面を真空ないし不活性ガスで覆うな
どの処理を行なう必要があるために、コストが高くなら
ざるを得ない点である。

本発明は、コストを低下するために大気中で固相接合を
行ないり２ツド化することを指向した。本発明のポイン
トは、大気中での接合において界面の酸化物を除去しか
つ酸化物を生じさせない技術を完成させた点である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者らは、合せ面に酸化物を生じさせないためには
、その界面から大気を除去することが重要で、そのため
には大気以外の非酸化性物質を充填すれば達成できると
考えた。この考えに基づき、非酸化性物質を種々検討し
た結果、溶融金属などの低融点物質で達成できることを
見出した。すなわち、合せ面は厳密には完全な平滑面で
はないために、例え中間媒接材を挿入したとしてもそれ
が固体であるならば、単に合せただけでは必ず空気が残
留するものである。

ところが液体状の物質を充填させるならば、合せ面に非
接触部分ができたとしても、空気を追出すことが可能と
なるのである。合せ面に挾み込む中間媒接材としては、
種々の合金や化合物が考えられるが、本発明では銅また
は銅合金を利用した。すなわち、合せ面に銅または銅合
金を挾んでおくと約８５０℃で銅とチタンの共晶温度に
達し溶融を開始する。一方、鋼側には銅の一部が粒界に
侵入しはじめ、低温域では脆化することなく強固に接合
することになる。

しかし、合せ面がいつまでも溶融状態であるならば接合
が不可能であるし、温度が低下して溶融した銅とチタン
の合金相が凝固したとしても、それでは目的が達せられ
ない。そこで、本発明では、銅とチタンの溶融層が溶融
している温度域で圧下を行ない、余分な溶融合金と同時
にわずかに残留している空気層を端部からはみ出させる
こととした。

次に、本発明によるチタンクラッド鋼製造過程の挙動に
ついて第１図を用いて説明する。

本発明方法によるチタンクラッド鋼の製造にあたっては
、第１図のようにまず合せ板であるチタンないしチタン
合金ｌと中間媒接材として使用する銅または銅合金２を
母材である鋼３の上にサンドイッチ状に重ね、端部を部
分的に溶接等で固定する。この状態で銅とチタンの合金
の融点より高い温度まで加熱し拡散反応により合金形成
せしめると同時に溶融させる。次いで、合金が凝固する
以前に少なくとも１バスの圧下を加え、余分の合金や空
気等を端部からはみ出させる。これによって、合せ面に
はその面の凹凸を埋めるに足る最小限の銅または銅合金
が残留し、チタンないしチタン合金と鋼が圧接によって
接合することとなる。また、界面に空気が残っていたた
めに、銅または銅合金が生成する前にチタンや鋼の表面
に生じていた薄い酸化物層は、大部分が溶融した銅とチ
タンの合金と同時に押出される。さらに残留した酸化物
は非常にわずかとなるためにさらに圧延を行なうことに
よって合せ材のチタンによって還元され、酸素はチタン
中に拡散固溶することとなる。

次に接合の可能性を検討するために、大気中でチタンと
鋼の１０■ｆの棒を銅板を挾んで重ね１０Ｖ４ｆ／ｌＪ
Ｉ　の荷重で押しつけた。第２図に接合温度と冷却後の
引張による接合面の破断強度の関係を示した。６５０℃
以下では接合せず銅板が単に変形したのみであったが、
７００℃以上で接合した。しかし８５０℃以下では接合
面の破断強度が数Ｋｆｆ／ｌＪ以下で容易に破断した。

８５０℃を超える温度では界面でチタンと銅の合金の溶
融層が生成し、接合面の破断強度も１０Ｋｆｆ／ｍｊ以
上に向上した。また、１０５０℃以上になると合金の溶
融層が厚くなり、チタンと鋼がずれたり接合面で折れ曲
るような形で接合した０ 次に、本発明の限定条件を説明する。

中間媒接材の銅または銅合金は、合わせ材のチタンと拡
散固溶して溶融する必要があるので、銅の含有率が３０
％以上とした。

圧下によって溶融した余分の中間層を端部よりはみ出さ
せるためには、溶融している必要があるので、第２図か
らチタンと銅の合金の溶融している温度域すなわち８５
０℃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、やは
り第２図から上限温度を１０００℃とした。

この圧下は、１バスでも十分に目的を達せられるし、２
バ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バス以上の圧下を加えることと限
定した。

また、圧下率は１０チ未満では中間媒接材のはみ出しが
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、本発明は真空を利用することなくチ
タンクラッド鋼を製造することが可能となった。真空を
必要としないことによって例えば真空ポンプや真空槽な
どの高価な設備が不要となり、真空にする処理がなくな
る上に、大気環境下で作業が行なえるために製造が著し
く簡素化されることになる。

また、本発明によるチタンクラッド鋼は、従来方法の真
空を利用して製造したチタンクラッド鋼と品質的には差
がない。しかし、界面近傍のチタンおよび鋼中にはＣｕ
含有量の高い層が認められ、Ｃｕは母材の鋼および合せ
材のチタンの両方に固溶し拡散したことが推定される。

しかし、界面の接合性をはじめ、クラッド鋼としての品
質の劣化は認められない。

〔実施例〕

合せ材としての３．０ｍ厚のＪＩＳＩ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０．７
　ｍｓ厚の銅板を、母材として１９．２４のＣｒ、Ｑ、
４ｑ６のＣｕ、０．６％のＮｂおよびｏ、ｏｏｓチのＣ
を含有する３０■厚のステンレス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鳩０８系剥離材を介
して１．０　ｍ厚の母材とはとんと同じ成分組成の鋼板
で覆い、母材側面の約半分を溶接して固定した。これら
の素材の表面粗さ（Ｈｍｔ〆）は５μｍ以下とし機械仕
上げしてから組み立てた。その後、９８０℃に加熱して
８７０〜９５０℃で１４％および１８チの圧下を１バス
行ない、次いで８５０℃から７３０℃の間で全板厚が４
簡になるまで熱間圧延した。

この結果、１バス目で溶接固定していない部分から溶融
した銅とチタンの合金がはみ出した。

しかし、剥離することなく圧延が完了した。製造したチ
クダンクラッド鋼は、界面の接合性をはじめ、チタンク
ラッド鋼としての品質および合せ材の耐食性母材の機械
的特性にはなんら問題がなかった。

比較として、銅を使用せずに単にステンレス鋼の上にチ
タンを乗せ上記と同様に鋼片を組立圧延を行なったとこ
ろ、１バス目で溶接固定していない部分が剥離し、３バ
ス目で完全に剥がれクラッド鋼の製造ができなかった。

一部接合していた部分も、冷却後曲げ曲げ戻し加工を行
なったところ簡単に剥離し、接合性は不良であった。

さらに、合せ材としての４．０　ｍ厚のＪＩＳ１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１．０璽厚の銅板を母材として０、　ＯＯ２％の
Ｃを含有する５０■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ｋＯｘ系剥離材を介して
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Ｚ　Ｏｍ厚の母材と同じ成分組成の鋼板を当て
端面および側面のそれぞれ約半分を溶接して固定した。

これらの素材の表面粗さ（Ｈｈｘｄｒ）は５μｍ以下と
し機械仕上げしてから組み立てた。その後、９２０℃に
加熱して８８０〜９２０℃で１３チの圧下を１バス行な
った。この際、端面および側面の溶接固定していない部
分から溶融した銅とチタンの合金がはみ出した。その後
冷却し、Ｕ、Ｏｓ系剥離材の部分で上下に剥離し、それ
ぞれを８５０℃から７３０℃の間で全板厚が３ｆｉにな
るまで熱間圧延した。製造したチタンクラッド鋼は、界
面の接合性をはじめ、チタンクラッド鋼としての品質お
よび合せ材の耐食性母材の機械的特性にはなんら問題が
なかった。

〔発明の効果〕

本発明により、真空を物理的に作り出すことなくチタン
クラッド鋼を製造することが可能となった。この結果、
チタンクラッド鋼の製造が技術的に容易になり、しかも
コスト的には安価になるので、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
太きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法によるチタンクラッド鋼製造のた
めの圧延前素材の組み立てを説明した図、第２図は、接
合温度と冷却後の引張による接合面の破断強度の関係を
示した図である。 １・・・合せ材のチタンないしチタン合金２・・・中間
媒接材の銅又は銅合金 ３・・・母材である炭素鋼又はステンレス鋼。 新　部　興　治１・−で「 １：合わ材のチタンないしチタン合金 ２＝中間媒接材の銅又は銅合金

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 母材が鋼、合せ材がチタンないしチタン合金であるクラ
   ッド鋼板の製造において、母材と合せ材の間に銅または
   銅を３０％以上含有する銅合金を中間媒接材として挾み
   、８５０℃超１０００℃以下の温度で、１０％以上の圧
   下率で少なくとも１バス圧延し、溶融したチタンと銅の
   合金層をはみ出させて接合することを特徴とするチタン
   クラッド鋼板の製造方法。