JPH0569638B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、チタンクラツ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
とはかなり異なつ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ツド鋼が使用されて
いる。クラツド鋼は、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ツド鋼を技術
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〕 いわゆるクラツ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。

チタンクラツド鋼の場合、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。従つて、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、
特開昭57−1095888号、特開昭57−112985号や特
開昭57−192256号の公報には、クラツド界面に純
鉄やニツケル、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
公報では環境を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、コストの低化を
はかることができず、安価であるというクラツド
鋼の特徴を行かすことが必ずしも容易ではない状
況にある。従つて、通常チタンクラツド鋼板は厚
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ツド鋼板の場合、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、チタンクラツド鋼板の場合はFe／
Ti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号公報ではフラツクスで
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。

これに対して、本発明者はすでに出願した特願
昭62−277826号でTiと鋼の界面に溶融したTi／
Cu金属間化合物を生成せしめ、圧下によつてそ
の溶融金属間化合物とともに酸化物等を絞り出す
ことによつて、Tiと鋼を接合する方法を発明し
た。Tiと鋼の間にCuを挟むことによるこの発明
により、大気中でチタンクラツド鋼板を安価に製
造することが可能となつた。しかし、Tiと鋼の
間にCuを挟む方法は、この発明によりTiとCuの
接合は確実であるものの、素材に厚板や鋼片を用
いる母材すなわち鋼と残留したCuの接合は、不
良部分を生ずることがあり歩留りの低下の原因と
なつていた。このため、Cuの厚さを加熱温度時
間との関係で厳密に制御し、Cuが全て金属間化
合物に反応し残留しないよう限定する必要があつ
た。

クラツド鋼の製造において中間材としてCuを
利用する方法は、すでに多くの提案があるが、そ
の中に母材や合せ材にメツキする方法が開示され
ている（特開昭52−13460号公報）。しかし、メツ
キしたCuはTiとの金属間化合物を作るのでその
点からメツキ厚さは薄いことが望ましい。これに
対して上述の特願昭62−277826号で用いるCu層
は、むしろTiと反応して金属間化合物を作りか
つ絞り出すことを前提としているために、むしろ
厚い方が望ましい。従来の開示された方法のほと
んどが、真空中で接合することを前提としている
ために、生成した金属間化合物を絞り出すという
考え方はなく従つて中間層は必要最小限にとどめ
るものである。これに対して、本発明は従来の考
え方より中間層を厚くし生成した金属間化合物と
ともに接合にとつて不都合な空気や酸化物を絞り
出そうとするものであるため、メツキ層にしても
従来の考え方とは逆に厚いメツキを指向するもの
である。このように本発明は同じメツキを実施し
ても、従来の開示された技術とは技術的な考え方
及び発明の構成が異なるものである。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、Tiと鋼の界面に溶融したTi／Cu金
属間化合物を生成せしめ、圧下によつてその溶融
金属間化合物とともに酸化物等を絞り出すことに
よつて、大気中で製造するチタンクラツド鋼板の
製造において、金属Cu層が残留しても接合性が
低下することなく容易にチタンクラツド鋼板の製
造を可能ならしめるべく、鋼とCuの接合部不良
を解消する方法を開示するものである。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは、鋼とCuの接合部不良を解消す
るための方法として、TiとCuの反応を進行させ
金属Cu相を消滅させるのではなく残留したCuと
Tiの接合性を向上する方向で検討した。その結
果、母材にCuをメツキないし溶射によつて被覆
しその上に合せ板であるTiを積層し圧延する方
法を見出した。

すなわち本発明の要旨とするところは次の通り
である。

(1) 母材が鋼、合せ材がチタンないしチタン合金
であるクラツド鋼板の製造において、母材であ
る鋼の表面に銅または銅を30％以上含有する銅
合金を下地メツキをすることなく直接少なくと
も10μｍ以上の厚さでメツキし、しかる後メツ
キした面の上に合せ材であるチタンないしチタ
ン合金を重ね、850℃超1000℃以下の温度で、
10％以上の圧下率で少なくとも１パス圧延し、
溶融したチタンと銅の金属間化合物層を絞り出
して接合することを特徴とするチタンクラツド
鋼板の製造方法。

(2) 母材が鋼、合せ材がチタンないしチタン合金
であるクラツド鋼板の製造において、母材であ
る鋼の表面に銅または銅合金を30％以上が含有
する銅合金を直接少なくとも10μｍ以上の溶射
し、しかる後溶射した面の上に合せ材であるチ
タンないしチタン合金を重ね、850℃超1000℃
以下の温度で、10％以上の圧下率で少なくとも
１パス圧延し、溶融したチタンと銅の金属間化
合物層を絞り出して接合することを特徴とする
チタンクラツド鋼板の製造方法。

(3) 上述の(1)ないし(2)項で製造したチタンクラツ
ド鋼板を、必要に応じて脱スケールし、次いで
冷間圧延することを特徴とするチタンクラツド
鋼板の製造方法。

(4) 上述の(3)項で製造したチタンクラツド鋼板
を、焼鈍し必要に応じて脱スケールし、次いで
必要に応じて５％以下の調質圧延を行なうこと
を特徴とするチタンクラツド鋼板の製造方法。

(5) 上述の(4)項で実施する焼鈍が大気中ないし不
活性ガス中であることを特徴とするチタンクラ
ツド鋼板の製造方法。

めつきや溶射は、すでに表面に金属層を被覆す
る処理方法としては完成された公知技術である
が、Tiと鋼の界面に溶融したTi／Cu金属間化合
物を生成せしめ、圧下によつてその溶融金属間化
合物とともに酸化物等を絞り出すことによつて、
大気中で製造するチタンクラツド鋼板の製造技術
に適用することは従来考えられなかつた技術であ
る。

本発明で述べるメツキ又は溶射は、従来完成さ
れていた技術とはその内容において異なるもので
ある。一般に、メツキや溶射は被覆のままで使用
するので、メツキや溶射処理だけで確実に接合し
ていることが必須であつたり、表面状態を厳密に
制御管理する必要があつた。このために、事前に
下地処理を施したり、処理条件を厳密に制御する
ことで完成した技術である。これに対して、本発
明方法におけるメツキ又は溶射では、界面で接合
する必要は全くないのである。

本発明において、接合していなくともあるいは
表面に酸化物が付着したとしても全く問題がない
のは、その後のTi／Cu金属間化合物生成処理で
Cu層が消滅するか、例えCu層が残留しても金属
間化合物を絞り出す圧下工程によつて、Cuと鋼
はメツキ又は溶射による接合よりはるかに強固に
接合されるためである。むしろ、下地処理は全く
不要であるのではなく有害であるので、本発明に
おいては除外した。すなわち、下地処理を行なう
ことによつてTiとの間でTi／Cu金属間化合物と
は異なる金属間化合物が生じ、界面の接合性を劣
化させる危険性がある。

本発明で製造したクラツド鋼板は、必要に応じ
て酸洗冷延調質圧延焼鈍を行ない、いわゆる冷延
仕上のクラツド鋼板とすることが可能である。冷
延後の焼鈍は純チタン板の焼鈍に準じて実施する
こともできるが、純チタンとは異なり大気中や不
活性ガス中で実施することも可能である。

次に本発明の限定条件を示す。

メツキや溶射によるCu層の厚さは、10μｍ未満
ではTiと反応して生成するTi／Cu金属間化合物
の量が少なく界面の酸化物や空気などを同時に絞
り出すためには不足するために、下限とした。

下地処理を行なうことによつてTiとの間で
Ti／Cu金属間化合物とは異なる金属間化合物が
生じ、界面の接合性を劣化させる危険性がある。
下地メツキや下地溶射をしないことに限定した。

積層後の加熱温度は、850℃以下ではTi／Cu金
属間化合物が生成せず、1000℃を超えるとTiの
拡散による金属間化合物生成速度が大きくなり不
溶性金属間化合物が生成するとともに金属間化合
物層の厚さが厚くなるために、850℃超1000℃以
下の温度とした。

また、Ti／Cu金属間化合物とともに界面の酸
化物や空気などを同時に絞り出すために、10％以
上の圧下率で少なくとも１パス圧延することを限
定した。この際圧下率が10％未満では絞り出しが
不十分であるので下限とした。

必要に応じて実施する冷延焼鈍後の調質圧延
は、５％を超えると加工硬化が進行し冷延鋼板と
して必要な延性が確保できなくなるために上限と
した。

なお、本発明においてメツキ又は溶射するCu
は、純銅でも銅合金でも全く同様に取扱うことが
できるため、特別に限定しない。

（作用） 以上示したとおり、Tiと鋼の界面に溶融した
Ti／Cu金属間化合物を生成せしめ、圧下によつ
てその溶融金属間化合物とともに酸化物等を絞り
出すことによつて、大気中で製造するチタンクラ
ツド鋼板の製造において、Cuと鋼の間の接合性
が向上した。この結果、界面に金属Cu層が残留
しても接合性を阻害することがなくなつた。

これは、メツキ又は溶射によつて例え接合が不
完全であつたとしてもその後の加熱時にCuと鋼
の間が酸化したり多量に空気が入り込むことがな
くなつたためである。溶融Ti／Cu金属間化合物
の絞り出しによつて、TiとCuの界面は酸化物や
残留空気が絞り出されるが、仮に金属Cuが残留
した場合Cuと鋼との間の酸化物や残留空気は押
出されることがない。これが従来方法では歩留り
の低下となつていたのである。本発明方法によつ
て、Cuと鋼の接合性が確実性を増したために素
材のCuの厚さにかかわらず特に端部で接合不良
がなくなり、歩留りが向上した。

また、本発明によるチタンクラツド鋼は、Cu
層の残留があつても従来方法の真空を利用して製
造したチタンクラツド鋼と界面の接合性をはじ
め、クラツド鋼板としての品質の劣化は認められ
なかつた。

なお、第１図、第２図に本発明方法によるチタ
ンクラツド鋼製造のための圧延前素材の組み立て
実施態様を示すが、第１図はサンドイツチタイ
プ、第２図はセミサンドイツチタイプのそれぞれ
の組み立て断面概念図である。図中、１は母材で
ある炭素鋼、ステンレス鋼等の鋼、２は合せ材で
あるチタンまたはチタン合金、３は中間媒接材で
１の母材表面に銅または銅を30％以上含有する銅
合金をメツキしたメツキ層あるいは溶射した容射
層、４は当て板、５は分離剤、６は捨て材、７は
溶接箇所、８は金属間化合物の溜り場である。

（実施例） 合せ材としての4.0mm厚のJIS−１種の純チタン
板を、母材として片面に約60μｍのCuメツキを行
なつた0.112％のＣを含有する50mm厚の炭素鋼の
鋼片をTi面とメツキしたCu面が相対するように
サンドイツチ状に重ね、さらにチタンの上から
ZrO₂系分離剤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の当て板を当て端面およ
び側面のそれぞれ約半分を溶接して固定した。そ
の後、920℃に加熱して880〜900℃で22％の圧下
を１パス行なつた。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
金属間化合物が溜り場へ絞り出された。その後冷
却し、ZrO₂系分離剤の部分で上下に分離し、そ
れぞれ850℃から730℃の間に再加熱し全板厚が３
mmになるまで連続式熱間圧延機にて熱間圧延し
た。製造したチタンクラツド熱延鋼板は、界面の
接合性をはじめ、チタンクラツド鋼としての品質
および合せ材の耐食性母材の機械的特性にはなん
ら問題がなかつた。次いで、脱スケールを行な
い、１mm厚まで冷間圧延を実施し、大気中で700
℃−１mmの焼鈍、酸洗による脱スケール、0.5％
の調質圧延を行なつた。製造したチタンクラツド
冷延鋼板は、界面の接合性をはじめ、チタンクラ
ツ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つた。

また、ZrO₂系分離剤の部分で上下に分離した
材料を800〜830℃に再加熱し、リバース式の熱間
圧延機にて10mmまで圧延した。製造したチタンク
ラツド鋼厚板は、界面の接合性をはじめ、チタン
クラツド鋼厚板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つた。

次に、合せ材としての3.0mm厚のJIS−２種の純
チタン板を、母材として片面に約0.2mm厚さでCu
溶射を行なつた19.3％のCr、0.4％のCu、0.6％の
Nbおよび0.008％のＣを含有す30mm厚のスチンレ
ス鋼の鋼片をTi面と溶射したCu面が相対するよ
うにサンドイツチ状に重ね、さらにチタンの上か
らZrO₂系分離剤を介して1.0mm厚の母材とほとん
ど同じ成分組成の鋼板の捨て材で覆い、母材側面
の約半分を溶接して固定した。その後、920℃に
加熱して880〜900℃で16％の圧下を１パス行な
い、続けて850℃から730℃の間で全板厚が４mmに
なるまで熱間圧延した。この結果、１パス目で溶
接固定していない部分から溶融した銅とチタンの
金属間化合物が溜り場へ絞り出された。しかし、
剥離することなく圧延が完了した。製造したチタ
ンクラツド鋼は、界面の接合性をはじめ、チタン
クラツ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つた。

比較例として、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
延を行なつたところ、１パス目で溶接固定してい
ない部分が剥離し、３パス目で完全に剥がれ分離
しクラツド鋼の製造ができなかつた。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つ
たところ簡単に剥離し、接合性は不良であつた。

（発明の効果） 本発明により、チタンクラツド鋼の製造のため
に真空装置が不要となつた。この結果、チタンク
ラツド鋼板の大量製造が技術的に容易になり、そ
の結果コストは安価になるので、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
経済的な利益は大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明方法によるチタンクラ
ツド鋼製造のための圧延前素材の組み立て実施態
様を示す図で、第１図はサンドイツチタイプ、第
２図はセミサンドイツチタイプの組立て断面概念
図である。 １……母材である炭素鋼、ステンレス鋼等の
鋼、２……合せ材であるチタンまたはチタン合
金、３……中間媒接材である銅または銅合金、４
……当て板、５……分離剤、６……捨て材、７…
…溶接箇所、８……金属間化合物の溜り場。

Claims (1)

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
   であるクラツド鋼板の製造において、母材である
   鋼の表面に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下地メツキをすることなく直
   接少なくとも10μｍ以上の厚さでメツキし、しか
   る後メツキした面の上に合せ材であるチタンない
   しチタン合金を重ね、850℃超1000℃以下の温度
   で、10％以上の圧下率で少なくとも１パス圧延
   し、溶融したチタンと銅の金属間化合物層を絞り
   出して接合することを特徴とする銅または銅合金
   を中間媒接材としたチタンクラツド鋼板の製造方
   法。 ２ 母材である鋼の表面に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直接少なくと
   も10μｍ以上の厚さで容射する請求項１記載の銅
   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。 ３ 請求項１又は２記載の製造方法で製造したチ
   タンクラツド鋼板を脱スケールし、次いで冷間圧
   延することを特徴とする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。 ４ 請求項３記載の製造方法で製造したチタンク
   ラツド鋼板を焼鈍し脱スケールし、次いで５％以
   下の調質圧延を行うことを特徴とする銅または銅
   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。 ５ 焼鈍が大気中又は不活性ガス中である請求項
   ４記載の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。