説明

クラッド材

【課題】耐食性をより向上させると共に、さらに軽量化を図ることが可能な、自動車部品に好適に用いられるクラッド材を提供する。
【解決手段】ステンレス鋼板2と、ステンレス鋼板2の上層として設けられたTi層3と、Ti層3に接するように設けられたTi−Al系金属間化合物層4と、を備えることを特徴とするクラッド材。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はクラッド材に関し、特に自動車部品に好適に用いられるクラッド材に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、耐食性を必要とする基材を被覆して複合材を作成する方法として、めっき法や溶射法、クラッド法が知られている。めっき法は、被覆層の層厚を厚くできないという欠点がある。溶射法は、膜の密着性に難がある場合がある。この点で、金属基板の表面に異種金属を圧着するクラッド法で作成されたクラッド材には、そのような問題がなく、腐食しやすい環境下で多く使用されている。
【0003】
腐食しやすい環境下では、ステンレス鋼板にバリア層となるNiをクラッドすることで耐食性を高めたクラッド材が提案されている。例えば、特許文献1では、クラッド材にも適用できるとして、ステンレス鋼板の表面にNiではなく、Ni−Al系金属間化合物層を設けた複合材が提案されている。このNi−Al系金属間化合物層は、Alを含有させたステンレス鋼板の表面にNi被覆層を形成し、これらの界面に、AlとNi同士を熱拡散反応させることにより生成している。これによれば、ステンレス鋼板中のAlをAl供給源としているので、Al被覆層を設けることなく、熱処理だけでNi−Al系金属間化合物層を生成できるというメリットがある。また、ステンレス鋼板表面にNi−Al系金属間化合物層を生成することにより、ステンレス鋼板表面の耐食性が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平10−265938号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上述した従来のクラッド材では、ステンレス鋼板を被覆する金属がNi系金属であるため、クラッド材の軽量が図れないという問題があった。これに加え、より厳しい環境下では、なお耐食性に改善の余地があった。
【0006】
特に、自動車部品では、排気ガス環境に代表されるように、さらに腐食しやすい過酷な環境下で使用されるようになっている。例えば、自動車の排気ガスを回収する排気回収装置では、それに用いるクラッド部材が高温の排気ガスにさらされる。その結果、そのクラッド材が、特許文献1のような、耐食性に優れたNi−Al系金属間化合物層を表面に有するステンレス鋼板から構成されていても、孔食等の腐食の進行を食い止めることができない。なお、SUS444に代表される高耐食性ステンレスもあるが、これらを単品で使用しても同様であった。
【0007】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、耐食性をより向上させると共に、さらに軽量化を図ることが可能なクラッド材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。
本発明の第1の態様によれば、ステンレス鋼板と、前記ステンレス鋼板の上層として設けられたTi層と、前記Ti層に接するように設けられたTi−Al系金属間化合物層と、を備えるクラッド材が提供される。
【0009】
本発明の第2の態様によれば、前記Ti−Al系金属間化合物層は、前記Ti層の上層に設けられている第1の態様に記載のクラッド材が提供される。
【0010】
本発明の第3の態様によれば、前記Ti−Al系金属間化合物層は、前記Ti層と該Ti層の表面に設けられるAl層との間に、前記Ti層のTiと前記Al層のAlとの熱拡散反応により生成されたものである第1又は第2の態様に記載のクラッド材が提供される。
【0011】
本発明の第4の態様によれば、前記Ti層は、熱拡散反応前における厚さが20μm以上60μm以下であり、前記Al層は、熱拡散反応前における厚さが5μm以上30μm以下である第1〜第3の態様のいずれかに記載のクラッド材が提供される。
【0012】
本発明の第5の態様によれば、前記Ti−Al系金属間化合物層は、Alを含むステンレス鋼板と前記Ti層との間であって、前記ステンレス鋼板と前記Ti層との両方に接するように設けられている第1の態様に記載のクラッド材が提供される。
【発明の効果】
【0013】
本発明にかかるクラッド材によれば、耐食性をより向上させると共に、軽量化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の一実施形態にかかるクラッド材を示す概略断面図である。
【図2】図1に示すクラッド材の熱拡散反応前を示す概略断面図である。
【図3】図1に示すクラッド材の熱拡散反応後にAl層が残存する場合を示す概略断面図である。
【図4】本発明の他の実施形態にかかるクラッド材の熱拡散反応前を示す概略断面図である。
【図5】図4に示すクラッド材の熱拡散反応後を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
(本発明の一実施形態)
以下に、本発明にかかるクラッド材の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【0016】
図1に示すように、本実施形態にかかるクラッド材1は、基材としてのステンレス鋼板2と、ステンレス鋼板2の表面に設けられたTi層3と、Ti層3の表面に(上層に)設けられたTi−Al系金属間化合物層4と、を備えて構成されている。そして、このクラッド材1は、図2に示すように、ステンレス鋼板2の表面にTi層3を設け、Ti層3の表面にAl層5を設けた後、圧延処理等及び熱処理を施すことによって形成される。
【0017】
ステンレス鋼板2としては、オーステナイト系、フェライト系等の、種々のステンレス鋼板を用いることができる。特に、自動車部品として用いられる場合、SUS304,SUS316等の耐食性に優れるものを使用することが好ましい。また、ステンレス鋼板2の厚さは600μm以上800μm以下が好ましい。
【0018】
Ti層3は、Ti材(Ti箔)をステンレス鋼板2の上層に、すなわちステンレス鋼板2の表面に設けることによって形成される。Tiは、Niより密度が小さい。このため、本実施形態にかかるクラッド材1は、上述した従来のNiを使用した場合よりも、軽くすることができ、また加工しやすくなる。
【0019】
Ti層3の厚さは、圧延処理後、後述する熱拡散反応前の厚さで、20μm以上60μm以下、好ましくは20μm以上40μm以下である。本実施形態にかかるクラッド材1の軽量化を図るために、Ti層3の厚さは薄い方が好ましい。しかしながら、Ti層3の厚さが20μm未満であると、リップルが発生するため、圧延処理等を施してクラッド材を得ることが難しくなる場合がある。一方、Ti層3の厚さが60μmを超えると、材料コストが高くなるという問題がある。
【0020】
Al層5は、Al材(Al箔)を上述したTi層3の表面に設けることによって形成される。Al層5の厚さは、圧延処理後、後述する熱拡散反応前の厚さで、5μm以上30μm以下、好ましくは5μm以上20μm以下である。本実施形態にかかるクラッド材1の軽量化を図るために、Al層5の厚さは薄い方が好ましい。しかしながら、Al層5の厚さは5μm以上であることが好ましい。これにより、後述するTi−Al系金属間化合物層4の厚さが薄すぎることがなくなり、孔食を防止する等の耐食性を向上させることができる。一方、圧延処理が、例えば冷間圧延である場合、Al層5の厚さが厚すぎると、圧延工程で板厚のばらつきが生じる場合がある。このため、Al層5の厚さは30μm以下がより好ましい。
【0021】
上述したように、ステンレス鋼板2の表面に、Ti層3とAl層5とを設けた後、冷間圧延や温間圧延等の圧延処理や、プレス等を用いて、クラッド材1が形成される。その後、クラッド材1に、熱処理を施すことにより、図1に示すように、Ti層3の表面にTi−Al系金属間化合物層4が生成される。
【0022】
すなわち、クラッド材1に熱処理を施すことにより、Ti層3からTiが拡散し、Al層5からAlが拡散する。そして、このTiとAlとが熱拡散反応することにより、Ti層3の表面に、すなわちTi層3とAl層5との界面に、Ti−Al系金属間化合物層4がTi層3と接するように生成される。Ti−Al系金属間化合物層4は高耐食性を有する。従って、本実施形態にかかるクラッド材1は、耐食性に優れるものとなる。
【0023】
ここで、熱拡散反応により生成されるTi−Al系金属間化合物層4のTi−Al系として、主に、Ti−AlとTi−Alとがある。Ti−AlとTi−Alとを比較したとき、Ti−Alの方が耐食性により優れる。このため、クラッド材1の耐食性をより向上させるために、Ti−Al系金属間化合物層4中に、Ti−Alがより多く生成されることが好ましい。従って、Ti−Al系金属間化合物層4を生成する熱処理の温度は600℃〜650℃が好ましい。
【0024】
また、図1に示すように、熱拡散反応によって生成されるTi−Al系金属間化合物層4が、クラッド材1の最表層となることが好ましい。すなわち、熱拡散反応後に、クラッド材1にAl層5が残存しないように、Al層5のAlは全て、Ti層3のTiと熱拡散反応させて、Ti−Al系金属間化合物層4とすることが好ましい。なお、図3に示すように、熱拡散反応後、クラッド材1の表面にAl層5が残存する場合には、Al層5の除去を行うことが好ましい。これにより、クラッド材1の耐食性をより向上させることができる。すなわち、クラッド材1の表面にAl層5が残存していると、Al層5が腐食することがある。このため、クラッド材1の表面にAl層5が残存しないようにすることによって、Al層5の腐食に起因するクラッド材1の耐食性の低下を防止することができる。
【0025】
本実施形態にかかるクラッド材1では、上述し、また図1〜図3に示すように、Ti層3がステンレス鋼板2とAl層5との間に設けられている。このため、熱処理を行う際、Ti層3は、Al層5のAlがステンレス鋼板2に拡散することを防止するためのバリヤ層として機能する。従って、Al層5のAlとステンレス鋼板2中のFeとが反応することによって、ステンレス鋼板2の表面(界面)に、非常に脆いAl−Fe金属間化合物層
が生成されることを防止することができる。この結果、本実施形態にかかるクラッド材1は、ステンレス鋼板2の強度や耐力等の機械的特性の低下を防止することができる。
【0026】
仮に、ステンレス鋼板2の表面にAl層5が設けられ、Al層5の表面にTi層3が設られた場合、すなわち、Al層5がステンレス鋼板2とTi層3との間に設けられた場合、熱拡散反応によって、非常に脆いAl−Fe金属間化合物層が生成されてしまう。すなわち、熱拡散反応によって、Al層5のAlとステンレス鋼板2中のFeとが反応して、ステンレス鋼板2とAl層5との界面にAl−Fe金属間化合物層が形成されてしまう。従って、上述したように、本実施形態にかかるクラッド材1は、ステンレス鋼板2とAl層5とが接しないように構成している。
【0027】
なお、上述したクラッド材1は、ステンレス鋼板2上に、Ti材及びAl材を積層して積層材とする積層工程と、積層材に圧延処理等を施してステンレス鋼板2上にTi層3及びAl層5を形成する圧延工程と、圧延工程後に熱処理を施し、熱拡散反応させることによりTi−Al系金属間化合物層4を生成する熱拡散反応工程と、を少なくとも経て作製される。
【0028】
(本実施形態にかかる効果)
本実施形態によれば、以下に示す1つまたは複数の効果を奏する。
【0029】
(a)本実施形態によれば、ステンレス鋼板2と、ステンレス鋼板2の表面に設けられたTi層3と、Ti層3の表面に設けられたTi−Al系金属間化合物層4とを備える。そして、Ti−Al系金属間化合物層4は、Ti層3と、Ti層3の表面に設けられたAl層5との間に、Ti層3のTiとAl層5のAlとの熱拡散反応により生成されたものである。Ti−Al系金属間化合物層4は、硬質で、高耐食性を有する。従って、クラッド材1が耐食性に優れるものとなる。また、Tiは軽量であるため、クラッド材1を軽量とすることができる。
【0030】
(b)本実施形態によれば、Ti層3は、熱拡散反応時にAl層5のAlがステンレス鋼板への拡散を抑制するバリア層として機能する。このため、脆いAl−Fe金属間化合物層の形成を防止することができる。従って、ステンレス鋼板2の機械的特性の低下を防止することができる。
【0031】
(c)本実施形態によれば、圧延処理後、熱拡散反応前における、Ti層3の厚さが20μm以上60μm以下である。そして、圧延処理後、熱拡散反応前における、Al層5の厚さが5μm以上30μm以下である。これにより、クラッド材1は耐食性に優れるとともに、クラッド材1の軽量化を図ることができる。
【0032】
(d)本実施形態によれば、熱拡散反応によって、Ti−Al系金属間化合物層4を形成する熱処理の温度は600℃〜650℃である。これにより、クラッド材1の耐食性をより向上させることができる。
【0033】
(e)本実施形態によれば、クラッド材1が優れた耐食性を有する。そして、クラッド材1がより軽量である。このため、自動車部品に好適に用いることができる。特に、例えば、加熱部と冷却部とが、蒸気流路と液流路とによって環状に連結された排気回収装置等の、過酷で腐食しやすい環境下で長期間使用される自動車部品として、クラッド材1は好適に用いることができる。また、クラッド材1は、燃料電池用のセパレータとしても好適に用いることができる。
【0034】
(本発明の他の実施形態)
以上、本発明の一実施形態を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【0035】
上述した実施形態では、基材として、Alが含まれないステンレス鋼板2を用いた。すなわち、Alが含まれないステンレス鋼板2の表面にTi層3を設け、Ti層3の表面にAl層5を設けて、圧延等の処理を施した後、熱拡散反応により、Ti層3の表面にTi−Al系金属間化合物層4を設ける構成とした。しかしながら、基材として、Alを含むステンレス鋼板2aを用いてもよい。以下、このような構成を備えた実施形態について説明する。
【0036】
図4は、本実施形態にかかるクラッド材の熱拡散反応前を示す概略断面図である。図5は、図4に示すクラッド材の熱拡散反応後を示す概略断面図である。本実施形態に係るクラッド材1aは、基材としてAlを含むステンレス鋼板2aを用い、Al層5を設けなかった点が、上述の実施形態と異なる。その他は、上述の実施形態と同様である。
【0037】
本実施形態にかかるクラッド材1aは、基材としてAlを含むステンレス鋼板2aを用い、ステンレス鋼板2aの表面にTi層3を設けた後、圧延処理等を施すことによって形成される。そして、その後、クラッド材1aに、熱処理を施すことにより、ステンレス鋼板2aの表面、すなわちステンレス鋼板2aとTi層3との界面に、Ti−Al系金属間化合物層4が生成される。すなわち、クラッド材1aに熱処理を施すことにより、ステンレス鋼板2aからAlが拡散し、Ti層3からTiが拡散する。そして、このAlとTiとが熱拡散反応することにより、ステンレス鋼板2aとTi層3との間の界面に、Ti−Al系金属間化合物層4がステンレス鋼板2aとTi層3との両方に接するように生成される。
【0038】
本実施形態によれば、図5に示すように、Ti層3がクラッド材1の最表層となる。また、Ti層3の耐食性とTi−Al系金属間化合物層4の耐食性とを比較した場合、Ti−Al系金属間化合物層4の耐食性の方が高い。従って、Ti層3がクラッド材1の最表層であるので、Ti層3が腐食しても、より高い耐食性を有するTi−Al系金属間化合物層4が存在する。このため、本実施形態にかかるクラッド材1aは、優れた耐食性を有する。
【0039】
また、本実施形態によれば、ステンレス鋼板2a中にAlを含有させることにより、ステンレス鋼板2a上にAl層5を形成しなくても、Ti−Al系金属間化合物層4を生成することができる。従って、クラッド材1aを作製する工程数を低減することができる。
【実施例】
【0040】
次に、本発明の実施例を比較例とともに説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。表1に、後述する実施例1〜6及び比較例1の条件、結果をまとめて示す。
【0041】
(実施例1)
実施例1では、基材として、Alを含まない、厚さが600μmのSUS304(ステンレス鋼板2)を用意した。そして、厚さが125μmのTi材及び厚さが40μmのAl材を用意した。そして、ステンレス鋼板2(SUS304)の表面にTi材を設け、Ti材の表面にAl材を設けた。その後、冷間圧延処理を施し、ステンレス鋼板2上に、厚さが25μmのTi層3と、厚さが8μmのAl層5とが形成されたクラッド材1を作製した。その後、クラッド材1を加熱装置を用いて650℃で10分間加熱して、クラッド材1に熱処理を施し、熱拡散反応によって、Ti−Al系金属間化合物層4をTi層3の表面に形成した。
【0042】
(実施例2)
実施例2では、基材として、Alを含まない、厚さが700μmのSUS304(ステンレス鋼板2)を用意した。そして、厚さが150μmのTi材及び厚さが25μmのAl材を用意した。そして、冷間圧延処理を施し、ステンレス鋼板2上に、厚さが30μmのTi層3と、厚さが5μmのAl層5とを形成した。その他は、上述の実施例1と同様にしてクラッド材1を作製した。
【0043】
(実施例3)
実施例3では、基材として、Alを含まない、厚さが650μmのSUS304(ステンレス鋼板2)を用意した。そして、厚さが140μmのTi材及び厚さが50μmのAl材を用意した。そして、冷間圧延処理を施し、ステンレス鋼板2上に、厚さが28μmのTi層3と、厚さが10μmのAl層5とを形成した。その他は、上述の実施例1と同様にしてクラッド材1を作製した。
【0044】
(実施例4)
実施例4では、基材として、Alを含まない、厚さが600μmのSUS316(ステンレス鋼板2)を用意した。そして、厚さが105μmのTi材及び厚さが75μmのAl材を用意した。そして、冷間圧延処理を施し、ステンレス鋼板2上に、厚さが21μmのTi層3と、厚さが15μmのAl層5とを形成した。その他は、上述の実施例1と同様にしてクラッド材を作製した。
【0045】
(実施例5)
実施例5では、基材として、Alを含まない、厚さが650μmのSUS316(ステンレス鋼板2)を用意した。そして、厚さが185μmのTi材及び厚さが60μmのAl材を用意した。そして、冷間圧延処理を施し、ステンレス鋼板2上に、厚さが37μmのTi層3と、厚さが12μmのAl層5とを形成した。その他は、上述の実施例1と同様にしてクラッド材1を作製した。
【0046】
(実施例6)
実施例6では、基材として、Alを含まない、厚さが800μmのSUS316(ステンレス鋼板2)を用意した。そして、厚さが300μmのTi材及び厚さが150μmのAl材を用意した。そして、冷間圧延処理を施し、ステンレス鋼板2上に、厚さが60μmのTi層3と、厚さが30μmのAl層5とを形成した。その他は、上述の実施例1と同様にしてクラッド材1を作製した。
【0047】
(比較例1)
比較例1では、基材として、Alを0.5%以上含むステンレス鋼板を用意した。そして、厚さが100μmのNi材を用意した。そして、ステンレス鋼板の表面にNi材を設けた。そして、冷間圧延処理を施し、ステンレス鋼板上に、厚さが20μmのNi層が形成されたクラッド材を作製した。その後、このクラッド材を加熱装置を用いて650℃で10分間加熱して、クラッド材に熱処理を施し、熱拡散反応によって、Ni−Al系金属間化合物層をステンレス鋼板とNi層との界面に生成した。
【0048】
こうして作製したクラッド材の耐食性及びコストを評価した。耐食性の評価は、高温腐食試験を行って評価した。すなわち、各クラッド材から3×20×0.5〜2.0mmの角棒形状の試験片を作成した。そして、その試験片を約310℃の沸騰硫酸中に一定時間浸漬した後、重量を測定した。そして、試験前のクラッド材の試験片の重量に対する試験後のクラッド材の試験片の重量の減少量を測定した。減少量が200mg/cm以上の場合は「×(不合格)」とし、200mg/cm未満は「○(合格)」とした。
【0049】
【表1】

【0050】
表1に示すように、実施例1〜6のクラッド材は、いずれも耐食性に優れることが判った。特に、実施例1〜5のクラッド材では、実施例6のクラッド材と比較して、耐食性に加えてコストの面でも優位であることが判った。また、実施例1〜6のクラッド材は、基材として、高価なSUS444(ステンレス鋼板)を用いなくても、耐食性に優れるクラッド材とすることができることが判った。また、実施例1〜6のクラッド材は、ステンレス鋼板を被覆する金属にNi系金属を使用していないため、高い耐食性を有するとともに、さらに軽量化も実現したクラッド材とすることができることが判った。一方、比較例1のNi層を設け、Ni−Al系金属間化合物層を生成したクラッド材では、耐食性が劣る結果であった。
【符号の説明】
【0051】
1,1a クラッド材
2,2a ステンレス鋼板
3 Ti層
4 Ti−Al系金属間化合物層
5 Al層

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ステンレス鋼板と、
前記ステンレス鋼板の上層として設けられたTi層と、
前記Ti層に接するように設けられたTi−Al系金属間化合物層と、を備える
ことを特徴とするクラッド材。
【請求項2】
前記Ti−Al系金属間化合物層は、前記Ti層の上層に設けられている
ことを特徴とする請求項1に記載のクラッド材。
【請求項3】
前記Ti−Al系金属間化合物層は、前記Ti層と該Ti層の表面に設けられるAl層との間に、前記Ti層のTiと前記Al層のAlとの熱拡散反応により生成されたものである
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のクラッド材。
【請求項4】
前記Ti層は、熱拡散反応前における厚さが20μm以上60μm以下であり、前記Al層は、熱拡散反応前における厚さが5μm以上30μm以下である
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のクラッド材。
【請求項5】
前記Ti−Al系金属間化合物層は、Alを含むステンレス鋼板と前記Ti層との間であって、前記ステンレス鋼板と前記Ti層との両方に接するように設けられている
ことを特徴とする請求項1に記載のクラッド材。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2013−40370(P2013−40370A)
【公開日】平成25年2月28日(2013.2.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−177455(P2011−177455)
【出願日】平成23年8月15日(2011.8.15)
【出願人】(000005120)日立電線株式会社 (3,358)
【Fターム(参考)】