鋼／銅複合材料およびその製造方法
【課題】銅層に存在する欠陥の量を大幅に低減した鋼／銅複合材料を提供する。
【解決手段】厚さ０.０５〜２ｍｍの鋼板が、銅めっき層または銅板を介して複数層に積層され、各隣り合う鋼板間には平均厚さ０.００５〜１ｍｍに相当する量の銅が介在している鋼／銅積層体を構成する工程（積層工程）、
前記積層体の長手方向の一部領域を加熱することにより形成させた、銅のみが溶融した銅溶融帯を、積層体の長手方向に移動させることにより銅溶融帯の移動方向最前線において鋼板の間を銅の融液で充填していき、充填後の銅を凝固させて鋼層と銅層が交互に積層して各層が接合してなる平板状複合材料とする工程（溶融・凝固工程）、
を有する手法により、導電性および積層方向の靱性に優れた鋼／銅複合材料を得る。
【解決手段】厚さ０.０５〜２ｍｍの鋼板が、銅めっき層または銅板を介して複数層に積層され、各隣り合う鋼板間には平均厚さ０.００５〜１ｍｍに相当する量の銅が介在している鋼／銅積層体を構成する工程（積層工程）、
前記積層体の長手方向の一部領域を加熱することにより形成させた、銅のみが溶融した銅溶融帯を、積層体の長手方向に移動させることにより銅溶融帯の移動方向最前線において鋼板の間を銅の融液で充填していき、充填後の銅を凝固させて鋼層と銅層が交互に積層して各層が接合してなる平板状複合材料とする工程（溶融・凝固工程）、
を有する手法により、導電性および積層方向の靱性に優れた鋼／銅複合材料を得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼層と銅層が交互に積層して一体化した構造を有する導電性または積層方向の靱性に優れた鋼／銅複合材料、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料において、強度を高く維持したまま「靭性（耐衝撃特性）」を大幅に向上させることは一般に難しい。例えば、汎用的な高強度金属材料としては、焼入れ・焼戻し処理、あるいは高温変態処理を施して変態相（マルテンサイト相やベイナイト相など）を生成させた鋼材を挙げることができる。これらは硬さが３００〜７５０ＨＶレベルの高強度を呈することから、機械構造部材、工具、刃物など、多くの高強度用途で広く使用されている。しかしながら、常温での衝撃値は高々１００Ｊ／ｃｍ2程度であり、この種の鋼材でそれ以上の靭性を安定的に具備させることは困難である。
【０００３】
一方、靭性に特化した代表的な鋼材としてハットフィールド鋼（高Ｍｎオーステナイト鋼）が挙げられる。この種の鋼材では常温での衝撃値が３００Ｊ／ｃｍ2程度と極めて高い靱性を呈するものを得ることも可能である。しかしその場合の強度は、硬さが２００ＨＶ程度のレベルにとどまる。また、この種の材料を冷間圧延すれば硬さが４００ＨＶを超える領域まで高強度化することはできるが、この場合、常温での衝撃値は２００Ｊ／ｃｍ2を大きく下回るレベルまで低下してしまう。
【０００４】
非鉄金属材料においては析出強化などを利用して高強度化を図ったものが種々知られているが、銅合金やアルミニウム合金などの一般的な非鉄金属材料で高強度鋼並みの強度レベルを実現することは容易でなく、また極めて高い靭性を具備させることも困難である。
【０００５】
板状の金属材料において、板厚方向の衝撃に対して、例えば衝撃値が３００Ｊ／ｃｍ2以上あるいはさらに３５０Ｊ／ｃｍ2以上といった極めて高い靭性を呈する材料が実現できれば、高強度が要求される種々の用途において、部材の薄肉化、構造の単純化、性能向上などに寄与しうると考えられる。例えば自動車や輸送機器の衝撃吸収部材、免震構造部材、防弾部材をはじめ様々な用途展開が期待される。しかし、現状の一般的な金属材料で高強度を維持しながらそのような高靭性を有するものを得ることは極めて困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−０８２６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者らはこれまでに、高強度と高靭性を具備した板状金属材料として、鋼と銅の積層構造を持つ板状複合材料について検討を進め、特願２００７−２６８３６６にて開示した。この技術は鋼と銅を交互に重ねて積層方向に荷重をかけた状態として、これを炉に装入して加熱することにより、銅をろう材として鋼どうしを接合し、一体化させるものである（ろう付け法）。鋼として従来一般的な高強度鋼を使用したとき、厚さ方向（積層方向）の衝撃値が３００Ｊ／ｃｍ2を超えるような非常に高い靱性を呈する板状金属材料を得ることが可能であり、複合材料としての強度レベルは相当硬さが４００ＨＶを超えるものとなる。
【０００８】
しかし、この手法では銅層の中に気泡や空隙等の欠陥部分が形成されやすいという問題がある。このような欠陥を排除するためには加熱時に積層方向に大きい荷重を付与することが有効であるが、その場合には銅の融液が積層構造の端部から流出し、結果的に銅層が薄くなり、銅の歩留が悪くなる。ただし、幅の広い板状複合材料を製造する際には、大きい荷重をかけた場合であっても、幅方向端部から離れた位置にある銅層中に、依然として多量の欠陥部分が残存してしまう。この欠陥部分は接合力を低下させ、靭性の向上にマイナス要因となる。また、導電性を低下させる要因ともなり、導電部材として用いる場合にも改善の余地が残る。
【０００９】
異種の板状金属材料を重ね合わせて一体化する技術としては、上記のような「ろう付け法」の他に、「拡散接合法」、「クラッド圧延法」などが知られている。
拡散接合法は、ろう付けよりも加熱温度は低いが、十分に拡散を進行させて欠陥のない界面を構築するためには、かなりの高面圧を負荷する必要がある。また、処理を行う炉体の制約上、一般的には２ｍを超えるような長尺製品の製造は困難である。
クラッド圧延法は、拡散接合法よりもさらに低温での接合が可能であり、コイルとして長尺製品の製造も可能である。しかし、健全な接合界面を得るためにはかなりの圧延率（断面減少率）が必要である。また多層のものや厚いものを製造することは難しい。
【００１０】
本発明はこのような現状に鑑み、銅層に存在する欠陥の量を大幅に低減した鋼／銅複合材料を提供することを目的とする。特にその製造方法として、例えば一般的な高強度鋼を使用した場合に厚さ方向（積層方向）の衝撃値が３００Ｊ／ｃｍ2以上という極めて高い靱性を有するものが実現でき、かつ、長尺製品や、多層のもの、厚いものが製造可能な技術を提供しようというものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は、厚さ０.０５〜２ｍｍの鋼層と厚さ０.００５〜１ｍｍの銅層が交互に積層して各層が接合してなる平板状複合材料であって、幅（すなわち長手方向および積層方向に垂直な方向の長さ）が２０ｍｍ以上であり、下記の平均欠陥率ＫMが５％未満である導電性および積層方向の靱性に優れた鋼／銅複合材料によって達成される。
〔平均欠陥率ＫM〕当該複合材料の長手方向に垂直な断面のうち、幅中心位置を中央に持つ「幅方向２０ｍｍ×積層方向全長」の領域（「Ｃ断面中央領域」という）を、長手方向無作為な位置から５箇所選択し、各Ｃ断面中央領域について顕微鏡観察を行い、当該領域内の鋼層に挟まれた全ての銅層のトータル幅方向長さＬ0（ｍｍ）中に観測される欠陥部分の幅方向長さの総和Ｌ1（ｍｍ）を測定して、欠陥率Ｋ＝Ｌ1／Ｌ0×１００（％）を定め、各Ｃ断面中央領域の欠陥率Ｋの総和を観察Ｃ断面中央領域の数（＝５）で除した値を平均欠陥率ＫM（％）とする。
【００１２】
本明細書では、この鋼／銅複合材料において、各層の厚さ方向を「積層方向」と呼んでいる。鋼層の積層数は２以上であれば構わないが、例えば５以上とすることが靱性向上にはより効果的である。各鋼層は同一鋼種で構成してもよいし異種の鋼種を混ぜて構成してもよい。各鋼層の厚さは同一であってもよいし異なっていても構わない。各銅層についても同一種類の材料で構成してもよいし異種の材料で構成してもよい。また、各銅層の厚さは同一であってもよいし異なっていても構わない。
【００１３】
特に高い靱性を呈する鋼／銅複合材料として、鋼層を構成している鋼が、焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理を経た変態相が５０体積％以上を占める鋼であり、Ｕノッチの深さ方向が積層方向に一致する衝撃試験片による常温での２ｍｍＵノッチ衝撃値が３００（Ｊ／ｃｍ2）以上であるものが提供される。
【００１４】
また本願発明では、上記の鋼／銅複合材料の製造方法として、
厚さ０.０５〜２ｍｍの鋼板が、銅めっき層または銅板を介して複数層に積層され、各隣り合う鋼板間には平均厚さ０.００５〜１ｍｍに相当する量の銅が介在している鋼／銅積層体を構成する工程（積層工程）、
前記積層体の長手方向の一部領域を加熱することにより形成させた、銅のみが溶融した銅溶融帯を、積層体の長手方向に移動させることにより銅溶融帯の移動方向最前線において鋼板の間を銅の融液で充填していき、充填後の銅を凝固させて鋼層と銅層が交互に積層して各層が接合してなる平板状複合材料とする工程（溶融・凝固工程）、
を有する製造方法が提供される。
【００１５】
積層工程として特に、
厚さ０.０５〜２ｍｍの鋼板をめっき原板とした銅めっき鋼板を、複数層に積層して、隣り合う鋼板間に介在する銅のトータル厚さが０.００５〜０.２ｍｍである鋼／銅積層体を構成する工程（積層工程）、
を採用することができる。
溶融・凝固工程の加熱は、高周波コイルによって行うことが望ましい。
【００１６】
積層工程において、焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理により硬さ３５０ＨＶ以上となる鋼板を採用し、溶融・凝固工程のあとに更に、
前記平板状複合材料を、鋼層の硬さが３５０ＨＶ以上となる条件の前記焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理に相当するヒートパターンの熱処理に供する工程（鋼層強化熱処理工程）、
を有する製造方法によれば、特に優れた「高強度」と「高靱性」の両立が実現できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、板状金属材料において、比較的安価な汎用素材を用いて「高強度」および厚さ方向における「高靭性」を高いレベルで両立させた複合材料が実現された。その靭性は、当該複合材料を構成する元の素材からは考えられないほど飛躍的な向上している。また本発明の製造方法は、厚いもの、多層のものや長尺製品の製造に適用でき、鋼と銅を積層した複合金属材料の普及に寄与しうる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の鋼／銅複合材料の断面構造を模式的に例示した図。
【図２】衝撃試験片の採取方向を模式的に示した図。
【図３】鋼／銅複合材料のＣ断面中央領域の一部を例示した光学顕微鏡写真。
【図４】鋼／銅複合材料のＣ断面中央領域の一部を例示した光学顕微鏡写真。
【図５】鋼／銅複合材料のＣ断面中央領域の一部を例示した光学顕微鏡写真。
【図６】鋼／銅複合材料のＣ断面中央領域の一部を例示した光学顕微鏡写真。
【図７】被加熱材と高周波コイルの位置関係を模式的に示した図。
【図８】高周波コイルを被加熱材（鋼と銅を交互に積み重ねた積層体）の長手方向に移動させながら鋼層と銅層を接合していく際の断面構造を模式的に示した図。
【図９】実施例で用いた高周波コイルの寸法形状を模式的に示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に、本発明の鋼／銅複合材料の断面構造を模式的に例示する。この図の例では鋼層の積層数が３であり、最外層が両面とも銅層で構成されている。銅めっき鋼板を積層した場合にはこのように最外層が銅層となるが、最外層は鋼層、銅層いずれでであっても構わない。両側の最外層が異種材料であってもよい。「鋼層に挟まれた銅層」の数はこの図の例では２である。本発明によれば、この「鋼層に挟まれた銅層」において欠陥部分の存在が顕著に抑制される。
【００２０】
本発明の鋼／銅複合材料は、積層方向の靭性が極めて高いことに大きな特徴がある。図２に、衝撃試験片の採取方向を模式的に示す。衝撃試験においてハンマーにより付与される衝撃方向が積層方向となる場合（図２（ａ））をフラットワイズ（Flat-wise）と呼び、それと直角方向となる場合（図２（ｂ））をエッジワイズ（Edge-wise）と呼ぶ。積層方向の靭性はフラットワイズの衝撃試験で評価される。
【００２１】
本発明の鋼／銅複合材料においては、鋼層および銅層を構成する各材料の靱性からは考えられないほど顕著に積層方向の靱性を向上させることができる。そのメカニズムに関しては現時点で十分に解明されていないが、試験後の衝撃試験片の観察から、靱性の低い鋼層で生じた亀裂が銅層の存在によって隣の鋼層に伝播しにくい状態となっているものと推察される。このことは、エッジワイズの試験片による衝撃値はバルクの鋼材と同等の値となり、フラットワイズのような靱性向上が認められないことからも肯定される。
【００２２】
鋼層の厚さは０.０５〜２ｍｍ、銅層の厚さは０.００５〜１ｍｍ程度の範囲とすればよい。鋼層の厚さをＴS、銅層の厚さをＴCとし、板厚（積層方向の全長）における鋼層のトータル厚さをΣＴｓ、銅層のトータル厚さをΣＴｃとするとき、鋼層による高強度を十分に発揮させるためには、両層のトータルの厚さ比率ΣＴｓ／ΣＴｃを４以上とすることが好ましい。一方、積層方向の靱性を顕著に向上させるにはΣＴｓ／ΣＴｃを５０以下とすることが効果的であり、３０以下とすることがより好ましい。また、特性の均質化を図るためには、各鋼層および各銅層をそれぞれ同種類の材料で構成した上で、各鋼層の厚さＴｓおよび各銅層厚さＴｃはそれぞれ、Ｔｓの平均値およびＴｃの平均値に対して±５０％の範囲にあることが望ましく、±３０％の範囲にあることがより好ましい。後述のように銅めっき鋼板を用いて積層体を形成させる場合には、各銅層厚さは例えば０.００５〜０.２μｍ程度の範囲に調整することが効率的である。
【００２３】
各層の材料を積み重ねた積層体が、ある程度幅の広いものであるとき、これをろう付け法によって一体化させようとすると、幅方向端部から離れた位置における銅層には欠陥部分が残りやすい。その欠陥の大部分は、積み重ねた積層体の層間に介在していた空気に起因する空隙や、隙間である。層間に介在していた異物が残留することもある。積層体の幅が２０ｍｍ程度であれば積み重ねた積層体の層間に介在していた空気や異物は、積層方向に付与されている荷重によって銅の融液が幅方向端部から流出する際の融液流れに伴って外部に除去されやすく、銅層の厚さは薄くなるものの、欠陥部分の少ない比較的健全な銅層が構築される。しかし、それより幅の広いものにおいては、幅方向中央部付近に欠陥部分が多く形成されてしまうことがわかった。ここで「欠陥部分」とは、隣り合う鋼層の間に単一の銅層がその両側の鋼層と接合した状態で存在している部分を除いた部分であり、具体例としては、銅層の欠損（銅層不存在箇所）、空隙、隙間、異物、銅層内亀裂などが挙げられる。
【００２４】
本発明では、ろう付け法によって健全な銅層を安定して得ることが難しい幅２０ｍｍ以上の板状鋼／銅複合材料を対象とする。健全な銅層が形成されているかどうかは、当該複合材料の長手方向に垂直な断面のうち、幅中心位置を中央に持つ「幅方向２０ｍｍ×積層方向全長」の領域（「Ｃ断面中央領域」という）を調べることにより評価できることがわかった。具体的には、Ｃ断面中央領域を、長手方向無作為な位置から５箇所選択し、各Ｃ断面中央領域について顕微鏡観察を行い、当該領域内の鋼層に挟まれた全ての銅層のトータル幅方向長さＬ0（ｍｍ）中に観測される欠陥部分の幅方向長さの総和Ｌ1（ｍｍ）を測定して、欠陥率Ｋ＝Ｌ1／Ｌ0×１００（％）を定める。そして、各Ｃ断面中央領域の欠陥率Ｋの総和を観察Ｃ断面中央領域の数（＝５）で除した値を平均欠陥率ＫM（％）とする。この平均欠陥率ＫMが５％未満であれば、健全な銅層を持つと評価することができる。このような健全な銅層は、後述するように銅溶融帯を移動させながら接合する手法によって実現できる。
【００２５】
図３〜図６に、後述の銅溶融帯を移動させる手法で製造した種々の鋼／銅複合材料について、Ｃ断面中央領域（前述）の一部を光学顕微鏡で観察した断面組織写真を例示する。図３の視野には銅層中の欠陥部分が観測されない。図４には異物が介在している欠陥部分が見られる。図５、図６には銅層の欠損および銅層内亀裂が見られる。なお、この顕微鏡観察試料は、切断→湿式ペーパー研磨→バフ研磨の手順で鏡面研磨としたものである。
【００２６】
鋼層を構成する鋼としては種々のものが適用可能であるが、特に優れた「高強度」と積層方向の「高靱性」との両立を図るためには高強度鋼を採用する。高強度鋼としては焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理によって高強度化されるタイプの鋼種が好適である。このタイプのものは、銅層と接合する際の高温の熱処理を経た後に、所定の焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理を付与することによって「変態相」を生成させることができ、それによって高強度化される。「変態相」は鋼材を焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理に供することによってＡ1変態点より低い温度で生成する相である。焼入れ・焼戻し処理によって得られる変態相は代表的にはマルテンサイト相（焼戻しされたものを含む）である。恒温変態処理としては例えばオーステンパーが挙げられ、それによって得られる変態相は代表的にはベイナイト相である。処理によっては種類の異なる変態相が共存することもある。変態相の残部には通常、炭化物が存在するが、その他、残留オーステナイト相、初析フェライト相などが存在していても構わない。変態相は５０体積％以上存在することが、高強度化にとって有利である。焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理により硬さ３５０ＨＶ以上となる化学組成を有するものを使用することがより好ましい。
【００２７】
鋼層を構成する具体的な高強度鋼種として、ＪＩＳなどの規格鋼種を例示すれば、Ｓ１０Ｃ、Ｓ３５Ｃ、Ｓ５５Ｃ、ＳＣＭ４３５、ＳＵＰ６、ＳＫ８５、ＳＫ１００、ＳＫ１２０、ＳＵＪ２、ＳＵＳ４２０Ｊ２などが挙げられる。１つの積層体に複数の鋼種を混ぜて使用する場合は、同一の熱処理が採用できる鋼種を組み合わせる。
【００２８】
具体的な化学組成として以下のものが例示できる。
［１］質量％で、Ｃ：０.１〜１.５％、Ｍｎ：０.２〜２％、Ｐ：０.０３％以下、Ｓ：０.０３％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物
［２］上記［１］において、さらにＳｉ：２.５％以下を含有するもの
［３］上記［１］または［２］において、Ｃｒ：２％以下、Ｎｉ：２％以下、Ｍｏ：２％以下、Ｔｉ：０.５％以下、Ｎｂ：０.５％以下、Ｖ：０.５％以下、Ｂ：０.０２％以下の１種以上を含有するもの
【００２９】
銅層は、純度９０％以上の銅で構成し、市販の銅板や銅箔が適用できる。電気銅めっきに由来する銅もこれに該当する。規格材料としては、ＪＩＳ Ｈ３１００：２００６に規定される各種銅材料のうち、銅含有量９０質量％以上のものが適用でき、純度９９％以上の純銅がより好ましい。
【００３０】
本発明の鋼／銅複合材料は、例えば図７に示すように、被加熱材（鋼と銅を交互に積み重ねた積層体）を高周波コイルを移動させながら加熱する手法によって得ることができる。
【００３１】
図８に、高周波コイルを被加熱材（鋼と銅を交互に積み重ねた積層体）の長手方向に移動させながら鋼層と銅層を接合していく際の断面構造を模式的に示す。隣り合う鋼板１の間に銅板２を挟んで積み重ねられた積層体の、長手方向の一部が高周波コイル１０に囲まれており、その部分では高周波誘導加熱によって銅板２が溶融し、鋼板１との間に銅の融液２２が形成されている。鋼は溶融せず、融点の低い銅のみが溶融するように高周波パワーが調整されている。この銅の融液２２が形成されている長手方向の領域（銅溶融帯２０）は、高周波コイルの移動方向１１に移動していく。銅溶融帯の移動方向最前線２３において、銅板２が順次溶融していく。積み重ねられた鋼板１と銅板２の間には、必然的に空隙３が形成されている。この図では空隙３のサイズを誇張して描いてある。銅溶融帯の移動方向最前線２３では、銅の融液２２が毛細管現象によって進行方向前方の空隙３の中へ浸入していく現象が起こり、融液浸入部２４が形成されるものと考えられる。これによって空隙３の空気は前方の空隙３や鋼板１／銅板２の界面を伝わって前方へ押しやられ、銅の融液２２は空隙や隙間が非常に少ないものとなる。すなわち、銅溶融帯の移動方向最前線２３において鋼板１の間を銅の融液２２で充填していくのである。銅溶融帯２０が通過したあとは銅の融液２２が凝固し、鋼層３１と銅層３２が互いに強固に接合した鋼／銅複合材料となる。このようにして、欠陥部分の少ない銅層を持つ平板状の鋼／銅複合材料が得られる。なお、銅めっき鋼板を用いる場合には、互いに接触する銅めっき層どうしの間に空隙３が形成されることになる。この場合も、融液浸入部２４が形成されて空隙３が前方へ押しやられていくメカニズムは同じである。
【００３２】
銅溶融帯を移動させるためには、高周波コイルを動かす方法、被加熱材を動かす方法のどちらを採用しても構わない。高周波コイルに代えて別の加熱手段を用いることもできる。例えば被加熱材が管状炉の中を通るようなライン構成としても良い。ただし、高周波加熱によれば急速に局部を加熱することができる点で効率的である。銅溶融帯の移動速度は、１〜５０ｍｍ／ｓｅｃの範囲で最適条件を見出すことができる。銅溶融帯が通過する時間は概ね１〜６０ｓｅｃとすればよい。
【００３３】
鋼板として前述のような高強度鋼種を採用する場合には、銅溶融帯を通過させることによって得られた平板状複合材料を、鋼層の硬さが３５０ＨＶ以上となる条件の焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理に相当するヒートパターンの熱処理に供すればよい。
【実施例】
【００３４】
《実施例１》
下記の化学組成を有する厚さ１.０ｍｍ、長さ４００ｍｍ、幅２００ｍｍの鋼板（ＳＣＭ４１５）を用意した。
質量％で、Ｃ：０.１６％、Ｓｉ：０.２０％、Ｍｎ：０.７５％、Ｐ：０.０１１％、Ｓ：０.００１％、Ｃｒ：１.１５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物
この鋼板と、厚さ０.４ｍｍ、長さ４００ｍｍ、幅２００ｍｍの純銅板を交互に積み重ねることにより、鋼板１０層、銅板９層からなる厚さ１３.６ｍｍの鋼／銅積層体を構成した。
【００３５】
図９に示す寸法形状を有する長方形断面、巻き数５の高周波コイルを、前記の鋼／銅積層体の周囲に配置して長手方向に移動させることにより、銅板のみが溶融する銅溶融帯を移動させながら鋼板と銅板を接合して一体化させ、鋼／銅複合材料（供試体）を得た。高周波コイルの移動速度は３０ｍｍ／ｍｉｎ、周波数４０ｋＨｚ、２００Ｖ、５０Ａの条件とした。
【００３６】
得られた供試体について、前述の手法で平均欠陥率ＫMを求めたところ、ＫMは３.２％であり、健全な銅層が形成されていた。銅層の平均厚さは０.３２ｍｍであり、元の銅板の板厚０.４ｍｍに対し、銅の歩留は良好であった。
【００３７】
上記供試体からＪＩＳ４号２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃試験片（サブサイズ、フラットワイズ）を作製した。この試験片に、「８３０℃、２０分保持→３２０℃の浴中に急冷、３０分保持→空冷」の条件で恒温変態処理（オーステンパー）を施した後、シャルピー衝撃試験機を用い常温（２０℃）で衝撃試験を行ったところ、積層方向の衝撃値（吸収エネルギーを断面積で除した値）は４８０Ｊ／ｃｍ2という、極めて高い値であった。
なお、鋼層の硬さは４１０ＨＶであり、熱処理により十分高強度化されていることが確認された。
【００３８】
上記供試体から５ｍｍ×１０ｍｍ×１２０ｍｍの導電性試験片を切り出した。試験片の長手方向が供試体の幅方向に一致し、試験片の厚さ方向が供試体の積層方向に一致する。この試験片を用いて、ＪＩＳ Ｈ０５０５に従い導電率を測定したところ、１８％ＩＡＣＳであった。
【００３９】
本例では欠陥の少ない健全な銅層を持つ鋼／銅複合材料が得られ、高強度、極めて高い靭性、良好な導電性を兼ね備えた平板状金属材料が実現された。
【００４０】
《比較例１》
実施例１と同じ材料（寸法も同じ）を用いて、拡散接合により実施例１と同じ積層数の鋼／銅複合材料を作製し、実施例１と同様の手法で各特性を調べた。拡散接合の条件は、面圧：１.５ＭＰａ、加熱処理：真空中、９５０℃×６０分とした。
その結果、導電率は実施例１と同等に良好であったが、かなりの高荷重（面圧：１.５ＭＰａ）を負荷したにもかかわらず、平均欠陥率ＫMは１８％と高かった。そのため、積層方向の衝撃値は１３０Ｊ／ｃｍ2と低かった。
【００４１】
《実施例２》
下記の化学組成を有する厚さ０.２５ｍｍの鋼板（Ｓ５５Ｃ）をめっき原板として、片面当たり０.０１ｍｍのめっき付着量で電気銅めっきを両面に施すことにより、厚さ０.２７ｍｍ（銅めっき層を含む）、長さ４００ｍｍ、幅２００ｍｍの銅めっき鋼板を用意した。
質量％で、Ｃ：０.５５％、Ｓｉ：０.２０％、Ｍｎ：０.８０％、Ｐ：０.０１２％、Ｓ：０.００８％、Ｃｒ：０.１３％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物
この銅めっき鋼板を４０枚積み重ねることにより厚さ１３.６ｍｍの鋼／銅積層体を構成した。
【００４２】
この積層体について、実施例１と同様の条件にて、同様の実験を行った。
その結果、平均欠陥率ＫMは１.２％であり、健全な銅層が形成されていた。銅層の平均厚さは０.０１８ｍｍであり、隣り合う鋼板間に介在していためっき層の合計厚さ０.０２ｍｍに対し、銅の歩留は非常に良好であった。鋼層の硬さは４１０ＨＶであり、熱処理により十分高強度化されていることが確認された。常温での積層方向の衝撃値は４２０Ｊ／ｃｍ2であり、非常に優れた靭性が認められた。導電率は１２％ＩＡＣＳであった。
【００４３】
銅めっき鋼板を用いた本例でも、欠陥の少ない健全な銅層を持つ鋼／銅複合材料が得られ、高強度、極めて高い靭性、良好な導電性を兼ね備えた平板状金属材料が実現された。
【００４４】
《比較例２》
実施例２と同じ銅めっき鋼板（寸法も同じ）を用いて、ろう付け法により実施例２と同じ積層数の鋼／銅複合材料を作製し、実施例１と同様の手法で各特性を調べた。ろう付けの条件は、面圧：０.２ＭＰａ、加熱処理：真空中、１１５０℃×３０分とした。
その結果、銅層の平均厚さは０.００２ｍｍであり、隣り合う鋼板間に介在していためっき層の合計厚さ０.０２ｍｍに対し、そのほとんどが流出してしまい、銅の歩留は悪かった。銅層が薄いことに起因し、導電率は８％ＩＡＣＳと低かった。平均欠陥率ＫMは９％であった。銅層が非常に薄いこと、および平均欠陥率ＫMが高いことに起因して、積層方向の衝撃値は２５０Ｊ／ｃｍ2と、実施例２の４２０Ｊ／ｃｍ2と比べ大幅に低かった。
【００４５】
《実施例３》
Ｃ含有量０.０５質量％の普通鋼冷延鋼板、厚さ０.４ｍｍ、長さ４００ｍｍ、幅２００ｍｍの鋼板を用意した。
この鋼板と、厚さ０.２ｍｍ、長さ４００ｍｍ、幅２００ｍｍの純銅板を交互に積み重ねることにより、鋼板５０層、銅板４９層からなる厚さ約３０ｍｍの鋼／銅積層体を構成した。
【００４６】
この積層体について、実施例１と同様の条件にて、同様の実験を行った（ただし衝撃試験前の変態処理は施していない）。
その結果、平均欠陥率ＫMは２.４％であり、健全な銅層が形成されていた。銅層の平均厚さは０.１７ｍｍであり、元の銅板の板厚０.２ｍｍに対し、銅の歩留は良好であった。常温での積層方向の衝撃値は３８０Ｊ／ｃｍ2であり、導電率は２７％ＩＡＣＳであった。普通鋼の場合は元々の衝撃値が高いので積層化による衝撃値向上は僅少であるが、健全な積層化を行うことによる導電率の向上は顕著である。
【００４７】
本例では、欠陥の少ない健全な銅層を持つ鋼／銅複合材料が得られ、また、銅層の厚さが十分に確保されたことにより、良好な導電性を呈する平板状金属材料が実現された。
【００４８】
《比較例３》
実施例３と同じ材料（寸法も同じ）を用いて、ろう付け法により実施例３と同じ積層数の鋼／銅複合材料を作製し、実施例１と同様の手法で各特性を調べた（ただし衝撃試験前の変態処理は施していない）。ろう付けの条件は、面圧：０.０２ＭＰａ、加熱処理：Ａｒ雰囲気中、１１５０℃×３０分とした。
本例ではろう付け時の銅の流出をできるだけ防ぐために、低い荷重（面圧０.０２ＭＰａ）とし、かつＡｒガスをパージしたので、元の銅板の板厚０.２ｍｍに対し、銅層の平均厚さは０.０７ｍｍと、比較的厚い銅層が得られた。しかし、面圧を低くしたことで平均欠陥率ＫMは４５％と非常に高かった。すなわち健全な銅層の部分は５５％程度しかなかった。このため、衝撃試験を行うと試験片が積層面でバラバラに砕け、衝撃値から靭性を正しく評価することができない状態であった。また、平均欠陥率ＫMが高いことに起因して導電率は２０％ＩＡＣＳとなり、実施例３の２７％ＩＡＣＳと比較して低い値であった。
【符号の説明】
【００４９】
１ 鋼板
２ 銅板
３ 空隙
１０ 高周波コイル
１１ 移動方向
２０ 銅溶融帯
２２ 銅の融液
２３ 銅溶融帯の移動方向最前線
２４ 融液浸入部
３１ 鋼層
３２ 銅層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼層と銅層が交互に積層して一体化した構造を有する導電性または積層方向の靱性に優れた鋼／銅複合材料、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料において、強度を高く維持したまま「靭性（耐衝撃特性）」を大幅に向上させることは一般に難しい。例えば、汎用的な高強度金属材料としては、焼入れ・焼戻し処理、あるいは高温変態処理を施して変態相（マルテンサイト相やベイナイト相など）を生成させた鋼材を挙げることができる。これらは硬さが３００〜７５０ＨＶレベルの高強度を呈することから、機械構造部材、工具、刃物など、多くの高強度用途で広く使用されている。しかしながら、常温での衝撃値は高々１００Ｊ／ｃｍ2程度であり、この種の鋼材でそれ以上の靭性を安定的に具備させることは困難である。
【０００３】
一方、靭性に特化した代表的な鋼材としてハットフィールド鋼（高Ｍｎオーステナイト鋼）が挙げられる。この種の鋼材では常温での衝撃値が３００Ｊ／ｃｍ2程度と極めて高い靱性を呈するものを得ることも可能である。しかしその場合の強度は、硬さが２００ＨＶ程度のレベルにとどまる。また、この種の材料を冷間圧延すれば硬さが４００ＨＶを超える領域まで高強度化することはできるが、この場合、常温での衝撃値は２００Ｊ／ｃｍ2を大きく下回るレベルまで低下してしまう。
【０００４】
非鉄金属材料においては析出強化などを利用して高強度化を図ったものが種々知られているが、銅合金やアルミニウム合金などの一般的な非鉄金属材料で高強度鋼並みの強度レベルを実現することは容易でなく、また極めて高い靭性を具備させることも困難である。
【０００５】
板状の金属材料において、板厚方向の衝撃に対して、例えば衝撃値が３００Ｊ／ｃｍ2以上あるいはさらに３５０Ｊ／ｃｍ2以上といった極めて高い靭性を呈する材料が実現できれば、高強度が要求される種々の用途において、部材の薄肉化、構造の単純化、性能向上などに寄与しうると考えられる。例えば自動車や輸送機器の衝撃吸収部材、免震構造部材、防弾部材をはじめ様々な用途展開が期待される。しかし、現状の一般的な金属材料で高強度を維持しながらそのような高靭性を有するものを得ることは極めて困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−０８２６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者らはこれまでに、高強度と高靭性を具備した板状金属材料として、鋼と銅の積層構造を持つ板状複合材料について検討を進め、特願２００７−２６８３６６にて開示した。この技術は鋼と銅を交互に重ねて積層方向に荷重をかけた状態として、これを炉に装入して加熱することにより、銅をろう材として鋼どうしを接合し、一体化させるものである（ろう付け法）。鋼として従来一般的な高強度鋼を使用したとき、厚さ方向（積層方向）の衝撃値が３００Ｊ／ｃｍ2を超えるような非常に高い靱性を呈する板状金属材料を得ることが可能であり、複合材料としての強度レベルは相当硬さが４００ＨＶを超えるものとなる。
【０００８】
しかし、この手法では銅層の中に気泡や空隙等の欠陥部分が形成されやすいという問題がある。このような欠陥を排除するためには加熱時に積層方向に大きい荷重を付与することが有効であるが、その場合には銅の融液が積層構造の端部から流出し、結果的に銅層が薄くなり、銅の歩留が悪くなる。ただし、幅の広い板状複合材料を製造する際には、大きい荷重をかけた場合であっても、幅方向端部から離れた位置にある銅層中に、依然として多量の欠陥部分が残存してしまう。この欠陥部分は接合力を低下させ、靭性の向上にマイナス要因となる。また、導電性を低下させる要因ともなり、導電部材として用いる場合にも改善の余地が残る。
【０００９】
異種の板状金属材料を重ね合わせて一体化する技術としては、上記のような「ろう付け法」の他に、「拡散接合法」、「クラッド圧延法」などが知られている。
拡散接合法は、ろう付けよりも加熱温度は低いが、十分に拡散を進行させて欠陥のない界面を構築するためには、かなりの高面圧を負荷する必要がある。また、処理を行う炉体の制約上、一般的には２ｍを超えるような長尺製品の製造は困難である。
クラッド圧延法は、拡散接合法よりもさらに低温での接合が可能であり、コイルとして長尺製品の製造も可能である。しかし、健全な接合界面を得るためにはかなりの圧延率（断面減少率）が必要である。また多層のものや厚いものを製造することは難しい。
【００１０】
本発明はこのような現状に鑑み、銅層に存在する欠陥の量を大幅に低減した鋼／銅複合材料を提供することを目的とする。特にその製造方法として、例えば一般的な高強度鋼を使用した場合に厚さ方向（積層方向）の衝撃値が３００Ｊ／ｃｍ2以上という極めて高い靱性を有するものが実現でき、かつ、長尺製品や、多層のもの、厚いものが製造可能な技術を提供しようというものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は、厚さ０.０５〜２ｍｍの鋼層と厚さ０.００５〜１ｍｍの銅層が交互に積層して各層が接合してなる平板状複合材料であって、幅（すなわち長手方向および積層方向に垂直な方向の長さ）が２０ｍｍ以上であり、下記の平均欠陥率ＫMが５％未満である導電性および積層方向の靱性に優れた鋼／銅複合材料によって達成される。
〔平均欠陥率ＫM〕当該複合材料の長手方向に垂直な断面のうち、幅中心位置を中央に持つ「幅方向２０ｍｍ×積層方向全長」の領域（「Ｃ断面中央領域」という）を、長手方向無作為な位置から５箇所選択し、各Ｃ断面中央領域について顕微鏡観察を行い、当該領域内の鋼層に挟まれた全ての銅層のトータル幅方向長さＬ0（ｍｍ）中に観測される欠陥部分の幅方向長さの総和Ｌ1（ｍｍ）を測定して、欠陥率Ｋ＝Ｌ1／Ｌ0×１００（％）を定め、各Ｃ断面中央領域の欠陥率Ｋの総和を観察Ｃ断面中央領域の数（＝５）で除した値を平均欠陥率ＫM（％）とする。
【００１２】
本明細書では、この鋼／銅複合材料において、各層の厚さ方向を「積層方向」と呼んでいる。鋼層の積層数は２以上であれば構わないが、例えば５以上とすることが靱性向上にはより効果的である。各鋼層は同一鋼種で構成してもよいし異種の鋼種を混ぜて構成してもよい。各鋼層の厚さは同一であってもよいし異なっていても構わない。各銅層についても同一種類の材料で構成してもよいし異種の材料で構成してもよい。また、各銅層の厚さは同一であってもよいし異なっていても構わない。
【００１３】
特に高い靱性を呈する鋼／銅複合材料として、鋼層を構成している鋼が、焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理を経た変態相が５０体積％以上を占める鋼であり、Ｕノッチの深さ方向が積層方向に一致する衝撃試験片による常温での２ｍｍＵノッチ衝撃値が３００（Ｊ／ｃｍ2）以上であるものが提供される。
【００１４】
また本願発明では、上記の鋼／銅複合材料の製造方法として、
厚さ０.０５〜２ｍｍの鋼板が、銅めっき層または銅板を介して複数層に積層され、各隣り合う鋼板間には平均厚さ０.００５〜１ｍｍに相当する量の銅が介在している鋼／銅積層体を構成する工程（積層工程）、
前記積層体の長手方向の一部領域を加熱することにより形成させた、銅のみが溶融した銅溶融帯を、積層体の長手方向に移動させることにより銅溶融帯の移動方向最前線において鋼板の間を銅の融液で充填していき、充填後の銅を凝固させて鋼層と銅層が交互に積層して各層が接合してなる平板状複合材料とする工程（溶融・凝固工程）、
を有する製造方法が提供される。
【００１５】
積層工程として特に、
厚さ０.０５〜２ｍｍの鋼板をめっき原板とした銅めっき鋼板を、複数層に積層して、隣り合う鋼板間に介在する銅のトータル厚さが０.００５〜０.２ｍｍである鋼／銅積層体を構成する工程（積層工程）、
を採用することができる。
溶融・凝固工程の加熱は、高周波コイルによって行うことが望ましい。
【００１６】
積層工程において、焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理により硬さ３５０ＨＶ以上となる鋼板を採用し、溶融・凝固工程のあとに更に、
前記平板状複合材料を、鋼層の硬さが３５０ＨＶ以上となる条件の前記焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理に相当するヒートパターンの熱処理に供する工程（鋼層強化熱処理工程）、
を有する製造方法によれば、特に優れた「高強度」と「高靱性」の両立が実現できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、板状金属材料において、比較的安価な汎用素材を用いて「高強度」および厚さ方向における「高靭性」を高いレベルで両立させた複合材料が実現された。その靭性は、当該複合材料を構成する元の素材からは考えられないほど飛躍的な向上している。また本発明の製造方法は、厚いもの、多層のものや長尺製品の製造に適用でき、鋼と銅を積層した複合金属材料の普及に寄与しうる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の鋼／銅複合材料の断面構造を模式的に例示した図。
【図２】衝撃試験片の採取方向を模式的に示した図。
【図３】鋼／銅複合材料のＣ断面中央領域の一部を例示した光学顕微鏡写真。
【図４】鋼／銅複合材料のＣ断面中央領域の一部を例示した光学顕微鏡写真。
【図５】鋼／銅複合材料のＣ断面中央領域の一部を例示した光学顕微鏡写真。
【図６】鋼／銅複合材料のＣ断面中央領域の一部を例示した光学顕微鏡写真。
【図７】被加熱材と高周波コイルの位置関係を模式的に示した図。
【図８】高周波コイルを被加熱材（鋼と銅を交互に積み重ねた積層体）の長手方向に移動させながら鋼層と銅層を接合していく際の断面構造を模式的に示した図。
【図９】実施例で用いた高周波コイルの寸法形状を模式的に示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に、本発明の鋼／銅複合材料の断面構造を模式的に例示する。この図の例では鋼層の積層数が３であり、最外層が両面とも銅層で構成されている。銅めっき鋼板を積層した場合にはこのように最外層が銅層となるが、最外層は鋼層、銅層いずれでであっても構わない。両側の最外層が異種材料であってもよい。「鋼層に挟まれた銅層」の数はこの図の例では２である。本発明によれば、この「鋼層に挟まれた銅層」において欠陥部分の存在が顕著に抑制される。
【００２０】
本発明の鋼／銅複合材料は、積層方向の靭性が極めて高いことに大きな特徴がある。図２に、衝撃試験片の採取方向を模式的に示す。衝撃試験においてハンマーにより付与される衝撃方向が積層方向となる場合（図２（ａ））をフラットワイズ（Flat-wise）と呼び、それと直角方向となる場合（図２（ｂ））をエッジワイズ（Edge-wise）と呼ぶ。積層方向の靭性はフラットワイズの衝撃試験で評価される。
【００２１】
本発明の鋼／銅複合材料においては、鋼層および銅層を構成する各材料の靱性からは考えられないほど顕著に積層方向の靱性を向上させることができる。そのメカニズムに関しては現時点で十分に解明されていないが、試験後の衝撃試験片の観察から、靱性の低い鋼層で生じた亀裂が銅層の存在によって隣の鋼層に伝播しにくい状態となっているものと推察される。このことは、エッジワイズの試験片による衝撃値はバルクの鋼材と同等の値となり、フラットワイズのような靱性向上が認められないことからも肯定される。
【００２２】
鋼層の厚さは０.０５〜２ｍｍ、銅層の厚さは０.００５〜１ｍｍ程度の範囲とすればよい。鋼層の厚さをＴS、銅層の厚さをＴCとし、板厚（積層方向の全長）における鋼層のトータル厚さをΣＴｓ、銅層のトータル厚さをΣＴｃとするとき、鋼層による高強度を十分に発揮させるためには、両層のトータルの厚さ比率ΣＴｓ／ΣＴｃを４以上とすることが好ましい。一方、積層方向の靱性を顕著に向上させるにはΣＴｓ／ΣＴｃを５０以下とすることが効果的であり、３０以下とすることがより好ましい。また、特性の均質化を図るためには、各鋼層および各銅層をそれぞれ同種類の材料で構成した上で、各鋼層の厚さＴｓおよび各銅層厚さＴｃはそれぞれ、Ｔｓの平均値およびＴｃの平均値に対して±５０％の範囲にあることが望ましく、±３０％の範囲にあることがより好ましい。後述のように銅めっき鋼板を用いて積層体を形成させる場合には、各銅層厚さは例えば０.００５〜０.２μｍ程度の範囲に調整することが効率的である。
【００２３】
各層の材料を積み重ねた積層体が、ある程度幅の広いものであるとき、これをろう付け法によって一体化させようとすると、幅方向端部から離れた位置における銅層には欠陥部分が残りやすい。その欠陥の大部分は、積み重ねた積層体の層間に介在していた空気に起因する空隙や、隙間である。層間に介在していた異物が残留することもある。積層体の幅が２０ｍｍ程度であれば積み重ねた積層体の層間に介在していた空気や異物は、積層方向に付与されている荷重によって銅の融液が幅方向端部から流出する際の融液流れに伴って外部に除去されやすく、銅層の厚さは薄くなるものの、欠陥部分の少ない比較的健全な銅層が構築される。しかし、それより幅の広いものにおいては、幅方向中央部付近に欠陥部分が多く形成されてしまうことがわかった。ここで「欠陥部分」とは、隣り合う鋼層の間に単一の銅層がその両側の鋼層と接合した状態で存在している部分を除いた部分であり、具体例としては、銅層の欠損（銅層不存在箇所）、空隙、隙間、異物、銅層内亀裂などが挙げられる。
【００２４】
本発明では、ろう付け法によって健全な銅層を安定して得ることが難しい幅２０ｍｍ以上の板状鋼／銅複合材料を対象とする。健全な銅層が形成されているかどうかは、当該複合材料の長手方向に垂直な断面のうち、幅中心位置を中央に持つ「幅方向２０ｍｍ×積層方向全長」の領域（「Ｃ断面中央領域」という）を調べることにより評価できることがわかった。具体的には、Ｃ断面中央領域を、長手方向無作為な位置から５箇所選択し、各Ｃ断面中央領域について顕微鏡観察を行い、当該領域内の鋼層に挟まれた全ての銅層のトータル幅方向長さＬ0（ｍｍ）中に観測される欠陥部分の幅方向長さの総和Ｌ1（ｍｍ）を測定して、欠陥率Ｋ＝Ｌ1／Ｌ0×１００（％）を定める。そして、各Ｃ断面中央領域の欠陥率Ｋの総和を観察Ｃ断面中央領域の数（＝５）で除した値を平均欠陥率ＫM（％）とする。この平均欠陥率ＫMが５％未満であれば、健全な銅層を持つと評価することができる。このような健全な銅層は、後述するように銅溶融帯を移動させながら接合する手法によって実現できる。
【００２５】
図３〜図６に、後述の銅溶融帯を移動させる手法で製造した種々の鋼／銅複合材料について、Ｃ断面中央領域（前述）の一部を光学顕微鏡で観察した断面組織写真を例示する。図３の視野には銅層中の欠陥部分が観測されない。図４には異物が介在している欠陥部分が見られる。図５、図６には銅層の欠損および銅層内亀裂が見られる。なお、この顕微鏡観察試料は、切断→湿式ペーパー研磨→バフ研磨の手順で鏡面研磨としたものである。
【００２６】
鋼層を構成する鋼としては種々のものが適用可能であるが、特に優れた「高強度」と積層方向の「高靱性」との両立を図るためには高強度鋼を採用する。高強度鋼としては焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理によって高強度化されるタイプの鋼種が好適である。このタイプのものは、銅層と接合する際の高温の熱処理を経た後に、所定の焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理を付与することによって「変態相」を生成させることができ、それによって高強度化される。「変態相」は鋼材を焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理に供することによってＡ1変態点より低い温度で生成する相である。焼入れ・焼戻し処理によって得られる変態相は代表的にはマルテンサイト相（焼戻しされたものを含む）である。恒温変態処理としては例えばオーステンパーが挙げられ、それによって得られる変態相は代表的にはベイナイト相である。処理によっては種類の異なる変態相が共存することもある。変態相の残部には通常、炭化物が存在するが、その他、残留オーステナイト相、初析フェライト相などが存在していても構わない。変態相は５０体積％以上存在することが、高強度化にとって有利である。焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理により硬さ３５０ＨＶ以上となる化学組成を有するものを使用することがより好ましい。
【００２７】
鋼層を構成する具体的な高強度鋼種として、ＪＩＳなどの規格鋼種を例示すれば、Ｓ１０Ｃ、Ｓ３５Ｃ、Ｓ５５Ｃ、ＳＣＭ４３５、ＳＵＰ６、ＳＫ８５、ＳＫ１００、ＳＫ１２０、ＳＵＪ２、ＳＵＳ４２０Ｊ２などが挙げられる。１つの積層体に複数の鋼種を混ぜて使用する場合は、同一の熱処理が採用できる鋼種を組み合わせる。
【００２８】
具体的な化学組成として以下のものが例示できる。
［１］質量％で、Ｃ：０.１〜１.５％、Ｍｎ：０.２〜２％、Ｐ：０.０３％以下、Ｓ：０.０３％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物
［２］上記［１］において、さらにＳｉ：２.５％以下を含有するもの
［３］上記［１］または［２］において、Ｃｒ：２％以下、Ｎｉ：２％以下、Ｍｏ：２％以下、Ｔｉ：０.５％以下、Ｎｂ：０.５％以下、Ｖ：０.５％以下、Ｂ：０.０２％以下の１種以上を含有するもの
【００２９】
銅層は、純度９０％以上の銅で構成し、市販の銅板や銅箔が適用できる。電気銅めっきに由来する銅もこれに該当する。規格材料としては、ＪＩＳ Ｈ３１００：２００６に規定される各種銅材料のうち、銅含有量９０質量％以上のものが適用でき、純度９９％以上の純銅がより好ましい。
【００３０】
本発明の鋼／銅複合材料は、例えば図７に示すように、被加熱材（鋼と銅を交互に積み重ねた積層体）を高周波コイルを移動させながら加熱する手法によって得ることができる。
【００３１】
図８に、高周波コイルを被加熱材（鋼と銅を交互に積み重ねた積層体）の長手方向に移動させながら鋼層と銅層を接合していく際の断面構造を模式的に示す。隣り合う鋼板１の間に銅板２を挟んで積み重ねられた積層体の、長手方向の一部が高周波コイル１０に囲まれており、その部分では高周波誘導加熱によって銅板２が溶融し、鋼板１との間に銅の融液２２が形成されている。鋼は溶融せず、融点の低い銅のみが溶融するように高周波パワーが調整されている。この銅の融液２２が形成されている長手方向の領域（銅溶融帯２０）は、高周波コイルの移動方向１１に移動していく。銅溶融帯の移動方向最前線２３において、銅板２が順次溶融していく。積み重ねられた鋼板１と銅板２の間には、必然的に空隙３が形成されている。この図では空隙３のサイズを誇張して描いてある。銅溶融帯の移動方向最前線２３では、銅の融液２２が毛細管現象によって進行方向前方の空隙３の中へ浸入していく現象が起こり、融液浸入部２４が形成されるものと考えられる。これによって空隙３の空気は前方の空隙３や鋼板１／銅板２の界面を伝わって前方へ押しやられ、銅の融液２２は空隙や隙間が非常に少ないものとなる。すなわち、銅溶融帯の移動方向最前線２３において鋼板１の間を銅の融液２２で充填していくのである。銅溶融帯２０が通過したあとは銅の融液２２が凝固し、鋼層３１と銅層３２が互いに強固に接合した鋼／銅複合材料となる。このようにして、欠陥部分の少ない銅層を持つ平板状の鋼／銅複合材料が得られる。なお、銅めっき鋼板を用いる場合には、互いに接触する銅めっき層どうしの間に空隙３が形成されることになる。この場合も、融液浸入部２４が形成されて空隙３が前方へ押しやられていくメカニズムは同じである。
【００３２】
銅溶融帯を移動させるためには、高周波コイルを動かす方法、被加熱材を動かす方法のどちらを採用しても構わない。高周波コイルに代えて別の加熱手段を用いることもできる。例えば被加熱材が管状炉の中を通るようなライン構成としても良い。ただし、高周波加熱によれば急速に局部を加熱することができる点で効率的である。銅溶融帯の移動速度は、１〜５０ｍｍ／ｓｅｃの範囲で最適条件を見出すことができる。銅溶融帯が通過する時間は概ね１〜６０ｓｅｃとすればよい。
【００３３】
鋼板として前述のような高強度鋼種を採用する場合には、銅溶融帯を通過させることによって得られた平板状複合材料を、鋼層の硬さが３５０ＨＶ以上となる条件の焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理に相当するヒートパターンの熱処理に供すればよい。
【実施例】
【００３４】
《実施例１》
下記の化学組成を有する厚さ１.０ｍｍ、長さ４００ｍｍ、幅２００ｍｍの鋼板（ＳＣＭ４１５）を用意した。
質量％で、Ｃ：０.１６％、Ｓｉ：０.２０％、Ｍｎ：０.７５％、Ｐ：０.０１１％、Ｓ：０.００１％、Ｃｒ：１.１５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物
この鋼板と、厚さ０.４ｍｍ、長さ４００ｍｍ、幅２００ｍｍの純銅板を交互に積み重ねることにより、鋼板１０層、銅板９層からなる厚さ１３.６ｍｍの鋼／銅積層体を構成した。
【００３５】
図９に示す寸法形状を有する長方形断面、巻き数５の高周波コイルを、前記の鋼／銅積層体の周囲に配置して長手方向に移動させることにより、銅板のみが溶融する銅溶融帯を移動させながら鋼板と銅板を接合して一体化させ、鋼／銅複合材料（供試体）を得た。高周波コイルの移動速度は３０ｍｍ／ｍｉｎ、周波数４０ｋＨｚ、２００Ｖ、５０Ａの条件とした。
【００３６】
得られた供試体について、前述の手法で平均欠陥率ＫMを求めたところ、ＫMは３.２％であり、健全な銅層が形成されていた。銅層の平均厚さは０.３２ｍｍであり、元の銅板の板厚０.４ｍｍに対し、銅の歩留は良好であった。
【００３７】
上記供試体からＪＩＳ４号２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃試験片（サブサイズ、フラットワイズ）を作製した。この試験片に、「８３０℃、２０分保持→３２０℃の浴中に急冷、３０分保持→空冷」の条件で恒温変態処理（オーステンパー）を施した後、シャルピー衝撃試験機を用い常温（２０℃）で衝撃試験を行ったところ、積層方向の衝撃値（吸収エネルギーを断面積で除した値）は４８０Ｊ／ｃｍ2という、極めて高い値であった。
なお、鋼層の硬さは４１０ＨＶであり、熱処理により十分高強度化されていることが確認された。
【００３８】
上記供試体から５ｍｍ×１０ｍｍ×１２０ｍｍの導電性試験片を切り出した。試験片の長手方向が供試体の幅方向に一致し、試験片の厚さ方向が供試体の積層方向に一致する。この試験片を用いて、ＪＩＳ Ｈ０５０５に従い導電率を測定したところ、１８％ＩＡＣＳであった。
【００３９】
本例では欠陥の少ない健全な銅層を持つ鋼／銅複合材料が得られ、高強度、極めて高い靭性、良好な導電性を兼ね備えた平板状金属材料が実現された。
【００４０】
《比較例１》
実施例１と同じ材料（寸法も同じ）を用いて、拡散接合により実施例１と同じ積層数の鋼／銅複合材料を作製し、実施例１と同様の手法で各特性を調べた。拡散接合の条件は、面圧：１.５ＭＰａ、加熱処理：真空中、９５０℃×６０分とした。
その結果、導電率は実施例１と同等に良好であったが、かなりの高荷重（面圧：１.５ＭＰａ）を負荷したにもかかわらず、平均欠陥率ＫMは１８％と高かった。そのため、積層方向の衝撃値は１３０Ｊ／ｃｍ2と低かった。
【００４１】
《実施例２》
下記の化学組成を有する厚さ０.２５ｍｍの鋼板（Ｓ５５Ｃ）をめっき原板として、片面当たり０.０１ｍｍのめっき付着量で電気銅めっきを両面に施すことにより、厚さ０.２７ｍｍ（銅めっき層を含む）、長さ４００ｍｍ、幅２００ｍｍの銅めっき鋼板を用意した。
質量％で、Ｃ：０.５５％、Ｓｉ：０.２０％、Ｍｎ：０.８０％、Ｐ：０.０１２％、Ｓ：０.００８％、Ｃｒ：０.１３％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物
この銅めっき鋼板を４０枚積み重ねることにより厚さ１３.６ｍｍの鋼／銅積層体を構成した。
【００４２】
この積層体について、実施例１と同様の条件にて、同様の実験を行った。
その結果、平均欠陥率ＫMは１.２％であり、健全な銅層が形成されていた。銅層の平均厚さは０.０１８ｍｍであり、隣り合う鋼板間に介在していためっき層の合計厚さ０.０２ｍｍに対し、銅の歩留は非常に良好であった。鋼層の硬さは４１０ＨＶであり、熱処理により十分高強度化されていることが確認された。常温での積層方向の衝撃値は４２０Ｊ／ｃｍ2であり、非常に優れた靭性が認められた。導電率は１２％ＩＡＣＳであった。
【００４３】
銅めっき鋼板を用いた本例でも、欠陥の少ない健全な銅層を持つ鋼／銅複合材料が得られ、高強度、極めて高い靭性、良好な導電性を兼ね備えた平板状金属材料が実現された。
【００４４】
《比較例２》
実施例２と同じ銅めっき鋼板（寸法も同じ）を用いて、ろう付け法により実施例２と同じ積層数の鋼／銅複合材料を作製し、実施例１と同様の手法で各特性を調べた。ろう付けの条件は、面圧：０.２ＭＰａ、加熱処理：真空中、１１５０℃×３０分とした。
その結果、銅層の平均厚さは０.００２ｍｍであり、隣り合う鋼板間に介在していためっき層の合計厚さ０.０２ｍｍに対し、そのほとんどが流出してしまい、銅の歩留は悪かった。銅層が薄いことに起因し、導電率は８％ＩＡＣＳと低かった。平均欠陥率ＫMは９％であった。銅層が非常に薄いこと、および平均欠陥率ＫMが高いことに起因して、積層方向の衝撃値は２５０Ｊ／ｃｍ2と、実施例２の４２０Ｊ／ｃｍ2と比べ大幅に低かった。
【００４５】
《実施例３》
Ｃ含有量０.０５質量％の普通鋼冷延鋼板、厚さ０.４ｍｍ、長さ４００ｍｍ、幅２００ｍｍの鋼板を用意した。
この鋼板と、厚さ０.２ｍｍ、長さ４００ｍｍ、幅２００ｍｍの純銅板を交互に積み重ねることにより、鋼板５０層、銅板４９層からなる厚さ約３０ｍｍの鋼／銅積層体を構成した。
【００４６】
この積層体について、実施例１と同様の条件にて、同様の実験を行った（ただし衝撃試験前の変態処理は施していない）。
その結果、平均欠陥率ＫMは２.４％であり、健全な銅層が形成されていた。銅層の平均厚さは０.１７ｍｍであり、元の銅板の板厚０.２ｍｍに対し、銅の歩留は良好であった。常温での積層方向の衝撃値は３８０Ｊ／ｃｍ2であり、導電率は２７％ＩＡＣＳであった。普通鋼の場合は元々の衝撃値が高いので積層化による衝撃値向上は僅少であるが、健全な積層化を行うことによる導電率の向上は顕著である。
【００４７】
本例では、欠陥の少ない健全な銅層を持つ鋼／銅複合材料が得られ、また、銅層の厚さが十分に確保されたことにより、良好な導電性を呈する平板状金属材料が実現された。
【００４８】
《比較例３》
実施例３と同じ材料（寸法も同じ）を用いて、ろう付け法により実施例３と同じ積層数の鋼／銅複合材料を作製し、実施例１と同様の手法で各特性を調べた（ただし衝撃試験前の変態処理は施していない）。ろう付けの条件は、面圧：０.０２ＭＰａ、加熱処理：Ａｒ雰囲気中、１１５０℃×３０分とした。
本例ではろう付け時の銅の流出をできるだけ防ぐために、低い荷重（面圧０.０２ＭＰａ）とし、かつＡｒガスをパージしたので、元の銅板の板厚０.２ｍｍに対し、銅層の平均厚さは０.０７ｍｍと、比較的厚い銅層が得られた。しかし、面圧を低くしたことで平均欠陥率ＫMは４５％と非常に高かった。すなわち健全な銅層の部分は５５％程度しかなかった。このため、衝撃試験を行うと試験片が積層面でバラバラに砕け、衝撃値から靭性を正しく評価することができない状態であった。また、平均欠陥率ＫMが高いことに起因して導電率は２０％ＩＡＣＳとなり、実施例３の２７％ＩＡＣＳと比較して低い値であった。
【符号の説明】
【００４９】
１ 鋼板
２ 銅板
３ 空隙
１０ 高周波コイル
１１ 移動方向
２０ 銅溶融帯
２２ 銅の融液
２３ 銅溶融帯の移動方向最前線
２４ 融液浸入部
３１ 鋼層
３２ 銅層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ０.０５〜２ｍｍの鋼層と厚さ０.００５〜１ｍｍの銅層が交互に積層して各層が接合してなる平板状複合材料であって、幅（すなわち長手方向および積層方向に垂直な方向の長さ）が２０ｍｍ以上であり、下記の平均欠陥率ＫMが５％未満である導電性および積層方向の靱性に優れた鋼／銅複合材料。
〔平均欠陥率ＫM〕当該複合材料の長手方向に垂直な断面のうち、幅中心位置を中央に持つ「幅方向２０ｍｍ×積層方向全長」の領域（「Ｃ断面中央領域」という）を、長手方向無作為な位置から５箇所選択し、各Ｃ断面中央領域について顕微鏡観察を行い、当該領域内の鋼層に挟まれた全ての銅層のトータル幅方向長さＬ0（ｍｍ）中に観測される欠陥部分の幅方向長さの総和Ｌ1（ｍｍ）を測定して、欠陥率Ｋ＝Ｌ1／Ｌ0×１００（％）を定め、各Ｃ断面中央領域の欠陥率Ｋの総和を観察Ｃ断面中央領域の数（＝５）で除した値を平均欠陥率ＫM（％）とする。
【請求項２】
鋼層の積層数が５以上である請求項１に記載の鋼／銅複合材料。
【請求項３】
鋼層は焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理を経た変態相が５０体積％以上を占める鋼であり、Ｕノッチの深さ方向が積層方向に一致する衝撃試験片による常温での２ｍｍＵノッチ衝撃値が３００（Ｊ／ｃｍ2）以上である請求項１または２に記載の鋼／銅複合材料。
【請求項４】
厚さ０.０５〜２ｍｍの鋼板が、銅めっき層または銅板を介して複数層に積層され、各隣り合う鋼板間には平均厚さ０.００５〜１ｍｍに相当する量の銅が介在している鋼／銅積層体を構成する工程（積層工程）、
前記積層体の長手方向の一部領域を加熱することにより形成させた、銅のみが溶融した銅溶融帯を、積層体の長手方向に移動させることにより銅溶融帯の移動方向最前線において鋼板の間を銅の融液で充填していき、充填後の銅を凝固させて鋼層と銅層が交互に積層して各層が接合してなる平板状複合材料とする工程（溶融・凝固工程）、
を有する導電性および積層方向の靱性に優れた鋼／銅複合材料の製造方法。
【請求項５】
積層工程として、
厚さ０.０５〜２ｍｍの鋼板をめっき原板とした銅めっき鋼板を、複数層に積層して、隣り合う鋼板間に介在する銅のトータル厚さが０.００５〜０.２ｍｍである鋼／銅積層体を構成する工程（積層工程）、
を採用する請求項４に記載の鋼／銅複合材料の製造方法。
【請求項６】
溶融・凝固工程の加熱を、高周波コイルによって行う請求項４または５に記載の鋼／銅複合材料の製造方法。
【請求項７】
積層工程において、焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理により硬さ３５０ＨＶ以上となる鋼板を採用し、溶融・凝固工程のあとに更に、
前記平板状複合材料を、鋼層の硬さが３５０ＨＶ以上となる条件の前記焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理に相当するヒートパターンの熱処理に供する工程（鋼層強化熱処理工程）、
を有する請求項４〜６のいずれかに記載の鋼／銅複合材料の製造方法。
【請求項１】
厚さ０.０５〜２ｍｍの鋼層と厚さ０.００５〜１ｍｍの銅層が交互に積層して各層が接合してなる平板状複合材料であって、幅（すなわち長手方向および積層方向に垂直な方向の長さ）が２０ｍｍ以上であり、下記の平均欠陥率ＫMが５％未満である導電性および積層方向の靱性に優れた鋼／銅複合材料。
〔平均欠陥率ＫM〕当該複合材料の長手方向に垂直な断面のうち、幅中心位置を中央に持つ「幅方向２０ｍｍ×積層方向全長」の領域（「Ｃ断面中央領域」という）を、長手方向無作為な位置から５箇所選択し、各Ｃ断面中央領域について顕微鏡観察を行い、当該領域内の鋼層に挟まれた全ての銅層のトータル幅方向長さＬ0（ｍｍ）中に観測される欠陥部分の幅方向長さの総和Ｌ1（ｍｍ）を測定して、欠陥率Ｋ＝Ｌ1／Ｌ0×１００（％）を定め、各Ｃ断面中央領域の欠陥率Ｋの総和を観察Ｃ断面中央領域の数（＝５）で除した値を平均欠陥率ＫM（％）とする。
【請求項２】
鋼層の積層数が５以上である請求項１に記載の鋼／銅複合材料。
【請求項３】
鋼層は焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理を経た変態相が５０体積％以上を占める鋼であり、Ｕノッチの深さ方向が積層方向に一致する衝撃試験片による常温での２ｍｍＵノッチ衝撃値が３００（Ｊ／ｃｍ2）以上である請求項１または２に記載の鋼／銅複合材料。
【請求項４】
厚さ０.０５〜２ｍｍの鋼板が、銅めっき層または銅板を介して複数層に積層され、各隣り合う鋼板間には平均厚さ０.００５〜１ｍｍに相当する量の銅が介在している鋼／銅積層体を構成する工程（積層工程）、
前記積層体の長手方向の一部領域を加熱することにより形成させた、銅のみが溶融した銅溶融帯を、積層体の長手方向に移動させることにより銅溶融帯の移動方向最前線において鋼板の間を銅の融液で充填していき、充填後の銅を凝固させて鋼層と銅層が交互に積層して各層が接合してなる平板状複合材料とする工程（溶融・凝固工程）、
を有する導電性および積層方向の靱性に優れた鋼／銅複合材料の製造方法。
【請求項５】
積層工程として、
厚さ０.０５〜２ｍｍの鋼板をめっき原板とした銅めっき鋼板を、複数層に積層して、隣り合う鋼板間に介在する銅のトータル厚さが０.００５〜０.２ｍｍである鋼／銅積層体を構成する工程（積層工程）、
を採用する請求項４に記載の鋼／銅複合材料の製造方法。
【請求項６】
溶融・凝固工程の加熱を、高周波コイルによって行う請求項４または５に記載の鋼／銅複合材料の製造方法。
【請求項７】
積層工程において、焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理により硬さ３５０ＨＶ以上となる鋼板を採用し、溶融・凝固工程のあとに更に、
前記平板状複合材料を、鋼層の硬さが３５０ＨＶ以上となる条件の前記焼入れ・焼戻し処理または恒温変態処理に相当するヒートパターンの熱処理に供する工程（鋼層強化熱処理工程）、
を有する請求項４〜６のいずれかに記載の鋼／銅複合材料の製造方法。
【図１】
【図２】
【図７】
【図８】
【図９】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図７】
【図８】
【図９】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２２１６００（Ｐ２０１０−２２１６００Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７２９３１（Ｐ２００９−７２９３１）
【出願日】平成２１年３月２４日（２００９．３．２４）
【出願人】（０００００４５８１）日新製鋼株式会社 (1,178)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２４日（２００９．３．２４）
【出願人】（０００００４５８１）日新製鋼株式会社 (1,178)
【Ｆターム（参考）】
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