JPH07180036A

JPH07180036A - 表面処理鋼板

Info

Publication number: JPH07180036A
Application number: JP32641993A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Hyodo; 知明兵藤; Yoshihiko Yasue; 良彦安江; Junichi Ozaki; 純一小崎; Tetsuo Toyoda; 哲郎豊田
Original assignee: Showa Aircraft Industry Co Ltd; NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: Showa Aircraft Industry Co Ltd; JFE Engineering Corp
Priority date: 1993-12-24
Filing date: 1993-12-24
Publication date: 1995-07-18

Abstract

(57)【要約】【構成】鋼板表面に形成されたアルミニウム酸化物層
と、少なくとも一方の面のアルミニウム酸化物層に形成
されたＣｒ５〜４０重量％とＢ及びＳｉの一種又は二種
を１〜２０重量％と残部Ｎｉ及び不可避不純物からな
る、０．１〜２０μｍのろう付け性合金皮膜とを具備す
る、ろう付け性に優れた表面処理鋼板。【効果】位置決めを行なう必要がなく簡単容易に製造で
き工程が簡略化され、軽量化すると同時にコストを安く
し、母材の異種組織化が無視できる程度に小さく耐高温
酸化性と耐久性を向上し、さらにろう付け成分と鋼板成
分の相互拡散を抑制し、十分な接合強度を得、かつまた
良好な耐熱性を持たせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ろう付け性皮膜を設け
た表面処理鋼板、特にろう付け性および耐熱性が要求さ
れる表面処理鋼板に係わり、具体例を挙げれば、自動車
エンジン等の排気ガスを清浄化する触媒コンバータにお
いて触媒が付着される担体基材を製造するに有効な表面
処理鋼板に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の排ガス浄化触媒用メタル担体と
して、耐熱性を有する平板状鋼板と波板状鋼板とを重ね
てロール状に巻きハニカム成型したものが知られてい
る。メタル担体では、ハニカム体の平板状鋼板と波板状
鋼板、および外筒とハニカム体とがろう付けにより接合
されて、構造体としての強度を確保している。

【０００３】基材鋼板の耐熱性を向上させる公知の技術
として、Ａｌを３〜８重量％含有するＡｌ含有ステンレ
ス鋼を用い成型後熱処理して鋼中のＡｌを利用してステ
ンレス鋼表面にα−Ａｌ₂ Ｏ₃ を析出する方法がある
（特開昭５８−９６７２８号参照）。また、Ａｌの含有
量が１重量％未満のステンレス鋼板にＡｌをめっきし加
熱させた後にα−Ａｌ₂ Ｏ₃ ウイスカーを生成させる方
法（特開昭６３−２３２８５０号参照）や、フェライト
ステンレス鋼表面にＡｌめっきした後Ａｌをフェライト
鋼中に加熱拡散しさらに大気加熱により表面に酸化物ウ
ィスカーを生成させる方法が知られている（特開平２−
４０７３４号及び特開平２−２１４５４５号参照）。

【０００４】一方、ろう付け法に関し、公知のろう付け
接合方法として、ろう材箔を平板と波板の間に介挿し、
あるいはろう材成分をロールにより平板あるいは波板に
塗布した後平板と波板をロール状に巻き付けた後、両者
を加熱接合する方法がある（特開平３−６０７４０号参
照）。この場合、ろう材としてはＮｉ系（特開平２−２
６４４３号、特開平３−２７８８１５号参照）、Ｆｅ−
Ｃｒ−Ｓｉ系など多様な成分系のろう材が使用されてい
る。しかし、ろう材箔（あるいは塗布するろう材成分）
は高価であり（特開平１−１７１６４１号参照）。また
強度の面でも必ずしも全面に介装する必要もないため、
部分的にろう材箔を介挿したり（特開平３−８６３２９
号、特開平３−８６３７０号、特開平３−２７８８１５
号参照）、あるいは部分的に塗布したり、またはろう材
箔の重量を基板となる箔に対してある一定の範囲に調整
して（特開平３−６５２４４号参照）、ろう材成分の被
覆量を少なくすることが行なわれている。

【０００５】一方、ハニカム成型体の耐熱性改善に対
し、基材の耐熱性とろう付け部の耐熱性を同時に向上さ
せるために、ステンレス鋼板にＡｌを被覆し、粉末状や
箔状のＮｉ系ろう材を塗布するか介装することが行なわ
れている（特開平２−２６６４３号参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これまでの基
材の耐熱性を改善する構造には以下の問題点がある。す
なわち、 (1) ３〜８％のＡｌを含有するＡｌ含有ステンレス鋼を
冷間加工し金属箔とする場合、加工が困難で歩留りが悪
く生産性が劣化する。

【０００７】(2) Ａｌめっきを行ない加熱後Ａｌ₂ Ｏ₃
ウィスカーとする場合には、表面が酸化物で覆われてお
り金属との密着性が不十分であるのでろう接には不適当
であり、この酸化物の表面をろう接するには酸化物を破
壊するような特殊な処理を行なう必要がある。

【０００８】また、従来のろう付け接合には以下の問題
点がある。例えば、ろう材箔を介挿する方法は次の問題
点がある。 (1) ろう材箔は延性が劣るため薄膜化が困難であり、そ
の厚さは２０〜５０μｍと厚いのでろう材成分の材料費
が高く、また急冷凝固の非晶質金属箔にするので生産性
が悪くろう材箔の使用コストが高い。

【０００９】(2) ろう材箔の介挿が容易でなく、位置決
めが困難である。 (3) ろう材の量が多いので、ろう付け時の温度上昇に伴
い、ろう材が基材中に多く拡散し基材のフェライト組織
からオーステナイト組織に変化させるため、実際の使用
に際して両組織の熱膨張の差に起因する熱歪みが発生す
る。また、エンジン運転時の温度上昇に伴い、ろう材が
基材中に拡散し、高温酸化性が劣化する。

【００１０】また、ろう材を塗布する方法では以下の問
題点がある。すなわち、 (4) ろう材そのものを塗布することができないので、ろ
う材を樹脂バインダーと混合後、塗布する必要がある。
このため塗布厚さを薄膜化することが困難であり、前記
ろう材箔の問題点(1) ，(3) と同様の問題点がある。

【００１１】(5)さらに、塗布膜の厚さのばらつきが大
きく、また塗布膜の密着性が劣るという問題点もある。
このため、樹脂バインダーと混合されたろう材が塗布さ
れた平板状の鋼板と波板状の鋼板とを重ねてロール状に
巻き付ける際に、塗布膜が部分的に剥離し、あるいはこ
の剥離した塗布膜が別の場所に付着して巻き込まれるの
で、その後のろう付け接合強度が不安定になるという問
題点がある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、耐熱鋼板にＡ
ｌ酸化物をめっきするか、或いは耐熱鋼板にＡｌをめっ
きした後、大気中で加熱する等の手段により、Ａｌ酸化
物層を形成する。次いで、このＡｌ酸化物層に乾式めっ
き等によりめっき形成されたＮｉ−Ｃｒ系合金のろう付
け性皮膜を形成する。Ｎｉ−Ｃｒ系合金成分は、ろう付
け熱処理における加熱時に、皮膜成分のＮｉやＢが基材
成分であるＦｅと相互拡散し、融点が上昇するため、接
合しにくくなる問題がある。Ａｌ酸化物層には、加熱時
におけるこの拡散を抑制する効果がある。

【００１３】基材として、高温時における熱膨張を抑制
する目的で、基材はフェライト組織を有することが好ま
しい。基材表面のＡｌ酸化物の形成は、Ａｌ酸化物をコ
ーティングにより被覆するか、或いは基材にＡｌを被覆
した後に２００〜１０００℃の温度範囲で大気加熱を行
ない酸化することで得られる。Ａｌ酸化物層はウィスカ
ー状組織でなくてもよい。また、Ａｌ被覆後酸化させる
場合は、Ａｌ被覆部の全てをＡｌ酸化物層とする必要は
なく、表層（表面から最大３μｍまでの距離）のみがＡ
ｌ酸化物層であればよい。

【００１４】すなわち、Ａｌ酸化物をコーティングする
方法及びＡｌを被覆し酸化する方法のいずれにおいて
も、好適なＡｌ酸化物層の膜厚は３μｍ以下、特に０．
１μｍ〜２．０μｍである。本発明は、鋼板／Ａｌ酸化
物層／ろう付け層の構成のもの及び鋼板／Ａｌ層／Ａｌ
酸化物層／ろう付け層の構成のものの両方を含む。

【００１５】Ａｌ酸化物層を有する鋼板でハニカムコア
を形成する場合、ハニカムコアの強度確保、成型性およ
び軽量化の兼合から、その板厚が３０μｍ以上２００μ
ｍ以下とするのが好ましい。そして、その形状はハニカ
ムコアを形成するために平板状または波板状とし、平板
状鋼板と波板状鋼板とを組み合わせて巻装することによ
りハニカムコアが形成される。

【００１６】このろう付け性皮膜は、０．１μｍ以上２
０μｍ以下の膜厚を有するものとする。膜厚をこの範囲
に限定した理由は次のとおりである。０．１μｍ未満の
膜厚では接合力が確保されにくい。また、２０μｍを越
え付着量が過大な場合には生産コストが増加する。

【００１７】ろう付け性皮膜としてＮｉ−Ｃｒ系合金、
特にＮｉ−Ｃｒ−Ｂ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｓｉ系合金、
Ｎｉ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｂ系合金皮膜が耐高温酸化性の点で
有効である。これら合金の好適な組成は、Ｃｒ５〜４０
重量％と、ＢおよびＳｉの一種または二種を１〜２０重
量％と、残部Ｎｉおよび不可避不純物からなる。これら
の合金は、ろう付け性、耐高温酸化性が優れているとと
もに、めっき、特に乾式めっきで所望成分の皮膜を形成
できる。この合金の成分添加理由およびその好適な含有
範囲を限定した理由は以下のとおりである。

【００１８】Ｃｒは、異常酸化を防止して耐高温酸化性
を確保するために添加するが、５重量％未満のＣｒ量で
は耐高温酸化性が確保されず、４０重量％を越えるとＮ
ｉ量が減少して耐高温酸化性が劣化する。

【００１９】Ｂ、Ｓｉの一種または二種は、ろう材成分
の融点を低下させるために添加するが、１重量％未満で
は液相温度が無添加のＮｉ−Ｃｒ合金と比べて低下せ
ず、その添加効果を発揮しない。また２０重量％を越え
るとＢ添加材ではほう化物が、Ｓｉ添加ではケイ化物が
形成されて脆化する。表面処理鋼板において、特にろう
付け性が良好な好適範囲は２重量％以上１２重量％以下
である。

【００２０】ろう付け性皮膜（ろう付け性および耐高温
酸化性合金皮膜）の形成は、基材鋼板表面のＡｌ酸化物
と密着性よくめっきできる乾式めっきが好ましく、乾式
めっきの中では生産性の点で真空蒸着やイオンプレーテ
ィングが望ましい。

【００２１】

【作用】本発明に係る表面処理鋼板は、鋼板とろう付け
性皮膜の中間に、耐熱性（高温強度）を有するＡｌ酸化
物層を形成し、表層にろう付け性皮膜（ろう付け性およ
び耐高温酸化性合金皮膜）を形成するので、耐熱性とろ
う付け性を合わせ持つ。

【００２２】Ａｌ酸化物層の形成は、例えば、基材に真
空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリングなどの
方法でめっきするような鋼板表面にＡｌ酸化物層を直接
形成する方法で行われる。或いは、Ａｌを被覆して得ら
れたＡｌ被覆鋼板を大気中で加熱することで得られる。
Ａｌの被覆は、真空蒸着、イオンプレーティング、スパ
ッタリングなどの気相めっき、或いは溶融めっきなどの
めっき法に限定されるものではなく、Ａｌクラッド鋼板
でもよい。また、Ａｌ酸化物層は、低温で形成される非
晶質組織と、結晶質のＡｌ酸化物、例えば、９００℃前
後の高温で大気加熱することで生成されるＡｌ₂ Ｏ₃ 組
織とのいずれでもよい。特に、低温でＡｌ酸化物層を形
成すると熱処理コストを低減でき、好適である。

【００２３】Ａｌ酸化物層はめっきされる基材の耐熱性
を高めると同時に、ろう付け接合時の室温から接合温度
までの加熱過程において、Ａｌ酸化物層に被覆されるろ
う付け性皮膜の拡散障壁として機能する。すなわち、ろ
う付け接合の際の加熱過程に、めっきされたろう付け性
皮膜中のＮｉやＢの、鋼板中のＦｅとの相互拡散を、中
間層であるＡｌ酸化物層が遮り抑制する。

【００２４】ろう付け性皮膜の形成には、Ａｌ酸化物層
との密着性を得るために乾式めっき法を用いるのが好ま
しい。湿式めっき法では、Ｃｒを添加したＮｉ系合金め
っきを形成できないため、ろう付け性皮膜の耐高温酸化
性が劣化するからである。ろう付け性皮膜をめっきによ
り形成するので、従来に比べてこの皮膜の厚さを所望の
薄さにすることが出来る。また、その化学組成の調整も
公知のめっき技術を適用すれば、Ａｌ酸化物が形成され
た金属部材の所望箇所にろう付け性皮膜を形成できる。

【００２５】本発明の表面処理鋼板は、予めろう材成分
をめっきしプレコート化してあるので、この鋼板を使用
すれば、ろう材箔を用い成型する方法でハニカムコアを
製造する場合よりも作業工程が簡略化でき、またろう材
箔を設ける際に発生する位置決めの誤差を生じることが
ない。

【００２６】従って、この様にして得られた本発明の表
面処理鋼板は、６００℃以上の高温環境、特に自動車や
オートバイの排気ガス浄化装置用として使用されるろう
付けによる接合が必要なメタル担体基材（ハニカムコ
ア）として有用である。この表面処理鋼板を用いて、ハ
ニカムコアを形成するには、合金皮膜を形成した波板状
の表面処理鋼板と平板状の表面処理鋼板を用意し、両鋼
板のめっき面どうし、あるいは、めっき面とめっきを施
さない面とを当接しろう付けする。そしてこのハニカム
体を外筒で被覆し、スポット溶接やろう付けにより接合
することにより排気ガス浄化装置用の担体基材（ハニカ
ムコア）が製造される。そして、この担体基材に触媒を
付着させることにより排気ガス浄化装置が作られる。

【００２７】なお、本発明の類似技術として、特開昭６
２−３８７８４号に記載される拡散接合用インサート材
がある。これは、二つの金属部材を接合させるインサー
ト材であり、拡散接合層を支持する素材は接合層の担体
としてのみ機能し構造体として機能しない。そのため、
インサート材と基材との間で強度差を生じ歪みを発生す
る可能性がある。一方、本発明は素材自体が構造体を形
成するので、上記の発明とは目的を異にし、歪みを生じ
ることがない。

【００２８】

【実施例】本発明の実施例を説明する。基材箔としてＡ
ｌ酸化物層を直接被覆する場合には、表１に示す３０〜
２００μｍいた厚のフェライト系ステンレス鋼板、すな
わちＦｅ−２０重量％Ｃｒ−５重量％Ａｌ−ＲＥＭ添加
鋼板、ＳＵＳ４３０鋼板、ＳＵＳ４１０鋼板を用いた。
またＡｌ層を被覆し、大気加熱によりＡｌ酸化物層を表
面に形成する場合には３０〜２００μｍ板厚のＡｌクラ
ッドステンレス鋼板およびＡｌめっきステンレス鋼板を
用いた。この基材箔にＮｉ−Ｃｒ系合金皮膜をめっきす
る方法として真空蒸着法及びイオンプレーティング法を
用いた。合金皮膜の組成は表１に示すＮｉ−Ｃｒ系のめ
っき種を用いた。

【００２９】めっき面どうしの接合性およびめっき面と
めっきを施さない基材との接合性（ろう付け性）は、以
下に述べるハニカム成型耐熱構造体（メタル担体）の製
造工程をシミュレートする方法で調べた。

【００３０】まず、ろう付け性皮膜をめっきされた基材
箔とめっきを施さない基材箔を、それぞれ１５ｍｍ×１
５ｍｍの寸法に切り出した。いずれか一方に、図１に示
す３点の半球状の突起を上面から見て正三角形の位置に
押し込みにより形成した。次いで、突起を有する基材箔
（めっきされた基材箔、あるいはめっきを施さない基材
箔）と、突起を持たない耐熱ステンレス箔（めっきされ
た基材箔）とを重ね、２枚の上に２〜１０ｇの円形のス
テンレス鋼板製の重石を乗せた。次いで、１０^-4Ｔｏｒ
ｒの真空雰囲気において、１１００〜１２５０℃で１０
〜１２０分間保持の条件で接合試験を実施した。この
後、図２に示す突起部分を含む３個に切断し、非接触部
に１ｍｍ直径の穴を開け、ワイヤーを通し接合部分を引
き剥がし強度と破断形態を調べた。この結果、接合部で
は破断されず基材箔部分で破断が認められたものを合格
とした。これらの得られた結果を成膜方法およびろう付
け接合条件と合わせ表１にまとめて示す。

【００３１】次いでメタル担体における接合性の評価を
以下に述べる。図３は本発明に係る表面処理鋼板を用い
て製造されたハニカム成型耐熱構造体１の一例を示す斜
視図で、巻き付けられた波板状鋼板２と平板状鋼板３と
からなるハニカム体４を外筒５で被覆し、ろう付けして
いる。図４は本発明におけるハニカム成型耐熱構造体の
製造工程を示す図で、本発明では基材箔（Ａｌ酸化物層
を有する鋼板）を準備する工程と、基材箔にろう材成分
をめっきする工程と、波板状鋼板に成型加工する工程
と、波板状鋼板２と平板状鋼板３をろう付けする接合工
程に分類される。

【００３２】表１に示す実施例では、最初にＡｌ酸化物
層をめっきし、表面にＡｌ酸化物層６を有する基材箔を
準備した。表２に示す実施例では、最初にＡｌクラッド
ステンレス箔とＡｌめっきステンレス箔を大気下で５０
０〜１０００℃の温度域で熱処理することにより、表面
にＡｌ酸化物層６を有する基材箔を準備した。

【００３３】めっき工程、成型工程および接合工程を片
面めっき法に基づき説明する。まず、基材箔の少なくと
も一方の面をＮｉ−Ｃｒ系合金めっきをして合金皮膜７
を形成する。次に成型工程では合金皮膜７を形成した鋼
板（箔）の一部はそのまま平板状鋼板３として準備され
る。さらに平板状鋼板３の一部はコルゲート装置にてコ
ルゲート加工されることにより、所定の直線的な波板の
凹凸が連続的に折曲げ形成された波板状鋼板２として準
備される。これら波板状鋼板２と平板状鋼板３が一定中
心から交互に巻き付け重ねつつ多重に巻き取られる。接
合工程では、成型工程の後加熱を行ない波板状鋼板２と
平板状鋼板３を接合する。すなわち、ろう付け成分めっ
き工程で積層されたＮｉ基成分は加熱により溶融して波
板状鋼板２と平板状鋼板３の両者を接合する。そして、
これらの製造工程、すなわち準備工程、ろう付け成分め
っき工程、成型工程、および接合工程を経ることにより
耐熱構造体１が製造される。

【００３４】両面めっきを行なう場合には、めっき工程
で基材箔の両面にＮｉ−Ｃｒ系合金めっきを行なった後
そのまま平板状鋼板３として準備され、めっきを施さな
い基材箔をコルゲート装置にてコルゲート加工され準備
された、所定の直線的な波板の凹凸が連続的に折曲げ形
成された波板状鋼板２と、加熱により溶融されて両者が
接合される。また、めっき工程で鋼板（箔）の両面にＮ
ｉ−Ｃｒ系合金めっきを行なった後コルゲート装置にて
コルゲート加工され、凹凸が連続的に折曲げ形成された
波板状鋼板２となり、めっきされない平板状鋼板３と加
熱により接合される場合もある。図５にめっき皮膜構成
と接合方法との関係を示す。このように製作したメタル
担体の、平板状鋼板３と波板状鋼板２の接合部を含むよ
うに試験片を切り出し接合性を評価した。得られた結果
を表１に示す。

【００３５】また、ろう付け成分の皮膜の膜厚が本発明
の範囲から外れる比較例、およびろう材箔を用いた比較
例についても実験を行ない、その結果を表１に併記す
る。下記の表１から、膜厚と合金組成が本発明の範囲か
ら外れる比較例及びろう材箔を使用した比較例の場合に
は、接合強度が劣化する、あるいは生産性が劣る。これ
に対し、本発明では良好な接合強度が得られ、生産性と
経済性にも優れていることが明らかである。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
Ａｌ酸化物層を被覆した鋼板に、膜厚と合金組成を規定
したＮｉ−Ｃｒ系ろう付け性皮膜を被覆した表面処理鋼
板を用いてろう付けする場合、以下に示す効果を発揮す
る。

【００３７】第一に、従来のろう材箔と鋼板の中間（ハ
ニカム体の場合、平板状鋼板と波板状鋼板の中間）に配
置するものと比べ、位置決めを行なう必要がない。この
ため簡単容易に製造でき工程が簡略化される。

【００３８】第二に、従来のろう材箔と比べろう付け成
分層が薄く母材の異種組織化が無視できる程度に小さく
なる。このため、耐高温酸化性と耐久性が向上する。第
三に、高価なろう付け成分層の膜厚が薄いため、軽量化
されると同時にコストが安くなる。

【００３９】第四に、Ａｌ酸化物層がろう付け成分層と
鋼板との中間に存在する。このため、ろう付け成分と鋼
板成分の相互拡散が抑制され、ろう付け層の合金成分の
変化が少なく十分な接合強度が得られる。第五に、中間
層としてＡｌ酸化物層を有するため、良好な耐熱性を有
する。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【図面の簡単な説明】

【図１】ハニカム成型をシミュレートした接合試験の説
明図。

【図２】接合強度の測定方法を示す図。

【図３】本発明に係る耐熱構造体の説明に供する斜視
図。

【図４】本発明に係るハニカム成型耐熱構造体の製造工
程を説明する図。

【図５】本発明に係る表面処理鋼板の皮膜構成と接合方
法の関係を示す図。

【符号の説明】

１…耐熱構造体、２…波板状鋼板、３…平板状鋼板、４
…ハニカム体、５…外筒、６…Ａｌ酸化物層、７…合金
皮膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小崎純一東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者豊田哲郎東京都新宿区西新宿一丁目13番12号昭和飛行機工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋼板と、この鋼板表面に形成されたアル
ミニウム酸化物層と、アルミニウム酸化物層にめっき形
成された０．１〜２０μｍのろう付け性皮膜とを具備す
る、ろう付け性に優れた表面処理鋼板。
【請求項２】アルミニウム被覆鋼板と、この鋼板のア
ルミニウム被覆面に形成されたアルミニウム酸化物層
と、アルミニウム酸化物層にめっき形成された０．１〜
２０μｍのろう付け性皮膜とを具備する、ろう付け性に
優れた表面処理鋼板。
【請求項３】ろう付け性合金皮膜は、Ｃｒ５〜４０重
量％とＢ及びＳｉの一種又は二種を１〜２０重量％と残
部Ｎｉ及び不可避不純物からなる、請求項１又は２に記
載のろう付け性に優れた表面処理鋼板。
【請求項４】合金皮膜は乾式めっき皮膜である請求項
１乃至３のいずれかに記載のろう付け性に優れた表面処
理鋼板。
【請求項５】アルミニウム酸化物又はアルミニウムを
被覆する鋼板は、フェライト系ステンレス鋼板である請
求項１、３又は４に記載のろう付け性に優れた表面処理
鋼板。