JPH08276283A

JPH08276283A - チタンクラッド鋼板の製造方法

Info

Publication number: JPH08276283A
Application number: JP8001495A
Authority: JP
Inventors: Masanori Taiyama; 正則泰山; Kazuhiro Ogawa; 和博小川
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-04-05
Filing date: 1995-04-05
Publication date: 1996-10-22

Abstract

(57)【要約】【目的】高い接合強度を有するチタンクラッド鋼板の低
コスト製造方法を提供する。【構成】熱間圧延によるチタンクラッド鋼板の製造方法
において、圧延用組立スラブを９００〜１１００℃に加
熱後、総圧下比１０以上で熱間圧延を施して７５０℃以
下で圧延を終了するか、もしくは８８０℃以下、７５０
℃超で圧延終了後直ちに２℃／秒以上の冷却速度で冷却
するチタンクラッド鋼板の製造方法。上記２℃／秒以上
の冷却は、スラブの仕上げ厚さを２０ｍｍ以下として放
冷に代えることができる。【効果】既存の鋼用の熱延設備を用いてチタンクラッド
鋼板の大量生産を達成することができる。総圧下比が大
きく、歩留まりと接合強度が大幅に改善されるため、高
い接合強度を有する低コストのチタンクラッド鋼板が得
られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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。

【０００２】

【従来の技術】クラッド材は、それぞれの異種金属を層
状に接合したもので、それぞれの金属が有している優れ
た特性を併せ持った材料として注目されている。特に、
チタンクラッド鋼は、鋼の優れた強度、熱伝導性および
溶接性とチタンの高耐食性とを併せ持った材料として、
化学プラント用および海洋防食用等の高い強度と耐食性
が要求される部材への適用が進められている。

【０００３】現在、チタンクラッド鋼板は大別して爆着
法と圧延法により製造されている。

【０００４】爆着法は爆発のエネルギーを利用してチタ
ンと鋼の接合を行うもので、接合材のサイズ、形状に制
限が大きいことに加え、接合施工を実施する場所につい
ても大きな制約を受けるため、大量生産には不向きであ
り、爆着法で安価なチタンクラッド鋼板を製造すること
は困難である。

【０００５】圧延法では、従来の圧延設備を利用するこ
とができる上に、板厚の制限が小さく、生産性も比較的
高いことから、圧延法は爆着法と比べ有利な製造方法で
あるということができる。しかし、熱間圧延であるため
にチタンと鋼の接合界面に脆弱なＴｉ−Ｆｅ系金属間化
合物やＴｉＣ炭化物が形成される可能性が高く、この金
属間化合物や炭化物の形成により、クラッド鋼板の界面
強度や耐食性が著しく低下することが懸念される。

【０００６】これまで、このような接合界面でのＴｉ−
Ｆｅ系金属間化合物やＴｉＣ炭化物の形成に対しては、
圧延接合温度および中間材によるＦｅ−ＴｉやＴｉ−Ｃ
の相互拡散の防止という観点から、種々の取り組みがな
されている。

【０００７】例えば、チタンと鋼との間に中間材とし
て、炭素量が０．０３％以下の薄鋼板を介在させる方法
（特開昭６２−１５８５８４号公報、特開昭６３−５６
３７０号公報参照）や、０．０１％以下の鋼とニッケル
の薄板（特開平５−８０５９号公報参照）、あるいは銅
とニッケルの薄板（特開昭６０−１７０５８６号公報参
照）等の２層を介在させる方法が提案されている。

【０００８】また、中間材を使わないで、特定の圧延条
件、すなわち圧延加熱温度を８００〜８５０℃とし、圧
延終了温度を７００℃以上とする方法（特開昭５６−１
６３００５号公報参照）や、８５０〜９００℃に加熱
し、圧下比２以上で圧延し、次いで６５０〜９５０℃で
熱処理を行った後、圧下比１．１〜５で熱間圧延を行う
方法（特開昭６０−２１３３７８号公報参照）や、７５
０〜９５０℃の温度域で圧下比３以上の第１圧延を施
し、この第１圧延から２分以内に２℃／秒以上の冷却速
度で冷却を開始して５００℃以下まで冷却する方法（特
公平６−６１６２９号公報参照）、あるいは７５０℃以
上の圧延パス間隔を３０秒以内とする方法（特開平４−
１２３８８３号公報参照）などが提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
方法を適用し、既存の鋼用の熱延設備によりチタンクラ
ッド鋼板、特にその薄板を製造する場合には、それぞれ
次の問題がある。

【００１０】たとえば、鋼の既存熱延設備では、鋼材ス
ラブを１０００℃以上の高温に加熱し、連続した圧延ミ
ルにより、総圧下比１０以上の高圧下比により、多量の
薄鋼板を低コストで製造することができる。しかし、こ
の設備と方法をチタンクラッド鋼板の製造に適用した場
合、前記の中間材を用いる方法では、圧延による圧下比
が大きいため、圧延中に中間材と母材（鋼）、合わせ材
（チタン）との変形抵抗の違いから、中間材が切断さ
れ、鋼とチタンが直接接触して界面にＴｉ−Ｆｅ系金属
間化合物やＴｉＣ炭化物が形成されることとなり、安定
した高い接合強度を得ることが難しい。

【００１１】前記特開昭５６−１６３００５号公報に示
される中間材を使わない方法には、その熱延加熱温度条
件が低いことから、１０００℃以上の加熱を必要とする
既存の鋼用熱延設備を適用することが難しい。前記特開
昭６０−２１３３７８号公報に示されような熱処理を中
間に用いる方法では、製造能率が低下し、クラッド鋼板
のコストが高くなる。

【００１２】特開平４−１２３８８３号公報に示される
ように、単に７５０℃以上の圧延のパス間隔だけを定め
る方法では、圧下比が小さい場合には新生面による接合
面積が小さいため、高い接合強度が得られない。また、
高い温度（９００℃以上）で圧延を終了した場合には、
圧延時に接合界面に金属間化合物が形成されていない界
面でも圧延終了時の温度が高いため、冷却中に界面に金
属間化合物が生じる。

【００１３】このため、高い接合強度が得られなくな
る。

【００１４】この冷却中に金属間化合物が界面に生じる
のを防止するには、前記特公平６−６１６２９号公報に
示されるように、圧延開始から２分以内に２℃／秒以上
で５００℃以下まで冷却する方法が有効である。しか
し、この方法では、既存の鋼用の熱延延設備で安価なク
ラッド鋼を多量に製造しようとする場合には圧延コイル
の長さが著しく長くなる。しかも、圧延用組立スラブを
９００〜１１００℃の高温に加熱して連続圧延すると、
最終仕上げ圧延後のスラブの温度が８００℃程度にな
り、これを圧延開始から２分以内に２℃／秒以上の冷却
速度で５００℃以下まで冷却することが不可能なため、
チタンクラッド鋼板を製造することができない。

【００１５】本発明は、上記の問題点を解決するために
なされたものであり、本発明の目的は安定した高い接合
強度を有するチタンクラッド鋼板を既存の鋼用の熱延設
備を用いて多量、安価に製造し得る方法を提供すること
にある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、次の
（１）および（２）のチタンクラッド鋼板の製造方法に
ある。

【００１７】（１）母材として鋼材、合わせ材としてチ
タンまたはチタン合金を用い、母材と合わせ材とを溶接
して組み立てた圧延用組立スラブを、熱間圧延により接
合するチタンクラッド鋼板の製造方法において、圧延用
組立スラブを９００〜１１００℃に加熱して後、総圧下
比１０以上で熱間圧延を施して７５０℃以下で圧延を終
了するチタンクラッド鋼板の製造方法。

【００１８】（２）母材として鋼材、合わせ材としてチ
タンまたはチタン合金を用い、母材と合わせ材とを溶接
して組み立てた圧延用組立スラブを、熱間圧延により接
合するチタンクラッド鋼板の製造方法において、圧延用
組立スラブを９００〜１１００℃に加熱して後、総圧下
比１０以上で熱間圧延を施して８８０℃以下、７５０℃
超の温度域で圧延を終了し、直ちに２℃／秒以上の冷却
速度で冷却するチタンクラッド鋼板の製造方法。

【００１９】上記（１）および（２）の方法において、
母材は炭素含有量が０．３mass％以下の低炭素鋼とする
のが望ましい。

【００２０】また、上記（２）の方法において、仕上げ
スラブの厚さを２０ｍｍ以下とする場合には、圧延終了
後の冷却を放冷に代えることができる。

【００２１】本発明者らは、既存の鋼用の熱延設備を用
い、チタンと鋼の接合に適正とされる温度よりも高い９
００℃以上の温度に圧延用組立スラブを加熱し、チタン
クラッド鋼板を高能率に製造するに際し、前記の問題点
を解決すべく、チタンクラッド鋼板の接合界面接合強度
低下の要因となる界面の金属間化合物および炭化物の形
成、成長について検討した。その結果、圧延用組立スラ
ブの加熱温度を９００〜１１００℃、熱延の総圧下比を
１０以上となし、７５０℃以下の温度で圧延を終了する
か、もしくは８８０℃以下、７５０℃超の温度域で圧延
を終了し、直ちに２℃／秒以上の冷却速度ですることに
より、圧延時にチタンと鋼の接合界面に形成される金属
間化合物および炭化物を破壊し、その厚さを接合強度に
影響を与えない程度に小さくなるとともに、圧延での塑
性変形により新たに形成されたチタンと鋼の新生面によ
ってチタンと鋼との接合をなさし、この新生面での金属
間化合物および炭化物の成長を抑制することができ、高
い接合強度を有するチタンクラッド鋼板が得られるいう
知見を得て、本発明をなすに至った。

【００２２】

【作用】まず、本発明方法の対象となる圧延用スラブの
組立方法の例を、図１に基づいて説明する。

【００２３】図１は、圧延用スラブの組立後の断面を示
す図であり、同図（ａ）は非対称型スラブ、同図（ｂ）
は対象型スラブの場合である。

【００２４】図１（ａ）に示すように、非対称型スラブ
では、母材（鋼）１上の４辺全周部にスペーサー（鋼）
５および６、中心部に合わせ材（チタン）２を配置し、
合わせ材（チタン）２の表面に剥離剤４を塗布し、スペ
ーサー（鋼）５、６と剥離剤４との全表面をダミー材
（鋼）３で覆い、その後、溶接により組み立てる。

【００２５】図１（ｂ）に示すように、対称型スラブの
場合では、剥離剤４に対して、母材（鋼）１と合わせ材
（チタン）２とが対称（図では上下）となり、スペーサ
ー（鋼）５、６の厚さ内に２枚の合わせ材（チタン）
２、２と剥離剤４が入るように配置し、溶接により組み
立てる。この場合にはダミー材は用いない。

【００２６】さらに、いずれの場合も、母材（鋼）と合
わせ材（チタン）との接合面には、いかなる中間材も介
在させない。ただし、上記接合面は、研削等の通常の方
法により清浄化処理を施しておく。

【００２７】合わせ材２としてはチタンまたはチタン合
金（例えば、Ｔｉ−８mass％Ｍｎ、Ｔｉ−３mass％Ｃｒ
など）を、剥離剤４としてはＡｌ₂Ｏ₃を、ダミー材３
とスペーサー５、６としては母材と同じ鋼材を、それぞ
れ使用すればよい。また、母材としては炭素鋼であれば
どのようなものでもよいが、接合界面でのＴｉＣ炭化物
の形成を抑制する観点からはＣ含有量の少ないものがよ
く、０．３mass％Ｃ以下の低炭素鋼を用いるのが好まし
い。

【００２８】本発明の方法は、上記のように組み立てた
圧延用スラブを９００〜１１００℃の温度に加熱し、総
圧下比１０以上の連続圧延を施し、７５０℃以下の温度
で圧延を終了するか、もしくは８８０℃以下、７５０℃
超の温度域で圧延を終了し、直ちに２℃／秒以上の冷却
速度で冷却する連続圧延方法である。これにより、接合
強度の高いチタンクラッド鋼板を得ることができる。

【００２９】上記の限定理由を次に述べる。

【００３０】《圧延用スラブの加熱温度》既存の鋼用の
熱延設備をチタンクラッド鋼板の製造にそのまま使用す
るには、圧延ミルのパワーの観点から、圧延用組立スラ
ブを９００℃以上に加熱する必要がある。すなわち、圧
延用組立スラブの加熱温度が９００℃未満であると、総
圧下比１０以上の圧延を行うことができない。一方、圧
延用組立スラブの加熱温度が１１００℃を超えるとチタ
ンと鋼が共晶反応を起こして溶融し、連続圧延時の第１
パス圧延後にチタンと鋼の界面に両者の溶融合金層が形
成され、その接合界面にＴｉ−Ｆｅ系金属間化合物が多
量に生成するため、接合強度が著しく低下する。従っ
て、圧延用スラブの加熱温度温度は９００〜１１００℃
とする。

【００３１】《総圧下比》本発明の方法では、圧延での
塑性変形により、チタンと鋼との接合表面の酸化膜等の
接合性を阻害する膜を破壊するとともに、圧延時に形成
される金属間化合物および炭化物を破壊して新生面を積
極的に形成させ、この新生面同士の接合を行う。しか
し、総圧下比が１０未満では、形成される新生面が少な
くその接合面積が小さく、所望の界面接合強度が得られ
ない。従って、総圧下比は１０以上とする。

【００３２】総圧下比の上限は、特に限定されず、高け
れば高いほどよい。しかし、その上限は、圧延ミルのパ
ワーおよび圧延用組立スラブの組立強度（圧延中にこの
スラブの溶接部が剥離しないこと）によって決まるた
め、連続的な圧下が可能な範囲で適宜定めればよい。な
お、望ましい圧下条件としては、１パス当たりの圧下率
および全圧延パス数が、それぞれ１０〜２０％程度およ
び６〜２０パス程度とするのが好ましい。

【００３３】「総圧下比」および「圧下率」は、圧延前
のスラブ厚さを「Ｔ」、圧延後のスラブ厚さを「ｔ」と
したとき、それぞれ下記式で定義される値である。

【００３４】総圧下比＝Ｔ／ｔ圧下率（％）＝｛（Ｔ−ｔ）／Ｔ｝×１００《圧延終了温度および冷却》チタンまたはチタン合金
は、昇温すると約９００℃でα相からβ相に変態し、原
子の充填率の高い六方晶系から、原子の充填率の低い立
方晶系の結晶構造に変化する。そして、α−チタン中の
Ｆｅの拡散速度は、β−チタン中の拡散速度の約１／１
０と遅い。このため、組立スラブを構成するチタンまた
はチタン合金のα相温度域で圧延を行う場合には、α−
チタンと鋼との接合界面でのＴｉ−Ｆｅ系金属間化合物
の形成を抑制することができ、安定した高い界面の接合
強度を得ることができる。しかし、この効果は、仕上げ
終了温度が８８０℃を超えると安定して得られないの
で、仕上げ終了温度は８８０℃以下、好ましくは７５０
℃以下とする必要がある。

【００３５】すなわち、その仕上げ終了温度が８８０℃
以下であっても７５０℃を超える温度の場合、仕上げ圧
延後、その温度から室温まで放冷すると、チタンと鋼と
の界面でのＦｅの拡散が進行し、前記新生接合界面を含
む界面に新たなＴｉ−Ｆｅ系金属間化合物が形成して界
面の接合強度が低下する。ところが、圧延終了温度が７
５０℃以下であれば、７５０℃以下の温度域でのチタン
中のＦｅの拡散速度が極めて遅い（拡散距離が１μｍ以
下となる）ため、界面に金属間化合物が形成したとして
もその接合強度に影響を及ぼすことがなく、接合強度が
低下するのを防止することができる。また、８８０℃以
下、７５０℃超の温度域で圧延を終了する場合には、圧
延終了後直ちに２℃／秒以上の冷却速度で冷却すると、
新生接合界面を含む界面に新たなＴｉ−Ｆｅ系金属間化
合物がほとんど形成することはなく、形成したとしても
その接合強度に影響を及ぼすことがなく、接合強度が低
下するのを防止することができる。

【００３６】従って、本発明では圧延終了温度を７５０
℃以下、もしくは８８０℃以下、７５０℃超で圧延終了
後、直ちに２℃／秒以上の冷却速度で冷却することとし
た。

【００３７】なお、冷却速度の上限は特に限定されな
い。すなわち、冷却速度が２℃／秒以上であれば上記の
効果が得られるからである。しかし、２０℃／秒を超え
る冷却速度を得るためには、水冷などの強制冷却手段を
用いる必要があり、設備費が嵩むので、２０℃／秒以下
とするのが経済的である。

【００３８】また、圧延終了後における鋼板の冷却速度
は、仕上げるスラブの厚さに大きく影響され、圧延終了
後の仕上げスラブ厚さが厚いと温度が下がり難くなり、
上記２℃／秒以上の冷却速度を確保するには、水冷等の
特別な強制冷却手段を採用する必要がある。しかし、仕
上げスラブ厚さを２０ｍｍ以下とする場合には、通常の
放冷により、上記２℃／秒以上の冷却速度を確保するこ
とができる。従って、本発明（上記（２）の発明）にお
いては、仕上げスラブ厚さを２０ｍｍ以下にすることに
より、強制冷却装置等を用いることなく、２℃／秒以上
の冷却速度を確保するようにしてもよい。

【００３９】本発明の方法では、圧延用スラブを溶接に
より組み立てる雰囲気を特に限定していないが、大気中
で溶接組立した場合にも十分な高い接合強度をえること
ができる。ただし、真空中での溶接組立を行った場合に
は、さらに高い接合強度を得ることができるので、真空
中で溶接組立を行ってもよいことは言うまでもない。

【００４０】

【実施例】母材として板厚８０ｍｍと１６０ｍｍのＣ：
０．３mass％の低炭素鋼、合わせ材として板厚２０ｍｍ
と４０ｍｍの純チタン（ＪＩＳ−Ｈ４６００、１種）、
ダミー材として板厚３０ｍｍと６０ｍｍの母材鋼と同様
の低炭素鋼を用いて、全厚が１３０ｍｍと１６０ｍｍの
２種類の図１（ａ）に示す非対称型の圧延用スラブを、
溶接で組み立てた。また、母材として板厚６０ｍｍと１
２０ｍｍの上記同様組成の低炭素鋼、合わせ材として板
厚１５ｍｍと３０ｍｍの上記同様組成の純チタンを用い
て、全厚が１５０ｍｍと３００ｍｍの２種類の図１
（ｂ）に示す対称型の圧延用スラブを、溶接で組み立て
た。

【００４１】組立に先立ち、母材と合わせ材の接合面を
それぞれ機械研削により仕上げた。

【００４２】また、剥離剤としてＡｌ₂Ｏ₃を塗布し、
スペーサーとしては母材およびダミー材と同じ低炭素鋼
を使用した。さらに、No. １〜４、No. １２〜１５、N
o. ２６〜３０およびNo. ３５〜３８は真空中（真空
度：１０^-2ｔｏｒｒ）で組み立て、その他は大気中で組
み立てた。

【００４３】次いで、表１および表２に示す圧延条件に
従い、既存の鋼用の熱延設備を用いて表１および表２に
示す種々の板厚に仕上げ、得られたチタンクラッド鋼板
からＪＩＳ−Ｚ０６０１に準拠してせん断試験片を採取
し、せん断強度を測定して評価した。これらの結果を表
１および表２に併せて示す。

【００４４】

【表１】

【００４５】

【表２】

【００４６】表１および表２に示すように、スラブの加
熱温度が１１００℃超の場合（No.１２、３１）、最終
仕上げ終了温度が８８０℃超の場合（No. １３、３
２）、総圧下比が１０未満の場合（No. １４、１７、３
３、３６）、冷却速度が２℃／秒未満の場合（No. １
５、１６、１９、３４、３５、３８）、冷却終了温度が
７５０℃超の場合（No. １８、３７）には、いずれもせ
ん断強度が１５０Ｎ／ｍｍ²以下で接合強度が低い。こ
れに対し、本発明による場合（No. １〜１１、２０〜３
０）には、２００Ｎ／ｍｍ²以上のせん断強度が得られ
ており、比較例に比べて３割強以上の高い接合強度を有
するチタンクラッド鋼板が得られた。

【００４７】

【発明の効果】本発明の方法により、既存の鋼用の熱延
設備を用いてチタンクラッド鋼板の多量生産を達成する
ことが可能である。本発明法では、総圧下比が大きく、
歩留まりと接合強度が大幅に改善される。従って、得ら
れるチタンクラッド鋼板は低コストであるとともに高い
接合強度を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧延用スラブ組立後の断面を示す図であり、同
図（ａ）は非対称型組立スラブ、同図（ｂ）は対称型組
立スラブを示す図である。

【符号の説明】

１：母材（鋼）、２：合わせ材（チタンまたはチタン
合金）、３：ダミー材、４：剥離剤、５、
６：スペーサー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２１Ｄ 8/02 9270−4ＫＣ２１Ｄ 8/02 Ｚ 9/00 9352−4Ｋ 9/00 Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】母材として鋼材、合わせ材としてチタンま
たはチタン合金を用い、母材と合わせ材とを溶接して組
み立てた圧延用組立スラブを、熱間圧延により接合する
チタンクラッド鋼板の製造方法において、圧延用組立ス
ラブを９００〜１１００℃に加熱して後、総圧下比１０
以上で熱間圧延を施して７５０℃以下で圧延を終了する
ことを特徴とするチタンクラッド鋼板の製造方法。
【請求項２】母材として鋼材、合わせ材としてチタンま
たはチタン合金を用い、母材と合わせ材とを溶接して組
み立てた圧延用組立スラブを、熱間圧延により接合する
チタンクラッド鋼板の製造方法において、圧延用組立ス
ラブを９００〜１１００℃に加熱して後、総圧下比１０
以上で熱間圧延を施して８８０℃以下、７５０℃超の温
度域で圧延を終了し、直ちに２℃／秒以上の冷却速度で
冷却することを特徴とするチタンクラッド鋼板の製造方
法。
【請求項３】冷却速度２℃／秒以上の冷却に代えて、仕
上げスラブ厚さを２０ｍｍ以下とすることを特徴とする
請求項２に記載のチタンクラッド鋼板の製造方法。