(57)【要約】【課題】スクラップなどにおけるクラッド鋼の母材と合せ材とを低コストで効率よく分離することを可能にする。【解決手段】鋼からなる母材に該母材よりも融点が低い合せ材が接合されたクラッド鋼を誘導加熱し、相対的に高温となった前記母材側からの伝熱によって前記合せ材の接合界面近傍を溶融させ、必要に応じて荷重を付与して前記母材と前記合せ材とを剥離することで、一般的に使用されているクラッド鋼全般で実施することが可能になり、接合界面近傍を溶融させるだけで済むので使用するエネルギーや加熱に必要な時間を必要最小限に抑えられ、分離した母材および合せ材は純度の高いスクラップとしてリサイクルが可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼からなる母材に該母材よりも融点が低い合せ材が接合されたクラッド鋼を誘導加熱し、相対的に高温となった前記母材側からの伝熱によって前記合せ材の接合界面近傍を溶融させ、前記母材と前記合せ材とを剥離することを特徴とするクラッド鋼の剥離方法。
【請求項２】
前記溶融の際に、前記母材と前記合せ材との剥離を促進するために荷重を付与することを特徴とする請求項１記載のクラッド鋼の剥離方法。
【請求項３】
前記母材は磁性体または強磁性体であり、合せ材は非磁性体または常磁性体であることを特徴とする請求項１または２に記載のクラッド鋼の剥離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、クラッド鋼の製造過程および加工、廃棄などにより発生するスクラップ処理として応用が可能であり、クラッド鋼の母材と合せ材を剥離させて、高純度スクラップとして再利用することができるクラッド鋼の剥離方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
クラッド鋼は、目的とする強度・靭性を有する母材と耐食性、耐高温酸化性、耐摩耗性、電気伝導性などの機能を有する合せ材を接合させた金属複合材料の一つで、クラッド鋼の母材には主に炭素鋼や低合金鋼などが使用され、合せ材には主にステンレス鋼やＮｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉおよびそれらの合金などが使用される。クラッド鋼はその優れた特性やコストメリットが評価され、天然ガスパイプライン、石油・化学プラントの圧力容器や反応容器、淡水化装置など幅広い分野で使用されている。
【０００３】
ところで、循環型社会形成に向けて、大量に発生する鉄スクラップの再利用が希求されているなか、クラッド鋼については一部の再利用に留まっている。その理由としては、スクラップの再利用として最も容易な方法は電気炉溶解原料としての利用であるが、クラッド鋼スクラップは溶湯の組成制御を困難にするため、使用量が限られていることが挙げられる。さらにＣｕおよびＣｕ合金クラッド鋼に至っては、トランプエレメントの発生源になるためスクラップの再溶解は実施されていない。
この解決にはクラッド鋼の母材と合せ材を分離・回収する方法が必要である。しかしながら、クラッド鋼の接合は塑性変形による界面の新生金属面の現出と加熱による原子の相互拡散の促進により達成されるため、母材と合せ材界面の接合強度が母材の強度に肉薄していることから、機械的な剥離は現実的ではない。
従来、クラッド材の剥離方法としては、異種材料の固相線温度の相違を利用した方法（特許文献１参照）や、温度変化によって応力を生じさせる方法（特許文献２参照）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−７３９５５号公報
【特許文献２】特開２００３−１７０１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示される方法は、誘導加熱により母材アルミニウムと成分が異なり、固相線温度が低い合せ材アルミニウムを溶融して回収する方法である。しかし、この方法は、アルミニウムのような低融点で粘性係数が小さい金属には向いているものの、一般的なクラッド鋼では合せ材の融点が高く温度管理が難しいことや、合せ材がアルミニウムよりも粘性係数が大きくて溶融後の湯流れも不十分であることからクラッド鋼への適用は難しい。また、この方法では、合せ材を全て溶解させるためのエネルギーや溶融金属の酸化防止機構が必要となるため、処理費用の増大が懸念される。
【０００６】
また、特許文献２に示される方法は、加熱によって母材と合せ材の接合界面に脆化層である金属間化合物層を形成させた状態から、急冷して生じる応力により金属間化合物層から合せ材を剥離させる方法である。しかし、金属問化合物層を形成するような母材と合せ材の組合せは限られたものであり、例えば母材が炭素鋼、合せ材がステンレス鋼のような、一般的に使用されているクラッド鋼では短時間で脆化層は形成しないため、この方法では現実的な剥離は困難である。
このように従来の技術では、鋼種が限定された分離回収技術はあるものの、汎用的に使用できる方法が確立されていないという問題がある。また、従来技術では分離に必要なエネルギーや処理時間が多くかかるため、これを出来るだけ短縮するという要請もある。
【０００７】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、鋼種が限定されることなく広範囲にクラッド鋼への適用が可能であり、また、必要なエネルギー量の低減や処理時間の短縮化が可能な剥離方法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】
すなわち、本発明のクラッド鋼の剥離方法は、鋼からなる母材に該母材よりも融点が低い合せ材が接合されたクラッド鋼を誘導加熱し、相対的に高温となった前記母材側からの伝熱によって前記合せ材の接合界面近傍を溶融させ、前記母材と前記合せ材とを剥離することを特徴とする。
【０００９】
圧延クラッド鋼は、合せ材と母材を組合わせて、熱間圧延と調質熱処理により製造されており、また、多くの圧延クラッド鋼は、母材からの炭素拡散および合せ材からの構成元素の拡散を抑えることを目的に、接合界面にＮｉメッキを施した後、前記組み合わせを行って前記製造に供されている。
誘導加熱は、金属の溶解、熱処理の他、家庭では電磁調理器に応用されている。巻数Ｎのコイルの中に金属を入れ、このコイルに交番電流を流すと磁界の方向が右ねじの法則（アンペールの法則）により説明される磁界が発生し、この磁界によるヒステリシス損により金属が加熱される。さらに、金属に鎖交する磁界が変化すると電磁誘導の法則により磁束の変化率（ｄφ／ｄｔ）に比例した電圧が発生し、金属の大きさ・材質によって決まる電気抵抗から渦電流が流れ、この渦電流によるジュール熱（渦電流損）によっても加熱される。なお、誘導加熱における金属中の電流の浸透深さ（δ）は、金属の電気抵抗率（ρ）、比透磁率（μ）、高周波電源の周波数（ｆ）から経験則による次の（１）式によって算出される。なお、（１）式の出典は、高橋勘次郎著「高周波の工業への応用」東京電機大学出版局（１９６０） ｐ．８である。
【００１０】
δ＝（ρ×１０７）１／２／２π（μｆ）１／２＝５０３（ρ／（μｆ））１／２  …（１）
δ：金属中の電流の浸透深（m）
ρ：金属の電気抵抗率（Ω・m）
μ：比透磁率
ｆ:高周波電源の周波数（Hz）
【００１１】
電流浸透深さ（δ）が浅いと金属試料表面に電流が流れる断面積が小さくなり、結果として抵抗が大きくなるため、ジュール熱が大きくなる。すなわち、母材、（必要に応じてＮｉメッキ層）、合せ材から構成される圧延クラッド鋼において、比透磁率、電気抵抗率、融点、熱伝導率がそれぞれ異なるため、周波数が一定の誘導加熱では、比透磁率（μ）が大きく、電気抵抗率（ρ）が小さい金属ほど良く加熱される。
たとえば、母材が炭素鋼、合せ材がＮｉ基合金の一つであるハステロイＣ（商標、以下同じ）の圧延クラッド鋼の場合、常温における比透磁率は炭素鋼の２０００に対して、Ｎｉは６００、ハステロイＣに至っては１にすぎない。つまり、炭素鋼は強磁性の性質が失われる７７０℃のキュリー点に達するまで最も良く加熱され、キュリー点を超えた後も余熱により温度が上昇するため、熱伝導により炭素鋼からＮｉ、さらには最も融点が低いハステロイＣに熱が伝わり、その接合界面近傍でハステロイＣの一部が融け出し、剥離が起こる。また、加熱のみでは剥離が不完全な場合は剥離に必要最小限の引張荷重、せん断荷重、衝撃力などの荷重を付与して剥離を促進させることができる。剥離された合せ材には母材の付着がほとんど無いことから、純度の高いスクラップとしてリサイクルが可能である。
なお、本発明としては、誘導加熱の周波数、誘導電流量などは適宜選択することができ、本発明としては特定の数値に限定されるものではない。
【００１２】
上記作用を得るため、対象となるクラッド鋼は、合せ材の融点が母材の融点よりも低いことが条件となる。また、母材側からの熱伝導によって合せ材の接合界面近傍を溶融させるため、母材側が誘導加熱によって加熱されやすいことが必要とされる。これら条件を満たすクラッド鋼では、広範囲に本発明の適用が可能である。
母材には、多くの場合、炭素鋼や低合金鋼が使用されており、これらの材料は比透磁率が高く、誘導加熱によって昇温されやすいものである。また、合せ材には、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉなどの非鉄合金やステンレス鋼などが用いられるが、これらは、前記母材に比べて比透磁率が低く、誘導加熱によって相対的には昇温されにくい。本発明では、誘導加熱によって昇温する母材側からの伝熱によって接合界面近傍が溶融するため、合せ材全体を溶融させる必要がなく、したがって、投入エネルギーも小さくて済み、また、処理時間も短くなる。
なお、母材は磁性体または強磁性体、合せ材は非磁性体または常磁性体であるのが望ましい。母材および合せ材の比透磁率の相違によって、上記作用が円滑に得られる。
【００１３】
また、クラッド鋼では、前記したように母材と合せ材との間に、構成元素の拡散を抑えるＮｉメッキなどの中間層を設けたものであってもよい。該中間層は、母材とともに誘導加熱によって昇温して母材側として前記接合界面近傍を溶融させる作用を果たすものであってもよく、また、母材の伝熱を受けて前記接合界面近傍として溶融するものであってもよく、さらには、誘導加熱による昇温は少なくても、自身は溶融せずに母材と合せ材との間で伝熱に寄与するものであってもよい。
【００１４】
上記母材、合せ材及び中間層に用いられる代表的な材料について、比透磁率等の特性値を表１に示す。母材として代表的に用いられる炭素鋼では、比透磁率が極めて高く、熱伝導率も良好である。一方、合せ材として一般的に用いられるハステロイ（登録商標）、ステンレス鋼（表ではＪＩＳ  ＳＵＳ３１６Ｌ）、白銅、アルミニウムでは、比透磁率は低く、容易に磁化することはなく、アルミニウムを除いて熱伝導率も高くない。また、中間層に用いられるニッケルは、適度な炭素鋼よりは比透磁率は小さいものの高い比透磁率を有しており、容易に磁化することができ、また、熱伝導率も優れている。これら特性により、誘導加熱によって炭素鋼は効果的に加熱され、また、ニッケル中間層を有する場合、該中間層も誘導加熱によって効果的に加熱される。一方、合せ材は、誘導加熱によっては効果的に加熱することは困難である。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
なお、上記溶融に際し、母材と合せ材との剥離を促進するように荷重を付与するようにしてもよい。荷重としては静的なもの、動的なもののいずれであってもよく、衝撃荷重を加えるものであってもよい。また、上記溶融のみで上記剥離が容易になされる場合には、荷重を付与することなく剥離を行ってもよい。荷重の付与は、引張荷重、せん断荷重、衝撃力などの形態で行うことができ、本発明としては適宜の荷重を選択することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、この発明によれば、誘導加熱装置にてクラッド鋼を加熱することにより、母材より融点の低い合せ材の接合界面近傍を溶融させ、母材と合せ材を分離することができる。この方法は一般的に使用されているクラッド鋼全般で実施することが可能である。また、このプロセスは接合界面近傍を溶融させるだけで済むので使用するエネルギーや加熱に必要な時間を必要最小限に抑えられる。この方法により分離した母材および合せ材は純度の高いスクラップとしてリサイクルが可能となることから、従来ほとんど再利用されていなかった廃クラッド鋼の処理方法として非常に有効な方法である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態の方法が適用されるクラッド鋼を示す概略図である。
【図２】同じく、一実施形態の方法に用いるクラッド分離装置を示す概略図である。
【図３】本発明の実施例における分離試験に用いたクラッド鋼試料を示す図である。
【図４】同じく、実施例における供試材の剥離前後の状態を示す顕微鏡写真（図面代用写真）である。
【図５】同じく、実施例における供試材の剥離前後の状態を示す顕微鏡写真（図面代用写真）である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
この実施形態で処理対象となるクラッド鋼１０は、炭素鋼または低合金鋼などが母材１１とされ、非鉄合金またはステンレス鋼など合せ材１２とされる。該クラッド鋼は、母材となる材料と合せ材となる材料の接合界面に多くの場合、Ｎｉなどのめっき層１３を設けた後、組み合わせて圧延などにより製造される。ただし、本発明としては、クラッド鋼の製造方法は特に限定されるものではなく、種々の方法により製造されたクラッド鋼を対象とすることができる。
【００２０】
図２は、上記クラッド鋼の剥離処理を行うクラッド鋼分離装置１の一例を示す図である。
クラッド鋼分離装置１は、分離対象となるクラッド鋼を誘導加熱する誘導加熱コイル２を備えており、該誘導加熱コイルの内周側に、前記クラッド鋼を内側に収容する筒状の収容部３を備えている。該収容部３は、誘導加熱によって昇温し難い材質が望ましく、アルミナなどのセラミックスを好適に用いることができる。
該収容部３内には、外部から伸張するガス吹出し管４の開口部が臨ませてあり、収容部３内にＡｒなどを吹き込んでクラッド鋼周囲の環境を不活性ガス雰囲気に調整することができる。
【００２１】
上記収容部３および誘導加熱コイル２の上方側には、梁などによって支持部５が設けられており、該支持部５には、上記収容部３および誘導加熱コイル２の内周側に至る長さを有する長尺な懸架ワイヤ６が吊り下げられている。懸架ワイヤ６の下端には、クラッド鋼１０の合せ材１２または母材１１側に係止する係止部６ａが設けられている。ここでは、上部係止部６ａは、クラッド鋼１０の合せ材１２または母材１１に水平向きに形成された係止穴に挿通するワイヤ部分によって構成されている。なお、懸架ワイヤ６は、誘導加熱によって強度が低下することなくクラッド鋼１０を支持できることが必要であり、耐熱性に優れた材質、例えばタングステンなどを好適に採用することができる。
【００２２】
また、クラッド鋼分離装置１では、クラッド鋼１０の合せ材１２または母材１１側に係止する係止部７ａを上端側に備える重錘ワイヤ７を有しており、重錘ワイヤ７は、下端側が上記誘導加熱コイル２の下方側に位置する長さを有しており、該重錘ワイヤ７の下端に重錘８を取り付け、上記懸架ワイヤ６で吊り下げられたクラッド鋼１０の母材１１側または合せ材１２側に前記係止部７ａを係止する。ここでは、係止部７ａは、クラッド鋼１０の母材１１または合せ材１２に水平向きに形成された係止穴に挿通するワイヤ部分によって構成されている。なお、重錘ワイヤ７は、誘導加熱によって強度が低下することなく重錘８を支持できることが必要であり、耐熱性に優れた材質、例えばタングステンなどを好適に採用する。
なお、係止部６ａは、クラッド鋼１０の上方側の材料に係止され、係止部７ａは、クラッド鋼１０の下方側の材料に係止される。上下の材料の種別は本発明としては特に限定されないが、嵩の大きな母材側を下方側にしてクラッド鋼１０を配置して処理するのが望ましい。
【００２３】
次に、上記クラッド鋼分離装置１を用いたクラッド鋼の剥離方法について説明する。
上記のようにクラッド鋼１０の合せ材１２側を上方にして、合せ材１２に係止部６ａを係止する係止穴を設け、下方側に位置する母材１１側に係止部７ａを係止する係止穴を設け、それぞれ係止部６ａ、係止部７ａを係止して準備をする。
次いで、ガス吹き出し管４によってＡｒなどの不活性ガスを収容部３内に吹き出して不活性ガス雰囲気にして誘導加熱コイル２に通電をし、クラッド鋼１０を誘導加熱する。この加熱によって母材側が優先的に加熱され、めっき層１３がこれに次いで加熱される。
該誘導加熱によって、母材側（母材１１およびめっき層１３）が主として昇温し、合せ材１２は誘導加熱の効果が殆どない。母材１１側が昇温すると、熱がめっき層１３から合せ材１２に伝達され、合せ材１２が加熱される。この加熱によって合せ材が昇温し、接合界面付近が先ず溶融する。この際に、母材１１側には重錘８の重力が付与されており、母材１１の剥離が促進される。
【００２４】
上記処理によって、母材１１および合せ材１２は効果的に剥離される。合せ材１２では、接合界面付近が主として溶融した状態になっており、合せ材１２全体を溶融することなく剥離を行うことが可能になっている。
なお、上記分離装置は一例であって、該装置では重錘によってクラッド鋼の剥離を促進したが、本発明としては、分離を促進する荷重を付与することなく誘導加熱のみによって剥離を行うことも可能である。
また、荷重の付与として、上記引き離しの他にせん断力などの適宜の方法によって荷重を付与し、前記剥離を促進することも可能である。
【実施例１】
【００２５】
図３に示すように、前記クラッド鋼１０を１０ｍｍ四方の大きさに分断し、試験材とした。なお、試験材は、母材が炭素鋼、合せ材がハステロイＣ、ＳＵＳ３１６Ｌまたは白銅からなり、めっき層としてニッケルめっき層を有するものを用意した。母材は１６ｍｍ、合せ材はニッケルめっき層（５０μｍ）を含めて４ｍｍの厚さを有している。
該圧延クラッド鋼１０に用いられた炭素鋼、Ｎｉ、白銅、ＳＵＳ３１６Ｌ、ハステロイＣの物性値は前記表１に示されている。表に示すように、炭素鋼は比透磁率が高く、誘導加熱によって効果的に加熱されることがわかる。一方、白銅、ＳＵＳ３１６Ｌ、ハステロイＣは、比透磁率が低く、誘導加熱による作用は殆ど得られないことが分かる。Ｎｉは、比透磁率は中間程度の値を有しており、誘導加熱による作用は十分に得られる。また、Ｎｉは熱伝導率が高く、炭素鋼の熱を効率よくハステロイＣに伝熱することができる。
【００２６】
上記クラッド鋼１０に対し、前記実施形態で説明したクラッド鋼分離装置１を用いて剥離試験を行った。
母材と合せ材のそれぞれに上下面より２ｍｍの位置に１ｍｍ径で係止穴１１ａ、１２ａを設け、それぞれ懸架ワイヤ、重錘ワイヤとして０．５ｍｍ径のタングステン線を通し、重錘８によって３００ｇの荷重（引き離し力）を加えながら図２に示した装置を用いて誘導加熱（周波数：６７０ｋＨｚ、出力：１１．５ｋＷ）を行った。その結果、加熱開始から５７秒で母材１１からハステロイＣからなる合せ材１２が完全に剥離した。その他の合せ材（白銅、ＳＵＳ３１６Ｌ）を用いたクラッド鋼においても同様に早期（６５秒以内）に合せ材が剥離した。
【００２７】
さらに、上記試験材のうち、合せ材としてハステロイＣを用いた試験材と、合せ材として白銅を用いた試験材について、剥離前後の接合界面付近の顕微鏡写真を示した（図４、５）。両試験材とも、Ｎｉめっき層（Ｎｉバリアー層）付近で合せ材側から良好に剥離・分離していることが分かる。
【符号の説明】
【００２８】
１  クラッド鋼分離装置
２  誘導加熱コイル
８  重錘
１０  クラッド鋼
１１  母材
１２  合せ材
１３  めっき層
【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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