(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも二つの金属の板または薄板を接合する方法であって、
ａ）延性の酸化物の表面を有していて、銅、銅合金、真鍮、アルミニウム合金、炭素鋼、チタンおよび亜鉛からなる群から選択される第１の金属の板または薄板を用意し；
ｂ）前記第１の金属の板または薄板の少なくとも一つの表面にクロムの層を電気メッキまたはＰＶＤ法によって０.０００１〜０.０００８インチ（０.００２５〜０.０２０３ｍｍ）の厚さで付着し；
ｃ）前記クロムの層に純アルミニウムの層を電気メッキまたはＰＶＤ法によって０.０００１〜０.００１インチ（０.００２５〜０.０２５４ｍｍ）の厚さで付着し；
ｄ）ステンレス鋼およびＥＣ級アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一つの第２の金属の板または薄板を用意し；
ｅ）前記第１および第２の板または薄板を重ね、そしてこれらを熱間加工温度に加熱し；
ｆ）前記重ねて加熱した第１および第２の板または薄板を圧延し、それによって前記第１の板または薄板に付着させたアルミニウムの表面と前記第２の金属の板または薄板との間に接合をもたらし；そして
ｇ）接合させた前記第１および第２の板または薄板を加熱して接合を強化させる、
以上の工程を含む方法。
【請求項２】
前記加熱工程ｅ）と前記圧延工程ｆ）の各々が非保護的雰囲気中で４００ｏＦ〜９００ｏＦ（２０４℃〜４８２℃）の温度で行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記圧延工程ｆ）は、厚みを５％減少させる最初のロール通過と更なる二回のロール通過を含み、それによって合計の厚みの減少率を１０％とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
接合させた前記第１および第２の板または薄板を加熱する工程ｇ）は５５０ｏＦ（２８８℃）で行われて、それによって拡散が生じて、接合の更なる強化をもたらす、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記純アルミニウム層が電気メッキにより０.０００５〜０.００１インチ（０.０１２７〜０.０２５４ｍｍ）の厚みで付着される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記純アルミニウム層がＰＶＤ法により０.０００１〜０.０００３インチ（０.００２５〜０.００７６ｍｍ）の厚みで付着される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記クロムの層と前記純アルミニウムの層はＰＶＤ法によって付着される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
銅または銅合金とステンレス鋼からなる少なくとも二つの金属の板または薄板を接合する方法であって、
ａ）延性の酸化物の表面を有していて、銅または銅合金からなる第１の板または薄板を用意し；
ｂ）前記銅または銅合金からなる第１の板または薄板の少なくとも一つの表面にクロムの層を電気メッキまたはＰＶＤ法によって０.０００１〜０.０００８インチ（０.００２５〜０.０２０３ｍｍ）の厚さで付着し；
ｃ）前記クロムの層に純アルミニウムの層を電気メッキまたはＰＶＤ法によって０.０００１〜０.００１インチ（０.００２５〜０.０２５４ｍｍ）の厚さで付着し；
ｄ）ステンレス鋼からなる少なくとも一つの第２の板または薄板を用意し；
ｅ）前記第１および第２の板または薄板を重ね、そしてこれらを熱間加工温度に加熱し；
ｆ）前記重ねて加熱した第１および第２の板または薄板を圧延し、それによって前記第１の板または薄板に付着させたアルミニウムの表面と前記第２の板または薄板との間に接合をもたらし；そして
ｇ）接合させた前記第１および第２の板または薄板を加熱して接合を強化させる、
以上の工程を含む方法。
【請求項９】
前記加熱工程ｅ）と前記圧延工程ｆ）の各々が非保護的雰囲気中で４００ｏＦ〜９００ｏＦ（２０４℃〜４８２℃）の温度で行われる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
銅とＥＣ級アルミニウムからなる少なくとも二つの金属の板または薄板を接合する方法であって、
ａ）銅からなる第１の板または薄板を用意し；
ｂ）前記銅からなる第１の板または薄板の少なくとも一つの表面にクロムの層を電気メッキまたはＰＶＤ法によって０.０００１〜０.０００８インチ（０.００２５〜０.０２０３ｍｍ）の厚さで付着し；
ｃ）前記クロムの層に純アルミニウムの層を電気メッキまたはＰＶＤ法によって０.０００１〜０.００１インチ（０.００２５〜０.０２５４ｍｍ）の厚さで付着し；
ｄ）ＥＣ級アルミニウムからなる少なくとも一つの第２の板または薄板を用意し；
ｅ）前記第１および第２の板または薄板を重ね、そしてこれらを熱間加工温度に加熱し；
ｆ）前記重ねて加熱した第１および第２の板または薄板を圧延し、それによって前記第１の板または薄板に付着させたアルミニウムの表面と前記第２の板または薄板との間に接合をもたらし；そして
ｇ）接合させた前記第１および第２の板または薄板を加熱して接合を強化させる、
以上の工程を含む方法。
【請求項１１】
前記加熱工程ｅ）と前記圧延工程ｆ）の各々が非保護的雰囲気中で４００ｏＦ〜９００ｏＦ（２０４℃〜４８２℃）の温度で行われる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
工程ｂ）のクロムの層は、湿式メッキ法によって０.０００４〜０.０００８インチ（０.０１０２〜０.０２０３ｍｍ）の厚さで付着される、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
１．発明の属する分野
本発明は、概して、調理用器具、電気用接点、及びそれらと類似の物品のような、様々な最終使用者のための多層複合物を形成するために、異種金属又は合金の板を相互に接合或いは合せ板にすることに関する。
【０００２】
２．関連技術
これまでも、異種金属の複合物を圧延接合により形成することは一般的であった。この技術はある種の金属については好結果が得られたが、全てに対してではなかった。特に隣接する板又は薄板間の接合表面にある種の好ましくない型の酸化物が存在する場合に、層間剥離の問題が発生する。本発明はこの問題を克服することを目的とする。
【０００３】
慣用的な圧延又は加圧接合により金属間の適当な接合を達成するために、接合される異種金属間で電子の原子間共有が可能なように、隣接する表面の間に清浄な表面接触を与えることが必要である。例えば、炭素鋼、銅、真鍮、チタン、亜鉛、及び特定のアルミニウム合金（２０００、３０００、及び６０００系列）のような特定の金属は、大気に晒された時に酸化物の表面ができて、費用のかかる方法を使わない限り接合することが困難である。上記したこれらの金属上に形成される酸化物は、比較的延性に富み、従って、圧延接合をしようとするときに変形し、そして引き伸ばされる。この延性のために、酸化物層は、接合される金属が下に置かれた裸の基質金属と接触して上記した所望の原子間結合を形成することを不可能にする。
【０００４】
これまでは、上記の金属の一つを異種金属と接合するために、まず金属表面を清浄にし、そして次いで金属を、例えば分解されたアンモニア、一酸化炭素、等の還元雰囲気を有する炉に入れることが慣用的な方法である。所定の時間この炉の雰囲気に晒すことにより、表面の酸化物が除去される。次いで、金属板又は薄板はすみやかに圧延機に移動され、そして素材は異種金属と圧延接合される。従って、この慣用的な方法は、費用のかかる特別な制御された雰囲気の炉を必要とし、そして潜在的に危険なガスに伴なう安全と環境の問題が伴なう。更に、素材が炉から圧延機に移動される時に、所望しない酸化物表面が急速に再形成され得ることは周知である。この再酸化は、特に複合物の板が圧延機の圧延間隙部に入る時に起こる。この圧延間隙部で、圧延間隙の入り口部にある金属は、逆方向に押し出され、隣接する板が連続的に分離され、大気中の酸素がこのようにして新しく形成された間隙に急速に流れ込み、清浄な金属表面を再酸化させる。酸化物がかなりの量形成された場合、圧延接合は弱体化し層間剥離が起こり得る。従来の技術はこの問題を認識しており、そして圧延に先立ち板の周辺を溶接して、圧延間隙の上流で形成される間隙中に大気中の酸素が流れ込むことを防ぐことを含む解決法を提案している。しかしながら、この溶接作業は、資本設備費及び最終製品に対する労務費の更なる追加を意味する。
【０００５】
発明の概要
本発明は、優れた接合物品、並びに接合界面の少なくとも一方又は両方に純アルミニウムの薄い層を付着し、次いで熱及び圧力を加えて接合を達成することによる、広範囲な金属及び金属合金の接合方法を提供する。薄いアルミニウムの層は、好ましくは電気メッキ法又は物理蒸着法（“ＰＶＤ”）により付着される。
【０００６】
異種金属の接合は伝統的に室温で全体的な還元を行うか、加熱接合又は爆発接合に関連する軽度の還元のいずれかで達成されてきた。これらの全ての場合において、表面の調製が重要である。上述したように、表面は清浄でなくてはならず、そして多くの従来の技術の金属の組み合わせにおいては、酸化物があってはならない。本発明は接合に熱及び圧力の使用を採用するが、しかし接合される金属の界面が、少なくとも一方の接合面が純アルミニウムでメッキされて、接着剤のように働く点で従来の技術とは異なっている。例えば圧延による接合は、特別に雰囲気を制御した炉を必要とせずに行われる。
【０００７】
純アルミニウムの被覆が第１の金属薄板又は板上の好ましくない延性の酸化物被覆を覆い、そしてそこに強固に付着するために、従来の技術で必要であった還元性又は他の保護的な雰囲気を与えることは必要ない。純アルミニウムの被覆層もその晒された表面に酸化物皮膜が自然に形成されるが、しかし酸化アルミニウムは比較的脆く非延性の酸化物である。酸化アルミニウム皮膜が圧延接合中に第２の金属薄板又は板と強制的に面的に接触する時に、酸化アルミニウム皮膜は容易に破断し、そしてその下にある純アルミニウム表面を露出させて、隣接する金属間での所望の裸の金属の接触及び電子の原子間共有が起こることを可能にする。
【０００８】
このように、純アルミニウムは、接合される金属の薄板又は板の一方若しくは両方が延性の酸化物表面を含む異種金属の接合に利益をもたらす接着剤である。例えば、ステンレス鋼及び純粋な又はＥＣ（電気級）アルミニウムのようなある種の金属は脆い酸化物表面を含み、そして加圧接合に先立つアルミニウムの被覆層の付着を必要としない。
【０００９】
発明の詳細な説明
Ｓｅｇａｌ法として知られるアルミニウムの電気メッキ技術は、ドイツのＳｉｅｍｅｎｓ  Ａ．Ｇ．によって開発された。この技術は当分野において周知であり、そしてアルミニウムメッキの施用は商業的に可能である。
【００１０】
ある状況下では、純アルミニウム（接着剤）層は、金属板又は薄板に物理蒸着法（ＰＶＤ）によって付着することもできる。ＰＶＤ技術は、当分野において同様に周知である。これは製造された複合物物品が、特に事後の溶接作業中に経験するような非常に高い温度に置かれるような場合に適用される。このような場合、溶接に起因する高温は、付着された純アルミニウム接合剤層と基質金属間の界面で、しばしば有害な金属間アルミニウム化合物を生成させるであろう。金属間アルミニウム化合物の形成は、そのような金属間化合物の脆い性質のために、完成した合せ板製品の層間剥離を起こさせるかもしれない。このようなことが起こるのを防ぐために、基質金属にまず金属の、好ましくはクロムの拡散遮断層を付着させることが好ましい。クロムは湿式メッキ法で付着される。アルミニウムをクロムに電気メッキすることが困難なために、次いで、純アルミニウム接着剤層はクロム遮断層にＰＶＤ法によって付着される。従ってこの態様によれば、クロム層が純アルミニウム層と基質金属間に拡散遮断を与えることによって、純アルミニウム層が基質金属から分離されるために、事後の溶接作業中に有害なアルミニウムの金属間化合物は形成されない。
【００１１】
アルミニウム電気メッキ及びアルミニウムＰＶＤ被覆は、アルミニウム−基質界面に酸化物若しくは脆い金属間化合物が無いことにおいて、公知の高温アルミニウム熱浸漬又は金属噴霧とは異なる。アルミニウムメッキは、非水性電解質を電流担体として使用して、溶解した純アルミニウムを基質の表面に析出させる室温処理方法である。典型的には、１時間のメッキ時間当たり約０．０１３ｍｍ（０．０００５インチ）の被覆を得るために、平方メートル当たり約１００アンペア（平方フィート当たり９アンペア）の電流が適用される。この方法による付着は、非常に強固で、結合力があり、そして延性があり、事後の圧延接合操作において利益をもたらす。同様に、純アルミニウム層がＰＶＤによって付着された場合、この方法が真空下の条件で行われるために、有害な酸化物又は金属間化合物は形成されない。
【００１２】
純アルミニウムは、特に２０４℃〜４８２℃（４００°Ｆ〜９００°Ｆ）の温度に加熱されたときに、他のアルミニウム合金又は他の金属と特に拡散結合しやすい。電気メッキ若しくはＰＶＤ法によって調製された金属の板又は薄板は、加熱されてそして油圧プレス又は圧延機の圧力下に置かれた時に、容易に接合する。純アルミニウム層は、接着剤として働くと同時に加熱中の基質の酸化を防ぐ保護被覆としても働く。アルミニウムメッキ処理は、広範囲の金属及び合金に対して行うことができる。これらのうちのいくつかには、チタン、鋼、銅、真鍮、アルミニウム合金、及び亜鉛が含まれ、これらは全て延性の酸化物表面を有することで特徴づけられる。
【００１３】
本発明を利用する製品の例は、高い熱伝導度、耐食性及び強度を併せ持つ金属複合物であり、これは例えば調理用具に特に適している。各種の組み合わせの銅、チタン、アルミニウム、炭素鋼、及びステンレス鋼の接合された複数の層からなるこのような複合物は、ポット、鍋、パン焼き用具及びグリドルを含む調理用具に適している。本発明を利用した複合金属物品はまた、例えば銅とアルミニウムの複合物のような高電気伝導度及び軽量性を合わせもつ金属を含み、これは電気導体又は接点として特に有用である。
【００１４】
更なる例として、その外側表面を薄いステンレス鋼の層と圧延接合した厚い（約６ｍｍ、約１／４インチ）銅の芯からなる複合物の板を形成して、銅を芯材とした調理用グリドルを構成してもよい。銅板の芯は純アルミニウムの層をその両側の表面に付着されて、ステンレス鋼の薄板がそこに圧延接合されることを可能にする。
【００１５】
銅、真鍮、チタン、亜鉛、炭素鋼、等の基質に電気メッキによって付着されるアルミニウム層は、好ましくは約０．０１３〜０．０２５ｍｍ（約０．０００５〜０．００１インチ）の厚みで付着される。アルミニウム層がＰＶＤ法で付着される場合には、約０．００２５〜０．００７５ｍｍ（約０．０００１〜０．０００３インチ）の厚みで付着される。先に記載したように事後に溶接が必要な場合、クロムメッキの拡散遮断層は、約０．００２５〜０．０１ｍｍ（約０．０００１〜０．０００４インチ）の厚みで付着される。本発明の実際の例は以下の実施例に示される。
【００１６】
実施例Ｉ
Ｃ−１０２規格の銅の約６．４ｍｍ×３０５ｍｍ×５０８ｍｍ（１／４インチ×１２インチ×２０インチ）の板の片側を、１〜２ミル（０．０００１〜０．０００２インチ、約０．００２５〜０．００５１ｍｍ）の厚さの純アルミニウムでＳｅｇａｌ電気メッキ法を使用してメッキした。接合する前に、メッキしたアルミニウムの表面を、乾燥した酸化アルミニウムの研磨剤で研磨して荒さを調整し、そして清浄さを確実にした。１１４５級アルミニウムの約９．５ｍｍ×３０５ｍｍ×５０８ｍｍ（３／８インチ×１２インチ×２０インチ）の板を同様に荒さ及び清浄さを得るために研磨し、そして二つの研磨面を互いに向き合わせて銅板をアルミニウム板の上に置いた。板を保護雰囲気ではないオーブン中で３１５．５℃（６００°Ｆ）に加熱し、そしてすぐに圧延機の圧延間隙に入れた。圧延機で厚みを５％減少させた。圧下力によりアルミニウム−アルミニウム接合が形成された。更に２回の圧延により接合を更に強化し、厚みは全体として１０％減少した。次いで、複合物を２８７．８℃（５５０°Ｆ）に加熱して、更に焼結し、そして接合を強化した。得られた銅−アルミニウム合せ板材を、慣用的な“捩り”法、“１８０°曲げ”法及び“チゼル（ｃｈｉｓｅｌ）”法によって試験した。全ての試験は、優れた接合が得られたことを示した。
【００１７】
実施例II
この実施例は、最終的な設置において、高温の溶接作業を行わなければならない電気接点としての使用に適した複合物物品の製造を含む。先に記載したように、溶接中に経験する高温は、アルミニウムと基質金属間の界面で、一般的に深刻な層間剥離の問題を惹き起こす有害な金属間アルミニウム化合物を形成することがある。幅約１５２ｍｍ（６インチ）×長さ約４５７ｍｍ（１８インチ）×厚さ約６．４ｍｍ（１／４インチ）の寸法のＣ−１０２規格の銅板の片側を、湿式メッキ浴中のクロムで電気メッキした。メッキ厚みは約０．０１〜０．０２ｍｍ（０．０００４〜０．０００８インチ）であった。次いで、クロムメッキした銅板を慣用的な物理蒸着（ＰＶＤ）装置の真空室に入れ、そしてクロム層に約０．００８ｍｍ（約０．０００３インチ）の純アルミニウムを付着させた。アルミニウム層の付着に先立ち、クロム層上に自然に存在する酸化クロムを、真空室中で逆バイアス電流を使用して除去した。このようにして得られたクロム層及びその上に純アルミニウムの層を付着した銅板を、幅約１５２ｍｍ（６インチ）、長さ約４０６ｍｍ（１６インチ）の寸法で厚みが約１２．７ｍｍ（１／２インチ）の１１００系列のアルミニウム（ＥＣ級）の板と面接触するように置いた。アルミニウム板は、銅板の純アルミニウム層と面するようにした。次いで、この重ねられた銅及びアルミニウムの板を通常の雰囲気（酸素を含む）の炉中で約４３０℃（約８００°Ｆ）に加熱した。次いで、この加熱した重ね板を圧延機に移し、そして３０％の加工率を伴なう１回パスの熱間圧延を行って、圧延接合及び約１２．７ｍｍ（約１／２インチ）の銅−アルミニウム複合板の最終厚みを得た。次いで、圧延接合複合板をオーブン中で約２９０℃（約５５０°Ｆ）に加熱して、圧延接合を更に強化した。次いで、銅−アルミニウム複合板を７６ｍｍ（３インチ）平方に切断して、電気接点を形成した。試料を標準的なチゼル試験及び１８０°曲げ試験に供した。全ての試験は満足できるものであった。複合物の１１００系列アルミニウム板側とアルミニウムの電気母線とのその後の溶接も好結果であった。銅基質から純アルミニウム層を分離しているクロムの遮断層は、銅と純アルミニウム層間の拡散を防ぐことにおいて効果的であった。従って、有害なアルミニウム金属間化合物は形成されなかった。
【００１８】
接合された薄板又は板が製造された後に、調理用器具のような多層複合物品を製造するために、更にいかなる工程が必要となるかについては、金属加工技術の分野において周知である。接合された合せ薄板又は板は、所望の薄い厚みに更に圧延され、次いで、所望の物品の形に引抜き加工するための形板に切断されてもよい。この方法により、本発明の複合薄板又は板からポット、鍋、グリドル、或いは各種の形状の他の製品を形成することができる。