深絞り加工による異種金属積層板からのクラッド容器成形法の開発
兵庫県立大学大学院 工学研究科助教授 原田泰典
（平成 16 年度研究開発助成 AF-2004001）

キーワード：深絞り，クラッド，異種金属，接合，塑性変形，チタン，焼付き

１．はじめにえば，新生面どうしが密着し，かつ材質の違いによるす自動車，船舶及び航空機といった搬送用車体に関連すべり作用も生じる．それゆえ，異種金属材料の間で凝着る工業製品は数多くある．これらの工業製品は，表面処が活発に進行し，絞り加工と同時に異種金属材料が接合理を含めて材料自体の開発が中心として多く行われていできることになる．従来の研究においても積層した金属るが，一方で材料の複合化技術の研究も同時に行われて板の絞り成形 １１） やしごき加工による積層した金属板のいる．その一つの手段としてクラッド法があり，異種金絞り成形 １２） が提案されている．本研究における予備実

属材料を組み合わせたクラッド材は，幅広い分野で利用

験においても各種金属の積層板における深絞り加工に対範囲が拡がっている．近年においても，さまざまなクラして，良好な成形性が得られることを報告している１３）．

ッド加工法が開発され，多くの研究が行われている１−５）.

本研究では，製品までの製造工程を簡略化するととも

通常，クラッド材の作製は，２種類以上の金属あるいはに，加工可能な材質に関する制約を緩和するため，異種合金材料を圧延，押出し及び爆発圧接などの塑性加工に金属材料の接合と深絞り加工を同時進行させることによ

よって一体化して行われている ６）．したがって，それぞって，各種金属薄板を用いた細径クラッド容器の作製をれの金属材料の組み合わせやその厚みを変化させること試みた．とくに，焼付きが激しく多段深絞り加工が困難で，全く新しい機能性を付加させることができることがとされているチタン材料を用いたチタンクラッド容器の特徴である．例えば，銅合金−ステンレス鋼クラッド材作製を試みた．

は，耐食性に優れていることから海洋機器や化学プラントの構造材として使用されている．現在，塑性加工によ２. 深絞り加工によるクラッド方法

るクラッド材の作製とその製品加工が盛んに行われてお2.1

クラッド方法り，工業製品を中心としての利用範囲が急速に拡がって

図 1 に，金属積層板のクラッド化深絞り加工法の概略いる．しかしながら，クラッド材の作製では，成形を行を示す．まず，材質の異なるブランクＡとブランクＢをう前に冷間圧延，拡散接合及び爆発圧接などの方法でク重ねてダイスに載せた後，しわ押さえによって積層したラッド材を作製しなければならない.クラッド材の作製

ブランクを固定する．つぎに，パンチで積層したブラン及び製品への成形の２工程が必要となり，工程時間とコクの深絞り加工を行う．変形中のブランクは，ダイス肩ストの問題がある．また，難接合材のクラッド材作製の部において，ブランクどうしの接触面での凝着が生じて場合には接合する材質に制約が加わることやクラッド材接合する．これは，各ブランクの変形抵抗差によるすべ作製方法によっては接合界面での金属間化合物などの脆りやブランクの肉厚増加に伴うしごきなどが生じるため性材が生成することなどの問題がある

７，８）．さらに，良好に作製されたクラッド材において，深絞り製品の加工を行う場合，クラッド材自体に良好な絞り成形性が要求される.例えば，アルミニウム板やチタン板などの化学的Blank A

Blankholder

Blank Bに活性な金属材料を用いた深絞り加工の場合，工具との焼付きが生じる問題も発生する ９，１０）．

Punch

深絞り加工はパンチ工具によって素材金属板をダイス工具に絞っていく加工であり，加工の進行につれてダイス工具に絞られた素材の板厚が増加する．もし，異種Die金属材料を重ね合わせた状態で深絞り加工すると，異種金属どうしの接触面では活性度の高い新生面を露呈する．
そこで，素材の板厚増加が生じやすい加工を積極的に行
図１

金属積層板のクラッド化深絞り加工法

である．パンチとダイスのクリアランスは積層板の厚さパンチとほぼ同じ 0.5mm とし，市販の油性潤滑剤を用いた．また，多段深絞り加工は，段数の変化とともにパンチとダしわ押えイスを交換することによって，絞り比 1.1〜1.6 で行った．
ブランク材料と深絞り加工装置

802.2スリーブ

ブランク材料として用いた金属薄板(t=0.1-0.3mm，ダイス400〜500d=32mm)は，市販の極低炭素鋼，純チタン JIS１種，ステンレス鋼 SUS304，純アルミニウム，純ニッケル及び純銅の６種類である．これらの金属薄板を２種類以上組み合わせた積層板を深絞り加工に用いた.ただし，積層した薄試験片
100板の合計の厚みは 0.5mm 一定となるようにした.また，積層薄板どうしの接触面，すなわち接合面はエメリー紙#80相当による研磨とアセトン脱脂による処理を行った．
深絞り加工は，実験用油圧プレス機（2.5t 容量)を用いて行った．図２に，多段深絞り加工における実験装置（ａ）１段絞り用（ｂ）２段以降絞り用を示す．ダイスの中心に固定したブランクをしわ発生防止用治具で固定し，パンチの押込みによって行った．パ

図２

多段深絞り加工装置

ンチスピードは，40mm/s の一定速度である．絞り段数は6 回であり，絞り比は１段で 1.6，２〜６段で約 1.2 である．１段は平ダイス，２段から６段は，ダイス半角 60°のテーパダイスを用いた．ダイスとパンチのクリアラン

表１多段深絞り加工条件

スは，0.5mm とした．ダイスは冷間工具鋼 SKD11 であり，段数

絞り比

ダイス

パンチ

潤滑剤

パンチは冷間工具鋼 SKD61 である．ただし，１段におい

11.6

超硬合金

SKD11

硫黄系油性

SKD11SKD61て，ダイスは超硬合金を，パンチは SKD11 を用いた．潤21.3

滑剤は硫黄系液体潤滑剤と二硫化モリブデン系粉末潤滑3-61.2液，二硫化ﾓﾘﾌﾞﾃﾞﾝ粉剤である．表２に加工条件を示す．
2.3

純チタン薄板の大気酸化皮膜処理

純チタンは非常に活性な金属であるため，他の金属と親和性が高い．そのため，純チタンの深絞り加工においては工具との焼付きが激しいことが問題となっている．
これまでの純チタンの深絞り加工に関する研究で，焼付き防止方法が行われている １４−１７）．その一つに，純チタン板に皮膜処理を施す方法が提案されており，著者も工具との焼付きを防止できることを報告している １８−２３）．
チタンは，大気雰囲気中で加熱すると厚い酸化皮膜を生成する性質を持っている．チタン薄板では，皮膜処理の中で簡便な方法である大気酸化皮膜処理を用いた ２４）．
酸化皮膜は加熱炉中で大気酸化を行い，加熱温度と時間を変化させて皮膜厚さを制御した．大気酸化皮膜処理工程は，①ブランク研磨処理，②脱脂洗浄処理，③酸化皮膜処理，④深絞り加工の順である．①ではブランクに対して同心円状を描くようにブランク中心から外側へエメリー研磨(#800)を行った．これは表面を清浄化することにより，酸化皮膜をより強固に形成するためである．②
ではアセトンによる洗浄を行い，③では管状電気炉を用いて所定の温度と時間で大気酸化皮膜処理を行った．加熱条件は 600℃-3.6ks で，皮膜厚さは 0.125μm である．
なお，皮膜処理後の材料表面における酸化皮膜厚さは，オージェ電子分光装置（日本電子社製 JUMP-7800）を用いて測定した．試料表面に電子線を照射したときに発生するオージェ電子を利用して，試料表面の元素分析を行った．深さ方向の分析は，チタンピークの電子および酸素エネルギーの範囲における強度を，エッチング時に抽出することによって行った．深さと強度の関係は，エッチング速度とエッチング時間の関係から変換して求めた．
酸化皮膜処理したブランクの表面近傍では，チタンの強度が酸素より低く，材料内部に向かい酸素の強度がチタンのそれより低くなる．これは，表面近傍ではチタンを覆うほどの酸化膜がついているが，徐々に膜厚が減少していくことを示している．本研究では，酸素とチタンの強度が同じになる深さを皮膜厚さと定義した．

３. 金属積層板の深絞り加工
3.1

Ti 内側の二層積層板

図３に，Ti 板が内側となるように Fe, Ni, Cu 板をそれぞれ組み合わせた積層板を４段まで絞り加工した二層クラッド容器の外観を示す．容器の外及び内表面において割れやしわなどの欠陥の発生は見られず，成形性は良好であった．また，容器開口部を見ると，容器外側の金属板は内側の金属板に比べて変形が大きい．これは，容器内側の Ti 板の変形抵抗が高いため，ダイス R 部でのしごきに伴い生じたものと考えられる．

3.2

Al 内側の二層積層板の金属材料との親和性が高く，深絞り加工における工具

図４に，Al 板が内側となるように Fe, Ti, Cu 板をそとの焼付きが激しいことが知られている．そこで，工具れぞれ組み合わせた積層板を 3 段あるいは 4 段まで絞りとの焼付きを防ぐため，ブランクの表面に酸化皮膜処理加工した二層クラッド容器の外観を示す．容器表面におを施した．

いて割れなどの欠陥もなく，成形性は良好であった．ま図６に，Ti 板が外側となるように組み合わせた二層積た，容器開口部では，容器内側の Al 板の変形が大きいこ層板を４〜６段まで絞り加工した二層クラッド容器を示とが分かる．

す．ダイスと接触する Ti 板表面は大気酸化皮膜処理が施Al 板や Ti 板以外の金属板が内側になる場合の成形性を調べた．図５に，Fe, Al, Ni, Cu, Ti 板の中から組みしてあるため，工具との焼付きの発生はなく良好なクラッド容器の成形が見られた．

合わせた二層積層板に対して 6 段絞りしたクラッド容器の外観を示す．容器の外及び内表面において，しわなどの欠陥の発生は見られず，成形性は良好であった．
3.3

Al

TiCu

NiAl

TiCu

Ni

Ti 外側の二層積層板

深絞り容器の外表面がチタン材料である場合，耐食性の富んだ製品として利用できる．しかしながら，前述したように化学的に活性な金属であるチタン材料は，他(a) Fe(out) / Al, Ti, Cu, Ni(in)
Al

TiCu

AlTi

(a) Fe(out) / Ti(in)(b) Ni(out) / Al, Ti, Cu(in)(b) Ni(out) / Ti(in)図５6 段絞りした二層クラッド容器(c) Cu(out) / Ti(in)
図３(a) Ti(out) / Al(in)Ti 板内側の二層クラッド容器(b) Ti(out) / Ni(in)(a) Fe(out) / Al(in)(c) Ti(out) / Cu(in)(b) Ni(out) / Al(in)(d) Ti(out) / Fe(in)(c) Cu(out) / Al(in)
図４

Al 板内側の二層クラッド容器(e) Ti(out) / SUS304(in)図６

Ti 板外側の二層クラッド容器

Cu

3.4

三層積層板

inside

図 ７ に ， Fe 板 が 外 側 と な る よ う に 組 み 合 わ せ た
Fe/Al/Cu 三層積層板において４段絞り加工した三層クFe 0.1mm

ラッド容器の断面を示す．Fe, Al 及び Cu 板の初期板厚は，0.2, 0.2 及び 0.1mm である．断面の観察から破断なAl 0.2mm

どの欠陥はなく，また積層板間の界面において密着しているのが見られる．この結果から，三層の積層板においても良好な多段深絞り成型が可能であることが分かる．

CuAlFe 0.2mm

outsideFe

図９アルミニウム薄板をインサート材として用いた三層クラッド容器の断面（観察部：側壁中央部，絞り方向と垂直）

inside４. 積層板における接合性の改善
4.1

容器成形後の加熱処理

クラッド材料の作製を行う場合，接合材料の接合強度(a) Sidewallを高めるために加熱処理が有効であることが知られている．接合面での相互拡散を促すことによって，接合面での接合強度が高まるためである．とくに，深絞り加工にinside

よって容器自体が加工硬化しているため，拡散が容易に生じやすい．しかしながら，脆性を示す金属間化合物の生成を生じやすい金属の組み合わせ，例えばアルミニウ
ムと鉄鋼材料への加熱処理は接合強度を逆に低下させる
こともよく知られている ６）．そこで，接合部への加熱処

outside理の影響について調べた．
図８に，真空中で 500℃-7.2ks の焼鈍処理を施した４(b) Bottom-corner

段絞り加工後の三層クラッド容器 Fe/Al/Cu の断面を示す．断面は容器の側壁中央部であり，Fe, Al 及び Cu 板

図７

Fe(out)/Al/Cu(in)三層クラッド容器の断面の初期板厚は，0.2, 0.2 及び 0.1mm である．加熱温度は（観察部：絞り方向と平行）アルミニウムの再結晶温度以上の加熱であったが，各金属薄板の接合部においては拡散による合金層はほとんど見られなかった．
4.2inside

インサート材の利用

各種金属薄板の組み合わせで深絞り加工したクラッド
容器において，アルミニウム板を用いたクラッド容器でCu 0.1mm

はアルミニウム板の変形が大きいことが得られた（図４）．
深絞り加工中における接合面での相対すべりが発生してAl 0.2mm
Fe 0.2mm

outsideいると考えられ，接合面におけるすべりは接合強度を高めるのに有効であると考えられる．アルミニウム板を軟鋼板でサンドイッチした状態のまま４段まで深絞り加工を行った結果，アルミニウム板との二層クラッド容器で見られたような容器開口部でのアルミニウム板の大きな変形（突出部）が見られた．三層クラッドにおいても接合部での相対すべりが発生していると考えられる．した

図８

加熱処理した三層クラッド容器の断面がって，純アルミニウムをインサート材として用いるこ（観察部：側壁中央部，絞り方向と垂直）とは接合強度を高めるのに有効であることが分かる．

図９に，アルミニウム板を軟鋼板でサンドイッチした状態のまま４段まで深絞り加工した三層クラッド容器

4) 外本和幸・柿本悦二：塑性と加工，44-512(2003)，
906-910.

Fe/Al/Fe の断面を示す．断面は容器の側壁中央部であり， 5) 福田隆：配管技術，34-7(1992)，96-101.
Fe(容器内側), Al 及び Fe 板(容器外側)の初期板厚は，6) 日本塑性加工学会：接合，コロナ社，(1990)，252-257.

0.1, 0.2 及び 0.2mm である．

7) 鈴木良剛・吉田広明：電気製鋼，73-3(2002)，195-202.
8) 森園靖浩・西田稔・千葉昂・今村喜八郎：鉄と鋼，

５.

おわりに

85-4(1999), 52-57.

本研究では，製品までの製造工程を簡略化するとともに，加工可能な材質に関する制約を緩和するため，異種金属材料の接合と深絞り加工を同時進行させることによって，各種金属薄板を用いた細径クラッド容器の作製を試みた．各種異種金属板を用い，二層以上に重ね合わせた状態で６段までの多段深絞り加工を行った結果，絞り9) 高橋一浩・井上剛・内田秀：新日鉄技報，No.375(2001),
38-42.
10) 糸井高士・土肥康人・南紀夫・高塚弘幸：日立金属
技報 ，15(1999), 91-96.
11) 谷口彰・河村善考・堀井貞夫：特開昭 63-194824 号
公報，(1988).

加工と同時に異種金属どうしの接合が可能であることが

12) 渡部豈臣・坂井修，特開平 6-297050 号公報，(1994).

分かった．ダイス入口付近では，積層板の板厚増加が生13) 原田泰典，日本金属学会秋期大会概要集，(2002),

じやすいので，新生面どうしが密着かつ材質の違いによ

504.

るすべり作用も生じるため，界面での凝着及び焼付きが14) 村田裕滋：プレス技術，42-2(2004)，22-29.

活発に進行するためと考えられる．また，工具との焼付

15) 深井英明：同上，42-2(2004)，35-38.

きが激しい純チタンの深絞り成形においても，酸化皮膜

16) 木村茂樹：同上，42-2(2004)，69-72.

処理による前処理によって多段による細径チタンクラッ17) 片 岡 征 二 ・ 木 原 諄 二 ・ 相 澤 瀧 彦 ： 塑 性 と 加 工 ，ド容器の成形が可能であることが分かった．また，成形後の積層板間の接合強度を高めるため，成形後の熱処理や成型前の界面へのインサート材の挿入は有効であるこ34-385(1993)，210-215．
18) 村尾卓児・森謙一郎・原田泰典・加藤幸司・大久保
不二男：同上，43-496(2002)，427-431．
19) 村尾卓児・森謙一郎・原田泰典・加藤幸司・大久保とが分かった．

不二男：同上，43-495(2002)，336-340．

謝辞

本研究を行うにあたり，財団法人天田金属加工機械技術振興財団より奨励研究助成金を賜りました．ここに厚20) 村尾卓児・森謙一郎・原田泰典・大久保不二男：同上，44-504(2003)，55-59．
21) 原田泰典・森謙一郎・村尾卓児・今井雅浩・古川陽介・大久保不二男：同上，45-520(2004)，326-330．

く御礼申し上げます．

22) 原田泰典・漆畑直人・村尾卓児・森謙一郎：同上，参考文献
1) 諏訪稔一・木村秀途・山田義和・平尾克之・江原隆一
郎：材料と環境，54-11(2005), 538-543.
2) 西 尾 一 政 ・ 加 藤 光 昭 ・ 山 口 富 子 ： 軽 金 属 溶 接 ,42-2(2004), 72-78.
3) 茅野林造・五味均・桜庭正広・斎藤康信：配管技術，
47-8(2005), 11-16.

45-531(2005)，337-341．
23) 原田泰典・古川陽介・村尾卓児・森謙一郎・土田紀之深浦健三：同上，(2006)，印刷中．
24) 原田泰典・森謙一郎・加藤幸司・村尾卓児・大久保不二男：日本塑性加工学会春季講演論文集，(2001),
61-62.