CN1798630A - 金属机械部件的液相扩散接合方法以及金属机械部件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种金属部件的液相扩散接合方法，其可以实现接合时间的缩短、接合组织的均匀以及抗拉强度、疲劳强度等接头部的品质和可靠性的提高，且接头部具有优良的品质与生产效率。该方法的特征在于：使液相扩散接合用非晶合金箔介于金属材料的坡口面之间，作为一次接合，采用电阻焊使所述非晶合金箔与所述金属材料熔融压接在一起而形成接头部，其次作为二次接合，将所述接头部再加热到所述非晶合金箔的熔点或以上并加以保持，进行使所述接头部的凝固过程结束的液相扩散接合。

Description

金属机械部件的液相扩散接合方法以及金属机械部件
技术领域
本发明涉及金属机械部件的制造方法以及金属机械部件，详细地说，涉及汽车用部件等所使用的金属机械部件的液相扩散接合方法以及金属机械部件。
背景技术
在现有技术中，作为金属材料之间的接合方法，主要使用焊接方法，但近年来，作为代替焊接方法的新型的工业接合技术，液相扩散接合的使用正在不断地普及。
所谓液相扩散接合法，是指这样一种技术，也就是使熔点比被接合材料低的非晶合金箔介于被接合材料的接合面即坡口面之间，其中所述非晶合金箔具体地说是下述的多元合金箔，其结晶结构的50％或以上是非晶，且含有经过扩散成为控制步骤的等温凝固过程而具有形成接合接头能力的元素、例如含有B或P，且由Ni或Fe的基材构成，然后将接头加热到该非晶合金箔的熔点或以上的温度并保温，继而在等温凝固过程中形成接头。
该液相扩散接合法所具有的特征在于：与通常的焊接法相比，以较低的线能量即可接合，因此几乎不会产生与热膨胀和收缩相伴随的焊缝区的残余应力，且不会发生像焊接法那样的焊缝区的堆高，因此接合表面平滑，而且能够形成精密的接合接头。
特别地，液相扩散接合是面接合，因此，不依存于接合面的面积而接合时间恒定，且在较短的时间内使接合完成，从这样的角度考虑，它是与传统的焊接法概念完全不同的接合技术。因而具有以下的优点：只要能够在插入被接合材的坡口面之间的非晶合金箔的熔点或以上的温度下使接头保持预定的时间，不必选择坡口形状便可实现面与面之间的接合。
本申请人已经在特开2003-181651号公报以及特开2001-321963号公报中公开了采用该液相扩散接合法制造具有内部管路的金属制机械部件的方法。
但是，这些专利文献所公开的液相扩散接合虽然接合时间较短，但是，既然是在扩散控制步骤下进行等温凝固，为了以足够使接头熔点充分升高的量，使非晶合金箔中的扩散原子向被接合材料中扩散和散逸，在使用厚度为10μm的非晶合金箔的情况下，就需要在与合金箔的熔点或以上的温度相当的约900～1300℃的温度下，等温保持约60秒或以上。
通过减薄液相扩散接合所使用的非晶合金箔的厚度，在某种程度上可能缩短接合时间，但由于被接合材坡口面的加工精度对接合缺陷、以及接头强度的退化的影响增大，因此合金箔厚度的减薄也是有限度的。实际上，为了降低接合用箔的熔点，通过提高扩散原子的浓度，或者依存于被接合材料的化学成分，以致接合用合金箔在接合时诱导母材熔融，其结果，实质的接合用合金箔的厚度超过50μm的情况也不少。
另外，通过提高液相扩散接合的加压应力，在某种程度上也可能缩短接合时间，但由于提高加压应力，被接合材料容易发生压曲变形，因此加压应力的增加也是有限度的。
因此，在使用特开2003-181651号公报以及特开2001-321963号公报所公开的液相扩散接合而制造金属制机械部件的方法中，为了提高金属制机械部件的生产效率以及降低制造成本，在保持液相扩散接合的接头品质的同时，比以往更加缩短接合时间则成为工业生产的课题。
另一方面，作为以前金属制机械部件的接合所常用的接合技术，熟知的有电阻焊接法。
电阻焊接法是这样的一种方法，它利用电流流过金属而产生的电阻加热，当给予大电流时瞬间使被接合材料的坡口熔融，同时加压坡口而形成接合接头。
例如，将热电偶用于测量温度而焊接在被测温物体上，或者将钢板焊接在汽车的大梁上，在诸如此类的接合面积较小、接合强度要求不高的情况下，作为简易接合法多采用点焊、凸焊以及镦焊等电阻焊法；反之，在接合接合面积较大的坡口的情况下，在金属钢管的滚焊等中可以利用能够以大电流并附加较大加压力的闪光对焊和连续电阻焊。
但是，在使用这些电阻焊制造金属制机械部件的情况下，由于接合条件的变动，往往会产生接合缺陷，例如因接合部有氧化物系夹杂物的残留而引起的接合缺陷；以及因焊接电流不足所引起的焊接缺陷，其中焊接电流不足将引起被称为所谓“冷焊”的熔融不充分。另外，由于接合时的加压而产生较大的变形，以致在焊缝区产生微细的裂纹，或者坡口端部以未接合的状态而残存下来，这些均将成为接头性能特别是疲劳强度下降的原因。特别是在将至少一方呈圆筒形的金属材料作为被焊接材料的情况下，接头疲劳强度下降的倾向更加明显，作为其对策，以前例如需要变更材料的设计以及用于改善焊缝区形状的后处理，这样存在的问题是接头设计的自由度受到制约以及导致成本的增加等。
除此以外，有时电阻焊的接合部宽度极窄且产生坡口变形，因此，基于采用无损检测难以保证品质等理由，尤其在具有可靠性要求的接头的接合中，电阻焊接合品质的提高成了工业上的技术课题。
再者，在特开平11-90619号公报、特开平11-90620号公报以及特开平11-90621号公报中，公开了对于Al系的汽缸头主体与Fe系的阀座的接合并用液相扩散接合和通电式电阻焊以接合金属构件的方法以及接合装置，但它们都只不过是仅进行一次接合的、使焊料介于接合面之间的电阻焊而已。
也就是说，在上述专利文献所公开的方法中，将一次接合产生的电阻焊缝区的未等温凝固组织作为液相扩散接合组织而不进行等温凝固扩散处理，因此难以充分提高接合部的品质。
另外，采用上述的技术，焊料变得极薄而被加压排出，但就此作为制造工艺而加以采用，因此接合部组织的均匀化并没有加以考虑。再者，这些公开的技术是关于Fe与诸如Al等有色金属的异材接合的接头形成技术，没有任何有关钢铁材料之间、特别是铁基材料之间进行接合的记载。当然，铁基材料之间能够适用通常的焊接，而在异材接头的接合中适用通常的焊接技术是困难的，故而接合铁基材料之间的技术在上述专利文献中没有记载。
发明内容
本发明的目的在于：鉴于上述现有技术所存在的问题，提供金属机械部件的液相扩散接合法及其使用该方法组装的金属机械部件，与以前的液相扩散接合法相比，本发明可缩短接合时间，与以前的电阻焊法相比，本发明可实现接合组织的均匀化，以及使抗拉强度、疲劳强度等接头品质和可靠性得以提高，并具有优良的接头部的品质和生产效率。
本发明是为解决上述课题而完成的，其要点如下：
(1)一种金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：使液相扩散接合用非晶合金箔介于金属材料的坡口面之间，作为一次接合，采用电阻焊使所述非晶合金箔与所述金属材料熔融压接在一起而形成接头部，其次作为二次接合，将所述接头部再加热到所述非晶合金箔的熔点或以上并加以保持，进行使所述接头部的凝固过程结束的液相扩散接合。
(2)根据(1)所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：所述再加热之后的保持时间为30秒或以上。
(3)根据(1)或(2)所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：所述非晶合金箔的组成以Ni或Fe作为基材，作为扩散原子，各自含有0.1～20.0原子％的B、P以及C之中的1种、2种或更多种，还含有0.1～10.0原子％的V。
(4)根据(1)～(3)的任一项所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：所述电阻焊是通电加热方式的点焊、凸焊、镦焊以及闪光对焊之中的任一种焊接方法，且采用所述电阻焊进行的所述非晶合金箔与所述金属材料的熔融压接的时间为10秒或以下。
(5)根据(1)～(4)的任一项所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：所述电阻焊的电流密度为100～100000A/mm2。
(6)根据(1)～(5)之中的任一项所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：采用所述电阻焊进行的所述非晶合金箔与所述金属材料的熔融压接的加压力为10～1000MPa。
(7)根据(1)～(6)的任一项所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：在采用所述电阻焊形成的接头部的断面组织中，未等温凝固组织在加压方向的厚度平均为10μm或以下。
(8)根据(1)～(7)的任一项所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：借助于所述电阻焊形成的接头部的接头效率为0.5～2.0。
其中，接头效率是指金属材料的坡口的面积与熔融压接非晶合金箔和金属材料之后的接头部位的面积之比。
(9)根据(1)～(8)的任一项所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：所述接头部在凝固过程结束后，以0.1～50℃/秒的冷却速度进行冷却而控制接头组织。
(10)一种金属机械部件，其由金属材料与采用液相扩散接合形成的接头部所构成，其特征在于：所述金属机械部件在保持接合的状态下，其金属组织中原始γ晶粒的最大粒径为500μm或以下。
(11)根据(1)～(9)的任一项所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：所述金属材料的至少一方是圆筒形金属材料，当使所述圆筒形金属材料的端部与另一方的金属材料面对接而进行所述一次接合时，在所述圆筒形金属材料端部形成V型坡口，以便使所述圆筒形金属材料相对于对接接点的内面侧坡口高度A、外面侧坡口高度B、以及从所述对接接点到外周的距离C满足下述式(1)，
0.2≤B/A≤1、且C/t≤0.5        (1)
其中，A表示圆筒形金属材料的内面侧坡口高度，B表示圆筒形金属材料的外面侧坡口高度，C表示从圆筒形金属材料的对接接点到外周的距离，t表示圆筒形金属材料的壁厚。
(12)根据(11)所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：所述一次接合后的坡口端部中，最大残存高度为所述非晶合金箔厚度的3倍或以下。
(13)根据(11)或(12)所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：所述一次接合后的接头效率为0.8或以上。
(14)根据(11)～(13)的任一项所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：所述二次接合后的坡口端部的最大残存高度为70μm或以下。
附图说明
图1表示液相扩散接合用非晶合金箔熔融、凝固所形成的合金层的厚度与直至该合金层的等温凝固结束的保持时间之间的关系。
图2表示本发明法的2次接合(液相扩散接合)中等温凝固保持时间与接合接头强度之间的关系。
图3是表示圆筒形金属材料与金属材料对接接合时的实施方案的立体图。
图4是圆筒形金属材料与金属材料进行一次接合时的坡口剖面图。
图5是接合金属机械部件之前、通过钢管的中心轴并垂直于接合面的坡口剖面图。
图6是一次接合前的圆筒形金属材料的外面侧坡口高度B和内面侧坡口高度A之比(B/A)与一次接合后的坡口端部的最大残存高度之间的关系图。
图7表示焊接方形断面配管与支管以制造金属机械部件时的实施方案。
图8是图7的实施方案在组装时，从方形断面配管的内部管路轴方向观察的剖面透视图。
图9是表示金属材料与中空金属材料对接接合时的实施方案的立体图。
图10是接合金属部件之前，通过中空金属材料的中心轴并垂直于接合面的坡口剖面图。
具体实施方式
下面就本发明进行详细的说明。
在本发明法中，作为被接合材料，使用的是金属材料，使液相扩散接合用非晶合金箔介于在该金属材料端部形成的坡口面之间并进行对接，之后作为一次接合，借助于电阻焊使上述非晶合金箔与上述金属材料熔融压接在一起，从而形成接头部。
在该一次接合中，例如在各被接合材料上配置电极，以便用于向被接合材料的坡口面(对接面)供给焊接电流而使其加热熔融，可以使用以下的电阻焊接装置，该装置带有应力附加机构，用于向坡口面之间施加压接所必需的应力，例如带有液压传动的Instron型拉伸压缩装置等。
在该一次接合中，借助于电阻焊的焊接线能量，使被接合材料的坡口面与液相扩散接合用合金箔熔融，并在其加压应力下进行镦焊，从而于加热熔融时生成的氧化物以及坡口表面存在的夹杂物与熔融金属一起被排出到接合面的外部。
另外，在一次接合中，插在被接合材料的坡口面之间的液相扩散接合用非晶合金箔，可以使用比被接合材料即钢铁材料的熔点低、箔的体积的50％或以上具有非晶构造的非晶合金箔。
使熔点为900～1200℃左右且比被接合材料低的液相扩散接合用合金箔介于被接合材料坡口面之间，并通过电阻焊进行熔融压接，由此可以使以下的效果得以促进，即液相扩散接合用合金箔在坡口面被均匀熔化，同时由于加热熔融的作用，所生成的氧化物以及坡口表面残留的夹杂物与熔融金属一起被排出到接合面的外部。
此外，本发明的液相扩散接合用非晶合金箔的组成优选的是，以Ni或Fe作为基材，各自含有0.1～20.0原子％的B、P、C之中的1种、2种或更多种作为扩散原子，进而含有0.1～10.0原子％的V，其中V的作用是在进行一次接合时，降低于接合面之间生成的氧化物的熔点。
为了实现作为二次接合的液相扩散接合，需要有一个等温凝固过程，液相扩散接合用非晶合金箔中的B、P以及C就是用于实现这种等温凝固的扩散元素，或者是用于将熔点降低到被接合材之下所必须的元素，为了充分发挥其作用，有必要含有0.1原子％或以上，但当过量添加时，在晶粒中生成粗大的硼化物、金属化合物或碳化物而引起接合部强度的降低，因此其上限优选设定为20.0原子％。
液相扩散接合用合金箔中V所具有的作用是，与氧化物或残留氧化物(Fe2O3)瞬间反应而生成低熔点的复合氧化物(V2O5-Fe2O3，熔点约800℃或以下)，其中氧化物是在进行作为一次接合的电阻焊时，于坡口面之间生成的。借助于电阻焊时的加压应力，使低熔点复合氧化物与熔融金属一起熔融和排出，从而可以获得降低接合部的氧化物系夹杂物的效果。为了充分获得其作用和效果，优选含有0.1％原子或以上的V。另一方面，当V超过10.0％原子而过量添加时，V系氧化物的数量增加，这样反而使残留氧化物增加。另外，提高了液相扩散接合用合金箔的熔点，从而使作为二次接合的液相扩散接合变得困难，因此其上限优选设定为10.0％原子。
另外，在本发明中，作为一次接合使用的电阻焊可以使用通电加热方式的点焊、凸焊、镦焊以及闪光对焊之中的任何一种的焊接方法。点焊、凸焊以及镦焊通常适用于接合面积较小、不要求高接合强度的情况下的接合，闪光对焊能够以大电流附加较高的加压力，因此适用于接合具有较大接合面积的坡口的情况。这些电阻焊接方法的选择，不需要进行特别的限定，优选根据各焊接方法的特征、接合接头的要求特性以及焊接条件等进行适时的选择，为了提高生产效率，优选将焊接时间设定为10秒或以下。
另外，关于一次接合的电阻焊的焊接线能量，为了在短时间内使坡口面以及坡口面之间的液相扩散接合用非晶合金箔熔融，必须将电流密度设定为100A/mm2或以上，另一方面，如果过度地提高电流密度，则非晶合金箔的熔融金属分布紊乱，从而使坡口面以预定厚度均匀分布变得困难，所以其上限必须设定为100000A/mm2。因此，优选将电阻焊的电流密度设定为100～100000A/mm2。
另外，为了将坡口面之间的液相扩散接合用非晶合金箔发生熔融并凝固而形成的接合合金层的厚度降低到10μm或以下、并缩短作为二次接合的液相扩散接合的接合时间，一次接合的电阻焊的加压应力需要10MPa或以上；另一方面，当加压应力过高时，将产生接合接头的变形，因此必须设定为1000MPa或以下。所以，电阻焊的加压应力优选设定为10～1000MPa。此外，接合接头的变形程度随着被接合材料在焊接温度下的杨氏模量的变化而变化，因此加压应力的上限更优选根据被接合材料的材质进行调整。
再者，为了加进起因于坡口形状的接合后接头的约束效应，并确保接头的静态抗拉强度高于母材的抗拉强度，由一次接合的电阻焊形成的接头部的接头效率(钢铁材料坡口面的面积/非晶合金箔与钢铁材料熔融压接后的接头部位的面积)必须在0.5或以上，另外，因电阻焊时的高加压应力引起接头部位的膨胀，结果接头部面积比母材部断面积为大，考虑到这样的情况，并为了获得良好的接头特性，其上限设定为2.0。
凭借如上所述的一次接合，通过在短时间内将插入被接合材的坡口面之间的液相扩散接合用非晶合金箔熔融压接在一起，便能够形成因非晶合金熔融凝固而形成的厚度极薄的接合合金层。在本发明者的实验中，根据由光学显微镜进行的对接头断面组织的观察结果，可以确认一次接合得到的由非晶合金箔的熔融凝固组织构成的接合合金层的厚度最大为7μm或以下，平均厚度为3μm或以下。
由这样极薄的液相扩散接合用非晶合金熔融凝固而形成的接合合金层在随后的作为二次接合的液相扩散接合中，通过在非晶合金箔的熔点或以上的温度下保持大约15秒，实质上可以使等温凝固基本结束，当保持大约30秒时，在通常使用碳素钢作为被接合材料的情况下，通过基于扩散方程式的推测计算以及实验，业已确认可以获得完全的等温凝固组织。
图1表示由液相扩散接合用非晶合金箔熔融凝固而形成的合金层(在本发明法的情况下，为一次接合后的合金层，在以前方法的情况下，为加压熔融后的合金层)的厚度与直至该合金层的等温凝固结束为止的保持时间(直至观察不到未等温凝固组织的保持时间)之间的关系。
采用以前的液相扩散接合法，通过增加加压力，由液相扩散接合用非晶合金箔熔融凝固而形成的合金层的厚度有可能降至某种程度，但因加压力的增加而产生接头的变形，因而难以像图1所示的那样，将该合金层的厚度减薄至10μm或以下，同时直至液相扩散接合的等温凝固结束的保持时间需要在100秒或以上。假如用以前的方法使等温凝固保持时间在100秒或以下，则产生的问题是：接合合金层中将残留非晶合金箔的未等温凝固组织，并且与母材相比，接头的强度、韧性等特性将有明显的降低。
与此相对照，采用本发明法，通过一次接合(电阻焊)，由液相扩散接合用非晶合金箔熔融凝固而生成的接合合金层的平均厚度将可以降低至7μm或以下，通过随后的二次接合(液相扩散接合)，直到液相扩散接合的等温凝固结束(接合合金层的未等温凝固组织完全消失)为止的保持时间将可以缩短到30秒或以下。在本发明者的实验中，正如图1所示的那样，已经确认：通过一次接合(电阻焊)能够将接合合金层的平均厚度减薄到3μm，而此时可以期待的是，通过二次接合(液相扩散接合)，将以15秒的保持时间使等温凝固结束(接合合金层的未等温凝固组织完全消失)。由此可以期待的是：与以前的液相扩散性接合相比，本发明法在保持同等或以上的接头品质的同时，大幅度缩短了接合时间，从而使生产效率得以提高。
图2表示本发明法的二次接合(液相扩散接合)的等温凝固保持时间与接合接头强度之间的关系。
此外，在从接合面拉开接头的方向上实施拉伸试验，此时接合接头的抗拉强度与母材的抗拉强度之比即表示接合接头强度。在该值为1的情况下，意味着在母材上发生断裂，在1以下的情况下，意味着在接合部断裂。
在实际的接合中，由本发明的一次接合(电阻焊)在坡口面形成的、由液相扩散接合用非晶合金箔熔融凝固而生成的接合合金层的厚度，由于坡口面位置的不同而产生波动；但从图2中可以看出：通过将二次接合(液相扩散接合)的等温凝固保持时间至少设定未30秒或以上，则接头的拉伸试验结果是母材断裂，可以得到抗拉强度在母材之上的良好的接头强度。
在本发明法中，为确保比以前的液相扩散接合法具有同等或更高的接头强度，根据上述的实验结果，将二次接合(液相扩散接合)的等温凝固保持时间优选设定为30秒或以上。
此外，在二次接合(液相扩散接合)的等温凝固保持时间增加的同时，可以稳定地获得预定的接头强度，但是，如果过度地增加等温凝固保持时间，则接头金属组织的原始γ晶粒粒径产生粗大化，从而使接头的韧性降低，因此其上限更优选设定为100秒或以下。
在本发明中，二次接合后即液相扩散接合的等温凝固结束后，进一步根据被接合材料的钢种来控制冷却速度，藉此可以得到所要求的金属组织，例如为碳素钢时，可以得到铁素体+珠光体、铁素体、贝氏体以及马氏体等金属组织，另外，为奥氏体钢时，通过接合时产生的析出物等夹杂物的再固溶作用，可能得到具有良好金属组织的接合接头。
在本发明中，为了提高汽车用机械部件所要求的接头强度和韧性，应确保最低限度的必要的低温相变组织(贝氏体或马氏体)的比例，为此在二次接合后即液相扩散接合的等温凝固结束后，优选将冷却速度设定为0.1℃/秒或以上，过度的冷却可能导致韧性和延性的降低，因此，优选将冷却速度的上限设定为50℃/秒。通过上述冷却速度的控制，即使是铁素体钢之间、奥氏体钢之间、或者铁素体钢与奥氏体钢的异材接头，仍然能够形成完整且亲和性较高的接头。
此外，本发明法经上述的冷却后，为调整金属组织，也可以在再加热后单独地、多次反复地或者组合地适用淬火、回火、淬火+回火等热处理。在这种情况下，接头组织更加均质化，从而可以进一步提高本发明的效果。
此外，对于忌讳残余奥氏体的材料，进行深冷处理也是有效的，这样可以抑制因时效而产生的变形。
根据以上所示的本发明的实施方案，与以前单独的电阻焊法相比，可以降低接头的变形量，而且在对金属机械部件进行组装等情况下，即使运用穿孔、切削、切断等通常的机械加工，也可以适于组装的机械部件包括：具有不能加工的形状的机械部件，或者含有组合困难的难焊接材料的异材接头的机械部件，以及由于切削而引起材料成本上升的机械部件，同时也能够获得诸如生产效率得以提高、进而成本得以降低之类的效果。再者，根据本发明的实施方案，在一次接合(电阻焊)后，即使对于接合面上发生微细裂纹的情况，通过随后的二次接合(液相扩散接合)，也可以使未熔融的非晶合金箔再次熔融并流入裂纹内，从而能够修复该微细裂纹，而且可以得到将由未等温凝固组织构成的合金层变成完全等温凝固组织的效果，因此，与以前的电阻焊接法相比，接头强度以及疲劳强度等得到提高，从而能够获得品质优良的接合接头。
另外，根据本发明的实施方案，与以前单独的液相扩散接合法相比，可保持同等或更高的接头品质，同时可大幅度缩短非晶合金箔的等温凝固保持时间、即将接合接头保持在非晶合金箔的熔点或以上的再加热温度下的时间，因此与以前相比，能够大幅度地抑制接合接头在等温凝固保持时因晶粒直径长大所引起的晶粒粗大化。其结果，采用本发明法组装的由钢铁材料和采用液相扩散接合形成的接头部所构成的金属机械部件，其在接合状态下的金属组织中，原始γ晶粒的最大粒径较小，为500μm或以下，与采用以前的液相扩散接合法得到的接头(最大粒径超过1mm的晶体粒径)相比，能够使韧性得到提高。
再者，在进行本发明实施方案的二次接合(液相扩散接合)时，因为没有进行单独的液相扩散接合所必须的对接合面的加压，或者能够减轻加压力，因此只采用简单的加压夹具便可以得到良好的液相扩散接合部。所以，根据本发明法，不需要在高温下对接合面均匀加压的高度加压技术，便能够以较低成本实现不发生焊接缺陷且接合部品质优良的液相扩散接合。
因此，在以前的采用液相扩散接合组装的金属机械部件中，为了进一步提高接头韧性，需要进行QT等热处理，而本发明能够将QT等热处理省略，这在提高生产效率的同时，也可能降低制造成本。
根据以上所示的发明的实施方案，与单独的电阻焊法或液相扩散接合法等以前的接合法相比，可能以较高的品质和较高的生产效率制造金属材料的接合接头。但是，如图3所示，当将被接合材料即金属材料的至少一方呈圆筒形的金属材料11的端部与另一方的金属材料12对接而进行一次接合(电阻焊)时，估计将出现以下问题，因此为了稳定地发挥以上所示的本发明的效果，并稳定地提高疲劳强度等接头品质，优选使用以下说明的实施方案。
也就是说，将圆筒形金属材料11与金属材料12对接而进行一次接合(电阻焊)时，如图4(图3的剖面图)所示，由于一次接合时的加压力14和热应力的作用，圆筒形金属材料11的坡口部向外面侧方向15打开，即开成喇叭口形，这样在一次接合后，于圆筒形金属材料11外面侧的坡口端部13容易残存缺口状的坡口。本发明在一次接合后，通过接着进行二次接合(液相扩散接合)，再次使未熔融的非晶合金箔熔融，从而使其流入缺口状的坡口残存部位，由于具有这样的效果，因而与以前单独的电阻焊相比，能够减少缺口状的坡口残存部位。但在一次接合后，如果坡口端部的最大残存高度17过大，那么，即使接着进行二次接合，也难以得到平滑的接合部，而且坡口残存部位的缺口顶端将产生应力集中，可能导致接头特性、特别是疲劳强度的下降，因而是不优选的。
本发明为了解决对至少一方呈圆筒形的金属材料进行一次接合(电阻焊)时产生的上述问题，并且更稳定地提高接头特性，优选进一步规定以下的条件。
图5是表示圆筒形金属材料11的端部与金属材料面对接(在不加压的状态下)时的坡口剖面图，用于说明圆筒形金属材料相对于对接接点的内面侧坡口高度A、外面侧坡口高度B、从对接接点到外周的距离C、以及圆筒形金属材料11的壁厚t之间的关系。此外，该图的剖面方向是通过圆筒形金属材料11的中心轴并垂直于接合面的剖面。
本发明在圆筒形金属材料11与金属材料12进行一次接合时，为了抑制因图4所示的加压力14和热应力而产生的圆筒形金属材料11的坡口部向外面侧方向15的打开，并降低一次接合后的坡口端部的最大残存高度17，如图5所示，优选将圆筒形金属材料相对于对接接点16的内面侧坡口高度A、外面侧坡口高度B、从对接接点16到外周的距离C以及圆筒形金属材料11的壁厚t之间的关系设定为适宜的条件。
图6表示一次接合前(在不加压的状态下)圆筒形金属材料的外面侧坡口高度B和内面侧坡口高度A之比即B/A与一次接合后的坡口端部的最大残存高度17的关系图。此外，进行接合时，从对接接点16到外周的距离C与圆筒形金属材料11的壁厚t之比即C/t为0.5。
业已判明：在B/A之值为0.2～1的条件下，可以充分降低一次接合后的最大残存高度。另一方面，在B/A之值低于0.2时，圆筒形金属材料11的内面侧坡口端部的残存高度增大，另外，在B/A之值超过1时，圆筒形金属材料11的外面侧坡口端部的残存高度增大，无论哪一种情况，一次接合后的坡口端部的最大残存高度均高于0.1mm。在这种情况下，即使借助于一次接合后接着进行的二次接合(液相扩散接合)所产生的对坡口残存部位的修复作用，也难以充分减少接头部的坡口残存部位，因而是不优选的。
另外，图6是在从对接接点16到外周的距离C与圆筒形金属材料11的壁厚t之比即C/t值为0.5的条件下进行接合的结果。在C/t值为较小的0.5或以下的条件下，在进行图4所示的一次接合时施加加压力14，此时，圆筒形金属材料11的坡口端部受到外面侧方向15的应力，容易使外面侧坡口端部优先变形，因此一次接合后的坡口端部的最大残存高度进一步降低。但是，在该C/t值大于0.5的情况下，如果于一次接合时施加加压力14，则圆筒形金属材料11的内面侧坡口端部容易优先变形，此时，即使上述B/A值在0.2～1的条件下，一次接合后的坡口端部的最大残存高度也不能降低到0.1mm或以下，因而是不优选的。
根据以上的见解，本发明在金属材料的至少一方是圆筒形金属材料的情况下，使该圆筒形金属材料的端部与另一方的金属材料面对接而进行一次接合(电阻焊)时，优选在所述圆筒形金属材料端部形成V型坡口，以便使所述圆筒形金属材料相对于对接接点的内面侧坡口高度A、外面侧坡口高度B、以及从上述对接接点到外周的距离C满足下式(1)。由此，至少一方呈圆筒形的金属材料的焊接接头的疲劳强度可能稳定而充分地得以提高。
0.2≤B/A≤1、且C/t≤0.5         (1)
另外，在上述本发明的实施方案中，如图4所示，在尽量降低一次接合(电阻焊)后圆筒形金属材料11的坡口端部之最大残存高度17的情况下，于接着进行的二次接合(液相扩散接合)时，借助于未熔融非晶合金箔的熔融和修补作用，可充分地降低坡口端部的未接合残存部位，从而更加稳定地提高接头的疲劳强度，因此是优选的。当最大残存高度17超过非晶合金箔厚度的3倍时，即使借助于二次接合产生的未熔融非晶合金箔的熔融和修补作用，也难以更加稳定地提高接头的疲劳强度。
为此，在上述本发明的实施方案中，考虑到二次接合产生的未熔融非晶合金箔的熔融和修补作用，优选使一次接合后的坡口端部的最大残存高度为非晶合金箔厚度的3倍或以下。
另外，在上述本发明的实施方案中，如图4所示，在一次接合(电阻焊)时的加压力14和焊接电流较低等条件不适宜的情况下，圆筒形金属材料11在一次接合(电阻焊)后的坡口端部的最大残存高度即使在上述适宜的范围内，一次接合后在坡口面之间也不能够均匀地形成由非晶合金箔熔融凝固而成的接合合金层，即使在对接接点附近进行压接，其它部位的坡口面的压接也是不充分的。另外，由于受到一次接合(电阻焊)时圆筒形金属材料11在外面侧方向的应力所产生的残余应力的影响，在二次接合之前也有可能产生接合合金层的剥离。
为了使这些问题受到抑制，从而在一次接合后于坡口面之间形成均匀的接合合金层，且形成在二次接合前不会剥离的附着力良好的接合合金层，在上述本发明的实施方案中，优选将一次接合后的接头效率设定为0.8或以上。
另外，在上述本发明的实施方案中，在二次接合后坡口端部的最大残存高度尽量低些的情况下，不用进行为了改善坡口端部形状的后加工便可以进一步提高接头的疲劳强度，因此是优选的。
在上述本发明的实施方案中，由于二次接合时未熔融非晶合金箔的熔融和修补作用，所以能够形成平滑的接合部，但为了使接头的疲劳强度得到更一步的提高，优选将二次接合后坡口端部的最大残存高度设定为70μm或以下。
实施例
根据以下的实施例就本发明的效果进行说明。
(实施例1)
使用具有表1所示的编号A～C的3种化学成分和熔点的液相扩散接合用非晶合金箔、具有表2所示的编号a～f的化学成分的钢铁、以及由Ni合金或Ti合金构成的被接合材料。在表3和表4所示的接合条件下制造金属机械部件。
就得到的金属机械部件进行了在从接合面拉开接头的方向上实施的拉伸试验、以及接合部在0℃下的Charpy(摆锤式)冲击试验，并进行了接头强度以及接头韧性的评价。另外，测定了金属机械部件在接合应力加压方向上的变形量，也一并进行了变形量的评价。其结果如表3以及表4所示。
此外，在表3和表4中，接头强度的评价以接合接头的抗拉强度与母材的抗拉强度之比来表示。在该值为1的情况下，意味着在母材上发生断裂，在1以下的情况下，意味着在接合部断裂。另外，关于接头韧性的评价，在0℃的吸收能为21J或以上时表示良好○，在低于21J时表示不良×。
此外，表3所示的No.2～8按照下述的要领进行金属机械部件的制造。图7以及图8是用于说明实施例的示意图，该实施例在方形断面的配管主体1之内部管路3的长度方向中心部位的上面，形成有分支口4，并将另外的支管2接合在该分支口4上，藉此制造内部具有T分支配管的汽车用金属机械部件。其中，图7是汽车用金属机械部件的立体图，图8表示通过支管2的中心轴且垂直于内部管路3的中心轴的剖面图。
如图7所示，成为接合面的支管2的端部预先通过机械加工，加工出具有45°角的V形坡口，然后使环形的液相扩散接合用合金箔5介于支管2的坡口9与配管主体1的接合面之间，并将支管2的坡口9与配管主体1的接合面进行对接后，通过分别粘附在支管2以及配管主体1上的电极7和10向坡口部分通以直流电流，同时向6的方向施加加压应力。此外，加压应力从支管2的上方通过液压驱动的应力传递板(图中未示出)而施加。其结果，支管2的坡口9被压溃变形，其厚度大致与支管2的厚度8相同，另外，介于支管2与配管主体1的坡口之间的液相扩散接合用合金箔5虽然经一次熔融后凝固形成合金层，但由于接合时间极短，因而成为平均厚度为3μm的未等温凝固组织，即扩散成为控制步骤的等温凝固没有结束的所谓“钎焊组织”。其次，作为二次接合，采用具有高频感应加热线圈以及电阻发热体的电炉将该接合接头升温到1150℃的再加热温度、并保持预定的时间，藉此使一次接合形成的接合合金层之液相扩散的等温凝固结束，之后进行冷却。
另外，表3所示的No.1、9按照下述的要领进行金属机械部件的制造。
作为被接合材料，使用2根直径φ5mm、长50mm的圆棒，坡口端面加工为完全I型，坡口面粗糙度Rmax经磨削加工为10μm或以下。然后使直径φ5mm的液相扩散接合用合金箔介于它们的坡口之间，接着对被接合材料通以直流电流，同时施加加压应力，作为一次接合采用电阻焊形成接头。在确认圆棒之间的同轴度没有偏位之后，作为二次接合，将100mm长的接头在具有电阻发热体的电炉内升温到再加热温度，保温后进行冷却。此后的热处理一概不需要实施。
此外，表4所示的No.10以及11为制造上述金属机械部件时不实施二次接合(液相扩散接合)的比较例，No.12以及13为制造上述金属机械部件时不实施一次接合(电阻焊)的比较例。另外，表4所示No.14为制造上述金属机械部件时实施一次接合(电阻焊)和二次接合(液相扩散接合)但接合条件偏离本发明的范围的比较例。
从表3的结果可知，根据本发明的接合方法，以本发明范围内的接合条件制造的金属机械部件No.1～9，其接头强度通常均高于母材的抗拉强度，接合应力施加方向的变形量为5％或以下，作为机械部件能够满足使用性能。另外，由于液相扩散接合的保持时间较短，因而接头的最大晶粒的粒径比较微细，为500μm或以下，接头韧性也良好。
表4所示的No.10～14均为偏离本发明法的接合条件范围的比较例。No.10和11是只使用电阻焊时的比较例，在这种情况下，No.10虽然使液相扩散接合用非晶合金箔介于接合面之间，但其组织为未等温凝固组织即钎焊组织，因此接头强度比母材强度低，评价值低于基准值1，从而在接合部发生断裂。特别是No.11，因为只是液相扩散接合用非晶合金箔也没有使用的电阻焊，因此在接合界面上有夹杂物和缺陷的残留，从而使接头强度下降。通常的电阻焊存在这样使接头强度不稳定的因素，其缺陷的检测实质上是不可能的。
另外，No.12和13是只采用液相扩散接合并施加5MPa的接合应力进行接合的比较例。No.12的比较例是接合保持时间短至40秒的情况，这可以减少接头的晶粒尺寸，但液相扩散接合并没有完全结束，因此接头强度降低。No.13的比较例为了弥补省略进行的电阻焊，延长了液相扩散接合的保持时间，因此其接头强度得以提高，但金属组织的晶粒发生粗大化，因此0℃下的吸收能低于10J，从而使接头韧性降低。
另外，No.14进行二次接合的液相扩散接合温度为820℃，偏离并低于本发明的条件，达不到液相扩散接合用非晶合金箔的熔点，因此，电阻焊形成的钎焊组织进一步分离成硼化物和Ni基合金而发生脆化，从而不能获得接头强度。
                       表1  接合箔的化学成分(原子％)
  接合箔编号   类别   Si   B   P   V   熔点(℃)
  A   Ni基   3.5   8   11   1073
  B   Fe基   2.5   12   8   1122
  C   Ni基   0.8   15   7   942
                                                               表2  被接合材料的主要化学成分(质量％)
  被接合材料编号 钢种 C Si Mn Fe Cr Ni Mo Nb V N Al Ti
  a   STPA28   0.1   0.3   0.5   余量   9   -   1   0.05   0.2   0.04   -   -
  b   SCM440   0.4   0.25   0.7   余量   1   -   0.25   -   -   -   -   -
  c   SUH11   0.5   1.8   0.2   余量   9   -   0.5   -   -   -   -   -
  d   SUH35   0.5   0.2   9   余量   21   -   4   -   -   0.4   -   -
  e   INCONEL600   0.1   0.12   0.5   8.3   17   余量   -   -   -   -   -   -
  f   Ti-6Al-4V   0.05   -   -   0.16   -   -   -   -   4.24   -   6.21   余量
                                                                      表3  本发明方法的工艺条件和接头特性
实施No. 被接合材料编号                         一次接合(用于采用电阻焊进行的液相扩散接合的定位焊)                二次接合(液相扩散接合)             接头评价 区分
  电阻焊的电流值 加压力   接合线的总氧化物长度   接合层宽度   接头效率   接合保持时间   接合后的冷却速度   液相扩散接合的温度   接头的最大晶粒直径   接合箔编号   接头强度/母材强度 接头韧性   变形量(％)
  (A/mm2)   (MPa)   (μm)   (μm)   (sec)   ℃/s   ℃   (μm)
  1   a   180   50   0.2   4   0.8   31   5   1180   180   A   1.02   ○   3.1   发明例
  2   d   1200   50   0.1   4   1.3   38   5   1170   190   A   1.1   ○   3.7   发明例
  3   f   1500   80   0   6   1.2   90   5   980   250   C   1.03   ○   3.6   发明例
  4   b   1200   80   0.3   3   1.5   240   5   1190   300   B   1.2   ○   4.1   发明例
  5   c   25000   40   0.1   2   1.4   35   0.3   1240   240   A   1.05   ○   3.9   发明例
  6   e   40000   30   0   5   1.8   1200   14   1200   480   B   1.02   ○   4.5   发明例
  7   a   1800   90   0   2   1.1   90   2   1150   140   B   1.08   ○   3.6   发明例
  8   b   1200   30   0.3   6   1.9   81   1   1250   150   A   1.4   ○   3.8   发明例
  9   e   600   20   0.2   7   0.7   2400   10   1280   450   A   1.2   ○   3.8   发明例
接合线的总氧化物长度＝在用光学显微镜观察得到的接合部断面组织中，接合层大致的中心线上存在的氧化物系夹杂物的长度总和/接合层的长度。
接合层宽度＝在接合部的断面组织中，与电阻焊时的加压方向平行的接合层的厚度。
接头效率＝(被接合材料的坡口面积)/(使接合用金属箔介于接合面之间而进行接合后的接头部位的面积)。
接头的最大晶粒直径＝在接合后的接合层与热影响区中，原始γ晶粒或铁素体晶粒之中的最大晶粒的直径。
接头韧性＝在0℃下的吸收能为21J或以上的情况表示为“○”，低于21J的情况表示为“×”。
变形量＝接合应力施加方向的变形量。
                                                                      表4  比较例的工艺条件和接头特性
实施No. 被接合材料编号                             一次接合(用于采用电阻焊进行的液相扩散接合的定位焊)               二次接合(液相扩散接合)              接头评价 区分
  电阻焊的电流值 加压力   接合线的总氧化物长度   接合层宽度   接头效率   接合保持时间   接合后的冷却速度   液相扩散接合的温度   接头的最大晶粒直径   接合箔编号   接头强度/母材强度 接头韧性   变形量(％)
  (A/mm2)   (MPa)   (μm)   (μm)   (sec)   ℃/s   ℃   (μm)
  10   a   110   40   0.2   5   0.9 不适用   0.6   ○   5.1   比较例
  11   b   180   30   18(未隔着箔)   -   1.1   0.4   ○   5.6   比较例
  12   c 不适用   40   0.5   1150   240   A   0.3   ○   2.8   比较例
  13   e   7200   0.2   1240   1200   B   1.1   ×   3.7   比较例
  14   d   560   60   0.5   7   1.2   1500   0.7   820   450   A   0   ○   5.3   比较例
接合线的总氧化物长度＝在用光学显微镜观察得到的接合部断面组织中，接合层大致的中心线上存在的氧化物系夹杂物的长度总和/接合层的长度。
接合层宽度＝在接合部的断面组织中，与电阻焊时的加压方向平行的接合层的厚度。
接头的最大晶粒直径＝在接合后的接合层与热影响区中，原始γ晶粒或铁素体晶粒之中的最大晶粒的直径。
接头韧性＝在0℃下的吸收能为21J或以上的情况表示为“○”，低于21J的情况表示为“×”。
变形量＝接合应力施加方向的变形量。
(实施例2)
其次，按照与上述实施例1在表3中所示的No.2～8的本发明例同样的要领，当将图8所示的支管2与配管主体1进行接合时，正如表5、表6以及表7所示的那样，在改变圆筒形金属材料即支管2的壁厚t等尺寸以及对接时支管2的坡口参数(内面侧坡口高度A、外面侧坡口高度B以及从对接接点到外周的距离C)的条件下，进行接合而制造金属机械部件，并对接头的机械特性特别是疲劳强度进行了测定和评价。此外，使用的液相扩散用的非晶合金箔以及被接合材料的化学组成与实施例1相同。另外，除表5以及表6所示的接合条件以外，接合按照与实施例1同样的要领进行。
就得到的金属部件进行了在从接合面拉开接头的方向上实施的拉伸试验、以及疲劳试验，并进行了接头强度以及接头疲劳强度的评价。其结果如表6以及表7所示。
此外，在表6以及表7中，接头强度的评价以接合接头的抗拉强度与母材的抗拉强度之比来表示。在该值为1的情况下，意味着在母材上发生断裂，在1以下的情况下，意味着在接合部断裂。另外，接头疲劳强度的测定和评价采用所得到的金属机械部件的内压疲劳试验进行，在20～200MPa的应力范围进行循环次数为1000万次(15Hz)的耐久试验后，没有龟裂和断裂者评价为合格○，出现龟裂和断裂者评价为不合格×。
表6所示的No.15～28以及表7所示的No.29～32由于进行了本发明规定的一次接合(电阻焊)和二次接合(液相扩散接合)，均与实施例1所示的发明例一样，获得了接头强度在母材强度之上、且比传统方法的接头特性优良的结果。
在这些发明例中，表6所示的No.15～28是本发明更优选的实施方案中规定的圆筒形金属材料的坡口条件在本发明范围内的发明例；另一方面，表7所示的No.29～32是在偏离其更优选的本发明范围的条件下进行的发明例。
表6所示的No.15～28因为圆筒形金属材料即支管2的内面侧坡口高度A、外面侧坡口高度B、从对接接点到外周的距离C以及支管2的壁厚t之间的关系满足本发明更优选的条件即0.2≤B/A≤1、且C/t≤0.5的条件，所以，任何接合接头在内压疲劳试验后均没有发生破坏，可以得到优良的接头疲劳强度。另外，由于液相扩散接合的保持时间较短，所以接头的最大晶粒的粒径比较微细，为500μm或以下，接头韧性也良好。在它们当中，进而一次接合后的坡口端部的最大残存高度、一次接合后的接头效率以及二次接合后的坡口端部的残存高度等各项条件均在本发明更优选的范围内的No.16～22、24、26～28，与偏离这些优选条件之中的某一条件的No.15、23、25相比，获得了接头疲劳强度更进一步得以提高的结果。
另一方面，表7的No.29～32均为支管2的内面侧坡口高度A、外面侧坡口高度B、从对接接点到外周的距离C以及支管2的壁厚t之间的关系偏离本发明更优选的范围的发明例。
No.29以及30是支管2的坡口高度之比B/A大于1、即外面侧坡口高度大于内面侧坡口高度的情况。此时，外面侧坡口本来就高，而且由于管发生变形，在电阻焊中稍稍张开成喇叭形，所以外面侧的坡口更容易残存下来。观察电阻焊后的接头断面，结果开口端部的残存高度高达100μm或以上，从而也使接头效率降低。另外，No.30的对接接点的位置偏向内面侧，也就是说，C/t＞0.5，因此内面侧的坡口优先变形，其结果，外面侧的坡口端部有大量的残存。
NO.31是坡口高度之比B/A在本发明的范围内、但在对接接点的位置为C/t＞0.5的情况，与No.30同样，变形集中在坡口的内面侧，因此外面侧的坡口端部有残存，残存高度高达100μm或以上。
以上结果表明，No.29～31在内压疲劳试验中，从外面侧的坡口端部产生龟裂，在没达到预定的循环次数时发生断裂。
No.32是坡口高度之比B/A为0.2或以下即内面侧破口的高度是外面侧破口的高度的5倍或以上的实例。此时，在电阻焊中外面侧的坡口发生变形，直到端部都发生粘附，但内面侧的坡口残存较多，坡口端部的残存高度在内面侧高达100μm或以上。其结果，比较例No.32在内压疲劳试验中，从内面侧的坡口端部发生龟裂，在没达到预定的循环次数时发生断裂。
            表5  支管的种类
  支管编号           试片尺寸(mm)
  外径   内径   壁厚
  i   10   6   2
  ii   26   17   4.5
  iii   42   32   5
  iv   50   38   6
                                                表6  本发明方法的工艺条件与接头特性
实施No. 被接合材料编号 试片尺寸(mm)                        一次接合(用于采用电阻焊进行的液相扩散接合的定位焊)
  管编号 坡口部的尺寸   电阻焊的电流值 加压力   坡口端部的最大残存高度 接头效率
 A(内面侧)  B(外面侧)   C   B/A   C/t   (A/mm2)   (MPa)   (mm)
15 a i 0.07 0.06 1.00 0.86 0.50 500 45 0.109 0.85
16 c i 0.06 0.06 1.00 1.00 0.50 350 50 0.066 0.93
17 e i 0.06 0.02 1.00 0.33 0.50 300 60 0.058 0.96
18 b i 0.06 0.02 0.70 0.33 0.35 350 50 0.044 0.99
19 a ii 0.04 0.02 2.25 0.50 0.50 250 60 0.074 0.95
20 c ii 0.05 0.02 2.00 0.40 0.44 250 60 0.035 0.94
21 b ii 0.04 0.02 1.50 0.50 0.33 250 60 0.068 0.98
22 a iii 0.07 0.03 2.00 0.43 0.40 175 45 0.051 0.91
23 a iv 0.08 0.07 3.00 0.88 0.50 390 50 0.113 0.79
24 b iv 0.05 0.03 2.00 0.60 0.33 250 60 0.072 0.94
25 d iv 0.10 0.02 2.00 0.20 0.33 255 60 0.098 0.87
26 e iv 0.08 0.04 3.00 0.50 0.50 390 50 0.045 0.91
27 f iv 0.05 0.02 3.00 0.40 0.50 250 60 0.066 0.96
28 c iv 0.05 0.01 2.00 0.20 0.33 250 60 0.044 0.98
坡口端部的最大残存高度＝一次接合或二次接合后的坡口端部与接合面在圆筒轴方向上的距离的最大值。
                                   表6  (续表)本发明方法的工艺条件与接头特性
实施No.                              二次接合(液相扩散接合)           接头评价 区分
  接合保持时间   接合后的冷却速度   液相扩散接合温度   坡口端部的最大残存高度 接合箔编号   接头强度/母材强度 内压疲劳试验
  (sec)   (℃/s)   (℃)   (mm)
  15   3600   10   1280   0.072   A   1.03   ○   发明例
  16   1800   2   1150   0.013   B   1.13   ○   发明例
  17   60   2   1250   0   C   1.15   ○   发明例
  18   360   50   1180   0   B   1.14   ○   发明例
  19   420   5   1200   0   A   1.1   ○   发明例
  20   2400   10   1170   0   A   1.19   ○   发明例
  21   90   5   1240   0   C   1.08   ○   发明例
  22   1800   2   1150   0.011   C   1.07   ○   发明例
  23   1800   0.1   1160   0.081   A   1.03   ○   发明例
  24   400   5   1200   0.005   C   1.07   ○   发明例
  25   1200   5   1150   0.076   B   1.04   ○   发明例
  26   30   10   1250   0.023   A   1.05   ○   发明例
  27   600   10   1160   0   A   1.09   ○   发明例
  28   400   5   1200   0   B   1.16   ○   发明例
内压疲劳试验＝应力范围20～200MPa/循环次数为1000万次(15Hz)的耐久试验后，合格者表示为“○”，不合格者表示为“×”。
                                            表7  比较例的工艺条件和接头特性
实施No. 被接合材料编号 试片尺寸(mm)                     一次接合(用于采用电阻焊进行的液相扩散接合的定位焊)
  管编号 坡口部的尺寸   电阻焊的电流值 加压力   坡口端部的最大残存高度 接头效率
 A(内面侧)  B(外面侧)   C   B/A   C/t   (A/mm2)   (MPa)   (mm)
  29   a   i  0.07  0.10   1.00   1.43   0.50   500   50   0.176   0.72
  30   b   ii  0.05  0.06   3.00   1.20   0.67   450   60   0.200   0.61
  31   a   iii  0.07  0.07   3.00   1.00   0.60   300   65   0.156   0.73
  32   a   iv  0.08  0.01   2.50   0.13   0.42   380   50   0.320   0.67
坡口端部的最大残存高度＝一次接合或二次接合后的坡口端部与接合面在圆筒轴方向上的距离的最大值。
                                          表7  (续表)比较例的工艺条件和接头特性
实施No.                           二次接合(液相扩散接合)           接头评价 区分
接合保持时间   接合后的冷却速度   液相扩散接合温度   坡口端部的最大残存高度 接合箔编号 接头强度/母材强度 内压疲劳试验
  (sec)   (℃/s)   (℃)   (mm)
  29   600   10   1250   0.123   A   1.03   ×   发明例
30 360 5 1200 0.135 B 1 × 发明例
  31   400   5   1200   0.122   C   1.06   ×   发明例
  32   550   2   1200   0.25   B   1.06   ×   发明例
内压疲劳试验＝应力范围20～200MPa/循环次数为1000万次(15Hz)的耐久试验后，合格者表示为“○”，不合格者表示为“×”。
(实施例3)
如图9所示，下面就制造中空金属机械部件时适用本发明接合法的实施例进行说明，其中各种发动机用凸轮轴等以前是采用铸造和锻造切削等方法进行制造的。
使用具有表1所示的编号A以及B的2种化学成分和熔点的液相扩散用非晶合金箔、以及由具有表2所示的编号a以及b的化学成分的钢铁构成的被接合材料，在表8所示的接合条件下，按照下述要领制造图9所示的金属机械部件。
也就是说，如图9所示，在成为接合面的中空金属材料18的端部，通过机械加工预先加工出具有45°角的V形坡口，使环形的液相扩散接合用非晶合金箔21介于中空金属材料18的坡口19与金属材料20的接合面之间，并将中空金属材料18的坡口19与金属材料20的接合面进行对接后，通过分别粘附在中空金属材料18以及金属材料20上的电极22和23向坡口19部分通以直流电流，同时施加加压应力24。此外，加压应力24从中空金属材料18的上方通过液压驱动的应力传递板(图中未示出)而施加。其结果，中空金属材料18的坡口19被压溃变形，其厚度大致与中空金属材料18的厚度25相同，另外，介于中空金属材料18与金属材料20的坡口之间的液相扩散接合用合金箔21虽然经一次熔融后凝固形成合金层，但由于接合时间极短，因而成为平均厚度为3μm的未等温凝固组织，即扩散成为控制步骤的等温凝固没有结束的所谓“钎焊组织”。其次，作为二次接合，采用具有高频感应加热线圈以及电阻发热体的电炉将该接合接头升温到表8所示的再加热温度、并保持预定的时间，藉此使一次接合形成的接合合金层之扩散成为控制步骤的等温凝固结束，之后进行冷却。
就得到的金属机械部件进行了在从接合面拉开接头的方向上实施的拉伸试验、以及接合部在0℃下的Charpy冲击试验，并进行了接头强度以及接头韧性的评价。另外，测定了金属机械部件在接合应力加压方向上的变形量，也一并进行了变形量的评价。其结果如表8所示。
此外，在表8中，接头强度的评价以接合接头的抗拉强度与母材的抗拉强度之比来表示。在该值为1的情况下，意味着在母材上发生断裂，在1以下的情况下，意味着在接合部断裂。另外，关于接头韧性的评价，在0℃的吸收能为21J或以上时表示良好○，在低于21J时表示不良×。
从表8的结果可知，根据本发明的接合方法，以本发明范围内的接合条件制造的金属机械部件No.33～35，一次接合后接合层的平均厚度均为10μm或以下，二次接合后测定的接头强度通常高于母材的抗拉强度。另外，接合应力施加方向的变形量为5％或以下，作为机械部件能够满足使用性能。另外，由于液相扩散接合的保持时间较短，因而接头的最大晶粒的粒径比较微细，为500μm或以下，接头韧性也良好。
                                                            表8  本发明方法的工艺条件和接头特性
实施No. 被接合材料编号                           一次接合(用于采用电阻焊进行的液相扩散接合的定位焊)              二次接合(液相扩散接合)             接头评价 区分
  电阻焊的电流值(A/mm2) 加压力(MPa)   接合线的总氧化物长度(μm)   接合层宽度(μm) 接头效率   接合保持时间(sec)   接合后的冷却速度℃C/s   液相扩散接合的温度℃   接头的最大晶粒直径(μm) 接合箔编号 接头强度/母材强度 接头韧性   变形量(％)
  33   a   180   100   0.4   5   0.9   60   5   1200   180   A   1.09   ○   3.8   发明例
  34   a   220   110   0.1   2   1.1   90   5   1200   200   B   1.04   ○   4.4   发明例
  35   b   180   90   0.3   3   1.1   60   5   1250   160   B   1.01   ○   4.1   发明例
接合线的总氧化物长度＝在用光学显微镜观察得到的接合部断面组织中，接合层大致的中心线上存在的氧化物系夹杂物的长度总和/接合层的长度。
接合层宽度＝在接合部的断面组织中，与电阻焊时的加压方向平行的接合层的厚度。
接头效率＝(被接合材料的坡口面积)/(使接合用金属箔介于接合面之间而进行接合后的接头部位的面积)。
接头的最大晶粒直径＝在接合后的接合层与热影响区中，原始γ晶粒或铁素体晶粒之中的最大晶粒的直径。
变形量＝接合应力施加方向的变形量。
如上所述，本发明在使用液相扩散接合方法形成接头以制造金属机械部件时，使液相扩散接合用非晶合金箔介于金属材料的坡口之间，作为一次接合，通过电阻焊使非晶合金箔熔融并进行金属材料的压接，从而设置由非晶合金箔熔融凝固所形成的厚度极薄的接合合金层，接着在非晶合金箔的熔点或以上的再加热温度下，使随后的液相扩散接合经历一个等温凝固过程，由此便能够得到组织均匀、具有优良的抗拉强度、韧性以及疲劳强度等机械性能的、变形量较小的接头。其结果，能够以较高的生产效率制造接头品质以及可靠性较高的金属机械部件。另外，关于在以前的电阻焊接方法出现问题的、由至少一方呈圆筒形的金属材料构成的接合接头的疲劳强度，也借助于本发明的一次接合和二次接合的相互作用，能够降低焊缝区微细裂纹的发生，并减少坡口端部的未接合残存量，从而能够制造疲劳强度优良的接头以及由此获得的金属机械部件。
本发明提供一种全新的金属机械部件的焊接技术，该技术能够以高生产效率且以低成本制造具有以前通常的机械加工、磨削、穿孔所不能制造之形状的金属机械部件、以及生产效率和材料利用率低且成本较高的金属机械部件，通过液相扩散接合的适用，非常有利于可以实现的金属机械部件的功能提高和供给。特别是在以前采用铸造和锻造切削等方法制作的凸轮轴等中空部件、各种发动机用轴类、或者以前采用单独的液相扩散接合法制作的金属机械部件的制造方面，通过本发明法的适用，可以期待获得制造成本的削减、生产效率的提高、接合部品质的提升等效果，从而本发明对产业上的贡献是极大的。

Claims (14)

1.一种金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：使液相扩散接合用非晶合金箔介于金属材料的坡口面之间，作为一次接合，采用电阻焊使所述非晶合金箔与所述金属材料熔融压接在一起而形成接头部，其次作为二次接合，将所述接头部再加热到所述非晶合金箔的熔点或以上并加以保持，进行使所述接头部的凝固过程结束的液相扩散接合。
2.根据权利要求1所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：所述再加热之后的保持时间为30秒或以上。
3.根据权利要求1或2所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：所述非晶合金箔的组成以Ni或Fe作为基材，作为扩散原子，各自含有0.1～20.0原子％的B、P以及C之中的1种、2种或更多种，还含有0.1～10.0原子％的V。
4.根据权利要求1～3的任一项所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：所述电阻焊是通电加热方式的点焊、凸焊、镦焊以及闪光对焊之中的任一种焊接方法，且采用所述电阻焊进行的所述非晶合金箔与所述金属材料的熔融压接的时间为10秒或以下。
5.根据权利要求1～4的任一项所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：所述电阻焊的电流密度为100～100000A/mm2。
6.根据权利要求1～5的任一项所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：采用所述电阻焊进行的所述非晶合金箔与所述金属材料的熔融压接的加压力为10～1000MPa。
7.根据权利要求1～6的任一项所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：在采用所述电阻焊形成的接头部的断面组织中，未等温凝固组织在加压方向的厚度平均为10μm或以下。
8.根据权利要求1～7的任一项所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：借助于所述电阻焊形成的接头部的接头效率为0.5～2.0，
其中，接头效率是指金属材料的坡口的面积与熔融压接非晶合金箔和金属材料之后的接头部位的面积之比。
9.根据权利要求1～8的任一项所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：所述接头部在凝固过程结束后，以0.1～50℃/秒的冷却速度进行冷却而控制接头组织。
10.一种金属机械部件，其由金属材料与采用液相扩散接合形成的接头部所构成，其特征在于：所述金属机械部件在保持接合的状态下，其金属组织中原始γ晶粒的最大粒径为500μm或以下。
11.根据权利要求1～9的任一项所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：所述金属材料的至少一方是圆筒形金属材料，当使所述圆筒形金属材料的端部与另一方的金属材料面对接而进行所述一次接合时，在所述圆筒形金属材料端部形成V型坡口，以便使所述圆筒形金属材料相对于对接接点的内面侧坡口高度A、外面侧坡口高度B、以及从所述对接接点到外周的距离C满足下述式(1)，
0.2≤B/A≤1、且C/t≤0.5         (1)
其中，A表示圆筒形金属材料的内面侧坡口高度，B表示圆筒形金属材料的外面侧坡口高度，C表示从圆筒形金属材料的对接接点到外周的距离，t表示圆筒形金属材料的壁厚。
12.根据权利要求11所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：所述一次接合后的坡口端部中，最大残存高度为所述非晶合金箔厚度的3倍或以下。
13.根据权利要求11或12所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：所述一次接合后的接头效率为0.8或以上。
14.根据权利要求11～13的任一项所述的金属机械部件的液相扩散接合方法，其特征在于：所述二次接合后的坡口端部的最大残存高度为70μm或以下。
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