JP2004136357A - アルミニウムフォーム製サンドイッチ構造体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【構成】無数の気泡が内部に分散しているアルミニウムフォームAFの両面又は片面に微細粒超塑性材料を面材FMとして重ね合わせ、微細粒超塑性材料を塑性変形させる圧縮応力P(好ましくは、0.1〜0.4MPa)を加えながらアルミニウムフォームAF/面材FMの界面を加熱し、面材FMをアルミニウムフォームAFに拡散接合する。
【選択図】 図2
Description
【産業上の利用分野】
本発明は、軽量性,耐熱性,断熱性,不燃性に優れたアルミニウムフォームの特性を活用したサンドイッチ構造体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
メタルフォームは、内部に無数の気泡が含まれた軽量構造材であり、セラミックスフォーム,発泡スチロール等の非金属発泡体に比較して耐熱性,不燃性に優れ、塑性変形による衝撃エネルギの吸収量が非常に大きなことも長所である。なかでも、アルミニウムフォームは、軽量で鉄鋼に比較して低温での製造・加工が可能なことから、軽量性が要求される宇宙・航空機器を始めとする各種構造材としての用途展開が期待されている。
【0003】
アルミニウムフォームは、切削,曲げ,圧延等の加工性に優れているものの、接合性が通常の緻密金属材料より劣っている。たとえば、溶接法でアルミニウムフォームを接合すると、部分的な溶解によって体積が減少しセル構造が失われてしまい、発泡体の長所が消失する。そのため、アルミニウムフォームの組立作業にリベット接合が採用されているが、発泡体であることから接合個所によっては緩みが生じる場合もある。ろう付け,接着等でアルミニウムフォームを接合する方法も知られているが、接合体の使用上限温度がろう材や接着剤で制約される。アルミニウムフォームの主要な用途が断熱構造材であることを考慮すると、使用上限温度に制約のない接合法が望まれる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
使用上限温度に制約のない接合法として拡散接合が考えられるが、拡散接合に際し接合界面にある酸化皮膜の破壊に必要な塑性変形を得るため大きな圧縮応力が必要である。通常の緻密金属材料は大きな圧縮応力に耐えることができるが、壊れやすいセル構造をもつアルミニウムフォームに対し接合に必要な圧縮応力を印加できない。
【0005】
そこで、本発明者等は、アルミニウムフォームの特性を損なわない拡散接合法として、緻密で微細粒組織をもつ超塑性材料(以下、微細粒超塑性材料という)をインサートに使用する方法を紹介した(日本金属学会秋期大会講演概要(2000)第418頁)。低応力下での歪み量が大きい微細粒超塑性材料を接合界面に介在させて圧縮応力を加えると、微細粒超塑性材料の塑性変形に伴ってアルミニウムフォームのセル壁がクサビとなって微細粒超塑性材料に押し込まれ、クサビの先端でセル壁と微細粒超塑性材料が接合される。接合部も、当初のアルミニウムフォームに比較して60%程度の曲げ強度を呈する。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、微細粒超塑性材料をインサートに使用する拡散接合法を発展させたものであり、アルミニウムフォームの表層に微細粒超塑性材料を拡散接合してセル構造を緻密な金属材料で覆うことにより、通常の緻密金属材料と同様な加工,施工が可能なサンドイッチ構造体を提供することを目的とする。
【0007】
本発明の製造方法は、その目的を達成するため、無数の気泡が内部に分散しているアルミニウムフォームの両面又は片面に微細粒超塑性材料を面材として重ね合わせ、微細粒超塑性材料を塑性変形させる圧縮応力を加えながらアルミニウムフォーム/面材の界面を加熱し、アルミニウムフォームと面材を拡散接合することを特徴とする。
【0008】
超塑性加工条件が温度T,応力σの面材を気孔率fのアルミニウムフォームに面材を拡散接合する場合、接合条件が温度T,圧縮応力P=(1−f)・σに設定される。具体的には、互いに重ね合わせたアルミニウムフォーム,面材を500〜550℃に加熱しながら0.1〜0.4MPaの圧縮応力を加える。
【0009】
【実施の形態】
本発明では、サンドイッチ構造体の芯材に平板状のアルミニウムフォームAFを用い、微細粒超塑性材料で作製された面材FMをアルミニウムフォームAFの両面又は片面に重ね合わせ、支軸1u,1dの先端に固定した押え金具2u,2dでアルミニウムフォームAF/面材FMの積層体に圧縮応力を加えながら、高周波コイル3でアルミニウムフォームAF/面材FMの界面を誘導加熱する(図1)。電気炉,赤外線イメージ炉等の加熱手段も採用可能であるが、高周波コイル3を用いた誘導加熱では面材FMが優先的に加熱され、アルミニウムフォームAFのダメージも少ない。
【0010】
アルミニウムフォームAFとしては、たとえば水素化チタン(TiH2)粉末を発泡剤としてアルミニウム溶湯に添加し、溶湯段階又は凝固段階で発泡反応を生起させ、発生した気泡を内部に分散させた発泡体が使用される。アルミニウム溶湯を不活性ガスでバブリングする方法,アルミニウム粉末及び水素化チタン粉末を圧粉・加熱する方法,水素ガスを吸蔵したアルミニウム溶湯を一方向凝固でポーラス化する方法等によってもアルミニウムフォームAFが用意される。
【0011】
アルミニウムフォームAFは、高純度アルミニウムに限らず、必要に応じて種々の合金成分を添加したアルミニウム合金でもよい。この種の合金成分には、Si:0.3〜0.7質量%,Mg:0.3〜0.9質量%,Fe:0.1〜0.5質量%を含むDuocelフォームや6〜9質量%のSiを含むAl−Si亜共晶合金フォーム等がある。発泡剤として、水素化チタンの他に、水素化ジルコニウムや高分子系発泡剤等も使用できる。
【0012】
面材FMに使用される微細粒超塑性材料は、僅かな圧縮応力によって大きな歪み量が得られる金属材料であり、アルミニウムフォームAFとの間で拡散しやすい金属元素を含んでいる。具体的には、Mn:0.40〜1.0質量%,Mg:4.0〜4.9質量%,Cr:0.05〜0.25質量%を含むAl合金(たとえば、5083),Zn:5.2〜5.6質量%,Mg:2.1〜2.5質量%,Cu:1.0〜1.6質量%を含むAl合金(たとえば、7475),Cu:5.8〜6.0質量%,Zr:0.4〜0.5質量%を含むAl合金(たとえば、Supral 100),Li:2.4〜2.5質量%,Cu:1.0〜1.4質量%,Mg:0.6〜0.7質量%を含むAl合金(たとえば8090)等の圧延材が使用される。
【0013】
アルミニウムフォームAF/面材FMの積層体に加えられる圧縮応力Pは、アルミニウムフォームAFのセル構造を破壊することなく微細粒超塑性材料製面材FMを塑性変形させる範囲に設定される。具体的には、アルミニウムフォームAFや面材FMの材質にもよるが、接合温度500〜550℃で0.1〜0.4MPaの範囲に圧縮応力Pを設定すると、セル構造の破壊なく必要な塑性歪み量が得られる。0.1〜0.4MPaの圧縮応力Pにより、接合界面の面材FMに加えられる局部応力が超塑性変形を起こすに十分な値P/(1−f)になる。過剰な圧縮応力PはアルミニウムフォームAFのセル構造を破壊する原因となり、過小の圧縮応力Pでは拡散接合に必要な歪み量が不足するので、0.1〜0.4MPaの範囲で圧縮応力Pを適正管理することが重要である。
【0014】
圧縮応力Pによって面材FMを塑性変形させ、アルミニウムフォームAFの表面が活性化される。この状態でアルミニウムフォームAF/面材FMの界面を加熱すると、アルミニウムフォームAFと面材FMとの間で金属元素の拡散が促進され、面材FMがアルミニウムフォームAFに拡散接合する。拡散接合に有効な拡散反応を得る上では、アルミニウムフォームAFや面材FMの材質にもよるが面材FMが500〜550℃の温度域となるように高周波コイル3の入力を調整する。低すぎる加熱温度では拡散反応が遅延し、必要強度の接合部が得られるまでに時間がかかる。逆に高すぎる加熱温度では、アルミニウムフォームAF,面材FMの材質劣化をもたらす熱影響が現れやすくなる。
【0015】
加圧・加熱状態は、圧縮応力P,加熱温度に応じて変わるが好ましくは10〜30分維持される。この間にアルミニウムフォームAFと面材FMとの間で十分な拡散反応が進展し、強度の高い接合部が得られる。拡散接合の完了は、面材FMの圧縮変位から判定することも可能である。
作製されたサンドイッチ構造体は、アルミニウムフォームAF(芯材)の表層に緻密な面材FMが接合されているので、アルミニウムフォームAFの軽量性,耐熱性,断熱性,不燃性を損なうことなく、従来の緻密金属材料と同様に加工,施工できる。
【0016】
【実施例】
純度99.0質量%以上の工業用純アルミニウムを溶解し、720℃のアルミニウム溶湯を用意した。増粘剤として1.6質量%のCaをアルミニウム溶湯に加えて攪拌した後、1.0質量%の水素化チタン粉末を添加し攪拌した。攪拌停止後に降温速度5℃/分でアルミニウム溶湯を自然冷却させると、水素化チタン粉末の分解によって発生した水素ガスがアルミニウム中に閉じ込められ、マトリックスに気泡が均一分散したクローズドセル型フォームが作製された。
得られたアルミニウムフォームAFは、相対密度が0.16でセルサイズが2〜4mmであった。アルミニウムフォームAFから放電加工により高さ10mm,直径50mmのディスク状被接合体を切り出した。
【0017】
面材FMとしての微細粒超塑性材料には、Mg:4.7質量%,Mn:0.65質量%,Cr:0.13質量%,Fe:0.04質量%,Si:0.04質量%,Ti:0.03質量%を含む板厚1mmの超塑性5083アルミニウム合金圧延材を使用した。アルミニウム合金圧延材を直径50mmの円盤状に切り出し、面材FMを用意した。
【0018】
アルミニウムフォームAF,面材FMの接合界面を化学研磨した後、アルミニウムフォームAFの表裏両面に面材FMを重ね合わせ、下方押え金具2dに載置し、上方押え金具2uを対向させた。下方押え金具2d上のアルミニウムフォームAF,面材FMの周囲には、加熱源である高周波コイル3を配置した。高周波コイル3には、面材FMを優先加熱するために中心部の間隔が広くなっているコイルを使用した。真空雰囲気下、圧縮応力P:0.35MPaでアルミニウムフォームAF,面材FMを加熱しながら550℃に加熱した。試料全体の圧縮変位が1mmに達した時点で加圧・加熱を中止し、室温まで放冷した。
【0019】
冷却後にアルミニウムフォームAF/面材FMの界面を観察したところ、界面接合層を介しアルミニウムフォームAFの表層に面材FMが拡散接合されていた(図2)。接合界面は、アルミニウムフォームAFのセル壁が面材FMに食い込み、部分的に消失していた。セル壁が食い込んだ部分では、面材FMが優先的に塑性変形していた。アルミニウムフォームAFは、セル壁が薄い個所で僅かに座屈していたものの、大部分の領域で接合前のセル構造を維持していた。面材FMからアルミニウムフォームAFへのMg拡散も、エネルギー分散型X線分析装置による定量分析の結果から検出された。
【0020】
面材FMがアルミニウムフォームAFに接合されたサンドイッチ構造体から放電加工で一辺10mmの試験片を切り出し、室温引張試験に供した。室温引張試験では、治具に接着剤で固定した試験片を0.5mm/分のクロスヘッドスピードで引っ張り、応力−歪み曲線を求めた。図3の結果にみられるように、拡散接合で得られたサンドイッチ構造体は、降伏前に接合界面で脆性破断し、破断応力は1.0MPaであった。同じ断面積のアルミニウムフォームAFの引張強さが3.1MPaであることから、アルミニウムフォームAF/面材FMの接合強度を32%と評価できる。
【0021】
【発明の効果】
以上に説明したように、微細粒超塑性材料を面材FMとしてアルミニウムフォームAFに重ね合わせた状態で加圧・加熱するとき、僅かな圧縮応力Pで面材FMが大きく歪み、アルミニウムフォームAFのセル壁が微細粒超塑性材料に食い込む。セル壁が食い込んだ個所を起点に拡散反応が進行するため、アルミニウムフォームAFのセル構造を破壊することなく、良好な接合強度で面材FMがアルミニウムフォームAFに拡散接合される。
【0022】
製造されたサンドイッチ構造体は、拡散反応で接合界面が形成されているため、ろう付けや接着等に比較して使用上限温度に加わる制約が大幅に緩和される。また、緻密な微細粒超塑性材料が面材として表層にあるため、種々の加工や施工時の固定部形成等が容易となり、軽量性,耐熱性,断熱性,不燃性を活かした構造部材として広範な分野で使用される。
【図面の簡単な説明】
【図1】アルミニウムフォームを面材に拡散接合する説明図
【図2】拡散接合されたサンドイッチ構造体の断面顕微鏡写真
【図3】サンドイッチ構造体の応力−歪み曲線をアルミニウムフォームと対比したグラフ
【符号の説明】
AF:アルミニウムフォーム FM:微細粒超塑性材料でできた面材
1u,1d:支軸 2u,2d:押え金具 3:高周波コイル
Claims (2)
- 無数の気泡が内部に分散しているアルミニウムフォームの両面又は片面に緻密な微細粒組織をもつ超塑性材料を面材として重ね合わせ、面材を塑性変形させる圧縮応力を加えながらアルミニウムフォーム/面材の界面を加熱し、アルミニウムフォームと面材を拡散接合することを特徴とするアルミニウムフォーム製サンドイッチ構造体の製造方法。
- アルミニウムフォーム,面材を500〜550℃に加熱しながら0.1〜0.4MPaの圧縮応力を加える請求項1記載の製造方法。
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