JP2006045645A - 異種金属材結合装置と異種金属材結合方法および金属部品 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、金属母材表面の金属結合層を形成する装置、金属母材表面の金属結合層を形成する方法および金属結合層を形成した金属部品に関するものである。
【解決手段】金属母材を載置するための基台と、前記基台をリニア駆動により水平方向に反復運動させる加振機構部と、前記金属母材の表面上に主成分が金属である結合材料を供給する機構を持つ圧接加工工具と、前記圧接加工工具を保持し、圧力を加えるヘッド部とを具備したことを特徴とする異種金属材結合装置を用いて金属結合層を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属母材表面の金属結合層を形成する装置、金属母材表面の金属結合層を形成する方法および金属結合層を形成した金属部品に関するものである。

従来、金属材料の表面に異種金属をコーティングする方法としては、円柱孔内に金属材料から成るコーティング材を収容し、該円柱孔内に加圧ロッドを挿入すると共に回転させ、加圧ロッドとコーティング材との摩擦発熱及びコーティング材を塑性流動化させることにより、金属コーティング層を形成する方法がある。

一方、金属材料に異種金属を被覆し、その金属材料の機械的な性能を高める方法は従来より提案されており、例えばアルミニウム材に表面改質用の付加物質皮膜を形成した後、パルス発振レーザーを照射し、アルミニウム表面の皮膜を溶融することによりアルミニウム表面を改質する方法がある。

このような従来の技術として、例えば特許文献１に記載のコーティング方法では、コーティングできる範囲が、円柱孔の内壁面に限られ、金属母材の表面の任意位置に異種金属層をコーティングすることは困難である。金属母材の表面に異種金属層を形成するために、母材表面と回転ロッドの間に異種金属を配置すると、ロッドの回転によってコーティング材が散乱してしまい、コーティング材が塑性流動できる程十分に、圧力と摩擦熱を与えることができないといった問題がある。また、コーティングできる形状が円形に限定されるといった問題もある。

また、特許文献２に記載の方法では、アルミニウム表面の皮膜を溶融する際に金属表面に酸化皮膜が生成されるという問題がある。金属母材全般は、酸化されやすく表面に酸化皮膜を形成し易いという性質を有する。中でも特にアルミニウム材は酸化され易く、アルミニウム材の表面には必ず酸化皮膜が形成されている。この酸化皮膜は金属材同士の結合を妨げ、かつ、可塑性に非常に乏しいことが知られている。
特開２０００−３１２９８１号公報 特開平９−１７００３７号公報

本発明は上述したような実情に鑑みてなされたものであり、金属材料の平面上の表面に酸化皮膜の無い金属結合層を形成する異種金属材結合装置と異種金属材結合方法を提供すること、また平面上の表面に金属結合層が形成されている金属部品を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、金属母材を載置するための基台と、前記基台をリニア駆動により水平方向に反復運動させる加振機構部と、前記金属母材の表面上に主成分が金属である結合材料を供給する機構を持つ圧接加工工具と、前記圧接加工工具を保持し、圧力を加えるヘッド部とを具備したことによって、或いは上下にスライドする金属母材を載置するための基台と、前記金属母材の表面上に主成分が金属である結合材料を供給する機構を持つ圧接加工工具と、前記圧接加工工具を保持し、圧力を加えるヘッド部と、前記ヘッド部をリニア駆動により水平方向に反復運動させる加振機構部とを具備したことによって達成される。

また、本発明の上記目的は、金属母材を挿入させる中空部を有し、かつ、前記中空部内に結合材料を載置する加工部を有する窓明きワークと、前記窓明きワークを固定するワーク固定治具と、前記窓明きワークに圧力を加える基台と、前記金属母材をリニア駆動により水平方向に反復運動させる加振機構部とを具備したことによって、より効果的に達成される。

本発明の上記目的は、水平方向に反復運動する基台に載置された金属母材の表面上において、前記金属母材の表面上に主成分が金属である結合材料を載置し、前記結合材料を載置した部分にヘッド部を、前記金属母材表面に対して前記基台を反復運動させながら圧接し、前記ヘッド部と前記結合材料との摩擦熱によって、前記結合材料及び前記金属母材を変形抵抗の低下により塑性流動化させ、前記金属母材表面に金属結合層を形成することによって、或いは上下にスライドする基台に載置された金属母材の表面上において、前記金属母材の表面上に主成分が金属である結合材料を載置し、前記基台を、前記金属母材表面に対してヘッド部を水平方向に反復運動させながら圧接し、前記基台と前記結合材料との摩擦熱によって、前記結合材料及び前記金属母材を変形抵抗の低下により塑性流動化させ、前記金属母材表面に金属結合層を形成することによって効果的に達成される。

また、本発明の上記目的は、加振機構部が接続された金属母材の表面において、窓明きワークの中空部内の加工部に、主成分が金属である結合材料を載置し、前記中空部内に金属母材を挿入し、前記金属母材を水平方向に反復運動させながら、前記窓明きワークと圧接させ、前記加工部と前記結合材料との摩擦熱によって、前記結合材料及び前記金属母材を変形抵抗の低下により組成流動化させ、前記金属母材表面に金属結合層を形成することによって、より効果的に達成される。

さらに、本発明の上記目的は、前記金属母材は、前記金属母材の表面上に前記異種金属結合層を形成させた鋳物部材であることによって、或いは前記金属母材は、前記金属母材の表面上に前記異種金属結合層を形成させた展伸材であることによって、或いは発生する摩擦熱は、前記結合材料の融点より低い温度であることによって、或いは前記結合材料は、金属の粉体又は粒体であることによって、或いは前記結合材料は、バインダーにより固められた金属の粉体又は粒体であることによって、より効果的に達成される。

上述した方法により形成された金属結合層を表面に有する金属部品によって、或いは耐磨耗性が要求される摺動面に前記金属結合層を表面に形成したことによって、或いは高硬度、耐食、熱伝導、潤滑性の特性金属結合層として前記金属結合層を表面に有することによって、上記目的はより効果的に達成される。

本発明によれば、金属母材と結合材料との圧接によって金属母材表面の酸化皮膜が破壊され、結果として酸化皮膜の無い金属結合層を提供することができるようになった。また、回転運動をさせながら圧接するのではなく、水平方向に反復運動させながら圧接することにより、円形の形状に限定されることはなく、様々な形状の金属結合層を形成することもできるようになった。

以下、図面を参照しながら、本発明の第１実施形態を説明する。

図１は、金属母材の表面に金属結合層を形成する装置の概略図であって、基台が水平方向に反復運動する装置を示す側面図であり、図４は加工工具の拡大図である。

図１に示す本発明の異種金属材結合装置は、金属母材１を載置するための基台２と、金属母材１に圧力を加える（圧接する）ヘッド部４と、基台２を水平方向に反復運動させるための加振機構部３と、結合材料を金属母材１上に載置する加工工具５とからなる。

本発明において、金属結合層が形成される金属母材１は、金属製であれば特に限定されない。また、金属結合層を形成する金属母材１の形状は特に限定されず、平面、小物、端面であってもよい。

金属母材１は、鋳物部材（砂型鋳物、金型鋳物、低圧鋳物、ダイカスト鋳物等）、展伸材（板、押し出し材、鍛造材等）等、その製造方法は特に限定されない。表面に、母材の構成材料と異なる異種金属結合層を形成することによって、金属母材１の有する金属特性を部分的に強化し、或は金属母材１と異なる金属特性を部分的に付加させることができる。例えば耐磨耗性のある金属結合層を、熱伝導性の高い金属母材１の表面に形成することによって、耐磨耗性があり、摩擦熱の放出が容易な金属部品を形成することができる。

図１において、本発明は、基台２を水平方向に反復運動させることが可能となっている。水平方向に反復運動する基台２には、加振機構部３が接続されており、加振機構部３はリニア駆動によって一定間隔で反復運動するようになっている。本発明は、ヘッド部４を下方向へスライドさせて金属母材１に圧力を加える。なお、図１には図示していないが、基台２を上方向にスライドさせて金属母材１に圧力を加えるようにしてもよい。

金属母材１に圧力を加えた状態で基台２を水平方向に反復運動させることにより、ヘッド部４と結合材料との間に摩擦熱が発生し、この摩擦熱により金属母材１の温度を上げて塑性変形抵抗を下げ、原子同士の反応により結合させること（結合させようとする原子にエネルギーを与えて原子同志を結合できる距離に近づけること）で金属結合を形成する。従って、金属材料を加熱するための熱源を別個に設ける必要がない。すなわち、結合材料の融点よりも摩擦熱の温度が低く、結合材料を溶かして金属結合層を形成するものではない。

ヘッド部４の構成材料は、ヘッド部４側に金属結合層が付着し難く、結合材料よりも軟化温度が高いものであれば特に限定されない。ヘッド部４の構成材料としては、例えば、温熱間鍛造用の超硬合金、超々微粒超硬合金、粗粒のＷＣ（タングステンカーバイド）原料、高速度工具鋼（ＳＫＨ）や合金工具鋼（ＳＫＳ、ＳＫＤ、ＳＫＴ）等で構成することができる。ここで、軟化温度とは、ヘッド部４が十分な強度を有する状態における限界（最高）温度をいい、融点よりも低い温度である。

結合材料を粉体又は粒体とすることにより、均一な金属結合層を形成することができ、結合層の金属組成も容易に変更することができる。また、粉体又は粒体の結合材料をバインダーで固めることによっても、結合材料の充填が作業的に容易となる。なお、結合材料の金属の種類は特に限定されない。また、粉体、粒体は混在していてもよく、複数の種類の金属、又は合金等の粉体又は粒体を混ぜ合わせたものであってもよい。

加振機構部３は、リニア駆動により基台２を水平方向に反復運動させるための装置である。加振機構部３の駆動方式は、基台２を水平方向に反復運動させるために必要な振幅、速度、推力を得ることができれば、特に限定されることはなく、例えばカム、電磁駆動、油圧駆動方式等であってもよい。加振機構部３からの加振が基台２に伝わり、基台２は、水平方向に反復運動する。本発明では、基台２の反復周波数が１〜１００Ｈｚとなるように加振機構部３で加振する。

ヘッド部４は、結合材料を金属母材１に載置するための加工工具５を把持している。図４は、加工工具５の拡大図である。加工工具５は、下端面５１に結合材料を滞留保持するための窪み５２を有し、窪み５２は、結合材料を供給する通路５３を介し、重力もしくは圧力（空圧、油圧、スクリューによる圧力等）によって結合材料が供給される。通路５３内には、結合材料が窪み５２に常に充填しやすくするように、円弧状部分５４が設けてある。

加工工具５の窪み５２の幅をＯ、加振機構部３の振幅をＷ、窪み５２の間隔をＰとした場合、Ｐ＝Ｗとし、窪み５２の幅Ｏを振幅Ｗの数値に比べて十分に小さくすると１／２Ｗが片側ストロークの長さとなる。加工工具５は水平方向に反復運動するヘッド部４に把持されているため、加工工具５も反復運動する。したがって、加工工具５は１／２Ｏの重複が生じるが、窪み５２の幅Ｏは十分に小さいため結合材料のロスが無くなる。この場合、基台２に対して、下端面５１の面積が１／１２〜１／９となるように加工工具５の大きさを設定することが好ましい。この範囲内になるように加工工具５の大きさを設定することにより、結合材料のロスが無くなり、効率良く金属結合層を形成することができる。なお、通路５３の数は必要に応じて増減することができる。

以上のように構成された装置において、ヘッド部４を下方向にスライドさせ、水平方向に反復運動している基台２に載置してある金属母材１に圧力を加える。この際、加工工具５内に結合材料を供給する。反復運動している基台２により、金属母材１と結合材料との間に生じる摩擦熱と押圧力によって、結合材料は軟化しつつ、非溶融状態で塑性流動化し、粉状若しくは粒状であった結合材料は、金属結合によって金属母材１と一体化し、金属母材１の表面に金属結合層を形成する。この時の圧接力は１〜９０ｔであることが好ましい。圧接力が１ｔより小さいと、摩擦熱が十分に発生せず、非溶融状態で組成流動化が起こらない場合がある。一方、圧接力が９０ｔを超えると、基台２が反復運動をすることができなくなる場合がある。

水平方向の反復運動の反復周波数は１〜１００Ｈｚが好ましい。反復周波数が１Ｈｚより小さいと、摩擦熱が十分に発生せず、非溶融状態で組成流動化が起こらない場合がある。一方、反復周波数が１００Ｈｚを超えても、摩擦熱が十分に発生し、非溶融状態で組成流動化をおこすことができるが、エネルギー的にロスが大きく好ましくない。また、反復運動の幅は特に限定されず、金属結合層を形成しようとする金属母材１の大きさ、形成しようとする金属結合層の大きさに合わせて適宜変更することができる。

このような方法で形成される金属結合層は、強度、耐磨耗性、熱疲労性、高温疲労性、高硬度、耐食性、熱伝導性、潤滑性等に優れ、例えば耐磨耗性、熱疲労性、高温疲労性、高硬度、耐食性、熱伝導性、潤滑性等が要求されるエンジン部品（シリンダーヘッド、シリンダーブロック、ハウジング、ピストン等）、トランスミッション部品（ケース、ハウジング等）等の車の金属部品に使用することができ、ディスクブレーキロータのブレーキパッドの接触部、プーリーや滑車等の金属部品の表面にも使用できる。

さらに、結合材料は、粉状又は粒状のまま通路５３に充填する方法の他、熱によって蒸発し、常温で固体となる性質を有するバインダーによって、金属粉又は金属粒を固めたものとすることができる。また、結合材料を液体と混合させ、通路５３内へ注ぐことも可能である。この場合、液体は摩擦熱で揮発するため、金属結合層と反応することは無い。また、結合材料を金属板材とすることで、加工工具５を省略することもできる。

また、基台２を水平方向に反復運動させる代わりに、ヘッド部４を反復運動させるようにしてもよい。

金属母材が平面以外の場合は、基台２またはヘッド部４を上下（垂直）方向、水平方向に自由に角度を付けて動くようにすることができる。さらに、加工工具５の通路５３を基台２またはヘッド部４の反復運動と直角になるように配置すれば、ヘッド部４の形状を金属母材１の形状に合わせて適宜変更することもできる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、上述した第１実施形態と重複する箇所については説明を省略する。

図２は、金属母材の表面に金属結合層を形成する装置の概略図であって、金属母材が水平方向に反復運動する装置を示す側面図であり、図３は、図２の加工部を拡大した図である。

図２に示す本発明の異種金属材結合装置は、金属母材１を挿入する穴である中空部９を有し、かつ、中空部９の底辺に金属材料を載置する加工部７を有する窓明きワーク６と、窓明きワーク６を固定するワーク固定治具８と、上下方向にスライドし、窓明きワーク６に圧力を加える基台２と、金属母材１を水平方向に反復運動させるための加振機構部３とからなる。金属母材１は、加振機構部３に接続されており、かつ、窓明きワーク６の中空部に挿入されている。

窓明きワーク６の構成材料は、窓明きワーク６側に金属結合層が付着し難く、結合材料よりも軟化温度が高いものであれば特に限定されない。窓明きワーク６の構成材料としては、例えば、温熱間鍛造用の超硬合金、超々微粒超硬合金、粗粒のＷＣ（タングステンカーバイド）原料、高速度工具鋼（ＳＫＨ）や合金工具鋼（ＳＫＳ、ＳＫＤ、ＳＫＴ）等で構成することができる。また、中空部９もしくは加工部７のみ上述した構成材料で構成させるようにしてもよい。

ワーク固定治具８は、窓明きワーク６を固定することができれば、構成材料、大きさ等は特に限定されない。

図３は、窓明きワーク６の中空部に金属母材１を挿入した様子を示した拡大図であり、図３（Ａ）は側面図、図３（Ｂ）は正面図である。

以上のように構成された装置において、加工部７に予め結合材料を載置してから、金属母材１を窓明きワーク６の中空部９に挿入する。中空部９に金属母材１を挿入した後、加振機構部３を作動させて、金属母材１を水平方向に反復運動させる。この状態で基台２を上方向にスライドさせて、窓明きワーク６に圧力を加える。このように、金属母材１と結合材料との間に生じる摩擦熱と押圧力で、金属結合層が形成される。

図２、図３に示した方法によれば、金属母材１が複雑な形状であっても、図２、図３に示した実施形態により、金属母材１に金属結合層を形成することができる。また、窓明きワーク６の中空部９の形状を適宜変更することにより、丸型、四角形等様々な形状の金属結合層を形成することができる。

このような方法で形成される金属結合層は、連続して金属が案内されて走る部品、例えば自転車のチェーンガイド等、軽量化が必要で、かつ、耐磨耗性が要求される部品等の金属部品に使用することができる。

以上、図面を参照にしながら、本発明の各実施形態を説明したが、上述した内容は本発明の一実施の形態であり、本発明がこれらに限定される趣旨のものではない。

第１実施形態の金属母材の表面に金属結合層を形成する装置の側面図である。 第２実施形態の金属母材の表面に金属結合層を形成する装置の側面図である。 窓明きワークの中空部を拡大した図である。 ヘッド部に接続された加工工具を拡大した図である。

符号の説明

１ 金属母材
２ 基台
３ 加振機構部
４ ヘッド部
５ 加工工具
５１ 下端面
５２ 窪み
５３ 通路
５４ 円弧状部分
６ 窓明きワーク
７ 加工部
８ ワーク固定治具
９ 中空部

Claims (15)

1. 金属母材を載置するための基台と、前記基台をリニア駆動により水平方向に反復運動させる加振機構部と、前記金属母材の表面上に主成分が金属である結合材料を供給する機構を持つ圧接加工工具と、前記圧接加工工具を保持し、圧力を加えるヘッド部とを具備したことを特徴とする異種金属材結合装置。
2. 上下にスライドする金属母材を載置するための基台と、前記金属母材の表面上に主成分が金属である結合材料を供給する機構を持つ圧接加工工具と、前記圧接加工工具を保持し、圧力を加えるヘッド部と、前記ヘッド部をリニア駆動により水平方向に反復運動させる加振機構部とを具備したことを特徴とする異種金属材結合装置。
3. 窓明きワークと、前記窓明きワークを固定するワーク固定治具と、前記窓明きワークに圧力を加える基台と、前記金属母材をリニア駆動により水平方向に反復運動させる加振機構部とを具備した異種金属材結合装置であって、前記窓明きワークは、金属母材を挿入させるための中空部を有し、かつ、前記中空部内に、主成分が金属である結合材料を載置する加工部を有することを特徴とする異種金属材結合装置。
4. 水平方向に反復運動する基台に載置された金属母材の表面上において、前記金属母材の表面上に主成分が金属である結合材料を載置し、前記結合材料を載置した部分にヘッド部を、前記金属母材表面に対して前記基台を反復運動させながら圧接し、前記ヘッド部と前記結合材料との摩擦熱によって、前記結合材料及び前記金属母材を変形抵抗の低下により塑性流動化させ、前記金属母材表面に金属結合層を形成することを特徴とする異種金属材結合方法。
5. 上下にスライドする基台に載置された金属母材の表面上において、前記金属母材の表面上に主成分が金属である結合材料を載置し、前記基台を、前記金属母材表面に対してヘッド部を水平方向に反復運動させながら圧接し、前記ヘッド部と前記結合材料との摩擦熱によって、前記結合材料及び前記金属母材を変形抵抗の低下により塑性流動化させ、前記金属母材表面に金属結合層を形成することを特徴とする異種金属材結合方法。
6. 加振機構部が接続された金属母材の表面において、窓明きワークの中空部内の加工部に、主成分が金属である結合材料を載置し、前記中空部内に金属母材を挿入し、前記金属母材を水平方向に反復運動させながら、前記窓明きワークと圧接させ、前記加工部と前記結合材料との摩擦熱によって、前記結合材料及び前記金属母材を変形抵抗の低下により塑性流動化させ、前記金属母材表面に金属結合層を形成することを特徴とする異種金属材結合方法。
7. 前記金属母材は、前記金属母材の表面上に前記金属結合層を形成させた鋳物部材である請求項４乃至６のいずれかに記載の異種金属材結合方法。
8. 前記金属母材は、前記金属母材の表面上に前記金属結合層を形成させた展伸材である請求項４乃至７のいずれかに記載の異種金属材結合方法。
9. 発生する摩擦熱は、前記結合材料の融点より低い温度である請求項４乃至８のいずれかに記載の異種金属材結合方法。
10. 前記ヘッド部は、前記結合材料の軟化温度よりも高い軟化温度を有している請求項４乃至９のいずれかに記載の異種金属材結合方法。
11. 前記結合材料は、金属の粉体又は粒体である請求項４乃至１０のいずれかに記載の異種金属材結合方法。
12. 前記結合材料は、バインダーにより固められた金属の粉体又は粒体である請求項４乃至１１のいずれかに記載の異種金属材結合方法。
13. 請求項４乃至１２のいずれかに記載の方法により形成された金属結合層を表面に有する金属部品。
14. 耐磨耗性が要求される摺動面に前記金属結合層を表面に形成した請求項４乃至１３のいずれかに記載の金属部品。
15. 高硬度、耐食、熱伝導、潤滑性の特性金属結合層として前記金属結合層を表面に有する請求項４乃至１４のいずれかに記載の金属部品。

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