JP2010188373A - 金属部材の接合方法及び複合部材 - Google Patents

Abstract

【課題】非晶質合金を含む金属部材を、結晶化を生じさせることなく均一に加熱して接合することができる金属部材の接合方法を提供する。
【解決手段】押圧治具を用いた金属部材の接合方法であって、複数の金属部材を、互いの接合面を接触させた状態で押圧治具に設置する設置工程Ｓ１と、複数の金属部材を、押圧治具によって押圧しつつ、パルス電圧を印加することにより放電プラズマを発生させて加熱する加圧加熱工程Ｓ２とを備え、複数の金属部材のうち、少なくとも一つは２０℃以上の過冷却液体領域を有する非晶質合金から形成され、加熱加圧工程Ｓ２において、複数の金属部材の接合面は、過冷却液体領域の範囲内の温度まで加熱され、押圧治具において、押圧時に金属部材と接触する押圧面の面積は、複数の金属部材において前記押圧治具と接触する面の面積の２倍以上１６倍未満に設定されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、非晶質合金からなる金属部材の接合方法及び当該接合方法を用いて製造された複合部材に関する。

従来、過冷却液体領域を有する金属ガラス等の非晶質合金の接合においては、非晶質合金を過冷却液体領域の温度まで加熱してから、成形型によって押圧成形して一体化する方法（例えば、特許文献１参照。）や、少なくとも一体が非晶質合金からなる非晶質合金部材である二体以上の金属部材を重ね合わせ、非晶質合金部材を過冷却液体領域まで加熱し、重ね合わせた金属部材を押圧手段により押圧して金属部材を相互に接合し、その後接合した金属部材を冷却する方法（例えば、特許文献２参照）が知られている。

特許第３８６２７９９号公報 特開平１１−３３７４６号公報

しかし、上述のように非晶質合金を過冷却液体領域まで加熱する従来の方法においては、成形型及び押圧手段からの熱伝導を利用して非晶質合金が加熱されるため、加熱対象の非晶質合金においては、他の金属部材と接合させる面よりも成形型や押圧手段に接触する面の温度が高くなり、接合面の均一な加熱が困難である。このため、均一な塑性変形を行うことが困難であるという問題がある。

一方、均一な塑性変形をさせるために接合面の温度が安定するまで加熱を行うと、成形型や押圧手段に近い位置の非晶質合金の温度が上昇してしまうため、結晶化が生じ易くなるという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、非晶質合金を含む金属部材を、結晶化を生じさせることなく均一に加熱して接合することができる金属部材の接合方法及び当該接合方法を用いて製造された複合部材を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様である金属部材の接合方法（以下、単に「接合方法」と称する。）は、押圧治具を用いた接合方法であって、複数の金属部材を、互いの接合面を接触させた状態で前記押圧治具に設置する設置工程と、前記複数の金属部材を、前記押圧治具によって押圧しつつ、パルス電圧を印加することにより放電プラズマを発生させて加熱する加圧加熱工程とを備え、前記複数の金属部材のうち、少なくとも一つは２０℃以上の過冷却液体領域を有する非晶質合金から形成され、前記加熱加圧工程において、前記複数の金属部材の前記接合面は、前記過冷却液体領域の範囲内の温度まで加熱され、前記押圧治具において、押圧時に前記金属部材と接触する押圧面の面積は、前記複数の金属部材において前記押圧治具と接触する面の面積の２倍以上１６倍未満に設定されていることを特徴とする。

本発明の接合方法によれば、加圧加熱工程において、非晶質合金を含む金属部材が放電プラズマによって非晶質合金の過冷却液体領域の範囲内の温度まで速やかかつ均一に加熱されるため、結晶化が発生しない。

本発明の接合方法は、前記押圧治具において、押圧時に前記金属部材と接触する第１端面は、押圧方向における反対側の第２端面よりも小さい面積となるように形成され、かつ前記第２端面の面積は、前記複数の金属部材において前記押圧治具と接触する面の面積の２倍以上１６倍以下に設定されていることを特徴とするものでもよい。この場合、押圧治具の第２端面を大きくしつつ、良好に金属部材の接合を行うことができる。

本発明の第２の態様である複合部材は、複数の金属部材が接合された複合部材であって、本発明の金属部材の接合方法を用いて製造されたことを特徴とする。

本発明の金属部材の接合方法によれば、非晶質合金を含む金属部材を、結晶化を生じさせることなく均一に加熱して接合することができる。
また、本発明の複合部材においては、非晶質合金を含む金属部材を、結晶化を生じさせることなく均一に加熱して接合させて製造することができる。

本発明の第１実施形態の接合方法の一過程を示す斜視図である。 同接合方法の流れを示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態の接合方法の一過程を示す斜視図である。

本発明の第１実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、本実施形態の接合方法の一過程を示す斜視図である。

接合される第１の金属部材１と第２の金属部材２とは、図１に示すように接合面を互いに密着させた状態で、上パンチ１２及び下パンチ１３からなる一対のパンチ（押圧治具）１１の間に挟持されている。各パンチ１２、１３は、図示しない加熱機構と熱的に接続されており、各パンチ１２、１３を通して挟持された各金属部材１、２を加熱することができる。

各金属部材１、２の材質に特に制限はなく、両者が同一の材質であっても構わないが、少なくとも一方の部材は非晶質合金からなることが必要である。非晶質合金としては、金属ガラスが好ましく、中でもジルコニウム（Ｚｒ）基合金（組成：Ｚｒ_５５Ｃｕ_３０Ａｌ_１０Ｎｉ_５、結晶化温度：約４９０℃、ガラス遷移温度：約４００℃、ガラス遷移領域：約９０℃）等がより好ましい。

ここで、用語の定義をしておく。非晶質合金とは、複数の金属元素が結晶構造を形成せずに凝固（アモルファス化）した合金を指す。非晶質合金は、複数の金属元素からなる金属原料の溶湯を、ガラス遷移温度以下になるまで急速冷却することにより形成される。非晶質合金は、通常の結晶金属に見受けられるような結晶粒界を有さず、結晶粒界を起因とした粒界腐食（結晶粒界に沿って腐食が進行する現象）を生じないことから、耐食性に優れている。

また、金属ガラスとは、ガラス遷移領域（結晶化温度からガラス遷移温度を引いた値：過冷却液体領域）として２０℃以上の範囲を有する非晶質合金を指す。
上述Ｚｒ基合金以外の金属ガラスとしては、Ｆｅ基合金、Ｔｉ基合金、Ｍｇ基合金などが挙げられる。金属ガラスは、結晶金属のような凝固収縮を生じないことから、成形金型に対する高精度な転写性を有し、さらに射出成形も可能であることから、成形品の形状自由度、寸法精度、生産性に優れていることがその特徴として挙げられる。また、金属ガラスは、物性パラメータの観点から見ると、一般に低ヤング率・高強度であり、さらに熱に対して低膨張である。金属ガラスはこのような特性を有するが、その中でも特に優れた低膨張、寸法精度を有する金属ガラスとして上述のＺｒ基合金が挙げられる。

上述のパンチ１１及び金属部材１、２を用いた本実施形態の接合方法の手順について、以下に説明する。
図２は本接合方法の流れを示すフローチャートである。本接合方法は、金属部材１、２をパンチ１１に設置する設置工程Ｓ１と、放電プラズマを用いて金属部材１、２を加熱しつつ加圧して接合させる加熱加圧工程Ｓ２と、接合された金属部材１、２を除圧冷却して取り出す取り出し工程Ｓ３とを備えて構成されている。

まずステップＳ１の設置工程において、図１に示すように、金属部材１及び２が接合面を互いに接触させた状態で、上パンチ１２と下パンチ１３との間に設置される。なお、パンチ１１は、図示しない真空槽内に設置されている。

ここで、後述する加熱加圧工程において金属部材１、２と接触する、各パンチ１２、１３の金属部材に対向する押圧面１２Ａ、１３Ａの面積は、それぞれ接触する相手である金属部材１、２の接触面１Ａ等の２倍以上１６倍未満に設定されるのが好ましい。面積が２倍未満であると、金属部材との接触面における抵抗加熱が大きくなり、金属部材１、２の温度が上がりすぎて結晶化が生じやすくなる。一方、１６倍以上の面積の場合、パンチと金属部材との熱容量差が大き過ぎるために温度制御が困難になる。
なお、パンチ１２、１３及び金属部材１、２の互いに接触する面の形状は、図１においては円形となっているが、特に制限はない。

次に、ステップＳ２の加熱加圧工程において、パンチ１１が設置された真空槽内の雰囲気が減圧される。そして、上パンチ１２及び下パンチ１３が所定の圧力で加圧され、さらにパンチ１１を介して所定の電圧が金属部材１、２間に印加されて放電プラズマが発生し、金属部材１、２が、使用されている非晶質金属のガラス遷移領域の範囲内の所定の温度まで加熱される。
なお、パンチ１１に加える圧力や、金属部材１、２間に印加する電圧は、金属部材の材質等によって適宜設定されてよい。

金属部材１、２の変位量が所定の値に達し、両者の接合が確認された後、ステップＳ３の取り出し工程において、パンチ１１が除圧され、接合された金属部材１、２が冷却されて取り出される。このようにして、金属部材１、２が一体に接合された複合部材が完成する。
なお、一連の工程において、金属部材の温度や変位量は、公知の熱電対や変位計等により適宜モニターされる。

上述した本実施形態の接合方法について、実施例を用いてさらに説明する。
（実施例１）
金属部材１、２としていずれも上述のＺｒ基合金を用い、同種の非晶質金属同士の接合を行った。まず、ステップＳ１において上パンチ１２と下パンチ１３との間に金属部材１、２を互いの接合面を密着させて設置した。

金属部材１、２は、いずれもφ１０ミリメートル（ｍｍ）、厚さが２ｍｍの丸板状のものを使用した。接合前の金属部材１、２を重ね合わせた厚みは、ハイトゲージの測定によると、４．００ｍｍであった。これに対し、パンチ１２、１３の金属部材１、２に接触する押圧面１２Ａ、１３Ａは、接触する金属部材１、２の接触面のおよそ２倍となるように、φ１４ｍｍの円形に設定した。

ステップＳ２において、真空層内の雰囲気を７．０×１０^−２パスカル（Ｐａ）以下まで減圧し、パンチ１１を介して２０メガパスカル（ＭＰａ）の圧力で金属部材１、２を加圧しながら、４４０アンペア（Ａ）のパルス電圧を、パンチ１１を介して金属部材１、２間に印加し、金属部材が４００℃に到達し、変位量が−０．１６ｍｍまで到達したところでパルス電圧の印加と加圧を停止した。
なお、金属部材１、２の温度は、熱電対を用いて金属部材１、２の外周部を直接測定した。また、変位量はパンチ１１に取り付けられた変位計で金属部材１、２と上パンチ１２及び下パンチ１３を含んだトータル変位量として測定した。

ステップＳ３において、除圧及び冷却が行われ、金属部材１、２が一体に接合された複合部材が取り出された。冷却後に取り出された複合部材は接合前より−０．１０ｍｍ変位していた。

金属部材１、２の接合の態様を確認するため、温度が４８０℃を超えないように、ファインカッターを用いて金属部材１、２を切断し、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて切断面を測定して非晶質性を確認した。測定条件は次のとおりである。（測定条件：Ｘ線管球＝ＣｕＫα、測定範囲=３４°〜４２°の範囲（２θ法）、電圧：２００ｋＶ、電流：４０ｍＡ）

金属部材１と２との接合面付近、及び金属部材１、２とパンチ１２、１３とが接触する接触面付近をそれぞれ上述のように測定したところ、非晶質性が保たれていることが確認された。また、切断面を電子顕微鏡にて観察したところ、金属部材どうしの接合面付近に気孔が無いことが確認された。これは、パルス電圧によって金属部材１、２が中心部から加熱されているため、両者が均一に接合された結果と考えられた。

実施例１と併せて、上述の実施例１と同一の接合条件で、圧力と電流値を一定にし、パンチ１２、１３の押圧面の面積のみを変えて接合を行い、得られた複合部材に対して同様に非晶質性と接合性を評価した。結果を表１に示す。

非晶質性については、ＸＲＤによる測定結果にもとづき、結晶化が起きていなかった場合を○とし、結晶化が確認された場合を×とした。接合性については、電子顕微鏡による切断面の観察において気孔が存在しなかった場合を○とし、気孔が確認された場合を×とした。

押圧面がφ１０ｍｍのパンチ１１を用いて接合を行った金属部材１、２の複合部材は、パンチ１１との接触面付近で結晶化が確認された。これは、接合面の温度上昇よりもパンチ１１の温度上昇が早いため、熱伝導により、金属部材１、２のうちパンチ１２、１３との接触面付近の温度が高くなってしまうために結晶化が生じたことによるものと考えられた。

一方、押圧面がφ４２ｍｍ以上のパンチ１１を用いて接合を行った金属部材１、２の複合部材は、金属部材同士の接合面付近、パンチとの接触面付近のいずれにおいても結晶化が確認された。このようなパンチ１１を用いた接合は、パンチの温度上昇が遅く、変位が進まないため、φ１４ｍｍのパンチ１１を用いて接合した時よりも約３倍以上の接合時間を要した。すなわち、過冷却液体領域付近の温度で長い時間保持されることにより結晶化が生じたものと考えられた。

また、押圧面がφ４０ｍｍ以上のパンチ１１を用いて接合を行った金属部材１、２の複合部材は、金属部材同士の接合面付近に０．５〜５マイクロメートル（μｍ）の気孔が複数確認された。これは、パンチから金属部材に伝わる電流値が不均一になるため、温度分布が生じ易く、接合が不均一となってしまった結果と考えられた。
以上の結果より、パンチの金属部材に接触する押圧面の面積は、金属部材のパンチと接触する面の面積の２倍以上１６倍未満が好適であると考えられた。

本実施形態の接合方法によれば、加熱加圧工程Ｓ２において、重ね合わせた金属部材１、２間に一対のパンチ１１で圧力を加えつつ、パルス電圧を加えることにより放電プラズマが発生されて金属部材１、２が加熱される。これにより、金属部材１、２の少なくとも一方を構成する非晶質合金が、その過冷却液体領域の範囲内の温度まで速やかに、かつ均一に加熱されて接合される。したがって、結晶化を生じることなく、金属部材を接合して複合部材を製造することができる。

次に、本発明の第２実施形態について、図３を参照して説明する。本実施形態の接合方法と上述の第１実施形態の接合方法との異なるところは、金属部材を押圧するパンチの形状である。
なお、第１実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図３は、本実施形態の接合方法の一過程を示す斜視図である。金属部材１、２を押圧する一対のパンチ２１は、上パンチ２２及び下パンチ２３を備えて構成されている。
上パンチ２２及び下パンチ２３は、いずれも金属部材に接触する第１端面２２Ａ、２３Ａの面積が、反対側の第２端面２２Ｂ、２３Ｂの面積よりも小さくなるように形成されている。具体的には、パンチ２２、２３の基本形状は略円筒形であり、金属部材に接触する第１端面２２Ａ、２３Ａ側の一部が端部に向かって徐々に縮径するテーパ状に形成されている。そして、各パンチ２２、２３の第１端面２２Ａ、２３Ａの面積は、接触する相手側である金属部材１、２の接触面と略同等の面積となっている。

ただし、第１端面の面積は、パンチの強度等を考慮して適宜決定されてよく、例えば、金属部材の押圧面の１倍〜４倍程度の面積に設定されてもよい。すなわち、押圧治具であるパンチのテーパ角は、設定された第１端面及び第２端面の面積、及びパンチを加熱加圧工程に好適な熱容量にするための、パンチの軸線方向におけるテーパ形状の形成開始位置等に基づいて決定されることになる。

上述した本実施形態の接合方法について、実施例を用いてさらに説明する。
（実施例２）
金属部材１、２は、第１実施例と同一のものを使用した。上パンチ２２及び下パンチ２３は、いずれも第２端面２２Ｂ及び２３Ｂがφ１４ｍｍの円形であり、第１端面側がテーパ加工されて、第１端面２２Ａ及び２３Ａが、金属部材１、２と同等のφ１０ｍｍまで縮径されているものを使用した。その他の条件はすべて第１実施例と同一として接合を行った。

金属部材１と２との接合面付近、及び金属部材１、２とパンチ２２、２３との接触面付近をそれぞれ第１実施例と同様の方法で測定したところ、非晶質性が保たれていることが確認された。また、切断面を電子顕微鏡にて観察したところ、金属部材どうしの接合面付近に気孔が無いことが確認された。

実施例２と併せて、実施例２と同一の接合条件で、圧力と電流値を一定にし、パンチ２２及び２３の第２端面２２Ｂ、２３Ｂの面積のみを変えて接合を行い、得られた複合部材に対して同様に非晶質性と接合性を評価した。結果を表２に示す。

実施例１では、押圧面がφ４０ｍｍのパンチ１１を用いて接合を行った金属部材１、２の複合部材において、金属部材同士の接合面付近に気孔が複数確認されたが、パンチ２１を使用した本実施例２においては、表２に示すように気孔が確認されず、良好に接合が行われていることが確認された。これは、パンチ２１の第１端面側がテーパ加工されて第１端面が縮径されたことにより、パンチから金属部材に伝わる電流値が均一になり、金属部材１、２の加熱が安定したことによるものと考えられた。

本実施形態の接合方法によっても、上述した第１実施形態の接合方法と同様の効果を得ることができる。
また、パンチ２２、２３にテーパ加工が施され、第１端面２２Ａ、２３Ａが縮径され、接触する金属部材１、２の接触面の面積と同等の大きさとなっているので、パンチの第２端面の面積が１６倍となっても良好に接合を行うことができる。第２端面の面積は、パンチの取り扱い上の問題や繰り返し使用の観点からは、大きいほうが好ましい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述の各実施形態においては、押圧治具であるパンチが上下から金属部材を押圧する例を説明したが、押圧方向はこれには限定されず、例えば水平方向から金属部材が押圧されてもよい。

また、上述の各実施形態においては、２種類の金属部材が接合される例を説明したが、本発明の接合方法はこれには限定されず、少なくとも１つが非晶質合金から形成されていれば、３種類以上の金属部材が接合されてもよい。

１、２ 金属部材
１１、２１ パンチ（押圧治具）
１２、２２ 上パンチ
１２Ａ、１３Ａ 押圧面
１３、２３ 下パンチ
２２Ａ、２３Ａ 第１端面
２２Ｂ、２３Ｂ 第２端面
Ｓ１ 設置工程
Ｓ２ 加熱加圧工程

Claims (3)

1. 押圧治具を用いた金属部材の接合方法であって、
   複数の金属部材を、互いの接合面を接触させた状態で前記押圧治具に設置する設置工程と、
   前記複数の金属部材を、前記押圧治具によって押圧しつつ、パルス電圧を印加することにより放電プラズマを発生させて加熱する加圧加熱工程と、
   を備え、
   前記複数の金属部材のうち、少なくとも一つは２０℃以上の過冷却液体領域を有する非晶質合金から形成され、
   前記加熱加圧工程において、前記複数の金属部材の前記接合面は、前記過冷却液体領域の範囲内の温度まで加熱され、
   前記押圧治具において、押圧時に前記金属部材と接触する押圧面の面積は、前記複数の金属部材において前記押圧治具と接触する面の面積の２倍以上１６倍未満に設定されていることを特徴とする金属部材の接合方法。
2. 押圧治具を用いた金属部材の接合方法であって、
   複数の金属部材を、互いの接合面を接触させた状態で前記押圧治具に設置する設置工程と、
   前記複数の金属部材を、前記押圧治具によって押圧しつつ、パルス電圧を印加することにより放電プラズマを発生させて加熱する加圧加熱工程と、
   を備え、
   前記複数の金属部材のうち、少なくとも一つは２０℃以上の過冷却液体領域を有する非晶質合金から形成され、
   前記加熱加圧工程において、前記複数の金属部材の前記接合面は、前記過冷却液体領域の範囲内の温度まで加熱され、
   前記押圧治具において、押圧時に前記金属部材と接触する第１端面は、押圧方向における反対側の第２端面よりも小さい面積となるように形成されており、
   前記第２端面の面積は、前記複数の金属部材において前記押圧治具と接触する面の面積の２倍以上１６倍以下に設定されていることを特徴とする金属部材の接合方法。
3. 複数の金属部材が接合された複合部材であって、請求項１又は２に記載の金属部材の接合方法を用いて製造されたことを特徴とする複合部材。

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