JP2021053674A - 接合体の製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本開示の1つの局面は、新規な複合金属材料の製造方法を提供することにある。
本開示の別の一態様は、少なくとも2つの金属材料を接合した接合体を製造する製造装置(1)である。製造装置は、保持具(21)と、加熱装置(22)と、を備える。保持具は、第1金属材料(11)に形成される第1接合面(11a)と、第2金属材料(12)に形成される第2接合面(12a)と、を当接させた状態で保持する。加熱装置は、第1接合面と第2接合面とが当接する接合部が最も高温であり、かつ、接合部から離れるほど低温となる温度勾配を持つように第1金属材料及び第2金属材料を加熱する。また保持具は、加熱装置の加熱による第1金属材料及び第2金属材料の膨張により第1接合面と第2接合面との間の加圧力が高まるように、第1金属材料及び第2金属材料を保持する。
[1.実施形態]
[1−1.接合装置の構成]
図1に示す接合装置1は、少なくとも2つの金属材料を接合するための装置である。接合装置1は、熱膨張を利用した加圧による金属材料の接合であって、溶融部の発生のない、又は抑制された固相接合(特に、拡散接合)を行う。以下では、接合装置1により、第1金属材料11及び第2金属材料12の2つの金属材料を接合する例を説明する。
保持具21は、第1金属材料11に形成される第1接合面11aと、第2金属材料12に形成される第2接合面12aと、を当接させた状態で、第1金属材料11と第2金属材料12とを保持する。保持具21は、可動部21aと固定部21bとを有している。可動部21aは、手動又は自動で移動して、固定部21bとの間の距離を変化させることができる。可動部21a及び固定部21bは、各金属材料における接合面とは反対側の端部と当接する。また可動部21a及び固定部21bは、後述する加熱操作によって第1金属材料11及び第2金属材料12が膨張したときの長手方向の膨張長さよりも、可動部21aと固定部21bとの間の距離の変化が小さくなるように構成されている。本実施例の保持具21は、例えば、シャコ万力を用いることができる。
なお接合装置1を用いた接合操作は、大気下で行ってもよいが、減圧雰囲気、窒素雰囲気、及び窒素減圧雰囲気で行ってもよい。
接合材となる金属材料は、様々な材質のものが対象となる。例えば、銅合金、銀合金、アルミニウム合金、オーステナイト系ステンレス鋼などが接合可能である。これらは一例であり、さらに様々な材質の材料を接合できる。
(i)実施例1
金属材料として、SCM415クロムモリブデン鋼(以下、SCM415鋼)を使用し、2つのSCM415鋼の接合を行い、接合体を製造した。SCM415鋼は、それぞれ、長さ30mm、直径12mmの丸棒形状で、丸棒の端面を接合面とした。接合面粗さはRz:4μmであった。
接合温度を940℃とした以外、実施例1と同様の条件で接合体を製造した。
(iii)実施例3
接合温度を1000℃とした以外、実施例1と同様の条件で接合体を製造した。
接合温度を940℃とし、また接合雰囲気圧を3Paとして、それ以外は実施例1と同様の条件で接合体を製造した。
接合温度を1000℃とし、また接合雰囲気圧を3Paとして、それ以外は実施例1と同様の条件で接合体を製造した。
表1に、実施例の接合条件及び結果を示す。
接合状態の良否は、金属材料の熱による膨張量と、変態現象による収縮量と、の影響を受けたものと推定される。
接合状態に影響を与える収縮量について、従来の拘束接合ジグ51(比較例)と、本開示の接合装置1(実施例)のそれぞれで測定した。
図5に、接合装置1によりSCM415鋼を加熱し、接合部13の温度を200,400,600,800,1000℃となるように加熱したときの、接合試験片(各金属材料)の長手方向に沿った温度分布を示す。
なお、SCM415鋼では760℃〜850℃の加熱領域で収縮した。鉄鋼材料では、組成、加熱速度に依存するが、収縮温度領域の幅は約100℃である。この収縮温度幅の2倍の200℃以上の温度差が発生するように加熱すると、収縮する領域に対して膨張する領域の割合が充分に大きくなり、接合面の加圧力を高度に高く保つことができる。
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果を奏する。
(1a)本実施形態の接合体の製造方法では、保持具21によって、第1金属材料11に形成される第1接合面11aと、第2金属材料12に形成される第2接合面12aと、を当接させた状態で保持する。また、加熱装置22により、第1接合面11aと第2接合面12aが当接する接合部13が最も高温であり、かつ、接合部13から離れるほど低温となる温度勾配を持つように第1金属材料11及び第2金属材料12を加熱する。また、保持具21は、加熱装置22の加熱による第1金属材料11及び第2金属材料12の膨張により第1接合面11aと第2接合面12aとの間の加圧力が高まるように、第1金属材料11及び第2金属材料12を保持する。よって、装置全体を加熱炉に投入することなく、熱膨張による加圧を利用した金属材料の接合を実現することができる。
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
していてもよい。両方とも変態現象を有する場合には、例えば、接合する2つの金属材料それぞれにおいて、上述した第1条件を満たすように加熱を行ってもよいし、一方のみが第1条件を満たすように加熱を行ってもよい。また、2つの金属材料それぞれにおいて、上述した第2条件を満たすように加熱を行ってもよいし、一方のみが第2条件を満たすように加熱を行ってもよい。
(2e)上記実施形態では、保持具21として、シャコ万力を用いる構成を例示したが、シャコ万力以外の装置を用いて金属材料を保持してもよい。また上記実施形態では、保持具21が第1接合面11aと第2接合面12aとの接合部13の反対側の端部に当接して支持する構成を例示したが、それ以外の場所を支持する構成であってもよい。
Claims (6)
- 少なくとも2つの金属材料を接合した接合体の製造方法であって、
第1金属材料(11)に形成される第1接合面と、第2金属材料(12)に形成される第2接合面と、を当接させ、
前記第1接合面と前記第2接合面とが当接する接合部が最も高温であり、かつ、前記接合部から離れるほど低温となる温度勾配を持つように前記第1金属材料及び前記第2金属材料を加熱すると共に、当該加熱による前記第1金属材料及び前記第2金属材料の膨張により前記第1接合面と前記第2接合面との間の加圧力が高まるように、前記第1金属材料及び前記第2金属材料を保持する、接合体の製造方法。 - 請求項1に記載の接合体の製造方法であって、
少なくとも前記第1金属材料は、加熱により膨張し、かつ、所定の収縮温度領域においては変態現象により収縮する材料を含む、接合体の製造方法。 - 請求項2に記載の接合体の製造方法であって、前記接合部は前記収縮温度領域を上回る温度であり、かつ、前記第1金属材料における前記接合部から離れた少なくとも一部分では前記収縮温度領域を下回る温度となるように加熱を行う、接合体の製造方法。
- 請求項2又は請求項3に記載の接合体の製造方法であって、
前記第1金属材料において、前記収縮温度領域の上限と下限の温度幅の2倍の温度幅以上となる温度勾配が形成されるように加熱を行う、接合体の製造方法。 - 請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の接合体の製造方法であって、
高周波誘導加熱コイルにより前記接合部の加熱を行う、接合体の製造方法。 - 少なくとも2つの金属材料を接合した接合体を製造する製造装置(1)であって、
第1金属材料(11)に形成される第1接合面と、第2金属材料(12)に形成される第2接合面と、を当接させた状態で保持する保持具(21)と、
前記第1接合面と前記第2接合面とが当接する接合部が最も高温であり、かつ、前記接合部から離れるほど低温となる温度勾配を持つように前記第1金属材料及び前記第2金属材料を加熱する加熱装置(22)と、を備え、
前記保持具は、前記加熱装置の加熱による前記第1金属材料及び前記第2金属材料の膨張により前記第1接合面と前記第2接合面との間の加圧力が高まるように、前記第1金属材料及び前記第2金属材料を保持する、製造装置。
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