JP2750824B2 - Method of joining whisker reinforced metal base material - Google Patents

Method of joining whisker reinforced metal base material

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JP2750824B2
JP2750824B2 JP6311246A JP31124694A JP2750824B2 JP 2750824 B2 JP2750824 B2 JP 2750824B2 JP 6311246 A JP6311246 A JP 6311246A JP 31124694 A JP31124694 A JP 31124694A JP 2750824 B2 JP2750824 B2 JP 2750824B2
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幸治 坂根
英男 和田
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ウイスカーで強化した
金属基複合材料の接合方法に関するものである。さらに
詳しくいえば、本発明は、強化材として含まれているウ
イスカーを損傷させることなく、ウイスカー強化金属基
材料同士を強固に結合させる方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for joining a whisker-reinforced metal matrix composite material. More specifically, the present invention relates to a method for firmly bonding whisker-reinforced metal base materials to each other without damaging whiskers contained as a reinforcing material.

【0002】[0002]

【従来の技術】これまで金属材料同士の接合には、主と
してアーク熱源を利用する溶融溶接法と、接触面での拡
散を利用する固相接合法が用いられている。
2. Description of the Related Art Heretofore, a fusion welding method mainly using an arc heat source and a solid-phase welding method utilizing diffusion at a contact surface have been used for joining metal materials.

【0003】ところで、近年航空宇宙産業をはじめとす
る多くの産業分野における技術的発展に伴い、より高い
耐熱性、強度、弾性率、硬度をもつ新素材に対する要求
が高まり、これにこたえるために、種々の強化材を含む
金属基複合材料が開発されてきた。その1つとして強化
材としてウイスカーを含む金属基複合材料が知られてい
る。これは、耐熱性、強度の点ではかなり改良されてい
るが、加工性が劣り、特にこの材料同士を溶融接合する
際に、熱により強化材のウイスカーが損傷を受け、せっ
かく改良された特性を失ったり、接合時の高温のため、
接合面付近のウイスカーが分解、固溶して消失して、接
合面付近に強化材が存在しない状態をもたらし、接合強
度を低下させるという欠点があった。また、拡散を利用
する固相接合法を用いると、接合界面でのウイスカーの
拡散が起らないため、十分な接合強度を得ることができ
ない。
In recent years, with the technical development in many industrial fields including the aerospace industry, demands for new materials having higher heat resistance, strength, elastic modulus, and hardness have been increased. Metal matrix composites containing various reinforcements have been developed. As one of them, a metal-based composite material containing a whisker as a reinforcing material is known. This is considerably improved in terms of heat resistance and strength, but is inferior in workability, especially when the materials are fused and joined, the whisker of the reinforcing material is damaged by heat, and the improved characteristics are greatly improved. Lost or high temperature at the time of joining,
The whiskers near the joint surface are decomposed, solid-solved and disappear, resulting in a state in which no reinforcing material is present near the joint surface, resulting in a decrease in joint strength. In addition, when the solid-phase bonding method utilizing diffusion is used, diffusion of whiskers at the bonding interface does not occur, so that sufficient bonding strength cannot be obtained.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ウイスカー
で強化された金属基材料を加工する際に、強化材として
含まれるウイスカーを損傷することなく、簡単な操作
で、その材料同士を接合する方法を提供することを目的
としてなされたものである。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, when processing a metal base material reinforced with whiskers, the whiskers contained as a reinforcing material are joined together by a simple operation without damaging the whiskers. It is intended to provide a method.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ウイスカ
ーで強化された金属基材料の接合について、種々研究を
重ねた結果、マトリックスを構成する金属相が塑性変形
しうるが、流動化するほどは高くない温度で、2個の材
料を接触させ圧力を加えることにより、意外にも両者を
強固に接合しうること及びこのようにすれば、強化材と
して存在するウイスカーの作用がほとんどそこなわれな
いことを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至
った。
The present inventors have conducted various studies on the joining of a metal base material reinforced with whiskers. As a result, the metal phase constituting the matrix can be plastically deformed, but is fluidized. By contacting the two materials and applying pressure at a moderately high temperature, the two can be unexpectedly firmly joined together, and in this way, the function of the whisker existing as the reinforcing material is almost negligible. The inventors have found that this is not the case, and have led to the present invention based on this finding.

【0006】すなわち、本発明は、2個のウイスカー強
化金属基材料を接合するに当り、接合しようとする各材
料の表面を前処理することなく直接接触させ、大気中に
おいて、該金属基材料のマトリックスを構成する金属相
が塑性変形しうるが流動化しない温度まで該金属基材料
を加熱し、両者の接触面に垂直方向から10〜300M
Paの圧力を加えることにより、実質上損傷されていな
いウイスカーを介して両者を接合することを特徴とする
接合方法を提供するものである。
That is, according to the present invention, in joining two whisker-reinforced metal base materials, the surfaces of the materials to be joined are brought into direct contact without pretreatment, and the metal base materials are bonded in the air. The metal base material is heated to a temperature at which the metal phase constituting the matrix can be plastically deformed but not fluidized, and 10 to 300 M from the direction perpendicular to the contact surface between the two.
It is an object of the present invention to provide a joining method characterized in that both are joined through a whisker which is not substantially damaged by applying a pressure of Pa.

【0007】本発明の金属基材料のマトリックスとして
は、銅、ニッケル、コバルト、鉄、銀、スズ、マグネシ
ウムなどの単体金属及びそれらの合金なども用いられる
が、アルミニウム又はその合金のように、溶融接合に高
温を必要とされるものを用いるのが特に好ましい。
As the matrix of the metal-based material of the present invention, simple metals such as copper, nickel, cobalt, iron, silver, tin and magnesium and alloys thereof are used. It is particularly preferable to use a material requiring a high temperature for bonding.

【0008】このようなアルミニウム合金マトリックス
の例としては、AC8A、AC1A、ADC12などを
挙げることができる。これらの中でも、特に塑性変形能
が温度の上昇とともに徐々に増大するAC1Aが好まし
い。
Examples of such an aluminum alloy matrix include AC8A, AC1A, and ADC12. Among them, AC1A, in which the plastic deformability gradually increases with an increase in temperature, is preferred.

【0009】これらの金属に対して強化材として加えら
れるウイスカーとしては、例えば炭化ケイ素、窒化ケイ
素、チタン酸カリウム、アルミナ短繊維、ホウ酸アルミ
ニウムなどのウイスカーがある。これらは単独で用いて
も、また2種以上組み合わせて用いてもよい。
Whiskers added as a reinforcing material to these metals include, for example, whiskers such as silicon carbide, silicon nitride, potassium titanate, short alumina fibers, and aluminum borate. These may be used alone or in combination of two or more.

【0010】これらの中で特に好ましいのは、アスペク
ト比のあまり大きくないホウ酸アルミニウムウイスカー
である。
[0010] Of these, aluminum borate whiskers having a modest aspect ratio are particularly preferred.

【0011】前記した金属マトリックスに対し配合され
るウイスカーの量は、全体に基づき10〜40容量%、
好ましくは20〜30容量%の範囲で選ばれる。
The amount of the whiskers to be mixed with the above-mentioned metal matrix is 10 to 40% by volume based on the whole.
Preferably, it is selected in the range of 20 to 30% by volume.

【0012】本発明方法においては、マトリックスを形
成する金属相が塑性変形可能であるが、流動状態にはな
らない温度で接合することが必要である。この接合温度
は、使用される金属マトリックスの種類により左右され
るが、アルミニウム合金の場合約500〜600℃、好
ましくは525〜575℃の範囲である。
In the method of the present invention, it is necessary to join at a temperature at which the metal phase forming the matrix can be plastically deformed, but does not flow. The joining temperature depends on the type of metal matrix used, but is in the range of about 500-600C, preferably 525-575C for aluminum alloys.

【0013】本発明方法においては、2個のウイスカー
強化金属基材料の接合すべき面をたがいに接触させたの
ち、前記の所要温度に保持して、接合面に垂直方向から
圧力を加えることが必要である。この際の圧力として
は、通常10〜300MPa、好ましくは30〜150
MPaの範囲が用いられる。
In the method of the present invention, the surfaces to be joined of the two whisker-reinforced metal base materials are brought into contact with each other, and then the temperature is maintained at the above-mentioned required temperature, and pressure is applied to the joint surface from the vertical direction. is necessary. The pressure at this time is usually 10 to 300 MPa, preferably 30 to 150 MPa.
The range of MPa is used.

【0014】このように、ウイスカー強化金属基材料
を、そのマトリックスを構成する金属相の塑性変形可能
であるが流動化しない温度いわゆる固相線近傍まで加熱
し、これに圧力をかけると、マトリックスの金属相が塑
性変形し、含有されるウイスカーは分解、固溶化するこ
となく塑性変形しつつある金属相に引きずられて移動し
ながら接合するので、ウイスカーの存在しない部分を生
じることなく接合が完了する。
As described above, when the whisker-reinforced metal base material is heated to a temperature near the so-called solidus line where the metal phase constituting the matrix is plastically deformable but not fluidized, and pressure is applied thereto, the matrix of the matrix is heated. The metal phase is plastically deformed, and the contained whiskers are joined while being dragged and moved to the plastic phase that is undergoing plastic deformation without dissolving and solidifying, so the joining is completed without generating whisker-free parts .

【0015】したがって、ウイスカー自体の損傷がな
く、この損傷のないウイスカーを介して、すなわちウイ
スカーの存在しない部分を生じることなく、接合が行わ
れ、強固な接合部を形成することができる。
Accordingly, there is no damage to the whisker itself, and the joining is performed via the undamaged whisker, that is, without generating a portion where no whisker exists, and a strong joint can be formed.

【0016】[0016]

【発明の効果】本発明によると、ウイスカーで強化され
た金属基材料を、ウイスカーの分解、固溶なしに接合す
ることができ、接合部にウイスカーの存在しない部分を
生じることがないので、強固な接合を形成させることが
できる。
According to the present invention, a metal base material reinforced with whiskers can be joined without decomposing or dissolving the whiskers, and there is no whisker-free portion at the joint. A good bond can be formed.

【0017】[0017]

【実施例】次に、実施例により本発明をさらに詳細に説
明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定され
るものではない。
Next, the present invention will be described in more detail by way of examples, but the present invention is not limited to these examples.

【0018】実施例1 ホウ酸アルミニウムウイスカー[四国化成工業(株)製
アルボレックスM12]に、界面活性剤としてTX−1
00、バインダーとしてポリビニルアルコール、コロイ
ドシリカを加えたスラリーを加圧脱水して成形し、ウイ
スカー25容量%を含む円柱状のプリフォームを作製
し、次いでこれに溶湯鍛造法によりADC12合金を圧
入し、複合体を作製した。溶湯鍛造の条件は予熱温度が
プリフォームとADC12は700℃、金型が450
℃、加圧力100MPa、加圧時間3分であった。得ら
れた複合体の周囲の未複合部分を旋盤で削り取って、原
ビレットとした。この原ビレットをさらに円柱に対して
水平方向に2分割して接合実験に供した。接合には10
0トンの油圧式材料試験機を用い、ビレットを金型中で
所定温度で30分加熱したのち、上下のパンチで加圧
し、所定圧力で3分保持したのち、徐荷し放冷した。得
られた接合対から、接合部を含む引張り試験片を切出
し、引張り試験を行った。その結果を表1に示す。温度
が500℃、575℃では試験片作製時に接合部で破断
したが、温度が550℃では298MPaの強度を示し
た。これは継ぎ手効率(原ビレットの強度に対する相対
値)87%に相当し、十分な強度をもつ接合が形成され
たことを示している。
Example 1 An aluminum borate whisker [Albolex M12 manufactured by Shikoku Chemicals Co., Ltd.] was used as a surfactant with TX-1 as a surfactant.
00, a slurry containing polyvinyl alcohol and colloidal silica added as a binder was dehydrated under pressure to form a columnar preform containing 25% by volume of whiskers, and then ADC12 alloy was press-fitted into the preform by a melt forging method. A composite was made. The conditions for the forging of the molten metal are as follows: the preheating temperature is 700 ° C. for the preform and the ADC 12;
C., pressure 100 MPa, pressurization time 3 minutes. An uncomposite part around the obtained composite was scraped off with a lathe to obtain an original billet. This original billet was further divided into two parts in the horizontal direction with respect to the cylinder and subjected to a joining experiment. 10 for joining
Using a 0-ton hydraulic material testing machine, the billet was heated in a mold at a predetermined temperature for 30 minutes, pressurized with upper and lower punches, held at a predetermined pressure for 3 minutes, and then slowly unloaded and allowed to cool. A tensile test piece including the joint was cut out from the obtained joint pair, and a tensile test was performed. Table 1 shows the results. When the temperature was 500 ° C. or 575 ° C., the fracture occurred at the joint when the test piece was prepared, but when the temperature was 550 ° C., the strength was 298 MPa. This corresponds to a joint efficiency (relative value to the strength of the original billet) of 87%, indicating that a bond having sufficient strength was formed.

【0019】添付図面は、上記の試験片の接合部断面組
織を示す光学顕微鏡写真であって、図1は575℃にお
ける接合部、図2は550℃における接合部、図3は5
25℃における接合部である。
The attached drawings are optical micrographs showing the cross-sectional structure of the above-mentioned test piece at the joint at 575 ° C., FIG. 2 at the joint at 550 ° C., and FIG.
This is the junction at 25 ° C.

【0020】この図1においては、温度が高すぎるため
流動化によるマトリックスの滲み出しを生じ、ウイスカ
ーの存在しない帯状の領域が認められるのに対し、図2
及び図3では、その接合部分にはウイスカーの存在しな
い部分はなく、実質的に損傷されていないウイスカーが
均一に分散しており、そのウイスカーを介して強固な接
合が形成されていることが分る。
In FIG. 1, the temperature is too high, so that the matrix oozes out due to fluidization, and a band-like region without whiskers is observed.
3 and FIG. 3, it can be seen that there is no whisker-free portion in the joint portion, whiskers that are not substantially damaged are uniformly dispersed, and a strong joint is formed through the whisker. You.

【0021】[0021]

【表1】 [Table 1]

【0022】実施例2 実施例1と同様にウイスカー含有率25容量%のプリフ
ォームを作製し、溶湯鍛造法によりAC1A合金及び表
2の化学組成をもつAl−Zn系合金を用いて、溶湯鍛
造法により複合体を作製した。そして温度を575℃と
した以外は実施例1と同様に接合実験を行った。接合対
の引張り強度を表3に示す。マトリックスがAl−Zn
合金では87%、AC1Aでも78%の継ぎ手効率が得
られている。
Example 2 A preform having a whisker content of 25% by volume was prepared in the same manner as in Example 1, and was subjected to melt forging using an AC1A alloy and an Al-Zn alloy having the chemical composition shown in Table 2 by a melt forging method. A composite was produced by the method. A joining experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the temperature was set to 575 ° C. Table 3 shows the tensile strength of the bonding pair. The matrix is Al-Zn
The joint efficiency is 87% for the alloy and 78% for AC1A.

【0023】[0023]

【表2】 [Table 2]

【0024】[0024]

【表3】 [Table 3]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 ウイスカーの不存在部分を有する接合部断面
の金属組織を示す顕微鏡写真
FIG. 1 is a micrograph showing a metal structure of a cross section of a joint having a whisker-free portion.

【図2】 本発明方法により得られた接合部断面の金属
組織を示す顕微鏡写真
FIG. 2 is a micrograph showing a metal structure of a cross section of a joint obtained by the method of the present invention.

【図3】 図2とは異なる温度で得られた接合部断面の
金属組織を示す顕微鏡写真
FIG. 3 is a micrograph showing a metal structure of a cross section of a joint obtained at a temperature different from that in FIG. 2;

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−192883(JP,A) 特開 昭62−199276(JP,A) 特開 昭63−30189(JP,A) 特開 昭57−11788(JP,A) 特開 昭58−159987(JP,A) 特開 平4−9287(JP,A) 特開 平6−277854(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B23K 20/00 - 20/26──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-2-192883 (JP, A) JP-A-62-199276 (JP, A) JP-A-63-30189 (JP, A) JP-A-57-1987 11788 (JP, A) JP-A-58-159987 (JP, A) JP-A-4-9287 (JP, A) JP-A-6-277854 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) B23K 20/00-20/26

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 2個のウイスカー強化金属基材料を接合
するに当り、接合しようとする各材料の表面を前処理す
ることなく直接接触させ、大気中において、該金属基材
料のマトリックスを構成する金属相が塑性変形しうるが
流動化しない温度まで該金属基材料を加熱し、両者の接
触面に垂直方向から10〜300MPaの圧力を加える
ことにより、実質上損傷されていないウイスカーを介し
て両者を接合することを特徴とする接合方法。
When joining two whisker-reinforced metal base materials, the surfaces of the materials to be joined are brought into direct contact without any pretreatment to form a matrix of the metal base material in the air. The metal base material is heated to a temperature at which the metal phase can be plastically deformed but does not flow, and a pressure of 10 to 300 MPa is applied from a vertical direction to a contact surface between the two, so that the metal base material and the whisker are substantially not damaged. A joining method characterized by joining.
【請求項2】 マトリックスを構成する金属相がアルミ
ニウム合金である請求項1記載の接合方法。
2. The joining method according to claim 1, wherein the metal phase constituting the matrix is an aluminum alloy.
【請求項3】 ウイスカー強化金属基材料がウイスカー
10〜40容量%を含む請求項1又は2記載の接合方
法。
3. The joining method according to claim 1, wherein the whisker-reinforced metal base material contains 10 to 40% by volume of whiskers.
JP6311246A 1994-11-22 1994-11-22 Method of joining whisker reinforced metal base material Expired - Lifetime JP2750824B2 (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS62199276A (en) * 1986-02-26 1987-09-02 Nippon Light Metal Co Ltd Joining method for inorganic fiber reinforced composite aluminum material
JPH02192883A (en) * 1989-01-20 1990-07-30 Tokai Carbon Co Ltd Joining method for whiskers-reinforced al composing materials

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