JP2909511B2

JP2909511B2 - アルミニウム複合材

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Publication number: JP2909511B2
Application number: JP24064589A
Authority: JP
Inventors: 隆雄三好; 博幸大村; 庸輔高橋; 正臣津田; 雄二池上; 力男根本; 昌男佐藤
Original assignee: NIPPON YAKIN KOGYO KK; RYOOBI KK
Current assignee: NIPPON YAKIN KOGYO KK; RYOOBI KK
Priority date: 1989-09-19
Filing date: 1989-09-19
Publication date: 1999-06-23
Anticipated expiration: 2014-06-23
Also published as: JPH03106552A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、金属材料部材をアルミニウム又はアルミニ
ウム合金で鋳ぐるんだアルミニウム複合材に関し、特に
金属材料部材とアルミニウム又はアルミニウム合金母材
との密着性を強固にして、強度を大にした、金属材料部
材をアルミニウム又はアルミニウム合金で鋳ぐるんだア
ルミニウム複合材に関する。

〔従来の技術〕

アルミニウム又はアルミニウム合金製品はその強度が
低いので、その中へ強化材を入れてアルミニウム又はア
ルミニウム合金複合材（本願明細書ではこれを「アルミ
ニウム複合材」という）として、強度を高めることが行
われている。

従来、鋳造法によりアルミニウム複合材を製造するに
あたっては、その強化材として耐熱性金属もしくはセラ
ミックスの長繊維、短繊維、ウイスカー又は粒子、又は
鋼材等が考えられている。これらのうち、耐熱性金属又
はセラミックスの長繊維、短繊維、ウイスカー又は粒子
を強化材に用いる場合、通常それら強化材をバインダー
等を用いて所定形状の成形体としてあらかじめ成形して
おく必要がある。そして、その成形体を金型内にセット
した後に鋳造を行ない、成形体中へアルミニウム又はア
ルミニウム合金溶湯を含浸させることによってアルミニ
ウム複合材を得ることができる。

ところが、こうした成形体については、複雑形状のも
の、均質なものの成形が困難であり、また一般にこれら
成形体は脆くて壊れやすいため、金型セット時の取扱い
には慎重に行わなければならない。なお、これらのう
ち、長繊維、ウイスカーのものは価格的に高価であうこ
と、短繊維、粒子のものは複合化による強度の向上の効
果は少ないといった理由等から強化材としての使用に制
約を受けている。

また、鋼材を強化材に用いる場合には、その取扱いは
簡便であり、上記のような成形体中へのアルミニウム又
はアルミニウム合金溶湯の含浸を必要としない。いわゆ
る「鋳ぐるみ」による複合化であるため、ダイカスト鋳
造方法のように成形体中への溶湯含浸が困難な鋳造方法
には特に有効である。しかしながら、鋼材を鋳ぐるみ鋳
造するとき、鋼材をそのまま使用したのでは、アルミニ
ウム又はアルミニウム合金と鋼材の鋳ぐるみ界面で融着
が生じないことから、界面接合強度は非常に弱く、強度
的に満足できるアルミニウム複合材を得るには不十分で
ある。そこで鋼材を鋳ぐるみ鋳造する場合には凹凸形成
法、アルフィン法、メッキ法による前処理をする工夫が
なされている。

凹凸法とは、鋳ぐるまれる鋼材の接合面に微細な凹凸
を形成し、これによってアルミニウム又はアルミニウム
合金溶湯と鋼材との接触面積を増大させて機械的な接合
強度の向上を計る方法である。

アルフィン法とは、鋼材をアルミニウム合金溶湯に浸
漬して鋼材の表面にアルミナイジング処理を施し、その
アルミナイズされた鋼材表面が溶融状態となっている間
に鋳ぐるみ鋳造を行なうという方法である。

メッキ法とは、鋼材の表面にニッケル、銅、亜鉛など
のメッキを施した後に鋳ぐるみ鋳造を行ない、メッキ層
とアルミニウム又はアルミニウム合金との拡散反応によ
り界面接合強度の向上を図る方法である。そして、メッ
キ法によった技術としては、鋳ぐるみ鋳造のさいメッキ
層が高温にさらされて、その層内に内蔵される水素等が
ガス化するおそれがあるので、メッキを施したものを焼
鈍処理し、しかる後そのメッキした部品をアルミニウム
合金で鋳ぐりむ方法（特開昭58−112648号公報）が提案
されている。

また、特開平１−150489号に、あらかじめ製造した、
薄いニッケル層を片面又は両面に有するニッケルクラッ
ドステンレス鋼板と他の金属板とを、前記のニッケル層
を介して周辺部で溶接し、次いで該溶接板を室温〜1000
℃の温度範囲で圧延し、圧着させる方法が提案されてい
る。

さらに、「神戸製鋼技報」第39巻第３号第61〜64頁
（1989）には、純アルミニウムAl1100及びオーステナイ
ト系ステンレス鋼SUS304の板の表面を洗浄した後、450
℃にて大気中加熱し、熱間圧延圧接法に従い１パスによ
る強圧下圧延を行い、さらに350℃で1.5時間又は400℃
で1.5時間安定化焼鈍を施すことにより、ステンレス鋼
／アルミニウムの２層クラッド材及びステンレス鋼／ア
ルミニウム／ステンレス鋼の３層クラッド材をつくり、
これらの物理的性質と機械的性質、ならびにステンレス
鋼とアルミニウムとの界面での反応を検討したことが報
告されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、これらの鋳ぐるみ方法により製造したアルミ
ニウム複合材は各々問題点がある。

凹凸法においては、アルミニウム又はアルミニウム合
金と鋼材とは単に機械的に接合しているにすぎず、両者
の接合界面には小さな多数の空隙が存在している。その
ため繰り返し荷重が負荷されると、その部分より亀裂の
発生が生じ、破壊へ進むことになる。

アルフィン法においては、鋳ぐるみ用アルミニウム又
はアルミニウム合金溶湯の注湯を、鋼材上にアルミナイ
ジングされたアルミニウム合金の凝固する前に行なわな
ければならないことから、作業上の制約を受けるため、
作業性が悪くなる。

メッキ法においては、被メッキ鋼材とメッキ層とは金
属的な接合がなされていないため、その界面ではく離が
生じ易く、亜鉛のような低融点金属をメッキに用いた場
合、鋳ぐるみ鋳造時に溶湯の高温によりメッキそのもの
が溶解して流されてしまい、メッキの効果を失うことが
ある。

さらに、特開平１−150489号に開示される方法は周辺
部の溶接を必要とすることにより工程数が複雑となるた
め実用的ではない。

本発明は、鋼材等の金属材料部材とそれを鋳ぐるむア
ルミニウム又はアルミニウム合金との密着性を強固にし
た、金属材料部材をアルミニウム又はアルミニウム合金
で鋳ぐるんだアルミニウム複合材を得ることを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、熱的に安定な金属材料部材の両面にアルミ
ニウム又はアルミニウム合金層を有するクラッド材をア
ルミニウム又はアルミニウム合金で鋳ぐるんだアルミニ
ウム複合材によって前記の目的を達成した。

本発明で用いる熱的に安定な金属材料部材としては、
アルミニウム又はアルミニウム合金の鋳造温度にほぼ相
当する800℃以下の温度で十分な強度を持ち、また軟
化、脆化などの影響を生じないもの、例えばSUS304に代
表されるステンレス鋼、12％Cr鋼等の耐熱鋼、マルエー
ジング鋼、Ni基合金、Co基合金等の高強度金属材料が好
ましく用いられる。金属材料部材の形状は通常板状であ
る。例えば、金属材料板の両側にアルミニウム又はアル
ミニウム合金シートをあて、クラッド圧延する。そのシ
ートとしては50〜100μｍ厚のアルミニウムシートを用
いるのが好ましいが、アルミニウムと同様な延性などを
有するものならばアルミニウム合金シートを用いること
ができる。圧延の条件はその被圧延材によって変るが、
圧延率20％以下とするのが好ましい。

この圧延されて得られたクラッド材を強化材として使
用する。接合強度を高めるためにはこのクラッド材をさ
らに熱処理することが好ましい。熱処理は150℃以上400
℃以下の温度範囲で行うことが好ましい。この熱処理に
よりクラッドされたアルミニウム又はアルミニウム合金
層からアルミニウムなどが金属材料部材中に拡散して両
者の結合を強力なものとする。

このクラッド材を鋳造用金型にセットした後、アルミ
ニウム又はアルミニウム合金で鋳ぐるむことにより、本
発明のアルミニウム複合材がえられる。実際に行うに当
っては、前記の熱処理されたクラッド材を所定形状に加
工した後、脱脂、水洗してクラッド材のアルミニウム表
面を清浄にし、300゜〜400℃に予熱した後、金型内にセ
ットする。そして、ダイカスト鋳造法、スクイズキャス
ト鋳造法、低圧、中圧鋳造法などによりアルミニウム又
はアルミニウム合金により前記クラッド材を鋳ぐるむ。

鋳造に用いるアルミニウム又はアルミニウム合金とし
ては、従来鋳造に用いられているアルミニウム又はアル
ミニウム合金をすべて用いることができ、強度を与える
上からアルミニウム合金を用いることが好ましい。アル
ミニウム合金としては、例えばアルミニウム−マグネシ
ウム合金、アルミニウム−シリコン合金、アルミニウム
銅合金などを用いることができ、その用途に応じて適切
なものを選択する。

本発明のアルミニウム複合材は、強度を要するアルミ
ニウム製品を必要とする各種分野に広く適用することが
できる。

〔作用〕

本発明では、熱的に安定な金属材料部材の両面にアル
ミニウム又はアルミニウム合金シートを圧延してあるの
で、金属材料部材の両面にアルミニウム又はアルミニウ
ム合金シートが強力に密着し、いわば喰い込むようにな
っている。そして、そのクラッド材をさらに熱処理した
場合には、アルミニウム金属などが金属材料部材中に拡
散するためにクラッド材のアルミニウム又はアルミニウ
ム合金層と金属材料部材との結合がきわめて強力なもの
となったクラッド材が得られる。その熱処理は150゜以
上400℃以下で行うのが好ましく、もし400℃より上で行
うと、高い温度で熱処理されることになり、次に鋳ぐる
まれるさいにこのクラッド材は再度熱処理されて、脆化
を生じてしまうという欠点を生じることになる。400℃
以下であるならば、鋳ぐるみにおけるクラッド材の脆化
は生じない。

このクラッド材は両面にアルミニウム又はアルミニウ
ム合金層を有しているために、鋳ぐるむさいに鋳造され
るアルミニウム又はアルミニウム合金と融着性がよい。
前記神戸製鋼技報記載のステンレスクラッドアルミニウ
ム板は元々軽量複合材料の開発を目的としてつくられた
もので、アルミニウム鋳造に用いることは示されていな
いが、かりにアルミニウム鋳ぐるみに用いたとしても、
ステンレス鋼／アルミニウムの２層クラッド材は片面が
ステンレス鋼であるため、またステンレス鋼／アルミニ
ウム／ステンレス鋼の３層クラッド材は両面がステンレ
ス鋼であるため、アルミニウム又はアルミニウム合金母
材に対し強く結合することができないが、本発明で用い
るクラッド材は両面にアルミニウム又はアルミニウム合
金層を有するため、そのような欠点はない。

このクラッド材を金型内にセットし、700〜800℃のア
ルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯で鋳造すれば、
金型内への溶湯が充填されるときに、溶湯の高温により
クラッド材のアルミニウム又はアルミニウム合金表面は
溶融し、その部分で鋳ぐるみに用いられたアルミニウム
又はアルミニウム合金とクラッド材は融着を生ずること
となる。

特に、ダイカスト鋳造法によれば高速高圧で充填され
るため鋳造時のクラッド材のアルミニウム又はアルミニ
ウム合金表面はその融点以上でしかも1000kg/cm²近い圧
力でアルミニウム又はアルミニウム合金溶湯と激しく接
触されることとなり、良好な融着接合が得られる。ま
た、スクイズキャスト鋳造法によれば、溶湯からのクラ
ッド材表面への熱伝達が大きいことから鋳造金属又は合
金とクラッド材のアルミニウム又はアルミニウム合金層
の界面では拡散現象を生じ、強固な界面接合が得られ
る。これらの場合、クラッド材の母材である金属材料部
材は800℃までの温度範囲では熱的に安定であるから、
強度的にも優れた複合材を製造することができる。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。ただ
し、本発明はこれらの実施例のみ限定されるものではな
い。

実施例１厚さ1.05mm、幅80mm、長さ200mmのJIS SUS630のステ
ンレス鋼板を厚さ0.10mm、幅80mm、長さ200mmのアルミ
ニウムシートで両面からはさみ込み、これをローラーに
より圧延して厚さ1.05mmの圧延材とする。更にこれを27
0℃、１時間熱処理し、ステンレス鋼板とアルミニウム
シートとの間で拡散接合させる。その後、このクラッド
材を第１図に示すようなテストピース形状に加工し、35
0℃、１時間真空中時効処理させ、これをダイカスト鋳
ぐるみ用強化材とする。

この強化材を脱脂、水洗いし、300℃で30分間予熱し
た後、ダイカストテストピース用金型中にセットしてダ
イカスト用アルミニウム合金ADC10で鋳ぐるみ鋳造を行
なった。

このようにして得られた複合材の形状及び断面組織写
真を第２図、第３図に示す。１は複合材、２はクラッド
材である。この写真により、アルミニウムシートとADC1
0合金界面では融着による空隙のない接合が生じている
ことがわかる。

また、比較材１として、前記のステンレス鋼材をアル
ミニウムシートでクラッドせずにそのままアルミニウム
合金ADC10で鋳ぐるんだ複合材をつくった。第４図にそ
の複合材の界面組織写真を示す。また、比較材２とし
て、前記ステンレス鋼材にアルミニウムメッキした強化
材をアルミニウム合金ADC10で鋳ぐるんだ複合材をつく
った。第５図にその複合材の界面組織写真を示す。これ
らの写真からわかるように、ステンレス鋼材単独を鋳ぐ
るんだものの界面には空隙が認められ、またアルミニウ
ムメッキした鋼材を鋳ぐるんだものではメッキが部分的
にはく離しており、その界面では僅かながらに空隙が見
られる。

次に、本発明の複合材の引張試験結果を第６図及び第
７図に示す。第６図には、ステンレス鋼クラッド材/ADC
10合金複合材（Vf＝６％、本発明例）、ADC10合金鋳造
品（比較例）の応力−歪曲線を示す。これにより本発明
の複合材の方が弾性率、降伏強さの点で優れていること
がわかる。

第７図には、ステンレス鋼クラッド材/ADC10合金複合
材（Vf＝６％、本発明例）、ステンレス鋼/ADC10合金複
合材（比較例）、ADC10合金鋳造品（比較例）の引張試
験結果（実験例）を示してある。ステンレス鋼/ADC10合
金複合材においては界面接合強度が弱いため、試験時に
ステンレス鋼材とADC合金母材の間にはく離が発生し、
引き抜けを生じたものが多かった。しかしながら、本発
明例であるステンレス鋼クラッド材/ADC10合金複合材で
はADC10合金母材とクラッド材が同時に破断し、試験時
の引き抜けはなかった。また、本発明側複合材はADC10
合金鋳造品、ステンレス鋼/ADC10合金複合材に比べ強度
的にも優れていた。

実施例２実施例１と同様なダイカスト鋳造法により第８図に示
すような形状のステンレス鋼クラッド材/ADC10合金複合
材（Vf＝６％）を製造した後、３点曲げ試験による曲げ
強さの評価を行った。その曲げ試験結果を第９図に示
す。本発明例であるステンレス鋼クラッド材ADC10合金
複合材の曲げ強さはステンレス鋼/ADC10合金複合材、AD
C10合金の曲げ強さに比べ優れていることがわかる。ま
た、第10図、第11図にこれらの曲げ試験後の界面組織写
真を示す。第10図は、ステンレス鋼/ADC10合金複合材の
界面組織写真であるが、試験後界面で完全にはく離して
いるのがわかる。一方、第11図は、本発明例複合材の界
面組織写真であるが、試験後も界面は接合したままであ
るのが認められる。

実施例３実施例１と同様にして製造されたステンレス鋼クラッ
ド材を強化材として、ADC10合金を用いスクイズキャス
ト鋳造法による鋳ぐるみ複合化を行った。その時の複合
材界面組織及びEPMA線分析結果の一例をそれぞれ第12図
及び第13図に示す。これらからわかるように、複合材界
面は良好に接合しており、その界面を介して拡散反応が
認められる。

さらに、第14図及び第15図には、この複合材を390
℃、３時間加熱処理したものの複合材界面組織及びEPMA
線分析結果を示す。これらからわかるように、この複合
材を熱処理することにより、界面を介しての拡散反応は
一層進行している。

〔発明の効果〕

本発明においては、熱的に安定な金属材料部材の両面
にアルミニウム又はアルミニウム合金層を有するクラッ
ド材を強化材としているために、鋳ぐるみに用いるアル
ミニウム又はアルミニウム合金溶湯と融着性の良いアル
ミニウム又はアルミニウム合金層が前記金属材料部材と
強固に結合していて、このアルミニウム又はアルミニウ
ム合金シートを介して鋳造したアルミニウム又はアルミ
ニウム合金母材と金属材料部材との強固な接合が得られ
る。これにより強度の大きい複合材が得られる。さら
に、クラッド圧延したものを更に熱処理したクラッド材
を用いるときには、前記の接合が一層強固となって、さ
らに強度の大きい複合材が得られる。

また、この複合材は、曲げる力に対してもアルミニウ
ム又はアルミニウム合金シートと金属材料部材との接合
が強く、界面はく離を生じることがないため、良好な結
果を示す。

本発明においては、強化材の主材として熱的に安定な
金属材料部材が用いられているため、強度低下もほとん
どなく、強度に優れた複合効果が得られる。強化材とし
て実施例に示すステンレス鋼以外にもマルエージング
鋼、耐熱鋼Ni基合金、Co基合金等を使用しても同様の効
果が得られる。

金型にセットするとき、強化材の主材として金属材料
部材を使用しているから、破損しないため、強化材の取
扱いが簡単であり、鋳造作業性も良好であり、形状が限
定されず複雑なものが使用できるので、必要箇所に部分
的に使用する強化材としても用いることができる。

以上の特徴により、本発明の複合材は、強度、生産
性、コストの点で有用であり、例えばダイカスト法によ
る本発明の複合材を用いると、トランスミッションの薄
肉化、剛性向上、振動防止等が可能となり、他にも剛性
が要求されるコンプレッサーハウジング、クラッチハウ
ジング等への応用ができる。なお、本発明の複合材は、
これで製品全体を構成してもよいし、また部分的に用い
てもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例１におけるテストピース形状のクラッ
ド材を示し、第２図は、実施例１において得られた複合
材の形状を示し、第３図は、実施例１で得られた複合材
の断面における金属組織の写真を示し、第４図は、実施
例１における比較材１の界面における金属組織の写真を
示し、第５図は、実施例１における比較材２の界面にお
ける金属組織の写真を示し、第６図は、ステンレス鋼ク
ラッド材/ADC10合金複合材、ADC10合金鋳造品の応力−
歪曲線を表わす図を示し、第７図、はステンレス鋼クラ
ッド材/ADC10合金複合材、ステンレス鋼/ADC10合金複合
材、ADC10合金鋳造品の引張試験結果を表わす図を示
し、第８図は、実施例２のステンレス鋼クラッド材/ADC
10合金複合材の試験片を示し、第９図は、実施例２の試
験片の曲げ試験結果を表わす図を示し、第10図はステン
レス鋼/ADC10合金複合材の曲げ試験後の界面における金
属組織の写真を示し、第11図は、ステンレス鋼クラッド
材/ADC10合金複合材の曲げ試験後の界面における金属組
織の写真を示し、第12図は、実施例３のステンレス鋼ク
ラッド材/ADC10合金複合材の界面における金属組織の写
真を示し、第13図は、実施例３のステンレス鋼クラッド
材/ADC10合金複合材のEPMA線分析結果を表わす図を示
し、第14図は実施例３の前記複合材を390℃、３時間加
熱処理したものの界面における金属組織の写真を示し、
第15図は、その加熱処理した複合材のEPMA線分析結果を
表わす図を示す。 1:複合材、2:クラッド材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋庸輔東京都千代田区外神田３―15―１リョービ株式会社東京本社内 (72)発明者津田正臣神奈川県川崎市川崎区小島町４番２号日本冶金工業株式会社技術研究所内 (72)発明者池上雄二神奈川県川崎市川崎区小島町４番２号日本冶金工業株式会社技術研究所内 (72)発明者根本力男東京都中央区京橋１丁目５番８号日本冶金工業株式会社内 (72)発明者佐藤昌男東京都中央区京橋１丁目５番８号日本冶金工業株式会社内 (56)参考文献特開昭63−115666（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−18559（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−160223（ＪＰ，Ｕ) 特公昭57−13396（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B22D 19/00,19/16 B32B 15/01

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】熱的に安定な金属材料部材の両面にアルミ
ニウム又はアルミニウム合金層を有するクラッド材をア
ルミニウム又はアルミニウム合金で鋳ぐるんだアルミニ
ウム複合材。
【請求項２】熱的に安定な金属材料部材の両面にアルミ
ニウム又はアルミニウム合金シートを圧延し、拡散熱処
理させたクラッド材をアルミニウム又はアルミニウム合
金で鋳ぐるんだアルミニウム複合材。