JP3629254B2 - 無溶接マグネシウム/アルミニウム結合部材の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、結合した部材(bonded components)を製造する方法、さらに詳しくは無溶接マグネシウム/アルミニウム結合部材を製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
拡散溶接としても知られる拡散接合は、2つの基材の接合が液体界面(ろう付け)、または溶融および再凝固(溶接)によるキャスト生成物の生成なしで成し遂げられる固体状態プロセスである。拡散接合は、幾つかの条件下で2つの材料間に固体状態合体を生じさせる。第一に、接合は接合されるべき材料の融点より低い温度で生ずる。第二に、接触表面の合体は、ある部分の巨視的変形を引き起こすだろう荷重よりも低い荷重でもたらされる。第三に、場合によっては、結合を促進するか、または異種材料間における脆化相の生成を防ぐかのいずれかのために、界面箔または同コーティングのような結合促進剤を用いてもよい。
【0003】
拡散接合における冶金学的段階のシーケンスは、(a)室温では、典型的には、数個の表面凹凸に限られる初期接触;(b)塑性流動およびクリープによる表面凹凸の変形;(c)ボイドへの原子の粒界拡散および粒界移動;および(d)ボイドへの原子の体積拡散(volume diffusion)を含む。
【0004】
拡散接合の際には、接合される諸部分の大部分には、通常、永久変形はほとんどないが、それらの界面においては微視的スケールで局所変形が起こる。ある種の環境では、酸素のような界面汚染が結合機構(bonding mechanisms)を妨害することがある。これらの環境においては、そのプロセスは、通常、真空中または不活性ガスの存在下のような不活性雰囲気中で行われる。
【0005】
ある種の超塑性材料は、それら材料が拡散接合に必要とされる温度と一致する温度である超塑性温度において容易に変形するので、拡散接合による加工に対して理想的に合っている。これらの合金は、典型的には、酸素および窒素について高溶解性を有する傾向があり、そのためそれら汚染物は表面から拡散によってベース金属の中に移動することが多い。例えば、チタン合金がこの部類に入り、それは容易に拡散接合される。しかし、アルミニウム合金は、非常に薄いが、強靱な酸化物膜を形成し、従ってこれを拡散接合させるのは全く困難である。
【0006】
超塑性成形および拡散接合が行われるプロセス条件はかなりよく似ている。両者は共にある昇温された温度を必要とし、また微小粒度からの利益を利用する。その結果として、超塑性成形と拡散接合との組み合わせプロセスが従来開発された。
【0007】
先に指摘したように、アルミニウムおよびその合金は、アルミニウム上に自然に発生するぴったり接着している酸化物膜のために、拡散接合によって接合させることは困難である。しかし、その酸化物が一旦取り除かれてしまうと、454〜538℃の範囲の温度で拡散接合プロセスが起こり得ることが知られている。拡散接合プロセスで接合されることが知られている他の金属を挙げると、ベリリウムとその合金、銅とその合金、耐熱性のコバルトおよびニッケル合金、各種鋼類、ニオブとその合金、タンタルとその合金、チタンとその合金およびジルコニウムとその合金がある。アルミニウムおよびマグネシウム、またはアルミニウム合金およびマグネシウム合金の拡散接合は従来知られていなかった。
【0008】
車両の燃料経済性を高める1つの方法は、軽量材料を用いて車両を製造し、組み立てる方法である。しかし、自動車構造に対する軽量材料の使用は、今日、鋼のコストに対して代替アルミニウムまたは同マグネシウムをひどく高いものにする材料コストによって制限される可能性がある。かくして、製造および組み立てのコストを下げる軽量材料を利用する新しい方法が非常に望ましい。本発明はこの工業におけるこの必要を満たすものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
発明の概要
本発明の1つの態様は、第一基材の少なくとも一部分を第二基材の少なくとも一部分と接触させる工程を含む方法である。第一基材は少なくとも50重量パーセントのアルミニウムを含み、また第二基材は少なくとも50重量パーセントのマグネシウムを含む。この第一および第二基材は440℃より高いある昇温された温度において加熱される。この第一および第二基材に対して少なくとも1つの接触点において圧力が印加されてその第一および第二基材を一緒に結合させる。
【0010】
本発明のもう1つの態様は、第一基材の少なくとも一部分を第二基材の少なくとも一部分と接触させる工程を含む方法である。第一基材は少なくとも90重量パーセントのアルミニウムを含み、また第二基材は少なくとも85重量パーセントのマグネシウムを含む。この第一および第二基材は約440〜500℃の範囲のある昇温された温度において一緒に加熱される。この第一および第二基材に対して少なくとも1つの接触点において圧力が印加されて、その第一および第二基材を一緒に結合させる。
【0011】
本発明のもう1つの態様は、第一基材の少なくとも一部分を第二基材の少なくとも一部分と接触させる工程を含む。第一基材は少なくとも90重量パーセントのアルミニウム、および少なくとも1種の金属を含む添加剤の第一の組を含む。第二基材は少なくとも85重量パーセントのマグネシウム、および少なくとも1種の金属を含む添加剤の第二の組を含む。この第一および第二基材は約440〜500℃の範囲のある昇温された温度まで加熱される。この第一および第二基材に対して少なくとも1つの接触点において圧力が印加されて、その第一および第二基材を一緒に結合させる。上記添加剤の第一の組はマグネシウムを含んでいてもよい。この添加剤の第一の組はマグネシウムを含めて複数の金属を含むのが好ましく、この場合マグネシウムはその添加剤の第一の組の中にその複数の金属の最高濃度で存在している。上記第一基材は約4.5重量パーセントのマグネシウムを含むのが最も好ましい。
【0012】
本発明のもう1つの態様において、上記添加剤の第二の組はアルミニウムを含む。この添加剤の第二の組はアルミニウムを含めて複数の金属を含むのがさらに好ましく、この場合アルミニウムはその添加剤の第二の組の中にその複数の金属の最大濃度で存在している。上記第二基材は約3重量パーセントのアルミニウムを含むのが最も好ましい。この第二基材はまたアルミニウムおよび亜鉛を含んでいてもよい。
【0013】
本発明の1つの好ましい態様において、第一基材は少なくとも95重量パーセントのアルミニウムを含み、また第二基材は少なくとも90重量パーセントのマグネシウムを含む。
【0014】
本発明のもう1つの態様は、第一基材の少なくとも一部分を第二基材の少なくとも一部分と接触させる工程を含む方法である。第一基材は少なくとも90重量パーセントのアルミニウム、および少なくとも1種の金属を含む添加剤の第一の組を含む。第二基材は少なくとも85重量パーセントのマグネシウム、および少なくとも1種の金属を含む添加剤の第二の組を含む。この第一および第二基材は約440〜500℃の範囲のある昇温された温度まで加熱される。この第一および第二基材に対して少なくとも1つの接触点において圧力が印加されて、その第一および第二基材を一緒に結合させる。この第一および第二基材の他の部分に対して圧力が印加されてその第一および第二基材を所望の形状に超塑性成形する。
【0015】
本発明のこれらのおよび他の目的、特長並びに利点は、次の図面の簡単な説明、好ましい態様の詳細な説明、並びに添付特許請求の範囲および図面から明らかになるだろう。
【0016】
好ましい態様の説明
本発明は、AZおよびAMマグネシウム合金並びに5xxxおよび7xxxシリーズのアルミニウム合金を含めて、アルミニウム合金とマグネシウム合金との組み合わせの結合を含む。アルミニウム材料は、少なくとも90重量パーセントのアルミニウム、好ましくは95重量パーセント超のアルミニウムを含んでいてもよい。このアルミニウム合金中には、マグネシウムが添加剤の支配的成分である追加の添加剤が与えられる。このマグネシウムの量は2%超であるのが好ましく、4%超のマグネシウムが最も好ましい。マグネシウム合金は少なくとも85重量パーセントのマグネシウム、好ましくは90重量パーセント超のマグネシウムを含む。このマグネシウム合金中にも添加剤が与えられ、この場合アルミニウムがそのマグネシウム合金の添加剤中における支配的成分である。このアルミニウムは、好ましくはマグネシウム合金の少なくとも2重量パーセント、さらに好ましい少なくとも3重量パーセントを構成する。マグネシウム合金は、また、亜鉛を、好ましくは1重量パーセント超の量で含んでいてもよい。
【0017】
本発明によれば、第一基材と第二基材とが互いに接触配置される。第一基材は少なくとも90重量パーセントのアルミニウムと、少なくとも1種の金属を含む添加剤の第一の組とを含む。第二基材は少なくとも85重量パーセントのマグネシウムと、少なくとも1種の金属を含む添加剤の第二の組とを含む。この第一および第二基材は、約440〜500℃の範囲のある昇温された温度まで加熱される。この第一および第二基材に対して少なくとも1つの接触点において圧力が印加されて、その第一および第二基材を一緒に結合させる。
【0018】
結合が形成される機構は、マグネシウムとアルミニウムとのより低い融点の金属間相(intermetallic phase)の形成中に液化し、次いで冷却すると凝固して結合を作るそのような低融点金属間相を形成するマグネシウムおよびアルミニウムの拡散を含む。
【0019】
図1A−1Bは、マグネシウム基材とアルミニウム基材とを結合させ、そしてこの2つの基材を超塑性成形するプロセスを図解するものである。マグネシウム基材10およびアルミニウム基材12が、上部ダイハーフ16および下部ダイハーフ18を有する超塑性成形工具14の中に配置される。ダイハーフ16、18によって画成されるキャビティ中にガスを注入して基材10、12に圧力を印加するために、それらダイハーフ16、18の一方の中にガス入口24が設けられている。マグネシウム基材10とアルミニウム基材12とは、上部および下部ダイハーフ16、18上の接触面20、22によってそれぞれ一緒に圧締めされる。この2つの基材10、12は超塑性成形工具中で約440〜500℃の範囲の温度まで、好ましくは約450〜465℃の範囲の温度まで加熱される。基材10、12の両者に対して、入口24を通してガスを注入するのみならず、上部および下部ダイハーフ16、18の接触面20、22に相当する場所において圧力が印加される。マグネシウム基材10のアルミニウム基材12に対する結合は、接触面20、22と整列している基材10、12の接触点15において生ずる。追加の結合17が他の接触点に形成される。この追加の結合17は、2つの基材10、12の変形速度が異なること、およびガスがギャップまたは空間19を形成している基材10、12の間に補足されることに起因して生ずる。圧力は、マグネシウム基材10およびアルミニウム基材12の他の部分に、例えば基材10、12間に空気を吹き込むことによって印加してもよい。ある期間にわたって、マグネシウム基材10とアルミニウム基材12とは、共に、図1Bに示されるように、上部ダイハーフ16と下部ダイハーフ18の中にそれぞれ設けられているキャビティ28、30に相当する形状に超塑性成形される。
【0020】
図2A−2Bは、マグネシウム基材とアルミニウム基材とを結合し、そしてこの2つの基材を超塑性成形するプロセスのもう1つの態様を図解するものである。基材の一方―この場合アルミニウム基材12である―が、上部ダイハーフ16および下部ダイハーフ18を有する超塑性成形工具14の中に配置される。ダイハーフの一方―この場合上部ダイハーフ16である―が、上部および下部ダイハーフ16、18によって与えられるキャビティ中にガスを装填するためのガス入口24を含む。アルミニウム基材12が、上部および下部ダイハーフ16、18の接触面20、22の間でそれぞれ圧締めされる。第二基材―この場合マグネシウム基材10である―が、第一基材―この場合アルミニウム基材12である―の上に配置されるが、上部および下部ダイハーフ16、18の2つの接触面20、22の間で圧締めされていない。この2つの基材10、12は超塑性成形工具中で約400〜500℃の範囲の温度まで、さらに好ましくは約450〜465℃の範囲の温度まで加熱される。基材10、12の両者に対して、ガス入口24を通して空気を注入することによって圧力が印加され、この圧力が、その2つの基材を、上部および下部ダイハーフ―この場合下部ダイハーフ18である―の一方に対して押しつける。マグネシウム基材10のアルミニウム基材12に対する結合は、この2つの基材間の接触点17において生ずる。この場合、マグネシウム基材10は成形されたアルミニウム基材12に対して強化材として役立つ。
【0021】
本発明の方法は、熱処理オーブンおよび超塑性成形プレスの両者を用いて証明された。本発明により、5083アルミニウムおよびAZ31Bマグネシウムの24mm平方ピースを接触させ、そしてC−クランプを用いて一緒に色々な圧力まで圧締めした。これらの圧締めピースを、時間と温度の異なる組み合わせのための炉の中に入れて理想的な加工条件を決めた。マグネシウムピースとアルミニウムピースとの結合は445℃より高い温度で観察された。最適の結合は450℃と465℃との間で生じた。しかし、もっと高い温度もこの2つのピースの結合を生じさせることが確認された。
【0022】
上記の結合されたアルミニウムとマグネシウムとの標準溶接クーポンを作成した。その結合は500ポンドの負荷容量(load−carrying capacity)を達成した。アルミニウム溶接の米軍規格は、最低ゲージとして1.15ゲージのアルミニウムについて、最低値として370ポンドおよび最低平均値として465ポンドである。かくして、マグネシウムとアルミニウムのピース間結合は、標準クーポン試験において、アルミニウム溶接と同様にして成し遂げられた。しかし、このマグネシウム試料とアルミニウム試料との間に生じた結合のスクエア面積(square area)は、在来のスポット溶接ナゲットよりも大きく、従ってポンド/平方インチでの結合強さはそれに対応して低くなるだろうことに留意すべきである。
【0023】
予備的オーブン試験で確認された条件を超塑性成形プロセスで使用した。複数枚の75mm×75mm×12mmの5083アルミニウムピースと1枚の75mm×75mm×1.4mmのAZ331Bマグネシウムピースとのサンドイッチを用意した。このサンドイッチを超塑性成形プレス中に450℃において90psiの成形加重下で10分間入れて置いた。そのダイから成形品を取り出すと、そのアルミニウム/マグネシウムサンドイッチは一緒に結合されていた。結合前に特別の表面処理または洗浄処理は行わなかった。
【0024】
1.2mmの5083アルミニウムの35mm平方ピースを、AZ31Bマグネシウムの195mm平方ピースの上面に配置した。それより小さいアルミニウムピースを用いてそのシールビードの内側を全て接合させておいた。同様の大きさのブランクを用いて試験を行ったとき、シールビードの所の圧力は過度の溶融を、そして遂にはガス圧の低下を引き起こした。上記サンドイッチを超塑性成形プレス中に450℃で入れ、そして90psiで成形した。この一緒に結合されたアルミニウムシートとマグネシウムシートにより、小さい四角いパンがうまく成形された。これは、マグネシウムおよびアルミニウムのシートは、これらを複雑な形状に同時に成形し、続いて超塑性成形プロセス中に結合させることができ、かくしてアルミニウムとマグネシウムとの無溶接パッチ成形が可能になることを証明するものである。本発明は、アルミニウム合金およびマグネシウム合金はこれらを互いに拡散させて、この2種の合金が加熱されることになる温度よりも低い融点を有する金属間相を形成し、かくして非常に優れた結合が促進されるという発見を含む。
【0025】
本発明は、また、マグネシウムとアルミニウムの多重層を結合させることも含む。これらの層は前記の充実シート(solid sheet)であってもよいが、またマグネシウムまたはアルミニウムの箔、粉末、ペースト層、キャスト成形物(castings)、押出成形物(extrusions)および他の製品形態を含んでいてもよい。図3は、充実アルミニウムシートの第一層50、マグネシウムペーストの第二層52、およびアルミニウム箔の第三層54の結合を図解するものである。この結合は、図2Aおよび2Bに関して前記で説明した工程によって達成される。
【0026】
この発明は、特別の表面の準備または融剤なしでマグネシウムとアルミニウムとの間に結合を生成させることについて説明するものである。しかし、限定されるものではないが、Si、Cu、Mn、Cr、Zrを含めて、クリティカルな合金形成性元素のフラックス、ペーストまたは粉末の添加は、金属間相を、延性、従って結合強さを改善するように変性できるだろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1Aは、結合・超塑性成形工具でアルミニウム基材およびマグネシウム基材を本発明に従って接触させる工程を図解する。図1Bは、アルミニウム基材およびマグネシウム基材を本発明に従って超塑性成形する工程を図解する。
【図2】図2Aは、結合・超塑性成形工具でアルミニウム基材およびマグネシウム基材を本発明に従って接触させる工程を図解する。図2Bは、アルミニウム基材およびマグネシウム基材を本発明に従って結合および超塑性成形する工程を図解する。
【図3】アルミニウムおよびマグネシウムの層を本発明に従って結合する方法を図解する。
Claims (31)
- 第一基材の少なくとも一部分を第二基材の少なくとも一部分と接触させ、この場合第一基材は少なくとも50重量パーセントのアルミニウムを含み、また第二基材は少なくとも50重量パーセントのマグネシウムを含み;
上記第一および第二基材を440℃より高いある昇温された温度まで加熱し;そして
上記第一および第二基材に対して少なくとも1つの接触点において圧力を印加して、第一基材および第二基材が互いに接触する部分で第一および第二基材を一緒に結合させる
工程を含む方法。 - 第一基材の少なくとも一部分を第二基材の少なくとも一部分と接触させ、この場合第一基材は少なくとも90重量パーセントのアルミニウムを含み、また第二基材は少なくとも85重量パーセントのマグネシウムを含み;
上記第一および第二基材を約440〜500℃の範囲のある昇温された温度まで加熱し;そして
上記第一および第二基材に対して少なくとも1つの接触点において圧力を印加して、第一基材および第二基材が互いに接触する部分で第一および第二基材を一緒に結合させる
工程を含む方法。 - 第一基材の少なくとも一部分を第二基材の少なくとも一部分と接触させ、この場合第一基材は少なくとも90重量パーセントのアルミニウムと、少なくとも1種の金属を含む添加剤の第一の組とを含み、また第二基材は少なくとも85重量パーセントのマグネシウムと、少なくとも1種の金属を含む添加剤の少なくとも第二の組とを含み;
上記第一および第二基材を約440〜500℃の範囲のある昇温された温度まで加熱し;そして
上記第一および第二基材に対して少なくとも1つの接触点において圧力を印加して、第一基材および第二基材が互いに接触する部分で第一および第二基材を一緒に結合させる
工程を含む方法。 - 添加剤の第一の組がマグネシウムを含む、請求項3に記載の方法。
- 第一基材が約4.5重量パーセントのマグネシウムを含む、請求項3に記載の方法。
- 添加剤の第一の組がマグネシウムを含めて複数の金属を含み、この場合マグネシウムはその添加剤の第一の組の中にその複数の金属の最高濃度で存在している、請求項3に記載の方法。
- 添加剤の第二の組がアルミニウムを含む、請求項3に記載の方法。
- 添加剤の第二の組が約3重量パーセントのアルミニウムを含む、請求項3に記載の方法。
- 第二基材がアルミニウムおよび亜鉛をさらに含む、請求項3に記載の方法。
- 添加剤の第二の組がアルミニウムを含めて複数の金属を含み、この場合アルミニウムはその添加剤の第二の組の中にその複数の金属の最高濃度で存在している、請求項3に記載の方法。
- 第一基材が少なくとも95重量パーセントのアルミニウムを含む、請求項3に記載の方法。
- 第二基材が少なくとも90重量パーセントのマグネシウムを含む、請求項3に記載の方法。
- 昇温された温度が約445〜470℃の範囲である、請求項3に記載の方法。
- 昇温された温度が約450〜465℃の範囲である、請求項3に記載の方法。
- 第一基材の少なくとも一部分を第二基材の少なくとも一部分と接触させ、この場合第一基材は少なくとも90重量パーセントのアルミニウムと、少なくとも1種の金属を含む添加剤の第一の組とを含み、また第二基材は少なくとも85重量パーセントのマグネシウムと、少なくとも1種の金属を含む添加剤の第二の組とを含み;
上記第一および第二基材を約440〜500℃の範囲のある昇温された温度まで加熱し;
上記第一および第二基材に対して、この第一および第二基材の少なくとも1つの接触点において圧力を印加して、第一基材および第二基材が互いに接触する部分で第一および第二基材を一緒に結合させ;そして
上記第一および第二基材の他の部分に対して圧力を印加して、その第一および第二基材を所望の形状に超塑性成形する
工程を含む方法。 - 添加剤の第一の組がマグネシウムを含めて複数の金属を含み、この場合マグネシウムはその添加剤の第一の組の中に複数の金属の最高濃度で存在している、請求項15に記載の方法。
- 添加剤の第二の組がアルミニウムを含めて複数の金属を含み、この場合アルミニウムはその添加剤の第二の組の中に複数の金属の最高濃度で存在している、請求項15に記載の方法。
- 第一層の少なくとも一部分を第二層の少なくとも一部分と接触させ、この場合第一層は少なくとも90重量パーセントのアルミニウムと、少なくとも1種の金属を含む添加剤の第一の組とを含み、また第二層は少なくとも85重量パーセントのマグネシウムと、少なくとも1種の金属を含む添加剤の第二の組とを含み;
上記第一および第二層を約440〜500℃の範囲のある昇温された温度まで加熱し;そして
上記第一および第二層に対して、この第一および第二層の少なくとも1つの接触点において圧力を印加して、第一層および第二層が互いに接触する部分で第一および第二層を一緒に結合させる
工程を含む方法。 - 添加剤の第一の組がマグネシウムを含めて複数の金属を含み、この場合マグネシウムはその添加剤の第一の組の中に複数の金属の最高濃度で存在している、請求項18に記載の方法。
- 添加剤の第二の組がアルミニウムを含めて複数の金属を含み、この場合アルミニウムはその添加剤の第二の組の中に複数の金属の最高濃度で存在している、請求項18に記載の方法。
- 第一層が充実シートを含む、請求項18に記載の方法。
- 第二層が充実シートを含む、請求項18に記載の方法。
- 第一層が箔を含む、請求項18に記載の方法。
- 第一層が粉末を含む、請求項18に記載の方法。
- 第二層が粉末を含む、請求項18に記載の方法。
- 第一層がペーストを含む、請求項18に記載の方法。
- 第二層がペーストを含む、請求項18に記載の方法。
- 第一および第二層の内の少なくとも1層がキャスト成形物を含む、請求項18に記載の方法。
- 第一および第二層の内の少なくとも1層が押出成形物を含む、請求項18に記載の方法。
- 第一層、第二層、およびその第一および第二層間にある合金形成性元素を用意し、この場合第一層は少なくとも90重量パーセントのアルミニウムと、少なくとも1種の金属を含む添加剤の第一の組とを含み、また第二層は少なくとも85重量パーセントのマグネシウムと、少なくとも1種の金属を含む添加剤の第二の組とを含み;
上記第一および第二層を約440〜500℃の範囲のある昇温された温度まで加熱し;そして
上記第一および第二層に対して圧力を印加して、第一層および第二層が互いに接触する部分で第一および第二層を一緒に結合させる
工程を含む方法。 - 合金形成性元素がSi、Cu、Mn、CrおよびZrの内の少なくとも1種を含む、請求項30に記載の方法。
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