JP3797853B2

JP3797853B2 - 通電接合によるアルミニウム合金複合部材の製造方法

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Publication number: JP3797853B2
Application number: JP2000230053A
Authority: JP
Inventors: 修大橋
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2020-07-28
Also published as: JP2002035955A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金鋳造部材を同種のまたは異種の合金からなる鋳造部材または押出し部材に通電接合法によって接合してアルミニウム合金複合部材を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料同士を互いに接合して複合部材を製造する方法として、熱間一軸加圧法、熱間静水圧加圧法が代表的な方法として知られており、通常は、接合面を表面粗さ数μｍ程度の清浄な平滑面としている（例えば、特開昭５７−１９５５９３号公報）が、加圧力による機械的な食い込み効果を得るためにサンドブラスト等の方法によって被接合材の一方または両方の表面を粗くする方法も知られている（例えば、特開平４−３０９４７５号公報、特開平６−１５４６５号公報、特開平１０−３１４９６４号公報）。
【０００３】
これらの高温高圧を用いる接合方法の他に、図２の概略断面図に示すような装置を用いる通電加圧接合方法がある。この通電加圧接合方法は、黒鉛等で作られた側面用加圧型１，１の中に接合する複合部材８を取り付け、接合する複合部材８を黒鉛等の通電加圧用型２，２で上下方向から挟み、上部電極１１と下部電極１２を加圧装置１３で加圧しながら通電し、接合部で発生する抵抗熱と黒鉛等の型で発生する熱によって、接合する複合部材８を拡散接合する方法であり、ニッケル基合金等の接合に用いられている。
【０００４】
この通電加圧接合方法では、一般的には、接合面を平坦にすることが接合性を向上させるとの観点から、被接合部材同士の接合面の表面粗さを機械加工で表面粗さ（最大高さＲｙ）１０μｍ以下に加工し、接合面の酸化を防止するために真空容器１４内を排気装置１５で排気し、温度制御装置９で電源１０の電圧、電流を制御して接合する。
【０００５】
しかし、通電接合に際しては、被接合部材を直接接触させて接合する方法では、その接合強さは低い。そこで、インサートシートを用いてその融点以上に加熱する方法がある。例えば、インサート材としてＮｉ基合金またはＦｅ基合金を用い、その厚さを２０〜１００μｍとし、溶融したインサート材が接合面の凹凸を充填できるように接合面の粗さをＲ_max５０μｍ以下とする方法が知られている（特開平１１−２０７４７３号公報）。
【０００６】
また、図３の概略断面図に示すように、被接合部材３と被接合部材４との接合面間に金属粉末５を均一に分布させて、図２に示した通電加圧接合装置に取り付けて接合する方法がよく行われている。この接合面間に挿入する金属粉末５の量は、接合後の厚さにして１〜２ｍｍ程度必要である。
【０００７】
なお、自動車用部材等の組立で、金属板材を重ねて溶接する方法としてスポット溶接がある。この方法は、溶接する板材を電極で挟み、加圧しながら１〜２秒通電して、板材の溶接面間の金属を溶融させ、短時間で溶融溶接する方法である。このスポット溶接性の改善の目的で、接合する板材の一方に１個の突起を作製し、その突起部をもつ板材と平坦な板材を接触させ、スポット溶接時と同じように加圧・通電し、溶接部に溶融金属を発生させて溶接するプロジェクション溶接方法があるが、この方法は、通電加圧接合方法とは、溶接手法および接合表面の制御形態等が全く異なる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
自動車の動力は、シリンダー内をピストンが往復運動して発生している。エンジンの燃費や環境対策の観点から、ピストンの軽量化ならびに材質的な性能向上が図られてきた。しかし、今後、さらなる性能向上には、ピストン全体を高性能な単一材料で作製するより、ピストンのそれぞれの場所に適応した材料を配置して、それらの材料を組立接合することが要望されている。
【０００９】
例えば、図１に示すように、燃焼ガスに接する箇所には、従来の部材よりも優れた性質の耐熱・耐摩耗性合金部材１７を用いて現在使用されているＡｌ合金ピストン鋳造部材１８と接合することによって、ピストンの性能向上が期待される。このような複合部材は、ピストンのみならず、各種の機械部品等でその性能向上を可能とする。
【００１０】
金属部材の接合には、各種の方法があるが、現在、アルミニウム合金の溶接・接合法としては、アーク溶接、電子ビーム溶接、ろう付け、摩擦圧接、通電加圧接合等各種の方法が適用されている。上記の自動車用ピストンの組立接合に通電加圧接合法の適用が考えられるものの、接合面の平滑な切削・研磨加工にコストがかかり、また、金属粉末を接合面間に均一に分布させることは実験室的には可能であるが、生産現場的ではない。また、接合面積が大きくなるほど金属粉末を均一厚さに分布させることは困難になる。
【００１１】
この金属粉末の挿入に代わる接合方法としては、金属のろう付けの際に使用される「有機溶剤で金属粉末を板状に整形したシートろう材」を切断して使用する方法がある。しかし、この方法では、シートろう材が高価格のこと、また、シートろう材が溶融した際に発生するガスの影響が大きいことから、この「シートろう材」に変わる方法が求められている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、アルミニウム合金複合部材の製造方法において、低い接合温度・変形度で、接合面全体を同時に接合する通電加圧接合法を提供するものである。
すなわち、本発明は、アルミニウム合金部材を同種のまたは異種の合金からなる部材と接合して複合部材を製造する方法において、少なくとも一方の部材の接合面を加工して表面粗さ（最大高さＲｙ）を３０μｍ〜２００μｍの粗面にし、各被接合部材の清浄な接合面同士を接触させ、接合面と直交方向に通電加圧し、通電による接合面の加熱温度を４００〜５００℃、接合面に加える圧力を１０〜５０ＭＰａとすることを特徴とする通電接合によるアルミニウム合金複合部材の製造方法である。なお、表面粗さ（最大高さＲｙ）は、ＪＩＳ（Ｂ０６０１，表面粗さ−定義および表示）による。
【００１３】
また、本発明は、被接合部材の粗面の全面の凹部に金属粉末を平滑に分布させて接合面同士を接触させて通電加圧することを特徴とする上記の通電接合によるアルミニウム合金複合部材の製造方法である。
【００１４】
また、本発明は、被接合材を接合面と直交方向に通電加圧する通電加圧用型の他に被接合材を側面から押圧する側面押圧用型を用いることを特徴とする上記の通電接合によるアルミニウム合金複合部材の製造方法である。
【００１５】
通電接合方法では、接合面間のみを効率的に加熱することが望ましい。被接合部材と同種の金属粉末を接合面間に挿入して接合する方法では、被接合部材を直接的に接触させる方法よりも、接合部の電気抵抗が増加し、通電時に効率的に接合部を加熱することができる。しかしながら、前述のとおり、接合面積が大きくなるほど金属粉末を均一厚さに分布させることが困難になり、金属粉末の少ない接合部に空隙等の欠陥が生じやすい。
【００１６】
本発明者は、接合面の表面粗さを増加させると接合面間の電気抵抗が大きくなり、粗面の突起部が最初に発熱し、それが全接触面に広がって冶金的な接合を生じ、低い接合温度・変形度で接合面間を効率的に加熱することができ、金属粉末を用いないでもせん断強さで表される接合部の接合強度を増大させることができることを見いだした。
【００１７】
本発明の製造方法は、接合面の表面粗さ（最大高さＲｙ）を３０μｍ〜２００μｍの粗面にすることで、接合する面間において接触する箇所を不特定多数の凹凸状とし、接合後の真実接合面積を大面積、そして均一にすること、さらに接合部を積極的に溶融することなく、全体としては固相状態で接合部を形成するものである。従来の高温高圧による機械的な食い込み作用を利用するものと違って、本発明の方法で形成した接合部の断面は光学顕微鏡写真で見て、かなり滑らかなうねりとなっていることが確認された。表面粗さ（最大高さＲｙ）が３０μｍ未満では、接合部のせん断強さが小さく、また２００μｍを超えると接合に伴う縮み代が大きくなる。
【００１８】
通電による加熱温度は、４００〜５００℃が好ましい。好適な温度範囲は、被接合部材の合金組成によって多少異なるが、４００℃未満では接合面での真実接合面積が少ない。５００℃を超えると部分溶融することがある。被接合部材としてアルミニウム鋳造合金ＡＣ８Ａを用いる場合は、約４７５℃が好ましい。
接合面に加える圧力は、１０〜５０ＭＰａが好ましい。１０ＭＰａ未満では、接合面での真実接合面積が少なく、５０ＭＰａを超えると、被接合部材の変形が大きくなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は、鋳造、鍛造、押出し加工、粉末冶金等で製造したアルミニウム合金部材を同種のアルミニウム合金部材や異種の合金部材、例えばアルミニウム青銅等の銅合金、ニレジスト合金（Ｆｅ７０％，Ｎｉ１５％，Ｃｕ６％他）等の鉄合金等と通電加圧接合を可能にし、その接合強度を大幅に向上させる方法である。
【００２０】
通電加圧接合方法において、図４に示すように、接合面の表面粗さ（最大高さＲｙ）７を３０μｍ〜２００μｍと大きくし、接合箇所の電気抵抗を大きくすることが、接合部の発熱を促進して、接合部の特性を向上させることに効果がある。つまり、図４に示すように、被接合部材６の表面粗さ（最大高さＲｙ）７を３μｍ、１０μｍ、３０μｍ、２００μｍと変えて、図６に示すように、側面加圧用型１および通電加圧用型２からなる黒鉛の型の中で接合面を直接接触させて電気抵抗を測定した結果、接合面の表面粗さが３０μｍ〜２００μｍの部材を直接接触させた時の電気抵抗は、従来の接合面を１０μｍ以下に加工して接合面の間に金属粉末を挿入した図３に示す従来法と同程度である。このように、接合面の表面粗さ（最大高さＲｙ）７が３０μｍ〜２００μｍの粗面に研磨加工した部材を用いた際、金属粉末を使用しなくても接合面間の電気抵抗が大きくなる。
【００２１】
また、接合面の表面粗さ（最大高さＲｙ）７が３０μｍ〜２００μｍに研削・研磨加工した部材を用いて接合した接合部では、図３に示した従来例のように金属粉末を１ｍｍの厚さに挿入しての接合部と同程度の強さが得られる。本発明の製造方法は、同じ粗さの粗面をもつ被接合部材２個を用いて、接合する方法に限らず、一方の被接合部材のみの表面粗さ（最大高さＲｙ）を３０μｍ〜２００μｍとしても同様の接合の効果が得られる。
【００２２】
接合面の間に金属粉末を挿入してもよい。金属粉末組成は、接合する材料に最適な組成粉末、例えば鋳造材とほぼ同じ組成粉末を使用することが好ましい。接合面の表面粗さ（最大高さＲｙ）７が３０μｍ〜２００μｍに研磨加工した部材では、図５に示すように、粗面を上向きにして粗面上に金属粉末を散布して金属板等で均して余分の金属粉末を掻き出すことにより、金属粉末を接合表面の全面に均一に分布させることが容易にできる。図７に示すように、片方の被接合部材の粗面の凹部に金属粉末を均一に満たして接合した場合、電気抵抗が大きく接合部のせん断強さが大きくなる。
【００２３】
金属粉末を分布させた被接合物の表面に金属薄板等をあてがい上下反転させて下側の被接合材に載せて金属薄板を除去したり、金属粉末を結合剤と混合して分布させたり、分布させた金属粉末を仮焼結すれば、金属粉末を接合表面の全面に均一に分布させた被接合材を通電加圧のために黒鉛型にセットする際に上側に位置させることもできる。このように、挿入する粉末の層の厚みを接合面全面で均一にすることができる。
【００２４】
被接合部材の外周に取り付ける側面加圧用型１および通電加圧用型２は、特に黒鉛に限定するものではなく、側面加圧用型１および通電加圧用型２の部品を金属製型、側面加圧用型１をセラミックスにすることもできる。
【００２５】
また、被接合部材が大きくなると、接合面間の温度均一性を達成するために、側面加圧用型１および通電加圧用型２の内部に加熱用ヒーターを埋め込むことも有用である。さらに、側面加圧用型１は、接合部材の変形を抑制する効果が大きく、被接合部材が大きいときには、被接合部材の周りに局部的に取り付けることもできる。
【００２６】
通電加熱用の電源は周波数３００Ｈｚの３相直流全波整流を使用することができる。さらに、直流全波整流波形、周波数が高い５ｋＨｚ、２０ｋＨｚを有する電圧波形、それに脈流のない直流電源についても比較検討したが、電源の周波数およびその電圧波形は、接合部の特性には影響しない。
【００２７】
通電による加熱温度は４００〜５００℃が好ましい。好適な温度範囲は、被接合部材の合金組成によって多少異なるが、被接合部材としてアルミニウム鋳造合金ＡＣ８Ａを用いる場合は、約４７５℃が好ましい。
【００２８】
Proceedings of NEDO International Symposium on Functionally Graded Materials（東京、1999,October,21-22）で、N.Kuroishi（株クボタ）は超塑性粉末を通電焼結装置で成形し、さらにその成形体を超塑性加工成形して単−のアルミニウム合金製のピストン部品を製作できることを、予稿集67-74 で述べている。ピストンに成形する際の超塑性加工時の温度と加圧力は、本発明の製造方法における接合温度と圧力に、ほぼ一致する。
【００２９】
したがって、本発明の製造方法によれば、図１に示した形状のピストンを作製するに際し、接合面の表面粗さ（最大高さＲｙ）を３０μｍ〜２００μｍとした円盤状の耐熱・耐摩耗性合金部材１７と円盤状の超塑性特性を有するＡｌ合金製鋳造部材１８を接触させ、接合時に鋳造部材１８を超塑性変形させ、耐熱・耐摩耗性合金部材１７と鋳造部材１８を接合すると同時に、鋳造部材１８を図１に示すように成形し、成形と接合を同時に達成することができる。耐熱・耐摩耗性合金部材１７は、上面は複雑な形状を有しており、耐熱・耐摩耗性合金部材１７に超塑性特性を有する材料を用いて、成形と同時に接合を達成することもできる。
【００３０】
【実施例】
被接合部材としてアルミニウム鋳造合金ＡＣ８Ａ（Ａｌ−１２Ｓｉ−１Ｃｕ−１Ｍｇ−１Ｎｉ）、押出し成形アルミニウム合金（Ａｌ−１２Ｓｉ−８Ｆｅ−１．６Ｃｕ−０．１Ｍｎ−０．２Ｍｇ）を使用した。前者は、従来のピストン用鋳造合金（以下鋳造部材と略す）、後者は、耐熱・耐摩耗性アルミニウム合金（押出し部材と略す）である。いずれも、直径２０ミリである。丸棒から厚さ７ｍｍに加工して、旋盤の送り速度を変化させて切削することで、図４に示す接合面の表面粗さ（Ｒｙ）７を３μｍ，１０μｍ，３０μｍ，２００μｍに変化させた部材を作製した。
【００３１】
被接合部材を旋盤による切削加工後、アセトン中で超音波洗浄して、接合に供した。粉末組成は、鋳造材とほぼ同じ組成粉末を使用した。被接合部材を図２に示す通電加圧装置に取り付け、通電して接合した。加熱途上では電圧、電流が大きいが、所定温度４７５℃に保持する電流、電圧はやや低下し、１．５Ｖ，７００Ａであつた。電源は周波数３００Ｈｚの３相直流全波整流を使用した。
【００３２】
接合時の加圧力は、図６および図７に示す黒鉛製の側面加圧用型１を用いた実施例では、４７ＭＰａ，１６ＭＰａを加えて実施した。この際の被接合部材の長さ方向の縮み代は、表面粗さの半分程度で、非常に少なく、径方向の形状変化もない。
【００３３】
一方、図８および図９に示す黒鉛製の側面加圧用型１を用いない実施例では、１６ＭＰａの接合圧力を加えた。この際には、接合方向の縮み代は、約２ｍｍで、直径方向の増加量は約１．５ｍｍであった。
【００３４】
接合後に接合体を厚さ５ｍｍ、幅１８ｍｍ、長さ１４ｍｍに加工した。長さ方向の中央部に接合部がある。この接合体をせん断試験機に取り付け、せん断強さを測定した。
【００３５】
実施例１
接合面の表面粗さ（Ｒｙ）７が３０μｍの鋳造材同士を、図６に示すように接触させ、４７５℃で真空中で加熱し接合した。その接合部のせん断強さは、１００ＭＰａであった。これは鋳造部材の母材と同程度のせん断強さである。
【００３６】
実施例２
接合面の表面粗さ（Ｒｙ）７が２００μｍの鋳造部材同士を、図６に示すように接触させ、４７５℃で真空中で加熱し接合した。その接合部のせん断強さは、１００ＭＰａであった。
【００３７】
実施例３
接合面の表面粗さ（Ｒｙ）７を３０μｍに加工した鋳造部材と押出し部材とを、図６に示すように接触させ、４７５℃で真空中で加熱し接合した。その接合部のせん断強さは、１００ＭＰａであった。このように、押出し部材と鋳造部材の接合もできる。
【００３８】
実施例４
接合面の表面粗さ（Ｒｙ）７を３０μｍに加工した鋳造部材と押出し部材とを、図６に示すように接触させ、４７５℃で大気中で加熱し接合した。その接合部のせん断強さは、１００ＭＰａであった。このように、接合は大気中でも可能である。
【００３９】
実施例５
接合面の表面粗さ（Ｒｙ）７を３０μｍに加工した鋳造部材と押出し部材を作製した。押し出し部材の粗面の凹部に、４０３２アルミニウム合金粉末を図５のように、凹部を埋めるように均一に分布させ、図７に示すように接触させ、４７５℃で真空中で加熱し接合した。その接合部のせん断強さは、１００ＭＰａであった。このように、一部金属粉末を介しても簡単に接合できる。
【００４０】
実施例６
接合面の表面粗さ（Ｒｙ）７を３０μｍに加工した鋳造部材と押出し部材とを、図８に示すように接触させ、４７５℃で真空中で加熱し接合した。その接合部のせん断強さは、１００ＭＰａであった。このように、接合部の周りの黒鉛製の型がなくとも接合できる。
【００４１】
実施例７
接合面の表面粗さ（Ｒｙ）７を３０μｍに加工した鋳造部材と押出し部材を作製した。押し出し部材の粗面の凹部に、４０３２アルミニウム合金粉末を図５のように分布させ、図９に示すように、被接合面同士を接触させ、４７５℃で真空中で加熱し接合した。その接合部のせん断強さは、１００ＭＰａであった。このように、一部金属粉末を介しても簡単に接合できる。
【００４２】
比較例１
接合面の表面粗さ（Ｒｙ）７が３μｍの鋳造部材同士を、図６に示すように接触させ、４７５℃で真空中で加熱し接合した。その接合部のせん断強さは、２０ＭＰａであった。
【００４３】
比較例２
接合面の表面粗さ（Ｒｙ）７が１０μｍの鋳造部材同士を、図６に示すように接触させ、４７５℃で真空中で加熱し接合した。その接合部のせん断強さは、２０ＭＰａであった。
【００４４】
【発明の効果】
従来の通電加圧接合法では、接合面間に均一の厚さに金属粉末を分布させる必要があり、ピストンのように直径５〜１０ｃｍとなると非常に困難であった。また、接合面の加工に際して、粗加工と微細加工の２工程を要していた。
【００４５】
本発明の製造方法によれば、被接合材の接合面の切削・研磨加工を、接合面の粗さが大きい１工程のみで十分であり、また接合面間に金属粉末を挿入しなくても低温加熱で接合でき、接合強さ（せん断強さ）の大きい接合部を有する複合材を製造することができる。接合部の品質の安定化の目的で、接合面間に金属粉末を挿入する場合でも被接合部材の粗面の凹部に金属粉末を散布して粗面上を金属板等で均して余分の金属粉末を掻き出す等の方法により容易にでき、接合面間に金属粉末を均一に挿入する手間をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、接合により２個の合金部材を複合した自動車用ピストンの断面図である。
【図２】図２は、通電加圧接合装置の概念を示す断面図である。
【図３】図３は、通電加圧接合装置に被接合部材を従来の方法でセットした状態を示す断面図である。
【図４】図４は、接合面の表面粗さを大きくした被接合部材を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、接合面粗さを大きくした被接合部材の表面上に金属粉末を散布した状態を模式的に示す断面図である。
【図６】図６は、図４に示す接合面の表面粗さを大きくした被接合部材を通電加圧接合用型に取り付けた状態を模式的に示す断面図である。
【図７】図７は、図４と図５に示す接合面粗さを大きくした被接合部材を通電加圧接合用型に取り付けた状態を模式的に示す断面図である。
【図８】図８は、図４に示す接合面の表面粗さを大きくした被接合部材を黒鉛製通電加圧用型のみで接合する状態を模式的に示す断面図である。
【図９】図９は、図４と図５に示す接合面の表面粗さを大きくした被接合部材を黒鉛製通電加圧用型のみで接合する状態を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１側面加圧用型
２通電加圧用型
３被接合部材
４被接合部材
５接合用金属粉末
６被接合部材
７接合面の表面粗さ（最大高さＲｙ）
８接合する複合部材
９温度制御装置
１０電源
１１上部電極
１２下部電極
１３加圧装置
１４真空容器
１５排気装置
１７耐熱・耐摩耗性合金部材
１８Ａｌ合金鋳造部材

Claims

アルミニウム合金部材を同種のまたは異種の合金からなる部材と接合して複合部材を製造する方法において、少なくとも一方の部材の接合面を加工して表面粗さ（最大高さＲｙ）を３０μｍ〜２００μｍの粗面にし、各被接合部材の清浄な接合面同士を接触させ、接合面と直交方向に通電加圧し、通電による接合面の加熱温度を４００〜５００℃、接合面に加える圧力を１０〜５０ＭＰａとすることを特徴とする通電接合によるアルミニウム合金複合部材の製造方法。
被接合部材の粗面の全面の凹部に金属粉末を平滑に分布させて接合面同士を接触させて通電加圧することを特徴とする請求項１記載の通電接合によるアルミニウム合金複合部材の製造方法。
被接合材を接合面と直交方向に通電加圧する通電加圧用型の他に被接合材を側面から押圧する側面押圧用型を用いることを特徴とする請求項１記載の通電接合によるアルミニウム合金複合部材の製造方法。