JP3848707B2 - 時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法 - Google Patents
時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを接合した接合体についての製造方法であって、アルミニウム合金に強度が要求される産業用、自動車用などの部品、更に詳しくは超音波加工に用いられるホーンに代表される加工工具、ロッカーアーム、ピストン、タペット、バブルリフタ−等に代表されるエンジン用部品の製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】
アルミニウム合金は、軽量であるが、強度、硬度が低いことに問題があり、その強度、硬度向上については、例えばAl−Cu系合金のように熱処理(溶体化、水冷、時効硬化処理)を行い強度及び硬度を向上させる手法が確立している。その手法は、例えばJISに参考として示されており、各種アルミニウム合金の熱処理条件が決められている。例えばJIS−A2024のT4処理は、490〜500℃に加熱し溶体化した後、水冷し、時効硬化処理として室温で96時間放置する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の各種アルミニウム合金の熱処理と同様の手法により、アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の全体を水冷した場合には、セラミックスは熱衝撃抵抗が低いため、セラミックス部材が割れたり、クラックが入ったりする場合があった。更に、アルミニウム合金部材とセラミックス部材とをろう付け等の化学的に接合した接合体においては、水冷により熱衝撃が接合界面に加わり接合界面の強度が低下するおそれもあった。
【0004】
本発明の課題は、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを接合した接合体の製造方法であって、セラミックス部材を損傷せずに時効硬化型アルミニウム合金の硬さ及び接合強度が高い接合体を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段・作用】
その手段は、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを接合し、溶体化し、前記時効硬化型アルミニウム合金部材の少なくとも一部を液体に浸漬し、時効硬化処理する時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法である。
この製造方法により、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを接合した接合体全体を液体により冷却する場合に比べ、セラミックス部材の損傷が少なくなる。
また、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合界面から5mm以上離れた位置の時効硬化型アルミニウム合金部材を液体に浸漬する接合体の製造方法が好ましい。
この製造方法により、接合した接合体全体を冷却する場合に比べ、セラミックス部材の損傷がより少なくなる。
また、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合界面から10mm以上離れた位置の時効硬化型アルミニウム合金部材を液体に浸漬する接合体の製造方法が好ましい。
この製造方法により、接合した接合体全体を冷却する場合に比べ、セラミックス部材の損傷が更に少なくなる。
また、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合界面から30mm以上離れた位置の時効硬化型アルミニウム合金部材を液体に浸漬する接合体の製造方法が好ましい。
この製造方法により、接合した接合体全体を冷却する場合に比べ、セラミックス部材の損傷が更にもっと少なくなる。
ここで、「時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合界面」とは、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを中間部材等を介した場合にはその中間部材等とセラミックス部材との接合界面をいう。また、その「時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合界面」は、セラミックス部材の接合端面が拡散ないし拡散の影響を受けてその端面に拡散層等が形成されている場合には、拡散ないし拡散の影響を受けていない部分(セラミックス部材)と拡散ないし拡散の影響を受けている拡散層との界面をいう。
【0006】
ここで、時効硬化型アルミニウム合金には、例えばJISに規格されている2000番台のAl−Cu系合金、4000番台のAl−Si系合金の一部、5000番台のAl−Mg系合金の一部、6000番台のAl−Mg−Si系合金、7000番台のAl−Zn−Mg系合金、或いはJIS−AC1A、JIS−AC1B、JIS−AC4A、JIS−AC8Aなど溶体化後水冷により強度を得るようなアルミニウム合金鋳物、JIS−ADC1、JIS−ADC10などのアルミニウムダイカスト合金等がある。
アルミニウム合金は一般的には、時効硬化された状態で市販されている場合が多いが、セラミックス部材と接合するに際し、ろう付等によって加熱処理される場合(345℃以上の温度にて加熱される場合)には、焼き鈍しされてしまいアルミニウム合金本来の強度、硬さが得られない場合に本発明は好適に利用できる。また、時効硬化されていないアルミニウム合金に対しても本発明は好適に利用できる。
ここで浸漬に用いる液体は、常温の水、温水、沸騰水が好ましいが、アルミニウム合金に所定の強度を得ることができれば、水以外のオイル類、アルコール類などの液体あるいはこれらを混合した液体でもかまわない。
セラミックスとしては、窒化珪素、サイアロン、ジルコニア、アルミナ、炭化珪素、TiN・TiC系サーメットなどあるいはこれらが複合された材料など周知の材料の使用が可能であるが、液体による冷却により損傷を受けやすい材料に対して特に効果がある。
【0007】
ここで、溶体化とは、時効硬化型アルミニウム合金部材の強度及び硬度を向上させるための熱処理の一部をいい、具体的には加熱のことである。その加熱するときの加熱温度としては、JIS規格等に参考として示されておりその一部を表1に抜粋するが、本発明における溶体化するときの溶体化温度はこれらに限定されるものではない。即ち、本発明は、ろう付け時等の熱処理により、焼き鈍しされた時効硬化型アルミニウム合金部材の強度や硬度を適用しようとする製品に要求される値に改善できればよい。従って、溶体化するときの溶体化温度は、表1に示す溶体化温度を上回っても下回ってもどちらでもよい。
【0008】
【表1】
【0009】
また、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを接合する方法として、ろう付、摩擦圧接、鋳ぐるみ方法等がある。特にろう付、摩擦圧接のようにそれぞれの部材が化学的に接合した方法が、本発明の適用にはより有効である。その理由は、アルミニウム合金の熱膨張係数は約20×10-6/℃以上とセラミックス(約10×10-6/℃以下)に比べ大きく、溶体化後の水冷(急冷)により短時間で大きく収縮するため、それぞれの部材が化学的に接合されているものは接合界面に大きな応力が働き、セラミックス部材自身のみならず接合部の強度低下を招く恐れがある。そのため浸漬する位置がセラミックス部材から遠いほど接合界面近傍のアルミニウム合金の収縮の速度が遅くなり接合部に働く応力も小さくなる。
【0010】
【発明の実施の形態】
−実施例1−
本発明は、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法であって、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを接合し、溶体化し、前記時効硬化型アルミニウム合金部材の少なくとも一部を液体に浸漬し、時効硬化処理する製造方法である。
本実施例では、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを軟質金属等の中間部材を介さずに接合した時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法について説明する。
具体的には、時効硬化型アルミニウム合金部材3とセラミックス部材2とをろう材7にて接合した接合体1を用いた(図1、図2)。
セラミックス部材2として、ジルコニアよりなる丸棒(直径10mm、長さ10mm)を用意し、接合面となる片側端面に蒸着法により厚さ0.2μmのAl膜6を成膜した。
時効硬化型アルミニウム合金部材3として、表2に示す材質の丸棒(直径10mm、長さ50mm)を用意した。
ろう材7として重量で60%Zn−27.4%Al−10.8%Cu−1.8%Siの合金箔(直径10mm、厚さ0.05mm)を準備し、これらを図2に示す順番に重ね合わせ、治具(図示しない)にセットした。
これらを真空炉中にセットして10-4Torrまで排気した後、500℃でろう付を行った。
得られた接合体1を▲1▼溶体化し、▲2▼冷却した後、▲3▼時効硬化処理を行った。
▲1▼溶体化は、表2に記載の各温度に1時間保持することにより行った。
▲2▼冷却は、溶体化後に直ちに図7に示す様に「室温の液体(水)」に浸漬することにより行った。
▲3▼時効硬化処理は、所定の温度にて所定の時間放置することにより行った。具体的には、時効硬化処理は、アルミニウム合金部材3を室温で96時間以上放置することにより行った。
比較として▲1▼溶体化し、▲2▼接合体全体を水中に浸漬した後、▲3▼時効硬化処理を行ったものを作製した(図示せず)。
時効硬化処理後に、接合体1の接合界面を含む外周を直径9mmに円筒研削し、時効硬化型アルミニウム合金部材3をクランプして片持ち曲げ試験にて接合強度を評価した(図8)。また、強度評価終了後に時効硬化型アルミニウム合金部材3の中央部を切断し、断面の略中央でのビッカース硬さを測定した(図10)。
結果を表2に示す。尚、表中の5mm、10mm、30mmは、図9の拡大図(A)に示す接合界面の位置から図7に示す液面までの距離を示す。
【0011】
【表2】
【0012】
本発明の実施例の接合体は、いずれもセラミックス部材にクラックや部材同士の剥離の発生がなく良好な接合強度を示したが、接合体全体を浸漬したもの(No.07)は浸漬後の外観検査においてセラミックス部材にクラックの発生が確認された。
水冷位置がセラミックス部材の接合界面から離れる程接合体の強度は高くなることが分かった。
また、時効硬化型アルミニウム合金の硬さについて、ろう付け後の硬さが、HV80であったのに対し、No.01〜07の試料はすべて向上していた。そして、接合体の全体を水冷したものと、時効硬化型アルミニウム合金部材の少なくとも一部分を水冷したものとほとんど同等の硬さであった。
【0013】
−実施例2−
本実施例では、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを一つの中間部材を介して接合した時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法について説明する。
具体的には、時効硬化型アルミニウム合金部材3’とセラミックス部材2’とを中間部材5’を介してろう材7’にて接合した接合体を用いた(図3、図4)。
セラミックス部材2’として窒化珪素よりなる丸棒(直径5mm、長さ5mm)を用意し、接合面となる片側端面に蒸着法により厚さ1μmのAl膜6’を成膜した。
時効硬化型アルミニウム合金部材3’として表3に示す材質よりなる丸棒(直径5mm、長さ50mm)を用意した。
中間部材5’として、JIS−A1050のアルミニウム合金の円板(直径5mm、厚さ0.5mm)を用意した。
ろう材7’として重量で60%Zn−27.4%Al−10.8%Cu−1.8%Siの合金箔(直径5mm、厚さ0.05mm)を準備し、これらを図4に示す順番に重ね合わせ、治具(図示しない)にセットした。
これらを真空炉中にセットして10-4Torrまで排気した後、500℃でろう付を行った。
得られた接合体1を▲1▼溶体化し、▲2▼冷却した後、▲3▼時効硬化処理を行った。
▲1▼溶体化は、大気中490℃にて1時間保持することにより行った。
▲2▼冷却は、溶体化後に直ちに図7に示す様に室温の液体(水)に浸漬することにより行った。
▲3▼時効硬化処理は、所定の温度にて所定の時間放置することにより行った。具体的には、時効硬化処理は、アルミニウム合金部材3’を室温で96時間以上放置することにより行った。
比較として▲1▼溶体化し、▲2▼接合体全体を水中に浸漬した後、▲3▼時効硬化処理を行ったものを作製した(図示せず)。
時効硬化処理後に、接合体1’の接合界面を含む外周を直径4mmに円筒研削し、時効硬化型アルミニウム合金部材3’をクランプして片持ち曲げ試験にて接合強度を評価した(図8)。また、強度評価終了後に時効硬化型アルミニウム合金部材3’の中央部を切断し、断面の略中央でのビッカース硬さを測定した(図10)。
結果を表3に示す。尚、表中の5mm、10mm、30mmは、図9の拡大図(B)に示す接合界面の位置から図7に示す液面までの距離を示す。
【0014】
【表3】
【0015】
本発明の実施例の接合体は、いずれもセラミックス部材にクラックや部材同士の剥離の発生がなく良好な接合強度を示したが、接合体全体を浸漬したもの(No.15)は浸漬後の外観検査においてセラミックス部材2’と中間部材5’(1050)の間に大きな隙間が認められ接合強度が極端に低かった。又、浸漬位置がセラミックス部材の接合界面から離れる程接合体の強度は高くなることが分かった。
また、時効硬化型アルミニウム合金の硬さについては、接合体の全体を浸漬したものと時効硬化型アルミニウム合金の少なくとも一部分を浸漬したものとは、ほとんど同等の硬さであった。
【0016】
−実施例3−
本実施例では、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを二つの中間部材を介して接合した時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法について説明する。
具体的には、時効硬化型アルミニウム合金部材3”とセラミックス部材2”とを二つの中間部材4”、5”を介してろう材7”にて接合した接合体1”を用いた(図5、図6)。
セラミックス部材2”として、ジルコニアよりなる丸棒(直径10mm、長さ10mm)を用意し、接合面となる片側端面に蒸着法により厚さ0.2μmのAl膜6”を成膜した。
時効硬化型アルミニウム合金部材3”として、表4に示す材質の丸棒(直径10mm、長さ50mm)を用意した。
中間部材4”として、JIS− A5052のアルミニウム合金の円板(直径10mm、厚さ0.5mm)を用意した。
中間部材5”として、JIS− A1050のアルミニウム合金の円板(直径10mm、厚さ0.5mm)を用意した。
ろう材7”として重量で60%Zn−27.4%Al−10.8%Cu−1.8%Siの合金箔(直径10mm、厚さ0.05mm)を準備し、これらを図6に示す順番に重ね合わせ、治具(図示しない)にセットした。
これらを真空炉中にセットして10-4Torrまで排気した後、500℃でろう付を行った。
得られた接合体1”を▲1▼溶体化し、▲2▼冷却した後、▲3▼時効硬化処理を行った。
▲1▼溶体化は、表4に記載の各温度に1時間保持することにより行った。
▲2▼冷却は、溶体化後に直ちに図7に示す様に室温の液体(水)に浸漬することにより行った。
▲3▼時効硬化処理は、所定の温度にて所定の時間放置することにより行った。具体的には、時効硬化処理は、JIS−A2024の時効硬化型アルミニウム合金部材3”については、室温で96時間以上放置することにより、JIS−A7075の時効硬化型アルミニウム合金部材3”については、120℃で24時間以上放置することにより行った。
比較として▲1▼溶体化し、▲2▼接合体全体を水中に浸漬した後、▲3▼時効硬化処理を行ったものを作製した(図示せず)。
時効硬化処理後に、接合体1”の接合界面を含む外周を直径9mmに円筒研削し、時効硬化型アルミニウム合金部材3”をクランプして片持ち曲げ試験にて接合強度を評価した(図8)。また、強度評価終了後に時効硬化型アルミニウム合金部材3”の中央部を切断し、断面の略中央でのビッカース硬さを測定した(図10)。
結果を表4に示す。尚、表中の5mm、10mm、30mmは、図9の拡大図(B)に示す接合界面の位置から図7に示す液面までの距離を示す。
【0017】
【表4】
【0018】
本発明の実施例の接合体1”は、いずれもセラミックス部材にクラックや部材同士の剥離の発生がなく良好な接合強度を示したが、接合体全体を浸漬したもの(No.9、10)は浸漬後の外観検査においてセラミックス部材にクラックの発生が確認された。
浸漬位置(冷却位置)がセラミックス部材2”の接合界面から離れる程接合体の強度は高くなることが分かった。
また、時効硬化型アルミニウム合金の硬さについては、接合体の全体を浸漬したものと時効硬化型アルミニウム合金の少なくとも一部分を浸漬したものとは、ほとんど同等の硬さであった。
【0019】
−実施例4−
実施例1〜3においては、液体に浸漬(冷却)する場合のその液体を「室温の水」で行ったが、本実施例では、その液体を「80℃の温水」と「常温の機械油」
にて行った。
本実施例では、実施例3と同様に時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを二つの中間部材を介して接合した時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法について説明する。
具体的には、時効硬化型アルミニウム合金部材3”とセラミックス部材2”とを二つの中間部材4”、5”を介してろう材7”にて接合した接合体1”を用いた(図5、図6)。
セラミックス部材2”として、ジルコニアよりなる丸棒(直径10mm、長さ10mm)を用意し、接合面となる片側端面に蒸着法により厚さ0.2μmのAl膜6”を成膜した。
時効硬化型アルミニウム合金部材3”として、JIS− A2024よりなる材質の丸棒(直径10mm、長さ50mm)を用意した。
中間部材4”として、JIS−A5052のアルミニウム合金の円板(直径10mm、厚さ0.5mm)を用意した。
中間部材5”として、JIS−A1050のアルミニウム合金の円板(直径10mm、厚さ0.5mm)を用意した。
ろう材7”として重量で60%Zn−27.4%Al−10.8%Cu−1.8%Siの合金箔(直径10mm、厚さ0.05mm)を準備し、これらを図6に示す順番に重ね合わせ、治具(図示しない)にセットした。
これらを真空炉中にセットして10-4Torrまで排気した後、500℃でろう付を行った。
得られた接合体1”を▲1▼溶体化し、▲2▼冷却した後、▲3▼時効硬化処理を行った。
▲1▼溶体化は、490℃にて大気中で1時間保持することにより行った。
▲2▼冷却は、溶体化後に直ちに図7に示す様に表5に示す冷却液に浸漬することにより行った。「常温の機械油」としては、JIS−K2238に規定される中粘度の機械油を使用した。
▲3▼時効硬化処理は、所定の温度にて所定の時間放置することにより行った。具体的には、時効硬化処理は、JIS−A2024の時効硬化型アルミニウム合金部材3”については、室温で96時間以上放置することにより行った。
比較として▲1▼溶体化し、▲2▼接合体全体を水中に浸漬した後、▲3▼時効硬化処理を行ったものを作製した(図示せず)。
時効硬化処理後に、接合体1”の接合界面を含む外周を直径9mmに円筒研削し、時効硬化型アルミニウム合金部材3”をクランプして片持ち曲げ試験にて接合強度を評価した(図8)。また、強度評価終了後に時効硬化型アルミニウム合金部材3”の中央部を切断し、断面の略中央でのビッカース硬さを測定した(図10)。
結果を表5に示す。尚、表中の5mm、10mm、30mmは、図9の拡大図(B)に示す接合界面の位置から図7に示す液面までの距離を示す。
【0020】
【表5】
【0021】
接合体全体を浸漬した場合、接合強度が大きく低下した。一方本発明によれば接合強度の低下もほとんどなく硬さも充分高いものが得られた。
また、浸漬する液体は、「80℃の温水」、「常温の機械油」いづれであっても本発明の範囲内で浸漬を行えば、室温の水と同様に問題はなかった。
【0022】
【発明の効果】
本発明の製造方法により、セラミックス部材を損傷せずに時効硬化型アルミニウム合金の硬さ及び接合強度が高い接合体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実験例1のセラミックス部材と時効硬化型アルミニウム部材との接合体を示す斜視図である。
【図2】本発明の実験例1のセラミックス部材と時効硬化型アルミニウム部材との接合体の接合する直前の状態を示す正面図である。
【図3】本発明の実験例2のセラミックス部材と時効硬化型アルミニウム部材との接合体を示す斜視図である。
【図4】本発明の実験例2のセラミックス部材と時効硬化型アルミニウム部材との接合体の接合する直前の状態を示す正面図である。
【図5】本発明の実験例3、4のセラミックス部材と時効硬化型アルミニウム部材との接合体を示す斜視図である。
【図6】本発明の実験例3、4のセラミックス部材と時効硬化型アルミニウム部材との接合体の接合する直前の状態を示す正面図である。
【図7】本発明のセラミックス部材と時効硬化型アルミニウム部材との接合体の製造方法を示す平面図である。
【図8】実施例の接合強度の測定方法を示す平面図である 。
【図9】接合体の接合界面を示す平面図及びその拡大図(A)(B)である 。
【図10】ビッカース硬度の測定位置を示す斜視図である 。
【符号の説明】
1・・・・ 接合体
2・・・・ セラミックス部材
3・・・・ 時効硬化型アルミニウム部材
4・・・・ 中間部材
5・・・・ 中間部材
Claims (3)
- 時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを接合し、溶体化し、前記時効硬化型アルミニウム合金部材の少なくとも一部を液体に浸漬し、時効硬化処理する時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法であって、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合界面から5mm以上離れた位置の時効硬化型アルミニウム合金部材を液体に浸漬する時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法。
- 時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを接合し、溶体化し、前記時効硬化型アルミニウム合金部材の少なくとも一部を液体に浸漬し、時効硬化処理する時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法であって、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合界面から10mm以上離れた位置の時効硬化型アルミニウム合金部材を液体に浸漬する時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法。
- 時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを接合し、溶体化し、前記時効硬化型アルミニウム合金部材の少なくとも一部を液体に浸漬し、時効硬化処理する時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法であって、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合界面から30mm以上離れた位置の時効硬化型アルミニウム合金部材を液体に浸漬する時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法。
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