JP5214790B2 - 接合体の製造方法、接合体及び金属製品 - Google Patents
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Description
図11は、従来の接合体の製造方法を説明するために示す図である。図11(a)は金属部材準備工程S91を説明するために示す図であり、図11(b)及び図11(c)は接合体形成工程S92を説明するために示す図であり、
また、接合体全体の機械的強度を一層高くするという観点からは、第1硬度遷移領域が第1金属部材と第3金属部材との接合面に垂直な方向に沿って5mm以下の厚さを有し、第2硬度遷移領域が第2金属部材と第3金属部材との接合面に垂直な方向に沿って5mm以下の厚さを有することが好ましい。
また、接合体全体の機械的強度を一層高くするという観点からは、硬度定常領域が第1硬度遷移領域から第2硬度遷移領域に向かう方向に沿って3mm以下の厚さを有することが好ましい。
好ましい。
図1は、実施形態1に係る接合体の製造方法を説明するために示すフローチャートである。
図2は、実施形態1に係る接合体の製造方法を説明するために示す図である。図2(a)は金属部材準備工程S1を説明するために示す図であり、図2(b)及び図2(c)は接合体形成工程S2を説明するために示す図であり、図2(d)は表面切削工程S3を説明するために示す図であり、図2(e)は被覆工程S4を説明するために示す図であり、図2(f)は平滑化工程S6を説明するために示す図である。なお、図2(a)〜図2(f)の各図は、接合体10となる部分の一部(後述する図4の符号B参照。)を示す模式図である。また、図2においては、熱交換流路19の図示を省略している。さらにまた、図2においては、熱処理工程S5についての図示を省略している。
図3は、実施形態1に係る接合体の製造方法を説明するために示すグラフである。図3中、横軸は時間を示し、縦軸は温度を示す。
実施形態1に係る接合体の製造方法は、接合体10(図4参照。)を製造するための方法である。
金属部材準備工程S1は、第1の金属材料からなる第1金属部材12と、第2の金属材料からなる第2金属部材14と、第1の金属材料及び第2の金属材料のいずれよりも縦弾性係数及び硬度が低い第3の金属材料からなる第3金属部材16とを準備する工程である(図2(a)参照。)。
第3金属部材16の厚さは、0.3mm〜10.0mmの範囲内にあり、さらにいえば0.5mm〜5.0mmの範囲内にあり、例えば、1.0mmである。なお、実施形態1においては、各接合予定面は平面であり、各金属部材は平板状の形状(円柱を輪切りにしたような形状)を有する。
接合体形成工程S2は、第1金属部材12と第2金属部材14との間に第3金属部材16を介在させた状態で第1金属部材12、第2金属部材14及び第3金属部材16を接合して接合体を形成する工程である(図2(b)及び図2(c)参照。)。
固相接合工程S2aは、図3に示すように、第1金属部材12と第2金属部材14との間に第3金属部材16を介在させた状態で、第1金属部材12、第2金属部材14及び第3金属部材16に所定の圧力をかけ、第1金属部材12、第2金属部材14及び第3金属部材16が溶融しない温度条件下(第1温度T1)で第1金属部材12、第2金属部材14及び第3金属部材16を固相接合する工程である。実施形態1において、固相接合工程S2aは、各金属部材を積層して所定の圧力をかけた上で第1温度T1に加熱し、その後徐冷することにより実施する。
硬度定常領域は、第1硬度遷移領域13から第2硬度遷移領域15に向かう方向に沿って30μm以上の厚さを有し、一層好ましくは60μm以上の厚さを有し、より一層好ましくは100μm以上の厚さを有する。また、硬度定常領域は、第1硬度遷移領域13から第2硬度遷移領域15に向かう方向に沿って3mm以下の厚さを有することが好ましい。
表面切削工程S3は、第3金属部材16が接合体の表面に露出している部分(以下、露出部分という。)のうち少なくとも一部を含むように、接合体の表面を部分的に削り取る工程である(図2(d)参照。)。
被覆工程S4は、露出部分のうち少なくとも一部に対して、第1金属部材12、第2金属部材14及び第3金属部材16が接合体の表面に露出している部分を溶融させた状態で、第4金属部材20を溶融させながら被覆する工程である(図2(e)参照。)。つまり、被覆工程S4は液相接合を行う工程であるともいえる。
第4金属部材20は、第3の金属材料よりも硬度が高い第4の金属材料からなる。第4の金属材料は、工具鋼からなり、例えば、熱間ダイス鋼であるSKD61を用いることができる。なお、実施形態1においては、第4の金属材料と、第1の金属材料及び第2の金属材料とは同一の金属材料からなる。
被覆工程S4においては、表面切削工程S3で削り取った部分を第4金属部材20で埋めるように第4金属部材20を被覆する。
熱処理工程S5は、接合体に蓄積されている応力を緩和するために接合体に熱処理を施す工程である。接合体に蓄積されている応力を緩和するための熱処理としては、周知の方法である焼きなましを含む熱処理を用いることができる。なお、製造する接合体全体として高い硬度を得たいときには、焼きなましの後に焼入れ等を行ってもよい。
平滑化工程S6は、被覆工程S4で第4金属部材20を被覆した部分を平滑化する工程である(図2(f)参照。)。平滑化は、研磨や切削等、種々の方法で行うことができる。以上の工程により、接合体10を製造することができる。
図4は、実施形態1に係る接合体10を説明するために示す図である。図4(a)は接合体10の斜視図であり、図4(b)は接合体10の上面図であり、図4(c)は図4(b)のA−A断面図である。なお、図4(b)及び図4(c)においては、視点位置からは直接見えない熱交換流路19について点線で表示している。
図5は、実施形態1に係る接合体10における硬度の分布を説明するために示す図である。図5においては、硬度が高い部分を濃い色で図示し、硬度が低い部分を薄い色で図示している。なお、図5における破線は、固相接合又は被覆の時点における金属部材同士の接合面又は境界面を大まかに表すものであり、硬度の分布を表すものではない。
図6は、実施例に係る接合体10a(全体は図示せず。)を説明するために示す写真である。図6(a)は接合体10aの断面の拡大光学写真であり、図6(b)は接合体10aの断面の電子顕微鏡写真である。なお、図6において示した硬度遷移領域(第1硬度遷移領域13a、第2硬度遷移領域15a、第3硬度遷移領域21a、第4硬度遷移領域23a及び第5硬度遷移領域25a)の範囲は概略であり、必ずしも実際の範囲を正確に写し取ったものではない。
図8は、実施形態2に係る接合体の製造方法を説明するために示すフローチャートである。
図9は、実施形態2に係る接合体の製造方法を説明するために示す図である。図9(a)は金属部材準備工程S11を説明するために示す図であり、図9(b)及び図9(c)は接合体形成工程S12を説明するために示す図である。なお、図9(a)〜図9(c)の各図は、接合体30(全体は図示せず。)となる部分の一部を示す模式図である。
Claims (10)
- 第1の金属材料からなる第1金属部材と、第2の金属材料からなる第2金属部材と、前記第1の金属材料及び前記第2の金属材料のいずれよりも縦弾性係数及び硬度が低い第3の金属材料からなる第3金属部材とを準備する金属部材準備工程と、
前記第1金属部材と前記第2金属部材との間に前記第3金属部材を介在させた状態で前記第1金属部材、前記第2金属部材及び前記第3金属部材を接合して接合体を形成する接合体形成工程とをこの順序で含み、
前記接合体形成工程は、
前記第1金属部材と前記第2金属部材との間に前記第3金属部材を介在させた状態で前記第1金属部材、前記第2金属部材及び前記第3金属部材が溶融しない温度条件下で前記第1金属部材、前記第2金属部材及び前記第3金属部材を固相接合する固相接合工程と、
前記第1金属部材と前記第3金属部材との接合面の近傍に前記第1金属部材と前記第3金属部材との接合面に垂直な方向に沿って前記第1金属部材から前記第3金属部材にかけて硬度が徐々に変化する第1硬度遷移領域が形成され、かつ、前記第2金属部材と前記第3金属部材との接合面の近傍に前記第2金属部材と前記第3金属部材との接合面に垂直な方向に沿って前記第2金属部材から前記第3金属部材にかけて硬度が徐々に変化する第2硬度遷移領域が形成される温度条件下で熱処理を施す硬度遷移領域形成工程とをこの順序で含み、
前記接合体形成工程より後に、
前記第3金属部材が前記接合体の表面に露出している部分(以下、露出部分という。)のうち少なくとも一部に対して、前記第1金属部材、前記第2金属部材及び前記第3金属部材が前記接合体の表面に露出している部分を溶融させた状態で、第4金属部材を溶融させながら被覆する被覆工程をさらに含み、
前記被覆工程においては、
前記第4金属部材と前記第3金属部材との境界面の近傍に、前記第4金属部材から前記第3金属部材に向かう方向に沿って前記第4金属部材から前記第3金属部材にかけて硬度が徐々に変化する第3硬度遷移領域が形成され、
前記第4金属部材と前記第1硬度遷移領域との境界面の近傍に、前記第4金属部材から前記第1硬度遷移領域に向かう方向に沿って前記第4金属部材から前記第1硬度遷移領域にかけて硬度が徐々に変化する第4硬度遷移領域が形成され、
前記第4金属部材と前記第2硬度遷移領域との境界面の近傍に、前記第4金属部材から前記第2硬度遷移領域に向かう方向に沿って前記第4金属部材から前記第2硬度遷移領域にかけて硬度が徐々に変化する第5硬度遷移領域が形成される条件で前記第4金属部材を被覆することを特徴とする接合体の製造方法。 - 請求項1に記載の接合体の製造方法において、
前記第1硬度遷移領域は、前記第1金属部材と前記第3金属部材との接合面に垂直な方向に沿って50μm以上の厚さを有し、
前記第2硬度遷移領域は、前記第2金属部材と前記第3金属部材との接合面に垂直な方向に沿って50μm以上の厚さを有することを特徴とする接合体の製造方法。 - 請求項2に記載の接合体の製造方法において、
前記硬度遷移領域形成工程においては、前記第3金属部材内であって前記第1硬度遷移領域と前記第2硬度遷移領域との間に、前記第1硬度遷移領域から前記第2硬度遷移領域に向かう方向に沿って硬度が定常状態となる硬度定常領域が残る条件で熱処理を施すことを特徴とする接合体の製造方法。 - 請求項3に記載の接合体の製造方法において、
前記硬度定常領域は、前記第1硬度遷移領域から前記第2硬度遷移領域に向かう方向に沿って30μm以上の厚さを有することを特徴とする接合体の製造方法。 - 請求項4に記載の接合体の製造方法において、
前記第3金属部材の厚さは、0.3mm〜10.0mmの範囲内にあることを特徴とする接合体の製造方法。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の接合体の製造方法において、
前記第4金属部材は、前記第3の金属材料よりも硬度が高い第4の金属材料からなることを特徴とする接合体の製造方法。 - 請求項1〜6のいずれかに記載の接合体の製造方法において、
前記接合体形成工程と前記被覆工程との間に、
前記露出部分のうち少なくとも一部を含むように、前記接合体の表面を部分的に削り取る表面切削工程をさらに含み、
前記被覆工程においては、前記表面切削工程で削り取った部分を前記第4金属部材で埋めるように前記第4金属部材を被覆することを特徴とする接合体の製造方法。 - 請求項1〜7のいずれかに記載の接合体の製造方法において、
前記被覆工程より後に、前記接合体に蓄積されている応力を緩和するために前記接合体に熱処理を施す熱処理工程をさらに含むことを特徴とする接合体の製造方法。 - 第1の金属材料からなる第1金属部材と、
第2の金属材料からなる第2金属部材と、
前記第1金属部材と前記第2金属部材との間に位置し、前記第1の金属材料及び前記第2の金属材料よりも縦弾性係数及び硬度が低い第3の金属材料からなる第3金属部材とを備え、
前記第3金属部材が前記第1金属部材と前記第2金属部材とに固相接合された構造を有する接合体であって、
前記第1金属部材と前記第3金属部材との接合面の近傍に前記第1金属部材と前記第3金属部材との接合面に垂直な方向に沿って前記第1金属部材から前記第3金属部材にかけて硬度が徐々に変化する第1硬度遷移領域が存在し、かつ、前記第2金属部材と前記第3金属部材との接合面の近傍に前記第2金属部材と前記第3金属部材との接合面に垂直な方向に沿って前記第2金属部材から前記第3金属部材にかけて硬度が徐々に変化する第2硬度遷移領域が存在し、
前記第3の金属材料よりも硬度が高い第4の金属材料からなる第4金属部材をさらに備え、前記第4金属部材が、前記第3金属部材の少なくとも一部を被覆する構造を有し、
前記第4金属部材と前記第3金属部材との境界面の近傍に、前記第4金属部材から前記第3金属部材に向かう方向に沿って前記第4金属部材から前記第3金属部材にかけて硬度が徐々に変化する第3硬度遷移領域が存在し、
前記第4金属部材と前記第1硬度遷移領域との境界面の近傍に、前記第4金属部材から前記第1硬度遷移領域に向かう方向に沿って前記第4金属部材から前記第1硬度遷移領域にかけて硬度が徐々に変化する第4硬度遷移領域が存在し、
前記第4金属部材と前記第2硬度遷移領域との境界面の近傍に、前記第4金属部材から前記第2硬度遷移領域に向かう方向に沿って前記第4金属部材から前記第2硬度遷移領域にかけて硬度が徐々に変化する第5硬度遷移領域が存在することを特徴とする接合体。 - 請求項9に記載の接合体を用いて製造された金属製品。
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