JP6652674B1 - Method of manufacturing composite member and composite member - Google Patents
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Abstract
【課題】高い接合強度を有する複合部材を、効率的に生産することの出来る複合部材の製造方法を提供する。【解決手段】Cu系金属部材とAl合金部材とからなる複合部材の製造方法であって、キャビティと前記キャビティに連通する余肉部とを有するプレス金型を使用し、前記プレス金型内にインサートとしての前記Cu系金属部材を設置するインサート設置工程と、前記プレス金型内に、半凝固状態のAl合金を供給する半凝固金属供給工程と、前記プレス金型により前記半凝固状態のAl合金に圧力をかけて前記キャビティ形状に成形するとともに、前記Al合金の一部を前記余肉部に充填するプレス工程と、前記余肉部に充填されたAl合金を、前記キャビティ内に強制的に圧入する圧入工程とを有する、複合部材の製造方法。【選択図】 図1An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a composite member capable of efficiently producing a composite member having high bonding strength. A method of manufacturing a composite member including a Cu-based metal member and an Al alloy member, comprising using a press mold having a cavity and a surplus portion communicating with the cavity, wherein the press mold includes: An insert installation step of installing the Cu-based metal member as an insert; a semi-solid metal supply step of supplying a semi-solid state Al alloy into the press die; and the semi-solid state Al by the press die. A pressing step of applying pressure to the alloy to form the cavity shape, filling a part of the Al alloy in the excess portion, and forcing the Al alloy filled in the excess portion into the cavity. And a press-fitting step of press-fitting the composite member. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、Cu系金属部材とAl合金部材とからなる複合部材の製造方法に関する。また、本発明は、Cu系金属部材とAl合金部材とからなる複合部材に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a composite member including a Cu-based metal member and an Al alloy member. The present invention also relates to a composite member including a Cu-based metal member and an Al alloy member.
複数の異種金属からなる複合部材は、金属の組み合わせにより様々な機能を備えるため、各種の用途で用いられている。中でも、Cu系金属部材とAl合金部材とからなる複合部材は、Cuが高い導電性や熱伝導性を備えることに加え、Alが軽量でありながら比較的良好な導電性や熱伝導性を備えることから、電池用電極などの導電性部材や、ヒートシンク、ヒートパイプなどの熱伝導部材として幅広く用いられている。 Composite members made of a plurality of dissimilar metals are used in various applications because they have various functions depending on the combination of metals. Among them, a composite member composed of a Cu-based metal member and an Al alloy member, in addition to Cu having high conductivity and heat conductivity, Al has relatively good conductivity and heat conductivity while being lightweight. For this reason, it is widely used as a conductive member such as a battery electrode and a heat conductive member such as a heat sink and a heat pipe.
金属同士を接合する方法としては、カシメなどの機械的方法や溶接などが古くから利用されている。しかし、Cu系金属部材とAl合金部材とをこれらの方法で接合した場合、接合部における強度や導電性、熱伝導性などが劣るという問題があった。 As a method of joining metals, mechanical methods such as caulking and welding have been used for a long time. However, when a Cu-based metal member and an Al alloy member are joined by these methods, there is a problem that strength, electrical conductivity, thermal conductivity, and the like at the joint are inferior.
また、近年、摩擦接合(摩擦圧接)を用いて異種金属を接合することも行われている。摩擦接合は、被接合材を高速で回転させることで発生する摩擦熱を利用した接合方法であるため、別途、熱源を用意する必要がないことに加え、溶接棒やフラックスなどを用いる必要もないという利点がある。 In recent years, dissimilar metals have also been joined using friction joining (friction welding). Friction welding is a joining method that uses frictional heat generated by rotating the material to be joined at high speed, so there is no need to separately prepare a heat source, and it is not necessary to use a welding rod or flux. There is an advantage.
例えば、特許文献1には、銅製のロッドをアルミニウム製部材に摩擦接合によって接合することが開示されている。その際、特許文献1で提案されている技術においては、銅製のロッドの先端をテーパー形状とするとともに表面に凹凸を設けている。 For example, Patent Literature 1 discloses that a copper rod is joined to an aluminum member by friction joining. At that time, in the technique proposed in Patent Document 1, the tip of the copper rod is formed into a tapered shape and the surface is provided with irregularities.
上記摩擦接合によれば、簡便に異種金属を接合することができる。また、特許文献1で提案されているような技術を利用することにより、摩擦接合で異種金属を接合する際の接合強度を向上できると考えられる。 According to the above friction joining, dissimilar metals can be easily joined. Further, it is considered that the use of the technique proposed in Patent Document 1 can improve the joining strength when joining dissimilar metals by friction joining.
しかし、摩擦接合には、依然として次のような問題点がある。 However, friction welding still has the following problems.
摩擦接合では、被接合材を高速で回転させることによって接合するため、回転させる側の被接合材の形状が、回転に適した形状、具体的には、特許文献1に示されているような円筒形などに限られる。 In the friction welding, since the materials to be joined are joined by rotating at high speed, the shape of the material to be rotated on the side to be rotated is a shape suitable for rotation, specifically, as shown in Patent Document 1. It is limited to cylindrical shape.
また、回転させる被接合材と他方の被接合材の両者とも、高速回転時にかかる力に耐えられる強度を備えている必要があることに加え、チャックなどで固定が可能な形状に限られる。 In addition, both the material to be rotated and the other material to be rotated need to have strength enough to withstand the force applied during high-speed rotation, and are limited to shapes that can be fixed with a chuck or the like.
さらに、複合部材の形状を最終的な製品の形状とするためには、摩擦接合の実施に先立って被接合材を成形しておくか、または、接合後に成形を行う必要がある。したがって、成形と接合を別途行う必要があるため生産性が低い。 Furthermore, in order to make the shape of the composite member the shape of the final product, it is necessary to form the material to be joined before performing the friction joining or to form after joining. Therefore, productivity is low because molding and joining must be performed separately.
以上の理由から、形状の自由度が高く、かつ生産性に優れた複合部材の製造方法が求められている。 For the above reasons, there is a demand for a method of manufacturing a composite member having a high degree of freedom in shape and excellent in productivity.
一方、異種金属からなる複合部材の製造方法としては、インサート成形も知られている。インサート成形では、インサートと呼ばれる部材を金型内部にセットした状態で金属溶湯(溶融状態の金属)を前記金型内へ流し込み、凝固させることによってインサートが一体化した複合部材を製造する手法である。 On the other hand, insert molding is also known as a method for producing a composite member made of a dissimilar metal. In the insert molding, a method of manufacturing a composite member in which an insert is integrated by pouring a molten metal (metal in a molten state) into the mold while a member called an insert is set inside the mold and solidifying the molten metal. .
前記インサート成形によれば、金型を用いた金属の成形と同時にインサートとの接合を行うことができるため、高い生産性が得られる。しかしながら、インサート成形によって得られる複合部材は、接合部の強度が十分とはいえず、その利用範囲が限られていた。 According to the insert molding, high productivity can be obtained because joining with the insert can be performed simultaneously with metal molding using a mold. However, the composite member obtained by insert molding has insufficient strength at the joint, and its use range is limited.
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、高い接合強度を有する複合部材を、効率的に生産することの出来る複合部材の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、高い接合強度を有する複合部材を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a method for manufacturing a composite member capable of efficiently producing a composite member having high bonding strength. Another object of the present invention is to provide a composite member having high bonding strength.
発明者らは、上記課題を解決するために検討を重ねた結果、インサートとしてのCu系金属部材とAl合金部材とからなる複合部材を製造する際に、半凝固状態のAl合金を使用し、かつ、金型に設けた余肉部(増肉部ともいう)に充填されたAl合金をキャビティ内に強制的に圧入することにより、極めて接合強度に優れた複合部材を製造できることを知見した。 The inventors have conducted repeated studies to solve the above problems, and as a result, when manufacturing a composite member including a Cu-based metal member and an Al alloy member as an insert, using an Al alloy in a semi-solid state, In addition, it has been found that a composite member having extremely excellent bonding strength can be manufactured by forcibly pressing an Al alloy filled in a surplus portion (also referred to as a thickened portion) provided in a mold into a cavity.
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨構成は以下のとおりである。 The present invention has been made based on the above findings, and the gist configuration thereof is as follows.
1.Cu系金属部材とAl合金部材とからなる複合部材の製造方法であって、
キャビティと前記キャビティに連通する余肉部とを有するプレス金型を使用し、
前記プレス金型内にインサートとしての前記Cu系金属部材を設置するインサート設置工程と、
前記プレス金型内に、半凝固状態のAl合金を供給する半凝固金属供給工程と、
前記プレス金型により前記半凝固状態のAl合金に圧力をかけて前記キャビティ形状に成形するとともに、前記Al合金の一部を前記余肉部に充填するプレス工程と、
前記余肉部に充填されたAl合金を、前記キャビティ内に強制的に圧入する圧入工程とを有する、複合部材の製造方法。
1. A method for manufacturing a composite member including a Cu-based metal member and an Al alloy member,
Using a press mold having a cavity and a surplus portion communicating with the cavity,
An insert installation step of installing the Cu-based metal member as an insert in the press mold,
In the press die, a semi-solid metal supply step of supplying a semi-solid Al alloy,
A press step of applying pressure to the semi-solidified Al alloy by the press mold to form the cavity shape, and filling a part of the Al alloy in the excess portion.
Press-fitting the Al alloy filled in the excess portion into the cavity.
2.さらに、前記半凝固金属供給工程に先立って、前記Al合金を溶融させた溶湯に電磁攪拌を与えながら半凝固状態とする電磁攪拌工程を有する、上記1に記載の複合部材の製造方法。 2. The method for producing a composite member according to claim 1, further comprising an electromagnetic stirring step of bringing the molten metal obtained by melting the Al alloy into a semi-solid state while applying electromagnetic stirring to the molten metal prior to the semi-solid metal supplying step.
3.前記余肉部の容積が、前記キャビティの体積の3〜8%である、上記1または2に記載の複合部材の製造方法。 3. 3. The method of manufacturing a composite member according to the above item 1 or 2, wherein the volume of the excess portion is 3 to 8% of the volume of the cavity.
4.Cu系金属部材とAl合金部材とからなる複合部材であって、
前記Cu系金属部材とAl合金部材とが、該Cu系金属部材とAl合金部材との間の界面に存在するCu−Al系合金層を介して接合されており、
前記Al合金部材が鍛造組織を有する、複合部材。
4. A composite member comprising a Cu-based metal member and an Al alloy member,
The Cu-based metal member and the Al alloy member are joined via a Cu-Al-based alloy layer present at an interface between the Cu-based metal member and the Al alloy member,
A composite member, wherein the Al alloy member has a forged structure.
本発明によれば、高い接合強度を有する複合部材を得ることができる。また、本発明の製造方法では、インサートとの接合と、製品形状への成形とを同時に行うことができるため生産性に優れている。さらに、本発明の製造方法は、摩擦接合の場合のような形状の制限を受けることがない。また、本発明の複合部材は、接合強度に優れるのみならず、Al合金部材の母材部分における耐力にも優れている。 According to the present invention, a composite member having high bonding strength can be obtained. In addition, according to the manufacturing method of the present invention, since the joining with the insert and the shaping into a product shape can be performed simultaneously, the productivity is excellent. Further, the manufacturing method of the present invention is not limited by the shape as in the case of friction welding. In addition, the composite member of the present invention is not only excellent in bonding strength but also excellent in proof stress in the base material portion of the Al alloy member.
次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。 Next, a method for carrying out the present invention will be specifically described.
本発明の一実施形態における複合部材の製造方法は、Cu系金属部材とAl合金部材とからなる複合部材の製造方法である。 The method for manufacturing a composite member according to one embodiment of the present invention is a method for manufacturing a composite member including a Cu-based metal member and an Al alloy member.
[Cu系金属部材]
前記Cu系金属部材としては、特に限定されること、任意のCu系金属からなる部材を用いることができる。前記Cu系金属としては、銅(純銅)および銅合金のいずれをも用いることができる。前記銅合金としては、特に限定されることなく銅を含有する合金であれば任意のものを用いることができるが、銅基合金を用いることが好ましい。
[Cu-based metal member]
The Cu-based metal member is not particularly limited, and a member made of an arbitrary Cu-based metal can be used. As the Cu-based metal, any of copper (pure copper) and copper alloy can be used. The copper alloy is not particularly limited, and any copper-containing alloy can be used, but a copper-based alloy is preferably used.
前記銅系金属として銅を用いる場合、導電性や熱伝導性の観点からは、タフピッチ銅を用いることが好ましい。 When copper is used as the copper-based metal, it is preferable to use tough pitch copper from the viewpoint of electrical conductivity and thermal conductivity.
前記Cu系金属部材の形状はとくに限定されず、任意の形状とすることができる。前記Cu系金属部材の形状の例としては、板状、棒状(円柱状、角柱状など)、パイプ形状、およびそれらを組み合わせた形状などが挙げられるが、より複雑な形状とすることもできる。 The shape of the Cu-based metal member is not particularly limited, and may be any shape. Examples of the shape of the Cu-based metal member include a plate shape, a rod shape (a column shape, a prism shape, and the like), a pipe shape, and a shape obtained by combining them, and the like, but a more complicated shape can also be used.
[Al合金部材]
前記Al合金部材としては、特に限定されることなく、任意のAl合金からなる部材を用いることができる。前記Al合金としては、特に限定されることなくアルミニウムを含有する合金であれば任意のものを用いることができるが、アルミニウム基合金を用いることが好ましい。
[Al alloy members]
The Al alloy member is not particularly limited, and a member made of any Al alloy can be used. The Al alloy is not particularly limited, and any alloy containing aluminum can be used, but an aluminum-based alloy is preferably used.
代表的なアルミニウム合金としては、展伸用合金と鋳造用合金が知られているが、本発明においては前記アルミニウム基合金としてそれらのいずれをも用いることができる。前記アルミニウム基合金としては、例えば、Cu、Si、Mg、Ni、Mn、およびZnからなる群より選択される1または2以上を合金用元素として含有し、残部がAlおよび不可避的不純物からなる合金を用いることが好ましい。前記アルミニウム基合金としては、例えば、Al−Si系合金、Al−Si−Mg系合金、Al−Mg系合金、Al−Si−Cu系合金、Al−Si−Cu−Mg系合金、Al−Mn系合金、Al−Cu系合金、Al−Zn−Mg系合金、およびAl−Zn−Mg−Cu系合金からなる群より選択される1または2以上を用いることができる。 As typical aluminum alloys, wrought alloys and casting alloys are known, and in the present invention, any of them can be used as the aluminum-based alloy. As the aluminum-based alloy, for example, an alloy containing one or more selected from the group consisting of Cu, Si, Mg, Ni, Mn, and Zn as an alloying element, and the balance being Al and unavoidable impurities It is preferable to use Examples of the aluminum-based alloy include an Al-Si alloy, an Al-Si-Mg alloy, an Al-Mg alloy, an Al-Si-Cu alloy, an Al-Si-Cu-Mg alloy, and an Al-Mn alloy. One or two or more selected from the group consisting of a system alloy, an Al-Cu system alloy, an Al-Zn-Mg system alloy, and an Al-Zn-Mg-Cu system alloy can be used.
前記Al合金部材の形状はとくに限定されず、任意の形状とすることができる。本発明においては、後述するように半凝固状態のAl合金をプレス金型で成形する。したがって、所望の製品形状となるように前記プレス金型のキャビティ形状を設計することにより、任意の形状の複合部材を製造することが可能である。 The shape of the Al alloy member is not particularly limited, and may be any shape. In the present invention, a semi-solid Al alloy is formed by a press die as described later. Therefore, by designing the cavity shape of the press die so as to have a desired product shape, it is possible to manufacture a composite member having an arbitrary shape.
[製造工程]
本発明の一実施形態においては、キャビティと前記キャビティに連通する余肉部とを有するプレス金型を使用し、下記(1)〜(4)の工程を実施することにより複合部材が製造される。以下、各工程について説明する。なお、下記(1)〜(4)の各工程は、順次行ってもよいが、少なくとも1つの工程を、他の少なくとも1つの工程と同時に、または重複するタイミングで実施することもできる。
(1)プレス金型内にインサートとしてのCu系金属部材を設置するインサート設置工程
(2)プレス金型内に、半凝固状態のAl合金を供給する半凝固金属供給工程
(3)プレス金型により半凝固状態のAl合金に圧力をかけてキャビティ形状に成形するとともに、前記Al合金の一部を余肉部に充填するプレス工程
(4)余肉部に充填されたAl合金をキャビティ内に強制的に圧入する圧入工程
[Manufacturing process]
In one embodiment of the present invention, a composite member is manufactured by using a press die having a cavity and a surplus portion communicating with the cavity and performing the following steps (1) to (4). . Hereinafter, each step will be described. The following steps (1) to (4) may be performed sequentially, but at least one step may be performed simultaneously with at least one other step or at an overlapping timing.
(1) Insert installation step of installing a Cu-based metal member as an insert in a press die (2) Semi-solid metal supply step of supplying a semi-solid state Al alloy into a press die (3) Press die Pressing the semi-solidified Al alloy into a cavity shape by pressurizing the Al alloy, and pressing a part of the Al alloy into a surplus portion (4) placing the Al alloy filled in the surplus portion into the cavity Press-in process for forcible press-in
図1は、本発明の一実施形態における複合部材の製造工程を示す模式図である。本実施形態では、図1(a)に示すように、プレス金型として下型10と上型20を使用する。下型10の内部には、最終的に製造される複合部材の形状に対応する形状を有するキャビティ11が形成されている。また、下型11には、キャビティ11に連通する余肉部12が設けられている。余肉部とは、最終的な複合部材の形状に含まれない余分な空間である。 FIG. 1 is a schematic view illustrating a manufacturing process of a composite member according to an embodiment of the present invention. In the present embodiment, as shown in FIG. 1A, a lower die 10 and an upper die 20 are used as press dies. Inside the lower mold 10, a cavity 11 having a shape corresponding to the shape of the composite member to be finally manufactured is formed. The lower mold 11 is provided with a surplus portion 12 communicating with the cavity 11. The surplus portion is an extra space not included in the shape of the final composite member.
下型11の外部には、加圧装置30が配置されており、圧入用プランジャー31を駆動して、余肉部12を加圧可能に構成されている。 A pressurizing device 30 is disposed outside the lower mold 11, and the pressurizing plunger 31 is driven to pressurize the excess portion 12.
(1)インサート設置工程
上記インサート設置工程においては、前記プレス金型内にインサートとしてのCu系金属部材(図示されていない)を設置する。インサートの設置位置は特に限定されず、製造する製品に応じた位置とすれば良い。また、インサートの個数についても特に限定されず、1または2以上の任意の個数とすることができる。
(1) Insert Installation Step In the insert installation step, a Cu-based metal member (not shown) as an insert is installed in the press die. The installation position of the insert is not particularly limited, and may be a position corresponding to a product to be manufactured. Also, the number of inserts is not particularly limited, and may be any number of one or two or more.
前記インサートは、下型11および上型12の少なくとも一方に固定することが好ましい。例えば、下型11および上型12のいずれかに、インサートを保持するためのインサート保持部(図示されていない)を設けることによりインサートを固定することができる。前記インサート保持部としては、例えば、インサートの少なくとも一部を挿入して保持するための凹部を用いることができる。 It is preferable that the insert is fixed to at least one of the lower mold 11 and the upper mold 12. For example, the insert can be fixed by providing an insert holding portion (not shown) for holding the insert in either the lower mold 11 or the upper mold 12. As the insert holding portion, for example, a concave portion for inserting and holding at least a part of the insert can be used.
(2)半凝固金属供給工程
次に、前記プレス金型内に、半凝固状態のAl合金を供給する(半凝固金属供給工程)。このように半凝固状態の金属(半凝固金属)を用いて成形する方法は、半凝固法、半凝固成形法とも呼ばれる。半凝固金属は、金属の液相線と固相線との間で、液相と固相が共存した状態にある金属である。半凝固金属は溶融状態の金属よりも低温であるため、半凝固金属を用いることにより、金属溶湯を用いる場合に比べて金型の寿命を延ばすことができる。なお、このような半凝固状態の金属は、半凝固スラリーとも称される。
(2) Semi-solid metal supply step Next, a semi-solid Al alloy is supplied into the press die (semi-solid metal supply step). Such a method of molding using a metal in a semi-solid state (semi-solid metal) is also called a semi-solid method or a semi-solid molding method. A semi-solid metal is a metal in which a liquid phase and a solid phase coexist between a liquidus line and a solidus line of the metal. Since the semi-solid metal has a lower temperature than the molten metal, the use of the semi-solid metal can extend the life of the mold as compared with the case of using a molten metal. In addition, such a metal in a semi-solid state is also referred to as a semi-solid slurry.
Al合金を半凝固状態とする方法としては、とくに限定されることなく任意の方法を用いることができる。通常は、Al合金を一旦溶融させた後、必要に応じて撹拌を行いながら冷却して初晶を粒状に成長させることにより半凝固金属を得ることができる。前記撹拌は、例えば、機械撹拌、超音波による撹拌、および電磁攪拌など任意の方法で行うことができるが、電磁攪拌を用いることが好ましい。以下、電磁攪拌を用いる場合についてさらに説明する。 The method for bringing the Al alloy into a semi-solid state is not particularly limited, and any method can be used. Normally, a semi-solid metal can be obtained by melting an Al alloy once and then cooling it while stirring as necessary to grow primary crystals into grains. The stirring can be performed by any method such as mechanical stirring, ultrasonic stirring, and electromagnetic stirring, but it is preferable to use electromagnetic stirring. Hereinafter, the case where electromagnetic stirring is used will be further described.
[電磁攪拌工程]
本発明の一実施形態における複合部材の製造方法は、さらに、前記半凝固金属供給工程に先立って、前記Al合金を溶融させた溶湯に電磁攪拌を与えながら半凝固状態とする電磁攪拌工程を有する。
[Electromagnetic stirring step]
The method for producing a composite member according to one embodiment of the present invention further includes an electromagnetic stirring step of bringing the molten metal obtained by melting the Al alloy into a semi-solid state while applying electromagnetic stirring to the molten metal prior to the semi-solid metal supply step. .
一般的に、金属溶湯から半凝固金属を作製する場合、金属溶湯を何らかの容器(カップ、シリンダーなど)に入れた状態で温度を低下させ、固液共存状態とする。その際、金属溶湯の温度は主に容器への抜熱によって温度が低下するため、容器との接触面に核が形成され、この核を基点としてデンドライト状の組織が成長する。 Generally, when a semi-solid metal is produced from a molten metal, the temperature is lowered while the molten metal is placed in a container (cup, cylinder, or the like), and a solid-liquid coexisting state is obtained. At this time, since the temperature of the molten metal decreases mainly due to heat removal to the container, a nucleus is formed on a contact surface with the container, and a dendrite-like structure grows from the nucleus as a base point.
一方、電磁攪拌を行った場合には、溶融金属が接している容器との接触面に形成された核が撹拌と振動によって溶湯内へ拡散する結果、球状で微細な結晶核が分散した状態の半凝固金属を得ることができる。そのため、電磁攪拌を用いて半凝固金属を作製した場合には、最終的に得られる複合部材におけるAl合金部分の組織が微細で均一となり、強度や靭性などの機械的特性がさらに向上する。具体的には、本発明の方法において、電磁攪拌を用いて作製した半凝固金属を使用した場合、最終的に得られる複合部材のAl合金部材部分の平均粒径を50μm以下とすることができる。なお、ここで平均粒径は、平均円相当径を指すものとする。 On the other hand, when electromagnetic stirring is performed, the nuclei formed on the contact surface with the container in contact with the molten metal are diffused into the molten metal by stirring and vibration, and as a result, spherical and fine crystal nuclei are dispersed. A semi-solid metal can be obtained. Therefore, when the semi-solid metal is produced by using electromagnetic stirring, the structure of the Al alloy portion in the finally obtained composite member becomes fine and uniform, and the mechanical properties such as strength and toughness are further improved. Specifically, in the method of the present invention, when a semi-solid metal produced by using electromagnetic stirring is used, the average particle size of the Al alloy member portion of the finally obtained composite member can be 50 μm or less. . Here, the average particle diameter indicates an average circle equivalent diameter.
半凝固状態のAl合金を作成した後、該半凝固状態のAl合金をプレス金型内に供給する。供給する位置はとくに限定されることなく、任意の位置であってよい。例えば、図1(b)に示した実施形態のように、下型10のキャビティ11内の略中央に供給することができる。 After preparing a semi-solid Al alloy, the semi-solid Al alloy is supplied into a press die. The supply position is not particularly limited, and may be any position. For example, as in the embodiment shown in FIG. 1 (b), it can be supplied to substantially the center in the cavity 11 of the lower die 10.
(3)プレス工程
その後、プレス金型により半凝固状態のAl合金に圧力をかけてキャビティ形状に成形する。本発明においては、このプレス工程において、前記半凝固状態のAl合金の一部を、前記余肉部に充填することが重要である。
(3) Pressing Step Thereafter, pressure is applied to the semi-solidified Al alloy by a press die to form a cavity shape. In the present invention, in the pressing step, it is important to fill a part of the semi-solidified Al alloy into the excess wall portion.
図1に示した実施形態においては、図示されないプレス手段により上型20を下方へ移動させることにより、半凝固状態のAl合金に圧力をかける(図1(c)、(d))。プレス工程の時点では、圧入用プランジャー31は下方へ待避した状態であり、余肉部12はキャビティ11と連続した空間として存在している。したがって、上型20によりプレスされたAl合金は、キャビティ11および余肉部12の内部に加圧された状態で充填される。 In the embodiment shown in FIG. 1, pressure is applied to the semi-solidified Al alloy by moving the upper die 20 downward by a pressing means (not shown) (FIGS. 1 (c) and 1 (d)). At the time of the pressing step, the press-fit plunger 31 is retracted downward, and the excess portion 12 exists as a space continuous with the cavity 11. Therefore, the Al alloy pressed by the upper mold 20 is filled in the cavity 11 and the excess portion 12 while being pressed.
前記プレス手段としては、特に限定されることなく任意のものを用いることができる。例えば、一般的なプレス機を用いることができるが、加圧条件を精密に制御できるという点ではサーボプレス機を用いることが好ましい。 The pressing means is not particularly limited, and any pressing means can be used. For example, a general press can be used, but it is preferable to use a servo press in that the pressing conditions can be precisely controlled.
プレス荷重はとくに限定されないが、後述する圧入工程の効果を高め、接合強度をさらに向上させるという観点からは、800kN以上とすることが好ましく、1000kN以上とすることがより好ましい。一方、プレス荷重の上限についても特に限定されないが、一般的には、2000kN以下とすることが好ましく、1800kN以下とすることがより好ましい。 The press load is not particularly limited, but is preferably 800 kN or more, and more preferably 1000 kN or more, from the viewpoint of enhancing the effect of the press-fitting step described later and further improving the bonding strength. On the other hand, the upper limit of the press load is not particularly limited, but is generally preferably 2000 kN or less, more preferably 1800 kN or less.
(4)圧入工程
圧入工程では、前記余肉部に充填されたAl合金を、前記キャビティ内に強制的に圧入する。具体的には、図1(e)に示したように、加圧装置30により圧入用プランジャー31を駆動して、余肉部12の内部に存在しているAl合金を、すべてキャビティ11の内部へ押し込む。前記圧入は、キャビティ11内部のAl合金が完全に凝固するまでの間に行えばよい。
(4) Press-in Step In the press-in step, the Al alloy filled in the excess portion is forcibly pressed into the cavity. Specifically, as shown in FIG. 1 (e), the press-fitting plunger 31 is driven by the pressurizing device 30 to remove all the Al alloy existing inside the excess thickness portion 12 from the cavity 11. Push inside. The press-fitting may be performed until the Al alloy inside the cavity 11 is completely solidified.
余肉部のAl合金をキャビティ内へ強制的に圧入することにより、キャビティ内の金属が流動するとともに圧縮される。このように、プレス金型によって圧力がかかった状態でさらに圧縮することにより、Al合金の温度が上昇し、その結果、Cu系金属部材とAl合金との間の界面での原子の拡散が促進され、前記界面に厚い合金層(Cu−Al系合金層)が形成される。このように厚い合金層が形成されることにより、Cu系金属部材とAl合金の接合強度を効果的に高めることができる。このように、本発明においては、接合強度を高める上で、余肉部からの圧入を行うことが極めて重要である。さらに、このようにして得られた複合部材においては、Cu系金属部材とAl合金とがCu−Al系合金層を介して冶金的に接合されているため、Cu系金属部材とAl合金との間での導電性や熱伝導性にも優れている。 By forcibly pressing the excess Al alloy into the cavity, the metal in the cavity flows and is compressed. As described above, the temperature of the Al alloy is increased by further compressing under pressure by the press die, and as a result, diffusion of atoms at the interface between the Cu-based metal member and the Al alloy is promoted. Then, a thick alloy layer (Cu-Al-based alloy layer) is formed at the interface. By forming such a thick alloy layer, the bonding strength between the Cu-based metal member and the Al alloy can be effectively increased. As described above, in the present invention, in order to increase the bonding strength, it is extremely important to perform press-fitting from a surplus portion. Further, in the composite member thus obtained, since the Cu-based metal member and the Al alloy are metallurgically joined via the Cu-Al-based alloy layer, the Cu-based metal member and the Al alloy are joined together. It is also excellent in electrical and thermal conductivity between layers.
なお、半凝固状態ではない通常の溶湯を用いた方法では、このような界面合金層は形成されないか、形成されたとしても無視できる程度であり、接合強度を実質的に向上させることはできない。また、半凝固金属を用いた場合であっても、余肉部からの圧入を行わなければ、圧縮による熱の効果を得られないため、界面合金層の成長が不十分となる。すなわち、上述した本発明の優れた効果は、インサート形成と、半凝固金属の使用と、余肉部からの圧入という3つの事項を兼ね備えた場合に初めて得られるものといえる。 In a method using a normal molten metal that is not in a semi-solid state, such an interface alloy layer is not formed, or even if formed, it is negligible, and the joining strength cannot be substantially improved. Even when a semi-solid metal is used, the effect of heat due to compression cannot be obtained unless press-fitting from the excess portion, and the interface alloy layer grows insufficiently. That is, it can be said that the above-described excellent effects of the present invention can be obtained only when the three items of the insert formation, the use of the semi-solid metal, and the press-fitting from the excess portion are combined.
さらに、前記圧入を行わない場合、通常の半凝固金属を用いたダイキャストと同様、最終的に得られる部材の組織は、略球状の粒子で構成されたものとなる。これに対し本発明では、金型によって圧力がかかった状態で余肉部からの圧入を行うことにより、キャビティ内の半凝固金属に大きな圧縮力が作用するため、最終的に得られる部材の組織は圧縮された偏平形状の粒子で構成されたものとなる。前記組織は、塑性変形によって形成される加工組織と同様のものであり、鍛造組織または加工流動組織と称される。すなわち、本発明の一実施形態における複合部材は、Al合金部材部分の少なくとも一部、好ましくは全体が、鍛造組織を有している。 Further, when the press-fitting is not performed, the structure of the finally obtained member is constituted by substantially spherical particles, as in the case of die casting using a normal semi-solid metal. On the other hand, in the present invention, since a large compressive force acts on the semi-solid metal in the cavity by performing press-fitting from the excess portion while pressure is applied by the mold, the structure of the member finally obtained is Is composed of compressed flat particles. The structure is similar to a work structure formed by plastic deformation, and is called a forged structure or a work flow structure. That is, in the composite member according to one embodiment of the present invention, at least a part, preferably the whole, of the Al alloy member has a forged structure.
さらに、上記圧入の際には、Al合金の初晶同士がぶつかり合うことによってせん断力が作用する。その結果、さらに摩擦熱が発生することに加え、初晶内に転位が導入される。これにより、Al合金の内部に圧縮応力が生じ、耐力が向上する。 Furthermore, at the time of the above-described press-fitting, a shear force acts due to collision of primary crystals of the Al alloy. As a result, in addition to generating frictional heat, dislocations are introduced into the primary crystal. Thereby, a compressive stress is generated inside the Al alloy, and the proof stress is improved.
したがって、本発明の方法により得られる複合部材は、高い接合強度に加え、母材(Al合金部材)分においても優れた機械的特性(硬度、耐力など)を備えている。 Therefore, the composite member obtained by the method of the present invention has excellent mechanical properties (hardness, proof stress, etc.) in the base material (Al alloy member) in addition to high bonding strength.
上記圧入工程の後は、とくに限定されないが、常法にしたがってAl合金が凝固した後に型開し、複合部材を取り出せばよい。 After the above-mentioned press-fitting step, although not particularly limited, the mold may be opened after the Al alloy is solidified according to a conventional method, and the composite member may be taken out.
(余肉部)
余肉部の形状はとくに限定されず、任意の形状とすることができる。
また、余肉部の配置は特に限定されず、キャビティに連通する任意の位置に設けることができる。装置構造が複雑となることを避けるという観点からは、図1に示したように下型の下面に設けることが好ましい。なお、前記余肉部は複数設けることもできるが、装置構造が複雑となるため、通常は1つとすることが好ましい。
(Surplus part)
The shape of the excess portion is not particularly limited, and may be any shape.
Further, the arrangement of the excess portion is not particularly limited, and may be provided at any position communicating with the cavity. From the viewpoint of preventing the device structure from becoming complicated, it is preferable to provide the device on the lower surface of the lower die as shown in FIG. In addition, a plurality of the excess portions can be provided, but usually the number of the excess portions is preferably one because the device structure becomes complicated.
余肉部の容積についてもとくに限定されないが、上述した圧入の効果を高めるという観点からは、余肉部の容積をキャビティの体積の3%以上とすることが好ましい。一方、上限についても特に限定されないが、余肉部が大きすぎると圧入に必要な圧力が増大し、それに応じた装置が必要となることから、余肉部の容積をキャビティの体積の8%以下とすることが好ましい。 Although the volume of the excess portion is not particularly limited, it is preferable that the volume of the excess portion be 3% or more of the volume of the cavity from the viewpoint of enhancing the effect of the press-fitting described above. On the other hand, the upper limit is not particularly limited. However, if the excess portion is too large, the pressure required for press-fitting increases, and a device corresponding thereto is required. Therefore, the volume of the excess portion is 8% or less of the volume of the cavity. It is preferable that
次に、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例は、本発明の好適な一例を示すものであり、本発明は、該実施例によって何ら限定されるものではない。 Next, the present invention will be described more specifically based on examples. The following examples show preferred examples of the present invention, and the present invention is not limited to the examples.
(実施例)
上述した実施形態にしたがって、図2に示した形状と寸法を有するCu系金属部材40とAl合金部材50とからなる複合部材を製造した。具体的には、まず、直径6mm、長さ13mmの銅(C1100)丸棒をインサートとしてプレス金型内に設置した。次いで、前記プレス金型のキャビティ内に半凝固状態のAl合金を供給し、プレスした。前記Al合金としては、Al−Mg−Si系合金であるA6061を使用し、前記Al合金を溶融させた溶湯に電磁攪拌を与えながら半凝固状態とした。
(Example)
According to the above-described embodiment, a composite member including the Cu-based metal member 40 and the Al alloy member 50 having the shape and dimensions shown in FIG. 2 was manufactured. Specifically, first, a copper (C1100) round bar having a diameter of 6 mm and a length of 13 mm was set as an insert in a press die. Next, a semi-solidified Al alloy was supplied into the cavity of the press die and pressed. As the Al alloy, A6061 which is an Al-Mg-Si alloy was used, and the molten metal obtained by melting the Al alloy was semi-solidified while being subjected to electromagnetic stirring.
前記プレスにより前記Al合金の一部が、プレス金型に設けられた余肉部に充填された。その後、圧入用プランジャーを駆動して前記余肉部に充填されたAl合金をキャビティ内に強制的に圧入した。 By the press, a part of the Al alloy was filled in a surplus portion provided in a press die. Thereafter, the press-fitting plunger was driven to forcibly press-fit the Al alloy filled in the excess portion into the cavity.
得られた複合部材においては、Cu系金属部材とAl合金とが強固に接合されており、荷重を加えても両者が分離することはなかった。 In the obtained composite member, the Cu-based metal member and the Al alloy were firmly joined, and the two did not separate even when a load was applied.
図3は、上記実施例で得られた複合部材における接合部の顕微鏡写真であり、(a)が倍率150倍、(b)が倍率1000倍で撮影したものである。図3から分かるように、Cu系金属部材とAl合金との間の界面には、バルク(母材)部分とは異なる状態の層が形成されていた。前記層をエネルギー分散型X線分析(EDS)により分析したところ、CuとAlとが共存したCu−Al系合金層となっていることが分かった。 FIGS. 3A and 3B are micrographs of a joint portion in the composite member obtained in the above example, in which FIG. 3A is a photograph taken at 150 × and FIG. 3B is a photograph taken at 1000 ×. As can be seen from FIG. 3, a layer different from the bulk (base material) portion was formed at the interface between the Cu-based metal member and the Al alloy. When the layer was analyzed by energy dispersive X-ray analysis (EDS), it was found that the layer was a Cu-Al-based alloy layer in which Cu and Al coexisted.
前記合金層の厚さは、部位によるばらつきはあるが、比較的厚く、最小厚さと最大厚さの中央値は1.15mmであった。 The thickness of the alloy layer was relatively thick, although it varied depending on the part, and the median of the minimum thickness and the maximum thickness was 1.15 mm.
また、Al合金部分の組織は、図3(b)から明らかなように鍛造組織であった。さらに、画像解析により前記Al合金部分の平均粒径(平均円相当径)を求めたところ、50μm以下であった。 Further, the structure of the Al alloy portion was a forged structure as is clear from FIG. Further, when the average particle size (average equivalent circle diameter) of the Al alloy portion was determined by image analysis, it was 50 μm or less.
(比較例1)
比較のため、半凝固状態のAl合金に代えて、半凝固状態ではない通常の溶湯を使用して複合部材を製造した。また、本比較例1では、余肉部がない金型を使用して、圧入工程を実施しなかった。その他の条件は上記実施例と同様とした。
(Comparative Example 1)
For comparison, a composite member was manufactured using a normal molten metal that was not in a semi-solid state instead of the Al alloy in a semi-solid state. In Comparative Example 1, the press-fitting step was not performed using a mold having no excess portion. Other conditions were the same as those in the above-described embodiment.
図4は、上記比較例1で得られた複合部材における接合部の顕微鏡写真であり、(a)が倍率150倍、(b)が倍率1000倍で撮影したものである。図4から分かるように、Cu系金属部材とAl合金との間の界面に合金層が形成されていなかった。また、実施例に比べてCu系金属部材とAl合金との接合強度が劣っており、58.4N/mm2の荷重を加えるとCu系金属部材がAl合金部材から抜けてしまった。 FIGS. 4A and 4B are photomicrographs of the joined portion of the composite member obtained in Comparative Example 1, wherein FIG. 4A is a photograph taken at 150 × and FIG. 4B is a photograph taken at 1000 ×. As can be seen from FIG. 4, no alloy layer was formed at the interface between the Cu-based metal member and the Al alloy. Also, the bonding strength between the Cu-based metal member and the Al alloy was inferior to that of the example. When a load of 58.4 N / mm 2 was applied, the Cu-based metal member came off the Al alloy member.
(比較例2)
さらに比較のため、余肉部がない金型を使用して、圧入工程を実施することなく複合部材を製造した。その他の条件は上記実施例と同様とした。Al合金は、実施例と同様に半凝固状態で供給した
(Comparative Example 2)
Further, for comparison, a composite member was manufactured using a mold having no excess portion without performing the press-fitting step. Other conditions were the same as those in the above-described embodiment. The Al alloy was supplied in a semi-solid state as in the example.
図5は、上記比較例2で得られた複合部材における接合部の顕微鏡写真であり、(a)が倍率150倍、(b)が倍率1000倍で撮影したものである。図5から分かるように、Cu系金属部材とAl合金との間の界面に合金層が形成されているものの、その厚さは実施例1に比べて薄かった、具体的には、部位によるばらつきはあるが、最小厚さと最大厚さの中央値は0.83mmであった。したがって、比較例2の複合部材は、実施例の複合部材に比べて接合強度に劣っていた。 FIGS. 5A and 5B are photomicrographs of the joint in the composite member obtained in Comparative Example 2 described above. FIG. 5A is a photograph taken at 150 × and FIG. 5B is a photograph taken at 1000 ×. As can be seen from FIG. 5, although the alloy layer was formed at the interface between the Cu-based metal member and the Al alloy, the thickness was smaller than that in Example 1, and specifically, the variation due to the portion. However, the median of the minimum and maximum thickness was 0.83 mm. Therefore, the composite member of Comparative Example 2 was inferior in bonding strength as compared with the composite member of Example.
また、電磁攪拌を用いて作製した半凝固金属を使用したため、Al合金部分の組織は、図5(b)に示すように微細な粒子からなるものであったが、粒子形状は略球形であり、実施例のような鍛造組織ではなかった。これは、余肉部からの圧入を行わなかったためである。したがって、比較例2における複合部材は、実施例の複合部材に比べてAl合金部材部分の機械的特性の面でも劣っていた。 Further, since the semi-solid metal produced by using electromagnetic stirring was used, the structure of the Al alloy portion was composed of fine particles as shown in FIG. 5B, but the particle shape was substantially spherical. However, it was not a forged structure as in the examples. This is because press-fitting from the surplus portion was not performed. Therefore, the composite member of Comparative Example 2 was inferior in mechanical properties of the Al alloy member portion as compared with the composite member of Example.
10 下型(プレス金型)
11 キャビティ
12 余肉部
20 上型(プレス金型)
30 加圧装置
31 圧入用プランジャー
40 Cu系金属部材
50 Al合金部材
10 Lower mold (press mold)
11 Cavity 12 Surplus part 20 Upper die (press die)
Reference Signs List 30 pressurizing device 31 plunger for press fitting 40 Cu-based metal member 50 Al alloy member
Claims (4)
キャビティと前記キャビティに連通する余肉部とを有するプレス金型を使用し、
前記プレス金型内にインサートとしての前記Cu系金属部材を設置するインサート設置工程と、
前記プレス金型内に、半凝固状態のAl合金を供給する半凝固金属供給工程と、
前記プレス金型により前記半凝固状態のAl合金に圧力をかけて前記キャビティ形状に成形するとともに、前記Al合金の一部を前記余肉部に充填するプレス工程と、
前記余肉部に充填されたAl合金を、前記キャビティ内に強制的に圧入する圧入工程とを有する、複合部材の製造方法。 A method for manufacturing a composite member including a Cu-based metal member and an Al alloy member,
Using a press mold having a cavity and a surplus portion communicating with the cavity,
An insert installation step of installing the Cu-based metal member as an insert in the press mold,
In the press die, a semi-solid metal supply step of supplying a semi-solid Al alloy,
A press step of applying pressure to the semi-solidified Al alloy by the press mold to form the cavity shape, and filling a part of the Al alloy in the excess portion.
Press-fitting the Al alloy filled in the excess portion into the cavity.
前記Cu系金属部材とAl合金部材とが、該Cu系金属部材とAl合金部材との間の界面に存在するCu−Al系合金層を介して接合されており、
前記Al合金部材が、偏平形状の粒子で構成された鍛造組織を有する、複合部材。 A composite member comprising a Cu-based metal member and an Al alloy member,
The Cu-based metal member and the Al alloy member are joined via a Cu-Al-based alloy layer present at an interface between the Cu-based metal member and the Al alloy member,
A composite member , wherein the Al alloy member has a forged structure composed of flat particles .
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