JP7197863B2 - 固相拡散接合方法 - Google Patents
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Description
このようなクラッド圧延で圧着を行う場合、酸化被膜を確実に破壊するために圧下率を高くする必要があり、複数回の圧延が必要となることもある。このため、複数の金属材の間に中間層を配置し中間層一部液相化して圧延することにより圧下率を低減させる技術が提案されている(特許文献1)。
ところで、さまざまな形状を有する部材を面接合する技術として、ろう付け接合や固相拡散接合の適用が考えられる。ろう付けは、接合面全体に満遍なくろう材を広げる必要があるため施工が難しく、更に専用のろう材や熱処理炉の準備が必要となる。また、固相拡散接合技術は、アルミニウム合金のような酸化被膜が形成されやすい金属材料においては、酸化被膜が拡散による原子の移動をブロックするため適用できなかった。
金属材と溶加材とを相互に固相拡散させて接合する固相拡散接合方法であって、
前記金属材及び前記溶加材よりも融点の高い素材からなる治具に形成された流路内に、前記金属材の被接合面を露出させて配置する工程と、
前記溶加材の溶湯を前記流路内に噴射して、前記溶加材の液滴を生成する工程と、
前記液滴が前記流路内で冷却されて凝固した微粒子を前記被接合面に衝突させ、前記被接合面に新生面を形成する工程と、
前記新生面の形成後、酸化被膜が形成される前に、前記溶加材の溶湯によって前記新生面を前記金属材で覆う工程と、
前記流路内の溶湯を固相拡散接合温度に保持したまま加圧して、前記新生面と前記溶加材とを固相拡散接合させる工程と、
を有する固相拡散接合方法。
<固相拡散接合方法の基本手順>
以下に説明する金属材の固相拡散接合方法は、金属材と溶加材とを簡単に固相拡散接合する方法であって、基本的に以下の工程(1)~(5)を有する。
(1)流路内に金属材の被接合面を露出させて配置する工程
(2)流路内に溶加材の液滴を生成する工程
(3)液滴が凝固した微粒子を被接合面に衝突させ、被接合面に新生面を形成する工程
(4)新生面の形成後、酸化被膜が形成される前に、溶加材の溶湯によって新生面を覆う工程
(5)流路内の溶湯を固相拡散接合温度に保持したまま加圧して、新生面と溶加材とを固相拡散接合させる工程
溶加材は金属材を溶融させないため金属材よりも融点の低い材料で構成され、接合する金属材との間で原子が拡散される材料が選択される。また、溶加材は、金属材と同種の金属からなる材料であってもよい。
溶加材の液滴は、圧力をかけた溶加材溶湯を噴射して飛散させること等により得られる液滴である。なお、液滴の生成、新生面の形成、新生面を溶湯で覆う各工程は、大気中で行うことができるが、真空中や不活性ガス雰囲気中で実施してもよい。
次に、上記した金属材と溶加材との固相拡散接合方法によって接合体を形成する、具体的な手順を説明する。以下に示す接合体を形成する治具は一例であって、これに限定されない。
図1に示すように、治具100は、流路形成ブロック11と、流路形成ブロック11の一部に接続される流路端ブロック13とを備える。
基材15は、6000系、5000系、7000系、3000系、2000系のアルミニウム合金材や1000系のアルミニウム材が使用できる。
また、基材15は、板材に限らず、押出形材(パイプ材や、中空、中実、異形断面の形材)、鍛造材(板材、リブ付材)であってもよい。さらに、基材15の表面に、予備処理としてブラスト処理、エッチング処理、ブラシ研磨処理等の各種表面処理を施してもよい。これにより、基材15の表面の有機物が除去され、基材15と溶加材との接合品質がより向上する。
図3は図1に示す治具100のA1-O-A2線の断面であり、溶加材31を充填用空間17に供給した様子を示す説明図である。
図3に示すように、流路形成ブロック11の外縁に流路端ブロック13を密着させて、流入口19と、充填用空間17と、接続流路21と、貯留部23とを連通させる。これにより、溶加材の流路が形成される。
図4の(A)は、治具100へ溶加材を充填する前の状態を示す説明図であり、図4の(B)は、治具100へ溶加材を充填する場合の状態を示す説明図である。
図6の(A)~(E)は、基材15と流路形成ブロック11との間に形成された充填用空間17に溶加材31の溶湯47を充填し、溶湯47が凝固するまでの様子を模式的に示す工程説明図である。
図6の(A)に示すように、溶加材の溶湯の流路となる充填用空間17に、基材15の被接合面を露出させて配置する。一般に、金属材の基材15の表面には酸化膜や油分等の有機物、塵埃等の異物を含む表層49が形成されており、金属母材がそのまま表出していることはない。
次に、上記した金属材と溶加材との固相拡散接合方法によって形成される接合体の第2構成例を説明する。以降の説明においては、前述した部材や部位と同じ部材や部位については同じ符号を付与することで、その説明を簡単化、又は省略する。
次に、上記した金属材と溶加材との固相拡散接合方法によって形成される接合体の第3構成例を説明する。
図14に示すように、基材15と溶加材31との界面では、基材15と溶加材31とが固相拡散接合されている。
(1)金属材と溶加材とを相互に固相拡散させて接合する固相拡散接合方法であって、
前記金属材及び前記溶加材よりも融点の高い素材からなる治具に形成された流路内に、前記金属材の被接合面を露出させて配置する工程と、
前記溶加材の溶湯を前記流路内に噴射して、前記溶加材の液滴を生成する工程と、
前記液滴が前記流路内で冷却されて凝固した微粒子を前記被接合面に衝突させ、前記被接合面に新生面を形成する工程と、
前記新生面の形成後、酸化被膜が形成される前に、前記溶加材の溶湯によって前記新生面を前記金属材で覆う工程と、
前記流路内の溶湯を固相拡散接合温度に保持したまま加圧して、前記新生面と前記溶加材とを固相拡散接合させる工程と、
を有する固相拡散接合方法。
この固相拡散接合方法によれば、液滴が凝固した微粒子が金属材に衝突することで、金属材の表層が削られて新生面が形成される。その後、新生面に酸化被膜が形成される前に、この新生面が溶加材の溶湯で覆われることで、溶湯が凝固した金属材と溶加材とが固相拡散接合される。これによれば、施工性を低下させることなく、接合部の接合強度を向上できる。
この固相拡散接合方法によれば、流動初期の不純物、異物が多く含まれる流動体が溜まり部に向けて排出される。そのため、溶湯が凝固した溶加材のポロシティを低減でき、接合体の品質を向上できる。
この固相拡散接合方法によれば、流路内に配置された金属材によって流路断面積が小さくなり、流路を流れる微粒子の流速が速くなる。これにより、金属材に微粒子がより高速に衝突するようになり、新生面を高効率に短時間で形成できる。
この固相拡散接合方法によれば、金属材の対向面同士が、溶加材を介して高強度に拡散接合される。
この固相拡散接合方法によれば、金属材が溶加材を介して板厚方向に重なって高強度に拡散接合される。
この固相拡散接合方法によれば、アルミニウム展伸材とアルミニウム合金鋳物とを固相拡散接合した高強度な接合体が得られる。
この固相拡散接合方法によれば、接合が難しい5000系アルミニウム合金であっても原子が良好に拡散して、高い接合強度が得られる。
11a 下面
11b 上面
13,14 流路端ブロック
15,15A,15B 基材(金属材)
17 充填用空間
17a空間外縁部
19 流入口
21 接続流路
23 貯留部
25 溝形成部材
27 押さえ部材
31 溶加材
33 治具支持機構
35 下型
35a 収容凹部
37 上型
37a 溶加材供給流路
39 ヒータ
41 温度コントローラ
43 温度制御部
45 溶加材供給部
46 ノズル部
47 溶湯(溶加材)
49 表層
51 接合体
53 液滴
55 微粒子
57 新生面
100,200,300 治具
Claims (7)
- 金属材と溶加材とを相互に固相拡散させて接合する固相拡散接合方法であって、
前記金属材及び前記溶加材よりも融点の高い素材からなる流路形成ブロックを、前記金属材の露出された被接合面から離間して配置して、前記流路形成ブロックの前記金属材に対向する面と前記金属材との間に充填用空間を画成する工程と、
前記流路形成ブロックに形成され前記流路形成ブロックを貫通して前記充填用空間に連通する流入口に設けられた、オリフィスを備えるノズル部から、前記溶加材の溶湯を前記充填用空間内に噴射することで、前記充填用空間内で前記溶加材の液滴を生成し、前記溶加材の液滴が前記充填用空間内で冷却されて凝固した微粒子を前記被接合面に衝突させて前記被接合面に新生面を形成し、前記新生面の形成後、前記新生面に酸化被膜が形成される前に、前記溶加材の溶湯によって前記新生面を覆い、前記充填用空間内を前記溶湯で充填させる工程と、
前記溶加材の溶湯充填後に400℃以上で、且つ前記金属材と前記溶加材の融点以下である固相拡散接合温度に少なくとも10秒以上保持したまま加圧して、前記新生面と前記充填用空間内に充填された溶加材とを固相拡散接合させる工程と、
をこの順で有する、固相拡散接合方法。 - 前記充填用空間には、少なくとも前記微粒子と前記溶湯とを含む流動体の流動方向の下流側に、前記充填用空間から溢れ出た前記流動体を収容する溜まり部が接続されている、
請求項1に記載の固相拡散接合方法。 - 前記流路形成ブロックを支持する移動機構により、前記充填用空間内に配置された前記金属材と前記流路形成ブロックとを接近させて流路断面積を縮小し、前記微粒子の流速を増加させる請求項1又は2に記載の固相拡散接合方法。
- 複数の前記金属材を互いに対向させて配置し、対向し合う前記金属材の対向面同士の間に前記充填用空間を形成する請求項1~3のいずれか1項に記載の固相拡散接合方法。
- 平板状の前記金属材を板厚方向に所定の間隔を空けて重ねて前記充填用空間を形成する請求項4に記載の固相拡散接合方法。
- 前記金属材はアルミニウム展伸材であり、前記溶加材はアルミニウム合金鋳物である請求項1~5のいずれか1項に記載の固相拡散接合方法。
- 前記金属材と前記溶加材は、5000系アルミニウム合金である請求項6に記載の固相拡散接合方法。
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DE102014014969A1 (de) | 2013-10-14 | 2015-04-16 | Imperia Gesellschaft für angewandte Fahrzeugentwicklung mbH | Hybridbauteil-Gusswerkzeug und Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils |
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