JPS62199276A - 無機質繊維強化アルミニウム複合材の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「発明の目的」 無機質繊維強化アルミニウム複合材とアルミニウム合金
材または上記複合材相互を高強度に接合することのでき
る方法を提供しようとするものである。

産業上の利用分野 無機質繊維強化アルミニウム複合材に関する接合技術。

従来の技術 金属基複合材の中でウィスカーをも含む無機質繊維状物
質を強化材としたものは高強度、高弾性、耐熱強度、耐
摩耗性、低熱膨張性、耐疲労強度性などに優れた特性を
発揮する。然してこれらの特性の中で、例えば耐摩耗性
は部材の摺動面力みが保持すればよい：ｂげであるから
、その必要部位のみに該複合強化材を採用ずればよく、
又耐熱強度についても同様に高温にさらされる部位のみ
に複合強化材を用いることで足りる。しかも前記した金
属基複合材はその基材のみのものよりも数段高価であり
、又塑性加工なども困難を伴うことが多いので該複合強
化材を必要部位のみに用いることが有利であり、例えば
ピストンヘッド部などに採用する試みかなされている。

ところでこのように必要部位のみに前記複合強化材を取
付けるのには常法による溶融溶接やろう付けが採用され
ている。

発明が解決しようとする問題点 然し上記のような従来法によるものではそれぞれに問題
点を有している。即ち溶融溶接によるものでは溶接熱に
よって繊維が劣化せしめられ、又繊維分布状態の変化な
どが避けられず、それらによって高い母材なみの強度を
もった接合部を形成することが非常に困難である。又ろ
う付けによるものも無ｆ維領域やろう１曽の存仕のため
接合部の強度や耐熱性などθ）特注が母材より相当に低
くなる。従って折角の複合強化材の有利性が何れにして
も失われることとならざるを得ない。

「発明の構成」 問題点を解決するための手段 無機質繊維強化アルミニウム複合材とアルミニウム合金
材または該複合材とを接合するに当り、上記した無機質
繊維強化アルミニウム複合材における接合面に対し電解
研摩ないしは化学エツチングによってマトリックス除去
処理をなして無機質繊維（平均径ｄμｍ）を接合面から
０．１　ｄ２〜１０ｄ２μｍ　露出させ、該接合面に被
接合金属の重ね合わせて加圧し加熱処理して拡散溶接す
ることを特命とする無機質繊維強化アルミニウム複合材
の接合方法。

作　　用 電解研磨や化学エツチングなどのマトリックス除去処理
によって複合された黒機質繊維を接合面から適度に露出
させ、こθ〕状態で〃目玉、加熱処理し拡散溶接ずろこ
とにより母材なみ或いはそれ以上の接合強度を得しめる
。

実施例 上記したような本発明について更に説明すると、本発明
者等は上記したような従来のものの問題点を解決するこ
とについて検討を重ねた結果、固相接合法の１つである
拡散溶接手法に従い特定の処理条件を採用して前記繊維
強化型複合金属材料を接合することにより母材なみの高
強度を得ることに成功した。

即ち斯かる本発明について仔細を説明すると、本発明方
法によるものは大別して接合表面の前処理と、温度条件
および圧力条件の如きより成る接合処理から成っており
、これらを各別に説明すると以下の如（である。

■、接合表面の前処理 繊維強化型アルミニウム合金（以下ＦＲＭという）の接
合面を研磨処理するもので、この研磨手法としては電解
研磨、化学的エツチング、ワイヤブラッシング、あるい
は旋盤加工などを採用することができろ。ＦＲＭの接合
強さはこのような前処理の如何によって影響するところ
が大きい。即ちこれらの処理によって複合されている繊
維が接合面から突出するものと認められ、その程度如何
が接合強度を太き（支配することを確認した。

上記した電解研磨の場合にお℃・て、上記繊維の突出量
は研磨時間に比例して増加することとなるが、例えば過
塩素酸を５〜１５チ含むエタノール又はメタノール液を
用い、直流１５〜３５ｖの電解研磨条件でＪＩＳＡ６０
６３ノアルミニウム合金にアルミナ短繊維（３μｍφ×
１５０μｍ）を５〜２０Ｖｏ１％配合した前記ＦＲＭを
電解研磨した場合において３〜８分間の処理で繊維の平
均突出量が６〜１５μｍ程度に達し、この程度に繊維が
突出したものを接合処理することによって大きな接合強
度を有する良好な接合状態が得られる。なお電解研磨は
、特に限定されるものではなく、前記過塩素酸液による
もの以外にも、１タリえばフッ化アンモニウムと硝酸の
混合溶液等を用いて行えばよい。また化学エツチングも
特に限定されるものではな（、例えば硝酸とフッ酸の混
合溶液や硝酸と重クロム酸カリウムとの混合溶液を用い
て行うことができる。接合面からの無機質繊維の平均突
出長さく２１μｍ）は０１ｄ２〈ｔｔ〈１０ｄ２、好ま
しくは０．５ｄ２＜ｔｔ＜５ｄ２である。例えばアルミ
ナ短繊維でｄ＝３μｍならば４．５　＜ｔｔ　＜４５、
炭素繊維でｄ＝７μｍならば２４．　＜ｔｔ＜１４７が
好ましい。繊維突出長が０．１　ｄ２μｍより小さい時
は接合部が充分に複合材として機能せず、また１　０　
ｄ２μｍより大きいと、突出した繊維が折れたり、曲が
ったりして、横倒し状になったものが接合界面に多数分
布し、接合強さが低下する。なお前記した電解研磨、化
学エツチング、ワイヤブラッシング、および旋盤加工の
中では電解研磨、および化学エツチングが高い接合強度
を示し、次いで旋盤加工であって、ワイヤブラッシング
によるものは接合回度同上が比較的少い。これはワイヤ
フラッシングによって繊維が損傷されることおよびワイ
ヤブラシの鉄分が接合界面に付着することによるものと
推定される。

■、接合処理 ■接合温度 接合温度としては固液共存域であり、アルミニウム合金
ではこの固液共存域の範囲がそれなりに広いものもある
が、又狭いものもある。例えばＪＩＳＡで６０００系の
合金は比較的狭いが、２０００系、５０００系、４００
０系および７０００系、ＡＣ系、ＡＤＣ系のものは比較
的広い。然し何れにしても固相が９０％以上存在する温
度域で行うことが拡散溶接の本質である精密溶接を得る
上において好ましい。純アルミニウム系の場合において
配合繊維の体積含有率が高ければ固相支配と着像せるが
、低いときはインサート材によって固液共存域を形成す
ることができ、インサート材自体に固液共存域があると
きは母材は純固相域であってもよい。

■溶接圧力 上記のように固液共存域であるから溶接圧力としては大
きな圧力を必要とせず、液相が比較的多（なる接合温度
では圧力は小さくしてもよい。

■直接接合の場合 本発明においては適宜にインサート材を用いることは上
記の通りであるが、そのようなインサート金属を用いな
い直接接合の場合には溶接温度をマトリックスの固相線
温度以上とし、接合面への加圧力はＩ　Ｍｐａ以上が好
ましく、また圧接時間は５分以上とすることが好ましい
。

前記のように電解研磨による繊維突出量が５〜８μｍの
ものにおいて母材強度に近い接合強度を得ることができ
る。

■インサート材を用いる場合 本発明によるものは一般的にインサート金属を用いるこ
とにより、それを用いないときより接合強度を高めるこ
とができる。

このようなインサート金属としてはＭ材では母材アルミ
合金の融点より低いもの、銅および銀などの何れを用い
ることもでき、その何れの場合にも改善が得られるが、
ＡＱ材、例えばＡ　２０１７合金の方が比較的高い接合
強度を得しめる。このＡ　２０１７合金および銅を用い
たものにおいては引張試験時に母材部で破断するのに十
分な接合強さをもった接合部を得ることのできることが
確認され、この継手の溶接変形量は２チ以下と非常に少
いものである。

更にこのようなインサート材を用いる場合においては界
面に無繊維層の形成されろ傾向の存することは明かで、
インサート金層の厚さをできるだけ薄（し、又溶接温度
をそれなりに高（することが好ましく、更には繊維の突
出長さも上記したところより太き目に才ろことかｑ子ま
しい。

即ち、インサート金層の厚さは、Ａｔ−１０１１μｍで
あるが、複合材−アルミ合金材の場合は１１〜５Ｌｔｌ
ｔｍ　が好ましく、複合材−複合材の場合は、２　ｉｔ
〜］ＯＡｔμｍが好ましい。溶接温度は、インサート材
もしくはマトリックス材の低い方の固相線温度以上で、
接合面への加圧力はＩＭｐａ以上が好ましく、また圧接
時間は５分以上が好ましい。さらに、繊維突出長さｚｔ
μｍは０．１　ｄ２＜７ｔ＜１０ｄ２が好ましく、より
好ましくは０．５　ｄ２＜７ｔ〈５ｄ２μｍが好ましい
。

［Ｆ］溶接雰囲気 溶接雰囲気は、真空ないし不活性雰囲気とする。真空雰
囲気圧力はｌＯ°２Ｔｏｒｒ以下が好ましい。又、不活
性雰囲気としては、Ｎ２１　Ａｒ　ガスなどが用いられ
ろ。

本発明によるものの具体的な製造例について説明すると
以下の如くである。

製造例１ 長さが平均１５μｍで径が３ｔｒｍのアルミナ短繊維を
１５　ｖｏｌ　％配合したＪＩＳ　Ａ６０６３合金によ
る径２０ｍｍの押出成形丸棒の端面に対し過塩素酸１０
係エタノール液攪拌中、−２０℃で１８ｖで５分間電解
研磨して接合面を加工した。各端面における繊維突出長
さは２〜１２μｍであり、斯うした接合面は浴接直前に
アセトン中で超音波洗浄したものを用いた。

上記したような丸棒アルミニウム合金材の端面相互間に
おけろ拡散溶接は】０°’　Ｔｏｒｒの真空中で行い、
接合部の加熱にはモリブデンの抵抗発熱体を用いて６２
０℃に加熱し、加圧力を２Ｍｐａ保持時間３０分で行っ
た。

得られた接合部についての引張強度は母材強度（１８Ｋ
ｆ／ｍｍ”　）より高いものであった。

製造例２ 前記した製造例１のようにして得られた一端電解研摩後
の丸棒複合材による加工端面間にＪＩＳ　Ａ２０１．７
材の厚さ７５μｍの薄片をインサート材として用い、接
合部温度を６００℃とした以外はすべて製造例１におけ
ると同じに拡散溶接した。

このようにして得られたものの接合部引張強度は母材強
度（１８Ｋｇ／Ｎｎ２）よりも高いものであった。

製造例３ 製造例１におけると同じにして得られたＪＩＳＡ２０１
７材の電解研磨端面に対しＪＩＳ　Ａ３０５６材による
同径の丸棒材を接合した。この場合の接合部温度につい
ては５７５℃で、保持時間が７分であったこと以外はす
べて製造例１におけると同じに実施した。

このものにおける接合部の引張強度は母材より高く、複
合材側の母材破断てあった。

製造例４ Ｓｉ　Ｃ被覆炭素繊維（径７μｍの長繊維）を６５ｖｏ
ｌ　　％含有した純ＡＣマトリックスからなる径１５咽
で長さ９０．０複合材を得、このものの一端を０．　Ｉ
　Ｎ　−Ｈα液により前記繊維の突出長さか２０μｍに
なるように電解研磨処理した。

上記のようにして得られたものの端面に対し厚さ３０μ
ｍのＣｕ箔をインサート材として径３０間で長さ４０叫
のＪＩＳ　Ａ２０１１材の円形端面中央部に拡散接合し
た。接合部温度は５４５℃で加圧力は８Ｍｐａであり、
インサート材のりダクションが２０μｍになるまで加圧
し４５分間保持した。

このようにして得られたものを段違いのまま引張試験し
接合部における引張強度を測定したところ、破断はＪＩ
Ｓ　Ａ２０１１材側で発生し、破断面は複合材断面積よ
り太きいものであったが、複合材断面積基準では３２　
Ｋｇ／／ｍ２であった。

製造例５゜ 長さ４ｍｍに切断したＳＬ　Ｃ被覆の炭素繊維（７μｍ
）を、ＪＩＳ　Ａ６０６１をマトリックスとして、２５
　ｖｏｌ　％含有する複合材な押出し、径２０ｍｍの丸
棒をえた。接合端面な硝酸５係、重クロム酸１０％を含
有する溶液に浸してエツチングして、繊維を５０μｍ突
出させた。得られた２本σ）丸棒を、接合面を合わせて
、］　０−３Ｔｏｒｒの真空中、５９５℃、加圧力５Ｍ
ｐａ、保持時間２０分で加熱処理し、拡散溶接し、その
後Ｔ６処理を行った。

このようにして得られたものの接合部引張強度は母材強
度（４５Ｋ９／／ｍ２）とほぼ同じであった。

「発明の効果」 以上説明したような本発明によるときは、無機質繊維強
化アルミニウム複合材相互またはアルミニウム合金材と
の間の接合を高強度に達成することができるものであり
、それによってこのような繊維強化アルミニウム複合材
を夫々の部体における必要部位に的確に取付け、該複合
材の有利且つ経済的な利用を図らしめろものであるから
工業的にその効果の大きい発明である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）無機質繊維強化アルミニウム複合材とアルミニウ
   ム合金材ないしは該複合材とを接合するに当り、上記し
   た無機質繊維強化アルミニウム複合材における接合面に
   対し電解研摩処理ないしは化学エッチング処理を施して
   マトリックスを除去し、無機質繊維を接合面から露出さ
   せ、該接合面に被接合材を重ね合わせて加圧し、加熱処
   理をして拡散接合することを特徴とする無機質繊維強化
   アルミニウム複合材の接合方法。
2. （２）接合面から露出させる無機質繊維の平均長さが、
   該繊維の平均径がｄμｍであるとき、０．１ｄ＾２μｍ
   以上、１０ｄ＾２μｍ以下であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の無機質繊維強化アルミニウム複
   合材の接合方法。
3. （３）接合面間に、接合面から露出させた無機質繊維の
   平均長さの１倍以上、１０倍以下の厚さのインサート材
   を、介装することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の無機質繊維強化アルミニウム複合材の接合方法。
4. （４）加圧が１Ｍｐａ以上で、加熱処理が真空ないしは
   不活性雰囲気中で、温度がマトリックスの固相線温度以
   上であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   無機質繊維強化アルミニウム複合材の接合方法。