WO2004043642A1 - アルミニウム粉末合金の接合方法 - Google Patents

アルミニウム粉末合金の接合方法 Download PDF

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joined
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aluminum powder
alloy
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Shigeru Okaniwa
Jun Kusui
Toshimasa Nishiyama
Hideki Ishii
Hisashi Hori
Original Assignee
Nippon Light Metal Co., Ltd.
Toyo Aluminium Kabushiki Kaisha
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    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof

Definitions

  • the present invention relates to a method for joining a formed body made of an aluminum powder alloy, particularly an aluminum composite material.
  • the aluminum powder alloy obtained by molding and sintering aluminum alloy powder has various properties such as high strength, heat resistance, wear resistance, high Young's modulus, and low coefficient of thermal expansion by selecting and adjusting the alloy composition and improving the processing method. Excellent products have been obtained, and have been widely used.
  • those obtained by molding and sintering the alloy powder obtained by the rapid solidification method inherit the microstructure derived from the powder preparation method and can obtain a compact having a fine metal structure. I have.
  • powder alloys can relatively easily disperse ceramic particles having various functions that are difficult to disperse uniformly by ordinary smelting methods into alloys.
  • Aluminum alloys have high strength, heat resistance, and neutrons. Absorption ability and the like can be provided.
  • Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. 2000-504,186 discloses that a pressure-sintered aluminum powder containing ceramic particles added for changing various properties is heat-treated and then subjected to a conventional welding method. Are described.
  • the aluminum powder alloy is a dispersion-strengthened composite material in which ceramic particles are dispersed
  • a filler metal is used for welding.
  • the filler material does not contain any dispersed material (reinforcement material)
  • the welded joint does not contain any dispersed material (reinforcement material)
  • the strength of the joint portion is higher than that of the other parts. Decreases. Disclosure of the invention
  • the present invention has been devised to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a method of joining an aluminum powder alloy in which the strength of a joint is equal to the strength of other parts.
  • the method for joining an aluminum powder alloy of the present invention is characterized in that a compact formed by pressure-sintering rapidly solidified aluminum alloy powder is joined by a friction stir welding method.
  • a composite material obtained by pressure-sintering a mixture of a rapidly solidified aluminum powder alloy and ceramic particles is preferable.
  • ceramic particles having an average particle diameter of 10 m or less.
  • the friction stir welding has a rotating pin with a length of 3 to 10 mm and a diameter of 3 to 10 mm, and a friction stir welding tool with a shoulder part diameter of 6 to 25 mm. It is preferable to carry out the process under the conditions of 0 to 300 rpm, a moving speed of 200 to: L0000 mm / min, and a pushing depth of a part of the rotating body shoulder of 0 to 1 mm.
  • a joining auxiliary material made of an aluminum alloy containing ceramic particles of the same kind as the ceramic particles contained in the material to be joined or an aluminum alloy containing no ceramic particles is sandwiched between the materials to be joined, or It is preferable to perform joining while being placed on the portion to be joined.
  • a joining auxiliary material having a substantially T-shaped or substantially H-shaped cross section is used. It is preferable that the vertical portion having a U-shape or the horizontal portion having a substantially H shape be joined while being sandwiched between the members to be joined.
  • the joining auxiliary material it is also possible to use a material having a different content of ceramic particles between the clamped portion and the non-clamped portion.
  • joining method of the present invention is not limited to joining powder alloys, and one of the joining materials can be applied to an aluminum powder alloy.
  • Figure 1 is a diagram illustrating the friction stir welding method (quoted from Japanese National Publication of International Patent Application No. 9-508073).
  • Fig. 2 is a diagram illustrating the mode of friction stir welding with the welding auxiliary material sandwiched between the workpieces.
  • Fig. 3 is a diagram illustrating the mode of friction stir welding with the welding auxiliary material placed on the part to be welded.
  • Fig. 4 illustrates the mode of friction stir welding using a joining auxiliary material with a T-shaped cross section.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an embodiment in which friction stir welding is performed using a joining auxiliary material having an H-shaped cross section.
  • Fig. 6 is a diagram illustrating the state of formation of a plastic region (a) and the state of formation of a welding line after friction stir welding (b) when friction stir welding is performed using a welding auxiliary material with a T-shaped cross section.
  • Figure 7 shows a cross-sectional microstructure of the time of friction stir joining and the B 4 C particle size 9 m is contained 5 wt% pressureless sintered body, the junction (a) and base metal (b) Microscope observation screen
  • Fig. 8 is an observation screen showing the cross-sectional macrostructure of the joint using the joining auxiliary material.
  • a rotor 2 having a pin 24 attached to a coaxial tip is rotated, and while the pin 24 is rotated, the two workpieces 3, 4 are projected. It is pushed into the joint (Japanese National Publication of International Patent Application No. Hei 9-1508073).
  • the butted portion of the materials to be joined is heated by the frictional heat generated by the pins 24 and further stirred by the rotation of the pushed pins 24.
  • the metal that has plastically flowed by heating and stirring is mixed between the materials to be joined 3 and 4, and when the pin 24 passes, heat is rapidly taken away and solidified, and the materials to be joined 3 and 4 are solidified.
  • a joint 5 is formed between 4.
  • reference numeral 22 denotes an upper portion connected to a power source
  • reference numeral 23 denotes a shoulder portion to which pins 24 are attached
  • reference numeral 1 denotes a non-consumable probe having a rotor 2.
  • the metal of the joint is plastically fluidized by friction heat and strong stirring force and mixed with each other without melting. I have. For this reason, since the temperature of the joint does not become too high, the metal structure is not coarsened and no professional hole is generated. Therefore, the mechanical strength of the joint does not decrease.
  • the materials to be joined are mixed and joined instead of joining with the filler material between the materials to be joined. Therefore, there are also dispersed particles at the joint. Moreover, there is no deformation due to heat and no blowholes. Therefore, there is no decrease in the mechanical strength of the joint.
  • the size of the ceramic particles to be mixed is preferably 10 ⁇ or less in average particle size. If it is larger than this, the fluidity at the joint cannot be secured, the ceramic particles are not uniformly dispersed, and the desired strength of the joint cannot be obtained. Wear of the rotating pin is also fast.
  • an aluminum alloy rapidly solidified powder is prepared.
  • the gas atomization method is suitable for preparing the rapidly solidified powder.
  • the prepared aluminum alloy powder preferably has an average particle size of 20 to 100 / xm. Although the average particle size is less than 20 / zm, it is difficult to manufacture, and the flowability is poor, so that handling becomes difficult. Conversely, if it exceeds 100, the metal structure becomes coarse when pressure sintering is performed, and sufficient mechanical strength cannot be obtained, so that the advantage of a powder alloy is lost.
  • the obtained alloy powder is sealed in an aluminum can, or subjected to cold isostatic pressing (CIP) or spark plasma sintering to facilitate handling.
  • CIP cold isostatic pressing
  • ceramic particles are mixed with the aluminum alloy powder at this stage. Varies depending on the purpose, as the mixing ceramic particles, oxide, carbide, nitride, A 1 2 0 3 of boride-based, Z R_ ⁇ 2, S i C, B 4 C, WC, AIN, S i 3N 4, BN, T i B 2 and the like. A plurality of types of ceramic particles may be mixed. The blending amount of the ceramic particles is adjusted so as to obtain the target characteristics. This is the same as the conventional technology.
  • the aluminum alloy powder which has been subjected to a preliminary treatment to facilitate its handling is then subjected to pressure sintering, but it is preferable to perform a degassing treatment such as vacuum suction before that. It is preferable that the degassing treatment is performed while heating, since gas is easily released and sintering partially proceeds. It is preferable to perform the degassing treatment while heating to preferably 200 ° C. or more, more preferably 450 ° C. or more.
  • hot working methods such as extrusion, forging, and rolling may be used.
  • a method in which hot extrusion or hot rolling is performed once and then deformed again by hot forging may be used.
  • Friction stir welding has a rotating pin with a length of 3 to 10 mm and a diameter of 3 to 10 mm, and a friction stir welding tool with a partial shoulder diameter of 6 to 25 mm. It is preferable to carry out the process under the conditions of 500 to 300 rpm, a moving speed of 200 to: L000 mm, minute, and a pushing depth of the shoulder of the rotating body of 0 to 1 mm.
  • the joints become hot and melt, and the metal structure may become coarse.
  • the rotation speed is less than 500 rpm or the moving speed exceeds 100 Omm / min, the rotating body may be overloaded and the rotating pin may be broken.
  • the indentation depth of the rotating body shoulder is less than 0, that is, if the shoulder does not contact the joint, the joint will be joined in a free state, and the flow of the tissue in the joint will increase. No normal connective tissue can be obtained. For this reason, the bonding strength is weakened.
  • the pushing amount of the shoulder of the rotating body exceeds 1 mm, the rotating pin is overloaded and the rotating pin may break.
  • the ceramic particles dispersed sintered body when it is desired to increase the strength of the joint portion of the ceramic particles dispersed sintered body, to increase the A 1 2 0 3, Z r 0 2, S i ceramics particle content, such as C contained in the joint Is preferred.
  • the neutron absorption capacity of the neutron-absorbing particle-dispersed sintered body it is preferable to increase the amount of B 4 C contained in the joint.
  • an aluminum powder alloy containing a large amount of ceramic particles for neutron absorption is separately prepared, and the aluminum powder alloy processed into an appropriate size is used as a joining auxiliary material, and is sandwiched between the two when the materials to be joined are brought into contact. Alternatively, it is placed on the part to be joined. Then, friction stir welding is performed in this state.
  • a joining auxiliary material 6 formed of an aluminum powder alloy containing a large amount of ceramic particles is sandwiched between the joined materials 3 and 4, or After that, the pins 24 are pressed into the butted portions of the two materials 3 and 4 while rotating from above to perform friction stir welding. If a joining auxiliary material containing more ceramic particles than the materials to be joined 3 and 4 is used, the stirring pin 24 ⁇ shoulder 13 is liable to wear or break.
  • the joining auxiliary material 6 has a substantially T-shaped cross section.
  • a member having a substantially H shape may be used, and the substantially T-shaped vertical portion or the substantially H-shaped horizontal portion may be joined while being sandwiched between the members to be joined.
  • a joining auxiliary material 6 having a substantially H-shaped cross section as shown in Fig. 5, and after friction stir welding from the upper surface, the same applies from the lower surface It is preferable to perform appropriate friction stir welding.
  • the joining auxiliary material having a substantially H-shaped cross-section a material divided at the central horizontal portion of the H-shape may be used, and may be attached so as to be inserted and clamped from above and below the material to be joined. .
  • Fig. 6 shows the state of generation of the plastic region W due to frictional heat generated by the rotation and movement of the pin 24 during friction stir welding using the welding aid with a substantially T-shaped cross section used in Fig. 4. ) And the formation state (b) of the joint 5 after the completion of the friction stir welding.
  • a joining auxiliary material having a T-shaped cross section is used, so the surface of the joining portion has an extremely shallow concave groove at the center and a pair of low convex portions on both sides. Therefore, a joint portion thinner than the plate thickness of the plate material is not formed.
  • a joining auxiliary material having a mounting portion at the joint if there is no problem in appearance. If there is a problem with the appearance, the protrusion may be removed by grinding after joining.
  • a joining auxiliary material having a substantially T-shaped or substantially H-shaped cross-section When a joining auxiliary material having a substantially T-shaped or substantially H-shaped cross-section is used, a T-shaped vertical portion or a substantially H-shaped horizontal portion sandwiched between the materials to be joined, The content of the ceramic particles in the auxiliary material may be changed between the substantially T-shaped horizontal portion or the substantially H-shaped vertical portions that are placed on the material.
  • a substantially T-shaped vertical portion or a substantially H-shaped horizontal portion sandwiched between the workpieces has a large ceramic particle content contained in the substantially T-shaped configuration in which the ceramic particles are placed on the workpiece.
  • friction-stir welding with a small ceramic particle content in the horizontal part of the shape or both vertical parts in the substantially H shape. When friction stir welding is performed, the amount of wear of the rotating pin and shoulder is small and the strength of the joint Can be obtained.
  • An aluminum alloy having the composition shown in Table 1 was prepared by the air atomization method with an average particle size of 5 5 m powder.
  • the obtained alloy powder was formed into a cylindrical billet (95 mm in diameter) by cold isostatic pressing (CIP conditions: 1200 kg / cm 2 ).
  • the obtained billet was subjected to degassing and sintering in a vacuum furnace at 56 (TCX for 2 hours. After cooling to room temperature, it was heated to 500 ° C by induction heating and extruded into a 4 mm thick flat plate. After extruding, it was subjected to T6 treatment (520 ° CXlhr ⁇ water quenching ⁇ 180 ° CX6hr artificial aging treatment) to obtain test materials.
  • a tensile test piece including a joint was prepared from the obtained material, and a tensile test was performed. The results are shown in Table 2.
  • Table 1 Composition of test materials (% by mass)
  • MIG MIG welding method
  • MIG MIG welding method
  • Example 1 Powder molding and extrusion molding were performed in the same manner as described above.
  • Figure 8 shows a photograph of the macrostructure of the obtained joining material. From FIG. 8, it can be seen that sufficient bonding has been achieved. Industrial applicability
  • the joining portion is joined without being melted.
  • blowholes which are likely to occur when welding powder alloys, and there is no coarsening of the structure.
  • joining can be performed while maintaining the original mechanical properties of the powder alloy.
  • a joined body that maintains the original particle strengthening effect is obtained.
  • This technology is expected to dramatically expand the range of use of aluminum powder alloys, especially composite materials.

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Abstract

急冷凝固法で得たアルミニウム合金粉末の加圧焼結体を摩擦攪拌接合法により接合する。加圧焼結体としては、セラミックス粒子を分散させた複合焼結体でもよい。被接合部材間あるいは被接合部上に接合する部材と同種のセラミックス粒子を含有する接合補助材を扶持または載置した状態で摩擦攪拌接合してもよい。接合部は溶融されることなく接合されるので、ブローホールの発生や組織が粗大化することがなく、アルミニウム粉末合金の本来の特性を維持したまま接合される。

Description

アルミニウム粉末合金の接合方法 技術分野
本発明は、 アルミニウム粉末合金からなる成形体、 特にアルミニウム複合材料 の接合方法に関する。 背景技術
アルミニウム合金粉末を、 成形 ·焼結したアルミニウム粉末合金は、 合金組成 の選択，調整や加工方法の改良により、 高強度， 耐熱性， 耐摩耗性， 高ヤング率 , 低熱膨張係数等、 各種の特性に優れたものが得られるようになり、 広く使用さ れるようになった。 特に急冷凝固法で得られた合金粉末を成形 ·焼結したものは 、 粉末調製法に由来した微細組織を受け継ぎ、 微細金属組織を有する成形体が得 られるので、 機械構造部品として広く使用されている。 また、 粉末合金は、 通常 の溶製法では、 均一に分散させることの難しい種々の機能を有するセラミックス 粒子を比較的容易に合金中に分散させることができ、 アルミニウム合金に高強度 , 耐熱性， 中性子吸収能等を付与することができる。
しかしながら、 成形方法からの制限により、 成形品形状に限界がある。 そのた め、 適宜形状に成形 ·焼結したアルミニウム粉末合金を溶接法により所望形状に 接合し、 使用されている。 そして、 その溶接法として、 M I G溶接や T I G溶接 に代表されるアーク溶接法が採用されている。
例えば、 特表 2 0 0 2— 5 0 4 1 8 6号公報には、 各種特性変更のために添加 されたセラミックス粒子を含有するアルミニウム粉末の加圧焼結体を熱処理後、 慣用の溶接法で相互に接合することが記載されている。
ところで、 アーク溶接法では、 アルミニウム合金は電気伝導度や熱伝導度が高 いために、 大電流を流す必要がある。 また、 熱が発生するために熱ひずみによる 変形， 熱影響部の強度低下， プロ一ホール等の溶接欠陥が生じやすい。 特にアル ミニゥム粉末合金の場合、 脱ガスを十分に行なっていないと、 材料中の含有水素 量が 2 0〜3 0 c c / 1 0 0 gにもなり、 通常の铸造材 （1 c c Z l 0 0 g未満 ) に比べて非常に多くなる。 このため、 溶接時に多数のプロ一ホールが発生する 。 水素含有量は、 焼結前の真空脱ガス処理を行なうことや、 焼結を真空中で行な うことにより軽減可能であるが、 それでも 1〜5 c c / 1 0 0 gは含まれており 、 ブローホールを発生させる可能性はなくならない。 また、 長時間の真空中での 脱ガス処理により粉末表面より蒸気圧の低い元素が失われる可能性があることに 加えて、 長時間の加熱により微細組織の粗大化が起こってしまう。 さらに通常の 溶接法では接合部が溶融するため、 急冷凝固粉末を使用したことによる微細化し た金属組織が、 溶融部分とその周辺部、 特に溶融部分が粗大化してしまい、 接合 部の強度が他の部分と比較して低下し、 急冷凝固粉末を使用したことのメリット がなくなってしまう。
さらにまた、 アルミニゥム粉末合金がセラミックス粒子を分散させた分散強化 複合材である場合、 溶接には溶加材が使用される。 しかしながら、 溶加材には分 散物 （強化材） が含まれていないので、 溶接接合部は分散物 （強化材） が含まれ ていない状態となり、 他の部分と比較して接合部の強度が低下する。 発明の開示
本発明は、 このような問題を解消すべく案出されたものであり、 接合部の強度 が他の部分の強度と同等なアルミニゥム粉末合金の接合方法を提供することを目 的とする。
本発明のアルミニウム粉末合金の接合方法は、 その目的を達成するため、 急冷 凝固アルミニウム合金粉末を加圧焼結した成形体を、 摩擦攪拌接合法により接合 することを特徴とする。
成形体としては、 急冷凝固アルミニウム粉末合金とセラミックス粒子の混合物 を加圧焼結した複合材が好ましい。 またこの際、 セラミックス粒子としては平均 粒径 1 0 m以下のものを使用することが好ましい。
摩擦攪拌接合は、 長さ 3〜 1 0 mm, 直径 3〜 1 0 mmの回転ピンを有し、 シ ョルダ一部直径 6〜2 5 mmの摩擦攪拌接合用工具を用い、 ピンの回転数 5 0 0 〜3 0 0 0 r p m, 移動速度 2 0 0〜： L 0 0 0 mm/分， 回転体ショルダ一部の 押込み深さを 0〜 1 mmにする条件で行なうことが好ましい。 さらに、 被接合材に含まれるセラミックス粒子と同種のセラミックス粒子を含 有するアルミニウム合金製、 あるいはセラミックス粒子を含有しないアルミニゥ ム合金製の接合補助材を、 被接合材間に挟持させた状態で、 または被接合部上に 載置した状態で接合することが好ましい。 さらにまた、 接合補助材を被接合材間 に挟持させた状態で接合する際、 接合補助材としては、 断面形状が略 T字形状ま たは略 H字形状を有するものを用い、 前記略 T字形状の垂直部または前記略 H字 形状の水平部を、 被接合部材間に挟持させた状態で接合することが好ましい。 接合補助材としては、 被挟持部分と挟持されない部分とで、 セラミックス粒子 の含有量が異なつているものを用いることもできる
なお、 本発明の接合法は、 粉末合金同士の接合に限られるものではなく、 接合 する材料の片方がアルミニウム粉末合金にも適用できる。 図面の簡単な説明
図 1は、 摩擦攪拌接合方法を説明する図 （特表平 9一 5 0 8 0 7 3号から引用 )
図 2は、 接合補助材を被接合材間に挟持させた状態で摩擦攪拌接合する態様を 説明する図
図 3は、 接合補助材を被接合部上に載置した状態で摩擦攪拌接合する態様を説 明する図
図 4は、 断面 T字形状の接合補助材を用いて摩擦攪拌接合する態様を説明する 図
図 5は、 断面 H字形状の接合補助材を用いて摩擦攪拌接合する態様を説明する 図
図 6は、 断面 T字状の接合補助材を用いて摩擦攪拌接合する際の、 可塑領域の 生成状況 （a ) と、 摩擦攪拌接合終了後の接合線の生成状況 （b ) を説明する図 図 7は、 粒径 9 mの B 4Cを 5質量％含有させた加圧焼結体を摩擦攪拌接合 した際の、 接合部 （a ) 及び母材部 （b ) の断面ミクロ組織を示す顕微鏡観察画 面
図 8は、 接合補助材を用いた接合部の断面マク口組織を示す観察画面 発明を実施するための最良の形態
摩擦攪拌接合法では、 図 1に示すように、 同軸上の先端部にピン 2 4を取り付 けた回転子 2を回転させ、 ピン 2 4を回転させながら 2つの被接合材 3 , 4の突 合せ部に押込んでいる （特表平 9一 5 0 8 0 7 3号公報）。 ピン 2 4による摩擦 熱で被接合材の突合せ部は加熱され、 さらに押込まれたピン 2 4の回転で攪拌さ れる。 加熱および攪拌で塑性流動したメタルは、 両被接合材 3 , 4の間で互いに 混じり合い、 ピン 2 4が通りすぎた時点で熱が急速に奪われることにより固化し 、 両被接合材 3， 4の間に接合部 5が形成される。 なお、 図 1中、 2 2は動力源 に接続される上側部分， 2 3はピン 2 4が取り付けられたショルダ一部分で、 1 が回転子 2を備えた非消耗プローブである。
そして、 摩擦攪拌接合法では、 接合部は、 アーク溶接法等と異なって溶融させ ることなく、 単に摩擦熱と強烈な攪拌力で接合部のメタルが塑性流動化されて互 いに混じり合つている。 このため、 接合部はあまり高温になることがないので、 金属組織が粗大化したり、 プロ一ホールが発生したりすることがない。 したがつ て、 接合部の機械的強度が低下することはない。
さらに、 粒子分散複合材料を接合する場合であっても、 摩擦攪拌接合法では、 被接合材の間に溶加材が入って接合するのではなく、 被接合材同士が混じりあつ て接合されるので、 接合部にも分散粒子が存在する。 しかも、 熱による変形ゃブ ローホールの発生もない。 したがって、 接合部の機械的強度の低下はない。 接合部において、 被接合材のメタルの塑性流動性を確保するためには、 混合す るセラミックス粒子の大きさは平均粒径で 1 0 μ πι以下にすることが好ましい。 これより大きいと、 接合部における流動性が確保できず、 セラミックス粒子は均 一に分散せず、 接合部の強度として所期のものが得られなくなる。 また回転ピン の摩耗も早い。
セラミックス粒子の.ような粒子を分散させた複合材料を接合するとき、 攪拌接 合部の粒子分散濃度を高くしたい場合と、 低くしたい場合とがある。 例えば、 接 合部の強度を高くしたい場合や中性子吸収能を高くしたい場合が前者に相当し、 ピンの摩耗や破損を防ぎ接合を容易に行なおうとする場合が後者に相当する。 接 合部に含ませるセラミックス粒子の量に応じて、 セラミックス粒子含有量が異な つたアルミニウム合金製補助材を、 被接合部材間に挟持させるか、 被接合部上に 載置して摩擦攪拌接合を行なうと、 接合部に所望の含有比率でセラミックス粒子 が含まれている接合部を得ることができる。 本発明では、 先ずアルミニウム合金急冷凝固粉末を用意する。 急冷凝固粉末の 調製方法としては、 ガスアトマイズ法が適している。 用意するアルミニウム合金 粉末としては、 平均粒径 2 0〜 1 0 0 /x mの大きさのものが好ましい。 平均粒径 が 2 0 /z mに満たないものの製造は困難であり、 かつ流れ性が良くないので取り 扱いが困難になる。 逆に、 1 0 0 を超えると加圧焼結したときに金属組織が 粗大化し、 十分な機械的強度が得られず粉末合金としたメリットがなくなる。 次に得られた合金粉末を、 アルミニウム缶に封入したり、 冷間静水圧成形 （C I P ) や放電プラズマ焼結等を行なったりしてハンドリングし易くする。 なお、 複合材とする場合には、 この段階でアルミニウム合金粉末にセラミックス粒子を 混合する。 目的によって異なるが、 混合するセラミックス粒子としては、 酸化物 系， 炭化物系， 窒化物系， ホウ化物系の A 1 203, Z r〇2， S i C , B 4C , W C , A I N , S i 3N 4, B N , T i B 2等が挙げられる。 複数種のセラミックス 粒子を混合させても良い。 セラミックス粒子の配合量は目標とする特性が得られ るように調整する。 この点は、 従来の技術と同じである。
予備的な処理を施してハンドリングし易くしたアルミニウム合金粉末は、 次に 加圧焼結されるが、 その前に真空吸引等の脱ガス処理を施すことが好ましい。 な お、 脱ガス処理は加熱しながら行なうとガスも抜けやすく、 一部焼結も進行する ので好ましい。 好ましくは 2 0 0 °C以上、 さらに好ましくは 4 5 0 °C以上に加熱 しながら脱ガス処理することが好ましい。
加圧焼結方法としては、 通常の加圧状態での焼結の他に、 押出し， 鍛造， 圧延 等の熱間加工法でもよい。 また、 一旦熱間押出しや熱間圧延したものを、 熱間鍛 造加工で再度変形を加えた方法でもよい。
そして得られた加圧焼結体を摩擦攪拌接合によって接合する。 なお、 目的によ つては、 摩擦攪拌接合の前か後に、 成形体に熱処理を施しても良い。 摩擦攪拌接合は、 長さ 3〜 1 0 mm, 直径 3〜 1 0 mmの回転ピンを有し、 シ ョルダ一部直径 6〜 2 5 mmの摩擦攪拌接合用工具を用い、 回転ピンの回転数 5 0 0〜3 0 0 0 r p m， 移動速度 2 0 0〜： L 0 0 0 mm,分， 回転体ショルダー 部の押込み深さを 0〜 1 mmにする条件で行なうことが好ましい。
回転数が 3 0 0 0 r p mを超えたり、 移動速度が 2 0 O mmZ分未満であった りすると、 接合部が高温になって溶融してしまい、 金属組織が粗大化することが ある。 逆に、 回転数が 5 0 0 r p mに満たなかったり、 移動速度が 1 0 0 O mm /分を超えたりすると、 回転体に負荷がかかりすぎ、 回転ピンが折損することが ある。 回転体ショルダー部の押込み深さが 0未満、 すなわちショルダー部が接合 部に接触していないと、 接合部がフリーな状態で接合されることになるので、 接 合部の組織の流動が大きくなりすぎ、 正常な接合組織が得られない。 このため、 接合強度が弱くなる。 逆に回転体ショルダー部の押込み量が 1 mmを超えると、 回転ピンに負荷がかかりすぎ、 回転ピンが折損することがある。
また、 例えば、 セラミックス粒子分散焼結体の接合部の強度を高くしたい場合 には、 接合部に含まれる A 1 203, Z r 02, S i C等のセラミックス粒子含有 量を多くすることが好ましい。 また、 中性子吸収粒子分散焼結体の中性子吸収能 を高くしたい場合には、 接合部に含まれる含有 B 4C量を多くすることが好まし レ^ この要望を実現させるために、 強化用、 あるいは中性子吸収用のセラミック ス粒子を多く含有するアルミニゥム粉末合金を別途作製し、 適宜サイズに加工し た当該アルミニウム粉末合金を接合補助材として、 被接合材を当接する際に両者 間に挟持させ、 あるいは被接合部の上に載置させる。 そしてこの状態で摩擦攪拌 接合を行なう。
すなわち、 図 2 , 3に示すように、 セラミックス粒子を多く含有するアルミ二 ゥム粉末合金で成形された接合補助材 6を被接合材 3， 4間に挟持させ、 あるい は被接合部上に載置した後、 上方から、 回転させながらピン 2 4を 2つの被接合 材 3 , 4の突合せ部に押込んで摩擦攪拌接合する。 なお、 被接合材 3 , 4よりセ ラミックス粒子を多く含有している接合補助材を用いると、 攪拌ピン 2 4ゃショ ルダ一 2 3が摩耗や破損を起こし易くなる。
また、 図 4 , 5に示したように、 接合補助材 6として断面形状が略 T字形状ま たは略 H字形状を有するものを用い、 前記略 T字形状の垂直部または前記略 H字 形状の水平部を、 被接合部材間に挟持させた状態で接合してもよい。 板厚が厚い 成形体を接合する際には、 図 5に示したような断面形状が略 H字形状を有する接 合補助材 6を用い、 上面からの摩擦攪拌溶接した後に、 下面からも同様な摩擦攪 拌溶接を行なうことが好ましい。 この際、 断面形状が略 H字形状の接合補助材と しては、 H字の中央水平部で分割したものを用い、 被接合材の上下から揷入 ·挟 持する態様で取り付けてもよい。
なお、 図 6に、 図 4で用いた断面略 T字状の接合補助材を用いて摩擦攪拌接合 する際の、 ピン 2 4の回転と移動に伴う摩擦熱による可塑領域 Wの生成状況 （a ) と、 摩擦攪拌接合終了後の接合部 5の生成状況 （b ) を示す。 図 4， 6で示し た接合態様では、 断面 T字状の接合補助材を用いているので、 接合部の表面には 、 中央に極浅い凹溝と、 その両側に低い一対の凸部が形成されており、 板材の板 厚よりも薄肉の接合部分が形成されることはない。 このように、 接合部の強度を 確保するためには、 外観上支障なければ接合部に載置部があるような接合補助材 を用いることが好ましい。 外観上支障がある場合には、 接合後に凸部を研削除去 すればよい。
また、 断面形状が略 T字形状または略 H字形状を有する接合補助材を用いる場 合、 被接合材間に挟持される T字形状の垂直部または略 H字形状の水平部と、 被 接合材上に載置される態様の略 T字形状の水平部または略 H字形状の両垂直部と で、 補助材中のセラミックス粒子含有量を変えてもよい。 例えば、 被接合材間に 挟持される略 T字形状の垂直部または略 H字形状の水平部に含まれるセラミック ス粒子含有量を多く、 被接合材上に載置される態様の略 T字形状の水平部または 略 H字形状の両垂直部のセラミックス粒子含有量を少なくした接合補助材を用い. て摩擦攪拌接合を行なうと、 回転ピンやショルダーの摩耗量が少なく、 かつ接合 部の強度が高い接合体を得ることができる。 次いで、 実施例によって本発明を具体的に説明する。
実施例 1 ：
表 1に示す成分組成のアルミニウム合金を空気ァトマイズ法により平均粒径 5 5 mの粉末にした。
得られた合金粉末を冷間静水圧成形 （C I P条件： 1200 k g/ cm2) で 、 円筒状のビレット （直径 95mm) に成形した。 得られたビレットを真空炉中 で 56 (TCX 2時間保持して脱ガス処理と焼結を行った。 常温まで冷却した後、 誘導加熱で 500°Cまで加熱し、 4mm厚の平板状に押出し加工 （加圧焼結） し た。 押出し後、 T6処理 （520°CX l h r→水焼き入れ→ 180°CX6 h rの 人工時効処理） を施し、 試験材とした。
得られた平板状の試験材同士を、 長さ 5 mm, 直径 4mmの回転ピンを有し、 ショルダー部直径 12 mmの摩擦攪拌接合用工具を用い、 1500 r pm, 移動 速度 400mm/分， 押込み深さ 0. 5 mmの接合条件で摩擦攪拌接合により接 合した。
得られた材料から接合部を含む引張り試験片を作製し、 引張り試験を行なった 。 その結果を表 2に示す。
比較例として、 コの字形状の押出し材同士を M I G溶接 （溶加材として、 J I S A4043を使用） により接合した。 得られた材料から接合部を含む引張り 試験片を作製し、 上記と同様の引張り試験を行なった。 その結果も併せて表 2に 示す。
表 1 ：供試材の成分組成 （質量％)
合金
Si Fe Mg Cu Cr Sm Gd
No.
1 0.6 0.2 0.8 0.3 0.2 一 ―
2 0.8 4.8 0.9 0.2 0.3 一 ―
3 2.0 2.0 2.5 1.0 ― 2.0
4 2.0 2.0 2.5 1.5 5.3 ―
5 25 0.2 0.9 0.2 ().：! ― ― 表 2 ：接合方法と機械的特性
Figure imgf000010_0001
FSW：摩擦攪拌接合法
MIG： MIG溶接法 表 2の結果からもわかるように、 本発明方法である摩擦攪拌接合法を適用した 本発明例のものでは、 接合部を含む引張り試験でも高い強度が得られている。 一方、 比較例である M I G溶接したものは、 引張り試験が困難なほど、 機械的 強度や伸びが低くなつている。 これは、 ブローホールおよび金属組織の粗大化が 影響しているものである。 実際に M I G溶接したものについて、 超音波探傷装置 で調査したところプロ一ホールと思われる欠陥が多数確認された。
本発明例である摩擦攪拌接合の接合部についても超音波探傷装置で調査したと ころ欠陥は確認されなかった。 また、 引張り試験後の破断面を観察したところ通 常の延性破面であった。 実施例 2 ：
表 1中の合金 N o . 2と 3のアルミニウム合金粉末 （平均粒径 5 5 m) に、 表 3に示す平均粒径および配合量で A 1 2〇3， S i C , B C , A I Nのセラミ ックス粒子を混合した混合物を、 実施例 1と同じ方法で粉末成形， 押出し成形お よび接合を行い、 得られた材料を実施例 1と同じ試験方法で引張り試験した。 その結果を併せて表 3に示す。 表 3 ：セラミツクス粒子配合量と機械的特性
Figure imgf000011_0001
FSW：摩擦攪拌接合法
MIG： MIG溶接法 表 3の結果からもわかるように、 本発明方法である摩擦攪拌接合法を適用した 本発明例のものでは、 接合部を含む引張り試験でも高い強度が得られている。 ま た、 セラミックス粒子として 10 zmを超えるものを含有させた合金 No. 2に 比べて、 10 m未満のものを含有させた合金 No. 1のものは高い強度が得ら れている。 さらに、 接合後、 回転ピンを観察したところ、 セラミックス粒子とし て 10 ;timを超えるものを含有させた合金 No. 2では、 他に比べて回転ピンが 著しく摩耗していることが観察された。
一方、 比較例である M I G溶接したものは、 引張り試験が困難なほど、 機械的 強度や伸びが低くなつている。 これは、 プロ一ホールおよび金属組織の粗大化が 影響しているものである。 実際に M I G溶接したものについて、 超音波探傷装置 で調査したところブローホールと思われる欠陥が多数確認された。 また、 破断面 を見てもセラミックス粒子は観察されなかった。
また、 本発明例である摩擦攪拌接合の接合部についても超音波探傷装置で調査 したところ欠陥は確認されなかった。 さらに、 接合部と母材部の断面組織を光学 顕微鏡で観察した。 その結果、 セラミックス粒子の分散状態に関して、 接合部と 母材部で顕著な差異は認められなかった。 その一例として、 N o . 3の合金に粒 径 9 z mの B 4Cを 5質量％含有させた加圧焼結体を摩擦攪拌接合した際の、 接 合部 （a ) と母材部 （b ) のミクロ組織を図 7に示す。 ほとんど差異はない。 実施例 3 ：
表 1中の合金 N o . 3のアルミニウム合金粉末 (平均粒径 5 5 i m) に、 B 4 C粉末 （平均粒径 9 m) を 5質量％となるように混合した混合物を、 実施例 1 と同じ方法で粉末成形， 押出成形を行った。
得られた押出材 （板厚 5 . 5 mmのフラットバー） 2本と、 別途接合補助材と して J I S規格 6 N O 1アルミニウム合金 T字状 （板厚 1 . 0 mm, 横幅 1 8 . 0 mm) 押出材を用意した。 そして、 2本の押出材で、 上記接合補助材を図 4に 示すように挟持し、 実施例 1と同じ条件で摩擦攪拌接合を行った。
図 8に得られた接合材マクロ組織写真を示す。 この図 8より、 十分な接合がな されていることがわかる。 産業上の利用可能性
以上に説明したように、 本発明方法により、 急冷凝固法で得たアルミニウム合 金粉末の加圧焼結体を摩擦攪拌接合法により接合すると、 接合部は溶融されるこ となく接合されるので、 粉末合金の溶接時に発生しやすいブローホールの生成も なく、 また組織の粗大化も起こらない。 このため、 粉末合金本来の機械的特性を 維持したままの接合が可能になる。 特に強化材としてセラミックス粒子を含有さ せた複合材料の接合に利用すると、 本来の粒子強化作用が維持された接合体が得 られる。
この技術により、 アルミニウム粉末合金、 特に複合材料の使用範囲が飛躍的に 拡大することが期待できる。

Claims

請求の範囲
急冷凝固アルミニウム合金粉末を加圧焼結した成形体を、 摩擦攪拌接合法 により接合することを特徴とするアルミニウム粉末合金の接合方法。
成形体が、 急冷凝固アルミニウム粉末合金とセラミックス粒子の混合物を 加圧焼結した複合材である請求項 1に記載のアルミニウム粉末合金の接合 方法。
セラミックス粒子の平均粒径が 1 0 z m以下である請求項 2に記載のアル ミニゥム粉末合金の接合方法。
長さ 3〜1 0 mm, 直径 3〜 1 0 mmの回転ピンを有し、 ショルダー部直 径 6〜2 5 mmの摩擦攙拌接合用工具を用い、 ピンの回転数 5 0 0〜3 0 0 0 r p m, 移動速度 2 0 0〜 1 0 0 0 mm/分， 回転体ショルダ一部の 押込み深さ 0〜 1 mmなる条件で接合する請求項 1〜 3のいずれかに記載 のアルミニウム粉末合金の接合方法。
被接合材に含まれるセラミックス粒子と同種のセラミックス粒子を含有す るアルミニウム合金製の接合補助材を、 被接合材間に挟持させた状態で、 または被接合部上に載置した状態で接合する請求項 2〜 4のいずれかに記 載のアルミニゥム粉末合金の接合方法。
セラミックス粒子を含有しないアルミニウム合金製の接合補助材を、 被接 合材間に挟持させた状態で、 または被接合部上に載置した状態で接合する 請求項 2〜 4のいずれかに記載のアルミニウム粉末合金の接合方法。
接合補助材は、 断面形状が略 T字形状または略 H字形状を有し、 前記略 T 字形状の垂直部または前記略 H字形状の水平部を、 被接合部材間に挟持さ せた状態で接合する請求項 5または 6に記載のアルミニウム粉末合金の接 合方法。
接合補助材として、 被挟持部分と挟持されない部分とで、 セラミックス粒 子の含有量が異なっているものを用いる請求項 7に記載のアルミニウム粉 末合金の接合方法。
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