CN1219624C - 接合金属部件及该部件的接合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种通过压力和电流通过部件2、3时产生的热量来接合汽缸盖主体2和阀座3的方法，实现了令人满意的接合，使供电时内部产生的热量最小化，同时不需要进行浸渗而降低了生产成本，抑制了阀座3导热率的增大，改善了它的耐磨性。阀座3用其中分散了高电导率元素(如Cu)的粉末状材料制得的烧结材料制成。对预先放置成面接触的阀座3的第一接合面3a和汽缸盖主体2的接合面2a施加电流和压力。

Description

接合金属部件及该部件的接合方法
技术领域
本发明涉及一种接合金属部件，该接合金属部件包括依靠压力以及电流通过金属部件时产生的热量来相互连接的两个金属部件，还涉及了该部件的接合方法。
背景技术
在将发动机汽缸盖的阀座接合到汽缸盖主体的吸气和排气口开口部分周围的情况下，已知有许多金属部件接合方法。
例如，日本专利出版物JP-A 8-100701提出了通过Al-Zn钎焊料和氟化物钎焊剂将阀座和Al基汽缸盖主体钎焊接合的方法。
在日本专利出版物JP-A 58-13481中也揭示了这种方法，该方法是利用两部件配合面间的接触电阻产生的热量来进行电阻焊接，将金属部件接合起来。关于电阻焊接，如日本专利出版物JP-A 6-58116所公开的，通过在烧结材料制成的阀座的空孔内渗入金属来减少烧结材料内部产生的热量，以增大接合面的发热量；或者，如日本专利出版物JP-A 8-270499所述，在阀座表面形成膜，使该膜在阀座与汽缸盖主体焊接时熔融。
此外，如日本专利出版物JP-A 8-200148所述的，建议在汽缸盖主体接合面上形成塑性变形层而不形成熔融反应层时，将阀座和汽缸盖主体固相扩散接合(压焊)起来。
当金属部件依靠压力和电流通过金属部件所产生的热量来接合(如电阻焊接或固相扩散接合方法中那样)时，在一个金属部件是烧结金属(如阀座)的情况下，希望将导电率高的金属(如Cu，如日本专利出版物JP-A 6-58116中所建议的)浸渗入烧结材料空孔内。这样就能籍助渗入的金属来降低烧结材料的体电阻率并抑制电流通过时烧结材料内部产生的热量，从而有效地在配合表面上产生热量，实现更佳的接合。
然而，要将金属渗入烧结材料中就需要附加上一个加工工艺，这样就会提高生产成本。另外，由于渗入的金属通常会提高导热率，因此在高温下使用的阀座等部件会遇到这样的问题，即，由于提高了的导热率与接合效果的组合效应，热耗散效率会变得非常高，从而很难在表面形成氧化膜，结果使阀片的耐磨性变得非常差。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种使两个金属部件接合的方法，该方法是用经适当烧结的材料作为第一金属部件，通过加压和电流通过金属部件时产生的热量进行加热来接合，该方法通过免去浸渗步骤来降低生产成本(尤其在阀座与汽缸盖接合的情况下)，并通过抑制导热率的提高来改善阀座的耐磨性。本发明一方面提供了一种用加压和电流通过金属部件时的加热来使第一和第二金属部件接合的方法，该方法包括以下步骤：
制备粉末材料，该材料中均匀分散了具有高导电性的颗粒；
烧结该粉末材料，制得其中有孔的烧结材料作为第一金属部件；和
通过加压和电流通过两个金属部件时的加热来接合第一金属部件和第二金属部件。
在一个较佳的实施方案中，高电导率的颗粒是铜颗粒。
在另一较佳的实施方案中，向预先被放置成相互面接触的两个金属部件提供电流，并且同时加压。
在另一较佳的实施方案中，第一金属部件中背对第二金属部件一侧部分的电导率高于靠近第二金属部件一侧部分。
在另一较佳的实施方案中，该方法包括下列步骤：
通过第一金属部件和钎焊料组成的扩散层，在第一金属部件的接合面上先形成一层钎焊料层，其中钎焊料具有含有第二金属部件主要成分的共晶组成，且其熔点低于这两种金属部件；和
用加压加热以及电流通过两个金属部件时在高于钎焊料熔点的温度下产生的热量来接合第一和第二金属部件，从而形成钎焊料与第二金属部件的另一扩散层，同时将熔融的钎焊料挤出两个金属部件的配合面，从而使两个金属部件通过两个扩散层的液相扩散接合来接合。
在另一较佳的实施方案中，第一金属部件由Fe基材料制成，第二金属部件由Al基材料制成，钎焊料是Zn基材料。
在另一较佳的实施方案中，钎焊料用Zn-Al共晶合金制成。
在另一较佳的实施方案中，在形成钎焊料层的步骤中，向浸在钎焊料浴中的第一金属部件表面施加超声波振荡，以在表面上涂覆钎焊料层。
在另一较佳的实施方案中，第一金属部件与第二金属部件的接合是通过第二金属部件的接合面在压力下塑性变形来实现的。
为了实现上述目的，本发明采用一种烧结材料作为第一金属部件，该材料由含有分散在其中的高导电性颗粒的粉末状材料烧结制成。
采用这种方案，尽管第一金属部件中含有空孔(与被Cu等渗入的材料不同)，但是第一金属部件是预先用其中分散有高电导率的颗粒烧结成的，因此，第一金属部件的体电阻率可以保持为比浸渗过的材料高出一定水平。这样就能抑制电流通过时产生的热量(尽管有空孔存在)，并且实现了更佳的接合而无需在烧结后用Cu等来浸渗该材料。
另一方面，由于空孔的绝缘效应，导热率可以维持低于浸渗过的材料，因此当第一金属部件是在高温下使用的阀座时，阀座上容易在使用时形成氧化膜(由于散热效率保持在合适的水平下)，从而改善了阀片表面的耐磨性。这样就能减少生产成本并且同时获得了满意的接合效果，并当接合的金属部件在高温下使用时，改善了第一金属部件的耐磨性。
本文中具有高电导率的颗粒定义为电阻率不超过3×10-8欧姆·m的物质。
根据本发明，铜可作为高电导率材料。这就能有效地降低第一金属部件的体电阻率，并同时使生产成本降低。
在本发明中，在向第一和第二金属部件施加热量和压力前，它们的表面是相互接触的。
根据本发明，就可以防止第一余属部件在接合时发生过热，因为第一金属部件的导热率比浸渗过的材料低。
通常，当在使底材金属相互点接触或线接触后施加电流和压力时，电流早期在配合面中产生的热量明显集中在接触点或线的附近。因此，由于导热率较低，第一金属部件可能会过热。另外，由于第一金属部件内由有空孔，它的强度相对较低，因此待接合的第一金属部件表面很容易变形。然而，根据本发明，面接触的接合表面上产生的热量得到了优化，因此尽管导热率较低，却仍能防止第一金属部件过热。所以，在防止配合面变形的同时还能将压力切实传递通过配合面的界面，实现了更加令人满意的接合效果。
本文的接触面积希望在40-200mm2范围内(更佳的在40-100mm2范围内)。
第一金属部件中背对第二金属部件一侧部分的电导率最好要比面对第二金属部件一侧的部分高。
这一方案能将接合面产生的热量控制在最优的水平，将第一金属部件中产生的热量减少到最低程度，使得接合面附近的第一金属部件部分具有较高的强度，从而更有效地防止了第一金属部件由于接合面在接合时过热而变形。另一方面，很容易将第一金属部件制成背对第二金属部件一侧部分的电导率与靠近第二金属部件一侧部分的电导率不同。例如，那些部分可用不同的材料制成，先使其暂时单独烧结，然后放在一起进行最后烧结。这样，通过一个简单的方法就容易改善接合。当第一金属部件是阀座等部件时，第一金属部件中背对第二金属部件一侧部分可以定为在接合后有待切下的部分，从而使得背对部分材料的选择不受应用所需性能和性质的限制。
本发明包括一种变化方案，其中预先将一层钎焊料涂覆在第一金属部件接合面上形成的扩散层上。钎焊料选自含有第二金属部件的主要金属成分的共晶合金，该共晶合金的熔点低于第一和第二金属部件。然后，用压力和电流通过两个金属部件时产生的热量，将钎焊料熔融至高于钎焊料熔点的温度，从而在第二金属部件表面上形成由钎焊料和第二金属部件组成的另一扩散层，使第一金属部件和第二金属部件接合。通过挤压两个金属部件，残余的熔融的钎焊料被挤出金属部件配合面，从而通过液相层的液相扩散来接合金属部件。
由于在挤出钎焊料时第一和第二金属部件是在液相扩散状态下通过液相层来接合的，因此，第二金属部件表面上形成的氧化膜和污染物以及钎焊料一同被挤出，扩散层直接相互接合，中间没有钎焊料层。钎焊料的熔点通常较低，致使接合物的耐热性较差，但本发明的方法却制得了熔点较高的接合物，因为钎焊料与第一金属部件的熔合改变了钎焊料的组成。这样，钎焊料就获得了比原来更高的强度和耐热性。这种具有上述已有技术所不能实现的优点的液相扩散接合方法需要将待接合材料内的热量产生减少到最低程度，并且要切实有效地熔融钎焊料。然而，根据本发明却不会发生问题，因为可不采用浸渗材料而在配合面内只产生适当的热量。这样就有可能改善金属部件间的接合强度。
在本发明中，最好第一金属部件为Fe基材料，第二金属部件是Al基材料，钎焊料是Zn基合金。
由于Zn钎焊料可以有相当低的熔点，因此钎焊料很容易熔融并被挤出。
另外，Zn基钎焊料容易通过与Fe为基的第一金属部件反应而形成Fe-Zn扩散层，也可通过与Al基第二金属部件反应来形成Al-Zn扩散层。而且，由于接合只包括这两种扩散层，因此就能有效地避免形成一些以Fe-Al为基的较脆的金属间合成物。这样，就可获得最适合本发明接合方法的材料组合。
在本发明中，钎焊料宜为Zn-Al共晶合金。通过形成95％(重量)的Zn与5％(重量)的Al的共晶合金，可使钎焊材料的熔点变得非常低。特别是，接合后的钎焊料有较高的熔点，因为Zn扩散到第一和第二金属部件中而使得钎焊料中的Zn含量更低。另外，由于钎焊料与第一金属部件的扩散层中的Fe-Zn合金以及钎焊料与第二金属部件的扩散层中的Al-zn合金具有高于钎焊料在接合之前的熔点，因此接合金属部件的耐热性必然会高于原来的钎焊料。而且，共晶合金的形成有如下优点：(1)由于熔点变得尽可能的低，所以待接合金属可以在更短的时间内熔融，从而缩短了接合所需时间；(2)由于在接合期间不形成共晶合金(不象已有技术那样)，因此接合的稳定性得到改善；和(3)不会形成较脆的金属层。因此，很容易找到一种熔点低、易操作的、特定的钎焊料用料。
在本发明中，浸在钎焊料浴中的第一金属部件通过超声波振荡来将钎焊料涂覆在其表面上，从而在第一金属部件中形成了钎焊料层以及钎焊料与第一金属部件的扩散层。
由于第一金属部件上形成的氧化膜和镀层被超声波的空穴作用破坏，因此钎焊料可以比用钎焊料涂擦第一金属部件的机械方法更可靠地扩散到第一金属部件内。该方法也消除了以后除去焊剂步骤(当钎焊使用焊剂时需要使用)的必要。这样，通过一个简单的方法，就能可靠地形成钎焊料和第一金属部件的扩散层，并且获得了接合强度高的接合金属部件。
在本发明中，通过在第二金属部件待接合面中产生塑性流变，将第一和第二金属部件接合起来。
由于塑性流变有效地破坏了第二金属部件表面上形成的氧化膜，因此不必保护第二金属部件的表面。另外，也有可能通过加压将第一和第二金属部件合并在一起，而容易地产生第二金属部件的塑性流变，因此不需要特殊的方式来获得塑性流变。特别是在本发明中，由于氧化膜和污染物与残余的熔融的钎焊料一起从第二金属部件表面中排出，因此钎焊料能可靠地扩散入第二金属部件，从而能通过简单的方法可靠地形成钎焊料和第二金属部件的扩散层。这样，接合金属部件的接合强度会进一步得到改善。
本发明提供了一种接合金属部件，该部件包括第一金属部件和第二金属部件，这两个部件依靠压力以及电流通过金属部件时产生的热量来接合。
根据本发明，第一金属部件是一种由粉末状材料制成的烧结材料，该粉末状材料含有分散在其中的高电导率的颗粒。这种高导电率的元素最好是铜。
第一金属部件中背对第二金属部件一侧部分的电导率比靠近第二金属部件一侧部分的电导率高。
本发明包括一种变化方案，其中第一和第二金属部件通过第一金属部件待接合表面上形成的扩散层的液相扩散来接合，该扩散层是一种包含第一和第二金属部件成分的共晶合金，该扩散层的熔点低于第一和第二金属部件。
在本发明中，第一金属部件宜为Fe基材料，第二金属部件宜为Al材料，钎焊料宜为Zn基材料。本发明还包括一种变化方案，其中钎焊料是Zn-Al的共晶合金。
附图说明
图1是本发明实施状态1中的金属部件发动机汽缸盖的截面图。
图2是阀座与汽缸盖主体接合时的截面图。
图3是接合前的阀座形状的截面图。
图4A-4C是表示将阀座接合到汽缸盖主体上的过程的阀座与汽缸盖主体的截面图。
图5A-5C是表示用钎焊料将第一接合部件接合到第二接合部件上这一过程的截面图。
图6是表示用来涂覆阀座的钎焊料容器的截面图，该阀座浸在钎焊料浴中，当施加超声波振荡时，阀座被钎焊料涂覆。
图7是根据本发明来接合两个金属部件的焊接装置的侧视图。
图8A表示凸焊机的上侧电极在图7中VIII箭头方向上的视图，图8B表示该上侧电极的仰视图。
图9表示在本发明接合方法接合过程中，向两个接合部件提供的压力和电流变化的时间过程图。
图10是类似于图9的时间过程图，它表示在本发明接合方法接合过程中控制压力和电流的另一个例子。
图11是Al-Zn二元体系合金的平衡相图。
图12是类似于图9的时间过程图，它表示控制压力和脉冲电流的另一方案。
图13表示在本发明的接合方法接合过程中，向两个接合金属部件提供的压力和脉冲电流变化及部件内温度变化的时间过程图。
图14A-14C表示在本发明的接合方法接合过程中的三种电流控制以及压力的时间过程图。
图15是凸焊机中与两个接合金属部件接触的上侧电极的截面图，它表示将冷却水喷到阀座内表面上时的状态。
图16是类似于图9的时间过程图，它表示在本发明接合方法接合过程中控制压力和电流的另一个方案。
图17A和17B表示在本发明接合方法接合过程中的两种电流控制和压力的时间过程图。
图18是凸焊机中与两个接合金属部件接触的上侧电极的截面图，它表示在阀座(作为第一金属部件)直径较小方向上施加压力的状态。
图19是类似于图3的截面图，它表示本发明另一实施状态中的阀座。
图20表示将相应阀座压到汽缸盖上的两个电极以及凸焊机中将这两个电极用于接合的电路图。
图21是另一实施状态中作为待接合金属部件的发动机活塞的截面图、
图22是实施状态6中作为待接合金属部件的发动机汽缸座的截面图。
图23是凸焊机中与两个接合金属部件接触的上侧电极的截面图，它表示另一实施状态中阀座与汽缸盖主体接合的状态。
图24是类似于图23的截面图，它表示阀座的第二接合面与汽缸盖主体的接合面相互接触时的状态。
图25是类似于图23的截面图，它表示阀座的第三接合面与汽缸盖主体的接合面相互接触的状态。
图26是类似于图23的截面图，它表示阀座的第二接合面(其中形成第三接合面)与汽缸盖主体相互接触的状态。
图27是类似于图23的截面图，它特别示出了冷却焊接机中上侧电极的另一种作用方式。
图28示出了实施例中用于接合的试件的截面图。
图29示出了具有薄环的阀座的截面图。
图30示出了具有厚环的阀座的截面图。
图31是接合部件的试件的示意图，它表示敲除负载(knock-off load)测试的过程。
图32是在实施例1-5以及常规接合的阀座上测得的敲除负载数据的曲线图。
图33是表示施加超声波电镀后立即观察到的阀座表面的显微照片。
图34是表示基本实施例2中接合的阀座与试件截面的显微照片。
图35是表示进行敲除负载测试后立即观察到的阀座表面的显微照片。
图36是表示基本实施例5中接合的阀座与试件剖面的显微照片。
图37是表示接合时施加的压力与敲除负载之间关系的曲线图。
图38是表示硬度随离开试件接合面距离变化情况的曲线图。
图39是表示在持续提供电流和脉冲电流来接合阀座前后硬度变化情况的曲线图。
图40是表示在用连续电流和脉冲电流时，硬度随离开试件接合面距离变化情况的曲线图。
图41是表示持续提供电流和脉冲电流时敲除负载测试结果的曲线图。
图42是表示在沉降(settlement)测试中的埋入深度y的曲线图。
图43是表示埋入深度y随开始施压后时间的变化情况。
图44是表示硬度随离开试件与锻造烧结阀座以及浸渗烧结阀座接合面距离的变化情况的曲线图。
图45是表示已接合的锻造烧结制得的阀座与试件剖面的显微照片。
图46是表示已接合的锻造烧结制成的阀座与试件状态的进一步放大的显微照片。
图47是表示实施例1中所用阀座的剖面图。
图48是表示实施例2中所用阀座的剖面图。
图49是实施状态中接合时所用试件开口转角的局部剖面图。
图50表示实施例1和对比例1、2和4中的阀座温度与硬度之间的关系。
图51表示在实施例1和对比例1-4的阀座上进行敲除负载测试的结果。
图52是表示实施例1中接合后的阀座截面的显微照片。
图53表示在实施例1和2中线接触和面接触情况下的敲除负载测试的结果。
图54表示在实施例1和2中线接触和面接触情况下，在阀座上进行硬度测试的结果。
图55表示在实施例1和2中线接触和面接触情况下，硬度随离开试件接合面距离的变化情况。
图56是表示实施例2中已经面接触的阀座与试件的接合状态的显微照片。
图57是表示实施例2中已经线接触的阀座与试件接合的剖面状态的显微照片。
图58是表示实施例2中已经线接触的、没有倒角的阀座与试件接合的接合状态的显微照片。
具体实施方式
下面将参照附图来描述本发明的较佳实施状态。
图1示出了本发明实施状态1中的发动机汽缸盖1的一部分。该汽缸盖1包括作为第二金属部件的汽缸盖主体2和近似环状的阀座3、3…(第1金属部件)，两者按照后述方法接合在4个吸气和排气口2b、2b…的开口周围，即与阀门接触。开口2b的周围部分从阀座1下侧看呈近似正方形排列，开口周围部分定义为与阀座3接合的接合面2a。
阀座3的内周部作为阀门接触面3c，它形成了这样一个锥形形状，即沿着阀门上表面向上的直径减小。阀座3的外周表面作为与汽缸盖主体2连接的第一接合面3a，其被汽缸盖主体2的接合面2a包围，且与内周表面相似，呈锥状。阀座3的顶表面看作是汽缸盖主体2的第二接合面3b，其朝内向上倾斜。
阀座3为Fe基材料制成的烧结材料，其内部空孔中浸渗了作为高电导率材料的Cu基材料。汽缸盖主体2在阀座3的第一和第二接合面3a，3b上形成了阀座3和Zn-Al共晶合金(共晶结构包含约95％(重量)的Zn成分和约5％(重量)的Al成分(下述汽缸盖主体2的成分))钎焊料的扩散接合层5(扩散层)。换句话说，扩散接合层5由通过钎焊料的Zn成分扩散到阀座3中形成的Fe-Zn合金制成。
另一方面，汽缸盖主体2由Al基材料制成，在汽缸盖主体2和阀座3的接合面上形成了钎焊料和汽缸盖主体2的熔融反应层6(扩散层)。熔融反应层6由通过熔融态的钎焊料Zn成分液相扩散入汽缸盖主体2而形成的Al-Zn制成。钎焊料的熔点低于阀座3和汽缸盖主体2的熔点。
阀座3和汽缸盖主体2通过扩散接合层5以及熔融反应层6的液相扩散来接合，扩散接合层5和熔融反应层6形成的总厚度不高于1.0μm。如图2，当扩散接合层5和熔融反应层6之间形成钎焊料层7时，钎焊料层7是非常薄的，基本上可以忽略。
下面将描述通过将阀座3接合到汽缸盖主体2通气口2b的开口周围部分上来制造有所述结构的汽缸盖1的方法(在下述制造工艺中，汽缸盖主体2和阀座3的垂直方向相对关系正好相反)。
首先，用Fe-为基材料的烧结粉末制成阀座3。此时，阀座3被制成内周侧和顶部(图1中的下侧部分)处的壁较厚，以承受阀座3和汽缸盖主体2接合时施加的压力。在这一阶段，没有形成阀座接触面3c，而是形成了垂直向上延伸的内周面和基本上水平的顶表面。与汽缸盖主体2连接的第一接合面3a具有约0.52rad(30°)的锥形角(图3中的θ1)，第二接合面3b具有约0.26rad(15°)的倾斜角(图3中的θ2)。若第一接合面3a的锥形角θ1太小，则容易将阀座3***汽缸盖主体2中，但是破坏汽缸盖主体2的接合面2a上的氧化膜的作用也会降低。另一方面，若锥形角θ太大，则很难将阀座3***汽缸盖主体2中，阀座3的最外径变得太大则不能使两个通气口2b，2b相互靠得更进。因此，锥形角设定为大约0.52rad(30°)。
通过烧结Cu基材料粉末制造与阀座3直径大致相同的环状物后，将其上放置环状物的经烧结的阀座3放入加热炉，以将Cu基材料浸渗入阀座3内。然后，为了防止形成氧化膜，在包括第一和第二接合面3a、3b在内的阀座3的整个表面都镀上Cu层(约2μm厚)。
然后，如图5A所示，通过扩散接合层5在阀座3的第一和第二接合面3a、3b上形成钎焊料层7。为了在阀座3上形成扩散接合层5和钎焊料层7时，使在钎焊料浴中的阀座3经受超声波振荡，从而将钎焊料涂覆到表面上(超声波镀层)。具体地说，如图6所示，将振动板11的一端连接到超声波振荡机12上，将阀座3放置在振动板11另一端上面，将阀座浸在有底容器13内的钎焊料浴14中，当超声波振荡机12在这种条件下通过振动板11将超声波振动传送给阀座3时，超声波产生的空穴作用破坏了阀座3表面的Cu镀层和稍稍形成的氧化膜，从而使钎焊料中的Zn成分扩散到阀座3上并形成由Fe-Zn制成的扩散接合层5，同时，在扩散接合层5的前表面上形成了钎焊料层7。该方法能比将钎焊料涂擦在阀座3表面上的机械涂擦法更切实、更容易地形成扩散接合层5。超声波镀层的工艺参数例如可设定成钎焊料浴温度为400℃、超声波输出功率为400W、超声波振荡时间为20秒。通过在减压气氛下对阀座3的表面进行加热，也能在该表面上形成类似于扩散接合层5的熔融镀层。
然后，将阀座3接合在预先通过铸造或其它方法制成的汽缸盖主体2通气口2b的开口周围部分，即与阀座3连接的接合面2a上。此时，如图4A所示，汽缸盖主体2接合面2a具有约为0.79rad(45°)的锥角，其形状与接合结束时的形状(与阀座3的第一和第二接合面3a、3b的形状相同)不同。
采用对市售凸焊机作改进后的焊接装置20(如图7所示)，将阀座3接合到汽缸盖主体2的接合面2a上。该焊接装置20具有近似“C”形的框架21，该框架21的上下水平臂21a和21b是悬臂，其只有一侧支承在垂直部分2lc上，而相对垂直部分21c的另一侧为开口状。框架21的上侧水平臂21a的下部放置了加压气缸22。该加压气缸22的底部有一个近似圆筒状的Cu制成的上侧电极24，该电极安装在加压气缸22的气缸杆23上，可与气缸杆23在同一轴上上下移动。在下侧水平臂21b的上方是用Cu制成的下侧电极25，该电极通过移动台27将与上侧电极24相对。下侧电极25的倾斜顶表面上可以携带汽缸盖主体2，使其接合面2a朝上。移动台27相对于下侧水平臂21b以及下侧电极顶表面25的水平位置可以调整，以使待接合阀座3的接合面2a的中心线在垂直方向上铅直，且与上侧电极24的中心线基本一致。
上侧和下侧电极24、25组成了一对压头，并与容纳框架21垂直部分21c内的焊接电源26相连。在使上侧电极24与阀座3顶表面接触时，当阀座3置于安装在下侧电极25顶表面上的汽缸盖主体2的接合面2a上，且焊接电源26打开，加压汽缸22向阀座3和汽缸盖主体2施加压力时，电流就能从阀座3流向汽缸盖主体2。在上侧电极24的底表面上形成了非导电部分的切口部分28，与阀座3的顶表面接触。如图8A和B放大所示，该切口面向框架21垂直部分21c的相反侧(即框架21的开口侧)。
将汽缸盖主体2放在焊接装置20的下侧电极25上，调整移动台26水平位置和下侧电极24顶表面倾斜度，使与阀座3接合的接合面2a的中心线与上侧电极24基本一致后，将阀座3放置在接合面2a上。此时，如图4A所示，只有阀座3的第一和第二接合面3a、3b的转角与汽缸盖主体2的接合面2a接触。即，阀座3与汽缸盖主体2相互线接触。
然后，如图4B所示，起动加压气缸22，使上侧电极24向下移动至与阀座3的顶表面接触，由此状态开始对阀座3和汽缸盖主体2加压。压力宜为大约29429N(3000kgf)。在保持该压力的同时，在加压开始约1.5秒后打开焊接电源26，利用电流的电阻热将钎焊料层7加热至高于钎焊料熔点的温度下。电流值宜为大约70kA。
由于钎焊料是包含约95％(重量)的Zn成分和约5％(重量)的Al成分的共晶合金，如图11所示，其熔点低达约380℃，因此钎焊料在电流通过时立即熔融。电阻热软化了汽缸盖主体2的接合面2a，使得阀座3的第一接合面3a和第二接合面3b之间的转角通过其中的塑性流变进入汽缸盖主体2的接合面2a中，使得阀座3沉降入汽缸盖主体2中。在该方法中，汽缸盖主体2的接合面2a上的氧化膜就被切实破坏，熔融钎焊料中的Zn成分液相扩散到汽缸盖主体2中，形成了由Al-Zn制成的熔融反应层6(见图5B)。
与此同时，通过向阀座3的第一接合面3a和第二接合面3b以及汽缸盖主体2的接合面2a施加压力，钎焊料层7中几乎所有的钎焊料与氧化膜和污染物一起被挤出并被弃去。因此，扩散接合层5和熔融反应层6是直接接合的，其间没有钎焊料层7，这样就促进了5、6两层之间的扩散。而且，由于层5和6的***，就能防止Fe-Al的较脆的金属间合成物的生成。这样，阀座3和汽缸盖主体2通过***其间的扩散接合层5和熔融反应层6来进行液相扩散接合，接合强度非常高。由于扩散，钎焊料中的Zn含量比例降低，使得熔点升高至500℃或更高(参看图11)。结果，在接合后就获得了比原来钎焊料更好的耐热性。
另外，由于浸渗阀座3的、具有高电导率的Cu基材料填充了烧结过程中产生的空孔，所以没有压力被消耗用来破坏空孔。因此，所有的压力均有效地用来使汽缸盖主体2的接合面2a产生塑性流变和挤出钎焊料，并且能在电流通过时抑制阀座3内部的热量产生，并有效地熔融钎焊料。
由于框架21的上下水平臂21a、21b为悬臂结构，其中，由于上下水平臂21a、21b的弯曲，框架21开口侧的压力减小，因此接合面2a、3a、3b对应于框架21开口部分的接触电阻增大，从而使开口处产生过量的热量，致使汽缸盖主体2局部熔融，这样就会与阀座3之间产生空隙。通过在框架21开口侧的上侧电极24底表面上形成切口28可防止这种情况。这种情况下，较少的电流流入对应于框架21的开口的阀座3和汽缸盖主体2的部分。因此，就不会发生对应于框架21开口的汽缸盖主体2部分经受局部熔融，从而与阀座3间出现空隙的问题。此外，由于加压气缸22的气缸杆23和上侧电极24的中心线相互对应，所以，和汽缸杆23与上侧电极24的中心线不相互对应的机械装置相比，上侧电极24上的压力变化较小，且上侧电极24有所需较小的切口28，所经受的水平方向上的位置差异较小。这还能防止阀座3的中心偏离汽缸盖主体2的接合面2a。此外，也可用连接上侧电极24底表面的绝缘部件来代替切口28，该绝缘部件可防止汽缸盖主体2发生局部熔融。
然后，在通电开始后约1.5至2.5秒时切断焊接电源26，使阀座3完全埋嵌在汽缸盖主体2的接合面2a中(参照图4c)。甚至是在切断电流后仍保持加压，如图9所示。维持压力，直至熔融反应层几乎完全冷却凝固，并防止由于阀座3和汽缸盖主体2之间的热膨胀率不同而使各接合面2a、3a、3b剥离或裂开。
如图10所示，最好是几乎在切断电流的同时降低压力。由于随着接合剖面的变形能力降低，较高的压力增加了接合面2a、3a、3b在固化后产生裂纹的可能性，所以，使压力降低至能够容忍收缩变形的水平，就能切实防止接合面2a、3a和3b由于凝固后较大的应力而产生裂纹。
在切断电流后约1.5秒钟时停止施压，这样就完成了阀座3和汽缸盖主体2的接合。重复同一方法，使其它阀座3接合到汽缸盖主体2的其余接合面2a上。
最后，将阀座3的内周面和顶表面机械加工成形成阀座接触面3c所需的规定形状。这样就获得了具有接合在汽缸盖主体2的各通气口2b开口周围部分的阀座3的汽缸盖1。
因此，根据实施状态1，由于阀座3和汽缸盖主体2是利用电流产生的热量和压力，通过其间***的扩散接合层5和熔融反应层6，在液相扩散状态下进行接合的，所以，就能在更短的时间内制得接合强度更高、且比所用钎焊料的耐热性更高的汽缸盖。此外，由于只需将所加压力和电流幅度设定成能熔融并排出钎焊料的数值，因此，可在较宽的操作参数范围内实现较高的接合强度。而且，由于该方法能制造小得多的阀座3(热套配合接合方法能制得)，所以，通气口2b、2b的间隔能够缩小，临界剖面直径能增大。又，由于阀门附近的热传导率能得到改善而不需产生热绝缘层，且通气口2b、2b间的冷却水通道可以离阀座更近，所以，能够有效地降低阀门附近的温度。此外，即使在通气口2b、2b间安装了热线点火塞或喷嘴，也能够充分确保其间的壁厚。因此，能够提高发动机性能、可靠性和设计的自由度。
在实施状态1中阀座3是通过烧结制得，然后再渗入了Cu基材料的，依照阀座3内部有一定水平的密度来看，可以不需要渗入。如果阀座3通过锻造所得烧结体来锻造烧结制成，则在浸渗情况下阀座3中的空孔可以被消除，从而能够有效地排出钎焊料。
在实施状态1中，是利用电流通过阀座3和汽缸盖主体2，通过电阻热将钎焊料层的温度升高到钎焊料熔点以上从而使钎焊料熔融，但也可采用感应加热等局部加热方法使钎焊料熔融。
实施状态2
图12表示本发明实施状态2中的电流-压力控制的时间过程图，其中阀座3和汽缸盖主体2接合时的电流控制方法与实施状态1不同。
在本实施状态中，不是采用恒定电流连续地通电，而是反复施加大小幅度的脉冲电流。较高的幅度设定成大约70kA的恒定水平，而较低的水平设定成0。脉冲时间为0.25至1秒，脉冲间隔时间为0.1至0.5秒。宜提供3至9个脉冲(图12为4个脉冲)。从加压开始到提供第一次电流脉冲开始的时间及从最后一次电流脉冲结束到加压停止的时间都与实施状态1相同，为1.5秒。
在提供脉冲电流时，阀座3的温度变化如图13所示。由于Fe基材料制成的阀座3的热容量相当小，所以由于电阻热，阀座3的温度迅速上升。特别是在垂直方向的中央部分，与容易将热量散热到上侧电极24和汽缸盖主体2的上下端部相比，该中央部分的散热较为困难，而且，由于阀座3和汽缸盖主体2间的接触电阻较高，因此电阻热就更大，在第一次脉冲停止后，阀座3在垂直方向***部分的温度超过Al的相变点。此时，由于阀座3几乎完全埋嵌在汽缸盖主体2中，所以，可以停止电流。然而，这会使阀座3从高于相变点的温度迅速冷却，使得垂直方向的中央部分硬化，从而提高了硬度。
因此，在温度略为降低时进行施加第2次脉冲。此时，与第一脉冲电流时不同，由于冶金接合使得接触电阻减小，从而使散热时的电阻产热也减少。因此，与第一脉冲幅度相同的电流不会引起如此高的升温。随着该步骤的反复进行，温度逐渐降低，因此阀座3的硬度几乎没有提高。
根据实施状态1，由于阀座垂直方向中央部分是通过施加脉冲电流来逐渐降温的，阀座3的硬度没有明显地提高，所以防止了内周面***对机械加工不利。同样还有效地抑制了阀门接触面3c硬度过大而使阀门易磨损的现象。
尽管实施状态1中提供了恒定幅度的电流脉冲间隔了零电流，但是本发明并不局限于该方案。例如，如图14A所示，脉冲电流的幅度可以逐步降低，或是如图14B所示，可以采用高低脉冲。或者，如图14C所示，可以在第一高电流脉冲和低电流脉冲后接着连续提供幅度随时间而减小的电流。换句话说，第一脉冲后可以接着采用任何形式的电流，只要在阀座3的温度是逐渐降低的。
为了改善阀座3对上侧电极24的散热，上侧电极24内宜通入冷凝水进行水冷。或者，如图15所示，可在上侧电极24的下部设置朝向阀座3内周面的圆筒状突起部分31，以将冷却水从上侧电极24内通过以相同间隔排列在突起部分31周围的多个喷嘴32和32喷到阀座3的内周面上。该结构能有效地冷却阀座3垂直方向的中央部分，以防止阀座3的温度超过Al的相变点。
实施状态3
如图16所示，在本发明的实施状态3中，阀座3和汽缸盖主体2接合时的电流控制方法与实施状态1和2不同。在本实施状态中，焊接装置20具有一个限位开关(图中未显示)来作为阀座检测装置，它能检测阀座3的垂直位置，当阀座3几乎完全埋嵌在汽缸盖主体2中时，该限位开关被起动。在开始提供电流后，当限位开关启动时，电流降低至低于初始电流值(约70kA)的水平。通过时间来控制关闭降低的电流。即，在开始提供初始电流后1.5至5秒时停止电流。
下面将就具有这样一种电流控制方法(即，当阀座3几乎完全埋嵌在汽缸盖主体2中时降低电流)的接合方法来进行说明。
在开始提供电流时，由于阀座3的升温比Al制汽缸盖主体2要迅速得多(如实施状态2所述)，因此，尽管阀座3的热膨胀系数比汽缸盖主体2低，但是阀座3经受的热膨胀却高于汽缸盖主体2。因此，在当阀座3几乎完全埋嵌在汽缸盖主体2中时完全关闭电流的情况下，阀座3受到了拉伸热应力，因为阀座3经受的收缩量大于汽缸盖主体2。
因此，提供的电流从初始电流降低，从而使阀座3的温度如实施状态2中那样逐渐降低。另一方面，由于阀座3将热量传递给汽缸盖主体2，使其温度升高，因此阀座3与汽缸盖主体2之间的温差减小。因此，当关闭电流时，收缩量之间的差别减小，从而减少了阀座3中产生的热应力。
根据实施状态3，由于当阀座3几乎完全埋嵌在汽缸盖主体2时电流从初始电流降低，因此，就缩小了由于热容量和热膨胀系数的差别而引起的热膨胀量(收缩量)的差别。这样就能减小在阀座3中产生的拉伸热应力，并且防止了内周面上纵向裂纹的产生。
尽管在实施状态3中，在起动限位开关后采用了恒定幅度的电流，但是本发明并不局限于该方案。例如，如图17A所示，大幅度的初始电流后可以采用幅度随时间而降低的电流，又如图17B所示，在限位开关起动后可采用低于初始电流的脉冲电流(与实施状态2类似)。采用与实施状态2相同的电流控制方法可获得相同的效果。
尽管在实施状态3中是利用限位开关来检测阀座3的高度以改变电流的，但也可采用诸如光电传感器之类的位置检测手段。另外，还可根据时间来改变电流以代替位置检测手段。在最后一种情况下，电流宜在开始提供电流后0.25至1秒(更佳的为0.25至0.5秒)内变化。这段时间能在阀座3几乎完全埋嵌在汽缸盖主体2时改变电流。
在阀座3接合到汽缸盖主体2上之前，汽缸盖主体2宜预热至大约200℃。该步骤进一步缩小了温差并尽可能地降低了热应力。结果，切实地防止了阀座3中纵向裂纹的产生，并且也不需要在限位开关起动后改变电流。汽缸盖主体2的预热可通过焊接装置20来完成。具体地说，将焊接装置20的上侧和下侧电极24、25换成碳制电极，将汽缸盖主体2夹在两电极24和25间，打开焊接电源，从而来进行预热。由于电极24和25用碳制成，所以电极产生的热量较大，从而有效地预热了汽缸盖主体2。该方案使得在线操作变为可能。
如图18所示，还可采用这样一种方法，其中阀座3的顶表面向中央高起，形成圆锥形的顶表面3d，而在上侧电极24的底表面上形成与阀座3的锥形顶表面3d基本上配合的圆锥形凹部34，将阀座3的锥形顶表面3d配合在上侧电极24的凹部34中，并在此状态下加压。当在此状态加压时，压力也作用于阀座3的缩径方向上，所以，即使在阀座3升温时也能防止其膨胀，从而使收缩量差别减少到最低(即使阀座3与汽缸盖主体2的温差很大)。因此，该方法也能防止阀座3中纵向裂纹的产生。
如图19所示，最好是能在内周面与上下表面之间的转角处形成倒角3e，3e，以够缓解阀座3内周面应力的集中。
此外，由于阀座3的内周面是最终要被机械加工除去，所以阀座3的除去部分可以用廉价材料来烧结。
实施状态4
图20表示本发明实施状态4中焊接装置20的一部分(省略了与图7所示相同部分的详细说明，只对不同部分进行说明)，其中电流电路与实施状态1至3不同。
在本实施状态中，焊接装置20有与实施状态1至3中相同的下侧电极25，但该下侧电极25不与焊接电源26相连，它只用于对阀座3和汽缸盖主体2进行加压。上侧电极24由第1和第2电极24a、24b组成，第1电极24a与实施状态1至3中的相同。第2电极24b通过与可使第1电极24a上下移动的加压气缸22相同的另一加压气缸而上下移动。第2电极24b与第1电极24a不同，是用碳制成的，且电极24a和24b与焊接电源26相连。
第1和第2电极24a、24b分别与待接合的阀座3以及已经接合到汽缸盖主体2上的阀座3的顶表面接触。当打开焊接电源26，电流依次流过第1电极24a、待接合的阀座3、汽缸盖主体2、已接合的阀座3和第2电极24b，再返回焊接电源26。在这一结构中，已接合的阀座3可作为待接合的阀座3接合时的电流回路。
根据实施状态4，在接合阀座3时，已接合的阀座3中的电阻热较小，温度也不象待接合的阀座3那样升高。然而，由于碳制成的第2电极24b产生热量，因此即使是已接合的阀座3也硬化而具有较高的硬度，所以可以结合实施状态2所述的进行回火。而且，在不增加在线操作工序的情况下就能对已接合的阀座3进行回火操作。因此，能够有效地缓解接合时阀座3硬度增大的热效应。
尽管实施状态4中的第2电极24b是用碳制成的，但由于碳是一种能产生热量最大的材料，所以，当已接合的阀座3的升温过高时，第2电极24b的材料可选用诸如铁或黄铜之类的能有效回火的材料。
实施状态5
图21表示本发明实施状态5中作为接合金属部件的内燃机活塞41。该活塞41包含(如实施状态1一样)：用Al基材料制成的活塞主体42(第二金属部件)；用Fe基材料制成的镶嵌环43(第一金属部件)，该镶嵌环接合在活塞主体42的上部外周上；以及Fe基材料(例如，奥氏体不锈钢)制成的增强部件44(第一金属部件)；该增强部件44接合在活塞主体42上部中央燃烧室42a内的凸出部分上。
在已有技术中是用镶嵌环43的镶嵌物来铸造活塞主体42的。对活塞主体42进行T6热处理不能使其强度有所提高，因为将活塞主体42与镶嵌环43铸造在一起会伴随产生较脆的Fe-Al金属间合成物。相反，根据本实施状态却能对活塞主体42进行T6热处理，然后将镶嵌环43接合到活塞主体42上。即使在将镶嵌环43接合到活塞主体42上之后再进行T6热处理，也不会产生Fe-Al，所以没有问题。因此，活塞41的耐磨性和强度均有所提高。
另一方面，有这样一个问题，即在活塞主体42的燃烧室42a的壁部分，特别是转角上，易出现裂纹。但是根据本实施状态，由于燃烧室42a内的凸起部分接合了增强部件44，因此防止了燃烧室42a的壁部分产生裂纹。
实施状态6
图22表示本发明实施状态6中作为接合金属部件的发动机气缸体51的一部分。该气缸体51包含(与实施状态1相同)：Al基材料制成的气缸杆主体52(第2金属部件)，以及接合在其水夹套52a顶部上的用Fe基材料制成的肋条部件53(第1金属部件)。数字54表示为镶嵌在汽缸内表面上的铸铁制成的衬里。
在已有技术中，为了提高气缸体51的刚性，在铸造气缸杆主体52时用砂芯在水夹套上部形成肋条作为一个整体。但这种方法存在这样的问题，即铸造的循环时间较长，从而生产率较低。根据本实施状态，就能够更容易地铸造气缸杆主体52，在短时间内将肋条部件53接合在气缸杆主体52的水夹套52a的顶部，且提高了气缸体的刚性。因此，能够防止汽缸内周面上的衬里54变形，提高诸如LOC和NVH之类的发动机性能，而且本发明还适用于无衬里的气缸杆。
实施状态7
现在下面将参照图23来描述本发明的较佳实施状态。尽管本实施状态7是如实施状态1至4所述的接合汽缸盖主体2和阀座3的情况，但是本发明也适用于实施状态5和6所述的接合活塞主体42和镶嵌环43的情况，或是接合汽缸体主体52和肋条部件53的情况。
本实施状态7与上述实施状态不同，首先是阀座3的材料。阀座3是用Fe基粉末材料制成的烧结材料，其中基本上均匀地分散有高电导率元素Cu，并在内部空孔中没有用Cu基材料渗入的情况下(如上述实施状态所述)接合。另外，阀座3是这样制得的：将其浸在钎焊料浴14中并施加超声波振荡，以在阀座3的表面上形成钎焊料与阀座3的扩散接合层5以及钎焊料层7，然后在与上侧电极24接触前通过机械加工等方式将钎焊料层7从阀座3的顶部(上侧电极24接触的部分)除去。扩散接合层5和钎焊料层7也可从阀座3的顶部除去。
与上述实施状态1至6的第二个区别是阀座3与汽缸盖主体2接合前的接合面2a的锥形角，该角度不是在0.79rad(45°)左右，而是定为大约0.52rad(30°)，这与阀座3和汽缸盖主体2的第一接合面3a的锥形角相同。即，在上述实施状态中电流和压力是施加在呈线接触而在接合时呈面接触的阀座3和汽缸盖主体2上的，与其相反，在实施状态7中，电流和压力是施加在与汽缸盖主体2的接合面2a保持面接触的阀座3的第一接合面3a上。这里的面接触指通过40-200mm2(更佳的为40-100mm2)的面积接触。
第三个不同在于上侧电极24的结构，该电极包含电极主体35和基本上呈圆柱状的、螺纹安装在电极主体35端的电极端头(tip)36。电极端头36底表面中央有一个凸起36a，该凸起从电极端头36的底表面(与阀座3接触的表面)向阀座3凸出。凸起36a基本上呈圆筒状，它可以配合入阀座3的内周面，并且有一个直径随朝向端头而减小的圆锥形圆周面36b。当电极端头36的底表面与阀座3接触时，凸起36a在其侧面36b的整个圆周上与阀座3的内周面(沿压力方向的侧面)间有预定的公隙。在与阀座3在凸起36a的侧面36b整个圆周面上接触的接触面同一高度处提供一位置调节部分36c，它能在上侧电极36的底表面向阀座3施加压力时在基本水平的方向(基本垂直于压力的方向)上调节阀座3的移动。阀座3的内周面与凸起36a侧面36b圆周上的位置调节部分36间的公隙设定为某个量值(例如约0.1mm)，以使阀座3能在水平方向上移动，而凸起36a侧面36b圆周上的位置调节部分外的部分与阀座3的内周面间的公隙定为某个量值，以使在压力下几乎不限制阀座3的内周面向内(内周面直径减小的一侧)变形。
在上侧电极24的电极端头36中有一个冷却剂通道37，该通道在垂直方向上延伸，以使冷却水(冷却剂)通过来冷却上侧电极24的内部。冷却剂通道37的上端与电极主体35中垂直延伸的冷却剂通道下端相连，而在电极主体35的冷却剂通道上端有一个用来引入冷却水的入口。电极端头36的冷却剂通道37的下端是冷却水出口37a，该出口开在电极端头36侧向。换句话说，提供了这样一个结构，在背对上侧电极24与阀座3接触表面的一侧有冷却水入口，而在接触阀座3的一侧有冷却水出口37a，这样，通过冷却水从入口到的出口的单向流动，流体通过并冷却了上侧电极(图识别电极端头36)。与出口37a相连的是用来排放冷却水的排水管38。
根据上述实施状态7，由于阀座3是由其中基本上均匀地分散有高电导率元素Cu的Fe基粉末材料烧结制得，然后阀座在内部空孔不浸渗Cu基材料下接合，因此，尽管有空孔存在，阀座3的电阻还是可以保持与浸渗了Cu基材料的阀座3一样低(由于预先分散了铜)。结果，就抑制了电流通过时产生的热量，从而获得了与实施状态相似的令人满意的接合。另外，由于空孔的绝热效果，其导热性要低于浸渗了Cu基材料的阀座，因此，在发动机运行时，阀座3的散热效果可保持在合适的水平，结果能形成氧化膜，从而改善了阀座3的耐磨性。
由于阀座3有上述的低的导热性，因此，在上述实施状态所述的线接触情况下施加电流和压力会使接合面2a、3a和3b上在电流通过的早期阶段产生显著的热量，从而提高了阀座过热的可能性。此外，由于空孔的存在，强度相当低，因此，阀座3的第一和第二接合面3a、3b很容易变形。结果，就不能形成足量的汽缸盖主体2的接合面2a的塑性流变，这样就不可能对氧化膜产生显著的破坏作用。然而，根据本实施状态7，流体和压力是在阀座3的第一接合面3a与汽缸盖主体2的接合面2a预先相互面接触后才施加的，因此，接合面2a、3a、3b中产生的热量可以控制在合适的水平，从而防止了过热现象。这样，即使在切断电流而阀座3迅速冷却时，也可以防止过度硬化，并且防止了阀座3的第一和第二接合面3a、3b的变形，从而获得了更佳的接合。
当电极端头36的底表面与阀座3接触时，由于上侧电极24中电极端头36底表面上的凸起36a与阀座3的内周面之间有预定的公隙，则在施加压力时，阀座3在基本上水平方向的移动由位置调节部分36c调节，该位置调节部分在凸起36a的圆周侧面36b的根部，阀座3在基本水平方向上的移动可作切实地调节，甚至是阀座3的内周面在压力下向内变形时，可防止阀座3受任何膨胀直径方向上的力。结果，阀座3中不可能产生裂纹，在接合后将上侧电极24从阀座3上脱离下来时，凸起36a的表面也不可能与阀座3摩擦。另外，由于凸起36a的侧周面36b是朝凸起36a端头方向直径减少的圆锥形，因此凸起36a能更顺利地从阀座3的内周面中脱离下来。这样，阀座3可以顺利地放入汽缸盖主体2中，并能防止阀座3中产生裂纹，防止上侧电极24的使用寿命缩短。
由于在上侧电极24与阀座3接触部分的相对侧有冷却水入口，而在与阀座3的接触侧有冷却水出口37a，这样，上侧电极可通过冷却水从入口到出口37a的单向流动来冷却，因此，不需要已有技术中所需的冷却水往返垂直流动空间，这样就使得足量的冷却水能顺利地流动，甚至当上侧电极24电极端头36的直径非常小时也没有滞流。结果，用简单的方法就能可靠地冷却上侧电极24，防止上侧电极24软化，从而改善了上侧电极24的使用寿命。
另外，由于阀座3上待与上侧电极24接触的部分上的钎焊料层7在与上侧电极24接触前被除去，因此，通过电极端头36的Cu成分与钎焊料的Zn成分的熔合，就可防止上侧电极24的电极端头36的底部产生较脆的黄铜。这也改善了上侧电极24的使用寿命。
尽管在上述实施状态中Cu是均匀地分布在阀座3中的，但是阀座3背对汽缸盖主体2这部分中的Cu含量可以高于汽缸盖主体2一侧的部分的Cu含量，这就使得背对汽缸盖主体2部分的电导率高于汽缸盖主体2的电导率。例如，可以先临时烧结由不同材料制成的两个组分，然后将其放在一起并烧结成最终状态。该步骤能尽可能地减少阀座3中产生的热量，能将接合面2a，3a，3b中产生的热量控制在合适的水平，并使阀座3的第一和第二接合面3a，3b附近的材料具有高强度和高的耐磨性。这样，阀座3的第一和第二接合面3a，3b就能有效地防止由于接合时的过热而引起的变形，而且，在最后阶段通过除去背对汽缸盖主体2部分就形成了由具有高强度和高耐磨性的材料制成的阀门接合面3c。分散在烧结前的粉末材料中、具有高电导率的颗粒不局限于Cu，具有高电导率的Ag或电导率不低于3×10-8欧姆·m的元素的粉末材料可在烧结前进行分散。在这种情况下，元素的导热率宜为2J/cm·c·K。
尽管上述实施状态中是对已经面接触的阀座3的第一接合面3a和汽缸盖主体2的接合面2a施加电流和压力，但是阀座3的第二接合面3b也能与汽缸盖主体2的接合面2a面接触(如图24所示)。还可采用这样一种构型，在阀座3的第一和接合面3a和第二接合面3b间形成第三个接合面3f，使第三接合面3f与汽缸盖主体2的接合面2a面接触(图25)，或使其上形成第三接合面3f的阀座3第二接合面3b与汽缸盖主体2的接合面2a面接触(图26)。预先实现面接触的方法不局限于上述这种情况(即，阀座3是用其中分散有高电导率颗粒(如Cu)的Fe基粉末材料烧结制成的)，它也适用于这种情况，即，阀座3是由粉末材料制成的烧结材料，该粉末材料只包括一种已有技术中已经采用的、电导率相当低的元素(电导率低于3×10-8欧姆·m或更高)(不浸渗Cu基材料)。或者，阀座也可以是一种只包括电导率相当低的元素的材料。在这种情况下，阀座3过热的可能性也能被减小到最低。
尽管在上述实施状态中，冷却水入口在上侧电极24与阀座3接触部分的背对侧，冷却水出口37a在接触阀座3的一侧(电极端头36侧)，但是入口和出口37a的位置相对关系可以相反。为了改善上侧电极24的电极端头37的冷却效果，在出口37a相对于电极端头37的相对侧可以提供另一个辅助的入口37b(如图27所示)。在图27中，数字39表示通过螺纹与辅助入口37b相连以提供冷却水的管道。下侧电极25也可采用类似于上侧电极24的冷却水单向流动方式来冷却。
上述实施状态所述的在基本水平的方向上调节阀座3的位置的方法不仅适用于通过电阻加热来熔融钎焊料层7的钎焊料，而且也适用于通过上述实施状态所述的感应加热等局部加热来熔融钎焊料。
尽管在上述实施状态中，阀座3和汽缸盖主体2是通过其间***的扩散接合层5和熔融反应层6的液相扩散来接合的，但是除了钎焊料层7被预先从接触上侧电极24的阀座3部分除去的情况外，所有通过电流产生的热量和施加的压力来接合金属部件的方法(如通过常规的电阻焊接或固相扩散焊接来接合部件的情况)均有类似于上述实施状态的效果。关于预先除去钎焊料层7，可以采用任何方法，只要是将阀座3浸在钎焊料浴14中，通过扩散接合层5在阀座3的表面上形成钎焊料层7，阀座3和汽缸盖主体2通过电流产生的热量和施加的压力来接合，
实施例
现在下面将描述具体实施的实施例。现在描述对应于上述实施状态的第一批基本实施例。
首先，用Al铸造合金(JIS标准H5202规定的AC4D)制成试件61(如图28所示)作为第2金属部件。对上述试件61进行T6热处理。
接着，改变钎焊料涂覆方法、阀座形状和第一接合面的锥形角θ1，制得5种Fe基阀座(实施例1至5)(如表1所示)。
                                                                  表1
                               基本实施例
  1   2   3   4   5   已有技术
钎焊料涂覆方法   擦涂   超声波   超声波   超声波   超声波   -
阀座形状   薄壁   薄壁   厚壁   厚壁   厚壁   厚壁
θ1(弧度)   0.35   0.35   0.35   0.52   0.52   0.52
接合时所加的压力(N)   9807   9807   9807   9807   29420   29420
电流值(kA)   44   44   50   50   60   70
表1中，钎焊料涂覆方法一栏中的“擦涂”是指在阀座表面形成扩散接合层和钎焊料层时，摩擦涂覆钎焊料、破坏氧化膜的方法。“超声波”是指如上述实施状态1所述，通过超声波镀层来涂覆钎焊料的方法。阀座形状一栏中的术语“薄壁”是指阀座有接近最终薄壁形状的结构(如图29所示)。而“厚壁”则指与上述实施状态1-6的形状相同、壁较厚的阀座(如图30所示)。
阀座通过其中分散了一些合金成分(例如，如表2所示(除Cu外))的粉末状铁基材料烧结制成的。在表2中，数值的单位为％(重量)，TC指总碳量(游离碳(石墨)和渗碳体形式的碳的合计量)。
                                                    表2
                                                  化学组成(％)
 TC  Ni  Cr  Mo  Cu  W  Co  V Fe
A  1.0-1.6  1.0-3.0  5.5-8.0  0.3-0.8  11.0-18.0  1.5-3.0  5.0-8.0 余份
B  1.3-4.0  -  0.4-7.0  0.1-0.4  10.0-20.0  1.2-3.4  0.4-1.7  0-0.34 余份
C  0.5-1.5  -  1.0-5.0  2.0-6.0  10.0-20.0  1.0-3.0  0.5-2.0  - 余份
D  0.5-1.5  5.0-10.0  -  10.0-15.0  7.0-18.0  -  - 余份
所用的钎焊料是由95％(重量)Zn成分、4.95％(重量)Al成分和0.05％(重量)Mg成分组成的Zn-Al共晶合金。
用Cu基材料浸渗各阀座内部，并在其表面镀铜。
用类似于实施状态1的焊接装置将基本实施例1至5的阀座接合到试件61上。接合时所加压力和电流设定为表1所示值。由于所加压力的变化会使阀座和试件61间的接触电阻发生变化，而使阀座的埋嵌深度变化，所以，应控制电流以使阀座的埋嵌深度大致恒定。
为了进行比较，使壁较厚的、θ1为0.52rad(30°)的阀座(镀铜)在压力和电流分别为29429N(3000kgf)和70kA的条件下进行固相扩散接合(压焊)。
然后，测定上述基本实施例1至5和已有技术的阀座接合强度。如图31所示，将试件61放置在夹具63上，与阀座62接合的一侧朝下。此时，将阀座62放置在基本上在夹具63中央的通孔63a上方，使阀座62不与夹具63接触。从试件61的通孔61a上方***圆筒状加压模64来挤压阀座62，测定阀座62从试件61上脱落时的敲除负载。该敲除负载代表接合强度。
敲除负载测试的结果如图32所示。比较基本实施例1和基本实施例2，显示出利用超声波镀层在阀座表面形成扩散接合层和钎焊料层可以获得比利用擦涂来涂覆钎焊料方法更高的接合强度。根据基本实施例2中在测试后阀座上残留了扩散接合层(见图35)(下文中有所描述)，而基本实施例1中几乎没有观察到钎焊料和扩散接合层，这恐怕是因为，在基本实施例1中没有完全形成扩散接合层的缘故。
图33示出了基本实施例2中在超声波镀层后的阀座表面的显微照片(放大180倍)，图34示出了接合后的阀座和试件61的接合面的显微照片(放大360倍)，图35示出了在敲除负载测试后的阀座表面的显微照片(放大360倍)。在图33中，阀座位于上方，下方是通过扩散接合薄层(而不是镀铜层)形成的钎焊料层。可以看到，在阀座内部有浸渗了Cu基材料的空孔。在图34中，阀座和下侧的试件61间没有间隙，清楚地观察到扩散接合层和熔融反应层。图35示出了残留在阀座表面(下表面)上的较薄的扩散接合层。
比较基本实施例2和基本实施例3，结果显示出壁较厚的阀座所需的敲除负载比壁较薄的阀座的敲除负载大。根据基本实施例2中阀座在转角上表现出变形，这恐怕是因为，由于变形而使得实际作用于接合面上的压力降低。
比较基本实施例3和基本实施例4，结果表明，第一接合面的锥形角θ1较大的基本实施例4对氧化膜的破坏效果较佳，接合强度较高(如实施状态1所述)。
比较基本实施例4和基本实施例5，结果表明，在压力较大的基本实施例5中可以获得更高的接合强度。还可以看到，通过将压力设定为29429N(3000kgf)，接合强度能比已有技术大大改善。
图36示出了实施状态5中接合后的阀座和试件61的接合面的显微照片(放大约10000倍)。在该照片中，左侧为阀座(包括看上去白的部分)，右侧为试件61。中间灰色的部分为扩散接合层和熔融反应层。可以看出，这两层的厚度都大约为1μm。元素分析结果表明，这两层包括Fe、Zn和Al。
如下对压力进行更详细地研究。采用与基本实施例4和5相同的钎焊料涂覆法、阀座形状和第一接合面的锥形角θ1，用9807N(1000kgf)、14710N(1500kgf)和29420N(3000kgf)的压力使阀座和试件61接合。然后，与第一次进行的敲除负载测试一样，对其进行敲除负载测定。
测定试件61在接合后受9807N(1000kgf)和29420N(3000kgf)压力时的硬度，从阀座的第一接合面和第二接合面的转角处(图38中，与接合面的距离为0的点)开始，朝向试件61的外周侧，在向接合阀座的背对侧倾斜约0.79rad(45°)的方向上，在预定的间隔处进行硬度测定。
图37中示出了敲除负载测试的结果，而硬度测试的结果显示在图33中。可以看出，所加压力越大，获得的强度就越高，试件61接合面附近的硬度也越高。这是因为较高的压力降低了接触电阻，使产生的热量减少，从而抑制了试件61的软化。当软化受到抑制时，就能顺利获得塑性流变，破坏氧化膜的效果也就更高，同时钎焊料的排出也能够顺利进行。
用70kA的脉冲电流，使阀座与试件61接合，以研究提供脉冲电流的效果。电流脉冲的时间设定为0.5秒，零电流的间隔时间为0.1秒。输送6个电流脉冲。为了比较，通过提供连续电流(60kA的电流，通电2秒钟)将阀座接合到试件61上。两种情况中的压力都为29420N(3000kgf)。
在通过脉冲电流和连续电流接合的试件上，测定阀座的上下两端(A部分)和垂直方向中央部分(B部分)在接合前后的硬度。从阀座第一接合面和第二接合面的转角处起向试件61的外周侧，在向背对接合阀座部分的一侧倾斜约0.79rad(45°)的方向上规定的间隔处进行硬度测试和敲除负载测试。
接合前后的硬度测试结果显示在图39中。可以看出，在采用连续电流的阀座中，其垂直方向中央部分(B部分)的硬度在接合后非常高，而脉冲电流由于逐渐加热而不会使硬度显著提高。
图40中示出了距接合面不同距离处的硬度测试结果。可以看出，利用脉冲电流接合的试件61由于接受了传自阀座的热量而有较低的硬度。
敲除负载测定结果显示在图41中。通过提供脉冲电流，就能通过散热到试件61上来减少阀座与试件61之间的温差，从而使收缩量的差别减少到最低程度，改善了接合强度，同时，通过阀座内部的逐渐冷却而抑制了硬度的增高。
然后，为了研究阀座埋嵌到试件61中的过程，在开始施加压力后，每隔固定的时间测定阀座的埋入量y(见图42)。施加68kA的脉冲电流。脉冲电流的时间(H)、零电流间隔长度(C)和脉冲数(N)可以变化，基本条件分别为0.5秒、0.1秒和6次脉冲。在只有1个参数变化的情况下进行测试(变化的参数如图43所示)。
埋入量测试结果如图43所示。可以看到，第一脉冲电流可以使之几乎完全埋入，而以后的电流不再埋入。在本试验的条件范围内，埋入量几乎没有变化。但是，当脉冲时间长达1秒时，在第一次脉冲时的埋入量稍大，而更多的脉冲次数(例如9)会使试件61软化并继续埋嵌。所以，首次脉冲宜设定成能埋嵌阀座，而第二次以及以后的脉冲宜设定成能使阀座逐渐冷却，并使热量散热到汽缸盖主体上。
通过提供60kA的脉冲电流、29420N(3000kgf)的条压力，将锻造烧结制成的阀座接合到试件61上。脉冲电流的时间、零电流的间隔长度及脉冲次数分别为0.5秒、0.1秒和4次脉冲。为了比较，用53kA的脉冲电流使浸渗了Cu基材料的烧结材料制成的阀座与试件61接合。从阀座的第一接合面和第二接合面的转角(图38中距接合面距离为0的点)向试件61的外周侧，在向背对接合阀座的一侧倾斜约0.79rad(45°)的方向上预定间隔处，对锻造烧结制成的阀座和浸渗烧结制成的阀座进行硬度测试。
测试结果显示在图39中。可以看到，在浸渗烧结情况下，试件61内的硬度较小，这是因为浸渗Cu基材料抑制了阀座内部产生热量，而使接合面的有效的产生热量，从而使试件61软化。但是，锻造烧结制成的阀座的接合也令人满意。这能够从阀座和试件61的接合面的显微照片(图45中放大50倍，图46中放大400倍)显示出。这是因为锻造破坏了阀座内的空孔，从而具有与浸渗同样的效果。
现在，下面将描述对应上述实施状态的实施例。首先，将其中均匀分散了Cu的Fe基粉末材料烧结制成阀座(实施例1)。用锻造烧结制成的阀座(对比例1)和只含一种电导率相当低的元素、浸渗了Cu基材料的的烧结材料制成的阀座(对比例2至4)来作比较。
                                                          表3
                                          组成(％(重量)) KW/m·K  Dg/cm3
 Tc  Ni  Cr  Mo  Co  W  Cu   Imp   Fe
实施例1  0.7-1.4  -  1.5-3.0  8.0-10.0  -  -  11.0-15.0   ≤2.0   余份   34.7  6.9-7.6
对比例1  1.0-1.6  1.0-3.0  7.0-10.0  0.3-0.8  7.0-12.0  2.0-4.5  -   ≤1.0   余份   28.0  7.1-7.7
对比例2  0.9-1.5  -  -  0.4-0.8  -  -  8.0-16.0   ≤1.0   余份   46.0  7.5-8.1
对比例3  0.9-1.5  1.0-3.0  2.5-4.5  0.3-0.8  0.5-3.5  0.3-1.8  11.0-18.0   ≤1.0   余份   44.0  7.4-8.0
对比例4  1.0-1.6  1.0-3.0  5.5-8.0  0.3-0.8  5.0-8.0  1.5-3.0  11.0-18.0   ≤1.0   余份   39.8  7.4-8.0
K：导热率，D：密度
实施例和对比例1至4的组成显示在表3中。对比例2至4中的Cu含量是浸渗了Cu基材料后的数值(类似于表2)，而在浸渗前并没有包括全部的Cu。实施例中的Cu含量设定为与对比例2至4中浸渗后的Cu含量相当。
图47中示出了实施例1和对比例2至4中的阀座。用与实施例1相同组分的烧结材料制成实施例2的阀座，只是形状不同。实施例2的阀座形状显示在图48中。实施例2的阀座在第一接合面和第二接合面之间有第三接合面(与图25和26相同)。
另一方面，图49所示的试件71用与试件61相同的材料制成。与试件61一样，试件71在通孔71a的顶部有倒角部分71b。倒角部分71b作为与阀座接合之前的接合面。倒角部分71b的锥形角α设定成约为0.52rad(30°)、0.79rad(45°)、1.04rad(60°)和1.31rad(75°)。
测定实施例1和对比例2至4的导热率和密度。表3中示出了测定结果。可以看出，实施例1的密度低于对比例2至4，这说明有空孔存在。实施例1的导热率高于对比例1，但低于对比例2至4中的浸渗过的材料，这是因为空孔有绝热效果。
研究实施例1、对比例1、2和4中硬度随温度的变化情况。图50中示出了硬度测试结果。可以看出，实施例1的阀座的硬度稍稍低于对比例1中锻造烧结的阀座和对比例2至4中浸渗过的材料，因此其在接合时更容易受压力而变形。
将实施例1和对比例1至4的阀座接合到锥形角约为0.79rad(45°)的试件71上。向阀座施加电流和压力，使试件71与其相互线接触。在接合的部件组合件上进行敲除负载测试。
敲除负载测试的结果显示在图51中。可以看出，实施例1的接合强度低于对比例2至4的浸渗过的材料，但是保持了与对比例1中1锻造烧结材料相当的水平。
示出了实施例1的阀座在接合后其内部的显微照片(放大约50倍)。图中显示出，空孔在接合后被保留下来并继续提供绝热效果，从而使散热量低于浸渗过的材料。
然后研究对预先已面接触的部件施加电流和压力的效果。将实施例1的阀座接合到锥形角α约为0.52rad(30°)的试件71上。预先使阀座的第一接合面和试件的接合面71a接触(接触面积为40至200mm2)。将实施例2的阀座接合到锥形角α约为1.04rad(60°)的试件71上。预先使阀座与试件71的接合面71a接触。另外，还使实施例2的阀座与锥形角α约为1.31rad(75°)的试件71接合。预先使阀座的第二接合面与试件71的接合面71a接触(接触面积为40至200mm2)。
在上述的接合组合件接合后对阀座垂直方向中央部分进行敲除负载和硬度测试。另外，从阀座的第一接合面和第二接合面之间的转角处(实施例2中为第三接合面的中心)起向试件71的外周侧，在向背对接合阀座的一侧倾斜约0.79rad(45°)的方向上预定间隔处进行硬度测定。敲除负载测试的结果显示在图53中(以及预先获得的实施例1线接触情况下的测定结果)。阀座的硬度测定结果显示在图54中，试件71上的硬度测定结果显示在图55中。可以看出，向相互线接触的部件施加电流和压力能在接合面上产生过量的热量，其中部分热量传递到试件71的内部，从而软化了试件71，而其余的热量则传递到阀座内部，从而使的阀座由于电流停止时的迅速冷却而提高硬度。另一方面，当对面接触的部件施加电流和压力时，接合面上的放热和硬度增高被抑制，从而改善了接合强度。
为了研究在实施例2的面接触情况下阀座在接合后的变形情况，沿垂直平面将接合组合件切开，用显微镜观察切开的表面(如图56中的显微照片所示)。图57中示出了实施例2中线接触接合后的横剖面的显微照片，以进行比较。另外，图58中示出了在实施例2的阀座与没有倒角部分71b(通孔71a从底到顶表面始终有相同的直径)的试件71接合后的横剖面的显微照片(也是一种部件预先线接触的情况)。这些显微照片均在放大10倍下拍摄得到。可以看出，线接触使得使得阀座的第三接合面明显有向内变形，而面接触会抑制接合面上热量的产生，从而使阀座的接合面中几乎没有变形，尽管其变形的趋势高于浸渗过的材料。这些照片还显示出阀座的内周面向内变形。然而，由于阀座可以向实施状态中所述那样调整位置，因此可以作令人满意的位置调整，而不会在阀座中产生裂纹或损坏上侧电极。

Claims (9)

1.一种用加压和电流通过金属部件时的加热来使第一和第二金属部件接合的方法，该方法包括以下步骤：
制备粉末材料，该材料中均匀分散了具有高导电性的颗粒；
烧结该粉末材料，制得其中有孔的烧结材料作为第一金属部件；和
通过加压和电流通过两个金属部件时的加热来接合第一金属部件和第二金属部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中高电导率的颗粒是铜颗粒。
3.根据权利要求1所述的方法，其中向预先被放置成相互面接触的两个金属部件提供电流，并且同时加压。
4.根据权利要求1所述的方法，其中第一金属部件中背对第二金属部件一侧部分的电导率高于靠近第二金属部件一侧部分。
5.根据权利要求1所述的方法，其中该方法包括下列步骤：
通过第一金属部件和钎焊料组成的扩散层，在第一金属部件的接合面上先形成一层钎焊料层，其中钎焊料具有含有第二金属部件主要成分的共晶组成，且其熔点低于这两种金属部件；和
用加压加热以及电流通过两个金属部件时在高于钎焊料熔点的温度下产生的热量来接合第一和第二金属部件，从而形成钎焊料与第二金属部件的另一扩散层，同时将熔融的钎焊料挤出两个金属部件的配合面，从而使两个金属部件通过两个扩散层的液相扩散接合来接合。
6.根据权利要求5所述的方法，其中第一金属部件由Fe基材料制成，第二金属部件由Al基材料制成，钎焊料是Zn基材料。
7.根据权利要求5或6所述的接合金属部件的方法，其中钎焊料用Zn-Al共晶合金制成。
8.根据权利要求5所述的接合金属部件的方法，其中在形成钎焊料层的步骤中，向浸在钎焊料浴中的第一金属部件表面施加超声波振荡，以在表面上涂覆钎焊料层。
9.根据权利要求5所述的方法，其中第一金属部件与第二金属部件的接合是通过第二金属部件的接合面在压力下塑性变形来实现的。
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