JP2004034125A

JP2004034125A - 金属板接合体、および金属板接合体を用いた積層成形体、および積層成形体を用いた部品

Info

Publication number: JP2004034125A
Application number: JP2002197802A
Authority: JP
Inventors: Kinji Saijo; 西條　謹二; Kazuo Yoshida; 吉田　一雄; Shinji Osawa; 大澤　真司; Koji Nanbu; 南部　光司
Original assignee: Toyo Kohan Co Ltd
Current assignee: Toyo Kohan Co Ltd
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】金属間化合物を形成しうる組み合わせの金属板を複数枚積層してなる金属板接合体、および金属板接合体を成形してなる積層成形体、および金属間化合物を形成してなる部品の提供。
【解決手段】金属間化合物を形成しうる組み合わせの金属板２６、２８を複数枚積層し、接合されるそれぞれの金属板面を活性化処理した後、活性化処理面同士が対向するように当接して重ね合わせて積層接合を施すことによって金属板接合体２を製造する。次に成形加工を施して所要の形状に成形して積層成形体３０を製造し、熱処理を施して金属間化合物を接合面付近に形成させて、必要により被覆部を除去することにより部品４０を製造する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、金属板を複数枚積層してなる金属板接合体の少なくとも１つの接合面付近に金属間化合物を形成可能な金属板の組み合わせを少なくとも１組有する金属板接合体、および金属板接合体を成形してなる積層成形体、および積層成形体の少なくとも１つの接合面付近に金属間化合物を形成してなる部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、一般の合金にはない特性を持つ高機能材料として金属間化合物が注目されてきている。例えば、Ｆｅ−Ａｌ系金属間化合物は高温耐食性に優れていることが知られており、下地材料表面に被覆することなどで耐食機能を付加した高機能材料などを実現することができる。従来の金属間化合物の形成方法としては、拡散接合法、クラッド圧延法、プラズマ溶射法などがあるが、金属間化合物は加工性が乏しいため金属間化合物形成後の成形加工などはクラックの発生などの問題があった。またプラズマ溶射法では、任意の形状の材料に被覆形成できるという利点がある反面、溶射を行う際に組成が変化してしまい、目的とする機能が充分には付加できないという問題があった。
【０００３】
そこで金属間化合物を形成する前に加工を施す方法として、特開２００２−６９５４５号には、熱間圧延圧着法により板材を積層し、冷間圧延して熱処理を施すことにより、板状の金属間化合物を形成する方法が開示されている。すなわち金属間化合物を形成する前に加工し、しかる後金属間化合物を形成せさようとするものである。しかしながら有形物には適用することができないという問題が残る。本発明はこのような点に鑑みて、金属間化合物を形成する前の積層材を成形加工した後、熱処理を施して金属間化合物を形成させようとするものである。なお特開平１−２２４１８４号には、接合界面における合金層の形成を抑制しうる接合法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、金属板を複数枚積層してなる金属板接合体の少なくとも１つの接合面付近に金属間化合物を形成可能な金属板の組み合わせを少なくとも１組有する金属板接合体、および金属板接合体を成形してなる積層成形体、および積層成形体の少なくとも１つの接合面付近に金属間化合物を形成してなる部品を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題に対する第１の解決手段として本発明の金属板接合体は、金属板を複数枚積層してなる金属板接合体であって、金属板接合体を構成する少なくとも１組の金属板が金属間化合物を形成しうる組み合わせからなり、金属板接合体の少なくとも１つの接合面が、接合されるそれぞれの金属板面を活性化処理した後、活性化処理面同士が対向するように当接して重ね合わせて積層接合してなる構成とした。また好ましくは、活性化処理が、不活性ガス雰囲気中でグロー放電を行わせて、接合されるそれぞれの金属板面をスパッタエッチング処理してなる構成とした。さらに好ましくは、金属板のうち少なくとも１枚の金属板が、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｎｂのいずれかを含有する金属板からなる構成とした。
【０００６】
前記課題に対する第２の解決手段として本発明の積層成形体は、金属間化合物を形成しうる組み合わせの金属板を少なくとも１組有する金属板接合体を成形してなる構成とした。
【０００７】
前記課題に対する第３の解決手段として本発明の部品は、金属間化合物を形成しうる組み合わせの金属板を少なくとも１組有する金属板接合体を成形してなる積層成形体の少なくとも１つの接合面付近に金属間化合物を形成してなる構成とした。さらに好ましくは、金属間化合物が表面に露出してなる構成とした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の金属板接合体２０の一実施形態を示す概略断面図であり、金属板２６と金属板２８を積層接合した２層の例を示している。図２は、本発明の金属板接合体２２の一実施形態を示す概略断面図であり、金属板２６と金属板２８と金属板２４を積層接合した３層の例を示している。図３は、２層の金属板接合体を成形してなる積層成形体３０の一実施形態を示す概略断面図である。図４は、２層の積層成形体の接合面付近に金属間化合物を形成してなる部品４０の一実施形態を示す概略断面図である。図５は、金属間化合物が表面に露出してなる部品４２の一実施形態を示す概略断面図である。
【０００９】
金属板２４、２６、２８の材質としては、金属板接合体を製造可能な素材で、金属間化合物を形成可能なものであれば特にその種類、組み合わせは限定されず、金属板接合体の用途により適宜選択して用いることができる。例えば、常温で固体である金属（例えば、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕなど）や、これらの金属のうち少なくとも１種類を含む合金（例えば、ＪＩＳに規定の合金など）、あるいはこれらの金属や合金を少なくとも１層有する積層体（例えば、クラッド材、メッキ材、蒸着膜材など）などが適用できる。金属板接合体の用途が、例えば耐食部材などを目的とするのであれば、金属板としては、耐食性が期待されるＦｅ−Ａｌ系金属間化合物となりうる組み合わせとして、軟鋼板と１０５０アルミニウム板などの組み合わせを用いることができる。
【００１０】
ＪＩＳに規定の合金としては、合金鋼やステンレス鋼の他にも、例えば、Ｃｕ系合金では、無酸素銅、タフピッチ銅、りん脱酸銅、丹銅、黄銅、快削黄銅、すず入り黄銅、アドミラルティ黄銅、ネーバル黄銅、アルミニウム青銅、白銅など、Ａｌ系合金では、１０００系、２０００系、３０００系、５０００系、６０００系、７０００系など、Ｎｉ系合金では、常炭素ニッケル、低炭素ニッケル、ニッケル−銅合金、ニッケル−銅−アルミニウム−チタン合金、ニッケル−モリブデン合金、ニッケル−モリブデン−クロム合金、ニッケル−クロム−鉄−モリブデン−銅合金、ニッケル−クロム−モリブデン−鉄合金などが適用できる。
【００１１】
金属間化合物には、高温耐食材料、軽量耐熱材料、複合材料、超電導材料、形状記憶材料、水素貯蔵材料など様々な機能を有するものが知られており、例えば、Ｆｅ−Ａｌ系、Ｔｉ−Ａｌ系、Ｔｉ−Ｎｉ系、Ｎｉ−Ａｌ系、Ｎｂ−Ａｌ系、Ａｌ−Ｌｉ系などがある。また金属間化合物には種々の組成もあり、目的の機能に適する組み合わせの材料や温度、圧力などの製造条件を適宜選択することで製造することが可能である。例えば、Ｆｅ−Ａｌ系では、ＦｅＡｌ、Ｆｅ_３Ａｌなど、Ｔｉ−Ａｌ系では、ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌ_３、Ｔｉ_３Ａｌなど、Ｎｉ−Ａｌ系では、ＮｉＡｌ、Ｎｉ_３Ａｌなど、Ｎｂ−Ａｌ系ではＮｂ_３Ａｌなどである。
【００１２】
また金属板２４、２６、２８の厚みは、金属板接合体を製造可能であれば特に限定はされず、金属板接合体の用途により適宜選定して用いることができる。例えば、１〜１０００μｍであることが好ましい。１μｍ未満では、金属板自体の製造が難しく、また１０００μｍを超えると金属板接合体としての製造が難しくなる。より好ましくは、１０〜２００μｍである。なお金属板は、圧延板などの単板材であってもよいし、積層材であってもよい。
【００１３】
図１に示す金属板接合体２０の活性化接合法による製造方法について説明する。まず図６に示すように、真空槽５２内において、巻き戻しリール６２、６４にそれぞれ装填された金属板２６、２８を活性化処理装置７０、８０でそれぞれの接合予定面側を活性化処理する。次に活性化処理された金属板２６、２８を圧接ユニット６０で冷間圧接し積層接合して巻き取りロール６６で巻き取り金属板接合体２０を製造することができる。以下にその詳細を述べる。
【００１４】
活性化処理は以下のようにして実施する。すなわち、真空槽５２内に設置された巻き戻しリール６２、６４に装填された金属板２６、２８を巻き戻し、活性化処理装置７０、８０でそれぞれアース接地された一方の電極Ａと接触させ、絶縁支持された他の電極Ｂとの間に、１０〜１×１０^−３Ｐａの極低圧不活性ガス雰囲気中で、１〜５０ＭＨｚの交流を印加してグロー放電を行わせ、グロー放電によって生じたプラズマ中に露出される電極Ａと接触した金属板２６、２８のそれぞれの面積が、実効的に電極Ｂの面積の１／３以下となるようにスパッタエッチング処理する。不活性ガスとしては、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトンなどや、これらを少なくとも１種類含む混合体を適用することができる。好ましくはアルゴンガスである。なお不活性ガス圧力が１×１０^−３Ｐａ未満では安定したグロー放電が行いにくく高速エッチングが困難であり、１０Ｐａを超えると活性化処理効率が低下する。印加する交流は、１ＭＨｚ未満では安定したグロー放電を維持するのが難しく連続エッチングが困難であり、５０ＭＨｚを超えると発振し易く電力の供給系が複雑となり好ましくない。また、効率よくエッチングするためには電極Ａと接触した金属板２６、２８のそれぞれの面積を電極Ｂの面積より小さくする必要があり、実効的に１／３以下とすることにより充分な効率でエッチング可能となる。このようにして活性化処理を施すことができる。
【００１５】
次に積層接合を以下のようにして行う。上記の活性化処理された金属板２６、２８を圧接ユニットに搬送して積層接合を施す。積層接合は、金属板２６、２８のそれぞれ活性化処理された面が対向するようにして両者を当接して重ね合わせ圧接ユニット６０で冷間圧接を施すことによって達成することができる。この際の積層接合は低温度で可能であり、金属板２６、２８ならびに接合部に組織変化や合金層の形成などといった悪影響を軽減または排除することが可能である。Ｔを金属板の温度（℃）とするとき、０℃＜Ｔ≦３００℃で良好な圧接状態が得られる。０℃以下では特別な冷却装置が必要となり、３００℃を超えると組織変化などの悪影響が生じてくるため好ましくない。また圧延率Ｒ（％）は、０．０１％≦Ｒ≦３０％であることが好ましい。０．０１％未満では充分な接合強度が得られず、３０％を超えると変形が大きくなり加工精度上好ましくない。より好ましくは、０．１％≦Ｒ≦３％である。
【００１６】
以上のようにして、所要の層厚みを有する２層構造の金属板接合体２０を形成することができ、巻き取りロール６６に巻き取られる。さらに必要により所定の大きさに切り出して、図１に示す金属板接合体２０を製造することができる。またこのようにして製造された金属板接合体２０に、必要により接合部に悪影響を及ぼさない程度に残留応力の除去または低減などのために熱処理を施してもよい。このような金属板接合体では、接合部に合金層の形成などの悪影響を抑制することができ、接合強度や金属板が元来有する加工性などの特性を著しく低下させることがないため、機械加工などにも充分に適用することが可能である。
【００１７】
なお本発明の金属板接合体では、２層を超える積層体も可能である。図２に示すように、３層構造の金属板接合体は、上記説明において金属板２６の代わりに２層構造の金属板接合体２０を用い、金属板２８の代わりに金属板２４を用いることにより製造することができ、４層以上の多層の金属板接合体も可能である。またこのようにして製造された金属板接合体にメッキなどの表面処理を施してもよい。
【００１８】
また金属板接合体の製造には、バッチ処理を用いることもできる。すなわち、真空槽内に予め所定の大きさに切り出された金属板を複数枚装填して、活性化処理装置に搬送して垂直または水平などの適切な位置に処理すべき面を対向または並置した状態などで設置または把持して固定して活性化処理を行い、さらに金属板を保持する装置が圧接装置を兼ねる場合には活性化処理後に設置または把持したまま圧接し、金属板を保持する装置が圧接装置を兼ねない場合にはプレス装置などの圧接装置に搬送して圧接を行うことにより製造することができる。
【００１９】
本発明の積層成形体は、金属間化合物を形成しうる組み合わせの金属板を少なくとも１組有する金属板接合体に機械加工を施して成形してなるものである。例えば、図３に示す積層成形体３０は、図１に示すような２層の金属板接合体をプレス加工などにより成形加工したものである。金属間化合物を未形成の金属板接合体は、金属板が元来有する加工性を著しく劣化させることなく接合しているため、種々の加工性を充分に保持しており、多種多様な加工にも適用することが可能である。例えば、バルジ加工やＣＩＰ（冷間等方圧プレス）加工などである。
【００２０】
本発明の部品は、積層成形体の所定の接合面付近に金属間化合物を形成してなるものである。また必要により、金属間化合物とならなかった金属板残部の部分を、例えば超音波振動を与えるなどの適切な方法により剥離させて除去し、金属間化合物を表面に露出させたものである。このため本発明の部品は、下地材料表面に所要の金属間化合物を被覆してなる構造などを有しており、用いる材料の組み合わせを適宜選定することによって、耐食性の求められるタンク内壁部材、耐熱性の求められるタービンブレード、軽量化の求められる航空機用部材など多方面にわたり適用可能である。なお接合面付近とは、接合面の一方または双方の所定の厚みの領域を指しており、熱処理時間等の条件により適宜調整することが可能である。すなわち、積層形成体が２層の金属板からなる場合には、金属板−金属間化合物−金属板の３層構造の部品、あるいは金属間化合物−金属板の２層構造の部品、あるいは全てを金属間化合物とする１層構造の部品とすることが可能である。さらに金属間化合物を形成可能な１組とは、２層以上の層を指している。さらに金属間化合物を形成する際に圧力をかける必要のあるときは、ＨＩＰ（熱間等方圧プレス）加工やホットプレス加工などを用いてもよい。
【００２１】
【実施例】
以下に、実施例を図面に基づいて説明する。金属板２８として厚み０．２ｍｍの軟鋼板を用い、金属板２６として厚み５０μｍの３００４アルミニウム板を用いた。軟鋼板、アルミニウム板を金属板接合体製造装置にセットし、真空槽内の活性化処理ユニットでスパッタエッチング法によりそれぞれ活性化処理した。次に圧接ユニットを用いて、これら活性化処理された軟鋼板、アルミニウム板を、活性化処理面同士を重ね合わせて冷間圧接して積層接合し、金属板接合体２０を製造した。次にこの金属板接合体２０をプレス成形によりカップ状に成形加工して積層成形体３０を製造した。さらに窒素雰囲気中で５５０℃×５時間の熱処理を行い、軟鋼板とアルミニウム板の接合面付近にＦｅ−Ａｌ系金属間化合物を形成させて部品４０を製造した。また部品４０に超音波振動を与え金属間化合物とならなかった部分である被覆部のアルミニウム板を剥離させて除去し、金属間化合物を表面に露出させ部品４２を製造した。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の金属板接合体は金属板を複数枚積層してなるものであり、本発明の積層成形体は金属板接合体を加工してなるものであり、本発明の部品は金属間化合物を形成してなるものであ。このため金属板接合体の接合部に悪影響を与えることなく積層できるため、加工性に優れており所要の形状に加工することが可能であり、有形機能性材料などへの適用も好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属板接合体の一実施形態を示す概略断面図である。
【図２】本発明の金属板接合体の他の一実施形態を示す概略断面図である。
【図３】本発明の積層形成体の一実施形態を示す概略断面図である。
【図４】本発明の部品の一実施形態を示す概略断面図である。
【図５】本発明の部品の他の一実施形態を示す概略断面図である。
【図６】本発明の金属板接合体の製造に用いる装置の一実施形態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
２０　　金属板接合体
２２　　金属板接合体
２４　　金属板
２６　　金属板
２８　　金属板
３０　　積層成形体
４０　　部品
４２　　部品
４４　　金属間化合物層
４６　　金属板残部
４８　　金属板残部
５０　　金属板接合体製造装置
５２　　真空槽
６０　　圧接ユニット
６２　　巻き戻しリール
６４　　巻き戻しリール
６６　　巻き取りロール
７０　　活性化処理装置
７２　　電極ロール
７４　　電極
８０　　活性化処理装置
８２　　電極ロール
８４　　電極
Ａ　　　電極Ａ
Ｂ　　　電極Ｂ

Claims

金属板を複数枚積層してなる金属板接合体であって、金属板接合体を構成する少なくとも１組の金属板が金属間化合物を形成しうる組み合わせからなり、金属板接合体の少なくとも１つの接合面が、接合されるそれぞれの金属板面を活性化処理した後、活性化処理面同士が対向するように当接して重ね合わせて積層接合してなることを特徴とする金属板接合体。
前記活性化処理が、不活性ガス雰囲気中でグロー放電を行わせて、接合されるそれぞれの金属板面をスパッタエッチング処理してなることを特徴とする請求項１に記載の金属板接合体。
前記金属板のうち少なくとも１枚の金属板が、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｎｂのいずれかを含有する金属板からなることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の金属板接合体。
金属間化合物を形成しうる組み合わせの金属板を少なくとも１組有する金属板接合体を成形してなることを特徴とする積層成形体。
金属間化合物を形成しうる組み合わせの金属板を少なくとも１組有する金属板接合体を成形してなる積層成形体の少なくとも１つの接合面付近に金属間化合物を形成してなることを特徴とする部品。
金属間化合物が部品表面に露出してなることを特徴とする請求項５に記載の部品。