JP2007111709A - 金属部材の固相接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ミリ波を用いて金属部材の接合部分を集中的に加熱し、金属部材全体を高温に加熱せずに金属部材同士を拡散接合できるようにした金属部材の固相接合方法を提供する。
【解決手段】金属部材Ｗ，Ｗ´を断熱材９で覆い、更に、金属部材Ｗ，Ｗ´同士の接合面から所定範囲内の部分を加熱対象部分Ｗａとして、加熱対象部分Ｗａから外れた断熱材９の部分を高熱伝導率の金属製のカバー１０により覆う。そして、金属部材Ｗ，Ｗ´同士を塑性変形を生じないように加圧接触させ、この状態でミリ波を照射して加熱対象部分Ｗａを加熱する。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄、チタン等の金属で形成された金属部材同士を固相状態で接合する金属部材の固相接合方法に関する。

金属部材同士を固相状態で接合するには、金属部材の接合面の酸化皮膜を除去する必要がある。そして、金属部材同士を固相状態で接合する方法の代表的なものとして、鍛接、摩擦圧接、拡散接合が知られている。

鍛接は、加熱した金属部材同士を大荷重で加圧し、塑性変形で金属部材の接合面の酸化皮膜を破壊すると同時に接合面を密着させて接合する方法であり、熱圧着とも呼ばれている。鍛接では、接合部の変形が非常に大きくなり、また、金属部材全体が加熱されるため、金属部材の元の材料特性が損なわれると共に、異種金属の接合が困難になる不具合がある。

摩擦接合は、金属部材同士の相対回転による摩擦を利用して接合面の酸化被膜を取り除き、同時に摩擦熱と加圧力によって接合面を密着させて接合する方法である。摩擦接合では、金属部材の接合部が部分的に加熱されるだけであるため、金属部材の元の材料特性が維持されると共に、異種金属の接合も可能になる利点があるが、接合部の変形が大きく、また、金属部材同士を相対回転させる関係で金属部材の形状が丸物に限定される不具合がある。

拡散接合は、融点以下の高温の温度条件下で、金属部材同士を塑性変形が生じない程度に加圧接触させ、接合面の酸化皮膜を熱で消失させ、接合面間に生ずる原子の拡散を利用して接合する方法である。拡散接合では、接合部の変形を生じず、また、金属部材の形状が限定されない利点がある。然し、従来の拡散接合では、金属部材全体を炉内で高温に加熱しており、鍛接と同様に、金属部材の元の材料特性が損なわれると共に、異種金属の接合が困難になる不具合がある。

ところで、最近は、マイクロ波により金属を加熱できることが判明している(例えば、特許文献１参照)。マイクロ波は、周波数が３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚ(波長１ｍ〜１ｍｍ)の電磁波の総称であり、そのうち周波数が２０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ(波長１５ｍｍ〜１ｍｍ)の電磁波は特にミリ波と呼ばれる。電子レンジ等で使用する２．４５ＧＨｚのマイクロ波を金属に照射するとアーク放電が発生するが、２８ＧＨｚのミリ波を金属に照射すると、アーク放電を生ずることなく金属が加熱される。

ここで、マイクロ波による単位体積当たりの発熱量Ｐは、マイクロ波の周波数をｆ、真空の誘電率をε_０、被加熱物の比誘電率、誘電損失角を夫々ε_ｒ、δ、マイクロ波電界の強さをＥとして、
Ｐ＝２πｆε_０ε_ｒｔａｎδＥ^２ [Ｗ／ｍ^３]
で表され、マイクロ波エネルギーが半分に減衰する距離(電力の半減深度)Ｄは、
Ｄ＝３．３２×１０^７／(ｆ・ε_ｒ ^１／２・ｔａｎδ) [ｍ]
で表される。Ｐの式中のε_０ε_ｒｔａｎδは材料の誘電損率と呼ばれ、温度と周波数に比例して増加する。そして、発熱量はマイクロ波の周波数に大きく依存し、ミリ波のような高周波数のマイクロ波を用いると、金属の表層部を加熱することが可能になる。
特表平８−５０３２６３号公報(第１０,１２頁)

本発明は、以上の点に鑑み、マイクロ波を用いて金属部材の接合部分を集中的に加熱し、金属部材全体を高温に加熱せずに金属部材同士を拡散接合できるようにした金属部材の固相接合方法を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するため、本発明は、金属部材同士を固相状態で接合する金属部材の固相接合方法において、金属部材同士を塑性変形を生じないように加圧接触させると共に、金属部材を断熱材で覆い、更に、金属部材同士の接合面から所定範囲内の部分を加熱対象部分として、加熱対象部分から外れた断熱材の部分を金属製のカバーにより覆い、この状態でマイクロ波を照射して加熱対象部分を加熱することを特徴とする。

金属部材にマイクロ波(特にミリ波)を照射すると、金属部材がマイクロ波を吸収して発熱するものの、このままでは金属部材からの放熱により然程昇温しない。然し、本発明では、金属部材が断熱材で覆われるため、金属部材からの放熱が抑制され、金属部材が断熱材を透過したマイクロ波の吸収による発熱で昇温する。但し、断熱材を覆う金属製カバーもマイクロ波を吸収するため、加熱対象部分以外の金属部材の部分でのマイクロ波の吸収による発熱が抑制される。従って、マイクロ波の吸収による発熱は加熱対象部分で集中的に行われ、断熱材による放熱防止作用と相俟って、加熱対象部分が効果的に加熱される。そして、マイクロ波は温度が高くなるにつれて吸収されやすくなるため、加熱対象部分たる金属部材の接合面近傍の接合部分の加熱が加速度的に進行する。その結果、金属部材の接合面の酸化皮膜が熱で消失し、金属部材の塑性変形を生じない低荷重下で金属部材同士が拡散接合される。

このようにして鉄、チタン、銅といった金属部材同士を接合部分の変形を生ずることなく固相接合でき、変形を修正する後加工が不要になる。また、金属部材全体を加熱するものと異なり、金属部材の元の材料特性が維持されると共に、鉄とチタンのような異種金属の接合も可能になり、更に、摩擦接合と異なり金属部材の形状も限定されない。従って、金属部材同士を接合して形成される種々の製品の製造に本発明を適用できる。

尚、上記カバーがマイクロ波の吸収による発熱で昇温すると、カバーがマイクロ波を吸収しやすくなり、効率が悪くなると共に、加熱対象部分以外の金属部材の部分の温度が不必要に上昇してしまう。ここで、カバーの材質を高熱伝導率の金属とすれば、カバーからの放熱量が大きくなり、マイクロ波の吸収による発熱量と同等の熱量が放熱されて、カバーの昇温が防止される。特に、銅やアルミニウムは、熱伝導率が高く、しかも成形が容易で且つ低コストであり、カバーの材質として最適である。

図１を参照して、１はマイクロ波加熱炉を示している。加熱炉１内には、別置きのマイクロ波発生器２からのマイクロ波が導波管３を介して照射される。また、加熱炉１内には、ワーク置き台４が設けられると共に、ワーク置き台４の上方にシリンダ５により昇降されるワークプッシャ６が設けられている。尚、加熱炉１は扉７を備えており、扉７を閉じた状態で内部を真空引きできるようになっている。

図２を参照して、金属部材Ｗ，Ｗ´の接合に際しては、金属部材Ｗ，Ｗ´を上下に重ね合わせた状態でワーク置き台４に載置し、ワークプッシャ６を下降させて、金属部材Ｗ，Ｗ´同士を塑性変形を生じないように加圧接触させる。具体的には、金属部材Ｗ，Ｗ´同士を、後述するマイクロ波による加熱温度下での金属部材Ｗ，Ｗ´の降伏応力以下の圧力で加圧接触させる。

尚、下側の金属部材Ｗ´とワーク置き台４との間及び上側の金属部材Ｗとワークプッシャ６との間には、夫々アルミナ製のワークセッタ８を介挿する。これにより、金属部材Ｗ，Ｗ´からワーク置き台４やワークプッシャ６に熱が逃げることを防止できる。

また、金属部材Ｗ，Ｗ´を断熱材９で覆うと共に、金属部材Ｗ，Ｗ´同士の接合面から所定範囲内の部分を加熱対象部分Ｗａとして、加熱対象部分Ｗａから外れた断熱材９の部分を金属製のカバー１０により覆う。

ここで、本実施形態では、断熱材９を、加熱対象部分Ｗａを覆うブロック９ａと、加熱対象部分９ａから外れた上側の金属部材Ｗの部分を覆うカバー１０付きのブロック９ｂと、加熱対象部分Ｗａから外れた下側の金属部材Ｗ´の部分を覆うカバー１０付きのブロック９ｃとに３分割しているが、断熱材９を分割せずに、加熱対象部分Ｗａから外れた断熱材９の部分の外周にカバー１０を装着しても良い。

尚、断熱材９としては一般的にセラミックスが用いられるが、不純物が含まれていると、不純物がマイクロ波を吸収して発熱し、断熱材９が高温に加熱されてしまう。そのため、断熱材９の材質は高純度セラミックス、例えば９７％以上のアルミナであることが望ましい。

次に、加熱炉１内を真空引きした後、マイクロ波発生器２からのマイクロ波、例えば、２８ＧＨｚのミリ波を加熱炉１内に照射する。これによれば、金属部材Ｗ，Ｗ´が断熱材９を透過したミリ波を吸収して発熱する。ここで、断熱材９が無いと、金属部材Ｗ，Ｗ´はそれ自体からの放熱で然程昇温しないが、本実施形態では、金属部材Ｗ，Ｗ´が断熱材９で覆われるため、金属部材Ｗ，Ｗ´からの放熱が抑制され、金属部材Ｗ，Ｗ´の温度が上昇する。

また、本実施形態では、加熱対象部分Ｗａから外れた断熱材９の部分(ブロック９ｂ，９ｃ)が金属製カバー１０で覆われるため、金属製カバー１０がミリ波を吸収し、加熱対象部分Ｗａ以外の金属部材Ｗ，Ｗ´の部分でのミリ波の吸収による発熱が抑制される。従って、マイクロ波の吸収による発熱は加熱対象部分Ｗａで集中的に行われ、断熱材９による放熱防止作用と相俟って、加熱対象部分Ｗａが効果的に加熱される。そして、マイクロ波は温度が高くなるにつれて吸収されやすくなるため、加熱対象部分Ｗａたる金属部材Ｗ，Ｗ´の接合面近傍の接合部分の加熱が加速度的に進行する。

尚、カバー１０がミリ波の吸収による発熱で昇温すると、カバー１０がマイクロ波を吸収しやすくなり、効率が悪くなると共に、加熱対象部分Ｗａ以外の金属部材Ｗ，Ｗ´の部分の温度が不必要に上昇してしまう。従って、カバー１０の材質は、その昇温を防止する上で、高熱伝導率の金属であることが望ましく、特に、成形が容易で且つ低コストの銅またはアルミニウムが最適である。以下の実験及び実施例では銅製のカバー１０を用いている。

上記の如く加熱対象部分Ｗａが集中的に加熱されることを実証するため、金属部材Ｗ，Ｗ´を夫々鉄製とし、図２に示す状態で２８ＧＨｚのミリ波を照射して金属部材Ｗ，Ｗ´を加熱する実験を行った。実験では、ミリ波の出力を変化させながら接合面近傍のａ点(接合面からの距離１ｍｍ)と接合面から３０ｍｍ離れたｂ点の温度を夫々熱電対で計測した。実験結果は図３に示す通りであり、ａ点の温度がｂ点の温度に比し著しく高くなった。これにより、金属部材Ｗ、Ｗ´の加熱対象部分Ｗａを集中的に加熱できることが分かる。尚、断熱材９のブロック９ｂ，９ｃのカバー１０を取外した場合には、ｂ点がａ点と同様の温度まで昇温した。

また、一方の金属部材Ｗをチタン(Ｔｉ)製、他方の金属部材Ｗ´を鉄(Ｆｅ)製とし、図２に示す状態で２８ＧＨｚのミリ波を照射して金属部材Ｗ，Ｗ´を加熱する実験を行った。実験では、ミリ波の出力を変化させながらＴｉ製部材Ｗの接合面近傍の温度とＦｅ製部材Ｗ´の接合面近傍の温度を夫々熱電対で計測した。実験結果は図４に示す通りであり、接合面近傍の温度がＴｉ製部材ＷとＦｅ製部材Ｗ´の何れにおいても十分に高くなることが分かる。尚、Ｆｅの方がＴｉよりミリ波の吸収性が良いため、温度の立上りはＦｅ製部材Ｗ´の方が早くなっている。また、Ｔｉは熱伝導率が低く放熱量が小さいため、Ｔｉ製部材Ｗの温度が途中でＦｅ製部材Ｗ´よりも高くなり、最終的に両部材Ｗ，Ｗ´が共に所要の高温度まで加熱される。

以上の如く金属部材Ｗ，Ｗ´の加熱対象部分Ｗａが集中的に加熱される結果、金属部材Ｗ，Ｗ´同士の接合面の酸化皮膜が熱で消失し、金属部材Ｗ，Ｗ´同士を塑性変形を生ずるような加圧力で強く加圧接触させなくても、拡散接合により金属部材Ｗ，Ｗ´同士が固相状態で接合される。

かくして、金属部材Ｗ，Ｗ´同士を接合部分の変形を生ずることなく固相接合でき、接合部分の変形を修正するための後加工が不要になる。また、高温に加熱されるのは金属部材Ｗ，Ｗ´の加熱対象部分Ｗａだけになるため、金属部材Ｗ，Ｗ´全体を加熱するものと異なり、金属部材Ｗ，Ｗ´の元の材料特性が維持されると共に、異種金属の接合も可能になる。更に、摩擦接合と異なり金属部材Ｗ，Ｗ´の形状も限定されない。

尚、アルミニウムのように酸素が殆ど溶解しない金属製の部材を上述した本実施形態の方法で接合することは困難であるが、鉄、チタン、銅のように酸化皮膜中の酸素をある程度溶解できる金属製の部材は、本実施形態の方法で良好に接合できる。また、鉄鋼材やステンレスのように炭素を含有する金属製の部材は、炭素による還元反応で酸化皮膜中の酸素がＣＯ，ＣＯ_２に変化して酸化皮膜が消失するため、本実施形態の方法で接合できる。

上述したように本実施形態の接合方法では、接合部分の変形を生じず、形状も限定されないため、種々の製品を製造することが可能になる。例えば、図５に示す如く、一対の金属製側板Ｗ１，Ｗ１間に中空部を有する形状に打ち抜き成形された金属製中板Ｗ２を挟んだ状態でこれらを拡散接合して、中空部を有する軽量且つ高剛性のコンロッドを低コストで製造することができる。また、金型等の部分的に高荷重が作用する製品において、高荷重が作用する部分をハイス鋼等の耐摩耗性に優れた金属で形成し、他の部分をダイス鋼等の廉価な金属で形成して、両者を本実施形態の方法で拡散接合することにより、耐久性に優れた製品を低コストで製造することが可能になる。

尚、上記実施形態では、金属部材Ｗ，Ｗ´をその全体に亘って断熱材９により覆っているが、金属部材がある程度が大きく、接合面から離れた端部での放熱量が少なくなる場合には、金属部材の端部を断熱材で覆わなくても良い。また、加熱対象部分Ｗａとする範囲は一義的に決定されるものではなく、金属部材の大きさ形状等に応じて適切な範囲を実験的に求めれば良い。

金属部材Ｗ，Ｗ´を共に直径１５ｍｍの鉄製とし、１０００℃での鉄の降伏応力以下の３ｋｇｆ／ｍｍ^２の圧力で金属部材Ｗ，Ｗ´同士を加圧接触させ、図２に示す状態で２８ＧＨｚのミリ波を照射した。そして、加熱対象部分Ｗａを９００℃まで加熱し、金属部材Ｗ，Ｗ´の接合品を得た。尚、加熱対象部Ｗａは接合面から２ｍｍまでの範囲とした。

この接合品は、金属部材Ｗ，Ｗ´同士の接合面に隙間が全く存在せずに連続した組織になっており、接合部分での変形も全く生じなかった。また、この接合品の引張試験を行ったところ、降伏応力が３６．３ｋｇｆ／ｍｍ^２、引張強さが６４．３ｋｇｆ／ｍｍ^２、破断伸びが１３．５ｍｍであった。鉄製の一体品の降伏応力、引張強さ、破断伸びは、夫々、３６．３ｋｇｆ／ｍｍ^２、６２．０ｋｇｆ／ｍｍ^２、２３ｍｍであり、接合品は伸びが減少するものの機械的強度は一体品と同等になることが確認された。

尚、鉄製の金属部材Ｗ，Ｗ´は加熱対象部分Ｗａを４００℃程度に加熱すると接合し始める。但し、鉄製の金属部材Ｗ，Ｗ´を９００℃より低い温度で接合した接合品は、金属部材Ｗ，Ｗ´同士の接合面に隙間が残り、塑性変形が始まると隙間を起点にして破断し、引張強さが３６．３ｋｇｆ／ｍｍ^２程度になる。

一方の金属部材Ｗを直径１５ｍｍのチタン製部材、他方の金属部材Ｗ´を直径１５ｍｍの鉄製部材とし、３ｋｇｆ／ｍｍ^２の圧力で両部材Ｗ，Ｗ´同士を加圧接触させ、図２に示す状態で２８ＧＨｚのミリ波を照射して、加熱対象部分Ｗａを７００℃まで加熱した。尚、加熱対象部分Ｗａは接合面から２ｍｍまでの範囲とした。

これにより、チタン製部材Ｗと鉄製部材Ｗ´が接合部分の変形を生ずることなく接合した。この接合品は、接合面に隙間が若干残るが、チタン製部材Ｗに接合面から１８μの深さまで鉄が拡散し、鉄製部材Ｗ´に接合面から３０μの深さまでチタンが拡散していることが確認された。

また、この接合品の引張強さは３３．２ｋｇｆ／ｍｍ^２であった。ここで、チタン製の一体品の降伏応力、引張強さは、夫々、３３．０ｋｇｆ／ｍｍ^２、５８．０ｋｇｆ／ｍｍ^２であり、接合品の引張強さはチタン製一体品の降伏応力と同程度になる。これは、接合品がチタンの塑性変形と同時に接合面の隙間を起点にして破断したためであると考えられる。

本発明方法の実施に使用する設備の一例を示す断面図。 本発明方法に従った金属部材及び断熱材の配置の一例を示す断面図。 マイクロ波で加熱したときの鉄製部材の各部の温度変化を示すグラフ。 マイクロ波で加熱したときのチタン製部材と鉄製部材の温度変化を示すグラフ。 本発明方法で製造されるコンロッドの分解斜視図。

符号の説明

Ｗ，Ｗ´…金属部材、Ｗａ…加熱対象部分、１…マイクロ波加熱炉、２…マイクロ波発生器、９…断熱材、１０…金属製カバー。

Claims (2)

1. 金属部材同士を固相状態で接合する金属部材の固相接合方法において、
   金属部材同士を塑性変形を生じないように加圧接触させると共に、金属部材を断熱材で覆い、更に、金属部材同士の接合面から所定範囲内の部分を加熱対象部分として、加熱対象部分から外れた断熱材の部分を金属製のカバーにより覆い、この状態でマイクロ波を照射して加熱対象部分を加熱することを特徴とする金属部材の固相接合方法。
2. 前記カバーは、銅またはアルミニウムで形成されることを特徴とする請求項１記載の金属部材の固相接合方法。

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