JP2023086541A - 被接合部材とその製造方法及び被接合部材を用いた複合部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】種金属材料同士を強固に接合することができる新たな被接合部材を提供する。【解決手段】被接合部材は、金属部材に接合される。この被接合部材は、主成分である第１金属と、副成分である第２金属を含む合金である。そして、第２金属は、第１金属と合金を形成したときに共晶点温度が低下する金属である。また、第２金属は、被接合部材の上記金属部材との接合面に他の部分と比較して多く存在している。【選択図】図１

Description

本明細書に開示する技術は、被接合部材と、被接合部材の製造方法と、被接合部材を用いた複合部材の製造方法に関する。

異種金属材料同士を接合する技術として、溶接、鋳ぐるみ等の技術が知られている。特許文献１に、被接合部材の表面をめっき処理し、被接合部材を金型のキャビティ内に配置し、接合部材を形成するための原料を溶湯状態でキャビティ内に導入し、接合部材と被接合部材を接続する技術が開示されている。特許文献１では、接合部材を形成するための原料（溶湯）によってめっきを溶融し、めっきをろう材として機能させている。

特開２０１８－１３０７５３号公報

特許文献１のようにめっきをろう材として機能させて接合部材と被接合部材を接合する場合、接合部材と被接合部材の接合強度は、めっきの材料強度に依存する。そのため、接合部材と被接合部材の接合強度の向上効果は限定的である。また、接合部材及び／又は被接合部材の材質に対して使用可能なめっきの材質が限定されるので汎用的でない。さらに、めっき工程が追加されることにより製造コストも増加する。そのため、異種金属材料同士を強固に接合する新たな技術が必要とされている。本明細書は、異種金属材料同士を強固に接合することができる新たな被接合部材を提供することを目的とする。

本明細書に開示する被接合部材は、金属部材に接合される。この被接合部材は、主成分である第１金属と、副成分である第２金属を含む合金である。そして、第２金属は、第１金属と合金を形成したときに共晶点温度が低下する金属である。また、第２金属は、被接合部材の上記金属部材との接合面に他の部分と比較して多く存在している。

なお、「第２金属が接合面に他の部分と比較して多く存在している」とは、第２金属が実質的に接合面のみに存在し、他の部分（例えば被接合部材の中心部分）にはほとんど存在しない形態、あるいは、接合面における第２金属の存在割合が、他の部分と比較して大きい形態を含む。すなわち、接合面における第２金属の偏析の度合いが他の部分より大きく、第２金属が接合面に偏在していることを意味する。また、「主成分」とは、被接合部材を構成する金属のうち最も質量割合が大きいことを意味する。「副成分」とは、主成分以外であることを意味する。

上記被接合部材では、接合面が他の部分と比較して溶融しやすい。そのため、被接合部材に接合部材の原料を供給したときに、接合面において溶融層を形成することができる。すなわち、接合部材と被接合部材の界面に、両者の原料金属の合金層を形成することができる。上記被接合部材を用いることにより、接合部材と被接合部材の接合強度を向上させることができる。

第２金属が、被接合部材の中心から端部に向かうに従って多く存在していてもよい。第２金属が実質的に接合面のみに存在する形態と比較して、被接合部材を容易に製造することができる。

本明細書では、金属部材に接合される被接合部材の製造方法も開示する。その製造方法では、主成分である第１金属と、第１金属と合金を形成したときに共晶点温度が低下する第２金属を溶融させた後に凝固させる。第１金属と第２金属を溶融、凝固させることにより、共晶反応により、得られた合金の融点が第１金属の融点より低くなる。これにより、上述した接合部材との接合強度が向上した被接合部材を得ることができる。

第１金属と第２金属を溶融させた後、溶湯を攪拌しながら徐冷して半凝固スラリーを形成し、その半凝固スラリーを固化してもよい。液相部に第２金属が濃く存在する合金を得ることができる。そのため、単に第１金属と第２金属を溶融、凝固する製造方法と比較して、被接合部材の融点をさらに低下させることができる。なお、半凝固スラリーは、加圧して固化させてもよい。加圧により、被接合部材の中心から端部に向かうに従って液相部が多く存在する（すなわち、第２金属が多く存在する）被接合部材を得ることができる。

本明細書では、金属製の接合部材に被接合部材が接合されている複合部材の製造方法も開示する。その製造方法では、金型のキャビティ内に上述した被接合部材を配置し、接合部材を形成するための原料を、被接合部材の接合面において被接合部材表面の固溶線温度より高い温度でキャビティ内に導入し、キャビティ内の原料を加圧して固化する。接合部材を形成するための原料を被接合部材表面の固溶線温度より高い温度でキャビティ内に導入することにより、被接合部材表面が溶融し、被接合部材表面（接合面）に溶融層が形成される。上述したように、接合面に溶融層が形成されることにより、接合部材と被接合部材の接合強度を向上させることができる。

キャビティ内に導入する原料は、半凝固スラリーであってもよい。すなわち、複合部材を形成するための原料を溶融し、溶湯を攪拌しながら徐冷して半凝固スラリー原料を形成し、その半凝固スラリー原料を、上記した温度でキャビティ内に導入してもよい。接合面にさらに溶融層が形成されやすくなり、接合部材と被接合部材の接合強度をさらに向上させることができる。

被接合部材のＳＥＭ写真を示す。 実験例の結果を示す。

本明細書で開示する被接合部材は、２元系以上の合金である。すなわち、少なくとも、主成分である第１金属と、副成分である第２金属を含んでいる。この場合、第２金属は、共晶温度が低下する元素を選択する。例えば、第１金属がアルミニウムの場合、第２金属として、マグネシウム、銅、亜鉛、ケイ素等が挙げられる。第１金属と第２金属の組合せは、既知の金属の状態図を参照して選択することができる。また、第１金属をマグネシウムとし、第２金属をアルミニウムとすることもできる。第１金属と第２金属の組成割合は、共晶点の組成に近い合金組成にすることが好ましい。これにより、被接合部材の液相線温度をより低下させることができる。なお、被接合部材が３元系合金の場合、第３金属は、第２金属と同様、共晶温度が低下する元素を選択する。

図１は、被接合部材のＳＥＭ写真を示している。図１の被接合部材は、Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ系合金（３元系合金）を示している。図１に示すように、被接合部材は、初晶２と液相４を含んでいる。第１金属、第２金属及び第３金属として上記した特徴を備える金属を選択すると、液相４には副成分（Ｓｉ，Ｃｕ）が濃く存在する。接合部材は、初晶２と液相４の割合が全体的に等しくてもよく、中心から端部に向かうに従って初晶２に対する液相４の割合が大きくなってもよい。いずれの場合も、液相が存在しない合金と比較して、接合部材との接合強度を大きくすることができる。好ましくは、接合部材は、中心から端部に向かうに従って初晶２に対する液相４の割合が大きくなることである。

初晶２と液相４の割合が全体的に等しい被接合部材は、例えば、半凝固工法を用いて製造することができる。半凝固工法では、合金の溶湯を攪拌しながら除々に冷却し、固化させる。これにより、初晶２と液相４の割合が全体的に等しい合金（被接合部材）を製造することができる。なお、初晶２と液相４の割合が全体的に等しい被接合部材は、鋳造工法と同様の方法でも製造することができる。この場合、合金の溶湯を金型のキャビティ内に導入し、溶湯を金型内部で除々に冷却し、初晶を生成させて半凝固状態とする。その後、溶湯を急冷することにより、初晶２と液相４の割合が全体的に等しい被接合部材を製造することができる。

初晶２に対する液相４の割合が中心から端部に向かうに従って大きくなる被接合部材は、上述した半凝固工法に、加圧成型を加えることにより製造することができる。半凝固金属に荷重を加えると、流動性が高い液相が初晶よりも優先的に流動し、被接合部材の外側部分に移動する。液相が被接合部材の外側部分に移動した状態で半凝固金属を固化させると、初晶２に対する液相４の割合が中心から端部に向かうに従って大きくなる被接合部材を製造することができる。なお、初晶２に対する液相４の割合が中心から端部に向かうに従って大きくなる被接合部材は、他の方法によって製造することもできる。例えば、比重が大きく、融点の低い合金粒子が含まれる溶融金属を用意し、その溶融金属を金型のキャビティ内に導入し、遠心鋳造を行う。これにより、比重の大きい合金粒子が被接合部材の外側部分に分散され、初晶２に対する液相４の割合が中心から端部に向かうに従って大きくなる被接合部材を製造することができる。

また、被接合部材の原料金属を用意し、表面側（接合界面部分）に融点の低い合金粉末層を凝固させることによっても、初晶２に対する液相４の割合が中心から端部に向かうに従って大きくなる被接合部材を製造することができる。あるいは、被接合部材の原料金属で形成された丸棒を、一端から加熱して溶融させる。溶融帯を他端に向けて低速で移動させていくことにより、固溶線温度の高い金属（第１金属）から固化を開始する。その結果、副成分（第２，第３金属等）は、溶融帯の移動と同時に端部に向けて凝縮されながら移動する。これにより、初晶２に対する液相４の割合が中心から端部に向かうに従って大きくなる被接合部材を製造することができる。

被接合部材が接合部材に接合されている複合部材は、接合部材の原料を、被接合部材の接合界面における固溶線温度より高い状態で被接合部材に供給することにより製造することができる。具体的には、被接合部材を金型のキャビティ内に配置し、金型のキャビティ内に、被接合部材の接合界面における固溶線温度より高い温度の原料（接合部材の原料）を導入することにより、複合部材を形成することができる。また、接合部材の原料をキャビティ内導入した状態で加圧すると、初晶２に対する液相４の割合が中心から端部に向かうに従って大きくなる被接合部材を製造することができる。なお、複合部材は、ダイカスト工法、重力鋳造、溶湯鍛造等の方法によっても製造することができる。

（実験例）
Ａｌ-Ｓｉ－Ｃｕ系合金の被接合部材と、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金の接合部材が接合された複合部材を作成し、両者の接合強度を測定した。なお、被接合部材は、表面（接合面）に液相が確認されない試料（試料１）と、初晶と液相の割合が全体的に等しい試料（試料２）と、初晶に対する液相の割合が中心から端部に向かうに従って大きくなる試料（試料３）を用意した。試料１は、被接合部材の原料を押出成形して作製した。試料２は、被接合部材の原料を用いて半凝固スラリーを作製し、半凝固スラリーを固化させて作製した。試料２は、被接合部材の原料を用いて半凝固スラリーを作製し、半凝固スラリーを加圧成型して作製した。なお、接合強度は、引張試験を行い、試料１の強度を１００とし、試料１に対する試料２及び３の強度比を算出した。結果を図２に示す。

また、各試料の表面（接合面）について、初晶に対する液相の比率を測定した。液相比率の測定は、試料１の液相線温度（５９４℃）に対して、温度が下がる領域のＳｉ濃度範囲（１０．２ｗｔ％以上１４．４ｗｔ％以下）をＥＤＳマッピング画像からカウントして測定した。結果を図２に示す。

図２に示すように、液相の比率が大きくなるに従って、接合強度（接合強度比）が向上している。この結果は、被接合部材の接合面に液相が多く存在する程、接合部の融点が低下し、接合面の界面に溶融層が多く生じていることを示している。

以上、本明細書に開示の技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

２：初晶
４：液相

Claims (7)

1. 金属部材に接合される被接合部材であって、
   被接合部材は、主成分である第１金属と、副成分である第２金属を含む合金であり、
   第２金属は、第１金属と合金を形成したときに共晶点温度が低下する金属であり、被接合部材の前記金属部材との接合面に他の部分と比較して多く存在している、被接合部材。
2. 第２金属が、被接合部材の中心から端部に向かうに従って多く存在している、請求項１に記載の被接合部材。
3. 金属部材に接合される被接合部材の製造方法であって、
   主成分である第１金属と、第１金属と合金を形成したときに共晶点温度が低下する第２金属と、を溶融させた後に凝固させる、製造方法。
4. 第１金属と第２金属を溶融させた後、溶湯を攪拌しながら徐冷して半凝固スラリーを形成し、
   前記半凝固スラリーを固化する、請求項３に記載の製造方法。
5. 前記半凝固スラリーを加圧して固化する、請求項４に記載の製造方法。
6. 金属製の接合部材に、請求項１又は２に記載の被接合部材が接合されている複合部材の製造方法であって、
   金型のキャビティ内に被接合部材を配置し、
   接合部材を形成するための原料を、被接合部材の接合面において被接合部材表面の固溶線温度より高い温度でキャビティ内に導入し、
   キャビティ内の前記原料を加圧して固化する、製造方法。
7. 複合部材を形成するための原料を溶融し、溶湯を攪拌しながら徐冷して半凝固スラリー原料を形成し、
   半凝固スラリー原料を、前記温度でキャビティ内に導入する、請求項６に記載の製造方法。
   

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