JP4409425B2 - クラッドコンポーネントの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属部品の形成に関する。

背景
自動車重量の減量と燃費改善への要望から、自動車産業ではここ数年、自動車へのアルミニウムの使用が劇的に増加した。さらに重量を減らすために、より多くの鉄とスチールコンポーネントをアルミニウムに替える必要がある。アルミニウムとその合金は多くの魅力的な特性を有する。しかし、耐摩耗性が不十分であったり、動作温度が低いことで、その幅広い利用可能性は限定される。上述した問題を解決するために、セラミック補強アルミニウム金属マトリックス複合材料（ＭＭＣ: Metal Matrix Composites）、又は、いわゆるセラミック金属複合材料（ＣＭＣ: Ceramic Metal Composites）でできた軽量コンポーネントの様々な製造方法が開示されている。これらの方法では、セラミック粒子を混合した溶融アルミニウムを鋳型に注入してコンポーネントを製造するか、又は溶融アルミニウムを多孔性セラミックのプリフォームにしみ込ませてコンポーネントを製造する。アルミニウムＭＭＣは、耐摩耗性を改善するものの、別の問題が生じる。アルミニウムＭＭＣは、砕けやすく、アルミニウムマトリックス中、10〜15体積％のセラミック粒子について、延性が約90％減少する。その結果、モノリシックなアルミニウムＭＭＣコンポーネントは、突然崩壊する傾向にある。これは、ＭＭＣコンポーネントをブレーキロータやドラムなどの安全性が問題となる部品に使用すると、重大な信頼性の問題を引き起こすことになる。さらに、アルミニウムＭＭＣを機械的に加工して最終的な加工製品にすることは困難である。アルミニウムＭＭＣ中の炭化珪素（SiC）、又は、アルミナは、切削工具をとても早く摩耗させる。また、アルミニウムＭＭＣブレーキロータは、摩擦熱に十分に耐えられず、ロータ摩擦表面に凝着摩耗と摩損が生じる。最後に、アルミニウムＭＭＣ原料は高価でもある。

米国特許第5,183,632号は、熱及び圧力によってアルミニウムロータボディに接合されているアルミニウム粉末及びセラミック粉末でできた、アルミニウムコンポジット摩耗表面を有するアルミニウムディスクロータを製造する方法を開示している。

米国特許第5,224,572号は、摩耗表面に薄いセラミック被覆を施した軽量化ブレーキロータを開示している。

米国特許第5,884,388号は、摩擦表面上にアルミニウムとステンレススチール混合物を熱アーク溶射することにより耐摩擦アルミニウム部品を製造する方法を開示している。

米国特許出願公開第2001／0045332A1号は、ろう付けによって摩擦表面上にステンレススチールを接合したチタニウムブレーキディスク、又はアルミニウムブレーキディスクを開示している。

日本国特開平9−42339は、爆発クラッド法により摩擦面上に合金鋼を接合したアルミニウムディスクブレーキを開示している。

発明の開示
本発明は、クラッドコンポーネントを製造する方法であり、多数の金属ビーズを強固に結合した第1の金属を具える部分を有するクラッディングワークピースが、モールドに挿入される。溶融した第2の金属をモールドに流し込み、第2の金属がビーズの周りに流れてビーズを被覆し、次いで冷却される。このプロセスは、第1の金属でクラッディングされ、ビーズに機械的に固着された第2の金属でできた製品を形成する。典型的には、第1の金属は、スチールなどの融点が高く強固な金属であり、第2の金属は、アルミニウムなどの融点が低く脆弱だが軽量な金属である。

上述した又その他の、本発明の欠点及び特徴と利点は、添付した図面を参照して次の好適な実施例の詳細な説明を考慮すると、より容易に理解される。

好適な実施例
前クラッディングワークピース１は、厚さ0.5〜20ｍｍで、好適には厚さ1〜5ｍｍであり、スチールなどの強固で高融点の金属からなり、金属シートから打ち抜き、切除、曲げ、及び／又は、圧伸成形で製造する。代替として、前クラッディングワークピース１は、金属鋳造、粉末冶金、押し出し、鍛造、溶接、機械加工、又はその他の手段により製造してもよい。その他の代替の実施例において、ワークピース１は、異なる金属、又は金属マトリックス及びセラミック粒子、又は、グラファイト粒子、もしくはその両方、ホイスカー、又は、強化繊維などの「表面材料」に接合した金属からなるラミネート金属シートから製造される。

接着剤、好ましくは、ロジン、ゴム、糊、デキストリン、アクリル樹脂、セルロース、フェノール樹脂、又は、ポリウレタン樹脂などの有機接着剤を、前クラッディングワークピース１の一部に、均一に又は所定のパターンで塗る（図１）。代替の実施例として、接着剤に添加物を混合するようにしてもよい。これらの添加物は、接着剤と添加物の比が1：10まで、好適には50：1から10：1、又は、1：1から1：6であり、粒子サイズが0.1〜500μｍ、好適には25〜147μｍの金属、及び／又は、カーボン粒子からなるものであってもよい。

金属ビーズ２（図１）は、規則的、又は、不規則的な形でもよく、クラッディングワークピース１の接着剤を塗布した面５に接合する。規則的、又は、不規則的な形は、球状、円筒状、多面角状、長円体状、T字型、I字型、L字型、V字型、スクリュ、コーン、針状、及び、その他の機械的な結合を生じさせうる形を含む。直径0.5〜20ｍｍの同サイズの金属球が、好ましい結果を生むことが判明している。これらの金属ビーズ２は、ランダム配置、又は、所定の配置パターンにより、接着剤として作用する面５に接合する。代替として、接着剤は、クラッディングワークピース１にというよりはむしろ、あるいは、これに加えて、ビーズ２に塗ることもできる。ビーズ間の距離は、好適にはビーズ直径の1.5〜10倍である。代替の実施例として、金属ビーズ２を接着剤として作用する表面５全体に一層として付着させてもよい。その他の代替実施例として、接着剤として作用する面５に一以上の層の金属ビーズを付着させ、層間に接着剤を塗ってビーズの層同士を接合する。

ここで、接着剤、及び、ビーズ２を含むワークピース１を炉に入れる。高温で、接着剤、ビーズ２の一部、及び、クラッディングワークピースの表面材料５が、過渡的な金属液を形成する。この過渡的な金属液は、ビーズ２上にネック３（図１）を形成する。この金属ネックの原子の近接領域への原子拡散により、金属ネックは高温で固体になる。この金属ネック３の断面の径は、ビーズの径より小さく、好適にはビーズ径の1/3〜2/3である。冷却後、ビーズ２は、金属ネック３を介して前クラッディングワークピース１上に溶接される。代替の実施例として、接着剤自体が金属液を形成し、高温で金属ネックをつくる。冷却後、金属ネックは固体になる。代替の実施例として、一以上の層における接着剤として作用する面５に固着した金属ビーズ２が、前クラッディングワークピース１上で多孔性金属層を形成する。このビーズは、炉で加熱している間に過渡的な金属液によって互いに保持される。冷却後、この多孔性金属層は、固体化した過渡的な金属液によって薄い製品１上に強固に接合される。この多孔性金属層の孔は、内部で連結されている。

代替として、より大きなオリジナルの前クラッディングワークピースを用いて上述の方法を続いて行うことにより幾つかのワークピースを同時に準備して、ビーズを強固に接合した後にこのワークピースを小片にカットするようにしてもよい。少なくともいくつかの小片が、プロセスの最終段階におけるクラッディングワークピースとして用いられる。

加熱工程の間、炉の気圧制御を行うことによって、加熱している間に、クラッディングワークピース１上に炭素を化合させたり、窒化を行うようにしてもよい。アニーリング、焼きならし、急冷、及び、焼もどしなどのその他の熱処理も、炉で加熱している間に実行可能である。

クラッディングワークピースは、曲げ、打ち抜き、圧伸成形、又は溶接により、更なる成形が可能である。金属ビーズ２は、プレスにより変形して、機械的固着により適した形に成形することができる。クラッディングワークピースは、化学蒸着、物理蒸着、熱スプレーコーティング、めっき、スプレー、ブラッシング、又は浸漬により、部分的、又は全体的に材料で被覆、又は、めっきすることが可能である。さらに、クラッディングワークピースを、フレームによる硬化、レーザーによる表面硬化、又は電子ビームによる表面硬化により処理することが可能である。

続いて、クラッディングワークピースは、砂、又は、金属の鋳型に挿入される。第2の金属４（図１）が溶融され、この鋳型で鋳造され、クラッディングワークピース１を伴うコンポーネントが成形される。金属鋳造産業で共通に用いられる、グリーンサンドキャスティング、ダイキャスティング、スクイズキャスティング、中子とインサート、インベストメントキャスティング、ロストフォームキャスティング、及び、その他のキャスティングなどのあらゆる金属鋳造方法は、本発明において実施することが可能である。冶金的な接合も存在するが、ビーズ２の表面及びネック３、及び、クラッディングワークピース表面５を含む第1の金属表面は、主として第2の金属がビーズ３のネックを捕らえる、あるいは、多孔層の孔を貫通するといった、機械的結合によって、第2の金属ボディ４に接合する。結果物であるコンポーネントは、必要があれば機械加工を行って、所望のディメンション精度をもち、作用面の特性が強化された最終製品を形成する。

性能を高めるために、サンドブラスティング、ドリル、スロット、又は、その他の手段による機械加工で臨界面を粗にする。さらに表面特性を強化するために、臨界面を、化学蒸着、物理蒸着、レーザーによる表面硬化、又は、電子ビームによる表面硬化により、硬化することができる。

図２は、スチールキャップアルミニウムピストンの構造を表している。

動力計試験（dynamometer test）の結果は、上述の方法により製造されたスチール表面付のアルミニウムブレーキロータは、約2倍の重量の鋳造鉄ロータと比較して同等の制動力があることを示している。このスチール表面付のアルミニウムブレーキロータは、鋳造鉄ロータと同等の容量を有し、同一の条件下で試験を行った。破壊フェード試験の間、このスチール表面付アルミニウムブレーキロータは、ロータの表面温度が華氏1400度以上になるまで作動した。

この方法により製造された部品は、軽量化を所望するが、耐摩耗性、遮熱、より高い動作温度、及び、所望の摩擦係数など、強化された表面特性が必要なさまざまなアプリケーションに用いられる。これらのアプリケーションには、スチール表面付アルミニウムブレーキロータ、ドラム、ピストン、ギア、軍用タンクトラック、及びクラッチコンポーネントが含まれる。これらのアプリケーションは、鉄表面マグネシウム部品、スチール表面チタニウム部品、及び、その他の複合材料システムも含む。

工業上の利用可能性
本発明は、耐磨耗性が同程度である割には軽量化された金属部品の加工に適用される。特定のアプリケーションが自動車産業に見られる。

本明細書で用いた用語と表現は、説明のための用語であり、発明を限定するものではない。このような用語と表現を使用するにあたって、ここに示されている特徴、又は、その部分を排除することを意図するものではなく、本発明の範囲は請求項によってのみ定義され、限定されるものである。

図１は、本発明が開示している機械的な結合メカニズムを示す。 図２は、スチール仕上げをしたアルミニウムピストンの結合構造を示す。

Claims (20)

1. クラッドコンポーネントを製造する方法において、
   （ａ）第１の金属からなる部分を有するワークピースであって、前記部分が外面領域を有し、前記外面領域の少なくとも一部にそれぞれの直径が０．５ｍｍ〜２０ｍｍの多数の金属ビーズが強固に接合されたワークピースを、
   （ｉ）第１の金属でできた前ワークピースであって、外面領域を有する前ワークピースを提供する工程と；
   （ｉｉ）接着剤を提供する工程と；
   （ｉｉｉ）前記多数の金属ビーズを提供する工程と；
   （ｉｖ）少なくとも前記前ワークピース外面領域の一部を覆うように前記多数の金属ビーズを前記接着剤を用いて接着させる工程と；
   （ｖ）前記前ワークピースを加熱して、前記前ワークピースを冷却させる工程であって、前記加熱と冷却が、前記金属ビーズと前記前ワークピース外面領域の一部との間に強固な接合を形成するのに十分であり、これにより仕上げた前ワークピースを形成する工程と、
   を具える工程で製造することによって提供する工程と；
   （ｂ）前記ワークピースをモールド内に挿入する工程と；
   （ｃ）溶融した第２の金属を提供する工程と；
   （ｄ）前記溶融した第２の金属を前記モールドに注いで、前記ビーズの周りを流れて、ビーズを被覆するように前記モールドに流し込んで、前記溶融した第２の金属を冷却して、前記第１の金属でクラッディングされ、前記ビーズに機械的に固着されている、前記第２の金属でできた製品を形成する工程と；
   を具えることを特徴とするクラッドコンポーネントを製造する方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記仕上げた前ワークピースが前記ワークピースとして使用されることを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法において、前記仕上げた前ワークピースを部分にカットして、前記部分のひとつを前記ワークピースとして使用することを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法において、前記接着剤が金属粒子を含むことを特徴とする方法。
5. 請求項１に記載の方法において、前記接着剤が炭素粒子を含むことを特徴とする方法。
6. 請求項１に記載の方法において、前記金属ビーズがスフェロイド状であることを特徴とする方法。
7. 請求項１に記載の方法において、前記ワークピースを加熱する前記工程が、前記ビーズと前記外面領域の前記部分間にネックを形成することを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法において、前記ネックの断面径が前記ビーズの径より小さいことを特徴とする方法。
9. 請求項１に記載の方法において、前記ワークピースを加熱する工程が、前記ワークピースに炭素を混入する工程を含むことを特徴とする方法。
10. 請求項１に記載の方法において、前記前記ワークピースを加熱する工程が、前記ワークピースを窒化する工程を含むことを特徴とする方法。
11. 請求項１に記載の方法において、前記ワークピースを加熱する工程が、前記ワークピースをアニーリングする工程を含むことを特徴とする方法。
12. 請求項１に記載の方法において、前記ワークピースを加熱する工程が、焼きならし工程を含むことを特徴とする方法。
13. 請求項１に記載の方法において、前記モールドがサンドモールドであることを特徴とする方法。
14. 請求項１に記載の方法において、前記モールドが金属モールドであることを特徴とする方法。
15. 請求項１に記載の方法において、前記仕上げた前ワークピースを機械加工する工程を更に具えることを特徴とする方法。
16. 請求項１に記載の方法において、前記仕上げた前ワークピースを、曲げ、打ち抜き、圧伸成形、又は溶接により造形する工程を更に具えることを特徴とする方法。
17. 請求項１に記載の方法において、前記仕上げた前ワークピースの前記金属ビーズをプレスすることによって前記金属ビーズを変形する工程を更に具えることを特徴とする方法。
18. 請求項１に記載の方法において、前記仕上げた前ワークピースをコーティングする工程を更に具えることを特徴とする方法。
19. 請求項１５の記載の方法において、機械加工後に、前記仕上げた前ワークピースをコーティングする工程を更に具えることを特徴とする方法。
20. 請求項１に記載の方法において、前記クラッドコンポーネントをサンドブラスティング、ドリル、スロット、又は、その他の手段により機械加工して、前記クラッドコンポーネントの表面を粗くする工程を更に具えることを特徴とする方法。

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