JPS61249689A

JPS61249689A - 複合部材の製造方法

Info

Publication number: JPS61249689A
Application number: JP60090967A
Authority: JP
Inventors: Koji Yanagii; 浩治楊井; Jun Miyata; 宮田　順; Shunzo Takasuka; 俊蔵高須賀
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1985-04-30
Filing date: 1985-04-30
Publication date: 1986-11-06
Also published as: DE3614475C2; DE3614475A1; US4695699A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、アルミニウム合金からなる母材と所望の目的
機能に対応したアルミニウム複合材からなる機能部材と
を一体化するための複合部材の製造方法に関する。

（従来技術）近時、機械的構造品、例えばレシプロエンジンにおける
シリンダヘッド等は、軽量化のためアルミニウム合金製
とされることが多くなっている。

このようなアルミニウム合金からなる機械的構造品にお
いては、部分的に、所望の目的機能を付与すること例え
ば耐摩耗性あるいは耐熱疲労性を向上させることが要求
されることが多い。

このため従来は、アルミニウム合金からなる母材の所定
表面に対して、その目的機能に対応した金属例えば＃摩
耗性向上のためにＭＯあるいは０．８Ｃ−Ｆｅコーティ
ングするようにしていた。

ところで、母材に対してこのような目的機能を付与する
ｆ段としては、ロウ付け、ホットプレス等も考えられる
が、この目的機能が付与される面積が大きかったり母材
の形状が複雑な場合は、ロウ付けすると接合部に気泡を
生じる等して接合強度の点で劣り、また複雑な形状の場
合はホットプレスが適用できないものとなっていた。

特に、近時は、機械的構造品として鋳造による複雑な形
状とされるものが多く、かつ目的機能を付与する面積も
広くなっていることからして、コーティングによる方法
が主流をなしている。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、従来のコーティングする方法では、母材
との密着性が悪くてコーティング層が剥離し易く、耐久
性の点において問題があり、特に目的機能として、摺動
面を構成する関係状耐摩耗性が要求される場合は、繰り
返しの摺動によるコーティング層の剥離が生じ易かった
。

したがって、本発明の目的は、アルミニウム合金からな
る母材の表面所望位置に対して、この母材が複雑な形状
をしていても、所望の目的機能を広い面積に渡って付与
することができると共に、この目的機能を長期に渡って
維持し得るようにした複合部材の製造方法を提供するこ
とを目的とする。

（問題点を解決するための手段）前述の目的を達成するため、本発明にあっては、基本的
には、母材の表面に要求される目的機能が付与される部
分を、この目的機能に対応したアルミニウム複合材から
なる機能部材で構成するようにして、この母材と機能部
材とに嵌合関係をもたせるようにしである。そして、こ
の嵌合間係にある母材と機能部材とを、その位置に応じ
てビーム溶接と拡散接合とを行って°、全体的に強固に
一体化するようにしである。具体的には、アルミニウム
合金からなり所望の目的機能が要求される表面に凹部を
有する母材の該凹部に対して、Ｌ記目的機能に対応した
アルミニウム複合材からなる機能部材を嵌合させる工程
と、前記母材と機能部材との嵌合による合せ部のうち外
表面に露出する全周囲を、非酸化雰囲気中でビーム溶接
する工程と、前記ビーム溶接された前記母材と機能部材とを、少くと
もその嵌合方向に加圧しつつ加熱して拡散接合する工程
と、を備えた構成としである。

（実施例）以下本発明の実施例を添付した図面を参照しつつ説明す
る。

第１図〜第４図に本発明による主要工程における断面図
を示してあり、先ずこの第１図〜第４図について、第５
図の工程（１１〜２０）と対比させつつ説明する。

第１図において、■は母材、２は機能部材であり、母材
ｌは、アルミニウム合金を鋳造することにより所定形状
に形成されている（工程１１）。

このような母材１は、その−面ｌａ側中央部分が例えば
耐摩耗性および耐熱疲労性が要求される部分、すなわち
目的機能が付与されるべき部分となっており、このため
、母材１の一面ｌａ側中央部分に凹部３が形成されてい
る。この凹部３は、上記鋳造後に機械加工されることに
より形成されて（工程１２）、全体的に均一な深さ例え
ば２ｍｍ前後の深さとされている。

一方、機能部材２は、上述した目的機能に対応した機能
を有するアルミニウム複合材、例えばアルシル合金、Ｓ
ｉＣを主成分とするセラミックの粉末あるいは繊維を含
有するもので板状に構成されている（工程１３）。この
機能部材２は、前記凹部３の形状および深さに対応して
形成、すなわちその外周形状が凹部３の周回り形状とほ
ぼ合同な形状となるように機械加工され、かつその厚さ
が四部３の深さと同一とされている（工程１４）。

前述のように形成された母材１と機能部材２とは、アル
カリ溶剤中に浸漬した状態で超音波が加えられることに
よりその表面が洗浄されて、酸化物、汚れが除去される
（工程１５）。

この後、第２図に示すように、母材ｌの凹部３に対して
、機能部材２が嵌合される（工程１６）。このとき、機
能部材２を軽く押圧することにより、凹部３に機能部材
２がきっちりと嵌合するような寸法関係となるように、
前工程１２．１４での加工が行われている。

」−記のような嵌合関係とされた母材ｌと機能部材２と
は、その合せ部のうち外部に露出する部分、すなわち機
能部材２の外周１部分に形成される母材１と機能部材２
との微少間隙のうち、母材ｌの一面ｌａ側に開口する部
分全周囲が、ビーム溶接により一体化される（工程１７
）。このビーム溶接は、非酸化雰囲気中、例えば真空状
態あるいは不活性ガス雰囲気下で、第３図に示すように
、例えば電子ビーム溶接あるいはレーザビーム溶接など
のビーム溶接機４によって、ビーム状とされた高密度エ
ネルギを溶接すべき箇所にのみ集中させることにより行
われる。このようにビーム溶接された溶接部を第３図中
符号５で示すが、この溶接部５によって、母材ｌと機能
部材２との嵌合部位間に形成される空間（微少隙間）が
、外気に対して完全に遮断（密封）された一種の封孔処
理がなされることになる。

上記ビーム溶接後は、母材ｌと機能部材２とを、少くと
もその嵌合方向（第１図〜第４図上下方向）の押圧力を
加えつつ加熱することにより、母材１と機能部材２とが
拡散接合され（工程１８）、この拡散接合部を第４図中
符号６で示しである。この拡散接合は、例えばＨＩＰ処
理により、すなわち、密閉容器内に、第３図に示すよう
にビーム溶接された母材ｌと機能部材２とを収納して、
この密閉容器内に加圧ガスを供給しつつ加熱することに
より行われる。このように、ＨＩＰ処理を行えば、機械
的外力により上記嵌合方向への押圧力を加えられない場
合にあっても適用でき、しかも機能部材２が全体的に均
一な圧力で母材１に対して加圧されるので、拡散接合を
良好に行う点で好ましいものとなる。なお、この拡散接
合は、主として凹部３の底面３ａ（第１図参照）に相当
する部分で行われる。ＨＩＰ処理条件としては、加熱温
度４５０〜５５０℃、加熱保持時間３０分〜３時間およ
び圧力２００〜１５００Ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲が好まし
い。加熱温度が４５０℃以下では拡散接合が不十分とな
り、一方５５０°Ｃ以上ではアルミニウム合金母材が軟
化変形する恐れがある。また、加熱保持時間は３０分以
下では拡散接合が不十分となり、一方３時間以上加熱す
ることは不経済である。さらに圧力は２００Ｋｇｆ／ｃ
ｍ２以下では拡散接合が不十分となり、一方１５００Ｋ
ｇｆ　７ｃｍ２にすることは不経済である。

この後は、アルミニウム合金製の機械的構造品に対して
一般に行われている硬化処理、すなわちＴ６処理を行っ
た後（工程１９）、機能部材２が露出する側の母材１の
一面ｌａ側を、所望の寸法に機械仕上げ加工すれば（工
程２０）、最終製品Ａが得られる。なお、上記仕上げ加
工の際、母材１に対しては通常の切削により容易に加工
し得、また機能部材２に対しては研削を行うようにすれ
ばよい。

以上のようにして得られた母材１と機能部材２との複合
材からなる最終製品Ａは、機能部材２の面が、耐摩耗層
として使用される。そして、温度変化すなわち熱的負荷
が変化される環境で使用される場合は、母材１を構成す
るアルミニウム合金と機能部材２を構成するアルミニウ
ム複合材との熱膨張係数の差が極力小さいものを選定す
るようにすればよく、この場合１機能部材２の熱膨張係
数を母材１の熱膨張係数よりも小さく設定した方が、凹
部２を狭めるような応力（機能部材２を周囲から圧縮す
るような応力）発生を防止する上で好ましいものとなる
。

ここで、本発明方法の具体例について、次に詳述する。

（１）母材１材質：ＡＣ４Ａ：熱膨張率２１〜２３Ｘ１０／”０形状：直径９０ｍｍの円板状で厚さ６ｍｍ。

（２）四部３直径７０ｍｍ、深さ２ｍｍで、母材１に対して同心状に
形成。

（３）機能部材２材質：アルジル合金（Ａ３９０）：熱膨張率１７〜１８Ｘ１０／”０（組成：Ｓｉ　　１６〜１８％、Ｃｕ４〜５％、Ｍｎ０
．１％、Ｍｇ０．４５〜０．６５％、ＺｎＯ，１％、Ｔｉ０９２％、残部Ｐｌ形状：直径７０　ｍ　ｍの円板状で厚さ２ｍｍであり、
凹部３に対してかるく押圧することにより嵌合され得る。

（４）工程１５（洗浄）弱アルカリ洗浄液中で、超音波を加えながら１０分洗浄
。

（５）工程１７（ビーム溶接）非酸化雰囲気：真空状態（５Ｘ　１０’　Ｔｏｒｒ）ビ
ーム溶接　：電子ビーム溶接で、加速電圧６０ＫＶ、ビ
ーム電流１６ｍＡ、溶接速度１．０ｍ／分（６）工程１８（拡散接合）ＨＩＰ処理により行う。

雰　　　囲　　気：Ａｒガス保温温度、　時間：５００℃×１時間保　　持　　圧　　カニ　　１００１００Ｏ／ｃｍ２処
理パターン：昇温先行型（７）工程１９（硬化処理）Ｔ６処理により行う。

溶体化　：５００℃×３時間（水焼入れ）焼もどし：１８０°ＯＸ６時間（空冷）以上のような条件により、工程１９（Ｔ６処理）後のも
のを調べたところ、母材ｌおよび機能部材３に対して「
ひび」や「割れ」は何等発生せず、良好な製品が得られ
た。このことは、機能部材３として、３０重量％Ｓ　ｉ
　−Ａ１合金複合材および１５容量％ＳｉＣ繊維−Ａ文
複合材（熱膨張率＝１４〜１５Ｘｌｏ／’Ｏ）を使用し
て行った場合にも同様であった。

（発明の効果）本発明は以上述べたことから明らかなように、アルミニ
ウム合金からなる母材の表面に所望の目的機能を広い面
積で付与することができ、かつコーティングに比して接
合強度の高いものが得られる。

また、母材と機能部材とは互いに嵌合関係にあるので、
単に母材の表面にコーティングしたものとは異なり、大
きな外力特に摺動的に生じる機能部材の表面に沿う方向
への大き、な外力に抗することができる。

さらに、ビーム溶接によって母材と機能部材との合せ部
を溶接すなわち溶融接合するので、この合せ部以外の部
分への熱的悪影響を防止しつつこの母材と機能部材とを
強固に溶接することができる。また、このビーム溶接は
非酸化雰囲気で行うので、ビーム溶接された部分の接合
強度も十分に高めることができる。

ざらに又、上記ビーム溶接によって、母材と機能部材と
の合せ部はその全周囲に渡って溶接すなわち母材と機能
部材との嵌合部位間に形成される空間が外気と遮断され
ているので、拡散接合を良好に行える。また、この拡散
接合を、最も望ましいＨＩＰ処理する場合にあっても、
このＨＩＰ処理の際の保持圧力が母材と機能部材との間
に侵入して該両者を遊離させるような事態を防止して、
上記事項と合せてより良好な拡散接合を行える。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の主要工程を示す断面図。第５図は本発明方法の一実施例における工程順を示すブ
ロック図。１：母材ｌａ＋−面２：機能部材３：凹部３ａ：底面４：ビーム溶接機５：ビーム溶接部６：拡散接合部第１図／−″ ａ第、２　図第４図第５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）アルミニウム合金からなり所望の目的機能が要求
される表面に凹部を有する母材の該凹部に対して、上記
目的機能に対応したアルミニウム複合材からなる機能部
材を嵌合させる工程と、前記母材と機能部材との嵌合による合せ部のうち外表面
に露出する全周囲を、非酸化雰囲気中でビーム溶接する
工程と、前記ビーム溶接された前記母材と機能部材とを、少くと
もその嵌合方向に加圧しつつ加熱して拡散接合する工程
と、を備えていることを特徴とする複合部材の製造方法。