(57)【要約】  金属の成形方法は、第２の金属からなる加熱された被成形部材（２）を変形させて、第１の金属からなる加熱された被接合部材（３）に接触させ、被接合部材（３）の温度を、被接合部材（３）内部の液相率が５％以上３５％以下となる温度とする。
2013080833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２の金属からなる加熱された被成形部材を変形させて、第１の金属からなる加熱された被接合部材に接触させ、
前記被接合部材の温度を、前記被接合部材内部の液相率が５％以上３５％以下となる温度とする、
ことを特徴とする金属の成形方法。
【請求項２】
加熱された金型の底面上に、前記被接合部材を少なくとも１つ設置する第一工程と、
前記被成形部材を、前記金型を跨ぐように橋架する第二工程と、
前記被成形部材に気体を吹き付けて、前記被成形部材の形状を、前記金型の形状に倣うように変形させ、前記被成形部材の下面の一部と前記被接合部材の上面とを接合する第三工程と、
を含み、
前記第三工程において、前記被接合部材の温度を、前記被接合部材内部の液相率が５％以上３５％以下となる温度とする、
ことを特徴とする請求項１に記載の金属の成形方法。
【請求項３】
前記被成形部材と前記被接合部材との接触面に塩化物系フラックスを塗布し、
前記第三工程における雰囲気が、大気雰囲気である、
ことを特徴とする請求項２に記載の金属の成形方法。
【請求項４】
前記被成形部材と前記被接合部材との接触面にフッ化物系フラックスを塗布し、
前記第三工程における雰囲気が、真空または非酸化性雰囲気である、
ことを特徴とする請求項２に記載の金属の成形方法。
【請求項５】
前記被接合部材に用いられるアルミニウム合金のＭｇ含有率が０．２質量％以上５．０質量％以下であり、
前記第三工程における雰囲気が、真空または非酸化性雰囲気である、
ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の金属の成形方法。
【請求項６】
前記第一工程において、前記被接合部材を前記金型の隅部近傍に設置する、
ことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の金属の成形方法。
【請求項７】
前記第一工程の前に、前記金型と前記被接合部材との接触面に離型剤を塗布する、
ことを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の金属の成形方法。
【請求項８】
前記第１の金属および／または前記第２の金属がアルミニウム合金である、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の金属の成形方法。
【請求項９】
前記被接合部材に用いられるアルミニウム合金のＳｉ含有率が、０．６質量％以上３．５質量％以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の金属の成形方法。
【請求項１０】
前記被接合部材に用いられるアルミニウム合金のＣｕ含有率が、０．７質量％以上１５．０質量％以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の金属の成形方法。
【請求項１１】
前記被成形部材と前記被接合部材とが接触してから、被接合部材の液相率が５％以上３５％以下である時間が、３０秒間以上３６００秒間以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の金属の成形方法。
【請求項１２】
前記被接合部材の固相線温度と、前記被接合部材の液相線温度との温度差が１０℃以上２００℃以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の金属の成形方法。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の金属の成形方法によって成形された、
ことを特徴とする金属の成形品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属からなる被成形部材と、金属からなる被接合部材とを、熱間成形によって成形する金属の成形方法およびその成形品に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属成形品の多くは、各部位を成形した後に後工程において溶接等で接合することで製造されるが、工程数の削減、もしくは上記手法では製造出来ない形状の複合成形品を得るために、熱間成形及びその時の熱を利用して拡散接合を同時に行う方法がいくつか提案されている。【０００３】
例えば、特許文献１では、金属部材およびインサート材が半溶融状態となるような温度においてこれらを鍛造型内に挿入し、鍛造と同時に接合をなし中間製品を得た後、もう一方の金属部材と中間製品のインサート材が、前工程と同様に半溶融状態となるような温度にて鍛造、接合を行うことで最終製品を得る方法が提案されている。【０００４】
また、特許文献２ではブロー成形およびその際の加熱を利用して拡散接合を行う方法が提案されている。ブロー成形はアルミニウムの熱間加工法の一つであり、主に薄板加工で用いられる。結晶粒の微細ないくつかの金属は高温域で変形させると超塑性変形が起こり、１００％以上の大きな伸びを示すことが知られている。ブロー成形はこの現象を利用した成形方法であり、高温に加熱された金型で金属板材を挟持し、材料を加熱した後、窒素ガスなどの高圧ガスにより金属板材を金型形状に成形する方法である。ブロー成形は、金属板材として、良好な超塑性変形能を示す材料を用いることにより、冷間プレス成形では成形が大変困難な複雑形状を有する部品を一体で成形できるという利点がある。特許文献２では複数枚の板を積層させて、接合したい箇所をブロー成形金型で加熱および加圧して拡散接合させると同時に、内部にガス圧をかけてブロー成形を行うことで、中空部品を成形している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１２１２３４号公報
【特許文献２】特表２００１−５００７９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の成形方法では、接合する二つの部材をともに半溶融状態とし、十分に加圧して大きな変形をさせる必要がある。そのため、部材の厚さが薄いときや、引張変形が生じるときは、部材の破損が起こるという課題があった。また二つの金属部材を接合するためにインサート材が必要となり、製造コスト増となっていた。また、特許文献２に記載の、ブロー成形および固相拡散接合を利用した複合成形方法、いわゆるＳＰＦ−ＤＢにおいては、接触面において隙間が発生しやすいことが課題となっていた。そのため接触面の隙間を少なくし、良好な接合品を得るためには、非常に大きな加圧が必要であり、拡散接合が可能な箇所は金型で挟み込み、加圧された箇所に限定されていた。加えて、固相拡散接合は接合に長時間を要し、通常、約３０分以上の加圧保持時間が必要となる。例えば、アルミニウム合金材の場合には、その表面に安定で強固な酸化皮膜が存在し、これによって拡散が阻害されるために固相拡散接合の適用が難しく、信頼性のある接合部材を短時間で製造することは困難であった。【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、信頼性の高い接合部を短時間で成形する金属の成形方法およびその成形品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の第一の観点に係る金属の成形方法は、
第２の金属からなる加熱された被成形部材を変形させて、第１の金属からなる加熱された被接合部材に接触させ、
前記被接合部材の温度を、前記被接合部材内部の液相率が５％以上３５％以下となる温度とする、
ことを特徴とする。【０００９】
加熱された金型の底面上に、前記被接合部材を少なくとも１つ設置する第一工程と、
前記被成形部材を、前記金型を跨ぐように橋架する第二工程と、
前記被成形部材に気体を吹き付けて、前記被成形部材の形状を、前記金型の形状に倣うように変形させ、前記被成形部材の下面の一部と前記被接合部材の上面とを接合する第三工程と、
を含み、
前記第三工程において、前記被接合部材の温度を、前記被接合部材内部の液相率が５％以上３５％以下となる温度としてもよい。【００１０】
前記被成形部材と前記被接合部材との接触面に塩化物系フラックスを塗布し、
前記第三工程における雰囲気が、大気雰囲気であってもよい。【００１１】
前記被成形部材と前記被接合部材との接触面にフッ化物系フラックスを塗布し、
前記第三工程における雰囲気が、真空または非酸化性雰囲気であってもよい。【００１２】
前記被接合部材に用いられるアルミニウム合金のＭｇ含有率が０．２質量％以上５．０質量％以下であり、
前記第三工程における雰囲気が、真空または非酸化性雰囲気であってもよい。【００１３】
前記第一工程において、前記被接合部材を前記金型の隅部近傍に設置してもよい。【００１４】
前記第一工程の前に、前記金型と前記被接合部材との接触面に離型剤を塗布してもよい。【００１５】
前記第１の金属および／または前記第２の金属がアルミニウム合金であってもよい。【００１６】
前記被接合部材に用いられるアルミニウム合金のＳｉ含有率が、０．６質量％以上３．５質量％以下であってもよい。【００１７】
前記被接合部材に用いられるアルミニウム合金のＣｕ含有率が、０．７質量％以上１５．０質量％以下であってもよい。【００１８】
前記被成形部材と前記被接合部材とが接触してから、被接合部材の液相率が５％以上３５％以下である時間が、３０秒間以上３６００秒間以下であってもよい。【００１９】
前記被接合部材の固相線温度と、前記被接合部材の液相線温度との温度差が１０℃以上２００℃以下であってもよい。【００２０】
本発明の第二の観点に係る金属の成形品は、
上記記載の金属の成形方法によって成形されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、信頼性の高い接合部を短時間で成形する金属の成形方法およびその成形品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】ブロー成形を利用した実施形態に係る成形方法を示す模式図である。
【図１Ｂ】図１Ａに記載の成形方法によって成形された成形品を示す模式図である。
【図２Ａ】ブロー成形を利用した実施形態に係る成形方法を示す模式図である。
【図２Ｂ】図２Ａに記載の成形方法によって成形された成形品を示す模式図である。
【図３】Ａｌ−Ｓｉ合金の状態図を模式的に示した図である。
【図４】（Ａ）は金属部材内部の結晶粒界、およびそれに区分されたマトリクス中に晶析出物が分布している場合を模式的に示した図である。（Ｂ）ははじめに結晶粒界が溶融していることを模式的に示した図である。（Ｃ）は次いで晶析出物が溶融していることを模式的に示した図である。（Ｄ）は生成した液相の結晶粒界や表面への移動を模式的に示した図である。
【図５】（Ａ）は金属部材内部の結晶粒界、およびそれに区分されたマトリクス中に晶析出物が存在しない場合を模式的に示した図である。（Ｂ）ははじめに結晶粒界が溶融していることを模式的に示した図である。（Ｃ）は次いで、局所的に溶質元素濃度の高い場所から液相が発生していることを模式的に示した図である。（Ｄ）は生成した液相の結晶粒界や表面への移動を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明者は、鋭意検討の結果、被成形部材の熱間加工中の加熱を利用して被接合部材内に液相を生成させ、生成した液相の結晶粒界や表面への移動を利用することで、大きな加圧が必要なく被成形部材と被接合部材とが短時間で接合され、なおかつ被接合部材に大きな変形を伴わない信頼性の高い成形品を得ることが可能となることを見出し、本発明を成すに至った。
【００２４】
以下、本発明の実施形態に係る複合成形方法および成形品について説明する。
【００２５】
図１Ａはブロー成形を利用した本発明の実施形態に係る複合成形方法を示す図であり、図１Ｂは、図１Ａに示す複合成形方法によって成形された成形品１０を示す図である。
【００２６】
同様に、図２Ａはブロー成形を利用した本発明の実施形態に係る複合成形方法を示す図であり、図２Ｂは、図２Ａに示す複合成形方法によって成形された成形品２０を示す図である。
【００２７】
本発明の実施形態に係る複合成形方法としては、たとえば、ブロー成形やホットプレス、鍛造などの熱間加工を利用することが考えられる。以下、ブロー成形を例にして本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２８】
図１Ａに示すように、本発明の実施形態の複合成形方法におけるブロー成形とは、加熱された金型１の底面上に金属（第１の金属）からなる被接合部材３を少なくとも１つ設置し（第一工程）、金属（第２の金属）からなる被成形部材２を、金型１を跨ぐように橋架し、金型１と天板（不図示）とで被成形部材２を挟持するようにして固定し（第二工程）、被成形部材２を加熱した後、被成形部材２に対して、金型１に向かう方向（ｗの向き）に高圧の気体を吹きつけて、被成形部材２の形状を金型１の形状に倣うように変形し、被成形部材２の下面の一部と被接合部材３の上面とを接合して（第三工程）、成形品１０（図１Ｂ）を得る方法である。
【００２９】
被成形部材２および被接合部材３に用いられる金属としては、以下に限定されるものではないが、たとえば、チタン合金やアルミニウム合金を用いることができる。チタン合金は高温において優れた超塑性特性を示し熱間加工に優位なだけでなく、表面の酸化皮膜が比較的容易に除去できるため接合しやすく、本発明の実施形態における金属の成形方法に適する。またアルミニウム合金も高温で優れた超塑性特性を示す。ただし、アルミニウム合金の酸化皮膜は安定的であり、接合を行うためにはこの強固な酸化皮膜を破壊する必要がある。
【００３０】
被成形部材２に用いられる第２の金属用のアルミニウム合金としては、以下に限定されるものではないが、たとえば、Ａｌ−Ｍｇ（−Ｍｎ）系アルミニウム合金やＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｍｎ系アルミニウム合金などが用いられ、チタン合金としてはＴｉ−６Ａｌ−４Ｖチタン合金などが用いられる。また、被接合部材３に用いられる第１の金属用のアルミニウム合金としては、以下に限定されるものではないが、たとえば、Ａｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金などが用いられる。
【００３１】
例えば、ブロー成形を用いた本発明の実施形態に係る複合成形方法においては、ブロー成形を行う前に予め、図１Ａに示すように、成形品１０における、被接合部材３を接合したい箇所に対応する、加熱された金型１の底面上の所定の位置に少なくとも１つの被接合部材３を配置し、ブロー成形中に被成形部材２の下面の一部と被接合部材３の上面とを接触させる。被成形部材２と被接合部材３との接触面間の隙間が、被接合部材３の内部からしみ出した液相によって満たされ、被成形部材２と被接合部材３とが接合される。
【００３２】
ここで液相の生成メカニズムを説明する。図３に代表的な２元系共晶合金であるＡｌ−Ｓｉ合金の状態図を模式的に示す。Ｓｉ濃度がｃ１であるアルミニウム合金材を加熱すると、共晶温度（固相線温度）Ｔｅを超えた付近の温度Ｔ１で液相の生成が始まる。共晶温度Ｔｅ以下では、図４（Ａ）に示すように、結晶粒界で区分されるマトリクス中に晶析出物が分布している。ここで液相の生成が始まると、図４（Ｂ）に示すように、晶析出物分布の偏析の多い結晶粒界が溶融して液相となる。次いで、図４（Ｃ）に示すように、アルミニウム合金のマトリクス中に分散する主添加元素成分であるＳｉの晶析出物粒子や金属間化合物の周辺が球状に溶融して液相となる。更に図４（Ｄ）に示すように、マトリクス中に生成したこの球状の液相は、界面エネルギーにより時間の経過や温度上昇と共にマトリクスに再固溶し、固相内拡散によって結晶粒界や表面に移動する。次いで、図３に示すように温度がＴ２に上昇すると、状態図より液相量は増加する。図３に示すように、一方のアルミニウム合金材のＳｉ濃度が最大固溶限濃度より小さいｃ２の場合には、固相線温度Ｔｓ２を超えた付近で液相の生成が始まる。但し、ｃ１の場合と異なり、溶融直前の組織は図５（Ａ）に示すように、マトリクス中に晶析出物が存在しない場合がある。この場合、図５（Ｂ）に示すように粒界でまず溶融して液相となった後、図５（Ｃ）に示すようにマトリクス中において局所的に溶質元素濃度が高い場所から液相が発生する。図５（Ｄ）に示すように、マトリクス中に生成した球状の液相は、ｃ１の場合と同様に、界面エネルギーにより時間の経過や温度上昇と共にマトリクスに再固溶し、固相内拡散によって結晶粒界や表面に移動する。温度がＴ３に上昇すると、状態図より液相量は増加する。このように、本発明に係る接合方法は、金属部材内部の部分的な溶融により生成される液相の移動を利用したものであり、接合と形状維持の両立を実現できるものである。
【００３３】
上記のように本明細書における接合方法は、第１の金属（被接合部材３）内部の一部のみを溶融させ液相が表面に移動することを利用し、第２の金属（被成形部材２）と金属接合させることを特徴とする、従来の接合方法とは異なる新規の接合方法を指す。本接合方法においては、接合工程中に、第１の金属内部の一部が溶融されるだけであるので、第１の金属からなる被接合部材３を大きく変形させることなく、また、表面に移動した液相が接合界面の隙間を埋めるためそこまで大きな加圧も必要なく、短時間で信頼性の高い接合部材（成形品）が得られる。さらに、たとえば、組成が異なる第１の金属と第２の金属とを接合するように、様々な組み合わせの金属同士を、インサート材を介することなく接合させることも可能である。
【００３４】
本発明の実施形態において、信頼性の高い接合された成形品１０を得るためには、熱間加工中の加熱によって被接合部材３内部に生成する液相の質量の比（液相率）を、被接合部材３の全質量に対して５％以上３５％以下とする必要がある。本明細書において、液相率は以下のように表される。
液相率（％）＝（被接合部材内部の液相の質量）／（被接合部材の全質量）×１００
液相率が３５％を超えると、生成する液相の量が多過ぎて（すなわち、固相の量が少なすぎて）被接合部材３がその形状を維持出来なくなり、被接合部材３が大きな変形を起こしてしまう。一方、液相率が５％未満であると、被接合部材３の表面への液相の供給量が少なくなってしまい、被接合部材３と被成形部材２との間の接合が困難になってしまう。そのため、本発明の実施形態においては、被接合部材３内部の液相の質量の比が５％以上３５％以下となる温度において、熱間加工が行われる。なお、本発明の実施形態に係る接合において、より好ましい液相率は５％以上３０％以下であり、より一層好ましい液相率は１０％以上２０％以下である。
【００３５】
被接合部材３を加熱して、被接合部材３と被成形部材２とを接合している間における実際の液相率を測定することは極めて困難である。そこで、本明細書においては、状態図を利用して、金属の組成と接合温度とを用いた平衡計算によって液相率を規定するものとする。たとえば、Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ  ＡＢ社製）などの熱力学平衡計算ソフトを用いることによって、金属組成と加熱時の最高到達温度（接合温度）とから液相率が計算される。
【００３６】
ブロー成形を利用する場合には金型１と被接合部材３とが接合されることを防ぐために、成形を行う前に、金型１と被接合部材３との接触面に離型材を塗布しておくことがより好ましい。
【００３７】
また、ブロー成形を利用する場合には、本発明の実施形態において、被成形部材２の合金組成と被接合部材３の合金組成との組み合わせ、および熱間温度は、本発明の実施形態の効果を奏する範囲で適宜選択され、特に規定されるものではないが、被接合部材３の一部は溶融するが、被成形部材２は溶融しないことがより好ましいため、被成形部材２の融点は被接合部材３の融点よりも高いことがより好ましく、またブロー成形温度が被成形部材２の融点より低いことがより好ましい。
【００３８】
また、金属からなる被接合部材３および被成形部材２の表層に形成されている酸化皮膜を破壊することによって、被接合部材３と被成形部材２との間の接合がより容易になる。本発明の実施形態においては被成形部材２の変形、および、被成形部材２と被接合部材３との接触による接合面の摩擦によって被接合部材３および被成形部材２の酸化皮膜を破壊しやすい。また、被接合部材３の内部が一部溶融し、表面に液相がしみ出す際に被接合部材３の表面の酸化皮膜が破壊されるため、従来法に比べて接合が容易となる。加えて、特に酸化皮膜が安定的なアルミニウム合金を用いる場合においては、以下に限定されるものではないが、酸化皮膜を破壊するために、たとえば、以下に示すような方法を採用してもよい。
【００３９】
（１）フラックスによる酸化皮膜の破壊
本破壊方法においては、酸化皮膜を破壊するために、少なくとも、被接合部材３と被成形部材２との接合部にフラックスを塗布する。フラックスは、以下に限定されるものではないが、たとえば、アルミニウム合金のろう付で用いるＫＡｌＦ４やＣｓＡｌＦ４などのフッ化物系フラックスが用いられる。これらのフラックスは、しみ出し接合において被接合部材３の液相が溶融する前に、または接合温度に至る前に溶融し、被接合部材３の表層および被成形部材２の表層に形成された酸化皮膜と反応して、酸化皮膜を破壊する。さらに、本方法においては、被接合部材３の表層および被成形部材２の表層への酸化皮膜の形成を抑制するために、たとえば、真空または窒素ガスやアルゴンガスなどの非酸化性雰囲気中で、被接合部材３と被成形部材２とを接合する方法が用いられる。本明細書において、「真空」とは、真空の状態だけでなく、面接合や閉塞空間における接合のように、被接合部材３と被成形部材２との間の接合面に空気の流入がほとんどない状態をも含むものとする。また、たとえばＫＣｌやＮａＣｌなどの塩化物系フラックスを用いる際には、大気雰囲気中で、被接合部材３と被成形部材２とを接合することが可能である。
【００４０】
また、フッ化物系のフラックスを用いる場合、被接合部材３および／または被成形部材２のアルミニウム合金中のＭｇ含有率が０．５質量％以下であることによって、フッ化物系のフラックスとＭｇとが反応してフッ化物系フラックスの酸化皮膜破壊作用がより一層向上し得る。そのため、フッ化物系のフラックスを用いる場合には、被接合部材３を構成するアルミニウム合金および被成形部材２を構成するアルミニウム合金のいずれのＭｇ含有率も０．５質量％以下であることがより一層好ましい。
【００４１】
（２）Ｍｇのゲッター作用による酸化皮膜の破壊
被接合部材３および被成形部材２の両方のアルミニウム合金材にＭｇが所定量添加されている場合は、被接合部材３と被成形部材２との接合部にフラックスを塗布しなくても、酸化皮膜が破壊されて、被接合部材３と被成形部材２との接合がより容易になる。アルミニウム合金材に所定のＭｇが含有されている場合、真空フラックスレスろう付と同様に、アルミニウム合金が溶融して液相が表層に出てくるときに、アルミニウム合金中から蒸発するＭｇのゲッター作用によって酸化皮膜が破壊されるためである。なお、本方法においては、フラックスを塗布しないことによって、Ｍｇのゲッター作用をより高めることができるため、フラックスを塗布しない方がより一層好ましい。
【００４２】
Ｍｇのゲッター作用によって酸化皮膜を破壊する場合、酸化皮膜の形成を抑制するために、非酸化性雰囲気（窒素ガス、アルゴンガスなど）中で接合することが好ましい。また、真空中で被接合部材３と被成形部材２とを接合することも好ましい。たとえば、面接合や閉塞空間において被接合部材３と被成形部材２とを接合する場合には、接合面への酸素の流入がほとんど無いため、被接合部材３および被成形部材２の、ごく周囲の雰囲気によって酸化皮膜が成長したとしても、酸化皮膜の厚さがＭｇのゲッター作用によって十分破壊しうる厚さにしかならず、被接合部材３と被成形部材２とを良好に接合することができるからである。
【００４３】
Ｍｇのゲッター作用により酸化皮膜を破壊するためには、被接合部材３を形成する第一のアルミニウム合金が、０．２質量％以上５．０質量％以下のＭｇを含有するアルミニウム合金であることが好ましい。Ｍｇ含有率が０．２質量％以上であることによって、十分なゲッター作用を得ることができ、より良好な接合を得ることができる。一方、Ｍｇ含有率が５．０質量％以下であることによって、接合部分の表面において、Ｍｇが雰囲気中の酸素と反応して生成される酸化物（ＭｇＯ）の量を低減することができ、より一層良好な接合を得ることができる。本発明の実施形態の効果を奏する範囲で、被接合部材３を形成する第一のアルミニウム合金に含有される他の元素の種類や含有量が適宜選択される。
【００４４】
本発明の実施形態に係る被接合部材３と被成形部材２との接合においては、接合部において酸化皮膜が破壊された後、被接合部材３と被成形部材２との間に液相が充填され、接合がなされる。この液相は、被接合部材３を形成する第１の金属において生成される。液相が接合部に十分に充填されるためには、被成形部材２と被接合部材３とが接触してから、被接合部材３の液相率が５％以上３５％以下である時間が３０秒間以上３６００秒間以下であることが、より好ましい。３０秒間以上であることによって、液相が十分に充填されて、より良好な接合を得ることができる。また、３６００秒間以下であることによって、被接合部材３の形状変化をより確実に抑制することができる。より一層好ましくは、液相率５％以上の時間が６０秒間以上１８００秒間以下であると、さらに十分な充填が行われることで、より一層良好な接合を得つつ、被接合部材３の形状変化をより一層確実に抑制できる。なお、本発明の実施形態に係る接合方法においては、液相は接合部の極近傍においてのみ移動するので、液相の充填に必要な時間は接合部の面積の大きさには依存しない。
【００４５】
本発明の実施形態に係る接合方法においては、液相を生成する第１の金属の固相線温度と液相線温度との差を１０℃以上２００℃以下とすることがより好ましい。固相線温度を超えると液相の生成が始まるが、固相線温度と液相線温度の差が１０℃以上であることによって、固体と液体とが共存する温度範囲が大きくなり、発生する液相の量を制御することがより容易となる。したがって、この差を１０℃以上２００℃以下とすることが、より好ましく、液相率が５％以上３５％以下にある固相線温度と液相線温度との温度差が２０℃以上２００℃以下であることが、より一層好ましく、本発明の実施形態の効果を奏する範囲で、固相線温度と液相線温度の差が大きくなるほど、適切な液相量に制御することが容易になる。
【００４６】
上記数値範囲を満たす組成を有する２元系のアルミニウム合金としては、以下に限定されるものではないが、たとえば、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｚｎ系合金、Ａｌ−Ｎｉ系合金などが挙げられ、２元系のチタン合金としてはＴｉ−Ａｌ系合金などが挙げられる。上記数値範囲を満たすためには、上述のような共晶型合金の方が固液共存領域を大きく有するのでより有利であるが、たとえば、全率固溶型、包晶型、偏晶型などの他の合金であっても、固相線温度と液相線温度の差が１０℃以上２００℃以下であることによって、より良好な接合が可能となる。また、上記の２元系合金は主添加元素以外の添加元素を含有することができ、３元系合金や４元系合金、更に５元以上の多元系の合金を用いることも可能である。多元系アルミニウム合金としては、以下に限定されるものではないが、たとえば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金などが挙げられる。
【００４７】
ブロー成形を利用する場合には、成形品１０においてより高い強度が求められるために肉厚を大きくしたい箇所に対応する金型１の底面上の所定の位置に、被接合部材３を配置することも可能である。たとえば、図１Ａにおいて被成形部材２は金型１と接していない部分（金型１のくぼみの上に位置し、変形する部分）の面積よりも、図１Ｂにおいて、金型のくぼみに対応する位置における成形品の面積の方が大きい。ブロー成形は張出し成形であるため、ブロー成形によって被成形部材２が引き延ばされたようになり、成形後における成形品１０において、金型１の隅部近傍に位置していた箇所の板厚が薄くなる傾向がある。そこで、図１Ａに示すように、成形後の成形品１０において板厚が薄くなってしまうために補強したい箇所である金型１の隅部近傍に、被接合部材３を配置することによって、成形後の成形品１０の強度を向上させることができる。本明細書において、「金型の隅部近傍」とは、金型の隅部だけでなく、成形品１０において板厚が薄くなる傾向がある金型の領域も含むものとする。
【００４８】
また、成形後の成形品１０の所望の位置にデザイン（意匠性）を付与するために、たとえば、ネームプレートを金型１の底面上に配置して、成形後の成形品１０にネームプレートが設けられるようにしてもよい。こうすることにより、金型１にネームを彫って浮き立たせる手法よりも、立体的で鮮明なデザインを成形後の成形品１０に付与することが可能となる。
【００４９】
また、例えば図２Ａに示すように、被接合部材１３としての形材を金型１１上に配置して被成形部材１２と接合すれば、図２Ｂに示すように中空を伴った成形品２０を得ることも可能である。
【００５０】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。たとえば、上記実施形態においては、被接合部材３を形成する第１の金属のアルミニウム合金として、Ａｌ−Ｍｇ合金を用いた形態について説明したが、Ｓｉ元素を必須成分として含有するＡｌ−Ｓｉ合金やＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金を用いてもよく、Ｓｉの含有量が０．６質量％以上３．５質量％以下のアルミニウム合金を用いてもよい。Ｓｉの含有量が０．６質量％以上であることによって、被接合部材３の液相率が５％以上３５％以下となる温度範囲を十分に確保することが可能となり、より安定した接合が可能となる。また、Ｓｉの含有率が３．５質量％以下であることによって、固相線温度＝共晶温度で発生する液相の量が３５％よりも十分に低く、かつ、５％よりも高い範囲となり、固相線温度から液相率３５％となる温度までの温度範囲がより広くなり、より安定した接合が可能となる。また、より一層好ましいＳｉ含有量は、１．２質量％以上３．０質量％以下であり、より一層安定した接合が可能となる。
【００５１】
また、被接合部材３を形成するアルミニウム合金材として、Ｃｕ元素を必須成分として含有するＡｌ−Ｃｕ合金やＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ合金を用いてもよく、Ｃｕの含有量Ｙ（質量％）が０．７質量％以上１５．０質量％以下のアルミニウム合金を用いてもよい。０．７質量％以上であることによって、液相率が５％以上３５％以下となる温度範囲を十分に確保することが可能となり、より安定した接合が可能となる。また、Ｙが１５．０質量％以下であることによって、固相線温度＝共晶温度で発生する液相の量が３５％よりも十分に低く、かつ、５％よりも高い範囲となり、固相線温度から液相率３５％となる温度までの温度範囲がより広くなり、より安定した接合が可能となる。また、より一層好ましいＣｕ含有量は、１．５質量％以上１２．０質量％以下であり、より一層安定した接合が可能となる。
【実施例】
【００５２】
以下にブロー成形を利用した実施例を示し、本発明をさらに詳しく説明する。なお、以下の実施例は、本発明の好適な一例を示すものであり、本発明を何ら限定するものではない。【００５３】
まず被成形部材の材料としてＡｌ−Ｍｇ−Ｍｎ系アルミニウム合金を用い、被接合部材の材料として表１に示すアルミニウム合金を用いた。被成形部材の寸法は、３００ｍｍ×３００ｍｍ×２．０ｍｍであった。被接合部材の寸法は、３０ｍｍ×３０ｍｍ×５ｍｍであった。表１において、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｕ以外の成分は、残部アルミニウムおよび不可避不純物であった。また、表１において、「−」は、その成分が含まれていなかったか、または含有率がごく微量であったことを表す。【００５４】
【表１】
2013080833.tif 000003
【００５５】
表２に示すように、実施例１〜４、比較例１〜２においては、合金番号１のアルミニウム合金を用いた。実施例５〜６、１１、１２においては、合金番号２のアルミニウム合金を用いた。実施例７〜１０においては、それぞれ合金番号３〜６のアルミニウム合金を用いた。実施例１３〜２１においては合金番号７〜１５のアルミニウム合金を用いた。【００５６】
【表２】
2013080833.tif 000004
【００５７】
金型として角筒金型を用い、その寸法は３００ｍｍ×３００ｍｍ×深さ３０ｍｍであった。金型の角筒底面の中央部に３０ｍｍ×３０ｍｍ×深さ５ｍｍの窪みを設けた。金型の底面全体に離型剤を塗布した。金型を加熱した後、被接合部材を窪み内に配置した。次に、被成形部材を、金型を跨ぐように橋架した。ついで、被成形部材の上に天板を載せ、金型と天板とで被成形部材を挟持した。その後、表２に示す成形条件で、被成形部材に対してブロー成形を行った。【００５８】
表２における平衡液相率は、Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ  ＡＢ社製）を用いて計算した、それぞれの成形温度における計算値である。また、表２において、被成形部材と被接合部材とが接してから被接合部材の液相率が５％以上３５％以下である時間を「液相率５％以上３５％以下にある時間（秒）」とした。【００５９】
実施例１〜３、６〜１０、１３〜２１および比較例１〜２においては、接合面にフラックスを塗布しなかった。実施例４〜５、１１においては、接合面にフッ化カリウム系のフラックスを塗布した。実施例１２においては、接合面に塩化物系のフラックスを塗布した。表２において、フラックスを塗布しなかった場合を「−」で表し、フッ化カリウム系のフラックスを塗布した場合を「Ｆ」、塩化物系のフラックスを塗布した場合を「Ｃｌ」と表す。【００６０】
実施例１〜１０、１３〜２１および比較例１〜２においては、金型内の雰囲気を非酸化性雰囲気（窒素ガス）とし、実施例１１〜１２では大気雰囲気とした。ブロー成形した後、成形品を金型から取り外し、被接合部材と被成形部材との間に信頼性の高い接合がされているか、被接合部材に変形が生じていないかを確認した。以下、実験結果を示す。表２において、接合欄の「◎」は非常に良好な接合を表し、接合欄の「○」は良好な接合を表し、接合欄の「×」は良好な接合を得られなかったことを表す。また、変形欄の「◎」は被接合部材に変形が生じなかったことを表し、変形欄の「○」は被接合部材の形状がほぼ維持されたことを表し、変形欄の「×」は被接合部材に変形が生じたことを表す。【００６１】
実施例１、５、７〜９、１２、１４、１６〜１８、２０においては、非常に良好な接合が得られるとともに、被接合部材に変形は生じなかった。【００６２】
実施例２、４、６、１０〜１１、１３、１５、１９、２１においては、良好な接合が得られた。また、被接合部材に変形は生じなかった。【００６３】
実施例３においては、非常に良好な接合が得られた。また、被接合部材の形状がほぼ維持された。【００６４】
一方、比較例１においては、平衡液相率が３８．８％（３５％超過）だったため、被接合部材に変形が生じてしまった。また、比較例２においては、成形温度が低すぎて、平衡液相率が２．０％（５％未満）だったため、良好な接合を得られなかった。【００６５】
以上に示すように本発明はブロー成形に適した複合成形方法であることがわかったが、これに限定されるものではなく、種々の熱間加工に有効であることは明らかである。また、上記のように本発明はアルミニウム合金やチタン合金に対して特に有効な成形法であるが、本発明は平衡液相率の制御によって成されるものであり、上記の金属に限定されるものではなく、他の金属を用い得ることは明らかである。【００６６】
１つ以上の好ましい態様を参照することによって本出願の原理が記載され、例示されるので、本明細書に開示された主題の精神や範疇の範囲内に入る限りにおいて、好ましい態様が本明細書に開示された原理から離れることなく配置や詳細が修正され得ることや、そのような全ての修正や変形を含むように本出願が理解されることが意図されることは明白であるべきである。【００６７】
（付記１）
金型を用いてアルミニウム合金をブロー成形するアルミニウム合金の成形方法であって、
加熱された前記金型の底面上に、第１のアルミニウム合金からなる被接合部材を少なくとも１つ設置する第一工程と、
第２のアルミニウム合金からなる被成形板を、前記金型を跨ぐように橋架する第二工程と、
前記被成形板に気体を吹き付けて、前記被成形板の形状を、前記金型の形状に倣うように変化させ、前記被成形板の下面の一部と前記被接合部材の上面とを接合する第三工程と、
を含み、
前記第三工程において、前記被接合部材の温度を、前記被接合部材内部の液相率が５％以上３５％以下となる温度とする、
ことを特徴とするアルミニウム合金の成形方法。【００６８】
（付記２）
前記被成形板と前記被接合部材との接触面に塩化物系フラックスを塗布し、
前記第三工程における雰囲気が、大気雰囲気である、
ことを特徴とする付記１に記載のアルミニウム合金の成形方法。【００６９】
（付記３）
前記被成形板と前記被接合部材との接触面にフッ化物系フラックスを塗布し、
前記第三工程における雰囲気が、真空または非酸化性雰囲気である、
ことを特徴とする付記１に記載のアルミニウム合金の成形方法。【００７０】
（付記４）
前記被接合部材のＭｇ含有率が０．２質量％以上５．０質量％以下であり、
前記第三工程における雰囲気が、真空または非酸化性雰囲気である、
ことを特徴とする付記１に記載のアルミニウム合金の成形方法。【００７１】
（付記５）
前記第１のアルミニウム合金の液相率が５％以上３５％以下である時間が、３０秒以上３６００秒以下である、
ことを特徴とする付記１乃至４のいずれか１に記載のアルミニウム合金の成形方法。【００７２】
（付記６）
前記第１のアルミニウム合金のＳｉ含有率が、０．６質量％以上３．５質量％以下である、
ことを特徴とする付記１乃至５のいずれか１に記載のアルミニウム合金の成形方法。【００７３】
（付記７）
前記第１のアルミニウム合金のＣｕ含有率が、０．７質量％以上１５．０質量％以下である、
ことを特徴とする付記１乃至６のいずれか１に記載のアルミニウム合金の成形方法。【００７４】
（付記８）
前記被接合部材の固相線温度と、前記被接合部材の液相線温度との温度差が１０℃以上２００℃以下である、
ことを特徴とする付記１乃至７のいずれか１に記載のアルミニウム合金の成形方法。【００７５】
（付記９）
前記第一工程において、前記被接合部材を前記金型の隅部近傍に設置する、
ことを特徴とする付記１乃至８のいずれか１に記載のアルミニウム合金の成形方法。【００７６】
（付記１０）
前記第一工程の前に、前記金型と前記被接合部材との接触面に離型剤を塗布する、
ことを特徴とする付記１乃至９のいずれか１に記載のアルミニウム合金の成形方法。【００７７】
（付記１１）
付記１乃至１０のいずれか１に記載のアルミニウム合金の成形方法によって成形された、
ことを特徴とするアルミニウム合金の成形品。【００７８】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１１年１１月３０日に出願された日本国特許出願第２０１１−２６１６３７号に基づく。本明細書中にその明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
【符号の説明】
【００７９】
１      金型
２      被成形部材
３      被接合部材
１０    成形品
１１    金型
１２    被成形部材
１３    被接合部材
２０    成形品
ｃ      Ｓｉ濃度
ｃ１    Ｓｉ濃度
ｃ２    Ｓｉ濃度
Ｔ      温度
Ｔ１    Ｔｅを超えた温度
Ｔ２    Ｔ１より更に高い温度
Ｔ３    Ｔｓ２を超えた温度
Ｔｅ    固相線温度
Ｔｓ２  固相線温度
【図１Ａ】
2013080833.tif 000005
【図１Ｂ】
2013080833.tif 000006
【図２Ａ】
2013080833.tif 000007
【図２Ｂ】
2013080833.tif 000008
【図３】
2013080833.tif 000009
【図４】
2013080833.tif 000010
【図５】
2013080833.tif 000011
【国際調査報告】
2013080833.tif 000012
2013080833.tif 000013
2013080833.tif 000014
2013080833.tif 000015