(57)【要約】【課題】母材への影響が少なく、熱処理等を施すまでもなく高い接合強度が確保され得るアルミニウム合金製部材の接合方法を提供する。【解決手段】本発明は、少なくとも第１部材（Ｗ１）と第２部材（Ｗ２）を摩擦撹拌接合する接合工程を備える。そして第１部材と第２部材の少なくとも一方は、アルミニウム合金の展伸材からなり、このアルミニウム合金は、全体を１００質量％（単に「％」という。）としたときに、Ｆｅ：２〜７％、Ｚｒ：０．２〜１．５％、Ｔｉ：０．１５〜１．２％、Ｍｇ：０．２〜２．５％、残部：Ａｌと不可避不純物からなる。こうして得られる接合部材は、例えば、鍛造された本体に環体の組立体に摩擦撹拌接合して得られるクーリングチャンネル付き鍛造ピストンに好適である。【選択図】図４Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１部材と第２部材を摩擦撹拌接合する接合工程を備える接合部材の製造方法であって、
前記第１部材と前記第２部材の少なくとも一方は、アルミニウム合金の展伸材からなり、
該アルミニウム合金は、全体を１００質量％（単に「％」という。）としたときに、
Ｆｅ：２〜７％、
Ｚｒ：０．２〜１．５％、
Ｔｉ：０．１５〜１．２％、
残部：Ａｌと不可避不純物からなる接合部材の製造方法。
【請求項２】
前記アルミニウム合金は、さらに、Ｍｇ：０．２〜２．５％を含む請求項１に記載の接合部材の製造方法。
【請求項３】
前記接合工程は、前記第１部材の端部と前記第２部材の端部との突合部を連続的に接合する工程、または該第１部材の被接合面部と該第２部材の被接合面部との重合部を断続的に接合する工程である請求項１に記載の接合部材の製造方法。
【請求項４】
前記接合工程は、前記第１部材または前記第２部材の表面に当接するショルダーと該ショルダーから突出して該第１部材と該第２部材の被接合部へ埋入され得るプローブとを有するツールの回転数を７５０〜１７５０ｒｐｍとする工程である請求項１〜３のいずれかに記載の接合部材の製造方法。
【請求項５】
前記接合工程は、前記第１部材の端部と前記第２部材の端部との突合部を連続的に接合する工程であると共に、前記ツールを該突合部に沿って移動させるときの送り速度：５０〜１０００ｍｍ／ｍｉｎ、前進角：１〜５°とする工程である請求項４に記載の接合部材の製造方法。
【請求項６】
前記接合部材は、前記第１部材と前記第２部材が接合されてできた中空部を有する請求項１〜５のいずれかに記載の接合部材の製造方法。
【請求項７】
前記第１部材および前記第２部材は、前記アルミニウム合金の鍛造材からなり、
前記接合部材は、鍛造ピストンであり、
前記中空部は、クーリングチャンネルである請求項６に記載の接合部材の製造方法。
【請求項８】
第１部材と、第２部材と、該第１部材と該第２部材を摩擦撹拌接合した接合部と、
を備える接合部材であって、
前記第１部材と前記第２部材の少なくとも一方は、アルミニウム合金の展伸材からなり、
該アルミニウム合金は、全体を１００質量％（単に「％」という。）としたときに、
Ｆｅ：２〜７％、
Ｚｒ：０．２〜１．５％、
Ｔｉ：０．１５〜１．２％、
残部：Ａｌと不可避不純物からなる接合部材。
【請求項９】
前記第１部材および前記第２部材は、前記アルミニウム合金の鍛造材からなり、
該第１部材と該第２部材により形成されたクーリングチャンネルを内包する鍛造ピストンである請求項８に記載の接合部材。
【請求項１０】
前記接合部は、ビーカス硬さが１２０ＨＶ以上である請求項８または９に記載の接合部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の部材を摩擦撹拌接合した接合部材とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の環境意識の高揚に伴い、自動車、二輪車、航空機などの輸送機器分野では、燃費向上またはＣＯ２排出量削減等が強く求められている。このため、それらの主たる駆動源となる内燃機関（単に「エンジン」という。）にも、高い比出力（単位排気量あたりの出力）が要求されている。その結果、エンジンの燃焼ガスは温度や圧力（筒内圧）が益々高くなる傾向にある。
【０００３】
このような傾向に対応するため、エンジンの主要な機能部品であるピストンのヘッド内に、クーリングチャンネルを設けることが提案されている。クーリングチャンネルは、ヘッド内に形成された閉環状等をした内部油路である。通常、クランクケースに配設されたオイルジェットからピストン裏側へ噴出されたエンジンオイルが、クーリングチャンネル内へ流入→循環→流出（排出）される過程が繰り返されることにより、燃焼ガスに曝されるヘッド近傍（頂面（キャビティを含む）からトップランド付近）の過熱が抑制される。
【０００４】
ところで、そのようなピストンの材質にスチールを用いると、その熱伝導性が低いため、導入されたエンジンオイルが過熱されて炭化（コーキング）等し、クーリングチャンネルが閉塞されるおそれがある。クーリングチャンネル内が閉塞されると、ヘッド近傍が冷却できずに高温となり、脱炭や酸化スケールの脱離が生じ、最終的に熱疲労により破損する可能性がある。このため、クーリングチャンネル付きピストンは、熱伝導性に優れるアルミニウム合金製が好ましい。
【０００５】
もっとも、アルミニウム合金の鋳造ピストンでは、高温強度（単に「耐熱性」という。）等が十分ではなく、エンジンの高比出力化や高筒内圧化等には限界がある。このような使用環境では、アルミニウム合金の鍛造ピストンが用いられることが多い。但し、鍛造ピストンの場合、鋳造ピストンのように消失型（塩中子等）を用いてクーリングチャンネルを形成することが一般的に困難または不可能である。
【０００６】
そこで鍛造ピストンの場合、通常、合体したときに内部油路が形成される二部材を接合して製造される。このようなクーリングチャンネル付き鍛造ピストンに関する記載が、例えば、下記の特許文献１、２にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２７０８１２号公報
【特許文献２】特開２００７−２７０８１３号公報
【特許文献３】特許５５５６７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１、２には、Ｓｉを含むアルミニウム合金からなる急冷粉末の押出材からなるビレットを鍛造したヘッド環状部とピストン本体とを電子ビーム溶接して、クーリングチャンネルを形成する旨が記載されている。そして、溶融溶接（液相接合）を回避する際には、ろう付けすることが好ましい旨も記載されている。
【０００９】
しかし、溶融溶接した接合部は鋳造組織からなるため、通常、鍛造された母材よりも強度が大幅に低下する。また、鍛造ピストンが熱処理型アルミニウム合金からなる場合、溶接後に熱処理（溶体化処理、時効処理）して、接合部の強度等を回復させ得ることも考えられる。しかし、その熱処理により熱歪み等が生じ得るため、精密部品であるピストンの製造方法としては好ましくない。なお、ろう付けした鍛造ピストンでは、接合強度が不十分であり、過酷な筒内環境下で使用されるときの信頼性に欠ける。
【００１０】
なお、特許文献３には、耐熱強度等の高温特性に優れたアルミニウム合金に関する記載がある。しかし、特許文献３には、そのアルミニウム合金を用いた接合方法や接合部材（例えばクーリングチャンネル付き鍛造ピストン）等に関して、全く記載されていない。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、アルミニウム合金製部材が高強度な接合部により接合された接合部材と、その製造方法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】
【００１２】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、特有なアルミニウム合金（単に「Ａｌ合金」ともいう。）からなる展伸材（押出材、鍛造材等）を固相接合の一種である摩擦撹拌接合（単に「ＦＳＷ」という。）したところ、母材に近い硬さ（強度）の接合部が得られると共にＦＳＷにより生じる母材への熱影響範囲も非常に小さくなることを新たに見出した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。
【００１３】
《接合部材の製造方法》
（１）本発明は、少なくとも第１部材と第２部材を摩擦撹拌接合する接合工程を備える接合部材の製造方法であって、前記第１部材と前記第２部材の少なくとも一方は、アルミニウム合金の展伸材からなり、該アルミニウム合金は、全体を１００質量％（単に「％」という。）としたときに、Ｆｅ：２〜７％、Ｚｒ：０．２〜１．５％、Ｔｉ：０．１５〜１．２％、残部：Ａｌと不可避不純物からなる接合部材の製造方法である。
【００１４】
（２）本発明の製造方法（単に「接合方法」ともいう。）によれば、熱処理等を施すまでもなく、接合部周辺にある母材の特性を殆ど劣化させることなく、少なくとも二つの部材が母材に近い高特性な接合部により接合された接合部材が得られる。このような優れた接合が可能となる理由は、高温特性等に優れた特有なＡｌ合金に対して特定の固相接合（摩擦撹拌接合）を行っているためと考えられる。なお、摩擦撹拌接合は、第１部材または第２部材の表面に当接するショルダーとショルダーから突出して第１部材と第２部材の被接合部へ埋入され得るプローブとを有するツールを、回転させつつ被接合部に押し当てることによってなされる。
【００１５】
《接合部材》
本発明は、上述した製造方法のみならず接合部材としても把握できる。すなわち本発明は、第１部材と、第２部材と、該第１部材と該第２部材を摩擦撹拌接合した接合部とを備える接合部材であって、前記第１部材と前記第２部材の少なくとも一方は、アルミニウム合金の展伸材からなり、該アルミニウム合金は、全体を１００質量％（単に「％」という。）としたときに、Ｆｅ：２〜７％、Ｚｒ：０．２〜１．５％、Ｔｉ：０．１５〜１．２％、残部：Ａｌと不可避不純物からなる接合部材としても把握できる。
【００１６】
《その他》
（１）本明細書でいう「母材」とは、各部材を構成する接合部以外の部分である。換言すれば、摩擦撹拌接合前の基材（Ａｌ合金）または摩擦撹拌接合後の影響（特に熱影響）が実質的に及んでいない接合部の周辺域にある基材である。
【００１７】
（２）接合される本発明に係る各部材は、材質と形状の異同は問わない。本発明に係るＡｌ合金からなる同質・同形の部材を接合することにより、長大な接合部材が得られる。異形の部材を接合することにより、複雑な形状の接合部材が得られる。異質の部材を接合することにより、適材適所で高機能な接合部材が得られる。
【００１８】
（３）「継手効率」は、上述した母材の特性（硬さまたは強度）に対する接合部の特性の比率である。本発明の接合部材の場合、常温（室温）域で測定した硬さに係る継手効率は、０．７以上、０．８以上さらには０．９以上ともなり得る。その上限値は、敢えていうと、０．９５以下さらには１以下となる。
【００１９】
接合部の硬さは、母材の硬さや接合条件等により変化し得るが、本発明に係る接合部は、例えば、ビーカス硬さが１２０ＨＶ以上、１３０ＨＶ以上、１４０ＨＶ以上さらには１４５ＨＶ以上ともなり得る。
【００２０】
ここで、本明細書でいう接合部の「硬さ」は、接合中心の深さ中央部のビーカス硬さとする。接合中心は、プローブの回転軸線上またはその回転軸線の軌跡上にある。接合部は、通常、その回転軸線またはその軌跡に直交する方向にほぼ対称的に形成される。深さ中央部は、接合部（特に撹拌部）の最表面から最深部までの深さの中点（近傍）である。
【００２１】
（４）本明細書では、接合前の突合部または重合部を「被接合部」といい、被接合部をＦＳＷしてできた接合後の形成領域を「接合部」という。摩擦撹拌接合により形成される接合部は、プローブによる撹拌により中央域に生じた微細な再結晶組織からなる撹拌部と、その外周域にあり再結晶に至らない程度の加熱と塑性変形を受けて結晶粒が伸長した熱加工影響部（塑性流動部）と、さらにその外周域にあり加熱の影響のみを受けた熱影響部とを有する。なお、熱影響部の外周域が原質部（母材）となる。
【００２２】
本発明に係る接合部も、上述した撹拌部等を有するが、従来の摩擦撹拌接合部に対して熱加工影響部および熱影響部が小さい。これは、本発明に係るＡｌ合金が高温域でも各特性（特に硬さ、強度）が安定していることに起因していると考えられる。
【００２３】
（５）本明細書でいうＦＳＷには、いわゆる摩擦撹拌点接合「ＦＳＳＷ」（Friction Stir Spot Welding）も含まれる。従って、本発明に係る接合工程は、第１部材の端部と第２部材の端部との突合部を連続的（線状）に接合する工程でもよいし、第１部材の被接合面部と第２部材の被接合面部との重合部を断続的（点状）に接合する工程でもよい。以下、ＦＳＳＷも含めて単に「ＦＳＷ」という。ちなみにＦＳＷは、”Friction Stir Welding”の略であるが、あくまでも固相接合の一種であり、Ａｌ合金の融点以上に接合部を加熱する溶融溶接（液相接合）ではない。
【００２４】
（６）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は、下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を、新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような数値範囲を新設し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】試料の製造に用いた接合装置を示す平面図と側面図である。
【図１Ｂ】ＦＳＷに用いた接合ツールの要部を示す半断面図であり、右側断面図は接合ツールに前進角を与えた状態を示す。
【図２Ａ】接合した試料の各温度における引張強さを示すグラフである。
【図２Ｂ】接合した試料の各温度における０．２％耐力を示すグラフである。
【図２Ｃ】接合した試料の各温度における破断伸びを示すグラフである。
【図３】接合条件（ツール回転数）を変更したときの接合部の硬さと継手効率を示すグラフである。
【図４Ａ】接合部とその周辺における硬さ分布を示すグラフである。
【図４Ｂ】ＦＳＷの影響範囲を示すグラフである。
【図５Ａ】ＦＳＷした接合部とその周辺における断面を顕微鏡写真である。
【図５Ｂ】接合部（撹拌部）と母材の各金属組織を示すＳＥＭ像である。
【図６】ＦＳＷしたクーリングチャンネル付き鍛造ピストンの製造過程を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本明細書で説明する内容は、本発明の接合部材のみならず、その製造方法にも該当し得る。上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一以上の構成要素を付加し得る。方法に関する構成要素も、一定の場合、物に関する構成要素となり得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。
【００２７】
《接合工程》
（１）本発明に係る接合工程は、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）によりなされる。ＦＳＷに用いるツールは、柱状または筒状の軸体（シャンク）と、軸体の端面からなり被接合部材（第１部材と第２部材／単に「ワーク」ともいう。）の表面に当接し得るショルダーと、ショルダーから突出した、または突出可能なプローブ（「ピン」ともいう。）とを有する。ＦＳＷは、回転しているツール（ショルダー）をワーク側へ押し当てつつ、プローブをワークの被接合部（突合部または重合部）内へ埋入させた状態で回転させてなされる。このとき、ショルダーやプローブがワークと摺接して生じた摩擦熱によりワークの被接合部が軟化（変形抵抗が低下）する。この状態で、プローブにより被接合部の母材が撹拌されて塑性流動し、被接合部に新生面が生じてワークが接合される。
【００２８】
第１部材の端部と第２部材の端部との突合部に沿って線状に接合部を形成する場合（「線状接合工程」という。）であれば、突合部に埋入させたプローブを回転させつつ、その突合部に沿って移動させることにより、連続的な接合が可能となる。
【００２９】
第１部材の被接合面部と第２部材の被接合面部との重合部（接合面近傍）を断続的（点状）に接合する場合（「点状接合工程」という。）であれば、接合する重合部毎にプローブを埋入および回転させることにより、スポット的な接合が可能となる。この際に用いるツールは、プローブがショルダーに一体化された固定ツールでも良いし、プローブがショルダーに対して出没可能な複動式ツールでもよい。
【００３０】
（２）プローブは、被接合部で撹拌を生じさせる程度の大きさであればよく、その外径（プローブ径：ｄ）は、例えば、φ１〜２０ｍｍさらにはφ２〜１６ｍｍとすればよい。プローブ長（ショルダー端面から埋入時のプローブ先端までの長さ）は、０．５〜２ｄさらには１〜１．５ｄとするか、被接合部の深さ（ｔ）に対して０．５〜１ｔさらには０．７〜０．９ｔとするとよい。ショルダーの外径（ショルダー径：Ｄ）は、プローブが埋入される周囲を摩擦熱で加熱できる程度の大きさであればよく、例えば、２〜５ｄさらには２．５〜４ｄとするとよい。なお、プローブの外周面は、撹拌性を高めるためにネジ状（特に逆ネジ状）であると好ましい。
【００３１】
ツールの回転数は、７５０〜１７５０ｒｐｍさらには９００〜１６００ｒｐｍとすると好ましい。また、上述した線状接合工程を行う場合であれば、ツールを突合部に沿って移動させるときの送り速度：５０〜１０００ｍｍ／ｍｉｎさらには８０〜５００ｍｍ／ｍｉｎ、前進角：１〜５°さらには２〜４°とすると好ましい。ツールの諸元や接合条件を上述した範囲内とすることにより、接合強度等を確保した適切な接合工程を行える。
【００３２】
《被接合部材》
接合部材は、少なくとも二つ以上の部材を摩擦撹拌接合により接合されてなる。接合される一方は本発明に係るＡｌ合金（展伸材）からなるが、その他方は摩擦撹拌接合が可能である限り、金属部材でも樹脂部材でもよい。金属部材は、Ａｌ系、鉄系、マグネシウム系、チタン系等の各種金属からなるものがある。
【００３３】
もっとも、接合部材全体として、接合強度や高温特性等を高次元で確保するために、被接合部材は共に本発明に係るＡｌ合金の展伸材からなると好ましい。
【００３４】
《Ａｌ合金／展伸材》
本発明に係るＡｌ合金は、例えば、接合工程中の摩擦熱により高温に曝されても、殆ど軟化しないという優れた高温特性を発揮する。具体的にいうと、例えば、４００℃程度に加熱されても、１３０Ｈｖ以上、１４０Ｈｖ以上さらには１５０Ｈｖ以上という大きな硬さ（残留硬さ）を安定的に維持する優れた高温耐軟化性を有する。以下、このような本発明に係るＡｌ合金について、成分組成、金属組織、特性等の観点から詳述する。
【００３５】
（１）成分組成
本発明に係るＡｌ合金は、主成分であるＡｌの他、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｔｉを必須元素とし、さらに、Ｍｇを含むと好ましい。各元素について具体的にいうと次の通りである。なお、各元素の組成範囲はＡｌ合金全体を１００質量％として示した。
【００３６】
Ｆｅは２〜７％、２．５〜６％さらには３〜５．５％含まれると好ましい。ＦｅはＡｌとの金属間化合物（Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物：第一化合物相）を母相（α−Ａｌ相）中に形成する。この第一化合物相がＡｌ合金の強度や硬さを高める。Ｆｅが過少では十分な強度や硬さが得られず、Ｆｅが過多では延性が低下し、展伸性（鍛造性を含む）や加工性（切削性等を含む）が低下し得る。
【００３７】
ＺｒおよびＴｉは、Ａｌとの間でＬ１２型構造のＡｌ−（Ｚｒ、Ｔｉ）系金属間化合物（第二化合物相または析出相）を形成し、Ａｌ合金の高温特性を高める。この理由は次のように考えられる。前述した第一化合物相は、高温雰囲気に長時間曝されると、相変態や形状変化（粗大化）などを生じるため、必ずしも熱的に安定ではない。一方、第二化合物相は、母相に整合的であると共に、第一化合物相と母相の境界（界面）近傍に出現し、高温域まで安定している。このため、Ａｌ合金の強度や硬さを担う第一化合物相の高温時における相変態や形状変化等が第二化合物相により安定的に抑止（いわばピン留め）され得る。このように第一化合物相と第二化合物相が相乗的に作用することにより、本発明に係るＡｌ合金は優れた高温特性（耐軟化性、耐熱性）を発揮するようになったと考えられる。
【００３８】
Ｚｒは０．２〜１．５％さらには０．６〜１．２％含まれると好ましい。またＴｉは０．１５〜１．２％さらには０．３〜０．８％含まれると好ましい。ＺｒまたはＴｉが過少になると、上述した効果が乏しく、ＺｒまたはＴｉが過多になると、Ａｌ合金の展伸性や加工性が低下し得る。なお、ＺｒがＴｉよりも多く存在し、特にＴｉに対するＺｒの質量比（Ｚｒ／Ｔｉ）が１．１〜１．５さらには１．１５〜１．４であると、第二化合物相の形成によるＡｌ合金の高温特性の向上がより顕著となる。
【００３９】
さらにＭｇが０．２〜２．５％さらには０．６〜１．８％含まれると好ましい。Ｍｇは、Ａｌ合金の強度（特に室温強度）の向上に有効な元素である。Ｍｇが過少ではその効果が乏しく、過多ではＡｌ合金材の展伸性や加工性の低下を招く。
【００４０】
上述した内容を踏まえて、本発明に係るＡｌ合金は、Ｆｅ：２〜７％、Ｚｒ：０．２〜１．５％、Ｔｉ：０．１５〜１．２％、残部：Ａｌと不可避不純物からなる好ましい。また、Ｔｉに対するＺｒの質量比（Ｚｒ／Ｔｉ）：１．１〜１．５であると好ましい。さらにＡｌ合金は、Ｍｇ：０．２〜２．５％、その他の改質元素を含んでもよい。
【００４１】
「改質元素」は、Ａｌ、Ｆｅ、Ｚｒ、ＴｉおよびＭｇ以外の元素であって、Ａｌ合金の特性（強度、硬さ、靱性、延性、寸法安定性など）の改善に有効な元素である。具体例として、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｖ、Ｈｆ、Ｎｂなどがある。各元素の含有量は、通常、微量である。ちなみに、「不可避不純物」は、溶解原料中に含まれる不純物や各工程時に混入等する不純物などであって、コスト的または技術的な理由等により除去することが困難な元素であり、例えば、シリコン（Ｓｉ）等である。
【００４２】
（２）金属組織
本発明に係るＡｌ合金は、Ａｌの母相（α相）と、Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物相（第一化合物相）と、Ａｌ−（Ｚｒ、Ｔｉ）系金属間化合物（第二化合物相）を少なくとも有する複合組織からなると好ましい。
【００４３】
特に、第二化合物相はナノ粒子状であり、その中央部でＺｒ濃度が高く、その外郭部でＴｉ濃度が高くなっていると好ましい。つまり、Ａｌ３（Ｚｒ、Ｔｉ）中のＺｒおよびＴｉの濃度が、中央から外殻にかけて傾斜していると好ましい。このような第二化合物相は、質量比（Ｚｒ／Ｔｉ）が上述した範囲内にあるときに形成され易い。
【００４４】
第二化合物相の平均サイズは、１〜３０、２〜２０ｎｍさらには３〜１５ｎｍであると好ましい。このサイズが過小でも過大でも、第二化合物相によるＡｌ合金の高温特性の向上効果が低下し得る。なお平均サイズとは、Ａｌ合金中より無作為に抽出したサンプルを透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察し、３０個以上の分散する第二化合物相の平均直径を画像処理法により解析して求まる。
【００４５】
本発明に係るＡｌ合金（さらには展伸材）は、上述したように微細な金属組織からなり、高温特性に優れると共に、広い温度域で高い塑性加工性も発揮し得る。例えば、加工温度：室温（ＲＴ）〜４００℃、加工率：１０〜９０％とすることも可能である。従って、本発明のピストンは、強度や耐久性等のみならず、生産性や設計自由度等にも優れたものである。
【００４６】
《展伸材の製造》
本発明に係る展伸材は、例えば、次のようにして得られる。先ず、上述したＡｌ合金組成に調製された合金溶湯を１００℃／秒以上の冷却速度で急冷凝固させて凝固体（粉末、薄片等）を得る。この凝固体からなる所望形状の成形体（ビレット）を、３００〜５００℃で熱間塑性加工する。こうして本発明に係る展伸材が得られる。なお、ここでいう熱間塑性加工（展伸加工）は、例えば、押出、引抜、圧延、据込み等である。
【００４７】
こうして得られた展伸材（素材）に対して、さらに鍛造等の塑性加工を施してもよい。このときの塑性加工は冷間加工でも熱間加工でもよい。特に本発明に係るＡｌ合金は上述したように高温特性に優れるため、その加工温度は室温〜４５０℃の範囲で調整可能である。さらに、そのときの加工率も１０〜９０％の範囲で調整可能である。鍛造ピストン等を成形する場合であれば、鍛造性と機械的特性の確保を考慮して、鍛造温度：１５０〜４００℃、加工率：４０〜８０％とすると好ましい。
【００４８】
《用途》
本発明によれば、複雑な形状の部材（特に鍛造部材）も比較的容易に得ることができる。例えば、第１部材と第２部材を接合することにより、塑性加工や機械加工では形成困難な中空部（特に、少なくとも一部が閉空間となっている中空部）を有する中空部材（接合部材）の提供も可能である。なお、接合部材中に形成される中空部（後述するクーリングチャンネルについても同様）は、複数でもよい。複数の中空部は、その少なくとも一部が連通状態でもよいし、その全部が孤立状態でもよい。
【００４９】
そのような中空部材として、例えば、クーリングチャンネル（中空部）を有するピストンがある。鍛造材からなる本体（第１部材）と環体（第２部材）をＦＳＷして、クーリングチャンネル付き鍛造ピストンを製造する様子を図６に示した。
【００５０】
なお、このようなクーリングチャンネル付き鍛造ピストンは、火花点火機関（ガソリンエンジン等）または圧縮着火機関（ディーゼルエンジン）のいずれに組み込まれてもよい。敢えていうなら、ピストンの頂面温度が上昇傾向にあるディーゼルエンジンに用いられると好適である。
【実施例】
【００５１】
一対のＡｌ合金の板材（展伸材／被接合部材）をＦＳＷにより突合接合した試料（接合部材）を製造し、その機械的特性、接合部近傍の硬さ分布または金属組織等を評価した。こうして得られた結果に基づいて、本発明をさらに詳しく説明する。
【００５２】
《被接合部材》
（１）突合接合する被接合部材として、以下に示す合金組成の板材（押出材）を用意した。なお、成分組成は、Ａｌ合金全体を１００質量％として示した（以下同様）。
合金１：Ａｌ―５％Ｆｅ―１％Ｚｒ―０．８％Ｔｉ―１．５％Ｍｇ
【００５３】
板材の具体的な製造過程は次の通りである。先ず、上記組成のＡｌ合金の溶湯を調製した（溶湯調製工程）。この合金溶湯を真空雰囲気中に噴霧してエアアトマイズ粉末（凝固体）を得た（凝固工程）。得られたエアアトマイズ粉末の粒子（アトマイズ粒子）を分級して粒径：１５０μｍ以下のアトマイズ粉末を得た。ちなみに、エアアトマイズにより得られる粉末粒子のサイズと冷却速度の関係は公知であり、上記アトマイズ粉末は１０４℃／秒以上の冷却速度で急冷凝固された粒子といえる。
【００５４】
アトマイズ粉末を冷間静水等方圧プレス成形（ＣＩＰ）して、φ２００ｍｍ×２５０ｍｍ、相対密度８５％のビレット（原素材）を得た。このビレットを押出成形機のコンテナ内に装填し、３７０℃で押出成形した（熱間塑性加工）。このときの押出比（押出前の断面積／押出後の断面積）は１０とした。こうして得られた押出材（展伸材）を、６００ｔｏｎ油圧プレス機を用いて熱間鍛造（３５０℃）した。こうして所望形状の板材（鍛造材）を得た（鍛造工程）。
【００５５】
（２）比較試料に用いる被接合部材として、次に示すＡｌ合金からなる板材（市販のＪＩＳ規格品）も用意した。いずれも押出材等に用いられる代表的な熱処理型Ａｌ合金である。
合金Ｃ１  ：Ａ６Ｎ０１（Ａ６００５Ｃ）Ｔ１
合金Ｃ２  ：Ａ６Ｎ０１Ｔ６
合金Ｃ３  ：Ａ６０２２Ｔ６
【００５６】
《ＦＳＷ》
各種の被接合部材を図１Ａ、図１Ｂ（両者を併せて単に「図１」という。）に示す接合装置Ｄを用いて行った。接合装置Ｄは、図１Ａに示すように、接合される一対の被接合部材であるワークＷ１、Ｗ２（両者を併せて単に「ワークＷ」という。）の外側端面に当接してワークＷの被接合端面を突合せた状態に保持するガイド２１、２２と、ワークＷの被接合端面を突合せてできた被接合ラインｌの両端部でワークＷを拘束するクランプ３１、３２と、接合ツール１（単に「ツール１」という。）と、ツール１と反対側に配設されてワークＷを裏面側から支持する裏板４とからなる。
【００５７】
ツール１は、図１Ｂに示すように、プローブ１１と、ショルダー１２と、シャンク１３とが一体となっている。プローブ１１には逆ネジが形成されている。シャンク１３は、ＦＳＷ装置（図略）のツールホルダーに取付けられる。ＦＳＷ装置は、ツール１を回転させつつワークＷへ押し込む。これによりプローブ１１は回転しつつワークＷの被接合ラインｌへ埋入する。そしてＦＳＷ装置は、ワークＷの最表面に対して前進角（θ）だけ傾斜させた状態で、ツール１を被接合ラインｌに沿って移動させる。こうしてツール１が移動した軌跡に沿って接合部が形成され、ワークＷは接合される。
【００５８】
本実施例では、特に断らない限り、プローブ：Ｍ５×５（ｍｍ）、ショルダー：φ１２ｍｍ、前進角（θ）：３°、ショルダーの押込量（ｔ）：０．２ｍｍ、ツール回転数：１５００ｒｐｍ、送り速度：１００ｍｍ／ｍｉｎ、被接合長：５０ｍｍ、各被接合部材：２０×１００×４（ｍｍ）とした。また、裏板は被接合部材と同材質とした。
【００５９】
《高温特性》
合金１からなる板材（ワークＷ）をＦＳＷ装置を用いて接合した。こうして得られた接合部材（試料１）から接合部を中央に配置した引張試験片を切り出し、各温度域における機械的特性（引張強さ、０．２％耐力、破断伸び）を測定した。この結果を図２Ａ〜図２Ｃ（各図を併せて単に「図２」という。）に示した。参考に、合金１からなる板材自体（母材）の各温度域における機械的特性も、各図に併せて示した。
【００６０】
図２Ａおよび図２Ｂから明らかなように、３００℃以上では、試料１の強度は母材自体の強度とはほぼ同じになった。３００℃未満のときでも、試料１の強度は母材の強度の８０〜９０％となっていた。従って、試料１は、低温域でも高温域でも、十分な強度を発揮することがわかった。
【００６１】
また図２Ｃから明らかなように、試料１の伸びは母材の伸びに対して、全温度域で約２倍程度になった。従って、試料１は低温域から高温域にかけて、高延性となることもわかった。
【００６２】
《ツール回転数と継手効率》
合金１からなる板材を、ツール回転数：１０００ｒｐｍ、１５００ｒｐｍまたは２０００ｒｐｍとして接合した。各接合部材について、接合部の硬さと母材の硬さをそれぞれ室温（常温）中で測定した。接合部の硬さは、接合中心上にある深さ方向（板厚方向）の中央位置で測定した。母材の硬さは、その接合部の影響が及んでいない位置（例えば、接合中心から２０ｍｍ離れた位置）で測定した。こうして得られた結果を図３に示した。
【００６３】
図３から明らかなように、ツール回転数を小さくするほど、接合部の硬さおよび継手効率を大きくできることがわかった。この結果から、例えば、ツール回転数：７５０〜１２５０ｒｐｍと好ましいといえる。
【００６４】
《硬さ分布》
合金１、合金Ｃ１〜Ｃ３からなる板材（ワークＷ）をＦＳＷ装置で接合した各試料について、接合中心近傍における硬さ分布を室温域で測定した。この結果を図４Ａおよび図４Ｂ（両者を併せて単に「図４」という。）に示した。合金１からなる試料は、他の試料と比較して、熱影響部が遙かに小さく、接合部における硬さも十分に高く、母材に対する硬さの低下も僅かとなることがわかった。
【００６５】
特に図４Ｂから明らかなように、ＦＳＷに依る影響範囲（換言すると、母材強度の低下範囲）は、合金Ｃ３に係る試料：接合中心から片側約１５ｍｍに対して、合金１に係る試料：接合中心から片側約５ｍｍとなった。従って、合金１を用いると、従来のＡｌ合金を用いる場合よりも、ＦＳＷの影響範囲（接合中心に直交する方向幅）を１／３程度にできるといえる。
【００６６】
さらに、プローブ径（ｄ：５ｍｍ）を考慮すると、ＦＳＷの影響範囲は、合金１に係る試料：約２ｄ、合金Ｃ３に係る試料：約６ｄともいえる。従って、合金１を用いると、ＦＳＷの影響範囲（接合中心に直交する方向幅）を、接合中心の中央位置の幅で、１ｄ〜４ｄさらには１．５〜３ｄ程度に抑制できるともいえる。
【００６７】
《組織観察》
合金１からなる試料について、接合部近傍の断面を金属顕微鏡で観察した。この様子を図５Ａに示した。また、その接合中心の中央部と母材を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。それらのＳＥＭ像を図５Ｂに示した。
【００６８】
先ず、図５Ａから明らかなように、合金１からなる試料の場合、接合部に形成された撹拌部とプローブ挿入域とがほぼ一致することがわかった。これは、合金１からなる母材が優れた高温強度を有するためと考えられる。
【００６９】
次に、図５Ｂから明らかなように、接合部は母材に対して、化合物相（写真中の白い部分）が微細化していることがわかる。このような組織の微細化が、合金１からなる試料が高い延性を発現する要因と考えられる。
【００７０】
以上の具体例から、本発明に係るＡｌ合金からなる接合部材は、継手効率が高く、高温特性にも優れるものであり、例えば、クーリングチャンネル付き鍛造ピストン等に好適であることが確認された。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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