(57)【要約】【目的】アルミニウムフォームＡＦに面材ＦＭを拡散接合することにより、緻密金属材料と同様な加工性，施工性のサンドイッチ構造体を得る。【構成】無数の気泡が内部に分散しているアルミニウムフォームＡＦの両面又は片面に微細粒超塑性材料を面材ＦＭとして重ね合わせ、微細粒超塑性材料を塑性変形させる圧縮応力Ｐ（好ましくは、０．１〜０．４ＭＰａ）を加えながらアルミニウムフォームＡＦ／面材ＦＭの界面を加熱し、面材ＦＭをアルミニウムフォームＡＦに拡散接合する。【選択図】　　　　図２
2004136357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無数の気泡が内部に分散しているアルミニウムフォームの両面又は片面に緻密な微細粒組織をもつ超塑性材料を面材として重ね合わせ、面材を塑性変形させる圧縮応力を加えながらアルミニウムフォーム／面材の界面を加熱し、アルミニウムフォームと面材を拡散接合することを特徴とするアルミニウムフォーム製サンドイッチ構造体の製造方法。
【請求項２】
アルミニウムフォーム，面材を５００〜５５０℃に加熱しながら０．１〜０．４ＭＰａの圧縮応力を加える請求項１記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、軽量性，耐熱性，断熱性，不燃性に優れたアルミニウムフォームの特性を活用したサンドイッチ構造体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
メタルフォームは、内部に無数の気泡が含まれた軽量構造材であり、セラミックスフォーム，発泡スチロール等の非金属発泡体に比較して耐熱性，不燃性に優れ、塑性変形による衝撃エネルギの吸収量が非常に大きなことも長所である。なかでも、アルミニウムフォームは、軽量で鉄鋼に比較して低温での製造・加工が可能なことから、軽量性が要求される宇宙・航空機器を始めとする各種構造材としての用途展開が期待されている。
【０００３】
アルミニウムフォームは、切削，曲げ，圧延等の加工性に優れているものの、接合性が通常の緻密金属材料より劣っている。たとえば、溶接法でアルミニウムフォームを接合すると、部分的な溶解によって体積が減少しセル構造が失われてしまい、発泡体の長所が消失する。そのため、アルミニウムフォームの組立作業にリベット接合が採用されているが、発泡体であることから接合個所によっては緩みが生じる場合もある。ろう付け，接着等でアルミニウムフォームを接合する方法も知られているが、接合体の使用上限温度がろう材や接着剤で制約される。アルミニウムフォームの主要な用途が断熱構造材であることを考慮すると、使用上限温度に制約のない接合法が望まれる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
使用上限温度に制約のない接合法として拡散接合が考えられるが、拡散接合に際し接合界面にある酸化皮膜の破壊に必要な塑性変形を得るため大きな圧縮応力が必要である。通常の緻密金属材料は大きな圧縮応力に耐えることができるが、壊れやすいセル構造をもつアルミニウムフォームに対し接合に必要な圧縮応力を印加できない。
【０００５】
そこで、本発明者等は、アルミニウムフォームの特性を損なわない拡散接合法として、緻密で微細粒組織をもつ超塑性材料（以下、微細粒超塑性材料という）をインサートに使用する方法を紹介した（日本金属学会秋期大会講演概要（２０００）第４１８頁）。低応力下での歪み量が大きい微細粒超塑性材料を接合界面に介在させて圧縮応力を加えると、微細粒超塑性材料の塑性変形に伴ってアルミニウムフォームのセル壁がクサビとなって微細粒超塑性材料に押し込まれ、クサビの先端でセル壁と微細粒超塑性材料が接合される。接合部も、当初のアルミニウムフォームに比較して６０％程度の曲げ強度を呈する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、微細粒超塑性材料をインサートに使用する拡散接合法を発展させたものであり、アルミニウムフォームの表層に微細粒超塑性材料を拡散接合してセル構造を緻密な金属材料で覆うことにより、通常の緻密金属材料と同様な加工，施工が可能なサンドイッチ構造体を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の製造方法は、その目的を達成するため、無数の気泡が内部に分散しているアルミニウムフォームの両面又は片面に微細粒超塑性材料を面材として重ね合わせ、微細粒超塑性材料を塑性変形させる圧縮応力を加えながらアルミニウムフォーム／面材の界面を加熱し、アルミニウムフォームと面材を拡散接合することを特徴とする。
【０００８】
超塑性加工条件が温度Ｔ，応力σの面材を気孔率ｆのアルミニウムフォームに面材を拡散接合する場合、接合条件が温度Ｔ，圧縮応力Ｐ＝（１−ｆ）・σに設定される。具体的には、互いに重ね合わせたアルミニウムフォーム，面材を５００〜５５０℃に加熱しながら０．１〜０．４ＭＰａの圧縮応力を加える。
【０００９】
【実施の形態】
本発明では、サンドイッチ構造体の芯材に平板状のアルミニウムフォームＡＦを用い、微細粒超塑性材料で作製された面材ＦＭをアルミニウムフォームＡＦの両面又は片面に重ね合わせ、支軸１ｕ，１ｄの先端に固定した押え金具２ｕ，２ｄでアルミニウムフォームＡＦ／面材ＦＭの積層体に圧縮応力を加えながら、高周波コイル３でアルミニウムフォームＡＦ／面材ＦＭの界面を誘導加熱する（図１）。電気炉，赤外線イメージ炉等の加熱手段も採用可能であるが、高周波コイル３を用いた誘導加熱では面材ＦＭが優先的に加熱され、アルミニウムフォームＡＦのダメージも少ない。
【００１０】
アルミニウムフォームＡＦとしては、たとえば水素化チタン（ＴｉＨ２）粉末を発泡剤としてアルミニウム溶湯に添加し、溶湯段階又は凝固段階で発泡反応を生起させ、発生した気泡を内部に分散させた発泡体が使用される。アルミニウム溶湯を不活性ガスでバブリングする方法，アルミニウム粉末及び水素化チタン粉末を圧粉・加熱する方法，水素ガスを吸蔵したアルミニウム溶湯を一方向凝固でポーラス化する方法等によってもアルミニウムフォームＡＦが用意される。
【００１１】
アルミニウムフォームＡＦは、高純度アルミニウムに限らず、必要に応じて種々の合金成分を添加したアルミニウム合金でもよい。この種の合金成分には、Ｓｉ：０．３〜０．７質量％，Ｍｇ：０．３〜０．９質量％，Ｆｅ：０．１〜０．５質量％を含むＤｕｏｃｅｌフォームや６〜９質量％のＳｉを含むＡｌ−Ｓｉ亜共晶合金フォーム等がある。発泡剤として、水素化チタンの他に、水素化ジルコニウムや高分子系発泡剤等も使用できる。
【００１２】
面材ＦＭに使用される微細粒超塑性材料は、僅かな圧縮応力によって大きな歪み量が得られる金属材料であり、アルミニウムフォームＡＦとの間で拡散しやすい金属元素を含んでいる。具体的には、Ｍｎ：０．４０〜１．０質量％，Ｍｇ：４．０〜４．９質量％，Ｃｒ：０．０５〜０．２５質量％を含むＡｌ合金（たとえば、５０８３），Ｚｎ：５．２〜５．６質量％，Ｍｇ：２．１〜２．５質量％，Ｃｕ：１．０〜１．６質量％を含むＡｌ合金（たとえば、７４７５），Ｃｕ：５．８〜６．０質量％，Ｚｒ：０．４〜０．５質量％を含むＡｌ合金（たとえば、Ｓｕｐｒａｌ　１００），Ｌｉ：２．４〜２．５質量％，Ｃｕ：１．０〜１．４質量％，Ｍｇ：０．６〜０．７質量％を含むＡｌ合金（たとえば８０９０）等の圧延材が使用される。
【００１３】
アルミニウムフォームＡＦ／面材ＦＭの積層体に加えられる圧縮応力Ｐは、アルミニウムフォームＡＦのセル構造を破壊することなく微細粒超塑性材料製面材ＦＭを塑性変形させる範囲に設定される。具体的には、アルミニウムフォームＡＦや面材ＦＭの材質にもよるが、接合温度５００〜５５０℃で０．１〜０．４ＭＰａの範囲に圧縮応力Ｐを設定すると、セル構造の破壊なく必要な塑性歪み量が得られる。０．１〜０．４ＭＰａの圧縮応力Ｐにより、接合界面の面材ＦＭに加えられる局部応力が超塑性変形を起こすに十分な値Ｐ／（１−ｆ）になる。過剰な圧縮応力ＰはアルミニウムフォームＡＦのセル構造を破壊する原因となり、過小の圧縮応力Ｐでは拡散接合に必要な歪み量が不足するので、０．１〜０．４ＭＰａの範囲で圧縮応力Ｐを適正管理することが重要である。
【００１４】
圧縮応力Ｐによって面材ＦＭを塑性変形させ、アルミニウムフォームＡＦの表面が活性化される。この状態でアルミニウムフォームＡＦ／面材ＦＭの界面を加熱すると、アルミニウムフォームＡＦと面材ＦＭとの間で金属元素の拡散が促進され、面材ＦＭがアルミニウムフォームＡＦに拡散接合する。拡散接合に有効な拡散反応を得る上では、アルミニウムフォームＡＦや面材ＦＭの材質にもよるが面材ＦＭが５００〜５５０℃の温度域となるように高周波コイル３の入力を調整する。低すぎる加熱温度では拡散反応が遅延し、必要強度の接合部が得られるまでに時間がかかる。逆に高すぎる加熱温度では、アルミニウムフォームＡＦ，面材ＦＭの材質劣化をもたらす熱影響が現れやすくなる。
【００１５】
加圧・加熱状態は、圧縮応力Ｐ，加熱温度に応じて変わるが好ましくは１０〜３０分維持される。この間にアルミニウムフォームＡＦと面材ＦＭとの間で十分な拡散反応が進展し、強度の高い接合部が得られる。拡散接合の完了は、面材ＦＭの圧縮変位から判定することも可能である。
作製されたサンドイッチ構造体は、アルミニウムフォームＡＦ（芯材）の表層に緻密な面材ＦＭが接合されているので、アルミニウムフォームＡＦの軽量性，耐熱性，断熱性，不燃性を損なうことなく、従来の緻密金属材料と同様に加工，施工できる。
【００１６】
【実施例】
純度９９．０質量％以上の工業用純アルミニウムを溶解し、７２０℃のアルミニウム溶湯を用意した。増粘剤として１．６質量％のＣａをアルミニウム溶湯に加えて攪拌した後、１．０質量％の水素化チタン粉末を添加し攪拌した。攪拌停止後に降温速度５℃／分でアルミニウム溶湯を自然冷却させると、水素化チタン粉末の分解によって発生した水素ガスがアルミニウム中に閉じ込められ、マトリックスに気泡が均一分散したクローズドセル型フォームが作製された。
得られたアルミニウムフォームＡＦは、相対密度が０．１６でセルサイズが２〜４ｍｍであった。アルミニウムフォームＡＦから放電加工により高さ１０ｍｍ，直径５０ｍｍのディスク状被接合体を切り出した。
【００１７】
面材ＦＭとしての微細粒超塑性材料には、Ｍｇ：４．７質量％，Ｍｎ：０．６５質量％，Ｃｒ：０．１３質量％，Ｆｅ：０．０４質量％，Ｓｉ：０．０４質量％，Ｔｉ：０．０３質量％を含む板厚１ｍｍの超塑性５０８３アルミニウム合金圧延材を使用した。アルミニウム合金圧延材を直径５０ｍｍの円盤状に切り出し、面材ＦＭを用意した。
【００１８】
アルミニウムフォームＡＦ，面材ＦＭの接合界面を化学研磨した後、アルミニウムフォームＡＦの表裏両面に面材ＦＭを重ね合わせ、下方押え金具２ｄに載置し、上方押え金具２ｕを対向させた。下方押え金具２ｄ上のアルミニウムフォームＡＦ，面材ＦＭの周囲には、加熱源である高周波コイル３を配置した。高周波コイル３には、面材ＦＭを優先加熱するために中心部の間隔が広くなっているコイルを使用した。真空雰囲気下、圧縮応力Ｐ：０．３５ＭＰａでアルミニウムフォームＡＦ，面材ＦＭを加熱しながら５５０℃に加熱した。試料全体の圧縮変位が１ｍｍに達した時点で加圧・加熱を中止し、室温まで放冷した。
【００１９】
冷却後にアルミニウムフォームＡＦ／面材ＦＭの界面を観察したところ、界面接合層を介しアルミニウムフォームＡＦの表層に面材ＦＭが拡散接合されていた（図２）。接合界面は、アルミニウムフォームＡＦのセル壁が面材ＦＭに食い込み、部分的に消失していた。セル壁が食い込んだ部分では、面材ＦＭが優先的に塑性変形していた。アルミニウムフォームＡＦは、セル壁が薄い個所で僅かに座屈していたものの、大部分の領域で接合前のセル構造を維持していた。面材ＦＭからアルミニウムフォームＡＦへのＭｇ拡散も、エネルギー分散型Ｘ線分析装置による定量分析の結果から検出された。
【００２０】
面材ＦＭがアルミニウムフォームＡＦに接合されたサンドイッチ構造体から放電加工で一辺１０ｍｍの試験片を切り出し、室温引張試験に供した。室温引張試験では、治具に接着剤で固定した試験片を０．５ｍｍ／分のクロスヘッドスピードで引っ張り、応力−歪み曲線を求めた。図３の結果にみられるように、拡散接合で得られたサンドイッチ構造体は、降伏前に接合界面で脆性破断し、破断応力は１．０ＭＰａであった。同じ断面積のアルミニウムフォームＡＦの引張強さが３．１ＭＰａであることから、アルミニウムフォームＡＦ／面材ＦＭの接合強度を３２％と評価できる。
【００２１】
【発明の効果】
以上に説明したように、微細粒超塑性材料を面材ＦＭとしてアルミニウムフォームＡＦに重ね合わせた状態で加圧・加熱するとき、僅かな圧縮応力Ｐで面材ＦＭが大きく歪み、アルミニウムフォームＡＦのセル壁が微細粒超塑性材料に食い込む。セル壁が食い込んだ個所を起点に拡散反応が進行するため、アルミニウムフォームＡＦのセル構造を破壊することなく、良好な接合強度で面材ＦＭがアルミニウムフォームＡＦに拡散接合される。
【００２２】
製造されたサンドイッチ構造体は、拡散反応で接合界面が形成されているため、ろう付けや接着等に比較して使用上限温度に加わる制約が大幅に緩和される。また、緻密な微細粒超塑性材料が面材として表層にあるため、種々の加工や施工時の固定部形成等が容易となり、軽量性，耐熱性，断熱性，不燃性を活かした構造部材として広範な分野で使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】アルミニウムフォームを面材に拡散接合する説明図
【図２】拡散接合されたサンドイッチ構造体の断面顕微鏡写真
【図３】サンドイッチ構造体の応力−歪み曲線をアルミニウムフォームと対比したグラフ
【符号の説明】
ＡＦ：アルミニウムフォーム　　ＦＭ：微細粒超塑性材料でできた面材
１ｕ，１ｄ：支軸　　２ｕ，２ｄ：押え金具　　３：高周波コイル
【図１】
2004136357.tif 000003
【図２】
2004136357.tif 000004
【図３】
2004136357.tif 000005