(57)【要約】【課題】  高品質のアルミニウム合金製積層金型を低コストで製造可能な方法の提供。【解決手段】  ろう付け接合すべき複数のアルミニウム合金板の重ね合わせ界面に、予めＡｌ−高Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材薄板を含む薄合わせ板材を挿入して重ね合わせた板材を、板厚方向に加圧した状態で、大気中無フラックスにおいて、ろう材の液相線温度以上、かつろう材以外のアルミニウム合金各部材の固相線温度の内の最低値を超えない温度範囲に加熱して、アルミニウム合金板同士を重ねろう付けする積層金型の製造方法において、前記加圧のトルク量Ｔｑが、ろう材板厚ｔとの関係において次式（１）を満足する範囲とすることを特徴とするアルミニウム合金積層金型の製造方法。  −Ｔｑ＋２０＜ｔ＜−３Ｔｑ＋１００  ・・・（１）（式中、Ｔｑの単位はＮ・ｍであり、ｔの単位はμｍである。）【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ろう付け接合すべき複数のアルミニウム合金板の重ね合わせ界面に、予めＡｌ−高Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材薄板を含む薄合わせ板材を挿入して重ね合わせた板材を、板厚方向に加圧した状態で、大気中無フラックスにおいて、ろう材の液相線温度以上、かつろう材以外のアルミニウム合金各部材の固相線温度の内の最低値を超えない温度範囲に加熱して、アルミニウム合金板同士を重ねろう付けする積層金型の製造方法において、前記加圧のトルク量Ｔｑが、ろう材板厚ｔとの関係において次式（１）を満足する範囲とすることを特徴とするアルミニウム合金積層金型の製造方法。
−Ｔｑ＋２０＜ｔ＜−３Ｔｑ＋１００  ・・・（１）
（式中、Ｔｑの単位はＮ・ｍであり、ｔの単位はμｍである。）
【請求項２】
前記薄合わせ板材が、（１）融点が６００℃以下のろう材からなる芯材と、その両側に芯材より融点の高いアルミニウム合金の皮材からなる３層構造、又は（２）芯材の両側に融点が６００℃以下のろう材からなる中間材と、さらにその両側に皮材からなり、該芯材及び該皮材は、該中間材より融点の高いアルミニウム合金からなる５層構造、又は（３）前記５層構造の芯材を省略し、ろう材からなる中間材を芯材化した３層構造のいずれかの層構造のブレージングシートからなることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金積層金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低コストで接合性に優れたアルミニウム合金製積層金型の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
積層金型法は、ＣＡＤデータに基づき予め所定の形状に切断したアルミニウム合金板を多層に積層接合して最終の金型形状に近いブロックを製作し、その後最終形状に面削仕上げするものであり、従来の大型ブロック塊を一から最終形状まで削り出す方法に比べ効率的であり、かつブロック内部に水、空気等の冷却媒体流路を同時に形成することが可能であり、従って従来不可能に近かったものが製作可能となった。このため、積層金型に関しては、近年各分野で鋭意検討がなされている（例えば、特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特許第３１０１８０６号公報
【特許文献２】特開２００２−１８５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この積層金型用の金属材料としては、鉄系、アルミ系、銅系、亜鉛系の合金があるが、アルミ系用の合金としての要求特性は高強度でかつ接合性に優れたことが挙げられる。
このうち、高強度に関しては、ろう付け可能な高強度アルミ合金（Ａｌ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系等）を使用することで対応可能であるが、接合性に関しては、低コストで高品質なものが得られていない。
【０００４】
この課題を解消するため、本発明者等は、大気中無フラックス重ね加圧ろう付け法に着目した。この方法は、基本的に本発明者の一人がアルミニウム合金板の大気中重ねろう付け法改良の研究中の発見に基づく発明であり、その詳細は特許文献２に開示されている。これを要約すれば、ろう付け接合すべき複数のアルミニウム合金板、即ち母材の重ね合わせ界面に、予めろう材板を含むアルミニウム薄合わせ板材を挿入し、重ね合わせた板材全体を板厚方向に加圧した状態で、大気中無フラックスで、ろう材の液相線温度以上、かつろう材以外のアルミニウム合金各部材の固相線温度の内の最低値を超えない温度範囲に加熱することからなるものであり、高価な設備、あるいは不活性ガスやフラックスを必要とせず低コストが期待される方法である。
【０００５】
しかしながら、このろう付け法を積層金型の製造に適用する場合には、新たにクリアすべき課題があった。
即ち積層金属ブロックでは、冷却水路や空気抜き用の微小孔の内部通路を形成させる必要があるが、この微小孔に重ね部に配したブレージングシートのろうが荷積み出して埋めてしまったり、最終の金型形状に近いブロックを作製する際に外面に過剰のろうが滲み出して固まり、その後最終形状に面削仕上げするのに工数が余計にかかるなどの積層金属板特有の事情があった。
また過剰ろうの滲み出しを防止するためにブレージングシートのろう厚さを厳しく制御した場合には、ろう厚さを薄くしすぎると、ろう付け接合性が低下してしまい、ろう厚さ制御だけでは適性範囲が狭く、滲み出し防止と良好なろう付けとを安定して両立させることが難しかった。
【０００６】
本発明は前記事情に鑑みてなされ、高品質のアルミニウム合金製積層金型を低コストで製造することが可能な製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明は、ろう付け接合すべき複数のアルミニウム合金板（母材）の重ね合わせ界面に、予めＡｌ−高Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材薄板を含む薄合わせ板材を挿入して重ね合わせた板材を、板厚方向に加圧した状態で、大気中無フラックスにおいて、ろう材の液相線温度以上、かつろう材以外のアルミニウム合金各部材の固相線温度の内の最低値を超えない温度範囲に加熱して、アルミニウム合金板（母材）同士を重ねろう付けする積層金型の製造方法において、前記加圧のトルク量Ｔｑが、ろう材板厚ｔとの関係において次式（１）を満足する範囲とすることを特徴とするアルミニウム合金積層金型の製造方法を提供する。。
−Ｔｑ＋２０＜ｔ＜−３Ｔｑ＋１００  ・・・（１）
（式中、Ｔｑの単位はＮ・ｍであり、ｔの単位はμｍである。）
【０００８】
本発明はさらに、前記薄合わせ板材が、（１）融点が６００℃以下のろう材からなる芯材と、その両側に芯材より融点の高いアルミニウム合金の皮材からなる３層構造、又は（２）芯材の両側に融点が６００℃以下のろう材からなる中間材と、さらにその両側に皮材からなり、該芯材及び該皮材は、該中間材より融点の高いアルミニウム合金からなる５層構造、又は（３）前記５層構造の芯材を省略し、ろう材からなる中間材を芯材化した３層構造のいずれかの層構造のブレージングシートからなることを特徴とする前記アルミニウム合金積層金型の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、積層金型の製造方法において、ろう付け前の積層部材を締め付け治具に挟んで該締め付け治具をボルト締めして締め付け体とし、該締め付け体を大気炉に入れて加熱し、ろう付け加工する際に、締め付け体のボルト締めのトルク量ＴｑとＡｌ−高Ｓｉ−Ｍｇ系合金の板厚ｔとが次式（１）
−Ｔｑ＋２０＜ｔ＜−３Ｔｑ＋１００  ・・・（１）
（式中、Ｔｑの単位はＮ・ｍであり、ｔの単位はμｍである。）
を満足する範囲とすることによって、十分なろう付け接合性を確保しつつ、ろう材の滲み出しを抑制することができ、接合性に優れた高品質のアルミニウム合金製積層金型を低コストで製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の骨子は特殊構造のブレージングシートを使用して大気中で無フラックスろう付け法を用い、ろうの滲み出しと接合性を両立させるためのクランプ条件及びろう材板厚の最適組み合わせを行って高品質の積層金型を低コストで製造することにある。
【００１１】
Ａｌ−高Ｓｉ−Ｍｇ系合金の板厚ｔは前記式（１）を満たす範囲が望ましい。ｔがこの範囲の下限より小さいと、ろう付けの接合が十分でなくなり、一方ｔがこの範囲の上限を超えると、ろうが過剰になって微小孔にろうが滲み出して埋めてしまったり、加熱後の締め付け体の表面に過剰ろうが滲み出してくるなどの問題を生じることになる。
【００１２】
本発明の方法では、この式（１）で示されるように、過剰ろうの発生はろう材厚さと加圧程度の関係で制御する。本発明の方法において、所期の接合結果を得るためには、重ね合わせた板材を、板厚方向に加圧した状態で大気中無フラックスで特定の温度範囲に加熱することを特徴とするが、前記加圧手段としては、例えば耐熱鋼板の間に挟持し、ボルト締め付け、あるいは油圧、空気圧等一般に利用されている各種の加熱手段が使用される。いずれの加圧手段にあっても、加圧トルクが前記（１）式を満たす範囲に調整されることが重要である。
【００１３】
母材用のアルミ合金としては、ＪＩＳＡ３００３，同３２０３，同３００４，同５００５，同５Ｎ０１，同６９５１，同６０６１，同６０６３，６Ｎ０１，７Ｎ０１等が挙げられる。
母材の板厚は特に制約がなく、金型の形状によって適宜選択すればよいが、通常は１〜１０ｍｍの範囲が多く用いられる。
【００１４】
クラッド材の表面皮材及び芯材に用いるアルミニウム又はその合金としては、特に限定はないが、例えばＪＩＳＡ１０７０，同１０５０，１１００，同１２００，同３００３，同３２０３，同３００４，同５００５，同５Ｎ０１，同６９５１，同６０６１，同６０６３，６Ｎ０１，７Ｎ０１等が挙げられる。
【００１５】
その皮材クラッド率は、５層構造、３層構造とも１〜１０％の範囲が好ましく、またろう材クラッド率は５層構造では５〜２０％の範囲が好ましい。
これは、皮材が１％未満では厚みの制御管理が難しくなり、また圧延途中で皮材が剥がれる等の問題があり、１０％を超えると、ろうが溶融時に滲み出し難くなる。
【００１６】
本発明の接合に使用されるろう材としては、Ａｌ−高Ｓｉ−Ｍｇ系合金又はこの合金に更にＺｎ，Ｃｕ，Ｂｉからなる群から選択される１種以上を添加したろう材を用いるのは、以下の理由による。
【００１７】
Ｓｉは、アルミニウム合金ろう材として必須の合金元素であって、ろう材の融点を低下させ、溶融ろうの流動性を良好にする作用を有する。その添加含有量は６．０〜１３．０％の範囲が好ましい。
【００１８】
Ｍｇは、重ね継手界面でのろうの濡れ広がり性を促進する。その添加含有量は０．１〜５％の範囲が好ましい。Ｍｇの添加含有量が０．１％未満では、ろうの漏れ広がり性を促進する効果が十分に得られず、また５％を超えると促進効果が飽和して無意味になる。
【００１９】
Ｂｉは、Ｍｇの機能を補助する作用があり、特にＭｇ含有母材に対して有効であり、その添加含有量は０．０１〜０．３％の範囲が好ましい。
ＣｕとＺｎは、ろう材の融点を低下させる働きがあり、その添加含有量は０．５〜１０．０％の範囲が好ましい。
【００２０】
クラッド材の板厚としては、前記クラッド率及びろう厚さを満たせばよく、特に制約はないが、５層構造の場合には通常０．１〜２．０ｍｍであればよく、３層構造の場合では０．０１〜０．１ｍｍの範囲が好ましい。
【００２１】
次に、図面を参照して本発明の方法の一例を説明する。
図１は多数のブレージングシート３…とアルミ合金の母材２…とを交互に積層することによって形成される、ろう付け前の積層部材１を例示する断面図である。この積層部材１には、所望形状の中空孔４が設けられている。
【００２２】
図２は、この積層部材１に用いるブレージングシート３の構造を例示する断面図であり、図２（Ａ）は５層構造のブレージングシート３を示す断面図、（Ｂ）は３層構造のブレージングシート３を示す断面図である。図２（Ａ）に示す５層構造のブレージングシート３は、シート状の芯材５の両面にろう材７が設けられ、これらのろう材７の外側に皮材６が設けられた構造になっている。また図２（Ｂ）に示す５層構造のブレージングシート３は、シート状のろう材７の両側に皮材６が設けられた構造になっている。
【００２３】
前記ブレージングシート３と母材２とは、積層する前に、積層時に所望の中空孔４が形成されるように適所に穴明け加工が施される。
本発明の方法の例では、適所に穴明け加工を施した母材２とブレージングシート３とを図１に示すように交互に積層して積層部材１を形成した後、この積層部材１を締め付け治具８に挟んで締め付け治具８をボルト締めして締め付け体１０とする。
【００２４】
図４は本発明の方法の例に用いられる締め付け治具８によって積層部材１を挟んで締め付けた締め付け体１０の一例を示す斜視図である。この締め付け治具８は、２枚の耐熱鋼板１１，１１とこれらの耐熱鋼板１１，１１に締緩可能に取り付けられた４本のボルト９…とからなっている。この締め付け治具８は、２枚の耐熱鋼板１１，１１間に前記積層部材１を挟み込み、４本のボルト９…を均等に締め付けることによって積層部材１に圧縮力を付与する。
【００２５】
本発明において、このボルトの締め付けトルク（トルク量Ｔｑ、単位Ｎ・ｍ）とろう材の板厚ｔ（単位μｍ）とが前記式（１）を満足する関係とすることが必要である。
図３は、本発明において式（１）で示されるトルク量とろう材の板厚との関係を図示したグラフであり、図３中斜線で示す部分が式（１）で表されるトルク量とろう材の板厚の関係を満足する領域である。トルク量とろう材の板厚との関係を図３中斜線で示す部分に入るように設定することで、締め付け体１を加熱してろう付けする際に、十分なろう付け接合性を確保しつつ、ろう材の滲み出しを抑制することができる。
【００２６】
次に、前記締め付け体１を加熱炉に入れて所定温度に加熱し、ろう材を溶融せしめて積層部材１の各母材２…をブレージングシート３…を介してろう付けし、放冷することによってろう材を凝固させて積層金型の原型となるブロックが得られる。
アルミニウム板のろう付け加熱温度は、ろう材が溶融し、皮材が溶融しない温度であればよく、通常５６０〜６２０℃程度に設定するのが好ましい。
加熱炉は大気炉で十分であり、雰囲気炉や真空炉は不要である。
またフラックスも不要であり、このため簡便、低コストでろう付け作業が行える。
【００２７】
このように製造された積層金型の原型は、最終的な金型の寸法精度や表面粗さを満たすように面削加工を施し、製品とされる。
本発明の方法によれば、接合性に優れた高品質のアルミニウム合金製積層金型を簡便に製造することができる。
【実施例】
【００２８】
［実施例Ａ〜Ｄ］
アルミニウム合金の図２（Ａ）に示すような５層材（皮材：ＪＩＳＡ１１００、中間ろう材：同４００４、芯材：同３００３、クラッド率は表面皮材各１．５％、中間材各１５％）のブレージングシート（幅、長さ１００〜１５０ｍｍ角）と、図２（Ｂ）に示すような３層材（皮材：ＪＩＳＡ１１００、芯材ろう材：同４００４、クラッド率は両面各１０％）のブレージングシート（幅、長さは５層材と同じ）とを用意した。なお、前記ろう材４００４はＪＩＳ  ＢＡ４００４相当の板材で、その組成はＳｉ１０．０％、Ｍｇ１．５％、残部不可避的不純物とＡｌである。
それぞれの板厚は表１に示すろう材厚さになるように各条件毎に調整した。いずれかのブレージングシートと、表１に示すアルミ合金製の母材とを、同表１に示すように組み合わせ、各々中空穴を設けた後、交互に各３０枚積層して組み立てて、母材の各種類毎に図１に示すような断面形状の積層ブロック（積層部材）を４個作製した。
この積層ブロックを締め付け治具の耐熱鋼板の間に挟み、上下面４点を図４に示すようにボルトでクランプし、その締め付けトルクは表１に示す条件で行った。
この状態で締め付け治具ごと大気ろう付け炉（温度６００℃）に投入し、最高温度に到達後１分間保持し、炉から取り出してろう付け状況を調べた。
ろう付け状態の評価は内外面でのろう材の滲み出しレベルとろう付け接合性で行った。接合性はろう接合部の断面ミクロで接合状況を観察して行った。その結果を表１に示す。
【００２９】
［比較例Ｅ，Ｆ］
比較のために、表１に示す本発明での範囲外のろう厚さとボルト締め付けトルクを使用した以外は、実施例Ａ〜Ｄと同様にして積層ブロックを作製し、同様にしてろう付け状態を評価した。その結果を表１に合わせて示す。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１の結果から、式（１）を満たすトルク量とろう材の板厚との関係とした実施例Ａ〜Ｄでは、過剰ろう材の滲み出しが微小であり、また十分な接合性が得られた。
一方、式（１）から外れたトルク量とろう材の板厚に設定した比較例Ｅ，Ｆでは、ろう材厚さｔが前記範囲より厚い場合には、積層部材の内外面に過剰ろう材の滲み出しが顕著に見られ、またろう材厚さｔが前記範囲より薄い場合には十分なろう付け接合性が得られなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の方法において積層部材の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の方法において用いられるブレージングシートを例示する断面図であり、（Ａ）は５層構造のブレージングシートの断面図、（Ｂ）は３層構造のブレージングシートの断面図である。
【図３】本発明の方法において式（１）で示される締め付けトルクとろう厚さとの範囲を示すグラフである。
【図４】本発明の方法において締め付け体の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…積層部材、２…母材、３…ブレージングシート、４…中空孔、５…芯材、６…皮材、７…ろう材、８…締め付け治具、９…ボルト、１０…締め付け体、１１…耐熱鋼板。
【図１】
2005193274.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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