(57)【要約】【課題】  ベリリウムアルミニウム合金材同士の面接合が可能であると共に、得られる接合部分の強度と信頼性が高く、かつコスト的にも有利であること。【解決手段】  一のベリリウムアルミニウム合金材２と他のベリリウムアルミニウム合金材３とが、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、あるいはＡｌを芯材とするこれら合金のクラッド材からなるインサート材４の介挿下でホットプレスまたはＨＩＰ処理により接合されている。ベリリウムアルミニウム合金材２、３は、インサート材４を使用した拡散接合により極めて優れた接合強度と接合信頼性とを有する接合体となる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一のベリリウムアルミニウム合金材と他のベリリウムアルミニウム合金材とが、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、あるいはＡｌを芯材とするこれら合金のクラッド材からなるインサート材の介挿下でホットプレスまたはＨＩＰ処理により接合されていることを特徴とするベリリウムアルミニウム合金の接合体。
【請求項２】
一のベリリウムアルミニウム合金材と他のベリリウムアルミニウム合金材とをホットプレスまたはＨＩＰ処理により接合するに際し、前記両ベリリウムアルミニウム合金材間に、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、あるいはＡｌを芯材とするこれら合金のクラッド材からなるインサート材を介挿させることを特徴とするベリリウムアルミニウム合金の接合体の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載のベリリウムアルミニウム合金の接合体の製造方法であって、
前記ホットプレスまたはＨＩＰ処理は、５００℃から前記インサート材の融点以下の固相接合温度域で行うことを特徴とするベリリウムアルミニウム合金の接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ベリリウムアルミニウム合金材同士を接合したベリリウムアルミニウム合金の接合体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ベリリウムアルミニウム合金は、衛星部品や航空宇宙部品などの用途において軽量で高剛性、低膨張特性を持つ材料として注目を浴びている。この材料を用いて、フランジやリブを持つような複雑な形状を持つ部材を製作する場合には、従来、切削加工による方法や接合による方法がとられてきた。
【０００３】
しかしながら、切削加工による場合には、切削屑の排出により材料の無駄が多くなり、ベリリウムアルミニウム合金が高価であるので、必然的にコスト高を招く、という課題を有している。
【０００４】
そこで、従来では、フランジやリブをベリリウムアルミニウム合金を用いて部品として形成し、その後これらの部品をベリリウムアルミニウム合金からなる本体に接合する、という接合による方法が多く採用されている。
【０００５】
このときの接合方法は、例えば、ディップろう付けや真空ろう付けが用いられている（例えば、特許文献１参照）。また、引っ張り強度が必要な用途には、電子ビーム溶接法が用いられている。
【特許文献１】米国特許第６５４３６７８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ベリリウムアルミニウム合金材同士の接合において、従来の接合方法の内、ディップろう付けや真空ろう付けは、その接合部の接合強度（引張強度）が１２３ＭＰａ程度で、ベリリウムアルミニウム合金母材の破断強度（例えば、３００ＭＰａ）に比較して低いので、高い信頼性を要求される接合体へ適用できない、という課題を有している。
【０００７】
また、電子ビーム溶接法は、ある程度の接合強度が得られる（例えば、引張強度：２８５ＭＰａ）ものの、大面積の面接合が難しく、接合後にさらに接合部分を跨ぐ加工をするような用途には適用できないばかりでなく、接合コストが高い、という課題を有している。
【０００８】
そこで、発明者等は、前記した課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ベリリウムアルミニウム合金材同士の接合材としてＭｇを含有するＡｌ合金を使用した拡散接合により極めて優れた接合強度と接合信頼性を有することの知見を得た。
【０００９】
この発明は、前記知見に基づいており、ベリリウムアルミニウム合金材同士の面接合が可能であると共に、得られる接合部分の強度と信頼性が高く、かつコスト的にも有利なベリリウムアルミニウム合金の接合体および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】
【００１０】
前記した目的を達成するために、請求項１のベリリウムアルミニウム合金の接合体は、一のベリリウムアルミニウム合金材と他のベリリウムアルミニウム合金材とが、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、あるいはＡｌを芯材とするこれら合金のクラッド材からなるインサート材の介挿下でホットプレスまたはＨＩＰ処理により接合されていることを特徴とする。
【００１１】
この構成では、インサート材の介挿下でホットプレスまたはＨＩＰ処理する場合、一のベリリウムアルミニウム合金材と他のベリリウムアルミニウム合金材の接合面は、一般に強固な酸化膜で覆われているが、Ｍｇを含有するＡｌ合金からなるインサート材を接合促進材として使用することにより、表面の酸化物層が還元され接合界面の金属―金属接合が実現する、あるいは、界面に薄い複合反応層を生ずるなどのメカニズムにより、Ｂｅ−ＡｌおよびＡｌ−Ａｌ層間が強固に面接合される。
【００１２】
また、請求項２のベリリウムアルミニウム合金の接合体の製造方法は、一のベリリウムアルミニウム合金材と他のベリリウムアルミニウム合金材とをホットプレスまたはＨＩＰ処理により接合するに際し、前記両ベリリウムアルミニウム合金材間に、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、あるいはＡｌを芯材とするこれら合金のクラッド材からなるインサート材を介挿させることを特徴とする。
【００１３】
この構成では、インサート材の介挿下でホットプレスまたはＨＩＰ処理すると、一のベリリウムアルミニウム合金材と他のベリリウムアルミニウム合金材との接合面は、一般に強固な酸化膜で覆われているが、Ｍｇを含有するＡｌ合金からなるインサート材を接合促進材として使用することにより、表面の酸化物層が還元され接合界面の金属―金属接合が実現する、あるいは、界面に薄い複合反応層を生ずるなどのメカニズムにより、Ｂｅ−ＡｌおよびＡｌ−Ａｌ層間に拡散接合が生じ、この拡散接合に起因して両ベリリウムアルミニウム合金材は強固に面接合される。
【００１４】
また、請求項３のベリリウムアルミニウム合金の接合体の製造方法は、請求項２に記載のベリリウムアルミニウム合金の接合体の製造方法であって、
前記ホットプレスまたはＨＩＰ処理は、５００℃から前記インサート材の融点以下の固相接合温度域で行うことを特徴とする。
【００１５】
この構成では、ホットプレスまたはＨＩＰ処理を、５００℃からインサート材の融点以下の固相接合温度域で行うようにしたので、インサート材は溶融することなく固相状態を維持することができ、これにより溶融状態に比べて接合時の両ベリリウムアルミニウム合金材の相互位置を位置ずれの少ない状態で精確に維持することができる。
【００１６】
また、固相接合温度域では、インサート材の介挿下でホットプレスまたはＨＩＰ処理すると、接合材が溶融しないため、接合材質が大きく変質せず、溶融した接合材が冷却凝固する際の粗大晶物や凝固の際の接合層のクラックやポロシティーなどの危険性が無くなり、接合状態が安定する。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、ベリリウムアルミニウム合金材同士を、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、あるいはＡｌを芯材とするこれら合金のクラッド材からなるインサート材の介挿下でホットプレスまたはＨＩＰ処理することにより接合するようにしたので、接合部分が高接合強度の面接合となり、接合部分の信頼性が高く、かつ材料の無駄が生じないのでコスト的にも有利なベリリウムアルミニウム合金の接合体を提供することができる。
【００１８】
また、請求項２の発明によれば、ベリリウムアルミニウム合金材同士を、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、あるいはＡｌを芯材とするこれら合金のクラッド材からなるインサート材の介挿下でホットプレスまたはＨＩＰ処理することにより接合するようにしたので、接合部分が高接合強度の面接合となり、接合部分の信頼性が高く、かつ材料の無駄が生じないのでコスト的にも有利なベリリウムアルミニウム合金の接合体の製造方法を提供することができる。
【００１９】
また、請求項３の発明によれば、ホットプレスまたはＨＩＰ処理を、５００℃からインサート材の融点以下の固相接合温度域で行うようにしたので、請求項２の発明の効果に加えて、両ベリリウムアルミニウム合金材の相互位置を位置ずれのない状態で維持することができること、および拡散接合の効率の良い進行が得られることとが相俟って、所望の接合体を効率よく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】
【００２０】
以下、本発明を、実施の形態に基づいて具体的に説明する。
【００２１】
図１は、ベリリウムアルミニウム合金の接合体１を示す。この接合体１は、一のベリリウムアルミニウム合金材２と他のベリリウムアルミニウム合金材３とが、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、あるいはＡｌを芯材とするこれら合金のクラッド材からなるインサート材４の介挿下でホットプレスまたはＨＩＰ処理により接合されている。
【００２２】
一の合金材２は、中央に円形凹部２ａが形成されていると共に、その凹部２ａの底部２ｂに厚み方向に接合孔２ｃが穿設されており、かつ凹部２ａの内周壁に沿って環状段部２ｄが形成されている四角形の外周形状を有する厚みのあるフランジ部品として構成されている。
【００２３】
また、他の合金材３は、貫通孔３ａが中央部分に長さ方向に沿って穿設されている、一の合金材２の接合孔２ｃの孔径よりも幾分小径の外径の円周形状を有するパイプ部品として構成されている。
【００２４】
一の合金材２および他の合金材３の合金組成は、Ｂｅが１５〜９０ｗｔ％含有するものが好適である。因みに、ベリリウムアルミニウム合金の内、Ｂｅが１５ｗｔ％未満のものは、弾性率や軽さの点で一般のアルミニウム合金との特性差が少なく、高価なベリリウムを添加する意味が無くなり、一方、９０ｗｔ％を越えるものは、金属ベリリウムと等価な特性となり、製造特性も金属ベリリウムと同様となり、ひいてはアルミニウムを添加し、靱性や製造性を改善したベリリウムアルミニウム合金の優位性が無くなる。
【００２５】
また、インサート材４は、以下に述べるようなＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金またはＡｌ−Ｍｇ系合金が好適であり、特にＭｇを３ｗｔ％以下に含むものが有利に適合する。因みに、Ｍｇが３ｗｔ％を越えて含むものは接合性が悪化する。
【００２６】
Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金としては、ＢＡ４００３，ＢＡ４００４，ＢＡ４００５，ＢＡ４Ｎ０４等のＪＩＳで定められたアルミニウム合金ロウ材、ＢＡ３ＰＣ，ＢＡ４ＰＣ，ＢＡ７ＰＣ，ＢＡ８ＰＣ，ＢＡ９ＰＣ，ＢＡ１０ＰＣ，ＢＡ１７ＰＣ，ＢＡ１８ＰＣ等のＪＩＳで定められたブレージングシート、またはこれらブレージングシートの心材をＪＩＳ１０５０，１１００等純Ａｌで置き換えたクラッド材が好適である。
【００２７】
また、Ａｌ−Ｍｇ系合金としては、ＪＩＳ５００５，５０５２等が好適である。
【００２８】
また、かかるインサート材４は、必ずしもＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｍｇ系合金の無垢材料である必要はなく、Ａｌを心材とするこれら合金のクラッド材であっても良い。なお、かかるクラッド材において心材をＡｌとしたのは、このＡｌが応力緩和層として有効に機能するからである。
【００２９】
さらに、このようなインサート材４の厚みは、０．０１〜５．０  ｍｍ程度とするのが好ましい。因みに、インサート材４の厚みが０．０１ｍｍに満たないと接合材としてのボリュームが不足し、これに起因して十分な接合信頼性を得ることができず、一方  その厚みが５．０ｍｍを超えるとその効果が飽和に達すると共に、接合部の母材に占める割合が多くなり、母材と接合材の特性差が無視できなくなり、これに起因して部品設計が複雑になる。
【００３０】
このように、一の合金材２と他の合金材３とをホットプレスまたはＨＩＰ処理により接合するに際し、両合金材２、３間にインサート材４を介挿させる。
【００３１】
このとき好ましくは、ホットプレスまたはＨＩＰ処理は、５００℃からインサート材４の融点以下の固相接合温度域で行う。具体的には、ホットプレスまたはＨＩＰ処理は、接合温度を５００〜６４０℃に設定すると共に、圧力を５〜３００ＭＰａに設定して行う。
【００３２】
因みに、接合温度を５００℃未満に設定したときは接合不良となり、他方、６４０℃を越えて設定したときは母材となる一および他の合金材２および３の融点（例えば、６４４℃）に近くなり、ひいては母材の軟化に起因して変形し易くなり、または溶融する危険性がある。さらに、圧力を５ＭＰａ未満に設定したときは接合不良となり、他方、３００ＭＰａを越えて設定したときは接合性が飽和に達すると共に、設備が高価となって経済的でない。
【００３３】
このようにベリリウムアルミニウム合金の接合体１の製造方法によれば、ホットプレスまたはＨＩＰ処理を、５００℃からインサート材４の融点以下の固相接合温度域で行うようにしたので、インサート材４は溶融することなく固相状態を維持することができ、これにより溶融状態に比べて接合時の両ベリリウムアルミニウム合金材２、３の相互位置をあるいは／および位置ずれのない状態で精確に維持することができる。
【００３４】
因みに、インサート材４が溶融して液相となる温度で母材の融点以下の温度域における接合においても強固な接合強度を得ることができるが、この場合には、接合時に液層が必ず接合界面に残るよう、あるいは／および均等荷重が実現できるような接合方案を考慮する必要があり、難しい接合が強いられる。
【００３５】
また、固相接合温度域では、インサート材４の介挿下でホットプレスまたはＨＩＰ処理すると、一のベリリウムアルミニウム合金材２と他のベリリウムアルミニウム合金材３との接合面は、表面の酸化物層が還元され接合面の金属―金属接合が実現する、あるいは、界面に薄い複合反応層を生ずるなどのメカニズムにより、Ｂｅ−ＡｌおよびＡｌ−Ａｌ層間の拡散接合が効率良く進行し、この拡散接合に起因して両ベリリウムアルミニウム合金材２、３は強固に面接合される。
【００３６】
さらに、ホットプレス時の加熱雰囲気としては、大気下でも良いが、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気の方が望ましく、真空雰囲気が最も好適に適合する。
特に真空度は、好ましくは１Ｐａ以下、より好ましくは６ｘ１０-1Ｐａ以下とすることにより、母材や接合材の酸化を防ぎ、また接合性、接合安定性が高められる。
【００３７】
また、接合体１は、接合後さらに接合部Ａを跨ぐ加工をする場合でも、接合部Ａの剥離を防いで、容易に加工することができる。すなわち、接合体１においては、接合後さらに接合部Ａを跨いで、合金材２の底部２ｂおよび合金材３の端面３ｂを面一にするため切削加工する必要があるが、この場合でも接合部Ａの剥離を防ぐことができる。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３９】
試料としては、寸法がそれぞれＬ５０ｍｍｘＷ５０ｍｍｘｔ５０ｍｍのベリリウムアルミニウム合金を用いた。
【００４０】
ホットプレス法では、試料をアセトンで洗浄した後、試料間にインサート材を挿入し、その後このインサート材介挿試料に対して所定の温度と圧力を加えてホットプレスを行った。加熱は真空下で実施した。
【００４１】
ＨＩＰ処理法の場合は、試料をアセトンで洗浄した後、試料間にインサート材を挿入し、その後このインサート材介挿試料を肉厚１．５ｍｍの軟鋼のケーシングに入れ、真空下で脱気し、かつ溶接封口処理をした後、所定の温度と圧力でＨＩＰ処理を行った。
【００４２】
その後、各処理法から得られた各接合体から、ＪＩＳ  Ｚ２２０１  １４Ａの引張り試験片を切り出して引張強度を測定した。得られた結果を表１に示す。
【００４３】
実施例１
ベリリウムアルミニウム合金：Ｂｅ−３８％Ａｌ
インサート材：厚み０．１２ｍｍのＢＡ４００４
処理法：ホットプレス
接合温度：５５０℃
実施例２
ベリリウムアルミニウム合金：Ｂｅ−３８％Ａｌ
インサート材：厚み０．１２ｍｍのＢＡ４００４
処理法：ホットプレス
接合温度：５８０℃
実施例３
ベリリウムアルミニウム合金：Ｂｅ−３８％Ａｌ
インサート材：厚み０．１２ｍｍのＢＡ４００４
処理法：ＨＩＰ処理
実施例４
ベリリウムアルミニウム合金：Ｂｅ−３８％Ａｌ
インサート材：厚み０．１２ｍｍのＢＡ４００４の皮材／厚み１．５ｍｍの芯材からなるクラッド材
処理法：ホットプレス
実施例５
ベリリウムアルミニウム合金：Ｂｅ−６０％Ａｌ
インサート材：厚み０．１２ｍｍのＢＡ４００４
処理法：ホットプレス
実施例６
ベリリウムアルミニウム合金：Ｂｅ−８０％Ａｌ
インサート材：厚み０．１２ｍｍのＢＡ４００４
処理法：ホットプレス
比較例１
接合温度：４５０℃
接合温度が相違するだけで、他の接合条件は実施例１、２と同様にした。
【００４４】
比較例２
実施例１、２のベリリウムアルミニウム合金母材
比較例３
インサート材：不使用
インサート材を使用しない点が相違するだけで、他の接合条件は実施例３と同様にした。
【００４５】
比較例４
インサート材：不使用
処理法：ろう付け
実施例１、２、３のベリリウムアルミニウム合金材同士を特殊ろう材を用いてろう付けした。
【００４６】
比較例５
実施例５のベリリウムアルミニウム合金母材
比較例６
実施例６のベリリウムアルミニウム合金母材
【００４７】
【表１】
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【００４８】
表１より明らかなように、実施例１〜６の接合体は、その引張強度（ＭＰａ）がいずれも母材強度の９割以上の高い引張強度を示しているのに対して、比較例３の接合体は、その引張強度（ＭＰａ）が精々母材強度の８割程度で、他の比較例１、４では、その引張強度（ＭＰａ）が母材強度の５割以下である。これにより、この発明によれば、接合強度（引張強度）が高く接合信頼性に優れたベリリウムアルミニウム合金の接合体を製造することができることが理解できる。
【００４９】
ホットプレスにより製造される接合体（実施例１、２）は、接合温度が５５０℃を越えると接合強度が母材強度付近で飽和に達するが、接合温度が５００℃未満（比較例１、４５０℃）のときは引張強度が極端に低下する（比較例１、５０ＭＰａ）。実施例１、２の引張強度は、母材（比較例２）の引張強度（３００ＭＰａ）の９割以上の２９５ＭＰａ、２９７ＭＰａを示している。
【００５０】
ＨＩＰ処理により製造される接合体（実施例３）は、ホットプレスによる接合体（実施例１、２）と略同等の引張強度（２９８ＭＰａ）となっている。これによりホットプレスとＨＩＰ処理とは、処理法の相違による引張強度の相違は認められない。
【００５１】
ＨＩＰ処理では、インサート材の有無による接合強度の相違が認められ、インサート材無しで得られる接合体（比較例３）は、インサート材の介挿下で得られる接合体（実施例３）よりも低い引張強度（２５２ＭＰａ）を示す。
【００５２】
また、ろう付けで得られる接合体（比較例４）は、母材（比較例２）の５割以下の引張強度（１２０ＭＰａ）となっており、インサート材無しでＨＩＰ処理される接合体（比較例３）よりも低い接合強度となっている。
【００５３】
また、インサート材としてクラッド材を用いて得られる接合体（実施例４）は、他の実施例１、２と略同等の引張強度（２８８ＭＰａ）となっており、インサート材の相違による接合強度の相違は認められなかった。
【００５４】
さらに、実施例５、６は、それぞれ比較例５、６の合金母材を用いて得られる接合体である。比較例５は、アルミニウム含有量６０ｗｔ％のベリリウムアルミニウム合金母材で、比較例６は、アルミニウム含有量８０ｗｔ％のベリリウムアルミニウム合金母材であり、その引張強度はそれぞれ２００ＭＰａ、１５０ＭＰａとなっており、アルミニウム含有量が増加するにつれて引張強度の低下が認められる。この場合でも実施例５、６は、いずれも各母材強度の９割以上の高い引張強度を示している。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施形態としてのベリリウムアルミニウム合金の接合体を示し、（ａ）は要部正面図、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線に沿う部分断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  接合体（ベリリウムアルミニウム合金の接合体）
２  一の合金材（一のベリリウムアルミニウム合金材）
３  他の合金材（他のベリリウムアルミニウム合金材）
４  インサート材
Ａ  接合部
【図１】
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