(57)【要約】【課題】  内部に複雑かつ精密な管路を有する液相拡散接合金属製精密機械部品の製造方法を提供する。【解決手段】  本発明は、外部に開口する管路および／または外部に開口しない閉管路を有する金属製精密機械部品の製造方法であって、前記管路の軸方向の任意の面で複数に分割し、かつ、接合面を含む任意の外形形状を有し、Ｖを原子％で１〜１０％含有する接合用非晶質合金箔を、前記分割面に挟持した部品を、酸素：０．０１質量％以上の酸化雰囲気中で液相拡散接合することを特徴とする。また、本発明は、前記接合用非晶質合金箔の外形形状が、長方形または楕円形であることを特徴とする。また、本発明は、前記分割面が、前記管路を含む単一面、連続多面、分割多面あるいは連続曲面、分割曲面のいずれかであることを特徴とする。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部に開口する管路および／または外部に開口しない閉管路を有する金属製精密機械部品の製造方法であって、前記管路の軸方向の任意の面で複数に分割し、かつ、接合面を含む任意の外形形状を有し、Ｖを原子％で１〜１０％含有する接合用非晶質合金箔を、前記分割面に挟持した部品を、酸素：０．０１質量％以上の酸化雰囲気中で液相拡散接合することを特徴とする、液相拡散接合金属製精密機械部品の製造方法。
【請求項２】
前記接合用非晶質合金箔の外形形状が、長方形または楕円形であることを特徴とする、請求項１に記載の液相拡散接合金属製精密機械部品の製造方法。
【請求項３】
前記分割面が、前記管路を含む単一面、連続多面、分割多面あるいは連続曲面、分割曲面のいずれかであることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の液相拡散接合金属製精密機械部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液相拡散接合を用いた金属製精密機械部品の製造方法に関し、特に、従来一体成型で製造し、内部の複雑かつ精密な流体搬送用あるいは重量軽減用の管路もしくは小型摺動部品のシリンダーを有する機械部品等の組立時の液相拡散接合による金属製精密機械部品の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流体搬送用の管路、摺動部品の動作経路などを内部に有する精密部品、例えば内部冷却型タービン動翼、自動車用燃料噴射管、内燃機関シリンダーヘッド、上下水道用蛇口などは、その要求される使用特性に応じて、外形および内部構造が極めて複雑であり、その製造には多大な労力とコスト、更にはその製造に時間を必要とする。従って、その多くはロストワックスを利用する鋳造、あるいは鋼塊からの鍛造で外形を作成し、内部を研削あるいは穿孔で成形する例が殆どである。これらを幾つかの部品に分割して個々に製造し、最後に組み合わせて製品とするには、個別部品の加工精度を格段に向上させると同時に、最終形状において全く部品間に隙間の無いように組み立てる技術が必要となり、蒸気タービンあるいはガスタービンではその製造コストの半分近くを加工組立コストが占めるようになる。
【０００３】
従って、鋳造、鍛造、削りだしによって製造する従来の方法が、ノウハウの蓄積もあって却って低コストとなる場合が多い。しかし、このような従来技術を今後も踏襲する以上、精密加工を必要とする機械部品などでは、工程コストが常に商品価格の大部分を占めるコスト構造が将来とも継続される可能性が高い。これら精密加工品のコスト構造は上記のように加工費が多くを占めており、材料コストは僅かであって部品の大きさ、形状に比して高額な部品とならざるを得ない。実際にエンジン部品は高価であり、これらが精密機械部品を組み込んだ装置全体のコストを著しく増大させ、優れた技術の普及において大きな障害となっていた。
【０００４】
この高コスト構造を打開するには必然的に工程コストの低減、ひいては人件費の低減を図る必要があることは自明だが、成熟社会環境下での人件費低減は困難であり、寧ろ上昇する傾向であることは周知の事実である。従って、優れた技術によって可能となった精密な機械部品の製造コストを低減し、工業的に安価に供給できる技術の開発が切望されていた。そのためには従来の製造方法とは全く異なる、新しい製造プロセスによって従来の製造技術を置き換える必要がある。
【０００５】
同時に、コスト問題とも相俟って、機械加工で鍛造あるいは鋳造鋼塊から削りだし、更には穿孔などにより機械部品を製造する従来技術では、必然的に内部の管路は外部から直接穿孔によって到達できる直線上の管路のみから構成されなければならず、外部から到達できない管路あるいは外部に対して開口していない閉鎖系統は当然加工できない。しかるに、単なる外部に開口する直線上の管路だけでなく、曲率を不規則に有する管路あるいは内部に流体を充填した状態の閉鎖経路もしくは軽量化のために必用な閉鎖系管路は、これを鋼塊から加工によって製造することができない。こうした鋼塊製造の後に機械加工で外部から製造できない管路は、従来技術で製造することができず、そうした部品は設計ができないばかりでなく、発想に至ることすらできない場合が殆どであった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記のような従来技術が有する問題点、すなわち元来一体成型によって鋼塊とし、外部あるいは内部の構造を機械加工で製造する、内部に流体搬送用、重量軽減用、あるいは摺動部品通過のため等の目的を有する管路を備えた精密機械部品の製造に際し、従来技術ではなしえなかった、機械部品の全く新しい組立製造技術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】
【０００７】
液相拡散接合は、接合しようとする材料の接合面すなわち開先間に、被接合材料に比較して低い融点を有する合金、具体的には結晶構造の５０％以上が実質的に非晶質であり、かつ拡散律速の等温凝固過程を経て継ぎ手を形成する能力を有する元素、例えばＢあるいはＰとＮｉないしはＦｅの多元合金を介在させ、継ぎ手を挿入した低融点合金の融点以上の温度に加熱保持し、等温凝固過程で継ぎ手を形成する技術であって、通常の溶接技術と異なり、溶接残留応力が殆どないこと、あるいは溶接のような予盛りを発生しない平滑かつ精密な継ぎ手を形成できるなどの特徴を有する。特に、面接合であるため、接合面の面積によらず接合時間が一定でかつ比較的短時間で接合が完了する点は、従来溶接と全く異なっている。従って、開先さえ挿入した低融点金属以上の温度に所定の時間保持できれば、開先形状を選ばず、面同士の接合を実現することができる。
【０００８】
本発明者らはこうした液相拡散接合の特徴を生かして、従来の非酸化雰囲気でのみ実現可能な液相拡散接合技術を、酸化雰囲気においても適用可能な新しい液相拡散接合用合金箔を、すでに特許第１８９１６１８号公報、特許第１８９１６１９号公報および特許第１８３７５７２号公報に開示している。本発明は、これらの特徴を有する液相拡散接合用合金を、元来一体成型によって鋼塊とし、外部あるいは内部の構造を機械加工で製造する、内部に流体搬送用、重量軽減用、あるいは摺動部品通過のため等の目的を有する管路を備えた精密機械部品の製造に際し、これを管路を含む面で複数に分割し、分割した面に、その面に倣った形状を有する非晶質合金箔を介在させ、機械部品の組立に際して接合面あるいは接合面を含む部品の一部分ないしいは全部を、液相拡散接合用介在合金の融点以上の温度に必要な時間だけ加熱、保持して、液相拡散接合により機械部品を組み立て接合し、最終形状を確保することで、目的とする機械部品を得るものであり、その要旨は次の通りである。
（１）外部に開口する管路および／または外部に開口しない閉管路を有する金属製精密機械部品の製造方法であって、前記管路の軸方向の任意の面で複数に分割し、かつ、接合面を含む任意の外形形状を有し、Ｖを原子％で１〜１０％含有する接合用非晶質合金箔を、前記分割面に挟持した部品を、酸素：０．０１質量％以上の酸化雰囲気中で液相拡散接合することを特徴とする、液相拡散接合金属製精密機械部品の製造方法。
（２）前記接合用非晶質合金箔の外形形状が、長方形または楕円形であることを特徴とする、上記（１）に記載の液相拡散接合金属製精密機械部品の製造方法。
（３）前記分割面が、前記管路を含む単一面、連続多面、分割多面あるいは連続曲面、分割曲面のいずれかであることを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の液相拡散接合金属製精密機械部品の製造方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は元来、一体成型によって製造する、内部の複雑かつ精密な管路を有する精密機械部品の製造を、簡易に製造可能な分割部品から、それらを液相拡散接合あるいは面接合を可能とする他の接合技術によって貼り合わせる工程を適用する事で、金属製精密機械部品を安価かつ効率的に製造する方法を提供可能にするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明を実施するにあたり、対象とする機械部品の材質は特に限らない。液相拡散接合が適用できると考えられる金属材料はすべて本発明の技術を適用することが可能である。例えば、通常の炭素鋼、高炭素鋼、低炭素鋼など、通常の溶接が適用困難な材質であっても液相拡散接合は接合継ぎ手を実現可能である。また、ＣｒあるいはＮｉを種々の割合で含有するステンレス鋼、高耐食合金鋼、Ｎｉを基材とするＮｉ基合金やその他の合金および非鉄材料であるＡｌ，Ｔｉ，Ｚｎおよびその他の実用金属などもそれらに適した接合用合金を用いれば、全て液相拡散接合が可能となる。また、液相拡散接合を実現する非晶質合金組成としても特段の制限はなく、米国特許第４，１４４，０５８号公報に記載の合金をはじめ、特開昭４９−９１０１４号公報等に記載のＰ，Ｂ，Ｃ等を拡散原子として含有する液相拡散接合用合金を使用することができる。
【００１１】
本発明では、上記のような被接合材料と液相拡散接合用合金を用いて、内部に流体搬送用、重量軽減用、あるいは摺動部品通過のため等の目的を有する管路を備えた、元来一体成型で製造していた精密機械部品を、最初に管路を含む面で複数に分割した部品毎に、例えばプレス成形あるいは圧延、研削、研磨など従来の一体成型と機械加工の組み合わせに対して安価な製造工程を経て製造し、それらを液相拡散接合用合金を介して組み立て、液相拡散接合によって一体化する工程を経ることが必要である。
【００１２】
このときの分割すべき部品は、最終形状との対比で、内部に存在する管路を通過する面で分割してあることが必要で、これによって各部品をプレス成形などの安価かつ簡易な方法で製造可能ならしめる。また、この分割は２以上であれば幾つでも可能であって、製造が簡易化し、かつ製造工程が煩雑あるいは多数となる結果、従来製造工程に対して高価とならない範囲で適宜選択すればよい。また分割面は平面でも曲面でも、連続あるいは不連続の多面ないしは曲面であってもよく、その形状は分割することで各部品の製造が容易になるように適宜選択すればよい。なお、最終形状の部品が内部に有する管路は連続した一つの経路でも、複数の独立した経路でも良く、管路自体の形状は自由で、単に組み立て時に接合する面が対応すればよく、特に制限はない。管路は外表面に対して開口していてもいなくても組み立ては可能である。なお、被接合材料と液相拡散接合用合金の組み合わせで接合部の特性は種々に変化する。
【００１３】
また、本発明においては、適用する機械部品の仕様によって接合面の特性は自由に変えることができ、接合継ぎ手としての特性は特に制限がない。継ぎ手効率は１である必要はなく、かつ組織的にも完全に均質化している必要はない。もちろん継ぎ手効率が１で完全均質体であることは機械部品の特性上好ましいが、部品の製造コストに応じて決定することができる。また、組み立て終了後に機械部品に対して種々の熱処理、化成処理、加工を施すことが可能であって、例えば、鋼材であれば焼き入れ、焼き戻し、焼準、焼鈍などの熱処理工程を単独であるいは複合で、場合によっては繰り返し施すことも、部品としての特性を向上させるのに有効であって、本発明の効果を何ら妨げない。また、浸炭処理、窒化処理、めっき、あるいは塗装、粉末などの吹きつけ処理、ショットブラストなどの表面加工も有効である。
【００１４】
さらに、液相拡散接合による組み立てに際して、液相拡散接合を実現するための接合面の加圧、加熱は必要な条件を被接合材料と液相拡散接合用合金の種類に応じて決定すれば良く、加圧の方法、手段および加熱の方法、手段については、特に制限しないが、急速加熱を実現するには高周波誘導加熱が望ましく、また均一にかつ正確に接合応力を制御するためには圧縮応力負荷機能を有する接合装置の使用が好ましい。また、接合雰囲気については、Ｖを１〜１０原子％含有する液相拡散接合用合金を用いるので、雰囲気中の酸素濃度が０．０１％以上で接合が可能であり、非酸化雰囲気を用いる必要が無くなるため、製造コスト、工程の大幅な減少あるいは短縮が可能となる。これは、Ｖを１〜１０原子％含有する接合用合金が酸素を０．０１％以上含有する雰囲気においても液相拡散接合を可能ならしめる機能を有することによるものであり、本発明の目的とする、精密機械部品の製造工程短縮とコスト低減を工業的に達成する上で有効である。加えて、量産性を高めるためには急速加熱用の熱供給源と恒温保持のための熱供給源を分割することが好ましく、例えば等温凝固終了までの加熱を高周波誘導加熱炉で実施し、その後の機械部品の仕様に応じた特性確保のための均質拡散処理を大型の電気炉で続けて実施することが好ましい。さらに、接合部の金属組織を均質化して機械部品の特性を向上させるために接合後の冷却を制御する必要があり、特に接合後の冷却速度はガス、油、あるいは水などの冷却媒体の吹きつけ等あるいは継手自体の浸漬等で行うことによって目的とする金属組織を自在に得られるようになる。
【実施例】
【００１５】
図１および図２に示した半割形状の機械部品を、それぞれ図３および図４に示す要領で突き合せ、その場合の突き合わせ面間に、突き合わせ面と裁断あるいは機械加工で同一の形状に加工した、３０μｍの厚みを有する、実質的に５０％以上が非晶質である液相拡散接合用合金箔を挟み、液相拡散接合に必要かつ十分な応力を負荷して、部品全体を高周波誘導加熱コイルを有する雰囲気制御可能な炉に入れ、速やかに液相拡散接合温度に加熱して同温度で液相拡散接合の等温凝固に必要な時間保持し、しかる後に部品全体を室温まで冷却して、図５あるいは図６に示す要領で最終の外形に仕上げ加工して製品とした。使用した接合用合金の化学成分を表１に示す。また、ここで用いた材料の特性を表２に、主な化学成分とともに示した。また、箔の加工形状は、接合面と完全に同一な箔と、接合面を含む任意形状、実質的には長方形あるいは概略楕円形の箔を用いた場合との、接合後の製品特性に関する差異は全く見られなかった。すなわち、接合部の機械的特性あるいは仕上げ加工後の外観は全く同一であった。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
【表２】
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【００１８】
接合用の箔の厚みについては、３０μｍの箔を２枚あるいは３枚と重ねて用いた場合も全く同様の特性を得た。液相拡散接合を実現する温度については、用いる箔の融点との関係で最適値があり、本実験の箔では融点＋５０〜１５０℃と考えられており、各種の箔に対応して８５０〜１４００℃まで選択可能であり、かつ当該温度に加熱する必要がある。さらに液相拡散接合の等温凝固過程は、一般的な拡散原子であるＢあるいはＰ等の拡散律速によって生じる特殊な凝固現象であり、被接合材料中へのＢあるいはＰ等の拡散速度で決定される因子であるが、接合温度によって拡散速度は大きく変化し、高温ほど短時間で等温凝固が終了する。従って、被接合材料と箔の融点によって、８５０〜１４００℃の範囲で、かつ部品製造上、工業的に実現可能な時間が適宜選択されるべきであって、ここでは１０秒から３６００秒の範囲で決定した。
【００１９】
組立接合後の加工については、部品の最終形状と、接合直後の部品形状との差異によって加工量が決まる。接合後の部品形状が最終形状と全く同一の場合には仕上げ加工は不要であり、実質的に最終形状が加工精度誤差の範囲内で接合直後の部品形状に一致する場合も同様である。図５の場合は機械加工のみで最終部品としたが、図６の場合には別途加工準備したディスクをねじ加工した接合後部品に嵌合し、最終部品とした。この接合後の加工あるいは組立については、最終製品形状と組み立て工程のコストあるいは簡易化の観点からの工程分割の観点から適宜選択すればよい。
【００２０】
図５に示した部品は内部に管路を有する流体噴射ノズルであり、最終形状を得た部品を機械部品として使用したところ、鍛造と研削で製造した同一形状の部品と母材及び接合部ともに使用性能上全く同一の特性を発揮した。すなわち、高温酸化特性（部品外表面の単位時間あたりにおける酸化スケール厚み増加）、耐摩耗性（硬度）、流体圧力に対する接合面の強度は全く同一の値であった。これらの結果を表３に示した。
【００２１】
【表３】
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【００２２】
図６に示した部品は流体搬送用管路の最終出口に相当し、いわゆる蛇口の機能を有している。部品を半割で整形することで、従来鋳造で一体整形していた蛇口の内面肌が、Ｒｍａｘ＝１ｍｍであったものが、Ｒｍａｘ＝０．０１ｍｍに飛躍的に向上し、かつ組立接合工程を適用することで工程コストが低減でき、製造工程そのものも３０％の時間短縮を見た。組立接合を用いた場合の蛇口を上水道に適用し、試用したところ、従来一体成型品と同様に機能し、かつ水漏れなどは一切無く、さらに水道蛇口内面が平滑であったために水垢などの付着物が蛇口内面に全く生成せず、水質の向上が見られた。なお、図５および図６に示した流体噴射ノズルおよび蛇口の液相拡散接合条件を表４に示した。この液相拡散接合条件は、すでに述べたように、接合箔と被接合材料の材質あるいは使用時の必要特性を考慮して適宜選択することができる。
【００２３】
【表４】
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【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】一体成型によって製造する機械部品を、その内部に有する管路を通過する面で分割した場合の分割部品形状を示す図で、特に流体噴射ノズルを示す図である。
【図２】一体成型によって製造する機械部品を、その内部に有する管路を通過する面で分割した場合の分割部品形状を示す図で、特に流体搬送路の蛇口の分割部品形状を示す図である。
【図３】流体噴射ノズルの液相拡散接合による組立時の突き合わせ状態を模式的に、接合面に垂直な方向から示した図である。
【図４】蛇口の液相拡散接合による組立時の突き合わせ状態を模式的に、接合面に垂直な方向から示した図である。
【図５】流体噴射ノズルを液相拡散接合によって組立て、しかる後に実施する仕上げ加工部位を、部品の内外について示した図である。
【図６】蛇口を液相拡散接合によって組立て、別途加工したディスク部品の形状と、その嵌合要領を示した図である。
【符号の説明】
【００２５】
１    流体噴射ノズルの半割部品
２    流体噴射ノズルの半割部品
３    流体搬送蛇口の半割部品
４    流体搬送蛇口の半割部品
５    蛇口の垂直構造物への固定ディスク部品
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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