(57)【要約】【課題】Ａｌ基複合材料とＡｌ基複合材料またはＡｌ合金とを強固に接合する方法およびこの接合方法により作製されたＡｌ基複合材料接合体を提供する。【解決手段】Ａｌ基複合材料からなる第１部材１２と、Ａｌ基複合材料またはＡｌ合金からなる第２部材１４とを、これらの間に、中間材１８として０．２〜３質量％のＭｇを含有するＡｌまたはＡｌ合金を介在させて、第１部材１２と第２部材１４の接合方向に所定の圧力を印加し、かつ、第１部材１２と第２部材１４の接合部をＭｇの拡散温度に加熱することによりＡｌ基複合材料接合体１０を得る。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム基複合材料からなる第１部材と、アルミニウム基複合材料またはアルミニウム合金からなる第２部材とを接合する方法であって、
前記第１部材と前記第２部材との間に、中間材として０．２〜３質量％のマグネシウムを含有するアルミニウムまたはアルミニウム合金を介在させて、
前記第１部材と前記第２部材に所定の圧力を印加し、かつ、前記第１部材と前記第２部材の接合部をマグネシウムの拡散温度に加熱することを特徴とするアルミニウム基複合材料の接合方法。
【請求項２】
前記中間材は粉末または板材であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム基複合材料の接合方法。
【請求項３】
前記第１部材と前記第２部材の接合部の加熱は、通電加熱または高周波誘導加熱によることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアルミニウム基複合材料の接合方法。
【請求項４】
アルミニウム基複合材料からなる第１部材と、
中間層を介して前記第１部材と接合されたアルミニウム基複合材料またはアルミニウム合金からなる第２部材とを具備し、
前記中間層は０．２〜３質量％のマグネシウムを含有するアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とするアルミニウム基複合材料接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム基複合材料とアルミニウム基複合材料またはアルミニウム合金との接合方法および当該方法により作製されたアルミニウム基複合材料接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属とセラミックスとの複合材である金属基複合材料（ＭＭＣ；Metal Matrix Composites）は、軽量性，高剛性，低熱膨張性，高熱伝導性等の優れた特性を有しており、そのため、内燃機関のピストン、シリンダブロック、ブレーキディスク、電子回路基板、ヒートシンク等への適用が検討されている。
【０００３】
ＭＭＣは、比較的単純な形状のものの製造は容易であるが、複雑な形状の物の製造は必ずしも容易ではない。そのため、単純な形状のＭＭＣ部品を他の金属部品や他のＭＭＣ部品と接合する技術の確立が急務となっており、金属ろう材を用いる接合方法や、ＦＳＷ法による接合方法等が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００４】
アルミニウム基複合材料の接合では、アルミニウムがその表面に酸化被膜を形成してしまうために、金属ろう材を用いた接合方法では、この酸化被膜の存在によって十分な接合強度を得ることができず、また、使用できるろう材の温度はアルミニウム基複合材料の耐熱温度よりも相当低くなるので、アルミニウム基複合材料の熱的特性を十分に発揮させることができない。また、ＦＳＷ法による接合方法は、アルミニウム基複合材料の組成依存性が大きく、特にセラミックス含有率が高い材料には不向きである。
【特許文献１】特開２００２−２６３８８１号公報（段落［０００９］等）
【特許文献２】特開２００２−３５９６５号公報（段落［０００８］、［０００９］等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、アルミニウム基複合材料とアルミニウム基複合材料またはアルミニウム合金とを強固に接合する方法およびこの接合方法により作製されたアルミニウム基複合材料接合体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】
【０００６】
本発明によれば、アルミニウム基複合材料からなる第１部材と、アルミニウム基複合材料またはアルミニウム合金からなる第２部材とを接合する方法であって、前記第１部材と前記第２部材との間に、中間材として０．２〜３質量％のマグネシウムを含有するアルミニウムまたはアルミニウム合金を介在させて、前記第１部材と前記第２部材に所定の圧力を印加し、かつ、前記第１部材と前記第２部材の接合部をマグネシウムの拡散温度に加熱することを特徴とするアルミニウム基複合材料の接合方法が提供される。
【０００７】
中間材としては粉末または板材が好適に用いられる。また、第１部材と第２部材の接合部の加熱には、通電加熱法や高周波誘導加熱法が好適に用いられる。
【０００８】
また本発明によれば、この接合方法により作製された接合体、すなわち、アルミニウム基複合材料からなる第１部材と、中間層を介して前記第１部材と接合されたアルミニウム基複合材料またはアルミニウム合金からなる第２部材とを具備し、前記中間層は０．２〜３質量％のマグネシウムを含有するアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とするアルミニウム基複合材料接合体が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、アルミニウム基複合材料を、アルミニウム基複合材料またはアルミニウム合金と強固に接合することができるという効果を奏する。また、本発明のアルミニウム基複合材料接合体は、通電加熱による作製が可能であることから、その接合体を用いる現場での組立や接合、補修等が可能になるという効果も得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１はアルミニウム基複合材料接合体（以下「接合体」という）の概略構造を示した断面図である。
【００１１】
この接合体１０は、アルミニウム基複合材料（以下「Ａｌ基複合材料」と記す）からなる第１部材１２と、中間層１６を介して接合されたＡｌ基複合材料またはＡｌ合金からなる第２部材１４から構成されている。
【００１２】
第１部材１２に用いられるＡｌ基複合材料としては、Ａｌ−ＳｉＣ，Ａｌ−Ａｌ２Ｏ３，Ａｌ−ＡｌＮが挙げられ、ＳｉＣ等のセラミックスの含有率が５体積％〜８０体積％のものが好適である。第２部材１４がＡｌ基複合材料である場合にはこれと同様である。第２部材１４がＡｌ合金である場合には、Ｍｇを３質量％以上含むアルミニウム合金を除く全てのアルミニウム合金を用いることができる。その一例として、ＡＣ４Ｃ材（Ａｌ−７Ｓｉ−０．３Ｍｇ）が挙げられる。
【００１３】
中間層１６は、０．２〜３質量％のマグネシウム（Ｍｇ）を含有するＡｌ（つまり、この所定量のＭｇと不可避不純物以外の金属元素を含まないＡｌ）またはＡｌ合金（つまり、この所定量のＭｇに加えてＭｇ以外の金属成分をさらに一定量含有しているＡｌ）からなる。この所定量のＭｇを含むＡｌ合金としては、Ｍｇを３質量％以上含むアルミニウム合金を除く全てのアルミニウム合金を用いることができ、その一例として、２０２４合金（Ａｌ−４．３８Ｃｕ−０．６３Ｍｎ−１．４８Ｍｇ）が挙げられる。
【００１４】
図２に接合体１０の作製方法を模式的に示す。この接合体１０は、第１部材１２と第２部材１４との間に、０．２〜３質量％のＭｇを含有するＡｌまたはＡｌ合金を中間材１８として介在させ、第１部材１２と第２部材１４の接合方向に所定の圧力を印加するとともに、第１部材１２と第２部材１４の接合部である中間材１８および近傍をＭｇの拡散温度に加熱することにより、作製することができる。
【００１５】
中間材１８には粉末または板材が好適に用いられる。中間材１８はこの加圧加熱によって図１に示す中間層１６となる材料であるから、中間材１８として粉末材を用いた場合には、加圧，加熱によって粉末どうしが結合した微構造となることが必要である。中間材１８として粉末を用いる場合には、例えば、粉末を予めプレス成形する方法や粉末を樹脂で成型する方法によって作製した成形体を第１部材１２と第２部材１４の間に配置して、加圧，加熱する方法や、粉末を液体に保持させて第１部材１２と第２部材１４の接合面の両面または片面にスプレー塗布し、その液体を蒸発させて乾燥させ、接合面を突き合わせて、加圧，加熱する方法、第１部材１２と第２部材１４のうち下側に位置する部材の上表面に篩等で粉末を落として厚さの均一な層を形成させ、この層を上側に位置する部材で挟み込み、加圧，加熱する方法等を用いることができる。
【００１６】
第１部材１２と第２部材１４の接合部の加熱には、局所加熱が可能な通電加熱法（直流通電加熱法、パルス通電加熱法）、高周波誘導加熱法が好適に用いられる。通電加熱法では、例えば、第１部材１２および第２部材１４に圧力を印加するために用いられる治具に直流電流やパルス電流を印加する。これにより抵抗の大きい接合面で大きなジュール熱が発生し、接合面を接合させる。高周波誘導加熱方法では、接合部の周囲にコイルを巻いて、これに一定周波数の電流を流すことにより、接合面近傍に発生する渦電流によるジュール熱で接合面どうしを接合する。このような局所加熱により、第１部材１２および第２部材１４の熱による変形を抑制することができる。また、このような接合方法によれば、接合体１０の設置現場での組立や接合、補修等が可能になる。
【００１７】
接合処理前において、第１部材１２および第２部材１４は、金属Ａｌを主成分とするために、その表面には酸化被膜（Ａｌ２Ｏ３膜）が自然形成される。この酸化被膜は接合を阻害するので、接合強度を高めるためには、接合時にこの酸化被膜を取り除くことが必要となる。中間材１８を介して第１部材１２と第２部材１４を接合する際に、その接合部を「Ｍｇの拡散温度に加熱する」とは、Ｍｇによる酸化被膜の還元反応が生じる温度に加熱すること、より具体的には４００℃以上に加熱することをいう。
【００１８】
Ｍｇによる酸化被膜の除去反応は、より具体的には、第１部材１２および第２部材１４の各接合面および中間材１８に存在するＡｌ２Ｏ３が、中間材１８の含有するＭｇと反応し、ＭｇＯ，ＭｇＡｌ２Ｏ３となって凝集する反応であり、これにより、金属的な接合部が増加し、接合強度を高めることができる。
【００１９】
そのため、中間材１８のＭｇ含有量が０．２質量％よりも少ないときには、酸化被膜の還元反応が不十分になり、確実な接合を行うことができない。また、中間材１８のＭｇ含有量が３質量％よりも多いと、中間材１８にＭｇＯの酸化被膜が形成されやすくなってしまうために、Ｍｇによる接合面でのマグネシウムの還元反応が発生せず、確実な接合を行うことができなくなる。
【００２０】
中間材１８を介して第１部材１２と第２部材１４を接合させる際の温度および圧力は、第１部材１２および第２部材１４の機械的な特性が劣化しない範囲に、適宜、設定される。また、接合処理雰囲気は、加熱時に接合体１０の構成材料に酸化が起こらないように、減圧（真空）雰囲気または不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。
【００２１】
なお、第１部材１２および第２部材１４がＭｇを多く含む場合には、中間材１８としてＭｇ量の少ないものを用い、逆に、第１部材１２および第２部材１４のＭｇ含有量が少ない場合には、中間材１８としてＭｇ量の多いものを用いることが好ましい。また、第１部材１２と第２部材１４の接合に、中間材１８として所定量のＭｇを含むＡｌ合金を用いた場合には、その成分の一部が第１部材１２と第２部材１４に拡散することによって、中間材１８により形成される中間層１６の組成は、厳密には中間材１８の組成からずれることがあるが、そのような拡散量は全体量に対して極めて少ないために、近似的に中間層１６のＭｇ含有量は中間材１８のＭｇ含有量と同一と考えることができる。
【実施例】
【００２２】
次に本発明の実施例について説明する。
【００２３】
（Ｍｇ含有ＡｌによるＡｌ基複合材料とＡｌ合金の接合試験）
金属部の組成がＡｌ−１０Ｓｉ−２Ｍｇ（質量％）で、体積率で３０％のＳｉＣ（粒径；１０μｍ）を含むＡｌ基複合材料からなり、φ３０ｍｍ×３０ｍｍの形状を有する第１部材と、Ａｌ合金の１種であるＡＣ４Ｃ材（Ａｌ−７Ｓｉ−０．３Ｍｇ）からなるφ３０ｍｍ×３０ｍｍの形状を有する第２部材を準備した。  また、これらの第１部材と第２部材を接合するためにこれらの接合面に挿入する中間材として、Ａｌ、Ａｌ−０．２Ｍｇ、Ａｌ−０．４Ｍｇ、Ａｌ−１．０Ｍｇ、Ａｌ−１．５Ｍｇ、Ａｌ−３．０Ｍｇ、Ａｌ−４．０Ｍｇ（組成は質量％）の粉末および板材を準備した。
【００２４】
中間材としてこれらの粉末を用いる場合には、粉末を篩で接合面上に均一に分布させ、その厚さを４０μｍとした。また、中間材として板材を用いる場合、その厚さを３）ｍｍとした。
【００２５】
第１部材と第２部材の間に上記中間材を配置して、真空雰囲気中、５ＭＰａの圧力で第１部材と第２部材を加圧し、５００℃で５分間、接合処理を行った。このときの加熱方法としては、高周波誘導加熱法を用いた。なお、第２部材（Ａｌ合金）の接合面から５ｍｍ離れた位置に穴を空けて、そこに熱電対を差し込み、これにより測定される温度を接合温度とした。
【００２６】
接合処理後に得られた試料について、その試料の引張強度と、母材であるＡｌ合金の引張強度の比を算出し、その値が５０％以上であれば「接合した」と判断し、５０％未満であれば「接合せず」と判断した。
【００２７】
なお、引張強度は、得られた接合体から引張試験の試験片（１０ｍｍ×１０ｍｍ×約６０ｍｍ）を切り出し、その引張強度を“ＪＩＳ  Ｚ２２４１”に基づいて、引張速度２ｍｍ／分で測定することにより求めた。
【００２８】
結果を表１に示す。中間材としてＭｇを含有しないＡｌとＡｌ−４．０Ｍｇを用いた場合には、Ａｌ基複合材料とＡｌ合金とが中間材を介して接合しなかったが、Ａｌ−０．２〜３．０Ｍｇを用いることで、これらを良好に接合させることができることを確認した。
【表１】
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【００２９】
（Ｍｇ含有ＡｌによるＡｌ基複合材料とＡｌ基複合材料との接合試験）
金属部の組成がＡｌ−１０Ｓｉ−２Ｍｇ（質量％）で、体積率で３０％のＳｉＣ（粒径；１０μｍ）を含むＡｌ基複合材料からなり、φ３０ｍｍ×３０ｍｍの形状を有する部材を第１部材および第２部材として、上述したＡｌ基複合材料とＡｌ合金の接合試験と同様にして、接合試験および得られた接合体の評価を行った。
【００３０】
結果を表２に示す。この表２に示すように、中間材としてＭｇを含有しないＡｌとＡｌ−４．０Ｍｇを用いた場合には、Ａｌ基複合材料どうしを中間材を介して接合させることができなかったが、Ａｌ−０．２〜３．０Ｍｇを用いることにより、Ａｌ基複合材料どうしを良好に接合させることができることを確認した。
【表２】
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【００３１】
（Ｍｇ含有Ａｌ合金によるＡｌ基複合材料とＡｌ合金の接合試験）
金属部の組成がＡｌ−１０Ｓｉ−２Ｍｇ（質量％）で、体積率で３０％のＳｉＣ（粒径；１０μｍ）を含むＡｌ基複合材料からなり、φ３０ｍｍ×５ｍｍの形状を有する第１部材と、Ａｌ合金の１種であるＡＣ４Ｃ材（Ａｌ−７Ｓｉ−０．３Ｍｇ）からなるφ３０ｍｍ×３０ｍｍの形状を有する第２部材を準備した。
【００３２】
これらの第１部材と第２部材を接合するためにこれらの接合面に挿入する中間材として、粒径が４０μｍの２０２４合金（Ａｌ−４．３８Ｃｕ−０．６３Ｍｎ−１．４８Ｍｇ）の粉末を用いた。
【００３３】
第１部材と第２部材の接合形態を、第１部材を第２部材でサンドイッチした構造とし、２つの第１部材と第２部材の間の箇所の接合面にそれぞれ０．８ｇ（厚さ４０μｍ）の中間材を挿入して、直流通電加熱法により、接合温度を変化させて、種々の接合体を作製した。このとき、処理雰囲気は真空雰囲気または窒素雰囲気とし、第２部材間に印加する圧力は７ＭＰａとし、接合処理時間は５分とした。
【００３４】
得られた接合体の変形度を接合前後での長さの変化割合（％）により求めた。同様にして、第１部材のみの変形度も測定した。また、得られた接合体の引張強度を、得られた接合体から引張試験の試験片（１０ｍｍ×１０ｍｍ×約６５ｍｍ）を切り出し、その引張強度を“ＪＩＳ  Ｚ２２４１”に基づいて、引張速度２ｍｍ／分で測定することにより求めた。
【００３５】
さらに比較のために第１部材と第２部材の間に中間材を挿入せずに、同等条件で接合処理し、得られた接合体について変形度を測定し、接合体から引張試験片の切り出し、その引張強度を求めた。
【００３６】
図３に処理雰囲気を真空雰囲気とした場合の接合体の接合温度と引張強度との関係を示す。なお、図３には、比較のために、第２部材（ＡＣ４Ｃ）単体を同温度で同時間処理したものの引張強度を併記している。
【００３７】
中間材を用いない場合には、５００℃以下では第１部材と第２部材は接合しなかった。中間材を用いることにより、これらを５００℃で接合させることができるようになっていることがわかる。また、５２５℃および５５０℃での結果に示されるように、中間材を用いることにより、接合体の引張強度が向上することが確認された。
【００３８】
中間材を用いて５２５℃で接合処理して得られた接合体では、引張試験の結果、第１部材と第２部材の接合面で破断した。これに対し、５５０℃で接合処理して得られた接合体では、引張試験の結果、第１部材の中間部分で破断した。これは、接合温度が高く、また加圧によって、第１部材であるＡｌ基複合材料が接合処理時に劣化したことによるものと考えられた。
【００３９】
この５５０℃で接合処理して得られた接合体の引張強度は、第１部材の本来の引張強度（材料特性）よりも極めて低い値である。このため同条件にて作製した接合体の破断面を観察したところ、第１部材の厚み方向にクラックが発生していることが確認された。さらにこのクラック部分を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察しエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）により組成分析を行ったところ、接合界面に２０２４合金に含まれるＣｕがこのクラックの近傍に偏析し、かつ、第１部材と第２部材との界面に近いほどＣｕ濃度が高くなっていることが確認された。このことから、Ｃｕの第１部材への拡散が第１部材の低融点化を引き起こし、接合処理時の加圧によってクラックが発生し、伸展したものと考えられた。
【００４０】
この結果からは、接合圧力を低下させることが望ましいと考えられる。また、中間材としては、接合対象であるＡｌ基複合材料へ拡散してＡｌ基複合材料を低融点化させることのない元素からなるＭｇ含有Ａｌ合金を用いることが、より好ましいと考えられる。
【００４１】
図４に接合体の接合温度と変形度との関係を示す。中間材を用いずに接合を行ったものと比較して、中間材を挿入することによる接合体の変形は生じていないと判断することができる。
【００４２】
また、図５に第１部材（Ａｌ基複合材料）のみの変形度を、接合温度との関係で示す。これについても、中間材を用いた場合と用いない場合とでは実質的な差はなく、図５に示される差は測定誤差の範囲内と判断できる。
【００４３】
図６に処理雰囲気を窒素ガス雰囲気とした場合の接合体の接合温度と引張強度との関係を示す。なお図６には、比較のために、第２部材（ＡＣ４Ｃ）単体を同温度で同時間処理したものの引張強度を併記している。この図６に示されるように、接合処理を窒素ガス雰囲気において行った場合にも、中間材を用いることによって、引張強度が向上していることが確認された。中間材を用いて５２５℃で処理して得た接合体と中間材を用いずに５５０℃で処理して得た接合体とは同等の引張強度を示しており、中間材を用いることにより、第１部材と第２部材を低温で強く接合することができることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】Ａｌ基複合材料接合体の概略構造を示す断面図。
【図２】Ａｌ基複合材料接合体の作製方法を模式的に示す図。
【図３】処理雰囲気を真空雰囲気とした場合のＡｌ基複合材料接合体の接合温度と引張強度との関係を示すグラフ。
【図４】接合体の接合温度と変形度との関係を示すグラフ。
【図５】第１部材（Ａｌ基複合材料）のみの変形度を接合温度との関係で示すグラフ。
【図６】処理雰囲気を窒素ガス雰囲気とした場合の接合体の接合温度と引張強度との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４５】
１０…接合体、１２…第１部材（Ａｌ基複合材料）、１４…第２部材（Ａｌ基複合材料またはＡｌ合金）、１６…中間層、１８…中間材。
【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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