(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽合金製部材本体（２）と、その部材本体（２）の鋳造過程で、それに接合された被鋳ぐるみ材（３）とよりなる複合部材を製造するに当り、前記被鋳ぐるみ材（３）として、その表層部（４）がＮｉ含有量を１０ｗｔ％≦Ｎｉ≦９０ｗｔ％に設定されたＣｕ−Ｎｉ系合金より構成されたものを用いる、複合部材の製造方法であって、
前記被鋳ぐるみ材（３）は、Ｆｅ系合金製主体（５）と、その主体（５）と一体の表面層（６）とからなり、その表面層（６）は、前記主体（５）表面に順次積層されたＮｉ層（７）およびＣｕ層（８）に、還元雰囲気中にて熱処理を施すことによって生じた拡散によるＣｕ−Ｎｉ系合金より構成されていることを特徴とする複合部材の製造方法。
【請求項２】
軽合金製部材本体（２）と、その部材本体（２）の鋳造過程で、それに接合された被鋳ぐるみ材（３）とよりなる複合部材を製造するに当り、前記被鋳ぐるみ材（３）として、Ｆｅ系合金製主体（５）と、その主体（５）と一体の表面層（６）とからなるものを用い、その表面層（６）は、主体（５）表面に順次積層されたＮｉ層（７）、Ｃｕ層（８）およびＡｇ層（１３）に、還元雰囲気中にて熱処理を施すことによって生じた拡散によるＣｕ−Ｎｉ−Ａｇ系合金より構成され、且つ鋳込み時に軽合金組成の溶湯に溶解されるＡｇ含有量の高い外層部（１４）を有することを特徴とする複合部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複合部材の製造方法、特に、軽合金製部材本体と、その部材本体の鋳造過程で、それに接合された被鋳ぐるみ材とよりなる複合部材を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばＡｌ合金製部材本体に鋳ぐるまれる被鋳ぐるみ材として、鋳鉄製主体の表面に、溶融メッキ処理によりＡｌ合金よりなる表面層を形成したものを用い、その表面層と部材本体とを接合することが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記従来法によると、表面層を形成するＡｌ合金組成の溶湯と鋳鉄製主体との反応により、それらの接合界面に脆い金属間化合物が生成され、それに起因して両者間の接合強度が低い、という問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、軽合金製部材本体と被鋳ぐるみ材との接合強度を大いに向上させた複合部材を得ることが可能な前記製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
前記目的を達成するため本発明によれば、軽合金製部材本体と、その部材本体の鋳造過程で、それに接合された被鋳ぐるみ材とよりなる複合部材を製造するに当り、前記被鋳ぐるみ材として、その表層部がＮｉ含有量を１０ｗｔ％≦Ｎｉ≦９０ｗｔ％に設定されたＣｕ−Ｎｉ系合金より構成されたものを用いる、複合部材の製造方法であって、前記被鋳ぐるみ材は、Ｆｅ系合金製主体と、その主体と一体の表面層とからなり、その表面層は、前記主体表面に順次積層されたＮｉ層およびＣｕ層に、還元雰囲気中にて熱処理を施すことによって生じた拡散によるＣｕ−Ｎｉ系合金より構成されていることを特徴とする複合部材の製造方法が提供される。
【０００６】
前記被鋳ぐるみ材の表層部は軽合金組成の溶湯との濡れ性が良いので、鋳造過程ではその表層部と溶湯とが密着して熱拡散反応がスムーズに、且つ十分に進行する。その上、表層部を構成するＣｕ−Ｎｉ系合金は全率固溶体であると共に前記のように組成を特定されていることからそれ自体の強度も比較的高い。これにより軽合金製部材本体と被鋳ぐるみ材との接合強度を大いに向上させることができる。ただし、表層部の合金組成において、Ｎｉ含有量がＮｉ＜１０ｗｔ％であるか、Ｎｉ＞９０ｗｔ％であると、その表層部と前記溶湯との濡れ性が低下するため、鋳造過程では表層部と溶湯との間に空隙が発生し、これにより表層部および溶湯間の熱拡散反応が阻害されて接合強度が低下する。
【０００７】
さらに本発明によれば、軽合金製部材本体と被鋳ぐるみ材との接合強度をなお一層向上させた複合部材を得ることが可能な前記製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
前記目的を達成するため本発明によれば、軽合金製部材本体と、その部材本体の鋳造過程で、それに接合された被鋳ぐるみ材とよりなる複合部材を製造するに当り、前記被鋳ぐるみ材として、Ｆｅ系合金製主体と、その主体と一体の表面層とからなるものを用い、その表面層は、主体表面に順次積層されたＮｉ層、Ｃｕ層およびＡｇ層に、還元雰囲気中にて熱処理を施すことによって生じた拡散によるＣｕ−Ｎｉ−Ａｇ系合金より構成され、且つ鋳込み時に軽合金組成の溶湯に溶解されるＡｇ含有量の高い外層部を有する、複合部材の製造方法が提供される。
【０００９】
前記表面層の外層部はＡｇ含有量の高い合金より構成され、またその合金は酸素等のガスに対するシール性が高いので、被鋳ぐるみ材の予熱温度を高めても表面層内部の酸化を十分に防止することが可能である。このように被鋳ぐるみ材の予熱温度を高め得る、ということは部材本体と被鋳ぐるみ材との接合強度の向上を図る上で有効な手段である。
【００１０】
また鋳込み時には軽合金組成の溶湯によりＡｇ含有量の高い外層部は溶解して、軽合金組成の溶湯との濡れ性の良いＣｕ−Ｎｉ系合金層が露出し、またその合金は全率固溶体であることからそれ自体の強度も比較的高い。さらに表面層は、その主体側がそれに拡散していることから、主体に対して強固に接合している。これにより軽合金製部材本体と被鋳ぐるみ材との接合強度をなお一層向上させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
〔実施例Ｉ〕
図１において、複合部材１は軽合金製部材本体２と、その部材本体２の鋳造過程で、それに接合された被鋳ぐるみ材３とよりなる。この複合部材１の製造に当り、被鋳ぐるみ材３としては、図２に示すように、その表層部４がＮｉ含有量を１０ｗｔ％≦Ｎｉ≦９０ｗｔ％に設定されたＣｕ−Ｎｉ系合金より構成されたものが用いられる。
【００１２】
被鋳ぐるみ材３における前記構成の表層部４は、軽合金組成の溶湯との濡れ性が良く、またその溶湯に対する拡散性も良好であり、その上、表層部４を構成するＣｕ−Ｎｉ系合金は全率固溶体であると共に前記のように組成を特定されていることからそれ自体の強度も比較的高い。これにより軽合金製部材本体２と被鋳ぐるみ材３との接合強度を大いに向上させることができる。
【００１３】
前記のような被鋳ぐるみ材３は、Ｆｅ系合金製主体５とその主体５と一体の表面層６とから構成される。その表面層６は、図３に示すように、主体５表面に順次積層されたＮｉ層７およびＣｕ層８に、還元雰囲気中にて熱処理を施すことによって生じた拡散によるＣｕ−Ｎｉ系合金より構成される。この場合、表層部４の組成は、Ｎｉ層７およびＣｕ層８の厚さならびに熱処理の温度および時間を調節することによって容易に制御される。
【００１４】
前記表面層６においては、Ｃｕ層８およびＮｉ層７間ならびにＮｉ層７および主体５、したがってＦｅ系合金層間に、脆い金属間化合物を生成することなく、相互拡散が生じたことから、それら両者５、７；７、８間の接合強度が高い。また表面層６内には組成の傾斜化が発生しており、このような表面層６によれば、軽合金組成の溶湯による熱応力を緩和して、部材本体２と被鋳ぐるみ材３との間に健全な接合構造を現出させることができる。
【００１５】
図３に明示したように、主体５と、その表面に積層されたＮｉ層７およびＣｕ層８とよりなる中間体９の製造に当っては、先ず主体５に前処理を施し、次いで主体５表面に電気Ｎｉメッキ処理を施し、その後Ｎｉ層７表面に電気Ｃｕメッキ処理を施す、といった方法が採用される。
【００１６】
この場合、主体５表面に、先にＣｕ層８を形成すると、前記熱処理中に主体５およびＣｕ層８の界面に脆いＦｅＣｕ系金属間化合物が形成され、またＣｕ層８およびＮｉ層７の界面において、主体５より拡散したＣおよびＳｉが濃化し、これにより部材本体２および被鋳ぐるみ材３間の接合強度が低下する。層形成法としては気相メッキ法の適用も可能である。
【００１７】
前処理は、溶剤脱脂→アルカリ電解脱脂→水洗→主として塩酸による酸洗→水洗といった順序で行われ、水洗後の主体５はそのままメッキ浴中に入れられる。
【００１８】
部材本体２を構成する軽合金としては、Ａｌ合金、Ｍｇ合金、Ｚｎ合金等が用いられる。Ａｌ合金には、Ａｌ−Ｚｎ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｓｎ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｓｎ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金等が該当する。
【００１９】
また被鋳ぐるみ材３の主体５を構成するＦｅ系合金には鋳鉄、鋳鋼、炭素鋼、合金鋼等が該当する。
【００２０】
以下、具体例について説明する。
【００２１】
被鋳ぐるみ材３の主体５として、鋳鉄（ＪＩＳ  ＦＣ２５０）よりなる板材を選定し、これに前処理、硫酸浴を用いた電気Ｎｉメッキ処理および硫酸浴を用いた電気Ｃｕメッキ処理を順次施して、中間体９の例１〜７を得た。
【００２２】
表１は、例１〜７におけるＮｉ層７およびＣｕ層８の厚さを示す。
【００２３】
【表１】
0004318797.tif 000002
【００２４】
中間体９の例１〜７に、５０％Ｈ2 −５０％Ｎ2 といった還元雰囲気中にて熱処理を施し、拡散によるＣｕ−Ｎｉ系合金より構成された表面層６を持つ被鋳ぐるみ材３の例１〜７を得た。これらの例１〜７は中間体９の例１〜７にそれぞれ対応する。
【００２５】
表２は被鋳ぐるみ材３の例１〜７に関する熱処理の温度および時間と、表層部４の組成を示す。
【００２６】
【表２】
0004318797.tif 000003
【００２７】
表３は、中間体９の例３に関するグロー放電分光分析結果を示し、Ｃｕ層８の表面からの深さと、所定深さ位置におけるＣｕ、Ｎｉ、Ｆｅおよびその他の元素の含有量との関係を記載したものである。
【００２８】
【表３】
0004318797.tif 000004
【００２９】
図４は、表３に基づきＣｕ層の表面からの深さとＣｕ、ＮｉおよびＦｅの含有量との関係をグラフ化したものである。表３、図４から、主体５表面に順次Ｎｉ層７およびＣｕ層８が積層されていることが判る。
【００３０】
表４は、被鋳ぐるみ材３の例３に関するグロー放電分光分析結果を示し、表面層６の表面からの深さと、所定深さ位置におけるＣｕ、Ｎｉ、Ｆｅおよびその他の元素の含有量との関係を記載したものである。この場合、表層部４とは、表面層６の表面から深さ０．０５μｍ程度までの範囲を言う。
【００３１】
【表４】
0004318797.tif 000005
【００３２】
図５は、表４に基づきＣｕ層の表面からの深さとＣｕ、ＮｉおよびＦｅの含有量との関係をグラフ化したものである。表４、図５から、表面層６が拡散によるＣｕ−Ｎｉ系合金より構成されていることが判る。この場合、表層部４はＮｉ含有量がＮｉ≒３０（約２９．５）ｗｔ％であるＣｕ−Ｎｉ系合金より構成されている。
【００３３】
表５は、Ａｌ合金組成（ＪＩＳ  ＡＤＣ１２相当）の溶湯に対する各種被鋳ぐるみ材３の濡れ性を測定した結果を示す。その測定は、高温用表面張力接触角測定装置（東京工業社製）を用い、常圧Ａｒ雰囲気、昇温速度１３℃／min 、溶湯滴下温度９００℃、滴下後所定時間経過毎に接触角θを測定、といった条件の下で行われた。
【００３４】
表５において、例８は、ＪＩＳ  ＦＣ２５０よりなる前記主体５に厚さ２μｍのＣｕ層を電気メッキ処理により形成したものであり、また例９は前記主体５に厚さ２μｍのＮｉ層を電気メッキ処理により形成したものであり、さらに例１０は前記主体５そのもので何等表面被覆を施されていないものである。
【００３５】
【表５】
0004318797.tif 000006
【００３６】
図６は、表５に基づいてＡｌ溶湯滴下後の経過時間と接触角θとの関係をグラフ化したものである。図６から、例３は例８〜１０に比べ、Ａｌ−Ｓｉ系合金組成の溶湯に対して極めて濡れ性の良いことが判る。
【００３７】
次に、室温下の被鋳ぐるみ材３の例１〜９を金型に設置し、７００℃の前記同様のＡｌ合金組成（ＪＩＳ  ＡＤＣ１２相当）の溶湯を用いて、金型温度２５０℃、ゲートスピード４８ｍ／sec 、鋳造圧力９０ＭＰａの条件で高圧金型鋳造を行って、部材本体２を鋳造すると共にそれと被鋳ぐるみ材３とを接合して複合部材１の例１〜９を得た。これら例１〜９は被鋳ぐるみ材３の例１〜９にそれぞれ対応する。
【００３８】
その後、複合部材１の例１〜９について、部材本体２と被鋳ぐるみ材３との接合強度を次のような方法で求めた。即ち、図７に示すように、テストピースＴｐにおける被鋳ぐるみ材３の両端を２つの支持台１０上に載せ、被鋳ぐるみ材３の中央に形成された孔１１に加圧部材１２を嵌めて部材本体２を加圧し、その部材本体２が被鋳ぐるみ材３から離脱したときの加圧力を求めた。
【００３９】
表６は、例１〜９における表層部４のＮｉ含有量と接合強度との関係を示す。
【００４０】
【表６】
0004318797.tif 000007
【００４１】
図８は、表６に基づいて表層部４のＮｉ含有量と接合強度との関係をグラフ化したものである。表６、図８から明らかなように、表層部４のＮｉ含有量を１０ｗｔ％≦Ｎｉ≦９０ｗｔ％に設定することによって、接合強度を大いに向上させることができる。
〔実施例II〕
本実施例における複合部材１も、図９に示すように軽合金製部材本体２と、その部材本体２の鋳造過程で、それに接合された被鋳ぐるみ材３とよりなる。この複合部材１の製造に当り、被鋳ぐるみ材３としては、図１０に示すように、Ｆｅ系合金製主体５とその主体５と一体の表面層６とからなるものが用いられる。その表面層６は、図１１に示すように、主体５表面に順次積層されたＮｉ層７、Ｃｕ層８およびＡｇ層１３に、還元雰囲気中にて熱処理を施すことによって生じた拡散によるＣｕ−Ｎｉ−Ａｇ系合金より構成される。
【００４２】
表面層６の外層部１４は、鋳込み時に軽合金組成の溶湯に溶解されるＡｇ含有量の高い合金より構成され、またその合金は酸素等のガスに対するシール性が高いので、被鋳ぐるみ材３の予熱温度を高めても表面層６内部の酸化を十分に防止することが可能である。このように被鋳ぐるみ材３の予熱温度を高め得る、ということは部材本体２と被鋳ぐるみ材３との接合強度の向上を図る上で有効な手段である。
【００４３】
鋳込み時には、Ａｇ含有量の高い外層部１４が溶解することによって、軽合金組成の溶湯との濡れ性の良いＣｕ−Ｎｉ系合金層が露出し、またその合金は相互拡散による全率固溶体であることからそれ自体の強度も比較的高い。さらに表面層６は、その主体５と相互拡散していることから、主体５に対して強固に接合している。これにより軽合金製部材本体２と被鋳ぐるみ材３との接合強度をなお一層向上させることができる。さらに表面層６内には組成の傾斜化が発生しており、このような表面層６によれば、軽合金組成の溶湯による熱応力を緩和して、部材本体２と被鋳ぐるみ材３との間に健全な接合構造を現出させることができる。
【００４４】
図１１に明示したように、主体５と、その表面に順次積層されたＮｉ層７、Ｃｕ層８およびＡｇ層１３とよりなる中間体９の製造に当っては、先ず主体５に前処理を施し、次いで主体５表面に電気Ｎｉメッキ処理を施し、さらにＮｉ層７表面に電気Ｃｕメッキ処理を施し、その後Ｃｕ層８表面に電気Ａｇメッキ処理を施す、といった方法が採用される。この場合、主体５表面に、先にＣｕ層８を形成しない理由は前述の通りである。層形成法としては気相メッキ法の適用も可能である。
【００４５】
前処理は、前記同様に、溶剤脱脂→アルカリ電解脱脂→水洗→主として塩酸による酸洗→水洗といった順序で行われる。
【００４６】
部材本体２を構成する軽合金としては、前記同様に、Ａｌ合金、Ｍｇ合金、Ｚｎ合金等が用いられる。Ａｌ合金には、Ａｌ−Ｚｎ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｓｎ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｓｎ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金等が該当する。
【００４７】
また被鋳ぐるみ材３の主体５を構成するＦｅ系合金には、前記同様に、鋳鉄、鋳鋼、炭素鋼、合金鋼等が該当する。
【００４８】
以下、具体例について説明する。
【００４９】
被鋳ぐるみ材３の主体５として、炭素鋼（ＪＩＳ  Ｓ２５Ｃ）よりなる板材を選定し、これに前処理、ワット浴を用いた電気Ｎｉメッキ処理、シアン浴を用いた電気Ｃｕメッキ処理およびシアン浴を用いた電気Ａｇメッキ処理を順次施して、中間体９の例１を得た。この場合、Ｎｉ層７およびＣｕ層８の厚さはそれぞれ２μｍに設定され、またＡｇ層１３の厚さは１μｍに設定された。
【００５０】
中間体９の例１に、５０％Ｈ2 −５０％Ｎ2 といった還元雰囲気中にて、６５０℃、６００sec の条件で熱処理を施し、拡散によるＣｕ−Ｎｉ−Ａｇ系合金より構成された表面層６を持つ被鋳ぐるみ材３の例１を得た。
【００５１】
図１２は、被鋳ぐるみ材３の例１に関するグロー放電分光分析結果を示す。図１２から表面層６が拡散によるＣｕ−Ｎｉ−Ａｇ系合金より構成され、またＡｇ含有量の高い外層部（Ａｇ≧８０ｗｔ％）１４を有することが判る。
【００５２】
前記同様の方法で、被鋳ぐるみ材３の例１と同様の構造を持つ被鋳ぐるみ材３の例２〜５を得た。
【００５３】
また比較のため、前記中間体９の例１と同様に、電気メッキ処理によるＮｉ層７、Ｃｕ層８およびＡｇ層１３を持つもの、つまり前記熱処理を施されていないものを５つ用意し、これらを被鋳ぐるみ材３の例６〜１０とした。
【００５４】
被鋳ぐるみ材３の例１〜１０を種々の温度にて予熱し、次いでそれらの酸化の程度を、Ｃｕ層（表面層６のＣｕ層８対応領域を含む）中の酸素原子濃度として測定した。
【００５５】
次に、被鋳ぐるみ材３の例１〜１０を前記と同一温度に予熱して金型に設置し、７００℃のＡｌ合金組成（ＪＩＳ  ＡＤＣ１２相当）の溶湯を用いて、金型温度２５０℃、ゲートスピード４８ｍ／sec 、鋳造圧力９０ＭＰａの条件で高圧金型鋳造を行って、部材本体２を鋳造すると共にそれと被鋳ぐるみ材３とを接合して複合部材１の例１〜１０を得た。これら例１〜１０は被鋳ぐるみ材３の例１〜１０にそれぞれ対応する。  その後、複合部材１の例１〜１０について、部材本体２と被鋳ぐるみ材３との接合強度を前記と同様の方法（図７参照）で求めた。
【００５６】
表７は、例１〜１０における予熱温度、Ｃｕ層中の酸素原子濃度および接合強度を示す。
【００５７】
【表７】
0004318797.tif 000008
【００５８】
図１３は表７に基づいて、被鋳ぐるみ材３の予熱温度とＣｕ層中の酸素原子濃度との関係をグラフ化したものである。図１３から、例１〜５の表面層６のごとく拡散による合金化を行うと、高温耐酸化性が大いに向上することが判る。
【００５９】
図１４は表７に基づいて、被鋳ぐるみ材３の予熱温度と接合強度との関係をグラフ化したものである。図１４から明らかなように、例１〜５の表面層６のごとく、拡散による合金化を行ってそれに良好な高温耐酸化性を保持させると、予熱温度を高めて接合強度を大いに向上させることができる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、軽合金製部材本体と被鋳ぐるみ材との接合強度を大いに向上させた複合部材を得ることが可能な製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  複合部材の第１例の断面図
【図２】  被鋳ぐるみ材の第１例の断面図
【図３】  中間体の第１例の断面図
【図４】  Ｃｕ層の表面からの深さとＣｕ、ＮｉおよびＦｅの含有量との関係を示すグラフ
【図５】  表面層の表面からの深さとＣｕ、ＮｉおよびＦｅの含有量との関係を示すグラフ
【図６】  溶湯滴下後の経過時間と接触θとの関係を示すグラフ
【図７】  接合強度測定方法の説明図
【図８】  表層部のＮｉ含有量と接合強度との関係を示すグラフ
【図９】  複合部材の第２例の断面図
【図１０】  被鋳ぐるみ材の第２例の断面図
【図１１】  中間体の第２例の断面図
【図１２】  表面層の表面からの深さとＡｇ、Ｃｕ、ＮｉおよびＦｅの含有量との関係を示すグラフ
【図１３】  被鋳ぐるみ材の予熱温度とＣｕ層中の酸素原子濃度との関係を示すグラフ
【図１４】  被鋳ぐるみ材の予熱温度と接合強度との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１        複合部材
２        部材本体
３        被鋳ぐるみ材
４        表層部
５        主体
６        表面層
７        Ｎｉ層
８        Ｃｕ層
１３      Ａｇ層
【図１】
0004318797.tif 000009
【図２】
0004318797.tif 000010
【図３】
0004318797.tif 000011
【図４】
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【図５】
0004318797.tif 000013
【図６】
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【図７】
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【図８】
0004318797.tif 000016
【図９】
0004318797.tif 000017
【図１０】
0004318797.tif 000018
【図１１】
0004318797.tif 000019
【図１２】
0004318797.tif 000020
【図１３】
0004318797.tif 000021
【図１４】
0004318797.tif 000022