(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを接合し、溶体化し、前記時効硬化型アルミニウム合金部材の少なくとも一部を液体に浸漬し、時効硬化処理する時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法であって、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合界面から５ｍｍ以上離れた位置の時効硬化型アルミニウム合金部材を液体に浸漬する時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法。
【請求項２】
時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを接合し、溶体化し、前記時効硬化型アルミニウム合金部材の少なくとも一部を液体に浸漬し、時効硬化処理する時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法であって、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合界面から１０ｍｍ以上離れた位置の時効硬化型アルミニウム合金部材を液体に浸漬する時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法。
【請求項３】
時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを接合し、溶体化し、前記時効硬化型アルミニウム合金部材の少なくとも一部を液体に浸漬し、時効硬化処理する時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法であって、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合界面から３０ｍｍ以上離れた位置の時効硬化型アルミニウム合金部材を液体に浸漬する時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを接合した接合体についての製造方法であって、アルミニウム合金に強度が要求される産業用、自動車用などの部品、更に詳しくは超音波加工に用いられるホーンに代表される加工工具、ロッカーアーム、ピストン、タペット、バブルリフタ−等に代表されるエンジン用部品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
アルミニウム合金は、軽量であるが、強度、硬度が低いことに問題があり、その強度、硬度向上については、例えばＡｌ−Ｃｕ系合金のように熱処理（溶体化、水冷、時効硬化処理）を行い強度及び硬度を向上させる手法が確立している。その手法は、例えばＪＩＳに参考として示されており、各種アルミニウム合金の熱処理条件が決められている。例えばＪＩＳ−Ａ２０２４のＴ４処理は、４９０〜５００℃に加熱し溶体化した後、水冷し、時効硬化処理として室温で９６時間放置する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の各種アルミニウム合金の熱処理と同様の手法により、アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の全体を水冷した場合には、セラミックスは熱衝撃抵抗が低いため、セラミックス部材が割れたり、クラックが入ったりする場合があった。更に、アルミニウム合金部材とセラミックス部材とをろう付け等の化学的に接合した接合体においては、水冷により熱衝撃が接合界面に加わり接合界面の強度が低下するおそれもあった。
【０００４】
本発明の課題は、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを接合した接合体の製造方法であって、セラミックス部材を損傷せずに時効硬化型アルミニウム合金の硬さ及び接合強度が高い接合体を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段・作用】
その手段は、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを接合し、溶体化し、前記時効硬化型アルミニウム合金部材の少なくとも一部を液体に浸漬し、時効硬化処理する時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法である。
この製造方法により、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを接合した接合体全体を液体により冷却する場合に比べ、セラミックス部材の損傷が少なくなる。
また、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合界面から５ｍｍ以上離れた位置の時効硬化型アルミニウム合金部材を液体に浸漬する接合体の製造方法が好ましい。
この製造方法により、接合した接合体全体を冷却する場合に比べ、セラミックス部材の損傷がより少なくなる。
また、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合界面から１０ｍｍ以上離れた位置の時効硬化型アルミニウム合金部材を液体に浸漬する接合体の製造方法が好ましい。
この製造方法により、接合した接合体全体を冷却する場合に比べ、セラミックス部材の損傷が更に少なくなる。
また、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合界面から３０ｍｍ以上離れた位置の時効硬化型アルミニウム合金部材を液体に浸漬する接合体の製造方法が好ましい。
この製造方法により、接合した接合体全体を冷却する場合に比べ、セラミックス部材の損傷が更にもっと少なくなる。
ここで、「時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合界面」とは、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを中間部材等を介した場合にはその中間部材等とセラミックス部材との接合界面をいう。また、その「時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合界面」は、セラミックス部材の接合端面が拡散ないし拡散の影響を受けてその端面に拡散層等が形成されている場合には、拡散ないし拡散の影響を受けていない部分（セラミックス部材）と拡散ないし拡散の影響を受けている拡散層との界面をいう。
【０００６】
ここで、時効硬化型アルミニウム合金には、例えばＪＩＳに規格されている２０００番台のＡｌ−Ｃｕ系合金、４０００番台のＡｌ−Ｓｉ系合金の一部、５０００番台のＡｌ−Ｍｇ系合金の一部、６０００番台のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金、７０００番台のＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金、或いはＪＩＳ−ＡＣ１Ａ、ＪＩＳ−ＡＣ１Ｂ、ＪＩＳ−ＡＣ４Ａ、ＪＩＳ−ＡＣ８Ａなど溶体化後水冷により強度を得るようなアルミニウム合金鋳物、ＪＩＳ−ＡＤＣ１、ＪＩＳ−ＡＤＣ１０などのアルミニウムダイカスト合金等がある。
アルミニウム合金は一般的には、時効硬化された状態で市販されている場合が多いが、セラミックス部材と接合するに際し、ろう付等によって加熱処理される場合（３４５℃以上の温度にて加熱される場合）には、焼き鈍しされてしまいアルミニウム合金本来の強度、硬さが得られない場合に本発明は好適に利用できる。また、時効硬化されていないアルミニウム合金に対しても本発明は好適に利用できる。
ここで浸漬に用いる液体は、常温の水、温水、沸騰水が好ましいが、アルミニウム合金に所定の強度を得ることができれば、水以外のオイル類、アルコール類などの液体あるいはこれらを混合した液体でもかまわない。
セラミックスとしては、窒化珪素、サイアロン、ジルコニア、アルミナ、炭化珪素、ＴｉＮ・ＴｉＣ系サーメットなどあるいはこれらが複合された材料など周知の材料の使用が可能であるが、液体による冷却により損傷を受けやすい材料に対して特に効果がある。
【０００７】
ここで、溶体化とは、時効硬化型アルミニウム合金部材の強度及び硬度を向上させるための熱処理の一部をいい、具体的には加熱のことである。その加熱するときの加熱温度としては、ＪＩＳ規格等に参考として示されておりその一部を表１に抜粋するが、本発明における溶体化するときの溶体化温度はこれらに限定されるものではない。即ち、本発明は、ろう付け時等の熱処理により、焼き鈍しされた時効硬化型アルミニウム合金部材の強度や硬度を適用しようとする製品に要求される値に改善できればよい。従って、溶体化するときの溶体化温度は、表１に示す溶体化温度を上回っても下回ってもどちらでもよい。
【０００８】
【表１】
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【０００９】
また、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを接合する方法として、ろう付、摩擦圧接、鋳ぐるみ方法等がある。特にろう付、摩擦圧接のようにそれぞれの部材が化学的に接合した方法が、本発明の適用にはより有効である。その理由は、アルミニウム合金の熱膨張係数は約２０×１０-6／℃以上とセラミックス（約１０×１０-6／℃以下）に比べ大きく、溶体化後の水冷（急冷）により短時間で大きく収縮するため、それぞれの部材が化学的に接合されているものは接合界面に大きな応力が働き、セラミックス部材自身のみならず接合部の強度低下を招く恐れがある。そのため浸漬する位置がセラミックス部材から遠いほど接合界面近傍のアルミニウム合金の収縮の速度が遅くなり接合部に働く応力も小さくなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
−実施例１−
本発明は、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法であって、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを接合し、溶体化し、前記時効硬化型アルミニウム合金部材の少なくとも一部を液体に浸漬し、時効硬化処理する製造方法である。
本実施例では、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを軟質金属等の中間部材を介さずに接合した時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法について説明する。
具体的には、時効硬化型アルミニウム合金部材３とセラミックス部材２とをろう材７にて接合した接合体１を用いた（図１、図２）。
セラミックス部材２として、ジルコニアよりなる丸棒（直径１０ｍｍ、長さ１０ｍｍ）を用意し、接合面となる片側端面に蒸着法により厚さ０．２μｍのＡｌ膜６を成膜した。
時効硬化型アルミニウム合金部材３として、表２に示す材質の丸棒（直径１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ）を用意した。
ろう材７として重量で６０％Ｚｎ−２７．４％Ａｌ−１０．８％Ｃｕ−１．８％Ｓｉの合金箔（直径１０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ）を準備し、これらを図２に示す順番に重ね合わせ、治具（図示しない）にセットした。
これらを真空炉中にセットして１０-4Ｔｏｒｒまで排気した後、５００℃でろう付を行った。
得られた接合体１を▲１▼溶体化し、▲２▼冷却した後、▲３▼時効硬化処理を行った。
▲１▼溶体化は、表２に記載の各温度に１時間保持することにより行った。
▲２▼冷却は、溶体化後に直ちに図７に示す様に「室温の液体（水）」に浸漬することにより行った。
▲３▼時効硬化処理は、所定の温度にて所定の時間放置することにより行った。具体的には、時効硬化処理は、アルミニウム合金部材３を室温で９６時間以上放置することにより行った。
比較として▲１▼溶体化し、▲２▼接合体全体を水中に浸漬した後、▲３▼時効硬化処理を行ったものを作製した（図示せず）。
時効硬化処理後に、接合体１の接合界面を含む外周を直径９ｍｍに円筒研削し、時効硬化型アルミニウム合金部材３をクランプして片持ち曲げ試験にて接合強度を評価した（図８）。また、強度評価終了後に時効硬化型アルミニウム合金部材３の中央部を切断し、断面の略中央でのビッカース硬さを測定した（図１０）。
結果を表２に示す。尚、表中の５ｍｍ、１０ｍｍ、３０ｍｍは、図９の拡大図（Ａ）に示す接合界面の位置から図７に示す液面までの距離を示す。
【００１１】
【表２】
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【００１２】
本発明の実施例の接合体は、いずれもセラミックス部材にクラックや部材同士の剥離の発生がなく良好な接合強度を示したが、接合体全体を浸漬したもの（Ｎｏ.０７）は浸漬後の外観検査においてセラミックス部材にクラックの発生が確認された。
水冷位置がセラミックス部材の接合界面から離れる程接合体の強度は高くなることが分かった。
また、時効硬化型アルミニウム合金の硬さについて、ろう付け後の硬さが、ＨＶ８０であったのに対し、Ｎｏ.０１〜０７の試料はすべて向上していた。そして、接合体の全体を水冷したものと、時効硬化型アルミニウム合金部材の少なくとも一部分を水冷したものとほとんど同等の硬さであった。
【００１３】
−実施例２−
本実施例では、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを一つの中間部材を介して接合した時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法について説明する。
具体的には、時効硬化型アルミニウム合金部材３’とセラミックス部材２’とを中間部材５’を介してろう材７’にて接合した接合体を用いた（図３、図４）。
セラミックス部材２’として窒化珪素よりなる丸棒（直径５ｍｍ、長さ５ｍｍ）を用意し、接合面となる片側端面に蒸着法により厚さ１μｍのＡｌ膜６’を成膜した。
時効硬化型アルミニウム合金部材３’として表３に示す材質よりなる丸棒（直径５ｍｍ、長さ５０ｍｍ）を用意した。
中間部材５’として、ＪＩＳ−Ａ１０５０のアルミニウム合金の円板（直径５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を用意した。
ろう材７’として重量で６０％Ｚｎ−２７．４％Ａｌ−１０．８％Ｃｕ−１．８％Ｓｉの合金箔（直径５ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ）を準備し、これらを図４に示す順番に重ね合わせ、治具（図示しない）にセットした。
これらを真空炉中にセットして１０-4Ｔｏｒｒまで排気した後、５００℃でろう付を行った。
得られた接合体１を▲１▼溶体化し、▲２▼冷却した後、▲３▼時効硬化処理を行った。
▲１▼溶体化は、大気中４９０℃にて１時間保持することにより行った。
▲２▼冷却は、溶体化後に直ちに図７に示す様に室温の液体（水）に浸漬することにより行った。
▲３▼時効硬化処理は、所定の温度にて所定の時間放置することにより行った。具体的には、時効硬化処理は、アルミニウム合金部材３’を室温で９６時間以上放置することにより行った。
比較として▲１▼溶体化し、▲２▼接合体全体を水中に浸漬した後、▲３▼時効硬化処理を行ったものを作製した（図示せず）。
時効硬化処理後に、接合体１’の接合界面を含む外周を直径４ｍｍに円筒研削し、時効硬化型アルミニウム合金部材３’をクランプして片持ち曲げ試験にて接合強度を評価した（図８）。また、強度評価終了後に時効硬化型アルミニウム合金部材３’の中央部を切断し、断面の略中央でのビッカース硬さを測定した（図１０）。
結果を表３に示す。尚、表中の５ｍｍ、１０ｍｍ、３０ｍｍは、図９の拡大図（Ｂ）に示す接合界面の位置から図７に示す液面までの距離を示す。
【００１４】
【表３】
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【００１５】
本発明の実施例の接合体は、いずれもセラミックス部材にクラックや部材同士の剥離の発生がなく良好な接合強度を示したが、接合体全体を浸漬したもの（Ｎｏ.１５）は浸漬後の外観検査においてセラミックス部材２’と中間部材５’（１０５０）の間に大きな隙間が認められ接合強度が極端に低かった。又、浸漬位置がセラミックス部材の接合界面から離れる程接合体の強度は高くなることが分かった。
また、時効硬化型アルミニウム合金の硬さについては、接合体の全体を浸漬したものと時効硬化型アルミニウム合金の少なくとも一部分を浸漬したものとは、ほとんど同等の硬さであった。
【００１６】
−実施例３−
本実施例では、時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを二つの中間部材を介して接合した時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法について説明する。
具体的には、時効硬化型アルミニウム合金部材３”とセラミックス部材２”とを二つの中間部材４”、５”を介してろう材７”にて接合した接合体１”を用いた（図５、図６）。
セラミックス部材２”として、ジルコニアよりなる丸棒（直径１０ｍｍ、長さ１０ｍｍ）を用意し、接合面となる片側端面に蒸着法により厚さ０．２μｍのＡｌ膜６”を成膜した。
時効硬化型アルミニウム合金部材３”として、表４に示す材質の丸棒（直径１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ）を用意した。
中間部材４”として、ＪＩＳ−  Ａ５０５２のアルミニウム合金の円板（直径１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を用意した。
中間部材５”として、ＪＩＳ−  Ａ１０５０のアルミニウム合金の円板（直径１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を用意した。
ろう材７”として重量で６０％Ｚｎ−２７．４％Ａｌ−１０．８％Ｃｕ−１.８％Ｓｉの合金箔（直径１０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ）を準備し、これらを図６に示す順番に重ね合わせ、治具（図示しない）にセットした。
これらを真空炉中にセットして１０-4Ｔｏｒｒまで排気した後、５００℃でろう付を行った。
得られた接合体１”を▲１▼溶体化し、▲２▼冷却した後、▲３▼時効硬化処理を行った。
▲１▼溶体化は、表４に記載の各温度に１時間保持することにより行った。
▲２▼冷却は、溶体化後に直ちに図７に示す様に室温の液体（水）に浸漬することにより行った。
▲３▼時効硬化処理は、所定の温度にて所定の時間放置することにより行った。具体的には、時効硬化処理は、ＪＩＳ−Ａ２０２４の時効硬化型アルミニウム合金部材３”については、室温で９６時間以上放置することにより、ＪＩＳ−Ａ７０７５の時効硬化型アルミニウム合金部材３”については、１２０℃で２４時間以上放置することにより行った。
比較として▲１▼溶体化し、▲２▼接合体全体を水中に浸漬した後、▲３▼時効硬化処理を行ったものを作製した（図示せず）。
時効硬化処理後に、接合体１”の接合界面を含む外周を直径９ｍｍに円筒研削し、時効硬化型アルミニウム合金部材３”をクランプして片持ち曲げ試験にて接合強度を評価した（図８）。また、強度評価終了後に時効硬化型アルミニウム合金部材３”の中央部を切断し、断面の略中央でのビッカース硬さを測定した（図１０）。
結果を表４に示す。尚、表中の５ｍｍ、１０ｍｍ、３０ｍｍは、図９の拡大図（Ｂ）に示す接合界面の位置から図７に示す液面までの距離を示す。
【００１７】
【表４】
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【００１８】
本発明の実施例の接合体１”は、いずれもセラミックス部材にクラックや部材同士の剥離の発生がなく良好な接合強度を示したが、接合体全体を浸漬したもの（Ｎｏ.９、１０）は浸漬後の外観検査においてセラミックス部材にクラックの発生が確認された。
浸漬位置（冷却位置）がセラミックス部材２”の接合界面から離れる程接合体の強度は高くなることが分かった。
また、時効硬化型アルミニウム合金の硬さについては、接合体の全体を浸漬したものと時効硬化型アルミニウム合金の少なくとも一部分を浸漬したものとは、ほとんど同等の硬さであった。
【００１９】
−実施例４−
実施例１〜３においては、液体に浸漬（冷却）する場合のその液体を「室温の水」で行ったが、本実施例では、その液体を「８０℃の温水」と「常温の機械油」
にて行った。
本実施例では、実施例３と同様に時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材とを二つの中間部材を介して接合した時効硬化型アルミニウム合金部材とセラミックス部材との接合体の製造方法について説明する。
具体的には、時効硬化型アルミニウム合金部材３”とセラミックス部材２”とを二つの中間部材４”、５”を介してろう材７”にて接合した接合体１”を用いた（図５、図６）。
セラミックス部材２”として、ジルコニアよりなる丸棒（直径１０ｍｍ、長さ１０ｍｍ）を用意し、接合面となる片側端面に蒸着法により厚さ０．２μｍのＡｌ膜６”を成膜した。
時効硬化型アルミニウム合金部材３”として、ＪＩＳ− Ａ２０２４よりなる材質の丸棒（直径１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ）を用意した。
中間部材４”として、ＪＩＳ−Ａ５０５２のアルミニウム合金の円板（直径１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を用意した。
中間部材５”として、ＪＩＳ−Ａ１０５０のアルミニウム合金の円板（直径１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を用意した。
ろう材７”として重量で６０％Ｚｎ−２７．４％Ａｌ−１０．８％Ｃｕ−１．８％Ｓｉの合金箔（直径１０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ）を準備し、これらを図６に示す順番に重ね合わせ、治具（図示しない）にセットした。
これらを真空炉中にセットして１０-4Ｔｏｒｒまで排気した後、５００℃でろう付を行った。
得られた接合体１”を▲１▼溶体化し、▲２▼冷却した後、▲３▼時効硬化処理を行った。
▲１▼溶体化は、４９０℃にて大気中で１時間保持することにより行った。
▲２▼冷却は、溶体化後に直ちに図７に示す様に表５に示す冷却液に浸漬することにより行った。「常温の機械油」としては、ＪＩＳ−Ｋ２２３８に規定される中粘度の機械油を使用した。
▲３▼時効硬化処理は、所定の温度にて所定の時間放置することにより行った。具体的には、時効硬化処理は、ＪＩＳ−Ａ２０２４の時効硬化型アルミニウム合金部材３”については、室温で９６時間以上放置することにより行った。
比較として▲１▼溶体化し、▲２▼接合体全体を水中に浸漬した後、▲３▼時効硬化処理を行ったものを作製した（図示せず）。
時効硬化処理後に、接合体１”の接合界面を含む外周を直径９ｍｍに円筒研削し、時効硬化型アルミニウム合金部材３”をクランプして片持ち曲げ試験にて接合強度を評価した（図８）。また、強度評価終了後に時効硬化型アルミニウム合金部材３”の中央部を切断し、断面の略中央でのビッカース硬さを測定した（図１０）。
結果を表５に示す。尚、表中の５ｍｍ、１０ｍｍ、３０ｍｍは、図９の拡大図（Ｂ）に示す接合界面の位置から図７に示す液面までの距離を示す。
【００２０】
【表５】
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【００２１】
接合体全体を浸漬した場合、接合強度が大きく低下した。一方本発明によれば接合強度の低下もほとんどなく硬さも充分高いものが得られた。
また、浸漬する液体は、「８０℃の温水」、「常温の機械油」いづれであっても本発明の範囲内で浸漬を行えば、室温の水と同様に問題はなかった。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の製造方法により、セラミックス部材を損傷せずに時効硬化型アルミニウム合金の硬さ及び接合強度が高い接合体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実験例１のセラミックス部材と時効硬化型アルミニウム部材との接合体を示す斜視図である。
【図２】本発明の実験例１のセラミックス部材と時効硬化型アルミニウム部材との接合体の接合する直前の状態を示す正面図である。
【図３】本発明の実験例２のセラミックス部材と時効硬化型アルミニウム部材との接合体を示す斜視図である。
【図４】本発明の実験例２のセラミックス部材と時効硬化型アルミニウム部材との接合体の接合する直前の状態を示す正面図である。
【図５】本発明の実験例３、４のセラミックス部材と時効硬化型アルミニウム部材との接合体を示す斜視図である。
【図６】本発明の実験例３、４のセラミックス部材と時効硬化型アルミニウム部材との接合体の接合する直前の状態を示す正面図である。
【図７】本発明のセラミックス部材と時効硬化型アルミニウム部材との接合体の製造方法を示す平面図である。
【図８】実施例の接合強度の測定方法を示す平面図である 。
【図９】接合体の接合界面を示す平面図及びその拡大図（Ａ）（Ｂ）である 。
【図１０】ビッカース硬度の測定位置を示す斜視図である 。
【符号の説明】
１・・・・  接合体
２・・・・  セラミックス部材
３・・・・  時効硬化型アルミニウム部材
４・・・・  中間部材
５・・・・  中間部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003848707.tif 000009
【図４】
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【図５】
0003848707.tif 000011
【図６】
0003848707.tif 000012
【図７】
0003848707.tif 000013
【図８】
0003848707.tif 000014
【図９】
0003848707.tif 000015
【図１０】
0003848707.tif 000016