(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質合金材料同士、または非晶質合金材料と結晶材料を加圧力が5MPa以上で加圧しながら付き合わせ、その材料間にパルス電流のピーク値が0.15kA/mm2 以上であり、パルス電流の立ち上がりからピークの半減までの時間が0.1 秒以下であるパルス電流を流すことにより、非晶質合金材料の接合部の一部あるいは全てが溶融状態まで急速加熱されると共に接合部の流動変形による張り出し部の形成を伴って、非晶質合金材料の非晶質状態を保持した状態で接合することを特徴とする非晶質合金材料同士、または、非晶質合金材料と結晶材料の接合方法。
【請求項２】
加熱速度0.67K/s の場合に、ガラス遷移を示し、ガラス遷移温度と結晶化温度の差が30K 以上である非晶質合金材料を接合することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非晶質合金材料同士あるいは非晶質合金材料と結晶質合金材料の接合を可能とするパルス通電接合法に関するものであり、非晶質合金材料の応用範囲を拡げるものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
最近、結晶化の前でガラス遷移が見られ、広い過冷却液体領域を有すると共に、大きい非晶質形成能を示す各種非晶質合金材料が開発された。これら非晶質合金材料は、従来の非晶質合金材料に比較して大きな非晶質形成能を有しているために、単ロール式液体急冷法などのような大きな冷却速度が得られる特殊な方法のみならず、Cu鋳型鋳造や水焼き入れ法などのような比較的冷却速度の遅い一般的な鋳造法によってでも非晶質化し、バルク状の非晶質合金材料を比較的容易に作製することができるようになってきており、種々の実用化の検討が実施されてきている。
【０００３】
非晶質合金材料は、溶接すると、溶接部が結晶化するのみならず、その熱影響部まで結晶化してしまうために、一般的な金属材料のように溶接ができなかった。また、高温での原子拡散を利用する固相拡散接合法でも、原子拡散が活発に生じる高温まで加熱すると結晶化してしまい、非晶質相を保持したままでの接合はできなかった。
【０００４】
約15年ほど前に超音波接合により非晶質薄帯の固相接合が試みられているが、非晶質合金材料は高強度であるために、接合が不十分であり、また、結晶化してしまうという問題があった。これ以外に、非晶質合金材料の接合に成功したという学術雑誌や学会での報告はない。
【０００５】
一方、非晶質合金材料粉末を、加圧した状態で、パルス電流を流すことによって、非晶質状態を保ったままで、粉末同士が接合して高密度に固化する方法が学会などで報告されている。このパルス電流を流す焼結法は、放電プラズマ焼結法とかパルス通電焼結法と呼ばれており、装置も市販されている。しかしながら、非晶質合金材料粉末のパルス通電焼結では、粉末同士の接合が不十分であったり、密度が低かったり、また、結晶化が生じてしまうという問題があった。
【０００６】
また、特開平8-192278では、加圧下で交流電流を流すことにより非晶質合金材料薄帯を接合する方法が報告されている。これらのパルスや交流電流を用いる方法は、温度が結晶化温度以下に抑さえられており、結晶化温度以下までの加熱、さらに急激な加熱による表面酸化皮膜の破壊による活性面の出現によって、非晶質合金材料同士を接合する方法である。
【０００７】
しかし、これらの方法では、粉末あるいは薄帯の酸化皮膜が接合界面に残留してしまうと言う問題がある。さらに、接合時の温度が結晶化温度以下という融点の約半分の低い温度であるため、強固な接合を得るための原子の拡散が不十分である。これらが原因で、パルスや交流電流を用いた方法では強固な接合は得られない。
【０００８】
このように、非晶質合金材料同士や非晶質合金材料と他の結晶材料との接合ができなかったために、非晶質合金材料の応用範囲がかなり制約されており、非晶質合金材料の接合手法の開発が切望されていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した非晶質合金材料の大きい非晶質形成能と熱的に安定な過冷却液体状態を利用して、非晶質合金材料同士または非晶質合金材料と結晶質合金材料とを強固に接合できる非晶質合金材料の接合方法とこの方法によって接合された接合部材を提供することを目的としている。
【００１０】
すなわち、本発明は、非晶質合金材料同士、または非晶質合金材料と結晶材料を加圧力が5MPa以上で加圧しながら付き合わせ、その材料間にパルス電流のピーク値が0.15kA/mm2 以上であり、パルス電流の立ち上がりからピークの半減までの時間が0.1 秒以下であるパルス電流を流すことにより、非晶質合金材料の接合部の一部あるいは全てが溶融状態まで急速加熱されると共に接合部の流動変形による張り出し部の形成を伴って、非晶質合金材料の非晶質状態を保持した状態で接合することを特徴とする非晶質合金材料同士、または、非晶質合金材料と結晶材料の接合方法である。
【００１２】
また、本発明は、加熱速度0.67K/s の場合に、ガラス遷移を示し、ガラス遷移温度と結晶化温度の差が30K 以上である非晶質合金材料を接合することを特徴とする上記の接合方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、ガラス遷移を示すと共に、高い非晶質形成能を持つ非晶質合金材料の接合に関するもので、加圧した状態で接合材料間に極めて短時間にパルス状の大電流を流し、接合界面を融点以上の温度まで急速上昇させると共に、母材への熱伝導や外気への放熱により溶融および熱影響部を急冷すること、さらに、溶接時に加圧することにより図２に示すように、長さＸの張り出し部Ｃを形成すること、また、接合部のみを加熱すること、を特徴としており、結晶化を避けて非晶質状態を保持した状態で、非晶質合金材料同士あるいは非晶質合金材料と結晶質合金材料の溶接を可能にする方法である。
【００１５】
図１は、パルス通電による接合装置の構成を概念的に示すものであり、電極１および電極２に接合材料Ａと接合材料Ｂを取り付け、コンデンサ３に接続した変圧器４に電極１と電極２を接続する。まず、電圧調整によりコンデンサー３に所定の電気を貯め、電極Ｂを軸方向に油圧プレス７で押圧することによる接合材料間に加わる圧力が所定の圧力に達した瞬間に、コンデンサーに蓄えられた電気を一気に放電させる。トロイダルコア５は溶接電流を検出するものであり、このトロイダルコア５で関知した電流を電流記録計６で記録する。これによって、接合材ＡＢ間に流れた電流波形、電流の最大値、電流が流れた時間を計測できる。
【００１６】
本発明の方法では、接合部のみを融点以上の温度まで加熱して、結晶化を避けて非晶質状態を保持した状態で、短時間で強固に溶接する必要があり、そのためには、（１）接合部のみの溶融化、（２）接合材料間の接合溶融面の密着、（３）接合界面の酸化皮膜の除去、（４）溶接部の非晶質保持、（５）熱影響部の非晶質保持、を実現する必要がある。
【００１７】
これを解決する手段として、通常の熱分析で行われている0.67K/S の加熱速度で熱分析した場合、結晶化温度とガラス遷移温度の差が30K 以上である非晶質合金材料を相手材料と接合する。
【００１８】
また、接合条件として、パルス電流の時間とピーク電流密度を制御して、パルス電流のピーク値を0.15kA/mm2 以上0.3kA/mm2 以下、パルス電流の立ち上がりからピーク電流の半分に減少するまでの時間（半減時間）を0.1 秒以下にし、溶接時の材料間に加える加圧力を5MPa以上500MPa以下としている。電流値が低すぎると、接合面全体に亘って溶融しない。高すぎると、接合面の温度が高くなりすぎ、また、溶融部の体積が大きくなり、さらに、熱影響部の温度も高くなり、結晶化の危険性が大きくなる。半減時間が長すぎると、結晶化する。
【００１９】
加圧力は、小さすぎると、張り出し形成が少なくなり、結晶化し易くなる。高すぎると、母材の熱影響部まで変形してしまう。張り出し部Ｃの長さＸは０．２ｍｍ以上が望ましい。張り出し部Ｃの長さＸが０．２ｍｍ未満では、酸化物の排出が不十分であるために、接合界面に酸化物が残留してしまい、高い接合強度が得られない。また、接合部における高温体積の残留が多くなって接合部の冷却が遅くなり、その結果、接合部が結晶化しやすくなる。
【００２０】
【作用】
この方法では下記の作用により、非晶質を保持した状態で強固な接合が得られる。
（１）放電初期に発生するプラズマによる接合面の清浄作用、（２）溶接界面が融点以上の温度まで加熱されることによる溶融状態での接合、（３）ガラス遷移温度以上に加熱された溶接部の一部が加圧力で流動変形を起こして張り出し部を形成することによる接合面の密着および表面酸化皮膜の破壊・分散・排出、により強固な接合が得られる。
【００２１】
また、非晶質性の保持に関しては、（１）接合材料間に流れる電流の短時間での急上昇によって、結晶化の時間- 温度- 遷移曲線（TTT 曲線）を横切らないように溶接部が融点以上まで加熱されること、（２）接合材料間に流れる電流の急減により、溶接部の熱が母材への熱伝達と外気への放熱により効果的に急冷されること、（３）溶接時の加圧により溶接部に張り出しが形成され、それに伴い高温溶接部の体積が減少することによって、溶接部が効果的に急冷されること、により結晶化せずに非晶質性を保って強固に溶接することができる。
【００２２】
【実施例】
実施例１
（１）0.67K/s という加熱速度でガラス遷移温度と結晶化温度の差が約82K であるZr55Al10Ni5Cu30 非晶質合金材料の板を、13mm×4.5mm で厚さ2mm に加工して接合試験片を作製した。この試験片を、図１に示すように、電極に取り付け、50MPa の荷重を付加した状態で、最大パルス電流2kA、パルス電流半減時間0.02秒のパルス電流を流して、非晶質合金材料を接合した。
【００２３】
図２に示すように、接合部材の接合部には長さＸの張り出しＣが形成されていた。接合試験片の引張試験を行った結果、引張強度が1500MPa であり、Zr55Al10Ni5Cu30 非晶質合金材料自身の引張強度が得られ、強固に接合していることが明らかになった。
【００２４】
また、図３に示すように、接合試験片の接合部の断面には欠陥が観察されず、接合面全体に亘って強固に接合していることが分かった。また、この断面のマイクロエリアＸ線回折実験の結果、図４に示すように、回折図形には、結晶相に対応する回折ピークは見られず、非晶質合金に特有のハロー図形のみが見られ、非晶質相を保持して接合していることが明らかになった。
【００２５】
実施例２
0.67K/s という加熱速度でガラス遷移温度と結晶化温度の差が約82K であるZr55Al10Ni5Cu30 非晶質合金材料の板を、13mm×4.5mm で厚さ2mm に加工して接合試験片を作製した。この試験片を実施例１と同様に、電極に取り付け、50MPa の荷重を付加した状態で、最大パルス電流40kA、パルス電流の半減時間0.04秒のパルス電流を流して、非晶質合金材料を接合した。
【００２６】
接合試験片の接合部の断面には欠陥が観察されず、接合面全体に亘って強固に接合していることが分かった。また、この断面のマイクロエリアＸ線回折実験の結果、回折図形には、結晶相に対応する回折ピークが観察され、結晶化していることが明らかになった。
【００２７】
実施例３
0.67K/s という加熱速度でガラス遷移温度と結晶化温度の差が約82K であるZr55Al10Ni5Cu30 非晶質合金材料の板を、13mm×4.5mm で厚さ2mm に加工して接合試験片を作製した。この試験片を、電極に取り付け、50MPa の荷重を付加した状態で、最大パルス電流2kA、パルス電流の半減時間0.2 秒のパルス電流を流して、非晶質合金材料を接合した。
【００２８】
接合試験片の接合部の断面には欠陥が観察されず、接合面全体に亘って強固に接合していることが分かった。また、この断面のマイクロエリアＸ線回折実験の結果、回折図形には、結晶相に対応する回折ピークが観察され、一部結晶化していることが明らかになった。
【００２９】
実施例４
0.67K/s という加熱速度でガラス遷移温度と結晶化温度の差が約73K であるPd40Ni40P20 非晶質合金材料の丸棒材を加工して直径4mm の接合試験片を作製した。この試験片を、電極に取り付け、30MPa の荷重を付加した状態で、最大パルス電流2kA、パルス電流の半減時間0.02秒のパルス電流を流して、非晶質合金材料を接合した。
【００３０】
接合試験片の引張試験を行った結果、引張強度が1600MPa であり、Pd40Ni40P20 非晶質合金材料自身の引張強度が得られ、強固に接合していることが明らかになった。また、接合試験片の接合部の断面には、欠陥が観察されず、接合面全体に亘って強固に接合していることが分かった。
【００３１】
また、この断面のマイクロエリアＸ線回折を行った結果、その回折図形には結晶相に対応する回折ピークは見られず、非晶質合金に特有のハロー図形のみが見られ、非晶質相を保持して接合していることが明らかになった。
【００３２】
実施例５
0.67K/s という加熱速度でガラス遷移温度と結晶化温度の差が約85K であるPd40Cu30Ni10P20 非晶質合金材料の丸棒材を加工して直径4mm の接合試験片を作製した。この試験片を、電極に取り付け、30MPa の荷重を付加した状態で、最大パルス電流2kA、パルス電流の半減時間0.02秒のパルス電流を流して、非晶質合金材料を接合した。
【００３３】
接合試験片の引張試験を行った結果、引張強度が1600MPa であり、Pd40Cu30Ni10P20 非晶質合金材料自身の引張強度が得られ、強固に接合していることが明らかになった。また、接合試験片の接合部の断面には、欠陥が観察されず、接合面全体に亘って強固に接合していることが分かった。
【００３４】
また、この断面のマイクロエリアＸ線回折を行った結果、その回折図形には結晶相に対応する回折ピークは見られず、非晶質合金に特有のハロー図形のみが見られ、非晶質相を保持して接合していることが明らかになった。
【００３５】
実施例６
0.67K/s という加熱速度でガラス遷移温度と結晶化温度の差が約120KであるZr47Ti8Cu7.5Ni10Be27.5非晶質合金材料の板を、13mm×4.5mm で厚さ2mm に加工して接合試験片を作製した。この試験片を、電極に取り付け、70MPa の荷重を付加した状態で、最大パルス電流2kA、パルス電流の半減時間0.02秒のパルス電流を流して、非晶質合金材料を接合した。
【００３６】
接合試験片の引張試験を行った結果、引張強度が1900MPa であり、Zr47Ti8Cu7.5Ni10Be27.5非晶質合金材料自身の引張強度が得られ、強固に接合していることが明らかになった。また、接合試験片の接合部の断面には、欠陥が観察されず、接合面全体に亘って強固に接合していることが分かった。
【００３７】
また、この断面のマイクロエリアＸ線回折を行った結果、その回折図形には結晶相に対応する回折ピークは見られず、非晶質合金に特有のハロー図形のみが見られ、非晶質相を保持して接合していることが明らかになった。
【００３８】
実施例７
0.67K/s という加熱速度でガラス遷移温度と結晶化温度の差が約82K であるZr55Al10Ni5Cu30 非晶質合金材料と通常のアルミニウム材の板を、13mm×4.5mm で厚さ2mm に加工して接合試験片を作製した。この試験片を、電極に取り付け、30MPa の荷重を付加した状態で、最大パルス電流2kA、パルス電流の半減時間0.02秒のパルス電流を流して、非晶質合金材料を接合した。
【００３９】
接合試験片の引張試験を行った結果、引張強度が400MPaであり、アルミニウム材自身の引張強度が得られ、強固に接合していることが明らかになった。また、接合試験片の接合部の断面には、欠陥が観察されず、接合面全体に亘って強固に接合していることが分かった。
【００４０】
また、この断面のマイクロエリアＸ線回折実験の結果、非晶質合金材料の部分の回折図形には、結晶相に対応する回折ピークは見られず、非晶質合金に特有のハロー図形のみが見られ、非晶質相を保持して接合していることが明らかになった。
【００４１】
実施例８
0.67K/s という加熱速度でガラス遷移温度と結晶化温度の差が約120KであるZr47Ti8Cu7.5Ni10Be27.5非晶質合金材料と通常の軟鋼材の板を、13mm×4.5mm で厚さ2mm に加工して接合試験片を作製した。この試験片を、電極に取り付け、100MPaの荷重を付加した状態で、最大パルス電流2.5kA、パルス電流の半減時間0.03秒のパルス電流を流して、非晶質合金材料を接合した。
【００４２】
接合試験片の引張試験を行った結果、引張強度が800MPaであり、軟鋼材自身の引張強度が得られ、強固に接合していることが明らかになった。また、接合試験片の接合部の断面には、欠陥が観察されず、接合面全体に亘って強固に接合していることが分かった。
また、この断面のマイクロエリアＸ線回折実験の結果、非晶質合金材料の部分の回折図形には、結晶相に対応する回折ピークは見られず、非晶質合金に特有のハロー図形のみが見られ、非晶質相を保持して接合していることが明らかになった。
【００４３】
比較例１
0.67K/s という加熱速度でガラス遷移温度と結晶化温度の差が約82K であるZr55Al10Ni5Cu30 非晶質合金材料の板を、13mm×4.5mm で厚さ2mm に加工して接合試験片を作製した。この試験片を、電極に取り付け、50MPa の荷重を付加した状態で、最大パルス電流1kA 、パルス電流の半減時間0.02秒のパルス電流を流して、非晶質合金材料を接合した。しかし、電流が小さく溶融状態まで急速加熱されなかったために、接合試験片の接合部の断面を観察した結果、図５に示すように、元の接合界面が観察され、一部接合はしているが、接合面の殆どは接合していないことが分かった。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の非晶質を保持した状態で充分な強度が得られる非晶質合金材料の接合方法により非晶質合金材料の接合が容易になり非晶質合金材料の応用範囲を拡げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のパルス通電による接合装置の概念図である。
【図２】実施例１で溶接した非晶質合金接合部材（Zr55Al10Ni5Cu30 非晶質合金材料/ Zr55Al10Ni5Cu30 非晶質合金材料）の形状を示す側面図である。
【図３】実施例１で溶接した非晶質合金接合部材の接合部断面の図面代用光学顕微鏡写真である。
【図４】実施例１で溶接した非晶質合金接合部材の接合部断面のマイクロエリアＸ線回折図形である。
【図５】比較例１で溶接した非晶質合金接合部材（Zr55Al10Ni5Cu30 非晶質合金材料/ Zr55Al10Ni5Cu30 非晶質合金材料）の接合部断面の図面代用光学顕微鏡写真である。
【図１】
0003857535.tif 000002
【図２】
0003857535.tif 000003
【図３】
0003857535.tif 000004
【図４】
0003857535.tif 000005
【図５】
0003857535.tif 000006