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JP2002035965A - 金属−セラミックス複合材料同士または金属−セラミックス複合材料と金属材料との接合方法 - Google Patents

金属−セラミックス複合材料同士または金属−セラミックス複合材料と金属材料との接合方法

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Publication number
JP2002035965A
JP2002035965A JP2000220196A JP2000220196A JP2002035965A JP 2002035965 A JP2002035965 A JP 2002035965A JP 2000220196 A JP2000220196 A JP 2000220196A JP 2000220196 A JP2000220196 A JP 2000220196A JP 2002035965 A JP2002035965 A JP 2002035965A
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JP
Japan
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metal
joining
aluminum
composite material
aluminum alloy
Prior art date
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Pending
Application number
JP2000220196A
Other languages
English (en)
Inventor
Ichiro Aoki
一郎 青木
Hiroyuki Tsuto
宏之 津戸
Tatsuya Shiogai
達也 塩貝
Yoshibumi Takei
義文 武井
Tamotsu Harada
保 原田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taiheiyo Cement Corp
Original Assignee
Taiheiyo Cement Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taiheiyo Cement Corp filed Critical Taiheiyo Cement Corp
Priority to JP2000220196A priority Critical patent/JP2002035965A/ja
Publication of JP2002035965A publication Critical patent/JP2002035965A/ja
Pending legal-status Critical Current

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  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属−セラミックス複合材料同士を、あるい
は金属−セラミックス複合材料と金属材料とを加熱処理
しなくても簡単に接合できる接合方法を提供すること。 【解決手段】 セラミックス粉末または繊維を強化材
し、アルミニウムまたはアルミニウム合金をマトリック
スとする金属−セラミックス複合材料同士の接合方法で
あって、該複合材料が、セラミックス粉末または繊維の
含有率を30体積%以下とし、アルミニウムまたはアル
ミニウム合金の組成をSiを12重量%以下、Mgを5
重量%以下とする複合材料であり、その複合材料同士を
FSW法により接合することとした金属−セラミックス
複合材料同士の接合方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、材料と材料とを接
合する接合方法に関し、特にアルミニウムまたはアルミ
ニウム合金をマトリックスとする金属−セラミックス複
合材料同士の、あるいはアルミニウムまたはアルミニウ
ム合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材
料と金属材料との接合方法に関する。
【0002】
【従来の技術】アルミニウムまたはアルミニウム合金を
マトリックスとする金属−セラミックス複合材料は、軽
量、高剛性を特徴として産業機械などに利用が進んでい
る。その複合材料の接合については、アルミニウム合金
などからなるロウ材によりロウ付けする方法、あるいは
Cuなどからなるインサ−ト材により拡散接合する方法
などが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記ロ
ウ材によりロウ付けする方法では、加熱処理する炉内の
雰囲気を厳密にコントロールする必要があり、また、接
合温度を少なくともロウ材の固相線である500℃以上
に加熱処理しなければならないという問題があった。
【0004】一方、インサート材により拡散接合する方
法では、加圧処理をする必要があるため加圧装置が必要
となる上に、接合できる形状に制約を受けるという問題
の他に、固相接合ではあるものの、やはり500℃以上
に加熱処理しなければならないという問題があった。
【0005】本発明は、上述した金属−セラミックス複
合材料の接合方法が有する課題に鑑みなされたものであ
って、その目的は、金属−セラミックス複合材料同士
を、あるいは金属−セラミックス複合材料と金属材料と
を加熱処理しなくても簡単に接合できる接合方法を提供
することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成するため鋭意研究した結果、接合すべき複合材料
同士を、あるいは接合すべき複合材料と金属材料とをF
riction Stir Welding法(以下F
SW法と称す)により接合すれば、加熱処理しなくても
簡単に接合することができるとの知見を得て本発明を完
成するに至った。
【0007】即ち本発明は、(1)セラミックス粉末ま
たは繊維を強化材し、アルミニウムまたはアルミニウム
合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料
同士の接合方法であって、該複合材料が、セラミックス
粉末または繊維の含有率を30体積%以下とし、アルミ
ニウムまたはアルミニウム合金の組成をSiを12重量
%以下、Mgを5重量%以下とする複合材料であり、そ
の複合材料同士をFSW法により接合することを特徴と
する金属−セラミックス複合材料同士の接合方法(請求
項1)とし、(2)セラミックス粉末または繊維を強化
材とし、アルミニウムまたはアルミニウム合金をマトリ
ックスとする金属−セラミックス複合材料と金属材料と
の接合方法であって、該複合材料が、セラミックス粉末
または繊維の含有率を30体積%以下とし、アルミニウ
ムまたはアルミニウム合金の組成をSiを12重量%以
下、Mgを5重量%以下とする複合材料であり、該金属
材料が、その材質をアルミニウムまたはアルミニウム合
金とする金属材料であり、その複合材料と金属材料とを
FSW法により接合することを特徴とする金属−セラミ
ックス複合材料と金属材料との接合方法(請求項2)と
することを要旨とする。以下さらに詳細に説明する。
【0008】上記で述べたように本発明の金属−セラミ
ックス複合材料同士の接合方法としては、接合すべき複
合材料をセラミックス粉末または繊維の含有率を30体
積%以下とし、アルミニウムまたはアルミニウム合金の
組成をSiを12重量%以下、Mgを5重量%以下とす
る複合材料とし、その複合材料同士をFSW法により接
合する接合方法とした(請求項1)。
【0009】ここで、FSW法による接合方法を述べる
と、軽合金 第50巻 第4号 (2000)、pp.
166−172に紹介されている通りであるが、その接
合の一例を図1で示すと、先ず接合すべき材料の接合面
同士を突き合わせて拘束し固定する。通常はぴったりと
突き合わせられず、多少のギャップが生じるが、多少の
ギャップがあっても構わない。その突き合わせ部の上面
に回転ツールのピンを押し当てると、ピンの回転により
発生した摩擦熱によりその部分が軟化され、それに合わ
せてピンを接合材内部に接合材底面まで押し込むと、ピ
ンの周りがさらに軟化され、ピンを移動させることがで
きるようになり、接合面に沿ってピンを移動させる。そ
の際生じた塑性流動によりピンの後ろ側の接合部が接合
されることとなる。このように、この方法は、加熱しな
くても接合することができる方法であり、また、接合す
る雰囲気に関係なく接合することができる方法でもあ
る。
【0010】その接合方法により接合すべき複合材料と
しては、強化材であるセラミックス粉末または繊維の含
有率を30体積%以下とする複合材料とした。セラミッ
クス粉末または繊維の含有率を30体積%以下としたの
は、30体積%より高いと複合材料中のアルミニウムま
たはアルミニウム合金の割合が少なく、そのため、塑性
流動を起こし難く、接合が不完全となることによる。
【0011】その強化材と共存するアルミニウムまたは
アルミニウム合金としては、Siが12重量%以下、M
gが5重量%以下のアルミニウムまたはアルミニウム合
金とした。Siを12重量%以下、またはMgを5重量
%以下としたのは、Siが12重量%より多いと、また
はMgが5重量%より多いと、アルミニウム合金が硬く
脆くなり、接合強度が低くなって好ましくないことによ
る。
【0012】一方、金属−セラミックス複合材料と金属
材料との接合方法としては、接合すべき複合材料をセラ
ミックス粉末または繊維の含有率を30体積%以下と
し、アルミニウムまたはアルミニウム合金の組成をSi
を12重量%以下、Mgを5重量%以下とする複合材料
とし、接合すべき金属材料をその材質をアルミニウムま
たはアルミニウム合金とする金属材料とし、その複合材
料と金属材料とをFSW法により接合する接合方法とし
た(請求項2)。
【0013】接合すべき複合材料は前記したと同様で、
一方の金属材料の方は、その材質をアルミニウムまたは
アルミニウム合金とした。金属材料の材質をアルミニウ
ムまたはアルミニウム合金としたのは、アルミニウム系
の金属でないと塑性流動を起こさない、あるいは塑性流
動を起こしても接合がうまくいかないことによる。
【0014】
【発明の実施の形態】本発明の接合方法をさらに詳しく
述べると、先ず複合材料としては、強化材であるセラミ
ックス粉末または繊維の含有率が30体積%以下で、マ
トリックスであるアルミニウムまたはアルミニウム合金
の組成がSiを12重量%以下、Mgを5重量%以下と
する複合材料を用意する。一方、金属材料としては、そ
の材質をアルミニウムまたはアルミニウム合金とする金
属材料を用意する。
【0015】用意した複合材料、あるいは金属材料を必
要があれば、その接合面を機械加工などにより接合し易
くしておく。次いで、用意した複合材料同士を、あるい
は複合材料と金属材料とをその接合面を突き合わせて枠
などで拘束して固定する。その拘束した複合材料同士
を、あるいは複合材料と金属材料とをFSW法で接合す
る。
【0016】以上の方法で接合すれば、金属−セラミッ
クス複合材料同士を、あるいは金属−セラミックス複合
材料と金属材料とを加熱処理しなくても簡単に接合でき
る接合方法とすることができる。
【0017】
【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的
に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【0018】(実施例1) (1)複合材料同士の接合 先ず金属−セラミックス複合材料を作製するためにAl
−10Si−3Mg組成を有するアルミニウム合金を用
意する。このアルミニウム合金を750℃で溶解し、こ
れにSiC粉末(信濃電気精錬社製、平均粒径10μ
m)を複合材料中の含有率が20体積%となるよう、攪
拌しながら添加し冷却して複合材料を作製した。
【0019】この複合材料から機械加工により200×
300×5mmの板を2枚作製し、接合すべき5mmの
接合面を突き合わせて固定した。それを図1に示すよう
に回転ツールでFSW法により接合し複合材料同士の接
合体を作製した。
【0020】(2)評価 得られた接合体から接合部を中心とした3×4×40m
mの試験片を切り出し、この試験片で下部スパン30m
m、上部スパン10mmの4点曲げ試験を行って接合強
度の代替となる曲げ強度を求めた。その結果を表1に示
す。
【0021】(実施例2) (1)複合材料と金属材料との接合 先ずAl−10Si−3Mg組成を有するアルミニウム
合金を用意する。このアルミニウム合金から200×3
00×5mmの板を作製し、これと実施例1で作製した
200×300×5mmの板とを接合すべき5mmの接
合面を突き合わせて固定した。これを実施例1と同様に
して複合材料と金属材料との接合体を作製した。
【0022】(2)評価 得られた接合体から接合部を中心とした3×4×40m
mの試験片を切り出し、この試験片で実施例1と同様に
曲げ強度を求めた。その結果も表1に示す。
【0023】(比較例1〜3)比較として比較例1で
は、SiC粉末の含有率を40体積%とした他は、比較
例2、3では、アルミニウム合金の組成を表1にした他
は、実施例1と同様に接合体を作製し、評価した。それ
らの結果も表1に示す。
【0024】
【表1】
【0025】表1から明らかなように、実施例1、2と
も全て150MPa以上の高い曲げ強度を有する接合体
が得られている。このことは、金属−セラミックス複合
材料であっても、複合材料中の強化材の含有率とマトリ
ックスの組成を特定すれば、あるいは金属材料の材質を
特定すれば、FSW法で接合しても強固に接合される接
合体となり、その結果、加熱処理しないでも簡単に接合
できる接合方法となることを示している。
【0026】これに対して比較例1では、複合材料中の
SiC粉末の含有率が高すぎたので、接合できず、比較
例2では、アルミニウム合金中のSiの含有量が多すぎ
たので、曲げ強度が大幅に低下し、比較例3では、比較
例2と同様アルミニウム合金中のMgの含有量が多すぎ
たので、曲げ強度が大幅に低下した。
【0027】
【発明の効果】以上の通り、本発明の接合方法であれ
ば、加熱処理しなくても簡単に強固に接合できる接合方
法とすることができるようになった。このことにより、
金属−セラミックス複合材料同士を、あるいは金属−セ
ラミックス複合材料と金属材料とを加熱処理しなくて
も、また、接合雰囲気に影響されなく室温大気中または
水中でも簡単に接合することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】FSW法による接合の一例を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武井 義文 千葉県佐倉市大作2−4−2 太平洋セメ ント株式 会社 中央研究所 (72)発明者 原田 保 千葉県佐倉市大作2−4−2 太平洋セメ ント株式 会社 中央研究所 Fターム(参考) 4E067 AA05 AA18 AA24 AA25 AA26 BG00 4G026 BA14 BB14 BB27 BG02 4K020 AA05 AA21 AC01 BC03

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミックス粉末または繊維を強化材と
    し、アルミニウムまたはアルミニウム合金をマトリック
    スとする金属−セラミックス複合材料同士の接合方法で
    あって、該複合材料が、セラミックス粉末または繊維の
    含有率を30体積%以下とし、アルミニウムまたはアル
    ミニウム合金の組成をSiを12重量%以下、Mgを5
    重量%以下とする複合材料であり、その複合材料同士を
    Friction Stir Welding法により
    接合することを特徴とする金属−セラミックス複合材料
    同士の接合方法。
  2. 【請求項2】 セラミックス粉末または繊維を強化材と
    し、アルミニウムまたはアルミニウム合金をマトリック
    スとする金属−セラミックス複合材料と金属材料との接
    合方法であって、該複合材料が、セラミックス粉末また
    は繊維の含有率を30体積%以下とし、アルミニウムま
    たはアルミニウム合金の組成をSiを12重量%以下、
    Mgを5重量%以下とする複合材料であり、該金属材料
    が、その材質をアルミニウムまたはアルミニウム合金と
    する金属材料であり、その複合材料と金属材料とをFr
    iction Stir Welding法により接合
    することを特徴とする金属−セラミックス複合材料と金
    属材料との接合方法。
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