JPH0230386A

JPH0230386A - アルミニウム合金材の摩擦圧接法

Info

Publication number: JPH0230386A
Application number: JP17993788A
Authority: JP
Inventors: Kiyoaki Akechi; 明智　清明
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1988-07-19
Filing date: 1988-07-19
Publication date: 1990-01-31

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、急冷凝固されたアルミニウム合金粉末を押
出したり、鍛造したりして得られる非溶製アルミニウム
合金材の溶接方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、溶製（Ｉｎｇｏｔ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ）アル
ミニウム合金の溶接には、ＴｒＧ法やＭＴＧ法等のアー
ク溶接、プラズマ溶接、電子ビーム溶接、スポット溶接
等の抵抗溶接等が一般的に採用されている。

これ等は、いずれも融接法であり、溶接物の用途、材質
に応じて使い分けされる。その使い分けのために、施工
法や生じ易い欠陥と対策、検査法等を述べた技術マニア
ルは種々ある。

〔発明が解決しようとする課題〕溶製アルミニウム合金（以下１／Ｍ　　Ａ１合金と云う
）の用途拡大、性能改善は既に限界の域に達しつつある
。その一方で、エレクトロニクス、自動車、航空機等の
分野では、従来に優る軽量かつ高性能材料の要求が高ま
っている。この要求には１７Ｍ　　Ａｆ金合金は到底た
ちうちできず、そのため、最近では、粉末冶金技術（Ｐ
ｏｗｄｅｒ　　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ）によって開発さ
れた首記の非溶製アルミニウム合金（以下Ｐ／ＭＡｊ！
合金と云う）が注目され出している。

このＰ／Ｍ　　Ａｆｆｉ合金は、ＳｉやＦｅ等の遷移金
属を多量に含有させることができ、また、偏析のない微
細均一組織であるため、従来のＩ／ＭＡｆ合金では得ら
れない特性、例えば、鉄並みの低熱膨張率や南強度、高
弾性率、高耐摩耗性、高耐食性、良好な切削性、高Ｓｉ
含有時の良好な塑性加工性を有するものが製造可能であ
る。そのため、ベーンやロータ等のコンプレッサ一部品
、ＶＴＲ用シリンダー、エレクトロニクス部品、スリー
ブやピストン等自動車部品などへの応用が検討され、一
体成形可能な部品については既に実用化されたものもあ
る。

ところで、Ｐ／Ｍ／Ｍ！合金の溶接継手は、複数ピース
を接合して一体成形の困難な部品や基礎材料を作ったり
、要求特性が各部で異なる部品、或いはコスト面で部分
的にＰ／Ｍ、ＩＭ！合金を用い、残部は安価なＩ／ＭＡ
ｆ合金で作ることが要求される部品を材料の複合化によ
って実現したりするのに不可欠である。

ところが、Ｐ／ＭＡ！！、合金は、粉末を原料として非
溶解法で固化したものであるため、そのＰ／ＭＡ１合金
の溶接継手の製作に融接法を採用すると、■　せっかく
の均一微細＆ｌ１ｔａが偏析した不均一粗大組織になっ
て健全な継手が得られない。■Ｐ／ＭＡｆ合金には多量
のガスが閉じ込められているので、潜在化していた問題
が溶接時に顕在化する。具体的には、融解によりガスが
解放、発散するため、溶接部での気泡発生が著しく、ブ
ローホール等の欠陥が生じる。

このような問題があるが故に、Ｐ／ＭＡｆｆｉ合金の健
全な溶接継手は未だ実現されていない。

そこで、この発明は、Ｐ／ＭＡｆ合金の健全な溶接継手
を得るための方法を提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

二の発明は、Ｐ／ＭＡｆｆｉ合金の優れた特性を保持し
ながら健全な継手を得るために、摩擦圧接法を採用する
。即ち、Ｐ／ＭＡ／！合金材同志又はこのＰ／ＭＡ４２
合金材とＩ／ＭＡＩ！、合金を互いに突き合わせ、まず
、所定の圧力と時間をかけて突き合わせ面の予備摩擦を
行なう。そして、その後、予備摩擦力よりも強い加圧力
下での本摩擦、本摩擦圧力よりも強い圧力を加えた所定
時間のアプセット工程を経る。

なお、摩擦は、振動による摩擦、接合面の相対回転によ
る摩擦が考えられるが、後者を選択する場合には、摩擦
を、相対回転数５００〜５０００ｒｐｍ、予備摩擦の圧
力０．５〜５ｋｇｆ／閤２、時間０．５〜５秒、本摩擦
の圧力１〜１５ｋｇ　ｆ　／　ｌ１ｌｌ”　、時間０．
１〜２０秒の条件下で行ない、さらに、次工程のアプセ
ットを圧力５〜４０ｋｇ　ｆ　／ｒｒｒａ”　、時間１
〜３０秒の範囲で行なうのが望ましい。その理由は後述
する。

このほか、この発明の方法で溶接するのに適したＰ／Ｍ
Ａ／！合金としては、原料粉が１００℃／秒以上の冷却
速度で急冷凝固して得られる合金粉末又は粒径３５０　
ｎ以下の合金粉末であり、かつ、その原料粉の組成が下
記（イ）〜に）のいずれかであるもの等を挙げることが
できる。

（イ）　　５ｉｌｏ〜４２重量％、残部アルミニウム。

（ｏ）　　Ｍｇ、　Ｃｕ、　Ｍｎ、　Ｆｅ、　Ｎｉ、　
Ｃｒ、　Ｃｏの中から選ばれた一種又は複数種の金属０
．１〜ＩＯ重景％、残部アルミニウム。

（ハ）ＦｅＳＮｉ、　Ｃｒ、　Ｃｏ、　Ｍｏ、　Ｗの中
から選ばれた一種又は複数種の金属０１１〜１０重量％
、残部アルミニウム。

に）上記Ｃ４’）、（ロ）、又は（ハ）の組成の残部ア
ルミニウム部分の一部を原料粉の総重量に占める比率が
０．５〜２０％の範囲でＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ、、Ａ　１．
０３等のセラミック粒子、又はＣ，ＢＮ。

ＭｏＳ２等の自己潤滑性粒子、もしくはその両者の混合
物に置換した組成。

〔作用〕

摩擦圧接では、接合面が溶融しないので、ガスに起因し
たブローホール等の欠陥が発生せず、かつ、　Ｐ／ＭＡ
／！合金の特徴である微細均一組織も良好に保存される
。実際には、接合部では組繊が摩擦運動により練られて
かき混ぜられるために母材よりも微細になる。

また、非溶融接合のため、材料の特性変化も生じない。

即ち、Ｐ／ＭＡＰ、合金の特性の１つは、原料粉中にセ
ラミック粒子や自己潤滑性粒子等を加え、耐焼付性や耐
摩耗性を高めると云う具合に、用途に応じた特性を付与
できることであるが、融接法によると、溶融により接合
部の分散粒子が偏在してせっかく付与した特性が失われ
る。しかし、摩擦圧接では分散粒子の偏在がなく、付与
した特性がそのまま維持される。

熱処理の可能な組成のＰ／ＭＡ／！合金についても、摩
擦圧接によればＴ６等の熱処理で高硬度になる性質を保
ち得る。

ここで、相対回転による摩擦とアプセットを前述の条件
下で実施するのが望ましいとした理由は以下による。

先ず、Ｐ／ＭＡｊ！合金の場合、相対回転数が５０Ｏｒ
ρｍよりも小さいと、摩擦の圧力、時間との関係で摩擦
熱が不足し、接合が不充分になる。一方、５０００ｒｐ
ｍ以上では設備コストが高くついて実用的でない。

また、予備摩擦の圧力と時間が０．５ｋｇ　ｆ　／ａｎ
”０．５秒以下では、接合面の充分ななじみが得られず
、逆にその圧力と時間が５　ｋｇ　ｆ　７ｍ”　、５秒
以上では不均一な接合部が一部に生じ、いずれる良好な
継手が得られない。

同様に、本摩擦の圧力と時間がｌ　ｋｇ　ｆ　／ａｉａ
２０．１秒以下では、摩擦が不足して接合面の温度が低
過ぎる上に、面の各部が均一に摩擦されない。

一方、この圧力と時間が１５ｋｇ　ｆ　／ｍｍ”　、２
０秒を超えると、接合面の温度が上がり過ぎて塑性変形
量が増え、いわゆるパリの部分が大きくなると共に寸法
精度も悪化する。

さらに、アプセットの圧力と時間が５ｋｇｆ／ｍｍ”、
１秒よりも小さいと、接合面の結合強度が不足し、結合
状態にもムラが出る。また、このアプセットの圧力と時
間が４０ｋｇｒ／ｌｌｌｌ１１２．３０秒ヨリモ高圧力
、長時間になると、パリの量が多くなり、しかも、その
パリが大きく裂けて裂目が接合面に喰込んだりする。ま
た、これ以外にも残留応力の増加、寸法精度の悪化の問
題も生じる。

以下に、この発明の実施例を示す。

〔実施例１〕第１表、第２表に示す組成及び諸特性のＰ／ＭＡＡ合金
Ａから成るφ１０の押出材を用意し、この合金Ａの押出
材同志の接合を試みた。その実験は、押出材の開先面を
切削で仕上げ、アセトンで脱脂後、一方の押出材を回転
チャックで掴んで定位置で回転させ、これに非回転の他
方の押出材を押しつけた。このときの摩擦圧接条件を第
１図に示す。

第１表　合金Ａの組成（重量％）第２表　合金Ａの諸特性次に、得られた継手について、第２図に示すハンマーに
よる衝撃テスト、破面観察による接合部面積比率の算出
及び引張りテストを行った。

このときの接合部面積に及ぼすアプセット圧力Ｐ２の影
響を第３図に、また、摩擦時間１＋　の影響を第４図に
各々示す。この図からＰ　ｚ　−２０ｋｇ　ｒ／　ｍｍ
　”では、Ｌ＋が２秒以上で接合面積が１００％になる
。

継手の引張強さに及ぼすアプセット圧力Ｐ２の影響を第
５図に示す。これから、Ｐ２が大きいはど引張強さが高
まり、最適条件では母材とほぼ同等の引張強さであるこ
とが判る。

〔実施例２〕第３表、第４表に示す組成及び諸特性のＰ／ＭＡＡ合金
Ｂから成る押出材とＪ　Ｉ　３４０３２アルミニウム展
沖合金（以下合金Ｃと云う）から成る押出材（いずれも
φ１０）について、Ｎ　＝３００Ｏｒｐｍ　、　Ｐ。

−４ｋｇ　ｆ　／１ｎｔｎ”　、仁。＝１秒、Ｐ、　＝
ｌＯｋｇ　ｆ　／薗２、ｔ１＝５秒、Ｐｚ＝３０ｋｇ　
ｒ　／ｍｒｎ”　、　ｈ＝　３秒の条件で摩擦圧接を行
った。

第３表　合金Ｂの組成（重量％）第４表　合金Ａの諸特性その結果、接合部面積比率１００％の継手が得られ、引
張テストでは相対的に低強度の合金Ｃの母材側で破断し
た（引張強さ２８ｋｇ　ｆ　／　ｍｍ”　）　、　Ｉ−
Ｉ　ＭＢ硬さは、合金Ｂ７８、合金Ｃ６２、接合部６８
であった。

また、得られた継手部を、４９５°Ｃで２時間加熱、水
冷後１９０°Ｃで６時間加熱のＴ６処理に供したところ
、ＨＵＢ硬さは、合金Ｂ側９５、合金Ｃ側８６、接合部
近傍９２となっていた。引張強さは３６ｋｇ　ｆ　／胴
２で、合金との母材部が破断した。

〔実施例３〕第６図に示すスクロールコンプレッサーの動羽部品につ
いて、軸受で支承するボス部１とスクロール羽根のつい
た胴体部２の摩擦圧接を１を回転、２を非回転にして試
みた。ボス部１は軸受に接して摺動するので、原料粉に
黒鉛を混合し、重量比での組成がＡＮ−３５％５ｉ−４
％黒鉛のφ２５の押出材とした。一方、胴体部２はＡｆ
ｆ−３５％Ｓｉの組成ノ合金を用いて粉末鋳造で基板の
一面にスクロール羽根を生じさせたものを使用した。摩
擦圧接条件は実施例２と同じである。

この結果、１と２は完全に結合しており、しかも、接合
部のパリは比較的小さく、機械加工で簡単に除去できた
。また、この部品について継手部の引張試験を行ったと
ころ、２の母材部が破断し、そのときの引張強さは２９
ｋｇｒ／ｍｍ”であった。

〔効果］以上述べたように、Ｐ／ＭＡＮ合金の優れた特性を適材
適所に使用するためには、加工制限緩和のための複合化
、異特性Ｐ／ＭＡ４２合金の複合化、Ｐ／ＭＡｆｆｉ合
金と経済的なＩ／Ｍｌｊ２合金との複合化を可能にする
健全な溶接継手が必要になるが、この発明によれば、そ
の要求が満たされる。即ち、接合部が溶融しないので、
材料の特性変化、ブローホールを生じさせる内部ガスの
解放がなく、また、適正な圧力と時間による予備摩擦、
本摩擦、アプセットの各工程を順に経るため、均一で充
分な結合が行われ、寸法精度等にも優れた信顛性の高い
溶接継手が得られる。また、そのために、Ｐ／ＭＡｆｆ
ｉ合金を用いた高性能材料の用途拡大の道が大きく開け
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の実施例１に用いた摩擦圧接条件を
グラフ化して示す図、第２図は継手の評価試験法を示す
回、第３図は接合面積に及ぼすアプセット圧力の影響を
示すグラフ、第４図は接合面積に及ぼす摩擦時間の影響
を示すグラフ、第５図は継手の引張強さに及ぼすアプセ
ット圧力の影響を示すグラフ、第６図は実施例３で接合
したスクロールコンプレッサ用動羽部品の断面図である
。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）粉末原料で作られた非溶製アルミニウム合金材同
志又はこの非溶製アルミニウム合金材と溶製アルミニウ
ム合金材を互いに突き合わせ、次いで、所定の圧力と時
間をかけての突き合わせ面の予備摩擦、予備摩擦よりも
強い加圧力下での本摩擦、本摩擦圧力よりも強い圧力を
加えたアプセットの各工程を順に経て突き合わせ材相互
を一体的に接合することから成るアルミニウム合金材の
摩擦圧接法。
（２）非溶製アルミニウム合金材として、原料粉が１０
０℃／秒以上の冷却速度で急冷凝固して得られる合金粉
末又は粒径３５０μｍ以下の合金粉末であり、かつ、そ
の原料粉の組成が下記（イ）〜（ニ）のいずれかである
ものを用いる請求項（１）記載のアルミニウム合金材の
摩擦圧接法。（イ）Ｓｉ１０〜４２重量％、残部アルミニウム。（ロ）Ｍｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏの中
から選ばれた一種又は複数種の金属０．１〜１０重量％
、残部アルミニウム。（ハ）Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗの中から選ば
れた一種又は複数種の金属０．１〜１０重量％、残部ア
ルミニウム。（ニ）上記（イ）、（ロ）、又は（ハ）の組成の残部ア
ルミニウム部分の一部を原料粉の総重量に占める比率が
０．５〜２０％の範囲でＳｉＣ、Ｓｉ＿３Ｎ＿４、Ａｌ
＿２Ｏ＿３等のセラミック粒子、又はＣ、ＢＮ、ＭｏＳ
＿２等の自己潤滑性粒子、もしくはその両者の混合物に
置換した組成。
（３）接合面の摩擦を、相対回転数５００〜５０００ｒ
ｐｍ、予備摩擦の圧力０．５〜５ｋｇｆ／ｍｍ＾２、時
間０．５〜５秒、本摩擦の圧力１〜１５ｋｇｆ／ｍｍ＾
２、時間０．１〜２０秒の条件下で行ない、さらに、次
工程のアプセットを圧力５〜４０ｋｇｆ／ｍｍ＾２、時
間１〜３０秒の範囲で行なう請求項（１）又は（２）記
載のアルミニウム合金材の摩擦圧接法。