JPS624357B2 - - Google Patents

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JPS624357B2
JPS624357B2 JP550983A JP550983A JPS624357B2 JP S624357 B2 JPS624357 B2 JP S624357B2 JP 550983 A JP550983 A JP 550983A JP 550983 A JP550983 A JP 550983A JP S624357 B2 JPS624357 B2 JP S624357B2
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JP
Japan
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aluminum
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nickel
zro
concentrated solution
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JP550983A
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Masayoshi Usui
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Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Original Assignee
Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金
部材とセラミツク部材との接合体及びその接合方
法に関するものである。
アルミニウムは低密度(軽量)であり、耐食
性、塑性加工性がよく、かつ電気、熱の良導体な
どからアルミニウム及びその合金は各方面に活用
されているが、高温強度が他金属に比して弱いた
め、高温を伴なう構造部材、例えばデイーゼルエ
ンジンのピストンに用いられる耐熱性能のあるア
ルミニウム合金が要望されている。即ち、デイー
ゼルエンジンの燃焼方式のうち、直接噴射方式は
燃料消費率、熱負荷、耐久性等の点が優れてお
り、大中型車用として採用されているが、最近小
型車用としても試作が進められている。このピス
トン用アルミニウム合金は頂面の熱負荷から温度
上昇に伴ない強度や硬度が低下するため、摩耗や
亀裂が生じ易い。また焼付きや摩耗による出力低
下、始動不良が起きる。従つて、この対策として
ピストン頂部への鋳鉄やセラミツクスの嵌合、か
しめ、或はボルト締め、鋳込などが試みられてい
る。
然し、これらの方策はアルミニウム合金の鋳造
時の急激な加熱による亀裂や割れの発生、また運
転稼動時に温度上昇によるアルミ合金部材との熱
膨張差による異種材質問の隙間ができ「がたつ
き」、剥離、亀裂の成長等が起り、信頼性及び製
造コストなどの点で未だ実用化に至つていない。
本発明は、このような従来の問題点を解決する
もので、アルミニウム又はその合金基材の接着面
にニツケル、クロム又はこれらの合金のメツキを
施すか、又は陽極酸化被覆を形成させ、この部材
とセラミツク部材との接着面に、両接着面に対し
極めて反応性(親和性)の高い可溶性クロム化合
物の濃溶液を塗布して両部材を接着し、これを熱
処理することにより強固に接合された結合体及び
その結合方法を提供せんとするものである。
本発明において用いられるアルミニウム又はそ
の合金部材には融点570℃以上を有する鋳物、ダ
イカスト品、展伸品等のアルミニウム又はその合
金基材が用いられる。好ましくは熱膨張係数の比
較的小さい、線膨張係数が16×10-6〜21×10-6
℃程度の材質とし、例えばシルミン系、ローエツ
クス(Lo−Ex)、ラウタル(Lautal)、アルジル
などである。そしてこれらの基材に強固な結合・
接着を得るためニツケル、クロム又はニツケル・
クロム合金被膜を施したものである。好ましくは
基材面に、まず亜鉛又はニツケル・銅・亜鉛の化
学鍍金層を約0.2〜0.3μm施し、その上に前記ニ
ツケル、クロム等の電気鍍金を25〜35μmの厚さ
に被膜することが適当である。
また、この被膜の代りに陽極酸化被膜を形成せ
しめるか、好ましくは硬質陽極酸化被膜であり、
膜厚は30μm〜50μmが適当である。
一方、セラミツク部材はZrO2、TiO2、SiO2
Al2O3、Cr2O3、Fe2O3、3Al2O3・2SiO2
MgAl2O4、CaZrO3、CaTiO3及びMgO・ZrO2
どの酸化物、SiC、TiCなどの炭化物及びSi3N4
AlNなどの窒化物等の1種又は1種以上からなる
セラミツクが用いられる。例えば、これらの微粉
末の成形体又は仮焼体に可溶性クロム化合物の濃
溶液を含有又は含浸せしめて熱処理し、Cr2O3
変換せしめて結合強化された部材又は高温焼結さ
れたセラミツク部材である。
セラミツク部材の熱膨張係数は金属部材と接着
されたとき、温度変化による熱歪を緩和する上に
非常に重要であるので、好ましくはセラミツクス
構成成分のうち、熱膨張係数の比較的小さい材
料、例えばSiCやSi3N4などを用いるときは比較的
大きい係数を有する材料、例えばCaTiO3や安定
化ジルコニアなどの複合組成とすることが適当で
ある。また、断熱性や熱衝撃抵抗性を高め、接合
両部材間の膨張差による応力の緩和に役立つの
で、気孔率は10〜18%程度を有するものが適当で
ある。なお、気孔率が過大となると機械的強度が
低下するので好ましくない。
以上のようなことからセラミツク部材の調製に
当つては (a) セラミツクス用原材料の微粉末、好ましくは
44μm以下の粉末をボールミルを用いて湿式粉
砕・混合した後、乾燥し、これに可溶性クロム
化合物の濃水溶液、比重1.65〜1.7のH2CrO4
少量添加してよく混和し、これを成形した後、
好ましくは450℃以上、好ましくは3.5℃/min
で温度を上げ、熱処理を行い、このクロム酸溶
液による含浸及び熱処理を反復操作することに
より成形体の結合・硬化が著しく高められる。
H2CrO4溶液の添加量は粉体の成形方法、例え
ば鋳込、押出し、加圧成形などにより一定しな
いが、例えば乾式成形で成形圧力300〜500Kg/
cm2とするときには原料粉末に対し7〜12重量%
が適当である。また最終熱処理の気孔率は10〜
18%程度とする。
(b) セラミツク仮焼体としては、気孔率15〜40%
程度になるように普通の方法により仮焼体を作
り、これを(a)記載と同様の条件でクロム酸溶液
の含浸及び熱処理を5〜8回反復操作して、最
終的に10〜18%程度のセラミツク部材とする
か、仮焼体の原料と同一の微粉末を5〜8%添
加したクロム酸の濃水溶液・比重1.6〜1.7を含
浸及び熱処理し、これを4〜8回反復操作して
も同様のセラミツク部材が調整される。
(c) 高温焼結体部材としては10〜18%の気孔率を
有するものを用いるが、好ましくは15〜25%の
気孔率を有するように高温焼結されたセラミツ
クスを(a)記載とほぼ同様の条件でクロム酸溶液
の含浸及び熱処理を反復操作することにより気
孔率10〜18%に調整する。これは前記アルミニ
ウム合金部材との接合に適する。
次に、接合剤の調整には可溶性クロム化合物の
濃溶液又はZrO2、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3
Fe2O3、MgAl2O4、CaZrO3、CaTiO3及びMgO・
ZrO2などの金属酸化物の1種又は1種以上を少
量、好ましくは濃溶液に対し5〜10重量%添加
し、ボールミルを用い、よく粉砕、混和した水ス
ラリーを調製する。また、可溶性クロム化合物の
濃溶液としてはZnO又はMgO及びCaO等の少
量、例えばクロム酸の濃水溶液中のCrO34モルに
対し、これらの酸化物0.7〜1モルを溶解せしめ
た比重1.65〜1.7に調製した溶液が適当である。
次に、この結合方法について述べる。
全面に、又は接合面にニツケル、クロム又はニ
ツケルクロム被膜を有するか、又は陽極酸化被膜
を有するアルミニウム又はアルミニウム合金部材
とセラミツク部材との少くとも何れか一方の接合
面、好ましくは両面に可溶性クロム化合物の濃溶
液又は酸化物を少量含有した可溶性クロム化合物
のスラリーからなる接合剤を塗布し、5〜10min
放置後、両部材を嵌合し、接着する。
次に、この接着体を固定した状態において3.5
℃/minで温度を上昇し、好ましくは450℃以上
において熱処理を行う。熱処理の最高温度及びそ
の保持時間はアルミニウム部材の種類及び結合体
の形状寸法により定められるべきものであり、一
定しない。
このような熱処理により、アルミニウム系部材
とセラミツク部材との強固な結合体が得られる。
このようにして得られた結合体の接着引張強度
はエポキシ系接着剤アームストロング735の接着
方法で試験機にかけて試験した結果、樹脂の面で
の剥離強度300〜450Kg/cm2以上の値を示した。な
お、セラミツク部の試片による熱伝導率の測定値
は0.002〜0.008Cal/cm×sec・℃の範囲であつ
た。
次に、実施例についてさらに詳細に説明する。
実施例 1 1.1 アルミニウム合金部材の調製 アルミニウム合金、ローエツクス(Lo−
Ex、JIS 8A相当品)鋳物、肉厚10mm、内径
40.2mm、深さ19.8mmのカツプ形に加工した基体
について脱脂及び脱銹を行つて表面を清浄に
し、この表面にZnO200g/、NaOH500g/
、NH4F10g/、NaCN8g/の液により15
℃、7minで亜鉛の化学鍍金膜厚0.2μmを施
し、この上に、ニツケル・クロム合金の電気鍍
金を25μmの厚さに施した。
1.2 セラミツク部材の調製 ZrO2(CaO8重量%で安定化)
44μm以下の粉末60重量部 TiO2 10 〃 30 〃 Al2O3 10 〃 10 〃 に対し、この合量の約1.5重量%のポリビニー
ルアルコールを加え、アルミナ質ボールミルに
より48hr、粉砕・混合し、更にHClによりPH3
の水スラリーを製造した。
次に、このスラリーを強化石膏型に鋳込成形
し、肉厚8mm、外径45mm、深さ22mmのカツプを
形成し、これを乾燥、離型し、1410℃において
1hr仮焼した。この仮焼物に比重1.66H2CrO4
水溶液を含浸させ、3.5℃/minで加熱し、最
高700℃において30min保持し、冷却した。
次に、この処理物を外径40mm、深さ20mm、肉
厚3.5mmのカツプに切削加工し、よくアルミ部
材に適合するように仕上を行つた後、さらに上
記と同様、H2CrO4濃水溶液の含浸及び熱処理
を7回反復操作してセラミツクの結合・強化を
行い、気孔率12.3%のセラミツク部材を調製し
た。
1.3 接合剤の調製 可溶性クロム化合物の溶液としては、
CrO3100重量部を水に溶解して濃水溶液を作
り、さらに、このCrO3に対しZnO20重量部を
加えて溶解し、比重1.65の溶液に水を加えて調
製した。
これにCr2O3及びCaOの8%によつて安定化
されたZrO2、何れも20μm以下の微粉末を、
このクロム酸混液に対し、各3重量%ずつ添加
し、ボールミルを用い24hr混合して接合用スラ
リーとした。
1.4 接合手順 上記アルミニウム合金部材及びセラミツク部
材の両接合面に上記結合用スラリーを十分塗布
し、約8分間放置した後、両部材を嵌合させ、
接着し、これを固定した状態で電気炉に挿入
し、3.5℃/minで加熱し、最高510℃において
約40min保持し、結合体を得た。
このようにして得られたセラミツク部材の熱伝
導率は同条件で得られた試片について0.005Cal/
cm・sec・℃、線膨張率10.1×10-6(RT〜1000
℃)の測定値が得られた。また、エポキシ系接着
剤の貼り合せによる引張り接合強度は樹脂の剥離
強度360Kg/cm2以上の値を示した。また、この結
合体による500℃、1hr加熱→常温空冷、1hrの5
回反復急冷試験においても亀裂及び剥離等の異常
は認められなかつた。
実施例 2 2.1 アルミニウム部材 アルミニウム合金アルジル系(市販ハイパー
シルミン:Si19%、Cu1.5%、MgO1.0%、
Ni1.5%、Cr0.5%)、内径40.3mm、長さ60mm、
肉厚10mmの円筒に加工された鋳物を用い表面を
脱脂後、HF+H2SO4混液で清浄・粗面化し、
これを硫酸液の電解により被膜厚約50μmの陽
極酸化被膜を形成させた。
2.2 セラミツク部材 MgO・ZrO2(電解合成物)
44μm以下の粉末30重量部 CaTiO3 〃 〃 20 〃 Al2O3 10 〃 20 〃 Cr2O3 〃 〃 5 〃 TiO2 〃 〃 15 〃 SiO2 5 〃 10 〃 の混合粉末に比重1.65のH2CrO4濃水溶液を、
この粉末に対して約10重量%を加えてよくかき
まぜ、外径40mm、長さ60mm、肉厚7mmの円筒に
500Kg/cm2で加圧成形し、これを3.5℃/minで
加熱し、最高700℃、30min熱処理を行い、さ
らにこの円筒体の結合強化のため、比重
1.65H2CrO4濃水溶液の含浸及び700℃の熱処理
を7回反復操作し、気孔率14.6%を有するセラ
ミツク部材を調製した。
2.3 接合剤 まず、CrO3を水に溶解した濃水溶液に、こ
のCrO3100重量部に対しMgO8重量部及び
CaCO315重量部を添加・溶解して比重1.65の溶
液を作り、この溶液に10μm以下のTiO2粉末
及び5μm以下のSiO2粉末を溶液100重量部に
対し2.5重量部宛を加え、ボールミルを用いて
スラリーを調製した。
2.4 接合手順 実施例1の1.3と同様にしてアルミニウム合
金部材とセラミツク部材との結合体を得た。
上記のセラミツク部材の試片による熱伝導率約
0.004Cal/cm・sec・℃、線膨張係数10.4×
10-6/℃(RT〜1000℃)、接合強度(引張)は
350Kg/cm2以上(エポキシ系接着剤による)。ま
た、500℃、1hr加熱→常温空冷1hr、反復5回急
冷試験において亀裂及び剥離等の異常は認められ
なかつた。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 アルミニウム又はアルミニウム合金基材の接
    合面又は全面に、亜鉛単体又はニツケル・銅・亜
    鉛の合金からなる鋳金属を有するか、又は有しな
    いでニツケル若くはクロムの単体又はこれら合金
    からなる鋳金被覆を形成するか、又は直接陽極酸
    化被膜を形成せしめたアルミニウム又はアルミニ
    ウム合金部材とセラミツク部材との間に可溶性ク
    ロム化合物の濃溶液の単味又はZrO2、TiO2
    SiO2、Al2O3、Cr2O3、Fe2O3、MgAl2O4
    CaZrO3、CaTiO3及びMgO・ZrO2等の金属酸化
    物の1種若くは1種以上を含有する可溶性クロム
    化合物の濃溶液を熱処理により変換したCr2O3
    硬化層を介して結合せしめたことを特徴とするア
    ルミニウム又はアルミニウム合金部材とセラミツ
    クス部材との結合体。 2 アルミニウム又はアルミニウム合金基材の表
    面に、予め亜鉛単体若くはニツケル・銅・亜鉛の
    合金からなる化学鋳金処理を施すか、又は直接ニ
    ツケル若くはクロム単体或はこれら合金からなる
    化学鋳金処理又は電気鋳金処理を施すか、又は直
    接陽極酸化被膜処理を施し、更に、これら鋳金処
    理膜若くは酸化処理被膜の表面及びセラミツクス
    部材側の接合表面の少なくとも何れか一方に、可
    溶性クロム化合物の濃溶液の単味又はZrO2
    TiO2、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgAl2O4
    CaZrO3、CaTiO3及びMgO・ZrO2等の金属酸化
    物の1種若くはこれら1種以上を含有する可溶性
    クロム化合物の濃溶液を塗布した状態をもつて前
    記セラミツクス部材を重合載置せしめ、しかる
    後、加熱処理を施すことにより前記濃溶液の
    Cr2O3への変換に伴う硬化層を介してその上部に
    セラミツクス部材を結合せしめることを特徴とす
    るアルミニウム又はアルミニウム合金部材とセラ
    ミツクス部材との結合方法。
JP550983A 1983-01-17 1983-01-17 アルミニウム又はアルミニウム合金部材とセラミツクス部材との結合体及びその結合方法 Granted JPS59131586A (ja)

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