ダイカスト金型材の固相拡散接合方法
【課題】接合強度を高めることができるダイカスト金型材の固相拡散接合方法を提供する。
【解決手段】ダイカスト金型材Ａ・Ｂ同士を突き合わせた状態で、該ダイカスト金型材Ａ・Ｂの周囲の雰囲気を真空度Ｐ０とし、該ダイカスト金型材Ａ・Ｂを昇温させ、その後に該ダイカスト金型材Ａ・Ｂ同士を押圧する初期工程Ｓ１００と、前記ダイカスト金型材Ａ・Ｂを昇温させ第一温度Ｔ１に維持しつつ該ダイカスト金型材Ａ・Ｂ同士を第二荷重力Ｆ２にて押圧する第一工程と、該ダイカスト金型材Ａ・Ｂを降温させ第二温度Ｔ２に維持しつつ該ダイカスト金型材Ａ・Ｂ同士を第一荷重力Ｆ１にて押圧する第二工程とを複数回繰り返す接合工程Ｓ２００と、を具備し、前記第一温度Ｔ１は、前記第二温度Ｔ２よりも高いものとし、前記第一荷重力Ｆ１は、前記第二荷重力Ｆ２よりも大きいものとする。
【解決手段】ダイカスト金型材Ａ・Ｂ同士を突き合わせた状態で、該ダイカスト金型材Ａ・Ｂの周囲の雰囲気を真空度Ｐ０とし、該ダイカスト金型材Ａ・Ｂを昇温させ、その後に該ダイカスト金型材Ａ・Ｂ同士を押圧する初期工程Ｓ１００と、前記ダイカスト金型材Ａ・Ｂを昇温させ第一温度Ｔ１に維持しつつ該ダイカスト金型材Ａ・Ｂ同士を第二荷重力Ｆ２にて押圧する第一工程と、該ダイカスト金型材Ａ・Ｂを降温させ第二温度Ｔ２に維持しつつ該ダイカスト金型材Ａ・Ｂ同士を第一荷重力Ｆ１にて押圧する第二工程とを複数回繰り返す接合工程Ｓ２００と、を具備し、前記第一温度Ｔ１は、前記第二温度Ｔ２よりも高いものとし、前記第一荷重力Ｆ１は、前記第二荷重力Ｆ２よりも大きいものとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイカスト金型材の固相拡散接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイカスト金型に溶湯金属を圧入することにより、ダイカスト製品を生産する鋳造方式（ダイカスト）は公知である。ダイカスト金型材としては、例えば、ダイス鋼のＳＫＤ６１材が知られている。複雑な形状のダイカスト金型は、ダイカスト金型材同士を接合して形成され、接合されたダイカスト金型材には母材と同等の接合強度が求められる。
【０００３】
ダイカスト金型材等の金属材の接合方法として、例えばパルス通電接合方法が公知である。特許文献１は、金属部材の接合面を突き合わせた状態で部材を昇温させ、変態点または固溶化処理温度を挟んで降温させる昇降温操作を複数回繰り返して接合を行うパルス通電接合方法を開示している。
【０００４】
しかし、ダイカスト金型材等の金属材の表面には酸化皮膜が存在する。ここで、例えば特許文献１のパルス通電接合方法によってダイカスト金型材同士を昇温して接合するとき、接合面の酸化皮膜がガス化し、ダイカスト金型材同士を接合したときに接合面の間で残留ガスとなり、接合されたダイカスト金型材の接合強度が低下する。
【０００５】
一方、接合する部材同士を密着させ、前記部材の周囲の雰囲気を真空に制御し、部材同士を押圧しながら部材を昇温する接合方法であって、接合面との接合面とに生じる原子の拡散を利用して接合する固相拡散接合方法も公知である。
【０００６】
しかし、従来の固相拡散接合方法によってダイカスト金型材の接合面を突き合わせた状態で昇温しながら高い押圧力を加えると、接合面に塑性変形が生じて、接合されたダイカスト金型材の接合強度が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２６２２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、接合強度を高めることができるダイカスト金型材の固相拡散接合方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１０】
即ち、請求項１においては、ダイカスト金型材同士を密着させ、該ダイカスト金型材同士を昇温しながら密着方向へ押圧するダイカスト金型材の固相拡散接合方法であって、前記ダイカスト金型材同士を突き合わせた状態で、該ダイカスト金型材の周囲の雰囲気を真空とし、該ダイカスト金型材を昇温させ、該ダイカスト金型材同士を押圧する初期工程と、前記ダイカスト金型材を昇温させ第一温度に維持しつつ該ダイカスト金型材同士を第二荷重力にて押圧する第一工程と、該ダイカスト金型材を降温させ第二温度に維持しつつ該ダイカスト金型材同士を第一荷重力にて押圧する第二工程とを複数回繰り返す接合工程と、を具備し、前記第一温度は、前記第二温度よりも高いものとし、前記第一荷重力は、前記第二荷重力よりも大きいものとするものである。
【００１１】
請求項２においては、請求項１記載のダイカスト金型材の固相拡散接合方法であって、前記ダイカスト金型材はＳＫＤ６１とし、前記第一温度は１０３０℃以上かつ１０５０℃以下とし、前記第二温度は６２０℃以上かつ８３０℃以下とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のダイカスト金型材の固相拡散接合方法によれば、接合強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態である固相拡散接合方法を実施するための接合設備を示した構成図。
【図２】同じく固相拡散接合方法のフローを示したフロー図。
【図３】同じく固相拡散接合方法における温度および圧力の時系列変化を示したグラフ図。
【図４】初期工程の状態変化を示した模式図。
【図５】接合工程の状態変化を示した模式図。
【図６】結晶化工程の状態変化を示した模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本実施形態の固相拡散接合方法は、ダイカスト金型材として使用するＳＫＤ６１材である部材Ａ・部材Ｂを接合する方法である。固相拡散接合とは、接合する部材Ａと部材Ｂとを密着させ、部材Ａおよび部材Ｂの周囲の雰囲気を真空に制御し、部材Ａと部材Ｂとを押圧しながら部材Ａおよび部材Ｂを昇温する接合方法であって、接合面ＡＦとの接合面ＢＦとに生じる原子の拡散を利用して接合する方法である。
【００１５】
図１を用いて、本実施形態の固相拡散接合方法を実施する接合設備１０について説明する。
接合設備１０は、加圧装置２０と、ヒータ３０と、支持台４０と、制御装置５０と、試験室６０と、を具備している。試験室６０内には、加圧装置２０と、ヒータ３０と、支持台４０と、が配置されており、加圧装置２０と支持台４０との間に、接合対象となる部材Ａおよび部材Ｂが配置されている。具体的には、部材Ｂが支持台４０上に載置され、部材Ａの接合面ＡＦと部材Ｂの接合面ＢＦとを突き合わせた状態で、部材Ａが部材Ｂの上方に配置されている。さらに、部材Ａの上方に加圧装置２０が配置されている。
【００１６】
加圧装置２０は、部材Ａに荷重力Ｆを付与することで、部材Ａの接合面ＡＦが部材Ｂの接合面ＢＦを密着方向へ押圧するように構成された装置である。ヒータ３０は、部材Ａおよび部材Ｂの周囲（側方）に配置され、部材Ａおよび部材Ｂを昇温するものである。制御装置５０は、加圧装置２０と、ヒータ３０・３０と、に接続されている。
【００１７】
制御装置５０は、図示しない真空装置で試験室６０内を減圧してその真空度Ｐを制御することで、部材Ａおよび部材Ｂの周囲の雰囲気の真空度Ｐを制御し、加圧装置２０を制御して部材Ａに付与する荷重力Ｆを調整することで接合面ＡＦの接合面ＢＦに作用する押圧力を調整し、ヒータ３０・３０のＯＮまたはＯＦＦを制御することによって部材Ａおよび部材Ｂの温度Ｔを調整する機能を有する。
【００１８】
図２を用いて、本実施形態の固相拡散接合方法のフローについて説明する。
本実施形態のダイカスト金型材の接合方法は、初期工程Ｓ１００と、接合工程Ｓ２００と、結晶化工程Ｓ３００と、を具備している。
【００１９】
初期工程Ｓ１００は、制御装置５０の制御により、試験室６０内の真空度Ｐを真空度Ｐ０に制御し、部材Ａおよび部材Ｂをヒータ３０によって昇温し、部材Ａおよび部材Ｂを所定の温度にまで昇温した後に加圧装置２０によって部材Ａに荷重力Ｆを付与する工程である。
【００２０】
接合工程Ｓ２００は、制御装置５０の制御により、部材Ａおよび部材Ｂをヒータ３０によって昇温して第一温度Ｔ１に維持しつつ、加圧装置２０によって部材Ａに付与する荷重力Ｆを第二荷重力Ｆ２とする第一工程、並びに、部材Ａおよび部材Ｂをヒータ３０により第二温度Ｔ２としつつ、部材Ａに付与する荷重力Ｆを第一荷重力Ｆ１とする第二工程を、交互に複数回繰り返す工程である。
ここで、第一温度Ｔ１は第二温度Ｔ２よりも高く、第一荷重力Ｆ１は第二荷重力Ｆ２よりも大きいものである。
【００２１】
結晶化工程Ｓ３００は、制御装置５０の制御により、ヒータ３０にて昇温される部材Ａおよび部材Ｂを第一温度Ｔ１に維持し、加圧装置２０によって部材Ａに付与する荷重力Ｆを第三荷重力Ｆ３に維持した状態で、所定時間経過させる工程である。
【００２２】
図３を用いて、本実施形態の固相拡散接合方法における温度Ｔおよび荷重力Ｆの時系列変化について説明する。
図３は、部材Ａおよび部材Ｂの温度Ｔ（図３における太実線）、加圧装置２０が部材Ａに付与する荷重力Ｆ（図３における太破線）、および部材Ａおよび部材Ｂの周囲の雰囲気の真空度Ｐ（図３における太二点鎖線）、の時系列変化を示している。なお、温度Ｔ、荷重力Ｆ、および真空度Ｐについては、それぞれ図３のグラフで矢印の向きほど温度Ｔ、荷重力Ｆ、および真空度Ｐが高いものとしている。
【００２３】
ここで、本実施形態において、第一温度Ｔ１とは、ＳＫＤ６１材の融点手前の温度で１０３０℃〜１０５０℃までの範囲の１０５０℃としている。第二温度Ｔ２とは、ＳＫＤ６１材のパーライト析出温度（変態点）の６２０℃から８３０℃までの範囲である７５０℃としている。第一荷重力Ｆ１とは、２５ＭＰａ以上かつ５０ＭＰａ以下の５０ＭＰａとしている。第二荷重力Ｆ２とは、１０ＭＰａ以下の１０ＭＰａとしている。第三荷重力Ｆ３とは、２ＭＰａ以下の２ＭＰａとしている。
【００２４】
初期工程Ｓ１００の温度Ｔおよび荷重力Ｆの時系列変化について説明する。
まず、試験室６０内、すなわち部材Ａおよび部材Ｂの周囲の雰囲気は真空度Ｐ０に制御される。そして、部材Ａおよび部材Ｂの周囲が真空度Ｐ０に保たれた状態において、部材Ａおよび部材Ｂはヒータ３０によって昇温される。さらに、部材Ａおよび部材Ｂがヒータ３０によって第一温度Ｔ１（１０５０℃）まで昇温された状態において、加圧装置２０によって部材Ａに荷重力Ｆが第二荷重力Ｆ２（１０ＭＰａ）となるまで付与される。
【００２５】
接合工程Ｓ２００の温度Ｔおよび荷重力Ｆの時系列変化について説明する。
初期工程Ｓ１００において、部材Ａおよび部材Ｂが第一温度Ｔ１（１０５０℃）に維持された状態で、加圧装置２０によって部材Ａに付与する荷重力Ｆが第二荷重力Ｆ２（１０ＭＰａ）に維持される。
【００２６】
次に、部材Ａおよび部材Ｂが第二温度Ｔ２（７５０℃）に降温され、第二温度Ｔ２（７５０℃）が維持される。部材Ａおよび部材Ｂの第二温度Ｔ２（７５０℃）への降温が開始されると、加圧装置２０によって部材Ａに付与する荷重力Ｆが第一荷重力Ｆ１（５０ＭＰａ）まで大きくされ、その第一荷重力Ｆ１（５０ＭＰａ）が維持される。
部材Ａおよび部材Ｂが第二温度Ｔ２（７５０℃）に所定時間維持された後、再度第一温度Ｔ１（１０５０℃）まで昇温され、第一温度Ｔ１（１０５０℃）が維持される。部材Ａおよび部材Ｂが第一温度Ｔ１（１０５０℃）に昇温されるまでに、部材Ａに付与する荷重力Ｆが、再度第二荷重力Ｆ２（１０ＭＰａ）まで小さくされ、維持される。
【００２７】
つまり、上述のような部材Ａおよび部材Ｂの温度が第一温度Ｔ１（１０５０℃）とされ、かつ部材Ａに付与する荷重力Ｆが第二荷重力Ｆ２（１０ＭＰａ）とされる第一工程と、部材Ａおよび部材Ｂの温度が第二温度Ｔ２（７５０℃）とされ、かつ部材Ａに付与する荷重力Ｆが第一荷重力Ｆ１（５０ＭＰａ）とされる第二工程とが、交互に繰り返される。
【００２８】
本実施形態では、第一温度Ｔ１（１０５０℃）かつ第二荷重力Ｆ２（１０ＭＰａ）とされる第一工程と、第二温度Ｔ２（７５０℃）かつ第一荷重力Ｆ１（５０ＭＰａ）とされる第二工程とが、交互に３回以上繰り返される。なお、接合工程Ｓ２００においては、部材Ａおよび部材Ｂの周囲の雰囲気は真空度Ｐ０に維持される。
【００２９】
結晶化工程Ｓ３００の温度Ｔおよび荷重力Ｆの時系列変化について説明する。
接合工程Ｓ２００において第一温度Ｔ１（１０５０℃）まで昇温された部材Ａおよび部材Ｂは、そのまま第一温度Ｔ１（１０５０℃）として維持される。一方、接合工程Ｓ２００において加圧装置２０によって第三荷重力Ｆ３（２ＭＰａ）まで小さくされた荷重力Ｆは、そのまま第三荷重力Ｆ３（２ＭＰａ）として維持される。なお、結晶化工程Ｓ３００においては、部材Ａおよび部材Ｂの周囲の雰囲気は真空度Ｐ０に維持される。
【００３０】
図４を用いて、初期工程Ｓ１００での接合面ＡＦおよび接合面ＢＦの状態について説明する。
図４は、部材Ａの接合面ＡＦと、部材Ｂの接合面ＢＦと、が密着している状態の一部を示している。
昇温前の接合面ＡＦおよび接合面ＢＦの表面にはそれぞれ酸化皮膜１１が存在しており、互いに突き合わせられた部材Ａの接合面ＡＦと部材Ｂの接合面ＢＦとの間には、隙間１５が存在している。
【００３１】
ここで、初期工程Ｓ１００において、部材Ａおよび部材Ｂはヒータ３０によって昇温されるため酸化皮膜１１はガス化され、ガス化された酸化被膜１１の成分は隙間１５に排出される。そして、部材Ａおよび部材Ｂの周囲が真空度Ｐ０に保たれているため、この酸化皮膜１１がガス化したガス成分は、隙間１５から部材Ａおよび部材Ｂの外部へ排出される。このとき、部材Ａには加圧装置２０による荷重力Ｆが未だ付与されていないため、酸化皮膜１１がガス化したガス成分は、隙間１５から部材Ａおよび部材Ｂの外部へ排出されやすくなっている。
【００３２】
このようにして、初期工程Ｓ１００では、接合面ＡＦおよび接合面ＢＦの表面に存在する酸化皮膜１１がガス化して部材Ａおよび部材Ｂの外部に排出される。
そして、酸化皮膜１１が隙間１５から部材Ａおよび部材Ｂの外部に排出された後に、加圧装置２０による第二荷重力Ｆ２（１０ＭＰａ）が部材Ａに付与される。
従って、初期工程Ｓ１００において、部材Ａに荷重力Ｆを付与する際には、部材Ａおよび部材Ｂは、少なくとも接合面ＡＦおよび接合面ＢＦの表面に存在する酸化皮膜１１がガス化する温度にまで昇温されている必要がある。
【００３３】
図５を用いて、接合工程Ｓ２００における接合面ＡＦと接合面ＢＦとの接合部の結晶挙動状態について説明する。
図５は、部材Ａの接合面ＡＦと、部材Ｂの接合面ＢＦと、が接合して、界面Ｄとなっていく状態変化の一部を示している。
【００３４】
接合工程Ｓ２００において、部材Ａおよび部材Ｂの温度が第一温度Ｔ１（１０５０℃）となり、かつ部材Ａに付与される荷重が第二荷重力Ｆ２（１０ＭＰａ）となる第一工程と、部材Ａおよび部材Ｂの温度が第二温度Ｔ２（７５０℃）となり、かつ部材Ａに付与される荷重が第一荷重力Ｆ１（５０ＭＰａ）となる第二工程とが、交互に繰り返されることにより、接合面ＡＦと接合面ＢＦとの接合部では、以下のステージＳＴ（２−１）、ステージＳＴ（２−２）、およびステージＳＴ（２−３）に示すように結晶挙動状態が変化する。
【００３５】
接合工程Ｓ２００では、部材Ａおよび部材Ｂが、部材Ａおよび部材Ｂの第一温度Ｔ１（１０５０℃）に維持され、次に部材Ａに付与される荷重力Ｆが、部材Ａおよび部材Ｂの荷重力Ｆ２（１０ＭＰａ）まで維持され、部材Ａに付与される荷重力Ｆが、部材Ａおよび部材Ｂの塑性変形寸前の荷重力Ｆ１（５０ＭＰａ）まで大きくされるときには、部材Ａおよび部材Ｂは第二温度Ｔ２（７５０℃）まで降温される。まずステージＳＴ（２−１）として、接合面ＡＦおよび接合面ＢＦが軟化し、隙間１５が潰れ始めて表面が平坦化する。
【００３６】
次に、ステージＳＴ（２−２）においては、隙間１５が潰れるに従い、接合面ＡＦと接合面ＢＦとの密着する部分の面積が大きくなって界面Ｄとなり、接合面ＡＦと接合面ＢＦとに残存していた酸化皮膜１１が接合面ＡＦおよび接合面ＢＦから部材Ａおよび部材Ｂの内部に拡散し始める。
【００３７】
さらに、ステージＳＴ（２−３）においては、接合面ＡＦと接合面ＢＦとの密着が進み、酸化皮膜１１の部材Ａおよび部材Ｂの内部への拡散が進行し、部材Ａおよび部材Ｂの金属基体がそれぞれ接合面ＡＦおよび接合面ＢＦに露出し、原子拡散しやすい界面Ｄとなる。
【００３８】
そして、第一温度Ｔ１（１０５０℃）かつ第二荷重力Ｆ２（１０ＭＰａ）とされる第一工程と、第二温度Ｔ２（７５０℃）かつ第一荷重力Ｆ１（５０ＭＰａ）とされる第二工程とを交互に繰り返す、すなわち、部材Ａおよび部材Ｂの接合部に対して、変態点である第二温度Ｔ２（７５０℃）を往来する温度変化と、加圧変化と、を繰り返し付与することで、ステージＳＴ（２−１）からステージＳＴ（２−３）までの状態変化が繰り返される。すなわち、接合面ＡＦおよび接合面ＢＦは平坦化し、接合面ＡＦおよび接合面ＢＦの表面に存在していた酸化皮膜１１は、部材Ａおよび部材Ｂの内部に拡散し、接合面ＡＦと接合面ＢＦとは界面Ｄとなる。
【００３９】
図６を用いて、結晶化工程Ｓ３００の結晶挙動状態について説明する。
図６は、界面Ｄを通過して結晶化が進行する状態変化の一部を示している。
【００４０】
ステージＳＴ（３−１）においては、部材Ａおよび部材Ｂの金属基体は、原子拡散が進行し、結晶中の原子の配置構造が安定する一つの角度が１２０度となる立方体構造に収束しながら結晶化が始まる。
【００４１】
ステージＳＴ（３−２）においては、安定した結晶ＣｒＡが結晶ＣｒＣ、ＣｒＥを侵食し結晶ＣｒＧとして成長している。また、結晶ＣｒＢが結晶ＣｒＤを侵食し結晶ＣｒＦに成長している。このように、各結晶は、界面Ｄを通過しながら成長することで、界面Ｄは消滅し、部材Ａと部材Ｂとは同一部材となる。
【００４２】
このようにして、結晶化工程Ｓ３００では、接合面ＡＦと接合面ＢＦとは、第一温度Ｔ１かつ第三荷重力Ｆ３に維持されることで原子拡散および結晶化が促進される。
【００４３】
このような構成とすることで、以下の効果が得られる。
すなわち、部材Ａの接合面ＡＦと、部材Ｂの接合面ＢＦと、の間に存在する酸化皮膜１１を初期工程Ｓ１００において部材Ａおよび部材Ｂの外部に排出し、部材Ａおよび部材Ｂの外部に排出されなかった酸化皮膜１１を接合工程Ｓ２００において部材Ａおよび部材Ｂの内部に拡散させることで、接合面ＡＦと接合面ＢＦとの間から酸化皮膜１１を完全に除去し、部材Ａと部材Ｂの接合強度を高めることができ、ひいては部材Ａと部材Ｂとの接合時に母材同等の強度が得られる。
【符号の説明】
【００４４】
Ａ 部材
ＡＦ 接合面
Ｂ 部材
ＢＦ 接合面
Ｄ 界面
Ｓ１００ 初期工程
Ｓ２００ 接合工程
Ｓ３００ 結晶工程
Ｔ１ 第一温度
Ｔ２ 第二温度
Ｆ１ 第一荷重力
Ｆ２ 第二荷重力
Ｆ３ 第三荷重力
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイカスト金型材の固相拡散接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイカスト金型に溶湯金属を圧入することにより、ダイカスト製品を生産する鋳造方式（ダイカスト）は公知である。ダイカスト金型材としては、例えば、ダイス鋼のＳＫＤ６１材が知られている。複雑な形状のダイカスト金型は、ダイカスト金型材同士を接合して形成され、接合されたダイカスト金型材には母材と同等の接合強度が求められる。
【０００３】
ダイカスト金型材等の金属材の接合方法として、例えばパルス通電接合方法が公知である。特許文献１は、金属部材の接合面を突き合わせた状態で部材を昇温させ、変態点または固溶化処理温度を挟んで降温させる昇降温操作を複数回繰り返して接合を行うパルス通電接合方法を開示している。
【０００４】
しかし、ダイカスト金型材等の金属材の表面には酸化皮膜が存在する。ここで、例えば特許文献１のパルス通電接合方法によってダイカスト金型材同士を昇温して接合するとき、接合面の酸化皮膜がガス化し、ダイカスト金型材同士を接合したときに接合面の間で残留ガスとなり、接合されたダイカスト金型材の接合強度が低下する。
【０００５】
一方、接合する部材同士を密着させ、前記部材の周囲の雰囲気を真空に制御し、部材同士を押圧しながら部材を昇温する接合方法であって、接合面との接合面とに生じる原子の拡散を利用して接合する固相拡散接合方法も公知である。
【０００６】
しかし、従来の固相拡散接合方法によってダイカスト金型材の接合面を突き合わせた状態で昇温しながら高い押圧力を加えると、接合面に塑性変形が生じて、接合されたダイカスト金型材の接合強度が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２６２２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、接合強度を高めることができるダイカスト金型材の固相拡散接合方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１０】
即ち、請求項１においては、ダイカスト金型材同士を密着させ、該ダイカスト金型材同士を昇温しながら密着方向へ押圧するダイカスト金型材の固相拡散接合方法であって、前記ダイカスト金型材同士を突き合わせた状態で、該ダイカスト金型材の周囲の雰囲気を真空とし、該ダイカスト金型材を昇温させ、該ダイカスト金型材同士を押圧する初期工程と、前記ダイカスト金型材を昇温させ第一温度に維持しつつ該ダイカスト金型材同士を第二荷重力にて押圧する第一工程と、該ダイカスト金型材を降温させ第二温度に維持しつつ該ダイカスト金型材同士を第一荷重力にて押圧する第二工程とを複数回繰り返す接合工程と、を具備し、前記第一温度は、前記第二温度よりも高いものとし、前記第一荷重力は、前記第二荷重力よりも大きいものとするものである。
【００１１】
請求項２においては、請求項１記載のダイカスト金型材の固相拡散接合方法であって、前記ダイカスト金型材はＳＫＤ６１とし、前記第一温度は１０３０℃以上かつ１０５０℃以下とし、前記第二温度は６２０℃以上かつ８３０℃以下とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のダイカスト金型材の固相拡散接合方法によれば、接合強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態である固相拡散接合方法を実施するための接合設備を示した構成図。
【図２】同じく固相拡散接合方法のフローを示したフロー図。
【図３】同じく固相拡散接合方法における温度および圧力の時系列変化を示したグラフ図。
【図４】初期工程の状態変化を示した模式図。
【図５】接合工程の状態変化を示した模式図。
【図６】結晶化工程の状態変化を示した模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本実施形態の固相拡散接合方法は、ダイカスト金型材として使用するＳＫＤ６１材である部材Ａ・部材Ｂを接合する方法である。固相拡散接合とは、接合する部材Ａと部材Ｂとを密着させ、部材Ａおよび部材Ｂの周囲の雰囲気を真空に制御し、部材Ａと部材Ｂとを押圧しながら部材Ａおよび部材Ｂを昇温する接合方法であって、接合面ＡＦとの接合面ＢＦとに生じる原子の拡散を利用して接合する方法である。
【００１５】
図１を用いて、本実施形態の固相拡散接合方法を実施する接合設備１０について説明する。
接合設備１０は、加圧装置２０と、ヒータ３０と、支持台４０と、制御装置５０と、試験室６０と、を具備している。試験室６０内には、加圧装置２０と、ヒータ３０と、支持台４０と、が配置されており、加圧装置２０と支持台４０との間に、接合対象となる部材Ａおよび部材Ｂが配置されている。具体的には、部材Ｂが支持台４０上に載置され、部材Ａの接合面ＡＦと部材Ｂの接合面ＢＦとを突き合わせた状態で、部材Ａが部材Ｂの上方に配置されている。さらに、部材Ａの上方に加圧装置２０が配置されている。
【００１６】
加圧装置２０は、部材Ａに荷重力Ｆを付与することで、部材Ａの接合面ＡＦが部材Ｂの接合面ＢＦを密着方向へ押圧するように構成された装置である。ヒータ３０は、部材Ａおよび部材Ｂの周囲（側方）に配置され、部材Ａおよび部材Ｂを昇温するものである。制御装置５０は、加圧装置２０と、ヒータ３０・３０と、に接続されている。
【００１７】
制御装置５０は、図示しない真空装置で試験室６０内を減圧してその真空度Ｐを制御することで、部材Ａおよび部材Ｂの周囲の雰囲気の真空度Ｐを制御し、加圧装置２０を制御して部材Ａに付与する荷重力Ｆを調整することで接合面ＡＦの接合面ＢＦに作用する押圧力を調整し、ヒータ３０・３０のＯＮまたはＯＦＦを制御することによって部材Ａおよび部材Ｂの温度Ｔを調整する機能を有する。
【００１８】
図２を用いて、本実施形態の固相拡散接合方法のフローについて説明する。
本実施形態のダイカスト金型材の接合方法は、初期工程Ｓ１００と、接合工程Ｓ２００と、結晶化工程Ｓ３００と、を具備している。
【００１９】
初期工程Ｓ１００は、制御装置５０の制御により、試験室６０内の真空度Ｐを真空度Ｐ０に制御し、部材Ａおよび部材Ｂをヒータ３０によって昇温し、部材Ａおよび部材Ｂを所定の温度にまで昇温した後に加圧装置２０によって部材Ａに荷重力Ｆを付与する工程である。
【００２０】
接合工程Ｓ２００は、制御装置５０の制御により、部材Ａおよび部材Ｂをヒータ３０によって昇温して第一温度Ｔ１に維持しつつ、加圧装置２０によって部材Ａに付与する荷重力Ｆを第二荷重力Ｆ２とする第一工程、並びに、部材Ａおよび部材Ｂをヒータ３０により第二温度Ｔ２としつつ、部材Ａに付与する荷重力Ｆを第一荷重力Ｆ１とする第二工程を、交互に複数回繰り返す工程である。
ここで、第一温度Ｔ１は第二温度Ｔ２よりも高く、第一荷重力Ｆ１は第二荷重力Ｆ２よりも大きいものである。
【００２１】
結晶化工程Ｓ３００は、制御装置５０の制御により、ヒータ３０にて昇温される部材Ａおよび部材Ｂを第一温度Ｔ１に維持し、加圧装置２０によって部材Ａに付与する荷重力Ｆを第三荷重力Ｆ３に維持した状態で、所定時間経過させる工程である。
【００２２】
図３を用いて、本実施形態の固相拡散接合方法における温度Ｔおよび荷重力Ｆの時系列変化について説明する。
図３は、部材Ａおよび部材Ｂの温度Ｔ（図３における太実線）、加圧装置２０が部材Ａに付与する荷重力Ｆ（図３における太破線）、および部材Ａおよび部材Ｂの周囲の雰囲気の真空度Ｐ（図３における太二点鎖線）、の時系列変化を示している。なお、温度Ｔ、荷重力Ｆ、および真空度Ｐについては、それぞれ図３のグラフで矢印の向きほど温度Ｔ、荷重力Ｆ、および真空度Ｐが高いものとしている。
【００２３】
ここで、本実施形態において、第一温度Ｔ１とは、ＳＫＤ６１材の融点手前の温度で１０３０℃〜１０５０℃までの範囲の１０５０℃としている。第二温度Ｔ２とは、ＳＫＤ６１材のパーライト析出温度（変態点）の６２０℃から８３０℃までの範囲である７５０℃としている。第一荷重力Ｆ１とは、２５ＭＰａ以上かつ５０ＭＰａ以下の５０ＭＰａとしている。第二荷重力Ｆ２とは、１０ＭＰａ以下の１０ＭＰａとしている。第三荷重力Ｆ３とは、２ＭＰａ以下の２ＭＰａとしている。
【００２４】
初期工程Ｓ１００の温度Ｔおよび荷重力Ｆの時系列変化について説明する。
まず、試験室６０内、すなわち部材Ａおよび部材Ｂの周囲の雰囲気は真空度Ｐ０に制御される。そして、部材Ａおよび部材Ｂの周囲が真空度Ｐ０に保たれた状態において、部材Ａおよび部材Ｂはヒータ３０によって昇温される。さらに、部材Ａおよび部材Ｂがヒータ３０によって第一温度Ｔ１（１０５０℃）まで昇温された状態において、加圧装置２０によって部材Ａに荷重力Ｆが第二荷重力Ｆ２（１０ＭＰａ）となるまで付与される。
【００２５】
接合工程Ｓ２００の温度Ｔおよび荷重力Ｆの時系列変化について説明する。
初期工程Ｓ１００において、部材Ａおよび部材Ｂが第一温度Ｔ１（１０５０℃）に維持された状態で、加圧装置２０によって部材Ａに付与する荷重力Ｆが第二荷重力Ｆ２（１０ＭＰａ）に維持される。
【００２６】
次に、部材Ａおよび部材Ｂが第二温度Ｔ２（７５０℃）に降温され、第二温度Ｔ２（７５０℃）が維持される。部材Ａおよび部材Ｂの第二温度Ｔ２（７５０℃）への降温が開始されると、加圧装置２０によって部材Ａに付与する荷重力Ｆが第一荷重力Ｆ１（５０ＭＰａ）まで大きくされ、その第一荷重力Ｆ１（５０ＭＰａ）が維持される。
部材Ａおよび部材Ｂが第二温度Ｔ２（７５０℃）に所定時間維持された後、再度第一温度Ｔ１（１０５０℃）まで昇温され、第一温度Ｔ１（１０５０℃）が維持される。部材Ａおよび部材Ｂが第一温度Ｔ１（１０５０℃）に昇温されるまでに、部材Ａに付与する荷重力Ｆが、再度第二荷重力Ｆ２（１０ＭＰａ）まで小さくされ、維持される。
【００２７】
つまり、上述のような部材Ａおよび部材Ｂの温度が第一温度Ｔ１（１０５０℃）とされ、かつ部材Ａに付与する荷重力Ｆが第二荷重力Ｆ２（１０ＭＰａ）とされる第一工程と、部材Ａおよび部材Ｂの温度が第二温度Ｔ２（７５０℃）とされ、かつ部材Ａに付与する荷重力Ｆが第一荷重力Ｆ１（５０ＭＰａ）とされる第二工程とが、交互に繰り返される。
【００２８】
本実施形態では、第一温度Ｔ１（１０５０℃）かつ第二荷重力Ｆ２（１０ＭＰａ）とされる第一工程と、第二温度Ｔ２（７５０℃）かつ第一荷重力Ｆ１（５０ＭＰａ）とされる第二工程とが、交互に３回以上繰り返される。なお、接合工程Ｓ２００においては、部材Ａおよび部材Ｂの周囲の雰囲気は真空度Ｐ０に維持される。
【００２９】
結晶化工程Ｓ３００の温度Ｔおよび荷重力Ｆの時系列変化について説明する。
接合工程Ｓ２００において第一温度Ｔ１（１０５０℃）まで昇温された部材Ａおよび部材Ｂは、そのまま第一温度Ｔ１（１０５０℃）として維持される。一方、接合工程Ｓ２００において加圧装置２０によって第三荷重力Ｆ３（２ＭＰａ）まで小さくされた荷重力Ｆは、そのまま第三荷重力Ｆ３（２ＭＰａ）として維持される。なお、結晶化工程Ｓ３００においては、部材Ａおよび部材Ｂの周囲の雰囲気は真空度Ｐ０に維持される。
【００３０】
図４を用いて、初期工程Ｓ１００での接合面ＡＦおよび接合面ＢＦの状態について説明する。
図４は、部材Ａの接合面ＡＦと、部材Ｂの接合面ＢＦと、が密着している状態の一部を示している。
昇温前の接合面ＡＦおよび接合面ＢＦの表面にはそれぞれ酸化皮膜１１が存在しており、互いに突き合わせられた部材Ａの接合面ＡＦと部材Ｂの接合面ＢＦとの間には、隙間１５が存在している。
【００３１】
ここで、初期工程Ｓ１００において、部材Ａおよび部材Ｂはヒータ３０によって昇温されるため酸化皮膜１１はガス化され、ガス化された酸化被膜１１の成分は隙間１５に排出される。そして、部材Ａおよび部材Ｂの周囲が真空度Ｐ０に保たれているため、この酸化皮膜１１がガス化したガス成分は、隙間１５から部材Ａおよび部材Ｂの外部へ排出される。このとき、部材Ａには加圧装置２０による荷重力Ｆが未だ付与されていないため、酸化皮膜１１がガス化したガス成分は、隙間１５から部材Ａおよび部材Ｂの外部へ排出されやすくなっている。
【００３２】
このようにして、初期工程Ｓ１００では、接合面ＡＦおよび接合面ＢＦの表面に存在する酸化皮膜１１がガス化して部材Ａおよび部材Ｂの外部に排出される。
そして、酸化皮膜１１が隙間１５から部材Ａおよび部材Ｂの外部に排出された後に、加圧装置２０による第二荷重力Ｆ２（１０ＭＰａ）が部材Ａに付与される。
従って、初期工程Ｓ１００において、部材Ａに荷重力Ｆを付与する際には、部材Ａおよび部材Ｂは、少なくとも接合面ＡＦおよび接合面ＢＦの表面に存在する酸化皮膜１１がガス化する温度にまで昇温されている必要がある。
【００３３】
図５を用いて、接合工程Ｓ２００における接合面ＡＦと接合面ＢＦとの接合部の結晶挙動状態について説明する。
図５は、部材Ａの接合面ＡＦと、部材Ｂの接合面ＢＦと、が接合して、界面Ｄとなっていく状態変化の一部を示している。
【００３４】
接合工程Ｓ２００において、部材Ａおよび部材Ｂの温度が第一温度Ｔ１（１０５０℃）となり、かつ部材Ａに付与される荷重が第二荷重力Ｆ２（１０ＭＰａ）となる第一工程と、部材Ａおよび部材Ｂの温度が第二温度Ｔ２（７５０℃）となり、かつ部材Ａに付与される荷重が第一荷重力Ｆ１（５０ＭＰａ）となる第二工程とが、交互に繰り返されることにより、接合面ＡＦと接合面ＢＦとの接合部では、以下のステージＳＴ（２−１）、ステージＳＴ（２−２）、およびステージＳＴ（２−３）に示すように結晶挙動状態が変化する。
【００３５】
接合工程Ｓ２００では、部材Ａおよび部材Ｂが、部材Ａおよび部材Ｂの第一温度Ｔ１（１０５０℃）に維持され、次に部材Ａに付与される荷重力Ｆが、部材Ａおよび部材Ｂの荷重力Ｆ２（１０ＭＰａ）まで維持され、部材Ａに付与される荷重力Ｆが、部材Ａおよび部材Ｂの塑性変形寸前の荷重力Ｆ１（５０ＭＰａ）まで大きくされるときには、部材Ａおよび部材Ｂは第二温度Ｔ２（７５０℃）まで降温される。まずステージＳＴ（２−１）として、接合面ＡＦおよび接合面ＢＦが軟化し、隙間１５が潰れ始めて表面が平坦化する。
【００３６】
次に、ステージＳＴ（２−２）においては、隙間１５が潰れるに従い、接合面ＡＦと接合面ＢＦとの密着する部分の面積が大きくなって界面Ｄとなり、接合面ＡＦと接合面ＢＦとに残存していた酸化皮膜１１が接合面ＡＦおよび接合面ＢＦから部材Ａおよび部材Ｂの内部に拡散し始める。
【００３７】
さらに、ステージＳＴ（２−３）においては、接合面ＡＦと接合面ＢＦとの密着が進み、酸化皮膜１１の部材Ａおよび部材Ｂの内部への拡散が進行し、部材Ａおよび部材Ｂの金属基体がそれぞれ接合面ＡＦおよび接合面ＢＦに露出し、原子拡散しやすい界面Ｄとなる。
【００３８】
そして、第一温度Ｔ１（１０５０℃）かつ第二荷重力Ｆ２（１０ＭＰａ）とされる第一工程と、第二温度Ｔ２（７５０℃）かつ第一荷重力Ｆ１（５０ＭＰａ）とされる第二工程とを交互に繰り返す、すなわち、部材Ａおよび部材Ｂの接合部に対して、変態点である第二温度Ｔ２（７５０℃）を往来する温度変化と、加圧変化と、を繰り返し付与することで、ステージＳＴ（２−１）からステージＳＴ（２−３）までの状態変化が繰り返される。すなわち、接合面ＡＦおよび接合面ＢＦは平坦化し、接合面ＡＦおよび接合面ＢＦの表面に存在していた酸化皮膜１１は、部材Ａおよび部材Ｂの内部に拡散し、接合面ＡＦと接合面ＢＦとは界面Ｄとなる。
【００３９】
図６を用いて、結晶化工程Ｓ３００の結晶挙動状態について説明する。
図６は、界面Ｄを通過して結晶化が進行する状態変化の一部を示している。
【００４０】
ステージＳＴ（３−１）においては、部材Ａおよび部材Ｂの金属基体は、原子拡散が進行し、結晶中の原子の配置構造が安定する一つの角度が１２０度となる立方体構造に収束しながら結晶化が始まる。
【００４１】
ステージＳＴ（３−２）においては、安定した結晶ＣｒＡが結晶ＣｒＣ、ＣｒＥを侵食し結晶ＣｒＧとして成長している。また、結晶ＣｒＢが結晶ＣｒＤを侵食し結晶ＣｒＦに成長している。このように、各結晶は、界面Ｄを通過しながら成長することで、界面Ｄは消滅し、部材Ａと部材Ｂとは同一部材となる。
【００４２】
このようにして、結晶化工程Ｓ３００では、接合面ＡＦと接合面ＢＦとは、第一温度Ｔ１かつ第三荷重力Ｆ３に維持されることで原子拡散および結晶化が促進される。
【００４３】
このような構成とすることで、以下の効果が得られる。
すなわち、部材Ａの接合面ＡＦと、部材Ｂの接合面ＢＦと、の間に存在する酸化皮膜１１を初期工程Ｓ１００において部材Ａおよび部材Ｂの外部に排出し、部材Ａおよび部材Ｂの外部に排出されなかった酸化皮膜１１を接合工程Ｓ２００において部材Ａおよび部材Ｂの内部に拡散させることで、接合面ＡＦと接合面ＢＦとの間から酸化皮膜１１を完全に除去し、部材Ａと部材Ｂの接合強度を高めることができ、ひいては部材Ａと部材Ｂとの接合時に母材同等の強度が得られる。
【符号の説明】
【００４４】
Ａ 部材
ＡＦ 接合面
Ｂ 部材
ＢＦ 接合面
Ｄ 界面
Ｓ１００ 初期工程
Ｓ２００ 接合工程
Ｓ３００ 結晶工程
Ｔ１ 第一温度
Ｔ２ 第二温度
Ｆ１ 第一荷重力
Ｆ２ 第二荷重力
Ｆ３ 第三荷重力
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイカスト金型材同士を密着させ、該ダイカスト金型材同士を昇温しながら密着方向へ押圧するダイカスト金型材の固相拡散接合方法であって、
前記ダイカスト金型材同士を突き合わせた状態で、該ダイカスト金型材の周囲の雰囲気を真空とし、該ダイカスト金型材を昇温させ、該ダイカスト金型材同士を押圧する初期工程と、
前記ダイカスト金型材を昇温させ第一温度に維持しつつ該ダイカスト金型材同士を第二荷重力にて押圧する第一工程と、該ダイカスト金型材を降温させ第二温度に維持しつつ該ダイカスト金型材同士を第一荷重力にて押圧する第二工程とを複数回繰り返す接合工程と、
を具備し、
前記第一温度は、前記第二温度よりも高いものとし、
前記第一荷重力は、前記第二荷重力よりも大きいものとする、
ダイカスト金型材の固相拡散接合方法。
【請求項２】
請求項１記載のダイカスト金型材の固相拡散接合方法であって、
前記ダイカスト金型材はＳＫＤ６１とし、
前記第一温度は１０３０℃以上かつ１０５０℃以下とし、
前記第二温度は６２０℃以上かつ８３０℃以下とする、
ダイカスト金型材の固相拡散接合方法。
【請求項１】
ダイカスト金型材同士を密着させ、該ダイカスト金型材同士を昇温しながら密着方向へ押圧するダイカスト金型材の固相拡散接合方法であって、
前記ダイカスト金型材同士を突き合わせた状態で、該ダイカスト金型材の周囲の雰囲気を真空とし、該ダイカスト金型材を昇温させ、該ダイカスト金型材同士を押圧する初期工程と、
前記ダイカスト金型材を昇温させ第一温度に維持しつつ該ダイカスト金型材同士を第二荷重力にて押圧する第一工程と、該ダイカスト金型材を降温させ第二温度に維持しつつ該ダイカスト金型材同士を第一荷重力にて押圧する第二工程とを複数回繰り返す接合工程と、
を具備し、
前記第一温度は、前記第二温度よりも高いものとし、
前記第一荷重力は、前記第二荷重力よりも大きいものとする、
ダイカスト金型材の固相拡散接合方法。
【請求項２】
請求項１記載のダイカスト金型材の固相拡散接合方法であって、
前記ダイカスト金型材はＳＫＤ６１とし、
前記第一温度は１０３０℃以上かつ１０５０℃以下とし、
前記第二温度は６２０℃以上かつ８３０℃以下とする、
ダイカスト金型材の固相拡散接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１６７４３（Ｐ２０１２−１６７４３Ａ）
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５７０６７（Ｐ２０１０−１５７０６７）
【出願日】平成２２年７月９日（２０１０．７．９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５９３０７８２５７）株式会社メックインターナショナル (24)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月９日（２０１０．７．９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５９３０７８２５７）株式会社メックインターナショナル (24)
【Ｆターム（参考）】
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