專利名稱：復合部件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及汽車用發(fā)動機組、活塞、飛機零件或者電子儀器用散熱板等所使用的輕金屬或者輕金屬合金(以下稱為輕金屬等)、和與這些部件不同材質的輔助材料的復合部件及其制造方法，特別是涉及既可以提高復合部件構成材料彼此的接合部的強度及耐久性、又可以降低生產成本的技術。
背景技術：
近年來，為了滿足對汽車零件、航空零件的輕質化的要求，以鋁合金為代表的輕金屬得到了廣泛應用。但是，為了采用輕金屬等，一般必須要與能夠滿足高溫強度、耐摩擦性、熱膨脹率等要求性能的輔助材料復合，以便彌補輕金屬等在這些特性上的缺陷(例如參照實開平5-71474號說明書(第一頁))。
這樣的復合化可以得到上述特性，但在具有這一優(yōu)點的反面，存在由于復合了不同種材料從而接合強度較低的缺點，有如果作用較強外力、或置于溫差較大的環(huán)境中則容易剝離的問題。為了解決這一問題，進行了下述嘗試在鑄造時利用觸媒微粉末來除去妨礙良好的接合的、輔助材料表面的氧化膜?；蛘?，有下述方法在制造發(fā)動機氣缸蓋時，在真空條件下除去輔助材料表面的氧化膜，并包覆鈦基的薄膜來進行保護，然后利用鋁金屬進行包鑄(例如，特開平6-218519號說明書(第一頁))。
另外，除這些化學方法之外，還有下述方法制造發(fā)動機組的缸膛部時，在鋁合金的鑄造之后，壓入氣缸套，以機械方式在緊貼的狀態(tài)下進行復合化。
在上述這些現(xiàn)有的復合部件中，確實實現(xiàn)了復合部件構成材料彼此的接合部的強度和耐久性的提高。但是，無論在哪一種技術中，都因為制造工序復雜或材料費太高而伴隨著成本高的問題。即，用作觸媒的金屬微粉末是金、銀、白金等貴重金屬。另外，設置鈦基的薄膜的工序是利用PVD法在氣相中進行的，所以工序所需成本也較高。進而，以機械方式的壓入進行的復合化包括對內徑、外徑進行高精度的精加工的工序和壓入工序，所以用這些方法制造的復合部件有生產成本較高的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明是為了解決上述現(xiàn)有技術所存在的問題而作出的，其目的在于提供一種在以輕金屬等為主材料的復合部件中、既能提高復合部件構成材料彼此的接合部的強度和耐久性又能夠降低生產成本的復合部件及其制造方法。
本發(fā)明的復合部件，是在鑄造主材料時通過包鑄將主材料和輔助材料接合起來的復合部件，所述主材料由可通過鑄造成形的輕金屬構成，所述輔助材料由不同于該主材料的金屬材料或者無機材料構成，其特征在于，在該主材料和該輔助材料的邊界區(qū)域的一部分或者全部上，配置有多孔質材料。
其中，上述輕金屬可以采用鋁或鎂，上述輕金屬合金可以采用包含鋁和鎂中的至少一者的合金。另外，上述輔助材料可以采用鑄鐵、鋼鐵、不銹鋼、鐵-鉻類合金或者鎳類合金。
對于上述構成的復合部件，多孔質材料固定在主材料內，并在與輔助材料的邊界區(qū)域上和輔助材料接觸。因此，通過適當選擇多孔質材料的材質，可以使多孔質材料與輔助材料擴散接合，從而增加主材料與輔助材料的界面的接合力，同時，通過使得主材料的含有多孔質材料的部分的熱性質介于主材料與輔助材料之間，可以緩和熱應變。而且，這樣的多孔質材料例如不銹鋼纖維，可以比較廉價地得到。
因此，希望多孔質材料是能夠與輔助材料擴散接合的材料，如果是由這些材料制造的金屬纖維或者泡沫金屬構成則更加優(yōu)選。根據(jù)這樣的方案，可以通過燒結來使多孔質材料與輔助材料擴散接合，所以可以得到更大的界面部分的接合強度，而且，由于工序簡單從而可以抑制生產成本的增加。
其中，上述金屬纖維可以隨機地或者定向地層疊起來、三維地構成，而且，多孔質材料可以采用晶須的集合體。進而，希望上述金屬纖維或者上述晶須的線徑、粒子的外徑是數(shù)μm～數(shù)mm，更優(yōu)選地為數(shù)μm～100μm。
另外，希望當多孔質材料在從輔助材料離開的方向上的板厚為1mm以上且小于2mm之時，多孔質材料的體積率為30％～60％，當板厚為2mm以上之時，體積率為20％～60％。如果板厚小于1mm，則熱性質為中間的層較薄，所以緩和輔助材料與主材料之間的熱應變的作用不充分。
另外，如果當前述板厚為1mm以上且小于2mm之時，多孔質材料的體積率小于30％，則所含的多孔質材料的絕對量較少，因此主材料的含有多孔質材料的部分的熱性質不能說是中間的，從而緩和輔助材料與主材料之間的熱應變的作用不充分。進而，多孔質材料與輔助材料的擴散接合面積也較小，所以將輔助材料和主材料結合起來的力不夠。
進而，當板厚為2mm以上的情況下，多孔質材料的絕對量增加，所以可以容許體積率的下限值到20％。因此，在體積率為20％以上時，熱性質處于中間，從而緩和輔助材料與主材料之間的熱應變的作用充分。進而，在將多孔質材料載置在輔助材料之上進行燒結的情況下，因為多孔質材料因自重而在板厚方向上收縮，所以在接合面上，多孔質材料與輔助材料的擴散接合面積也增加，從而得到足夠結合輔助材料與主材料的力。由此，得到在用于汽車的燃機等時足夠耐用的強度。
相反，如果多孔質材料的體積率超過了60％，則在鑄造時，熔融的主材料難以浸透到多孔質材料的深處，從而不能完全到達輔助材料，與輔助材料接觸的面積減小。結果，擴散接合的面積不夠，從而接合強度難以提高。因此，優(yōu)選地，體積率為60％以下。
通過將體積率設定在上述范圍內，可以可靠地實現(xiàn)下述作用通過夾裝多孔質材料而緩和主材料與輔助材料之間的熱應變，并同時實現(xiàn)下述兩種效果充分增大多孔質材料與輔助材料的接合面積；使輕金屬等主材料浸透到多孔質材料中并到達輔助材料，從而使主材料與輔助材料緊貼。
進而，優(yōu)選地，使得多孔質材料的從輔助材料離開的部分的體積率比接近于輔助材料的部分的體積率小。根據(jù)這樣的構成，熔融的主材料易于浸透到多孔質材料中，而且，增加了輔助材料與多孔質材料的接觸面積，可以增大擴散接合的面積。
在這種情況下，優(yōu)選地，當板厚為1mm以上之時，多孔質材料的體積率在20％～70％之間變化。根據(jù)這樣的構成，可以更好地同時實現(xiàn)下述兩種效果增加輔助材料與多孔質材料的接觸面積從而增加擴散接合面積；將輕金屬等主材料浸透到多孔質材料中并使其到達輔助材料而使得主材料與輔助材料緊貼。
其次，本發(fā)明的復合部件的制造方法，是在鑄造主材料時通過包鑄將主材料和輔助材料接合起來的復合部件的制造方法，所述主材料由可通過鑄造成形的輕金屬或者輕金屬合金構成，所述輔助材料由不同于該主材料的金屬材料或者無機材料構成，其特征在于，將多孔質材料在接觸于輔助材料上的狀態(tài)下壓縮到規(guī)定的體積率，與此同時進行燒結、擴散接合，在主材料的鑄造時將通過該接合工序得到的預成形體包鑄起來而接合。根據(jù)這樣的制造方法，可以將壓縮多孔質預成形體的工序和燒結輔助材料的工序合并成一個工序。
其中，取代上述那樣的、將多孔質材料在接觸于輔助材料上的狀態(tài)下壓縮到規(guī)定的體積率，與此同時進行燒結、擴散接合的工序，而采用通過使預先壓縮到規(guī)定的體積率的多孔質材料與輔助材料接觸并燒結而進行擴散接合的工序，也可以進行制造。在這種情況下，燒結工序僅一次，而且當多孔質材料由纖維構成時不需要在燒結時進行加壓，所以具有下述優(yōu)點不需要壓制模，容積也可以較小，從而批量成產性較高。


圖1是本發(fā)明的實施方式的剖視圖。
圖2是本發(fā)明的實施方式的剪切試驗后的剖視圖。
圖3是用于制造本發(fā)明的復合材料的工序圖。
圖4是制作本發(fā)明的復合材料的評價用樣本的模具的剖視圖。
圖5是對本發(fā)明的復合材料的浸透性和緊貼性進行評價的樣本的剖視圖。
圖6是評價本發(fā)明的復合材料的界面強度的樣本的剖視圖。
圖7是評價本發(fā)明的復合材料的界面強度的試驗方法的剖視圖。
圖8是表示本發(fā)明的復合材料的界面強度與體積率·板厚的關系的正交圖表。
具體實施例方式
1.試樣的制作圖3中示出了表1所記載的試樣1～24的制作順序。首先，利用溶液提取法(參照特許第3176833號)制作直徑40μm的SUS430纖維，將其用開纖機作成單位面積重量為140g/m2的網(wǎng)。纖維的朝向在層疊面上是隨機的。接著，利用壓力機沖裁成試驗用的形狀，并層疊規(guī)定的片數(shù)，壓制成表1所記載的體積率的多孔質材料。所謂體積率Vf(％)是指用Vf＝(實際體積/外觀體積)×100表示的、表示多孔質材料的稠密度的數(shù)字。
表1


接著，在用作輔助材料的SUS430上載置事先壓縮成表1所記載的體積率的多孔質材料，在真空爐中，在不施加載荷的情況下(僅靠自重壓縮)以1100℃燒結2小時，制作成預成形體。在這個階段中，將輔助材料和多孔質材料、以及多孔質材料彼此擴散接合起來。接著，將這樣作成的預成形體預熱到300℃，載置在圖4所示的模具2的底面上，從熔液注入口21以750℃、60Mpa的條件注入作為主材料的鋁合金ADC12(JIS2118)，制作出復合部件的樣本(壓鑄法)。根據(jù)這種方法，不需要在壓制了的狀態(tài)下燒結多孔質材料，所以生產效率較高。
另外，對于前述試樣1～24的制作方法，也可以省略事先壓縮多孔質材料的工序，而在與輔助材料一起進行燒結之時將其壓縮到規(guī)定的Vf。
試樣25～27是如下所述地制成的在試樣1至24的制作方法中，在壓制多孔質材料而使其達到規(guī)定的Vf的階段中，分別以單體燒結出兩種Vf的多孔質材料，在制作預備成形體的階段中，在輔助材料之上以Vf的高低順序進行重疊，再次燒結而得。
試樣28、29使用的是單位面積重量為900g/m2的鎳泡沫金屬(商品名セルメツト，住友電工(株)制)，進行圖3中的預成形工序之后的工序而制得。
2.試驗內容試驗以浸透性、緊貼性、界面強度這三個項目進行評價。圖5表示浸透性和緊貼性的評價用樣本的規(guī)格，a＝20mm，b＝100mm，p＝30mm，q＝15mm。
所謂浸透性，是評價主材料向多孔質材料浸透的程度的項目，通過SEM進行觀察。
所謂緊貼性，是評價輔助材料與主材料的界面上的間隙的有無的項目，通過SEM進行觀察。
所謂界面強度，是指輔助材料與主材料的界面的接合強度，通過剪切試驗來求得。圖7表示剪切試驗的方法，用固定夾具31夾持住圖6所示形狀的復合部件的樣本，使剪切夾具32以0.5mm/min的速度向加壓方向33移動，測定斷裂應力，將測得的值作為界面強度。
3.試驗結果試驗結果示于表1中。其中，評價結果一欄中的標記的意思如下所述。
浸透性分三級評價。
○浸透性良好(主材料完全浸透到其與輔助材料的邊界面)△浸透性局部不良(盡管主材料浸透到了其與輔助材料的邊界面，但是在其與多孔質材料的復合部上局部有孔，在容許范圍內)×浸透性不良(主材料未浸透到輔助材料界面)緊貼性分三級評價。
○緊貼性良好(輔助材料與主材料完全緊貼)△緊貼性局部不良(在輔助材料與主材料之間局部地存在間隙，但在容許范圍內)×緊貼性不良(在輔助材料與主材料之間存在間隙)4.評價圖1是表示本發(fā)明的實施例的復合部件1的一例的剖視圖。構成為，主材料(ADC12)11與輔助材料(SUS430)12在接合部14處接合，在其邊界區(qū)域上配置有金屬纖維(SUS430)13。在擴散接合部16處，輔助材料12與金屬纖維13擴散接合，在擴散接合部17處，金屬纖維13彼此擴散接合。
圖2是與圖1同樣的復合部件1的剖視圖，但在該例中，接合面14剝離從而產生了間隙15。這樣的狀態(tài)下的復合部件為緊貼不良。這是因為在復合部件1的鑄造后的冷卻時、由熱膨脹率之差導致的應變較大而產生了剝離。
試樣1～24是具有下述共同點的試樣組在同一試樣中，多孔質材料的Vf均勻。改變這些試樣的板厚和Vf之時對界面強度造成的影響示于圖8中。在圖8中，板厚為，t1＝1mm，t2＝2mm，t3＝3mm。首先，比較板厚的影響，在Vf為40以下時，可以明顯地看出板厚越厚則界面強度越大，但在50以上，由板厚引起的差異就不那么明顯了。其次，對于Vf的影響，確認了Vf越大界面強度越大這一事實。總結這些傾向，可以說，要提高界面強度，可以增大Vf，而對于板厚的增加，當Vf較小(小于30)時是有效的，但當Vf較大的時候，即使增大板厚，可以說也不會對界面強度造成影響。從這些結論可以看出，對界面強度影響最大的是接合面附近的Vf，在1mm以上小于2mm之時，Vf最低也要達到30，越大則強度越高，另外，當該部分的Vf更小時(最低為20)，可以用板厚(2mm以上)來彌補相應的部分。但是，相反地，如果Vf達到70以上，則浸透性和緊貼性變差(試樣No.10、17、24)，鑄造本身不能很好地進行。這是因為，如果Vf太大，則在前述制造條件下，鑄造時主材料難以向多孔質材料浸透。另外，如果板厚小于1mm，太薄(試樣No.1～3)，則即使增大Vf，多孔質材料存在于主材料和輔助材料的邊界區(qū)域的效果也顯現(xiàn)不出來。從上述情況可知，本發(fā)明的多孔質材料在板厚為1mm以上小于2mm之時，如果Vf為30～60則能得到恰當?shù)慕缑鎻姸?，另外，在板厚?mm以上的時候，如果Vf為20～60則可以得到所希望的界面強度。
試樣25～27是層疊了兩種Vf的多孔質材料的部件，是同時實現(xiàn)了Vf較低時良好的鑄造時的主材料的浸透性、和反過來Vf較高時良好的界面強度這兩種相悖的特性的發(fā)明的實施例。盡管整體上為1mm的厚度，也得到了恰當?shù)慕缑鎻姸?。例如，對于試?5，平均Vf為40，界面強度為122，是對應的板厚為1mm、Vf為40的試樣7的界面強度75的1.6倍。但是，如果Vf超過80，則在前述制造條件下，會引起浸透不良。
試樣28、29是多孔質材料為泡沫金屬的例子。與相同板厚及Vf的試樣12、14相比，界面強度降低了。這可以認為是下述兩個原因泡沫金屬的網(wǎng)眼較粗；與輔助材料材質不同。
5.變形例作為本發(fā)明的主材料的輕金屬等，并不限于鋁、鎂、其中某一種與其他各種金屬的合金、或者將這些組合起來而成的材料。
本發(fā)明的輔助材料只要是能夠彌補輕金屬等的缺陷的材料即可，可以是任何材料。例如，如果是彌補拉伸、壓縮、剪切、摩擦等機械強度的材料，鑄鐵、鋼鐵、不銹鋼、鐵-鉻類合金、鎳類合金等是優(yōu)選的，如果是彌補熱強度的材料，各種陶瓷是適合的，但并不限于這些材料。
作為本發(fā)明的多孔質材料，可舉出使金屬纖維或者無機纖維隨機或定向地層疊而三維地構成的材料、或者粒子、晶須的集合體、或者泡沫金屬材料、無機材料，但并不限于這些。晶須、纖維的線徑、粒子的外徑可以是數(shù)μm到數(shù)mm。只是，如果線徑或者粒徑太大，則與主材料的接合面積較小從而效果降低，同時使用量增加，所以不經濟。從這樣的條件出發(fā)，優(yōu)選地，晶須、纖維的線徑、粒子的外徑為數(shù)μm到數(shù)100μm。
作為多孔質材料的性質，優(yōu)選地，如圖1的例子那樣，多孔質材料彼此、進而多孔質材料與輔助材料可以擴散接合，但是并不限于此，只要是可以通過粘合劑或者焊接等與輔助材料結合即可。另外，作為熱性質，優(yōu)選地，與輔助材料的熱膨脹率相同。從這幾點出發(fā)，如果用與輔助材料相同的原材料構成多孔質材料，則更為優(yōu)選。
對于試樣1～5，在前述制造條件下不能完全緩和熱應變，從而觀察到了緊貼性不良，但是在其他鑄造條件、即在熔液注射后大約兩分鐘前后保持壓力并且在冷卻過程中也作用壓力的條件下，緊貼性得到改善，得到了接合面良好的樣本。只是根據(jù)這樣的方法會不可避免地使得生產設備成本變高，而且工序也變長。
試樣10、17、24浸透性不良，但是通過將預成形體預熱到700℃，或者將熔液注入壓力提高到100MPa，可以得到浸透性良好的樣本。只是這些前處理以及鑄造條件均會導致成本上升。
權利要求
1.一種復合部件，是在鑄造主材料時通過包鑄將主材料和輔助材料接合起來的復合部件，所述主材料由可通過鑄造成形的輕金屬或者輕金屬合金構成，所述輔助材料由不同于該主材料的金屬材料或者無機材料構成，其特征在于，在該主材料和該輔助材料的邊界區(qū)域的一部分或者全部上，配置有多孔質材料。
2.如權利要求1所述的復合部件，其特征在于，前述輕金屬是鋁或鎂，前述輕金屬合金是包含鋁和鎂中的至少一者的合金。
3.如權利要求1或2所述的復合部件，其特征在于，前述輔助材料是鑄鐵、鋼鐵、不銹鋼、鐵-鉻類合金或者鎳類合金。
4.如權利要求1～3的任一項所述的復合部件，其特征在于，前述多孔質材料由能夠與前述輔助材料擴散接合的金屬纖維或者泡沫金屬構成。
5.如權利要求4所述的復合部件，其特征在于，前述金屬纖維隨機地或者定向地層疊起來，三維地構成。
6.如權利要求4所述的復合部件，其特征在于，前述多孔質材料是晶須的集合體。
7.如權利要求4～6的任一項所述的復合部件，其特征在于，前述金屬纖維或者前述晶須的線徑、粒子的外徑是數(shù)μm～數(shù)mm。
8.如權利要求7所述的復合部件，其特征在于，前述金屬纖維或者前述晶須的線徑、粒子的外徑是數(shù)μm～100μm。
9.如權利要求1～8的任一項所述的復合部件，其特征在于，當前述多孔質材料在從前述輔助材料離開的方向上的板厚為1mm以上且小于2mm之時，前述多孔質材料的體積率為30％～60％，當前述板厚為2mm以上之時，前述體積率為20％～60％。
10.如權利要求1～8的任一項所述的復合部件，其特征在于，前述多孔質材料的從前述輔助材料離開的部分的體積率比接近于前述輔助材料的部分的體積率小。
11.如權利要求10所述的復合部件，其特征在于，當前述板厚為1mm以上之時，前述多孔質材料的體積率在20％～70％之間變化。
12.一種復合部件的制造方法，所述復合部件是在鑄造主材料時通過包鑄將主材料和輔助材料接合起來的復合部件，所述主材料由可通過鑄造成形的輕金屬或者輕金屬合金構成，所述輔助材料由不同于該主材料的金屬材料或者無機材料構成，其特征在于，將多孔質材料在接觸于前述輔助材料上的狀態(tài)下壓縮到規(guī)定的體積率，與此同時進行燒結、擴散接合，在前述主材料的鑄造時將通過該接合工序得到的預成形體包鑄起來。
13.一種復合部件的制造方法，所述復合部件是在主材料的鑄造時通過包鑄將主材料和輔助材料接合起來的復合部件，所述主材料由可通過鑄造成形的輕金屬或者輕金屬合金構成，所述輔助材料由不同于該主材料的金屬材料或者無機材料構成，其特征在于，預先將由纖維構成的多孔質材料壓縮到規(guī)定的體積率，通過燒結將其與前述輔助材料擴散結合，在前述主材料的鑄造時將通過該接合工序得到的預成形體包鑄起來。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在以輕金屬等為主材料的復合部件中、既能夠提高復合部件構成材料彼此的接合部的強度及耐久性又能夠降低生產成本的復合部件及其制造方法。可以通過燒結使多孔質材料與輔助材料擴散接合，所以可以得到主材料與輔助材料的界面部分的足夠的接合強度，而且工序簡單從而還可以抑制生產成本的增加。
文檔編號C22C47/12GK1723095SQ20038010561
公開日2006年1月18日 申請日期2003年12月2日 優(yōu)先權日2002年12月10日
發(fā)明者白石透, 勝矢晃弘 申請人:日本發(fā)條株式會社