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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022170808
(43)【公開日】2022-11-11
(54)【発明の名称】接合金属部材及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
B22D 19/00 20060101AFI20221104BHJP
B22D 19/16 20060101ALI20221104BHJP
B22D 17/24 20060101ALI20221104BHJP
C23C 26/00 20060101ALI20221104BHJP
B22D 17/00 20060101ALN20221104BHJP
B22D 17/02 20060101ALN20221104BHJP
【ＦＩ】
B22D19/00 G
B22D19/16 Z
B22D17/24 A
C23C26/00 E
B22D17/00 540
B22D17/02
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021077024
(22)【出願日】2021-04-30
(71)【出願人】
【識別番号】000004215
【氏名又は名称】株式会社日本製鋼所
(71)【出願人】
【識別番号】595138155
【氏名又は名称】ダイセルミライズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100103894
【弁理士】
【氏名又は名称】家入 健
(72)【発明者】
【氏名】山口 毅
(72)【発明者】
【氏名】川邊 主税
(72)【発明者】
【氏名】宇野 孝之
(72)【発明者】
【氏名】清水 潔
【テーマコード（参考）】
4K044
【Ｆターム（参考）】
4K044AA02
4K044AA06
4K044AB10
4K044BA12
4K044BB14
4K044BC04
(57)【要約】
【課題】優れた接合金属部材を提供すること。
【解決手段】一実施の形態に係る接合金属部材の製造方法は、第１の金属材料から構成された第１の金属部材と、融点が前記第１の金属材料の融点以下である第２の金属材料から構成された第２の金属部材とが接合された接合金属部材の製造方法である。表面に凹凸が形成されると共に、当該凹凸を覆う酸化膜が形成された第１の金属部材を射出成形装置の金型の内部に配置し、当該金型の内部に半溶融状態又は液相線温度との差が３０℃以下の溶融状態の第２の金属材料を射出して第２の金属部材を成形しつつ、第１の金属部材に第２の金属部材を接合する。
【選択図】図１
【解決手段】一実施の形態に係る接合金属部材の製造方法は、第１の金属材料から構成された第１の金属部材と、融点が前記第１の金属材料の融点以下である第２の金属材料から構成された第２の金属部材とが接合された接合金属部材の製造方法である。表面に凹凸が形成されると共に、当該凹凸を覆う酸化膜が形成された第１の金属部材を射出成形装置の金型の内部に配置し、当該金型の内部に半溶融状態又は液相線温度との差が３０℃以下の溶融状態の第２の金属材料を射出して第２の金属部材を成形しつつ、第１の金属部材に第２の金属部材を接合する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の金属材料から構成された第１の金属部材と、融点が前記第１の金属材料の融点以下である第２の金属材料から構成された第２の金属部材とが接合された接合金属部材の製造方法であって、
（ａ）前記第２の金属部材との接合面となる表面に凹凸が形成されると共に、当該凹凸を覆う酸化膜が形成された前記第１の金属部材を、射出成形装置の金型の内部に配置する工程と、
（ｂ）前記第１の金属部材が配置された前記金型の内部に、半溶融状態又は液相線温度との差が３０℃以下の溶融状態の前記第２の金属材料を射出して前記第２の金属部材を成形しつつ、前記第１の金属部材に前記第２の金属部材を接合する工程と、を備える、
接合金属部材の製造方法。
（ａ）前記第２の金属部材との接合面となる表面に凹凸が形成されると共に、当該凹凸を覆う酸化膜が形成された前記第１の金属部材を、射出成形装置の金型の内部に配置する工程と、
（ｂ）前記第１の金属部材が配置された前記金型の内部に、半溶融状態又は液相線温度との差が３０℃以下の溶融状態の前記第２の金属材料を射出して前記第２の金属部材を成形しつつ、前記第１の金属部材に前記第２の金属部材を接合する工程と、を備える、
接合金属部材の製造方法。
【請求項2】
前記酸化膜の厚さが、０．０１～１０μｍである、
請求項１に記載の接合金属部材の製造方法。
請求項１に記載の接合金属部材の製造方法。
【請求項3】
レーザビームを照射することによって、前記第１の金属部材の表面に凹凸が形成されると共に、当該凹凸の表面に前記酸化膜が形成される、
請求項１に記載の接合金属部材の製造方法。
請求項１に記載の接合金属部材の製造方法。
【請求項4】
前記凹凸の高低差が、１０～１０００μｍである、
請求項３に記載の接合金属部材の製造方法。
請求項３に記載の接合金属部材の製造方法。
【請求項5】
前記第２の金属材料は、マグネシウムを主成分とする金属材料である、
請求項１に記載の接合金属部材の製造方法。
請求項１に記載の接合金属部材の製造方法。
【請求項6】
前記第１の金属材料は、鉄又はアルミニウムを主成分とする金属材料である、
請求項５に記載の接合金属部材の製造方法。
請求項５に記載の接合金属部材の製造方法。
【請求項7】
前記第１の金属材料は、前記第２の金属材料と同じ金属材料である、
請求項５に記載の接合金属部材の製造方法。
請求項５に記載の接合金属部材の製造方法。
【請求項8】
第１の金属材料から構成された第１の金属部材と、
融点が前記第１の金属材料の融点以下である第２の金属材料から構成された第２の金属部材と、が接合された接合金属部材であって、
前記第２の金属部材との接合面である前記第１の金属部材の表面に凹凸が形成されると共に、当該凹凸を覆う酸化膜が形成されており、
前記第１の金属部材に対して、半溶融状態又は液相線温度との差が３０℃以下の溶融状態の前記第２の金属材料が射出成形されて前記第２の金属部材が接合されており、
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材との接合強度が３０ＭＰａ以上である、
接合金属部材。
融点が前記第１の金属材料の融点以下である第２の金属材料から構成された第２の金属部材と、が接合された接合金属部材であって、
前記第２の金属部材との接合面である前記第１の金属部材の表面に凹凸が形成されると共に、当該凹凸を覆う酸化膜が形成されており、
前記第１の金属部材に対して、半溶融状態又は液相線温度との差が３０℃以下の溶融状態の前記第２の金属材料が射出成形されて前記第２の金属部材が接合されており、
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材との接合強度が３０ＭＰａ以上である、
接合金属部材。
【請求項9】
前記酸化膜の厚さが、０．０１～１０μｍである、
請求項８に記載の接合金属部材。
請求項８に記載の接合金属部材。
【請求項10】
レーザビームを照射することによって、前記第１の金属部材の表面に前記凹凸及び前記酸化膜が形成されている、
請求項８に記載の接合金属部材。
請求項８に記載の接合金属部材。
【請求項11】
前記凹凸の高低差が、１０～１０００μｍである、
請求項８に記載の接合金属部材。
請求項８に記載の接合金属部材。
【請求項12】
前記第２の金属材料は、マグネシウムを主成分とする金属材料である、
請求項８に記載の接合金属部材。
請求項８に記載の接合金属部材。
【請求項13】
前記第１の金属材料は、鉄又はアルミニウムを主成分とする金属材料である、
請求項１２に記載の接合金属部材。
請求項１２に記載の接合金属部材。
【請求項14】
前記第１の金属材料は、マグネシウムを主成分とする金属材料である、
請求項１２に記載の接合金属部材。
請求項１２に記載の接合金属部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、接合金属部材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、第１の金属材料から構成された第１の金属部材と、融点が前記第１の金属材料の融点よりも低い第２の金属材料から構成された第２の金属部材とが接合された接合金属部材が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１５－２１３９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
発明者は、第１の金属材料から構成された第１の金属部材と、融点が前記第１の金属材料の融点以下である第２の金属材料から構成された第２の金属部材とが接合された接合金属部材の開発に際し、様々な課題を見出した。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるだろう。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるだろう。
【課題を解決するための手段】
【0005】
一実施の形態に係る接合金属部材の製造方法では、第１の金属材料から構成され、表面に凹凸が形成されると共に、当該凹凸を覆う酸化膜が形成された第１の金属部材を射出成形装置の金型の内部に配置し、当該金型の内部に半溶融状態又は液相線温度との差が３０℃以下の溶融状態の第２の金属材料を射出して第２の金属部材を成形しつつ、第１の金属部材に第２の金属部材を接合する。
【0006】
一実施の形態に係る接合金属部材では、第１の金属材料から構成された第１の金属部材の表面に凹凸が形成されると共に、当該凹凸を覆う酸化膜が形成されており、第１の金属部材に対して、半溶融状態又は液相線温度との差が３０℃以下の溶融状態の第２の金属材料が射出成形されて第２の金属部材が接合されており、前記第１の金属部材と前記第２の金属部材との接合強度が３０ＭＰａ以上である。
【発明の効果】
【0007】
前記一実施の形態によれば、優れた接合金属部材を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】第１の実施形態に係る接合金属部材の製造方法に用いる射出成形装置の構成を示す模式的断面図である。
【図2】第１の実施形態に係る接合金属部材の製造方法に用いる射出成形装置の構成を示す模式的断面図である。
【図3】第１の実施形態に係る接合金属部材の製造方法に用いる射出成形装置の構成を示す模式的断面図である。
【図4】実施例１に係る接合金属部材の製造方法によって製造された接合金属部材のマクロ写真である。
【図5】実施例１に係る接合金属部材の製造方法によって製造された接合金属部材の接合界面の断面ミクロ写真である。
【図6】実施例１に係る接合金属部材の接合界面のＳＥＭ観察写真及びその領域におけるＭｇ（マグネシウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｏ（酸素）の元素分析結果である。
【図7】実施例１に係る接合金属部材の接合界面のＳＥＭ観察写真及びその領域におけるＭｇ（マグネシウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｏ（酸素）の元素分析結果である。
【図8】実施例１及び比較例１に係るインサート部材（Ａｌ合金）の表面の深さ方向分析結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜簡略化されている。
【0010】
（事前検討）
発明者らは、アルミニウム合金部材とマグネシウム合金部材とを接合させた接合金属部材の製造方法を検討してきた。具体的には、レーザビームを照射して表面を粗面化させたアルミニウム合金部材をインサート部材としてダイカスト鋳造機の金型の内部に配置し、マグネシウム合金をダイカスト鋳造する方法を検討した。ダイカスト鋳造によって、マグネシウム合金部材を成形しつつ、金型の内部に配置されたアルミニウム合金から構成されたインサート部材にマグネシウム合金部材を接合する。
発明者らは、アルミニウム合金部材とマグネシウム合金部材とを接合させた接合金属部材の製造方法を検討してきた。具体的には、レーザビームを照射して表面を粗面化させたアルミニウム合金部材をインサート部材としてダイカスト鋳造機の金型の内部に配置し、マグネシウム合金をダイカスト鋳造する方法を検討した。ダイカスト鋳造によって、マグネシウム合金部材を成形しつつ、金型の内部に配置されたアルミニウム合金から構成されたインサート部材にマグネシウム合金部材を接合する。
【0011】
しかしながら、アルミニウム合金から構成されたインサート部材にダイカスト鋳造を用いてマグネシウム合金部材を接合した接合金属部材では、充分な接合強度が得られなかった。接合強度が得られない原因として、以下のメカニズムが考えられる。
【0012】
ダイカスト鋳造では、金型に注入されるマグネシウム合金の溶湯温度が高く、粗面化によりインサート部材の接合面に形成された酸化膜が破壊される虞がある。その場合、マグネシウム合金の溶湯とインサート部材のバルクとが接触し、接合界面にＡｌ－Ｍｇ系の金属間化合物が形成される。金属間化合物は脆いため、接合界面に金属間化合物が形成されると、充分な接合強度が得られない。ここで、Ａｌ－Ｍｇ二元系状態図によれば、Ａｌ－Ｍｇ系の金属間化合物Ａｌ３Ｍｇ２、Ａｌ１２Ｍｇ１７は、いずれも融点が４５０℃程度と低いため、金属間化合物が形成され易いと考えられる。
【0013】
（第１の実施形態）
＜射出成形装置の構成＞
まず、図１～図３を参照して、第１の実施形態に係る接合金属部材の製造方法に用いる射出成形装置の構成について説明する。図１～図３は、第１の実施形態に係る接合金属部材の製造方法に用いる射出成形装置の構成を示す模式的断面図である。
＜射出成形装置の構成＞
まず、図１～図３を参照して、第１の実施形態に係る接合金属部材の製造方法に用いる射出成形装置の構成について説明する。図１～図３は、第１の実施形態に係る接合金属部材の製造方法に用いる射出成形装置の構成を示す模式的断面図である。
【0014】
【0015】
図１～図３に示すように、本実施形態に係る射出成形装置は、射出機１０、固定型２１、及び可動型２２を備えている。ここで、射出機１０は、シリンダ１１、スクリュー１２、ホッパ１３、及び環状ヒータ１４を備えている。この射出成形装置は、半溶融状態の金属材料（以下、「半溶融金属」とも呼ぶ）を射出するチクソモールディング用の射出成形機である。射出される金属材料は、例えばマグネシウムを主成分とする金属材料であるが、特に限定されない。
【0016】
図１は、射出成形装置において、金型（固定型２１及び可動型２２）のキャビティＣへ半溶融金属８２を射出する直前の様子を示している。
図２は、射出成形装置において、金型のキャビティＣへの半溶融金属８２の射出が完了した様子を示している。
図３は、射出成形装置において、金型から接合金属部材８３を取り出した様子を示している。
図２は、射出成形装置において、金型のキャビティＣへの半溶融金属８２の射出が完了した様子を示している。
図３は、射出成形装置において、金型から接合金属部材８３を取り出した様子を示している。
【0017】
図１～図３に示すように、シリンダ１１は、ｘ軸方向に延設された筒状部材である。シリンダ１１の先端部（ｘ軸負方向側の端部）は、段階的に細くなっており、ノズル状に形成されている。図示した例では、シリンダ１１の先端部が３段階で細くなっており、シリンダ１１の最先端部は、固定型２１に設けられた貫通孔に挿入されている。
【0018】
スクリュー１２は、ｘ軸方向に延設され、シリンダ１１に回転可能に収容されている。スクリュー１２の根元部（ｘ軸正方向側の端部）は、ピストン１２ａを介して回転駆動源であるモータＭＴに連結されている。ピストン１２ａは、図示しないアクチュエータによってｘ軸方向に移動できるため、スクリュー１２もｘ軸方向に移動できる。図２に示すように、スクリュー１２がｘ軸負方向に前進することによって、半溶融金属８２が金型（固定型２１及び可動型２２）の内部に射出される。
【0019】
ホッパ１３は、図３に示した半溶融金属８２の原料である金属チップ８１をシリンダ１１の内部に投入するための筒状部材である。ホッパ１３は、シリンダ１１のｘ軸正方向側端部の上側に設けられている。
【0020】
環状ヒータ１４は、シリンダ１１の外周面を覆うように、シリンダ１１の長手方向（ｘ軸方向）に沿って並べて設けられている。図１～図３に示した例では、ホッパ１３よりも先端側（ｘ軸負方向側）に、１０個の環状ヒータ１４が設けられている。複数の環状ヒータ１４のそれぞれは、例えば、図示しない制御部によって個別に制御される。
【0021】
第１の実施形態に係る射出機１０では、ホッパ１３から供給された金属チップ８１は、シリンダ１１の内部において環状ヒータ１４によって加熱されつつ、回転するスクリュー１２によって撹拌される。金属チップ８１は、加熱されると共に、スクリュー１２の根元部から先端部に向かって（ｘ軸負方向に）押し出されることによって圧縮され、半溶融金属８２に変化する。
【0022】
固定型２１は射出機１０の先端に固定された金型である。他方、可動型２２は、図示しない駆動源によって駆動され、ｘ軸方向にスライド移動可能な金型である。可動型２２がｘ軸正方向に移動し、固定型２１に当接することにより、図１に示すように、固定型２１と可動型２２との間に製造される接合金属部材８３（図３参照）の形状に応じたキャビティＣが形成される。
【0023】
＜接合金属部材の製造方法＞
次に、図１～図３を参照して、第１の実施形態に係る接合金属部材の製造方法について説明する。
まず、図１に示すように、射出成形装置の金型（固定型２１及び可動型２２）の内部に、インサート部材（第１の金属部材）ＩＭを配置する。図示した例では、インサート部材ＩＭは、固定型２１に装着されているが、可動型２２に装着されてもよい。
次に、図１～図３を参照して、第１の実施形態に係る接合金属部材の製造方法について説明する。
まず、図１に示すように、射出成形装置の金型（固定型２１及び可動型２２）の内部に、インサート部材（第１の金属部材）ＩＭを配置する。図示した例では、インサート部材ＩＭは、固定型２１に装着されているが、可動型２２に装着されてもよい。
【0024】
ここで、インサート部材ＩＭにおいて接合面となる表面に、インサート部材ＩＭを構成する金属材料（第１の金属材料）の酸化膜が形成されている。この酸化膜によって、半溶融金属８２とインサート部材ＩＭのバルクとの接触が抑制され、接合界面における金属間化合物の形成を抑制できるため、接合強度が向上すると考えられる。
【0025】
例えば、特許文献１に開示された手法と同様に、レーザビームを照射することによって、インサート部材ＩＭの表面を粗面化しつつ、酸化膜を形成できる。すなわち、インサート部材ＩＭの表面に凹凸を形成しつつ、当該凹凸の表面に酸化膜を形成できる。接合面に凹凸を形成することによって、当該凹凸に半溶融金属８２が入り込む。そのため、アンカー効果によって、接合強度が向上する。凹凸の高低差は、例えば１０～１０００μｍ程度である。凹凸の高低差は、例えば接合界面のミクロ写真によって測定される。
【0026】
インサート部材ＩＭの表面に形成する酸化膜の厚さは、例えば０．０１～１０μｍ程度である。酸化膜の厚さは、実施例において後述するように、例えばグロー放電発光分析（ＧＤ－ＯＥＳ：Glow discharge optical emission spectrometry）を用いた深さ方向分析によって測定される。
【0027】
酸化膜の厚さが０．０１μｍ未満であると、酸化膜の形成が不完全だったり、流れ込む半溶融金属８２によって酸化膜が剥がされたりする虞がある。そのため、インサート部材ＩＭのバルクに半溶融金属８２が接触し、接合界面に金属間化合物が形成され、接合強度が低下する虞がある。
【0028】
他方、酸化膜の厚さが１０μｍを超えると、酸化膜にクラックが生じ、酸化膜が剥離する虞がある。そのため、インサート部材ＩＭのバルクに半溶融金属８２が接触し、接合界面に金属間化合物が形成され、接合強度が低下する虞がある。また、インサート部材ＩＭの表面の凹凸が不充分になって、アンカー効果が発揮できない虞もある。
【0029】
レーザは公知のものを使用できる。例えば、ＹＶＯ４レーザ、ファイバーレーザ、エキシマレーザー、炭酸ガスレーザー、紫外線レーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、Ｈｅ－Ｎｅレーザ、窒素レーザ、キレートレーザ、色素レーザを使用できる。発振方法は、パルス発振、連続発振を使用することができる。これらの中でもエネルギー密度が高められることから、ファイバーレーザが好ましく、特に連続発振のシングルモードファイバーレーザーが好ましい。
【0030】
なお、レーザビームを照射する代わりに、エッチング液によるエッチング等の化学的処理や、機械加工、サンドブラスト、研磨等の物理的処理によって、凹凸を形成すると共にその表面に酸化膜を形成してもよい。また、凹凸の形成と酸化膜の形成とを別々に行ってもよい。
【0031】
また、射出される金属材料（第２の金属材料）の融点は、インサート部材ＩＭを構成する金属材料の融点以下である。射出される金属材料がマグネシウムを主成分とする金属材料であれば、インサート部材ＩＭを構成する金属材料は、例えば鉄やアルミニウムを主成分とする金属材料であるが、特に限定されない。
なお、射出される金属材料とインサート部材ＩＭを構成する金属材料とが同じ金属材料でもよい。
なお、射出される金属材料とインサート部材ＩＭを構成する金属材料とが同じ金属材料でもよい。
【0032】
次に、図２に示すように、スクリュー１２をｘ軸負方向に前進させ、金型（固定型２１及び可動型２２）の内部すなわちキャビティＣに半溶融金属８２を充填させる。キャビティＣにおいて半溶融金属８２が凝固することによって、成形部材（第２の金属部材）８３ａを成形しつつ、インサート部材ＩＭに成形部材８３ａを接合する。ここで、射出される金属材料の融点（液相線温度）は、インサート部材ＩＭを構成する金属材料の融点（液相線温度）以下であるため、金型（固定型２１及び可動型２２）の内部に配置されたインサート部材ＩＭが溶融することはない。
【0033】
その結果、図３に示すように、インサート部材ＩＭと成形部材８３ａとが接合した接合金属部材８３が製造される。
最後に、図３に示すように、スクリュー１２がｘ軸正方向に後退すると共に、可動型２２がｘ軸負方向に移動し、固定型２１から離型することにより、製造された接合金属部材８３が取り出される。
最後に、図３に示すように、スクリュー１２がｘ軸正方向に後退すると共に、可動型２２がｘ軸負方向に移動し、固定型２１から離型することにより、製造された接合金属部材８３が取り出される。
【0034】
以上の通り、本実施形態に係る接合金属部材の製造方法では、インサート部材ＩＭが配置された金型の内部に、半溶融金属８２を射出して成形部材８３ａを成形しつつ、インサート部材ＩＭに成形部材８３ａを接合する。ここで、インサート部材ＩＭにおける成形部材８３ａとの接合面には、予め凹凸及び当該凹凸を覆う酸化膜が形成されている。
【0035】
本実施形態に係る接合金属部材の製造方法では、半溶融金属８２を射出して成形部材８３ａをしつつ、インサート部材ＩＭに成形部材８３ａを接合する。本実施形態に係る接合金属部材の製造方法では、ダイカスト鋳造を用いた場合に比べ、優れた接合強度が得られる。その理由は、例えば以下のように考えられる。
【0036】
ダイカスト鋳造よりも低温で、インサート部材ＩＭと成形部材８３ａとを接合することによって、インサート部材ＩＭの表面（接合面）に形成された酸化膜が、凝固収縮によって破壊、剥離されることを抑制できる。その結果、半溶融金属８２とインサート部材ＩＭのバルクとの接触が抑制され、接合界面における金属間化合物の形成を抑制できるため、接合強度が向上すると考えられる。
接合強度は、例えば３０ＭＰａ以上、好ましくは４０ＭＰａ以上、さらに好まくは５０ＭＰａ以上である。
接合強度は、例えば３０ＭＰａ以上、好ましくは４０ＭＰａ以上、さらに好まくは５０ＭＰａ以上である。
【0037】
また、ダイカスト鋳造よりも低温で成形するため、ガスの巻き込みや引け巣等の欠陥も少ない。さらに、本実施形態に係る接合金属部材の製造方法では、ダイカスト鋳造よりも高圧で半溶融金属８２を射出するため、インサート部材ＩＭの接合面に形成された凹凸に半溶融金属８２が入り込み易い。また、ダイカスト鋳造における溶解炉が不要であると共に、溶解炉において発生するスラッジ等を巻き込むこともない。
【0038】
なお、半溶融金属に代えて、液相線温度との差が３０℃以下の溶融金属を射出しても同様の効果が得られる。液相線温度との差は、２０℃以下が好ましい。半溶融金属に代えて、液相線温度よりも高温の溶融金属を射出することによって、薄肉製品成形時の充填性が向上する。
また、ダイカスト鋳造では、液相線温度との差が７０～１００℃程度の溶融金属を用いる。
また、ダイカスト鋳造では、液相線温度との差が７０～１００℃程度の溶融金属を用いる。
【実施例0039】
以下、第１の実施形態に係る接合金属部材の製造方法を、実施例を挙げて、詳細に説明する。しかしながら、第１の実施形態に係る接合金属部材の製造方法は、以下の実施例のみに限定されるものではない。
表１に、実施例１～５及び比較例１～３について、試験条件及び試験結果をまとめて示す。表１において、「成形材料」は、成形部材を構成する金属材料である。「インサート材料」は、インサート部材を構成する金属材料である。
表１に、実施例１～５及び比較例１～３について、試験条件及び試験結果をまとめて示す。表１において、「成形材料」は、成形部材を構成する金属材料である。「インサート材料」は、インサート部材を構成する金属材料である。
【0040】
表１に示すように、成形材料は、実施例１～５及び比較例１～３の全てにおいて、ＡＺ９１Ｄマグネシウム合金である。インサート材料は、実施例１及び比較例１において、Ａ５０５２アルミニウム合金、実施例２～４及び比較例２において、ＡＺ９１Ｄマグネシウム合金、実施例５及び比較例３において、ＳＰＣＣ鋼である。
【0041】
【表1】
【0042】
［実施例１］
図４は、実施例１に係る接合金属部材の製造方法によって製造された接合金属部材のマクロ写真である。
図４に示すように、インサート部材は、長さ２００ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ２ｍｍの板状部材である。インサート部材における成形部材との接合面は、長さ２００ｍｍ、厚さ２ｍｍの長側面である。
図４は、実施例１に係る接合金属部材の製造方法によって製造された接合金属部材のマクロ写真である。
図４に示すように、インサート部材は、長さ２００ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ２ｍｍの板状部材である。インサート部材における成形部材との接合面は、長さ２００ｍｍ、厚さ２ｍｍの長側面である。
【0043】
成形部材を成形する前に、Ａ５０５２アルミニウム合金製のインサート部材の接合面にレーザビームを照射して、粗面化する（すなわち凹凸を形成する）と共に酸化膜を形成した。表１において、「レーザ処理」は、この処理を意味する。このレーザ処理は、ＤＬＡＭＰ（登録商標）と呼ばれる。
【0044】
図１に示すように、レーザ処理が施されたインサート部材を金型の内部に配置した。そして、図２、図３に示すように、金型の内部に６００℃のＡＺ９１Ｄマグネシウム合金を射出して成形部材を成形しつつ、インサート部材に成形部材を接合した。
ここで、ＡＺ９１Ｄマグネシウム合金の液相線温度は５９５℃であるため、金型に射出されるＡＺ９１Ｄマグネシウム合金は液相線温度との差が５℃の溶融状態である。
ここで、ＡＺ９１Ｄマグネシウム合金の液相線温度は５９５℃であるため、金型に射出されるＡＺ９１Ｄマグネシウム合金は液相線温度との差が５℃の溶融状態である。
【0045】
図４に示すように、成形部材も、長さ２００ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ２ｍｍの板状部材である。成形部材におけるインサート部材との接合面は、長さ２００ｍｍ、厚さ２ｍｍの長側面である。すなわち、成形部材及びインサート部材の長側面同士を接合した。
【0046】
図４に示す接合金属部材を破線に沿って、幅１０ｍｍで切断し、ＩＳＯ１９５０９５に準拠した長さ１００ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ２ｍｍの幅引張試験片を２０本作製した。この２０本の引張試験片について、引張試験を行い、得られた引張強度の平均値を接合強度とした。表１に示すように、実施例１に係る接合金属部材の製造方法によって製造された接合金属部材の接合強度は、８９ＭＰａであった。この接合強度は、接着剤による接合強度（１０ＭＰａ程度）に比べ、格段に高い。
【0047】
ここで、図５は、実施例１に係る接合金属部材の製造方法によって製造された接合金属部材の接合界面の断面ミクロ写真である。
図５に示すように、Ａ５０５２アルミニウム合金製のインサート部材の接合面には、数十～数百μｍの凹凸が形成されており、当該凹凸の凹部に成形部材が入り込んでいる。そのため、実施例１に係る接合金属部材では、接合面に形成された凹凸に基づくアンカー効果によって、高い接合強度が得られたものと考えられる。
図５に示すように、Ａ５０５２アルミニウム合金製のインサート部材の接合面には、数十～数百μｍの凹凸が形成されており、当該凹凸の凹部に成形部材が入り込んでいる。そのため、実施例１に係る接合金属部材では、接合面に形成された凹凸に基づくアンカー効果によって、高い接合強度が得られたものと考えられる。
【0048】
ここで、Ａ５０５２アルミニウム合金の液相線温度は６４９℃、固相線温度は６０７℃である。そのため、Ａ５０５２アルミニウム合金製のインサート部材の接合面に形成された凹凸は、６００℃のＡＺ９１Ｄマグネシウム合金が射出されても溶融しない。
【0049】
また、接合面に酸化膜が形成されているため、半溶融状態のＡＺ９１Ｄマグネシウム合金とインサート部材のバルクを構成するＡ５０５２アルミニウム合金との接触が抑制され、接合界面における金属間化合物の形成も抑制できる。
【0050】
［比較例１］
表１に示すように、インサート部材の接合面にレーザ処理を施さなかった以外は、実施例１と同様の条件で、接合金属部材を製造した。
比較例１に係る接合金属部材の製造方法によって製造された接合金属部材は、引張試験片を作製する際に、破断してしまった。すなわち、表１に示すように、比較例１に係る接合金属部材の製造方法では、インサート部材と成形部材とを接合できず、接合強度も測定できなかった。
表１に示すように、インサート部材の接合面にレーザ処理を施さなかった以外は、実施例１と同様の条件で、接合金属部材を製造した。
比較例１に係る接合金属部材の製造方法によって製造された接合金属部材は、引張試験片を作製する際に、破断してしまった。すなわち、表１に示すように、比較例１に係る接合金属部材の製造方法では、インサート部材と成形部材とを接合できず、接合強度も測定できなかった。
【0051】
比較例１に係る接合金属部材では、インサート部材の接合面にレーザ処理が施されていないため、接合面に形成された凹凸に基づくアンカー効果が得られない。また、接合面に酸化膜が形成されていないため、半溶融状態のＡＺ９１Ｄマグネシウム合金とインサート部材のバルクを構成するＡ５０５２アルミニウム合金とが接触し、接合界面に低融点の金属間化合物が形成された虞もある。
【0052】
［実施例２］
表１に示すように、インサート材料を成形材料と同じＡＺ９１Ｄマグネシウム合金とした以外は、実施例１と同様の条件で、接合金属部材を製造した。
表１に示すように、実施例２に係る接合金属部材の製造方法によって製造された接合金属部材の接合強度は、実施例１と同じく、８９ＭＰａと良好であった。実施例２に係る接合金属部材でも、接合面に形成された凹凸に基づくアンカー効果によって、高い接合強度が得られたものと考えられる。
表１に示すように、インサート材料を成形材料と同じＡＺ９１Ｄマグネシウム合金とした以外は、実施例１と同様の条件で、接合金属部材を製造した。
表１に示すように、実施例２に係る接合金属部材の製造方法によって製造された接合金属部材の接合強度は、実施例１と同じく、８９ＭＰａと良好であった。実施例２に係る接合金属部材でも、接合面に形成された凹凸に基づくアンカー効果によって、高い接合強度が得られたものと考えられる。
【0053】
ＡＺ９１Ｄマグネシウム合金製のインサート部材の接合面に形成された凹凸は、液相線温度よりも５℃高い６００℃の溶融状態のＡＺ９１Ｄマグネシウム合金が射出されても溶融しなかった。
【0054】
［実施例３］
表１に示すように、成形温度を５８０℃に下げた以外は、実施例２と同様の条件で、接合金属部材を製造した。ここで、ＡＺ９１Ｄマグネシウム合金の液相線温度は５９５℃であるため、金型に射出されるＡＺ９１Ｄマグネシウム合金は半溶融状態である。なお、ＡＺ９１Ｄマグネシウム合金の固相線温度は４７０℃である。
表１に示すように、成形温度を５８０℃に下げた以外は、実施例２と同様の条件で、接合金属部材を製造した。ここで、ＡＺ９１Ｄマグネシウム合金の液相線温度は５９５℃であるため、金型に射出されるＡＺ９１Ｄマグネシウム合金は半溶融状態である。なお、ＡＺ９１Ｄマグネシウム合金の固相線温度は４７０℃である。
【0055】
表１に示すように、実施例３に係る接合金属部材の製造方法によって製造された接合金属部材の接合強度は、１００ＭＰａであり、実施例２に係る接合金属部材よりも高く、良好であった。実施例３に係る接合金属部材でも、接合面に形成された凹凸に基づくアンカー効果によって、高い接合強度が得られたものと考えられる。
【0056】
［実施例４］
表１に示すように、成形温度を６２０℃に上げた以外は、実施例２と同様の条件で、接合金属部材を製造した。ここで、ＡＺ９１Ｄマグネシウム合金の液相線温度は５９５℃であるため、金型に射出されるＡＺ９１Ｄマグネシウム合金は液相線温度との差が２５℃の溶融状態である。
表１に示すように、成形温度を６２０℃に上げた以外は、実施例２と同様の条件で、接合金属部材を製造した。ここで、ＡＺ９１Ｄマグネシウム合金の液相線温度は５９５℃であるため、金型に射出されるＡＺ９１Ｄマグネシウム合金は液相線温度との差が２５℃の溶融状態である。
【0057】
表１に示すように、実施例４に係る接合金属部材の製造方法によって製造された接合金属部材の接合強度は、１１９ＭＰａであり、実施例２に係る接合金属部材よりもさらに高く、良好であった。実施例４に係る接合金属部材でも、接合面に形成された凹凸に基づくアンカー効果によって、高い接合強度が得られたものと考えられる。
【0058】
ＡＺ９１Ｄマグネシウム合金製のインサート部材の接合面に形成された凹凸は、液相線温度よりも２５℃高い溶融状態の６２０℃のＡＺ９１Ｄマグネシウム合金が射出されても溶融しなかった。
【0059】
実施例２～４に係る接合金属部材は、インサート材料及び成形材料が同じ金属材料である。このように、本実施形態に係る接合金属部材の製造方法では、インサート材料及び成形材料が同じ金属材料であっても、良好な接合強度が得られる。
【0060】
本実施形態に係る接合金属部材の製造方法では、金型に射出される成形材料が半溶融状態又は液相線温度との差が３０℃以下の溶融状態で低温である。そのため、インサート部材の接合面に形成された凹凸が、射出された成形材料と接触した際に溶融し難い。さらに、凹凸の表面に形成された酸化膜によって、凹凸の溶融が抑制される。その結果、接合面に形成された凹凸によるアンカー効果が充分に発揮されるものと考えられる。
【0061】
［比較例２］
表１に示すように、インサート部材の接合面にレーザ処理を施さなかった以外は、実施例２と同様の条件で、接合金属部材を製造した。
比較例２に係る接合金属部材の製造方法によって製造された接合金属部材は、金型から取り出す際に、破断してしまった。すなわち、表１に示すように、比較例２に係る接合金属部材の製造方法では、インサート部材と成形部材とを接合できず、接合強度も測定できなかった。
表１に示すように、インサート部材の接合面にレーザ処理を施さなかった以外は、実施例２と同様の条件で、接合金属部材を製造した。
比較例２に係る接合金属部材の製造方法によって製造された接合金属部材は、金型から取り出す際に、破断してしまった。すなわち、表１に示すように、比較例２に係る接合金属部材の製造方法では、インサート部材と成形部材とを接合できず、接合強度も測定できなかった。
【0062】
比較例２に係る接合金属部材では、インサート部材の接合面にレーザ処理が施されていないため、接合面に形成された凹凸に基づくアンカー効果が得られない。
なお、比較例２に係る接合金属部材では、インサート材料及び成形材料が、いずれもＡＺ９１Ｄマグネシウム合金であるため、接合界面に金属間化合物は形成されない。
なお、比較例２に係る接合金属部材では、インサート材料及び成形材料が、いずれもＡＺ９１Ｄマグネシウム合金であるため、接合界面に金属間化合物は形成されない。
【0063】
［実施例５］
表１に示すように、インサート材料をＳＰＣＣ鋼とした以外は、実施例１と同様の条件で、接合金属部材を製造した。
表１に示すように、実施例３に係る接合金属部材の製造方法によって製造された接合金属部材の接合強度は、１１５ＭＰａであり、実施例１に係る接合金属部材よりも高く、良好であった。実施例３に係る接合金属部材でも、接合面に形成された凹凸に基づくアンカー効果によって、高い接合強度が得られたものと考えられる。
表１に示すように、インサート材料をＳＰＣＣ鋼とした以外は、実施例１と同様の条件で、接合金属部材を製造した。
表１に示すように、実施例３に係る接合金属部材の製造方法によって製造された接合金属部材の接合強度は、１１５ＭＰａであり、実施例１に係る接合金属部材よりも高く、良好であった。実施例３に係る接合金属部材でも、接合面に形成された凹凸に基づくアンカー効果によって、高い接合強度が得られたものと考えられる。
【0064】
ここで、ＳＰＣＣ鋼の液相線温度及び固相線温度は１５００℃前後の高温である。そのため、ＳＰＣＣ鋼製のインサート部材の接合面に形成された凹凸は、６００℃のＡＺ９１Ｄマグネシウム合金が射出されても溶融しない。
【0065】
［比較例３］
表１に示すように、インサート部材の接合面にレーザ処理を施さなかった以外は、実施例５と同様の条件で、接合金属部材を製造した。
比較例３に係る接合金属部材の製造方法によって製造された接合金属部材は、金型から取り出す際に、破断してしまった。すなわち、表１に示すように、比較例３に係る接合金属部材の製造方法では、インサート部材と成形部材とを接合できず、接合強度も測定できなかった。
表１に示すように、インサート部材の接合面にレーザ処理を施さなかった以外は、実施例５と同様の条件で、接合金属部材を製造した。
比較例３に係る接合金属部材の製造方法によって製造された接合金属部材は、金型から取り出す際に、破断してしまった。すなわち、表１に示すように、比較例３に係る接合金属部材の製造方法では、インサート部材と成形部材とを接合できず、接合強度も測定できなかった。
【0066】
比較例３に係る接合金属部材では、インサート部材の接合面にレーザ処理が施されていないため、接合面に形成された凹凸に基づくアンカー効果が得られない。なお、比較例３に係る接合金属部材では、インサート材料がＳＰＣＣ鋼であり、成形部材がＡＺ９１Ｄマグネシウム合金であるため、接合界面に金属間化合物は形成されない。
【0067】
＜実施例１の接合界面の調査＞
実施例１に係る接合金属部材の接合界面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）を用いて観察すると共に、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray spectroscopy）により、元素分析を行った。
実施例１に係る接合金属部材の接合界面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）を用いて観察すると共に、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray spectroscopy）により、元素分析を行った。
【0068】
ここで、図６、図７は、実施例１に係る接合金属部材の接合界面のＳＥＭ観察写真及びその領域におけるマグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、酸素（Ｏ）の元素分析結果である。図６、図７の違いは、倍率の違いである。
【0069】
図６に示すように、Ａ５０５２アルミニウム合金（以下、Ａｌ合金）から構成されるインサート部材の表面に形成された高低差数十μｍの凹凸の凹部の内部に、ＡＺ９１Ｄマグネシウム合金（以下、Ｍｇ合金）が隙間無く充填されている。
ここで、接合界面を拡大した図７に示すように、Ａｌ及びＭｇの元素分析結果において、Ａｌが存在する領域とＭｇが存在する領域とが重複していないことから、ＡｌとＭｇとの金属間化合物が形成されていないと推察される。
ここで、接合界面を拡大した図７に示すように、Ａｌ及びＭｇの元素分析結果において、Ａｌが存在する領域とＭｇが存在する領域とが重複していないことから、ＡｌとＭｇとの金属間化合物が形成されていないと推察される。
【0070】
また、接合界面に沿って、酸素（Ｏ）が濃縮しているため、接合界面に沿って酸化膜が形成されていると推察される。この酸化膜によって、Ｍｇ合金とインサート部材のバルクを構成するＡｌ合金との接触が抑制され、接合界面における金属間化合物の形成も抑制できると考えられる。
【0071】
次に、ＧＤ－ＯＥＳを用いて、実施例１に係るインサート部材の表面の深さ方向分析を行った。比較のために、比較例１に係るインサート部材の表面の深さ方向分析も行った。
図８は、実施例１及び比較例１に係るインサート部材の表面の深さ方向分析結果を示すグラフである。実施例１に係るインサート部材の表面には、レーザ処理によって凹凸が形成されている。一方、比較例１に係るインサート部材の表面には、レーザ処理による凹凸が形成されていない。
図８は、実施例１及び比較例１に係るインサート部材の表面の深さ方向分析結果を示すグラフである。実施例１に係るインサート部材の表面には、レーザ処理によって凹凸が形成されている。一方、比較例１に係るインサート部材の表面には、レーザ処理による凹凸が形成されていない。
【0072】
図８に示すように、Ａｌ合金から構成される比較例１に係るインサート部材では、表面から０．０１μｍまでの範囲でＡｌの濃度が低く、酸素（Ｏ）の濃度が高くなっている。そのため、インサート部材の表面に自然に形成されたアルミニウム酸化膜の厚さは、０．０１μｍ未満であると考えられる。
【0073】
これに対し、Ａｌ合金から構成される実施例１に係るインサート部材では、表面から０．０２～０．０３μｍ程度までの範囲でＡｌの濃度が低く、酸素（Ｏ）の濃度が高くなっている。そのため、レーザ処理によってインサート部材の表面に形成されたアルミニウム酸化膜の厚さは、０．０２～０．０３μｍ程度であると考えられる。
【0074】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【0075】
１０ 射出機
１１ シリンダ
１２ スクリュー
１２ａ ピストン
１３ ホッパ
１４ 環状ヒータ
２１ 固定型
２２ 可動型
８１ 金属チップ
８２ 半溶融金属
８３ 接合金属部材
８３ａ 成形部材
Ｃ キャビティ
ＩＭ インサート部材
ＭＴ モータ
１１ シリンダ
１２ スクリュー
１２ａ ピストン
１３ ホッパ
１４ 環状ヒータ
２１ 固定型
２２ 可動型
８１ 金属チップ
８２ 半溶融金属
８３ 接合金属部材
８３ａ 成形部材
Ｃ キャビティ
ＩＭ インサート部材
ＭＴ モータ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
