特開 2024-128859 接合体、接合体を製造する方法および接合体を製造する装置

(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】P2024128859

(43)【公開日】2024-09-24

(54)【発明の名称】接合体、接合体を製造する方法および接合体を製造する装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20240913BHJP

【ＦＩ】

B23K20/12 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023038120

(22)【出願日】2023-03-10

(71)【出願人】

【識別番号】505295684

【氏名又は名称】ヒノデホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109896

【弁理士】

【氏名又は名称】森 友宏

(72)【発明者】

【氏名】長▲崎▼ 怜

(72)【発明者】

【氏名】黒川 貴大

(72)【発明者】

【氏名】甲斐 信博

【テーマコード（参考）】

4E167

【Ｆターム（参考）】

4E167AA04

4E167AA06

4E167AA29

4E167AB00

4E167AD07

4E167BF02

(57)【要約】

【課題】接合体全体の強度特性を確保することができる、鋳鉄とアルミニウム合金との接合体を提供する。
【解決手段】接合体１は、鋳鉄製立体状部１０とアルミニウム合金製立体状部２０とが摩擦圧接により接合されることにより形成される。鋳鉄製立体状部１０は、金属組織中に複数の黒鉛粒子１５が点在する本体部１１と、複数の黒鉛粒子１５を覆うように本体部１１の表層の一部に形成されたコーティング層１２とを含む。鋳鉄製立体状部１０のコーティング層１２は、硬質脆性特性を有するセメンタイト組織であって、摩擦圧接により組織状態が変化することなく硬質脆性特性を維持した状態で残存するセメンタイト組織を含む。アルミニウム合金製立体状部２０は、コーティング層１２の層厚方向の端面に接合された接合面３２を含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

鋳鉄製立体状部とアルミニウム合金製立体状部とが摩擦圧接により接合された接合体であって、
前記鋳鉄製立体状部は、金属組織中に複数の黒鉛粒子が点在する本体部と、
前記複数の黒鉛粒子を覆うように前記本体部の表層の一部に形成されたコーティング層とを含み、
前記コーティング層は、硬質脆性特性を有するセメンタイト組織であって、摩擦圧接により組織状態が変化することなく前記硬質脆性特性を維持した状態で残存するセメンタイト組織を含み、
前記アルミニウム合金製立体状部は、前記コーティング層の層厚方向の端面に接合された接合面を含む、接合体。

【請求項2】

前記コーティング層は、前記端面の外周縁を規定する円形状の外周縁部と、
前記外周縁部から前記層厚方向に延びる外周側面部とを含む、請求項１に記載の接合体。

【請求項3】

前記外周側面部は、外周側に向けて露出する外周側露出側面部を含む、請求項２に記載の接合体。

【請求項4】

前記コーティング層は、前記端面の内周縁を規定する円形状の内周縁部と、
前記内周縁部から前記層厚方向に延びる内周側面部とを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の接合体。

【請求項5】

前記内周側面部は、内周側に向けて露出する内周側露出側面部を含む、請求項４に記載の接合体。

【請求項6】

金属組織中に複数の黒鉛粒子が点在する本体部を有する鋳鉄製立体状部と、アルミニウム合金製立体状部との接合体を製造する方法であって、
前記複数の黒鉛粒子を覆うように前記本体部の表層の一部に、硬質脆性特性を有するセメンタイト組織を含むコーティング層を形成することと、
前記セメンタイト組織が組織状態を変化させることなく前記硬質脆性特性を維持した状態で残存するように、前記コーティング層の層厚方向の端面と前記アルミニウム合金製立体状部とを摩擦圧接することとを含む、方法。

【請求項7】

前記コーティング層を形成することは、前記端面の外周縁を規定する円形状の外周縁部を形成することと、
前記外周縁部から前記層厚方向に延びる外周側面部を形成することとを含む、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記外周側面部を形成することは、外周側に向けて露出する外周側露出側面部を形成することを含む、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記コーティング層を形成することは、前記端面の内周縁を規定する円形状の内周縁部を形成することと、
前記内周縁部から前記層厚方向に延びる内周側面部を形成することとを含む、請求項６～８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

前記内周側面部を形成することは、内周側に向けて露出する内周側露出側面部を形成することを含む、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

金属組織中に複数の黒鉛粒子が点在する本体部を有する鋳鉄製立体状部と、アルミニウム合金製立体状部との接合体を製造する装置であって、
前記複数の黒鉛粒子を覆うように前記本体部の表層の一部に、硬質脆性特性を有するセメンタイト組織を含むコーティング層を形成するユニットを含む、装置。

【請求項12】

前記セメンタイト組織が組織状態を変化させることなく前記硬質脆性特性を維持した状態で残存するように、前記コーティング層の層厚方向の端面と前記アルミニウム合金製立体状部とを摩擦圧接するユニットをさらに含む、請求項１１に記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、接合体、接合体を製造する方法および接合体を製造する装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、耐熱性の補強部材を効率的かつ強固にピストン本体の上部に結合固着するとともに、必要に応じて内部に冷却用空洞を形成するようにした内燃機関用ピストンとその製造方法とを提供することを目的に、例えばニレジスト鋳鉄から成る耐熱性の補強部材をピストン本体とは別体に作製しておき、このような補強部材を摩擦圧接の方法によってアルミニウム合金から成るピストン本体の上部に結合固着することと、このときにピストン本体の上部側に設けられている周溝を補強部材によって閉塞することにより冷却用空洞を形成することとが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平６－２６１３号公報（要約）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

鋳鉄製立体状部とアルミニウム合金製立体状部との摩擦圧接において、接合体の強度特性を確保することは重要である。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様は、鋳鉄製立体状部とアルミニウム合金製立体状部とが摩擦圧接により接合された接合体である。鋳鉄製立体状部は、金属組織中に複数の黒鉛粒子が点在する本体部と、複数の黒鉛粒子を覆うように本体部の表層の一部に形成されたコーティング層とを含む。コーティング層は、硬質脆性特性を有するセメンタイト組織であって、摩擦圧接により組織状態が変化することなく硬質脆性特性を維持した状態で残存するセメンタイト組織を含む。アルミニウム合金製立体状部は、コーティング層の層厚方向の端面に接合された接合面を含む。

【0006】

この接合体においては、鋳鉄製立体状部における本体部の表層の一部にコーティング層が形成されており、このコーティング層のセメンタイト組織が、摩擦圧接により組織状態を変化させることなく硬質脆性特性を維持した状態で残存している。このため、鋳鉄製立体状部の金属組織中に点在する複数の黒鉛粒子は、摩擦圧接中はもとより摩擦圧接後においても、硬質なコーティング層により覆われた状態で保護されている。すなわち、鋳鉄製立体状部の黒鉛粒子が、硬質なコーティング層を介して接合面に対して隔離されているため、黒鉛粒子が接合面に混入している確率を低減することができる。その結果、両立体状部の接合強度の低下を抑制することができる。さらに、鋳鉄製立体状部の黒鉛粒子が、硬質なコーティング層を介して接合面に対して隔離されているため、摩擦圧接に伴う熱や圧力が黒鉛粒子に作用している確率を低減することができる。その結果、黒鉛粒子の形状、大きさ、分布状態等（以下「黒鉛形態」という。）の変化に起因する鋳鉄製立体状部の強度特性の低下を抑制することができる。したがって、この接合体によれば、鋳鉄製立体状部とアルミニウム合金製立体状部との接合面のみならず、母材となる鋳鉄製立体状部も含めた、接合体全体の強度特性を確保することができる。

【0007】

コーティング層は、端面の外周縁を規定する円形状の外周縁部と、外周縁部から層厚方向に延びる外周側面部とを含むことが好ましい。コーティング層の端面の外周縁が円形状であるため、典型的には、鋳鉄製立体状部と中実状のアルミニウム合金製立体状部との摩擦圧接において、接合体全体の強度特性を確保することができる。

【0008】

外周側面部は、外周側に向けて露出する外周側露出側面部を含むことが好ましい。硬質なコーティング層を外周側に向けて露出させることができるため、黒鉛粒子がコーティング層の外周側を経由して接合面に混入している確率を低減することができる。したがって、両立体状部の接合強度の低下を一層抑制することができる。

【0009】

コーティング層は、端面の内周縁を規定する円形状の内周縁部と、内周縁部から層厚方向に延びる内周側面部とを含むことが好ましい。コーティング層の端面の内周縁が円形状であるため、典型的には、鋳鉄製立体状部と中空状のアルミニウム合金製立体状部との摩擦圧接において、接合体全体の強度特性を確保することができる。

【0010】

内周側面部は、内周側に向けて露出する内周側露出側面部を含むことが好ましい。硬質なコーティング層を内周側に向けて露出させることができるため、黒鉛粒子がコーティング層の内周側を経由して接合面に混入している確率を低減することができる。したがって、両立体状部の接合強度の低下を一層抑制することができる。

【0011】

本発明の他の態様は、金属組織中に複数の黒鉛粒子が点在する本体部を有する鋳鉄製立体状部と、アルミニウム合金製立体状部との接合体を製造する方法である。当該方法は、複数の黒鉛粒子を覆うように本体部の表層の一部に、硬質脆性特性を有するセメンタイト組織を含むコーティング層を形成することと、セメンタイト組織が組織状態を変化させることなく硬質脆性特性を維持した状態で残存するように、コーティング層の層厚方向の端面とアルミニウム合金製立体状部とを摩擦圧接することとを含む。

【0012】

コーティング層を形成することは、端面の外周縁を規定する円形状の外周縁部を形成することと、外周縁部から層厚方向に延びる外周側面部を形成することとを含むことが好ましい。外周側面部を形成することは、外周側に向けて露出する外周側露出側面部を形成することを含むことが好ましい。コーティング層を形成することは、端面の内周縁を規定する円形状の内周縁部を形成することと、内周縁部から層厚方向に延びる内周側面部を形成することとを含むことが好ましい。内周側面部を形成することは、内周側に向けて露出する内周側露出側面部を形成することを含むことが好ましい。

【0013】

本発明の他の態様は、金属組織中に複数の黒鉛粒子が点在する本体部を有する鋳鉄製立体状部と、アルミニウム合金製立体状部との接合体を製造する装置である。当該装置は、複数の黒鉛粒子を覆うように本体部の表層の一部に、硬質脆性特性を有するセメンタイト組織を含むコーティング層を形成するユニットを含む。当該装置は、セメンタイト組織が組織状態を変化させることなく硬質脆性特性を維持した状態で残存するように、コーティング層の層厚方向の端面とアルミニウム合金製立体状部とを摩擦圧接するユニットをさらに含むことが好ましい。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明の第１の実施形態における接合体を模式的に示す斜視図である。

【図2】図２は、図１に示す接合体の縦断面図である。

【図3】図３は、図１に示す接合体のうち鋳鉄製立体状部の一部のみを拡大して示す斜視図である。

【図4A】図４Ａは、図１に示す接合体を製造する工程を説明するための縦断面図である。

【図4B】図４Ｂは、図１に示す接合体を製造する工程を説明するための縦断面図である。

【図4C】図４Ｃは、図１に示す接合体を製造する工程を説明するための縦断面図である。

【図4D】図４Ｄは、図１に示す接合体を製造する工程を説明するための縦断面図である。

【図5】図５は、本発明の第２の実施形態における接合体を模式的に示す縦断面図である。

【図6】図６は、本発明の第３の実施形態における接合体を模式的に示す縦断面図である。

【図7】図７は、本発明の第４の実施形態における接合体を模式的に示す縦断面図である。

【図8】図８は、本発明の第５の実施形態における接合体を模式的に示す斜視図である。

【図9】図９は、本発明に係る接合体を製造する装置の一例を模式的に示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明に係る接合体、接合体を製造する方法（製造方法）および接合体を製造する装置（製造装置）の実施形態について、図１から図９を参照して詳細に説明する。図１から図９において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図９においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。以下の説明では、特に言及がない場合には、「第１」や「第２」などの用語は、構成要素を互いに区別するために使用されているだけであり、特定の順位や順番を表すものではない。

【0016】

図１は本発明の第１の実施形態における接合体１を模式的に示す斜視図、図２は縦断面図である。図１および図２に示すように、本実施形態の接合体１は、鋳鉄製立体状部１０と、アルミニウム合金製立体状部２０と、鋳鉄製立体状部１０とアルミニウム合金製立体状部２０とが摩擦圧接されることによりこれらの立体状部１０，２０の境界面に形成された接合界面３０とを含むものである。接合界面３０は、鋳鉄製立体状部１０の側の接合面３１と、この接合面３１と固相接合（固相拡散接合）されたアルミニウム合金製立体状部２０の側の接合面３２とから構成されている。なお、本実施形態における鋳鉄製立体状部１０は、例えば、材料として球状黒鉛鋳鉄を用いて鋳造されたものである。

【0017】

鋳鉄製立体状部１０は、本体部１１と、本体部１１の表層の一部に形成されたコーティング層１２とを含んでいる。本体部１１は、円柱状の台座部１３と、台座部１３から軸方向に延びる円筒状の柱部１４とを含んでいる。台座部１３の外径は柱部１４の外径よりも大きい。図２に示すように、鋳鉄製立体状部１０の本体部１１の金属組織中には、球状黒鉛鋳鉄の成分元素である炭素（Ｃ）が黒鉛として晶出した複数の黒鉛粒子１５が点在している。

【0018】

図３は、図１に示す接合体１のうち鋳鉄製立体状部１０の一部のみを拡大して示す斜視図である。図３においては、接合体１のアルミニウム合金製立体状部２０を点線にて示している。図３に示すように、鋳鉄製立体状部１０のコーティング層１２は、柱部１４の表層の一部に円環をなすように形成されており、本体部１１の柱部１４における金属組織中の黒鉛粒子１５（図２参照）を覆っている。このコーティング層１２は、摩擦圧接する前の本体部１１の柱部１４の表層の一部を、例えばレーザを照射して加熱することにより、硬質脆性特性を有するセメンタイト組織（Ｆｅ₃Ｃ）とよばれる鉄と炭素の化合物に変化させることにより形成することができる。例えば、コーティング層１２の層厚方向における厚さは１０ｍｍ以下である。なお、鋳鉄製立体状部１０のコーティング層１２は、本体部１１の柱部１４の表層の一部に限定して形成している。これにより、アルミニウム合金製立体状部２０との摩擦圧接に必要な箇所のみにコーティング層１２を確保しつつ、硬質脆性特性を有するコーティング層１２を形成する範囲を最小限に留めている。したがって、母材となる鋳鉄製立体状部１０の強度低下を抑制することができる。

【0019】

図３に示すように、コーティング層１２は、上述した接合界面３０を構成する鋳鉄製立体状部１０の側の接合面３１と、接合面３１の外周縁を規定する円形状の外周縁部１２Ａと、この外周縁部１２Ａから層厚方向に延びる外周側面部１２Ｂと、接合面３１の内周縁を規定する円形状の内周縁部１２Ｃと、内周縁部１２Ｃから層厚方向に延びる内周側面部１２Ｄとを含んでいる。本実施形態では、コーティング層１２の外周側面部１２Ｂは、全面が外周側に向けて露出する外周側露出側面部１６となっている。また、コーティング層１２の内周側面部１２Ｄは、全面が内周側に向けて露出する内周側露出側面部１７となっている。

【0020】

本実施形態におけるアルミニウム合金製立体状部２０は、円筒状の部材であり、上述した接合界面３０を構成する鋳鉄製立体状部１０の側の接合面３１に摩擦圧接により固相接合（固相拡散接合）されている。アルミニウム合金製立体状部２０を鋳鉄製立体状部１０に摩擦圧接する過程において上述したコーティング層１２のセメンタイト組織は、摩擦圧接により組織状態を変化させることなく、硬質脆性特性を維持した状態で残存している。このため、鋳鉄製立体状部１０の柱部１４の金属組織中に点在する複数の黒鉛粒子１５は、摩擦圧接中はもとより摩擦圧接後においても硬質なコーティング層１２により覆われた状態で保護されている。

【0021】

このように、本実施形態の接合体１においては、接合強度を低下させる要因の１つと言われている鋳鉄製立体状部１０の本体部１１中の黒鉛粒子１５が、硬質なコーティング層１２を介してアルミニウム合金製立体状部２０の側の接合面３２から隔離されている。したがって、鋳鉄製立体状部１０の本体部１１中の黒鉛粒子１５がアルミニウム合金製立体状部２０の側の接合面３２、ひいては接合界面３０に混入している確率を低減することができる。その結果、鋳鉄製立体状部１０とアルミニウム合金製立体状部２０の接合強度の低下を抑制することができるため、接合体１の強度特性を良好に維持することができる。

【0022】

さらに、鋳鉄製立体状部１０の本体部１１中の黒鉛粒子１５が、硬質なコーティング層１２を介してアルミニウム合金製立体状部２０の側の接合面３２から隔離されているため、摩擦圧接に伴う熱や圧力が黒鉛粒子１５に作用している確率を低減することができる。その結果、黒鉛粒子１５の黒鉛形態の変化に起因する鋳鉄製立体状部１０の強度特性の低下を抑制することができるため、接合体１の強度特性を良好に維持することができる。

【0023】

このように、本実施形態の接合体１によれば、鋳鉄製立体状部１０とアルミニウム合金製立体状部２０との接合界面３０だけではなく、母材となる鋳鉄製立体状部１０を含めた、接合体１全体の強度特性を確保することができる。

【0024】

また、本実施形態では、硬質なコーティング層１２の外周側面部１２Ｂは、外周側に向けて露出する外周側露出側面部１６を含んでいるため、鋳鉄製立体状部１０の本体部１１中の黒鉛粒子１５がコーティング層１２の外周側を経由してアルミニウム合金製立体状部２０の側の接合面３２、ひいては接合界面３０に混入している確率を低減することができる。同様に、硬質なコーティング層１２の内周側面部１２Ｄは、内周側に向けて露出する内周側露出側面部１７を含んでいるため、鋳鉄製立体状部１０の本体部１１中の黒鉛粒子１５がコーティング層１２の内周側を経由してアルミニウム合金製立体状部２０の側の接合面３２、ひいては接合界面３０に混入している確率を低減することができる。この結果、鋳鉄製立体状部１０とアルミニウム合金製立体状部２０の接合強度の低下を抑制することができるため、接合体１の強度特性を良好に維持することができる。

【0025】

次に、このような接合体１を製造する方法について説明する。本実施形態における接合体１の製造に際しては、まず、図４Ａに示すように、円柱状の鋳鉄部材１１０を用意する。この鋳鉄部材１１０は、例えば、材料として球状黒鉛鋳鉄を用いて鋳造されたもの（素材／鋳放し材）である。なお、最初から円柱状に鋳造してもよいし、鋳造された素材を切削加工により円柱状に形成してもよい。この鋳鉄部材１１０の金属組織中には、球状黒鉛鋳鉄の成分元素である炭素（Ｃ）が黒鉛として晶出した複数の黒鉛粒子１５が点在している。

【0026】

そして、図４Ｂに示すように、鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａの一部の領域を加熱し、コーティング層１２を形成する。このコーティング層１２は、硬質脆性特性を有するセメンタイト組織を含んでいる。鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａの一部の領域を加熱する方法としては、例えば、レーザを照射して当該領域を加熱するなどの方法が挙げられる。レーザであれば必要最小限の箇所のみを加熱することができ、硬くて脆いセメンタイト組織を鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａの一部の領域のみに形成することができるため、金属組織の変化による鋳鉄部材１１０の強度低下を抑制することができる。図４Ｂに示す例では、鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａの一部の領域にレーザを照射し、円環状のコーティング層１２を形成している。このコーティング層１２は、層厚方向の端面１３１の外周縁を規定する円形状の外周縁部１１２Ａと、外周縁部１１２Ａから層厚方向に延びる外周側面部１１２Ｂと、層厚方向の端面１３１の内周縁を規定する円形状の内周縁部１１２Ｃと、内周縁部１１２Ｃから層厚方向に延びる内周側面部１１２Ｄとを形成している。なお、図４Ｂに示す例では、コーティング層１２を形成する方法としてレーザを用いているが、これに限定されず、鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａの一部の領域に、硬質脆性特性を有するセメンタイト組織を含むように形成できる方法であれば、他の方法を用いてもよい。

【0027】

次に、図４Ｃに示すように、鋳鉄部材１１０の一部を切削加工装置（例えば、エンドミルなどの切削工具を備えたフライス盤や旋盤）などを用いて切削する。図４Ｃに示す例では、コーティング層１２の外周側に位置する鋳鉄部材１１０の部分１５１を、鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａから軸方向に沿って所定の深さまで切削している。このとき、コーティング層１２の外周側の一部１１２Ｐを一緒に除去し、コーティング層の外周側面部の全面が外周側に向けて露出する外周側露出側面部１６を形成している。また、図４Ｃに示す例では、コーティング層１２の内周側に位置する鋳鉄部材１１０の部分１５２を、鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａから軸方向に沿って所定の深さまで切削している。このとき、コーティング層１２の内周側の一部１１２Ｑを一緒に除去し、コーティング層の内周側面部の全面が内周側に向けて露出する内周側露出側面部１７を形成している。

【0028】

このように、鋳鉄部材１１０の一部を切削することで、円柱状の台座部１３と円筒状の柱部１４とを含む本体部１１と、柱部１４の表層の一部に円環状に形成されたコーティング層１２とを有する、接合前の鋳鉄製立体状部１０が得られる。

【0029】

なお、鋳鉄部材１１０の一部を切削する際に、コーティング層１２の外周側の一部１１２Ｐを除去することにより、コーティング層１２の層厚方向の端面１３１の外周縁を円形状の外周縁部１２Ａにより規定することができる。

【0030】

また、コーティング層１２の内周側の一部１１２Ｑを除去することにより、コーティング層１２の層厚方向の端面１３１の内周縁を円形状の内周縁部１２Ｃにより規定することができる。

【0031】

なお、図４Ｃに示す例では、コーティング層１２の外周側の一部１１２Ｐ、内周側の一部１１２Ｑを除去し、それぞれ外周側露出側面部１６、内周側露出側面部１７を形成したが、コーティング層１２の外周側の一部１１２Ｐ、内周側の一部１１２Ｑを除去せずに、コーティング層１２の外周側面部１１２Ｂ（図４Ｂ参照）、コーティング層１２の内周側面部１１２Ｄ（図４Ｂ参照）が露出するように切削して、外周側露出側面部１６、内周側露出側面部１７を形成するようにしてもよい。また、図４Ｃに示す例では、コーティング層１２の外周側面部の全面が外周側に向けて露出する外周側露出側面部１６と、コーティング層１２の内周側面部の全面が内周側に向けて露出する内周側露出側面部１７を形成したが、外周側側面部または内周側側面部の一部の面だけを露出するようにしてもよい。また、鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａの一部に形成したコーティング層１２の層厚方向の端面１３１が平滑ではない場合、必要に応じてコーティング層１２の層厚方向の端面１３１から層厚方向に沿ってコーティング層１２の一部を切削し、層厚方向の端面を形成するようにしてもよい。

【0032】

次に、図４Ｄに示すように、円筒状のアルミニウム合金製立体状部２０を用意する。この接合前のアルミニウム合金製立体状部２０の軸方向の端面１３２と、接合前の鋳鉄製立体状部１０のコーティング層１２の層厚方向の端面１３１とを接触させ、アルミニウム合金製立体状部２０と鋳鉄製立体状部１０とを摩擦圧接により固相接合（固相拡散接合）し、図２に示す接合体１を作製する。

【0033】

この摩擦圧接によって、接合前の鋳鉄製立体状部１０におけるコーティング層１２の端面１３１が接合体１における鋳鉄製立体状部１０の側の接合面３１となり、接合前のアルミニウム合金製立体状部２０の軸方向の端面１３２が接合体１におけるアルミニウム合金製立体状部２０の側の接合面３２となる。また、接合前のコーティング層１２の外周側露出側面部１６が接合体１におけるコーティング層１２の外周側露出側面部１６となり、接合前のコーティング層１２の内周側露出側面部１７が接合体１におけるコーティング層１２の内周側露出側面部１７となる。なお、本例では、接合前の鋳鉄製立体状部１０におけるコーティング層１２の層厚方向の端面１３１の組織状態はそのまま変化することなく鋳鉄製立体状部１０の側の接合面３１となり、接合前のアルミニウム合金製立体状部２０の端面１３２が摩擦圧接により変化してアルミニウム合金製立体状部２０の側の接合面３２となる。

【0034】

本製造方法においては、鋳鉄製立体状部１０とアルミニウム合金製立体状部２０とを摩擦圧接する際に、接合体を製造する装置の鋳鉄製立体状部１０またはアルミニウム合金製立体状部２０を回転可能に保持する回転ホルダの回転数や、鋳鉄製立体状部１０とアルミニウム合金製立体状部２０とを押し付け合う圧力や、摩擦圧接する時間などを制御し、両立体状部１０，２０が接触する箇所の温度が２００℃から４００℃となるようにしている。このように、鋳鉄製立体状部１０とアルミニウム合金製立体状部２０とが接触する箇所の温度を、鋳鉄製立体状部１０の融点（約１２００℃）およびアルミニウム合金製立体状部２０の融点（約６００℃）よりも低くすることにより、鋳鉄製立体状部１０よりも低融点のアルミニウム合金製立体状部２０が摩擦圧接の際に大きく変形したり、溶けて飛び散ったりすることを防止することができる。これにより、鋳鉄製立体状部１０の側の接合面３１とアルミニウム合金製立体状部２０の側の接合面３２とが固相接合された接合界面３０を形成することができる。

【0035】

また、鋳鉄製立体状部１０とアルミニウム合金製立体状部２０とが接触する箇所の温度を、鋳鉄製立体状部１０の融点（約１２００℃）およびアルミニウム合金製立体状部２０の融点（約６００℃）よりも低くすることにより、鋳鉄製立体状部１０のコーティング層１２のセメンタイト組織の組織状態は、摩擦圧接により組織状態を変化させることなく硬質脆性特性を維持した状態で残存している。このため、鋳鉄製立体状部１０の本体部１１の金属組織中に点在する複数の黒鉛粒子１５は、摩擦圧接中はもとより摩擦圧接後においても、硬質なコーティング層１２により覆われた状態で保護されている。すなわち、鋳鉄製立体状部１０の本体部１１の黒鉛粒子１５が、硬質なコーティング層１２を介してアルミニウム合金製立体状部２０の側の接合面３２に対して隔離されているため、黒鉛粒子１５がアルミニウム合金製立体状部２０の側の接合面３２、ひいては接合界面３０に混入している確率を低減することができる。その結果、両立体状部１０，２０の接合強度の低下を抑制することができる。さらに、鋳鉄製立体状部１０の本体部１１の黒鉛粒子１５が、硬質なコーティング層１２を介してアルミニウム合金製立体状部２０の側の接合面３２に対して隔離されているため、摩擦圧接に伴う熱や圧力が黒鉛粒子１５に作用している確率を低減することができる。その結果、黒鉛形態の変化に起因する鋳鉄製立体状部１０の強度特性の低下を抑制することができる。したがって、この接合体によれば、鋳鉄製立体状部１０とアルミニウム合金製立体状部２０との接合界面３０のみならず、母材となる鋳鉄製立体状部１０も含めた、接合体全体の強度特性を確保することができる。

【0036】

また、本製造方法においては、図４Ｃに示すように、摩擦圧接に先立ち、コーティング層１２の外周側に位置する鋳鉄部材１１０の部分１５１を切削して、コーティング層１２の外側の一部１１２Ｐを除去することにより、外周側に向けて露出する外周側露出側面部１６を形成しているので、硬質なコーティング層１２を外周側に向けて露出させることができる。このため、摩擦圧接中に鋳鉄製立体状部１０の本体部１１中の黒鉛粒子１５がコーティング層１２の外周側を経由してアルミニウム合金製立体状部２０の側の接合面３２、ひいては接合界面３０に混入する確率を低減することができる。また、摩擦圧接に先立ち、コーティング層１２の内周側に位置する鋳鉄部材１１０の部分１５２を切削して、コーティング層１２の外側の一部１１２Ｑを除去することにより、内周側に向けて露出する内周側露出側面部１７を形成しているので、硬質なコーティング層１２を内周側に向けて露出させることができる。このため、摩擦圧接中に鋳鉄製立体状部１０の本体部１１中の黒鉛粒子１５がコーティング層１２の内周側を経由してアルミニウム合金製立体状部２０の側の接合面３２、ひいては接合界面３０に混入する確率を低減することができる。この結果、鋳鉄製立体状部１０とアルミニウム合金製立体状部２０の接合強度の低下を抑制することができ、良好な強度特性を有する接合体を得ることができる。

【0037】

図５は、本発明の第２の実施形態における接合体２０１を模式的に示す縦断面図である。本実施形態の接合体２０１は、鋳鉄製立体状部２１０と、アルミニウム合金製立体状部２０と、鋳鉄製立体状部２１０とアルミニウム合金製立体状部２０とが摩擦圧接されることによりこれらの立体状部２１０，２０の境界面に形成された接合界面３０とを含むものである。この接合体２０１と本発明の第１の実施形態における接合体１とは、鋳鉄製立体状部の形状が異なっている。本発明の第２の実施形態の鋳鉄製立体状部２１０は、本体部２１１と、本体部２１１の表層の一部に形成されたコーティング層１２とを含んでいる。本体部２１１は、円柱状の台座部２１３と、台座部２１３から軸方向に延びる円筒状の柱部２１４とを含んでいる。このような鋳鉄製立体状部２１０は、接合体２０１を製造する過程において、図４Ｂに示す鋳鉄部材１１０を切削する際に、コーティング層１２の外周側の部分１５１（図４Ｃ参照）を除去せずに、コーティング層１２の内周側の部分１５２（図４Ｃ参照）のみを除去することで得られる。この場合においても、硬質なコーティング層１２（内周側露出側面部１７）を内周側に向けて露出させることができるため、摩擦圧接により鋳鉄製立体状部２１０の本体部２１１中の黒鉛粒子１５がコーティング層１２の内周側を経由してアルミニウム合金製立体状部２０の側の接合面３２、ひいては接合界面３０に混入している確率を低減することができる。

【0038】

図６は、本発明の第３の実施形態における接合体３０１を模式的に示す縦断面図である。本実施形態の接合体３０１は、鋳鉄製立体状部３１０と、アルミニウム合金製立体状部２０と、鋳鉄製立体状部３１０とアルミニウム合金製立体状部２０とが摩擦圧接されることによりこれらの立体状部３１０，２０の境界面に形成された接合界面３０とを含むものである。この接合体３０１と本発明の第１の実施形態における接合体１とは、鋳鉄製立体状部の形状が異なっている。本発明の第３の実施形態の鋳鉄製立体状部３１０は、本体部３１１と、本体部３１１の表層の一部に形成されたコーティング層１２とを含んでいる。本体部３１１は、円柱状の台座部３１３と、台座部３１３から軸方向に延びる円柱状の柱部３１４とを含んでいる。このような鋳鉄製立体状部３１０は、接合体３０１を製造する過程において、図４Ｂに示す鋳鉄部材１１０を切削する際に、コーティング層１２の内周側の部分１５２（図４Ｃ参照）を除去せずに、コーティング層１２の外周側の部分１５１（図４Ｃ参照）のみを除去することで得られる。したがって、本発明の第３の実施形態の鋳鉄製立体状部３１０においては、円柱状の柱部３１４が形成されている。この場合においても、硬質なコーティング層１２（外周側露出側面部１６）を外周側に向けて露出させることができるため、摩擦圧接により鋳鉄製立体状部３１０の本体部３１１中の黒鉛粒子１５がコーティング層１２の外周側を経由してアルミニウム合金製立体状部２０の側の接合面３２、ひいては接合界面３０に混入している確率を低減することができる。

【0039】

また、本発明の第３の実施形態における接合体３０１におけるコーティング層１２は、鋳鉄製立体状部３１０の柱部３１４の表層の一部に円環状に形成されているが、例えば図７に示すように、円形状のコーティング層３１２を鋳鉄製立体状部３１０Ａの柱部３１４の表層全体に形成してもよい。このような円形状のコーティング層３１２は、典型的には、中実状のアルミニウム合金製立体状部２０Ａを鋳鉄製立体状部３１０Ａに摩擦圧接する際に利用することができ、円形状のコーティング層３１２を介して中実状のアルミニウム合金製立体状部２０Ａと鋳鉄製立体状部３１０Ａとを摩擦圧接することで強度特性を確保することが可能である。

【0040】

また、上述した実施形態における接合体１，２０１，３０１では、鋳鉄製立体状部１０，２１０，３１０，３１０Ａが円筒状または円柱状の柱部１４，２１４，３１４を含むものとして説明したが、鋳鉄製立体状部１０，２１０，３１０，３１０Ａの形状はこれらに限られるものではない。例えば、図８に示すように、直方体状の鋳鉄製立体状部４１０の本体部４１１の表層の一部に円形状のコーティング層４１２を形成してもよい。あるいは、このような直方体状の鋳鉄製立体状部４１０の本体部４１１の表層の一部に円環状のコーティング層を形成してもよい。

【0041】

図９は、本発明に係る接合体を製造する装置５００の一例を模式的に示すブロック図である。図９に示すように、この装置５００は、上述した鋳鉄部材１１０を保持するホルダ５２０と、レール５３０上を滑動可能なベース５４０とを備えている。ベース５４０上には、鋳鉄部材１１０の金属組織中に点在している複数の黒鉛粒子を覆うように鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａの一部に、硬質脆性特性を有するセメンタイト組織を含むコーティング層を形成する第１のユニット５１０と、セメンタイト組織が組織状態を変化させることなく硬質脆性特性を維持した状態で残存するように、接合前の鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａの一部に形成したコーティング層の層厚方向の端面と、接合前のアルミニウム合金製立体状部２０の端面１３２とを摩擦圧接する第２のユニット５７０とが搭載されている。第１のユニット５１０は、ホルダ５２０に保持された鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａの一部の領域の組織状態を変化させる組織状態変化部５５０と、ホルダ５２０に保持された鋳鉄部材１１０を切削する切削部５６０とを含んでいる。図示はしないが、ベース５４０上の各ユニット５１０，５７０は、ホルダ５２０に保持された鋳鉄部材１１０に対して処理を行う際に鋳鉄部材１１０に近接可能に構成されている。

【0042】

組織状態変化部５５０としては、例えばホルダ５２０に保持された鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａの一部の領域にレーザ光を照射するレーザ光照射ユニットを用いることができる。このような組織状態変化部５５０を用いて、照射時間、照射エネルギー量などを制御することにより、鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａの一部の領域に硬質脆性特性を有するセメンタイト組織を含むコーティング層を形成し、鋳鉄部材１１０の金属組織中に点在している複数の黒鉛粒子を硬質なコーティング層により覆うことができる。

【0043】

図９に示すように、組織状態変化部５５０から照射されるレーザ光がホルダ５２０に保持された鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａの一部の領域に当たる位置にベース５４０を移動させ、組織状態変化部５５０からレーザ光を鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａの一部の領域に照射することで、鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａの一部にコーティング層を形成することができる。

【0044】

切削部５６０としては、例えばホルダ５２０に保持された鋳鉄部材１１０を切削するエンドミルなどの切削工具５６５を備えた工作機械を用いることができる。本例では、組織状態変化部５５０により鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａの一部の領域にコーティング層を形成した後、切削部５６０がホルダ５２０に保持された鋳鉄部材１１０を切削できる位置にベース５４０を移動させ、鋳鉄部材１１０の所望の部分を切削することにより、所望の形状の鋳鉄製立体状部１０（図４Ｃ参照）に変形（鋳鉄製立体状部１０を作製）することができる。

【0045】

図９に示す例では、第２のユニット５７０は、アルミニウム合金製立体状部２０を回転可能に保持する回転ホルダ５７５を有している。切削部５６０により鋳鉄製立体状部１０を作製した後、第２のユニット５７０の回転ホルダ５７５に保持されたアルミニウム合金製立体状部２０がホルダ５２０に保持された鋳鉄製立体状部１０に対向するようにベース５４０を移動させ、第２のユニット５７０の回転ホルダ５７５を回転させながら、回転するアルミニウム合金製立体状部２０をホルダ５２０に保持された鋳鉄製立体状部１０に接触させて摩擦圧接することができる。なお、鋳鉄製立体状部１０を保持するホルダ５２０を回転可能な回転ホルダにして回転させ、アルミニウム合金製立体状部２０を保持する回転ホルダ５７５は回転させずに、両立体状部１０，２０を摩擦圧接するようにしてもよい。

【0046】

鋳鉄製立体状部１０とアルミニウム合金製立体状部２０とを摩擦圧接する際には、第２のユニット５７０の回転ホルダ５７５の回転数、第２のユニット５７０がアルミニウム合金製立体状部２０を鋳鉄製立体状部１０に対して押し付ける圧力、および摩擦圧接する時間などを制御し、両立体状部１０，２０が接触する箇所の温度が２００℃から４００℃となるようにして、鋳鉄製立体状部１０のコーティング層のセメンタイト組織の組織状態が摩擦圧接中も摩擦圧接後も変化しないようにしている。

【0047】

このような装置５００によれば、例えば、摩擦圧接前に、第１のユニット５１０によって、鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａの一部の領域に、鋳鉄部材１１０の金属組織中に点在する複数の黒鉛粒子を覆う、硬質なコーティング層を形成することができる。このため、第２のユニット５７０による摩擦圧接の際に黒鉛粒子が、鋳鉄製立体状部１０とアルミニウム合金製立体状部２０との接合界面へ混入する確率を低減することができる。したがって、装置５００により製造される接合体においては高い接合強度が得られやすい。また、第２のユニット５７０による摩擦圧接前に、鋳鉄部材１１０がホルダ５２０に装着されたままの状態で、第１のユニット５１０の組織状態変化部５５０により鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａの一部の領域に硬質なコーティング層を形成でき、切削部５６０により所望の形状の鋳鉄製立体状部１０を作製できるので、装置５００への鋳鉄部材１１０の装着作業ならびに鋳鉄部材１１０の表層１１０Ａの一部の領域へのコーティング層の形成、所望の形状の鋳鉄製立体状部１０の作製、第２のユニット５７０による摩擦圧接を含む、接合体を製造する一連のプロセスを効率よく実施することができる。

【0048】

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

【符号の説明】

【0049】

１，２０１，３０１：接合体、１０，２１０，３１０，３１０Ａ：鋳鉄製立体状部、１１，２１１，３１１，４１１：本体部、１２，３１２，４１２：コーティング層、１２Ａ：外周縁部、１２Ｂ：外周側面部、１２Ｃ：内周縁部、１２Ｄ：内周側面部、１５：黒鉛粒子、１６：外周側露出側面部、１７：内周側露出側面部、２０：アルミニウム合金製立体状部、５００：装置、５１０：第１のユニット、５７０：第２のユニット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】