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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-20
(45)【発行日】2022-12-28
(54)【発明の名称】固相拡散接合方法
(51)【国際特許分類】
B22D 19/00 20060101AFI20221221BHJP
B22D 19/04 20060101ALI20221221BHJP
B22D 21/04 20060101ALI20221221BHJP
B22D 27/09 20060101ALI20221221BHJP
【ＦＩ】
B22D19/00 V
B22D19/04
B22D19/00 W
B22D21/04 A
B22D27/09 A
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2019111896
(22)【出願日】2019-06-17
(65)【公開番号】P2020203299
(43)【公開日】2020-12-24
【審査請求日】2021-10-01
(73)【特許権者】
【識別番号】000001199
【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所
(73)【特許権者】
【識別番号】505290542
【氏名又は名称】株式会社ＭＯＬＥ’Ｓ ＡＣＴ
(74)【代理人】
【識別番号】110002000
【氏名又は名称】弁理士法人栄光事務所
(72)【発明者】
【氏名】今村 美速
(72)【発明者】
【氏名】今井 智恵子
(72)【発明者】
【氏名】北澤 敏明
(72)【発明者】
【氏名】増澤 久臣
【審査官】池ノ谷 秀行
(56)【参考文献】
【文献】特開２００４－２４３３６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】独国特許出願公開第１０２０１４０１４９６９（ＤＥ，Ａ１）
【文献】独国特許出願公開第１０２０１００１５４２６（ＤＥ，Ａ１）
【文献】国際公開第２００７／０５１６５２（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２２Ｄ １９／００－１９／１６
Ｂ２３Ｋ ２０／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属材と溶加材とを相互に固相拡散させて接合する固相拡散接合方法であって、前記金属材及び前記溶加材よりも融点の高い素材からなる流路形成ブロックを、前記金属材の露出された被接合面から離間して配置して、前記流路形成ブロックの前記金属材に対向する面と前記金属材との間に充填用空間を画成する工程と、
前記流路形成ブロックに形成され前記流路形成ブロックを貫通して前記充填用空間に連通する流入口に設けられた、オリフィスを備えるノズル部から、前記溶加材の溶湯を前記充填用空間内に噴射することで、前記充填用空間内で前記溶加材の液滴を生成し、前記溶加材の液滴が前記充填用空間内で冷却されて凝固した微粒子を前記被接合面に衝突させて前記被接合面に新生面を形成し、前記新生面の形成後、前記新生面に酸化被膜が形成される前に、前記溶加材の溶湯によって前記新生面を覆い、前記充填用空間内を前記溶湯で充填させる工程と、
前記溶加材の溶湯充填後に４００℃以上で、且つ前記金属材と前記溶加材の融点以下である固相拡散接合温度に少なくとも１０秒以上保持したまま加圧して、前記新生面と前記充填用空間内に充填された溶加材とを固相拡散接合させる工程と、
をこの順で有する、固相拡散接合方法。
【請求項2】
前記充填用空間には、少なくとも前記微粒子と前記溶湯とを含む流動体の流動方向の下流側に、前記充填用空間から溢れ出た前記流動体を収容する溜まり部が接続されている、請求項１に記載の固相拡散接合方法。
【請求項3】
前記流路形成ブロックを支持する移動機構により、前記充填用空間内に配置された前記金属材と前記流路形成ブロックとを接近させて流路断面積を縮小し、前記微粒子の流速を増加させる請求項１又は２に記載の固相拡散接合方法。
【請求項4】
複数の前記金属材を互いに対向させて配置し、対向し合う前記金属材の対向面同士の間に前記充填用空間を形成する請求項１～３のいずれか１項に記載の固相拡散接合方法。
【請求項5】
平板状の前記金属材を板厚方向に所定の間隔を空けて重ねて前記充填用空間を形成する請求項４に記載の固相拡散接合方法。
【請求項6】
前記金属材はアルミニウム展伸材であり、前記溶加材はアルミニウム合金鋳物である請求項１～５のいずれか１項に記載の固相拡散接合方法。
【請求項7】
前記金属材と前記溶加材は、５０００系アルミニウム合金である請求項６に記載の固相拡散接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、金属材と溶加材とを固相拡散させて接合する固相拡散接合方法に関する。
【背景技術】
【0002】
複数の金属材の面接合技術として、クラッド圧延がある。クラッド圧延は複数の金属材を圧延ロールに圧下して材料を圧着させる技術であり、熱間や冷間でクラッド圧延が行われる。クラッド圧延では、圧着面の変形により酸化被膜が破壊されるため、アルミニウム合金等の表面に酸化被膜が形成されやすい材料であっても良好な圧着面を得ることができる。
このようなクラッド圧延で圧着を行う場合、酸化被膜を確実に破壊するために圧下率を高くする必要があり、複数回の圧延が必要となることもある。このため、複数の金属材の間に中間層を配置し中間層一部液相化して圧延することにより圧下率を低減させる技術が提案されている（特許文献１）。
このようなクラッド圧延で圧着を行う場合、酸化被膜を確実に破壊するために圧下率を高くする必要があり、複数回の圧延が必要となることもある。このため、複数の金属材の間に中間層を配置し中間層一部液相化して圧延することにより圧下率を低減させる技術が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】国際公開第２０１３／０６５１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
これらの技術は、平坦な板の接合しか行うことができず、接合体も必然的に板状となるため、自動車部品のプレス成型品など三次元形状を有する部材の接合に用いることができない。
ところで、さまざまな形状を有する部材を面接合する技術として、ろう付け接合や固相拡散接合の適用が考えられる。ろう付けは、接合面全体に満遍なくろう材を広げる必要があるため施工が難しく、更に専用のろう材や熱処理炉の準備が必要となる。また、固相拡散接合技術は、アルミニウム合金のような酸化被膜が形成されやすい金属材料においては、酸化被膜が拡散による原子の移動をブロックするため適用できなかった。
ところで、さまざまな形状を有する部材を面接合する技術として、ろう付け接合や固相拡散接合の適用が考えられる。ろう付けは、接合面全体に満遍なくろう材を広げる必要があるため施工が難しく、更に専用のろう材や熱処理炉の準備が必要となる。また、固相拡散接合技術は、アルミニウム合金のような酸化被膜が形成されやすい金属材料においては、酸化被膜が拡散による原子の移動をブロックするため適用できなかった。
【0005】
そこで本発明は、接合する金属材形状に自由度があり、強固な酸化被膜を有する金属材料であっても良好な接合を行うことができる固相拡散接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は下記の構成からなる。
金属材と溶加材とを相互に固相拡散させて接合する固相拡散接合方法であって、
前記金属材及び前記溶加材よりも融点の高い素材からなる治具に形成された流路内に、前記金属材の被接合面を露出させて配置する工程と、
前記溶加材の溶湯を前記流路内に噴射して、前記溶加材の液滴を生成する工程と、
前記液滴が前記流路内で冷却されて凝固した微粒子を前記被接合面に衝突させ、前記被接合面に新生面を形成する工程と、
前記新生面の形成後、酸化被膜が形成される前に、前記溶加材の溶湯によって前記新生面を前記金属材で覆う工程と、
前記流路内の溶湯を固相拡散接合温度に保持したまま加圧して、前記新生面と前記溶加材とを固相拡散接合させる工程と、
を有する固相拡散接合方法。
金属材と溶加材とを相互に固相拡散させて接合する固相拡散接合方法であって、
前記金属材及び前記溶加材よりも融点の高い素材からなる治具に形成された流路内に、前記金属材の被接合面を露出させて配置する工程と、
前記溶加材の溶湯を前記流路内に噴射して、前記溶加材の液滴を生成する工程と、
前記液滴が前記流路内で冷却されて凝固した微粒子を前記被接合面に衝突させ、前記被接合面に新生面を形成する工程と、
前記新生面の形成後、酸化被膜が形成される前に、前記溶加材の溶湯によって前記新生面を前記金属材で覆う工程と、
前記流路内の溶湯を固相拡散接合温度に保持したまま加圧して、前記新生面と前記溶加材とを固相拡散接合させる工程と、
を有する固相拡散接合方法。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、金属板材のような平坦な部材のみでなくプレス成型品など加工を行った部材も接合することができるため、接合部材の選択に自由度があり、強固な酸化被膜を有する金属材料であっても良好な接合を行うことができる
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】第１構成例の接合体を形成する治具の要部を示す概略斜視図である。
【図4】（Ａ）は治具へ溶加材を充填する前の状態を示す説明図であり、（Ｂ）は治具へ溶加材を充填する場合の状態を示す説明図である。
【図5】基材と溶加材とが接合された接合体の斜視図である。
【図6】（Ａ）～（Ｅ）は、基材と流路形成ブロックとの間に形成された充填用空間に溶加材の溶湯を充填し、溶湯が凝固するまでの様子を模式的に示す工程説明図である。
【図7】第２構成例の接合体を形成する治具の要部を示す概略斜視図である。
【図10】第３構成例の接合体を形成する治具の要部を示す概略斜視図である。
【図14】基材（金属材）と溶加材とを固体拡散接合させた接合体の断面を示す顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
＜固相拡散接合方法の基本手順＞
以下に説明する金属材の固相拡散接合方法は、金属材と溶加材とを簡単に固相拡散接合する方法であって、基本的に以下の工程（１）～（５）を有する。
（１）流路内に金属材の被接合面を露出させて配置する工程
（２）流路内に溶加材の液滴を生成する工程
（３）液滴が凝固した微粒子を被接合面に衝突させ、被接合面に新生面を形成する工程
（４）新生面の形成後、酸化被膜が形成される前に、溶加材の溶湯によって新生面を覆う工程
（５）流路内の溶湯を固相拡散接合温度に保持したまま加圧して、新生面と溶加材とを固相拡散接合させる工程
＜固相拡散接合方法の基本手順＞
以下に説明する金属材の固相拡散接合方法は、金属材と溶加材とを簡単に固相拡散接合する方法であって、基本的に以下の工程（１）～（５）を有する。
（１）流路内に金属材の被接合面を露出させて配置する工程
（２）流路内に溶加材の液滴を生成する工程
（３）液滴が凝固した微粒子を被接合面に衝突させ、被接合面に新生面を形成する工程
（４）新生面の形成後、酸化被膜が形成される前に、溶加材の溶湯によって新生面を覆う工程
（５）流路内の溶湯を固相拡散接合温度に保持したまま加圧して、新生面と溶加材とを固相拡散接合させる工程
【0010】
ここでいう流路とは、金属材及び溶加材よりも融点の高い素材からなる治具に形成される流路であり、治具に形成された空洞や、治具に形成された溝と金属材とで画成される空間である。治具の形状は任意であり、金属材の形状と被接合面に応じて適宜な形態のものが使用される。治具の流路内に溶加材の溶湯が供給される。
【0011】
溶加材の溶湯を治具の流路内に供給する際、溶湯を流路内に噴射して供給する。すると、流路内には溶加材の液滴が生成される。生成された液滴は、溶湯よりも先行して流路内を流れ進む。液滴は、流路内で抜熱されながら進み、流路内で凝固して多数の微粒子となる。微粒子は、流路内に露出する金属材の被接合面に衝突し、被接合面の表層を削り取る。被接合面には、表層が削り取られた新生面が形成される。
【0012】
この新生面の形成後、酸化被膜が形成される前に、液滴に続いて後から流れ着く溶加材の溶湯が、流路内の金属材の新生面を覆う。そして、流路内の溶湯を固相拡散接合温度に保持したまま加圧する。これにより、新生面と溶加材との固相拡散接合が行われる。
【0013】
上記の手順によれば、金属材の表面が溶融することや、金属材の表面を予め下処理をすることなく、溶加材の溶湯を流路に噴射するだけで金属材と溶加材との固相拡散接合が行える。また、金属材の被接合面が複雑な形状を有していても、その形状に倣って新生面を形成し、溶湯で覆うだけで済み、接合処理が煩雑にならない。このため、接合部材の選択の自由度を高められる。さらに、充填用空間の溶加材の溶湯を固相接合温度に保持したまま加圧することで、金属材の新生面と溶加材との界面で固相拡散が進行し、双方の材料が高強度に接合される。その後、治具を金属材から離別させることで、金属材と溶加材とが固相拡散接合により一体にされた接合体が得られる。
【0014】
本発明において、溶加材は接合体を構成する一部材となる。
溶加材は金属材を溶融させないため金属材よりも融点の低い材料で構成され、接合する金属材との間で原子が拡散される材料が選択される。また、溶加材は、金属材と同種の金属からなる材料であってもよい。
溶加材の液滴は、圧力をかけた溶加材溶湯を噴射して飛散させること等により得られる液滴である。なお、液滴の生成、新生面の形成、新生面を溶湯で覆う各工程は、大気中で行うことができるが、真空中や不活性ガス雰囲気中で実施してもよい。
溶加材は金属材を溶融させないため金属材よりも融点の低い材料で構成され、接合する金属材との間で原子が拡散される材料が選択される。また、溶加材は、金属材と同種の金属からなる材料であってもよい。
溶加材の液滴は、圧力をかけた溶加材溶湯を噴射して飛散させること等により得られる液滴である。なお、液滴の生成、新生面の形成、新生面を溶湯で覆う各工程は、大気中で行うことができるが、真空中や不活性ガス雰囲気中で実施してもよい。
【0015】
上記のように金属材に凝固した粒子を衝突させて新生面を形成した後、形成された新生面をそのまま溶湯で覆うことで、新生面上に酸化膜が新たに形成されることがない。よって、新生面の表面に酸化膜がない（殆どない）状態で溶湯が接触し、接合界面における金属材及び溶加材相互の原子移動が阻害されにくくなる。また、新生面の全面で隙間のない接合が行えるため、接合面積を拡大して接合強度を増加できる。
【0016】
＜接合体の第１構成例＞
次に、上記した金属材と溶加材との固相拡散接合方法によって接合体を形成する、具体的な手順を説明する。以下に示す接合体を形成する治具は一例であって、これに限定されない。
次に、上記した金属材と溶加材との固相拡散接合方法によって接合体を形成する、具体的な手順を説明する。以下に示す接合体を形成する治具は一例であって、これに限定されない。
【0017】
図１は第１構成例の接合体を形成する治具の要部を示す概略斜視図である。図２は図１のＡ１－Ｏ－Ａ２線で切断した治具の部分断面斜視図である。
図１に示すように、治具１００は、流路形成ブロック１１と、流路形成ブロック１１の一部に接続される流路端ブロック１３とを備える。
図１に示すように、治具１００は、流路形成ブロック１１と、流路形成ブロック１１の一部に接続される流路端ブロック１３とを備える。
【0018】
流路形成ブロック１１は、接合体の構成要素となる基材１５に、上下方向に対向して配置される。ここで示す基材１５は、四角形の平板状の金属材である。流路形成ブロック１１は、基材１５の上面１５ａに、相対的に接近及び離反自在に不図示の移動機構によって支持される。
【0019】
図２に示すように、流路形成ブロック１１は、基材１５に対向する下面１１ａを、基材１５の上面１５ａから離間して配置される。これにより、基材１５の上面１５ａと流路形成ブロック１１の下面１１ａとの間に充填用空間１７が画成される。また、流路形成ブロック１１の板面中央部には、流路形成ブロック１１の上面１１ｂから下面１１ａまで貫通して充填用空間１７に連通する流入口１９が形成される。流入口１９は溶加材の溶湯を充填用空間１７に供給する流路であって、１箇所に限らず、複数箇所に設けてもよい。
【0020】
本構成の流路端ブロック１３は、四角形の流路形成ブロック１１の外縁部となる四辺にそれぞれ設けてある。流路端ブロック１３は、流路形成ブロック１１の充填用空間１７に一端部が接続される接続流路２１と、接続流路２１の他端部に接続される貯留部２３とを有する。接続流路２１と貯留部２３は、充填用空間１７から溢れ出た溶湯を収容する。ここでは、接続流路２１及び貯留部２３を、接続流路２１と貯留部２３となる凹溝が形成された溝形成部材２５と、溝形成部材２５の貯留部２３となる凹溝を閉塞する押さえ部材２７とを密着させて形成した例を示しているがが、この構成に限らない。
【0021】
溶加材の材料としては、基材がアルミニウム合金材の場合、例えば、ＡＣ４Ｃ、ＡＣ４ＣＨ、ＡＣ２Ｂ（ＪＩＳ Ｈ ５２０２）、又はＡＤＣ１２（ＪＩＳ Ｈ ５３０２）等が挙げられる。
基材１５は、６０００系、５０００系、７０００系、３０００系、２０００系のアルミニウム合金材や１０００系のアルミニウム材が使用できる。
基材１５は、６０００系、５０００系、７０００系、３０００系、２０００系のアルミニウム合金材や１０００系のアルミニウム材が使用できる。
【0022】
基材１５は面接合部分を有するプレス成形品や曲げ成形品等の加工された部材とすることができる。
また、基材１５は、板材に限らず、押出形材（パイプ材や、中空、中実、異形断面の形材）、鍛造材（板材、リブ付材）であってもよい。さらに、基材１５の表面に、予備処理としてブラスト処理、エッチング処理、ブラシ研磨処理等の各種表面処理を施してもよい。これにより、基材１５の表面の有機物が除去され、基材１５と溶加材との接合品質がより向上する。
また、基材１５は、板材に限らず、押出形材（パイプ材や、中空、中実、異形断面の形材）、鍛造材（板材、リブ付材）であってもよい。さらに、基材１５の表面に、予備処理としてブラスト処理、エッチング処理、ブラシ研磨処理等の各種表面処理を施してもよい。これにより、基材１５の表面の有機物が除去され、基材１５と溶加材との接合品質がより向上する。
【0023】
上記した治具１００は、基材１５と流路形成ブロック１１とを鉛直方向に重ねているが、これに限らず、水平方向に重ねた構成にしてもよく、そのレイアウトは、治具支持機構、溶加材供給部、温度制御部等の各部の配置形態に応じて適宜選定できる。
【0024】
次に、上記構成の治具１００に形成された充填用空間１７に、溶加材を充填して接合体を形成する手順を模式的に説明する。
図３は図１に示す治具１００のＡ１－Ｏ－Ａ２線の断面であり、溶加材３１を充填用空間１７に供給した様子を示す説明図である。
図３に示すように、流路形成ブロック１１の外縁に流路端ブロック１３を密着させて、流入口１９と、充填用空間１７と、接続流路２１と、貯留部２３とを連通させる。これにより、溶加材の流路が形成される。
図３は図１に示す治具１００のＡ１－Ｏ－Ａ２線の断面であり、溶加材３１を充填用空間１７に供給した様子を示す説明図である。
図３に示すように、流路形成ブロック１１の外縁に流路端ブロック１３を密着させて、流入口１９と、充填用空間１７と、接続流路２１と、貯留部２３とを連通させる。これにより、溶加材の流路が形成される。
【0025】
溶加材を治具１００の充填用空間１７に充填させる際、治具１００を図３に示す状態に支持し、流路形成ブロック１１を基材１５に向けて加圧する治具支持機構と、治具１００に溶加材を供給する溶加材供給部と、充填用空間１７を所定温度に保持する温度制御部とを用いる。
【0026】
上記した治具支持機構、溶加材供給部、温度制御部の一例を、図４の（Ａ）、（Ｂ）に模式的に示す。
図４の（Ａ）は、治具１００へ溶加材を充填する前の状態を示す説明図であり、図４の（Ｂ）は、治具１００へ溶加材を充填する場合の状態を示す説明図である。
図４の（Ａ）は、治具１００へ溶加材を充填する前の状態を示す説明図であり、図４の（Ｂ）は、治具１００へ溶加材を充填する場合の状態を示す説明図である。
【0027】
図４の（Ａ）に示すように、治具支持機構３３は、下型３５と上型３７とを有し、下型３５と上型３７との間に治具１００を挟んで配置する。つまり、治具支持機構３３は、各流路端ブロック１３、及び基材１５を流路形成ブロック１１に密着させる。下型３５には治具１００及び基材１５を収容する収容凹部３５ａが形成され、収容凹部３５ａの基材１５を収容する位置にはヒータ３９が埋設されている。ヒータ３９は、加熱温度を制御する温度コントローラ４１に接続される。ヒータ３９と温度コントローラ４１は、ヒータ３９の加熱によって基材１５の温度を制御する温度制御部４３として機能する。
【0028】
上型３７は、流路形成ブロック１１と流路端ブロック１３を下型３５に向けて押圧（圧力Ｐ１）可能な不図示の駆動機構に接続される。また、上型３７には、溶加材を流路形成ブロック１１の流入口１９に供給する溶加材供給流路３７ａが、流路形成ブロック１１の流入口１９と連通して設けてある。溶加材供給流路３７ａには、溶加材供給部４５から溶融状態の溶加材（溶湯）が供給される。
【0029】
治具１００へ溶加材を供給する際は、図４の（Ｂ）に示すように、溶加材供給部４５から圧送される溶加材の溶湯４７を、オリフィス等を備えるノズル部４６から溶加材供給流路３７ａに噴射する。噴射された溶湯４７は、前述した液滴が先行して流路を移動し、流路形成ブロック１１の流入口１９を通じて充填用空間１７に至る。その後に溶湯４７が流路を移動し、流入口１９を通じて充填用空間１７に至る。なお、ノズル部４６は、上型３７に代えて流路形成ブロック１１の流入口１９に設けてもよい。その場合、溶湯４７が流入口１９に直接噴射され、液滴と溶湯４７が充填用空間１７に勢いよく供給される。
【0030】
流入口１９から充填用空間１７に流れ込む液滴と溶湯４７との流動体は、この順で充填用空間１７を流れ、流れの先頭が接続流路２１を通じて貯留部２３に排出される。
【0031】
充填用空間１７に溶湯４７が供給されるとき、温度コントローラ４１は予めヒータ３９を加熱しておく。例えば、ヒータ３９を発熱させ、基材１５を４００℃～５００℃に加熱した状態で保持する。この加熱設定温度は、基材１５と溶加材３１の融点未満の温度であって、双方を固相拡散接合させるために適切な温度であればよい。なお、基材１５や溶加材が１０００系（融点約６４０℃）、３０００系（融点約６３０℃）、５０００系（融点約６００℃）、６０００系（融点約５８０℃）の材料である場合は、加熱設定温度の上限を５３０℃、５５０℃としてもよい。
【0032】
溶加材の液滴と溶湯４７が流入口１９から充填用空間１７に流れ込むと、充填用空間１７に流れる液滴と溶湯４７との流動体は、この順で流入口１９を中心にして充填用空間１７内を放射状に広がり、空間外縁部１７ａに向かって流動する。そして、流動体は、充填用空間１７の空間外縁部１７ａから流路端ブロック１３の接続流路２１を通じて貯留部２３に流入する。
【0033】
ここで、充填用空間１７に供給される流動初期の溶湯４７（及び液滴）には、空気や酸化物、有機物などの異物や不純物が含まれることがある。このような異物や不純物は、溶湯４７（及び液滴）が充填用空間１７の空間外縁部１７ａから貯留部２３まで連続して流動するため、充填用空間１７に残存することなく貯留部２３に排出される。また、溶加材３１が貯留部２３に向けて流動し続けるため、充填用空間１７内における溶加材３１の流れが滞留することがない。よって、溶湯４７が凝固して形成される溶加材３１は、品質が向上してポロシティが低減される。
【0034】
溶湯４７が充填用空間１７に充填されると、溶湯４７の圧力によって流路形成ブロック１１から上型３７に向かう反力Ｆが生じる。その結果、治具１００が上型３７から受ける圧力は、溶加材の充填前の圧力Ｐ１より大きな圧力Ｐ２となる。この圧力Ｐ２は、アルミニウム合金の基材とアルミニウム合金の溶加材であれば、例えば２６０～２８０ＭＰａの範囲に設定される。
【0035】
上記のように溶加材３１の溶湯を充填用空間１７に充填して、溶湯を所定圧力で加圧状態として、少なくとも１０秒、好ましくは２０秒以上保持し、基材１５の温度を融点未満の所定の温度に保持する。これにより、基材１５の上面１５ａに溶加材３１が固相拡散接合された接合体が得られる。
【0036】
図５は基材１５と溶加材３１とが接合された接合体５１の斜視図である。図５においては、製品として不要になるため切断される流入口１９、接続流路２１及び貯留部２３を点線で示している。接合体５１は、基材１５の上面１５ａに溶加材３１が広い範囲にわたって固相拡散接合されている。
【0037】
次に、溶加材の溶湯が充填用空間に供給されて、基材と溶加材とが固相拡散接合される様子を更に詳細に説明する。
図６の（Ａ）～（Ｅ）は、基材１５と流路形成ブロック１１との間に形成された充填用空間１７に溶加材３１の溶湯４７を充填し、溶湯４７が凝固するまでの様子を模式的に示す工程説明図である。
図６の（Ａ）～（Ｅ）は、基材１５と流路形成ブロック１１との間に形成された充填用空間１７に溶加材３１の溶湯４７を充填し、溶湯４７が凝固するまでの様子を模式的に示す工程説明図である。
【0038】
まず、溶湯４７を充填用空間１７内に供給し、充填用空間１７内に露出して配置された基材１５の表面（被接合面）を溶湯４７で覆う。基材１５を覆った溶湯４７が凝固すると、基材１５と溶加材３１とが一体に接合された接合体５１が得られる。この接合体の溶加材と基材１５との接合界面は、双方が互いに固相拡散された接合面となっている。
【0039】
このように、基材１５と溶加材３１とが固相拡散接合されることについては、次のように推測できる。
図６の（Ａ）に示すように、溶加材の溶湯の流路となる充填用空間１７に、基材１５の被接合面を露出させて配置する。一般に、金属材の基材１５の表面には酸化膜や油分等の有機物、塵埃等の異物を含む表層４９が形成されており、金属母材がそのまま表出していることはない。
図６の（Ａ）に示すように、溶加材の溶湯の流路となる充填用空間１７に、基材１５の被接合面を露出させて配置する。一般に、金属材の基材１５の表面には酸化膜や油分等の有機物、塵埃等の異物を含む表層４９が形成されており、金属母材がそのまま表出していることはない。
【0040】
次に、溶加材の溶湯を、図４の（Ｂ）に示す溶加材供給部４５から高圧で溶加材供給流路３７ａに噴射する。すると、充填用空間１７には時系列的に２つの流れが発生する。すなわち、溶加材の液滴を含む先行流と、先行流に続いて充填用空間１７内を流動する溶加材の溶湯からなる後行流が発生する。
【0041】
図６の（Ｂ）に示すように、充填用空間１７内で基材１５に沿って先行流が移動すると、液滴５３は、その移動途中で充填用空間１７の内壁面との接触や、流路内の周囲雰囲気によって抜熱される。これにより、液滴５３の少なくとも一部は凝固し、微粒子５５となる。
【0042】
発生した微粒子５５は、先行流の中で基材１５との衝突を繰り返し、図６の（Ｃ）に示すように基材１５の表層４９を削り取る。これにより、基材１５に表層４９が除去された新生面５７が露出する。
【0043】
そして、図６の（Ｄ）に示すように上記した先行流に次いで後行流が基材１５に到達し、図６の（Ｅ）に示すように新生面５７が溶湯４７によって覆われる。基材１５に新生面５７が露出してから、その新生面５７が溶湯４７で覆われるまでの時間は極めて短く、新生面５７に溶加材との接合強度に影響を及ぼす厚さの酸化膜が形成されることない。
【0044】
このとき、基材１５の新生面５７を、基材１５の融点より低い固相接合温度にして溶湯４７で覆い、充填用空間１７の溶湯４７の圧力を前述した所定の圧力と時間で保持する。この工程により、基材１５の新生面５７と溶加材３１（溶湯４７）との間に固相拡散が生じ、基材１５と溶加材３１とが固相拡散接合される。こうして、基材１５の被接合面（新生面５７）では、高強度な固相拡散接合状態となる。
【0045】
充填用空間１７から溢れ出た溶湯４７が貯留部２３に流入し、溶湯４７を充填用空間１７に充填させた後、図４の（Ｂ）に示す溶加材供給部４５からの溶湯の供給を終了する。また、温度制御部４３によるヒータ３９の加熱・保温を停止する。そして、充填用空間１７内の溶湯４７が冷却されて凝固したら、下型３５と上型３７とを離間させ、基材１５と溶加材３１とが固相拡散接合された接合体５１を取り出す。接合体５１から接続流路２１及び貯留部２３を除去することで、図５に示す外観形状となる接合体５１が得られる。
【0046】
上記のように、基材１５を充填用空間１７内に被接合面を露出させて配置し、この充填用空間１７に溶加材３１の溶湯４７を噴射して、基材１５の被接合面に新生面を形成し、形成された新生面を溶加材３１の溶湯４７で覆い、所定時間、加圧することで、基材１５と溶加材３１とを固相拡散接合することができる。
【0047】
また、充填用空間１７への溶湯４７の注入時に、図４の（Ｂ）に示すヒータ３９により下型３５を加熱、保温することで、例えば、厚さが３ｍｍ以下の薄肉部を溶加材３１で形成する場合でも、この薄肉部に溶湯４７をスムーズに流動させることができる。つまり、充填用空間１７の狭隘な部分で溶湯４７が凝固して、溶湯４７の流れが止まることや、温度降下による溶湯４７の粘性増加に伴って溶湯４７の流れが停滞することがない。これにより、接合体の一部を構成する溶加材部分を、欠肉を生じさせずに形成できるとともに、溶加材３１をブローホール等の殆どない高品質な溶加材部分とすることができる。また、接合体５１が複雑な形状を有していても、良好な溶湯４７の流動により溶加材部分を形成することができるため、その製造工程が煩雑とならない。よって、接合強度や剛性の高い固相拡散接合された接合体を、低コストで製造できる。
【0048】
また、充填用空間１７から溢れ出る溶湯４７の一部を貯留部２３に排出することで、充填用空間１７内の溶湯４７の流れがスムーズになる。これにより、溶湯４７の淀みの発生が抑制され、凝固後の溶加材３１が均質になる。また、接続流路２１を基材１５の各辺に沿って幅広に設けることで、充填用空間１７の広い範囲にわたって湯流れを良好にでき、凝固後の溶加材部分を広範囲にわたり高品質にすることができる。
【0049】
さらに、図３に示す流路形成ブロック１１の下面１１ａに、物理的にシワ模様（シボ）を形成するシボ加工を施してもよい。充填用空間１７を画成する流路形成ブロック１１の下面１１ａにシボ加工を施すことで、溶湯の流動性を向上できる。
【0050】
＜接合体の第２構成例＞
次に、上記した金属材と溶加材との固相拡散接合方法によって形成される接合体の第２構成例を説明する。以降の説明においては、前述した部材や部位と同じ部材や部位については同じ符号を付与することで、その説明を簡単化、又は省略する。
次に、上記した金属材と溶加材との固相拡散接合方法によって形成される接合体の第２構成例を説明する。以降の説明においては、前述した部材や部位と同じ部材や部位については同じ符号を付与することで、その説明を簡単化、又は省略する。
【0051】
図７は第２構成例の接合体を形成する治具２００の要部を示す概略斜視図である。図８は図７のＢ－Ｂ線で切断した治具２００の部分断面斜視図である。図９は図７のＣ－Ｃ線で切断した治具２００の部分断面斜視図である。
【0052】
【0053】
流路形成ブロック１２は、基材１５に対向して配置され、基材１５の上面１５ａと流路形成ブロック１２の下面１１ａとの間に充填用空間１７を画成する。本構成の充填用空間１７は、一方の流路端ブロック１４と他方の流路端ブロック１３との間に平坦状に形成されており、基材１５との接合面積を広く確保している。
【0054】
流入口１９を有する流路端ブロック１４には、流路形成ブロック１２の充填用空間１７に連通する流路が形成され、流路端ブロック１３には、前述した接続流路２１と貯留部２３が形成される。
【0055】
上記構成の治具２００によれば、第１構成例と同様に溶加材の溶湯が基材１５の板面に沿って供給されることで、基材１５の充填用空間１７に露出する被接合面に新生面が形成される。その直後に新生面に溶加材の溶湯が流れ込んできて新生面を覆う。これにより、基材１５と溶加材とが固相拡散接合された接合体が得られる。
【0056】
なお、本構成の充填用空間１７は、平坦状の空間であるが、これに限らず屈曲部や湾曲部を有する空間や、複数本に分岐する空間等、任意の形状にすることができる。
【0057】
＜接合体の第３構成例＞
次に、上記した金属材と溶加材との固相拡散接合方法によって形成される接合体の第３構成例を説明する。
次に、上記した金属材と溶加材との固相拡散接合方法によって形成される接合体の第３構成例を説明する。
【0058】
図１０は第３構成例の接合体を形成する治具３００の要部を示す概略斜視図である。図１１は図１０のＤ－Ｄ線で切断した治具３００の部分断面斜視図である。図１２は図１０のＥ－Ｅ線で切断した治具３００の部分断面斜視図である。図１３は図１０の上側の基材１５Ｂを除去した状態の治具３００を示す概略斜視図である。
【0059】
【0060】
治具３００は、上下一対の板状の基材１５Ａ，１５Ｂの間に充填用空間１７を画成する。一対の基材１５Ａ，１５Ｂは、所定の間隔を空けて板厚方向に重ねられ、基材１５Ａと基材１５Ｂとの間に一対の板状の流路形成ブロック１１Ａ，１１Ｂが配置される。流路形成ブロック１１Ａ，１１Ｂは、水平方向に互いの側面同士を対向させて配置される。基材１５Ａの上面、基材１５Ｂの下面、及び流路形成ブロック１１Ａ，１１Ｂの側面によって囲まれた平坦状の空間が充填用空間１７となる。
【0061】
本構成の治具３００によれば、一対の基材１５Ａ，１５Ｂが溶加材を介して固相拡散接合された接合体が得られる。なお、本構成の場合も充填用空間１７の形状は任意である。
【0062】
このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
【0063】
上記した実施形態では、基材、添加材としてアルミニウムやアルミニウム合金を用いた例を示したが、これに限らず、亜鉛合金、マグネシウム合金、銅合金を用いることもできる。
【実施例】
【0064】
次に、上記した第１の構成例の接合体において、基材と溶加材を固相拡散接合させ、その接合界面を観察した結果を説明する。
【0065】
図１４は基材（６０００系アルミニウム合金板）と溶加材（ＡＤＣ１２）とを固体拡散接合させた接合体の断面を示す顕微鏡写真である。
図１４に示すように、基材１５と溶加材３１との界面では、基材１５と溶加材３１とが固相拡散接合されている。
図１４に示すように、基材１５と溶加材３１との界面では、基材１５と溶加材３１とが固相拡散接合されている。
【0066】
このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
【0067】
上記例では、大気圧下の充填用空間内に溶湯を供給する工程を例示しているが、充填用空間内を真空又は減圧状態にして溶湯を供給する工程にしてもよく、溶湯供給前の充填用空間内を不活性ガスで満たしてから溶湯を供給する工程にしてもよい。その場合、基材の新生面の酸化膜形成をより確実に防止できる。
【0068】
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）金属材と溶加材とを相互に固相拡散させて接合する固相拡散接合方法であって、
前記金属材及び前記溶加材よりも融点の高い素材からなる治具に形成された流路内に、前記金属材の被接合面を露出させて配置する工程と、
前記溶加材の溶湯を前記流路内に噴射して、前記溶加材の液滴を生成する工程と、
前記液滴が前記流路内で冷却されて凝固した微粒子を前記被接合面に衝突させ、前記被接合面に新生面を形成する工程と、
前記新生面の形成後、酸化被膜が形成される前に、前記溶加材の溶湯によって前記新生面を前記金属材で覆う工程と、
前記流路内の溶湯を固相拡散接合温度に保持したまま加圧して、前記新生面と前記溶加材とを固相拡散接合させる工程と、
を有する固相拡散接合方法。
この固相拡散接合方法によれば、液滴が凝固した微粒子が金属材に衝突することで、金属材の表層が削られて新生面が形成される。その後、新生面に酸化被膜が形成される前に、この新生面が溶加材の溶湯で覆われることで、溶湯が凝固した金属材と溶加材とが固相拡散接合される。これによれば、施工性を低下させることなく、接合部の接合強度を向上できる。
（１）金属材と溶加材とを相互に固相拡散させて接合する固相拡散接合方法であって、
前記金属材及び前記溶加材よりも融点の高い素材からなる治具に形成された流路内に、前記金属材の被接合面を露出させて配置する工程と、
前記溶加材の溶湯を前記流路内に噴射して、前記溶加材の液滴を生成する工程と、
前記液滴が前記流路内で冷却されて凝固した微粒子を前記被接合面に衝突させ、前記被接合面に新生面を形成する工程と、
前記新生面の形成後、酸化被膜が形成される前に、前記溶加材の溶湯によって前記新生面を前記金属材で覆う工程と、
前記流路内の溶湯を固相拡散接合温度に保持したまま加圧して、前記新生面と前記溶加材とを固相拡散接合させる工程と、
を有する固相拡散接合方法。
この固相拡散接合方法によれば、液滴が凝固した微粒子が金属材に衝突することで、金属材の表層が削られて新生面が形成される。その後、新生面に酸化被膜が形成される前に、この新生面が溶加材の溶湯で覆われることで、溶湯が凝固した金属材と溶加材とが固相拡散接合される。これによれば、施工性を低下させることなく、接合部の接合強度を向上できる。
【0069】
（２） 前記流路には、少なくとも前記微粒子と前記溶湯とを含む流動体の流動方向の下流側に、前記流路から溢れ出た前記流動体を収容する溜まり部が接続されている、（１）に記載の固相拡散接合方法。
この固相拡散接合方法によれば、流動初期の不純物、異物が多く含まれる流動体が溜まり部に向けて排出される。そのため、溶湯が凝固した溶加材のポロシティを低減でき、接合体の品質を向上できる。
この固相拡散接合方法によれば、流動初期の不純物、異物が多く含まれる流動体が溜まり部に向けて排出される。そのため、溶湯が凝固した溶加材のポロシティを低減でき、接合体の品質を向上できる。
【0070】
（３） 前記流路内に配置する前記金属材により流路断面積を縮小し、前記微粒子の流速を増加させる（１）又は（２）に記載の固相拡散接合方法。
この固相拡散接合方法によれば、流路内に配置された金属材によって流路断面積が小さくなり、流路を流れる微粒子の流速が速くなる。これにより、金属材に微粒子がより高速に衝突するようになり、新生面を高効率に短時間で形成できる。
この固相拡散接合方法によれば、流路内に配置された金属材によって流路断面積が小さくなり、流路を流れる微粒子の流速が速くなる。これにより、金属材に微粒子がより高速に衝突するようになり、新生面を高効率に短時間で形成できる。
【0071】
（４） 複数の前記金属材を互いに対向させて配置し、対向し合う前記金属材の対向面同士の間に前記流路を形成する（１）～（３）のいずれか１つに記載の固相拡散接合方法。
この固相拡散接合方法によれば、金属材の対向面同士が、溶加材を介して高強度に拡散接合される。
この固相拡散接合方法によれば、金属材の対向面同士が、溶加材を介して高強度に拡散接合される。
【0072】
（５） 平板状の前記金属材を板厚方向に重ねて前記流路を形成する（４）に記載の固相拡散接合方法。
この固相拡散接合方法によれば、金属材が溶加材を介して板厚方向に重なって高強度に拡散接合される。
この固相拡散接合方法によれば、金属材が溶加材を介して板厚方向に重なって高強度に拡散接合される。
【0073】
（６）前記金属材はアルミニウム展伸材であり、前記溶加材はアルミニウム合金鋳物である（１）～（５）のいずれか１つに記載の固相拡散接合方法。
この固相拡散接合方法によれば、アルミニウム展伸材とアルミニウム合金鋳物とを固相拡散接合した高強度な接合体が得られる。
この固相拡散接合方法によれば、アルミニウム展伸材とアルミニウム合金鋳物とを固相拡散接合した高強度な接合体が得られる。
【0074】
（７） 前記金属材と前記溶加材は、５０００系アルミニウム合金である（６）に記載の固相拡散接合方法。
この固相拡散接合方法によれば、接合が難しい５０００系アルミニウム合金であっても原子が良好に拡散して、高い接合強度が得られる。
この固相拡散接合方法によれば、接合が難しい５０００系アルミニウム合金であっても原子が良好に拡散して、高い接合強度が得られる。
【符号の説明】
【0075】
１１，１１Ａ，１２ 流路形成ブロック
１１ａ 下面
１１ｂ 上面
１３，１４ 流路端ブロック
１５，１５Ａ，１５Ｂ 基材（金属材）
１７ 充填用空間
１７ａ空間外縁部
１９ 流入口
２１ 接続流路
２３ 貯留部
２５ 溝形成部材
２７ 押さえ部材
３１ 溶加材
３３ 治具支持機構
３５ 下型
３５ａ 収容凹部
３７ 上型
３７ａ 溶加材供給流路
３９ ヒータ
４１ 温度コントローラ
４３ 温度制御部
４５ 溶加材供給部
４６ ノズル部
４７ 溶湯（溶加材）
４９ 表層
５１ 接合体
５３ 液滴
５５ 微粒子
５７ 新生面
１００，２００，３００ 治具
１１ａ 下面
１１ｂ 上面
１３，１４ 流路端ブロック
１５，１５Ａ，１５Ｂ 基材（金属材）
１７ 充填用空間
１７ａ空間外縁部
１９ 流入口
２１ 接続流路
２３ 貯留部
２５ 溝形成部材
２７ 押さえ部材
３１ 溶加材
３３ 治具支持機構
３５ 下型
３５ａ 収容凹部
３７ 上型
３７ａ 溶加材供給流路
３９ ヒータ
４１ 温度コントローラ
４３ 温度制御部
４５ 溶加材供給部
４６ ノズル部
４７ 溶湯（溶加材）
４９ 表層
５１ 接合体
５３ 液滴
５５ 微粒子
５７ 新生面
１００，２００，３００ 治具
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】