JP5156948B2

JP5156948B2 - 摩擦攪拌接合用撹拌工具

Info

Publication number: JP5156948B2
Application number: JP2007092927A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　　裕; 享祐吉見; 博之粉川
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008246553A

Description

本発明は、溶融溶接法の代替や難溶接材の接合法である摩擦撹拌接合に用いるための撹拌工具に関するもので、特に鉄鋼、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金等の高融点金属材料の摩擦攪拌接合においても摩耗や破断の危険性が少ない摩擦撹拌接合用撹拌工具に関するものある。

現在、鉄鋼、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金等の高融点金属材料の摩擦攪拌接合に対するニーズが全世界的に高まっている。これは、エネルギー消費量が多い、有害ヒュームが発生する、残留応力・溶接変形・組織変化により溶接部の特性が劣化するなどの問題点を抱える溶融溶接法の代替として、また近年の構造材料の高性能化に伴い開発された多くの難溶接材の接合法として、摩擦攪拌接合が注目されているためである。

高融点金属材料用撹拌工具としては、米国ＭｅｇａＳｔｉｒ製のＰｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＣｕｂｉｃＢｏｒｏｎＮｉｔｒｉｄｅ（ｐｃＢＮ）製の工具（例えば、特許文献１参照）、セラミックス皮膜付きＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｗ−ＳｉＮ製の工具（例えば、特許文献２参照）、Ｉｒ合金製の工具（例えば、特許文献３参照）、Ｗ基合金製の工具（例えば、特許文献４参照）などが公知となっている。

特許文献１記載のｐｃＢＮ製撹拌工具は、耐摩耗性に優れるが、超高圧・超高温という特殊環境下での焼結法により作製する必要があるため、高価であるとともに、接合中に工具表面やピン部にクラックが発生しやすく、ｐｃＢＮが欠けることがある。特許文献２記載のセラミックス皮膜付きＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｗ−ＳｉＮ製工具のセラミックス皮膜は、工具表面における耐摩耗性を向上させ、かつ接合材との反応を抑制でき、安価に製造できるが、工具材料自体の高温強度不足により、接合中に工具の変形、摩耗が起こる。特許文献３記載のＩｒ合金は、超高温材料として期待されているが、Ｉｒが希少金属であるため極めて高価であり、優れた耐摩耗性、寿命を示したとしても、実用化には向かない。特許文献４記載のＷ基合金では、Ｗ基合金のうち、高温での強度特性に優れるＷ−２５％Ｒｅ合金が比較的優れた性能を示し、靱性に優れるため、工具破断の危険性は少ない。しかし、Ｒｅが地球上で最も希少な元素の１つであるため極めて高価であり、摩擦攪拌接合中に摩耗が生じてしまう。

特表２００３−５３２５４３号公報特開２００４−８２１４４号公報特開２００４−９００５０号公報特開２００４−３５８５５６号公報

現在、産業界において、高融点金属材料に対する摩擦攪拌接合のニーズが高まっているが、既存の高融点金属材料用撹拌工具はいずれも、摩耗もしくは破断により寿命が短い。また、希少金属を多く含むものや、特殊な製造装置を用いるものが多く、いずれの攪拌工具も極めて高価であり、実用上、使用不可能である。

本発明の目的は、鉄鋼材料等の高融点金属材料を摩擦攪拌接合する過程において、破断もしくは摩耗の危険性が少なく、かつ希少金属を含まない組成により構成された材料を用いて、既存の汎用製造設備にて作製可能な摩擦攪拌接合用撹拌工具を提供することにある。

本発明によれば、鉄鋼、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金等の高融点金属材料の摩擦攪拌接合に使用する摩擦攪拌接合用撹拌工具において、モリブデン相またはモリブデン固溶体とセラミックスとから成るモリブデン基二相合金から成り、前記セラミックスは、チタン、ジルコニウム、ハフニウムの炭化物セラミックスのうち、少なくともいずれかの１種類であり、前記モリブデン基二相合金は、共晶組織を有することを特徴とする摩擦攪拌接合用撹拌工具が得られる。

また、本発明によれば、前記モリブデン基二相合金は、１３００℃で１００ＭＰａ以上の０．２％耐力と延性とを有することを特徴とする摩擦攪拌接合用撹拌工具が得られる。

本発明の摩擦攪拌接合用撹拌工具は、攪拌工具に必要な高温強度（１３００℃における０．２％耐力が１００ＭＰａ以上）、室温での高い破壊靱性値と硬度とを持ち合わせているため、鉄鋼材料等の高融点金属材料を摩擦攪拌接合する過程において、破断もしくは摩耗の危険性が少ない。さらに、比較的安価なモリブデン素材とチタン、ジルコニウム、ハフニウム等の炭化物セラミックス素材との溶解・凝固法もしくはこれら粉末の焼結法等により容易に作製可能なため、工具価格を抑えることができる。すなわち、本発明により、高融点金属材料の摩擦撹拌接合の実用化へ直結できるモリブデン基合金を用いた安価な摩擦攪拌接合用撹拌工具を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態の摩擦攪拌接合用撹拌工具を、モリブデン相もしくはモリブデン固溶体と、チタン、ジルコニウム、ハフニウムの炭化物セラミックスのいずれか１つとからなるモリブデン基二相合金で形成することによって、０．２％耐力及び破壊靱性が高くなり、鉄鋼、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金等の高融点金属材料の摩擦攪拌接合における接合温度約１３００℃においても、優れた高温強度及び耐摩耗性を示すようになる。この結果、鉄鋼、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金等の高融点金属材料を摩擦攪拌接合した場合に、攪拌工具の破断および摩耗を少なくできる。

モリブデン基二相合金のモリブデン相は、ニオブ、タンタル、タングステン、ジルコニウム、チタン、ハフニウムのうち少なくともいずれか１つを固溶することが望ましい。これにより、０．２％耐力と破壊靱性とが高くなり、高温強度および耐摩耗性の向上の効果が顕著に発揮されるようになる。

また、モリブデン基二相合金は、モリブデン相もしくはモリブデン固溶体とチタン、ジルコニウム、ハフニウムの炭化物セラミックスのいずれか１つとから成る微細共晶組織を含むことが望ましい。これにより、０．２％耐力と破壊靱性とが高くなり、高温強度および耐摩耗性の向上の効果が顕著に発揮されるようになる。

また、モリブデン基二相合金の微細共晶組織は、比較的安価なモリブデン素材とチタン、ジルコニウム、ハフニウム等の炭化物セラミックス素材との溶解・凝固法もしくはこれら粉末の焼結法等により容易に得ることができる。

本発明の実施の形態の摩擦攪拌接合用撹拌工具は、鉄鋼、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金等の接合に適するばかりでなく、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、銅、銅合金、ニッケル基超合金等の被接合材の接合にも使用できる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態の摩擦攪拌接合用撹拌工具１０１の一例を示したものである。本実施例の摩擦攪拌接合用撹拌工具１０１は、接合装置の主軸に連結されるシャンク１０２と、接合時に被接合材の表面に接触するショルダ部１０３と、接合時に被接合材に挿入されるピン部１０４とから構成されている。シャンク１０２とショルダ部１０３とピン部１０４とは、チタンを固溶するモリブデン固溶体とチタン炭化物セラミックス（ＴｉＣ）とから成るモリブデン基二相合金により一体に形成されている。このモリブデン基二相合金の組成は、モリブデンとＴｉＣとの完全擬共晶組成であるモリブデン−２３．５ｍｏｌ％ＴｉＣである。図３は、モリブデン基二相合金の結晶粒組織の模式図である。図３に示すように、モリブデン基二相合金の結晶粒組織は、微細な島状ＴｉＣ３０１とモリブデン固溶体３０２のマトリックスとから構成されている。

ショルダ部１０３の直径が１５ｍｍ、ピン部１０４がショルダ部１０３に連結している部分１０５でのピン部１０４の直径が５ｍｍ、ピン部１０４の先端部１０６の直径が３ｍｍ、ピン部１０４の長さ、すなわちショルダ部１０３から突出している部分の高さが２．５ｍｍの寸法を有する摩擦攪拌接合用撹拌工具１０１を作製し、鉄系材料ＳＵＳ３０４の摩擦攪拌接合を行った。被接合材の厚みは３ｍｍとした。接合条件は、摩擦攪拌接合用撹拌工具１０１の回転速度を５５０回転/分、接合速度を８０ｍｍ/分とした。接合長さは、１５０ｍｍとした。

また、本発明の実施の形態の摩擦攪拌接合用撹拌工具１０１との性能を比較評価するために、従来公知の様々な材質からなる攪拌工具を用いて、本発明と同様の条件で鉄系材料ＳＵＳ３０４の摩擦攪拌接合を行った。用いたツール材は、ｐｃＢＮ、Ｗ−０．００２％Ｋ、ＷＣ−Ｃｏの３種である。

ｐｃＢＮ工具の場合には、数回程度の摩擦撹拌接合の実施では、工具の破断や摩耗はほとんど認められなかったが、接合部内に工具材の微量な摩耗に起因するクロムホウ化物が形成されていた。クロムホウ化物の形成により、得られた接合部の腐食特性が著しく低下した。

さらにｐｃＢＮ工具の使用を継続した場合、工具の材料への挿入及び抜き出しを繰り返すことにより、ｐｃＢＮツール表面にクラックが発生し、ｐｃＢＮが欠けることがあった。これは、このｐｃＢＮがセラミックスであり、熱衝撃に弱いためと考えられる。

Ｗ−０．００２％Ｋ工具の場合には、工具を被接合材へ挿入することにより、ピン部が大きく変形した。ピンの長さは短く、ピン径は太くなり、目的の深さまで接合することができなかった。これはＷ−０．００２％Ｋの接合温度における降伏応力が低いためと考えられる。

ＷＣ−Ｃｏ工具の場合には、工具全体が大きく摩耗し、１５０ｍｍの接合後の工具形状は、初期状態よりもピン長さは短く、ピン径は細くなった。

これに対して、本発明の実施の形態の摩擦攪拌接合用撹拌工具１０１を使用した場合には、摩擦攪拌接合後に変形や摩耗はほとんど見られなかった。

以上の結果より、本発明の実施の形態の摩擦攪拌接合用撹拌工具１０１は、鉄系材料ＳＵＳ３０４の摩擦攪拌接合に対して極めて好適であることがわかった。この結果より、ＳＵＳ３０４よりも高温強度の低い鉄鋼材料の摩擦攪拌接合にも効果的であることが示唆される。

次に、本発明の実施の形態の摩擦攪拌接合用撹拌工具１０１を用いて、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖよりなるチタン合金の摩擦攪拌接合を行った。比較のため、ｐｃＢＮ工具とＷ−０．００２％Ｋ工具を用いての接合も行った。

ｐｃＢＮ工具を用いた接合試験では、ｐｃＢＮが著しく摩耗し、ツール形状が著しく変化していることが観察された。これは、ｐｃＢＮがチタンと反応したためと考えられる。一方、Ｗ−０．００２％Ｋ工具の場合には、ＳＵＳ３０４を接合したときと同様に、工具の挿入時にピン部が変形することがわかった。これに対して、本発明の実施の形態の摩擦攪拌接合用撹拌工具１０１を用いた場合には、接合後にも殆ど形状の変化が見られなかった。

この結果から、本発明の実施の形態の摩擦攪拌接合用撹拌工具１０１は、純チタンやチタン合金の摩擦攪拌接合にも有効であることが確認された。

本発明の実施の形態の摩擦攪拌接合用撹拌工具１０１は、ピン部を含む一部だけをモリブデン基二相合金で作るようにすることも可能である。

図２は、本発明の他の実施例による摩擦攪拌接合用撹拌工具を示した概略図である。図２では、ピン部２０４とショルダ部を含む工具先端部分２０１とをモリブデン基二相合金により形成して、シャンク２０２と固定具２０３とを用いて固定した摩擦攪拌接合用撹拌工具を示している。シャンク２０２の材質には、高温強度の比較的高いインコネル６００等のニッケル基超合金、或いはＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼を用いることが望ましい。

図２では、ピン部２０４の形状がストレート形状であるが、これに限定されるものではなく、図１のような形状にしてもよい。

図２では、ピン部２０４とショルダ部を含む工具先端部分２０１とシャンク２０２とを、固定具２０３を用いて固定しているが、これに限定されるわけではなく、固定具２０３を用いずに、工具先端部分２０１とシャンク２０２とが連結される部分で、工具先端部分２０１およびシャンク２０２の両者にネジ加工を施して両者を固定してもよく、固相拡散接合法、液相拡散接合法や摩擦圧接法などを用いて工具先端部分２０１とシャンク２０２とを冶金的に接合してもよい。

本発明の実施の形態の摩擦攪拌接合用撹拌工具を示す側面図である。本発明の他の実施例による摩擦攪拌接合用撹拌工具を示す側面図である。図１に示す摩擦攪拌接合用撹拌工具のモリブデン基二相合金の結晶粒組織を示す模式図である。

符号の説明

１０１摩擦攪拌接合用撹拌工具
１０２シャンク
１０３ショルダ部
１０４ピン部
２０１工具先端部分
２０２シャンク
２０３固定具
２０４ピン部
３０１ＴｉＣ
３０２モリブデン固溶体

Claims

鉄鋼、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金等の高融点金属材料の摩擦攪拌接合に使用する摩擦攪拌接合用撹拌工具において、モリブデン相またはモリブデン固溶体とセラミックスとから成るモリブデン基二相合金から成り、前記セラミックスは、チタン、ジルコニウム、ハフニウムの炭化物セラミックスのうち、少なくともいずれかの１種類であり、前記モリブデン基二相合金は、共晶組織を有することを特徴とする摩擦攪拌接合用撹拌工具。
前記モリブデン基二相合金は、１３００℃で１００ＭＰａ以上の０．２％耐力と延性とを有することを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合用撹拌工具。