JP6561481B2 - 鉄鋼材料の接合方法 - Google Patents
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Description
ステンレス鋼のろう付では、一般に、Ag,Cu,Ni及びAuを主成分とするろう材が用いられる。これらの融点は約800℃以上と高温であり、ろう材を溶融させて接合するため、位置決め精度に問題があり、適用範囲にも制限がある。また、ろう付にはフラックスが用いられるが、フラックス残渣による、ろう付部の腐食の問題が指摘されており、撤廃が望まれている。さらに、ろう材とステンレス鋼材との間で金属間化合物(脆性的な性質を有する)を形成して、接合部が脆化する。
しかしながら、これらの接合方法は、以下に述べる問題がある。
レーザ溶接:薄板では変形を生じることがあり、厚板ではポロシティや割れを生じることがあり、種々の溶接欠陥が発生する場合がある。
摩擦撹拌接合:ステンレス鋼が塑性流動を生じる温度域が1000℃を超えるため、このような高温に耐えうる攪拌用ツール材料の開発が必要になり、また、製造コストが増大するので、摩擦撹拌接合法を適用することが難しくなっている。また、他の接合法とも共通するが、微小部の精密な接合には適していない。
固相拡散接合:ステンレス鋼を大気中に曝すと、接合阻害因子である不動態皮膜が形成される。強度の高い接合部を得るには、接合圧力及び接合温度を上昇させることで不動態皮膜を機械的に破壊しなければならず、おのずと接合時のエネルギー増大と接合体の変形量の増加が生じてしまう問題点がある。
これにより、接合温度を低くして、加熱に必要なエネルギーを低減し、接合時の変形量を低減することが可能になる。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.本発明の概要
2.実施の形態
3.実施例
まず、本発明の概要について説明する。
本発明の鉄鋼材料の接合方法は、複数の鉄鋼材料を接合する方法である。
そして、本発明では、各鉄鋼材料の接合部を含む表面を、有機酸溶液中において煮沸する、又は、有機酸を含む蒸気に曝露する有機酸処理工程と、煮沸又は曝露された鉄鋼材料の接合部の表面同士を突き合わせて、加熱及び加圧して接合する接合工程を含む。
接合する複数の鉄鋼材料は、鉄鋼材料の範囲内であれば、同一材料であっても、異なる材料であってもよい。このうち、異なる材料の組合せとしては、例えば、構成元素が異なる鉄鋼材料、組成が異なる鉄鋼材料、等が挙げられる。
例えば、ギ酸、酢酸、クエン酸から選ばれる1種以上を使用することができる。
本発明により形成された接合体は、有機酸塩を生成させなかった場合に比べ約3倍の接合強度を有する接合体が形成できる。さらに有機酸としては、低温で分解する有機酸塩を生成するものから選択することができる。
そして、接合温度と同様の観点から、接合の際の圧力を低くしても、十分に高い接合強度を得ることが可能になる。
これにより、低圧力で固相状態での接合が可能になり、従来用いられてきた種々の接合法と比較して、接合の際の変形量を低減することができる。また、ろう材等の挿入物がない直接接合であるため、高い位置精度を保つことができ、溶接では困難であった複雑な形状あるいは微小部の接合も可能になる。
また、低温かつ低圧力で接合が可能になるため、接合装置の構成を簡略化することや、加熱に必要なエネルギーを低減して、エネルギー効率を向上することができる。例えば、消費電力や加熱用の燃料、接合に要する時間等を低減することが可能になる。
本発明の一実施の形態の鉄鋼材料の接合方法の手順のフローチャートを、図1に示す。
図1に示すように、まず、ステップS11において、各鉄鋼材料の接合部を含む表面を、有機酸溶液中で煮沸、或いは、有機酸を含む蒸気に曝露する。
これにより、鉄鋼材料の接合部の表面に、有機酸塩被膜が形成される。
有機酸としては、ギ酸、クエン酸や、その他の有機酸を使用することができる。有機酸溶液用の溶媒としては、水や各種の極性溶媒を使用することが可能である。
これにより、表面汚染層が除去、或いは、有機酸塩に置換された状態で、加熱及び加圧するので、有機酸塩は熱分解反応を生じて分解されることから、第1の金属部材の金属原子の原子面が露出して不動態皮膜が無くなることで原子の拡散が促進され、接合部の鉄鋼材料の再結晶化が進むことで接合強度を増大させることができる。高い接合強度が得られるので、従来よりも低い温度及び低い変形量で高い接合強度を得ることが可能になる。
即ち、表面に有機酸塩被膜が形成されていない鉄鋼材料同士を接合した、従来の接合方法と比較して、接合の際の加熱の温度及び加圧力を低くすることが可能になる。
そして、接合の際の圧力を低くしても十分に高い接合強度を得ることができ、低圧力で固相状態での接合が可能になることから、接合の際の変形量を低減することができるので、接合の位置精度を向上することができる。また、接合の位置精度が向上することにより、高い位置精度を保つことができ、溶接では困難であった複雑な形状や微小部の接合も可能になる。
さらに、低温かつ低圧力で接合が可能になるため、エネルギー効率を向上することができる。例えば、消費電力や加熱用の燃料、接合に要する時間等を低減することが可能になる。
次に、実際に、本発明によって鉄鋼材料の接合を行い、特性を調べた。
接合素材として、図2に斜視図を示すような、それぞれSUS304ステンレス鋼から成る、ブロック状板材(10mm×15mm×5mm)、及び、リボン状ロール板材(5mm×100mm×0.17mm)を用意した。
そして、ブロック状板材の接合面をエメリー紙による機械研磨により仕上げ、リボン状ロール板材の接合面をバフ研磨により仕上げた。
ブロック状板材の組成は下記表1の通りであり、リボン状ロール板材の組成は下記表2の通りである。
まず、各板材をアセトン中で超音波洗浄して脱脂を行った。
次に、各板材を50%ギ酸水溶液中で7〜15分の範囲内の所定時間煮沸した。
その後、蒸留水で10秒間洗浄した。
このようにして、接合用の試験片を準備した。
そして、窒素ガス置換中(5L/分)において、接合荷重147N、接合時間1.8ksで一定とし、継手を作製した。
接合により得られた継手に対して、ピール試験(クロスヘッド速度:0.17mm/秒)によりピール強度を測定した。
ギ酸処理の最適処理時間の検討を行った。
ギ酸処理の時間を0.42ks(7分)、0.66ks(11分)、0.9ks(15分)と変えて、それぞれ接合用の試験片を作製した。
また、比較対照として、ギ酸処理を行っていない試験片も用意した。
そして、接合温度を1073K(750℃)として、ギ酸処理時間を変えた試験片で接合を行い、継手を作製した。
接合して得られた継手に対してピール強度の測定を行った。
ギ酸水溶液中での処理時間tmとピール強度Fの関係を、図4に示す。なお、図4には、ギ酸処理をしていない比較対照の試料(as polished)の強度も示している。
処理時間が増えると引張強さが低下するのは、処理時間が長くなることにより有機酸塩が過剰に生成し、有機酸塩が分解してガスが発生することにより接合面に空孔が多く発生するためと推測される。
そして、処理時間を0.66ks(11分)と最適化することにより、無処理の場合の約3倍のピール強度が得られることがわかる。
接合素材として、実験1と同様に、ブロック状板材及びリボン状ロール板材を用意して、各板材を研磨により仕上げた。
そして、以下の作製方法により、継手の試料を作製した。
まず、各板材をアセトン中で超音波洗浄して脱脂を行った。
次に、各板材をクエン酸溶液で5〜14分の範囲内の所定時間煮沸した。
その後、蒸留水で10秒間洗浄した。
このようにして、接合用の試験片を準備した。
そして、窒素ガス置換中(5L/分)において、接合荷重147N、接合時間1.8ksで一定とし、継手を作製した。
接合により得られた継手に対して、ピール試験(クロスヘッド速度:0.17mm/秒)によりピール強度を測定した。
クエン酸処理の最適処理時間の検討を行った。
クエン酸処理の時間を0.30ks(5分)、0.48ks(8分)、0.66ks(11分)、0.84ks(14分)と変えて、それぞれ接合用の試験片を作製した。
そして、接合温度を1073K(750℃)として、クエン酸処理時間を変えた試験片で接合を行い、継手を作製した。
接合して得られた継手に対してピール強度の測定を行った。
クエン酸溶液中での処理時間tmとピール強度Fの関係を、図5に示す。なお、図5には、図4と同じ比較対照の試料(as polished)の強度も示している。
そして、処理時間を0.66ks(11分)と最適化することにより、無処理の場合の約3倍強のピール強度が得られることがわかる。
次に、接合温度とピール強度の関係を調べた。
また、比較対照として、有機酸処理を行わず、研磨仕上げ後にそのまま接合した場合についても、接合温度を変えて、各接合温度で接合した継手の試料を作製した。
接合温度は、1023K(750℃)、1073K(800℃)、1123K(850℃)の3通りとした。
ギ酸処理を行った場合(FA)、クエン酸処理を行った場合(CA)、研磨仕上げ後にそのまま接合した場合(as polished)の、それぞれの場合における接合温度Tとピール強度Fの関係を、図6に示す。
一方、接合前に有機酸処理を行って有機酸塩被膜を付与した場合には、より低い接合温度から未密着部が減少し、接合相手材が付着したと考えられる凹凸を有した破断形態を示す領域が観察されるようになった。特に、接合温度1123K(750℃)においては、破面にディンプルを含む延性的な破断形態が認められるようになった。このような破断形態の変化は、ギ酸を用いた有機酸塩被膜付与を実施した場合にも認められた。
SUS304ステンレス鋼から成る部材において、ギ酸処理を行った部材と、ギ酸処理を行わず研磨したままの部材を用意して、それぞれの部材について赤外分光法による測定を行い、吸光度のスペクトルを求めた。
得られた吸光度のスペクトルを、図8に示す。
これらのピークから、SUS304ステンレス鋼中のニッケルが、ギ酸と反応して、ニッケルのギ酸塩、即ち、ギ酸ニッケル(II)Ni(HCOO)2が生成していることがわかる。
このギ酸ニッケル(II)は、403K近傍で熱分解して、水素と二酸化炭素を発生して金属ニッケルとなる。
従って、ギ酸処理を行ったSUSステンレス鋼を、加熱及び加圧して接合すると、熱分解により発生したガスが接合中に気化してニッケルの金属面が露出し、ニッケル金属同士の密着化が達成され、自己拡散が進行すると考えられる。
従って、SUS304ステンレス鋼のようなニッケルを合金の主要成分とするステンレス鋼に限らず、ニッケルを合金の主要成分としないステンレス鋼や、普通鋼においても、本発明を適用して、有機酸塩被膜の生成による効果を得ることができると考えられる。
Claims (3)
- 複数の鉄鋼材料を接合する方法であって、
各前記鉄鋼材料の接合部を含む表面を、有機酸溶液中において煮沸する、又は、有機酸を含む蒸気に曝露して、前記表面に有機酸塩被膜を形成する有機酸処理工程と、
煮沸又は曝露されて前記有機酸塩被膜が形成された状態の前記鉄鋼材料の前記接合部の表面同士を突き合わせて、加熱及び加圧して接合する接合工程を含む
鉄鋼材料の接合方法。 - 前記有機酸処理工程の後であり、かつ、前記接合工程の前に、前記鉄鋼材料の前記接合部の表面を洗浄する工程をさらに含む請求項1に記載の鉄鋼材料の接合方法。
- 前記有機酸として、ギ酸、酢酸、クエン酸のいずれかを使用する、請求項1又は請求項2に記載の鉄鋼材料の接合方法。
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