TW201515750A - 摩擦壓接方法 - Google Patents

Abstract

本發明係一種摩擦壓接方法，其特徵在於：於金屬構件之摩擦壓接中，於一對金屬構件之相對的面之接合面之間夾持由金屬構成之嵌件材，並於該狀態下開始摩擦壓接，使嵌件材熔融並壓出；而該金屬具有金屬構件熔點(攝氏溫度)之60~80%之熔點(攝氏溫度)。藉此，可消除如習知之因高溫加熱所致之弊病，同時可以短時間獲得與習知同等以上之接合品質。

Description

摩擦壓接方法 發明領域

本發明係有關於一種適於金屬構件彼此之接合的摩擦壓接方法。

發明背景

摩擦壓接被提案作為接合金屬構件彼此之方法之一。摩擦壓接係使成為被接合材之金屬構件之接合面彼此接觸，且一邊加壓其接合面一邊使其進行機械式地的相對運動，並且將所發生之摩擦熱作為加熱源來作壓接的一種方法。

構件之相對運動則有例如以垂直於接觸面的軸作為中心的旋轉運動及與接觸面平行之方向的往復運動等。摩擦壓接因不利用通電加熱，故無需大的電源設備，而可以較簡單之設備來製得尺寸精確度高的製品。由此來看，可適用於已施行最後加工之零件的接合等上。又，因與一般之熔接不同，亦可用於異種金屬材料間之接合，故應用領域廣。因此而適用於汽車用閥等眾多的精密機械零件等上。

摩擦壓接係加熱至金屬構件之熔點附近，且需要因接合面附近之塑性流動所致之黏著性。因此，於接合面 附近會容易發生變形，並且金屬構件之熱影響區會變大而於強度及材料特性的面上會帶來不良影響。因此，而提案有各種方法來作為控制金屬構件之熱影響的方法。

於專利文獻1中揭示有下述方法：於摩擦壓接熱容量不同之金屬構件時，於金屬構件間放入作為旋轉體之嵌件材(insert material)，並一邊將兩構件分別予以溫度控制，一邊使嵌件材旋轉來進行摩擦接合。以專利文獻1之摩擦壓接方法來說，係可透過嵌件構件來接合一對金屬構件。

於專利文獻2，則為了謀求接合溫度之低溫化，而提案有以摩擦壓接法預先將用於液相擴散接合之非晶質合金箔(硬銲用硬銲材料)接合於金屬構件上。即，為一次接合之摩擦壓接可於硬銲材料(非晶質金屬箔)之熔點以下的溫度下完成，而為二次接合之液相擴散接合(硬銲)則可於硬銲料(非晶質金屬箔)之熔點左右的溫度下完成。因而，因較通常之摩擦壓接可更低溫化，故變形量少，而可減少金屬構件之熱影響區。但是，專利文獻2之方法，本質上係將金屬構件予以進行液相擴散接合者，而並非摩擦壓接。

先行技術文獻 專利文獻

專利文獻1：日本特開2009-101374號公報

專利文獻2：日本特開2006-159212號公報

非專利文獻

非專利文獻1：久曾神他「關於碳鋼之摩擦壓接的研究」1976年4月1日日本機械學會論文集(C編) P1406~1414

發明概要

成為被接合材之金屬構件的接合面係存在有氧化物(包含自然氧化膜，起因於母材之金屬氧化物。以下僅稱「氧化物」)。於如摩擦壓接般之固相接合時，自接合面將氧化物去除是重要的。因為若於接合界面中殘留氧化物的話，其局部會變成缺陷且接合強度會降低。進而言之，因亦有氧化物成為裂縫之起源而使破裂韌性(fracture toughness)顯著地劣化之虞。

於一般之摩擦壓接中，接合面附近會因高溫化而軟化。因此，於壓接時，其軟化部位會發生塑性流動，且連同氧化物擠出於構件之外部。而此將會成為毛邊(burr)。由於該塑性流動氧化物會被去除，而可獲得清潔之金屬面彼此緊貼且無缺陷之接合材。

但是，為了擠出氧化物，必須引起足夠量的塑性流動。因此，必須增加入熱量(heat input)，並盡可能使其高溫。因金屬構件之尺寸愈大，塑性流動的量會愈增加，故入熱量會變大。

舉例來說在為鋼的情況下，為了確保充分量之塑性流動來提高接合強度，則最高到達溫度會為1300~1400℃(非專利文獻1)。由於一般之低碳鋼的熔點在1400~1500℃左右，故可明白是非常高溫的。而如所述般進 行高溫加熱的情況時，為了使充分之摩擦熱發生將會費時，故縮短接合時間是困難的。

進而言之，因為加熱時間變長，由熱傳導所致金屬構件之熱影響區會擴張，從而該熱影響區之材料會發生變化。因此，會產生無法確保如設計之強度及機能等的問題。

例如，於摩擦壓接鋼材時，在接合部周邊之廣範圍內溫度會上升，而形成有熱影響區(以下稱「HAZ(Heat Affected Zone)」)。接合界面一旦被加熱至沃斯田區域因受到急速冷卻會變為麻田散體組織，會有產生顯著HAZ硬化的情形。為硬化鋼等之麻田散體鋼的情況時，在HAZ區中溫度只加熱至小於Ac1點之區域會回火，而發生所謂的HAZ軟化。因此為硬化鋼的情況時，於HAZ區之一部分會發生強度降低，恐有接合構件整體之強度降低之虞。

進而言之，因高溫加熱所致已軟化的區域會因鍛粗(upset；端壓)加壓(壓縮)而發生塑性流動並被排出於外部。此即會成為毛邊。為金屬材料的情況時，若接合部之加熱溫度高的話因軟化區域亦會擴大，從而接合部周邊之廣範圍會發生塑性流動，不僅變形量會變大且毛邊的量亦會變多。因而最後製品之精確度會惡化，且會變得需要去除毛邊等之加工(切削加工等)，而導致耗費更多的功夫與成本。而此現象並不僅限於鋼，於鋁、鈦及銅等之金屬材料中亦會發生同樣的事。

本發明係為了解決所述問題而作成者，並以下述 事宜作為為課題：於金屬構件之摩擦壓接中，一邊將如習知之因高溫加熱所致之弊病予以消除，一邊於短時間內獲得充分之接合強度。

本案發明人等專心致力研究之結果，獲得了以下的見解：

(a)於金屬構件之摩擦壓接方法中，發現在將熔點較金屬構件低之嵌件材配置於金屬構件之間並經實施摩擦壓接時，隨著已熔融之嵌件材的流動，可將接合面之氧化物(氧化膜)去除。藉此，則無須於必要以上加熱金屬構件，而只要嵌件材熔融的話即可去除存在於金屬構件之合面上的氧化物(含氧化膜)。

(b)亦發現單是僅夾著嵌件材進行加熱並壓縮的話，則接合面上之氧化物不能完全去除。

即，推測由於接合面之相對運動(例如旋轉運動等)，接合面上之氧化物會被剝離，或是會成為容易剝離之狀態，加上由於已熔融之嵌件材的流動，會致使該已剝離之氧化物被刮下並被沖走。藉此，可明顯提高接合面之潔淨度，而可製得無缺陷之接合界面。

(c)發現為了獲得最大限度之前述效果，宜將嵌件材之熔點較必要之加熱溫度(壓接溫度)降低50℃左右。因若嵌件材之熔點低於必要以上的話，於氧化物之剝離未有進展之時，嵌件材即會被擠出於外部之緣故。

藉此方式，雖較習知之摩擦壓接更低溫，卻可壓 接氧化物已去除之潔淨的接合面彼此，並確保金屬構件之黏著性，而獲得高接合強度。進而因加熱溫度低故接合時間會縮短。

而且，金屬材料雖依據材質熔點會發生變動，但發現大致上可將嵌件材之熔點以與金屬構件之熔點(攝氏溫度)的比率來表示。即，發現只要以下述方式選擇即可：使嵌件材之熔點為金屬構件之熔點(攝氏溫度)之60%~80%的溫度(攝氏溫度)。

本發明係基於該等見解而作成者，其作為要旨之處如下：

(1)一種摩擦壓接方法，係一對金屬構件之摩擦壓接方法，其特徵在於：於前述金屬構件之相對接合的面之接合面之間夾持由金屬構成之嵌件材，並於該狀態下開始摩擦壓接，使前述嵌件材熔融，並自前述一對金屬構件之間壓出；而該金屬具有前述金屬構件熔點(攝氏溫度)之60~80%之熔點(攝氏溫度)。

(2)如第(1)項之摩擦壓接方法，其中前述嵌件材之厚度為10~500μm。

(3)如第(1)或(2)項之摩擦壓接方法，其中前述嵌件材覆蓋至少其中一前述接合面。

(4)如第(1)~(3)項中任一項之金屬構件之摩擦壓接方法，其壓接時之溫度較前述嵌件材之熔點(攝氏)高50℃以上。

(5)如第(1)~(4)項中任一項之金屬構件之摩擦壓接方法，其於摩擦壓接後，不在前述金屬構件間殘留前述嵌件材。

(6)如第(1)~(5)項中任一項之金屬構件之摩擦壓接方法，其中前述金屬構件為鋼。

依據本發明，於金屬構件之摩擦壓接接合中，可消除如習知之因高溫加熱所致之弊病，從而可於短時間進行接合，並且可獲得與習知同等以上之接合強度。

1、2‧‧‧金屬構件

3‧‧‧嵌件材

圖1係用以說明有關於本發明之一實施形態之摩擦壓接方法的圖。

用以實施發明之形態

以下將說明有關本發明之摩擦壓接方法。有關本發明之摩擦壓接方法係於一對金屬構件之間夾持有嵌件材之狀態下進行摩擦壓接之方法。於此處，將一對金屬構件之相對接合的面稱「接合面」。又，將一對金屬構件經接合而成者稱「接合材」。又，將接合材之接合界面附近稱「接合部」。再者，於本發明中，有關於溫度者(例如熔點等)，只要無特別之說明則令其為表示攝氏溫度(℃)者。

圖1係用以說明有關於本發明之一實施形態之摩擦壓接方法的圖。另外，於圖1中，雖然係顯示接合圓柱狀之金屬構件1、2的情況，但有關本發明之摩擦壓接方法並未特別限制其形狀，亦可適用於具有其他形狀(例如圓筒狀、稜柱狀等)之鋼材。

如圖(1)a所示，使金屬構件1、2於其中間夾有圓 板狀之嵌件材3之狀態下相互面對面地對上。嵌件材3係由其熔點以攝氏溫度來說為金屬構件1、2之60%~80%之溫度的金屬所構成。舉例來說，當金屬構件1、2為鋼的情況時，則只要是相對於鋼之熔點(1500℃左右)為具有900℃~1200℃左右之熔點的金屬的話即可。而作為嵌件材3之材料則可舉Cu、Fe、Ni及Au系合金等。嵌件材3之厚度，舉例來說宜為10~500μm。且嵌件材宜覆蓋金屬構件之至少其中一接合面。

於本實施形態，金屬構件1係保持於摩擦壓接裝置(無圖示)之旋轉保持部(無圖示)，而金屬構件2則係固定於摩擦壓接裝置(無圖示)之固定部(無圖示)。且使成為下述狀態：經由嵌件材3將金屬構件1輕壓於金屬構件2上，且將嵌件材3夾持於金屬構件1、2中。此時，基於加工性之觀點，亦可先以接著劑等將嵌件材3安裝於已固定之金屬構件2之接合面上。並於此狀態下開始摩擦壓接。

另外，本發明之摩擦壓接方法，因可使用眾所周知之摩擦壓接裝置，或是於眾所周知之摩擦壓接裝置上加上了簡單的設計變更的裝置來實施，故摩擦壓接裝置之詳細說明將予以省略。

其次，如圖1(b)所示，於本實施形態中，係一邊使金屬構件1高速旋轉一邊往軸方向移動，並且透過嵌件材3壓於鋼材2上。嵌件材3因受到來自金屬構件1、2之壓力而在被保持的同時，與兩構件相對地旋轉。藉此，於鋼材1與嵌件材3之接觸部及鋼材2與嵌件材3之接觸部會分別發生 摩擦熱。由於該摩擦熱，嵌件材3會被加熱並且熔融。另外，金屬構件1之旋轉數及壓力係按照鋼材1、2及嵌件材3之尺寸、材質及摩擦壓接裝置之種類等來決定。舉例來說，金屬構件為鋼的情況時，只要適當設定在旋轉速度1000~4000rpm及壓力30~300MPa之範圍內即可。又，本實施形態係僅使金屬構件1旋轉，但亦可使兩構件旋轉。而於所述情況時，使金屬構件1、2反向旋轉的話，會因相對旋轉數增加而理想。當然，相對運動並不限於旋轉，亦可為直線往復運動等。只要為會發生摩擦熱之運動形態的話，則其形態並無限制。

接下來，如圖1(c)所示，藉由使金屬構件1、2更進一步相互緊壓，會使自金屬構件1、2之間將已熔融之嵌件材3壓出，而使金屬構件1與金屬構件2直接接觸而接合。此時，在金屬構件1、2之接合面上的氧化物會剝離，且與已熔融之嵌件材一同排出於外部。

通常，於金屬構件之接合面上會存在有氧化物。例如，當金屬構件為鋼的情況時，諸如Fe₂O₃、為鋼中之Si或Mn之氧化物的SiO₂或MnO會存在於接合面上。而當金屬構件為鋁的情況時，則Al₂O₃(所謂的氧化鋁)會存在於接合面上。由於高溫與旋轉力(因相對運動所產生的力)該氧化物若不是呈自金屬構件剝離的狀態，不然就會變得容易剝離。而已溶融於其中之嵌件材，因會由於加壓而以往外部擠壓出的方式流動，故接合面上之氧化物亦會以流於前文所述者之方式往外部擠壓出。

如此一來，因為是以無「嵌件材」及「氧化物」之雜質之潔淨度高的接合面彼此來做接觸，故可獲得接合強度高之良好的接合材。此時之接合部的溫度因較嵌件材之熔點高50℃左右，故雖較習知之摩擦壓接中之溫度低，但對用以獲得黏著性係充分的溫度。

之後，除去自接合面所排出之嵌件材3，即完成由金屬構件1、2所構成之接合材。雖然為較習知之摩擦壓接低的溫度，卻可製得無缺陷且接合強度高的接合材。

於習知技術中，由於金屬構件其本身之塑性流動會將氧化物排出於外部，故需要相當量之金屬構件的塑性流動。但是，於本發明中，氧化物之排出因係委於已熔融之嵌件材，故要不是金屬構件本身之流動量未產生，就是即便有亦較少量即可。因而，可抑制金屬構件之變形，且可提升完成之接合材之完成精確度。

又，藉此，因可防止金屬構件1、2之廣範圍變高溫的情形，故可防止於接合部周邊之廣範圍內形成HAZ。結果，HAZ軟化區域亦會縮小，而可抑制作為接合材之強度降低。

[嵌件材]

針對本發明相關之嵌件材，將以金屬構件為鋼的情況為例來進行說明。

[嵌件材之熔點]

為鋼的情況時，為人所知的是接合面溫度在1000℃左右，會變得容易黏著，而結合力(接合強度)會提升(非專利 文獻1)。於此處將該壓接所需之溫度稱「壓接溫度」。壓接溫度已知與熔點有某種程度相關。於本案發明人等之研究中，已確認以S15C鋼(熔點：約1500℃)來說，於嵌件材熔點900℃且壓接溫度950℃下可充分接合。即，嵌件材之熔點為鋼之熔點的60%，而接合溫度則為63%。另外，壓接溫度係於固定夾頭側之接合體中心部之接合面附近埋入熱電偶來進行測定。另一方面，於習知之摩擦壓接，則接合面之加熱溫度會達到1300~1400℃(非專利文獻1)。即，會達到鋼之熔點的90%左右。可知習知之方法是多麼地高溫。

如本發明之課題中所述，一旦摩擦壓接時之加熱溫度過高的話HAZ將會擴大，而產生強度降低等之弊病。因此接合面之加熱溫度因必須使其較習知之加熱溫度低，故宜使其小於1300℃。藉此方式縮短加熱時間，可控制HAZ範圍，從而可消除高溫化所致之弊病。

由本案發明人等之研究結果得知：當為鋼的情況時，嵌件材之熔點宜設在900℃~1200℃，且接合面之加熱溫度(壓接溫度)只要使之較嵌件材之熔點高50℃左右即可。

一般鋼等之金屬的熔點會依據其成分組成而變化。一旦熔點變低的話，壓接溫度亦會變低，從而接合面之最高加熱溫度亦不可不降低。如前文所述壓接溫度與熔點有某種程度之相關關係，可視為近似比例關係。於是，於本發明中係將嵌件材之熔點以相對於金屬構件之熔點的比率來表示。故為前述之S15C鋼的情況時，熔點為約1500℃， 而嵌件材之熔點則只要設定在將成為母材之金屬構件之熔點的60%~80%即可。然後，壓接時之接合面溫度(壓接溫度)只要設定成較嵌件材之熔點高50℃左右的溫度即可。只要為一般的鋼的話，則只要在該範圍內即可做良好的壓接。

又，例如為高碳鋼(C：2%)的情況時，熔點會變為1150℃左右。由於熔點低溫化，將致使壓接溫度亦低溫化。而即便於該情況下，亦可適用具有700℃之熔點的嵌件材，以750℃之壓接溫度進行摩擦壓接，而該700℃係相當於成為母材之鋼之熔點的60%。

若考量接合溫度為高溫的話接合性會提升，則宜將壓接溫度設在嵌件材之熔點的70℃以上，且設在80℃以上的話更佳。壓接溫度之上限雖無特別設定，但即便高亦與習知相同為金屬構件之熔點的90%左右。

嵌件材之材質並無特別限定，然可從Cu、Fe、Ni及Au系合金等調整熔點而得。舉例來說，可適用硬銲材等。為人所知的有例如Ni-3.5%Si-8%B-11%V合金(熔點：1073℃)、Fe-2.5%Si-12%B-8%V合金(熔點：1122℃)及Ni-0.8%Si-15%P-7%V合金(熔點：942℃)(均為專利文獻2)。

[嵌件材之厚度]

嵌件材亦加熱至其熔點左右即會軟化，並藉由加壓而進行塑性流動。因此，若嵌件材之厚度太薄的話，於達到嵌件材之熔點前金屬構件之接合面彼此即會接觸到，而接合面間嵌件材可能會消失。因此，嵌件材之厚度設為10μm 以上即可。而基於處理性及製造可能性等之觀點，宜設為25μm以上，更佳則可設為50μm以上。

另一方面，若嵌件材太厚的話，嵌件材之加熱時間會變長，進而嵌件材自接合面間排出所需的時間會增加。因此而將會導致傳導至金屬構件之熱量增加，結果HAZ範圍可能會擴大。因此，嵌件材之厚度設為500μm以下即可。基於因減低厚度所致之加熱時間的縮短效果大，而宜設為300μm以下，更佳則可設為150μm以下。

[嵌件材之形狀]

嵌件材之形狀並無特別限定。只要是於嵌件材熔融並自接合面被擠壓出時，通過接合面整體者即無問題。此乃是因為即便有一部分嵌件材未通過的部分的話，即會有該部分之氧化物未被除去之虞的緣故。因此，從提高金屬構件之接合面上之氧化物的排出效果的觀點來看，宜使嵌件材為可覆蓋至少其中一接合面的大小。因為藉此嵌件材可充滿接合面整面，而可將接合面上之氧化物確實地排出。

以上之見解亦可適用於鋼以外之金屬，並且確認只要將熔點作為基準則大致會為相同之數值範圍。鋼以外之金屬主要可舉Al、Ti及Cu等之合金。

實施例

於實驗中係使用了鋼材作為金屬構件。以下將顯示用於實驗之鋼材及嵌件材。

鋼材：Fe-0.45%C-0.2%Si-0.7%Mn

熔點：約1440℃

直徑20mm×長度100mm之圓柱形

兩端面係利用機械加工加工成平面

嵌件材：Cu-35%Zn合金

熔點：930℃

直徑22mm×厚度100μm(0.1mm)之圓盤狀

準備2條前述鋼材，於同軸上將其中1條安裝於固定夾上，另1條則安裝於旋轉夾上，並使夾子朝軸方向移動，且以兩鋼材夾持嵌件材之方式作安裝(參考圖1(a))。之後旋轉旋轉夾，並且使夾子移動以使兩鋼材壓緊(參考圖1(b))。此時之旋轉數係設為固定之1800rpm，並於摩擦壓力200MPa、摩擦時間3s(s表示秒(second)。以下同)、鍛粗(upset；端壓)壓力300MPa、鍛粗(upset；端壓)時間3s下進行接合。

接合之評價係利用接合材(兩鋼材經接合而變成1條的鋼材)進行張力試驗(tension test)，來評價斷裂強度比(斷裂強度/母材強度)及斷裂部位。

又，作為比較例，則使用相同鋼材，且不放入嵌件材來進行習知之摩擦壓接。比較例1係設成摩擦時間2s，而於比較例2中則設成摩擦時間3s。其他之條件則與已放入有嵌件材之情況設成為相同條件。

將試驗結果示於表1。

實施例及比較例1，從是在接合界面以外呈斷裂的情況來看，可認為接合本身是良好的。

又，由經測定了接合部之硬度分布之結果得知，相對於實施例中自接合界面起至HAZ最軟化部分為止之距離為約1.5mm，於比較例1中則為約3mm。即，可確認實施例中之HAZ範圍變窄了。

由實施例與比較例1之斷裂強度比來考察，由於比較例1之斷裂強度比為0.95，故高溫加熱之影響雖僅有些許但仍可認為有顯現出來。由此看來，利用與本發明相關之摩擦壓接的接合材，儘管為比較低溫下之接合亦可確認具有與習知同等之接合強度以及HAZ範圍變窄的情形。

比較例2由於在接合界面呈斷裂，故可認為其接合本身並不充分。推測原因為：因接合時間短且為低溫故塑性流動並不充分從而接合面上之氧化物有殘留，以及，黏著性差從而於固相接合不充分之狀況下冷卻掉。接合體之外周部雖已進行加熱至1000℃以上，但中心部因無法獲得圓周速率而未發生摩擦熱，故需藉由來自周圍之傳熱來加熱。即，可推測接合時間過短的話，因中心部未被充分接合，故接合強度降低。另一方面，於實施例，則是從接 合時間2s左右起嵌件材開始被排出。而此乃意味著接合面整體已達到嵌件材之熔點以上。總之，可推測藉由夾持嵌件材，相較於習知之方法中心部之接合面溫度會變得更容易上升。

由以上所述可確認利用本發明相關之摩擦壓接，則即便較習知方法更低溫，亦可獲得與習知同等以上之接合品質。

另外，與本發明相關之摩擦壓接方法之實施形態，並不侷限於前述之形態，自不待言。

產業上之可利用性

依據本發明，則即便於接合鋼等之金屬構件彼此的情況時，亦可以低溫來接合，並且可獲得與習知同等以上之接合品質。因此，本發明可利用於精密機械零件之製造等上。

1、2‧‧‧金屬構件

3‧‧‧嵌件材

Claims (6)

1. 一種摩擦壓接方法，係一對金屬構件之摩擦壓接方法，其特徵在於：於前述金屬構件之相對接合的面之接合面之間夾持由金屬構成之嵌件材，並於該狀態下開始摩擦壓接，使前述嵌件材熔融，並自前述一對金屬構件之間壓出；其中該金屬具有前述金屬構件熔點(攝氏溫度)之60~80%之熔點(攝氏溫度)。
2. 如請求項1之摩擦壓接方法，其中前述嵌件材之厚度為10~500μm。
3. 如請求項1或2項之摩擦壓接方法，其中前述嵌件材覆蓋至少其中一接合面。
4. 如請求項1至3項中任一項之金屬構件之摩擦壓接方法，其壓接時之溫度較前述嵌件材之熔點(攝氏)高50℃以上。
5. 如請求項1至4項中任一項之金屬構件之摩擦壓接方法，其於摩擦壓接後，不在前述金屬構件間殘留前述嵌件材。
6. 如請求項1至5項中任一項之金屬構件之摩擦壓接方法，其中前述金屬構件為鋼。