(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの金属材を加工部において対向させ、棒状の回転ツールを回転させつつ前記回転ツールの先端を前記加工部に挿入し、前記２つの金属材を加工する金属材の加工方法であって、
前記回転ツールの先端は、中央部において突出したプローブと周辺部のショルダーとを有し、前記プローブと前記ショルダーとは少なくとも前記金属材と接触する表面部において異なる材質からなるものとし、
前記プローブは、Ｉｒ合金からなるものとし、
前記ショルダーは、Ｓｉ３Ｎ４からなるものとする、金属材の加工方法。
【請求項２】
前記プローブと前記ショルダーとは異なる回転速度で回転可能とし、前記プローブの回転速度を前記ショルダーの回転速度よりも高速とする、請求項１に記載の金属材の加工方法。
【請求項３】
前記プローブの前記回転ツールの先端から突出する長さを変更可能とされている、請求項１又は２に記載の金属材の加工方法。
【請求項４】
前記金属材は、ステンレス鋼、炭素鋼、合金鋼、Ｎｉ基合金、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｐｔ及びＡｕの少なくともいずれか、又はステンレス鋼、炭素鋼、合金鋼、Ｎｉ基合金、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｐｔ及びＡｕの少なくともいずれかの合金からなるものとする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属材の加工方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属材の加工方法によって加工された構造物。
【請求項６】
２つの金属材を加工部において対向させ、棒状の回転ツールを回転させつつ前記回転ツールの先端を前記加工部に挿入し、前記２つの金属材を加工する金属材の加工方法に用いる回転ツールであって、
前記回転ツールの先端は、中央部において突出したプローブと周辺部のショルダーとを有し、前記プローブと前記ショルダーとは少なくとも前記金属材と接触する表面部において異なる材質からなり、
前記プローブは、Ｉｒ合金からなるものとし、
前記ショルダーは、Ｓｉ３Ｎ４からなる、回転ツール。
【請求項７】
前記プローブと前記ショルダーとは異なる回転速度で回転可能とされている、請求項６に記載の回転ツール。
【請求項８】
前記プローブの前記回転ツールの先端から突出する長さを変更可能とされている、請求項６又は７に記載の回転ツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属材の加工方法、金属材の加工方法によって加工された構造物及び回転ツールに関し、特に摩擦攪拌接合によって金属材を加工する加工方法、回転ツール、及び当該加工方法によって加工された構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の金属材の接合方法においては、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction  Stir  Welding）により金属材を接合する技術が知られている。摩擦攪拌接合では、接合しようとする金属材を接合部において対向させ、棒状の回転ツールを回転させつつ先端に設けられたプローブを接合部に挿入し、接合部の長手方向に沿って回転ツールを回転させつつ移動させて、摩擦熱により金属材を塑性流動させることによって２つの金属材を接合する。例えば、特許文献１には、回転ツールの先端において、中央部に取替可能なプローブを備え、その周辺部は凹面を有する回転ツールにより摩擦攪拌接合を行う技術が開示されている。【０００３】
また、特許文献２には、回転する回転子の先端面から延出されたプローブピンを、被接合部材の接合部に圧入させ、接合部において被接合部材を摩擦攪拌接合させる摩擦攪拌接合用ツールにおいて、回転子とプローブピンとを超硬合金で一体に形成すると共に、回転子の後部側に係止部を切り欠き形成する一方、工具鋼やダイス鋼で構成されたシャンク部に、係止部が設けられた回転子の後部側を挿入させる収容部を設け、この収容部内に回転子の後部側を挿入させると共に、収容部内に挿入された回転子の係止部にねじを押し付けて、回転子とプローブピンとが一体に形成されたものをシャンク部に固定させる摩擦攪拌接合用ツールが開示されている。この特許文献２の摩擦攪拌接合用ツールは、超硬合金の部分を少なくしてコストを低減させることができる。また特許文献２の摩擦攪拌接合用ツールは、回転子やプローブピンが摩耗した場合等においても、回転子とプローブピンとが一体に形成されたものだけを簡単に交換することができる。さらに特許文献２の摩擦攪拌接合用ツールは、プローブピンの径や長さ等を変更させたものを複数準備しておき、これを適宜変更させて使用することもできるというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表平９−５０８０７３号公報
【特許文献２】特開２００５−１９９２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記のような技術では、回転ツールの構造、大きさ、形状及び材質等を改良することによって、より良好に摩擦攪拌接合を行うことを試みたものである。しかしながら、理想的な回転ツールの材質等は、摩擦攪拌接合により接合される金属の組成によっても大きく異なる。したがって、単に回転ツールの構造、大きさ、形状及び材質等を改良しただけでは、種々の金属材に対して摩擦攪拌接合を行う場合において、回転ツールの寿命を十分に向上させることや、より良好な接合部を得ることが難しいという問題がある。【０００６】
本発明は、このような実情に鑑み、種々の金属材に対して摩擦攪拌接合を行う場合においても、回転ツールの寿命を十分に向上させ、より良好な加工部を得ることが可能な金属材の加工方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、２つの金属材を加工部において対向させ、棒状の回転ツールを回転させつつ回転ツールの先端を加工部に挿入し、２つの金属材を加工する金属材の加工方法であって、回転ツールの先端は、中央部において突出したプローブと周辺部のショルダーとを有し、プローブとショルダーとは少なくとも前記金属材と接触する表面部において異なる材質からなるものとする、金属材の加工方法である。【０００８】
この構成によれば、回転ツールのプローブとショルダーとが少なくとも金属材と接触する表面部において異なる材質からなるため、種々の金属材に対して摩擦攪拌接合を行う場合においても対応することができる可能性が高まり、回転ツールの寿命及び加工部の質の向上を得ることができる可能性が増大する。【０００９】
なお、本発明の金属材の加工方法においては、（１）板状の金属材の端部同士を突き合わせて接合部とし、回転ツールをその接合部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属材同士を接合する摩擦攪拌接合、（２）板状の金属材の端部同士を突き合わせて接合部とし、回転ツールをその接合部で移動させずに回転させて接合するスポット摩擦攪拌接合（スポットＦＳＷ）、（３）金属材同士を接合部において重ね合わせ、接合部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその箇所で移動させずに回転させて金属材同士を接合するスポット摩擦攪拌接合、（４）金属材同士を接合部において重ね合わせ、接合部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその接合部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属材同士を接合する摩擦攪拌接合の（１）〜（４）の４つの態様およびこれらの組み合わせを含む。【００１０】
さらに、本発明の金属材の加工方法においては、２つの金属材を単に加工部において接合するだけではなく、加工部に棒状の回転ツールの先端を挿入して回転ツールを回転させることにより、加工部を改質するための加工も含まれるものとする。【００１１】
この場合、プローブの耐摩耗性はショルダーの耐摩耗性よりも高いものとすることが好適である。【００１２】
この構成によれば、プローブの耐摩耗性はショルダーの耐摩耗性よりも高いものとすることにより、ショルダーより摩耗し易い傾向にあるプローブの摩耗を防ぎ、回転ツールの摩耗を防止することができる。【００１３】
また、プローブの金属材に対する付着性はショルダーの金属材に対する付着性よりも高いものとすることが好適である。【００１４】
この構成によれば、プローブの金属材に対する付着性はショルダーの金属材に対する付着性よりも高いものとすることにより、金属材の攪拌が促進され、攪拌部の体積を大きくすることができる。ショルダーの金属材に対する付着性をプローブの金属材に対する付着性よりも低いものとすることにより、加工部の広範囲を通過するショルダーによって加工部が荒れることを防止することができる。【００１５】
また、プローブは、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ及びＨｆの少なくともいずれか、又はＩｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ及びＨｆの少なくともいずれかを５０質量％以上含む合金からなるものとすることが好適である。【００１６】
この構成によれば、プローブを、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ及びＨｆの少なくともいずれか、又はＩｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ及びＨｆの少なくともいずれかを５０質量％以上含む合金からなるものとすることにより、プローブの耐摩耗性や金属材に対する付着性を十分に高めることが可能となる。【００１７】
あるいは、プローブは、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔｉ及びＷの少なくともいずれかを含むものとすることが好適である。【００１８】
この構成によれば、プローブを、フェライト安定化元素であるＣｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔｉ及びＷの少なくともいずれかを含むものとすることにより、加工部において耐食性の低下をもたらすσ相の生成を抑制することができる。【００１９】
一方、ショルダーは、Ｓｉ３Ｎ４及び多結晶立方晶窒化硼素のいずれかからなるものとすることが好適である。【００２０】
この構成によれば、ショルダーを、Ｓｉ３Ｎ４及び多結晶立方晶窒化硼素のいずれかからなるものとすることにより、プローブの金属材に対する付着性をショルダーの金属材に対する付着性よりも高いものとし、金属材の攪拌が促進され、攪拌部の体積を大きくすることができる。また、ショルダーの金属材に対する付着性をプローブの金属材に対する付着性よりも低いものとし、加工部の広範囲を通過するショルダーによって加工部の表面が荒れることを防止することができる。【００２１】
さらに、プローブとショルダーとは異なる回転速度で回転可能とし、プローブの回転速度をショルダーの回転速度よりも高速とすることが好適である。【００２２】
この構成によれば、プローブとショルダーとは異なる回転速度で回転可能とし、プローブの回転速度をショルダーの回転速度よりも高速とすることにより、高温とすることが望ましい加工部中心を、プローブを高速回転させることによって高温化させ、全体として温度を低く抑えることが望ましい加工部全体を、ショルダーを低速回転させることによって温度を低く抑えることが可能となる。【００２３】
また、プローブの回転ツールの先端から突出する長さを変更可能とされていることが好適である。【００２４】
この構成によれば、プローブの回転ツールの先端から突出する長さを変更可能とされているため、加工に伴いプローブが摩耗しても、プローブの回転ツールの先端から突出する長さを変更することにより、回転ツールを継続して使用することができる。【００２５】
また、ショルダーの表面部は、プローブよりも金属材に対する付着性が低い物質により被覆されているものとできる。【００２６】
この構成によれば、ショルダー全体の材質をプローブの材質と変えなくとも、ショルダーの表面部をプローブよりも金属材に対する付着性が低い物質により被覆することにより、ショルダー全体の材質をプローブの材質と変えたものと同等の効果を奏させることができる。【００２７】
この場合、ショルダーの表面部は、Ｓｉ３Ｎ４、ＢＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＣ、Ｂ４Ｃ、ＮｉＯ、ＳｉＡｌＯＮ、ＡｌＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＤＬＣ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、及びＡｌＣｒＳｉＮのいずれかにより被覆されているものとできる。【００２８】
この構成によれば、ショルダー全体の材質をＳｉ３Ｎ４又は多結晶立方晶窒化硼素としなくとも、ショルダーの表面部をＳｉ３Ｎ４、ＢＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＣ、Ｂ４Ｃ、ＮｉＯ、ＳｉＡｌＯＮ、ＡｌＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＤＬＣ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、及びＡｌＣｒＳｉＮのいずれかにより被覆することにより、ショルダー全体の材質をＳｉ３Ｎ４又は多結晶立方晶窒化硼素としたものと同等の効果を奏させることができる。【００２９】
また、プローブの表面部は、ショルダーよりも金属材に対する付着性が高い物質により被覆されているものとできる。【００３０】
この構成によれば、プローブ全体の材質をショルダーの材質と変えなくとも、プローブの表面部をショルダーよりも金属材に対する付着性が高い物質により被覆することにより、プローブ全体の材質をショルダーの材質と変えたものと同等の効果を奏させることができる。【００３１】
また、プローブの表面部は、ショルダーよりも金属材に対する耐摩耗性が高い物質により被覆されているものとできる。【００３２】
この構成によれば、プローブ全体の材質をショルダーの材質と変えなくとも、プローブの表面部をショルダーよりも金属材に対する耐摩耗性が高い物質により被覆することにより、プローブ全体の材質をショルダーの材質と変えたものと同等の効果を奏させることができる。【００３３】
加えて、金属材は、ステンレス鋼、炭素鋼、合金鋼、Ｎｉ基合金、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｐｔ及びＡｕの少なくともいずれか、又はステンレス鋼、炭素鋼、合金鋼、Ｎｉ基合金、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｐｔ及びＡｕの少なくともいずれかの合金からなるものとすることが好適である。【００３４】
本発明の金属材の加工方法によれば、金属材が、ステンレス鋼、炭素鋼、合金鋼、Ｎｉ基合金、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｐｔ及びＡｕの少なくともいずれか、又はステンレス鋼、炭素鋼、合金鋼、Ｎｉ基合金、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｐｔ及びＡｕの少なくともいずれかの合金からなるもののように、回転ツールが摩耗しやすく、加工部が荒れ易いものが含まれる場合でも、回転ツールの摩耗を抑え、加工部の荒れを防止することができる。【００３５】
さらに、本発明の金属材の加工法によって加工された構造物は、良好な加工部を有し、機械的特性にすぐれたものとできる。【００３６】
一方、本発明は、２つの金属材を加工部において対向させ、棒状の回転ツールを回転させつつ回転ツールの先端を加工部に挿入し、２つの金属材を加工する金属材の加工方法に用いる回転ツールであって、回転ツールの先端は、中央部において突出したプローブと周辺部のショルダーとを有し、プローブとショルダーとは少なくとも金属材と接触する表面部において異なる材質からなる回転ツールである。【００３７】
この場合、プローブの耐摩耗性はショルダーの耐摩耗性よりも高いものとすることが、回転ツールの寿命を向上させることができるため、好ましい。【００３８】
また、プローブの金属材に対する付着性はショルダーの金属材に対する付着性よりも高いものとする。【００３９】
この構成によれば、プローブの金属材に対する付着性はショルダーの金属材に対する付着性よりも高いものとすることにより、金属材の攪拌が促進され、攪拌部の体積を大きくすることができる。また、ショルダーの金属材に対する付着性をプローブの金属材に対する付着性よりも低いものとすることにより、加工部の広範囲を通過するショルダーによって加工部が荒れることを防止することができる。【００４０】
さらに、プローブは、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ及びＨｆの少なくともいずれか、又はＩｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ及びＨｆの少なくともいずれかを５０質量％以上含む合金からなるものとすることが、高い耐摩耗性及び金属材の付着性を担保するために好ましい。【００４１】
あるいは、プローブは、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔｉ及びＷの少なくともいずれかを含むものとすることが、加工部において耐食性の低下をもたらすσ相の生成を抑制することができ、好適である。【００４２】
一方、ショルダーは、Ｓｉ３Ｎ４及び多結晶立方晶窒化硼素のいずれかからなるものとすることが、プローブの金属材に対する付着性をショルダーの金属材に対する付着性よりも高いものとし、金属材の攪拌が促進され、攪拌部の体積を大きくすることができるため、好ましい。また、ショルダーの金属材に対する付着性をプローブの金属材に対する付着性よりも低いものとし、加工部の広範囲を通過するショルダーによって加工部の表面が荒れることを防止することができる。【００４３】
加えて、プローブとショルダーとは異なる回転速度で回転可能とされていることが、良好な加工部を得るために好ましい。【００４４】
また、プローブの回転ツールの先端から突出する長さを変更可能とされていることが、回転ツールを継続して使用することができるため好適である。【００４５】
また、ショルダーの表面部は、プローブよりも金属材に対する付着性が低い物質により被覆されていることが、ショルダー全体の材質をプローブの材質と変えたものと同等の効果を奏させることができるため好適である。【００４６】
また、ショルダーの表面部は、Ｓｉ３Ｎ４、ＢＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＣ、Ｂ４Ｃ、ＮｉＯ、ＳｉＡｌＯＮ、ＡｌＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＤＬＣ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、及びＡｌＣｒＳｉＮのいずれかにより被覆されていることが、ショルダー全体の材質をＳｉ３Ｎ４又は多結晶立方晶窒化硼素としたものと同等の効果を奏させることができるため好適である。【００４７】
さらに、プローブの表面部は、ショルダーよりも金属材に対する付着性が高い物質により被覆されていることが、プローブ全体の材質をショルダーの材質と変えたものと同等の効果を奏させることができるため好適である。【００４８】
加えて、プローブの表面部は、ショルダーよりも金属材に対する耐摩耗性が高い物質により被覆されていることが、プローブ全体の材質をショルダーの材質と変えたものと同等の効果を奏させることができるため好適である。
【発明の効果】
【００４９】
本発明の金属材の加工方法、及び回転ツールによれば、種々の金属材に対して摩擦攪拌接合を行う場合においても、回転ツールの寿命を十分に向上させ、より良好な加工部を得ることが可能となる。また、本発明の金属材の加工方法によって加工された構造物は、良好な加工部を有し、機械的特性にすぐれたものとできる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】第１実施形態に係る金属材の接合方法の概要を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る金属材の接合方法の別の態様を示す斜視図である。
【図３】第１実施形態に係る回転ツールの構造を示す断面図である。
【図４】第２実施形態に係る回転ツールの構造を示す斜視図である。
【図５】第３実施形態に係る回転ツールの構造を示す断面図である。
【図６】実験例における回転ツールの接合回数に対する摩耗質量の変化を示すグラフ図である。
【図７】本発明の回転ツールによる接合部の断面図である。
【図８】本発明の回転ツールによる接合部の塩水噴霧試験後の図である。
【図９】従来のＳｉ３Ｎ４のみからなる回転ツールによる接合部の断面図である。
【図１０】従来のＩｒ合金のみからなる回転ツールによる接合部の塩水噴霧試験前の図である。
【図１１】従来のＩｒ合金のみからなる回転ツールによる接合部の塩水噴霧試験後の図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００５２】
図１は、第１実施形態に係る金属材の接合方法の概要を示す斜視図である。本実施形態では、図１に示すように、板状の金属材１，２の端部同士を接合部３において突き合わせ、チャック２０に把持された回転ツール１０ａを回転させつつ、回転ツール１０ａ先端の周辺部のショルダー１１を接合部３に当接させ、回転ツール１０ａ先端の中央部のプローブ１２を接合部３内に挿入して金属材１，２同士を接合する。接合部３には、Ａｒ等の不活性ガスからなるシールドガスが供給される。
【００５３】
図２は、第１実施形態に係る金属材の接合方法の別の態様を示す斜視図である。図２に示すように、この態様では、金属材１，２同士を接合部３において重ね合わせ、一方の金属材１を通して接合部３に回転ツール１０ａを回転させつつ挿入し、金属材１，２同士を接合する。図１と同様に、接合部３には、Ａｒ等の不活性ガスからなるシールドガスが供給される。
【００５４】
本実施形態において、接合を行う金属材１，２としては、Ａｌ等を含む軽合金系材料を適用することができるが、本実施形態では、回転ツール１０ａの摩耗と接合部３の荒れとを低減することが可能であるため、金属材１，２に、例えば、炭素鋼、合金鋼（ＩＳＯ準拠）、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０１Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレス鋼、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス鋼あるいは２相ステンレス鋼を適用することができる。あるいは、金属材１，２として、同種の材料ではなく、異種材料を適用することもできる。具体的には、例えば、ＳＳ４００とＳ４５Ｃとの接合等の炭素鋼同士の接合、ＳＳ４００とＳＵＳ３０４との接合等の炭素鋼とステンレス鋼との接合、Ａ５０８３とＡＺ４１との接合等の軽合金同士の接合、板厚が厚いＡ５０８３等の非熱処理材料であるアルミニウム合金同士の接合、及びＡ５０８３とＡ６Ｎ０１との接合等の非熱処理材料と熱処理材料との接合を本実施形態の接合方法では行うことができる。あるいは、接合を行う金属材１，２としては、Ｎｉ基合金、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｐｔ及びＡｕの少なくともいずれか、又はステンレス鋼、炭素鋼、合金鋼、Ｎｉ基合金、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｐｔ及びＡｕの少なくともいずれかの合金からなるものとすることができる。
【００５５】
図３は、第１実施形態に係る回転ツールの構造を示す断面図である。図３及び上述の図１，２に示すように、回転ツール１０ａは略円筒状をなし、先端に中央部において突出したプローブ１２と周辺部のショルダー１１とを有している。図１に示すように、本実施形態において、ショルダー１１とプローブ１２とは分離された構造であり、各々異なる材質からなる。
【００５６】
ショルダー１１は、中央部に貫通孔を有する円筒状をなす。プローブ１２はショルダー１１より小径の円柱状をなし、ショルダー１１の中央部の貫通孔を通り、回転ツール１０ａの先端から突出している。ショルダー１１は、六角穴付き止めネジ２１によってその側面をチャック２０に固定される。プローブ１２は、六角穴付き止めネジ２２によってその側面をチャック２０に固定される。ショルダー１１とプローブ１２とは、それぞれ六角穴付き止めネジ２１，２２によってチャック２０に固定されることにより、接合時にはチャック２０の回転に伴い、同じ回転方向に同じ回転速度で回転する。
【００５７】
なお、図３の例では、ショルダー１１とプローブ１２とは側面の一箇所のみで固定されているが、例えば、回転ツール１０ａの回転軸について１２０°ずつ離れた３箇所でショルダー１１とプローブ１２とを固定することにより、より確実にショルダー１１とプローブ１２とをチャック２０に固定することができる。
【００５８】
また、プローブ１２をショルダー１１の貫通孔に沿って摺動自在とし、プローブ１２の回転ツール１０ａの先端からの突き出し長さを変更して固定することを可能としても良い。これにより、加工に伴いプローブ１２が摩耗しても、プローブ１２の回転ツール１０ａの先端から突出する長さを変更することにより、回転ツール１０ａを継続して使用することができる。
【００５９】
プローブ１２は、耐摩耗性及び金属材１，２の付着性に優れたＩｒ合金からなる。プローブ１２の材質としては、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ及びＨｆの少なくともいずれか、又はＩｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ及びＨｆの少なくともいずれかを５０質量％以上含む合金からなるものとできる。あるいは、プローブ１２は、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔｉ及びＷの少なくともいずれか含むものとすることができる。プローブ１２を、フェライト安定化元素であるＣｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔｉ及びＷの少なくともいずれか含むものとすることにより、接合部３において耐食性の低下をもたらすσ相の生成を抑制することができる。なお、プローブ１２に使用する材質は鍛造加工を施すとツール寿命を伸ばすのにより効果的である。
【００６０】
一方、ショルダー１１は、耐摩耗性及び金属材１，２の付着性をプローブ１２よりも低く抑えることができるＳｉ３Ｎ４とする。ショルダー１１の材質としては、Ｓｉ３Ｎ４及び多結晶立方晶窒化硼素（ＰＣＢＮ）のいずれかからなるものとすることができ、その他のセラミックスも適用することができる。なお、本実施形態では、プローブ１２とショルダー１１とが別材質であり、回転ツール１０ａは両者を組合わせる構造となるが、プローブ１２の断面をオーバル型にすることにより、応力集中が緩和されてより耐久性を高めることができる。
【００６１】
さらに、プローブ１２は、その表面部のみが、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ及びＨｆの少なくともいずれか、又はＩｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ及びＨｆの少なくともいずれかを５０質量％以上含む合金によって被覆されたものとでき、全体の物質が上記物質であるものと同等の効果を奏させることができる。また、ショルダー１１は、その表面部のみが、Ｓｉ３Ｎ４、ＢＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＣ、Ｂ４Ｃ、ＮｉＯ、ＳｉＡｌＯＮ、ＡｌＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＤＬＣ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、及びＡｌＣｒＳｉＮのいずれかにより被覆されたものとでき、全体の物質が上記物質であるものと同等の効果を奏させることができる。
【００６２】
例えば、プローブ１２全体をＩｒ合金からなるものとし、ショルダー１１をＳｉ３Ｎ４により被覆されたものとできる。
【００６３】
あるいは、回転ツール１０ａ全体をＩｒ合金からなるものとし、ショルダー１１及びプローブ１２のいずれの表面にもＳｉ３Ｎ４、ＢＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＣ、Ｂ４Ｃ、ＮｉＯ、ＳｉＡｌＯＮ、ＡｌＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＤＬＣ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、及びＡｌＣｒＳｉＮのいずれかを被覆したものとできる。この場合、プローブ１２の方がショルダー１１よりも一般に摩耗が大きいため、プローブ１２表面の被覆は加工に伴う摩耗により早期に除去されてプローブ１２のＩｒ合金が露出することとなり、ショルダー１１全体とプローブ１２全体とを異なる物質からなるものとした場合と同様の効果が得られる。
【００６４】
なお、プローブ１２の突き出し長さは、付着性が良いため、通常のプローブ長よりも短く設定することが可能である。例えば、通常よりも短い１．５ｍｍ以下、より好ましくは１．３５ｍｍ以下とすることが好ましい。さらに、金属材１，２の板厚１．５ｍｍに対して通常はプローブ長１．４ｍｍ程度に設定するが、プローブ長１．３ｍｍでも接合が可能である。これは、プローブ１２のＩｒ合金と金属材１，２との付着性が高く、攪拌が促進されるためである。また、このようにプローブ１２の突き出し長さを短くすることで、金属材１，２の板厚が変化する場合にも、回転ツール１０ａを破損することなく接合が可能となる。さらに、このことにより、ツールの寿命を伸ばすことができる。
【００６５】
以下、本実施形態の接合方法及び回転ツールの作用について説明する。本発明者らが、種々の金属材に対して従来型の回転ツールの材質を変えて摩擦攪拌接合の試験を行なったところ、以下の知見を得た。まず、Ｓｉ３Ｎ４からなる回転ツールを用いて接合を行ったところ、接合する金属材がステンレス鋼や炭素鋼と硬い場合、回転ツールの摩耗が顕著となる。また、接合速度を大きくした場合、回転ツールの寿命が短くなる傾向もある。さらに、オーステナイト系ステンレス鋼のような高融点材料を、Ｓｉ３Ｎ４や多結晶立方晶窒化硼素からなる従来型の回転ツールで接合する場合は、接合攪拌部の耐食性が低下する傾向がある。
【００６６】
一方、Ｉｒ合金製の従来型の回転ツールでオーステナイト系ステンレス鋼を接合する場合は、Ｉｒ合金とステンレス鋼との付着性（親和性）が高く、接合部表面を回転ツールのショルダーが通過した後は接合部表面が荒れてしまい、耐食性が低下する傾向がある。
【００６７】
そこで、本実施形態では、回転ツール１０ａのショルダー１１とプローブ１２とを異なる材料からなるものとする。プローブ１２は、被接合材である金属材１，２と耐摩耗性が高く、付着性が高い物質とする。一方、ショルダー１１は、金属材１，２と耐摩耗性が低く、付着性が低い物質とする。なお、プローブ１２及びショルダー１１は、熱伝導率が金属材１，２よりも低いと接合に使われる入熱の効率が良くなる。
【００６８】
以上より、プローブ１２は、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ及びＨｆの少なくともいずれか、又はＩｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ及びＨｆの少なくともいずれかを５０質量％以上含む合金とし、ショルダー１１は、Ｓｉ３Ｎ４及び多結晶立方晶窒化硼素等のセラミックスからなるものとした。これにより、プローブ１２については耐摩耗性及び金属材１，２等の付着性が高いため、硬い金属材１，２を接合する場合でも回転ツール１０ａの寿命を向上させ、接合攪拌部の耐食性を向上させ、接合部３の攪拌を促進することができる。また、ショルダー１１については耐摩耗性及び金属材１，２等の付着性が低いため、ショルダー１１が通過した後の接合部３の表面が荒れることを防ぎ、ステンレス鋼を接合する場合であっても接合部３の耐食性を向上させることができる。したがって、本実施形態により、金属材１，２を接合されてなる構造物は、良好な加工部を有し、機械的特性にすぐれたものとできる。
【００６９】
図４は、第２実施形態に係る回転ツールの構造を示す斜視図である。図４に示すように、本実施形態の回転ツール１０ｂのプローブ１２は、その側面の一部に六角柱面１３を有する柱状をなす。チャック２０には、当該六角柱面１３に対応するような内壁面を有する保持穴が設けられている。プローブ１２は、六角柱面１３とチャック２０の保持穴の内壁面とが嵌合することにより、チャック２０に固定される。一方、ショルダー１１は、上記第１実施形態と同様に、ショルダー１１の中央部の貫通孔にプローブ１２を通した後、六角穴付き止めネジ２１によってチャック２０に固定される。
【００７０】
チャック２０の熱膨張率は、プローブ１２の熱膨張率よりも小さくされている。これにより、接合時に生じる熱によってプローブ１２がチャック２０よりも大きく膨張することによって、プローブ１２はチャック２０により強固に固定されることになる。一方、接合終了後は、放熱による冷却によって、プローブ１２はチャック２０よりも大きく収縮するため、プローブ１２をチャック２０から取り外すことが容易となる。
【００７１】
本実施形態によれば、回転ツール１０ｂのチャック２０への固定において、ショルダー１１にのみ六角穴付き止めネジ２１が用いられているため、回転ツール１０ｂのチャック２０への着脱が容易であるという利点がある。
【００７２】
図５は、第３実施形態に係る回転ツールの構造を示す断面図である。図５に示すように、本実施形態の回転ツール１０ｃは、プローブ１２がＩｒ等からなり、ショルダー１１がＳｉ３Ｎ４等からなる点においては上記第１実施形態と同様であるが、プローブ１２とショルダー１１とは異なる回転速度ｖ１，ｖ２でそれぞれ回転可能とし、プローブの回転速度ｖ１をショルダーの回転速度ｖ２よりも高速とする点が上記第１実施形態と異なっている。この場合、ショルダー１１とプローブ１２とは同方向に回転させるものとする。なお、図５の例では、プローブ１２とショルダー１１とは同方向にそれぞれ異なる回転速度ｖ１，ｖ２で回転可能とされているが、逆方向にそれぞれ異なる回転速度ｖ１，ｖ２で回転可能とされていても良い。
【００７３】
本実施形態によれば、プローブ１２とショルダー１１とは異なる回転速度で回転可能とし、プローブ１２の回転速度ｖ１をショルダー１１の回転速度ｖ２よりも高速とすることにより、高温とすることが望ましい接合部３中心を、プローブ１２を高速回転させることによって高温化させ、全体として温度を低く抑えることが望ましい加工部３全体を、ショルダー１１を低速回転させることによって温度を低く抑えることが可能となる。
【００７４】
尚、本発明の金属材の加工方法、金属材の加工方法によって加工された構造物及び回転ツールは、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００７５】
次に、本発明者が本発明の金属材の加工方法により、実際に金属材を接合した実験結果を説明する。
【００７６】
（実験例１）
厚さ１．５ｍｍ、長さ１６５ｍｍ、幅３５ｍｍのＳＵＳ３０４からなる板材を、図１に示す方法で摩擦攪拌接合をして試験片を作製した。図３に示すような回転ツール１０ａを用い、プローブ１２の材質はＩｒ合金とし、ショルダー１１の材質はＳｉ３Ｎ４とした。ショルダー１１径は１５．０ｍｍ、ショルダー１１の端部のＲ寸法は１．０ｍｍ、プローブ１２の径は６．０ｍｍ、及びプローブ１２の突き出し長さは通常よりも短い１．３５ｍｍとした。これは、プローブ１２のＩｒ合金とＳＵＳ３０４との付着性が高く、攪拌が促進されるためである。また、このようにプローブ１２の突き出し長さを短くすることで、被加工物である板材の板厚が変化する場合にも、回転ツール１０ａを破損することなく接合が可能となる。接合条件として、回転ツール１０ａの回転速度６００ｒｐｍ、傾斜角度３°、ＳＵＳ３０４への接合荷重１３６０ｋｇ、接合速度３００ｍｍ／ｍｉｎあるいは６００ｍｍ／ｍｉｎとし、Ａｒガスをシールドガスとして３０Ｌ／ｍｉｎの流量で供給した。また、比較のため、従来型のＳｉ３Ｎ４のみからなる回転ツール及びＩｒ合金のみからなる回転ツールによっても同様に摩擦攪拌接合をして試験片を作製した。
【００７７】
作製されたそれぞれの試験片の断面を電子顕微鏡により観察した。また、それぞれの試験片の接合部に対して、１０質量％の塩水を噴霧し、温度３５℃、湿度９５％の環境において数百時間放置する塩水噴霧試験を行なった。
【００７８】
図６は、実験例における回転ツールの接合回数に対する摩耗質量の変化を示すグラフ図である。図６に示すように、本発明の回転ツール１０ａは１０回の接合後も摩耗が見られないのに対し、従来型のＳｉ３Ｎ４のみからなる回転ツールは大きく摩耗していることが判る。
【００７９】
図７は、本発明の回転ツールによる接合部の断面図である。図７に示すように、本発明の回転ツール１０ａによる接合部は、腐食され易い層となる帯状の層が見られず、接合部３に荒れが見られないことが判る。なお、この場合における接合速度は３００ｍｍ／ｍｉｎである。
【００８０】
図８は、本発明の回転ツールによる接合部の塩水噴霧試験後の図である。図８に示すように、塩水を接合部に噴霧した後、３６０時間経過した後も接合部に腐食は生じていないことが判る。
【００８１】
図９は、従来のＳｉ３Ｎ４のみからなる回転ツールによる接合部の断面図である。図９に示すように、Ｓｉ３Ｎ４からなる従来型の回転ツールによる接合部は、腐食され易い層となる帯状の層Ｄが見られる。なお、この場合における接合速度は６００ｍｍ／ｍｉｎである。
【００８２】
図１０は、従来のＩｒ合金のみからなる回転ツールによる接合部の塩水噴霧試験前の図である。図１０に示すように、塩水を接合部３に噴霧する前であっても、接合部には凹凸が多く荒れが生じていることが判る。
【００８３】
図１１は、従来のＩｒ合金のみからなる回転ツールによる接合部の塩水噴霧試験後の図である。図１１に示すように、塩水を接合部に噴霧した後、１００時間経過した後には、接合部に多くの腐食が生じていることが判る。
【００８４】
なお、本実験例における接合方法により，プローブ１２にＩｒ合金の突出し長さ１．３５ｍｍ、ショルダー１１に窒化珪素のショルダー径１５ｍｍの回転ツール１０ａを使用して板厚１．５ｍｍの金属材を突合わせ接合した場合、適正な接合条件範囲は次の表１の通りとなった。なお、この場合の適正な接合条件範囲とは、継手の引張試験の結果が母材と同等の強度を示した場合をいう。
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明の金属材の加工方法、及び回転ツールによれば、種々の金属材に対して摩擦攪拌接合を行う場合においても、回転ツールの寿命を十分に向上させ、より良好な加工部を得ることが可能となる。また、本発明の金属材の加工方法によって加工された構造物は、良好な加工部を有し、機械的特性にすぐれたものとできる。
【符号の説明】
【００８６】
１，２  母材
３  接合部
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ  回転ツール
１１  ショルダー
１２  プローブ
１３  六角柱面
２０  チャック
２１  六角穴付き止めネジ
２２  六角穴付き止めネジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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