(57)【要約】【課題】断面形状が円形以外の被接合材にも適用可能な鋳鉄の接合方法及び接合部材を提供し、より具体的には、継手の機械的特性を低下させる黒鉛変形層及びチル組織を形成させない鋳鉄の摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合部材を提供する。【解決手段】少なくとも一方に鋳鉄材を含む被接合材同士の接合方法であって、鋳鉄材に脱炭層を形成させる第一工程と、接合材同士を脱炭層を介して接触させて、脱炭層を含む被接合領域に対して摩擦攪拌接合を施す第二工程と、を有する鋳鉄材を含む被接合材同士の接合方法。【選択図】図１
2014184465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方に鋳鉄材を含む被接合材同士の接合方法であって、
前記鋳鉄材に脱炭層を形成させる第一工程と、
前記接合材同士を前記脱炭層を介して接触させて、前記脱炭層を含む被接合領域に対して摩擦攪拌接合を施す第二工程と、
を有する鋳鉄材を含む被接合材同士の接合方法。
【請求項２】
前記第二工程において、
摩擦攪拌接合によって形成する前記鋳鉄材の攪拌部の深さ又は幅を、前記脱炭層の深さ又は幅と略同一とすること、
を特徴とする請求項１に記載の鋳鉄材を含む被接合材同士の接合方法。
【請求項３】
前記他方の被接合材が鋳鉄材以外の金属材であり、
前記第二工程において、前記鋳鉄材の上に前記金属材を重ね、前記金属材側から前記摩擦攪拌接合用の回転ツールを挿入して重ね合せ接合を施すこと、
を特徴とする請求項１又は２に記載の鋳鉄材を含む被接合材同士の接合方法。
【請求項４】
前記第一工程において、前記脱炭層の形成に減圧脱炭処理を用いること、
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鋳鉄材を含む被接合材同士の接合方法。
【請求項５】
前記他方の被接合材がステンレス鋼材であること、
を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の鋳鉄材を含む被接合材同士の接合方法。
【請求項６】
前記鋳鉄材の摩擦攪拌接合領域に黒鉛変形層及びチル組織を有しないこと、
を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の鋳鉄材を含む被接合材同士の接合方法によって形成された接合部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鋳鉄材の接合方法及びそれにより得られる接合部材に関し、より具体的には、継手の機械的特性を低下させる黒鉛変形層及びチル組織を形成させない鋳鉄材の摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳鉄材の溶融溶接は鉄鋼材の溶融溶接と比較して極めて困難であり、鋳鉄材同士の接合及び鋳鉄材と他の金属材との異材接合のいずれも、実用化が断念されるケースが多い。これは、鋳鉄材を溶融状態から急冷凝固すると、硬くて脆いセメンタイト系共晶やマルテンサイト組織が形成し、当該組織が割れ発生等の原因となり継手特性を劣化させるからである。
【０００３】
これに対し、近年では材料の溶融を伴わない固相接合が注目され、鋳鉄材の接合についても固相接合が検討されている。例えば、特許文献１（特開２０００−２４６４６６号公報）では、黒鉛系鋳鉄材の接合方法が提案されている。具体的には、接合すべき被接合材の少なくとも一方は黒鉛を有する各種鋳鉄系材料、他方は同一、又は異種の黒鉛系鋳鉄、非鋳鉄系の各種鉄鋼材料もしくは非鉄系材料よりなり、少なくとも何れか一方の被接合材の接合面の断面を、回転軸中心を頂点として円周方向へ傾斜する凹開先で形成して、他方の被接合材の接合面との間に同形の空隙ボイドを介して突き合わせ、何れか一方の被接合材を固定し他方を同軸で高速回転し、相互の摩擦力によって生成した黒鉛変形層を接合面外へ排出し、摩擦圧接することが記載されている。
【０００４】
そして、前記特許文献１に記載されている黒鉛系鋳鉄材の接合法においては、黒鉛変形層を接合面外へ排出することで接合面の強度は少なくとも母材又はその熱影響部の強度を超え、接合部を健全で無欠陥の強靱組織で形成するように調整することができるとしている。
【０００５】
また、非特許文献１（溶接学会論文集  第２７巻  第３号  ｐ．１７６−１８２（２００９））では、球状黒鉛鋳鉄材を５７３Ｋ及び７７３Ｋに予熱し、当該予熱した球状黒鉛鋳鉄材に摩擦攪拌接合を施すことを特徴とする球状黒鉛鋳鉄材の接合方法が提案されている。      
【０００６】
前記被特許文献１に記載されている球状黒鉛鋳鉄材の接合方法においては、予熱温度及び接合速度を変化させることにより、球状黒鉛鋳鉄材のチル化（セメンタイト系共晶の形成）及びマルテンサイト化を抑制し、また、摩擦攪拌接合に伴う塑性流動によって形成される黒鉛変形層が機械的特性に及ぼす影響を低減させることで、良好な継手を得ることができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２４６４６６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】溶接学会論文集  第２７巻  第３号  ｐ．１７６−１８２ （２００９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１に開示されている黒鉛系鋳鉄材の接合法は、摩擦圧接法の原理から、断面形状が円形である被接合材にしか適用することができず、被接合材の形状に制限がある。また、上記非特許文献１に開示されている球状黒鉛鋳鉄材の接合方法においては、例えば７７３Ｋと高温の予熱が必要であることに加え、機械的特性を低下させる原因となる黒鉛変形層及びチル組織を完全には排除できない。
【００１０】
以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、断面形状が円形以外の被接合材にも適用可能な鋳鉄材の接合方法及びそれにより得られる接合部材を提供し、より具体的には、予備加熱を必要とせず、継手の機械的特性を低下させる黒鉛変形層及びチル組織を形成させない鋳鉄材の摩擦攪拌接合方法及びそれにより得られる摩擦攪拌接合部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は上記目的を達成すべく、摩擦攪拌接合条件及び摩擦攪拌接合に対する鋳鉄材の予備処理方法等について鋭意研究を重ねた結果、脱炭処理を施した鋳鉄材に摩擦攪拌接合することが極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。
【００１２】
即ち、本発明は、
少なくとも一方に鋳鉄材を含む被接合材同士の接合方法であって、
前記鋳鉄材に脱炭層を形成させる第一工程と、
前記接合材同士を前記脱炭層を介して接触させて、前記脱炭層を含む被接合領域に対して摩擦攪拌接合を施す第二工程と、
を有する鋳鉄材を含む被接合材同士の接合方法を提供する。
【００１３】
本発明の鋳鉄材の接合方法においては、前記第二工程において、摩擦攪拌接合によって形成する前記鋳鉄材の攪拌部の深さ又は幅を、前記脱炭層の深さ又は幅と略同一とすることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の鋳鉄材の接合方法においては、前記他方の被接合材が鋳鉄材以外の金属材であり、前記第二工程において、前記鋳鉄材の上に前記金属材を重ね、前記金属材側から前記摩擦攪拌接合用の回転ツールを挿入して重ね合せ接合を施すことが好ましい。
【００１５】
また、本発明の鋳鉄材の接合方法においては、前記第一工程において、前記脱炭層の形成に減圧脱炭処理を用いることが好ましく、また、前記他方の被接合材がステンレス鋼材であることが好ましい。
【００１６】
本発明の接合部材は、鋳鉄材の摩擦攪拌接合領域に黒鉛変形層及びチル組織を有しないことを特徴とし、上記本発明の鋳鉄材を含む被接合材同士の接合方法によって製造されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、断面形状が円形以外の被接合材にも適用可能な鋳鉄材の接合方法及びそれにより得られる接合部材を提供し、より具体的には、予備加熱を必要とせず、継手の機械的特性を低下させる黒鉛変形層及びチル組織を形成させない鋳鉄材の摩擦攪拌接合方法及びそれにより得られる摩擦攪拌接合部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の鋳鉄材を含む被接合材同士の接合方法の工程図である。
【図２】攪拌部と脱炭層との関係を示す概略図である（突合せ接合）。
【図３】攪拌部と脱炭層との関係を示す概略図である（重ね合せ接合）。
【図４】鋳鉄材を含む接合部材の第一の実施形態（突合せ接合）を示す断面図である。
【図５】鋳鉄材を含む接合部材の第二の実施形態（重ね合せ接合）を示す断面図である。
【図６】脱炭処理を施したことにより脱炭層を有する球状黒鉛鋳鉄板の断面写真である。
【図７】実施例及び比較例において得られた継手１〜継手４及び比較継手１〜比較継手３の表面外観写真である。
【図８】継手１の接合界面近傍における組織を示す断面写真である。
【図９】比較継手４の攪拌部における組織を示す断面写真である。
【図１０】比較継手１の接合界面近傍における組織を示す断面写真である。
【図１１】継手４の接合界面近傍における組織を示す断面写真である。
【図１２】引張せん断試験に用いた試験片の構成を示す概略斜視図である。
【図１３】各試験片の引張せん断強度の試験結果を示すグラフである。
【図１４】引張せん断試験後の試験片の外観を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明の鋳鉄材を含む被接合材同士の接合方法及びそれにより得られる接合部材の代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。
【００２０】
（Ａ）鋳鉄の接合方法
図１は、本発明の鋳鉄材を含む被接合材同士の接合方法の工程図である。本発明の鋳鉄材を含む被接合材同士の接合方法は、鋳鉄材に脱炭層を形成させる第一工程（Ｓ０１）と、第一工程（Ｓ０１）で形成させた脱炭層を含む被接合領域に対して摩擦攪拌接合を施す第二工程（Ｓ０２）と、を有している。なお、本発明の鋳鉄の接合方法に用いる鋳鉄は特に限定されないが、球状黒鉛鋳鉄を用いることが好ましい。
【００２１】
≪第一工程：脱炭処理≫
鋳鉄材への脱炭処理方法については、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々の脱炭処理方法を用いることができる。例えば、脱炭させる雰囲気として砂鉄やスケール片を用い、これを鋳鉄部材と共に鉄箱に密閉し、当該鉄箱を炉内で加熱することで脱炭を達成することができる。一般的には、１０７０℃前後の温度で６０〜１００時間加熱して脱炭処理した後、５００〜６００℃まで徐冷し、その後、放冷する。
【００２２】
上述の脱炭処理方法においては、例えば、２ｍｍの深さの脱炭層を得るために約８０時間が必要となるが、処理時間を短縮して効率的に脱炭処理を行うことができるという観点から、一酸化炭素と二酸化炭素を含む雰囲気ガスを流通させた流動層熱処理炉を用いることが好ましい。この場合、窒素、水素、炭化水素及び空気の中から、任意に１つ若しくは複数種類選択した気体を雰囲気ガスに添加することで、脱炭量を調整することができる。また、一酸化炭素を発生させるために、グラファイト及び活性炭等の炭素粒子を炉内に配置してもよい。
【００２３】
また、従来公知の脱炭剤を用いることで、上述の脱炭速度を増大させることができる。脱炭剤としては、例えば、酸化鉄、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム及び炭酸カルシウム等を用いることができる。
【００２４】
ここで、脱炭効率及び脱炭の均質性等の観点から、本発明の鋳鉄材を含む被接合材の接合方法においては、真空加熱炉を用いた減圧脱炭処理を用いることが好ましい。真空加熱炉を用いて酸素が存在する減圧下で脱炭処理を行うことで、鋳鉄材表面近傍に形成される反応雰囲気が長時間停滞することを防止できるため、効率よく脱炭処理を行うことができる。なお、真空炉内の圧力は特に限定されず、被処理材や求められる処理時間等に応じて適宜設定すればよい。
【００２５】
脱炭処理により形成するべき脱炭層の深さは、第二工程（Ｓ０２）における摩擦攪拌接合条件に依存して、種々の範囲に設定することができるが、１００〜１０００μｍ程度が好ましい。脱炭層が１００μｍ以上であれば、摩擦攪拌条件の最適化が容易であり、脱炭層が１０００μｍ以下であれば、脱炭処理によって空孔が形成されても継手及び鋳鉄材の特性（機械的特性、耐食性及び被覆性等）をある程度、維持・確保できるからである。更には、より確実に摩擦攪拌条件の最適化を容易とし継手及び鋳鉄材の特性を維持・確保するという観点から、５００〜８００μｍ程度がより好ましい。
【００２６】
鋳鉄材において、被接合領域以外等で脱炭が好ましくない場合は、当該領域にマスキングを行うことで脱炭を抑制することができる。即ち、第一工程（Ｓ０１）において、マスキングにより脱炭させない領域を残しておくことができる。
【００２７】
≪第二工程：摩擦攪拌接合≫
第二工程（Ｓ０２）は、第一工程（Ｓ０１）で形成させた脱炭層を含む被接合領域に対して摩擦攪拌接合を施す工程である。即ち、脱炭層を有する鋳鉄材を一方の被接合材とし、当該被接合材と他方の被接合材とを、当該脱炭層を介して接触させ、両者を摩擦攪拌接合する。
【００２８】
摩擦攪拌接合とは、ＦＳＷ（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）と称され、接合しようとする二つの金属材からなる被接合材それぞれの端部を突き合わせ、回転ツールの先端に設けられた突起部（プローブ）を両者の端部の間に挿入し、これら端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ることによって、二つの金属部材を接合する方法である。
【００２９】
本発明における「摩擦攪拌接合」とは、回転ツールを回転させつつ接合方向に向けて移動させる摩擦攪拌接合、回転ツールを回転させつつ接合部位で移動させないスポット摩擦攪拌接合、被接合材同士を接合部位で突合せる摩擦攪拌接合、及び被接合材同士を重ね合わせて一方の被接合材の側から重ね合せた部位まで回転ツールを挿入する摩擦攪拌接合の４つのいずれかの態様、並びにこれらを任意に組み合わせた態様が含まれる。
【００３０】
また、被接合材は鋳鉄材同士でもよく、鋳鉄材とその他の金属材との組み合わせであってもよい。ここで、接合領域における黒鉛変形層及びチル組織の形成を防止するため、少なくとも鋳鉄材の被接合領域については脱炭処理が施されている必要がある。なお、本願において黒鉛変形層とは、摩擦攪拌接合を施す第二工程（Ｓ０２）によって形成されるものを意味し、第二工程（Ｓ０２）以前に母材に有するものは含まない。
【００３１】
ここで、図２及び図３を用いて、摩擦攪拌接合によって形成される攪拌部（回転ツールの挿入に起因した塑性流動によって形成される領域）と、脱炭層と、の関係を説明する。突合せ接合の場合の攪拌部６と脱炭層４との関係を図２に示し、重ね合せ接合の場合を攪拌部６と脱炭層４との関係を図３に示す。本発明においては、摩擦攪拌接合によって形成される攪拌部の深さ又は幅は、脱炭層の深さとほぼ同程度とすることが好ましい。ここで、脱炭層４に存在する空孔は摩擦攪拌接合時にある程度押し潰されるため、各種機械的特性等に及ぼす空孔の影響が許容される限りにおいて、攪拌部６は脱炭層４より小さくてもよい。なお、一般的に攪拌部６の母材結晶粒は微細化されることが多く、未処理部よりも強度等が向上する。
【００３２】
なお、図２及び図３については、鋳鉄板２全体に対して脱炭処理を行った場合を想定しており、鋳鉄材２の全外周面に脱炭層４が形成されている（理解を容易とするために、脱炭層４の割合を実際よりも大きく記載している）。また、図３については鋳鉄板２と鋳鉄板２以外の金属板８とを接合する場合について示している。
【００３３】
図２に示す突合せ接合の場合、突合せ面に存在する脱炭層４の内部に回転ツールを挿入し、脱炭層４の幅と同程度の攪拌部６を形成させることが好ましい。攪拌部６が脱炭層４の外に及ぶと塑性流動の影響で黒鉛変形層が形成され、一方で、攪拌部６が脱炭層４の幅よりも小さい場合は脱炭層４に存在する空孔が継手強度を低下させてしまうからである。なお、脱炭層４に存在する空孔は、摩擦攪拌接合に伴う塑性流動によって消滅する。
【００３４】
図３に示す重ね合せ接合の場合、鋳鉄板２と金属板８との重ね合せ面に存在する脱炭層４の深さと同程度の攪拌部６を形成させることが好ましい。攪拌部６が脱炭層４の外に及ぶと塑性流動の影響で黒鉛変形層が形成され、一方で、攪拌部６が脱炭層４の深さよりも小さい場合は脱炭層４に存在する空孔が継手強度を低下させてしまうからである。なお、脱炭層４に存在する空孔は、摩擦攪拌接合に伴う塑性流動によって消滅する。
【００３５】
上述のとおり、本発明の鋳鉄材を含む被接合材の接合方法は種々の接合態様について適用することができるが、他方の被接合材が鋳鉄材以外の金属材であり、鋳鉄材の上に鋳鉄材以外の金属材を重ね、鋳鉄材以外の金属材側から回転ツールを挿入して重ね合せ接合を施すことが好ましい。特に、他方の被接合材がステンレス鋼材であることが好ましい。ステンレス鋼に関しては黒鉛変形層及びチル組織の形成を考慮する必要がなく、加えて、鋳鉄材とステンレス鋼材とを接合することで、鋳鉄部材に耐食性等を付与することができるからである。
【００３６】
攪拌部６の大きさ及び形状は、回転ツールの大きさ及び形状に加え、摩擦攪拌接合条件によって適宜調節することができる。摩擦攪拌接合を行う場合、基本的にはツール位置は任意の設定値で規定されるが、接合中の入熱が小さくなる条件（回転ツールを低回転速度及び高移動速度とする条件）では回転ツールが浮き上がる傾向となる。また、ツールに加える荷重で制御する荷重制御方式やモータに加わるトルクで制御するトルク制御方式で摩擦攪拌接合を行う場合、ツール回転速度及びツール移動速度と設定荷重がバランスするツール位置となる。
【００３７】
また、攪拌部６の幅は摩擦攪拌接合に伴う入熱が大きい場合（高荷重、高回転及び低移動速度）は大きくなり、入熱が小さい場合（低荷重、低回転及び高移動速度）は小さくなる。これらの関係を利用し、摩擦攪拌接合に用いる回転ツールの大きさ及び形状と、接合条件を適宜設定することで、攪拌部６の大きさ及び形状を制御することができる。
【００３８】
（Ｂ）鋳鉄材を含む接合部材
図４は、本発明の鋳鉄材を含む接合部材の第一の実施形態（突合せ接合）を示した断面図である。また、図５は本発明の鋳鉄材を含む接合部材の第二の実施形態（重ね合せ接合）を示した断面図である。なお、図５については鋳鉄材と鋳鉄材以外の金属材とを接合する場合について示している。
【００３９】
本発明の鋳鉄材を含む接合部材は、攪拌部６を有しており、攪拌部６に黒鉛変形層及びチル組織が存在しないことを特徴としている。なお、本発明の鋳鉄を含む接合部材に用いる鋳鉄材は特に限定されないが、球状黒鉛鋳鉄を用いることが好ましい。また、本発明において黒鉛変形層とは、摩擦攪拌接合を施す第二工程（Ｓ０２）によって形成されるものを意味し、第二工程（Ｓ０２）以前に母材に有するものは含まない。
【００４０】
接合部において、脱炭層４は完全に消失し、攪拌部６となっていることが好ましいが、引張強度及び疲労強度等の機械的特性に大きな影響を与えない程度において、脱炭層４が残存していてもよい。なお、接合部以外における脱炭層４については、残っていても消失していてもよく、特に限定されるものではない。
【００４１】
接合部材は鋳鉄材同士で構成されていてもよく、鋳鉄材と鋳鉄材以外の金属材との組み合わせで構成されていてもよいが、鋳鉄材とステンレス鋼材とで構成されていることが好ましい。なお、本発明の鋳鉄の接合部材は、本発明の鋳鉄の接合方法を用いて製造することができる。
【００４２】
また、摩擦攪拌接合の態様には、回転ツールを回転させつつ接合方向に向けて移動させる摩擦攪拌接合、回転ツールを回転させつつ接合部位で移動させないスポット摩擦攪拌接合、被接合材同士を接合部位で突合せる摩擦攪拌接合、及び被接合材同士を重ね合わせて一方の被接合材の側から重ね合せた部位まで回転ツールを挿入する摩擦攪拌接合の４つ並びにこれらを組み合わせたものが含まれる。
【００４３】
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００４４】
≪実施例１≫
真空加熱炉を用い、板厚３ｍｍの球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ４５０−１０）板に対して脱炭処理を施した。用いた球状黒鉛鋳鉄板の組成を表１に示す。９７０℃の炉中で２４時間の脱炭処理を行うことで、図６に示す脱炭層を有する球状黒鉛鋳鉄板を得た。球状黒鉛鋳鉄板表面近傍で観察される小さな黒い球状の領域が脱炭によって形成した空孔であり、約７００μｍの深さの脱炭層が形成されていることが分かる。
【００４５】
【表１】
2014184465.tif 000003
【００４６】
上述の脱炭処理を施した球状黒鉛鋳鉄板の上に厚さ１．５ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）板を重ね合せ、当該ステンレス鋼板の上から回転ツールを挿入し、摩擦攪拌接合（線接合）を施した。用いたステンレス鋼板の組成を表２に示す。
【００４７】
【表２】
2014184465.tif 000004
【００４８】
回転ツールには超硬合金製のもの（ショルダ径：１５ｍｍ，プローブ径：６ｍｍ，プローブ長：１．６ｍｍ）を用い、ツール回転速度を３００ｒｐｍ、ツール移動速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、荷重を１．６ｔｏｎｆとして荷重制御方式にて摩擦攪拌接合を行い、継手１を得た。なお、ツール前進角は３°とし、摩擦攪拌接合はＡｒ雰囲気中で行った。
【００４９】
≪実施例２≫
摩擦攪拌接合におけるツール回転速度を４００ｒｐｍ、ツール移動速度を８０ｍｍ／ｍｉｎとした以外は実施例１と同様にして、継手２を得た。
【００５０】
≪実施例３≫
摩擦攪拌接合におけるツール回転速度を４００ｒｐｍ、ツール移動速度を１５０ｍｍ／ｍｉｎとした以外は実施例１と同様にして、継手３を得た。
【００５１】
≪実施例４≫
回転ツールのプローブ長を２．０ｍｍとし、摩擦攪拌接合におけるツール回転速度を４００ｒｐｍ、ツール移動速度を１８０ｍｍ／ｍｉｎとした以外は実施例１と同様にして、継手４を得た。
【００５２】
≪比較例１≫
回転ツールのプローブ長を２．０ｍｍとした以外は実施例１と同様にして、比較継手１を得た。
【００５３】
≪比較例２≫
回転ツールのプローブ長を２．０ｍｍとし、摩擦攪拌接合におけるツール回転速度を４００ｒｐｍ、ツール移動速度を１００ｍｍ／ｍｉｎとした以外は実施例１と同様にして、比較継手２を得た。
【００５４】
≪比較例３≫
回転ツールのプローブ長を２．０ｍｍとし、摩擦攪拌接合におけるツール回転速度を４００ｒｐｍ、ツール移動速度を１５０ｍｍ／ｍｉｎとした以外は実施例１と同様にして、比較継手３を得た。
【００５５】
≪比較例４≫
球状黒鉛鋳鉄板に脱炭処理を施さない以外は実施例１と同様にして、比較継手４を得た。
【００５６】
≪比較例５≫
球状黒鉛鋳鉄板に脱炭処理を施さず、摩擦攪拌接合におけるツール回転速度を４００ｒｐｍ、ツール移動速度を５０ｍｍ／ｍｉｎとした以外は実施例１と同様にして、比較継手５を得た。
【００５７】
≪比較例６≫
球状黒鉛鋳鉄板に脱炭処理を施さず、摩擦攪拌接合におけるツール回転速度を４００ｒｐｍ、ツール移動速度を１００ｍｍ／ｍｉｎとした以外は実施例１と同様にして、比較継手６を得た。
【００５８】
≪比較例７≫
球状黒鉛鋳鉄板に脱炭処理を施さず、摩擦攪拌接合におけるツール回転速度を４００ｒｐｍ、ツール移動速度を１５０ｍｍ／ｍｉｎとした以外は実施例１と同様にして、比較継手７を得た。
【００５９】
継手１〜継手４及び比較継手１〜比較継手３の表面外観写真を図７に示す。いずれの継手においても顕著なバリや表面欠陥等は認められず、外観的には良好な継手が得られていることが分かる。
【００６０】
継手１の接合界面近傍における組織写真を図８に示す。接合部の全ての領域（中央、右端部及び左端部）において黒鉛変形層及びチル組織は観察されない。また、脱炭処理によって形成した空孔は塑性流動によって完全に消失しており、極めて良好な継手が得られていることが確認できる。
【００６１】
比較継手４の攪拌部における組織写真を図９に示す。比較継手４では脱炭処理を施していないため、攪拌部全域において黒鉛変形層が観察される。特に、塑性流動が強い板材表面近傍では、著しく変形した黒鉛変形層が形成されている。
【００６２】
比較継手１の接合界面近傍における組織写真を図１０に示す。特に、接合部中央において顕著に黒鉛変形層の形成が確認できる。これは、プローブ長が２．０ｍｍの回転ツールを用いたため、摩擦攪拌接合中に塑性流動が脱炭層を突き抜け、球状黒鉛が存在する領域に達したことが原因である。
【００６３】
継手４の接合界面近傍における組織写真を図１１に示す。継手４においては、プローブ長さが２．０ｍｍの回転ツールを用いているにもかかわらず、黒鉛変形層が確認されない。これは、摩擦攪拌接合の回転ピッチ（ツール移動速度／ツール回転速度）が比較的大きく、接合中の入熱量が小さいため、被接合材からの反力によってツールの位置が僅かに上方に変化し、塑性流動が脱炭層内に納まったと考えられる。また、チル組織及び脱炭処理によって形成した空孔が存在しておらず、極めて良好な継手が得られていることが確認できる。
【００６４】
表３に摩擦攪拌接合において用いる回転ツールのプローブ長及び回転ピッチと黒鉛変形層の有無との関係を示す。プローブ長が１．６ｍｍの場合、全ての継手において黒鉛変形層が形成していない。これは、今回用いた被接合材の配置及び脱炭層の厚さに対し、好適に用いることができるプローブ長が１．６ｍｍであることを示している。
【００６５】
【表３】
2014184465.tif 000005
【００６６】
球状黒鉛鋳鉄板の上側に配置されたステンレス鋼板の厚さが１．５ｍｍであり、球状黒鉛鋳鉄板に形成させた脱炭層の厚さが約７００μｍであることから、それら合計の厚さは約２．２ｍｍとなる。ここで、プローブ直下の塑性流動等を考慮すると、プローブ長が１．６ｍｍのツールを用いた場合に、攪拌領域の厚さが上述の約２．２ｍｍとほぼ等しくなったものと考えられる。
【００６７】
一方で、プローブ長が２．０ｍｍの場合、回転ピッチが０．４５の場合を除いて黒鉛変形層が形成している。プローブ長が２．０ｍｍの場合は塑性流動の影響が脱炭層の外に及び、黒鉛変形層が形成してしまうが、回転ピッチを０．４５と大きくすることで回転ツールが僅かに浮き上がり、結果として好適な範囲で塑性流動が生じたものと考えられる。
【００６８】
［引張せん断試験］
上記実施例及び比較例で得られた継手を用いて、図１２に示す試験片を作製し、引張せん断強度を測定した。なお、当該試験片は継手を接合方向に対して垂直に幅１０ｍｍに切断している。各試験片の引張せん断強度を図１３に示す。
【００６９】
黒鉛変形層が形成した比較継手１〜比較継手７に関しては、引張せん断強度が最大でも６ｋＮ程度に留まっている。これに対し、継手１〜継手４に関しては、引張せん断強度が比較継手１〜比較継手７の約２倍に達していることが分かる。
【００７０】
引張せん断試験後の試験片外観を図１４に示す。実施例１で得られた継手１では、接合部ではなくステンレス鋼板で母材破断しており、被接合材の機械的特性を十分に活用し得る継手となっている。これに対し、比較例１で得られた比較継手１では、接合部（攪拌部）において、黒鉛変形層に沿って破断している。
【符号の説明】
【００７１】
２・・・鋳鉄板
４・・・脱炭層
６・・・攪拌部
８・・・金属板
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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