(57)【要約】【課題】高能率でしかも疲労強度に優れた液相拡散接合部品の疲労特性向上方法および液相拡散接合部品を提供する。【解決手段】  液相拡散接合した部品の接合部の表面を振動数10〜60kHz、振幅0.3〜50μｍで振動する超音波振動端子で打撃して、前記接合部における段差を低減することにより該接合部における応力集中を緩和することを特徴とする液相拡散接合部品の疲労特性向上方法および液相拡散接合部品。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相拡散接合した部品の接合部の表面を振動数10〜60kHz、振幅0.3〜50μｍで振動する超音波振動端子で打撃して、前記接合部における段差を低減することにより該接合部における応力集中を緩和することを特徴とする液相拡散接合部品の疲労特性向上方法。
【請求項２】
質量％で、
Ｃ：０．１〜０．８％、
Ｓｉ：０．０５〜２．５％、
Ｍｎ：０．２〜３％、
Ａｌ：０．００５〜０．１％、
Ｎ ：０．００１〜０．０２％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、引張強さが６００ＭＰａ以上  の鋼材からなる部材を液相拡散接合した液相拡散接合部品であって、前記液相拡散接合部の表  面における圧縮残留応力が、前記鋼材の引張強さの５０％〜９０％であることを特徴とする耐  疲労特性に優れた液相拡散接合部品。
【請求項３】
前記鋼材が、質量％で、さらに、
Ｃｒ：０．１〜２％、
Ｎｉ：０．１〜２％、
Ｍｏ：０．１〜２％、
Ｃｕ：０．１〜２％、
Ｔｉ：０．００３〜０．０５％、
Ｖ：０．０５〜０．５％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１％の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項２に記載の耐疲労特性に優れた液相拡散接合部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高能率でしかも疲労強度に優れた液相拡散接合部品の疲労特性向上方法および液相拡散接合部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材の接合方法として、接合部材（母材）を突き合わせて、塑性変形をほとんど生じない程度に加熱・加圧し、接合面間で生じる原子の拡散を利用して接合する拡散接合法が知られており、機械加工ではできない加工を行う場合などに用いられている。
この拡散接合法には、接合すべき被接合材を直接接合する固相拡散接合のほかに、被接合面間に異種金属のインサート材を挿入して接合する液相拡散接合法がある。
この液相拡散接合法は、被接合材より低融点のインサート材を用い、被接合材を軽く加圧密着して通常真空中または不活性ガス中で加圧接合を行う方法であり、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００３】
このインサート材は、接合温度まで加熱されて液相となり、接合面間の空隙を溶融金属で満たし、接合温度に保持している間にインサート材と母材間で相互拡散が起こり最終的に等温凝固して接合する。
しかし、液相拡散接合を行う高温の母材同士を突き合わせてセッティングする際に、接合部の表面に数１０μｍ程度の段差が生じることがあり、この段差部に応力集中が発生して接合部品の疲労強度が低下するという問題点があった。
液相拡散接合の接合部の疲労強度向上方法については、例えば、特許文献２に接合部にアーク溶接を施すことによって疲労強度を向上させる方法が開示されている。
しかし、特許文献２に記載された方法では、アーク溶接による溶融凝固により引っ張りの残留応力が入り、十分な疲労強度向上が得られないうえ、アーク溶接に必要な労力とコストがかかるという問題点があった。
【特許文献１】特開２００２−２６３８５８号公報
【特許文献２】特開平５−７７０６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、高能率でしかも疲労強度に優れた液相拡散接合部品の疲労特性向上方法および液相拡散接合部品を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、前述の課題を解決するために鋭意検討の結果なされたものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）液相拡散接合した部品の接合部の表面を振動数10〜60kHz、振幅0.3〜50μｍで振動する超音波振動端子で打撃して、前記接合部における段差を低減することにより該接合部における応力集中を緩和することを特徴とする液相拡散接合部品の疲労特性向上方法。
（２）質量％で、
Ｃ：０．１〜０．８％、
Ｓｉ：０．０５〜２．５％、
Ｍｎ：０．２〜３％、
Ａｌ：０．００５〜０．１％、
Ｎ：０．００１〜０．０２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ  、引張強さが６００ＭＰａ以上の鋼材からなる部材を液相拡散接合した液相拡散接合部品であ  って、前記液相拡散接合部の表面における圧縮残留応力が、前記鋼材の引張強さの５０％〜９  ０％であることを特徴とする耐疲労特性に優れた液相拡散接合部品。
（３）前記鋼材が、質量％で、さらに、
Ｃｒ：０．１〜２％、
Ｎｉ：０．１〜２％、
Ｍｏ：０．１〜２％、
Ｃｕ：０．１〜２％、
Ｔｉ：０．００３〜０．０５％、
Ｖ：０．０５〜０．５％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１％の１種または２種以上を含有することを特徴とする（２）に記載の耐疲労特性に優れた液相拡散接合部品。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、高能率でしかも疲労強度に優れた液相拡散接合部品の疲労特性向上方法および液相拡散接合部品を提供することができ、その結果、液相拡散接合法を疲労強度の要求される強度部材の接合に適用することが可能となり、液相拡散接合の適用範囲が拡大するなど、産業上有用な著しい効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明を実施するための最良の形態について図１および図２を用いて詳細に説明する。
図１は、被接合材を液相拡散接合した液相拡散部材を例示する図であり、図１の上段は側面図を示し、下段はその斜視図を示す。
図１において、１および２は被接合部材、３は接合部を示す。
液相拡散接合では、被接合材１および２を突き合わせる際の突き合わせ部分ずれ、あるいは被接合材１および２の寸法精度の違いにより、接合後に図１に示すような数１０μｍ程度の段差Ｇが発生する。
このように、接合部に段差Ｇがあると液相拡散部材に荷重がかかった時に応力集中が生じ、疲労強度が著しく低下する。
この疲労強度低下を防止するためには、接合部の段差Ｇを低減して応力集中部をなくすか、あるいは接合部の表面部に圧縮の残留応力を導入するか２点の対策が考えられる。
【０００８】
本発明者等は、超音波振動する超音波振動端子で鋼材を打撃することにより、上記２点の対策を共に満足することが可能であることを見出した。すなわち、接合部３の表面に大きな圧縮の残留応力を付与し、かつ応力集中部となる段差を低減することにより液相拡散接合部品の疲労強度を大幅に向上できることを見出した。
そこで、本発明は、液相拡散接合した部品の接合部３の表面を振動数10〜60kHz、振幅0.3〜50μｍで振動する超音波振動端子で打撃して、前記接合部における段差を低減することにより該接合部における応力集中を緩和することを特徴とする。
【０００９】
図２は、本発明の液相拡散接合部品の疲労特性向上方法の実施形態を例示する図であり、図２の左側が打撃処理前を示し、図２の右側が打撃処理後を示す。
図２において、１および２は被接合部材、３は接合部、４は超音波振動端子を示す。
図２に示すように、超音波振動端子４により液相拡散接合の接合部３の表面を打撃することによって、接合部３の段差Ｇを低減することにより接合部３の応力集中がなくなるので液相拡散接合部品の疲労強度を大幅に向上できる。
【００１０】
以下に本発明の限定理由を述べる。
超音波打撃処理を行う部位を液相拡散の接合部３の表面に限定したのは、液相拡散接合部品において疲労破壊が主たる問題となるのが、接合部だからであり、特に、応力集中が生じる段差部等の極狭い領域に超音波打撃処理を行なうことが有効である。
超音波振動端子４の振動数を10〜60kHzと限定したのは、鋼材に与えられる圧縮の残留応力がこの領域で大きくなるからである。同様に、超音波振動するピン先端の振幅を0.3μｍ以上と限定したのも、これ以下の振幅では十分な圧縮残留応力を鋼材に与えることができないからである。振幅は大きいほど残留応力が増すが、50μm以上では塑性変形が大きくなり過ぎ、部品の寸法精度が低下するとともに疲労強度も低下するため、振幅の上限を50μmに限定する。
【００１１】
超音波振動端子４の先端の形状は問わないが、半球状、蒲鉾状、鞍状等が考えられるが本発明においては特に限定しない。ただし、半球状の先端形状では、丸棒−丸棒接合の接合部を処理する時に、凸と凸をつきあわせることになるので処理が不安定になる可能性がある。最良は、凸と凹を組み合わせることになる鞍状であるが、超音波振動端子の製造コストが高くなるので図２に示すような凸状のピンが好ましい。
超音波振動端子４の先端の曲率は、大きいほど処理完了後の接合部の応力集中係数が減るが、つぶす体積が増大するために処理に時間が掛かる。このため、曲率は1mm〜20mmが望ましいが特に限定しない。ピン先端の曲率が段差より大きい時は、処理開始時にピン先端が段差の底に届かないが、処理が進むにつれ塑性変形により段差の形状が変化し、ピン先端の曲率と等しくなる。
被接合材が図１に例示したような丸棒の場合は、接合部全周にわたって打撃処理するのが望ましい。
前述の超音波振動端子により打撃処理を施す対象となる液相拡散接合部品を構成する鋼材成分、強度、残留応力の好ましい範囲の限定理由を以下に示す。
【００１２】
＜鋼材成分の限定理由＞
Ｃは、鋼を強化するのに有効な元素であるが、０．１％未満では充分な強度が得られない。一方、過多に添加すると靭性が低下するため、添加量の上限を０．８％とする。
Ｓｉは、鋼の強化元素として有効であるが、０．０５％未満ではその効果がない。一方、過多に添加すると靭性および被削性が低下するため、添加量の上限を２．５％とする。
Ｍｎは、鋼の強化に有効な元素であるが、０．２％未満では充分な効果が得られない。一方、過多に添加すると靭性および被削性が低下するため、添加量の上限を２％とする。
Ａｌは、鋼の脱酸および結晶粒の微細化のために有効な元素であるが、０．００５％未満ではその効果がない。一方、過多に添加すると被削性が低下するため、添加量の上限を０．１％とする。
Ｎは、Ｖ炭窒化物やＮｂ炭窒化物を生成し析出強化のために必要な元素であるが、０．００１％未満では充分な効果が得られない。一方、過多に添加すると靭性が劣化するため、添加量の上限を０．０２％とする。
【００１３】
Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕはいずれも適量の添加においては靱性を損なうことなく強度を増大する元素である。Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕは、いずれも０．1％未満ではその効果はなく、２％を越えると靱性が大きく劣化するため、その添加量の下限をそれぞれ０．１％、上限を２％とする。
Ｔｉは，窒化物・炭化物を生成し、析出強化により強度が上昇するため有効な元素である。さらにＴｉの窒化物は高温まで固溶せずに残るため、加熱時のオーステナイト粗大化を防止するのに有効である。０．００３％未満ではこれらの効果は現れず、０．０５％を越えると靱性が劣化するため、その添加量の下限を０．００３％、上限を０．０５％とする。
Ｖも、Ｔｉ同様窒化物・炭化物を生成し、析出強化により強度が上昇するため有効な元素であるが、効果を享受するためには０．０５％以上の添加が必要である。一方、過多に添加すると靭性が劣化するため、添加量の上限を０．５％とする。
【００１４】
Ｎｂも、Ｔｉ同様窒化物・炭化物を生成し、析出強化により強度が上昇するため有効な元素であるが、効果を享受するためには０．０１％未満では充分な効果が得られない。一方、過多に添加すると靭性が劣化するため、添加量の上限を０．１％とする。
また、これらの元素以外にも、被削性を向上させる元素として、Ｐｂ、Ｓ、Bi等を添加してもよく、その場合も本発明に含まれる。
なお、上記の元素以外に、Ｐ、Ｓ等の不可避的不純物が含まれるが、その場合も本発明に含まれる。
【００１５】
＜引張強度＞
本発明の液相拡散接合部品を構成する鋼材の引張強さの限定理由を以下に示す。
引張強さが６００MPa以下の鋼材では、接合部の圧縮残留応力の下限規定である50%では十分な疲労強度向上効果が得られないため、その下限値を６００ＭＰａとした。
＜残留応力＞
本発明の液相拡散接合部品を構成する鋼材の接合部における残留応力の限定理由を以下に示す。
６００MPa以上の強度を持つ鋼材において、引張強さの５０％以下の圧縮残留応力では十分な疲労強度向上が認められないことおよび、引張強さの９０％以上の圧縮残留応力を付与することは、本発明では困難であることから、その上限を９０％とした。
【実施例】
【００１６】
表１に示す成分の鋼から、小野式回転曲げ試験片（ＪＩＳ  Ｚ−２２７４、１号試験片、記号１-６）を切り出し、１／２L位置で切断した。切断面に厚さ２５μmのFe基のアモルファス箔（成分：2mass%Si、3mass%B）をはさみ、1200℃加熱、窒素雰囲気、面圧10MPa、９００秒保定で接合した。試験片の接合部には70μmから150μmの段差が生じていた。
この試験片に本発明の超音波処理を施したもの、および無処理ないしは範囲外処理を施した比較材を用意し、小野式回転曲げ疲労試験を行ない疲労強度を求めた。表２に示す。表２中の残留応力測定値は、疲労試験を行っていない試験片を別途用意し接合部表層の残留応力を測定したものである。なお、残留応力の測定はX線を用いて行ない、回折X線の強度を測定しピーク強度の半値幅から求めている。
また、表２における段差Ｇは、試験片を州方向に均等に分割した５点における段差を測定したうちの最大値を示す。
超音波打撃処理無しの試料は、引張強度の１／４弱の疲労強度しか得られていない。これは、液相拡散接合近傍の残留応力が引張の残留応力であることと、および、液相拡散接合により生じた段差が疲労強度を低下させていることが原因である。適正な超音波打撃処理を行うことにより、段差をなくし、圧縮の残留応力を導入することにより、引張強度の約半分の疲労強度を得ることが可能となっている。
以上のことから、本発明は比較材に比べ、大幅な疲労強度向上が認めら、有効であることが判明した。
【表１】
2006082127.tif 000003
【表２】
2006082127.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】被接合材を液相拡散接合した液相拡散部材を例示する図である。
【図２】本発明の液相拡散接合部品の疲労特性向上方法の実施形態を例示する図である。
【符号の説明】
【００１８】
１、２  被接合部材
３  接合部
４  超音波振動端子
Ｇ  接合部の段差
【図１】
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【図２】
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