(57)【要約】【課題】Ｔｉ−Ａｌ合金製の部材と鋼製の部材とを接合し、接合部の強度が母材強度を上回る接合体を製造するに当たり、接合時の温度コントロールをシビアにしなくても、高い良品歩留まりをもって、安定に接合体を製造することが可能な接合方法を提供する。【解決手段】Ｔｉ−Ａｌ合金部材（１）と鋼部材（２）との間に、Ｃ含有量が０．１０％以下であるフェライト系ステンレス鋼で製造した中間材（３）を挟み、Ｔｉ−Ａｌ合金部材と中間材との間および中間材と鋼部材との間に、Ｎｉロウ（４）を介在させて、拡散接合を行なう。拡散接合は、真空中または不活性ガス雰囲気中において、温度がＮｉロウの融点を超え１１５０℃以下である温度に加熱して、１．５〜７．０ＭＰａの圧力を加え、その条件に１０〜１８０秒間保つことにより実施する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｉ−Ａｌ合金の部材と鋼の部材との接合体であって、Ｔｉ−Ａｌ合金の部材と鋼の部材との間にフェライト系ステンレス鋼からなる中間材を挟み、Ｔｉ−Ａｌ合金の部材と中間材との間、および中間材と鋼の部材との間に、Ｎｉロウを介在させて接合してなる接合体。
【請求項２】
中間材を形成するフェライト系ステンレス鋼が、重量で、Ｃ：０．１０％以下、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下およびＣｒ：１０．５〜３２．０％を含有し、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０４５％以下、Ｎｉ：０．６％以下であって、残部がＦｅおよび不純物からなる合金組成を有する請求項１の接合体。
【請求項３】
中間材を形成するフェライト系ステンレス鋼が、請求項２に規定した合金成分に加えて、Ｔｉ：０．０１〜０．５％、Ｎｂ：０．０２〜１．０％およびＭｏ：０．０５〜２．０％の１種または２種以上を含有する請求項１または２の接合体。
【請求項４】
自動車エンジンのタービンホイールもしくはタービンロータ、またはエンジンバルブである請求項１〜３のいずれかの接合体。
【請求項５】
Ｔｉ−Ａｌ合金の部材と鋼の部材とを接合する方法であって、Ｔｉ−Ａｌ合金の部材と鋼の部材との間にフェライト系ステンレス鋼からなる中間材のシートを挟み、Ｔｉ−Ａｌ合金の部材と中間材との間、および中間材と鋼の部材との間にそれぞれＮｉロウの箔を挟み、接合部を、真空中または不活性ガス雰囲気中において、温度がＮｉロウの融点を超えて１１５０℃以下である温度に加熱し、１．５〜７．０ＭＰａの圧力を加え、その条件に１０〜１８０秒間保つことからなる接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｔｉ−Ａｌ合金製の部材と鋼製の部材とを接合してなる接合体と、接合方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば自動車エンジンのターボ装置に使用するタービンホイール（ホットホイール）は、高温に耐えるように、Ｔｉ−Ａｌ合金（ＴｉＡｌやＴｉ3Ａｌなど）製のホイール部材を使用し、これを鋼製のシャフト用部材に接合したのち、機械加工を加えて製作する。このホイール部材とシャフト用部材との接合は、接合の強固さとともに信頼性が要求されるが、従来の技術は、十分に満足な結果を与えるものではなかった。
【０００３】
Ｔｉ−Ａｌ合金製の部材（以下「チタン部材」という）と鋼製の部材（以下「鋼部材」という）との接合は、以前は、まずチタン部材に中間材を接合した後、中間材に鋼部材を接合するという手法によっていた（特許文献１、特許文献２）。しかし、これでは接合工程が２工程になり、能率がよくない。
【０００４】
そこで、接合を１工程ですませることが要求され、チタン部材と鋼部材とを、ロウ材を用いて直接接合する方法が開発された（特許文献３）。ところが、この方法によるときは、拡散接合を行なうのであるから当然ではあるが、ロウ付けに際してロウ材を挟んだ両方の部材の成分が相互に拡散して反応することが避けられない。鋼部材中のＣ成分が拡散してチタン部材中のＴｉと反応すると、脆い炭化物が形成される。このため、接合部分が弱く、接合強度が母材強度を下回る製品ができてしまう。
【０００５】
出願人は、チタン部材と鋼部材との間に「中間材」を置き、摩擦圧接により一体に接合する方法を開発して開示した（特許文献４）。中間材としては、オーステナイト系ステンレス鋼もしくは耐熱鋼、またはＮｉ基もしくはＣｏ基の超合金を使用する。この接合法によるときは、上記の炭化物の形成という問題は生じない。
【０００６】
このようにして製造したホットホイールは、使用時に温度の上昇・下降の熱サイクルに起因する熱応力が加わるため、とくに小型のものに関しては、チタン部材と中間材との間の接合部において、疲労破壊が生じる危険が指摘された。その問題の解決策として提案されたのは、中間材として、チタン部材と同等の熱膨張率を有するもの、具体的には、インコネル９０９のようなＦｅ基の超合金を使用した摩擦圧接である（特許文献５）。常温から６００℃の範囲において、インコネル９０９の熱膨張率（８〜１０×１０−６／℃）は、チタン部材（ＴｉＡｌ合金の場合）のそれ（９〜１１×１０−６／℃）と、ほぼ同等である。
【０００７】
ところが、近年、ホットホイールの使用条件がいっそう過酷となり、７００℃に達する高温にさらされる場合がめずらしくなくなった。インコネル９０９の熱膨張率は、常温から４００℃程度はほぼ一定の低い値にあるが、それを超えると急激に上昇しはじめるから、上述の熱サイクルが引き起こす疲労破壊が、改めて問題になる。
【０００８】
拡散接合の原理による接合法として、出願人は、チタン部材と鋼部材との間に「バリアー材」を挿入し、その両側に第一および第二のロウ材を介在させて、全体を加熱・加圧する接合方法を開発した（特許文献６）。バリアー材とするものの具体例をあげれば、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏの１種以上を主成分とする金属、たとえばＮｉ基の低熱膨張合金製の、厚さが０．０１mm以上のものである。ロウ材としては、Ｎｉベースのもの（ＪＩＳ規格ＢＮｉ−３すなわち４．５Ｓｉ−３．２Ｂ−Ｎｉ）が好適である。
【特許文献１】特開平２−１３３１８３
【特許文献２】特開平２−１５７４０３
【特許文献３】特開平１０−１１８７６４
【特許文献４】特公平８−１８１５１
【特許文献５】特開平１１−３２０１３２
【特許文献６】特開２００１−２０５４４３
【０００９】
このバリアー材を使用する接合方法により、接合部における炭化物の生成が防止され、接合部の強度が母材の強度を上回る接合体が実現した。しかし、実施してみると、良品歩留まりが低い場合が、ときに経験された。その理由を追及したところ、ひとつは接合部におけるホウ化物の生成による強度低下であり、いまひとつは、接合条件とくに加熱温度の好適範囲が狭く、その適切な条件にコントロールすることの困難さにあることがわかった。
【００１０】
第一の原因であるホウ化物の生成による接合部の強度低下は、バリアー材が、その合金成分としてＮｂやＭｏを多量に含んでいると、それらがＮｉベースのロウ材中のＢ成分と反応して、ＮｂＢ，ＭｏＢを生成するという現象に起因する。バリアー材は、耐熱性を必要とするため、超合金の類が好んで用いられたが、それらの合金は、下記のように、ＮｂやＭｏを多量に含有している。（重量％）
Ｆｅ   Ｎｉ  Ｃｒ  Ｍｏ   Ｃｏ   Ｎｂ   Ｔｉ   Ａｌ
インコネル９０９    残部(42)  38    13    −    4.7    1.5    0.03   −
Ｎｉ基低熱膨張合金    −     残部   12    18     −     −    1.0    1.0
【００１１】
第二の原因は、不用意に高められた温度において、上記したホウ化物の生成が生じやすいということである。接合部分の加熱は、高周波誘導コイルによる誘導加熱が好都合に用いられており、放射温度計との組み合わせによりインプットする電力を調整することによって、温度コントロールは比較的精密に行なえるのであるが、それでも、接合にとって適切な温度範囲が狭く、不良品の発生は、この温度コントロールをシビアにしなければならないにもかかわらず、それが困難であることに起因している。また、Ｎｉ基やＣｏ基の超合金は、一般に高価であるから、安価な合金をバリアー材として使用したいというよう要求もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、チタン部材と鋼部材とを接合する技術を改良し、接合体の良品歩留まりを高めること、換言すれば、接合時の温度コントロールをシビアにしなくても、接合部の強度が母材強度を上回るという性能をもった接合体を、安定に供給できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のＴｉ−Ａｌ合金製の部材（チタン部材）と鋼製の部材（鋼部材）との接合体は、図１に構造を観念的に示すように、チタン部材（１）と鋼部材（２）との間に、フェライト系ステンレス鋼からなる中間材（３）を挟み、チタン部材と中間材との間および中間材と鋼部材との間に、Ｎｉロウ（４）を介在させて接合してなる接合体である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の接合体は、チタン部材と鋼部材との間に挟んだフェライト系ステンレス鋼の中間材がバリアーとなって、接合時に鋼材中のＣ成分が拡散してＴｉと出会い、反応して炭化物ＴｉＣを形成することが防止されるとともに、ロウ材のＢがバリアー材のＮｂやＭｏと反応してホウ化物ＮｂＢやＭｏＢを形成するということがないから、接合部が強固に形成され、母材の強度を上回るという性能が確保され、かつ、接合時にシビアな温度コントロールを行なわなくても、接合体の良品歩留まりがきわめて高く得られるという効果を奏する。
【００１５】
本発明で中間材とするフェライト系ステンレス鋼は、ホットホイールが到達することのある高温（７００℃程度）の領域まで、熱膨張率がチタン部材と鋼部材のそれらのほぼ中間にあって、温度の上昇につれて増大する値をとる。したがって、両部材と中間材との熱膨張率の差や、中間材の熱膨張率の急激な変化に起因する熱応力の問題が軽減され、疲労破壊の危険が低くなる。フェライト系ステンレス鋼はまた、Ｎｉ基やＣｏ基の超合金より安価である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
上記の接合体を与える本発明の接合方法は、図２にターボエンジンのホットホイールを製作する場合を例にとって示すように、ホットホイールであるＴｉ−Ａｌ合金の部材とシャフトを構成する鋼の部材（７）とを接合する方法であって、チタン部材と鋼の部材との間にフェライト系ステンレス鋼からなる中間材（３）のシートを挟み、チタン部材（６）と中間材（３）との間、および中間材（３）と鋼部材（７）との間に、それぞれＮｉロウ（４）の箔を挟み、接合部を、真空中または不活性ガス雰囲気中において、温度がＮｉロウの融点を超えて１１５０℃以下である温度に加熱して、１．５〜７．０ＭＰａの圧力を加え、その条件に１０〜１８０秒間保つことからなる。
【００１７】
中間材を形成するフェライト系ステンレス鋼の適切な合金組成は、重量で、Ｃ：０．１０％以下、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下およびＣｒ：１０．５〜３２．０％を含有し、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０４５％以下、Ｎｉ：０．６％以下であって、残部がＦｅおよび不純物からなる。これらの合金成分に加えて、Ｔｉ：０．０１〜０．５％、Ｎｂ：０．０２〜１．０％およびＭｏ：０．０５〜２．０％の１種または２種を含有することができる。合金組成をこのように定めた理由は、つぎのとおりである。
【００１８】
Ｃ：０．１０％以下
Ｃ含有量が０．１０％以下であれば、中間材自身から拡散するＣ成分の量が少量に止まり、チタン部材中のＴｉとの反応による炭化物ＴｉＣの生成が防止できるが、この効果を確実にするためには、Ｃ：０．０５％以下、好ましくは０．０２〜０．０３％程度に低減したものを使用することが推奨される。
【００１９】
Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下
これらは鋼の溶製時に脱酸剤として添加されるが、多量に存在すると靱性を低下させるので、それぞれ上記の限度内の含有量とする。
【００２０】
Ｃｒ：１０．５〜３２．０％
Ｃｒはフェライト系ステンレス鋼にとって重要な成分であって、耐酸化性および高温強度を高める。この効果は１０．５％以上の添加により得られるが、添加量を増してもそれに伴わず、３２％を超えると飽和する。
【００２１】
Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０４５％以下、Ｎｉ：０．６％以下
ＰおよびＳは不可避な不純物であって、さまざまな特性を低下させるから、含有量はなるべく低減したい。上記の値は許容限度である。Ｎｉは、原料によって混入するので、上記の規格値以内に止める。
【００２２】
Ｔｉ：０．０１〜０．５％、Ｎｂ：０．０２〜１．０％、Ｍｏ：０．０５〜２．０％の１種または２種
Ｔｉは耐酸化性を、Ｎｂは耐酸化性および高温強度を、Ｍｏは高温強度を、それぞれ向上させる。前述したように、これらの成分は、それぞれ炭化物ＴｉＣや、ホウ化物ＮｂＢやＭｏＢを形成すると、接合部の強度を著しく低下させたり、良品歩留まりを引き下げたりするから、危険な存在である。しかし、接合部のフェライト系ステンレス鋼それ自体の特性を改善するという観点からは、少量の存在はむしろ好ましいものである。それゆえ、添加の効果が認められ、かつ、その弊害が危険にならないという見地から選んだ上記の範囲内で、適切な量を添加するとよい。
【００２３】
上記の中間材の厚さは、最低限、０．０５mmあれば、バリアーとしての役割を果たす。これより薄いと、鋼材のＣ成分が拡散してチタン部材との接合面に至り、炭化物を形成する。中間材の製造を、フェライト系ステンレス鋼の棒材をスライスすることにより行なう場合は、切削加工が容易な材料であることが望まれるので、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｓｅなどの被削性改善元素を添加した快削鋼の棒材を用いることが好ましい。
【００２４】
接合の温度は、少なくともＮｉロウの融点を超えなければならないことは、ロウ付けという操作から当然のことである。１１５０℃という上限は、これを超えると、Ｎｉロウ中の主成分であるＮｉとチタン部材のＴｉＡｌとが反応して脆弱な金属間化合物ができるから、接合界面が弱くなる。接合面を加圧する圧力は、低いと接合部分にボイドが生じるおそれがあり、一方で高いと接合時に変形して、ふくれが生じるため、寸法精度の低下や後加工の必要量が増大するという問題を引き起こす。上記の範囲内であれば、こうした問題はない。一定の温度・圧力に保持する時間は、短すぎては接合のための拡散が不十分に終わり、長すぎてはエネルギーの浪費になるばかりか、Ｎｉロウの成分とチタン部材の成分との反応が起こるおそれがでてくるから、上記の範囲に定めた。
【実施例１】
【００２５】
下記の合金組成のＴｉ−Ａｌ合金を材料に、レビテーション溶解−精密鋳造によりターボチャージャーのホットホイールを鋳造した。これと接合させるシャフト用の鋼部材として、下記の合金組成のＳＣＭ４３５Ｈ鋼の、径１７mm×長さ１００mmの丸棒を選んだ。
Ｔｉ−Ａｌ合金：Ｔｉ−３３．５Ａｌ−４．８Ｎｂ−１．０Ｃｒ−０．２Ｓｉ
ＳＣＭ４３５Ｈ：Ｆｅ−０．３５Ｃ−１．０Ｃｒ−１．０Ｎｂ−０．２Ｍｏ
接合に好都合なように、図１に示した形状に旋削して、下記のようなインロー状の組み合わせにした。
凸材：ホットホイール側、外径５．９mm×高さ５mm
凹材：ステム側、内径６．０mm×深さ７mm
【００２６】
中間材として、下記の表１に示す合金組成を有するフェライト系ステンレス鋼Ａ〜Ｄ、ＬおよびＭを用意した。Ａ〜Ｄは本発明の好適な態様に従った合金組成のもの、ＬおよびＭは、比較のために用いた、好適範囲外の合金組成のものである。実施例および比較例の中間材を、外径１７mm×内径６mmで、厚さが０．５mmのリング状に加工した。ロウ材は、ＪＩＳ規格ＢＮｉ−３（Ｎｉ−４．５Ｓｉ−３．２Ｂ）を使用し、外径１７mm×内径６mmで、厚さが０．０４mmのリング状体とした。
【００２７】
表１  重量％
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【００２８】
接合を、表２に掲げた条件で実施した。No.７（比較例）は、中間材を使用しない場合である。接合部分の加熱は、高周波誘導加熱（１００ＫＷ，周波数１０ｋＨｚ）によった。雰囲気はＡｒガスである。接合後、接合体を５００℃に３０分間保持する歪み取りを行なった。得られた接合体の接合部を径１６mmに切削し、常温における引張り試験および４５０℃におけるねじり試験にかけた（ともにＮ＝１０の平均値）。結果を、標準偏差とともに、表２に、あわせて掲げる。
【００２９】
表２  
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【００３０】
表２の結果は、本発明に従って得た接合体は、接合部が引張りおよびねじりに対して高い強度を示すこと、および、それらの強度特性のバラツキが小さく、接合体に高い良品歩留まりが期待できることを示している。破断は、いずれも母材（チタン部材）内で生じ、接合部で生じることはなかった。
【実施例２】
【００３１】
中間材として、本発明に従う合金ＥおよびＦに加え、参考例として、既知の技術で使用されていた、Ｘ（インコネル９０９、Ｆｅ基の超合金）およびＹ（Ｎｉ基の低熱膨張合金）を使用した。それらの合金組成は、表３に示すとおりである。中間材Ｆについては、厚さ０．５mmのものと、１．０mmのものとを用意した。
【００３２】
これらの材料の熱膨張率（常温〜７００℃の平均値）を、チタン部材（ＴｉＡｌ）および鋼部材（ＳＣＭ４３５）のそれとともに比較すると、下記の表４のとおりである。本発明で使用するフェライト系ステンレス鋼の熱膨張率は、おおよそ中間材ＥおよびＦのそれに近い。
【００３３】
表３  重量％
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【００３４】
表４
中間材                線膨張率α（×１０−６／℃）
チタン部材（ＴｉＡｌ）                １１．６
鋼部材（ＳＣＭ４３５）                １４．１
中間材Ｅ（フェライト系ステンレス鋼）  １２．５
中間材Ｆ（フェライト系ステンレス鋼）  １２．３
中間材Ｘ（インコネル９０９）          １１．６
中間材Ｙ（低熱膨張合金）              １３．４
【００３５】
そのほかは実施例１と同じ条件で、Ｔｉ−Ａｌ合金部材と鋼部材との接合を行ない、同様な試験をした。結果を、表５に示す。
【００３６】
表５
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【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上、自動車エンジンのターボチャージャー用ホットホイールの製作に関して説明してきたが、本発明は、タービンロータ（コールドホイール）の製作にも適用できることはもちろんであり、エンジンバルブのヘッドとステムの接合そのほか、チタン部材と鋼部材との拡散接合に関して、本発明は広い用途をもつ。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のＴｉ−Ａｌ合金製の部材と鋼製の部材との接合体について、その構造を観念的に示す側面図。
【図２】本発明の接合方法を説明するため、ターボエンジンのタービンホイールを製作する場合を例にとって、接合直前の各部材の配置を示した断面図。
【符号の説明】
【００３９】
１  Ｔｉ−Ａｌ合金製の部材（チタン部材）
２  鋼の部材（鋼部材）
３  中間材
４  Ｎｉロウ材
６  タービンホイール（ホットホイール）
７  シャフト用部材
【図１】
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【図２】
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