(57)【要約】【課題】高温強度の高い金属材料を接合する場合でも十分な接合強度が得られる摩擦攪拌点接合方法の提供。【解決手段】８００℃かつ歪み速度１０−３ｓ−１での引張強度が１００ＭＰａ以上の金属材料からなる第１部材１および第２部材２を、ピン部５ｂを有する回転工具５によって点接合する。予備工程では、インサート材３を間に挟むように、第１部材１および第２部材２を上下に重ね合わせる。インサート材３は、第１部材１および第２部材２とは異なる金属材料からなる。インサート材３の融点は、第１部材１および第２部材２の融点よりも低い。攪拌工程では、ピン部５ｂを回転させながら第１部材１からインサート材３を介して第２部材２まで圧入し、摩擦熱によってインサート材３を溶融させつつ第１部材１および第２部材２を攪拌する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料からなる第１部材、インサート材および第２部材を重ね合わせ、回転工具のピン部を回転させながら前記第１部材から前記インサート材を介して前記第２部材まで圧入し、摩擦熱によって前記インサート材を溶融させつつ前記第１および第２部材を攪拌することによって点接合する摩擦攪拌点接合方法であって、
前記第１および第２部材のうちの少なくとも一方が、８００℃かつ歪み速度１０−３ｓ−１での引張強度が１００ＭＰａ以上の金属材料からなり、
前記インサート材が、前記第１および第２部材とは異なりかつ前記引張強度が１００ＭＰａ以上の前記金属材料よりも低融点の金属材料からなる、摩擦攪拌点接合方法。
【請求項２】
前記第１および第２部材がそれぞれ鋼からなり、
前記インサート材の融点が１１００℃以下である、請求項１に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【請求項３】
前記第１および第２部材がそれぞれ鋼からなり、
前記インサート材の融点が前記鋼のＡ３変態点以下である、請求項１に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【請求項４】
前記第１および第２部材がそれぞれ鋼からなり、
前記インサート材の融点が前記鋼のＡ１変態点以下である、請求項１に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温強度が高い金属材料を接合するのに適した摩擦攪拌点接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材料同士を接合する方法として、摩擦攪拌点接合方法が提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１に記載されている摩擦攪拌点接合方法では、まず、回転工具の円柱状のピン部材が上側の金属板の表面に当接され、その状態でピン部材を回転させる。これにより、上側の金属板の表面近傍が摩擦熱によって軟化し、塑性流動部が形成される。次に、ピン部材が押し下げられ、塑性流動部が下側の金属板まで拡がるように増加する。その後、ピン部材が引き抜かれ、塑性流動部の塑性流動が停止され、２枚の金属板が接合される。
【０００４】
摩擦攪拌点接合方法によれば、一般に、接合時の入熱を少なくでき、かつ金属組織を微細化できるので、接合材の歪を抑制でき、かつ優れた機械的性質が得られる。このような利点により、摩擦攪拌点接合方法は、輸送機器（自動車、鉄道車両、航空機等）および電気製品等の製造工程において採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１９６６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、輸送機器および電気製品等においては、その機能および用途に応じて高温強度の高い金属材料が用いられることがある。このような高温強度の高い金属材料の接合においても、摩擦攪拌点接合方法を利用することが求められている。しかしながら、本発明者らの種々の検討の結果、従来の摩擦攪拌点接合方法によって高温強度の高い金属材料を接合する場合、接合される金属材料の境界面において新生面を露出および接触させることが難しいことが分かった。そのため、強固な金属結合が得られず、十分な接合強度が得られないことが分かった。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、高温強度の高い金属材料を接合する場合でも十分な接合強度が得られる摩擦攪拌点接合方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らの鋭意研究の結果、高温強度の高い金属材料を摩擦攪拌点接合方法によって接合する際には、接合される金属材料（以下、母材という。）の間にインサート材を挟むことが重要であることが分かった。また、上記インサート材は、母材とは異なる金属材料からなりかつ母材よりも低融点であることが重要であることが分かった。具体的には、接合時に母材間のインサート材を溶融させることによって、母材間の広い範囲において、インサート材の新生面を容易に露出させることができ、かつその新生面を母材に容易に接触させることができる。これにより、母材同士を、インサート材を介して広い範囲で間接的に密着させることができる。また、母材が接合される際に、溶融したインサート材の一部または全部が、接合部の外側に排出される。このとき、各母材の表層部に存在する拡散接合を阻害する不純物（例えば、酸化物等）が、インサート材とともに排出される。これにより、上記不純物が排出された表層部同士を接触させることができ、母材同士をより強固に拡散接合できる。これらの結果、高温強度の高い金属材料を接合する場合でも十分な接合強度が得られる。
【０００９】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、下記の摩擦攪拌点接合方法を要旨としている。
【００１０】
（１）金属材料からなる第１部材、インサート材および第２部材を重ね合わせ、回転工具のピン部を回転させながら前記第１部材から前記インサート材を介して前記第２部材まで圧入し、摩擦熱によって前記インサート材を溶融させつつ前記第１および第２部材を攪拌することによって点接合する摩擦攪拌点接合方法であって、前記第１および第２部材のうちの少なくとも一方が、８００℃かつ歪み速度１０−３ｓ−１での引張強度が１００ＭＰａ以上の金属材料からなり、前記インサート材が、前記第１および第２部材とは異なりかつ前記引張強度が１００ＭＰａ以上の前記金属材料よりも低融点の金属材料からなる、摩擦攪拌点接合方法。
【００１１】
（２）前記第１および第２部材がそれぞれ鋼からなり、前記インサート材の融点が１１００℃以下である、上記（１）に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【００１２】
（３）前記第１および第２部材がそれぞれ鋼からなり、前記インサート材の融点が前記鋼のＡ３変態点以下である、上記（１）に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【００１３】
（４）前記第１および第２部材がそれぞれ鋼からなり、前記インサート材の融点が前記鋼のＡ１変態点以下である、上記（１）に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高温強度の高い金属材料を接合する場合でも十分な接合強度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法を説明するための図
【図２】本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の摩擦攪拌点接合方法を説明する。本発明は、８００℃かつ歪み速度１０−３ｓ−１での引張強度が１００ＭＰａ以上の金属材料を接合する際に好適に用いられる。
【００１７】
図１および図２は、本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法を説明するための図である。図１（ａ）に示すように、本実施形態では、例えば、予備工程として、第１部材１および第２部材２を、インサート材３を間に挟むように上下に重ね合わせ、摩擦攪拌点接合装置の支持部４上に載置する。そして、第１部材１、第２部材２およびインサート材３の上方に摩擦攪拌点接合装置の回転工具５を配置する。本実施形態では、回転工具５は、円柱状のショルダー部５ａ、およびショルダー部５ａから下方に突出する円柱状のピン部５ｂを含む。なお、本発明の摩擦攪拌点接合方法は公知の種々の摩擦攪拌点接合装置を用いて実施できるので、摩擦攪拌点接合装置の詳細な説明は省略する。
【００１８】
第１部材１および第２部材２は、例えば、８００℃かつ歪み速度１０−３ｓ−１での引張強度が１００ＭＰａ以上の金属材料からなる。第１部材１および第２部材２の金属材料としては、例えば、Ｃ含有量が質量％で０．３％（または０．５％）以上の炭素鋼、マルテンサイト鋼、またはチタン等を挙げることができる。なお、第１部材１と第２部材２とは同じ金属材料から形成されてもよく、異なる金属材料から形成されてもよい。
【００１９】
インサート材３の厚さは、３０μｍから５００μｍであることが好ましく、３０μｍから１５０μｍであることがより好ましい。インサート材３は、第１部材１および第２部材２とは異なる金属材料からなる。インサート材３の融点は、第１部材１および第２部材２の融点よりも低い。第１部材１および第２部材２がそれぞれ鋼からなる場合には、インサート材３として、例えば融点が１１００℃以下の金属材料が用いられ、好ましくは融点が上記鋼のＡ３変態点以下の金属材料が用いられ、より好ましくは融点が上記鋼のＡ１変態点以下の金属材料が用いられる。
【００２０】
インサート材３の金属材料としては、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｍｇ等を用いてもよく、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ａｌ系等の合金（Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ａｌ等を基材としたろう材）を用いてもよい。本実施形態では、インサート材３の金属材料は、第１部材１および第２部材２の金属材料に応じて適宜選択される。具体的には、インサート材３の金属材料としては、例えば、第１部材１および第２部材２に液体金属脆化（ＬＭＥ）を生じさせない金属材料が好ましく選択される。また、インサート材３の金属材料としては、例えば、第１部材１および第２部材２と脆弱な金属間化合物を形成しにくい金属材料が好ましく選択される。第１部材１および第２部材２がそれぞれ鋼からなる場合には、インサート材３の金属材料として、例えば、Ａｌ、Ａｌ系ろう材、Ｎｉ系ろう材、またはＣｕ系ろう材が用いられる。
【００２１】
次に、図１（ｂ）に示すように、例えば、攪拌工程として、回転工具５（ピン部５ｂ）を回転させつつ、ピン部５ｂの先端を上側の第１部材１の上面に押し付ける。このとき、第１部材１とピン部５ｂとの接触部に発生する摩擦熱によって第１部材１の一部が軟化し、塑性流動部６が形成される。回転工具５の回転速度は、例えば３０００ｒｐｍに設定され、押圧力は、例えば８ｋＮに設定される。
【００２２】
攪拌工程ではさらに、図２（ａ）に示すように、回転工具５（ピン部５ｂ）を回転させつつ押し下げて、ピン部５ｂを、第１部材１からインサート材３を介して第２部材２まで圧入する。本実施形態では、ショルダー部５ａの底面が第１部材１の上面と略等しい高さに位置するまで、回転工具５を押し下げる。これにより、塑性流動部６が第２部材２まで拡大し、塑性流動部６において第１部材１および第２部材２の金属材料がピン部５ｂによって攪拌される。このとき、インサート材３の一部は、ピン部５ｂの回転によって生じる摩擦熱によって溶融する。さらに、溶融したインサート材３の一部または全部が、回転工具５の押圧力によって、塑性流動部６の外側に排出される。
【００２３】
最後に、図２（ｂ）に示すように、例えば、停止工程として、ピン部５ｂを第１部材１および第２部材２から引き抜き、第１部材１および第２部材２の金属材料の塑性流動を停止させる。これにより、第１部材１と第２部材２とを接合する接合部７が形成される。その後、第１部材１および第２部材２の他の部分について上記の処理（図１（ｂ）および図２に示した処理）が繰り返され、第１部材１および第２部材２の所定の位置が順次接合される。
【００２４】
上述のように、本実施形態では、第１部材１と第２部材２との間に、第１部材１および第２部材２よりも低融点のインサート材３が設けられている。そして、攪拌工程において、インサート材３の一部が溶融する。この場合、第１部材１と第２部材２との間の広い範囲において、インサート材３の新生面を容易に露出させることができ、かつその新生面を第１部材１および第２部材２に容易に接触させることができる。これにより、第１部材１と第２部材２とを、インサート材３を介して広い範囲で間接的に密着させることができる。また、溶融したインサート材３の一部または全部が、回転工具５からの押圧力によって接合部７（塑性流動部６）の外側に排出される。このとき、第１部材１の表層部および第２部材２の表層部に存在する拡散接合を阻害する不純物（例えば酸化物等）が、インサート材３とともに排出される。この場合、上記不純物が排出された第１部材１の表層部および第２部材２の表層部が直接接触することによって、第1部材1と第２部材２とをより強固に拡散接合できる。これらの結果、十分な接合強度が得られる。
【００２５】
上述の実施形態では、第１部材１および第２部材２がともに高温強度の高い金属材料（８００℃かつ歪み速度１０−３ｓ−１での引張強度が１００ＭＰａ以上の金属材料）からなる場合について説明したが、本発明は、第１部材１および第２部材２のうちの一方のみが高温強度の高い金属材料からなる場合でも利用できる。この場合、インサート材３は、少なくとも、上記高温強度の高い金属材料よりも低融点の金属材料によって形成される。
【００２６】
上述の実施形態では、第１部材１および第２部材２を接合する場合について説明したが、本発明は上下に重ね合わされた３つ以上の部材を接合する際にも利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明によれば、高温強度の高い金属材料を接合する場合でも十分な接合強度が得られる。
【符号の説明】
【００２８】
１  第１部材
２  第２部材
３  インサート材
４  支持部
５  回転工具
５ａ  ショルダー部
５ｂ  ピン部
６  塑性流動部
７  接合部
【図１】
2015030007.tif 000003
【図２】
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