(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】予備工程では、軟質層１ｂ，２ｂが第１部材１と第２部材２との境界部に位置するように、第１部材１および第２部材２を上下に重ね合わせる。第１部材１および第２部材２は高温強度の高い金属材料からなる。軟質層１ｂ，２ｂは、室温において第１部材１および第２部材２の母材硬度よりも低い硬度を有する。押圧工程では、回転工具４を回転させながらピン部４ｂを第１部材１の上面に押し付けることによって塑性流動部５を形成する。攪拌工程では、回転工具４を回転させながら、ピン部４ｂを第２部材２まで圧入することによって塑性流動部５を拡大させ、ピン部４ｂによって塑性流動部５を攪拌する。停止工程では、ピン部４ｂを塑性流動部５から引き抜いて塑性流動を停止させる。【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部材および第２部材をその境界部に軟質部を位置させた状態で重ね合わせ、回転工具のピン部を回転させながら前記第１部材から前記第２部材まで圧入し、前記第１部材および前記第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、
前記軟質部が、室温において前記引張強度が１００ＭＰａ以上の前記金属材料の母材硬度よりも低い硬度を有するものである、摩擦攪拌点接合方法。
【請求項２】
前記軟質部は、少なくとも前記引張強度が１００ＭＰａ以上の前記金属材料の表層部に形成される軟質層である、請求項１に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【請求項３】
前記引張強度が１００ＭＰａ以上の前記金属材料は、質量％でＣ含有量が０．３％以上の炭素鋼であり、前記軟質層は、質量％でＣ含有量が０．１％以下の脱炭層である、請求項２に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【請求項４】
８００℃かつ歪み速度１０−３ｓ−１での前記軟質層の引張強度が８０ＭＰａ以下である、請求項２に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【請求項５】
前記引張強度が１００ＭＰａ以上の前記金属材料はマルテンサイト鋼であり、前記軟質層は焼戻し軟化層である、請求項４に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【請求項６】
前記軟質部は、前記引張強度が１００ＭＰａ以上の前記金属材料と同種の金属材料からなりかつ前記第１部材と前記第２部材との間に挟まれるインサート材である、請求項１に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【請求項７】
前記引張強度が１００ＭＰａ以上の前記金属材料は、質量％でＣ含有量が０．３％以上の炭素鋼であり、前記インサート材は、質量％でＣ含有量が０．１％以下の低炭素鋼からなる、請求項６に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【請求項８】
前記引張強度が１００ＭＰａ以上の前記金属材料はステンレス鋼であり、前記インサート材は、質量％でＣ含有量が０．１％以下の低炭素鋼からなる、請求項６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の境界部に、該金属材料の母材硬度よりも低い硬度を有する軟質部を設けることが重要であることが分かった。具体的には、本発明者らは、上記のように軟質部を設けた場合、接合時に回転工具から加えられる押圧力によって、軟質部を容易に微視的に変形させることができることを見出した。そして、上記境界部において軟質部の新生面を容易に露出させることができ、金属材料を強固に接合できることを見出した。
【０００９】
本発明は、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部材および第２部材をその境界部に軟質部を位置させた状態で重ね合わせ、回転工具のピン部を回転させながら前記第１部材から前記第２部材まで圧入し、前記第１部材および前記第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、前記軟質部が、室温において前記引張強度が１００ＭＰａ以上の前記金属材料の母材硬度よりも低い硬度を有するものである、摩擦攪拌点接合方法。
【００１１】
（２）前記軟質部は、少なくとも前記引張強度が１００ＭＰａ以上の前記金属材料の表層部に形成される軟質層である、上記（１）に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【００１２】
（３）前記引張強度が１００ＭＰａ以上の前記金属材料は、質量％でＣ含有量が０．３％以上の炭素鋼であり、前記軟質層は、質量％でＣ含有量が０．１％以下の脱炭層である、上記（２）に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【００１３】
（４）８００℃かつ歪み速度１０−３ｓ−１での前記軟質層の引張強度が８０ＭＰａ以下である、上記（２）に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【００１４】
（５）前記引張強度が１００ＭＰａ以上の前記金属材料はマルテンサイト鋼であり、前記軟質層は焼戻し軟化層である、上記（４）に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【００１５】
（６）前記軟質部は、前記引張強度が１００ＭＰａ以上の前記金属材料と同種の金属材料からなりかつ前記第１部材と前記第２部材との間に挟まれるインサート材である、上記（１）に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【００１６】
（７）前記引張強度が１００ＭＰａ以上の前記金属材料は、質量％でＣ含有量が０．３％以上の炭素鋼であり、前記インサート材は、質量％でＣ含有量が０．１％以下の低炭素鋼からなる、上記（６）に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【００１７】
（８）前記引張強度が１００ＭＰａ以上の前記金属材料はステンレス鋼であり、前記インサート材は、質量％でＣ含有量が０．１％以下の低炭素鋼からなる、上記（６）に記載の摩擦攪拌点接合方法。
【発明の効果】
【００１８】
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】
【００１９】
【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
【図３】本発明の他の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４】本発明の他の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】
【００２０】
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。なお、以下の説明において引張強度とは、歪み速度１０−３ｓ−１での引張強度を意味する。
【００２１】
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、予備工程として金属材料からなる第１部材１および第２部材２を上下に重ね合わせ、摩擦攪拌点接合装置の支持部３上に載置する。そして、第１部材１および第２部材２の上方に摩擦攪拌点接合装置の回転工具４を配置する。本実施形態では、回転工具４は、円柱状のショルダー部４ａ、およびショルダー部４ａから下方に突出する円柱状のピン部４ｂ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。
【００２２】
第１部材１および第２部材２は、例えば、８００℃における引張強度が１００ＭＰａ以上の同種の金属材料（例えば、Ｃ含有量が質量％で０．３％以上の炭素鋼、またはマルテンサイト鋼等）からなる。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。
【００２３】
第１部材１は、生地１ａおよび軟質層１ｂを含み、第２部材２は、生地２ａおよび軟質層２ｂを含む。予備工程では、第１部材１および第２部材２は、軟質層１ｂ，２ｂが第１部材１と第２部材２との境界部に位置するように、上下に重ね合わされる。本実施形態では、軟質層１ｂと軟質層２ｂとが接触するように、第１部材１および第２部材２が重ね合わされる。
【００２４】
軟質層１ｂ，２ｂは、少なくとも室温において、第１部材１の母材硬度（本実施形態では、生地１ａの硬度を第１部材１の母材硬度という。）および第２部材２の母材硬度（本実施形態では、生地２ａの硬度を第２部材２の母材硬度という。）よりも低い硬度を有する。具体的には、室温において、軟質層１ｂ，２ｂのビッカース硬さ（Ｈｖ）は生地１ａ，２ａのビッカース硬さよりも５０以上低いことが好ましく、１５０以上低いことがより好ましい。室温における軟質層１ｂ，２ｂのビッカース硬さは、例えば３５０以下であることが好ましく、８００℃における軟質層１ｂ，２ｂのビッカース硬さは、例えば２５以下であることが好ましい。また、室温において、軟質層１ｂ，２ｂの引張強度は生地１ａ，２ａよりも１５０ＭＰａ以上低いことが好ましく、４５０ＭＰａ以上低いことがより好ましい。室温における軟質層１ｂ，２ｂの引張強度は、例えば１０００ＭＰａ以下であることが好ましく、８００℃における軟質層１ｂ，２ｂの引張強度は、例えば８０ＭＰａ以下であることが好ましい。軟質層１ｂ，２ｂの厚さは、５０μｍ以上であることが好ましく、１００μｍ以上であることがより好ましい。
【００２５】
本実施形態では、第１部材１および第２部材２がそれぞれＣ含有量が質量％で０．３％以上の炭素鋼からなる場合には、軟質層１ｂ，２ｂとして例えば脱炭層が設けられる。脱炭層のＣ含有量は、質量％で０．１％以下であることが好ましく、０．０５％以下であることがより好ましい。第１部材１および第２部材２がそれぞれマルテンサイト鋼からなる場合には、軟質層１ｂ，２ｂとして、例えば焼戻し軟化層が設けられる。
【００２６】
次に、図１（ｂ）に示すように、押圧工程として、回転工具４（ピン部４ｂ）を回転させつつ、ピン部４ｂ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４ｂ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５が形成される。回転工具４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。
【００２７】
次に、図２（ａ）に示すように、攪拌工程として、回転工具４（ピン部４ｂ）を回転させつつさらに押し下げて、ピン部４ｂを、軟質層１ｂ，２ｂを介して生地２ａまで圧入する。本実施形態では、ショルダー部４ａ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４を押し下げる。これにより、塑性流動部５が第２部材２まで拡大し、塑性流動部５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４ｂによって攪拌される。
【００２８】
次に、図２（ｂ）に示すように、停止工程として、ピン部４ｂ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６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。
【００２９】
上述のように、本実施形態では、第１部材１と第２部材２との境界部に、生地１ａ，２ａよりも軟らかい軟質層１ｂ，２ｂが設けられる。この軟質層１ｂ，２ｂは、接合時に回転工具４から加えられる押圧力によって容易に微視的に変形する。この場合、第１部材１と第２部材２との境界部の広い範囲において、第１部材１（軟質層１ｂ）および第２部材２（軟質層２ｂ）の新生面を容易に露出および接触させることができる。その結果、第１部材１と第２部材２とを強固に金属結合させることができる。すなわち、第１部材１と第２部材２とを強固に接合できる。
【００３０】
さらに軟質層１ｂ，２ｂの高温強度が低い場合（例えば、８００℃における引張強度が８０ＭＰａ以下の場合）には、ピン部４ｂが軟質層１ｂ，２ｂに圧入される際に、軟質層１ｂ，２ｂを容易に塑性流動させることができる。この場合、第１部材１と第２部材２との境界部の広い範囲において塑性流動部５を容易に形成することができる。これにより、第１部材１および第２部材２の金属材料を広い範囲で攪拌することができる。その結果、第１部材１と第２部材２とをより強固に接合できる。
【００３１】
なお、上述の実施形態では、第１部材１および第２部材２の両方に軟質層を設けているが、第１部材１および第２部材２のいずれか一方のみに軟質層が設けられてもよい。
【００３２】
また、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℃における引張強度が１００ＭＰａ以上の金属材料）からなる場合について説明したが、第１部材１および第２部材２のうちの一方のみが上記高温強度の高い金属材料（例えば、高炭素鋼）からなり、他方が高温強度の低い金属材料（例えば、低炭素鋼）からなってもよい。この場合、室温における軟質層１ｂ，２ｂの硬度（または引張強度）は、少なくとも高温強度の高い金属材料の母材硬度（または引張強度）よりも低ければよい。また、軟質層は、少なくとも高温強度の高い金属材料に設けられていればよい。例えば、第２部材２のみが高温強度の高い金属材料からなる場合には、軟質層１ｂを設けなくてもよい。また、この場合には、室温における軟質層２ｂの硬度（または引張強度）は、第２部材２の母材硬度（または引張強度）よりも低ければよく、第１部材１の母材硬度（または引張強度）よりも高くてもよい。
【００３３】
図３および図４は、本発明の他の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。なお、図１および図２で説明した上述の実施形態と同様の処理については、詳細な説明は省略する。
【００３４】
図３（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と第２部材２との間に、第１部材１および第２部材２と同種の金属材料からなる板状のインサート材７を挟み、これらを上下に重ね合わせて支持部３上に載置する。なお、本実施形態においても、第１部材１および第２部材２に上述の軟質層１ｂ，２ｂ（図１参照）を設けてもよい。
【００３５】
本実施形態では、第１部材１および第２部材２は、例えば、８００℃における引張強度が１００ＭＰａ以上の同種の金属材料（例えば、Ｃ含有量が質量％で０．３％以上の炭素鋼、析出強化型Ａｌ、またはステンレス鋼等）からなる。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。
【００３６】
インサート材７は、少なくとも室温において、母材硬度（第１部材１および第２部材２の硬度）よりも低い硬度を有する。具体的には、室温において、インサート材７のビッカース硬さ（Ｈｖ）は第１部材１および第２部材２のビッカース硬さよりも５０以上低いことが好ましく、１５０以上低いことがより好ましい。室温におけるインサート材７のビッカース硬さは、例えば１２０以下であることが好ましく、８００℃におけるインサート材７のビッカース硬さは、例えば２５以下であることが好ましい。また、室温において、インサート材７の引張強度は第１部材１および第２部材２よりも１５０ＭＰａ以上低いことが好ましく、４５０ＭＰａ以上低いことがより好ましい。室温におけるインサート材７の引張強度は、例えば３５０ＭＰａ以下であることが好ましく、８００℃におけるインサート材７の引張強度は、例えば８０ＭＰａ以下であることが好ましい。インサート材７の厚さは、１００μｍ以上であることが好ましく、２００μｍ以上であることがより好ましい。
【００３７】
本実施形態では、第１部材１および第２部材２がそれぞれＣ含有量が質量％で０．３％以上の炭素鋼からなる場合には、インサート材７として例えば低炭素鋼が用いられる。低炭素鋼のＣ含有量は、質量％で０．１％以下であることが好ましく、０．０５％以下であることがより好ましい。第１部材１および第２部材２が析出強化型Ａｌからなる場合には、インサート材７として、例えば純Ａｌが用いられる。第１部材１および第２部材２がステンレス鋼からなる場合には、インサート材７として例えば低炭素鋼が用いられる。低炭素鋼のＣ含有量は、質量％で０．１％以下であることが好ましく、０．０５％以下であることがより好ましい。
【００３８】
次に、図３（ｂ）に示すように、押圧工程として、回転工具４を回転させつつ、ピン部４ｂの先端を上側の第１部材１の上面に押し付ける。これにより、塑性流動部５が形成される。
【００３９】
次に、図４（ａ）に示すように、攪拌工程として、回転工具４を回転させつつさらに押し下げて、ピン部４ｂを、インサート材７を介して第２部材２まで圧入する。これにより、塑性流動部５が第２部材２まで拡大し、塑性流動部５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４ｂによって攪拌される。
【００４０】
次に、図４（ｂ）に示すように、停止工程として、ピン部４ｂを第１部材１、インサート材７および第２部材２から引き抜き、第１部材１、インサート材７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６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。
【００４１】
上述のように、本実施形態では、第１部材１と第２部材２との境界部に、母材（第１部材１および第２部材２）よりも軟らかいインサート材７が設けられる。このインサート材７は、接合時に回転工具４から加えられる押圧力によって容易に微視的に変形する。この場合、第１部材１と第２部材２との境界部の広い範囲において、インサート材７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。その結果、第１部材１と第２部材２とを強固に接合できる。
【００４２】
さらに、第１部材１と第２部材２とが接合される際に、インサート材７の一部は、接合部６（塑性流動部５）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７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の表層部とインサート材７とをより強固に拡散接合でき、かつ上記不純物が排出された第２部材２の表層部とインサート材７とをより強固に拡散接合できる。
【００４３】
なお、インサート材７の高温強度が低い場合（例えば、８００℃における引張強度が８０ＭＰａ以下の場合）には、ピン部４ｂがインサート材７に圧入される際に、インサート材７を容易に塑性流動させることができる。この場合、第１部材１と第２部材２との境界部の広い範囲において塑性流動部５を容易に形成することができる。これにより、インサート材７を介した広い接合部６を形成する事が出来る。
【００４４】
図３および図４で説明した実施形態では、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からなる場合について説明したが、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（例えば、高炭素鋼）からなり、他方が高温強度の低い金属材料（例えば、低炭素鋼）からなってもよい。例えば、第２部材２のみが高温強度の高い金属材料からなってもよい。この場合、室温におけるインサート材７の硬度（または引張強度）は、第１部材１および第２部材２の硬度（または引張強度）よりも低いことが好ましい。
【００４５】
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。また、上述の実施形態では、接合される金属材料の一例としてＣ含有量が質量％で０．３％以上の炭素鋼を挙げたが、本発明は、Ｃ含有量が質量％で０．５％以上の炭素鋼を接合する際にも好適に利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
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】
【００４７】
１  第１部材
１ａ  生地
１ｂ  軟質層
２  第２部材
２ａ  生地
２ｂ  軟質層
３  支持部
４  回転工具
４ａ  ショルダー部
４ｂ  ピン部
５  塑性流動部
６  接合部
７  インサート材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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