(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の部材を他方の部材に当接させ、被接合界面に対して略垂直に荷重を印加した状態で摺動させる摩擦圧接方法であって、
前記被接合界面の面積及び前記荷重から算出される圧力（Ｐ１）を、所望する接合温度における前記一方の部材及び／又は前記他方の部材の降伏応力以上かつ引張強度以下となるように設定して摩擦圧接を行う第一工程と、
前記荷重を低下させて摩擦圧接を行う第二工程と、を有し、
前記第一工程と前記第二工程を連続的に行うこと、
を特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項２】
前記第二工程において、温度上昇に伴う前記被接合界面の軟化領域を前記面積から差し引いて真の圧力（Ｐ２）を算出し、前記圧力（Ｐ１）と前記真の圧力（Ｐ２）が略同一となるように前記荷重を低減させること、
を特徴とする請求項１に記載の摩擦圧接方法。
【請求項３】
前記軟化領域を前記面積の１０〜５０％とすること、
を特徴とする請求項２に記載の摩擦圧接方法。
【請求項４】
前記圧力（Ｐ１）を、所望する前記接合温度における前記一方の部材及び／又は前記他方の部材の降伏応力に設定すること、
を特徴とする請求項１〜３のうちのいずれかに記載の摩擦圧接方法。
【請求項５】
前記一方の部材及び／又は前記他方の部材を鉄系金属とすること、
を特徴とする請求項１〜４のうちのいずれかに記載の摩擦圧接方法。
【請求項６】
前記接合温度を前記鉄系金属のＡ１点以下とすること、
を特徴とする請求項１〜５のうちのいずれかに記載の摩擦圧接方法。
【請求項７】
前記鉄系金属を高速度工具鋼とすること、
を特徴とする請求項５又は６に記載の摩擦圧接方法。
【請求項８】
２つの金属材の接合部を有する接合構造物であって、
前記金属材の少なくとも一方が高速度工具鋼であり、
前記接合部の接合界面における前記高速度工具鋼の旧オーステナイト結晶粒が等軸粒となっており、
前記旧オーステナイト結晶粒に起因する結晶粒界を有する領域が、前記接合界面を中心に略一定間隔で分布し、
前記接合界面近傍の硬度が５００ＨＶ未満であり、
前記接合界面の略全ての領域が冶金的に接合されていること、
を特徴とする接合構造物。
【請求項９】
２つの金属材の接合部を有する接合構造物であって、
前記金属材の少なくとも一方が高速度工具鋼であり、
前記接合部の接合界面が主として再結晶粒からなり、
前記再結晶粒を有する領域が、前記接合界面を中心に略一定間隔で分布し、
前記接合界面近傍の硬度が５００ＨＶ未満であり、
前記接合界面の略全ての領域が冶金的に接合されていること、
を特徴とする接合構造物。
【請求項１０】
前記高速度工具鋼がＪＩＳ−ＳＫＨ５１であること、
を特徴とする請求項８又は９に記載の接合構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属材の摩擦圧接方法に関し、より具体的には、接合温度を正確に制御可能な摩擦圧接方法であって、被接合材の種類に依らず欠陥のない接合部を得ることができる摩擦圧接方法、及びそれにより得られる接合構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、摩擦発熱現象を利用した固相接合（摩擦接合）方法が、従来の溶融溶接よりも接合部の強度低下を小さくできる接合方法として注目されている。代表的な当該固相接合方法としては、高速で回転する円柱状のツールを被接合材に圧入して接合する「摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）」や、回転する円柱状の被接合材を固定された被接合材に当接させて接合する「摩擦圧接」等を挙げることができる。【０００３】
特に、ツールが不要な摩擦圧接の対象となる被接合材の種類及び組合せは多岐に亘り、汎用構造材である鋼に関しても、盛んに研究開発が進められている。例えば、特許文献１（特開２００１−２８７０５１号公報）では、硬度が摩擦圧接の回転半径方向にわたってほぼ均一となる高張力鋼材の摩擦圧接継手を提供する方法が提案されている。【０００４】
上記特許文献１に記載の高張力鋼材の摩擦圧接継手は、結晶粒径が２μｍ以下の微細組織を有し、引張強さが６０ｋｇｆ／ｍｍ２以上であるとともに、炭素量が０．１ｗｔ％以下の高張力鋼材の摩擦圧接継手であり、高張力鋼材の炭素量が０．１ｗｔ％と低く抑えられている。この０．１ｗｔ％以下の低炭素量により、摩擦圧接する際に、高張力鋼材の外周部は組織変化が抑制され、硬化が抑制される、としている。【０００５】
また、特許文献２（特開２００２−２９４４０４号公報）では、摩擦圧接接合部の硬さ上昇が少ない、摩擦圧接に適した高炭素鋼材およびその製造方法が提供されている。【０００６】
摩擦圧接される部材（鋼材）は、高圧力下で、融点直下の温度までに１０秒前後で急速加熱され、ついで１２００℃以上から急速冷却されるという、極めて急激な加熱冷却サイクルに晒される。このため、急速加熱時に部材の結晶粒が粗大化し、その後の急速冷却により硬質のマルテンサイト相に変態し、接合部の硬さが上昇する。【０００７】
これに対し、上記特許文献２に記載の高炭素鋼材では、固溶状態のＮｂを０．００５ ％以上含有させることで高炭素鋼材のオーステナイト結晶粒の粗大化を防止し、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５１の規定に準拠した酸化法により８００℃×５分の熱処理後に測定されるオーステナイト粒度番号を９以上とすることができ、摩擦圧接接合部の硬さの上昇を抑制することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−２８７０５１号公報
【特許文献２】特開２００２−２９４４０４号公報
【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に開示されている摩擦圧接継手は炭素量が０．１ｗｔ％以下の高張力鋼材であることが必須であり、対象となる被接合材が極めて狭い範囲に限定されてしまう。【００１０】
また、上記特許文献２に開示されている摩擦圧接継手においても、被接合材として用いることができる鋼材の組成が限定される。加えて、熱影響部における硬度（強度）低下を効果的に抑制することはできない。特に、被接合材同士を摺動させる摩擦接合においては、継手特性の制御が困難である。ここで、摩擦圧接時の接合温度は接合部の機械的性質に大きく影響し、接合温度を低温化することができれば接合部の機械的性質を改善することができるが、上記特許文献１及び２に開示されている摩擦圧接方法では当該接合温度を正確に制御することができない。【００１１】
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、接合温度を正確に制御できることに加えて接合温度の低温化が可能な摩擦圧接方法であって、被接合材の種類に依らず欠陥のない接合部を得ることができる摩擦圧接方法、及びそれにより得られる接合構造物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は上記目的を達成すべく、摩擦接合条件について鋭意研究を重ねた結果、被接合界面に印加する圧力によって接合温度及びその分布を制御すること等が極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。【００１３】
即ち、本発明は、
一方の部材を他方の部材に当接させ、被接合界面に対して略垂直に荷重を印加した状態で摺動させる摩擦圧接方法であって、
前記被接合界面の面積及び前記荷重から算出される圧力（Ｐ１）を、所望する接合温度における前記一方の部材及び／又は前記他方の部材の降伏応力以上かつ引張強度以下となるように設定して摩擦圧接を行う第一工程と、
前記荷重を低下させて摩擦圧接を行う第二工程と、を有し、
前記第一工程と前記第二工程を連続的に行うこと、
を特徴とする摩擦圧接方法を提供する。【００１４】
本発明の摩擦圧接方法においては、第一工程において基本となる接合温度を決定することができる。摩擦圧接で被接合材同士の摺動により摩擦熱を発生させる場合、印加圧力の増加に伴い発熱量が増加し、接合温度は高くなると考えるのが一般的である。しかしながら、本発明者が鋭意検討を行ったところ、印加圧力の増加に伴って接合界面近傍の温度（所謂、「接合温度」）が低下するという現象が認められた。【００１５】
具体的には、摩擦圧接の印加圧力を増加させると当該摩擦熱は増加するが、軟化した材料はバリとなって連続的に排出されるため、軟化した材料に印加される圧力（バリを排出する力）によって「接合温度」が決定される。つまり、印加圧力を高く設定した場合、より高い強度（降伏強度が高い状態）の被接合材をバリとして排出することができる。ここで、「より降伏強度が高い状態」とは、「より低温の状態」を意味していることから、印加圧力の増加によって「接合温度」が低下することになる。降伏強度と温度の関係は材料によって略一定であることから、摩擦熱を用いた場合と比較して、極めて正確に接合温度を制御することができる。【００１６】
即ち、本発明においては、摩擦圧接時の圧力を、所望する接合温度における一方の部材及び／又は他方の部材の降伏応力以上かつ引張強度以下に設定すること、で接合温度を制御することができる。勿論、本発明は摩擦圧接時の圧力を、所望する接合温度における一方の部材及び／又は他方の部材の降伏応力以上かつ引張強度以下に設定した場合であって、実際に印加される圧力が引張強度よりも大きくなることを排除するものではない。ここで、摩擦圧接時の圧力を被接合材の降伏応力以上とすることで被接合界面からのバリの排出が開始され、引張強度までの間で当該圧力を増加させると、バリの排出が加速されることになる。降伏応力と同様に、特定の温度における引張強度も被接合材によって略一定であることから、設定した圧力に対応する接合温度を実現することができる。【００１７】
また、本発明の摩擦圧接方法においては、第二工程において被接合界面全域（特に被接合界面中心部）における接合温度を均一化することができ、未接合部の形成を効果的に抑制することができる。例えば、摩擦圧接では被接合材の外周側で周速が大きくなり、中心部と比較して摩擦発熱量が増加する。その結果、被接合界面の外周部近傍では軟化が進行し、印加される荷重の支持が困難となる。即ち、荷重を支える被接合界面の面積が低減し、実際に被接合界面中心部に印加される圧力は設定値よりも大きくなる。上述のとおり、印加圧力の上昇は接合温度を低下させることから、特に、所望する接合温度が低い場合、被接合材の変形抵抗が大きな場合、及び被接合界面における熱伝導が速やかに進まない場合等には、接合界面中心部に未接合部が形成されることになる。【００１８】
これに対し、第二工程において被接合界面に印加する荷重を低減することにより、接合温度を上昇させることができる。当該第二工程によって被接合界面中心部の温度を接合が可能な程度に上昇させることで、未接合部が存在しない良好な摩擦圧接継手を得ることができる。一般的な摩擦圧接においては接合の最終工程（アプセット工程）で印加圧力を増加させるが、本発明の摩擦圧接方法においては、全く逆の工程を経ることで被接合界面における接合温度の均一化を実現することができる。なお、第一工程から第二工程への移行（荷重の低下）は徐々に行ってもよく、急激に行ってもよい。【００１９】
ここで、一般的な摩擦圧接においては、被接合材を回転させるモーターの負荷率は接合開始直後に極大値を示した後、回転停止直前まで定常状態となり、設定した寄り代を達成した直後の回転停止時に短時間増加する。これに対し、本発明の摩擦圧接方法を用いて、熱伝導率が低い材料に対して低温条件（低回転速度及び高荷重の接合条件）で接合を行う場合、モーターの負荷率は接合初期に定常状態が続いた後、設定した寄り代を達成する直前に増加する。当該モーター負荷率の増加は、接合中心部の未接合部形成過程で生じるものと考えられ、モーター負荷率が増加し始めるタイミングで摩擦圧力を減少させる（第二工程に移行する）ことで、被接合界面における温度分布を均一にすることができる。なお、当該タイミングでの第二工程への移行は、例えば、接合温度を鋼のＡ１点以下とする場合や、チタン合金のβトランザス温度以下とする場合に適用することが好ましい。【００２０】
本発明の摩擦圧接方法においては、前記第二工程において、温度上昇に伴う前記接合界面の軟化領域を前記面積から差し引いて真の圧力（Ｐ２）を算出し、前記圧力（Ｐ１）と前記真の圧力（Ｐ２）が略同一となるように前記荷重を低減させること、が好ましい。また、微小時間当たりに増加する軟化領域に応じて、徐々に荷重を低減させることがより好ましい。軟化領域の増加を推定する方法としては、接合中の回転トルクや被接合領域外縁の温度を測定する方法を挙げることができる。より具体的には、軟化領域の増加に伴って回転トルクは低下し、接合温度は上昇する傾向となる。【００２１】
軟化領域とは、第一工程から第二工程に移行する時点の被接合界面の温度分布状態において、圧力（Ｐ１）によって塑性変形が生じている領域を意味する。当該軟化領域は第一工程後の被接合界面の状態を観察することで決定することができるが、被接合界面の観察による軟化領域の決定を省略する場合は、当該軟化領域を被接合界面の面積の１０〜５０％とすることが好ましく、１５〜２０％とすることがより好ましい。軟化領域を被接合界面の面積の１０〜５０％として真の圧力（Ｐ２）を算出することで、被接合界面中心部における未接合部の形成を効果的に抑制することができる。【００２２】
本発明の摩擦圧接方法においては、摩擦圧接時の圧力（Ｐ１）を、所望する接合温度における一方の部材及び／又は他方の部材の降伏応力に設定すること、が好ましい。摩擦圧接において、バリの排出が開始されるのは圧力が降伏応力に達した瞬間であり、当該圧力をより高い値（引張強度を上限として）とした場合に比べて、より正確に所望の接合温度を実現することができる。【００２３】
本発明の摩擦圧接方法においては、前記一方の部材及び／又は前記他方の部材を鉄系金属とすること、が好ましい。鉄系金属は摩擦圧接の接合プロセスに耐え得る機械的特性を有していることから、被接合材を鉄系金属とすることで、接合プロセス中における不要な箇所での変形等を防止することができる。加えて、摩擦圧接は固相接合であり、一般的な溶融接合では顕著に認められる接合部の機械的性質の低下を抑制することができる。なお、本発明において鉄系金属とは、組成において鉄を主とする金属を意味し、例えば、種々の鋼や鋳鉄等が含まれる。【００２４】
また、本発明の摩擦圧接方法においては、前記一方の部材及び／又は前記他方の部材を高速度工具鋼とすることがより好ましい。高速度工具鋼は変形抵抗が大きいことに加え、大量の合金元素を含有することから熱伝導率が低く、被接合界面における接合温度の均一化が比較的困難である。これに対し、本発明の摩擦圧接方法においては第二工程で被接合界面中心部に十分な接合温度を付与することができ、未接合部の形成を抑制することができる。なお、２０℃における鉄の熱伝導率が７２．７Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対し、代表的な高速度工具鋼であるＳＫＨ５１の熱伝導率は３０．０Ｗ／ｍ・Ｋである。また、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の熱伝導率は１６．７Ｗ／ｍ・Ｋとより低く、本発明の摩擦圧接方法を用いて好適に接合を行うことができる。【００２５】
また、本発明の摩擦圧接方法においては、接合温度を被接合材として用いる鉄系金属のＡ１点以下とすること、が好ましい。鉄系金属では相変態によって脆いマルテンサイトが形成し、接合が困難な場合及び接合部が脆化してしまう場合が存在する。これに対し、本発明の摩擦圧接方法によって接合温度をＡ１点以下とすることで、相変態が生じないことから、脆いマルテンサイトの形成を完全に抑制することができる。【００２６】
一般的な摩擦圧接においては、接合中の最高到達温度が被接合材である鉄系材のＡ３点又はＡｃｍ点よりも高くなる。特に、従来の摩擦圧接は被接合面の酸化被膜等をバリと一緒に排出して接合を達成する技術であり、十分な量のバリを排出するために接合温度をＡ３点又はＡｃｍ点よりも高くする（接合部を十分に軟化させる（接合部の組織をオーステナイトとする））必要がある。【００２７】
これに対し、本発明の摩擦圧接方法においては、最高到達温度を鉄系材のＡ１点以下とすることができ、接合プロセス中の最高到達温度が被接合材である鉄系材のＡ１点以下であれば接合部において変態が生じることがなく、マルテンサイトが形成されない。また、従来の摩擦圧接と比較して低い温度で接合が達成されるため、熱影響部の形成を抑制することができる。その結果、鉄系材の組成によらず、接合部の硬度上昇及び熱影響部における硬度（強度）低下を抑制することができる。【００２８】
また、本発明の摩擦圧接方法においては、金属製被接合材同士の摺動に起因する摩擦熱と、金属製被接合材の塑性変形に起因する加工発熱と、を共に用いること、が好ましい。従来の摩擦圧接は摩擦熱を利用した接合方法であるが、金属製被接合材の塑性変形に起因する加工発熱を積極的に活用することで、低い接合温度においても良好な継手を得ることができる。【００２９】
また、本発明の摩擦圧接方法においては、従来の摩擦圧接と比較して接合圧力を高く、回転速度を極端に低く（例えば、４００ｒｐｍ未満）することで、接合温度を被接合材である鉄系材のＡ１点以下とすることができる。加えて、金属製被接合材の塑性変形に起因する加工発熱を発生させることができ、低い接合温度においても良好な継手を得ることができる。なお、一般的な摩擦圧接において用いられる回転速度は数千ｒｐｍであり、本発明の摩擦圧接で用いる回転速度とは全く異なる数値範囲である。【００３０】
また、本発明の方法においては、前記一方の部材及び／又は前記他方の部材をチタン又はチタン合金とすること、が好ましい。チタン又はチタン合金は摩擦圧接の接合プロセスに耐え得る機械的特性を有していることから、被接合材をチタン又はチタン合金とすることで、接合プロセス中における不要な箇所での変形等を防止することができる。加えて、摩擦圧接は固相接合であり、一般的な溶融接合では顕著に認められる接合部の機械的性質の低下を抑制することができる。なお、純チタンの熱伝導率は１７．１Ｗ／ｍ・Ｋ、チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）の熱伝導率は７．５Ｗ／ｍ・Ｋと低く、本発明の摩擦圧接方法を好適に用いることができる。【００３１】
更に、本発明の摩擦圧接方法においては、被接合材をチタン又はチタン合金とした場合の前記接合温度を、前記チタン又はチタン合金のβトランザス温度以下とすること、が好ましい。接合温度をチタン又はチタン合金のβトランザス温度以下とすることで、接合部の組織を微細等軸粒とすることができ、高い強度と靭性を兼ね備えた接合部を形成することができる。【００３２】
本発明の摩擦圧接方法においては、摩擦圧接時の圧力を、所望する接合温度における一方の部材及び／又は他方の部材の降伏応力以上かつ引張強度以下に設定すること、で接合温度を制御することができることに加え、第二工程で被接合界面中心部に十分な接合温度を付与することで接合界面での温度の不均一性を抑制することができるが、例えば、異材を接合する場合等において、接合界面における温度分布の均一性を担保することが困難な場合は、外部から接合領域を強制冷却することが好ましい。【００３３】
異材接合では接合界面の温度分布や塑性変形挙動の位置依存性がより顕著になるため、良好な継手を得るためにはこれらを抑制する必要がある。ここで、被接合材の外周部は周速が速くなることから、中心部と比較して接合中の温度が高くなる傾向となるところ、外周部を強制冷却することで半径方向の温度分布を均一にすることができる。なお、本発明の効果を損なわない限りにおいて強制冷却の手段は特に限定されず、送風や液体窒素及び液体ＣＯ２等の供給によって冷却することができるが、冷却効率が高い液体ＣＯ２を噴射することが好ましい。【００３４】
また、接合界面の半径方向における温度分布を均一にするためには、被接合材の回転速度を小さくし、摩擦圧接時の圧力（Ｐ１）を高く設定することが好ましい。当該条件と強制冷却を組み合わせることによって、例えば、一方の部材をステンレス鋼、他方の部材をチタン合金とする場合であっても、高い継手効率を有する異材継手を得ることができる。【００３５】
また、本発明は、
２つの金属材の接合部を有する接合構造物であって、
前記金属材の少なくとも一方が高速度工具鋼であり、
前記接合部の接合界面における前記高速度工具鋼の旧オーステナイト結晶粒が等軸粒となっており、
前記旧オーステナイト結晶粒に起因する結晶粒界を有する領域が、前記接合界面を中心に略一定間隔で分布し、
前記接合界面近傍の硬度が５００ＨＶ未満であり、
前記接合界面の略全ての領域が冶金的に接合されていること、
を特徴とする接合構造物、も提供する。【００３６】
本発明の接合構造物は一方を高速度鋼とする接合部を有しているが、接合部の過剰な硬度上昇が抑制されていることに加えて、未接合部が存在しないことから、極めて信頼性の高い接合構造物となっている。なお、本発明の接合構造物は、本発明の摩擦圧接方法によって好適に製造することができる。【００３７】
本発明の接合構造物においては、接合部の接合界面における高速度工具鋼の旧オーステナイト結晶粒が等軸粒となっており、旧オーステナイト結晶粒に起因する結晶粒界を有する領域が、接合界面を中心に略一定間隔で分布している。旧オーステナイト結晶粒が等軸粒となっていることは、接合プロセス中にオーステナイト粒が再結晶したことを意味している。【００３８】
更に、本発明は、
２つの金属材の接合部を有する接合構造物であって、
前記金属材の少なくとも一方が高速度工具鋼であり、
前記接合部の接合界面が主として再結晶粒からなり、
前記再結晶粒を有する領域が、前記接合界面を中心に略一定間隔で分布し、
前記接合界面近傍の硬度が５００ＨＶ未満であり、
前記接合界面の略全ての領域が冶金的に接合されていること、
を特徴とする接合構造物、も提供する。【００３９】
本発明の接合構造物は一方を高速度鋼とする接合部を有しているが、接合部の過剰な硬度上昇が抑制されていることに加えて、未接合部が存在しないことから、極めて信頼性の高い接合構造物となっている。即ち、一方を切削工具として汎用されているＪＩＳ−ＳＫＨ５１とした場合であっても、未接合部が存在しない良好な接合構造物とすることができる。なお、本発明の接合構造物は、本発明の摩擦圧接方法によって好適に製造することができる。【００４０】
本発明の接合構造物においては、接合界面が主として再結晶粒から形成されている。接合界面近傍の組織が微細等軸の再結晶粒となることで、強度、靱性、信頼性等の機械的特性に優れた接合部とすることができる。ここで、再結晶粒は金属製被接合材の塑性変形と加熱（昇温）に伴って形成されるものであり、本発明の摩擦圧接方法の大きな特徴の一つである。また、本発明の摩擦圧接方法においては、接合界面近傍に強加工ひずみが導入されることにより再結晶温度が低下するという効果も存在し、低温での接合が実現される。これに対し、従来の摩擦圧接方法では接合温度が高くなるため、鉄系材の接合界面近傍には主として変態組織が形成される。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、接合温度を正確に制御できることに加えて接合温度の低温化が可能な摩擦圧接方法であって、被接合材の種類に依らず欠陥のない接合部を得ることができる摩擦圧接方法、及びそれにより得られる接合構造物を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の摩擦圧接の接合工程を示す模式図である。
【図２】各温度における炭素鋼の変形応力（降伏応力）を示すグラフである。
【図３】各温度における各種金属の引張強度を示すグラフである。
【図４】本発明の接合構造物における接合部を示す模式図である。
【図５】被接合材の組織写真である。
【図６】実施例１における摩擦圧接中の接合温度の変化を示すグラフである。
【図７】実施例１得られた継手の接合部中心を含む縦断面のマクロ写真である。
【図８】図７における接合界面の中心の組織写真である。
【図９】図７における接合界面の側面の組織写真である。
【図１０】実施例１で得られた接合部の硬度分布である。
【図１１】実施例１及び比較例２で得られた継手の引張強度を示すグラフである。
【図１２】実施例２における摩擦圧接時の接合圧力及び接合温度の変化を示すグラフである。
【図１３】比較例１における摩擦圧接中の接合温度の変化を示すグラフである。
【図１４】比較例１で得られた継手の接合部中心を含む縦断面のマクロ写真である。
【図１５】比較例１で得られた接合部の破面である。
【図１６】比較例２における摩擦圧接中の接合温度の変化を示すグラフである。
【図１７】比較例２で得られた継手の接合部中心を含む縦断面のマクロ写真である。
【図１８】図１７における接合界面の中心の組織写真である。
【図１９】図１７における接合界面の側面の組織写真である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、図面を参照しながら本発明の摩擦圧接方法及びそれにより得られる接合構造物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。
【００４４】
図１は本発明の摩擦圧接の接合工程を示す模式図である。本発明の摩擦圧接方法は、一方の部材２を他方の部材４に当接させ、被接合界面６に対して略垂直に荷重を印加した状態で回転摺動させる摩擦圧接方法であって、被接合界面６の面積及び荷重から算出される圧力（Ｐ１）を、所望する接合温度における一方の部材２及び／又は他方の部材４の降伏応力以上かつ引張強度以下となるように設定して摩擦圧接を行う第一工程と、荷重を低下させて摩擦圧接を行う第二工程と、を有しており、第一工程と第二工程を連続的に行うことを特徴とするものである。以下、各工程について詳細に説明する。
【００４５】
（１−１）第一工程
第一工程は、一方の部材２を他方の部材４に当接させ、被接合界面６に対して略垂直に荷重を印加した状態で回転摺動させる工程であって、本工程においては被接合界面６の面積及び荷重から算出される圧力（Ｐ１）を、所望する接合温度における一方の部材２及び／又は他方の部材４の降伏応力以上かつ引張強度以下となるように設定して摩擦圧接を行う。
【００４６】
ここで、一方の部材２及び他方の部材４のどちらか一方のみを回転させてもよく、両方を回転させてもよい。また、一方の部材２を他方の部材４に当接させる前に回転させてもよく、被接合界面６を形成させた後に回転させてもよい。
【００４７】
一方の部材２及び他方の部材４の材質は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、摩擦圧接によって接合可能な金属相を有していればよいが、鉄系金属、チタン又はチタン合金であること、が好ましく、高速度工具鋼であることがより好ましい。鉄系金属、チタン又はチタン合金は摩擦圧接の接合プロセスに耐え得る機械的特性を有していることから、被接合材をこれらの金属とすることで、接合プロセス中における不要な箇所での変形等を防止することができる。加えて、摩擦圧接は固相接合であり、一般的な溶融接合では顕著に認められる接合部の機械的特性の低下を抑制することができる。更に、塑性変形抵抗が大きく熱伝導率が低い高速度鋼やチタン合金であっても、第二工程で被接合界面の温度分布を均一化することで、未接合部が存在しない良好な接合部を形成することができる。
【００４８】
また、一方の部材２及び他方の部材４の形状及びサイズは、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の摩擦圧接で接合される被接合材の形状及びサイズとすることができる。
【００４９】
被接合界面６に対して略垂直に圧力（Ｐ１）を印加した状態で、一方の部材２と他方の部材４とを同一軌跡上で回転摺動させることで、被接合界面６からバリ８が排出される。ここで、本発明の摩擦圧接においては、摩擦圧接時の圧力（Ｐ１）を、所望する接合温度における一方の部材２及び／又は他方の部材４の降伏応力以上かつ引張強度以下に設定することで、接合温度を制御することができる。ここで、圧力（Ｐ１）を被接合材の降伏応力以上とすることで被接合界面６からのバリ８の排出が開始され、引張強度までの間で圧力（Ｐ１）を増加させると、バリ８の排出が加速されることになる。降伏応力と同様に、特定の温度における引張強度も被接合材によって略一定であることから、設定した圧力（Ｐ１）に対応する接合温度を実現することができる。
【００５０】
具体例として、各温度における炭素鋼の変形応力（降伏応力）を図２に、各温度における各種金属の引張強度を図３に、それぞれ示す。なお、図２は「鉄と鋼，第６７年（１９８１）第１１号，１４０頁」に掲載されたグラフであり、図３は「鉄と鋼，第７２年（１９８６）第６号，５５頁」に掲載されたグラフである。これらの図に示されているように、特定の温度における引張強度及び降伏応力は材料によって略一定である。
【００５１】
即ち、接合時の圧力（Ｐ１）を高く設定した場合、より高い降伏強度及び引張強度の被接合材をバリとして排出することができ、接合温度を低下させることができる。また、図２及び図３に示されているとおり、特定の温度における引張強度及び降伏応力は材料によって略一定であることから、極めて正確に接合温度を制御することができる。
【００５２】
また、より正確に接合温度を制御するためには、圧力（Ｐ１）を所望する接合温度における一方の部材及び／又は他方の部材の降伏応力に設定することが好ましい。摩擦圧接において、バリ８の排出が開始されるのは圧力（Ｐ１）が降伏応力に達した瞬間であり、圧力（Ｐ１）をより高い値（引張強度を上限として）とした場合に比べて、より正確に接合温度を規定することができる。
【００５３】
換言すると、摩擦熱による温度上昇によって被接合材の降伏応力が低下し、当該降伏応力が圧力（Ｐ１）よりも低くなった瞬間にバリ８の排出が開始される。ここで、被接合材を摺動させる回転速度を増加させることによって昇温速度は増加するが、最高到達温度（接合温度）は変化しない。
【００５４】
摩擦圧接においては、圧力（Ｐ１）以外の接合パラメータ（被接合材の回転速度、接合時間及び寄り代等）も設定する必要があるが、本発明の効果を損なわない限りにおいてこれらの値は制限されず、被接合材の材質、形状及びサイズ等によって適宜設定すればよい。
【００５５】
一方の部材２及び／又は他方の部材４を鉄系金属とする場合、接合温度を被接合材として用いる鉄系金属のＡ１点以下とすること、が好ましい。鉄系金属では相変態によって脆いマルテンサイトが形成し、接合が困難な場合及び接合部が脆化してしまう場合が存在する。これに対し、本発明の摩擦圧接方法によって接合温度をＡ１点以下とすることで、相変態が生じないことから、脆いマルテンサイトの形成を完全に抑制することができる。なお、鉄系材のＡ１点（℃）は、例えば、「Ａ１＝７５０．８−２６．６Ｃ＋１７．６Ｓｉ−１１．６Ｍｎ−２２．９Ｃｕ−２３Ｎｉ＋２４．１Ｃｒ＋２２．５Ｍｏ−３９．７Ｖ−５．７Ｔｉ＋２３２．４Ｎｂ−１６９．４Ａｌ−８９４．７Ｂ」で知ることができる（Ｃ，Ｓｉ等には各元素の質量％を代入する）。
【００５６】
また、一方の部材２及び／又は他方の部材４をチタン又はチタン合金とする場合、接合温度を、チタン又はチタン合金のβトランザス温度以下とすること、が好ましい。接合温度をチタン又はチタン合金のβトランザス温度以下とすることで、接合部の組織を微細等軸粒とすることができ、高い強度と靭性を兼ね備えた接合部を形成することができる。
【００５７】
（１−２）第二工程
第二工程は、第一工程と連続する工程であり、第二工程において被接合界面６全域（特に被接合界面６中心部）における接合温度を均一化することができ、未接合部の形成を効果的に抑制することができる。摩擦圧接では被接合材の外周側で周速が大きくなり、中心部と比較して摩擦発熱量が増加する。その結果、被接合界面の外周部近傍では軟化が進行し、印加される荷重の支持が困難となる。即ち、荷重を支える被接合界面６の面積が低減し、実際に被接合界面６の中心部に印加される圧力は設定値（Ｐ１）よりも大きくなる。上述のとおり、印加圧力の上昇は接合温度を低下させることから、特に、所望する接合温度が低い場合、被接合材（２，４）の変形抵抗が大きな場合、及び被接合界面６における熱伝導が速やかに進まない場合等には、接合界面６中心部の接合温度が低過ぎることに起因して未接合部が形成されることになる。
【００５８】
これに対し、第二工程において被接合界面６に印加する荷重を低減することにより、接合温度を上昇させることができる。当該第二工程によって被接合界面６中心部の温度を接合が可能な程度に上昇させることで、未接合部が存在しない良好な摩擦圧接継手を得ることができる。一般的な摩擦圧接においては接合の最終工程で印加圧力を増加させるが、本発明の摩擦圧接方法においては、全く逆の工程を経ることで被接合界面における接合温度の均一化を実現することができる。
【００５９】
本発明の摩擦圧接方法においては、前記第二工程において、温度上昇に伴う被接合界面６の軟化領域を面積から差し引いて真の圧力（Ｐ２）を算出し、圧力（Ｐ１）と真の圧力（Ｐ２）が略同一となるように荷重を低減させること、が好ましい。
【００６０】
軟化領域とは、第一工程から第二工程に移行する時点の被接合界面６の温度分布において、圧力（Ｐ１）によって塑性変形が生じている領域を意味する。当該軟化領域は第一工程後の被接合界面６の状態を観察することで決定することができるが、被接合界面６の観察による軟化領域の決定を省略する場合は、当該軟化領域を被接合界面６の面積の１０〜５０％とすることが好ましく、１５〜２０％とすることがより好ましい。軟化領域を被接合界面６の面積の１０〜５０％として真の圧力（Ｐ２）を算出することで、被接合界面６中心部における未接合部の形成を効果的に抑制することができる。
【００６１】
なお、第一工程から第二工程に移行するタイミングは、被接合材の材質、形状及びサイズ等に応じて適宜決定すればよいが、数秒程度の第二工程を実行するだけでも欠陥抑制効果を十分に発現することができる。
【００６２】
（Ｂ）接合構造物
図４は、本発明の接合構造物における接合部を示す模式図である。接合部１０は被接合材２と被接合材４とが接合されたものであり、被接合材２及び／又は被接合材４が高速度工具鋼となっている。なお、本発明の接合構造物は本発明の摩擦圧接方法によって好適に製造することができ、図４では本発明の摩擦圧接方法によって接合された接合部を示している。
【００６３】
接合部１０には顕著な熱影響部（ＨＡＺ）が形成されておらず、高い継手効率を有する極めて信頼性の高い接合構造物となっている。また、接合界面１２は主として再結晶粒から形成されており、接合界面１２近傍の組織が微細等軸の再結晶粒となることで、接合部１０は強度、靱性、信頼性等の高い機械的特性を有している。
【００６４】
ここで、再結晶粒は被接合材２及び／又は被接合材４の塑性変形に伴う再結晶温度の低下によって形成されるものであり、本発明の摩擦圧接方法の大きな特徴の一つである。これに対し、従来の摩擦圧接方法では接合温度が高くなるため、工具鋼の接合界面１２近傍にはマルテンサイトを含む変態組織が形成される。
【００６５】
更に、本発明の接合構造物においては、マルテンサイトの生成が抑制されることで、接合界面１２近傍の硬度が５００ＨＶ未満となっている。加えて、接合界面１２に未接合部は存在しておらず、極めて良好な接合部１０が形成されている。
【００６６】
以上、本発明の摩擦圧接方法及びそれにより得られる接合構造物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】
【００６７】
≪実施例１≫
直径φ１０ｍｍ、長さ９０ｍｍの高速度工具鋼：ＪＩＳ−ＳＫＨ５１（０．８９％Ｃ−０．２７％Ｓｉ−０．２８％Ｍｎ−０．０２０％Ｐ−０．００１％Ｓ−３．９０％Ｃｒ−６．１０％Ｗ−５．０５％Ｍｏ−１．８４％Ｖ−Ｂａｌ．Ｆｅ）丸棒を被接合材とし、日東制機製の摩擦圧接機を用いて当該丸棒同士の摩擦圧接を行った。図５に示すように、被接合材の組織は焼戻しマルテンサイトと球状炭化物となっている。【００６８】
摩擦圧接条件は、第一工程を回転数１００ｒｐｍ、接合圧力３６０ＭＰａ、寄り代２ｍｍとし、第二工程を回転数１００ｒｐｍ、接合圧力３００ＭＰａ、寄り代１ｍｍとした。なお、摩擦圧接は摩擦長制御にて行い、第一工程から寄り代が２ｍｍに達した時点で、連続的に第二工程を施した。【００６９】
摩擦圧接中の接合温度の変化を図６に示す。温度測定には熱画像カメラ（ＣＩＮＯ社製  ＣＰＡ−Ｔ６４０）を用い、被接合界面側面の温度を測定した。図６に示すように、摩擦圧接中の最高到達温度は７９０℃となっており、被接合材のＡ１点以下となっていることが分かる。【００７０】
得られた継手の接合部中心を含む縦断面のマクロ写真を図７に示す。接合部中心に未接合部は形成されておらず、欠陥のない良好な接合部が得られていることが確認できる。なお、接合界面外周部に白色のコントラストを有する領域が存在するが、当該領域は冶金的に接合されており、欠陥ではない。【００７１】
図７における接合界面の中心及び側面の組織写真を、それぞれ図８及び図９に示す。これらの組織は、共に微細フェライト及び球状炭化物から構成されており、被接合界面の全域で接合温度がＡ１点以下に抑制されていることが分かる。【００７２】
接合部の硬度分布を図１０に示す。なお、硬度測定は図７に示す継手断面に関して、接合部中心に対して垂直方向に行った。接合界面近傍は組織の微細化によって若干硬度が上昇しているが、マルテンサイトの生成が抑制されていることから３５０ＨＶ程度に留まっている。【００７３】
得られた継手の引張強度を図１１に示す。欠陥のない良好な接合部が形成されていることから、母材とほぼ同等の引張強度を有しており、継手効率は約１００％となっている。【００７４】
≪実施例２≫
第二工程の接合圧力を１８０ＭＰａとした以外は実施例１と同様にして、摩擦圧接を行った。当該摩擦圧接時の接合圧力及び接合温度の変化を図１２に示す。第一工程（接合圧力３６０ＭＰａ）から第二工程（接合圧力１８０ＭＰａ）への移行に伴って接合温度が上昇しており、接合圧力によって接合温度が変化する（接合圧力を低下させると接合温度が上昇する）ことが分かる。【００７５】
≪比較例１≫
第一工程の寄り代を３ｍｍとし、第二工程を実施しなかったこと以外は実施例１と同様にして、摩擦圧接を行った。摩擦圧接中の接合温度の変化を図１３に示す。最高到達温度は６９０℃となっており、接合温度は被接合材のＡ１点以下となっていることが分かる。【００７６】
得られた継手の接合部中心を含む縦断面のマクロ写真を図１４に示す。接合部中心の拡大写真も示しているが、接合部中心に未接合部が存在することが確認できる。図１５に示す接合部の破面においても、接合部中心に未接合部が存在することが確認できる。【００７７】
≪比較例２≫
第一工程を回転数２００ｒｐｍ、接合圧力２４０ＭＰａ、寄り代２ｍｍとし、第二工程を実施しなかったこと以外は実施例１と同様にして、摩擦圧接を行った。摩擦圧接中の接合温度の変化を図１６に示す。最高到達温度は１０８３℃となっており、接合温度は被接合材のＡ１点以上となっていることが分かる。また、当該結果により、接合圧力を低下させることによる接合温度の上昇が確認できる。【００７８】
得られた継手の接合部中心を含む縦断面のマクロ写真を図１７に示す。接合温度が高く、接合部中心においても未接合部の形成は認められないが、外周部に亀裂が生じている。当該亀裂はマルテンサイトの生成に起因する脆化によるものである。【００７９】
図１７における接合界面の中心及び側面の組織写真を、それぞれ図１８及び図１９に示す。これらの組織は、共にマルテンサイト及び球状炭化物から構成されており、被接合界面の全域で接合温度がＡ１点以上となっていることが分かる。【００８０】
接合部の硬度分布を図１０に示す。なお、硬度測定は図１７に示す継手断面に関して、接合部中心に対して垂直方向に行った。マルテンサイトの生成によって、接合界面近傍の硬度が８５０ＨＶに達していることが分かる。【００８１】
得られた継手の引張強度を図１１に示す。マルテンサイト生成に起因する脆化によって引張強度は極めて低く、１００ＭＰａに満たない値となっている。
【符号の説明】
【００８２】
２，４・・・被接合材、
６・・・被接合界面、
８・・・バリ、
１０・・・接合部、
１２・・・接合界面。
【図１】
0006739854.tif 000002
【図２】
0006739854.tif 000003
【図３】
0006739854.tif 000004
【図４】
0006739854.tif 000005
【図５】
0006739854.tif 000006
【図６】
0006739854.tif 000007
【図７】
0006739854.tif 000008
【図８】
0006739854.tif 000009
【図９】
0006739854.tif 000010
【図１０】
0006739854.tif 000011
【図１１】
0006739854.tif 000012
【図１２】
0006739854.tif 000013
【図１３】
0006739854.tif 000014
【図１４】
0006739854.tif 000015
【図１５】
0006739854.tif 000016
【図１６】
0006739854.tif 000017
【図１７】
0006739854.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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