(57)【要約】【課題】少なくとも部材の一方が鋳鉄部材である金属部材相互を、母材を溶融せしめることなく、母材の引張強度と同等の引張強度を有する接合部を得ることができる鑞材及びそれを用いた金属部材の接合方法を提供すること。【解決手段】質量で、Ｓｎ：２％〜３０％、Ｓｉ：２％〜２０％、Ｃｕ：残部および不可避的不純物からなる鑞材。請求項２に記載の発明は、質量で、Ｓｎ：２％〜３０％、Ｓｉ：２％〜２０％、Ｃｕ：残部および不可避的不純物からなる鑞材を、少なくとも一方が鋳鉄材である金属部材衝合部に介在せしめ、該鑞材の固相線を超える温度域で接合する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量で、Ｓｎ：２％〜３０％、Ｓｉ：２％〜２０％、残部：Ｃｕおよび不可避的不純物からなる鑞材。
【請求項２】
質量で、Ｓｎ：２％〜３０％、Ｓｉ：２％〜２０％、残部：Ｃｕおよび不可避的不純物からなる鑞材を、少なくとも一方が鋳鉄材である金属部材衝合部に介在せしめ、前記鑞材の固相線を超える温度域で前記衝合部を鑞付け接合することを特徴とするＣｕ−Ｓｎ−Ｓｉ系鑞材を用いる金属部材の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳鉄部材たとえば球状黒鉛鋳鉄同士または、一方が鋳鉄部材である金属部材の接合用鑞材およびこの鑞材を用いた金属部材の接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋳鉄わけても球状黒鉛鋳鉄は機械的性質が優れており、工業用材料として広く用いられている。また、球状黒鉛鋳鉄は基地組織を変化させることにより機械的特性を変えることができ、広範囲に設計上の材質的要求を満足させることができる。しかしながら、球状黒鉛鋳鉄の溶接性は著しく悪く、球状黒鉛鋳鉄部材利用上の大きな隘路となっている。
【０００３】
球状黒鉛鋳鉄部材と軟鋼部材といった異材溶接を行うための溶接材料および球状黒鉛鋳鉄部材の溶接補修に適した溶接材料が、たとえば特開平１０−２５８３８９号公報に開示されている。
【０００４】
しかしながら、鋳鉄材たとえば球状黒鉛鋳鉄部材を母材の溶融を伴う溶接によって接合すると溶融金属は白銑化し、また、熱影響部にマルテンサイトが生じたり割れが発生する等の問題を惹起する。また、溶融熱により母材の成長を引き起こす問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
母材の溶融を伴う、鋳鉄たとえば球状黒鉛鋳鉄部材を少なくとも一方の部材とする金属材料の溶接接合においては、厳密に溶接条件を満足させなければ割れや欠陥を生じるため、鋳鉄部材を少なくとも一方の部材とする金属材料の溶接接合には十分な経験、高度の熟練を必要とし、このことに起因して構造部材の重要部品等への鋳鉄部材の適用は殆どなされていない。一方、銀鑞付けが適用されることがあるけれども、接合性が十分でないのみならず鑞材が高価である。
【０００６】
本発明は、上記従来技術における問題を解決し、少なくとも部材の一方が鋳鉄部材である金属部材相互を、母材を溶融せしめることなく、母材の引張強度と同等の引張強度を有する接合部を得ることができる鑞材およびそれを用いた金属部材の接合方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、質量で、Ｓｎ：２％〜３０％、Ｓｉ：２％〜２０％、残部：Ｃｕおよび不可避的不純物からなる鑞材である。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、質量で、Ｓｎ：２％〜３０％、Ｓｉ：２％〜２０％、残部：Ｃｕおよび不可避的不純物からなる鑞材を、少なくとも一方が鋳鉄材である金属部材衝合部に介在せしめ、前記鑞材の固相線を超える温度域で前記衝合部を加圧し鑞付け接合することを特徴とするＣｕ−Ｓｎ−Ｓｉ系鑞材を用いる金属部材の接合方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその好ましい実施形態に則して説明する。
【００１０】
発明者らは、Ｃｕ−Ｓｉ系、Ｃｕ−Ｓｎ系、およびＣｕ−Ｓｎ−Ｓｉ系鑞材について研究を進めた結果、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｓｉ系鑞材が、これを用いた鋳鉄部材をその一方とする金属部材相互の鑞付け接合を行ったときに、機械的特性に優れた、たとえば引張強度の高い接合部を得ることができることを知見した。
【００１１】
本発明の、鋳鉄部材をその一方とする金属部材相互の鑞付け接合用鑞材の成分組成は、質量で、Ｓｎ：２％〜３０％、Ｓｉ：２％〜２０％、Ｃｕ：残部及び不可避的不純物である。鑞材の形態としては、粉末状、箔状、板状、棒（線）状、および粒状の形態を採ることができる。
【００１２】
Ｓｎは、組織安定化成分として機能するとともに強靭性の向上に資する。母材がＦｅ−Ｃ−Ｓｉの三元系合金（鋳鉄）であり、フェライト基地球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ３７０）の場合、Ａ１変態点が約１０７３Ｋである。この温度を鑞付け接合における最低温度とすると、本発明の鑞材の成分組成においては、Ｓｎ：３０％が上限である。Ｓｎが２％未満では、添加効果を発現できない。
【００１３】
Ｓｉは、母材の黒鉛化促進作用を有するとともにチル組織の形成を抑制する効果を有する。Ｓｎの場合と同様に、Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉの三元系合金（鋳鉄）のＡ１変態点を鑞付け接合における最低温度とすると、本発明の鑞材の成分組成においては、Ｓｉ：２０％が上限である。Ｓｉが２％未満では、添加効果がない。
【００１４】
本発明の鑞材を用いる金属部材の接合において対象とする、少なくとも一方の鋳鉄部材としては、ねずみ鋳鉄品（ＦＣ１００、ＦＣ１５０、ＦＣ２００、ＦＣ２５０、ＦＣ３００、およびＦＣ３５０）、球状黒鉛鋳鉄品（ＦＣＤ３５０、ＦＣＤ４００、ＦＣＤ４５０、ＦＣＤ５００、ＦＣＤ６００、ＦＣＤ７００、およびＦＣＤ８００）、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄品（ＦＣＡＤ９００、ＦＣＡＤ１０００、ＦＣＡＤ１２００、およびＦＣＡＤ１４００）、低温用厚肉フェライト球状黒鉛鋳鉄品、オーステナイト鋳鉄品等である。
【００１５】
もう一方の金属部材としては、上記と同様の鋳鉄部材や鋼部材さらには、黄銅等の非鉄金属部材を鑞付け接合対象とし得る。
【００１６】
本発明のＣｕ−Ｓｎ−Ｓｉ系鑞材を用いる鑞付け接合プロセスは、以下の如くである。即ち、真空中、保護雰囲気（Ａｒガス、Ｎ２ガス等）中或は大気中で、少なくとも鑞材の固相線を超える温度、好ましくは鑞材の液相線＋５０℃以上かつ母材の融点未満の温度域で、接合面間に鑞材を介在させ、衝合部を数分間以上保持して鑞付け接合する。衝合部を加圧下に接合しても勿論よい。その後、必要に応じて焼鈍を施す。
【００１７】
【実施例】
母材として、フェライト基地球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ３７０）を用いた。
鑞付け接合は、前記フェライト基地球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ３７０）同士を接合する条件で遂行された。部材は、１１ｍｍφ×４０ｍｍの丸棒である。先ず、Ｃｕ：８６．５％、Ｓｎ：１０．０％、Ｓｉ：３．５％の組成を有する鑞材（箔状）を単ロール液体急冷装置によって作製した。
状態図計算により、この鑞材の固相線温度および液相線温度を計算した結果、それぞれ９８４Ｋおよび１１４５Ｋであった。
【００１８】
フェライト基地球状黒鉛鋳鉄丸棒（１１ｍｍφ×４０ｍｍ）の接合すべき面相互を、エメリー紙１０００番仕上げとし、真空（１．３ｍＰａ（１０−５ｔｏｒｒ））容器中、接合温度：１２２３Ｋ、接合圧力：５ＭＰａ、接合時間：２分間の条件で、前記鑞材（箔状）を接合面間に積層介在させて丸棒試験片の端面同士を突き合わせて接合した。接合後、９９３Ｋで１８０分間のフェライト化焼鈍を施した。
【００１９】
こうして得られた球状黒鉛鋳鉄丸棒接合部材を、平行部直径：６ｍｍ、平行部長さ：１０ｍｍに加工し引張試験片とした。次いで、引張速度を０．５ｍｍ／分として引張試験を行った。
【００２０】
図１に、ＥＰＭＡによる反射電子線（ＢＳＥ）像を示す。図１から明らかなように、鑞層のＣｕ中に、Ｃｕ−Ｓｉ系鑞材を用いた接合の場合と同様に、Ｆｅ３Ｓｉが認められる。Ｆｅ３Ｓｉの生成量は、Ｃｕ−Ｓｉ系鑞材を用いた接合の場合よりも少なかった。Ｓｎは球状黒鉛鋳鉄母材中に殆ど拡散していなかったが、Ｃｕ及びＳｉは、母材中に約１５μｍ拡散していた。
【００２１】
図２に、引張試験結果を示す。Ｃｕ−Ｓｉ系およびＣｕ−Ｓｎ系鑞材を用いた接合の結果を、図２に併せて示す。図２から明らかなように、Ｃｕ−Ｓｉ系鑞材を用いた接合の場合の接合部の引張強さは３３０ＭＰａで継ぎ手効率は約７０％であった。Ｃｕ−Ｓｎ系系鑞材を用いた接合の場合の接合部の引張強さは３７０ＭＰａで継ぎ手効率は約８０％であった。これに比し本発明のＣｕ−Ｓｎ−Ｓｉ系鑞材を用いた接合の場合の接合部の引張強さは４４０ＭＰａで母材の引張り強さと同等であり、継ぎ手効率は１００％であった。
【００２２】
図３に、本発明のＣｕ−Ｓｎ−Ｓｉ系鑞材を用いた接合の場合の接合部の引張破断部の顕微鏡組織（写真）を示す。図３に見られるように、主として接合界面で引張破断が生じているが、Ｃｕ及びＳｉが拡散している母材中で破断が生じている部分も存在している。
【００２３】
この破断部表面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察した結果を、図４に示す。図４に見られるように、主として細かなディンプルが認められ延性破壊であるが、一部リバーパターンも認められ部分的に脆性破壊が生じている。
【００２４】
図５に、接合中心部から接合界面近傍部の基地の硬さ分布を示す。
図５に見られるように、鑞層中の硬さは約２００Ｈｖである。一方、鋳鉄母材の基地の硬さは２５０Ｈｖ前後であるが、接合界面近傍の、ＣｕおよびＳｉが鋳鉄（母材）中に拡散した領域では硬さが上昇し、最高で約４６０Ｈｖ程度に達する。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の鑞材によれば、少なくとも一方の部材を鋳鉄とするときも、母材の融点未満の温度域での接合にして母材と同等の引張強度を有する接合部が得られ、継手効率が１００％である。また、銀鑞に比較して格段に低価格である。
【００２６】
請求項に記載の発明によるときは、接合性に優れた鋳鉄部材の接合を簡便に安価に行うことができ、母材の溶融を伴う溶接では不可能であった、構造部材の重要部品等への適用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＣｕ−Ｓｎ−Ｓｉ系鑞材を用いた球状黒鉛鋳鉄部材同士の接合部のＥＰＭＡによる反射電子線（ＢＳＥ）像を示す写真
【図２】本発明のＣｕ−Ｓｎ−Ｓｉ系鑞材を用いた球状黒鉛鋳鉄部材同士の接合部の引張強度を、Ｃｕ−Ｓｉ系鑞材およびＣｕ−Ｓｎ系鑞材を用いた球状黒鉛鋳鉄部材同士の接合部の引張強度と併せて示すグラフ
【図３】本発明のＣｕ−Ｓｎ−Ｓｉ系鑞材を用いた球状黒鉛鋳鉄部材同士を接合した接合材の引張破断部の顕微鏡組織を示す写真
【図４】図３に示す引張破断部のＳＥＭ像を示す写真
【図５】本発明のＣｕ−Ｓｎ−Ｓｉ系鑞材を用いた球状黒鉛鋳鉄部材同士を接合した接合材の接合中心部から接合界面近傍部の基地の硬さ分布を示すグラフ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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