(57)【要約】　　　（修正有）【課題】摩擦攪拌接合法を用いて白金等からなる加工物同士を接合する場合に際して、破損の起点となり得る異物相の混入を排除し、接合部の強度低下を防止する。【解決手段】加工物を白金又は白金基合金からなる加工物とし、且つ可塑性領域を発生させる工程に入る前に予め、結合領域の表面に吸着した酸素分子、窒素分子又は水分子等の吸着気体分子及び結合領域の表面に形成された酸素等の化合物層の解離温度以上且つ加工物の融点未満に結合領域を加熱することで結合領域を還元活性化させて、吸着気体分子及び化合物層を除去する予熱工程を設けることを特徴とする。【選択図】　図１
2004090050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定する工程、前記加工物の材料よりも硬い材料からなるプローブピンを回転させながら前記結合領域に挿入してプローブピンと結合領域との間で摩擦熱を発生させ、発熱させた結合領域中に可塑性領域を発生させる工程、前記可塑性領域を凝固させて前記加工物同士を接合する工程を備えた摩擦攪拌接合法において、
前記加工物を白金又は白金基合金からなる加工物とし、且つ前記可塑性領域を発生させる工程に入る前に予め、前記結合領域の表面に吸着した酸素分子、窒素分子又は水分子等の吸着気体分子及び前記結合領域の表面に形成された酸素等の化合物層の解離温度以上且つ前記加工物の融点未満に前記結合領域を加熱することで前記結合領域を還元活性化させて、前記吸着気体分子及び前記化合物層を除去する予熱工程を設けることを特徴とする白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法。
【請求項２】
前記予熱工程において、前記結合領域を５３０〜１６００℃に加熱して、白金又は白金基合金を還元活性化させることを特徴とする請求項１記載の白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法。
【請求項３】
加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定する工程、前記加工物の材料よりも硬い材料からなるプローブピンを回転させながら前記結合領域に挿入してプローブピンと結合領域との間で摩擦熱を発生させ、発熱させた結合領域中に可塑性領域を発生させる工程、前記可塑性領域を凝固させて前記加工物同士を接合する工程を備えた摩擦攪拌接合法において、
前記加工物を白金又は白金基合金からなる加工物とパラジウム、銅、銀若しくはステンレス或いはこれらの金属基合金からなる加工物との組み合わせとし、且つ前記可塑性領域を発生させる工程に入る前に予め、前記結合領域の表面に吸着した酸素分子、窒素分子又は水分子等の吸着気体分子の解離温度以上且つ前記加工物の融点未満に前記結合領域を加熱して、前記吸着気体分子を除去させる予熱工程を設けることを特徴とする白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法。
【請求項４】
前記予熱工程を大気雰囲気下で行なうことを特徴とする請求項１、２又は３記載の白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法。
【請求項５】
前記予熱工程において、前記結合領域にレーザーを照射して加熱することを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法。
【請求項６】
前記プローブピンの挿入方向に対して反対方向から前記結合領域に放熱防止のための断熱材を当てることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法。
【請求項７】
イリジウム或いはロジウム又はそれらの合金で形成したプローブピンを使用するか、或いは耐熱衝撃性を有する、窒化アルミニウム、窒化タンタル、窒化硼素、窒化チタン、窒化ジルコニウム若しくは窒化ハフニウム等の窒化物系化合物又は炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化タンタル、タングステンカーバイト、炭化硼素若しくは炭化ハフニウム等の炭化物系化合物又は酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム若しくは酸化クロム等の高融点酸化物又はこれらの混合焼結体を主成分とする材料で形成したプローブピンを使用することを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載の白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法。
【請求項８】
前記プローブピンの基体を１５００℃以上の高融点金属で形成し、該基体の表面に窒化チタン等の高硬度セラミックスを被膜したプローブピンを使用することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法。
【請求項９】
前記の白金又は白金基合金は、酸化物分散強化型の白金又は白金基合金であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７又は８記載の白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法。
【請求項１０】
請求項９記載の摩擦攪拌接合法により溶接した酸化物分散強化型の白金又は白金基合金からなる加工物の接合構造は、可塑性領域の凝固部において、金属粒子の粗大化が抑制され且つ強化のために分散させた酸化物粒子の偏析が抑制された構造であることを特徴とする白金又は白金基合金の接合構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、白金又は白金基合金の接合を行なう摩擦攪拌接合法及びその接合構造に関し、溶解用装置、酸化物単結晶育成用ルツボ、蛍光Ｘ線分析用ビート皿、各種パイプ等に用いられる白金合又は白金基合金の接合に適用し得る発明である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、白金基合金同士の接合は、ほとんどの製品がＴＩＧ（ｔｕｎｇｓｔｅｎ　ｉｎｅｒｔ　ｇａｓ）溶接機やガスバーナーを用いて溶接している。ここで、ＴＩＧ溶接とはトーチから流す大気遮断ガス中で、溶接母材との間にアークのみを発生させる非消耗のタングステン電極を使用し、溶着金属はアーク側面から溶加材を送給して溶融形成させる方法である。この溶接部は母材に対してかなり強度低下する。特にガラス溶解用ルツボ等で使用している酸化物分散型強化白金については、その強度低下率は極めて大きい。母材と溶接部の強度差が大きいと、溶接部に応力が集中してその周辺から破断するケースが多い。
【０００３】
ガラス溶解用装置、酸化物単結晶育成用ルツボ、蛍光Ｘ線分析用ビート皿等に用いられる白金合金製品において、ほとんどの製品は溶接部位が存在する。溶接は主にＴＩＧ溶接機を用いて行っている。しかし、白金合金、特に酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）等を含む酸化物分散型強化白金の溶接部位の強度が弱いことから、溶接部周辺でのトラブルが多かった。
【０００４】
そこで従来は、図８に示すように溶接部に肉盛りすることや図９に示すように溶接部周辺に同素材のバンドを補強鍛接することによって強度低下の防止を図っていた。ここで、白金合金製品の肉厚については０．５〜５ｍｍであり、補強バンドの肉厚については０．２〜０．５ｍｍである。
【０００５】
ＴＩＧ溶接やガスバーナーによる溶接の特徴は、比較的作業が容易であること、溶接機が比較的安価に購入できること等が挙げられる。肉盛り溶接やバンドの補強鍛接については、わずかな強度アップしか得られなくても製品の寿命延長に大きく起因するために必要なことであった。
【０００６】
一方、金属の接合方法として例えば特表平７−５０５０９０号公報や特表平９−５０８０７３号公報に摩擦攪拌接合法の技術が開示されている。摩擦攪拌接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ　Ｓｔｉｒ　Ｗｅｌｄｉｎｇ）は、鉄、アルミニウム合金などの金属相互の溶接は勿論異種金属の溶接すら可能な溶接法である。
【０００７】
摩擦攪拌接合については、融点が比較的低いアルミニウム及びアルミニウム合金を対象とした接合が多く検討されているが、白金又は白金基合金を被溶接物として摩擦攪拌接合を適用した報告例はない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
摩擦攪拌接合法は、アルミニウム合金等を対象とする場合には多くの知見があるが、白金又は白金基合金等の貴金属に対応する知見や高融点材料に対応した知見は見受けられない。摩擦攪拌接合法を白金又は白金基合金の接合に採用した場合には肉盛りやバンドの必要性がなくなるが、その一方で強度低下の問題には特に注意を払う必要がある。
【０００９】
通常、金属はその表面にガス吸着をしており、そのガス成分が金属と酸化反応等の化学反応を起こして表面に化合物層を形成していることが多い。摩擦攪拌接合の場合、接合領域に吸着ガス分子や前記化合物層が存在しても接合領域に挿入するプローブピンが摩擦熱によって形成された可塑性領域を攪拌するため、可塑性領域全体に吸着ガス分子や前記化合物層が分散される。したがって、加工物の当接面に吸着ガス分子や前記化合物層を集中させたまま接合した場合と比較すると大きな接合強度が得られる。
【００１０】
しかし、白金又は白金基合金の加工では、接合箇所の強度低下が特に問題となるので、可塑性領域全体に吸着ガス分子や前記化合物層を分散させても、充分な接合強度が得られない。
【００１１】
そこで本発明者は、摩擦攪拌接合法を白金又は白金基合金の接合に適用する際に金属表面に吸着した吸着ガス分子を除去する目的で予熱工程を設けること或いはその吸着分子と白金との化合物からなる表面に形成された化合物層を除去する目的で予熱工程を意図的に設けることで、肉盛りやバンドをすることなくしかも強度低下を抑制可能であることを見出して本発明を完成させた。
【００１２】
すなわち本発明の目的は、摩擦攪拌接合法を用いて、白金又は白金基合金からなる加工物同士を接合する場合に際して、結合領域の表面に形成された酸素等の化合物層を除去する予熱工程を設けることで、破損の起点となり得る異物相の混入を排除し、接合部の強度低下を防止することである。ここで、予熱工程における結合領域の最適加熱温度を規定することも目的とする。
【００１３】
また本発明の目的は、摩擦攪拌接合法を用いて、白金又は白金基合金からなる加工物とパラジウム、銅、銀若しくはステンレス或いはこれらの金属基合金からなる加工物とを接合する場合に際して、結合領域の表面に吸着した吸着気体分子を除去させる予熱工程を設けることで、破損の起点となり得るボイドや空孔の混入を排除し、接合部の強度低下を防止することである。パラジウム、銅、銀、ステンレスなどの異種金属と白金又は白金基合金の接合は、例えば通電加熱用電極と白金との接合を強度あるものとし、炉等の安定操業につながるものである。
【００１４】
本発明では、予熱工程を大気雰囲気下で行なうことで、接合作業の容易化、さらには現場での接合作業を可能とすることを目的とする。
【００１５】
また本発明では、結合領域をレーザー照射するという予熱工程における最適な加熱方法を提案することを目的とする。
【００１６】
さらに本発明では、高融点材料である白金又は白金基合金を接合するために摩擦熱を効果的に接合領域に集中させなければならない。そこで、その手段として放熱防止のための断熱方法を提案することを目的とする。
【００１７】
また本発明では、接合領域を摩擦熱によって高温に加熱する必要があるため、プローブピンは、その高温に耐え得る強度を有すること、また白金との反応性がないことが要求される。そこで、使用する最適なプローブピンの材質を提案することを目的とする。
【００１８】
白金又は白金基合金のうち、酸化物分散強化型の白金又は白金基合金では、分散させた酸化物が偏析すると強度低下が激しい。そこで本発明では酸化物分散強化型の白金又は白金基合金を強度低下させることなく接合させる方法を提案する。
【００１９】
本発明の目的は、酸化物分散強化型の白金又は白金基合金の接合において、従来行なわれていた接合方法では得られない接合構造を提供することを目的とする。すなわち、接合部において金属粒子の粗大化が抑制され且つ強化のために分散させた酸化物粒子の偏析が抑制された接合構造を提供する。
【００２０】
本発明は、上記のように接合法を従来の溶接法から予熱工程を有する摩擦攪拌接合法に換えることにより、接合部の強度を大幅に向上させ、従来の製品の寿命延長やコストダウンを行なうものである。
【００２１】
また本発明は、白金又は白金基合金同士の接合のみならず、クラック箇所の修理等にも適用することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法は、加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定する工程、前記加工物の材料よりも硬い材料からなるプローブピンを回転させながら前記結合領域に挿入してプローブピンと結合領域との間で摩擦熱を発生させ、発熱させた結合領域中に可塑性領域を発生させる工程、前記可塑性領域を凝固させて前記加工物同士を接合する工程を備えた摩擦攪拌接合法において、
前記加工物を白金又は白金基合金からなる加工物とし、且つ前記可塑性領域を発生させる工程に入る前に予め、前記結合領域の表面に吸着した酸素分子、窒素分子又は水分子等の吸着気体分子及び前記結合領域の表面に形成された酸素等の化合物層の解離温度以上且つ前記加工物の融点未満に前記結合領域を加熱することで前記結合領域を還元活性化させて、前記吸着気体分子及び前記化合物層を除去する予熱工程を設けることを特徴とする。
【００２３】
本発明に係る白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法では、前記予熱工程において、前記結合領域を５３０〜１６００℃に加熱して、白金又は白金基合金を還元活性化させることが好ましい。
【００２４】
本発明に係る白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法は、加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定する工程、前記加工物の材料よりも硬い材料からなるプローブピンを回転させながら前記結合領域に挿入してプローブピンと結合領域との間で摩擦熱を発生させ、発熱させた結合領域中に可塑性領域を発生させる工程、前記可塑性領域を凝固させて前記加工物同士を接合する工程を備えた摩擦攪拌接合法において、
前記加工物を白金又は白金基合金からなる加工物とパラジウム、銅、銀若しくはステンレス或いはこれらの金属基合金からなる加工物との組み合わせとし、且つ前記可塑性領域を発生させる工程に入る前に予め、前記結合領域の表面に吸着した酸素分子、窒素分子又は水分子等の吸着気体分子の解離温度以上且つ前記加工物の融点未満に前記結合領域を加熱して、前記吸着気体分子を除去させる予熱工程を設けることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明に係る白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法では、前記予熱工程を大気雰囲気下で行なうことが好ましい。
【００２６】
本発明に係る白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法では、前記予熱工程において、前記結合領域にレーザーを照射して加熱することが好ましい。
【００２７】
本発明に係る白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法では、前記プローブピンの挿入方向に対して反対方向から前記結合領域に放熱防止のための断熱材を当てることが好ましい。
【００２８】
また、本発明に係る白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法では、イリジウム或いはロジウム又はそれらの合金で形成したプローブピンを使用するか、或いは耐熱衝撃性を有する、窒化アルミニウム、窒化タンタル、窒化硼素、窒化チタン、窒化ジルコニウム若しくは窒化ハフニウム等の窒化物系化合物又は炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化タンタル、タングステンカーバイト、炭化硼素若しくは炭化ハフニウム等の炭化物系化合物又は酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム若しくは酸化クロム等の高融点酸化物又はこれらの混合焼結体を主成分とする材料で形成したプローブピンを使用することが好ましい。
【００２９】
また、本発明に係る白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法では、前記プローブピンの基体を１５００℃以上の高融点金属で形成し、該基体の表面に窒化チタン等の高硬度セラミックスを被膜したプローブピンを使用することが好ましい。
【００３０】
さらに、本発明に係る白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法では、前記の白金又は白金基合金は、酸化物分散強化型の白金又は白金基合金であることが好ましい。
【００３１】
本発明に係る摩擦攪拌接合法により接合した酸化物分散強化型の白金又は白金基合金からなる加工物の接合構造は、可塑性領域の凝固部において、金属粒子の粗大化が抑制され且つ強化のために分散させた酸化物粒子の偏析が抑制された構造であることを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態及び実施例を示して詳細に説明するが、本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。
【００３３】
最初に図１０を参照して摩擦攪拌接合法のプロセスについて説明する。摩擦攪拌接合法は、加工物１Ａ，１Ｂを相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域２を規定する工程、加工物１Ａ，１Ｂの材料よりも硬い材料からなるプローブピン３を回転させながら結合領域２に挿入してプローブピン３と結合領域２との間で摩擦熱を発生させ、発熱させた結合領域中に可塑性領域を発生させる工程、プローブピン３を取り外して可塑性領域を凝固させて加工物同士を接合する工程を備えるものである。なお、プローブピン３はモータ７によって回転する。
【００３４】
ここで、プローブピン３はペンシル部分４を備える。プローブピン３と加工物１Ａ，１Ｂとの摩擦が行なわれなければならないので、加工物１Ａ，１Ｂは相互に当接されていなければならない。摩擦が行なわれることを条件に加工物がほぼ当接していても良い。また、スポット接合ではなく連続した接合を行なうために結合領域２は細長でなければならず、接合領域に大きな空間があるとプローブピン３と加工物１Ａ，１Ｂとの摩擦が行なわれない。さらに、プローブピンは摩擦熱に耐えなければならず、且つ回転によるねじれの応力に耐え得る強度を有する必要がある。
【００３５】
次に摩擦攪拌接合法の原理について説明する。加工物１Ａ，１Ｂを突合せ、プローブピン３を回転させ、ペンシル部分４をゆっくりと結合領域２である突合せラインに押し込む。このペンシル部分４の長さは溶接深さに必要なものとする。プローブピン３が回転して、結合領域２に接触すると摩擦が接触点の材料を急速に加熱させ、その結果材料の機械的強度を低下させる。さらに力を加えるとプローブピン３はその動き８に沿って材料をこね、押し出す。接合領域２では、プローブピン３の回転する円筒形の肩状部とペンシル部分４によって発生した摩擦熱が肩状部の下とペンシル部分の周りの金属に高温の可塑性領域を作る。加工物がプローブピン３の動きと反対方向に動くかその逆に動くと、塑性化した金属はプローブピン３の進行方向の前端で潰れ、機械的攪拌とプローブピン３の形状と回転方向による鍛造作用によって後端へ移動する。この結果、器具の前面の接合部を加熱し、可塑性領域を作り出す。そして加工物に存在する酸化膜を破壊し潰れた金属を攪拌しながら、器具の後端で可塑性領域は冷却されて固体状の溶着を形成するに至る。この現象はすべて被溶接物の融点よりも低い温度で生じる。
【００３６】
摩擦攪拌接合では、亀裂発生がなくなり、溶着金属の蒸発による合金要素のロスが無く、合金成分をそのまま保持でき、さらに溶接器具の圧入、攪拌及び鍛造作用によって微細な粒状組織が溶着金属に形成されるというメリットがある。
【００３７】
次に本発明の白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法について説明する。本発明の第１形態では、加工物１Ａ，１Ｂは白金又は白金基合金からなる加工物とする。そして、可塑性領域を発生させる工程に入る前に予め、結合領域の表面に吸着した酸素分子、窒素分子又は水分子等の吸着気体分子及び結合領域の表面に形成された酸素等の化合物層の解離温度以上且つ前記加工物の融点未満に結合領域を加熱することで、結合領域を還元活性化させて、吸着気体分子と化合物層を除去する予熱工程を設ける。
【００３８】
ここで、白金基合金は、白金を５０ｗｔ％以上含有している多元合金であり、例えば白金−ジルコニウム合金、白金−イットリウム合金、白金−ロジウム合金、白金−イリジウム合金、白金−ジルコニウム−ロジウム合金、白金−ジルコニウム−金合金等がある。酸化物分散強化型の白金も白金基合金の一種である。
【００３９】
通常、白金又は白金基合金の表面には、空気中の酸素分子、窒素分子及び水分子が吸着している。ここで多くの場合、水分子により表面には酸化層（ＰｔＯ）等の化合物層が形成される。通常の摩擦攪拌接合では、摩擦熱によって形成された可塑性領域をプローブピンによって攪拌するので吸着ガス分子と酸化層は可塑性領域中に混ぜ込まれて分散する。白金又は白金基合金を加工物とする場合でも同様に吸着ガス分子と化合物層は可塑性領域中に分散混合される。
【００４０】
本発明では、白金又は白金基合金の加工物はガラス溶解坩堝等をはじめとして高温で使用する用途が多い。このような厳しい使用条件下では可塑性領域中に分散混合された吸着ガス分子と化合物層に応力が集中して接合部分の破壊の起点になってしまう。そこで、本発明では可塑性領域を発生させる工程に入る前に、吸着ガス分子や化合物層を予め除去する予熱工程を設けることとした。予熱条件は、結合領域の表面の吸着気体分子、化合物層の解離温度以上且つ加工物の融点未満に前記結合領域を加熱する。前記温度に加熱することで、結合領域の表面に吸着した吸着ガス分子を完全に解離させ、さらにその表面を還元活性化させて化合物層を解離させることができる。
【００４１】
予熱工程における加熱が解離温度未満であればボイドが残存したり、化合物層に起因する不純物が残存する。そこで白金又は白金基合金の場合、５３０℃以上にすれば、酸素含有の雰囲気中においても還元活性化され、表面に形成された酸化層を消失させることが可能である。本発明では還元活性を高めるために、６００℃以上とすることが好ましい。一方、白金の融点はほぼ１７７０℃であり、融点を超えると液化することから、接合領域において融着してしまうか、或いは加工物が融解により形状を維持できなくなってしまう。そこで加熱上限温度を融点以下とし、予熱工程の後で可塑性領域を形成し攪拌する工程を行なうために１６００℃以下で予熱工程を行なうことが好ましい。したがって、予熱工程では、５３０℃以上１６００℃未満に加熱することが好ましく、さらに好ましくは６００℃以上１５００℃以下に加熱する。ここで、６００℃以上１５００℃以下に加熱することにより、予熱工程において白金又は白金基合金を再結晶化させることができる。再結晶化させることで、結晶粒子は軟化し、次工程で可塑性領域を形成した際に攪拌効率を高めることができる。
【００４２】
予熱工程において、結合領域表面にある吸着ガス分子を離脱させ且つ化合物層を完全に除去させるために、加熱は所定時間行なう。加熱温度によって必要な加熱保持時間は異なるが、例えば６００℃に加熱する場合には５〜１０分間加熱保持することが好ましい。５分以下では吸着ガス分子の離脱及び化合物層除去が不十分になると思われ内部欠陥も発生する。また、１０分以上では、作業効率が好ましくなくなる。なお、加熱温度が高いと還元活性を高めることができるため、吸着ガス分子の離脱と化合物層の除去が進み、加熱保持時間を短縮することができる。
【００４３】
なお、必要以上に加熱保持時間が長いと再結晶粒子が二次成長して粒子の粗大化を招く。予熱工程後、プローブピンによって可塑性領域を攪拌するが、攪拌不充分で粗大化した再結晶粒子が残ると強度低下につながるため、加熱保持時間は再結晶粒子の粗大化が生じない程度の時間にする。
【００４４】
本発明の第２形態は、白金又は白金基合金からなる加工物とパラジウム、銅、銀若しくはステンレス或いはこれらの金属基合金からなる加工物との組み合わせの接合を行なうものである。そして、可塑性領域を発生させる工程に入る前に予め、加工物の結合領域表面に吸着した酸素分子、窒素分子又は水分子等の吸着気体分子の解離温度以上且つ前記加工物の融点未満に前記結合領域を加熱して、結合領域の表面に吸着している吸着気体分子を除去させる予熱工程を設ける。
【００４５】
第１形態で説明した通り、白金又は白金基合金の表面には酸素分子、窒素分子又は水分子等の吸着気体分子が吸着しており、白金とは異種金属であるパラジウム、銅、銀若しくはステンレス或いはこれらの金属基合金の表面にも同様の吸着ガス分子が存在する。本発明では接合部分においてこの吸着気体分子の影響による強度低下を防止するために予熱工程を設けることとした。
【００４６】
予熱条件は、吸着気体分子の解離温度以上前記加工物の融点未満に加熱する。吸着には化学吸着と物理吸着の２つがある。吸着される成分が固体表面と化学的な強い結合をする場合を化学吸着と呼び，金属上の酸素や水素等の吸着が例としてあげられる。これは表面での金属と気体との化学反応と考えることができ、吸着時の発熱が大きく、簡単に気体が金属から離れることはない。これに対して、吸着される成分の分子と固体表面の間の物理的な力、すなわちファン・デル・ワールス力などにより吸着が生じる場合を物理吸着といい、この場合の吸着時に発生する熱は、その吸着分子の凝縮熱より若干高い程度である。本発明では、金属表面に化学吸着している酸素や水の除去を行なう必要がある。金属種によって結合力が異なるため解離温度は異なるが、本発明では４００℃以上に加熱する。予熱工程における加熱が解離温度未満であればボイドが残存したり、化合物層に起因する不純物が残存する。
【００４７】
ここで、第１の実施形態と同様に５３０℃以上に加熱すれば、白金又は白金属合金からなる加工物の結合領域表面では、酸素含有の雰囲気中においても還元活性化され、表面に形成された酸化層を消失させることが可能であり、６００℃以上とすれば還元活性を高めることができる。したがって、第２の実施形態では、予熱工程における加熱下限温度は４００℃、好ましくは５３０℃さらに好ましくは６００℃とする。６００℃以上に加熱することにより、予熱工程において加工物の再結晶化をさせることができる。再結晶化させることで、結晶粒子は軟化し、次工程で可塑性領域を形成した際に攪拌効率を高めることができる。
【００４８】
一方、加熱上限温度を融点未満とすることは融着防止若しくは加工物の形状維持のためであることは前述の通りである。加工物の融点は、加工物の融解を防止するために、組み合わせた加工物のうち融点の低い温度を選択する。通常は白金又は白金基合金の融点が高いため、異種金属の融点未満を加熱上限温度とする。パラジウムの融点は１５５４℃、銅の融点は１０８３℃、銀の融点は９６１℃、ステンレスの融点は種類によって異なるが例えばマルテンサイト系ステンレス鋼で１５１０℃である。ただし、融点を超えると液化することから、予熱工程の後で可塑性領域を形成し攪拌する工程を行なうために加熱上限温度は次の通りとすることが好ましい。異種金属がパラジウムの場合は１３００℃以下、銅の場合は８００℃以下、銀の場合は７００℃以下、ステンレスの場合は、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼で１２５０℃以下である。
【００４９】
第２の実施形態においても、予熱工程において結合領域表面にある吸着ガス分子を離脱させるために加熱は所定時間行なう。加熱温度によって必要な加熱保持時間は異なるが、例えば６００℃に加熱する場合には５〜１０分間加熱保持することが好ましい。５分以下では吸着ガス分子の離脱不十分になると思われ内部欠陥も発生する。また、１０分以上では、作業効率が好ましくなくなる。ただし、第１の実施形態と同様に加熱保持時間は再結晶粒子の粗大化が生じない程度の時間にする。
【００５０】
第１及び第２の実施形態において、本発明では白金又は白金基合金が５３０℃以上にて還元活性化することを利用して結合領域表面に形成された化合物層を除去するが、この還元活性化は大気雰囲気下でも作用する。したがって、本発明では特別な雰囲気調整は不要であり、現場にて接合作業を行なうこともできるというメリットがある。
【００５１】
予熱工程において、加工物の結合領域における加熱は通電加熱や白金ヒーターによる接合部周囲の加熱、ガスバーナー、プラズマトーチ等を用いて接合部周辺を局部加熱するが、結合領域をスポット的に加熱でき且つ表面に加熱以外の影響を与えないためにレーザーを照射して加熱することが好ましい。この場合のレーザーとしては、ＹＡＧレーザー、ＣＯ２レーザーである。
【００５２】
さらに、予熱工程における加熱時にプローブピンの挿入方向に対して反対方向から結合領域に放熱防止のための断熱材を当てることにより、結合領域における温度分布の不均一を是正し、吸着ガス分子の解離、還元活性化をムラなく行なうことが好ましい。断熱材としては、アルミナ等の熱伝導の小さなセラミックスが好ましい。
【００５３】
プローブ材質の選定基準は、接合材より硬い材質で耐摩耗性に優れていること、加工中に割れたり欠けたりしないこと、酸化による消耗や劣化のないこと、接合材と容易に合金をつくらないこと等が挙げられる。従って、酸化アルミニウムや酸化ジルコニウム等のセラミックスについては、加工中での割れや欠けの問題があり、タングステン、タンタル、ニオブ、モリブデン、ルテニウム等の高融点金属については、酸化による消耗や劣化があり、プローブ材質には適さない。そこで本発明では、イリジウム或いはロジウム又はそれらの合金で形成したプローブピンを使用する。イリジウムは融点が２４５７℃、ロジウムは融点が１９６３℃と白金よりも高融点材料である。合金としては、イリジウム基合金、ロジウム基合金、イリジウム−ロジウム合金がある。
【００５４】
またプローブピンとして、耐熱衝撃性を有する、窒化物系化合物、炭化物系化合物、高融点酸化物又はこれらの混合焼結体を主成分とする材料で形成しても良い。窒化物系化合物としては、窒化アルミニウム、窒化タンタル、窒化硼素、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウムが例示でき、炭化物系化合物としては炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化タンタル、タングステンカーバイト、炭化硼素、炭化ハフニウムが例示でき、高融点酸化物としては酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化クロムが例示できる。これはいずれも白金よりも高融点で耐熱衝撃性を有する。
【００５５】
さらにプローブピンとして、プローブピンの基体を１５００℃以上の高融点金属で形成し、基体の表面に窒化チタン等の高硬度セラミックスを被膜したプローブピンを使用してもよい。高融点金属としては、タングステン、タンタル、モリブデン、イリジウム等が例示できる。
【００５６】
本発明においては、予熱工程において上記説明したような加熱温度及び加熱時間を遵守することで、吸着ガス分子と結合領域表面の化合物層を除去し且つ再結晶粒子の粗大化を防止しつつ接合を行なうため、酸化物分散強化型の白金又は白金基合金からなる加工物の接合構造は、可塑性領域の凝固部において、金属粒子の粗大化が抑制され且つ強化のために分散させた酸化物粒子の偏析が抑制された構造となる。ＴＩＧ溶接機やガスバーナーを用いて溶接した接合構造は、白金の結晶粒子が粗大化し、且つ粒界に強化のために分散させた酸化物粒子が偏析してしまう構造となり、溶接部分以外と比較すると極端に強度低下している。これに対して本発明の接合構造は、粒子の粗大化防止と酸化物粒子の偏析防止を実現し、接合部での強度低下を防止した。
【００５７】
加工物の厚さは１〜３ｍｍ、プローブピンのシャフト径は、直径８〜１２ｍｍ、プローブピンのペンシル部分の直径は１〜３ｍｍ、プローブピンのペンシル部分の長さは加工物の厚さによるがおおよそ０．７〜２．７ｍｍ、プローブピンの回転速度は５００〜１５００ｒｐｍ、プローブピンの移動速度は、２０〜５０ｍｍ／ｓが例示できる。また、可塑性領域を作り出すためにプローブピンの摩擦熱による加熱は、白金又は白金基合金同士の接合の場合は１２００〜１５００℃とし、異種金属と白金又は白金基合金同士の接合の場合は５００〜１４００℃とし、異なる加工物を接合する場合には低い方の融点未満までとする。
【００５８】
【実施例】
以下、実施例を示す。
（実施例１）
加工物の材質はＺｒＯ２を０．１６ｗｔ％添加した酸化物分散型強化白金とし、同種の加工物の接合を大気雰囲気中で行なった。加工物は板材であり、板材の肉厚は２ｍｍのものを用いた。プローブピンの材質はイリジウムとした。　プローブピンのシャフト径は直径１０ｍｍ、　プローブピンの直径は１．５ｍｍ、ペンシル部分の長さは１．７ｍｍとした。加工物の側部を突合せて結合領域を規定し、プローブピンの挿入方向に対して反対方向から結合領域に放熱防止のための断熱材として、アルミナを当てた。次に予熱工程に入った、白金ヒーターにより結合領域周囲を加熱した。加熱温度は６００℃とし、１０分間加熱保持した。予熱工程を終えて、次に可塑性領域を形成する工程に入る。プローブピンを回転速度８００ｒｐｍで回転し、結合領域に挿入した。可塑性領域が形成された後、プローブピンを結合領域のラインに沿って移動させた。このときの移動速度は３０ｍｍ／ｓとした。摩擦熱により、接合部温度は１３００〜１４００℃に達した。プローブピンで走査し終えた可塑性領域は自然冷却と共に凝固した。結合領域を全てプローブピンで走査した後、プローブピンを回転させたまま加工物から引き抜いた。これにより、２つの加工物が接合された。この接合部分の接合強度を調べるために高温クリープ特性を高温クリープ炉（自社製）を用いて測定した。結果を図１に示す。なお、測定条件は、大気雰囲気、１５００℃で測定を行なった。母材強度に対して９０％以上の強度が得られた。また、図２に接合部分の断面構造の金属組織を示す顕微鏡画像を示した。ここで、加工物断面の組織は母材組織であり、中央部分が溶接部分の組織である（以下、断面構造の金属組織を示す顕微鏡画像において同じ）。結晶のサイズが母材よりは大きいものの非常に細かく、結晶粒子の成長が抑制されていた。また、結晶自体にうねりを生じている。接合部分内の組成について、酸化物の濃度は０．１５ｗｔ％であり、母材の酸化物の濃度である０．１６ｗｔ％とそれ程差異はなく、分散させた酸化物の偏析もみられなかった。さらに、プローブピンの挿入方向から見た接合後の加工物の表面の顕微鏡画像を図３に、加工物の裏面の顕微鏡画像を図４に示した。
【００５９】
（実施例２）
予熱工程における加熱方法としてレーザー（ダイヘン社、ＡＰＥＬＩＯ　２５１０Ｖ）を用いた以外は実施例１と同様に接合を行なった。実施例１と同様の結果が得られ、強度低下せずに接合できることが確認された。
【００６０】
（実施例３）
予熱工程における加熱温度を１２００℃、５分間加熱保持した以外は実施例２と同様の条件で接合を行なった。可塑性領域の形成の際にプローブピンの摩擦熱により、接合部温度は１３００〜１４００℃に達した。実施例１と同様に母材強度に対して９０％以上の強度が得られた。また、接合部分の断面構造の金属組織は図２と類似しており、結晶サイズが非常に細かく、結晶粒子の成長が抑制されていて、結晶自体にうねりを生じていた。接合部分内の組成について、酸化物の濃度は０．１５ｗｔ％であり、母材の酸化物の濃度である０．１６ｗｔ％とそれ程差異はなく、分散させた酸化物の偏析もみられなかった。
【００６１】
（実施例４）
加工物の材質は、一方をＺｒＯ２０．１６ｗｔ％添加した酸化物分散型強化白金とし、他方をパラジウムとし、異種の加工物の接合を大気雰囲気中で行なった。加工物は共に板材であり、板材の肉厚は２ｍｍのものを用いた。プローブピンの材質はイリジウムとした。　それ以外の条件は実施例１と同様に行なった。摩擦熱により、接合部温度は１３００〜１４００℃に達し、可塑領域が凝固して２つの加工物が接合された。接合強度はＴＩＧによりこれらの加工物を接合した場合と比較して２．０倍であった。
【００６２】
（比較例１）
実施例１と同じ加工物をＴＩＧ溶接により突合接合を行ない、比較例１とした。実施例１と同様に高温クリープ特性を調べ、結果を図１に示した。溶接部の強度は母材強度の３０〜４０％であった。また図５に接合部分の断面構造の金属組織を示す概念図を示した。図５に示す様にＴＩＧ溶接品は結晶のサイズが大きく、結晶粒子が成長していた。接合部内の組成についても、ＺｒＯ２含有量が０．１６ｗｔ％から０．０８ｗｔ％に減少しており、分散させた酸化物の偏析がみられた。
【００６３】
（比較例２）
実施例１と同じ加工物をＴＩＧ溶接により肉盛り接合を行ない、比較例２とした。実施例１と同様に高温クリープ特性を調べ、結果を図１に示した。溶接部の強度は母材強度の４０％であった。分散させた酸化物の偏析がみられた。
【００６４】
（比較例３）
実施例１と同じ加工物をＴＩＧ溶接により接合を行ない、さらに溶接部周辺に同素材のバンドを両面から補強鍛接して比較例３とした。実施例１と同様に高温クリープ特性を調べ、結果を図１に示した。溶接部の強度は母材強度の７０％であった。分散させた酸化物の偏析がみられた。
【００６５】
（比較例４）
予熱工程を設けないこと以外は実施例１と同様に接合を行ない、比較例４とした。可塑性領域の形成の際には摩擦熱により、接合部温度は１３００〜１４００℃に達した。この接合部分の接合強度を調べるために高温クリープ特性を調べ、結果を図１に示した。母材強度に対して１５％の強度が得られた。吸着ガス分子及び結合領域表面に形成された化合物層が可塑性領域全体に分散し、この影響で実施例１よりも強度が低下した。また、図６に接合部分の断面構造の金属組織を示す概念図を示した。接合部内の組成については、酸化物の濃度が０．１５ｗｔ％であり、母材の酸化物の濃度である０．１６ｗｔ％とそれ程差異はなく、結晶サイズにおいても非常に細かいが、ボイドが多量に存在している。
【００６６】
（比較例５）
予熱工程における加熱温度を４５０℃、１５分間加熱保持した以外は実施例２と同様の条件で接合を行なった。可塑性領域の形成の際にプローブピンの摩擦熱により、接合部温度は１３００〜１４００℃に達した。この接合部分の接合強度を調べるために高温クリープ特性を調べ、結果を図１に示した。比較例４とほとんど同じ強度であり、母材強度に対して２０％の強度が得られた。また、接合部分の断面構造の金属組織は比較例４とほとんど同じであり、分散させた酸化物の偏析が見られた。
【００６７】
（比較例６）
予熱工程における加熱温度として融点を若干超える温度とした。このとき接合領域は融着により接合され、これを比較例６とした。したがって、その後の工程である可塑性領域を発生させる工程は行なわなかった。この接合部分の接合強度を調べるために高温クリープ特性を調べ、結果を図１に示した。母材強度に対して３０％の強度が得られた。また、接合部分の断面構造の金属組織の顕微鏡画像を図７に示した。予熱工程における融着によりＴＩＧ溶接の場合と同様の現象が起こり、結合領域で結晶粒子が成長していた。さらに分散させた酸化物の偏析が見られた。したがって、予熱工程で融点以上に加熱して融着させてしまうと、ＴＩＧ溶接と同様に充分な接合強度が得られないことがわかった。
【００６８】
摩擦撹拌接合は、溶接と比較して低い温度で接合可能であることから、接合部における組織の緻密化・組成の安定性・高い強度が得られた。白金合金において、溶接の場合は融点以上の温度となるため１８００℃以上になるが、摩擦撹拌接合の場合は１２００〜１５００℃で接合可能であった。被接合材には予熱が必要であり、且つ、被接合体の裏側に放熱防止用の断熱材を当てることによって、例えば、白金合金を接合する場合は、１２００〜１５００℃の接合温度にすることが可能であった。
【００６９】
本発明の方法を用いてクラック箇所の修理を行なうこともできた。
【００７０】
【発明の効果】
本来、白金族金属又は白金属基合金の接合は、主にＴＩＧ溶接機やガスバーナーを用いて溶接していたが、本発明では摩擦攪拌接合法を白金又は白金基合金の接合に適用する際に金属表面に吸着した吸着ガス分子を除去する目的で予熱工程を設けること或いはその吸着分子と白金との化合物からなる表面に形成された化合物層を除去する目的で予熱工程を意図的に設けることで、接合部における組織の緻密化や組成の安定性、接合部の高い強度を得ることができた。これは、製品の大幅な寿命延長やコストダウンが期待できる。すなわち、強度低下させずに肉盛りやバンドの必要性がなくなった。
【００７１】
また本発明により、白金又は白金基合金からなる加工物とパラジウム、銅、銀若しくはステンレス或いはこれらの金属基合金からなる加工物とを接合する場合に際して、同様に接合部の強度低下を防止することができた。
【００７２】
本発明では予熱工程を大気雰囲気下で行なうことが可能であり、接合作業の容易化、さらには現場での接合作業を可能とした。
【００７３】
さらに本発明では、酸化物分散強化型の白金又は白金基合金を強度低下させることなく接合させることができた。ここで、接合部において金属粒子の粗大化が抑制され且つ強化のために分散させた酸化物粒子の偏析が抑制された接合構造を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を０．１６ｗｔ％含有した酸化物分散強化型白金の高温クリープ特性を示す図である。
【図２】実施例１における接合部分の断面構造の金属組織を示す顕微鏡画像である。
【図３】実施例１における接合部分のプローブピンの挿入方向から見た接合後の加工物の表面の顕微鏡画像である。
【図４】実施例１における接合部分のプローブピンの挿入方向の反対方向から見た接合後の加工物の裏面の顕微鏡画像である。
【図５】比較例１におけるＴＩＧ突合せ溶接の接合部分の断面構造の金属組織を示す概念図を示した。
【図６】比較例４における接合部分の断面構造の金属組織を示す顕微鏡画像である。
【図７】比較例６における接合部分の断面構造の金属組織を示す顕微鏡画像である。
【図８】ＴＩＧ溶接で肉盛りをした場合おいて、溶接方向を横切る方向にカットした場合の断面形態を示す概念図である。
【図９】ＴＩＧ溶接後、バンド補強鍛接をした場合おいて、溶接方向を横切る方向にカットした場合の断面形態を示す概念図である。
【図１０】摩擦攪拌接合法の機構の一形態を示す概念図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，加工物
２，結合領域
３，プローブピン
４，ペンシル部分
７，モータ
【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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【図６】
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【図７】
2004090050.tif 000009
【図８】
2004090050.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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