(57)【要約】【課題】  本発明は、シリンダー等の機械構造部品に適用される中空形状の鋼材の液相拡散接合方法と継手を提供する。【解決手段】  Ｃ：０．３％質量％以上を含む少くとも一方が中空形状を有する鋼材を、質量％でＢを２．０％〜４．５％、Ｃを０．１％〜１．０％、残部がＦｅおよび不純物からなる接合箔を用い、前記鋼材の接合部を加圧保持しつつ、加熱により接合箔を溶融して液相拡散接合を行った後、再び接合部をＡｃ1点〜（Ａｃ1点＋Ａｃ3点）／２の温度域に加熱して３秒以上保持することにより液相拡散接合することを特徴とする引張強度に優れた中空形状鋼材の液相拡散接合方法。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．３％質量％以上を含む少なくとも一方が中空形状を有する鋼材を、質量％でＢを２．０％〜４．５％、Ｃを０．１％〜１．０％、残部がＦｅおよび不純物からなる接合箔を用い、前記鋼材の接合部を加圧保持しつつ、加熱により接合箔を溶融して液相拡散接合を行った後、再び接合部をＡｃ1点〜（Ａｃ1点＋Ａｃ3点）／２の温度域に加熱して３秒以上保持することにより液相拡散接合することを特徴とする引張強度に優れた中空形状鋼材の液相拡散接合方法。
【請求項２】
前記接合箔が、更に、質量％でＶ：０．５％〜５％含有することを特徴とする請求項１に記載の引張強度に優れた中空形状鋼材の液相拡散接合方法。
【請求項３】
前記接合箔が、更に質量％でＳｉ：０．５％〜３％含有することを特徴とする請求項１または２記載の引張強度に優れた中空形状鋼材の液相拡散接合方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の液相拡散接合方法において、液相拡散接合後、接合部をＡｃ3点以上に加熱する中間熱処理を行った後、再び接合部をＡｃ1点〜（Ａｃ1点＋Ａｃ3点）／２の温度域に加熱して３秒以上保持することを特徴とする引張強度に優れた中空形状鋼材の液相拡散接合方法。
【請求項５】
請求項１〜４に記載のいずれかの項に記載の液相拡散接合方法で接合した、接合部の組織がフェライトとパーライトの混合組織であって、フェライトの体積分率が２０％以上、かつフェライトの平均結晶粒径が１５μｍ以下であることを特徴とする引張強度に優れた中空形状鋼材の液相拡散接合継手。
【請求項６】
前記接合部の平均硬さと母材の平均硬さが１．０〜１．５倍であって、かつ、接合部の靭性値が８Ｊ以上であることを特徴とする請求項５記載の引張強度に優れた中空形状鋼材の液相拡散接合継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダー等の機械構造部品に適用される、少なくとも一方が鋼管等の中空形状した鋼の液相拡散接合方法およびこの接合方法により接合した継手に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液相拡散接合とは、接合しようとする材料の間に箔、メッキあるいは粉末の形態で被接合材より融点の低い合金を挟み、挟んだ合金（以後、インサート金属と称す）の融点以上の温度に接合部を加熱・保持し、溶融したインサート金属層が等温凝固し接合する方法である。この液相拡散接合は、既に溶接が困難である、高合金鋼や耐熱鋼などの接合あるいは異材の接合方法として実用化されている。一方、近年、炭素鋼では従来各種溶接と比較して高効率でかつ高性能を有する継手を達成しうる接合法として液相拡散接合の適用が試みられている。例えば、特許文献１に開示されているように炭素鋼の液相拡散接合継ぎ手で、引っ張り特性に優れた継ぎ手を得るためには接合部中の残留酸化物の制御が必要であって、そのためには接合応力の制御が必要であることが明らかにされている。
【０００３】
上記液相拡散接合の炭素鋼への適用はこれまで殆どが０．３質量％以下のＣを含む鋼材を対象としたものであった。ところが、最近になって０．３質量％以上のＣを含む高炭素鋼の鋼材の液相拡散接合の適用が試みられ始めている。０．３質量％以上のＣを含む鋼材は主に機械構造用部品に使用が検討されており、特に疲労特性が重要となる。機械構造用部品、例えば、トラクター、ブルトーザー等の土木機械のシリンダー等では軽量化対策の観点から中空形状の部品の適用が試みられているが、この中空形状の鋼材の継手の疲労特性が問題となっている。例えば、従来の溶融溶接を適用した場合、中空形状が故に内面のビード形状が不安定となり、内面側のビードの止端部分から疲労破壊するという問題がある。
【０００４】
そこで、本発明者らは、余盛り形状の殆どない液相拡散接合の適用によって継手の疲労特性が改善できないかを検討した。しかしながら、０．３質量％以上のＣを含む鋼材で少なくとも一方が中空形状した鋼材の液相拡散接合を行った場合、母材の引張強度の半分以下で継手が破断するという問題に直面した。
【０００５】
本発明者らは、この０．３質量％以上のＣを含み、少なくとも一方中空形状した鋼材の液相拡散接合で低応力破壊する要因について、その開先加工精度および突き合わせ精度の限界で接合部に数百ミクロン程度の段差が生じる中で、接合部の硬さと母材の硬さ比および接合部の破壊靭性値が大きく影響を及ぼすことを見いだした。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１３７６３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、０．３質量％以上のＣを含み、少なくとも一方が中空形状した鋼材の液相拡散接合において、低応力で破壊しない継ぎ手及びその接合方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、０．３質量％以上のＣを含み、少なくとも一方が中空形状した鋼材の液相拡散接合について鋭意研究し、最適な接合部の組織を制御することで接合部の硬さと母材の硬さの比、接合部の破壊靭性値の組み合わせを適正化し、引張特性に優れた液相拡散接合を得る接合方法を見いだした。
【０００９】
本発明は上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は次のとおりである。
（１）Ｃ：０．３％質量％以上を含む少なくとも一方が中空形状した鋼材を、質量％でＢを２．０％〜４．５％、Ｃを０．１％〜１．０％、残部がＦｅおよび不純物元素からなる接合箔を用い、前記鋼材の接合部を加圧保持しつつ、加熱により接合箔を溶融して液相拡散接合を行った後、再び接合部をＡｃ1点〜（Ａｃ1点＋Ａｃ3点）／２の温度域に加熱して３秒以上保持することを特徴とする引張強度に優れた中空形状鋼材の液相拡散接合方法。
（２）前記接合箔中が、更に、質量％でＶ：０．５％〜５％含有することを特徴とする（１）記載の引張強度に優れた中空形状鋼材の液相拡散接合方法。
（３）前記接合箔が、更に、質量％でＳｉ：０．５％〜３％含有することを特徴とする（１）または（２）記載の引張強度に優れた中空形状鋼材の液相拡散接合方法。
（４）（１）〜（３）のいずれかの項に記載の液相拡散接合方法において、液相拡散接合後、接合部をＡｃ3点以上に加熱する中間熱処理を行った後、再び接合部をＡｃ1点〜（Ａｃ1点＋Ａｃ3点）／２の温度域に加熱して３秒以上保持することを特徴とする引張強度に優れた中空形状鋼材の液相拡散接合方法。
（５）（１）〜（４）のいずれかの項に記載の液相拡散接合方法で接合した、接合部の組織がフェライトとパーライトの混合組織であって、フェライトの体積分率が２０％以上かつフェライトの平均粒径が１５μｍ以下であることを特徴とする引張強度に優れた中空形状鋼材の液相拡散接合継手。
（６）前記接合部の平均硬さと母材の平均硬さが１．０〜１．５倍であって、かつ、接合部の靭性値が８Ｊ以上であることを特徴とする（５）記載の引張強度に優れた中空形状鋼材の液相拡散接合継手。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、接合後の再加熱処理によって、接合部組織をフェライトとパーライトの混合組織として、接合部の硬さと靭性を制御することによって、０．３質量％以上のＣ量を含む、少なくとも一方中空形状した鋼材の液相拡散接合で、良好な接合強度を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下本発明について詳細に説明する。
【００１２】
液相拡散接合では、開先加工を施した面同士を突き合わせた被接合材の間に接合箔を挿入し、接合箔のみが溶融する温度域に接合部を加熱し、保持する。工業的な開先加工の精度や、被接合材同士の突き合わせ精度の観点から、お互い突き合わせた接合部表面に段差が生じる。その段差は継手によって異なるが最大１ｍｍ程度である。この段差は切り欠き効果となって継手強度を大きく低下させる場合がある。本発明者らは、実験等による検討から、被接合材に含有するＣ量が多くなると、継手強度に及ぼす切り欠き感受性が高くなり、特に０．３質量％以上のＣを含む鋼材の液相拡散接合の継手について、実管で引っ張った場合に低応力で破壊する問題が顕在化することが分かった。
【００１３】
本発明者らは、０．３質量％以上のＣを含む中空形状した被接合材の液相拡散接合について、接合部強度を支配する要因を以下に示すような実験的に検討した結果、接合部の硬さと靭性が大きく影響することが分かった。
【００１４】
Ｓ４５Ｃの鋼管（外径１００ｍｍ，肉厚１５ｍｍ，長さ１５０ｍｍ）同士に接合箔（Ｆｅ−３．５Ｂ−２．５Ｓｉ）を挿入し、接合温度１２５０℃、保持時間１０分で液相拡散接合を行った。その後、接合部を４００℃〜９５０℃の任意の温度に再加熱し、そのときの実管の引っ張り強度と接合部硬さおよび接合部靭性の関係について調査した。接合部硬さは、接合部の断面を機械研磨、３％ナイタールでエッチングした後、ビッカース硬度計を用いて荷重５００ｇで測定した。接合部靭性は、接合部がノッチ底にくるよう２ｍｍＵノッチシャルピー試験片を採取し、試験温度０℃でシャルピー試験を実施した。接合部強度は、実管同士を接合した試験片をそのまま引っ張り試験に供して、破断時の荷重を測定した。
【００１５】
図１は継手強度におよぼす接合部硬さの影響を示す。接合部の硬さが母材の硬さより小さい場合、接合部強度は接合部硬さに依存し、硬さが低くなるに従って、接合部強度は低下してしまう。一方、接合部の硬さが母材の硬さの１．５倍以上ある場合、接合部に大きな強度のミスマッチが生じ、切り欠き感受性が高まって、かえって接合部強度は大きく低下する。したがって、良好な接合部強度を得るためには、接合部の硬さが母材の硬さに比べ、１．０〜１．５倍の範囲に制御する必要がある。
【００１６】
図２は接合部強度におよぼす接合部の靭性の影響について調査した結果である。接合部の靭性が８Ｊより小さい場合、いかなる継手の場合も低強度で接合部破壊した。一方、接合部の靭性が８Ｊ以上確保できた場合、低強度で接合部破壊することは抑制され、母材と同程度の接合部強度が得られることが分かった。
【００１７】
従って、０．３％質量％以上のＣを含む少なくとも一方が中空形状した鋼材の液相拡散接合において、接合部の硬さを母材の硬さの１．０〜１．５倍、かつ接合部の靭性を８Ｊ以上とした。
【００１８】
次に良好な接合部強度を得るために規制した硬さおよび靭性を満足する組織、それを達成すべく接合条件について述べる。主に機械構造用などに使用される０．３％以上のＣ量を含む鋼材を液相拡散接合し放冷した場合、接合部の組織はベイナイトもしくはマルテンサイト組織を主体とし、場合によって一部ポリゴナルフェライトが含まれる。ベイナイトが主体となる場合、接合部の硬さは母材に比較的近いが、粗大な炭化物がラス上に多数生成するため、接合部の靭性が８Ｊ以上確保できない。一方、マルテンサイトの場合、接合部の硬さが母材の硬さの１．５倍以上になってしまう。従って、０．３％以上のＣ量を含む鋼材の液相拡散接合について、接合後、放冷したままの状態の継手では良好な接合部硬さ、靭性バランスが得られず、良好な接合部強度を得ることは困難である。
【００１９】
そこで、本発明者らは接合後の後熱処理の適用を鋭意研究した結果、接合後に接合部をＡｃ1点以上に再加熱して、接合部をフェライトとパーライトの混合組織にすることが望ましいことを見いだした。図３および図４に接合後の再加熱温度と硬さ、靭性の関係を示す。再加熱温度がＡｃ1点以下の場合、接合部組織は焼き戻しベイナイトもしくは焼き戻しマルテンサイドを主体した組織である。これら組織では、十分な硬さ回復がなされず、接合部硬さは母材硬さの１．５倍以上のままである。再加熱温度がＡｃ1点以上になると、接合部組織はフェライトとパーライトの混合組織となる。フェライトが生成することで、接合部硬さは大幅に低下し、母材の硬さの１．５倍以内になる。しかし、Ａｃ1点以上でも温度が高くなるとフェライト分率が低下し、硬さは上昇する。再加熱温度が（Ａｃ1＋Ａｃ3）／２を超えると接合部硬さは再び母材の硬さの１．５倍以上になる。そのときのフェライト分率は２０％まで低下する。
【００２０】
したがって、液相拡散接合後の再加熱温度は、Ａｃ1点〜（Ａｃ1＋Ａｃ3）／２に限定する。
【００２１】
また、接合部組織はフェライトとパーライトの混合組織とし、フェライト分率が２０％以上とした。フェライト分率の上限は、被接合材のＣ量によるが、接合部強度確保の観点から６０％程度が望ましい。
【００２２】
接合ままではベイナイトもしくはマルテンサイトであった接合部組織は、Ａｃ1点〜（Ａｃ1＋Ａｃ3）／２に再加熱した場合、それらラスが再結晶してフェライトになるため、フェライト粒径は非常に微細となり、接合部靭性確保の観点からも好適である。結晶粒径と接合部の靭性の関係を実験的に検討した結果、フェライト粒径が１５μｍより大きくなると、接合部靭性が８Ｊ以下となってしまう。再加熱温度の保持時間は、生産性の観点から３００秒以内が望ましい。ただし、鋼管周方向の再加熱温度を均一にするために、保持時間は最低３秒以上保持することが必要である。
【００２３】
フェライト粒径を細かくするためには、Ａｃ1点〜（Ａｃ1＋Ａｃ3）／２の温度域に加熱する前に、接合部をＡｃ3点以上に中間加熱するとより効果的である。これは、中間加熱で一度接合部の組織をオーステナイト化し、オーステナイト粒径が細かくなるためである。中間加熱温度が高くなるとオーステナイト粒径が大きくなるので、上限を１０００℃程度にすることが望ましい。
【００２４】
次に液相拡散接合条件について述べる。接合温度は、接合箔の融点以上にする必要がある。ただし、高くなりすぎると接合部のオーステナイト粒径が著しく粗大化するため、１２００℃〜１３５０℃程度にするのが望ましい。接合時間は、接合箔から被接合材側にＢが十分拡散できるだけの時間を設定する必要があるが、あまり長くなりすぎると接合部のオーステナイト粒径が粗大化するので、接合時間は３０秒〜１５分程度にするのが望ましい。
【００２５】
接合箔は、一般的にＮｉ基のアモルファス箔、もしくはＦｅ基のアモルファス箔が使用される。Ｎｉ基箔を用いて接合した場合、接合まま状態での接合部硬さが著しく高くなるので、接合部硬さを回復すべく再加熱温度の保持時間が長時間となってしまい、非工業的となる。したがって、本発明に用いる接合箔は、Ｆｅ基のアモルファス箔に限定した。Ｂは接合箔の融点を降下させる元素である。その効果を発揮するためには、最低２．０％以上添加する必要がある。ただし、４．５％を超えると脆くなり加工性が著しく劣化する。したがって、Ｂの添加量は２．０％〜４．５％に限定する。Ｃは融点を降下させるもしくはアモルファス形成能を上げる元素である。その効果を発揮させるためには、最低０．１％以上添加する必要がある。ただし、１．０％より高くなるとかえって融点がたかくなるので、上限は１．０％とする。
【００２６】
また、接合箔にＶ添加すると、大気中での接合で継ぎ手特性がより安定となる。これは接合部中に残留する酸化物とＶ系の酸化物の間に低融点の複合酸化物が形成され、これが接合応力によって接合部外に排出されるからである。その効果を発揮するためには、最低０．５％を添加する必要がある。ただし、５．０％を超えるとＶ系酸化物が多量に残留するためかえって継ぎ手特性が不安定となる。したがって、Ｖの添加量は０．５％〜５．０％に限定する。
【００２７】
さらに、接合箔にＳｉを添加すると、アモルファス形成能が高まり、接合箔の加工性が良好になる。その効果を発揮するためには、０．５％以上の添加が必要である。しかし、３．０％を超えると接合部中にＳｉ系の酸化物が多量に残留し、継ぎ手特性を大きく劣化させるので、Ｓｉの添加量は、０．５％〜３．０％に限定する。
【実施例】
【００２８】
表１に示す化学成分の中空形状鋼材もしく中実形状鋼材を、表２に示す接合箔を用いて液相拡散接合した。液相拡散接合は、接合温度１２５０℃、接合温度１０分の条件で行った。接合雰囲気は、Ｎ2ガス吹きつけもしくは大気中である。表３に接合後の再加熱条件、接合強度、接合部靭性、接合部硬さ、接合部組織形態を示す。表３から分かるように、本発明では、接合部強度は母材なみの強度を得ているが、比較例では低応力破壊が発生している。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
【表２】
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【００３１】
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】継手強度に及ぼす接合部硬さの影響を示す図。
【図２】接合部強度に及ぼす接合部の靭性の影響を示す図。
【図３】接合後の再加熱温度と硬さの関係を示す図。
【図４】接合後の再加熱温度と靭性の関係を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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