(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面の輪郭が円形のアルミニウム合金部材と断面の輪郭が円形の鉄鋼部材との摩擦圧接において、
Ｍｇ含有量が３．５重量％以下のアルミニウム合金部材を用い、摩擦圧力Ｐ１（ＭＰａ）と摩擦時間Ｔ１（ｓｅｃ）が次式：
Ｐ１≦−５×Ｔ１＋５０，
１５≦Ｐ１≦４０，
２≦Ｔ１≦７
を満足するとともに、
前記アルミニウム合金部材と前記鉄鋼部材の一方を他方に対して１０００〜２０００ｒｐｍの回転数で回転させて摩擦を行ない、
前記摩擦圧接の直後に圧力を２５０〜３００ＭＰａとしたアップセットを行うことを特徴とするアルミニウム合金部材と鉄鋼部材との摩擦圧接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金部材と鉄鋼部材との摩擦圧接方法に係り、アルミニウム合金部材と鉄鋼部材とを、インサート材等を介さず直接摩擦圧接によって接合する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、アルミニウム材と鋼材は、金属冶金上非常にもろい金属間化合物を形成しやすい。通常の溶融接合を適用すると、液体状態で両材料が混合されるため、脆弱な反応生成物（金属間化合物）が溶接金属部に大量に形成され、一般的に低強度の継手しか得られない。この点、固相接合手法を用いると、溶融接合法に比べ反応生成物の生成を抑えることができるため、各種接合法が提案されている。
【０００３】
例えば、アルミニウム合金と炭素鋼の摩擦圧接方法に関しては、特許第３０８８１６２号に、０．６重量％以下の炭素を含有する炭素鋼に対して、摩擦入熱を抑えるため摩擦時間を１．２秒以下に短く制御し、接合界面に生成する金属間化合物の成長を抑える方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許第３０８８１６２号に開示された方法によると、回転が停止するまでの実質摩擦時間が１．２秒以下と非常に短く、入熱の抑制面では効果があるものの、接合に不可欠な相互の接合面の清浄化が十分行われない可能性があり、その結果、安定して強固な接合強度が得られないといった問題を有している。また、炭素鋼中の炭素量の上限値が０．６重量％と小さく、この方法の適用可能な炭素鋼は極めて狭い範囲に限定されている。
【０００５】
したがって、本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためのものであって、アルミニウム合金部材と鉄鋼部材とを、インサート材等を介さず直接摩擦圧接によって、応用範囲が広く、簡単かつ強固に、接合することができる優れた摩擦圧接方法を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のアルミニウム合金部材と鉄鋼部材との摩擦圧接方法は、断面の輪郭が円形のアルミニウム合金部材と断面の輪郭が円形の鉄鋼部材との摩擦圧接において、Ｍｇ含有量が３．５重量％以下のアルミニウム合金部材を用い、摩擦圧力Ｐ１（ＭＰａ）と摩擦時間Ｔ１（ｓｅｃ）が次式：Ｐ１≦−５×Ｔ１＋５０，１５≦Ｐ１≦４０，２≦Ｔ１≦７を満足するとともに、アルミニウム合金部材と鉄鋼部材の一方を他方に対して１０００〜２０００ｒｐｍの回転数で回転させて摩擦を行ない、摩擦圧接の直後に圧力を２５０〜３００ＭＰａとしたアップセットを行うことを特徴としている。
【０００７】
本発明によれば、アルミニウム合金部材と鉄鋼部材との摩擦圧接方法において、特定のＭｇ含有量のアルミニウム合金を用い、かつ特定の摩擦圧接条件、特に摩擦時間と摩擦圧力の関係を特定の範囲に設定することにより、炭素含有率が１重量％を越えた鉄鋼を用いた場合においても、高強度なアルミニウム合金−鉄鋼接合構造体を提供することが可能となる。
【０００８】
本発明におけるアルミニウム合金としては、通常アルミニウム合金とよばれているものの内、Ｍｇ含有量が３．５重量％以下の合金を用いることができる。アルミニウム合金中のＭｇ含有量が３．５重量％を越えると、摩擦中の接合界面での酸化物生成や、接合界面への活性なＭｇの偏析が過大となり、高強度の継手を得ることは困難である。したがって、アルミニウム合金中のＭｇ含有量は３．５重量％以下であることが好ましい。
【０００９】
また、本発明における鉄鋼としては、純鉄、炭素鋼、合金鋼等が含まれ、炭素含有量が２．０重量％程度以下のものを用いることができる。炭素含有量が２．０重量％を越えると、接合界面に析出する炭化物の量が過大となり、接合強度が低下してしまう。よって、鉄鋼材中の炭素含有量は２．０重量％以下であることが好ましい。また、本発明の鉄鋼には、上記含有炭素量を満足する特殊鋼材、すなわちＮｉ，Ｃｒ，Ｍｎ等を含む鋼材も包含される。
【００１０】
上記のアルミニウム合金部材および鉄鋼部材は、大きさ（外径、長さ等）および中実棒であるか管であるかには特に限定されず、用途に応じて選択することができる。また、これらの大きさおよび直径（外径および内径）は、同一とする方が摩擦圧接し易いといった点で好ましいが、相互に異なっていても良い。
【００１１】
上記アルミニウム合金部材と鉄鋼部材とを摩擦圧接によって接合する手段としては、この分野における慣用手段、例えば固定手段および回転手段を用いたブレーキ式の摩擦圧接手法を用いることができる。
【００１２】
本発明における摩擦圧接条件は、上記両部材の接合において、接合表面を十分に活性化し、かつ接合界面における反応生成物の生成の抑制および排除が十分行えるものである必要がある。すなわち、摩擦過程において、接合界面近傍の温度および摩擦トルクを定常化させることにより安定した清浄界面を得た後、直ちに十分なアップセット圧力にて接合界面に存在する不純物・反応生成物を排除し、密着を完了させる。
【００１３】
摩擦過程が不足すると接合面が十分清浄化せず、つまり接合面の汚れや残存酸化物が過度に残存した状態となり、その後のアップセット過程で良好な密着が得られない。これに対し、摩擦過程が過多であると、接合面は十分清浄化するものの、接合部材に与えられる入熱量が多く、アップセット工程において反応生成物層が過大に成長してしまう。
【００１４】
ここで、反応生成物とは、接合界面において相互の接合部材の原子の拡散反応によって生成するものであり、異種金属の組み合わせの場合、母材よりも脆い金属間化合物となるのが一般的である。また、その構成は多結晶である場合が多く、その生成形態は、接合手法および接合条件によって異なるが、拡散反応によって律速しているため、その反応温度が高いほどおよび時間が長いほど生成量が多くなる。
【００１５】
この反応生成物が、接合界面に連続して生成していると、接合界面に靭性の低い領域が連続的に存在することになり、負荷に対して生じた反応生成物層内のクラックはその中を優先的に伝播し、結果としてその継手は容易に破断に至ってしまう。
【００１６】
本発明における摩擦圧力（Ｐ１）は、過大すぎると接合界面に対する入熱および接合部材の変形の増大をもたらすため好ましくない。一方、摩擦圧力（Ｐ１）が低すぎると、接合界面の活性化が不十分となり良好な接合が得られない。したがって、本発明においては、最適な摩擦圧力（Ｐ１）の範囲を１５〜４０ＭＰａとした（１５≦Ｐ１≦４０）。
【００１７】
また、摩擦時間（Ｔ１）関しては、摩擦時間（Ｔ１）が長いと、接合界面に対する過大な入熱の結果、反応生成物が過度に成長してしまう。これに対し、摩擦時間（Ｔ１）が短いと、接合界面の活性化（清浄化）が不十分となって良好な接合に必要な密着性が得られない。したがって、本発明においては、摩擦時の接合面近傍の温度、およびその時の軸トルクが安定する領域を見極め、摩擦時間（Ｔ１）を２〜７秒に設定した（２≦Ｔ１≦７）。
【００１８】
本発明においては、上記の摩擦圧力（Ｐ１）と摩擦時間（Ｔ１）は、接合結果に対して相互に独立したパラメータではなく、Ｐ１≦−５×Ｔ１＋５０を満足する範囲で摩擦圧力（Ｐ１）と摩擦時間（Ｔ１）を制御する必要がある。これにより、接合表面を十分に活性化し、かつ接合界面における反応生成物の生成の抑制および排除を十分に行うことができ、その結果、高強度な接合構造体を得ることができる。
【００１９】
本発明における圧接条件の他の因子としては、アップセット圧力、回転数、アップセット時間などがあるが、これらは特に制限されるものではないものの、以下の範囲に制限するのが堆奨される。
【００２０】
アップセット圧力（Ｐ２）としては、アップセット時に発生する回転方向のトルクおよび圧力によって接合界面に生じた反応生成物層や酸化物層の排除、および両接合部材の冶金的な接合を達成するに十分な密着性を確保するため、ある程度以上の圧力が必要である。本発明が対象としているアルミニウム合金と鉄鋼材の組み合わせでは、少なくとも２５０ＭＰａ以上の圧力が必要である。理論上、アップセット圧力（Ｐ２）は高い程摩擦時に生成した反応生成物の排除能力が優れており、その接合状態は良好になるが、圧力が３００ＭＰａを越える場合には、アルミニウム合金部材側が座屈を起こし良好な接合構造体が得られないことがある。したがって、本発明におけるアップセット圧力（Ｐ２）は２５０〜３００ＭＰａの範囲の中で、両接合部材の強度・形状を考慮して設定する必要がある。
【００２１】
また、摩擦時の回転数に関しては、低すぎると均一な摩擦トルクが得られないため、接合界面を安定に活性化することができず、これに対し、高すぎると入熱が過大となって良好な接合部が得られない。したがって、本発明においては、最適な回転数の範囲を１０００〜２０００ｒｐｍとした。
【００２２】
アップセット時間（Ｔ２）としては、特に制限されるものではなく、アップセット後両部材の密着が十分行われるだけの時間、すなわち３秒程度以上保持すればよい。
なお、アップセット圧力の付加、および摩擦回転を停止するためのブレーキの開始時期は、所定の摩擦時間経過後とする。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
＜試験１＞
表１に示した化学成分のアルミニウム合金（材質：ＪＩＳ  Ａ５０５２）および鉄鋼材（材質ＪＩＳ  Ｓ１０Ｃ）を、図１に示したような、外径１６ｍｍ、所定長さのアルミニウム合金丸棒、および外径１６ｍｍ、所定長さの鋼丸棒に調製して試験片とし、摩擦圧力２０ＭＰａ、回転数１２００ｒｐｍの条件において、これらの試験片の摩擦工程における摩擦時間と接合界面近傍の温度または摩擦トルクとの相関を観測した。その結果、図２に示すような温度および摩擦トルクの変化が見られた。ここで、接合面近傍の温度測定は、鋼部材中で熱電対を接合面から軸方向に０．５ｍｍの位置で、かつその先端が軸中心となるように固定して行った。
【００２４】
【表１】
0004540268.tif 000002
【００２５】
図２から明らかなように、本摩擦条件において、接合面近傍の温度は摩擦時間２秒以降で、また、摩擦トルクは摩擦時間５秒以降で定常化しているのが示された。すなわち、アルミニウム合金と鉄鋼材との摩擦圧接においては、２秒程度の摩擦時間で接合面の清浄化が十分なされるとともに、反応生成物層が接合界面に生成し始めることがわかった。さらに、この状態から摩擦圧力、摩擦時間等を上げて摩擦入熱を増加させると、反応生成物層は入熱量に応じて成長し、継手強度が低下してしまうことがわかった。したがって、この短時間の摩擦工程の後に圧接工程を行うことにより、接合界面への入熱量が最小限に抑えられ、反応生成物層の成長も最小に抑えられるため、高い強度を有する継手が得られることがわかった。
【００２６】
＜試験２＞
次に、上記と同様にアルミニウム合金（材質：ＪＩＳ  Ａ５０５２）および鉄鋼材（材質ＪＩＳ  Ｓ１０ＣおよびＳＫ５）の試験片を調製し、これらの試験片を、回転数１２００ｒｐｍ、アップセット圧力２５０ＭＰａ、アップセット時間６秒の条件において、摩擦時間および摩擦圧力を変化させて摩擦圧接し、試料１〜１６のアルミニウム合金と鉄鋼材との接合構造体を得た。なお、アルミニウム合金丸棒と鉄鋼材丸棒との摩擦圧接は慣用方法であるブレーキ式により行った。
【００２７】
このようにして得られたアルミニウム合金と鉄鋼材との接合構造体は、接合部の断面において、強度の低いアルミニウム合金丸棒側が大きく変形し、バリとして外部に排出されていた。次いで、このバリを切削するとともに、接合構造の外周を切削して平滑とし、外形１４ｍｍの試験片を調製した。これらの試験片に対して、それぞれを長手方向に引張ることにより継手強度の評価を行った。
【００２８】
この接合構造体の継手強度評価の結果は、アルミニウム部材の母材強度に対する割合（％）として表２に示した。また、この継手強度評価における破断形態を表２に示すとともに、摩擦時間と摩擦圧力との相関および破断形態を図３に示した。ここで、本明細書においては、破断形態は母材破断または界面破断により表現し、母材破断が生じた場合、つまり、破断が接合界面ではなく母材から生じた場合に、その継手強度はアルミニウム合金母材と同等であることを意味する。
【００２９】
【表２】
0004540268.tif 000003
【００３０】
表２および図３から明らかなように、低摩擦圧力または短摩擦時間である試料１および３，１０および１１では、界面の清浄化が十分ではなく、ほとんどの場合において継手効率の低下が見られた。これに対し、高摩擦圧力の試料８，９および１６では、接合部材への入熱が過大となって、界面に脆い反応生成物が多量に生成され、継手強度の低下が見られた。
【００３１】
したがって、本発明のアルミニウム合金部材と鉄鋼部材との摩擦圧接方法においては、摩擦時間と摩擦圧力との関係が図３に示す斜線分の領域内、すなわち、摩擦圧力Ｐ１（ＭＰａ）と摩擦時間Ｔ１（ｓｅｃ）が次式：Ｐ１≦−５×Ｔ１＋５０，１５≦Ｐ１≦４０，２≦Ｔ１≦７を満足する範囲内とすることによって、高強度な接合構造体が得られることが確認された。
【００３２】
＜試験３＞
表１に示した化学成分のアルミニウム合金（材質：ＪＩＳ  Ａ５０５２）および鉄鋼材（材質ＪＩＳ  Ｓ１０Ｃ）に加え、表３に示した化学成分の鉄鋼材（材質ＪＩＳ  Ｓ４５Ｃ，ＳＣＲ４１５，ＳＭＮ４２０，ＳＵＰ９，ＳＵＳ３０４，ＳＫＤ１１）の試験片を試験１と同様に調製し、これらの試験片を、摩擦圧力２０ＭＰａ、回転数１２００ｒｐｍ、摩擦時間５秒、アップセット圧力２５０ＭＰａ、アップセット時間６秒の条件において摩擦圧接し、それぞれの組み合わせのアルミニウム合金と鉄鋼材との接合構造体を得た。次いで、これらの接合構造体を、試験２と同様に、継手強度評価用の試験片を調製し、継手強度の評価を行った。この接合構造体の継手強度評価の結果は図４に示した。
【００３３】
【表３】
0004540268.tif 000004
【００３４】
図４に示すように、上記で得られたアルミニウム合金と鉄鋼材との接合構造体では、継手効率がアルミニウム合金母材とほぼ同等であった。これらの中でも、ＳＫＤ１１との接合構造体は、炭素含有量が１．４６重量％の鉄鋼材であるにもかかわらず、継手効率がアルミニウム合金母材の９０％の高強度な接合構造体を得ることができた。したがって、本発明の摩擦圧接方法によれば、炭素含有量が１．０重量％を越えるような鉄鋼部材とアルミニウム合金部材の組み合わせであっても、高強度な接合構造体が得られることを示した。
【００３５】
＜試験４＞
表４に示した化学成分のアルミニウム合金（材質：ＪＩＳ  Ａ５０８３）および表１に示した鉄鋼材（材質ＪＩＳ  Ｓ１０Ｃ）の試験片を試験１と同様に調製し、これらの試験片を、摩擦圧力２０ＭＰａ、回転数１２００ｒｐｍ、摩擦時間５秒、アップセット圧力２５０ＭＰａ、アップセット時間６秒の条件において摩擦圧接し、アルミニウム合金と鉄鋼材との接合構造体を得た。次いで、これらの接合構造体を、試験２と同様に、継手強度評価用の試験片を調製し、継手強度の評価を行った。
【００３６】
【表４】
0004540268.tif 000005
【００３７】
上記で得られたアルミニウム合金と鉄鋼材との接合構造体では、アルミニウム合金中のＭｇ含有量が４．７０重量％と高いため、摩擦中の接合界面での酸化物生成や、接合界面への活性なＭｇの偏析が過大となり、継手効率がＡ５０８３アルミニウム合金部材の母材強度の７５％程度に低下し、接合界面において破断が確認された。したがって、本発明の摩擦圧接方法に用いるアルミニウム合金は、Ｍｇ含有量が３．５重量％以下でなければならないことが確認された。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の摩擦圧接方法によれば、Ｍｇ含有量が３．５重量％以下のアルミニウム合金部材を用い、摩擦圧力Ｐ１（ＭＰａ）と摩擦時間Ｔ１（ｓｅｃ）が次式：Ｐ１≦−５×Ｔ１＋５０，１５≦Ｐ１≦４０，２≦Ｔ１≦７を満足させることにより、炭素含有率が１重量％を越えた鉄鋼を用いた場合においても、高強度なアルミニウム合金−鉄鋼接合構造体を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  アルミニウム合金部材と鉄鋼部材との摩擦圧接に用いる丸棒を示した断面図である。
【図２】  アルミニウム合金部材と鉄鋼部材との摩擦圧接における摩擦時間と接合界面近傍の温度およびトルクとの相関を示した線図である。
【図３】  アルミニウム合金部材と鉄鋼部材との摩擦圧接における摩擦時間と摩擦圧力との相関を示した線図である。
【図４】  各種のアルミニウム合金部材と鉄鋼部材との接合構造体における継手効率を示した線図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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