(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＪＩＳ  Ｇ  ５５２６規格に定めるダクタイル鋳鉄管同士を両母材とする摩擦圧接材において、前記ダクタイル鋳鉄管の一方または双方がＢｉ：０．０００５〜０．０５％を含み、接合後、熱処理を施さなくして元の母材のＪＩＳ  Ｇ  ５５２６規格で定める伸び、引張強さを維持する接合部よりなることを特徴とするダクタイル鋳鉄管を使用した摩擦圧接材。
【請求項２】
ＪＩＳ  Ｇ  ５５２６規格に定めるダクタイル鋳鉄管同士を両母材として使用して摩擦圧接材を製造する方法において、一方または双方がＢｉ：０．０００５〜０．０５％を含む二つのダクタイル鋳鉄管の先端を対向して接合面を当接し、一方を高速回転しつつ押圧し合って摩擦圧力１０〜６０ＭＰａ、摩擦速度４〜８ｍ／ｓ、摩擦寄り速度０．１５〜０．７ｍｍ／ｓの摩擦条件によって摩擦発熱させた後、当該回転を急停止しつつ２０〜８０ＭＰａのアプセット圧力下で保持して一体的に接合することを特徴とするダクタイル鋳鉄管を使用した摩擦圧接材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はダクタイル鋳鉄材、たとえばダクタイル鋳鉄の直管や異形管を使用した摩擦圧接材に係る。
【０００２】
【従来の技術】
鋳鉄材の溶融、溶解による接合は鉄鋼に比べると遥かに困難であり、事実上、実施を阻まれているケースが多い。その主な理由は鋳鉄を溶融状態から急冷すると、白鋳鉄すなわち、セメンタイト系共晶体ができやすく、チル組織は硬度が高い一面きわめて脆く、機械的強度がきわめて低いために構造的な部材としては使用し難いということによる。
【０００３】
一方、接合材を溶融しないで接合する摩擦圧接（接合）という方式も開発されている。これは接合面を突き合わせて機械的に相対運動を行わせ、摩擦力を熱源として利用する接合法である。すなわち金属材料を原子レベルまで近接させて接合するには非常に大きな力が必要なので、材料の変形抵抗を低下させるため材料同士を圧接して摩擦力を発生させ、機械エネルギーを熱エネルギーに変換する原理である。接合面の温度上昇と共にＦｅ原子の外殻電子が活性化し遂に界面を飛び超えて相互に相手側の軌道を共用するに至って一体的に原子結合するわけであり、接合面に摩擦力のため溶融した液相が生成しても軸方向へ押し込む力（寄り代）と回転力によってはみ出し、一部はバリとして排出されるので界面には凝固組織が残らない。
【０００４】
軟化融合して本体から外周面上へはみ出すバリ部分へは、接合前や接合中に生じた酸化物、硫化物などの介在物や、ピンホールなど不健全な気泡がすべて押し出され、清浄な界面のみが突き合されて電子を共有する一体的接合をするので、通常の溶接（溶着）において課題となるさまざまな欠陥の発生する余地が少ないという利点が指摘される。
【０００５】
摩擦圧接はこのように溶接棒などが不要で、異種材料の接合が可能であり、作業能率、材料費、工数などの利点は大きい。しかし鋳鉄系材料に適用する場合にはとくに注意すべき要素がある。それは鋳鉄系材料が他の金属材料と際立った違いを持つこと、すなわち大量のＣを含み黒鉛という形で遊離析出しているが、溶融点付近の冷却条件によって著しく異なる挙動を示して組織を変態させ、機械的性質を一変する特性があるからである。溶融点近くまで摩擦力で温度が上昇する摩擦接合において、黒鉛の挙動が重大な影響を与えることは容易に想像される。
【０００６】
たとえば特開平９−８５４６９号公報においては、鋼材とダクタイル鋳鉄の摩擦圧接では黒鉛がアプセット圧力によって圧縮されて薄膜となって潤滑層が形成され、本来の利点である集中的な摩擦発熱を阻害すると判断し、摩擦条件を検討した結果、アプセット圧力（８０〜１４０ＭＰａ）を鋼より高目に、また、アプセット時間（６〜１０ｓ）を短か目に設定して接合部を中心とする温度勾配を緩やかにすることにより、両部材の摩擦熱によって再溶解した溶融層が外部に押し出され摩擦圧接面がほとんど固相接合に近くチルも殆ど発生しないと謳っている。あるいはあらかじめ鋳造時に急冷してセメンタイトを晶出させておき、黒鉛層を出さないで接合する特開平５−１６６０５号公報に係る従来技術も開示されている。
【０００７】
一方、特開平４−２３１１８３号公報は鋼対ダクタイル鋳鉄の摩擦圧接方法に係り、摩擦圧力（２０〜４０ＭＰａ）を小さく、摩擦時間（６０〜１２０Ｓ）を長くすることによって接合部の温度勾配を緩くしてマルテンサイト、セメンタイトの析出を防ぎ、さらにその後のアプセット圧力（８０〜１４０ＭＰａ）を大きく、アプセット時間（６〜１０ｓ）を短く設定して強度を確保したとする。
【０００８】
さらに特開平１０−２６３８５３号公報においては、従来の公知技術が開示する摩擦圧力、摩擦時間、アプセット圧力およびアプセット時間の制御だけでは母材に近い機械的強度を得る上で不十分であり、これらの摩擦圧接条件に加え、摩擦寄り代を適切に選択し、摩擦速度を大きくとることを必須の要件に追加し、そのために少なくとも一方にＣ：２．５％以上、Ｓｉ：２．５％以下を含むダクタイル鋳鉄を材料とし、摩擦寄り代を８．５ｍｍ以下、摩擦速度を３．３ｍ／ｓ以上と限定して摩擦圧接した後、適切な温度、時間の焼鈍を施すことにより、黒鉛球状化率６０％以上、伸び７％以上を具え、パーライトの発生を抑えたフェライト組織としたことを報告している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上、代表的な従来技術の文献を引用してダクタイル鋳鉄材同士、またはダクタイル鋳鉄材と鋼材、またはねずみ鋳鉄材との摩擦圧接について総括してきたが、鋼材同士の摩擦圧接に比べると、小さい摩擦圧力、長い摩擦時間、大きいアプセット圧力、短いアプセット時間を採ると共に、さらに摩擦速度を大きく、摩擦寄り代も制御の対象に加えることが主流となっているようである。しかし母材（ダクタイル鋳鉄）と同じレベルの機械的性質（主に強度と伸び）を確実に接合部で再現するには焼鈍が必須の要件であり、これによって引張強度が多少低下するが、伸びが３％台から７％台以上に回復し、綜合的な機械的性質が向上したことを謳っている。しかしながらダクタイル鋳鉄材の材質としての信頼性に焦点を絞って見る限り、このような従来技術の手段は必ずしも課題の解決に万全であるとは言い切れない。
【００１０】
すなわち本発明では接合材料を双方共にダクタイル鋳鉄材とするが、現実の実施に当ってダクタイル鋳鉄材の最も代表的な用途であるダクタイル鋳鉄管の場合を想定してみれば、主な使用先として水道用、下水用、農業用水および工業用水など地下に布設して配水する管路が挙げられ、一旦布設して埋め戻せば、掘り起して修復することは他の装置設備など地上の配管ほど簡単には済まないという特殊な事情がある。したがって引張強度が低下する処理は極力避けたい要素である一方、地盤の沈下、重車両の通過、地震など一過性の外力の偏荷重などに順応できることもきわめて重要なニーズであり、伸び％を以って象徴される可撓性が併せて重要な要素となり、少なくとも母材であるダクタイル鋳鉄管のＪＩＳ  Ｇ  ５５２６規格の伸びと強度（ＪＩＳ  Ｇ  ５５２６規格で定める引張強度４２０ＭＰａ以上、伸び１０％以上）を満足させるという材料的課題が大きい。また、ダクタイル鋳鉄管の埋設工事においても、交通量の増加と共に、開削工事が困難な箇所が増加し、それに伴い、非開削工法である推進工法の採用が増加している。しかし、推進工法においても、発進坑、到達坑は大きさの制約があり、ダクタイル鋳鉄管の定尺である４ｍ〜６ｍの長さがとれるケースは少ない。その際にはいわゆる乱尺サイズの管に加工を行うが、乱尺管の製造に対しては通常のライン対応は困難であり、定尺からの切断になり、ロスが発生する。このような用途などに対して、摩擦圧接により乱尺管の製造ができれば経済的にも有効であると考えられる。また、省資源の見地からも好ましいことである。しかし、上述した理由により、機械的性質の確保は重要であり、接合後の熱処理なしで新管と同様にＪＩＳ  Ｇ  ５５２６の規定を上回るような高い伸びが確保されるならば、有効な手段となり、現地での切管、接合といった作業が不要となるなど効果は大きい。
【００１１】
本発明は以上の課題を解決するために、ダクタイル鋳鉄材を材料とし、熱処理を施さなくても元の母材とほぼ等しい機械的性質、具体的には元の母材のＪＩＳＧ  ５５２６規格に定める引張強度、伸びを維持した接合部よりなる摩擦圧接材、およびその製造方法の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るダクタイル鋳鉄材を使用した摩擦圧接材は、ダクタイル鋳鉄材の一方または双方がＢｉ：０．０００５〜０．０５％を含み、接合後、熱処理の施さなくして元の母材と同等若しくはそれ以上の機械的性質を維持する接合部よりなることによって前記の課題を解決した。
【００１３】
さらにより望ましくは、ダクタイル鋳鉄材の一方または双方がＢｉの他にＣａを０．０００１〜０．０５％含み、より靭性を向上することができる。
【００１４】
また、その製造方法は、一方または双方がＢｉ：０．０００５〜０．０５％を含む二つのダクタイル鋳鉄材の先端を対向して接合面を当接し、一方を高速回転しつつ押圧し合って摩擦圧力１０〜６０ＭＰａ、摩擦速度４〜８ｍ／ｓ、摩擦寄り速度０．１５〜０．７ｍｍ／ｓの摩擦条件によって摩擦発熱させた後、当該回転を急停止しつつ２０〜８０ＭＰａのアプセット圧力下で保持して一体的に接合する手順を特徴とする。
【００１５】
製造方法についても、より望ましくはダクタイル鋳鉄材の一方または双方がＢｉの他にＣａを０．０００１〜０．０５％含み、二つのダクタイル鋳鉄材の先端を対向して接合面を当接し、一方を高速回転しつつ押圧し合って摩擦圧力１０〜６０ＭＰａ、摩擦速度４〜８ｍ／ｓ、摩擦寄り速度０．１５〜０．７ｍｍ／ｓの摩擦条件によって摩擦発熱させた後、当該回転を急停止しつつ２０〜８０ＭＰａのアプセット圧力下で保持して、より靭性を向上した一体的な接合をすることができる。
【００１６】
本発明の特徴は、材料母材の一方または双方のＢｉを０．０００５〜０．０５％に限定して含むことである。先に述べたように鋳鉄材料に摩擦圧接を適用することは、黒鉛変形層の発生やセメンタイトの晶出のために、接合後の延性低下が避けられないが、ダクタイル鋳鉄管としては可撓性が不可欠の要素である。ダクタイル鋳鉄材にＢｉ若しくはＢｉ、Ｃａを添加することで黒鉛粒の晶出数は飛躍的に向上する。特にＢｉ、Ｃａ添加したものでは従来技術のほぼ３倍に達し、非常に微細な黒鉛が緻密な基地上に分散晶出するという作用が顕れる。すなわち、通常の鋳鉄材に比べるとチル防止の効果があるため、圧接後の延性の低下を防止する作用が発現するのである。さらに黒鉛が微細であるため圧接中の黒鉛の排出も効率的に行なわれると推定できるし、黒鉛微細化の影響は圧接後の強度の向上を誘起することも十分期待できる。この場合、Ｂｉ濃度が０．０００５％以下であると黒鉛粒数の増加作用が得られないし、０．０５％を越えるとＢｉによる黒鉛の球状化を阻害する作用が機能し始めるので、Ｂｉ濃度としては０．０００５〜０．０５％の範囲に限定する。
【００１７】
このＢｉの作用にＣａを共に加えることによって相乗効果を誘発することも確かめられた。すなわちＣａは高温のアプセット時の軟化溶融領域における脱酸作用があって、機械的性質の劣化を阻止する上、フェーディングによる損失の大きい蒸気圧の低いＢｉの気化減耗を抑止し、残留Ｂｉを安定化する作用がある。高温状態においてＣａとＢｉとは金属間化合物を作ってＢｉの気化損耗を抑止し、Ｂｉ本来の作用を確保させる相乗効果を発揮するので、機械的性質、特に伸びを向上する結果に繋がるのではないかと推定される。Ｃａは０．０００１％を超えてから明確にＢｉとの相乗効果が確認され、０．０５％を超えると不経済な上、相乗効果は減少するのでＣａ濃度は０．０００１〜０．０５％に限定する。
【００１８】
なお、出願人らは先に接合するダクタイル鋳鉄材の何れか一方、又は双方のＳｉ濃度を２．５％以上に調整することによって熱処理をすることなく、機械的性質を母材と同等またはそれ以上に維持する作用を導き出す発明を提起しているが（特願２０００−９３４１２）、本発明は通常のダクタイル鋳鉄材のＳｉ濃度であってもＢｉを添加することによってほぼ同じ効果が得られ、逆にＳｉの高配合に伴うマイナス点、たとえばコストアップなどの要因を回避できる点に意義がある。
【００１９】
一方、摩擦圧接条件の面から言えば、摩擦速度と摩擦寄り速度を特に重視して主要な制御対象とした点が特徴的である。たとえばダクタイル鋳鉄管の場合は、口径７５ｍｍから２６００ｍｍに及ぶ広範な寸法に分類、規格化されるが、何れも肉厚は７．５ｍｍ〜３９．５ｍｍ程度と、中実丸棒などと比べると周速度の差が比較的小さい。異形管やバルブの場合には条件が変わって来るし、中実丸棒などになると接合面の円中心点と外周部の相対的な周速は中心点からの距離に応じて著しく変動する。ダクタイル鋳鉄製の直管や異形管など管材の場合は、接合面がリング状となり内外周の周速度の差が摩擦速度の差となって働き、発熱量には一定の傾斜が現れるから、温度の勾配と相変化が連続的に繋がる。何れにしても摩擦圧接によって発生した液相は、外周側へ移動し遂に外周面上へはみ出してバリとする要因となるから、摩擦速度と摩擦寄り速度とのバランスはどの場合においても欠かせない重要な相関性がある。本発明はこの重要項目について後記のように綿密な検証を行い、摩擦速度４〜８ｍ／ｓ、摩擦寄り速度０．１５〜０．７ｍｍ／ｓを主要件に定め、さらに摩擦圧力１０〜６０ＭＰａ、アプセット圧力２０〜８０ＭＰａを付帯的に定めたのである。回転の制動開始とアプセット圧力の作動開始のタイミングは微妙に調整することができる。
【００２０】
摩擦寄り速度が０．１５ｍｍ／ｓ未満になると、接合面において軟化溶融状態となるまで発熱するための摩擦時間を多く要し、その熱影響が接合面から内外に伝播して、パーライトが多く発生し接合後の伸び１０％以上という目標が達成できない要因になる。逆に摩擦寄り速度が０．７ｍｍ／ｓを越えると急速に発生する溶滴が外周上へ必要以上に飛散して発熱量を無駄に消費して肝心の接合面が健全に接合するために必要な熱エネルギーが奪われる。また必要な押圧装置（具体的には油圧シリンダ）の能力が過大なものとなり、多量に飛散する溶滴が職場安全の面で問題を残すなど、本発明の目的に照らして適当ではない。
【００２１】
摩擦速度は４〜８ｍ／ｓを要件とする。４ｍ／ｓ未満では摩擦圧接に必要な熱エネルギーが得られず、接合面における軟化溶融が生じないから下限とした。また摩擦速度が８ｍ／ｓを越えると溶融が必要以上に激化し、急速に発生する溶滴が飛散して作業環境を破壊し労働条件を劣化させる原因となる。
【００２２】
一般に前記Ｂｉ成分の限定に加え、適切な摩擦寄り速度と摩擦速度を制御することによって接合面に安定した液相を生起して確実な摩擦圧接を行ない、気泡や介在物などを外周側へ追い出して健全、清浄な接合面とすると共に、パーライトの発生を防いでフェライト相を基地とした柔軟な組織として必要な強度と伸びを併せて維持する。Ｂｉに加え、さらにＣａが含まれておれば、既に述べた脱酸作用とＢｉとの金属間化合物生成による安定化作用の相乗的な働きが、機械的性質、特に靭性（伸び）の向上に明白な効果を与える。材料成分の限定と摩擦圧接の工程の数値的限定が完全な実施のための条件を構築するのであって、両限定が両立してこそ初めてダクタイル鋳鉄材としての使命を十分担える摩擦圧接材を約束することができるのである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の一部を説明する。実施にはダクタイル鋳鉄管（表１）を選び、表２は口径１５０ｍｍのダクタイル鋳鉄管のＪＩＳ  Ｇ  ５５２６規格品について実施した試験材のＢｉ量およびＣａ量、摩擦圧接条件、接合後熱処理なしで検定した機械的性質をまとめたもの及び母材のＪＩＳ  Ｇ  ５５２６規格である。比較例と本発明の実施例１〜４を列挙しているが、回転側−固定側のダクタイル鋳鉄管の一方または双方に対し、Ｂｉ添加が０％の比較例と、要件のすべてを満足する本発明の実施例１〜４を列挙したものである。実施例は回転側のみ、または回転側、固定側の両方にＢｉのみ、またはＢｉとＣａを加えた上、摩擦圧接の前期限定条件をすべて満足する試験片の機械的性質を示すものである。
【００２４】
【表１】
0003971220.tif 000002
【００２５】
【表２】
0003971220.tif 000003
【００２６】
表２の右欄に記載した強度ＭＰａと伸び％を見ると、比較例、実施例の何れも引張強度についてはさほど大きな差は見られず、健全な接合部の形成によって母材の強度（少なくともＪＩＳ  Ｇ  ５５２６規格で定める４２０ＭＰａ以上）がほぼ受け継がれたことを示している。焼鈍をしないから接合時の強度向上の利点はそのまま失われずに残り、この点はすべての試験例に共通して見られる。しかし伸びについてはきわめて顕著な差が認められ、ＪＩＳ  Ｇ  ５５２６規格で定める１０％を境として実施例と比較例との間には歴然とした有意差が存在している。
【００２７】
また、Ｂｉに加えてさらにＣａを含む実施例３，４の場合は、引張強度においては比較例とほぼ同じレベルを維持しながら伸びについて格段に優れ、ほぼ２〜３倍の靭性を得る効果のあることを立証している。このことは避けられない外力の偏加重などに対して本質的に求められる可撓性を格段に向上させることを意味し、熱処理なき可撓性の保証という最大の要件を満たす意義はきわめて大きい。なお、本発明の実施例における引張試験は、接合部を標点の中心にしたφ３．５、標点距離１５ｍｍの平行部からなる試験片を用いた。
【００２８】
従来技術の中には摩擦の寄り代（工程前後の全長の寄り代、絶対量）を要件として捉えた例はあったが、（摩擦寄り速度ｍｍ／ｓ）×（摩擦時間ｓ）を摩擦寄り代ｍｍと把握して換算して見ると、比較例が５．０７ｍｍの寄り代と算出できる。これは実施例１（５．００ｍｍ）、実施例２（４．９５ｍｍ）と比べても格別な有意差は認められず、結局、摩擦速度ｍ／ｓに見合った摩擦寄り速度ｍｍ／ｓのバランスが最も重要な要素であって、摩擦寄り代ｍｍの絶対量自体の制御よりも優先する要件であることを示唆している。言うまでもなく摩擦速度は管径の違いに比例して表れるから、この摩擦速度の差にバランスした摩擦寄り速度を調整することが重要な原則であることは、技術的に見てもきわめて妥当な見解であると考察される。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は以上述べた通り、従来から鋼材同士に比べて困難な要素を内在するダクタイル鋳鉄材の摩擦接合に関する特殊性に着目し、微量添加成分という要件を主体とし、さらに摩擦圧接条件を特定して、焼鈍を必須の要件としていた従来技術に対し、たとえ焼鈍しなくともダクタイル鋳鉄材として信頼できる強度と従来技術と同等またはそれ以上の伸びを具えた材料開発を実現した。もちろん、強度などに十分余裕がある場合には、焼鈍することによって一層の伸びや可撓性を向上させ、より優れた靭性を具えた材質に調整することまで妨げるものではない。