(57)【要約】  摩擦表面撹拌（ＦＳＳ）処理と称し得る処理を、金属物体の表面に対して用いる方法を説明する。ＦＳＳ処理は、摩擦撹拌溶接接合から離れた位置にある、金属物体の表面の一部、または全体に行われる。表面にＦＳＳ処理を実施すると、物体上に耐食性の機械的変換「皮膜」が形成される。この「皮膜」は、ＦＳＳ処理が施された物体の材料の厚さの分だけ形成される。一例示的用途において、本処理を、後に管になる金属帯片に施すことができ、これにより、「皮膜された」表面が管の内側に存在することになり、海水等の腐食性の流体に対して強い耐性が得られる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属物体の表面の耐食性を向上させる方法であって、
摩擦撹拌溶接工具を用いて、前記金属物体の接合のない表面の少なくとも一部を摩擦表面撹拌して、機械的変換皮膜を形成する、方法。
【請求項２】
使用目的において水、海洋環境、または腐食環境に晒される前記金属物体の表面領域全体を表面撹拌する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
さらに、表面撹拌後に、前記表面の撹拌された部分に対して、機械加工、フライカッティング、砂磨き研磨、研削、または艶出し研磨を行う、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記金属物体は単一の金属材料から形成されている、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記金属物体の前記接合のない表面はほぼ平坦な平面である、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記金属物体の前記接合のない表面は曲面または非平坦面である、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記金属物体は曲面と平坦面を両方有している、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記金属物体は板、棒、ロッド、または管である、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記金属物体は完全に摩擦表面撹拌されていて、前記摩擦表面撹拌は前記金属物体の厚さ全体に侵入する、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記単一の金属材料は、アルミニウム合金、チタン合金、またはステンレス鋼で構成されている、請求項４記載の方法。
【請求項１１】
前記アルミニウム合金は、耐海水用アルミニウム合金で構成されている、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記金属物体は、海洋熱エネルギー変換プラント、海水淡水化プラント、もしくは海洋船舶または航空機の構成要素内で使用される物体である、請求項２記載の方法。
【請求項１３】
前記金属物体は海洋熱エネルギー変換プラントで使用される熱交換器である、請求項２記載の方法。
【請求項１４】
前記金属物体は、機械加工、型打ち、または加工処理されることによって、その少なくとも１つの面に対して表面改質が行われる、請求項９記載の方法。
【請求項１５】
前記金属物体を切断して帯片を形成する、請求項９または１４に記載の方法。
【請求項１６】
切断後、前記帯片の各々を管形物体に形成する、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記帯片で形成された前記管形物体の隣接する縁端同士を、継ぎ目に沿って下方へと摩擦撹拌溶接することによって、全面的な摩擦表面撹拌及び摩擦撹拌溶接が行われた管を作成する、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記帯片で形成された前記管形物体の隣接する縁端同士を継ぎ目に沿って接合する、請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
前記接合した縁端を前記継ぎ目に沿って摩擦撹拌溶接することによって、全面的な摩擦表面撹拌及び摩擦撹拌溶接が行われた管形物体を作成する、請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［技術分野］
本開示は、耐食性の金属物体に関し、金属物体の耐食性を強化するための摩擦表面撹拌（ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｓｔｉｒｒｉｎｇ：ＦＳＳ）の使用に関する。
［背景技術］
ほとんどの金属は、耐海水用金属であっても、塩水、汽水、及び淡水環境を含む水環境では腐食の形跡が現れる。腐食は低温の深海水において特に顕著である。時が経つにつれて、腐食は、水環境に晒されている金属物体の長期間運転を維持するのに弊害をもたらすおそれがある。
【０００２】
摩擦撹拌溶接（ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｓｔｉｒ  ｗｅｌｄｉｎｇ：ＦＳＷ）を使用して、２つの金属製物体を溶接接合部で接合することが知られている。この物体を水環境に晒していると、ＦＳＷ接合箇所では、腐食が全く発生していないか、またはわずかしか発生していないが、一方、基部となる合金におけるＦＳＷ接合部以外の箇所では、金属物体上にかなりの腐食が発生していることが観察されてきた。
［発明の概要］
摩擦表面撹拌（ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｓｔｉｒｒｉｎｇ：ＦＳＳ）処理と称し得る処理を、金属物体の表面に対して用いる方法を説明する。ＦＳＳは、ＦＳＷ溶接接合から離れた位置にある、金属物体の表面の一部または全体に行われる。表面にＦＳＳ処理を実施すると、物体上に耐食性の機械的変換（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）「皮膜」が形成される。この機械的変換「皮膜」は、ＦＳＳ処理が施された物体の材料の厚さの分だけ形成される。機械的変換「皮膜」は、金属物体の厚さの一部であっても全部であってもよい。
【０００３】
ＦＳＳは、回転工具を用いて金属材料を軟化あるいは可塑化する点において、ＦＳＷに類似している。しかし、ＦＳＳは、２つの物体の間の接合部ではなく、金属物体の表面上に行われる。ＦＳＳ処理はＦＳＷ溶接接合の形成に用いる従来のＦＳＷ工具が使用可能であり、また、ＦＳＳの対象であるより広い表面に対して使用するために、従来のＦＳＷ工具の寸法を拡大することも可能である。
【０００４】
ＦＳＳ工具は数多くの撹拌行路において使用可能である。例えば、ＦＳＳ工具は、金属物体上を１方向に撹拌する直線行路に沿って、または金属物体上を２方向（つまり前後方向）に撹拌する直線行路に沿って移動可能である。別の実施形態では、ＦＳＳ工具は、中心で始動し、らせん状に外側へと動作していくことも可能である。別の実施形態では、ＦＳＳ工具は、金属物体上で正方形状または矩形状に移動し、外側または内側に向かって動作していくことも可能である。他の移動行路も可能である。
【０００５】
ＦＳＳは、金属物体への機械加工工程の前でも後でも実施可能である。金属物体はいかなる形状や寸法を有していてもよく、板形、棒形、ロッド形、管形、あるいは他の形状でもよい。ＦＳＳは任意の表面形状、例えば平面や平坦面、曲面、または平面と曲面の混合面に対して実施可能である。
【０００６】
ＦＳＳの対象となる物体は合金で形成可能であり、この合金には、アルミニウム合金（２０００系、３０００系、５０００系、６０００系、及び７０００系のアルミニウム合金）、特に耐海水用アルミニウム合金（５０００系及び６０００系）、チタン合金、ステンレス鋼等の合金鋼等が含まれるが、これらに限定されない。
【０００７】
得られた機械的変換「皮膜」は、従来の耐食性変換（ａｎｔｉ−ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）皮膜よりも大幅に厚く、例えば５〜１０倍厚い。このＦＳＳ皮膜は従来の化学変換（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）皮膜よりも厚いが、ＦＳＳ皮膜撹拌区域の周囲かつ下側にある母材と一体となっている。母材とＦＳＳ皮膜は、それぞれの熱特性が同一ではないが非常に類似している。したがって、ＦＳＳ皮膜は従来の表面皮膜に対して利点を有する、つまり、従来の皮膜プロセスが通常抱える層間剥離の問題がなく、海水環境や他の腐食が起こりやすい環境での耐用年数が、ＦＳＳ皮膜が厚いほど顕著に長くなる。ＦＳＳによる機械的変換「皮膜」は、異なる皮膜材料を使用しないので、環境に優しい。ＦＳＳ処理は析出物の大部分を溶解もしくは最小限に抑えるので、ＦＳＳによる機械的変換「皮膜」は含有する析出物が少なくて小さく、粒界もなめらかになって、金属物体の熱性能や他の材料特性に影響を与えない。
【０００８】
ある例示的な用途において、ＦＳＳ処理は、塩水、汽水、及び淡水を含む水中での使用を目的とする物体に対して使用可能である。例えば、金属物体は、海洋熱エネルギー変換プラント、海水淡水化プラント、または船舶において使用する物体であり得るが、これらに限定されない。このような目的での使用中の物体の配置は、水面下であったり、水上であったり、水面より上方ではあるが水に晒された状態（つまり水しぶき、塩水噴霧、または他の海洋層環境）であったり、あるいはこれらを組み合わせた状態であり得る。ＦＳＳ処理は、金属物体の使用時に水環境及び／または海洋環境に晒される一部領域または全体領域に対して使用可能である。
【０００９】
ＦＳＳ処理をＦＳＷとともに用いることによって、単一の金属材料で構成された水中用構造を作成することができる。例えば、海洋熱エネルギー変換（ＯＴＥＣ）システムにおいて、シェル式、プレート式、多管式等を含む熱交換器の全体をアルミニウム合金で構成することが可能であり、これにより異種金属の使用や電池対となる物質の使用を排除できる。
【００１０】
一実施形態において、摩擦表面撹拌処理は、摩擦撹拌溶接工具を使用して、金属物体の接合のない表面やＦＳＷ接合された表面の少なくとも一部を摩擦表面撹拌することを含む。この実施形態は、本明細書に含まれる従属請求項のいずれかの項と任意に組み合わせて使用可能であり、従属請求項同士も任意に組み合わせて使用可能である。
【００１１】
別の実施形態では、処理は、摩擦撹拌溶接工具を用いて金属物体の接合のない表面を摩擦表面撹拌することを含む。この実施形態は、本明細書に含まれる従属請求項のいずれかの項と任意に組み合わせて使用可能であり、従属請求項同士も任意に組み合わせて使用可能である。
【００１２】
別の実施形態では、金属物体の耐食性を向上させる方法は、摩擦撹拌溶接工具を用いて、金属物体の接合のない表面またはＦＳＷ接合された表面を少なくとも部分的に摩擦表面撹拌することによって、機械的変換皮膜を形成することを含む。この実施形態は、本明細書に含まれる従属請求項のいずれかの項と任意に組み合わせて使用可能であり、従属請求項同士も任意に組み合わせて使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１Ａ〜１Ｄは、表面がＦＳＳ処理を施されている状態の物体の一部を図示したものである。
【図２】図２は、物体上にあるＦＳＷ接合とは離れた表面がＦＳＳ処理を施されている状態である、物体の一部を図示したものである。
【図３】図３Ａ〜３Ｃは、物体に対するＦＳＳの別の例を、ＦＳＳ後の機械加工とともに図示している側面図である。
【図４】図４は、ＦＳＳによって処理された管の端面図であり、ＦＳＳによる機械的変換「皮膜」を示している。
【図５】図５Ａ〜５Ｂは物体の厚さ全体へＦＳＳを施した例を図示したものである。
【図６】図６Ａ〜６ＣはＦＳＳ処理された管を作成するプロセスを図示したものである。
【図７】図７Ａ〜７ＢはＦＳＳ処理された管を作成する代替プロセスを図示したものである。
【図８】図８Ａ〜８Ｃは、形成可能な様々なＦＳＳ処理された管の形状及び表面の例を図示したものである。
【図９】図９Ａ〜９Ｃは、様々な表面仕上げが施されている、ＦＳＳ処理された物体の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［発明の詳細な説明］
以下の説明では、金属物体の表面にＦＳＳ処理を適用する方法を説明している。ＦＳＳは、金属物体の表面の一部または全体に対し、物体の厚さの一部または全体にかけて行われる。金属物体には、ＦＳＷ溶接接合が１つ以上あっても、ＦＳＷ溶接接合がなくてもよい。表面にＦＳＳ処理を行うと、以後は単に「皮膜」と称される耐食性の機械的変換「皮膜」が物体に形成される。「皮膜」は、ＦＳＳ処理された物体の材料の厚さ分だけ形成され、この厚さはＦＳＳ処理に使用される回転工具の侵入度によって決まる。
【００１５】
ＦＳＳ処理は、回転工具を用いて金属材料を軟化あるいは可塑化する点において、ＦＳＷに類似している。しかし、ＦＳＳは、ＦＳＷのように２つの物体の間の接合部ではなく、金属物体の表面上に行われるものであり、２つの物体を一体に接合するために使用するものではない。
【００１６】
ここで図１Ａ〜１Ｄを参照して、ＦＳＳを施した金属物体１０の一部を説明する。物体１０は、平面状でも曲面状でもよい表面１２を有している。ＦＳＳ工具１４は、表面１２に対してＦＳＳを行うために使用される。この例では、ＦＳＳ工具１４は、ＦＳＷ溶接接合の形成に使用される従来のＦＳＷ工具と、構造及び動作が同じであってもよいし、あるいは、工具１４は、ＦＳＳの対象となるより広い表面１２に使用するために寸法を拡大している以外は、従来のＦＳＷ工具と類似していてもよい。
【００１７】
当業者であれば理解されるように、ＦＳＳ工具１４は高速で回転しながら、物体の表面に接触している。工具１４は、金属材料を、工具の物体の表面１２への侵入度によって決まる深さまで軟化あるいは可塑化する。工具が金属を通ると、工具はピン型工具（ｐｉｎ  ｔｏｏｌ）の後にある金属を撹拌し、工具の肩部下で固化する。その結果得られる表面「皮膜」は、等軸微細粒を有する金属で構成される。ＦＳＳ処理中に溶融は発生しないので、この工程はすべて固体の状態で行われている。
【００１８】
この例において、ＦＳＳ工具１４を、表面１２に沿って、図１Ｂに矢印で示されている走行方向１５に作動させて、ＦＳＳ区域１６（ＦＳＳ区域１６は図１Ｂ及び図１Ｄに点線で図示されている）を形成する。図１Ｃに示されているように、各行路が完了したら、工具１４を矢印の方向にシフトさせて（または物体を工具に対してシフトさせて）新たなＦＳＳ行路を完成させる。この処理を、図１Ｄに示すように物体１０の縁部を除く表面全体に、または表面領域の一部分だけに対して繰り返す。
【００１９】
ＦＳＳは、図１Ａの物体にＦＳＳ工具を押し付けることによって始動し、物体の長軸に沿って「北方向」に直線移動させて、工具が物体の端部に到達する前に停止させる。その後、ＦＳＳ工具は、直線移動して元の始動位置に戻ってきて、ＦＳＳ区域が十分に重なることを確実に実現するのに足りる距離だけシフトすることができる。次に、ＦＳＳ工具を再度、物体に沿って「北方向」に直線移動させ、その後に位置をシフトする工程を、物体全体に各ＦＳＳ区域が重なり合うまで繰り返される。別の実施形態では、ＦＳＳ工具は、負荷をかけて回転したままで、各行路の終点で停止してシフトする。その後、工具は物体に沿って「南方向」に直線移動を開始し、先に形成されたＦＳＳ区域と重なり合いながら進む。工具は、薄板の縁部を除いた全体にＦＳＳ処理が施されるまで、各行路の終点でシフトしながら前後方向に溶接を続けることができる。他の工具走行パターンも可能であり、このパターンには正方形状、矩形状、またはらせん状のパターンが含まれるが、これらに限定されない。
【００２０】
ＦＳＳ処理は、いずれのＦＳＷ接合からも離れた位置にある表面１２に対して使用されることに注目すべきである。図１Ａ〜１Ｄに示された例では、物体１０はいずれのＦＳＷ接合も含んでいない。
【００２１】
図２は、従来のＦＳＷ処理によってＦＳＷ溶接区域もしくは接合２０に沿って１つに接合された、元来は別々の２つの部分１８ａ，１８ｂによって物体１０’が作成されている実施形態を図示したものである。この実施形態において、工具１４を表面１２’の各領域を端から端まで移動させることによって、ＦＳＷ区域２０から離れた位置にＦＳＳ区域（複数のＦＳＳ区域）１６を形成する。
【００２２】
図３Ａ〜３Ｃは、ＦＳＳによって処理された物体３０の断面図を示したものであり、図３ＡではＦＳＳ行路を１つ、図３Ｂでは行路を複数示している。ＦＳＳ工具１４の侵入度によって、その結果得られる「皮膜」の深さが決定される。図３Ｂを参照にすると、ＦＳＳ工具１４の複数の行路は、得られる撹拌区域（または摩擦撹拌処理（ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｓｔｉｒ  ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ：ＦＳＰ）区域）が物体３０の全体にわたって均一な深さ「Ｄ」を有し、その結果ＦＳＳ「皮膜」３２を形成するのに十分な量だけ重なりあっていることが分かる。ＦＳＳ「皮膜」３２は、従来の耐食性変換皮膜よりも大幅に厚い、例えば５〜１０倍厚い耐食性の防護壁となる。
【００２３】
ＦＳＳの実施後、物体の表面に対して、必要に応じて例えば機械加工、フライカッティング、砂磨き研磨、研削、及び／または艶出し研磨を行って、表面を平滑化することができる。一実施形態において、図３Ｃは、重なり合った撹拌区域の上面を機械加工可能であり、例えばミルビット、フライカッター、ルーター等の適切な切削装置を用いて厚さの一部を機械加工で除去することが可能であることを図示したものである。クレバス腐食の懸念がない場合は、この機械加工工程は省くことができる。
【００２４】
ＦＳＳ処理は、いかなる形状の物体に対しても、またいかなる形状の物体表面に対しても実施可能である。図４は、中空の内部空間４２及び内面４４から外面４６に延びる肉厚Ｔを有する、中空の円筒形物体または管４０を図示したものである。外面４６に対して深さＤまでＦＳＳを行うことによって、ＦＳＳ「皮膜」４８を形成する。ＦＳＳはまた、内面４４に対しても同様に実施可能である。
【００２５】
ＦＳＳ「皮膜」３２は物体上において一様に一定の深さであってもよいし、皮膜の深さが変化してもよい。例えば、図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、物体５０の側面図が図示されており、ここで物体５０は、物体５０の厚さ全体、つまり深さＤにわたってＦＳＳで処理されていて、このことはいくつかの用途においては有益である場合もある。一実施形態において、物体の厚さに相当するピンの長さを有する従来のＦＳＷ工具を用いて、厚さ全体に対するＦＳＳを実現することができる。図５Ｂに図示されている別の実施形態では、ＦＳＳ工具５２は、上側肩部５４と、下側肩部５６と、肩部５４，５６の間で延びる自立ピン５８とを有する、セルフリアクティングＦＳＳ工具である。ピン５８は、厚さ全体に対するＦＳＳ処理が行えるように物体５０の厚さにほぼ等しい距離だけ離れた位置にある肩部５４，５６の間で露出している。
【００２６】
図６Ａ〜６Ｃは、ＦＳＳを用いた管作成方法を図示したものである。図６Ａから始まり、平板６０は、例えばアルミニウム合金製であり、平板の深さ全体に対して完全にＦＳＳ処理が行われて、必要であれば上述のように機械加工される。図６Ｂに示すように、次に平板６０を切断して帯片６２ａ，６２ｂ，…６２ｎを形成し、ＦＳＳ処理されていない縁部６４を除去する。図６Ｃを参照して、次に各帯片を丸めて管６５を作成し、継ぎ目６４’に沿ってその縁端同士を接合する。
【００２７】
縁端の接合は、任意の適切な接合処理を用いて行うことができる。一実施形態において、縁端同士を、当該技術分野では既知である高周波抵抗溶接処理を用いて接合可能である。その結果が、内部表面と外部表面の両方がＦＳＳ処理された管６５である。別の実施形態では、図７Ａ〜７Ｂに示されるように、縁端同士を、ＦＳＷ工具６６を用いた従来のＦＳＷ処理を用いて接合することによって、内部表面と外部表面の両方において腐食を最小限に抑える、または排除する、全面的にＦＳＳ及びＦＳＷを施した管６８を作成可能である。別の実施形態では、縁端同士を、先の種類の処理、例えば電縫溶接やレーザー溶接といった溶接処理を用いて接合し、次に接合された縁端同士を継ぎ目に沿って下方へとＦＳＷを施すことによって、内部表面と外部表面の両方において腐食を最小限に抑える、または排除する、全面的にＦＳＳ及びＦＳＷを施した管を作成可能である。
【００２８】
図８Ａ〜８Ｃは、上述の処理及び技術を用いて形成可能である、ＦＳＳ処理された管の形状及び表面の例を図示したものである。これらの例は、図６Ａ〜６Ｃ及び図７Ａ〜７Ｂに説明されている処理を用いることによって、種々の異なる形状及び表面改質を有する管を作成可能であることを図示している。この表面改質は、帯片へと切断する前にも後にも追加することができる。また、表面改質は、得られる管の外面の一部または全体に対して、もしくは内面の一部または全体に対して行うことができる。しかし、表面改質は管に対する使用に限定されるのではなく、本明細書に記載されているＦＳＳ処理の対象となる任意の金属物体に対して与えることができる。
【００２９】
表面改質は、管または金属物体の熱伝達等の熱性能を高めることや、または他の任意の特性を向上させるためのものであり得る。表面改質は、任意の方法で形成可能であり、この方法には、機械加工、型打ち、化学エッチング等が含まれるが、これらに限定されない。
【００３０】
図８Ａは円筒形管８０を示している。管８０の外面にはまた、金属をＦＳＳ処理した後に機械加工された溝または起伏８２が設けられている。
図８Ｂは、外面の一部または全面に溝８６が機械加工されている台形管８４を示している。この実施形態において、内面の一部または全面にも溝８８が機械加工されている。
【００３１】
図８Ｃは、外面の一部または全面に溝９２が機械加工されている矩形管９０を示している。この実施形態において、内面の一部または全面にも溝９４が機械加工されている。
図９Ａ〜９Ｃは、ＦＳＳ処理を行った管または他の金属物体の表面（内面及び／または外面）に設けることができる様々な表面仕上げ加工の例を図示したものである。図９Ａ〜９Ｃは、任意の方法で形成可能な種々のエンボス加工による表面仕上げを図示したものであり、この任意の方法には、機械加工、型打ち、化学エッチング等が含まれるが、これらに限定されない。
【００３２】
ＦＳＳ処理は、海洋での用途や、水、特に塩水に遭遇する用途に使用される物体に特に有用である。用途例としては、海水淡水化プラント、またはＯＴＥＣプラントにて使用される熱交換器、発電所システムの凝縮器、及び他の冷却用途及び液体−液体または液体−気体熱負荷交換用途が挙げられるが、これらに限定されない。ＦＳＳ処理は、海軍または他の海洋用の船舶または航空機、地表、空中、もしくは海中で使用される構成要素、例えば船体、甲板、回転要素等にとって有益になり得る。
【００３３】
本出願に開示された各例は、あらゆる点において例示と見なされるべきであり、限定するためのものと解釈すべきではない。本発明の範囲は、上記の説明ではなく、添付請求項によって示されている。したがって、本請求項の均等物の範囲に入る全ての変更は、本発明に含まれることになる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【国際調査報告】
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