(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属間化合物，酸化物分散合金，低延性高強度鋼又はセラミックス材料を炭素鋼と摩擦圧接又は拡散接合する際、接合直後の高温状態にある炭素鋼に体積膨張を伴う変態を起こさせ、該体積膨張によって接合界面方向に膨張伸びを付与することを特徴とする割れ発生を抑制した炭素鋼と異種材料の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、割れ発生を防止しながら金属材料やセラミック材料を摩擦圧接又は拡散接合する方法に関する。
【０００２】
【従来技術及び問題点】
摩擦圧接，拡散接合等に代表される固相拡散接合は、材料を溶融させることなく固相状態のままで接合する方法であり、溶融溶接では接合不可能な高融点金属や異種金属間の接合に適している。たとえば、ＴｉＡｌ金属間化合物のような脆性材料を溶融溶接すると割れ発生頻度が高くなるので、レーザを用いた溶融溶接では溶接前の予熱及び溶接後の徐冷が必要となる。他方、摩擦圧接では、予熱，徐冷等を必要とせずに割れのない継手部が得られる。
【０００３】
しかし、延性に乏しい金属間化合物，酸化物分散合金，低延性高強度鋼，セラミックス等を炭素鋼と摩擦圧接又は拡散接合すると、異種金属間の物性の相違に起因した大きな引張り応力が発生する。引張り応力が接合界面に局部的に作用すると、割れ等の欠陥発生の原因となる。そのため、カシメとろう付けを併用する半機械的な接合方法が一部で採用されているが、信頼性の高い継手が得られがたい。摩擦圧接部を接合後に徐冷する方法(特開平8-144722号公報)も知られているが、徐冷工程が必要なため時間のかかる方法である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、延性の乏しい材料を炭素鋼と摩擦圧接又は拡散接合する際、相手材である炭素鋼のマルテンサイト変態に伴う変態膨張現象を利用して接合界面の残留応力を緩和し、割れのない健全な継手を形成することを目的とする。
【０００５】
本発明の接合方法は、その目的を達成するため、金属間化合物，酸化物分散合金，低延性高強度鋼又はセラミックス材料を炭素鋼と摩擦圧接又は拡散接合する際、接合直後の高温状態にある炭素鋼に体積膨張を伴う変態を起こさせ、該体積膨張によって接合界面方向に膨張伸びを付与することを特徴とする。
延性のない金属間化合物には、Ｔｉ3Ａｌ，ＴｉＡｌ，ＴｉＡｌ3等のＴｉ−Ａｌ系，形状記憶合金や超弾性材料を除くＮｉ−Ｔｉ系等が挙げられる。酸化物分散合金にはメカニカルアロイ合金，低延性高強度鋼にはピアノ線，高速度鋼等、セラミックス材料にはＡｌ2Ｏ3等の酸化物型セラミックスやＳｉ3Ｎ4等の窒化物型セラミックス等がある。
【０００６】
体積膨張を伴う変態の代表的なものとしては、炭素鋼の水焼入れ時に生じるマルテンサイト変態がある。しかし、水焼入れによるマルテンサイト変態に拘束されることなく、酸化物分散合金と炭素鋼との接合では、炉中冷却，空冷，油冷，温水焼入れ，塩水焼入れ，塩浴焼入れ，サブゼロ処理等の恒温変態もマルテンサイト変態に利用できる。本件明細書では、炭素鋼の化学成分に応じて冷却速度を制御することによりマルテンサイト変態が生じた焼入れ組織にすることを「熱処理」で総称する。また、接合直後の高温状態にある接合部を成形ロール又は水冷ロールで圧下するとき、接触冷却によってマルテンサイト変態が促進される。成形ロール又は水冷ロールを用いた圧下は、バリを除去し、接合部を整形する上でも有効である。
【０００７】
【作用】
延性のない金属間化合物，酸化物分散合金，セラミックス材料や延性の低い高強度鋼を炭素鋼と摩擦圧接又は拡散接合すると、接合界面に直交する方向に沿った亀裂が発生しやすい。亀裂の発生は、継手周囲に圧縮の残留応力が生じ、継手中央で引張りの残留応力が生じることが原因である(材料第38巻第432号(1989)第55〜61頁)。
【０００８】
そこで、本発明者は、接合直後の被接合材に体積膨張を伴う変態を生起させることにより、亀裂発生の原因である残留応力を緩和する方法を検討した。体積膨張を伴う変態の代表的なものであるマルテンサイト変態では、被接合材が３％程度体積膨張する。この体積膨張により異種材料間の膨張量の差が小さくなる。その結果、継手中央に生じがちな引張りの残留応力が緩和され、割れ発生が抑制された継手が得られる。変態に起因する体積膨張の程度は、接合直後の被接合材を冷却することの冷却条件を制御することにより調整される。
【０００９】
【実施例１】
径１５ｍｍのＴｉＡｌ金属間化合物製丸棒と径１５ｍｍの機械用炭素鋼Ｓ４５Ｃとの摩擦圧接を例に採って本発明を具体的に説明する。
アプセット圧力Ｐ2＝１８５．７ＭＰａ，アプセット時間ｔ2＝５秒，回転数Ｎ＝２４００ｒｐｍの一定値に設定し、種々の摩擦圧力Ｐ1を加える条件下でＴｉＡｌ金属間化合物製丸棒と炭素鋼製丸棒とを摩擦圧接した。摩擦圧接で形成された継手の割れ発生に及ぼす摩擦圧力Ｐ1の影響を調査した。なお、摩擦圧力Ｐ1＝１４２．８ＭＰａの場合には摩擦時間ｔ1を５秒，Ｐ1＝１００．０ＭＰａ，３５．７ＭＰａの場合には摩擦時間ｔ1を１５秒に設定した。
【００１０】
図１の調査結果にみられるように、摩擦圧力Ｐ1が高い場合に割れが生成する傾向があり（ａ，ｂ）、摩擦圧力Ｐ1が低い場合には割れが観察されなかった（ｃ）。発生した割れは、継手中央部で軸方向（接合面に直交する方向）に延びていた。摩擦圧力Ｐ1と割れ発生との関係及び亀裂の伝播方向から、継手周囲に圧縮の残留応力、継手中央で引張りの残留応力が生じるため、引張りの残留応力に起因して直交方向に、換言すると被接合材が裂けるような割れが発生したことが窺われる。
【００１１】
他方、同材質のＴｉＡｌ金属間化合物製の丸棒を摩擦圧接すると、摩擦圧力Ｐ1の如何に拘らず割れ発生のない継手が得られ、継手の強度特性も良好であった。この場合には、継手周囲に圧縮の残留応力が生成し、継手中央に引張りの残留応力が生じるものの，異種材料界面にみられる物性値の特異性（特性差）がないため、割れ発生に至らないものと推察される（摩擦圧接第３巻第１号(1996)別冊第２５〜３１頁「ＴｉＡｌ金属間化合物同種材の摩擦圧接」）。
【００１２】
そこで、ＴｉＡｌ金属間化合物と炭素鋼との摩擦圧接時に生じる割れ発生状況を調査するため、摩擦圧接中に音響を測定し、測定結果から割れ発生時期を求めた。音響測定には、被接合材１に直接固定した音響センサ２を低ノイズケーブル３で音響テスタ４に接続すると共に、接合界面５の温度を熱電対６で検出するシステムを使用した。音響テスタ４からのアコースティックエミッション（音響，ＡＥ）及び接合界面５の温度は、共にレコーダ７に記録される。
【００１３】
割れが発生した圧接条件（摩擦圧力Ｐ1＝１００．０ＭＰａ，アプセット圧力Ｐ2＝１８５．７ＭＰａ，摩擦時間ｔ1＝１５秒，アプセット時間ｔ2＝５秒，回転数Ｎ＝２４００ｒｐｍ）で摩擦圧接した場合、図３の測定結果にみられるように、大きなアコースティックエミッションのピークが圧接中に検出された。大きなピークは、被接合材１に割れが発生したことを示唆するシグナルであり、そのときの接合界面５の温度は５００℃前後であった。
【００１４】
継手中央における引張りの残留応力に割れ発生の原因があるとの前提に立つとき、異種材料間の膨張差を小さくして引張りの残留応力を低減することが有効であると推論される。因みに、被接合材１の線膨張係数は、ＴｉＡｌ金属間化合物で１１×１０-6／℃，０．５質量％程度のＣを含む炭素鋼で１４．６×１０-6／℃である。そこで、被接合材１の軸方向に直交する方向に沿って僅かな膨張伸びを付与する方法を検討した。
【００１５】
一方の被接合材１である炭素鋼は焼きが入りやすい鋼種であって、焼入れ性はＣ含有量の増加と共に増大する。焼入れによって炭素鋼はマルテンサイト変態する。マルテンサイト変態は、Ｃ含有量に応じて若干変動するもののおよそ５００℃前後で生じ、炭素鋼を３％程度体積膨張させる。本発明では、このマルテンサイト変態による体積膨張を利用して被接合材１に膨張伸びを付与し、他方の被接合材であるＴｉＡｌ金属間化合物との熱膨張差を小さくしている。
【００１６】
具体的には、摩擦圧接終了直後に一方の被接合材である炭素鋼のみを水焼入れするように、竪型摩擦圧接機の上方にＴｉＡｌ金属間化合物製部材８を、下方に炭素鋼製部材９をセットし、炭素鋼製部材９が十分水没する水冷用タンク１０を配置した（図４）。
同じ圧接条件（摩擦圧力Ｐ1＝１００．０ＭＰａ，アプセット圧力Ｐ2＝１８５．７ＭＰａ，摩擦時間ｔ1＝１５秒，アプセット時間ｔ2＝５秒，回転数Ｎ＝２４００ｒｐｍ）でＴｉＡｌ金属間化合物製部材８を炭素鋼製部材９に摩擦圧接した。摩擦圧接終了直後、水冷用タンク１０に温度５０℃の冷却水ｗを注入し、水冷用タンク１０内の水位をＴｉＡｌ金属間化合物製部材８と炭素鋼製部材９との接合部に維持した。これにより、炭素鋼製部材９のみが水中に保持され、マルテンサイト変態した。
【００１７】
この条件下で接合界面５の温度及び音響レベルを同様に測定した。図５の測定結果にみられるように、大きな音響のピーク（図３）が検出されず、摩擦圧接で形成された接合界面５を詳細に顕微鏡観察した結果からも亀裂が発生していなかった。
接合界面５の硬さは６００ＨＶにも達し（図６）、マルテンサイト組織の継手が形成されていることが確認された。図６中、１／２中心部硬さは、被接合材１の中心から半径の１／２の位置にある硬さを示す。また、水焼入れによってマルテンサイト変態させた継手では割れが生じていなかったが、水焼入れすることなく空冷した継手は硬さが低く、一部に割れが発生していた。
【００１８】
【実施例２】
設備構成の概略を図７に示す拡散接合装置を用い、ＴｉＡｌと炭素鋼Ｓ４５Ｃを拡散接合した。この拡散接合装置２０は、内部に被接合材用の保持台２１を設けた真空チャンバ２２を備え、真空ポンプ２３によって真空吸引される。また、冷却水ｗを炭素鋼Ｓ４５Ｃに吹き付けるため、真空遮断バルブ２４が組み込まれた冷却水供給管２５が真空チャンバ２２に開口している。
一方の被接合材である炭素鋼Ｓ４５Ｃを保持台２１に載置し、他方の被接合材ＴｉＡｌを炭素鋼Ｓ４５Ｃに当接させた。重錘２６で炭素鋼Ｓ４５Ｃに荷重を加えてＴｉＡｌに押圧し、ＴｉＡｌと炭素鋼Ｓ４５Ｃとの接合界面を高周波加熱コイル２７で加熱した。高周波加熱で昇温した接合界面ではＴｉＡｌと炭素鋼Ｓ４５Ｃとの間に相互拡散が生じて接合反応が進行するが、このときの接合界面の温度を熱電対２８で測定した。
【００１９】
真空チャンバ２２を真空度１．３×１０-3Ｐａに維持し、圧力７．３ＭＰａを加えた状態でＴｉＡｌ及び炭素鋼Ｓ４５Ｃを温度１２００Ｋ又は１５００Ｋに１０分保持した後、高周波加熱コイル２７の出力制御により接合体を冷却速度１０℃／分で冷却した。徐冷後に接合界面を観察したところ、何れの接合温度でもＴｉＡｌ側に割れが発生しており、継手強度は２〜３ｋｇｆ／ｍｍ2に留まっていた（図８）。
【００２０】
そこで、冷却水供給管２５から冷却水ｗを炭素鋼Ｓ４５Ｃに吹き付けることにより、接合温度から５秒以内で３００℃以下の温度まで降温するように接合体を急冷した。得られた接合体では、ＴｉＡｌ側に割れが検出されず、炭素鋼Ｓ４５Ｃはマルテンサイト変態していた。継手強度も１０ｋｇｆ／ｍｍ2を超える高い値を示した。
この対比から明らかなように、拡散接合する場合にも炭素鋼Ｓ４５Ｃのマルテンサイト変態を促進させることによって、マルテンサイト変態に伴う体積膨張で異種材料間の膨張差が軽減され，結果として割れがなく高強度の継手が得られることが確認される。
【００２１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、延性のない或いは延性の低い材料を炭素鋼と摩擦圧接又は拡散接合する際、接合直後の高温状態にある被接合材が冷却する過程で体積膨張を伴う変態を生起させている。変態により生じる体積膨張は、接合面方向に沿った伸びを被接合材に付与し、異種材料間の膨張差を軽減するため割れ発生の原因である残留応力が低く抑えられる。また、炭素鋼をマルテンサイト変態させる場合には、硬質のマルテンサイト組織の継手が形成されることから接合部の強度特性も向上する。このように、本発明によるとき、比強度の高いＴｉＡｌ金属間化合物製インペラーと鋼製軸受との接合を初めとして、亀裂の発生なく、種々の異種金属が高い継手強度で接合される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  接合部に生じる割れの有無に圧接条件が及ぼす影響を表した説明図
【図２】  接合界面の温度及び摩擦圧接時の音響を測定しながら炭素鋼Ｓ４５ＣにＴｉＡｌ金属間化合物を摩擦圧接したときの説明図
【図３】  接合部に割れが発生したときの接合界面の温度変化及び音響レベルの変化を示したグラフ
【図４】  摩擦圧接直後に炭素鋼を水焼入れすることによりマルテンサイト変態を生起させるときの説明図
【図５】  摩擦圧接直後の炭素鋼をマルテンサイト変態させることにより割れ発生を抑制したときの接合界面の温度変化及び音響レベルの変化を示したグラフ
【図６】  実施例１で得られた接合部の硬さを示すグラフ
【図７】  実施例２で使用した拡散接合装置の概略図
【図８】  拡散接合後に急冷した場合の継手強度を徐冷した場合の継手強度と対比したグラフ
【符号の説明】
１：被接合材    ２：音響センサ    ５：接合界面    ６：熱電対    ８：ＴｉＡｌ金属間化合物製部材    ９：炭素鋼製部材    １０：水冷用タンク
２０：拡散接合装置    ２２：真空チャンバ    ２５：冷却水供給管    ２６：重錘
２７：高周波加熱コイル    ２８：熱電対
ｗ：冷却水
【図１】
0003779180.tif 000002
【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８】
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