(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方または双方が球状黒鉛鋳鉄材からなる摩擦圧接方法において、摩擦発熱工程での摩擦寄り速度を０．００１〜０．２ｍｍ／ｓとすることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄材の摩擦圧接方法。
【請求項２】
一方または双方が球状黒鉛鋳鉄材からなる摩擦圧接方法において、前記球状黒鉛鋳鉄材が中実であり、摩擦発熱工程での摩擦速度を３．５〜１０ｍ／ｓ、摩擦寄り速度を０．００１〜０．０５ｍｍ／ｓとすることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄材の摩擦圧接方法。
【請求項３】
アプセット工程でのアプセット圧力を６０〜１００ＭＰａとすることを特徴とする請求項１乃至請求項２何れか１項に記載の球状黒鉛鋳鉄材の摩擦圧接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、球状黒鉛鋳鉄材の摩擦圧接方法に関し、詳しくは、摩擦発熱工程での摩擦寄り速度、摩擦速度、およびアプセット工程でのアプセット圧力を適切に選定して摩擦圧接することにより、球状黒鉛鋳鉄材からなる強度部材を得る摩擦圧接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦圧接は、接合しようとする２個の部材を接触させて、加圧しながら接触面に相対運動を起こさせ、発生する摩擦熱によって接触面近傍の温度を高めて行う接合方法である。そして一般の摩擦圧接は、図１に基本的な摩擦圧接サイクルとして示すように、片側の素材を回転させて一定圧力（摩擦圧力）で所定時間（摩擦時間）押し付けあい、接触面を摩擦熱により温度上昇させて高温層を形成する摩擦発熱工程と、このあと回転を急停止し、さらに高い圧力（アプセット圧力）を加え、そのまま一定時間（アプセット時間）保持させ、材料を高温・高圧のもとで固相接合させるアプセット工程からなる。
【０００３】
摩擦圧接は、突き合わせ面の酸化物などが摩擦中に破壊されて押し出されるので、圧接部にはＣＯ２ 溶接などの溶融溶接に見られる気孔や介在物が少なく、加熱度が他の溶接法に比べて低いので熱影響部が少なく、圧接条件を制御することで工程を自動化して安定した品質が得られ、経済性が高いなどの特徴を有している。
【０００４】
しかしながら、鋼材同士の摩擦圧接に対しては上記の効果が得られるが、球状黒鉛鋳鉄の摩擦圧接は、黒鉛が潤滑作用を行って摩擦発熱が起こりにくいこと、あるいは融点が低くて圧接固相面の温度が低いことなどから、鋼材同士に比較してかなり困難である。
【０００５】
鋳鉄材の摩擦圧接について、特公昭４９−４１５０号公報には、一方または双方が片状黒鉛からなる鋳鉄部材の摩擦圧接方法として、片状黒鉛鋳鉄片と炭素鋼片においては、摩擦圧力２０ＭＰａと小さく、摩擦時間６０ｓと長く、アプセット圧力１００ＭＰａ、アプセット時間４ｓとし、また、片状黒鉛鋳鉄片同士においては、摩擦圧力３０ＭＰａと小さく、摩擦時間１５０ｓと長く、アプセット圧力６０ＭＰａ、アプセット時間１０ｓとすることで、接合区域の黒鉛の拡散促進と伸長化防止をはかり、摩擦にともなう機械的撹拌作用によって残留黒鉛を微細にすることで、母材に近い接合強度を得ようとする開示がある。
【０００６】
また、特開平４−２３１１８３号公報には、炭素鋼材料と球状黒鉛鋳鉄材料の摩擦圧接方法として、摩擦圧力２０〜４０ＭＰａと小さく、摩擦時間６０〜１２０ｓと長くすることで、接合部の温度勾配を緩くしてマルテンサイトおよびセメンタイトの析出を防止するとともに黒鉛を接合部から消失させ、その後、アプセット圧力８０〜１４０ＭＰａと大きく、アプセット時間６〜１０ｓと短くすることで、大きな接合強度をはかろうとする開示がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者らは、上記の特公昭４９−４１５０号公報または特開平４−２３１１８３号公報で開示するような摩擦圧力、摩擦時間、アプセット圧力、アプセット時間の制御のみでは、鋼材と球状黒鉛鋳鉄材、または球状黒鉛鋳鉄同士を摩擦圧接して強度部品とした場合、まだまだ球状黒鉛鋳鉄材の母材近くの機械的性質が得られないことがわかった。
【０００８】
すなわち、球状黒鉛鋳鉄材を低摩擦圧力、長摩擦時間により摩擦圧接を行うと、球状黒鉛鋳鉄の基地組織が摩擦熱により硬い組織へと再結晶し見かけ上は強度が上がる。しかし、まだまだ延性や靭性が不足し、また熱処理によって機械的性質を向上させても、圧接面が球状黒鉛鋳鉄材の母材よりも低強度であるため強度部材への適用は難しい。
【０００９】
本発明者らは、応力がかかって破断するのは圧接面であるが、球状黒鉛鋳鉄材の圧接面近傍の黒鉛の球状化率が大きければ破断に至る応力も高くすることができる知見を得た。そして、本発明者らは、黒鉛の球状化率向上に寄与するのは、前述の摩擦圧力、摩擦時間、アプセット圧力、アプセット時間に加え、摩擦速度、摩擦寄り代に対する摩擦時間すなわち摩擦寄り速度であり、球状黒鉛鋳鉄材が中空か中実かの違いはあるが、摩擦寄り速度を小さく、また摩擦速度を大きくすることで延性や靭性が向上し、強度部材にも適用できることを見い出し本発明に想到した。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の球状黒鉛鋳鉄材の摩擦圧接方法は、一方または双方が球状黒鉛鋳鉄材からなる摩擦圧接方法において、摩擦発熱工程での摩擦寄り速度を０．００１〜０．２ｍｍ／ｓとすることを特徴とする。
【００１１】
また、前記球状黒鉛鋳鉄材が中実形状では、摩擦速度を３．５〜１０ｍ／ｓとするとともに、摩擦寄り速度を０．００１〜０．０５ｍｍ／ｓとする。
【００１２】
そして、アプセット工程でのアプセット圧力を６０〜１００ＭＰａとすることを特徴とする。
【００１３】
摩擦寄り速度が０．００１未満では、１ｍｍの摩擦寄り代を得るのに約17分摩擦時間を要して生産性の面から量産には適さない。一方、摩擦寄り速度が０．２ｍｍ／ｓを超えると、圧接部の引張強さが母材の４０％以下となり強度部材への適用は難しい。従って摩擦寄り速度は０．００１〜０．２ｍｍ／ｓとする。
【００１４】
球状黒鉛鋳鉄材が中実の形状において、摩擦速度を３．５〜１０ｍ／ｓとするとともに、摩擦寄り速度を０．００１〜０．０５ｍｍ／ｓとするのは、摩擦速度が３．５ｍ／ｓ未満では、摩擦寄り速度が大きくなり、十分な引張強度が得られず、一方、摩擦速度が１０ｍ／ｓを超えると圧接面の溶融した鋳鉄が摩擦回転中に飛散することが予測されるためであり、摩擦寄り速度が０．００１ｍｍ／ｓ未満では、前述のとおり摩擦時間が非常に長時間となり、一方、摩擦寄り速度が０．０５ｍｍ／ｓを超えると強度部材としての十分な強度が得られなくなるからである。
【００１５】
さらに、アプセット工程でのアプセット圧力を６０〜１００ＭＰａとするのは、アプセット圧力が８０ＭＰａをピークに引張り強度が低下する傾向があり、強度部材への適用には６０〜１００ＭＰａの範囲が適しているためである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
直径３０ｍｍの球状黒鉛鋳鉄材（ＪＩＳ）ＦＣＤ３７０同士を、摩擦速度３．５〜４．０ｍ／ｓで相対的に回転しながら表１に示す条件で摩擦圧接を行った。
【００１７】
0003750002.tif 000002
（注）表１で、摩擦発熱工程での圧力、時間、寄り代、速度、および寄り速度は、それぞれ摩擦圧力、摩擦時間、摩擦寄り代、摩擦速度、および摩擦寄り速度を、またアプセット工程での圧力、時間はそれぞれアプセット圧力、アプセット時間を示す。
【００１８】
摩擦圧接後、圧接面を含めて試験片を作製し、引張強さおよび伸びの機械的性質を調べた。その結果を表２に示す。
【００１９】
0003750002.tif 000003
【００２０】
表１および表２から、中実形状の球状黒鉛鋳鉄材同士では、摩擦発熱工程での摩擦速度を３．５〜１０ｍ／ｓとするとともに、摩擦寄り速度を０．００１〜０．０５ｍｍ／ｓ、またアプセット圧力を６０〜１００ＭＰａとすることにより、引張強さが３９０ＭＰａ以上、伸びが１０％以上となって、強度部材に適用することができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上詳細に説明のとおり、本発明の球状黒鉛鋳鉄材の摩擦圧接方法は、一方または双方が球状黒鉛鋳鉄材からなる摩擦圧接方法において、摩擦発熱工程での摩擦寄り速度を０．００１〜０．２ｍｍ／ｓとし、球状黒鉛鋳鉄材が中実形状においては、摩擦速度を３．５〜１０ｍ／ｓ、摩擦寄り速度を０．００１〜０．０５ｍｍ／ｓとすることで、引張強さ、伸びなどの機械的性質に優れ、強度部材に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】基本的な摩擦圧接サイクルを示す図である。
【図１】
0003750002.tif 000004