(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ：０．８乃至１．０質量％及びＭｇ：０．５乃至０．８質量％を含有し、Ｃｕ：０．２乃至０．６質量％、Ｍｎ：０．２乃至０．４質量％、Ｃｒ：０．２質量％以下、Ｔｉ：０．１質量％以下及びＺｒ：０．０５乃至０．２質量％からなる群から選択された少なくとも１種の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物である組成を有し、耐力が２８０乃至３６０ＭＰａ、導電率が５０％ＩＡＣＳ以下であるアルミニウム合金材と、鋼材とを摩擦圧接により接合して構成されていることを特徴とする摩擦圧接材。
【請求項２】
２つの部材を相対的に回転させると共に、両者を加圧接触させ、加圧接触時の摩擦熱により両部材を接合する摩擦圧接方法において、一方の前記部材は、Ｓｉ：０．８乃至１．０質量％及びＭｇ：０．５乃至０．８質量％を含有し、Ｃｕ：０．２乃至０．６質量％、Ｍｎ：０．２乃至０．４質量％、Ｃｒ：０．２質量％以下、Ｔｉ：０．１質量％以下及びＺｒ：０．０５乃至０．２質量％からなる群から選択された少なくとも１種の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物である組成を有し、耐力が２８０乃至３６０ＭＰａであり、導電率が５０％ＩＡＣＳ以下であるアルミニウム合金材であり、他方の前記部材は鋼材であることを特徴とする摩擦圧接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金材と鋼材との圧接に適した摩擦圧接材及び摩擦圧接方法に関し、特に、プロペラシャフト及びドライブシャフト等の摩擦圧接による製造に好適な摩擦圧接材及び摩擦圧接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アルミニウム又はアルミニウム合金材とアルミニウム又はアルミニウム合金材との接合及びアルミニウム合金材と鋼材との接合に関して、種々の摩擦圧接方法が提案されている（特開平５−９６３８５号公報、実開平３−４８１１３号公報、特開平１１−１５６５６２号公報、特開平５−１３８３７１号公報及び特開平９−１２２９３５号公報）。
【０００３】
特開平５−９６３８５号公報、実開平３−４８１１３号公報及び特開平１１−１５６５６２号公報には、アルミニウム又はアルミニウム合金材同士の摩擦圧接方法が記載されている。また、特開平５−９６３８５号公報及び実開平３−４８１１３号公報には、摩擦圧接方法により、アルミニウム合金製のプロペラシャフトとヨークとが接合されることが記載されている。例えば、特開平５−９６３８５号公報には、アルミニウム合金材として、６０６１合金を使用することが記載されている。
【０００４】
一方、特開平５−１３８３７１号公報及び特開平９−１２２９３５号公報には、アルミニウム合金材及び鋼材の摩擦接合方法が記載されている。また、特開平５−１３８３７１号公報では、アルミニウム合金材として、６０６１合金を使用することが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のいずれの従来技術（特開平５−９６３８５号公報、実開平３−４８１１３号公報、特開平１１−１５６５６２号公報、特開平５−１３８３７１号公報及び特開平９−１２２９３５号公報）においても、摩擦圧接方法による接合において、どのような素材が適しているか知られていないという問題点がある。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、アルミニウム合金材と鋼材とを圧接する際に、部材を健全に圧接することができると共に、圧接部の機械的特性が良好な摩擦圧接材及び摩擦圧接方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る摩擦圧接材は、Ｓｉ：０．８乃至１．０質量％及びＭｇ：０．５乃至０．８質量％を含有し、Ｃｕ：０．２乃至０．６質量％、Ｍｎ：０．２乃至０．４質量％、Ｃｒ：０．２質量％以下、Ｔｉ：０．１質量％以下及びＺｒ：０．０５乃至０．２質量％からなる群から選択された少なくとも１種の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物である組成を有し、耐力が２８０乃至３６０ＭＰａ、導電率が５０％ＩＡＣＳ以下であるアルミニウム合金材と、鋼材とを摩擦圧接により接合して構成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る摩擦圧接方法は、２つの部材を相対的に回転させると共に、両者を加圧接触させ、加圧接触時の摩擦熱により両部材を接合する摩擦圧接方法において、一方の前記部材は、Ｓｉ：０．８乃至１．０質量％及びＭｇ：０．５乃至０．８質量％を含有し、Ｃｕ：０．２乃至０．６質量％、Ｍｎ：０．２乃至０．４質量％、Ｃｒ：０．２質量％以下、Ｔｉ：０．１質量％以下及びＺｒ：０．０５乃至０．２質量％からなる群から選択された少なくとも１種の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物である組成を有し、耐力が２８０乃至３６０ＭＰａであり、導電率が５０％ＩＡＣＳ以下であるアルミニウム合金材であり、他方の前記部材は鋼材であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本願発明者等が前述の課題を解決すべく、鋭意実験研究を重ねた結果、素材の耐力及び導電率が摩擦圧接部の機械的特性及び健全性と密接な関係にあることを見出した。
【００１４】
この摩擦圧接方法は、２つの部材を相対的に回転させると共に、両者を加圧接触させ、加圧接触時の相対的回転による摩擦熱により両部材を接合するものである。なお、両部材を所定の圧力で相互に押し付けるとき（以下、アプセット時という）の押圧力をアプセット力という。
【００１５】
本発明においては、素材の耐力が２８０乃至３６０ＭＰａであり、導電率が５０％ＩＡＣＳ（International  Annealed  Copper  Standard：標準軟銅（比抵抗が１．７２４１μΩ・cm・２０℃）の導電率を１００としたときの値）以下であるアルミニウム合金材を使用して、摩擦圧接方法により圧接すると、健全な接合部が得られ、得られた摩擦圧接材の接合部は引張強度及び伸び等の機械的特性が優れている。
【００１６】
本発明は、上記アルミニウム合金材と、他のアルミニウム合金材又は鋼材との接合に適用できる。具体的にはアルミニウム合金等のプロペラシャフト、ドライブシャフト、ステアリングコラム、ショックアブソーバ又はトルクロッド等の摩擦圧接に適用すると有益である。
【００１７】
上述の特性を有するアルミニウム合金材としては、例えばＳｉ：０．８乃至１．０質量％及びＭｇ：０．５乃至０．８質量％を含有し、Ｃｕ：０．２乃至０．６質量％、Ｍｎ：０．２乃至０．４質量％、Ｃｒ：０．２質量％以下、Ｔｉ：０．１質量％以下及びＺｒ：０．０５乃至０．２質量％からなる群から選択された少なくとも１種の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物の組成を有するものである。
【００１８】
以下、本発明の摩擦圧接用アルミニウム合金材の数値限定理由について説明する。
【００１９】
素材の耐力：２８０乃至３６０ＭＰａ
素材の耐力が２８０ＭＰａ未満であると、素材の耐力が不足し、アプセット時に素材の変形が発生する。一方、素材の耐力が３６０ＭＰａを超えると、素材の延性が低下するため、アプセット時に割れが発生する。従って、素材の耐力は２８０乃至３６０ＭＰａとする。
【００２０】
素材の導電率：５０％ＩＡＣＳ以下
素材の導電率が５０％ＩＡＣＳを超えると、素材の熱伝達率が良いため、圧接するときに、圧接部が広範囲にわたって軟化してしまい、充分なアプセット力が得られず、素材が変形してしまう。従って、素材の導電率は５０％ＩＡＣＳ以下とする。
【００２１】
素材の組成：Ｓｉ：０．８乃至１．０質量％及びＭｇ：０．５乃至０．８質量％を含有し、Ｃｕ：０．２乃至０．６質量％、Ｍｎ：０．２乃至０．４質量％、Ｃｒ：０．２質量％以下、Ｔｉ：０．１質量％以下及びＺｒ：０．０５乃至０．２質量％からなる群から選択された少なくとも１種の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物
摩擦圧接方法により圧接される素材の組成を０．８乃至１．０質量％及びＭｇ：０．５乃至０．８質量％を含有し、Ｃｕ：０．２乃至０．６質量％、Ｍｎ：０．２乃至０．４質量％、Ｃｒ：０．２質量％以下、Ｔｉ：０．１質量％以下及びＺｒ：０．０５乃至０．２質量％からなる群から選択された少なくとも１種の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物とすることにより、熱処理を施し、例えばＴ６材にしたときに、所定の耐力及び導電率を得ることが容易になるので好ましい。なお、不可避的不純物の定義は、Ｆｅが０．７質量％以下であり、その他の不純物が個別には０．０５質量％以下とし合計で０．１５質量％以下に制限するものである。
【００２２】
Ｓｉ：０．８乃至１．０質量％
ＳｉはＭｇ2Ｓｉの化合物を形成して素材の強度を向上させるため必要な元素である。Ｓｉの含有量が１．０質量％を超えると、素材の強度を向上させる効果が飽和すると共に、延性が低下し、アプセット時に割れが発生するので好ましくない。一方、Ｓｉの含有量が０．８質量％未満では、充分な素材の強度を得ることができないと共に、素材の導電率が高くなり、健全な圧接ができないので好ましくない。従って、Ｓｉの含有量は０．８乃至１．０質量％とすることが好ましい。より好ましいＳｉの含有量は０．８５乃至０．９５質量％である。
【００２３】
Ｍｇ：０．５乃至０．８質量％
ＭｇはＭｇ2Ｓｉの化合物を形成して素材の強度を向上させるため必要な元素である。Ｍｇの含有量が０．８質量％を超えると、素材の強度を向上させる効果が飽和すると共に、延性が低下し、アプセット時に割れが発生するので好ましくない。一方、Ｍｇの含有量が０．５質量％未満では、充分な素材の強度を得ることができないと共に、素材の導電率が高くなり、健全な圧接ができないので好ましくない。従って、Ｍｇの含有量は０．５乃至０．８質量％とすることが好ましい。より好ましいＭｇの含有量は０．５５乃至０．７質量％である。
【００２４】
Ｃｕ：０．２乃至０．６質量％
Ｃｕは素材の強度を向上するのに必要な元素である。添加量が増えるにつれて素材の強度が向上するが、Ｃｕの含有量が０．６質量％を超えると、素材の耐食性が著しく劣化するので好ましくない。一方、Ｃｕの含有量が０．２質量％未満では、素材の強度が低下するので好ましくない。従って、Ｃｕの含有量は０．２乃至０．６質量％とすることが好ましい。より好ましいＣｕの含有量は０．４乃至０．６質量％であり、更に好ましいＣｕの含有量は０．４５乃至０．５５質量％である。
【００２５】
Ｍｎ：０．２乃至０．４質量％
Ｍｎは素材の導電率及び材料組織を調整するのに必要な元素である。添加量が増えると素材の導電率が低下するが、Ｍｎの含有量が０．４質量％を超えると、巨大化合物を形成して素材の伸び又は疲労強度を低下させるので好ましくない。一方、Ｍｎの含有量が０．２質量％未満では、素材の材料組織安定化の効果がないので好ましくない。従って、Ｍｎの含有量は０．２乃至０．４質量％とすることが好ましい。より好ましいＭｎの含有量は０．３乃至０．４質量％である。
【００２６】
Ｃｒ：０．２質量％以下
Ｃｒは素材の材料組織を安定化するため微量の添加は許容できる。しかし、Ｃｒの含有量が０．２質量％を超えると、巨大化合物を形成して素材の伸び又は疲労強度を低下させるので好ましくない。従って、Ｃｒの含有量は０．２質量％以下とすることが好ましい。より好ましいＣｒの含有量は０．１質量％以下である。
【００２７】
Ｔｉ：０．１質量％以下
Ｔｉは素材の鋳造組織を微細化して鋳造割れを防ぐため微量添加する。しかし、Ｔｉの含有量が０．１質量％を超えると、巨大化合物を形成して素材の伸び又は疲労強度を低下させるので好ましくない。従って、Ｔｉの含有量は０．１質量％以下とすることが好ましい。
【００２８】
Ｚｒ：０．０５乃至０．２質量％
Ｚｒは素材の導電率及び材料組織を調整するのに必要な元素である。添加量が増えると素材の導電率が低下するが、Ｚｒの含有量が０．２質量％を超えると、巨大化合物を形成して素材の伸び又は疲労強度を低下させるので好ましくない。一方、Ｚｒの含有量が０．０５質量％未満では、素材の材料組織安定化の効果がないので好ましくない。従って、Ｚｒの含有量は０．０５乃至０．２質量％とすることが好ましい。より好ましいＺｒの含有量は０．１乃至０．１５質量％である。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明方法により摩擦圧接用アルミニウム合金材を圧接した場合の摩擦圧接材の実施例について、その特性を比較例と比較して具体的に説明する。
【００３０】
図１は試験材の形状寸法を示す断面図である。試験材には、下記表１及び表２に示す化学組成及び機械的特性（引張強さ、耐力及び導電率）を有するアルミニウム合金製パイプ１（外径４０ｍｍ、肉厚３ｍｍ、長さ１００ｍｍ）と、下記表３に示す化学組成を有する炭素鋼パイプ２（Ｓ４５Ｃ、外径４０ｍｍ、肉厚３ｍｍ、長さ１００ｍｍ）とを使用した。なお、アルミニウム合金製パイプ１は、５００℃の温度で６時間の均質化熱処理した鋳塊を５１０℃の温度にて１０ｍ／分の速度で押出すと同時に水冷して焼入れし、その後、１７０℃の温度で８時間時効処理したものである。図１に示すように、アルミニウム合金製パイプ１と炭素鋼パイプ２とを突き合わせブレーキ式摩擦圧接機を使用し下記表４に示す条件で摩擦圧接試験を行なった。
【００３１】
図２は引張試験片を示す模式図である。図１に示すパイプ１，２を圧接した後、その長手方向に引張試験片を削りだした。即ち、引張試験片の長手方向とパイプ１，２の長手方向とが一致し、接合部が引張試験片の中心（図２のＡ部）になるように引張試験片を削りだし、その接合部のバリを除去した。なお、図２に示す引張試験片の寸法の単位はｍｍであり、引張試験片の湾曲部の曲率半径は１２ｍｍである。この引張試験片について引張試験を行ない、摩擦圧接材の引張り強さ、耐力及び伸びを測定し、破断部を肉眼で観察した。この摩擦圧接試験の結果を表５に示す。なお、伸びについては、標点間距離を５０ｍｍとし、これを基準として伸びを求めた。
【００３２】
なお、図２には、摩擦圧接試験後の摩擦圧接材を引張試験したときに、破断した破断部Ａ、Ｂも合わせて示す。破断部Ａは試験材の接合部であり、破断部Ｂは圧接時の熱影響部である。また、表５の破断部の欄にある記号は図２に示す破断部Ａ、Ｂの符号に対応している。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
【表２】
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【００３５】
【表３】
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【００３６】
【表４】
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【００３７】
【表５】
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【００３８】
上記表５に示すように、実施例No.１は摩擦圧接材の引張強さ、耐力及び伸びが良好であったため、健全な圧接となり、十分強い接合強度が得られた。このため、実施例No.１は、熱影響により軟化した部分である破断部Ｂで破断した。
【００３９】
一方、比較例No.２は、部材の耐力が本発明の上限値を超えているため、圧接部に割れが発生したため、健全な圧接ができず、摩擦圧接材は接合部である破断部Ａで破断した。
【００４０】
比較例No.３は、部材の耐力は適正値にあるものの、導電率が本発明の上限値を超えているので、部材が広範囲にわたって軟化したため、アプセット力が不足し、つまり、溶融金属部の排出が不足し、健全な圧接ができなかった。このため、摩擦圧接材は破断部Ａで破断した。
【００４１】
比較例No.４は、部材の耐力が本発明の下限値未満であり、導電率が本発明の上限値を超えているので、部材が広範囲にわたって軟化したため、アプセット力が不足し、つまり、溶融金属部の排出が不足し、健全な圧接ができなかった。このため、摩擦圧接材は破断部Ａで破断した。
【００４２】
比較例No.５は、部材の耐力が本発明の下限値未満であるため、アプセット力が不足し、つまり、溶融金属部の排出が不足し、健全な圧接ができなかった。このため、摩擦圧接材は破断部Ａで破断した。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、素材の強度及び導電率を適切に規定したアルミニウム合金材を使用すると摩擦圧接方法により、部材を健全に圧接できる。このように圧接して構成された摩擦圧接材は引張強度及び伸び等の機械的特性が優れている。また、アルミニウム合金材と、他のアルミニウム合金材又は鋼材との接合に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】試験材の形状寸法を示す断面図である。
【図２】引張試験片を示す模式図である。
【符号の説明】
１；アルミニウム合金製パイプ
２；炭素鋼製パイプ
Ａ、Ｂ：破断部
【図１】
0003749065.tif 000007
【図２】
0003749065.tif 000008