摩擦攪拌接合(FSW)用ツール合金
平野聡

1000 °C であった．この接合でツールは 1000 °C 近くの温度に.

は じめに約940秒(約16分)曝されていたことになる．また，この接合において同時に測定したツール押し付け荷重(垂直方向荷重)

摩擦攪拌接合(1)(以下，FSWFriction Stir Welding)は接は 26 kN 程度であった．このように，高融点系材料の FSW合材料を固相状態で線接合できる特殊な接合技術である．ア

でツールは高温環境で大きな力学的負荷を受けている．これ

ルミニウム合金や銅合金に対して，実用化(2)(6) が進んでいに加え，化学的な摩耗も顕在化すると考えられる．

る．アルミニウム合金や銅合金は600°C程度で容易に塑性変

図に図 3 の接合前後のツール形状測定結果を示す．プ形するため，FSW ツール(以下，ツール)に工具鋼が使用できたことも実用化が進んだ一因とも考えられる．
一方，鉄鋼材料の FSW では接合部の温度は 900 °C 以上(7)になるとされており，この場合，工具鋼製のツールは使用できない．これまでに，鉄鋼やチタン合金など融点の高い材料(以下，高融点材料)に対し，高温耐久性の高い材料でツールを製作し， FSW する試みが報告されている．ここでは，FSW ツールが使用される過酷な環境を実験データに基づいて紹介するとともに，これまでに試験されている FSW ツー
ル材料の情報をまとめてみた．

.

ツールが曝される環境

図に FSW の概念図を示す． FSW は回転するツールと図1

接合材との摩擦熱および加工熱で接合部を局所的に加熱し，FSW 概念図．

これによって材料が容易に塑性変形できる状態にしている．
塑性変形能が高まった接合部の材料はツールの回転で攪拌され，接合界面が破砕されると同時に新生面が現れて金属結合すると考えられている．
図に Co 合金製のツール(8) で炭素鋼( SS400 )を FSW したときの写真を示す．接合欠陥等が発生しない典型的な接合条件で FSW した場合の例であるが，接合材料と接しているツール先端部が赤熱状態になっていることが確認できる．
図  に 同 じ く Co 合 金 製 の ツ ー ル で Ti 6Al 4V 合 金 をFSW した際の攪拌部の温度を浸漬型光ファイバ温度計で測定した結果(9) を示す．接合深さ約 6 mm の接合で，深さ 6mm 温度測定位置は突合せ面の測定位置は図中の230～1170秒が定常接合に当たるが，このときの攪拌部温度は約900～

図2

炭素鋼 FSW 中の写真．

株 日立製作所 研究開発グループ材料イノベーションセンタ材料応用研究部主任研究員(〒3191292 日立市大みか町 711)
Alloys for Friction Stir Welding Tool; Satoshi Hirano(Hitachi, Ltd. Research & Development Group, Center for Technology Innovation
Materials, Material Application Research Department, Hitachi)
Keywords: friction stir welding (FSW), tool material, high temperature, wear
2016年 8 月18日受理[doi:10.2320/materia.55.461]

ま て り あ 第55巻 第10号(2016)
Materia Japan



表1

図3

高融点材料 FSW に使用されたツール．

No.

材

1Sialon 系(10)

質

機械的特性

接合材，厚み()炭素鋼(SPCC), 0.5 t

2 WC 系(超硬)(11)高 張 力 鋼 板 ( 590 ～ 1180MPa), 1.6 t

3 pcBN(12)炭素鋼(SS330相当)，6 t
SUS304L, 6 t，接合長
8～30 m

4 WRe 合金(13)高張力鋼板(80 psi), 19 t
引張強度275 MPa(1926°C) Ti6Al4V, 25 t

5 Ir 基合金(14)0.2耐力SUS304, 1.5 t
250 MPa(1200°C)

Ni 基超・超合6 金(15)(20)0.2耐力8001000 MPa(1000°C)

Ti6Al4V 合金 FSW における攪拌部温度．

0.2耐力7 Co 基合金(8)(16) 190440 MPa(1000°C)SUS430, 1.5 t

高炭素鋼ほか，2.0 t
cpTi, Ti6Al4V, 6.0 t

SCM440, 6.0 t
Ir 添加 Ni 基合 0.2耐力
8 金(17)400 MPa(1000°C) SUS304, 6.0 t

9 W 基合金(18)SUS304, 1.7 t(プローブ長)接合材の厚みは接合深さに同じ．

金 属 基 ツ ー ル と し て W 25 mass  Re 合 金(13) ， W 20
図4FSW 前後のツール形状測定結果．

mass Re10 massHfC 合金(13)， Ir 基合金(14)，Ni 基超・超合金(15)(20) ， Ir 添加 Ni 基合金(17) ， Co 基合金(8) などが報告されている．これらの材料は FSW ツールへの適用を意図
ローブの長さはほとんど変化していないが，径方向に約 0.5して開発されたものが多い．金属基ツールは鋳造，機械加工

mm ほぼ一様に摩耗していた．この摩耗量が大きいか否かはなどの加工技術が適用できるため，ツール寸法や形状の制約一概には判断できないが，金属製ツールがこのような過酷環が低減すると同時に，コスト低減にも有効と考えられる．こ境下に長時間さらされた後であることを考えると，優れた素れらのツールにより，炭素鋼，ステンレス鋼，チタン合金な材であると思われる．

どが FSW 可能であり，板厚も最大 25 mm (チタン合金)可能となっている．これらの合金は固溶強化型と g ′強化型に.

高融点材料の FSW とツール材料開発大別される．
W Re 合金， Ir 基合金は固溶強化型に類する． W Re 合

これまでに，炭素鋼，ステンレス鋼，チタン合金などの高金は Re 添加により W が高温環境下で粒成長して脆化する融点材料に対して，種々の材料で FSW ツールを製作して，のを抑制している．高温での引張強度は W25 massRe 合接合した結果が報告されている．表に高融点材料 FSW に金が 143 MPa ( 1926 °C )，この材料に 2 mass  の HfC を添使用されたツール材料を示す．ツール材料はセラミックス系加した合金が 275 MPa ( 1926 °C )と報告されている． Ir 基合(または，焼結体系)と金属基系に大別できる．

金は主に Re 添加で固溶強化した合金で，10 atの Re 添加

セラミックス系では pcBN(Polycrystalline Cubic BoronNitride )が報告例も多く，代表的な材料といえる． pcBN はで0.2耐力が約 250 MPa(1200°C)と報告されている．
Ni 基 超 ・ 超 合 金 ， Ir 添 加 Ni 基 合 金 ， Co 基 合 金 な ど は硬質の cBN 粒を AlN や AlB2 をバインダーとして焼結した

g ′強化型に類する． Ni 基超・超合金は Co3 ( Al, W )の g ′相もの(以下，単に pcBN )と W と Re からなるマトリックスを析出させ，1000°Cでの0.2耐力が800～1000 MPa などとに 体 積 率 で 60 ～ 80  の cBN を 分 散 し た 複 合 材 ( 以 下 ，報告されている． Ir 添加 Ni 基合金は Ir3 ( Al, W )の g ′相をpcBN / W Re )が 開 発 さ れ て い る ． pcBN 製 ツ ー ル を 使 用析出させ，1000°Cでの0.2耐力が 400 MPa と報告されていし，炭素鋼，ステンレス鋼(12)，Ni 基超合金(19)などの材料をる． Co 基合金は Co3 ( Al, W )の g ′相を析出させ， 1000 °CでFSW した報告がある．Ni 基超合金(alloy 600)は高温強度がの0.2耐力が190～440 MPa 程度と報告されている．

高い材料であるが，このような材料を FSW したことより，pcBN の高温強度の高さが推察される．

Co 合金に関しては，合金組成を変更して，0.2耐力，ツール温度(ショルダの表面近傍)， g ′分解温度，硬質相の大ミ ニ 特 集

きさと体積率などとツール摩耗量の関係が報告(21)(24) されている．0.2耐力との関係では，0.2耐力の上昇に伴いツール摩耗量が減少する傾向が見られる．同一データに対し

g ′分解温度との関係も示されており， 0.2耐力と同様， g ′分解温度が高くなるに伴い，ツール摩耗量が減少する傾向が見られる．ツール温度との関係では，ツール温度の上昇に伴い，ツール摩耗量が増加する傾向が見られる．これに関して
は， g ′分解温度および高温強度が影響していると考察されている．硬質相の体積率との関係では，硬質相の体積率の増加に伴い，ツール摩耗量が減少する傾向が見られる．硬質相の大きさに関しては，平均値が 3 mm 近傍にツール摩耗量が最も小さくなる傾向が見られる．

.

お わりに鉄鋼やチタン合金などの高融点材料の FSW で使用されるツールは，高温，高荷重という過酷な環境にさらされる．この過酷環境下に耐える様々なツール材料が開発され，高融点材料を FSW 可能なことが実証されている．近い将来，高融点材料 FSW の実用化が期待できる水準になったと考えられる．
この成果の一部は，新構造材料技術研究組合(ISMA)と共に実施した，国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の委託事業，未来開拓研究プロジェクトの結果得られたものです．

文献( 1 ) W. M. Thomas, E. D. Nicholas, J. C. Needhan, M. G. Murch,P. TempleSmith and C. J. Dawes: International Patent Application PCT / GB92 / 02203 and GB Patent Application
9125978.8, UK Patent Office, London, December 6, (1991).
( 2 ) T. Kawasaki, K. Makino, S. Todori, H. Takai, M. Ezumi andY. Ina: Proceedings of 2nd International Symposium on FSW(2000). (CDROM)( 3 ) M. R. Johnsen: Welding Journal, 78(1999), 3539.
( 4 ) K. Okamoto, M. Doi, S. Hirano, K. Aota, H. Okamura, Y. Aono
and T. C. Ping: Proceedings of 3rd International Symposium
on FSW (2001). (CDROM)( 5 ) 朴 勝煥，平野 聡，佐藤章弘，岡本和孝，南里圭介，小林裕一溶接学会全国大会講演概要，85(2009), 242243.
( 6 ) 外木達也溶接学会誌，72(2003), 516519.
( 7 ) S. Hirano, K. Okamoto, K. Aota and M. Inagaki: Proceedingsof 5th International Symposium on FSW (2004). (CDROM)

ま て り あ 第55巻 第10号(2016)
Materia Japan( 8 ) Y. S. Sato, M. Miyake, H. Kokawa, T. Omori, K. Ishida, S.
Imano, S. H. C. Park and S. Hirano: TMS 2011 140th Annual
Meeting Proceedings, Friction Stir Welding and Processing VI(2011), 39.
( 9 ) 上野泰弘， 石井伸治，山中 善吉溶接学会誌 ， 81 ( 2012 ) ,577581.
(10) 青田欣也，池内建二溶接学会論文集，26(2008), 5460.
( 11 ) 松下宗生，木谷 靖，池田倫正，小野守章，藤井英俊，鄭永東溶接学会論文集，27(2009), 360370.
(12) J. Perrett, J. Martin, J. Peterson, R. Steel and S. Packer: TMS
2011 140th Annual Meeting Proceedings, Friction Stir Weldingand Processing VI (2011), 6572.
(13) B. Thompson and S. S. Babu: Welding Journal, 89(2010),
256s261s.
(14) 宮澤智明，岩本祐一，丸子智弘，藤井英俊溶接学会論文集，28(2010), 203207.
(15) 東 靖子，金野泰幸，高杉隆幸溶接学会論文集，28(2010),
116122.
( 16 ) 杉本一等，佐藤章弘，平野 聡，佐藤 裕，大森俊洋，粉川博之，石田清仁溶接学会全国大会講演概要，97(2015), 28
29.
( 17 ) 仲沢達也，田中邦弘，坂入弘一，佐藤 裕，大森俊洋，粉川博之，石田清仁溶接学会全国大会講演概要， 97 ( 2015 ) ,272273.
( 18 )  あゆ里，山 o 繁一，上西 昇，池ヶ谷明彦，佐藤 裕，薄田真一，粉川博之，石塚 浩，森口秀樹溶接学会全国大会講演概要，96(2015), 6263.
(19) Yutaka S. Sato, Pisuit Arkom, Seung Hwan C. Park, Hiroyuki
Kokawa, Tracy W. Nelson and Russell J. Steel: Proceedings ofThe 15th Int. Offshore and Polar Eng. Conf., Seoul, Korea,(2005).
(20) S. Shibuya, Y. Kaneno, M. Yoshida and T. Takasugi: Acta
Mater., 54(2006), 861870.
( 21 ) 三宅将弘，佐藤 裕，粉川博之，高久佳和，大森俊洋，石田清仁，今野晋也，朴 勝煥，平野 聡溶接学会全国大会講演概要，90(2012), 158159.
( 22 ) 三宅将弘，佐藤 裕，粉川博之，高久佳和，大森俊洋，石田清仁，今野晋也，朴 勝煥，平野 聡溶接学会全国大会講演概要，91(2012), 190191.
( 23 ) 佐藤 裕，三宅将弘，粉川博之，大森俊洋，石田清仁，今野晋也，朴 勝煥，平野 聡溶接学会全国大会講演概要， 94(2014), 58
59.
( 24 ) 薄田真一，三宅将弘，佐藤 裕，粉川博之，大森俊洋，石田清仁，今野晋也，朴 勝煥，杉本一等，平野 聡溶接学会
全国大会講演概要，95(2014), 1819.
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平野聡

1987年 長岡技術科学大学大学大学院工学研究科修士課程修了
株 日立製作所 入社
1987年 2006年 東北大学大学院工学研究科博士課程修了
博士(工学)
専門分野鋳造，摩擦攪拌接合◎連続鋳造，熱間圧延設備など鉄鋼生産関連設備の開発に従事．その後，接合関連技術開発で特に摩擦攪拌接合技術の開発を中心に活動．

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