CN113727802B - 接合接头、汽车用构件及接合接头的制造方法 - Google Patents

接合接头、汽车用构件及接合接头的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供可抑制摩擦加压焊接面的附近处的龟裂产生的接合接头、汽车用构件及接合接头的制造方法。本发明的一个方案的接合接头具备：具有轴部的第1钢材；被压入有轴部的第2钢材，所述第2钢材的与表面相距0.2mm以上的内侧的碳量为0.25质量％以上；和摩擦加压焊接面，其将轴部与第2钢材接合，其中，第2钢材具有与摩擦加压焊接面相接触的塑性变形部，塑性变形部具有朝向上述第2钢材的外部突出的突出部，在与摩擦加压焊接面垂直并且包含摩擦加压焊接面的中心的面处测定的突出部的基部的维氏硬度为600HV以下。

Description

接合接头、汽车用构件及接合接头的制造方法
技术领域
本发明涉及接合接头、汽车用构件及接合接头的制造方法。
背景技术
作为将构件接合来制造接合接头的方法之一，已知有摩擦加压焊接接合。所谓摩擦加压焊接接合是指通过一边将构件彼此进行摩擦一边进行加压来将构件彼此进行固相接合的技术。构件彼此的摩擦例如通过将一个构件的加压焊接面制成旋转对称形状(例如圆状或多边形形状)并使其高速旋转来进行。
摩擦加压焊接接合的特征之一在于下述这一点：在接合部不会产生构件的熔融或搅拌。焊接是通过使构件熔融及再凝固来形成接合部的接合方法。摩擦搅拌接合是通过使压入构件高速旋转而将构件彼此的接触部搅拌来形成接合部的接合方法。因此，在通过焊接或摩擦搅拌接合而形成的接合接头的接合部处，构件互相混合。另一方面，在通过摩擦加压焊接接合而形成的接合接头中，不存在构件互相混合的区域、或构件互相混合的区域极小。如果对通过摩擦加压焊接接合而形成的接合接头的接合部的剖面进行观察，则可以判别构件隔着摩擦加压焊接面被分开的样子。例如在专利文献1及专利文献2等中公开了摩擦加压焊接接合的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-297398号公报
专利文献2：日本特开2004-141933号公报
发明内容
发明所要解决的课题
摩擦加压焊接接合由于能够将异种金属构件容易地接合，因此近年来其适用范围正在扩大。另一方面，本发明的发明者们发现了下述现象：在将摩擦加压焊接接合适用于高碳钢构件的情况下，难以确保接合强度。本发明的发明者们研究的结果发现：在钢构件的摩擦加压焊接接合部处容易产生龟裂，该龟裂会使接合强度降低。
这里应该着眼的是下述这一点：上述的龟裂产生于在摩擦加压焊接接合的结束后尚未被施加任何外力的接合接头中。据推定：该龟裂不是因对接合接头所施加的外力而引起，而是自然产生的。尚不存在对于这样的龟裂的问题进行研究的例子。
例如，在上述的专利文献1中公开了一种方法，其通过对将由钢材制成的构件进行摩擦加压焊接接合而得到的部件的接合部的表面利用以频率为10～60kHz、振幅为0.3～50μm进行振动的超声波振动端子进行打击，从而降低上述接合部处的高低差及毛刺来缓和该接合部处的应力集中。然而，专利文献1是涉及耐疲劳特性优异的摩擦加压焊接接合部件及其疲劳特性提高方法，仅考虑了抑制以毛刺作为起点的疲劳破坏。即，关于对接合接头施加引起疲劳破坏那样的应力之前的龟裂产生，在专利文献1中并没有进行任何研究。
在专利文献2中公开了一种螺旋桨轴的摩擦加压焊接方法，其是将薄壁管道与厚壁管道同轴配置、利用通过使它们的端面抵接并相对旋转而产生的摩擦热将两端面进行加压焊接的螺旋桨轴的摩擦加压焊接方法，其特征在于，使薄壁管道的内径与厚壁管道的内径相比成为小径。然而，专利文献2也是以疲劳破坏作为发明的课题，仅考虑了抑制以毛刺作为起点的疲劳破坏。
鉴于上述的情况，本发明的课题是提供能够抑制摩擦加压焊接面的附近处的龟裂产生的接合接头、汽车用构件及接合接头的制造方法。
用于解决课题的手段
本发明的主旨如下所述。
(1)一种接合接头，其特征在于，其具备：具有轴部的第1钢材；被压入有上述轴部的第2钢材，所述第2钢材的与表面相距0.2mm以上的内侧的碳量为0.25质量％以上；和摩擦加压焊接面，其将上述轴部与上述第2钢材接合，其中，上述第2钢材具有与上述摩擦加压焊接面相接触的塑性变形部，上述塑性变形部具有朝向上述第2钢材的外部突出的突出部，在与上述摩擦加压焊接面垂直并且包含上述摩擦加压焊接面的中心的面处测定的上述突出部的基部的维氏硬度为600HV以下。
(2)根据上述(1)的接合接头，其特征在于，上述轴部的与轴方向垂直的剖面为旋转对称形状。
(3)根据上述(1)的接合接头，其特征在于，上述轴部的与轴方向垂直的剖面为圆状或正多边形状。
(4)根据上述(1)～(3)中任一项的接合接头，其特征在于，在将上述与表面相距0.2mm以上的内侧的碳量设定为C(质量％)时，上述第2钢材在上述摩擦加压焊接面的深度方向附近具有维氏硬度为896C3-2232C2+2175C+138(HV)以上的硬质部。
(5)根据上述(1)～(4)中任一项的接合接头，其特征在于，上述第2钢材的从表面至45μm的深度为止的区域中的碳量的最大值低于0.25质量％。
(6)根据上述(1)～(5)中任一项的接合接头，其特征在于，上述第2钢材的表层的维氏硬度比内部的维氏硬度低15％以上。
(7)根据上述(1)～(6)中任一项的接合接头，其特征在于，上述第2钢材为钢板。
(8)根据上述(1)～(7)中任一项的接合接头，其特征在于，上述第1钢材具有剖面口径大于上述轴部的头部，上述接合接头进一步具备设置于上述头部与上述第2钢材之间的第3构件，上述第1钢材的上述轴部将上述第3构件贯通，上述第3构件被上述第1钢材的上述头部与上述第2钢材的接合面夹持。
(9)一种汽车用构件，其具有上述(1)～(8)中任一项的接合接头。
(10)一种接合接头的制造方法，其具备以下工序：将与表面相距0.2mm以上的内侧的碳量为0.25质量％以上的第2钢材的表层进行脱碳处理的工序；和一边使上述第1钢材旋转一边将第1钢材的轴部按压于脱碳处理后的上述第2钢材上来形成摩擦加压焊接面的工序。
(11)根据上述(10)的接合接头的制造方法，其特征在于，上述第1钢材具有剖面口径大于上述轴部的头部，上述接合接头的制造方法在上述摩擦加压焊接面的形成之前，进一步具备下述工序：在脱碳处理后的上述第2钢材上重叠第3构件的工序；和使上述第1钢材的上述轴部贯通于上述第3构件的工序。
发明效果
根据本发明，能够提供可抑制摩擦加压焊接面的附近处的龟裂产生的接头、汽车用构件及接头的制造方法。
附图说明
图1是本实施方式的接合接头的一个例子的剖面图。
图2是接合接头的突出部附近的放大剖面图。
图3是本实施方式的接合接头的另一例子的剖面图。
图4是对突出部的基部的硬度测定方法进行说明的图。
图5是对第1钢材的轴部为空心结构的情况下的摩擦加压焊接面的附近处的硬质部的检测方法进行说明的图。
具体实施方式
关于龟裂状缺陷，在列举出图1及图2的同时进行详细说明。图1是接合接头1的剖面概略图，该接合接头1包含：具有轴部111的第1钢材11；与表面相距0.2mm以上的内侧的碳量为0.25质量％以上且被压入有轴部111的第2钢材12；和将轴部111与上述第2钢材12接合的摩擦加压焊接面13。图2是摩擦加压焊接面13的放大剖面图。第2钢材12具有通过第1钢材11的轴部111被压入而与摩擦加压焊接面13相接触地形成的塑性变形部14。塑性变形部14具有朝向第2钢材12的外部突出的突出部141。
本发明的发明者们对各种接合接头的剖面进行了观察，结果获知：龟裂状缺陷是以突出部141的基部为起点而产生的。图2中以点划线表示龟裂状缺陷2。
本发明的发明者们考虑了有可能在突出部141的基部产生了氢脆。于是，测定了突出部141的基部及其周边的硬度，结果获知突出部141的基部为非常高的硬度。通常，据认为钢的强度越高则越容易产生氢脆。上述的硬度测定结果证实了突出部141的基部中的龟裂起因于氢脆的推测。
然后，本发明的发明者们认识到：通过将突出部141的基部中的维氏硬度设定为600HV以下，能够抑制突出部141的基部中的龟裂产生，从而完成了本发明。
本发明的一个方案的接合接头1具备：具有轴部111的第1钢材11；与表面相距0.2mm以上的内侧的碳量为0.25质量％以上且被压入有轴部111的第2钢材12；和将轴部111与第2钢材12接合的摩擦加压焊接面13，其中，第2钢材12具有与摩擦加压焊接面13相接触的塑性变形部14，塑性变形部14具有朝向第2钢材12的外部突出的突出部141，在与摩擦加压焊接面13垂直并且包含摩擦加压焊接面13的中心的面处测定的突出部141的基部的维氏硬度为600HV以下。以下，对本实施方式的接合接头进行详细说明。
(第1钢材11)
第1钢材11具有与第2钢材12接合的轴部111。轴部111具有能够与第2钢材12进行摩擦加压焊接接合的形状。例如，在摩擦加压焊接接合是通过一边使第1钢材11高速旋转一边将其轴部111按压于第2钢材12上来实施的情况下，轴部111的与轴方向垂直的剖面的外形优选为旋转对称形状、例如圆状(正圆状、椭圆状等)或正多边形状。此外，轴部111可以为空心结构(例如圆筒状结构等)，也可以为实心结构。在轴部111为空心结构的情况下的轴部111的与轴方向垂直的剖面的内形优选为旋转对称形状、例如圆状(正圆状、椭圆状等)或正多边形状。
需要说明的是，轴部111被压入至第2钢材12中，此时有可能发生塑性变形。因此，就接合接头1而言，轴部111的前端(塑性变形部14的附近)有可能成为塑性变形部。在本实施方式中，视为该轴部111的塑性变形部也包含于轴部111中。在轴部111的前端为塑性变形部的情况下，其一部分为圆柱状或正多边形柱状的轴部111视为上述的优选的轴部111。
第1钢材11也可以进一步具备剖面口径(即与轴方向垂直的剖面中的最大宽度)大于轴部111的头部112。头部112具有将后述的第3构件15固定的作用。这种情况下，第1钢材11也可以为铆钉形状。头部112的直径优选为轴部111的直径的1.5倍以上。此外，轴部111的轴方向的长度优选为第3构件15的厚度的1.5倍以上。轴部111的直径优选设定为例如低于30mm。需要说明的是，所谓轴部111及头部112的直径，在它们的剖面形状为正圆形的情况下是指其直径，在为正圆以外的圆形或多边形的情况下是指其外切圆的直径。在轴部为圆筒的情况下，所谓轴部111及头部112的直径是指其外径。另一方面，接合接头1也可以不包含第3构件15，第1钢材11也可以为仅由轴部111构成的棒状构件。
(第2钢材12)
第2钢材12在与表面相距0.2mm以上的内侧含有0.25质量％以上的碳(C)。因此，包含第2钢材12的接合接头1具有高强度，可适用于各种机械部件。也可以将第2钢材12的碳含量设定为0.27质量％以上、0.29质量％以上、0.30质量％以上、0.32质量％以上或0.35质量％以上。第2钢材12的碳含量的上限值没有特别限定，例如也可以设定为0.60质量％以下、0.55质量％以下、0.50质量％以下或0.45质量％以下。
第1钢材11的轴部111被压入第2钢材12中。因此，在第2钢材12中的轴部111的压入部位处形成凹状的塑性变形部14，在塑性变形部14的外周处，从凹部移动的钢突出。凹部的形状根据压入前的轴部111的前端形状来决定。例如如果压入前的轴部111的前端为圆锥状或角锥状，则压入后的凹部的剖面形状成为圆形。另一方面，如果压入前的轴部111的前端平坦，则压入后的凹部的剖面形状成为其底部比较平坦的形状。无论如何，凹部的形状没有特别限定。
第2钢材12的形状没有特别限定。例如，第2钢材12可以为钢板，也可以为圆钢棒或方钢棒。此外，第2钢材12也可以为镀覆钢材及涂装钢材等表面处理钢材。此外，由于第1钢材11的轴部111被压入第2钢材12中，因此在摩擦加压焊接接合时，第2钢材12的抵接面(与第1钢材11相抵接的面)的面积通常大于第1钢材11的抵接面(与第2钢材12相抵接的面)的面积。
(摩擦加压焊接面13)
摩擦加压焊接面13为第1钢材11的轴部111与第2钢材12的界面，能够通过接合部的剖面观察来清楚地确认。据称在摩擦加压焊接面处，材料通过原子间引力被牢固地接合。据认为这是由于：在摩擦加压焊接时，在通过摩擦热发生软化从而变形阻力降低的2种材料中，原子间距离发生接近。因此，摩擦加压焊接面13可以说是将轴部111与第2钢材12进行接合的面。如上所述，摩擦加压焊接面13的形状根据加压焊接前的第1钢材11的轴部的前端形状来决定，没有特别限定。
(塑性变形部14)
塑性变形部14通过在加压焊接时产生的第2钢材12的塑性变形而形成。此外，轴部111的前端大多也会发生塑性变形。然而，轴部111的前端的塑性变形部介由摩擦加压焊接面13而与第2钢材12的塑性变形部14清楚地相区别。
(突出部141)
塑性变形部14的突出部141由从通过轴部111的压入而形成于第2钢材12处的凹部被挤出的钢形成。因此，塑性变形部14的突出部141在凹部的周围(即，摩擦加压焊接面13的周围)按照从第2钢材12以放射状突出的方式被形成。
在通常的接合接头中，突出部141的基部是成为在摩擦加压焊接之后产生的龟裂的起点的部位。据认为：在通常的接合接头中突出部141的基部作为龟裂产生的起点起作用的原因在于以下的2点。
首先，突出部141的基部是应力容易集中的部位。据认为：通过摩擦加压焊接时的温度变化而产生的构件的膨胀及收缩会使构件中产生应变，由该应变产生的应力在摩擦加压焊接后集中于突出部141的基部。
此外，突出部141的基部是通过摩擦加压焊接时的摩擦热而暂时成为高温、接着被骤冷的部位。通过经由这样的热历程，在通常的接合接头中，突出部141的基部至少一部分被淬火。进而，就第2钢材12而言，与其表面相距0.2mm以上的内侧的碳量为0.25质量％以上，淬透性非常高。因此，在通常的接合接头中，突出部141的基部通过摩擦加压焊接而被高硬度化。具有高硬度的钢材的氢脆敏感性非常高，因此，据推定在通常的接合接头的突出部141的基部中产生了氢脆。需要说明的是，本发明的发明者们对接合接头的龟裂进行了调查，其结果是，突出部141的基部中的龟裂是沿着晶体晶界来进展的。这暗示了龟裂的原因为氢脆的可能性。在焊接的技术领域，起因于扩散性氢的低温裂纹有可能成为问题，但在摩擦加压焊接接合时形成的突出部141的基部中也存在因与低温裂纹同样的机理而产生氢脆裂纹的可能性。
在本实施方式的接合接头中，为了避免氢脆，突出部141的基部中的维氏硬度被规定为600HV以下。钢材的氢脆敏感性与钢材的硬度存在正的相关关系。因此，通过降低突出部141的基部的硬度，能够降低突出部141的基部的氢脆敏感性，抑制龟裂产生。突出部141的基部的维氏硬度越小越优选，例如也可以设定为590HV以下、580HV以下、560HV以下或550HV以下。突出部141的基部的维氏硬度的下限值没有特别限定。另一方面，为了提高包含接合部在内的构件的强度，第2钢材的内部的维氏硬度优选被设定为较高。即，优选增大第2钢材的内部与表层的硬度之差。例如，第2钢材12的表层的维氏硬度也可以比内部的维氏硬度低15％以上、17％以上或20％以上。
减少突出部141的基部的维氏硬度的手段没有特别限定。例如，也可以在摩擦加压焊接接合刚结束后对接合接头实施回火。这种情况下，包含塑性变形部14及突出部141的基部在内的第2钢材12整体的维氏硬度被设定为600HV以下。但是，为了通过对接合接头整体进行回火来防止突出部141的基部中的龟裂产生，需要在龟裂产生之前降低维氏硬度，因此据认为需要在摩擦加压焊接接合刚结束后实施回火，导致接合接头的制造设备变得极为大型化、复杂化。此外，如果在摩擦加压焊接接合刚结束后对接合接头整体进行回火，则导致未受到摩擦加压焊接接合的热影响的母材部也被回火，母材的特性在广泛的区域受损，这是不优选的。
本发明的发明者们所认识到的减少突出部141的基部的维氏硬度的适宜手段的一个例子为第2钢材12的表面脱碳。如果对被供于摩擦加压焊接接合之前的第2钢材12进行脱碳处理，则第2钢材12的表层被脱碳，得以软质化。接着，如果将轴部111与表面脱碳后的第2钢材12进行摩擦加压焊接接合，则在第2钢材12中形成具有突出部141的塑性变形部14。该突出部141的基部是通过第2钢材12的主要为脱碳层的塑性变形而形成的。因此，塑性变形部14的突出部141的基部成为由脱碳后的淬透性低的钢构成的基部，因摩擦加压焊接接合时的摩擦热而引起的硬度上升被抑制，其维氏硬度成为600HV以下。
通过第2钢材12的脱碳处理而使突出部141的基部软化后的接合接头1的第2钢材12不仅具有(只要在摩擦加压焊接接合后接合接头1整体未被热处理)被脱碳从而因摩擦热产生的淬火硬化小的软质部，还具有未被脱碳从而因摩擦热产生的淬火硬化大的硬质部。具体而言，通过脱碳处理而使突出部141的基部软化后的接合接头1的第2钢材12在将与表面相距0.2mm以上的内侧的碳量设定为C(质量％)时，在摩擦加压焊接面13的深度方向附近具有维氏硬度为896C3-2232C2+2175C+138(HV)以上的部位。原因在于：在摩擦加压焊接面13的深度方向附近处，还必然存在以脱碳层通过塑性变形被除去的状态(即未受到脱碳处理的影响的状态)受到因摩擦热产生的淬火的部分。据推定：例如至少在摩擦加压焊接面13的中心附近处，脱碳层几乎不存在。此外，具有硬质部表示在摩擦加压焊接接合后接合接头1整体未被回火。
通过在摩擦加压焊接之前将第2钢材进行脱碳处理，从而接合接头的突出部141的基部的碳量与第2钢材的内部的碳量相比变低，因此软化。这种情况下，优选按照第2钢材的从表面至45μm的深度为止的区域(在本说明书中将该区域称为“表层”)中的碳量的最大值变得低于0.25质量％的方式进行脱碳。即，优选的是，在摩擦加压焊接后，在接合接头中的第2钢材12的远离摩擦加压焊接面的位置处，从表面至45μm的深度为止的区域中的碳量的最大值变得低于0.25质量％。这意味着应该增大第2钢材12的内部与表层的碳量之差的意思。通过将第2钢材12的内部设定为高碳量，接合接头1的强度进一步提高。因此，通过增大第2钢材12的内部与表层的碳量之差，能够实现提高接头强度和抑制龟裂产生这两者。第2钢材12的从表面至45μm的深度为止的区域中的碳量的最大值也可以为0.22质量％以下、0.20质量％以下或0.15质量％以下。
接合接头1除了具备上述构件以外，还可以具备第3构件15。例如如图3中所示的那样，也可以将第1钢材11设定为铆钉那样的具有轴部111和头部112的形状，使轴部111贯通于第3构件15，将第3构件15通过头部112及第2钢材12的接合面(与第1钢材11进行摩擦加压焊接的面)来夹持。这种情况下，由于第2钢材12及第3构件15是使用第1钢材11被紧密地接合，因此是优选的。接合接头1进一步具有其它的构件也无妨。
第3构件15的形状没有特别限定。例如，如果将第2钢材12及第3构件15这两者设定为板，则变得能够将本实施方式的接合接头1适用于将板接合而形成的机械部件(例如汽车用构件)，这是优选的。第3构件15也可以为多块板构件。
第3构件15具有轴部111所插通的孔。孔可以在使轴部111插通之前预先设置于第3构件15中，也可以通过将高速旋转的轴部111按压于第3构件15上来形成。孔的形状没有特别限定。为了使用头部112将第3构件15固定，使贯通孔的直径小于头部112的直径为宜。
突出部141的基部的维氏硬度的测定方法如下所述。将接合接头1在下述面处切断：与摩擦加压焊接面13垂直并且包含摩擦加压焊接面13的中心的面、换言之是与轴部111的轴方向平行并且包含轴部111的中心轴的面。对该切断面用显微镜进行观察，确定突出部141的基部。突出部141的基部为突出部141的外缘与第2钢材12的表面的交点及其附近。然后，在第2钢材12中的突出部141的基部的4个部位，将测定载荷设定为25gf来实施维氏硬度测定，通过算出其平均值来得到突出部141的基部的维氏硬度。第2钢材12中的突出部141的基部的4个部位是指如图4中所示的那样通过下述假想线形成的一个边的长度为0.05mm的正方形的四个顶点：
(A)沿着第2钢材12的表面的假想线a、
(B)与假想线a平行并且与第2钢材12的表面相距0.05mm的假想线b、
(C)与假想线a垂直并且与突出部141的基部处的上述交点相距0.01mm的假想线c、及
(D)与假想线a垂直并且与突出部141的基部处的上述交点相距0.06mm的假想线d。
第2钢材中的与表面相距0.2mm以上的内侧的碳量可以通过将第2钢材的表面使用锉等削去0.2mm以上之后对钢板成分进行分析来获得。此外，钢板表层的碳量、即从表面至45μm的深度为止的区域中的碳量的最大值可以通过辉光放电发光分光分析从钢板表面起对深度方向的碳量分布进行分析来获得。
第2钢材12的表层及内部的维氏硬度的测定方法如下所述。将第2钢材12与其表面垂直地切断。在该切断面中的距离钢材的表面为深度0.02mm的5个部位，将测定载荷设定为25gf来实施维氏硬度测定，通过算出其平均值，得到第2钢材12的表层的维氏硬度。此外，在该切断面中的距离钢材的表面为深度0.2mm的5个部位，将测定载荷设定为25gf来实施维氏硬度测定，通过算出其平均值，得到第2钢材12的内部的维氏硬度。第2钢材12的表层及内部的维氏硬度可以在接合后的接合部附近处的未受到因摩擦加压焊接接合产生的淬火或回火之类的热影响的部位处进行测定。
摩擦加压焊接面的深度方向附近处的硬质部的检测方法的一个例子如下所述。将接合接头1在与摩擦加压焊接面13垂直并且包含摩擦加压焊接面13的中心的面(换言之是与轴部111的轴方向平行并且包含轴部111的中心轴的面)处切断。接着，沿着通过摩擦加压焊接面13的中心并且与摩擦加压焊接面13垂直的方向(换言之是通过轴部111的中心轴并且与轴部111的轴方向平行的方向)，将测定载荷设定为100gf，连续地测定切断面的维氏硬度。当在连续测定中、确认到维氏硬度成为896C3-2232C2+2175C+138(HV)以上(需要说明的是，将第2钢材的与表面相距0.2mm以上的内侧的碳量设定为C(质量％))的测定值的情况下，判断为存在硬质部。测定间隔例如只要设定为30～100μm的范围内即可。如果测定间隔过窄，则某点处的硬度测定结果会受到在其他点的测定中形成的压痕的影响，测定精度受损。另一方面，如果测定间隔过宽，则有可能无法检测到硬质部。此外，测定部位并不限于上述内容。在上述测定方法的说明中例示出了据认为最容易产生硬质部的部位，但在接合部的其它部位检测到硬质部的情况下，也判断为该接合接头具有硬质部。此外，在接合后对接合部整体进行了淬火的情况下，有可能摩擦加压焊接面13的深度方向附近处的硬质部与第2钢材12一体化。这种情况下，也判断为该接合接头1具有硬质部。在第2钢材12的表层被脱碳的情况下，即使是在对接合部整体进行了淬火的情况下，突出部141的基部由于是由经过脱碳的钢构成，因此维氏硬度也成为600HV以下。
关于硬质部的检测方法，对于第1钢材11的轴部111为空心结构的情况，使用图5进行说明。首先，在与摩擦加压焊接面13垂直(换言之是与轴部111的轴方向平行)并且包含轴部111的中心轴的面处将接合接头1切断，沿着通过在切断面中观察到的2个部位的摩擦加压焊接部之中的任一个的中心并且与摩擦加压焊接面垂直的方向(换言之是与轴部111的轴方向平行的方向)(图5的H)，与轴部为实心结构的情况同样地将测定载荷设定为100gf，沿第二钢材的深度方向连续地测定切断面的维氏硬度。
接下来，对本发明的另一个方案的汽车用构件进行以下说明。本实施方式的汽车用构件具有本实施方式的接合接头。由此，本实施方式的汽车用构件具有高强度，并且能够抑制其接合部的摩擦加压焊接面的附近处的龟裂产生。
接下来，对本发明的另一个方案的接合接头的制造方法进行以下说明。本实施方式的接合接头的制造方法具备以下工序：将与表面相距0.2mm以上的内侧的碳量为0.25质量％以上的第2钢材的表层进行脱碳处理的工序；和一边使第1钢材旋转一边将第1钢材的轴部按压于脱碳处理后的第2钢材上来形成摩擦加压焊接面的工序。
(脱碳处理)
首先，将与表面相距0.2mm以上的内侧的碳量为0.25质量％以上的第2钢材的表层进行脱碳处理。脱碳处理的条件没有特别限定，只要根据由第1钢材引起的第2钢材的表层的塑性变形量等进行适当选择即可。例如，优选设定为下述脱碳处理条件：在露点为-10℃及温度为750℃的环境中将钢材保持10分钟后，将其进行空气冷却。此外，在根据接合接头的用途而需要控制第2钢材内部的组织的情况下，如果在脱碳处理后利用热处理等进行组织控制，则能够以表层的碳量低的状态得到所期望的内部组织。此外，也可以通过在产生脱碳的温度区域或气氛中进行组织控制，从而同时进行所期望的内部组织控制和脱碳。
(摩擦加压焊接接合)
接着，一边使第1钢材旋转(通常以第1钢材的轴部的中心轴为中心来旋转)一边将第1钢材的轴部按压于脱碳处理后的第2钢材上，形成摩擦加压焊接面。通过对具有脱碳层的第2钢材进行摩擦加压焊接接合，从而使通过摩擦加压焊接接合而形成的突出部的基部的碳量减少，降低基部的淬透性。摩擦加压焊接接合的条件没有特别限定，只要根据第1钢材及第2钢材的形状等进行适当选择即可。例如，在利用直径低于30mm的轴部111的旋转来进行摩擦加压焊接接合的情况下，将轴部111的转速设定为1000～8000rpm、将使轴部111按压于第2钢材12上时的加压力设定为5kN以上即可。
在利用轴部111的旋转来进行摩擦加压焊接接合的情况下，摩擦加压焊接接合之前的轴部111的前端的形状例如优选设定为圆锥形状、角锥形状或部分球形状。轴部111的前端的顶点优选处于轴部111的中心轴上。
接合接头的制造方法也可以进一步在摩擦加压焊接面的形成之前具备下述工序：在脱碳处理后的第2钢材上重叠第3构件的工序；和使第1钢材的轴部贯通于第3构件的工序。第1钢材具有剖面口径(即与轴方向垂直的剖面中的最大宽度)大于轴部的头部即可。由此，能够制造具有下述构成的接合接头1：通过第1钢材的头部及第2钢材的接合面来夹持第3钢材。
使轴部111贯通于第3构件15的手段没有特别限定。例如，在第3构件15的硬度与轴部111相比大幅地为软质的情况下，通过使轴部111一边高速旋转一边按压于第3构件15上，从而能够将第3构件15容易地贯通。例如，在第1钢材11为高强度钢材、第3构件15为轻金属或板厚薄的软钢的情况下，能够利用上述的贯通手段。上述的贯通手段由于能够连续地实施贯通及摩擦加压焊接接合，因此在接合作业效率方面是优选的。
另一方面，也可以在第3构件15中预先设置贯通孔，使轴部111插通于贯通孔中。贯通孔的直径优选大于轴部111的直径。但是，如果适当选定材质及轴部111的转速等，则即使贯通孔的直径小于轴部111的直径，也能够使轴部111贯通于第3构件15。另一方面，为了使用头部112将第3构件15固定，要求使贯通孔的直径小于头部112的直径。
需要说明的是，上述的接合接头的制造方法只不过是上述的本实施方式的接合接头1的制造方法的一个例子。在上述的制造方法中使用脱碳处理来达成突出部的基部的软质化，但使用其它的方法也无妨。例如，如上所述，通过在摩擦加压焊接接合刚结束后对接合接头进行回火，也能够达成突出部的基部的软质化。此外，通过将第2钢材12设定为使碳量为0.25质量％以上的钢材与低碳钢材贴合而成的包覆钢，也能够达成突出部的基部的软质化。此时，将使两者贴合后的低碳钢材的厚度设定为45μm以上。
实施例
通过以下的条件制作各种摩擦加压焊接接合接头。通过脱碳处理的有无、接合前的淬火、回火或者淬火回火处理，制作各种内部维氏硬度的第2钢材。实施例中的一个是在接合后立即利用炉加热进行了回火(实施例的编号3)。
[表1]
Figure BDA0003316375780000141
将所制作的摩擦加压焊接接合接头在通过摩擦加压焊接面的中心且与摩擦加压焊接面垂直的面(换言之是通过轴部的中心轴且与轴部的轴方向平行的面)处切断，进行切断面的观察，确认龟裂的有无。此外，在切断面处，测定第2钢材的突出部的基部的硬度。
第2钢材12的从表面至45μm为止的区域中的碳量的最大值及内部的碳量的测定方法设定为以下所述内容。关于钢板表层的碳量，通过辉光放电发光分光分析，从钢板表面起对深度方向的碳量分布进行分析。第2钢材中的内部的碳量通过将第2钢材的表面使用锉等削去0.2mm以上之后对钢板成分进行分析来测定。然后，在第2钢材中的内部的碳量为0.25质量％以上、从表面至45μm为止的分析结果在任一深度处碳量都低于0.25质量％的情况下，判断为具有有效的脱碳层。此外，当从表面至45μm为止的分析结果在任一深度处碳量都为0.25质量％以上的情况下，判断为无有效的脱碳层。
第2钢材12的表层的维氏硬度通过下述方式来测定：将第2钢材12与其表面垂直地切断，在该切断面中的距离钢材的表面为深度0.02mm的5个部位，将测定载荷设定为25gf来实施维氏硬度测定，算出其平均值。此外，在该切断面中的距离钢材的表面为深度0.2mm的5个部位，将测定载荷设定为25gf来实施维氏硬度测定，通过算出其平均值，测定了第2钢材12的内部的维氏硬度。第2钢材12的表层及内部的维氏硬度是对充分远离接合部、未受到因摩擦加压焊接接合产生的淬火或回火之类的热影响的部位进行测定。
突出部141的基部的维氏硬度的测定方法设定为以下所述内容。将接合接头1在与摩擦加压焊接面13垂直并且包含摩擦加压焊接面13的中心的面、换言之是与轴部111的轴方向平行并且包含轴部111的中心轴的面处切断。对该切断面用显微镜进行观察，确定突出部141的基部。然后，在第2钢材12中的突出部141的基部的附近的4个部位，将测定载荷设定为25gf来实施维氏硬度测定，通过算出其平均值来得到突出部141的基部的维氏硬度。第2钢材12中的突出部141的基部的附近的4个部位是指通过上述的假想线a～d划定的一个边的长度为0.05mm的正方形的四个顶点。在龟裂与测定部位重叠、难以测定维氏硬度的情况下，以相同条件对多个体的接合部通过上述方法进行剖面观察，在得到龟裂与4处测定部位不重叠的剖面之后进行维氏硬度测定。在该突出部141的基部的维氏硬度为600HV以下的情况下为发明例。
进而，通过以下的步骤来检测摩擦加压焊接面的深度方向附近的硬质部。将接合接头1在与摩擦加压焊接面13垂直并且包含摩擦加压焊接面13的中心的面、换言之是与轴部111的轴方向平行并且包含轴部111的中心轴的面处切断。接着，沿着通过摩擦加压焊接面13的中心并且与摩擦加压焊接面13垂直的方向、换言之是通过轴部111的中心轴并且与轴部111的轴方向平行的方向，将测定载荷设定为100gf，连续地测定切断面的维氏硬度。当在连续测定中、确认到维氏硬度成为896C3-2232C2+2175C+138(HV)以上(此外，将第2钢材的与表面相距0.2mm以上的内侧的碳量设定为C(质量％))的测定值的情况下，判断为存在硬质部。测定间隔设定为50μm。
将评价结果示于表2、表3中。
[表2]
Figure BDA0003316375780000161
[表3]
Figure BDA0003316375780000171
在摩擦加压焊接接合之前在第2钢材上设置了有效的脱碳层的发明例1、4、5、6、10、11、12的突出部的基部的维氏硬度大大低于600HV。就发明例3而言，虽然在摩擦加压焊接接合之前未设置有效的脱碳层，但通过在摩擦加压焊接接合之后立即将接头整体用炉进行加热、回火，从而能够使突出部的基部的维氏硬度降低至600HV以下。此外，在这些发明例中未产生龟裂。另一方面，就在第2钢材上未设置有效的脱碳层的比较例2、7、8、9、13、14而言，无法抑制突出部的基部的硬化，突出部的基部的维氏硬度高于600HV，产生了龟裂。
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供可抑制摩擦加压焊接面的附近处的龟裂产生的接头、汽车用构件及接头的制造方法。因此，本发明具有极高的产业上的可利用性。
符号的说明
1 接合接头
11 第1钢材
111 轴部
112 头部
12 第2钢材
13 摩擦加压焊接面
14 塑性变形部
141 突出部
15 第3构件
2 龟裂状缺陷

Claims (10)

1.一种接合接头，其特征在于，其具备：
具有轴部的第1钢材；
被压入有所述轴部的第2钢材，所述第2钢材的与表面相距0.2mm以上的内侧的碳量为0.25质量％以上；和
摩擦加压焊接面，其将所述轴部与所述第2钢材接合，
其中，所述第2钢材具有与所述摩擦加压焊接面相接触的塑性变形部，
所述塑性变形部具有朝向所述第2钢材的外部突出的突出部，
在与所述摩擦加压焊接面垂直并且包含所述摩擦加压焊接面的中心的面处测定的所述突出部的基部的维氏硬度为600HV以下，
所述第2钢材的从表面至45μm的深度为止的区域中的碳量的最大值低于0.25质量％。
2.根据权利要求1所述的接合接头，其特征在于，所述轴部的与轴方向垂直的剖面为旋转对称形状。
3.根据权利要求1所述的接合接头，其特征在于，所述轴部的与轴方向垂直的剖面为圆状或正多边形状。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的接合接头，其特征在于，在将所述与表面相距0.2mm以上的内侧的碳量的质量％设定为C时，所述第2钢材在所述摩擦加压焊接面的深度方向附近具有维氏硬度为896C3-2232C2+2175C+138(HV)以上的硬质部。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的接合接头，其特征在于，所述第2钢材的表层的维氏硬度比内部的维氏硬度低15％以上。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的接合接头，其特征在于，所述第2钢材为钢板。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的接合接头，其特征在于，所述第1钢材具有剖面口径大于所述轴部的头部，
所述接合接头进一步具备设置于所述头部与所述第2钢材之间的第3构件，
所述第1钢材的所述轴部将所述第3构件贯通，
所述第3构件被所述第1钢材的所述头部与所述第2钢材的接合面夹持。
8.一种汽车用构件，其具有权利要求1～7中任一项所述的接合接头。
9.一种接合接头的制造方法，其具备以下工序：
将与表面相距0.2mm以上的内侧的碳量为0.25质量％以上的第2钢材的表层进行脱碳处理的工序；和
一边使第1钢材旋转一边将所述第1钢材的轴部按压于脱碳处理后的所述第2钢材上来形成摩擦加压焊接面的工序。
10.根据权利要求9所述的接合接头的制造方法，其特征在于，所述第1钢材具有剖面口径大于所述轴部的头部，
所述接合接头的制造方法在所述摩擦加压焊接面的形成之前，进一步具备下述工序：
在脱碳处理后的所述第2钢材上重叠第3构件的工序；和
使所述第1钢材的所述轴部贯通于所述第3构件的工序。
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