JP2000015462A - 摩擦圧接部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高強度接合の摩擦圧接部材およびその製造方
法を提供すること。 【解決手段】 本発明の摩擦圧接部材は、球状黒鉛鋳鉄
部材と鋼部材の端面、および素材において直径０．０４
〜０．５ｍｍの間隙を形成した側面ともに摩擦圧接によ
り金属的に接合された摩擦圧接部材であって、前記球状
黒鉛鋳鉄部材と鋼部材の接合部を挟んで引張試験をした
とき、前記接合部の破断強度が、前記接合部より０．１
ｍｍ以上離れた前記球状黒鉛鋳鉄の破断強度よりも大き
いことを特徴とする。このために、球状黒鉛鋳鉄材の機
械的性質を用いてナックルスピンドルなどの強度部材を
製造することができる。その製造方法は、雌部材を準備
する工程、雄部材を準備する工程、前記雌雄両部材を相
対回転しつつ、嵌合、端面接触して摩擦発熱する工程、
前記雌雄部材の嵌合部の間隙を無くして、接合する工
程、を含むことで、圧接部を強固に金属的に接合させ、
全長の寸法変化を少なく、バリを少なくして製造でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は摩擦圧接部材および
その製造方法に関し、より詳しくは、球状黒鉛鋳鉄部材
と鋼部材との端面と当接面、および外径と内径を接合す
ることで、接合部の破断強度を球状黒鉛鋳鉄の破断強度
よりも大きくすることで、強度部材に適用でき、全長の
寸法変化が少なく、かつバリの発生を少なくできる摩擦
圧接部材およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属材料を接合する方法として、突き合
せ方向に加圧しながら相対的に回転させ、突き合せ面お
よびその近傍に発生する摩擦熱により金属を軟化させて
接合する摩擦圧接が知られている。摩擦圧接は、通常、
突き合せ面が十分に接触し、その突き合せ面が突き合せ
方向に対し略直角として行われる。そして、突き合せ面
に平行に働く力に対しては強度的に弱くなりやすい。こ
のため、通常の突き合せ摩擦圧接では、引張り、圧縮、
曲げ、せん断などの複雑な応力が作用する強度部材とす
ることは難しい。

【０００３】ところで、複雑形状に成形できる球状黒鉛
鋳鉄材を用いて、摩擦圧接によって強度部材を得ようと
種々の提案がなされている。例えば、特開平４−２３１
１８３号公報では、構造用炭素鋼材料から作られたエン
ドパイプと球状黒鉛鋳鉄材料であるハウジング本体とを
摩擦圧接して、自動車用アクスルハウジングを製作する
開示がある。この特開平４−２３１１８３号公報には、
摩擦圧力を２０〜４０ＭＰａと低く、摩擦時間を６０〜
１２０秒と長くして、接合部を中心とする温度勾配を緩
やかにすることで、接合部にマルテンサイトおよびセメ
ンタイトとなる組織が析出するのを防止し、さらに黒鉛
を接合部から消失させる記載がある。また、アプセット
圧力を８０〜１４０ＭＰａと大きく、アプセット時間を
６〜１０秒と短くして、大きな接合強度にできるとの記
載がある。

【０００４】また、特開平５−２３８７４号公報には、
図９に示すように、球状黒鉛鋳鉄製アクスルハウジング
本体１２と、例えばＳ４３Ｃ材などの炭素鋼製アクスル
エンドパイプ１３を接合する開示がある。すなわち、球
状黒鉛鋳鉄製アクスルハウジング本体１２の接合端部１
２ａに、凸状のテーパ面１２ｂに形成し、相手材である
炭素鋼製アクスルエンドパイプ１３の接合端部１３ｂ
に、凹状テーパ面１３ｂに形成して摩擦圧接すること
で、接合強度の向上と共に軽量化が図れるとしている。
なお、図９において、Ａは炭素鋼製アクスルエンドパイ
プ１３の移動方向、またＢは回転方向である。

【０００５】一方、特開平９−１２２９３５号公報に
は、図１０および図１１に示すように、アルミと鉄との
摩擦圧接の開示がある。図１０はアルミと鉄との摩擦圧
接部材の断面図である。アルミ体１４に熱処理を施して
その強度を鉄系軸１５に近付けた後、両者を押し付けな
がら相対回転させ、接合面１６の酸化膜を除去しながら
活性面同士を金属間結合させている。従来のスクリュー
圧縮機のロータでは、アルミ体１４に鉄系軸１５が貫通
する構造のため、コスト低減のネックとなっていたが、
これを、穴を形成することを無くして低コストとし、ま
た、鋳ぐるみのようにアルミ体１４と鉄系軸１５との接
合部１６の線膨脹係数を合わせる必要を無くして、アル
ミ体１４と鉄系軸１５とを結合して、ロータ１７の軽量
化を図ろうとしている。また、図１１には、ロータ１１
ｂに、Ａｌニアネット品１４とＦｅ軸１５との接合面積
を拡大するため、Ａｌニアネット品１４の端面にあらか
じめ円錐状の窪み部１８または球面状の窪み部１９を形
成しておき、その窪み部１８、１９にＦｅ軸１５の凸部
２０または球面状の凸部２１を押しつけながら回転さ
せ、摩擦圧接する開示もある。

【０００６】さらに、特開平８−２４３７６４号公報に
は、図１２および図１３に示すように、テーパ面状の凹
部３３を形成した母材３１と、テーパ面状の凸部３７を
形成した母材３５とを相対回転させ、凹部３３に凸部３
７の先端を突き合わせて加圧して摩擦圧接する開示があ
る。互いのテーパ面３３ａ、３７ａを異なる傾斜角度と
することでテーパ面同士で挟まれて形成される間隙に、
溶融した母材の一部を収容し、凹部３３以外の一方の母
材３１の接合端面３１ａと、凸部３７以外の他方の母材
３５の接合端面３５ａとを当接させることにより、接合
終了時の位置決めが行えるとしている。なお図１２にお
いて、αは鉄パイプ３１のテーパ面３３ａと回転軸ａと
のなす角度、またβは凸部３７のテーパ面３７ａと回転
軸ａとのなす角度である。

【０００７】特開平８−２４３７６４号公報を、図１３
に基づきさらに具体的に説明する。摩擦圧接装置に鉄パ
イプ３１とフランジ３５とを固定し、それぞれ回転軸ａ
で相対回転させると共に、鉄パイプ３１の凹部３３とフ
ランジ３５の凸部３７とを所定の加圧力で突き合わせて
摩擦発熱させ、突き合せ面近傍の母材４３部分を溶融さ
せている。同時に鉄パイプ３１とフランジ３５とを加圧
方向に移動し、溶けた母材４３の一部４３ａを鉄パイプ
３１の内側空間４５に押し出している。

【０００８】そして、突き合わせ面近傍の母材４３が溶
融され、フランジ３５が加圧方向へ移動されると、溶融
部の外側には凹部３３のテーパ面３３ａと凸部３７のテ
ーパ面３７ａとに挟まれた断面三角形状の隙間４７が形
成される。この隙間４７には遠心力によって溶融部から
外側に流れた母材４３の残りの部分４３ｂが流れ込む。
従って、間隙４７の体積を、溶融される母材４３の体積
より大きく設定すれば、溶けた母材４３は隙間４３内に
全て収容されることになり、接合部外側への流出がなく
なる。また、隙間４７は溶融部から流れ出た母材４３ｂ
により埋められ、この母材４３ｂによっても接合され
る。従来では除去対象であったバリが有効に利用できる
ことから、接合後にバリを削除する作業が不要となり、
溶融量を従来に比べて少なくすることができ、これによ
って圧接時間を短縮することができるとしている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前述のとおり、突き合
せ面が突き合せ方向に対してほぼ直角として行われてい
る摩擦圧接では、突き合せ面に平行に働く力に対しては
強度的に弱くなりやすく、引張り、圧縮、曲げ、せん断
などの複雑な応力が作用する強度部材とすることは難し
い。前記特開平４−２３１１８３号公報に開示の、構造
用炭素鋼材料から作られたエンドパイプと球状黒鉛鋳鉄
材料であるハウジング本体とを端面同士を摩擦圧接する
技術、また、前記特開平５−２３８７４号公報に開示
の、球状黒鉛鋳鉄製アクスルハウジング本体と炭素鋼製
アクスルエンドパイプの接合端部を凹凸テーパ面形状に
形成して、摩擦圧接する技術は、接合強度の向上を図ろ
うとしているが、まだまだ強度部材に適用するのは難か
しい。また、前記特開平９−１２２９３５号公報に開示
の技術も、アルミと鉄との摩擦圧接による面接合であ
り、強度部材に適用するのは難しい。さらに、前記特開
平８−２４３７６４号公報に開示の技術では、間隙内に
溶融部が完全に充填されていない場合には空隙が存在
し、この空隙が応力集中の起点となるおそれがあり、強
度部材への適用を図るには、曲げやせん断に対する接合
強度を向上する必要がある。

【００１０】本発明の課題は、摩擦圧接で両部材の端面
および側面ともに接合して接合面を増やすことにより、
より詳細には、球状黒鉛鋳鉄部材と鋼部材との端面と当
接面、および外径と内径を接合することで、接合部の破
断強度を球状黒鉛鋳鉄の破断強度よりも大きくして、強
度部材にも適用でき、全長の寸法変化が少なく、かつ、
バリの発生を少なくできる摩擦圧接部材およびその製造
方法を得ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、球状黒鉛
鋳鉄部材と鋼部材との端面と当接面に加えて、外径と内
径をも接合できないか鋭意研究した。その結果、内径と
その内径内に当接面を形成した雌部材と、この雌部材の
内径に、適正な間隙を持ち嵌合すると共に雌部材の当接
面にする端面を形成した雄部材とを準備して、この雌部
材と雄部材を相対回転しつつ嵌合させ、雌部材の当接面
と雄部材の端面を接触して摩擦発熱することで、端面と
当接面の圧接面に加えて、熱膨張により外径と内径の嵌
合部をも良好に接合でき、接合部の破断強度を球状黒鉛
鋳鉄の破断強度よりも大きくなり、自動車用懸架装置の
ひとつであるナックルスピンドルなどの強度部材にも適
用できるとの知見を得て本発明に想到した。

【００１２】すなわち、第１発明の摩擦圧接部材は、球
状黒鉛鋳鉄部材と鋼部材の端面、および素材において直
径０．０４〜０．５ｍｍの間隙を形成した側面ともに摩
擦圧接により金属的に接合された摩擦圧接部材であっ
て、前記球状黒鉛鋳鉄部材と鋼部材の接合部を挟んで引
張試験したとき、前記接合部の破断強度が、前記接合部
より０．１ｍｍ以上離れた前記球状黒鉛鋳鉄の破断強度
よりも大きいことを特徴とする。好ましくは、球状黒鉛
鋳鉄部材からなる雌部材と、鋼部材からなる雄部材の端
面、および素材において直径０．０４〜０．５ｍｍの間
隙を形成した側面ともに摩擦圧接により金属的に接合さ
れた摩擦圧接部材であって、前記接合部の破断強度が、
前記接合部より０．１ｍｍ以上離れた前記球状黒鉛鋳鉄
の破断強度よりも大きいことを特徴とする。そして、前
記鋼部材が構造用炭素鋼または合金鋼であることを特徴
とする。また、摩擦圧接部材がナックルスピンドルであ
ることを特徴とする。

【００１３】次に第２発明は、球状黒鉛鋳鉄部材と鋼部
材とを接合する摩擦圧接部材の製造方法において、
（１）前記球状黒鉛鋳鉄部材と鋼部材の一方に、内径と
その内径内に当接面を形成した雌部材を準備する工程、
（２）前記雌部材の内径に間隙を持ち嵌合すると共に前
記雌部材の当接面に当接できる端面を形成した雄部材を
準備する工程、（３）前記雌部材と前記雄部材を相対回
転しつつ、前記雌部材の内径と前記雄部材の外径を嵌合
すると共に、前記雌部材の当接面と前記雄部材の端面を
接触して摩擦発熱する工程、（４）前記雌部材の内径と
前記雄部材の外径との嵌合部の間隙を無くして、前記雌
部材の内径と前記雄部材の外径を接合する工程、を含む
ことを特徴とする。

【００１４】また、前記雌部材の内径と前記雄部材の外
径の嵌合部の接合は、前記雌部材の当接面と前記雄部材
の端面との摩擦発熱により、少なくとも一方の部材が熱
膨張して間隙を埋め、嵌合部が摩擦発熱することにより
行われることを特徴とする。また、前記間隙が、直径で
０．０４ｍｍ〜０．５ｍｍであるか、直径の０．１％〜
１．５％であることを特徴とする。

【００１５】以下、本発明における摩擦圧接合条件の限
定理由について説明する。 （１）球状黒鉛鋳鉄部材と鋼部材の端面および側面とも
に摩擦圧接複雑形状部を球状黒鉛鋳鉄材で、単純形状部
を鋼部材で形成し、端面および側面ともに摩擦圧接する
ことで、あらゆる形状の強度部材を得ることができる。 （２）接合部の破断強度が、接合部より０．１ｍｍ以上
離れた球状黒鉛鋳鉄の破断強度よりも大接合部の破断強
度が、接合部より０．１ｍｍ以上離れた球状黒鉛鋳鉄の
破断強度よりも大であれば、球状黒鉛鋳鉄材の機械的性
質を用いて強度部材とすることができる。 （３）間隙が直径で０．０４ｍｍ〜０．５ｍｍ、または
間隙が内径または外径の０．１％〜１．５％ 通常の突き合せ摩擦圧接では、摩擦により発生した摩擦
熱が空気中に放散されてしまうが、嵌合部の間隙で発熱
部が覆われているため、当接面と端面の摩擦発熱は十分
に保持され、間隙内の周辺の温度も上昇する。間隙が、
直径で０．０４ｍｍ以上または直径の０．１％以上で、
雌部材の当接面と雄部材の端面との摩擦発熱が、雌部材
の内径および雄部材の外径に伝えられる。そして雌部材
の内径および雄部材の外径が熱膨張することで、内径と
外径の間隙が少なくなり接触して摩擦発熱する。しか
し、間隙が、直径で０．０４ｍｍ未満または直径の０．
１％未満では、内径と外径を嵌合させることが難しい。
一方、間隙が直径で０．５ｍｍを越えるか、または間隙
が内径または外径の１．５％を越えると、雌部材の当接
面と雄部材の端面との摩擦発熱が、雌部材の内径および
雄部材の外径に伝える熱量が少なくなる。したがって、
間隙が、直径で０．０４ｍｍ〜０．５ｍｍ、または直径
比で０．１％〜１．５％とする。

【００１６】本発明は前述のとおり、嵌合部の間隙で発
熱部が覆われている。このため、当接面と端面の摩擦発
熱を十分に保持して放散が抑制される。したがって、通
常の突き合せ摩擦圧接に比較してエネルギー効率が良
い。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、発明の実施の形態を詳細に
説明する。 （実施の形態１）図４は、実施の形態１で用いた雌部材
および雄部材の断面図である。雌部材２は、（ＪＩＳ）
ＦＣＤ３８０相当の球状黒鉛鋳鉄で鋳造し、内径Ｄ２＝
４０ｍｍで、深さＷ＝４０ｍｍに当接面２ａを形成し
た。一方、雄部材１は、（ＪＩＳ）Ｓ４５Ｃの構造用炭
素鋼、または（ＪＩＳ）ＳＣＭ４３５の合金鋼からな
り、機械加工で外径Ｄ１＝４０ｍｍ、長さＬ＝１１５ｍ
ｍとし、雌部材２の内径Ｄ２＝４０ｍｍに間隙０．０３
〜２．０９の範囲をもって嵌合すると共に雌部材２の当
接面２ａに当接する端面１ａを形成した。次に、雄部材
１を摩擦圧接装置の主軸（図示せず）に取り付け、雌部
材２を刃物台（図示せず）に取り付けた。続いて、雄部
材１をＮ＝１８００ｒｐｍに回転上昇させると共に、雌
部材２を送り速度ｆで前進して内径Ｄ２と雄部材１の外
径Ｄ１を嵌合させた。さらに続いて、雌部材２の当接面
２ａと雄部材１の端面１ａを、摩擦圧力Ｐ１＝４０ＭＰ
ａ、摩擦時間Ｔ１＝２５〜７０秒で接触して摩擦発熱さ
せ、続いて、主軸の回転を停止して、直ちにアプセット
圧力Ｐ２＝８０ＭＰａ、アプセット時間Ｔ２＝５〜１０
秒でアプセット加圧工程を行って、摩擦圧接部材を製作
した。そして、摩擦圧接装置から摩擦圧接部材を取り外
した。

【００１８】次に、図５に示すＥ、Ｆ、ＧおよびＨの部
位から切り出して、図６に示す破断試験片を作製した。
摩擦圧接条件と対比して、破断位置、破断強度、および
雄部材１の長さＬの変化を調べた。その結果を表１およ
び表２に示す。ここで破断強度は、雌部材の内径と雄部
材の外径の接合部は「径」の欄に、雌部材の当接面と雄
部材の端面の接合部は「面」の欄に示す。また、実施例
５のＸ部位の顕微鏡組織写真を図１に、実施例５のＹ部
位の顕微鏡組織写真を図２に示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】（実施例１〜８）実施例１〜８の、雌部材
を球状黒鉛鋳鉄材とし、雄部材の内径と雄部材の外径間
の間隙を０．０４〜０．５ｍｍ、直径比で０．１〜１．
５％の範囲に形成した摩擦圧接部材は、いずれも接合部
からは破断せず、接合部から０．１ｍｍ以上離れた球状
黒鉛鋳鉄母材から破断していた。そしてその破断強度
は、４５０〜４８０ＭＰａであった。なお、（ＪＩＳ）
Ｓ４５Ｃの構造用炭素鋼の引張強さは７００ＭＰａ程
度、（ＪＩＳ）ＳＣＭ４３５の合金鋼の引張強さは８０
０ＭＰａ程度である。図１は、実施例５について、図３
のＸ部位での金属組織顕微鏡写真である。黒丸の黒鉛の
存在を示す右側部が球状黒鉛鋳鉄で、左側部がＳ４５Ｃ
である。また図２は、実施例５について、図３のＹ部位
での金属組織顕微鏡写真である。黒丸の黒鉛の存在を示
す下側部が球状黒鉛鋳鉄で、上側部がＳ４５Ｃである。
図１および図２に示すとおり、球状黒鉛鋳鉄部材の当接
面と鋼部材の端面、および球状黒鉛鋳鉄部材と鋼部材の
嵌合部ともに摩擦圧接により金属的に強固に接合してい
る。また、接合部での異常組織も認められない。

【００２２】また、実施例１〜８では、長さＬは摩擦圧
接後、０．１０〜０．３５ｍｍと０．５ｍｍ以下、直径
比で０．２５〜０．８８％と１，０％以下の寸法変化し
かなかった。したがって、実施例の摩擦圧接によれば、
圧接前後の長さの変化を少なくして強度部材とすること
ができる。また、実施例１〜８では、雌部材の内径と雄
部材の外径に間隙を形成して摩擦圧接を行うため、アプ
セット圧力Ｐ２＝８０ＭＰａと大きく、アプセット時間
Ｔ２＝５〜１０秒と短くしても、良好に接合でき、作業
時間が短くできる。さらに、実施例１〜８では、摩擦発
熱で溶融しかかった部分が間隙に押し込まれて、雌部材
の内径と雄部材の外径の接合に寄与するので、バリの発
生がないか、バリがあっても少ない。したがって、接合
後のバリとりの工程が不要となるか、バリ除去が容易で
ある。

【００２３】図７は、摩擦圧接過程での雌部材２の接合
部近傍、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤの４箇所の温度を測定する
ため、実施例７について熱電対（図示せず）を接合部か
ら１ｍｍ離して挿入配置した挿入口の断面図である。熱
電対での測温結果、摩擦圧接開始の５秒間では、端面１
ａと当接面２ａの接合部のＢ部の温度が最も高くなり、
５秒経過後、外径Ｄ１と内径Ｄ２の接合部のＣ部の温度
が高くなり、最高１０２０℃まで上昇した。接合部から
１ｍｍの部位を測温した結果であり、接合部では溶融温
度または溶融温度近くまで到達していた。

【００２４】（比較例１１）比較例１１は、雄部材を
（ＪＩＳ）Ｓ４５Ｃ構造用炭素鋼、雌部材を（ＪＩＳ）
ＦＣＤ３８０相当球状黒鉛鋳鉄で、間隙０．０３ｍｍ、
直径比０．０８％で、摩擦発熱工程での摩擦圧力Ｐ１＝
４０ＭＰａ、摩擦時間Ｔ１＝２５秒、アプセット加圧工
程でのアプセット圧力Ｐ２＝８０ＭＰａ、アプセット時
間Ｔ２＝５秒で摩擦圧接したものである。比較例１１
は、間隙が０．０３ｍｍと狭いために、雄部材が雌部材
の内径の縁に接触して、挿入および嵌合することができ
なかった。

【００２５】（比較例１２）比較例１２は、雄部材を
（ＪＩＳ）Ｓ３０Ｃ構造用炭素鋼、雌部材を（ＪＩＳ）
ＦＣＤ３８０相当球状黒鉛鋳鉄で、間隙１．０７ｍｍ、
直径比２．６８％とし、そのほかは比較例１１と同じ条
件で摩擦圧接を行った。比較例１１は、端面と当接面、
および外径と内径の接合は良好であったが、間隙が大き
いため、溶融過多を招き、摩擦圧接前後で寸法変化が
０．５１ｍｍ、直径比で１．２８％と大きかった。

【００２６】（比較例１３）比較例１３は、雄部材を
（ＪＩＳ）ＳＣＭ４３５合金鋼、雌部材を（ＪＩＳ）Ｆ
ＣＤ３８０相当球状黒鉛鋳鉄で、間隙０．７０ｍｍ、直
径比１．７５％とし、実施例３と同じく、摩擦圧力Ｐ１
＝４０ＭＰａ、摩擦時間Ｔ１＝２５秒で行い、アプセッ
ト圧力Ｐ２＝８０ＭＰａ、アプセット時間Ｔ２＝１０秒
で摩擦圧接を行った。比較例１３は、端面と当接面、お
よび外径と内径の接合は良好であったが、摩擦圧接前後
での寸法変化が、０．５２ｍｍ、直径比で１．３０％と
大きかった。

【００２７】（比較例１４）比較例１４は、比較例１２
よりも大きい間隙２．０９ｍｍ、直径比５．２３％、ア
プセット時間Ｔ２＝１０秒とした以外は比較例１１と同
じ摩擦圧接条件で摩擦圧接を行った。比較例１４は、端
面と当接面、および外径と内径の接合は良好であった
が、比較例１２と同じく、摩擦圧接前後での寸法変化
が、０．５４ｍｍ、直径比で１．３５％と大きかった。

【００２８】（従来例２１、２２および２３）従来例２
１、２２は、（ＪＩＳ）Ｓ４５Ｃ構造用炭素鋼を主軸で
回転させ、（ＪＩＳ）ＦＣＤ３８０球状黒鉛鋳鉄材を刃
物台に固定して、突き合せ摩擦圧接したものである。従
来例２１は、摩擦時間Ｔ１＝３５秒と短時間とし、アプ
セット時間Ｔ２＝１０秒としても、摩擦圧接前後での寸
法変化が、０．７０ｍｍ、直径比で１．７５％と大きか
った。従来例２２の、摩擦時間Ｔ１＝７０秒と比較的長
時間とし、アプセット時間Ｔ２＝５秒と短時間として
も、摩擦圧接前後での寸法変化が１．２０ｍｍ、直径比
で３．０％と大きかった。また、従来例２３は、（ＪＩ
Ｓ）ＦＣＤ３８０球状黒鉛鋳鉄材を主軸で回転させ、
（ＪＩＳ）ＳＣＭ４３５合金鋼を刃物台に固定して、従
来例２１と同じ摩擦圧力Ｐ１＝４０ＭＰａ、摩擦時間Ｔ
１＝３５秒と短時間とし、アプセット圧力Ｐ２＝８０Ｍ
Ｐａ、アプセット時間Ｔ２＝１０秒で突き合せ摩擦圧接
したが、摩擦圧接前後での寸法変化が、０．７５ｍｍ、
直径比で１．８８％と大きかった。また、従来例２１〜
２３の突き合せ加圧による摩擦圧接では、バリが圧接面
から飛び出し、これを除去する必要があった。

【００２９】（実施の形態２）図８は、自動車用懸架部
品のひとつであるナックルスピンドルを摩擦圧接により
製造した断面図である。通常、これらナックルスピンド
ルの素材は、構造用炭素鋼を数回、熱間型鍛造して成形
されるが、鍛造型の抜け勾配を小さくすることが難し
い。このため肉厚が増加して重量も増す。また肉厚増加
分、加工コストが上昇する。

【００３０】実施の形態２でのナックルスピンドル５
は、雌部材に相当するアーム部３を（ＪＩＳ）ＦＣＤ４
５０相当の球状黒鉛鋳鉄材、雄部材に相当するスピンド
ル４を（ＪＩＳ）Ｓ４５Ｃ構造用炭素鋼として、以下の
工程で製造できる。 （１）アーム部３を、（ＪＩＳ）ＦＣＤ４５０相当球状
黒鉛鋳鉄で鋳造後、圧接アーム内径３ｄ＝６０ｍｍ、深
さ３Ｌ＝１５ｍｍで圧接アーム端面３ｆを形成する。 （２）スピンドル４に（ＪＩＳ）Ｓ４５Ｃ構造用炭素鋼
を用い、スピンドル４の端部に圧接スピンドル軸４ｄ
を、圧接アーム内径３ｄより直径で０．２５ｍｍ小さ
く、また圧接スピンドル端面４ｆを形成する。 （３）摩擦圧接装置の主軸側（図示せず）にスピンドル
４を取り付け、圧接スピンドル軸４ｄとアーム内径３ｄ
の軸芯を合わせて、アーム部３を刃物台（図示せず）に
取り付ける。 （４）次に、主軸を２０００ｒｐｍに回転上昇させると
共に、アーム部３を前進して、圧接アーム内径３ｄと圧
接スピンドル軸４ｄを嵌合させる。 （５）次に、圧接アーム端面３ｆと圧接スピンドル端面
４ｆを、摩擦圧力Ｐ１＝６０ＭＰａ、摩擦時間Ｔ１＝３
５秒で摩擦発熱させる。 （６）次に、主軸の回転を停止して、アプセット圧力Ｐ
２＝８０ＭＰａ、アプセット時間Ｔ２＝１０秒でアプセ
ット加圧を行い、摩擦圧接を完了する。そして、摩擦圧
接装置から摩擦圧接部材を取り外す。

【００３１】上記の工程で製造されたナックルスピンド
ル５は、アーム部３の圧接アーム端面３ｆとスピンドル
４の圧接スピンドル端面４ｆが強固に金属的に接合され
ると共に、アーム部３の圧接アーム内径３ｄとスピンド
ルの圧接スピンドル軸４ｄも強固に金属的に接合され
る。接合部を挟んで引張試験を行ったが、接合部から１
ｍｍ以上離れた球状黒鉛鋳鉄母材から破断した。また、
アーム部３とスピンドル４を合わせた全長の寸法変化
は、０．３５ｍｍで、直径比０．５８％となる。寸法変
化が少ないことにより、機械加工代が適切に確保でき
る。さらに、バリが少ないので、バリとりの工程を不要
にできる。

【００３２】

【発明の効果】以上詳細に説明のとおり、第１発明の摩
擦圧接部材は、球状黒鉛鋳鉄部材と鋼部材の端面、およ
び素材において直径０．０４〜０．５ｍｍの間隙を形成
した側面ともに摩擦圧接により金属的に接合された摩擦
圧接部材であって、その接合部の破断強度が、接合部よ
り０．１ｍｍ以上離れた球状黒鉛鋳鉄の破断強度よりも
大きい摩擦圧接部材は球状黒鉛鋳鉄材の機械的性質を用
いてナックルスピンドルなどの強度部材を製造すること
ができる。

【００３３】第１発明の摩擦圧接部材は、第２発明の摩
擦圧接部材の製造方法、すなわち、（１）前記球状黒鉛
鋳鉄部材と鋼部材の一方に、内径とその内径内に当接面
を形成した雌部材を準備する工程、（２）前記雌部材の
内径に間隙を持ち嵌合すると共に前記雌部材の当接面に
当接できる端面を形成した雄部材を準備する工程、
（３）前記雌部材と前記雄部材を相対回転しつつ、前記
雌部材の内径と前記雄部材の外径を嵌合すると共に、前
記雌部材の当接面と前記雄部材の端面を接触して摩擦発
熱する工程、（４）前記雌部材の内径と前記雄部材の外
径と嵌合部の間隙を無くして、前記雌部材の内径と前記
雄部材の外径を嵌合する工程、を含むことで、圧接部を
強固に金属的に接合させ、全長の寸法変化を少なく、か
つバリを少なくして製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例５のＸ部位である、球状黒鉛鋳鉄の当接
面と構造用炭素鋼の端面との接合部の顕微鏡組織写真で
ある。

【図２】実施例５のＹ部位である、球状黒鉛鋳鉄の内径
と構造用炭素鋼の外径との接合部の顕微鏡組織写真であ
る。

【図３】接合部の顕微鏡組織写真の撮影位置を示す図で
ある。

【図４】摩擦圧接における雄部材と雌部材との嵌合前の
状態を示す図である。

【図５】接合部からの引張試験片採取位置を示す図であ
る。

【図６】引張試験片の形状寸法を示す図である。

【図７】雌部材の摩擦圧接時での測温位置を示す図であ
る。

【図８】実施の形態２の摩擦圧接によるナックルスピン
ドルの要部断面図である。

【図９】従来例のアクスルハウジングとアクスルエンド
パイプの両接合端部の形状および摩擦圧接の状態を示す
部分拡大斜視図である。

【図１０】従来例の摩擦圧接により結合されたアルミ体
と鉄系軸とよりなるロータの断面図である。

【図１１】従来例の摩擦圧接において、接合部を凹凸形
状に形成して結合したアルミ体と鉄系軸とよりなるロー
タの断面図である。

【図１２】従来例の摩擦溶接法での両部材（一方の母材
は鉄パイプ、他方の母材は中実）の接合部形状を示す断
面図である。

【図１３】図１２に示す従来例の摩擦圧接完了後の接合
部の要部拡大図である。

【符号の説明】

１：雄部材、２：雌部材、３：アーム部、３ｄ：圧接ア
ーム内径、３ｆ：圧接アーム端面、３Ｌ：深さ、４：ス
ピンドル、４ｄ：圧接スピンドル軸、４ｆ：圧接スピン
ドル端面、５：ナックルスピンドル、１２：球状黒鉛鋳
鉄製アクスルハウジング本体、１２ａ：アクスルハウジ
ング本体の接合端部、１２ｂ：アクスルハウジング本体
の接合端部の凸状テーパ面、１３：炭素鋼製アクスルエ
ンドパイプ、１３ａ：アクスルエンドパイプの接合端
部、１３ｂ：アクスルエンドパイプの接合端部の凹状テ
ーパ面、１４：アルミ体（Ａｌニアネット品）、１５：
鉄系軸、１６：アルミ体と鉄系軸との接合面、１７：ア
ルミ体と鉄系軸との接合体としてのロータ、１１ｂ：ロ
ータ、１８：円錐状の窪み部、１９：球面状の窪み部、
２０：Ｆｅ軸の凸部、２１：球面状の凸部、３１：母
材、３１ａ：接合端面、３３：テーパ面状の凹部、３３
ａ、３７ａ：テーパ面、３５：他方の母材（フラン
ジ）、３５ａ：他方の母材の接合端面、３７：テーパ面
状の凸部、４３：突き合わせ面近傍の母材、４３ａ：溶
けた母材の一部、４３ｂ：溶融部から外側に流れた母材
の残りの部分、４５：内側空隙、４７：断面三角形状の
隙間、５１：ストッパ面。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 球状黒鉛鋳鉄部材と鋼部材の端面、およ
   び素材において直径０．０４〜０．５ｍｍの間隙を形成
   した側面ともに摩擦圧接により金属的に接合された摩擦
   圧接部材であって、前記球状黒鉛鋳鉄部材と鋼部材の接
   合部を挟んで引張試験をしたとき、前記接合部の破断強
   度が、前記接合部より０．１ｍｍ以上離れた前記球状黒
   鉛鋳鉄の破断強度よりも大きいことを特徴とする摩擦圧
   接部材。
2. 【請求項２】 球状黒鉛鋳鉄部材からなる雌部材と、鋼
   部材からなる雄部材の端面、および素材において直径
   ０．０４〜０．５ｍｍの間隙を形成した側面ともに摩擦
   圧接により金属的に接合された摩擦圧接部材であって、
   前記接合部の破断強度が、前記接合部より０．１ｍｍ以
   上離れた前記球状黒鉛鋳鉄の破断強度よりも大きいこと
   を特徴とする摩擦圧接部材。
3. 【請求項３】 前記鋼部材が構造用炭素鋼または合金鋼
   であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載
   の摩擦圧接部材。
4. 【請求項４】 前記摩擦圧接部材がナックルスピンドル
   であることを特徴とする請求項１乃至請求項３何れか１
   項に記載の摩擦圧接部材。
5. 【請求項５】 球状黒鉛鋳鉄部材と鋼部材とを接合する
   摩擦圧接部材の製造方法において、（１）前記球状黒鉛
   鋳鉄部材と鋼部材の一方に、内径とその内径内に当接面
   を形成した雌部材を準備する工程、（２）前記雌部材の
   内径に間隙を持ち嵌合すると共に前記雌部材の当接面に
   当接できる端面を形成した雄部材を準備する工程、
   （３）前記雌部材と前記雄部材を相対回転しつつ、前記
   雌部材の内径と前記雄部材の外径を嵌合すると共に、前
   記雌部材の当接面と前記雄部材の端面を接触して摩擦発
   熱する工程、（４）前記雌部材の内径と前記雄部材の外
   径との嵌合部の間隙を無くして、前記雌部材の内径と前
   記雄部材の外径を接合する工程、を含むことを特徴とす
   る摩擦圧接部材の製造方法。
6. 【請求項６】 球状黒鉛鋳鉄部材と鋼部材とを接合する
   摩擦圧接部材の製造方法において、（１）前記球状黒鉛
   鋳鉄部材と鋼部材の一方に、内径とその内径内に当接面
   を形成した雌部材を準備する工程、（２）前記雌部材の
   内径に間隙を持ち嵌合すると共に前記雌部材の当接面に
   当接できる端面を形成した雄部材を準備する工程、
   （３）前記雌部材と前記雄部材を相対回転しつつ、前記
   雌部材の内径と前記雄部材の外径を嵌合すると共に、前
   記雌部材の当接面と前記雄部材の端面を接触して摩擦発
   熱する工程、（４）前記雌部材の内径と前記雄部材の外
   径と嵌合部の間隙を無くして、前記雌部材の内径と前記
   雄部材の外径を接合する工程、を含むことで、前記雌部
   材の内径と前記雄部材の外径との接合部、および前記雌
   部材の当接面と前記雄部材の端面との接合部の破断強度
   を、前記接合部より０．１ｍｍ以上離れた前記球状黒鉛
   鋳鉄の破断強度よりも大きくすることを特徴とする摩擦
   圧接部材の製造方法。
7. 【請求項７】 前記雌部材の内径と前記雄部材の外径の
   嵌合部の接合は、少なくとも一方の部材が熱膨張して間
   隙を埋め、嵌合部が摩擦発熱することにより行われるこ
   とを特徴とする請求項５または請求項６に記載の摩擦圧
   接部材の製造方法。
8. 【請求項８】 前記間隙を直径で０．０４ｍｍ〜０．５
   ｍｍとすることを特徴とする請求項５乃至請求項７何れ
   か１項に記載の摩擦圧接部材の製造方法。
9. 【請求項９】 前記間隙を内径または外径の０．１％〜
   １．５％とすることを特徴とする請求項５乃至請求項７
   何れか１項に記載の摩擦圧接部材の製造方法。