JP2009525181A - 摩擦撹拌のための熱的に強化された工具 - Google Patents

Abstract

摩擦撹拌工具、ならびに化学的エッチング加工、電解腐食または同様の手段によって超砥粒被覆を有する摩擦撹拌工具から触媒相を除去し、それによって超砥粒被覆から二次触媒相の金属の一部を少なくとも部分的に除去し、それによって工具の熱安定性を高め、より長い耐用年数および工具の二次金属相と工作物の間の化学反応の低減または削除を可能にする方法。

Description

本発明は、一般的には、溶接または加工のための熱が、工具の回転ピンが工作物に押圧されるかまたは少なくとも部分的に投じられることによって生成される摩擦撹拌接合および摩擦撹拌加工に関する。より具体的には、本発明は、ＰＣＢＮおよびＰＣＤ摩擦撹拌工具から二次相の材料を除去し、それによって熱的性質を強化することに関する。

本明細書は、２００６年１月３１に出願した第６０／７６３，９５０号を有する仮特許出願整理番号２２９３．ＳＭＩＩ．ＰＲ２に含まれる主題のすべての優先権を主張し、参照により組み入れるものである。

米国特許第６，６４８，２４６号および第６，７７９，７０４号においては、金属マトリックス複合材料、合金鉄、非鉄合金および超合金の摩擦撹拌接合を実施できる新規の工具が教示されている。本発明は、一般的には、摩擦撹拌加工（ＦＳＰ）、摩擦撹拌混合（ＦＳＭ）、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）、摩擦撹拌スポット溶接（ＦＳＳＷ）を含めて摩擦撹拌（ＦＳ）を介して高軟化温度の材料（ＨＳＴＭ）の固体状態の加工のために改善された工具に関する。

この明細書の目的では、ＨＳＴＭは、金属マトリックス複合材料、鋼およびステンレス鋼など合金鉄、ならびに非鉄合金材料および超合金などの材料を含むと考えられるべきである。超合金は、青銅またはアルミニウムより高い融解温度を有する材料であることができ、同様に混合された他の元素を有することができる。超合金のいくつかの例は、５３７．８℃（１０００°Ｆ）より上の温度で一般的に用いられるニッケル、鉄−ニッケル、およびコバルトベースの合金である。超合金の中で通常見出される追加の元素は、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、チタン、ニオブ、タンタルおよびレニウムを含むが限定されない。チタンもまた、考慮される材料の等級の中にあると考えられるべきである。チタンは、非鉄材料であるが、他の非鉄材料より高い融解点を有する。

典型的には、超砥粒材料が、摩擦撹拌接合工具の表面に配置され、従来技術の工具の状態において機能的な摩擦撹拌が以前できなかった材料の摩擦撹拌を可能にする。典型的には、工具の上に配置される超砥粒材料は、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）および多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）を含む。これら超砥粒材料は、周期表で見出され、ＩＩＩＡ、ＩＶＡ、ＶＡ、ＶＩＡ、ＩＩＩＢ、ＩＶＢおよびＶＢにある元素を含む化合物として識別される。

超砥粒は、硬質の一次相または第１の相と、一次相の結晶構造の焼結および変質を容易にする二次触媒相または金属相とを有する。
超砥粒材料は、現在当業者によって理解されるように、高温高圧（ＨＴＨＰ）プロセスを用いて工具の上に配置される。例えば、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）結晶は、相異なった、または二次相の材料の粉末と混合することができる。二次相の材料は、セラミックベースまたは金属ベースのいずれかであり、高温高圧プロセスの間、触媒材料として部分的に機能することができる。ＣＢＮは機械的強度をもたらし、一方、セラミックは機械的磨耗に対する耐性をもたらす。

概して、二次相の材料がＰＣＢＮに靭性および化学的安定性を加えることが現在知られている。靭性は二次相の材料が亀裂伝播を阻止することができることに部分的に起因する。ＣＢＮは、自然に剥離に耐える不規則に方向付けられた破砕面を有するので、ここでまた同様に助ける。概して、低いＣＢＮ含量が、より高い化学的耐磨耗性およびより低い機械的耐磨耗性を必要とする硬化高温超合金の機械加工作業のために用いられ、概して、二次相の材料は靭性の追加のために金属である。

ＣＢＮ粉末は、耐火性金属容器の中で超硬炭化タングステンなどの基材の上または独立のＰＣＢＮブランクの上にさえ配置される。容器は、密封され、ＨＴＨＰ成形機に戻され、このＨＴＨＰ成形機で、粉末は、ＰＣＢＮ摩擦撹拌工具のブランクを形成するために一体として基材に焼結される。次いで、ＰＣＢＮ摩擦撹拌工具のブランクは、用途に応じて成形し所定の大きさにするために研削され、ラップ仕上げされ、ＥＤＭでワイヤカットされ、またはレーザカットされる。ＨＴＨＰ成形機での焼結の後、二次触媒相の材料は、ここで二次相金属または二次相セラミックのいずれかである。

ＦＳＷ、ＦＳＰおよびＦＳＳＰを含む摩擦撹拌プロセスは、加工することができる材料に現在限定される。例えば、ＰＣＢＮを用いる摩擦撹拌接合工具は、チタンベースの材料と相異なった加工を有する。チタンベースの材料との化学反応は、ＰＣＢＮ材料の中のアルミニウムにより極めて制限がある。ＰＣＢＮ材料の中のアルミニウムは、工作物の中のチタンと反応し、工具の中の金属相の膨張を介して熱的損傷を引き起こす。したがって、摩擦撹拌接合工具の中のいくらかの二次相金属は、工具の熱安定性を低下させ、工具の耐用年数を減少させる。

同様に、ＰＣＤおよびＰＣＤ状の材料を用いる摩擦撹拌工具はまた、金属相のために問題を有することがある。最も多くの場合、ＰＣＤ摩擦撹拌接合工具が、ＨＴＨＰ成形機の中で適した結合剤−触媒材料でダイヤモンド粉末を焼結することによって形成される。ＰＣＤは多くの場合炭化タングステン基材に結合される。かかる基材は、多くの場合コバルトを含む。コバルトは、ＨＴＨＰ成形機の中で高温にさらされると、工具基材からダイヤモンド層の中に移動し、結合剤−触媒材料として作用する。ダイヤモンド粒子は、ダイヤモンド−ダイヤモンド結合で互いに結合し、やはりダイヤモンド層を工具基材に結合させる。

コバルトが結合剤−触媒材料として最も通常用いられるが、コバルト、ニッケル、鉄およびそれらの合金を含む任意の族のＶＩＩＩ元素が、金属相の材料として用いることができることに留意されたい。

二次金属相または二次セラミック相の材料を含む超砥粒被覆を有する摩擦撹拌工具を提供できることは当技術分野の状態を上回る利点であり、少なくとも二次相の材料の一部が、超砥粒被覆が工作物と反応しないように除去されるかまたは反応される。

摩擦撹拌工具の使用法の例として、図１が、肩部１２と、肩部から外側に延びるピン１４とを有する概して円筒形の工具１０によって特徴付けられる摩擦撹拌接合のために用いられる工具を斜視図で説明するために用いられる。ピン１４および肩部１２は超砥粒被覆をその上に配置する。

ピン１４は、十分な熱が生成されるまで工作物１６に対して回転させられ、この地点で工具のピンは可塑化される工作物の材料に投じられる。工作物１６は、継ぎ目１８でともに突き合わされる２つのシートまたはプレートの材料である。ピン１４は継ぎ目１８で工作物１６に投じられる。この工具は従来技術で開示されているが、本発明によって工具が変更されることを説明する。

工作物の材料１６に対してピン１４の回転運動によって引き起こされる摩擦熱は、溶融点に達することなく工作物の材料を軟化させる。工具１０は、継ぎ目１８に沿って横方向に移動され、それによって可塑化された材料が前縁から後縁にピンの周りを流れるので溶接を作り出す。この結果は、他の溶接と比較して工作物の材料１６自体から概ね区別ができないことがある継ぎ目１８にある固相結合部２０である。

肩部１２が工作物の表面と接触するとき、その回転が挿入されたピン１４の周りのより大きい円筒形の柱の材料を可塑化する追加の摩擦熱を生成することが観測される。肩部１２は、工具ピン１４によって引き起こされた上方への金属流れを含む鍛造力をもたらす。

ＦＳＷの間、溶接されるべき区域および工具は、工具が溶接継ぎ目の所望の長さを移動するように互いに対し移動される。ＦＳＷ工具を回転させると、連続高温加工作用をもたらし、それがベースの金属に沿って横方向に移動するにつれ、ピンの前縁面からその後縁に金属を移動させながら狭い区域の中で金属を可塑化する。典型的には、溶接区域が冷却するとき、工具が通過すると液体が作り出されないので、凝固が存在しない。結果として生じる溶接は、溶接の区域で形成された欠陥のない、再結晶された、微細なグレインの微細構造であることが多いが、必ずしもそうとは限らない。

好ましい実施形態では、本発明は、摩擦撹拌工具、ならびに化学的エッチング、電解腐食または同様の手段によって超砥粒被覆を有する摩擦撹拌工具から二次相の材料を除去し、それによって超砥粒被覆工具の二次相の材料の一部を少なくとも部分的に除去し、それによって工具の熱安定性を強化し、より長い耐用年数および工具の二次相の材料と工作物の間の化学反応を低減または削除することを可能にする方法である。

本発明のこれらおよび他の目的、特徴、利点および代替の態様は、添付図面と相まって行われる以下の詳細な説明の検討から当業者には明白であろう。

ここで、本発明の様々な要素に数字表示が与えられ、当業者が本発明を作製し、使用することを可能にするために本発明を説明する図面を参照する。以下の説明は、本発明の原理の単なる例示のものであり、添付の特許請求の範囲を狭めると考えられるべきではないことが理解されよう。

ＰＣＤ切削工具での二次相の金属材料の除去が、石切工具での熱的アブレシブ摩損の低減に極めて効果的であることが知られている。摩擦撹拌プロセスは同様の安定性の問題を有する。したがって、工具の全体の耐用年数および機能を制限する超砥粒被覆から材料を除去することによって摩擦撹拌工具を改善することが、本発明の一態様である。

新型の材料、特にチタンを含有する材料が、工作物と反応し、工具を劣化させ、工具耐用年数を短くする望ましくない化学反応を引き起こすＰＣＢＮの中でのアルミニウム金属相により、ＰＣＢＮとの摩擦撹拌溶接には難しい場合があることが知られている。

ＰＣＤがより化学的に不活性であるが、ＰＣＤ被覆を有する摩擦撹拌溶接工具がまた、いくつかの用途で熱安定性の問題を有する場合がある。ＰＣＤの熱安定性の問題は、二次相の金属材料、典型的にはコバルトによるが、上述の金属のいずれかであることがある。

本発明の本質は、工作物と接触する超砥粒被覆の中の二次相の金属またはセラミック材料の薄層の除去または変質である。その結果が、熱的に強化され、それによって工具の耐用年数を延ばす摩擦撹拌工具である。ＰＣＤを熱的に強化することによって、この材料の不活性特性が実現することができる。

図２は、本発明の原理により変更される摩擦撹拌工具３０の切開詳細側面図として提供される。しかしながら、この明細書に開示されるように摩擦撹拌工具が変更され、本発明の目的をなお実現することができる他の方法があることに留意されたい。

摩擦撹拌工具３０は、その上に配置された超砥粒被覆３４を有するピン３２を有する。超砥粒材料に対して示す厚さは、本発明の現実的な表現と考えるべきではないが、誇張した寸法であり、説明の目的だけのために用いられる。超砥粒被覆３４は摩擦撹拌するとき工作物と接触する作業面３６を有する。

超砥粒被覆３４が、作業面３６で始まり、超砥粒被覆の中に下に延びる層３８を有し、この場合に、二次相の金属またはセラミック材料が、工作物と反応せず、熱的伝達特性に干渉しないように除去または変更されることが最も重要である。

ＰＣＢＮおよびＰＣＤを扱う仕事をする当業者ならば、超砥粒被覆から二次相の金属またはセラミック材料の一部を移動または変換するための様々な方法があることが理解されよう。

例えば、二次相の金属またはセラミック材料は、酸エッチングプロセス、放電プロセス、あるいは他の電気的または電食（galvanic）プロセスを用いて、あるいは蒸着によって浸出することができる。

二次相の金属またはセラミック材料を除去する別の方法は、二次相の金属またはセラミック材料がもはや触媒機能を果たすことができないように、別の材料とそれを化合させることによる。したがって、材料は、超砥粒材料の中に残るが、触媒機能を全く果たさない。

二次相の金属またはセラミック材料によって提起された問題を排除する別の方法は、触媒材料としてもはや作用しない材料にそれを変換することである。かかる変質は、結晶構造変更、機械加工、化学反応、熱処理または他の処理方法であってもよい。

本発明の別の態様では、二次相の金属またはセラミック材料の一部だけが、除去されるかまたは触媒として無効化される必要がある。言い換えれば、超砥粒被覆３４の全体にわたって二次相の金属またはセラミック材料を完全に除去すること、または不活性にすることは必要ではない。

ＰＣＢＮまたはＰＣＤ摩擦撹拌工具の工作物との反応を防止する本発明の効力が、作業面から０．０１０ｍｍから０．５０ｍｍに及ぶ深さで、またはそれを上回る深さで、浸出されたまたは変質された二次相の金属またはセラミック材料で実現することができることが、明らかになっている。例えば、ＰＣＢＮまたはＰＣＤから形成される摩擦撹拌工具の作業面が、作業面から二次相の金属またはセラミック材料を除去するためにフッ化水素酸および硝酸の溶液あるいは王水溶液にさらすことができる。

より深く、超砥粒層の中で二次相の金属またはセラミック材料を浸出または変質することは、時間を要し、多くの場合高価なプロセスであることに留意されたい。さらに、実験は、より深くに浸出または変質することが摩擦撹拌工具と工作物の間の反応を防止することにもはや有効でないことを示している。

二次相の金属またはセラミック材料を勾配に沿って除去することができることに留意されたい。したがって、超砥粒材料３４の中へさらに移動しつつ、二次相の金属またはセラミック材料の密度の徐々の減少だけがある場合があり、あるいは存在しないことがより突然にあったりすることがある。重要なことは、熱安定性を高め、または工作物との反応を実質的に低減させるのに十分な二次相の金属またはセラミック材料がないことである。

上述の配置は本発明の原理の用途の実例に過ぎないことが理解されよう。多数の変更形態および改変構成が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく当業者によって考案されることができる。添付の特許請求の範囲はかかる変更形態および構成に及ぶように意図される。

本発明によって工具が改善される、摩擦撹拌接合に対する従来技術の教示としての工具の斜視図である。 超砥粒層、および二次相の材料がそこから除去される領域を示す、摩擦撹拌工具のピンの切断側面図である。

Claims (13)

1. 高軟化温度の材料（ＨＳＴＭ）を機能的に摩擦撹拌することができる摩擦撹拌工具を製造する方法であって、
   ａ）高温高圧（ＨＴＨＰ）プロセスを用いて摩擦撹拌工具の上に超砥粒の被覆を用意するステップであって、前記超砥粒の被覆が作業面を有し、前記超砥粒が硬質の一次相および金属またはセラミックの二次相を有している、ステップと、
   ｂ）前記超砥粒の被覆が前記作業面から所望の深さまで前記二次相の金属またはセラミック材料を含む材料が実質的にないように前記超砥粒の被覆を加工するステップと
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記超砥粒の被覆を加工する前記ステップが、その作業面から前記二次相の金属またはセラミック材料を形成する前記材料を浸出させるステップを含む、方法。
3. 請求項１に記載の方法において、
   前記超砥粒の被覆を加工する前記ステップが、前記材料が工作物に悪影響を及ぼさないように前記二次相の金属またはセラミック材料をある形状に形成する前記材料を転化するステップを含む、方法。
4. 請求項１に記載の方法において、
   前記超砥粒の被覆を加工する前記ステップが、触媒材料がもはや触媒効果を有さないように前記二次相の金属またはセラミック材料を形成する前記材料を反応させるステップを含む、方法。
5. 請求項１に記載の方法において、
   前記超砥粒の被覆を加工する前記ステップが、放電によって前記超砥粒の被覆を加工し、それによって前記二次相の金属またはセラミック材料を除去するステップを含む、方法。
6. 請求項１に記載の方法において、
   前記超砥粒の被覆を加工する前記ステップが、前記超砥粒の被覆を少なくとも０．０１０ｍｍの深さに加工し、それによって工作物と前記摩擦撹拌工具の間の触媒反応を実質的に防止するステップを含む、方法。
7. 請求項１に記載の方法において、さらに、工作物と前記摩擦撹拌工具の間の触媒反応を実質的に防止する深さまで前記二次相の金属またはセラミック材料を含む前記材料を除去するステップをさらに含む、方法。
8. 請求項１に記載の方法において、
   前記超砥粒の被覆からの前記二次相の金属またはセラミック材料の少なくとも部分的な排除を介して前記摩擦撹拌工具の性能を熱的に高めるステップをさらに含む、方法。
9. 摩擦撹拌工具であって、
   摩擦撹拌工具基材と、
   高温高圧（ＨＴＨＰ）プロセスを用いて前記摩擦撹拌工具基材の上に配置される超砥粒被覆であって、作業面を有し、硬質の一次相および金属またはセラミックの二次相を有する超砥粒被覆と
   を備え、
   前記超砥粒被覆の少なくとも一部が、前記作業面から所望の深さまで前記二次相の金属またはセラミック材料を含む材料が実質的にない、摩擦撹拌工具。
10. 請求項９に記載の摩擦撹拌工具において、
    前記超砥粒被覆が、元素周期表のＩＩＩＡ、ＩＶＡ、ＶＡ、ＶＩＡ、ＩＩＩＢ、ＩＶＢおよびＶＢにある元素を含む化合物から成る材料の群から選択される、摩擦撹拌工具。
11. 請求項１０に記載の摩擦撹拌工具において、
    前記超砥粒被覆が、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）または多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）から選択される、摩擦撹拌工具。
12. 請求項９に記載の摩擦撹拌工具において、前記二次相の金属またはセラミック材料を含む前記材料が、工作物と前記摩擦撹拌工具の間の触媒反応を実質的に防止する深さに除去される、摩擦撹拌工具。
13. 高軟化温度の材料（ＨＳＴＭ）を機能的に摩擦撹拌接合することができる摩擦撹拌接合工具を製造する方法であって、
    ａ）高温高圧（ＨＴＨＰ）プロセスを用いて摩擦撹拌接合工具の上に超砥粒被覆を設けるステップであって、前記超砥粒被覆が作業面を有し、前記超砥粒が硬質の一次相および金属またはセラミックの二次相を有する、ステップと、
    ｂ）前記超砥粒被覆の中で前記作業面の少なくとも一部から所望の深さまで前記二次相の金属またはセラミック材料を含む材料を除去するステップと
    を含む方法。

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