JP2011167764A

JP2011167764A - 摩擦攪拌接合用の金属材

Info

Publication number: JP2011167764A
Application number: JP2011055409A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Fujii; 英俊藤井; Takeshi Ishikawa; 武石川; Kazuo Genji; 一夫玄地; Noboru Yakabe; 昇矢ヶ部
Original assignee: Osaka University NUC; Tokyu Car Corp
Current assignee: Osaka University NUC; Tokyu Car Corp
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2011-09-01

Abstract

【課題】摩擦攪拌接合後の接合強度に優れた金属材を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態にかかる金属材は、摩擦攪拌接合用の金属材であって、当該金属材は、ＩＦ鋼であり、当該ＩＦ鋼の結晶粒の平均粒径が、０．６μｍ以上７．０μｍ以下であることを特徴としている。
【選択図】図７

Description

本発明は、摩擦攪拌接合用の金属材に関するものである。

金属材は、その結晶粒を微細化することによって、強度を高めることが可能である。このような金属材の接合には、微細化された結晶粒の粗大化を防止する目的で、入熱の少ない摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）が用いられている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００２−３４６７７０号公報

ところで、摩擦攪拌接合に用いられる金属材には、接合部位の接合強度が低下しないことが要請されている。

そこで、本発明は、摩擦攪拌接合後の接合強度に優れた金属材を提供することを目的としている。

上述したように、特許文献１には、結晶粒の微細化によって強度を高めた金属材の接合においては、結晶粒の粗大化を防止する必要があることが記載されている。即ち、特許文献１には、金属材の強度を向上するためには、結晶粒がより小さいことが好ましいことが示唆されている。

一方、本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、結晶粒が小さすぎても、また、大きすぎても、摩擦攪拌後の接合部位における金属材の強度が低下することを見出した。

かかる知見に基づく本発明の第１の金属材は、摩擦攪拌接合用の金属材であって、当該金属材は、ＪＩＳＨ４０００に規定のＡ１０５０のアルミニウム材であり、当該アルミニウム材の結晶粒の平均粒径が、０．９５μｍ以上２．３μｍ未満である、ことを特徴としている。

また、本発明の第２の金属材は、摩擦攪拌接合用の金属材であって、当該金属材は、ＪＩＳＨ４０００に規定のＡ６Ｎ０１のアルミニウム材であり、当該アルミニウム材の結晶粒の平均粒径が、１．７６μｍ以下であることを特徴としている。

また、本発明の第３の金属材は、摩擦攪拌接合用の金属材であって、当該金属材は、ＩＦ鋼であり、当該ＩＦ鋼の結晶粒の平均粒径が、０．６μｍ以上７．０μｍ以下であることを特徴としている。第３の金属材の結晶の粒径は、１．０μｍ以上２．２μｍ以下であることが更に好ましい。

かかる第１〜第３の金属材は、摩擦攪拌接合後の接合部位の強度に優れている。

また、本発明の第１及び第２の金属材は、１５０℃以上２２５℃以下に加熱されていることを特徴とすることが好ましい。また、第３の金属材は、５７５℃以上６５０℃以下に、特に５７５℃以上６２５℃以下に加熱されていることが好ましい。金属材を上述した範囲の温度に加熱すると、転位が減少し、且つ、結晶粒径が適切な値に制御されるので、摩擦攪拌接合後の接合部位の強度に優れた金属材を得ることができる。

また、本発明の金属材は、摩擦攪拌接合用の金属材であって、当該金属材の結晶粒の平均粒径が、１．０μｍ以上１．７６μｍ以下であることを特徴としている。また、金属材は、当該金属材の絶対温度での融点に対して、０．４６８以上０．５１０以下の比の絶対温度で、加熱されていることが好適である。上記平均粒径を有する金属材は、摩擦攪拌接合後の接合部位の強度に優れている。また、上記温度に加熱されることによって、転位が減少し、且つ、結晶粒径が適切な値に制御されるので、摩擦攪拌接合後の接合部位の強度に優れた金属材を得ることができる。

本発明によれば、摩擦攪拌接合後の接合強度に優れた金属材が提供される。

図１は、摩擦攪拌接合を説明するための図である。図２は、引張試験用の試験片を示す平面図である。図３は、実験例１にかかる金属材の引張強度を示すグラフである。図４は、実験例１にかかる金属材の引張強度を示すグラフである。図５は、実験例１にかかる金属材の引張強度を示すグラフである。図６は、実験例１の金属材の加熱温度と引張強度の関係を示すグラフである。図７は、実験例２にかかる金属材の引張強度を示すグラフである。図８は、実験例２の金属材の加熱温度と引張強度の関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、摩擦攪拌接合を説明するための図である。図１において（ａ）には、摩擦攪拌接合の様子が示されており、（ｂ）には、摩擦攪拌接合に用いられる回転ツールの側面図が示されている。

摩擦攪拌接合は、図１における（ａ）に示すように、金属材１ａ及び金属材１ｂそれぞれの端部を突き合わせて、棒状の回転ツール１０の先端に設けられたピン１１を端部間に挿入し、ピン１１を回転させつつ端部に沿って移動させる方法である。なお、ここでの摩擦攪拌接合は、スポットＦＳＷを含むものである。

図１における（ｂ）に示すように、回転ツール１０は、略円柱状のショルダー１２とその先端にあり金属材の端部間に挿入されるピン１１から構成されている。ピン１１は、ショルダー１２より小径の略円柱形をなしている。

このような摩擦攪拌接合用の金属材１ａ及び１ｂとして好適に用いられる本実施の形態の金属材は、摩擦攪拌接合後の接合部位の強度を向上するために、所定範囲の粒径を有するものである。

本実施の形態の金属材の一つは、ＪＩＳＨ４０００に規定のＡ１０５０のアルミニウム材であり、その結晶粒の平均粒径は、０．９５μｍ以上２．３μｍ未満である。また、本実施の形態の金属材の別の一つは、ＪＩＳＨ４０００に規定のＡ６Ｎ０１のアルミニウム材であり、その結晶粒の平均粒径は、１．７６μｍ以下である。また、本実施の形態の金属材の更に別の一つは、ＩＦ鋼であり、その結晶粒の平均粒径は、１．０μｍ以上２．２μｍ以下である。かかるＡ１０５０材、Ａ６Ｎ０１材、及びＩＦ鋼は、摩擦攪拌接合後の接合部位の強度に優れている。

また、これらＡ１０５０材、Ａ６Ｎ０１材、及びＩＦ鋼の好ましい平均粒径から明らかなように、平均粒径が１．０μｍ以上１．７６μｍ以下の金属材は、摩擦攪拌接合後の接合部位の強度に優れたものとなる。

これら本実施の形態の金属材の粒径を上記所定範囲の粒径とする方法は、例えば、Ｏ材に対する繰り返し重ね接合圧延（ＡＲＢ＝Accumulative Roll-Bonding）加工及び加熱を任意に組み合わせる方法を用いることができるが、これに限定されるものではない。例えば、液体窒素を用いた低温大圧下圧延焼鈍法、せん断押出し法（ＥＣＡＰ法）、高圧ねじり法（High Pressure Torsion）、粉体のメカニカルミリング法等を用いることも可能である。

上記Ａ１０５０材及びＡ６Ｎ０１材は、１５０℃以上２２５℃以下の所定温度に加熱されたものであることが好適である。なお、１５０℃とは、Ａ１０５０材の疲労限の温度である。また、上記ＩＦ鋼は、５７５℃以上６２５℃以下の所定温度に加熱されたものであることが好適である。なお、ここでの加熱とは、上記Ａ１０５０材、Ａ６Ｎ０１材、及びＩＦ鋼それぞれの略全体が、所定温度に至るまで、十分な時間加熱されていること意味する。Ａ１０５０材、Ａ６Ｎ０１材、及びＩＦ鋼をそれぞれ、上記所定温度に加熱すると、転位が減少し、且つ、結晶粒の粒径が適切な値に制御される。その結果、摩擦攪拌接合後の接合部位の強度に優れたＡ１０５０材、Ａ６Ｎ０１材、及びＩＦ鋼が得られる。

ここで、上記のアルミニウム材の絶対温度における融点は９３３Ｋ（ケルビン）であり、この融点に対するアルミニウム材の好適な加熱温度（絶対温度）の比は、０．４５３以上０．５３４以下となる。また、ＩＦ鋼の絶対温度における融点は１８１１Ｋであり、この融点に対するＩＦ鋼の好適な加熱温度（絶対温度）の比は、０．４６８以上０．５１０以下となる。したがって、金属材は、当該金属材の絶対温度での融点に対して、０．４６８以上０．５１０以下の比の絶対温度で加熱されると、転位が減少し、且つ、結晶粒の粒径が適切な値に制御される。その結果、摩擦攪拌接合後の接合部位の強度に優れたものとなる。

以下、本実施の形態に従って行った実験例について説明する。

［実験例１］

この実験例１において作成したサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１９の金属材それぞれの製造条件、結晶の粒径、及び摩擦攪拌接合の条件を表１に示す。

表１に示すように、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１４の金属材を製造するために、Ａ１０５０材のＯ材に対して表１に記載のサイクル数のＡＲＢ加工を行った。ＡＲＢ加工においては、厚さ２ｍｍ、幅６０ｍｍ、長さ４００ｍｍの板を出発材とし、当該出発材の表面をアセトンにて脱脂しワイヤブラッシングして得た板材を２枚重ねて、圧化率５０％に圧延し、圧延によって得た板材を水冷後、二等分することによって出発材と同サイズの板材を得た。以上を１サイクルのＡＲＢ加工とした。なお、圧延は、ロール直径２５５ｍｍの二段圧延機を用いて、ロール周速０．１７ｍ／ｓで、無潤滑の条件で行った。

サンプルＮｏ．５〜Ｎｏ．８の金属材それぞれについては、ＡＲＢ加工後に、管状電気炉内を用い、Ａｒガス雰囲気中で、２００℃、２２５℃、２５０℃、３００℃の加熱を３０分間行った。また、サンプルＮｏ．１２〜Ｎｏ．１４の金属材それぞれについては、ＡＲＢ加工後に、管状電気炉内を用い、Ａｒガス雰囲気中で、２２５℃、２７５℃、３００℃の加熱を３０分間行った。

また、サンプルＮｏ．１５〜Ｎｏ．１９の金属材を製造するために、Ａ６Ｎ０１材のＯ材に対して表１に記載のサイクル数のＡＲＢ加工を行った。サンプルＮｏ．１９の金属材については、更に、２７５℃の加熱を３０分間行った。

サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１９の金属材それぞれの結晶の平均粒径は、表１に示すとおりである。なお、結晶の平均粒径は、製造したサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１９の金属材それぞれに電解研磨を施して、電解研磨後の各金属材のＥＢＳＰ（ＥＢＳＰ＝Electron Back Scattering Pattern）像法による結晶粒界のマップを得て、当該マップに格子を重ねて、格子と結晶粒界との交点間の距離を計測することによって得た。

このようにして得たサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１９の金属材それぞれに、表１に示す条件（回転ツールの回転速度、及び回転ツールの移動速度）で、摩擦攪拌接合を行い、接合部位（継手）の引張強度を計測した。なお、摩擦攪拌接合に用いたサンプルＮｏ．１５〜Ｎｏ．１９の金属材は、厚さ２．０ｍｍ、幅６０ｍｍ、長さ３００ｍｍのものである。また、摩擦攪拌接合には、ショルダー径１２ｍｍ、ピン径４ｍｍ、ピン長１．７ｍｍの回転ツールを用いた。

また、引張試験においては、図２に示すように、攪拌部Ｓにおける接合部位Ｊが中心を横切る試験片を用いた。この試験片の各パラメータは、Ｌ１：４５ｍｍ、Ｗ１：１２ｍｍ、Ｌ２：１０ｍｍ、Ｌ３：４ｍｍ、Ｌ４：４ｍｍ、Ｗ２＝４ｍｍ、Ｒ＝４ｍｍである。かかる試験片に対して、ＩＮＳＴＲＯＮ社製の引張試験機を用いて、室温にて引張速度１ｍｍ／ｍｉｎの引張試験を行った。

図３〜図６に実験例１にかかる金属材の引張強度を示す。図３には、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．８の金属材の粒径と引張強度の関係が示されている。図３に示すように、Ａ１０５０材は、その結晶粒径が、０．９５μｍ以上２．３μｍ未満である場合に、接合部位の強度が向上されることが確認された。

図４には、サンプルＮｏ．９〜Ｎｏ．１４の金属材の粒径と引張強度の関係が示されている。図３に示したサンプルは、回転ツールの回転速度４００ｒｐｍで摩擦攪拌接合されているが、図４に示したサンプルは、回転ツールの回転速度１０００ｒｐｍで摩擦攪拌接合されている。図４に示すように、回転ツールの回転速度が大きくなることによって、引張強度の絶対値がちいさくなるものの、Ａ１０５０材は、その結晶粒径が、０．９５μｍ以上２．３μｍ未満である場合に、接合部位の強度が向上されるという傾向は、同様であることが確認された。

図５には、サンプルＮｏ．１５〜Ｎｏ．１９の金属材の粒径と引張強度の関係が示されている。図５に示すように、Ａ６Ｎ０１材は、その結晶粒径が、１．７５μｍ以下である場合に、接合部位の強度が向上されることが確認された。

図６は、実験例１の金属材の加熱温度と引張強度の関係を示すグラフである。図６には、サンプルＮｏ．５〜Ｎｏ．８の金属材の加熱温度と引張強度の関係が示されている。図６に示すように、金属材、特にＡ１０５０材は、１５０℃以上２２５℃以下に加熱されることによって、接合部位の強度が向上されることが確認された。

［実験例２］

この実験例２において作成したサンプルＮｏ．２０〜Ｎｏ．２５の金属材それぞれの製造条件、結晶の粒径、及び摩擦攪拌接合の条件を表２に示す。

表２に示すように、サンプルＮｏ．２０〜Ｎｏ．２４の金属材を製造するために、ＩＦ鋼（Ｔｉ添加極低炭素ＩＦ鋼）のＯ材に対して表２に記載のサイクル数のＡＲＢ加工を行った。ＡＲＢ加工においては、厚さ１．６ｍｍ、幅３５ｍｍ、長さ４００ｍｍの板を出発材とし、当該出発材の表面をアセトンにて脱脂しワイヤブラッシングして得た板材を２枚重ねて、圧化率５０％に圧延し、圧延によって得た板材を水冷後、二等分することによって出発材と同サイズの板材を得た。以上を１サイクルのＡＲＢ加工とした。なお、圧延は、ロール直径２５５ｍｍの二段圧延機を用いて、ロール周速０．１７ｍ／ｓで、無潤滑の条件で行った。

なお、サンプルＮｏ．２５の金属材は、ＩＦ鋼のＯ材である。このＩＦ鋼のＯ材の組成は、表３に示すとおりである。サンプルＮｏ．２１〜Ｎｏ．２４の金属材それぞれについては、更に、管状電気炉内を用い、Ａｒガス雰囲気中で、５７５℃、６００℃、６２５℃、６５０℃の加熱を３０分間行った。

サンプルＮｏ．２０〜Ｎｏ．２５の金属材それぞれの結晶の平均粒径は、表２に示すとおりである。なお、結晶の平均粒径は、実験例１と同様の方法によって得た。

このようにして得たサンプルＮｏ．２０〜Ｎｏ．２５の金属材それぞれに、表２に示す条件（回転ツールの回転速度、及び回転ツールの移動速度）で、摩擦攪拌接合を行い、接合部位（継手）の引張強度を計測した。なお、摩擦攪拌接合に用いたサンプルＮｏ．２０〜Ｎｏ．２５の金属材は、厚さ１．６ｍｍ、幅３０ｍｍ、長さ３００ｍｍのものである。また、摩擦攪拌接合には、ショルダー径１２ｍｍ、ピン径４ｍｍ、ピン長１．４ｍｍの回転ツールを用いた。

また、引張試験においては、図３に示すように、攪拌部Ｓにおける接合部位Ｊが中心を横切る試験片を用いた。この試験片の各パラメータは、Ｌ１：６０ｍｍ、Ｗ１：１６ｍｍ、Ｌ２：１０ｍｍ、Ｌ３：７．５ｍｍ、Ｌ４：２５ｍｍ、Ｗ２＝１２ｍｍ、Ｒ＝１５ｍｍである。かかる試験片に対して、ＩＮＳＴＲＯＮ社製の引張試験機を用いて、室温にて引張速度１ｍｍ／ｍｉｎの引張試験を行った。

図７及び図８に実験例２にかかる金属材の引張強度を示す。図７には、サンプルＮｏ．２０〜Ｎｏ．２５の金属材の粒径と引張強度の関係が示されている。図７に示すように、ＩＦ鋼は、その結晶粒径が、０．６μｍ以上７．０μｍ以下である場合に、接合部位の強度が向上されることが確認された。また、ＩＦ鋼は、その結晶粒径が、１．０μｍ以上２．２μｍ以下である場合に、接合部位の強度が更に向上されることが確認された。

図８は、実験例２にかかる金属材の加熱温度と引張強度の関係を示すグラフである。図８には、サンプルＮｏ．２０〜Ｎｏ．２５の金属材の加熱温度と引張強度の関係が示されている。図８に示すように、ＩＦ鋼は、５７５℃以上６５０℃以下、特に５７５℃以上６２５℃以下に加熱されることによって、その接合部位の強度が向上されることが確認された。

１ａ，１ｂ…金属材、１０…回転ツール、１１…ピン、１２…ショルダー。

Claims

摩擦攪拌接合用の金属材であって、
当該金属材は、ＩＦ鋼であり、
当該ＩＦ鋼の結晶粒の平均粒径が、０．６μｍ以上７．０μｍ以下である、
ことを特徴とする金属材。
前記ＩＦ鋼の結晶粒の平均粒径が、１．０μｍ以上２．２μｍ以下である、ことを特徴とする請求項１記載の金属材。
５７５℃以上６５０℃以下に加熱されていることを特徴とする請求項１に記載の金属材。