JP2014014822A - 摩擦攪拌加工用ツール及びこれを用いた摩擦攪拌加工方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】摩擦攪拌加工用ツールは、Reが添加されたNi基2重複相金属間化合物合金からなる。前記Ni基2重複相金属間化合物合金が、その組成の全成分を含む溶湯を徐冷して鋳造することによって形成されているのが好ましく、また、鋳造後に熱処理されていることが好ましい。そして、摩擦攪拌加工方法は、前記摩擦攪拌加工用ツールを回転させながら被加工材に対して押し付けて発生する摩擦熱により被加工材を軟化させて加工する。
【選択図】なし
Description
前記Ni基2重複相金属間化合物合金は、Niを主成分とし、且つAl:5〜12原子%、V:11〜17原子%、Re:1〜5原子%を含む合計100原子%の組成の合計重量に対して10〜1000重量ppmのBを含み、初析L12相と(L12+D022)共析組織との2重複相組織を有するものである。
図2に示すように、被加工材として2枚の板状体6a,6bを接合する際、定盤4に配置した裏当て材5の上に、板状体6a,6bの突合わせ部7が位置するように載置し固定する。ここで、裏当て材5は、摩擦攪拌接合による裏面からの汚染等を防ぐために用いられ、耐熱性、不燃性、強度、非汚染性、表面平滑性等を有することが好ましく、高融点金属、セラミックス、窒化珪素等の材質からなる板、成形物、箔等が用いられる。
まず、前記Ni基2重複相金属間化合物を構成する各元素が上述した割合となるように金属地金を秤量し、これを加熱して溶解させる。次に、この溶湯を冷却することにより鋳造する。この鋳造における溶湯の冷却は、例えば、徐冷により行う。徐冷を行うと、溶湯が凝固した後に初析L12相とA1相とが共存する温度に比較的長い時間さらされることになり、また、その後、A1相がL12相とD022相とに分離する共析温度以下の温度にも長い時間さらされる。このため、初析L12相とA1相とからなる上部複相組織が形成され、さらにA1相が分解して、L12相とD022相とからなる下部複相組織が形成される。この徐冷は、例えば、炉冷によって行う。すなわち、前記材料を加熱して溶解させ、加熱後、その炉に溶湯をそのまま放置する。
例えば、鋳造後、溶体化熱処理(A1単相化の溶体化熱処理)を行う。溶体化熱処理は、1230〜1330℃で行う。具体的には、1280℃の温度で、5時間程度の熱処理を行うのが好ましい。なお、溶体化熱処理の前に別の工程として均質化熱処理を行ってもよく、溶体化熱処理が均質化熱処理を兼ねていてもよい。また、溶体化熱処理後に冷却を行うが、この冷却は、空冷等の自然冷却、水冷等の強制冷却、いずれでもよいが、例えば、炉冷による冷却でもよい。この溶体化熱処理によってV元素等が固溶してA1相(Ni固溶体相)が形成され、その後の冷却でA1相中にL12相が析出し、さらに、A1相がL12相とD022相とに分解されて再度2重複相組織(初析L12相と(L12+D022)共析組織の組織)が形成される。このため、微細かつ均一な2重複相組織を備えるNi基2重複相金属間化合物合金が提供される。
<参考例>
まず、ツールの材質として用いるRe添加のNi基2重複相金属間化合物合金について、高硬度が発現されることを実証するため、合金試料を作製してその硬さを調べた。
(合金試料の作製)
まず、表1に示す割合のNi、Al、V、Ta、Reの地金(それぞれ純度99.9重量%)及びBをアーク溶解炉内の鋳型中で溶解、凝固することによって鋳造材(30〜50mmφの小型ボタン状の合金)を作製した。次いで、作製された鋳造材から試験片(約10mm×5mm×1mm)を切り出し、得られた試験片に対して、溶体化熱処理として1280℃×5時間の熱処理を施し、その後炉冷した。さらに、溶体化熱処理された試験片のうちの一部に対して、下部複相熱処理(時効熱処理)として、900℃の温度で5、10、24時間の各条件での熱処理と、950℃の温度で2、5、10、24時間の各条件での熱処理とをそれぞれ行い、水焼き入れを行った。
No.1(Re含有)、No.2(Re、Ta含有)のいずれの試料も、溶体化熱処理した後のもの、及び、溶体化熱処理して下部複相熱処理した後のものについて、SEMによる組織観察を行ったところ、いずれも2重複相組織における立方体状の組織は、Reを含まないNi基2重複相金属間化合物合金(Ni75Al8V14.5Nb2.5)の2重複相組織と比較して、数分の1の大きさであり、超微細な2重複相組織で形成されていた。この結果から、2重複相組織の大きさにReが関与し、Reが添加されることにより、2重複相組織が維持されるとともに微細な2重複相組織が形成されることがわかった。
No.1(Re含有)、No.2(Re、Ta含有)の各試料について、ビッカース硬さを測定した。なお、ビッカース硬さは、主として荷重1000g(1kg)、保持時間20秒で測定し、その測定は、室温(約25℃)で行った。表2及び表3にその測定結果を示す。
次に、Reを含むNi基2重複相金属間化合物合金からなる摩擦攪拌加工用ツールによれば、ツール寿命が延びて長期にわたり良好な摩擦攪拌接合が行えることの効果を確かめるため、以下の実験を行った。
Ni:72原子%、Al:7原子%、V:13原子%、Ta:5原子%、Re3原子%、及び、B:50重量ppmの組成になるように、Ni、Al、V、Ta、Reの地金(それぞれ純度99.9重量%)とBを秤量したものを真空誘導溶解法によって0.3kgの鋳塊(鋳造素材)を作製した。この鋳造素材に対し、以下に示すツール形状に切削加工した後、時効熱処理(下部複相熱処理)として950℃の温度で5時間の熱処理を施して、図1に示す本摩擦攪拌接合用ツール1を作製した。
ショルダ面2は直径12mmの円形の平面であり、その中央に設けたプローブ3は半径2mmの球面がショルダ面2から一部突出している。プローブ3の底部直径は約4mmであり、ショルダ面2からプローブ3の先端までの長さ(突出高さ、プローブ長さ)は0.81mmである。
前記摩擦攪拌加工用ツール1を用いて、図2に示した方法で摩擦攪拌加工(突合せ接合による摩擦攪拌接合)を行った。このとき、定盤軸(X)と横行軸(Y)と昇降軸(Z)の3軸からなる摩擦攪拌接合装置に前記ツール1を取り付けた。なお、摩擦攪拌接合加工時にはアルゴンガスがツール側面に沿って流れ下りツール1を包むようになっている。
摩擦攪拌接合の条件は、ツール1を、前進角3度で、ツール回転数600〜900rpmで高速回転させながら2枚の平板材6a,6bの接合線(突合わせ部7)上に押し付け、摩擦熱によりツール1がオレンジ色に発光した後、ツール送り速度900〜1400mm/分で回転するツール1を直線状に移動させて、2枚の平板材6a,6bを突き合わせた接合線を摩擦攪拌接合した。この加工時のツール1への負荷は0.8〜1.05tonに設定した。この摩擦攪拌接合の1回の施工距離を250mmに設定し、80回(総施工距離20000mm)行った。なお、摩擦攪拌接合条件は、1回の操作(施工距離250mmの摩擦攪拌接合操作)では、前記の条件範囲内で一定の設定値に設定して行った。
前記接合部の強度を調べるために、前記摩擦攪拌接合後の平板材6a,6bについて、接合方向に対して直交する向きに試料を作製し、引張試験を行った。試料は、JISZ 2201 5号試験片の形状に準じ、幅24.6mm、標点距離50mmとした。測定時のクロスヘッド速度は20mm/minとした。
以上の測定結果を、操作回、摩擦攪拌接合条件とともに、表4に示す。
2 ショルダ面
3 プローブ
4 定盤
5 裏当て材
6a,6b 平板材(被加工材)
7 突合わせ部
11 ショルダ部
12 カット面
13 取付部
Claims (8)
- Reが添加されたNi基2重複相金属間化合物合金からなる摩擦攪拌加工用ツール。
- 前記Ni基2重複相金属間化合物合金が、Niを主成分とし、且つAl:5〜12原子%、V:11〜17原子%、Re:1〜5原子%を含む合計100原子%の組成の合計重量に対して10〜1000重量ppmのBを含み、初析L12相と(L12+D022)共析組織との2重複相組織を有する請求項1に記載の摩擦攪拌加工用ツール。
- 前記Ni基2重複相金属間化合物合金が、Niを主成分とし、且つAl:8〜12原子%、V:13〜17原子%、Re:1〜5原子%を含む合計100原子%の組成の合計重量に対して10〜1000重量ppmのBを含む請求項2に記載の摩擦攪拌加工用ツール。
- 前記Ni基2重複相金属間化合物合金が、Niを主成分とし、且つAl:5〜9原子%、V:11〜15原子%、Ta:3〜7原子%、Re:1〜5原子%を含む合計100原子%の組成の合計重量に対して10〜1000重量ppmのBを含む請求項2に記載の摩擦攪拌加工用ツール。
- 前記Ni基2重複相金属間化合物合金が、その組成の全成分を含む溶湯を徐冷して鋳造することによって形成されている請求項1〜4のいずれか1項に記載の摩擦攪拌加工用ツール。
- 前記Ni基2重複相金属間化合物合金が、1230〜1330℃で熱処理を行うことによって形成されている1〜5のいずれか1項に記載の摩擦攪拌加工用ツール。
- 前記Ni基2重複相金属間化合物合金が、800〜1000℃で熱処理を行うことによって形成されている1〜6のいずれか1項に記載の摩擦攪拌加工用ツール。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の摩擦攪拌加工用ツールを回転させながら被加工材に対して押し付けて発生する摩擦熱により被加工材を軟化させて加工する摩擦攪拌加工方法。
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