JP2014028401A - 金属材料と硬質材料の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属材料と硬質材料を接合して異材接合体を構成するに際して、熱収縮量の違いによる両者間の熱応力を極力低減し、変形や割れが生じたり接合部が剥離する等の問題を解消し、健全な接合部分が形成できるような接合方法を提供する。
【解決手段】マルテンサイト変態を生じる特性を有する金属材料と、マルテンサイト変態を生じる硬質材料とを接合するにあたり、（ａ）前記金属材料は、該金属材料の相変態温度域を前記硬質材料の相変態温度に応じて設定されるように選ぶか、または（ｂ）前記硬質材料は、該硬質材料の相変態温度域を前記金属材料の相変態温度に応じて設定されるように選ぶことを特徴とする金属材料と硬質材料の接合方法である。
【選択図】なし

Description

本発明は、ステンレス鋼等の金属材料と、セラミックスや焼結合金等の硬質材料とを接合して構成される異材接合体の接合方法に関するものであり、特に接合時の熱処理中の応力発生を抑制し、硬質材料の割れや接合界面の剥離を防止するように構成された異材接合体の接合方法に関するものである。

耐摩耗性が要求される機械部品、例えばタービンローター、タペット等においては、耐摩耗性が求められる部位（タービンローターの場合は軸部）に、セラミックスや焼結合金等の硬質材料を適用し、それ以外の部位（タービンローターの場合はインペラ）は、金属材料からなるような異材接合体が用いられている。

上記のような異材接合体においては、ステンレス鋼等の金属材料とセラミックス等の硬質材料を接合するに際しては、ろう付けや固相拡散、熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）等の接合熱処理が行われるのが一般的である。異材接合体に用いられる材料の多くは、上記の接合熱処理後の冷却中にマルテンサイト変態を生じることが知られている。

そして、上記のような接合に際しては、金属材料と硬質材料との熱収縮量の違いによって、両者間に熱応力が発生し、特に硬質材料側に変形や割れが生じたり、接合部が剥離する等、健全な接合部分を形成できないことがある。

このような問題を解決するための、これまでにも様々な技術が提案されている。例えば特許文献１には、「オーステナイト相の冷却によって所定の相変態を生じ得る第一の金属材料からなる第一の板状部材と、その温度−熱収縮率曲線が、第一の金属材料の温度−熱収縮率曲線と交差し得る第二の金属材料からなる第二の板状部材を用意し、接合に関するパラメータから反り量を予測しつつ第一の板状部材と第二の板状部材を接合する方法」が提案されている。

また、特許文献２には、「少なくとも炭化タングステンを含む炭化タングステン基超硬合金から構成された第一の板状部材と、オーステナイト相の冷却によってマルテンサイト変態、ベイナイト変態、およびパーライト変態の少なくとも一つの変態を起こし得る金属体から構成された第二の板状部材を積層して接合するに際し、第一の板状部材と第二の板状部材との接合面に生じる引張り、および圧縮応力が１５００ＭＰａ以下となるように第二の板状部材を構成する金属体にいずれかの相変態を生じさせるようにする」ことが提案されている。

上記した各技術は、いずれも異材接合時の熱応力を緩和することによって、変形や割れが生じたり、接合部が剥離する等の問題を解消するものであり、それなりの効果が得られている。しかしながら、これらの技術によっても、異材接合時の熱応力を完全に緩和することができないことがあり、場合によっては上記の様な問題が生じてしまい、健全な接合部分が形成できないことがある。

特開２００７−２３７２４８号公報 特開２００６−２１２１１号公報

本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、金属材料と硬質材料を接合して異材接合体を構成するに際して、熱収縮量の違いによる両者間の熱応力を極力低減し、変形や割れが生じたり接合部が剥離する等の問題を解消し、健全な接合部分が形成できるような接合方法を提供することにある。

上記目的を達成し得た本発明に係る金属材料と硬質材料の接合方法は、マルテンサイト変態を生じる特性を有する金属材料と、マルテンサイト変態を生じる硬質材料とを接合するにあたり、（ａ）前記金属材料は、該金属材料の相変態温度域を前記硬質材料の相変態温度に応じて設定されるように選ぶか、または（ｂ）前記硬質材料は、該硬質材料の相変態温度域を前記金属材料の相変態温度に応じて設定されるように選ぶ点に要旨を有するものである。

本発明において用いる前記金属材料としては、マルエージング鋼、析出硬化系ステンレス鋼、またはニッケル鋼のいずれかが例示できる。また前記硬質材料としては、セラミックス、サーメット、または超硬合金のいずれかが例示できる。

本発明の接合方法によれば、マルテンサイト変態を生じる特性を有する金属材料と、マルテンサイト変態を生じる硬質材料とを接合することによって構成される異材接合体において、両者の相変態温度域を調整することにより、熱収縮量の違いによる両者間の熱応力を極力低減し、変形や割れが生じたり接合部が剥離する等の問題を解消し、健全な接合部分が形成できるような異材接合体が実現できた。

本発明の実験で用いた異材接合体の形状例を示す概略説明図である。 各材料の強度特性としての温度とヤング率の関係を示すグラフである。 金属材料および硬質材料における温度と熱歪の関係を示すグラフである。 相当体積分率を説明するためのグラフである。 ろう付け接合温度から冷却過程における応力変化の例を示すグラフである。 ろう付け接合温度から冷却過程における応力変化の他の例を示すグラフである。 ［Ｍ１０］_M−［Ｍ５０］_Sと割れリスク指数との関係を示すグラフである。 ［Ｍ９０］_M−［Ｍ１０］_Sと割れリスク指数との関係を示すグラフである。 実施例に示した各材料における温度と熱歪の関係を示すグラフである。 本発明の実験で用いた異材接合体の形状の他の例を示す概略説明図である。 硬質材料面の割れ発生状況を示す図面代用写真である。

本発明者らは、マルテンサイト変態を生じる特性を有する金属材料と、マルテンサイト変態を生じる硬質材料を接合して異材接合体を構成するに際して、熱収縮量の違いによる両者間の熱応力を極力低減し得るような異材接合体を目指して様々な角度から検討した。その結果、（ａ）前記金属材料は、該金属材料の相変態温度域を前記硬質材料の相変態温度に応じて設定されるように選ばれているか、または（ｂ）前記硬質材料は、該硬質材料の相変態温度域を前記金属材料の相変態温度に応じて設定されるように選ばれているものとすれば、上記目的に適う異材接合体が実現できることを見出し、本発明を完成した。以下、本発明が完成された経緯に沿って、本発明の作用効果について説明する。

本発明者らは、相変態時の「変態塑性」現象に着目して、変態塑性を考慮した有限要素法による熱応力解析を実施した。図１（異材接合体の形状例を示す概略説明図）に示した形状、金属材料本体に対して硬質材料をロウ付けした異材接合体について、中央（図中、評価点Ａ）に発生する応力（最大主応力）の経時変化を求めた。

このとき、実験に用いた各材料の強度特性として、ヤング率と温度の関係の例を図２に示す。また、金属材料および硬質材料の温度と熱歪の関係（これを「温度−伸び曲線」と呼んでいる）の例を図３に示す。

まず、各材料のマルテンサイト組織の「相当体積分率」の定義について説明する。相変態の厳密な開始温度や終了温度を、上記のような温度−伸び曲線だけで求めることは困難なこと、および材料によっては、常温でもマルテンサイト組織１００％とならないことから、厳密な「体積分率」ではなく、熱応力への影響を評価するための「相当体積分率」という概念を採用したものである。

常温におけるマルテンサイトの「相当体積分率」を１（１００％）とし、相当体積分率が１における温度−伸び曲線を図４（ｂ）の実線で示す。この線は、熱処理後の材料の温度−熱歪の測定で得ることができる。

尚、温度−伸び曲線は、基準となる温度Ｔ₀での長さＬ_T0の試験片（一般的に円柱状）を加熱または冷却したときの歪と温度の関係を示したものであり、温度Ｔでの熱歪Ｅ_Tは、温度Ｔのときの長さをＬ_Tとすると、Ｅ_T＝（Ｌ_T−Ｌ_T0）／Ｌ_T0で表されるものである（温度−伸び曲線における傾きは、線膨張係数とよばれる）。

一方、相当体積分率がゼロのときの温度−熱歪の関係は、図４（ｂ）の破線で示される。変態進行中の温度−熱歪の関係は、相当体積分率の変化に応じて、図４（ａ）の実線のようになる。このとき、変態進行時の各温度Ｔにおけるマルテンサイトの相当体積分率は、図４（ａ）、（ｂ）の各線を用い、図４（ｃ）に示すように、相当体積分率＝ｂ／（ａ＋ｂ）のように定義される。

「ＩＳＩＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，ｖｏｌ．４２（２００２），Ｎｏ．２，ｐｐ．２００−２００５」によれば、変態塑性歪（変態塑性歪増分）ｄεｔｒは、下記（３）式のように定義される。
ｄεｔｒ＝Ｋ×（１−ξ）ｄξ×σ …（３）
但し、ｄεｔｒ：変態塑性歪増分、Ｋ：材料ごとに決まる係数、ξはマルテンサイトの体積分率、ｄξ：マルテンサイトの体積分率の増分、σ：負荷応力の夫々を示す。

計算では、硬質材料の係数Ｋを２×１０^-5（１／ＭＰａ）とした。また、熱処理中の応力緩和（クリープ）を考慮し、クリープを無視できる４８０℃以下で発生する応力(最大主応力)を求めた。上記係数Ｋは材料、応力は熱処理条件によって変化するが、これらの変化は本発明の効果に何らの影響を与えるものでは無い。尚、上記係数Ｋは、応力と変態歪の関係で、５０ＭＰａ以下程度の直線部分の傾きとして求められるものである（「ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ ｖｏｌ．１８（２００５）−００００」）。

本発明者らは、各種異材接合体について、各接合体に発生する応力（最大主応力）と、硬質材料と金属材料の相変態温度差の関係について調査した。このとき用いた各異材接合体における硬質材料と金属材料の、夫々のマルテンサイト組織の相当体積分率が１０％となる温度（［Ｍ１０］_S、［Ｍ１０］_M）、マルテンサイト組織の相当体積分率が５０％となる温度（［Ｍ５０］_S、［Ｍ５０］_M）、マルテンサイト組織の相当体積分率が９０％となる温度（［Ｍ９０］_S、［Ｍ９０］_M）を、下記表１、２に示す。

実験結果の代表例として、表１に示した接合体Ｓ０について説明する。この接合体の場合には、ろう付け接合温度からの冷却過程で、図５のような応力変化をしていた。本体に用いた金属材料の変態膨張によって、硬質材料の薄板内の引張応力が増大し、割れや剥離が発生することになる。

一方、接合体Ｓ１８の場合には、硬質材料の相変態温度域内で、金属材料の相変態が進んでいたため、応力変化は図６のようになっていた。金属材料の相変態が始まると、相変態時の膨張に伴って硬質材料内の引張応力が増加していくが、硬質材料も相変態中であるため、変態塑性歪が発生して引張応力が図５より減少していることが分かる。

表１、２に示した各種接合体に発生する応力（最大主応力）と、硬質材料と金属材料の相変態温度差［（［Ｍ１０］_M−［Ｍ５０］_S）、または（［Ｍ９０］_M−［Ｍ１０］_S）］の関係をまとめると、図７および図８に示す結果が得られた。

尚、図７、８に示した割れリスク指数は、次のようにして定義されるものである。例えば、チタンカーバイド（ＴｉＣ）を含む焼結合金の場合には、引張強さより低い値である５５０ＭＰａになると、割れが発生するリスクが高くなることが、本発明者らの接合試験の結果から判明している。そこで、計算で求めた最大主応力のピーク値を５５０ＭＰａで正規化した値（最大主応力が５５０ＭＰａのときを１．００としたときの相対値）を定義して計算結果をまとめた。即ち、最大主応力が５５０ＭＰａを超えるときには、割れリスク指数の値が１．００より大きくなり、割れが生じにくくなることを意味する。

計算結果を、５５０ＭＰａ以上の引張強さである、ジルコニアやアルミナを含む材料、タングステンカーバイド（ＷＣ）を含む焼結合金に適用した場合は、安全側の評価となり、同等に用いることができる。

図７から、硬質材料のマルテンサイト組織の相当体積分率が５０％以下のときに、金属材料の変態がはじまって（相当体積分率１０％以上）いることを示す。即ち、下記（１）式の関係を満足するときに、その後の金属材料の変態膨張による応力の上昇を、硬質材料が変態終了するまでに生じる変態塑性の効果で低減できることが分かった。
０≦［Ｍ１０］_M−［Ｍ５０］_S …（１）

逆に、（１）式の右辺が負のとき、最大主応力のピーク値のばらつきは大きくなり、多くの組み合わせでリスクが高く（指数が１以上）なることが分かった。

上記（１）式の関係を満足する接合体について更に検討したところ、図８に示す結果が得られた。硬質材料のマルテンサイト変態がほとんど進んでいない（即ち、硬質材料の相当体積分率が１０％以下）ときに、金属材料の変態がほぼ終了（金属材料の相当体積分率９０％以上）すれば、つまり下記（２）式の関係を満足しない場合には、硬質材料の変態塑性が起こる前に、金属材料の変態膨張による応力の上昇が大きくなってしまうことが分かった。即ち、下記（２）式の関係を満足することで、より割れ発生リスクを低くできることが判明した。
０≧［Ｍ９０］_M−［Ｍ１０］_S …（２）

以上の検討結果、前記（１）式の関係を満足する硬質材料と金属材料の組み合わせを選択することで、熱処理時のクラック発生を防止した、高接合強度の異材接合体を得ることができる。また前記（２）式の関係を満足させることによって、熱処理時のクラック発生リスクは更に低いものとなる。

本発明の異材接合体で用いられる金属部材としては、マルテンサイト変態する特性を有するものであれば、特に限定するものではなく、例えばマルエージング鋼、析出硬化系ステンレス鋼、またはニッケル鋼等が代表的なものとしてあげられるが、これらに限定されるものではない。尚、この金属材料は、通常、焼戻し、焼ならし、時効硬化等の処理が施され、夫々の処理に応じた組織（焼戻し組織、焼ならし組織、または時効硬化組織）となっている。

また本発明の異材接合体で用いられる硬質材料としては、マルテンサイト変態するものであれば、特に限定するものではなく、例えばセラミックス、サーメットまたは超硬合金等が代表的なものとしてあげられるが、これらに限定するものではない。

要するに、（ａ）金属材料が、該金属材料の相変態温度域を前記硬質材料の相変態温度に応じて設定されるように選ばれているか、または（ｂ）硬質材料が、該硬質材料の相変態温度域を前記金属材料の相変態温度に応じて設定されるように選ばれているものであれば良い。

尚、例えば鋼の場合、相変態温度域の調整は、成分調整することによって行うことができる（例えば、「鋼の冷却変態と熱処理」（住金テクノロジー株式会社），邦武立郎，P.１１６（１９９３））。具体的には、鋼の化学成分を下記（３）式に従って調整し、目標のマルテンサイト開始温度（Ｍｓ）とする。
Ｍｓ＝５２１−３５３×［Ｃ］−２２×［Ｓｉ］−２４×［Ｍｎ］−８×［Ｃｕ］−１７×［Ｎｉ］−１８×［Ｃｒ］−２６×［Ｍｏ］ …（３）
但し、［Ｃ］，［Ｓｉ］，［Ｍｎ］，［Ｃｕ］,［Ｎｉ］,［Ｃｒ］および［Ｍｏ］は、夫々Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，ＣｒおよびＭｏの含有量（質量％）を示し、その元素を含有しない場合には、その項がないものとして計算する。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

硬質材料Ａはチタンカーバイド焼結合金、金属材料Ｂ，Ｃは析出硬化系ステンレス（異なる２種類）からなる異材接合体の残留応力を測定して比較した。各材料の変態開始温度および前記（１）式、（２）式の適否を下記表３に、温度−熱歪の関係を図９に示す。

どちらも、ろう付け接合し、このとき接合温度は両材料のオーステナイト化温度以上とし、常温まで炉冷した。接合体の形状は、前記図１（大型）に示した形状の他、図１０（中型）に示した形状のものも使用した。

常温まで冷却した後、Ｘ線残留応力測定装置（微小部Ｘ線応力測定装置「ＣＮ２９０５Ｇ３」リガク社製）にて硬質材料表面の残留応力を測定した。残留応力の測定に当たっては、図１０に示した硬質材料Ａの中央部から長手方向（図１０の左右方向：「ｘ方向」と呼ぶ）と幅方向（図１０の上下方向：「ｙ方向」と呼ぶ）の２通りで測定した。夫々の異材接合体の残留応力（σ_x：ｘ方向の残留応力、σ_y：ｙ方向の残留応力）を、下記表４に示す。

尚、板厚表面では、厚み方向応力がゼロであるため、残留応力は二次元の問題と考えてよく、最大主応力σ₁は、下記（４）式のように表される。
σ₁＝（σ_x＋σ_y）／２＋{[（σ_x−σ_y）²＋４τ_xy ²]／２}^1/2 …（４）
但し、σ_x：ｘ方向の残留応力、σ_y：ｙ方向の残留応力、４τ_xy：ｘｙ面の剪断応力

本発明で想定する異材接合体では、剪断応力τ_xyは主応力に比べて無視できるほど小さいので、上記（４）式は下記（５）式のように変形できることになる。即ち、残留応力σ_xとσ_yのうち、大きいほうが最大主応力とほぼ一致するものとなる。
σ₁＝{（σ_x＋σ_y）／２}＋{｜σ_x−σ_y｜／２} …（５）

硬質材料Ａを用いた場合に、一般的な析出硬化系ステンレス鋼である金属材料Ｂを用いると発生応力（残留応力）は高くなり、大型である図１の接合体では、図１１（図面代用写真）に示すような、硬質材料面に割れが発生した。また中型の接合体（図１０）の場合でも、残留応力は約４００ＭＰａ程度となっている。

一方、前記（１）式および（２）式の関係を満足する金属材料Ｃと硬質材料Ａとの組み合わせでは、中型の接合体に発生する残留応力は、金属材料Ｂと硬質材料Ａの組み合わせの１／２以下まで低減しており、図１に示した大型の形状のものについても割れ発生の無い良好な接合体が得られた。

以上のように、前記（１）式や（２）式の関係を満足する材料を組み合わせて接合体を構成することによって、接合時のクラック発生の無い、高接合強度の異材接合体を得ることができることが分かる。

Claims (3)

1. マルテンサイト変態を生じる特性を有する金属材料と、マルテンサイト変態を生じる硬質材料とを接合するにあたり、
   （ａ）前記金属材料は、該金属材料の相変態温度域を前記硬質材料の相変態温度に応じて設定されるように選ぶか、または（ｂ）前記硬質材料は、該硬質材料の相変態温度域を前記金属材料の相変態温度に応じて設定されるように選ぶことを特徴とする金属材料と硬質材料の接合方法。
2. 前記金属材料は、マルエージング鋼、析出硬化系ステンレス鋼、またはニッケル鋼のいずれかである請求項１に記載の接合方法。
3. 前記硬質材料は、セラミックス、サーメット、または超硬合金のいずれかである請求項１または２に記載の接合方法。