JP2015098061A - 被覆回転ツール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の摩擦撹拌接合用ツール(1)は、基材(2)と、該基材(2)上に形成された被覆層(3)とを含む摩擦撹拌接合用ツール(1)であって、被覆層(3)は、1以上の層からなり、かつそのうちの少なくとも一層が5000J/s0.5・m2・K以下の熱浸透率を有することを特徴とする。
【選択図】図2
Description
<摩擦撹拌接合用ツール>
図1は、本発明の摩擦撹拌接合用ツールの概略断面図である。本発明の摩擦撹拌接合用ツール1は、図1に示されるように、基材2と、該基材2上に形成される被覆層3とを備えるものである。このような構成を有する本発明の摩擦撹拌接合用ツール1は、たとえば線接合(FSW:Friction Stir Welding)用途、点接合(FSJ:Friction Spot Joining)用途等に極めて有用に用いることができる。なお、本発明の摩擦撹拌接合用ツール1は、小径(たとえば直径2mm以上8mm以下)のプローブ部4と、大径(たとえば直径4mm以上20mm以下)の円柱部5とを備えた形状を有し、これを接合に用いる場合、プローブ部4が被接合材の接合部分に挿入または押圧された状態で回転されることにより、被接合材が接合されることとなる。この場合、線接合用途では、積層もしくは線接触状に突き合わされた2つの被接合材にプローブ部4を押圧もしくは挿入させ、回転するプローブ部4を当該積層もしくは突き合わされた部分に対して直線状に移動させることにより被接合材同士を接合する。一方、点接合用途では、上下に積層、もしくは突き合わされた2つの被接合材の所望の接合箇所に回転するプローブ部4を押圧し、その場所でプローブ部4を引き続き回転させることにより、被接合材同士を接合する。
本発明の摩擦撹拌接合用ツールの基材2としては、このような接合加工用の基材2として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。たとえば、超硬合金(たとえばWC基超硬合金、WCの他、Coを含み、あるいはさらにTi、Ta、Nb等の炭窒化物等を添加したものも含む)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、高速度鋼、工具鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、サイアロン、およびこれらの混合体など)、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、cBN粒子が分散した硬質材料等をこのような基材2の例として挙げることができる。
本発明の摩擦撹拌接合用ツールにおいて、基材2上に形成された被覆層3は、1以上の層からなり、かつそのうちの少なくとも一層が5000J/s0.5・m2・K以下の熱浸透率を有することを特徴とする。被覆層3としてこのような熱浸透率を有する層を少なくとも一層形成することにより、摩擦撹拌接合用ツールの回転で生じた摩擦熱が基材側に伝導されにくくなるとともに被接合材に伝導しやすくなり、被接合材の昇温を促進することにより被接合材の塑性流動を早めることができる。このような被覆層3のうちの少なくとも一層の熱浸透率は、4700J/s0.5・m2・K以下であることがより好ましく、さらに好ましくは4200J/s0.5・m2・K以下である。なお、本発明において、被覆層3の熱浸透率は、サーモリフレクタンス法を用いた熱物性顕微鏡(製品名:サーマルマイクロスコープTM3(株式会社BETHEL))を用いて算出した値を採用するものとする。
本発明の被覆層のうちの少なくとも一層は、上述したように、物理蒸着(PVD:Physical Vapor Deposition)法により形成されることが好ましく、PVD法による限りいずれのPVD法によっても形成することができ、その形成方法の種類は特に限定されない。
本実施例では、図1に示される摩擦撹拌接合用ツールを作製した。本実施例の摩擦撹拌接合用ツールは、直径10mmで高さが20mmの略円柱形状の円柱部5と、その円柱部5の先端中央部に円柱部5と同心に突設されたプローブ部4とを有しており、当該プローブ部4は、直径4mmで高さが2mmの略円柱形状のものである。
まず、摩擦撹拌接合用ツールの基材として、上記のようなツール形状を有し、以下の表1に示す材質の基材(基材No.1)を用意した。なお、該基材は、超硬合金からなるものであって、WCの結晶粒を含み、この結晶粒の平均粒径(基材表面(被覆層との界面部分)のもの)は、表1記載の通りであった。
以下の実施例2〜4においては、実施例1に比して被覆層の構成および組成が上記の表2のように異なる他は、実施例1と同様の方法により摩擦撹拌接合用ツールを作製した。たとえば実施例3においては、基材上に5μmのTi0.5Al0.5Nを形成した後に、5μmのSiO0.1N0.9を形成することにより、被覆層を形成した。このように表2の被覆層の組成の欄に、2種の組成が列記されている場合は、右側に記載された組成のものを先に形成した後に、その直上に左側に記載された組成のものを形成したことを意味する。
以下の実施例5〜8では、図2に示される摩擦撹拌接合用ツールを作製した。実施例5〜8の摩擦撹拌接合用ツールは、実施例1〜4と同様のプローブ部4を有するが、円柱部5がホルダーにチャックされるようにチャック部7を有しており、当該チャック部7は、円柱部5の上面から10mmの部分において、円柱部5の側面のうちの相対する2方向から削り取られて、その断面が略円柱形状となっている。チャック部7をホルダー側から見ると、上記で削られて形成された弦の長さはいずれも7mmであった。
比較例1〜3の摩擦撹拌接合用ツールは、被覆層の組成が実施例1の被覆層と表2のように異なる他は実施例1と同様の方法により作製した。このような組成の被覆層を構成するいずれの層も、5000J/s0.5・m2・Kを超える熱浸透率を有するものである。また、比較例4の摩擦撹拌接合用ツールは、被覆層を形成しなかった。
上記で作製した実施例1〜8および比較例1〜4の摩擦撹拌接合用ツールのそれぞれについて、上記の表1に示す条件による点接合(FSJ)を行なうことにより耐摩耗性の評価を行なった。該評価は、500スポットの点接合を行なうごとにプローブ部の直径を測定し、直径減少量が0.2mmを超えた時点で点接合を中止し、中止に至るまでに接合したスポット数を計測することにより行なった。
Claims (8)
- 基材(2)と、該基材(2)上に形成された被覆層(3)とを含む摩擦撹拌接合用ツール(1)であって、
前記被覆層(3)は、1以上の層からなり、
そのうちの少なくとも一層は、5000J/s0.5・m2・K以下の熱浸透率を有し、かつSiの酸窒化物からなる、摩擦撹拌接合用ツール(1)。 - 前記被覆層(3)のうちの厚みが最大となる層が、5000J/s0.5・m2・K以下の熱浸透率を有する、請求項1に記載の摩擦撹拌接合用ツール(1)。
- 前記被覆層(3)は、六方晶型結晶構造および/または非晶質を含む、請求項1に記載の摩擦撹拌接合用ツール(1)。
- 前記摩擦撹拌接合用ツール(1)は、ホルダーにチャックされるチャック部を有し、
前記被覆層(3)は、前記基材(2)上であって、前記チャック部(7)を除く部位の全面または部分に形成される、請求項1に記載の摩擦撹拌接合用ツール(1)。 - 前記被覆層(3)は、前記基材(2)上であって、接合加工時に被接合材と接する部分に少なくとも形成される、請求項1に記載の摩擦撹拌接合用ツール(1)。
- 前記被覆層(3)は、該被覆層(3)の表面から基材(2)に達する亀裂がない、請求項1に記載の摩擦撹拌接合用ツール(1)。
- 前記被覆層(3)のうちの少なくとも一層は、物理蒸着法により被覆される、請求項1に記載の摩擦撹拌接合用ツール(1)。
- 請求項1に記載の摩擦撹拌接合用ツール(1)を用いた被接合材を接合する方法であって、
前記接合は、融点が1000℃以上の被接合材に対して行なう、被接合材を接合する方法。
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