JP2019010656A - Tool for friction agitation joint - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被接合材料相互の界面に摩擦熱を発生させて、摩擦熱により、接合部分を軟化させて塑性流動を生じさせ、被接合材料を接合する摩擦攪拌接合において使用する摩擦攪拌接合用ツールに関する。 The present invention is for friction stir welding that is used in friction stir welding for joining materials to be joined by generating friction heat at the interface between the materials to be joined and softening the joints by friction heat to cause plastic flow. Regarding tools.
摩擦攪拌接合は、１９９１年に開発された接合法であって、図１に示すようなショルダーとプローブを備えた摩擦攪拌接合用ツールを高速回転させながら被接合材料にプローブを挿入し、この時に発生する摩擦熱による被接合材料の軟化と、プローブの回転による材料の塑性流動を利用して、被接合材料を接合する技術である。
接合部の強度低下が小さい、接合後の変形が小さい、欠陥・割れなどが発生しにくい、開先加工等の接合前処理が原則不要である、作業環境にすぐれる等の利点が得られるため、従来は、主として、比較的融点の低い被接合材料（例えば、アルミニウム合金等）の接合に利用されている。
しかし、近年、摩擦攪拌接合を、より融点の高い被接合材料の接合に適用するための研究開発が進められており、これに伴い、摩擦攪拌接合用ツールについての種々の提案がなされている。
Friction stir welding is a joining method developed in 1991, in which a probe is inserted into a material to be welded while rotating a friction stir welding tool having a shoulder and a probe as shown in FIG. This is a technique for joining materials to be joined by utilizing softening of the materials to be joined by generated frictional heat and plastic flow of the materials by rotation of a probe.
Advantages such as small strength reduction at joints, small deformation after joining, resistance to defects and cracks, no need for pre-joining such as groove processing, and excellent working environment. Conventionally, it is mainly used for joining materials to be joined (for example, aluminum alloys) having a relatively low melting point.
However, in recent years, research and development for applying friction stir welding to the joining of materials to be joined having higher melting points has been promoted, and various proposals for tools for friction stir welding have been made accordingly.
例えば、特許文献１には、Ａ１構造を示すγ相と、前記γ相中に析出したＬ１２構造を示すγ’相を有し、精密鋳造により形成されたＣｏ基合金で形成され、前記γ’相は（Ｃｏ，Ｘ）３（Ａｌ，Ｗ，Ｚ）よりなり（但し、Ｘは主としてＮｉ、Ｚは主としてＣｒ及びＴａからなる）、前記Ｃｏ基合金は、Ｎｉを３０−４０at％含む摩擦攪拌接合用ツールが提案されており、この摩擦攪拌接合用ツールは、高温強度が高く、かつ、高温度における高温耐摩耗性に優れ、生産性に優れ、しかも、融点の低いアルミニウム合金から融点の高いステンレス鋼、Ｔｉ合金、Ｚｒ合金の摩擦攪拌接合に適用できるとされている。 For example, Patent Document 1, a gamma phase indicating an A1 structure, wherein has a gamma 'phase showing a precipitated L1 2 structure gamma phase, is formed of a Co base alloy which is formed by precision casting, the gamma 'The phase is composed of (Co, X) 3 (Al, W, Z) (where X is mainly Ni, Z is mainly Cr and Ta), and the Co-based alloy is a friction containing 30-40 at% Ni. A stir welding tool has been proposed, and this friction stir welding tool has a high temperature strength, excellent high temperature wear resistance at high temperatures, excellent productivity, and a low melting point aluminum alloy. It can be applied to friction stir welding of high stainless steel, Ti alloy, and Zr alloy.
また、特許文献２には、基材と、該基材上に形成された被覆層とを備えた摩擦攪拌接合加工に使用する摩擦攪拌接合用ツールにおいて、
前記基材は、第１硬質相と、第２硬質相と、結合相とを含み、
前記第１硬質相は、ＷＣ粒子からなり、
前記第２硬質相は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、およびＷからなる群より選ばれた一種以上の金属と、窒素、炭素、硼素、および酸素からなる群より選ばれる一種以上の元素とからなる化合物、または該化合物の固溶体（ただし、ＷＣを除く）からなり、かつ前記基材に対し、３体積％以上３０体積％以下含まれ、
前記第２硬質相に占める窒化物および／または炭窒化物の体積比率は、３０体積％以上１００体積％以下であり、
前記結合相は、鉄族金属からなり、かつ前記基材に対し、８体積％以上２８体積％以下含まれ、
前記第１硬質相と前記第２硬質相との構成比は、体積比率にして、前記第１硬質相が、前記第２硬質相よりも大きく、
前記第２硬質相および前記被覆層は、それぞれ７×１０−６／℃以上９×１０−６／℃以下の熱膨張係数を有する、摩擦攪拌接合用ツールが提案されている。
そして、この摩擦攪拌接合用ツールによれば、例えば、点接合のように、加熱と冷却とが繰り返される過酷な使用環境下であっても、基材の表面の酸化抑制等のために設けられた被覆層（例えば、Ｔｉ０．５Ａｌ０．５Ｎ層、Ｔｉ０．５Ａｌ０．５Ｎ層とＡｌ０．７Ｃｒ０．３Ｎ層との交互積層、Ａｌ０．６Ｔｉ０．３５Ｓｉ０．０５Ｎ層）の基材から剥離を防止することができるため、高温耐摩耗性、耐熱亀裂性に優れ、摩擦攪拌接合用ツールのショルダー部の損傷の進行を抑制することができるとされている。
Patent Document 2 discloses a friction stir welding tool used for friction stir welding including a base material and a coating layer formed on the base material.
The substrate includes a first hard phase, a second hard phase, and a binder phase,
The first hard phase is composed of WC particles,
The second hard phase includes at least one metal selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, and W, and a group consisting of nitrogen, carbon, boron, and oxygen. A compound composed of one or more selected elements, or a solid solution of the compound (excluding WC), and 3 to 30% by volume with respect to the base material,
The volume ratio of nitride and / or carbonitride in the second hard phase is 30% by volume or more and 100% by volume or less,
The binder phase is made of an iron group metal and is contained in an amount of 8% by volume to 28% by volume with respect to the base material.
The composition ratio of the first hard phase and the second hard phase is a volume ratio, and the first hard phase is larger than the second hard phase,
A friction stir welding tool has been proposed in which the second hard phase and the coating layer each have a thermal expansion coefficient of 7 × 10 −6 / ° C. or higher and 9 × 10 −6 / ° C. or lower.
According to this friction stir welding tool, for example, it is provided for suppressing oxidation of the surface of the base material even in a severe use environment in which heating and cooling are repeated, such as spot welding. Coating layers (for example, alternating layers of Ti 0.5 Al 0.5 N layers, Ti 0.5 Al 0.5 N layers and Al 0.7 Cr 0.3 N layers, Al 0.6 Ti 0. 35 Si 0.05 N layer) can be prevented from being peeled off from the base material, so that it is excellent in high-temperature wear resistance and heat cracking resistance and can suppress the progress of damage to the shoulder portion of the friction stir welding tool. It is said that.
さらに、特許文献３には、基材と、該基材上に形成された被覆層とを含む摩擦攪拌接合用ツールにおいて、前記被覆層は、２以上の層からなり、かつ前記被覆層全体として８０００Ｊ/Ｓ０．５・ｍ２・Ｋ以下の熱浸透率を有し、Ａｌと、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＶおよびＷからなる群より選ばれた少なくとも一種以上の元素との窒化物または酸化物からなる化合物、もしくは該化合物の固溶体からなり、
前記被覆層のうちの少なくとも一層は、六方晶型結晶系および／または非晶質を含み、
組み合わせる金属に対するＡｌの原子比が、Ｔｉと組み合わせる場合は６５％以上、Ｖと組み合わせる場合は７０％以上、Ｃｒと組み合わせる場合は７５％以上、ＷまたはＮｂと組み合わせる場合は５５％以上、Ｈｆと組み合わせる場合は２０％以上であり、
前記被覆層のうちの少なくとも一層は、立方晶型結晶系を含み、
前記被覆層は、圧縮応力を有する、摩擦攪拌接合用ツールが提案されている。
そして、この摩擦攪拌接合用ツールによれば、被覆層が断熱性、耐酸化性および高温耐摩耗性に優れ、接合時に、基材の温度の昇温を抑制することができるため、被接合材の温度を適正温度に昇温・保持することができ、その結果、短時間で被接合材に塑性流動を生じさせることができるとともに、低回転速度で効率的に摩擦攪拌接合を行なうことができるとされている。
Furthermore, in Patent Document 3, in a friction stir welding tool including a base material and a coating layer formed on the base material, the coating layer is composed of two or more layers, and the entire coating layer It has a thermal permeability of 8000 J / S 0.5 · m 2 · K or less, and at least selected from the group consisting of Al, Ti, Si, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, Cr, V, and W A compound comprising a nitride or oxide with one or more elements, or a solid solution of the compound,
At least one of the coating layers includes a hexagonal crystal system and / or amorphous,
The atomic ratio of Al to the combined metal is 65% or higher when combined with Ti, 70% or higher when combined with V, 75% or higher when combined with Cr, 55% or higher when combined with W or Nb, and Hf. If it is 20% or more,
At least one of the coating layers includes a cubic crystal system,
A friction stir welding tool has been proposed in which the coating layer has a compressive stress.
And according to this friction stir welding tool, the covering layer is excellent in heat insulation, oxidation resistance and high temperature wear resistance, and can suppress the temperature rise of the base material during joining. As a result, the plastic material can be caused to flow in a short time and the friction stir welding can be performed efficiently at a low rotational speed. It is said that.
接合部の強度低下・変形が小さいこと、欠陥・割れなどが発生しにくいこと、被接合材料に対する接合前処理が不要である等の利点を有する摩擦攪拌接合を、特に、融点の高い被接合材料の接合法としての実用化を図るためには、摩擦攪拌接合用ツールには、接合温度（被接合材料の軟化温度）における耐熱性および高温耐摩耗性が求められるが、前記特許文献１〜３に示す摩擦攪拌接合用ツールにおいては、プローブが過熱されることにより早期に摩耗が発生したり、あるいは、被接合材料から摩擦攪拌接合用ツールへ熱が過度に流出することにより、接合温度が保てなくなり十分な接合強度が得られない等の問題があった。
そこで、耐熱性および高温耐摩耗性を備え、しかも、前記のような問題が発生することのない摩擦攪拌接合用ツールが求められている。
Friction stir welding, which has advantages such as low strength reduction / deformation of joints, low occurrence of defects, cracks, etc., and no need for pre-bonding to the materials to be joined, especially materials with high melting points In order to put it into practical use as a joining method, the friction stir welding tool is required to have heat resistance and high temperature wear resistance at the joining temperature (softening temperature of the material to be joined). In the friction stir welding tool shown in Fig. 3, the probe is overheated and wear occurs early, or the heat is excessively discharged from the material to be welded to the friction stir welding tool to maintain the welding temperature. There was a problem that it was not possible to obtain sufficient bonding strength.
Accordingly, there is a need for a friction stir welding tool that has heat resistance and high temperature wear resistance and that does not cause the above-described problems.
本発明者等は、上述のような観点から、耐熱性および高温耐摩耗性を備えるとともに、摩擦攪拌接合用ツール基材への熱伝導による熱流出を抑制し、接合温度を維持することができるような適正な熱伝導性を有する摩擦攪拌接合用ツールを提供すべく、鋭意検討したところ、摩擦攪拌接合用ツールを構成する基材の上に、空孔率の異なる二層以上のＷＣ基超硬合金層（以下、空孔率の小さな層を「緻密層」、また、空孔率の大きな層を「ポーラス層」という場合がある）を、例えば、レーザー肉盛法あるいは溶射等によって形成し、さらに、高温耐摩耗性にすぐれたＡｌ２Ｏ３膜、Ｔｉ系化合物膜等の表面被覆層を、前記ＷＣ基超硬合金層の表面に、例えば、化学蒸着法によって形成することによって、前記空孔率の異なる二層以上のＷＣ基超硬合金層と前記表面被覆層が、すぐれた耐熱性、高温耐摩耗性を発揮するとともに、適切な熱伝導率を具備するようになり、その結果、融点の高い被接合材料に対してこの摩擦攪拌接合用ツールを用いて摩擦攪拌接合を行った場合には、プローブの早期摩耗発生を抑制することができると同時に、適正な接合温度を維持できることから、健全な接合部を有する被接合材料を作製し得ることを見出した。 From the viewpoints described above, the present inventors have heat resistance and high temperature wear resistance, and can suppress heat outflow due to heat conduction to the friction stir welding tool base material and maintain the joining temperature. In order to provide a friction stir welding tool having appropriate thermal conductivity, the inventors of the present invention have intensively studied. On the base material constituting the friction stir welding tool, two or more layers of WC bases having different porosity are obtained. A hard alloy layer (hereinafter, a layer having a low porosity may be referred to as a “dense layer” and a layer having a high porosity may be referred to as a “porous layer”) is formed by, for example, laser cladding or thermal spraying. Furthermore, by forming a surface coating layer such as an Al 2 O 3 film and a Ti-based compound film having excellent high-temperature wear resistance on the surface of the WC-based cemented carbide layer, for example, by chemical vapor deposition, Two or more layers of WC with different porosity The cemented carbide layer and the surface coating layer exhibit excellent heat resistance and high temperature wear resistance, and have an appropriate thermal conductivity. When friction stir welding is performed using a friction stir welding tool, it is possible to suppress the early wear of the probe and at the same time maintain an appropriate joining temperature, so that the material to be joined having a sound joint is obtained. It was found that can be produced.
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）摩擦攪拌接合用ツールにおいて、
前記ツールは、ショルダー部とプローブ部を備えた基材と、該基材の少なくとも前記ショルダー部とプローブ部の表面に形成されているＷＣ基超硬合金層および表面被覆層を備え、前記ＷＣ基超硬合金層は、空孔率の異なる緻密層とポーラス層の少なくとも二層以上からなり、かつ、前記ＷＣ基超硬合金層の合計平均層厚は、０．１〜５ｍｍであることを特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。
（２）前記ＷＣ基超硬合金層の少なくとも一層は、空孔率が１面積％未満の緻密層であり、かつ、少なくとも他の一層は、空孔率が５〜３０面積％のポーラス層であることを特徴とする前記（１）に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
（３）前記基材のプローブ部に形成されているＷＣ基超硬合金層の合計平均層厚に占める緻密層の平均層厚の比率をＡとし、また、前記基材のショルダー部に形成されているＷＣ基超硬合金層の合計平均層厚に占める緻密層の平均層厚の比率をＢとした時、Ａ／Ｂ≧２を満足することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
（４）前記表面被覆層は、少なくともＡｌ２Ｏ３層を含むことを特徴とする前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の摩擦攪拌接合用ツール。」
を特徴とするものである。
The present invention has been made based on the above findings,
“(1) In the friction stir welding tool,
The tool includes a base material including a shoulder portion and a probe portion, a WC-based cemented carbide layer and a surface coating layer formed on at least the shoulder portion and the probe portion of the base material, and the WC base The cemented carbide layer is composed of at least two layers of a dense layer and a porous layer having different porosity, and the total average layer thickness of the WC-based cemented carbide layer is 0.1 to 5 mm. Friction stir welding tool.
(2) At least one of the WC-based cemented carbide layers is a dense layer having a porosity of less than 1 area%, and at least the other layer is a porous layer having a porosity of 5 to 30 area%. The friction stir welding tool according to (1), wherein the tool is provided.
(3) The ratio of the average layer thickness of the dense layer to the total average layer thickness of the WC-based cemented carbide layer formed on the probe portion of the substrate is A, and is formed on the shoulder portion of the substrate. (1) or (2), wherein A / B ≧ 2 is satisfied, where B is the ratio of the average layer thickness of the dense layer to the total average layer thickness of the WC-based cemented carbide layers. Friction stir welding tool described in 1.
(4) The friction stir welding tool according to any one of (1) to (3), wherein the surface coating layer includes at least an Al 2 O 3 layer. "
It is characterized by.
この発明について、以下に詳細に説明する。 The present invention will be described in detail below.
図１に、代表的な摩擦攪拌接合用ツールの概観斜視図を示す。
図１に示すように、摩擦攪拌接合用ツールは、ショルダー部とプローブ部を備えた基材からなり、摩擦攪拌接合は、まず、接合部に対向するように摩擦攪拌接合用ツールのプローブを位置させ、摩擦攪拌接合用ツールを回転させながら接合部にプローブを加圧回転挿入し、その状態で、摩擦攪拌接合用ツールのプローブを被接合材料の接合方向に沿って移動させ、この時に発生する摩擦熱による被接合材料の軟化と、プローブの回転による材料の塑性流動を利用して、被接合材料を接合する技術である。
FIG. 1 shows a schematic perspective view of a typical friction stir welding tool.
As shown in FIG. 1, the friction stir welding tool is made of a base material having a shoulder portion and a probe portion. In the friction stir welding, the probe of the friction stir welding tool is first positioned so as to face the joint portion. The probe is rotated and inserted into the joint while rotating the friction stir welding tool, and in this state, the probe of the friction stir welding tool is moved along the joining direction of the materials to be joined. This is a technique for joining materials to be joined by utilizing softening of the materials to be joined by frictional heat and plastic flow of the materials by rotation of the probe.
図２に、本発明の摩擦攪拌接合用ツールの縦断面模式図を示す。
本発明の摩擦攪拌接合用ツールは、図２にその縦断面模式図を示すように、工具鋼または超硬合金基材からなる摩擦攪拌接合用ツールの少なくともショルダー部とプローブ部の表面には、少なくとも、ＷＣ基超硬合金層および表面被覆層が設けられている。
また、本発明においては、前記ＷＣ基超硬合金層は、層の空孔率が異なる少なくとも二層のＷＣ基超硬合金層を積層した構造となっており、該ＷＣ基超硬合金層の合計平均層厚は０．１〜５ｍｍである。
さらに、前記ＷＣ基超硬合金層の表面には、例えば、化学蒸着法により形成された、Ａｌ２Ｏ３膜、Ｔｉ系化合物膜等の耐熱性、高温耐摩耗性にすぐれた表面被覆層が設けられている。
In FIG. 2, the longitudinal cross-sectional schematic diagram of the tool for friction stir welding of this invention is shown.
The friction stir welding tool of the present invention, as shown in the schematic longitudinal sectional view of FIG. 2, on the surface of at least the shoulder portion and the probe portion of the friction stir welding tool made of tool steel or cemented carbide substrate, At least a WC-based cemented carbide layer and a surface coating layer are provided.
In the present invention, the WC-based cemented carbide layer has a structure in which at least two WC-based cemented carbide layers having different layer porosity are laminated, The total average layer thickness is 0.1-5 mm.
Furthermore, on the surface of the WC-based cemented carbide layer, for example, a surface coating layer excellent in heat resistance and high-temperature wear resistance, such as an Al 2 O 3 film and a Ti-based compound film, formed by a chemical vapor deposition method. Is provided.
本発明の摩擦攪拌接合用ツールにおいては、前記ＷＣ基超硬合金層のうちの少なくとも一層は、空孔率が1面積％未満である緻密層とし、一方、前記ＷＣ基超硬合金層のうちの少なくとも他の一層は、空孔率が５〜３０面積％のポーラス層とする。
前記空孔率が１面積％未満の緻密層は、すぐれた高温硬度と耐熱性を有し、一方、空孔率が５〜３０面積％のポーラス層は、すぐれた断熱性と耐熱性を有する。
ここで、緻密層の空孔率が１面積％以上になると、高温硬度が低下傾向を示すようになるから、高温耐摩耗性の向上を図るためには、ＷＣ基超硬合金層の空孔率は１面積％以下であることが望ましい。
一方、ポーラス層の空孔率が増加するとＷＣ基超硬合金層は断熱性を備えるようになるが、空孔率が５面積％未満では、断熱効果が十分とはいえず、空孔率が３０面積％を超えると、断熱性には優れる反面、ポーラス層自体の強度が低下するようになる。
したがって、摩擦攪拌接合用ツールの基材表面に形成するＷＣ基超硬合金層において、高温耐摩耗性の向上を図るためには空孔率が１面積％以上の緻密層が好適であり、一方、断熱層の向上を図るためには、空孔率が５〜３０面積％のポーラス層が好適である。
なお、ＷＣ基超硬合金層の空孔率は、ＷＣ基超硬合金層の縦断面(即ち、基材に対して垂直な面)を走査型電子顕微鏡で観察することによって算出したものであり、倍率１０００倍の視野において空孔を同定し、画像処理によって空孔の面積割合を算出することによって空孔率を求めることができる。
In the friction stir welding tool of the present invention, at least one of the WC-based cemented carbide layers is a dense layer having a porosity of less than 1 area%, while the WC-based cemented carbide layer At least the other layer is a porous layer having a porosity of 5 to 30% by area.
The dense layer having a porosity of less than 1 area% has excellent high-temperature hardness and heat resistance, while the porous layer having a porosity of 5 to 30 area% has excellent heat insulation and heat resistance. .
Here, when the porosity of the dense layer is 1 area% or more, the high temperature hardness tends to decrease, so in order to improve the high temperature wear resistance, the porosity of the WC-based cemented carbide layer The rate is desirably 1 area% or less.
On the other hand, when the porosity of the porous layer increases, the WC-based cemented carbide layer comes to have heat insulation properties. However, if the porosity is less than 5 area%, the heat insulation effect is not sufficient, and the porosity is If it exceeds 30 area%, the heat insulation is excellent, but the strength of the porous layer itself is lowered.
Therefore, in the WC-based cemented carbide layer formed on the surface of the base material of the friction stir welding tool, a dense layer having a porosity of 1 area% or more is suitable for improving high-temperature wear resistance, In order to improve the heat insulating layer, a porous layer having a porosity of 5 to 30 area% is preferable.
Note that the porosity of the WC-based cemented carbide layer is calculated by observing the longitudinal section of the WC-based cemented carbide layer (that is, the plane perpendicular to the substrate) with a scanning electron microscope. The porosity can be obtained by identifying the holes in the field of view with a magnification of 1000 times and calculating the area ratio of the holes by image processing.
本発明の摩擦攪拌接合用ツールにおいては、基材表面に形成するＷＣ基超硬合金層を、少なくとも一層の緻密層と、少なくとも他の一層のポーラス層を含む二層以上の層として構成することによって、緻密層の備えるすぐれた高温硬度と耐熱性、ポーラス層の備えるすぐれた断熱性と耐熱性とを相兼ね備えることができる。
ただ、摩擦攪拌接合用ツールにおいては、ツールの全ての部位において同じ特性が求められるのではなく、部位に応じて異なる特性が求められることから、前記緻密層とポーラス層の層厚比を、プローブ部あるいはショルダー部において求められる特性に応じてそれぞれの部位で定めることにより、摩擦攪拌接合用ツールとしての最適の特性を発揮させることができる。
In the friction stir welding tool of the present invention, the WC-based cemented carbide layer formed on the substrate surface is configured as two or more layers including at least one dense layer and at least another porous layer. Thus, the high-temperature hardness and heat resistance of the dense layer can be combined with the excellent heat insulation and heat resistance of the porous layer.
However, in the friction stir welding tool, the same characteristics are not required in all parts of the tool, but different characteristics are required depending on the part. Therefore, the layer thickness ratio of the dense layer and the porous layer is determined by the probe. By determining in each part according to the characteristic calculated | required in a part or a shoulder part, the optimal characteristic as a tool for friction stir welding can be exhibited.
例えば、摩擦攪拌接合用ツールのプローブ部は、摩擦攪拌接合に際して、被接合材料に対し加圧状態で挿入されるとともに、高速で回転しているために、特に、高温耐摩耗性、耐熱性が要求される。
そこで、特に、高温耐摩耗性が必要とされるプローブ部においては、高温硬度にすぐれ、かつ、耐熱性にすぐれた空孔率が1面積％未満の緻密性の高い緻密層の層厚を、空孔率が５〜３０面積％のポーラス層の層厚に比して相対的に厚くしたＷＣ基超硬合金層を設けることによって、プローブ部の耐摩耗特性をより向上させるとともに、プローブ部の過加熱を抑制することができる。
For example, the probe portion of the friction stir welding tool is inserted in a pressurized state with respect to the material to be joined during friction stir welding, and is rotated at a high speed, so that it has particularly high temperature wear resistance and heat resistance. Required.
Therefore, in particular, in the probe portion where high temperature wear resistance is required, the layer thickness of the dense layer having high denseness with excellent high temperature hardness and excellent heat resistance of less than 1 area%, By providing a WC-based cemented carbide layer that is relatively thicker than the porous layer having a porosity of 5 to 30% by area, the wear resistance of the probe is improved and the probe Overheating can be suppressed.
一方、摩擦攪拌接合用ツールのショルダー部は、発熱する被接合材料の接合部に対向して位置するため接合部からの輻射熱にさらされ、耐熱性を備えることが必要であると同時に、接合部の接合温度を低下させることなく適切な接合温度を維持するためには、接合部から受けた輻射熱をツールの基材側へ逃がさないようにすることが望まれる。
つまり、摩擦攪拌接合用ツールのショルダー部においては、断熱性と耐熱性にすぐれた空孔率５〜３０面積％のポーラス層の層厚を、空孔率が1面積％未満の緻密層の層厚に比して、相対的に厚くしたＷＣ基超硬合金層を設けることによって、ショルダー部の断熱性をより高めることができる。
On the other hand, the shoulder portion of the friction stir welding tool is located opposite to the joint portion of the material to be joined that generates heat, and therefore is exposed to the radiant heat from the joint portion and must have heat resistance. In order to maintain an appropriate joining temperature without reducing the joining temperature, it is desired not to let the radiant heat received from the joining portion escape to the base material side of the tool.
That is, in the shoulder portion of the friction stir welding tool, a porous layer having a porosity of 5 to 30% by area excellent in heat insulation and heat resistance, and a dense layer having a porosity of less than 1% by area. By providing a relatively thick WC-based cemented carbide layer as compared with the thickness, the heat insulating property of the shoulder portion can be further enhanced.
前記では、プローブ部におけるＷＣ基超硬合金層の緻密層とポーラス層の層厚比、あるいは、ショルダー部におけるＷＣ基超硬合金層の緻密層とポーラス層の層厚比について述べたが、摩擦攪拌接合用ツールの基材のプローブ部に形成されているＷＣ基超硬合金層の合計平均層厚に占める緻密層の平均層厚の比率をＡとし、また、摩擦攪拌接合用ツールの基材のショルダー部に形成されているＷＣ基超硬合金層の合計平均層厚に占める緻密層の平均層厚の比率をＢとした時、Ａ／Ｂ≧２を満足することが望ましい。この場合には、プローブ部においては、すぐれた高温耐摩耗性が発揮され、一方、ショルダー部においてはすぐれた断熱性が発揮される。
これは、摩擦攪拌接合用ツールの基材の表面に形成されているＷＣ基超硬合金層は高温耐摩耗性、断熱性、耐熱性を備えているが、Ａ／Ｂ≧２である場合には、プローブ部に形成されているＷＣ基超硬合金層は、緻密層の層厚比が大であるため、ショルダー部に形成されているＷＣ基超硬合金層に比して、特に高温耐摩耗性がすぐれていることを示し、一方、ショルダー部に形成されているＷＣ基超硬合金層は、ポーラス層の層厚比がプローブ部よりも相対的に大であるため、特に断熱性にすぐれていることを示す。
ここで、前記Ａ／Ｂが２未満である場合には、プローブ部に形成されているＷＣ基超硬合金層が十分な高温耐摩耗性を発揮することができず、あるいは、ショルダー部に形成されているＷＣ基超硬合金層が十分な断熱性を発揮することができないため、プローブ部の摩耗進行により摩擦攪拌接合用ツールが早期に寿命に至ることがあり、あるいは、ショルダー部の断熱性不足による接合温度の低下のために、被接合材料の接合部の強度低下が生じる場合がある。
したがって、前記Ａ／Ｂの値は、２以上となるように、プローブ部あるいはショルダー部におけるＷＣ基超硬合金層の緻密層（あるいはポーラス）の平均層厚を定めることが望ましい。
In the above, the layer thickness ratio between the dense layer of the WC-based cemented carbide layer and the porous layer in the probe portion or the layer thickness ratio between the dense layer of the WC-based cemented carbide layer and the porous layer in the shoulder portion has been described. The ratio of the average layer thickness of the dense layer to the total average layer thickness of the WC-based cemented carbide layers formed on the probe part of the base material for the stir welding tool is A, and the base material for the friction stir welding tool When the ratio of the average layer thickness of the dense layer to the total average layer thickness of the WC-based cemented carbide layer formed on the shoulder portion is B, it is desirable that A / B ≧ 2 is satisfied. In this case, excellent high temperature wear resistance is exhibited in the probe portion, while excellent heat insulation is exhibited in the shoulder portion.
This is because the WC-based cemented carbide layer formed on the surface of the base material of the friction stir welding tool has high-temperature wear resistance, heat insulation, and heat resistance, but A / B ≧ 2. The WC-based cemented carbide layer formed in the probe portion has a large layer thickness ratio of the dense layer, so that it is particularly resistant to high temperature resistance compared to the WC-based cemented carbide layer formed in the shoulder portion. The WC-based cemented carbide layer formed on the shoulder portion shows excellent wear resistance. On the other hand, the layer thickness ratio of the porous layer is relatively larger than that of the probe portion. It shows that it is excellent.
Here, when the A / B is less than 2, the WC-based cemented carbide layer formed on the probe part cannot exhibit sufficient high-temperature wear resistance, or is formed on the shoulder part. Since the WC-based cemented carbide layer that is used cannot exhibit sufficient heat insulation, the friction stir welding tool may reach the end of its life due to the progress of wear of the probe, or the heat insulation of the shoulder Due to the decrease in the bonding temperature due to the shortage, the strength of the bonded portion of the material to be bonded may be decreased.
Therefore, it is desirable to determine the average layer thickness of the dense layer (or porous) of the WC-based cemented carbide layer in the probe portion or the shoulder portion so that the value of A / B is 2 or more.
前記ＷＣ基超硬合金層の合計平均層厚は、０．１〜５ｍｍとするが、これは、合計平均層厚が０．１ｍｍ未満であると、すぐれた高温耐摩耗性を長期にわたって発揮することができず、一方、合計平均層厚が５ｍｍを超えても、高温耐摩耗性向上効果、断熱性向上効果に大きな改善が見られないという理由による。 The total average layer thickness of the WC-based cemented carbide layer is 0.1 to 5 mm. When the total average layer thickness is less than 0.1 mm, excellent high temperature wear resistance is exhibited over a long period of time. On the other hand, even if the total average layer thickness exceeds 5 mm, the high temperature wear resistance improving effect and the heat insulating effect are not greatly improved.
前記ＷＣ基超硬合金層は、レーザー肉盛法あるいは溶射法等によって摩擦攪拌接合用ツールの基材の少なくともプローブ部およびショルダー部の表面に形成することができる。
例えば、レーザー肉盛法によって形成する場合には、摩擦攪拌接合用ツールの基材である工具鋼あるいは超硬合金にクラックを発生させないように、レーザー出力１００〜５００Ｗ、レーザースポット径０．１〜３ｍｍ、走査速度５００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎ程度の低エネルギー照射が望ましく、大出力、大スポット径の照射は避けるべきである。
また、レーザー出力、レーザースポット径、走査速度を適切に設定することにより、緻密層とポーラス層とを作り分けることができる。
例えば、レーザー出力１００〜３００Ｗ、スポット径０．１〜２．０ｍｍ、走査速度５００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎという条件で、レーザー肉盛を行うことによって、緻密層を形成することができ、一方、レーザー出力４００〜５００Ｗ、スポット径１．０〜３．０ｍｍ、走査速度１０００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎという条件で、レーザー肉盛を行うことによって、ポーラス層を形成することができる。
なお、ＷＣ基超硬合金層の層厚は、レーザー肉盛を複数回繰り返し行うことによって、所定の合計平均層厚のＷＣ基超硬合金層を形成することができる。
The WC-based cemented carbide layer can be formed on the surface of at least the probe portion and the shoulder portion of the base material of the friction stir welding tool by a laser cladding method or a thermal spraying method.
For example, in the case of forming by laser cladding, the laser power is 100 to 500 W, the laser spot diameter is 0.1 to 0.1 so as not to generate cracks in the tool steel or cemented carbide that is the base material of the friction stir welding tool. Low energy irradiation of about 3 mm and a scanning speed of about 500 to 2000 mm / min is desirable, and irradiation of a large output and a large spot diameter should be avoided.
In addition, the dense layer and the porous layer can be separately formed by appropriately setting the laser output, the laser spot diameter, and the scanning speed.
For example, a dense layer can be formed by laser overlaying under conditions of laser output of 100 to 300 W, spot diameter of 0.1 to 2.0 mm, and scanning speed of 500 to 2000 mm / min. A porous layer can be formed by performing laser cladding under conditions of 400 to 500 W, a spot diameter of 1.0 to 3.0 mm, and a scanning speed of 1000 to 2000 mm / min.
In addition, the layer thickness of a WC base cemented carbide layer can form the WC base cemented carbide layer of a predetermined total average layer thickness by repeating laser cladding several times.
本発明の摩擦攪拌接合用ツールは、前記ＷＣ基超硬合金層の表面に、さらに、高温耐摩耗性にすぐれたＡｌ２Ｏ３層、あるいは、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層等のＴｉ系化合物層からなる表面被覆層を、例えば、通常の化学蒸着法によって形成する。
前記の表面被覆層は、高温耐摩耗性にすぐれるため、プローブ部の摩耗進展をより一層抑制することができるため、摩擦攪拌接合用ツールの長寿命化を図ることができる。
好ましい、表面被覆層の種別は、前記Ａｌ２Ｏ３層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層の他、ＴｉＡｌＮ層、ＴｉＣ層、ＣｒＮ層、ＴｉＢ２層等を挙げることができる。
また、表面被覆層の層厚は、好ましくは、１．０〜１５．０μｍである。これは、表面被覆層の層厚が１．０μｍより薄くなると、被覆層が早期に摩滅し、所望の耐摩耗性を発揮し得なくなり、一方、層厚が１５．０μｍを超えると、剥離を生じやすくなり、異常損傷の原因となり得るためである。
The friction stir welding tool of the present invention includes an Al 2 O 3 layer excellent in high-temperature wear resistance, or a Ti-based compound layer such as a TiN layer or a TiCN layer on the surface of the WC-based cemented carbide layer. The surface coating layer to be formed is formed by, for example, a normal chemical vapor deposition method.
Since the surface coating layer is excellent in high-temperature wear resistance, it is possible to further suppress the progress of wear of the probe portion, so that the life of the friction stir welding tool can be extended.
Preferred types of the surface coating layer include the Al 2 O 3 layer, TiN layer, TiCN layer, TiAlN layer, TiC layer, CrN layer, TiB 2 layer, and the like.
The layer thickness of the surface coating layer is preferably 1.0 to 15.0 μm. This is because, when the layer thickness of the surface coating layer becomes thinner than 1.0 μm, the coating layer wears out early, and the desired wear resistance cannot be exhibited, while when the layer thickness exceeds 15.0 μm, peeling occurs. This is because it tends to occur and may cause abnormal damage.
本発明の摩擦攪拌接合用ツールによれば、ショルダー部とプローブ部を備えた基材の少なくともショルダー部とプローブ部の表面にＷＣ基超硬合金層および表面被覆層が形成されており、前記ＷＣ基超硬合金層は、緻密層とポーラス層の少なくとも二層以上の層を有することにより、前記ＷＣ基超硬合金層は高温耐摩耗性と断熱性を相兼ね備えるため、この摩擦攪拌接合用ツールを用いて摩擦攪拌接合を行った場合には、プローブの早期摩耗発生を抑制することができ、摩擦攪拌接合用ツールの寿命の延長化を図ることができるとともに、被接合材料の接合部を適正な接合温度範囲に維持できることから、健全な接合部を有する被接合材料を作製し得る。
さらに、基材のプローブ部に形成されているＷＣ基超硬合金層の合計平均層厚に占める緻密層の平均層厚の比率Ａと、基材のショルダー部に形成されているＷＣ基超硬合金層の合計平均層厚に占める緻密層の平均層厚の比率Ｂが、Ａ／Ｂ≧２を満足する場合には、より一段と高温耐摩耗性と断熱性にすぐれる。
According to the friction stir welding tool of the present invention, the WC-based cemented carbide layer and the surface coating layer are formed on at least the shoulder portion and the surface of the probe portion of the base material provided with the shoulder portion and the probe portion, and the WC Since the WC-based cemented carbide layer has at least two layers of a dense layer and a porous layer, and the WC-based cemented carbide layer has both high temperature wear resistance and heat insulation, this friction stir welding tool When friction stir welding is used, the early wear of the probe can be suppressed, the life of the tool for friction stir welding can be extended, and the joints of the materials to be joined can be Therefore, it is possible to produce a material to be joined that has a sound joint.
Further, the ratio A of the average layer thickness of the dense layer to the total average layer thickness of the WC-based cemented carbide layer formed on the probe portion of the substrate, and the WC-based cemented carbide formed on the shoulder portion of the substrate. When the ratio B of the average layer thickness of the dense layer to the total average layer thickness of the alloy layer satisfies A / B ≧ 2, the high temperature wear resistance and the heat insulation are further improved.
以下、この発明を実施例に基づいて、具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples.
図２に示される形状を有し、かつ、表１に示す基材種別、寸法の摩擦攪拌接合用ツールの基材の表面に、表２に示す緻密層形成条件およびポーラス層形成条件にてレーザーを照射し、同時に、レーザー照射箇所に表３に示す配合組成からなる造粒-仮焼したＷＣ基超硬合金粉末を投射し、基材のプローブ部とショルダー部に少なくとも一層以上の緻密層と少なくとも一層以上のポーラス層を有するＷＣ基超硬合金層を形成した。
この操作を、表４、５に示す回数繰り返し行い、基材のプローブ部とショルダー部に、緻密層およびポーラス層の少なくとも二層以上からなるＷＣ基超硬合金層を形成した。なお、本発明ツール１〜８においては、基体側にポーラス層、表面側に緻密層を形成し、本発明ツール９〜１２においては、基体側に緻密層、表面側にポーラス層を形成した。
次いで、前記ＷＣ基超硬合金層の表面に、表４、５に示すＡｌ２Ｏ３層あるいはＴｉ系化合物層からなる表面被覆層を化学蒸着法によって形成することにより、表４、５に示す本発明の摩擦攪拌接合用ツール１〜１２（本発明ツール１〜１２という）を作製した。
なお、レーザー照射条件は、いずれも、レーザー出力１００〜５００Ｗ、スポット径０．１〜３．０ｍｍ、走査速度５００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎ、繰返し回数１〜２０回の範囲内である。
A laser having the shape shown in FIG. 2 and a dense layer forming condition and a porous layer forming condition shown in Table 2 on the surface of the base material of the friction stir welding tool having the type and dimensions shown in Table 1. At the same time, a granulated and calcined WC-based cemented carbide powder composed of the composition shown in Table 3 is projected onto the laser irradiated portion, and at least one dense layer is formed on the probe portion and the shoulder portion of the base material. A WC-based cemented carbide layer having at least one porous layer was formed.
This operation was repeated for the number of times shown in Tables 4 and 5, and a WC-based cemented carbide layer composed of at least two layers of a dense layer and a porous layer was formed on the probe portion and the shoulder portion of the substrate. In the tools 1 to 8 of the present invention, a porous layer was formed on the substrate side and a dense layer was formed on the surface side. In the tools 9 to 12 of the present invention, a dense layer was formed on the substrate side and a porous layer was formed on the surface side.
Next, a surface coating layer made of an Al 2 O 3 layer or a Ti-based compound layer shown in Tables 4 and 5 is formed on the surface of the WC-based cemented carbide layer by chemical vapor deposition, and shown in Tables 4 and 5. Friction stir welding tools 1-12 of the present invention (referred to as the present invention tools 1-12) were produced.
The laser irradiation conditions are all in the range of laser output 100 to 500 W, spot diameter 0.1 to 3.0 mm, scanning speed 500 to 2000 mm / min, and number of repetitions 1 to 20 times.
本発明ツール１〜１２について、走査型電子顕微鏡によりＷＣ基超硬合金層の緻密層およびポーラス層のそれぞれの縦断面を観察し、１０００倍の視野で空孔を同定するとともに、画像処理により、該画像中に存在する空孔の面積割合を算出した。
そして、上記の測定を５箇所で行い、それぞれ算出された空孔の面積割合を平均し、この値を緻密層およびポーラス層におけるそれぞれの空孔率(面積％)として求めた。
また、走査型電子顕微鏡を用いて、ＷＣ基超硬合金層の合計層厚を測定し、５箇所における測定値の平均値を合計平均層厚として求めた。
さらに、走査型電子顕微鏡を用いて、プローブ部に形成されているＷＣ基超硬合金層の合計平均層厚に占める緻密層の層厚の比率を求め、複数個所における測定値の平均をＡとし、また、ショルダー部に形成されているＷＣ基超硬合金層の合計平均層厚に占める緻密層の層厚の比率を求め、複数個所における測定値の平均をＢと、Ａ／Ｂの値を算出した。
表４、表５に、上記で得た測定値、算出値を示す。
About the present invention tools 1-12, each longitudinal section of the dense layer and the porous layer of the WC-based cemented carbide layer is observed with a scanning electron microscope, and the holes are identified with a field of view of 1000 times, and by image processing, The area ratio of vacancies existing in the image was calculated.
And said measurement was performed in five places, the area ratio of each calculated void | hole was averaged, and this value was calculated | required as each porosity (area%) in a dense layer and a porous layer.
Moreover, the total layer thickness of the WC base cemented carbide layer was measured using a scanning electron microscope, and the average value of the measured values at five locations was determined as the total average layer thickness.
Further, using a scanning electron microscope, the ratio of the layer thickness of the dense layer to the total average layer thickness of the WC-based cemented carbide layer formed in the probe portion is obtained, and the average of the measured values at a plurality of locations is A. Further, the ratio of the layer thickness of the dense layer to the total average layer thickness of the WC-based cemented carbide layer formed on the shoulder portion is obtained, and the average of measured values at a plurality of locations is B and the value of A / B Calculated.
Tables 4 and 5 show the measured values and calculated values obtained above.
比較のため、図２に示す形状および表１に示す基材種別、寸法の摩擦攪拌接合用ツールの基材の表面に、表２に示す緻密層形成条件およびポーラス層形成条件のいずれか一方、もしくは双方の条件にてレーザーを照射し、同時に、レーザー照射箇所に表３に示す配合組成からなる造粒-仮焼したＷＣ基超硬合金粉末を投射し、基材のプローブ部とショルダー部に緻密層あるいはポーラス層、もしくは双方の層からなるＷＣ基超硬合金層を形成し、さらに、その表面に、Ａｌ２Ｏ３層あるいはＴｉ系化合物層からなる表面被覆層を化学蒸着法で形成することにより、表６、７に示す比較例の摩擦攪拌接合用ツール１〜８（比較例ツール１〜８という）を作製した。なお、比較例ツール１〜６においては、基体側にポーラス層、表面側に緻密層を形成し、比較例ツール７、８においては、基体側に緻密層、表面側にポーラス層を形成した。 For comparison, on the surface of the base material of the friction stir welding tool having the shape shown in FIG. 2 and the base material type and dimensions shown in Table 1, either one of the dense layer forming conditions and the porous layer forming conditions shown in Table 2, Alternatively, the laser is irradiated under both conditions, and at the same time, the granulated and calcined WC-based cemented carbide powder having the composition shown in Table 3 is projected onto the laser irradiated portion, and the probe portion and the shoulder portion of the base material are projected. A WC-based cemented carbide layer composed of a dense layer, a porous layer, or both layers is formed, and a surface coating layer composed of an Al 2 O 3 layer or a Ti-based compound layer is formed on the surface by chemical vapor deposition. Thus, friction stir welding tools 1 to 8 (referred to as Comparative Examples Tools 1 to 8) of Comparative Examples shown in Tables 6 and 7 were produced. In Comparative Tools 1 to 6, a porous layer was formed on the substrate side, and a dense layer was formed on the surface side. In Comparative Tools 7 and 8, a dense layer was formed on the substrate side, and a porous layer was formed on the surface side.
次いで、比較例ツール１〜８について、本発明ツール１〜１２の場合と同様にして、ＷＣ基超硬合金層の緻密層およびポーラス層における空孔率(面積％)、ＷＣ基超硬合金層の合計平均層厚、Ａ／Ｂの値を測定算出した。
表６、表７に、上記で得た測定値、算出値を示す。
Then, for Comparative Tools 1-8, the porosity (area%) in the dense layer and porous layer of the WC-based cemented carbide layer, the WC-based cemented carbide layer, as in the case of the inventive tools 1-12. The total average layer thickness and the value of A / B were measured and calculated.
Tables 6 and 7 show the measured values and calculated values obtained above.
つぎに、上記本発明ツール１〜１２および比較例ツール１〜８について、摩擦攪拌接合の点接合を模した次の条件による摩耗試験を３０００スポット行った。
≪摩耗試験条件≫
被接合材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの炭素鋼
接合条件：
回転数 ２５００ｒｐｍ、
押込速度 ０．２ｍｍ／ｓｅｃ、
押込深さ(プローブ先端の浸入深さ) ３．１ｍｍ、
押込後保持時間 ２ｓｅｃ
Next, about the said invention tools 1-12 and comparative example tools 1-8, 3000 spots of the abrasion test by the following conditions which simulated the point joining of friction stir welding were performed.
≪Abrasion test condition≫
Materials to be joined: JIS / S45C carbon steel Joining conditions:
Rotational speed 2500rpm,
Indentation speed 0.2mm / sec,
Indentation depth (probe tip penetration depth) 3.1mm,
Holding time after pressing 2 sec
ついで、上記摩耗試験終了後の摩擦攪拌接合用ツールのプローブ部およびショルダー部における摩耗量（ｍｍ）を測定すると共に、接合スポットのクラック等、異常の有無を確認した。
表８に、その結果を示す。
Next, the wear amount (mm) at the probe portion and the shoulder portion of the friction stir welding tool after completion of the wear test was measured, and whether there were any abnormalities such as cracks in the joining spot was confirmed.
Table 8 shows the results.
表８に示される結果から、本発明ツール１〜１２は、比較例ツール１〜８に比して、プローブ部およびショルダー部の耐摩耗性がいずれも優れていると共に、適切な接合温度を維持していることから接合スポットにクラック発生等の異常なく接合可能なことがわかる。 From the results shown in Table 8, the tools 1 to 12 of the present invention are superior in wear resistance of the probe part and the shoulder part as compared with the comparative tools 1 to 8, and maintain an appropriate joining temperature. Therefore, it can be seen that the joining spot can be joined without any abnormality such as cracking.
本発明の摩擦攪拌接合用ツールは、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮し、また、ＷＣ基超硬合金層が適度な断熱性を有するため、被接合材料の接合温度を適切に維持することができ、接合部の強度低下を防止することができる。
The friction stir welding tool of the present invention exhibits excellent wear resistance over a long period of use, and the WC-based cemented carbide layer has appropriate heat insulation, so that the bonding temperature of the materials to be joined is properly maintained. It is possible to prevent the strength of the joint from being lowered.
Claims (4)
前記ツールは、ショルダー部とプローブ部を備えた基材と、該基材の少なくとも前記ショルダー部とプローブ部の表面に形成されているＷＣ基超硬合金層および表面被覆層を備え、前記ＷＣ基超硬合金層は、空孔率の異なる緻密層とポーラス層の少なくとも二層以上からなり、かつ、前記ＷＣ基超硬合金層の合計平均層厚は、０．１〜５ｍｍであることを特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。 In friction stir welding tools,
The tool includes a base material including a shoulder portion and a probe portion, a WC-based cemented carbide layer and a surface coating layer formed on at least the shoulder portion and the probe portion of the base material, and the WC base The cemented carbide layer is composed of at least two layers of a dense layer and a porous layer having different porosity, and the total average layer thickness of the WC-based cemented carbide layer is 0.1 to 5 mm. Friction stir welding tool.
The friction stir welding tool according to any one of claims 1 to 3 , wherein the surface coating layer includes at least an Al 2 O 3 layer.
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