JP2020168643A - 摩擦撹拌接合工具 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄基合金とアルミニウム合金の摩擦撹拌接合時において先端部に高硬度の凝着物が付着しても欠損を抑制する摩擦撹拌接合工具を提供する。【解決手段】小径部およびそれに連続して形成された大径部を備える高速度工具鋼製の摩擦撹拌接合用工具として、小径部から大径部にしたがって硬さを減少させる。また、小径部の硬さは、ロックウェル硬さＣスケールで６５ＨＲＣ以上、大径部の硬さをロックウェル硬さＣスケールで６０ＨＲＣ以下としても良い。【選択図】図４

Description

本発明は、金属材料と回転工具の摩擦力により発生する摩擦熱で金属材料同士を接合する際に使用する摩擦撹拌接合用途の工具（摩擦撹拌接合工具）に関する。

主に同じ金属材料同士を接合するには溶接などの手段に替わって、高速で回転する棒状の工具を金属材料の接合箇所に挿入させることで金属材料を一時的に溶融させる技術として摩擦撹拌接合（FrictionStirWelding：ＦＳＷ）がある。この摩擦撹拌接合に使用される回転工具（摩擦撹拌接合工具）には、これまで色々な形態があり、また材質についても比較的に硬質の材料、例えば高速度工具鋼（ハイス）やニッケル基合金が多用されてきた（例えば、特許文献１および特許文献２を参照）。

通常、アルミニウム合金同士の摩擦撹拌接合であれば、ＳＫＤ６１に代表される金型鋼（合金鋼）製の摩擦撹拌接合工具でも使用できる。しかし、アルミニウム合金と鉄基合金の異種金属同士を接合する場合には、摩擦撹拌接合工具の材質はより高硬度の材質を考慮して選定する必要がある。

特開２００２−９６１５８号公報 国際公開ＷＯ２０１３／０２７４７４号パンフレット

特に、接合金属の一方が鉄基合金である場合には接合時に摩擦撹拌接合工具の先端に付着する凝着物は、アルミニウム合金同士の接合の場合に比べて高硬度になり、接合条件によっては摩擦撹拌接合工具の先端が早期に摩耗したり、欠損する場合もあった。

そこで、本発明は鉄基合金とアルミニウム合金のような異種金属材料同士の摩擦撹拌接合時において摩擦撹拌接合工具の先端部に高硬度の凝着物が付着しても早期の摩耗や欠損を抑制できる摩擦撹拌接合用の工具を提供することを課題とする。

本発明の摩擦撹拌接合工具は、小径部と大径部を備えている高速度工具鋼製の摩擦撹拌接合工具であり、小径部から大径部に向かうほど硬さが減少している構成とした。具体的な硬さについては、小径部の硬さをロックウェル硬さＣスケールで６５ＨＲＣ以上、かつ大径部の硬さをロックウェル硬さＣスケールで６０ＨＲＣ以下とする。

この高速度工具鋼（ハイス）は、重量％で、炭素が１．２０〜１．３５％、ケイ素が０．５％以下、マンガンが０．５％以下、クロムが３．５〜４．５％、モリブデンが４．５〜５．５％、タングステンが５．５〜７．０％、バナジウムが２．５〜３．５％、コバルトが７．７〜８．８％、窒素が６０ｐｐｍ以下、酸素が２０ｐｐｍ以下、の範囲であり、残余が鉄および不可避不純物からなる組成とする。

また、高速度工具鋼の鍛造方向もしくは圧延方向に対して垂直な任意の断面において組織中におけるＭＣ型炭化物の等価円直径が４〜２０μｍの範囲として、かつＭＣ型炭化物が組織中に占める割合を３〜１０％の範囲としても構わない。

本発明の高速度工具鋼製の摩擦撹拌接合工具は、小径部および大径部の２段構成として、その硬さを小径部から大径部に向かうほど連続的に減少させる、いわゆる硬さの傾斜化を行なった。その結果、鉄基合金とアルミニウム合金の摩擦撹拌接合時に発生する高硬度の凝着物が小径部に付着した場合でも、当該工具の小径部から凝着物を容易に除去できるので、工具の靭性を保ちながら先端部分（小径部）の損傷を防止できる。

本発明の摩擦撹拌接合工具１（第１実施形態）の模式斜視図である。 本発明の摩擦撹拌接合工具１１（第２実施形態）の模式斜視図である。 本発明の摩擦撹拌接合工具２１（第３実施形態）の模式斜視図である。 本発明の摩擦撹拌接合工具の表面硬さに関するグラフである。

本発明の摩擦撹拌接合工具の実施形態について、図面を用いて説明する。本発明の第１実施形態に係る摩擦撹拌接合工具１の先端部分（小径部）側からの模式斜視図を図１，第２実施形態に係る摩擦撹拌接合工具１１の先端部分側からの模式斜視図を図２，第３実施形態に係る摩擦撹拌接合工具２１の先端部分側からの模式斜視図を図３にそれぞれ示す。

本発明の第１実施形態の摩擦撹拌接合工具１（以下、「工具」という）は、大きく分けて図１に示すように一般的にプローブとも呼ばれる小径部２、および当該小径部２に連続して形成されて、工具１に接続される回転軸側近傍に位置する大径部３の各部位から構成されている。図２および図３に示す第２および第３実施形態に係る工具１１，２１の場合も同様である。以下、工具を構成する小径部および大径部を各部位ごとにその詳細を説明する。

図１に示す工具１を形成する小径部２は、摩擦撹拌接合時にその一部またはすべてが被接合材中へ埋没される部位であり、実際の摩擦撹拌接合に寄与する部位である。また、その全体の形状は、図１に示すように円柱形の小径部２であったり、図２に示す円錐台状の小径部１２や図３に示す円錐状の小径部２２とすることができる。

被接合部材が鉄基合金とアルミニウム合金の様な異種金属材料同士を接合する場合には、一方の被接合材の表面を押さえつけながら接合を行い、小径部の先端に多大な圧縮応力が発生する。そのため、小径部２の先端が所定の大きさ（面積）を有した平滑な面である図１や図２に示す形態であることが望ましい。

図１に示す工具１を形成する大径部３は、小径部２と連続的に形成されていて、工具１の回転軸側の近傍に位置する部位である。工具１を摩擦撹拌接合装置に取り付ける場合には、図２に示す様に大径部１３の一端側（小径部１２の反対側）にネジや凹凸（嵌め合い形状）を備えることで摩擦撹拌接合装置の回転軸（シャフト）など別部品に取り付ける締結部５０を設けることもできる。

大径部と小径部の境界部である、いわゆるショルダー部は、図１ないし図３に図示されているような平坦な形状の他に、軸中心側または外周面側に傾斜した形状（テーパ状，すり鉢状）であっても構わない。また、図１や図３に示す大径部３，２３の一端側に締結部を設ける場合には、その外周面におねじ加工を施したり、中心部にネジ孔（めねじ）を設けることもできる。

次に、工具の材質等について説明する。本発明の工具の材質は、小径部および大径部共に同一の材質であり、工具としての適正を持たせるために次の成分等に限定された高速度工具鋼とする。具体的には、重量％で、炭素（Ｃ）：１．２０〜１．３５％、ケイ素（Ｓｉ）：０．５％以下、マンガン（Ｍｎ）：０．５％以下、クロム（Ｃｒ）：３．５〜４．５％、モリブデン（Ｍｏ）：４．５〜５．５％、タングステン（Ｗ）：５．５〜７．０％、バナジウム（Ｖ）：２．５〜３．５％、コバルト（Ｃｏ）：７．７〜８．８％、窒素（Ｎ）：６０ｐｐｍ以下、酸素（Ｏ）：２０ｐｐｍ以下、を含み、残余がＦｅおよび不可避不純物からなる高速度工具鋼であり、ＪＩＳ Ｇ４４０３に規定するＳＫＨ４０相当材とすることが好ましい。

また、鍛造方向もしくは圧延方向に対して垂直な任意の断面において組織中における最大炭化物（ＭＣ型炭化物）の等価円直径が４〜２０μｍの範囲にあると同時に、そのＭＣ炭化物が組織中に占める割合（面積率）は３〜１０％の範囲とする。ここで、「等価円直径」とは、測定した粒子（本願ではＭＣ型炭化物）断面の面積を円の面積として置き換えた場合の円の直径をいい、コンピュータによる画像解析ソフトなどで求めることができる。

高速度工具鋼中に含有する各成分を前述した組成範囲に規定することは、工具を高硬度（例えば、ロックウェル硬さＣスケールで６５ＨＲＣ以上）とするために有効である。また、ＭＣ型炭化物を前述した分布状態に規定することは、工具と被接合材の摩耗を低減しつつ、工具の欠損を抑制する点で有効である。

とりわけ、高速度工具鋼中に含有するガス成分である窒素（Ｎ）含有量を６０ｐｐｍ以下、酸素（Ｏ）含有量を２０ｐｐｍ以下に規定することは、組織中に形成される炭化物（ＭＣ型炭化物）の粗大化を抑制し、工具としての靭性を確保できる点で非常に有効である。これにより、後述する表面硬さの傾斜化と相まって、高い耐摩耗性を有しながら、欠損しがたい特性を付与できるので、異種金属材料同士の摩擦撹拌接合に適した工具を得ることができる。

なお、高速度工具鋼は溶製（鋳造）により作製し、その際に鋼材中のガス成分を低減させる方法としては、減圧雰囲気下で溶解や鋳造などを行なう真空鋳造法，一度鋳造した鋼材に対して再溶融（再溶解）を行なうＥＳＲ法などの方法を単一または組み合わせることで適用できる。また、同工具の最終的な形態は、上述の溶製（鋳造）時に金型を用いたプレス成形を行なうか、もしくはフライス工具による削り出し（切削加工）により仕上げることができる。

工具の先端部（小径部）は、実際に摩擦撹拌接合に供されるため高温かつ高圧の雰囲気に晒されるので大径部より高硬度であることが要求される。一方、大径部は前述したように摩擦撹拌接合装置と直接的または間接的に接続する部位でもある。そのために小径部と同様に高硬度であると、摩擦撹拌接合時において高い圧力（曲げ応力）を受けて、軸部分が欠損する可能性がある。特に、工具の小径部と大径部の間で硬さを大きく変化させた場合に工具の軸方向における硬さの変化点において、その傾向が顕著に現れる。

そのため、大径部は接合時に発生する曲げ応力に耐えうるだけの靭性を維持しておく必要がある。そこで、本発明の工具には、その硬さを小径部から大径部にかけて連続的に減少する、いわゆる硬さが傾斜的に変化する領域を設けた。本発明の工具の軸方向（長さ方向）において表面硬さが変化する一実施形態を図４に示す。

図２に示す大径部１３の一端側に締結部５０を設けた工具の場合、図４に示す様に小径部の軸方向の中央位置（図４中のＡ位置）における表面硬さは６５ＨＲＣ（ビッカース硬さ８３０Ｈｖ相当）である。工具の小径部は、摩擦撹拌接合時において被接合材中に没入される部位であり、摩擦撹拌接合装置から回転力と加圧力（押圧力）が同時に負荷されるので、工具の中で最も高硬度の部位となっている。

次に、工具のショルダー部（大径部と小径部の境界部）から大径部側に約１／４長さ分だけ移動した位置（図４中のＢ位置）の表面硬さは５９ＨＲＣ（ビッカース硬さ６７０Ｈｖ相当）であり、大径部の長さ方向の中央位置（図４中のＣ位置）における表面硬さは５４ＨＲＣ（ビッカース硬さ５８０Ｈｖ相当）である。

さらに、大径部の端部（締結部との境界部：図４中のＤ位置）における表面硬さは４８ＨＲＣ（ビッカース硬さ４８０Ｈｖ相当）である。なお、締結部（図４中のＥ位置）の表面硬さは４０ＨＲＣ（ビッカース硬さ３９０Ｈｖ相当）である。以上より、本発明の工具は軸方向において表面硬さが小径部から大径部にかけて連続的に減少しており、いわゆる硬さの傾斜領域を有する。

摩擦撹拌接合時には、工具が回転することで被接合材に加えて周囲の酸素や窒素も巻き込み、工具と被接合材の間に酸化物や窒化物も発生するので、工具の先端部に付着する凝着物は被接合材の硬さよりも一般的に高硬度である。また、その凝着物の硬さは被接合材が鉄基合金であれば、少なくともアルミニウム合金や銅合金などの軽金属の場合に比べて更に高硬度になる。

被接合材の少なくとも一方が鉄基合金である場合、摩擦撹拌接合により発生する凝着物の硬さは少なくともロックウェル硬さＣスケールで６２ＨＲＣ前後（ビッカース硬さで７５０Ｈｖ相当）であることから、本発明の小径部の硬さはその凝着物の硬さよりも高いロックウェル硬さＣスケールで６５ＨＲＣ以上とする。これに対して、大径部の硬さを小径部と同様に高硬度にすると摩擦撹拌接合装置との接続部で摩擦撹拌接合時に欠損する可能性がある。

そのため、工具自身が高速回転しながら平面上または曲面上を移動する際に発生する曲げ応力に耐え得るだけの柔軟性を保つ（靭性を確保する）ために大径部の硬さはロックウェル硬さＣスケールで６０ＨＲＣ以下とした。

なお、工具の先端部（小径部）は、繰り返し使用することを想定し、工具の寿命を延長する観点からもロックウェル硬さＣスケールで６７ＨＲＣ以上（ビッカース硬さで９００Ｈｖ相当）であることがより望ましい。

１，１１，２１ 摩擦撹拌接合工具
２，１２，２２ 小径部
３，１３，２３ 大径部
５０ 締結部

Claims (4)

1. 小径部と、前記小径部に連続して形成された大径部と、を備えている高速度工具鋼製の摩擦撹拌接合工具であり、前記小径部から前記大径部に向かうにしたがって硬さが連続的に減少していることを特徴とする摩擦撹拌接合工具。
2. 前記小径部の硬さはロックウェル硬さＣスケールで６５ＨＲＣ以上であり、かつ前記大径部の硬さはロックウェル硬さＣスケールで６０ＨＲＣ以下であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合工具。
3. 前記高速度工具鋼は、重量％で、炭素が１．２０〜１．３５％、ケイ素が０．５％以下、マンガンが０．５％以下、クロムが３．５〜４．５％、モリブデンが４．５〜５．５％、タングステンが５．５〜７．０％、バナジウムが２．５〜３．５％、コバルトが７．７〜８．８％、窒素が６０ｐｐｍ以下、酸素が２０ｐｐｍ以下、の範囲であり、残余が鉄および不可避不純物からなることを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合工具。
4. 前記高速度工具鋼の鍛造方向もしくは圧延方向に対して垂直な任意の断面において組織中におけるＭＣ型炭化物の等価円直径が４〜２０μｍの範囲にあり、かつ前記ＭＣ型炭化物が組織中に占める割合は３〜１０％の範囲であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合工具。

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