JP2023039175A - 鋼材接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼材同士の接合強度を有効に向上させることができる鋼材接合体の製造方法を提供する。
【解決手段】複数の鋼材１０，２０が接合された鋼材接合体１の製造方法であって、接合する鋼材１０，２０の少なくともどちらか一方の接合面２０ａに炭素質物質４０を配置する配置工程と、前記炭素質物質４０を介して前記接合する鋼材１０，２０の接合面１０ａ，２０ａ同士を重ね合わせる重ね合わせ工程と、前記接合面１０ａ，２０ａ同士を重ね合わせた鋼材を１１５０℃以上１５００℃以下の最高到達温度で加熱する加熱工程と、を備え、前記炭素質物質４０は、前記最高到達温度で前記接合面１０ａ，２０ａに液相が生成するように配置する鋼材接合体１の製造方法を採用する。
【選択図】図３

Description

本発明は、鋼材接合体の製造方法に関する。

従来、熱間鋼材の接合を実際の工場で簡単にかつ能率的に行うことができ、しかも後続の圧延工程に支障のない程度に高い接合強度を得られる技術の開発を課題として、接合面に炭素質物質を塗布または散布して熱間鋼材を重ね合わせ又は突き合わせて、還元雰囲気下で加熱し圧接する鋼材の熱間接合方法が開示されている（特許文献１を参照）。

特開平６－７９７０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術で得られる鋼材接合体は、鋼材同士の接合強度が有効に向上したものとはいえなかった。そこで、本発明は、鋼材同士の接合強度を有効に向上させることができる鋼材接合体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る鋼材接合体の製造方法は、複数の鋼材同士が接合された鋼材接合体の製造方法であって、接合する鋼材同士の少なくともどちらか一方の接合面に炭素質物質を配置する配置工程と、前記炭素質物質を介して前記接合する鋼材の接合面同士を重ね合わせる重ね合わせ工程と、前記接合面同士を重ね合わせた鋼材を１１５０℃以上１５００℃以下の最高到達温度で加熱する加熱工程と、を備え、前記炭素質物質は、前記最高到達温度で前記接合面に液相が生成するように配置することを特徴とする。

本発明によれば、鋼材同士の接合強度を有効に向上させることができる鋼材接合体の製造方法を提供できる。

本発明の実施形態に係る鋼材接合体の製造方法を説明するための工程フロー図である。 本発明の具体的な第１の実施形態に係る鋼材接合体の製造方法を説明するための概念図である。 本発明の具体的な第２の実施形態に係る鋼材接合体の製造方法を説明するための概念図である。 本発明の効果を説明するための鉄－セメンタイト系の状態図である。 本発明の効果を説明するための概念図である。 実施例１で得られた鋼材接合体の外観写真である。 接合率の確認を行う際の観察位置及び接合率の算出方法を説明する図である。 実施例１及び実施例２で得られた鋼材接合体について金属組織の確認を行う箇所を説明する図及びこの箇所の金属組織写真である。 実施例３から実施例５で得られた鋼材接合体について金属組織の確認を行う箇所を説明する図及びこの箇所の金属組織写真である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る鋼材接合体の製造方法を説明するための工程フロー図である。
本実施形態に係る鋼材接合体の製造方法は、図１に示すように、複数の鋼材同士が接合された鋼材接合体の製造方法であって、接合する鋼材同士の少なくともどちらか一方の接合面に炭素質物質を配置する配置工程（図１に示すステップＳ１００）と、この炭素質物質を介して上述した接合する鋼材の接合面同士を重ね合わせる重ね合わせ工程（図１に示すステップＳ１１０）と、この接合面同士を重ね合わせた鋼材を１１５０℃以上１５００℃以下の最高到達温度で加熱する加熱工程（図１に示すステップＳ１２０）とを備える。
また、本実施形態に係る鋼材接合体の製造方法は、配置工程（ステップＳ１００）において、炭素質物質は、前記最高到達温度で前記接合面に液相が生成するように配置する。
本発明に係る鋼材接合体の製造方法は、前記工程フローを備えることで、鋼材同士の接合強度を有効に向上させることができる。
以下に、これら各工程について詳細に説明する。

図２は、本発明の具体的な第１の実施形態に係る鋼材接合体の製造方法を説明するための概念図である。図３は、本発明の具体的な第２の実施形態に係る鋼材接合体の製造方法を説明するための概念図である。図２に示す第１の実施形態と図３に示す第２の実施形態とでは、鋼材の接合面に配置する炭素質物質の形態のみが相違する。

＜配置工程（ステップＳ１００）について＞
第１及び第２の実施形態に係る鋼材接合体１の製造方法は、配置工程（ステップＳ１００）において、図２（ａ）及び図３（ａ）に示すように、接合する鋼材（１０，２０）同士の少なくともどちらか一方の接合面（１０ａ及び／又は２０ａ：図２（ａ）及び図３（ａ）では一方の接合面）に炭素質物質（３０又は４０）を配置する。また、この際、前記炭素質物質は、後述する加熱工程（ステップＳ１２０）での加熱時の最高到達温度で前記接合面（１０ａ及び２０ａ）に液相Ｌ（図４参照：後述）が生成するように配置する。

ここで、接合する鋼材（１０，２０）の材質は、任意の鋼材であって、互いに、一体化することが可能な金属であれば特に限定されない。例えば、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼等を用いることができる。
なお、本発明でいう中炭素鋼とは、炭素濃度が０．３０ｍａｓｓ％以上０．５０ｍａｓｓ％以下の鋼材を言う。ちなみに、低炭素鋼とは、炭素濃度が０．３０ｍａｓｓ％未満の鋼材を言い、高炭素鋼とは、炭素濃度が０．５０ｍａｓｓ％を超える鋼材を言う。また、低炭素鋼、中炭素鋼及び高炭素鋼を用いる場合、前記炭素以外の合金元素は、特に限定されないが、例えば、ＪＩＳ Ｇ ４０５１に規定されているような、概ね、Ｓｉ：１．５ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：１．０ｍａｓｓ％以下を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる組成とすることができる。

前記鋼材（１０，２０）の形状は、接合面（１０ａ，２０ａ）をそれぞれ有し、この接合面同士（１０ａと２０ａ）を重ね合わせて、互いに、一体化することが可能であれば、特に限定されない。例えば、円柱形状、角柱形状、ねじ形状、凹凸形状等を用いることができる。

また、炭素質物質（３０、４０）は、接合する鋼材（１０，２０）同士の少なくともどちらか一方の接合面（１０ａ及び／又は２０ａ）に配置でき、この接合面同士（１０ａと２０ａ）が一体化することができれば、材質、形状は、特に限定されない。例えば、図２に示す粉末状の炭素質物質（３０）や図３に示すシート状の炭素質物質（４０）を用いることができる。ここで、粉末状の炭素質物質（３０）を用いる場合は、接合面（１０ａ及び／又は２０ａ）に塗布することで配置することができる。シート状の炭素質物質（４０）を用いる場合には、接合面（１０ａ及び／又は２０ａ）に直接的に配置することができる。

＜重ね合わせ工程（ステップＳ１１０）について＞
第１及び第２の実施形態に係る鋼材接合体１の製造方法は、重ね合わせ工程（ステップＳ１１０）において、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように、「配置工程（ステップＳ１００）」で配置した炭素質物質（３０又は４０）を介して上述した接合する鋼材（１０，２０）の接合面同士（１０ａと２０ａ）を重ね合わせる。この重ね合わせ工程（ステップＳ１１０）では、鋼材（１０，２０）の接合面同士（１０ａと２０ａ）を重ね合わせる際に、接合面同士を固定するために荷重をかけることが好ましい。本実施形態の重ね合わせ工程では、このように、鋼材（１０，２０）の接合面同士（１０ａと２０ａ）を固定するために荷重をかけることで、鋼材同士（１０と２０）の接合力を高めることが可能である。

＜加熱工程（ステップＳ１２０）について＞
第１及び第２の実施形態に係る鋼材接合体１の製造方法は、加熱工程（ステップＳ１２０）において、図２（ｃ）及び図３（ｃ）に示すように、「重ね合わせ工程（ステップＳ１１０）」で接合面同士（１０ａと２０ａ）を重ね合わせた鋼材（１０，２０）を加熱する。ここで、鋼材（１０，２０）を加熱する最高到達温度は、接合面５０において液相Ｌが生成される範囲でおこなう（図４参照、後述）。
なお、上述したように、配置工程（ステップＳ１００）において、前記炭素質物質は、加熱工程（ステップＳ１２０）での加熱時の最高到達温度で接合面５０に液相Ｌが生成するように当該炭素質物質の質量が調整されて配置されている。
従って、このような炭素質物質が前記接合面に配置されているため、接合面５０の炭素濃度が高くなる。よって、接合面５０の引張強度及び曲げ強度が高くなるため、接合面５０、すなわち鋼材同士の接合強度を有効に高めることができる。

なお、前記炭素質物質の加熱時の最高到達温度で前記接合面５０に液相Ｌ（図４参照）が生成するように当該炭素質物質の質量を調整して配置するためには、例えば、製品になる鋼材接合体と形状及び炭素濃度が同じ素材である鋼材（１０，２０）を用いて接合面５０に配置する炭素質物質の質量を変化させて、それぞれを同じ最高到達温度で加熱接合試験を行い、後述する接合率を評価することで、液相Ｌが生成する適切な炭素質物質の質量を決定することができる。

前記炭素質物質は、前記最高到達温度で前記接合面全面に液相が生成するように配置することが好ましい。
炭素質物質を、前記接合面全面に液相が生成するように配置することで、接合面全面で接合することができる。従って、鋼材同士の接合強度を更に有効に向上させることができる。

加熱工程（ステップＳ１２０）における加熱手段は、本発明の効果を損なわない限り特に限定されず、従来公知の加熱コイル６０を用いた高周波誘導加熱（１００）や、高周波誘導加熱以外の加熱炉、レーザー加熱等を用いた様々な加熱方法を採用することができる。
また、加熱工程（ステップＳ１２０）における加熱中の雰囲気は特に限定されない。
前記雰囲気は、例えば、酸化性雰囲気（酸素、大気等）や非酸化雰囲気（窒素、アルゴン等）が含まれる。

本発明の加熱工程（ステップＳ１２０）は、高周波誘導加熱（１００）により行うことが好ましい。高周波誘導加熱（１００）は、所望の温度まで正確に急速加熱することができるため、上述した鋼材接合体（１）を製造することができる。

そして、本発明の加熱工程（ステップＳ１２０）において、鋼材（１０，２０）の接合面５０で生成された液相Ｌが消滅した段階で、鋼材同士（１０と２０）が接合することになる（図２（ｄ）及び図３（ｄ））。本発明の加熱工程（ステップＳ１２０）における当該加熱後の冷却手段は、特に限定されず、従来公知のガス冷却やポリマー等の冷却剤等による噴射冷却等を採用することができる。

以上に本発明が備える各工程について説明したが、次に、これら各工程を行い鋼材の接合力が高められるメカニズムの具体例を図面を用いて説明する。
図４は、本発明の効果を説明するための鉄－セメンタイト系の状態図である。図５は、本発明の効果を説明するための概念図であり、詳しくは、接合界面で起こる反応を示す概念図である。本実施形態に係る鋼材接合体１の製造方法としては、接合する鋼材同士の少なくともどちらか一方の接合面に、加熱時の最高到達温度で液相Ｌが生成するように質量を調整した当該炭素粉（炭素質物質）を配置し、この炭素質物質を介して接合する鋼材の接合面同士を重ね合わせた鋼材を所定の雰囲気下（例えば、大気雰囲気下）、所定の最高到達温度で加熱する（図３（ａ）を参照）。

図４より、鋼材と炭素質物質との接合界面において液相Ｌが生成する温度は１１５０℃以上１５００℃以下である。
具体的には、鋼材同士の接合面付近の最高到達温度が、例えば１２５０℃に達すると、鋼材と炭素質物質との界面において炭素濃度が３．５ｍａｓｓ％の液相Ｌが生成する（図４中□で示す部分を参照）。この液相Ｌは、炭素質物質が無くなるまで増加する（図５（ｂ）を参照）。

１２５０℃における「オーステナイト相γ」領域と「オーステナイト相γ＋液相Ｌ」領域との界面（図４中〇で示す部分を参照）の炭素濃度は１．６ｍａｓｓ％である。そのため、１２５０℃では、鋼材の殆どがオーステナイト相γ単相となる。ちなみに、炭素含有量が１．６ｍａｓｓ％を超える場合に関しては、オーステナイト相γと液相Ｌの二相が共存したものとなる。１２５０℃での炭素の拡散は極めて速く、この温度に保持すると、炭素は、鋼材の接合面から内部のオーステナイト相γ内に速い速度で拡散していく。その結果、この液相Ｌとオーステナイト相γ界面において、オーステナイト相γ側は炭素濃度を１．６ｍａｓｓ％に保とうとして液相Ｌ側から炭素を奪い取り、また、液相Ｌは炭素濃度を３．５ｍａｓｓ％に保とうとするため液相Ｌが減少する（図５（ｃ）を参照）。液相Ｌは、最終的に消滅して鋼材同士の接合が完了する（図５（ｄ）を参照）。

本発明の加熱工程（ステップＳ１２０）における本発明の効果を最高到達温度１２５０℃で説明したが、上述した本発明の効果は、図４における鉄－セメンタイト系の状態図や後述する実施例から、「オーステナイト相γ」領域と「オーステナイト相γ＋液相Ｌ」領域が形成される温度範囲（最高到達温度が１１５０℃以上１５００℃以下）で得られると考えられる。
以上のように、前記接合面に液相Ｌが生成するように炭素質物質の質量を調整して当該炭素質物質を配置し、前記接合面同士を重ね合わせた鋼材を１１５０℃以上１５００℃以下の最高到達温度で加熱することで上記接合を行うことができる。

前記最高到達温度は、１１５０℃以上１３００℃以下であることが好ましい。最高到達温度を１３００℃以下とすることで、鋼材を加熱するための加熱部材（コイル等）の冷却を効率的に行うことができると共に、鋼材接合体自体の熱による変形等も抑制することができる。なお、加熱工程（Ｓ１２０）における前記最高到達温度は、接合する鋼材の接合面５０から２ｍｍ以内の鋼材（素材）側の外周面に溶接した白金ロジウム熱電対により測定することができる。

次に、実施例及び比較例を通じて、本発明をより詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例により何ら限定されるものではない。

［実施例１］
実施例１では、接合面の直径φ１４．７×軸方向の長さＬ４７ｍｍの大きさの丸棒で、Ｓ４５Ｃ鋼材（中炭素鋼）を２つ用意した。そして、縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ１６μｍの大きさの炭素質物質（パナソニック株式会社製ＰＧＳグラファイトシート）を介してこれらＳ４５Ｃ鋼材の接合面同士を重ね合わせて加熱接合を行った。このグラファイトシートの質量（グラム）は、下記最高到達温度（１２５０℃）で鋼材の接合面に液相Ｌが生成する炭素濃度になるように調整されている。
また、下記最高到達温度は、Ｓ４５Ｃ鋼材の接合面となる位置から２ｍｍ以内の当該鋼材側の外周面に白金ロジウム熱電対を溶接して測定した。

ようするに、図１の工程フローに示す如く、配置工程（ステップＳ１００）、重ね合わせ工程（ステップＳ１１０）、加熱工程（ステップＳ１２０）を順に行った。この加熱工程では、大気雰囲気中で、周波数１０ｋＨｚの高周波誘導加熱によりこれらＳ４５Ｃ鋼材同士を２０秒で最高到達温度１２５０℃まで加熱し、この温度を２０秒間保持した後、室温まで空冷した。この大気雰囲気での加熱は、炭素質物質を介したＳ４５Ｃ鋼材の接合面同士を７．２ＭＰａの圧力（接合界面を固定するための荷重）で加圧しながら加熱接合を行った。実施例１では、これら工程を経て得られた鋼材接合体を試験体とした。

実施例１で得られた鋼材接合体の外観をカメラで観察した。図６には、実施例１で得られた鋼材接合体の外観写真を示す。また、実施例１では、得られた鋼材接合体について、接合率を確認した。ここで、接合率の確認は、得られた鋼材接合体の接合界面を、ノーエッチングの状態で光学顕微鏡で観察して行った。図７には、接合率の確認を行う際の観察位置及び接合率の算出方法を説明する図を示す。
図７（ａ）に示すように、接合率の確認を行うための観察位置は、図７（ａ）に示す如く鋼材接合体を中心軸αに平行なＬ断面で切断した状態のものであり、接合率は、図７（ｂ）に示すように、ｄを鋼材接合体の直径とし、Ｌｖをボイドの長さとした場合に、これらの値を用いて「（ｄ－ΣＬｖ）／ｄ×１００」で算出される値として求めた。以下に示す表１には、接合率を確認した結果を他の結果と併せて示す。

さらに、本実施例１では、得られた鋼材接合体について、接合界面部分における金属組織を確認した。ここで、金属組織の確認は、加熱接合された鋼材接合体を図７（ａ）に示すようなＬ断面で切断した表面の接合界面における所定箇所を、ノーエッチングの状態でカメラで観察した。図８には、金属組織の確認を行う箇所を説明する図及びこの箇所の金属組織写真を示す。なお、図８（ａ）に示す鋼材接合体は、図７（ａ）に示す如く鋼材接合体を接合界面で切断した状態のものであり、この接合界面の断面上のＡ、Ｂ、Ｃそれぞれの箇所において金属組織の確認を行った。図８（ｂ）には、これらＡ、Ｂ、Ｃそれぞれの箇所の金属組織写真を他の金属組織写真と併せて示す。

［実施例２］
実施例２では、得られた鋼材接合体について、実施例１と同様に「接合率」及び「接合界面部分における金属組織」の確認を行った。ここで、これらの確認を行うに際して、実施例１と同じ方法を採用した。そのため、これら方法に関する説明は省略する。

実施例２では、実施例１と同様に、図１の工程フローに示す如く、配置工程（ステップＳ１００）、重ね合わせ工程（ステップＳ１１０）、加熱工程（ステップＳ１２０）を順に行った。実施例２において、実施例１と異なる条件は、この加熱工程での加熱を窒素ガス雰囲気中で行った点である。この窒素ガス雰囲気での加熱は、窒素ガスの流量を１００Ｌ／ｍｉｎとし、炭素質物質を介したＳ４５Ｃ鋼材の接合面同士を７．２ＭＰａの圧力（接合界面を固定するための荷重）で加圧しながら加熱接合を行った。

以下に示す表１には、接合率を確認した結果を実施例１の結果と併せて示す。図８には、金属組織の確認を行う箇所を説明する図及びこの箇所の金属組織写真を実施例１の金属組織写真と併せて示す。

（結果及び評価）
図６より、実施例１で得られた鋼材接合体は、丸棒同士が接合されている様子が確認できる。また、表１より、鋼材接合体の接合率は、実施例１と実施例２とで有意な差は認められなかった。また、図８より、鋼材接合体の接合界面部分の金属組織についても、実施例１と実施例２とで有意な差がなく、共にパーライト相が形成されていることが確認された。

［実施例３から実施例５］
最高到達温度を１１５０℃（実施例３）、１２００℃（実施例４）、１３００℃（実施例５）と変化させて、その他は実施例２と同様な工程及び条件で、加熱接合を行った。これらの加熱接合で得られた鋼材接合体を各々の最高到達温度における試験体とした。得られた各々の鋼材接合体について、実施例１と同様である「接合率」及び「接合界面部分における金属組織」の確認を行った。ここで、これらの確認を行うに際して、実施例１と同じ方法を採用した。そのため、これら方法に関する説明は省略する。

以下に示す表２には、接合率を確認した実施例３から実施例５の結果を併せて示す。図９には、金属組織の確認を行う箇所を説明する図及びこの箇所の実施例３から実施例５の各々の金属組織写真と併せて示す。

（結果及び評価）
表２より、鋼材接合体の接合率に関しては、実施例３から実施例５で有意な差は認められなかった。更には、これら実施例３から実施例５と実施例１及び実施例２とで有意な差は認められなかった。また、図９より、鋼材接合体の接合界面部分の金属組織についても、実施例３から実施例５、更には、これら実施例３から実施例５と実施例１及び実施例２とで有意な差がなく、共にパーライト相が形成されていることが確認された。

［比較例１］
比較例１では、最高到達温度を１１００℃として、その他は実施例２と同様な工程フロー及び条件で、加熱接合を行った。その結果、実施例１から実施例５に示すような接合は確認されず、接合率は０％であった。

［比較例２］
実施例１のグラファイトシートを使用せず、その他は実施例２と同様な工程フロー及び条件で、加熱接合を行った。
その結果、実施例１から５に示すような接合は確認されず、接合率は０％であった。
以上の結果より、本発明に係る鋼材接合体の製造方法は、好ましくは、最高到達温度を１１５０℃以上１３００℃以下とすることで、鋼材同士の接合強度を有効に向上させることが分かる。

本発明に係る鋼材接合体の製造方法によれば、鋼材同士の接合強度を有効に向上させることができる。従って、本発明に係る鋼材接合体の製造方法は、鋼材接合体を備える様々な構造物の製造に好適に採用することができる。

１ 鋼材接合体
１０ 鋼材
１０ａ 接合面
２０ 鋼材
２０ａ 接合面
３０ 炭素質物質
４０ 炭素質物質
５０ 接合界面
１００ 高周波誘導加熱
γ オーステナイト相
Ｌ 液相
Ｓ１００ 配置工程
Ｓ１１０ 重ね合わせ工程
Ｓ１２０ 加熱工程

Claims (2)

1. 複数の鋼材同士が接合された鋼材接合体の製造方法であって、
   接合する鋼材同士の少なくともどちらか一方の接合面に炭素質物質を配置する配置工程と、
   前記炭素質物質を介して前記接合する鋼材の接合面同士を重ね合わせる重ね合わせ工程と、
   前記接合面同士を重ね合わせた鋼材を１１５０℃以上１５００℃以下の最高到達温度で加熱する加熱工程と、を備え、
   前記炭素質物質は、前記最高到達温度で前記接合面に液相が生成するように配置する鋼材接合体の製造方法。
2. 前記最高到達温度は、１１５０℃以上１３００℃以下である請求項１に記載の鋼材接合体の製造方法。

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