JP3926829B2 - Friction stir welding tool and joining method using the same - Google Patents
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Description
本発明は、高融点部材を摩擦攪拌接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）するための摩擦攪拌接合用工具と、それを用いた摩擦攪拌接合法とに関する。 The present invention includes a friction stir welding tool for friction stir welding of high melting member (Friction Stir Welding), relates to a friction stir welding method using the same.
金属の接合方法として、摩擦攪拌接合法の技術が開示されている（例えば特許文献１又は２を参照。）。摩擦攪拌接合法は、被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、摩擦熱を利用して被加工物を接合する接合法である。そして、摩擦攪拌接合法は、鉄、アルミニウム合金などの金属相互の溶接は勿論異種金属の溶接すら可能な溶接法である。
As a metal joining method, a technique of a friction stir welding method is disclosed (for example, refer to
摩擦攪拌接合法については、融点が比較的低いアルミニウム及びアルミニウム合金を対象とした接合が多く検討されており、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金を被加工物として摩擦攪拌接合法を適用した報告例は少ないが、高融点である白金を接合した技術の開示がある（例えば特許文献３を参照。）。 As for the friction stir welding method, many joints targeting aluminum and aluminum alloys having a relatively low melting point have been studied, and the friction stir welding method is applied to a metal or alloy having a high melting point of 1600 ° C. or higher as a workpiece. Although there are few reported examples, there is a disclosure of a technique in which platinum having a high melting point is joined (see, for example, Patent Document 3).
しかし、このような高融点を有する被加工物とする場合、摩擦攪拌接合用工具と被加工物との摩擦による発熱は、例えばアルミニウム及びアルミニウム合金等の比較的融点が低い被加工物を対象とした場合と比較して、さらに高温まで上げる必要がある。したがって、摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を接合し、長寿命であるために、摩擦によって高温に発熱させてもそれに耐える化学的安定性、耐熱強度、耐摩耗性及び耐熱衝撃性が要求される。 However, in the case of a workpiece having such a high melting point, the heat generated by friction between the friction stir welding tool and the workpiece is, for example, a workpiece having a relatively low melting point such as aluminum and an aluminum alloy. Compared to the case, it is necessary to raise the temperature further. Therefore, the friction stir welding tool joins workpieces with a high melting point and has a long life, so even if it generates heat to a high temperature due to friction, it can withstand chemical stability, heat resistance, wear resistance and heat shock. Sex is required.
そこで本発明の目的は、摩擦攪拌接合用工具について、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物を摩擦攪拌接合した場合においても、工具からの不純物の混入が少なく、摩耗が少なく、且つ、破壊されにくい工具を提供することであり、そしてこの工具を用いて安定して摩擦攪拌接合を実現することである。 Accordingly, an object of the present invention is to reduce friction of the tool from the tool and wear even when a workpiece made of a metal or alloy having a high melting point of 1600 ° C. or higher is friction stir welded. It is to provide a tool that is small and difficult to break, and to realize a friction stir welding stably with this tool.
また本発明のもう一つの目的は、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物のみならず、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼についても、同様に、摩擦攪拌接合を実現することである。 Another object of the present invention is not only a workpiece made of a metal or alloy having a high melting point of 1600 ° C. or higher, but also a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher, such as stainless steel or carbon content. Similarly, it is to realize friction stir welding with respect to 2% by mass or less of steel.
本発明者らは、摩擦攪拌接合用工具を形成する材料の組成を種々検討した結果、イリジウムを主成分とし、所定の元素を副成分として含有する組成をもつ合金によって摩擦攪拌接合用工具を形成すると、高融点を有する被加工物を安定して摩擦攪拌接合できることを見出し、本発明を完成させた。すなわち本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金を被加工物として摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合用工具であって、少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−レニウム合金で形成されており、レニウムの含有量が１．０〜２９．０原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする。 As a result of various studies on the composition of the material forming the friction stir welding tool, the present inventors have formed a friction stir welding tool from an alloy having a composition containing iridium as a main component and a predetermined element as a subcomponent. Then, it discovered that the workpiece which has a high melting point could be stably friction stir welded, and completed this invention. That is, the friction stir welding tool according to the present invention is a friction stir welding tool capable of performing friction stir welding using a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece, and at least applied to the workpiece. The portion to be contacted is formed of an iridium-rhenium alloy, the rhenium content is 1.0 to 29.0 atomic%, and the micro Vickers hardness is 200 Hv or more. And
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金を被加工物として摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合用工具であって、少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ルテニウム合金で形成されており、ルテニウムの含有量が１．０〜２４．０原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする。 The friction stir welding tool according to the present invention is a friction stir welding tool capable of performing friction stir welding using a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece, at least the workpiece. The portion to be contacted with the iridium-ruthenium alloy is made of an iridium-ruthenium alloy, the ruthenium content has a composition of 1.0 to 24.0 atomic%, and the micro Vickers hardness is 200 Hv or more. Features.
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金を被加工物として摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合用工具であって、少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−モリブデン合金で形成されており、モリブデンの含有量が１．０〜２１．０原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする。 The friction stir welding tool according to the present invention is a friction stir welding tool capable of performing friction stir welding using a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece, at least the workpiece. The portion to be contacted with the iridium-molybdenum alloy has a molybdenum content of 1.0 to 21.0 atomic% and a micro Vickers hardness of 200 Hv or more. Features.
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金を被加工物として摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合用工具であって、少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タングステン合金で形成されており、タングステンの含有量が１．０〜１７．０原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする。 The friction stir welding tool according to the present invention is a friction stir welding tool capable of performing friction stir welding using a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece, at least the workpiece. The portion to be brought into contact with is formed of an iridium-tungsten alloy, the tungsten content has a composition of 1.0 to 17.0 atomic%, and the micro Vickers hardness is 200 Hv or more. Features.
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金を被加工物として摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合用工具であって、少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ニオブ合金で形成されており、ニオブの含有量が１．０〜１０．５原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする。 The friction stir welding tool according to the present invention is a friction stir welding tool capable of performing friction stir welding using a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece, at least the workpiece. The portion to be contacted is made of an iridium-niobium alloy, the niobium content has a composition of 1.0 to 10.5 atomic%, and the micro Vickers hardness is 200 Hv or more. Features.
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金を被加工物として摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合用工具であって、少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タンタル合金で形成されており、タンタルの含有量が１．０〜１１．０原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする。 The friction stir welding tool according to the present invention is a friction stir welding tool capable of performing friction stir welding using a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece, at least the workpiece. The portion to be brought into contact with is formed of an iridium-tantalum alloy, the tantalum content has a composition of 1.0 to 11.0 atomic%, and the micro Vickers hardness is 200 Hv or more. Features.
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金を被加工物として摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合用工具であって、
少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ジルコニウム合金で形成されており、ジルコニウムの含有量が０．３〜３．５原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする。
The friction stir welding tool according to the present invention is a friction stir welding tool capable of performing friction stir welding using a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece,
At least a portion in contact with the workpiece is formed of an iridium-zirconium alloy, the zirconium content has a composition of 0.3 to 3.5 atomic%, and the micro Vickers hardness is 200 Hv or more. It has a hardness .
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金を被加工物として摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合用工具であって、少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ハフニウム合金で形成されており、ハフニウムの含有量が０．３〜３．０原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする。 The friction stir welding tool according to the present invention is a friction stir welding tool capable of performing friction stir welding using a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece, at least the workpiece. The portion to be brought into contact with is made of an iridium-hafnium alloy, the hafnium content has a composition of 0.3 to 3.0 atomic%, and the micro Vickers hardness is 200 Hv or more. Features.
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金を被加工物として摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合用工具であって、少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−チタン合金で形成されており、チタンの含有量が１．０〜９．９原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする。 The friction stir welding tool according to the present invention is a friction stir welding tool capable of performing friction stir welding using a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece, at least the workpiece. The portion to be contacted is made of an iridium-titanium alloy, the titanium content has a composition of 1.0 to 9.9 atomic%, and the micro Vickers hardness has a hardness of 200 Hv or more. Features.
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金を被加工物として摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合用工具であって、少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−バナジウム合金で形成されており、バナジウムの含有量が１．０〜１４．８５原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする。 The friction stir welding tool according to the present invention is a friction stir welding tool capable of performing friction stir welding using a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece, at least the workpiece. The portion to be contacted is made of an iridium-vanadium alloy, the vanadium content is 1.0 to 14.85 atomic%, and the micro Vickers hardness is 200 Hv or more. Features.
本発明に係る摩擦攪拌接合法は、被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、該結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、前記被加工物を接合する摩擦攪拌接合法において、前記被加工物は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、前記摩擦攪拌接合用工具として、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具を使用することを特徴とする。 In the friction stir welding method according to the present invention, the work pieces are brought into contact with each other or substantially in contact with each other to define an elongated joint region, and the friction stir welding tool inserted in the joint region is moved while rotating. In the friction stir welding method for joining the workpieces, the workpiece is made of a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher, and the friction stir welding tool according to the present invention is used as the friction stir welding tool. It is characterized by using a tool.
本発明に係る摩擦攪拌接合法では、前記１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金が、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼であることを含む。 In the friction stir welding method according to the present invention, the metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher includes stainless steel or steel having a carbon content of 2 mass% or less.
本発明に係る摩擦攪拌接合法では、前記摩擦攪拌接合用工具の押し当て面の裏面側に、イリジウムのバックプレート又はイリジウムを主成分とし、レニウム、ルテニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム又はハフニウム或いはこれらの２種以上を副成分として含有する組成を有するバックプレート又はイリジウム被膜若しくは前記組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがいながら、接合を行なうことが好ましい。被加工物の裏面側もかなりの高温まで上昇する。そこでそれに耐えうる化学的安定性、耐熱強度及び耐熱衝撃性を有する材料からなるバックプレート又は該組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがうことで、バックプレートの融着を防止し、またバックプレートからの不純物の混入を防止できる。 In the friction stir welding method according to the present invention, an iridium back plate or iridium as a main component on the back side of the pressing surface of the friction stir welding tool, rhenium, ruthenium, molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, zirconium or It is preferable to perform bonding while applying a back plate having a composition containing hafnium or two or more of these as accessory components, an iridium coating, or a back plate having a coating having the above composition. The back side of the workpiece also rises to a fairly high temperature. Therefore, it is possible to prevent the back plate from being fused by applying a back plate made of a material having chemical stability, heat resistance strength and thermal shock resistance, or a back plate coated with a film having the composition. Impurities can be prevented from entering.
本発明に係る摩擦攪拌接合法は、被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、該結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、前記被加工物を接合する摩擦攪拌接合法において、前記被加工物は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、かつ、前記摩擦攪拌接合用工具として、少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウムを主成分とし、レニウム、ルテニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、又はニッケルを副成分として含有する２元合金の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有する摩擦攪拌接合用工具を使用し、かつ、前記摩擦攪拌接合用工具の押し当て面の裏面側に、イリジウムのバックプレート又はイリジウムを主成分とし、レニウム、ルテニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム又はハフニウム或いはこれらの２種以上を副成分として含有する組成を有するバックプレート又はイリジウム被膜若しくは前記組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがいながら、接合を行なうことを特徴とする。 In the friction stir welding method according to the present invention, the work pieces are brought into contact with each other or substantially in contact with each other to define an elongated joint region, and the friction stir welding tool inserted in the joint region is moved while rotating. In the friction stir welding method for joining the workpieces, the workpiece is made of a metal or an alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher, and at least the workpieces as the friction stir welding tool. Binary alloy containing iridium as a main component and containing rhenium, ruthenium, molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, zirconium, hafnium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, or nickel as a minor component. And using a friction stir welding tool having a micro Vickers hardness of 200 Hv or more, On the back side of the pressing surface of the friction stir welding tool, iridium back plate or iridium as a main component, rhenium, ruthenium, molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, zirconium, hafnium, or two or more of these Bonding is performed while applying a back plate having a composition contained as an auxiliary component, an iridium coating, or a back plate having a coating having the above composition.
本発明は、摩擦攪拌接合用工具について、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物を摩擦攪拌接合した場合においても、工具からの不純物の混入を少なくし、摩耗を少なくし、且つ、破壊されることを低減できる。また、この工具を用いて安定した摩擦攪拌接合を実現することができる。 In the friction stir welding tool, even when a workpiece made of a metal or alloy having a high melting point of 1600 ° C. or higher is friction stir welded, contamination from the tool is reduced and wear is reduced. And it can reduce being destroyed. In addition, stable friction stir welding can be realized using this tool.
また本発明は、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物のみならず、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなる被加工物にも適用でき、例えば、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼についても、同様に、摩擦攪拌接合を実現できる。 The present invention can be applied not only to a workpiece made of a metal or alloy having a high melting point of 1600 ° C. or higher, but also to a workpiece made of a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher. Alternatively, friction stir welding can also be realized for steel having a carbon content of 2% by mass or less.
以下、本発明について詳細に説明するが本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。最初に図１を参照して摩擦攪拌接合法のプロセスとその装置について説明する。図１は摩擦攪拌接合法の機構の一形態を示す概念図である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail, but the present invention is not construed as being limited to these descriptions. First, the friction stir welding process and its apparatus will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a conceptual diagram showing an embodiment of the mechanism of the friction stir welding method.
摩擦攪拌接合法は、被加工物１Ａ，１Ｂを相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域２を規定する工程、摩擦攪拌接合用工具３を回転させながら結合領域２に挿入して摩擦攪拌接合用工具３と結合領域２との間で摩擦熱を発生させ、発熱させた結合領域中に可塑性領域を発生させて加工物同士を接合する工程を備えるものである。
In the friction stir welding method, the
ここで、摩擦攪拌接合用工具３は円柱形の肩状部５とその端面に形成されたペンシル部分４とを備える。なお、摩擦攪拌接合用工具３はモータ７によって回転する。摩擦攪拌接合用工具３と被加工物１Ａ，１Ｂとの摩擦が行なわれなければならないので、被加工物１Ａ，１Ｂは相互に当接されていなければならない。摩擦が行なわれることを条件に被加工物がほぼ当接していても良い。また、スポット接合ではなく連続した接合を行なうために結合領域２は細長でなければならず、結合領域２に大きな空間があると摩擦攪拌接合用工具３と被加工物１Ａ，１Ｂとの摩擦が行なわれない。さらに、摩擦攪拌接合用工具３は摩擦熱に耐えなければならず、且つ回転によるねじれの応力に耐え得る強度を有する必要がある。また、被加工物１Ａ，１Ｂの裏面側にはバックプレート６が配置される。
Here, the friction stir welding tool 3 includes a
次に摩擦攪拌接合法の原理について説明する。被加工物１Ａ，１Ｂを突合せ、摩擦攪拌接合用工具３を回転させ、ペンシル部分４をゆっくりと結合領域２である突合せラインに挿入する。このとき、ペンシル部分４が設けられている円柱形の肩状部５の端面と、被加工物１Ａ，１Ｂの表面が当接し合っている。このペンシル部分４の長さは溶接深さに必要なものとする。摩擦攪拌接合用工具３が回転して、結合領域２に接触すると摩擦が接触点の材料を急速に加熱させ、その結果、材料の機械的強度を低下させる。さらに力を加えると摩擦攪拌接合用工具３はその進行方向８に沿って材料をこね、押し出す。結合領域２では、摩擦攪拌接合用工具３の回転する肩状部５とペンシル部分４によって発生した摩擦熱が、肩状部５の端面部分とペンシル部分４の周りの金属に高温の可塑性領域を作る。被加工物１Ａ，１Ｂが摩擦攪拌接合用工具３の動きと反対方向に動くかその逆に動くと、塑性化した金属は摩擦攪拌接合用工具３の進行方向８の前端で潰れ、機械的攪拌と摩擦攪拌接合用工具３の形状と回転方向による鍛造作用によって後端へ移動する。この結果、摩擦攪拌接合用工具３の前面の接合部を加熱し、可塑性領域を作り出す。そして被加工物に存在する酸化膜を破壊し潰れた金属を攪拌しながら、摩擦攪拌接合用工具３の後端で可塑性領域は冷却されて固体状の溶着を形成するに至る。この現象はすべて被加工物の融点よりも低い温度で生じる。
Next, the principle of the friction stir welding method will be described. The
摩擦攪拌接合法では、亀裂発生がなくなり、溶着金属の蒸発による合金要素のロスが無く、合金成分をそのまま保持でき、さらに溶接器具の圧入、攪拌及び鍛造作用によって微細な粒状組織が溶着金属に形成されるというメリットがある。 In the friction stir welding method, cracks are eliminated, there is no loss of alloy elements due to evaporation of the weld metal, the alloy components can be held as they are, and a fine granular structure is formed in the weld metal by press-fitting, stirring and forging action of the welding tool. There is a merit that
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３は、１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金を被加工物として摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合用工具であり、少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウムを主成分とし、レニウム、ルテニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム又はハフニウム或いはこれらの２種以上を副成分として含有する組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有するというものである。 The friction stir welding tool 3 according to the present embodiment is a friction stir welding tool capable of performing friction stir welding using a metal or alloy having a high melting point of 1600 ° C. or higher as a workpiece, and at least the workpiece. The contact portion has a composition containing iridium as a main component, rhenium, ruthenium, molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, zirconium, hafnium, or two or more of these as subcomponents, and a micro Vickers hardness of 200 Hv. It has the above hardness.
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、接合目的の被加工物は、特に１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金である。もちろん１６００℃未満の融点を有する金属若しくは合金を接合する目的としても使用できる。１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金としては、数例を例示すれば、チタン、チタン基合金、白金、白金基合金である。なお、突合せる被加工物同士は異種組成のものであっても良い。さらに、強度強化のために酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム等の酸化物微粒子を分散させた酸化物分散強化型の金属若しくは合金も本実施形態における高融点を有する金属若しくは合金に含まれる。 In the friction stir welding tool according to the present embodiment, the workpieces to be joined are metals or alloys having a high melting point of 1600 ° C. or more. Of course, it can also be used for the purpose of joining metals or alloys having a melting point of less than 1600 ° C. Examples of the metal or alloy having a high melting point of 1600 ° C. or higher include titanium, titanium-based alloy, platinum, and platinum-based alloy. The workpieces to be abutted may have different compositions. Further, the oxide dispersion strengthening type metal or alloy in which oxide fine particles such as zirconium oxide, aluminum oxide, yttrium oxide, and hafnium oxide are dispersed for strength strengthening is also included in the metal or alloy having a high melting point in this embodiment. It is.
前記した１６００℃未満の融点を有する金属若しくは合金としては、例えば、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼である。これらの材料においても１３５０℃以上の高融点を有するため、摩擦攪拌接合を行なうことは従来困難であるとされていた材料である。ここでステンレス鋼は、１２％以上のクロムを含む鋼であり、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系のいずれも含まれる。さらに、フェライト／オーステナイト２相混合組織をもつ２相ステンレス鋼、ＰＨステンレス鋼も含まれる。本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３は、１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金を被加工物とするのみならず、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼を被加工物とすることもできる。 Examples of the metal or alloy having a melting point of less than 1600 ° C. are stainless steel and steel having a carbon content of 2% by mass or less. Since these materials also have a high melting point of 1350 ° C. or higher, it has been conventionally considered difficult to perform friction stir welding. Here, stainless steel is steel containing 12% or more of chromium, and includes any of martensite, ferrite, and austenite. Further, a duplex stainless steel and a PH stainless steel having a ferrite / austenite dual phase mixed structure are also included. The friction stir welding tool 3 according to this embodiment uses not only a metal or alloy having a high melting point of 1600 ° C. or higher as a workpiece but also a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher, such as stainless steel or Steel having a carbon content of 2% by mass or less can be used as a workpiece.
このとき、摩擦攪拌接合用工具３は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金を被加工物として摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合用工具であり、少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウムを主成分とし、レニウム、ルテニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト又はニッケル或いはこれらの２種以上を副成分として含有する組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有するというものである。 At this time, the friction stir welding tool 3 is a friction stir welding tool capable of performing friction stir welding using a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece, and is brought into contact with at least the workpiece. The portion is mainly composed of iridium and contains rhenium, ruthenium, molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, zirconium, hafnium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, or two or more of these as accessory components. It has a composition and has a micro Vickers hardness of 200 Hv or more.
被加工物に接触させる部分とは、図１を参照すれば、円柱形の肩状部５とその端面に形成されたペンシル部分４である。少なくとも当該部分が特に化学的安定性、耐熱強度、耐摩耗性及び耐熱衝撃性が要求される。図１では肩状部５を長く形成して直接モータ７を取り付けているが、例えば肩状部５の上端部分に他材質からなる軸部（不図示）を固定し、該軸部にモータ７を取り付けることとしても良い。軸部は、直接摩擦される部分ではないため、上記要求特性は被加工物に接触させる部分と比較して高度に要求されないためである。ただし、軸となることから耐ねじれ強度は要求される。なお、軸部は被加工物に接触させる部分とはならないが、肩状部５とペンシル部分４と同一材料で形成されていても良い。
With reference to FIG. 1, the portion to be brought into contact with the workpiece is a
被加工物に接触させる部分は、イリジウムを主成分とし、レニウム、ルテニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム又はハフニウム或いはこれらの２種以上を副成分として含有する組成を有する材料で形成される。１６００℃以上の高融点を有する被加工物を摩擦攪拌接合する際、摩擦攪拌接合用工具は、被加工物の結合領域に押し付けられた状態で回転させられるため、上記被加工物の融点に近い温度まで加熱された状態で、圧縮応力とねじれ応力が加えられる。 The portion to be contacted with the workpiece is formed of a material having iridium as a main component, rhenium, ruthenium, molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, zirconium, hafnium, or a composition containing two or more of these as subcomponents. . When a workpiece having a high melting point of 1600 ° C. or higher is friction stir welded, the friction stir welding tool is rotated in a state where it is pressed against the joining region of the workpiece, and thus is close to the melting point of the workpiece. Compressive stress and torsional stress are applied while heated to temperature.
したがって、イリジウムを主成分とし、レニウム、ルテニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム又はハフニウム或いはこれらの２種以上を副成分として含有する組成を有する材料で摩擦攪拌接合用工具を形成することで、化学的安定性が良好となり、熔解した状態の被加工物と接触しても反応することが抑制される。すなわち、被加工物側から見れば摩擦攪拌接合用工具からの不純物の混入が少なく、摩擦攪拌接合用工具から見れば被加工物の成分と反応しにくいので化学的安定性等の上記要求特性の低下が抑制される。 Therefore, by forming a friction stir welding tool from a material having a composition containing iridium as a main component, rhenium, ruthenium, molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, zirconium, hafnium or two or more of these as subcomponents. The chemical stability is improved, and the reaction is suppressed even when contacted with the melted workpiece. That is, when viewed from the workpiece side, there is little contamination from the friction stir welding tool, and when viewed from the friction stir welding tool, it hardly reacts with the components of the workpiece, so that the above required characteristics such as chemical stability are satisfied. Reduction is suppressed.
また、これらの材料で摩擦攪拌接合用工具を形成することで高温強度が得られ、作業中に圧縮応力とねじれ応力が加えられてもそれに耐えうる。また、耐熱衝撃性も良好となるため、作業を行なうたびに昇温降温が繰り返されてもそれを原因として破壊されることは少ない。 Further, by forming a friction stir welding tool with these materials, high temperature strength can be obtained, and even if compressive stress and torsional stress are applied during work, it can withstand it. Also, since the thermal shock resistance is good, even if the temperature rise and fall are repeated each time work is performed, it is rarely destroyed due to that.
さらに被加工物に接触させる部分は、耐摩耗性が要求されるため、上記組成の材料で形成されるもののうち、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有する材料で形成する必要がある。本実施形態の摩擦攪拌接合用工具の硬度は、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）によって評価した。マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ未満の材質で工具を形成すると、被加工物との摩擦によって早期に摩耗してしまうため寿命が短い。 Further, since the portion to be contacted with the workpiece is required to have wear resistance, it is necessary to form the portion having a micro Vickers hardness of 200 Hv or more among those formed of the material having the above composition. The hardness of the friction stir welding tool of this embodiment was evaluated by a micro Vickers hardness test (JIS-Z2244). When a tool is formed of a material having a micro Vickers hardness of less than 200 Hv, the tool wears out early due to friction with the work piece, resulting in a short life.
本実施形態の摩擦攪拌接合用工具の硬度は、摩耗を防ぐために２５０Ｈｖ以上が好ましく、３００Ｈｖ以上がさらに好ましい。 The hardness of the friction stir welding tool of this embodiment is preferably 250 Hv or more, and more preferably 300 Hv or more in order to prevent wear.
なお、マイクロビッカース硬度の測定温度は、１６００℃で熱処理後にマイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）によって測定されたものである。 In addition, the measurement temperature of micro Vickers hardness is measured by the micro Vickers hardness test (JIS-Z2244) after heat processing at 1600 degreeC.
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム２元合金で形成する場合には、レニウムの含有量を１．０〜３６．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは４．５〜２９．０原子％であり、さらに好ましくは５．０〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３６．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。 Here, when the portion to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-rhenium binary alloy, the rhenium content is preferably 1.0 to 36.0 atomic%, more preferably 4.5 to 29.0 atomic%, and more preferably 5.0 to 15.0 atomic%. If the content is less than 1.0 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 36.0 atomic%, the uniformity of the material may be inferior.
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−ルテニウム２元合金で形成する場合には、ルテニウムの含有量を１．０〜４５．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは６．０〜２９．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４５．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。 Here, when the part to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-ruthenium binary alloy, the ruthenium content is preferably 1.0 to 45.0 atomic%, more preferably 6.0 to 6.0%. 29.0 atomic%. If the content is less than 1.0 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 45.0 atomic%, the uniformity of the material may be inferior.
被加工物に接触させる部分をイリジウム−モリブデン２元合金で形成する場合には、モリブデンの含有量を１．０〜２３．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは３．０〜１９．０原子％、さらに好ましくは５．０〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が２３．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。 When the portion to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-molybdenum binary alloy, the molybdenum content is preferably 1.0 to 23.0 atomic%, more preferably 3.0 to 19. It is 0 atomic%, More preferably, it is 5.0-15.0 atomic%. If the content is less than 1.0 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 23.0 atomic%, the uniformity of the material may be inferior.
被加工物に接触させる部分をイリジウム−タングステン２元合金で形成する場合には、タングステンの含有量を１．０〜１９．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．５〜１５．０原子％、さらに好ましくは５．０〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１９．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。 When the portion to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-tungsten binary alloy, the tungsten content is preferably 1.0 to 19.0 atomic%, more preferably 2.5 to 15. It is 0 atomic%, More preferably, it is 5.0-15.0 atomic%. If the content is less than 1.0 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 19.0 atomic%, the uniformity of the material may be inferior.
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ニオブ２元合金で形成する場合には、ニオブの含有量を１．０〜１６．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．０〜１３．０原子％、さらに好ましくは２．０〜８．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１６．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。 When the portion to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-niobium binary alloy, the niobium content is preferably 1.0 to 16.0 atomic%, more preferably 2.0 to 13. It is 0 atomic%, More preferably, it is 2.0-8.0 atomic%. If the content is less than 1.0 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 16.0 atomic%, the uniformity of the material may be inferior.
被加工物に接触させる部分をイリジウム−タンタル２元合金で形成する場合には、タンタルの含有量を１．０〜１６．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．０〜１３．０原子％、さらに好ましくは２．０〜８．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１６．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。 When the portion to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-tantalum binary alloy, the tantalum content is preferably 1.0 to 16.0 atomic%, and more preferably 2.0 to 13. It is 0 atomic%, More preferably, it is 2.0-8.0 atomic%. If the content is less than 1.0 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 16.0 atomic%, the uniformity of the material may be inferior.
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ジルコニウム２元合金で形成する場合には、ジルコニウムの含有量を０．３〜５．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは０．５〜２．０原子％とする。含有量を０．３原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が５．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。 When the portion to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-zirconium binary alloy, the zirconium content is preferably 0.3 to 5.0 atomic%, more preferably 0.5 to 2. 0 atomic%. If the content is less than 0.3 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 5.0 atomic%, the uniformity of the material may be inferior.
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ハフニウム２元合金で形成する場合には、ハフニウムの含有量を０．３〜１２．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは０．５〜２．０原子％とする。含有量を０．３原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１２．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。 When the portion to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-hafnium binary alloy, the hafnium content is preferably 0.3 to 12.0 atomic%, more preferably 0.5 to 2. 0 atomic%. If the content is less than 0.3 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 12.0 atomic%, the uniformity of the material may be inferior.
なお、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、被加工物に接触させる部分を、副成分が１成分である２成分系合金のみならず、副成分が２成分以上である３成分系以上の合金としても良い。例えば、イリジウム−レニウム−ジルコニウム合金、イリジウム−レニウム−ハフニウム合金、イリジウム−レニウム−モリブテン合金が有る。 In the friction stir welding tool according to the present embodiment, not only a two-component alloy whose subcomponent is one component but also a three-component system or more whose subcomponent is two or more components is brought into contact with the workpiece. It is good also as an alloy. For example, there are iridium-rhenium-zirconium alloys, iridium-rhenium-hafnium alloys, and iridium-rhenium-molybten alloys.
例えば、被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム−ジルコニウム合金で形成する場合には、イリジウムの含有量が９８．９〜５９．０原子％、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％、ジルコニウムの含有量が０．１〜５．０原子％とすることが好ましい。より好ましくは、イリジウムの含有量が９５．９〜８０．０原子％、レニウムの含有量が３．６〜１８．０原子％、ジルコニウムの含有量が０．５〜２．０原子％とする。イリジウムを主成分とし、レニウムを添加することで材料強度及び材料硬度の向上を図り、さらにジルコニウムを添加することによる材料強度及び材料硬度の向上と結晶粒微細化を図る。レニウムの含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３６．０原子％を超えると、高温での酸化揮発減耗量が増加する。ジルコニウムの含有量を０．１原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が５．０原子％を超えると、融点の低下や材料の均一性が劣る場合がある。 For example, when the portion to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-rhenium-zirconium alloy, the iridium content is 98.9 to 59.0 atomic%, and the rhenium content is 1.0 to 36.0. The atomic% and the zirconium content are preferably 0.1 to 5.0 atomic%. More preferably, the iridium content is 95.9 to 80.0 atomic%, the rhenium content is 3.6 to 18.0 atomic%, and the zirconium content is 0.5 to 2.0 atomic%. . The material strength and material hardness are improved by adding iridium as a main component and rhenium is added, and the material strength and material hardness are improved and crystal grains are refined by adding zirconium. If the rhenium content is less than 1.0 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 36.0 atomic%, the amount of volatile oxidation loss at high temperatures increases. . If the zirconium content is less than 0.1 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 5.0 atomic%, the melting point decreases and the material uniformity is poor. There is a case.
例えば、前記被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム−ハフニウム合金で形成する場合には、イリジウムの含有量が９８．９〜５９．０原子％、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％、ハフニウムの含有量が０．１〜５．０原子％とすることが好ましい。より好ましくは、イリジウムの含有量が９５．９〜８０．０原子％、レニウムの含有量が３．６〜１８．０原子％、ハフニウムの含有量が０．５〜２．０原子％とする。イリジウムを主成分とし、レニウムを添加することで材料強度及び材料硬度の向上を図り、さらにハフニウムを添加することによる材料強度及び材料硬度の向上と結晶粒微細化を図る。レニウムの含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３６．０原子％を超えると、高温での酸化揮発減耗量が増加する。ハフニウムの含有量を０．１原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が５．０原子％を超えると、融点の低下や材料の均一性が劣る場合がある。 For example, when the portion to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-rhenium-hafnium alloy, the iridium content is 98.9 to 59.0 atomic%, and the rhenium content is 1.0 to 36. It is preferable that the content of 0 atomic% and hafnium be 0.1 to 5.0 atomic%. More preferably, the iridium content is 95.9 to 80.0 atomic percent, the rhenium content is 3.6 to 18.0 atomic percent, and the hafnium content is 0.5 to 2.0 atomic percent. . The material strength and material hardness are improved by adding iridium as a main component and rhenium is added, and the material strength and material hardness and crystal grain refinement are further improved by adding hafnium. If the rhenium content is less than 1.0 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 36.0 atomic%, the amount of volatile oxidation loss at high temperatures increases. . If the hafnium content is less than 0.1 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 5.0 atomic%, the melting point decreases and the material uniformity is poor. There is a case.
また、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼を被加工物として摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合用工具であって、少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウムを主成分とし、レニウム、ルテニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、又はニッケル或いはこれらの２種以上を副成分として含有する組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有するものも含まれる。 Further, the friction stir welding tool according to the present embodiment is a friction stir welding using a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher, for example, stainless steel or steel having a carbon content of 2 mass% or less as a work piece. A tool for friction stir welding, wherein at least the part to be in contact with the workpiece is mainly composed of iridium, rhenium, ruthenium, molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, zirconium, hafnium, titanium, vanadium, chromium, It has a composition containing manganese, iron, cobalt, nickel, or two or more of these as accessory components, and has a micro Vickers hardness of 200 Hv or more.
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム２元合金、イリジウム−ルテニウム２元合金、イリジウム−モリブデン２元合金、イリジウム−タングステン２元合金、イリジウム−ニオブ２元合金、イリジウム−タンタル２元合金、イリジウム−ジルコニウム２元合金、イリジウム−ハフニウム２元合金で形成する場合には、これらの組成は前記各２元系合金の組成と同様とする。 Here, the part to be contacted with the work piece is iridium-rhenium binary alloy, iridium-ruthenium binary alloy, iridium-molybdenum binary alloy, iridium-tungsten binary alloy, iridium-niobium binary alloy, iridium-tantalum binary. In the case of forming an alloy, an iridium-zirconium binary alloy, or an iridium-hafnium binary alloy, these compositions are the same as the compositions of the respective binary alloys.
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−チタン２元合金で形成する場合には、チタンの含有量を１．０〜１１．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは１．５〜９．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１１．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。 Here, when the portion to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-titanium binary alloy, the titanium content is preferably 1.0 to 11.0 atomic%, more preferably 1.5 to 9.0 atomic%. If the content is less than 1.0 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 11.0 atomic%, the uniformity of the material may be inferior.
被加工物に接触させる部分をイリジウム−バナジウム２元合金で形成する場合には、バナジウムの含有量を１．０〜１９．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．５〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１９．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。 When the portion to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-vanadium binary alloy, the vanadium content is preferably 1.0 to 19.0 atomic%, more preferably 2.5 to 15. 0 atomic%. If the content is less than 1.0 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 19.0 atomic%, the uniformity of the material may be inferior.
被加工物に接触させる部分をイリジウム−クロム２元合金で形成する場合には、クロムの含有量を１．０〜２７．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは３．５〜２２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が２７．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。 When the portion to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-chromium binary alloy, the chromium content is preferably 1.0 to 27.0 atomic%, more preferably 3.5 to 22.2. 0 atomic%. If the content is less than 1.0 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 27.0 atomic%, the uniformity of the material may be inferior.
被加工物に接触させる部分をイリジウム−マンガン２元合金で形成する場合には、マンガンの含有量を１．０〜４０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは５．０〜３２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。 When the portion to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-manganese binary alloy, the manganese content is preferably 1.0 to 40.0 atomic%, more preferably 5.0 to 32. 0 atomic%. If the content is less than 1.0 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 40.0 atomic%, the uniformity of the material may be inferior.
被加工物に接触させる部分をイリジウム−鉄２元合金で形成する場合には、鉄の含有量を１．０〜４０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは５．０〜３２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。 When the portion to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-iron binary alloy, the iron content is preferably 1.0 to 40.0 atomic%, more preferably 5.0 to 32. 0 atomic%. If the content is less than 1.0 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 40.0 atomic%, the uniformity of the material may be inferior.
被加工物に接触させる部分をイリジウム−コバルト２元合金で形成する場合には、コバルトの含有量を１．０〜３０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは３．９〜２４．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。 When the part to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-cobalt binary alloy, the cobalt content is preferably 1.0 to 30.0 atomic%, more preferably 3.9 to 24.%. 0 atomic%. If the content is less than 1.0 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 30.0 atomic%, the uniformity of the material may be inferior.
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ニッケル２元合金で形成する場合には、ニッケルの含有量を１．０〜４０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは５．０〜３２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。 When the portion to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-nickel binary alloy, the nickel content is preferably set to 1.0 to 40.0 atomic%, more preferably 5.0 to 32. 0 atomic%. If the content is less than 1.0 atomic%, the wear resistance may be insufficient. On the other hand, if the content exceeds 40.0 atomic%, the uniformity of the material may be inferior.
なお、副成分が２成分以上である３成分系以上の合金としても良い。例えば、イリジウム−チタン−バナジウム合金、イリジウム−チタン−クロム合金、イリジウム−チタン−マンガン合金、イリジウム−バナジウム−クロム合金、イリジウム−バナジウム−マンガン合金、イリジウム−クロム−マンガン合金等が有る。 It is also possible to use a ternary or higher alloy with two or more subcomponents. Examples include iridium-titanium-vanadium alloy, iridium-titanium-chromium alloy, iridium-titanium-manganese alloy, iridium-vanadium-chromium alloy, iridium-vanadium-manganese alloy, iridium-chromium-manganese alloy.
また本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記組成を満たした工具を製造する際に、溶解法によって得た固溶体で工具を形成することが好ましい。また、焼結法によって得た焼結体で工具を形成することとしても良い。 In the friction stir welding tool according to the present embodiment, it is preferable to form the tool with a solid solution obtained by a melting method when manufacturing a tool satisfying the above composition. Moreover, it is good also as forming a tool with the sintered compact obtained by the sintering method.
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、主成分であるイリジウムに対する副成分の組み合わせを複数例示しているが、副成分の選択は、被加工物に応じて使い分けても良い。 In the friction stir welding tool according to the present embodiment, a plurality of combinations of subcomponents with respect to iridium, which is the main component, are exemplified, but selection of subcomponents may be used depending on the workpiece.
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、工具の形状には限定されない。工具の形状は、摩擦係数や攪拌効率を考慮して被加工物に応じて適宜選択する。 In the friction stir welding tool according to the present embodiment, the shape of the tool is not limited. The shape of the tool is appropriately selected according to the work piece in consideration of the friction coefficient and the stirring efficiency.
本実施形態に係る摩擦攪拌接合法では、１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなる被加工物を、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具を使用して接合を図るものである。 In the friction stir welding method according to this embodiment, workpieces made of a metal or alloy having a high melting point of 1600 ° C. or higher are joined using the friction stir welding tool according to this embodiment.
もちろん、本実施形態に係る摩擦攪拌接合法では、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼からなる被加工物を、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具を使用して接合を図る場合も含まれる。 Of course, in the friction stir welding method according to this embodiment, a work piece made of a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher, such as stainless steel or steel having a carbon content of 2 mass% or less, is used in this embodiment. The case where it joins using the tool for such friction stir welding is also included.
さらに摩擦攪拌接合用工具の押し当て面の裏面側に、イリジウムのバックプレート又はイリジウムを主成分とし、レニウム、ルテニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム又はハフニウム或いはこれらの２種以上を副成分として含有する組成を有するバックプレート（図１中、符号６）又はイリジウム被膜若しくは前記組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがいながら、接合を行なうことが好ましい。摩擦攪拌接合用工具を押し当てる面の裏面側も高温まで昇温するため、ステンレス等のバックプレートをあてがうと、バックプレートと被加工物が接合する場合や、バックプレートの成分が接合部に溶出する場合がある。摩擦攪拌接合用工具のみならず、バックプレートについてもイリジウムのバックプレート又はイリジウムを主成分とし、レニウム等を副成分として含有する上記組成で形成することで、被加工物と接合せず、接合部への不純物の混入の低減や、接合部への不純物の溶出を低減できる。また、イリジウム被膜若しくは上記組成の被膜をバックプレートに施すこととしても良い。この場合、被膜を施す基材は、上記組成の材料で形成されていることが好ましいが、上記組成の材料で形成されていない場合も本実施形態に含まれる。被膜の厚さは例えば１０〜５００μｍとし、５０〜１００μｍとすることが好ましい。また、摩擦攪拌接合用工具の組成とバックプレート若しくはそれに施す被膜の組成とは同一の組成とすることが好ましいが、イリジウムのバックプレート又はイリジウムを主成分とし、レニウム、ルテニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム又はハフニウム或いはこれらの２種以上を副成分として含有する組成のバックプレート、或いはこれらを被膜化したバックプレートであることを満たす限り、異種組成を組み合わせても良い。
Furthermore, on the back side of the pressing surface of the friction stir welding tool, iridium back plate or iridium is the main component, rhenium, ruthenium, molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, zirconium or hafnium or two or more of these are subcomponents. It is preferable to perform bonding while applying a back plate (
本実施形態の摩擦攪拌接合法を行なうことで、高融点を有する被加工物であっても、不純物の混入が少ない摩擦攪拌接合部位を有する加工物を得ることができる。 By performing the friction stir welding method according to the present embodiment, even a workpiece having a high melting point can obtain a workpiece having a friction stir welding site with less impurities.
もちろん、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼からなり、摩擦攪拌接合部位を有する加工物も得ることができる。 Of course, a workpiece having a friction stir welding part made of a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher, such as stainless steel or steel having a carbon content of 2 mass% or less, can also be obtained.
溶解法により、表１に示した組成の合金を実施例１〜実施例２１として形成し、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）（（株）アカシ、ＨＶ−１１２）にもとづき、マイクロビッカース硬度を測定した。測定結果を図２に示した。比較例１はイリジウム金属とした。 An alloy having the composition shown in Table 1 was formed as an Example 1 to Example 21 by a melting method, and the micro Vickers hardness was determined based on the Micro Vickers Hardness Test (JIS-Z2244) (Akashi, HV-112). It was measured. The measurement results are shown in FIG. Comparative Example 1 was iridium metal.
さらに溶解法により、表２に示した組成の合金を実施例２２〜実施例２９として形成し、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）（（株）アカシ、ＨＶ−１１２）にもとづき、マイクロビッカース硬度を測定した。測定結果を図３に示した。比較例１はイリジウム金属とした。 Further, alloys of the compositions shown in Table 2 were formed by the melting method as Examples 22 to 29, and based on the micro Vickers hardness test (JIS-Z2244) (Akashi, HV-112), the micro Vickers hardness Was measured. The measurement results are shown in FIG. Comparative Example 1 was iridium metal.
図２及び図３を参照すると、イリジウムに対して、副成分としてレニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、ルテニウム、チタン又はバナジウムの各添加量を増加させると、マイクロビッカース硬度が増加する傾向が見られる。図２のグラフにおいて、マイクロビッカース硬度Ｈｖが２００以上となる副成分の添加量が耐摩耗性の観点から要求される。
Referring to FIGS. 2 and 3, with respect to iridium, increasing each additive amount of rhenium, molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, zirconium, hafnium, ruthenium, titanium or vanadium as an accessory component increases the micro Vickers hardness. The tendency to do is seen. In the graph of FIG. 2, the addition amount of the subcomponent which makes the micro
（実施例３０）
次にイリジウム９０．０原子％、レニウム１０．０原子％の組成を有する摩擦攪拌接合用工具を溶解法により作製し、実施例３０とした。図２のグラフからマイクロビッカース硬度Ｈｖは３００であると読み取れる。また比較のために、比較例１のイリジウム１００原子％の摩擦攪拌接合用工具を作製した。図２のグラフからマイクロビッカース硬度Ｈｖは１８０であると読み取れる。被加工物として、酸化物分散強化型白金合金（白金８２．１３原子％、酸化ジルコニウム０．２３原子％、ロジウム１７．６４原子％、厚さ１．５ｍｍ、フルヤ金属製）の板同士を突合せて、結合領域を形成し、該結合領域に実施例３０又は比較例１の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合を試みた。なお、当該酸化ジルコニウム分散強化型白金合金の融点はおよそ１８６０℃である。そして、接合は実施例３０、比較例１共に行なうことができた。また実施例３０、比較例１共に摩擦攪拌接合用工具の割れは見られなかった。
(Example 30)
Next, a friction stir welding tool having a composition of 90.0 atomic% iridium and 10.0 atomic% rhenium was prepared by a melting method, and Example 30 was obtained. From the graph of FIG. 2, it can be read that the micro Vickers hardness Hv is 300. For comparison, a friction stir welding tool of Comparative Example 1 having 100 atomic% iridium was prepared. From the graph of FIG. 2, it can be read that the micro Vickers hardness Hv is 180. Plates of oxide dispersion strengthened platinum alloys (platinum 82.13 atom%, zirconium oxide 0.23 atom%, rhodium 17.64 atom%, thickness 1.5 mm, made of Furuya Metal) as work pieces Then, a joining region was formed, and each friction stir welding tool of Example 30 or Comparative Example 1 was pressed against the joining region, and joining was attempted by the friction stir welding method. The melting point of the zirconium oxide dispersion strengthened platinum alloy is approximately 1860 ° C. And joining was able to be performed for both Example 30 and Comparative Example 1. Moreover, the crack of the tool for friction stir welding was not seen in Example 30 and Comparative Example 1.
接合距離を３００ｃｍとして、接合を５回行なった後、摩擦攪拌接合用工具の摩耗量を評価した。摩耗量は、減少した肉厚部分の厚さを測定した。実施例３０の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は０．２（ｍｍ）であるのに対して、比較例１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は変形が確認されたため正確性は欠けるが約１．５（ｍｍ）であった。したがって、実施例３０の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できると共に、工具の摩耗が少なかった。一方、比較例１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できたものの、工具の摩耗量が多く、劣化が早いといえる。実施例１〜実施例２９の各組成を有する摩擦攪拌接合用工具を同様に評価したところ、いずれも摩擦攪拌接合できると共に摩耗量は０．１〜０．３（ｍｍ）であった。また、摩擦攪拌接合用工具の割れはいずれも見られなかった。 After the joining was performed 5 times with a joining distance of 300 cm, the amount of wear of the friction stir welding tool was evaluated. For the amount of wear, the thickness of the reduced thickness portion was measured. While the wear amount of the friction stir welding tool of Example 30 is 0.2 (mm), the wear amount of the friction stir welding tool of Comparative Example 1 is not accurate because deformation is confirmed. 1.5 (mm). Therefore, the friction stir welding tool of Example 30 was able to friction stir weld a workpiece having a high melting point, and the tool was less worn. On the other hand, although the friction stir welding tool of Comparative Example 1 was able to friction stir weld a workpiece having a high melting point, it can be said that the wear amount of the tool is large and deterioration is rapid. When the friction stir welding tools having the compositions of Examples 1 to 29 were evaluated in the same manner, they could be friction stir welded and the wear amount was 0.1 to 0.3 (mm). Further, no cracks were found in the friction stir welding tool.
なお、実施例３０の摩擦攪拌接合は、イリジウム９０．０原子％、レニウム１０．０原子％の組成を有するバックプレートに被加工物を載せて行なったものである。このとき被加工物にバックプレートが接合することや、被加工物にバックプレートが融着することはなかった。そこで、接合部分の板厚方向について、摩擦攪拌接合用工具の押し当て表面、及び、バックプレート側の裏面について、電子線マイクロアナライザ（日本電子株式会社製）を用いてＥＰＭＡ分析を行なった。イリジウム又はレニウムが不純物として接合部分に混入していることや、イリジウム又はレニウムが不純物として接合部分に溶出しているとは認められなかった。 The friction stir welding in Example 30 was performed by placing a workpiece on a back plate having a composition of 90.0 atomic% iridium and 10.0 atomic% rhenium. At this time, the back plate was not joined to the workpiece, and the back plate was not fused to the workpiece. Then, about the plate | board thickness direction of a junction part, EPMA analysis was performed about the pressing surface of the tool for friction stir welding, and the back surface on the backplate side using the electron beam microanalyzer (made by JEOL Ltd.). It was not recognized that iridium or rhenium was mixed as an impurity in the bonded portion, and that iridium or rhenium was eluted as an impurity into the bonded portion.
次に比較試験のため、実施例３０の摩擦攪拌接合用工具を使用し、且つ、バックプレートとしてステンレス（ＳＵＳ−３０４）を用いて接合を行なった。このとき被加工物にバックプレートが接合することや、被加工物にバックプレートの融着が生じた。そして同様にＥＰＭＡ分析を行なった。その結果、鉄が不純物として接合部分に混入していることや、鉄が不純物として接合部分に溶出していることが認められた。そして、バックプレート側である被加工物裏面における鉄含有量は最大３％であり、摩擦攪拌接合用工具の押し当て側である被加工物表面における鉄含有量は最大３００ｐｐｍであった。したがって、バックプレートから接合部分に鉄が溶出し、摩擦攪拌される工程中に被加工物の表面側（押し当て面側）に鉄が拡散及び鉄が攪拌していくと考えられる。したがって、実施例３０の摩擦攪拌接合用工具の組成と同様の組成のバックプレートを用いることで、接合防止、融着防止及び接合部分への不純物の混入防止、溶出防止ができることが判明した。さらに実施例１〜２９の摩擦攪拌接合用工具の組成と同様の組成のバックプレートを用いても同様に接合防止、融着防止及び接合部分への不純物の混入防止、溶出防止ができることが判明した。 Next, for the comparative test, the friction stir welding tool of Example 30 was used, and stainless steel (SUS-304) was used as the back plate. At this time, the back plate was joined to the workpiece, and the back plate was fused to the workpiece. Similarly, EPMA analysis was performed. As a result, it was confirmed that iron was mixed into the bonded portion as an impurity and that iron was eluted into the bonded portion as an impurity. And the iron content in the back surface of the workpiece which is the back plate side was 3% at the maximum, and the iron content in the workpiece surface which was the pressing side of the friction stir welding tool was a maximum of 300 ppm. Therefore, it is considered that iron is eluted from the back plate to the joining portion, and the iron diffuses and stirs on the surface side (pressing surface side) of the workpiece during the friction stirring process. Therefore, it was found that by using a back plate having the same composition as that of the friction stir welding tool of Example 30, it is possible to prevent joining, prevent fusion, prevent impurities from being mixed into the joined portion, and prevent elution. Furthermore, it was found that even when a back plate having the same composition as that of the friction stir welding tool of Examples 1 to 29 was used, it was possible to prevent joining, prevention of fusion, mixing of impurities into the joining portion, and prevention of elution. .
表３に示した組成の合金を実施例３１と実施例３２及び比較例１として形成し、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）（（株）アカシ、ＨＶ−１１２）にもとづき、実施例３１、３２、及び、比較例１の再結晶温度に基づくマイクロビッカース硬度を測定した。測定結果を図４（再結晶温度調査）に示した。図４は、再結晶温度とマイクロビッカース硬度との関係を示す図である。 An alloy having the composition shown in Table 3 was formed as Example 31, Example 32, and Comparative Example 1, and based on the micro Vickers hardness test (JIS-Z2244) (Akashi Co., Ltd., HV-112), Example 31, 32 and the micro Vickers hardness based on the recrystallization temperature of Comparative Example 1 were measured. The measurement results are shown in FIG. 4 (recrystallization temperature survey). FIG. 4 is a graph showing the relationship between the recrystallization temperature and the micro Vickers hardness.
硬度及び耐摩耗性の観点から、ビッカーズ硬度２００Ｈｖ以上が要求され、図４から実施例３１、３２は、１３５０℃以上で熱処理されたものを室温で測定してもビッカーズ硬度３００Ｈｖ以上を維持することができるが、比較例１は、１３００℃付近で熱処理されたものを室温で測定すると、ビッカーズ硬度３００Ｈｖを下回る結果になった。硬度を得るためには、他元素及び含有量が必要であることが確認された。 From the viewpoints of hardness and wear resistance, Vickers hardness of 200 Hv or higher is required, and Examples 31 and 32 from FIG. 4 maintain Vickers hardness of 300 Hv or higher even when heat-treated at 1350 ° C. or higher at room temperature. However, in Comparative Example 1, when the heat treatment at around 1300 ° C. was measured at room temperature, the result was lower than the Vickers hardness of 300 Hv. In order to obtain hardness, it was confirmed that other elements and contents are necessary.
また、実施例３１、３２及び比較例１の摩耗量を測定した。被加工物として、酸化物分散強化型白金合金（白金８２．１３原子％、酸化ジルコニウム０．２３原子％、ロジウム１７．６４原子％、厚さ１．５ｍｍ、フルヤ金属製）の板同士をつき合わせて、境界領域を形成し、該境界領域に実施例３１又は３２の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合を試みた。なお、当該酸化ジルコニウム分散強化型白金合金の融点はおよそ１８６０℃である。測定結果を図５（摩耗量調査）に示した。図５は、ツール外周の回転距離と単位面積あたりの質量減との関係を示す図である。ツール外周の回転距離は、肩状部５の円周×回転数×接合時間（接合距離／送り速度）のように求めた。このときのツール外周の質量減は、接合前の重量−接合後の重量のように求めた。図５から３元合金で形成された実施例３１、３２は、３元合金以上で形成することにより、比較例１より摩耗に対する耐性を維持する効果が確認された。
Moreover, the abrasion loss of Examples 31 and 32 and Comparative Example 1 was measured. As workpieces, plates of oxide dispersion strengthened platinum alloy (platinum 82.13 atom%, zirconium oxide 0.23 atom%, rhodium 17.64 atom%, thickness 1.5 mm, made of Furuya Metal) are attached to each other. In addition, a boundary region was formed, and each friction stir welding tool of Example 31 or 32 was pressed against the boundary region, and joining was attempted by the friction stir welding method. The melting point of the zirconium oxide dispersion strengthened platinum alloy is approximately 1860 ° C. The measurement results are shown in FIG. 5 (wear amount investigation). FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the rotation distance of the tool outer periphery and the mass loss per unit area. The rotation distance of the outer periphery of the tool was obtained as follows: circumference of shoulder-
実施例３１と比較例１の摩擦攪拌接合用工具を用い、被加工物として、ステンレス（ＳＵＳ−３０４）の板同士をつき合わせて、境界領域を形成し、該境界領域に 実施例３１と比較例１の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合をとして試みた。なお、当該ＳＵＳ３０４の融点は１４００〜１４５０℃である。そして、接合は、実施例３１、比較例１共に行なうことができた。また、実施例３１、比較例１共に摩擦攪拌接合用工具の割れは見られなかった。 Using the friction stir welding tool of Example 31 and Comparative Example 1, as a workpiece, stainless steel (SUS-304) plates were put together to form a boundary region, and the boundary region was compared with Example 31. Each friction stir welding tool of Example 1 was pressed to try joining by the friction stir welding method. The melting point of SUS304 is 1400 to 1450 ° C. And joining was able to be performed for both Example 31 and Comparative Example 1. Moreover, the crack of the tool for friction stir welding was not seen in Example 31 and Comparative Example 1.
また、実施例３１の摩擦攪拌接合用工具を用い、被加工物として、酸化物分散強化型白金合金（白金８２．１３原子％、酸化ジルコニウム０．２３原子％、ロジウム１７．６４原子％、厚さ１．５ｍｍ、フルヤ金属製）の板同士をつき合わせて、境界領域を形成し、該境界領域に実施例３１の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合を試みた。なお、当該酸化物分散強化型白金合金の融点はおよそ１８６０℃である。そして、接合を行なうことができた。また摩擦攪拌接合用工具の割れは見られなかった。 Further, using the friction stir welding tool of Example 31, as a workpiece, an oxide dispersion strengthened platinum alloy (platinum 82.13 atomic%, zirconium oxide 0.23 atomic%, rhodium 17.64 atomic%, thickness (1.5 mm, made of Furuya Metal) plates were joined together to form a boundary region, and each friction stir welding tool of Example 31 was pressed against the boundary region, and a friction stir welding method was attempted. It was. The melting point of the oxide dispersion strengthened platinum alloy is approximately 1860 ° C. And joining was able to be performed. Moreover, the crack of the tool for friction stir welding was not seen.
ＳＵＳ３０４の接合距離を１００ｃｍとして、接合を１回行なった後、摩擦攪拌接合用工具の摩耗量を評価した。回転数と送り速度は一定とした。摩耗量は、接合前と接合後の摩擦攪拌接合用工具の重量の差を測定した。実施例３１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は０．３（ｇ）であるのに対して、比較例１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は約１．５（ｇ）であった。したがって、実施例３１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できると共に、工具の摩耗が少なかった。一方、比較例１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できたものの、工具の摩耗量が多く、劣化が早いといえる。実施例３２の各組成を有する摩擦攪拌接合用工具を同様に評価したところ、いずれも摩擦攪拌接合できると共に摩耗量は０．３（ｇ）であった。また、摩擦攪拌接合用工具の割れはいずれも見られなかった。 The amount of wear of the friction stir welding tool was evaluated after the joining was performed once with the joining distance of SUS304 being 100 cm. The rotation speed and feed rate were constant. For the amount of wear, the difference in the weight of the friction stir welding tool before and after joining was measured. The wear amount of the friction stir welding tool of Example 31 was 0.3 (g), whereas the wear amount of the friction stir welding tool of Comparative Example 1 was about 1.5 (g). Therefore, the friction stir welding tool of Example 31 was able to friction stir weld a workpiece having a high melting point, and the tool was less worn. On the other hand, although the friction stir welding tool of Comparative Example 1 was able to friction stir weld a workpiece having a high melting point, it can be said that the wear amount of the tool is large and deterioration is rapid. When the friction stir welding tool having each composition of Example 32 was evaluated in the same manner, all of them could be friction stir welded and the wear amount was 0.3 (g). Further, no cracks were found in the friction stir welding tool.
酸化物分散強化白金の接合距離を１００ｃｍとして、接合を１回行なった後、摩擦攪拌接合用工具の摩耗量を評価した。回転数と送り速度は一定とした。摩耗量は、接合前と接合後の摩擦攪拌接合用工具の重量の差を測定した。実施例３１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は０．６（ｇ）であるのに対して、比較例１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は３．０（ｇ）であった。したがって、実施例３１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できると共に、工具の摩耗が少なかった。実施例３２の各組成を有する摩擦攪拌接合用工具を同様に評価したところ、いずれも摩擦攪拌接合できると共に摩耗量は０．６３（ｇ）であった。また、摩擦攪拌接合用工具の割れはいずれも見られなかった。 The joining distance of the oxide dispersion strengthened platinum was set to 100 cm, and after joining once, the wear amount of the friction stir welding tool was evaluated. The rotation speed and feed rate were constant. For the amount of wear, the difference in the weight of the friction stir welding tool before and after joining was measured. The wear amount of the friction stir welding tool of Example 31 was 0.6 (g), whereas the wear amount of the friction stir welding tool of Comparative Example 1 was 3.0 (g). Therefore, the friction stir welding tool of Example 31 was able to friction stir weld a workpiece having a high melting point, and the tool was less worn. When the friction stir welding tool having each composition of Example 32 was evaluated in the same manner, both of them could be friction stir welded and the amount of wear was 0.63 (g). Further, no cracks were found in the friction stir welding tool.
また、実施例３１の８９原子％Ｉｒ−１０原子％Ｒｅ−１原子％Ｚｒの組成を有するバックプレートに被加工物を載せて行なった。このとき被加工物にバックプレートが接合することはなかった。そこで、接合部分の板厚方向について、摩擦攪拌接合用工具の押し当て表面、及び、バックプレート側の裏面について、電子線マイクロアナライザ（日本電子株式会社製）を用いてＥＰＭＡ分析を行なった。その結果、イリジウム、レニウム、ジルコニウムが不純物として接合部分に混入しているとは認められなかった。さらに、実施例３２の摩擦攪拌接合用工具の組成と同様の組成のバックプレートを用いても同様に接合防止及び接合部分への不純物の混入防止ができることが判明した。 Further, the work piece was placed on the back plate of Example 31 having a composition of 89 atomic% Ir-10 atomic% Re-1 atomic% Zr. At this time, the back plate was not bonded to the workpiece. Then, about the plate | board thickness direction of a junction part, EPMA analysis was performed about the pressing surface of the tool for friction stir welding, and the back surface on the backplate side using the electron beam microanalyzer (made by JEOL Ltd.). As a result, it was not recognized that iridium, rhenium, and zirconium were mixed as impurities in the joint portion. Furthermore, it has been found that even when a back plate having the same composition as that of the friction stir welding tool of Example 32 is used, it is possible to prevent joining and to prevent impurities from being mixed into the joining portion.
１Ａ，１Ｂ，被加工物
２，結合領域
３，摩擦攪拌接合用工具（プローブピン）
４，ペンシル部分
５，肩状部
６，バックプレート
７，モータ
８，進行方向
1A, 1B,
4,
Claims (14)
少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−レニウム合金で形成されており、レニウムの含有量が１．０〜２９．０原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。 A friction stir welding tool capable of friction stir welding a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece,
At least the portion to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-rhenium alloy, the rhenium content is 1.0 to 29.0 atomic%, and the micro Vickers hardness is 200 Hv or more. A friction stir welding tool characterized by having hardness .
少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ルテニウム合金で形成されており、ルテニウムの含有量が１．０〜２４．０原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。 A friction stir welding tool capable of friction stir welding a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece,
At least a portion in contact with the workpiece is formed of an iridium-ruthenium alloy, the ruthenium content is 1.0 to 24.0 atomic%, and the micro Vickers hardness is 200 Hv or more. A friction stir welding tool characterized by having hardness .
少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−モリブデン合金で形成されており、モリブデンの含有量が１．０〜２１．０原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。 A friction stir welding tool capable of friction stir welding a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece,
At least a portion in contact with the workpiece is formed of an iridium-molybdenum alloy, the molybdenum content is 1.0 to 21.0 atomic%, and the micro Vickers hardness is 200 Hv or more. A friction stir welding tool characterized by having hardness .
少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タングステン合金で形成されており、タングステンの含有量が１．０〜１７．０原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。 A friction stir welding tool capable of friction stir welding a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece,
At least a portion in contact with the workpiece is formed of an iridium-tungsten alloy, has a tungsten content of 1.0 to 17.0 atomic%, and has a micro Vickers hardness of 200 Hv or more. A friction stir welding tool characterized by having hardness .
少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ニオブ合金で形成されており、ニオブの含有量が１．０〜１０．５原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。 A friction stir welding tool capable of friction stir welding a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece,
At least the portion to be contacted with the workpiece is formed of an iridium-niobium alloy, the niobium content has a composition of 1.0 to 10.5 atomic%, and the micro Vickers hardness is 200 Hv or more. A friction stir welding tool characterized by having hardness .
少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タンタル合金で形成されており、タンタルの含有量が１．０〜１１．０原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。 A friction stir welding tool capable of friction stir welding a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece,
At least a portion in contact with the workpiece is formed of an iridium-tantalum alloy, the tantalum content has a composition of 1.0 to 11.0 atomic%, and the micro Vickers hardness is 200 Hv or more. A friction stir welding tool characterized by having hardness .
少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ジルコニウム合金で形成されており、ジルコニウムの含有量が０．３〜３．５原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。 A friction stir welding tool capable of friction stir welding a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece,
At least a portion in contact with the workpiece is formed of an iridium-zirconium alloy, the zirconium content has a composition of 0.3 to 3.5 atomic%, and the micro Vickers hardness is 200 Hv or more. A friction stir welding tool characterized by having hardness .
少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ハフニウム合金で形成されており、ハフニウムの含有量が０．３〜３．０原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。 A friction stir welding tool capable of friction stir welding a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece,
At least a portion in contact with the workpiece is formed of an iridium-hafnium alloy, the hafnium content is 0.3 to 3.0 atomic%, and the micro Vickers hardness is 200 Hv or more. A friction stir welding tool characterized by having hardness .
少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−チタン合金で形成されており、チタンの含有量が１．０〜９．９原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。 A friction stir welding tool capable of friction stir welding a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece,
At least the part to be in contact with the workpiece is formed of an iridium-titanium alloy, the titanium content has a composition of 1.0 to 9.9 atomic%, and the micro Vickers hardness is 200 Hv or more. A friction stir welding tool characterized by having hardness .
少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−バナジウム合金で形成されており、バナジウムの含有量が１．０〜１４．８５原子％の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。 A friction stir welding tool capable of friction stir welding a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher as a workpiece,
At least a portion in contact with the workpiece is formed of an iridium-vanadium alloy, the vanadium content is 1.0 to 14.85 atomic%, and the micro Vickers hardness is 200 Hv or more. A friction stir welding tool characterized by having hardness .
前記被加工物は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、前記摩擦攪拌接合用工具として、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０のいずれか一つに記載の摩擦攪拌接合用工具を使用することを特徴とする摩擦攪拌接合法。 Friction stir to join the workpieces by rotating or moving the friction stir welding tool inserted into the joining region by defining the elongated joining region by bringing the workpieces into contact with each other or substantially contacting each other In the joining method,
The workpiece is made of a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher, and the friction stir welding tool according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6 , 7, 8, 9 or 10. A friction stir welding method using the friction stir welding tool according to any one of the above.
前記被加工物は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、かつ、The workpiece is made of a metal or alloy having a high melting point of 1350 ° C. or higher, and
前記摩擦攪拌接合用工具として、少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウムを主成分とし、レニウム、ルテニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、又はニッケルを副成分として含有する２元合金の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有する摩擦攪拌接合用工具を使用し、かつ、As the friction stir welding tool, at least the part to be in contact with the workpiece is mainly composed of iridium, rhenium, ruthenium, molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, zirconium, hafnium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron. Using a friction stir welding tool having a composition of a binary alloy containing cobalt or nickel as a subcomponent, and having a micro Vickers hardness of 200 Hv or more, and
前記摩擦攪拌接合用工具の押し当て面の裏面側に、イリジウムのバックプレート又はイリジウムを主成分とし、レニウム、ルテニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム又はハフニウム或いはこれらの２種以上を副成分として含有する組成を有するバックプレート又はイリジウム被膜若しくは前記組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがいながら、接合を行なうことを特徴とする摩擦攪拌接合法。On the back side of the pressing surface of the friction stir welding tool, an iridium back plate or iridium as a main component, rhenium, ruthenium, molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, zirconium, hafnium or two or more of these as subcomponents A friction stir welding method comprising joining while applying a back plate having a composition contained therein, an iridium coating, or a back plate having a coating having the above composition.
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