JP4456471B2 - 金属機械部品の液相拡散接合方法および金属機械部品 - Google Patents
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更に、これらの開示技術はFeと、例えばAl等の非鉄金属の異材接合についての継ぎ手の形成技術であって、鉄鋼材料同士、特に鉄基材料同士の接合については何らの記載もない。元より、鉄基材料同士は通常の溶接が適用でき、異材継ぎ手の接合には通常の溶接技術の適用が困難であることから、鉄基材料同士を接合する技術は上記特許文献には記載されていない。
また、摩擦圧接法は、非拡散型固相接合法の一種であり、接合面を突き合わせて加圧し、その接触面を機械的に相対運動させ、その摩擦熱を熱源とする接合法である。摩擦圧接法は、通電加熱を用いないため、抵抗溶接に比べて大きな電源を必要とせず、また、原理的に大面積の接合が可能である。
また、これらの接合法単独で継ぎ手強度を得るためには、接合面の溶融や塑性変形による接合面の密着が必要であるため、接合部近傍には変形が生じ、溶接部において微細な割れが発生したり、開先端部が未接合状態で残存することにより、継ぎ手性能、特に疲労強度の低下の原因となっていた。
この対策として、従来、例えば、材料設計の変更や溶接部形状の改善のための後処理を必要とし、継ぎ手設計の自由度の制約、コストの増大などの問題があった。
(1)金属材料の開先面に液相拡散接合用の非晶質合金箔を介在させ、一次接合として、高周波溶接法により前記非晶質合金箔と前記金属材料とを加熱圧接して継ぎ手部を形成し、前記一次接合により形成した継ぎ手部の断面組織における未等温凝固組織の加圧方向の厚みが、平均で10μm以下であり、次いで、二次接合として、前記継ぎ手部を前記非晶質合金箔の融点以上に再加熱した後、保持して前記継ぎ手部の凝固過程を完了させる液相拡散接合を行うことを特徴とする金属機械部品の液相拡散接合方法。
(2)金属材料の開先面に液相拡散接合用の非晶質合金箔を介在させ、一次接合として、非拡散型固相接合法により前記非晶質合金箔と前記金属材料とを加熱圧接して継ぎ手部を形成し、前記一次接合により形成した継ぎ手部の断面組織における未等温凝固組織の加圧方向の厚みが、平均で10μm以下であり、次いで、二次接合として、前記継ぎ手部を前記非晶質合金箔の融点以上に再加熱した後、保持して前記継ぎ手部の凝固過程を完了させる液相拡散接合を行うことを特徴とする金属機械部品の液相拡散接合方法。
(3)前記固相接合法は、摩擦圧接法、超音波接合法、および、爆発圧接法の何れかであることを特徴とする(2)に記載の金属機械部品の液相拡散接合方法。
(5)前記二次接合による再加熱した後の保持時間が30秒以上100秒以下であることを特徴とする(1)〜(4)の何れか1項に記載の金属機械部品の液相拡散接合方法。
(6)前記非晶質合金箔の組成が、NiまたはFeを基材とし、拡散原子としてB、P及びCのうちの1種または2種以上を各々0.1〜20.0原子%含有し、さらに、Vを0.1〜10.0原子%含有することを特徴とする(1)〜(5)の何れか1項に記載の金属機械部品の液相拡散接合方法。
(7)前記一次接合による前記非晶質合金箔と前記金属材料との加熱圧接の時間が100秒以下であることを特徴とする(1)〜(6)の何れか1項に記載の金属機械部品の液相拡散接合方法。
(9)前記一次接合により形成した継ぎ手部の継ぎ手効率が0.5〜1.0であることを特徴とする(1)〜(8)の何れか1項に記載の金属機械部品の液相拡散接合方法。
(10)前記継ぎ手部の凝固過程の完了後、0.1〜50℃/秒の冷却速度で冷却して継ぎ手組織を制御することを特徴とする(1)〜(9)の何れか1項に記載の金属機械部品の液相拡散接合方法。
(11)(1)〜(10)の何れか1項に記載の液相拡散接合方法によって製造された金属機械部品であって、金属材料と液相拡散接合で形成された継ぎ手部からなる金属機械部品であり、該金属機械部品の接合ままの金属組織における旧オーステナイト結晶の最大粒径は500μm以下であることを特徴とする金属機械部品。
高周波溶接法は、例えば、金属材料の突き合わせシーム溶接あるいは電縫溶接に用いられ、接触子あるいは誘導子などの給電子により、金属材料に高周波電流を流し、高周波の表皮効果と近接効果により、突き合わせ面が大面積であっても極めて効率的にを加熱、圧接できる溶接法である。このため、高周波溶接法は、通常の抵抗溶接法に比べて、加熱効率が高いため溶接機も小型化が可能で、連続的に溶接できるため原理的に接合面積の制限はなく、例えば鋼管を長手方向へ接合する場合など、開先面が細長い時に特に有効である。なおその際の溶接条件は開先面の形状や面積を考慮して適切な投入熱量と加圧力をその都度選択する必要があるが、電源の周波数に関しては開先面の表層のみを効率的に加熱するために50kHz以上が好ましい。
また、非拡散型固相接合法の一種である摩擦圧接法は、接合面を突き合わせて加圧し、その接触面を機械的に相対運動させ、その摩擦熱を熱源とする接合法である。摩擦圧接法は、通電加熱を用いないため、抵抗溶接に比べて大きな電源を必要とせず、また、原理的に大面積の接合が可能(通常市販装置では、直径:約100mm以上、面積:約7500mm2以上の接合が可能)である。その際部材の形状が軸対称で、かつ接合界面が回転軸に垂直の場合に適用可能で、被接合材料同士の電気的性質が著しく異なる場合や部材中に接合面よりも断面積が小さい箇所が存在し、抵抗発熱が発生する可能性がある場合など電気的な制約や高電流による磁界の発生が問題となる場合には摩擦圧接法が有効である。
非拡散型固相接合法として、上記摩擦圧接法以外に、爆発圧接、および、超音波接合も同様に適用でき、これらの接合法は、非接合材料の形状や設備制約等によって適宜最良の方法を選択すればよく特に限定する必要はない。例えば、爆発圧接は常温接合であるため、被接合材料を加熱すると脆い金属間化合物を生成する組成の場合に有効であり、また一度の爆発で多層接合が可能であるため、接合面が複数層存在する場合に有効な手段である。
非拡散型固相接合法とは、液相拡散接合法や固相拡散接合法に代表される元素の拡散現象を利用した拡散型固相接合法は含まれない。液相拡散接合法や固相拡散接合法は、接合時間が数時間程度必要であり、本発明の接合継ぎ手の生産性向上の目的から本発明の一次接合に適用する接合法としては適さない。
接合継ぎ手の生産性および接合品質の両方を向上させる観点から、一次接合時間は100秒以下とし、接合合金層の面積は300mm2以上とし、接合合金層の厚みを10μm以下とするのが好ましい。
一方、図2は、金属機械部品の接合部における開先面積と最適条件で一次接合した場合に接合界面に存在する接合合金層の厚みとの関係を示した図である。
一次接合に抵抗溶接を用いた場合、開先面積が300mm 2 を超えた付近から開先面積の増大と共に一次接合後に形成される接合界面の合金層の厚みが急激に増加する。これは溶接機電源の能力の関係上、開先面の電流密度が低下する結果、非晶質合金箔が溶融し、加圧過程と共に開先面外に排出される非晶質合金箔の量が少なくなるためである。また開先面同士が僅かでも傾いて接触すると、最初に接触した部分に入熱が集中してしまい、他の部分が十分に加熱されないと言った問題が開先面積を大きくした場合にしばしば生じる。
表1に示す記号A〜Cの3種類の化学成分と融点を有する液相拡散用の非晶質合金箔と、表2に示す記号a〜cの化学成分を有する鉄鋼、Ni合金からなる被接合材料を用いて、表3〜7に示す接合条件で金属機械部品を製造した。
得られた金属機械部品は、接合面から引き離す方向での引っ張り試験を行い、継手強度の評価をおこなった。また、金属機械部品の接合応力加圧方向での変形量を測定し、変形量の評価も合わせて行なった。また、応力範囲:20〜200MPa、繰り返し数:1000万回(15Hz)で金属機械部品の内圧疲労試験を行い、疲労強度の評価は、亀裂および破断が生じなかったものを合格、亀裂および破断が生じたものを不合格とした。その結果を表3及び表4に示す。
なお、表3及び表4において、継手強度の評価は、母材の引張強さに対する接合継ぎ手の引張強さの比で示した。この値が1の場合は、母材で破断したことを意味し、1以下の場合は、接合部で破断したことを意味する。
No.7および8は、いずれの継ぎ手も二次接合(液相拡散接合)を行っていないため、接合界面は完全な等温凝固組織ではなく、脆いろう付け組織が残存する組織であった。継ぎ手強度は発明例よりも低いながら母材強度と同等レベルを確保できるものの、継ぎ手の疲労試験時にはろう付け組織との界面で破断し、疲労強度は大きく低下した。また、これらの継ぎ手の変形量は基準の5%を超えており、溶接後の継ぎ手の加工なしでは金属機械部品として使用できないものであった。
No.10は、上記金属機械部品を製造する際、一次接合条件が本発明から外れる抵抗溶接を用いた場合の比較例である。開先面積が320mm2を超える場合には、抵抗溶接の設備能力上の理由から電流不足となり、一次接合により形成される接合合金層の面積は240mm2となり、開先面積に対して十分ではなく、その結果、継ぎ手効率が低下し、さらに、二次接合後の継ぎ手強度は低下した。
また、一次接合後の継ぎ手効率が低いことに起因して、二次接合後の継ぎ手端部にはノッチ状に開先が残存し、疲労試験時にはそこを起点として破断し、疲労強度は大幅に低下した。
2 分岐管
3 配管内部の管路
4 内部管路から分岐管へ連絡する枝管
5 液相拡散接合用合金箔
6 1次接合の応力負荷方向
7 分岐管の中心部断面形状
Claims (11)
- 金属材料の開先面に液相拡散接合用の非晶質合金箔を介在させ、一次接合として、高周波溶接法により前記非晶質合金箔と前記金属材料とを加熱圧接して継ぎ手部を形成し、前記一次接合により形成した継ぎ手部の断面組織における未等温凝固組織の加圧方向の厚みが、平均で10μm以下であり、次いで、二次接合として、前記継ぎ手部を前記非晶質合金箔の融点以上に再加熱した後、保持して前記継ぎ手部の凝固過程を完了させる液相拡散接合を行うことを特徴とする金属機械部品の液相拡散接合方法。
- 金属材料の開先面に液相拡散接合用の非晶質合金箔を介在させ、一次接合として、非拡散型固相接合法により前記非晶質合金箔と前記金属材料とを加熱圧接して継ぎ手部を形成し、前記一次接合により形成した継ぎ手部の断面組織における未等温凝固組織の加圧方向の厚みが、平均で10μm以下であり、次いで、二次接合として、前記継ぎ手部を前記非晶質合金箔の融点以上に再加熱した後、保持して前記継ぎ手部の凝固過程を完了させる液相拡散接合を行うことを特徴とする金属機械部品の液相拡散接合方法。
- 前記固相接合法は、摩擦圧接法、超音波接合法、および、爆発圧接法の何れかであることを特徴とする請求項2に記載の金属機械部品の液相拡散接合方法。
- 前記一次接合により形成される接合合金層の面積が300mm2以上であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の金属機械部品の液相拡散接合方法。
- 前記二次接合による再加熱した後の保持時間が30秒以上100秒以下であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の金属機械部品の液相拡散接合方法。
- 前記非晶質合金箔の組成が、NiまたはFeを基材とし、拡散原子としてB、P及びCのうちの1種または2種以上を各々0.1〜20.0原子%含有し、さらに、Vを0.1〜10.0原子%含有することを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の金属機械部品の液相拡散接合方法。
- 前記一次接合による前記非晶質合金箔と前記金属材料との加熱圧接の時間が100秒以下であることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の金属機械部品の液相拡散接合方法。
- 前記一次接合による前記非晶質合金箔と前記金属材料との加熱圧接における加圧力が10〜1000MPaであることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の金属機械部品の液相拡散接合方法。
- 前記一次接合により形成した継ぎ手部の継ぎ手効率が0.5〜1.0であることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の金属機械部品の液相拡散接合方法。
- 前記継ぎ手部の凝固過程の完了後、0.1〜50℃/秒の冷却速度で冷却して継ぎ手組織を制御することを特徴とする請求項1〜9の何れか1項に記載の金属機械部品の液相拡散接合方法。
- 請求項1〜10の何れか1項に記載の液相拡散接合方法によって製造された金属機械部品であって、金属材料と液相拡散接合で形成された継ぎ手部からなる金属機械部品であり、該金属機械部品の接合ままの金属組織における旧オーステナイト結晶の最大粒径は500μm以下であることを特徴とする金属機械部品。
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