JP4538878B2 - 鋼材とチタン材との接合方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素鋼や合金鋼や耐熱鋼などの鋼材と、α相，β相，α＋β相を主な構成相とするＴｉまたはＴｉ合金やＴｉＡｌ，Ｔｉ３Ａｌ，ＴｉＡｌ３等の金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金などのチタン材とを接合するのに好適な鋼材とチタン材との接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
α相やβ相やα＋β相を主な構成相とするＴｉまたはＴｉ合金やＴｉＡｌ，Ｔｉ３Ａｌ，ＴｉＡｌ３等の金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金は、Ｆｅ基の合金やＮｉ基の合金に比べて密度が低く、軽量な材料として注目されている。
【０００３】
とくに、ＴｉＡｌやＴｉ３Ａｌを主な構成相とするＴｉ−Ａｌ系合金は耐熱温度が高いことから、自動車のエンジンバルブやターボチャージャのタービンホイール（ホットホイール）への適用が検討されている。
【０００４】
ところが、このようなＴｉ合金は、軽量で強度はある（比強度が高い）ものの、耐摩耗性が十分でないため、軸受と接触する回転部分，往復摺動部分，叩き摩耗部分などにおいてはその相手材（軸受）によって損傷を受けやすい。
【０００５】
したがって、そのような損傷を受けやすい部分には耐摩耗性に優れた合金鋼や耐熱鋼などを使用するのが適しているといえるが、この場合、鋼材とチタン材とを接合して用いる必要がある。
【０００６】
そこで、鋼材とチタン材とを接合させるに際しては、例えば、特開平２−１３３１８３号公報や特開平２−１５７４０３号公報に開示されているように、合金鋼材とチタン材（とくに、ＴｉＡｌ金属間化合物）とを接合する場合に中間材を用い、まず、チタン材と中間材とを接合したのち、中間材と合金鋼材とを接合することによって、合金鋼材とチタン材とを接合する考え方があった。
【０００７】
また、特開平１０−１１８７６４号公報に開示されているように、合金鋼材とＴｉＡｌ合金材とをろう材を介して直接ろう付け接合する考え方もあった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した中間層を用いる方法では、ＴｉＡｌ合金材と合金鋼材との接合を２回に分けて行わなくてはならないため効率が良くないという問題点があり、また、合金鋼材とＴｉＡｌ合金材とをろう材を介し直接ろう付け接合する方法では、合金鋼中の炭素とＴｉＡｌ合金中のチタンとが反応してろう付け部分に脆い炭化物が形成されることがあるため、強度試験における破壊はいずれも接合部となり、接合強度は母材強度よりも低くなってしまうという問題があった。
【０００９】
【発明の目的】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであって、鋼材とチタン材との接合を１回のみのろう付け工程で行うことが可能であると共に、接合部の強度を母材の強度よりも高いものとすることが可能である鋼材とチタン材との接合方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる鋼材とチタン材との接合方法は、請求項１に記載しているように、Ｃを０．０５質量％以上含有する鋼材と、下記（Ａ）ないし（Ｅ）のいずれかに示すチタン材とを接合するに際し、鋼材とチタン材との間に第１ろう材と第２ろう材を挿入しかつ第１ろう材と第２ろう材との間にバリアー材を介在させた状態にして接合部を加熱し、第１および第２ろう材を溶融してろう付け接合するようにしたことを特徴としている。
（Ａ）α相，β相あるいはα＋β相を主な構成相とするＴｉ。
（Ｂ）α相，β相あるいはα＋β相を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｃ）ＴｉＡｌ金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｄ）Ｔｉ ３ Ａｌ金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｅ）ＴｉＡｌ ３ 金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
【００１１】
そして、本発明に係わる鋼材とチタン材との接合方法においては、請求項２に記載しているように、接合部の加熱に際して高周波加熱を用いるようになすことができる。
【００１２】
また、本発明に係わる鋼材とチタン材との接合方法においては、請求項３に記載しているように、バリアー材としてＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏのうちから選ばれる１種以上を主成分とする金属を用いてその厚さが０．０１ｍｍ以上であるものとすることができる。
【００１３】
さらにまた、本発明に係わる鋼材とチタン材との接合方法においては、請求項４に記載しているように、接合雰囲気を真空あるいはＡｒやＨｅなどの不活性ガス雰囲気として接合するようになすことができる。
【００１４】
さらにまた、本発明に係わる鋼材とチタン材との接合方法においては、請求項５に記載しているように、接合に際して接合界面に０．０５ｋｇｆ／ｍｍ２(０．４９ＭＰａ）以上の応力を付加するようになすことができる。
【００１５】
さらにまた、本発明に係わる鋼材とチタン材との接合方法においては、請求項６に記載しているように、接合に際しての接合温度を第１ろう材と第２ろう材のうちいずれか一方の高い方の融点以上であって融点＋１００℃以内とするようになすことができる。
【００１６】
【発明の作用】
本発明による鋼材とチタン材との接合方法は、上述した構成を有するものであって、図１に示すように、Ｃを０．０５質量％以上含有する鋼材１と、下記（Ａ）ないし（Ｅ）のいずれかに示すチタン材２とを接合するに際し、鋼材１とチタン材２との間に第１ろう材３Ａと第２ろう材３Ｂを挿入しかつ第１ろう材３Ａと第２ろう材３Ｂとの間に拡散阻止用バリアー材４を介在させた状態にして接合部を高周波加熱用誘導加熱コイル５によって加熱し、第１および第２ろう材３Ａ，３Ｂを溶融してろう付け接合するよことにより、鋼材１とチタン材２とを接合するようにしている。
（Ａ）α相，β相あるいはα＋β相を主な構成相とするＴｉ。
（Ｂ）α相，β相あるいはα＋β相を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｃ）ＴｉＡｌ金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｄ）Ｔｉ ３ Ａｌ金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｅ）ＴｉＡｌ ３ 金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
【００１７】
このようなろう付け接合を行うに際しては、鋼材１とチタン材２とは拡散防止用バリアー材４を介して隔離されているため、鋼材１中の炭素（Ｃ）とチタン材２中のチタン（Ｔｉ）とが接触して脆いチタン炭化物（ＴｉＣ）が形成されることがなくなることから、１回の接合のみで接合強度の高い接合継手が形成されることとなる。
【００１８】
このとき、拡散防止用バリアー材４としては、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏなどのろう材３Ａ，３Ｂの融点よりも高い融点をもつ金属を用いることが望ましく、ろう材３Ａ，３Ｂとの濡れ性が良い金属（Ｆｅ−Ｎｉ合金，Ｆｅ−Ｃｏ合金などの合金を含む。）を用いることがとくに望ましい。
【００１９】
そして、拡散防止用金属バリアー材４としての機能が十分であるものとするためには、その厚さが０．０１ｍｍ以上であるものとすることがより望ましい。
【００２０】
また、第１ろう材３Ａと第２ろう材３Ｂとは同一のろう材であってもよく、あるいは異なるろう材であってもよく、それぞれ鋼材１とチタン材２に対して良い濡れ性を有するものを用いることが望ましい。
【００２１】
このようなろう材としては、次に例示するものを用いることができる。
【００２２】
（１）Ｎｉろう
ＪＩＳ ＢＮｉ−１；Ｎｉ−１４Ｃｒ−３．２Ｂ−４．５Ｓｉ−４．５Ｆｅ
ＪＩＳ ＢＮｉ−２；Ｎｉ−７Ｃｒ−３．２Ｂ−４．５Ｓｉ−３Ｆｅ
ＪＩＳ ＢＮｉ−３；Ｎｉ−４．５Ｓｉ−３．２Ｂ
（２）Ａｇろう
ＪＩＳ ＢＡｇ−８；Ａｇ−２８Ｃｕ
ＣＵＳＩＬ−ＡＢＡ（商品名）；Ａｇ−３５．３Ｃｕ−１．８Ｔｉ
（３）Ｔｉろう
ＴＩＣＵＮＩ（商品名）；Ｔｉ−１５Ｃｕ−１５Ｎｉ
本発明において、鋼材１としては、炭素鋼，合金鋼，耐熱鋼などよりなるものを用いることができ、その場合に、炭素含有量が０．０５質量％以上含むものである場合に好適に採用される。
【００２３】
すなわち、Ｃ含有量が０．０５質量％未満であると、構造物の軸材としての強度が十分でないものとなりやすく、また、金属バリアー材４を介在させなくとも鋼材１とチタン材２とが直接接触した場合に脆いチタン炭化物（ＴｉＣ）が形成されがたいためである。
【００２４】
また、接合に際しては、接合界面に０．０５ｋｇｆ／ｍｍ２（０．４９ＭＰａ）以上の応力を付加することがより望ましく、図１に示すように支持台６上に設置した状態において荷重Ｐを付加するようになすことがより望ましい。
【００２５】
接合雰囲気としては、真空、あるいはＡｒやＨｅなどの不活性雰囲気とすることがより望ましい。
【００２６】
さらにまた、接合温度としては、第１ろう材３Ａと第２ろう材３Ｂのうちいずれか一方の高い方の融点以上であって融点＋１００℃以内であるようにすることがより望ましい。そして、融点＋１００℃を超えるとろう材３Ａ，３Ｂと金属バリアー材４との反応が著しくなり、接合界面が脆くなって接合強度が低下する傾向となるのであまり好ましくない。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について詳細に説明するが、本発明はこのような実施例のみに限定されないことはいうまでもない。
【００２８】
（実施例１）
α＋β相を主な構成相とするＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ組成のチタン合金よりなるエンジン吸気バルブの軸端部における耐摩耗性を改善するため、軸径が６ｍｍである吸気バルブの軸端に、直径が６．５ｍｍ，高さが５ｍｍである耐熱鋼（ＳＵＨ１１）製のチップを接合することとした。
【００２９】
まず、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖよりなるエンジン吸気バルブは、直径が６．５ｍｍであるＴｉ合金棒材を電気アップセットすることによってプリフォームに作製し、熱間鍛造により傘鍛造を行うことによって、バルブ外径が３０ｍｍであるエンジンバルブに成形した。その後、機械加工によって軸径が６ｍｍであるエンジンバルブに機械加工した。
【００３０】
一方、耐熱鋼（ＳＵＨ１１）製のチップは、圧延丸棒材を機械加工により直径が６．５ｍｍ，長さ（高さ）が５ｍｍのチップ形状に加工して用いた。
【００３１】
他方、エンジン吸気バルブの軸端部（チタン材）と接合する第１ろう材には、Ｔｉベースのろう材（Ｔｉ−１５Ｎｉ−１５Ｃｕ）よりなる厚さ０．０６ｍｍの箔を用いた。
【００３２】
さらに、チップ（鋼材）と接合する第２ろう材には、Ｎｉベースのろう材（ＪＩＳ ＢＮｉ−３）よりなる厚さ０．０５ｍｍの箔を用いた。
【００３３】
さらにまた、拡散防止用金属バリアー材には、Ｆｅ−４２Ｎｉの冷間圧延材（厚さ０．１ｍｍの箔）を用いた。
【００３４】
このようにして、チタン材と鋼材との間に第１ろう材と第２ろう材を挿入しかつ第１ろう材と第２ろう材との間に金属バリアー材を介在させた状態としたのち、
・接合温度：１０３０℃
・接合時間：３０ｓｅｃ
・接合圧力：０．３ｋｇｆ／ｍｍ２（２．９４ＭＰａ）
・接合雰囲気：Ａｒガス流動雰囲気
の条件としてろう付け接合を行った。
【００３５】
また、比較のために、前記と同様のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖよりなるチタン材（吸気バルブ）とＳＵＨ１１よりなる鋼材（チップ）との接合に際して、金属バリアー材を用いることなく、Ｎｉろう材（ＪＩＳ ＢＮｉ−３）のみを挿入して上記と同様の接合条件により直接接合を行った。
【００３６】
接合後、接合強度を調べるため、各々５本について接合部のせん断試験を行った。
【００３７】
その結果、上記比較例による継手の場合のせん断荷重は１７２０ｋｇ（１６，８５６Ｎ）であったのに対して、実施例１による継手の場合のせん断荷重は３３５０ｋｇ（３２，８３０Ｎ）であり、およそ２倍もの高強度を示した。
【００３８】
（実施例２）
ＴｉＡｌ金属間化合物を主な構成相とするＴｉＡｌ製ターボチャージャーのタービンホイールと、機械構造用合金鋼（ＳＣＭ４３５）よりなるタービン軸とを接合することとした。
【００３９】
このとき、タービンホイールには、精密鋳造で製造したＴｉ−Ａｌ系合金（Ｔｉ−３３．５Ａｌ−４．８Ｎｂ−１．０Ｃｒ−０．２Ｓｉ）よりなる外径が４３ｍｍのホイールを用いた。
【００４０】
また、タービン軸（ＳＣＭ４３５）には直径が１６ｍｍである磨き棒鋼を用いた。
【００４１】
接合部の加工に際しては、ＴｉＡｌよりなるタービンホイール側の接合面を直径が９ｍｍ，高さが２ｍｍである凸形状軸部に加工し、一方、ＳＣＭ４３５よりなるタービン軸の接合部には直径が９ｍｍ，深さが５ｍｍである凹形状軸受部に加工した。
【００４２】
他方、箔状ろう材および板状バリアー材をそれぞれ内径が９ｍｍ，外径が１７ｍｍのリング形状に加工し、相対する平面部分に第１および第２ろう材を挿入しかつ第１および第２ろう材の間に金属バリアー材を介在させた状態としたあとホイール側の凸部と軸側の凹部とを嵌め合わせた。
【００４３】
このとき、チタン材と接合する第１ろう材および鋼材と接合する第２ろう材としていずれもＮｉベースのろう材（ＪＩＳ ＢＮｉ−３）よりなる厚さ０．０５ｍｍの箔を用い、バリアー材としてはＮｉベースの合金（インコネル６００）の冷間圧延材よりなる厚さ０．５ｍｍの板を用いた。
【００４４】
このようにして、チタン材と鋼材との間に第１ろう材と第２ろう材を挿入しかつ第１ろう材と第２ろう材との間に金属バリアー材を介在させた状態としたのち、
・接合温度：１０３０℃
・接合時間：３０ｓｅｃ
・接合圧力：０．３ｋｇｆ／ｍｍ２（２．９４ＭＰａ）
・接合雰囲気：Ａｒガス流動雰囲気
の条件としてろう付け接合を行った。
【００４５】
また、比較のために、前記と同様のＴｉＡｌ製チタン材（タービンホイール）とＳＣＭ４３５製鋼材（タービン軸）との接合に際して、金属バリアー材を用いることなく、Ｎｉろう材（ＪＩＳ ＢＮｉ−３）のみを挿入して上記の接合条件により直接接合を行った。
【００４６】
接合後、接合部の応力除去焼鈍を５００℃で３０ｍｉｎ間行い、評価試験のため接合部の外径を１５．８ｍｍに加工し、４５０℃でねじり試験を行った。
【００４７】
その結果、上記比較例による継手の場合にはねじり破断トルクが２２１ Ｊであり、破断部は接合部であったのに対し、実施例２による継手の場合にはねじり破断トルクが３０９ Ｊであり、破断部はＴｉＡｌホイールの母材と接合部の両方であって、優れた接合強度を示した。
【００４８】
【発明の効果】
本発明による鋼材とチタン材との接合方
法では、請求項１に記載しているように、Ｃを０．０５質量％以上含有する鋼材と、下記（Ａ）ないし（Ｅ）のいずれかに示すチタン材とを接合するに際し、鋼材とチタン材との間に第１ろう材と第２ろう材を挿入しかつ第１ろう材と第２ろう材との間にバリアー材を介在させた状態にして接合部を加熱し、第１および第２ろう材を溶融してろう付け接合するようにしたから、鋼材とチタン材との接合を１回のみのろう付け工程で行うことが可能であり、接合部の強度を母材の強度よりも高いものとすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
（Ａ）α相，β相あるいはα＋β相を主な構成相とするＴｉ。
（Ｂ）α相，β相あるいはα＋β相を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｃ）ＴｉＡｌ金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｄ）Ｔｉ ３ Ａｌ金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｅ）ＴｉＡｌ ３ 金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
【００４９】
そして、請求項２に記載しているように、接合部の加熱に際して高周波加熱を用いるようになすことによって、鋼材とチタン材との接合部を非接触で加熱することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００５０】
そしてまた、請求項３に記載しているように、バリアー材としてＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏのうちから選ばれる１種以上を主成分とする金属を用いてその厚さが０．０１ｍｍ以上であるものとすることによって、加熱接合時に鋼材中のＣとチタン材中のＴｉとが拡散・反応することによって脆い炭化物が形成されるのを防止することが可能であり、接合部の強度を母材の強度以上に高めたものとすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００５１】
さらにまた、請求項４に記載しているように、接合雰囲気を真空あるいはＡｒやＨｅなどの不活性ガス雰囲気として接合するようになすことによって、接合部の酸化等による汚染を防止することが可能であり、接合部の強度を母材の強度以上に高いものとすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００５２】
さらにまた、請求項５に記載しているように、接合に際して接合界面に０．０５ｋｇｆ／ｍｍ２（０．４９ＭＰａ）以上の応力を付加するようになすことによって、チタン材と第１ろう材とバリアー材と第２ろう材と鋼材との間での接合強度をより一層高いものにすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００５３】
さらにまた、接合に際しての接合温度を第１ろう材と第２ろう材のうちいずれか一方の高い方の融点以上であって融点＋１００℃以内とするようになすことによって、チタン材と第１ろう材とバリアー材と第２ろう材と鋼材との間での接合強度をより一層優れたものにすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による鋼材とチタン材との接合方法の実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 鋼材
２ チタン材
３Ａ 第１ろう材
３Ｂ 第２ろう材
４ バリアー材
５ 誘導加熱コイル
６ 支持台
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素鋼や合金鋼や耐熱鋼などの鋼材と、α相，β相，α＋β相を主な構成相とするＴｉまたはＴｉ合金やＴｉＡｌ，Ｔｉ３Ａｌ，ＴｉＡｌ３等の金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金などのチタン材とを接合するのに好適な鋼材とチタン材との接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
α相やβ相やα＋β相を主な構成相とするＴｉまたはＴｉ合金やＴｉＡｌ，Ｔｉ３Ａｌ，ＴｉＡｌ３等の金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金は、Ｆｅ基の合金やＮｉ基の合金に比べて密度が低く、軽量な材料として注目されている。
【０００３】
とくに、ＴｉＡｌやＴｉ３Ａｌを主な構成相とするＴｉ−Ａｌ系合金は耐熱温度が高いことから、自動車のエンジンバルブやターボチャージャのタービンホイール（ホットホイール）への適用が検討されている。
【０００４】
ところが、このようなＴｉ合金は、軽量で強度はある（比強度が高い）ものの、耐摩耗性が十分でないため、軸受と接触する回転部分，往復摺動部分，叩き摩耗部分などにおいてはその相手材（軸受）によって損傷を受けやすい。
【０００５】
したがって、そのような損傷を受けやすい部分には耐摩耗性に優れた合金鋼や耐熱鋼などを使用するのが適しているといえるが、この場合、鋼材とチタン材とを接合して用いる必要がある。
【０００６】
そこで、鋼材とチタン材とを接合させるに際しては、例えば、特開平２−１３３１８３号公報や特開平２−１５７４０３号公報に開示されているように、合金鋼材とチタン材（とくに、ＴｉＡｌ金属間化合物）とを接合する場合に中間材を用い、まず、チタン材と中間材とを接合したのち、中間材と合金鋼材とを接合することによって、合金鋼材とチタン材とを接合する考え方があった。
【０００７】
また、特開平１０−１１８７６４号公報に開示されているように、合金鋼材とＴｉＡｌ合金材とをろう材を介して直接ろう付け接合する考え方もあった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した中間層を用いる方法では、ＴｉＡｌ合金材と合金鋼材との接合を２回に分けて行わなくてはならないため効率が良くないという問題点があり、また、合金鋼材とＴｉＡｌ合金材とをろう材を介し直接ろう付け接合する方法では、合金鋼中の炭素とＴｉＡｌ合金中のチタンとが反応してろう付け部分に脆い炭化物が形成されることがあるため、強度試験における破壊はいずれも接合部となり、接合強度は母材強度よりも低くなってしまうという問題があった。
【０００９】
【発明の目的】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであって、鋼材とチタン材との接合を１回のみのろう付け工程で行うことが可能であると共に、接合部の強度を母材の強度よりも高いものとすることが可能である鋼材とチタン材との接合方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる鋼材とチタン材との接合方法は、請求項１に記載しているように、Ｃを０．０５質量％以上含有する鋼材と、下記（Ａ）ないし（Ｅ）のいずれかに示すチタン材とを接合するに際し、鋼材とチタン材との間に第１ろう材と第２ろう材を挿入しかつ第１ろう材と第２ろう材との間にバリアー材を介在させた状態にして接合部を加熱し、第１および第２ろう材を溶融してろう付け接合するようにしたことを特徴としている。
（Ａ）α相，β相あるいはα＋β相を主な構成相とするＴｉ。
（Ｂ）α相，β相あるいはα＋β相を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｃ）ＴｉＡｌ金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｄ）Ｔｉ ３ Ａｌ金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｅ）ＴｉＡｌ ３ 金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
【００１１】
そして、本発明に係わる鋼材とチタン材との接合方法においては、請求項２に記載しているように、接合部の加熱に際して高周波加熱を用いるようになすことができる。
【００１２】
また、本発明に係わる鋼材とチタン材との接合方法においては、請求項３に記載しているように、バリアー材としてＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏのうちから選ばれる１種以上を主成分とする金属を用いてその厚さが０．０１ｍｍ以上であるものとすることができる。
【００１３】
さらにまた、本発明に係わる鋼材とチタン材との接合方法においては、請求項４に記載しているように、接合雰囲気を真空あるいはＡｒやＨｅなどの不活性ガス雰囲気として接合するようになすことができる。
【００１４】
さらにまた、本発明に係わる鋼材とチタン材との接合方法においては、請求項５に記載しているように、接合に際して接合界面に０．０５ｋｇｆ／ｍｍ２(０．４９ＭＰａ）以上の応力を付加するようになすことができる。
【００１５】
さらにまた、本発明に係わる鋼材とチタン材との接合方法においては、請求項６に記載しているように、接合に際しての接合温度を第１ろう材と第２ろう材のうちいずれか一方の高い方の融点以上であって融点＋１００℃以内とするようになすことができる。
【００１６】
【発明の作用】
本発明による鋼材とチタン材との接合方法は、上述した構成を有するものであって、図１に示すように、Ｃを０．０５質量％以上含有する鋼材１と、下記（Ａ）ないし（Ｅ）のいずれかに示すチタン材２とを接合するに際し、鋼材１とチタン材２との間に第１ろう材３Ａと第２ろう材３Ｂを挿入しかつ第１ろう材３Ａと第２ろう材３Ｂとの間に拡散阻止用バリアー材４を介在させた状態にして接合部を高周波加熱用誘導加熱コイル５によって加熱し、第１および第２ろう材３Ａ，３Ｂを溶融してろう付け接合するよことにより、鋼材１とチタン材２とを接合するようにしている。
（Ａ）α相，β相あるいはα＋β相を主な構成相とするＴｉ。
（Ｂ）α相，β相あるいはα＋β相を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｃ）ＴｉＡｌ金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｄ）Ｔｉ ３ Ａｌ金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｅ）ＴｉＡｌ ３ 金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
【００１７】
このようなろう付け接合を行うに際しては、鋼材１とチタン材２とは拡散防止用バリアー材４を介して隔離されているため、鋼材１中の炭素（Ｃ）とチタン材２中のチタン（Ｔｉ）とが接触して脆いチタン炭化物（ＴｉＣ）が形成されることがなくなることから、１回の接合のみで接合強度の高い接合継手が形成されることとなる。
【００１８】
このとき、拡散防止用バリアー材４としては、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏなどのろう材３Ａ，３Ｂの融点よりも高い融点をもつ金属を用いることが望ましく、ろう材３Ａ，３Ｂとの濡れ性が良い金属（Ｆｅ−Ｎｉ合金，Ｆｅ−Ｃｏ合金などの合金を含む。）を用いることがとくに望ましい。
【００１９】
そして、拡散防止用金属バリアー材４としての機能が十分であるものとするためには、その厚さが０．０１ｍｍ以上であるものとすることがより望ましい。
【００２０】
また、第１ろう材３Ａと第２ろう材３Ｂとは同一のろう材であってもよく、あるいは異なるろう材であってもよく、それぞれ鋼材１とチタン材２に対して良い濡れ性を有するものを用いることが望ましい。
【００２１】
このようなろう材としては、次に例示するものを用いることができる。
【００２２】
（１）Ｎｉろう
ＪＩＳ ＢＮｉ−１；Ｎｉ−１４Ｃｒ−３．２Ｂ−４．５Ｓｉ−４．５Ｆｅ
ＪＩＳ ＢＮｉ−２；Ｎｉ−７Ｃｒ−３．２Ｂ−４．５Ｓｉ−３Ｆｅ
ＪＩＳ ＢＮｉ−３；Ｎｉ−４．５Ｓｉ−３．２Ｂ
（２）Ａｇろう
ＪＩＳ ＢＡｇ−８；Ａｇ−２８Ｃｕ
ＣＵＳＩＬ−ＡＢＡ（商品名）；Ａｇ−３５．３Ｃｕ−１．８Ｔｉ
（３）Ｔｉろう
ＴＩＣＵＮＩ（商品名）；Ｔｉ−１５Ｃｕ−１５Ｎｉ
本発明において、鋼材１としては、炭素鋼，合金鋼，耐熱鋼などよりなるものを用いることができ、その場合に、炭素含有量が０．０５質量％以上含むものである場合に好適に採用される。
【００２３】
すなわち、Ｃ含有量が０．０５質量％未満であると、構造物の軸材としての強度が十分でないものとなりやすく、また、金属バリアー材４を介在させなくとも鋼材１とチタン材２とが直接接触した場合に脆いチタン炭化物（ＴｉＣ）が形成されがたいためである。
【００２４】
また、接合に際しては、接合界面に０．０５ｋｇｆ／ｍｍ２（０．４９ＭＰａ）以上の応力を付加することがより望ましく、図１に示すように支持台６上に設置した状態において荷重Ｐを付加するようになすことがより望ましい。
【００２５】
接合雰囲気としては、真空、あるいはＡｒやＨｅなどの不活性雰囲気とすることがより望ましい。
【００２６】
さらにまた、接合温度としては、第１ろう材３Ａと第２ろう材３Ｂのうちいずれか一方の高い方の融点以上であって融点＋１００℃以内であるようにすることがより望ましい。そして、融点＋１００℃を超えるとろう材３Ａ，３Ｂと金属バリアー材４との反応が著しくなり、接合界面が脆くなって接合強度が低下する傾向となるのであまり好ましくない。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について詳細に説明するが、本発明はこのような実施例のみに限定されないことはいうまでもない。
【００２８】
（実施例１）
α＋β相を主な構成相とするＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ組成のチタン合金よりなるエンジン吸気バルブの軸端部における耐摩耗性を改善するため、軸径が６ｍｍである吸気バルブの軸端に、直径が６．５ｍｍ，高さが５ｍｍである耐熱鋼（ＳＵＨ１１）製のチップを接合することとした。
【００２９】
まず、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖよりなるエンジン吸気バルブは、直径が６．５ｍｍであるＴｉ合金棒材を電気アップセットすることによってプリフォームに作製し、熱間鍛造により傘鍛造を行うことによって、バルブ外径が３０ｍｍであるエンジンバルブに成形した。その後、機械加工によって軸径が６ｍｍであるエンジンバルブに機械加工した。
【００３０】
一方、耐熱鋼（ＳＵＨ１１）製のチップは、圧延丸棒材を機械加工により直径が６．５ｍｍ，長さ（高さ）が５ｍｍのチップ形状に加工して用いた。
【００３１】
他方、エンジン吸気バルブの軸端部（チタン材）と接合する第１ろう材には、Ｔｉベースのろう材（Ｔｉ−１５Ｎｉ−１５Ｃｕ）よりなる厚さ０．０６ｍｍの箔を用いた。
【００３２】
さらに、チップ（鋼材）と接合する第２ろう材には、Ｎｉベースのろう材（ＪＩＳ ＢＮｉ−３）よりなる厚さ０．０５ｍｍの箔を用いた。
【００３３】
さらにまた、拡散防止用金属バリアー材には、Ｆｅ−４２Ｎｉの冷間圧延材（厚さ０．１ｍｍの箔）を用いた。
【００３４】
このようにして、チタン材と鋼材との間に第１ろう材と第２ろう材を挿入しかつ第１ろう材と第２ろう材との間に金属バリアー材を介在させた状態としたのち、
・接合温度：１０３０℃
・接合時間：３０ｓｅｃ
・接合圧力：０．３ｋｇｆ／ｍｍ２（２．９４ＭＰａ）
・接合雰囲気：Ａｒガス流動雰囲気
の条件としてろう付け接合を行った。
【００３５】
また、比較のために、前記と同様のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖよりなるチタン材（吸気バルブ）とＳＵＨ１１よりなる鋼材（チップ）との接合に際して、金属バリアー材を用いることなく、Ｎｉろう材（ＪＩＳ ＢＮｉ−３）のみを挿入して上記と同様の接合条件により直接接合を行った。
【００３６】
接合後、接合強度を調べるため、各々５本について接合部のせん断試験を行った。
【００３７】
その結果、上記比較例による継手の場合のせん断荷重は１７２０ｋｇ（１６，８５６Ｎ）であったのに対して、実施例１による継手の場合のせん断荷重は３３５０ｋｇ（３２，８３０Ｎ）であり、およそ２倍もの高強度を示した。
【００３８】
（実施例２）
ＴｉＡｌ金属間化合物を主な構成相とするＴｉＡｌ製ターボチャージャーのタービンホイールと、機械構造用合金鋼（ＳＣＭ４３５）よりなるタービン軸とを接合することとした。
【００３９】
このとき、タービンホイールには、精密鋳造で製造したＴｉ−Ａｌ系合金（Ｔｉ−３３．５Ａｌ−４．８Ｎｂ−１．０Ｃｒ−０．２Ｓｉ）よりなる外径が４３ｍｍのホイールを用いた。
【００４０】
また、タービン軸（ＳＣＭ４３５）には直径が１６ｍｍである磨き棒鋼を用いた。
【００４１】
接合部の加工に際しては、ＴｉＡｌよりなるタービンホイール側の接合面を直径が９ｍｍ，高さが２ｍｍである凸形状軸部に加工し、一方、ＳＣＭ４３５よりなるタービン軸の接合部には直径が９ｍｍ，深さが５ｍｍである凹形状軸受部に加工した。
【００４２】
他方、箔状ろう材および板状バリアー材をそれぞれ内径が９ｍｍ，外径が１７ｍｍのリング形状に加工し、相対する平面部分に第１および第２ろう材を挿入しかつ第１および第２ろう材の間に金属バリアー材を介在させた状態としたあとホイール側の凸部と軸側の凹部とを嵌め合わせた。
【００４３】
このとき、チタン材と接合する第１ろう材および鋼材と接合する第２ろう材としていずれもＮｉベースのろう材（ＪＩＳ ＢＮｉ−３）よりなる厚さ０．０５ｍｍの箔を用い、バリアー材としてはＮｉベースの合金（インコネル６００）の冷間圧延材よりなる厚さ０．５ｍｍの板を用いた。
【００４４】
このようにして、チタン材と鋼材との間に第１ろう材と第２ろう材を挿入しかつ第１ろう材と第２ろう材との間に金属バリアー材を介在させた状態としたのち、
・接合温度：１０３０℃
・接合時間：３０ｓｅｃ
・接合圧力：０．３ｋｇｆ／ｍｍ２（２．９４ＭＰａ）
・接合雰囲気：Ａｒガス流動雰囲気
の条件としてろう付け接合を行った。
【００４５】
また、比較のために、前記と同様のＴｉＡｌ製チタン材（タービンホイール）とＳＣＭ４３５製鋼材（タービン軸）との接合に際して、金属バリアー材を用いることなく、Ｎｉろう材（ＪＩＳ ＢＮｉ−３）のみを挿入して上記の接合条件により直接接合を行った。
【００４６】
接合後、接合部の応力除去焼鈍を５００℃で３０ｍｉｎ間行い、評価試験のため接合部の外径を１５．８ｍｍに加工し、４５０℃でねじり試験を行った。
【００４７】
その結果、上記比較例による継手の場合にはねじり破断トルクが２２１ Ｊであり、破断部は接合部であったのに対し、実施例２による継手の場合にはねじり破断トルクが３０９ Ｊであり、破断部はＴｉＡｌホイールの母材と接合部の両方であって、優れた接合強度を示した。
【００４８】
【発明の効果】
本発明による鋼材とチタン材との接合方
法では、請求項１に記載しているように、Ｃを０．０５質量％以上含有する鋼材と、下記（Ａ）ないし（Ｅ）のいずれかに示すチタン材とを接合するに際し、鋼材とチタン材との間に第１ろう材と第２ろう材を挿入しかつ第１ろう材と第２ろう材との間にバリアー材を介在させた状態にして接合部を加熱し、第１および第２ろう材を溶融してろう付け接合するようにしたから、鋼材とチタン材との接合を１回のみのろう付け工程で行うことが可能であり、接合部の強度を母材の強度よりも高いものとすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
（Ａ）α相，β相あるいはα＋β相を主な構成相とするＴｉ。
（Ｂ）α相，β相あるいはα＋β相を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｃ）ＴｉＡｌ金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｄ）Ｔｉ ３ Ａｌ金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｅ）ＴｉＡｌ ３ 金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
【００４９】
そして、請求項２に記載しているように、接合部の加熱に際して高周波加熱を用いるようになすことによって、鋼材とチタン材との接合部を非接触で加熱することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００５０】
そしてまた、請求項３に記載しているように、バリアー材としてＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏのうちから選ばれる１種以上を主成分とする金属を用いてその厚さが０．０１ｍｍ以上であるものとすることによって、加熱接合時に鋼材中のＣとチタン材中のＴｉとが拡散・反応することによって脆い炭化物が形成されるのを防止することが可能であり、接合部の強度を母材の強度以上に高めたものとすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００５１】
さらにまた、請求項４に記載しているように、接合雰囲気を真空あるいはＡｒやＨｅなどの不活性ガス雰囲気として接合するようになすことによって、接合部の酸化等による汚染を防止することが可能であり、接合部の強度を母材の強度以上に高いものとすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００５２】
さらにまた、請求項５に記載しているように、接合に際して接合界面に０．０５ｋｇｆ／ｍｍ２（０．４９ＭＰａ）以上の応力を付加するようになすことによって、チタン材と第１ろう材とバリアー材と第２ろう材と鋼材との間での接合強度をより一層高いものにすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００５３】
さらにまた、接合に際しての接合温度を第１ろう材と第２ろう材のうちいずれか一方の高い方の融点以上であって融点＋１００℃以内とするようになすことによって、チタン材と第１ろう材とバリアー材と第２ろう材と鋼材との間での接合強度をより一層優れたものにすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による鋼材とチタン材との接合方法の実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 鋼材
２ チタン材
３Ａ 第１ろう材
３Ｂ 第２ろう材
４ バリアー材
５ 誘導加熱コイル
６ 支持台
Claims (6)
- Ｃを０．０５質量％以上含有する鋼材と、下記（Ａ）ないし（Ｅ）のいずれかに示すチタン材とを接合するに際し、鋼材とチタン材との間に第１ろう材と第２ろう材を挿入しかつ第１ろう材と第２ろう材との間にバリアー材を介在させた状態にして接合部を加熱し、第１および第２ろう材を溶融してろう付け接合することを特徴とする鋼材とチタン材との接合方法。
（Ａ）α相，β相あるいはα＋β相を主な構成相とするＴｉ。
（Ｂ）α相，β相あるいはα＋β相を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｃ）ＴｉＡｌ金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｄ）Ｔｉ ３ Ａｌ金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。
（Ｅ）ＴｉＡｌ ３ 金属間化合物を主な構成相とするＴｉ合金。 - 接合部の加熱に際して高周波加熱を用いることを特徴とする請求項１に記載の鋼材とチタン材との接合方法。
- バリアー材としてＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏのうちから選ばれる１種以上を主成分とする金属を用いてその厚さが０．０１ｍｍ以上であるものとすることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼材とチタン材との接合方法。
- 接合雰囲気を真空あるいはＡｒやＨｅなどの不活性ガス雰囲気として接合することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の鋼材とチタン材との接合方法。
- 接合に際して接合界面に０．０５ｋｇｆ／ｍｍ２ （０．４９ＭＰａ）以上の応力を付加することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の鋼材とチタン材との接合方法。
- 接合に際しての接合温度を第１ろう材と第２ろう材のうちいずれか一方の高い方の融点以上であって融点＋１００℃以内とすることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の鋼材とチタン材との接合方法。
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