JP4753430B2 - 鋼とアルミニウム合金の摩擦圧接方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼の中空部材とアルミニウム合金の中空部材の摩擦圧接方法に関する。

従来、自動車のプロペラシャフト、アクスルハウジング、トーションバーなどにおいて、鋼の中空部材で構成されていた部材を部分的にアルミニウム合金の中空部材に置換した構造を実現しようとする場合には、鋼とアルミニウム合金とを接合することが必要となるが、鋼とアルミニウム合金をＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接あるいは電子ビーム溶接などの溶融溶接で接合しようとすると、鉄とアルミニウムが脆い金属間化合物を形成するため接合が不可能となる。

一方、摩擦圧接は接合時に液相を生成しないため、鋼とアルミニウム合金との接合を可能とする数少ない方法であるが、実際には、鋼とアルミニウム合金の摩擦圧接は容易でなく、アルミニウム合金の母材強度に近い接合強度が得られていないのが現状である。その理由は、鋼同士あるいはアルミニウム合金同士といった同種材の接合では、素材表面に存在する酸化層や汚染物質が圧接時に生じるバリ中へ排出されるのに対し、鋼とアルミニウム合金のように強度差の大きい異種材の圧接では、鋼のように強度の高い材料が変形しないため酸化層や汚染物質が接合界面に残留し易いこと、微量ながら接合界面に金属間化合物が生成すること、更にアルミニウム合金管など中空部材のメタルフローが中空部材の管の内部と外部で不均一になり易いことに起因する。

鋼とアルミニウム合金との摩擦圧接における接合強度を改善するため、例えば、圧接機の機械制御による圧接方法の改善（例えば特許文献１参照）が提案され、また、圧接性に優れたアルミニウム合金も提案されている(例えば特許文献２参照)が、これら提案された摩擦圧接によっても、接合面近傍は短時間であるがおよそ５００℃にまで加熱されるため、アルミニウム合金が時効硬化された合金の場合には、接合面からある範囲までに熱影響による軟化層が形成され、熱影響を受けた部分は、アプセット時にバリとしてある程度は排出されるためアプセット圧力を高めることによって軟化層を薄くすることはできるが、完全に無くすことはできず、この軟化層の強度および界面自体の強度が接合材の強度を律するため、接合材の強度はアルミニウム合金の母材より劣ったものとなる。
特開平５−１３８３７１号公報 特開２００１−２３４２６８号公報

鋼とアルミニウム合金を摩擦圧接においては、界面近傍のアルミニウム合金側に摩擦熱による熱影響によって強度の低い軟化層が形成される。軟化層の厚さは、接合条件によるが通常２mm〜８mmである。 鋼とアルミニウム合金の摩擦圧接において、軟化層の形成は不可避であり、鋼とアルミニウム合金の界面自体の強度および軟化層の強度が接合材の強度を律することとなる。

発明者らは、鋼管とＴ６調質されたＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金管、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金管およびＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金管の摩擦圧接についての検討過程において、摩擦圧接した後、特定温度域で加熱処理することにより、界面自体の強度を維持しながら軟化層の強度を高めることができることを見出した。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、その目的は、鋼管など鋼の中空部材とＴ６調質されたアルミニウム合金管などアルミニウム合金の中空部材の摩擦圧接において、改善された高い強度を得ることを可能とする鋼とアルミニウム合金の摩擦圧接方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための請求項１による鋼とアルミニウム合金の摩擦圧接方法は、鋼の中空部材とアルミニウム合金の中空部材の端面を突き合わせ、該端面同士を摩擦圧接により接合する方法において、アルミニウム合金がＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系のＴ６調質されたアルミニウム合金であり、摩擦圧接した後、再度、１００〜２００℃の温度域で加熱する人工時効処理を施すことを特徴とする。

請求項２による鋼とアルミニウム合金の摩擦圧接方法は、鋼の中空部材とアルミニウム合金の中空部材の端面を突き合わせ、該端面同士を摩擦圧接により接合する方法において、アルミニウム合金がＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系のＴ６調質されたアルミニウム合金であり、摩擦圧接した後、再度、１００〜２００℃の温度域でｔ秒間加熱する人工時効処理を施すことを特徴とする。
ただし、ｔ（秒）は、２×１０^−１６・（Ｔ＋２７３）・ｅｘｐ［Ｑ／｛８．３１４（Ｔ＋２７３）｝］≦ｔ≦１８×１０^−１６ ・（Ｔ＋２７３）・ｅｘｐ［Ｑ／｛８．３１４（Ｔ＋２７３）｝］の範囲の時間（Ｔ：温度（℃）、Ｑ：Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金およびＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金の場合には１４５０００、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金の場合には１３００００）

請求項３による鋼とアルミニウム合金の摩擦圧接方法は、請求項１または2において、中空部材が管であることを特徴とする。

本発明によれば、鋼の中空部材とＴ６調質されたＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系およびＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金の中空部材の摩擦圧接において、改善された高い強度を得ることを可能とする鋼とアルミニウム合金の摩擦圧接方法が提供される。

本発明は、鋼管と上記アルミニウム合金管の摩擦圧接に適用した場合にとくに効果的で、プロペラシャフト、アクスルハウジング、トーションバーなどの自動車部材において、鋼で構成されていた部材を部分的にアルミニウム合金に置換する構造とする場合に適用され、軽量化に有効である。

本発明は、鋼の中空部材と、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系およびＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系のいずれかのＴ６調質されたアルミニウム合金の中空部材を摩擦圧接する場合に適用され、両中空部材の端面を突き合わせ、端面同士を摩擦圧接により接合した後、再度、１００〜２００℃の温度域で加熱する人工時効処理を施す。

人工時効処理は１００〜２００℃の温度域でｔ秒間加熱するのが好ましい。ｔ(秒)は、加熱時間は高温では析出が早く進行するため短く、低温では析出がゆっくり進行するため長くする必要があることから、温度T(K)を含んだ速度論的パラメータとして、つぎのように規定する。
２×１０^-１６・Ｔ・ｅｘｐ(Ｑ／{ＲＴ}) ≦ ｔ ≦ １８×１０^-１６ ・Ｔ・ｅｘｐ(Ｑ／{ＲＴ}) ここで、Ｔは絶対温度(Ｋ)、Ｒはガス定数８．３１４(Ｊ／ｍｏｌ／Ｋ)、Ｑは析出の活性化エネルギーで、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系およびＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金の場合には１４５０００(Ｊ／ｍｏｌ)、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金の場合には１３００００(Ｊ／ｍｏｌ)とする。

温度を摂氏温度(℃)とすれば、
２×１０^-１６・(Ｔ＋２７３)・ｅｘｐ[Ｑ／{８．３１４(Ｔ＋２７３)}] ≦ ｔ ≦ １８×１０^-１６・(Ｔ＋２７３)・ｅｘｐ[Ｑ／{８．３１４(Ｔ＋２７３)}]で表される。ただし、Tは温度(℃)、QはＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金およびＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金の場合には１４５０００、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金の場合には１３００００とする。

加熱は、１００〜２００℃内の特定温度に等温保持することもできるが、必ずしも等温保持する必要はなく、１００〜２００℃内の異なる温度で2回保持を行う２段時効、例えば１５０℃の温度にある時間保持した後、１８０℃の温度にある時間保持し、合計加熱時間を上記の範囲の時間とする方法、または、温度勾配を持った昇降温で時効を行う方法、例えば１２０℃から１６０℃までを上記の範囲の時間をかけて昇温する方法や１８０℃から１５０℃までを上記の範囲の時間をかけて降温する方法、あるいは、１００〜２００℃の温度範囲内で上記の範囲の時間、昇温、降温を行う方法を採用することもできる。これらの方法における加熱時間ｔは以下に示すように時効温度Ｔ_ｎ(℃)における保持時間ｔ_ｎを加算した時間である。
２×１０^-１６・ｅｘｐ[Ｑ／{８．３１４(Ｔ＋２７３)}] ≦ Σ{ｔ_ｎ／(Ｔ_ｎ＋２７３)} ≦ １８×１０^-１６・ｅｘｐ[Ｑ／{８．３１４(Ｔ＋２７３)}]

摩擦圧接により接合した後、上記の条件による時効処理を行うことにより、接合界面の強度を維持しながら熱影響で軟化した軟化層を再度時効硬化させて強度を高め、接合材の強度を高めることができる。加熱時間ｔが、２×１０^-１６・(Ｔ＋２７３)・ｅｘｐ[Ｑ／{８．３１４(Ｔ＋２７３)}] より短いと、接合界面の強度を維持しつつ軟化層の強度を向上させることは困難であり、接合材の強度も向上しない。加熱時間ｔが１８×１０^-１６・(Ｔ＋２７３)・ｅｘｐ[Ｑ／{８．３１４(Ｔ＋２７３)}]を越えると接合界面自体の強度が低下してしまう。この正確な理由は明確でないが、接合界面への優先析出が進行して界面強度を低下させると考えられる。さらに、一旦強度が向上した軟化層が再び軟化するとともにアルミニウム合金全体が軟化して強度が低下してしまう。

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、その効果を実証する。これらの実施例は本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。

実施例１
外径６０．５mm、厚さ３．１mmの鋼管ＳＴＫＭ１３Ａと同径同肉厚のアルミニウム合金管６０６１−Ｔ６の組合せで摩擦圧接した。鋼管が回転側で、回転数は１２００ｒｐｍとした。摩擦圧接の条件のうち、摩擦圧力P１、摩擦寄り代Ｕ１、アプセット圧力P２を表１に示す。ブレーキタイミングは摩擦過程終了後ただちに回転ブレーキとアプセット圧力負荷を行なうこと、すなわちタイミングのずれをなし、アプセット時間Ｔ２は８秒とした。これら条件はＳＴＫＭ１３Ａと６０６１−Ｔ６を良好に接合するために必要な条件の範囲内である。

圧接後、接合した管に表１に示す熱処理を施し、熱処理後、管を縦に切断して短冊形の試験片を切り出し、継手引張試験を実施した。試験結果を表１に示す。継手効率は母材６０６１−Ｔ６の引張強さ３０６ＭＰａに対する接合材の引張強さの比（％）である。

本発明に従う熱処理をした発明材Ｎｏ．１〜９は、同じ摩擦圧接条件で接合し熱処理のない比較材Ｎｏ．１０、１５、１７より引張強さ、継手効率において顕著に優れている。これに対して、熱処理条件が前記の範囲を外れている比較材Ｎｏ．１１〜１４、１６、１８、１９は、熱処理における入熱量が不足あるいは入熱量が過剰であり、同じ圧接条件で接合し熱処理のない比較材Ｎｏ．１０、１５、１７より引張強さ、継手効率の上昇量が小さいか、あるいは低下している。

実施例２
外径５０mm、厚さ２mmの鋼管ＳＴＫＭ１３Ａと同径同肉厚のアルミニウム合金管２０２４−Ｔ６あるいは７Ｎ０１−Ｔ６の組合せで摩擦圧接した。鋼管が回転側で、回転数は８００ｒｐｍとした。摩擦圧接の条件のうち、摩擦圧力P１、摩擦寄り代Ｕ１、アプセット圧力P２を表２に示す。ブレーキタイミングは摩擦過程終了後ただちに回転ブレーキとアプセット圧力負荷を行なうこと、すなわちタイミングのずれをなし、アプセット時間Ｔ２は８秒とした。これら条件はＳＴＫＭ１３Ａと２０２４−Ｔ６あるいはＳＴＫＭ１３Ａと７Ｎ０１−Ｔ６を良好に接合するために必要な条件の範囲内である。

圧接後、接合した管に表２に示す熱処理を施し、熱処理後、管を縦に切断して短冊形の試験片を切り出し、継手引張試験を実施した。試験結果を表２に示す。継手効率は母材２０２４−Ｔ６の引張強さ４７７ＭＰａあるいは７Ｎ０１−Ｔ６の引張強さ３６６ＭＰａに対する接合材の引張強さの比（％）である。

本発明に従う熱処理をした発明材Ｎｏ．２０〜２７は、同じ摩擦圧接条件で接合し熱処理のない比較材Ｎｏ．２８、３１より引張強さ、継手効率において顕著に優れている。これに対して、熱処理条件が前記の範囲を外れている比較材Ｎｏ．２９、３０、３２、３３は、熱処理における入熱量が不足あるいは入熱量が過剰であり、同じ圧接条件で接合し熱処理のない比較材Ｎｏ．２８、３１より引張強さ、継手効率の上昇量が小さいか、あるいは低下している。

実施例３
鋼管ＳＴＫＭ１５Ａ（外径５０ｍｍ、厚さ２．４ｍｍ）を回転側とし、これと端面が鋼管と同形状の中空部位を有する６０８２−Ｔ６鍛造材を摩擦圧接した。図１に、圧接後の断面を示す。鋼管の接合端面は表面粗さがＲａ：７．０μｍとなるように加工した。摩擦圧接条件は、Ｐ１：２５ＭＰａ、Ｐ２：１１０ＭＰａ、Ｕ１：０．４ｍｍ、Ｎ：８００ｒｐｍ（周速２．０９ｍ／ｓ）、ブレーキタイミングＰ２Ｌ０．１ｓ（摩擦過程終了後回転ブレーキをかけるが、摩擦圧力はその後も０．１秒間維持し、アプセット圧力負荷開始を遅らせること）、Ｔ２：４ｓとした。圧接後、１８０℃で４ｈ加熱したのち放冷する熱処理を施し、短冊状の引張試験片を切出して引張試験を実施した。引張強さは熱処理を行わなかった場合は２６０ＭＰａであったが、熱処理した場合には３０７ＭＰａと高い値を示した。

実施例３において、鋼管と６０８２−Ｔ６鍛造材を摩擦圧接した後の縦断面を示す図である。

Claims (3)

1. 鋼の中空部材とアルミニウム合金の中空部材の端面を突き合わせ、該端面同士を摩擦圧接により接合する方法において、アルミニウム合金がＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系のＴ６調質されたアルミニウム合金であり、摩擦圧接した後、再度、１００〜２００℃の温度域で加熱する人工時効処理を施すことを特徴とする鋼とアルミニウム合金の摩擦圧接方法。
2. 鋼の中空部材とアルミニウム合金の中空部材の端面を突き合わせ、該端面同士を摩擦圧接により接合する方法において、アルミニウム合金がＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系のＴ６調質されたアルミニウム合金であり、摩擦圧接した後、再度、１００〜２００℃の温度域でｔ秒間加熱する人工時効処理を施すことを特徴とする鋼とアルミニウム合金の摩擦圧接方法。
   ただし、ｔ（秒）は、２×１０^−１６・（Ｔ＋２７３）・ｅｘｐ［Ｑ／｛８．３１４（Ｔ＋２７３）｝］≦ｔ≦１８×１０^−１６ ・（Ｔ＋２７３）・ｅｘｐ［Ｑ／｛８．３１４（Ｔ＋２７３）｝］の範囲の時間（Ｔ：温度（℃）、Ｑ：Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金およびＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金の場合には１４５０００、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金の場合には１３００００）
3. 中空部材が管であることを特徴とする請求項１または２記載の鋼とアルミニウム合金の摩擦圧接方法。

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