JP4758574B2 - 異種金属接合構造体およびその摩擦圧接方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接合界面における耐食性を向上させた異種金属接合構造体およびその摩擦圧接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
異種金属部材を冶金的に接合、例えば摩擦圧接した継手としては、これまで、接合時に溶融および排出された材料により生じるバリが、接合界面に対してバリの母材側に反った形状の継手や、このバリを切削して接合界面の外周を平滑にした継手が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、それぞれの金属（純金属・合金）は成分固有の自然電位を有しており、異種金属同士を極めて近い距離に置いた状態または接合した状態とし、この異種金属間に電解液を供給すると、それらの自然電位の差により電池同様の現象が生じ、異種金属間で腐食が進行してしまう。そのため、接合界面の外周が常に外の雰囲気にさらされている上記の従来の継手では、塗装等により表面を被服しない場合、あるいは被覆した塗装等が剥がれてしまった場合に、接合界面に対して腐食要因となる電解液の供給が容易に達成され、腐食の進行を止められないといった問題があった。
【０００４】
したがって、本発明は、このような状況のもとでなされたものであって、接合時に生じるバリによって接合界面における耐食性を向上させ、塩害地等の厳しい腐食環境においても使用可能な異種金属接合構造体を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
よって、本発明の異種金属接合構造体は、異種金属部材を接合させた接合構造体において、一方の部材の外周側から他方の部材の外周に沿った方向にバリを延在させることを特徴としている。本発明におけるバリとは、接合の際に元の接合部材の端部を結ぶ線より外側にはみ出した領域のことである。
【０００６】
本発明の異種金属接合構造体によれば、図１に示すように、バリ１を一方の部材（第１部材）２の外周側から他方の部材（第２部材）３の外周に沿った方向に延在させることによって、このバリ１が接合界面の外周部に覆い被さった構成を形成している。この構成においては、バリの存在によって、塩水等の電解液が接合界面に到達するのを妨げることができる。また、電解液がバリ１の内側に入り込んだ場合には、この電解液により接合界面付近のバリ１または第２部材３の一部が腐食されて酸化生成物４が生成され、この酸化生成物４がバリ１と第２部材３との隙間に堆積されることによって、さらなる電解液の接合界面付近への供給を遮断し、接合界面の腐食を阻害することができる。したがって、本発明の異種金属接合構造体は、上記のように接合界面における腐食進行を遅延する効果を有することにより、耐食性の向上を達成している。
【０００７】
また、本発明の異種金属接合構造体の他の形態としては、異種金属間の自然電位差に着目し、一方の部材の外周側から他方の部材の外周に沿った方向に延在させるバリが、異種金属間において相対的に自然電位の卑な金属により形成されていることを特徴としている。すなわち、図２に示すように、異種金属部材を接合させた接合構造体において、自然電位の卑な金属部材５の外周側から自然電位の貴な金属部材６の外周に沿った方向に延在するように、自然電位の卑な金属部材からなるバリ１を形成させることによって、自然電位の卑な金属５が接合界面の外周部に覆い被さった構成を形成している。
【０００８】
この形態によれば、自然電位の卑な金属部材からなるバリ１と自然電位の貴な金属部材６との間に電解液が供給されることにより、バリ１の領域が腐食される。このバリ領域の腐食は、接合界面での腐食に対する犠牲腐食として作用する。すなわち、接合界面における腐食で用いられるはずの電解液が、バリ１と自然電位の貴な金属部材６との間での腐食に使用されることにより、接合界面における腐食が減少される。したがって、本発明の異種金属接合構造体のより好適な形態においては、上記のバリによる接合界面への電解液の到達防止効果および酸化生成物による腐食阻害効果に加え、バリの犠牲腐食効果を有することにより、異種金属接合構造体の耐食性をさらに向上することができる。
【０００９】
このような接合界面を持った異種金属接合構造体は、例えば、固相接合手法の一種である摩擦圧接により作製することができる。摩擦工程では、接合部材の表面が機械的に清浄化され、その後のアップセット工程で接合界面に生成した反応生成物を外部に排出するとともに両接合部材の圧接を完了する。ここで、反応生成物とともに排出された部材がバリを形成する。
【００１０】
本発明の異種金属部材の摩擦圧接方法は、異種金属部材どうしを接触させて接触面で摩擦圧力を加えながら相対的に回転させる摩擦圧接工程と、前記摩擦圧力よりも強いアップセット圧力で前記異種金属部材どうしをアップセットするアップセット工程とを備え、前記摩擦圧力が、摩擦界面温度における溶融点の低い方の部材の耐力以下であり、かつ、アップセット圧力が、溶融点の低い方の部材の常温における耐力以上であり、前記アップセット工程において、溶融点の低い方の部材の外周側から他方の部材の外周に沿った方向にバリを延在させることを特徴としている。
【００１１】
本発明の摩擦圧接方法における摩擦工程では、バリを連続排出させずに軸部に熱を蓄えるために、摩擦圧力を融点の低い方の部材の摩擦界面温度における耐力以下とする必要がある。この摩擦圧力は、融点の低い方の部材の組成により決定するものであり、具体的には、鋼材とアルミニウム合金との接合構造体における界面温度４５０℃の耐力は、アルミニウム合金（ＪＩＳ Ａ５０５２−Ｈ３４）で１７ＭＰａ、アルミニウム合金（ＪＩＳ Ａ５４５４）で２２ＭＰａである。また、アップセット工程においては、軸を座屈させてバリを接合界面に覆い被らせるために、アップセット圧力を融点の低い方の部材の常温における耐力以上とする必要がある。このアップセット圧力も、摩擦圧力と同様、融点の低い方の部材の組成により決定するものであり、具体的には、鋼材とアルミニウム合金との接合構造体における常温２５℃の耐力は、アルミニウム合金（ＪＩＳ Ａ５０５２−Ｈ３４）で２１５ＭＰａ、アルミニウム合金（ＪＩＳ Ａ５４５４）で２４０ＭＰａである。
【００１２】
さらに、本発明の摩擦圧接方法においては、摩擦工程における摩擦時間が不足すると接合面が十分清浄化せず、つまり接合面の汚れや残存酸化物が過度に残存した状態となり、その後のアップセット工程で良好な密着が得られない。これに対し、摩擦時間が長すぎると、接合面は十分清浄化するものの、接合部材に与えられる入熱量が多く、アップセット工程において反応生成物層が過大に成長し、接合強度が著しく劣ってしまう。そのため、本発明においては、上記の摩擦圧力およびアップセット圧力を考慮し、適宜摩擦時間を設定することが好ましい。また、アップセット時間については、接合部材の十分な圧着が得られる時間以上であればよい。
【００１３】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
＜実施例１＞
鋼材（ＪＩＳ Ｓ１０Ｃ）を自然電位の貴な金属部材、アルミニウム合金材（ＪＩＳ Ａ５０５２−Ｈ３４）を自然電位の卑な金属部材として用い、外径１６ｍｍ、所定長さの鋼材丸棒、および外径１６ｍｍ、所定長さのアルミニウム合金丸棒に調製して試験片とした。次に、鋼材丸棒を固定側に、アルミニウム合金丸棒を回転側にセットし、両部材の接合面をアセトンで脱脂後、表１に示すように、アルミニウム合金丸棒を１２００ｒｐｍで回転させ、摩擦圧力１０ＭＰａ、摩擦時間３秒で鋼材丸棒に摩擦させ、その後、アップセット圧力２５０ＭＰａ、アップセット時間６秒で圧着させて、実施例１の鋼材とアルミニウム合金との接合構造体を得た。なお、鋼材丸棒とアルミニウム合金丸棒との摩擦圧接は慣用方法であるブレーキ式により行った。
【００１４】
【表１】

【００１５】
このようにして得られた実施例１の鋼材とアルミニウム合金との接合構造体は、接合部の断面において、強度の低いアルミニウム合金丸棒側が大きく変形し、外部に排出され、接合界面の外周部を覆い被さるように、アルミニウム合金丸棒の外周側から鋼材丸棒の外周に沿った方向に延在するバリが形成されていた。
【００１６】
＜比較例１＞
実施例１の鋼材とアルミニウム合金との接合構造体において、バリを切削するとともに、接合構造の外周を切削して平滑とし、比較例１の鋼材とアルミニウム合金との接合構造体を得た。
【００１７】
＜比較例２＞
鋼材（ＪＩＳ Ｓ３５Ｃ）を自然電位の貴な金属部材、アルミニウム合金材（ＪＩＳ Ａ５４５４）を自然電位の卑な金属部材として用い、外径１６ｍｍ、所定長さの鋼材丸棒、および外径１６ｍｍ、所定長さのアルミニウム合金丸棒に調製して試験片とした。次に、鋼材丸棒を固定側に、アルミニウム合金丸棒を回転側にセットし、両部材の接合面をアセトンで脱脂後、表１に示すように、アルミニウム合金丸棒を１２００ｒｐｍで回転させ、摩擦圧力６２．５ＭＰａ、摩擦時間１秒で鋼材丸棒に摩擦させ、その後、アップセット圧力１５０ＭＰａ、アップセット時間６秒で圧着させて、比較例２の鋼材とアルミニウム合金との接合構造体を得た。なお、上記の摩擦圧接は実施例１と同様の方法により行った。
【００１８】
このようにして得られた比較例２の鋼材とアルミニウム合金との接合構造体は、接合部の断面において、強度の低いアルミニウム合金丸棒側が大きく変形し、外部に排出され、接合界面からアルミニウム合金丸棒側へ反ったバリが形成されていた。
【００１９】
＜腐食環境試験＞
上記で得られた実施例１、比較例１および２の鋼材とアルミニウム合金との接合構造体について、塩水噴霧・乾燥・湿潤環境に高温・低温を組み合わせた、表２に示すようなサイクルの腐食環境試験を行い、接合界面付近の腐食状況を観察した。これらの結果は図３〜５に示した。なお、（ａ）は接合界面を写した断面写真であり、（ｂ）は（ａ）を模式的に示した断面図である。
【００２０】
【表２】

【００２１】
上記の腐食環境試験の結果、バリが、接合界面の外周部を覆い被さるように、アルミニウム合金丸棒の外周側から鋼材丸棒の外周に沿った方向に延在する構成である実施例１の接合構造体では、９０サイクルの試験後においても、図３に示すように、バリの先端部が犠牲腐食されているものの、接合界面における腐食はほんの僅かなものであった。これに対し、バリを切削するとともに、接合構造の外周を切削して平滑とした比較例１の接合構造体では、図４に示すように、接合界面に沿って腐食が進行し、４０サイクルの試験で破断に至った。また、バリが接合界面からアルミニウム合金丸棒側へ反った比較例２の接合構造体では、図５に示すように、バリの犠牲腐食効果による腐食の遅延は見られるものの、塩水の供給を妨げることができず、９０サイクルの試験によって、接合界面での腐食がバリの腐食と同程度の速さで進行してしまい、防食効果としては充分でなかった。
【００２２】
したがって、鋼材とアルミニウム合金との接合構造体において、バリが、接合界面の外周部を覆い被さるように、アルミニウム合金丸棒の外周側から鋼材丸棒の外周に沿った方向に延在する構成とすることにより、接合界面における腐食進行を抑制し、耐食性を向上させた鋼材とアルミニウム合金との接合構造体を得ることができた。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、異種金属部材を接合させた接合構造体において、一方の部材の外周側から他方の部材の外周に沿った方向にバリを延在させることにより、接合界面への電解液の到達防止効果、犠牲腐食効果、および酸化生成物による腐食阻害効果を得ることができ、これにより、塩害地等の厳しい腐食環境においても使用可能な優れた耐食性の異種金属接合構造体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の異種金属接合構造体の一実施形態を模式的に示した断面図である。
【図２】 本発明の異種金属接合構造体の他の実施形態を模式的に示した断面図である。
【図３】 （ａ）は腐食環境試験を行った本発明の実施例１の異種金属接合構造体を写した断面写真であり、（ｂ）は（ａ）を模式的に示した断面図である。
【図４】 （ａ）は腐食環境試験を行った比較例１の異種金属接合構造体を写した断面写真であり、（ｂ）は（ａ）を模式的に示した断面図である。
【図５】 （ａ）は腐食環境試験を行った比較例２の異種金属接合構造体を写した断面写真であり、（ｂ）は（ａ）を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
１…バリ、２…第１部材、３…第２部材、４…酸化生成物、
５…自然電位の卑な金属部材、６…自然電位の貴な金属部材。

Claims (3)

1. 異種金属部材を接合させた接合構造体において、
   一方の部材の外周側から他方の部材の外周に沿った方向にバリを延在させることを特徴とする異種金属接合構造体。
2. 前記バリは、異種金属間において相対的に自然電位の卑な金属により形成されていることを特徴する請求項１に記載の異種金属接合構造体。
3. 異種金属部材どうしを接触させて接触面で摩擦圧力を加えながら相対的に回転させる摩擦圧接工程と、
   前記摩擦圧力よりも強いアップセット圧力で前記異種金属部材どうしをアップセットするアップセット工程とを備え、
   前記摩擦圧力が、摩擦界面温度における溶融点の低い方の部材の耐力以下であり、かつ、アップセット圧力が、溶融点の低い方の部材の常温における耐力以上であり、前記アップセット工程において、溶融点の低い方の部材の外周側から他方の部材の外周に沿った方向にバリを延在させることを特徴とする異種金属部材の摩擦圧接方法。

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