JP5040206B2

JP5040206B2 - 摩擦撹拌接合用の低合金構造用鋼

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Publication number: JP5040206B2
Application number: JP2006202909A
Authority: JP
Inventors: 宗生松下; 倫正池田; 公宏西村
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2026-07-26
Also published as: JP2008031494A

Description

本発明は、摩擦撹拌接合用の低合金構造用鋼に関し、特に摩擦撹拌接合法に供した場合に、その施工性の有利な向上を図ろうとするものである。

摩擦溶接法として、例えば特許文献１に開示の技術が知られている。かような摩擦溶接法では、接合する両方またはいずれか一方の加工物を回転させることが要求される。そのため、加工物の形状や寸法に限界がある。

一方、特許文献２には、加工物より実質的に硬い材質からなるツールを用い、このツールを加工物の接合部に挿入し、該ツールを回転させながら移動させることにより、該ツールと加工物との間に生じる熱と塑性流動により加工物を長手方向に連続して接合する方法が提案されている。この特許文献２に開示の接合法は、摩擦溶接法、摩擦接合法、摩擦撹拌溶接法、摩擦撹拌接合法などと呼称されるが、本明細書ではこれらを総称して摩擦撹拌接合法と呼ぶものとする。

前記した特許文献１に開示の摩擦溶接法は、加工物同士を回転させ、加工物同士の摩擦熱によって溶接するのに対し、特許文献２に開示の摩擦撹拌接合法は、接合部材を固定した状態で、ツールを回転させながら移動することにより接合することができる。
このため、溶接方向に対して実質的に無限に長い部材についてもその長手方向に連続的に固相接合できるという利点がある。また、回転ツールと接合部材との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合であるため、接合部を溶融することなく接合することができるという利点がある。さらに、加熱温度が低いため、接合後の変形が少ないだけでなく、接合部が溶融されないため、欠陥が少ないなど、多くの利点がある。

上記した摩擦撹拌接合法は、アルミニウム合金やマグネシウム合金に代表される低融点金属材料の接合法として、航空機、船舶、鉄道車輌および自動車等の分野で利用が広がってきている。その理由としては、これらの低融点金属材料は、従来のアーク溶接法では接合部で満足な特性を得ることが難しいのに対し、摩擦撹拌接合法を適用した場合には生産性が向上すると共に品質の高い接合部を得ることができるためである。

一方、摩擦撹拌接合法の、建築物、船舶、重機、パイプラインおよび自動車といった構造物の素材として主に適用されている低合金溶接構造用鋼への適用は、以下の理由により、低融点金属材料と比較して普及が進んでいない。
すなわち、摩擦撹拌接合法においては、回転ツールの材質が加工物より実質的に硬いことが原則であるが、回転ツールの素材として、低融点金属材料の接合の場合には安価な工具鋼を用いることができるのに対し、低合金溶接構造用鋼の接合の場合には特許文献３および特許文献４に開示されているように、多結晶硼素窒化物（ＰＣＢＮ）や多結晶ダイヤモンドなどの高耐磨耗性材料を用いているのが現状であり、かかる高耐磨耗性材料の生産技術およびコストが摩擦撹拌接合法の普及に対し大きな影響を与えるからである。
さらに、この高耐磨耗性材料を素材とした回転ツールにかかる負荷が過大となるため、接合可能板厚や接合速度など能率にかかわる接合条件が大きく制限され、またツールの損耗、破損による交換作業により施工能率も良好ではない。

接合法においては、接合条件に制約が少ないほど、また施工能率が高いほど実用において好ましく、これらの実用に供し易さを総じて以下施工性と表現するが、摩擦撹拌接合法の鋼材に対する施工性は、鋼材の接合に広く利用されているアーク溶接と比較して十分ではないのが現状である。

なお、溶接用の低合金構造用鋼すなわち低合金溶接構造用鋼については、従来から種々の研究が進められている（例えば特許文献５〜９）が、施工性に優れた摩擦撹拌接合用鋼についてはほとんど研究がなされていない。
すなわち、特許文献５〜９には、大入熱のサブマージアーク溶接やエレクトロスラグ溶接に適用して好適な低合金溶接構造用鋼について開示されているが、これら特許文献５〜９では、大入熱溶接に供した場合の特性が検討されているだけで、本発明で対象とする摩擦撹拌接合法への適用に対しては何ら考慮が払われていない。

特開昭62−183979号公報特表平７−505090号公報特表2003−532542号公報特表2003−532543号公報特開2003−193179号公報特開2003−247042号公報特開2003−253380号公報特開2004−143479号公報特開2004−285369号公報

摩擦撹拌接合法とは、肩部および該肩部に配され、該肩部と回転軸を共有するピン部を有し、少なくともこれら肩部およびピン部は加工物より硬い材質からなる回転ツールを、加工物の接合部に挿入し回転させながら移動させ、該回転ツールとの摩擦熱による軟化とその軟化部を回転ツールが撹拌することにより生じる塑性流動を利用する接合法であるが、この接合法において、回転ツールの耐久性は、接合部の到達温度における回転ツールの硬さ、耐摩耗性と加工物の変形抵抗との相対的な関係により決まる。

摩擦撹拌接合法により低合金溶接構造用鋼を摩擦撹拌接合する場合、接合部の到達温度は900℃以上となるが、前掲特許文献３，４に開示の高耐磨耗性材料を素材とする回転ツールを用いて接合を行う場合、接合部の到達温度域において、回転ツールの硬さ、耐摩耗性に対して低合金溶接構造用鋼の変形抵抗が過大となり易いため、接合速度や鋼板の厚さなどの接合条件を制限して回転ツールの耐久性を確保する必要があった。
これにより、ツールの損耗、破損による交換作業の頻度は抑えられるものの、接合時間が長くなるので直接的に施工能率の改善にはつながらなかった。すなわち、施工性の改善は得られなかった。

本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、900℃以上という接合部の到達温度域においても、回転ツールの硬さや耐摩耗性に対する鋼材の変形抵抗を効果的に低減して、摩擦撹拌接合を実施する場合の接合条件を緩和し、もって施工能率を向上させることができる、摩擦撹拌接合用の低合金構造用鋼を提案することを目的とする。

さて、発明者らは上記の課題を克服すべく、鋭意研究を重ねた結果、接合部の到達温度における鋼材の変形抵抗を抑えるためには、結晶構造に起因する材料特性に着目して、鋼組成を設計することが有効であるとの知見を得た。
すなわち、接合部の到達温度付近における、フェライト単相域およびオーステナイト相−フェライト２相域を拡げることが、接合部の到達温度域における鋼材の変形抵抗を低減するのに極めて有効であることを新たに見出したのである。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
（１）質量％で
Ｃ：0.01〜0.20％、
Mn：0.1〜3.0％、
Ｐ：0.050％以下および
Ｓ：0.0050％以下
を含み、かつ
Si：0.4〜4.0％、
Al：0.3〜3.0％および
Ti：0.3〜3.0％
のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成からなる低合金構造用鋼であって、600℃以上の平衡状態においてフェライト単相となる温度域幅とオーステナイト相とフェライト相の２相となる温度域幅の合計が200℃以上であることを特徴とする、摩擦撹拌接合用の低合金構造用鋼。

（２）上記（１）において、鋼組成が、質量％でさらに、
Cu：3.0％以下、
Ni：5.0％以下、
Cr：1.0％以下、
Mo：1.0％以下、
Nb：0.1％以下、
Ｖ：0.1％以下および
Ｂ：0.0040％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成からなることを特徴とする、摩擦撹拌接合用の低合金構造用鋼。

本発明に従い、接合部の到達温度付近における、フェライト単相域およびオーステナイト相−フェライト２相域を拡大することにより、摩擦撹拌接合における鋼材の変形抵抗が大幅に低減し、その結果、回転ツールの耐久性が向上し、接合速度などの接合条件の制限が緩和される。
また、これによりツールの損耗、破損による交換作業の頻度が抑えられ、接合時間が短縮されるので、施工能率が向上する。

以下、本発明の解明経緯について説明する。
従来の低合金溶接構造用鋼は、平衡状態において、730℃付近のＡ₁点でオーステナイト相とフェライト相の２相となり、900℃付近のＡ₃点から1450℃付近のＡ₄点までオーステナイト単相となる。なお、Ａ₁、Ａ₃、Ａ₄点の温度は合金量により幾分変動する。

さて、オーステナイト相は結晶構造が面心立方格子であり、転位のすべり方向＜110＞、すべり面｛111｝の組み合わせから12のすべり系が存在する。これに対し、体心立方格子のフェライト相は、すべり方向＜111＞、すべり面｛110｝,｛112｝,｛123｝より48のすべり系が存在する。よって、フェライト相はオーステナイト相と比較してすべり系が多い分、塑性変形時に転位がすべる過程において転位同士の干渉、妨害が少ない。すなわち、加工硬化が少ないため、摩擦撹拌接合時における変形抵抗が低くなる。

従って、接合部の到達温度付近におけるオーステナイト相に対するフェライト相の比率が高いほど摩擦撹拌接合時における変形抵抗を低くすることができ、特に600℃以上の平衡状態においてフェライト単相となる温度域幅とオーステナイト相とフェライト相の２相となる温度域幅の合計が200℃以上存在するように成分調整を行うことにより、目標とする低合金構造用鋼が得られることが判明した。
ここに、判断すべき平衡状態の基底温度を600℃としたのは、鉄鋼を摩擦撹拌接合した時、接合部の温度は概ね600℃以上になるためである。

さて、600℃以上の平衡状態において、フェライト単相となる温度域幅とオーステナイト−フェライト２相となる温度域幅を拡張するには、Si，AlおよびTiなどのフェライト安定化元素を添加することが有効であると考えられる。
その理由として、これらのフェライト安定化元素は、Feと各々の元素の状態図において、γループを形成することが挙げられる。

例えば、図１は、質量％でＣ：0.1％、Mn：1.5％を含有する系のFe−Al平衡状態図であるが、Al量が増加するに従ってオーステナイト（図中γで示す）単相領域が縮小していき、Al量が1.2％以上になるとオーステナイト単相領域は認められなくなる。なお、同図に見られるようにAlのようなフェライト安定化元素を添加することにより形成される閉塞したオーステナイト単相領域をγループと呼ぶ。
また、Alの他、Si，Tiなどのフェライト安定化元素も同様の傾向を持つことが知られている。

そこで、発明者らは、質量％で、Fe−0.11％Ｃ−1.5％Mn−0.013％Ｐ−0.002％Ｓを基本組成とし、上記した各種フェライト安定化元素を種々の割合で含有させた場合における、フェライト単相およびオーステナイト−フェライト２相となる温度域幅の合計温度域幅について調査すると共に、この合計温度域幅の大きさと上記鋼材の900℃における引張強度について調査した。
得られた結果を図２に示す。

同図に示したとおり、フェライト単相となる温度域幅とオーステナイト−フェライト２相となる温度域幅の合計温度域幅が200℃以上になると、鋼材の引張強度が急激に低下する。
それ故、本発明では、600℃以上の平衡状態においてフェライト単相となる温度域幅とオーステナイト相とフェライト相の２相となる温度域幅の合計について、200℃以上と規定したのである。

以上、述べたとおり、600℃以上の平衡状態においてフェライト単相となる温度域幅とオーステナイト相とフェライト相の２相となる温度域幅の合計を200℃以上とすることによって、鋼材の引張強度すなわち変形抵抗が大幅に低下する。
そこで、次に、かような要件を満足する成分組成範囲について検討した。
その結果、以下に述べる好適成分組成範囲を見出したのである。なお、成分に関する「％」表示は特に断らない限り質量％を意味するものとする。

Ｃ：0.01〜0.20％
Ｃは、母材の強度と靱性に非常に大きな影響を及ぼす元素であり、0.01％以上を必要とするが、0.20％を超えると靱性に悪影響を及ぼすため、0.01〜0.20％の範囲に限定した。

Mn：0.1〜3.0％
Mnは、母材の強度と靱性を同時に向上させるのに有用な元素であるが、含有量が0.1％に満たないとその添加効果に乏しく、一方3.0％を超えると偏析等により鋼材に悪影響を及ぼすため、0.1〜3.0％の範囲に限定した。

Ｐ：0.050％以下、Ｓ：0.0050％以下
ＰおよびＳはいずれも、中心偏析を助長する元素であり、極力低減することが望まれるが、Ｐは0.050％で、Ｓは0.0050％以下で許容される。

Si：0.4〜4.0％、Al：0.3〜3.0％およびTi：0.3〜3.0％のうちから選んだ１種または２種以上
上記したSi，AlおよびTiはいずれも、γループを形成するフェライト安定化元素であり、600℃以上の平衡状態においてフェライト単相となる温度域幅とオーステナイト相とフェライト相の２相となる温度域幅の合計を200℃以上とするために重要な元素である。しかしながら、それぞれ含有量が下限に満たないとその添加効果に乏しく、一方上限を超えるとHAZ部の靱性が劣化するため、これらはそれぞれ上記の範囲で含有させるものとした。
なお、特に好ましい範囲は、Si：1.0〜4.0％、Al：1.2〜3.0％の範囲である。

以上、基本成分について説明したが、本発明ではその他にも、以下に述べる元素を適宜含有させることができる。
Cu：3.0％以下
Cuは、母材の強度を確保するために有用な元素であるが、3.0％を超えて含有すると母材およびＨＡＺ部が硬化するため、3.0％以下に限定した。

Ni：5.0％以下
Niは、母材の強度と靱性を向上させる元素であるが、5.0％を超えて含有するとＨＡＺ部が硬化するため、5.0％以下に限定した。

Cr：1.0％以下
Crは、母材の強度を確保するために有用な元素であるが、1.0％を超えて含有するとＨＡＺ部の靱性を劣化させるため、1.0％以下に限定した。

Mo：1.0％以下
Moは、母材の強度向上に有用な元素であるが、1.0％を超えると靱性に悪影響を及ぼすので、1.0％以下に限定した。

Nb：0.1％以下
Nbは、母材およびＨＡＺ部の強度と靱性を確保するために有用な元素であるが、0.1％を超えると靱性に悪影響を及ぼすため、0.1％以下に限定した。

Ｖ：0.1％以下
Ｖは、母材の強度を高めるのに有用な元素であるが、含有量が0.1％を超えると靱性を劣化させるので、0.1％以下に限定した。

Ｂ：0.0040％以下
Ｂは、圧延中にオーステナイト粒界に偏析して焼入性を上げる作用があるが、0.0040％を超えるとＨＡＺ部の靱性を劣化させるため、0.0040％以下に限定した。

その他、不純物としてはＮがあり、多量に含有されると窒化物を形成して靱性の低下を招くので、Ｎの混入量は0.010％以下とすることが好ましい。

そして、以上述べた各成分の組成範囲の中で、成分を適宜調整し、600℃以上の平衡状態においてフェライト単相となる温度域幅とオーステナイト相とフェライト相の２相となる温度域幅の合計が200℃以上として、接合部の到達温度域における鋼材の変形抵抗を低下させることにより、摩擦撹拌接合時における施工能率の向上という本発明で所期した効果が得られるのである。

実施例１
表１に示す種々の成分組成になる鋼板（板厚：12mm）を、同一の接合条件で摩擦撹拌接合した。表１中、No.１〜６は本発明の要件を満たす発明例、No.７〜11は本発明の要件を満たさない比較例である。
これらの鋼板を用い、継手突合せ面は角度をつけないいわゆるＩ型開先でフライス加工程度の表面状態とし、表２に示す接合条件で、片面１パスで接合を実施した。図３に、具体的な接合要領を模式で示す。なお、回転ツールとしては、多結晶硼素窒化物（ＰＣＢＮ）を素材としたツールを用い、接合時にはアルゴンガスにより接合部をシールドして表面の酸化を防止した。図４に、回転ツールの寸法・形状を示す。
そして、上記の接合時に回転ツールにかかる荷重を測定した。この荷重測定に際しては、図５に示すように、回転ツールに対して接合方向と同一方向にかかる荷重をＸ荷重、接合方向と直角方向にかかる荷重をＹ荷重、ツールの軸方向と同一方向にかかる荷重をＺ荷重として、３方向の荷重を測定した。
得られた結果を表３に示す。

表３に示したとおり、本発明の要件を満足するNo.１〜６の鋼板では、Ｘ荷重が5.29 kN以下、Ｙ荷重が1.91 kN以下、Ｚ荷重が28.99 kN以下と低かったのに対し、本発明の要件を満たさない比較例であるNo.７〜11の鋼板では、Ｘ荷重が5.74 kN以上、Ｙ荷重が2.63 kN以上、Ｚ荷重が30.87 kN以上と高かった。
これにより、発明例は比較例に比べて、回転ツールにかかる荷重すなわち変形抵抗が低減されたことが分かる。

実施例２
Fe−0.11％Ｃ−1.5％Mn−3.2％Si−0.009％Ｐ−0.002％Ｓを基本組成とし、さらに種々の添加元素を、表４に示す割合で添加した鋼材を、被加工物として、実施例１と同様にして摩擦撹拌接合を実施した。
この接合時に際し、実施例１と同様に、回転ツールにかかる荷重を測定した。また、接合部の強度および靱性についても調査した。
得られた結果を表５に示す。
なお、比較のため、表１にNo.７で示した比較例１についても、各種特性を測定した。

表５より明らかなように、本発明に従い、各種の選択成分を添加することにより、強度および／または靱性が向上することが分かる。

Ｃ：0.1％およびMn：1.5％を含有する系のFe−Al平衡状態図である。フェライト単相およびオーステナイト−フェライト２相となる温度域幅の合計温度域幅と900℃における引張強度の関係を示すグラフである。具体的な接合要領を示す模式図である。回転ツールの寸法・形状を示す図である。回転ツールにかかる荷重の方向を示す図である。

Claims

質量％で
Ｃ：0.01〜0.20％、
Mn：0.1〜3.0％、
Ｐ：0.050％以下および
Ｓ：0.0050％以下
を含み、かつ
Si：0.4〜4.0％、
Al：0.3〜3.0％および
Ti：0.3〜3.0％
のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成からなる低合金構造用鋼であって、600℃以上の平衡状態においてフェライト単相となる温度域幅とオーステナイト相とフェライト相の２相となる温度域幅の合計が200℃以上であることを特徴とする、摩擦撹拌接合用の低合金構造用鋼。
請求項１において、鋼組成が、質量％でさらに、
Cu：3.0％以下、
Ni：5.0％以下、
Cr：1.0％以下、
Mo：1.0％以下、
Nb：0.1％以下、
Ｖ：0.1％以下および
Ｂ：0.0040％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成からなることを特徴とする、摩擦撹拌接合用の低合金構造用鋼。