JP5326096B2

JP5326096B2 - 摩擦攪拌加工用ツール

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Publication number: JP5326096B2
Application number: JP2008063409A
Authority: JP
Inventors: 隆幸高杉; 智丈平田; 昇望月; 優川上
Original assignee: Fuji Die Co Ltd; ISEL Co Ltd
Current assignee: Fuji Die Co Ltd; ISEL Co Ltd
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2028-03-12
Also published as: JP2009214170A

Description

本発明は、摩擦攪拌加工用のツール、特に被加工材が鉄又は鉄合金である場合に好適な摩擦攪拌加工用ツールに関する。ここで、摩擦攪拌加工とは、摩擦攪拌接合、摩擦攪拌改質、摩擦点接合等の、回転するツールを強い力で被加工材に押し当て、発生する摩擦熱により被加工材を可塑化させ固相状態で加工することをいう。

アルミニウム合金板等の被接合材同士を接合するに際し、この被接合材の接合面を互いに突き合わせて形成される接合線の一端に、高速回転する棒状の攪拌工具（径の大きいショルダ部とその先端にプローブを有する硬い工具鋼からなるツール）のプローブを強い力で挿入し、このツールを高速回転させながら接合線に沿って他端に移動させ、その時に発生する摩擦熱により接合面を可塑化して、ツールのショルダ部によって圧力を付加しながら被接合材の接合面同士を接合する接合方法は、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ：
ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＷｅｌｄｉｎｇ）と呼ばれ、広く知られている（例えば特許文献１）。

上記摩擦攪拌接合によれば、ツールと被接合材との摩擦熱を利用して接合するので、最高到達温度が融点に達せず固相状態で接合するため、アーク溶接などの溶融溶接に比べて、接合部における強度低下が小さく、気孔や割れなどの接合欠陥がなく、接合面も平坦である等の利点があり、すでに鉄道車両、船舶、土木構造物、自動車などの分野で実用化されている。

また、アルミニウム合金板等の被加工材の表面に、上記のような高速回転するツールのプローブを強い力で挿入し、このツールを高速回転させながら一端から他端に移動させ、その時に発生する摩擦熱によりツールのショルダ部およびプローブの近傍の被加工材を可塑化することにより、被加工材の一定の深さまでの結晶粒径を小さくして強度および硬度等を向上させる改質方法は、摩擦攪拌改質（ＦＳＰ：ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒ
Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）と呼ばれ、広く知られている（例えば特許文献２）。

更にツールを被加工材に押し付けるが横移動させることなく一定時間後にそのまま引き抜くという点接合プロセスが開発されており、摩擦点接合（ＳｐｏｔＦｒｉｃｔｉｏｎＷｅｌｄｉｎｇ）あるいはフリクションスポット接合（ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｐｏｔ
Ｊｏｉｎｉｎｇ）と呼ばれている。

これらの摩擦攪拌加工において、被加工材としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いる場合、ツールとしてはＳＫＤ鋼等のツールが用いられている。しかし、被加工材として鉄または鉄合金が用いられる場合には、ＳＫＤ鋼等のツールは、ツールがたちまち減耗等により変形し、接合ができないという問題がある。また、セラミック製ツールは、高価で折れ易いという問題があり、特に被加工材がステンレスの場合は摩耗しやすい。

そこで、鉄または鉄合金、チタン等にてなる高融点の金属材料を被加工材とする摩擦攪拌加工技術の検討がされている（例えば、特許文献３、４、５及び６）。

特許文献３には、鉄，ニッケルまたはそれら各々の合金により構成される構造物であって、表面部に顕在化した損傷部を有するものにおいて、前記損傷部が回転ツールを用いる摩擦攪拌接合法によって補修されている構造物が開示され、上記回転ツールとして、常温での硬さがビッカース硬さ相当で５５０またはそれ以上の材料からなる例えば超硬合金のような金属またはセラミックからなるものが挙げられている。しかしながら、この実施例においては、回転ツールの具体的な材料名は示されてはいない。

特許文献４にはタングステン製ツールを用いて鉄系材料を摩擦攪拌加工することが開示されているが、タングステン製ツールは炭素鋼には使えるがステンレスには難しく、実用的に長距離接合するには十分ではない上高価である。

特許文献５には、被加工物に接触させる部分が、イリジウムを主成分とし、レニウム、ルテニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム又はハフニウム或いはこれらの２種以上を副成分として含有する２元合金の組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする摩擦攪拌接合用工具が開示されている。

特許文献６には、少なくとも被加工物に接触させる部分が、平均結晶粒径が２００μｍ以下の結晶粒からなる金属系材料又は金属とセラミックスの複合材料で形成されていることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具が開示されている。そして、前記金属系材料が、２０００℃ 以上の融点を有する高融点金属と、酸化物若しくは窒化物のいずれか１種又はその両方とを含有する合金であることが開示されている。

特許文献５または６に開示された摩擦攪拌接合用工具は、ＳＫＤ鋼製ツールに比べて、鉄または鉄合金用として適しているが、しかしながら、イリジウムを主成分とする２元合金は、高価であるという問題が残っており、また、２０００℃ 以上の融点を有する高融点金属と、酸化物若しくは窒化物のいずれか１種又はその両方とを含有する合金も高価であるという問題が残っている。
特許第２７１２８３８号公報特開２００３−６４４５８号公報特開２００２−２１９５８５号公報特開２００２−２７３５７９号公報特開２００６−３２０９５８号公報特開２００７−２３７２５９号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、鉄または鉄合金等の加工温度が高温になる被加工材用の、摩耗が少なく高効率で生産性よく摩擦攪拌加工できる安価な摩擦攪拌加工用ツールを提供することにある。

上記の目的は、本発明の摩擦攪拌用ツールにより達成することができる。すなわち、本発明の摩擦攪拌加工用ツールは、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ及びＴａのいずれかの元素からなる金属の炭化物を、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのうちの少なくとも１つを主成分とする金属（Ｒｅを含むものを除く）で結合した合金であって、ロックウエル硬さが８６ＨＲＡ以上８８．５ＨＲＡ以下、Ｋ _ＩＣが１０ＭＰａ・ｍ ^1/2 以上２５ＭＰａ・ｍ ^1/2 以下、８００℃におけるビッカース硬さが３００ＨＶ以上、焼結後の合金の炭化物の粒度が２．５μｍ以上５．０μｍ未満の超硬合金にてなり、摩擦攪拌加工の被加工材が鉄または鉄合金であることを特徴とする。

以下、本発明の摩擦攪拌加工用ツールについて詳細に説明する。本発明でいう超硬合金とは、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ及びＴａのいずれかの元素からなる金属の炭化物を、Ｆｅ，Ｃｏ及びＮｉのうちの少なくとも１つを主成分とする金属で結合した合金の総称である。
特に、タングステンカーバイド（ＷＣ）微粒子を金属バインダーにて固めた合金材料が好適に用いられる。超硬合金は主に切削加工や金型などの耐摩耗性を要求される分野で使用され、比較的安価な材料である。本発明は超硬合金に着目し特定の性能を満たすものが本用途に使用可能なことを見出し完成したものである。

タングステンカーバイド粒子の粒径は約１〜５μｍのものが好適に用いられる。平均粒径はフルマンの式によるＷＣ平均粒度算出方法による。
バインダー用の金属はＣｏまたはＣｏとＮｉ等の合金が通常用いられ、更に微量のＣｒ等の金属を加えたものも用いられる。
ＣｏとＮｉを用いたものはＣｏ単独のものに比し常温で硬度が低いが、温度の上昇に伴う硬度の低下が少なく高温での硬度が維持されやすい。

ツールの製造は、例えばＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｎｉ粉末を混合し、冷間プレス、成形、真空焼結、必要に応じてＨＩＰ（熱間等方圧加圧）処理、研削加工、研磨加工、放電加工等により所定の形状に加工することにより行われる。ＨＩＰ処理とは、不活性ガス下、高温・高圧下で処理し気孔を消滅させる操作のことを言う。

本発明で用いる超硬合金のロックウエル硬さ（ＨＲＡ）は、摩擦攪拌加工用ツールの耐摩耗性の維持の点から８５以上が必要であり、好ましくは８６以上であり、更に好ましくは８８以上である。上記ロックウエル硬さは、ＣＩＳ０２７Ｂ超硬質合金のロックウエルＡ硬さ試験方法によって測定されるものである。

本発明で用いる超硬合金のＫ_ＩＣは、１０ＭＰａ・ｍ^1/2以上が必要である。摩擦攪拌加工用ツールの加工時における折損を防ぐためである。
上記Ｋ_ＩＣは、破壊靭性値といいクラックを生じた後のクラックの進展し難さの尺度に
用いられる。Ｋ_ＩＣが大きい程クラックが進展し難いとされる。上記のように、本発明で
用いる超硬合金のＫ_ＩＣは、１０ＭＰａ・ｍ^1/2以上が必要であるが、通常、硬さが大きくなると、Ｋ_ＩＣは小さくなるため硬度とＫ_ＩＣのバランスが必要である。Ｋ_ＩＣの
上限は２５ＭＰａ・ｍ^1/2程度である。
上記Ｋ_ＩＣは、ビッカース圧痕法により新原の式を使用して算出される。
新原の式Ｋ_ＩＣ＝０．００８×ａ×Ｉ^-1/2 ×Ｅ^2/5 ×σ_ｍｂ ^3/5ＭＰａ・ｍ^1/2
ａビッカース圧痕の対角線の半分（ｍ）
Ｉ 4本のクラックの長さの平均値（ｍ）
Ｅヤング率（ＭＰａ）
σ_ｍｂ抗折力（ＭＰａ）
テスト条件焼鈍後（１０００℃×１ｈ）、荷重４９０Ｎ

本発明で用いる超硬合金の８００℃におけるビッカース硬さ（Ｈｖ）は２００以上が必要であり、３００以上が好ましい。
本発明において、８００℃におけるビッカース硬さとは、ＪＩＳＺ２２５２に基き、荷重１０００ｇ、保持時間３０秒の条件で、温度８００℃で測定したものを意味する。

本発明の鉄合金とは、鉄を主成分として他の元素を一つもしくは複数含む合金をいう。例えば、炭素鋼、ステンレスなどが挙げられる。

本発明の被加工材の形状としては、特に限定されないが、薄板、厚板、塊状物などが挙げられ、摩擦攪拌接合の場合は薄板、厚板が特に好ましい。

本発明の摩擦攪拌加工方法について詳しく説明する。突合せ摩擦攪拌接合においては被接合材を突合せにて定盤上に又は定盤上に置いた裏当て治具上に置き固定する。この際、攪拌接合による裏面からの汚染等の問題があるため、接合部分に裏当て材を置いてその上で接合加工されることがあるが、この方法は本発明のツールによる加工においても有用である。裏当て材は耐熱性、不燃性、強度、非汚染性、表面平滑性等を有することが好ましく、高融点金属箔、セラミックス板等が用いられるが、特に断熱性のよい熱伝導率の低いセラミックスが好ましい。

上述の裏当て材を用いて、本発明の摩擦攪拌加工方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）を行う方法を図１を参照しながら説明する。

図１において、先ず、定盤上の所望の位置に、裏当て材２０を配置する。裏当て材としては、セラミックス板、スチール箔、チタン箔などの金属箔等が好適に使用されるが、これ等に限定されない。

次に、上記裏当て材２０の上の中央に、板状の被接合材３１および３２の接合線３３が位置するように、板状の被接合材３１および３２を配置し固定する。被接合材３１および３２としては、主として、鉄または鉄合金からなる板状の被接合材が使用される。これ等の被接合材３１および３２は、裏当て治具１０の形状に対応して、平たい単純な板状のものあるいは単純な２次元的な曲面を有する板状のものであってもよく、また３次元的な曲面を有する板状のものであってもよい。

上記裏当て材を、被接合材３１および３２と裏当て治具１０との間に介在させるには、表面平滑な薄層体２０を単に被接合材３１および３２の接合線３３に沿って裏当て治具１０上に載置するだけでもよいが、挟着作業を容易にするために、予め裏当て治具１０の上に裏当て材２０を粘着剤や接着剤により貼り付けておいてもよい。

その後、板状の被接合材３１と３２の接合線３３の一端に、高速回転する接合用回転工具４０（径の大きいショルダ部４２とその先端にプローブ４１を有する本発明の超硬合金にてなるツール４０）のプローブ４１を高速回転させながら強い力で押し当て挿入し、ショルダ部４２による圧力を付加し摩擦熱を発生させながらツール４０を接合線３３に沿って他端に移動させ、摩擦熱によりツール近傍を可塑化して固相状態で接合する。尚ツールは被接合材の接合部の近傍の表面の略法線方向から挿入されかつ略法線方向を保った状態で移動される。

ここで上記接合用回転工具（ツール）につき説明する。上記接合用回転工具（ツール）４０は、径の大きいショルダ部４２とショルダ部４２に突出して設けられたプローブ４１を有する。通常、プローブ４１にはねじが切られているが、ねじが切られていないものも使用できる。また、厚みが６ｍｍ程度以下の被接合材(３１と３２)を使用する場合は、上記ツール４０のショルダ部４２の直径は１２〜１５ｍｍ程度で、プローブ４１の直径は４〜６ｍｍ程度のものが好適に使用される。

ショルダ部４２の面は、接合線３３に沿った被接合材３１および３２を押圧する必要があり、通常は被接合材３１および３２と当接するショルダ面が平面であるものあるいは曲率半径の大きい凹面が好ましい。場合によっては、やや円弧状または円錐状に凸面を形成したものも使用できる。平板状のものが加工が容易であるため好ましい。上記プローブ４１の長さは、裏当て治具１０と接触しないように、接合する被接合材３１と３２の厚みよりも短いのが普通である。ツール４０の回転速度は一般に数百〜数千回転／分、接合速度は一般に数十〜数百ｍｍ／分であるが、条件によっては１〜２ｍ／分も可能である。

プローブ４１はショルダ面に突出して設けられるが、位置はツールの回転軸上が好ましい。
プローブはショルダ面から発し先細りすなわち徐々に先端が細くなっている方がよい。プローブの最先端は応力が集中して破損するのを防ぐため平面または回転半径の大きい曲面、例えば球面であるのが好ましい。プローブ高さ対プローブ根元半径の比は１または１より小さい方が好ましく、例えば半球がショルダ面にその底部を一部埋没したような形状に形成されているのが好ましい。回転したツールの先端のプローブが被加工材に当たるときの衝撃に対して強く、折損しにくく、回転により摩擦して可塑化後ツールを移動させるときに、被加工材が十分可塑化していない場合にも折損しにくいからである。また、接合において可塑化部分を攪拌する十分な深さを有することができ、摩擦攪拌加工によって表面から徐々にプローブが減耗したとしても、接合に対してのプローブの形状による影響が小さい。

上記ツール４０は、定盤軸（Ｘ）と横行軸（Ｙ）と昇降軸（Ｚ）の機械３軸からなる公知の摩擦攪拌接合装置に取り付けられて使用される。また、定盤軸（Ｘ）と横行軸（Ｙ）と昇降軸（Ｚ）の機械３軸および揺動軸（Ａ）と旋回軸（Ｃ）のツール２軸とからなる公知の５軸枠型の摩擦攪拌接合装置に取り付けられても使用される。また、三つの関節軸と二つの回転軸を具備した公知のロボットアームの先端に搭載されたマシンヘッドに取り付けて使用されることもあるが、これ等に限定されない。

こうして、被接合材３１と３２との接合体が得られる。
なお、上例においては、被接合材３１と３２とを接合する摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）について説明したが、本発明は、２枚の被接合材３１と３２に替えて、これと同様な１枚の被加工材を用い、その表面に高速回転するツール４０のプローブ４１を強い力で挿入することにより、その時に発生する摩擦熱により被加工材を改質する摩擦攪拌改質（ＦＳＰ）にも適用できる。

また、被加工材の表面にプローブを挿入するが横移動させることなく、一定時間後にプローブを引き抜くことにより点加工を行う接合技術および改質技術にも適用できる。

本発明の摩擦攪拌加工用ツールは、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ及びＴａのいずれかの元素からなる金属の炭化物を、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのうちの少なくとも１つを主成分とする金属（Ｒｅを含むものを除く）で結合した合金であって、ロックウエル硬さが８６ＨＲＡ以上８８．５ＨＲＡ以下、Ｋ _ＩＣが１０ＭＰａ・ｍ ^1/2 以上２５ＭＰａ・ｍ ^1/2 以下、８００℃におけるビッカース硬さが３００ＨＶ以上、焼結後の合金の炭化物の粒度が２．５μｍ以上５．０μｍ未満の超硬合金にてなるので、回転させながらツールを被加工材に当てる時にその衝撃及び強い押し付け荷重がプローブ先端部にかかるが、ツールが変形、破壊、折損することがない。更にツールのショルダー面と被加工材表面および被加工材中に埋没したプローブ表面との間の摩擦熱により高温になり、ツール側面がオレンジ色に発光するほどの高温（８００℃以上）においても必要な硬度を有するため、高温材料の摩擦攪拌加工に適し、特に接合材が鉄または鉄合金等の被加工材に対して摩耗が少なく折損しにくく、高効率かつ低コストで生産性よく摩擦攪拌加工できる。

以下に、実施例を挙げて本発明を詳しく説明する。

（摩擦攪拌加工用ツールの作製）
超硬工具協会規格（ＣＩＳ０１９Ｄ−２００５耐摩耗・耐衝撃工具用超硬合金及び超
微粒子超硬合金の材種選択基準）による材種分類記号ＶＣ−５０の超硬合金（冨士ダイス
株式会社製、商品名「フジロイ（登録商標）Ｃ５０」。粗粒タングステンカーバイドと、バインダー金属としてＣｏを用い焼結させたものであって、ＨＲＡ８８．５、Ｋ_ＩＣ１０ＭＰａ・ｍ^1/2、８００℃のビッカース硬度３３０、９００℃のビッカース硬度２１０、その他の特性を含め表１に示す）を、以下に示す形状に成形、研削加工して本発明のツールを作製した。

ショルダ面は直径１２ｍｍの円形の平面であり、その中央に設けたプローブは曲率半径２ｍｍの球面がショルダ面から一部が突出た形状のものである。プローブの底部直径は４．０７ｍｍであり、プローブのショルダ面からの突起高さは０．９０ｍｍである。

（摩擦攪拌加工）
上記の摩擦攪拌加工用ツールを用いて、図１に示した方法で摩擦攪拌加工を行った。定盤軸（Ｘ）と横行軸（Ｙ）と昇降軸（Ｚ）の機械３軸からなる摩擦攪拌接合装置に上記ツール４０をとりつけた。摩擦攪拌加工時にはアルゴンガスがツール側面に沿って流れ下りツールを包むようになっている。
図１に示すように、平板状の鋼製（Ｓ５０Ｃ）の裏当て治具１０の表面に、表面平滑な９９．５％純度の酸化アルミ平板（１５ｃｍ角、２．５ｍｍ厚）を裏当て材２０として固定した。

酸化アルミ製裏当て材２０上に、ＳＵＳ４３０からなる２枚の平板状の被接合材３１、３２（１５ｃｍ角、１．５ｍｍ厚）の接合面を互いに突き合わせて載置し固定した。

ツール４０を、前進角３度、１２００ｒｐｍで回転させながら上記接合線３３上に挿入し、１００ｍｍ／分の送り速度で被接合材３１、３２の接合線３３に沿って約２５０ｍｍ移動させて摩擦攪拌接合を行い、被接合材３１と３２との接合体を作製した。ツール４０への負荷は約２９４００Ｎに設定した。加工時にツール側面はオレンジ色に発光した。加工後の目視観察によれば、ツール４０は外観上摩耗は観察されなかった。

上記の摩擦攪拌接合により得られた、被接合材３１と３２との接合体は、図２の写真に示すように、接合部の表面にツール４０による加工痕３４が存在するがバリ等の欠陥はなく、その裏面写真を図３に示すが、平滑であった。ただし、裏当て材の酸化アルミ板２０が加工中に割れたため割れ目に可塑化したＳＵＳが入り込み冷却固化した部分が凸状の細い筋となって見えている。

実施例１における、ツール材種、被加工材材質、ＦＳＷ加工形式、ＦＳＷ加工条件及びツールサイズを纏めて表２に示した。なお、表２には、後述の実施例２〜７及び比較例１についても、同様の事項を纏めて示した。

実施例１で用いた摩擦攪拌加工用ツールを用いて、被加工材として１枚の平板を用いてビードオン（ｂｅａｄｏｎ。又は、スターインプレート。ｓｔｉｒ−ｉｎ−ｐｌａｔｅともいう）摩擦攪拌加工試験を行った。
定盤軸（Ｘ）と横行軸（Ｙ）と昇降軸（Ｚ）の機械３軸からなる摩擦攪拌接合装置に上記ツール４０をとりつけた。実施例１と同様に摩擦攪拌加工時にはアルゴンガスがツール側面に沿って流れ下りツールを包むようになっている。

図１に示すように、平板状の鋼製（Ｓ５０Ｃ）の裏当て治具１０の表面に、表面平滑な９９．５％純度の酸化アルミ平板（１５ｃｍ角、２．５ｍｍ厚）を裏当て材２０として固定した。

酸化アルミ製裏当て材２０上に、１枚のＳＵＳ４３０からなる平板状の被加工材（１５ｃｍ角、１．５ｍｍ厚）を載置し固定した。

ツール４０を、前進角３度、１２００ｒｐｍで回転させながら上記ＳＵＳ４３０平板上に挿入し、１００ｍｍ／分の送り速度で直線状に２５０ｍｍ移動させて摩擦攪拌加工によるビードオン摩擦攪拌加工試験を行った。ツール４０への負荷は約２９４００Ｎに設定した。加工時にツール側面はオレンジ色に発光した。加工後の目視観察によればＳＵＳ４３０平板の施工状態は良好であり、ツール４０も外観上摩耗は観察されなかった。

実施例２終了後、ツールの重量は５７．７３ｇであり、ツールの後端部（ツールの後端部とは、ツールにおける、プローブが設けられた側とは反対側の端部のことをいうものとする）からプローブ先端部までの長さＬは、２３．９０ｍｍであり、ツールの後端部からショルダ部までの長さＬ１は２２．７６ｍｍであった。なお、実施例１開始前のツールの重量は５８．１６ｇであり、長さＬは、２３．９０ｍｍであり、長さＬ１は２３．００ｍｍであった。このことから以下のことが分かる。すなわち、ツールは、実施例１及び実施例２で合計５００ｍｍの摩擦攪拌加工に用いられたことにより、ツールの重量が０．４３ｇ減量し、ツールの後端部からプローブ先端部までの長さＬは変化しなかったが、ツールの後端部からショルダ部までの長さＬ１は０．２４ｍｍ減少していた。

実施例２で用いた摩擦攪拌加工用ツールを用いて、実施例２と同様にして、ビードオン試験を行った。その結果、ＳＵＳ４３０平板の施工状態は良好であり、終了後のツールの外観は少しの摩耗が観察された。

実施例３で用いた摩擦攪拌加工用ツールを用いて、実施例１と同様にして、突合せ接合を行った。その結果、ＳＵＳ４３０平板の突合せの接合状態は良好であったが、終了後のツールの外観はショルダ部にくぼみが発生していた。実施例４終了後、ツールの重量は５７．２３ｇであり、長さＬは、２３．９０ｍｍであり、長さＬ１は２２．７６ｍｍであった。このことから以下のことが分かる。すなわち、ツールは、実施例１〜実施例４で合計１０００ｍｍの摩擦攪拌加工に用いられたことにより、ツールの重量が０．９３ｇ減量し、ツールの後端部からプローブ先端部までの長さＬは変化しなかったが、ツールの後端部からショルダ部までの長さＬ１は０．２４ｍｍ減少していた。

上記接合部の強度を調べるために、突合せ接合した平板から接合方向に対して直交する向きに試料を作製し、ＪＩＳＺ２２４１「金属材料引張試験方法」に準じて引張試験を行った。試料は、ＪＩＳＺ２２０１５号試験片の形状に準じ、幅２５．０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ、平行部長さ５０ｍｍとした。測定時のクロスヘッド速度は２０ｍｍ／ｍｉｎとした。ｎ＝３で行った結果、引張強度は４９８ＭＰａ、４９５ＭＰａ、４９５ＭＰａであった。同様の条件で測定したＳＵＳ４３０母材の引張強度はｎ＝３の平均が５１９ＭＰａであった。したがって、上記の接合部の引張強度は、ほぼ母材並みであることが分かった。

また、上記接合部を接合方向に対して垂直に切断し断面を光学顕微鏡にて観察した。この顕微鏡写真を図１４に示した。図１４において、この断面の厚みは前述のように１．５ｍｍである。この写真から分かるように欠陥は観察されず摩擦攪拌接合が良好に行われたことが分かる。

実施例４で用いた摩擦攪拌加工用ツールを用いて、ツールの送り速度を２００ｍｍ／分とした他は、実施例１と同様にして、突合せ接合を行った。その結果、ＳＵＳ４３０平板の突合せの接合状態は、図４の写真に示すように、接合部の表面にツール４０による加工痕３４が存在するがバリ等の欠陥はなく、良好であった。その裏面写真を図５に示すが、平滑であった。ただし、裏当て材の酸化アルミ板２０が加工中に割れたため割れ目に可塑化したＳＵＳが入り込み冷却固化した部分が凸状の細い筋となって見えている。

実施例５の終了後のツールの写真を図１２、図１３に示した。また、摩擦攪拌加工に使用する前、即ち、実施例１に使用する前のツールの写真を図１０、図１１に示した。図１０〜図１３において、ツールのショルダ部の直径は前述のように１２ｍｍである。
実施例５終了後のツールの外観は実施例４の終了後の状態と同じであり、ショルダ部にくぼみが発生していることが分かる。実施例５終了後、ツールの重量は５７．１９ｇであり、長さＬは、２３．８７ｍｍであり、長さＬ１は２２．６１ｍｍであった。このことから以下のことが分かる。すなわち、ツールは、実施例１〜実施例５で合計１２５０ｍｍの摩擦攪拌加工に用いられたことにより、ツールの重量が０．９７ｇ減量し、ツールの後端部からプローブ先端部までの長さＬは０．０３ｍｍ減少し、ツールの後端部からショルダ部までの長さＬ１は０．３９ｍｍ減少していた。

上記接合部の強度を調べるために、実施例４と同様にして引張試験を行った。ｎ＝２で行った結果、引張強度は５０１ＭＰａ、４９５ＭＰａであった。したがって、上記の接合部の引張強度は、ほぼ母材並みであることが分かった。

また、上記接合部を実施例４と同様にして光学顕微鏡にて観察した。この顕微鏡写真を図１５に示した。図１５において、この断面の厚みは前述のように１．５ｍｍである。この写真から分かるように欠陥は観察されず摩擦攪拌接合が良好に行われたことが分かる。

実施例１で用いた摩擦攪拌加工用ツールと同様にして摩擦攪拌加工用ツールを新たに作製した。得られた摩擦攪拌加工用ツールを用いて、ＳＵＳ４３０の代わりにＳＵＳ３０４を用いたこと、ツールの移動距離２５０ｍｍの代わりに９０ｍｍとしたことの他は、実施例１と同様にして、突合せ接合を行った。その結果、ＳＵＳ３０４平板の突合せの接合状態は、図６の写真に示すように、接合部の表面にツール４０による加工痕３４が存在するがバリ等の欠陥はなく、良好であった。その裏面写真を図７に示すが、平滑であった。ただし、裏当て材の酸化アルミ板２０が加工中に割れたため割れ目に可塑化したＳＵＳが入り込み冷却固化した部分が凸状の細い筋となって見えている。

終了後のツールも外観上摩耗は観察されなかった。実施例６に使用前のツールの重量は５８．１６ｇであり、長さＬは、２３．８８ｍｍであり、長さＬ１は２２．９５ｍｍであった。実施例６の終了後、ツールの重量は５８．０９ｇであり、長さＬは、２３．８５ｍｍであり、長さＬ１は２２．９４ｍｍであった。このことから以下のことが分かる。すなわち、ツールは、実施例６で９０ｍｍの摩擦攪拌加工に用いられたことにより、ツールの重量が０．０７ｇ減量し、ツールの後端部からプローブ先端部までの長さＬは０．０３ｍｍ減少し、ツールの後端部からショルダ部までの長さＬ１は０．０１ｍｍ減少していた。

実施例１におけるツール材種としてＶＣ−５０を用いたことの代わりに、超硬工具協会
規格（ＣＩＳ０１９Ｄ−２００５）による材種分類記号ＲＣ−６０の超硬合金（冨士ダイ
ス株式会社製、商品名「フジロイ（登録商標）ＴＵＣ７２」。粗粒タングステンカーバイドと、バインダー金属としてＣｏ、Ｎｉを用い焼結させたものであって、ＨＲＡ８６．０、Ｋ_ＩＣ２５ＭＰａ・ｍ^1/2、８００℃のビッカース硬度３６０、その他の特性を含め表１に示す）を用いて得られたツールを用いたことの他は、実施例２と同様にして摩擦攪拌加工によるビードオン試験を行った。
その結果、ＳＵＳ４３０平板の施工状態は図８の写真に示すように、接合部の表面にツ
ール４０による加工痕３４が存在するがバリ等の欠陥はなく、良好であった。その裏面写
真を図９に示すが、平滑であった。ただし、裏当て材の酸化アルミ板２０が加工中に割れ
たため割れ目に可塑化したＳＵＳが入り込み冷却固化した部分が凸状の細い筋となって見
えている。

ツールも外観上摩耗は観察されなかった。実施例７に使用前のツールの重量は５５．３０ｇであり、長さＬは、２３．８０ｍｍであり、長さＬ１は２２．８６ｍｍであった。実施例７の終了後、ツールの重量は５５．１５ｇであり、長さＬは、２３．８０ｍｍであり、長さＬ１は２２．８５ｍｍであった。このことから以下のことが分かる。すなわち、ツールは、実施例７で２５０ｍｍの摩擦攪拌加工に用いられたことにより、ツールの重量が０．１５ｇ減量し、ツールの後端部からプローブ先端部までの長さＬは変化しなかったが、ツールの後端部からショルダ部までの長さＬ１は０．０１ｍｍ減少していた。

（比較例１）
ツールとして、インコネル合金♯６２５製のツールを用いたこと、ツールへの負荷を約９８００Ｎに設定したこと、加工時のツールの送り速度を１５０ｍｍ／ｍｉｎとしたこと、及び、加工時のツールの移動距離を９０ｍｍとしたことの他は、実施例１と同様にして、突合せ接合を行った。その結果、ＳＵＳ４３０平板の施工状態は図１６の接合面の写真に示すように、数ｍｍ径の深い穴状の欠陥が点々と接合線上に存在し良好な接合はできていなかった。また、ツールの摩耗減耗が外観でもはっきりと認められた。

本発明の摩擦攪拌加工用ツールは、鉄または鉄合金等を被加工材とする摩擦攪拌加工に有効に利用できる。

摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）方法の説明図である。実施例１の摩擦攪拌接合により得られた接合体の表側（ツールが挿入された側）を撮影した写真である。実施例１の摩擦攪拌接合により得られた接合体の裏側（ツールが挿入された側の反対側）を撮影した写真である。実施例５の摩擦攪拌接合により得られた接合体の表側（ツールが挿入された側）を撮影した写真である。実施例５の摩擦攪拌接合により得られた接合体の裏側（ツールが挿入された側の反対側）を撮影した写真である。実施例６の摩擦攪拌接合により得られた接合体の表側（ツールが挿入された側）を撮影した写真である。実施例６の摩擦攪拌接合により得られた接合体の裏側（ツールが挿入された側の反対側）を撮影した写真である。実施例７の摩擦攪拌加工により得られた接合体の表側（ツールが挿入された側）を撮影した写真である。実施例７の摩擦攪拌加工により得られた接合体の裏側（ツールが挿入された側の反対側）を撮影した写真である。実施例１の実験開始前のツールをプローブの先端側から見た写真である。実施例１の実験開始前のツールを側面から見た写真である。実施例５の実験終了後のツールをプローブの先端側から見た写真である。実施例５の実験終了後のツールを側面から見た写真である。実施例４で得られた接合部を接合方向に対して垂直に切断し断面を光学顕微鏡にて観察した顕微鏡写真である。実施例５で得られた接合部を接合方向に対して垂直に切断し断面を光学顕微鏡にて観察した顕微鏡写真である。比較例１の摩擦攪拌接合により得られた接合体の表側（ツールが挿入された側）を撮影した写真である。

符号の説明

１０裏当て治具
２０裏当て材
３１被接合材
３２被接合材
３３接合線
３４加工痕
４０ツール
４１ツールのプローブ
４２ツールのショルダ部

Claims

Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ及びＴａのいずれかの元素からなる金属の炭化物を、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのうちの少なくとも１つを主成分とする金属（Ｒｅを含むものを除く）で結合した合金であって、ロックウエル硬さが８６ＨＲＡ以上８８．５ＨＲＡ以下、Ｋ _ＩＣが１０ＭＰａ・ｍ ^1/2 以上２５ＭＰａ・ｍ ^1/2 以下、８００℃におけるビッカース硬さが３００ＨＶ以上、焼結後の合金の炭化物の粒度が２．５μｍ以上５．０μｍ未満の超硬合金にてなり、摩擦攪拌加工の被加工材が鉄または鉄合金であることを特徴とする摩擦攪拌加工用ツール。