JP5940848B2 - 酸化物分散強化型白金の摩擦攪拌加工法 - Google Patents
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Description
図1は、摩擦攪拌加工法のうち、当接接合の機構の一形態を示す概念図である。第一実施形態に係る酸化物分散強化型白金の摩擦攪拌加工法は、酸化物分散強化型白金からなる被加工物1A,1A´を用意し、被加工物1A、1A´を相互に当接若しくはほぼ当接させた当接接合面を処理領域2Aとして規定する準備工程と、処理領域2Aを、回転するツール3で摩擦攪拌して処理領域2A中に可塑性領域を発生させる摩擦攪拌工程と、可塑性領域を凝固させて加工部4Aを形成する凝固工程と、加工部4Aを600℃以上、かつ、摩擦攪拌工程におけるツール3の温度以上で加熱する熱処理工程と、を有する。
被加工物1A,1A´は、酸化物分散強化型白金からなる。酸化物分散強化型白金は、分散粒子として酸化物粒子を含む白金又は白金基合金である。酸化物粒子は、例えば、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化カルシウム(CaO)、酸化イットリウム(Y2O3)である。白金基合金は、白金を50wt%以上含有する多元合金であり、例えば、白金−ジルコニウム合金、白金−イットリウム合金、白金−ロジウム合金、白金−イリジウム合金、白金−ジルコニウム−ロジウム合金、白金−ジルコニウム−金合金である。2つの被加工物1A,1A´は、同質の材料とするか、又は異なる材料としてもよい。
ツール3は、図1に示すように、少なくともシャンク部3aとシャンク部3aの先端部に設けたショルダ部3bとを有する。ショルダ部3bは、被加工物1A,1A´の表面に当接する部分である。ツール3は、ショルダ部3bから突出するプローブ部(不図示)を更に有していてもよい。プローブ部(不図示)は、処理領域2Aに挿入する部分である。ツール3の寸法は、特に制限はないが、一例として、ショルダ部3bの直径が5〜25mm、プローブ部(不図示)の直径が2〜10mm、プローブ部(不図示)の長さが0.5〜10mmである。
ツール3が移動した後方では、可塑性領域は自然冷却する又は強制冷却されるとともに凝固する。そして、2つの被加工物1A,1A´の接合が完了する。加工部4Aでは、分散粒子の浮遊又は凝集はなく、材料の結晶粒が微細化する。微細化した結晶粒の平均粒子径は、例えば、1〜30μmである。なお、図1に示す当接接合では、加工部4Aは、当接接合による接合部位である。
熱処理工程は、摩擦攪拌によって微細化した結晶粒を粗大化させる工程である。本発明者らは、摩擦攪拌接合による接合部位では結晶粒が微細化するため、室温において優れた機械的特性を示すが、微細な結晶粒は、高温における粒界すべり及び亀裂の発生を引き起こしやすく、そのような組織では高温強度の向上が困難である知見を得た。また、高温強度を向上させる方法として結晶粒を粗大化させることが考えられるが、前記のとおり、TIG溶接では、強化に寄与する酸化物の効果が消失されるだけでなく、溶接後の結晶粒が被加工物の厚さ方向に成長するため、板厚を貫通する結晶粒界が発生し、粒界に発生した亀裂が伝播して溶接部位の強度が低下してしまう。これに対して、摩擦攪拌接合では、接合後の結晶粒は微細であり、熱処理によって粗大化した結晶粒は、高温において粒界すべり又は亀裂の発生を生じさせにくいため、高温強度を向上できることを見出した。粗大化した結晶粒の平均粒子径は、被加工物1A,1A´の厚さによって異なるが、例えば、被加工物1A,1A´の厚さが1.5mmでは、30〜1000μmであることが好ましく、50〜500μmであることがより好ましい。TIG溶接では長径を被加工物の厚さ方向に向けた結晶粒が多く存在するのに対して、摩擦攪拌接合後に粗大化させた場合は長径を被加工物1A,1A´の厚さ方向に垂直な方向(面方向)に向けた結晶粒が多く存在するため、TIG溶接と比較して、高温強度を向上することができる。
(塑性加工工程)
次に、第二実施形態に係る酸化物分散強化型白金の摩擦攪拌加工法について説明する。第二実施形態に係る酸化物分散強化型白金の摩擦攪拌加工法は、第一実施形態において、凝固工程と熱処理工程との間に、加工部4Aに塑性加工を施す塑性加工工程を更に有する。塑性加工工程は、加工部4Aに加工歪みを導入して、歪みエネルギーを増大させる工程である。第二実施形態に係る加工法は、熱処理温度が600℃以上、かつ、摩擦攪拌工程におけるツール3の温度以上であるが、結晶粒の粗大化の進行が緩慢である場合に、塑性加工で歪みエネルギーを増大させて結晶粒の粗大化を促進することができる。当然に、結晶粒の粗大化の進行が緩慢でない場合であっても、塑性加工工程を行ってもよく、塑性加工によって、結晶粒の粗大化を更に促進できる。例えば、熱処理温度が摩擦攪拌時のツール3の温度と同じであるか又は熱処理温度が摩擦攪拌時のツール3の温度よりも高いが両温度の差が小さいときは、結晶粒の粗大化の進行が緩慢な場合があるところ、塑性加工によって歪みエネルギーを補助的に追加して、加工部4Aの総エネルギー量を増大させることで、結晶粒の粗大化を促進することができる。
次に、第三実施形態に係る酸化物分散強化型白金の摩擦攪拌加工法について説明する。第三実施形態に係る酸化物分散強化型白金の摩擦攪拌加工法は、酸化物分散強化型白金からなる被加工物1A,1A´を用意し、被加工物1A,1A´を相互に当接若しくはほぼ当接させた当接接合面を処理領域2Aとして規定する準備工程と、処理領域2Aを、回転するツール3で摩擦攪拌して処理領域2A中に可塑性領域を発生させる摩擦攪拌工程と、可塑性領域を凝固させて加工部4Aを形成する凝固工程と、加工部4Aに塑性加工を施す塑性加工工程と、加工部4Aを600℃以上前記摩擦攪拌工程における前記ツール3の温度未満で加熱する熱処理工程と、を有する。
(摩擦攪拌工程・凝固工程)
被加工物として酸化物分散強化白金合金(FPO−10%Rh、フルヤ金属社製;マトリックス:Pt−10wt%Rh、分散粒子:酸化ジルコニウム、融点:1860℃)の板材(板厚1.5mm)を用いて、位置制御方式の摩擦攪拌接合装置を使用し、当接接合を行った。ツールはIr基合金(Ir−10at%Re−1at%Zr)製で、ショルダ部の直径が12mm、プローブ部の直径が4mm、プローブ部の突き出し長さが1.3mmであった。摩擦攪拌において、被加工物の材料の軟化を促すため、外部熱源として水素流量5L/min、酸素流量3L/minの酸水素バーナーを用い、バーナーの火炎がツールの直前に来るよう固定した。ツールの回転速度は1050rpm、ツールの移動速度は132mm/min、ツールの傾斜角を2°とした。可塑性領域の温度の目安としてツールのショルダ部近傍の温度を放射温度計(波長λ=0.65μm、放射率ε=0.3)で測定した。放射温度計はツールの進行方向に対して反対側になるように配置した。接合時のツールの温度は、1500℃であった。
摩擦攪拌工程・凝固工程後、電気炉で、1500℃で100時間熱処理して接合部材を得た。
実施例1において、摩擦攪拌工程のツールの移動速度を195mm/minとした以外は実施例1と同様にした。接合時のツールの温度は、1400℃であった。
(摩擦攪拌工程・凝固工程)
被加工物として酸化物分散強化白金合金(FPO−10%Rh、フルヤ金属社製;マトリックス:Pt−10wt%Rh、分散粒子:酸化ジルコニウム、融点:1860℃)の板材(板厚1.5mm)を用いて、位置制御方式の摩擦攪拌接合装置を使用し、当接接合を行った。ツールはIr基合金(Ir−10at%Re−1at%Zr)製で、ショルダ部の直径が12mm、プローブ部の直径が4mm、プローブ部の突き出し長さが1.3mmであった。摩擦攪拌において、被加工物の材料の軟化を促すため、外部熱源として水素流量5L/min、酸素流量3L/minの酸水素バーナーを用い、バーナーの火炎がツールの直前に来るよう固定した。ツールの回転速度は1050rpm、ツールの移動速度は64mm/min、ツールの傾斜角を2°とした。可塑性領域の温度の目安としてツールのショルダ部近傍の温度を放射温度計(波長λ=0.65μm、放射率ε=0.3)で測定した。放射温度計はツールの進行方向に対して反対側になるように配置した。接合時のツールの温度は、1600℃であった。
加工部に、塑性加工として加工度10%で冷間圧延を施した。
塑性加工工程後、電気炉を用いて1500℃で1時間熱処理して接合部材を得た。
実施例3において、冷間圧延の加工度を30%にした以外は実施例3と同様にした。
実施例3において、冷間圧延の加工度を50%にした以外は実施例3と同様にした。
実施例3において、冷間圧延の加工度を70%にした以外は実施例3と同様にした。
実施例1において、熱処理工程を行わなかった。
実施例2において、熱処理工程を行わなかった。
実施例3において、塑性加工工程及び熱処理工程を行わなかった。
実施例3において、塑性加工工程を行わなかった。
実施例3において、塑性加工工程を行わず、熱処理工程の処理時間を100時間に延長した。
実施例3において、熱処理工程の温度を550℃に変更し、処理時間を100時間に延長した。
実施例1と同質の被加工物を用いて、TIG溶接を行った。TIG溶接条件は、電流値120A、溶接速度400mm/minとした。その後、実施例1の熱処理工程と同様の条件で、熱処理を行った。
2A,2B,2C 処理領域
3 ツール
3a シャンク部
3b ショルダ部
4A,4B,4C 加工部
Claims (5)
- 酸化物分散強化型白金からなる被加工物を用意し、該被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させた当接接合面、前記被加工物を相互に重ね合わせた重ね接合面又は前記被加工物の表面のいずれかを処理領域として規定する準備工程と、
前記処理領域を、回転するツールで摩擦攪拌して前記処理領域中に可塑性領域を発生させる摩擦攪拌工程と、
前記可塑性領域を凝固させて加工部を形成する凝固工程と、
前記加工部を600℃以上、かつ、前記摩擦攪拌工程における前記ツールの温度以上で加熱する熱処理工程と、を有することを特徴とする酸化物分散強化型白金の摩擦攪拌加工法。 - 酸化物分散強化型白金からなる被加工物を用意し、該被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させた当接接合面、前記被加工物を相互に重ね合わせた重ね接合面又は前記被加工物の表面のいずれかを処理領域として規定する準備工程と、
前記処理領域を、回転するツールで摩擦攪拌して前記処理領域中に可塑性領域を発生させる摩擦攪拌工程と、
前記可塑性領域を凝固させて加工部を形成する凝固工程と、
該加工部に塑性加工を施す塑性加工工程と、
前記加工部を600℃以上前記摩擦攪拌工程における前記ツールの温度未満で加熱する熱処理工程と、を有することを特徴とする酸化物分散強化型白金の摩擦攪拌加工法。 - 前記凝固工程と前記熱処理工程との間に、前記加工部に塑性加工を施す塑性加工工程を更に有することを特徴とする請求項1に記載の酸化物分散強化型白金の摩擦攪拌加工法。
- 前記塑性加工が、冷間圧延、熱間圧延、冷間スピニング、熱間スピニング、冷間ハンマリング又は熱間ハンマリングの少なくとも1つであることを特徴とする請求項2又は3に記載の酸化物分散強化型白金の摩擦攪拌加工法。
- 前記塑性加工の加工度が0.2〜70%であることを特徴とする請求項2〜4のいずれか一つに記載の酸化物分散強化型白金の摩擦攪拌加工法。
Priority Applications (2)
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