JP6107630B2

JP6107630B2 - 摩擦攪拌接合用ツール

Info

Publication number: JP6107630B2
Application number: JP2013256061A
Authority: JP
Inventors: 桔梗　千明; 千明桔梗
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: JP2015112621A

Description

本発明は摩擦攪拌接合用ツールに関する。

ＪＩＳ規格に定めるＳＫＤ６１相当材からなる摩擦攪拌接合用ツールを用いて、被接合材を接合する摩擦攪拌接合がある。

例えば、特許文献１では、被接合材として鋼材とアルミニウム材とを接合予定位置に位置づけ、鋼材に摩擦攪拌接合用ツールを回転させながら押し当てて挿入し、鋼材とアルミニウム材とを摩擦攪拌接合させる摩擦攪拌接合方法が開示されている。

特開２０１２−２１８００９号公報

ところで、耐磨耗性の高い摩擦攪拌接合用ツールが要求されている。ＳＫＤ６１相当材からなる摩擦攪拌接合用ツールを用いて摩擦攪拌接合を行うと、鋼材と比較して硬度の低いアルミニウム材であっても、被接合材によっては、当該摩擦攪拌接合用ツールの磨耗が早く進行することがあった。

本発明は、上記した事情を背景としてなされたものであり、耐磨耗性の高い摩擦攪拌接合用ツールを提供することを目的とする。

本発明にかかる摩擦攪拌接合用ツールは、
Ｆｅ粒子を含む超硬材からなり、
前記Ｆｅ粒子の粒径が１０μｍ以下である。

本発明によれば、耐磨耗性の高い摩擦攪拌接合用ツールを提供することができる。

実施の形態１にかかる摩擦攪拌接合用ツールの模式図である。実施の形態１にかかる摩擦攪拌接合用ツールの一例の要部断面の写真である。実施の形態１にかかる摩擦攪拌接合用ツールの一例の要部表面の写真である。実施の形態１にかかる摩擦攪拌接合用ツールの一例の要部表面の写真である。実施の形態１にかかる摩擦攪拌接合用ツールの一例の要部表面の写真である。摩擦攪拌接合用ツールの一例の要部表面の写真である。実施の形態１にかかる接合方法の模式図である。実施の形態１にかかる接合方法の模式図である。実施の形態１にかかる接合方法の模式図である。実施の形態１にかかる接合方法の模式図である。打点数に対するせん断破断径である。実施の形態２にかかるツールの模式図である。実施の形態２にかかるツールの要部の模式図である。硬度の測定箇所を示す模式図である。

本発明者らは、耐磨耗性を高めるべく、高い硬度を有する様々な材料からなる摩擦攪拌接合用ツールについて検討実験を行った。Ｆｅ粒子を含む超硬材からなる摩擦攪拌接合用ツールは高い硬度を有し、高い耐摩耗性が期待されるものの、アルミニウム材と凝着して、磨耗しやすい傾向にあることが判明した。さらに、本発明者らはＦｅ粒子を含む超硬材からなる摩擦攪拌接合用ツールについて、鋭意研究を重ねて、本発明に想到するに至ったのである。

実施の形態１．
図１〜３を参照して実施の形態１について説明する。図１は実施の形態１にかかる摩擦攪拌接合用ツールの模式図である。図２は実施の形態１にかかる摩擦攪拌接合用ツールの一例の要部断面の写真である。図３〜５は実施の形態１にかかる摩擦攪拌接合用ツールの一例の要部表面の写真である。図６は摩擦攪拌接合用ツールの一例の要部表面の写真である。

図１に示すように、摩擦攪拌接合用ツール１０は、ショルダー１と、プローブ２と、を有する。ショルダー１は、略円柱体である。プローブ２は、ショルダー１よりも小さな径を有する略円柱体である。プローブ２は、ショルダー１の軸上に沿いつつ、ショルダー１の端面から延びる。プローブ２は、らせん状に溝を形成されたネジ部２１（図７参照。）を有する。摩擦攪拌接合用ツール１０は、少なくともビッカース硬さ１０００Ｈｖを有する。摩擦攪拌接合用ツール１０は、摩擦攪拌接合装置（図示略）に装備されて、使用される。

摩擦攪拌接合用ツール１０は、Ｆｅ粒子を含む超硬材からなる。この超硬材として、例えば、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｗ系合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｗ系合金が挙げられる。

Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｗ系合金は、ＦｅからなるＦｅ粉と、ＣｏからなるＣｏ粉と、ＮｉからなるＮｉ粉と、ＷからなるＷ粉とを混合し、金型に充填し、焼結して得られる。Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｗ系合金は、質量％で、Ｃｏ、Ｎｉ及びＷを合わせて６〜１４％含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。

Ｆｅ粉は、多数のＦｅ粒子を含む。Ｆｅ粒子の粒子径は、１０μｍ以下である。Ｆｅ粒子の平均粒径（Ｄ５０）は、４．５〜５．４μｍが好ましい。ここで、「平均粒径（Ｄ５０）」は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値５０％での粒径を意味する。また、粒径は、レーザー回折・散乱法によって求められる。

Ｃｏの含有量は、質量％で、７％以下であり、好ましくは４．５〜５．４％である。Ｃｏの含有量が大きくなると、摩擦攪拌接合用ツールの硬度が高まる傾向にあるものの、摩擦攪拌接合用ツールがアルミニウム材と凝着しやすくなる傾向にある。アルミニウム材は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる被溶接材である。

Ｎｉの含有量は、質量％で、好ましくは４．５〜５．４％である。Ｎｉの含有量が大きくなると、摩擦攪拌接合用ツールの硬度が高まる傾向にあるものの、摩擦攪拌接合用ツールがアルミニウム材と凝着しやすくなる傾向にある。

Ｗの含有量が大きくなると、ＷＣ立方晶を含むＷＣ層２２（後述）が、摩擦攪拌接合用ツールのネジ部の表面に多く形成する傾向にある。

また、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｗ系合金は、ＦｅからなるＦｅ粉と、ＮｉからなるＮｉ粉と、ＷからなるＷ粉とを混合し、金型に充填し、焼結して得られる。Ｆｅ−Ｎｉ−Ｗ系合金は、質量％で、Ｎｉ及びＷを合わせて６〜１４％含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。Ｆｅ粉として、粒径５μｍ以下のＦｅ粒子からなるＦｅ粉を用いると好ましい。

なお、超硬材としてＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｗ系合金の代わりにＦｅ−Ｃｏ−Ｗ−Ｘ系合金を用いてもよい。Ｆｅ−Ｃｏ−Ｗ−Ｘ系合金は、Ｎｉの代わりに元素Ｘを含有する合金である。ただし、元素ＸはＣｒ以外の元素である。

ネジ部２１の形状は、放電加工により形成されると好ましい。放電加工で用いた放電加工機の電極は、例えば、Ｃｕ―Ｗ合金からなる。放電加工機のメス型は、例えば、Ｃからなる。ネジ部２１が放電加工により形成されると、図２に示すように、ネジ部２１は、ＷＣ層２２と、ＷＣ層２２に覆われる超硬材層２３とを有する。超硬材層２３は超硬材からなる。また、図３に示すように、ネジ部２１の表面には、微小な凹凸２４が形成される。ＷＣ層２２は、ＷＣ立方晶を含む。ＷＣ立方晶は、立方晶構造を有するＷＣであり、高い硬度を有し、アルミニウム材と凝着しにくい。

また、ネジ部２１は、切削加工により形成してもよい。切削加工は、放電加工と比較して、低い加工コストでネジ部を形成することができる。ここで、図４及び５に、Ｆｅ粒子を含む超硬材を切削加工して、得られたネジ部の表面の例を示す。

図４及び５は、詳細には、平均粒径（Ｄ５０）５μｍのＦｅ粒子を含む超硬材を切削加工して、得られたネジ部の表面の一例を示す。図４に示すように、Ｆｅ粒子が脱落した跡の無い表面が得られることがある。このような場合、ネジ部２１は、アルミニウム材と凝着しにくい。また、図５に示すように、Ｆｅ粒子が脱落した脱落跡２５の有る表面が形成されることもある。このような場合であっても、脱落跡２５が小さいので、アルミニウム材が脱落跡２５に進入しづらい。つまり、ネジ部２１はアルミニウム材と凝着しにくく、良好な耐摩耗性を有する。

なお、参考例として、図６に、平均粒径（Ｄ５０）１０μｍのＦｅ粒子を含む超硬材を切削加工して、得られたネジ部の表面の一例を示す。このようなネジ部の表面は、Ｆｅ粒子の脱落跡２６を有しており、図５に示すネジ部表面と比較して多く有する。Ｆｅ粒子の粒径が大きいので、脱落跡２６が脱落跡２５よりも大きくなる傾向にあり、アルミニウム材が脱落跡２６に進入しやすい。また、このようなネジ部はアルミニウム材と凝着しやすく、磨耗しやすい。

また、参考例として、粒径１２〜１７μｍのＦｅ粒子を含むＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｗ系合金からなる摩擦攪拌接合用ツールがある。このようなネジ部の表面は、図６に示すネジ部表面と同様に、Ｆｅ粒子の脱落跡を有しており、ネジ部はアルミニウム材と凝着しやすくなり、磨耗しやすい。

摩擦攪拌接合方法．
次に、図７〜１０を用いて、摩擦攪拌接合用ツール１０による摩擦攪拌接合方法について説明する。図７〜１０は、実施の形態１にかかる接合方法の模式図である。

図７に示すように、裏当て金９に、板状の被接合材７、８を載置する。詳細には、被接合材７を裏当て金９の上に載置し、被接合材８を被接合材７の上に載置する。被接合材７、８の上方で摩擦攪拌接合用ツール１０を回転させる。ここで、被接合材７及び８は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる。このようなアルミニウム合金として、例えば、６０００系Ａｌ合金がある。

続いて、図８に示すように、摩擦攪拌接合用ツール１０を回転させたまま、被接合材７、８に突き当てて、圧入させる。被接合材７、８の一部７１が塑性流動する。

続いて、図９に示すように、摩擦攪拌接合用ツール１０の回転及び圧入により、被接合材７、８の一部７１が攪拌される。ここで、被接合材７、８と、ネジ部２１とが摩擦する。しかし、ネジ部２１は、ＳＫＤ６１相当材からなる摩擦攪拌接合用ツールのネジ部と比較して、高い硬度を有する。また、ネジ部２１は、Ｆｅ粒子の脱落跡の無い、ＷＣ立方晶を含むＷＣ層２２（図２参照。）に覆われた表面を有するので、アルミニウム材からなる被接合材７、８の一部７１と凝着しにくい。また、Ｆｅ粒子が10μｍ以下と小さいので、Ｆｅ粒子の脱落跡が小さく、アルミニウム材が脱落跡に浸入し難く、凝着しにくい。つまり、ネジ部２１は、高い耐磨耗性を有する。

最後に、図１０に示すように、摩擦攪拌接合用ツール１０が被接合材７、８から引き抜かれる。ここで被接合材７、８は接合している。

以上、実施の形態１にかかる摩擦攪拌接合用ツールによれば、磨耗を抑制して、摩擦攪拌接合を行うことができる。

試作実験．
次に、図１１を用いて、実施の形態１にかかる摩擦攪拌接合用ツールの実施例及びその比較例について試作実験した結果について説明する。図１１は、打点数に対するせん断破断径である。

実施例１、２及び比較例１として、複数の製造条件で同一形状の摩擦攪拌接合用ツールを製造し、同一の接合条件で摩擦攪拌接合を繰り返し行なった。摩擦攪拌接合の打点数に対するせん断破断径の変化を測定した。せん断破断径は、ネジ部２１（図７参照。）の径の大きさである。規格値とは、摩擦攪拌接合を行うために必要な機械的強度を有するための径の大きさである。ここでは、実施例１、２及び比較例１の規格値は共に５．１ｍｍである。

実施例１は、平均粒径（Ｄ５０）５μｍのＦｅ粒子を含むＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｗ系合金からなる摩擦攪拌接合用ツールである。実施例１のネジ部は切削加工により加工されている。一方、実施例２は、平均粒径（Ｄ５０）５μｍのＦｅ粒子を含むＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｗ系合金からなる摩擦攪拌接合用ツールである。実施例２のネジ部は放電加工により加工されている。なお、比較例１は、ＪＩＳ規格に定めるＳＫＤ６１相当材からなる摩擦攪拌接合用ツールである。

試作実験の結果を図１１に示す。図１１に示すように、比較例１では、打点数が５００００まで到達すると、せん断破断径が規格値５．１ｍｍと同じ値になるまで減少した。

ここで、１打点当たりのコストについて述べる。比較例１の摩擦攪拌接合用ツールの製造コストは価格２９０００円であり、その１打点当たりのコストは０．５８円であった。１打点当たりのコストが比較例１の約半分である０．３０円を下回るためには、実施例１では、その摩擦攪拌接合用ツールの製造コストが５８０００〜６２０００円であるので、打点数は２０６６６７を超える必要がある。また、実施例２では、その摩擦攪拌接合用ツールの製造コストが４８０００円であるので、打点数が１６００００を超える必要がある。

図１１に示すように、実施例１では、打点数が２０６６６７を超えても、せん断破断径（ｍｍ）が規格値を上回ったままであった。実施例２でも、同様に、打点数が１６００００を超えても、せん断破断径（ｍｍ）が規格値を上回ったままであった。つまり、実施例１及び２では、１打点当たりのコストが、比較例１の約半分である０．３円をさらに下回った。

実施の形態２．
次に、図１２及び１３を用いて、実施の形態２にかかる摩擦攪拌接合用ツールについて説明する。図１２は、実施の形態２にかかる摩擦攪拌接合用ツールの模式図である。図１３は、実施の形態２にかかる摩擦攪拌接合用ツールの要部の模式図である。なお、図１２及び図１３では、交換式プローブ２０２の正面及び側面を模試的にそれぞれ示しており、ネジ部２２１は、簡便のため同一内容で描画した。

図１２に示すように、摩擦攪拌接合用ツール２１０は、ショルダー２０１と、交換式プローブ２０２と、留めネジ２０３と、を含む。摩擦攪拌接合用ツール２１０は、摩擦攪拌接合装置（図示略）に装備されて、使用される。

ショルダー２０１は、ＳＫＤ６１相当材からなる略円柱体である。ショルダー２０１は、少なくともビッカース硬さ５００Ｈｖを有する。ショルダー２０１は、軸に沿うプローブ保持孔２１３と、留めメネジ部２１４とを有する。図１３に示すように、交換式プローブ２０２は、らせん状に溝を形成されたネジ部２２１と、ネジ部２２１の根元から長手方向に延びる棒状のベース部２２２とを有する。プローブ保持孔２１３は、ベース部２２２を挿入可能に形成される。交換式プローブ２０２は、実施の形態１にかかる摩擦攪拌接合用ツール１０と同じ種類の超硬材からなる。交換式プローブ２０２は、少なくともビッカース硬さ１０００Ｈｖを有する。

図１２に示すように、交換式プローブ２０２をプローブ保持孔２１３に挿入し、留めネジ２０３を留めメネジ部２１４に締結すると、交換式プローブ２０２は、ショルダー２０１に取外し可能に固定される。交換式プローブ２０２は、ショルダー２０１の軸Ａに沿いつつ、ショルダー２０１の端面から延びる。

ここで、摩擦攪拌接合用ツール２１０を用いて摩擦攪拌接合を繰り返し行なうと、ネジ部２２１は、次第に磨耗していく。磨耗した交換式プローブ２０２をショルダー２０１から取り外し、別体の未使用の交換式プローブ２０２をショルダー２０１に装着する。すると、交換式プローブ２０２だけを交換して摩擦攪拌接合を行なうことができる。つまり、交換式プローブ２０２が磨耗しても、同一のショルダー２０１を引き続き使用しつつ、交換式プローブ２０２を交換するだけで、摩擦攪拌接合を行なうことができる。これにより、摩擦攪拌接合用ツールの製造コストを抑制することができる。

また、摩擦攪拌接合用ツール２１０は、交換式プローブ２０２に加わるトルクが小さい場合や、被接合材に関して垂直に打つ垂直打ちをする場合に、特に適している。

以上、上記した実施の形態２にかかる摩擦攪拌接合用ツールによれば、実施の形態１にかかる摩擦攪拌接合用ツールと同様に、ＳＫＤ６１相当材からなる摩擦攪接合用ツールと比較して、高い耐磨耗性を有する。また、同一のショルダーを引き続き使用しつつプローブを交換することができ、ショルダーの製造コストを省いて、摩擦攪拌接合用ツールの製造コストを抑制することができる。

ところで、被接合材がアルミニウム合金、例えば、６０００系Ａｌ合金からなる場合、通常、ビッカース硬さ６０〜８０Ｈｖを有する。しかし、被接合材がアルミニウム合金、例えば、６０００系Ａｌ合金からなり、さらにプレス加工された場合、ビッカース硬さ１００Ｈｖ以上の硬度を有することがある。例えば、自動車の一部品であるフードリテーナの各部位から採取し、各部位の硬度を計測すると、表１に示すように、部位によっては、ビッカース硬さ１００Ｈｖ以上の硬度を有する。ここで、フードリテーナは、６０００系Ａｌ合金からなるほぼ長方形状の板状体であって、さらにプレス加工を経て得られたものである。また、図１３に、フードリテーナの各部位の箇所を模式的に示した。

一方、機械加工時の刃具磨耗では、工具の硬度がワークの５倍以下である場合、磨耗が激しくなることが知られている。摩擦攪拌接合においても、機械加工と同様に、工具の硬度がワークの５倍以下である場合、磨耗が激しくなることが予測される。一方、ＪＩＳ規格に定めるＳＫＤ６１相当材からなる摩擦攪拌接合用ツールは、ビッカース硬さ５００Ｈｖを有する。一方、従って、ＳＫＤ６１相当材からなる摩擦攪拌接合用ツールは、６０００系Ａｌ合金からなる被接合材の硬度の５倍以上の硬度まで達しておらず、磨耗しやすいと予測される。

ところで、ＪＩＳ規格に定めるＳＫＤ１１相当材からなる摩擦攪拌接合用ツールがある。このような摩擦攪拌接合用ツールは、例えば、ビッカース硬さ６６０Ｈｖを有する。また、このような摩擦攪拌接合用ツールは、上記したような、実施形態１にかかる摩擦攪拌接合用ツール１０と比較して、質量％で、Ｃｒを１１〜１２％と多く含有する。ここで、Ｃｒは、アルミニウムとの親和性が高く、アルミニウム材と凝着しやすい。したがって、上記した実施の形態１及び２にかかる摩擦攪拌接合用ツールは、このような摩擦攪拌接合用ツールと比較して、高い硬度を有するとともに、摩擦攪拌接合においてアルミニウム材と凝着しにくく、高い耐磨耗性を有するのである。

ところで、ＪＩＳ規格に定めるＳＫＨ（高速度工具鋼）相当材からなる摩擦攪拌接合用ツールがある。このような摩擦攪拌接合用ツールは、ビッカース硬さ７００Ｈｖを有し、高い耐磨耗性を備え、ＳＫＤ６１相当材からなる摩擦攪拌接合用ツールの１．３倍程度の寿命を有すると予測される。しかし、このような摩擦攪拌接合用ツールの製造コストは、ＳＫＤ１１相当材からなる摩擦攪拌接合用ツールの約２倍である。したがって、ＳＫＨ相当材からなる摩擦攪拌接合用ツールは、ＳＫＤ６１相当材からなる摩擦攪拌接合用ツールと比較して、高い耐磨耗性を有するものの、製造コストが割に合わず、摩擦攪拌接合用ツールの消耗費が高い。つまり、実施の形態１及び２にかかる摩擦攪拌接合用ツールは、ＳＫＨ相当材からなる摩擦攪拌接合用ツールと比較して、１打点あたりのコストに優れると考えられる。

また、Ｆｅ−Ｃｏ系合金からなる摩擦攪拌接合用ツールがある。このような摩擦攪拌接合用ツールは、ビッカース硬さ１２００Ｈｖ以上と高い硬度を有し、高い磨耗性を有すると予測される。一方、このような摩擦攪拌接合用ツールは、質量％で、Ｃｏを１０％以上含んでおり、アルミニウム材と凝着しやすい。Ｆｅ粒子が大きな粒径を有すると、ここで、Ｃｏは、アルミニウムとの親和性が高く、アルミニウム材と凝着しやすい。したがって、上記した実施の形態１及び２にかかる摩擦攪拌接合用ツールは、このような摩擦攪拌接合用ツールと比較して、摩擦攪拌接合において、アルミニウム材と凝着しにくく、高い耐磨耗性を有しうる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

摩擦攪拌接合用ツール１０、２１０１、２０１ショルダー
２、２０２プローブ２１、２２１ネジ部
２２ＷＣ層２３超硬材層

Claims

アルミニウム又はアルミニウム合金からなる被溶接材を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合用ツールであって、
ネジ部を備え、
前記ネジ部は、Ｆｅ粒子を含む超硬材からなる超硬材層を備え、
元素ＸをＣｒ以外の元素とすると、
前記超硬材は、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｗ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｗ系合金、又は、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｗ−Ｘ系合金であり、
前記Ｆｅ粒子の粒径が１０μｍ以下であり、
前記ネジ部は、前記Ｆｅ粒子が脱落した脱落跡の有る表面を少なくとも一部備える
摩擦攪拌接合用ツール。