JP6178689B2 - タングステン耐熱合金、摩擦攪拌接合工具、および製造方法 - Google Patents
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Description
まず、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合工具(塑性加工用工具)に用いられるタングステン耐熱合金の組成について説明する。
<第1の相>
第1の相はWを主成分とする相である。ここでいう主成分とは最も含有量が多い成分であることを意味する(以下同様)。
第2の相は、Ti、Zr、Hfの少なくとも1つの炭窒化物を主成分とする相であり、具体的には、例えば上記した炭窒化物と不可避不純物で構成される。
第3の相は第2の相の周囲に形成される層であり、第1の相のWと第2の相の炭窒化物との固溶体を主成分とし、これと不可避不純物で構成される。
本発明に係る摩擦攪拌接合工具を形成するタングステン耐熱合金は、上記した必須の成分に加え、不可避不純物を含む場合がある。
次に、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合工具を形成する焼結後のタングステン耐熱合金中の炭窒化物の粒径(第2の相の粒径)について図3および図4を参照して説明する。
仮に、平均粒径を0.1μmよりも小さくする場合、配合するTiCN粉末の平均粒径を0.1μmより小さくする必要がある。しかし、このような微粒子は一般的に凝集し易くなる傾向があり、凝集2次粒子は焼結により顕著な粗大粒を形成し易くなり、また気孔の生成も促し易い。このような顕著な粗大粒子を形成させないためには、焼結温度を低下させる必要があるが、焼結温度の低下は焼結体密度の低下を引き起こしてしまう。
仮にタングステン耐熱合金中のTiCNの平均粒径を10μmよりも大きくする場合、粗粒のTiCNが焼結を阻害して焼結歩留まりが極端に悪くなり、工業的とはいえなくなる恐れがある。さらに焼結できたとしても粗粒のTiCN粒子が破壊の起点となって、機械的強度を低下させる恐れがある。
次に、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合工具用のタングステン耐熱合金の物性について説明する。
以上がタングステン耐熱合金の条件である。
次に、本発明の実施形態に係るタングステン耐熱合金およびそれを用いた摩擦攪拌接合工具の製造方法について、図5を参照して説明する。
本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合工具を形成するタングステン耐熱合金は、上記の構成を有するものであるが、ここで、本発明の実施形態に係るタングステン耐熱合金を用いた摩擦攪拌接合工具の構成について、図6を参照して簡単に説明する。
炭窒化物の含有量が異なるタングステン耐熱合金を作製し、室温硬度をモリブデン耐熱合金の場合と比較した。具体的な手順は以下の通りである。
まず、原料として、母材(第1相)としてのW粉末および比較例としてMo粉末を、端窒化物としてのTiCN粉末、ZrCN粉末、HfCN粉末を用意した。具体的には、W粉末はアライドマテリアル社製の純度99.99質量%以上、Fsss法による平均粒径が1.2μmのものを用いた。
次に、得られたタングステン耐熱合金およびモリブデン耐熱合金の硬度測定を行った。
次に、得られた合金の高温強度を評価した。
まず、タングステン耐熱合金およびモリブデン耐熱合金の試料片を長さ:約25mm、幅:2.5mm、厚さ:1.0mmとなるように加工し、表面を#600のSiC研磨紙を用いて研磨した。
曲げ歪み=600sh/L2
ここで、F:試験荷重(N)、L:支点間距離(mm)、b:試験片の幅(mm)、h:試験片の厚さ(mm)、s:たわみ量(mm)である。
次に、上記の合金のうち、WにTiCNを10体積%、20体積%、30体積%、40体積%それぞれ含有させたものについて、以下の条件でX線回折を行った。
管球:Cu(KαX線回折)
ソーラースリット:0.04rad
発散スリットの開き角:1/2°
散乱スリットの開き角1°
管電流:40mA
管電圧:45kV
スキャンスピード:0.33°/min
結果を図9に示す。
次に、Wに添加する炭窒化物をTiCNとし、TiCNの配合比率を10体積%として、合金中のTiCN、Wの平均粒径およびTiCNの最大粒径を変化させた合金を作製し、相対密度および室温硬度を評価した。
装置 :EPMA1720H(島津製作所製)
加速電圧 :15kV
ビーム電流 :20nA
ビームサイズ :1μm
測定倍率 :5000倍
積分時間 :20s/point
以下、具体的な測定方法について説明する。
バルク密度はアルキメデス法により求めた。具体的には、空中と水中での重量を測定し、下記計算式を用いてバルク密度を求めた。
バルク密度=空中重量/(空中重量−水中重量)×水の密度
まず、以下の手順でW−TiCN合金の理論密度を求めた。
即ち、TiCNを添加した場合のTiCNの体積比率は以下のように表される。
TiCNの体積比率=[Zc/Mc]/[Zc/Mc+Zm/Mm]
また、Wの体積比率は以下のように表される。
Wの体積比率=[Zm/Mm]/[Zc/Mc+Zm/Mm]
なお、硬度は実施例1と同様に求めた。
Wに添加する炭窒化物をTiCNとし、TiCNの配合比率を10体積%として、焼結体のTiCNの平均粒径を0.7μm、タングステンの平均粒径を0.8μmとして、TiCNの粒径分布を変化させた試料を作成し、粒径分布の影響を評価した。
Wに添加する炭窒化物をTiCNとし、TiCNの配合比率を10体積%として、焼結体のTiCNの平均粒径を0.7μm、タングステンの平均粒径を0.8μmとして、TiCNの粒径分布を変化させた試料を作成し、粒径分布の影響を評価した。
これまで挙げた必要範囲内にあるタングステン合金を用いて、摩擦撹拌接合工具を製作し、ステンレスの摩擦撹拌接合に供した。
2 第2の相
3 第3の相
11 試料片
13 ピン
15 ヘッド
101 摩擦攪拌接合工具
102 シャンク
103 ショルダー部
104 ピン部
Claims (15)
- Wを主成分とする第1の相と、
Ti、Zr、Hfの少なくとも1つの炭窒化物を主成分とする第2の相と、
前記第2の相の表面を覆うように設けられ、WとTi、Zr、Hfの少なくとも1つの炭窒化物固溶体を有する第3の相と、
を有し、残部が不可避不純物であり、
前記炭窒化物の含有量が5体積%以上、30体積%未満である、タングステン耐熱合金。 - 前記炭窒化物の含有量が5体積%以上、15体積%以下である、請求項1記載のタングステン耐熱合金。
- 前記第2相の炭窒化物の平均結晶粒径が、0.1μm以上、10μm以下である、請求項1または2に記載のタングステン耐熱合金。
- 前記第2相の炭窒化物の平均結晶粒径が、0.1μm以上、3μm以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金。
- 前記第2相の炭窒化物粒は、粒径が0.1μm以上、5.0μm以下のものが、前記第2相の炭窒化物粒全体の40%以上、60%以下の個数割合である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金。
- 前記第2相の炭窒化物粒は、粒径が0.1μm以上、3.5μm以下のものが、前記第2相の炭窒化物粒全体の20%以上、40%以下の個数割合であり、5.0μm以上、7.0μm以下のものが、前記第2相の炭窒化物粒全体の10%以上、20%以下の個数割合である、請求項1〜5のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金。
- 前記第2相の炭窒化物の最大粒径は、1.0μm以上、30μm以下である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金。
- 合金中のWの平均粒径が0.3μm以上、20μm以下である、請求項1〜7のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金。
- 室温でのビッカース硬度が500Hv以上で、かつ、1200℃で500MPa以上の0.2%耐力(曲げ相当)または抗折力を有する、請求項1〜8のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金。
- 室温でのビッカース硬度が500Hv以上で、かつ、1200℃で500MPa以上の0.2%耐力(曲げ相当)を有し、長さ:約25mm、幅:2.5mm、厚さ:1.0mmに加工された場合の、支点間距離を16mmとする3点曲げ試験における破断時のたわみ量が6mm以上である、請求項1〜9のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金。
- 請求項1〜10のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金を用いた摩擦撹拌接合工具。
- 請求項11の摩擦撹拌接合工具の表面に、周期律表IVa、Va、VIa、IIIb族元素およびC以外のIVb族元素よりなる群から選択される少なくとも1種以上の元素、またはこれら元素群から選択される少なくとも1種以上の元素の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物を含む被膜層を有する、摩擦撹拌接合工具。
- 請求項11または12に記載の摩擦撹拌接合工具を有する、摩擦撹拌接合装置。
- W粉末と炭窒化物粉末を混合する(a)と、
前記(a)により得られた混合粉を室温中で圧縮成形する(b)と、
前記(b)により得られた成形体を少なくとも水素あるいは窒素を含む雰囲気にて、1800℃以上、2000℃以下で加熱して焼結する(c)と、
を具える、請求項1〜10のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金を製造する製造方法。 - (d)焼結時または、焼結後に不活性雰囲気にて成形体または焼結体に熱間等方圧加圧を施す、
を有する、請求項14に記載のタングステン耐熱合金を製造する製造方法。
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