JP6202787B2 - モリブデン耐熱合金、摩擦攪拌接合用工具、および製造方法 - Google Patents
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Description
まず、本発明の摩擦攪拌接合用工具(塑性加工用工具)に用いられるモリブデ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Mo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Mo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。
以上が炭窒化物を添加したことによる効果である。
本発明に係るFSW用工具を形成するモリブデン耐熱合金は、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、本発明の摩擦攪拌接合用工具を形成する焼結後のモリブデン耐熱合金中の炭窒化物の粒径(第2の相の粒径)について説明する。
仮に、平均粒径を0.3μmよりも小さくする場合、配合するTiCN粉末の平均粒径を0.3μm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。
そのため、TiCNの平均粒径は0.3μm以上であるのが好ましい。
仮にモリブデン耐熱合金中の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。
そのため、TiCNの平均粒径は10μm以下であるのが好ましい。
次に、本発明の摩擦攪拌接合用工具を形成するモリブデン耐熱合金の物性について説明する。
以上がモリブデン耐熱合金の条件である。
次に、本発明のモリブデン耐熱合金およびそれを用いた摩擦攪拌接合用工具の製造方法について、図6を参照して説明する。
本発明のFSWを形成するモリブデン耐熱合金は、上記の構成を有するものであるが、ここで、本発明のモリブデン耐熱合金を用いた摩擦攪拌接合用工具の構成について、図7を参照して簡単に説明する。
TiCN含有量の異なるモリブデン耐熱合金を用いて摩擦攪拌接合用工具を作製し、得られたモリブデン耐熱合金の特性を評価し、さらに、摩擦攪拌接合用工具の性能を評価した。具体的な手順は以下の通りである。
まず、原料としてMo粉末、TiCN粉末を用意した。具体的には、Mo粉末は純度99.99質量%以上、Fsss法による平均粒径が4.3μmのものを用いた。
次に、得られたモリブデン耐熱合金の相対密度を測定した。ここでいう相対密度とは、作製した試料(バルク)について測定した密度を理論密度で除して%で表した値である。
(バルク密度の測定)
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Mo−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、Moの体積比率は以下のように表される。
Moの体積比率=[Zm/Mm]/[Zc/Mc+Zm/Mm]
次に、得られたモリブデン耐熱合金中の粒径測定を、以下に示すような線インターセプト法により、測定した。
モリブデン耐熱合金の硬度測定は(株)アカシ製マイクロビッカース硬度計(型番:AVK)を用い、大気中20℃にて測定荷重20kgを加えることにより、ビッカース硬度を測定した。測定点数は5点とし、平均値を算出した。
摩擦攪拌接合用工具は、回転しながら工具の横移動により接合を実施するため、高温での回転曲げに対する強度が必要であるが、高温回転曲げ試験は特殊である。そのためここでは単純曲げ試験により高温強度を評価した。さらに摩擦攪拌接合用工具は耐変形性が要求されるため、同じ歪量での評価を実施することを目的として便宜上0.2%の歪を生じた際の応力、すなわち0.2%耐力を用いた(一般に0.2%耐力は引張試験時、降伏点が不明瞭な材料の評価に使用される)。
まず、モリブデン耐熱合金を長さ: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。
曲げ応力=3FL/2bh2
曲げ歪み=6sh/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:たわみ量とする。
FSW用工具の性能評価は、以下の手順により行った。
日立製作所製2次元摩擦攪拌接合装置を用い、工具回転速度600rpm、走行速度100mm/min、工具押し込み量2.5mm、走行距離100mmとして、SUS304の突合せ接合を行い工具の摩耗量を評価した。
以上の試験条件および試験結果を表1に示す。
次に、上記の範囲のうち、Mo粉末が70質量%、TiCN粉末が30質量%としたもの、Mo粉末が60質量%、TiCN粉末が40質量%としたもの、および、Mo粉末が50質量%、TiCN粉末が50質量%として合金を製造したものについて、以下の条件でX線回折を行った。具体的な条件は以下の通りである。
管球:Cu(KαX線回折)
発散スリット及び散乱スリットの開き角:1°
受光スリットの開き幅:0.3mm
モノクロメーター用受光スリットの開き幅:0.6mm
管電流:30mA
管電圧:40kV
スキャンスピード:1.0°/min
結果を図9に示す。
次に、TiCN粉末の配合比率を30質量%とし、第2相中のTiCNの粒径と最大粒径、ならびにMoの平均粒径を変えた摩擦攪拌接合用工具を製作し、室温硬度と0.2%耐力の評価を行い、摩擦攪拌接合試験を行った。その試験条件と試験結果を表2に示す。
次に、Mo粉末が70質量%、TiCN粉末が30質量%とし、他は実施例1と同様にて合金を製造し、合金中のTiCN粒のうち、粒径が3.0〜5.0μmのものの個数割合と合金の特性との関係についての評価を行った。試験条件および試験結果を表3に示す。なお、3.0〜5.0μmのものの個数割合は、株式会社アライドマテリアル製の炭窒化チタン粉末(品種名5MP15、5MP30)を用い、それらを分級処理して調整することにより制御した。
次に、Mo粉末が70質量%、TiCN粉末が30質量%とし、他は実施例1と同様にて合金を製造し、合金中のTiCN粒のうち、粒径が1.5〜3.5μmのものの個数割合、および5.0〜7.0μmのものの個数割合と合金の特性との関係についての評価を行った。試験条件および試験結果を表4に示す。なお、1.5〜3.5μmのものの個数割合、および5.0〜7.0μmのものの個数割合は、平均粒径2.0μmのTiCN粉末と5.5μmのTiCN粉末とを混合し、それら原料粉末の混合比率を変えることにより制御した。
実施例および比較例の試料を電子顕微鏡で撮影し、組織の定量分析を行った。具体的な手順は以下の通りである。
まず、実施例として表1に示す「本発明3」の試料を、比較例として表1に示す「比較例4」の試料を作製した。なお、作成した焼結体の寸法は直径20mm、高さ20mmである。
試料の観察と分析は以下の条件下で行った。
まず、装置として日立製作所製走査型電子顕微鏡(FE-SEM/EDX)S−4200を用い、分析はエネルギー分散型X線分析で定量分析を行った。
また、中間色部の面積が濃色部の面積よりも大きかった。
102 シャンク
103 ショルダー部
104 ピン部
Claims (10)
- Mo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の相の周囲に設けられ、Mo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るモリブデン耐熱合金であって、
前記モリブデン耐熱合金中のMoの含有量が50質量%以上95質量%以下、且つ、
炭窒化物の含有量が5質量%以上50質量%以下であり、
前記第2の相の炭窒化物は、0.3μm以上10μm以下の平均粒径及び1.3μm以上30μm以下の最大粒径を有すると共に、1.5〜3.5μmの粒径を有する前記第2の相の炭窒化物粒が当該1.5〜3.5μmの粒径の範囲内にピークを持つと共に、前記第2の相の炭窒化物粒全体の20〜40%の個数割合で含まれおり、且つ、5.0〜7.0μmの粒径を有する第2の相の炭窒化物粒が当該5.0〜7.0μmの粒径の範囲内にピークを持つと共に、前記第2相の炭窒化物全体の10〜30%の個数割合で含まれており、
更に、モリブデン耐熱合金中のMoは、0.3μm以上、20μm以下の平均粒径を有していることを特徴とするモリブデン耐熱合金。 - 前記モリブデン耐熱合金中の炭窒化物の含有量が10質量%以上40質量%以下であることを特徴とする請求項1記載のモリブデン耐熱合金。
- 前記モリブデン耐熱合金中の炭窒化物の含有量が30質量%以上40質量%以下であることを特徴とする請求項2記載のモリブデン耐熱合金。
- 前記第2の相の炭窒化物の平均粒径が、0.3μm以上、6μm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のモリブデン耐熱合金。
- 前記モリブデン耐熱合金の理論密度に対する相対密度は97.2%以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のモリブデン耐熱合金。
- 1200℃で700MPa以上の0.2%耐力および延性を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のモリブデン耐熱合金。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載のモリブデン耐熱合金を用いたことを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
- 請求項7記載の摩擦攪拌接合用工具の表面に、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ことを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
- 請求項7または8のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合用工具を有することを特徴とする摩擦攪拌装置。
- Mo粉末と、炭窒化物粉末を混合する混合工程と、
前記混合工程により得られた混合粉を室温中で圧縮成形する成形工程と、
前記成形工程により得られた成形体を少なくとも水素と窒素を含む雰囲気にて1600℃以上、2000℃以下で加熱する焼結工程と、
前記焼結工程により得られた焼結体を不活性雰囲気にて熱間等方圧加圧する加圧工程と、
を具える、請求項1〜6のいずれか一項に記載のモリブデン耐熱合金を製造する製造方法。
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