JP7458789B2 - 金属系基材の補修方法 - Google Patents
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Description
金属系基材としては、例えば、Cu、Ag、Au、Pt、Cu基合金、Ag基合金、Au基合金又はPt基合金のいずれかからなる基材である。Cu基合金としては、例えばCu-Zn、Cu-Ni、Cu-Ag、Cu-Sn、Cu-Sn-Pがあり、Ag基合金としては、例えばAg-Pd、Ag-Pd-Cu、Ag-Pd-Cu-Ge、Ag-In、Ag-Snがあり、Au基合金としては、例えばODS(Oxide Dispersion Strengthened)-Au、Au-Pd、Au-Ag、Au-Cu、Au-Niがあり、Pt基合金としては、例えばODS-Pt、Pt-Rh、Pt-Ir、Pt-Co、Pt-Cuがある。基材の形状は、例えば、板状、円筒状、坩堝状、カプセル状、環状などがあるが、本実施形態ではこれらに限定されるものではない。基材の厚さ(肉厚)については特に制限はないが、例えば、10mm以下が好ましく、5mm以下がより好ましい。基材の厚さの下限は、1mm以上であることが好ましい。そして、金属系基材の具体的用途としては、例えば、圧力容器用ライナー、圧力容器用カプセル、圧力容器、スパッタリングターゲット、又は、スパッタリングターゲット用のバッキングプレートの全体又はその一部である。なお、本実施形態において、「M基合金」(MはCu、Ag、Au、Pt、Ir、Ni、Coなどの金属元素を示す。)という用語は、Mが合金を構成する元素のうち最も含有量(質量%)が多い合金をいい、好ましくはMの含有量が50質量%以上である合金をいう。例えば、Ag基合金ではAgが95質量%以上であることが好ましい。Cu基合金ではCuが50質量%以上であることが好ましい。
図5を参照して、第2工程について説明する。金属系基材1は、第1領域2aと第2領域2bを有する。第1領域2aは、例えば、溶融溶接を行った部分である。第2領域2bは、溶融溶接を行った以外の部分、すなわち、補修・改質を必要としない通常の基材部分である。第2工程では、第1領域2aの表面にプローブを有さない摩擦ツール5をモータ7によって回転させながら押し当てて、摩擦熱を発生させながら第1領域2aの表面を押圧して、欠陥の補修及び/又は組織の不連続部分の改質を行う。本実施形態には、摩擦ツール5をまず回転させたのち、第1領域2aの表面に押し当てるか、又は、摩擦ツール5を回転させずに第1領域2aの表面に押し当て、その後、摩擦ツール5の回転を開始させる、のいずれも包含される。図5では、摩擦ツール5を回転させながら、第1領域2aに沿って、方向8に移動させる形態(線施工)を示している。摩擦ツール5を押し当て、回転動作により塑性流動が起きた後、凝固する。図5において示すように本実施形態では、塑性流動が生じた凝固部分(可塑性領域形成後の凝固部分)6の幅は、ツールの径とほぼ一致している。
Ag基合金(組成Ag-Pd-Cu―Ge)からなる100mm×50mm×厚さ8mmの板状の基材を2枚準備し、断面が図14に示した形状となるように開先加工し、その後、同組成のAg基合金で肉盛り溶接し、Ag基合金継手を作製した。図15にこの肉盛り溶接継手の顕微鏡の断面画像を示した。図16に、図15の枠部分の拡大画像を示した。拡大画像によれば、溶融組織、デンドライト及びブローホールを確認できた。次に、Ir基合金(組成Ir-Re-Zr)からなり、直径25mm、先端が平坦形状の摩擦ツールを用いて、傾斜角θを3°とし、バッキングプレートとして窒化ケイ素プレートを用い、シールドガスとしてアルゴンガスを25L/分流し、ツール回転速度3000rpm、ツール移動速度10mm/分、ツール挿入量1.7mmの条件で、図8に記載の施工で基材の補修及び改質を行った。なお、実施例1で提示した条件は、施工時の熱量が高く、改質深さが大きい。同時に摩擦ツールに対して過酷な条件である。図17に肉盛り溶接継手の補修・改質部分についての顕微鏡の断面画像を示した。図18に、図17の実線の上段枠部分の拡大画像を示した。図19に、図17の実線の下段枠部分の拡大画像を示した。図16と、図18及び図19とを比較すると、図18及び図19は、溶融組織及びデンドライトの消失、結晶粒の微細化、ブローホールの減少を確認できた。
純Ag(純度99.99%)からなる厚さ2.2mmの板材を準備し、TIG(Tungsten Inert Gas)溶接を行った後、図8記載の施工によりTIG部の補修・改質を行った。試験片を切り出す前の板材は大気中400℃2時間で熱処理しており、溶接や補修・改質由来の歪みの影響を取り除いている。そして引張強度を確認した試験片はJIS Z2241の14B規格を採用し、標点間に厚みムラが出ない様にワイヤーカット装置を用いて均一に2mmの厚みとなる様に成形している。また、TIG部への補修・改質にはIr基合金(組成Ir-Re-Zr)からなる、直径15mm、先端が平坦形状の摩擦ツールを使用し、傾斜角θを3°とし、バッキングプレートとして窒化ケイ素プレートを用い、シールドガスとしてアルゴンガスを25L/分流し、ツール回転速度3000rpm、ツール移動速度100mm/分、ツール挿入量0.4mmの条件を採用している。
実施例2と同様に純Agからなる厚さ2.2mmの板材を用意し、TIG溶接せず、補修・改質は行わず、実施例2と同一の手順で試験片を成形した。
実施例2と同様に純Agからなる厚さ2.2mmの板材を用意し、TIG溶接を行った後、溶接部への補修・改質を行なわずに実施例2と同一の手順で試験片を成形した。
試験機はインストロン社製 万能試験機(5582型 ロードセル10kN)を使用し、測定方法はJIS Z2241:2011「金属材料引張試験方法」を参考とした。
純Ag(純度99.99%)からなる50mm×50mm×厚さ2.2mmの基材について、Ir基合金製(組成Ir-Re-Zr)のプローブを有する摩擦ツールを回転させながら、垂直に押圧し、直径10mmのエンドホールを形成した。図29にTIGにてエンドホールに純Ag材を充填した断面画像を示した。充填済みのエンドホール全体の断面画像の観察によれば結晶粒が粗大化しており、ブローホールが複数存在していることを確認できた。
比較例2のサンプルのエンドホールの純Ag充填箇所について、図6に示した基材の補修及び改質を行ない、実施例3のサンプルを得た。補修・改質にはIr基合金(組成Ir-Re-Zr)からなり、直径15mm、先端が平坦形状の摩擦ツールを使用し、傾斜角は付けず、バッキングプレートとして窒化ケイ素プレートを用い、シールドガスは流さず、ツール回転速度3000rpm、ツール挿入速度6mm/分とし、ツール挿入量は摩擦ツール先端部がエンドホール形成前の基材表面と同等となる位置までとした。補修・改質した部分の断面画像を図30に示した。補修・改質部分の全体の断面画像の観察によれば結晶粒が微細であり、ブローホールは確認されなかった。
Cu基合金(組成Cu-Zn)からなる150mm×100mm×厚さ4mmの基材について、Ir基合金(組成Ir-Re-Zr)からなる、直径15mm、先端が平坦形状の摩擦ツールを使用し、傾斜角θを3°とし、バッキングプレートとして窒化ケイ素プレートを用い、シールドガスとしてアルゴンガスを25L/分流し、ツール回転速度1500rpm、ツール移動速度100mm/分、ツール挿入量0.4mmにて補修・改質を行った。図31に補修・改質した部分全体の断面画像とその拡大図を示した。ツール直下の組織は4mmの深さまで補修・改質の影響を受けており、結晶粒の大きさは、枠内拡大図に見るように10μm程度と細かい。図32に比較として基材の断面画像を示した。基材断面の観察によれば、結晶粒は50μm程度と補修・改質部よりも大きいことを確認できた。
純Pt(純度99.95%)からなる50mm×50mm×厚さ2mmの板材を準備し、TIGでの純Ptの肉盛り溶接を行った。その後、図6記載の施工によりTIG部の補修・改質を行った。TIG部への補修・改質には、超硬合金(組成W-C-Co)からなる、直径15mm、先端が平坦形状の摩擦ツールを使用し、傾斜角は付けず、バッキングプレートとして窒化ケイ素プレートを用い、シールドガスとしてアルゴンガスを25L/分流し、ツール回転速度3000rpm、ツール挿入速度6mm/分とし、ツール挿入量は摩擦ツール先端部がTIG肉盛り溶接前の基材表面と同等となる位置までとした。図33にTIG肉盛り溶接部の断面画像を示した。図34にTIG肉盛り溶接部を補修・改質した部分の断面画像を示した。図33の画像において、TIG肉盛り溶接部の組織中の結晶粒子はほぼ等軸結晶粒であり、結晶粒子径は平均1000μm程度と大きい。一方、図34の画像において、補修・改質部において逆三角形の領域が観察され、当該領域に伸張組織が存在し、ツール直下2mmの深さまで塑性流動の影響をうけていることを確認した。すなわち、板材の厚さ方向全体にわたって補修・改質が行なわれたことが確認できた。
2a 第1領域
2b 第2領域
3 肉盛部分
5 摩擦ツール
6 塑性流動が生じた凝固部分(可塑性領域形成後の凝固部分)
7 モータ
8 摩擦ツールの移動方向
Claims (14)
- 基材の面内方向で区分けされる第1領域を有し、前記第1領域は欠陥を含む金属系基材であって、前記金属系基材は鋳造加工された基材であるか又は溶融溶接によって接合が完了した基材であり、前記第1領域は鋳造加工又は溶融溶接によって発生した欠陥としてブローホールを含む領域である金属系基材を準備する第1工程と、
前記第1領域の表面にプローブを有さない摩擦ツールを回転させながら押し当てて、摩擦熱を発生させながら前記表面を押圧して、前記欠陥の補修を行なって前記ブローホールを取り除く第2工程と、
を有し、
前記金属系基材が、Cu、Ag、Au、Cu基合金、Ag基合金又はAu基合金のいずれかからなり、
前記金属系基材の表面から2.2mm以上の深さで最大深さ20mmまでの部分を補修することを特徴とする金属系基材の補修方法。 - 前記金属系基材は、基材の面内方向で区分けされる第2領域をさらに有し、前記第2領域は補修を行う必要がない部分であることを特徴とする請求項1に記載の金属系基材の補修方法。
- 前記金属系基材は20mmを超える厚さを有し、前記金属系基材の表面から2.2mm以上の深さで最大深さ20mmまでの部分を補修することを特徴とする請求項1に記載の金属系基材の補修方法。
- 前記金属系基材は2.2mm以上20mm以下の厚さを有し、前記金属系基材の厚さ方向全体又は前記金属系基材の表面から2.2mm以上の深さで基材厚さよりも薄い部分を補修することを特徴とする請求項1に記載の金属系基材の補修方法。
- 前記摩擦ツール由来の不純物が、補修を行った部分の表面から深さ1mmを超えて混入していないことを特徴とする請求項1~4のいずれか一つに記載の金属系基材の補修方法。
- 補修を行った第1領域を含む基材の引張強度が、前記第2領域のみを含む基材の引張強度の60~200%であることを特徴とする請求項2に記載の金属系基材の補修方法。
- 前記第1工程と前記第2工程との間に、前記第1領域の少なくとも一部を溶解する第3工程をさらに有することを特徴とする請求項1~6のいずれか一つに記載の金属系基材の補修方法。
- 補修をする前の金属系基材の前記第1領域に、表面から裏面まで溶接されている部分があることを特徴とする請求項1~7のいずれか一つに記載の金属系基材の補修方法。
- 補修をする前の金属系基材の前記第1領域の少なくとも一部に、前記金属系基材と同じ組成の材料を設置又は肉盛する工程をさらに有することを特徴とする請求項1~8のいずれか一つに記載の金属系基材の補修方法。
- 補修を行う工程において、前記摩擦ツールに押し当てられた部分が塑性変形するまで該摩擦ツールを押圧することを特徴とする請求項1~9のいずれか一つに記載の金属系基材の補修方法。
- 補修を行う工程において、前記摩擦ツールと前記金属系基材との相対的な移動が、基材の深さ方向のみ、基材の面内方向のみ、又は、基材の深さ方向と基材の面内方向とを組み合わせた方向であることを特徴とする請求項1~10のいずれか一つに記載の金属系基材の補修方法。
- 補修を行う前に、又は、補修を行うときに、摩擦熱以外の熱源を補助的に使用することを特徴とする請求項1~11のいずれか一つに記載の金属系基材の補修方法。
- 前記摩擦ツールがIr基合金、Ni基合金、Co基合金、超硬合金、工具鋼又はセラミックスのいずれかからなることを特徴とする請求項1~12のいずれか一つに記載の金属系基材の補修方法。
- 前記金属系基材が、圧力容器用ライナー、圧力容器用カプセル、圧力容器、スパッタリングターゲット、又は、スパッタリングターゲット用のバッキングプレートの全体又はその一部であることを特徴とする請求項1~13のいずれか一つに記載の金属系基材の補修方法。
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