KR101344170B1

KR101344170B1 - 피복 회전 툴

Info

Publication number: KR101344170B1
Application number: KR1020127015326A
Authority: KR
Inventors: 히데키 모리구치; 요시하루 우츠미; 히로카 미야자키
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2013-12-20
Also published as: US8978957B2; US20120248175A1; US20140084044A1; KR20120093362A; EP2514552A4; CN102655977A; JPWO2011074530A1; US8701964B2; CN102655977B; EP2514552A1; WO2011074530A1; JP2015098061A

Abstract

본 발명은, 접합시에 피접합재의 승온을 촉진시켜, 단시간에 마찰 교반 접합을 할 수 있고, 피복층(3)이 단열성이 우수하며, 또한 내산화성 및 내마모성이 우수한 마찰 교반 접합용 툴(1)을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 마찰 교반 접합용 툴(1)은, 기재(2)와, 이 기재(2) 상에 형성된 피복층(3)을 포함하는 마찰 교반 접합용 툴(1)로서, 피복층(3)은, 1 이상의 층으로 이루어지고, 또한 그 중의 1층 이상이 5000 J/s⁰ ^.5·㎡·K 이하의 열침투율을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

피복 회전 툴{COATED ROTARY TOOL}

본 발명은, 마찰 교반 접합용 툴에 관한 것이다.

1991년 영국에서, 알루미늄 합금 등의 금속 재료끼리를 접합하는 마찰 교반 접합 기술이 확립되었다. 본 기술은, 접합을 목적으로 하는 금속 재료끼리의 접합면에 있어서, 선단에 소직경 돌기부가 형성된 원기둥형의 마찰 교반 접합용 툴을 압박하면서 회전시킴으로써, 마찰열을 발생시키고, 이 마찰열에 의해 접합 부분의 금속 재료를 연화시켜 소성 유동시킴으로써, 금속 재료끼리를 접합한다고 하는 기술이다[일본 특허 공표 평성07-505090호 공보(특허문헌 1)].

여기서, 「접합 부분」이란, 금속 재료를 맞대거나, 금속 재료를 겹쳐 설치시키거나 함으로써, 이들 금속 재료의 접합이 요망되는 접합 계면 부분을 말한다. 이 접합 계면 부근에서 금속 재료가 연화되어 소성 유동이 발생하고, 그 금속 재료가 교반됨으로써 그 접합 계면이 소멸되어, 접합이 행해진다. 또한, 동시에 그 금속 재료에 동적 재결정이 발생하기 때문에, 이 동적 재결정에 의해 접합 계면 부근의 금속 재료가 미립화하게 되어, 금속 재료끼리를 고강도로 접합할 수 있다.

이러한 금속 재료로서 알루미늄 합금을 이용하는 경우, 500℃ 정도의 비교적 저온에서 소성 유동이 발생하기 때문에, 염가의 공구강으로 이루어진 마찰 교반 접합용 툴을 이용하여도, 그 손상이 적어 빈번히 마찰 교반 접합용 툴을 교환하지 않아도 좋다. 이 때문에 마찰 교반 접합 기술은, 알루미늄 합금을 접합하는 데 드는 비용이 저렴하기 때문에, 알루미늄 합금을 용융시켜 접합하는 저항 용접법을 대신하는 접합 방법으로서, 철도차량이나 자동차, 비행기의 구조 부품의 접합 기술로서 이미 여러 용도로 실용화되어 있다.

현재 시점에서, 마찰 교반 접합 기술은, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등과 같은 비교적 저온에서 소성 유동이 발생하는 비철 금속에 주로 적용되고 있다. 이러한 마찰 교반 접합 기술은, 접합에 필요한 비용 및 시간, 접합 부분의 강도 등의 면에서, 저항 용접법에 비하여 우수하다. 이 때문에 저온에서 소성 유동이 발생하는 재료의 접합에만 그치지 않고, 1000℃ 이상의 고온에서 소성 유동이 발생하는 구리 합금이나 철강 재료의 접합에도 적용하고자 하는 요구가 있다.

그러나, 마찰 교반 접합 기술을 철강 재료에 적용했을 경우, 마찰 교반 접합용 툴 자체도 접합시에는 고온에 노출되게 되어, 마찰 교반 접합용 툴에 소성변형이 일어나고, 마찰 교반 접합용 툴의 피접합재에 접촉하는 부분이 용이하게 산화되어 마모되며, 툴 수명이 매우 짧아진다고 하는 문제가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위한 시도로서, 예컨대 일본 특허 공개 제2003-326372호 공보(특허문헌 2)에는 마찰 교반 접합용 툴의 표면 중 피접합재와 접촉하는 부분에 다이아몬드막을 피복함으로써, 그 표면 경도를 높이고, 피접합재인 Al 합금, Mg 합금 등의 저융점의 경합금 성분이 마찰 교반 접합용 툴에 용착되는 것을 억제함으로써, 툴 수명을 연장시킨 마찰 교반 접합용 툴이 개시되어 있다. 특허문헌 2와 같은 마찰 교반 접합용 툴에 의해, 확실히 그 표면의 내마모성을 향상시킬 수 있고, 툴 수명을 긴 것으로 할 수 있다.

그러나, 다이아몬드막은 열전도율이 매우 높기 때문에, 마찰 교반 접합용 툴의 회전에 의해 발생한 마찰열의 일부가 마찰 교반 접합용 툴측으로 빠져나가 버려, 피접합재측에 충분히 마찰열을 전도시키기 어렵게 된다. 그리고, 결과적으로, 마찰 교반 접합용 툴의 소직경 돌기부를 피접합재에 압박시키고 나서 소성 유동이 발생할 때까지 많은 시간이 필요하게 된다.

고온에서 소성 유동이 발생하는 재료를 접합하는 경우에 있어서는, 피접합재의 승온을 촉진시키기 위해, 마찰 교반 접합용 툴을 고속 회전시킬 필요가 있지만, 피접합재의 소성 유동이 발생할 때까지 시간이 걸려서는, 접합에 필요한 비용 및 시간을 삭감할 수 있다고 하는 마찰 교반 접합 기술의 메리트를 향수 할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위한 시도로서, 일본 특허 공표 제2003-532542호 공보(특허문헌 3)에는, 마찰 교반 접합용 툴의 축 부분에 열을 전도하지 않도록 하기 위해서, 열류(熱流) 장벽을 설치하는 기술이 개시되어 있다. 이와 같이 열류 장벽을 설치함으로써, 피접합재에 마찰열을 집중시킬 수 있다.

또한, 마찰 교반 접합 툴의 표면 열화를 억제하기 위한 다른 시도로서, 일본 특허 공개 제2005-152909호 공보(특허문헌 4)에는, 기재 상에 하지층을 설치하고, 이 하지층 상에 TiN, TiAlN 등으로 이루어진 부착 저지 피막을 설치한 마찰 교반 접합용 툴이 개시되어 있다. 이러한 마찰 교반 접합용 툴은, 장시간 사용하여도 피접합재의 금속 성분(알루미늄)이 응착되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 안정된 가공을 계속할 수 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공표 평성07-505090호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 제2003-326372호 공보 특허문헌 3 : 일본 특허 공표 제2003-532542호 공보 특허문헌 4 : 일본 특허 공개 제2005-152909호 공보

그러나, 특허문헌 4에 개시된 바와 같은 부착 저지 피막을 갖는 마찰 교반 접합용 툴을 강과 같은 융점이 1000℃ 이상인 난접합재의 가공에 적용했을 경우에는, 마찰 교반 접합용 툴의 표면 온도는 1000℃ 이상의 고온에 노출되게 되고, 발생한 마찰열이 기재에 열전도되어, 기재가 소성변형하기 쉽기 때문에, 툴의 공구 수명이 충분히 길다고는 할 수 없었다.

특히, 특허문헌 4의 부착 저지 피막은, 그 열침투율이 높기 때문에, 피접합재와의 회전에 의해 발생한 마찰열은, 기재에 열전도되어 버려, 마찰열을 피접합재에 충분히 전달할 수 없고, 피접합재가 고온이 되어 소성 유동이 발생할 때까지 시간을 필요로 하는 것이었다.

본 발명은, 상기와 같은 현상을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 바는, 접합시에 피접합재의 승온이 빠름에 따라, 단시간에 피접합재를 소성 유동시킴으로써, 효율적으로 마찰 교반 접합을 행하여, 저회전 속도로 양호하게 접합하고, 내산화성 및 내마모성이 우수한 마찰 교반 접합용 툴을 제공하는 것이다.

본 발명의 마찰 교반 접합용 툴은, 기재와, 이 기재 상에 형성된 피복층을 포함하는 마찰 교반 접합용 툴로서, 피복층은, 1 이상의 층으로 이루어지고, 또한 그 중의 1층 이상이 5000 J/s⁰ ^.5·㎡·K 이하의 열침투율을 갖는 것을 특징으로 한다. 피복층 중 두께가 최대가 되는 층이, 5000 J/s^0.5·㎡·K 이하의 열침투율을 갖는 것이 바람직하다.

피복층은, 1층 이상의 제1 단열층을 포함하고, 이 제1 단열층은, 5000 J/s^0.5·㎡·K 이하의 열침투율을 가지며, 또한 Al과, Ti, Si, Zr, Hf 및 Cr로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 원소와의 질화물 또는 산화물로 이루어진 화합물, 혹은 이 화합물의 고용체로 이루어지고, 제1 단열층에 포함되는 금속 원소에 대한 Al의 원자비는 60% 이상인 것이 바람직하다.

피복층은, 1층 이상의 제2 단열층을 포함하고, 이 제2 단열층은, 5000 J/s^0.5·㎡·K 이하의 열침투율을 가지며, 또한 Si와, Al, Ti, Zr, Hf 및 Cr로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 원소와의 질화물 또는 산화물로 이루어진 화합물, 혹은 이 화합물의 고용체로 이루어지고, 제2 단열층에 포함되는 금속 원소에 대한 Si의 원자비는, 50% 이상인 것이 바람직하다. 피복층은, 육방정형 결정 구조 및/또는 비정질을 포함하는 것이 바람직하다.

마찰 교반 접합용 툴은, 홀더에 척킹되는 척부를 가지며, 피복층은, 기재 상에 있어서, 척부를 제외한 부위의 전체면 또는 부분에 형성되는 것이 바람직하다.

피복층은, 기재 상에 있어서, 접합 가공시에 피접합재와 접하는 부분에 적어도 형성되는 것이 바람직하다. 피복층은, 이 피복층의 표면으로부터 기재에 달하는 균열이 없는 것이 바람직하고, 피복층 중 1층 이상은 물리 증착법에 의해 피복되는 것이 바람직하다.

본 발명은, 마찰 교반 접합용 툴을 이용한 피접합재를 접합하는 방법으로서, 접합은, 융점이 1000℃ 이상인 피접합재에 대하여 행해지는 것을 특징으로 하는 것이기도 하다.

이상과 같은 본 발명의 마찰 교반 접합용 툴은, 고융점의 재료로 이루어진 피접합재의 접합에 적합하게 이용할 수 있다.

본 발명의 마찰 교반 접합용 툴은, 상기와 같은 구성을 가짐으로써, 접합시에 피접합재의 승온을 촉진시켜, 단시간에 마찰 교반 접합을 할 수 있고, 피복층이 단열성이 우수하며, 또한 내산화성 및 내마모성이 우수하다고 하는 효과를 나타낸다. 이러한 구성을 갖는 마찰 교반 접합용 툴은, 이종의 물질로 이루어진 열류 장벽을 포함하는 특허문헌 2의 구조에 비하여 단순하고 저렴한 구조이며, 게다가 기재가 승온하기 어렵게 할 수 있고, 단시간에 접합할 수 있으며, 우수한 내마모성을 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 마찰 교반 접합용 툴의 일례를 나타낸 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 마찰 교반 접합용 툴의 다른 일례를 나타낸 개략 단면도이다.

이하, 본 발명에 대해서 더욱 상세히 설명한다.

<마찰 교반 접합용 툴>

도 1은 본 발명의 마찰 교반 접합용 툴의 개략 단면도이다. 본 발명의 마찰 교반 접합용 툴(1)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 기재(2)와, 이 기재(2) 상에 형성되는 피복층(3)을 포함하는 것이다. 이러한 구성을 갖는 본 발명의 마찰 교반 접합용 툴(1)은, 예컨대 선접합(FSW: Friction Stir Welding) 용도, 점접합(FSJ: Friction Spot Joining) 용도 등에 매우 유용하게 이용할 수 있다. 또한, 본 발명의 마찰 교반 접합용 툴(1)은, 소직경(예컨대 직경 2 ㎜ 이상 8 ㎜ 이하)의 프로브부(4)와, 대직경(예컨대 직경 4 ㎜ 이상 20 ㎜ 이하)의 원기둥부(5)를 포함한 형상을 가지며, 이것을 접합에 이용하는 경우, 프로브부(4)가 피접합재의 접합 부분에 삽입 또는 압박된 상태로 회전됨으로써, 피접합재가 접합되게 된다. 이 경우, 선접합 용도에서는, 적층 혹은 선 접촉형으로 맞대어진 2개의 피접합재에 프로브부(4)를 압박 혹은 삽입시키고, 회전하는 프로브부(4)를 이 적층 혹은 맞대어진 부분에 대하여 직선형으로 이동시킴으로써 피접합재끼리를 접합한다. 한편, 점접합 용도에서는, 상하로 적층, 혹은 맞대어진 2개의 피접합재의 원하는 접합 개소에 회전하는 프로브부(4)를 압박하고, 그 장소에서 프로브부(4)를 계속해서 회전시킴으로써, 피접합재끼리를 접합한다.

본 발명은, 마찰 교반 접합용 툴을 이용한 피접합재를 접합하는 방법에 관한 것이기도 하고, 접합은, 융점이 1000℃ 이상인 피접합재에 대하여 행할 수 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 마찰 교반 접합용 툴은, 종래 마찰 교반 접합용 툴에 의한 접합이 곤란하다고 생각되었던 융점이 1000℃ 이상인 피접합재에 대해서도 접합을 행할 수 있어, 매우 우수한 산업상의 이용성을 갖는 것이다.

이와 같이 본 발명의 마찰 교반 접합용 툴(1)은, 각종 용도에 이용할 수 있는 것이지만, 특히 종래에 있어서 저항 용접법이 주로 이용되고 있던 고장력강의 접합에 적합하게 이용할 수 있다. 즉, 본 발명의 마찰 교반 접합용 툴(1)은, 이러한 고장력강의 접합 용도에 있어서, 종래의 저항 용접법을 대체하는 수단을 제공하는 것으로서, 마찰 교반 접합에서는, 고상(固相) 상태로 피접합재가 접합되는 데다가, 접합 부분에 동적 재결정이 발생하기 때문에, 조직이 미세화함으로써, 접합 중에 피접합재가 액상이 되는 종래의 저항 용접법에 비하여, 접합 부분의 강도를 향상시킨 것이다. 따라서, 본 발명의 마찰 교반 접합용 툴은, 고비강도의 고장력강, 특히 980 MPa 이상의 초고장력강의 접합에 매우 유효하게 사용할 수 있는 것이다.

도 2는 본 발명의 마찰 교반 접합용 툴의 바람직한 형태의 개략 단면도이다. 본 발명의 마찰 교반 접합용 툴(1)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 원기둥부(5)가 홀더에 척킹되도록 척부(7)를 갖고 있는 것이 바람직하다. 이러한 척부(7)는, 예컨대 원기둥부(5)의 측면의 일부가 절삭됨으로써 형성할 수 있다. 한편, 접합 가공시에 피접합재와 접하는 부분을 숄더부(6)라고도 한다.

본 발명의 마찰 교반 접합용 툴(1)은, 기재(2)와, 이 기재(2) 상에 있어서, 척부(7)를 제외한 부위의 전체면 또는 부분에 피복층(3)을 포함하는 것이 바람직하다. 이와 같이 기재(2) 상의 척부(7)의 표면에 피복층(3)을 형성하지 않음으로써, 마찰열의 전도에 의해 고온이 된 마찰 교반 접합용 툴(1)의 열을, 그것이 접하는 홀더로 탈출시킬 수 있고, 이로써 기재(2)를 고온이 되기 어렵게 할 수 있다. 이와 같이 기재(2)가 고온이 되는 것을 방지함으로써, 마찰 교반 접합용 툴(1)의 내소성변형성 및 내마모성을 향상시킬 수 있다.

그리고, 피복층(3)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 기재(2) 상에 있어서, 접합 가공시에 피접합재와 접하는 부분에 적어도 형성되는 것이 보다 바람직하다. 이와 같이 피접합재와 접하는 부분에만 피복층(3)을 형성함으로써, 마찰에 의해 발생한 열이 피복층(3)이 형성되어 있지 않은 부분으로부터 홀더로 방출되기 쉬워지기 때문에, 기재(2)가 고온이 되기 어렵게 되고, 이로써 기재(2)가 소성변형하여 툴 수명이 짧아지는 것을 방지할 수 있다.

<기재>

본 발명의 마찰 교반 접합용 툴의 기재(2)로서는, 이러한 접합 가공용 기재(2)로서 알려진 종래 공지된 것을 특별한 한정 없이 사용할 수 있다. 예컨대, 초경합금(예컨대 WC기 초경합금, WC 외에 Co를 함유하거나 혹은 Ti, Ta, Nb 등의 탄질화물 등을 더 첨가한 것도 포함함), 서멧(TiC, TiN, TiCN 등을 주성분으로 하는 것), 고속도강, 공구강, 세라믹스(탄화티탄, 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 사이알론 및 이들의 혼합체 등), 입방정형 질화붕소 소결체, 다이아몬드 소결체, cBN 입자가 분산된 경질 재료 등을 이러한 기재(2)의 예로서 들 수 있다.

기재(2)로서 초경합금을 사용하는 경우, 그러한 초경합금은, 조직 중에 유리탄소나 η상이라 불리는 이상상(異常相)을 포함하고 있어도 본 발명의 효과는 나타날 수 있다.

<피복층>

본 발명의 마찰 교반 접합용 툴에 있어서, 기재(2) 상에 형성된 피복층(3)은, 1 이상의 층으로 이루어지고, 또한 그 중의 적어도 1층이 5000 J/s⁰ ^.5·㎡·K 이하의 열침투율을 갖는 것을 특징으로 한다. 피복층(3)으로서 이러한 열침투율을 갖는 층을 적어도 한층 더 형성함으로써, 마찰 교반 접합용 툴의 회전으로 발생한 마찰열이 기재측에 전도되기 어렵게 되고, 피접합재에 전도되기 쉽게 되어, 피접합재의 승온을 촉진시킴으로써 피접합재의 소성 유동 발생이 빨라질 수 있다. 이러한 피복층(3) 중 1층 이상의 열침투율은, 4700 J/s⁰ ^.5·㎡·K 이하인 것이 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 4200 J/s^0.5·㎡·K 이하이다. 또한, 본 발명에 있어서, 피복층(3)의 열침투율은, 서모 리플렉턴스법을 이용한 열 물성 현미경[제품명: 서멀 현미경 TM3(주식회사 BETHEL)]을 이용하여 산출한 값을 채용하는 것으로 한다.

본 발명의 마찰 교반 접합용 툴(1)의 기재(2) 상에 형성되는 피복층(3)은, 1 이상의 층을 포함하는 것이다. 즉, 이 피복층(3)은, 단일 조성의 1층만으로 구성되어 있어도 좋고, 서로 조성이 상이한 2 이상의 층에 의해 구성되어 있어도 좋다. 본 발명의 피복층(3) 중 1층 이상이 열차폐성을 가짐으로써, 마찰열이 기재에 침투하기 어려워지므로, 본 발명의 효과가 나타내어진다. 피복층 중 두께가 최대가 되는 층이, 5000 J/s⁰ ^.5·㎡·K 이하의 열침투율을 갖는 것이 바람직하고, 피복층(3)의 전체가 5000 J/s⁰ ^.5·㎡·K 이하의 열침투율을 갖는 것이 보다 바람직하다.

이러한 피복층(3)은, 상기와 같은 특성을 부여하기 위해서 설치되는 것이지만, 이 특성 이외에도 마찰 교반 접합용 툴(1)의 내마모성, 내산화성, 인성, 사용 완료 프로브의 식별을 위한 채색성 등의 여러 가지 특성을 향상시키는 작용을 할 수 있다. 그리고, 특히 피복층(3)의 내산화성과 내마모성을 향상시키기 위해서, 열침투율이 5000 J/s^0.5·㎡·K 이하가 되는 제1 단열층 또는 제2 단열층을 1층 이상 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 제1 단열층은, Al과, Ti, Si, Zr, Hf 및 Cr로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 원소와의 질화물 또는 산화물로 이루어진 화합물, 혹은 이 화합물의 고용체로 이루어지고, 제1 단열층에 포함되는 금속 원소에 대한 Al의 원자비는, 60% 이상인 것을 말한다. 한편, 제2 단열층은, Si와, Al, Ti, Zr, Hf 및 Cr로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 원소와의 질화물 또는 산화물로 이루어진 화합물, 혹은 이 화합물의 고용체로 이루어지고, 제2 단열층에 포함되는 금속 원소에 대한 Si의 원자비는, 50% 이상인 것을 말한다.

본 발명에 있어서, 피복층(3)은, 육방정형 결정 구조 및/또는 비정질을 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 비정질을 포함하는 피복층(3)은, 회전으로 발생한 마찰열이 기재(2)측에 전도되기 어렵게 되고, 피접합재에 전도되기 쉽게 되어, 피접합재의 승온을 촉진시킴으로써 피접합재의 소성 유동의 발생이 빨라질 수 있다.

상기한 피복층은, 피복층의 표면으로부터 기재에 달하는 균열이 없는 것이 바람직하다. 이러한 균열이 없음으로써, 툴의 회전으로 발생한 마찰열에 의한 고온 환경에서, 균열을 통해 산소가 기재까지 도달하여, 이 기재가 산화되는 것을 방지할 수 있고, 이로써 툴이 단수명이 되는 문제를 해소할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 피복층(3) 중 1층 이상은, 기재(2)와의 밀착성이 높게 피복되어 있을 필요가 있기 때문에, 기재(2)와의 밀착성이 높은 성막 프로세스에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 성막 프로세스로서는, 종래 공지의 어떠한 성막 프로세스도 이용할 수 있고, 예컨대 PVD(물리 증착)법, CVD(화학 증착)법 등을 이용할 수 있을 뿐만 아니라 2 이상의 종래 공지의 성막 프로세스를 조합하여도 좋다.

이들 성막 프로세스 중에서도, 피복층(3)을 코팅한 후에 피복층 내에 균열이 생기기 어려움으로써, 내산화성을 향상시킬 수 있다고 하는 관점에서, PVD법을 이용하는 것이 특히 바람직하다. PVD법은, CVD법에 비하여 저온에서 피복층(3)을 형성할 수 있고, 피복층(3)에 왜곡을 부여하면서 성막할 수 있기 때문에, 결정립을 미립자화하기 쉬운 경향이 있고, 열침투율이 낮은 피복층을 형성할 수 있다.

본 발명에 있어서 적합하게 이용되는 PVD법으로는, 종래 공지의 PVD법을 특별한 제한없이 이용할 수 있다. 이러한 PVD법으로는, 예컨대 스퍼터링법, 아크 이온 플레이팅법, 증착법 등을 들 수 있다. 특히, 아크 이온 플레이팅법 또는 마그네트론 스퍼터링법을 채용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 피복층은, 1 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 이와 같이 1 ㎛ 이상의 두께로 함으로써 내마모성이 향상되어, 툴 수명을 대폭 연장시키는 것이 가능해졌다. 본 발명의 피복층의 두께는, 1.5 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 2 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 이에 따라, 툴 수명을 더욱 연장시킬 수 있고, 내결손성도 우수한 것으로 할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 피복층의 두께란, 마찰 교반 접합용 툴의 표면 중 어느 한 부분에 있어서의 피복층의 두께를 말하고, 예컨대 마찰 교반 접합용 툴의 기재 상에 형성된 피복층의 두께 중, 프로브부의 선단에 있어서의 피복층의 두께를 말한다.

또한, 본 발명의 피복층은, 기재의 전체면을 덮도록 하여 형성되어 있는 것이 바람직하지만, 기재의 일부가 피복층에 의해 덮여 있지 않거나, 기재 상의 어느 한 부분에 있어서 피복층의 구성이 다르게 되어 있다고 해도, 본 발명의 범위를 벗어나는 것은 아니다. 또한, 본 발명에서의 피복층은, 상기한 바와 같이 적어도 기재 상에 있어서, 척부를 제외한 부위의 전체면 또는 부분에 형성되는 것이 바람직하고, 접합 가공시에 피접합재와 접하는 부분에 적어도 형성되는 것이 보다 바람직하다.

<피복층의 형성 방법>

본 발명의 피복층 중 1층 이상은, 전술한 바와 같이, 물리 증착(PVD: Physical Vapor Deposition)법에 의해 형성되는 것이 바람직하고, PVD법에 의하는 한 어떤 PVD법에 의해서도 형성할 수 있고, 그 형성 방법의 종류는 특별히 한정되지 않는다.

또한, 기재(2)에 대하여 작은 기판 바이어스 전압을 가하면, 피복층(3)을 구성하는 원소가 이온 상태에서 기재에 대하여 저에너지로 공급되고, 이 때문에 이들 양자가 충돌할 때의 충격이 작아지며, 성막되는 피복층의 결정성이 낮아지고, 그 결과로서 형성되는 피복층(3)의 열침투율을 작게 할 수 있다.

피복층(3)의 표면 영역을 형성할 때에 기판 바이어스 전압, 기재 온도 및 히터의 ON/OFF를 제어하고, 피복층(3)의 결정 구조를 육방정 또는 비정질의 것으로 함으로써, 피복층 중 1층 이상의 열침투율을 5000 J/s^0.5·㎡·K 이하의 범위 내의 것으로 할 수 있다.

또한, 피복층(3)을 형성하기 전의 봄바드 처리는, 기재(2)와 피복층(3)의 계면 영역에 있어서, 피복층(3)에 포함되는 결정립과 기재에 포함되는 WC 등의 경질상 입자의 결정립과의 정합성을 높이는 데 중요한 공정이다. 구체적으로는, 아르곤 가스의 도입 후 기판 바이어스 전압을 -1500 V로 유지하고, W 필라멘트에 의한 열전자를 방출시키면서 초경합금 기재의 표면을 봄바드 처리한 후, 피복층(3)을 형성함으로써, 기재(2)와 피복층(3)의 계면 영역에 있어서, 피복층(3)에 포함되는 결정립과 기재에 포함되는 WC 등의 경질상 입자의 결정립이 정합성을 가진 것으로 할 수 있다.

이것은, 봄바드 처리에 의해 계면 영역의 WC 등의 경질상 입자의 결정립의 표면의 오염이나 산화층을 제거할 수 있고, WC 등의 경질상 입자의 결정립의 표면의 활성도가 높아짐으로써, 피복층의 결정립이 WC 등의 경질상 입자의 결정립과 정합성을 갖고서 성장하기 때문은 아닌가하고 생각된다. 이와 같이 피복층에 포함되는 결정립과 기재에 포함되는 WC 등의 경질상 입자의 결정립과의 정합성이 높아짐으로써, 피복층과 WC 등의 경질상 입자의 결정립(즉 기재)과의 결합력이 강고한 것으로 되어 우수한 내박리성을 실현할 수 있다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 실시예에서의 피복층의 두께는, 주사형 전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)을 사용하여, 그 단면을 직접 관찰함으로써 측정하였다.

또한, 이하에서는 피복층을 캐소드 아크 이온 플레이팅법에 의해 형성하고 있지만, 예컨대 밸런스드 또는 언밸런스드 스퍼터링법에 의해서도 피복층을 형성할 수 있다.

<실시예 1>

본 실시예에서는, 도 1에 도시되는 마찰 교반 접합용 툴을 제작하였다. 본 실시예의 마찰 교반 접합용 툴은, 직경 10 ㎜이고 높이가 20 ㎜인 대략 원기둥 형상의 원기둥부(5)와, 그 원기둥부(5)의 선단 중앙부에 원기둥부(5)와 동심으로 돌출 설치된 프로브부(4)를 갖고 있고, 이 프로브부(4)는, 직경 4 ㎜이고 높이가 2 ㎜인 대략 원기둥 형상의 것이다.

또한, 본 실시예에서는, 피복층으로서 단일 조성의 층을 형성하고 있지만, 이들 실시예에서 이용한 조성 이외의 조성이나 조성이 상이한 2 이상의 층을 피복층으로서 형성한 것, 혹은 피복층이 적어도 일부에 초다층 구조를 포함하는 것이어도, 결과적으로 피복층의 1층 이상이 5000 J/s⁰ ^.5·㎡·K 이하의 열침투율을 갖는 것인 한, 동일한 효과를 얻을 수 있다.

<마찰 교반 접합용 툴의 제작>

우선, 마찰 교반 접합용 툴의 기재로서, 상기와 같은 툴 형상을 가지며, 이하의 표 1에 나타내는 재질의 기재(기재 No.1)를 준비하였다. 또한, 이 기재는, 초경합금으로 이루어진 것으로서, WC의 결정립을 포함하고, 이 결정립의 평균 입경[기재 표면(피복층과의 계면 부분)의 것]은, 표 1 기재와 같았다.

계속해서, 진공 펌프에 의해 장치의 챔버 내부를 감압하고, 장치 내에 설치된 히터에 의해 상기 기재의 온도를 450℃로 가열하여, 챔버 내의 압력이 1.0×10^-4 Pa가 될 때까지 진공화를 행하였다.

다음에, 아르곤 가스를 도입하여 챔버 내의 압력을 3.0 Pa로 유지하고, 상기 기재의 기판 바이어스 전원의 전압을 서서히 올리면서 -1500 V로 하고, W 필라멘트를 가열하여 열전자를 방출시키면서 기재 표면의 클리닝을 15분간 행하였다. 그 후, 아르곤 가스를 배기하였다.

계속해서, 상기 기재 상에 직접 접하도록 형성되는 피복층으로서 Al_0.7Ti_0.3 N(열침투율: 4500 J/s^0.5·㎡·K)이 하기의 표 2에 기재되어 있는 두께로 형성되도록, 미리 세팅해 둔 금속 증발원인 합금제 타겟을 이용하고, 반응 가스로서 질소 가스를 도입시키면서, 반응 가스압 4.0 Pa로 하여, 기판 바이어스 전압 및 기재 온도를 변화시킴으로써, 캐소드 전극에 100 A의 아크 전류를 공급하고, 아크식 증발원으로부터 금속 이온을 발생시켜, 이하의 표 2에 나타내는 두께의 피복층을 갖는 실시예 1의 마찰 교반 접합용 툴을 제작하였다.

<실시예 2∼4>

이하의 실시예 2∼4에 있어서는, 실시예 1에 비하여 피복층의 구성 및 조성이 상기한 표 2와 같이 상이한 것 외에는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해 마찰 교반 접합용 툴을 제작하였다. 예컨대 실시예 3에 있어서는, 기재 상에 5 ㎛의 Ti_0.5Al_0.5N을 형성한 후에, 5 ㎛의 SiO_0.1N_0.9을 형성함으로써, 피복층을 형성하였다. 이와 같이 표 2의 피복층의 조성 란에, 2종의 조성이 열거되어 있는 경우는, 우측에 기재된 조성의 것을 먼저 형성한 후에, 그 바로 위쪽에 좌측에 기재된 조성의 것을 형성한 것을 의미한다.

또한, 표 2 내의 실시예 3, 4, 7 및 8에 있어서는, Ti₀ _.5Al₀ _.5N으로 이루어진 층과, Ti₀ _.5Al₀ _.5N 이외의 조성으로 이루어진 층의 합계 2층의 피복층을 형성하고 있지만, 표 2 내의 「열침투율」 란에는, Ti_0.5Al_0.5N으로 이루어진 피복층은, 열침투율이 5900 J/s⁰ ^.5·㎡·K이기 때문에 기재하지 않고, Ti₀ _.5Al₀ _.5N 이외의 조성으로 이루어진 층의 열침투율을 기재하였다.

이와 같이 하여 제작된 실시예 1∼4의 마찰 교반 접합용 툴은, 피복층 중 1층 이상이 5000 J/s^0.5·㎡·K 이하의 열침투율을 갖는 것이다.

<실시예 5∼8>

이하의 실시예 5∼8에서는, 도 2에 도시된 마찰 교반 접합용 툴을 제작하였다. 실시예 5∼8의 마찰 교반 접합용 툴은, 실시예 1∼4와 동일한 프로브부(4)를 갖지만, 원기둥부(5)가 홀더에 척킹되도록 척부(7)를 갖고 있고, 이 척부(7)는, 원기둥부(5)의 상면으로부터 10 ㎜인 부분에 있어서, 원기둥부(5)의 측면 중 상대하는 2방향에서 절삭되어 그 단면이 대략 원기둥 형상으로 되어 있다. 척부(7)를 홀더측에서 보면, 전술한 바와 같이 절삭되어 형성된 현의 길이는 모두 7 ㎜였다.

그리고, 상기와 같은 형상을 갖는 기재를, 프로브부(4) 및 숄더부(6) 이외의 부분에 지그를 부착한 후에 각각 캐소드 아크 이온 플레이팅 장치에 장착하였다.

그 후는, 전술한 실시예 1과 동일한 방법에 의해, 기재 표면의 클리닝을 15분간 행한 후에, 미리 세팅해 둔 금속 증발원인 합금제 타겟을 이용하여, 기판 바이어스 전압 및 기재 온도를 변화시킴으로써, 상기 표 2에 나타낸 구성 및 두께의 피복층을 프로브부(4) 및 숄더부(6)에 형성하였다.

그리고, 장치 내에서 기재를 꺼내고, 프로브부(4) 및 숄더부(6) 이외의 부분에 부착한 지그를 떼어냄으로써, 실시예 5∼8의 마찰 교반 접합용 툴을 제작하였다.

이와 같이 하여 제작된 실시예 5∼8의 마찰 교반 접합용 툴은, 피복층 중 1층 이상이 5000 J/s^0.5·㎡·K 이하의 열침투율을 갖는 것이다.

<비교예 1∼4>

비교예 1∼3의 마찰 교반 접합용 툴은, 피복층의 조성이 실시예 1의 피복층과 표 2와 같이 상이한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 제작하였다. 이러한 조성의 피복층을 구성하는 모든 층이, 5000 J/s⁰ ^.5·㎡·K를 초과하는 열침투율을 갖는 것이다. 또한, 비교예 4의 마찰 교반 접합용 툴은 피복층을 형성하지 않았다.

<마찰 교반 접합용 툴의 평가>

상기에서 제작한 실시예 1∼8 및 비교예 1∼4의 마찰 교반 접합용 툴의 각각에 대해서, 상기 표 1에 나타내는 조건에 의한 점접합(FSJ)을 행함으로써 내마모성의 평가를 행하였다. 이 평가는, 500 스폿의 점접합을 행할 때마다 프로브부의 직경을 측정하고, 직경 감소량이 0.2 ㎜를 초과한 시점에서 점접합을 중지하며, 중지에 도달할 때까지 접합한 스폿 수를 계측함으로써 행하였다.

마찰 교반 접합용 툴의 내마모성의 평가 결과로서 상기에서 접합한 스폿 수를 하기 표 3에 나타낸다. 접합한 스폿 수가 많을수록 내마모성이 우수한 것을 나타내고 있다. 또한, 표 3의 내마모성의 평가 중의 「500 미만」이란, 500 스폿에 도달할 때까지 프로브부의 직경이 0.2 ㎜ 이상 감소한 것을 나타내고 있다.

표 3으로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예 1∼8의 마찰 교반 접합용 툴은, 비교예 1∼4의 마찰 교반 접합용 툴에 비하여 장수명화하고 있다. 이것은, 피복층 중 1층 이상의 열침투율이 5000 J/s^0.5·㎡·K 이하인 것을 이용함으로써, 기재의 내열성이 향상되고, 내마모성이 향상됨에 따른 것이라고 생각된다.

또한, 실시예 1∼8의 마찰 교반 접합용 툴은, 비교예 1∼4의 마찰 교반 접합용 툴에 비하여 접합 효율이 높다. 이것은, 피복층 중 1층 이상의 열침투율이 5000 J/s⁰ ^.5·㎡·K 이하인 것을 이용함으로써, 마찰 교반 접합용 툴의 회전에 의해 발생하는 마찰열이 피접합재에 전도되어, 피접합재가 고온이 되기 쉬워짐에 따른 것으로 생각된다.

이상의 결과, 실시예 1∼8의 본 발명에 따른 마찰 교반 접합용 툴은, 비교예 1∼4의 마찰 교반 접합용 툴에 비하여 장수명화하고, 그 접합 효율이 향상되고 있는 것을 확인하였다.

또한, 실시예 6의 마찰 교반 접합용 툴은, 실시예 2의 마찰 교반 접합용 툴보다도 수명이 긴 것으로 확인된다. 이것은, 실시예 2의 마찰 교반 접합용 툴은, 기재의 전체면에 걸쳐 피복층이 형성되어 있기 때문에, 마찰열의 전도에 의해 고온이 된 마찰 교반 접합용 툴의 열을, 그것이 접하는 홀더로 탈출시킬 수 없으며, 이에 따라 기재에 열이 가득 차고, 기재의 온도가 상승하여, 내소성변형성이 저하된 것에 따른 것이라고 생각된다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 대해서 설명을 행하였지만, 전술한 각 실시형태 및 실시예의 구성을 적절하게 조합하는 것도 당초부터 예정되어 있다.

이번 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타내어지며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 포함하도록 되어 있는 것이다.

1 : 마찰 교반 접합용 툴 2 : 기재
3 : 피복층 4 : 프로브부
5 : 원기둥부 6 : 숄더부
7 : 척부

Claims

기재(2)와, 이 기재(2) 상에 형성된 피복층(3)을 포함하는 마찰 교반 접합용 툴(1)로서,
상기 피복층(3)은, 1 이상의 층을 포함하고, 그 중 1층 이상이 제1 단열층이고,
상기 제1 단열층은, 5000 J/s^0.5·㎡·K 이하의 열침투율을 가지며, Al과, Ti, Si, Zr, Hf, 및 Cr로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 원소와의 질화물 또는 산화물로 이루어진 화합물 혹은 이 화합물의 고용체를 포함하고,
상기 제1 단열층에 포함되는 금속 원소에 대한 상기 Al의 원자비는 60% 이상인 것인 마찰 교반 접합용 툴(1).
제1항에 있어서, 상기 피복층(3) 중 두께가 최대가 되는 층이, 5000 J/s^0.5·㎡·K 이하의 열침투율을 갖는 것인 마찰 교반 접합용 툴(1).
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제1항에 있어서, 상기 피복층(3)은, 육방정형 결정 구조와 비정질 중 어느 하나 또는 양자 모두를 포함하는 것인 마찰 교반 접합용 툴(1).
제1항에 있어서, 상기 마찰 교반 접합용 툴(1)은, 홀더에 척킹되는 척부를 가지며,
상기 피복층(3)은, 상기 기재(2) 상에 있어서, 상기 척부(7)를 제외한 부위의 전체면 또는 부분에 형성되는 것인 마찰 교반 접합용 툴(1).
제1항에 있어서, 상기 피복층(3)은, 상기 기재(2) 상에 있어서, 접합 가공시에 피접합재와 접하는 부분에 적어도 형성되는 것인 마찰 교반 접합용 툴(1).
제1항에 있어서, 상기 피복층(3)은, 이 피복층(3)의 표면으로부터 기재(2)에 달하는 균열이 없는 것인 마찰 교반 접합용 툴(1).
제1항에 있어서, 상기 피복층(3) 중 1층 이상은, 물리 증착법에 의해 피복되는 것인 마찰 교반 접합용 툴(1).
제1항에 기재된 마찰 교반 접합용 툴(1)을 이용한 피접합재를 접합하는 방법으로서,
상기 접합은, 융점이 1000℃ 이상인 피접합재에 대하여 행해지는 것인 피접합재를 접합하는 방법.
기재(2)와, 이 기재(2) 상에 형성된 피복층(3)을 포함하는 마찰 교반 접합용 툴(1)로서,
상기 피복층(3)은, 1 이상의 층을 포함하고, 그 중 1층 이상이 제2 단열층이고,
상기 제2 단열층은, 5000 J/s^0.5·㎡·K 이하의 열침투율을 가지며, Si와, Al, Ti, Zr, Hf, 및 Cr로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 원소와의 질화물 또는 산화물로 이루어진 화합물 혹은 이 화합물의 고용체를 포함하고,
상기 제2 단열층에 포함되는 금속 원소에 대한 상기 Si의 원자비는, 50% 이상인 것인 마찰 교반 접합용 툴(1).
제11항에 있어서, 상기 피복층(3) 중 두께가 최대가 되는 층이, 5000 J/s^0.5·㎡·K 이하의 열침투율을 갖는 것인 마찰 교반 접합용 툴(1).
제11항에 있어서, 상기 피복층(3)은, 육방정형 결정 구조와 비정질 중 어느 하나 또는 양자 모두를 포함하는 것인 마찰 교반 접합용 툴(1).
제11항에 있어서, 상기 마찰 교반 접합용 툴(1)은, 홀더에 척킹되는 척부를 가지며,
상기 피복층(3)은, 상기 기재(2) 상에 있어서, 상기 척부(7)를 제외한 부위의 전체면 또는 부분에 형성되는 것인 마찰 교반 접합용 툴(1).
제11항에 있어서, 상기 피복층(3)은, 상기 기재(2) 상에 있어서, 접합 가공시에 피접합재와 접하는 부분에 적어도 형성되는 것인 마찰 교반 접합용 툴(1).
제11항에 있어서, 상기 피복층(3)은, 이 피복층(3)의 표면으로부터 기재(2)에 달하는 균열이 없는 것인 마찰 교반 접합용 툴(1).
제11항에 있어서, 상기 피복층(3) 중 1층 이상은, 물리 증착법에 의해 피복되는 것인 마찰 교반 접합용 툴(1).
제11항에 기재된 마찰 교반 접합용 툴(1)을 이용한 피접합재를 접합하는 방법으로서,
상기 접합은, 융점이 1000℃ 이상인 피접합재에 대하여 행해지는 것인 피접합재를 접합하는 방법.