KR102077408B1 - 마찰 접합 방법 - Google Patents
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Abstract
철계재의 조성에 의하지 않고, 접합부의 경도 상승 및 열 영향부에 있어서의 경도(강도) 저하를 억제할 수 있는 간편하고 효과적인 마찰 접합 방법 및 그것에 의해 얻어지는 접합 구조물을 제공한다. 본 발명은, 2개의 금속제 피접합재(2, 4)의 피접합면끼리를 접촉시킨 상태로 슬라이딩시키는 마찰 접합 방법으로서, 금속제 피접합재(2, 4)의 적어도 한쪽을 철계재로 하고, 접합 중의 최고 도달 온도를 철계재의 A3점 이하 또는 Acm점 이하로 하는 것을 특징으로 하는 마찰 접합 방법에 관한 것으로, 접합 중의 최고 도달 온도는 철계재의 A1점 이하로 하는 것이 바람직하다.
Description
본 발명은 금속재의 마찰 접합 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 여러 가지의 철계재(鐵系材)에 적용 가능한, 이음매 특성을 비약적으로 향상시킬 수 있는 마찰 접합 방법, 및 그것에 의해 얻어지는 접합 구조물에 관한 것이다.
최근, 마찰 발열 현상을 이용한 고상(固相) 접합(마찰 접합) 방법이, 종래의 용융 용접보다 접합부의 강도 저하를 작게 할 수 있는 접합 방법으로서 주목받고 있다. 상기 고상 접합 방법으로서는, 고속으로 회전하는 원기둥 형상의 툴을 피접합재에 압입(壓入)하여 접합하는 「마찰 교반 접합(FSW)」, 회전하는 원기둥 형상의 피접합재가 고정된 피접합재에 접촉시켜서 접합하는 「마찰 압접」, 및 피접합재를 접촉시킨 상태로 왕복 운동시켜서 접합하는 「선형 마찰 접합」 등을 들 수 있다.
마찰 접합의 대상이 되는 피접합재의 종류 및 조합은 다방면에 걸치고, 범용 구조재인 강철에 관해서도, 활발히 연구 개발이 진행되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1(일본 공개특허공보 2001-287051호)에서는, 경도가 마찰 압접의 회전 반경 방향에 걸쳐서 거의 균일하게 되는 고장력 강철재의 마찰 압접 이음매를 제공하는 방법이 제안되고 있다.
상기 특허문헌 1에 기재의 고장력 강철재의 마찰 압접 이음매는, 결정입경이 2μm 이하의 미세 조직을 가지고, 인장 강도가 60kgf/mm2 이상인 것과 함께, 탄소량이 0.1wt% 이하의 고장력 강철재의 마찰 압접 이음매이며, 고장력 강철재의 탄소량이 0.1wt%로 낮게 억제되어 있다. 이 0.1wt% 이하의 저탄소량에 의해, 마찰 압접할 때에, 고장력 강철재의 외주부는 조직 변화가 억제되고, 경화가 억제된다고 한다.
또한, 특허문헌 2(일본 공개특허공보 2002-294404호)에서는, 마찰 압접 접합부의 경도(硬度) 상승이 적은, 마찰 압접에 적절한 고탄소 강재 및 그 제조 방법이 제공되고 있다.
마찰 압접되는 부재(강재)는, 고압력하에서, 융점 바로 밑의 온도까지 10초 전후로 급속 가열되고, 그 다음에 1200℃ 이상으로부터 급속 냉각된다고 하는, 극히 급격한 가열 냉각 사이클에 노출된다. 이 때문에, 급속 가열시에 부재의 결정립이 조대화되고, 그 후의 급속 냉각에 의해 경질의 마르텐사이트상으로 변태되고, 접합부의 경도가 상승한다.
이것에 비해, 상기 특허문헌 2에 기재의 고탄소 강재에서는, 고용(固溶) 상태의 Nb를 0.005% 이상 함유시키는 것으로 고탄소 강재의 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하고, JIS G0551의 규정에 준거한 산화법에 의해 800℃×5분의 열처리 후에 측정되는 오스테나이트 입도 번호를 9 이상으로 할 수 있고, 마찰 압접 접합부의 경도의 상승을 억제할 수 있다고 한다.
그렇지만, 상기 특허문헌 1에 개시되고 있는 마찰 압접 이음매는 탄소량이 0.1wt% 이하의 고장력 강철재인 것이 필수이며, 대상이 되는 피접합재가 극히 좁은 범위로 한정되어 버린다.
또한, 상기 특허문헌 2에 개시되고 있는 마찰 압접 이음매에 있어서도, 피접합재로서 이용할 수 있는 강재의 조성이 한정된다. 이에 더하여, 열 영향부에 있어서의 경도(강도) 저하를 효과적으로 억제할 수 없다. 특히, 피접합재끼리를 슬라이딩시키는 마찰 접합에 있어서는, 이음매 특성의 제어가 곤란하다.
이상과 같은 종래 기술에 있어서의 문제점에 비추어서, 본 발명의 목적은, 철계재의 조성에 의하지 않고, 접합부의 경도 상승 및 열 영향부에 있어서의 경도(강도) 저하를 억제할 수 있는 간편하고 효과적인 마찰 접합 방법 및 그것에 의해 얻어지는 접합 구조물을 제공하는 것에 있다.
본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위하여, 마찰 접합 조건에 대해서 예의 연구를 거듭한 결과, 피접합재끼리의 슬라이딩 속도를 저속으로 제어하여 마찰 발열을 억제함과 함께, 피접합재의 가공 발열을 이용하는 것이 극히 유효한 것을 발견하고, 본 발명에 도달했다.
즉, 본 발명은,
2개의 금속제 피접합재의 피접합면끼리를 접촉시킨 상태로 슬라이딩시키는 마찰 접합 방법으로서,
상기 금속제 피접합재의 적어도 한쪽을 철계재로 하고,
접합 중의 최고 도달 온도를 상기 철계재의 A3점 이하 또는 Acm점 이하로 하는 것을 특징으로 하는 마찰 접합 방법을 제공한다. 또한, 철계재는 철을 주성분으로 하는 금속재를 널리 포함하는 것이며, 강재 및 주철재를 포함하는 것이다. 여기서, 상기 철계재가 아공석강(亞共析鋼)의 경우는 A3점을 이용하고, 과공석강(過共析鋼)의 경우는 Acm점을 이용하게 된다.
일반적인 마찰 접합에 있어서는, 접합 중의 최고 도달 온도가 피접합재인 철계재의 A3점 또는 Acm점보다 높아진다. 특히, 종래의 마찰 압접 및 선형 마찰 접합은, 피접합면의 산화 피막 등을 버르와 함께 배출하여 접합을 달성하는 기술이며, 충분한 양의 버르를 배출하기 위해서 접합 온도를 A3점 또는 Acm점보다 높게 할(접합부를 충분히 연화시킬(접합부의 조직을 오스테나이트로 한다)) 필요가 있다.
이것에 비해, 본 발명의 마찰 접합 방법에서는 접합 중의 최고 도달 온도가 피접합재인 철계재의 A3점 이하 또는 Acm점 이하가 되기 때문에, 접합 프로세스 중의 접합부에 있어서의 모재(경질상을 제외한 모재 조직)는 페라이트와 오스테나이트의 2상 조직, 세멘타이트와 오스테나이트의 2상 조직, 또는 페라이트와 세멘타이트의 2상 조직이 된다. 그 결과, 상기 페라이트의 영역은 변태를 수반하지 않는 것으로부터, 마르텐사이트가 형성되는 영역을 확실히 저감할 수 있다.
본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서는, 상기 최고 도달 온도를 상기 철계재의 A1점 이하로 하는 것이 바람직하다. 접합 프로세스 중의 최고 도달 온도가 피접합재인 철계재의 A1점 이하이면 접합부에 있어서 변태가 생기는 일이 없고, 마르텐사이트가 형성되지 않는다. 또한, 종래의 마찰 접합과 비교하여 낮은 온도로 접합이 달성되기 때문에, 열 영향부의 형성을 억제할 수 있다. 그 결과, 철계재의 조성에 의하지 않고, 접합부의 경도 상승 및 열 영향부에 있어서의 경도(강도) 저하를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서는, 상기 금속제 피접합재끼리의 슬라이딩에 기인하는 마찰열과, 상기 금속제 피접합재의 소성 변형에 기인하는 가공 발열을 모두 이용하는 것이 바람직하다. 종래의 마찰 접합은 마찰열을 이용한 접합 방법이지만, 금속제 피접합재의 소성 변형에 기인하는 가공 발열을 적극적으로 활용하는 것으로, 낮은 접합 온도에 있어서도 양호한 이음매를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서는, 상기 피접합면에 대해서 대략 수직으로 인가하는 접합 압력을 100 ~ 300MPa로 하고, 상기 금속제 피접합재의 최고 슬라이딩 속도를 75 ~ 380mm/초로 하는 것이 바람직하고, 최고 슬라이딩 속도는 75 ~ 160mm/초로 하는 것이 보다 바람직하다. 종래의 마찰 접합과 비교하여 접합 압력을 높게, 최고 슬라이딩 속도를 극단적으로 낮게 하는 것으로, 접합 온도를 피접합재인 철계재의 A3점 이하 또는 Acm점 이하(바람직하게는 A1점 이하)로 할 수 있다. 이에 더하여, 금속제 피접합재의 소성 변형에 기인하는 가공 발열을 발생시킬 수 있고, 낮은 접합 온도에 있어서도 양호한 이음매를 얻을 수 있다. 또한, 탄소강의 마찰 압접 작업 표준을 나타낸 JIS Z3607에 있어서는, 접합에 이용하는 주속(周速)의 하한치를 1000mm/초로 하고 있고, 본 발명의 마찰 접합 방법으로 이용하는 슬라이딩 속도와는 완전히 다르다.
또한, 본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서는, 상기 2개의 금속제 피접합재를 모두 원기둥 형상으로 하고, 상기 2개의 금속제 피접합재의 단면끼리를 접촉시킨 상태로 회전시키는 것이 바람직하다. 소위, 마찰 압접의 형태로 마찰 접합을 실시하는 것으로, 접합의 프로세스 조건(접합 압력 및 최고 슬라이딩 속도 등)을 용이하게 제어할 수 있다. 또한, 금속제 피접합재는 속이 찬(中實) 것에 한정되지 않고, 파이프 형상이라도 좋다. 또한, 금속제 피접합재의 형상은 원기둥 형상에 한정되지 않고, 예를 들면 뿔 형상이라도 좋다.
마찰 압접에 이용되는 피접합재는 기본적으로는 원기둥 형상이며, 접합시의 슬라이딩 속도는 상기 피접합재의 지름에 의존한다(엄밀하게는 회전 중심에서는 슬라이딩 속도가 0이 되고, 회전 반경의 증가에 수반하여 커진다). 즉, 마찰 압접에 있어서의 최고 슬라이딩 속도는 피접합재의 최외주에 있어서의 슬라이딩 속도가 된다.
마찰 접합으로서 마찰 압접을 이용하는 경우에 있어서는, 피접합재의 회전 속도를 150 ~ 300rpm으로 하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 접합시의 슬라이딩 속도는 접합재의 지름에 의존하지만, 일반적으로 이용되는 지름(예를 들면, 직경 10mm)에 있어서는, 회전 속도를 150 ~ 300rpm으로 하는 것으로, 접합 온도를 피접합재인 철계재의 A3점 이하 또는 Acm점 이하(바람직하게는 A1점 이하)로 할 수 있다. 또한, 일반적인 마찰 압접에 있어서 이용되는 회전 속도는 수천rpm이며, 본 발명의 마찰 접합에서 이용하는 회전 속도와는 완전히 다른 수치 범위이다.
또한, 마찰 접합으로서 마찰 압접을 이용하는 경우에 있어서는, 업셋 압력을 100 ~ 300MPa로 하고, 마찰 줄음 길이(burn-off length)를 0.5 ~ 3mm로 하는 것이 바람직하다. 업셋 압력을 100 ~ 300MPa로 하고, 마찰 줄음 길이를 0.5 ~ 3mm로 하는 것으로, 금속제 피접합재의 소성 변형에 기인하는 가공 발열을 적극적으로 활용할 수 있음과 함께, 접합 계면으로부터의 산화 피막의 배출이 달성되고, 낮은 접합 온도에 있어서도 양호한 이음매를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서는, 상기 철계재의 탄소 함유량이 0.2 질량% 이상인 것이 바람직하고, 0.3 질량% 이상인 것이 보다 바람직하다. 탄소 함유량이 많은 철계재(중·고탄소강)에서는 접합부의 대폭적인 경도 상승이나 균열의 발생이 문제가 되지만, 본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서는 접합부에 있어서의 마르텐사이트의 형성이 억제되기 때문에, 양호한 이음매를 얻을 수 있다. 이에 더하여, 경도(강도)가 높은 중·고탄소강에서는, 열 영향부에 있어서의 경도(강도) 저하가 심각한 문제가 되지만, 본 발명의 마찰 접합 방법은 접합 온도가 낮기 때문에, 상기 경도(강도) 저하를 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서는, 상기 철계재가 고속도강인 것이 바람직하다. 종래의 마찰 압접에서는 소성 변형 저항이 큰 고속도강의 접합은 곤란하며, 또한 고속도강의 고경도(고강도)를 열 영향부에 있어서 유지하는 것은 어렵다. 이것에 비해, 본 발명의 마찰 접합 방법에서는 마찰 줄음 길이가 작게 설정되는 것으로부터, 소성 변형 저항이 큰 고속도강의 접합에 적절하고, 접합 온도가 낮은 것으로부터, 고속도강의 각종 강화 기구를 유지할 수 있고, 열 영향부의 경도(강도) 저하를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서는, 접합 중에 피접합부 근방에 냉매를 공급하고, 상기 피접합부 근방을 강제 냉각하는 것이 바람직하다. 접합 온도는 접합 압력 및 최고 슬라이딩 속도 등의 각종 프로세스 조건에 의해서 제어할 수 있지만, 피접합재의 형상에 따라서는 접합 온도에 분포가 형성되는 경우가 있다. 예를 들면, 마찰 압접에 있어서는 최외주부의 슬라이딩 속도가 높아지는 것으로부터, 내부와 비교하여 상기 영역의 온도가 높아지는 경우가 많다. 여기서, 접합 중에 피접합부 근방에 냉매를 공급하는 것으로, 최외주부의 접합 온도를 저하시킬 수 있고, 상기 영역에 있어서의 접합 온도가 피접합재인 철계재의 A3점 또는 Acm점(바람직하게는 A1점)을 초과하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 접합 온도가 피접합재인 철계재의 A3점 이하 또는 Acm점 이하(바람직하게는 A1점 이하)인 경우, 냉매를 이용한 외부 냉각을 실시하는 것으로 페라이트 및 세멘타이트를 미세화시킬 수 있고, 이음매의 기계적 특성(파괴 인성(靭性) 등)을 향상시킬 수 있다. 또한, 외부 냉각에 의해서 접합 프로세스 중의 피접합재의 강도를 유지할 수 있고, 접합 계면 근방까지 강가공(强加工) 스트레인을 도입할 수 있다.
또한, 본 발명은, 본 발명의 마찰 접합 방법에 따라서 형성된 접합부를 가지는 접합 구조물도 제공한다. 본 발명의 접합 구조물은, 강철의 조성에 의하지 않고, 접합부의 경도 상승 및 열 영향부에 있어서의 경도(강도) 저하가 억제되고 있는 것으로부터, 극히 신뢰성이 높은 접합 구조물이 되고 있다.
또한, 본 발명은,
2개의 금속재의 맞댄 접합부를 가지는 접합 구조물로서,
상기 금속재의 적어도 한쪽이 철강재이며,
상기 맞댄 접합부의 접합 계면이 주로 재결정립으로부터 이루어지고,
상기 재결정립을 가지는 영역이, 상기 접합 계면을 중심으로 대략 일정 간격으로 분포하고,
상기 접합 계면 근방의 경도가 모재 경도의 90 ~ 130%인 것을 특징으로 하는 접합 구조물도 제공한다.
접합 계면에 재결정립을 형성시키는 접합 방법에는 마찰 교반 접합이 존재하지만, 회전 툴의 압입에 의해서 피접합 영역을 교반하는 마찰 교반 접합에 있어서는, 재결정립을 가지는 영역의 분포가 접합 계면을 중심으로 일정 간격이 되지 않는다. 구체적으로는, 툴의 숄더부의 영향을 강하게 받는 피접합재의 표면 근방과 판두께 중심과는 상기 영역의 분포가 다르다. 이것에 비해, 본 발명의 접합 구조부에 있어서는, 판두께 방향에 의하지 않고, 상기 영역의 분포가 접합 계면을 중심으로 대략 일정 간격이 된다. 또한, 본 발명의 접합 구조물은, 본 발명의 마찰 접합 방법에 따라서 적합하게 제조할 수 있다.
본 발명의 접합 구조물에 있어서는, 접합 계면 근방의 조직이 미세 등축의 재결정립이 되는 것으로, 강도, 인성, 신뢰성 등의 기계적 특성이 우수한 접합부로 할 수 있다. 여기서, 재결정립은 금속제 피접합재의 소성 변형과 가열(승온)에 수반하여 형성되는 것이며, 본 발명의 마찰 접합 방법의 큰 특징의 하나이다. 또한, 본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서는, 접합 계면 근방에 강가공 스트레인이 도입되는 것으로 재결정 온도가 저하된다고 하는 효과도 존재하고, 저온에서의 접합이 실현된다. 이것에 비해, 종래의 마찰 접합 방법에서는 접합 온도가 높아지기 때문에, 철계재의 접합 계면 근방에는 주로 변태 조직이 형성된다.
또한, 본 발명의 접합 구조물에 있어서는, 접합 계면 근방의 경도가 모재 경도의 90 ~ 130%로 되어 있다. 접합 계면 근방의 경도를 모재 경도의 90 ~ 130%로 하는 것으로, 접합부의 취화를 억제할 수 있다. 또한, 접합 계면 근방의 보다 바람직한 경도는 모재 경도의 100 ~ 120%이다.
또한, 본 발명의 접합 구조물에 있어서는, 철강재의 탄소 함유량이 0.2 질량% 이상인 것이 바람직하고, 철강재가 고속도강인 것이 보다 바람직하다. 철강재의 탄소 함유량이 0.2 질량% 이상이 되고 있는 것으로, 접합 구조물에 충분한 강도를 부여할 수 있고, 철강재가 고속도강인 것으로써, 접합 구조물에 의해 높은 강도 및 경도 등을 부여할 수 있다.
본 발명에 의하면, 철계재의 조성에 의하지 않고, 접합부의 경도 상승 및 열 영향부에 있어서의 경도(강도) 저하를 억제할 수 있는 간편하고 효과적인 마찰 접합 방법 및 그것에 의해 얻어지는 접합 구조물을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 마찰 접합 상태를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 접합 구조물에 있어서의 접합부의 조직을 나타내는 모식도이다.
도 3은 접합 중의 최고 도달 온도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시 접합 이음매 1의 외관 사진이다.
도 5는 실시 접합 이음매 1의 접합 계면에 있어서의 외주부 및 중심부의 조직 사진이다.
도 6은 실시 접합 이음매 7 및 비교 접합 이음매 3의 접합 계면 근방의 비커스 경도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시 접합 이음매 7의 접합 중심부에 있어서의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 8은 비교 접합 이음매 3의 접합 중심부에 있어서의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 9는 실시 접합 이음매 7 및 실시 접합 이음매 8의 개관 사진이다.
도 10은 비교예 4 ~ 비교예 11에 있어서의 접합 온도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 접합 구조물에 있어서의 접합부의 조직을 나타내는 모식도이다.
도 3은 접합 중의 최고 도달 온도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시 접합 이음매 1의 외관 사진이다.
도 5는 실시 접합 이음매 1의 접합 계면에 있어서의 외주부 및 중심부의 조직 사진이다.
도 6은 실시 접합 이음매 7 및 비교 접합 이음매 3의 접합 계면 근방의 비커스 경도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시 접합 이음매 7의 접합 중심부에 있어서의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 8은 비교 접합 이음매 3의 접합 중심부에 있어서의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 9는 실시 접합 이음매 7 및 실시 접합 이음매 8의 개관 사진이다.
도 10은 비교예 4 ~ 비교예 11에 있어서의 접합 온도를 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 마찰 접합 방법 및 그것에 의해 얻어지는 접합 구조물의 대표적인 실시형태에 대해서 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 또한, 이하의 설명에서는, 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략하는 경우가 있다. 또한, 도면은, 본 발명을 개념적으로 설명하기 위한 것이기 때문에, 나타난 각 구성요소의 치수나 그것들의 비는 실제의 것과는 다른 경우도 있다.
(A) 마찰 접합 방법
이하, 마찰 압접을 예로 하여, 본 발명의 마찰 접합 방법을 상세하게 설명한다. 도 1은, 본 발명의 마찰 접합 상태를 나타내는 모식도이다. 또한, 마찰 압접에 이용하는 장치는 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서 특별히 한정되지 않고, 종래 공지의 여러 가지의 마찰 압접 장치를 이용할 수 있다.
본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서는, 피접합재(2) 및 피접합재(4)의 적어도 어느 한쪽이 철계재로 되어 있다. 피접합재(2) 및 피접합재(4)의 형상은, 종래 공지의 여러 가지의 마찰 압접에 적용 가능한 형상으로 할 수 있고, 횡단면이 환상(環狀) 또는 원상(圓狀)의 부재, 즉 횡단면이 환상의 중공(中空) 부재나 횡단면이 원상 중실(中實) 부재, 예를 들면 관 부재, 원기둥 부재, 또는 콘 형상 부재 등으로 할 수 있다. 또한, 피접합재(2) 및 피접합재(4)의 형상은 뿔 형상으로 할 수도 있다.
피접합재(2)와 피접합재(4)의 단면을 맞댄 후, 피접합재(2)를 정지시킨 채로, 피접합재(4)를 피접합재(2)를 향하여 접합 압력(P1)으로 누르면서 소정의 회전수(R)로 회전시켜서, 슬라이딩시킨다. 상기 회전 슬라이딩에 의한 마찰열에 의해, 피접합 계면 근방의 온도가 상승되고, 연화 영역(6)이 형성된다. 물론, 피접합재(4)를 정지시키고, 피접합재(2)를 회전시켜도 좋고, 피접합재(2) 및 피접합재(4)를 모두 회전시켜도 좋다.
다음에, 연화 영역(6)이 소망의 접합 온도(T)가 되고, 마찰 줄음 길이(L)가 설정치에 도달하면, 피접합재(4)의 회전을 급정지함과 함께, 피접합재(4)를 피접합재(2)측을 향하여 업셋(upset) 압력(P2(≥P1))으로 누르는 것으로 접합이 달성된다.
여기서, 종래의 마찰 압접에서는 접합 중의 최고 도달 온도(Tmax)가 피접합재(2) 및/또는 피접합재(4)의 철계재의 A3점 또는 Acm점보다 높아지지만, 본 발명의 마찰 접합 방법에서는 접합 중의 최고 도달 온도(Tmax)가 상기 철계재의 A3점 이하 또는 Acm점 이하가 되기 때문에, 접합 프로세스 중의 접합부에 있어서의 모재(경질상을 제외한 모재 조직)는 페라이트와 오스테나이트의 2상 조직, 세멘타이트와 오스테나이트의 2상 조직, 또는 페라이트와 세멘타이트의 2상 조직이 된다. 그 결과, 상기 페라이트의 영역은 변태를 수반하지 않는 것으로부터, 마르텐사이트가 형성되는 영역을 저감할 수 있다. 또한, 철계재의 A3점(℃)은, 예를 들면, 「A3 = 937.2 - 436.5C + 56Si - 19.7Mn - 16.3Cu - 26.6Ni - 4.9Cr + 38.1Mo + 124.8V + 136.3Ti - 19.1Nb + 198.4Al + 3315B」로 알 수 있다(C, Si 등에는 각 원소의 질량%를 대입한다).
또한, 본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서의 접합 중의 최고 도달 온도(Tmax)는, 종래의 마찰 압접과 비교하여 대폭 낮기 때문에, 접합부 근방에 형성되는 열 영향부(HAZ)의 경도(강도) 저하를 억제할 수 있다. 그 결과, 열 영향부(HAZ)의 경도(강도) 저하가 심각한 문제가 되는 780MPa 이상의 고장력강, 공구강 및 고속도강 등에 적합하게 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서는, 접합 중의 최고 도달 온도(Tmax)를 피접합재(2) 및/또는 피접합재(4)의 A1점 이하로 하는 것이 바람직하다. 접합 프로세스 중의 최고 도달 온도(Tmax)가 상기 철계재의 A1점 이하이면 접합부에 있어서 변태가 생기는 일이 없고, 마르텐사이트가 형성되지 않는다. 또한, 종래의 마찰 접합과 비교하여 보다 낮은 온도로 접합이 달성되기 때문에, 열 영향부(HAZ)의 형성을 보다 효과적으로 억제할 수 있다. 그 결과, 피접합재(2) 및/또는 피접합재(4)로서 이용하는 철계재의 조성에 의하지 않고, 접합부의 경도 상승 및 열 영향부(HAZ)에 있어서의 경도(강도) 저하를 억제할 수 있다. 또한, 철계재의 A1점(℃)은, 예를 들면, 「A1 = 750.8 - 26.6C + 17.6Si - 11.6Mn - 22.9Cu - 23Ni + 24.1Cr + 22.5Mo - 39.7V - 5.7Ti + 232.4Nb - 169.4Al - 894.7B」로 알 수 있다(C, Si 등에는 각 원소의 질량%를 대입한다).
또한, 본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서는, 피접합재(2) 및 피접합재(4)의 슬라이딩에 기인하는 마찰열과, 피접합재(2) 및/또는 피접합재(4)의 소성 변형에 기인하는 가공 발열을 모두 이용하는 것이 바람직하다. 종래의 마찰 접합은 마찰열을 이용한 접합 방법이지만, 피접합재(2) 및/또는 피접합재(4)의 소성 변형에 기인하는 가공 발열을 적극적으로 활용하는 것으로, 낮은 접합 온도에 있어서도 양호한 이음매를 얻을 수 있다.
피접합재(2) 및 또는 피접합재(4)의 소성 변형에 기인하는 가공 발열을 이용하여 접합을 달성하기 위해서는, 피접합면에 대해서 대략 수직으로 인가하는 접합 압력(P1)을 100 ~ 300MPa로 하고, 피접합재(2)와 피접합재(4)의 최고 슬라이딩 속도(Vmax)를 75 ~ 380mm/초로 하는 것이 바람직하고, 최고 슬라이딩 속도(Vmax)는 75 ~ 160mm/초로 하는 것이 보다 바람직하다. 피접합재의 형상 등에도 다소 영향을 받지만, 종래의 마찰 접합과 비교하여 접합 압력(P1)을 높게, 최고 슬라이딩 속도(Vmax)를 극단적으로 낮게 하는 것으로, 접합 온도를 피접합재인 철계재의 A3점 이하 또는 Acm점 이하(바람직하게는 A1점 이하)로 할 수 있다. 이에 더하여, 금속제 피접합재의 소성 변형에 기인하는 가공 발열을 발생시킬 수 있고, 낮은 접합 온도(T)에 있어서도 양호한 이음매를 얻을 수 있다.
구체적으로는, 접합 압력(P1)을 100MPa 이상으로 하는 것으로, 미접합부가 없는 접합 계면을 형성하기 위해서 충분한 압력을 인가할 수 있고, 300MPa 이하로 하는 것으로, 범용의 접합 장치를 이용하여 접합을 행할 수 있는 것에 더하여 피접합재의 극단적인 변형을 방지할 수 있다.
또한, 피접합재(2)와 피접합재(4)의 최고 슬라이딩 속도(Vmax)를 75mm/초 이상으로 하는 것으로, 충분한 접합 강도를 가지는 접합 계면을 형성할 수 있고, 380mm/초 이하(보다 바람직하게는 160mm/초 이하)로 하는 것으로, 접합 중의 최고 도달 온도(Tmax)를 피접합재(2) 및/또는 피접합재(4)에 이용하는 철계재의 A3점 이하 또는 Acm점 이하(바람직하게는 A1점 이하)로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서는, 피접합재(2) 및 피접합재(4)를 모두 원기둥 형상으로 하고, 피접합재(2) 및 피접합재(4)의 단면끼리를 접촉시킨 상태로 회전시키는 것이 바람직하다. 소위, 마찰 압접의 형태로 마찰 접합을 실시하는 것으로, 접합의 프로세스 조건(접합 압력(P1) 및 최고 슬라이딩 속도(Vmax) 등)을 용이하게 제어할 수 있다. 또한, 피접합재(2) 및 피접합재(4)는 속이 찬(中實) 것에 한정되지 않고, 파이프 형상이라도 좋다.
마찰 압접에 이용되는 피접합재(2) 또는 피접합재(4)는 기본적으로 원기둥 형상이며, 접합시의 슬라이딩 속도(V)는 피접합재(2) 또는 피접합재(4)의 지름에 의존한다(엄밀하게는 회전 중심에서는 슬라이딩 속도(V)가 0이 되고, 회전 반경의 증가에 수반하여 커진다). 즉, 마찰 압접에 있어서의 최고 슬라이딩 속도(Vmax)는 피접합재의 최외주에 있어서의 슬라이딩 속도가 된다. 또한, 선형 마찰 접합의 경우, 최고 슬라이딩 속도(Vmax)는 피접합재끼리의 왕복 운동의 최고 속도가 된다.
마찰 접합으로서 마찰 압접을 이용하는 경우에 있어서는, 피접합재(4)의 회전 속도(R)를 150 ~ 300rpm 으로 하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 접합시의 슬라이딩 속도(V)는 접합재의 지름에 의존하지만, 일반적으로 이용되는 지름(예를 들면, 직경 10mm)에 있어서는, 회전 속도(R)를 150 ~ 300rpm으로 하는 것으로, 접합 온도(T)를 피접합재인 철계재의 A3점 이하 또는 Acm점 이하(바람직하게는 A1점 이하)로 할 수 있다.
또한, 마찰 접합으로서 마찰 압접을 이용하는 경우에 있어서는, 업셋 압력(P2)을 100 ~ 300MPa로 하고, 마찰 줄음 길이를 0.5 ~ 3mm로 하는 것이 바람직하다. 업셋 압력(P2)을 100 ~ 300MPa로 하고, 마찰 줄음 길이를 0.5 ~ 3mm로 하는 것으로, 피접합재(2) 및/또는 피접합재(4)의 소성 변형에 기인하는 가공 발열을 적극적으로 활용할 수 있음과 함께, 접합 계면으로부터의 산화 피막의 배출도 달성되고, 낮은 접합 온도(T)에 있어서도 양호한 이음매를 얻을 수 있다.
구체적으로는, 업셋 압력(P2)을 100MPa 이상으로 하는 것으로, 피접합재(2) 및/또는 피접합재(4)의 소성 변형에 수반하는 가공 발열을 충분히 발생시킬 수 있고, 300MPa 이하로 하는 것으로, 일반적인 마찰 접합 장치를 이용하여 접합을 행할 수 있다.
또한, 마찰 줄음 길이를 0.5mm 이상으로 하는 것으로, 피접합재(2) 및/또는 피접합재(4)의 소성 변형에 수반하는 가공 발열을 충분히 발생시킬 수 있고, 3mm 이하로 하는 것으로, 접합시의 최고 도달 온도(Tmax)가 피접합재(2) 및/또는 피접합재(4)의 A1점 이하라도 상기 마찰 줄음 길이를 달성할 수 있다.
종래의 마찰 압접에 있어서는, 피접합 계면 근방의 온도가 피접합재(2) 및/또는 피접합재(4)에 이용하는 철계재의 A3점 또는 Acm점보다 높아지고, 충분히 연화 된다. 그 결과, 업셋 압력(P2)을 인가하면 상기 연화된 철계재가 버르(burr)(8)로서 배출될 뿐이며, 가공 발열은 거의 발생하지 않는다. 이것에 비해, 상기 접합 조건을 이용하는 것으로, 피접합 계면 근방의 온도가 피접합재(2) 및/또는 피접합재(4)에 이용하는 철계재의 A3점 이하 또는 Acm점 이하(바람직하게는 A1점 이하)가 되고, 상기 상태로 업셋 압력(P2)이 인가되는 것으로, 피접합재(2) 및/또는 피접합재(4)에 이용하는 철계재가 소성 변형된다. 또한, 재결정 온도의 저하가 예상되고, A1점 이하에서의 접합이 가능해진다.
본 발명의 마찰 접합 방법에서 이용하는 접합 온도(T)는, 종래의 마찰 압접에서 이용되는 접합 온도와 비교하여 극히 낮고, 상식적으로는 접합을 할 수 없다고 판단되는 조건이다. 즉, 본 발명의 마찰 접합은, 마찰 발열에 더하여 가공 발열을 이용하는 것으로 접합을 달성하는, 신규한 접합 방법을 제안하는 것이다.
또한, 본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서는, 피접합재(2) 및/또는 피접합재(4)에 이용하는 철계재의 탄소 함유량이 0.2 질량% 이상인 것이 바람직하고, 0.3 질량% 이상인 것이 보다 바람직하다. 탄소 함유량이 많은 철계재(중·고탄소강)에서는 접합부의 대폭적인 경도 상승이나 균열의 발생이 문제가 되지만, 본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서는 접합부에 있어서의 마르텐사이트의 형성이 억제되기 때문에, 양호한 이음매를 얻을 수 있다. 이에 더하여, 경도(강도)가 높은 중·고탄소강에서는, 열 영향부(HAZ)에 있어서의 경도(강도) 저하가 심각한 문제가 되지만, 본 발명의 마찰 접합 방법은 접합 온도(T)가 낮기 때문에, 상기 경도(강도) 저하를 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서는, 피접합재(2) 및/또는 피접합재(4)에 이용하는 철계재가 고속도강인 것이 바람직하다. 종래의 마찰 압접에서는 소성 변형 저항이 큰 고속도강의 접합은 곤란하며, 또한, 고속도강의 고경도(고강도)를 열 영향부(HAZ)에 있어서 유지하는 것은 곤란하다. 이것에 비해, 본 발명의 마찰 접합 방법에서는 마찰 줄음 길이가 작게 설정되는 것으로부터, 소성 변형 저항이 큰 고속도강의 접합에 적절하고, 접합 온도가 낮은 것으로부터, 열 영향부(HAZ)의 경도(강도) 저하를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서는, 접합 중에 피접합부 근방에 냉매를 공급하고, 상기 피접합부 근방을 강제 냉각하는 것이 바람직하다. 여기서, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 한에 있어서 냉매는 특별히 한정되지 않고, 물, 액체 질소 및 액체 CO2 등을 이용할 수 있다. 여기서, 비열 및 열전도율의 관계로부터, 액체 CO2를 이용하는 것으로 가장 효과적으로 강제 냉각을 달성할 수 있다.
냉매를 이용한 강제 냉각은, 접합 온도가 A3점 또는 Acm점을 초과하는 경우는 냉각 속도가 커지고 마르텐사이트의 형성을 촉진하는 것으로부터 역효과이지만, 접합 온도가 A3점 이하 또는 Acm점 이하(바람직하게는 A1점 이하)가 되는 경우는 페라이트나 세멘타이트의 미세화에 기여하기 때문에, 이음매의 기계적 특성의 향상에 극히 효과적이다.
접합 온도(T)는 접합 압력(P1) 및 최고 슬라이딩 속도(Vmax) 등의 각종 프로세스 조건에 의해서 제어할 수 있지만, 피접합재(2) 및 피접합재(4)의 형상에 따라서는 접합 온도(T)에 분포가 형성되는 경우가 있다. 예를 들면, 마찰 압접에 있어서는 최외주부의 슬라이딩 속도(V)가 높아지는 것으로부터, 내부와 비교하여 상기 영역의 온도가 높아지는 경우가 많다. 여기서, 접합 중에 피접합부 근방에 냉매를 공급하는 것으로, 최외주부의 접합 온도(T)를 저하시킬 수 있고, 상기 영역에 있어서의 접합 온도(T)가 피접합재(2) 및/또는 피접합재(4)에 이용되는 철계재의 A3점 또는 Acm점(바람직하게는 A1점)을 초과하는 것을 방지할 수 있다.
(B) 접합 구조물
도 2는, 본 발명의 접합 구조물에 있어서의 접합부의 조직을 나타내는 모식도이다. 접합부(10)는 피접합재(2)와 피접합재(4)가 접합된 것이며, 피접합재(2) 및/또는 피접합재(4)가 철계재로 되어 있다. 또한, 본 발명의 접합 구조물은 본 발명의 마찰 접합 방법에 따라서 접합된 것이며, 도 2에서는 마찰 압접에 의해서 접합된 접합부를 나타내고 있다.
접합부(10)에는 현저한 열 영향부(HAZ)가 형성되지 않고, 높은 이음매 효율을 가지는 극히 신뢰성이 높은 접합 구조물로 되어 있다. 또한, 접합 계면(12)은 주로 재결정립으로부터 형성되고 있는 것이 바람직하다. 접합 계면(12) 근방의 조직이 미세 등축(微細等軸)의 재결정립이 되는 것으로, 접합부(10)는 강도, 인성, 신뢰성 등이 높은 기계적 특성을 가지고 있다.
여기서, 재결정립은 피접합재(2) 및/또는 피접합재(4)의 소성 변형에 수반하는 재결정 온도의 저하에 의해서 형성되는 것이며, 본 발명의 마찰 접합 방법의 큰 특징의 하나이다. 이것에 비해, 종래의 마찰 접합 방법에서는 접합 온도(T)가 높아지기 때문에, 철계재의 접합 계면(12) 근방에는 마르텐사이트를 포함하는 변태 조직이 형성된다.
또한, 본 발명의 접합 구조물에 있어서는, 접합 계면(12) 근방의 경도가 피접합재(2) 또는 피접합재(4)의 모재 경도의 90 ~ 130%인 것이 바람직하다. 접합 계면(12) 근방의 경도를 상기 모재 경도의 90% 이상으로 하는 것으로, 접합부(10)에 의한 이음매 효율의 저하를 억제할 수 있고, 130% 이하로 하는 것으로, 접합부(10)의 취화를 억제할 수 있다. 또한, 접합 계면(12) 근방의 보다 바람직한 경도는, 모재 경도의 100 ~ 120%이다.
이상, 본 발명의 마찰 접합 방법 및 그것에 의해 얻어지는 접합 구조물의 대표적인 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이들만으로 한정되는 것이 아니고, 여러 가지의 설계 변경이 가능하고, 그것들 설계 변경은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
[실시예]
직경 φ10mm, 길이 100mm의 JIS-S45C(0.44%C - 0.73%Mn - 0.20%Si - 0.04%Cr) 환봉(丸棒)을 피접합재로 하고, 환봉끼리의 마찰 압접을 행했다. 마찰 압접 조건에는, 회전수 200rpm, 마찰 압력 180MPa, 마찰 줄음 길이 1mm, 업셋 압력 180MPa를 이용하고, 마찰 공정 제어 방법은 마찰 길이 제어로 했다. 또한, 접합 프로세스의 최초에 S45C 환봉끼리를 60MPa로 접촉시키고, 한쪽의 피접합재를 200rpm으로 회전시킨 상태로 2초간 유지하고, 예열을 행했다.
얻어진 실시 접합 이음매 1의 접합부를 단면 관찰하고, 완전하게 접합이 달성되어 있는 경우는 ○, 미접합부를 가지는 경우는 ×로 판정하고, 결과를 표 1에 나타냈다. 또한, 접합 중의 최고 도달 온도를 방사식(放射式) 온도계로 측정하고, 얻어진 값을 도 3에 나타냈다. 또한, 도 3에는 S45C의 A1점을 실선으로 나타내고 있다.
실시 접합 이음매 1의 외관 사진을 도 4에 나타낸다. 상기 외관 사진으로부터, 중탄소강인 S45C재의 양호한 이음매가 얻어지고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 버르의 배출량은 종래의 마찰 압접 이음매와 비교하여 적어지고 있다.
접합 계면에 있어서의 외주부 및 중심부의 조직 사진을 도 5에 나타낸다. 외주부 및 중심부 모두 마르텐사이트는 형성되지 않고, 미세 등축 입자로 이루어지는 조직으로 되어 있다. 상기 결과는, 마찰 압접 중의 최고 접합 온도가 S45C의 A1점 이하로 되어 있는 것을 나타내고 있다. 또한, 접합 온도는 중심부와 비교하여 외주부 쪽이 높아지기 때문에, 상기 접합 온도의 차이에 의해서 중심부보다 외주부의 결정입경의 쪽이 커지고 있다.
또한, 접합 계면에 있어서의 중심부의 EBSD 해석을 행했는데, 일부의 결정립에 소각 입계(小角粒界)가 도입되고 있고, 방위가 변화하고 있는 모습이 관찰되었다. 이것은 가공 스트레인의 도입에 의한 것이며, 본 발명의 마찰 접합 방법에 있어서는, 피접합재에 대한 가공의 영향이 큰 것이 명백해졌다. 또한, EBSD 해석에는 FE-SEM(니혼덴시가부시키가이샤(日本電子株式會社)제 JSM-7001FA) 및 TSL사제의 OIM data Collection ver5.31을 이용했다.
마찰 압접에 이용하는 회전수를 150rpm으로 한 것 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 실시 접합 이음매 2를 얻었다. 또한, 실시예 1과 마찬가지로 하여 접합의 상황 및 접합 중의 최고 도달 온도를 평가하고, 결과를 표 1 및 도 3에 각각 나타냈다.
마찰 압접에 이용하는 회전수를 250rpm으로 한 것 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 실시 접합 이음매 3을 얻었다. 또한, 실시예 1과 마찬가지로 하여 접합의 상황 및 접합 중의 최고 도달 온도를 평가하고, 결과를 표 1 및 도 3에 각각 나타냈다.
마찰 압접에 이용하는 회전수를 300rpm으로 한 것 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 실시 접합 이음매 4를 얻었다. 또한, 실시예 1과 마찬가지로 하여 접합의 상황 및 접합 중의 최고 도달 온도를 평가하고, 결과를 표 1 및 도 3에 각각 나타냈다.
마찰 압접에 이용하는 마찰 줄음 길이를 2mm로 하고, 마찰 압력을 240MPa로 한 것 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 실시 접합 이음매 5를 얻었다. 또한, 실시예 1과 마찬가지로 하여 접합의 상황 및 접합 중의 최고 도달 온도를 평가하고, 결과를 표 1 및 도 3에 각각 나타냈다.
마찰 압접에 이용하는 마찰 압력을 300MPa로 한 것 외에는 실시예 5와 마찬가지로 하여, 실시 접합 이음매 6을 얻었다. 또한, 실시예 1과 마찬가지로 하여 접합의 상황 및 접합 중의 최고 도달 온도를 평가하고, 결과를 표 1 및 도 3에 각각 나타냈다.
피접합재의 재질을 JIS-SK105(1.03%C - 0.94%Mn - 0.30%Si - 0.43%Cr)로 하고, 마찰 압접 조건을 회전수: 300rpm, 마찰 압력: 240MPa, 마찰 줄음 길이: 2mm, 업셋 압력: 240MPa로 한 것 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 실시 접합 이음매 7을 얻었다.
마찰 압접 중에 피접합 계면 근방에 액체 CO2를 이용한 외부 냉각을 실시한 것 외에는 실시예 7과 마찬가지로 하여, 실시 접합 이음매 8을 얻었다.
≪비교예 1≫
마찰 압접에 이용하는 회전수를 100rpm으로 한 것 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 비교 접합 이음매 1을 얻었다. 또한, 실시예 1과 마찬가지로 하여 접합의 상황을 평가하고, 결과를 표 1에 나타냈다. 또한, 접합 프로세스 중의 피접합재 상태가 안정되지 않았기 때문에, 최고 도달 온도는 측정할 수 없었다.
≪비교예 2≫
마찰 압접에 이용하는 회전수를 500rpm으로 한 것 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 비교 접합 이음매 2를 얻었다. 또한, 실시예 1과 마찬가지로 하여 접합의 상황 및 접합 중의 최고 도달 온도를 평가하고, 결과를 표 1에 나타냈다.
≪비교예 3≫
마찰 압접 조건을 회전수: 2000rpm, 마찰 압력: 80MPa, 마찰 줄음 길이: 3mm, 업셋 압력: 160MPa로 한 것 외에는 실시예 7과 마찬가지로 하여, 비교 접합 이음매 3을 얻었다.
≪비교예 4≫
피접합재의 재질을 JIS-FC250(3.48%C - 3.29%Si - 0.42%Mn - 0.05%P - 0.015%S)로 하고, 마찰 압접 조건을 회전수: 6000rpm, 마찰 압력: 50MPa, 마찰 줄음 길이: 3mm, 업셋 압력: 75MPa로 한 것 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 비교 접합 이음매 4를 얻었다.
≪비교예 5≫
마찰 압접에 이용하는 회전수를 4500rpm으로 한 것 외에는 비교예 4와 마찬가지로 하여, 비교 접합 이음매 5를 얻었다.
≪비교예 6≫
마찰 압접에 이용하는 회전수를 3500rpm으로 한 것 외에는 비교예 4와 마찬가지로 하여, 비교 접합 이음매 6을 얻었다.
≪비교예 7≫
마찰 압접에 이용하는 회전수를 3000rpm으로 한 것 외에는 비교예 4와 마찬가지로 하여, 비교 접합 이음매 7을 얻었다.
≪비교예 8≫
마찰 압접에 이용하는 회전수를 2500rpm으로 한 것 외에는 비교예 4와 마찬가지로 하여, 비교 접합 이음매 8을 얻었다.
≪비교예 9≫
마찰 압접에 이용하는 회전수를 2000rpm으로 한 것 외에는 비교예 4와 마찬가지로 하여, 비교 접합 이음매 9를 얻었다.
≪비교예 10≫
마찰 압접에 이용하는 회전수를 1500rpm으로 한 것 외에는 비교예 4와 마찬가지로 하여, 비교 접합 이음매 10을 얻었다.
≪비교예 11≫
마찰 압접에 이용하는 회전수를 1000rpm으로 한 것 외에는 비교예 4와 마찬가지로 하여, 비교 접합 이음매 11을 얻었다.
표 1에 나타나는 바와 같이, 마찰 압접에 이용하는 회전수가 100rpm(비교예 1)의 경우는 접합이 달성되어 있지 않지만, 150rpm 이상의 회전수에서는 결함이 없는 접합부가 형성되고 있다. 상기 결과로부터, 저회전 속도 영역에 있어서도 마찰 압접이 가능하다고 하는 것을 알 수 있다. 또한, 피접합재의 직경이 10mm인 것으로부터, 접합 중의 최고 슬라이딩 속도는 100rpm의 경우는 52mm/초, 150rpm의 경우는 78mm/초가 된다.
도 3에 나타나는 바와 같이, 회전수가 300rpm 이하의 영역에서 접합 중의 최고 도달 온도가 S45C의 A1점 이하로 되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 접합 중의 최고 슬라이딩 속도는 300rpm의 경우는 156mm/초가 된다.
또한, 일반적인 마찰 접합에 있어서는, 마찰 압력의 증가에 수반하여 접합 중의 최고 도달 온도가 상승되지만, 실시예 5와 실시예 6을 비교하면, 마찰 압력이 큰 실시예 6 쪽이 낮은 최고 도달 온도로 되어 있다. 이것은, 본 발명의 마찰 접합이 종래의 마찰 접합과 다른 접합 원리를 이용하고 있고, 가공 발열을 이용한 접합법인(마찰 발열만을 이용한 접합법이 아니다) 것을 시사하고 있다. 또한, 실시예 1 ~ 실시예 6에 있어서는, 업셋 압력의 인가 후에 접합 온도의 상승이 인정되었다.
실시 접합 이음매 7 및 비교 접합 이음매 3의 접합 계면 근방의 비커스 경도 분포를 도 6에 나타낸다. 도 6은 접합 계면을 중심으로 하고, 이음매의 길이 방향에 비커스 경도를 측정한 결과이다. 실시 접합 이음매 7에 있어서는, 마르텐사이트가 형성되었을 경우에 생기는 대폭적인 경도 상승이 인정되지 않는다. 중심부(접합 계면)에 있어서 50HV 정도 경도가 상승되고 있지만, 상기 경도 상승은 미세 등축 입자의 형성에 의한 것이다. 이에 더하여, 종래의 마찰 압접 이음매에 있어서 형성되는 현저한 열 영향부(HAZ)는 인정되지 않는다. 한편, 비교 접합 이음매 3에 있어서는, 접합 계면 근방에서 마르텐사이트의 형성에 기인하는 현저한 경도 상승이 인정되는 것에 더하여, 열 영향부(HAZ)의 경도는 실시 접합 이음매 7보다 낮아지고 있다. 또한, 비커스 경도 측정은 하중: 0.1kgf, 하중 부하 시간: 15s의 조건으로 행했다.
실시 접합 이음매 7 및 비교 접합 이음매 3의 접합 중심부의 주사 전자 현미경 사진을 도 7 및 도 8에 각각 나타낸다. 실시 접합 이음매 7에서는 입경 약 2μm 이하의 구상화(球狀化) 세멘타이트와 등축 미세 페라이트로 이루어지는 조직으로 되어 있지만, 비교 접합 이음매 3에서는 렌즈 마르텐사이트가 형성되고 있다.
실시 접합 이음매 7 및 실시 접합 이음매 8의 개관 사진을 도 9에 나타낸다. 마찰 압접 중에 피접합 계면 근방에 액체 CO2를 이용한 외부 냉각을 실시한 실시 접합 이음매 8에서는 템퍼 컬러를 가지는 영역이 감소되고 있고, 외부 냉각에 의한 피접합재 외주부 접합 온도의 저하를 확인할 수 있다.
비교예 4 ~ 비교예 11에 있어서의 접합 온도를 도 10에 나타낸다. 또한, 접합 온도는 방사식 온도계를 이용하여 접합부 표면의 온도를 측정했다. 2000rpm ~ 6000rpm의 범위에 있어서는, 회전수의 저하에 수반하여 접합 온도가 저하되고 있고, 주로 마찰열에 의해서 발열되고 있는 것을 알 수 있다. 이것에 비해, 1500rpm에 있어서의 접합 온도는 2000rpm에 있어서의 접합 온도보다 높고, 마찰열과 가공 발열이 중첩된 결과라고 생각된다(본 발명에 있어서의 가공 발열은 상기 현상에서 확인되는 발열의 증가분을 의미한다). 또한, 1500rpm를 이용한 접합(비교예 10)은 본 발명의 실시예로는 되고 있지 않지만, 상술의 JIS Z3607에서 규정되고 있는 주속(周速)과 비교하면 대폭 작은 회전 속도를 이용하고 있고, 종래 공지의 마찰 압접 방법에서는 가공 발열이 활용되고 있지 않는 것을 알 수 있다.
2, 4: 피접합재,
6: 연화 영역,
8: 버르,
10: 접합부,
12: 접합 계면.
6: 연화 영역,
8: 버르,
10: 접합부,
12: 접합 계면.
Claims (14)
- 2개의 금속제 피접합재의 피접합면끼리를 접촉시킨 상태로 슬라이딩시키는 마찰 접합 방법으로서,
상기 금속제 피접합재의 적어도 한쪽을 철계재로 하고,
접합 중의 최고 도달 온도를 상기 철계재의 A3점 이하 또는 Acm점 이하로 하며,
상기 금속제 피접합재끼리의 슬라이딩에 기인하는 마찰열과, 상기 금속제 피접합재의 소성 변형에 기인하는 가공 발열을 모두 이용하며,
상기 피접합면에 대해서 수직으로 인가하는 접합 압력을 100 ~ 300MPa로 하고,
상기 금속제 피접합재의 최고 슬라이딩 속도를 75 ~ 160mm/초로 하는 것을 특징으로 하는 마찰 접합 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 최고 도달 온도를 상기 철계재의 A1점 이하로 하는 것을 특징으로 하는 마찰 접합 방법. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 2개의 금속제 피접합재를 모두 원기둥 형상으로 하고,
상기 2개의 금속제 피접합재의 단면끼리를 접촉시킨 상태로 회전시키는 것을 특징으로 하는 마찰 접합 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
회전 속도를 150 ~ 300rpm으로 하는 것을 특징으로 하는 마찰 접합 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
업셋 압력을 100 ~ 300MPa로 하고,
마찰 줄음 길이(burn-off length)를 0.5 ~ 3mm로 하는 것을 특징으로 하는 마찰 접합 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 철계재의 탄소 함유량이 0.2 질량% 이상인 것을 특징으로 하는 마찰 접합 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 철계재가 고속도강인 것을 특징으로 하는 마찰 접합 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
접합 중에 피접합부 근방에 냉매를 공급하고, 상기 피접합부 근방을 강제 냉각하는 것을 특징으로 하는 마찰 접합 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 마찰 접합 방법에 따라 형성된 접합부를 가지는 접합 구조물.
- 2개의 금속재의 맞댄 접합부를 가지는 접합 구조물로서,
상기 금속재의 적어도 한쪽이 철강재이며,
상기 맞댄 접합부의 접합 계면이 재결정립으로부터 이루어지고,
상기 재결정립을 가지는 영역이, 상기 접합 계면을 중심으로 일정 간격으로 분포하고,
상기 접합 계면 근방의 경도가 모재 경도의 90 ~ 130%인 것을 특징으로 하는 접합 구조물. - 제 12 항에 있어서,
상기 철강재의 탄소 함유량이 0.2 질량% 이상인 것을 특징으로 하는 접합 구조물. - 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
상기 철강재가 고속도강인 것을 특징으로 하는 접합 구조물.
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