KR20240026303A - 마찰 교반점 접합 조인트 및 그의 제조 방법, 그리고, 마찰 교반점 접합 방법 - Google Patents

마찰 교반점 접합 조인트 및 그의 제조 방법, 그리고, 마찰 교반점 접합 방법 Download PDF

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다이키 야마기시
카츠토시 다카시마
히로시 마츠다
료지 오하시
요시타카 무라마츠
타쿠야 후쿠다
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제이에프이 스틸 가부시키가이샤
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Abstract

피접합재로서 고강도 강판, 특히, 인장 강도(TS)가 980㎫ 이상의 강판을 사용하는 경우에도, 높은 조인트 강도를 갖는 마찰 교반점 접합 조인트를 제공한다. 서로 겹친 강판 중 상판의 상면에 있어서 환상 홈부를 형성함과 함께, 접합부의 형상과 마이크로 조직과 경도를 동시에 적절히 제어한다.

Description

마찰 교반점 접합 조인트 및 그의 제조 방법, 그리고, 마찰 교반점 접합 방법
본 발명은, 마찰 교반점 접합 조인트(friction stir spot welded joint) 및 그의 제조 방법, 그리고, 마찰 교반점 접합 방법에 관한 것이다.
최근, 환경 문제의 고조로부터, CO2의 배출 규제가 엄격화하고 있다. 자동차 분야에 있어서는, 연비 향상을 위한 차체의 경량화가 과제로 되고 있다. 그 때문에, 자동차 부품으로의 고강도 강판, 특히, 인장 강도(TS)가 980㎫ 이상의 강판의 적용에 의한 박육화(thikness reduction)가 진행되고 있다.
자동차를 조립할 때에는, 비용이나 효율의 면에서, 프레스 성형된 부품을 저항 용접에 의해 접합하는 경우가 많다. 그러나, 용융 및 응고를 수반하는 저항 용접에서는, 접합부의 강 조직의 취화(embrittlement)에 의해, 접합부의 십자 인장 강도(cross tensile strength)가 저하하는 경우가 있다.
그 때문에, 비용융(non-melting)의 접합 방법인 마찰 교반점 접합의 고강도 강판으로의 적용이 검토되고 있다. 여기에서, 마찰 교반점 접합이란, 마찰 교반 현상을 이용한 점 접합법이다. 구체적으로는, 숄더부와 당해 숄더부로부터 돌출하는 핀부를 갖는 툴을 회전시키면서, 툴의 핀부를 서로 겹친 금속판으로 이루어지는 피접합재에 압입한다(밀어넣는다). 이에 따라, 금속판을 연화(soften) 및 소성 유동(plastically flow)시켜, 서로 겹친 금속판을 접합한다.
이러한 마찰 교반점 접합에 관한 기술로서, 예를 들면, 특허문헌 1에는,
「탄소를 0.15질량％ 이상 포함하는 강재의 가공부를 723℃ 이하로 제어하면서, 상기 가공부에 WC로 이루어지는 막대 형상의 회전 툴을 삽입하고, 상기 회전 툴을 회전시켜 상기 강재를 가공하는 금속재의 가공 방법.」
이 개시되어 있다.
특허문헌 2에는,
「2개의 금속재를 피접합부에 있어서 대향시켜 피접합 계면을 형성하고, 상기 피접합부에 소정의 회전 속도로 회전시킨 회전 툴을 압입함으로써 상기 2개의 금속재를 접합하는 방법으로서,
상기 회전 툴의 최외주의 주속(peripheral speed)을 51㎜/s 이하로 함으로써, 상기 피접합부에 강변형을 도입하여 상기 금속재가 본래 갖는 재결정 온도를 저하시키고,
접합 온도를 상기 금속재가 본래 갖는 재결정 온도 미만으로 하여 상기 피접합 계면에 재결정립을 생성시키는 것,
을 특징으로 하는 금속재의 저온 접합 방법.」
이 개시되어 있다.
특허문헌 3에는,
「한쪽의 강판과 다른 한쪽의 강판이 서로 겹쳐진 접합부를 구비하고,
상기 접합부에는 상기 한쪽의 강판과 상기 다른 한쪽의 강판의 계면이 존재하고, 상기 계면은, 상기 접합부의 단면에 있어서, 상기 한쪽의 강판과 다른 한쪽의 강판의 경계의 연장에 있는 평행 계면과, 상기 접합부의 평면에서 볼 때 중앙에 가까워짐에 따라 상기 평행 계면으로부터 상기 한쪽의 강판측으로 굽혀진 중앙 계면이 있고,
상기 중앙 계면으로부터 상기 접합부의 평면에서 볼 때 중앙측에 판면 평행 방향으로 0.05㎜ 이상 0.5㎜ 이하 떨어진 영역의 평균 경도가 350∼450HV 이고,
상기 평행 계면과 상기 중앙 계면의 경계점으로부터 상기 접합부의 평면에서 볼 때 중앙측을 향하는 상기 평행 계면의 연장선 상의 평균 경도가 400∼550HV인, 조인트.」
가 개시되어 있다.
특허문헌 4에는,
「제1 부재와 제2 부재를 서로 겹쳐 제1 부재측으로부터 압압함으로써 당해 제1 부재와 당해 제2 부재를 마찰 교반점 접합시키는 마찰 교반점 접합 툴로서,
상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는, 각각 인장 강도가 590㎫ 이상의 강판이고,
상기 마찰 교반점 접합 툴은, 회전축을 중심으로 회전 가능하고, 또한, 선단에 숄더를 구비하는 기둥 형상부와, 상기 숄더로부터 상기 회전축을 연장하는 방향으로 돌출한 원기둥 형상 또는 원추대 형상의 프로브를 구비하고,
상기 제2 부재의 두께를 t(㎜)로 하고, 상기 프로브가 압압 시에 상기 제2 부재측에 삽입되는 체적을 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)로 할 때, V는 t와의 관계에 있어서 이하의 식 (1)을 충족하는, 마찰 교반점 접합 툴.
V≥2.75t2＋8.19t－4.19(t≥0.5㎜)···(1)」
이 개시되어 있다.
일본특허 제5099009호 일본특허 제6579596호 일본공개특허공보 2018-111107호 국제 공개 2016/006377호
그러나, 특허문헌 1의 기술을, 고강도 강판, 특히, 인장 강도(TS)가 980㎫ 이상의 강판에 적용하는 경우, 접합부의 조인트 강도(이하, 간단히 조인트 강도라고도 함)가 충분히는 얻어지지 않는다. 또한, 특허문헌 2∼4의 기술을, 고강도 강판에 적용하는 경우에도, 역시 조인트 강도가 충분히는 얻어지지 않는다.
본 발명은, 상기의 현상을 감안하여 개발된 것으로서, 피접합재로서 고강도 강판, 특히, 인장 강도(TS)가 980㎫ 이상의 강판을 사용하는 경우에도, 높은 조인트 강도를 갖는 마찰 교반점 접합 조인트 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 상기의 마찰 교반점 접합 조인트를 얻기 위한 마찰 교반점 접합 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
여기에서, 「높은 조인트 강도」란, JIS Z 3137에 준거한 십자 인장 시험에 의해 측정되는 십자 인장 강도가 7.0kN 이상인 것을 의미한다.
그런데, 발명자들은, 상기의 목적을 달성하기 위해, 예의 검토를 거듭했다. 그 결과, 발명자들은,
· 접합부의 상면에 환상 홈부를 형성함과 함께,
· 접합부의 형상과 마이크로 조직과 경도를 동시에 적절히 제어하는, 구체적으로는, 이하의 (a)∼(d)를 동시에 만족시키는,
것에 의해, 피접합재로서 고강도 강판, 특히, 인장 강도(TS)가 980㎫ 이상의 강판을 사용하는 경우에도, 높은 조인트 강도를 얻을 수 있다, 라는 인식을 얻었다.
(a) 접합부의 오목부의 최심점(deepest point)의 연직 방향 위치에 대해서, 피접합재가 되는 강판의 하측 맞댐면을 기준 위치로 하여, －0.5㎜ 이하 및, －TL×0.50 이하 중 적어도 한쪽을 만족시킨다.
(b) 접합 계면의 최고점의 연직 방향 위치를, 피접합재가 되는 강판의 상측 맞댐면을 기준 위치로 하여, ＋TU×0.50 이상으로 한다.
(c) 접합부에 있어서의 소정 영역의 마이크로 조직을, 폴리고널 페라이트의 체적률: 70％ 이상 99％ 이하 및, 경질상의 체적률: 1％ 이상 30％ 이하, 또한, 당해 폴리고널 페라이트의 평균 애스펙트비: 3.0 이하로 한다.
(d) 피접합재가 되는 강판의 상측 맞댐면과 동일한 연직 방향 위치에서의 접합부의 평균 경도를 400HV 이하로 한다.
또한, 발명자들은, 추가로 검토를 거듭하여, 상기의 마찰 교반점 접합 조인트를 얻기 위해서는, 접합 시에 이하의 (e)∼(g)를 동시에 만족시키는 것이 중요하다는 인식을 얻었다.
(e) 툴의 압입 최대 깊이의 연직 방향 위치에 대해서, 강판의 하측 맞댐면을 기준 위치로 하여, －0.5㎜ 이하 및, －TL×0.50 이하 중 적어도 한쪽을 만족시키면서, 툴이 압입 최대 깊이에 도달했을 때에 숄더와 피접합재의 상판이 접촉하는(숄더에 의해 피접합재가 압압되어 있는) 상태로 한다.
(f) 최고 도달 온도를 600℃ 이상 750℃ 이하로 한다.
(g) 툴의 회전 속도를, 접합 중에, 초기 회전 속도로부터 1회 이상 변화시키고, 다음식 (1)을 만족시킨다.
Rf/R1≤0.60 ···(1)
여기에서,
R1은 툴의 초기 회전 속도(rpm),
Rf는 툴의 최저 회전 속도(rpm),
이다.
본 발명은, 상기의 인식에 기초하여, 추가로 검토를 더하여 완성된 것이다.
즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.
1. 서로 겹친 2매 이상의 강판과, 당해 강판의 접합부와, 당해 접합부의 상면의 환상 홈부를 갖는, 마찰 교반점 접합 조인트로서,
상기 접합부는, 오목부와, 당해 오목부에 인접하는 제1 유동부와, 당해 제1 유동부에 인접하는 제2 유동부와, 당해 제1 유동부와 당해 제2 유동부의 경계인 접합 계면을 갖고,
상기 오목부의 최심점의 연직 방향 위치가, 상기 강판의 하측 맞댐면을 기준 위치로 하여, －0.5㎜ 이하 및, －TL×0.50 이하 중 적어도 한쪽을 만족하고,
상기 접합 계면의 최고점의 연직 방향 위치가, 상기 강판의 상측 맞댐면을 기준 위치로 하여, ＋TU×0.50 이상이고,
상기 접합부에 있어서,
상기 강판의 상측 맞댐면을 기준 위치로 하여 연직 방향 위치: ＋TU×0.20∼＋TU×0.50이고,
상기 오목부의 중심 위치를 기준 위치로 하여 수평 방향 위치: 상기 접합 계면의 위치－400㎛∼상기 접합 계면의 위치＋100㎛
의 영역의 마이크로 조직이,
폴리고널 페라이트의 체적률: 70％ 이상 99％ 이하 및,
경질상의 체적률: 1％ 이상 30％ 이하
이고, 또한, 당해 폴리고널 페라이트의 평균 애스펙트비: 3.0 이하이고,
상기 강판의 상측 맞댐면과 동일한 연직 방향 위치에서의 접합부의 평균 경도가 400HV 이하인, 마찰 교반점 접합 조인트.
여기에서, 상판 및 하판은 각각, 서로 겹친 2매 이상의 강판 중, 최상부에 위치하는 강판 및 최하부에 위치하는 강판으로서,
TU는, 상판의 강판의 판두께(㎜),
TL은, 하판의 강판의 판두께(㎜),
상측 맞댐면은, 상판과, 당해 상판에 인접하는 강판의 맞댐면,
하측 맞댐면은, 하판과, 당해 하판에 인접하는 강판의 맞댐면
이다.
또한, 연직 방향 위치는, 기준 위치보다도 상측의 경우를 ＋, 하측의 경우를 －로 한다. 수평 방향 위치는, 기준 위치로부터의 거리로 한다.
2. 상기 강판 중 적어도 1매의 강판의 성분 조성이, 질량％로,
C: 0.10％ 이상,
Si 및 Al: 합계로 0.5％ 이상,
Mn: 1.5％ 이상,
P: 0.10％ 이하,
S: 0.050％ 이하, 그리고,
N: 0.010％ 이하
이고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인, 상기 1에 기재된 마찰 교반점 접합 조인트.
3. 상기 성분 조성이, 추가로 질량％로,
Nb: 0.050％ 이하,
Ti: 0.050％ 이하,
B: 0.0050％ 이하,
V: 0.05％ 이하,
Cr: 0.50％ 이하,
Mo: 0.50％ 이하,
Co: 0.50％ 이하,
Cu: 0.50％ 이하,
Ni: 0.50％ 이하,
Sb: 0.020％ 이하, 그리고,
Ca 및 REM: 합계로 0.010％ 이하
로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 상기 2에 기재된 마찰 교반점 접합 조인트.
4. 상기 강판 중 적어도 1매의 강판의 인장 강도가 980㎫ 이상인, 상기 1∼3의 어느 하나에 기재된 마찰 교반점 접합 조인트.
5. 상기 강판 중 적어도 1매의 강판이 표면에 도금층을 갖는, 상기 1∼4의 어느 하나에 기재된 마찰 교반점 접합 조인트.
6. 상기 도금층이 아연계 도금층인, 상기 5에 기재된 마찰 교반점 접합 조인트.
7. 숄더부와 당해 숄더부로부터 돌출하는 핀부를 갖는 툴을 회전시키면서, 당해 핀부를 피접합재인 서로 겹친 2매 이상의 강판에 압입하고, 당해 강판을 접합하는, 마찰 교반점 접합 방법으로서,
상기 툴의 회전 속도를, 접합 중에, 초기 회전 속도로부터 1회 이상 변화시키고,
상기 툴의 압입 최대 깊이의 연직 방향 위치가, 상기 강판의 하측 맞댐면을 기준 위치로 하여, －0.5㎜ 이하 및, －TL×0.50 이하 중 적어도 한쪽을 만족하고, 또한, 상기 툴이 압입 최대 깊이에 도달했을 때에 상기 숄더와 상판이 접촉하는 상태이고,
최고 도달 온도가 600℃ 이상 750℃ 이하이고,
다음식 (1)을 만족하는, 마찰 교반점 접합 방법.
Rf/R1≤0.60 ···(1)
여기에서,
R1은 툴의 초기 회전 속도(rpm),
Rf는 툴의 최저 회전 속도(rpm),
이다.
또한, 상판 및 하판은 각각, 서로 겹친 2매 이상의 강판 중, 최상부에 위치하는 강판 및 최하부에 위치하는 강판으로서,
TL은, 하판의 강판의 판두께(㎜),
하측 맞댐면은, 하판과, 당해 하판에 인접하는 강판의 맞댐면
이다.
또한, 연직 방향 위치는, 기준 위치보다도 상측의 경우를 ＋, 하측의 경우를 －로 한다.
8. 상기 7에 기재된 마찰 교반점 접합 방법에 의해, 서로 겹친 2매 이상의 강판을 접합하는, 마찰 교반점 접합 조인트의 제조 방법.
본 발명에 의하면, 피접합재로서 고강도 강판, 특히, 인장 강도(TS)가 980㎫ 이상의 강판을 사용하는 경우에도, 높은 조인트 강도를 갖는 마찰 교반점 접합 조인트가 얻어진다. 이에 따라, 차체 경량화에 의한 연비 향상을 도모할 수 있고, 산업상의 이용 가치는 매우 크다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따르는 마찰 교반점 접합 조인트의 연직 단면의 개략도이다.
도 2는 시료 번호 13의 마찰 교반점 접합 조인트(환상 홈부를 갖지 않는 마찰 교반점 접합 조인트)의 연직 단면의 개략도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
본 발명을, 이하의 실시 형태에 기초하여 설명한다.
[1] 마찰 교반점 접합 조인트
우선, 본 발명의 일 실시 형태에 따르는 마찰 교반점 접합 조인트에 대해서, 도 1을 이용하여 설명한다. 또한, 도 1에서는, 피접합재가 되는 강판이 2매인 경우를 예로 하고 있다. 여기에서, 도 1은, 접합부의 오목부의 중심 위치를 통과하는, 마찰 교반점 접합 조인트의 연직 단면(이하, 간단히 연직 단면이라고도 함)이고, 각 부의 위치 등은, 모두 당해 연직 단면에서의 것이다.
또한, 연직 방향(강판의 판두께 방향)의 상측이란, 마찰 교반점 접합 시에 툴의 핀부가 압입되는 측이다. 연직 방향의 하측이란, 마찰 교반점 접합 시에 뒷받침재가 설치되는 측(마찰 교반점 접합 시에 툴의 핀부가 압입되는 측의 반대측)이다. 또한, 마찰 교반점 접합 조인트에서는, 그의 형상 등, 예를 들면, 오목부의 위치로부터, 연직 방향의 상측 및 하측을 특정할 수 있다. 또한, 이하, 피접합재가 되는 강판 중, 최상부의 강판(최상부에 위치하는 강판)을 상판, 최하부의 강판(최하부에 위치하는 강판)을 하판, 최상부 및 최하부와 중간에 위치하는 강판(최상부 및 최하부 이외의 강판)을 중판이라고도 한다. 상면은 연직 방향의 상측의 면이고, 하면은 연직 방향의 하측의 면이다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르는 마찰 교반점 접합 조인트는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 서로 겹친 강판(1)과, 당해 강판의 접합부(2)와, 당해 접합부의 상면의 환상 홈부(3)를 갖는다. 또한, 서로 겹친 강판 간에(접합되지 않고) 잔존하고 있는 극간을, 미접합 계면(4)이라고 한다.
[접합부]
접합부는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 오목부(2-1)와, 당해 오목부에 인접하는 제1 유동부(2-2)와, 당해 제1 유동부에 인접하는 제2 유동부(2-3)와, 당해 제1 유동부와 당해 제2 유동부의 경계인 접합 계면(2-4)을 갖는다.
여기에서, 오목부는, 접합 시에, 툴의 핀부의 압입에 의해 형성되는 것이다. 또한, 오목부는, 연직 방향 상측에서 보면 대략 원형이고, 그의 직경은, 툴의 핀부의 직경과 거의 동일한 크기가 된다. 또한, 오목부의 중심 위치는, 연직 방향 상측에서 보았을 때의 오목부의 중심으로 한다.
제1 유동부는, 접합 시에 하판이 소성 유동하여 형성되는 유동 영역이고, 오목부의 주위에 인접하여 형성된다. 또한, 제2 유동부는, 상판이 소성 유동하여 형성되는 유동 영역이고, 제1 유동부에 인접하여 형성된다. 또한, 피접합재가 되는 강판이 3매 이상의 경우, 중판이 소성 유동하여 형성되는 유동 영역은 모두, 제2 유동부에 포함되는 것으로 한다.
또한, 제1 유동부 및 제2 유동부는 이하와 같이 획정한다. 이에 따라, 제1 유동부와 제2 유동부의 경계인 접합 계면이 특정된다.
즉, 접합부의 오목부의 중심 위치를 통과하는, 마찰 교반점 접합 조인트의 연직 단면을 연마하고, 피크르산 포화 수용액으로 에칭한다. 이어서, 당해 연직 단면을 광학 현미경으로 관찰하고, 모재 조직과 유동부에 있어서의 에칭의 정도 등으로부터, 제1 유동부 및 제2 유동부를 획정한다. 그리고, 확정한 제1 유동부와 제2 유동부의 경계를 접합 계면으로 한다.
그리고, 접합부에서는, 그의 형상과 마이크로 조직과 경도를, 이하와 같이 제어하는 것이 중요하다.
여기에서, 상판 및 하판은 각각, 서로 겹친 2매 이상의 강판 중, 최상부에 위치하는 강판 및 최하부에 위치하는 강판으로서,
TU는, 상판의 강판의 판두께(㎜),
TL은, 하판의 강판의 판두께(㎜),
상측 맞댐면은, 상판과, 당해 상판에 인접하는 강판의 맞댐면,
하측 맞댐면은, 하판과, 당해 하판에 인접하는 강판의 맞댐면
이다.
또한, 연직 방향 위치는, 기준 위치보다도 상측의 경우를 ＋, 하측의 경우를 －로 한다. 수평 방향 위치는, 기준 위치로부터의 거리(기준 위치를 0으로 하고, －는 되지 않는(부의 값은 취하지 않음) 것)로 한다.
(a) 오목부의 최심점의 연직 방향 위치(이하, 오목부의 최심점의 레벨이라고도 함)
오목부의 최심점의 레벨에 대해서, 피접합재가 되는 강판의 하측 맞댐면을 기준 위치로 하여, －0.5㎜ 이하 및, －TL×0.50 이하 중 적어도 한쪽을 만족시킨다. 이에 따라, 접합 계면이 강화되어, 피접합재로서 고강도 강판을 사용하는 경우에도, 높은 조인트 강도가 얻어진다. 또한, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 오목부의 최심점의 레벨은 －TL×0.90 이상으로 하는 것이 바람직하다.
(b) 접합 계면의 최고점의 연직 방향 위치(이하, 접합 계면의 최고점의 레벨이라고도 함)
접합 계면의 최고점의 레벨은, 피접합재가 되는 강판의 상측 맞댐면을 기준 위치로 하여, ＋TU×0.50 이상으로 한다. 바람직하게는 ＋TU×0.60 이상으로 한다. 이에 따라, 접합 계면이 강화되어, 피접합재로서 고강도 강판을 사용하는 경우에도, 높은 조인트 강도가 얻어진다. 또한, 접합 계면의 최고점의 레벨은 높을수록 바람직하고, 예를 들면, 툴의 숄더부의 주위에서 버어(burr)로서 외부에 배출되는 영역까지 접합 계면의 최고점이 도달하고 있어도 좋다. 접합 계면의 최고점의 레벨은, 보다 바람직하게는 ＋TU×0.98 이하이다.
또한, 접합 계면은, 통상, 연직 단면에 있어서, 연직 방향 상측을 향하여 만곡한 형상(연직 방향 상측을 향하여 볼록해지는 형상)이다.
또한, 오목부의 최심점의 레벨 및 접합 계면의 최고점의 레벨은, 접합 계면의 특정에 사용한 마찰 교반점 접합 조인트의 연직 단면의 촬영 화상을 이용하여, 노기스(caliper square) 등에 의해 측정하면 좋다.
(c) 접합부에 있어서의 강판의 상측 맞댐면을 기준 위치로 하여 연직 방향 위치: ＋TU×0.20∼＋TU×0.50이고, 오목부의 중심 위치를 기준 위치로 하여 수평 방향 위치: 접합 계면의 위치－400㎛∼접합 계면의 위치＋100㎛의 영역(이하, 접합부에 있어서의 소정 영역이라고도 함)의 마이크로 조직
접합부에 있어서의 소정 영역의 마이크로 조직을, 폴리고널 페라이트의 체적률: 70％ 이상 99％ 이하 및, 경질상의 체적률: 1％ 이상 30％ 이하이고, 또한, 폴리고널 페라이트의 평균 애스펙트비: 3.0 이하로 한다. 이에 따라, 피접합재로서 고강도 강판을 사용하는 경우에도, 접합부에 있어서 양호한 인성이 얻어지고, 나아가서는 높은 조인트 강도가 얻어진다. 한편, 폴리고널 페라이트의 체적률, 경질상의 체적률 및 폴리고널 페라이트의 평균 애스펙트비 중 적어도 1개가 상기의 범위 외가 되면, 피접합재로서 고강도 강판을 사용하는 경우에, 접합부에 있어서 양호한 인성이 얻어지지 않는다. 그 결과, 조인트 강도도 저하한다.
여기에서, 폴리고널 페라이트의 체적률은, 바람직하게는 75％ 이상이다. 폴리고널 페라이트의 체적률은, 바람직하게는 97％ 이하이다. 경질상의 체적률은, 바람직하게는 3％ 이상이다. 경질상의 체적률은, 바람직하게는 25％ 이하이다.
또한, 폴리고널 페라이트 및 경질상 이외의 잔부 조직의 체적률은 20％ 이하인 것이 바람직하다. 잔부 조직으로서는, 그 외 강판의 조직으로서 공지의 것, 예를 들면, 베이나이트나 잔류 오스테나이트, 펄라이트를 들 수 있다. 잔부 조직의 동정(同定)은, 예를 들면, SEM(Scanning Electron Microscope; 주사 전자 현미경)에 의한 관찰에 의해, 행하면 좋다.
또한, 잔부 조직의 체적률은, 다음식에 의해 산출한다.
[잔부 조직의 체적률(％)]＝100－[폴리고널 페라이트의 체적률(％)]－[경질상의 체적률(％)]
또한, 폴리고널 페라이트 및 경질상의 체적률의 측정은, 예를 들면, 이하와 같이 하여 행한다.
즉, 도 1에 나타내는 마찰 교반점 접합 조인트의 연직 단면(접합부의 오목부의 중심 위치를 통과하는, 마찰 교반점 접합 조인트의 연직 단면)의 접합부에 있어서의 소정 영역이 관찰면이 되도록, 마찰 교반점 접합 조인트로부터 시험편을 잘라낸다. 이어서, 시험편의 관찰면을 연마 후, 3vol.％ 나이탈로 에칭하여, 조직을 현출시킨다. 이어서, 접합부에 있어서의 소정 영역에 대해서, 접합 계면보다도 오목부측의 영역(제1 유동부)으로부터 4시야, 접합 계면보다도 오목부 반대측(오목부로부터 먼 측)의 영역(제2 유동부)으로부터 2시야의 합계 6시야를, SEM(Scanning Electron Microscope; 주사 전자 현미경)에 의해, 배율: 10000배로 촬영한다. 이어서, 얻어진 조직 화상으로부터, Adobe Systems사의 Adobe Photoshop을 이용하여, 폴리고널 페라이트 및 경질상의 면적을 6시야분 산출한다. 이어서, 시야마다 산출한 폴리고널 페라이트 및 경질상의 면적을 각각의 시야 영역의 면적으로 나눈다. 그리고, 그들 값의 산술 평균값을 각각, 폴리고널 페라이트 및 경질상의 체적률로 한다.
또한, 상기의 조직 화상에 있어서, 폴리고널 페라이트는 흑색의 조직을 나타내고 있다. 또한, 경질상은 회색의 조직을 나타내고 있다. 이에 따라, 양자를 동정한다. 또한, 경질상은, 마르텐사이트나 시멘타이트 등의 탄화물로 구성된다.
또한, 폴리고널 페라이트의 평균 애스펙트비는, 바람직하게는 2.5 이하이다. 폴리고널 페라이트의 평균 애스펙트비의 하한은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 폴리고널 페라이트의 평균 애스펙트비는 바람직하게는 1.2 이상이다.
여기에서, 폴리고널 페라이트의 평균 애스펙트비의 측정은, 예를 들면, 이하와 같이 하여 행한다.
즉, 폴리고널 페라이트 및 경질상의 체적률의 측정으로 얻어진 조직 화상에 있어서, 폴리고널 페라이트로 확정한 영역에서 관찰되는 결정립을, 시야마다 임의로 5개 선택한다. 선택한 5개의 결정립에 대해서, 장경과 단경을 구하고, 장경을 단경으로 나눈다. 그리고, 그들 값의 평균값을, 폴리고널 페라이트의 평균 애스펙트비로 한다.
또한, 장경이란, 결정립의 중심을 통과하는 직선 상에서 최대가 되는, 결정립의 지름이다. 단경이란, 결정립의 중심을 통과하는 직선 상에서 최소가 되는, 결정립의 지름이다.
또한, 접합부에 있어서 마이크로 조직을 특정하는 영역을, 강판의 상측 맞댐면을 기준 위치로 하여 연직 방향 위치: ＋TU×0.20∼＋TU×0.50이고, 오목부의 중심 위치를 기준 위치로 하여 수평 방향 위치: 접합 계면의 위치－400㎛∼접합 계면의 위치＋100㎛의 영역으로 한 것은, 이하와 같다.
즉, 십자 인장 시험에서는, 접합 계면의 주위에서 파단(fracture)하는 경우가 있다. 이 때, 파단 기점(fracture origin)은, 접합 계면의 근방 또한 상측 맞댐면을 기준으로 하여 연직 방향 위치: ＋TU×0.20∼＋TU×0.50의 영역에 상당하고, 특히, 오목부의 중심 위치를 기준 위치로 하여 수평 방향 위치: 접합 계면의 위치－400㎛∼접합 계면의 위치＋100㎛의 영역을 파단 경로로 하는 경우가 많다. 그 때문에, 접합부에 있어서 마이크로 조직을 특정하는 영역을, 상기의 영역으로 했다.
또한, 접합 계면의 위치(수평 방향에 있어서의 위치)는 연직 방향 위치(레벨)에 따라 상이하기 때문에, 접합 계면－400㎛ 및, 접합 계면의 위치＋100㎛도 연직 방향 위치(레벨)에 따라 상이한 것이 된다.
예를 들면, 연직 방향 위치: ＋TU×0.20에 있어서의 접합 계면의 수평 방향 위치와, 연직 방향 위치: ＋TU×0.50에 있어서의 접합 계면의 수평 방향 위치는 반드시 일치하는 것은 아니다. 그 때문에, 연직 방향 위치: ＋TU×0.20에 있어서의 접합 계면－400㎛의 수평 방향 위치와, 연직 방향 위치: ＋TU×0.50에 있어서의 접합 계면－400㎛의 수평 방향 위치도, 반드시 일치하는 것은 아니다.
(d) 강판의 상측 맞댐면과 동일한 연직 방향 위치에서의 접합부의 평균 경도(이하, 접합부의 평균 경도라고도 함)
접합부의 평균 경도를, 400HV 이하로 한다. 이에 따라, 피접합재로서 고강도 강판을 사용하는 경우에도, 접합부에 있어서 양호한 인성이 얻어지고, 나아가서는 높은 조인트 강도가 얻어진다. 한편, 접합부의 평균 경도가 400HV를 초과하면, 피접합재로서 고강도 강판을 사용하는 경우에, 접합부에 있어서 양호한 인성이 얻어지지 않는다. 그 결과, 조인트 강도도 저하한다. 또한, 접합부의 평균 경도는, 바람직하게는 380HV 이하이다. 또한, 접합부의 평균 경도는, 바람직하게는 250HV 이상이다.
여기에서, 접합부의 평균 경도의 측정은, JIS Z 2244에 준거하여 행한다. 구체적으로는, 이하와 같이 하여 행한다.
즉, 도 1에 나타내는 마찰 교반점 접합 조인트의 연직 단면(접합부의 오목부의 중심 위치를 통과하는, 마찰 교반점 접합 조인트의 연직 단면)을 측정면으로 한다. 그리고, 당해 측정면에 있어서 강판의 상측 맞댐면과 동일한 연직 방향 위치(레벨)에 있어서의 접합 계면의 위치를 기점으로 하여, 수평 방향으로 오목부를 향하여, 시험력＝2.942N, 측정 간격＝0.2㎜의 조건으로(오목부에 도달할 때까지) 비커스 경도(HV)를 측정한다. 그리고, 이들 측정값의 산술 평균값을, 접합부의 평균 경도로 한다.
[환상 홈부]
환상 홈부는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 접합부의 상면에 형성된다. 또한, 환상 홈부는, 접합부의 상면에 있어서, 오목부를 둘러싸도록 배치된다. 즉, 환상 홈부는, 접합 시에, 툴의 숄더부와 상판이 접촉함으로써 형성된다. 환상 홈부가 형성됨으로써, 접합 계면이 강화되어, 피접합재로서 고강도 강판을 갖는 강판을 사용하는 경우에도, 높은 조인트 강도가 얻어진다.
또한, 환상 홈부의 유무는, 육안에 의해, 마찰 교반점 접합 조인트의 상면의 외관 관찰 및, 마찰 교반점 접합 조인트의 연직 단면의 관찰을 행함으로써, 확인할 수 있다.
[강판]
피접합재가 되는 강판의 매수는 2매 이상으로 하면 좋다. 피접합재가 되는 강판의 매수의 상한은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 피접합재가 되는 강판의 매수는 5매 이하가 바람직하다. 피접합재가 되는 강판에는, 모두 동일한 강종의 강판을 사용해도 좋고, 상이한 강종의 강판을 사용해도 좋다.
또한, 피접합재가 되는 강판의 판두께는, 0.4∼3.2㎜가 적합하다. 또한, 피접합재가 되는 강판에는, 모두 동일한 판두께의 강판을 사용해도 좋고, 상이한 판두께의 강판을 사용해도 좋다.
또한, 피접합재가 되는 강판 중 적어도 1매의 강판으로서, 고강도 강판, 예를 들면, 질량％로,
C: 0.10％ 이상,
Si 및 Al: 합계로 0.5％ 이상,
Mn: 1.5％ 이상,
P: 0.10％ 이하,
S: 0.050％ 이하, 그리고,
N: 0.010％ 이하
이고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 성분 조성을 갖는 강판을 사용하는 것이 적합하다. 또한, 성분 조성에 있어서의 단위는 모두 「질량％」이지만, 이하, 특별히 언급하지 않는 한, 간단히 「％」로 나타낸다.
C: 0.10％ 이상
C는, 강판의 고강도화에 유효한 원소이다. 또한, C는, 접합부에 있어서의 소정 영역의 마이크로 조직으로(경질상에 해당함) 탄화물의 형성에도 유효하게 기여하는 원소이다. 그 때문에, C의 함유량은 0.10％ 이상이 바람직하다. C의 함유량은, 보다 바람직하게는 0.15％ 이상이다. 또한, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 내지연 파괴 특성의 저하를 방지하는 관점에서, C의 함유량은 1.0％ 이하가 바람직하다.
Si 및 Al: 합계로 0.5％ 이상
Si 및 Al은, 접합부에 있어서의 탄화물의 과잉인 형성을 억제하고, 접합부의 인성 저하를 억제하는 원소이다. 그 때문에, Si 및 Al의 함유량은 합계로 0.5％ 이상이 바람직하다. 또한, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 도금성의 저하를 방지하는 관점에서, Si 및 Al의 함유량은 합계로 4.0％ 이하가 바람직하다.
Mn: 1.5％ 이상
Mn은, 고용 강화 및 (제2상인) 경질상을 생성함으로써, 고강도화에 기여하는 원소이다. 또한, Mn은, 오스테나이트를 안정화시켜, 경질상의 분율 제어에도 유효한 원소이다. 그 때문에, Mn의 함유량은 1.5％ 이상이 바람직하다. 또한, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 도금성의 저하를 방지하는 관점에서, Mn의 함유량은 10％ 이하가 바람직하다.
P: 0.10％ 이하
P가 과잉으로 함유된 경우, P의 입계로의 편석이 현저해져, 입계를 취화시킬 우려가 있다. 그 때문에, P의 함유량은 0.10％ 이하가 바람직하다. 또한, 특별히 한정되는 것은 아니지만, P의 함유량의 극저화는 제강 비용의 상승을 초래하기 때문에, P의 함유량은 0.005％ 이상이 바람직하다.
S: 0.050％ 이하
S의 함유량이 많은 경우, MnS 등의 황화물이 많이 생성되어, 조인트 강도가 저하할 우려가 있다. 그 때문에, S의 함유량은 0.050％ 이하가 바람직하다. 또한, 특별히 한정되는 것은 아니지만, S의 함유량의 극저화는 제강 비용의 상승을 초래하기 때문에, S의 함유량은 0.0002％ 이상이 바람직하다.
N: 0.010％ 이하
N은, 조대한 질화물을 형성함으로써, 조인트 강도를 저하시킬 우려가 있다. 그 때문에, N의 함유량을 저감하는 것이 바람직하고, N의 함유량은 0.010％ 이하가 바람직하다. 또한, 특별히 한정되는 것은 아니지만, N의 함유량의 극저화는 제강 비용의 상승을 초래하기 때문에, N의 함유량은 0.0005％ 이상이 바람직하다.
또한, 상기의 기본 성분 조성에 더하여, 추가로,
Nb: 0.050％ 이하,
Ti: 0.050％ 이하,
B: 0.0050％ 이하,
V: 0.05％ 이하,
Cr: 0.50％ 이하,
Mo: 0.50％ 이하,
Co: 0.50％ 이하,
Cu: 0.50％ 이하,
Ni: 0.50％ 이하,
Sb: 0.020％ 이하, 그리고,
Ca 및 REM: 합계로 0.010％ 이하
로부터 선택되는 1종 이상을 함유시킬 수 있다.
Nb: 0.050％ 이하
Nb는, 미세한 탄질화물을 형성하여, 구오스테나이트 입경을 미세화한다. 이에 따라, 조인트 강도의 향상에 기여한다. 이러한 효과를 얻는 관점에서, Nb의 함유량은 0.005％ 이상이 바람직하다. 한편, Nb를 과잉으로 함유하면, 신장의 저하를 초래한다. 또한, 연속 주조 후에 슬래브 균열이 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, Nb를 함유시키는 경우, 그의 함유량은 0.050％ 이하가 바람직하다. Nb의 함유량은, 보다 바람직하게는 0.045％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.040％ 이하이다.
Ti: 0.050％ 이하
Ti도, Nb와 마찬가지로, 미세한 탄질화물을 형성하고, 구오스테나이트 입경을 미세화한다. 이에 따라, 조인트 강도의 향상에 기여한다. 이러한 효과를 얻는 관점에서, Ti의 함유량은 0.005％ 이상이 바람직하다. Ti의 함유량은, 보다 바람직하게는 0.008％ 이상이다. 한편, Ti를 과잉으로 함유하면, 신장의 저하를 초래한다. 그 때문에, Ti를 함유시키는 경우, 그의 함유량은 0.050％ 이하가 바람직하다. Ti의 함유량은, 보다 바람직하게는 0.045％ 이하이다.
B: 0.0050％ 이하
B는, 퀀칭성을 향상시켜, 페라이트나 펄라이트의 생성을 억제한다. 이에 따라, 모재 강도 및 조인트 강도의 향상에 기여한다. 이러한 효과를 얻는 관점에서, B의 함유량은 0.0002％ 이상이 바람직하다. 한편, B의 함유량이 0.0050％를 초과하면, 효과가 포화한다. 그 때문에, B를 함유시키는 경우, 그의 함유량은 0.0050％ 이하가 바람직하다.
V: 0.05％ 이하
V는, 미세한 탄질화물을 형성함으로써, 강도 상승에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 얻는 관점에서, V의 함유량은 0.005％ 이상이 바람직하다. 한편, V의 함유량이 0.05％를 초과하면, 강도 상승 효과는 작아진다. 또한, 비용의 상승을 초래한다. 그 때문에, V를 함유시키는 경우, 그의 함유량은 0.05％ 이하가 바람직하다.
Cr: 0.50％ 이하
Cr은, 경질상을 생성함으로써, 고강도화에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 얻는 관점에서, Cr의 함유량은 0.05％ 이상이 바람직하다. 한편, Cr의 함유량이 0.50％를 초과하면, 마르텐사이트가 과잉으로 생성되어 면 결함이 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, Cr을 함유시키는 경우, 그의 함유량은 0.50％ 이하가 바람직하다. Cr의 함유량은, 보다 바람직하게는 0.45％ 이하이다.
Mo: 0.50％ 이하
Mo도, Cr과 마찬가지로, 경질상을 생성함으로써, 고강도화에 기여하는 원소이다. 또한, Mo는, 일부 탄화물을 생성하여 고강도화에 기여하는 원소이기도 하다. 이러한 효과를 얻는 관점에서, Mo의 함유량은 0.05％ 이상이 바람직하다. 한편, Mo의 함유량이 0.50％를 초과하면, 효과가 포화하여, 비용의 상승을 초래한다. 그 때문에, Mo를 함유시키는 경우, 그의 함유량은 0.50％ 이하가 바람직하다. Mo의 함유량은, 보다 바람직하게는 0.32％ 이하이다.
Co: 0.50％ 이하
Co는, 수소 과전압을 증가시킴으로써, 내지연 파괴 특성의 향상에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 얻는 관점에서, Co의 함유량은 0.05％ 이상이 바람직하다. Co의 함유량은, 보다 바람직하게는 0.10％ 이상이다. 한편, Co의 함유량이 0.50％를 초과하면, 효과가 포화하여, 비용의 상승을 초래한다. 그 때문에, Co를 함유시키는 경우, 그의 함유량은 0.50％ 이하가 바람직하다. Co의 함유량은, 보다 바람직하게는 0.32％ 이하이다.
Cu: 0.50％ 이하
Cu는, 고용 강화에 의해 고강도화에 기여하는 원소이다. 또한, Cu는, 경질상을 생성하는 것에 의해서도 고강도화에 기여한다. 이러한 효과를 얻는 관점에서, Cu의 함유량은 0.005％ 이상이 바람직하다. 한편, Cu의 함유량이 0.50％를 초과하면, 효과가 포화하여, 비용의 상승을 초래한다. 또한, Cu에 기인하는 표면 결함이 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, Cu를 함유시키는 경우, 그의 함유량은 0.50％ 이하가 바람직하다.
Ni: 0.50％ 이하
Ni는, Cu와 마찬가지로, 고용 강화에 의해 고강도화에 기여하는 원소이다. 또한, Ni는, 경질상을 생성하는 것에 의해서도 고강도화에 기여한다. 또한, Ni는, Cu와 동시에 함유시키면, Cu에 기인하는 표면 결함을 억제하는 효과가 있다. 그 때문에, Cu를 함유시키는 경우에, 동시에 함유시키는 것이 유효하다. 이러한 효과를 얻는 관점에서, Ni의 함유량은 0.005％ 이상이 바람직하다. 한편, Ni의 함유량이 0.50％를 초과하면, 효과가 포화한다. 그 때문에, Ni를 함유시키는 경우, 그의 함유량은 0.50％ 이하가 바람직하다.
Sb: 0.020％ 이하
Sb는, 강판 표층부에서의 탈탄층의 형성을 억제함으로써, 고강도화에 기여한다. 이러한 효과를 얻는 관점에서, Sb의 함유량은 0.001％ 이상이 바람직하다. 한편, Sb의 함유량이 0.020％를 초과하면, 압연 부하 하중이 증대하여, 생산성이 저하한다. 그 때문에, Sb를 함유시키는 경우, 그의 함유량은 0.020％ 이하가 바람직하다.
Ca 및 REM: 합계로 0.010％ 이하
Ca 및 REM은, 황화물의 형상을 구상화함으로써, 고강도화에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 얻는 관점에서, Ca 및 REM의 함유량은, 합계로 0.0005％ 이상이 바람직하다. 한편, Ca 및 REM의 함유량이 합계로 0.010％를 초과하면, 효과가 포화한다. 그 때문에, Ca 및/또는 REM을 함유시키는 경우, 그들 함유량은, 합계로 0.010％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, Ca 및 REM의 함유량은, 합계로 0.0050％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
상기 이외의 잔부는, Fe 및 불가피 불순물이다. 불가피적 불순물로서는, 예를 들면, Sn 및 Zn 등을 들 수 있고, Sn: 0.01％ 이하, Zn: 0.01％ 이하이면 허용할 수 있다. 또한, Ta, Mg 및 Zr을 통상의 강 조성의 범위 내, 구체적으로는, 각각 0.01％ 이하로 함유해도, 그 효과는 소실되지 않는다.
또한, 상기의 임의 첨가 원소에 대해서, 그의 함유량이 (적합) 하한값 미만인 경우에는, 그 임의 첨가 원소를 불가피적 불순물로서 포함하는 것으로 한다.
또한, 피접합재가 되는 강판 중 적어도 1매의 강판으로서, 인장 강도가 980㎫ 이상의 강판을 사용하는 것이 적합하다. 인장 강도는, JIS Z 2241(1998)에 준거하여 측정한다.
또한, 피접합재가 되는 강판 중 적어도 1매의 강판이, 표면에 도금층을 갖고 있어도 좋다. 도금층은, 강판의 양면에 형성해도, 강판의 편면에 형성해도 좋다. 도금층으로서는, 예를 들면, 아연계 도금층을 들 수 있다. 또한, 아연계 도금층이란, 아연을 주성분으로 하는 도금층(아연의 함유량이 50질량％ 이상의 도금층)이고, 예를 들면, 용융 아연 도금층이나 합금화 용융 아연 도금층, 전기 아연 도금층 등을 들 수 있다.
또한, 상기의 강판은, 상법에 따라, 제조하는 것이 가능하다.
[2] 마찰 교반점 접합 방법 및, 마찰 교반점 접합 조인트의 제조 방법
다음으로, 본 발명의 일 실시 형태에 따르는 마찰 교반점 접합 방법 및, 본 발명의 일 실시 형태에 따르는 마찰 교반점 접합 조인트의 제조 방법에 대해서, 설명한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르는 마찰 교반점 접합 방법은,
숄더부와 당해 숄더부로부터 돌출하는 핀부를 갖는 툴을 회전시키면서, 당해 핀부를 피접합재인 서로 겹친 2매 이상의 강판에 압입하고, 당해 강판을 접합하는, 마찰 교반점 접합 방법으로서,
상기 툴의 회전 속도를, 접합 중에, 초기 회전 속도로부터 1회 이상 변화시키고,
상기 툴의 압입 최대 깊이의 연직 방향 위치가, 상기 강판의 하측 맞댐면을 기준 위치로 하여, －0.5㎜ 이하 및, －TL×0.50 이하 중 적어도 한쪽을 만족하고, 또한, 상기 툴이 압입 최대 깊이에 도달했을 때에 상기 숄더와 상판이 접촉하는 상태이고,
최고 도달 온도가 600℃ 이상 750℃ 이하이고,
다음식 (1)을 만족한다는 것이다.
Rf/R1≤0.60 ···(1)
여기에서,
R1은 툴의 초기 회전 속도(rpm),
Rf는 툴의 최저 회전 속도(rpm),
이다.
또한, 상판 및 하판은 각각, 서로 겹친 2매 이상의 강판 중, 최상부에 위치하는 강판 및 최하부에 위치하는 강판으로서,
TL은, 하판의 강판의 판두께(㎜),
하측 맞댐면은, 하판과, 당해 하판에 인접하는 강판의 맞댐면
이다.
또한, 연직 방향 위치는, 기준 위치보다도 상측의 경우를 ＋, 하측의 경우를 －로 한다.
더하여, 본 발명의 일 실시 형태에 따르는 마찰 교반점 접합 방법은, 상기의 본 발명의 일 실시 형태에 따르는 마찰 교반점 접합 조인트를 얻기 위한 방법이다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 따르는 마찰 교반점 접합 조인트의 제조 방법은, 상기의 본 발명의 일 실시 형태에 따르는 마찰 교반점 접합 방법에 의해, 서로 겹친 2매 이상의 강판을 접합한다는 것이다.
더하여, 본 발명의 일 실시 형태에 따르는 마찰 교반점 접합 조인트의 제조 방법은, 상기의 본 발명의 일 실시 형태에 따르는 마찰 교반점 접합 조인트를 제조하기 위한 방법이다.
피접합재인 서로 겹친 2매 이상의 강판을, 숄더부와 당해 숄더부로부터 돌출하는 핀부를 갖는 툴에 의해 접합한다. 구체적으로는, 툴을 회전시키면서, 툴의 핀부를 피접합재에 압입하고, 강판을 접합한다. 여기에서, 툴은, 특별히 한정되지 않고, 일반적인 것을 사용할 수 있다. 또한, 숄더부 및 핀부의 형상, 예를 들면, 숄더부의 직경(이하, 숄더 지름이라고도 함)이나 핀부의 직경(이하, 핀 지름이라고도 함), 핀부의 길이(이하, 핀 길이라고도 함), 핀 측면의 경사각도 특별히 한정되지 않고, 피접합재가 되는 강판의 강종이나 판두께에 따라서 결정하면 좋다. 예를 들면, 피접합재로서 인장 강도가 980㎫ 이상, 판두께가 1.6㎜의 강판을 2매 사용하는 경우에는, 숄더 지름은 6.0∼16.0㎜, 핀 지름은 3.0∼8.0㎜, 핀 길이는 2.0∼3.5㎜, 핀 측면의 경사각은 3∼30°로 하는 것이 바람직하다.
또한, 접합 시에는, 피접합재의 하면(툴의 핀부를 압입하는 것과 반대측의 면)에, 뒷받침을 형성한다.
그리고, 본 발명의 일 실시 형태에 따르는 마찰 교반점 접합 방법에서는, 이하의 조건을 만족시키는 것이 중요하다.
(e) 툴의 압입 최대 깊이의 연직 방향 위치
툴의 압입 최대 깊이의 연직 방향 위치에 대해서, 강판의 하측 맞댐면을 기준 위치로 하여, －0.5㎜ 이하 및, －TL×0.50 이하 중 적어도 한쪽을 만족시키면서, 툴이 압입 최대 깊이에 도달했을 때에 숄더와 피접합재의 상판이 접촉하는(숄더에 의해 피접합재가 압압되어 있는) 상태로 한다. 툴의 압입 깊이의 연직 방향 위치를 적절히 제어함으로써, 재료 유동을 촉진하고, 접합 계면의 최고점을, 보다 높은 위치로 하는 것이 가능해진다. 또한, 숄더와 피접합재의 상판를 접촉시킴으로써, 서로 겹친 강판끼리가 보다 밀착하여, 접합 계면이 강화된다. 또한, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 툴의 압입 깊이의 연직 방향 위치는, －TL×0.90 이상으로 하는 것이 바람직하다.
(f) 최고 도달 온도
접합 중의 접합부의 최고 도달 온도를 600℃ 이상 750℃ 이하로 한다. 이에 따라, 접합부에 있어서의 소정 영역의 마이크로 조직을, 폴리고널 페라이트의 체적률: 70％ 이상 99％ 이하 및, 경질상의 체적률: 1％ 이상 30％ 이하로 하는 것이 가능해진다. 최고 도달 온도는, 바람직하게는 640℃ 이상이다. 또한, 최고 도달 온도는, 바람직하게는 720℃ 이하이다.
여기에서, 최고 도달 온도는, 예를 들면, 이하와 같이 하여 측정한다.
즉, 툴의 내부, 구체적으로는, 접합부와 접촉하는 툴의 핀부 선단 근방에, 열전대를 설치한다. 그리고, 툴 내부의 열전대에 의해, 접합 중의 온도(접합부에서 상승한 온도)를 연속적으로 계측한다. 그리고, 계측한 접합 중의 최고 온도를, 최고 도달 온도로 한다.
(g) 툴의 회전 속도
툴의 회전 속도를, 접합 중에, 초기 회전 속도로부터 1회 이상 변화시키고, 다음식 (1)을 만족시킨다. 이에 따라, 접합부에 있어서의 소정 영역의 마이크로 조직에 있어서, 폴리고널 페라이트의 평균 애스펙트비: 3.0 이하로 하는 것이 가능해진다.
Rf/R1≤0.60 ···(1)
여기에서,
R1은 툴의 초기 회전 속도(rpm),
Rf는 툴의 최저 회전 속도(rpm),
이다.
Rf/R1은 바람직하게는 0.50 이하이다. 또한, Rf/R1은 바람직하게는 0.10 이상이다.
또한, 툴의 초기 회전 속도는, 상기식 (1)을 만족하면 특별히 한정되지 않고, 피접합재가 되는 강판의 강종이나 판두께에 따라서, 결정하면 좋다. 예를 들면, 피접합재로서 인장 강도가 980㎫ 이상, 판두께가 1.6㎜의 강판을 2매 사용하는 경우에는, 툴의 초기 회전 속도는 300∼1000rpm으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 툴의 회전 속도의 전환 횟수는 1회 이상이면 좋다. 특별히 한정되는 것은 아니지만, 툴의 회전 속도의 전환 횟수는 5회 이하가 바람직하다.
툴의 회전 속도를 전환하는 타이밍도 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 피접합재로서 인장 강도가 980㎫ 이상, 판두께가 1.6㎜의 강판을 2매 사용하는 경우에는, 상판의 상면으로부터의 툴(핀부) 압입 깊이가 0.8∼2.4㎜에 도달한 타이밍으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 가압력에 대해서도 특별히 한정되는 것은 아니지만, 툴의 회전 속도의 전환에 맞추어, 동시에 가압력도 전환하는 것이 적합하다. 예를 들면, 피접합재로서 인장 강도가 980㎫ 이상, 판두께가 1.6㎜의 강판을 2매 사용하는 경우에는, 툴의 회전 속도＝R1(초기 회전 속도)에서는 가압력을 10∼60kN, 툴의 회전 속도＝Rf(최저 회전 속도)에서는 가압력을 20∼70kN으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 접합 시간은 3∼60초로 하는 것이 바람직하다.
상기 이외의 조건에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 상법에 따르면 좋다.
실시예
이하, 실시예에 의해, 본 발명의 실시 형태를 보다 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명은, 이하의 실시예에 의해 제한을 받는 것이 아니라, 본 발명의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적절히 변경을 더하여 실시하는 것이 가능하다. 이들은, 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
표 1에 나타내는 성분 조성의 강(잔부는 Fe 및 불가피적 불순물)을 용제하고, 연속 주조에 의해 슬래브로 했다. 이어서, 슬래브에 열간 압연을 실시하여, 열연 강판을 얻었다. 이어서, 열연 강판에 산 세정을 실시했다. 이어서, 열연 강판에, 냉간 압연 및 어닐링을 실시하여, 냉연 강판(판두께: 1.2∼1.6㎜)을 얻었다. 이어서, 표 1의 강종 C에 대해서는, 냉연 강판에 추가로 도금 처리를 실시하고, 표면(양면)에 도금층(용융 아연 도금층)을 갖는 강판(용융 아연 도금 강판)을 얻었다. 이어서, 얻어진 강판으로부터, JIS5호 인장 시험편을 압연 직각 방향이 길이 방향(인장 방향)이 되도록 채취하여, JIS Z 2241(1998)에 준거한 인장 시험을 행하고, 인장 강도(TS)를 측정했다. 결과를 표 1에 병기한다.
이렇게 하여 얻어진 강판으로부터 50㎜×150㎜의 시험편을 잘라내고, 표 2에 나타내는 조합으로 십자로 서로 겹쳤다. 또한, 3매 겹침인 경우에는, 상판과 중판을 십자로 서로 겹치고, 중판과 하판은 평행하게 서로 겹쳤다(즉, 후술하는 십자 인장 강도의 측정에서는, 상판-중판 간에서의 십자 인장 강도를 측정했음). 이어서, 시험편의 십자 중첩부의 중심에, 표 3에 나타내는 조건으로 마찰 교반점 접합을 실시하여, 마찰 교반점 접합 조인트를 얻었다.
또한, 툴의 형상은, 숄더 지름: 10㎜, 핀 지름: 4.8㎜, 핀 측면의 경사각: 10°로 하고, 핀 길이는 접합 조건에 따라서 1.8㎜∼4.6㎜로 했다. 또한, 시료 번호 16, 18 이외에서는, 회전 속도의 전환을 행했다. 회전 속도의 전환을 행한 것 중, 시료 번호 24 이외에 대해서는, 회전 속도의 전환을 모두 1회로 했다. 또한, 시료 번호 24에 대해서는, 회전 속도의 전환을 2회로 했다. 어느 경우도, 회전 속도를 전환하는 타이밍은, 상판의 상면으로부터의 툴 압입 깊이를 기준으로 했다(표 3에 기재된 「전환 시의 툴 압입 깊이」는, 상판의 상면으로부터의 툴 압입 깊이임). 또한, 회전 속도를 전환하는 타이밍에서, 가압력도 전환했다.
또한, 툴이 압입 최대 깊이에 도달했을 때에, 육안에 의해, 숄더의 외주부와 상판의 접촉 상태를 확인한 결과, 시료 번호 13에서는, 숄더의 외주부와 상판이 접촉하고 있지 않았다. 한편, 시료 번호 13 이외의 것은 모두, 툴이 압입 최대 깊이에 도달했을 때에 숄더의 외주부와 상판이 접촉하고 있었다. 참고를 위해, 도 2에, 시료 번호 13의 마찰 교반점 접합 조인트(환상 홈부를 갖지 않는 마찰 교반점 접합 조인트)의 연직 단면의 개략도를 나타낸다.
이렇게 하여 얻어진 마찰 교반점 접합 조인트에 대해서, 전술한 방법에 의해, 오목부의 최심점의 레벨의 측정, 접합 계면의 최고점의 레벨의 측정, 접합부에 있어서의 소정 영역의 마이크로 조직의 동정, 접합부의 평균 경도의 측정 및, 환상 홈부의 유무의 확인을 행했다. 결과를 표 4에 나타낸다.
또한, 동일한 조건으로 마찬가지의 마찰 교반점 접합 조인트를 작성하고, 이를 이용하여, JIS Z3137에 준거하는 십자 인장 시험을 행하고, 십자 인장 강도를 측정했다. 결과를 표 4에 나타낸다. 또한, 십자 인장 강도가 7.0kN 이상의 경우를 합격으로 한다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
표 4에 나타낸 바와 같이, 발명예에서는 모두, 십자 인장 강도가 7.0kN 이상이고, 높은 조인트 강도가 얻어지고 있었다.
한편, 비교예에서는, 충분한 조인트 강도가 얻어지지 않았다.
1 : 강판
2 : 접합부
3 : 환상 홈부
4 : 미접합 계면
2-1 : 오목부
2-2 : 제1 유동부
2-3 : 제2 유동부
2-4 : 접합 계면

Claims (10)

  1. 서로 겹친 2매 이상의 강판과, 당해 강판의 접합부와, 당해 접합부의 상면의 환상 홈부를 갖는, 마찰 교반점 접합 조인트로서,
    상기 접합부는, 오목부와, 당해 오목부에 인접하는 제1 유동부와, 당해 제1 유동부에 인접하는 제2 유동부와, 당해 제1 유동부와 당해 제2 유동부의 경계인 접합 계면을 갖고,
    상기 오목부의 최심점의 연직 방향 위치가, 상기 강판의 하측 맞댐면을 기준 위치로 하여, －0.5㎜ 이하 및, －TL×0.50 이하 중 적어도 한쪽을 만족하고,
    상기 접합 계면의 최고점의 연직 방향 위치가, 상기 강판의 상측 맞댐면을 기준 위치로 하여, ＋TU×0.50 이상이고,
    상기 접합부에 있어서,
    상기 강판의 상측 맞댐면을 기준 위치로 하여 연직 방향 위치: ＋TU×0.20∼＋TU×0.50이고,
    상기 오목부의 중심 위치를 기준 위치로 하여 수평 방향 위치: 상기 접합 계면의 위치－400㎛∼상기 접합 계면의 위치＋100㎛
    의 영역의 마이크로 조직이,
    폴리고널 페라이트의 체적률: 70％ 이상 99％ 이하 및,
    경질상의 체적률: 1％ 이상 30％ 이하
    이고, 또한, 당해 폴리고널 페라이트의 평균 애스펙트비: 3.0 이하이고,
    상기 강판의 상측 맞댐면과 동일한 연직 방향 위치에서의 접합부의 평균 경도가 400HV 이하인, 마찰 교반점 접합 조인트.
    여기에서, 상판 및 하판은 각각, 서로 겹친 2매 이상의 강판 중, 최상부에 위치하는 강판 및 최하부에 위치하는 강판으로서,
    TU는, 상판의 강판의 판두께(㎜),
    TL은, 하판의 강판의 판두께(㎜),
    상측 맞댐면은, 상판과, 당해 상판에 인접하는 강판의 맞댐면,
    하측 맞댐면은, 하판과, 당해 하판에 인접하는 강판의 맞댐면
    이다.
    또한, 연직 방향 위치는, 기준 위치보다도 상측의 경우를 ＋, 하측의 경우를 －로 한다. 수평 방향 위치는, 기준 위치로부터의 거리로 한다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강판 중 적어도 1매의 강판의 성분 조성이, 질량％로,
    C: 0.10％ 이상,
    Si 및 Al: 합계로 0.5％ 이상,
    Mn: 1.5％ 이상,
    P: 0.10％ 이하,
    S: 0.050％ 이하, 그리고,
    N: 0.010％ 이하
    이고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인, 마찰 교반점 접합 조인트.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 성분 조성이, 추가로 질량％로,
    Nb: 0.050％ 이하,
    Ti: 0.050％ 이하,
    B: 0.0050％ 이하,
    V: 0.05％ 이하,
    Cr: 0.50％ 이하,
    Mo: 0.50％ 이하,
    Co: 0.50％ 이하,
    Cu: 0.50％ 이하,
    Ni: 0.50％ 이하,
    Sb: 0.020％ 이하, 그리고,
    Ca 및 REM: 합계로 0.010％ 이하
    로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 마찰 교반점 접합 조인트.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강판 중 적어도 1매의 강판의 인장 강도가 980㎫ 이상인, 마찰 교반점 접합 조인트.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강판 중 적어도 1매의 강판이 표면에 도금층을 갖는, 마찰 교반점 접합 조인트.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 강판 중 적어도 1매의 강판이 표면에 도금층을 갖는, 마찰 교반점 접합 조인트.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 도금층이 아연계 도금층인, 마찰 교반점 접합 조인트.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 도금층이 아연계 도금층인, 마찰 교반점 접합 조인트.
  9. 숄더부와 당해 숄더부로부터 돌출하는 핀부를 갖는 툴을 회전시키면서, 당해 핀부를 피접합재인 서로 겹친 2매 이상의 강판에 압입하고, 당해 강판을 접합하는, 마찰 교반점 접합 방법으로서,
    상기 툴의 회전 속도를, 접합 중에, 초기 회전 속도로부터 1회 이상 변화시키고,
    상기 툴의 압입 최대 깊이의 연직 방향 위치가, 상기 강판의 하측 맞댐면을 기준 위치로 하여, －0.5㎜ 이하 및, －TL×0.50 이하 중 적어도 한쪽을 만족하고, 또한, 상기 툴이 압입 최대 깊이에 도달했을 때에 상기 숄더와 상판이 접촉하는 상태이고,
    최고 도달 온도가 600℃ 이상 750℃ 이하이고,
    다음식 (1)을 만족하는, 마찰 교반점 접합 방법.
    Rf/R1≤0.60 ···(1)
    여기에서,
    R1은 툴의 초기 회전 속도(rpm),
    Rf는 툴의 최저 회전 속도(rpm),
    이다.
    또한, 상판 및 하판은 각각, 서로 겹친 2매 이상의 강판 중, 최상부에 위치하는 강판 및 최하부에 위치하는 강판으로서,
    TL은, 하판의 강판의 판두께(㎜),
    하측 맞댐면은, 하판과, 당해 하판에 인접하는 강판의 맞댐면
    이다.
    또한, 연직 방향 위치는, 기준 위치보다도 상측의 경우를 ＋, 하측의 경우를 －로 한다.
  10. 제9항에 기재된 마찰 교반점 접합 방법에 의해, 서로 겹친 2매 이상의 강판을 접합하는, 마찰 교반점 접합 조인트의 제조 방법.
KR1020247005116A 2021-08-31 2022-07-21 마찰 교반점 접합 조인트 및 그의 제조 방법, 그리고, 마찰 교반점 접합 방법 KR20240026303A (ko)

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