WO2007105573A1

WO2007105573A1 - 金属材の加工方法および構造物

Info

Publication number: WO2007105573A1
Application number: PCT/JP2007/054481
Authority: WO
Inventors: Hidetoshi Fujii; Masao Fukusumi; Yoshiaki Morisada; Takeshi Ishikawa
Original assignee: Osaka University; Osaka Municipal Government; Tokyu Car Corporation
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2007-09-20
Also published as: US20090068492A1; US7918379B2; JP2007237281A; JP4873404B2; GB2449210B; GB2449210A; GB0817128D0

Abstract

　第１ステップにおいて、後の溶融加工に伴う金属材の結晶粒の粗大化を防止するため、添加材を接合部に供給しつつ摩擦攪拌接合を行う（Ｓ０１）。その後、ＭＩＧ溶接等の溶融加工を行う（Ｓ０２）。接合部に添加する添加材は、金属材と化学反応を起こさず且つ金属材の融点より高い融点を有する物質と、金属材に対してミスフィットが±１５％以内である物質とを含む物質とする。これにより、溶融加工による結晶粒の粗大化が抑制され、接合強度を向上させることができる。

Description

明細書

金属材の加工方法および構造物

技術分野

[0001] 本発明は金属材の加工方法およびこの加工方法によって形成された構造物に関する。

背景技術

[0002] 従来の金属材の加工方法にお!、ては、摩擦攪拌接合 (FSW= Friction Stir Weldi ng)により金属材を接合する技術が知られている。摩擦攪拌接合では、接合しょうとする金属材を接合部において対向させ、回転ツールの先端に設けられたプローブを接合部に挿入し、接合部の長手方向に沿って回転ツールを回転させて 2つの金属材を接合する。摩擦攪拌接合は良好な接合強度を得ることができるが、接合部が曲面を有する場合および回転ツールを挿入しにくい場合には適用することが難しいため、実際に鉄道車両構体等の構造物を摩擦攪拌接合によって製造する際には、摩擦攪拌接合だけではなく、摩擦攪拌接合と MIG溶接等の溶融加工とを組み合わせて金属材を加工し、曲面を有する構造物を製造している（例えば、特許第 3224092号明細書参照)。

特許文献 1：特許第 3224092号明細書

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] しかし、鉄道車両構体等の製造においては性能向上の観点からさらなる高強度化の要請があり、上記のような摩擦攪拌接合と溶融加工とを組み合わせた加工方法にぉ、ても、さらに接合強度を向上させることが望まれて、る。

[0004] 本発明は、斯かる実情に鑑み、摩擦攪拌接合と溶融加工とを組み合わせて金属材を加工する場合において、接合強度を向上させることができる金属材料の加工方法およびこの加工方法によって形成された構造体を提供しょうとするものである。

課題を解決するための手段

[0005] 本発明は、 2つの金属材を接合部において対向させ、金属材と化学反応を起こさず且つ金属材の融点より高い融点を有する添加材を接合部に供給しつつ、接合部に棒状の回転ツールを挿入し、回転ツールを回転させ、 2つの金属材を接合する第 1 ステップと、接合部にさらに溶融加工を施す第 2ステップと、を含む金属材の加工方法である。

[0006] 本発明者らが鋭意研究した結果、摩擦攪拌接合の接合部に溶接等の溶融加工を施した場合、摩擦攪拌接合により歪を有していた接合部の結晶粒が溶融加工の熱により再結晶が生じて粗大化し、接合強度が低下することが判明した。しかし、上記構成によれば、第 1ステップにおいて、金属材と化学反応を起こさず且つ金属材の融点より高い融点を有する添加材を接合部に供給しつつ摩擦攪拌接合を行うため、接合部に当該添加材の粒子を混入させることができる。そのため、第 2ステップにおいて接合部にさらに溶融加工を施しても、溶融加工における溶融部と特にその周囲の熱影響部（HAZ = Heat Affected Zone)において、添加材の粒子は、金属材と化学反応を生じず且つ溶融せずに残留し、粗大化しようとする結晶粒を押え込むため、溶融加工による金属材の結晶粒の粗大化を低減することができる。その結果、溶融カロェによる摩擦攪拌接合の接合部の強度低下を低減することができ、接合強度を向上させることがでさる。

[0007] なお、本発明の金属材の加工方法の第 1ステップにおいては、回転ツールを回転させつつ接合部の長手方向に沿って移動させる場合と、接合部において回転させた回転ツールを移動させずにその箇所で回転させ続ける場合とを含む。また、本明細書で「摩擦攪拌接合」とは、（1)板状の金属材の端部同士を突き合わせて接合部とし、回転ツールをその接合部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属材同士を接合する摩擦攪拌接合、（2)板状の金属材の端部同士を突き合わせて接合部とし、回転ツールをその接合部で移動させずに回転させて接合するスポット摩擦攪拌接合 (スポット FSW)、（3)金属材同士を接合部において重ね合わせ、少なくとも一方の金属材を貫通する孔を通して接合部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその箇所で移動させずに回転させて金属材同士を接合するスポット摩擦攪拌接合、（4) 金属材同士を接合部において重ね合わせ、少なくとも一方の金属材を貫通する孔を通して接合部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその接合部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属材同士を接合する摩擦攪拌接合の（1)〜 (4)の 4つの態様およびこれらの組み合わせを含む。

[0008] また本発明は、 2つの金属材を接合部において対向させ、金属材の単位結晶格子の稜の長さ aに対して当該単位結晶格子の稜の長さ a'の整数倍および整数倍分の 1 の!ヽずれかが士 15%以内である添加材を接合部に供給しつつ、接合部に棒状の回転ツールを挿入し、回転ツールを回転させ、 2つの金属材を接合する第 1ステップと、接合部にさらに溶融加工を施す第 2ステップと、を含む金属材の加工方法である。

[0009] 上記構成によれば、第 1ステップにおいて、金属材の単位結晶格子の稜の長さ aに対して当該結晶格子の稜の長さ a，の整数倍および整数倍分の 1のいずれかが ± 15 %以内である添加材を接合部に供給しつつ摩擦攪拌接合を行うため、接合部の金属材の結晶に対してミスフィット（Miss Fit)が小さい添加材の粒子を混入させることができる。そのため、第 2ステップにおいて接合部にさらに溶融加工を施すと、溶融部において金属材が再凝固する際に、金属材の結晶に対してミスフィットの小さい添カロ材の粒子が凝固核となり、添加材の粒子ごとに結晶粒が生成される。このため、添カロ材の粒子ごとに凝固する金属材の結晶粒のそれぞれの大きさが小さなものとなり、それぞれの小さな結晶粒が粗大化しようとしても互いにぶつ力り合いそれ以上に大きくなることができないため、金属材の結晶粒の粗大化を低減することができる。その結果、溶融加工による摩擦攪拌接合の接合部の強度低下を低減することができ、接合強度を向上させることができる。

[0010] また本発明は、 2つの金属材を接合部において対向させ、金属材と化学反応を起こさず且つ金属材の融点より高い融点を有する添加材と、金属材の単位結晶格子の稜の長さ aに対して当該単位結晶格子の稜の長さ a'の整数倍および整数倍分の 1のいずれかが ± 15%以内である添加材と、を接合部に供給しつつ、接合部に棒状の回転ツールを挿入し、回転ツールを回転させ、 2つの金属材を接合する第 1ステップと、接合部にさらに溶融加工を施す第 2ステップと、を含む金属材の加工方法である

[0011] この構成によれば、第 1ステップにおいて、金属材と化学反応を起こさず且つ金属材の融点より高い融点を有する添加材と、金属材の結晶に対してミスフィットが小さい添加材とを接合部に供給しつつ摩擦攪拌接合を行うため、各々の添加材の粒子を接合部の金属材に混入させることができる。そのため、第 2ステップにおいて接合部にさらに溶融加工を施しても、金属材の融点より高い融点の添加材の粒子が熱により粗大化しようとする結晶粒を押え込み、さらに金属材の結晶に対してミスフィットが小さい添加材の粒子が凝固核となり、再凝固する金属材の個々の結晶粒の大きさが小さくなるため、金属材の結晶粒の粗大化を低減することができる。その結果、溶融カロェによる摩擦攪拌接合の接合部の強度低下を低減することができ、接合強度を向上させることがでさる。

[0012] なお、本発明においては、金属材と化学反応を起こさず且つ金属材の融点より高い融点を有する添加材と、金属材の単位結晶格子の稜の長さ aに対して当該単位結晶格子の稜の長さ a，の整数倍および整数倍分の 1のいずれかが ± 15%以内である添加材との 2種類の添加材を接合部に供給する場合と、金属材と化学反応を起こさず、金属材の融点より高い融点を有し、且つ金属材の単位結晶格子の稜の長さ aに対して当該単位結晶格子の稜の長さ a'の整数倍および整数倍分の 1のいずれかが ± 15%以内である 1種類の添加材を接合部に供給する場合との両方を含むものとする。

[0013] この場合、第 1ステップにおいて、接合部の長手方向に沿って回転ツールを回転させつつ移動させ、 2つの金属材を接合することができる。この構成によれば、接合部の長手方向に沿って回転ツールを回転させつつ移動させて 2つの金属材を接合するため、 2つの金属材の間にある接合部が長い場合でも、 2つの金属材を接合することがでさる。

[0014] 一方、第 1ステップにおいて、接合部への添加材の供給は、接合部に回転ツールを挿入する前に、接合部に添加材を配置することによって行うことができる。この構成によれば、予め接合部に添加材を配置するため、容易かつ確実に接合部に添加材を供給することができる。

[0015] また、第 1ステップにおいて、接合部への添加材の供給は、回転ツールの移動に伴い、接合部における回転ツールの移動先の部位に添加材を放出することによって行うことができる。この構成によれば、回転ツールの移動先の部位に添加材を放出するため、実際の加工作業現場で接合部の位置が変動する場合や、接合部の回転ツールを挿入する向きが垂直下向き方向以外の方向である場合でも対応することができる。

[0016] この場合、第 1ステップにおいて、接合部において回転ツールを移動させる前に、接合部を回転ツールと対向する方向に開いた開先に加工することができる。この構成によれば、接合部を回転ツールと対向する方向に開いた開先に加工し、当該開先に添加材を放出するため、開先に添加材が一時的に滞留し、接合部に添加材をー層供給しやすくすることができる。

[0017] 一方、第 1ステップにおいて、接合部への添加材の供給は、回転ツール内部から接合部へ添加材を放出することによって行うことができる。この構成によれば、回転ツール内部から接合部へ添加材を放出するため、確実に接合部へ添加材を供給することができ、接合部の位置が変動する場合や、接合部の回転ツールを挿入する向きが垂直下向き方向以外の方向である場合でも対応することができる。

[0018] また、第 1ステップにお、て、接合部への添加材の供給は、予め回転ツールの材料に添加材を含有させておき、回転ツールを回転させることにより、回転ツールを磨耗させつつ接合部に添加材を供給することができる。この構成によれば、添加材を含有する回転ツールの磨耗に伴!ヽ接合部に添加材を供給するため、接合部にむらなく添加材を供給することができ、添加材の分散性を一層向上させることができる。

[0019] 一方、本発明の別の態様は、本発明の金属材の加工方法によって、 2つ以上の金属材を加工して形成された構造物である。この構成によれば、本発明の加工方法によって、摩擦攪拌接合と溶融加工とを組み合わせて形成されているため、溶融加工による摩擦攪拌接合部の接合強度の低下が少なぐ一層高強度の構造物とすることができる。

発明の効果

[0020] 本発明の金属材の加工方法によれば、溶融加工による摩擦攪拌接合の接合部の強度低下を低減することができ、接合強度を向上させることができる。また本発明の構造物は、溶融加工による摩擦攪拌接合部の接合強度の低下が少なぐ一層高強度の構造物とすることができる。図面の簡単な説明

[図 1]本発明の第 1実施形態に係る金属材の加工方法の流れを示すフロー図である

[図 2]本発明の第 1実施形態に係る回転ツールを示す斜視図である。

[図 3]本発明の第 1実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す斜視図である。

[図 4]本発明の第 1実施形態に係る金属材の加工方法によって形成された鉄道車両構体を示す斜視図である。

[図 5]本発明の第 2実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す斜視図である。

[図 6]本発明の第 3実施形態に係る回転ツールを示す斜視図である。

[図 7]本発明の第 3実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す断面図である。

[図 8]本発明の第 4実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す斜視図である。

[図 9]本発明の第 5実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す斜視図である。

[図 10]本発明の第 1実験例に係る SiC粉末を示す図である。

[図 11]実験例 1の摩擦攪拌処理を行った部位の状態を示す図である。

[図 12]実験例 1の母材と攪拌部との境界を拡大した図である。

[図 13]実験例 1における AZ31材の微小硬度を示すグラフ図である。

[図 14] AZ31材の結晶粒を示す図である。

[図 15]200°C、 1時間の熱処理を施した AZ31材の結晶粒を示す図である。

[図 16]300°C、 1時間の熱処理を施した AZ31材の結晶粒を示す図である。

[図 17]400°C、 1時間の熱処理を施した AZ31材の結晶粒を示す図である。

[図 18]摩擦攪拌処理後の AZ31材の結晶粒を示す図である。

[図 19]摩擦攪拌処理後、 200°C、 1時間の熱処理を施した AZ31材の結晶粒を示す図である。

[図 20]摩擦攪拌処理後、 300°C、 1時間の熱処理を施した AZ31材の結晶粒を示す図である。

[図 21]摩擦攪拌処理後、 400°C、 1時間の熱処理を施した AZ31材の結晶粒を示す図である。

[図 22]SiCを添加した摩擦攪拌処理後の AZ31材の結晶粒を示す図である。 [図 23]SiCを添カ卩した摩擦攪拌処理後、 200°C、 1時間の熱処理を施した AZ31材の結晶粒を示す図である。

[図 24]SiCを添カ卩した摩擦攪拌処理後、 300°C、 1時間の熱処理を施した AZ31材の結晶粒を示す図である。

[図 25]SiCを添カ卩した摩擦攪拌処理後、 400°C、 1時間の熱処理を施した AZ31材の結晶粒を示す図である。

[図 26]SiCを添加した摩擦攪拌処理後に熱処理を施した AZ31材の結晶粒の界面を拡大した図である。

[図 27]AZ31材の熱処理前後の微小硬度を示すグラフ図である。

圆 28]摩擦攪拌処理後の AZ31材の熱処理前後の微小硬度を示すグラフ図である。

[図 29]SiCを添加した摩擦攪拌処理後の AZ31材の熱処理前後の微小硬度を示すグラフ図である。

[図 30]種々の添加材を添加した摩擦攪拌処理後の AZ31材の微小硬度を示すダラフ図である。

[図 31]実験例 2における A1050材の微小硬度を示すグラフ図である。

[図 32]実験例 3における A1050材の接合部の硬度を示すグラフ図である。

圆 33]実験例 3における A1050材の溶融接合部と摩擦攪拌接合部との境界における硬度分布を示すグラフ図である。

符号の説明

10 回転ツール

12 プローブ

14 ショノレダ一

16 回転ツール本体

18 添カロ材

20 添カロ材放出ノズル

22 添加材放出孔

24 添加材供給路

100, 102 金属材 106 開先

108 SiC粉末

110 母材

112 攪拌部

114 結晶粒界面

116 揷入孔

118 接合済み部

200 車両構体

202, 204 屋根構

206, 208 側構

210 台枠

212 妻構

214, 216 軒部材

218 摩擦攪拌接合部

220 溶融接合部

222 重複加工部

発明を実施するための最良の形態

[0023] 以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。なお、同一の構成要素は同一の符号で示し、重複する説明は省略する。

[0024] まず、本実施形態に係る金属材の加工方法の大まかな流れを説明する。図 1は、本発明の第 1実施形態に係る金属材の加工方法の流れを示すフロー図である。図 1 に示すように、本実施形態においては、第 1ステップにおいて、後の溶融加工に伴う金属材の結晶粒の粗大化を防止するため、添加材を接合部に供給しつつ摩擦攪拌接合を行う（S01)。一般的な曲面や回転ツールを挿入しにくい部位を有する構造物は、摩擦攪拌接合のみでは形成することが難しいため、その後、 MIG溶接等の溶融加工を行う（S02)。

[0025] 以下、本実施形態の加工方法の各ステップについて詳細に説明する。図 2は、本発明の第 1実施形態に係る回転ツールを示す斜視図である。図 2に示すように、回転ツール 10は、略円柱状の回転ツール本体 16からなる。回転ツール 10は、回転ツール本体 16の先端に、ショルダー 14と金属材同士の接合部に挿入されるプローブ 12 とを備えている。プローブ 12は、ショルダー 14より小径の略円柱形をなしている。本実施形態において、回転ツール 10の材質は、例えば、 JISに規格されている SKD6 1鋼等の工具鋼や、タングステンカーバイト (WC)、コバルト（Co)力なる超硬合金、または Si N等のセラミックスからなるものとすることができる。

3 4

[0026] 図 3は、本発明の第 1実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す斜視図である。

図 3に示すように、本実施形態の摩擦攪拌接合では、 2つの金属材 100, 102を接合部 104において突き合わせる。金属材 100, 102としては、例えば、 A1材、 Fe材、 M g材を適用することができる。あるいは、これらの金属材に繰り返し重ね接合圧延 (AR B= Accumulative RoU-Bonding)等の組織制御を行い、金属材の平均結晶粒径を 10 m以下に微細化した超微粒子材を適用することができる。

[0027] 本実施形態の摩擦攪拌接合においては、接合部 104には、回転ツール 10を挿入する前に、金属材 100, 102と化学反応を起こさず且つ金属材 100, 102の融点より高い融点を有する物質と、金属材 100, 102の単位結晶格子の稜の長さ aに対して当該単位結晶格子の稜の長さ a，の整数倍および整数倍分の 1のいずれかが ± 15 %以内である物質とを含む添加材 18を充填する。

[0028] 金属材 100, 102と化学反応を起こさず且つ金属材 100, 102の融点より高い融点を有する物質は、後に行う溶融加工の際に溶融せずに残留し、金属材 100, 102の結晶粒の粗大化を防ぐための物である。金属材 100, 102が A1材、 Fe材、 Mg材ぉよびこれらの超微粒子材である場合にぉヽて、これらと化学反応を起こさず且つこれらの融点より高い融点を有する物質としては、 Ti, W等の高融点の金属、および SiC , TiC, Si N , BN, A1N, Al O , ZrO , MgO等の炭化物、窒化物、酸化物のいず

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れかを適用することができ、特には SiCを適用することができる。これらの物質は、摩擦攪拌接合の際に接合部 104で分散しやすいように、平均粒径 0. 5〜5 111の粒状にされる。

[0029] 金属材 100, 102の単位結晶格子の稜の長さ aに対して当該単位結晶格子の稜の長さ a，の整数倍および整数倍分の 1のいずれかが ± 15%以内である物質、すなわちミスフィットが ± 15%以内である物質は、後に行う溶融加工後の金属材が再凝固する際に、凝固核となり、金属材の結晶粒の大きさを小さくするための物である。金属材 100, 102が A1材である場合には、ミスフィットが ± 15%以内である物質としては、 VC (ミスフィット 1. 4%)、TiC (ミスフィット 6. 8%)、TiB (ミスフィット 4. 8%)、 A1B (

2 2 ミスフィット 3. 8%)、 ZrC (ミスフィット 14. 5%)、 NbC (ミスフィット 8. 6%)および W C

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(ミスフィット 3. 5%)等を適用することができる。金属材 100, 102が Fe材である場合には、ミスフィットが ± 15%以内である物質としては、 TiN (ミスフィット 3. 8%)、 TiC ( ミスフィット 5. 8%)、 SiC (ミスフィット 6. 0%)、 ZrN (ミスフィット 11. 2%)、WC (ミスフイット 12. 6%)および ZrC (ミスフィット 14. 4%)等を適用することができる。金属材 10 0, 102が Mg材である場合には、合金成分に A1を含まない Mg材については、 Zr粒子を添加することにより、 Zr粒子を凝固核とすることができる。また合金成分に A1を含む Mg材については、 C粒子を添加すると反応生成物の Al Cが凝固核となる。これ

4 3

らの物質は、摩擦攪拌接合の際に接合部 104で分散しやすいように、平均粒径 0. 5 〜5 μ mの粒状にされる。

[0030] 上記の金属材 100, 102と化学反応を起こさず且つ金属材 100, 102の融点より高い融点を有する物質と、金属材 100, 102とのミスフィットが ± 15%以内である物質とは、それぞれ異なる物質を適用して、各々を混合して添加材 18とすることができる。あるいは、上記の金属材 100, 102に対して、化学反応を起こさず且つ金属材 100, 102の融点より高い融点を有し、且つミスフィットが ± 15%以内である一種類の物質を適用して、添加材 18としても良い。

[0031] 接合部 104に添加材 18を充填した後、接合部 104に回転ツール 10を挿入する。

接合部 104の長手方向に沿って回転ツールを回転させつつ移動させて、金属材 10 0, 102を接合する。接合部 104に充填した添加材 18の粒子は、回転ツール 10によつて攪拌され、金属材 100, 102と混合される。なお、接合部 104において回転ツール 10を移動させずにその場所で回転させるスポット摩擦攪拌接合によっても金属材 100, 102同士を接合することができる。

[0032] 図 4は、本発明の第 1実施形態に係る金属材の加工方法によって形成された鉄道車両構体を示す斜視図である。図 4に示すように、鉄道車両構体 200は、金属材である屋根構 202, 204、側構 206, 208、台枠 210、妻構 212および軒部材 214, 21 6からなる。図 4の例では、摩擦攪拌接合部 218において、側構 206と軒部材 214との間、側構 208と軒部材 216との間が摩擦攪拌接合によって接合される。その後、溶融接合部 220において、一部に曲線部分を含む側構 206, 208同士および軒部材 2 14, 216同士が溶融接合によって接合される。摩擦攪拌接合部 218と溶融接合部 2 20との交点において、金属材に摩擦攪拌接合が施された後に、さらに溶融接合が行われた重複加工部 222が形成される。なお、本実施形態においては、図 4に示すような摩擦攪拌接合部 218と溶融接合部 220とが一部交わるようにすること以外にも、摩擦攪拌接合部 218の上カゝら重ねて溶融加工を行い、摩擦攪拌接合部 218と溶融接合部 220とを完全に重複させることもできる。また、摩擦攪拌接合を行った直後に溶融接合を行う以外にも、摩擦攪拌接合部 218の部分的な空洞や溝状欠陥を補修する場合や、摩擦攪拌接合部 218が時間の経過により劣化した部分を補修する場合に、摩擦攪拌接合部 218に溶融加工を施すこともできる。溶融加工としては、ガス溶接、プラズマ溶接を適用することができる。あるいは、サブマージ溶接、 MIG溶接、 TIG 溶接、 CO

2溶接、被覆アーク溶接等のアーク溶接や、スポット溶接等を適用することができる。

以下、本実施形態の金属材の加工方法の作用効果について説明する。本発明者らの研究の結果、摩擦攪拌接合の接合部に溶接等の溶融加工を施した場合、摩擦攪拌接合により歪を有していた接合部の結晶粒が、溶融加工の熱により再結晶が生じて粗大化し、接合強度が低下することが判明した。そこで本実施形態においては、接合部 104に、金属材 100, 102と化学反応を起こさず、且つ金属材 100, 102の融点より高い融点を有する添加材 18の粒子を混入させる。この添加材 18の粒子は、その後に接合部 104に溶融加工を施しても、金属材 100, 102と化学反応を起こさず、溶融加工の熱により溶融せずに残留する。そして、添加材 18の粒子が、溶融加工の熱により粗大化しようとする金属材 100, 102の結晶粒を押え込むため、金属材 100 , 102の結晶粒の粗大化を低減することができる。この作用は、溶融加工による溶融部の周囲の熱影響部において特に顕著である。その結果、その後の溶融加工による摩擦攪拌接合の接合部 104の強度低下を低減することができ、接合強度を向上させることがでさる。

[0034] なお、金属材 100, 102に超微粒子材を適用した場合には、超微粒子材と化学反応を起こさず且つ超微粒子材の融点より高い融点を有する添加材 18を接合部 104 に混入させて摩擦攪拌接合を行うと、摩擦攪拌接合直後の接合強度を著しく向上させることができる。

[0035] 一方、本実施形態においては、接合部 104に、金属材 100, 102の単位結晶格子の稜の長さ aに対して当該単位結晶格子の稜の長さ a'の整数倍および整数倍分の 1 の！、ずれか（ミスフィット）が ± 15%以下である添加材 18の粒子を混入させる。その後に接合部 104に溶融加工を施すと、溶融加工による溶融部において金属材 100, 102が再凝固する際に、金属材 100, 102の結晶に対するミスフィットの小さい添カロ材 18の粒子が凝固核となり、添加材 18の粒子ごとに結晶粒が生成される。このため、添加材 18の粒子ごとに凝固する金属材 100, 102の結晶粒のそれぞれの大きさは小さなものとなり、それぞれの小さな結晶粒が粗大化しようとしても互いにぶつ力り合いそれ以上に大きくなることができないため、金属材 100, 102の結晶粒の粗大化を低減することができる。その結果、その後の溶融加工による摩擦攪拌接合の接合部 1 04の強度低下を低減することができ、接合強度を向上させることができる。

[0036] 特に本実施形態においては、回転ツール 10を接合部 104に挿入する前に、接合部 104に添加材 18を充填するため、容易かつ確実に接合部 104に添加材 18を供給することができる。

[0037] 以下、本発明の第 2実施形態について説明する。図 5は、本発明の第 2実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す斜視図である。図 5に示すように本実施形態では、添加材放出ノズル 20から添加材 18を回転ツール 10の移動先の部位に放出することによって、接合部 104に添加材 18を供給する点が、上記第 1実施形態と異なっている。本実施形態では、添加材放出ノズル 20は、回転ツール 10の移動に対応して移動するようにされており、回転ツール 10の移動する先の部位に添加材 18を放出することができるようにされている。また本実施形態では、回転ツール 10を移動させる前に、接合部 104を回転ツール 10と対向する方向に開いた開先 106にカ卩ェしてもよい [0038] 本実施形態においては、回転ツール 10を移動させる部位に添加材 18を放出するため、実際の加工作業現場で接合部 104の位置が変動する場合や、接合部 104の回転ツールを挿入する向きが垂直下向き方向以外の方向である場合でも対応することができる。また、開先 106に添加材 18が一時的に滞留するため、接合部 104に添加材 18を一層供給しやすくすることができる。

[0039] 以下、本発明の第 3実施形態について説明する。図 6は本発明の第 3実施形態に係る回転ツールを示す斜視図であり、図 7は本発明の第 3実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す断面図である。本実施形態では、回転ツール 10の移動の移動に伴い、回転ツール 10内部力接合部 104へ添加材 18を放出する点力上記第 1実施形態と異なっている。図 6に示すように本実施形態の回転ツール 10には、プロ一ブ 12の先端と側面、ショルダー 14の先端に添加材放出孔 22が設けられ、回転ツール本体 16の内部には添加材放出孔 22に通じる添加材供給路 24が設けられている。図 7に示すように、摩擦攪拌接合の際には、回転ツール 10を回転させながら移動させると同時に、添加材供給路 24を介して添加材 18を供給し、添加材放出孔 22から添加材 18を放出させる。添加材 18は開先 106に一時的に滞留し、回転ツール 10の回転に伴い、金属材 100, 102の粒子と混合される。

[0040] 本実施形態においては、回転ツール 10内部力も接合部 104へ添加材 18を放出するため、確実に接合部 104へ添加材 18を供給することができ、接合部 104の位置が変動する場合や、接合部 104の回転ツール 10を挿入する向きが垂直下向き方向以外の方向である場合でも対応することができる。

[0041] 以下、本発明の第 4実施形態について説明する。図 8は、本発明の第 4実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す斜視図である。本実施形態では、予め回転ツール 1 0の材料に添加材を含有させておき、接合部 104の長手方向に沿って回転ツール 1 0を回転させつつ移動させることにより、回転ツール 10を磨耗させつつ接合部 104に添加材を供給する点が、上記第 1実施形態と異なっている。本実施形態において金属材 100, 102は A1材であり、回転ツール 10は多孔質 TiCからなる。金属材 100, 1 02が A1材である場合、 TiCは、 A1材と化学反応を起こさず、 A1材の融点より高い融点を有し、且つ A1材とのミスフィットが ± 15%以下である物質である。図 8に示すように、回転ツール 10が接合部 104において回転しつつ移動することにより、回転ツール 10が磨耗し、接合部 104に添加材である TiCを供給することができる。なお、金属材 100, 102の材質により、回転ツール 10の磨耗量が大きい場合には、図 4に示すような重複加工部 222にのみ、添加材を含有させた回転ツールを用いて摩擦攪拌接合を行うことにより、回転ツール 10の磨耗量を低減させ、回転ツール 10の寿命を長くすることができる。

[0042] 本実施形態においては、添加材を含有する回転ツール 10の磨耗に伴い接合部 10 4に添加材を供給するため、接合部 104にむらなく添加材を供給することができ、添加材の分散性を一層向上させることができる。

[0043] 以下、本発明の第 5実施形態について説明する。図 9は、本発明の第 5実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す斜視図である。本実施形態においては、回転ツール 10を移動させずに接合するスポット摩擦攪拌接合を行う点が上記第 1〜4実施形態と異なっている。図 9に示すように、本実施形態においては、金属材 100, 102同士を接合部 104にて重ね合わせ、少なくとも金属材 102を貫通する挿入孔 116を穿設し、回転ツール 10を挿入する前に挿入孔 116に添加材 18が充填する。次に、回転ツール 10のプローブ 12を揷入孔 116を通して接合部 104に挿入して回転させ、金属材 100, 102を接合する。接合後は、図 9に示すような接合済み部 118が形成される。

[0044] 本実施形態においては、重ね合わせた金属材 100, 102同士を接合することができる。また、回転ツール 10を挿入孔 116を介して接合部 104に挿入する前に、挿入孔 116に添加材 18を充填するため、容易かつ確実に接合部 104に添加材 18を供給することができる。なお、挿入孔 116に挿入した回転ツール 10を回転させつつ接合部 104の長手方向に沿って移動させて金属材 100, 102を接合する摩擦攪拌接合によっても、重ね合わせた金属材 100, 102同士を接合することができる。また、本実施形態においては、接合部 104への添加材 18の供給は、上記第 2実施形態のようにノズル 20より添加材 18を放出して供給する方法、上記第 3実施形態のように回転ツール 10内部から添加材 18を放出して供給する方法、上記第 4実施形態のように添加材 18を含有する回転ツール 10の磨耗に伴い接合部 104に添加材を供給する方法のいずれの方法もとることができる。

[0045] 次に、本発明者が本発明の金属材の加工方法により、実際に金属材の加工を行つた実験結果を、従来法により接合した場合と比較して説明する。

[0046] 実験例 1

厚さ 6mmの AZ31材 (A1を 3%、 Znを 1%含有する Mg合金）を用意した。用意した AZ31材の表面に、摩擦攪拌接合による接合部を想定して、幅 lmm、深さ 2mmの溝を形成した。形成した溝に、図 10に示す粒径 0. 5〜5 /ζ πι、平均粒径: mの SiC 粉末 108を充填した。図 3に示すような摩擦攪拌接合を想定して、 AZ31材表面の Si C粉末を充填した溝に回転ツール 10のプローブ 12を挿入し、回転ツール 10を回転させつつ移動させる摩擦攪拌処理を行った。

[0047] 図 11は本実験例の摩擦攪拌処理を行った部位の状態を示す図であり、図 12は母材と攪拌部との境界を拡大した図である。図 11に示すように、 AZ31材である母材 11 0に対して、回転ツール 10により摩擦攪拌処理を施した攪拌部 112は結晶粒の状態が変化していることが判る。また、図 12に拡大して示すように、攪拌部 112内には Si C粉末 108が混入されて、ることが判る。

[0048] 一方、比較のため、 SiC粉末を溝に充填せずに同様の摩擦攪拌処理を施した AZ3 1材と、摩擦攪拌処理を施していない AZ31材とを用意した。以下、 3種類の AZ31材に対してそれぞれ測定および観察を行った。

[0049] 図 13は、本実験例における AZ31材の微小硬度を示すグラフ図である。図 13に示すように、摩擦攪拌処理を行って、な、AZ31材の微小硬度が 40〜50Hvであるに対し、摩擦攪拌処理を行った AZ31材の微小硬度は、表面カゝら深さ 2mmまでの攪拌された部位にぉ、て 52〜57Hvに増大して!/、ることが判る。さらに図 13に示すように、溝に SiC粉末を充填して摩擦攪拌処理を行った AZ31材の微小硬度は、 SiCが添カロされた表面力も深さ 2mmまでの部位にお!、て最大で 77Hvまで増大して!/、ることが判る。

[0050] 次に、 3種類の AZ31材の各々に対し、溶融加工を想定して、 200°C, 1時間の熱処理、 300°C, 1時間の熱処理、および 400°C, 1時間の熱処理をそれぞれ施し、熱処理を施した AZ31材の各々に対して観察および測定を行った。

[0051] 図 14〜17はそれぞれ、熱処理を施していない AZ31材、 200°C, 1時間の熱処理を施した AZ31材、 300°C, 1時間の熱処理を施した AZ31材、および 400°C, 1時間の熱処理を施した AZ31材の結晶粒を示す図である。図 14〜 17に示すように、 AZ3 1材に対する熱処理の温度が高くなつた場合でも、結晶粒の大きさの変動は少ないことが判る。

[0052] 図 18〜21はそれぞれ、摩擦攪拌処理後の AZ31材、摩擦攪拌処理後に 200°C, 1時間の熱処理を施した AZ31材、摩擦攪拌処理後に 300°C, 1時間の熱処理を施した AZ31材、および摩擦攪拌処理後に 400°C, 1時間の熱処理を施した AZ31材の結晶粒を示す図である。図 18〜21に示すように、摩擦攪拌処理を施した AZ31材に対する熱処理の温度が高くなるほど、母材以上に結晶粒が粗大化していることが判る。これは、摩擦攪拌処理により歪を有していた結晶粒が、熱処理の熱により再結晶が生じて粗大化したためと考えられる。

[0053] 一方、図 22〜25はそれぞれ、 SiCを添カ卩した摩擦攪拌処理後の AZ31材、 SiCを添加した摩擦攪拌処理後に 200°C, 1時間の熱処理を施した AZ31材、 SiCを添カロした摩擦攪拌処理後に 300°C, 1時間の熱処理を施した AZ31材、および SiCを添カロした摩擦攪拌処理後に 400°C, 1時間の熱処理を施した AZ31材の結晶粒を示す図である。図 22〜25に示すように、熱処理の温度が高くなつた場合でも、結晶粒の粗大化は生じていないことが判る。図 26は、 SiCを添加した摩擦攪拌処理後に熱処理を施した AZ31材の結晶粒の界面を拡大した図である。図 26に示すように、 SiC粉末 108が結晶粒界面 114に留まり、熱により粗大化しようとする結晶粒を押さえ込んだため、結晶粒の粗大化が抑制されたものと考えられる。

[0054] 図 27〜29はそれぞれ、 AZ31材、摩擦攪拌処理後の AZ31材、および SiCを添加した摩擦攪拌処理後の AZ31材につヽて、それぞれの熱処理前後の微小硬度を示したグラフ図である。図 27に示すように、摩擦攪拌処理を行っていない AZ31材は、熱処理前後で微小硬度の変動が少ないことが判る。しかし、図 28に示すように、摩擦攪拌処理後の AZ31材は、熱処理温度が上がるにつれ、微小硬度が減少することが判る。一方、図 29に示すように、 SiCを添加した摩擦攪拌処理後の AZ31材は、 SiC が添加された表面力も深さ 2mmまでの部位にぉ、て、微小硬度が減少してヽな、ことが判る。

[0055] さらに、表面に幅 lmm、深さ 2mmの溝を形成した厚さ 6mmの AZ31材を用意し、溝にそれぞれ粉末状の SiC、 WC、 Siを充填し、上記と同様に摩擦攪拌処理を行い、その微小硬度を測定した。図 30は、種々の添加材を添加した摩擦攪拌処理後の AZ 31材の微小硬度を示すグラフ図である。なお、図中破線は、 AZ31材自体の微小硬度である 41を示す。図 30に示すように、それぞれの添加材を添加して摩擦攪拌処理を行った AZ31材は、その微小硬度が増加していることが判る。さらに、 WC, Siは、 S iCと同様に AZ31材と化学反応を起こさず且つ AZ31材よりも高融点を有する物質であるため、これらの AZ31材に溶融力卩ェを施したとしても、結晶粒の粗大化が抑制され、微小硬度の低下が抑制されるものと考えられる。

[0056] 実験例 2

厚さ 6mmの JIS H 4000に規定のアルミニウム材である A1050材を用意した。上記実験例 1と同様に、表面に幅 lmm、深さ 2mmの溝を形成し、溝に SiC粉末を充填して摩擦攪拌処理を行った。摩擦攪拌処理後の A1050材に対し、 300°C, 1時間の熱処理を施した。また、比較のため、 SiC粉末を添加せずに摩擦攪拌処理を行った A1050材と、摩擦攪拌処理を行っていない A1050材とに対しても、 300°C, 1時間の熱処理を施した。熱処理の前後において、それぞれの A1050材の微小硬度を測し 7こ。

[0057] 図 31は、本実験例における A1050材の微小硬度を示すグラフ図である。図 31に示すように、摩擦攪拌処理を施して!/ヽな!ヽ A1050材は熱処理の前後で微小硬度の変動が少ないが、摩擦攪拌処理を施した A1050材は熱処理後に微小硬度が大きく低下していることが判る。一方、 SiCを添加して摩擦攪拌処理を施した A1050材は、熱処理の前後で微小硬度の変動が少ないことが判る。

[0058] 実験例 3

厚さ 5mmの JIS H 4000に規定のアルミニウム材である A1050材を 2枚用意した。図 3に示すように、互いの A1050材を接合部で突き合わせ、接合部に平均粒径 1 mの TiC粉末を充填し、回転ツールの回転速度 500rpm、接合速度 500mmZmi nで摩擦攪拌接合を行った。摩擦攪拌接合による接合部の幅は、 A1050材の表面で 10mmである。次に、摩擦攪拌接合による接合部の真上から当該接合部に平行に、 180Aで 200mmZminの接合速度で TIG溶接によるメルトラン溶接を行った。溶融した範囲の幅は、 A1050材の板の厚みの中心で 6mm程度となった。その後、当該接合部の横断面における板の厚みの中心部分の硬度を 0. 3mmピッチで測定した。

[0059] 図 32は、実験例 3における A1050材の接合部の硬度を示すグラフ図である。図 32 に示すように、摩擦攪拌接合による接合部に重ねて TIG溶接を行った接合部から士 2. 5mmの範囲では、その周辺の母材よりも高い硬度となっていることが判る。これは、 TiC粒子が分散していた領域と一致する。

[0060] また、 A1050材に上記と同様の摩擦攪拌接合を行った後、摩擦攪拌接合による接合部の垂直方向に横断するように、 180Aで TIG溶接によるメルトラン溶接を行った。図 33は、実験例 3における A1050材の溶融接合部と摩擦攪拌接合部との境界における硬度分布を示すグラフ図であり、摩擦攪拌接合の長手方向に平行で、溶融接合部の長手方向に垂直な断面における硬度分布を示す図である。図 33に示すように、溶融接合部においては、微細な結晶粒力もなる凝固組織となり、硬さの低下がほとんどなぐ溶融接合の熱影響部においても、粒成長が抑制され、全く硬度の変化がないことがないことが判る。このように、摩擦攪拌接合による接合部に溶融溶接を行っても、近傍部を含む接合部全体にお、て硬度 (強度)の低下が生じて、な、ことが判る

[0061] 尚、本発明の金属材の加工方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなぐ本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更をカ卩ぇ得ることは勿論である。

Claims

請求の範囲

[1] 2つの金属材を接合部において対向させ、前記金属材と化学反応を起こさず且つ前記金属材の融点より高い融点を有する添加材を前記接合部に供給しつつ、前記接合部に棒状の回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させ、前記 2つの金属材を接合する第 1ステップと、

前記接合部にさらに溶融加工を施す第 2ステップと、

を含む金属材の加工方法。

[2] 2つの金属材を接合部において対向させ、前記金属材の単位結晶格子の稜の長さ aに対して当該単位結晶格子の稜の長さ a'の整数倍および整数倍分の 1のいずれかが ± 15%以内である添加材を前記接合部に供給しつつ、前記接合部に棒状の回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させ、前記 2つの金属材を接合する第 1ステツプと、

前記接合部にさらに溶融加工を施す第 2ステップと、

を含む金属材の加工方法。

[3] 2つの金属材を接合部において対向させ、前記金属材と化学反応を起こさず且つ前記金属材の融点より高!、融点を有する添加材と、前記金属材の単位結晶格子の稜の長さ aに対して当該単位結晶格子の稜の長さ a'の整数倍および整数倍分の 1のいずれかが ± 15%以内である添加材と、を前記接合部に供給しつつ、前記接合部に棒状の回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させ、前記 2つの金属材を接合する第 1ステップと、

前記接合部にさらに溶融加工を施す第 2ステップと、

を含む金属材の加工方法。

[4] 前記第 1ステップにおいて、前記接合部の長手方向に沿って前記回転ツールを回転させつつ移動させ、前記 2つの金属材を接合する請求項 1〜3のいずれか 1項に記載の金属材の接合方法。

[5] 前記第 1ステップにおいて、前記接合部への前記添加材の供給は、前記接合部に回転ツールを挿入する前に、前記接合部に前記添加材を配置することによって行う、請求項 1〜4のいずれか 1項に記載の金属材の加工方法。

[6] 前記第 1ステップにお、て、前記接合部への前記添加材の供給は、前記回転ツールの移動に伴、、前記接合部における前記回転ツールの移動先の部位に前記添加材を放出することによって行う、

請求項 2〜4のいずれか 1項に記載の金属材の加工方法。

[7] 前記第 1ステップにおいて、前記接合部において回転ツールを移動させる前に、前記接合部を前記回転ツールと対向する方向に開いた開先に加工する、

請求項 6に記載の金属材の加工方法。

[8] 前記第 1ステップにお、て、前記接合部への前記添加材の供給は、前記回転ツール内部から前記接合部へ前記添加材を放出することによって行う、

請求項 1〜4のいずれか 1項に記載の金属材の加工方法。

[9] 前記第 1ステップにお、て、前記接合部への前記添加材の供給は、予め前記回転ツールの材料に前記添加材を含有させておき、前記回転ツールを回転させることにより、前記回転ツールを磨耗させつつ前記接合部に前記添加材を供給する、請求項 1〜4のいずれか 1項に記載の金属材の加工方法。

[10] 請求項 1〜9のいずれか 1項に記載の金属材の加工方法によって、 2つ以上の金属材を加工して形成された構造物。