WO2021024687A1

WO2021024687A1 - 異材固相接合方法及び異材固相接合構造物

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Publication number: WO2021024687A1
Application number: PCT/JP2020/026796
Authority: WO
Inventors: 藤井　英俊; 好昭森貞; 祥宏青木
Original assignee: 国立大学法人大阪大学
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2021-02-11
Also published as: JPWO2021024687A1; EP4011540A4; CN114206535A; EP4011540B1; JP7262144B2; EP4011540A1; CN114206535B

Abstract

本発明は、組成の異なる金属材の強固な接合部を効率的に形成することができる異材固相接合を提供する。また、本発明は、組成の異なる金属材が強固に接合された異材固相接合部を有する異材固相接合構造物も提供する。本発明に係る異材固相接合方法は、一方の部材を他方の部材に当接させて被接合界面を形成し、接合荷重の印加によって被接合界面に一方の部材と他方の部材の新生面を形成させる固相接合方法であって、一方の部材と他方の部材とは組成が異なり、一方の部材及び他方の部材が略同一の強度となる温度を接合温度とし、被接合界面に対して略垂直に強度が印加される接合荷重を設定すること、を特徴とする。

Description

異材固相接合方法及び異材固相接合構造物

　本発明は金属材同士を固相接合する異材固相接合方法及び当該異材固相接合方法によって得られる異材固相接合構造物に関する。

　鋼やアルミニウム合金等の金属材料の高強度化に伴い、接合構造物の機械的特性を決定する接合部での強度低下が深刻な問題となっている。これに対し、近年、接合中の最高到達温度が被接合材の融点に達せず、接合部における強度低下が従来の溶融溶接と比較して小さい固相接合法が注目され、急速に実用化が進んでいる。

　特に、回転する円柱状の被接合材を固定された被接合材に押し当てて接合する「摩擦圧接」及び被接合材を当接させた状態で往復運動させて接合する「線形摩擦接合」は、摩擦攪拌接合のように被接合材に圧入するツールを必要としないことから、鋼やチタンのような高融点・高強度金属に対しても容易に適用することができる。

　加えて、本発明者は接合時の印加圧力で接合温度を正確に制御できる接合方法を提案し、接合温度の大幅な低温化にも成功している。例えば、特許文献１（国際公開第２０１７／０２２１８４号）では、２つの金属製被接合材の被接合面同士を当接させた状態で摺動させる摩擦接合方法であって、前記金属製被接合材の少なくとも一方を鉄系材とし、接合中の最高到達温度を前記鉄系材のＡ₃点以下又はＡ_cm点以下とすること、を特徴とする摩擦接合方法、を開示している。

　従来の摩擦接合は摩擦熱を利用した接合方法であるが、上記特許文献１に記載の摩擦接合方法においては、金属製被接合材の塑性変形に起因する加工発熱を積極的に活用することで、低い接合温度においても良好な継手を得ることができる。

　また、特許文献２（特開２０１８－１２２３４４号公報）では、一方の部材を他方の部材に当接させて被接合界面を形成する第一工程と、被接合界面に対して略垂直に圧力を印加した状態で、一方の部材と他方の部材とを同一軌跡上で繰り返し摺動させ、被接合界面からバリを排出させる第二工程と、摺動を停止して接合面を形成する第三工程と、を有し、圧力を、所望する接合温度における一方の部材及び／又は他方の部材の降伏応力以上かつ引張強度以下に設定すること、を特徴とする線形摩擦接合方法、を開示している。

　上記特許文献２に記載の線形摩擦接合方法においては、降伏強度と温度の関係は材料によって略一定であることを利用し、被接合界面からバリを排出させるための印加圧力によって、極めて正確に接合温度を制御することができる。

国際公開第２０１７／０２２１８４号特開２０１８－１２２３４４号公報

　しかしながら、各種物性が異なることに加えて接合界面に脆弱な金属間化合物を形成する場合が多い異材接合については適当な接合方法が確立されておらず、接合温度の制御及び低温化が可能な固相接合方法のメリットを十分に享受できていない。また、接合界面に金属間化合物を形成しない場合であっても、例えば、異なる組成の鋼材を接合する場合のように、固相接合中における被接合界面近傍の変形挙動が異なる場合は、固相接合によって良好な継手を得ることが困難である。

　以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、組成の異なる金属材の強固な接合部を効率的に形成することができる異材固相接合を提供することにある。また、本発明は、組成の異なる金属材が強固に接合された異材固相接合部を有する異材固相接合構造物を提供することも目的としている。

　本発明者は上記目的を達成すべく、異材固相接合中の被接合界面近傍における被接合界面の変形挙動等について鋭意研究を重ねた結果、接合圧力の設定によって接合温度を制御し、組成の異なる被接合材を共に変形させることが極めて重要であることを見出し、本発明に到達した。

　即ち、本発明は、
　一方の部材を他方の部材に当接させて被接合界面を形成し、接合荷重の印加によって前記被接合界面に前記一方の部材と前記他方の部材の新生面を形成させる固相接合方法であって、
　前記一方の部材と前記他方の部材とは組成が異なり、
　前記一方の部材及び前記他方の部材が略同一の強度となる温度を接合温度とし、
　前記被接合界面に対して略垂直に前記強度が印加される前記接合荷重を設定すること、
　を特徴とする異材固相接合方法、を提供する。

　本発明の異材固相接合方法は、組成の異なる部材を接合する方法であり、一方の部材と他方の部材とが「略同一の強度となる温度」が存在することが重要である。金属材料の強度は温度に依存するところ、一方の部材と他方の部材の強度（例えば、引張強度）が略同一となる温度において固相接合を施すことによって、被接合界面において両方の部材を変形させることで両方の部材の被接合面に新生面が形成され、当該新生面同士が当接することによる良好な接合部を得ることができる。ここで、略同一の強度とは、完全に強度を同一とすることを意味するものではなく、被接合界面における新生面の形成が同程度に進行する強度範囲であればよい。また、一方の部材と他方の部材の形状及び／又はサイズが異なる場合は、熱伝導が異なるため、被接合界面近傍での変形挙動に差異が生じることになる（例えば、大きい部材の方で、若干温度が低下することが想定される。）。よって、「略同一の強度」は、数十ＭＰａ程度の差は許容される。

　ここで、本発明の効果を損なわない限り被接合界面近傍を昇温する方法は特に限定されず、従来公知の種々の接合方法を用いることができる。例えば、回転する円柱状の被接合材を固定された被接合材に押し当てて接合する「摩擦圧接」及び被接合材を当接させた状態で往復運動させて接合する「線形摩擦接合」に加えて、通電加熱、高周波加熱、レーザ加熱及び火炎加熱等を用いてもよい。

　本発明の異材固相接合では接合温度を正確に制御する必要があるが、被接合界面に対して略垂直に印加される接合荷重を適当に設定することで、当該目的を達成することができる。例えば、線形摩擦接合の場合では、線形摩擦接合の印加圧力を増加させると当該摩擦熱は増加するが、軟化した材料はバリとなって連続的に排出されるため、軟化した材料に印加される圧力（バリを排出する力）によって「接合温度」が決定される。つまり、印加圧力を高く設定した場合、より高い強度（降伏強度が高い状態）の被接合材をバリとして排出することができる。ここで、「より降伏強度が高い状態」とは、「より低温の状態」を意味していることから、印加圧力の増加によって「接合温度」が低下することになる。降伏強度と温度の関係は材料によって略一定であることから、極めて正確に接合温度を制御することができる。

　即ち、固相接合時の圧力を、所望する接合温度における一方の部材及び／又は他方の部材の降伏応力以上かつ引張強度以下に設定すること、で接合温度を制御することができる。ここで、固相接合時の圧力を被接合材の降伏応力以上とすることで被接合界面からのバリの排出が開始され、引張強度までの間で当該圧力を増加させると、バリの排出が加速されることになる。降伏応力と同様に、特定の温度における引張強度も被接合材によって略一定であることから、設定した圧力に対応する接合温度を実現することができる。

　接合中に印加する圧力は、実際に得られる接合温度の観点から、被接合材のサイズ及び形状等に応じて適宜微調整すればよいが、所望する接合温度における一方の部材及び／又は他方の部材の降伏応力に設定すること、が好ましい。固相接合において、バリの排出が開始されるのは圧力が降伏応力に達した瞬間であり、当該圧力をより高い値（引張強度を上限として）とした場合に比べて、より正確に所望の接合温度を実現することができる。

　本発明の異材固相接合では、組成が異なる一方の部材と他方の部材とを接合するが、例えば、鋼部材とチタン合金部材のように主元素が異なる場合だけでなく、異なる組成の鋼部材のように、主元素が同一で添加元素が異なる組合せにも適用することができる。

　また、本発明の異材固相接合においては、前記一方の部材と前記他方の部材の摺動による摩擦熱で前記被接合界面を昇温すること、が好ましい。一方の部材と他方の部材の摺動による摩擦熱で被接合界面を昇温することで、他の外部加熱機構等を設ける必要がない。加えて、摺動によって、被接合界面から効果的に酸化皮膜等を除去することができ、効率的に新生面同士の接合を達成することができる。

　また、本発明の異材固相接合においては、通電加熱を用いて前記被接合界面を昇温すること、が好ましい。通電加熱を用いる場合、被接合材同士の摺動を用いる場合のように、加熱工程のみで被接合界面から酸化皮膜等を除去することは困難である。一方で、摩擦圧接の場合は被接合材の中心部と外周部で温度差が生じる場合があるが、通電加熱の場合は通電条件等によって被接合界面における温度分布を一定にすることが比較的容易である。

　また、本発明の異材固相接合においては、前記一方の部材及び／又は前記他方の部材において、前記被接合界面の略全域に新生面が形成されるように、前記一方の部材及び前記他方の部材の寄り代を設定すること、が好ましい。本発明の異材固相接合においては、被接合材の新生面同士を当接させることによって継手が得られるところ、一方の部材及び／又は他方の部材において、被接合界面の略全域に新生面が形成されることで、良好な継手が形成される。ここで、より好ましくは、一方の部材及び他方の部材の両方において、被接合界面の全域に新生面が形成されることが望ましい。一方の部材と他方の部材の新生面同士を当接させることで、接合中に生成する新生面を全て利用した強固な接合部を得ることができる。ここで、両方の部材における被接合界面全域に新生面が形成されたタイミングで、寄り代の増加を停止することが最も好ましい。当該タイミングで寄り代の増加を停止することで、最も効率的に被接合界面の全域が新生面同士の当接で接合された良好な継手を得ることができる。ここで、排出されたバリの表面積と被接合材の変形によって増加した被接合界面の増加分の合計が、接合前の被接合界面の面積の略２倍となるようにすることで、被接合界面全域に新生面を形成させることができる。

　また、本発明の異材固相接合においては、前記一方の部材及び前記他方の部材に前記接合温度が存在しない場合において、前記一方の部材及び／又は前記他方の部材に外部冷却及び／又は外部加熱を施すことで前記接合温度を創出すること、が好ましい。一方の部材と他方の部材の強度が同一となる温度が存在しない場合は、被接合界面近傍において、一方の部材と他方の部材に同程度の変形及び／又はバリの排出を付与することができない。これに対し、外部冷却及び／又は外部加熱を施すことで、被接合界面近傍の一方の部材又は他方の部材の強度を調整することができ、実質的に、一方の部材と他方の部材の強度を同一とすることができる。

　また、本発明の異材固相接合においては、前記一方の部材及び／又は前記他方の部材を鉄系金属部材とすること、が好ましい。鋼等の鉄系金属部材は最も使用量が多い金属材料であり、異材接合に対する要求も大きい。また、鉄系金属は各種固相接合の接合プロセスに耐え得る機械的特性を有していることから、被接合材を鉄系金属とすることで、接合プロセス中における不要な箇所での変形等を防止することができる。加えて、本発明の異材接合方法は固相接合であり、一般的な溶融接合では顕著に認められる接合部の機械的特性の低下を抑制することができる。なお、本発明において鉄系金属とは、組成において鉄を主とする金属を意味し、例えば、種々の鋼や鋳鉄等が含まれる。

　また、本発明の異材固相接合においては、一方の部材と他方の部材の組合せによって、基本的に接合温度が決定されるが、接合温度は被接合材として用いる鉄系金属のＡ_１点以下とすることが好ましい。鉄系金属では相変態によって脆いマルテンサイトが形成し、接合が困難な場合及び接合部が脆化してしまう場合が存在する。これに対し、接合温度をＡ_１点以下とすることで、相変態が生じないことから、脆いマルテンサイトの形成を完全に抑制することができる。

　更に、本発明の異材固相接合においては、接合中の前記被接合界面近傍の温度及び前記接合荷重を計測し、得られた実測温度と前記接合温度を比較し、前記実測温度が前記接合温度よりも高い場合は前記接合荷重を増加させ、前記実測温度が前記接合温度よりも低い場合は前記接合荷重を低下させること、が好ましい。当該フィードバック機構を有することで、より正確に接合温度を制御することができる。

　また、本発明は、
　一方の部材と他方の部材が固相接合界面を介して一体となった固相接合部を有し、
　前記一方の部材と前記他方の部材が異なる組成を有し、
　前記固相接合界面の全域において、金属間化合物層の厚さが５００ｎｍ未満であること、
　を特徴とする異材接合構造物、も提供する。

　本発明の異材接合構造物は、異材接合部を有しており、固相接合界面の全域において金属間化合物層の厚さが５００ｎｍ未満となっている。その結果、固相接合界面は高い強度を有しており、一方の部材、他方の部材及び固相接合部を平行部に含む引張試験片を用いた引張試験において、一方の部材又は他方の部材と略同一の引張強度を示すことが好ましい。ここで、より好ましい金属間化合物層の厚さは３００ｎｍ未満であり、最も好ましい金属間化合物の厚さは１００ｎｍ未満である。

　また、本発明の異材接合構造物においては、前記固相接合界面に再結晶粒が含まれること、が好ましい。接合界面近傍の組織が微細等軸の再結晶粒となることで、強度、靱性、信頼性等の機械的特性に優れた接合部とすることができる。

　本発明の異材接合構造物においては、前記一方の部材が鉄系金属であり、前記他方の部材がアルミニウム合金、チタン合金又はニッケル合金であること、が好ましい。鉄系金属／アルミニウム合金、鉄系金属／チタン合金及び鉄系金属／ニッケル合金の界面には脆い金属間化合物層が形成されるが、固相接合界面の全域において当該金属間化合物層の厚さが５００ｎｍ未満となっていることで、引張試験において母材と略同一の引張強度を示す異材接合構造物を実現することができる。

　また、本発明の異材接合構造物においては、前記一方の部材及び前記他方の部材の引張強度又は降伏強度が略同一となる温度が存在しない場合であっても、良好な機械的性質を有する接合部を有している。

　また、本発明の異材接合構造物においては、前記一方の部材及び／又は前記他方の部材の幅（被接合界面の幅）が１０ｍｍ以上であること、が好ましい。被接合材の幅が大きくなると、被接合界面における接合温度の制御が困難となり、従来の接合方法では均質な接合界面を形成させることができない。これに対し、本発明の異材接合構造物では、幅が１０ｍｍ以上となる場合であっても、固相接合界面の全域において当該金属間化合物層の厚さが５００ｎｍ未満となっている。

　なお、本発明の異材接合構造物は、本発明の異材固相接合方法によって好適に得ることができる。

　本発明によれば、組成の異なる金属材の強固な接合部を効率的に形成することができる異材固相接合を提供することができる。また、本発明によれば、組成の異なる金属材が強固に接合された異材固相接合部を有する異材固相接合構造物を提供することもできる。

線形摩擦接合中の状況を示す模式図である。線形摩擦接合の接合工程を示す模式図である。各温度における炭素鋼の変形応力（降伏応力）を示すグラフである。各温度における各種金属の引張強度を示すグラフである。本発明の異材接合構造体の一例を示す概略断面図である。実施例における引張試験片の形状及びサイズと切出し位置を示す模式図である。実施例で得られた異材固相接合継手の引張強度と寄り代との関係を示すグラフである。実施例で得られた代表的な異材固相接合継手の外観写真である。図８に示す異材固相接合継手における引張試験片の切出し位置を示す模式図である。図９に示す引張試験片に関する引張試験結果である。図８に示す異材固相接合継手の接合界面近傍のＴＥＭ写真である。比較例で得られた異材固相接合継手の引張強度と寄り代との関係を示すグラフである（印加圧力２００ＭＰａ）。比較例で得られた異材固相接合継手の引張強度と寄り代との関係を示すグラフである（印加圧力３００ＭＰａ）。比較例で得られた異材固相接合継手の引張強度と寄り代との関係を示すグラフである（印加圧力５００ＭＰａ）。

　以下、図面を参照しながら本発明の異材固相接合方法及び異材接合構造物の代表的な実施形態について、線形摩擦接合を代表例として詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。

（１）異材固相接合方法
　図１に線形摩擦接合中の状況を示す模式図を示す。線形摩擦接合は被接合材同士を線形運動で擦りあわせた際に生じる摩擦熱を主な熱源とする固相接合である。従来の線形摩擦接合においては、昇温によって軟化した材料を被接合界面からバリとして排出することで、被接合界面に形成していた酸化被膜を除去し、新生面同士を当接させることで接合部が得られるとされている。

　線形摩擦接合においては被接合材同士の摺動により摩擦熱を発生させる場合、印加圧力の増加に伴い発熱量が増加し、接合温度は高くなると考えるのが一般的である。しかしながら、本発明者が鋭意検討を行ったところ、印加圧力の増加に伴って接合界面近傍の温度（所謂、「接合温度」）が低下するという現象が認められた。

　具体的には、上述した通り、線形摩擦接合の印加圧力を増加させると当該摩擦熱は増加するが、軟化した材料はバリとなって連続的に排出されるため、軟化した材料に印加される圧力（バリを排出する力）によって「接合温度」が決定される。つまり、印加圧力を高く設定した場合、より高い強度（降伏強度が高い状態）の被接合材をバリとして排出することができる。ここで、「より降伏強度が高い状態」とは、「より低温の状態」を意味していることから、印加圧力の増加によって「接合温度」が低下することになる。降伏強度と温度の関係は材料によって略一定であることから、極めて正確に接合温度を制御することができる。

　即ち、本発明においては、固相接合時の圧力を、所望する接合温度における一方の部材及び／又は他方の部材の降伏応力以上かつ引張強度以下に設定すること、で接合温度を制御することができる。ここで、固相接合時の圧力を被接合材の降伏応力以上とすることで被接合界面からのバリの排出が開始され、引張強度までの間で当該圧力を増加させると、バリの排出が加速されることになる。降伏応力と同様に、特定の温度における引張強度も被接合材によって略一定であることから、設定した圧力に対応する接合温度を実現することができる。

　図２は線形摩擦接合の接合工程を示す模式図である。線形摩擦接合方法は、一方の部材２を他方の部材４に当接させて被接合界面６を形成する第一工程と、被接合界面６に対して略垂直に圧力を印加した状態で、一方の部材２と他方の部材４とを同一軌跡上で繰り返し摺動させ、摺動の方向と略平行及び略垂直に被接合界面からバリ８を排出させる第二工程と、摺動を停止して接合面を形成する第三工程と、を有している。線形摩擦接合を用いて本発明の異材固相接合方法を実施する場合、異なる組成を有する一方の部材２と他方の部材４を被接合材とし、一方の部材２と他方の部材４が略同一の強度となる温度を接合温度とすればよい。接合温度は、被接合界面に対して略垂直に印加する接合荷重によって正確に制御することができる。以下、各工程について詳細に説明する。

（１－１）第一工程
　第一工程は、一方の部材２を他方の部材４に当接させて被接合界面６を形成する工程である。接合部の形成を所望する箇所に一方の部材２及び／又は他方の部材４を移動させ、被接合面同士を当接させ、被接合界面６を形成する。

　一方の部材２及び他方の部材４の形状及びサイズは、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、被接合材同士の摺動や通電加熱等によって、被接合界面近傍を昇温できるものであればよい。ここで、線形摩擦接合を用いる場合は、被接合界面６を正方形又は長方形とすることが好ましい。被接合界面６を正方形又は長方形とすることで、バリ８の排出状況を指標にして接合（摺動）を停止するタイミングを決定することができる。

（１－２）第二工程
　第二工程は、被接合界面６に対して略垂直に圧力Ｐを印加した状態で、一方の部材２と他方の部材４とを同一軌跡上で繰り返し摺動させ、摺動の方向と略平行及び略垂直に被接合界面６からバリ８を排出させる工程である。

　一方の部材２と他方の部材４とを同一軌跡上で繰り返し摺動させる方法は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、両方の部材を共に加振させても、一方を固定して他方を加振させてもよい。

　ここで、本発明の異材固相接合方法においては、線形摩擦接合時の圧力Ｐを、一方の部材２と他方の部材４の強度が略同一となる温度における、当該強度に設定する。ここで、「強度」とは、一方の部材２及び他方の部材４の降伏応力以上かつ引張強度以下に設定することが好ましく、降伏応力に設定することがより好ましい。圧力Ｐを被接合材の降伏応力以上とすることで被接合界面６からのバリ８の排出が開始され、引張強度までの間で圧力Ｐを増加させると、バリ８の排出が加速されることになる。降伏応力と同様に、特定の温度における引張強度も被接合材によって略一定であることから、設定した圧力Ｐに対応する接合温度を実現することができる。

　その結果、本発明の異材固相接合方法においては、被接合界面６で両方の部材が変形し、両方の部材の被接合面に新生面が形成されることで、当該新生面同士が当接することによる良好な接合部を得ることができる。ここで、一方の部材２と他方の部材４では強度の温度依存性が異なることから、被接合界面６近傍での変形挙動及びバリの排出状況も異なるが、当該変形及びバリの排出によって、被接合界面６に新生面が形成されればよい。

　具体例として、各温度における炭素鋼の変形応力（降伏応力）を図３に、各温度における各種金属の引張強度を図４に、それぞれ示す。なお、図３は「鉄と鋼，第６７年（１９８１）第１１号，１４０頁」に掲載されたグラフであり、図４は「鉄と鋼，第７２年（１９８６）第６号，５５頁」に掲載されたグラフである。これらの図に示されているように、特定の温度における引張強度及び降伏応力は材料によって略一定である。

　即ち、接合時の圧力Ｐを高く設定した場合、より高い降伏強度及び引張強度の被接合材をバリとして排出することができ、接合温度を低下させることができる。また、図３及び図４に示されているとおり、特定の温度における引張強度及び降伏応力は材料によって略一定であることから、極めて正確に接合温度を制御することができる。

　また、より正確に接合温度を制御するためには、圧力Ｐを所望する接合温度における一方の部材及び／又は他方の部材の降伏応力に設定することが好ましい。固相接合において、バリ８の排出が開始されるのは圧力Ｐが降伏応力に達した瞬間であり、圧力Ｐをより高い値（引張強度を上限として）とした場合に比べて、より正確に接合温度を規定することができる。

　換言すると、摩擦熱による温度上昇によって被接合材の降伏応力が低下し、当該降伏応力が圧力Ｐよりも低くなった瞬間にバリ８の排出が開始される。ここで、被接合材を摺動させる振幅や周波数を増加させることによって昇温速度は増加するが、最高到達温度（接合温度）は変化しない。

　線形摩擦接合においては、圧力Ｐ以外の接合パラメータ（被接合材を加振する周波数及び振幅、接合時間及び寄り代等）も設定する必要があるが、本発明の効果を損なわない限りにおいてこれらの値は制限されず、被接合材の材質、形状及びサイズ等によって適宜設定すればよい。なお、本発明の異材固相接合方法においては、周波数及び振幅は昇温速度には影響するが、接合温度には影響しない。

　一方の部材２及び／又は他方の部材４を鉄系金属とする場合、接合温度を被接合材として用いる鉄系金属のＡ_１点以下とすること、が好ましい。鉄系金属では相変態によって脆いマルテンサイトが形成し、接合が困難な場合及び接合部が脆化してしまう場合が存在する。これに対し、本発明の異材固相接合方法によって接合温度をＡ_１点以下とすることで、相変態が生じないことから、脆いマルテンサイトの形成を完全に抑制することができる。

　また、一方の部材２及び／又は他方の部材４をチタン又はチタン合金とする場合、接合温度を、チタン又はチタン合金のβトランザス温度以下とすること、が好ましい。接合温度をチタン又はチタン合金のβトランザス温度以下とすることで、接合部の組織を微細等軸粒とすることができ、高い強度と靭性を兼ね備えた接合部を形成することができる。

（１－３）第三工程
　第三工程は、第二工程における摺動を停止して接合面を形成する工程である。線形摩擦接合方法においては、被接合界面６の全面からバリ８が排出された後に摺動を停止させることで、良好な接合体を得ることができる。なお、第二工程において被接合材に印加した圧力Ｐはそのまま維持してもよく、バリ８を排出すると共に新生面をより強く当接させる目的で、より高い値としてもよい。

　ここで、被接合界面６の全面からバリ８が排出された後であれば摺動を停止するタイミングは限定されないが、一方の部材２及び／又は他方の部材４において、被接合界面６の略全域に新生面が形成されるように、一方の部材２及び他方の部材４の寄り代を設定することが好ましく、一方の部材２及び他方の部材４の両方において、被接合界面６の全域に新生面が形成されることがより好ましい。一方の部材２及び他方の部材４の新生面同士が当接することで、強固な接合部を得ることができる。ここで、両方の部材における被接合界面６全域に新生面が形成されたタイミングで、寄り代の増加を停止（摺動を停止）することがより好ましい。当該タイミングで接合行程を終了させることで、最も効率的に被接合界面６の全域が新生面同士の当接で接合された良好な継手を得ることができる。排出されたバリ８の表面積と被接合材の変形によって増加した被接合界面６の増加分の合計が、接合前の被接合界面６の面積の略２倍となるようにすることで、被接合界面６全域に新生面を形成させることができる。

（２）異材接合構造物
　図５は、本発明の異材接合構造物の一例を示す概略断面図である。異材接合構造物１０は、組成が異なる一方の部材２と他方の部材４とが固相接合されたものである。

　一方の部材２と他方の部材４とは、固相接合界面１２を介して冶金的に接合されており、固相接合界面１２の全域に、厚さが５００ｎｍ未満の金属間化合物層１４が形成されている。ここで、金属間化合物層１４は必ずしも観察される必要はなく、明瞭に観察されない場合は厚さが５００ｎｍ未満であることを示している。また、より好ましい金属間化合物層１４の厚さは３００ｎｍ未満であり、最も好ましい金属間化合物層１４の厚さは１００ｎｍ未満である。

　固相接合界面１２には再結晶粒が含まれることが好ましい。接合界面近傍の組織が微細等軸の再結晶粒となることで、強度、靱性、信頼性等の機械的特性に優れた接合部とすることができる。

　また、一方の部材２が鉄系金属であり、他方の部材４がアルミニウム合金又はチタン合金であることが好ましい。鉄系金属／アルミニウム合金、及び鉄系金属／チタン合金の界面には脆い金属間化合物層１４が形成されるが、固相接合界面１２の全域において金属間化合物層１４の厚さが５００ｎｍ未満となっていることで、引張試験において母材と略同一の引張強度を示す異材接合構造物１０を実現することができる。

　また、異材接合構造物１０においては、一方の部材２及び／又は他方の部材４の幅が１０ｍｍ以上であることが好ましい。被接合材の幅が大きくなると、被接合界面６における接合温度の制御が困難となり、従来の接合方法では均質な接合界面を形成させることができない。これに対し、異材接合構造物１０では、幅が１０ｍｍ以上となる場合であっても、固相接合界面１２の全域において金属間化合物層１４の厚さが５００ｎｍ未満となっている。ここで、一方の部材２及び／又は他方の部材４の幅は１５ｍｍ以上であることが好ましく、２０ｍｍ以上であることがより好ましい。

　異材接合構造物１０においては、一方の部材２及び他方の部材４の引張強度又は降伏強度が略同一となる温度が存在しない場合であっても、良好な機械的性質を有する固相接合界面１２が形成されている。

　以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。

≪実施例≫
　供試材としてチタン合金Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ（ＡＳＴＭ　Ｆ　１３６－１３）とオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌ（ＪＩＳ　Ｇ４３０３）を用いた。供試材の寸法は６５ｍｍＬ×２５ｍｍＷ×５ｍｍＴであり、２５ｍｍＷ×５ｍｍＴ面を被接合面として異材線形摩擦接合を施した。

　接合条件は、印加圧力を４００ＭＰａ、振幅を０．８５～１ｍｍ、周波数を２５～３０Ｈｚ、寄り代を４～５ｍｍとした。ここで、印加圧力として用いた４００ＭＰａは、接合温度がチタン合金Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖとオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌの引張強度が略同一となる値として設定した。

　得られた異材固相接合継手について、図６に示す引張試験片を切り出して、引張試験を行った。引張試験片の平行部のサイズは板厚５ｍｍ、幅６ｍｍ、長さ２５ｍｍである。得られた引張強度と各被接合材の寄り代（チタン合金Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖとオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌの寄り代の合計）との関係を図７に示す。引張強度が５００ＭＰａ以上の場合は○、２００～５００ＭＰａの場合は△でプロットし、各プロットの近傍に接合条件を記載している。なお、接合条件は、上から振幅、周波数、寄り代である。

　図７に示されているように、印加圧力を４００ＭＰａとした場合は、全ての異材固相接合継手の引張強度が２００ＭＰａ以上となっており、チタン合金Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖとオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌの被接合面において新生面が十分に形成されている場合（図の右上）、引張強度が５００ＭＰａ以上となっている。なお、図中の点線は、各被接合材に関して、被接合界面の略全域が新生面となる寄り代を示している。即ち、当該点線以上となる寄り代を実現することで、新生面同士が当接した強固な継手を確実に得ることができる。なお、チタン合金Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖとオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌでは被接合界面近傍での変形量及びバリの排出量及び形状が異なるため、点線の値が異なっている。

　代表的な異材固相接合継手の外観写真を図８に示す。接合界面近傍において、チタン合金Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖとオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌは共に変形しており、各被接合材の新生面同士が当接して接合が達成されていることが分かる。また、被接合材の変形状況及びバリの排出状況から、接合前は１２５ｍｍ^２であった被接合界面の面積が、接合後にはチタン合金Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖで２６７ｍｍ^２、オーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌで２４８ｍｍ^２となっており、共に約２倍の面積となっている。表面積が２倍になったことは、接合前の被接合面の全ての領域に新生面が形成されたことを示しており、チタン合金Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖの新生面とオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌの新生面が当接して、強固な接合界面が形成されたことを意味している。

　ここで、チタン合金Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖでは比較的薄いバリが排出されており、オーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌでは、長手方向により広域に変形し、接合界面近傍が太くなった形状を有している。これは、被接合材における強度の温度依存性や熱伝導率が異なることに起因しているが、バリの排出及び／又は被接合界面近傍における変形によって形成される新生面の面積を考慮し、当該新生面同士が当接するように各被接合材の寄り代を設定すればよい。

　図８に示す異材固相接合継手について、図９に示す領域から引張試験片を切り出し、中央部及び端部の引張特性を測定した。得られた結果を図１０に示す。図中には破線でオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌの引張強度を示しているが、接合部の強度は中央部及び端部共に母材と同等の強度を有していることが確認された。これは、被接合界面の全域において新生面同士の強固な接合が達成されていることを示している。

　図８に示す異材固相接合継手の界面のＴＥＭ写真を図１１に示す。図１１において、明瞭な金属間化合物層は確認されず、極めて良好な接合界面が形成されていることが分かる。また、接合界面に対して垂直にＥＤＳ点分析を行ったところ、当該接合界面において暗いコントラストを有する領域は拡散層であった（拡散層の厚さは約１００ｎｍ）。写真中のプロットは点分析の測定点（１～２０）を示し、各測定点における構成元素の割合は表１に示すとおりである。

≪比較例≫
　接合中の印加圧力を２００、３００及び５００ＭＰａとしたこと以外は実施例と同様にして、異材固相接合を施した。

　実施例と同様にして異材固相接合継手の引張特性を評価した。印加圧力を２００、３００及び５００ＭＰａとした場合の引張強度と各被接合材の寄り代との関係を、図１２、１３及び１４にそれぞれ示す。引張強度が２００～５００ＭＰａの場合は△、２００ＭＰａ以下の場合は□でプロットし、各プロットの近傍に接合条件を記載している。なお、接合条件は、上から振幅、周波数、寄り代である。

　図１２～１４に示すように、接合温度が「交点」とならない印加圧力を設定した場合、チタン合金Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖとオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌの被接合界面に同程度に新生面を形成することができず、何れの接合条件においても引張強度が５００ＭＰａ以上となる継手は得られなかった。

　より具体的には、接合温度が交点よりも高くなる印加圧力２００ＭＰａ（図１２）及び３００ＭＰａ（図１３）ではチタン合金Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖの寄り代が増加し、接合温度が交点よりも低くなる印加圧力５００ＭＰａ（図１４）ではオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌの寄り代が増加している。即ち、何れの接合条件においても、チタン合金Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖとオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌの被接合界面に同程度に新生面を形成することができていない。

２・・・一方の部材、
４・・・他方の部材、
６・・・被接合界面、
８・・・バリ、
１０・・・異材接合構造物、
１２・・・固相接合界面、
１４・・・金属間化合物層。

Claims

　一方の部材を他方の部材に当接させて被接合界面を形成し、接合荷重の印加によって前記被接合界面に前記一方の部材と前記他方の部材の新生面を形成させる固相接合方法であって、
　前記一方の部材と前記他方の部材とは組成が異なり、
　前記一方の部材及び前記他方の部材が略同一の強度となる温度を接合温度とし、
　前記被接合界面に対して略垂直に前記強度が印加される前記接合荷重を設定すること、
　を特徴とする異材固相接合方法。
　前記一方の部材と前記他方の部材の摺動による摩擦熱で前記被接合界面を昇温すること、
　を特徴とする請求項１に記載の異材固相接合方法。
　通電加熱を用いて前記被接合界面を昇温すること、
　を特徴とする請求項１に記載の異材固相接合方法。
　前記一方の部材及び／又は前記他方の部材において、前記被接合界面の略全域に新生面が形成されるように、前記一方の部材及び前記他方の部材の寄り代を設定すること、
　を特徴とする請求項１～３のうちのいずれかに記載の異材固相接合方法。
　前記一方の部材及び前記他方の部材に前記接合温度が存在しない場合において、
　前記一方の部材及び／又は前記他方の部材に外部冷却及び／又は外部加熱を施すことで前記接合温度を創出すること、
　を特徴とする請求項１～３のうちのいずれかに記載の異材固相接合方法。
　前記一方の部材及び／又は前記他方の部材を鉄系金属部材とすること、
　を特徴とする請求項１～３のうちのいずれかに記載の異材固相接合方法。
　接合中の前記被接合界面近傍の温度及び前記接合荷重を計測し、
　得られた実測温度と前記接合温度を比較し、
　前記実測温度が前記接合温度よりも高い場合は前記接合荷重を増加させ、
　前記実測温度が前記接合温度よりも低い場合は前記接合荷重を低下させること、
　を特徴とする請求項１～３のうちのいずれかに記載の異材固相接合方法。
　一方の部材と他方の部材が固相接合界面を介して一体となった固相接合部を有し、
　前記一方の部材と前記他方の部材が異なる組成を有し、
　前記固相接合界面の全域において、金属間化合物層の厚さが５００ｎｍ未満であること、
　を特徴とする異材接合構造物。
　前記一方の部材、前記他方の部材及び前記固相接合部を平行部に含む引張試験片を用いた引張試験において、前記一方の部材又は前記他方の部材と略同一の引張強度を示すこと、
　を特徴とする請求項８に記載の異材接合構造物。
　前記固相接合界面に再結晶粒が含まれること、
　を特徴とする請求項８又は９に記載の異材接合構造物。
　前記一方の部材が鉄系金属であり、
　前記他方の部材がアルミニウム合金、チタン合金又はニッケル合金であること、
　を特徴とする請求項８又は９に記載の異材接合構造物。
　前記一方の部材及び前記他方の部材の引張強度又は降伏強度が略同一となる温度が存在しないこと、
　を特徴とする請求項８又は９に記載の異材接合構造物。
　前記一方の部材及び／又は前記他方の部材の幅が１０ｍｍ以上であること、
　を特徴とする請求項８又は９に記載の異材接合構造物。