摩擦撹拌用ツール
【課題】生産性に優れ、高温強度が高く、高温度における耐摩耗性に優れた摩擦攪拌用ツールを提供する。
【解決手段】摩擦攪拌用ツールを、分散して析出したγ’析出相を含有する結晶粒と、相隣る前記結晶粒の間に挟まれた結晶粒界及び析出相とを含むＣｏ基合金で形成し、前記析出相を、μ相、ラーベス相及び炭化物相から選択される少なくとも１種類の相とする。
【解決手段】摩擦攪拌用ツールを、分散して析出したγ’析出相を含有する結晶粒と、相隣る前記結晶粒の間に挟まれた結晶粒界及び析出相とを含むＣｏ基合金で形成し、前記析出相を、μ相、ラーベス相及び炭化物相から選択される少なくとも１種類の相とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌用ツールに関する。
【背景技術】
【０００２】
被接合材よりも実質的に硬い材質の円柱状部材（以下、回転ツール、攪拌ツール又は摩擦撹拌用ツールと呼ぶ。単にツールと呼ぶこともある。）を回転させながら被接合材の接合部に挿入し、この回転ツールを回転させながら移動することによって、上記回転ツールと上記被接合材との間で発生する摩擦熱により接合する摩擦攪拌接合方法がある。
【０００３】
特許文献１には、結合領域（２）で加工物（１Ａ、１Ｂ）を結合する方法において、結合領域（２）及び結合領域の両方の側部の加工物の対向部分に、加工物の材質より硬い材質のプローブ（３）を挿入させ、プローブと加工物の間に相対的な循環運動を発生させ、摩擦熱が発生して対向する部分に塑性状態を生じさせ、プローブ（３）を取り外し、可塑性部分を凝固させて、加工物同士を結合することにより、加工物の間の相対的な移動なしに加工物を結合することを特徴とする摩擦溶接方法が開示されている。この接合方法は、回転ツールと被接合材との摩擦熱により被接合材を軟化させ、回転ツールの回転に伴う塑性流動現象を利用したものであり、被接合材を溶かして溶接する方法、例えば、アーク溶接などとは異なる原理に基づいている。
【０００４】
特許文献２には、円柱形状の回転体とその端面のショルダから同軸上に突設したプローブとを有し、一対の被接合部材を突き合わせた接合部に回転させながらプローブを挿入し、発生する摩擦熱によって軟化させつつ攪拌させて接合させる摩擦攪拌接合用工具において、前記プローブと前記回転体とが着脱可能であって、前記プローブが超硬合金又はコバルト系合金鋼（ＭＰ１５９）によって形成されたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、金属同士の接合部を摩擦撹拌して一体化するための摩擦攪拌接合のための回転ツールであって、金属に接触する部位の表面に接合材金属の付着を阻止する付着阻止皮膜を形成したことを特徴とする回転ツールが開示されている。
【０００６】
特許文献４には、金属製ワークよりも硬い材質からなる摩擦撹拌接合用ツールを、一対の金属製ワークの突き合わせ部に回転させながら押圧、挿入して、前記金属製ワークを摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合用ツールにおいて、金属で形成される中心部材と、前記中心部材の少なくとも前記金属製ワークと摩擦接触する領域を覆うセラミック部材と、を有し、前記セラミック部材は、Ｓｉの窒化物からなり、前記中心部材は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＷの少なくとも１種を主成分とする耐熱性の合金であることを特徴とするの摩擦撹拌接合用ツールが開示されている。
【０００７】
特許文献５には、金属基複合材料（ＭＭＣｓ）、鉄合金、非鉄合金及び超合金を摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合工具であって、軸部、肩部及びピンと、前記肩部及びピンの少なくとも一部分に配置された高耐摩耗性材料とを含み、前記肩部は該肩部の前記軸部に対する回転運動を防ぐために前記軸部に機械的に固定され、前記高耐摩耗性材料は第１相及び第２相を有し、前記高耐摩耗性材料は超高温及び超高圧の下で製造され、ＭＭＣｓ、鉄合金、非鉄合金及び超合金を機能上摩擦攪拌接合することができる、摩擦攪拌接合用工具が開示されている。
【０００８】
特許文献６には、１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金を被加工物として摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合用工具であって、少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウムを主成分とし、レニウム、ルテニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム又はハフニウム或いはこれらの２種以上を副成分として含有する組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする摩擦攪拌接合用工具が開示されている。
【０００９】
特許文献７には、回転する回転子の先端面から延出されたプローブピンを、被接合部材の接合部に圧入させ、この接合部に沿ってプローブピンを移動させて、接合部において被接合部材を摩擦攪拌接合させる摩擦攪拌接合用ツールにおいて、少なくとも上記の被接合部材と接触するプローブピン及び回転子の部分を、Ｃｏを５〜１８重量％含有するＷＣ系の超硬合金で構成したことを特徴とする摩擦攪拌接合用ツールが開示されている。
【００１０】
特許文献８には、質量比でＡｌ：０．１〜１０％、Ｗ：３．０〜４５％、残部が不可避的不純物を除きＣｏの組成、及び原子比でＣｏ３（Ａｌ、Ｗ）のＬ１２型金属間化合物が析出した金属組織で特徴付けられる高耐熱性、高強度Ｃｏ基合金が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許２７１２８３８号公報
【特許文献２】特開２００８−３６６６４号公報
【特許文献３】特開２００５−１５２９０９号公報
【特許文献４】特開２００４−８２１４４号公報
【特許文献５】特表２００３−５３２５４３号公報
【特許文献６】特開２００６−３２０９５８号公報
【特許文献７】特開２００５−１９９２８１号公報
【特許文献８】国際公開２００７／０３２２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、高温強度が高く、かつ、高温度における耐摩耗性に優れ、生産性に優れた摩擦攪拌用ツールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の摩擦攪拌用ツールは、分散して析出したγ’析出相を含有する結晶粒と、相隣る前記結晶粒の間に挟まれた結晶粒界及び析出相とを含むＣｏ基合金で形成され、前記析出相が、μ相、ラーベス相及び炭化物相から選択される少なくとも１種類の相であることを特徴とする。特に、γ’析出相がＣｏ３（Ａｌ、Ｗ）、もしくは（Ｃｏ、Ｘ）３（Ａｌ、Ｗ、Ｚ）の組成を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、鋳造で生産コストを低減し、様々なツール形状への加工が容易にできるなど、生産性に優れ、高温度での摩耗の少ない摩擦攪拌用の回転ツールが提供できる。また、上記ツールを用いることで、ＴｉやＺｒなどの難溶接材料も容易に接合できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による実施例の回転ツールの構成を示す側面図である。
【図２】本発明の回転ツールの材料であるＣｏ基合金インゴットの外観写真である。
【図３】本発明による実施例のＣｏ基合金インゴットのミクロ組織を示す電子顕微鏡写真である。
【図４】本発明のＣｏ基合金回転ツールを用いて作製したＳＳ４００材鉄鋼材料の接合部を示す外観写真である。
【図５】本発明のＣｏ基合金製回転ツールを接合に用いた後の表面部を示す外観写真である。
【図６】本発明のＣｏ基合金製回転ツールを用いて作製したＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌ材の突き合わせ接合部を示す外観写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、材料を摩擦攪拌により、接合又は改質する摩擦撹拌用のツールに関する。
【００１７】
アルミニウム合金のような低融点金属材料の摩擦攪拌接合においては、すでに実用化に至っている。一方、鉄鋼材料のような高融点材料の摩擦攪拌接合においても比較的早くから報告されているが、鉄鋼材料における摩擦攪拌接合の研究報告例はアルミニウム合金などに比べるとかなり少ない。
【００１８】
アルミニウム合金の接合に一般的に用いられている工具鋼製の回転ツールを鉄鋼材料の接合に適用した場合、ツールが熱変形するため、接合が容易ではないことがその理由の一つとして挙げられる。鉄鋼材料のような高融点材料の摩擦攪拌接合における回転ツール材料の特性としては、高温強度、耐摩耗性、非反応性などが要求される。
【００１９】
特許文献５には、鉄鋼材料及び高融点材料用の接合に適した回転ツールの材料として、ＰＣＢＮ（米国ＭｅｇａＳｔｉｒ製のＰｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）のようなセラミック材料が記載されている。
【００２０】
セラミック材料は、一般に、高温での強度は高いが、室温での切削が困難であるため、様々なツール形状に加工することが容易ではない。また、焼結により作製するため、生産性の点で改善の余地がある。
【００２１】
一方、Ｃｏ基合金（コバルト基合金）も比較的に高温強度が高く、回転ツールとして有望と考えられている。Ｃｏ合金を回転ツールに適用できることについては、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献６、特許文献７などに記載されている。
【００２２】
Ｃｏ基合金はセラミック材料と比べて室温での切削性が比較的良いため、様々な形状に比較的に簡単に加工ができることから、経済的な利点が期待できる。しかし、上記Ｃｏ基合金においては８００℃を超える温度で素材の強度が急激に低下するため、上記Ｃｏ基合金を鉄鋼材料のような高融点材料の接合における回転ツールとして用いた場合は、ツール素材自体の劣化が進み、ツールの摩耗や破損が生じてしまう。
【００２３】
特許文献８には、１０００℃付近の高温（鉄鋼材料の摩擦攪拌接合における一般的な接合温度）でも急激な強度低下を抑制可能と思われるＣｏ基合金が記載されている。特許文献８には、γ’強化型のＣｏ−４Ａｌ−２６．９Ｗ（質量％）の３元系合金において、Ｎｉ含有量の増加とともに、高温強度を維持する上で最も重要なγ’固溶温度が上昇していることが記載されている。
【００２４】
攪拌ツールの要求特性としては、高温強度以外にも耐摩耗性が挙げられる。一方、特許文献８に記載されているＣｏ基合金において、耐摩耗性に影響を及ぼす因子については明らかではない。上記因子としては、γ’固溶温度のみならずγ’の量（体積分率）やその他の析出物などが考えられる。
【００２５】
上記の回転ツールにおける耐摩耗性の課題は、回転ツールの材質として、Ｌ１２構造を示すＣｏ３（Ａｌ，Ｗ）のγ’相を体積分率で１０％から８０％まで析出させたＣｏ基合金を用いることで解決できる。
【００２６】
γ’相の体積分率を１０％から８０％に限定した理由は次の通りである。
【００２７】
γ’相の体積分率が１０％以下では、高温強度を維持できなくなり摩擦攪拌用のツールの一部が変形してしまい、耐摩耗性も十分でなかった。一方、γ’相の体積分率が８０％以上になると、Ｂ２構造のβ相などが過剰に析出して耐摩耗性が低下してしまった。
【００２８】
上記Ｃｏ基合金の特徴に加えて、μ相、ラーベス相及び炭化物（炭化物相とも呼ぶ。）から選択される１種又は２種以上（少なくとも１種類の相）を析出させたＣｏ基合金を回転ツールに用いることで解決できる。
【００２９】
摩擦攪拌の攪拌温度域において、高温強度及び耐摩耗性を維持できるＣｏ基合金の化学組成としては、１０ａｔ％程度のＡｌ、７．５ａｔ％程度のＷ、３ａｔ％程度のＴａ、１０ａｔ％程度のＣｒ、０．０６ａｔ％程度のＢ、０．６ａｔ％程度のＣを含み、Ｎｉを３０ａｔ％または４０ａｔ％程度含有することが望ましい。また、Ｃｏが２５ａｔ％以上含有することが望ましい。ここで、ａｔ％は、原子％とも表記できる単位であり、合金を構成するすべての原子数に対する各構成原子の原子数を表す。
【００３０】
上記の組成範囲のＣｏ基合金における室温での耐力は約８００ＭＰａであり、比較的に切削しやすい。また、上記Ｃｏ基合金は精密鋳造が可能であるため、ツール生産における経済効果も大きいと判断できる。
【００３１】
本発明の摩擦攪拌用ツールは、円柱状のシャンク部、このシャンク部の端部に形成されたショルダ部及びこのショルダ部の端部に形成されたピン部を含むことを特徴とする。前記Ｃｏ基合金を用いて鋳造された一体成形物、もしくは切削加工物であることが好ましい。本発明の摩擦攪拌用ツールは、摩擦攪拌接合装置に搭載され使用される。
【００３２】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
［実施例１］
【００３３】
図１は、本発明の回転ツールにおけるツール構成の一例である。
【００３４】
摩擦攪拌用ツール１０１は、精密鋳造により作製したインゴットから一体に切削加工したものである。摩擦攪拌用ツール１０１を一体に加工することにより、ツール剛性を向上できると共に、ツール作製の簡便化を図ることができ、大幅にコストを削減することが可能である。
【００３５】
摩擦攪拌用ツール１０１は、接合装置の主軸と連結されるシャンク部１０２と接合時に被接合材の表面と接触するショルダ部１０３と接合時に被接合材に挿入されるピン部１０４とに構成されている。
【００３６】
ツール１０１の形状として、ショルダ部１０３の直径が１５ｍｍのものを用いた。ピン部１０４は、ショルダ部１０３に接続されているピン‐ショルダ接続部１０５における直径が６ｍｍ、ピン先端部１０６で３．５ｍｍであった。ピン部１０４の長さは１．８ｍｍにした。被接合材である鉄系材料の厚みは、４ｍｍのものを使用した。接合条件として、ツール１０１の回転速度及び接合速度にはそれぞれ２５０回転／分及び５００ｍｍ／分を用いた。
【００３７】
図２は、精密鋳造により作製したＣｏ基合金インゴットの外観写真である。
【００３８】
インゴットは、Ｃｏ−４０Ｎｉ−１０Ａｌ−７．５Ｗ−３Ｔａ−１０Ｃｒ−０．０６Ｂ−０．６Ｃの組成で作製した。単位はすべてａｔ％（原子％：合金を構成するすべての原子数に対する各構成原子の原子数）である。Ｃｏの含有量は約２９％である。インゴットの外径は約３０ｍｍ、長さは押し湯の部分を除き１００ｍｍ程度であった。摩擦攪拌用の回転ツールを作製するに充分な大きさである。また、インゴットは数分程度の非常に短い時間で作製可能であり、生産性に優れていることを確認した。更に、精密鋳造によりニアネット形状のツールが作製可能であることを確認した。
【００３９】
インゴットを作製した後、１２５０℃で熱処理して空冷し、その後、１０００℃で熱処理した。これは、高温強度を維持するに必要である、Ｌ１２構造を示す（Ｃｏ、Ｘ）３（Ａｌ、Ｗ、Ｚ）のγ’相を析出させるためである。ここで、Ｘは主としてＮｉであり、Ｚは主としてＣｒ及びＴａである。また、上記の熱処理の温度は、耐摩耗性や粒界強化に効果的な、μ相、ラーベス相、炭化物を析出にも有効である。
【００４０】
図３に前記インゴットのミクロ組織写真を示す。
【００４１】
インゴットは、結晶粒３０１と、結晶粒３０１の粒内のＡ１構造のγ相に細かく分散析出したγ’析出相３０２と、結晶粒界３０３と、結晶粒界３０３に存在する析出相３０４とを含む構成である。γ’析出相３０２の体積分率は約６０％である。析出相３０４は、μ相、ラーベス相及び炭化物相の中の一種類又は複数種類の相である。析出相３０４は、粒界を安定させる成分（粒界安定成分）である。ここで、結晶粒３０１は、結晶粒界３０３に囲まれ、Ｃｏマトリクスに多数のγ’析出相３０２（γ’粒子）を分散させた１個の粒子である。
【００４２】
このようなミクロ組織は高温強度及び耐摩耗性の向上に有効である。
【００４３】
図２で示したインゴットを加工して作製した摩擦攪拌用ツールを用いて、ＳＳ４００の鉄系材料に接合を行った。
【００４４】
図４は、図２で示したインゴットを図１の形状に加工して作製した摩擦攪拌用ツールを用いて接合したＳＳ４００鉄鋼材料（鉄系材料）の接合部を示す外観写真である。
【００４５】
本図（前記ＳＳ４００材の接合部）に示すように、本発明の摩擦攪拌用ツールを用いて前記ＳＳ４００材の摩擦攪拌接合が可能であることを確認した。
【００４６】
接合条件として、ツール１０１の回転速度及び接合速度にはそれぞれ２５０回転／分及び５００ｍｍ／分を用いた。接合距離は３６０ｍｍとし、複数回の繰り返し接合した。接合距離に伴う摩擦攪拌用ツールの形状変化を観察し、摩擦攪拌用ツールの性能を評価した。
【００４７】
図５は、３６０ｍｍを２回接合した後のツール表面部外観及び３７回接合後の外観を示したものである。それぞれのトータル接合距離は、０．７２ｍ及び１３．３２ｍである。
【００４８】
本図からわかるように、１３．３２ｍ（３７回）の接合においても、ピン部及びショルダ部に明瞭な損傷は見当たらない。ピン部及びショルダ部に接合材が若干付着したため、接合後のツールにおける形状変化は明確に計測できていないが、摩耗はほとんど生じていないことが明らかとなった。
【００４９】
上記ツールを用いて継続寿命評価を実施した結果、４５ｍ以上のトータル接合距離においてもツールの摩耗が少なく、ツールして使用できることを確認した。
【００５０】
以上の結果より、ＳＳ４００鉄鋼材料に対する該Ｃｏ基合金ツールは変形及び摩耗の少ない摩擦攪拌ツールを提供できることが実証できた。
［実施例２〜４］
【００５１】
鉄系材料のほかにも、純チタンやチタン合金に図１の摩擦攪拌用ツール１０１を用いて摩擦攪拌接合を適用可能であるとの知見が得られた。本実施例で使用したチタン材は、工業用純Ｔｉ（実施例２）、チタン合金Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（実施例３）、チタン合金Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌ（実施例４）である。
【００５２】
接合条件として、ツール１０１の回転速度及び接合速度にはそれぞれ２００回転／分及び１００ｍｍ／分を用いた。
【００５３】
図６は、図１の摩擦攪拌用ツール１０１を用いて接合したＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌ材の突き合わせ接合部の外観写真である。
【００５４】
本図から、整然とした表面ビードが得られていることがわかる。また、摩擦攪拌用ツールのショルダ部及びピン部における摩耗・変形は見られなかった。本実施例では、接合後のツールの外観検査等で、前記Ｃｏ基合金製回転ツールとチタン合金との反応はほとんど起きていないことがわかった。
【００５５】
以上の結果より、本発明の摩擦攪拌用ツールは、チタン合金の摩擦攪拌接合にも有効であることが明らかである。
［実施例５］
【００５６】
以下に、Ｃｏ−３０Ｎｉ−９．５Ａｌ−７．８Ｗ−２Ｔａ−１０Ｃｒ−０．０６Ｂ−０．６Ｃの組成を有するＣｏ基合金で形成された摩擦攪拌用ツールの結果を示す。単位はすべてａｔ％である。Ｃｏの含有量は約４０％である。このツールをツール２０１とする。ツール２０１はツール１０１と同様の手法で作製された。上記ツール２０１におけるγ’析出相の体積分率は約４５％である。
【００５７】
示差走査熱量測定（ＤＳＣ）により、γ’析出物の固溶温度を測定した結果を表１に示す。表中、ツール１０１、すなわち、４０ａｔ％のＮｉを含む合金の場合、γ’固溶温度は１１６３℃であり、ツール２０１、すなわち、３０ａｔ％のＮｉを含む合金の場合、γ’固溶温度は１０９４℃である。
【００５８】
【表１】
【００５９】
本実施例の上記ツール２０１は、表１に示すＤＳＣの結果から、γ’析出物の固溶温度は１０９４℃である。これは、本実施例の摩擦攪拌用ツールにおけるＮｉ、Ｔａの含有量が実施例１の摩擦攪拌用ツール１０１に比べて低いためである。ツール１０１およびツール２０１におけるγ’相の固溶温度は、鉄鋼材料ＳＳ４００における接合温度（１０００℃）より高く、上記ツールのγ’相は接合中においても安定であると考えられる。
【００６０】
実施例１と同様にして、本実施例の摩擦攪拌用ツールによりＳＳ４００の鉄系材料に接合を行った。本実施例の摩擦攪拌用ツールも、実施例１の摩擦攪拌用ツールと同様の形状とした。また、接合条件も実施例１と同様の条件を用いた。接合距離は３６０ｍｍとし、複数回繰り返し接合を行った。
【００６１】
その結果、本実施例の場合もＳＳ４００材の摩擦攪拌接合が可能であることを確認した。
［実施例６〜１２］
【００６２】
実施例６から１２の結果を実施例１から５の結果と併せて表２に示す。
【００６３】
表２には、ツール１０１とツール２０１を様々な接合材料に適用した例を示す。
【００６４】
ツール１０１とツール２０１を、融点の低いアルミニウム合金から融点の高いステンレス鋼、Ｔｉ合金、Ｚｒ合金で、問題なく適用できることを確認した。
【００６５】
接合後にツールの表面を観察し、ツールの損傷や表面への接合材料の付着がなく、接合部に欠陥がない場合を○と評価した。
【００６６】
実施例６〜１２に適用した接合条件は以下の通りである。
【００６７】
実施例６：Ｎ＝８００回転／分、Ｖ＝２００ｍｍ／分、実施例７：Ｎ＝２００回転／分、Ｖ＝１００ｍｍ／分、実施例８：Ｎ＝１００回転／分、Ｖ＝５０ｍｍ／分、実施例９：Ｎ＝２００回転／分、Ｖ＝１００ｍｍ／分、実施例１０：Ｎ＝２００回転／分、Ｖ＝１００ｍｍ／分、実施例１１：Ｎ＝１００回転／分、Ｖ＝５０ｍｍ／分、実施例１２：Ｎ＝２００回転／分、Ｖ＝１００ｍｍ／分で、Ｎはツールの回転速度、Ｖは接合速度である。
【００６８】
【表２】
【００６９】
また、表３には、実施例１から１２におけるγ’体積分率を示す。
【００７０】
接合後のツールにおけるγ’体積分率をＡ：１０％以上３０％未満、Ｂ：３０％以上５０％未満、Ｃ：５０％以上６５％未満、Ｄ：６５％以上８０％以下として記載した。ここで、例えば、１０％以上３０％未満は、１０％以上且つ３０％未満を意味する。
【００７１】
【表３】
【００７２】
表２及び表３から判るように、γ’析出相の体積分率が１０％〜８０％のＣｏ基合金からなる摩擦攪拌接合用のツールは、いずれの接合においても効果的であることが明らかである。また、摩擦攪拌接合用のツールにおけるγ’体積分率は、ツールの合金組成のみならず、接合材料の種類や接合条件によって変化させられることがわかる。
［比較例］
【００７３】
通常、ＰＣＢＮ製の回転ツールを用いてＴｉ合金の接合を実施した場合、ツールにおける摩耗が激しい上に、接合部の表面も荒れる。これは、ＰＣＢＮ製の回転ツールに含まれているＮ（窒素）がＴｉ（チタン）と反応し、ＴｉＮ（窒化チタン）が形成されるため、ツールが摩耗しやすくなることに起因すると考えられる。
【００７４】
このように、チタンは活性を有する金属であり、接合中に摩擦攪拌用ツールと反応することがしばしば見られる。ＰＣＢＮ製ツールによる活性金属接合の結果を表２に示すが、激しいツール摩耗により接合は不可であったため、×と評価した。
【００７５】
また、ＰＣＢＮのようなセラミック材質の回転ツールを繰り返して使用した場合、ショルダ部やピン部にクラックが発生し、ツールの一部が欠け落ちることがしばしば見られる。そのため、ＰＣＢＮ製回転ツールの寿命が予測できないのが現状である。これはセラミック材料が熱衝撃に弱いためと考えられる。
【００７６】
ＳＳ４００、ＳＵＳ４３０（ＡＩＳＩ４３０）、ＳＵＳ３０４（ＡＩＳＩ３０４）などの材料をＰＣＢＮ製の回転ツールを用いて接合した結果を表２に示す。使用中に突然、ツール破損が生じたため、△２として評価した。なお、これに比べて、Ｃｏ基合金は金属材料であるため、ツールにおける突発的な破損は起きにくいと考えられる。
【００７７】
更に、ＰＣＢＮ製の回転ツールをアルミニウム合金（６Ｎ０１）に対して適用した場合、ツール表面に接合材料（アルミニウム）が付着し、ビード表面が粗くなることもあった。表２には、△１と表記している。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
上記の摩擦攪拌用ツール（Ｃｏ合金製攪拌ツール）を高融点材料の構造部の摩擦攪拌接合に適用した場合、溶接変形、スパッタ及び残留応力が少なくなることがわかった。本発明の摩擦攪拌用ツールを用いた摩擦攪拌接合は、自動車パネル部材やパイプなどの構造物等に応用することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１０１、２０１：摩擦攪拌用ツール、１０２：シャンク部、１０３：ショルダ部、１０４：ピン部、１０５：ピン‐ショルダ接続部、１０６：ピン先端部、３０１：結晶粒、３０２：γ’析出相、３０３：結晶粒界、３０４：析出相。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌用ツールに関する。
【背景技術】
【０００２】
被接合材よりも実質的に硬い材質の円柱状部材（以下、回転ツール、攪拌ツール又は摩擦撹拌用ツールと呼ぶ。単にツールと呼ぶこともある。）を回転させながら被接合材の接合部に挿入し、この回転ツールを回転させながら移動することによって、上記回転ツールと上記被接合材との間で発生する摩擦熱により接合する摩擦攪拌接合方法がある。
【０００３】
特許文献１には、結合領域（２）で加工物（１Ａ、１Ｂ）を結合する方法において、結合領域（２）及び結合領域の両方の側部の加工物の対向部分に、加工物の材質より硬い材質のプローブ（３）を挿入させ、プローブと加工物の間に相対的な循環運動を発生させ、摩擦熱が発生して対向する部分に塑性状態を生じさせ、プローブ（３）を取り外し、可塑性部分を凝固させて、加工物同士を結合することにより、加工物の間の相対的な移動なしに加工物を結合することを特徴とする摩擦溶接方法が開示されている。この接合方法は、回転ツールと被接合材との摩擦熱により被接合材を軟化させ、回転ツールの回転に伴う塑性流動現象を利用したものであり、被接合材を溶かして溶接する方法、例えば、アーク溶接などとは異なる原理に基づいている。
【０００４】
特許文献２には、円柱形状の回転体とその端面のショルダから同軸上に突設したプローブとを有し、一対の被接合部材を突き合わせた接合部に回転させながらプローブを挿入し、発生する摩擦熱によって軟化させつつ攪拌させて接合させる摩擦攪拌接合用工具において、前記プローブと前記回転体とが着脱可能であって、前記プローブが超硬合金又はコバルト系合金鋼（ＭＰ１５９）によって形成されたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、金属同士の接合部を摩擦撹拌して一体化するための摩擦攪拌接合のための回転ツールであって、金属に接触する部位の表面に接合材金属の付着を阻止する付着阻止皮膜を形成したことを特徴とする回転ツールが開示されている。
【０００６】
特許文献４には、金属製ワークよりも硬い材質からなる摩擦撹拌接合用ツールを、一対の金属製ワークの突き合わせ部に回転させながら押圧、挿入して、前記金属製ワークを摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合用ツールにおいて、金属で形成される中心部材と、前記中心部材の少なくとも前記金属製ワークと摩擦接触する領域を覆うセラミック部材と、を有し、前記セラミック部材は、Ｓｉの窒化物からなり、前記中心部材は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＷの少なくとも１種を主成分とする耐熱性の合金であることを特徴とするの摩擦撹拌接合用ツールが開示されている。
【０００７】
特許文献５には、金属基複合材料（ＭＭＣｓ）、鉄合金、非鉄合金及び超合金を摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合工具であって、軸部、肩部及びピンと、前記肩部及びピンの少なくとも一部分に配置された高耐摩耗性材料とを含み、前記肩部は該肩部の前記軸部に対する回転運動を防ぐために前記軸部に機械的に固定され、前記高耐摩耗性材料は第１相及び第２相を有し、前記高耐摩耗性材料は超高温及び超高圧の下で製造され、ＭＭＣｓ、鉄合金、非鉄合金及び超合金を機能上摩擦攪拌接合することができる、摩擦攪拌接合用工具が開示されている。
【０００８】
特許文献６には、１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金を被加工物として摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合用工具であって、少なくとも前記被加工物に接触させる部分が、イリジウムを主成分とし、レニウム、ルテニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム又はハフニウム或いはこれらの２種以上を副成分として含有する組成を有し、且つ、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有することを特徴とする摩擦攪拌接合用工具が開示されている。
【０００９】
特許文献７には、回転する回転子の先端面から延出されたプローブピンを、被接合部材の接合部に圧入させ、この接合部に沿ってプローブピンを移動させて、接合部において被接合部材を摩擦攪拌接合させる摩擦攪拌接合用ツールにおいて、少なくとも上記の被接合部材と接触するプローブピン及び回転子の部分を、Ｃｏを５〜１８重量％含有するＷＣ系の超硬合金で構成したことを特徴とする摩擦攪拌接合用ツールが開示されている。
【００１０】
特許文献８には、質量比でＡｌ：０．１〜１０％、Ｗ：３．０〜４５％、残部が不可避的不純物を除きＣｏの組成、及び原子比でＣｏ３（Ａｌ、Ｗ）のＬ１２型金属間化合物が析出した金属組織で特徴付けられる高耐熱性、高強度Ｃｏ基合金が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許２７１２８３８号公報
【特許文献２】特開２００８−３６６６４号公報
【特許文献３】特開２００５−１５２９０９号公報
【特許文献４】特開２００４−８２１４４号公報
【特許文献５】特表２００３−５３２５４３号公報
【特許文献６】特開２００６−３２０９５８号公報
【特許文献７】特開２００５−１９９２８１号公報
【特許文献８】国際公開２００７／０３２２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、高温強度が高く、かつ、高温度における耐摩耗性に優れ、生産性に優れた摩擦攪拌用ツールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の摩擦攪拌用ツールは、分散して析出したγ’析出相を含有する結晶粒と、相隣る前記結晶粒の間に挟まれた結晶粒界及び析出相とを含むＣｏ基合金で形成され、前記析出相が、μ相、ラーベス相及び炭化物相から選択される少なくとも１種類の相であることを特徴とする。特に、γ’析出相がＣｏ３（Ａｌ、Ｗ）、もしくは（Ｃｏ、Ｘ）３（Ａｌ、Ｗ、Ｚ）の組成を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、鋳造で生産コストを低減し、様々なツール形状への加工が容易にできるなど、生産性に優れ、高温度での摩耗の少ない摩擦攪拌用の回転ツールが提供できる。また、上記ツールを用いることで、ＴｉやＺｒなどの難溶接材料も容易に接合できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による実施例の回転ツールの構成を示す側面図である。
【図２】本発明の回転ツールの材料であるＣｏ基合金インゴットの外観写真である。
【図３】本発明による実施例のＣｏ基合金インゴットのミクロ組織を示す電子顕微鏡写真である。
【図４】本発明のＣｏ基合金回転ツールを用いて作製したＳＳ４００材鉄鋼材料の接合部を示す外観写真である。
【図５】本発明のＣｏ基合金製回転ツールを接合に用いた後の表面部を示す外観写真である。
【図６】本発明のＣｏ基合金製回転ツールを用いて作製したＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌ材の突き合わせ接合部を示す外観写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、材料を摩擦攪拌により、接合又は改質する摩擦撹拌用のツールに関する。
【００１７】
アルミニウム合金のような低融点金属材料の摩擦攪拌接合においては、すでに実用化に至っている。一方、鉄鋼材料のような高融点材料の摩擦攪拌接合においても比較的早くから報告されているが、鉄鋼材料における摩擦攪拌接合の研究報告例はアルミニウム合金などに比べるとかなり少ない。
【００１８】
アルミニウム合金の接合に一般的に用いられている工具鋼製の回転ツールを鉄鋼材料の接合に適用した場合、ツールが熱変形するため、接合が容易ではないことがその理由の一つとして挙げられる。鉄鋼材料のような高融点材料の摩擦攪拌接合における回転ツール材料の特性としては、高温強度、耐摩耗性、非反応性などが要求される。
【００１９】
特許文献５には、鉄鋼材料及び高融点材料用の接合に適した回転ツールの材料として、ＰＣＢＮ（米国ＭｅｇａＳｔｉｒ製のＰｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）のようなセラミック材料が記載されている。
【００２０】
セラミック材料は、一般に、高温での強度は高いが、室温での切削が困難であるため、様々なツール形状に加工することが容易ではない。また、焼結により作製するため、生産性の点で改善の余地がある。
【００２１】
一方、Ｃｏ基合金（コバルト基合金）も比較的に高温強度が高く、回転ツールとして有望と考えられている。Ｃｏ合金を回転ツールに適用できることについては、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献６、特許文献７などに記載されている。
【００２２】
Ｃｏ基合金はセラミック材料と比べて室温での切削性が比較的良いため、様々な形状に比較的に簡単に加工ができることから、経済的な利点が期待できる。しかし、上記Ｃｏ基合金においては８００℃を超える温度で素材の強度が急激に低下するため、上記Ｃｏ基合金を鉄鋼材料のような高融点材料の接合における回転ツールとして用いた場合は、ツール素材自体の劣化が進み、ツールの摩耗や破損が生じてしまう。
【００２３】
特許文献８には、１０００℃付近の高温（鉄鋼材料の摩擦攪拌接合における一般的な接合温度）でも急激な強度低下を抑制可能と思われるＣｏ基合金が記載されている。特許文献８には、γ’強化型のＣｏ−４Ａｌ−２６．９Ｗ（質量％）の３元系合金において、Ｎｉ含有量の増加とともに、高温強度を維持する上で最も重要なγ’固溶温度が上昇していることが記載されている。
【００２４】
攪拌ツールの要求特性としては、高温強度以外にも耐摩耗性が挙げられる。一方、特許文献８に記載されているＣｏ基合金において、耐摩耗性に影響を及ぼす因子については明らかではない。上記因子としては、γ’固溶温度のみならずγ’の量（体積分率）やその他の析出物などが考えられる。
【００２５】
上記の回転ツールにおける耐摩耗性の課題は、回転ツールの材質として、Ｌ１２構造を示すＣｏ３（Ａｌ，Ｗ）のγ’相を体積分率で１０％から８０％まで析出させたＣｏ基合金を用いることで解決できる。
【００２６】
γ’相の体積分率を１０％から８０％に限定した理由は次の通りである。
【００２７】
γ’相の体積分率が１０％以下では、高温強度を維持できなくなり摩擦攪拌用のツールの一部が変形してしまい、耐摩耗性も十分でなかった。一方、γ’相の体積分率が８０％以上になると、Ｂ２構造のβ相などが過剰に析出して耐摩耗性が低下してしまった。
【００２８】
上記Ｃｏ基合金の特徴に加えて、μ相、ラーベス相及び炭化物（炭化物相とも呼ぶ。）から選択される１種又は２種以上（少なくとも１種類の相）を析出させたＣｏ基合金を回転ツールに用いることで解決できる。
【００２９】
摩擦攪拌の攪拌温度域において、高温強度及び耐摩耗性を維持できるＣｏ基合金の化学組成としては、１０ａｔ％程度のＡｌ、７．５ａｔ％程度のＷ、３ａｔ％程度のＴａ、１０ａｔ％程度のＣｒ、０．０６ａｔ％程度のＢ、０．６ａｔ％程度のＣを含み、Ｎｉを３０ａｔ％または４０ａｔ％程度含有することが望ましい。また、Ｃｏが２５ａｔ％以上含有することが望ましい。ここで、ａｔ％は、原子％とも表記できる単位であり、合金を構成するすべての原子数に対する各構成原子の原子数を表す。
【００３０】
上記の組成範囲のＣｏ基合金における室温での耐力は約８００ＭＰａであり、比較的に切削しやすい。また、上記Ｃｏ基合金は精密鋳造が可能であるため、ツール生産における経済効果も大きいと判断できる。
【００３１】
本発明の摩擦攪拌用ツールは、円柱状のシャンク部、このシャンク部の端部に形成されたショルダ部及びこのショルダ部の端部に形成されたピン部を含むことを特徴とする。前記Ｃｏ基合金を用いて鋳造された一体成形物、もしくは切削加工物であることが好ましい。本発明の摩擦攪拌用ツールは、摩擦攪拌接合装置に搭載され使用される。
【００３２】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
［実施例１］
【００３３】
図１は、本発明の回転ツールにおけるツール構成の一例である。
【００３４】
摩擦攪拌用ツール１０１は、精密鋳造により作製したインゴットから一体に切削加工したものである。摩擦攪拌用ツール１０１を一体に加工することにより、ツール剛性を向上できると共に、ツール作製の簡便化を図ることができ、大幅にコストを削減することが可能である。
【００３５】
摩擦攪拌用ツール１０１は、接合装置の主軸と連結されるシャンク部１０２と接合時に被接合材の表面と接触するショルダ部１０３と接合時に被接合材に挿入されるピン部１０４とに構成されている。
【００３６】
ツール１０１の形状として、ショルダ部１０３の直径が１５ｍｍのものを用いた。ピン部１０４は、ショルダ部１０３に接続されているピン‐ショルダ接続部１０５における直径が６ｍｍ、ピン先端部１０６で３．５ｍｍであった。ピン部１０４の長さは１．８ｍｍにした。被接合材である鉄系材料の厚みは、４ｍｍのものを使用した。接合条件として、ツール１０１の回転速度及び接合速度にはそれぞれ２５０回転／分及び５００ｍｍ／分を用いた。
【００３７】
図２は、精密鋳造により作製したＣｏ基合金インゴットの外観写真である。
【００３８】
インゴットは、Ｃｏ−４０Ｎｉ−１０Ａｌ−７．５Ｗ−３Ｔａ−１０Ｃｒ−０．０６Ｂ−０．６Ｃの組成で作製した。単位はすべてａｔ％（原子％：合金を構成するすべての原子数に対する各構成原子の原子数）である。Ｃｏの含有量は約２９％である。インゴットの外径は約３０ｍｍ、長さは押し湯の部分を除き１００ｍｍ程度であった。摩擦攪拌用の回転ツールを作製するに充分な大きさである。また、インゴットは数分程度の非常に短い時間で作製可能であり、生産性に優れていることを確認した。更に、精密鋳造によりニアネット形状のツールが作製可能であることを確認した。
【００３９】
インゴットを作製した後、１２５０℃で熱処理して空冷し、その後、１０００℃で熱処理した。これは、高温強度を維持するに必要である、Ｌ１２構造を示す（Ｃｏ、Ｘ）３（Ａｌ、Ｗ、Ｚ）のγ’相を析出させるためである。ここで、Ｘは主としてＮｉであり、Ｚは主としてＣｒ及びＴａである。また、上記の熱処理の温度は、耐摩耗性や粒界強化に効果的な、μ相、ラーベス相、炭化物を析出にも有効である。
【００４０】
図３に前記インゴットのミクロ組織写真を示す。
【００４１】
インゴットは、結晶粒３０１と、結晶粒３０１の粒内のＡ１構造のγ相に細かく分散析出したγ’析出相３０２と、結晶粒界３０３と、結晶粒界３０３に存在する析出相３０４とを含む構成である。γ’析出相３０２の体積分率は約６０％である。析出相３０４は、μ相、ラーベス相及び炭化物相の中の一種類又は複数種類の相である。析出相３０４は、粒界を安定させる成分（粒界安定成分）である。ここで、結晶粒３０１は、結晶粒界３０３に囲まれ、Ｃｏマトリクスに多数のγ’析出相３０２（γ’粒子）を分散させた１個の粒子である。
【００４２】
このようなミクロ組織は高温強度及び耐摩耗性の向上に有効である。
【００４３】
図２で示したインゴットを加工して作製した摩擦攪拌用ツールを用いて、ＳＳ４００の鉄系材料に接合を行った。
【００４４】
図４は、図２で示したインゴットを図１の形状に加工して作製した摩擦攪拌用ツールを用いて接合したＳＳ４００鉄鋼材料（鉄系材料）の接合部を示す外観写真である。
【００４５】
本図（前記ＳＳ４００材の接合部）に示すように、本発明の摩擦攪拌用ツールを用いて前記ＳＳ４００材の摩擦攪拌接合が可能であることを確認した。
【００４６】
接合条件として、ツール１０１の回転速度及び接合速度にはそれぞれ２５０回転／分及び５００ｍｍ／分を用いた。接合距離は３６０ｍｍとし、複数回の繰り返し接合した。接合距離に伴う摩擦攪拌用ツールの形状変化を観察し、摩擦攪拌用ツールの性能を評価した。
【００４７】
図５は、３６０ｍｍを２回接合した後のツール表面部外観及び３７回接合後の外観を示したものである。それぞれのトータル接合距離は、０．７２ｍ及び１３．３２ｍである。
【００４８】
本図からわかるように、１３．３２ｍ（３７回）の接合においても、ピン部及びショルダ部に明瞭な損傷は見当たらない。ピン部及びショルダ部に接合材が若干付着したため、接合後のツールにおける形状変化は明確に計測できていないが、摩耗はほとんど生じていないことが明らかとなった。
【００４９】
上記ツールを用いて継続寿命評価を実施した結果、４５ｍ以上のトータル接合距離においてもツールの摩耗が少なく、ツールして使用できることを確認した。
【００５０】
以上の結果より、ＳＳ４００鉄鋼材料に対する該Ｃｏ基合金ツールは変形及び摩耗の少ない摩擦攪拌ツールを提供できることが実証できた。
［実施例２〜４］
【００５１】
鉄系材料のほかにも、純チタンやチタン合金に図１の摩擦攪拌用ツール１０１を用いて摩擦攪拌接合を適用可能であるとの知見が得られた。本実施例で使用したチタン材は、工業用純Ｔｉ（実施例２）、チタン合金Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（実施例３）、チタン合金Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌ（実施例４）である。
【００５２】
接合条件として、ツール１０１の回転速度及び接合速度にはそれぞれ２００回転／分及び１００ｍｍ／分を用いた。
【００５３】
図６は、図１の摩擦攪拌用ツール１０１を用いて接合したＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌ材の突き合わせ接合部の外観写真である。
【００５４】
本図から、整然とした表面ビードが得られていることがわかる。また、摩擦攪拌用ツールのショルダ部及びピン部における摩耗・変形は見られなかった。本実施例では、接合後のツールの外観検査等で、前記Ｃｏ基合金製回転ツールとチタン合金との反応はほとんど起きていないことがわかった。
【００５５】
以上の結果より、本発明の摩擦攪拌用ツールは、チタン合金の摩擦攪拌接合にも有効であることが明らかである。
［実施例５］
【００５６】
以下に、Ｃｏ−３０Ｎｉ−９．５Ａｌ−７．８Ｗ−２Ｔａ−１０Ｃｒ−０．０６Ｂ−０．６Ｃの組成を有するＣｏ基合金で形成された摩擦攪拌用ツールの結果を示す。単位はすべてａｔ％である。Ｃｏの含有量は約４０％である。このツールをツール２０１とする。ツール２０１はツール１０１と同様の手法で作製された。上記ツール２０１におけるγ’析出相の体積分率は約４５％である。
【００５７】
示差走査熱量測定（ＤＳＣ）により、γ’析出物の固溶温度を測定した結果を表１に示す。表中、ツール１０１、すなわち、４０ａｔ％のＮｉを含む合金の場合、γ’固溶温度は１１６３℃であり、ツール２０１、すなわち、３０ａｔ％のＮｉを含む合金の場合、γ’固溶温度は１０９４℃である。
【００５８】
【表１】
【００５９】
本実施例の上記ツール２０１は、表１に示すＤＳＣの結果から、γ’析出物の固溶温度は１０９４℃である。これは、本実施例の摩擦攪拌用ツールにおけるＮｉ、Ｔａの含有量が実施例１の摩擦攪拌用ツール１０１に比べて低いためである。ツール１０１およびツール２０１におけるγ’相の固溶温度は、鉄鋼材料ＳＳ４００における接合温度（１０００℃）より高く、上記ツールのγ’相は接合中においても安定であると考えられる。
【００６０】
実施例１と同様にして、本実施例の摩擦攪拌用ツールによりＳＳ４００の鉄系材料に接合を行った。本実施例の摩擦攪拌用ツールも、実施例１の摩擦攪拌用ツールと同様の形状とした。また、接合条件も実施例１と同様の条件を用いた。接合距離は３６０ｍｍとし、複数回繰り返し接合を行った。
【００６１】
その結果、本実施例の場合もＳＳ４００材の摩擦攪拌接合が可能であることを確認した。
［実施例６〜１２］
【００６２】
実施例６から１２の結果を実施例１から５の結果と併せて表２に示す。
【００６３】
表２には、ツール１０１とツール２０１を様々な接合材料に適用した例を示す。
【００６４】
ツール１０１とツール２０１を、融点の低いアルミニウム合金から融点の高いステンレス鋼、Ｔｉ合金、Ｚｒ合金で、問題なく適用できることを確認した。
【００６５】
接合後にツールの表面を観察し、ツールの損傷や表面への接合材料の付着がなく、接合部に欠陥がない場合を○と評価した。
【００６６】
実施例６〜１２に適用した接合条件は以下の通りである。
【００６７】
実施例６：Ｎ＝８００回転／分、Ｖ＝２００ｍｍ／分、実施例７：Ｎ＝２００回転／分、Ｖ＝１００ｍｍ／分、実施例８：Ｎ＝１００回転／分、Ｖ＝５０ｍｍ／分、実施例９：Ｎ＝２００回転／分、Ｖ＝１００ｍｍ／分、実施例１０：Ｎ＝２００回転／分、Ｖ＝１００ｍｍ／分、実施例１１：Ｎ＝１００回転／分、Ｖ＝５０ｍｍ／分、実施例１２：Ｎ＝２００回転／分、Ｖ＝１００ｍｍ／分で、Ｎはツールの回転速度、Ｖは接合速度である。
【００６８】
【表２】
【００６９】
また、表３には、実施例１から１２におけるγ’体積分率を示す。
【００７０】
接合後のツールにおけるγ’体積分率をＡ：１０％以上３０％未満、Ｂ：３０％以上５０％未満、Ｃ：５０％以上６５％未満、Ｄ：６５％以上８０％以下として記載した。ここで、例えば、１０％以上３０％未満は、１０％以上且つ３０％未満を意味する。
【００７１】
【表３】
【００７２】
表２及び表３から判るように、γ’析出相の体積分率が１０％〜８０％のＣｏ基合金からなる摩擦攪拌接合用のツールは、いずれの接合においても効果的であることが明らかである。また、摩擦攪拌接合用のツールにおけるγ’体積分率は、ツールの合金組成のみならず、接合材料の種類や接合条件によって変化させられることがわかる。
［比較例］
【００７３】
通常、ＰＣＢＮ製の回転ツールを用いてＴｉ合金の接合を実施した場合、ツールにおける摩耗が激しい上に、接合部の表面も荒れる。これは、ＰＣＢＮ製の回転ツールに含まれているＮ（窒素）がＴｉ（チタン）と反応し、ＴｉＮ（窒化チタン）が形成されるため、ツールが摩耗しやすくなることに起因すると考えられる。
【００７４】
このように、チタンは活性を有する金属であり、接合中に摩擦攪拌用ツールと反応することがしばしば見られる。ＰＣＢＮ製ツールによる活性金属接合の結果を表２に示すが、激しいツール摩耗により接合は不可であったため、×と評価した。
【００７５】
また、ＰＣＢＮのようなセラミック材質の回転ツールを繰り返して使用した場合、ショルダ部やピン部にクラックが発生し、ツールの一部が欠け落ちることがしばしば見られる。そのため、ＰＣＢＮ製回転ツールの寿命が予測できないのが現状である。これはセラミック材料が熱衝撃に弱いためと考えられる。
【００７６】
ＳＳ４００、ＳＵＳ４３０（ＡＩＳＩ４３０）、ＳＵＳ３０４（ＡＩＳＩ３０４）などの材料をＰＣＢＮ製の回転ツールを用いて接合した結果を表２に示す。使用中に突然、ツール破損が生じたため、△２として評価した。なお、これに比べて、Ｃｏ基合金は金属材料であるため、ツールにおける突発的な破損は起きにくいと考えられる。
【００７７】
更に、ＰＣＢＮ製の回転ツールをアルミニウム合金（６Ｎ０１）に対して適用した場合、ツール表面に接合材料（アルミニウム）が付着し、ビード表面が粗くなることもあった。表２には、△１と表記している。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
上記の摩擦攪拌用ツール（Ｃｏ合金製攪拌ツール）を高融点材料の構造部の摩擦攪拌接合に適用した場合、溶接変形、スパッタ及び残留応力が少なくなることがわかった。本発明の摩擦攪拌用ツールを用いた摩擦攪拌接合は、自動車パネル部材やパイプなどの構造物等に応用することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１０１、２０１：摩擦攪拌用ツール、１０２：シャンク部、１０３：ショルダ部、１０４：ピン部、１０５：ピン‐ショルダ接続部、１０６：ピン先端部、３０１：結晶粒、３０２：γ’析出相、３０３：結晶粒界、３０４：析出相。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａ１構造を示すγ相と、前記γ相中に析出したＬ１２構造を示すγ’相を有するＣｏ基合金で形成され、前記γ’相はＣｏ３（Ａｌ，Ｗ）よりなり、前記γ相中に前記γ’相が体積分率で１０％から８０％含まれることを特徴とする摩擦攪拌用ツール。
【請求項２】
請求項１に記載の摩擦攪拌用ツールであって、前記Ｃｏ基合金はμ相、ラーベス相、炭化物のうち少なくとも１種の析出物を含むことを特徴とする摩擦攪拌用ツール。
【請求項３】
請求項１または２に記載の摩擦攪拌用ツールであって、前記Ｃｏ基合金は、Ｃｏを２５原子％以上含むことを特徴とする摩擦攪拌用ツール。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の摩擦攪拌用ツールであって、鋳造または切削加工により形成されたことを特徴とする摩擦攪拌用ツール。
【請求項５】
円柱状のシャンク部と、このシャンク部の端部に形成されたショルダ部と、このショルダ部の端部に形成されたピン部とを含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌用ツール。
【請求項６】
前記Ｃｏ基合金が、鋳造された一体成形物であることを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌用ツール。
【請求項７】
前記Ｃｏ基合金が、切削加工物であることを特徴とする請求項６に記載の摩擦攪拌用ツール。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の摩擦攪拌用ツールを用いることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項１】
Ａ１構造を示すγ相と、前記γ相中に析出したＬ１２構造を示すγ’相を有するＣｏ基合金で形成され、前記γ’相はＣｏ３（Ａｌ，Ｗ）よりなり、前記γ相中に前記γ’相が体積分率で１０％から８０％含まれることを特徴とする摩擦攪拌用ツール。
【請求項２】
請求項１に記載の摩擦攪拌用ツールであって、前記Ｃｏ基合金はμ相、ラーベス相、炭化物のうち少なくとも１種の析出物を含むことを特徴とする摩擦攪拌用ツール。
【請求項３】
請求項１または２に記載の摩擦攪拌用ツールであって、前記Ｃｏ基合金は、Ｃｏを２５原子％以上含むことを特徴とする摩擦攪拌用ツール。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の摩擦攪拌用ツールであって、鋳造または切削加工により形成されたことを特徴とする摩擦攪拌用ツール。
【請求項５】
円柱状のシャンク部と、このシャンク部の端部に形成されたショルダ部と、このショルダ部の端部に形成されたピン部とを含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌用ツール。
【請求項６】
前記Ｃｏ基合金が、鋳造された一体成形物であることを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌用ツール。
【請求項７】
前記Ｃｏ基合金が、切削加工物であることを特徴とする請求項６に記載の摩擦攪拌用ツール。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の摩擦攪拌用ツールを用いることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−６２７３１（Ｐ２０１１−６２７３１Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１５９９８（Ｐ２００９−２１５９９８）
【出願日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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