摩擦攪拌加工用ツール及び摩擦攪拌加工方法
【課題】鉄または鉄合金等の加工温度が高温になる被加工材用の、摩耗が少なく高効率で生産性よく摩擦攪拌加工できる安価な摩擦攪拌加工用ツールおよび摩擦攪拌加工方法を提供する。
【解決手段】ロックウエル硬さ(HRA)が85以上、K1Cが5MPam1/2以上、800℃におけるビッカース硬さ(Hv)が200以上の超硬合金にてなることを特徴とする摩擦攪拌加工用ツール40。被加工材にツール先端41を挿入し、このツールを高速回転させその時に発生する摩擦熱により被加工材31を可塑化させて攪拌することにより、被加工材を加工する摩擦攪拌加工方法において、上記記載の摩擦攪拌加工用ツールを用いることを特徴とする摩擦攪拌加工方法。
【解決手段】ロックウエル硬さ(HRA)が85以上、K1Cが5MPam1/2以上、800℃におけるビッカース硬さ(Hv)が200以上の超硬合金にてなることを特徴とする摩擦攪拌加工用ツール40。被加工材にツール先端41を挿入し、このツールを高速回転させその時に発生する摩擦熱により被加工材31を可塑化させて攪拌することにより、被加工材を加工する摩擦攪拌加工方法において、上記記載の摩擦攪拌加工用ツールを用いることを特徴とする摩擦攪拌加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、摩擦攪拌加工用のツール、特に被加工材が鉄又は鉄合金である場合に好適な摩擦攪拌加工用ツールおよびそれを用いた摩擦攪拌加工方法に関する。ここで、摩擦攪拌加工とは、摩擦攪拌接合、摩擦攪拌改質、摩擦点接合等の、回転するツールを強い力で被加工材に押し当て、発生する摩擦熱により被加工材を可塑化させ固相状態で加工することをいう。
【背景技術】
【0002】
アルミニウム合金板等の被接合材同士を接合するに際し、この被接合材の接合面を互いに突き合わせて形成される接合線の一端に、高速回転する棒状の攪拌工具(径の大きいショルダ部とその先端にプローブを有する硬い工具鋼からなるツール)のプローブを強い力で挿入し、このツールを高速回転させながら接合線に沿って他端に移動させ、その時に発生する摩擦熱により接合面を可塑化して、ツールのショルダ部によって圧力を付加しながら被接合材の接合面同士を接合する接合方法は、摩擦攪拌接合(FSW:
Friction Stir Welding)と呼ばれ、広く知られている(例えば特許文献1)。
【0003】
上記摩擦攪拌接合によれば、ツールと被接合材との摩擦熱を利用して接合するので、最高到達温度が融点に達せず固相状態で接合するため、アーク溶接などの溶融溶接に比べて、接合部における強度低下が小さく、気孔や割れなどの接合欠陥がなく、接合面も平坦である等の利点があり、すでに鉄道車両、船舶、土木構造物、自動車などの分野で実用化されている。
【0004】
また、アルミニウム合金板等の被加工材の表面に、上記のような高速回転するツールのプローブを強い力で挿入し、このツールを高速回転させながら一端から他端に移動させ、その時に発生する摩擦熱によりツールのショルダ部およびプローブの近傍の被加工材を可塑化することにより、被加工材の一定の深さまでの結晶粒径を小さくして強度および硬度等を向上させる改質方法は、摩擦攪拌改質(FSP:Friction Stir
Processing)と呼ばれ、広く知られている(例えば特許文献2)。
【0005】
更にツールを被加工材に押し付けるが横移動させることなく一定時間後にそのまま引き抜くという点接合プロセスが開発されており、摩擦点接合(Spot Friction Welding)あるいはフリクションスポット接合(Friction Spot
Joining)と呼ばれている。
【0006】
これらの摩擦攪拌加工において、被加工材としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いる場合、ツールとしてはSKD鋼等のツールが用いられている。しかし、被加工材として鉄または鉄合金が用いられる場合には、SKD鋼等のツールは、ツールがたちまち減耗等により変形し、接合ができないという問題がある。また、セラミック製ツールは、高価で折れ易いという問題があり、特に被加工材がステンレスの場合は摩耗しやすい。
【0007】
そこで、鉄または鉄合金、チタン等にてなる高融点の金属材料を被加工材とする摩擦攪拌加工技術の検討がされている(例えば、特許文献3、4、5及び6)。
【0008】
特許文献3には、鉄,ニッケルまたはそれら各々の合金により構成される構造物であって、表面部に顕在化した損傷部を有するものにおいて、前記損傷部が回転ツールを用いる摩擦攪拌接合法によって補修されている構造物が開示され、上記回転ツールとして、常温での硬さがビッカース硬さ相当で550またはそれ以上の材料からなる例えば超硬合金のような金属またはセラミックからなるものが挙げられている。しかしながら、この実施例においては、回転ツールの具体的な材料名は示されてはいない。
【0009】
特許文献4にはタングステン製ツールを用いて鉄系材料を摩擦攪拌加工することが開示されているが、タングステン製ツールは炭素鋼には使えるがステンレスには難しく、実用的に長距離接合するには十分ではない上高価である。
【0010】
特許文献5には、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2元合金の組成を有し、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。
【0011】
特許文献6には、少なくとも被加工物に接触させる部分が、平均結晶粒径が200μm以下の結晶粒からなる金属系材料又は金属とセラミックスの複合材料で形成されてい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。そして、前記金属系材料が、2000℃ 以上の融点を有する高融点金属と、酸化物若しくは窒化物のいずれか1 種又はその両方とを含有する合金であることが開示されている。
【0012】
特許文献5または6に開示された摩擦攪拌接合用工具は、SKD鋼製ツールに比べて、鉄または鉄合金用として適しているが、しかしながら、イリジウムを主成分とする2元合金は、高価であるという問題が残っており、また、2000℃ 以上の融点を有する高融点金属と、酸化物若しくは窒化物のいずれか1種又はその両方とを含有する合金も高価であるという問題が残っている。
【特許文献1】特許第2712838号公報
【特許文献2】特開2003−64458号公報
【特許文献3】特開2002−219585号公報
【特許文献4】特開2002−273579号公報
【特許文献5】特開2006−320958号公報
【特許文献6】特開2007−237259号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、鉄または鉄合金等の加工温度が高温になる被加工材用の、摩耗が少なく高効率で生産性よく摩擦攪拌加工できる安価な摩擦攪拌加工用ツールおよび摩擦攪拌加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記の目的は、本発明の摩擦攪拌用ツール及びそれを用いた摩擦攪拌接合方法により達成することができる。すなわち、本発明の摩擦攪拌加工用ツールは、 ロックウエル硬さ(HRA)が85以上、K1Cが5MPam1/2以上、800℃におけるビッカース硬さ(Hv)が200以上の超硬合金にてなることを特徴とする。
【0015】
本発明の摩擦攪拌加工用ツールは、 ロックウエル硬さ(HRA)が86以上、K1Cが10MPam1/2以上、800℃におけるビッカース硬さ(Hv)が300以上の超硬合金にてなることを特徴とする。
【0016】
また、請求項3に記載の発明は、上記摩擦攪拌加工用ツールの発明において、摩擦攪拌加工の被加工材が鉄または鉄合金であることを特徴とする。
【0017】
本発明の摩擦攪拌加工方法は、被加工材にツール先端を挿入し、このツールを高速回転させその時に発生する摩擦熱により被加工材を可塑化させて攪拌することにより、被加工材を加工する摩擦攪拌加工方法において、請求項1、2または3に記載の摩擦攪拌加工用ツールを用いることを特徴とする。
【0018】
また、請求項5に記載の発明は、上記摩擦攪拌加工方法において、被加工材が鉄または鉄合金であることを特徴とする。
【0019】
以下、 本発明の摩擦攪拌加工用ツールについて詳細に説明する。本発明でいう超硬合金とは、W、Mo、Cr、Ti、Zr、Hf、V、Nb及びTaのいずれかの元素からなる金属の炭化物を、Fe,Co及びNiのうちの少なくとも1つを主成分とする金属で結合した合金の総称である。
特に、タングステンカーバイド(WC)微粒子を金属バインダーにて固めた合金材料が好適に用いられる。超硬合金は主に切削加工や金型などの耐摩耗性を要求される分野で使用され、比較的安価な材料である。本発明は超硬合金に着目し特定の性能を満たすものが本用途に使用可能なことを見出し完成したものである。
【0020】
タングステンカーバイド粒子の粒径は約1〜5μmのものが好適に用いられる。平均粒径はフルマンの式によるWC平均粒度算出方法による。
バインダー用の金属はCoまたはCoとNi等の合金が通常用いられ、更に微量のCr等の金属を加えたものも用いられる。
CoとNiを用いたものはCo単独のものに比し常温で硬度が低いが、温度の上昇に伴う硬度の低下が少なく高温での硬度が維持されやすい。
【0021】
ツールの製造は、例えばWC粉末、Co粉末、Ni粉末を混合し、冷間プレス、成形、真空焼結、必要に応じてHIP(熱間等方圧加圧)処理、研削加工、研磨加工、放電加工等により所定の形状に加工することにより行われる。HIP処理とは、不活性ガス下、高温・高圧下で処理し気孔を消滅させる操作のことを言う。
【0022】
本発明で用いる超硬合金のロックウエル硬さ(HRA)は、摩擦攪拌加工用ツールの耐摩耗性の維持の点から85以上が必要であり、好ましくは86以上であり、更に好ましくは88以上である。上記ロックウエル硬さは、CIS027B超硬質合金のロックウエルA硬さ試験方法によって測定されるものである。
【0023】
本発明で用いる超硬合金のK1C は、5MPam1/2以上が必要である。10MPam1/2以上が好ましい。摩擦攪拌加工用ツールの加工時における折損を防ぐためである。
上記K1Cは、破壊靭性値といいクラックを生じた後のクラックの進展し難さの尺度に用いられる。K1Cが大きい程クラックが進展し難いとされる。上記のように、本発明で用いる超硬合金のK1C は、5MPam1/2以上が必要であるが、通常、硬さが大きくなると、K1C は小さくなるため硬度とK1C のバランスが必要である。K1C の上限は25MPam1/2程度である。
上記K1Cは、ビッカース圧痕法により新原の式を使用して算出される。
新原の式 K1c=0.008XaXI-1/2XE2/5Xσmb3/5MPam1/2
a ビッカース圧痕の対角線の半分(m)
I 4本のクラックの長さの平均値(m)
E ヤング率 (MPa)
σmb 抗折力 (MPa)
テスト条件 焼鈍後(1000℃X1h)、荷重490N
【0024】
本発明で用いる超硬合金の800℃におけるビッカース硬さ(Hv)は200以上が必要であり、300以上が好ましい。
本発明において、800℃におけるビッカース硬さとは、JIS Z 2252に基き、荷重1000g、保持時間30秒の条件で、温度800℃で測定したものを意味する。
【0025】
本発明の請求項3でいう鉄合金とは、鉄を主成分として他の元素を一つもしくは複数含む合金をいう。例えば、炭素鋼、ステンレスなどが挙げられる。
【0026】
本発明の請求項3でいう被加工材の形状としては、特に限定されないが、薄板、厚板、塊状物などが挙げられ、摩擦攪拌接合の場合は薄板、厚板が特に好ましい。
【0027】
本発明の摩擦攪拌加工方法について詳しく説明する。突合せ摩擦攪拌接合においては被接合材を突合せにて定盤上に又は定盤上に置いた裏当て治具上に置き固定する。この際、攪拌接合による裏面からの汚染等の問題があるため、接合部分に裏当て材を置いてその上で接合加工されることがあるが、この方法は本発明のツールによる加工においても有用である。裏当て材は耐熱性、不燃性、強度、非汚染性、表面平滑性等を有することが好ましく、高融点金属箔、セラミックス板等が用いられるが、特に断熱性のよい熱伝導率の低いセラミックスが好ましい。
【0028】
上述の裏当て材を用いて、本発明の摩擦攪拌加工方法として、摩擦攪拌接合(FSW)を行う方法を図1を参照しながら説明する。
【0029】
図1において、先ず、定盤上の所望の位置に、裏当て材20を配置する。裏当て材としては、セラミックス板、スチール箔、チタン箔などの金属箔等が好適に使用されるが、これ等に限定されない。
【0030】
次に、上記裏当て材20の上の中央に、板状の被接合材31および32の接合線33が位置するように、板状の被接合材31および32を配置し固定する。被接合材31および32としては、主として、鉄または鉄合金からなる板状の被接合材が使用される。これ等の被接合材31および32は、裏当て治具10の形状に対応して、平たい単純な板状のものあるいは単純な2次元的な曲面を有する板状のものであってもよく、また3次元的な曲面を有する板状のものであってもよい。
【0031】
上記裏当て材を、被接合材31および32と裏当て治具10との間に介在させるには、表面平滑な薄層体20を単に被接合材31および32の接合線33に沿って裏当て治具10上に載置するだけでもよいが、挟着作業を容易にするために、予め裏当て治具10の上に裏当て材20を粘着剤や接着剤により貼り付けておいてもよい。
【0032】
その後、板状の被接合材31と32の接合線33の一端に、高速回転する接合用回転工具40(径の大きいショルダ部42とその先端にプローブ41を有する本発明の超硬合金にてなるツール40)のプローブ41を高速回転させながら強い力で押し当て挿入し、ショルダ部42による圧力を付加し摩擦熱を発生させながらツール40を接合線33に沿って他端に移動させ、摩擦熱によりツール近傍を可塑化して固相状態で接合する。尚ツールは被接合材の接合部の近傍の表面の略法線方向から挿入されかつ略法線方向を保った状態で移動される。
【0033】
ここで上記接合用回転工具(ツール)につき説明する。上記接合用回転工具(ツール)40は、径の大きいショルダ部42とショルダ部42に突出して設けられたプローブ41を有する。通常、プローブ41にはねじが切られているが、ねじが切られていないものも使用できる。また、厚みが6mm程度以下の被接合材(31と32)を使用する場合は、上記ツール40のショルダ部42の直径は12〜15mm程度で、プローブ41の直径は4〜6mm程度のものが好適に使用される。
【0034】
ショルダ部42の面は、接合線33に沿った被接合材31および32を押圧する必要があり、通常は被接合材31および32と当接するショルダ面が平面であるものあるいは曲率半径の大きい凹面が好ましい。場合によっては、やや円弧状または円錐状に凸面を形成したものも使用できる。平板状のものが加工が容易であるため好ましい。上記プローブ41の長さは、裏当て治具10と接触しないように、接合する被接合材31と32の厚みよりも短いのが普通である。ツール40の回転速度は一般に数百〜数千回転/分、接合速度は一般に数十〜数百mm/分であるが、条件によっては1〜2m/分も可能である。
【0035】
プローブ41はショルダ面に突出して設けられるが、位置はツールの回転軸上が好ましい。
プローブはショルダ面から発し先細りすなわち徐々に先端が細くなっている方がよい。プローブの最先端は応力が集中して破損するのを防ぐため平面または回転半径の大きい曲面、例えば球面であるのが好ましい。プローブ高さ対プローブ根元半径の比は1または1より小さい方が好ましく、例えば半球がショルダ面にその底部を一部埋没したような形状に形成されているのが好ましい。回転したツールの先端のプローブが被加工材に当たるときの衝撃に対して強く、折損しにくく、回転により摩擦して可塑化後ツールを移動させるときに、被加工材が十分可塑化していない場合にも折損しにくいからである。また、接合において可塑化部分を攪拌する十分な深さを有することができ、摩擦攪拌加工によって表面から徐々にプローブが減耗したとしても、接合に対してのプローブの形状による影響が小さい。
【0036】
上記ツール40は、定盤軸(X)と横行軸(Y)と昇降軸(Z)の機械3軸からなる公知の摩擦攪拌接合装置に取り付けられて使用される。また、定盤軸(X)と横行軸(Y)と昇降軸(Z)の機械3軸および揺動軸(A)と旋回軸(C)のツール2軸とからなる公知の5軸枠型の摩擦攪拌接合装置に取り付けられても使用される。また、三つの関節軸と二つの回転軸を具備した公知のロボットアームの先端に搭載されたマシンヘッドに取り付けて使用されることもあるが、これ等に限定されない。
【0037】
こうして、被接合材31と32との接合体が得られる。
なお、上例においては、被接合材31と32とを接合する摩擦攪拌接合(FSW)について説明したが、本発明は、2枚の被接合材31と32に替えて、これと同様な1枚の被加工材を用い、その表面に高速回転するツール40のプローブ41を強い力で挿入することにより、その時に発生する摩擦熱により被加工材を改質する摩擦攪拌改質(FSP)にも適用できる。
【0038】
また、被加工材の表面にプローブを挿入するが横移動させることなく、一定時間後にプローブを引き抜くことにより点加工を行う接合技術および改質技術にも適用できる。
【発明の効果】
【0039】
本発明の摩擦攪拌加工用ツールは、ロックウエル硬さ(HRA)が85以上、K1Cが5MPam1/2以上、800℃におけるビッカース硬さ(Hv)が200以上の超硬合金にてなるので、回転させながらツールを被加工材に当てる時にその衝撃及び強い押し付け荷重がプローブ先端部にかかるが、ツールが変形、破壊、折損することがない。更にツールのショルダー面と被加工材表面および被加工材中に埋没したプローブ表面との間の摩擦熱により高温になり、ツール側面がオレンジ色に発光するほどの高温(800℃以上)においても必要な硬度を有するため、高温材料の摩擦攪拌加工に適し、特に接合材が鉄または鉄合金等の被加工材に対して摩耗が少なく折損しにくく、高効率かつ低コストで生産性よく摩擦攪拌加工できる。
【0040】
本発明の摩擦攪拌加工方法は、被加工材にツール先端を挿入し、このツールを高速回転させその時に発生する摩擦熱により被加工材を可塑化させて攪拌することにより、被加工材を加工する摩擦攪拌加工方法において、本発明の摩擦攪拌加工用ツールを用いるので、鉄または鉄合金等の被加工材に対して摩耗が少なく高効率かつ低コストで生産性よく摩擦攪拌加工できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0041】
以下に、実施例を挙げて本発明を詳しく説明する。
【実施例1】
【0042】
(摩擦攪拌加工用ツールの作製)
超硬工具協会規格(CIS019D−2005 耐摩耗・耐衝撃工具用超硬合金及び超微粒子超硬合金の材種選択基準)による材種分類記号VC−50の超硬合金(冨士ダイス株式会社製、商品名「フジロイC50」。粗粒タングステンカーバイドと、バインダー金属としてCoを用い焼結させたものであって、HRA 88.5、K1C 10MPam1/2、800℃のビッカース硬度 330、900℃のビッカース硬度 210、その他の特性を含め表1に示す)を、以下に示す形状に成形、研削加工して本発明のツールを作製した。
【0043】
ショルダ面は直径12mmの円形の平面であり、その中央に設けたプローブは曲率半径2mmの球面がショルダ面から一部が突出た形状のものである。プローブの底部直径は4.07mmであり、プローブのショルダ面からの突起高さは0.90mmである。
【0044】
【表1】
【0045】
(摩擦攪拌加工)
上記の摩擦攪拌加工用ツールを用いて、図1に示した方法で摩擦攪拌加工を行った。定盤軸(X)と横行軸(Y)と昇降軸(Z)の機械3軸からなる摩擦攪拌接合装置に上記ツール40をとりつけた。摩擦攪拌加工時にはアルゴンガスがツール側面に沿って流れ下りツールを包むようになっている。
図1に示すように、平板状の鋼製(S50C)の裏当て治具10の表面に、表面平滑な99.5%純度の酸化アルミ平板(15cm角、2.5mm厚)を裏当て材20として固定した。
【0046】
酸化アルミ製裏当て材20上に、SUS430からなる2枚の平板状の被接合材31、32(15cm角、1.5mm厚)の接合面を互いに突き合わせて載置し固定した。
【0047】
ツール40を、前進角3度、1200rpmで回転させながら上記接合線33上に挿入し、100mm/分の送り速度で被接合材31、32の接合線33に沿って約250mm移動させて摩擦攪拌接合を行い、被接合材31と32との接合体を作製した。ツール40への負荷は約29400Nに設定した。加工時にツール側面はオレンジ色に発光した。加工後の目視観察によれば、ツール40は外観上摩耗は観察されなかった。
【0048】
上記の摩擦攪拌接合により得られた、被接合材31と32との接合体は、図2の写真に示すように、接合部の表面にツール40による加工痕34が存在するがバリ等の欠陥はなく、その裏面写真を図3に示すが、平滑であった。ただし、裏当て材の酸化アルミ板20が加工中に割れたため割れ目に可塑化したSUSが入り込み冷却固化した部分が凸状の細い筋となって見えている。
【0049】
実施例1における、ツール材種、被加工材材質、FSW加工形式、FSW加工条件及びツールサイズを纏めて表2に示した。なお、表2には、後述の実施例2〜7及び比較例1についても、同様の事項を纏めて示した。
【0050】
【表2】
【実施例2】
【0051】
実施例1で用いた摩擦攪拌加工用ツールを用いて、被加工材として1枚の平板を用いてビードオン(bead on。又は、スターインプレート。stir−in−plateともいう)摩擦攪拌加工試験を行った。
定盤軸(X)と横行軸(Y)と昇降軸(Z)の機械3軸からなる摩擦攪拌接合装置に上記ツール40をとりつけた。実施例1と同様に摩擦攪拌加工時にはアルゴンガスがツール側面に沿って流れ下りツールを包むようになっている。
【0052】
図1に示すように、平板状の鋼製(S50C)の裏当て治具10の表面に、表面平滑な99.5%純度の酸化アルミ平板(15cm角、2.5mm厚)を裏当て材20として固定した。
【0053】
酸化アルミ製裏当て材20上に、1枚のSUS430からなる平板状の被加工材(15cm角、1.5mm厚)を載置し固定した。
【0054】
ツール40を、前進角3度、1200rpmで回転させながら上記SUS430平板上に挿入し、100mm/分の送り速度で直線状に250mm移動させて摩擦攪拌加工によるビードオン摩擦攪拌加工試験を行った。ツール40への負荷は約29400Nに設定した。加工時にツール側面はオレンジ色に発光した。加工後の目視観察によればSUS430平板の施工状態は良好であり、ツール40も外観上摩耗は観察されなかった。
【0055】
実施例2終了後、ツールの重量は57.73gであり、ツールの後端部(ツールの後端部とは、ツールにおける、プローブが設けられた側とは反対側の端部のことをいうものとする)からプローブ先端部までの長さLは、23.90mmであり、ツールの後端部からショルダ部までの長さL1は22.76mmであった。なお、実施例1開始前のツールの重量は58.16gであり、長さLは、23.90mmであり、長さL1は23.00mmであった。このことから以下のことが分かる。すなわち、ツールは、実施例1及び実施例2で合計500mmの摩擦攪拌加工に用いられたことにより、ツールの重量が0.43g減量し、ツールの後端部からプローブ先端部までの長さLは変化しなかったが、ツールの後端部からショルダ部までの長さL1は0.24mm減少していた。
【実施例3】
【0056】
実施例2で用いた摩擦攪拌加工用ツールを用いて、実施例2と同様にして、ビードオン試験を行った。その結果、SUS430平板の施工状態は良好であり、終了後のツールの外観は少しの摩耗が観察された。
【実施例4】
【0057】
実施例3で用いた摩擦攪拌加工用ツールを用いて、実施例1と同様にして、突合せ接合を行った。その結果、SUS430平板の突合せの接合状態は良好であったが、終了後のツールの外観はショルダ部にくぼみが発生していた。実施例4終了後、ツールの重量は57.23gであり、長さLは、23.90mmであり、長さL1は22.76mmであった。このことから以下のことが分かる。すなわち、ツールは、実施例1〜実施例4で合計1000mmの摩擦攪拌加工に用いられたことにより、ツールの重量が0.93g減量し、ツールの後端部からプローブ先端部までの長さLは変化しなかったが、ツールの後端部からショルダ部までの長さL1は0.24mm減少していた。
【0058】
上記接合部の強度を調べるために、突合せ接合した平板から接合方向に対して直交する向きに試料を作製し、JIS Z 2241「金属材料引張試験方法」に準じて引張試験を行った。試料は、JIS Z 2201 5号試験片の形状に準じ、幅25.0mm、厚さ1.5mm、平行部長さ50mmとした。測定時のクロスヘッド速度は20mm/minとした。n=3で行った結果、引張強度は498MPa、495MPa、495MPaであった。同様の条件で測定したSUS430母材の引張強度はn=3の平均が519MPaであった。したがって、上記の接合部の引張強度は、ほぼ母材並みであることが分かった。
【0059】
また、上記接合部を接合方向に対して垂直に切断し断面を光学顕微鏡にて観察した。この顕微鏡写真を図14に示した。図14において、この断面の厚みは前述のように1.5mmである。この写真から分かるように欠陥は観察されず摩擦攪拌接合が良好に行われたことが分かる。
【実施例5】
【0060】
実施例4で用いた摩擦攪拌加工用ツールを用いて、ツールの送り速度を200mm/分とした他は、実施例1と同様にして、突合せ接合を行った。その結果、SUS430平板の突合せの接合状態は、図4の写真に示すように、接合部の表面にツール40による加工痕34が存在するがバリ等の欠陥はなく、良好であった。その裏面写真を図5に示すが、平滑であった。ただし、裏当て材の酸化アルミ板20が加工中に割れたため割れ目に可塑化したSUSが入り込み冷却固化した部分が凸状の細い筋となって見えている。
【0061】
実施例5の終了後のツールの写真を図12、図13に示した。また、摩擦攪拌加工に使用する前、即ち、実施例1に使用する前のツールの写真を図10、図11に示した。図10〜図13において、ツールのショルダ部の直径は前述のように12mmである。
実施例5終了後のツールの外観は実施例4の終了後の状態と同じであり、ショルダ部にくぼみが発生していることが分かる。実施例5終了後、ツールの重量は57.19gであり、長さLは、23.87mmであり、長さL1は22.61mmであった。このことから以下のことが分かる。すなわち、ツールは、実施例1〜実施例5で合計1250mmの摩擦攪拌加工に用いられたことにより、ツールの重量が0.97g減量し、ツールの後端部からプローブ先端部までの長さLは0.03mm減少し、ツールの後端部からショルダ部までの長さL1は0.39mm減少していた。
【0062】
上記接合部の強度を調べるために、実施例4と同様にして引張試験を行った。n=2で行った結果、引張強度は501MPa、495MPaであった。したがって、上記の接合部の引張強度は、ほぼ母材並みであることが分かった。
【0063】
また、上記接合部を実施例4と同様にして光学顕微鏡にて観察した。この顕微鏡写真を図15に示した。図15において、この断面の厚みは前述のように1.5mmである。この写真から分かるように欠陥は観察されず摩擦攪拌接合が良好に行われたことが分かる。
【実施例6】
【0064】
実施例1で用いた摩擦攪拌加工用ツールと同様にして摩擦攪拌加工用ツールを新たに作製した。得られた摩擦攪拌加工用ツールを用いて、SUS430の代わりにSUS304を用いたこと、ツールの移動距離250mmの代わりに90mmとしたことの他は、実施例1と同様にして、突合せ接合を行った。その結果、SUS304平板の突合せの接合状態は、図6の写真に示すように、接合部の表面にツール40による加工痕34が存在するがバリ等の欠陥はなく、良好であった。その裏面写真を図7に示すが、平滑であった。ただし、裏当て材の酸化アルミ板20が加工中に割れたため割れ目に可塑化したSUSが入り込み冷却固化した部分が凸状の細い筋となって見えている。
【0065】
終了後のツールも外観上摩耗は観察されなかった。実施例6に使用前のツールの重量は58.16gであり、長さLは、23.88mmであり、長さL1は22.95mmであった。実施例6の終了後、ツールの重量は58.09gであり、長さLは、23.85mmであり、長さL1は22.94mmであった。このことから以下のことが分かる。すなわち、ツールは、実施例6で90mmの摩擦攪拌加工に用いられたことにより、ツールの重量が0.07g減量し、ツールの後端部からプローブ先端部までの長さLは0.03mm減少し、ツールの後端部からショルダ部までの長さL1は0.01mm減少していた。
【実施例7】
【0066】
実施例1におけるツール材種としてVC−50を用いたことの代わりに、超硬工具協会規格(CIS019D−2005)による材種分類記号RC−60の超硬合金(冨士ダイス株式会社製、商品名「フジロイTUC72」。粗粒タングステンカーバイドと、バインダー金属としてCo、Niを用い焼結させたものであって、HRA 86.0、K1C 25MPam1/2、800℃のビッカース硬度 360、その他の特性を含め表1に示す)を用いて得られたツールを用いたことの他は、実施例2と同様にして摩擦攪拌加工によるビードオン試験を行った。
その結果、SUS430平板の施工状態は図8の写真に示すように、接合部の表面にツール40による加工痕34が存在するがバリ等の欠陥はなく、良好であった。その裏面写真を図9に示すが、平滑であった。ただし、裏当て材の酸化アルミ板20が加工中に割れたため割れ目に可塑化したSUSが入り込み冷却固化した部分が凸状の細い筋となって見えている。
【0067】
ツールも外観上摩耗は観察されなかった。実施例7に使用前のツールの重量は55.30gであり、長さLは、23.80mmであり、長さL1は22.86mmであった。実施例7の終了後、ツールの重量は55.15gであり、長さLは、23.80mmであり、長さL1は22.85mmであった。このことから以下のことが分かる。すなわち、ツールは、実施例7で250mmの摩擦攪拌加工に用いられたことにより、ツールの重量が0.15g減量し、ツールの後端部からプローブ先端部までの長さLは変化しなかったが、ツールの後端部からショルダ部までの長さL1は0.01mm減少していた。
【0068】
(比較例1)
ツールとして、インコネル合金♯625製のツールを用いたこと、ツールへの負荷を約9800Nに設定したこと、加工時のツールの送り速度を150mm/minとしたこと、及び、加工時のツールの移動距離を90mmとしたことの他は、実施例1と同様にして、突合せ接合を行った。その結果、SUS430平板の施工状態は図16の接合面の写真に示すように、数mm径の深い穴状の欠陥が点々と接合線上に存在し良好な接合はできていなかった。また、ツールの摩耗減耗が外観でもはっきりと認められた。
【産業上の利用可能性】
【0069】
本発明の摩擦攪拌加工用ツールは、鉄または鉄合金等を被加工材とする摩擦攪拌加工に有効に利用できる。本発明の摩擦攪拌加工方法は、鉄または鉄合金等を被加工材とする摩擦攪拌加工に有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【0070】
【図1】摩擦攪拌接合(FSW)方法の説明図である。
【図2】実施例1の摩擦攪拌接合により得られた接合体の表側(ツールが挿入された側)を撮影した写真である。
【図3】実施例1の摩擦攪拌接合により得られた接合体の裏側(ツールが挿入された側の反対側)を撮影した写真である。
【図4】実施例5の摩擦攪拌接合により得られた接合体の表側(ツールが挿入された側)を撮影した写真である。
【図5】実施例5の摩擦攪拌接合により得られた接合体の裏側(ツールが挿入された側の反対側)を撮影した写真である。
【図6】実施例6の摩擦攪拌接合により得られた接合体の表側(ツールが挿入された側)を撮影した写真である。
【図7】実施例6の摩擦攪拌接合により得られた接合体の裏側(ツールが挿入された側の反対側)を撮影した写真である。
【図8】実施例7の摩擦攪拌加工により得られた接合体の表側(ツールが挿入された側)を撮影した写真である。
【図9】実施例7の摩擦攪拌加工により得られた接合体の裏側(ツールが挿入された側の反対側)を撮影した写真である。
【図10】実施例1の実験開始前のツールをプローブの先端側から見た写真である。
【図11】実施例1の実験開始前のツールを側面から見た写真である。
【図12】実施例5の実験終了後のツールをプローブの先端側から見た写真である。
【図13】実施例5の実験終了後のツールを側面から見た写真である。
【図14】実施例4で得られた接合部を接合方向に対して垂直に切断し断面を光学顕微鏡にて観察した顕微鏡写真である。
【図15】実施例5で得られた接合部を接合方向に対して垂直に切断し断面を光学顕微鏡にて観察した顕微鏡写真である。
【図16】比較例1の摩擦攪拌接合により得られた接合体の表側(ツールが挿入された側)を撮影した写真である。
【符号の説明】
【0071】
10 裏当て治具
20 裏当て材
31 被接合材
32 被接合材
33 接合線
34 加工痕
40 ツール
41 ツールのプローブ
42 ツールのショルダ部
【技術分野】
【0001】
本発明は、摩擦攪拌加工用のツール、特に被加工材が鉄又は鉄合金である場合に好適な摩擦攪拌加工用ツールおよびそれを用いた摩擦攪拌加工方法に関する。ここで、摩擦攪拌加工とは、摩擦攪拌接合、摩擦攪拌改質、摩擦点接合等の、回転するツールを強い力で被加工材に押し当て、発生する摩擦熱により被加工材を可塑化させ固相状態で加工することをいう。
【背景技術】
【0002】
アルミニウム合金板等の被接合材同士を接合するに際し、この被接合材の接合面を互いに突き合わせて形成される接合線の一端に、高速回転する棒状の攪拌工具(径の大きいショルダ部とその先端にプローブを有する硬い工具鋼からなるツール)のプローブを強い力で挿入し、このツールを高速回転させながら接合線に沿って他端に移動させ、その時に発生する摩擦熱により接合面を可塑化して、ツールのショルダ部によって圧力を付加しながら被接合材の接合面同士を接合する接合方法は、摩擦攪拌接合(FSW:
Friction Stir Welding)と呼ばれ、広く知られている(例えば特許文献1)。
【0003】
上記摩擦攪拌接合によれば、ツールと被接合材との摩擦熱を利用して接合するので、最高到達温度が融点に達せず固相状態で接合するため、アーク溶接などの溶融溶接に比べて、接合部における強度低下が小さく、気孔や割れなどの接合欠陥がなく、接合面も平坦である等の利点があり、すでに鉄道車両、船舶、土木構造物、自動車などの分野で実用化されている。
【0004】
また、アルミニウム合金板等の被加工材の表面に、上記のような高速回転するツールのプローブを強い力で挿入し、このツールを高速回転させながら一端から他端に移動させ、その時に発生する摩擦熱によりツールのショルダ部およびプローブの近傍の被加工材を可塑化することにより、被加工材の一定の深さまでの結晶粒径を小さくして強度および硬度等を向上させる改質方法は、摩擦攪拌改質(FSP:Friction Stir
Processing)と呼ばれ、広く知られている(例えば特許文献2)。
【0005】
更にツールを被加工材に押し付けるが横移動させることなく一定時間後にそのまま引き抜くという点接合プロセスが開発されており、摩擦点接合(Spot Friction Welding)あるいはフリクションスポット接合(Friction Spot
Joining)と呼ばれている。
【0006】
これらの摩擦攪拌加工において、被加工材としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いる場合、ツールとしてはSKD鋼等のツールが用いられている。しかし、被加工材として鉄または鉄合金が用いられる場合には、SKD鋼等のツールは、ツールがたちまち減耗等により変形し、接合ができないという問題がある。また、セラミック製ツールは、高価で折れ易いという問題があり、特に被加工材がステンレスの場合は摩耗しやすい。
【0007】
そこで、鉄または鉄合金、チタン等にてなる高融点の金属材料を被加工材とする摩擦攪拌加工技術の検討がされている(例えば、特許文献3、4、5及び6)。
【0008】
特許文献3には、鉄,ニッケルまたはそれら各々の合金により構成される構造物であって、表面部に顕在化した損傷部を有するものにおいて、前記損傷部が回転ツールを用いる摩擦攪拌接合法によって補修されている構造物が開示され、上記回転ツールとして、常温での硬さがビッカース硬さ相当で550またはそれ以上の材料からなる例えば超硬合金のような金属またはセラミックからなるものが挙げられている。しかしながら、この実施例においては、回転ツールの具体的な材料名は示されてはいない。
【0009】
特許文献4にはタングステン製ツールを用いて鉄系材料を摩擦攪拌加工することが開示されているが、タングステン製ツールは炭素鋼には使えるがステンレスには難しく、実用的に長距離接合するには十分ではない上高価である。
【0010】
特許文献5には、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2元合金の組成を有し、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。
【0011】
特許文献6には、少なくとも被加工物に接触させる部分が、平均結晶粒径が200μm以下の結晶粒からなる金属系材料又は金属とセラミックスの複合材料で形成されてい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。そして、前記金属系材料が、2000℃ 以上の融点を有する高融点金属と、酸化物若しくは窒化物のいずれか1 種又はその両方とを含有する合金であることが開示されている。
【0012】
特許文献5または6に開示された摩擦攪拌接合用工具は、SKD鋼製ツールに比べて、鉄または鉄合金用として適しているが、しかしながら、イリジウムを主成分とする2元合金は、高価であるという問題が残っており、また、2000℃ 以上の融点を有する高融点金属と、酸化物若しくは窒化物のいずれか1種又はその両方とを含有する合金も高価であるという問題が残っている。
【特許文献1】特許第2712838号公報
【特許文献2】特開2003−64458号公報
【特許文献3】特開2002−219585号公報
【特許文献4】特開2002−273579号公報
【特許文献5】特開2006−320958号公報
【特許文献6】特開2007−237259号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、鉄または鉄合金等の加工温度が高温になる被加工材用の、摩耗が少なく高効率で生産性よく摩擦攪拌加工できる安価な摩擦攪拌加工用ツールおよび摩擦攪拌加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記の目的は、本発明の摩擦攪拌用ツール及びそれを用いた摩擦攪拌接合方法により達成することができる。すなわち、本発明の摩擦攪拌加工用ツールは、 ロックウエル硬さ(HRA)が85以上、K1Cが5MPam1/2以上、800℃におけるビッカース硬さ(Hv)が200以上の超硬合金にてなることを特徴とする。
【0015】
本発明の摩擦攪拌加工用ツールは、 ロックウエル硬さ(HRA)が86以上、K1Cが10MPam1/2以上、800℃におけるビッカース硬さ(Hv)が300以上の超硬合金にてなることを特徴とする。
【0016】
また、請求項3に記載の発明は、上記摩擦攪拌加工用ツールの発明において、摩擦攪拌加工の被加工材が鉄または鉄合金であることを特徴とする。
【0017】
本発明の摩擦攪拌加工方法は、被加工材にツール先端を挿入し、このツールを高速回転させその時に発生する摩擦熱により被加工材を可塑化させて攪拌することにより、被加工材を加工する摩擦攪拌加工方法において、請求項1、2または3に記載の摩擦攪拌加工用ツールを用いることを特徴とする。
【0018】
また、請求項5に記載の発明は、上記摩擦攪拌加工方法において、被加工材が鉄または鉄合金であることを特徴とする。
【0019】
以下、 本発明の摩擦攪拌加工用ツールについて詳細に説明する。本発明でいう超硬合金とは、W、Mo、Cr、Ti、Zr、Hf、V、Nb及びTaのいずれかの元素からなる金属の炭化物を、Fe,Co及びNiのうちの少なくとも1つを主成分とする金属で結合した合金の総称である。
特に、タングステンカーバイド(WC)微粒子を金属バインダーにて固めた合金材料が好適に用いられる。超硬合金は主に切削加工や金型などの耐摩耗性を要求される分野で使用され、比較的安価な材料である。本発明は超硬合金に着目し特定の性能を満たすものが本用途に使用可能なことを見出し完成したものである。
【0020】
タングステンカーバイド粒子の粒径は約1〜5μmのものが好適に用いられる。平均粒径はフルマンの式によるWC平均粒度算出方法による。
バインダー用の金属はCoまたはCoとNi等の合金が通常用いられ、更に微量のCr等の金属を加えたものも用いられる。
CoとNiを用いたものはCo単独のものに比し常温で硬度が低いが、温度の上昇に伴う硬度の低下が少なく高温での硬度が維持されやすい。
【0021】
ツールの製造は、例えばWC粉末、Co粉末、Ni粉末を混合し、冷間プレス、成形、真空焼結、必要に応じてHIP(熱間等方圧加圧)処理、研削加工、研磨加工、放電加工等により所定の形状に加工することにより行われる。HIP処理とは、不活性ガス下、高温・高圧下で処理し気孔を消滅させる操作のことを言う。
【0022】
本発明で用いる超硬合金のロックウエル硬さ(HRA)は、摩擦攪拌加工用ツールの耐摩耗性の維持の点から85以上が必要であり、好ましくは86以上であり、更に好ましくは88以上である。上記ロックウエル硬さは、CIS027B超硬質合金のロックウエルA硬さ試験方法によって測定されるものである。
【0023】
本発明で用いる超硬合金のK1C は、5MPam1/2以上が必要である。10MPam1/2以上が好ましい。摩擦攪拌加工用ツールの加工時における折損を防ぐためである。
上記K1Cは、破壊靭性値といいクラックを生じた後のクラックの進展し難さの尺度に用いられる。K1Cが大きい程クラックが進展し難いとされる。上記のように、本発明で用いる超硬合金のK1C は、5MPam1/2以上が必要であるが、通常、硬さが大きくなると、K1C は小さくなるため硬度とK1C のバランスが必要である。K1C の上限は25MPam1/2程度である。
上記K1Cは、ビッカース圧痕法により新原の式を使用して算出される。
新原の式 K1c=0.008XaXI-1/2XE2/5Xσmb3/5MPam1/2
a ビッカース圧痕の対角線の半分(m)
I 4本のクラックの長さの平均値(m)
E ヤング率 (MPa)
σmb 抗折力 (MPa)
テスト条件 焼鈍後(1000℃X1h)、荷重490N
【0024】
本発明で用いる超硬合金の800℃におけるビッカース硬さ(Hv)は200以上が必要であり、300以上が好ましい。
本発明において、800℃におけるビッカース硬さとは、JIS Z 2252に基き、荷重1000g、保持時間30秒の条件で、温度800℃で測定したものを意味する。
【0025】
本発明の請求項3でいう鉄合金とは、鉄を主成分として他の元素を一つもしくは複数含む合金をいう。例えば、炭素鋼、ステンレスなどが挙げられる。
【0026】
本発明の請求項3でいう被加工材の形状としては、特に限定されないが、薄板、厚板、塊状物などが挙げられ、摩擦攪拌接合の場合は薄板、厚板が特に好ましい。
【0027】
本発明の摩擦攪拌加工方法について詳しく説明する。突合せ摩擦攪拌接合においては被接合材を突合せにて定盤上に又は定盤上に置いた裏当て治具上に置き固定する。この際、攪拌接合による裏面からの汚染等の問題があるため、接合部分に裏当て材を置いてその上で接合加工されることがあるが、この方法は本発明のツールによる加工においても有用である。裏当て材は耐熱性、不燃性、強度、非汚染性、表面平滑性等を有することが好ましく、高融点金属箔、セラミックス板等が用いられるが、特に断熱性のよい熱伝導率の低いセラミックスが好ましい。
【0028】
上述の裏当て材を用いて、本発明の摩擦攪拌加工方法として、摩擦攪拌接合(FSW)を行う方法を図1を参照しながら説明する。
【0029】
図1において、先ず、定盤上の所望の位置に、裏当て材20を配置する。裏当て材としては、セラミックス板、スチール箔、チタン箔などの金属箔等が好適に使用されるが、これ等に限定されない。
【0030】
次に、上記裏当て材20の上の中央に、板状の被接合材31および32の接合線33が位置するように、板状の被接合材31および32を配置し固定する。被接合材31および32としては、主として、鉄または鉄合金からなる板状の被接合材が使用される。これ等の被接合材31および32は、裏当て治具10の形状に対応して、平たい単純な板状のものあるいは単純な2次元的な曲面を有する板状のものであってもよく、また3次元的な曲面を有する板状のものであってもよい。
【0031】
上記裏当て材を、被接合材31および32と裏当て治具10との間に介在させるには、表面平滑な薄層体20を単に被接合材31および32の接合線33に沿って裏当て治具10上に載置するだけでもよいが、挟着作業を容易にするために、予め裏当て治具10の上に裏当て材20を粘着剤や接着剤により貼り付けておいてもよい。
【0032】
その後、板状の被接合材31と32の接合線33の一端に、高速回転する接合用回転工具40(径の大きいショルダ部42とその先端にプローブ41を有する本発明の超硬合金にてなるツール40)のプローブ41を高速回転させながら強い力で押し当て挿入し、ショルダ部42による圧力を付加し摩擦熱を発生させながらツール40を接合線33に沿って他端に移動させ、摩擦熱によりツール近傍を可塑化して固相状態で接合する。尚ツールは被接合材の接合部の近傍の表面の略法線方向から挿入されかつ略法線方向を保った状態で移動される。
【0033】
ここで上記接合用回転工具(ツール)につき説明する。上記接合用回転工具(ツール)40は、径の大きいショルダ部42とショルダ部42に突出して設けられたプローブ41を有する。通常、プローブ41にはねじが切られているが、ねじが切られていないものも使用できる。また、厚みが6mm程度以下の被接合材(31と32)を使用する場合は、上記ツール40のショルダ部42の直径は12〜15mm程度で、プローブ41の直径は4〜6mm程度のものが好適に使用される。
【0034】
ショルダ部42の面は、接合線33に沿った被接合材31および32を押圧する必要があり、通常は被接合材31および32と当接するショルダ面が平面であるものあるいは曲率半径の大きい凹面が好ましい。場合によっては、やや円弧状または円錐状に凸面を形成したものも使用できる。平板状のものが加工が容易であるため好ましい。上記プローブ41の長さは、裏当て治具10と接触しないように、接合する被接合材31と32の厚みよりも短いのが普通である。ツール40の回転速度は一般に数百〜数千回転/分、接合速度は一般に数十〜数百mm/分であるが、条件によっては1〜2m/分も可能である。
【0035】
プローブ41はショルダ面に突出して設けられるが、位置はツールの回転軸上が好ましい。
プローブはショルダ面から発し先細りすなわち徐々に先端が細くなっている方がよい。プローブの最先端は応力が集中して破損するのを防ぐため平面または回転半径の大きい曲面、例えば球面であるのが好ましい。プローブ高さ対プローブ根元半径の比は1または1より小さい方が好ましく、例えば半球がショルダ面にその底部を一部埋没したような形状に形成されているのが好ましい。回転したツールの先端のプローブが被加工材に当たるときの衝撃に対して強く、折損しにくく、回転により摩擦して可塑化後ツールを移動させるときに、被加工材が十分可塑化していない場合にも折損しにくいからである。また、接合において可塑化部分を攪拌する十分な深さを有することができ、摩擦攪拌加工によって表面から徐々にプローブが減耗したとしても、接合に対してのプローブの形状による影響が小さい。
【0036】
上記ツール40は、定盤軸(X)と横行軸(Y)と昇降軸(Z)の機械3軸からなる公知の摩擦攪拌接合装置に取り付けられて使用される。また、定盤軸(X)と横行軸(Y)と昇降軸(Z)の機械3軸および揺動軸(A)と旋回軸(C)のツール2軸とからなる公知の5軸枠型の摩擦攪拌接合装置に取り付けられても使用される。また、三つの関節軸と二つの回転軸を具備した公知のロボットアームの先端に搭載されたマシンヘッドに取り付けて使用されることもあるが、これ等に限定されない。
【0037】
こうして、被接合材31と32との接合体が得られる。
なお、上例においては、被接合材31と32とを接合する摩擦攪拌接合(FSW)について説明したが、本発明は、2枚の被接合材31と32に替えて、これと同様な1枚の被加工材を用い、その表面に高速回転するツール40のプローブ41を強い力で挿入することにより、その時に発生する摩擦熱により被加工材を改質する摩擦攪拌改質(FSP)にも適用できる。
【0038】
また、被加工材の表面にプローブを挿入するが横移動させることなく、一定時間後にプローブを引き抜くことにより点加工を行う接合技術および改質技術にも適用できる。
【発明の効果】
【0039】
本発明の摩擦攪拌加工用ツールは、ロックウエル硬さ(HRA)が85以上、K1Cが5MPam1/2以上、800℃におけるビッカース硬さ(Hv)が200以上の超硬合金にてなるので、回転させながらツールを被加工材に当てる時にその衝撃及び強い押し付け荷重がプローブ先端部にかかるが、ツールが変形、破壊、折損することがない。更にツールのショルダー面と被加工材表面および被加工材中に埋没したプローブ表面との間の摩擦熱により高温になり、ツール側面がオレンジ色に発光するほどの高温(800℃以上)においても必要な硬度を有するため、高温材料の摩擦攪拌加工に適し、特に接合材が鉄または鉄合金等の被加工材に対して摩耗が少なく折損しにくく、高効率かつ低コストで生産性よく摩擦攪拌加工できる。
【0040】
本発明の摩擦攪拌加工方法は、被加工材にツール先端を挿入し、このツールを高速回転させその時に発生する摩擦熱により被加工材を可塑化させて攪拌することにより、被加工材を加工する摩擦攪拌加工方法において、本発明の摩擦攪拌加工用ツールを用いるので、鉄または鉄合金等の被加工材に対して摩耗が少なく高効率かつ低コストで生産性よく摩擦攪拌加工できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0041】
以下に、実施例を挙げて本発明を詳しく説明する。
【実施例1】
【0042】
(摩擦攪拌加工用ツールの作製)
超硬工具協会規格(CIS019D−2005 耐摩耗・耐衝撃工具用超硬合金及び超微粒子超硬合金の材種選択基準)による材種分類記号VC−50の超硬合金(冨士ダイス株式会社製、商品名「フジロイC50」。粗粒タングステンカーバイドと、バインダー金属としてCoを用い焼結させたものであって、HRA 88.5、K1C 10MPam1/2、800℃のビッカース硬度 330、900℃のビッカース硬度 210、その他の特性を含め表1に示す)を、以下に示す形状に成形、研削加工して本発明のツールを作製した。
【0043】
ショルダ面は直径12mmの円形の平面であり、その中央に設けたプローブは曲率半径2mmの球面がショルダ面から一部が突出た形状のものである。プローブの底部直径は4.07mmであり、プローブのショルダ面からの突起高さは0.90mmである。
【0044】
【表1】
【0045】
(摩擦攪拌加工)
上記の摩擦攪拌加工用ツールを用いて、図1に示した方法で摩擦攪拌加工を行った。定盤軸(X)と横行軸(Y)と昇降軸(Z)の機械3軸からなる摩擦攪拌接合装置に上記ツール40をとりつけた。摩擦攪拌加工時にはアルゴンガスがツール側面に沿って流れ下りツールを包むようになっている。
図1に示すように、平板状の鋼製(S50C)の裏当て治具10の表面に、表面平滑な99.5%純度の酸化アルミ平板(15cm角、2.5mm厚)を裏当て材20として固定した。
【0046】
酸化アルミ製裏当て材20上に、SUS430からなる2枚の平板状の被接合材31、32(15cm角、1.5mm厚)の接合面を互いに突き合わせて載置し固定した。
【0047】
ツール40を、前進角3度、1200rpmで回転させながら上記接合線33上に挿入し、100mm/分の送り速度で被接合材31、32の接合線33に沿って約250mm移動させて摩擦攪拌接合を行い、被接合材31と32との接合体を作製した。ツール40への負荷は約29400Nに設定した。加工時にツール側面はオレンジ色に発光した。加工後の目視観察によれば、ツール40は外観上摩耗は観察されなかった。
【0048】
上記の摩擦攪拌接合により得られた、被接合材31と32との接合体は、図2の写真に示すように、接合部の表面にツール40による加工痕34が存在するがバリ等の欠陥はなく、その裏面写真を図3に示すが、平滑であった。ただし、裏当て材の酸化アルミ板20が加工中に割れたため割れ目に可塑化したSUSが入り込み冷却固化した部分が凸状の細い筋となって見えている。
【0049】
実施例1における、ツール材種、被加工材材質、FSW加工形式、FSW加工条件及びツールサイズを纏めて表2に示した。なお、表2には、後述の実施例2〜7及び比較例1についても、同様の事項を纏めて示した。
【0050】
【表2】
【実施例2】
【0051】
実施例1で用いた摩擦攪拌加工用ツールを用いて、被加工材として1枚の平板を用いてビードオン(bead on。又は、スターインプレート。stir−in−plateともいう)摩擦攪拌加工試験を行った。
定盤軸(X)と横行軸(Y)と昇降軸(Z)の機械3軸からなる摩擦攪拌接合装置に上記ツール40をとりつけた。実施例1と同様に摩擦攪拌加工時にはアルゴンガスがツール側面に沿って流れ下りツールを包むようになっている。
【0052】
図1に示すように、平板状の鋼製(S50C)の裏当て治具10の表面に、表面平滑な99.5%純度の酸化アルミ平板(15cm角、2.5mm厚)を裏当て材20として固定した。
【0053】
酸化アルミ製裏当て材20上に、1枚のSUS430からなる平板状の被加工材(15cm角、1.5mm厚)を載置し固定した。
【0054】
ツール40を、前進角3度、1200rpmで回転させながら上記SUS430平板上に挿入し、100mm/分の送り速度で直線状に250mm移動させて摩擦攪拌加工によるビードオン摩擦攪拌加工試験を行った。ツール40への負荷は約29400Nに設定した。加工時にツール側面はオレンジ色に発光した。加工後の目視観察によればSUS430平板の施工状態は良好であり、ツール40も外観上摩耗は観察されなかった。
【0055】
実施例2終了後、ツールの重量は57.73gであり、ツールの後端部(ツールの後端部とは、ツールにおける、プローブが設けられた側とは反対側の端部のことをいうものとする)からプローブ先端部までの長さLは、23.90mmであり、ツールの後端部からショルダ部までの長さL1は22.76mmであった。なお、実施例1開始前のツールの重量は58.16gであり、長さLは、23.90mmであり、長さL1は23.00mmであった。このことから以下のことが分かる。すなわち、ツールは、実施例1及び実施例2で合計500mmの摩擦攪拌加工に用いられたことにより、ツールの重量が0.43g減量し、ツールの後端部からプローブ先端部までの長さLは変化しなかったが、ツールの後端部からショルダ部までの長さL1は0.24mm減少していた。
【実施例3】
【0056】
実施例2で用いた摩擦攪拌加工用ツールを用いて、実施例2と同様にして、ビードオン試験を行った。その結果、SUS430平板の施工状態は良好であり、終了後のツールの外観は少しの摩耗が観察された。
【実施例4】
【0057】
実施例3で用いた摩擦攪拌加工用ツールを用いて、実施例1と同様にして、突合せ接合を行った。その結果、SUS430平板の突合せの接合状態は良好であったが、終了後のツールの外観はショルダ部にくぼみが発生していた。実施例4終了後、ツールの重量は57.23gであり、長さLは、23.90mmであり、長さL1は22.76mmであった。このことから以下のことが分かる。すなわち、ツールは、実施例1〜実施例4で合計1000mmの摩擦攪拌加工に用いられたことにより、ツールの重量が0.93g減量し、ツールの後端部からプローブ先端部までの長さLは変化しなかったが、ツールの後端部からショルダ部までの長さL1は0.24mm減少していた。
【0058】
上記接合部の強度を調べるために、突合せ接合した平板から接合方向に対して直交する向きに試料を作製し、JIS Z 2241「金属材料引張試験方法」に準じて引張試験を行った。試料は、JIS Z 2201 5号試験片の形状に準じ、幅25.0mm、厚さ1.5mm、平行部長さ50mmとした。測定時のクロスヘッド速度は20mm/minとした。n=3で行った結果、引張強度は498MPa、495MPa、495MPaであった。同様の条件で測定したSUS430母材の引張強度はn=3の平均が519MPaであった。したがって、上記の接合部の引張強度は、ほぼ母材並みであることが分かった。
【0059】
また、上記接合部を接合方向に対して垂直に切断し断面を光学顕微鏡にて観察した。この顕微鏡写真を図14に示した。図14において、この断面の厚みは前述のように1.5mmである。この写真から分かるように欠陥は観察されず摩擦攪拌接合が良好に行われたことが分かる。
【実施例5】
【0060】
実施例4で用いた摩擦攪拌加工用ツールを用いて、ツールの送り速度を200mm/分とした他は、実施例1と同様にして、突合せ接合を行った。その結果、SUS430平板の突合せの接合状態は、図4の写真に示すように、接合部の表面にツール40による加工痕34が存在するがバリ等の欠陥はなく、良好であった。その裏面写真を図5に示すが、平滑であった。ただし、裏当て材の酸化アルミ板20が加工中に割れたため割れ目に可塑化したSUSが入り込み冷却固化した部分が凸状の細い筋となって見えている。
【0061】
実施例5の終了後のツールの写真を図12、図13に示した。また、摩擦攪拌加工に使用する前、即ち、実施例1に使用する前のツールの写真を図10、図11に示した。図10〜図13において、ツールのショルダ部の直径は前述のように12mmである。
実施例5終了後のツールの外観は実施例4の終了後の状態と同じであり、ショルダ部にくぼみが発生していることが分かる。実施例5終了後、ツールの重量は57.19gであり、長さLは、23.87mmであり、長さL1は22.61mmであった。このことから以下のことが分かる。すなわち、ツールは、実施例1〜実施例5で合計1250mmの摩擦攪拌加工に用いられたことにより、ツールの重量が0.97g減量し、ツールの後端部からプローブ先端部までの長さLは0.03mm減少し、ツールの後端部からショルダ部までの長さL1は0.39mm減少していた。
【0062】
上記接合部の強度を調べるために、実施例4と同様にして引張試験を行った。n=2で行った結果、引張強度は501MPa、495MPaであった。したがって、上記の接合部の引張強度は、ほぼ母材並みであることが分かった。
【0063】
また、上記接合部を実施例4と同様にして光学顕微鏡にて観察した。この顕微鏡写真を図15に示した。図15において、この断面の厚みは前述のように1.5mmである。この写真から分かるように欠陥は観察されず摩擦攪拌接合が良好に行われたことが分かる。
【実施例6】
【0064】
実施例1で用いた摩擦攪拌加工用ツールと同様にして摩擦攪拌加工用ツールを新たに作製した。得られた摩擦攪拌加工用ツールを用いて、SUS430の代わりにSUS304を用いたこと、ツールの移動距離250mmの代わりに90mmとしたことの他は、実施例1と同様にして、突合せ接合を行った。その結果、SUS304平板の突合せの接合状態は、図6の写真に示すように、接合部の表面にツール40による加工痕34が存在するがバリ等の欠陥はなく、良好であった。その裏面写真を図7に示すが、平滑であった。ただし、裏当て材の酸化アルミ板20が加工中に割れたため割れ目に可塑化したSUSが入り込み冷却固化した部分が凸状の細い筋となって見えている。
【0065】
終了後のツールも外観上摩耗は観察されなかった。実施例6に使用前のツールの重量は58.16gであり、長さLは、23.88mmであり、長さL1は22.95mmであった。実施例6の終了後、ツールの重量は58.09gであり、長さLは、23.85mmであり、長さL1は22.94mmであった。このことから以下のことが分かる。すなわち、ツールは、実施例6で90mmの摩擦攪拌加工に用いられたことにより、ツールの重量が0.07g減量し、ツールの後端部からプローブ先端部までの長さLは0.03mm減少し、ツールの後端部からショルダ部までの長さL1は0.01mm減少していた。
【実施例7】
【0066】
実施例1におけるツール材種としてVC−50を用いたことの代わりに、超硬工具協会規格(CIS019D−2005)による材種分類記号RC−60の超硬合金(冨士ダイス株式会社製、商品名「フジロイTUC72」。粗粒タングステンカーバイドと、バインダー金属としてCo、Niを用い焼結させたものであって、HRA 86.0、K1C 25MPam1/2、800℃のビッカース硬度 360、その他の特性を含め表1に示す)を用いて得られたツールを用いたことの他は、実施例2と同様にして摩擦攪拌加工によるビードオン試験を行った。
その結果、SUS430平板の施工状態は図8の写真に示すように、接合部の表面にツール40による加工痕34が存在するがバリ等の欠陥はなく、良好であった。その裏面写真を図9に示すが、平滑であった。ただし、裏当て材の酸化アルミ板20が加工中に割れたため割れ目に可塑化したSUSが入り込み冷却固化した部分が凸状の細い筋となって見えている。
【0067】
ツールも外観上摩耗は観察されなかった。実施例7に使用前のツールの重量は55.30gであり、長さLは、23.80mmであり、長さL1は22.86mmであった。実施例7の終了後、ツールの重量は55.15gであり、長さLは、23.80mmであり、長さL1は22.85mmであった。このことから以下のことが分かる。すなわち、ツールは、実施例7で250mmの摩擦攪拌加工に用いられたことにより、ツールの重量が0.15g減量し、ツールの後端部からプローブ先端部までの長さLは変化しなかったが、ツールの後端部からショルダ部までの長さL1は0.01mm減少していた。
【0068】
(比較例1)
ツールとして、インコネル合金♯625製のツールを用いたこと、ツールへの負荷を約9800Nに設定したこと、加工時のツールの送り速度を150mm/minとしたこと、及び、加工時のツールの移動距離を90mmとしたことの他は、実施例1と同様にして、突合せ接合を行った。その結果、SUS430平板の施工状態は図16の接合面の写真に示すように、数mm径の深い穴状の欠陥が点々と接合線上に存在し良好な接合はできていなかった。また、ツールの摩耗減耗が外観でもはっきりと認められた。
【産業上の利用可能性】
【0069】
本発明の摩擦攪拌加工用ツールは、鉄または鉄合金等を被加工材とする摩擦攪拌加工に有効に利用できる。本発明の摩擦攪拌加工方法は、鉄または鉄合金等を被加工材とする摩擦攪拌加工に有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【0070】
【図1】摩擦攪拌接合(FSW)方法の説明図である。
【図2】実施例1の摩擦攪拌接合により得られた接合体の表側(ツールが挿入された側)を撮影した写真である。
【図3】実施例1の摩擦攪拌接合により得られた接合体の裏側(ツールが挿入された側の反対側)を撮影した写真である。
【図4】実施例5の摩擦攪拌接合により得られた接合体の表側(ツールが挿入された側)を撮影した写真である。
【図5】実施例5の摩擦攪拌接合により得られた接合体の裏側(ツールが挿入された側の反対側)を撮影した写真である。
【図6】実施例6の摩擦攪拌接合により得られた接合体の表側(ツールが挿入された側)を撮影した写真である。
【図7】実施例6の摩擦攪拌接合により得られた接合体の裏側(ツールが挿入された側の反対側)を撮影した写真である。
【図8】実施例7の摩擦攪拌加工により得られた接合体の表側(ツールが挿入された側)を撮影した写真である。
【図9】実施例7の摩擦攪拌加工により得られた接合体の裏側(ツールが挿入された側の反対側)を撮影した写真である。
【図10】実施例1の実験開始前のツールをプローブの先端側から見た写真である。
【図11】実施例1の実験開始前のツールを側面から見た写真である。
【図12】実施例5の実験終了後のツールをプローブの先端側から見た写真である。
【図13】実施例5の実験終了後のツールを側面から見た写真である。
【図14】実施例4で得られた接合部を接合方向に対して垂直に切断し断面を光学顕微鏡にて観察した顕微鏡写真である。
【図15】実施例5で得られた接合部を接合方向に対して垂直に切断し断面を光学顕微鏡にて観察した顕微鏡写真である。
【図16】比較例1の摩擦攪拌接合により得られた接合体の表側(ツールが挿入された側)を撮影した写真である。
【符号の説明】
【0071】
10 裏当て治具
20 裏当て材
31 被接合材
32 被接合材
33 接合線
34 加工痕
40 ツール
41 ツールのプローブ
42 ツールのショルダ部
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ロックウエル硬さ(HRA)が85以上、K1Cが5MPam1/2以上、800℃におけるビッカース硬さ(Hv)が200以上の超硬合金にてなることを特徴とする摩擦攪拌加工用ツール。
【請求項2】
ロックウエル硬さ(HRA)が86以上、K1Cが10MPam1/2以上、800℃におけるビッカース硬さ(Hv)が300以上の超硬合金にてなることを特徴とする摩擦攪拌加工用ツール。
【請求項3】
摩擦攪拌加工の被加工材が鉄または鉄合金であることを特徴とする請求項1又は2記載の摩擦攪拌加工用ツール。
【請求項4】
被加工材にツール先端を挿入し、このツールを高速回転させその時に発生する摩擦熱により被加工材を可塑化させて攪拌することにより、被加工材を加工する摩擦攪拌加工方法において、
請求項1、2または3に記載の摩擦攪拌加工用ツールを用いることを特徴とする摩擦攪拌加工方法。
【請求項5】
被加工材が鉄または鉄合金であることを特徴とする請求項4記載の摩擦攪拌加工方法。
【請求項1】
ロックウエル硬さ(HRA)が85以上、K1Cが5MPam1/2以上、800℃におけるビッカース硬さ(Hv)が200以上の超硬合金にてなることを特徴とする摩擦攪拌加工用ツール。
【請求項2】
ロックウエル硬さ(HRA)が86以上、K1Cが10MPam1/2以上、800℃におけるビッカース硬さ(Hv)が300以上の超硬合金にてなることを特徴とする摩擦攪拌加工用ツール。
【請求項3】
摩擦攪拌加工の被加工材が鉄または鉄合金であることを特徴とする請求項1又は2記載の摩擦攪拌加工用ツール。
【請求項4】
被加工材にツール先端を挿入し、このツールを高速回転させその時に発生する摩擦熱により被加工材を可塑化させて攪拌することにより、被加工材を加工する摩擦攪拌加工方法において、
請求項1、2または3に記載の摩擦攪拌加工用ツールを用いることを特徴とする摩擦攪拌加工方法。
【請求項5】
被加工材が鉄または鉄合金であることを特徴とする請求項4記載の摩擦攪拌加工方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【公開番号】特開2009−214170(P2009−214170A)
【公開日】平成21年9月24日(2009.9.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−63409(P2008−63409)
【出願日】平成20年3月12日(2008.3.12)
【出願人】(801000061)財団法人大阪産業振興機構 (168)
【出願人】(000205627)大阪府 (238)
【出願人】(000100838)アイセル株式会社 (62)
【出願人】(000238016)冨士ダイス株式会社 (14)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年9月24日(2009.9.24)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年3月12日(2008.3.12)
【出願人】(801000061)財団法人大阪産業振興機構 (168)
【出願人】(000205627)大阪府 (238)
【出願人】(000100838)アイセル株式会社 (62)
【出願人】(000238016)冨士ダイス株式会社 (14)
【Fターム(参考)】
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