摩擦攪拌接合用工具、それを用いた接合法及びそれにより得た加工物
【課題】本発明の目的は、摩擦攪拌接合用工具について、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物を摩擦攪拌接合した場合においても、工具からの不純物の混入が少なく、摩耗が少なく、且つ、破壊されにくい工具を提供することである。
【解決手段】本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、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。ステンレス鋼や炭素含有量が２質量％以下の鋼を被加工物とできる。
【解決手段】本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、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。ステンレス鋼や炭素含有量が２質量％以下の鋼を被加工物とできる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高融点部材を摩擦攪拌接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）するための摩擦攪拌接合用工具と、それを用いた摩擦攪拌接合法並びに該摩擦攪拌接合法によって得られた加工物に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属の接合方法として、摩擦攪拌接合法の技術が開示されている（例えば特許文献１又は２を参照。）。摩擦攪拌接合法は、被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、摩擦熱を利用して被加工物を接合する接合法である。そして、摩擦攪拌接合法は、鉄、アルミニウム合金などの金属相互の溶接は勿論異種金属の溶接すら可能な溶接法である。
【０００３】
摩擦攪拌接合法については、融点が比較的低いアルミニウム及びアルミニウム合金を対象とした接合が多く検討されており、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金を被加工物として摩擦攪拌接合法を適用した報告例は少ないが、高融点である白金を接合した技術の開示がある（例えば特許文献３を参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特表平７−５０５０９０号公報
【特許文献２】特表平９−５０８０７３号公報
【特許文献３】特開２００４−０９００５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このような高融点を有する被加工物とする場合、摩擦攪拌接合用工具と被加工物との摩擦による発熱は、例えばアルミニウム及びアルミニウム合金等の比較的融点が低い被加工物を対象とした場合と比較して、さらに高温まで上げる必要がある。したがって、摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を接合し、長寿命であるために、摩擦によって高温に発熱させてもそれに耐える化学的安定性、耐熱強度、耐摩耗性及び耐熱衝撃性が要求される。
【０００６】
そこで本発明の目的は、摩擦攪拌接合用工具について、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物を摩擦攪拌接合した場合においても、工具からの不純物の混入が少なく、摩耗が少なく、且つ、破壊されにくい工具を提供することであり、そしてこの工具を用いて安定して摩擦攪拌接合を実現することである。
【０００７】
また本発明のもう一つの目的は、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物のみならず、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼についても、同様に、摩擦攪拌接合を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、摩擦攪拌接合用工具を形成する材料の組成を種々検討した結果、イリジウムを主成分とし、所定の元素を副成分として含有する組成をもつ合金によって摩擦攪拌接合用工具を形成すると、高融点を有する被加工物を安定して摩擦攪拌接合できることを見出し、本発明を完成させた。すなわち本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、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。
【０００９】
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃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、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、又はニッケル或いはこれらの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。
【００１０】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金が、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼であることを含む。
【００１１】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−レニウム合金で形成されており、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％であることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ルテニウム合金で形成されており、ルテニウムの含有量が１．０〜４５．０原子％であることが好ましい。
【００１３】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−モリブデン合金で形成されており、モリブデンの含有量が１．０〜２３．０原子％であることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タングステン合金で形成されており、タングステンの含有量が１．０〜１９．０原子％であることが好ましい。
【００１５】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ニオブ合金で形成されており、ニオブの含有量が１．０〜１６．０原子％であることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タンタル合金で形成されており、タンタルの含有量が１．０〜１６．０原子％であることが好ましい。
【００１７】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ジルコニウム合金で形成されており、ジルコニウムの含有量が０．３〜５．０原子％であることが好ましい。
【００１８】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ハフニウム合金で形成されており、ハフニウムの含有量が０．３〜１２．０原子％であることが好ましい。
【００１９】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−レニウム−ジルコニウム合金で形成されており、イリジウムの含有量が９８．９〜５９．０原子％、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％、ジルコニウムの含有量が０．１〜５．０原子％であることが好ましい。
【００２０】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−レニウム−ハフニウム合金で形成されており、イリジウムの含有量が９８．９〜５９．０原子％、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％、ハフニウムの含有量が０．１〜５．０原子％であることが好ましい。
【００２１】
本発明に係る摩擦攪拌接合法は、被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、該結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、前記被加工物を接合する摩擦攪拌接合法において、前記被加工物は、１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、前記摩擦攪拌接合用工具として、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具を使用することを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る摩擦攪拌接合法は、被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、該結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、前記被加工物を接合する摩擦攪拌接合法において、前記被加工物は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、前記摩擦攪拌接合用工具として、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具を使用することを特徴とする。
【００２３】
本発明に係る摩擦攪拌接合法では、前記１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金が、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼であることを含む。
【００２４】
本発明に係る摩擦攪拌接合法では、前記摩擦攪拌接合用工具の押し当て面の裏面側に、イリジウムのバックプレート又は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するバックプレート又はイリジウム被膜若しくは前記組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがいながら、接合を行なうことが好ましい。被加工物の裏面側もかなりの高温まで上昇する。そこでそれに耐えうる化学的安定性、耐熱強度及び耐熱衝撃性を有する材料からなるバックプレート又は該組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがうことで、バックプレートの融着を防止し、またバックプレートからの不純物の混入を防止できる。
【００２５】
本発明に係る摩擦攪拌接合部位を有する加工物は、前記摩擦攪拌接合法によって、接合されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、摩擦攪拌接合用工具について、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物を摩擦攪拌接合した場合においても、工具からの不純物の混入を少なくし、摩耗を少なくし、且つ、破壊されることを低減できる。また、この工具を用いて安定した摩擦攪拌接合を実現することができる。
【００２７】
また本発明は、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物のみならず、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなる被加工物にも適用でき、例えば、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼についても、同様に、摩擦攪拌接合を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明について詳細に説明するが本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。最初に図１を参照して摩擦攪拌接合法のプロセスとその装置について説明する。図１は摩擦攪拌接合法の機構の一形態を示す概念図である。
【００２９】
摩擦攪拌接合法は、被加工物１Ａ，１Ｂを相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域２を規定する工程、摩擦攪拌接合用工具３を回転させながら結合領域２に挿入して摩擦攪拌接合用工具３と結合領域２との間で摩擦熱を発生させ、発熱させた結合領域中に可塑性領域を発生させて加工物同士を接合する工程を備えるものである。
【００３０】
ここで、摩擦攪拌接合用工具３は円柱形の肩状部５とその端面に形成されたペンシル部分４とを備える。なお、摩擦攪拌接合用工具３はモータ７によって回転する。摩擦攪拌接合用工具３と被加工物１Ａ，１Ｂとの摩擦が行なわれなければならないので、被加工物１Ａ，１Ｂは相互に当接されていなければならない。摩擦が行なわれることを条件に被加工物がほぼ当接していても良い。また、スポット接合ではなく連続した接合を行なうために結合領域２は細長でなければならず、結合領域２に大きな空間があると摩擦攪拌接合用工具３と被加工物１Ａ，１Ｂとの摩擦が行なわれない。さらに、摩擦攪拌接合用工具３は摩擦熱に耐えなければならず、且つ回転によるねじれの応力に耐え得る強度を有する必要がある。また、被加工物１Ａ，１Ｂの裏面側にはバックプレート６が配置される。
【００３１】
次に摩擦攪拌接合法の原理について説明する。被加工物１Ａ，１Ｂを突合せ、摩擦攪拌接合用工具３を回転させ、ペンシル部分４をゆっくりと結合領域２である突合せラインに挿入する。このとき、ペンシル部分４が設けられている円柱形の肩状部５の端面と、被加工物１Ａ，１Ｂの表面が当接し合っている。このペンシル部分４の長さは溶接深さに必要なものとする。摩擦攪拌接合用工具３が回転して、結合領域２に接触すると摩擦が接触点の材料を急速に加熱させ、その結果、材料の機械的強度を低下させる。さらに力を加えると摩擦攪拌接合用工具３はその進行方向８に沿って材料をこね、押し出す。結合領域２では、摩擦攪拌接合用工具３の回転する肩状部５とペンシル部分４によって発生した摩擦熱が、肩状部５の端面部分とペンシル部分４の周りの金属に高温の可塑性領域を作る。被加工物１Ａ，１Ｂが摩擦攪拌接合用工具３の動きと反対方向に動くかその逆に動くと、塑性化した金属は摩擦攪拌接合用工具３の進行方向８の前端で潰れ、機械的攪拌と摩擦攪拌接合用工具３の形状と回転方向による鍛造作用によって後端へ移動する。この結果、摩擦攪拌接合用工具３の前面の接合部を加熱し、可塑性領域を作り出す。そして被加工物に存在する酸化膜を破壊し潰れた金属を攪拌しながら、摩擦攪拌接合用工具３の後端で可塑性領域は冷却されて固体状の溶着を形成するに至る。この現象はすべて被加工物の融点よりも低い温度で生じる。
【００３２】
摩擦攪拌接合法では、亀裂発生がなくなり、溶着金属の蒸発による合金要素のロスが無く、合金成分をそのまま保持でき、さらに溶接器具の圧入、攪拌及び鍛造作用によって微細な粒状組織が溶着金属に形成されるというメリットがある。
【００３３】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３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り、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というものである。
【００３４】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、接合目的の被加工物は、特に１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金である。もちろん１６００℃未満の融点を有する金属若しくは合金を接合する目的としても使用できる。１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金としては、数例を例示すれば、チタン、チタン基合金、白金、白金基合金である。なお、突合せる被加工物同士は異種組成のものであっても良い。さらに、強度強化のために酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム等の酸化物微粒子を分散させた酸化物分散強化型の金属若しくは合金も本実施形態における高融点を有する金属若しくは合金に含まれる。
【００３５】
前記した１６００℃未満の融点を有する金属若しくは合金としては、例えば、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼である。これらの材料においても１３５０℃以上の高融点を有するため、摩擦攪拌接合を行なうことは従来困難であるとされていた材料である。ここでステンレス鋼は、１２％以上のクロムを含む鋼であり、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系のいずれも含まれる。さらに、フェライト／オーステナイト２相混合組織をもつ２相ステンレス鋼、ＰＨステンレス鋼も含まれる。本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３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するのみならず、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼を被加工物とすることもできる。
【００３６】
このとき、摩擦攪拌接合用工具３は、１３５０℃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り、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、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト又はニッケル或いはこれらの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というものである。
【００３７】
被加工物に接触させる部分とは、図１を参照すれば、円柱形の肩状部５とその端面に形成されたペンシル部分４である。少なくとも当該部分が特に化学的安定性、耐熱強度、耐摩耗性及び耐熱衝撃性が要求される。図１では肩状部５を長く形成して直接モータ７を取り付けているが、例えば肩状部５の上端部分に他材質からなる軸部（不図示）を固定し、該軸部にモータ７を取り付けることとしても良い。軸部は、直接摩擦される部分ではないため、上記要求特性は被加工物に接触させる部分と比較して高度に要求されないためである。ただし、軸となることから耐ねじれ強度は要求される。なお、軸部は被加工物に接触させる部分とはならないが、肩状部５とペンシル部分４と同一材料で形成されていても良い。
【００３８】
被加工物に接触させる部分は、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する材料で形成される。１６００℃以上の高融点を有する被加工物を摩擦攪拌接合する際、摩擦攪拌接合用工具は、被加工物の結合領域に押し付けられた状態で回転させられるため、上記被加工物の融点に近い温度まで加熱された状態で、圧縮応力とねじれ応力が加えられる。
【００３９】
したがって、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する材料で摩擦攪拌接合用工具を形成することで、化学的安定性が良好となり、熔解した状態の被加工物と接触しても反応することが抑制される。すなわち、被加工物側から見れば摩擦攪拌接合用工具からの不純物の混入が少なく、摩擦攪拌接合用工具から見れば被加工物の成分と反応しにくいので化学的安定性等の上記要求特性の低下が抑制される。
【００４０】
また、これらの材料で摩擦攪拌接合用工具を形成することで高温強度が得られ、作業中に圧縮応力とねじれ応力が加えられてもそれに耐えうる。また、耐熱衝撃性も良好となるため、作業を行なうたびに昇温降温が繰り返されてもそれを原因として破壊されることは少ない。
【００４１】
さらに被加工物に接触させる部分は、耐摩耗性が要求されるため、上記組成の材料で形成されるもののうち、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有する材料で形成する必要がある。本実施形態の摩擦攪拌接合用工具の硬度は、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）によって評価した。マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ未満の材質で工具を形成すると、被加工物との摩擦によって早期に摩耗してしまうため寿命が短い。
【００４２】
本実施形態の摩擦攪拌接合用工具の硬度は、摩耗を防ぐために２５０Ｈｖ以上が好ましく、３００Ｈｖ以上がさらに好ましい。
【００４３】
なお、マイクロビッカース硬度の測定温度は、１６００℃で熱処理後にマイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）によって測定されたものである。
【００４４】
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム２元合金で形成する場合には、レニウムの含有量を１．０〜３６．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは４．５〜２９．０原子％であり、さらに好ましくは５．０〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３６．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４５】
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−ルテニウム２元合金で形成する場合には、ルテニウムの含有量を１．０〜４５．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは６．０〜２９．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４５．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４６】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−モリブデン２元合金で形成する場合には、モリブデンの含有量を１．０〜２３．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは３．０〜１９．０原子％、さらに好ましくは５．０〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が２３．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４７】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−タングステン２元合金で形成する場合には、タングステンの含有量を１．０〜１９．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．５〜１５．０原子％、さらに好ましくは５．０〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１９．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４８】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ニオブ２元合金で形成する場合には、ニオブの含有量を１．０〜１６．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．０〜１３．０原子％、さらに好ましくは２．０〜８．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１６．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４９】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−タンタル２元合金で形成する場合には、タンタルの含有量を１．０〜１６．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．０〜１３．０原子％、さらに好ましくは２．０〜８．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１６．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５０】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ジルコニウム２元合金で形成する場合には、ジルコニウムの含有量を０．３〜５．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは０．５〜２．０原子％とする。含有量を０．３原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が５．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５１】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ハフニウム２元合金で形成する場合には、ハフニウムの含有量を０．３〜１２．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは０．５〜２．０原子％とする。含有量を０．３原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１２．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５２】
なお、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、被加工物に接触させる部分を、副成分が１成分である２成分系合金のみならず、副成分が２成分以上である３成分系以上の合金としても良い。例えば、イリジウム−レニウム−ジルコニウム合金、イリジウム−レニウム−ハフニウム合金、イリジウム−レニウム−モリブテン合金が有る。
【００５３】
例えば、被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム−ジルコニウム合金で形成する場合には、イリジウムの含有量が９８．９〜５９．０原子％、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％、ジルコニウムの含有量が０．１〜５．０原子％とすることが好ましい。より好ましくは、イリジウムの含有量が９５．９〜８０．０原子％、レニウムの含有量が３．６〜１８．０原子％、ジルコニウムの含有量が０．５〜２．０原子％とする。イリジウムを主成分とし、レニウムを添加することで材料強度及び材料硬度の向上を図り、さらにジルコニウムを添加することによる材料強度及び材料硬度の向上と結晶粒微細化を図る。レニウムの含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３６．０原子％を超えると、高温での酸化揮発減耗量が増加する。ジルコニウムの含有量を０．１原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が５．０原子％を超えると、融点の低下や材料の均一性が劣る場合がある。
【００５４】
例えば、前記被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム−ハフニウム合金で形成する場合には、イリジウムの含有量が９８．９〜５９．０原子％、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％、ハフニウムの含有量が０．１〜５．０原子％とすることが好ましい。より好ましくは、イリジウムの含有量が９５．９〜８０．０原子％、レニウムの含有量が３．６〜１８．０原子％、ハフニウムの含有量が０．５〜２．０原子％とする。イリジウムを主成分とし、レニウムを添加することで材料強度及び材料硬度の向上を図り、さらにハフニウムを添加することによる材料強度及び材料硬度の向上と結晶粒微細化を図る。レニウムの含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３６．０原子％を超えると、高温での酸化揮発減耗量が増加する。ハフニウムの含有量を０．１原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が５．０原子％を超えると、融点の低下や材料の均一性が劣る場合がある。
【００５５】
また、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼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、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、又はニッケル或いはこれらの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ものも含まれる。
【００５６】
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム２元合金、イリジウム−ルテニウム２元合金、イリジウム−モリブデン２元合金、イリジウム−タングステン２元合金、イリジウム−ニオブ２元合金、イリジウム−タンタル２元合金、イリジウム−ジルコニウム２元合金、イリジウム−ハフニウム２元合金で形成する場合には、これらの組成は前記各２元系合金の組成と同様とする。
【００５７】
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−チタン２元合金で形成する場合には、チタンの含有量を１．０〜１１．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは１．５〜９．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１１．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５８】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−バナジウム２元合金で形成する場合には、バナジウムの含有量を１．０〜１９．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．５〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１９．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５９】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−クロム２元合金で形成する場合には、クロムの含有量を１．０〜２７．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは３．５〜２２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が２７．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００６０】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−マンガン２元合金で形成する場合には、マンガンの含有量を１．０〜４０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは５．０〜３２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００６１】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−鉄２元合金で形成する場合には、鉄の含有量を１．０〜４０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは５．０〜３２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００６２】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−コバルト２元合金で形成する場合には、コバルトの含有量を１．０〜３０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは３．９〜２４．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００６３】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ニッケル２元合金で形成する場合には、ニッケルの含有量を１．０〜４０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは５．０〜３２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００６４】
なお、副成分が２成分以上である３成分系以上の合金としても良い。例えば、イリジウム−チタン−バナジウム合金、イリジウム−チタン−クロム合金、イリジウム−チタン−マンガン合金、イリジウム−バナジウム−クロム合金、イリジウム−バナジウム−マンガン合金、イリジウム−クロム−マンガン合金等が有る。
【００６５】
また本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記組成を満たした工具を製造する際に、溶解法によって得た固溶体で工具を形成することが好ましい。また、焼結法によって得た焼結体で工具を形成することとしても良い。
【００６６】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、主成分であるイリジウムに対する副成分の組み合わせを複数例示しているが、副成分の選択は、被加工物に応じて使い分けても良い。
【００６７】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、工具の形状には限定されない。工具の形状は、摩擦係数や攪拌効率を考慮して被加工物に応じて適宜選択する。
【００６８】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合法では、１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなる被加工物を、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具を使用して接合を図るものである。
【００６９】
もちろん、本実施形態に係る摩擦攪拌接合法では、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼からなる被加工物を、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具を使用して接合を図る場合も含まれる。
【００７０】
さらに摩擦攪拌接合用工具の押し当て面の裏面側に、イリジウムのバックプレート又は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するバックプレート（図１中、符号６）又はイリジウム被膜若しくは前記組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがいながら、接合を行なうことが好ましい。摩擦攪拌接合用工具を押し当てる面の裏面側も高温まで昇温するため、ステンレス等のバックプレートをあてがうと、バックプレートと被加工物が接合する場合や、バックプレートの成分が接合部に溶出する場合がある。摩擦攪拌接合用工具のみならず、バックプレートについてもイリジウムのバックプレート又はイリジウムを主成分とし、レニウム等を副成分として含有する上記組成で形成することで、被加工物と接合せず、接合部への不純物の混入の低減や、接合部への不純物の溶出を低減できる。また、イリジウム被膜若しくは上記組成の被膜をバックプレートに施すこととしても良い。この場合、被膜を施す基材は、上記組成の材料で形成されていることが好ましいが、上記組成の材料で形成されていない場合も本実施形態に含まれる。被膜の厚さは例えば１０〜５００μｍとし、５０〜１００μｍとすることが好ましい。また、摩擦攪拌接合用工具の組成とバックプレート若しくはそれに施す被膜の組成とは同一の組成とすることが好ましいが、イリジウムのバックプレート又は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のバックプレート、或いはこれらを被膜化したバックプレートであることを満たす限り、異種組成を組み合わせても良い。
【００７１】
本実施形態の摩擦攪拌接合法を行なうことで、高融点を有する被加工物であっても、不純物の混入が少ない摩擦攪拌接合部位を有する加工物を得ることができる。
【００７２】
もちろん、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼からなり、摩擦攪拌接合部位を有する加工物も得ることができる。
【実施例】
【００７３】
溶解法により、表１に示した組成の合金を実施例１〜実施例２１として形成し、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）（（株）アカシ、ＨＶ−１１２）にもとづき、マイクロビッカース硬度を測定した。測定結果を図２に示した。比較例１はイリジウム金属とした。
【００７４】
さらに溶解法により、表２に示した組成の合金を実施例２２〜実施例２９として形成し、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）（（株）アカシ、ＨＶ−１１２）にもとづき、マイクロビッカース硬度を測定した。測定結果を図３に示した。比較例１はイリジウム金属とした。
【００７５】
【表１】
【表２】
【００７６】
図２及び図３を参照すると、イリジウムに対して、副成分としてレニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、ルテニウム、チタン又はバナジウムの各添加量を増加させると、マイクロビッカース硬度が増加する傾向が見られる。図２のグラフにおいて、マイクロビッカース硬度Ｈｖが２００以上となる副成分の添加量が耐摩耗性の観点から要求される。
【００７７】
（実施例３０）
次にイリジウム９０．０原子％、レニウム１０．０原子％の組成を有する摩擦攪拌接合用工具を溶解法により作製し、実施例３０とした。図２のグラフからマイクロビッカース硬度Ｈｖは３００であると読み取れる。また比較のために、比較例１のイリジウム１００原子％の摩擦攪拌接合用工具を作製した。図２のグラフからマイクロビッカース硬度Ｈｖは１８０であると読み取れる。被加工物として、酸化物分散強化型白金合金（白金８２．１３原子％、酸化ジルコニウム０．２３原子％、ロジウム１７．６４原子％、厚さ１．５ｍｍ、フルヤ金属製）の板同士を突合せて、結合領域を形成し、該結合領域に実施例３０又は比較例１の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合を試みた。なお、当該酸化ジルコニウム分散強化型白金合金の融点はおよそ１８６０℃である。そして、接合は実施例３０、比較例１共に行なうことができた。また実施例３０、比較例１共に摩擦攪拌接合用工具の割れは見られなかった。
【００７８】
接合距離を３００ｃｍとして、接合を５回行なった後、摩擦攪拌接合用工具の摩耗量を評価した。摩耗量は、減少した肉厚部分の厚さを測定した。実施例３０の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は０．２（ｍｍ）であるのに対して、比較例１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は変形が確認されたため正確性は欠けるが約１．５（ｍｍ）であった。したがって、実施例３０の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できると共に、工具の摩耗が少なかった。一方、比較例１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できたものの、工具の摩耗量が多く、劣化が早いといえる。実施例１〜実施例２９の各組成を有する摩擦攪拌接合用工具を同様に評価したところ、いずれも摩擦攪拌接合できると共に摩耗量は０．１〜０．３（ｍｍ）であった。また、摩擦攪拌接合用工具の割れはいずれも見られなかった。
【００７９】
なお、実施例３０の摩擦攪拌接合は、イリジウム９０．０原子％、レニウム１０．０原子％の組成を有するバックプレートに被加工物を載せて行なったものである。このとき被加工物にバックプレートが接合することや、被加工物にバックプレートが融着することはなかった。そこで、接合部分の板厚方向について、摩擦攪拌接合用工具の押し当て表面、及び、バックプレート側の裏面について、電子線マイクロアナライザ（日本電子株式会社製）を用いてＥＰＭＡ分析を行なった。イリジウム又はレニウムが不純物として接合部分に混入していることや、イリジウム又はレニウムが不純物として接合部分に溶出しているとは認められなかった。
【００８０】
次に比較試験のため、実施例３０の摩擦攪拌接合用工具を使用し、且つ、バックプレートとしてステンレス（ＳＵＳ−３０４）を用いて接合を行なった。このとき被加工物にバックプレートが接合することや、被加工物にバックプレートの融着が生じた。そして同様にＥＰＭＡ分析を行なった。その結果、鉄が不純物として接合部分に混入していることや、鉄が不純物として接合部分に溶出していることが認められた。そして、バックプレート側である被加工物裏面における鉄含有量は最大３％であり、摩擦攪拌接合用工具の押し当て側である被加工物表面における鉄含有量は最大３００ｐｐｍであった。したがって、バックプレートから接合部分に鉄が溶出し、摩擦攪拌される工程中に被加工物の表面側（押し当て面側）に鉄が拡散及び鉄が攪拌していくと考えられる。したがって、実施例３０の摩擦攪拌接合用工具の組成と同様の組成のバックプレートを用いることで、接合防止、融着防止及び接合部分への不純物の混入防止、溶出防止ができることが判明した。さらに実施例１〜２９の摩擦攪拌接合用工具の組成と同様の組成のバックプレートを用いても同様に接合防止、融着防止及び接合部分への不純物の混入防止、溶出防止ができることが判明した。
【００８１】
表３に示した組成の合金を実施例３１と実施例３２及び比較例１として形成し、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）（（株）アカシ、ＨＶ−１１２）にもとづき、実施例３１、３２、及び、比較例１の再結晶温度に基づくマイクロビッカース硬度を測定した。測定結果を図４（再結晶温度調査）に示した。図４は、再結晶温度とマイクロビッカース硬度との関係を示す図である。
【００８２】
【表３】
【００８３】
硬度及び耐摩耗性の観点から、ビッカーズ硬度２００Ｈｖ以上が要求され、図４から実施例３１、３２は、１３５０℃以上で熱処理されたものを室温で測定してもビッカーズ硬度３００Ｈｖ以上を維持することができるが、比較例１は、１３００℃付近で熱処理されたものを室温で測定すると、ビッカーズ硬度３００Ｈｖを下回る結果になった。硬度を得るためには、他元素及び含有量が必要であることが確認された。
【００８４】
また、実施例３１、３２及び比較例１の摩耗量を測定した。被加工物として、酸化物分散強化型白金合金（白金８２．１３原子％、酸化ジルコニウム０．２３原子％、ロジウム１７．６４原子％、厚さ１．５ｍｍ、フルヤ金属製）の板同士をつき合わせて、境界領域を形成し、該境界領域に実施例３１又は３２の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合を試みた。なお、当該酸化ジルコニウム分散強化型白金合金の融点はおよそ１８６０℃である。測定結果を図５（摩耗量調査）に示した。図５は、ツール外周の回転距離と単位面積あたりの質量減との関係を示す図である。ツール外周の回転距離は、肩状部５の円周×回転数×接合時間（接合距離／送り速度）のように求めた。このときのツール外周の質量減は、接合前の重量−接合後の重量のように求めた。図５から３元合金で形成された実施例３１、３２は、３元合金以上で形成することにより、比較例１より摩耗に対する耐性を維持する効果が確認された。
【００８５】
実施例３１と比較例１の摩擦攪拌接合用工具を用い、被加工物として、ステンレス（ＳＵＳ−３０４）の板同士をつき合わせて、境界領域を形成し、該境界領域に 実施例３１と比較例１の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合をとして試みた。なお、当該ＳＵＳ３０４の融点は１４００〜１４５０℃である。そして、接合は、実施例３１、比較例１共に行なうことができた。また、実施例３１、比較例１共に摩擦攪拌接合用工具の割れは見られなかった。
【００８６】
また、実施例３１の摩擦攪拌接合用工具を用い、被加工物として、酸化物分散強化型白金合金（白金８２．１３原子％、酸化ジルコニウム０．２３原子％、ロジウム１７．６４原子％、厚さ１．５ｍｍ、フルヤ金属製）の板同士をつき合わせて、境界領域を形成し、該境界領域に実施例３１の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合を試みた。なお、当該酸化物分散強化型白金合金の融点はおよそ１８６０℃である。そして、接合を行なうことができた。また摩擦攪拌接合用工具の割れは見られなかった。
【００８７】
ＳＵＳ３０４の接合距離を１００ｃｍとして、接合を１回行なった後、摩擦攪拌接合用工具の摩耗量を評価した。回転数と送り速度は一定とした。摩耗量は、接合前と接合後の摩擦攪拌接合用工具の重量の差を測定した。実施例３１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は０．３（ｇ）であるのに対して、比較例１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は約１．５（ｇ）であった。したがって、実施例３１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できると共に、工具の摩耗が少なかった。一方、比較例１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できたものの、工具の摩耗量が多く、劣化が早いといえる。実施例３２の各組成を有する摩擦攪拌接合用工具を同様に評価したところ、いずれも摩擦攪拌接合できると共に摩耗量は０．３（ｇ）であった。また、摩擦攪拌接合用工具の割れはいずれも見られなかった。
【００８８】
酸化物分散強化白金の接合距離を１００ｃｍとして、接合を１回行なった後、摩擦攪拌接合用工具の摩耗量を評価した。回転数と送り速度は一定とした。摩耗量は、接合前と接合後の摩擦攪拌接合用工具の重量の差を測定した。実施例３１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は０．６（ｇ）であるのに対して、比較例１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は３．０（ｇ）であった。したがって、実施例３１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できると共に、工具の摩耗が少なかった。実施例３２の各組成を有する摩擦攪拌接合用工具を同様に評価したところ、いずれも摩擦攪拌接合できると共に摩耗量は０．６３（ｇ）であった。また、摩擦攪拌接合用工具の割れはいずれも見られなかった。
【００８９】
また、実施例３１の８９原子％Ｉｒ−１０原子％Ｒｅ−１原子％Ｚｒの組成を有するバックプレートに被加工物を載せて行なった。このとき被加工物にバックプレートが接合することはなかった。そこで、接合部分の板厚方向について、摩擦攪拌接合用工具の押し当て表面、及び、バックプレート側の裏面について、電子線マイクロアナライザ（日本電子株式会社製）を用いてＥＰＭＡ分析を行なった。その結果、イリジウム、レニウム、ジルコニウムが不純物として接合部分に混入しているとは認められなかった。さらに、実施例３２の摩擦攪拌接合用工具の組成と同様の組成のバックプレートを用いても同様に接合防止及び接合部分への不純物の混入防止ができることが判明した
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】摩擦攪拌接合法の機構の一形態を示す概念図である。
【図２】副成分の添加元素濃度とマイクロビッカース硬度との関係を示す図である。
【図３】副成分の添加元素濃度とマイクロビッカース硬度との関係を示す図である。
【図４】再結晶温度とマイクロビッカース硬度との関係を示す図である。
【図５】ツール外周の回転距離と単位面積あたりの質量減との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００９１】
１Ａ，１Ｂ，被加工物
２，結合領域
３，摩擦攪拌接合用工具（プローブピン）
４，ペンシル部分
５，肩状部
６，バックプレート
７，モータ
８，進行方向
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高融点部材を摩擦攪拌接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）するための摩擦攪拌接合用工具と、それを用いた摩擦攪拌接合法並びに該摩擦攪拌接合法によって得られた加工物に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属の接合方法として、摩擦攪拌接合法の技術が開示されている（例えば特許文献１又は２を参照。）。摩擦攪拌接合法は、被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、摩擦熱を利用して被加工物を接合する接合法である。そして、摩擦攪拌接合法は、鉄、アルミニウム合金などの金属相互の溶接は勿論異種金属の溶接すら可能な溶接法である。
【０００３】
摩擦攪拌接合法については、融点が比較的低いアルミニウム及びアルミニウム合金を対象とした接合が多く検討されており、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金を被加工物として摩擦攪拌接合法を適用した報告例は少ないが、高融点である白金を接合した技術の開示がある（例えば特許文献３を参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特表平７−５０５０９０号公報
【特許文献２】特表平９−５０８０７３号公報
【特許文献３】特開２００４−０９００５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このような高融点を有する被加工物とする場合、摩擦攪拌接合用工具と被加工物との摩擦による発熱は、例えばアルミニウム及びアルミニウム合金等の比較的融点が低い被加工物を対象とした場合と比較して、さらに高温まで上げる必要がある。したがって、摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を接合し、長寿命であるために、摩擦によって高温に発熱させてもそれに耐える化学的安定性、耐熱強度、耐摩耗性及び耐熱衝撃性が要求される。
【０００６】
そこで本発明の目的は、摩擦攪拌接合用工具について、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物を摩擦攪拌接合した場合においても、工具からの不純物の混入が少なく、摩耗が少なく、且つ、破壊されにくい工具を提供することであり、そしてこの工具を用いて安定して摩擦攪拌接合を実現することである。
【０００７】
また本発明のもう一つの目的は、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物のみならず、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼についても、同様に、摩擦攪拌接合を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、摩擦攪拌接合用工具を形成する材料の組成を種々検討した結果、イリジウムを主成分とし、所定の元素を副成分として含有する組成をもつ合金によって摩擦攪拌接合用工具を形成すると、高融点を有する被加工物を安定して摩擦攪拌接合できることを見出し、本発明を完成させた。すなわち本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、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。
【０００９】
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃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、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、又はニッケル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。
【００１０】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金が、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼であることを含む。
【００１１】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−レニウム合金で形成されており、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％であることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ルテニウム合金で形成されており、ルテニウムの含有量が１．０〜４５．０原子％であることが好ましい。
【００１３】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−モリブデン合金で形成されており、モリブデンの含有量が１．０〜２３．０原子％であることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タングステン合金で形成されており、タングステンの含有量が１．０〜１９．０原子％であることが好ましい。
【００１５】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ニオブ合金で形成されており、ニオブの含有量が１．０〜１６．０原子％であることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タンタル合金で形成されており、タンタルの含有量が１．０〜１６．０原子％であることが好ましい。
【００１７】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ジルコニウム合金で形成されており、ジルコニウムの含有量が０．３〜５．０原子％であることが好ましい。
【００１８】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ハフニウム合金で形成されており、ハフニウムの含有量が０．３〜１２．０原子％であることが好ましい。
【００１９】
本発明に係る摩擦攪拌接合法は、被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、該結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、前記被加工物を接合する摩擦攪拌接合法において、前記被加工物は、１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、前記摩擦攪拌接合用工具として、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具を使用することを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る摩擦攪拌接合法は、被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、該結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、前記被加工物を接合する摩擦攪拌接合法において、前記被加工物は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、前記摩擦攪拌接合用工具として、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具を使用することを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る摩擦攪拌接合法では、前記１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金が、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼であることを含む。
【００２２】
本発明に係る摩擦攪拌接合法では、前記摩擦攪拌接合用工具の押し当て面の裏面側に、イリジウムのバックプレート又は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するバックプレート又はイリジウム被膜若しくは前記組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがいながら、接合を行なうことが好ましい。被加工物の裏面側もかなりの高温まで上昇する。そこでそれに耐えうる化学的安定性、耐熱強度及び耐熱衝撃性を有する材料からなるバックプレート又は該組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがうことで、バックプレートの融着を防止し、またバックプレートからの不純物の混入を防止できる。
【００２３】
本発明に係る摩擦攪拌接合部位を有する加工物は、前記摩擦攪拌接合法によって、接合されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、摩擦攪拌接合用工具について、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物を摩擦攪拌接合した場合においても、工具からの不純物の混入を少なくし、摩耗を少なくし、且つ、破壊されることを低減できる。また、この工具を用いて安定した摩擦攪拌接合を実現することができる。
【００２５】
また本発明は、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物のみならず、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなる被加工物にも適用でき、例えば、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼についても、同様に、摩擦攪拌接合を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明について詳細に説明するが本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。最初に図１を参照して摩擦攪拌接合法のプロセスとその装置について説明する。図１は摩擦攪拌接合法の機構の一形態を示す概念図である。
【００２７】
摩擦攪拌接合法は、被加工物１Ａ，１Ｂを相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域２を規定する工程、摩擦攪拌接合用工具３を回転させながら結合領域２に挿入して摩擦攪拌接合用工具３と結合領域２との間で摩擦熱を発生させ、発熱させた結合領域中に可塑性領域を発生させて加工物同士を接合する工程を備えるものである。
【００２８】
ここで、摩擦攪拌接合用工具３は円柱形の肩状部５とその端面に形成されたペンシル部分４とを備える。なお、摩擦攪拌接合用工具３はモータ７によって回転する。摩擦攪拌接合用工具３と被加工物１Ａ，１Ｂとの摩擦が行なわれなければならないので、被加工物１Ａ，１Ｂは相互に当接されていなければならない。摩擦が行なわれることを条件に被加工物がほぼ当接していても良い。また、スポット接合ではなく連続した接合を行なうために結合領域２は細長でなければならず、結合領域２に大きな空間があると摩擦攪拌接合用工具３と被加工物１Ａ，１Ｂとの摩擦が行なわれない。さらに、摩擦攪拌接合用工具３は摩擦熱に耐えなければならず、且つ回転によるねじれの応力に耐え得る強度を有する必要がある。また、被加工物１Ａ，１Ｂの裏面側にはバックプレート６が配置される。
【００２９】
次に摩擦攪拌接合法の原理について説明する。被加工物１Ａ，１Ｂを突合せ、摩擦攪拌接合用工具３を回転させ、ペンシル部分４をゆっくりと結合領域２である突合せラインに挿入する。このとき、ペンシル部分４が設けられている円柱形の肩状部５の端面と、被加工物１Ａ，１Ｂの表面が当接し合っている。このペンシル部分４の長さは溶接深さに必要なものとする。摩擦攪拌接合用工具３が回転して、結合領域２に接触すると摩擦が接触点の材料を急速に加熱させ、その結果、材料の機械的強度を低下させる。さらに力を加えると摩擦攪拌接合用工具３はその進行方向８に沿って材料をこね、押し出す。結合領域２では、摩擦攪拌接合用工具３の回転する肩状部５とペンシル部分４によって発生した摩擦熱が、肩状部５の端面部分とペンシル部分４の周りの金属に高温の可塑性領域を作る。被加工物１Ａ，１Ｂが摩擦攪拌接合用工具３の動きと反対方向に動くかその逆に動くと、塑性化した金属は摩擦攪拌接合用工具３の進行方向８の前端で潰れ、機械的攪拌と摩擦攪拌接合用工具３の形状と回転方向による鍛造作用によって後端へ移動する。この結果、摩擦攪拌接合用工具３の前面の接合部を加熱し、可塑性領域を作り出す。そして被加工物に存在する酸化膜を破壊し潰れた金属を攪拌しながら、摩擦攪拌接合用工具３の後端で可塑性領域は冷却されて固体状の溶着を形成するに至る。この現象はすべて被加工物の融点よりも低い温度で生じる。
【００３０】
摩擦攪拌接合法では、亀裂発生がなくなり、溶着金属の蒸発による合金要素のロスが無く、合金成分をそのまま保持でき、さらに溶接器具の圧入、攪拌及び鍛造作用によって微細な粒状組織が溶着金属に形成されるというメリットがある。
【００３１】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３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り、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というものである。
【００３２】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、接合目的の被加工物は、特に１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金である。もちろん１６００℃未満の融点を有する金属若しくは合金を接合する目的としても使用できる。１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金としては、数例を例示すれば、チタン、チタン基合金、白金、白金基合金である。なお、突合せる被加工物同士は異種組成のものであっても良い。さらに、強度強化のために酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム等の酸化物微粒子を分散させた酸化物分散強化型の金属若しくは合金も本実施形態における高融点を有する金属若しくは合金に含まれる。
【００３３】
前記した１６００℃未満の融点を有する金属若しくは合金としては、例えば、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼である。これらの材料においても１３５０℃以上の高融点を有するため、摩擦攪拌接合を行なうことは従来困難であるとされていた材料である。ここでステンレス鋼は、１２％以上のクロムを含む鋼であり、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系のいずれも含まれる。さらに、フェライト／オーステナイト２相混合組織をもつ２相ステンレス鋼、ＰＨステンレス鋼も含まれる。本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３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するのみならず、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼を被加工物とすることもできる。
【００３４】
このとき、摩擦攪拌接合用工具３は、１３５０℃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り、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、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト又はニッケル或いはこれらの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というものである。
【００３５】
被加工物に接触させる部分とは、図１を参照すれば、円柱形の肩状部５とその端面に形成されたペンシル部分４である。少なくとも当該部分が特に化学的安定性、耐熱強度、耐摩耗性及び耐熱衝撃性が要求される。図１では肩状部５を長く形成して直接モータ７を取り付けているが、例えば肩状部５の上端部分に他材質からなる軸部（不図示）を固定し、該軸部にモータ７を取り付けることとしても良い。軸部は、直接摩擦される部分ではないため、上記要求特性は被加工物に接触させる部分と比較して高度に要求されないためである。ただし、軸となることから耐ねじれ強度は要求される。なお、軸部は被加工物に接触させる部分とはならないが、肩状部５とペンシル部分４と同一材料で形成されていても良い。
【００３６】
被加工物に接触させる部分は、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する材料で形成される。１６００℃以上の高融点を有する被加工物を摩擦攪拌接合する際、摩擦攪拌接合用工具は、被加工物の結合領域に押し付けられた状態で回転させられるため、上記被加工物の融点に近い温度まで加熱された状態で、圧縮応力とねじれ応力が加えられる。
【００３７】
したがって、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する材料で摩擦攪拌接合用工具を形成することで、化学的安定性が良好となり、熔解した状態の被加工物と接触しても反応することが抑制される。すなわち、被加工物側から見れば摩擦攪拌接合用工具からの不純物の混入が少なく、摩擦攪拌接合用工具から見れば被加工物の成分と反応しにくいので化学的安定性等の上記要求特性の低下が抑制される。
【００３８】
また、これらの材料で摩擦攪拌接合用工具を形成することで高温強度が得られ、作業中に圧縮応力とねじれ応力が加えられてもそれに耐えうる。また、耐熱衝撃性も良好となるため、作業を行なうたびに昇温降温が繰り返されてもそれを原因として破壊されることは少ない。
【００３９】
さらに被加工物に接触させる部分は、耐摩耗性が要求されるため、上記組成の材料で形成されるもののうち、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有する材料で形成する必要がある。本実施形態の摩擦攪拌接合用工具の硬度は、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）によって評価した。マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ未満の材質で工具を形成すると、被加工物との摩擦によって早期に摩耗してしまうため寿命が短い。
【００４０】
本実施形態の摩擦攪拌接合用工具の硬度は、摩耗を防ぐために２５０Ｈｖ以上が好ましく、３００Ｈｖ以上がさらに好ましい。
【００４１】
なお、マイクロビッカース硬度の測定温度は、１６００℃で熱処理後にマイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）によって測定されたものである。
【００４２】
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム２元合金で形成する場合には、レニウムの含有量を１．０〜３６．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは４．５〜２９．０原子％であり、さらに好ましくは５．０〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３６．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４３】
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−ルテニウム２元合金で形成する場合には、ルテニウムの含有量を１．０〜４５．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは６．０〜２９．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４５．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４４】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−モリブデン２元合金で形成する場合には、モリブデンの含有量を１．０〜２３．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは３．０〜１９．０原子％、さらに好ましくは５．０〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が２３．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４５】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−タングステン２元合金で形成する場合には、タングステンの含有量を１．０〜１９．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．５〜１５．０原子％、さらに好ましくは５．０〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１９．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４６】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ニオブ２元合金で形成する場合には、ニオブの含有量を１．０〜１６．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．０〜１３．０原子％、さらに好ましくは２．０〜８．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１６．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４７】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−タンタル２元合金で形成する場合には、タンタルの含有量を１．０〜１６．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．０〜１３．０原子％、さらに好ましくは２．０〜８．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１６．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４８】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ジルコニウム２元合金で形成する場合には、ジルコニウムの含有量を０．３〜５．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは０．５〜２．０原子％とする。含有量を０．３原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が５．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４９】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ハフニウム２元合金で形成する場合には、ハフニウムの含有量を０．３〜１２．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは０．５〜２．０原子％とする。含有量を０．３原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１２．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５０】
なお、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、被加工物に接触させる部分を、副成分が１成分である２成分系合金のみならず、副成分が２成分以上である３成分系以上の合金としても良い。例えば、イリジウム−レニウム−ジルコニウム合金、イリジウム−レニウム−ハフニウム合金、イリジウム−レニウム−モリブテン合金が有る。
【００５１】
例えば、被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム−ジルコニウム合金で形成する場合には、イリジウムの含有量が９８．９〜５９．０原子％、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％、ジルコニウムの含有量が０．１〜５．０原子％とすることが好ましい。より好ましくは、イリジウムの含有量が９５．９〜８０．０原子％、レニウムの含有量が３．６〜１８．０原子％、ジルコニウムの含有量が０．５〜２．０原子％とする。イリジウムを主成分とし、レニウムを添加することで材料強度及び材料硬度の向上を図り、さらにジルコニウムを添加することによる材料強度及び材料硬度の向上と結晶粒微細化を図る。レニウムの含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３６．０原子％を超えると、高温での酸化揮発減耗量が増加する。ジルコニウムの含有量を０．１原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が５．０原子％を超えると、融点の低下や材料の均一性が劣る場合がある。
【００５２】
例えば、前記被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム−ハフニウム合金で形成する場合には、イリジウムの含有量が９８．９〜５９．０原子％、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％、ハフニウムの含有量が０．１〜５．０原子％とすることが好ましい。より好ましくは、イリジウムの含有量が９５．９〜８０．０原子％、レニウムの含有量が３．６〜１８．０原子％、ハフニウムの含有量が０．５〜２．０原子％とする。イリジウムを主成分とし、レニウムを添加することで材料強度及び材料硬度の向上を図り、さらにハフニウムを添加することによる材料強度及び材料硬度の向上と結晶粒微細化を図る。レニウムの含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３６．０原子％を超えると、高温での酸化揮発減耗量が増加する。ハフニウムの含有量を０．１原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が５．０原子％を超えると、融点の低下や材料の均一性が劣る場合がある。
【００５３】
また、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼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、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、又はニッケル或いはこれらの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ものも含まれる。
【００５４】
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム２元合金、イリジウム−ルテニウム２元合金、イリジウム−モリブデン２元合金、イリジウム−タングステン２元合金、イリジウム−ニオブ２元合金、イリジウム−タンタル２元合金、イリジウム−ジルコニウム２元合金、イリジウム−ハフニウム２元合金で形成する場合には、これらの組成は前記各２元系合金の組成と同様とする。
【００５５】
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−チタン２元合金で形成する場合には、チタンの含有量を１．０〜１１．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは１．５〜９．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１１．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５６】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−バナジウム２元合金で形成する場合には、バナジウムの含有量を１．０〜１９．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．５〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１９．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５７】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−クロム２元合金で形成する場合には、クロムの含有量を１．０〜２７．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは３．５〜２２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が２７．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５８】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−マンガン２元合金で形成する場合には、マンガンの含有量を１．０〜４０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは５．０〜３２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５９】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−鉄２元合金で形成する場合には、鉄の含有量を１．０〜４０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは５．０〜３２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００６０】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−コバルト２元合金で形成する場合には、コバルトの含有量を１．０〜３０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは３．９〜２４．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００６１】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ニッケル２元合金で形成する場合には、ニッケルの含有量を１．０〜４０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは５．０〜３２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００６２】
なお、副成分が２成分以上である３成分系以上の合金としても良い。例えば、イリジウム−チタン−バナジウム合金、イリジウム−チタン−クロム合金、イリジウム−チタン−マンガン合金、イリジウム−バナジウム−クロム合金、イリジウム−バナジウム−マンガン合金、イリジウム−クロム−マンガン合金等が有る。
【００６３】
また本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記組成を満たした工具を製造する際に、溶解法によって得た固溶体で工具を形成することが好ましい。また、焼結法によって得た焼結体で工具を形成することとしても良い。
【００６４】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、主成分であるイリジウムに対する副成分の組み合わせを複数例示しているが、副成分の選択は、被加工物に応じて使い分けても良い。
【００６５】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、工具の形状には限定されない。工具の形状は、摩擦係数や攪拌効率を考慮して被加工物に応じて適宜選択する。
【００６６】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合法では、１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなる被加工物を、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具を使用して接合を図るものである。
【００６７】
もちろん、本実施形態に係る摩擦攪拌接合法では、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼からなる被加工物を、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具を使用して接合を図る場合も含まれる。
【００６８】
さらに摩擦攪拌接合用工具の押し当て面の裏面側に、イリジウムのバックプレート又は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するバックプレート（図１中、符号６）又はイリジウム被膜若しくは前記組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがいながら、接合を行なうことが好ましい。摩擦攪拌接合用工具を押し当てる面の裏面側も高温まで昇温するため、ステンレス等のバックプレートをあてがうと、バックプレートと被加工物が接合する場合や、バックプレートの成分が接合部に溶出する場合がある。摩擦攪拌接合用工具のみならず、バックプレートについてもイリジウムのバックプレート又はイリジウムを主成分とし、レニウム等を副成分として含有する上記組成で形成することで、被加工物と接合せず、接合部への不純物の混入の低減や、接合部への不純物の溶出を低減できる。また、イリジウム被膜若しくは上記組成の被膜をバックプレートに施すこととしても良い。この場合、被膜を施す基材は、上記組成の材料で形成されていることが好ましいが、上記組成の材料で形成されていない場合も本実施形態に含まれる。被膜の厚さは例えば１０〜５００μｍとし、５０〜１００μｍとすることが好ましい。また、摩擦攪拌接合用工具の組成とバックプレート若しくはそれに施す被膜の組成とは同一の組成とすることが好ましいが、イリジウムのバックプレート又は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のバックプレート、或いはこれらを被膜化したバックプレートであることを満たす限り、異種組成を組み合わせても良い。
【００６９】
本実施形態の摩擦攪拌接合法を行なうことで、高融点を有する被加工物であっても、不純物の混入が少ない摩擦攪拌接合部位を有する加工物を得ることができる。
【００７０】
もちろん、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼からなり、摩擦攪拌接合部位を有する加工物も得ることができる。
【実施例】
【００７１】
溶解法により、表１に示した組成の合金を実施例１〜実施例２１として形成し、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）（（株）アカシ、ＨＶ−１１２）にもとづき、マイクロビッカース硬度を測定した。測定結果を図２に示した。比較例１はイリジウム金属とした。
【００７２】
さらに溶解法により、表２に示した組成の合金を実施例２２〜実施例２９として形成し、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）（（株）アカシ、ＨＶ−１１２）にもとづき、マイクロビッカース硬度を測定した。測定結果を図３に示した。比較例１はイリジウム金属とした。
【００７３】
【表１】
【表２】
【００７４】
図２及び図３を参照すると、イリジウムに対して、副成分としてレニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、ルテニウム、チタン又はバナジウムの各添加量を増加させると、マイクロビッカース硬度が増加する傾向が見られる。図２のグラフにおいて、マイクロビッカース硬度Ｈｖが２００以上となる副成分の添加量が耐摩耗性の観点から要求される。
【００７５】
（実施例３０）
次にイリジウム９０．０原子％、レニウム１０．０原子％の組成を有する摩擦攪拌接合用工具を溶解法により作製し、実施例３０とした。図２のグラフからマイクロビッカース硬度Ｈｖは３００であると読み取れる。また比較のために、比較例１のイリジウム１００原子％の摩擦攪拌接合用工具を作製した。図２のグラフからマイクロビッカース硬度Ｈｖは１８０であると読み取れる。被加工物として、酸化物分散強化型白金合金（白金８２．１３原子％、酸化ジルコニウム０．２３原子％、ロジウム１７．６４原子％、厚さ１．５ｍｍ、フルヤ金属製）の板同士を突合せて、結合領域を形成し、該結合領域に実施例３０又は比較例１の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合を試みた。なお、当該酸化ジルコニウム分散強化型白金合金の融点はおよそ１８６０℃である。そして、接合は実施例３０、比較例１共に行なうことができた。また実施例３０、比較例１共に摩擦攪拌接合用工具の割れは見られなかった。
【００７６】
接合距離を３００ｃｍとして、接合を５回行なった後、摩擦攪拌接合用工具の摩耗量を評価した。摩耗量は、減少した肉厚部分の厚さを測定した。実施例３０の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は０．２（ｍｍ）であるのに対して、比較例１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は変形が確認されたため正確性は欠けるが約１．５（ｍｍ）であった。したがって、実施例３０の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できると共に、工具の摩耗が少なかった。一方、比較例１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できたものの、工具の摩耗量が多く、劣化が早いといえる。実施例１〜実施例２９の各組成を有する摩擦攪拌接合用工具を同様に評価したところ、いずれも摩擦攪拌接合できると共に摩耗量は０．１〜０．３（ｍｍ）であった。また、摩擦攪拌接合用工具の割れはいずれも見られなかった。
【００７７】
なお、実施例３０の摩擦攪拌接合は、イリジウム９０．０原子％、レニウム１０．０原子％の組成を有するバックプレートに被加工物を載せて行なったものである。このとき被加工物にバックプレートが接合することや、被加工物にバックプレートが融着することはなかった。そこで、接合部分の板厚方向について、摩擦攪拌接合用工具の押し当て表面、及び、バックプレート側の裏面について、電子線マイクロアナライザ（日本電子株式会社製）を用いてＥＰＭＡ分析を行なった。イリジウム又はレニウムが不純物として接合部分に混入していることや、イリジウム又はレニウムが不純物として接合部分に溶出しているとは認められなかった。
【００７８】
次に比較試験のため、実施例３０の摩擦攪拌接合用工具を使用し、且つ、バックプレートとしてステンレス（ＳＵＳ−３０４）を用いて接合を行なった。このとき被加工物にバックプレートが接合することや、被加工物にバックプレートの融着が生じた。そして同様にＥＰＭＡ分析を行なった。その結果、鉄が不純物として接合部分に混入していることや、鉄が不純物として接合部分に溶出していることが認められた。そして、バックプレート側である被加工物裏面における鉄含有量は最大３％であり、摩擦攪拌接合用工具の押し当て側である被加工物表面における鉄含有量は最大３００ｐｐｍであった。したがって、バックプレートから接合部分に鉄が溶出し、摩擦攪拌される工程中に被加工物の表面側（押し当て面側）に鉄が拡散及び鉄が攪拌していくと考えられる。したがって、実施例３０の摩擦攪拌接合用工具の組成と同様の組成のバックプレートを用いることで、接合防止、融着防止及び接合部分への不純物の混入防止、溶出防止ができることが判明した。さらに実施例１〜２９の摩擦攪拌接合用工具の組成と同様の組成のバックプレートを用いても同様に接合防止、融着防止及び接合部分への不純物の混入防止、溶出防止ができることが判明した。
【００７９】
表３に示した組成の合金を実施例３１と実施例３２及び比較例１として形成し、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）（（株）アカシ、ＨＶ−１１２）にもとづき、実施例３１、３２、及び、比較例１の再結晶温度に基づくマイクロビッカース硬度を測定した。測定結果を図４（再結晶温度調査）に示した。図４は、再結晶温度とマイクロビッカース硬度との関係を示す図である。
【００８０】
【表３】
【００８１】
硬度及び耐摩耗性の観点から、ビッカーズ硬度２００Ｈｖ以上が要求され、図４から実施例３１、３２は、１３５０℃以上で熱処理されたものを室温で測定してもビッカーズ硬度３００Ｈｖ以上を維持することができるが、比較例１は、１３００℃付近で熱処理されたものを室温で測定すると、ビッカーズ硬度３００Ｈｖを下回る結果になった。硬度を得るためには、他元素及び含有量が必要であることが確認された。
【００８２】
また、実施例３１、３２及び比較例１の摩耗量を測定した。被加工物として、酸化物分散強化型白金合金（白金８２．１３原子％、酸化ジルコニウム０．２３原子％、ロジウム１７．６４原子％、厚さ１．５ｍｍ、フルヤ金属製）の板同士をつき合わせて、境界領域を形成し、該境界領域に実施例３１又は３２の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合を試みた。なお、当該酸化ジルコニウム分散強化型白金合金の融点はおよそ１８６０℃である。測定結果を図５（摩耗量調査）に示した。図５は、ツール外周の回転距離と単位面積あたりの質量減との関係を示す図である。ツール外周の回転距離は、肩状部５の円周×回転数×接合時間（接合距離／送り速度）のように求めた。このときのツール外周の質量減は、接合前の重量−接合後の重量のように求めた。図５から３元合金で形成された実施例３１、３２は、３元合金以上で形成することにより、比較例１より摩耗に対する耐性を維持する効果が確認された。
【００８３】
実施例３１と比較例１の摩擦攪拌接合用工具を用い、被加工物として、ステンレス（ＳＵＳ−３０４）の板同士をつき合わせて、境界領域を形成し、該境界領域に 実施例３１と比較例１の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合をとして試みた。なお、当該ＳＵＳ３０４の融点は１４００〜１４５０℃である。そして、接合は、実施例３１、比較例１共に行なうことができた。また、実施例３１、比較例１共に摩擦攪拌接合用工具の割れは見られなかった。
【００８４】
また、実施例３１の摩擦攪拌接合用工具を用い、被加工物として、酸化物分散強化型白金合金（白金８２．１３原子％、酸化ジルコニウム０．２３原子％、ロジウム１７．６４原子％、厚さ１．５ｍｍ、フルヤ金属製）の板同士をつき合わせて、境界領域を形成し、該境界領域に実施例３１の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合を試みた。なお、当該酸化物分散強化型白金合金の融点はおよそ１８６０℃である。そして、接合を行なうことができた。また摩擦攪拌接合用工具の割れは見られなかった。
【００８５】
ＳＵＳ３０４の接合距離を１００ｃｍとして、接合を１回行なった後、摩擦攪拌接合用工具の摩耗量を評価した。回転数と送り速度は一定とした。摩耗量は、接合前と接合後の摩擦攪拌接合用工具の重量の差を測定した。実施例３１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は０．３（ｇ）であるのに対して、比較例１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は約１．５（ｇ）であった。したがって、実施例３１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できると共に、工具の摩耗が少なかった。一方、比較例１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できたものの、工具の摩耗量が多く、劣化が早いといえる。実施例３２の各組成を有する摩擦攪拌接合用工具を同様に評価したところ、いずれも摩擦攪拌接合できると共に摩耗量は０．３（ｇ）であった。また、摩擦攪拌接合用工具の割れはいずれも見られなかった。
【００８６】
酸化物分散強化白金の接合距離を１００ｃｍとして、接合を１回行なった後、摩擦攪拌接合用工具の摩耗量を評価した。回転数と送り速度は一定とした。摩耗量は、接合前と接合後の摩擦攪拌接合用工具の重量の差を測定した。実施例３１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は０．６（ｇ）であるのに対して、比較例１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は３．０（ｇ）であった。したがって、実施例３１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できると共に、工具の摩耗が少なかった。実施例３２の各組成を有する摩擦攪拌接合用工具を同様に評価したところ、いずれも摩擦攪拌接合できると共に摩耗量は０．６３（ｇ）であった。また、摩擦攪拌接合用工具の割れはいずれも見られなかった。
【００８７】
また、実施例３１の８９原子％Ｉｒ−１０原子％Ｒｅ−１原子％Ｚｒの組成を有するバックプレートに被加工物を載せて行なった。このとき被加工物にバックプレートが接合することはなかった。そこで、接合部分の板厚方向について、摩擦攪拌接合用工具の押し当て表面、及び、バックプレート側の裏面について、電子線マイクロアナライザ（日本電子株式会社製）を用いてＥＰＭＡ分析を行なった。その結果、イリジウム、レニウム、ジルコニウムが不純物として接合部分に混入しているとは認められなかった。さらに、実施例３２の摩擦攪拌接合用工具の組成と同様の組成のバックプレートを用いても同様に接合防止及び接合部分への不純物の混入防止ができることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】摩擦攪拌接合法の機構の一形態を示す概念図である。
【図２】副成分の添加元素濃度とマイクロビッカース硬度との関係を示す図である。
【図３】副成分の添加元素濃度とマイクロビッカース硬度との関係を示す図である。
【図４】再結晶温度とマイクロビッカース硬度との関係を示す図である。
【図５】ツール外周の回転距離と単位面積あたりの質量減との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１Ａ，１Ｂ，被加工物
２，結合領域
３，摩擦攪拌接合用工具（プローブピン）
４，ペンシル部分
５，肩状部
６，バックプレート
７，モータ
８，進行方向
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高融点部材を摩擦攪拌接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）するための摩擦攪拌接合用工具と、それを用いた摩擦攪拌接合法並びに該摩擦攪拌接合法によって得られた加工物に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属の接合方法として、摩擦攪拌接合法の技術が開示されている（例えば特許文献１又は２を参照。）。摩擦攪拌接合法は、被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、摩擦熱を利用して被加工物を接合する接合法である。そして、摩擦攪拌接合法は、鉄、アルミニウム合金などの金属相互の溶接は勿論異種金属の溶接すら可能な溶接法である。
【０００３】
摩擦攪拌接合法については、融点が比較的低いアルミニウム及びアルミニウム合金を対象とした接合が多く検討されており、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金を被加工物として摩擦攪拌接合法を適用した報告例は少ないが、高融点である白金を接合した技術の開示がある（例えば特許文献３を参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特表平７−５０５０９０号公報
【特許文献２】特表平９−５０８０７３号公報
【特許文献３】特開２００４−０９００５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このような高融点を有する被加工物とする場合、摩擦攪拌接合用工具と被加工物との摩擦による発熱は、例えばアルミニウム及びアルミニウム合金等の比較的融点が低い被加工物を対象とした場合と比較して、さらに高温まで上げる必要がある。したがって、摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を接合し、長寿命であるために、摩擦によって高温に発熱させてもそれに耐える化学的安定性、耐熱強度、耐摩耗性及び耐熱衝撃性が要求される。
【０００６】
そこで本発明の目的は、摩擦攪拌接合用工具について、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物を摩擦攪拌接合した場合においても、工具からの不純物の混入が少なく、摩耗が少なく、且つ、破壊されにくい工具を提供することであり、そしてこの工具を用いて安定して摩擦攪拌接合を実現することである。
【０００７】
また本発明のもう一つの目的は、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物のみならず、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼についても、同様に、摩擦攪拌接合を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、摩擦攪拌接合用工具を形成する材料の組成を種々検討した結果、イリジウムを主成分とし、所定の元素を副成分として含有する組成をもつ合金によって摩擦攪拌接合用工具を形成すると、高融点を有する被加工物を安定して摩擦攪拌接合できることを見出し、本発明を完成させた。すなわち本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、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。
【０００９】
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃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、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、又はニッケル或いはこれらの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。
【００１０】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金が、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼であることを含む。
【００１１】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−レニウム合金で形成されており、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％であることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ルテニウム合金で形成されており、ルテニウムの含有量が１．０〜４５．０原子％であることが好ましい。
【００１３】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−モリブデン合金で形成されており、モリブデンの含有量が１．０〜２３．０原子％であることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タングステン合金で形成されており、タングステンの含有量が１．０〜１９．０原子％であることが好ましい。
【００１５】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ニオブ合金で形成されており、ニオブの含有量が１．０〜１６．０原子％であることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タンタル合金で形成されており、タンタルの含有量が１．０〜１６．０原子％であることが好ましい。
【００１７】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ジルコニウム合金で形成されており、ジルコニウムの含有量が０．３〜５．０原子％であることが好ましい。
【００１８】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ハフニウム合金で形成されており、ハフニウムの含有量が０．３〜１２．０原子％であることが好ましい。
【００１９】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−レニウム−ジルコニウム合金で形成されており、イリジウムの含有量が９８．９〜５９．０原子％、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％、ジルコニウムの含有量が０．１〜５．０原子％であることが好ましい。
【００２０】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−レニウム−ハフニウム合金で形成されており、イリジウムの含有量が９８．９〜５９．０原子％、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％、ハフニウムの含有量が０．１〜５．０原子％であることが好ましい。
【００２１】
本発明に係る摩擦攪拌接合法は、被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、該結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、前記被加工物を接合する摩擦攪拌接合法において、前記被加工物は、１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、前記摩擦攪拌接合用工具として、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具を使用することを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る摩擦攪拌接合法は、被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、該結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、前記被加工物を接合する摩擦攪拌接合法において、前記被加工物は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、前記摩擦攪拌接合用工具として、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具を使用することを特徴とする。
【００２３】
本発明に係る摩擦攪拌接合法では、前記１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金が、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼であることを含む。
【００２４】
本発明に係る摩擦攪拌接合法では、前記摩擦攪拌接合用工具の押し当て面の裏面側に、イリジウムのバックプレート又は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するバックプレート又はイリジウム被膜若しくは前記組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがいながら、接合を行なうことが好ましい。被加工物の裏面側もかなりの高温まで上昇する。そこでそれに耐えうる化学的安定性、耐熱強度及び耐熱衝撃性を有する材料からなるバックプレート又は該組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがうことで、バックプレートの融着を防止し、またバックプレートからの不純物の混入を防止できる。
【００２５】
本発明に係る摩擦攪拌接合部位を有する加工物は、前記摩擦攪拌接合法によって、接合されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、摩擦攪拌接合用工具について、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物を摩擦攪拌接合した場合においても、工具からの不純物の混入を少なくし、摩耗を少なくし、且つ、破壊されることを低減できる。また、この工具を用いて安定した摩擦攪拌接合を実現することができる。
【００２７】
また本発明は、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物のみならず、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなる被加工物にも適用でき、例えば、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼についても、同様に、摩擦攪拌接合を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明について詳細に説明するが本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。最初に図１を参照して摩擦攪拌接合法のプロセスとその装置について説明する。図１は摩擦攪拌接合法の機構の一形態を示す概念図である。
【００２９】
摩擦攪拌接合法は、被加工物１Ａ，１Ｂを相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域２を規定する工程、摩擦攪拌接合用工具３を回転させながら結合領域２に挿入して摩擦攪拌接合用工具３と結合領域２との間で摩擦熱を発生させ、発熱させた結合領域中に可塑性領域を発生させて加工物同士を接合する工程を備えるものである。
【００３０】
ここで、摩擦攪拌接合用工具３は円柱形の肩状部５とその端面に形成されたペンシル部分４とを備える。なお、摩擦攪拌接合用工具３はモータ７によって回転する。摩擦攪拌接合用工具３と被加工物１Ａ，１Ｂとの摩擦が行なわれなければならないので、被加工物１Ａ，１Ｂは相互に当接されていなければならない。摩擦が行なわれることを条件に被加工物がほぼ当接していても良い。また、スポット接合ではなく連続した接合を行なうために結合領域２は細長でなければならず、結合領域２に大きな空間があると摩擦攪拌接合用工具３と被加工物１Ａ，１Ｂとの摩擦が行なわれない。さらに、摩擦攪拌接合用工具３は摩擦熱に耐えなければならず、且つ回転によるねじれの応力に耐え得る強度を有する必要がある。また、被加工物１Ａ，１Ｂの裏面側にはバックプレート６が配置される。
【００３１】
次に摩擦攪拌接合法の原理について説明する。被加工物１Ａ，１Ｂを突合せ、摩擦攪拌接合用工具３を回転させ、ペンシル部分４をゆっくりと結合領域２である突合せラインに挿入する。このとき、ペンシル部分４が設けられている円柱形の肩状部５の端面と、被加工物１Ａ，１Ｂの表面が当接し合っている。このペンシル部分４の長さは溶接深さに必要なものとする。摩擦攪拌接合用工具３が回転して、結合領域２に接触すると摩擦が接触点の材料を急速に加熱させ、その結果、材料の機械的強度を低下させる。さらに力を加えると摩擦攪拌接合用工具３はその進行方向８に沿って材料をこね、押し出す。結合領域２では、摩擦攪拌接合用工具３の回転する肩状部５とペンシル部分４によって発生した摩擦熱が、肩状部５の端面部分とペンシル部分４の周りの金属に高温の可塑性領域を作る。被加工物１Ａ，１Ｂが摩擦攪拌接合用工具３の動きと反対方向に動くかその逆に動くと、塑性化した金属は摩擦攪拌接合用工具３の進行方向８の前端で潰れ、機械的攪拌と摩擦攪拌接合用工具３の形状と回転方向による鍛造作用によって後端へ移動する。この結果、摩擦攪拌接合用工具３の前面の接合部を加熱し、可塑性領域を作り出す。そして被加工物に存在する酸化膜を破壊し潰れた金属を攪拌しながら、摩擦攪拌接合用工具３の後端で可塑性領域は冷却されて固体状の溶着を形成するに至る。この現象はすべて被加工物の融点よりも低い温度で生じる。
【００３２】
摩擦攪拌接合法では、亀裂発生がなくなり、溶着金属の蒸発による合金要素のロスが無く、合金成分をそのまま保持でき、さらに溶接器具の圧入、攪拌及び鍛造作用によって微細な粒状組織が溶着金属に形成されるというメリットがある。
【００３３】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３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り、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というものである。
【００３４】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、接合目的の被加工物は、特に１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金である。もちろん１６００℃未満の融点を有する金属若しくは合金を接合する目的としても使用できる。１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金としては、数例を例示すれば、チタン、チタン基合金、白金、白金基合金である。なお、突合せる被加工物同士は異種組成のものであっても良い。さらに、強度強化のために酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム等の酸化物微粒子を分散させた酸化物分散強化型の金属若しくは合金も本実施形態における高融点を有する金属若しくは合金に含まれる。
【００３５】
前記した１６００℃未満の融点を有する金属若しくは合金としては、例えば、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼である。これらの材料においても１３５０℃以上の高融点を有するため、摩擦攪拌接合を行なうことは従来困難であるとされていた材料である。ここでステンレス鋼は、１２％以上のクロムを含む鋼であり、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系のいずれも含まれる。さらに、フェライト／オーステナイト２相混合組織をもつ２相ステンレス鋼、ＰＨステンレス鋼も含まれる。本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３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するのみならず、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼を被加工物とすることもできる。
【００３６】
このとき、摩擦攪拌接合用工具３は、１３５０℃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り、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、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト又はニッケル或いはこれらの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というものである。
【００３７】
被加工物に接触させる部分とは、図１を参照すれば、円柱形の肩状部５とその端面に形成されたペンシル部分４である。少なくとも当該部分が特に化学的安定性、耐熱強度、耐摩耗性及び耐熱衝撃性が要求される。図１では肩状部５を長く形成して直接モータ７を取り付けているが、例えば肩状部５の上端部分に他材質からなる軸部（不図示）を固定し、該軸部にモータ７を取り付けることとしても良い。軸部は、直接摩擦される部分ではないため、上記要求特性は被加工物に接触させる部分と比較して高度に要求されないためである。ただし、軸となることから耐ねじれ強度は要求される。なお、軸部は被加工物に接触させる部分とはならないが、肩状部５とペンシル部分４と同一材料で形成されていても良い。
【００３８】
被加工物に接触させる部分は、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する材料で形成される。１６００℃以上の高融点を有する被加工物を摩擦攪拌接合する際、摩擦攪拌接合用工具は、被加工物の結合領域に押し付けられた状態で回転させられるため、上記被加工物の融点に近い温度まで加熱された状態で、圧縮応力とねじれ応力が加えられる。
【００３９】
したがって、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する材料で摩擦攪拌接合用工具を形成することで、化学的安定性が良好となり、熔解した状態の被加工物と接触しても反応することが抑制される。すなわち、被加工物側から見れば摩擦攪拌接合用工具からの不純物の混入が少なく、摩擦攪拌接合用工具から見れば被加工物の成分と反応しにくいので化学的安定性等の上記要求特性の低下が抑制される。
【００４０】
また、これらの材料で摩擦攪拌接合用工具を形成することで高温強度が得られ、作業中に圧縮応力とねじれ応力が加えられてもそれに耐えうる。また、耐熱衝撃性も良好となるため、作業を行なうたびに昇温降温が繰り返されてもそれを原因として破壊されることは少ない。
【００４１】
さらに被加工物に接触させる部分は、耐摩耗性が要求されるため、上記組成の材料で形成されるもののうち、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有する材料で形成する必要がある。本実施形態の摩擦攪拌接合用工具の硬度は、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）によって評価した。マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ未満の材質で工具を形成すると、被加工物との摩擦によって早期に摩耗してしまうため寿命が短い。
【００４２】
本実施形態の摩擦攪拌接合用工具の硬度は、摩耗を防ぐために２５０Ｈｖ以上が好ましく、３００Ｈｖ以上がさらに好ましい。
【００４３】
なお、マイクロビッカース硬度の測定温度は、１６００℃で熱処理後にマイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）によって測定されたものである。
【００４４】
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム２元合金で形成する場合には、レニウムの含有量を１．０〜３６．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは４．５〜２９．０原子％であり、さらに好ましくは５．０〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３６．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４５】
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−ルテニウム２元合金で形成する場合には、ルテニウムの含有量を１．０〜４５．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは６．０〜２９．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４５．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４６】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−モリブデン２元合金で形成する場合には、モリブデンの含有量を１．０〜２３．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは３．０〜１９．０原子％、さらに好ましくは５．０〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が２３．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４７】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−タングステン２元合金で形成する場合には、タングステンの含有量を１．０〜１９．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．５〜１５．０原子％、さらに好ましくは５．０〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１９．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４８】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ニオブ２元合金で形成する場合には、ニオブの含有量を１．０〜１６．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．０〜１３．０原子％、さらに好ましくは２．０〜８．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１６．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４９】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−タンタル２元合金で形成する場合には、タンタルの含有量を１．０〜１６．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．０〜１３．０原子％、さらに好ましくは２．０〜８．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１６．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５０】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ジルコニウム２元合金で形成する場合には、ジルコニウムの含有量を０．３〜５．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは０．５〜２．０原子％とする。含有量を０．３原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が５．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５１】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ハフニウム２元合金で形成する場合には、ハフニウムの含有量を０．３〜１２．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは０．５〜２．０原子％とする。含有量を０．３原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１２．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５２】
なお、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、被加工物に接触させる部分を、副成分が１成分である２成分系合金のみならず、副成分が２成分以上である３成分系以上の合金としても良い。例えば、イリジウム−レニウム−ジルコニウム合金、イリジウム−レニウム−ハフニウム合金、イリジウム−レニウム−モリブテン合金が有る。
【００５３】
例えば、被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム−ジルコニウム合金で形成する場合には、イリジウムの含有量が９８．９〜５９．０原子％、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％、ジルコニウムの含有量が０．１〜５．０原子％とすることが好ましい。より好ましくは、イリジウムの含有量が９５．９〜８０．０原子％、レニウムの含有量が３．６〜１８．０原子％、ジルコニウムの含有量が０．５〜２．０原子％とする。イリジウムを主成分とし、レニウムを添加することで材料強度及び材料硬度の向上を図り、さらにジルコニウムを添加することによる材料強度及び材料硬度の向上と結晶粒微細化を図る。レニウムの含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３６．０原子％を超えると、高温での酸化揮発減耗量が増加する。ジルコニウムの含有量を０．１原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が５．０原子％を超えると、融点の低下や材料の均一性が劣る場合がある。
【００５４】
例えば、前記被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム−ハフニウム合金で形成する場合には、イリジウムの含有量が９８．９〜５９．０原子％、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％、ハフニウムの含有量が０．１〜５．０原子％とすることが好ましい。より好ましくは、イリジウムの含有量が９５．９〜８０．０原子％、レニウムの含有量が３．６〜１８．０原子％、ハフニウムの含有量が０．５〜２．０原子％とする。イリジウムを主成分とし、レニウムを添加することで材料強度及び材料硬度の向上を図り、さらにハフニウムを添加することによる材料強度及び材料硬度の向上と結晶粒微細化を図る。レニウムの含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３６．０原子％を超えると、高温での酸化揮発減耗量が増加する。ハフニウムの含有量を０．１原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が５．０原子％を超えると、融点の低下や材料の均一性が劣る場合がある。
【００５５】
また、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼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、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、又はニッケル或いはこれらの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ものも含まれる。
【００５６】
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム２元合金、イリジウム−ルテニウム２元合金、イリジウム−モリブデン２元合金、イリジウム−タングステン２元合金、イリジウム−ニオブ２元合金、イリジウム−タンタル２元合金、イリジウム−ジルコニウム２元合金、イリジウム−ハフニウム２元合金で形成する場合には、これらの組成は前記各２元系合金の組成と同様とする。
【００５７】
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−チタン２元合金で形成する場合には、チタンの含有量を１．０〜１１．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは１．５〜９．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１１．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５８】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−バナジウム２元合金で形成する場合には、バナジウムの含有量を１．０〜１９．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．５〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１９．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５９】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−クロム２元合金で形成する場合には、クロムの含有量を１．０〜２７．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは３．５〜２２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が２７．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００６０】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−マンガン２元合金で形成する場合には、マンガンの含有量を１．０〜４０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは５．０〜３２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００６１】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−鉄２元合金で形成する場合には、鉄の含有量を１．０〜４０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは５．０〜３２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００６２】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−コバルト２元合金で形成する場合には、コバルトの含有量を１．０〜３０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは３．９〜２４．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００６３】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ニッケル２元合金で形成する場合には、ニッケルの含有量を１．０〜４０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは５．０〜３２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００６４】
なお、副成分が２成分以上である３成分系以上の合金としても良い。例えば、イリジウム−チタン−バナジウム合金、イリジウム−チタン−クロム合金、イリジウム−チタン−マンガン合金、イリジウム−バナジウム−クロム合金、イリジウム−バナジウム−マンガン合金、イリジウム−クロム−マンガン合金等が有る。
【００６５】
また本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記組成を満たした工具を製造する際に、溶解法によって得た固溶体で工具を形成することが好ましい。また、焼結法によって得た焼結体で工具を形成することとしても良い。
【００６６】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、主成分であるイリジウムに対する副成分の組み合わせを複数例示しているが、副成分の選択は、被加工物に応じて使い分けても良い。
【００６７】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、工具の形状には限定されない。工具の形状は、摩擦係数や攪拌効率を考慮して被加工物に応じて適宜選択する。
【００６８】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合法では、１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなる被加工物を、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具を使用して接合を図るものである。
【００６９】
もちろん、本実施形態に係る摩擦攪拌接合法では、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼からなる被加工物を、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具を使用して接合を図る場合も含まれる。
【００７０】
さらに摩擦攪拌接合用工具の押し当て面の裏面側に、イリジウムのバックプレート又は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するバックプレート（図１中、符号６）又はイリジウム被膜若しくは前記組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがいながら、接合を行なうことが好ましい。摩擦攪拌接合用工具を押し当てる面の裏面側も高温まで昇温するため、ステンレス等のバックプレートをあてがうと、バックプレートと被加工物が接合する場合や、バックプレートの成分が接合部に溶出する場合がある。摩擦攪拌接合用工具のみならず、バックプレートについてもイリジウムのバックプレート又はイリジウムを主成分とし、レニウム等を副成分として含有する上記組成で形成することで、被加工物と接合せず、接合部への不純物の混入の低減や、接合部への不純物の溶出を低減できる。また、イリジウム被膜若しくは上記組成の被膜をバックプレートに施すこととしても良い。この場合、被膜を施す基材は、上記組成の材料で形成されていることが好ましいが、上記組成の材料で形成されていない場合も本実施形態に含まれる。被膜の厚さは例えば１０〜５００μｍとし、５０〜１００μｍとすることが好ましい。また、摩擦攪拌接合用工具の組成とバックプレート若しくはそれに施す被膜の組成とは同一の組成とすることが好ましいが、イリジウムのバックプレート又は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のバックプレート、或いはこれらを被膜化したバックプレートであることを満たす限り、異種組成を組み合わせても良い。
【００７１】
本実施形態の摩擦攪拌接合法を行なうことで、高融点を有する被加工物であっても、不純物の混入が少ない摩擦攪拌接合部位を有する加工物を得ることができる。
【００７２】
もちろん、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼からなり、摩擦攪拌接合部位を有する加工物も得ることができる。
【実施例】
【００７３】
溶解法により、表１に示した組成の合金を実施例１〜実施例２１として形成し、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）（（株）アカシ、ＨＶ−１１２）にもとづき、マイクロビッカース硬度を測定した。測定結果を図２に示した。比較例１はイリジウム金属とした。
【００７４】
さらに溶解法により、表２に示した組成の合金を実施例２２〜実施例２９として形成し、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）（（株）アカシ、ＨＶ−１１２）にもとづき、マイクロビッカース硬度を測定した。測定結果を図３に示した。比較例１はイリジウム金属とした。
【００７５】
【表１】
【表２】
【００７６】
図２及び図３を参照すると、イリジウムに対して、副成分としてレニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、ルテニウム、チタン又はバナジウムの各添加量を増加させると、マイクロビッカース硬度が増加する傾向が見られる。図２のグラフにおいて、マイクロビッカース硬度Ｈｖが２００以上となる副成分の添加量が耐摩耗性の観点から要求される。
【００７７】
（実施例３０）
次にイリジウム９０．０原子％、レニウム１０．０原子％の組成を有する摩擦攪拌接合用工具を溶解法により作製し、実施例３０とした。図２のグラフからマイクロビッカース硬度Ｈｖは３００であると読み取れる。また比較のために、比較例１のイリジウム１００原子％の摩擦攪拌接合用工具を作製した。図２のグラフからマイクロビッカース硬度Ｈｖは１８０であると読み取れる。被加工物として、酸化物分散強化型白金合金（白金８２．１３原子％、酸化ジルコニウム０．２３原子％、ロジウム１７．６４原子％、厚さ１．５ｍｍ、フルヤ金属製）の板同士を突合せて、結合領域を形成し、該結合領域に実施例３０又は比較例１の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合を試みた。なお、当該酸化ジルコニウム分散強化型白金合金の融点はおよそ１８６０℃である。そして、接合は実施例３０、比較例１共に行なうことができた。また実施例３０、比較例１共に摩擦攪拌接合用工具の割れは見られなかった。
【００７８】
接合距離を３００ｃｍとして、接合を５回行なった後、摩擦攪拌接合用工具の摩耗量を評価した。摩耗量は、減少した肉厚部分の厚さを測定した。実施例３０の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は０．２（ｍｍ）であるのに対して、比較例１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は変形が確認されたため正確性は欠けるが約１．５（ｍｍ）であった。したがって、実施例３０の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できると共に、工具の摩耗が少なかった。一方、比較例１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できたものの、工具の摩耗量が多く、劣化が早いといえる。実施例１〜実施例２９の各組成を有する摩擦攪拌接合用工具を同様に評価したところ、いずれも摩擦攪拌接合できると共に摩耗量は０．１〜０．３（ｍｍ）であった。また、摩擦攪拌接合用工具の割れはいずれも見られなかった。
【００７９】
なお、実施例３０の摩擦攪拌接合は、イリジウム９０．０原子％、レニウム１０．０原子％の組成を有するバックプレートに被加工物を載せて行なったものである。このとき被加工物にバックプレートが接合することや、被加工物にバックプレートが融着することはなかった。そこで、接合部分の板厚方向について、摩擦攪拌接合用工具の押し当て表面、及び、バックプレート側の裏面について、電子線マイクロアナライザ（日本電子株式会社製）を用いてＥＰＭＡ分析を行なった。イリジウム又はレニウムが不純物として接合部分に混入していることや、イリジウム又はレニウムが不純物として接合部分に溶出しているとは認められなかった。
【００８０】
次に比較試験のため、実施例３０の摩擦攪拌接合用工具を使用し、且つ、バックプレートとしてステンレス（ＳＵＳ−３０４）を用いて接合を行なった。このとき被加工物にバックプレートが接合することや、被加工物にバックプレートの融着が生じた。そして同様にＥＰＭＡ分析を行なった。その結果、鉄が不純物として接合部分に混入していることや、鉄が不純物として接合部分に溶出していることが認められた。そして、バックプレート側である被加工物裏面における鉄含有量は最大３％であり、摩擦攪拌接合用工具の押し当て側である被加工物表面における鉄含有量は最大３００ｐｐｍであった。したがって、バックプレートから接合部分に鉄が溶出し、摩擦攪拌される工程中に被加工物の表面側（押し当て面側）に鉄が拡散及び鉄が攪拌していくと考えられる。したがって、実施例３０の摩擦攪拌接合用工具の組成と同様の組成のバックプレートを用いることで、接合防止、融着防止及び接合部分への不純物の混入防止、溶出防止ができることが判明した。さらに実施例１〜２９の摩擦攪拌接合用工具の組成と同様の組成のバックプレートを用いても同様に接合防止、融着防止及び接合部分への不純物の混入防止、溶出防止ができることが判明した。
【００８１】
表３に示した組成の合金を実施例３１と実施例３２及び比較例１として形成し、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）（（株）アカシ、ＨＶ−１１２）にもとづき、実施例３１、３２、及び、比較例１の再結晶温度に基づくマイクロビッカース硬度を測定した。測定結果を図４（再結晶温度調査）に示した。図４は、再結晶温度とマイクロビッカース硬度との関係を示す図である。
【００８２】
【表３】
【００８３】
硬度及び耐摩耗性の観点から、ビッカーズ硬度２００Ｈｖ以上が要求され、図４から実施例３１、３２は、１３５０℃以上で熱処理されたものを室温で測定してもビッカーズ硬度３００Ｈｖ以上を維持することができるが、比較例１は、１３００℃付近で熱処理されたものを室温で測定すると、ビッカーズ硬度３００Ｈｖを下回る結果になった。硬度を得るためには、他元素及び含有量が必要であることが確認された。
【００８４】
また、実施例３１、３２及び比較例１の摩耗量を測定した。被加工物として、酸化物分散強化型白金合金（白金８２．１３原子％、酸化ジルコニウム０．２３原子％、ロジウム１７．６４原子％、厚さ１．５ｍｍ、フルヤ金属製）の板同士をつき合わせて、境界領域を形成し、該境界領域に実施例３１又は３２の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合を試みた。なお、当該酸化ジルコニウム分散強化型白金合金の融点はおよそ１８６０℃である。測定結果を図５（摩耗量調査）に示した。図５は、ツール外周の回転距離と単位面積あたりの質量減との関係を示す図である。ツール外周の回転距離は、肩状部５の円周×回転数×接合時間（接合距離／送り速度）のように求めた。このときのツール外周の質量減は、接合前の重量−接合後の重量のように求めた。図５から３元合金で形成された実施例３１、３２は、３元合金以上で形成することにより、比較例１より摩耗に対する耐性を維持する効果が確認された。
【００８５】
実施例３１と比較例１の摩擦攪拌接合用工具を用い、被加工物として、ステンレス（ＳＵＳ−３０４）の板同士をつき合わせて、境界領域を形成し、該境界領域に 実施例３１と比較例１の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合をとして試みた。なお、当該ＳＵＳ３０４の融点は１４００〜１４５０℃である。そして、接合は、実施例３１、比較例１共に行なうことができた。また、実施例３１、比較例１共に摩擦攪拌接合用工具の割れは見られなかった。
【００８６】
また、実施例３１の摩擦攪拌接合用工具を用い、被加工物として、酸化物分散強化型白金合金（白金８２．１３原子％、酸化ジルコニウム０．２３原子％、ロジウム１７．６４原子％、厚さ１．５ｍｍ、フルヤ金属製）の板同士をつき合わせて、境界領域を形成し、該境界領域に実施例３１の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合を試みた。なお、当該酸化物分散強化型白金合金の融点はおよそ１８６０℃である。そして、接合を行なうことができた。また摩擦攪拌接合用工具の割れは見られなかった。
【００８７】
ＳＵＳ３０４の接合距離を１００ｃｍとして、接合を１回行なった後、摩擦攪拌接合用工具の摩耗量を評価した。回転数と送り速度は一定とした。摩耗量は、接合前と接合後の摩擦攪拌接合用工具の重量の差を測定した。実施例３１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は０．３（ｇ）であるのに対して、比較例１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は約１．５（ｇ）であった。したがって、実施例３１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できると共に、工具の摩耗が少なかった。一方、比較例１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できたものの、工具の摩耗量が多く、劣化が早いといえる。実施例３２の各組成を有する摩擦攪拌接合用工具を同様に評価したところ、いずれも摩擦攪拌接合できると共に摩耗量は０．３（ｇ）であった。また、摩擦攪拌接合用工具の割れはいずれも見られなかった。
【００８８】
酸化物分散強化白金の接合距離を１００ｃｍとして、接合を１回行なった後、摩擦攪拌接合用工具の摩耗量を評価した。回転数と送り速度は一定とした。摩耗量は、接合前と接合後の摩擦攪拌接合用工具の重量の差を測定した。実施例３１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は０．６（ｇ）であるのに対して、比較例１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は３．０（ｇ）であった。したがって、実施例３１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できると共に、工具の摩耗が少なかった。実施例３２の各組成を有する摩擦攪拌接合用工具を同様に評価したところ、いずれも摩擦攪拌接合できると共に摩耗量は０．６３（ｇ）であった。また、摩擦攪拌接合用工具の割れはいずれも見られなかった。
【００８９】
また、実施例３１の８９原子％Ｉｒ−１０原子％Ｒｅ−１原子％Ｚｒの組成を有するバックプレートに被加工物を載せて行なった。このとき被加工物にバックプレートが接合することはなかった。そこで、接合部分の板厚方向について、摩擦攪拌接合用工具の押し当て表面、及び、バックプレート側の裏面について、電子線マイクロアナライザ（日本電子株式会社製）を用いてＥＰＭＡ分析を行なった。その結果、イリジウム、レニウム、ジルコニウムが不純物として接合部分に混入しているとは認められなかった。さらに、実施例３２の摩擦攪拌接合用工具の組成と同様の組成のバックプレートを用いても同様に接合防止及び接合部分への不純物の混入防止ができることが判明した
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】摩擦攪拌接合法の機構の一形態を示す概念図である。
【図２】副成分の添加元素濃度とマイクロビッカース硬度との関係を示す図である。
【図３】副成分の添加元素濃度とマイクロビッカース硬度との関係を示す図である。
【図４】再結晶温度とマイクロビッカース硬度との関係を示す図である。
【図５】ツール外周の回転距離と単位面積あたりの質量減との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００９１】
１Ａ，１Ｂ，被加工物
２，結合領域
３，摩擦攪拌接合用工具（プローブピン）
４，ペンシル部分
５，肩状部
６，バックプレート
７，モータ
８，進行方向
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高融点部材を摩擦攪拌接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）するための摩擦攪拌接合用工具と、それを用いた摩擦攪拌接合法並びに該摩擦攪拌接合法によって得られた加工物に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属の接合方法として、摩擦攪拌接合法の技術が開示されている（例えば特許文献１又は２を参照。）。摩擦攪拌接合法は、被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、摩擦熱を利用して被加工物を接合する接合法である。そして、摩擦攪拌接合法は、鉄、アルミニウム合金などの金属相互の溶接は勿論異種金属の溶接すら可能な溶接法である。
【０００３】
摩擦攪拌接合法については、融点が比較的低いアルミニウム及びアルミニウム合金を対象とした接合が多く検討されており、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金を被加工物として摩擦攪拌接合法を適用した報告例は少ないが、高融点である白金を接合した技術の開示がある（例えば特許文献３を参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特表平７−５０５０９０号公報
【特許文献２】特表平９−５０８０７３号公報
【特許文献３】特開２００４−０９００５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このような高融点を有する被加工物とする場合、摩擦攪拌接合用工具と被加工物との摩擦による発熱は、例えばアルミニウム及びアルミニウム合金等の比較的融点が低い被加工物を対象とした場合と比較して、さらに高温まで上げる必要がある。したがって、摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を接合し、長寿命であるために、摩擦によって高温に発熱させてもそれに耐える化学的安定性、耐熱強度、耐摩耗性及び耐熱衝撃性が要求される。
【０００６】
そこで本発明の目的は、摩擦攪拌接合用工具について、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物を摩擦攪拌接合した場合においても、工具からの不純物の混入が少なく、摩耗が少なく、且つ、破壊されにくい工具を提供することであり、そしてこの工具を用いて安定して摩擦攪拌接合を実現することである。
【０００７】
また本発明のもう一つの目的は、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物のみならず、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼についても、同様に、摩擦攪拌接合を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、摩擦攪拌接合用工具を形成する材料の組成を種々検討した結果、イリジウムを主成分とし、所定の元素を副成分として含有する組成をもつ合金によって摩擦攪拌接合用工具を形成すると、高融点を有する被加工物を安定して摩擦攪拌接合できることを見出し、本発明を完成させた。すなわち本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、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。
【０００９】
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃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、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、又はニッケル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。
【００１０】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金が、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼であることを含む。
【００１１】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−レニウム合金で形成されており、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％であることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ルテニウム合金で形成されており、ルテニウムの含有量が１．０〜４５．０原子％であることが好ましい。
【００１３】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−モリブデン合金で形成されており、モリブデンの含有量が１．０〜２３．０原子％であることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タングステン合金で形成されており、タングステンの含有量が１．０〜１９．０原子％であることが好ましい。
【００１５】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ニオブ合金で形成されており、ニオブの含有量が１．０〜１６．０原子％であることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タンタル合金で形成されており、タンタルの含有量が１．０〜１６．０原子％であることが好ましい。
【００１７】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ジルコニウム合金で形成されており、ジルコニウムの含有量が０．３〜５．０原子％であることが好ましい。
【００１８】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ハフニウム合金で形成されており、ハフニウムの含有量が０．３〜１２．０原子％であることが好ましい。
【００１９】
本発明に係る摩擦攪拌接合法は、被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、該結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、前記被加工物を接合する摩擦攪拌接合法において、前記被加工物は、１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、前記摩擦攪拌接合用工具として、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具を使用することを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る摩擦攪拌接合法は、被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、該結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、前記被加工物を接合する摩擦攪拌接合法において、前記被加工物は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、前記摩擦攪拌接合用工具として、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具を使用することを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る摩擦攪拌接合法では、前記１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金が、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼であることを含む。
【００２２】
本発明に係る摩擦攪拌接合法では、前記摩擦攪拌接合用工具の押し当て面の裏面側に、イリジウムのバックプレート又は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するバックプレート又はイリジウム被膜若しくは前記組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがいながら、接合を行なうことが好ましい。被加工物の裏面側もかなりの高温まで上昇する。そこでそれに耐えうる化学的安定性、耐熱強度及び耐熱衝撃性を有する材料からなるバックプレート又は該組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがうことで、バックプレートの融着を防止し、またバックプレートからの不純物の混入を防止できる。
【００２３】
本発明に係る摩擦攪拌接合部位を有する加工物は、前記摩擦攪拌接合法によって、接合されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、摩擦攪拌接合用工具について、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物を摩擦攪拌接合した場合においても、工具からの不純物の混入を少なくし、摩耗を少なくし、且つ、破壊されることを低減できる。また、この工具を用いて安定した摩擦攪拌接合を実現することができる。
【００２５】
また本発明は、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金からなる被加工物のみならず、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなる被加工物にも適用でき、例えば、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼についても、同様に、摩擦攪拌接合を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明について詳細に説明するが本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。最初に図１を参照して摩擦攪拌接合法のプロセスとその装置について説明する。図１は摩擦攪拌接合法の機構の一形態を示す概念図である。
【００２７】
摩擦攪拌接合法は、被加工物１Ａ，１Ｂを相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域２を規定する工程、摩擦攪拌接合用工具３を回転させながら結合領域２に挿入して摩擦攪拌接合用工具３と結合領域２との間で摩擦熱を発生させ、発熱させた結合領域中に可塑性領域を発生させて加工物同士を接合する工程を備えるものである。
【００２８】
ここで、摩擦攪拌接合用工具３は円柱形の肩状部５とその端面に形成されたペンシル部分４とを備える。なお、摩擦攪拌接合用工具３はモータ７によって回転する。摩擦攪拌接合用工具３と被加工物１Ａ，１Ｂとの摩擦が行なわれなければならないので、被加工物１Ａ，１Ｂは相互に当接されていなければならない。摩擦が行なわれることを条件に被加工物がほぼ当接していても良い。また、スポット接合ではなく連続した接合を行なうために結合領域２は細長でなければならず、結合領域２に大きな空間があると摩擦攪拌接合用工具３と被加工物１Ａ，１Ｂとの摩擦が行なわれない。さらに、摩擦攪拌接合用工具３は摩擦熱に耐えなければならず、且つ回転によるねじれの応力に耐え得る強度を有する必要がある。また、被加工物１Ａ，１Ｂの裏面側にはバックプレート６が配置される。
【００２９】
次に摩擦攪拌接合法の原理について説明する。被加工物１Ａ，１Ｂを突合せ、摩擦攪拌接合用工具３を回転させ、ペンシル部分４をゆっくりと結合領域２である突合せラインに挿入する。このとき、ペンシル部分４が設けられている円柱形の肩状部５の端面と、被加工物１Ａ，１Ｂの表面が当接し合っている。このペンシル部分４の長さは溶接深さに必要なものとする。摩擦攪拌接合用工具３が回転して、結合領域２に接触すると摩擦が接触点の材料を急速に加熱させ、その結果、材料の機械的強度を低下させる。さらに力を加えると摩擦攪拌接合用工具３はその進行方向８に沿って材料をこね、押し出す。結合領域２では、摩擦攪拌接合用工具３の回転する肩状部５とペンシル部分４によって発生した摩擦熱が、肩状部５の端面部分とペンシル部分４の周りの金属に高温の可塑性領域を作る。被加工物１Ａ，１Ｂが摩擦攪拌接合用工具３の動きと反対方向に動くかその逆に動くと、塑性化した金属は摩擦攪拌接合用工具３の進行方向８の前端で潰れ、機械的攪拌と摩擦攪拌接合用工具３の形状と回転方向による鍛造作用によって後端へ移動する。この結果、摩擦攪拌接合用工具３の前面の接合部を加熱し、可塑性領域を作り出す。そして被加工物に存在する酸化膜を破壊し潰れた金属を攪拌しながら、摩擦攪拌接合用工具３の後端で可塑性領域は冷却されて固体状の溶着を形成するに至る。この現象はすべて被加工物の融点よりも低い温度で生じる。
【００３０】
摩擦攪拌接合法では、亀裂発生がなくなり、溶着金属の蒸発による合金要素のロスが無く、合金成分をそのまま保持でき、さらに溶接器具の圧入、攪拌及び鍛造作用によって微細な粒状組織が溶着金属に形成されるというメリットがある。
【００３１】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３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り、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というものである。
【００３２】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、接合目的の被加工物は、特に１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金である。もちろん１６００℃未満の融点を有する金属若しくは合金を接合する目的としても使用できる。１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金としては、数例を例示すれば、チタン、チタン基合金、白金、白金基合金である。なお、突合せる被加工物同士は異種組成のものであっても良い。さらに、強度強化のために酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム等の酸化物微粒子を分散させた酸化物分散強化型の金属若しくは合金も本実施形態における高融点を有する金属若しくは合金に含まれる。
【００３３】
前記した１６００℃未満の融点を有する金属若しくは合金としては、例えば、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼である。これらの材料においても１３５０℃以上の高融点を有するため、摩擦攪拌接合を行なうことは従来困難であるとされていた材料である。ここでステンレス鋼は、１２％以上のクロムを含む鋼であり、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系のいずれも含まれる。さらに、フェライト／オーステナイト２相混合組織をもつ２相ステンレス鋼、ＰＨステンレス鋼も含まれる。本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３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するのみならず、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼を被加工物とすることもできる。
【００３４】
このとき、摩擦攪拌接合用工具３は、１３５０℃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り、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、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト又はニッケル或いはこれらの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というものである。
【００３５】
被加工物に接触させる部分とは、図１を参照すれば、円柱形の肩状部５とその端面に形成されたペンシル部分４である。少なくとも当該部分が特に化学的安定性、耐熱強度、耐摩耗性及び耐熱衝撃性が要求される。図１では肩状部５を長く形成して直接モータ７を取り付けているが、例えば肩状部５の上端部分に他材質からなる軸部（不図示）を固定し、該軸部にモータ７を取り付けることとしても良い。軸部は、直接摩擦される部分ではないため、上記要求特性は被加工物に接触させる部分と比較して高度に要求されないためである。ただし、軸となることから耐ねじれ強度は要求される。なお、軸部は被加工物に接触させる部分とはならないが、肩状部５とペンシル部分４と同一材料で形成されていても良い。
【００３６】
被加工物に接触させる部分は、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する材料で形成される。１６００℃以上の高融点を有する被加工物を摩擦攪拌接合する際、摩擦攪拌接合用工具は、被加工物の結合領域に押し付けられた状態で回転させられるため、上記被加工物の融点に近い温度まで加熱された状態で、圧縮応力とねじれ応力が加えられる。
【００３７】
したがって、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する材料で摩擦攪拌接合用工具を形成することで、化学的安定性が良好となり、熔解した状態の被加工物と接触しても反応することが抑制される。すなわち、被加工物側から見れば摩擦攪拌接合用工具からの不純物の混入が少なく、摩擦攪拌接合用工具から見れば被加工物の成分と反応しにくいので化学的安定性等の上記要求特性の低下が抑制される。
【００３８】
また、これらの材料で摩擦攪拌接合用工具を形成することで高温強度が得られ、作業中に圧縮応力とねじれ応力が加えられてもそれに耐えうる。また、耐熱衝撃性も良好となるため、作業を行なうたびに昇温降温が繰り返されてもそれを原因として破壊されることは少ない。
【００３９】
さらに被加工物に接触させる部分は、耐摩耗性が要求されるため、上記組成の材料で形成されるもののうち、マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ以上の硬度を有する材料で形成する必要がある。本実施形態の摩擦攪拌接合用工具の硬度は、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）によって評価した。マイクロビッカース硬度が２００Ｈｖ未満の材質で工具を形成すると、被加工物との摩擦によって早期に摩耗してしまうため寿命が短い。
【００４０】
本実施形態の摩擦攪拌接合用工具の硬度は、摩耗を防ぐために２５０Ｈｖ以上が好ましく、３００Ｈｖ以上がさらに好ましい。
【００４１】
なお、マイクロビッカース硬度の測定温度は、１６００℃で熱処理後にマイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）によって測定されたものである。
【００４２】
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム２元合金で形成する場合には、レニウムの含有量を１．０〜３６．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは４．５〜２９．０原子％であり、さらに好ましくは５．０〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３６．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４３】
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−ルテニウム２元合金で形成する場合には、ルテニウムの含有量を１．０〜４５．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは６．０〜２９．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４５．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４４】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−モリブデン２元合金で形成する場合には、モリブデンの含有量を１．０〜２３．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは３．０〜１９．０原子％、さらに好ましくは５．０〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が２３．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４５】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−タングステン２元合金で形成する場合には、タングステンの含有量を１．０〜１９．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．５〜１５．０原子％、さらに好ましくは５．０〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１９．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４６】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ニオブ２元合金で形成する場合には、ニオブの含有量を１．０〜１６．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．０〜１３．０原子％、さらに好ましくは２．０〜８．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１６．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４７】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−タンタル２元合金で形成する場合には、タンタルの含有量を１．０〜１６．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．０〜１３．０原子％、さらに好ましくは２．０〜８．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１６．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４８】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ジルコニウム２元合金で形成する場合には、ジルコニウムの含有量を０．３〜５．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは０．５〜２．０原子％とする。含有量を０．３原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が５．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００４９】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ハフニウム２元合金で形成する場合には、ハフニウムの含有量を０．３〜１２．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは０．５〜２．０原子％とする。含有量を０．３原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１２．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５０】
なお、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、被加工物に接触させる部分を、副成分が１成分である２成分系合金のみならず、副成分が２成分以上である３成分系以上の合金としても良い。例えば、イリジウム−レニウム−ジルコニウム合金、イリジウム−レニウム−ハフニウム合金、イリジウム−レニウム−モリブテン合金が有る。
【００５１】
例えば、被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム−ジルコニウム合金で形成する場合には、イリジウムの含有量が９８．９〜５９．０原子％、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％、ジルコニウムの含有量が０．１〜５．０原子％とすることが好ましい。より好ましくは、イリジウムの含有量が９５．９〜８０．０原子％、レニウムの含有量が３．６〜１８．０原子％、ジルコニウムの含有量が０．５〜２．０原子％とする。イリジウムを主成分とし、レニウムを添加することで材料強度及び材料硬度の向上を図り、さらにジルコニウムを添加することによる材料強度及び材料硬度の向上と結晶粒微細化を図る。レニウムの含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３６．０原子％を超えると、高温での酸化揮発減耗量が増加する。ジルコニウムの含有量を０．１原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が５．０原子％を超えると、融点の低下や材料の均一性が劣る場合がある。
【００５２】
例えば、前記被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム−ハフニウム合金で形成する場合には、イリジウムの含有量が９８．９〜５９．０原子％、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％、ハフニウムの含有量が０．１〜５．０原子％とすることが好ましい。より好ましくは、イリジウムの含有量が９５．９〜８０．０原子％、レニウムの含有量が３．６〜１８．０原子％、ハフニウムの含有量が０．５〜２．０原子％とする。イリジウムを主成分とし、レニウムを添加することで材料強度及び材料硬度の向上を図り、さらにハフニウムを添加することによる材料強度及び材料硬度の向上と結晶粒微細化を図る。レニウムの含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３６．０原子％を超えると、高温での酸化揮発減耗量が増加する。ハフニウムの含有量を０．１原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が５．０原子％を超えると、融点の低下や材料の均一性が劣る場合がある。
【００５３】
また、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼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、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、又はニッケル或いはこれらの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ものも含まれる。
【００５４】
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−レニウム２元合金、イリジウム−ルテニウム２元合金、イリジウム−モリブデン２元合金、イリジウム−タングステン２元合金、イリジウム−ニオブ２元合金、イリジウム−タンタル２元合金、イリジウム−ジルコニウム２元合金、イリジウム−ハフニウム２元合金で形成する場合には、これらの組成は前記各２元系合金の組成と同様とする。
【００５５】
ここで被加工物に接触させる部分をイリジウム−チタン２元合金で形成する場合には、チタンの含有量を１．０〜１１．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは１．５〜９．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１１．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５６】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−バナジウム２元合金で形成する場合には、バナジウムの含有量を１．０〜１９．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは２．５〜１５．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が１９．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５７】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−クロム２元合金で形成する場合には、クロムの含有量を１．０〜２７．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは３．５〜２２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が２７．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５８】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−マンガン２元合金で形成する場合には、マンガンの含有量を１．０〜４０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは５．０〜３２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００５９】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−鉄２元合金で形成する場合には、鉄の含有量を１．０〜４０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは５．０〜３２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００６０】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−コバルト２元合金で形成する場合には、コバルトの含有量を１．０〜３０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは３．９〜２４．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が３０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００６１】
被加工物に接触させる部分をイリジウム−ニッケル２元合金で形成する場合には、ニッケルの含有量を１．０〜４０．０原子％とすることが好ましく、より好ましくは５．０〜３２．０原子％とする。含有量を１．０原子％未満とすれば、耐摩耗性が不十分となる場合があり、一方含有量が４０．０原子％を超えると、材料の均一性が劣る場合がある。
【００６２】
なお、副成分が２成分以上である３成分系以上の合金としても良い。例えば、イリジウム−チタン−バナジウム合金、イリジウム−チタン−クロム合金、イリジウム−チタン−マンガン合金、イリジウム−バナジウム−クロム合金、イリジウム−バナジウム−マンガン合金、イリジウム−クロム−マンガン合金等が有る。
【００６３】
また本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、前記組成を満たした工具を製造する際に、溶解法によって得た固溶体で工具を形成することが好ましい。また、焼結法によって得た焼結体で工具を形成することとしても良い。
【００６４】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、主成分であるイリジウムに対する副成分の組み合わせを複数例示しているが、副成分の選択は、被加工物に応じて使い分けても良い。
【００６５】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、工具の形状には限定されない。工具の形状は、摩擦係数や攪拌効率を考慮して被加工物に応じて適宜選択する。
【００６６】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合法では、１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなる被加工物を、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具を使用して接合を図るものである。
【００６７】
もちろん、本実施形態に係る摩擦攪拌接合法では、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼からなる被加工物を、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具を使用して接合を図る場合も含まれる。
【００６８】
さらに摩擦攪拌接合用工具の押し当て面の裏面側に、イリジウムのバックプレート又は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するバックプレート（図１中、符号６）又はイリジウム被膜若しくは前記組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがいながら、接合を行なうことが好ましい。摩擦攪拌接合用工具を押し当てる面の裏面側も高温まで昇温するため、ステンレス等のバックプレートをあてがうと、バックプレートと被加工物が接合する場合や、バックプレートの成分が接合部に溶出する場合がある。摩擦攪拌接合用工具のみならず、バックプレートについてもイリジウムのバックプレート又はイリジウムを主成分とし、レニウム等を副成分として含有する上記組成で形成することで、被加工物と接合せず、接合部への不純物の混入の低減や、接合部への不純物の溶出を低減できる。また、イリジウム被膜若しくは上記組成の被膜をバックプレートに施すこととしても良い。この場合、被膜を施す基材は、上記組成の材料で形成されていることが好ましいが、上記組成の材料で形成されていない場合も本実施形態に含まれる。被膜の厚さは例えば１０〜５００μｍとし、５０〜１００μｍとすることが好ましい。また、摩擦攪拌接合用工具の組成とバックプレート若しくはそれに施す被膜の組成とは同一の組成とすることが好ましいが、イリジウムのバックプレート又は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のバックプレート、或いはこれらを被膜化したバックプレートであることを満たす限り、異種組成を組み合わせても良い。
【００６９】
本実施形態の摩擦攪拌接合法を行なうことで、高融点を有する被加工物であっても、不純物の混入が少ない摩擦攪拌接合部位を有する加工物を得ることができる。
【００７０】
もちろん、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金、例えばステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼からなり、摩擦攪拌接合部位を有する加工物も得ることができる。
【実施例】
【００７１】
溶解法により、表１に示した組成の合金を実施例１〜実施例２１として形成し、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）（（株）アカシ、ＨＶ−１１２）にもとづき、マイクロビッカース硬度を測定した。測定結果を図２に示した。比較例１はイリジウム金属とした。
【００７２】
さらに溶解法により、表２に示した組成の合金を実施例２２〜実施例２９として形成し、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）（（株）アカシ、ＨＶ−１１２）にもとづき、マイクロビッカース硬度を測定した。測定結果を図３に示した。比較例１はイリジウム金属とした。
【００７３】
【表１】
【表２】
【００７４】
図２及び図３を参照すると、イリジウムに対して、副成分としてレニウム、モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、ルテニウム、チタン又はバナジウムの各添加量を増加させると、マイクロビッカース硬度が増加する傾向が見られる。図２のグラフにおいて、マイクロビッカース硬度Ｈｖが２００以上となる副成分の添加量が耐摩耗性の観点から要求される。
【００７５】
（実施例３０）
次にイリジウム９０．０原子％、レニウム１０．０原子％の組成を有する摩擦攪拌接合用工具を溶解法により作製し、実施例３０とした。図２のグラフからマイクロビッカース硬度Ｈｖは３００であると読み取れる。また比較のために、比較例１のイリジウム１００原子％の摩擦攪拌接合用工具を作製した。図２のグラフからマイクロビッカース硬度Ｈｖは１８０であると読み取れる。被加工物として、酸化物分散強化型白金合金（白金８２．１３原子％、酸化ジルコニウム０．２３原子％、ロジウム１７．６４原子％、厚さ１．５ｍｍ、フルヤ金属製）の板同士を突合せて、結合領域を形成し、該結合領域に実施例３０又は比較例１の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合を試みた。なお、当該酸化ジルコニウム分散強化型白金合金の融点はおよそ１８６０℃である。そして、接合は実施例３０、比較例１共に行なうことができた。また実施例３０、比較例１共に摩擦攪拌接合用工具の割れは見られなかった。
【００７６】
接合距離を３００ｃｍとして、接合を５回行なった後、摩擦攪拌接合用工具の摩耗量を評価した。摩耗量は、減少した肉厚部分の厚さを測定した。実施例３０の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は０．２（ｍｍ）であるのに対して、比較例１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は変形が確認されたため正確性は欠けるが約１．５（ｍｍ）であった。したがって、実施例３０の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できると共に、工具の摩耗が少なかった。一方、比較例１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できたものの、工具の摩耗量が多く、劣化が早いといえる。実施例１〜実施例２９の各組成を有する摩擦攪拌接合用工具を同様に評価したところ、いずれも摩擦攪拌接合できると共に摩耗量は０．１〜０．３（ｍｍ）であった。また、摩擦攪拌接合用工具の割れはいずれも見られなかった。
【００７７】
なお、実施例３０の摩擦攪拌接合は、イリジウム９０．０原子％、レニウム１０．０原子％の組成を有するバックプレートに被加工物を載せて行なったものである。このとき被加工物にバックプレートが接合することや、被加工物にバックプレートが融着することはなかった。そこで、接合部分の板厚方向について、摩擦攪拌接合用工具の押し当て表面、及び、バックプレート側の裏面について、電子線マイクロアナライザ（日本電子株式会社製）を用いてＥＰＭＡ分析を行なった。イリジウム又はレニウムが不純物として接合部分に混入していることや、イリジウム又はレニウムが不純物として接合部分に溶出しているとは認められなかった。
【００７８】
次に比較試験のため、実施例３０の摩擦攪拌接合用工具を使用し、且つ、バックプレートとしてステンレス（ＳＵＳ−３０４）を用いて接合を行なった。このとき被加工物にバックプレートが接合することや、被加工物にバックプレートの融着が生じた。そして同様にＥＰＭＡ分析を行なった。その結果、鉄が不純物として接合部分に混入していることや、鉄が不純物として接合部分に溶出していることが認められた。そして、バックプレート側である被加工物裏面における鉄含有量は最大３％であり、摩擦攪拌接合用工具の押し当て側である被加工物表面における鉄含有量は最大３００ｐｐｍであった。したがって、バックプレートから接合部分に鉄が溶出し、摩擦攪拌される工程中に被加工物の表面側（押し当て面側）に鉄が拡散及び鉄が攪拌していくと考えられる。したがって、実施例３０の摩擦攪拌接合用工具の組成と同様の組成のバックプレートを用いることで、接合防止、融着防止及び接合部分への不純物の混入防止、溶出防止ができることが判明した。さらに実施例１〜２９の摩擦攪拌接合用工具の組成と同様の組成のバックプレートを用いても同様に接合防止、融着防止及び接合部分への不純物の混入防止、溶出防止ができることが判明した。
【００７９】
表３に示した組成の合金を実施例３１と実施例３２及び比較例１として形成し、マイクロビッカース硬度試験（ＪＩＳ−Ｚ２２４４）（（株）アカシ、ＨＶ−１１２）にもとづき、実施例３１、３２、及び、比較例１の再結晶温度に基づくマイクロビッカース硬度を測定した。測定結果を図４（再結晶温度調査）に示した。図４は、再結晶温度とマイクロビッカース硬度との関係を示す図である。
【００８０】
【表３】
【００８１】
硬度及び耐摩耗性の観点から、ビッカーズ硬度２００Ｈｖ以上が要求され、図４から実施例３１、３２は、１３５０℃以上で熱処理されたものを室温で測定してもビッカーズ硬度３００Ｈｖ以上を維持することができるが、比較例１は、１３００℃付近で熱処理されたものを室温で測定すると、ビッカーズ硬度３００Ｈｖを下回る結果になった。硬度を得るためには、他元素及び含有量が必要であることが確認された。
【００８２】
また、実施例３１、３２及び比較例１の摩耗量を測定した。被加工物として、酸化物分散強化型白金合金（白金８２．１３原子％、酸化ジルコニウム０．２３原子％、ロジウム１７．６４原子％、厚さ１．５ｍｍ、フルヤ金属製）の板同士をつき合わせて、境界領域を形成し、該境界領域に実施例３１又は３２の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合を試みた。なお、当該酸化ジルコニウム分散強化型白金合金の融点はおよそ１８６０℃である。測定結果を図５（摩耗量調査）に示した。図５は、ツール外周の回転距離と単位面積あたりの質量減との関係を示す図である。ツール外周の回転距離は、肩状部５の円周×回転数×接合時間（接合距離／送り速度）のように求めた。このときのツール外周の質量減は、接合前の重量−接合後の重量のように求めた。図５から３元合金で形成された実施例３１、３２は、３元合金以上で形成することにより、比較例１より摩耗に対する耐性を維持する効果が確認された。
【００８３】
実施例３１と比較例１の摩擦攪拌接合用工具を用い、被加工物として、ステンレス（ＳＵＳ−３０４）の板同士をつき合わせて、境界領域を形成し、該境界領域に 実施例３１と比較例１の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合をとして試みた。なお、当該ＳＵＳ３０４の融点は１４００〜１４５０℃である。そして、接合は、実施例３１、比較例１共に行なうことができた。また、実施例３１、比較例１共に摩擦攪拌接合用工具の割れは見られなかった。
【００８４】
また、実施例３１の摩擦攪拌接合用工具を用い、被加工物として、酸化物分散強化型白金合金（白金８２．１３原子％、酸化ジルコニウム０．２３原子％、ロジウム１７．６４原子％、厚さ１．５ｍｍ、フルヤ金属製）の板同士をつき合わせて、境界領域を形成し、該境界領域に実施例３１の各摩擦攪拌接合用工具を押し当てて、摩擦攪拌接合法により接合を試みた。なお、当該酸化物分散強化型白金合金の融点はおよそ１８６０℃である。そして、接合を行なうことができた。また摩擦攪拌接合用工具の割れは見られなかった。
【００８５】
ＳＵＳ３０４の接合距離を１００ｃｍとして、接合を１回行なった後、摩擦攪拌接合用工具の摩耗量を評価した。回転数と送り速度は一定とした。摩耗量は、接合前と接合後の摩擦攪拌接合用工具の重量の差を測定した。実施例３１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は０．３（ｇ）であるのに対して、比較例１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は約１．５（ｇ）であった。したがって、実施例３１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できると共に、工具の摩耗が少なかった。一方、比較例１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できたものの、工具の摩耗量が多く、劣化が早いといえる。実施例３２の各組成を有する摩擦攪拌接合用工具を同様に評価したところ、いずれも摩擦攪拌接合できると共に摩耗量は０．３（ｇ）であった。また、摩擦攪拌接合用工具の割れはいずれも見られなかった。
【００８６】
酸化物分散強化白金の接合距離を１００ｃｍとして、接合を１回行なった後、摩擦攪拌接合用工具の摩耗量を評価した。回転数と送り速度は一定とした。摩耗量は、接合前と接合後の摩擦攪拌接合用工具の重量の差を測定した。実施例３１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は０．６（ｇ）であるのに対して、比較例１の摩擦攪拌接合用工具の摩耗量は３．０（ｇ）であった。したがって、実施例３１の摩擦攪拌接合用工具は、高融点の被加工物を摩擦攪拌接合できると共に、工具の摩耗が少なかった。実施例３２の各組成を有する摩擦攪拌接合用工具を同様に評価したところ、いずれも摩擦攪拌接合できると共に摩耗量は０．６３（ｇ）であった。また、摩擦攪拌接合用工具の割れはいずれも見られなかった。
【００８７】
また、実施例３１の８９原子％Ｉｒ−１０原子％Ｒｅ−１原子％Ｚｒの組成を有するバックプレートに被加工物を載せて行なった。このとき被加工物にバックプレートが接合することはなかった。そこで、接合部分の板厚方向について、摩擦攪拌接合用工具の押し当て表面、及び、バックプレート側の裏面について、電子線マイクロアナライザ（日本電子株式会社製）を用いてＥＰＭＡ分析を行なった。その結果、イリジウム、レニウム、ジルコニウムが不純物として接合部分に混入しているとは認められなかった。さらに、実施例３２の摩擦攪拌接合用工具の組成と同様の組成のバックプレートを用いても同様に接合防止及び接合部分への不純物の混入防止ができることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】摩擦攪拌接合法の機構の一形態を示す概念図である。
【図２】副成分の添加元素濃度とマイクロビッカース硬度との関係を示す図である。
【図３】副成分の添加元素濃度とマイクロビッカース硬度との関係を示す図である。
【図４】再結晶温度とマイクロビッカース硬度との関係を示す図である。
【図５】ツール外周の回転距離と単位面積あたりの質量減との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１Ａ，１Ｂ，被加工物
２，結合領域
３，摩擦攪拌接合用工具（プローブピン）
４，ペンシル部分
５，肩状部
６，バックプレート
７，モータ
８，進行方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
１３５０℃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、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、又はニッケル或いはこれらの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。
【請求項３】
前記１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金が、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼であることを特徴とする請求項２に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項４】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−レニウム合金で形成されており、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項５】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ルテニウム合金で形成されており、ルテニウムの含有量が１．０〜４５．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項６】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−モリブデン合金で形成されており、モリブデンの含有量が１．０〜２３．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項７】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タングステン合金で形成されており、タングステンの含有量が１．０〜１９．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項８】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ニオブ合金で形成されており、ニオブの含有量が１．０〜１６．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項９】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タンタル合金で形成されており、タンタルの含有量が１．０〜１６．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項１０】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ジルコニウム合金で形成されており、ジルコニウムの含有量が０．３〜５．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項１１】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ハフニウム合金で形成されており、ハフニウムの含有量が０．３〜１２．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項１２】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−レニウム−ジルコニウム合金で形成されており、イリジウムの含有量が９８．９〜５９．０原子％、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％、ジルコニウムの含有量が０．１〜５．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項１３】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−レニウム−ハフニウム合金で形成されており、イリジウムの含有量が９８．９〜５９．０原子％、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％、ハフニウムの含有量が０．１〜５．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項１４】
被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、該結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、前記被加工物を接合する摩擦攪拌接合法において、
前記被加工物は、１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、前記摩擦攪拌接合用工具として、請求項１、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２又は１３に記載の摩擦攪拌接合用工具を使用することを特徴とする摩擦攪拌接合法。
【請求項１５】
被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、該結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、前記被加工物を接合する摩擦攪拌接合法において、
前記被加工物は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、前記摩擦攪拌接合用工具として、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２又は１３に記載の摩擦攪拌接合用工具を使用することを特徴とする摩擦攪拌接合法。
【請求項１６】
前記１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金が、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼であることを特徴とする請求項１５に記載の摩擦攪拌接合法。
【請求項１７】
前記摩擦攪拌接合用工具の押し当て面の裏面側に、イリジウムのバックプレート又は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するバックプレート又はイリジウム被膜若しくは前記組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがいながら、接合を行なうことを特徴とする請求項１４、１５又は１６に記載の摩擦攪拌接合法。
【請求項１８】
請求項１４、１５、１６又は１７に記載の摩擦攪拌接合法によって、接合されたことを特徴とする摩擦攪拌接合部位を有する加工物。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
１３５０℃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、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、又はニッケル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。
【請求項３】
前記１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金が、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼であることを特徴とする請求項２に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項４】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−レニウム合金で形成されており、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項５】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ルテニウム合金で形成されており、ルテニウムの含有量が１．０〜４５．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項６】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−モリブデン合金で形成されており、モリブデンの含有量が１．０〜２３．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項７】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タングステン合金で形成されており、タングステンの含有量が１．０〜１９．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項８】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ニオブ合金で形成されており、ニオブの含有量が１．０〜１６．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項９】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タンタル合金で形成されており、タンタルの含有量が１．０〜１６．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項１０】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ジルコニウム合金で形成されており、ジルコニウムの含有量が０．３〜５．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項１１】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ハフニウム合金で形成されており、ハフニウムの含有量が０．３〜１２．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項１２】
被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、該結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、前記被加工物を接合する摩擦攪拌接合法において、
前記被加工物は、１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、前記摩擦攪拌接合用工具として、請求項１、４、５、６、７、８、９、１０又は１１に記載の摩擦攪拌接合用工具を使用することを特徴とする摩擦攪拌接合法。
【請求項１３】
被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、該結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、前記被加工物を接合する摩擦攪拌接合法において、
前記被加工物は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、前記摩擦攪拌接合用工具として、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又は１１に記載の摩擦攪拌接合用工具を使用することを特徴とする摩擦攪拌接合法。
【請求項１４】
前記１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金が、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼であることを特徴とする請求項１３に記載の摩擦攪拌接合法。
【請求項１５】
前記摩擦攪拌接合用工具の押し当て面の裏面側に、イリジウムのバックプレート又は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するバックプレート又はイリジウム被膜若しくは前記組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがいながら、接合を行なうことを特徴とする請求項１２、１３又は１４に記載の摩擦攪拌接合法。
【請求項１６】
請求項１２、１３、１４又は１５に記載の摩擦攪拌接合法によって、接合されたことを特徴とする摩擦攪拌接合部位を有する加工物。
【請求項１】
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。
【請求項２】
１３５０℃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、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、又はニッケル或いはこれらの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。
【請求項３】
前記１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金が、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼であることを特徴とする請求項２に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項４】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−レニウム合金で形成されており、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項５】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ルテニウム合金で形成されており、ルテニウムの含有量が１．０〜４５．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項６】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−モリブデン合金で形成されており、モリブデンの含有量が１．０〜２３．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項７】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タングステン合金で形成されており、タングステンの含有量が１．０〜１９．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項８】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ニオブ合金で形成されており、ニオブの含有量が１．０〜１６．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項９】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タンタル合金で形成されており、タンタルの含有量が１．０〜１６．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項１０】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ジルコニウム合金で形成されており、ジルコニウムの含有量が０．３〜５．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項１１】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ハフニウム合金で形成されており、ハフニウムの含有量が０．３〜１２．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項１２】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−レニウム−ジルコニウム合金で形成されており、イリジウムの含有量が９８．９〜５９．０原子％、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％、ジルコニウムの含有量が０．１〜５．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項１３】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−レニウム−ハフニウム合金で形成されており、イリジウムの含有量が９８．９〜５９．０原子％、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％、ハフニウムの含有量が０．１〜５．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項１４】
被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、該結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、前記被加工物を接合する摩擦攪拌接合法において、
前記被加工物は、１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、前記摩擦攪拌接合用工具として、請求項１、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２又は１３に記載の摩擦攪拌接合用工具を使用することを特徴とする摩擦攪拌接合法。
【請求項１５】
被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、該結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、前記被加工物を接合する摩擦攪拌接合法において、
前記被加工物は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、前記摩擦攪拌接合用工具として、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２又は１３に記載の摩擦攪拌接合用工具を使用することを特徴とする摩擦攪拌接合法。
【請求項１６】
前記１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金が、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼であることを特徴とする請求項１５に記載の摩擦攪拌接合法。
【請求項１７】
前記摩擦攪拌接合用工具の押し当て面の裏面側に、イリジウムのバックプレート又は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するバックプレート又はイリジウム被膜若しくは前記組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがいながら、接合を行なうことを特徴とする請求項１４、１５又は１６に記載の摩擦攪拌接合法。
【請求項１８】
請求項１４、１５、１６又は１７に記載の摩擦攪拌接合法によって、接合されたことを特徴とする摩擦攪拌接合部位を有する加工物。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
１３５０℃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、ハフニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、又はニッケル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。
【請求項３】
前記１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金が、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼であることを特徴とする請求項２に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項４】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−レニウム合金で形成されており、レニウムの含有量が１．０〜３６．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項５】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ルテニウム合金で形成されており、ルテニウムの含有量が１．０〜４５．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項６】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−モリブデン合金で形成されており、モリブデンの含有量が１．０〜２３．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項７】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タングステン合金で形成されており、タングステンの含有量が１．０〜１９．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項８】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ニオブ合金で形成されており、ニオブの含有量が１．０〜１６．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項９】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−タンタル合金で形成されており、タンタルの含有量が１．０〜１６．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項１０】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ジルコニウム合金で形成されており、ジルコニウムの含有量が０．３〜５．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項１１】
前記被加工物に接触させる部分が、イリジウム−ハフニウム合金で形成されており、ハフニウムの含有量が０．３〜１２．０原子％であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項１２】
被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、該結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、前記被加工物を接合する摩擦攪拌接合法において、
前記被加工物は、１６００℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、前記摩擦攪拌接合用工具として、請求項１、４、５、６、７、８、９、１０又は１１に記載の摩擦攪拌接合用工具を使用することを特徴とする摩擦攪拌接合法。
【請求項１３】
被加工物を相互に当接若しくはほぼ当接させて細長の結合領域を規定し、該結合領域に挿入した摩擦攪拌接合用工具を回転させつつ移動させて、前記被加工物を接合する摩擦攪拌接合法において、
前記被加工物は、１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金からなり、前記摩擦攪拌接合用工具として、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又は１１に記載の摩擦攪拌接合用工具を使用することを特徴とする摩擦攪拌接合法。
【請求項１４】
前記１３５０℃以上の高融点を有する金属若しくは合金が、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼であることを特徴とする請求項１３に記載の摩擦攪拌接合法。
【請求項１５】
前記摩擦攪拌接合用工具の押し当て面の裏面側に、イリジウムのバックプレート又は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するバックプレート又はイリジウム被膜若しくは前記組成を有する被膜を施したバックプレートをあてがいながら、接合を行なうことを特徴とする請求項１２、１３又は１４に記載の摩擦攪拌接合法。
【請求項１６】
請求項１２、１３、１４又は１５に記載の摩擦攪拌接合法によって、接合されたことを特徴とする摩擦攪拌接合部位を有する加工物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−３２０９５８（Ｐ２００６−３２０９５８Ａ）
【公開日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６４８１１（Ｐ２００６−６４８１１）
【出願日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【出願人】（０００１３６５６１）株式会社フルヤ金属 (48)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【出願人】（０００１３６５６１）株式会社フルヤ金属 (48)
【Ｆターム（参考）】
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