特許 6500317 摩擦接合方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6500317

(24)【登録日】2019年3月29日

(45)【発行日】2019年4月17日

(54)【発明の名称】摩擦接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20190408BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/12 D

【請求項の数】12

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2017-532363(P2017-532363)

(86)(22)【出願日】2016年7月11日

(86)【国際出願番号】JP2016003281

(87)【国際公開番号】WO2017022184

(87)【国際公開日】20170209

【審査請求日】2018年1月26日

(31)【優先権主張番号】特願2015-152112(P2015-152112)

(32)【優先日】2015年7月31日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】100129632

【弁理士】

【氏名又は名称】仲 晃一

(72)【発明者】

【氏名】藤井 英俊

(72)【発明者】

【氏名】上路 林太郎

(72)【発明者】

【氏名】森貞 好昭

【審査官】 岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−０７７３３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−０６６３９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１１５８８４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２０／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２つの金属製被接合材の被接合面同士を当接させた状態で摺動させる摩擦接合方法であって、
前記金属製被接合材の少なくとも一方を鉄系材とし、
接合中の最高到達温度を前記鉄系材のＡ₃点以下又はＡ_cm点以下とし、
前記金属製被接合材同士の摺動に起因する摩擦熱と、前記金属製被接合材の塑性変形に起因する加工発熱と、を共に用い、
前記被接合面に対して略垂直に印加する接合圧力を１００〜３００ＭＰａとし、
前記金属製被接合材の最高摺動速度を７５〜１６０ｍｍ／秒とすること、
を特徴とする摩擦接合方法。

【請求項2】

前記最高到達温度を前記鉄系材のＡ₁点以下とすること、
を特徴とする請求項１に記載の摩擦接合方法。

【請求項3】

前記２つの金属製被接合材を共に円柱形状とし、
前記２つの金属製被接合材の端面同士を当接させた状態で回転させること、
を特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦接合方法。

【請求項4】

回転速度を１５０〜３００ｒｐｍとすること、
を特徴とする請求項１〜３のうちのいずれかに記載の摩擦接合方法。

【請求項5】

アプセット圧力を１００〜３００ＭＰａとし、
摩擦寄り代を０．５〜３ｍｍとすること、
を特徴とする請求項１〜４のうちのいずれかに記載の摩擦接合方法。

【請求項6】

前記鉄系材の炭素含有量が０．２質量％以上であること、
を特徴とする請求項１〜５のうちのいずれかに記載の摩擦接合方法。

【請求項7】

前記鉄系材が高速度鋼であること、
を特徴とする請求項１〜６のうちのいずれかに記載の摩擦接合方法。

【請求項8】

接合中に被接合部近傍に冷媒を供給し、前記被接合部近傍を強制冷却すること、
を特徴とする請求項１〜７のうちのいずれかに記載の摩擦接合方法。

【請求項9】

請求項１〜８のうちのいずれかに記載の摩擦接合方法によって形成された接合部を有する接合構造物。

【請求項10】

２つの金属材の突合せ接合部を有する接合構造物であって、
前記金属材の少なくとも一方が鉄鋼材であり、
前記突合せ接合部の接合界面が主として再結晶粒からなり、
前記再結晶粒を有する領域が、前記接合界面を中心に略一定間隔で分布し、
前記接合界面近傍の硬度が母材硬度の９０〜１３０％であること、
を特徴とする接合構造物。

【請求項11】

前記鉄鋼材の炭素含有量が０．２質量％以上であること、
を特徴とする請求項１０に記載の接合構造物。

【請求項12】

前記鉄鋼材が高速度鋼であること、
を特徴とする請求項１０又は１１に記載の接合構造物。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は金属材の摩擦接合方法に関し、より具体的には、種々の鉄系材に適用可能な、継手特性を飛躍的に向上させることができる摩擦接合方法、及びそれにより得られる接合構造物に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、摩擦発熱現象を利用した固相接合（摩擦接合）方法が、従来の溶融溶接よりも接合部の強度低下を小さくできる接合方法として注目されている。当該固相接合方法としては、高速で回転する円柱状のツールを被接合材に圧入して接合する「摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）」、回転する円柱状の被接合材を固定された被接合材に当接させて接合する「摩擦圧接」、及び被接合材を当接させた状態で往復運動させて接合する「線形摩擦接合」等が挙げられる。

【0003】

摩擦接合の対象となる被接合材の種類及び組合せは多岐に亘り、汎用構造材である鋼に関しても、盛んに研究開発が進められている。例えば、特許文献１（特開２００１−２８７０５１号公報）では、硬度が摩擦圧接の回転半径方向にわたってほぼ均一となる高張力鋼材の摩擦圧接継手を提供する方法が提案されている。

【0004】

上記特許文献１に記載の高張力鋼材の摩擦圧接継手は、結晶粒径が２μｍ以下の微細組織を有し、引張強さが６０ｋｇｆ／ｍｍ²以上であるとともに、炭素量が０．１ｗｔ％以下の高張力鋼材の摩擦圧接継手であり、高張力鋼材の炭素量が０．１ｗｔ％と低く抑えられている。この０．１ｗｔ％以下の低炭素量により、摩擦圧接する際に、高張力鋼材の外周部は組織変化が抑制され、硬化が抑制される、としている。

【0005】

また、特許文献２（特開２００２−２９４４０４号公報）では、摩擦圧接接合部の硬さ上昇が少ない、摩擦圧接に適した高炭素鋼材およびその製造方法が提供されている。

【0006】

摩擦圧接される部材（鋼材）は、高圧力下で、融点直下の温度までに１０秒前後で急速加熱され、ついで１２００℃以上から急速冷却されるという、極めて急激な加熱冷却サイクルに晒される。このため、急速加熱時に部材の結晶粒が粗大化し、その後の急速冷却により硬質のマルテンサイト相に変態し、接合部の硬さが上昇する。

【0007】

これに対し、上記特許文献２に記載の高炭素鋼材では、固溶状態のＮｂを０．００５ ％以上含有させることで高炭素鋼材のオーステナイト結晶粒の粗大化を防止し、ＪＩＳ Ｇ ０５５１の規定に準拠した酸化法により８００℃×５分の熱処理後に測定されるオーステナイト粒度番号を９以上とすることができ、摩擦圧接接合部の硬さの上昇を抑制することができる、としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００１−２８７０５１号公報

【特許文献2】特開２００２−２９４４０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、上記特許文献１に開示されている摩擦圧接継手は炭素量が０．１ｗｔ％以下の高張力鋼材であることが必須であり、対象となる被接合材が極めて狭い範囲に限定されてしまう。

【0010】

また、上記特許文献２に開示されている摩擦圧接継手においても、被接合材として用いることができる鋼材の組成が限定される。加えて、熱影響部における硬度（強度）低下を効果的に抑制することはできない。特に、被接合材同士を摺動させる摩擦接合においては、継手特性の制御が困難である。

【0011】

以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、鉄系材の組成によらず、接合部の硬度上昇及び熱影響部における硬度（強度）低下を抑制することができる簡便かつ効果的な摩擦接合方法及びそれにより得られる接合構造物を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明者は上記目的を達成すべく、摩擦接合条件について鋭意研究を重ねた結果、被接合材同士の摺動速度を低速に制御して摩擦発熱を抑えると共に、被接合材の加工発熱を利用することが極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。

【0013】

即ち、本発明は、
２つの金属製被接合材の被接合面同士を当接させた状態で摺動させる摩擦接合方法であって、
前記金属製被接合材の少なくとも一方を鉄系材とし、
接合中の最高到達温度を前記鉄系材のＡ₃点以下又はＡ_cm点以下とすること、
を特徴とする摩擦接合方法を提供する。なお、鉄系材とは鉄を主成分とする金属材を広く含むものであり、鋼材及び鋳鉄材を含むものである。ここで、前記鉄系材が亜共析鋼の場合はＡ₃点を用い、過共析鋼の場合はＡ_cm点を用いることになる。

【0014】

一般的な摩擦接合においては、接合中の最高到達温度が被接合材である鉄系材のＡ₃点又はＡ_cm点よりも高くなる。特に、従来の摩擦圧接及び線形摩擦接合は、被接合面の酸化被膜等をバリと一緒に排出して接合を達成する技術であり、十分な量のバリを排出するために接合温度をＡ₃点又はＡ_cm点よりも高くする（接合部を十分に軟化させる（接合部の組織をオーステナイトとする））必要がある。

【0015】

これに対し、本発明の摩擦接合方法では接合中の最高到達温度が被接合材である鉄系材のＡ₃点以下又はＡ_cm点以下となるため、接合プロセス中の接合部における母材（硬質相を除く母材組織）はフェライトとオーステナイトの２相組織、セメンタイトとオーステナイトの２相組織、又はフェライトとセメンタイトの２相組織となる。その結果、当該フェライトの領域は変態を伴わないことから、マルテンサイトが形成する領域を確実に低減することができる。

【0016】

本発明の摩擦接合方法においては、前記最高到達温度を前記鉄系材のＡ₁点以下とすること、が好ましい。接合プロセス中の最高到達温度が被接合材である鉄系材のＡ₁点以下であれば接合部において変態が生じることがなく、マルテンサイトが形成されない。また、従来の摩擦接合と比較して低い温度で接合が達成されるため、熱影響部の形成を抑制することができる。その結果、鉄系材の組成によらず、接合部の硬度上昇及び熱影響部における硬度（強度）低下を抑制することができる。

【0017】

また、本発明の摩擦接合方法においては、前記金属製被接合材同士の摺動に起因する摩擦熱と、前記金属製被接合材の塑性変形に起因する加工発熱と、を共に用いること、が好ましい。従来の摩擦接合は摩擦熱を利用した接合方法であるが、金属製被接合材の塑性変形に起因する加工発熱を積極的に活用することで、低い接合温度においても良好な継手を得ることができる。

【0018】

また、本発明の摩擦接合方法においては、前記被接合面に対して略垂直に印加する接合圧力を１００〜３００ＭＰａとし、前記金属製被接合材の最高摺動速度を７５〜３８０ｍｍ／秒とすること、が好ましく、最高摺動速度は７５〜１６０ｍｍ／秒とすること、がより好ましい。従来の摩擦接合と比較して接合圧力を高く、最高摺動速度を極端に低くすることで、接合温度を被接合材である鉄系材のＡ₃点以下又はＡ_cm点以下（好ましくはＡ₁点以下）とすることができる。加えて、金属製被接合材の塑性変形に起因する加工発熱を発生させることができ、低い接合温度においても良好な継手を得ることができる。なお、炭素鋼の摩擦圧接作業標準を示したＪＩＳ Ｚ ３６０７においては、接合に用いる周速の下限値を１０００ｍｍ／秒としており、本発明の摩擦接合方法で用いる摺動速度とは全く異なっている。

【0019】

また、本発明の摩擦接合方法においては、前記２つの金属製被接合材を共に円柱形状とし、前記２つの金属製被接合材の端面同士を当接させた状態で回転させること、が好ましい。所謂、摩擦圧接の態様で摩擦接合を施すことで、接合のプロセス条件（接合圧力及び最高摺動速度等）を容易に制御することができる。また、金属製被接合材は中実のものに限られず、パイプ状であってもよい。更に、金属製被接合材の形状は円柱形状に限られず、例えば角状であってもよい。

【0020】

摩擦圧接に用いられる被接合材は基本的には円柱形状であり、接合時の摺動速度は当該被接合材の径に依存する（厳密には回転中心では摺動速度が０となり、回転半径の増加に伴って大きくなる）。つまり、摩擦圧接における最高摺動速度は被接合材の最外周における摺動速度となる。

【0021】

摩擦接合として摩擦圧接を利用する場合においては、被接合材の回転速度を１５０〜３００ｒｐｍとすること、が好ましい。上述のとおり、接合時の摺動速度は接合材の径に依存するが、一般的に用いられる径（例えば、直径１０ｍｍ）においては、回転速度を１５０〜３００ｒｐｍとすることで、接合温度を被接合材である鉄系材のＡ₃点以下又はＡ_cm点以下（好ましくはＡ₁点以下）とすることができる。なお、一般的な摩擦圧接において用いられる回転速度は数千ｒｐｍであり、本発明の摩擦接合で用いる回転速度とは全く異なる数値範囲である。

【0022】

また、摩擦接合として摩擦圧接を利用する場合においては、アプセット圧力を１００〜３００ＭＰａとし、摩擦寄り代を０．５〜３ｍｍとすること、が好ましい。アプセット圧力を１００〜３００ＭＰａとし、摩擦寄り代を０．５〜３ｍｍとすることで、金属製被接合材の塑性変形に起因する加工発熱を積極的に活用することができると共に、接合界面からの酸化被膜の排出が達成され、低い接合温度においても良好な継手を得ることができる。

【0023】

また、本発明の摩擦接合方法においては、前記鉄系材の炭素含有量が０．２質量％以上であることが好ましく、０．３質量％以上であることがより好ましい。炭素含有量が高い鉄系材（中・高炭素鋼）では接合部の大幅な硬度上昇や割れの発生が問題となるが、本発明の摩擦接合方法においては接合部におけるマルテンサイトの形成が抑制されるため、良好な継手を得ることができる。加えて、硬度（強度）が高い中・高炭素鋼では、熱影響部における硬度（強度）低下が深刻な問題となるが、本発明の摩擦接合方法は接合温度が低いため、当該硬度（強度）低下を効果的に抑制することができる。

【0024】

また、本発明の摩擦接合方法においては、前記鉄系材が高速度鋼であること、が好ましい。従来の摩擦圧接では塑性変形抵抗の大きな高速度鋼の接合は困難であると共に、高速度鋼の高硬度（高強度）を熱影響部において維持することは難しい。これに対し、本発明の摩擦接合方法では摩擦寄り代が小さく設定されることから、塑性変形抵抗の大きな高速度鋼の接合に適しており、接合温度が低いことから、高速度鋼の各種強化機構を維持することができ、熱影響部の硬度（強度）低下を抑制することができる。

【0025】

更に、本発明の摩擦接合方法においては、接合中に被接合部近傍に冷媒を供給し、前記被接合部近傍を強制冷却すること、が好ましい。接合温度は接合圧力及び最高摺動速度等の各種プロセス条件によって制御することができるが、被接合材の形状によっては接合温度に分布が形成される場合がある。例えば、摩擦圧接においては最外周部の摺動速度が高くなることから、内部と比較して当該領域の温度が高くなる場合が多い。ここで、接合中に被接合部近傍に冷媒を供給することで、最外周部の接合温度を低下させることができ、当該領域における接合温度が被接合材である鉄系材のＡ₃点又はＡ_cm点（好ましくはＡ₁点）を超えることを防止することができる。

【0026】

また、接合温度が被接合材である鉄系材のＡ₃点以下又はＡ_cm点以下（好ましくはＡ₁点以下）である場合、冷媒を用いた外部冷却を施すことでフェライト及びセメンタイトを微細化させることができ、継手の機械的特性（破壊靭性等）を向上させることができる。更に、外部冷却によって接合プロセス中の被接合材の強度を維持することができ、接合界面近傍まで強加工ひずみを導入することができる。

【0027】

また、本発明は、本発明の摩擦接合方法によって形成された接合部を有する接合構造物も提供する。本発明の接合構造物は、鋼の組成によらず、接合部の硬度上昇及び熱影響部における硬度（強度）低下が抑制されていることから、極めて信頼性の高い接合構造物となっている。

【0028】

更に、本発明は、
２つの金属材の突合せ接合部を有する接合構造物であって、
前記金属材の少なくとも一方が鉄鋼材であり、
前記突合せ接合部の接合界面が主として再結晶粒からなり、
前記再結晶粒を有する領域が、前記接合界面を中心に略一定間隔で分布し、
前記接合界面近傍の硬度が母材硬度の９０〜１３０％であること、
を特徴とする接合構造物、も提供する。

【0029】

接合界面に再結晶粒を形成させる接合方法には摩擦攪拌接合が存在するが、回転ツールの圧入によって被接合領域を攪拌する摩擦攪拌接合においては、再結晶粒を有する領域の分布が接合界面を中心に一定間隔とならない。具体的には、ツールのショルダ部の影響を強く受ける被接合材の表面近傍と板厚中心とでは当該領域の分布が異なる。これに対し、本発明の接合構造部においては、板厚方向に依らず、当該領域の分布が接合界面を中心に略一定間隔となる。なお、本発明の接合構造物は、本発明の摩擦接合方法によって好適に製造することができる。

【0030】

本発明の接合構造物においては、接合界面近傍の組織が微細等軸の再結晶粒となることで、強度、靱性、信頼性等の機械的特性に優れた接合部とすることができる。ここで、再結晶粒は金属製被接合材の塑性変形と加熱（昇温）に伴って形成されるものであり、本発明の摩擦接合方法の大きな特徴の一つである。また、本発明の摩擦接合方法においては、接合界面近傍に強加工ひずみが導入されることにより再結晶温度が低下するという効果も存在し、低温での接合が実現される。これに対し、従来の摩擦接合方法では接合温度が高くなるため、鉄系材の接合界面近傍には主として変態組織が形成される。

【0031】

また、本発明の接合構造物においては、接合界面近傍の硬度が母材硬度の９０〜１３０％となっている。接合界面近傍の硬度を母材硬度の９０〜１３０％とすることで、接合部の脆化を抑制することができる。なお、接合界面近傍のより好ましい硬度は母材硬度の１００〜１２０％である。

【0032】

更に、本発明の接合構造物においては、鉄鋼材の炭素含有量が０．２質量％以上であることが好ましく、鉄鋼材が高速度鋼であることがより好ましい。鉄鋼材の炭素含有量が０．２質量％以上となっていることで、接合構造物に十分な強度を付与することができ、鉄鋼材が高速度鋼であることにより、接合構造物により高い強度及び硬度等を付与することができる。

【発明の効果】

【0033】

本発明によれば、鉄系材の組成によらず、接合部の硬度上昇及び熱影響部における硬度（強度）低下を抑制することができる簡便かつ効果的な摩擦接合方法及びそれにより得られる接合構造物を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】本発明の摩擦接合の状態を示す模式図である。

【図2】本発明の接合構造物における接合部の組織を示す模式図である。

【図3】接合中の最高到達温度を示すグラフである。

【図4】実施接合継手１の外観写真である。

【図5】実施接合継手１の接合界面における外周部及び中心部の組織写真である。

【図6】実施接合継手７及び比較接合継手３の接合界面近傍のビッカース硬度分布を示すグラフである。

【図7】実施接合継手７の接合中心部における走査電子顕微鏡写真である。

【図8】比較接合継手３の接合中心部における走査電子顕微鏡写真である。

【図9】実施接合継手７及び実施接合継手８の概観写真である。

【図10】比較例４〜比較例１１における接合温度を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0035】

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

【0036】

（Ａ）摩擦接合方法
以下、摩擦圧接を例として、本発明の摩擦接合方法を詳細に説明する。図１は、本発明の摩擦接合の状態を示す模式図である。なお、摩擦圧接に用いる装置は本発明の効果を損なわない範囲で特に限定されず、従来公知の種々の摩擦圧接装置を用いることができる。

【0037】

本発明の摩擦接合方法においては、被接合材２及び被接合材４の少なくともいずれか一方が鉄系材となっている。被接合材２及び被接合材４の形状は、従来公知の種々の摩擦圧接に適用可能な形状とすることができ、横断面が環状又は円状の部材、つまり横断面が環状の中空部材や横断面が円状の中実部材、例えば管部材、円柱部材、又はコーン状部材等とすることができる。なお、被接合材２及び被接合材４の形状は角状とすることもできる。

【0038】

被接合材２と被接合材４の端面を突き合わせた後、被接合材２を静止させたまま、被接合材４を被接合材２に向かって接合圧力Ｐ１で押しつけながら所定の回転数Ｒで回転させ、摺動させる。当該回転摺動による摩擦熱により、被接合界面近傍の温度が上昇し、軟化領域６が形成される。勿論、被接合材４を静止させ、被接合材２を回転させてもよく、被接合材２及び被接合材４を共に回転させてもよい。

【0039】

次に、軟化領域６が所望の接合温度Ｔになり、摩擦寄り代Ｌが設定値に達したら、被接合材４の回転を急停止すると共に、被接合材４を被接合材２側に向かってアプセット圧力Ｐ２（≧Ｐ１）で押し付けることで接合が達成される。

【0040】

ここで、従来の摩擦圧接では接合中の最高到達温度Ｔ_maxが被接合材２及び／又は被接合材４の鉄系材のＡ₃点又はＡ_cm点よりも高くなるが、本発明の摩擦接合方法では接合中の最高到達温度Ｔ_maxが当該鉄系材のＡ₃点以下又はＡ_cm点以下となるため、接合プロセス中の接合部における母材（硬質相を除く母材組織）はフェライトとオーステナイトの２相組織、セメンタイトとオーステナイトの２相組織、又はフェライトとセメンタイトの２相組織となる。その結果、当該フェライトの領域は変態を伴わないことから、マルテンサイトが形成する領域を低減することができる。なお、鉄系材のＡ₃点（℃）は、例えば、「Ａ₃＝９３７．２−４３６．５Ｃ＋５６Ｓｉ−１９．７Ｍｎ−１６．３Ｃｕ−２６．６Ｎｉ−４．９Ｃｒ＋３８．１Ｍｏ＋１２４．８Ｖ＋１３６．３Ｔｉ−１９．１Ｎｂ＋１９８．４Ａｌ＋３３１５Ｂ」で知ることができる（Ｃ，Ｓｉ等には各元素の質量％を代入する）。

【0041】

また、本発明の摩擦接合方法における接合中の最高到達温度Ｔ_maxは、従来の摩擦圧接と比較して大幅に低いため、接合部近傍に形成される熱影響部（ＨＡＺ）の硬度（強度）低下を抑制することができる。その結果、熱影響部（ＨＡＺ）の硬度（強度）低下が深刻な問題となる７８０ＭＰａ以上の高張力鋼、工具鋼及び高速度鋼等に好適に用いることができる。

【0042】

また、本発明の摩擦接合方法においては、接合中の最高到達温度Ｔ_maxを被接合材２及び／又は被接合材４のＡ₁点以下とすること、が好ましい。接合プロセス中の最高到達温度Ｔ_maxが当該鉄系材のＡ₁点以下であれば接合部において変態が生じることがなく、マルテンサイトが形成されない。また、従来の摩擦接合と比較してより低い温度で接合が達成されるため、熱影響部（ＨＡＺ）の形成をより効果的に抑制することができる。その結果、被接合材２及び／又は被接合材４として用いる鉄系材の組成によらず、接合部の硬度上昇及び熱影響部（ＨＡＺ）における硬度（強度）低下を抑制することができる。なお、鉄系材のＡ₁点（℃）は、例えば、「Ａ₁＝７５０．８−２６．６Ｃ＋１７．６Ｓｉ−１１．６Ｍｎ−２２．９Ｃｕ−２３Ｎｉ＋２４．１Ｃｒ＋２２．５Ｍｏ−３９．７Ｖ−５．７Ｔｉ＋２３２．４Ｎｂ−１６９．４Ａｌ−８９４．７Ｂ」で知ることができる（Ｃ，Ｓｉ等には各元素の質量％を代入する）。

【0043】

また、本発明の摩擦接合方法においては、被接合材２及び被接合材４の摺動に起因する摩擦熱と、被接合材２及び／又は被接合材４の塑性変形に起因する加工発熱と、を共に用いること、が好ましい。従来の摩擦接合は摩擦熱を利用した接合方法であるが、被接合材２及び／又は被接合材４の塑性変形に起因する加工発熱を積極的に活用することで、低い接合温度においても良好な継手を得ることができる。

【0044】

被接合材２及び又は被接合材４の塑性変形に起因する加工発熱を利用して接合を達成するためには、被接合面に対して略垂直に印加する接合圧力Ｐ１を１００〜３００ＭＰａとし、被接合材２と被接合材４の最高摺動速度Ｖ_maxを７５〜３８０ｍｍ／秒とすること、が好ましく、最高摺動速度Ｖｍａｘは７５〜１６０ｍｍ／秒とすること、がより好ましい。被接合材の形状等にも多少影響されるが、従来の摩擦接合と比較して接合圧力Ｐ１を高く、最高摺動速度Ｖ_maxを極端に低くすることで、接合温度を被接合材である鉄系材のＡ₃点以下又はＡ_cm点以下（好ましくはＡ₁点以下）とすることができる。加えて、金属製被接合材の塑性変形に起因する加工発熱を発生させることができ、低い接合温度Ｔにおいても良好な継手を得ることができる。

【0045】

具体的には、接合圧力Ｐ１を１００ＭＰａ以上とすることで、未接合部のない接合界面を形成するために十分な圧力を印加することができ、３００ＭＰａ以下とすることで、汎用の接合装置を用いて接合を行うことができることに加えて被接合材の極端な変形を防止することができる。

【0046】

また、被接合材２と被接合材４の最高摺動速度Ｖ_maxを７５ｍｍ／秒以上とすることで、十分な接合強度を有する接合界面を形成することができ、３８０ｍｍ／秒以下（より好ましくは１６０ｍｍ／秒以下）とすることで、接合中の最高到達温度Ｔ_maxを被接合材２及び／又は被接合材４に用いる鉄系材のＡ₃点以下又はＡ_cm点以下（好ましくはＡ₁点以下）とすることができる。

【0047】

また、本発明の摩擦接合方法においては、被接合材２及び被接合材４を共に円柱形状とし、被接合材２及び被接合材４の端面同士を当接させた状態で回転させること、が好ましい。所謂、摩擦圧接の態様で摩擦接合を施すことで、接合のプロセス条件（接合圧力Ｐ１及び最高摺動速度Ｖ_max等）を容易に制御することができる。なお、被接合材２及び被接合材４は中実のものに限られず、パイプ状であってもよい。

【0048】

摩擦圧接に用いられる被接合材２又は被接合材４は基本的に円柱形状であり、接合時の摺動速度Ｖは被接合材２又は被接合材４の径に依存する（厳密には回転中心では摺動速度Ｖが０となり、回転半径の増加に伴って大きくなる）。つまり、摩擦圧接における最高摺動速度Ｖ_maxは被接合材の最外周における摺動速度となる。なお、線形摩擦接合の場合、最高摺動速度Ｖ_maxは被接合材同士の往復運動の最高速度となる。

【0049】

摩擦接合として摩擦圧接を利用する場合においては、被接合材４の回転速度Ｒを１５０〜３００ｒｐｍとすること、が好ましい。上述のとおり、接合時の摺動速度Ｖは接合材の径に依存するが、一般的に用いられる径（例えば、直径１０ｍｍ）においては、回転速度Ｒを１５０〜３００ｒｐｍとすることで、接合温度Ｔを被接合材である鉄系材のＡ₃点以下又はＡ_cm点以下（好ましくはＡ₁点以下）とすることができる。

【0050】

また、摩擦接合として摩擦圧接を利用する場合においては、アプセット圧力Ｐ２を１００〜３００ＭＰａとし、摩擦寄り代を０．５〜３ｍｍとすること、が好ましい。アプセット圧力Ｐ２を１００〜３００ＭＰａとし、摩擦寄り代を０．５〜３ｍｍとすることで、被接合材２及び／又は被接合材４の塑性変形に起因する加工発熱を積極的に活用することができると共に、接合界面からの酸化被膜の排出も達成され、低い接合温度Ｔにおいても良好な継手を得ることができる。

【0051】

具体的には、アプセット圧力Ｐ２を１００ＭＰａ以上とすることで、被接合材２及び／又は被接合材４の塑性変形に伴う加工発熱を十分に発生させることができ、３００ＭＰａ以下とすることで、一般的な摩擦接合装置を用いて接合を行うことができる。

【0052】

また、摩擦寄り代を０．５ｍｍ以上とすることで、被接合材２及び／又は被接合材４の塑性変形に伴う加工発熱を十分に発生させることができ、３ｍｍ以下とすることで、接合時の最高到達温度Ｔ_maxが被接合材２及び／又は被接合材４のＡ₁点以下であっても当該摩擦寄り代を達成することができる。

【0053】

従来の摩擦圧接においては、被接合界面近傍の温度が被接合材２及び／又は被接合材４に用いる鉄系材のＡ₃点又はＡ_cm点よりも高くなり、十分に軟化される。その結果、アプセット圧力Ｐ２を印加すると当該軟化した鉄系材がバリ８として排出されるのみで、加工発熱は殆ど発生しない。これに対し、上記接合条件を用いることで、被接合界面近傍の温度が被接合材２及び／又は被接合材４に用いる鉄系材のＡ₃点以下又はＡ_cm点以下（好ましくはＡ₁点以下）となり、当該状態でアプセット圧力Ｐ２が印加されることで、被接合材２及び／又は被接合材４に用いる鉄系材が塑性変形する。更に、再結晶温度の低下が見込まれ、Ａ₁点以下での接合が可能となる。

【0054】

本発明の摩擦接合方法で用いる接合温度Ｔは、従来の摩擦圧接で用いられる接合温度と比較して極めて低く、常識的には接合ができないと判断される条件である。つまり、本発明の摩擦接合は、摩擦発熱に加えて加工発熱を利用することで接合を達成する、新規な接合方法を提案するものである。

【0055】

また、本発明の摩擦接合方法においては、被接合材２及び／又は被接合材４に用いる鉄系材の炭素含有量が０．２質量％以上であることが好ましく、０．３質量％以上であることがより好ましい。炭素含有量が高い鉄系材（中・高炭素鋼）では接合部の大幅な硬度上昇や割れの発生が問題となるが、本発明の摩擦接合方法においては接合部におけるマルテンサイトの形成が抑制されるため、良好な継手を得ることができる。加えて、硬度（強度）が高い中・高炭素鋼では、熱影響部（ＨＡＺ）における硬度（強度）低下が深刻な問題となるが、本発明の摩擦接合方法は接合温度Ｔが低いため、当該硬度（強度）低下を効果的に抑制することができる。

【0056】

また、本発明の摩擦接合方法においては、被接合材２及び／又は被接合材４に用いる鉄系材が高速度鋼であること、が好ましい。従来の摩擦圧接では塑性変形抵抗の大きな高速度鋼の接合は困難であると共に、高速度鋼の高硬度（高強度）を熱影響部（ＨＡＺ）において維持することは困難である。これに対し、本発明の摩擦接合方法では摩擦寄り代が小さく設定されることから、塑性変形抵抗の大きな高速度鋼の接合に適しており、接合温度が低いことから、熱影響部（ＨＡＺ）の硬度（強度）低下を抑制することができる。

【0057】

更に、本発明の摩擦接合方法においては、接合中に被接合部近傍に冷媒を供給し、前記被接合部近傍を強制冷却すること、が好ましい。ここで、本発明の効果を損なわない限りにおいて冷媒は特に限定されず、水、液体窒素及び液体ＣＯ₂等を用いることができる。ここで、比熱及び熱伝導率の関係から、液体ＣＯ₂を用いることで最も効果的に強制冷却を達成することができる。

【0058】

冷媒を用いた強制冷却は、接合温度がＡ₃点又はＡ_cm点を超える場合は冷却速度が大きくなりマルテンサイトの形成を促進することから逆効果であるが、接合温度がＡ₃点以下又はＡ_cm点以下（好ましくはＡ₁点以下）となる場合はフェライトやセメンタイトの微細化に寄与するため、継手の機械的特性の向上に極めて効果的である。

【0059】

接合温度Ｔは接合圧力Ｐ１及び最高摺動速度Ｖ_max等の各種プロセス条件によって制御することができるが、被接合材２及び被接合材４の形状によっては接合温度Ｔに分布が形成される場合がある。例えば、摩擦圧接においては最外周部の摺動速度Ｖが高くなることから、内部と比較して当該領域の温度が高くなる場合が多い。ここで、接合中に被接合部近傍に冷媒を供給することで、最外周部の接合温度Ｔを低下させることができ、当該領域における接合温度Ｔが被接合材２及び／又は被接合材４に用いられる鉄系材のＡ₃点又はＡ_cm点（好ましくはＡ₁点）を超えることを防止することができる。

【0060】

（Ｂ）接合構造物
図２は、本発明の接合構造物における接合部の組織を示す模式図である。接合部１０は被接合材２と被接合材４とが接合されたものであり、被接合材２及び／又は被接合材４が鉄系材となっている。なお、本発明の接合構造物は本発明の摩擦接合方法によって接合されたものであり、図２では摩擦圧接によって接合された接合部を示している。

【0061】

接合部１０には顕著な熱影響部（ＨＡＺ）が形成されておらず、高い継手効率を有する極めて信頼性の高い接合構造物となっている。また、接合界面１２は主として再結晶粒から形成されていることが好ましい。接合界面１２近傍の組織が微細等軸の再結晶粒となることで、接合部１０は強度、靱性、信頼性等の高い機械的特性を有している。

【0062】

ここで、再結晶粒は被接合材２及び／又は被接合材４の塑性変形に伴う再結晶温度の低下によって形成されるものであり、本発明の摩擦接合方法の大きな特徴の一つである。これに対し、従来の摩擦接合方法では接合温度Ｔが高くなるため、鉄系材の接合界面１２近傍にはマルテンサイトを含む変態組織が形成される。

【0063】

更に、本発明の接合構造物においては、接合界面１２近傍の硬度が被接合材２又は被接合材４の母材硬度の９０〜１３０％であること、が好ましい。接合界面１２近傍の硬度を当該母材硬度の９０％以上とすることで、接合部１０による継手効率の低下を抑制することができ、１３０％以下とすることで、接合部１０の脆化を抑制することができる。なお、接合界面１２近傍のより好ましい硬度は、母材硬度の１００〜１２０％である。

【0064】

以上、本発明の摩擦接合方法及びそれにより得られる接合構造物の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。

【実施例】

【0065】

≪実施例１≫
直径φ１０ｍｍ、長さ１００ｍｍのＪＩＳ−Ｓ４５Ｃ（０．４４％Ｃ−０．７３％Ｍｎ−０．２０％Ｓｉ−０．０４％Ｃｒ）丸棒を被接合材とし、丸棒同士の摩擦圧接を行った。摩擦圧接条件には、回転数２００ｒｐｍ、摩擦圧力１８０ＭＰａ、摩擦寄り代１ｍｍ、アプセット圧力１８０ＭＰａを用い、摩擦工程制御方法は摩擦長制御とした。なお、接合プロセスの最初にＳ４５Ｃ丸棒同士を６０ＭＰａで当接させ、一方の被接合材を２００ｒｐｍで回転させた状態で２秒間保持し、予熱を行った。

【0066】

得られた実施接合継手１の接合部を断面観察し、完全に接合が達成されている場合は○、未接合部を有する場合は×と判定し、結果を表１に示した。また、接合中の最高到達温度を放射式温度計にて測定し、得られた値を図３に示した。なお、図３にはＳ４５ＣのＡ₁点を実線で示している。

【0067】

実施接合継手１の外観写真を図４に示す。当該外観写真より、中炭素鋼であるＳ４５Ｃ材の良好な継手が得られていることが確認できる。なお、バリの排出量は従来の摩擦圧接継手と比較して少なくなっている。

【0068】

接合界面における外周部及び中心部の組織写真を図５に示す。外周部及び中心部共にマルテンサイトは形成されておらず、微細等軸粒からなる組織となっている。当該結果は、摩擦圧接中の最高接合温度がＳ４５ＣのＡ₁点以下となっていることを示している。なお、接合温度は中心部と比較して外周部の方が高くなるため、当該接合温度の差によって中心部よりも外周部の結晶粒径の方が大きくなっている。

【0069】

また、接合界面における中心部のＥＢＳＤ解析を行ったところ、一部の結晶粒に小角粒界が導入されており、方位が変化している様子が観察された。これは加工ひずみの導入によるものであり、本発明の摩擦接合方法においては、被接合材に対する加工の影響が大きいことが明らかとなった。なお、ＥＢＳＤ解析にはＦＥ−ＳＥＭ（日本電子株式会社製ＪＳＭ−７００１ＦＡ）及びＴＳＬ社製のＯＩＭ ｄａｔａ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｖｅｒ５．３１を用いた。

【0070】

≪実施例２≫
摩擦圧接に用いる回転数を１５０ｒｐｍとした以外は実施例１と同様にして、実施接合継手２を得た。また、実施例１と同様にして接合の状況及び接合中の最高到達温度を評価し、結果を表１及び図３にそれぞれ示した。

【0071】

≪実施例３≫
摩擦圧接に用いる回転数を２５０ｒｐｍとした以外は実施例１と同様にして、実施接合継手３を得た。また、実施例１と同様にして接合の状況及び接合中の最高到達温度を評価し、結果を表１及び図３にそれぞれ示した。

【0072】

≪実施例４≫
摩擦圧接に用いる回転数を３００ｒｐｍとした以外は実施例１と同様にして、実施接合継手４を得た。また、実施例１と同様にして接合の状況及び接合中の最高到達温度を評価し、結果を表１及び図３にそれぞれ示した。

【0073】

≪実施例５≫
摩擦圧接に用いる摩擦寄り代を２ｍｍとし、摩擦圧力を２４０ＭＰａとした以外は実施例１と同様にして、実施接合継手５を得た。また、実施例１と同様にして接合の状況及び接合中の最高到達温度を評価し、結果を表１及び図３にそれぞれ示した。

【0074】

≪実施例６≫
摩擦圧接に用いる摩擦圧力を３００ＭＰａとした以外は実施例５と同様にして、実施接合継手６を得た。また、実施例１と同様にして接合の状況及び接合中の最高到達温度を評価し、結果を表１及び図３にそれぞれ示した。

【0075】

≪実施例７≫
被接合材の材質をＪＩＳ−ＳＫ１０５（１．０３％Ｃ−０．９４％Ｍｎ−０．３０％Ｓｉ−０．４３％Ｃｒ）とし、摩擦圧接条件を回転数：３００ｒｐｍ，摩擦圧力：２４０ＭＰａ，摩擦寄り代：２ｍｍ，アプセット圧力：２４０ＭＰａとした以外は実施例１と同様にして、実施接合継手７を得た。

【0076】

≪実施例８≫
摩擦圧接中に被接合界面近傍に液体ＣＯ₂を用いた外部冷却を施した以外は実施例７と同様にして、実施接合継手８を得た。

【0077】

≪比較例１≫
摩擦圧接に用いる回転数を１００ｒｐｍとした以外は実施例１と同様にして、比較接合継手１を得た。また、実施例１と同様にして接合の状況を評価し、結果を表１に示した。なお、接合プロセス中の被接合材の状態が安定しなかったため、最高到達温度は測定できなかった。

【0078】

≪比較例２≫
摩擦圧接に用いる回転数を５００ｒｐｍとした以外は実施例１と同様にして、比較接合継手２を得た。また、実施例１と同様にして接合の状況及び接合中の最高到達温度を評価し、結果を表１に示した。

【0079】

≪比較例３≫
摩擦圧接条件を回転数：２０００ｒｐｍ，摩擦圧力：８０ＭＰａ，摩擦寄り代：３ｍｍ，アプセット圧力：１６０ＭＰａとした以外は実施例７と同様にして、比較接合継手３を得た。

【0080】

≪比較例４≫
被接合材の材質をＪＩＳ−ＦＣ２５０（３．４８％Ｃ−３．２９％Ｓｉ−０．４２％Ｍｎ−０．０５％Ｐ−０．０１５％Ｓ）とし、摩擦圧接条件を回転数：６０００ｒｐｍ，摩擦圧力：５０ＭＰａ，摩擦寄り代：３ｍｍ，アプセット圧力：７５ＭＰａとした以外は実施例１と同様にして、比較接合継手４を得た。

【0081】

≪比較例５≫
摩擦圧接に用いる回転数を４５００ｒｐｍとした以外は比較例４と同様にして、比較接合継手５を得た。

【0082】

≪比較例６≫
摩擦圧接に用いる回転数を３５００ｒｐｍとした以外は比較例４と同様にして、比較接合継手６を得た。

【0083】

≪比較例７≫
摩擦圧接に用いる回転数を３０００ｒｐｍとした以外は比較例４と同様にして、比較接合継手７を得た。

【0084】

≪比較例８≫
摩擦圧接に用いる回転数を２５００ｒｐｍとした以外は比較例４と同様にして、比較接合継手８を得た。

【0085】

≪比較例９≫
摩擦圧接に用いる回転数を２０００ｒｐｍとした以外は比較例４と同様にして、比較接合継手９を得た。

【0086】

≪比較例１０≫
摩擦圧接に用いる回転数を１５００ｒｐｍとした以外は比較例４と同様にして、比較接合継手１０を得た。

【0087】

≪比較例１１≫
摩擦圧接に用いる回転数を１０００ｒｐｍとした以外は比較例４と同様にして、比較接合継手１１を得た。

【0088】

【表1】

【0089】

表１に示されているように、摩擦圧接に用いる回転数が１００ｒｐｍ（比較例１）の場合は接合が達成されていないが、１５０ｒｐｍ以上の回転数では欠陥の無い接合部が形成されている。当該結果より、低回転速度領域においても摩擦圧接が可能であることが分かる。なお、被接合材の直径が１０ｍｍであることから、接合中の最高摺動速度は１００ｒｐｍの場合は５２ｍｍ／秒、１５０ｒｐｍの場合は７８ｍｍ／秒となる。

【0090】

図３に示されるように、回転数が３００ｒｐｍ以下の領域で接合中の最高到達温度がＳ４５ＣのＡ₁点以下となっていることが分かる。なお、接合中の最高摺動速度は３００ｒｐｍの場合は１５６ｍｍ／秒となる。

【0091】

また、一般的な摩擦接合においては、摩擦圧力の増加に伴い接合中の最高到達温度が上昇するが、実施例５と実施例６を比較すると、摩擦圧力が大きい実施例６の方が低い最高到達温度となっている。これは、本発明の摩擦接合が従来の摩擦接合と異なる接合原理を用いており、加工発熱を利用した接合法である（摩擦発熱のみを用いた接合法ではない）ことを示唆している。なお、実施例１〜実施例６においては、アプセット圧力の印加後に接合温度の上昇が認められた。

【0092】

実施接合継手７及び比較接合継手３の接合界面近傍のビッカース硬度分布を図６に示す。図６は接合界面を中心とし、継手の長手方向にビッカース硬度を測定した結果である。実施接合継手７においては、マルテンサイトが形成された場合に生じる大幅な硬度上昇が認められない。中心部（接合界面）において５０ＨＶ程度硬度が上昇しているが、当該硬度上昇は微細等軸粒の形成によるものである。加えて、従来の摩擦圧接継手において形成されるような顕著な熱影響部（ＨＡＺ）は認められない。一方で、比較接合継手３においては、接合界面近傍でマルテンサイトの形成に起因する顕著な硬度上昇が認められることに加え、熱影響部（ＨＡＺ）の硬度は実施接合継手７よりも低くなっている。なお、ビッカース硬度測定は荷重：０．１ｋｇｆ、荷重負荷時間：１５ｓの条件で行った。

【0093】

実施接合継手７及び比較接合継手３の接合中心部の走査電子顕微鏡写真を図７及び図８にそれぞれ示す。実施接合継手７では粒径約２μｍ以下の球状化セメンタイトと等軸微細フェライトからなる組織となっているが、比較接合継手３ではレンズマルテンサイトが形成している。

【0094】

実施接合継手７及び実施接合継手８の概観写真を図９に示す。摩擦圧接中に被接合界面近傍に液体ＣＯ₂を用いた外部冷却を施した実施接合継手８ではテンパーカラーを有する領域が減少しており、外部冷却による被接合材外周部接合温度の低下が確認できる。

【0095】

比較例４〜比較例１１における接合温度を図１０に示す。なお、接合温度は放射式温度計を用いて接合部表面の温度を測定した。２０００ｒｐｍ〜６０００ｒｐｍの範囲においては、回転数の低下に伴って接合温度が低下しており、主として摩擦熱によって発熱していることが分かる。これに対し、１５００ｒｐｍにおける接合温度は２０００ｒｐｍにおける接合温度よりも高く、摩擦熱と加工発熱が重畳した結果であると考えられる（本発明における加工発熱は当該現象で確認される発熱の増加分を意味する）。なお、１５００ｒｐｍを用いた接合（比較例１０）は本発明の実施例とはなっていないが、上述のＪＩＳ Ｚ ３６０７で規定されている周速と比較すると大幅に小さな回転速度を用いており、従来公知の摩擦圧接方法では加工発熱が活用されていないことが分かる。

【符号の説明】

【0096】

２，４・・・被接合材、
６・・・軟化領域、
８・・・バリ、
１０・・・接合部、
１２・・・接合界面。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】