特許 6561481 鉄鋼材料の接合方法

(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】6561481

(24)【登録日】2019年8月2日

(45)【発行日】2019年8月21日

(54)【発明の名称】鉄鋼材料の接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/00 20060101AFI20190808BHJP

   B23K 20/16 20060101ALI20190808BHJP

   B23K 20/24 20060101ALI20190808BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/00 310G

   B23K20/16

   B23K20/24

【請求項の数】3

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-18196(P2015-18196)

(22)【出願日】2015年2月2日

(65)【公開番号】特開2016-140883(P2016-140883A)

(43)【公開日】2016年8月8日

【審査請求日】2018年2月1日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成２６年９月８日公開 ＶＳＢ−Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｃｉｔｙ ｏｆ Ｏｓｔｒａｖａ発行 「６ｔｈ ＮＥＷ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＤＡＭＡＧＥ ＡＮＤ ＦＡＩＬＵＲＥ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＯＦ ＳＴＲＵＣＴＵＲＡＬ ＰＡＲＴＳ」 平成２６年９月８日〜１１日開催 ＶＳＢ−Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｃｉｔｙ ｏｆ Ｏｓｔｒａｖａ主催 「６ｔｈ ＮＥＷ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＤＡＭＡＧＥ ＡＮＤ ＦＡＩＬＵＲＥ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＯＦ ＳＴＲＵＣＴＵＲＡＬ ＰＡＲＴＳ」

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）経済産業省関東経済産業局、平成２６年度、戦略的基盤技術高度化支援事業「ＳＵＳ３０４超塑性効果を利用したナノ精度マイクロ部品の加工技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504145364

【氏名又は名称】国立大学法人群馬大学

(73)【特許権者】

【識別番号】592189206

【氏名又は名称】株式会社小松精機工作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000925

【氏名又は名称】特許業務法人信友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小山 真司

(72)【発明者】

【氏名】常藤 達礼

(72)【発明者】

【氏名】白鳥 智美

【審査官】 岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−２２３６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０９５５３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２００９３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／０２７３５４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０１１４４２３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２０／００

Ｂ２３Ｋ ２０／１６

Ｂ２３Ｋ ２０／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の鉄鋼材料を接合する方法であって、
各前記鉄鋼材料の接合部を含む表面を、有機酸溶液中において煮沸する、又は、有機酸を含む蒸気に曝露して、前記表面に有機酸塩被膜を形成する有機酸処理工程と、
煮沸又は曝露されて前記有機酸塩被膜が形成された状態の前記鉄鋼材料の前記接合部の表面同士を突き合わせて、加熱及び加圧して接合する接合工程を含む
鉄鋼材料の接合方法。

【請求項2】

前記有機酸処理工程の後であり、かつ、前記接合工程の前に、前記鉄鋼材料の前記接合部の表面を洗浄する工程をさらに含む請求項１に記載の鉄鋼材料の接合方法。

【請求項3】

前記有機酸として、ギ酸、酢酸、クエン酸のいずれかを使用する、請求項１又は請求項２に記載の鉄鋼材料の接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鉄鋼材料の接合方法に係わる。

【背景技術】

【0002】

従来、ステンレス鋼は、ろう付により接合されていた。
ステンレス鋼のろう付では、一般に、Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉ及びＡｕを主成分とするろう材が用いられる。これらの融点は約８００℃以上と高温であり、ろう材を溶融させて接合するため、位置決め精度に問題があり、適用範囲にも制限がある。また、ろう付にはフラックスが用いられるが、フラックス残渣による、ろう付部の腐食の問題が指摘されており、撤廃が望まれている。さらに、ろう材とステンレス鋼材との間で金属間化合物（脆性的な性質を有する）を形成して、接合部が脆化する。

【0003】

また、ステンレス鋼の他の接合方法として、レーザ溶接、摩擦撹拌接合、固相拡散接合も提案されている。
しかしながら、これらの接合方法は、以下に述べる問題がある。
レーザ溶接：薄板では変形を生じることがあり、厚板ではポロシティや割れを生じることがあり、種々の溶接欠陥が発生する場合がある。
摩擦撹拌接合：ステンレス鋼が塑性流動を生じる温度域が１０００℃を超えるため、このような高温に耐えうる攪拌用ツール材料の開発が必要になり、また、製造コストが増大するので、摩擦撹拌接合法を適用することが難しくなっている。また、他の接合法とも共通するが、微小部の精密な接合には適していない。
固相拡散接合：ステンレス鋼を大気中に曝すと、接合阻害因子である不動態皮膜が形成される。強度の高い接合部を得るには、接合圧力及び接合温度を上昇させることで不動態皮膜を機械的に破壊しなければならず、おのずと接合時のエネルギー増大と接合体の変形量の増加が生じてしまう問題点がある。

【0004】

また、金属材料の固相拡散接合を行う前に、金属材料の接合面を有機酸から成る除去液で処理して、接合面の表面の酸化皮膜を除去することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００６−３３４６５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、ステンレス鋼等の鉄鋼材料においては、特許文献１のように表面を有機酸で処理しただけで固相拡散接合を行うと、十分な接合強度が得られない。

【0007】

上述した問題の解決のために、本発明においては、接合時の変形を抑制することができ、高い位置精度を保つことが可能である鉄鋼材料の接合方法を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の鉄鋼材料の接合方法は、複数の鉄鋼材料を接合する方法であって、各鉄鋼材料の接合部を含む表面を、有機酸溶液中において煮沸する、又は、有機酸を含む蒸気に曝露して、表面に有機酸塩被膜を形成する有機酸処理工程と、煮沸又は曝露されて有機酸塩被膜が形成された状態の鉄鋼材料の接合部の表面同士を突き合わせて、加熱及び加圧して接合する接合工程を含むものである。

【0009】

上記本発明の鉄鋼材料の接合方法において、有機酸処理工程の後であり、かつ、接合工程の前に、鉄鋼材料の接合部の表面を洗浄する工程をさらに含む構成とすることができる。

【発明の効果】

【0010】

上述の本発明によれば、従来よりも低い接合温度で、高い接合強度を得ることができる。
これにより、接合温度を低くして、加熱に必要なエネルギーを低減し、接合時の変形量を低減することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施の形態の鉄鋼材料の接合方法の手順のフローチャートである。

【図2】実験で使用したステンレス鋼から成る板材の斜視図である。

【図3】実験における接合状態を示す斜視図である。

【図4】ギ酸中での処理時間とピール強度の関係を示す図である。

【図5】クエン酸中での処理時間とピール強度の関係を示す図である。

【図6】ギ酸処理及びクエン酸処理における接合温度とピール強度の関係を示す図である。

【図7】ピール試験後の破面を走査型電子顕微鏡によって観察した写真である。

【図8】赤外分光法による測定から得られた吸光度のスペクトルを比較した図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）について説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．本発明の概要
２．実施の形態
３．実施例

【0013】

＜１．本発明の概要＞
まず、本発明の概要について説明する。
本発明の鉄鋼材料の接合方法は、複数の鉄鋼材料を接合する方法である。
そして、本発明では、各鉄鋼材料の接合部を含む表面を、有機酸溶液中において煮沸する、又は、有機酸を含む蒸気に曝露する有機酸処理工程と、煮沸又は曝露された鉄鋼材料の接合部の表面同士を突き合わせて、加熱及び加圧して接合する接合工程を含む。

【0014】

本発明において、有機酸処理工程の後であり、かつ、接合工程の前に、鉄鋼材料の接合部の表面を洗浄する工程をさらに含む構成、とすることができる。

【0015】

本発明において、鉄鋼材料としては、普通鋼、ステンレス鋼等、各種の鉄鋼材料を使用することができる。例えば、合金組成が１３Ｃｒ，１８Ｃｒ，１８Ｃｒ−８Ｎｉのステンレス鋼等、各種のステンレス鋼を使用することができる。
接合する複数の鉄鋼材料は、鉄鋼材料の範囲内であれば、同一材料であっても、異なる材料であってもよい。このうち、異なる材料の組合せとしては、例えば、構成元素が異なる鉄鋼材料、組成が異なる鉄鋼材料、等が挙げられる。

【0016】

本発明において、有機酸としては、各種の有機酸を使用することができる。
例えば、ギ酸、酢酸、クエン酸から選ばれる１種以上を使用することができる。

【0017】

接合したい鉄鋼材料を有機酸中において煮沸する、又は、有機酸を含む蒸気に曝露することで、接合表面に有機酸塩を生成させる。そして、接合面をつき合わせて、接合部に対して垂直方向の加圧及び接合部近傍の加熱を行って接合する。これにより、鉄鋼材料の接合体を形成することができる。
本発明により形成された接合体は、有機酸塩を生成させなかった場合に比べ約３倍の接合強度を有する接合体が形成できる。さらに有機酸としては、低温で分解する有機酸塩を生成するものから選択することができる。

【0018】

鉄鋼材料の接合部の表面に形成されている有機酸塩被膜は、加熱及び加圧して鉄鋼材料を接合する接合工程において、熱分解反応を生じて、鉄鋼材料の鉄等の金属の原子面が露出するので、原子面同士の密着性が向上し、鉄鋼材料同士の金属的接触領域を増加させて、高い接合強度を得ることができる。

【0019】

上述したように、本発明によれば、従来よりも低い接合温度で、十分に高い接合強度が得られるので、低温かつ固相状態での接合が可能になる。
そして、接合温度と同様の観点から、接合の際の圧力を低くしても、十分に高い接合強度を得ることが可能になる。
これにより、低圧力で固相状態での接合が可能になり、従来用いられてきた種々の接合法と比較して、接合の際の変形量を低減することができる。また、ろう材等の挿入物がない直接接合であるため、高い位置精度を保つことができ、溶接では困難であった複雑な形状あるいは微小部の接合も可能になる。
また、低温かつ低圧力で接合が可能になるため、接合装置の構成を簡略化することや、加熱に必要なエネルギーを低減して、エネルギー効率を向上することができる。例えば、消費電力や加熱用の燃料、接合に要する時間等を低減することが可能になる。

【0020】

＜２．実施の形態＞
本発明の一実施の形態の鉄鋼材料の接合方法の手順のフローチャートを、図１に示す。
図１に示すように、まず、ステップＳ１１において、各鉄鋼材料の接合部を含む表面を、有機酸溶液中で煮沸、或いは、有機酸を含む蒸気に曝露する。
これにより、鉄鋼材料の接合部の表面に、有機酸塩被膜が形成される。

【0021】

鉄鋼材料としては、普通鋼、ステンレス鋼等、各種の鉄鋼材料を使用することができる。
有機酸としては、ギ酸、クエン酸や、その他の有機酸を使用することができる。有機酸溶液用の溶媒としては、水や各種の極性溶媒を使用することが可能である。

【0022】

次に、ステップＳ１２において、接合部の表面に有機酸塩被膜が形成された２つの鉄鋼材料を、加熱及び加圧して接合する。
これにより、表面汚染層が除去、或いは、有機酸塩に置換された状態で、加熱及び加圧するので、有機酸塩は熱分解反応を生じて分解されることから、第１の金属部材の金属原子の原子面が露出して不動態皮膜が無くなることで原子の拡散が促進され、接合部の鉄鋼材料の再結晶化が進むことで接合強度を増大させることができる。高い接合強度が得られるので、従来よりも低い温度及び低い変形量で高い接合強度を得ることが可能になる。
即ち、表面に有機酸塩被膜が形成されていない鉄鋼材料同士を接合した、従来の接合方法と比較して、接合の際の加熱の温度及び加圧力を低くすることが可能になる。

【0023】

上述の本実施の形態によれば、高い接合強度が得られるので、低い温度で高い接合強度を得ることができ、有機酸による処理工程を行わない従来の場合と比較して、接合の際の加熱の温度を低くすることが可能になる。即ち、低温で固相状態での接合が可能になる。
そして、接合の際の圧力を低くしても十分に高い接合強度を得ることができ、低圧力で固相状態での接合が可能になることから、接合の際の変形量を低減することができるので、接合の位置精度を向上することができる。また、接合の位置精度が向上することにより、高い位置精度を保つことができ、溶接では困難であった複雑な形状や微小部の接合も可能になる。
さらに、低温かつ低圧力で接合が可能になるため、エネルギー効率を向上することができる。例えば、消費電力や加熱用の燃料、接合に要する時間等を低減することが可能になる。

【0024】

なお、ステップＳ１１とステップＳ１２の間に、ステップＳ１１で有機酸処理を行った鉄鋼材料の接合部の表面を、洗浄するステップを設けても良い。

【0025】

＜３．実施例＞
次に、実際に、本発明によって鉄鋼材料の接合を行い、特性を調べた。

【0026】

（実験１）ギ酸処理
接合素材として、図２に斜視図を示すような、それぞれＳＵＳ３０４ステンレス鋼から成る、ブロック状板材（１０ｍｍ×１５ｍｍ×５ｍｍ）、及び、リボン状ロール板材（５ｍｍ×１００ｍｍ×０．１７ｍｍ）を用意した。
そして、ブロック状板材の接合面をエメリー紙による機械研磨により仕上げ、リボン状ロール板材の接合面をバフ研磨により仕上げた。
ブロック状板材の組成は下記表１の通りであり、リボン状ロール板材の組成は下記表２の通りである。

【0027】

【表1】

【表2】

【0028】

以下の作製方法により、継手の試料を作製した。
まず、各板材をアセトン中で超音波洗浄して脱脂を行った。
次に、各板材を５０％ギ酸水溶液中で７〜１５分の範囲内の所定時間煮沸した。
その後、蒸留水で１０秒間洗浄した。
このようにして、接合用の試験片を準備した。

【0029】

次に、図３の斜視図に示すように、ブロック状板材の上にリボン状ロール板材を当接させて、加熱及び加圧することにより、接合した。
そして、窒素ガス置換中（５Ｌ／分）において、接合荷重１４７Ｎ、接合時間１．８ｋｓで一定とし、継手を作製した。

【0030】

（ピール強度の測定）
接合により得られた継手に対して、ピール試験（クロスヘッド速度：０．１７ｍｍ／秒）によりピール強度を測定した。

【0031】

（最適処理時間の検討）
ギ酸処理の最適処理時間の検討を行った。
ギ酸処理の時間を０．４２ｋｓ（７分）、０．６６ｋｓ（１１分）、０．９ｋｓ（１５分）と変えて、それぞれ接合用の試験片を作製した。
また、比較対照として、ギ酸処理を行っていない試験片も用意した。
そして、接合温度を１０７３Ｋ（７５０℃）として、ギ酸処理時間を変えた試験片で接合を行い、継手を作製した。
接合して得られた継手に対してピール強度の測定を行った。
ギ酸水溶液中での処理時間ｔ_ｍとピール強度Ｆの関係を、図４に示す。なお、図４には、ギ酸処理をしていない比較対照の試料（as polished）の強度も示している。

【0032】

図４より、０．６６ｋｓ（１１分）処理した試料が最もピール強度が大きくなり、処理時間が０．９ｋｓ（１５分）に増えると、ピール強度が低下することがわかる。
処理時間が増えると引張強さが低下するのは、処理時間が長くなることにより有機酸塩が過剰に生成し、有機酸塩が分解してガスが発生することにより接合面に空孔が多く発生するためと推測される。
そして、処理時間を０．６６ｋｓ（１１分）と最適化することにより、無処理の場合の約３倍のピール強度が得られることがわかる。

【0033】

（実験２）クエン酸処理
接合素材として、実験１と同様に、ブロック状板材及びリボン状ロール板材を用意して、各板材を研磨により仕上げた。
そして、以下の作製方法により、継手の試料を作製した。
まず、各板材をアセトン中で超音波洗浄して脱脂を行った。
次に、各板材をクエン酸溶液で５〜１４分の範囲内の所定時間煮沸した。
その後、蒸留水で１０秒間洗浄した。
このようにして、接合用の試験片を準備した。

【0034】

次に、実験１と同様に、ブロック状板材の上にリボン状ロール板材を当接させて、加熱及び加圧することにより、接合した。
そして、窒素ガス置換中（５Ｌ／分）において、接合荷重１４７Ｎ、接合時間１．８ｋｓで一定とし、継手を作製した。
接合により得られた継手に対して、ピール試験（クロスヘッド速度：０．１７ｍｍ／秒）によりピール強度を測定した。

【0035】

（最適処理時間の検討）
クエン酸処理の最適処理時間の検討を行った。
クエン酸処理の時間を０．３０ｋｓ（５分）、０．４８ｋｓ（８分）、０．６６ｋｓ（１１分）、０．８４ｋｓ（１４分）と変えて、それぞれ接合用の試験片を作製した。
そして、接合温度を１０７３Ｋ（７５０℃）として、クエン酸処理時間を変えた試験片で接合を行い、継手を作製した。
接合して得られた継手に対してピール強度の測定を行った。
クエン酸溶液中での処理時間ｔ_ｍとピール強度Ｆの関係を、図５に示す。なお、図５には、図４と同じ比較対照の試料（as polished）の強度も示している。

【0036】

図５より、０．６６ｋｓ（１１分）処理した試料が最もピール強度が大きくなり、処理時間が０．８４ｋｓ（１４分）に増えると、ピール強度が低下することがわかる。
そして、処理時間を０．６６ｋｓ（１１分）と最適化することにより、無処理の場合の約３倍強のピール強度が得られることがわかる。

【0037】

（実験３）接合温度とピール強度の関係
次に、接合温度とピール強度の関係を調べた。

【0038】

実験１や実験２と同様の方法により、それぞれ最適処理時間（１１分）で処理を行った、ギ酸処理済みのブロック状板材及びリボン状ロール板材と、クエン酸処理済みのブロック状板材及びリボン状板材を、それぞれ多数用意した。

【0039】

そして、実験１や実験２と同様にして、ギ酸処理済み及びクエン酸処理済みの板材について、それぞれ接合温度を変えて、各接合温度で接合した継手の試料を作製した。
また、比較対照として、有機酸処理を行わず、研磨仕上げ後にそのまま接合した場合についても、接合温度を変えて、各接合温度で接合した継手の試料を作製した。
接合温度は、１０２３Ｋ（７５０℃）、１０７３Ｋ（８００℃）、１１２３Ｋ（８５０℃）の３通りとした。

【0040】

作製した継手の試料に対して、ピール試験機にてピール強度の測定を行った。
ギ酸処理を行った場合（ＦＡ）、クエン酸処理を行った場合（ＣＡ）、研磨仕上げ後にそのまま接合した場合（as polished）の、それぞれの場合における接合温度Ｔとピール強度Ｆの関係を、図６に示す。

【0041】

図６より、有機酸処理を行って有機酸塩被膜を付与することで、付与しなかった場合に比べて、約３倍のピール強度を有する接続部が形成できることがわかった。

【0042】

また、クエン酸処理を行った場合と、研磨仕上げ後にそのまま接合した場合について、ピール試験後の破面を走査型電子顕微鏡により観察した写真を、図７に示す。図７の上段はそのまま接合した場合の試料の写真であり、図７の下段はクエン酸処理を行った場合の試料の写真である。

【0043】

図７より、有機酸塩被膜を付与しなかった場合は、接合温度Ｔの上昇とともに未密着部と考えられる領域が減少する傾向が認められるものの、ほとんどの領域では脆性的な破壊を生じていた。
一方、接合前に有機酸処理を行って有機酸塩被膜を付与した場合には、より低い接合温度から未密着部が減少し、接合相手材が付着したと考えられる凹凸を有した破断形態を示す領域が観察されるようになった。特に、接合温度１１２３Ｋ（７５０℃）においては、破面にディンプルを含む延性的な破断形態が認められるようになった。このような破断形態の変化は、ギ酸を用いた有機酸塩被膜付与を実施した場合にも認められた。

【0044】

（実験４）有機酸処理後の生成物の解析
ＳＵＳ３０４ステンレス鋼から成る部材において、ギ酸処理を行った部材と、ギ酸処理を行わず研磨したままの部材を用意して、それぞれの部材について赤外分光法による測定を行い、吸光度のスペクトルを求めた。
得られた吸光度のスペクトルを、図８に示す。

【0045】

図８より、ギ酸処理を行った部材では、１３５０ｃｍ^−１と１６５０ｃｍ^−１のピークが認められた。
これらのピークから、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼中のニッケルが、ギ酸と反応して、ニッケルのギ酸塩、即ち、ギ酸ニッケル（II）Ｎｉ（ＨＣＯＯ）_２が生成していることがわかる。
このギ酸ニッケル（II）は、４０３Ｋ近傍で熱分解して、水素と二酸化炭素を発生して金属ニッケルとなる。
従って、ギ酸処理を行ったＳＵＳステンレス鋼を、加熱及び加圧して接合すると、熱分解により発生したガスが接合中に気化してニッケルの金属面が露出し、ニッケル金属同士の密着化が達成され、自己拡散が進行すると考えられる。

【0046】

なお、赤外分光法による測定の結果、ニッケルだけでなく、鉄やクロムにも、同様に有機酸処理による有機酸塩被膜の効果が確認された。
従って、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼のようなニッケルを合金の主要成分とするステンレス鋼に限らず、ニッケルを合金の主要成分としないステンレス鋼や、普通鋼においても、本発明を適用して、有機酸塩被膜の生成による効果を得ることができると考えられる。

【0047】

本発明は、上述の実施の形態や実験の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】