(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-07
(45)【発行日】2024-10-16
(54)【発明の名称】摩擦攪拌接合継手
(51)【国際特許分類】
B23K 20/12 20060101AFI20241008BHJP
C22C 38/00 20060101ALI20241008BHJP
C22C 38/60 20060101ALI20241008BHJP
【FI】
B23K20/12 360
C22C38/00 301B
C22C38/60
(21)【出願番号】P 2024544855
(86)(22)【出願日】2024-05-27
(86)【国際出願番号】 JP2024019446
【審査請求日】2024-07-26
(31)【優先権主張番号】P 2023121096
(32)【優先日】2023-07-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000001258
【氏名又は名称】JFEスチール株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100165696
【氏名又は名称】川原 敬祐
(74)【代理人】
【識別番号】100179589
【氏名又は名称】酒匂 健吾
(72)【発明者】
【氏名】谷口 公一
(72)【発明者】
【氏名】冨田 海
【審査官】柏原 郁昭
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第2023/100420(WO,A1)
【文献】特開2015-57292(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2011/0240372(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B23K 20/12
C22C 38/00
C22C 38/60
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
2以上の母材と、前記母材同士の接合部とを有する、摩擦攪拌接合継手であって、
前記母材のフェライトの面積率および前記接合部のフェライトの面積率がいずれも80%以上であり、
次式(1)の関係を満足する、摩擦攪拌接合継手。
Dw/Dm≦10.0 ・・・(1)
ここで、
Dw:接合部の平均転位密度(/m
2)
Dm:母材の平均転位密度(/m
2)
である。
【請求項2】
前記母材の成分組成が、質量%で、C:0.1%以下、Si:2.0~8.0%、Al:2.0%以下およびMn:1.0%以下である、請求項1に記載の摩擦攪拌接合継手。
【請求項3】
前記接合部の平均転位密度が1.0×10
16/m
2以下である、請求項1または2に記載の摩擦攪拌接合継手。
【請求項4】
両面摩擦攪拌接合継手である、請求項1または2に記載の摩擦攪拌接合継手。
【請求項5】
両面摩擦攪拌接合継手である、請求項3に記載の摩擦攪拌接合継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、摩擦攪拌接合継手に関する。
【背景技術】
【0002】
摩擦攪拌接合、例えば、両面摩擦攪拌接合では、以下のようにして、被接合材を接合する。すなわち、一対の回転ツールを、少なくとも2枚以上の金属板を有する被接合材の表面側と裏面側に配置する。そして、回転ツールを被接合材の表面および裏面にそれぞれ押圧し、回転ツールを回転させながら接合方向に移動する。これにより、回転ツールと被接合材との摩擦熱で金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を回転ツールで攪拌する。そして、被接合材の接合部となる領域で塑性流動を生じさせ、被接合材を接合する。以下、被接合材を突合わせた、または、重ね合わせた部分で未だ接合されていない状態にある領域を「未接合部」と称し、接合されて一体化された領域を「接合部」と称する。
【0003】
このような摩擦攪拌接合に関する技術として、例えば、特許文献1には、
「2枚の鋼板を突き合わせて、あるいは重ね合わせて、摩擦攪拌接合するにあたり、該摩擦攪拌接合において回転するツールの回転速度Rを5回/分超かつ5000回/分未満とし、前記ツールの進行方向の前側縁部に接触する前記鋼板の前縁温度Tを25℃以上とし、前記ツールのショルダー径Dを8~40mmとし、前記ツールの進行に伴う接合速度Vを0.1~5m/分として前記摩擦攪拌接合を行なうことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。」
が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1などの従来の摩擦攪拌接合方法において、フェライト主体の金属組織を有する鋼板(以下、フェライト主体の鋼板ともいう)を被接合材として使用する場合には、十分な継手効率が得られなかった。そのため、この点の改善が望まれているのが現状である。
【0006】
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたものであって、フェライト主体の鋼板を被接合材とし(換言すれば、フェライト主体の金属組織となる母材を有し)、かつ、優れた継手効率を有する、摩擦攪拌接合継手を提供することを目的とする。なお、本明細書において、「~」を用いて表す数値範囲はいずれも、「~」の前後に記載される数値をそれぞれ下限値および上限値として含む範囲を意味する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく、鋭意検討を重ねた。まず、発明者らは、従来の摩擦攪拌接合方法において、フェライト主体の鋼板を被接合材とする摩擦攪拌接合継手で優れた継手効率が得られない原因を調査した。具体的には、発明者らは、種々の材料を被接合材に使用して種々の条件で摩擦攪拌接合を行い、得られた摩擦攪拌接合継手について、引張試験および電子線後方散乱回折測定(以下、EBSD測定ともいう)による解析を行った。
【0008】
その結果、発明者らは、以下の知見を得た。すなわち、摩擦攪拌接合時に接合部の金属組織に導入される微視的な転位によって、摩擦攪拌接合継手の接合部の延性が微視的に低下する。この微視的な延性の低下が原因となって、接合部での破断が生じ易くなる、換言すれば、継手効率の低下を招く。
【0009】
上記の理由について、発明者らは、次のように考えている。すなわち、フェライト主体の金属組織では、通常、硬さ分布は大きくは変化しない。しかしながら、フェライト主体の金属組織に微視的に延性が低い領域が存在する場合、当該領域の延性不足によって破断が生じる。そして、この微視的な延性の低下は、熱処理や加工等によって導入された接合部での微視的な転位の増加が大きく寄与している。また、マクロには、接合部と母材とのミスマッチも影響する。
【0010】
また、発明者らは、上記の知見および摩擦攪拌接合継手の接合部のフェライト粒は微細であることから、接合部における上記の微視的な転位の導入量は、マトリクスの平均的な特性と相関があるのではないかと考えた。この考えに基づき、発明者らは、接合部への微視的な転位の導入量を定量化すべく、さらに検討を重ねた。その結果、発明者らは、接合部の平均転位密度が母材の平均転位密度に比べて一定以上大きくなる場合に、摩擦攪拌接合継手の接合部の延性が低下し、継手効率の低下を招くことを知見した。
【0011】
そして、上記の知見に基づき、発明者らは、さらに検討を重ね、以下の知見を得た。すなわち、母材の平均転位密度に対する接合部の平均転位密度の比を適切に制御することにより、フェライト主体の鋼板を被接合材とする場合であっても、優れた継手効率を有する、摩擦攪拌接合継手が得られる。
本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。
【0012】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
1.2以上の母材と、前記母材同士の接合部とを有する、摩擦攪拌接合継手であって、
前記母材のフェライトの面積率および前記接合部のフェライトの面積率がいずれも80%以上であり、
次式(1)の関係を満足する、摩擦攪拌接合継手。
Dw/Dm≦10.0 ・・・(1)
ここで、
Dw:接合部の平均転位密度(/m2)
Dm:母材の平均転位密度(/m2)
である。
【0013】
2.前記母材の成分組成が、質量%で、C:0.1%以下、Si:2.0~8.0%、Al:2.0%以下およびMn:1.0%以下である、前記1に記載の摩擦攪拌接合継手。
【0014】
3.前記接合部の平均転位密度が1.0×1016/m2以下である、前記1または2に記載の摩擦攪拌接合継手。
【0015】
4.両面摩擦攪拌接合継手である、前記1~3のいずれかに記載の摩擦攪拌接合継手。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、フェライト主体の鋼板を被接合材とし、かつ、優れた継手効率を有する、摩擦攪拌接合継手が得られる。また、本発明の摩擦攪拌接合継手は、製造性の面でも有利である。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【
図1】EBSD測定により得られる母材および接合部でのKAM図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
本発明を、以下の実施形態に基づき説明する。まず、本発明の一実施形態に従う摩擦攪拌接合継手について、説明する。
【0019】
上述したように、本発明の一実施形態に従う摩擦攪拌接継手は、2以上の母材と、母材同士の接合部(母材同士を接合する接合部)とを有するものである。
【0020】
[母材]
母材は、フェライト主体の金属組織、具体的には、フェライトの面積率が80%以上の金属組織を有する。なお、各母材は、被接合材とする各鋼板によって構成される。
【0021】
母材のフェライトの面積率は、80%以上、好ましくは90%以上である。母材のフェライトの面積率は、100%であってもよい。また、母材のフェライト以外の残部組織の面積率は20%以下であり、好ましくは10%以下、より好ましくは5%以下である。フェライト以外の残部組織としては、例えば、ベイナイト、マルテンサイト、硫化物、窒化物や炭化物などを例示できる。母材の残部組織の面積率は0%であってもよい。
【0022】
母材のフェライトの面積率は、以下のようにして測定する。すなわち、母材から試験片を採取する。ついで、試験片の観察面を研磨後、3vol.%ナイタール(硝酸とエタノールの溶液)でエッチングし、組織を現出させる。ついで、光学顕微鏡により、倍率:40~500倍で撮影する。観察領域の合計面積は、50μm四方(50μm×50μm)以上とすることが好ましい。ついで、得られた組織画像から、Adobe Systems社のAdobe Photoshopを用いて、フェライトの面積を算出する。ついで、視野ごとに算出したフェライトの面積を観察領域の合計面積で除し、100を乗じた値を、フェライトの面積率とする。なお、EBSD測定により、フェライトの面積率を求めることもできる。
【0023】
また、母材の成分組成は、質量%で、C:0.1%以下、Si:2.0~8.0%、Al:2.0%以下およびMn:1.0%以下であり、残部がFeおよび不可避的不純物である成分組成を例示できる。不可避的不純物は、例えば、P:0.2%以下、S:0.01%以下、および、N:0.01%以下である。上記の成分組成には、質量%で、任意に、Cr:1%以下、Ni:1%以下、Cu:1%以下、Sn:0.2%以下、Sb:0.2%以下、Ca:0.01%以下、REM:0.05%以下およびMg:0.01%以下からなる群から選ばれる少なくとも1つを含有させることができる。なお、SiおよびFe以外の元素はいずれも0質量%であってもよい。Si含有量は、より好ましくは5.0質量%以下である。C含有量は、より好ましくは0.001質量%以上である。Mn含有量およびAl含有量はそれぞれ、より好ましくは0.01質量%以上である。さらに、1の母材の厚さは、0.2~3.2mmが好適である。
【0024】
なお、1の接合部で接合される母材の数は、2以上であればよい。1の接合部で接合される母材の数は、例えば、2であっても、3~5であってもよい。また、1の接合部で接合される母材について、フェライト主体の鋼板であれば、鋼種や厚さは、互いに同じあってもよいし、互いに異なっていてもよい。
【0025】
[接合部]
接合部は、回転ツールと被接合材との摩擦熱と塑性流動による熱間加工を受けて再結晶組織となった領域である。接合部も、フェライト主体の金属組織、具体的には、フェライトの面積率が80%以上の金属組織を有する。
【0026】
接合部のフェライトの面積率は、80%以上、好ましくは90%以上である。接合部のフェライトの面積率は、100%であってもよい。また、接合部のフェライト以外の残部組織の面積率は20%以下であり、好ましくは10%以下、より好ましくは5%以下である。フェライト以外の残部組織としては、例えば、マルテンサイト、硫化物、窒化物や炭化物などを例示できる。接合部の残部組織の面積率は0%であってもよい。
【0027】
接合部のフェライトの面積率は、例えば、以下のようにして測定する。すなわち、摩擦攪拌接継手を、継手断面(摩擦攪拌接継手の接合垂直方向と厚さ方向とが含まれる面、ここで接合垂直方向は、接合方向と厚さ方向の両方に垂直な方向である)が切断面となるように、厚さ(鉛直)方向に切断する。ついで、接合部の継手断面が観察面となるように、試験片を切り出す。ついで、試験片の観察面を研磨後、3vol.%ナイタールでエッチングし、組織を現出させる。ついで、光学顕微鏡により、倍率:40~500倍で撮影する。観察領域の合計面積は、50μm四方(50μm×50μm)以上とすることが好ましい。ついで、得られた組織画像から、Adobe Systems社のAdobe Photoshopを用いて、フェライトの面積を算出する。ついで、視野ごとに算出したフェライトの面積を観察領域の合計面積で除し、100を乗じた値を、フェライトの面積率とする。なお、EBSD測定などにより、フェライトの面積率を求めることもできる。
【0028】
また、母材と接合部とは、例えば、以下のようにして画定することができる。すなわち、摩擦攪拌接継手を、継手断面が切断面となるように、厚さ(鉛直)方向に切断する。ついで、切断面を研磨し、3vol.%ナイタールでエッチングする。ついで、当該切断面を光学顕微鏡で観察し、エッチングの度合いなどから母材と接合部とを画定する。
【0029】
そして、本発明の一実施形態に従う摩擦攪拌接合継手では、接合部の平均転位密度と母材の平均転位密度の相対関係を適切に制御する、具体的には、母材の平均転位密度に対する接合部の平均転位密度の比について、次式(1)の関係を満足させることが重要である。
Dw/Dm≦10.0 ・・・(1)
ここで、
Dw:接合部の平均転位密度(/m2)
Dm:母材の平均転位密度(/m2)
である。
なお、母材によって平均転位密度が異なる場合、Dmは、接合部によって接合される母材の平均転位密度のうち、最小のものとする。
【0030】
上述したように、摩擦攪拌接合時に接合部の金属組織に導入される微視的な転位は、平均転位密度により定量化でき、接合部の平均転位密度と母材の平均転位密度の相対関係を上掲式(1)の関係を満足するように制御することにより、優れた継手効率が得られる。そのため、Dw/Dm≦10.0とする。好ましくはDw/Dm≦5.0、より好ましくはDw/Dm≦3.0である。なお、Dw/Dmの下限は特に限定されず、例えば、1.0≦Dw/Dmとすればよい。
【0031】
また、Dwは、例えば、1.0×1016/m2以下が好ましい。また、Dwは、1.0×1013/m2以上が好ましい。
【0032】
ここで、平均転位密度は、例えば、EBSD測定を行って、次式により求める。
D=2KAMave÷(u×|b|)
式中、
D:平均転移密度(/m
2)
KAMave:KAM値の平均値
u:測定間隔(m)
b:バーガースベクトル(m)
である。
例えば、摩擦攪拌接継手を、継手断面が切断面となるように、厚さ(鉛直)方向に切断し、母材および接合部の継手断面が観察面となるように、試験片を切り出す。ついで、EBSD測定を行い、母材および接合部の局所結晶方位データを得る。測定間隔(ステップサイズ)はそれぞれ、0.1~20μmが好ましい。また、測定領域はそれぞれ、50μm四方(50μm×50μm)以上が好ましい。ついで、局所結晶方位データの解析結果から、測定点ごとにKAM値(測定点とその隣接する全ての測定点間の方位差の平均値)を求め、母材および接合部においてそれぞれ、それらの平均値であるKAMaveを算出する。そして、母材および接合部の平均転位密度を求める。参考のため、
図1に、被接合材にフェライト主体の鋼板を使用し、常法に従う摩擦攪拌接合を行って得た摩擦攪拌接合継手について、EBSD測定により得た母材および接合部でのKAM図の一例を示す。
【0033】
摩擦攪拌接合継手は、片面摩擦攪拌接合継手であってもよいが、両面摩擦攪拌接合継手が好ましい。ここで、片面摩擦攪拌接合継手は、被接合材の片面に回転ツールを配置する片面摩擦攪拌接合により、被接合材が接合された継手である。すなわち、片面摩擦攪拌接合継手は、厚さ方向の一方の接合部表面にのみ、ビードを有するものである。また、両面摩擦攪拌接合継手は、被接合材の表面および裏面の両面に回転ツールを配置する両面摩擦攪拌接合により、被接合材が接合された継手である。すなわち、両面摩擦攪拌接合継手は、厚さ方向の両方の接合部表面に、ビードを有するものである。
【0034】
また、本発明の一実施形態に従う摩擦攪拌接合継手は、突合せ継手であっても、重ね継手であってもよい。
【0035】
さらに、本発明の一実施形態に従う摩擦攪拌接合継手は、上記の母材に、さらに別の接合部を介して、別の母材が接合されていてもよい。別の接合部の種類は、特に限定されない。
【0036】
また、本発明の一実施形態に従う摩擦攪拌接合継手は、例えば、以下のようにして製造することができる。
【0037】
まず、被接合材として、2枚以上のフェライト主体の鋼板、具体的にはフェライトの面積率が80%以上の金属組織を有する鋼板を準備する。ここで、被接合材は、接合後に母材を構成するものであり、金属組織や成分組成、厚さなどは、上記した母材と同様である。そのため、ここでは説明を省略する。
【0038】
ついで、被接合材を摩擦攪拌接合により、接合する。接合条件は特に限定されず、常法に従えばよい。
【0039】
接合方式としては、突合せ接合および重ね接合を例示できる。突合せ接合とは、被接合材の端面同士を対向させた状態で、被接合材の端面(突合せ面)を含む突合せ部に回転ツールを回転させながら押圧する。そして、その状態で、回転ツールを接合方向に移動させることにより、被接合材を接合するものである。重ね接合とは、被接合材の端部の少なくとも一部を重ね合せ、重ね合せ部に回転ツールを回転させながら押圧する。そして、その状態で、回転ツールを接合方向に移動させることにより、被接合材を接合するものである。
【0040】
ついで、上掲式(1)の関係を満足させるべく、上記のようにして得た摩擦攪拌接合継手に、以下の条件で後加熱を施す。
100~700℃の温度域での平均加熱速度(以下、加熱速度ともいう):30~300℃/秒
最高到達温度:710~1200℃
最高到達温度での保持時間(以下、保持時間ともいう):0.1~10秒
700~100℃の温度域での平均冷却速度(以下、冷却速度ともいう):30~300℃/秒
なお、ここでの温度はいずれも、摩擦攪拌接合継手の接合部の表面温度を基準とする。また、摩擦攪拌接合継手の接合部の両面において、加熱速度、保持時間および冷却速度を上記の範囲に制御することが好適である。
【0041】
また、後加熱の方式は特に限定されず、高周波誘導加熱、レーザ照射およびガス加熱など例示できる。また、炉加熱であってもよい。
【0042】
上記以外の条件については特に限定されず、常法に従えばよい。
【実施例】
【0043】
被接合材となる上記の好適成分組成(質量%で、C:0.1%以下、Si:2.0~8.0%、Al:2.0%以下およびMn:1.0%以下であり、一部については、さらに、Cr:1%以下、Ni:0.5%以下、Cu:0.5%以下、Sn:0.2%以下、Sb:0.2%以下、Ca:0.01%以下、REM:0.05%以下およびMg:0.01%以下からなる群から選ばれる少なくとも1つを含有し、残部がFeおよび不可避的不純物である成分組成)を有する、板厚:2.0mmの2枚の鋼板を突合せて、表1に示す条件で両面摩擦攪拌接合を行い、摩擦攪拌接合継手を得た。ついで、表1に示す条件で、摩擦攪拌接合継手に後加熱を施した。なお、明記していない条件などについては、上記の記載または常法に従うものとした。また、いずれも場合も、接合条件および後加熱条件は、両面ともほぼ同じであるため、表1では、一方のみを代表して記載している。
【0044】
かくして得られた摩擦攪拌接合継手について、上述の要領で、母材および接合部のフェライトの面積率、ならびに、Dw/Dmを求めた。結果を表1に併記する。なお、表1では、1の接合部で接合される母材のフェライトの面積率が互いに異なる場合には、フェライトの面積率が小さい方の値を代表して記載した。
【0045】
また、得られた摩擦攪拌接合継手について、継手効率の評価を行った。継手効率の評価では、継手効率(=接合部の破断強度/母材の破断強度×100)が90%超であるものを「優」、90%以下であるものを「不良」と評価した。結果を表1に併記する。
【0046】
ここで、接合部の破断強度は、以下のようにして測定した。すなわち、得られた摩擦攪拌接合継手から、接合方向および厚さ方向が試験片の長手方向と直角となり、かつ、接合部が平行部の中央に位置するように、JIS Z 3121(2013)に規定する1号試験片と同じ形状の試験片を採取した。ついで、採取した試験片を用いてJIS Z 3121(2013)に準拠した引張試験を行い、最大試験力(N)を求めた。そして、求めた最大試験力(N)を、試験片の平行部の断面積(mm2)で除した値を、接合部の破断強度とした。
【0047】
また、母材の破断強度は、母材(被接合材)の引張強さ(TS)ということもできる。すなわち、母材の破断強度は、JIS Z 2241(2022)に準拠した引張試験を行って測定すればよい。例えば、母材または母材と同じ材料からJIS5号試験片を採取する。ついで、採取した試験片を用いて、クロスヘッド速度:10mm/minの条件で引張試験を行い、引張強さ(TS)を測定する。なお、母材によって破断強度が異なる場合、継手効率の評価では、各母材の破断強度のうち、最大のものを使用する。
【0048】
【0049】
表1に示したように、発明例では、フェライト主体の鋼板を被接合材とし、かつ、優れた継手効率を有する、摩擦攪拌接合継手が得られた。一方、比較例では、十分な継手効率が得られなかった。
【0050】
また、別途作製した、種々のフェライト主体の鋼板(上記の好適成分組成を有し、厚さ:0.2~3.2mmの種々の鋼板)を被接合材とする突合せ継手および重ね継手の摩擦攪拌接合継手(すなわち、母材のフェライトの面積率および接合部のフェライトの面積率がいずれも80%以上である)においても、Dw/Dmが上掲式(1)を満足する場合には、上記と同様に、優れた継手効率が得られた。
【要約】
フェライト主体の鋼板を被接合材とし、かつ、優れた継手効率を有する、摩擦攪拌接合継手を提供する。母材の平均転位密度に対する接合部の平均転位密度の比を、適切に制御する。