阅读说明：本技术 摩擦搅拌接合工具 (Friction stir welding tool ) 是由 船平伸之 宫本卓弥 河原亮 宫胁章嘉 佐山满 茑佳佑 兵藤安正 于 2020-04-02 设计创作，主要内容包括：一种摩擦搅拌接合工具,其在铁基合金和铝合金的摩擦搅拌接合时,即使高硬度的凝聚物附着在前端部,也抑制缺损。作为具备小径部和与之连续地被形成的大径部的高速工具钢制的摩擦搅拌接合用工具,使硬度随着从小径部到大径部去而减小。另外,也可以使小径部的硬度按照洛氏硬度C刻度在65HRC以上,使大径部的硬度按照洛氏硬度C刻度在60HRC以下。(A friction stir welding tool which suppresses chipping even when a high-hardness aggregate adheres to a tip portion at the time of friction stir welding of an iron-based alloy and an aluminum alloy. A tool for friction stir welding made of high-speed tool steel having a small diameter portion and a large diameter portion formed continuously with the small diameter portion is configured such that the hardness decreases from the small diameter portion to the large diameter portion. The hardness of the small diameter portion may be set to 65HRC or more on the rockwell C scale, and the hardness of the large diameter portion may be set to 60HRC or less on the rockwell C scale.)

摩擦搅拌接合工具

技术领域

本发明涉及在通过由金属材料和旋转工具的摩擦力产生的摩擦热将金属材料彼此接合时使用的摩擦搅拌接合用途的工具(摩擦搅拌接合工具)。

背景技术

为了主要将相同的金属材料彼此接合，替代焊接等手段，作为通过将以高速旋转的棒状的工具***金属材料的接合部位来使金属材料暂时熔融的技术，有摩擦搅拌接合(Friction Stir Welding：FSW)。在此摩擦搅拌接合中使用的旋转工具(摩擦搅拌接合工具)到目前为止有各种各样的形态，另外，就材质而言，大多使用了比较硬质的材料，例如高速工具钢(高速钢)、镍基合金(例如，参照专利文献1及专利文献2)。

通常，若是铝合金彼此的摩擦搅拌接合，则即使是以SKD 61为代表的模具钢(合金钢)制的摩擦搅拌接合工具也能够使用。但是，在将铝合金和铁基合金的异种金属彼此接合的情况下，摩擦搅拌接合工具的材质需要考虑选定更高硬度的材质。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2002-96158号公报

专利文献2：国际公开WO2013/027474号小册子

发明内容

发明所要解决的课题

特别是，在接合金属的一方为铁基合金的情况下，在接合时附着在摩擦搅拌接合工具的前端的凝聚物与铝合金彼此接合的情况相比成为高硬度，根据接合条件不同也存在摩擦搅拌接合工具的前端早期磨损或缺损的情况。

因此，本发明以提供一种在铁基合金和铝合金的那样的异种金属材料彼此的摩擦搅拌接合时，即使高硬度的凝聚物附着在摩擦搅拌接合工具的前端部，也能够抑制早期的磨损、缺损的摩擦搅拌接合用的工具为课题。

为了解决课题的手段

本发明的摩擦搅拌接合工具是具备小径部和大径部的高速工具钢制的摩擦搅拌接合工具，做成了硬度从小径部到大径部越来越减小的结构。至于具体的硬度是，使小径部的硬度按照洛氏硬度C刻度在65HRC以上，且使大径部的硬度按照洛氏硬度C刻度在60HRC以下。

前述高速工具钢(高速钢)，按照重量％，碳为1.20～1.35％、硅为0.5％以下、锰为0.5％以下、铬为3.5～4.5％、钼为4.5～5.5％、钨为5.5～7.0％、钒为2.5～3.5％、钴为7.7～8.8％、氮为60ppm以下、氧为20ppm以下，其余由铁及不可避免的杂质构成。

另外，在前述高速工具钢的相对于锻造方向或者轧制方向垂直的任意的截面中，组织中的MC型碳化物的等效圆直径处于4～20μm的范围，且前述MC型碳化物在组织中所占的比例是3～10％的范围也没有问题。

发明的效果

本发明的高速工具钢制的摩擦搅拌接合工具做成了小径部及大径部的两段结构，进行了使其硬度从小径部向大径部去连续地越来越减小的所谓的硬度的倾斜化。其结果，由于即使在铁基合金和铝合金摩擦搅拌接合时产生的高硬度的凝聚物附着在小径部的情况下，也能够容易从该工具的小径部将凝聚物除去，所以能够一面保持工具的韧性一面防止前端部分(小径部)的损伤。

附图说明

图1是本发明的摩擦搅拌接合工具1(第一实施方式)的示意立体图。

图2是本发明的摩擦搅拌接合工具11(第二实施方式)的示意立体图。

图3是本发明的摩擦搅拌接合工具21(第三实施方式)的示意立体图。

图4是有关本发明的摩擦搅拌接合工具的表面硬度的图表。

具体实施方式

为了实施发明的方式

使用附图对本发明的摩擦搅拌接合工具的实施方式进行说明。在图1中表示从与本发明的第一实施方式相关的摩擦搅拌接合工具1的前端部分(小径部)侧看的示意立体图，在图2中表示从与第二实施方式相关的摩擦搅拌接合工具11的前端部分侧看的示意立体图，在图3中表示从与第三实施方式相关的摩擦搅拌接合工具21的前端部分侧看的示意立体图。

本发明的第一实施方式的摩擦搅拌接合工具1(以下称为“工具”)，大致地分，如图1所示，一般由也小径部2及大径部3的各部位构成，该小径部2也被称为探头，该大径部3与该小径部2连续地形成，位于与工具1连接的旋转轴侧附近。在图2及图3所示的与第二及第三实施方式相关的工具11、21的情况下也同样。以下对构成工具的小径部及大径部按照各部位说明其详细情况。

形成图1所示的工具1的小径部2，在摩擦搅拌接合时其一部分或全部是向被接合材料中埋没的部位，是有助于实际的摩擦搅拌接合的部位。另外，其整体的形状，如图1所示能够做成圆柱形的小径部2，或如图2所示做成圆台状的小径部12，或如图3所示做成圆锥状的小径部22。

在将被接合部材为铁基合金和铝合金的那样的异种金属材料彼此接合的情况下，一面按住一方的被接合材料的表面一面进行接合，在小径部的前端产生很大的压缩应力。因此，希望小径部2的前端是具有规定的大小(面积)的平滑的面，也就是图1、图2所示的形态。

形成图1所示的工具1的大径部3与小径部2连续地形成，是位于工具1的旋转轴侧的附近的部位。在将工具1向摩擦搅拌接合装置安装的情况下，也能够如图2所示的那样通过在大径部13的一端侧(小径部12的相反侧)具备螺纹、凹凸(嵌合形状)，设置向摩擦搅拌接合装置的旋转轴(轴)等其它零件上安装的紧固连结部50。

作为大径部和小径部的边界部的所谓的肩部，除了图1至图3所示的那样的平坦的形状以外，是向轴中心侧或外周面侧倾斜的形状(锥状、研钵状)也没有问题。另外，在将紧固连结部设置在图1、图3所示的大径部3、23的一端侧的情况下，也能够在其外周面上实施外螺纹加工或在中心部设置螺纹孔(内螺纹)。

接着，对工具的材质等进行说明。本发明的工具的材质在小径部及大径部都是相同的材质，为了使其适合作为工具，采用限定为如下的成分等的高速工具钢。具体地说，是如下的高速工具钢：按照重量％，包括碳(C)：1.20～1.35％、硅(Si)：0.5％以下、锰(Mn)：0.5％以下、铬(Cr)：3.5～4.5％、钼(Mo)：4.5～5.5％、钨(W)：5.5～7.0％、钒(V)：2.5～3.5％、钴(Co)：7.7～8.8％、氮(N)：60ppm以下、氧(O)：20ppm以下，其余由Fe及不可避免的杂质构成，优选与在JIS G4403中规定的SKH40相当的材料。

另外，在相对于锻造方向或者轧制方向垂直的任意的截面中，在组织中的最大碳化物(MC型碳化物)的等效圆直径处于4～20μm的范围，与此同时该MC碳化物在组织中所占的比例(面积率)是3～10％的范围。在这里，“等效圆直径”是指将进行了测定的粒子(在本申请中为MC型碳化物)截面的面积作为圆的面积进行了置换的情况下的圆的直径，能够通过由计算机进行的图像解析软件等求出。

将在高速工具钢中含有的各成分规定为前述的组成范围，这为了使工具成为高硬度(例如，按照洛氏硬度C刻度在65HRC以上)是有效的。另外，将MC型碳化物规定为前述的分布状态，这在一面降低工具和被接合材料的磨损一面抑制工具的缺损的方面是有效的。

特别是，将在高速工具钢中含有的作为气体成分的氮(N)含有量规定在60ppm以下，将氧(O)含有量规定在20ppm以下，这在能够抑制被形成在组织中的碳化物(MC型碳化物)的粗大化并确保作为工具的韧性的方面是非常有效的。由此，由于能够与后述的表面硬度的倾斜化相辅相成地一面具有高的耐磨损性一面赋予难以缺损的特性，所以能够得到适合于异种金属材料彼此的摩擦搅拌接合的工具。

另外，高速工具钢通过熔制(铸造)进行制作，作为在此时使钢材中的气体成分降低的方法，能够单一地适用在减压环境下进行熔解、铸造等的真空铸造法、对进行了一次铸造的钢材进行再熔融(再熔解)的ESR法等方法或将它们组合来适用。另外，该工具的最终的形态能够通过进行在上述的熔制(铸造)时使用了模具的压制成形或者由铣刀进行的切削(切削加工)进行精加工。

工具的前端部(小径部)，因为实际上用于摩擦搅拌接合，所以曝露在高温且高压的环境中，所以与大径部相比要求高硬度。另一方面，大径部如前所述也是与摩擦搅拌接合装置直接或间接地连接的部位。因此，若与小径部同样是高硬度，则在摩擦搅拌接合时受到高的压力(弯曲应力)，存在轴部分缺损的可能性。特别是，在使硬度在工具的小径部和大径部之间变化得大的情况下，在工具在轴方向上的硬度的变化的方面，其倾向显著地显现。

因此，大径部需要预先维持与承受住在接合时产生的弯曲应力相应的韧性。因此，在本发明的工具中，设置了使其硬度从小径部到大径部连续地减小的所谓的硬度倾斜性地变化的区域。图4表示表面硬度在本发明的工具的轴方向(长度方向)变化的一个实施方式。

在将紧固连结部50设置在图2所示的大径部13的一端侧的工具的情况下，如图4所示，小径部的在轴方向的中央位置(在图4中的A位置)的表面硬度是65HRC(相当于维氏硬度830Hv)。工具的小径部，由于是在摩擦搅拌接合时没入在被接合材料中的部位，从摩擦搅拌接合装置同时承受旋转力和加压力(推压力)，所以成为在工具中硬度最高的部位。

接着，从工具的肩部(大径部和小径部的边界部)向大径部侧仅移动了约1/4长度量的位置(在图4中的B位置)的表面硬度是59HRC(相当于维氏硬度670Hv)，大径部的在长度方向的中央位置(在图4中的C位置)的表面硬度是54HRC(相当于维氏硬度580Hv)。

进而，在大径部的端部(与紧固连结部的边界部：在图4中的D位置)的表面硬度是48HRC(相当于维氏硬度480Hv)。另外，紧固连结部(在图4中的E位置)的表面硬度是40HRC(相当于维氏硬度390Hv)。由此，本发明的工具在轴方向表面硬度从小径部到大径部连续地减小，具有所谓的硬度的倾斜区域。

在摩擦搅拌接合时，由于通过工具旋转，除了被接合材料以外，也卷入周围的氧、氮，在工具和被接合材料之间也产生氧化物、氮化物，所以附着在工具的前端部的凝聚物与被接合材料的硬度相比一般是高硬度。另外，若被接合材料是铁基合金，则该凝聚物的硬度与铝合金、铜合金等轻金属的情况相比至少成为更高硬度。

在被接合材料的至少一方为铁基合金的情况下，因为通过摩擦搅拌接合产生的凝聚物的硬度按照洛氏硬度C刻度至少在62HRC左右(按照维氏硬度相当于750Hv)，所以使本发明的小径部的硬度成为比该凝聚物的硬度高的硬度，按照洛氏硬度C刻度在65HRC以上。与此相对，若使大径部的硬度与小径部同样成为高硬度，则在摩擦搅拌接合时，存在着在与摩擦搅拌接合装置的连接部缺损的可能性。

因此，为了保持能够承受住与在工具本身一面高速旋转一面在平面上或曲面上移动时产生的弯曲应力相应的柔软性(确保韧性)，使大径部的硬度按照洛氏硬度C刻度在60HRC以下。

另外，工具的前端部(小径部)，设想反复使用，从延长工具的寿命的观点看，也更希望按照洛氏硬度C刻度在67HRC以上(按照维氏硬度相当于900Hv)。

符号的说明

1、11、21：摩擦搅拌接合工具；2、12、22：小径部；3、13、23：大径部；50：紧固连结部。