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公開番号2024178133
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-12-24
出願番号2024093073
出願日2024-06-07
発明の名称FSW接合体及びその製造方法
出願人国立大学法人東海国立大学機構,日本碍子株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類B23K 20/12 20060101AFI20241217BHJP(工作機械;他に分類されない金属加工)
要約【課題】溶体化時効処理に付された際に接合部での破損を回避でき、溶体化時効処理後に母材並みの強度を実現可能なFSW接合体を提供する。
【解決手段】複数の金属部材が摩擦攪拌接合(FSW)により互いに接合されたFSW接合体であって、FSW接合体の内部において、FSW後に残留しうる酸化物が層状に残留することなく分散又は分断されている、FSW接合体。
【選択図】図9B

特許請求の範囲【請求項１】
複数の金属部材が摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）により互いに接合されたＦＳＷ接合体であって、前記ＦＳＷ接合体の内部において、ＦＳＷ後に残留しうる酸化物が層状に残留することなく分散又は分断されている、ＦＳＷ接合体。
続きを表示（約 890 文字）【請求項２】
前記複数の金属部材が、接合界面に空隙を残さない状態で互いに接合されている、請求項１に記載のＦＳＷ接合体。
【請求項３】
前記ＦＳＷ接合体が、溶体化時効処理に付されるべきものである、請求項１に記載のＦＳＷ接合体。
【請求項４】
前記複数の金属部材の各々が、時効硬化性合金で構成される、請求項１に記載のＦＳＷ接合体。
【請求項５】
前記時効硬化性合金が、時効硬化性銅合金及び／又は時効硬化性アルミニウム合金である、請求項４に記載のＦＳＷ接合体。
【請求項６】
溶体化時効処理に付されても、前記金属部材の接合部の破損が起こらず、前記接合部が前記金属部材の母材強度と同等又はそれ以上の強度を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載のＦＳＷ接合体。
【請求項７】
前記金属部材が、ベリリウム銅２５合金（ＪＩＳＨ３１３０及びＪＩＳＨ３２７０のＣ１７２０）で構成され、溶体化時効処理に付された場合における前記金属部材の接合部及び母材の引張強度が１１００ＭＰａ以上である、請求項６に記載のＦＳＷ接合体。
【請求項８】
前記金属部材が、ベリリウム銅１１合金（ＪＩＳＨ３１３０のＣ１７５１）で構成され、溶体化時効処理に付された場合における前記金属部材の接合部及び母材の引張強度が６９０ＭＰａ以上である、請求項６に記載のＦＳＷ接合体。
【請求項９】
前記金属部材が、超々ジュラルミン（ＪＩＳＨ４０００のＡ７０７５）で構成され、溶体化時効処理に付された場合における前記金属部材の接合部及び母材の引張強度が３３０ＭＰａ以上である、請求項６に記載のＦＳＷ接合体。
【請求項１０】
前記金属部材が、超々ジュラルミン（ＪＩＳＨ４０００のＡ７０７５）で構成され、溶体化時効処理に付された場合における前記金属部材の接合部及び母材の引張強度が４９５ＭＰａ以上である、請求項６に記載のＦＳＷ接合体。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＳＷ接合体及びその製造方法に関するものである。
続きを表示（約 4,200 文字）【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌接合（ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＷｅｌｄｉｎｇ（以下、ＦＳＷという））という部材の接合法が知られている。ＦＳＷにおいては、図１に示されるように、シャンク４の先端に突起状のプローブ６を有する円筒状のツール２を回転させながら強い力で押し付けることで、接合されるべき金属部材１０（母材）の接合部１０ａにプローブ６を挿入させ、これによって摩擦熱を発生させて母材を軟化させる。同時に、ツール２の回転力によって母材の接合部周辺を塑性流動させて練り混ぜることで複数の金属部材１０を一体化させながら、ツール２を所定の接合方向へと移動させる。こうして複数の金属部材１０が接合されたＦＳＷ接合体が得られる。
【０００３】
また、ＦＳＷを用いて積層構造物を形成する積層造形方法が知られている。例えば、特許文献１（特許第６５８７０２８号公報）には、金属板材の積層接合体上への配置（第１工程）、金属板材及び積層接合体の加熱及び接合（第２工程）、積層接合体に接合された一層又は複数層の金属板材の加工による積層接合体の形成（第３工程）を含み、第３工程で形成される積層接合体が積層構造物となるまで第１工程から第３工程を繰り返す積層造形方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特許第６５８７０２８号公報
【発明の概要】
【０００５】
しかしながら、ＦＳＷを用いた積層造形方法により積層構造物（ＦＳＷ接合体）として金型の製作を試みたところ、溶体化時効処理に付された際に接合部に沿って破損が生起しうることが判明した。
【０００６】
本発明者らは、今般、ＦＳＷ接合体の内部において、ＦＳＷ後に残留しうる酸化物が層状に残留することなく分散又は分断されているようにすることで、溶体化時効処理に付された際に接合部での破損を回避でき、溶体化時効処理後に母材並みの強度を実現可能なＦＳＷ接合体を提供できることを見出した。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、溶体化時効処理に付された際に接合部での破損を回避でき、溶体化時効処理後に母材並みの強度を実現可能なＦＳＷ接合体を提供することにある。また、本発明のもう１つの目的は、そのように接合部での破損を生じさせることなく母材並みの強度が実現されたＦＳＷ接合体を製造する方法を提供することにある。
【０００８】
本発明によれば、以下の態様が提供される。
［態様１］
複数の金属部材が摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）により互いに接合されたＦＳＷ接合体であって、前記ＦＳＷ接合体の内部において、ＦＳＷ後に残留しうる酸化物が層状に残留することなく分散又は分断されている、ＦＳＷ接合体。
［態様２］
前記複数の金属部材が、接合界面に空隙を残さない状態で互いに接合されている、態様１に記載のＦＳＷ接合体。
［態様３］
前記ＦＳＷ接合体が、溶体化時効処理に付されるべきものである、態様１又は２に記載のＦＳＷ接合体。
［態様４］
前記複数の金属部材の各々が、時効硬化性合金で構成される、態様１～３のいずれか一つに記載のＦＳＷ接合体。
［態様５］
前記時効硬化性合金が、時効硬化性銅合金及び／又は時効硬化性アルミニウム合金である、態様４に記載のＦＳＷ接合体。
［態様６］
溶体化時効処理に付されても、前記金属部材の接合部の破損が起こらず、前記接合部が前記金属部材の母材強度と同等又はそれ以上の強度を有する、態様１～５のいずれか一つに記載のＦＳＷ接合体。
［態様７］
前記金属部材が、ベリリウム銅２５合金（ＪＩＳＨ３１３０及びＪＩＳＨ３２７０のＣ１７２０）で構成され、溶体化時効処理に付された場合における前記金属部材の接合部及び母材の引張強度が１１００ＭＰａ以上である、態様１～６のいずれか一つに記載のＦＳＷ接合体。
［態様８］
前記金属部材が、ベリリウム銅１１合金（ＪＩＳＨ３１３０のＣ１７５１）で構成され、溶体化時効処理に付された場合における前記金属部材の接合部及び母材の引張強度が６９０ＭＰａ以上である、態様１～６のいずれか一つに記載のＦＳＷ接合体。
［態様９］
前記金属部材が、超々ジュラルミン（ＪＩＳＨ４０００のＡ７０７５）で構成され、溶体化時効処理に付された場合における前記金属部材の接合部及び母材の引張強度が３３０ＭＰａ以上である、態様１～６のいずれか一つに記載のＦＳＷ接合体。
［態様１０］
前記金属部材が、超々ジュラルミン（ＪＩＳＨ４０００のＡ７０７５）で構成され、溶体化時効処理に付された場合における前記金属部材の接合部及び母材の引張強度が４９５ＭＰａ以上である、態様１～６のいずれか一つに記載のＦＳＷ接合体。
［態様１１］
前記ＦＳＷ接合体の内部に冷却路としての内部空間を備えた、態様１～１０のいずれか一つに記載のＦＳＷ接合体。
［態様１２］
複数の金属部材が摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）により互いに接合されたＦＳＷ接合体の製造方法であって、
（ａ）金属部材上に別の金属部材を載置する工程と、
（ｂ）前記別の金属部材及びその下の前記金属部材にツールを挿入してＦＳＷを行うことで前記金属部材と別の金属部材を接合させる工程であって、前記ＦＳＷが酸化物を層状に残留させることなく分散又は分断させるように行われる工程と、
（ｃ）前記ＦＳＷにより接合された金属部材の表面を切削加工により除去して、加工面を形成する工程と、
（ｄ）前記工程（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）を繰り返してＦＳＷ接合体を製造する工程であって、前記工程（ａ）が別の金属部材が前記加工面に載置されるように行われる、工程と、
（ｅ）前記ＦＳＷ接合体に溶体化時効処理を施す工程と、
を含む、ＦＳＷ接合体の製造方法。
［態様１３］
前記金属部材の各々が、時効硬化性合金で構成される、態様１２に記載のＦＳＷ接合体の製造方法。
［態様１４］
前記時効硬化性合金が、時効硬化性銅合金及び／又は時効硬化性アルミニウム合金である、態様１３に記載のＦＳＷ接合体の製造方法。
［態様１５］
前記溶体化時効処理において、前記金属部材の接合部の破損が起こらず、前記溶体化時効処理後の前記接合部が前記金属部材の母材強度と同等又はそれ以上の強度を有する、態様１２～１４のいずれか一つに記載のＦＳＷ接合体の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
ＦＳＷを概念的に説明するための斜視図である。
実施例で用いたＦＳＷ接合装置の写真である。
実施例で用いたＦＳＷツールの形状及び寸法を説明するための模式図である。
実施例で用いた、ホルダに固定されたＦＳＷツールの写真である。
図４に示されるＦＳＷツールを横から撮影した拡大写真である。
図４に示されるＦＳＷツールを下から撮影した拡大写真である。
実施例におけるＦＳＷを説明するための上面図及び斜視図である。
実施例におけるＦＳＷ接合体及びそこから採取される試験片の方位を説明するための模式図である。
例Ａ２（比較例）で作製されたベリリウム銅ＦＳＷ接合体に対して得られた断面ＳＥＭ像（ＣＯＭＰＯ像）を示す。図中、矢印は接合部１０ａを指している（以下同様）。
図８ＡのＳＥＭ像に対応する領域について測定された例Ａ２のＥＰＭＡ酸素マッピング像を示す。
例Ａ８（実施例）で作製されたベリリウム銅ＦＳＷ接合体に対して得られた断面ＳＥＭ像（ＣＯＭＰＯ像）を示す。
図９ＡのＳＥＭ像に対応する領域について測定された例Ａ８のＥＰＭＡ酸素マッピング像を示す。
例Ｂ１（比較例）で作製された超々ジュラルミンＦＳＷ接合体に対して得られた断面ＳＥＭ像（ＣＯＭＰＯ像）を示す。
図１０ＡのＳＥＭ像に対応する領域について測定された例Ｂ１のＥＰＭＡ酸素マッピング像を示す。
例Ｂ６（実施例）で作製された超々ジュラルミンＦＳＷ接合体に対して得られた断面ＳＥＭ像（ＣＯＭＰＯ像）を示す。
図１１ＡのＳＥＭ像に対応する領域について測定された例Ｂ６のＥＰＭＡ酸素マッピング像を示す。
例Ｃ１（比較例）で作製されたベリリウム銅ＦＳＷ接合体に対して得られた断面ＳＥＭ像（ＣＯＭＰＯ像）を示す。
図１２ＡのＳＥＭ像に対応する領域について測定された例Ｃ１のＥＰＭＡ酸素マッピング像を示す。
例Ｃ２（実施例）で作製されたベリリウム銅ＦＳＷ接合体に対して得られた断面ＳＥＭ像（ＣＯＭＰＯ像）を示す。
図１３ＡのＳＥＭ像に対応する領域について測定された例Ｃ２のＥＰＭＡ酸素マッピング像を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ＦＳＷ接合体
本発明のＦＳＷ接合体は、複数の金属部材が摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）により互いに接合されたものである。このＦＳＷ接合体は、このＦＳＷ接合体の内部において、ＦＳＷ後に残留しうる酸化物が層状に残留することなく分散又は分断されているものである。こうすることで、溶体化時効処理に付された際に接合部での破損を回避でき、溶体化時効処理後に母材並みの強度を実現することができる。なお、本明細書において「酸化物が層状に残留することなく」とは、ＦＳＷ接合体の接合部を含む研磨断面に対して後述する実施例に記載されるようにＥＰＭＡによる元素分析を行って酸素マッピング像を取得した場合に、ＥＰＭＡ酸素マッピング像において、接合部に対応する位置に、周囲より局所的に高い酸素濃度を示す画素が長さ１０μｍ以上の筋状の線として観察されないことを意味する。
（【００１１】以降は省略されています）

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