JP5099009B2

JP5099009B2 - 金属材の加工方法及び構造物

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Inventors: 英俊藤井; 伸泰辻
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Description

本発明は金属材の加工方法及びこの加工方法によって形成された構造物に関し、特に炭素を０．１５質量％以上含む高炭素鋼の加工方法に関する。

鉄道レールや工具、刃物等に用いられている高炭素鋼は割れが発生しやすいため、接合が困難な材料である。しかし、一般に炭素鋼はその炭素含有量が増加するほど強度が上昇し、構造材料の素材としては適している。したがって、仮に接合が可能であれば、炭素量の多い炭素鋼を用いることが望ましいが、現実には多くの場合において、炭素鋼の炭素量は、その接合の可否によって低く制限されている。

自動車の組立の際などに用いられるスポット抵抗溶接を０．１５質量％以上の炭素を含有する炭素鋼に適用すると、溶接部に硬くて脆いマルテンサイト相が生成するため、このようにして溶接した試料に十字引張強度試験などの強度試験を行った場合、ナゲット内で破断し、大幅に強度あるいは靭性が低下することが判明している。したがって、現実には、０．１５質量％以下の炭素量の炭素鋼材が使用されている。

一方、金属材の接合方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）により金属材を接合する技術が知られている。摩擦攪拌接合では、接合しようとする金属材を接合部において対向させ、回転ツールの先端に設けられたプローブを接合部に挿入し、接合部の長手方向に沿って回転ツールを回転させつつ移動させて、摩擦熱により金属材を塑性流動させることによって２つの金属材を接合する。鉄鋼材料の摩擦攪拌接合は実用化には至っていないが、研究段階では下記の非特許文献１〜３に摩擦攪拌接合によって炭素鋼の接合を行うことが報告されている。
ダブリュ・エム・トーマス（W.M.Thomas）、他２名、「科学・技術・溶接・接合４」（Sci. Technol. Weld. Join.4）、１９９９年、p.365-372 ティー・ジェイ・リナート（T.J.Lienert）、他３名、「接合ジャーナル８２」（Weld.J.82）、２００３年、1s-9s エイ・ピィー・レイノルズ（A.P.Reynolds）、他３名、「科学・技術・溶接・接合８」（Sci. Technol. Weld. Join.8）、２００３年、p.455-460

しかしながら、上記の技術では、スポット抵抗溶接や溶融溶接と同様に、接合部に硬くて脆いマルテンサイト相が生成し、割れの原因となる。

本発明は、斯かる実情に鑑み、高炭素鋼をより高強度で接合することができる金属材の加工方法及びこの加工方法で形成された構造物を提供しようとするものである。

本発明は、炭素を０．１５質量％以上含む鋼材の加工部を７２３℃以下に制御しつつ、加工部に棒状の回転ツールを挿入し、回転ツールを回転させて鋼材を加工する金属材の加工方法である。

あるいは、本発明は、炭素を０．１５質量％以上含む鋼材の加工部を７３７℃以下に制御しつつ、加工部に棒状の回転ツールを挿入し、回転ツールを回転させて鋼材を加工する金属材の加工方法である。

この構成によれば、加工部の温度を７２３℃以下、あるいは７３７℃以下に制御しつつ摩擦攪拌接合を行うため、炭素を０．１５質量％以上含む高炭素鋼材を接合した場合でも、接合部に硬くて脆いマルテンサイト相が生成することを防止でき、高炭素鋼をより高強度で接合することができる。

なお、本発明の金属材の加工方法においては、（１）板状の金属材の端部同士を突き合わせて加工部（接合部）とし、回転ツールをその加工部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属材同士を接合する摩擦攪拌接合、（２）板状の金属材の端部同士を突き合わせて加工部（接合部）とし、回転ツールをその加工部で移動させずに回転させて接合するスポット摩擦攪拌接合（スポットＦＳＷ）、（３）金属材同士を加工部（接合部）において重ね合わせ、加工部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその箇所で移動させずに回転させて金属材同士を接合するスポット摩擦攪拌接合、（４）金属材同士を加工部（接合部）において重ね合わせ、加工部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその加工部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属材同士を接合する摩擦攪拌接合の（１）〜（４）の４つの態様およびこれらの組み合わせを含む。あるいは、本発明の金属材の加工方法においては、鋼材の加工部に回転ツールを挿入し、回転ツールを回転させて加工部における鋼材の表面部位を改質する態様を含む。これにより、高炭素鋼の強度と伸びを改善することができる。

この場合、加工部の温度の制御は、回転ツールの回転速度と移動速度とを制御することによって行うことが好適である。

この構成によれば、加工部の温度の制御を回転ツールの回転速度と移動速度とを制御することによって行うため、加工部の温度を実際に測定することなく、回転ツールの回転速度と移動速度とを所定の値となるように制御するだけで、加工部の温度を制御することができる。なお、本発明における移動速度とは、回転ツールを移動させて接合する摩擦攪拌接合においては、回転ツールの移動速度を意味し、回転ツールを移動させずに接合するスポット摩擦攪拌接合あるいは鋼材の表面改質を行う場合においては、回転ツールの加工部における保持時間の逆数を意味する。

この場合、回転ツールは、棒状の回転ツールの本体と、棒状の回転ツールの本体内部を貫通するように配置され加工部に挿入されるプローブとからなり、加工部の温度の制御は、回転ツールの本体の回転速度を、プローブの回転速度よりも遅くすることによって行うことが好適である。

この構成によれば、回転ツールの本体の回転速度は、プローブの回転速度よりも遅く回転するようにされているため、ショルダー部が加工部にプローブよりも高速度で接触することを防止し、加工部の温度を７２３℃あるいは７３７℃以下にすることができる。

一方、本発明は、炭素を０．１５質量％以上含む鋼材の加工部に棒状の回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させて前記鋼材を加工し、加工後における前記加工部の冷却速度を７５℃／ｓ以下に制御する金属材の加工方法である。

この構成によれば、加工後における加工部の冷却速度を７５℃／ｓ以下に制御するため、加工部に硬くて脆いマルテンサイト相が生成することを防止でき、高炭素鋼をより高強度で接合することができる。あるいは、鋼材の表面改質を行う場合においては、高炭素鋼の強度と伸びを改善することができる。

この場合、加工部の冷却速度の制御は、回転ツールの回転速度と移動速度とを制御することによって行うことが好適である。

この構成によれば、加工部の冷却速度の制御を回転ツールの回転速度と移動速度とを制御することによって行うため、加工部の冷却速度を実際に測定することなく、回転ツールの回転速度と移動速度とを所定の値となるように制御するだけで、加工部の冷却速度を制御することができる。

この場合、回転ツールは、棒状の回転ツールの本体と、棒状の回転ツールの本体内部を貫通するように配置され加工部に挿入されるプローブとからなり、加工部の冷却速度の制御は、回転ツールの本体の回転速度を、プローブの回転速度よりも遅くすることによって行うことが好適である。

この構成によれば、回転ツールの本体の回転速度は、プローブの回転速度よりも遅く回転するようにされているため、ショルダー部が加工部にプローブよりも高速度で接触することを防止し、加工部の冷却速度を７５℃／ｓ以下に制御することができる。

一方、本発明の加工方法においては、２つの鋼材を加工部において突き合わせ、回転ツールを回転させつつ加工部の長手方向に沿って移動させて２つの鋼材を接合することができる。

この構成によれば、摩擦攪拌接合によって、線接合が可能となる。

あるいは、本発明の加工方法においては、２つの鋼材を加工部において重ね合わせ、加工部に回転ツールを挿入し、回転ツールを回転させて２つの鋼材を接合することができる。

この構成によれば、スポット摩擦攪拌接合が可能となる。

あるいは、本発明の加工方法においては、加工部に回転ツールを挿入し、回転ツールを回転させて加工部における鋼材の表面部位を改質することができる。

この構成によれば、高炭素鋼の強度と伸びを改善することができる。

一方、本発明の加工方法においては、回転ツールはＷＣからなるものすることが好適である。

この構成によれば、回転ツールを熱伝導率の高いＷＣからなるものとすることにより、加工部の温度や冷却速度を制御することが容易となる。

また、本発明の加工方法においては、加工部と回転ツールとに不活性ガスを供給しつつ２つの鋼材を加工することが好適である。

この構成によれば、加工部及び回転ツールの酸化を防止することができる。

一方、本発明の別の態様は、本発明の金属材の加工方法によって、２つ以上の鋼材を接合して形成された構造物である。

この構成によれば、炭素を０．１５質量％以上含む鋼材である金属材が高強度で接合されているため、より高強度な構造物となる。

本発明の金属材の加工方法によれば、高炭素鋼をより高強度で接合することができる。また、本発明の金属材の加工方法により形成された構造物は、より高強度な構造物とすることができる。

本発明に係る金属材の加工方法の第１実施形態を示す斜視図である。炭素量と温度をパラメータにした炭素鋼の相図である。回転ツールの回転速度を一定した場合における接合速度と接合部の最高到達温度との関係を示すグラフ図である。回転ツールの回転速度を一定した場合における接合速度と接合部の冷却速度との関係を示すグラフ図である。接合速度を一定した場合における回転ツールの回転速度と接合部の最高到達温度との関係を示すグラフ図である。接合速度を一定した場合における回転ツールの回転速度と接合部の冷却速度との関係を示すグラフ図である。本発明に係る金属材の加工方法の第２実施形態を示す斜視図である。本発明に係る金属材の加工方法の第３実施形態を示す斜視図である。実験例における試料の組成を示す図である。実験例における接合部の金属組織を示す図である。実験例における接合部の金属組織を示す図である。実験例における接合部の金属組織を示す図である。実験例における接合部の金属組織を示す図である。実験例における接合部の金属組織を示す図である。実験例における接合部の金属組織を示す図である。実験例における接合部の金属組織を示す図である。実験例における接合部の金属組織を示す図である。実験例における接合部の金属組織を示す図である。実験例における接合部の金属組織を示す図である。実験例における接合部の金属組織を示す図である。実験例における接合部の金属組織を示す図である。実験例における接合部の金属組織を示す図である。実験例における接合部の金属組織を示す図である。実験例における接合部の金属組織を示す図である。

符号の説明

１，２炭素鋼材
３接合部
４裏当材
５回転ツール
６プローブ
８シールドカバー

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る金属材の加工方法の第１実施形態を示す斜視図である。本実施形態では、図１に示すように、板状の炭素鋼材１，２の端部同士を接合部（加工部）３において突き合わせ、接合部３の裏面側を板状の裏当材４で覆い、接合部３の表面側から回転ツール５のプローブ６を挿入して炭素鋼材１，２同士を接合する。接合部３の表面側では、回転ツール５を囲繞するようにシールドカバー８が配置されている。

本実施形態において、接合する炭素鋼材１，２は、炭素量を０．１５質量％以上含む高炭素鋼である。なお、本実施形態の加工方法は、同種の材料ではなく、炭素鋼と、Ａｌ合金材、Ｍｇ合金、Ｃｕ合金、Ｎｉ合金、Ｔｉ合金等の種々の異種金属との接合、あるいは、炭素鋼とステンレス鋼等の炭素鋼以外の鉄鋼材料との接合にも適用することもできる。

回転ツール５は、図１に示すように略円筒状をなし、先端に本体より小径の略円柱状のプローブ６を備えている。回転ツール５の材質は、ＷＣ等の超硬合金、Ｓｉ_３Ｎ_４，ＰＣＢＮ等のセラミックス、Ｗ，Ｍｏ，Ｉｒ合金等の高融点金属等が望ましい。裏当材４と、接合部３に挿入される回転ツール５のプローブ６の先端との距離は、未接合部を生じないために可能な限り短いことが好ましい。

裏当材４としては、強度が高いステンレス鋼を用いることができる。あるいは、裏当材４としては、炭素鋼材１，２内の温度勾配を小さくするために、熱伝導率が低く、耐熱性及び強度が高いセラミックス等を適用することもできる。

シールドカバー８は略円筒形をなし、回転ツール５を囲繞するように配置されている。シールドカバー８は、接合時に回転ツール５が接合部３の長手方向に沿って移動するとともに、回転ツール５を囲繞しつつ同方向に移動することができるようになっている。接合時には、シールドカバー８内に不活性ガスがシールドガスとして供給される。シールドガスとして用いられる不活性ガスとしては、例えば、Ａｒガス等を用いることができる。

図１に示すように、本実施形態では、接合部３に回転ツール５のプローブ６を挿入し、シールドカバー８内にシールドガスを供給しながら、回転ツール５を回転させつつ接合部３の長手方向に沿って移動させることによって、炭素鋼材１，２を接合することができる。

本実施形態においては、接合部２の温度を７２３℃以下に制御するか、あるいは接合後における接合部２の冷却速度を７５℃／ｓ以下に制御する。図２は、炭素量と温度をパラメータにした炭素鋼の相図である。図２に示すように、炭素量が０．１５質量％以上の高炭素鋼においては、Ａ_１点の温度７２３℃を超えるまでは、炭素鋼の金属組織は、体心立方格子をなすフェライト（α）とセメンタイト（Ｆｅ_３Ｃ）とからなる（図２のα＋Ｆｅ_３Ｃで示す領域）。Ａ_１点の温度７２３℃を超えると、Ａ_３点を超えるまでは、炭素鋼の金属組織は、フェライト（α）と面心立方格子をなすオーステナイト（γ）とからなるものに遷移し（図２のα＋γで示す領域）、Ａ_３点を超えると炭素鋼の金属組織は、オーステナイト（γ）のみからなるものに遷移する（図２のγで示す領域）。

一方、炭素鋼の金属組織がＡ_１点の温度７２３℃以上の領域から冷却された場合、冷却速度が速い場合は、炭素鋼の金属組織は硬くて脆いマルテンサイト相に遷移する。また、冷却速度をこれより少し遅くした場合でも、炭素鋼の金属組織は硬くて脆いベイナイト相に遷移する。すなわち、炭素鋼を摩擦攪拌接合によって接合する際においても、接合部をＡ_１点の温度７２３℃を超える温度にした後に急冷した場合、炭素鋼の金属組織が硬くて脆いマルテンサイト相やベイナイト相に遷移し、これが接合部の強度を劣化させる原因である。一方、Ａ_１点の温度７２３℃以上の領域から冷却された場合であっても、冷却速度を７５℃／ｓ以下、より好ましくは５０℃／ｓ以下、さらに好ましくは２０℃／ｓ以下にして徐冷をした場合は、炭素鋼の金属組織はセメンタイトとフェライトとからなるものに戻り、金属組織の脆化は生じない。

以上のことより、マルテンサイト相やベイナイト相を生成させないようにするためには、次の２つの方法が考えられる。
（１）接合時の最高到達温度をＡ_１点の温度７２３℃以下にする。
（２）接合後の冷却速度を７５℃／ｓ以下、より好ましくは５０℃／ｓ以下、さらに好ましくは２０℃／ｓ以下にする。

この場合、最高到達温度と冷却速度とは接合中に実測した値に基づいて制御しても良いが、これらは回転ツールの回転速度と接合速度（移動速度）を制御することにより制御することができる。すなわち、回転ツールの回転速度を増加させて接合速度を低くすると、最高到達温度は上昇する。一方、回転ツールの回転速度を増加させた場合には、冷却速度は増加するのに対し、接合速度を低くした場合には、冷却速度は減少する。したがって、この２つのパラメータを制御することにより、最高到達温度及び冷却速度のいずれも制御可能なことが予想される。

図３は回転ツールの回転速度を一定した場合における接合速度と接合部の最高到達温度との関係を示すグラフ図であり、図４は回転ツールの回転速度を一定した場合における接合速度と接合部の冷却速度との関係を示すグラフ図であり、図５は接合速度を一定した場合における回転ツールの回転速度と接合部の最高到達温度との関係を示すグラフ図であり、図６は接合速度を一定した場合における回転ツールの回転速度と接合部の冷却速度との関係を示すグラフ図である。以下、図３〜６に基づいて、最高到達温度及び冷却速度の制御についての考察を行う。

（最高到達温度）
マルテンサイト相を生成させないためには、最高到達温度Ｔ（℃）が７２３℃以下であれば良い。図３及び図５の結果より、回転ツールの回転速度ＲＳ（ｒｐｍ）、接合速度ＷＳ（ｍｍ／ｍｉｎ）について以下の近似式が導かれる。
T=−0.0008×WS²−0.28WS＋900 …式(1)
T=0.39RS＋540 …式(2)

また、式（２）より、回転速度ＲＳ＝４００ｍｍ／ｍｉｎのときの最高到達温度Ｔ＝６９４℃と表わせるので、式（１）に（０．３９ＲＳ＋５４０）／６９４を掛け合わせる。その結果は、以下の式（３）となる。
T=−(4.5×10^-7RS＋6.2×10^-4)WS²−(1.6×10^-4RS+0.22)WS＋(0.51RS＋700) …式(3)

最高到達温度Ｔが７２３℃以下であれば、マルテンサイト相が生成しないが、１００℃程度の誤差を考慮して、以下の式（４）を満たせば、マルテンサイト相は生成しない。
T=−(4.5×10^-7RS＋6.2×10^-4)WS²−(1.6×10^-4RS＋0.22)WS＋(0.51RS＋700)＜823 …式(4)

また、式（２）の係数０．３９は回転ツールと試料の摩擦係数及びショルダー径と関連があると考えられるため、図３〜図６の測定で用いた回転ツールの材質である超硬合金（ＷＣ＋６％Ｃｏ）と比較して、摩擦係数がｆ倍のツールの場合は、以下の式（５）のように近似できる。また、図３〜図６の測定で用いたショルダー径１５ｍｍの回転ツールと比較してショルダー径がｍ倍のツールの場合も、以下の式（５）のように近似できる。
T=−(4.5×10^-7RS×f×m^1.5＋6.2×10^-4)WS²−(1.6×10^-4RS×f×m^1.5＋0.22)WS＋(0.51RS×f×m^1.5+700)＜823 …式(5)

なお、後述の実験例で示すように、本発明者らが実際にＳ１２Ｃ鋼板、Ｓ２０Ｃ鋼板及びＳ３０Ｃ鋼板を摩擦攪拌接合により接合したところ、接合速度ＷＳ＝４００ｍｍ／ｍｉｎで、回転速度ＲＳ＝６００ｒｐｍ未満であれば、マルテンサイト相の発生を抑制できることが確認できた。回転速度ＲＳ＝６００ｒｐｍの場合、接合部の温度は上記式（２）より、Ｔ＝７３７．２℃となるため、Ｔ=７３７℃以下となるようにして接合を行えば、マルテンサイト相の発生を抑制できる。

このため、上記式（４）及び（５）は、１００℃程度の誤差を考慮して、以下のようにすることができる。
T=−(4.5×10^-7RS＋6.2×10^-4)WS²−(1.6×10^-4RS＋0.22)WS＋(0.51RS＋700)＜837 …式(4)’
T=−(4.5×10^-7RS×f×m^1.5＋6.2×10^-4)WS²−(1.6×10^-4RS×f×m^1.5＋0.22)WS＋(0.51RS×f×m^1.5+700)＜837 …式(5)’

また、接合部の温度の室温からの上昇幅は板厚に反比例し、冷却速度は板厚に比例すると近似できると考えられる。そのため、図３〜図６の測定で用いた板厚１．６ｍｍの炭素鋼板より厚い炭素鋼板の場合において、炭素鋼板の裏面側（回転ツールを挿入する側と反対側）でマルテンサイト相が生成されないようにするためには、板厚１．６ｍｍのｎ倍の板厚を有する炭素鋼板に対しては、上式（１）〜（５）あるいは（４）’及び（５）’の左辺に対してＴ’＝Ｔ／ｎとして条件を満たすように各パラメータを制御することにより、炭素鋼板の裏面側においてもマルテンサイトが発生しないようにすることができる。なお、板厚１．６ｍｍの炭素鋼板より厚い炭素鋼板であっても、炭素鋼板の表面側（回転ツールを挿入する側と同じ側）については、上式（１）〜（５）あるいは（４）’及び（５）’をそのまま適用することができる。

また、図３〜図６の測定で用いたステンレス鋼からなる裏当材よりも熱伝導率が低いセラミックスからなる裏当材を用いた場合、その熱伝導率に応じて、接合部の温度の室温からの上昇幅はより大きくなり、冷却速度はより小さくなる。そのため、炭素鋼板の裏面側でマルテンサイト相が生成されないようにするためには、上式（１）〜（５）あるいは（４）’及び（５）’の左辺を、当該裏当材の熱伝導率に応じて大きくするように補正をして最高到達温度を制御することにより、炭素鋼板の裏面側においてもマルテンサイトが発生しないようにすることができる。なお、熱伝導率が低い裏当材を用いた場合であっても、炭素鋼板の表面側については、上式（１）〜（５）あるいは（４）’及び（５）’をそのまま適用することができる。

（冷却速度）
冷却速度ＣＲ（℃／ｓ）は接合速度ＷＳ（ｍｍ／ｍｉｎ）の依存性に比べて、回転ツールの回転速度ＲＳ（ｒｐｍ）の依存性が小さいため、接合速度の依存性に回転速度の依存性を掛け合わせることで、補正値を求める。マルテンサイト相を生成させないためには、冷却速度を臨界冷却速度ＣＣＲ（℃／ｓ）より小さくしなくてはならないので、図４及び６より、直線関係で表される１００ｍｍ／ｍｉｎ以下の結果で、以下の関係式を作る。
CR=0.75×WS …式(1)
CR=0.052RS+96 …式(2)

また、式（２）より、回転速度ＲＳ＝４００ｍｍ／ｍｉｎのときの冷却速度ＣＲ＝１１７℃／ｓと表わせるので、式（１）に（０．０５２ＲＳ＋９６）／１１７を掛け合わせる。その結果は、以下の式（３）となる。
CR=0.00033WS×RS＋0.62WS …式(3)

冷却速度が下部臨界冷却速度以下であればマルテンサイト相は生成しない。図３〜６の実験結果によると、Ｓ２０Ｃ及びＳ３０Ｃでは、下部臨界冷却速度は接合速度１００ｍｍ／ｍｉｎの時の７５℃／ｓである。また文献によると、Ｓ５０Ｃでは、臨界冷却速度は５０℃／ｓ程度、Ｓ７０Ｃでは、臨界冷却速度は２０℃／ｓ程度である。すなわち、２０℃程度の誤差を考慮して、以下の式（４）を満たせば、マルテンサイト相は生成しない。
CR=0.00033WS×RS＋0.62WS＜CCR-20 …式(4)

また、式（２）の係数０．３９は回転ツールと試料の摩擦係数及びショルダー径と関連があると考えられるため、図３〜図６の測定で用いた回転ツールの材質である超硬合金（ＷＣ＋６％Ｃｏ）と比較して摩擦係数がｆ倍のツールの場合は、以下の式（５）のように近似できる。また、図３〜図６の測定で用いたショルダー径１５ｍｍの回転ツールと比較してショルダー径がｍ倍のツールの場合も、以下の式（５）のように近似できる。
CR=0.00033WS×RS×f×m^1.5＋0.62WS＜CCR-20 …式(5)

なお、接合部の温度の室温からの上昇幅は板厚に反比例し、冷却速度は板厚に比例すると近似できると考えられる。そのため、図３〜図６の測定で用いた板厚１．６ｍｍの炭素鋼板より厚い炭素鋼板の場合において、炭素鋼板の裏面側（回転ツールを挿入する側と反対側）でマルテンサイト相が生成されないようにするためには、板厚１．６ｍｍのｎ倍の板厚を有する炭素鋼板に対しては、上式（１）〜（５）の左辺に対してＣＲ’＝ＣＲ×ｎとして条件を満たすように各パラメータを制御することにより、炭素鋼板の裏面側においてもマルテンサイトが発生しないようにすることができる。なお、板厚１．６ｍｍの炭素鋼板より厚い炭素鋼板であっても、炭素鋼板の表面側（回転ツールを挿入する側と同じ側）については、上式（１）〜（５）をそのまま適用することができる。

また、図３〜図６の測定で用いたステンレス鋼からなる裏当材よりも熱伝導率が低いセラミックスからなる裏当材を用いた場合、その熱伝導率に応じて、接合部の温度の室温からの上昇幅はより大きくなり、冷却速度はより小さくなる。そのため、炭素鋼板の裏面側でマルテンサイト相が生成されないようにするためには、上式（１）〜（５）の左辺を、当該裏当材の熱伝導率に応じて小さくするように補正をして冷却速度を制御することにより、炭素鋼板の裏面側においてもマルテンサイトが発生しないようにすることができる。なお、熱伝導率が低い裏当材を用いた場合であっても、炭素鋼板の表面側については、上式（１）〜（５）をそのまま適用することができる。

以上の条件を満たすように、回転ツールの回転速度と接合速度を制御することにより、マルテンサイト相が生成されないような最高到達温度と冷却速度に制御することができる。

本実施形態では、接合部３の最高到達温度を７２３℃以下あるいは７３７℃以下に制御しつつ摩擦攪拌接合を行うため、炭素を０．１５質量％以上含む炭素鋼材１，２を接合した場合でも、接合部３に硬くて脆いマルテンサイト相が生成することを防止でき、高炭素鋼をより高強度で接合することができる。

また、本実施形態では、接合後における接合部３の冷却速度を７５℃／ｓ以下に制御するため、接合部３に硬くて脆いマルテンサイト相が生成することを防止でき、高炭素鋼をより高強度で接合することができる。

さらに、本実施形態では、接合部３の最高到達温度及び冷却速度の制御を、回転ツール５の回転速度と接合速度とを制御することによって行うので、接合部３の最高到達温度及び冷却速度を実際に測定することなく、回転ツールの回転速度と接合速度とを所定の値となるように制御するだけで、接合部の最高到達温度及び冷却速度を制御することができる。

図７は、本発明に係る金属材の加工方法の第２実施形態を示す斜視図である。図７に示すように、本実施形態では、炭素鋼材１，２同士を接合部３において重ね合わせ、一方の炭素鋼材１を通して接合部３に回転ツール５を挿入し、回転ツール５を回転させて炭素鋼材１，２同士を接合する。同様にして、他の箇所にも順次回転ツール１８を挿入して回転させることにより、広い接合部３においても摩擦攪拌接合を行うことができる。なお、本実施形態においては、接合部３における回転ツール５の保持時間の逆数を、上述の第１実施形態における接合速度に対応させて、接合部３の最高到達温度及び冷却速度を制御する。また、本実施形態における冷却速度は、回転ツール５の回転速度、保持時間、回転ツール５の引き上げ速度によって制御することができる。

なお、接合部３の最高到達温度を制御するにあたり、回転ツール５の本体の部分（ショルダー部）は、より小径のプローブ６よりも高速度で接合部３に接するため、ショルダー部のみにおいて、最高到達温度が７２３℃あるいは７３７℃を超えてしまう可能性がある。また、接合部３の冷却速度を制御するにあたり、回転ツール５のショルダー部は、より小径のプローブ６よりも高速度で接合部３に接するため、プローブ６とショルダー部とで冷却速度が異なり、冷却速度が７５℃／ｓ以下に制御することが難しい場合がある。図８は、本発明に係る金属材の加工方法の第３実施形態を示す斜視図である。図８に示すように、本実施形態では、回転ツール５の本体内部を貫通するようにプローブ６が配置されている。回転ツール５の本体の回転速度Ｓ_２は、プローブ６の回転速度Ｓ_１よりも遅く回転するようにされている。このようにすることにより、ショルダー部が接合部３にプローブ６よりも高速度で接触することを防止し、接合部３の温度を７２３℃以下あるいは７３７℃以下にすることができる。また、接合部３の冷却速度を７５℃／ｓ以下に制御することが容易となる。

尚、本発明の金属材の加工方法は、上記した実施の形態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内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態においては、回転ツールの回転速度と接合速度とを所定の値となるように制御することにより、接合部の最高到達温度及び冷却速度を制御する例を中心に説明したが、接合部の最高到達温度及び冷却速度は他の方法によっても制御することができる。例えば、接合部の室温からの上昇幅と冷却速度とは、接合部に対して回転ツールが与える圧力に比例すると考えられるため、接合部に対して回転ツールが与える圧力を制御することによっても、接合部の最高到達温度及び冷却速度を制御することが可能である。あるいは、接合部の最高到達温度及び冷却速度は、別途設けた他の外部熱源、保温部材、冷却手段及び冷却媒体を用いて制御することも可能である。この場合の外部熱源としては、レーザ、マイクロアーク、プラズマアーク及び電磁誘導加熱を用いたものを適用することができる。また、この場合の冷却手段及び冷却媒体としては、液体ＣＯ_２、水冷を用いたものを適用することができる。

また、上記実施形態においては、炭素鋼材における炭素の含有量のみを中心に論じたが、他の元素を含有する炭素鋼材についても本発明は適用が可能である。例えば、炭素鋼材における、炭素（Ｃ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、シリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）の質量％が下式（１）〜（４）に該当する炭素鋼についても、上記本発明の加工方法によって接合部の最高到達温度及び冷却速度を制御することにより、従来よりも良好な接合部が得られる。
1.5C+P+3S≧0.23（質量％） …式(1)
C+Si/90+(Mn+Cr)/100+P≧0.115(質量%) …式(2)
C+Si/30+Mn/60+2P+4S≧0.024（質量％）(保持２５サイクル) …式(3)
C+Si/30+Mn/60+2P+4S≧0.031（質量％）(保持５サイクル) …式(4)

次に、本発明者が本発明の金属材の加工方法により、実際に金属材を接合した実験結果を説明する。

実験例１
厚さ１．６ｍｍのＳ１２Ｃ鋼板とＳ２０Ｃ鋼板とＳ３０Ｃ鋼板とを用意した。用意したＳ１２Ｃ鋼板とＳ２０Ｃ鋼板とＳ３０Ｃ鋼板とを、図１に示す方法で接合して試験片を作成した。裏当材４にはステンレス鋼からなる板材を用い、回転ツール５としては超硬合金（ＷＣ＋６％Ｃｏ）からなる直径１５ｍｍの回転ツールを用いて、回転ツールの回転速度及び接合速度を変化させつつ摩擦攪拌接合を行い、接合部３の金属組織を観察した。試料の組成を図９に示す。

図１０〜１４はＳ１２Ｃの接合部の金属組織を示した図であり、図１５〜１９はＳ２０Ｃの接合部の金属組織を示した図であり、図２０〜２４はＳ３０Ｃの接合部の金属組織を示した図である。

図１０（ａ）（ｂ）は、Ｓ１２Ｃを回転ツール５の回転速度２００ｒｐｍ、接合速度４００ｍｍ／ｍｉｎで接合した金属組織を示す。図１０（ｂ）は図１０（ａ）の拡大視である。この場合、接合部３の最高到達温度は７２３℃及び７３７℃以下となるため、マルテンサイト相は生成されていない。

図１１（ａ）（ｂ）は、Ｓ１２Ｃを回転ツール５の回転速度４００ｒｐｍ、接合速度４００ｍｍ／ｍｉｎで接合した金属組織を示す。図１１（ｂ）は図１１（ａ）の拡大視である。この場合、接合部３の最高到達温度は７２３℃及び７３７℃以下となるため、接合部３の金属組織の結晶粒が大きくなるが、マルテンサイト相は生成されていない。

図１２（ａ）（ｂ）は、Ｓ１２Ｃを回転ツール５の回転速度６００ｒｐｍ、接合速度４００ｍｍ／ｍｉｎで接合した金属組織を示す。この場合、接合部３の最高到達温度は７２３℃を超え、７３７℃に達し、且つ冷却速度も７５℃／ｓを超える。このため、図１２（ｂ）における該当部分の拡大視が示すように、ごく部分的にベイナイト相が形成されていることが判る。しかし、ごく部分的であるため機械的特性には悪影響を及ぼさない。

図１３（ａ）（ｂ）は、Ｓ１２Ｃを回転ツール５の回転速度８００ｒｐｍ、接合速度４００ｍｍ／ｍｉｎで接合した金属組織を示す。この場合、接合部３の最高到達温度は７２３℃及び７３７℃を超え、且つ冷却速度も７５℃／ｓを超える。このため、図１３（ｂ）における該当部分の拡大視が示すように、ごく部分的にベイナイト相が形成されていることが判る。しかし、ごく部分的であるため機械的特性には悪影響を及ぼさない。

図１４（ａ）（ｂ）は、Ｓ１２Ｃを回転ツール５の回転速度４００ｒｐｍ、接合速度５０ｍｍ／ｍｉｎで接合した金属組織を示す。図１４（ｂ）は図１４（ａ）の拡大視である。この場合、接合部３の最高到達温度は７２３℃及び７３７℃を超えるが、冷却速度は７５℃／ｓ以下となる。このため、最高到達温度が７２３℃及び７３７℃を超えているにもかかわらず、マルテンサイト相、ベイナイト相は生成されていない。

図１５（ａ）（ｂ）は、Ｓ２０Ｃを回転ツール５の回転速度２００ｒｐｍ、接合速度４００ｍｍ／ｍｉｎで接合した金属組織を示す。図１５（ｂ）は図１５（ａ）の拡大視である。この場合、接合部３の最高到達温度は７２３℃及び７３７℃以下となるため、マルテンサイト相は生成されていない。

図１６（ａ）（ｂ）は、Ｓ２０Ｃを回転ツール５の回転速度４００ｒｐｍ、接合速度４００ｍｍ／ｍｉｎで接合した金属組織を示す。図１６（ｂ）は図１６（ａ）の拡大視である。この場合、接合部３の最高到達温度は７２３℃及び７３７℃以下となるため、マルテンサイト相は生成されていない。

図１７（ａ）（ｂ）は、Ｓ２０Ｃを回転ツール５の回転速度６００ｒｐｍ、接合速度４００ｍｍ／ｍｉｎで接合した金属組織を示す。図１７（ｂ）は図１７（ａ）の拡大視である。この場合、接合部３の最高到達温度は７２３℃を超え７３７℃に達し、且つ冷却速度も７５℃／ｓを超える。このため、図中に黒くマルテンサイト相が形成されていることが判る。

図１８（ａ）（ｂ）は、Ｓ２０Ｃを回転ツール５の回転速度８００ｒｐｍ、接合速度４００ｍｍ／ｍｉｎで接合した金属組織を示す。図１８（ｂ）は図１８（ａ）の拡大視である。この場合、接合部３の最高到達温度は７２３℃及び７３７℃を超え、且つ冷却速度も７５℃／ｓを超える。このため、図中に黒くマルテンサイト相が形成されていることが判る。

図１９（ａ）（ｂ）は、Ｓ２０Ｃを回転ツール５の回転速度４００ｒｐｍ、接合速度５０ｍｍ／ｍｉｎで接合した金属組織を示す。図１９（ｂ）は図１９（ａ）の拡大視である。この場合、接合部３の最高到達温度は７２３℃及び７３７℃を超えるが、冷却速度は７５℃／ｓ以下となる。このため、最高到達温度が７２３℃及び７３７℃を超えているにもかかわらず、マルテンサイト相は生成されていない。

図２０（ａ）（ｂ）は、Ｓ３０Ｃを回転ツール５の回転速度２００ｒｐｍ、接合速度４００ｍｍ／ｍｉｎで接合した金属組織を示す。図２０（ｂ）は図２０（ａ）の拡大視である。この場合、接合部３の最高到達温度は７２３℃及び７３７℃以下となるため、マルテンサイト相は生成されていない。

図２１（ａ）（ｂ）は、Ｓ３０Ｃを回転ツール５の回転速度４００ｒｐｍ、接合速度４００ｍｍ／ｍｉｎで接合した金属組織を示す。図２１（ｂ）は図２１（ａ）の拡大視である。この場合、同じ条件のＳ２０Ｃにおいては接合部３の最高到達温度は７２３℃及び７３７℃以下となるにも関わらず、図中に黒くマルテンサイト相が形成されていることが判る。これは、部分的に温度が７２３℃あるいは７３７℃を超えたために、マルテンサイト相が形成されたものと考えられる。

図２２（ａ）（ｂ）は、Ｓ３０Ｃを回転ツール５の回転速度６００ｒｐｍ、接合速度４００ｍｍ／ｍｉｎで接合した金属組織を示す。図２２（ｂ）は図２２（ａ）の拡大視である。この場合、接合部３の最高到達温度は７２３℃を超え、７３７℃に達し、且つ冷却速度も７５℃／ｓを超える。このため、図中に黒くマルテンサイト相が形成されていることが判る。

図２３（ａ）（ｂ）は、Ｓ３０Ｃを回転ツール５の回転速度８００ｒｐｍ、接合速度４００ｍｍ／ｍｉｎで接合した金属組織を示す。図２３（ｂ）は図２３（ａ）の拡大視である。この場合、接合部３の最高到達温度は７２３℃及び７３７℃を超え、且つ冷却速度も７５℃／ｓを超える。このため、図中に黒くマルテンサイト相が形成されていることが判る。

図２４（ａ）（ｂ）は、Ｓ３０Ｃを回転ツール５の回転速度４００ｒｐｍ、接合速度５０ｍｍ／ｍｉｎで接合した金属組織を示す。図２４（ｂ）は図２４（ａ）の拡大視である。この場合、接合部３の最高到達温度は７２３℃及び７３７℃を超えるが、冷却速度は７５℃／ｓ以下となる。このため、最高到達温度が７２３℃及び７３７℃を超えているにもかかわらず、マルテンサイト相は生成されていない。

Claims

炭素を０．１５質量％以上含む鋼材の加工部を７２３℃以下に制御しつつ、前記加工部にＷＣからなる棒状の回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させて前記鋼材を加工する金属材の加工方法。
炭素を０．１５質量％以上含む鋼材の加工部を７３７℃以下に制御しつつ、前記加工部にＷＣからなる棒状の回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させて前記鋼材を加工する金属材の加工方法。
炭素を０．１５質量％以上含む鋼材の加工部を８２３℃未満に制御しつつ、前記加工部にＷＣからなる棒状の回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させて前記鋼材を加工する金属材の加工方法。
炭素を０．１５質量％以上含む鋼材の加工部を８３７℃未満に制御しつつ、前記加工部にＷＣからなる棒状の回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させて前記鋼材を加工する金属材の加工方法。
鋼材における、炭素（Ｃ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、シリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）の質量％が、下式（１）〜（４）に該当する鋼材であって、
1.5C+P+3S≧0.23（質量％） …式(1)
C+Si/90+(Mn+Cr)/100+P≧0.115(質量%) …式(2)
C+Si/30+Mn/60+2P+4S≧0.024（質量％） …式(3)
C+Si/30+Mn/60+2P+4S≧0.031（質量％） …式(4)
前記鋼材の加工部を７２３℃以下に制御しつつ、前記加工部にＷＣからなる棒状の回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させて前記鋼材を加工する金属材の加工方法。
鋼材における、炭素（Ｃ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、シリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）の質量％が、下式（１）〜（４）に該当する鋼材であって、
1.5C+P+3S≧0.23（質量％） …式(1)
C+Si/90+(Mn+Cr)/100+P≧0.115(質量%) …式(2)
C+Si/30+Mn/60+2P+4S≧0.024（質量％） …式(3)
C+Si/30+Mn/60+2P+4S≧0.031（質量％） …式(4)
前記鋼材の加工部を７３７℃以下に制御しつつ、前記加工部にＷＣからなる棒状の回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させて前記鋼材を加工する金属材の加工方法。
鋼材における、炭素（Ｃ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、シリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）の質量％が、下式（１）〜（４）に該当する鋼材であって、
1.5C+P+3S≧0.23（質量％） …式(1)
C+Si/90+(Mn+Cr)/100+P≧0.115(質量%) …式(2)
C+Si/30+Mn/60+2P+4S≧0.024（質量％） …式(3)
C+Si/30+Mn/60+2P+4S≧0.031（質量％） …式(4)
前記鋼材の加工部を８２３℃以下に制御しつつ、前記加工部にＷＣからなる棒状の回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させて前記鋼材を加工する金属材の加工方法。
鋼材における、炭素（Ｃ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、シリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）の質量％が、下式（１）〜（４）に該当する鋼材であって、
1.5C+P+3S≧0.23（質量％） …式(1)
C+Si/90+(Mn+Cr)/100+P≧0.115(質量%) …式(2)
C+Si/30+Mn/60+2P+4S≧0.024（質量％） …式(3)
C+Si/30+Mn/60+2P+4S≧0.031（質量％） …式(4)
前記鋼材の加工部を８３７℃未満に制御しつつ、前記加工部にＷＣからなる棒状の回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させて前記鋼材を加工する金属材の加工方法。
前記加工部の温度の制御は、前記回転ツールの回転速度と移動速度とを制御することによって行う請求項１〜８のいずれか１項に記載の金属材の加工方法。
前記回転ツールは、棒状の前記回転ツールの本体と、棒状の前記回転ツールの本体内部を貫通するように配置され前記加工部に挿入されるプローブとからなり、前記加工部の温度の制御は、前記回転ツールの本体の回転速度を、前記プローブの回転速度よりも遅くすることによって行う、請求項１〜９のいずれか１項に記載の金属材の加工方法。
２つの前記鋼材を前記加工部において突き合わせ、前記回転ツールを回転させつつ前記加工部の長手方向に沿って移動させて２つの前記鋼材を接合する請求項１〜１０のいずれかに１項に記載の金属材の加工方法。
２つの前記鋼材を前記加工部において重ね合わせ、前記加工部に回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させて２つの前記鋼材を接合する請求項１〜１０のいずれかに１項に記載の金属材の加工方法。
前記加工部に回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させて前記加工部における前記鋼材の表面部位を改質する請求項１〜１０のいずれかに１項に記載の金属材の加工方法。
前記加工部と前記回転ツールとに不活性ガスを供給しつつ前記鋼材を加工する請求項１〜１３のいずれかに１項に記載の金属材の加工方法。
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の金属材の加工方法によって、２つ以上の鋼材を加工して形成された構造物。