异种金属接合体及其接合方法 【技术领域】
本发明涉及一种镍钛合金材料及纯钛材料的异种金属接合体及其接合方法。
背景技术
近年，对于表现形状记忆效果或者超弹性效果的组成的镍钛合金材料为了利用其功能性，被使用在多种多样的工业产品的材料中。但是，在所述产品开发中，镍钛合金材料具有难加工性成了大的障碍。由此，在镍钛合金材料及纯钛材料的异种金属接合体中，由于纯钛材料除了良好的加工性以外，具有机体适应性和抗蚀性等功能性，因此作为功能材料的利用价值高。
此外，在镍钛合金材料及纯钛材料的异种金属接合体中，由于镍钛合金材料的抗拉强度比纯钛材料的抗拉强度高，因此优选接合部具有接合前的纯钛材料的抗拉强度以上的抗拉强度。
但是，在镍钛合金材料上接合异种材料的方法中，由于利用通常的焊接方法中的接合困难，因此通常使用的方法为铆接等机械性地接合方法或将镍钛合金材料电镀后进行钎焊的方法。
但是，在利用现有的通常方法接合的镍钛合金材料及纯钛材料的异种金属接合体中存在接合部与接合前的纯钛材料的抗拉强度相比，具有相当低的抗拉强度的问题。另外，利用钎焊方法接合的镍钛合金材料和纯钛材料的异种金属接合体也有接合后的热影响部大的问题。
因此，在专利文献1的“超弹性合金的钎焊方法”中提出了在超弹性合金上利用溅射等镀钛覆膜后再利用钛合金钎料进行钎焊的技术。该技术通过在超弹性合金上镀密接强度高的钛覆膜，与现有的利用通常的方法接合后的情况相比，能够得到接合部的强度高的异种金属接合体。但是，由于该技术利用钎焊方法接合，因此不能解决接合后的热影响部大的问题。
另外，在专利文献2及专利文献3中提出接合镍钛合金材料及镍基合金材料的技术，在专利文献4中提出接合镍钛合金材料及异种金属材料的技术。
在这些技术中，在对熔融金属传递压力的状态下凝固的金属组织、即熔融金属锻造组织遍及接合面界面整体以约20μm以下的厚度形成，由此，与利用现有的普通方法接合的情况相比，能够得到接合部的强度高的异种金属接合体。另外，通过利用高温加压且在接合面附近设置放热部，能够得到接合后的热影响部小的异种金属接合体。
但是，这些技术不满足在接合面的状态或接触的状态的调整时所需要的精密度，或者，若接触面积变大，熔融金属锻造组织难以遍及接合面界面整体形成约20μm以下的厚度，因此，存在接合部的强度容易降低且容易不均的问题。因此，在基于这些技术的镍钛合金材料及纯钛材料的异种金属接合体中，如在专利文献4的实施例中公开的接合部具有20kg/mm2以上30kg/mm2地抗拉强度所示，接合部不能具有接合前的纯钛材料的抗拉强度以上的抗拉强度。
专利文献1：日本专利第1968308号公告；
专利文献2：日本专利第2516447号公告；
专利文献3：日本专利第2563843号公告；
专利文献4：日本专利第2737817号公告。
【发明内容】
本发明鉴于上述现有技术的问题，其目的在于提供一种镍钛合金材料及纯钛材料的异种金属接合体及其接合方法，在该接合体中，接合部具有接合前的纯钛材料的抗拉强度以上的抗拉强度且接合部的强度不均小，接合后的热影响部小。
本发明的异种金属接合体是镍钛合金材料及纯钛材料的异种金属接合体，其特征在于，所述镍钛合金材料及所述纯钛材料的接合部由反应层的组织形成，且具有接合前的纯钛材料的抗拉强度以上的抗拉强度，其中，该反应层是在摩擦压焊的状态下，通过由镦锻力产生的压缩力及减速旋转运动的旋转力形成的。并且，其特征在于，所述镍钛合金材料是表现形状记忆效果或超弹性效果的组成。并且，其特征在于，所述纯钛材料是与JISH4650中规定的一种或两种相当的组成。并且，其特征在于，对所述纯钛材料的部分中和所述接合部不同的部分与和所述镍钛合金材料不同的金属材料接合，两接合间的厚度为所述纯钛材料的部分的外形尺寸以下。并且，其特征在于，所述接合部利用接合后的加工而成形。
本发明的异种金属接合体的接合方法，其特征在于，使镍钛合金材料及纯钛材料的接合面的至少一方进行旋转运动并摩擦压焊，在旋转运动的减速开始后，在接合面上的旋转运动的最外周的圆周速度为0.5m/秒以上的期间施加规定的镦锻力进行压缩而接合。并且，将摩擦压焊的条件设定为：接合面上的旋转运动的最外周的圆周速度为2m/秒以上、摩擦压力为100MPa以下、摩擦时间为0.5秒以上。
本发明的异种金属接合体的接合方法，其特征在于，使镍钛合金材料及纯钛材料的接合面的至少一方进行旋转运动并摩擦压焊，在旋转运动的减速开始后，在接合面上的旋转运动的最外周的圆周速度为1m/秒以上的期间施加镦锻力进行压缩而接合，其中该镦锻力设定为比接合面的接合截面积与接合前的纯钛材料的屈服强度相乘后的值的力小。并且，其特征在于，将摩擦压焊的条件定为：接合面的旋转运动的最外周的圆周速度为4m/秒以上、摩擦压力为100MPa以下、摩擦时间为0.5秒以上。
发明效果
在本发明的异种金属接合体中，接合部具有接合前的纯钛材料的抗拉强度以上的抗拉强度且接合部的强度不均小，接合后的热影响部小。
即，在本发明的异种金属接合体中，其接合部通过由镦锻力产生的压缩力及减速的旋转运动的旋转力形成的反应层的组织构成，由此，在反应层生成的化合物在整个接合面较薄地形成且化合物分布在整个接合面，因此，接合部具有接合前的纯钛材料的抗拉强度以上的抗拉强度且接合部的强度的不均变小。并且，由于接合部具有接合前的纯钛材料的抗拉强度以上的抗拉强度，因此将接合部在接合后除了利用基于切削加工或研磨加工的除去加工，还能够利用基于塑性加工的变形加工成形。
从能够得到这样的强度特性可知，本发明的异种金属接合体的接合部由与通常方法得到的反应层的组织不同的反应层的组织形成，该通常方法是指在旋转运动完全停止的状态下施加基于镦锻力的单纯压缩力的普通的摩擦压焊方法或施加由加压产生的单纯压缩力的其它的压焊方法。
另外，与通过钎焊接合的接合体相比，由于本发明的异种金属接合体由于是通过摩擦压焊接合的接合体，因此热影响部小。其中钎焊接合是在接合面以外部分发热且由于施加压力使加热区域几乎不变形，摩擦压焊是通过摩擦发热直接加热接合面且由于镦锻力使加热区域产生大的变形。
并且，在本发明的异种金属接合体中，在纯钛材料中和接合部不同的部分与和镍钛合金材料不同的金属材料接合一体化，纯钛材料利用通常的焊接方法能够与钛合金、铝、铜、碳素钢、钽等异种金属材料牢固地接合，因此，能够得到以纯钛材料作为中间部分的镍钛合金材料的异种金属接合体。该情况，通过两接合间的厚度在纯钛材料的外形尺寸以下，在利用比纯钛材料强度高的材料限制作为中间部分的纯钛材料的变形的条件下接合一体化能够提高接合部的强度。
本发明的异种金属接合体的接合方法容易满足在接合面的状态或接触的状态调整时所需要的精密度，且废品率小。由于这样的优点，根据本发明，能够提高将镍钛合金材料和异种金属材料接合后的产品的设计、功能及可靠性。
另外，在本发明的异种金属接合体的接合方法中，在旋转运动的减速开始后且接合面上的旋转速度的最外周的圆周速度在0.5m/秒以上的期间施加镦锻力，由此，能够形成具有接合前的纯钛材料的抗拉强度以上的抗拉强度的接合部。并且，为了不形成接合面的温度分布显著不均一，通过设定关于接合面上的旋转速度的最外周的圆周速度、摩擦压力、摩擦时间的摩擦压焊的条件，能够使强度的不均变小。
【附图说明】
图1是关于两个圆棒体彼此接合一体化的异种金属接合体的立体图。
图2是关于三个圆棒体彼此接合一体化的异种金属接合体的立体图。
图3是关于三个板状体彼此接合一体化的异种金属接合体的立体图。
图4是关于摩擦压焊(压接)装置的概略结构图。
图5是表示摩擦压焊动作的时间的推移的图表。
图6是关于彼此直径相同的圆棒的摩擦压焊时的接合面的示意图。
图7是关于彼此直径不同的圆棒的摩擦压焊时的接合面的示意图。
图8是表示实施例1的旋转运动的减速过程的图表。
图9是表示实施例1的测定结果的一览表。
图10是表示实施例2的旋转运动的减速过程的图表。
图11是表示实施例2的测定结果的一览表。
图中：
W1-旋转侧金属材料；W2-固定侧金属材料；1-由镍钛合金材料构成的圆棒体；2-由纯钛材料构成的圆棒体；3-由镍钛合金材料构成的圆棒体；4-由纯钛材料构成的圆棒体；5-由异种金属材料构成的圆棒体；6-由镍钛合金材料构成的板状体；7-由纯钛材料构成的板状体；8-由异种金属材料构成的板状体；10-基台；11-支承台；12-导轨；13-螺杆；14-驱动马达；15-滑架；16-安装框体；17-旋转马达；18-旋转侧夹具；19-固定侧夹具；
【具体实施方式】
以下，对本发明的实施方式进行详细地说明。此外，以下说明的实施方式因为是实施本发明的优选的具体例子，所以技术上有各种限定，但是在以下的说明中只要不特别地记载限定本发明意思，则本发明没有限定于这些方式。
图1是关于本发明的异种金属接合体的立体图。在此例中，由镍钛合金材料构成的圆棒体1及由纯钛材料构成且与圆棒体1同径的圆棒体2接合一体化。接合部如后所述，通过在摩擦压焊状态下，由镦锻力产生的压缩力及减速的旋转运动的旋转力而形成，且由具有接合前的纯钛材料的抗拉强度以上的抗拉强度的反应层的组织构成。
通过摩擦压焊产生的反应层由生成了与镍钛合金材料的组成不同的化合物的层及产生了原子扩散的层构成。如此接合的接合部的反应层在整个接合面上较薄地形成。
另外，在冷加工后被再结晶退火的纯钛材料的组织具有等轴α组织，但受摩擦压焊产生的热及力的影响等轴α组织变化后的热影响部较薄地形成。在以往钎焊时，由于加热到纯钛材料的α-β相变点(880℃)以上产生晶粒直径的粗大化，但是在纯钛材料产生的热影响部中不产生这样的晶粒直径的粗大化，由摩擦压焊产生的热的影响变小。
由此，接合部的反应层及热影响部较薄地形成且纯钛材料受到的影响变小，由于在反应层生成的化合物在遍及接合面整体较薄地形成且分布在整个接合面上，因此接合部的抗拉强度不下降而在纯钛材料的抗拉强度以上。
作为镍钛合金材料可以使用各种组成的公知的合金材料，优选表现形状记忆效果或者超弹性效果的组成的材料。关于纯钛材料也可以使用公知的材料，尤其优选与JIS H4650中规定的一种或两种相当的组成中的材料。
图2是关于将与镍钛合金材料不同的金属材料进一步接合一体化的异种金属接合体的立体图。在此例中，由镍钛合金材料构成的圆棒体3与由纯钛材料构成的圆棒体4的一侧的端部接合一体化，由与镍钛合金材料不同的金属材料构成的圆棒体5与圆棒体4的另一侧的端部接合一体化。圆棒体3～5形成为相同直径。圆棒体5由例如钛合金、铝、铜、碳素钢、钽的金属材料构成，能够利用通常的焊接方法与纯钛材料牢固地接合一体化。
在纯钛材料的端部接合的与镍钛合金材料不同的金属材料的一例列举了比纯钛材料强度高的β型钛合金材料、即Ti-22V-4A1。镍钛合金材料和Ti-22V-4A1的接合通过通常的焊接方法或基于本发明的方法难以得到牢固的接合部。但是，纯钛材料和Ti-22V-4A1的接合利用例如通常的摩擦压焊方法容易得到牢固的接合部。
通过如此将异种金属材料接合一体化，能够以纯钛作为中间部分而在镍钛合金材料上将各种金属材料一体化。
如图2所示，在圆棒体彼此组合的情况下，通过中间部分的纯钛材料的接合间的厚度H为作为其外形尺寸的外径D以下，在利用比纯钛材料强度高的材料限制作为中间部分的纯钛材料的变形的条件下接合一体化能够提高接合部的强度。
另外，图3是关于使用与图2的情况相同的三种金属材料来将板状体彼此组合并接合一体化的异种金属接合体的立体图。由镍钛合金材料构成的板状体6与由纯钛材料构成的板状体7的一侧的端部接合一体化，由与镍钛合金材料不同的金属材料构成的板状体8与板状体7的另一侧的端部接合一体化。
在该情况下，通过中间部分的纯钛材料的接合间的长度H为作为其外形尺寸的板厚h以下，在利用比纯钛材料强度高的材料限制作为中间部分的纯钛材料的变形的条件下接合一体化能够提高接合部的强度。此外，中间部分的纯钛材料的板厚h可以设定在其板宽W以下。
在图1及图2中将相同直径的圆棒体彼此接合一体化，但是也可以是板状体及板状体、管状体及管状体的组合。该情况，例如，可以是彼此不同直径的圆棒体组合，也可以接合部分的形状互相不一致。进而，也可以是彼此不同形状的组合，例如，列举了棒状体和板状体、管状体和板状体的组合，能够将各种形状彼此组合并接合一体化。
在异种金属接合体的接合部为非圆形的截面形状时，将截面形状为圆形的材料彼此接合一体化后，在基于切削加工或研磨加工的除去加工以外，还能够利用基于塑性加工的变形加工而成形，利用这些，能够将接合部从圆形的截面形状形成长宽比大的非圆形的截面形状。在长宽比大的非圆形的截面形状的摩擦压焊中，由于在旋转并接合时接合面暴露在大气的区域大，因此很难良好地接合。在这样的情况时希望在接合后加工成形。
图4是关于制造本发明的异种金属接合体的摩擦压焊装置的概略结构图。在基台10上竖立固定的支承台11上设置直线状的导轨12。螺杆13能够旋转地轴支承于基台10上，该螺杆13与导轨12并列配置，螺杆13通过安装固定在支承台11上的驱动马达14旋转驱动。滑架15与螺杆13螺旋连接，通过螺杆13的旋转使滑架15上下移动。
在滑架15上固定安装框体16，在安装框体16上安装旋转马达17。在旋转马达17的驱动轴上安装旋转侧夹具18，在基台10上与旋转侧夹具18对置配置固定侧夹具19并固定。
在旋转侧夹具18上安装固定旋转侧金属材料W1，在固定侧夹具19上安装固定固定侧金属材料W2。并且，旋转驱动驱动马达14来使滑架15向下方移动，使旋转侧金属材料W1的接合面与固定侧金属材料W2的接合面密接。此外，为了避免金属材料的接合面的接触状态明显不一致，优选预先通过车床加工等进行平滑处理。
若使驱动马达14再次旋转驱动，则能够控制施加在金属材料W1及W2的接合面上的推力。在使接合面压焊的状态下，对旋转马达17进行旋转控制进而使旋转侧金属材料W1旋转，由此，能够使两金属材料的接合面摩擦压焊。
作为摩擦压焊装置，除上述装置以外，只要是控制要接合一体化的材料的相对运动和停止而能够控制摩擦压焊的装置即可，例如，也可以是使互相向相反方向旋转而形成相对运动的装置。
图5是表示在进行摩擦压焊动作情况下在接合面上施加的压力(P；用实线表示)及总留量(M；用虚线表示)的时间的推移的图表。在该例中，在t1时刻旋转马达17的旋转开始减速。在直至开始减速之前的期间，由对驱动马达14的接合面的推力产生的一定的摩擦压力P1和由旋转马达17的一定的转速产生的摩擦总留量一直增加，在t1时刻得到摩擦总留量M1。
从t1时刻旋转马达17开始减速后，如后所述，在接合面上的旋转运动的最外周的圆周速度在0.5m/秒以上的期间提高驱动马达14的推力来施加一定的镦锻压力(P2)，旋转马达17停止至接合部完全冷却的期间，继续施加镦锻压力(P2)进而得到镦锻总留量(M2)。
图6是关于将在相同直径的圆棒体上形成的金属材料W1及W2接合的状态的示意图，图7是关于将在不同直径的圆棒体上形成的金属材料W1及W2接合的状态的示意图。该情况下，接合面的接合截面积S是在摩擦压焊时的接合面上与在接合面上施加的力的方向正交的平面的截面积，若图6及图7的金属材料W的外径一致，则形成相同的接合截面积。摩擦压焊后的实际的接合面由于圆周速度的影响形成为平滑的曲面状。
另外，接合面上的旋转运动的最外周的圆周速度是在连续地描绘接合面旋转的轨迹的情况下的最外周的圆周速度。图6中使任一方的金属材料旋转运动的情况，无论是哪一种情况接合面上的旋转运动的最外周的圆周速度都一致，在图7中，使外径小的圆棒体旋转运动的情况，外径小的金属材料的最外周的圆周速度和接合面上的旋转运动的最外周的圆周速度一致，但是使外径大的圆棒体旋转运动的情况，外径大的金属材料的最外周的圆周速度和接合面上的旋转运动最外周的圆周速度不一致。此外，使双方的金属材料互相向相反方向旋转得到相对运动的情况，接合面上的旋转运动的最外周的圆周速度是将旋转的各个金属材料的接合面上的最外周的圆周速度相加得到的。
在摩擦压焊的控制中，将减速开始后施加的镦锻力设定在接合截面积与接合前的纯钛材料的屈服强度相乘后的值的力以上，或者可以按照比该值小的设定而改变控制方法。此外，施加的镦锻力优选纯钛材料在摩擦压焊部以外的部分不变形的范围内尽可能大的力。
此外，摩擦压焊中产生的毛刺容易发生形状性地应力集中，因变形分离后的反应层在接合面上不排出地残留而容易产生缺陷，因此，优选通过切削或研磨除去。
(实施例1)
使用作为表现超弹性效果的组成的镍钛合金材料的圆棒体(直径2.1mm、长度55mm)和作为与JIS H4650中规定的两种相当的组成的纯钛材料的圆棒体(直径4mm、长度59mm)。圆棒体的接合面预先通过车床加工进行平滑处理而互相密接。此外，接合前的镍钛合金材料是由无心研磨后的材料退火后得到的。另外，接合前的纯钛材料是屈服强度为240MPa左右且抗拉强度450MPa左右的无心研磨后的材料。
在上述的摩擦压焊装置(日东制机株式会社制)上安置圆棒体，将摩擦压焊的条件如下设定为：接合面上的旋转运动的最外周的圆周速度为2.18m/秒、摩擦压力为58MPa、摩擦时间为1秒、镦锻压力为361MPa，将镦锻力设定在接合截面积与接合前的纯钛材料的屈服强度相乘后的值的力以上。
并且，将镦锻计时分别设定为0.00秒、0.06秒、0.12秒、0.18秒、0.24秒、0.27秒进而进行摩擦压焊试验。在此，作为镦锻计时是从旋转运动的减速开始后到施加镦锻力之前的时间。图8是表示实施例1中的旋转运动的减速过程的图表。纵轴采用接合面上的旋转运动的最外周的圆周速度，横轴采用镦锻计时。
进行摩擦压焊而接合一体化的金属接合体中，将毛刺通过切削除去后，使用拉伸试验机(英斯特朗(インストロン)社制)以接合部配置在中央的方式把持金属接合体的两端部，并将把持间的间隔设定为40mm，滑块速度设定为0.01mm/秒进行拉伸试验。关于在各自的镦锻计时中的金属接合体的总镦锻量和抗拉强度的测定结果用图9表示。此外，所谓总镦锻量是摩擦总留量和镦锻总留量相加的量。
从图9的测定结果可知，在实施例1中，接合面上的旋转运动的最外周的圆周速度在0.5m/秒以上，确认了接合部具有接合前的纯钛材料的抗拉强度以上的抗拉强度，并且接合部的强度的不均小。
并且，观察接合部的截面组织的结果为观察到生成与镍钛合金材料的组成不同的化合物的层及原子扩散生成的层。这样的接合部的反应层在整个接合面以50μm以下的厚度较薄地形成，生成了化合物的层在整个接合面以20μm以下的厚度较薄地形成。
另外，纯钛材料的组织是晶粒直径为50μm左右的等轴α组织，但是受摩擦压焊产生的热及力的影响而变化后的热影响部以500μm以下的厚度较薄地形成。在热影响部中，观察不到在钎焊时观察到的由于加热到纯钛材料的α-β相变点(880℃)以上产生的晶粒直径的粗大化，从这样的观察结果可知由摩擦压焊产生的热影响小了。
另外，旋转运动的减速开始后，在接合面上的旋转运动的最外周的圆周速度比0.5m/秒小的期间施加镦锻力的比较例中，确认了接合部不具有接合前的纯钛材料的抗拉强度以上的抗拉强度，接合部的强度的不均大。
(实施例2)
使用作为表现超弹性效果的组成的镍钛合金材料的圆棒体(直径4mm、长度63mm)和作为与JIS H4650中规定的两种相当的组成的纯钛材料的圆棒体(直径4mm、长度63mm)进行镍钛合金材料和纯钛材料的摩擦压焊试验。圆棒体的接合面预先通过车床加工进行平滑处理而相互密接。此外，接合前的镍钛合金材料是由无心研磨后的材料退火后得到的。另外，接合前的纯钛材料是屈服强度为240MPa左右且抗拉强度450MPa左右的无心研磨后的材料。
使用与实施例1相同的摩擦压焊装置，将摩擦压焊的条件设定为：接合面上的旋转运动的最外周的圆周速度为4.16m/秒、摩擦压力为46MPa、摩擦时间为1秒、镦锻压力为239MPa，将镦锻力设定为比接合截面积与接合前的纯钛材料的屈服强度的相乘后的值的力小。
并且将镦锻计时设定为0.00秒、0.06秒、0.12秒、0.18秒、0.24秒、0.27秒进而进行摩擦压焊试验。图10是表示实施例2中的旋转运动的减速过程的图表。纵轴采用接合面上的旋转运动的最外周的圆周速度，横轴采用镦锻计时。
摩擦压焊后接合一体化后的金属接合体中与实施例1相同地进行拉伸试验。关于在各自的镦锻计时中的金属接合体的全部镦锻量和抗拉强度的测定结果在图11中示出。
从图11的测定结果可知，在实施例2中，确认了接合面上的旋转运动的最外周的圆周速度为1m/秒以上，接合部具有接合前的纯钛材料的抗拉强度以上的抗拉强度，并且接合部的强度的不均小。
并且，观察接合部的截面组织的结果与实施例1同样，观察到由生成与镍钛合金材料的组成不同的化合物的层及生成了原子扩散的层构成的反应层。反应层在整个接合面以50μm以下的厚度较薄地形成，化合物生成的层在整个接合面以20μm以下的厚度较薄地形成。
另外，与实施例1相同，在纯钛材料上产生热影响部，热影响部在500μm以下的厚度上较薄地形成。在热影响部中，观察不到钎焊时观察到的由于加热到纯钛材料的α-β相变点(880℃)以上产生的晶粒直径的粗大化，可知由摩擦压焊产生的热影响小了。
另外，旋转运动的减速开始后，在接合面上的旋转运动的最外周的圆周速度比1m/秒小的期间施加镦锻力的比较例中，确认了接合部不具有接合前的纯钛材料的抗拉强度以上的抗拉强度，接合部的强度的不均大。
工业实用性
本发明的异种金属接合体能够在家电产品、住宅设备、输送设备、眼镜、医疗器具等各种用途中使用，其工业实用性非常大。