鋼板的摩擦攪拌接合方法
【專利摘要】對(duì)鋼板進(jìn)行摩擦攪拌接合時(shí)，將旋轉(zhuǎn)工具的轉(zhuǎn)速RS設(shè)為100～1000轉(zhuǎn)/分鐘、轉(zhuǎn)矩RT設(shè)為50～500Nm、移動(dòng)速度TS設(shè)為10～1000mm/分鐘，且將HIPT(kJ/mm2)控制在0.3～1.5的范圍內(nèi)，此外，作為鋼板，使用如下所述鋼板，含有C：0.01～0.2質(zhì)量％、Mn：0.5～2.0質(zhì)量％、Si：0.6質(zhì)量％以下、P：0.030質(zhì)量％以下、S：0.015質(zhì)量％以下及O：0.0060質(zhì)量％以下，且Ti的含量[％Ti]和N的含量[％N]通過(guò)與HIPT的關(guān)系來(lái)規(guī)定，且Ceq為0.5質(zhì)量％以下，剩余部分由Fe及不可避免的雜質(zhì)組成構(gòu)成，由此防止由于摩擦而產(chǎn)生的摩擦熱和塑性流動(dòng)的局部的變化，能夠獲得具有均勻且良好的韌性的接合部。
【專利說(shuō)明】
鋼板的摩擦攪拌接合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及使鋼板軟化并產(chǎn)生塑性流動(dòng)而進(jìn)行接合的摩擦攪拌接合方法。
【背景技術(shù)】
[0002]摩擦攪拌接合是如下所述的技術(shù):通過(guò)在金屬材料上產(chǎn)生摩擦熱使之軟化，攪拌該軟化了的部位而引起塑性流動(dòng)，由此將金屬材料接合，作為適合鋁合金、鎂合金等低熔點(diǎn)金屬材料(例如:飛機(jī)、船舶、火車、汽車等各種零件)的接合的接合技術(shù)，正在廣泛普及。
[0003]低熔點(diǎn)金屬材料在利用現(xiàn)有的電弧焊接法進(jìn)行接合時(shí)，其接合部被過(guò)度加熱，容易產(chǎn)生各種各樣的缺陷，因此，通過(guò)使用摩擦攪拌接合法能夠提高生產(chǎn)性，并且能夠形成具有良好的接頭特性的接合部。
[0004]因此，對(duì)摩擦攪拌接合的技術(shù)進(jìn)行了各種各樣的研究。
[0005]例如，在專利文獻(xiàn)I中，公開了如下技術(shù)，即，通過(guò)使一對(duì)金屬材料雙方或一方旋轉(zhuǎn)，在金屬材料上產(chǎn)生摩擦熱而使之軟化，并且，通過(guò)攪拌該軟化了的部位而引起塑性流動(dòng)，由此將金屬材料接合。
[0006]但是，該技術(shù)由于是使金屬材料旋轉(zhuǎn)，因此接合的金屬材料的形狀、尺寸有限度。
[0007]另外，在專利文獻(xiàn)2中公開了如下所述技術(shù)，即，將由比金屬材料更硬的材質(zhì)構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)工具插入金屬材料的接合部而使其一邊旋轉(zhuǎn)一邊移動(dòng)，由此，金屬材料產(chǎn)生摩擦熱而軟化，并且攪拌該軟化了的部位而引起塑性流動(dòng)，將金屬材料接合。該技術(shù)不使金屬材料旋轉(zhuǎn)，而是使旋轉(zhuǎn)工具一邊旋轉(zhuǎn)一邊移動(dòng)，因此，實(shí)質(zhì)上能夠?qū)o(wú)限長(zhǎng)度的金屬材料在長(zhǎng)度方向連續(xù)地接合。另外，是利用了通過(guò)旋轉(zhuǎn)工具和金屬材料的摩擦而產(chǎn)生的摩擦熱和塑性流動(dòng)的接合技術(shù)，不使接合部熔化就可以進(jìn)行接合，可抑制缺陷的產(chǎn)生。另外，由于接合部的溫度為較低的溫度，因此還能夠抑制變形。
[0008]但是，將專利文獻(xiàn)2中所公開的技術(shù)應(yīng)用于高熔點(diǎn)的金屬材料(例如鋼板等)時(shí)，難以充分軟化，存在不僅施工性差而且不能獲得良好的接頭特性的問(wèn)題。
[0009]另外，在專利文獻(xiàn)3、4中公開了一種旋轉(zhuǎn)工具，其由聚晶立方氮化硼(PCBN)、氮化硅(SiM)等耐磨損性材料構(gòu)成，以便在作為建筑物、船舶、重機(jī)、管道及汽車等結(jié)構(gòu)物的原材料大量使用的各種鋼板中應(yīng)用摩擦攪拌接合。
[0010]但是，由于這些陶瓷較脆，為了防止旋轉(zhuǎn)工具的破損，進(jìn)行接合的鋼板的板厚、其施工條件顯著受到限制。
[0011]為了將鋼板的摩擦攪拌接合實(shí)用化，需要解除對(duì)板厚、施工條件的限制，達(dá)到與現(xiàn)有的電弧焊接法同等優(yōu)異的施工性。
[0012]于是，在專利文獻(xiàn)5中公示了一種鋼材，其除了 C、Mn、P、S之類的基本元素以外，添加S1、Al、Ti作為鐵素體穩(wěn)定化元素，減小了摩擦攪拌接合時(shí)的變形阻力。
[0013]但是，在鋼板的摩擦攪拌接合中，公知的是，由于摩擦而產(chǎn)生的摩擦熱和塑性流動(dòng)不均勻，局部地變化，因此，對(duì)接合部的機(jī)械特性造成很大的影響，尤其是韌性不均勻(參照非專利文獻(xiàn)I)。即，專利文獻(xiàn)5中所公開的技術(shù)存在不能獲得具有均勻的韌性的接合部的問(wèn)題。
[0014]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0015]專利文獻(xiàn)
[0016]專利文獻(xiàn)1:日本特開昭62-183979號(hào)公報(bào)
[0017]專利文獻(xiàn)2:日本特表平7-505090號(hào)公報(bào)
[0018]專利文獻(xiàn)3:日本特表2003-532542號(hào)公報(bào)
[0019]專利文獻(xiàn)4:日本特表2003-532543號(hào)公報(bào)
[0020]專利文獻(xiàn)5:日本特開2008-31494號(hào)公報(bào)
[0021]非專利文獻(xiàn)
[0022]非專利文獻(xiàn)1:焊接學(xué)會(huì)全國(guó)大會(huì)后援概要第87集(2010) 331
【發(fā)明內(nèi)容】
[0023]本發(fā)明的目的在于，提供一種摩擦攪拌接合方法，在對(duì)鋼板進(jìn)行摩擦攪拌接合時(shí)，防止由于摩擦而產(chǎn)生的摩擦熱和塑性流動(dòng)的局部的變化，能夠獲得具有均勻且良好的韌性的接合部。
[0024]用于解決課題的技術(shù)方案
[0025]
【發(fā)明者】們對(duì)通過(guò)鋼板的摩擦攪拌接合而形成韌性均勻地分布的接合部的技術(shù)進(jìn)行了研究。這時(shí)，著眼于通過(guò)使TiN等在高溫下穩(wěn)定的微細(xì)析出物分散在鋼板中而抑制在摩擦攪拌接合時(shí)生成的奧氏體晶粒的粗大化的釘扎效果。之所以如此是因?yàn)?，認(rèn)為由于釘扎效果而形成微細(xì)的奧氏體晶粒，在之后的冷卻過(guò)程的組織相變中生成的鐵素體粒也微細(xì)化，由此，能夠使接合部的韌性提高并均勻化。
[0026]于是，為了在鋼板的摩擦攪拌接合中發(fā)揮釘扎效果，
【發(fā)明者】們對(duì)摩擦攪拌接合的施工條件和與其相適應(yīng)的鋼板的成分進(jìn)行了詳細(xì)研究。
[0027]而且，對(duì)于使用旋轉(zhuǎn)工具進(jìn)行摩擦攪拌接合時(shí)的施工條件，獲得了如下的見解
(a)。
[0028](a)在鋼板的摩擦攪拌接合中，基于旋轉(zhuǎn)工具的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、移動(dòng)速度及鋼板的板厚，能夠算出所投入的熱量。即，根據(jù)旋轉(zhuǎn)工具的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的積算獲得每單位時(shí)間的熱量，進(jìn)而除以旋轉(zhuǎn)工具的移動(dòng)速度，由此能夠算出接合部的每單位長(zhǎng)度的熱量(以下，稱為接合熱量輸入)。通過(guò)將該接合熱量輸入除以鋼板的板厚，能夠獲得板厚的每單位長(zhǎng)度的接合熱量輸入(以下，稱為HIPT)，通過(guò)調(diào)整該HIPT，能夠有效地發(fā)現(xiàn)釘扎效果。
[0029]HIPT (kj/mm2)如前段所說(shuō)明的那樣，可用⑴式算出。⑴式中的RT為旋轉(zhuǎn)工具的轉(zhuǎn)矩(Nm)，RS為旋轉(zhuǎn)工具的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分鐘)，TS為旋轉(zhuǎn)工具的接合方向的移動(dòng)速度(mm/分鐘)，t為鋼板的板厚(mm)。
[0030]HIPT= (6.28XRTXRS)/TS/t/1000...(I)
[0031]另外，關(guān)于在使用旋轉(zhuǎn)工具進(jìn)行摩擦攪拌接合的情況下適當(dāng)?shù)匿摪宓某煞?，獲得了如下的見解(b)。
[0032](b)如果調(diào)整鋼板的成分(尤其是T1、N)，就能夠使微細(xì)的TiN分散于鋼板中，進(jìn)而對(duì)接合部的韌性的提高和均勻化發(fā)揮作用。用于獲得該效果的Ti和N的含量可以用以HIPT為參數(shù)的函數(shù)進(jìn)行規(guī)定。
[0033]本發(fā)明是基于這些見解而做出的。
[0034]即，本發(fā)明的鋼板的摩擦攪拌接合方法，是將鋼板接合的摩擦攪拌接合方法，將旋轉(zhuǎn)工具插入到鋼板的接合部而使旋轉(zhuǎn)工具一邊旋轉(zhuǎn)一邊移動(dòng)，利用與旋轉(zhuǎn)工具的摩擦熱使鋼板軟化，并利用旋轉(zhuǎn)工具攪拌軟化了的部位從而產(chǎn)生塑性流動(dòng)，所述旋轉(zhuǎn)工具具有肩部和配置于該肩部且與肩部共有旋轉(zhuǎn)軸的銷部，所述旋轉(zhuǎn)工具中至少肩部和銷部由比鋼板硬的材質(zhì)構(gòu)成，所述鋼板的摩擦攪拌接合方法的特征在于，
[0035]將當(dāng)旋轉(zhuǎn)工具的轉(zhuǎn)速RS設(shè)為100?1000轉(zhuǎn)/分鐘、轉(zhuǎn)矩RT設(shè)為50?500Nm、移動(dòng)速度TS設(shè)為10?100mm/分鐘、且鋼板的板厚設(shè)為t (mm)時(shí)利用下述(I)式算出的板厚的每單位長(zhǎng)度的接合熱量輸入HIPT (kj/mm2)控制在0.3?1.5的范圍內(nèi)，并且，
[0036]鋼板含有C:0.01?0.2質(zhì)量％、Mn:0.5?2.0質(zhì)量％、S1:0.6質(zhì)量％以下、P:
0.030質(zhì)量％以下、S:0.015質(zhì)量％以下及O:0.0060質(zhì)量％以下，且Ti的含量[% Ti]和N的含量[%N]在與HIPT的關(guān)系上滿足下述⑵?(4)式，且根據(jù)C、S1、Mn的含量[%C]、[% Si], [%Mn]利用下述(5)式算出的Ceq為0.5質(zhì)量％以下，剩余部分由Fe及不可避免的雜質(zhì)組成構(gòu)成，
[0037]記:
[0038]HIPT= (6.28XRTXRS)/TS/t/1000...(I)
[0039]0.0045+(1/200) XHIPT ^ [% Ti] ^ 0.28 - (2/15) XHIPT...(2)
[0040]0.00275+(1/1200) XHIPT ^ [% N] ^ 0.0225 — (1/120) XHIPT...(3)
[0041]1.75+(5/6) XHIPT ( [% Ti]/[% N] ^ 13 - (10/3) XHIPT...(4)
[0042]Ceq= [% C] + ([% Si]/24) + ([% Mn]/6)...(5)
[0043]其中，[% X]為X元素的含量(質(zhì)量％ )。
[0044]在本發(fā)明的摩擦攪拌接合方法中，優(yōu)選的是，鋼板在上述組成的基礎(chǔ)上，還含有選自Al:0.005?0.10質(zhì)量％及V:0.003?0.10質(zhì)量％中的至少一種，進(jìn)而優(yōu)選含有選自Cu:0.05 ?1.0 質(zhì)量％、Ni:0.05 ?L O 質(zhì)量％、Cr:0.05 ?0.50 質(zhì)量％、Mo:0.02 ?0.50質(zhì)量％及吣:0.003?0.050質(zhì)量％中的一種或兩種以上。
[0045]發(fā)明效果
[0046]根據(jù)本發(fā)明，在對(duì)鋼板進(jìn)行摩擦攪拌接合時(shí)，能夠防止由于摩擦而產(chǎn)生的摩擦熱和塑性流動(dòng)的局部的變化，能夠獲得具有均勻且良好的韌性的接合部，因此在工業(yè)上起到顯著的效果。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0047]圖1是示意性地表示本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)工具和鋼板的配置的例子的剖視圖；
[0048]圖2是表示適于本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)工具的例子的側(cè)視圖；
[0049]圖3是表示適于本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)工具的其他例子的側(cè)視圖；
[0050]圖4是表示試驗(yàn)片的選取位置的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0051]下面，基于附圖具體地說(shuō)明本發(fā)明。
[0052]圖1是示意性地表示本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)工具和鋼板的配置的例子的剖視圖。以旋轉(zhuǎn)軸4為中心向箭頭A方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)工具I具有肩部2和銷部3，該肩部2和銷部3的旋轉(zhuǎn)軸4為同一個(gè)軸。旋轉(zhuǎn)工具I的至少肩部2和銷部3由比鋼板5更硬的材質(zhì)構(gòu)成。作為這種硬質(zhì)材料，聚晶立方氮化硼(PCBN)或氮化硅(SiN4)等有利地適合。
[0053]在本發(fā)明中，向所接合的鋼板5的部位(以下也稱為接合部)插入旋轉(zhuǎn)工具I并使之一邊旋轉(zhuǎn)一邊向箭頭B的方向移動(dòng)，由于與旋轉(zhuǎn)工具I的摩擦熱而使鋼板5的接合部6軟化，并且通過(guò)利用旋轉(zhuǎn)工具I攪拌該軟化了的部位而產(chǎn)生塑性流動(dòng)，將鋼板5接合。
[0054]首先，對(duì)使用旋轉(zhuǎn)工具I如上所述進(jìn)行鋼板5的摩擦攪拌接合時(shí)的施工條件進(jìn)行說(shuō)明。
[0055]旋轉(zhuǎn)工具的轉(zhuǎn)速:100?1000轉(zhuǎn)/分鐘
[0056]旋轉(zhuǎn)工具I的轉(zhuǎn)速(RS)需要設(shè)定在適當(dāng)?shù)姆秶?，以便通過(guò)使旋轉(zhuǎn)工具I和鋼板5的接合部6之間產(chǎn)生摩擦熱并攪拌軟化了的接合部6而產(chǎn)生塑性流動(dòng)。轉(zhuǎn)速小于100轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)，不能獲得充分的發(fā)熱和塑性流動(dòng)，產(chǎn)生接合不良。另一方面，若超過(guò)1000轉(zhuǎn)/分鐘，則產(chǎn)生過(guò)大的發(fā)熱和塑性流動(dòng)，在接合部6產(chǎn)生飛邊、缺損，因而不能形成良好的形狀的接合部6。另外，旋轉(zhuǎn)工具I被過(guò)度地加熱而旋轉(zhuǎn)工具I容易破損。因此，旋轉(zhuǎn)工具I的轉(zhuǎn)速設(shè)定為100?1000轉(zhuǎn)/分鐘。
[0057]旋轉(zhuǎn)工具的轉(zhuǎn)矩:50?500Nm
[0058]旋轉(zhuǎn)工具I的轉(zhuǎn)矩(RT)需要設(shè)定在適當(dāng)?shù)姆秶?，以便通過(guò)在旋轉(zhuǎn)工具I和鋼板5的接合部6之間產(chǎn)生摩擦熱并攪拌軟化了的接合部6而產(chǎn)生塑性流動(dòng)。轉(zhuǎn)矩小于50Nm時(shí)，不能獲得充分的發(fā)熱和塑性流動(dòng)，產(chǎn)生接合不良。另外，由于向旋轉(zhuǎn)工具I相對(duì)于接合方向施加過(guò)剩的載荷，所以旋轉(zhuǎn)工具I容易破損。另一方面，若超過(guò)500Nm，則產(chǎn)生過(guò)大的發(fā)熱和塑性流動(dòng)，在接合部6產(chǎn)生飛邊、缺損，不能形成良好的形狀的接合部6。另外，旋轉(zhuǎn)工具I被過(guò)剩地加熱而旋轉(zhuǎn)工具I容易破損。因此，旋轉(zhuǎn)工具I的轉(zhuǎn)矩設(shè)定為50?500Nm。
[0059]旋轉(zhuǎn)工具的移動(dòng)速度:10?100mm/分鐘
[0060]從提高摩擦攪拌接合的施工性的觀點(diǎn)考慮，旋轉(zhuǎn)工具I的移動(dòng)速度(TS)越快越好，但為了獲得健全的接合部6，需要設(shè)定在適當(dāng)?shù)姆秶Ｒ苿?dòng)速度小于1mm/分鐘時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的發(fā)熱，組織粗大化，因此，接合部6的韌性下降，另外，偏差也變大。另一方面，若超過(guò)100mm/分鐘，則不能獲得充分的發(fā)熱和塑性流動(dòng)，產(chǎn)生接合不良。另外，由于對(duì)旋轉(zhuǎn)工具I施加過(guò)剩的載荷，因此，旋轉(zhuǎn)工具I容易破損。因此，旋轉(zhuǎn)工具I的移動(dòng)速度設(shè)定為10 ?100mm/ 分鐘。
[0061]板厚的每單位長(zhǎng)度的接合熱量輸入(HIPT):0.3?1.5kJ/mm2
[0062]HIPT為利用以下的(I)式算出的值，小于0.3kJ/mm2時(shí)，不能獲得充分的發(fā)熱和塑性流動(dòng)，產(chǎn)生接合不良。另外，由于對(duì)旋轉(zhuǎn)工具I施加過(guò)剩的載荷，因此，旋轉(zhuǎn)工具I容易破損。另一方面，若超過(guò)1.5kJ/mm2，則會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的發(fā)熱，組織粗大化，因此，接合部6的韌性下降，而且偏差也變大。因此，HIPT設(shè)定為0.3?1.5kJ/mm2。在此，(I)式中的t是指鋼板5的板厚(mm)。
[0063]HIPT= (6.28XRTXRS)/TS/t/1000...(I)
[0064]也可以在旋轉(zhuǎn)工具I的銷部3設(shè)置螺旋狀的突起(以下，稱為螺旋)。通過(guò)設(shè)置螺旋，能夠可靠地?cái)嚢桎摪?的軟化了的部位，能夠穩(wěn)定地產(chǎn)生塑性流動(dòng)。
[0065]下面，對(duì)應(yīng)用本發(fā)明的鋼板的成分進(jìn)行說(shuō)明。
[0066]C:0.01 ?0.2 質(zhì)量％
[0067]C是增加鋼板的強(qiáng)度的元素，為了確保必要的強(qiáng)度，需要含有0.01質(zhì)量％以上。另一方面，若超過(guò)0.2質(zhì)量％，則鋼板的韌性和施工性下降。因此，C設(shè)定為0.01?0.2質(zhì)量％。優(yōu)選0.04?0.16質(zhì)量％。
[0068]Mn:0.5 ?2.0 質(zhì)量％
[0069]Mn是增加鋼板的強(qiáng)度的元素，為了確保必要的強(qiáng)度，需要含有0.5質(zhì)量％以上。另一方面，若超過(guò)2.0質(zhì)量％，則在鋼板的制造過(guò)程中，在軋制后進(jìn)行空冷，由此生成鐵素體和貝氏體的混合組織，因此，鋼板的韌性下降。因此，Mn設(shè)定為0.5?2.0質(zhì)量％。優(yōu)選
1.0?1.7質(zhì)量％。
[0070]S1:0.6 質(zhì)量％ 以下
[0071]Si是增加鋼板的強(qiáng)度的元素，但若含量超過(guò)0.6質(zhì)量％，則接合部的韌性顯著地下降。因此，Si設(shè)定為0.6質(zhì)量％以下。另一方面，小于0.05質(zhì)量％時(shí)，不能充分獲得鋼板的強(qiáng)度。因此，Si優(yōu)選為0.05?0.6質(zhì)量％。
[0072]P:0.030 質(zhì)量％ 以下
[0073]P是使鋼板的韌性下降的元素，優(yōu)選盡可能地減少，但能夠允許含量到0.030質(zhì)量％。因此，P設(shè)定為0.030質(zhì)量％以下。另一方面，為了減少到小于0.001質(zhì)量％，對(duì)鋼板的原材料進(jìn)行熔煉的精煉過(guò)程的負(fù)荷增大。因此，P優(yōu)選0.001?0.030質(zhì)量％。
[0074]S:0.015 質(zhì)量％ 以下
[0075]S在鋼板中主要作為MnS存在，是具有通過(guò)在鋼板的制造過(guò)程中進(jìn)行軋制而使組織微細(xì)化的作用的元素。但是，若超過(guò)0.015質(zhì)量％，則鋼板的韌性下降。因此，S設(shè)定為0.015質(zhì)量％以下。另一方面,為了減少到小于0.004質(zhì)量％，對(duì)鋼板的原材料進(jìn)行熔煉的精煉過(guò)程的負(fù)荷增大。因此，S優(yōu)選0.004?0.015質(zhì)量％。
[0076]O:0.0060 質(zhì)量％ 以下
[0077]若O的含量超過(guò)0.0060質(zhì)量％，則在鋼板中生成非金屬夾雜物，鋼板的韌性和清潔度下降。因此，O設(shè)定為0.0060質(zhì)量％以下。另一方面，為了減少到小于0.0003質(zhì)量％，對(duì)鋼板的原材料進(jìn)行熔煉的精煉過(guò)程的負(fù)荷增大。因此，優(yōu)選O為0.0003?0.0060質(zhì)量％。
[0078]Ti: {0.0045+(1/200) XHIPT}?{0.28 — (2/15) XHIPT}質(zhì)量％
[0079]Ti在鋼板中主要作為TiN存在，是對(duì)結(jié)晶晶粒的微細(xì)化有效的元素。TiN抑制鋼板的制造過(guò)程的由加熱造成的奧氏體晶粒的晶粒生長(zhǎng)，并且，在奧氏體晶粒中分散地存在。而且，在作為選擇元素添加V的情況下，成為VN的復(fù)合核，也具有促進(jìn)VN的析出的作用。在摩擦攪拌接合中由于摩擦而產(chǎn)生的摩擦熱和塑性流動(dòng)不均勻，局部地變化，因此，以HIPT為參數(shù)來(lái)規(guī)定對(duì)接合部的韌性提高方面有效的Ti含量(質(zhì)量％)的上限值和下限值。即，Ti含量[% Ti]設(shè)定為滿足以下的(2)式的范圍。
[0080]0.0045+(1/200) XHIPT ^ [% Ti] ^ 0.28 - (2/15) XHIPT...(2)
[0081]N: {0.00275+(1/1200) XHIPT}?{0.0225 — (1/120) XHIPT}質(zhì)量％
[0082]N在鋼板中與T1、V結(jié)合形成TiN、VN，是對(duì)結(jié)晶晶粒的微細(xì)化有效的元素。這些氮化物抑制鋼板的制造過(guò)程的由加熱造成的奧氏體晶粒的晶粒生長(zhǎng)，并且，成為鐵素體的復(fù)合核，還具有促進(jìn)鐵素體的生成的作用。關(guān)于TiN，如上所述。VN在鋼板的制造過(guò)程中的鐵素體相變后向鐵素體晶粒內(nèi)析出，使鋼板的強(qiáng)度增加，因此，能夠在軋制后的冷卻中不進(jìn)行強(qiáng)水冷就提高鋼板的強(qiáng)度。其結(jié)果是，可以實(shí)現(xiàn)鋼板的板厚方向的特性的均勻化、殘余應(yīng)力的減少、殘余應(yīng)變的減少。在摩擦攪拌接合中，由于摩擦而產(chǎn)生的摩擦熱和塑性流動(dòng)不是均勻的，局部地變化，因此，以HIPT為參數(shù)來(lái)規(guī)定對(duì)接合部的韌性提高方面有效的N含量(質(zhì)量％)的上限值和下限值。即，N含量[%N]設(shè)定為滿足以下的(3)式的范圍。
[0083]0.00275+(1/1200) XHIPT ^ [% N] ^ 0.0225 — (1/120) XHIPT...(3)
[0084][% Ti]/[% N]: {1.75+(5/6) XHIPT}?{13 — (10/3) XHIPT}
[0085]若Ti含量[% Ti]和N含量[% N]之比[% Ti]/[% N]低于適當(dāng)范圍，則鋼板中的自由N增加，使摩擦攪拌接合的施工性下降，并且，助長(zhǎng)應(yīng)變時(shí)效。另一方面，若高于適當(dāng)范圍，則形成TiC，鋼板的韌性下降。在摩擦攪拌接合中，由于摩擦而產(chǎn)生的摩擦熱和塑性流動(dòng)不均勻，局部地變化，因此，以HIPT為參數(shù)來(lái)規(guī)定對(duì)接合部的韌性提高方面有效的[%Ti]/[% N]的上限值和下限值。即，[% Ti]/[% N]設(shè)定為滿足以下的⑷式的范圍。
[0086]1.75+(5/6) XHIPT ( [% Ti]/[% N] ^ 13 - (10/3) XHIPT...(4)
[0087]Ceq:0.5 質(zhì)量％ 以下
[0088]若由以下的(5)式規(guī)定的、根據(jù)C、S1、Mn的含量[% C]、[% Si]、[% Mn]算出的Ceq超過(guò)0.5質(zhì)量％，則淬火性過(guò)高，接合部的韌性下降。因此，Ceq設(shè)定為0.5質(zhì)量％以下。另一方面，若減少到小于0.1質(zhì)量％，則淬火性不足，由于組織的粗大化，而韌性下降。因此，優(yōu)選Ceq為0.1?0.5質(zhì)量％。
[0089]Ceq= [% C] + ([% Si]/24) + ([% Mn]/6)...(5)
[0090]以上，對(duì)應(yīng)用本發(fā)明的鋼板的必須成分進(jìn)行了說(shuō)明，但在本發(fā)明中，在上述的組成的基礎(chǔ)上，也可以含有以下的成分。
[0091]Al:0.005 ?0.10 質(zhì)量％
[0092]Al是為了對(duì)鋼板的原材料進(jìn)行熔煉的精煉過(guò)程中的脫氧，需要添加0.005質(zhì)量％以上。但是，即使超過(guò)0.10質(zhì)量％地添加，脫氧效果也會(huì)飽和。因此，優(yōu)選Al為0.005?
0.10質(zhì)量％的范圍內(nèi)。
[0093]V:0.003 ?0.10 質(zhì)量％
[0094]V在鋼板的制造過(guò)程中的軋制后的冷卻中，作為VN在奧氏體晶粒內(nèi)析出，以該VN為復(fù)合核而鐵素體析出，因此，有利于結(jié)晶晶粒的微細(xì)化，具有提高鋼板的韌性的作用。另夕卜，VN在鐵素體相變后也向鐵素體晶粒內(nèi)析出，提高鋼板的強(qiáng)度，因此，能夠在軋制后的冷卻中不進(jìn)行強(qiáng)水冷就提高鋼板5的強(qiáng)度。其結(jié)果是，可以實(shí)現(xiàn)鋼板的板厚方向的特性的均勻化、殘余應(yīng)力的減少、殘余應(yīng)變的減少。V小于0.003質(zhì)量％時(shí)，不能獲得這些效果。另一方面，若超過(guò)0.10質(zhì)量％，則鋼板的韌性下降。因此，優(yōu)選V為0.003?0.10質(zhì)量％的范圍內(nèi)。更優(yōu)選為0.05?0.10質(zhì)量％。
[0095]選自Cu:0.05 ?1.0 質(zhì)量 ％、Ni:0.05 ?1.0 質(zhì)量 ％、Cr:0.05 ?0.50 質(zhì)量 ％、
Mo:0.02?0.50質(zhì)量％及吣:0.003?0.050質(zhì)量％中的一種或兩種以上
[0096]Cu、N1、Cr、Mo、Nb都是提高鋼板的淬火性的元素,通過(guò)降低Ar3相變點(diǎn)還具有將TiN、VN微細(xì)化的效果。另外，由于Ar3相變點(diǎn)下降，鐵素體晶粒變得微細(xì)，與VN的析出強(qiáng)化效果共同作用的效果是，鋼板的強(qiáng)度進(jìn)一步提高。在Cu:小于0.05質(zhì)量％、N1:小于0.05質(zhì)量％、Cr:小于0.05質(zhì)量％、Mo:小于0.02質(zhì)量％、Nb:小于0.003質(zhì)量％時(shí),不能獲得這種效果。另一方面，若過(guò)剩地添加這些元素，則變點(diǎn)過(guò)度下降，成為貝氏體組織為主體的鋼板，因此，強(qiáng)度增加，但導(dǎo)致韌性下降。另外，分別研究各元素的影響時(shí)，若Cu超過(guò)1.0質(zhì)量％,則鋼板的熱加工性下降,若Ni超過(guò)1.0質(zhì)量％則鋼板的制造成本上升,若Cr超過(guò)
0.50質(zhì)量％則韌性下降，若Mo超過(guò)0.50質(zhì)量％則韌性下降，若Nb超過(guò)0.050質(zhì)量％則韌性下降。因此,優(yōu)選Cu為0.05?1.0質(zhì)量％，Ni為0.05?1.0質(zhì)量％，Cr為0.05?0.50質(zhì)量％，Mo為0.02?0.50質(zhì)量％，Nb為0.003?0.050質(zhì)量％的范圍內(nèi)。
[0097]鋼板的除了上述元素以外的成分為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
[0098]實(shí)施例
[0099]使用表I所示的成分的鋼板(板厚:6mm、12mm)，按照?qǐng)D1所示的要領(lǐng)進(jìn)行了摩擦攪拌接合。鋼板的接頭對(duì)合面在銑刀加工程度的表面狀態(tài)下，形成不帶角度的坡口(所謂I型坡口)，在單面I道次進(jìn)行摩擦攪拌接合。
[0100][表 I]
[0101]
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[0103]鋼板和施工條件的組合如表2所示。表2中的發(fā)明例I?14為滿足本發(fā)明的例子，比較例I為HIPT脫離本發(fā)明的范圍的例子，比較例2、3為[% Ti]/[% N]脫離本發(fā)明的范圍的例子，比較例4?8為Ti含量和[% Ti]/[% N]脫離本發(fā)明的范圍的例子。
[0104][表2]
[0105]I下表
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106照述
[O按所面進(jìn)彳丁切削加工。對(duì)于該試驗(yàn)片，以接合部中央為原點(diǎn)，將后退(retreading)側(cè)(圖4中的R)方向設(shè)為負(fù)，將前進(jìn)側(cè)(圖4中的A)方向設(shè)為正,在一3mm、一 1mm、1mm、3mm這4個(gè)位置實(shí)施了切口加工。
[0107]使用這些試驗(yàn)片，將試驗(yàn)溫度設(shè)定為一 40°C而進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，對(duì)吸收能量進(jìn)行了研究。將其結(jié)果示于表3。表3記載的吸收能量值為了變換為與寬度1mm實(shí)際尺寸試驗(yàn)片的吸收能量值相當(dāng)?shù)闹担鴮挾?mm篩分試驗(yàn)片的吸收能量值設(shè)定為1.5倍的值。
[0108][表3]
[0109]
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[0110]從表3可看出，發(fā)明例I?14中，切口位置不同的試驗(yàn)片的吸收能量全部為100J以上。
[0111]與此相對(duì)，比較例I?8中，因切口位置不同，吸收能量有時(shí)在100J以上，但大部分的吸收能量小于100J。
[0112]另外，對(duì)將切口位置設(shè)定為Imm的試驗(yàn)片的吸收能量大致同等的發(fā)明例2和比較例6進(jìn)行對(duì)比，在發(fā)明例2中，切口位置不同的試驗(yàn)片(4個(gè))的吸收能量的最大值和最小值之差為23J，相對(duì)于此，比較例6中的吸收能量的最大值和最小值之差為151J，偏差比發(fā)明例2更大。另外，對(duì)將切口位置設(shè)定為3mm的試驗(yàn)片的吸收能量大致同等的發(fā)明例8和比較例8進(jìn)行對(duì)比，在發(fā)明例8中，切口位置不同的試驗(yàn)片(4個(gè))的吸收能量的最大值和最小值之差為44J，相對(duì)于此，在比較例8中吸收能量的最大值和最小值之差為100J，偏差比發(fā)明例8更大。
[0113]如以上說(shuō)明，根據(jù)本發(fā)明可確認(rèn)，在鋼板的摩擦攪拌接合中，能夠消除由于摩擦而產(chǎn)生的摩擦熱和塑性流動(dòng)的局部性變化，其結(jié)果是，能夠形成韌性良好且均勻的接合部。
[0114]標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0115]1、旋轉(zhuǎn)工具
[0116]2、肩部
[0117]3、銷部
[0118]4、旋轉(zhuǎn)軸
[0119]5、鋼板
[0120]6、接合部
[0121]7、螺旋
【權(quán)利要求】
1.一種鋼板的摩擦攪拌接合方法，是將鋼板接合的摩擦攪拌接合方法，將旋轉(zhuǎn)工具插入到該鋼板的接合部而使旋轉(zhuǎn)工具一邊旋轉(zhuǎn)一邊移動(dòng)，利用與該旋轉(zhuǎn)工具的摩擦熱使該鋼板軟化，并利用該旋轉(zhuǎn)工具攪拌軟化了的部位從而產(chǎn)生塑性流動(dòng)，所述旋轉(zhuǎn)工具具有肩部和配置于該肩部且與該肩部共有旋轉(zhuǎn)軸的銷部，所述旋轉(zhuǎn)工具中至少該肩部和該銷部由比該鋼板硬的材質(zhì)構(gòu)成，所述鋼板的摩擦攪拌接合方法的特征在于， 將當(dāng)上述旋轉(zhuǎn)工具的轉(zhuǎn)速RS設(shè)為100?1000轉(zhuǎn)/分鐘、轉(zhuǎn)矩RT設(shè)為50?500Nm、移動(dòng)速度TS設(shè)為10?100mm/分鐘、且上述鋼板的板厚設(shè)為t (mm)時(shí)利用下述(I)式算出的板厚的每單位長(zhǎng)度的接合熱量輸入HIPT (kj/mm2)控制在0.3?1.5的范圍內(nèi)，并且， 上述鋼板含有C:0.01?0.2質(zhì)量％、Mn:0.5?2.0質(zhì)量％、S1:0.6質(zhì)量％以下、P:0.030質(zhì)量％以下、S:0.015質(zhì)量％以下及O:0.0060質(zhì)量％以下，且Ti的含量[% Ti]和N的含量[%N]在與上述HIPT的關(guān)系上滿足下述(2)?(4)式，且根據(jù)該C、S1、Mn的含量[% C]、[% Si]、[% Mn]利用下述(5)式算出的Ceq為0.5質(zhì)量％以下，剩余部分由Fe及不可避免的雜質(zhì)組成構(gòu)成， 記:
HIPT= (6.28XRTXRS)/TS/t/1000...(I)
0.0045+(1/200) XHIPT ( [% Ti]彡 0.28 — (2/15) XHIPT...(2)
0.00275+(1/1200) XHIPT ^ [% N] ^ 0.0225 — (1/120) XHIPT...(3)
1.75+(5/6) XHIPT ( [% Ti]/[% N] ^ 13 - (10/3) XHIPT...(4)
Ceq= [% C] + ([% Si]/24) + ([% Mn]/6)...(5) 其中，[%X]為X元素的含量(質(zhì)量％)。
2.如權(quán)利要求1所述的鋼板的摩擦攪拌接合方法，其特征在于， 上述鋼板在上述組成的基礎(chǔ)上，還含有選自Al:0.005?0.10質(zhì)量％及V:0.003?0.10質(zhì)量％中的至少一種。
3.如權(quán)利要求1或2所述的鋼板的摩擦攪拌接合方法，其特征在于，上述鋼板在上述組成的基礎(chǔ)上，還含有選自Cu:0.05?1.0質(zhì)量％、附:0.05?1.0質(zhì)量％、0:0.05?0.50質(zhì)量％、Mo:0.02?0.50質(zhì)量％及Nb:0.003?0.050質(zhì)量％中的一種或兩種以上。
【文檔編號(hào)】C22C38/58GK104203481SQ201380018472
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2013年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月6日
【發(fā)明者】松下宗生, 池田倫正, 木谷靖 申請(qǐng)人:杰富意鋼鐵株式會(huì)社