專利名稱：異種金屬接合體及其接合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鎳鈦合金材料及純鈦材料的異種金屬接合體及其接 合方法。
背景技術(shù)：
近年，對(duì)于表現(xiàn)形狀記憶效果或者超彈性效果的組成的鎳鈦合金材料 為了利用其功能性，被使用在多種多樣的工業(yè)產(chǎn)品的材料中。但是，在所 述產(chǎn)品開發(fā)中，鎳鈦合金材料具有難加工性成了大的障礙。由此，在鎳鈦 合金材料及純鈦材料的異種金屬接合體中，由于純鈦材料除了良好的加工 性以外，具有機(jī)體適應(yīng)性和抗蝕性等功能性，因此作為功能材料的利用價(jià) 值高。
此外，在鎳鈦合金材料及純鈦材料的異種金屬接合體中，由于鎳鈦合 金材料的抗拉強(qiáng)度比純鈦材料的抗拉強(qiáng)度高，因此優(yōu)選接合部具有接合前 的純鈦材料的抗拉強(qiáng)度以上的抗拉強(qiáng)度。
但是，在鎳鈦合金材料上接合異種材料的方法中，由于利用通常的焊 接方法中的接合困難，因此通常使用的方法為鉚接等機(jī)械性地接合方法或 將鎳鈦合金材料電鍍后進(jìn)行釬焊的方法。
但是，在利用現(xiàn)有的通常方法接合的鎳鈦合金材料及純鈦材料的異種 金屬接合體中存在接合部與接合前的純鈦材料的抗拉強(qiáng)度相比，具有相當(dāng) 低的抗拉強(qiáng)度的問(wèn)題。另外，利用釬焊方法接合的鎳鈦合金材料和純鈦材 料的異種金屬接合體也有接合后的熱影響部大的問(wèn)題。
因此，在專利文獻(xiàn)l的"超彈性合金的釬焊方法"中提出了在超彈性 合金上利用濺射等鍍鈦覆膜后再利用鈦合金釬料進(jìn)行釬焊的技術(shù)。該技術(shù) 通過(guò)在超彈性合金上鍍密接強(qiáng)度高的鈦覆膜，與現(xiàn)有的利用通常的方法接 合后的情況相比，能夠得到接合部的強(qiáng)度高的異種金屬接合體。但是，由 于該技術(shù)利用釬焊方法接合，因此不能解決接合后的熱影響部大的問(wèn)題。
4另外，在專利文獻(xiàn)2及專利文獻(xiàn)3中提出接合鎳鈦合金材料及鎳基合
金材料的技術(shù)，在專利文獻(xiàn)4中提出接合鎳鈦合金材料及異種金屬材料的技術(shù)。
在這些技術(shù)中，在對(duì)熔融金屬傳遞壓力的狀態(tài)下凝固的金屬組織、即
熔融金屬鍛造組織遍及接合面界面整體以約20//m以下的厚度形成，由 此，與利用現(xiàn)有的普通方法接合的情況相比，能夠得到接合部的強(qiáng)度高的 異種金屬接合體。另外，通過(guò)利用高溫加壓且在接合面附近設(shè)置放熱部， 能夠得到接合后的熱影響部小的異種金屬接合體。
但是，這些技術(shù)不滿足在接合面的狀態(tài)或接觸的狀態(tài)的調(diào)整時(shí)所需要 的精密度，或者，若接觸面積變大，熔融金屬鍛造組織難以遍及接合面界 面整體形成約20/^m以下的厚度，因此，存在接合部的強(qiáng)度容易降低且容 易不均的問(wèn)題。因此，在基于這些技術(shù)的鎳鈦合金材料及純鈦材料的異種 金屬接合體中，如在專利文獻(xiàn)4的實(shí)施例中公開的接合部具有20kg/mm2 以上30kg/mr^的抗拉強(qiáng)度所示，接合部不能具有接合前的純鈦材料的抗 拉強(qiáng)度以上的抗拉強(qiáng)度。
專利文獻(xiàn)h日本專利第1968308號(hào)公告；
專利文獻(xiàn)2:日本專利第2516447號(hào)公告；
專利文獻(xiàn)3:日本專利第2563843號(hào)公告；
專利文獻(xiàn)4:日本專利第2737817號(hào)公告。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，其目的在于提供一種鎳鈦合金材料 及純鈦材料的異種金屬接合體及其接合方法，在該接合體中，接合部具有 接合前的純鈦材料的抗拉強(qiáng)度以上的抗拉強(qiáng)度且接合部的強(qiáng)度不均小，接 合后的熱影響部小。
本發(fā)明的異種金屬接合體是鎳鈦合金材料及純鈦材料的異種金屬接 合體，其特征在于，所述鎳鈦合金材料及所述純鈦材料的接合部由反應(yīng)層 的組織形成，且具有接合前的純鈦材料的抗拉強(qiáng)度以上的抗拉強(qiáng)度，其中， 該反應(yīng)層是在摩擦壓焊的狀態(tài)下，通過(guò)由鐓鍛力產(chǎn)生的壓縮力及減速旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)力形成的。并且，其特征在于，所述鎳鈦合金材料是表現(xiàn)形狀記憶效果或超彈性效果的組成。并且，其特征在于，所述純鈦材料是與JIS
H4650中規(guī)定的一種或兩種相當(dāng)?shù)慕M成。并且，其特征在于，對(duì)所述純鈦 材料的部分中和所述接合部不同的部分與和所述鎳鈦合金材料不同的金 屬材料接合，兩接合間的厚度為所述純鈦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。
本發(fā)明的異種金屬接合體的接合方法，其特征在于，使鎳鈦合金材料 及純鈦材料的接合面的至少一方進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并摩擦壓焊，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的 減速開始后，在接合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓周速度為0.5m/秒以上 的期間施加規(guī)定的鐓鍛力進(jìn)行壓縮而接合。并且，將摩擦壓焊的條件設(shè)定 為接合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓周速度為2m/秒以上、摩擦壓力為 lOOMPa以下、摩擦?xí)r間為0.5秒以上。
本發(fā)明的異種金屬接合體的接合方法，其特征在于，使鎳鈦合金材料 及純鈦材料的接合面的至少一方進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并摩擦壓焊，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的 減速開始后，在接合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓周速度為lm/秒以上的 期間施加鐓鍛力進(jìn)行壓縮而接合，其中該鐓鍛力設(shè)定為比接合面的接合截 面積與接合前的純鈦材料的屈服強(qiáng)度相乘后的值的力小。并且，其特征在 于，將摩擦壓焊的條件定為接合面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓周速度為4m/ 秒以上、摩擦壓力為lOOMPa以下、摩擦?xí)r間為0.5秒以上。
發(fā)明效果
在本發(fā)明的異種金屬接合體中，接合部具有接合前的純鈦材料的抗拉 強(qiáng)度以上的抗拉強(qiáng)度且接合部的強(qiáng)度不均小，接合后的熱影響部小。
艮口，在本發(fā)明的異種金屬接合體中，其接合部通過(guò)由鐓鍛力產(chǎn)生的壓 縮力及減速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)力形成的反應(yīng)層的組織構(gòu)成，由此，在反應(yīng) 層生成的化合物在整個(gè)接合面較薄地形成且化合物分布在整個(gè)接合面，因 此，接合部具有接合前的純鈦材料的抗拉強(qiáng)度以上的抗拉強(qiáng)度且接合部的 強(qiáng)度的不均變小。并且，由于接合部具有接合前的純鈦材料的抗拉強(qiáng)度以 上的抗拉強(qiáng)度，因此將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，還能夠利用基于塑性加工的變形加工成形。
從能夠得到這樣的強(qiáng)度特性可知，本發(fā)明的異種金屬接合體的接合部 由與通常方法得到的反應(yīng)層的組織不同的反應(yīng)層的組織形成，該通常方法
6是指在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)完全停止的狀態(tài)下施加基于鐓鍛力的單純壓縮力的普通 的摩擦壓焊方法或施加由加壓產(chǎn)生的單純壓縮力的其它的壓焊方法。
另外，與通過(guò)釬焊接合的接合體相比，由于本發(fā)明的異種金屬接合體 由于是通過(guò)摩擦壓焊接合的接合體，因此熱影響部小。其中釬焊接合是在 接合面以外部分發(fā)熱且由于施加壓力使加熱區(qū)域幾乎不變形，摩擦壓焊是 通過(guò)摩擦發(fā)熱直接加熱接合面且由于鐓鍛力使加熱區(qū)域產(chǎn)生大的變形。
并且，在本發(fā)明的異種金屬接合體中，在純鈦材料中和接合部不同的 部分與和鎳鈦合金材料不同的金屬材料接合一體化，純鈦材料利用通常的 焊接方法能夠與鈦合金、鋁、銅、碳素鋼、鉭等異種金屬材料牢固地接合， 因此，能夠得到以純鈦材料作為中間部分的鎳鈦合金材料的異種金屬接合 體。該情況，通過(guò)兩接合間的厚度在純鈦材料的外形尺寸以下，在利用比 純鈦材料強(qiáng)度高的材料限制作為中間部分的純鈦材料的變形的條件下接 合一體化能夠提高接合部的強(qiáng)度。
本發(fā)明的異種金屬接合體的接合方法容易滿足在接合面的狀態(tài)或接 觸的狀態(tài)調(diào)整時(shí)所需要的精密度，且廢品率小。由于這樣的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)本 發(fā)明，能夠提高將鎳鈦合金材料和異種金屬材料接合后的產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、功 能及可靠性。
另外，在本發(fā)明的異種金屬接合體的接合方法中，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的減速
開始后且接合面上的旋轉(zhuǎn)速度的最外周的圓周速度在0.5m/秒以上的期間 施加鐓鍛力，由此，能夠形成具有接合前的純鈦材料的抗拉強(qiáng)度以上的抗 拉強(qiáng)度的接合部。并且，為了不形成接合面的溫度分布顯著不均一，通過(guò) 設(shè)定關(guān)于接合面上的旋轉(zhuǎn)速度的最外周的圓周速度、摩擦壓力、摩擦?xí)r間 的摩擦壓焊的條件，能夠使強(qiáng)度的不均變小。



圖1是關(guān)于兩個(gè)圓棒體彼此接合一體化的異種金屬接合體的立體圖。 圖2是關(guān)于三個(gè)圓棒體彼此接合一體化的異種金屬接合體的立體圖。 圖3是關(guān)于三個(gè)板狀體彼此接合一體化的異種金屬接合體的立體圖。 圖4是關(guān)于摩擦壓焊(圧接)裝置的概略結(jié)構(gòu)圖。 圖5是表示摩擦壓焊動(dòng)作的時(shí)間的推移的圖表。圖6是關(guān)于彼此直徑相同的圓棒的摩擦壓焊時(shí)的接合面的示意圖。 圖7是關(guān)于彼此直徑不同的圓棒的摩擦壓焊時(shí)的接合面的示意圖。
圖8是表示實(shí)施例1的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的減速過(guò)程的圖表。 圖9是表示實(shí)施例1的測(cè)定結(jié)果的一覽表。 圖10是表示實(shí)施例2的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的減速過(guò)程的圖表。 圖11是表示實(shí)施例2的測(cè)定結(jié)果的一覽表。
圖中
Wl—旋轉(zhuǎn)側(cè)金屬材料；W2—固定側(cè)金屬材料；l一由鎳鈦合金材料 構(gòu)成的圓棒體；2—由純鈦材料構(gòu)成的圓棒體；3—由鎳鈦合金材料構(gòu)成的 圓棒體；4一由純鈦材料構(gòu)成的圓棒體；5—由異種金屬材料構(gòu)成的圓棒體； 6—由鎳鈦合金材料構(gòu)成的板狀體；7—由純鈦材料構(gòu)成的板狀體；8—由 異種金屬材料構(gòu)成的板狀體；IO—基臺(tái)；ll一支承臺(tái)；12—導(dǎo)軌；13—螺 桿；14一驅(qū)動(dòng)馬達(dá)；15—滑架；16—安裝框體；17—旋轉(zhuǎn)馬達(dá)；18—旋轉(zhuǎn) 側(cè)夾具；19—固定側(cè)夾具；
具體實(shí)施例方式
以下，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明。此外，以下說(shuō)明的實(shí)施 方式因?yàn)槭菍?shí)施本發(fā)明的優(yōu)選的具體例子，所以技術(shù)上有各種限定，但是 在以下的說(shuō)明中只要不特別地記載限定本發(fā)明意思，則本發(fā)明沒有限定于 這些方式。-
圖l是關(guān)于本發(fā)明的異種金屬接合體的立體圖。在此例中，由鎳鈦合 金材料構(gòu)成的圓棒體1及由純鈦材料構(gòu)成且與圓棒體1同徑的圓棒體2接 合一體化。接合部如后所述，通過(guò)在摩擦壓焊狀態(tài)下，由鐓鍛力產(chǎn)生的壓 縮力及減速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)力而形成，且由具有接合前的純鈦材料的抗 拉強(qiáng)度以上的抗拉強(qiáng)度的反應(yīng)層的組織構(gòu)成。
通過(guò)摩擦壓焊產(chǎn)生的反應(yīng)層由生成了與鎳鈦合金材料的組成不同的 化合物的層及產(chǎn)生了原子擴(kuò)散的層構(gòu)成。如此接合的接合部的反應(yīng)層在整 個(gè)接合面上較薄地形成。
另外，在冷加工后被再結(jié)晶退火的純鈦材料的組織具有等軸a組織， 但受摩擦壓焊產(chǎn)生的熱及力的影響等軸a組織變化后的熱影響部較薄地形成。在以往釬焊時(shí)，由于加熱到純鈦材料的a-/ 相變點(diǎn)(S80'C)以上產(chǎn)生晶粒直徑的粗大化，但是在純鈦材料產(chǎn)生的熱影響部中不產(chǎn)生這樣的晶粒直徑的粗大化，由摩擦壓焊產(chǎn)生的熱的影響變小。
由此，接合部的反應(yīng)層及熱影響部較薄地形成且純鈦材料受到的影響變小，由于在反應(yīng)層生成的化合物在遍及接合面整體較薄地形成且分布在整個(gè)接合面上，因此接合部的抗拉強(qiáng)度不下降而在純鈦材料的抗拉強(qiáng)度以上。
作為鎳鈦合金材料可以使用各種組成的公知的合金材料，優(yōu)選表現(xiàn)形狀記憶效果或者超彈性效果的組成的材料。關(guān)于純鈦材料也可以使用公知
的材料，尤其優(yōu)選與JISH4650中規(guī)定的一種或兩種相當(dāng)?shù)慕M成中的材料。圖2是關(guān)于將與鎳鈦合金材料不同的金屬材料進(jìn)一步接合一體化的異種金屬接合體的立體圖。在此例中，由鎳鈦合金材料構(gòu)成的圓棒體3與由純鈦材料構(gòu)成的圓棒體4的一側(cè)的端部接合一體化，由與鎳鈦合金材料不同的金屬材料構(gòu)成的圓棒體5與圓棒體4的另一側(cè)的端部接合一體化。圓棒體3 5形成為相同直徑。圓棒體5由例如鈦合金、鋁、銅、碳素鋼、鉭的金屬材料構(gòu)成，能夠利用通常的焊接方法與純鈦材料牢固地接合一體化。
在純鈦材料的端部接合的與鎳鈦合金材料不同的金屬材料的一例列舉了比純鈦材料強(qiáng)度高的y5型鈦合金材料、即Ti-22V-4Al。鎳鈦合金材料和Ti-22V-4A1的接合通過(guò)通常的焊接方法或基于本發(fā)明的方法難以得到牢固的接合部。但是，純鈦材料和Ti-22V-4A1的接合利用例如通常的摩擦壓焊方法容易得到牢固的接合部。
通過(guò)如此將異種金屬材料接合一體化，能夠以純鈦?zhàn)鳛橹虚g部分而在鎳鈦合金材料上將各種金屬材料一體化。
如圖2所示，在圓棒體彼此組合的情況下，通過(guò)中間部分的純鈦材料的接合間的厚度H為作為其外形尺寸的外徑D以下，在利用比純鈦材料強(qiáng)度高的材料限制作為中間部分的純鈦材料的變形的條件下接合一體化能夠提高接合部的強(qiáng)度。
另外，圖3是關(guān)于使用與圖2的情況相同的三種金屬材料來(lái)將板狀體彼此組合并接合一體化的異種金屬接合體的立體圖。由鎳鈦合金材料構(gòu)成的板狀體6與由純鈦材料構(gòu)成的板狀體7的一側(cè)的端部接合一體化，由與鎳鈦合金材料不同的金屬材料構(gòu)成的板狀體8與板狀體7的另一側(cè)的端部接合一體化。
在該情況下，通過(guò)中間部分的純鈦材料的接合間的長(zhǎng)度H為作為其外形尺寸的板厚h以下，在利用比純鈦材料強(qiáng)度高的材料限制作為中間部分的純鈦材料的變形的條件下接合一體化能夠提高接合部的強(qiáng)度。此外，中間部分的純鈦材料的板厚h可以設(shè)定在其板寬W以下。
在圖1及圖2中將相同直徑的圓棒體彼此接合一體化，但是也可以是板狀體及板狀體、管狀體及管狀體的組合。該情況，例如，可以是彼此不同直徑的圓棒體組合，也可以接合部分的形狀互相不一致。進(jìn)而，也可以是彼此不同形狀的組合，例如，列舉了棒狀體和板狀體、管狀體和板狀體的組合，能夠?qū)⒏鞣N形狀彼此組合并接合一體化。
在異種金屬接合體的接合部為非圓形的截面形狀時(shí)，將截面形狀為圓形的材料彼此接合一體化后，在基于切削加工或研磨加工的除去加工以外，還能夠利用基于塑性加工的變形加工而成形，利用這些，能夠?qū)⒔雍喜繌膱A形的截面形狀形成長(zhǎng)寬比大的非圓形的截面形狀。在長(zhǎng)寬比大的非圓形的截面形狀的摩擦壓焊中，由于在旋轉(zhuǎn)并接合時(shí)接合面暴露在大氣的區(qū)域大，因此很難良好地接合。在這樣的情況時(shí)希望在接合后加工成形。
圖4是關(guān)于制造本發(fā)明的異種金屬接合體的摩擦壓焊裝置的概略結(jié)構(gòu)圖。在基臺(tái)10上豎立固定的支承臺(tái)11上設(shè)置直線狀的導(dǎo)軌12。螺桿13能夠旋轉(zhuǎn)地軸支承于基臺(tái)10上，該螺桿13與導(dǎo)軌12并列配置，螺桿13通過(guò)安裝固定在支承臺(tái)11上的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)14旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)?；?5與螺桿13螺旋連接，通過(guò)螺桿13的旋轉(zhuǎn)使滑架15上下移動(dòng)。
在滑架15上固定安裝框體16，在安裝框體16上安裝旋轉(zhuǎn)馬達(dá)17。在旋轉(zhuǎn)馬達(dá)17的驅(qū)動(dòng)軸上安裝旋轉(zhuǎn)側(cè)夾具18，在基臺(tái)10上與旋轉(zhuǎn)側(cè)夾具18對(duì)置配置固定側(cè)夾具19并固定。
在旋轉(zhuǎn)側(cè)夾具18上安裝固定旋轉(zhuǎn)側(cè)金屬材料Wl，在固定側(cè)夾具19上安裝固定固定側(cè)金屬材料W2。并且，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)14來(lái)使滑架15向下方移動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)側(cè)金屬材料Wl的接合面與固定側(cè)金屬材料W2的接合面密接。此外，為了避免金屬材料的接合面的接觸狀態(tài)明顯不一致，優(yōu)選預(yù)先通過(guò)車床加工等進(jìn)行平滑處理。
若使驅(qū)動(dòng)馬達(dá)14再次旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，則能夠控制施加在金屬材料Wl及
W2的接合面上的推力。在使接合面壓焊的狀態(tài)下，對(duì)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)17進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制進(jìn)而使旋轉(zhuǎn)側(cè)金屬材料W1旋轉(zhuǎn)，由此，能夠使兩金屬材料的接合面摩擦壓焊。
作為摩擦壓焊裝置，除上述裝置以外，只要是控制要接合一體化的材料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和停止而能夠控制摩擦壓焊的裝置即可，例如，也可以是使互相向相反方向旋轉(zhuǎn)而形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)的裝置。
圖5是表示在進(jìn)行摩擦壓焊動(dòng)作情況下在接合面上施加的壓力(P;用實(shí)線表示)及總留量(M;用虛線表示)的時(shí)間的推移的圖表。在該例中，在tl時(shí)刻旋轉(zhuǎn)馬達(dá)17的旋轉(zhuǎn)開始減速。在直至開始減速之前的期間，由對(duì)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)14的接合面的推力產(chǎn)生的一定的摩擦壓力Pl和由旋轉(zhuǎn)馬達(dá)17的一定的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的摩擦總留量一直增加，在tl時(shí)刻得到摩擦總留量Ml。
從U時(shí)刻旋轉(zhuǎn)馬達(dá)17開始減速后，如后所述，在接合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓周速度在0.5m/秒以上的期間提高驅(qū)動(dòng)馬達(dá)14的推力來(lái)施加一定的鐓鍛壓力(P2)，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)17停止至接合部完全冷卻的期間，繼續(xù)施加鐓鍛壓力(P2)進(jìn)而得到鐓鍛總留量(M2)。
圖6是關(guān)于將在相同直徑的圓棒體上形成的金屬材料Wl及W2接合的狀態(tài)的示意圖，圖7是關(guān)于將在不同直徑的圓棒體上形成的金屬材料W1及W2接合的狀態(tài)的示意圖。該情況下，接合面的接合截面積S是在摩擦壓焊時(shí)的接合面上與在接合面上施加的力的方向正交的平面的截面積，若圖6及圖7的金屬材料W的外徑一致，則形成相同的接合截面積。摩擦壓焊后的實(shí)際的接合面由于圓周速度的影響形成為平滑的曲面狀。
另外，接合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓周速度是在連續(xù)地描繪接合面旋轉(zhuǎn)的軌跡的情況下的最外周的圓周速度。圖6中使任一方的金屬材料旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的情況，無(wú)論是哪一種情況接合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓周速度都一致，在圖7中，使外徑小的圓棒體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的情況，外徑小的金屬材料的最外周的圓周速度和接合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓周速度一致，但是使外徑大的圓棒體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的情況，外徑大的金屬材料的最外周的圓周速度和接合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)最外周的圓周速度不一致。此外，使 雙方的金屬材料互相向相反方向旋轉(zhuǎn)得到相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況，接合面上的旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓周速度是將旋轉(zhuǎn)的各個(gè)金屬材料的接合面上的最外 周的圓周速度相加得到的。
在摩擦壓焊的控制中，將減速開始后施加的鐓鍛力設(shè)定在接合截面積 與接合前的純鈦材料的屈服強(qiáng)度相乘后的值的力以上，或者可以按照比該 值小的設(shè)定而改變控制方法。此外，施加的鐓鍛力優(yōu)選純鈦材料在摩擦壓 焊部以外的部分不變形的范圍內(nèi)盡可能大的力。
此外，摩擦壓焊中產(chǎn)生的毛刺容易發(fā)生形狀性地應(yīng)力集中，因變形分 離后的反應(yīng)層在接合面上不排出地殘留而容易產(chǎn)生缺陷，因此，優(yōu)選通過(guò) 切削或研磨除去。 (實(shí)施例1)
使用作為表現(xiàn)超彈性效果的組成的鎳鈦合金材料的圓棒體(直徑
2.1mm、長(zhǎng)度55mm)和作為與JIS H4650中規(guī)定的兩種相當(dāng)?shù)慕M成的純 鈦材料的圓棒體(直徑4mm、長(zhǎng)度59mm)。圓棒體的接合面預(yù)先通過(guò)車 床加工進(jìn)行平滑處理而互相密接。此外，接合前的鎳鈦合金材料是由無(wú)心 研磨后的材料退火后得到的。另外，接合前的純鈦材料是屈服強(qiáng)度為 240MPa左右且抗拉強(qiáng)度450 MPa左右的無(wú)心研磨后的材料。
在上述的摩擦壓焊裝置(日東制機(jī)株式會(huì)社制)上安置圓棒體，將摩 擦壓焊的條件如下設(shè)定為接合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓周速度為 2.18m/秒、摩擦壓力為58MPa、摩擦?xí)r間為1秒、鐓鍛壓力為361 MPa，. 將鐓鍛力設(shè)定在接合截面積與接合前的純鈦材料的屈服強(qiáng)度相乘后的值 的力以上。
并且，將鐓鍛計(jì)時(shí)分別設(shè)定為0.00秒、0.06秒、0.12秒、0.18秒、0.24
秒、0.27秒進(jìn)而進(jìn)行摩擦壓焊試驗(yàn)。在此，作為鐓鍛計(jì)時(shí)是從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的 減速開始后到施加鐓鍛力之前的時(shí)間。圖8是表示實(shí)施例1中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 的減速過(guò)程的圖表?？v軸采用接合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓周速度， 橫軸采用鐓鍛計(jì)時(shí)。
進(jìn)行摩擦壓焊而接合一體化的金屬接合體中，將毛刺通過(guò)切削除去后， 使用拉伸試驗(yàn)機(jī)(英斯特朗(^ > ^卜a >)社制)以接合部配置在中央
12的方式把持金屬接合體的兩端部，并將把持間的間隔設(shè)定為40mm，滑塊 速度設(shè)定為O.Olmm/秒進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。關(guān)于在各自的鐓鍛計(jì)時(shí)中的金屬接 合體的總鐓鍛量和抗拉強(qiáng)度的測(cè)定結(jié)果用圖9表示。此外，所謂總鐓鍛量 是摩擦總留量和鐓鍛總留量相加的量。
從圖9的測(cè)定結(jié)果可知，在實(shí)施例1中，接合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外 周的圓周速度在0.5m/秒以上，確認(rèn)了接合部具有接合前的純鈦材料的抗 拉強(qiáng)度以上的抗拉強(qiáng)度，并且接合部的強(qiáng)度的不均小。
并且，觀察接合部的截面組織的結(jié)果為觀察到生成與鎳鈦合金材料的 組成不同的化合物的層及原子擴(kuò)散生成的層。這樣的接合部的反應(yīng)層在整 個(gè)接合面以50pm以下的厚度較薄地形成，生成了化合物的層在整個(gè)接合 面以20//m以下的厚度較薄地形成。
另外，純鈦材料的組織是晶粒直徑為50;/m左右的等軸"組織，但是 受摩擦壓焊產(chǎn)生的熱及力的影響而變化后的熱影響部以500/im以下的厚 度較薄地形成。在熱影響部中，觀察不到在釬焊時(shí)觀察到的由于加熱到純 鈦材料的a-P相變點(diǎn)(880°C)以上產(chǎn)生的晶粒直徑的粗大化，從這樣的 觀察結(jié)果可知由摩擦壓焊產(chǎn)生的熱影響小了。
另外，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的減速開始后，在接合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓 周速度比0.5m/秒小的期間施加鐓鍛力的比較例中，確認(rèn)了接合部不具有 接合前的純鈦材料的抗拉強(qiáng)度以上的抗拉強(qiáng)度，接合部的強(qiáng)度的不均大。 (實(shí)施例2)
使用作為表現(xiàn)超彈性效果的組成的鎳鈦合金材料的圓棒體(直徑 4mm、長(zhǎng)度63mm)和作為與JIS H4650中規(guī)定的兩種相當(dāng)?shù)慕M成的純鈦 材料的圓棒體(直徑4mm、長(zhǎng)度63mm)進(jìn)行鎳鈦合金材料和純鈦材料的 摩擦壓焊試驗(yàn)。圓棒體的接合面預(yù)先通過(guò)車床加工進(jìn)行平滑處理而相互密 接。此外，接合前的鎳鈦合金材料是由無(wú)心研磨后的材料退火后得到的。 另外，接合前的純鈦材料是屈服強(qiáng)度為240MPa左右且抗拉強(qiáng)度450 MPa 左右的無(wú)心研磨后的材料。
使用與實(shí)施例l相同的摩擦壓焊裝置，將摩擦壓焊的條件設(shè)定為接 合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓周速度為4.16m/秒、摩擦壓力為46MPa、 摩擦?xí)r間為l秒、鐓鍛壓力為239MPa，將鐓鍛力設(shè)定為比接合截面積與接合前的純鈦材料的屈服強(qiáng)度的相乘后的值的力小。
并且將鐓鍛計(jì)時(shí)設(shè)定為O.OO秒、0.06秒、0.12秒、0.18秒、0.24秒、 0.27秒進(jìn)而進(jìn)行摩擦壓焊試驗(yàn)。圖10是表示實(shí)施例2中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的減 速過(guò)程的圖表?？v軸采用接合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓周速度，橫軸 采用鐓鍛計(jì)時(shí)。
摩擦壓焊后接合一體化后的金屬接合體中與實(shí)施例1相同地進(jìn)行拉伸 試驗(yàn)。關(guān)于在各自的鐓鍛計(jì)時(shí)中的金屬接合體的全部鐓鍛量和抗拉強(qiáng)度的 測(cè)定結(jié)果在圖11中示出。
從圖11的測(cè)定結(jié)果可知，在實(shí)施例2中，確認(rèn)了接合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 的最外周的圓周速度為lm/秒以上，接合部具有接合前的純鈦材料的抗拉 強(qiáng)度以上的抗拉強(qiáng)度，并且接合部的強(qiáng)度的不均小。
并且，觀察接合部的截面組織的結(jié)果與實(shí)施例1同樣，觀察到由生成 與鎳鈦合金材料的組成不同的化合物的層及生成了原子擴(kuò)散的層構(gòu)成的 反應(yīng)層。反應(yīng)層在整個(gè)接合面以50;/m以下的厚度較薄地形成，化合物生 成的層在整個(gè)接合面以2(Vm以下的厚度較薄地形成。
另外，與實(shí)施例1相同，在純鈦材料上產(chǎn)生熱影響部，熱影響部在 500//m以下的厚度上較薄地形成。在熱影響部中，觀察不到釬焊時(shí)觀察 到的由于加熱到純鈦材料的"--相變點(diǎn)(8S(TC)以上產(chǎn)生的晶粒直徑的 粗大化，可知由摩擦壓焊產(chǎn)生的熱影響小了。
另外，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的減速開始后，在接合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓 周速度比lm/秒小的期間施加鐓鍛力的比較例中，確認(rèn)了接合部不具有接 合前的純鈦材料的抗拉強(qiáng)度以上的抗拉強(qiáng)度，接合部的強(qiáng)度的不均大。
工業(yè)實(shí)用性
本發(fā)明的異種金屬接合體能夠在家電產(chǎn)品、住宅設(shè)備、輸送設(shè)備、眼 鏡、醫(yī)療器具等各種用途中使用，其工業(yè)實(shí)用性非常大。
權(quán)利要求
1、一種異種金屬接合體，其是將鎳鈦合金材料及純鈦材料接合而一體化得到的，所述異種金屬接合體的特征在于，所述鎳鈦合金材料及所述純鈦材料的接合部由反應(yīng)層的組織構(gòu)成，且具有接合前的純鈦材料的抗拉強(qiáng)度以上的抗拉強(qiáng)度，其中，所述反應(yīng)層是在摩擦壓焊的狀態(tài)下，通過(guò)由鐓鍛力產(chǎn)生的壓縮力及減速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)力而形成的。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的異種金屬接合體，其特征在于，所述鎳鈦合金材料是表現(xiàn)形狀記憶效果或超彈性效果的組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的異種金屬接合體，其特征在于，所述純鈦材料是與JIS H4650中規(guī)定的一種或兩種相當(dāng)?shù)慕M成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的異種金屬接合體，其特征在于，所述純鈦材料中和所述接合部不同的部分與和所述鎳鈦合金材料不同的金屬材料接合一體化，兩接合間的厚度為所述純鈦材料的外形尺寸以下。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的異種金屬接合體，其特征在于，所述接合部利用接合后的加工而成形。
6、 一種異種金屬接合體的接合方法，其特征在于，使鎳鈦合金材料及純鈦材料的接合面的至少一方進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并摩擦壓焊，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的減速開始后，在接合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓周速度為0.5m/秒以上的期間施加規(guī)定的鐓鍛力進(jìn)行壓縮而接合。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的異種金屬接合體的接合方法，其特征在于，將摩擦壓焊的條件設(shè)定為接合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓周速度為2m/秒以上、摩擦壓力為lOOMPa以下、摩擦?xí)r間為0.5秒以上。
8、 一種異種金屬接合體的接合方法，其特征在于，使鎳鈦合金材料及純鈦材料的接合面的至少一方進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并摩擦壓焊，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的減速開始后，在接合面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓周速度為lm/秒以上的期間施加鐓鍛力進(jìn)行壓縮而接合，其中該鐓鍛力設(shè)定為比接合面的接合截面積與接合前的純鈦材料的屈服強(qiáng)度相乘后的值的力小。
9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的異種金屬接合體的接合方法，其特征在于，將摩擦壓焊的條件設(shè)定為接合面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外周的圓周速度為4m/秒以上、摩擦壓力為100MPa以下、摩擦?xí)r間為0.5秒以上。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種鎳鈦合金材料及純鈦材料的異種金屬接合體及其接合方法，在該接合體中，接合部具有接合前的純鈦材料的抗拉強(qiáng)度以上的抗拉強(qiáng)度且接合部的強(qiáng)度不均小，并且接合后的熱影響部小。使由鎳鈦合金材料構(gòu)成的圓棒體(1)及由純鈦材料構(gòu)成的圓棒體(2)的接合面中的至少一方進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行摩擦壓焊，并且在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的減速開始后且接合面上的旋轉(zhuǎn)速度的最外周的圓周速度為0.5m/秒以上的期間施加規(guī)定的鐓鍛力進(jìn)而壓縮并接合一體化。在接合部上形成通過(guò)由鐓鍛力產(chǎn)生的壓縮力及減速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)力而形成的反應(yīng)層的組織，接合部具有接合前的純鈦材料的抗拉強(qiáng)度以上的抗拉強(qiáng)度。
文檔編號(hào)B23K20/12GK101652220SQ20088001090
公開日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2008年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月29日
發(fā)明者富田孝一, 野尻誠(chéng) 申請(qǐng)人:福井縣