KR101456742B1 - 금속재의 가공방법, 금속재의 가공방법에 의해서 가공된 구조물 및 회전툴 - Google Patents

Abstract

회전툴(10a)의 프로브(12)는 Ir, Mo, W, V 및 이들을 50질량％ 이상 포함하는 합금으로 하고, 숄더(11)는 Si₃N₄ 및 다결정 입방정 질화붕소 등의 세라믹스로 이루어진 것으로 했다. 이것에 의해, 프로브(12)에 대해서는 내마모성 및 금속재(1, 2) 등의 부착성이 높기 때문에, 딱딱한 금속재(1, 2)를 접합하는 경우에서도 회전툴(10a)의 수명을 향상시키고, 접합교반부의 내식성을 향상시켜, 접합부(3)의 교반을 촉진할 수 있다. 또, 숄더(11)에 대해서는 내마모성 및 금속재(1, 2) 등의 부착성이 높기 때문에, 숄더(11)가 통과한 후의 접합부(3)의 표면이 거칠어지는 것을 방지하여, 스테인리스강을 접합하는 경우에서도 접합부(3)의 내식성을 향상시킬 수 있다.

Description

금속재의 가공방법, 금속재의 가공방법에 의해서 가공된 구조물 및 회전툴 {METAL MATERIAL MACHINING METHOD, AND STRUCTURE AND ROTARY TOOL MACHINED USING METAL MATERIAL MACHINING METHOD}

본 발명은 금속재의 가공방법, 금속재의 가공방법에 의해서 가공된 구조물 및 회전툴에 관한 것이고, 특히 마찰교반접합(摩擦攪拌接合)에 의해서 금속재를 가공하는 가공방법, 회전툴 및 당해 가공방법에 의해서 가공된 구조물에 관한 것이다.

종래의 금속재의 접합방법에 있어서는, 마찰교반접합(FSW = Friction Stir Welding)에 의해 금속재를 접합하는 기술이 알려져 있다. 마찰교반접합에서는, 접합하고자 하는 금속재를 접합부에서 대향시키고, 막대 모양의 회전툴을 회전시키면서 선단에 마련된 프로브를 접합부에 삽입하며, 접합부의 길이방향을 따라서 회전툴을 회전시키면서 이동시켜, 마찰열에 의해 금속재를 소성유동(塑性流動)시킴으로써 2개의 금속재를 접합한다. 예를 들면, 특허문헌 1에는, 회전툴의 선단에 있어서, 중앙부에 교체 가능한 프로브를 구비하고, 그 주변부는 오목면을 가지는 회전툴에 의해 마찰교반접합을 행하는 기술이 개시되어 있다.

또, 특허문헌 2에는, 회전하는 회전자의 선단면으로부터 연장된 프로브핀을 피접합부재의 접합부에 압입(壓入)시키고, 접합부에서 피접합부재를 마찰교반접합시키는 마찰교반접합용 툴에 있어서, 회전자와 프로브핀을 초경합금으로 일체로 형성함과 아울러, 회전자의 후부(後部) 측에 걸기부를 노치(notch)형성하는 한편, 공구강이나 다이스강으로 구성된 생크(shank)부에 걸기부가 마련된 회전자의 후부 측을 삽입시키는 수용부를 마련하며, 이 수용부 내에 회전자의 후부 측을 삽입시킴과 아울러, 수용부 내에 삽입된 회전자의 걸기부에 나사를 밀어 붙여, 회전자와 프로브핀이 일체로 형성된 것을 생크부에 고정시키는 마찰교반접합용 툴이 개시되어 있다. 이 특허문헌 2의 마찰교반접합용 툴은 초경합금인 부분을 적게 하여 비용을 저감시킬 수 있다. 또 특허문헌 2의 마찰교반접합용 툴은 회전자나 프로브핀이 마모한 경우 등에 있어서도 회전자와 프로브핀이 일체로 형성된 것만을 간단하게 교환할 수 있다. 또한 특허문헌 2의 마찰교반접합용 툴은 프로브핀의 지름이나 길이 등을 변경시킨 것을 복수 준비해 두고, 이것을 적절히 변경시켜 사용할 수도 있다고 하는 것이다.

[특허문헌 1] 일본국 특표평9-508073호 공보 [특허문헌 2] 일본국 특개2005-199281호 공보

그런데, 상기와 같은 기술에서는, 회전툴의 구조, 크기, 형상 및 재질 등을 개량함으로써, 보다 양호하게 마찰교반접합을 행하는 것을 시도한 것이다. 그렇지만, 이상적인 회전툴의 재질 등은 마찰교반접합에 의해 접합되는 금속의 조성에 의해서도 크게 다르다. 따라서, 단순히 회전툴의 구조, 크기, 형상 및 재질 등을 개량한 것만으로는, 여러 가지의 금속재에 대해서 마찰교반접합을 행하는 경우에, 회전툴의 수명을 충분히 향상시키는 것이나, 보다 양호한 접합부를 얻는 것이 어렵다고 하는 문제가 있다.

본 발명은 이와 같은 실정을 감안하여, 여러 가지의 금속재에 대해서 마찰교반접합을 행하는 경우에 있어서도, 회전툴의 수명을 충분히 향상시키고, 보다 양호한 가공부를 얻는 것이 가능한 금속재의 가공방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은, 2개의 금속재를 가공부에서 대향시키고, 막대 모양의 회전툴을 회전시키면서 회전툴의 선단을 가공부에 삽입하며, 2개의 금속재를 가공하는 금속재의 가공방법으로서, 회전툴의 선단은 중앙부에서 돌출한 프로브와 주변부의 숄더를 가지고, 프로브와 숄더는 적어도 상기 금속재와 접촉하는 표면부에서 다른 재질로 이루어진 것으로 하는 금속재의 가공방법이다.

이 구성에 의하면, 회전툴의 프로브와 숄더가 적어도 금속재와 접촉하는 표면부에서 다른 재질로 이루어지기 때문에, 여러 가지의 금속재에 대해서 마찰교반접합을 행하는 경우에도 대응할 수 있을 가능성이 높아져, 회전툴의 수명 및 가공부의 질의 향상을 얻을 수 있을 가능성이 증대한다.

또한, 본 발명의 금속재의 가공방법에 있어서는, (1) 판 모양의 금속재의 단부끼리를 맞대어 접합부로 하고, 회전툴을 그 접합부의 길이방향을 따라서 회전시키면서 이동시켜 금속재끼리를 접합하는 마찰교반접합, (2) 판 모양의 금속재의 단부끼리를 맞대어 접합부로 하고, 회전툴을 그 접합부에서 이동시키지 않고 회전시켜 접합하는 스폿 마찰교반접합(스폿 FSW), (3) 금속재끼리를 접합부에서 겹쳐서 접합부에 회전툴을 삽입하고, 회전툴을 그 개소에서 이동시키지 않고 회전시켜 금속재끼리를 접합하는 스폿 마찰교반접합, (4) 금속재끼리를 접합부에서 겹쳐서 접합부에 회전툴을 삽입하고, 회전툴을 그 접합부의 길이방향을 따라서 회전시키면서 이동시켜 금속재끼리를 접합하는 마찰교반접합의 (1) ~ (4)의 4개의 형태 및 이들의 조합을 포함한다.

또한, 본 발명의 금속재의 가공방법에 있어서는, 2개의 금속재를 단지 가공부에서 접합하는 것만이 아니라, 가공부에 막대 모양의 회전툴의 선단을 삽입하여 회전툴을 회전시킴으로써, 가공부를 개질하기 위한 가공도 포함되는 것으로 한다.

이 경우, 프로브의 내마모성은 숄더의 내마모성보다도 높은 것으로 하는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 프로브의 내마모성은 숄더의 내마모성보다도 높은 것으로 함으로써, 숄더보다 마모하기 쉬운 경향이 있는 프로브의 마모를 방지하여, 회전툴의 마모를 방지할 수 있다.

또, 프로브의 금속재에 대한 부착성은 숄더의 금속재에 대한 부착성보다도 높은 것으로 하는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 프로브의 금속재에 대한 부착성은 숄더의 금속재에 대한 부착성보다도 높은 것으로 함으로써, 금속재의 교반이 촉진되어, 교반부의 체적을 크게 할 수 있다. 숄더의 금속재에 대한 부착성을 프로브의 금속재에 대한 부착성보다도 낮은 것으로 함으로써, 가공부의 광범위를 통과하는 숄더에 의해서 가공부가 거칠어지는 것을 방지할 수 있다.

또, 프로브는, Ir, Mo, W, V, Rh, Ru, Re, Nb, Ta, Zr 및 Hf 중 적어도 어느 하나, 또는 Ir, Mo, W, V, Rh, Ru, Re, Nb, Ta, Zr 및 Hf 중 적어도 어느 하나를 50질량％ 이상 포함하는 합금으로 이루어진 것으로 하는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 프로브를 Ir, Mo, W, V, Rh, Ru, Re, Nb, Ta, Zr 및 Hf 중 적어도 어느 하나, 또는 Ir, Mo, W, V, Rh, Ru, Re, Nb, Ta, Zr 및 Hf 중 적어도 어느 하나를 50질량％ 이상 포함하는 합금으로 이루어진 것으로 함으로써, 프로브의 내마모성이나 금속재에 대한 부착성을 충분히 높이는 것이 가능하게 된다.

혹은, 프로브는, Cr, Si, Mo, V, Al, Nb, Ti 및 W 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것으로 하는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 프로브를 페라이트 안정화 원소인 Cr, Si, Mo, V, Al, Nb, Ti 및 W 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것으로 함으로써, 가공부에서 내식성의 저하를 가져오는 σ상(相)의 생성을 억제할 수 있다.

한편, 숄더는 Si₃N₄ 및 다결정 입방정 질화붕소 중 어느 하나로 이루어진 것으로 하는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 숄더를 Si₃N₄ 및 다결정 입방정 질화붕소 중 어느 하나로 이루어진 것으로 함으로써, 프로브의 금속재에 대한 부착성을 숄더의 금속재에 대한 부착성보다도 높은 것으로 하여, 금속재의 교반이 촉진되어 교반부의 체적을 크게 할 수 있다. 또, 숄더의 금속재에 대한 부착성을 프로브의 금속재에 대한 부착성보다도 낮은 것으로 하여, 가공부의 광범위를 통과하는 숄더에 의해서 가공부의 표면이 거칠어지는 것을 방지할 수 있다.

또한, 프로브와 숄더는 다른 회전속도로 회전 가능하게 하여, 프로브의 회전속도를 숄더의 회전속도보다도 고속으로 하는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 프로브와 숄더는 다른 회전속도로 회전 가능하게 하고, 프로브의 회전속도를 숄더의 회전속도보다도 고속으로 함으로써, 고온으로 하는 것이 바람직한 가공부 중심을, 프로브를 고속회전시킴으로써 고온화시키고, 전체적으로 온도를 낮게 억제하는 것이 바람직한 가공부 전체를, 숄더를 저속회전시킴으로써 온도를 낮게 억제하는 것이 가능하게 된다.

또, 프로브의 회전툴의 선단으로부터 돌출하는 길이를 변경 가능하게 되어 있는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 프로브의 회전툴의 선단으로부터 돌출하는 길이를 변경 가능하게 되어 있기 때문에, 가공에 수반하여 프로브가 마모해도 프로브의 회전툴의 선단으로부터 돌출하는 길이를 변경함으로써, 회전툴을 계속해서 사용할 수 있다.

또, 숄더의 표면부는 프로브보다도 금속재에 대한 부착성이 낮은 물질에 의해 피복되고 있는 것으로 할 수 있다.

이 구성에 의하면, 숄더 전체의 재질을 프로브의 재질과 바꾸지 않아도, 숄더의 표면부를 프로브보다도 금속재에 대한 부착성이 낮은 물질에 의해 피복함으로써, 숄더 전체의 재질을 프로브의 재질과 바꾼 것과 동등한 효과를 나타낼 수 있다.

이 경우, 숄더의 표면부는 Si₃N₄, BN, Al₂O₃, ZrO₂, SiC, B₄C, NiO, SiAlON, AlN, TiAlN, TiN, CrN, TiCN, TiSiN, DLC, TiCrN, TiAlSiN 및 AlCrSiN 중 어느 하나에 의해 피복되어 있는 것으로 할 수 있다.

이 구성에 의하면, 숄더 전체의 재질을 Si₃N₄ 또는 다결정 입방정 질화붕소로 하지 않아도, 숄더의 표면부를 Si₃N₄, BN, Al₂O₃, ZrO₂, SiC, B₄C, NiO, SiAlON, AlN, TiAlN, TiN, CrN, TiCN, TiSiN, DLC, TiCrN, TiAlSiN 및 AlCrSiN 중 어느 하나에 의해 피복함으로써, 숄더 전체의 재질을 Si₃N₄ 또는 다결정 입방정 질화붕소로 한 것과 동등한 효과를 나타낼 수 있다.

또, 프로브의 표면부는 숄더보다도 금속재에 대한 부착성이 높은 물질에 의해 피복되어 있는 것으로 할 수 있다.

이 구성에 의하면, 프로브 전체의 재질을 숄더의 재질과 바꾸지 않아도, 프로브의 표면부를 숄더보다도 금속재에 대한 부착성이 높은 물질에 의해 피복함으로써, 프로브 전체의 재질을 숄더의 재질과 바꾼 것과 동등한 효과를 나타낼 수 있다.

또, 프로브의 표면부는 숄더보다도 금속재에 대한 내마모성이 높은 물질에 의해 피복되어 있는 것으로 할 수 있다.

이 구성에 의하면, 프로브 전체의 재질을 숄더의 재질과 바꾸지 않아도, 프로브의 표면부를 숄더보다도 금속재에 대한 내마모성이 높은 물질에 의해 피복함으로써, 프로브 전체의 재질을 숄더의 재질과 바꾼 것과 동등한 효과를 나타낼 수 있다.

이에 더하여, 금속재는 스테인리스강, 탄소강, 합금강, Ni기 합금, Ti, Co, Rh, Pd, Cu, Pt 및 Au 중 적어도 어느 하나 또는 스테인리스강, 탄소강, 합금강, Ni기 합금, Ti, Co, Rh, Pd, Cu, Pt 및 Au 중 적어도 어느 하나의 합금으로 이루어진 것으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 금속재의 가공방법에 의하면, 금속재가 스테인리스강, 탄소강, 합금강, Ni기 합금, Ti, Co, Rh, Pd, Cu, Pt 및 Au 중 적어도 어느 하나 또는 스테인리스강, 탄소강, 합금강, Ni기 합금, Ti, Co, Rh, Pd, Cu, Pt 및 Au 중 적어도 어느 하나의 합금으로 이루어진 것과 같이, 회전툴이 마모하기 쉽고, 가공부가 거칠어지기 쉬운 것이 포함되는 경우에도, 회전툴의 마모를 억제하여 가공부의 거칠어짐을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 금속재의 가공법에 의해서 가공된 구조물은 양호한 가공부를 가져, 기계적 특성이 뛰어난 것으로 할 수 있다.

한편, 본 발명은, 2개의 금속재를 가공부에서 대향시키고, 막대 모양의 회전툴을 회전시키면서 회전툴의 선단을 가공부에 삽입하며, 2개의 금속재를 가공하는 금속재의 가공방법에 이용하는 회전툴로서, 회전툴의 선단은 중앙부에서 돌출한 프로브와 주변부의 숄더를 가지고, 프로브와 숄더는 적어도 금속재와 접촉하는 표면부에서 다른 재질로 이루어진 회전툴이다.

이 경우, 프로브의 내마모성은 숄더의 내마모성보다도 높은 것으로 하는 것이, 회전툴의 수명을 향상시킬 수 있기 때문에, 바람직하다.

또, 프로브의 금속재에 대한 부착성은 숄더의 금속재에 대한 부착성보다도 높은 것으로 한다.

이 구성에 의하면, 프로브의 금속재에 대한 부착성은 숄더의 금속재에 대한 부착성보다도 높은 것으로 함으로써, 금속재의 교반이 촉진되어 교반부의 체적을 크게 할 수 있다. 또, 숄더의 금속재에 대한 부착성을 프로브의 금속재에 대한 부착성보다도 낮은 것으로 함으로써, 가공부의 광범위를 통과하는 숄더에 의해서 가공부가 거칠어지는 것을 방지할 수 있다.

또한, 프로브는 Ir, Mo, W, V, Rh, Ru, Re, Nb, Ta, Zr 및 Hf 중 적어도 어느 하나 또는 Ir, Mo, W, V, Rh, Ru, Re, Nb, Ta, Zr 및 Hf 중 적어도 어느 하나를 50질량％ 이상 포함하는 합금으로 이루어진 것으로 하는 것이, 높은 내마모성 및 금속재의 부착성을 담보하기 때문에, 바람직하다.

혹은, 프로브는 Cr, Si, Mo, V, Al, Nb, Ti 및 W 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것으로 하는 것이, 가공부에서 내식성의 저하를 가져오는 σ상의 생성을 억제할 수 있어 바람직하다.

한편, 숄더는 Si₃N₄ 및 다결정 입방정 질화붕소 중 어느 하나로 이루어진 것으로 하는 것이, 프로브의 금속재에 대한 부착성을 숄더의 금속재에 대한 부착성보다도 높은 것으로 하여, 금속재의 교반이 촉진되어 교반부의 체적을 크게 할 수 있기 때문에, 바람직하다. 또, 숄더의 금속재에 대한 부착성을 프로브의 금속재에 대한 부착성보다도 낮은 것으로 하여, 가공부의 광범위를 통과하는 숄더에 의해서 가공부의 표면이 거칠어지는 것을 방지할 수 있다.

이에 더하여, 프로브와 숄더는 다른 회전속도로 회전 가능하게 되어 있는 것이, 양호한 가공부를 얻기 때문에, 바람직하다.

또, 프로브의 회전툴의 선단으로부터 돌출하는 길이를 변경 가능하게 되어 있는 것이, 회전툴을 계속해서 사용할 수 있기 때문에, 바람직하다.

또, 숄더의 표면부는 프로브보다도 금속재에 대한 부착성이 낮은 물질에 의해 피복되어 있는 것이, 숄더 전체의 재질을 프로브의 재질과 바꾼 것과 동등한 효과를 나타낼 수 있기 때문에, 바람직하다.

또, 숄더의 표면부는, Si₃N₄, BN, Al₂O₃, ZrO₂, SiC, B₄C, NiO, SiAlON, AlN, TiAlN, TiN, CrN, TiCN, TiSiN, DLC, TiCrN, TiAlSiN, 및 AlCrSiN 중 어느 하나에 의해 피복되고 있는 것이, 숄더 전체의 재질을 Si₃N₄ 또는 다결정 입방정 질화붕소로 한 것과 동등한 효과를 나타낼 수 있기 때문에, 바람직하다.

또한, 프로브의 표면부는 숄더보다도 금속재에 대한 부착성이 높은 물질에 의해 피복되고 있는 것이, 프로브 전체의 재질을 숄더의 재질과 바꾼 것과 동등한 효과를 나타낼 수 있기 때문에, 바람직하다.

이에 더하여, 프로브의 표면부는 숄더보다도 금속재에 대한 내마모성이 높은 물질에 의해 피복되고 있는 것이, 프로브 전체의 재질을 숄더의 재질과 바꾼 것과 동등한 효과를 나타낼 수 있기 때문에, 바람직하다.

본 발명의 금속재의 가공방법 및 회전툴에 의하면, 여러 가지의 금속재에 대해서 마찰교반접합을 행하는 경우에도, 회전툴의 수명을 충분히 향상시키고, 보다 양호한 가공부를 얻는 것이 가능하게 된다. 또, 본 발명의 금속재의 가공방법에 의해서 가공된 구조물은 양호한 가공부를 가져, 기계적 특성이 뛰어난 것으로 할 수 있다.

도 1은 제1 실시형태에 관한 금속재의 접합방법의 개요를 나타내는 사시도이다.
도 2는 제1 실시형태에 관한 금속재의 접합방법의 다른 형태를 나타내는 사시도이다.
도 3은 제1 실시형태에 관한 회전툴의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 제2 실시형태에 관한 회전툴의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 5는 제3 실시형태에 관한 회전툴의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 6은 실험예에서의 회전툴의 접합 회수에 대한 마모 질량의 변화를 나타내는 그래프도이다.
도 7은 본 발명의 회전툴에 의한 접합부의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 회전툴에 의한 접합부의 소금물 분무시험 후의 도면이다.
도 9는 종래의 Si₃N₄만으로 이루어진 회전툴에 의한 접합부의 단면도이다.
도 10은 종래의 Ir합금만으로 이루어진 회전툴에 의한 접합부의 소금물 분무시험 전의 도면이다.
도 11은 종래의 Ir합금만으로 이루어진 회전툴에 의한 접합부의 소금물 분무시험 후의 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 첨부 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 제1 실시형태에 관한 금속재의 접합방법의 개요를 나타내는 사시도이다. 본 실시형태에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 판 모양의 금속재(1, 2)의 단부끼리를 접합부(3)에서 맞대고, 척(chuck)(20)에 파지된 회전툴(10a)을 회전시키면서, 회전툴(10a) 선단의 주변부의 숄더(11)를 접합부(3)에 맞닿게 하며, 회전툴(10a) 선단의 중앙부의 프로브(12)를 접합부(3) 내에 삽입하여 금속재(1, 2)끼리를 접합한다. 접합부(3)에는 Ar 등의 불활성 가스로 이루어진 쉴드 가스가 공급된다.

도 2는 제1 실시형태에 관한 금속재의 접합방법의 다른 형태를 나타내는 사시도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 이 형태에서는, 금속재(1, 2)끼리를 접합부(3)에서 겹치고, 한 쪽의 금속재(1)를 통하여 접합부(3)에 회전툴(10a)을 회전시키면서 삽입하여, 금속재(1, 2)끼리를 접합한다. 도 1과 마찬가지로, 접합부(3)에는 Ar 등의 불활성 가스로 이루어진 쉴드 가스가 공급된다.

본 실시형태에 있어서, 접합을 행하는 금속재(1, 2)로서는, Al 등을 포함하는 경합금계 재료를 적용할 수 있지만, 본 실시형태에서는 회전툴(10a)의 마모와 접합부(3)의 거칠어짐을 저감하는 것이 가능하기 때문에, 금속재(1, 2)에, 예를 들면, 탄소강, 합금강(ISO 준거), SUS304, SUS301L, SUS316L 등의 오스테나이트계 스테인리스강, SUS430 등의 페라이트계 스테인리스강 혹은 2상 스테인리스강을 적용할 수 있다. 혹은, 금속재(1, 2)로서, 동종의 재료가 아니고, 이종(異種) 재료를 적용할 수도 있다. 구체적으로는, 예를 들면, SS400와 S45C와의 접합 등의 탄소강끼리의 접합, SS400와 SUS304와의 접합 등의 탄소강과 스테인리스강과의 접합, A5083와 AZ41와의 접합 등의 경합금끼리의 접합, 판 두께가 두꺼운 A5083 등의 비열처리 재료인 알루미늄 합금끼리의 접합 및 A5083와 A6N01와의 접합 등의 비열처리 재료와 열처리 재료와의 접합을 본 실시형태의 접합방법에서는 행할 수 있다. 혹은, 접합을 행하는 금속재(1, 2)로서는, Ni기 합금, Ti, Co, Rh, Pd, Cu, Pt 및 Au 중 적어도 어느 하나 또는 스테인리스강, 탄소강, 합금강, Ni기 합금, Ti, Co, Rh, Pd, Cu, Pt 및 Au 중 적어도 어느 하나의 합금으로 이루어진 것으로 할 수 있다.

도 3은 제1 실시형태에 관한 회전툴의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 3 및 상술의 도 1, 2에 나타내는 바와 같이, 회전툴(10a)은 대략 원통형을 이루고, 선단에 중앙부에서 돌출한 프로브(12)와 주변부의 숄더(11)를 가지고 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 있어서, 숄더(11)와 프로브(12)는 분리된 구조이며, 각각 다른 재질로 이루어진다.

숄더(11)는 중앙부에 관통구멍을 가지는 원통형을 이룬다. 프로브(12)는 숄더(11)보다 소경의 원기둥 모양을 이루며, 숄더(11)의 중앙부의 관통구멍을 통과하여, 회전툴(10a)의 선단으로부터 돌출해 있다. 숄더(11)는 육각구멍이 형성된 멈춤나사(21)에 의해서 그 측면이 척(20)에 고정된다. 프로브(12)는 육각구멍이 형성된 멈춤나사(22)에 의해서 그 측면이 척(20)에 고정된다. 숄더(11)와 프로브(12)는 각각 육각구멍이 형성된 멈춤나사(21, 22)에 의해서 척(20)에 고정됨으로써, 접합시에는 척(20)의 회전에 수반하여, 동일한 회전방향으로 동일한 회전속도로 회전한다.

또한, 도 3의 예에서는, 숄더(11)와 프로브(12)는 측면의 한 개소에서만 고정되어 있지만, 예를 들면, 회전툴(10a)의 회전축에 대해서 120°씩 떨어진 3개소에서 숄더(11)와 프로브(12)를 고정함으로써, 보다 확실히 숄더(11)와 프로브(12)를 척(20)에 고정할 수 있다.

또, 프로브(12)를 숄더(11)의 관통구멍을 따라서 슬라이딩 가능하게 하고, 프로브(12)의 회전툴(10a)의 선단으로부터의 돌출길이를 변경하여 고정하는 것을 가능하게 해도 된다. 이것에 의해, 가공에 수반하여 프로브(12)가 마모해도, 프로브(12)의 회전툴(10a)의 선단으로부터 돌출하는 길이를 변경함으로써, 회전툴(10a)을 계속해서 사용할 수 있다.

프로브(12)는 내마모성 및 금속재(1, 2)의 부착성이 뛰어난 Ir합금으로 이루어진다. 프로브(12)의 재질로서는 Ir, Mo, W, V, Rh, Ru, Re, Nb, Ta, Zr 및 Hf 중 적어도 어느 하나 또는 Ir, Mo, W, V, Rh, Ru, Re, Nb, Ta, Zr 및 Hf 중 적어도 어느 하나를 50질량％ 이상 포함하는 합금으로 이루어진 것으로 할 수 있다. 혹은, 프로브(12)는 Cr, Si, Mo, V, Al, Nb, Ti 및 W 중 적어도 어느 하나 포함하는 것으로 할 수 있다. 프로브(12)를 페라이트 안정화 원소인 Cr, Si, Mo, V, Al, Nb, Ti 및 W 중 적어도 어느 하나 포함하는 것으로 함으로써, 접합부(3)에서 내식성의 저하를 가져오는 σ상의 생성을 억제할 수 있다. 또한, 프로브(12)에 사용하는 재질은 단조가공을 시행하면 툴 수명을 늘리는데 보다 효과적이다.

한편, 숄더(11)는 내마모성 및 금속재(1, 2)의 부착성을 프로브(12)보다도 낮게 억제할 수 있는 Si₃N₄로 한다. 숄더(11)의 재질로서는 Si₃N₄ 및 다결정 입방정 질화붕소(PCBN) 중 어느 하나로 이루어진 것으로 할 수 있고, 그 외의 세라믹스도 적용할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 프로브(12)와 숄더(11)가 다른 재질이며, 회전툴(10a)은 양자를 조합시키는 구조로 되지만, 프로브(12)의 단면을 오발(oval)형으로 함으로써, 응력 집중이 완화되어 보다 내구성을 높일 수 있다.

또한, 프로브(12)는 그 표면부만이 Ir, Mo, W, V, Rh, Ru, Re, Nb, Ta, Zr 및 Hf 중 적어도 어느 하나 또는 Ir, Mo, W, V, Rh, Ru, Re, Nb, Ta, Zr 및 Hf 중 적어도 어느 하나를 50질량％ 이상 포함하는 합금에 의해서 피복된 것으로 할 수 있어, 전체의 물질이 상기 물질인 것과 동등한 효과를 나타낼 수 있다. 또, 숄더(11)는 그 표면부만이 Si₃N₄, BN, Al₂O₃, ZrO₂, SiC, B₄C, NiO, SiAlON, AlN, TiAlN, TiN, CrN, TiCN, TiSiN, DLC, TiCrN, TiAlSiN 및 AlCrSiN 중 어느 하나에 의해 피복된 것으로 할 수 있어, 전체의 물질이 상기 물질인 것과 동등한 효과를 나타낼 수 있다.

예를 들면, 프로브(12) 전체를 Ir합금으로 이루어진 것으로 하고, 숄더(11)를 Si₃N₄에 의해 피복된 것으로 할 수 있다.

혹은, 회전툴(10a) 전체를 Ir합금으로 이루어진 것으로 하고, 숄더(11) 및 프로브(12)의 어느 표면에도 Si₃N₄, BN, Al₂O₃, ZrO₂, SiC, B₄C, NiO, SiAlON, AlN, TiAlN, TiN, CrN, TiCN, TiSiN, DLC, TiCrN, TiAlSiN, 및 AlCrSiN 중 어느 하나를 피복한 것으로 할 수 있다. 이 경우, 프로브(12)가 숄더(11)보다도 일반적으로 마모가 크기 때문에, 프로브(12) 표면의 피복은 가공에 수반하는 마모에 의해 조기에 제거되어 프로브(12)의 Ir합금이 노출하게 되며, 숄더(11) 전체와 프로브(12) 전체를 다른 물질로 이루어진 것으로 했을 경우와 같은 효과를 얻을 수 있다.

또한, 프로브(12)의 돌출길이는 부착성이 좋기 때문에, 통상의 프로브 길이보다도 짧게 설정하는 것이 가능하다. 예를 들면, 통상보다도 짧은 1.5㎜ 이하, 보다 바람직하게는 1.35㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 금속재(1, 2)의 판 두께 1.5㎜에 대해서 통상은 프로브 길이 1.4㎜ 정도로 설정하지만, 프로브 길이 1.3㎜에서도 접합이 가능하다. 이것은 프로브(12)의 Ir합금과 금속재(1, 2)와의 부착성이 높고, 교반이 촉진되기 때문이다. 또, 이와 같이 프로브(12)의 돌출길이를 짧게 함으로써, 금속재(1, 2)의 판 두께가 변화하는 경우에도 회전툴(10a)을 파손하지 않고 접합이 가능하게 된다. 또한, 이것에 의해, 툴의 수명을 늘릴 수 있다.

이하, 본 실시형태의 접합방법 및 회전툴의 작용에 대해서 설명한다. 본 발명자들이 여러 가지의 금속재에 대해서 종래형의 회전툴의 재질을 바꾸어 마찰교반접합의 시험을 행한 바, 다음과 같은 지견(知見)을 얻었다. 우선, Si₃N₄로 이루어진 회전툴을 이용하여 접합을 행한 바, 접합하는 금속재가 스테인리스강이나 탄소강이 딱딱한 경우, 회전툴의 마모가 현저하게 된다. 또, 접합속도를 크게 했을 경우, 회전툴의 수명이 짧아지는 경향도 있다. 또한, 오스테나이트계 스테인리스강과 같은 고융점 재료를 Si₃N₄나 다결정 입방정 질화붕소로 이루어진 종래형의 회전툴로 접합하는 경우는 접합교반부의 내식성이 저하하는 경향이 있다.

한편, Ir합금제의 종래형의 회전툴로 오스테나이트계 스테인리스강을 접합하는 경우는, Ir합금과 스테인리스강과의 부착성(친화성)이 높고, 접합부 표면을 회전툴의 숄더가 통과한 후는 접합부 표면이 거칠어져 버려, 내식성이 저하하는 경향이 있다.

그래서, 본 실시형태에서는, 회전툴(10a)의 숄더(11)와 프로브(12)를 다른 재료로 이루어진 것으로 한다. 프로브(12)는 피접합재인 금속재(1, 2)와 내마모성이 높고, 부착성이 높은 물질로 한다. 한편, 숄더(11)는 금속재(1, 2)와 내마모성이 낮고, 부착성이 낮은 물질로 한다. 또한, 프로브(12) 및 숄더(11)는 열전도율이 금속재(1, 2)보다도 낮으면 접합에 사용되는 입열(入熱)의 효율이 좋아진다.

이상으로부터, 프로브(12)는 Ir, Mo, W, V, Rh, Ru, Re, Nb, Ta, Zr 및 Hf 중 적어도 어느 하나 또는 Ir, Mo, W, V, Rh, Ru, Re, Nb, Ta, Zr 및 Hf 중 적어도 어느 하나를 50질량％ 이상 포함하는 합금으로 하고, 숄더(11)는 Si₃N₄ 및 다결정 입방정 질화붕소 등의 세라믹스로 이루어진 것으로 했다. 이것에 의해, 프로브(12)에 대해서는 내마모성 및 금속재(1, 2) 등의 부착성이 높기 때문에, 딱딱한 금속재(1, 2)를 접합하는 경우에서도 회전툴(10a)의 수명을 향상시키고, 접합교반부의 내식성을 향상시켜, 접합부(3)의 교반을 촉진할 수 있다. 또, 숄더(11)에 대해서는 내마모성 및 금속재(1, 2) 등의 부착성이 낮기 때문에, 숄더(11)가 통과한 후의 접합부(3)의 표면이 거칠어지는 것을 막아, 스테인리스강을 접합하는 경우에서도 접합부(3)의 내식성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 실시형태에 의해, 금속재(1, 2)가 접합되어서 이루어지는 구조물은 양호한 가공부를 가져, 기계적 특성이 뛰어난 것으로 할 수 있다.

도 4는 제2 실시형태에 관한 회전툴의 구조를 나타내는 사시도이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 회전툴(10b)의 프로브(12)는 그 측면의 일부에 육각기둥면(13)을 가지는 기둥 모양을 이룬다. 척(20)에는 당해 육각기둥면(13)에 대응하는 내벽면을 가지는 유지구멍이 미련되어 있다. 프로브(12)는 육각기둥면(13)과 척(20)의 유지구멍의 내벽면이 끼워맞춤함으로써, 척(20)에 고정된다. 한편, 숄더(11)는, 상기 제1 실시형태와 마찬가지로, 숄더(11)의 중앙부의 관통구멍에 프로브(12)를 통과한 후, 육각구멍이 형성된 멈춤나사(21)에 의해서 척(20)에 고정된다.

척(20)의 열팽창율은 프로브(12)의 열팽창율보다도 작게 되어 있다. 이것에 의해, 접합시에 발생하는 열에 의해서 프로브(12)가 척(20)보다도 크게 팽창함으로써, 프로브(12)는 척(20)에 의해 강고하게 고정되게 된다. 한편, 접합 종료 후에는, 방열에 의한 냉각에 의해서, 프로브(12)는 척(20)보다 크게 수축하기 때문에, 프로브(12)를 척(20)으로부터 떼어내는 것이 용이하게 된다.

본 실시형태에 의하면, 회전툴(10b)의 척(20)에의 고정에 있어서, 숄더(11)에만 육각구멍이 형성된 멈춤나사(21)이 이용되고 있기 때문에, 회전툴(10b)의 척(20)으로의 착탈이 용이하다는 이점이 있다.

도 5는 제3 실시형태에 관한 회전툴의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 회전툴(10c)은 프로브(12)가 Ir 등으로 이루어지고, 숄더(11)가 Si₃N₄ 등으로 이루어진 점에서는 상기 제1 실시형태와 동일하지만, 프로브(12)와 숄더(11)는 다른 회전속도 v₁, v₂로 각각 회전 가능하게 하여, 프로브의 회전속도 v₁을 숄더의 회전속도 v₂보다도 고속으로 하는 점이 상기 제1 실시형태와 차이가 있다. 이 경우, 숄더(11)와 프로브(12)는 같은 방향으로 회전시키는 것으로 한다. 또한, 도 5의 예에서는 프로브(12)와 숄더(11)는 같은 방향으로 각각 다른 회전속도 v₁, v₂로 회전 가능하게 되어 있지만, 역방향으로 각각 다른 회전속도 v₁, v₂로 회전 가능하게 되어 있어도 된다.

본 실시형태에 의하면, 프로브(12)와 숄더(11)는 다른 회전속도로 회전 가능하게 하고, 프로브(12)의 회전속도 v₁를 숄더(11)의 회전속도 v₂보다도 고속으로 함으로써, 고온으로 하는 것이 바람직한 접합부(3) 중심을, 프로브(12)를 고속회전시킴으로써 고온화시키고, 전체적으로 온도를 낮게 억제하는 것이 바람직한 가공부(3) 전체를, 숄더(11)를 저속회전시킴으로써 온도를 낮게 억제하는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 발명의 금속재의 가공방법, 금속재의 가공방법에 의해서 가공된 구조물 및 회전툴은 상기한 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경을 가할 수 있는 것은 물론이다.

다음으로, 본 발명자가 본 발명의 금속재의 가공방법에 의해, 실제로 금속재를 접합한 실험결과를 설명한다.

(실험예 1)

두께 1.5㎜, 길이 165㎜, 폭 35㎜의 SUS304로 이루어진 판재를, 도 1에 나타내는 방법으로 마찰교반접합을 하여 시험편을 제작했다. 도 3에 나타내는 회전툴(10a)을 이용하여 프로브(12)의 재질은 Ir합금으로 하고, 숄더(11)의 재질은 Si₃N₄로 했다. 숄더(11) 지름은 15.0㎜, 숄더(11)의 단부의 R치수는 1.0㎜, 프로브(12)의 지름은 6.0㎜ 및 프로브(12)의 돌출길이는 통상보다도 짧은 1.35㎜로 했다. 이것은 프로브(12)의 Ir합금과 SUS304와의 부착성이 높아, 교반이 촉진되기 때문이다. 또, 이와 같이 프로브(12)의 돌출길이를 짧게 함으로써, 피가공물인 판재의 판 두께가 변화하는 경우에도, 회전툴(10a)을 파손하지 않고 접합이 가능하게 된다. 접합조건으로서, 회전툴(10a)의 회전속도 600rpm, 경사각도 3°, SUS304에의 접합하중 1360㎏, 접합속도 300㎜/min 혹은 600㎜/min로 하며, Ar가스를 쉴드 가스로서 30L/min의 유량으로 공급했다. 또, 비교를 위해, 종래형의 Si₃N₄만으로 이루어진 회전툴 및 Ir합금만으로 이루어진 회전툴에 의해서도 동일하게 마찰교반접합을 하여 시험편을 제작했다.

제작된 각각의 시험편의 단면을 전자현미경에 의해 관찰했다. 또, 각각의 시험편의 접합부에 대해서, 10질량％의 소금물을 분무하고, 온도 35℃, 습도 95％의 환경에서 수백 시간 방치하는 소금물 분무시험을 행했다.

도 6은 실험예에서의 회전툴의 접합 회수에 대한 마모 질량의 변화를 나타내는 그래프도이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 회전툴(10a)은 10회의 접합 후에도 마모를 볼 수 없는데 대해, 종래형의 Si₃N₄만으로 이루어진 회전툴은 크게 마모하고 있는 것을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 회전툴에 의한 접합부의 단면도이다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 회전툴(10a)에 의한 접합부는 부식되기 쉬운 층이 되는 띠모양의 층을 볼 수 없으며, 접합부(3)에 거칠어짐을 볼 수 없는 것을 알 수 있다. 또한, 이 경우에서의 접합속도는 300㎜/min이다.

도 8은 본 발명의 회전툴에 의한 접합부의 소금물 분무시험 후의 도면이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 소금물을 접합부에 분무한 후, 360시간 경과한 후에도 접합부에 부식은 생기지 않은 것을 알 수 있다.

도 9는 종래의 Si₃N₄만으로 이루어진 회전툴에 의한 접합부의 단면도이다. 도 9에 나타내는 바와 같이, Si₃N₄으로 이루어진 종래형의 회전툴에 의한 접합부는 부식되기 쉬운 층이 되는 띠모양의 층 D를 볼 수 있다. 또한, 이 경우에서의 접합속도는 600㎜/min이다.

도 10은 종래의 Ir합금만으로 이루어진 회전툴에 의한 접합부의 소금물 분무시험 전의 도면이다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 소금물을 접합부(3)에 분무하기 전이라도 접합부에는 요철이 많아 거칠어짐이 생기고 있는 것을 알 수 있다.

도 11은 종래의 Ir합금만으로 이루어진 회전툴에 의한 접합부의 소금물 분무시험 후의 도면이다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 소금물을 접합부에 분무한 후, 100시간 경과한 후에는, 접합부에 많은 부식이 생기고 있는 것을 알 수 있다.

또한, 본 실험예에서의 접합방법에 의해, 프로브(12)에 Ir합금의 돌출길이 1.35㎜, 숄더(11)에 질화규소의 숄더지름 15㎜의 회전툴(10a)을 사용하여 판 두께 1.5㎜의 금속재를 맞대어 접합한 경우, 적정한 접합 조건 범위는 다음의 표 1과 같이 되었다. 또한, 이 경우의 적정한 접합 조건 범위란, 이음매의 인장시험의 결과가 모재와 동등의 강도를 나타낸 경우를 말한다.

<산업상의 이용 가능성>

본 발명의 금속재의 가공방법 및 회전툴에 의하면, 여러 가지의 금속재에 대해서 마찰교반접합을 행하는 경우에도, 회전툴의 수명을 충분히 향상시켜, 보다 양호한 가공부를 얻는 것이 가능하게 된다. 또, 본 발명의 금속재의 가공방법에 의해서 가공된 구조물은 양호한 가공부를 가져, 기계적 특성이 뛰어난 것으로 할 수 있다.

1, 2 모재 3 접합부
10a, 10b, 10c 회전툴 11 숄더
12 프로브 13 육각기둥면
20 척 21 육각구멍이 형성된 멈춤나사
22 육각구멍이 형성된 멈춤나사

Claims (26)

1. 2개의 금속재를 가공부에서 대향시키고, 막대 모양의 회전툴을 회전시키면서 상기 회전툴의 선단을 상기 가공부에 삽입하여, 상기 2개의 금속재를 가공하는 금속재의 가공방법으로서,
   상기 회전툴의 선단은 중앙부에서 돌출한 프로브와 주변부의 숄더를 가지고,
   상기 프로브와 상기 숄더는 적어도 상기 금속재와 접촉하는 표면부에서 다른 재질로 이루어지며,
   상기 금속재는 스테인리스강, 탄소강, 합금강, Ni기 합금, Ti, Co, Rh, Pd, Cu, Pt 및 Au 중 적어도 어느 하나 또는 스테인리스강, 탄소강, 합금강, Ni기 합금, Ti, Co, Rh, Pd, Cu, Pt 및 Au 중 적어도 어느 하나의 합금으로 이루어지고,
   상기 프로브는 Ir 및 Ir을 50질량％ 이상 포함하는 합금 중 어느 하나로 이루어지며,
   상기 숄더는 Si₃N₄ 및 다결정 입방정 질화붕소 중 어느 하나로 이루어진 것으로 하는 금속재의 가공방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 프로브와 상기 숄더와는 다른 회전속도로 회전 가능하게 하고, 상기 프로브의 회전속도를 상기 숄더의 회전속도보다도 고속으로 하는 금속재의 가공방법.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 프로브의 상기 회전툴의 선단으로부터 돌출하는 길이를 변경 가능하게 되어 있는 금속재의 가공방법.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 청구항 1, 청구항 7 또는 청구항 8에 기재한 금속재의 가공법에 의해서 가공된 구조물.
15. 2개의 금속재를 가공부에서 대향시키고, 막대 모양의 회전툴을 회전시키면서 상기 회전툴의 선단을 상기 가공부에 삽입하여, 상기 2개의 금속재를 가공하는 금속재의 가공방법에 이용하는 회전툴로서,
    상기 회전툴의 선단은 중앙부에서 돌출한 프로브와 주변부의 숄더를 가지고,
    상기 프로브와 상기 숄더는 적어도 상기 금속재와 접촉하는 표면부에서 다른 재질로 이루어지며,
    상기 금속재는 스테인리스강, 탄소강, 합금강, Ni기 합금, Ti, Co, Rh, Pd, Cu, Pt 및 Au 중 적어도 어느 하나 또는 스테인리스강, 탄소강, 합금강, Ni기 합금, Ti, Co, Rh, Pd, Cu, Pt 및 Au 중 적어도 어느 하나의 합금으로 이루어지고,
    상기 프로브는 Ir 및 Ir을 50질량％ 이상 포함하는 합금 중 어느 하나로 이루어지며,
    상기 숄더는 Si₃N₄ 및 다결정 입방정 질화붕소 중 어느 하나로 이루어진 회전툴.
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 청구항 15에 있어서,
    상기 프로브와 상기 숄더는 다른 회전속도로 회전 가능하게 되어 있는 회전툴.
22. 청구항 15에 있어서,
    상기 프로브의 상기 회전툴의 선단으로부터 돌출하는 길이를 변경 가능하게 되어 있는 회전툴.
    
23. 삭제
24. 삭제
25. 삭제
26. 삭제

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