JP7490250B2 - Steel for solid-state bonding, steel material for solid-state bonding, solid-state bonding joints and solid-state bonding structures - Google Patents
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Description
本発明は固相接合を好適に用いることができる固相接合用鋼及び固相接合用鋼材、当該固相接合用鋼からなる固相接合継手及び固相接合構造物に関する。 The present invention relates to steel for solid-state bonding and steel material for solid-state bonding that can be suitably used for solid-state bonding, as well as solid-state bonded joints and solid-state bonded structures made of the steel for solid-state bonding.
従来の溶融溶接よりも接合部の強度低下を小さくできる固相接合方法が注目されており、特に、摩擦発熱現象や金属材の塑性変形を利用した固相接合方法が盛んに検討されている。当該固相接合方法としては、例えば、高速で回転する円柱状のツールを被接合材に圧入して接合する「摩擦攪拌接合(FSW)」、回転する円柱状の被接合材を固定された被接合材に当接させて接合する「摩擦圧接」、及び被接合材を当接させた状態で往復運動させて接合する「線形摩擦接合」等が挙げられる。Solid-state joining methods that can reduce the decrease in strength of the joint compared to conventional fusion welding have attracted attention, and in particular, solid-state joining methods that utilize the phenomenon of frictional heating and the plastic deformation of metallic materials have been actively studied. Examples of such solid-state joining methods include "friction stir welding (FSW)", in which a cylindrical tool rotating at high speed is pressed into the workpieces to join them, "friction welding", in which a rotating cylindrical workpiece is brought into contact with a fixed workpiece to join them, and "linear friction welding", in which the workpieces are joined by moving them back and forth while in contact.
従来の鉄鋼材は溶融溶接の使用を前提とした合金設計となっていることが多いが、近年では摩擦接合法に適した鉄鋼材に関する検討も進められており、例えば、特許文献1(特開2008-31494号公報)では、低合金構造用鋼であって、600℃以上の平衡状態においてフェライト単相となる温度域幅とオーステナイト相とフェライト相の2相となる温度域幅の合計が200℃以上であることを特徴とする摩擦攪拌接合用の低合金構造用鋼、が開示されている。 Conventional steel materials are often designed with alloys that assume the use of fusion welding, but in recent years, research has been conducted on steel materials that are suitable for friction welding methods. For example, Patent Document 1 (JP 2008-31494 A) discloses a low-alloy structural steel for friction stir welding, which is characterized in that the sum of the temperature range in which the steel becomes a single ferrite phase and the temperature range in which the steel becomes two phases, austenite and ferrite, in an equilibrium state of 600°C or higher is 200°C or higher.
上記特許文献1に記載の低合金構造用鋼においては、接合部の到達温度付近における、フェライト単相域及びオーステナイト相‐フェライト2相域を拡大することにより、摩擦攪拌接合における鋼の変形抵抗が大幅に低減し、その結果、回転ツールの耐久性が向上し、接合速度等の接合条件の制限が緩和される、としている。加えて、ツールの損耗、破損による交換作業の頻度が抑えられ、接合時間が短縮されるので施工能率が向上する、としている。 In the low-alloy structural steel described in Patent Document 1, the deformation resistance of the steel during friction stir welding is significantly reduced by expanding the ferrite single phase region and the austenite-ferrite two-phase region near the temperature reached by the joint, which results in improved durability of the rotating tool and mitigated restrictions on welding conditions such as welding speed. In addition, the frequency of tool replacement due to wear and tear and breakage is reduced, and welding time is shortened, improving construction efficiency.
また、摩擦攪拌接合の原理を利用した表面改質技術である摩擦攪拌プロセスに適した鋼に関する検討も進められており、例えば、特許文献2(特開2014-162971号公報)では、質量%で、C:0.40~1.50%、Si:0.15~2.00%、Mn:0.30 ~2.00%、Cr:0.50~3.00%、残部Feおよび不可避的不純物からなる摩擦攪拌プロセス用鋼、が開示されている。Additionally, research is also underway into steels suitable for the friction stir process, a surface modification technology that utilizes the principles of friction stir welding. For example, Patent Document 2 (JP 2014-162971 A) discloses a steel for friction stir process that is composed, by mass, of 0.40-1.50% C, 0.15-2.00% Si, 0.30-2.00% Mn, 0.50-3.00% Cr, with the balance being Fe and unavoidable impurities.
上記特許文献2に記載の摩擦攪拌プロセス用鋼においては、摩擦攪拌プロセスを適用することによって優れた表面硬化が達成できる、としている。The steel for friction stir processing described in Patent Document 2 above is said to achieve excellent surface hardening by applying the friction stir process.
更に、本願発明者も、特許文献3(特開2018-16866号公報)において、鋼組成が、質量%で、C:0.20~0.45%、及びCr:1.00~3.50%を含有し、かつA式によって定義される炭素当量CEが0.40~1.00質量%であること、を特徴とする摩擦攪拌接合用鋼、を開示している。CE=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5 ・・・(A)式中に記載された元素記号は、摩擦攪拌接合用鋼材における各成分の含有量を単位質量%で示す。Furthermore, the present inventor also discloses in Patent Document 3 (JP 2018-16866 A) a steel for friction stir welding characterized in that the steel composition contains, in mass%, C: 0.20 to 0.45% and Cr: 1.00 to 3.50%, and the carbon equivalent CE defined by formula A is 0.40 to 1.00 mass%. CE = C + Mn / 6 + (Cu + Ni) / 15 + (Cr + Mo + V) / 5 ... The element symbols described in formula (A) indicate the content of each component in the steel for friction stir welding in unit mass%.
上記特許文献3に記載の摩擦攪拌接合用鋼においては、摩擦攪拌接合によって従来の高張力鋼と同等以上の継手特性(攪拌部の引張強度及び破壊靭性等)を得ることができる鋼であり、比較的安価な合金元素のみを最小限添加した鋼及び、当該鋼を被接合材とする摩擦攪拌接合方法を提供することができる、としている。The steel for friction stir welding described in Patent Document 3 above is a steel that can obtain joint characteristics (such as tensile strength and fracture toughness of the stir part) equivalent to or better than those of conventional high-tensile steel through friction stir welding, and it is said that it is possible to provide a steel with a minimum of added relatively inexpensive alloy elements, as well as a friction stir welding method in which the steel is used as the welded material.
しかしながら、上記特許文献1に開示されている低合金構造用鋼は、プロセス時の鋼の変形抵抗を低減することで鋼に対する摩擦攪拌接合の適用を容易にするものであり、接合部(攪拌部)の機械的特性や鋼に添加する元素のコストや入手容易性等に関しては殆ど考慮されていない。However, the low-alloy structural steel disclosed in the above-mentioned Patent Document 1 facilitates the application of friction stir welding to steel by reducing the deformation resistance of the steel during the process, and little consideration is given to the mechanical properties of the weld (stirred part) or the cost and availability of the elements added to the steel.
また、上記特許文献2に開示されている摩擦攪拌プロセス用鋼は、摩擦熱を利用した表面焼き入れに対して組成を最適化したものであり、接合部の機械的性質を担保することを目的とした鉄鋼材とは、その設計指針が全く異なるものである。In addition, the steel for friction stir processing disclosed in Patent Document 2 has a composition optimized for surface hardening using frictional heat, and its design guidelines are completely different from those of steel materials intended to ensure the mechanical properties of the joint.
更に、上記特許文献3に開示されている摩擦攪拌接合用鋼では、一般的な高張力鋼と同等以上の継手特性を得ることができるものの、比較的高価なクロム(Cr)が主要な添加元素として使用されていることに加え、母材及び継手の機械的性質についても更なる高強度化が求められている。近年では引張強度が1000MPa以上となる超高張力鋼に対する需要が増加しているところ、上記特許文献3に開示されている摩擦攪拌接合用鋼の引張特性は超高張力鋼の水準には達していない。Furthermore, although the steel for friction stir welding disclosed in Patent Document 3 can obtain joint properties equal to or better than those of general high tensile steel, chromium (Cr) is used as a main additive element, which is relatively expensive, and further improvement in the mechanical properties of the base material and joints is required. In recent years, there has been an increase in demand for ultra-high tensile steel with a tensile strength of 1000 MPa or more, but the tensile properties of the steel for friction stir welding disclosed in Patent Document 3 do not reach the level of ultra-high tensile steel.
以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、母材及び固相接合によって得られる接合部の引張特性が共に超高張力鋼と同等以上となる鋼であり、比較的安価な合金元素のみを最小限添加した固相接合用鋼及び固相接合用鋼材を提供することにある。また、本発明は、比較的安価な合金元素のみを最小限添加した固相接合用鋼からなる継手であって、母材及び接合部の引張特性が共に超高張力鋼と同等以上である固相接合継手、及び当該継手を有する固相接合構造物を提供することも目的としている。In view of the problems in the prior art as described above, the object of the present invention is to provide a steel for solid-state bonding and a steel material for solid-state bonding in which the tensile properties of the base material and the joint obtained by solid-state bonding are both equal to or greater than ultra-high tensile steel, and in which only relatively inexpensive alloy elements are added in a minimum amount. Another object of the present invention is to provide a solid-state bonded joint made of a steel for solid-state bonding in which only relatively inexpensive alloy elements are added in a minimum amount, and in which the tensile properties of the base material and the joint are both equal to or greater than ultra-high tensile steel, and a solid-state bonded structure having said joint.
本発明者は上記目的を達成すべく、鋼の組成及び機械的性質と固相接合によって得られる接合部の組織及び機械的性質との関係について鋭意研究を重ねた結果、炭素鋼を基本としてSi及びMnを適量添加すること等が極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。In order to achieve the above-mentioned objective, the inventors conducted extensive research into the relationship between the composition and mechanical properties of steel and the structure and mechanical properties of the joint obtained by solid-state welding. As a result, they discovered that adding appropriate amounts of Si and Mn to a carbon steel base is extremely effective, and thus arrived at the present invention.
即ち、本発明は、
鋼組成が、質量%で、
C:0.20~2.14%、
SiとAlの合計:1.00~3.00%、
Mn:2.00~4.00%、を含有し、
残部がFe及び不可避不純物のみの組成であること、
を特徴とする固相接合用鋼を提供する。
That is, the present invention provides:
The steel composition is, in mass%,
C: 0.20 to 2.14%,
Sum of Si and Al: 1.00 to 3.00%,
Mn: 2.00 to 4.00%;
The balance is composed of only Fe and inevitable impurities.
The present invention provides a steel for solid-state bonding, characterized by:
本発明の固相接合用鋼は比較的大量の炭素を含有することで高強度化が図られている一方、溶融溶接と比較して接合温度が低いことに加えて冷却速度を遅くすることができる固相接合の使用を前提とすることで、割れや欠陥等の存在しない良好な接合部を得ることができる。ここで、炭素含有量を0.20質量%以上とすることで鋼及び固相接合部の強度を十分に向上させることができ、2.14質量%以下とすることで黒鉛の分散による引張特性の低下を抑制することができる。The steel for solid-phase bonding of the present invention contains a relatively large amount of carbon to increase its strength, while solid-phase bonding, which has a lower bonding temperature and a slower cooling rate compared to fusion welding, is used to obtain a good bond free of cracks and defects. By making the carbon content 0.20% by mass or more, the strength of the steel and the solid-phase bond can be sufficiently improved, and by making it 2.14% by mass or less, the deterioration of tensile properties due to the dispersion of graphite can be suppressed.
炭素含有量は0.20~0.45質量%であることが好ましく、0.20~0.30質量%であることがより好ましく、0.20~0.25質量%であることが最も好ましい。本発明の固相接合用鋼においては、炭素含有量の下限である0.20質量%で母材及び固相接合部の引張強度が1000MPa以上となることから、良好な延性を担保するために、所望の引張強度が得られる限りにおいて、上限値は小さな値とすることが好ましい。The carbon content is preferably 0.20 to 0.45 mass%, more preferably 0.20 to 0.30 mass%, and most preferably 0.20 to 0.25 mass%. In the steel for solid-phase bonding of the present invention, the tensile strength of the base material and the solid-phase bonded portion is 1000 MPa or more at a carbon content of 0.20 mass%, which is the lower limit. Therefore, in order to ensure good ductility, it is preferable to set the upper limit to a small value as long as the desired tensile strength is obtained.
また、SiとAlは同様の効果を有し、Si及び/又はAlは、主として母材及び固相接合部の延性を担保する目的で添加されている。SiとAlの含有量の合計を1.00質量%以上とすることで、延性を低下させるセメンタイトの生成を抑制したり、オーステナイトを安定化することができる。一方で、3.00質量%以上添加しても当該効果は向上しないため、添加量の上限を3.00質量%としている。SiとAlの含有量の合計は1.50~2.50質量%とすることが好ましく、1.75~2.25質量%とすることがより好ましい。なお、Si及びAlは安価な合金元素であり、豊富に存在する元素である。また、SiとAlと共に添加する必要はなく、どちらか一方を添加してもよい。 In addition, Si and Al have similar effects, and Si and/or Al are added mainly to ensure the ductility of the base material and the solid-phase welded joint. By making the total content of Si and Al 1.00 mass% or more, it is possible to suppress the formation of cementite that reduces ductility and stabilize austenite. On the other hand, adding 3.00 mass% or more does not improve the effect, so the upper limit of the amount added is set to 3.00 mass%. The total content of Si and Al is preferably 1.50 to 2.50 mass%, and more preferably 1.75 to 2.25 mass%. Note that Si and Al are inexpensive alloy elements and are abundant elements. In addition, it is not necessary to add Si and Al together, and either one may be added.
また、Mnの添加も母材及び固相接合部の延性向上に寄与している。上記のSiの添加に加えてMnの含有量を2.00質量%以上とすることで、オーステナイト安定化によるTRIP(マルテンサイト変態誘起塑性)効果による延性の向上が期待できる。加えて、固相接合の条件にも依存するが、2.00質量%以上のMnを添加することで焼き入れ性を維持し、かつ固相接合部のオーステナイト粒径を微細化し、その結果オーステナイトから微細なラス状のマルテンサイト組織を形成させることができる。その結果、高強度でありつつ十分な延性を有する固相接合部を得ることができる。一方で、当該効果はMnの含有量を5.00質量%以上としても殆ど向上しないことから、Mn含有量の上限を5.00質量%としている。ここで、強度を重視する場合はMn含有量を3.00~5.00質量%とすることが好ましく、延性を重視する場合は2.00質量%以上3.00質量%未満とすることが好ましい。 The addition of Mn also contributes to improving the ductility of the base material and the solid-phase welded joint. In addition to the addition of Si, the Mn content is set to 2.00 mass% or more, and the ductility can be expected to be improved by the TRIP (martensitic transformation induced plasticity) effect due to austenite stabilization. In addition, although it depends on the conditions of solid-phase welding, adding 2.00 mass% or more of Mn maintains the hardenability and refines the austenite grain size of the solid-phase welded joint, and as a result, a fine lath-shaped martensite structure can be formed from the austenite. As a result, a solid-phase welded joint that is high in strength and has sufficient ductility can be obtained. On the other hand, since the effect is hardly improved even if the Mn content is set to 5.00 mass% or more, the upper limit of the Mn content is set to 5.00 mass%. Here, when emphasis is placed on strength, the Mn content is preferably set to 3.00 to 5.00 mass%, and when emphasis is placed on ductility, it is preferably set to 2.00 mass% or more and less than 3.00 mass%.
本発明の固相接合用鋼は、上記のC、Si、Al及びMn以外の残部がFe及び不可避不純物のみの組成となっている。炭素鋼を基本とし、レアメタルの添加を控えることで製造コストを低減することができることに加え、生産の持続可能性を担保(偏在リスクを低減)することができる。なお、本発明の固相接合用鋼は固相接合による接合を前提としているが、当該固相接合の方法は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の固相接合方法を使用することができる。代表的な固相接合方法としては、摩擦攪拌接合、摩擦接合及び線形摩擦接合を挙げることができる。The solid-state welding steel of the present invention is composed of only Fe and inevitable impurities, other than the above-mentioned C, Si, Al, and Mn. By using carbon steel as the base and refraining from adding rare metals, it is possible to reduce manufacturing costs and ensure the sustainability of production (reducing the risk of uneven distribution). Note that the solid-state welding steel of the present invention is premised on solid-state welding, but the method of the solid-state welding is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, and various conventionally known solid-state welding methods can be used. Representative solid-state welding methods include friction stir welding, friction welding, and linear friction welding.
本発明の固相接合用鋼においては、更に、質量%で、Cr:1.00~3.50%を含有させることができる。適当な量のCrを含有することで、固相接合部の強度及び靭性を改善することができる。靭性は強度と延性の一種の積であるため、Crの添加により強度と延性が共に高くなる結果、靭性が改善される。 The solid-phase bonding steel of the present invention may further contain, by mass%, Cr: 1.00 to 3.50%. By containing an appropriate amount of Cr, the strength and toughness of the solid-phase bond can be improved. Since toughness is a kind of product of strength and ductility, the addition of Cr increases both strength and ductility, resulting in improved toughness.
また、本発明は、上記本発明の固相接合用鋼からなる固相接合用鋼材が少なくとも一方の被接合材となっており、前記固相接合用鋼材の固相接合部が微細なラス状のマルテンサイト組織を有すること、を特徴とする固相接合継手も提供する。The present invention also provides a solid-state welded joint, characterized in that at least one of the materials to be joined is a steel material for solid-state welding made of the above-mentioned steel for solid-state welding of the present invention, and the solid-state welded portion of the steel material for solid-state welding has a fine lath-shaped martensite structure.
本発明の固相接合継手は被接合材の少なくとも一方が本発明の固相接合用鋼であり、高価な合金元素を含んでおらず安価であることに加え、高い強度と延性を兼ね備えている。また、接合部の組織がラス状のマルテンサイトとなっており、当該領域の炭素含有量が0.20~2.14%となっていることから、接合部は極めて高い引張強度を有している。加えて、Mnの添加によりマルテンサイトが微細化されており、接合条件によっては残留オーステナイトに起因するTRIP効果も期待できることから、良好な延性を発現することができる。 In the solid-phase welded joint of the present invention, at least one of the welded materials is the solid-phase welded steel of the present invention, and in addition to being inexpensive as it does not contain expensive alloying elements, it also has high strength and ductility. Furthermore, the structure of the weld is lath-shaped martensite, and the carbon content of this region is 0.20 to 2.14%, so the weld has extremely high tensile strength. In addition, the martensite is refined by the addition of Mn, and depending on the welding conditions, the TRIP effect due to retained austenite can be expected, so good ductility can be expressed.
また、本発明の固相接合継手においては、前記マルテンサイト組織における旧オーステナイトの平均粒径が20μm以下であること、が好ましい。旧オーステナイト組織を微細化することで、ラス状のマルテンサイト組織が微細化され、固相接合部に高い強度と延性を付与することができる。ここで、旧オーステナイトの平均粒径は15μm以下であることがより好ましく、5μm以下であることが最も好ましい。なお、旧オーステナイトの平均粒径を求める方法は特に限定されず従来公知の種々の方法を用いることができるが、例えば、適当なエッチングを施した組織を観察してもよく、マルテンサイトと旧オーステナイトとの方位関係により、マルテンサイトから旧オーステナイトを再構築し、再構築した旧オーステナイト組織から求めてもよい。In addition, in the solid-phase welded joint of the present invention, it is preferable that the average grain size of the prior austenite in the martensite structure is 20 μm or less. By refining the prior austenite structure, the lath-shaped martensite structure is refined, and high strength and ductility can be imparted to the solid-phase welded part. Here, the average grain size of the prior austenite is more preferably 15 μm or less, and most preferably 5 μm or less. The method for determining the average grain size of the prior austenite is not particularly limited and various conventionally known methods can be used. For example, a structure that has been appropriately etched may be observed, or prior austenite may be reconstructed from martensite based on the orientation relationship between martensite and prior austenite, and the grain size may be determined from the reconstructed prior austenite structure.
また、本発明の固相接合継手は、前記固相接合用鋼材の室温での引張強さが1000MPa以上、伸びが20%以上であり、前記固相接合部の室温での引張強さが1500MPa以上、伸びが20%以上であること、が好ましい。固相接合用鋼材と固相接合部がこれらの引張特性を有することで、高い強度と信頼性が要求される用途において、超高張力鋼と同等以上の機械的性質を有する継手として十分に使用することができる。ここで、引張試験の結果は引張試験片のサイズ及び形状の影響を受ける場合が存在するが、本願明細書においては、平行部の長さが4mm、幅が2mm程度の、比較的小型の引張試験片を用いて得られた値を基準とする。In addition, the solid-phase welded joint of the present invention is preferably such that the tensile strength of the solid-phase welded steel material at room temperature is 1000 MPa or more and the elongation is 20% or more, and the tensile strength of the solid-phase welded part at room temperature is 1500 MPa or more and the elongation is 20% or more. When the solid-phase welded steel material and the solid-phase welded part have these tensile properties, they can be fully used as a joint having mechanical properties equal to or greater than those of ultra-high tensile steel in applications requiring high strength and reliability. Here, the results of the tensile test may be affected by the size and shape of the tensile test piece, but in this specification, the values obtained using a relatively small tensile test piece with a parallel part length of about 4 mm and width of about 2 mm are used as the basis.
また、本発明の固相接合継手は、前記固相接合部が摩擦攪拌接合部であること、が好ましい。固相接合部は摩擦接合や線形摩擦接合によって形成されたものでもよいが、摩擦攪拌接合部とすることで、鋼板の任意の領域に固相接合部を形成することができ、大型構造物の製造にも対応することができる。 In addition, it is preferable that the solid-state welded joint of the present invention is a friction stir welded part. The solid-state welded part may be formed by friction welding or linear friction welding, but by using a friction stir welded part, it is possible to form a solid-state welded part in any region of the steel plate, and it is also possible to manufacture large structures.
また、本発明は、本発明の固相接合継手を有すること、を特徴とする固相接合構造物、も提供する。固相接合継手以外の構造部に関する材質、形状及びサイズは特に限定されず、従来公知の種々の構造物とすることができる。The present invention also provides a solid-state welded structure characterized by having the solid-state welded joint of the present invention. The material, shape, and size of the structural parts other than the solid-state welded joint are not particularly limited, and may be any of various conventionally known structures.
更に、本発明は、本発明の固相接合用鋼からなり、ラス状のマルテンサイト組織を有し、前記マルテンサイト組織における旧オーステナイトの平均粒径が20μm以下であること、を特徴とする固相接合用鋼材、も提供する。当該組成及び組織を有する固相接合用鋼材は、室温での引張強さが1000MPa以上、伸びが20%以上となり、高い強度と信頼性が要求される用途において、超高張力鋼と同等以上の機械的性質を有する鋼材として十分に使用することができるFurthermore, the present invention also provides a steel material for solid-phase bonding, which is made of the steel for solid-phase bonding of the present invention, has a lath-shaped martensite structure, and is characterized in that the average grain size of prior austenite in the martensite structure is 20 μm or less. The steel material for solid-phase bonding having this composition and structure has a tensile strength of 1000 MPa or more and an elongation of 20% or more at room temperature, and can be fully used as a steel material with mechanical properties equal to or greater than those of ultra-high tensile steel in applications requiring high strength and reliability.
本発明によれば、母材及び固相接合によって得られる接合部の引張特性が共に超高張力鋼と同等以上となる鋼であり、比較的安価な合金元素のみを最小限添加した固相接合用鋼及び固相接合用鋼材を提供することができる。また、本発明によれば、比較的安価な合金元素のみを最小限添加した固相接合用鋼からなる継手であって、母材及び接合部の引張特性が共に超高張力鋼と同等以上である固相接合継手、及び当該継手を有する固相接合構造物を提供することもできる。 According to the present invention, it is possible to provide a steel for solid-state bonding and a steel material for solid-state bonding, in which the tensile properties of the base material and the joint obtained by solid-state bonding are both equal to or greater than ultra-high tensile steel, and in which only relatively inexpensive alloy elements are added in a minimum amount. In addition, according to the present invention, it is also possible to provide a solid-state bonded joint, which is made of a steel for solid-state bonding, in which only relatively inexpensive alloy elements are added in a minimum amount, and in which the tensile properties of the base material and the joint are both equal to or greater than ultra-high tensile steel, and a solid-state bonded structure having said joint.
以下、本発明の固相接合用鋼、固相接合用鋼材、固相接合継手及び固相接合構造物の代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、重複する説明は省略する場合がある。 Representative embodiments of the steel for solid-state bonding, the steel material for solid-state bonding, the solid-state bonded joint, and the solid-state bonded structure of the present invention will be described in detail below, but the present invention is not limited to these. Note that in the following description, duplicated descriptions may be omitted.
(1)固相接合用鋼
本発明の固相接合用鋼は、
鋼組成が、質量%で、
C:0.20~2.14%、
SiとAlの合計:1.00~3.00%、
Mn:2.00~5.00%、を含有し、
残部がFe及び不可避不純物のみの組成であること、
を特徴とする固相接合用鋼、である。
(1) Steel for solid-state bonding The steel for solid-state bonding of the present invention is
The steel composition is, in mass%,
C: 0.20 to 2.14%,
Sum of Si and Al: 1.00 to 3.00%,
Mn: 2.00 to 5.00%;
The balance is composed of only Fe and inevitable impurities.
It is a steel for solid-state joining characterized by the above.
構造材の比強度の向上が切望されているところ、鋼についてはレアメタルの添加による各種高張力鋼が提案されているが、レアメタルは偏在リスクが高く、コストや生産安定性等の観点から問題となる。一方で、鋼の強度は基本的に炭素量の増加に伴って向上することから、炭素鋼を積極的に活用することができればレアメタルの使用量を削減することができる。 There is a strong demand for improving the specific strength of structural materials, and various high-tensile steels that incorporate rare metals have been proposed, but rare metals have a high risk of being unevenly distributed, which poses problems from the standpoints of cost and production stability. On the other hand, because the strength of steel generally increases with an increase in carbon content, the use of rare metals could be reduced if carbon steel could be actively utilized.
ここで、炭素量が多い中・高炭素鋼は溶融溶接時に割れが発生するため、溶接が極めて困難な材料であるとされているが、本発明の固相接合用鋼は固相接合の使用を前提とすることで当該問題を克服している。また、適量のSi、Al及びMnの添加により、母材及び接合部に良好な延性が付与されている。以下、各成分について詳細に説明する。Here, medium and high carbon steels, which have a high carbon content, are considered to be extremely difficult to weld because cracks occur during fusion welding, but the solid-state welding steel of the present invention overcomes this problem by assuming the use of solid-state welding. In addition, the addition of appropriate amounts of Si, Al, and Mn gives good ductility to the base material and welded parts. Each component will be explained in detail below.
1.必須の添加元素
C:0.20~2.14質量%
炭素含有量を0.20質量%以上とすることで鋼及び固相接合部の強度を十分に向上させることができ、2.14質量%以下とすることで黒鉛の分散による引張特性の低下を抑制することができる。炭素含有量は0.20~0.45質量%であることが好ましく、0.20~0.30質量%であることがより好ましく、0.20~0.25質量%であることが最も好ましい。本発明の固相接合用鋼においては、炭素含有量の下限である0.20質量%で母材及び固相接合部の引張強度が1000MPa以上となることから、良好な延性を担保するために、所望の引張強度が得られる限りにおいて、上限値は小さな値とすることが好ましい。
1. Essential additive elements C: 0.20 to 2.14 mass%
By setting the carbon content to 0.20 mass% or more, the strength of the steel and the solid-phase welded portion can be sufficiently improved, and by setting the carbon content to 2.14 mass% or less, the deterioration of tensile properties due to the dispersion of graphite can be suppressed. The carbon content is preferably 0.20 to 0.45 mass%, more preferably 0.20 to 0.30 mass%, and most preferably 0.20 to 0.25 mass%. In the steel for solid-phase bonding of the present invention, the tensile strength of the base material and the solid-phase welded portion is 1000 MPa or more at the lower limit of the carbon content of 0.20 mass%, so that the upper limit is preferably set to a small value as long as the desired tensile strength is obtained in order to ensure good ductility.
SiとAlの合計:1.00~3.00質量%
Si及び/又はAlの含有量の合計を1.00質量%以上とすることで、延性を低下させるセメンタイトの生成を抑制することができる。一方で、3.00質量%以上添加しても当該効果は向上しないため、添加量の上限を3.00質量%としている。Si及び/又はAlの含有量の合計は1.50~2.50質量%とすることが好ましく、1.75~2.25質量%とすることがより好ましい。
Sum of Si and Al: 1.00 to 3.00 mass%
By setting the total content of Si and/or Al to 1.00 mass% or more, it is possible to suppress the formation of cementite that reduces ductility. On the other hand, the effect is not improved even if the content is added to 3.00 mass% or more, so the upper limit of the addition amount is set to 3.00 mass%. The total content of Si and/or Al is preferably 1.50 to 2.50 mass%, and more preferably 1.75 to 2.25 mass%.
Mn:2.00~5.00質量%
Siの添加に加えてMnの含有量を2.00質量%以上とすることで、オーステナイト安定化によるTRIP(マルテンサイト変態誘起塑性)効果による延性の向上が期待できる。加えて、固相接合の条件にも依存するが、2.00質量%以上のMnを添加することで固相接合部に微細なマルテンサイト組織を形成させることができる。その結果、高強度でありつつ十分な延性を有する固相接合部を得ることができる。一方で、当該効果はMnの含有量を5.00質量%以上としても殆ど向上しないことから、Mn含有量の上限を5.00質量%としている。ここで、強度を重視する場合はMn含有量を3.00~5.00質量%とすることが好ましく、延性を重視する場合は2.00質量%以上3.00質量%未満とすることが好ましい。
Mn: 2.00 to 5.00 mass%
In addition to the addition of Si, by making the Mn content 2.00 mass% or more, it is expected that the ductility will be improved by the TRIP (martensitic transformation induced plasticity) effect due to austenite stabilization. In addition, although it depends on the solid-state joining conditions, by adding 2.00 mass% or more of Mn, a fine martensite structure can be formed in the solid-state joining portion. As a result, a solid-state joining portion having high strength and sufficient ductility can be obtained. On the other hand, since the effect is hardly improved even if the Mn content is 5.00 mass% or more, the upper limit of the Mn content is set to 5.00 mass%. Here, when the strength is important, the Mn content is preferably 3.00 to 5.00 mass%, and when the ductility is important, it is preferably 2.00 mass% or more and less than 3.00 mass%.
2.任意の添加元素
Cr:1.00~3.50質量%
適当な量のCrを含有することで、固相接合部の強度及び靭性を改善することができる。靭性は強度と延性の一種の積であるため、Crの添加により強度と延性が共に高くなる結果、靭性が改善される。Crの添加による固相接合部の特性改善のメカニズムは必ずしも明らかにはなっていないが、炭素鋼にCrを添加することにより、固相接合中(オーステナイトからの冷却過程)における初析フェライトの生成が抑制され、得られる固相接合部の強度が上昇すると共に、マルテンサイト(又はベイナイト)の延性が向上するものと思われる。なお、Crのより好ましい含有量は1.50~3.00質量%である。
2. Optional additive elements Cr: 1.00 to 3.50 mass%
By including an appropriate amount of Cr, the strength and toughness of the solid-phase bonded joint can be improved. Since toughness is a kind of product of strength and ductility, the addition of Cr increases both strength and ductility, resulting in improved toughness. Although the mechanism by which the addition of Cr improves the properties of the solid-phase bonded joint is not necessarily clear, it is believed that the addition of Cr to carbon steel suppresses the generation of pro-eutectoid ferrite during solid-phase bonding (the cooling process from austenite), thereby increasing the strength of the resulting solid-phase bonded joint and improving the ductility of martensite (or bainite). The more preferable Cr content is 1.50 to 3.00 mass%.
Cu:3.0質量%以下
Cuは、母材の強度を確保するために有用な元素であるが、3.0質量%を超えて含有すると母材及びHAZ部が硬化するため、3.0質量%以下とすることが好ましい。
Cu: 3.0% by mass or less Cu is a useful element for ensuring the strength of the base material. However, if it is contained in excess of 3.0% by mass, the base material and the HAZ will harden. Therefore, it is preferable to keep the Cu content at 3.0% by mass or less.
Ni:5.0質量%以下
Niは、母材の強度と靱性を向上させる元素であるが、5.0質量%を超えて含有するとHAZ部が硬化するため、5.0質量%以下とすることが好ましい。また、Niは高価であることからも、5.0質量%以下とすることが好ましい。
Ni: 5.0% by mass or less Ni is an element that improves the strength and toughness of the base material, but if it is contained in excess of 5.0% by mass, the HAZ hardens, so it is preferable to set the content to 5.0% by mass or less. In addition, since Ni is expensive, it is preferable to set the content to 5.0% by mass or less.
Mo:1.0質量%以下
Moは、母材の強度向上に有用な元素であるが、1.0質量%を超えると靱性に悪影響を及ぼすことから、1.0質量%以下とすることが好ましい。また、Moは高価であることからも、1.0質量%以下とすることが好ましい。
Mo: 1.0% by mass or less Mo is an element useful for improving the strength of the base material, but if it exceeds 1.0% by mass, it has a negative effect on toughness, so it is preferable to set it to 1.0% by mass or less. In addition, since Mo is expensive, it is preferable to set it to 1.0% by mass or less.
Nb:0.1質量%以下
Nbは、母材およびHAZ部の強度と靱性を確保するために有用な元素であるが、0.1質量%を超えると靱性に悪影響を及ぼすことから、0.1質量%以下とすることが好ましい。また、Nbは高価であることからも、0.1質量%以下とすることが好ましい。なお、Nbはオーステナイトを微細化し、その結果、微細なラス状のマルテンサイト組織を形成する効果を有すると考えられる。
Nb: 0.1% by mass or less Nb is a useful element for ensuring the strength and toughness of the base material and the HAZ, but if it exceeds 0.1% by mass, it has a negative effect on the toughness, so it is preferable to set it to 0.1% by mass or less. In addition, since Nb is expensive, it is preferable to set it to 0.1% by mass or less. It is considered that Nb has the effect of refining austenite, and as a result, forming a fine lath-shaped martensite structure.
Ti:0.1質量%以下
Tiは、母材およびHAZ部の強度と靱性を確保するために有用な元素であるが、0.1%を超えると靱性に悪影響を及ぼすことから、0.1質量%以下とすることが好ましい。なお、Tiはオーステナイトを微細化し、その結果、微細なラス状のマルテンサイト組織を形成する効果を有すると考えられる。
Ti: 0.1% by mass or less Ti is a useful element for ensuring the strength and toughness of the base material and the HAZ, but if it exceeds 0.1%, it has a negative effect on toughness, so it is preferable to keep it at 0.1% by mass or less. Note that Ti is thought to have the effect of refining austenite, and as a result, forming a fine lath-shaped martensite structure.
V:0.1質量%以下
Vは、母材の強度を高めるのに有用な元素であるが、含有量が0.1質量%を超えると靱性を 劣化させるので、0.1質量%以下とすることが好ましい。また、Vは高価であることからも、0.1質量%以下とすることが好ましい。
V: 0.1% by mass or less
V is an element useful for increasing the strength of the base metal, but if its content exceeds 0.1 mass%, it deteriorates the toughness, so it is preferable to keep it at 0.1 mass% or less. Also, since V is expensive, it is preferable to keep it at 0.1 mass% or less.
B:0.0040質量%以下
Bは、圧延中にオーステナイト粒界に偏析して焼入性を上げる作用があるが、0.0040質量%を超えるとHAZ部の靱性を劣化させることから、0.0040質量%以下とすることが好ましい。
B: 0.0040% by mass or less B has the effect of segregating to the austenite grain boundaries during rolling to improve hardenability, but if it exceeds 0.0040% by mass, it deteriorates the toughness of the HAZ portion, so it is preferable to make it 0.0040% by mass or less.
その他、不純物としてはNがあり、多量に含有されると窒化物を形成して靱性の低下を 招くので、Nの混入量は0.010質量%以下とすることが好ましい。Other impurities include N, which, if present in large quantities, forms nitrides and reduces toughness, so it is preferable to keep the amount of N contained to 0.010 mass% or less.
(2)固相接合継手
本発明の固相接合継手に関して、摩擦攪拌接合によって形成された固相接合部を有する場合の一態様を図1に、摩擦圧接によって形成された固相接合部を有する場合の一態様を図2に、線形摩擦接合によって形成された固相接合部を有する場合の一態様を図3に、それぞれ示す。摩擦圧接又は線形摩擦接合を用いた場合は被接合材(2,4)の摩擦面に固相接合部6が形成され、摩擦攪拌接合を用いた場合は摩擦攪拌接合用ツールが通過した領域に固相接合部6が形成される。
(2) Solid-state welded joint With regard to the solid-state welded joint of the present invention, one embodiment having a solid-state weld formed by friction stir welding is shown in Fig. 1, one embodiment having a solid-state weld formed by friction welding is shown in Fig. 2, and one embodiment having a solid-state weld formed by linear friction welding is shown in Fig. 3. When friction welding or linear friction welding is used, a solid-state weld 6 is formed on the friction surfaces of the workpieces (2, 4), and when friction stir welding is used, the solid-state weld 6 is formed in the area where a friction stir welding tool has passed.
摩擦攪拌接合に関しては、(1)金属板の端部同士を突き合わせて接合部とし、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板同士を接合する接合、(2)金属板の端部同士を突き合わせて接合部とし、回転ツールをその接合部で移動させずに回転させて接合するスポット接合、(3)金属板同士を接合部において重ね合わせ、接合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板同士を接合するスポット接合、(4)金属板同士を接合部において重ね合わせ、接合部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその接合部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属板同士を接合する接合の(1)~(4)の4つの態様及びこれらの組み合わせが含まれる。Friction stir welding includes the following four modes and combinations: (1) joining in which the ends of metal sheets are butted together to form a joint, and a rotating tool is moved while rotating along the longitudinal direction of the processed portion to join the metal sheets; (2) spot joining in which the ends of metal sheets are butted together to form a joint, and the rotating tool is rotated without moving at the joint to join the sheets; (3) spot joining in which metal sheets are overlapped at the joint, a rotating tool is inserted into the joint, and the rotating tool is rotated at that spot to join the metal sheets without moving; and (4) joining in which metal sheets are overlapped at the joint, a rotating tool is inserted into the joint, and the rotating tool is moved while rotating along the longitudinal direction of the joint to join the metal sheets.
本発明の固相接合継手1では、被接合材(2,4)のうちの少なくとも一方が、本発明の固相接合用鋼からなる固相接合用鋼材となっている。また、固相接合部6の組織はラス状のマルテンサイト組織を有している。ここで、固相接合部6の殆どの領域をラス状のマルテンサイト組織とすることで、極めて高い強度を得ることができる。一方で、一般的なマルテンサイト組織では十分な延性を発現することが困難であるが、本願発明者がマルテンサイト組織と引張特性の関係を鋭意調査した結果、Mnの添加によりラス状のマルテンサイト組織を微細化することで、良好な延性を付与できることが明らかになった。In the solid-phase welded joint 1 of the present invention, at least one of the welded materials (2, 4) is a steel material for solid-phase welding made of the steel for solid-phase welding of the present invention. In addition, the structure of the solid-phase welded portion 6 has a lath-shaped martensite structure. Here, by making most of the region of the solid-phase welded portion 6 a lath-shaped martensite structure, extremely high strength can be obtained. On the other hand, it is difficult to achieve sufficient ductility with a general martensite structure, but as a result of the inventor of the present application intensively investigating the relationship between the martensite structure and the tensile properties, it has become clear that good ductility can be imparted by refining the lath-shaped martensite structure by adding Mn.
固相接合部6では、マルテンサイト組織における旧オーステナイトの平均粒径が20μm以下であること、が好ましい。旧オーステナイト組織を微細化することで、ラス状のマルテンサイト組織が微細化され、固相接合部に高い強度と延性を付与することができる。ここで、旧オーステナイトの平均粒径は15μm以下であることがより好ましく、5μm以下であることが最も好ましい。なお、旧オーステナイトの平均粒径を求める方法は特に限定されず従来公知の種々の方法を用いることができるが、例えば、適当なエッチングを施した組織を観察してもよく、マルテンサイトと旧オーステナイトとの方位関係により、マルテンサイトから旧オーステナイトを再構築し、再構築した旧オーステナイト組織から求めてもよい。In the solid-phase welded portion 6, it is preferable that the average grain size of the prior austenite in the martensite structure is 20 μm or less. By refining the prior austenite structure, the lath-shaped martensite structure is refined, and high strength and ductility can be imparted to the solid-phase welded portion. Here, the average grain size of the prior austenite is more preferably 15 μm or less, and most preferably 5 μm or less. The method for determining the average grain size of the prior austenite is not particularly limited and various conventionally known methods can be used. For example, a structure that has been appropriately etched may be observed, or prior austenite may be reconstructed from martensite based on the orientation relationship between martensite and prior austenite, and the grain size may be determined from the reconstructed prior austenite structure.
本発明の固相接合用鋼からなる被接合材(2,4)の引張強さが1000MPa以上、伸びが20%以上であり、固相接合部6の室温での引張強さが1500MPa以上、伸びが20%以上であること、が好ましい。被接合材(2,4)と固相接合部6がこれらの引張特性を有することで、高い強度と信頼性が要求される用途において、超高張力鋼と同等以上の機械的性質を有する継手として十分に使用することができる。なお、他方の被接合材(2,4)が本発明の固相接合用鋼よりも強度が低い場合は、固相接合継手1において最も強度が低い領域から破断することになり、引張強さ及び伸びは破断領域の機械的性質を大きく反映した値となる。It is preferable that the joined material (2, 4) made of the steel for solid-phase bonding of the present invention has a tensile strength of 1000 MPa or more and an elongation of 20% or more, and the solid-phase bonded portion 6 has a tensile strength of 1500 MPa or more and an elongation of 20% or more at room temperature. When the joined material (2, 4) and the solid-phase bonded portion 6 have these tensile properties, they can be fully used as a joint having mechanical properties equal to or greater than ultra-high tensile steel in applications requiring high strength and reliability. In addition, if the other joined material (2, 4) has a lower strength than the steel for solid-phase bonding of the present invention, the solid-phase bonded joint 1 will break from the area with the lowest strength, and the tensile strength and elongation will be values that largely reflect the mechanical properties of the fractured area.
固相接合継手1の固相接合部6は摩擦圧接や線形摩擦接合によって形成されたものでもよいが、摩擦攪拌接合部とすることで、鋼板の任意の領域に固相接合部6を形成することができ、大型構造物の製造にも対応が可能である。The solid-state welded portion 6 of the solid-state welded joint 1 may be formed by friction welding or linear friction welding, but by using a friction stir welded portion, the solid-state welded portion 6 can be formed in any region of the steel plate, making it possible to manufacture large structures as well.
(3)固相接合構造物
本発明の固相接合構造物は、固相接合継手1を有することを特徴としている。固相接合継手1以外の構造部に関する材質、形状及びサイズは特に限定されず、従来公知の種々の構造物とすることができる。
(3) Solid-state welded structure The solid-state welded structure of the present invention is characterized by having a solid-state welded joint 1. The material, shape, and size of the structural parts other than the solid-state welded joint 1 are not particularly limited, and may be any of various conventionally known structures.
本発明の効果を損なわない限りにおいて、固相接合構造物は特に限定されないが、例えば、自動車、船舶及び鉄道車両等の輸送用機器の構造部、各種建築構造物、橋梁、鉄管等を挙げることができる。 As long as the effects of the present invention are not impaired, the solid-phase welded structure is not particularly limited, but examples include structural parts of transportation equipment such as automobiles, ships, and railway vehicles, various architectural structures, bridges, iron pipes, etc.
(4)固相接合用鋼材
本発明の固相接合用鋼材は、本発明の固相接合用鋼からなり、ラス状のマルテンサイト組織を有し、当該マルテンサイト組織における旧オーステナイトの平均粒径が20μm以下であること、を特徴とする固相接合用鋼材である。当該組成及び組織を有する固相接合用鋼材は、室温での引張強さが1000MPa以上、伸びが20%以上となり、高い強度と信頼性が要求される用途において、超高張力鋼と同等以上の機械的性質を有する鋼材として十分に使用することができる
(4) Steel for solid-state bonding The steel for solid-state bonding of the present invention is made of the steel for solid-state bonding of the present invention, has a lath-shaped martensite structure, and is characterized in that the average grain size of prior austenite in the martensite structure is 20 μm or less. The steel for solid-state bonding having the composition and structure has a tensile strength of 1000 MPa or more and an elongation of 20% or more at room temperature, and can be fully used as a steel having mechanical properties equal to or greater than those of ultra-high tensile steel in applications requiring high strength and reliability.
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。 The above describes representative embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these, and various design modifications are possible, all of which are within the technical scope of the present invention.
以下、実施例において本発明の固相接合用鋼、固相接合用鋼材、固相接合継手及び固相接合構造物について更に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。 The following examples further explain the solid-state bonding steel, solid-state bonding steel material, solid-state bonded joints, and solid-state bonded structures of the present invention, but the present invention is not limited to these examples in any way.
≪実施例1≫
高周波溶解により表1に示す組成を有する鋼のインゴット(φ35×20~25h)を作製し、950℃の熱間圧延にて板厚を3mmに調整した後、950℃で10分間の均熱拡散処理を施して鋼板(実施固相接合用鋼1)を得た。なお、表1に示す値は質量%である。
Example 1
A steel ingot (φ35×20-25h) having the composition shown in Table 1 was produced by high-frequency melting, and the plate thickness was adjusted to 3 mm by hot rolling at 950° C., and then a soaking diffusion treatment was performed at 950° C. for 10 minutes to obtain a steel plate (Steel 1 for practical solid-state bonding). The values shown in Table 1 are in mass %.
得られた鋼板に対し、ショルダ径15mm、プローブ径6mm、プローブ長2.9mmの形状を有する超硬合金製ツール(プローブにネジを有していない)を用い、ツール回転速度:400rpm、接合速度:150mm/min、接合荷重:2.5ton、ツール前進角:3°、接合雰囲気:Arの条件で摩擦攪拌接合を行った。 Friction stir welding was performed on the obtained steel sheets using a cemented carbide tool (probe without a screw) with a shoulder diameter of 15 mm, probe diameter of 6 mm, and probe length of 2.9 mm under the following conditions: tool rotation speed: 400 rpm, joining speed: 150 mm/min, joining load: 2.5 tons, tool advance angle: 3°, and joining atmosphere: Ar.
≪実施例2≫
表1に示す実施例2の組成を用いた以外は実施例1と同様にして、鋼板(実施固相接合用鋼2)を得た。また、実施例1と同様にして、摩擦攪拌接合を施した。
Example 2
A steel plate (Steel 2 for practical solid-state bonding) was obtained in the same manner as in Example 1, except that the composition of Example 2 shown in Table 1 was used. Friction stir welding was also performed in the same manner as in Example 1.
≪実施例3≫
表1に示す実施例3の組成を用いた以外は実施例1と同様にして、鋼板(実施固相接合用鋼3)を得た。また、実施例1と同様にして、摩擦攪拌接合を施した。
Example 3
A steel plate (Steel 3 for practical solid-state bonding) was obtained in the same manner as in Example 1, except that the composition of Example 3 shown in Table 1 was used. Friction stir welding was also performed in the same manner as in Example 1.
≪実施例4≫
表1に示す実施例4の組成を用いた以外は実施例1と同様にして、鋼板(実施固相接合用鋼4)を得た。また、実施例1と同様にして、摩擦攪拌接合を施した。
Example 4
A steel plate (Steel 4 for practical solid-state bonding) was obtained in the same manner as in Example 1, except that the composition of Example 4 shown in Table 1 was used. Friction stir welding was also performed in the same manner as in Example 1.
≪比較例1≫
表1に示す比較例1の組成を用いた以外は実施例1と同様にして、鋼板(比較固相接合用鋼1)を得た。また、実施例1と同様にして、摩擦攪拌接合を施した。
Comparative Example 1
A steel plate (comparative solid-state bonding steel 1) was obtained in the same manner as in Example 1, except that the composition of Comparative Example 1 shown in Table 1 was used. Friction stir welding was also performed in the same manner as in Example 1.
≪比較例2≫
表1に示す比較例2の組成を用いた以外は実施例1と同様にして、鋼板(比較固相接合用鋼2)を得た。また、実施例1と同様にして、摩擦攪拌接合を施した。
Comparative Example 2
A steel plate (comparative solid-state bonding steel 2) was obtained in the same manner as in Example 1, except that the composition of Comparative Example 2 shown in Table 1 was used. Friction stir welding was also performed in the same manner as in Example 1.
[評価試験]
(1)組織観察
摩擦攪拌接合方向に対して垂直に攪拌部を含む領域を切り出し、断面を研磨及び腐食(4%ナイタール)した後、光学顕微鏡を用いて組織観察を行った。なお、研磨にはエメリー紙(#600~#3000)及びダイヤモンドペースト(粒度3μm及び1μm)を用いた。また、母材観察用の試料も同様に準備した。
[Evaluation test]
(1) Structure observation: The region including the stir zone was cut out perpendicular to the friction stir welding direction, and the cross section was polished and corroded (4% nital), after which the structure was observed using an optical microscope. For polishing, emery paper (#600 to #3000) and diamond paste (grain sizes 3 μm and 1 μm) were used. Samples for base material observation were also prepared in the same manner.
(2)引張試験
上記実施例及び比較例で得られた鋼材(母材)及び攪拌部の引張特性を評価した。鋼材に関しては図4に示す試験片を作製し、攪拌部に関しては図5に示すサイズの試験片を作製した。なお、試験片の切り出しには放電加工機を用い、引張軸は接合方向に対して垂直とした。引張試験機(SHIMADZU Autograph AGS-X 10kN)を用い、クロスヘッド速度0.06mm/minで継手の引張強度を測定した。
(2) Tensile test The tensile properties of the steel material (base material) and the stir zone obtained in the above examples and comparative examples were evaluated. For the steel material, the test piece shown in FIG. 4 was prepared, and for the stir zone, the test piece of the size shown in FIG. 5 was prepared. The test pieces were cut out using an electric discharge machine, and the tensile axis was perpendicular to the joining direction. Using a tensile tester (SHIMADZU Autograph AGS-X 10kN), the tensile strength of the joint was measured at a crosshead speed of 0.06mm/min.
(3)EBSD測定
摩擦攪拌接合継手の攪拌部における組織のサイズを詳細に確認するため、EBSD測定によって結晶方位マップ像を得た。また、母材の残留オーステナイト量についても評価した。EBSD測定にはFE-SEM(日本電子株式会社製JSM-7001FA)及びTSL社製のOIM data Collection ver5.31を用いた。
(3) EBSD measurement In order to confirm the size of the structure in the stir zone of the friction stir welded joint in detail, a crystal orientation map image was obtained by EBSD measurement. The amount of retained austenite in the base material was also evaluated. For the EBSD measurement, an FE-SEM (JSM-7001FA manufactured by JEOL Ltd.) and OIM data Collection ver. 5.31 manufactured by TSL were used.
実施固相接合用鋼1~3及び比較固相接合用鋼1,2の組織写真を図6に示す。Mnを含んでいない場合はフェライトとパーライトからなる組織、Mn含有量が1質量%の場合はフェライトとベイナイトからなる組織、Mn含有量が2質量%以上の場合はマルテンサイトからなる組織となっている。 Figure 6 shows the structure photographs of the practical solid-state bonding steels 1 to 3 and the comparative solid-state bonding steels 1 and 2. When no Mn is contained, the structure is made up of ferrite and pearlite, when the Mn content is 1 mass%, the structure is made up of ferrite and bainite, and when the Mn content is 2 mass% or more, the structure is made up of martensite.
実施固相接合用鋼1~4及び比較固相接合用鋼1,2の引張特性を図7に示す。Mn含有量の増加に伴い引張強度が高くなっており、特に、Mn含有量が2質量%以上では1000MPa以上の値となっている。また、良好な延性も備えており、約1400MPaの極めて高い引張強度を有している実施固相接合用鋼3(Mn含有量:4質量%)及び実施固相接合用鋼4(Mn含有量:5質量%)でも20%以上の伸びを示している。実施固相接合用鋼3の破面の写真を図8に示しているが、延性破断に起因するディンプルが観察される。 The tensile properties of practical solid-state bonding steels 1 to 4 and comparative solid-state bonding steels 1 and 2 are shown in Figure 7. The tensile strength increases with increasing Mn content, and in particular, when the Mn content is 2 mass% or more, the value is 1000 MPa or more. They also have good ductility, and even practical solid-state bonding steel 3 (Mn content: 4 mass%) and practical solid-state bonding steel 4 (Mn content: 5 mass%), which have extremely high tensile strengths of approximately 1400 MPa, show elongation of 20% or more. A photograph of the fracture surface of practical solid-state bonding steel 3 is shown in Figure 8, and dimples due to ductile fracture can be observed.
実施固相接合用鋼1~3及び比較固相接合用鋼1,2の接合部の断面マクロ写真を図9に示す。全ての場合で欠陥のない攪拌部が得られており、摩擦攪拌接合によって良好な継手が得られることが分かる。Figure 9 shows cross-sectional macro photographs of the joints of the experimental solid-state bonding steels 1 to 3 and the comparative solid-state bonding steels 1 and 2. In all cases, a defect-free stir zone was obtained, demonstrating that good joints can be obtained by friction stir welding.
実施固相接合用鋼1~3及び比較固相接合用鋼1,2の攪拌部の組織写真を図10に示す。Mnを含んでいない場合はフェライトとベイナイトからなる組織、Mn含有量が1質量%の場合はフェライトとマルテンサイトからなる組織、Mn含有量が2質量%以上の場合はマルテンサイトからなる組織となっている。Figure 10 shows the structure photographs of the stir zones of the practical solid-state bonding steels 1 to 3 and the comparative solid-state bonding steels 1 and 2. When no Mn is contained, the structure is made up of ferrite and bainite, when the Mn content is 1 mass%, the structure is made up of ferrite and martensite, and when the Mn content is 2 mass% or more, the structure is made up of martensite.
実施固相接合用鋼1~4及び比較固相接合用鋼1,2の攪拌部の引張特性を図11に示す。Mn含有量の増加に伴い引張強度が高くなっており、特に、Mn含有量が2質量%以上では1500MPa以上の値となっている。また、良好な延性も備えており、約1700MPaの極めて高い引張強度を有している実施固相接合用鋼2(Mn含有量:3質量%)、実施固相接合用鋼3(Mn含有量:4質量%)及び実施固相接合用鋼4(Mn含有量:5質量%)でも25%以上の伸びを示している。実施固相接合用鋼3の攪拌部の破面の写真を図12に示しているが、延性破断に起因するディンプルが観察される。 Figure 11 shows the tensile properties of the stir zone of practical solid-state bonding steels 1 to 4 and comparative solid-state bonding steels 1 and 2. The tensile strength increases with increasing Mn content, and in particular, when the Mn content is 2 mass% or more, the value is 1500 MPa or more. In addition, it has good ductility, and even practical solid-state bonding steel 2 (Mn content: 3 mass%), practical solid-state bonding steel 3 (Mn content: 4 mass%), and practical solid-state bonding steel 4 (Mn content: 5 mass%), which have extremely high tensile strengths of about 1700 MPa, show elongation of 25% or more. Figure 12 shows a photograph of the fracture surface of the stir zone of practical solid-state bonding steel 3, and dimples due to ductile fracture are observed.
実施固相接合用鋼1~3及び比較固相接合用鋼1,2の攪拌部の結晶方位マップ像を図13に示す。Mn含有量の増加に伴いマルテンサイト組織が微細化しており、当該マルテンサイト組織の微細化が、攪拌部が良好な延性を示す主な原因であると考えられる。Figure 13 shows crystal orientation map images of the stir zones of the practical solid-state bonding steels 1 to 3 and the comparative solid-state bonding steels 1 and 2. The martensite structure becomes finer with an increase in Mn content, and this refinement of the martensite structure is considered to be the main reason why the stir zones exhibit good ductility.
実施固相接合用鋼1~3及び比較固相接合用鋼1,2の母材のフェイズマップを図14に示す。Si含有量が2質量%でMn含有量が2質量%以上の場合に残留オーステナイトが存在しており、特に、2質量%ではその量が多くなっている(7.6%)。図7に示すように、Mn含有量が2質量%の実施固相接合用鋼1は高い引張強度(1000MPa)を有しつつも伸びが35%以上となっており、TRIP効果が発現した可能性が考えられる。 Figure 14 shows phase maps of the base materials of practical solid-state bonding steels 1-3 and comparative solid-state bonding steels 1 and 2. Retained austenite is present when the Si content is 2 mass% and the Mn content is 2 mass% or more, and the amount is particularly high (7.6%) at 2 mass%. As shown in Figure 7, practical solid-state bonding steel 1 with a Mn content of 2 mass% has high tensile strength (1000 MPa) but also elongation of 35% or more, which suggests the possibility of the TRIP effect being manifested.
実施固相接合用鋼1~4及び比較固相接合用鋼1,2の母材と攪拌部の引張特性を図15にまとめて示す。図15では縦軸が伸び、横軸が引張強度となっているが、Mn含有量が2質量%以上の場合では、母材及び攪拌部が共に右上の領域にプロットされており、優れた強度-延性バランスを有している。なお、Mn含有量が1質量%の場合は、母材の強度が十分に増加していない。The tensile properties of the base material and stir zone of the practical solid-state bonding steels 1 to 4 and the comparative solid-state bonding steels 1 and 2 are summarized in Figure 15. In Figure 15, the vertical axis is elongation and the horizontal axis is tensile strength, and when the Mn content is 2 mass% or more, both the base material and the stir zone are plotted in the upper right region, showing an excellent strength-ductility balance. Note that when the Mn content is 1 mass%, the strength of the base material does not increase sufficiently.
EBSD測定の結果を用い、マルテンサイトと旧オーステナイトとの方位関係により、マルテンサイトから旧オーステナイトを再構築した結果を図16に示す(図中のスケールバーは15μm)。実施固相接合用鋼1、実施固相接合用鋼2及び実施固相接合用鋼3の旧オーステナイトの平均粒径は、15.1μm、11.7μm及び11.9μmとなっている。何れの場合も微細な旧オーステナイト粒となっているが、Mn添加量の増加に伴って微細化する一方、当該効果はMn添加量が3~4質量%程度で飽和していると考えられる。 Figure 16 shows the results of reconstructing prior austenite from martensite based on the orientation relationship between martensite and prior austenite using the results of EBSD measurement (scale bar in the figure is 15 μm). The average grain size of prior austenite in practical solid-state bonding steel 1, practical solid-state bonding steel 2, and practical solid-state bonding steel 3 is 15.1 μm, 11.7 μm, and 11.9 μm, respectively. In all cases, the prior austenite grains are fine, and while they become finer with increasing Mn addition, this effect is thought to saturate at an Mn addition of about 3 to 4 mass%.
1・・・固相接合継手、
2,4・・・被接合材、
6・・・固相接合部。
1...Solid-state welded joint,
2, 4 ... material to be joined,
6...Solid-state joint.
Claims (4)
前記固相接合用鋼は、鋼組成が、質量%で、
C:0.20~0.45%、
Si:1.00~3.00%、
Mn:2.00~5.00%、を含有し、
残部がFe及び不可避不純物のみの組成であり、
前記固相接合用鋼材の固相接合部がラス状のマルテンサイト組織を有し、
前記固相接合用鋼材の室温での引張強さが1000MPa以上、伸びが20%以上であり、
前記固相接合部の室温での引張強さが1500MPa以上、伸びが20%以上であること、
を特徴とする固相接合継手。 At least one of the workpieces is a steel material for solid-state bonding made of a steel for solid-state bonding,
The steel for solid-state bonding has a steel composition, in mass%,
C: 0.20 to 0.45%,
Si: 1.00 to 3.00%,
Mn: 2.00 to 5.00%;
The balance is composed of only Fe and inevitable impurities,
The solid-state welded portion of the steel material for solid-state bonding has a lath-shaped martensite structure,
The tensile strength of the steel material for solid-phase bonding at room temperature is 1000 MPa or more and the elongation is 20% or more,
The tensile strength of the solid-phase bonded joint at room temperature is 1500 MPa or more and the elongation is 20% or more;
A solid -state welded joint characterized by:
を特徴とする請求項1に記載の固相接合継手。 The average grain size of prior austenite in the martensite structure is 20 μm or less.
The solid-state welded joint according to claim 1 ,
を特徴とする請求項1又は2に記載の固相接合継手。 The solid-state welded portion is a friction stir welded portion;
3. A solid-state welded joint according to claim 1 or 2, characterized in that
を特徴とする固相接合構造物。 Having the solid-state welded joint according to claim 1 or 2 ;
A solid-phase bonded structure characterized by:
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