FSW性に優れた鉄鋼材料開発のための接合ツール摩耗現象と摩耗残存物の挙動解析

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構造物の溶融溶接時に生じる問題点は、固相状態での強ひずみ付与により達成される摩擦攪拌溶接(FSW)により大幅に軽減できる。現在、鉄鋼に対するFSW用ツールは市販のものも含めて数種類存在するが、いずれもFSW中に摩耗し、ツール摩耗残存物は、鉄鋼の合金成分と反応し、特性劣化を引き起こす反応生成物を形成する可能性が示唆されている。しかし、既存のツールでさえ、高融点、高い高温強度、高い耐摩耗性を有する特殊な材料であることを考えれば、摩耗のないFSW用ツールを開発することは事実上不可能であるため、FSW中に生じるツールの摩耗現象と摩耗残存物と鉄鋼合金成分の反応メカニズムを解明し、摩耗が起こったとしても特性劣化が起こらない鉄鋼の開発が必要である。本研究では、鉄鋼材料用FSWツールの1つであるCBN(立方晶窒化ホウ素)ツールを用いたFSWを、各種ステンレス鋼に対して実施し、FSWツール摩耗はオーステナイト系ステンレス鋼において顕著であること、摩耗の結果、Crほう化物が攪拌部内に生成して、耐食性が著しく劣化することを示した。W-Re合金ツールを用いた場合には、ツール摩耗が顕著に生じるものの、摩耗残存物はステンレス鋼中にフェライト中に固溶して、耐食性の劣化はほとんど起こらないことが示された。WCツールを用いた場合には、ツール摩耗および変形が顕著に起こり、攪拌部内に残存した摩耗残存物が耐食性を著しく劣化させる析出物を形成することが明らかとなった。Al_2O_3ツールを用いた場合には、ツール走行途中にツール破断が生じ、ツールが走行できた領域にはツールの摩耗残存物が多数観察されたが、CBNやWCのように耐食性を劣化させる反応生成物を形成することはなかった。これらツール材がステンレス鋼マトリックスに残存した場合の安定相を熱力学計算により求めた結果、組織解析にて示された相がほぼ安定であることから、熱力学計算を用いてFSW性に優れた鉄鋼開発の可能性が示唆された。