／ 〉 ／ ／ 己 ／
z γ
10 20 30 40 50 60
t
1/2's
1/2 70Fig. 4・9 Relationship between LA , filler metal thickness and holding time ( t)
接合j位和における母材の溶解および合金利の t~IJ
t H
挙動を‑15・える場合、品出 系とI t i J
じ系のFeCu Cr・C四元状態図があれば好都合で、ある。しかし、この状態 凶は弘、行たらないので、便宜的にFe‑Cu‑C i厄状態依l
をJ I J
しEて合金相の品出に ついて診察する。本研究で！：に用いた接合温度は1383Kであるが、これまで報告されている Fe Cu
c
：芯状態収！の中で同温度の等温状態｜刈はない。そこで、 G.V .Raynor31>らが制集した状態 l~ltk の中の 1445 、 1323 、 1198 および 1123K の等温状態凶
とK.Paramcswaran32＞らが報告している1小15、1423、1323、1273、1223K のて宇 j晶状態！災
i
を も と に し て 1383Kの 等 温 状 態 凶 を 作 成 し た 。 そ の 結 果 を Fig.4・10に1j寸。！ j状態、凶によれば、銅側で、は約3%のFeとごく微註のCを回浴 した液相IL2 と Fc~｛U ではCu を約8% 国浴した y 相が作イE し、 y 相における Cuの悶浴限は約1.57%Cまで、 C廷の増加とともにわずかに減少する。
尚クロム ilt~火と鋼の接合では、接合温良がCu の倒！点を A!il えると、まず鋳欽
および剣が溶融$M
q 1
へ溶解し始めることが、 Fig.ti・4にぶしたフイラメタル厚 さ600μ mの急冷試料の接合組織から明らかである。しかし、鋳鉄の溶解では、共品炭化物よりオーステナイトの万が早く浴け
H I
すので、炭化物はそのまま 残る。鈷欽および銅が溶融鋼中へ溶解し始めると、凶j界面近傍の溶融鍋はFe、 Cr、Cなどの浴質原子が溶解限に達したL2となり、 『｝・j、JJ1j‑f:J：材側では、 Cul京 子の拡散によりCuを8%校度同溶した y相が形成される。 Fig.4・6に示した急冷 試料における浴蝕il1g 中の Fe の定量結果から、 F可坑~Ill！においてはLは y 相とほぼ平衡した状態になるが、溶融銅中央部のFe濃度は浴解｜坂まで達していない ため鈴欽および銅の溶解が絞くと考えられる。この状況を枚式的にFig.4］・1 にぷす。溶融jjig全体がFeの溶解限に達した時、鋳鉄 鋼
r 4 . W
由でy相と平衡し ている L2ij1のF c i J : J .
皮（厳密にはFeの化学ホテンシャル）はjl1g−鋼界面でのそ‑57ー
Reference(32) 1445K) (at
L,, ‑‑
c.
−一一−一一 −
‑L； ＋ ー と プ ー
75
d
L1 ＋し2+ y Fe
ti l−
t曹1
50
25 o h c ω
ω ω E
．
20
L1 + y Fe y Fe
a b
0 Fe 2
C, mass%
1383K isothermal section of Fe‑Cu‑C system Fig.4・10
HCr‑Cu interface
c 0
． 幽
，r.o̲
＊
．
， c
ω (.)
c
申
Copper phase
8 I
Before precipitationLL ω
Distance
Cu‑Steel interface
＋
Fig. 4・11 Schematic illustration of iron distribution in copper phase of bonded zone before and after precipitation of rod‑like crystal
れより低く、したがって鋼側のれが溶融銅q1を鈷欽側へ拡散し、鋳鉄界面近 傍での溶融J~ ＂IのFe波j立が上昇する。その結果、平衡凝凶温度がと昇して組 成(I~ jj.＇.~ （令状態が＇
I
：じ、鋳鉄界面でy相（本実験で、はFeCu Cr Cの合金相）の品 川が起こると )5· えると合金相の品出現象が令則的に~I~解．される。鋳欽一鋼界W f l ' t l S
のし。＂Iのドcの化＇ f .
ポテンシャルが銅剣側より低いのは、 FeとCの相庄作 川がCの，・，・：山、鈎鉄側で、大きいためと考えられるが、この点については次項（ 2) で診察する。(2) 桜介坪1(uにおけるFeの化学ホテンシャル
1..1.1. (1）において合金相が高クロム鋳鉄側かt.?
M n ' . B
する機構を鋳鉄一銅 および剣一銅l l l J
で平衡している溶融銅rt1Fcの化学ポテンシャルに走があるためと説明した。このィ彦えメfが妥当であるか任かは、熱ノJ学的にオーステナイ トr11あるいは浴似
J M
q1のFeの化学ホテンシャルが批測できれば検討できる。しかし、 FeCu Cr Cの阿厄合金中でのFeの化f子小ァンシャルを推測するのは 各府の熱ノJ学的データがないので肉難である。
大村らは、 JI~ フイラを用いた Fe-C合金fnJ
t
：の援合研究で、本研究と同様にC;
J
：の尚し＇Fec
合金側からFe‑Cu‑C合金が品出することをぷしている却 33)34）。 そこで、まずFeCu‑Cミ元合金についてオーステナイト中で、のれの化学ホテン シャルを推定し、次にこの結果をもとにFe‑CrCu C系1 ' 4
元介金について考察す る。ぺ.4.l.(1）で述べたように、Fe‑C合金を銅フイラで接合すると、溶融鍋中
へFc・C介令が治解するとともに、 Cuがほ材1f1へ拡散し、 y
{ l l
(Fe・Cu‑C合金）を形成し、それぞれの界面ではんと γ相とが干衡する。したがって、 L2中での F'cの化予ホテンシャル（fL Fe L2）と y相中のFeの化学ホテンシャル（μぶ）と
‑60‑
の！日jにはI'Ft1・2= fl ~－~ 1が成り立つ。溶融銅
q 1
のれの化学ポァンシャルは、溶融 銅rjIで求めるか、それと、子衡している y相1 r
Iでu u
桜的仁求めれることができ る。ここでは、 1E1
！山容体近似モデルめ｝をm
し、て、ァ相I f ・ '
Feの化学ホテンシヤ ルを求めることにする。I
I川 治 体j丘似モデ〉ルによればγ相中のFe、Cおよび、Cuの化 手ホテンシャル、
fl ~t 1、μcY、flCu 1はそれぞれ次式で、与えられる。
p t/ = Gt/
+ ( x
cu' ) ?. n FeCu+ ( x c '
古）nt.tc X 1 X cu1Wcuc + RT!n X F/一一一（4・1)
fl/ = G/
+ ( x
u r) n Fteu+ (
1 ‑x
／）。nhC+ (
l ‑x / ) x
c Irw
Cuc+
RTinx r ‑‑‑‑‑‑( 4・2)fl ('u r = Gcu r
+ (
1 ‑x
c./) n Fteu+ ( x (
r) n FtC+ x / (
1x
ι／）Wcuc+
RTln Xc o '
…一（4・3) ここで、 chr、Gcur : Feおよび、Cuが温度T(K）で、fee状態にあるときの自由エネルギ−
Gc1 : 71.J.皮T(K）における黒鉛の
l ' l
1l 1
エネルギー X Ft1 、 Xc1、Xcu' : Fe、C、Cuの各モル分＝事fl, ・ c : Fc‑C二元国洛体における相If
f r H J
ハラメータ n FrCu : Fe‑Cu三元同溶体における相＇＇−イl J I J
ハラメータ Wcuc : Fe‑Cu C之元系図浴体におけるCu原子とC原f
聞の相Fi̲作用パラメータ
fl Fr<'、Q怜Cu、Wcucに｜期するデータは少いが、阿沢によって1273Kにおける 各 ハ ラ メ ー タ の 仙 が グ ラ フ で 示 さ れ て い る35）。本実験は接合温度は主に 1383Kで尖地しており、実験温度と多少異なるが、そのグラフを
J n
いてのFcC'nf'rCuおよび、Wcueを求めると、次のようになる。
‑61‑
fl ＇~C＝ー 12400cal/mol
n,c<:u
=
8000kcal/mol Weぽ ＝ 5000kcal/mol.. (4・4)
これらの航を、 (t1‑1）〜（4・3）式に代入することによりイ ステナイト
q 1
各j乙ぷの化γ
．ホテンシヤルが求められるo Fig.'1 l 0にぶしたように、 y相の Cu濃度はc
：，；＿が変化しでもほとんど変化せず約8%であるから、 Cu=8%一定として、 FeCu C介令中の
C l
止を変化させた場合の各；: l
~f:；の化学オ、テンシャルを 求め、 /iM 1 ‑ G M 1 ( ~1 : j（：ぷ）と C:J！~で、：殺到した結果を Fig.4・12 に示す。Fe Cu C介金では
c
ill• が噌加すると、 c と Cu の化γ ポテンシャルは増加し、 Fe の化＂？−ポテンシャルは減少する。このことから、 Fec
合金同士の筏合で、 C泣の向いほうから合金相が品出する理由は、 C~I~ の r% いほうが溶融銅中日の化学 ホテンシャルが低くなるため、相手側かられが拡散してくるためである。
，·.·~クロム｝h 鉄の場合は Fe Cr・Cu・Cの四元系となるため、
. 1 E H U r ・
存体近似をし たとしても、各相i
正作用ハラメータが不明であるため、 Feの化学ホテンシャ ルは ~nn：・できない。しかし、溶融銅中で、はCr を少；l：しか1,•,1 浴していないため、溶融銅をFeCu C合金と考えると、溶融銅
r tI
でのμF'rL2とc : 1 t
との関係は、絶対 値は見なるが、 Fig.4】 12に示した関係と！司じ傾向になると考えられる。本研究に川いた·，·，＇：j クロム鋳鉄は、 C 量が2.90% と高いため、 r·；~クロム鋳鉄界面で、F 衡
する浴品~jl1~
i t
'Cの化乍ホテンシャルも高くなることから、鋼側の溶融銅中Feの 化，.' f .
ホアンシャルは0.12%のCを合むSS400と平衡するそれよりも当然低いと 忽定できる。このため、溶融銅中日が尚クロム鋳鉄側へ拡散し、合金相が高クロム鋭欽側から Mr出するのである。そこで、 r~~ クロム鋳鉄JjIのCr量が滅少 した場介を彩えると、
I
当温での鋳鉄のy相J i t 1 c
の化学ホテンシャルが増加し、それに従って浴
h
強制中Feの化学ホテンシャルが低ドするため、鋼側とのれの‑62ー
1273K 一〈〉ー：Fe
一寸ケー：OJ
nu nU
ハu
nu nU
ハU
nu nu nu nu nu nu nu
nununununununununuハ
Un un U
5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 0
． ．
． ．
． ．
q
ζ
一
O
＼
E
一何
Qv
−
−・』ー：C
n v
n u n u n U
20
1
ユ
2 ・6000・14000
・18000
‑22000
・26000
・30000
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
mass 0 / o
Chemical potential ( µ~｝） of iron, copper and carbon in Fe‑Cu‑C alloy at 1273K
c
Fig. 4・12
ポテンシャルぷが大きくなり、合金相の
M i l B
がl f . ' .
くなると与えられる。この点については、第5:i~ で詳細に述べる。
・1.4 .2 介令制！の成長について
4 .4 .1において、合金利の品出が尚クロム銑鉄 $l1g および$11~ 鍋の両界面で
、v 衡する j作品~~M1‑1 1Feの化学ホテンシャルぷによることをボしたo ここでは、
合金f111'u'111I＼後の成長過程を合金元素の挙動から考察する。 4.3.2で述べたよう に、 1~11
i ' . I
＼初m 1
における合金相のFe、CuおよびCr濃度は−卜分成長した合金相の 各元素濃度とf t
！似している。c
濃度は約0.17%で、成長途IfJにある合金相の先 端はこのれJi[の低いC波度を有している。しかし、 十分成長した合金相中央部 のC波］~ は約0.5% であることから、 Cは令金制！の成長とともに鋳鉄側から合金利へ拡散すると
‑ 1 5
・えられる。この点は、高クロム銑鉄とj1次銅だけでなくダク タイル銑鉄と軟鋼の接合でも合金相が鍋側に到達すると泌炭により鋼中でハ ーライトt i l
が＇ l
成し始める事実30）からも推測される。このようなCの挙動は Fig.‑1 l 0にボした状態凶ヒで、 y相中のC濃度がa点からb点（0.5%）まで変化し、 b,(1：の介金十tiとんが平衡することに対応している。
ここで、 1.3.3で述べた合金相の成長と銅の溶解の関係についてみると、合 金相の作成にともなって、合金相近傍の溶融剣のFe波！立が低ドし、これを補 うように剣の浴解が起こる。したがって、接合相（合金相＋浴蝕銅）の平均組 成がl時11¥Jの給過とともに状態図のc点とbllのタイライン｜：を、 c点からd→e→ bへと波広変化する。接合相中の合金杭｜のf1~：は紅けF
I
刻係により求められ、cd/cb→cc/cbのように地加し、最終的には＂／ ・{11になるはずであるが、それに は相、町長時間を安すると与えられる。
Fig. 1 7および、Fig.'1・8に，jミした鋳鉄と鋼の溶解
1
（から、次式（； 4・5）により‑64一
J
長合相＂ Jのれの濃度を求め、その値に対応する合金相の割合 （S叩） を等温状 態｜ヌ！のタイラインb c上で、算出したoFe(mass%)= 0・982＊・DMS'PM s+0.696 ＊・DHer'ρHCr×100 ... (4‑5) t・Pcu+DM・ρM s s+DHcr・ρHCr
ここで＼
D¥1S：鋼の溶解量 （μm)
Duer：高クロム鋳鉄の溶解
J l t(
JL m)ρ M S：鋼の密度 （7.87)
P附 ：
i
寄クロム鋳鉄の密度 （7.3536)) ρcu: Cuの密度 （8.93)t：フイラメタル厚さ（50 ti m)
＊： 鋼中のFeの割合
＊＊： 高クロム鋳鉄中のFeの；問介
. }j、抜介相q1に占める合金相の面積率（S川）はすでにに3.'1.2で求めた値 を用い、
s . p
と比較してFig.4・13お よ びFig.'1・11'にぷす。 Fig.4・13は合金相の面 積率と接合j耐えとの関係を示したもので、；ょ；i W J f l t { S .
皿と状態収！から求めたs a p
とは比較的よく合うことが明らかである。 なお、
I
1iJl
刈r!11103、1423お よ び1453K の・r:1J は各尚度で作成した等温状態｜刈から t'Xtl~ したイtft である。
Fig.4・14は接介時間との関係であるが、接合温度の場合と
l n J
様、全ての接合 時 !BJ でS制と sap~まかなりよい一致を示している。 Fig.4 1 3およびFig.4・14におい て、いずれも 状態凶からの計算値と実測値にわずかな X~）えがあるのは、 本来 Fe Cu Cr‑C の 114；乙状態 I~ を用いるところを Fc-Cu-C ::足状態 ~I をもとに検討したことが・仏！と与−えられる。
‑65‑