JP2001032058A - 金属材の表面改質方法 - Google Patents
金属材の表面改質方法Info
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
- B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
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- Mechanical Engineering (AREA)
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- Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 簡易な手段で金属材の表面部の組
織を微細化すると共に表面部に介在する空孔を減少し
て、機械的性質や耐熱性を向上する金属材の表面改質方
法を得る。 【解決手段】 金属材より高融点および高硬度の
ロッドを回転して前記金属材の表面部を押圧しつつ移動
させ、前記金属材の表面部を塑性変形自在となる温度ま
で加熱すると共に攪拌し、もって前記金属材が冷却後に
前記表面部の組織を微細化する。
織を微細化すると共に表面部に介在する空孔を減少し
て、機械的性質や耐熱性を向上する金属材の表面改質方
法を得る。 【解決手段】 金属材より高融点および高硬度の
ロッドを回転して前記金属材の表面部を押圧しつつ移動
させ、前記金属材の表面部を塑性変形自在となる温度ま
で加熱すると共に攪拌し、もって前記金属材が冷却後に
前記表面部の組織を微細化する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属材の表面改質
方法に関し、より詳しくは、摩擦熱を利用して、金属材
の表面部の組織を微細化すると共に金属材の表面部に介
在する空孔を減少する金属材の表面改質方法に関する。
方法に関し、より詳しくは、摩擦熱を利用して、金属材
の表面部の組織を微細化すると共に金属材の表面部に介
在する空孔を減少する金属材の表面改質方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車用エンジンにおいては、軽量化、
冷却性能の向上、加工の容易性などの観点から、アルミ
ニウム合金製のシリンダヘッドが多く用いられてきてい
る。シリンダヘッド用のアルミニウム合金としては、
（ＪＩＳ）ＡＣ２Ａ、ＡＣ２Ｂ、ＡＣ４Ｂ、ＡＣ４Ｃ合
金などが使用されている。そして、耐熱性向上のひとつ
で熱疲労特性を向上させるために、ＴＩＧアーク、レー
ザー、電子ビームなどの高密度エネルギーを用いて、金
属材の表面を加熱して溶融させた後、急冷凝固させる方
法、いわゆる再溶融改質法を用いて組織の微細化を図る
ことも行われてきている。
冷却性能の向上、加工の容易性などの観点から、アルミ
ニウム合金製のシリンダヘッドが多く用いられてきてい
る。シリンダヘッド用のアルミニウム合金としては、
（ＪＩＳ）ＡＣ２Ａ、ＡＣ２Ｂ、ＡＣ４Ｂ、ＡＣ４Ｃ合
金などが使用されている。そして、耐熱性向上のひとつ
で熱疲労特性を向上させるために、ＴＩＧアーク、レー
ザー、電子ビームなどの高密度エネルギーを用いて、金
属材の表面を加熱して溶融させた後、急冷凝固させる方
法、いわゆる再溶融改質法を用いて組織の微細化を図る
ことも行われてきている。
【０００３】一方、金属材に異種材の肉盛りを施すこと
により、組織を微細化することも行われてきている。例
えば特開５９−２８０４９号公報には、（ＪＩＳ）ＡＣ
４Ｂで鋳造し、高温となるエキゾースト・バルブ・シー
ト部に高靭性アルミニウム合金を肉盛りして部分強化す
る記載がある。
により、組織を微細化することも行われてきている。例
えば特開５９−２８０４９号公報には、（ＪＩＳ）ＡＣ
４Ｂで鋳造し、高温となるエキゾースト・バルブ・シー
ト部に高靭性アルミニウム合金を肉盛りして部分強化す
る記載がある。
【０００４】また、特開昭５６−８０４５３号公報に
は、金属材の表面に対して相対的に高い機械的エネルギ
ーおよび／または高い押圧力と共に動かされる工具との
摩擦によって熱エネルギーを作り出し、アルミニウム合
金などよりなる機械部材の表面上に部分的な溶融をもた
らすような熱的改質によって耐摩耗性および／または耐
食性の表面層を形成する記載がある。
は、金属材の表面に対して相対的に高い機械的エネルギ
ーおよび／または高い押圧力と共に動かされる工具との
摩擦によって熱エネルギーを作り出し、アルミニウム合
金などよりなる機械部材の表面上に部分的な溶融をもた
らすような熱的改質によって耐摩耗性および／または耐
食性の表面層を形成する記載がある。
【０００５】特表平７−５０５０９０号公報には、非消
耗工具のプローブを、突き合わせ結合される両金属材間
に挿入しつつ回転することで、両金属材間に摩擦熱を発
生させ、十分に加熱してプローブ周囲の両金属材間に塑
性領域を形成しつつ回転するプローブを結合線に沿って
ゆっくり移動することで、塑性材を結合線に沿って拡散
させ、冷却後、塑性材で両金属材間を所望のとおりに結
合する、摩擦溶接方法の記載がある。
耗工具のプローブを、突き合わせ結合される両金属材間
に挿入しつつ回転することで、両金属材間に摩擦熱を発
生させ、十分に加熱してプローブ周囲の両金属材間に塑
性領域を形成しつつ回転するプローブを結合線に沿って
ゆっくり移動することで、塑性材を結合線に沿って拡散
させ、冷却後、塑性材で両金属材間を所望のとおりに結
合する、摩擦溶接方法の記載がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
再溶融改質法、また異種材の肉盛りによる部分強化法
は、金属材を表面改質するには比較的経費が高くまた手
間がかかるという問題点がある。
再溶融改質法、また異種材の肉盛りによる部分強化法
は、金属材を表面改質するには比較的経費が高くまた手
間がかかるという問題点がある。
【０００７】また、特開昭５６−８０４５３号公報は、
被加工物が溶融したときにガスを吸収しやすく、凝固時
に吸収されたガスが空孔となって大きな熱負荷のかかる
表面部では耐熱強度が不十分になる可能性がある。
被加工物が溶融したときにガスを吸収しやすく、凝固時
に吸収されたガスが空孔となって大きな熱負荷のかかる
表面部では耐熱強度が不十分になる可能性がある。
【０００８】一方、特表平７−５０５０９０号公報には
摩擦溶接方法の記載はあるが、金属材の表面改質に関す
る記載または示唆は見当たらない。
摩擦溶接方法の記載はあるが、金属材の表面改質に関す
る記載または示唆は見当たらない。
【０００９】本発明は上記課題に鑑みなされたもので、
簡易な手段で金属材の表面部の組織を微細化すると共に
表面部に介在する空孔を減少して、機械的性質や耐熱性
を向上する金属材の表面改質方法を得ることにある。
簡易な手段で金属材の表面部の組織を微細化すると共に
表面部に介在する空孔を減少して、機械的性質や耐熱性
を向上する金属材の表面改質方法を得ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、金属材よ
り高融点および高硬度のロッドを回転して金属材の表面
部を押圧しつつ移動させ、金属材の表面部を塑性変形自
在となる温度まで加熱すると共に攪拌することで、金属
材の表面部の組織が微細化されると共に金属材の表面部
に介在する空孔が減少でき、機械的性質や耐熱性が向上
するとの知見を得て本発明に想到した。
り高融点および高硬度のロッドを回転して金属材の表面
部を押圧しつつ移動させ、金属材の表面部を塑性変形自
在となる温度まで加熱すると共に攪拌することで、金属
材の表面部の組織が微細化されると共に金属材の表面部
に介在する空孔が減少でき、機械的性質や耐熱性が向上
するとの知見を得て本発明に想到した。
【００１１】すなわち本発明の金属材の表面改質方法
は、金属材より高融点および高硬度のロッドを回転して
前記金属材の表面部を押圧しつつ移動させ、前記金属材
の表面部を塑性変形自在となる温度まで加熱すると共に
攪拌し、もって前記金属材が冷却後に前記表面部の組織
を微細化することを特徴とする。
は、金属材より高融点および高硬度のロッドを回転して
前記金属材の表面部を押圧しつつ移動させ、前記金属材
の表面部を塑性変形自在となる温度まで加熱すると共に
攪拌し、もって前記金属材が冷却後に前記表面部の組織
を微細化することを特徴とする。
【００１２】前記ロッドは先端に突起部を有し、好まし
くはロッドの突起部の長さを０．１〜１０ｍｍとするこ
とを特徴とする。
くはロッドの突起部の長さを０．１〜１０ｍｍとするこ
とを特徴とする。
【００１３】また、前記ロッドを進行方向に後傾しつつ
移動させ、好ましくは傾斜角を１〜１０°とすることを
特徴とする。
移動させ、好ましくは傾斜角を１〜１０°とすることを
特徴とする。
【００１４】金属材はアルミニウム合金であり、このア
ルミニウム合金においては、表面部の平均結晶粒径が改
質前の０．５以下、析出物の平均径が改質前の０．５以
下、かつ析出物の平均円形度が０．８以上となることを
特徴とする。
ルミニウム合金においては、表面部の平均結晶粒径が改
質前の０．５以下、析出物の平均径が改質前の０．５以
下、かつ析出物の平均円形度が０．８以上となることを
特徴とする。
【００１５】そして、表面部が自動車用シリンダヘッド
の触火面であることを特徴とする。
の触火面であることを特徴とする。
【００１６】金属材より高融点および高硬度のロッドを
回転して金属材の表面部を押圧すると、両者の摩擦によ
り金属材の表面部は高温に加熱されて軟化する。金属材
の表面部が溶融しない状態でロッドにより摩擦攪拌する
と、塑性変形により流動化し、表面部の組織が微細化さ
れる。表面部は溶融していないので、空気中のガスが巻
き込まれる恐れがなく、金属材が冷却後に空孔のない均
一で微細な組織を得ることができる。
回転して金属材の表面部を押圧すると、両者の摩擦によ
り金属材の表面部は高温に加熱されて軟化する。金属材
の表面部が溶融しない状態でロッドにより摩擦攪拌する
と、塑性変形により流動化し、表面部の組織が微細化さ
れる。表面部は溶融していないので、空気中のガスが巻
き込まれる恐れがなく、金属材が冷却後に空孔のない均
一で微細な組織を得ることができる。
【００１７】ロッドと金属材との相対運動は、何れか一
方または双方を移動させることにより行う。ロッドと金
属材の何れか一方または双方を移動することにより、金
属材の表面部に面積を持って組織を微細化することがで
きる。移動速度（送り速度）は回転数などの条件にもよ
るが、ロッドと表面部の接触時間（Ｔ）が０．８〜１．
７秒となるように設定する。ここで接触時間（Ｔ）と
は、表面部の任意の点がロッドと接触し始めてから終わ
るまでの時間である。金属材と接触するロッドの半径を
ｒとすると、接触距離は最大２ｒであるので、送り速度
の最大値は２ｒ（ｍｍ）／Ｔ（秒）となる。
方または双方を移動させることにより行う。ロッドと金
属材の何れか一方または双方を移動することにより、金
属材の表面部に面積を持って組織を微細化することがで
きる。移動速度（送り速度）は回転数などの条件にもよ
るが、ロッドと表面部の接触時間（Ｔ）が０．８〜１．
７秒となるように設定する。ここで接触時間（Ｔ）と
は、表面部の任意の点がロッドと接触し始めてから終わ
るまでの時間である。金属材と接触するロッドの半径を
ｒとすると、接触距離は最大２ｒであるので、送り速度
の最大値は２ｒ（ｍｍ）／Ｔ（秒）となる。
【００１８】金属材とロッドの摩擦による金属材の表面
部の温度は、金属材の固相線以上でなければならない。
好ましくは、金属材の表面部の温度は（固相線＋１０）
℃〜（液相線−１０）℃とする。金属材の表面部が固相
線温度未満であると表面部の摩擦撹拌が行えず、また液
相線を超えると組織の微細化が十分に達成されないだけ
でなく、溶融した表面部に空気中のガスが混入して、空
孔ができ易くなる。
部の温度は、金属材の固相線以上でなければならない。
好ましくは、金属材の表面部の温度は（固相線＋１０）
℃〜（液相線−１０）℃とする。金属材の表面部が固相
線温度未満であると表面部の摩擦撹拌が行えず、また液
相線を超えると組織の微細化が十分に達成されないだけ
でなく、溶融した表面部に空気中のガスが混入して、空
孔ができ易くなる。
【００１９】ロッドが先端に突起部を有し、好ましくは
ロッドの突起部の長さを０．１〜１０ｍｍとすること
で、金属材を摩擦攪拌して塑性変形により流動化させる
効果が大きくなる。
ロッドの突起部の長さを０．１〜１０ｍｍとすること
で、金属材を摩擦攪拌して塑性変形により流動化させる
効果が大きくなる。
【００２０】また、ロッドを進行方向に後傾しつつ移動
させることによって、金属材の表面部に介在する空孔を
傾斜部で押圧して減少させる作用が増大する。後傾角は
１〜１０°が好ましい。
させることによって、金属材の表面部に介在する空孔を
傾斜部で押圧して減少させる作用が増大する。後傾角は
１〜１０°が好ましい。
【００２１】本発明の表面改質方法が適用できる金属材
としては、アルミニウム合金、マグネシウム合金などが
挙げられる。特に、自動車用のアルミニウム合金製シリ
ンダヘッドの触火面などや、アルミニウム合金鋳物同士
またはアルミニウム合金鋳物とほかの材質との溶融溶接
後、この溶融溶接部の表面改質に好適である。
としては、アルミニウム合金、マグネシウム合金などが
挙げられる。特に、自動車用のアルミニウム合金製シリ
ンダヘッドの触火面などや、アルミニウム合金鋳物同士
またはアルミニウム合金鋳物とほかの材質との溶融溶接
後、この溶融溶接部の表面改質に好適である。
【００２２】アルミニウム合金について本発明を適用す
ると、表面部の平均結晶粒径が改質前の０．５以下にな
り、析出物の平均径が改質前の０．５以下になり、かつ
析出物の平均円形度が０．８以上となる。ここで、円平
均円形度とは、結晶粒の面積をその対象結晶粒の周囲長
さと同一長さの円周をもつ円の面積で除した値と定義す
る。このような表面部を有する金属材は、機械的性質や
耐熱性が向上する。
ると、表面部の平均結晶粒径が改質前の０．５以下にな
り、析出物の平均径が改質前の０．５以下になり、かつ
析出物の平均円形度が０．８以上となる。ここで、円平
均円形度とは、結晶粒の面積をその対象結晶粒の周囲長
さと同一長さの円周をもつ円の面積で除した値と定義す
る。このような表面部を有する金属材は、機械的性質や
耐熱性が向上する。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳細
に説明する。図１は、本発明の金属材の表面改質方法に
用いる表面改質装置の一例の模式図である。図１の表面
改質装置で、１は工作機械の主軸（図示せず）に把持し
たロッド、２は工作機械（図示せず）のテーブル（図示
せず）上に載置固定した金属材である。ロッド１は金属
材２より高融点および高硬度の材質からなり、例えば工
具鋼、超硬などにより形成する。ロッド１を回転して金
属材２の表面部２ａを押圧面１ａで押圧しつつテーブル
を移動すると、金属材２の表面部２ａが塑性変形自在と
なる温度まで加熱されると共に攪拌され、表面部２ａは
冷却後に組織が微細化され、改質部２ｂが形成される。
に説明する。図１は、本発明の金属材の表面改質方法に
用いる表面改質装置の一例の模式図である。図１の表面
改質装置で、１は工作機械の主軸（図示せず）に把持し
たロッド、２は工作機械（図示せず）のテーブル（図示
せず）上に載置固定した金属材である。ロッド１は金属
材２より高融点および高硬度の材質からなり、例えば工
具鋼、超硬などにより形成する。ロッド１を回転して金
属材２の表面部２ａを押圧面１ａで押圧しつつテーブル
を移動すると、金属材２の表面部２ａが塑性変形自在と
なる温度まで加熱されると共に攪拌され、表面部２ａは
冷却後に組織が微細化され、改質部２ｂが形成される。
【００２４】図２は、好ましい実施の形態におけるロッ
ド１を示す。ロッド１は円柱状の本体のみまたは本体の
底面中央部に設けた突起部１ｂとからなる。突起部１ｂ
は金属材２に押し込まれて内部の組織を攪拌する作用を
有する。ロッド１の直径は、表面改質する金属材２の種
類にもよるが、アルミニウム合金の場合には１０〜５０
ｍｍ程度でよい。また、突起部１ｂは、表面改質する金
属材２の種類にもよるが、アルミニウム合金の場合には
直径が５〜２０ｍｍ、長さ１ｅは０．１〜１０ｍｍが好
ましい。突起部１ｂで金属材２の表面部２ａを塑性変形
自在となる温度まで加熱すると共に攪拌し、金属材２が
冷却後に表面部２ａの組織が微細化され、改質部２ｂが
形成される。
ド１を示す。ロッド１は円柱状の本体のみまたは本体の
底面中央部に設けた突起部１ｂとからなる。突起部１ｂ
は金属材２に押し込まれて内部の組織を攪拌する作用を
有する。ロッド１の直径は、表面改質する金属材２の種
類にもよるが、アルミニウム合金の場合には１０〜５０
ｍｍ程度でよい。また、突起部１ｂは、表面改質する金
属材２の種類にもよるが、アルミニウム合金の場合には
直径が５〜２０ｍｍ、長さ１ｅは０．１〜１０ｍｍが好
ましい。突起部１ｂで金属材２の表面部２ａを塑性変形
自在となる温度まで加熱すると共に攪拌し、金属材２が
冷却後に表面部２ａの組織が微細化され、改質部２ｂが
形成される。
【００２５】ロッド１の回転数は、金属材２の材質など
により異なるが、ロッド１の突出部１ｂの直径が５〜２
０ｍｍの場合、一般に５００〜３０００ｒｐｍが好まし
い。回転数が５００ｒｐｍ未満では、金属材２の表面部
２ａの組織が微細にならない。一方、回転数が３０００
ｒｐｍを超えると、摩擦熱で金属材２の表面部２ａが溶
融して、溶融した表面部２ａに空気中のガスが混入し
て、空孔ができ易くなる。
により異なるが、ロッド１の突出部１ｂの直径が５〜２
０ｍｍの場合、一般に５００〜３０００ｒｐｍが好まし
い。回転数が５００ｒｐｍ未満では、金属材２の表面部
２ａの組織が微細にならない。一方、回転数が３０００
ｒｐｍを超えると、摩擦熱で金属材２の表面部２ａが溶
融して、溶融した表面部２ａに空気中のガスが混入し
て、空孔ができ易くなる。
【００２６】ロッド１の金属材２への摩擦圧力は金属材
２の材質などにより異なるが、アルミニウム合金の場合
には５〜１００ＭＰａが好ましい。摩擦圧力が５ＭＰａ
未満では金属材２の表面部２ａの組織が微細にならな
い。一方、摩擦圧力が１００ＭＰａを超えると、摩擦熱
で金属材２の表面部２ａが溶融して、溶融した表面部２
ａに空気中のガスが混入して、空孔ができ易くなる。
２の材質などにより異なるが、アルミニウム合金の場合
には５〜１００ＭＰａが好ましい。摩擦圧力が５ＭＰａ
未満では金属材２の表面部２ａの組織が微細にならな
い。一方、摩擦圧力が１００ＭＰａを超えると、摩擦熱
で金属材２の表面部２ａが溶融して、溶融した表面部２
ａに空気中のガスが混入して、空孔ができ易くなる。
【００２７】突起部１ｂの先端部１ｆは平面でも良い
が、攪拌作用を増大するために図２に示すような球面な
どの曲面としても、また拡径状としても良い。図３は、
突起部１ｂの先端部を拡径１ｄとしたロッド１を示す。
拡径１ｄとした場合、その拡径１ｄは突起部１ｂの直径
の１．２〜２．０倍程度で良い。
が、攪拌作用を増大するために図２に示すような球面な
どの曲面としても、また拡径状としても良い。図３は、
突起部１ｂの先端部を拡径１ｄとしたロッド１を示す。
拡径１ｄとした場合、その拡径１ｄは突起部１ｂの直径
の１．２〜２．０倍程度で良い。
【００２８】図４は、突起部１ｂの先端部に、１つ以上
のリング状の膨径部１ｃを設けたロッド１を示す。図４
で、突起部１ｂの直径が１０〜２０ｍｍの場合、膨径部
１ｃは１２〜４０ｍｍで良い。
のリング状の膨径部１ｃを設けたロッド１を示す。図４
で、突起部１ｂの直径が１０〜２０ｍｍの場合、膨径部
１ｃは１２〜４０ｍｍで良い。
【００２９】図３および図４に示すロッド１によって
も、金属材２の表面部２ａを塑性変形自在となる温度ま
で加熱すると共に攪拌し、金属材２が冷却後に表面部２
ａの組織が微細化され、改質部２ｂが形成される。
も、金属材２の表面部２ａを塑性変形自在となる温度ま
で加熱すると共に攪拌し、金属材２が冷却後に表面部２
ａの組織が微細化され、改質部２ｂが形成される。
【００３０】図５は、ロッド１を進行方向（矢印で示
す）に角度θで後傾しつつ移動させる表面改質装置の一
例の模式図である。ロッド１を角度θ後傾とすることに
よって、金属材１の表面部１ａに介在する空孔を押圧し
て減少させる作用が増大する。後傾する角度θは１〜１
０°が好ましい。
す）に角度θで後傾しつつ移動させる表面改質装置の一
例の模式図である。ロッド１を角度θ後傾とすることに
よって、金属材１の表面部１ａに介在する空孔を押圧し
て減少させる作用が増大する。後傾する角度θは１〜１
０°が好ましい。
【００３１】
【実施例】（実施例１〜６）図２の表面改質装置を使用
して、（ＪＩＳ）ＡＤＣ１２組成のダイカスト材、（Ｊ
ＩＳ）ＡＣ４Ｃ、ＡＣ７Ａ組成の重力鋳造材を鋳造し、
表１に示す各条件でそれぞれ表面改質を行った。表面改
質前後の平均結晶粒径、析出物の平均径、平均円形度の
測定結果を表２に示す。なお、表面改質後については、
表面部より１．５ｍｍ深さで測定した。また、実施例１
〜６について、母材と改質部についてビッカース硬度
（加重１００ｇ）を測定した。その結果を図６に示す。
して、（ＪＩＳ）ＡＤＣ１２組成のダイカスト材、（Ｊ
ＩＳ）ＡＣ４Ｃ、ＡＣ７Ａ組成の重力鋳造材を鋳造し、
表１に示す各条件でそれぞれ表面改質を行った。表面改
質前後の平均結晶粒径、析出物の平均径、平均円形度の
測定結果を表２に示す。なお、表面改質後については、
表面部より１．５ｍｍ深さで測定した。また、実施例１
〜６について、母材と改質部についてビッカース硬度
（加重１００ｇ）を測定した。その結果を図６に示す。
【００３２】 （表１）表面改質条件No. 材質 鋳造材 回転数 送り速度 摩擦圧力 (rpm) (mm/秒) (MPa) 実施例1 ADC12 タ゛イカスト材 800 0.2 25 実施例2 ADC12 タ゛イカスト材 800 0.5 30 実施例3 AC4C 重力鋳造材 400 0.2 25 実施例4 AC4C 重力鋳造材 800 0.2 30 実施例5 AC7A 重力鋳造材 400 0.2 25 実施例6 AC7A 重力鋳造材 800 0.2 30
【００３３】 （表２）表面改質前後の平均結晶粒径、析出物の平均径、平均円形度No. 平均結晶粒径 析出物の平均径 平均円形度 (μm) (μm) (%) 改質後 改質前 粒径比 改質後 改質前 平均径比 改質後 改質前 (A) (B) (A/B) (C) (D) (D/C) (E) (F) 実施例1 3 10 0.33 3 9 0.33 82 50 実施例2 4 10 0.4 4 9 0.44 85 52 実施例3 5 14 0.35 1 5 0.2 81 70 実施例4 4 10 0.4 2 8 0.25 85 72 実施例5 5 13 0.38 1 3 0.33 85 52 実施例6 6 14 0.42 1 6 0.16 88 55
【００３４】表２から、実施例１、２の（ＪＩＳ）ＡＤ
Ｃ１２組成のダイカスト材は、表面改質によって改質部
の組織が微細化され、改質後の組織の平均結晶粒径は３
〜４μｍであり、改質前の平均結晶粒径１０μｍの０．
３３〜０．４であった。また、析出物の平均径は改質後
３〜４μｍであり、改質前の９μｍの０．３３〜０．４
４あった。さらに、結晶粒の平均円形度は改質後８２〜
８５％であり、改質前は５０〜５２％であった。
Ｃ１２組成のダイカスト材は、表面改質によって改質部
の組織が微細化され、改質後の組織の平均結晶粒径は３
〜４μｍであり、改質前の平均結晶粒径１０μｍの０．
３３〜０．４であった。また、析出物の平均径は改質後
３〜４μｍであり、改質前の９μｍの０．３３〜０．４
４あった。さらに、結晶粒の平均円形度は改質後８２〜
８５％であり、改質前は５０〜５２％であった。
【００３５】また、表２から、実施例３、４の（ＪＩ
Ｓ）ＡＣ４Ｃ組成の重力鋳造材は、表面改質によって改
質部の組織が微細化され、改質後の組織の平均結晶粒径
は４〜５μｍであり、改質前の平均結晶粒径１０〜１４
μｍの０．３５〜０．４であった。また、析出物の平均
径はは改質後１〜２μｍであり、改質前の５〜８μｍの
０．２〜０．２５あった。さらに、結晶粒の平均円形度
は改質後８１〜８５％であり、改質前は７０〜７２％で
あった。
Ｓ）ＡＣ４Ｃ組成の重力鋳造材は、表面改質によって改
質部の組織が微細化され、改質後の組織の平均結晶粒径
は４〜５μｍであり、改質前の平均結晶粒径１０〜１４
μｍの０．３５〜０．４であった。また、析出物の平均
径はは改質後１〜２μｍであり、改質前の５〜８μｍの
０．２〜０．２５あった。さらに、結晶粒の平均円形度
は改質後８１〜８５％であり、改質前は７０〜７２％で
あった。
【００３６】また、表２から、実施例５、６の（ＪＩ
Ｓ）ＡＣ７Ａ組成の重力鋳造材は、表面改質によって組
織が微細化され、改質後の組織の平均結晶粒径は、５〜
６μｍであり、改質前の平均結晶粒径１３〜１４μｍの
０．３８〜０．４２であった。また、析出物の平均径は
は改質後１μｍであり、改質前の３〜６μｍの０．１６
〜０．３３であった。さらに、結晶粒の平均円形度は改
質後８５〜８８％であり、改質前は５２〜５５％であっ
た。
Ｓ）ＡＣ７Ａ組成の重力鋳造材は、表面改質によって組
織が微細化され、改質後の組織の平均結晶粒径は、５〜
６μｍであり、改質前の平均結晶粒径１３〜１４μｍの
０．３８〜０．４２であった。また、析出物の平均径は
は改質後１μｍであり、改質前の３〜６μｍの０．１６
〜０．３３であった。さらに、結晶粒の平均円形度は改
質後８５〜８８％であり、改質前は５２〜５５％であっ
た。
【００３７】図６のビッカース硬度測定結果から、実施
例１、２の（ＪＩＳ）ＡＤＣ１２組成のダイカスト材、
実施例３、４の（ＪＩＳ）ＡＣ４Ｃ組成の重力鋳造材、
実施例５、６の（ＪＩＳ）ＡＣ７Ａ組成重力鋳造材何れ
も、表面改質後にビッカース硬度（荷重１００ｇ）が高
くなっており、改質部２ｂが形成されていた。
例１、２の（ＪＩＳ）ＡＤＣ１２組成のダイカスト材、
実施例３、４の（ＪＩＳ）ＡＣ４Ｃ組成の重力鋳造材、
実施例５、６の（ＪＩＳ）ＡＣ７Ａ組成重力鋳造材何れ
も、表面改質後にビッカース硬度（荷重１００ｇ）が高
くなっており、改質部２ｂが形成されていた。
【００３８】（実施例７）（ＪＩＳ）ＡＣ４Ｃ組成でダ
イカスト法により鋳造した。そして、図２の突起部１ｂ
を有するロッド１で表面改質を行った。なお条件は、ロ
ッド１の突出部１ｂの直径を１５ｍｍ、突起部の長さを
２ｍｍ、回転数１５００ｒｐｍ、送り速度０．５ｍｍ／
秒、摩擦圧力２５ＭＰａとした。表面改質後の金属組織
写真を、図７（ａ）のロッド送り方向断面図、および図
７（ｂ）のロッド送り直角方向断面図として示す。
イカスト法により鋳造した。そして、図２の突起部１ｂ
を有するロッド１で表面改質を行った。なお条件は、ロ
ッド１の突出部１ｂの直径を１５ｍｍ、突起部の長さを
２ｍｍ、回転数１５００ｒｐｍ、送り速度０．５ｍｍ／
秒、摩擦圧力２５ＭＰａとした。表面改質後の金属組織
写真を、図７（ａ）のロッド送り方向断面図、および図
７（ｂ）のロッド送り直角方向断面図として示す。
【００３９】図７（ａ）および図７（ｂ）から、鋳造材
２には、表面部２ａに組織が微細化された改質部２ｂが
形成されていることがわかる。また、表面改質により母
材中の空孔は押潰または排出されるが、排出されない場
合は図７（ｂ）の空孔２ｄのように無害な程度に微小と
なる。
２には、表面部２ａに組織が微細化された改質部２ｂが
形成されていることがわかる。また、表面改質により母
材中の空孔は押潰または排出されるが、排出されない場
合は図７（ｂ）の空孔２ｄのように無害な程度に微小と
なる。
【００４０】（実施例８）（ＪＩＳ）ＡＣ４Ｃ組成でダ
イカスト法により鋳造した。そして、図５の突起部１ｂ
を有し、角度（θ）が３°後傾するロッド１で表面改質
を行った。なお条件は、角度（θ）を３°付与する以外
は実施例７と同じ条件で表面改質を行った。表面改質後
の金属組織写真を、図８（ａ）のロッド送り方向直角断
面図、および図８（ｂ）のロッド送り方向縦断面図とし
て示す。
イカスト法により鋳造した。そして、図５の突起部１ｂ
を有し、角度（θ）が３°後傾するロッド１で表面改質
を行った。なお条件は、角度（θ）を３°付与する以外
は実施例７と同じ条件で表面改質を行った。表面改質後
の金属組織写真を、図８（ａ）のロッド送り方向直角断
面図、および図８（ｂ）のロッド送り方向縦断面図とし
て示す。
【００４１】図８（ａ）および図８（ｂ）から、角度
（θ）が３°後傾するロッド１で表面改質を行うこと
で、鋳造材２には、表面部２ａに組織が微細化された改
質部２ｂが形成されていることがわかる。また、後傾す
るロッド１により母材中の空孔が押圧または排出され、
図８（ｂ）では空孔が無くなっている。
（θ）が３°後傾するロッド１で表面改質を行うこと
で、鋳造材２には、表面部２ａに組織が微細化された改
質部２ｂが形成されていることがわかる。また、後傾す
るロッド１により母材中の空孔が押圧または排出され、
図８（ｂ）では空孔が無くなっている。
【００４２】（実施例９）図９は、自動車用シリンダヘ
ッドの触火面を含む要部断面図である。図９で、シリン
ダヘッド１２は、シリンダブロック１３の上部にガスケ
ット１７を介して取り付けられ、シリンダヘッド１２、
シリンダブロック１３、ピストン１４間で燃焼室１８を
形成している。シリンダヘッド１２には、各シリンダ
（複数は図示せず）それぞれ吸気ポート（図示せず）お
よび排気ポート１２ｄ、内部に水冷ジャケット１２ｃな
どが形成されている。そして、吸気ポートおよび排気ポ
ート１２ｄにはそれぞれ吸気バルブ（図示せず）および
排気バルブ１５が、また吸気バルブシート（図示せず）
および排気バルブシート１９が装着されている。これら
のバルブシートが上述の吸気バルブおよび排気バルブ１
５の弁座を構成している。また、シリンダヘッド１２に
は燃料噴射ノズル１６が装着され、その先端部が燃焼室
１８に突出している。吸気ポートより吸気を燃焼室に供
給し、燃料噴射ノズル１６で燃料を供給して爆発・燃焼
させ、排気ポート１２ｄで燃焼室の排気を行っている。
そして、シリンダヘッド１２の触火面１２ａは、燃焼室
の燃焼により高温、高圧に曝される。
ッドの触火面を含む要部断面図である。図９で、シリン
ダヘッド１２は、シリンダブロック１３の上部にガスケ
ット１７を介して取り付けられ、シリンダヘッド１２、
シリンダブロック１３、ピストン１４間で燃焼室１８を
形成している。シリンダヘッド１２には、各シリンダ
（複数は図示せず）それぞれ吸気ポート（図示せず）お
よび排気ポート１２ｄ、内部に水冷ジャケット１２ｃな
どが形成されている。そして、吸気ポートおよび排気ポ
ート１２ｄにはそれぞれ吸気バルブ（図示せず）および
排気バルブ１５が、また吸気バルブシート（図示せず）
および排気バルブシート１９が装着されている。これら
のバルブシートが上述の吸気バルブおよび排気バルブ１
５の弁座を構成している。また、シリンダヘッド１２に
は燃料噴射ノズル１６が装着され、その先端部が燃焼室
１８に突出している。吸気ポートより吸気を燃焼室に供
給し、燃料噴射ノズル１６で燃料を供給して爆発・燃焼
させ、排気ポート１２ｄで燃焼室の排気を行っている。
そして、シリンダヘッド１２の触火面１２ａは、燃焼室
の燃焼により高温、高圧に曝される。
【００４３】（ＪＩＳ）ＡＣ４Ｃ組成で重力鋳造法によ
り図９のシリンダヘッド１２を鋳造した。そして、シリ
ンダヘッド１２の触火面１２ａに対し、図５のロッド１
に突起部１ｂを有し、突出部１ｂの直径を１５ｍｍ、突
起部の長さを２ｍｍ、後傾角（θ）３°で表面改質を行
った。なお条件は、回転数１５００ｒｐｍ、送り速度
０．５ｍｍ／秒、摩擦圧力２５ＭＰａとした。
り図９のシリンダヘッド１２を鋳造した。そして、シリ
ンダヘッド１２の触火面１２ａに対し、図５のロッド１
に突起部１ｂを有し、突出部１ｂの直径を１５ｍｍ、突
起部の長さを２ｍｍ、後傾角（θ）３°で表面改質を行
った。なお条件は、回転数１５００ｒｐｍ、送り速度
０．５ｍｍ／秒、摩擦圧力２５ＭＰａとした。
【００４４】表面改質を行った結果、表面部１２ａに組
織が微細化された改質部１２ｂが形成されていた。シリ
ンダヘッド１２の触火面１２ｂは燃焼ガスに曝されまた
吸気と排気の熱サイクルのため、シリンダヘッド１２の
吸気弁と排気弁の弁間部が熱疲労のため割れが発生する
おそれがあるが、本発明の表面改質を自動車用シリンダ
ヘッドに適用して、耐熱性が向上できる。
織が微細化された改質部１２ｂが形成されていた。シリ
ンダヘッド１２の触火面１２ｂは燃焼ガスに曝されまた
吸気と排気の熱サイクルのため、シリンダヘッド１２の
吸気弁と排気弁の弁間部が熱疲労のため割れが発生する
おそれがあるが、本発明の表面改質を自動車用シリンダ
ヘッドに適用して、耐熱性が向上できる。
【００４５】
【発明の効果】本発明の金属材の表面改質方法によれ
ば、簡易な手段で金属材の表面部の組織を微細化すると
共に表面部に介在する空孔を減少して、機械的性質や耐
熱性が向上できる。
ば、簡易な手段で金属材の表面部の組織を微細化すると
共に表面部に介在する空孔を減少して、機械的性質や耐
熱性が向上できる。
【図１】本発明の金属材の表面改質方法に用いる表面改
質装置の一例の模式図である。
質装置の一例の模式図である。
【図２】好ましい実施の形態におけるロッド１の一例を
示す部分断面図である。
示す部分断面図である。
【図３】突起部の先端部を拡径としたロッドのもう一つ
の例を示す部分断面図である。
の例を示す部分断面図である。
【図４】突起部の先端部に１つ以上のリング状の膨径部
を設けたロッドロッドのもう一つの例を示す部分断面図
である。
を設けたロッドロッドのもう一つの例を示す部分断面図
である。
【図５】ロッドを進行方向に角度（θ）で後傾しつつ移
動させる表面改質装置の一例の模式図である。
動させる表面改質装置の一例の模式図である。
【図６】実施例１〜８の母材と改質部についてビッカー
ス硬度（加重１００ｇ）を測定した結果を示す図であ
る。
ス硬度（加重１００ｇ）を測定した結果を示す図であ
る。
【図７】実施例７の表面改質後の金属組織写真であり、
（ａ）はロッド送り方向断面図、（ｂ）はロッド送り直
角方向断面図である。
（ａ）はロッド送り方向断面図、（ｂ）はロッド送り直
角方向断面図である。
【図８】実施例８の表面改質後の金属組織写真であり、
（ａ）はロッド送り方向断面図、（ｂ）はロッド送り直
角方向断面図である。
（ａ）はロッド送り方向断面図、（ｂ）はロッド送り直
角方向断面図である。
【図９】自動車用シリンダヘッドの触火面を含む要部断
面図である。
面図である。
１：ロッド、１ａ：押圧面、１ｂ：突出部、１ｃ：膨径
部、１ｄ：拡径、１ｅ：長さ、１ｆ：先端、１ｉ：膨径
部、２：金属材、２ａ：表面部、２ｂ：改質部、２ｄ：
空孔、１２：シリンダブロック、１２ａ：触火面、１２
ｂ：改質部。
部、１ｄ：拡径、１ｅ：長さ、１ｆ：先端、１ｉ：膨径
部、２：金属材、２ａ：表面部、２ｂ：改質部、２ｄ：
空孔、１２：シリンダブロック、１２ａ：触火面、１２
ｂ：改質部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｆ 1/00 ６５０ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６５０Ａ ６５１ ６５１Ｂ Ｂ２３Ｋ 103:10 Ｆターム(参考） 3G024 AA02 EA01 FA00 FA04 GA01 GA06 GA16 HA07 4E067 AA05 BG00 DA10 EA07
Claims (8)
- 【請求項１】 金属材より高融点および高硬度のロッド
を回転して前記金属材の表面部を押圧しつつ移動させ、
前記金属材の表面部を塑性変形自在となる温度まで加熱
すると共に攪拌し、もって前記金属材が冷却後に前記表
面部の組織を微細化することを特徴とする金属材の表面
改質方法。 - 【請求項２】 請求項１に記載の金属材の表面改質方法
において、前記ロッドは先端に突起部を有することを特
徴とする金属材の表面改質方法。 - 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の金属材
の表面改質方法において、前記ロッドの突起部の長さを
０．１〜１０ｍｍとすることを特徴とする金属材の表面
改質方法。 - 【請求項４】 請求項１乃至請求項３何れか１項に記載
の表面改質方法において、前記ロッドを進行方向に後傾
しつつ移動させることを特徴とする金属材に表面改質方
法。 - 【請求項５】 請求項４記載の表面改質方法において、
前記ロッドの後傾角が１〜１０°であることを特徴とす
る金属材の表面改質方法。 - 【請求項６】 請求項１乃至請求項５何れか１項に記載
の金属材の表面改質方法において、前記金属材がアルミ
ニウム合金であることを特徴とする金属材の表面改質方
法。 - 【請求項７】 請求項６に記載の金属材の表面改質方法
において、前記アルミニウム合金の表面部の平均結晶粒
径が改質前の０．５以下、析出物の平均径が改質前の
０．５以下、かつ析出物の平均円形度が０．８以上とな
ることを特徴とする金属材の表面改質方法。 - 【請求項８】 請求項１乃至請求項７何れか１項に記載
の金属材の表面改質方法において、前記表面部が自動車
用シリンダヘッドの触火面であることを特徴とする金属
材の表面改質方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11207159A JP2001032058A (ja) | 1999-07-22 | 1999-07-22 | 金属材の表面改質方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11207159A JP2001032058A (ja) | 1999-07-22 | 1999-07-22 | 金属材の表面改質方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001032058A true JP2001032058A (ja) | 2001-02-06 |
Family
ID=16535212
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11207159A Pending JP2001032058A (ja) | 1999-07-22 | 1999-07-22 | 金属材の表面改質方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001032058A (ja) |
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-
1999
- 1999-07-22 JP JP11207159A patent/JP2001032058A/ja active Pending
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