JP2001246458A - Surface treating method and treating member therefor - Google Patents

Surface treating method and treating member therefor

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JP2001246458A JP2000393328A JP2000393328A JP2001246458A JP 2001246458 A JP2001246458 A JP 2001246458A JP 2000393328 A JP2000393328 A JP 2000393328A JP 2000393328 A JP2000393328 A JP 2000393328A JP 2001246458 A JP2001246458 A JP 2001246458A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To deepen a treating range while preventing unfilling defect caused by the deformation of a base stock. SOLUTION: The surface of a cylinder head H is modified by stirring without melting with the heat of a rotating tool through a first pass P1 which is continuously treated from the one end part toward the other end part of a tension bolt hole 21 as the end point in the longitudinal direction of the cylinder head H so as to pass through the intervals among respective pairs of exhaust ports 15 and intake ports 14 mutually faced to one cylinder, and through second passes P2-P5 which are treated in order among pairs of the exhaust parts 15 and the intake parts 14 mutually faced from the cylinder adjoined to the end point of this first pass P1 after treating this first pass P1 to the respective tension bolt holes 21 as the end points.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばアルミニウ
ム合金鋳物の表面処理方法及びその処理部材に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for treating a surface of, for example, an aluminum alloy casting and a member for treating the surface.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、自動車のディーゼルエンジンの高
出力化に伴って燃焼室内の最高圧縮圧力も120kgf
/cm2程度から150kgf/cm2程度へと高くなっ
て燃焼室を構成するシリンダヘッド等のアルミニウム合
金鋳物に対する熱負荷が高まっており、熱疲労や熱応力
に対する耐熱性を高めるために局部的に(例えば、隣り
合うポート間(弁間部)に)リメルト処理を施している
(図30参照)。また、従来に比べて要求されるリメル
ト深さも大きくなっている。
2. Description of the Related Art In recent years, the maximum compression pressure in a combustion chamber has been increased to 120 kgf with an increase in the output of a diesel engine of an automobile.
/ Cm 2 to about 150 kgf / cm 2, increasing the heat load on aluminum alloy castings such as cylinder heads that constitute the combustion chamber, and locally increasing the heat resistance to thermal fatigue and thermal stress. A remelt process is performed (for example, between adjacent ports (intervals)) (see FIG. 30). Also, the required remelt depth is larger than in the past.

【0003】図34は、従来のディーゼルエンジン用シ
リンダヘッドの製造工程を説明するフローチャートであ
る。図35は図34の製造工程におけるリメルト処理の
概要を説明する図である。
FIG. 34 is a flow chart for explaining a manufacturing process of a conventional cylinder head for a diesel engine. FIG. 35 is a view for explaining the outline of the remelt process in the manufacturing process of FIG.

【0004】図34に示すように、ステップT1では中
間体としてのシリンダヘッドを鋳造する。ステップT2
では、型から取り出して湯口を削除する。ステップT3
では、鋳物に砂出しを主目的としたT6熱処理を施す。
ステップT4では、リメルト処理前加工を施す。ステッ
プT5では、鋳物を予熱する。ステップT6では、鋳物
の弁間部にリメルト処理を施す。ステップT7では、鋳
物に再度T6熱処理を施す。ステップT8では、仕上げ
加工を施す。
[0004] As shown in FIG. 34, in step T1, a cylinder head as an intermediate is cast. Step T2
Then remove it from the mold and remove the gate. Step T3
Then, the casting is subjected to a T6 heat treatment mainly for sand removal.
In step T4, pre-remelting processing is performed. In Step T5, the casting is preheated. In Step T6, a remelt process is performed on the inter-valve portion of the casting. In Step T7, the casting is subjected to T6 heat treatment again. In step T8, a finishing process is performed.

【0005】リメルト処理は、図35に示すように、砂
出しした鋳物を予熱し、被表面処理領域に電極を近接さ
せ、電極と被表面処理部材との間にTIGやプラズマア
ークを発生させながら移動させて被処理組織を所定深さ
で溶融して再度凝固させることで、金属組織を微細化す
ると共に、鋳造欠陥の減少を図って伸びを増加する効果
がある。更に、リメルト処理後に再度T6熱処理を施す
ことでリメルト処理による残留応力を開放する。リメル
ト処理では再凝固時の冷却速度を増大させることにより
金属組織を微細化している。
[0005] In the remelt treatment, as shown in FIG. 35, a sand casting is preheated, an electrode is brought close to a surface-treated region, and a TIG or plasma arc is generated between the electrode and the surface-treated member. By moving and melting the structure to be processed at a predetermined depth and solidifying it again, the metal structure is refined, and casting defects are reduced and elongation is increased. Furthermore, the residual stress due to the remelting process is released by performing the T6 heat treatment again after the remelting process. In the remelt treatment, the metal structure is refined by increasing the cooling rate during resolidification.

【0006】別の表面処理方法として、特開平7−88
645号公報には、弁間部に母材よりも固相線の高いA
l−Cu系合金を肉盛り溶接することにより高強度層を
形成して、母材との接合性を改善すると共に、熱疲労性
の向上を図る構造が開示されている。
Another surface treatment method is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-88.
No. 645 discloses that in the inter-valve portion, the A having a higher solidus than the base metal is used.
A structure is disclosed in which a high-strength layer is formed by overlay welding of an l-Cu-based alloy to improve bondability with a base material and improve thermal fatigue resistance.

【0007】また、表面処理技術とは異なる技術分野で
あるが、特許第2712838号公報には、2つの部材
の接合面にプローブを回転させながら挿入及び並進さ
せ、接合面近傍の金属組織を摩擦熱により可塑化させて
結合する溶接技術が開示されている。
[0007] Further, although this is a technical field different from the surface treatment technology, Japanese Patent No. 2712838 discloses that a probe is inserted and translated while rotating a joint surface of two members, and the metal structure near the joint surface is rubbed. A welding technique of plasticizing and bonding by heat is disclosed.

【0008】また、特開平10−183316号公報及
び特開2000−15426には、シリンダヘッドのシ
リンダブロックに対する合わせ面などの鋳物の表面処理
において、先端のショルダ部に突出部を設けた回転工具
を回転させながら押し込んで、熱により非溶融の状態で
撹拌する表面処理方法が開示されている。
Japanese Patent Application Laid-Open Nos. Hei 10-183316 and 2000-15426 disclose a rotary tool provided with a protruding portion at a shoulder portion at a tip in a surface treatment of a casting such as a mating surface of a cylinder head with a cylinder block. A surface treatment method is disclosed in which the material is rotated while being pushed in, and is stirred in a non-molten state by heat.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記リ
メルト処理では、弁間部の熱容量が小さいことから、シ
リンダヘッドへの熱負荷増加に対応するために処理深さ
を増加させようと入熱量を増やしても、過溶融による肩
型だれが生じてしまい、処理可能な深さに制約がある。
また、入熱量を増加させると処理部の凝固時間が長くな
り、組織の微細化効果が低下すると共に、ピンホール欠
陥も増加するため、処理深さ増加による効果が相殺さ
れ、狙いとする耐熱性向上効果を得ることが難しい。
However, in the above remelting process, since the heat capacity of the inter-valve portion is small, the amount of heat input is increased in order to increase the processing depth in order to cope with an increase in the thermal load on the cylinder head. Even so, shoulder melting occurs due to over-melting, and there is a limit to the processable depth.
In addition, when the heat input is increased, the solidification time of the treated part is prolonged, and the effect of the refinement of the structure is reduced, and the number of pinhole defects is also increased. It is difficult to obtain improvement effects.

【0010】更に、入熱量を増加させるとリメルト処理
時の熱応力による部材の割れが発生しやすくなるため、
部材の予熱が必要となる。その他、マグネシウムを含有
する母材では、溶融時にマグネシウムが蒸発、減少し、
リメルト処理後のT6熱処理で強度向上代が小さくなっ
て、所要の機械的特性が得られなくなる虞がある。
[0010] Further, if the heat input amount is increased, the member is likely to crack due to thermal stress during the remelting process.
Preheating of components is required. In addition, in the base material containing magnesium, magnesium evaporates and decreases during melting,
The T6 heat treatment after the remelt treatment may reduce the strength improvement margin, and may not provide the required mechanical properties.

【0011】品質面では、入熱量のバラツキや磁気吹き
による位置ずれなどにより、処理深さのバラツキが大き
いこと、処理部のピンホール欠陥は母材のガス含有量や
鋳巣面積率に影響を受けることなどから品質安定性を確
保することが課題となっている。
In terms of quality, large variations in processing depth due to variations in the amount of heat input and misalignment due to magnetic blowing, etc., and pinhole defects in the processed part affect the gas content of the base material and the area ratio of the voids. Ensuring quality stability has become an issue due to the quality of the product.

【0012】生産性の面では、処理部を溶融させること
から、溶融部分の酸化を防止するためのシールドガスが
必要である他、表面酸化物や不純物から発生するガスに
よる欠陥を防止するため、処理前に鋳肌を除去する工程
が追加されている。更に、処理部に発生する高い引張り
残留応力を解放するため、後熱処理が必要であることな
どから、コスト低減が課題となっている。
In terms of productivity, since the processing section is melted, a shield gas for preventing oxidation of the molten portion is required. In addition, in order to prevent defects due to gas generated from surface oxides and impurities, A step of removing the casting surface before the treatment is added. Furthermore, cost reduction is an issue because post-heat treatment is required to release high tensile residual stress generated in the processing section.

【0013】また、上記公報記載の肉盛り溶接は、生産
性の面では肉盛り部材の供給方法が、品質面ではピンホ
ール欠陥の抑制や母材希釈率の安定性確保が課題であ
る。また、母材を溶融させることに起因する課題は、リ
メルト処理と同様に有している。
Further, in the overlay welding described in the above-mentioned publication, the method of supplying the overlay member is problematic in terms of productivity, and in terms of quality, there is a problem of suppressing pinhole defects and ensuring stability of the base material dilution ratio. In addition, the problem caused by melting the base material has the same problem as the remelt treatment.

【0014】一方、上記特開平10−183316号公
報及び特開2000−15426に記載の技術では、素
材の変形を防止しつつ、広い領域を小さな突出部で処理
するためには、処理経路などを適切に設定する必要があ
る。
On the other hand, in the techniques described in JP-A-10-183316 and JP-A-2000-15426, in order to prevent a material from being deformed and to process a wide area with a small protrusion, a processing path and the like are required. It must be set appropriately.

【0015】本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その
目的は、素材の変形による未充填欠陥を防止しつつ、処
理領域を深くできる表面処理方法及びその処理部材を提
供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a surface treatment method and a treatment member capable of deepening a treatment region while preventing unfilled defects due to deformation of a material.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決し、目
的を達成するために、本発明の表面処理方法は、凹所を
有する鋳物の表面を回転工具の熱により溶融させること
なく撹拌して改質する表面処理方法であって、前記凹所
の最も近接する領域における前記回転工具の表面処理経
路が、当該凹所と回転工具との間の素材の流動が当該回
転工具の進行方向に対して逆方向になるように表面処理
を施す。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems and to achieve the object, a surface treatment method of the present invention comprises stirring a surface of a casting having a recess without melting it by the heat of a rotary tool. A surface treatment method for modifying the surface of the rotary tool in a region closest to the recess, wherein a flow of a material between the recess and the rotary tool is in a traveling direction of the rotary tool. On the other hand, a surface treatment is performed so as to be in the opposite direction.

【0017】また、本発明の表面処理方法は、凹所を有
する鋳物の表面を回転工具の熱により溶融させることな
く撹拌して改質する表面処理方法であって、前記凹所の
最も近接する領域における前記回転工具の表面処理経路
が、当該凹所と回転工具との間の素材の流動が当該回転
工具の進行方向に対して同方向になるように表面処理を
施す。
Further, the surface treatment method of the present invention is a surface treatment method in which the surface of a casting having a recess is modified by stirring without melting the surface of the casting by the heat of a rotary tool. The surface treatment is performed so that the surface treatment path of the rotary tool in the region is such that the flow of the material between the recess and the rotary tool is in the same direction as the traveling direction of the rotary tool.

【0018】また、本発明の表面処理方法は、穴あけ加
工が施される鋳物の表面を回転工具の熱により溶融させ
ることなく撹拌して改質する表面処理方法であって、前
記穴あけ加工における穴径より小径の回転工具を用い
て、前記回転工具による表面処理経路の終点が前記穴あ
け加工を施す位置になるように表面処理を施す。
Further, the surface treatment method of the present invention is a surface treatment method in which the surface of a casting to be drilled is agitated without being melted by the heat of a rotary tool to modify the surface. Using a rotary tool having a diameter smaller than the diameter, surface treatment is performed such that the end point of the surface treatment path by the rotary tool is a position where the drilling is performed.

【0019】また、好ましくは、複数の前記凹所を有
し、前記回転工具により前記凹所間を改質すると共に、
当該改質領域がオーバラップするように前記表面処理経
路を設定する。
[0019] Preferably, the semiconductor device further includes a plurality of the recesses, and the space between the recesses is modified by the rotating tool.
The surface treatment path is set so that the modified regions overlap.

【0020】また、好ましくは、前記表面処理経路の始
点を通過するように当該表面処理経路の終点を設定す
る。
Preferably, an end point of the surface treatment path is set so as to pass through a start point of the surface treatment path.

【0021】また、好ましくは、前記鋳物は、複数の気
筒に対応して一対の吸気ポート及び一対の排気ポートを
有するシリンダヘッドであって、前記一対の排気ポート
と一対の吸気ポートの間を通るように前記シリンダヘッ
ドの長手方向に対して連続処理した後、その位置に隣接
する気筒から前記排気ポートと吸気ポートの対の間を通
るように表面処理を施す。
[0021] Preferably, the casting is a cylinder head having a pair of intake ports and a pair of exhaust ports corresponding to a plurality of cylinders, and passes between the pair of exhaust ports and the pair of intake ports. After the continuous processing in the longitudinal direction of the cylinder head as described above, the surface processing is performed so as to pass between the pair of the exhaust port and the intake port from the cylinder adjacent to the position.

【0022】また、本発明の表面処理部材は、凹所を有
し、その表面を回転工具の熱により溶融させることなく
撹拌して改質した処理部材であって、前記凹所の最も近
接する領域における前記回転工具の表面処理経路が、当
該凹所と回転工具との間の素材の流動が当該回転工具の
進行方向に対して逆方向になるように表面処理が施され
ている。
Further, the surface treatment member of the present invention has a recess, and the surface is agitated without being melted by the heat of the rotary tool, and the surface is agitated and modified. The surface treatment is performed so that the surface treatment path of the rotary tool in the region is such that the flow of the material between the recess and the rotary tool is in the opposite direction to the traveling direction of the rotary tool.

【0023】また、本発明の表面処理部材は、凹所を有
し、その表面を回転工具の熱により溶融させることなく
撹拌して改質した処理部材であって、前記凹所の最も近
接する領域における前記回転工具の表面処理経路が、当
該凹所と回転工具との間の素材の流動が当該回転工具の
進行方向に対して同方向になるように表面処理が施され
ている。
Further, the surface treatment member of the present invention has a recess, and the surface is agitated without being melted by the heat of the rotary tool, and the surface is agitated and modified. The surface treatment is performed so that the surface treatment path of the rotary tool in the region is such that the flow of the material between the recess and the rotary tool is in the same direction as the traveling direction of the rotary tool.

【0024】また、本発明の表面処理部材は、穴あけ加
工が施され、その表面を回転工具の熱により溶融させる
ことなく撹拌して改質する処理部材であって、前記穴あ
け加工における穴径より小径の回転工具を用いて、前記
回転工具による表面処理経路の終点が前記穴あけ加工を
施す位置になるように表面処理が施されている。
Further, the surface treatment member of the present invention is a treatment member which is subjected to drilling, and the surface of which is agitated and reformed without being melted by the heat of the rotary tool. The surface treatment is performed using a small-diameter rotary tool so that the end point of the surface treatment path by the rotary tool is a position where the drilling is performed.

【0025】[0025]

【発明の効果】以上説明のように、請求項1又は7の発
明によれば、凹所を有する鋳物の表面を回転工具の熱に
より溶融させることなく撹拌して改質する際に、凹所の
最も近接する領域における回転工具の表面処理経路が、
当該凹所と回転工具との間の素材の流動が当該回転工具
の進行方向に対して逆方向になるように表面処理を施す
ことにより、素材の変形による未充填欠陥を防止しつ
つ、処理領域を深くできる。
As described above, according to the invention of claim 1 or 7, when the surface of a casting having a recess is reformed by stirring without melting by the heat of a rotary tool, The surface treatment path of the rotating tool in the closest area of
By applying a surface treatment so that the flow of the material between the recess and the rotating tool is in the opposite direction to the traveling direction of the rotating tool, the unfilled defect due to deformation of the material is prevented, and the processing area is reduced. Can be deepened.

【0026】請求項2又は8の発明によれば、凹所を有
する鋳物の表面を回転工具の熱により溶融させることな
く撹拌して改質する際に、凹所の最も近接する領域にお
ける回転工具の表面処理経路が、当該凹所と回転工具と
の間の素材の流動が当該回転工具の進行方向に対して同
方向になるように表面処理を施すことにより、非溶融の
処理のため、凹所縁部の肩だれを防止しつつ、処理領域
を広くできる。
According to the second or eighth aspect of the present invention, when the surface of a casting having a recess is reformed by stirring without melting the surface of the casting by the heat of the rotating tool, the rotary tool in a region closest to the recess is used. The surface treatment path is subjected to surface treatment so that the flow of the material between the recess and the rotating tool is in the same direction as the traveling direction of the rotating tool. The processing area can be widened while preventing shoulder dripping at the edge.

【0027】請求項3又は9の発明によれば、穴あけ加
工が施される鋳物の表面を回転工具の熱により溶融させ
ることなく撹拌して改質する際に、穴あけ加工における
穴径より小径の回転工具を用いて、回転工具による表面
処理経路の終点が穴あけ加工を施す位置になるように表
面処理を施すことにより、製品に終端穴を残さずに仕上
げることができる。
According to the third or ninth aspect of the present invention, when the surface of the casting to be drilled is reformed by stirring without being melted by the heat of the rotary tool, the diameter of the hole is smaller than the diameter of the hole in the drilling. By performing surface treatment using a rotary tool such that the end point of the surface treatment path by the rotary tool is a position where drilling is performed, the product can be finished without leaving a terminal hole.

【0028】請求項4の発明によれば、複数の凹所を有
し、回転工具により凹所間を改質すると共に、当該改質
領域がオーバラップするように表面処理経路を設定する
ことにより、素材の変形による未充填欠陥を防止しつ
つ、処理領域を広く、深くできる。
According to the fourth aspect of the present invention, a plurality of recesses are provided, the space between the recesses is reformed by the rotary tool, and the surface treatment path is set so that the reformed areas overlap. In addition, the processing area can be widened and deepened while preventing unfilled defects due to deformation of the material.

【0029】請求項5の発明によれば、表面処理経路の
始点を通過するように当該表面処理経路の終点を設定す
ることにより、製品に終端穴を残さずに仕上げることが
できる。
According to the fifth aspect of the invention, by setting the end point of the surface treatment path so as to pass through the start point of the surface treatment path, it is possible to finish the product without leaving an end hole.

【0030】請求項6の発明によれば、鋳物は、複数の
気筒に対応して一対の吸気ポート及び一対の排気ポート
を有するシリンダヘッドであって、一対の排気ポートと
一対の吸気ポートの間を通るようにシリンダヘッドの長
手方向に対して連続処理した後、その位置に隣接する気
筒から前記排気ポートと吸気ポートの対の間を通るよう
に表面処理を施すことにより、シリンダヘッドのポート
端部の変形による未充填欠陥を防止しつつ、処理領域を
広く、深くできる。
According to the sixth aspect of the present invention, the casting is a cylinder head having a pair of intake ports and a pair of exhaust ports corresponding to a plurality of cylinders, and is provided between the pair of exhaust ports and the pair of intake ports. After continuous processing in the longitudinal direction of the cylinder head so as to pass through, the cylinder end adjacent to the position is subjected to surface treatment so as to pass between the pair of the exhaust port and the intake port, so that the port end of the cylinder head The processing region can be widened and deepened while preventing unfilled defects due to deformation of the portion.

【0031】[0031]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて、添付図面を参照して詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

【0032】図1は、本発明に係る実施形態の表面処理
方法を実施するための摩擦撹拌装置の概略図である。図
2は、図1の回転工具付近の拡大図である。図3は、回
転工具の詳細図である。図4は、球面タイプの突出部形
状を有する回転工具を示す図である。図5は、円筒タイ
プの突出部形状を有する回転工具示す図である。図6
は、ねじ切りタイプの突出部形状を有する回転工具を示
す図である。
FIG. 1 is a schematic view of a friction stirrer for performing a surface treatment method according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the rotary tool in FIG. FIG. 3 is a detailed view of the rotary tool. FIG. 4 is a diagram showing a rotary tool having a spherical-type projection. FIG. 5 is a view showing a rotary tool having a cylindrical projection shape. FIG.
FIG. 3 is a view showing a rotary tool having a thread-cut type projection.

【0033】本実施形態の摩擦撹拌による表面処理は、
被表面処理部材の一例としてアルミニウム合金鋳物を対
象としており、特に自動車のシリンダヘッドに形成され
る隣り合うポート間(弁間部)やピストン、ブレーキデ
ィスク等の表面改質処理に用いられ、アルミニウム合金
鋳物の表面改質領域を摩擦熱により溶融させることなく
撹拌させることにより、金属組織の微細化や共晶シリコ
ン(Si)粒子の均一分散化、鋳造欠陥の減少を図り、
熱疲労(低サイクル疲労)寿命や伸び、耐衝撃性等の材
料特性において従来のリメルト処理以上のものを得るこ
とができる。
In the present embodiment, the surface treatment by friction stir
It is intended for aluminum alloy castings as an example of a surface-treated member, and is particularly used for surface modification of adjacent ports (intervals), pistons, brake disks, etc. formed in a cylinder head of an automobile. By agitating the surface modified region of the casting without melting it by frictional heat, the metal structure is refined, the eutectic silicon (Si) particles are uniformly dispersed, and casting defects are reduced.
Material properties such as thermal fatigue (low cycle fatigue) life, elongation, impact resistance and the like can be obtained more than conventional remelt treatment.

【0034】ここで、溶融しないで撹拌する状態とは、
母材に含有される各成分或いは共晶化合物の中で最も融
点が低いものよりもさらに低い温度下で摩擦熱により金
属を軟化させて撹拌することを意味する。
Here, the state of stirring without melting is as follows.
This means that the metal is softened by frictional heat at a temperature lower than that having the lowest melting point among the components or eutectic compounds contained in the base material, and the metal is stirred.

【0035】図1乃至図3に示すように、摩擦撹拌装置
1は、球状の非消耗型突出部2がその先端のショルダ部
3に固定又は装着された円筒状の回転工具4と、この回
転工具4を回転させて突出部2を回転駆動させつつ、被
表面処理部材の表面改質領域に対して押圧しながら相対
的に移動させる工具駆動手段5とを備える。
As shown in FIGS. 1 to 3, the friction stirrer 1 comprises a cylindrical rotary tool 4 having a spherical non-consumable projection 2 fixed or mounted on a shoulder 3 at the tip thereof, Tool driving means 5 is provided for relatively moving the tool 4 while pressing the surface reforming region of the member to be treated while rotating the tool 4 to rotate the protrusion 2.

【0036】工具駆動手段5としては、モータ等により
回転工具4が回転可能で、かつ送りネジ機構やロボット
アーム等により回転工具4を上下左右のあらゆる方向に
移動可能な装置であって、回転工具4の回転数、送り速
度及び押圧力を制御可能なものが用いられる。他の形態
としては、回転工具4を回転可能に軸支すると共に、被
表面処理部材を相対的に上下左右のあらゆる方向に移動
させてもよい。
The tool driving means 5 is a device which can rotate the rotary tool 4 by a motor or the like and can move the rotary tool 4 in all directions of up, down, left and right by a feed screw mechanism or a robot arm. An apparatus capable of controlling the number of rotations, feed speed and pressing force of the apparatus is used. As another form, the rotating tool 4 may be rotatably supported, and the surface-treated member may be relatively moved in all directions, up, down, left, and right.

【0037】突出部2と回転工具4のショルダ部3と
は、アルミニウム合金よりも硬度の高い鋼材からなり、
突出部2の形状が、所定半径の球面に形成されている。
回転工具4はショルダ部3に突出部2が形成された第1
円筒軸6と、この第1円筒軸6の上端部に連結されたよ
り大径の第2円筒軸7と、この第2円筒軸7の上端部に
連結された第1円筒軸6より大径で第2円筒軸7より小
径の第3円筒軸8とから構成されている。第3円筒部8
は工具駆動手段5に取り付けられる。
The protrusion 2 and the shoulder 3 of the rotary tool 4 are made of a steel material having a hardness higher than that of an aluminum alloy.
The shape of the protrusion 2 is formed as a spherical surface having a predetermined radius.
The rotary tool 4 has a first portion in which the protrusion 2 is formed on the shoulder 3.
A cylindrical shaft 6, a larger-diameter second cylindrical shaft 7 connected to the upper end of the first cylindrical shaft 6, and a larger diameter than the first cylindrical shaft 6 connected to the upper end of the second cylindrical shaft 7. The third cylindrical shaft 8 has a smaller diameter than the second cylindrical shaft 7. Third cylindrical part 8
Is attached to the tool driving means 5.

【0038】突出部2の形状は球面タイプ(図4)の他
に、円筒タイプ(図5)、ねじ切りタイプ(図6)等が
あるが、特にピン外周にネジ溝が形成されたねじ切りタ
イプの撹拌能力が高く好ましい。
The shape of the protruding portion 2 includes a spherical type (FIG. 4), a cylindrical type (FIG. 5), a thread cutting type (FIG. 6), and the like. High stirring capacity is preferable.

【0039】本実施形態では、図7に示すように、被表
面処理部材としてJISで規格化されたアルミニウム合
金であるAC4Dを一例として用いるが、アルミニウム
合金のマグネシウム(Mg)含有率として0.2〜1.
5重量%、シリコン(Si)含有率として1〜24重量
%、好ましくは4〜13重量%の範囲で組成比率を変更
可能である。他にAC4B,AC2B、ピストンに用い
るAC8A等も利用できる。シリコン含有率の上限を2
4%に設定する理由は、それ以上シリコンを増加しても
材料特性や鋳造性が飽和すると共に、撹拌性が悪化する
からである。
In this embodiment, as shown in FIG. 7, AC4D, which is an aluminum alloy standardized by JIS, is used as an example of a member to be treated, but the magnesium (Mg) content of the aluminum alloy is 0.2%. ~ 1.
The composition ratio can be changed within a range of 5% by weight and a silicon (Si) content of 1 to 24% by weight, preferably 4 to 13% by weight. Besides, AC4B, AC2B, AC8A used for a piston, and the like can also be used. The upper limit of silicon content is 2
The reason for setting the content to 4% is that, even if silicon is further increased, material properties and castability are saturated, and agitation is deteriorated.

【0040】マグネシウムを含有するアルミニウム合金
鋳物は、熱処理によりMg2Siを析出させて強度が高
まる。ところが、リメルト処理のように溶融させて金属
組織を微細化させる場合には、低融点(650℃)のマ
グネシウムが蒸発して含有量が低下することがある。そ
して、マグネシウム含有量が低下すると熱処理を施して
も硬さや強度が低下して所望の材料特性が得られないこ
とになる。
An aluminum alloy casting containing magnesium precipitates Mg 2 Si by a heat treatment, thereby increasing the strength. However, when the metal structure is refined by melting as in a remelt treatment, magnesium having a low melting point (650 ° C.) may evaporate to reduce the content. When the magnesium content is reduced, the hardness and strength are reduced even if heat treatment is performed, so that desired material properties cannot be obtained.

【0041】一方、摩擦撹拌による表面処理では、金属
組織を溶融させないのでマグネシウムが蒸発することも
ないため、アルミニウム合金鋳物は熱処理によりMg2
Siを析出させて強度が高められるのである。
On the other hand, the surface treatment by friction stir, since magnesium does not melt the metal structure nor evaporates, Mg 2 of the aluminum alloy casting heat treatment
The strength is increased by precipitating Si.

【0042】アルミニウム合金にシリコンを添加するこ
とにより、鋳造性(溶湯の流動性、引け特性、耐熱間割
れ性)は向上するが、共晶シリコンが一種の欠陥として
作用して機械的特性(伸び)が低下する。
By adding silicon to the aluminum alloy, the castability (fluidity of the molten metal, shrinkage properties, hot cracking resistance) is improved, but the eutectic silicon acts as a kind of defect and mechanical properties (elongation). ) Decreases.

【0043】共晶シリコンは硬くて脆く、亀裂発生の起
点や伝播経路となるため伸びが低下する。また、弁間部
のように繰り返し熱応力を受ける部位ではその疲労寿命
が低下する。そして、金属組織ではデンドライトに沿っ
て共晶シリコンが連なった形態を呈しているが、共晶シ
リコンを微細化し、均一に分散させることによって応力
集中による亀裂の発生と、発生した亀裂の伝播を抑制す
ることが可能となる。
Eutectic silicon is hard and brittle, and serves as a starting point of crack generation and a propagation path, so that elongation is reduced. In addition, the fatigue life of a portion that is repeatedly subjected to thermal stress, such as an inter-valve portion, is reduced. In the metal structure, eutectic silicon is connected along the dendrite.However, cracking due to stress concentration and propagation of the generated cracks are suppressed by miniaturizing and uniformly dispersing the eutectic silicon. It is possible to do.

【0044】図8(a)は突出部長さに応じた処理深さ
を示す図であり、図8(b)は突出部長さPLを示す図
であり、図8(c)は最大処理深さDmaxを示す図で
ある。図9は、回転工具の回転数及び送り速度に応じた
処理深さを示す図である。
FIG. 8A is a diagram showing the processing depth according to the projection length, FIG. 8B is a diagram showing the projection length PL, and FIG. 8C is the maximum processing depth. It is a figure which shows Dmax. FIG. 9 is a diagram illustrating the processing depth according to the rotation speed and the feed speed of the rotary tool.

【0045】本実施形態では、突出部長さPLを要求深
さの80〜90%に設定する。要求深さは突出部長さの
1.1〜1.2倍となり、(0)〜10mm程度まで設
定可能である。また、図8(a)に示すように、最大処
理深さDmaxは突出部長さPLに比例(突出部長さの
1.1〜1.2倍)して大きくなり、最大処理幅も突出
部径に比例して大きくなる。また、図9に示すように、
最大処理深さDmaxは突出部長さPLで決まり、回転
数や送り速度による影響は少ないと言える。更に、図9
に例示するリメルト処理による最大処理深さに比べてば
らつきは小さくなって信頼性を高めることができる。
In this embodiment, the projection length PL is set to 80 to 90% of the required depth. The required depth is 1.1 to 1.2 times the length of the protruding portion, and can be set to about (0) to about 10 mm. Further, as shown in FIG. 8A, the maximum processing depth Dmax increases in proportion to the protruding portion length PL (1.1 to 1.2 times the protruding portion length), and the maximum processing width also increases. It increases in proportion to. Also, as shown in FIG.
The maximum processing depth Dmax is determined by the projection length PL, and it can be said that the influence of the number of rotations and the feed speed is small. Further, FIG.
The variation is smaller than the maximum processing depth by the remelt processing exemplified in (1), and the reliability can be improved.

【0046】本実施形態のように燃焼室内の最高圧縮圧
力が150kgf/cm2程度と高いシリンダヘッドの
弁間部を表面処理する場合には、生産性を考慮して回転
工具の回転数を1200〜2400rpm、送り速度を
30〜150mm/min、最大処理深さDmaxを仕
上げ加工後で4mm以上(加工取り代1mm以下)に設
定するのが好ましい。
In the case where the inter-valve portion of the cylinder head having a maximum compression pressure in the combustion chamber as high as about 150 kgf / cm 2 as in this embodiment is subjected to surface treatment, the rotational speed of the rotary tool is increased to 1200 in consideration of productivity. It is preferable that the maximum processing depth Dmax is set to 4 mm or more (finishing allowance 1 mm or less) after finishing processing, at ~ 2400 rpm, feed rate 30 to 150 mm / min.

【0047】図10は、未充填欠陥の例を示す図であ
る。図11は、回転工具の傾け角度を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing an example of an unfilled defect. FIG. 11 is a diagram illustrating a tilt angle of the rotary tool.

【0048】また、上記処理条件において回転工具が処
理表面に対して垂直(回転工具の傾け角θが0°)で
は、図10に示す回転工具の角部近傍に発生する未充填
欠陥の防止が難しい。また、傾け角θが5°より大きく
なると回転工具4のショルダ部3のエッジで処理表面に
深い溝が形成され、バリが多く生成されるために外観が
悪くなると共に、仕上げ加工時に取り代が多くなって好
ましくない。そこで、図11に示すように回転工具4を
表面処理領域面に対して送り方向とは反対方向に傾け角
θを0°<θ≦5°の範囲で傾けた状態で移動させるこ
とで、未充填欠陥を抑え、処理深さや送り速度をより高
めて生産性を向上することができる。 [シリンダヘッドの製造方法]次に、本実施形態による
ディーゼルエンジン用シリンダヘッドの製造工程につい
て説明する。
When the rotary tool is perpendicular to the processing surface under the above processing conditions (the tilt angle θ of the rotary tool is 0 °), it is possible to prevent unfilled defects occurring near the corner of the rotary tool shown in FIG. difficult. If the inclination angle θ is larger than 5 °, a deep groove is formed on the processing surface at the edge of the shoulder portion 3 of the rotary tool 4, and a lot of burrs are generated, so that the appearance is deteriorated, and a margin during finishing is reduced. It is not preferable because it increases. Therefore, as shown in FIG. 11, the rotary tool 4 is moved in a state in which the tilt angle θ is tilted in the direction opposite to the feed direction with respect to the surface of the surface treatment area in a range of 0 ° <θ ≦ 5 °, so that Filling defects can be suppressed, and the processing depth and feed rate can be further increased to improve productivity. [Method of Manufacturing Cylinder Head] Next, the process of manufacturing the cylinder head for a diesel engine according to the present embodiment will be described.

【0049】図12は、本実施形態のディーゼルエンジ
ン用シリンダヘッドの製造工程を説明するフローチャー
トである。
FIG. 12 is a flowchart illustrating the steps of manufacturing the cylinder head for a diesel engine according to the present embodiment.

【0050】図12に示すように、ステップS1では中
間体としてのシリンダヘッドをアルミニウム合金から鋳
造する。ステップS2では、鋳物を鋳造型から取り出し
て湯口を削除する。ステップS3では、鋳造型から取り
出した鋳物に砂出しを主目的としたT6熱処理を施す。
ステップS4では、鋳物の弁間部に摩擦撹拌により表面
処理を施す。ステップS5では、鋳物に再度T6熱処理
を施して硬さや強度を増加する。ステップS6では、仕
上げ加工を施す。
As shown in FIG. 12, in step S1, a cylinder head as an intermediate is cast from an aluminum alloy. In step S2, the casting is removed from the casting mold and the gate is deleted. In step S3, the casting removed from the casting mold is subjected to a T6 heat treatment mainly for sand removal.
In step S4, a surface treatment is applied to the inter-valve portion of the casting by friction stirring. In step S5, the casting is subjected to T6 heat treatment again to increase hardness and strength. In step S6, finishing is performed.

【0051】以上のように、摩擦撹拌による表面処理を
行うことで、図34のステップT4のリメルト処理前加
工、ステップT5の鋳物予熱、再T6熱処理が不要とな
るため、従来に比べて製造工程を簡略化して製造コスト
の削減を図ることができる。 [摩擦撹拌による表面処理]次に、図12の摩擦撹拌処
理ついて説明する。 <第1実施形態の表面処理>図13乃至図17は、第1
実施形態として弁間部の摩擦撹拌処理手順を説明する図
である。
As described above, by performing the surface treatment by friction stirring, the pre-remelting processing in step T4, the preheating of the casting in step T5, and the re-T6 heat treatment in step T4 in FIG. 34 are not required. Can be simplified and the manufacturing cost can be reduced. [Surface Treatment by Friction Stirring] Next, the friction stir processing of FIG. 12 will be described. <Surface Treatment of First Embodiment> FIGS.
It is a figure explaining a friction stir processing procedure of an interval between valves as an embodiment.

【0052】摩擦撹拌処理の前工程として、図13に示
すように、シリンダヘッドHを鋳造する際に、隣り合う
吸気ポート14及び排気ポート15の中心を結ぶ線L1
に沿った弁間部10の各ポートの延長部分に余肉部11
と鋳抜き穴12とを有する中間体を形成する。鋳抜き穴
12は鋳造後にドリル等で加工してもよく、突出部2の
直径及び長さと略同じ寸法に形成される。
As a pre-process of the friction stir processing, as shown in FIG. 13, when the cylinder head H is cast, a line L1 connecting the centers of the adjacent intake port 14 and exhaust port 15 is formed.
The extra space 11 is provided at the extension of each port of the valve
And an intermediate body having a cast hole 12. The cast hole 12 may be machined with a drill or the like after casting, and is formed to have dimensions substantially the same as the diameter and length of the protrusion 2.

【0053】次に、図14に示すように、突出部2を回
転駆動しながら鋳抜き穴12に挿入して位置決めすると
共に、回転工具4のショルダ部3を弁間部10の表面に
押圧して処理深さを決める。
Next, as shown in FIG. 14, the projecting portion 2 is inserted into the cast hole 12 for positioning while being driven to rotate, and the shoulder portion 3 of the rotary tool 4 is pressed against the surface of the inter-valve portion 10. To determine the processing depth.

【0054】続いて、図15に示すように、隣り合うポ
ートの中心を結ぶ線L1を突出部2の移動軌跡として、
工具駆動手段5によって突出部2を一方の余肉部11の
鋳抜き穴12を始点として他方の余肉部11に移動軌跡
に沿って摩擦により撹拌しながら移動させる。この際、
弁間部表面には回転工具4のショルダ部3の押圧により
線L1に沿って円弧状の溝16が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 15, a line L1 connecting the centers of the adjacent ports is set as the movement locus of the protrusion 2.
The protruding portion 2 is moved by the tool driving means 5 to the other surplus portion 11 while being stirred by friction along the movement locus, starting from the cast hole 12 of the one surplus portion 11. On this occasion,
An arc-shaped groove 16 is formed on the surface of the inter-valve portion along the line L1 by pressing the shoulder portion 3 of the rotary tool 4.

【0055】更に、図16に示すように、突出部2を他
方の余肉部11まで移動させた後、弁間部11から離間
させる。この際、他方の余肉部11には突出部2の終点
として終端穴13が形成される。
Further, as shown in FIG. 16, the protruding portion 2 is moved to the other excess portion 11 and then separated from the inter-valve portion 11. At this time, a terminal hole 13 is formed in the other excess portion 11 as an end point of the protrusion 2.

【0056】最後に、図17に示すように、余肉部11
を削除して吸気ポート14及び排気ポート15を仕上げ
加工する。
Finally, as shown in FIG.
And finish the intake port 14 and the exhaust port 15.

【0057】図18(a)はリメルト処理による弁間部
の処理方向を示す図であり、図18(b)は図18
(a)の処理方向による処理深さを示す断面図である。
図19(a)は本実施形態の摩擦撹拌処理による弁間部
び処理方向を示す図であり、図19(b)は図19
(a)の処理方向による処理深さを回転工具の移動軌跡
に対して直角方向から見た断面図である。図20は本実
施形態の摩擦撹拌処理による弁間部の処理深さを突出部
の移動軌跡に平行な方向から見た断面図である。
FIG. 18A is a diagram showing the direction of processing of the inter-valve portion by the remelting process, and FIG.
It is sectional drawing which shows the processing depth by the processing direction of (a).
FIG. 19A is a diagram showing the direction of the inter-valve portion processing by the friction stir processing of the present embodiment, and FIG.
It is sectional drawing which looked at the processing depth by the processing direction of (a) from the perpendicular direction with respect to the movement locus of a rotary tool. FIG. 20 is a cross-sectional view of the processing depth of the inter-valve portion by the friction stir processing of the present embodiment as viewed from a direction parallel to the movement locus of the protruding portion.

【0058】上記表面処理において、隣り合う吸気ポー
ト14と排気ポート15の中心を結ぶ線L1を突出部2
の移動軌跡として弁間部10を最短距離で横断させるこ
とによって、図19及び図20に示すように弁間部10
の割れ発生方向に処理されるため、図18のように弁間
部10の割れ発生方向に対して直角に処理するリメルト
処理に比べて弁間部10の処理深さを容易に増加するこ
とができる。尚、突出部2の移動軌跡は、隣り合うポー
トの中心を結ぶ線だけでなく、他の割れの発生しやすい
領域に設定することも可能である。
In the above-mentioned surface treatment, the line L1 connecting the centers of the adjacent intake port 14 and exhaust port 15 is defined by the protrusion 2
By traversing the intervalve portion 10 at the shortest distance as the movement trajectory of the
Therefore, the processing depth of the inter-valve portion 10 can be easily increased as compared with the remelting process performed at a right angle to the crack generation direction of the inter-valve portion 10 as shown in FIG. it can. The movement trajectory of the protruding portion 2 can be set not only in a line connecting the centers of adjacent ports, but also in other regions where cracks are likely to occur.

【0059】図21(a)は、本実施形態の表面処理が
施された金属組織及び母材の断面図であり、図21
(b)は図21(a)の金属組織及び母材を個別に示す
断面図である。図22(a)は、本実施形態の表面処理
が施された金属組織を示す断面図であり、図22(b)
は、リメルト処理が施された金属組織を示す断面図であ
る。
FIG. 21A is a cross-sectional view of the metal structure and the base material subjected to the surface treatment of the present embodiment.
(B) is a sectional view showing the metal structure and the base material of FIG. 21 (a) individually. FIG. 22A is a cross-sectional view showing a metal structure subjected to the surface treatment of the present embodiment, and FIG.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a metal structure subjected to a remelt treatment.

【0060】図21に示すように、摩擦撹拌による表面
処理を施すことによって微細な共晶シリコンが均一に分
散し、空孔欠陥のない金属組織が形成できる。また、図
22に示すように、リメルト処理と同程度の微細な金属
組織が形成できる。 <第2実施形態の表面処理>図23に示すように、突出
部形状が左ねじタイプで右回転される回転工具による処
理領域断面は、当該工具の突出部を中心として素材が内
部に押し付けられるように撹拌され、当該工具の回転方
向に対して、素材の流動が回転工具の進行方向に対して
同方向の部分は塑性流動が浅い位置となる処理深さが浅
く、面積が狭い領域R1となり、逆方向の部分は塑性流
動が深い位置となる処理深さが深く、面積が広い領域R
2となる。この領域R1、R2の違いは、回転工具と素
材との相対速度が、工具の回転と同方向では速いために
速く狭く撹拌され、逆方向では相対速度が遅いためゆっ
くりと広く撹拌されるからと考えられる。
As shown in FIG. 21, fine eutectic silicon is uniformly dispersed by performing surface treatment by friction stirring, and a metal structure free from vacancy defects can be formed. Further, as shown in FIG. 22, a fine metal structure comparable to the remelt treatment can be formed. <Surface Treatment of Second Embodiment> As shown in FIG. 23, in the cross section of the processing area by the rotating tool whose protruding portion is clockwise rotated by the left-hand thread type, the material is pressed inside around the protruding portion of the tool. The portion where the flow of the material is in the same direction as the traveling direction of the rotary tool in the direction of rotation of the tool is a region where the plastic flow is shallow and the processing depth is shallow, and the area is small. The area in the opposite direction has a deep processing flow where the plastic flow is deep, and has a large area R
It becomes 2. The difference between the regions R1 and R2 is that the relative speed between the rotating tool and the material is rapidly and narrowly agitated in the same direction as the rotation of the tool, and is slowly and widely agitated in the opposite direction because the relative speed is low. Conceivable.

【0061】尚、回転工具の突出部形状は、ねじ切りタ
イプに限定されず、球面タイプ(図4)や円筒タイプ
(図5)でも適用可能である。
The shape of the protruding portion of the rotary tool is not limited to the thread cutting type, but can be applied to a spherical type (FIG. 4) or a cylindrical type (FIG. 5).

【0062】第2実施形態の摩擦撹拌処理では、この特
性を利用して、図24に示す塑性流動の浅い領域R2を
オーバラップさせて処理深さを略均一になるように複数
の処理経路(例えば、往復経路)を設定する第1の処理
パターンと、反対に、図25に示す塑性流動の深い領域
R1をオーバラップさせて処理深さを抑えて素材の流出
を抑制する第2の処理パターンとを使い分けるものであ
る。これにより、広い領域を小さな突出部を持つ回転工
具により処理できると共に、第1の処理パターンでは、
図26に示すように、シリンダヘッドの表面処理におい
てポート端部にできるだけ近づけて処理する際に、ポー
ト端部の薄肉側に狭い領域R1がくるように処理すれ
ば、図27に示すようなポート端部の変形を避けること
ができる。尚、第1及び第2の処理パターンでは、最大
処理深さが略同じ高さになるようオーバラップさせ、回
転工具のショルダ部の素材に対する押し込み量が決定さ
れる。
In the friction stir processing of the second embodiment, by utilizing this characteristic, a plurality of processing paths (FIG. 24) are overlapped so as to overlap the shallow region R2 of plastic flow so that the processing depth becomes substantially uniform. For example, in contrast to the first processing pattern for setting a reciprocating path, the second processing pattern for suppressing the outflow of the material by suppressing the processing depth by overlapping the region R1 having a deep plastic flow shown in FIG. Are used properly. Thus, a wide area can be processed by the rotary tool having a small protrusion, and in the first processing pattern,
As shown in FIG. 26, when the processing is performed so as to be as close to the port end as possible in the surface treatment of the cylinder head, if the processing is performed so that the narrow region R1 comes to the thinner side of the port end, the port as shown in FIG. End deformation can be avoided. In the first and second processing patterns, the maximum processing depth is overlapped so as to be substantially the same height, and the pushing amount of the shoulder portion of the rotary tool into the material is determined.

【0063】一方、突出部を持つ回転工具を用いた表面
処理の欠点は、処理経路の終点に突出部の終端穴が残っ
てしまうところにある。更に、処理始点においても欠陥
が生じやすく、これを解決するために、始点を通過する
ように処理経路を設定する。また、シリンダヘッドなど
のボルトの穴あけ加工が後工程で施される鋳物の表面を
処理する場合には、穴あけ加工における穴径より小径の
突出部を用いて、処理経路の終点を穴あけ加工を施す位
置に設定する。これにより、製品に終端穴が残らないよ
うにできる。
On the other hand, a drawback of surface treatment using a rotary tool having a projection is that a terminal hole of the projection remains at the end point of the processing path. Further, a defect is likely to occur at the processing start point, and in order to solve this, a processing path is set so as to pass through the start point. In the case of processing the surface of a casting in which drilling of bolts such as a cylinder head is performed in a later step, the end of the processing path is drilled by using a projection having a smaller diameter than the hole diameter in drilling. Set to position. Thereby, the terminal hole can be prevented from remaining in the product.

【0064】次に、第2実施形態の摩擦撹拌処理を用い
た直列多気筒のディーゼルエンジンのシリンダヘッドの
表面処理について説明する。
Next, the surface treatment of the cylinder head of an in-line multi-cylinder diesel engine using the friction stir processing of the second embodiment will be described.

【0065】図28に示すように、シリンダヘッドH
は、複数の気筒に対応して一対の吸気ポート14と、一
対の排気ポート15と、不図示のシリンダブロックに締
結するため複数のテンションボルト穴21とを有する。
ここで、吸気ポートは吸気量をかせぐためになるべく大
きくしたいという要求があるため、隣り合う吸気ポート
間は狭くなり、薄肉になる。第2実施形態の摩擦撹拌処
理は、このような部位の処理に特に有効である。
As shown in FIG. 28, the cylinder head H
Has a pair of intake ports 14, a pair of exhaust ports 15 corresponding to a plurality of cylinders, and a plurality of tension bolt holes 21 for fastening to a cylinder block (not shown).
Here, there is a demand that the intake ports be made as large as possible in order to increase the amount of intake air, so that the space between adjacent intake ports becomes narrow and thin. The friction stir processing of the second embodiment is particularly effective for processing such a portion.

【0066】そして、1つの処理経路例として、図28
に示すように、1つの気筒に対して互いに対向する排気
ポート15及び吸気ポート14の対の間を通るようにシ
リンダヘッドHの長手方向の一端部から他端部に向かっ
て連続処理してテンションボルト穴21を終点とする第
1パスP1と、この第1パスP1の処理後、この第1パ
スP1の終点に隣接する気筒から互いに対向する一対の
排気ポート15と一対の吸気ポート14の間を順次処理
してテンションボルト穴21を終点とする第2パスP2
〜P5とを経て、シリンダヘッドHの表面を回転工具の
熱により溶融させることなく撹拌して改質する。
As an example of one processing path, FIG.
As shown in FIG. 7, tension is continuously processed from one end in the longitudinal direction of the cylinder head H to the other end so as to pass between a pair of the exhaust port 15 and the intake port 14 facing each other for one cylinder. A first path P1 ending at the bolt hole 21 and a pair of exhaust ports 15 and a pair of intake ports 14 facing each other from a cylinder adjacent to the end point of the first path P1 after the processing of the first path P1. Are sequentially processed and the second pass P2 having the tension bolt hole 21 as an end point
Through P5, the surface of the cylinder head H is stirred and reformed without being melted by the heat of the rotary tool.

【0067】また、上記第1処理パターンに関する他の
処理経路例として、図29に示すように、1つの気筒に
対して互いに対向する排気ポート15及び吸気ポート1
4の対の間を通るようにシリンダヘッドHの長手方向の
一端部から他端部に向かって連続処理してテンションボ
ルト穴21を終点とする第1往路パスQ1と、この第1
往路パスQ1とは反対方向に並列に排気ポート15及び
吸気ポート14の対の間を通るようにシリンダヘッドH
の長手方向の他端部から一端部に向かって連続処理して
テンションボルト穴21を終点とする第1復路パスQ2
と、この第1復路パスQ2の処理後、この第1復路パス
Q2の終点に隣接する気筒から互いに対向する一対の排
気ポート15と一対の吸気ポート14の間を往復し、復
路において往路の始点Qsを通過するように順次処理し
てテンションボルト穴21を終点とする第2往復パスQ
3〜Q6とを経て、シリンダヘッドHの表面を回転工具
の熱により溶融させることなく撹拌して改質する。
As another example of the processing path relating to the first processing pattern, as shown in FIG. 29, the exhaust port 15 and the intake port
And a first forward pass Q1 ending at the tension bolt hole 21 by continuously processing from one end in the longitudinal direction of the cylinder head H to the other end so as to pass between the pair of the four heads.
The cylinder head H is arranged to pass between a pair of the exhaust port 15 and the intake port 14 in parallel in a direction opposite to the outward path Q1.
The first return path Q2 which is continuously processed from the other end in the longitudinal direction to the one end in the first direction and has the tension bolt hole 21 as an end point.
After the processing of the first return path Q2, the cylinder reciprocates between the pair of exhaust ports 15 and the pair of intake ports 14 facing each other from the cylinder adjacent to the end point of the first return path Q2, and the start point of the outward path in the return path. Qs, and the second reciprocating path Q having the tension bolt hole 21 as an end point.
After 3 to Q6, the surface of the cylinder head H is stirred and reformed without being melted by the heat of the rotary tool.

【0068】このように、シリンダヘッドHに対して処
理経路を設定することにより、広い領域を必要な部位だ
け処理できるので、残留応力を低減でき、処理時間も短
縮できる。一方、図30に示すようにポート14,15
間を8の字状にリメルト処理した場合には、ポート1
4,15間の略全領域を処理する必要がある。
As described above, by setting a processing path for the cylinder head H, a wide area can be processed only at a necessary portion, so that the residual stress can be reduced and the processing time can be shortened. On the other hand, as shown in FIG.
When the remelting process is performed in the shape of a figure 8 between ports, port 1
It is necessary to process substantially the entire area between 4 and 15.

【0069】また、処理時間が短縮できることで、素材
の変形を抑えることができる。一方、上記8の字状にリ
メルト処理した場合には、処理経路は短くなるが、ポー
ト近傍を通過するため、素材の変形が起こりやすい。
Further, since the processing time can be shortened, deformation of the material can be suppressed. On the other hand, when the remelt processing is performed in the shape of the figure 8, the processing path becomes short, but the material passes through the vicinity of the port, so that the material is easily deformed.

【0070】更に、往復パスでは、往路パスと復路パス
の素材の温度分布が異なるため、素材が変形しにくいと
いう利点がある。上記8の字状に処理した場合には、処
理領域の重なる部分の素材抵抗が減少して、素材の変形
が起こりやすい。
Further, in the reciprocating path, since the temperature distributions of the materials in the forward pass and the return pass are different, there is an advantage that the material is hardly deformed. When the processing is performed in the shape of the figure 8, the material resistance in the overlapping portion of the processing area decreases, and the material is easily deformed.

【0071】上記シリンダヘッドの表面処理では、回転
工具の傾け角θは0°、回転数を600〜1000rp
m、送り速度を300〜500mm/min、突出部長
さを5.8mm、突出部径7±1mm、ショルダ部径1
5±1mmとして、処理深さが6〜6.5mm、第1パ
スの処理幅が7.5〜8mm、第2パスの処理幅が15
mmになるように設定するのが好ましい。尚、突出部径
とショルダ部径とは、2≦ショルダ部/突出部<4とし
て各寸法を設定する。また、ショルダ部の素材の処理表
面に対する押し込み量は、1mm以下に設定する。 [表面処理後の熱処理]図31は撹拌による表面処理後
にT6熱処理を施した場合と施さない場合の硬さを比較
して示す図である。図32は、T6熱処理のみ、撹拌に
よる表面処理後にT6熱処理を施した場合、リメルト処
理後にT6熱処理を施した場合の機械的特性を比較して
示す図である。図33は、熱処理の違いに応じて変化す
る初期硬さと熱疲労寿命との関係を示す図である。
In the surface treatment of the cylinder head, the inclination angle θ of the rotating tool is 0 ° and the number of rotations is 600 to 1000 rpm.
m, feed speed 300-500 mm / min, protrusion length 5.8 mm, protrusion diameter 7 ± 1 mm, shoulder diameter 1
Assuming that 5 ± 1 mm, the processing depth is 6 to 6.5 mm, the processing width of the first pass is 7.5 to 8 mm, and the processing width of the second pass is 15
mm. In addition, each dimension is set as 2 <shoulder part / projection part <4 with respect to a protrusion part diameter and a shoulder part diameter. In addition, the amount of pushing of the material of the shoulder to the processing surface is set to 1 mm or less. [Heat Treatment After Surface Treatment] FIG. 31 is a diagram showing a comparison between the hardness when the T6 heat treatment is performed after the surface treatment by stirring and the hardness when the T6 heat treatment is not performed. FIG. 32 is a diagram comparing the mechanical properties of the case where only the T6 heat treatment is performed after the surface treatment by stirring and the case where the T6 heat treatment is performed after the remelt treatment. FIG. 33 is a diagram showing the relationship between the initial hardness and the thermal fatigue life, which change according to the difference in heat treatment.

【0072】上記摩擦撹拌による表面処理に加えて、仕
上げ加工前に熱処理を施すと、熱処理を施さない場合に
比べて、図31に示すように表面処理組織及びその下層
の母材ともに硬さ(Hv)を増大させることができる。
また、図32に示すようにT6処理のみ施したもの、リ
メルト処理後にT6熱処理を施したもの、摩擦撹拌処理
のみ施したものの各機械的特性に比べて優れた引張強度
及び伸び特性を得ることができる。
In addition to the above-described surface treatment by friction stirring, when heat treatment is performed before finishing, compared with the case without heat treatment, both the surface treatment structure and the base material underneath as shown in FIG. Hv) can be increased.
In addition, as shown in FIG. 32, those obtained by performing only T6 treatment, those subjected to T6 heat treatment after remelting treatment, and those subjected to only friction stir treatment can obtain excellent tensile strength and elongation characteristics as compared with each mechanical property. it can.

【0073】また、図33からわかるように、熱処理を
施さない方が初期硬さが低く、伸び特性が高いため、熱
疲労寿命が高くなって熱衝撃に対する強度が大きくな
る。従って、大きな熱疲労強度が要求される部位には摩
擦撹拌処理のみを施した伸び特性が高い状態で使用する
のが有効である。
As can be seen from FIG. 33, when no heat treatment is performed, the initial hardness is low and the elongation characteristics are high, so that the thermal fatigue life is increased and the strength against thermal shock is increased. Therefore, it is effective to use a portion requiring high thermal fatigue strength in a state where only the friction stir processing is performed and the elongation property is high.

【0074】これに対して、熱疲労と機械的な高サイク
ル疲労とが重畳されるような部位には、伸びだけでなく
強度も必要となるので高い強度と伸びを両立させるため
に、摩擦撹拌処理とT6熱処理を施すのが有効である。
また、熱の影響により処理組織近傍が軟化して強度が低
下する場合にも、T6熱処理は強度を回復するのに有効
である。
On the other hand, in a portion where thermal fatigue and mechanical high cycle fatigue are superimposed, not only elongation but also strength is required. Therefore, in order to achieve both high strength and elongation, friction stirring is performed. It is effective to perform the treatment and the T6 heat treatment.
Further, even in the case where the vicinity of the treated structure is softened due to the influence of heat and the strength is reduced, the T6 heat treatment is effective for recovering the strength.

【0075】熱処理の一例として、JIS規格のT6熱
処理(溶体化処理と時効処理)が有効である。溶体化処
理は、溶体化温度535℃(±5℃)で4時間保持した
後に沸騰水で焼き入れする。時効処理は、時効温度18
0℃(±5℃)で6時間保持した後に空冷する。
As an example of the heat treatment, JIS standard T6 heat treatment (solution treatment and aging treatment) is effective. In the solution treatment, the solution is kept at a solution solution temperature of 535 ° C. (± 5 ° C.) for 4 hours and then quenched with boiling water. The aging treatment is performed at an aging temperature of 18
After holding at 0 ° C. (± 5 ° C.) for 6 hours, air-cool.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る実施形態の表面処理方法を実施す
るための摩擦撹拌装置の概略図である。
FIG. 1 is a schematic view of a friction stirrer for performing a surface treatment method according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1のピン状工具付近の拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of a pin-shaped tool in FIG.

【図3】ピン状工具の詳細図である。FIG. 3 is a detailed view of a pin-shaped tool.

【図4】球面タイプの先端ピン形状を示す図である。FIG. 4 is a view showing the shape of a spherical type tip pin.

【図5】円筒タイプの先端ピン形状を示す図である。FIG. 5 is a view showing the shape of a tip pin of a cylindrical type.

【図6】ねじ切りタイプの先端ピン形状を示す図であ
る。
FIG. 6 is a view showing a shape of a tip pin of a thread cutting type.

【図7】本実施形態のアルミニウム合金の成分比率を示
す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a component ratio of the aluminum alloy of the present embodiment.

【図8】(a)は先端ピン長さに応じた処理深さを示す
図、(b)は先端ピン長さPLを示す図、(c)は最大
処理深さDmaxを示す図である。
8A is a diagram illustrating a processing depth according to a tip pin length, FIG. 8B is a diagram illustrating a tip pin length PL, and FIG. 8C is a diagram illustrating a maximum processing depth Dmax.

【図9】ピン状工具の回転数及び送り速度に応じた処理
深さを示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a processing depth according to the rotation speed and the feed speed of the pin-shaped tool.

【図10】未充填欠陥の例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of an unfilled defect.

【図11】ピン状工具の傾け角を示す図である。FIG. 11 is a view showing an inclination angle of a pin-shaped tool.

【図12】本実施形態のディーゼルエンジン用シリンダ
ヘッドの製造工程を説明するフローチャートである。
FIG. 12 is a flowchart illustrating a manufacturing process of the cylinder head for a diesel engine of the present embodiment.

【図13】弁間部の表面処理手順を説明する図である。FIG. 13 is a diagram illustrating a surface treatment procedure of an inter-valve portion.

【図14】弁間部の表面処理手順を説明する図である。FIG. 14 is a diagram illustrating a surface treatment procedure of an inter-valve portion.

【図15】弁間部の表面処理手順を説明する図である。FIG. 15 is a diagram illustrating a surface treatment procedure of an inter-valve portion.

【図16】弁間部の表面処理手順を説明する図である。FIG. 16 is a diagram illustrating a surface treatment procedure of an inter-valve portion.

【図17】弁間部の表面処理手順を説明する図である。FIG. 17 is a view for explaining a surface treatment procedure of an inter-valve portion.

【図18】(a)はリメルト処理による弁間部の処理方
向を示す図であり、(b)は(a)の処理方向による処
理深さを示す断面図である。
18A is a diagram illustrating a processing direction of an inter-valve portion by a remelt process, and FIG. 18B is a cross-sectional view illustrating a processing depth in the processing direction of FIG.

【図19】(a)は本実施形態の摩擦撹拌処理による弁
間部び処理方向を示す図であり、(b)は(a)の処理
方向による処理深さをピン状工具の移動軌跡に対して直
角方向から見た断面図である。
FIG. 19A is a diagram showing a processing direction of an inter-valve portion by the friction stir processing of the present embodiment, and FIG. 19B is a drawing showing a processing depth in the processing direction of FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view as viewed from a direction perpendicular to the direction.

【図20】本実施形態の摩擦撹拌処理による弁間部の処
理深さをピン状工具の移動軌跡に平行な方向から見た断
面図である。
FIG. 20 is a cross-sectional view of the processing depth of the inter-valve portion by the friction stir processing of the present embodiment, as viewed from a direction parallel to the movement locus of the pin-shaped tool.

【図21】(a)は、本実施形態の表面処理が施された
金属組織及び母材の断面図であり、(b)は(a)の金
属組織及び母材を個別に示す断面図である。
21A is a cross-sectional view of a metal structure and a base material subjected to the surface treatment of the present embodiment, and FIG. 21B is a cross-sectional view showing the metal structure and the base material of FIG. is there.

【図22】(a)は、本実施形態の表面処理が施された
金属組織を示す断面図であり、(b)は、リメルト処理
が施された金属組織を示す断面図である。
FIG. 22 (a) is a cross-sectional view showing a metal structure subjected to the surface treatment of the present embodiment, and FIG. 22 (b) is a cross-sectional view showing the metal structure subjected to the remelt treatment.

【図23】第2実施形態の摩擦撹拌処理の特徴を説明す
る図であり、回転工具の進行方向及び素材の処理領域断
面を示す図である。
FIG. 23 is a diagram illustrating characteristics of the friction stir processing according to the second embodiment, and is a view illustrating a traveling direction of a rotary tool and a cross section of a material processing region.

【図24】第2実施形態の摩擦撹拌処理における第1の
処理パターンによる素材の処理領域断面を示す図であ
る。
FIG. 24 is a diagram showing a cross section of a processing region of a material according to a first processing pattern in the friction stir processing of the second embodiment.

【図25】第2実施形態の摩擦撹拌処理における第2の
処理パターンによる素材の処理領域断面を示す図であ
る。
FIG. 25 is a diagram showing a cross section of a processing region of a material according to a second processing pattern in the friction stir processing of the second embodiment.

【図26】ポート端部を処理する場合の悪い例を説明す
る図である。
FIG. 26 is a diagram illustrating a bad example in the case of processing a port end;

【図27】ポート端部を処理する場合の良い例を説明す
る図である。
FIG. 27 is a diagram illustrating a good example of processing a port end.

【図28】第2実施形態の摩擦撹拌処理を用いた直列多
気筒のディーゼルエンジンのシリンダヘッドの表面処理
であって、1つの処理経路例を示す図である。
FIG. 28 is a diagram showing one example of a processing path, which is a surface processing of a cylinder head of an in-line multi-cylinder diesel engine using the friction stir processing of the second embodiment.

【図29】第2実施形態の摩擦撹拌処理を用いた直列多
気筒のディーゼルエンジンのシリンダヘッドの表面処理
であって、他の処理経路例を示す図である。
FIG. 29 is a diagram showing another example of a processing path, which is a surface processing of a cylinder head of an in-line multi-cylinder diesel engine using the friction stir processing of the second embodiment.

【図30】従来のリメルト処理を用いた直列多気筒のデ
ィーゼルエンジンのシリンダヘッドの表面処理例を示す
図である。
FIG. 30 is a diagram showing an example of a surface treatment of a cylinder head of an in-line multi-cylinder diesel engine using a conventional remelt process.

【図31】撹拌による表面処理後にT6熱処理を施した
場合と施さない場合の硬さを比較して示す図である。
FIG. 31 is a diagram showing a comparison between hardness when a T6 heat treatment is performed after surface treatment by stirring and when no T6 heat treatment is performed.

【図32】T6熱処理のみ、撹拌による表面処理後にT
6熱処理を施した場合、リメルト処理後にT6熱処理を
施した場合の引張強度と伸び特性を比較して示す図であ
る。
FIG. 32: T6 heat treatment only, T after surface treatment by stirring
FIG. 6 is a diagram showing a comparison between tensile strength and elongation characteristics when a T6 heat treatment is performed after a remelt treatment when a 6 heat treatment is performed.

【図33】熱処理の違いに応じて変化する初期硬さと熱
疲労寿命との関係を示す図である。
FIG. 33 is a diagram showing the relationship between initial hardness and thermal fatigue life, which changes according to the difference in heat treatment.

【図34】従来のディーゼルエンジン用シリンダヘッド
の製造工程を説明するフローチャートである。
FIG. 34 is a flowchart illustrating a manufacturing process of a conventional cylinder head for a diesel engine.

【図35】リメルト処理の概要を説明する図である。FIG. 35 is a diagram illustrating an outline of a remelt process.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 摩擦撹拌装置 2 突出部 3 ショルダ部 4 回転工具 5 工具駆動手段 10 弁間部 11 余肉部 12 鋳抜き穴 13 終端穴 H シリンダヘッド DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Friction stirrer 2 Projection part 3 Shoulder part 4 Rotary tool 5 Tool drive means 10 Inter-valve part 11 Extra part 12 Cast-out hole 13 Termination hole H Cylinder head

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 凹所を有する鋳物の表面を回転工具の熱
により溶融させることなく撹拌して改質する表面処理方
法であって、 前記凹所の最も近接する領域における前記回転工具の表
面処理経路が、当該凹所と回転工具との間の素材の流動
が当該回転工具の進行方向に対して逆方向になるように
表面処理を施すことを特徴とする表面処理方法。
1. A surface treatment method for agitating and reforming the surface of a casting having a recess without being melted by heat of a rotary tool, wherein the surface treatment of the rotary tool in a region closest to the recess. A surface treatment method comprising: performing a surface treatment such that a flow of a material between the recess and the rotating tool is in a direction opposite to a traveling direction of the rotating tool.
【請求項2】 凹所を有する鋳物の表面を回転工具の熱
により溶融させることなく撹拌して改質する表面処理方
法であって、 前記凹所の最も近接する領域における前記回転工具の表
面処理経路が、当該凹所と回転工具との間の素材の流動
が当該回転工具の進行方向に対して同方向になるように
表面処理を施すことを特徴とする表面処理方法。
2. A surface treatment method for agitating and reforming the surface of a casting having a recess without being melted by heat of a rotary tool, wherein the surface treatment of the rotary tool in a region closest to the recess. A surface treatment method comprising: performing a surface treatment such that a flow of a material between the recess and the rotary tool is in the same direction as a traveling direction of the rotary tool.
【請求項3】 穴あけ加工が施される鋳物の表面を回転
工具の熱により溶融させることなく撹拌して改質する表
面処理方法であって、 前記穴あけ加工における穴径より小径の回転工具を用い
て、前記回転工具による表面処理経路の終点が前記穴あ
け加工を施す位置になるように表面処理を施すことを特
徴とする表面処理方法。
3. A surface treatment method for agitating and modifying a surface of a casting to be drilled without being melted by heat of a rotary tool, wherein a rotary tool having a smaller diameter than a hole diameter in the drilling is used. Wherein the surface treatment is performed such that an end point of the surface treatment path by the rotary tool is a position where the drilling is performed.
【請求項4】 複数の前記凹所を有し、前記回転工具に
より前記凹所間を改質すると共に、当該改質領域がオー
バラップするように前記表面処理経路を設定することを
特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の表面
処理方法。
4. The method according to claim 1, further comprising the step of modifying the space between the recesses with the rotary tool, and setting the surface treatment path so that the modified regions overlap each other. The surface treatment method according to claim 1.
【請求項5】 前記表面処理経路の始点を通過するよう
に当該表面処理経路の終点を設定することを特徴とする
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の表面処理方法。
5. The surface treatment method according to claim 1, wherein an end point of the surface treatment path is set so as to pass through a start point of the surface treatment path.
【請求項6】 前記鋳物は、複数の気筒に対応して一対
の吸気ポート及び一対の排気ポートを有するシリンダヘ
ッドであって、 前記一対の排気ポートと一対の吸気ポートの間を通るよ
うに前記シリンダヘッドの長手方向に対して連続処理し
た後、その位置に隣接する気筒から前記排気ポートと吸
気ポートの対の間を通るように表面処理を施すことを特
徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の表面処
理方法。
6. The cylinder head having a pair of intake ports and a pair of exhaust ports corresponding to a plurality of cylinders, wherein the cylinder head passes between the pair of exhaust ports and the pair of intake ports. 4. The method according to claim 1, wherein after performing continuous processing in the longitudinal direction of the cylinder head, surface processing is performed so as to pass between the pair of the exhaust port and the intake port from a cylinder adjacent to the position. 2. The surface treatment method according to claim 1.
【請求項7】 凹所を有し、その表面を回転工具の熱に
より溶融させることなく撹拌して改質した処理部材であ
って、 前記凹所の最も近接する領域における前記回転工具の表
面処理経路が、当該凹所と回転工具との間の素材の流動
が当該回転工具の進行方向に対して逆方向になるように
表面処理が施されたことを特徴とする処理部材。
7. A processing member having a recess, the surface of which is agitated and modified without being melted by the heat of the rotating tool, wherein the surface treatment of the rotating tool in a region closest to the recess. A processing member having a surface processed so that a flow of a material between the recess and the rotating tool is in a direction opposite to a traveling direction of the rotating tool.
【請求項8】 凹所を有し、その表面を回転工具の熱に
より溶融させることなく撹拌して改質した処理部材であ
って、 前記凹所の最も近接する領域における前記回転工具の表
面処理経路が、当該凹所と回転工具との間の素材の流動
が当該回転工具の進行方向に対して同方向になるように
表面処理が施されたことを特徴とする処理部材。
8. A processing member having a recess, the surface of which is agitated and modified without being melted by the heat of the rotary tool, wherein the surface treatment of the rotary tool in a region closest to the recess. A processing member, wherein a path is subjected to a surface treatment so that a flow of a material between the recess and the rotary tool is in the same direction as a traveling direction of the rotary tool.
【請求項9】 穴あけ加工が施され、その表面を回転工
具の熱により溶融させることなく撹拌して改質する処理
部材であって、 前記穴あけ加工における穴径より小径の回転工具を用い
て、前記回転工具による表面処理経路の終点が前記穴あ
け加工を施す位置になるように表面処理が施されたこと
を特徴とする処理部材。
9. A processing member which is subjected to drilling and is reformed by agitating the surface without being melted by the heat of the rotary tool, using a rotary tool having a smaller diameter than the hole diameter in the drilling, A processing member, wherein a surface treatment is performed so that an end point of a surface processing path by the rotary tool is a position where the drilling is performed.
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