JP2001347359A - 金属部材の表面処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】表面改質領域の背面に発生する欠陥を防止す
る。 【解決手段】平面状の先端部と、該先端部に突出する突
出部４とを有する回転子を回転させながら、該回転子の
先端部を金属部材Ｗの表面に押圧して、該金属部材の表
面を非溶融の状態で摩擦により攪拌させて改質する金属
部材の表面処理方法であって、前記金属部材の表面に対
する処理深さに応じて、前記回転子の突出部の前記金属
部材の表面への埋設深さを可変とすることを特徴とする
金属部材の表面処理方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【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に関する。

【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）リメルト処理を施ている。
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。

【０００３】図４６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４７は図４６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。

【０００４】図４６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。

【０００５】リメルト処理は、図４７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、共晶シリコンの均一分散化を図っ
ている。

【０００６】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】

【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。

【０００８】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。

【０００９】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。

【００１０】そこで、本願発明の先願として、特願平１
１−３７１０９７号には、回転子の先端部に突出部を設
け、この回転子を回転させながら、回転子の先端部を金
属部材の表面に押圧して、金属部材の表面を非溶融の状
態で摩擦により撹拌させて改質する表面処理技術が提案
されている。

【００１１】しかしながら、上記表面処理技術では、例
えば、金属部材の厚さが薄肉化した箇所がある場合に、
突出部の長さが表面改質領域として要求される深さより
長すぎて、金属部材の背面に欠陥が発生してしまう。

【００１２】本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その
目的は、金属部材の表面処理領域に対する処理深さを、
金属部材の厚さに応じて可変にでき、金属部材背面に欠
陥を発生させることなく、耐熱性の高い金属組織に改質
できる金属部材の表面処理方法を提供することである。

【００１３】

【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、本発明の金属部材の表面処理方法
は、平面状の先端部と、該先端部に突出する突出部とを
有する回転子を回転させながら、該回転子の先端部を金
属部材の表面に押圧して、該金属部材の表面を非溶融の
状態で摩擦により撹拌させて改質する金属部材の表面処
理方法であって、前記金属部材の表面に対する処理深さ
に応じて、前記回転子の突出部の前記金属部材の表面へ
の埋設深さを可変とする。

【００１４】また、好ましくは、前記突出部は、前記平
面状の先端部に固定され、前記金属部材の表面に対する
処理面積に応じて、前記回転子の先端部の前記金属部材
の表面への当接を制御する。

【００１５】また、好ましくは、前記突出部の埋設深さ
は、前記回転子の進行に従って前記回転子の処理終点に
近づくほど減少させる。

【００１６】また、好ましくは、前記突出部の形状は螺
子状で、前記回転子の突出部の前記金属部材の表面への
埋設深さを減少するときに、素材を表面に押し付ける方
向に前記回転子を回転させる。

【００１７】

【発明の効果】以上説明のように、請求項１の発明によ
れば、金属部材の表面に対する処理深さに応じて、回転
子の突出部の金属部材の表面への埋設深さを可変とする
ことにより、金属部材の表面処理領域に対する処理深さ
を、金属部材の厚さに応じて可変にでき、金属部材背面
に欠陥を発生させることなく、耐熱性の高い金属組織に
改質できる。

【００１８】請求項２の発明によれば、突出部は、平面
状の先端部に固定され、金属部材の表面に対する処理面
積に応じて、回転子の先端部の金属部材の表面への当接
を制御することにより、金属部材の厚さ及び処理面積に
応じて金属部材の表面処理領域に対する処理深さを可変
にでき、金属部材背面に欠陥を発生させることなく、耐
熱性の高い金属組織に改質できる。

【００１９】請求項３の発明によれば、突出部の埋設深
さは、回転子の進行に従って回転子の処理終点に近づく
ほど減少させることにより、終端穴が形成されなくな
る。

【００２０】請求項４の発明によれば、突出部の形状は
螺子状で、回転子の突出部の金属部材の表面への埋設深
さを減少するときに、素材を表面に押し付ける方向に回
転子を回転させることにより、金属組織の撹拌性が向上
し、未充填欠陥の防止効果も向上する。

【００２１】

【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。

【００２２】図１は、本発明に係る実施形態の金属部材
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、回転工具の突出部形状として球面状の例を示す
図である。図４は、回転工具の突出部形状として円筒状
の例を示す図である。図５は、回転工具の突出部形状と
して螺子状の例を示す図である。図６は、回転工具の突
出部形状としてテーパ状の例を示す図である。図７は、
回転工具の突出部形状として同心円状の例を示す図であ
る。

【００２３】本実施形態の摩擦撹拌による金属部材の表
面処理方法は、金属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。

【００２４】ここで、溶融しないで攪拌する状態とは、
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
属組織を軟化させて攪拌することを意味する。

【００２５】図１及び図２に示すように、摩擦撹拌装置
１は、球面状（図３参照）の突出部２が平面状の先端部
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を突出部２と共に回転駆動させつつ、金属部材
Ｗの表面改質領域に対して押圧しながら相対的に移動さ
せる工具駆動機構５とを備える。

【００２６】工具駆動機構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、回転方向、送り速度
及び押圧力を数値制御可能なＮＣ加工装置や多関節ロボ
ット等が用いられる。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、金属部材Ｗ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。

【００２７】突出部２を含む回転工具４は、金属部材Ｗ
よりも硬度の高い鋼材（超硬合金等）で形成された非摩
耗型材料より構成されるが、金属部材Ｗは回転工具４よ
り軟質の材質であれば、アルミニウム合金に限定されな
い。

【００２８】回転工具４は直径φ１が１０〜１５ｍｍ程
度、突出部２は直径φ２が５〜７．５ｍｍ程度に設計さ
れる。

【００２９】突出部２の形状は、図３に示す球面状の他
に、円筒状（図４）、螺子状（図５）、テーパ状（図
６）、同心円状（図７）等が考えられるが、後述する理
由により球面状、螺子状（但し、回転工具を螺子の巻き
方向と逆回転させる）、テーパ状の撹拌能力が高く好ま
しい。

【００３０】尚、以下では、説明の便宜上、螺子状の突
出部２において、回転工具４を螺子の巻き方向と逆回転
させるものを逆螺子状、螺子の巻き方向と同回転させる
ものを正螺子状と呼ぶ。

【００３１】本実施形態では、図８に示すように、表面
処理方法の対象となる金属部材としてＪＩＳ規格に準拠
し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，ＡＣ２
Ｂ、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２４％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、攪拌性が悪化するからである。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】図９（ａ）は突出部長さに応じた処理深さ
を示す図であり、図９（ｂ）は突出部長さＸ１を示す図
であり、図９（ｃ）は最大処理深さＤmaxを示す図であ
る。図１０は、回転工具の回転数及び送り速度に応じた
処理深さＷｄを示す図である。

【００３７】本実施形態では、突出部長さＸ１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、処理深さはリメルト処理での
処理深さの約２〜３倍の９ｍｍ程度まで可能である。ま
た、図９（ａ）に示すように、最大処理深さＤmaxは突
出部長さＸ１に比例（突出部長さの１．１〜１．２倍）
して大きくなり、処理幅Ｗｄも突出部直径φ２に比例し
て大きくなり、１．３〜１．５倍となる。また、図１０
に示すように、最大処理深さＤmaxは突出部長さＸ１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１０に例示するリメルト処理による最大処
理深さＤmax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。

【００３８】尚、処理幅Ｗｄを大きくするために先端部
直径φ１や突出部直径φ２を大きくすると、表面改質領
域に未充填欠陥が発生しやすくなる。このため、図１１
に示すように、回転工具４を処理表面に対して前進させ
つつ、前進方向と交差する横方向に移動させる（例え
ば、のこぎり歯状に移動させる）ことによって、回転工
具４の大型化を抑え、小型設備で処理面積を大きくする
ことができる。

【００３９】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
弁間部を表面改質処理する場合には、生産性を考慮して
回転工具４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。

【００４０】また、図１２に示すように回転工具４を処
理表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、表面のくぼみ量やばりを抑え、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。こ
の理由は、回転工具４を処理表面に対して傾けることに
より、先端部３の肩部３ａで表面改質領域の金属組織を
金属部材Ｗの厚み方向にも撹拌し、かつ突出部２の回転
で幅方向に撹拌するからである。但し、逆螺子の場合に
は、撹拌した金属組織を表面改質領域内部に押し込むよ
うに作用するため、傾けなくとも回転工具４を傾けた時
と同様の効果を得ることができる。

【００４１】回転工具４が処理表面に対して垂直（回転
工具４の傾け角θが０°）では、先端部３の肩部３ａ近
傍に発生する未充填欠陥の防止が難しく、傾け角θが５
°より大きくなると回転工具４の先端部３の肩部３ａで
処理表面に深い溝が形成され、ばり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。 ［突出部の形状の違いによる処理断面］図１３は、回転
工具の突出部形状が球面状の場合の金属部材の処理断面
を示す図である。図１４は、回転工具の突出部形状が逆
螺子状の場合の金属部材の処理断面を示す図である。図
１５は、回転工具の突出部形状が正螺子状の場合の金属
部材の処理断面を示す図である。図１６は、回転工具の
突出部形状がテーパ状の場合の金属部材の処理断面を示
す図である。図１７は、回転工具の突出部形状が同心円
状の場合の金属部材の処理断面を示す図である。

【００４２】処理条件は、回転工具の回転数が１２００
ｒｐｍ、送り速度が６３ｍｍ／ｍｉｎ、傾け角１°、突
出部長さ６ｍｍ、突出部直径φ１が８ｍｍとする。

【００４３】回転工具４の突出部２が球面状の場合（図
１３）、逆螺子状の場合（図１４）及びテーパ状の場合
（図１６）とを比較すると、処理深さ及び処理幅は、逆
螺子状の場合が最も大きく、次に球面状、テーパ状の場
合が最も小さくなり、いずれも表面改質領域に未充填欠
陥が発生せず、良好な結果が得られた。図１４の逆螺子
状の場合には、螺子の巻き方向と反対方向に回転工具４
を回転させるため、表面改質領域の素材は、素材側に押
し付られる。

【００４４】また、回転工具４の突出部２が正螺子状の
場合（図１５）は、螺子の巻き方向と同方向に回転工具
４を回転させ、表面改質領域の素材を表面側に押し上げ
る方向に回転工具４を回転させるため、処理深さ及び処
理幅は球面状の場合と略同様であるが、素材が表面に押
し上げられて撹拌される素材が不足することによって、
表面改質領域に未充填欠陥Ｓ１が発生している。

【００４５】更に、回転工具４の突出部２が同心円状の
場合（図１７）は、素材の厚さ方向の撹拌が不十分なた
めに、表面改質領域に未充填欠陥Ｓ１が発生している。

【００４６】上記図１３から図１７からわかるように、
本実施形態の表面処理には、回転工具４の突出部２が球
面状、逆螺子状及びテーパ状の場合が好ましく、特に逆
螺子状では、図１８及び図１９に示すように、球面状と
比較して処理深さＤmaxを弁間部の端部と中央部とで略
均一に形成できるため、工具としては最適である。

【００４７】尚、処理条件によっては突出部２に素材が
凝着する場合があるため、突出部２の表面にシアン化チ
タン（ＴｉＣＮ）等のコーティングを施してもよい。 ［突出部直径φ２と先端部直径φ１の影響］突出部２が
逆螺子状の回転工具４を用いて、回転数が１２００ｒｐ
ｍ、送り速度が６３ｍｍ／ｍｉｎ、傾け角１°として処
理を行った場合、図２０に示すように、φ１／φ２が２
付近では未充填欠陥が発生し、４付近では処理が不可と
なって、３付近が適切であるという結果が得られた。 ［回転工具の送り速度と回転数の関係］図２１は、回転
工具の送り速度と回転数の関係を示す図である。

【００４８】突出部２が逆螺子状の回転工具４を用い
て、傾け角１°とした場合、図２１に示す適正領域に応
じて回転工具４の送り速度と回転数を決定することで、
処理速度の高速化を図ることができる。 ［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。

【００４９】図２２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。

【００５０】図２２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。

【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４６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。 ［シリンダヘッドの弁間部処理］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弁間部処理に
ついて説明する。

【００５２】図２３は、シリンダヘッドの弁間部の横断
処理について説明する図である。

【００５３】図２３に示すように、横断処理は、回転工
具を隣り合うポートの弁間部において、処理軌跡Ｅ１〜
Ｅ３に沿って弁間部を最短距離で横断するよう摩擦によ
り撹拌しながら移動させるもので、処理深さを均一に確
保できて、処理時間が短い反面、突出部を処理表面に挿
入するための始端穴を形成するために、後述するように
弁間部の各ポートの延長部分に余肉部と鋳抜き穴とを形
成する必要がある。

【００５４】図２４は、シリンダヘッドの弁間部の縦断
処理について説明する図である。

【００５５】図２４に示すように、縦断処理は、回転工
具を隣り合うポートの弁間部において、処理軌跡Ｆ１〜
Ｆ３に沿って弁間部を縦断するよう摩擦により撹拌しな
がら移動させるもので、余肉部と鋳抜き穴が不要にな
る。

【００５６】また、図２５に示すように終点をポートに
近接するシリンダヘッドのテンションボルト穴２１や、
図２６に示すようにインジェクタ穴２２（若しくはプラ
グ穴）にすることで処理軌跡の終点に終端穴が形成され
なくなる。

【００５７】更に、図２７に示すように、回転工具４を
傾け角θの方向が可変になるよう揺動自在に支持するこ
とにより、図２６で回転工具４を１つの始端穴（インジ
ェクタ穴２２）に戻るように傾け角θを反転させて処理
軌跡Ｇ１〜Ｇ３を設定でき、終端穴が不要となる。

【００５８】また、終端部付近で徐々に突出部２（好ま
しくは、逆螺子状）を表面から引き上げるように移動さ
せれば、終端穴を小さくすることができる。

【００５９】また、図２８に示すように、金属部材Ｗの
表面に予め突出部長さ以上の肉盛り部Ｗ１を形成し、表
面処理後に終端穴ごと削除してもよい。

【００６０】図２９は、上記横断処理と縦断処理の熱衝
撃寿命を示す図である。

【００６１】図２９に示すように、例えば、シリンダヘ
ッドの弁間部に摩擦撹拌により表面処理を施した後、鋳
物にＴ６熱処理を施して硬さや強度を増加させた場合、
横断処理より縦断処理が高強度にできるが、横断処理で
も十分な強度が得られる。 ［横断処理による表面処理］次に、図２３に示す横断処
理による表面処理ついて説明する。

【００６２】図３０乃至図３４は、弁間部の摩擦撹拌処
理手順を説明する図である。

【００６３】摩擦撹拌処理の前工程として、図３０に示
すように、シリンダヘッドを鋳造する際に、隣り合うポ
ート１４，１５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。

【００６４】次に、図３１に示すように、回転工具４を
回転駆動しながら、突出部２を鋳抜き穴１２に挿入して
位置決めすると共に、回転工具４の先端部３を弁間部１
０の表面に押圧して処理深さを決める。

【００６５】続いて、図３２に示すように、隣り合うポ
ートの中心を結ぶ線Ｌ１を回転工具４の移動軌跡とし
て、工具駆動機構５によって一方の余肉部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の先端部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。

【００６６】更に、図３３に示すように、回転工具４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には回転工具４の
突出部２の終点として終端穴１３が形成される。

【００６７】最後に、図３４に示すように、余肉部１１
を削除してポート１４，１５を仕上げ加工する。 ［表面処理後の熱処理］図３５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３６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３７は、Ｔ６熱処理のみ、撹拌による
表面処理のみ、撹拌による表面処理後にＴ６熱処理を施
した場合の熱衝撃寿命を比較して示す図である。図３８
は、リメルト処理、撹拌による表面処理のみ、撹拌によ
る表面処理後にＴ６熱処理を施した場合の熱衝撃寿命と
処理深さとの関係を比較して示す図である。

【００６８】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３５に示すように表面改質領域の金属組織及
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３６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。

【００６９】また、図３７からわかるように、本実施形
態の撹拌による表面処理により、熱疲労寿命が大幅に向
上でき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。

【００７０】また、図３８からわかるように、処理深さ
を増加することによって、リメルト処理を超えるほど熱
疲労寿命が大幅に向上でき、熱衝撃に対する強度が大き
くなる。

【００７１】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。

【００７２】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。 ［突出部を挿入する始端穴の容積の影響］図３９は、始
端穴の容積を突出部の容積以上に形成した場合の表面改
質領域に発生する未充填欠陥を示す図である。図４０
は、始端穴の寸法を変更した場合に表面改質領域に未充
填欠陥が発生するか否かを示す図である。

【００７３】図３０で鋳抜き穴１２として示した始端穴
の容積Ｖ１を突出部２の容積Ｖ２以下に形成した場合
（Ｖ１≦Ｖ２）、突出部２の回転により始端穴の周辺を
軟化しながら挿入するため、工具駆動機構５に対する抵
抗は大きくなるが、処理表面に未充填欠陥は発生しな
い。ところが、始端穴の容積Ｖ１を突出部２の容積Ｖ２
以上に形成した場合（Ｖ１≧Ｖ２）、図３９に示すよう
に、表面処理初期から突出部と始端穴との間に隙間が生
じているために、その隙間を埋めるだけの素材が不足し
て表面改質領域に未充填欠陥Ｐが発生してしまう。但
し、図３９での処理条件は、回転工具４の回転数が１２
００ｒｐｍ、送り速度が６３ｍｍ／ｍｉｎ、傾け角１°
である。

【００７４】具体的には、図４０に示すように、始端穴
の直径や深さを突出部より大きくして容積比Ｖ１／Ｖ２
を１．１以上に設定した場合、いずれにおいても表面改
質領域に未充填欠陥が発生した。

【００７５】そこで、本実施形態では、処理表面に形成
される始端穴の容積Ｖ１を突出部の容積に対して、０＜
Ｖ１／Ｖ２＜１．１未満に設定し、好ましくは、始端穴
の形状を突出部の形状と略同等に形成して、未充填欠陥
の発生を防止している。

【００７６】また、回転工具４を処理表面に対して傾け
角θで傾斜させて前進させる場合、始端穴は回転子の傾
け角θに合致するよう形成し、始端穴に突出部を挿入す
る際にも傾け角θに合わせて突出部を始端穴と平行に挿
入する。 ［突出部長さの表面改質領域に対する影響］図４１は、
回転工具の進行方向に対して、金属部材の厚さが薄肉化
する場合の表面改質領域に発生する欠陥を説明する図で
ある。図４２は、金属部材の厚さが薄肉化する場合に回
転工具の埋設量を金属部材の厚さに応じて変更する方法
を説明する図である。

【００７７】図４１に示すように、回転工具４の進行方
向に対して、金属部材Ｗの厚さが薄肉化している場合、
例えば、突出部２の長さより薄い部位がある場合には回
転工具４が金属部材Ｗの背面に突き抜けたり、突出部２
の長さに対して金属部材Ｗの厚さが不十分な場合には表
面改質領域にある素材が背面に流動して、背面に盛り上
がり等の欠陥が発生してしまう。

【００７８】そこで、本実施形態では、図４２に示すよ
うに、金属部材Ｗの厚さに応じて処理深さを決定し、こ
の処理深さに応じて回転工具４の突出部２の金属部材Ｗ
の表面改質領域への埋設深さを可変として、上記欠陥の
発生を防止している。

【００７９】具体的には、工具駆動機構５により回転工
具４を進行させつつ、回転工具４が表面改質領域の薄肉
部位に差しかかったところで、その厚さに応じて突出部
２の埋設深さを減少させる。

【００８０】また、金属部材Ｗの表面に対する処理面積
に応じて、回転工具４の先端部３の金属部材Ｗの表面へ
の当接を制御する。

【００８１】つまり、回転工具４の進行方向に対して、
金属部材Ｗの表面の高さが同一で厚さが薄肉化する場合
には、金属部材Ｗの厚さに応じて回転工具４を上昇させ
ることにより回転工具４の先端部３の肩部を金属部材Ｗ
の表面に接触させずに撹拌する。

【００８２】また、回転工具４の進行方向に対して、金
属部材Ｗの表面の高さが低くなって厚さが薄肉化する場
合には、金属部材Ｗの厚さに応じて回転工具４を下降又
は維持させることにより回転工具４の先端部３の肩部を
金属部材Ｗの表面に接触させずに撹拌する。

【００８３】このように、回転工具４の突出部２の表面
改質領域に対する埋設量を、その厚さに応じて減少させ
ることにより、突出部が金属部材の背面に突き抜けて、
表面改質領域にある素材が背面に流動してしまい、表面
改質領域の素材が不足して表面にくぼみ等の欠陥が発生
するのを防止できる。 ［回転工具の別構成］図４３は、本実施形態の回転工具
の別構成として、回転工具の突出部の突出量を可変にす
る機構を設けた例を示している。

【００８４】図４３に示すように、回転工具４０は、中
空円筒状の外筒部材４１と、この外筒部材４１内部に設
けられ、外筒部材４１の先端部４２から出没可能な突出
部４３とを備える。

【００８５】突出部４３は、外筒部材４１の先端部４２
から外部に突出する突出量が可変であり、外筒部材４１
と突出部４３とはスプライン嵌合等によって一体的に回
転駆動される。

【００８６】この構成により、図４２のように金属部材
Ｗの厚さに応じて回転工具４の先端部３の高さを変更す
ることなく、表面処理部位の厚さが変化する場合でも、
良好に対応することができる。 ［突出部の長さと金属部材の表面改質領域の厚さとの関
係］図４４は、突出部の長さと金属部材の表面改質領域
の厚さとの関係を測定する試験片を示す図である。図４
５は、図４４の試験片を用いて球面状と逆螺子状の突出
部を有する回転工具により表面処理を行った場合の、試
験片の背面に発生する欠陥を示す図である。

【００８７】図４４に示す試験片は、表面改質領域の厚
さが５〜２０ｍｍの範囲で直線状に変化する部位Ｓ２が
形成され、この試験片の部位Ｓ２の背面に球面状と逆螺
子状の突出部を有する回転工具４により表面処理を行
い、試験片の部位Ｓ２に欠陥が発生した位置での表面改
質領域の厚さを測定している。

【００８８】試験条件は、球面状と逆螺子状の突出部
（直径８ｍｍ，長さ６ｍｍ）を有する回転工具を用い
て、回転数を１２００ｒｐｍ、送り速度を４７ｍｍ／ｍ
ｉｎ、傾け角１°として処理を行っている。

【００８９】試験結果によると、球面状の突出部を用い
た場合には、突出部の長さの２．１倍の表面改質領域の
厚さが必要であり、逆螺子状の突出部を用いた場合に
は、球面状のものより撹拌能力が高いために突出部の長
さの２．５倍の表面改質領域の厚さが必要であった。

【００９０】従って、金属部材Ｗの表面処理部位の厚さ
を、回転工具４の突出部２の金属部材Ｗの表面への埋設
深さの２倍以上に設定することで、表面改質領域の背面
の欠陥を防止でき、例えば、シリンダヘッドの弁間部の
表面処理にも有効に適用できる。

【００９１】尚、表面改質領域の背面の欠陥を抑えるた
めに、表面改質領域を冷却しながら表面処理を行っても
よい。

【００９２】また、金属部材Ｗの表面処理部位の厚さを
回転工具４の突出部２の金属部材Ｗの表面への埋設深さ
の２倍以上に設定するために、図４３で説明したよう
に、回転工具４の突出部２の金属部材Ｗの表面への埋設
深さを可変とし、回転工具４の突出部２の金属部材Ｗの
表面への埋設深さが浅い場合、突出部２を金属部材Ｗの
表面に対して上昇させるようにしてもよい。

【００９３】尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲
で上記実施形態を修正又は変形したものに適用可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【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。

【図２】図１の回転工具付近の拡大図である。

【図３】球面状の突出部を示す図である。

【図４】円筒状の突出部を示す図である。

【図５】螺子状の突出部を示す図である。

【図６】テーパ状の突出部を示す図である。

【図７】同心円状の突出部を示す図である。

【図８】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。

【図９】（ａ）は突出部長さに応じた処理深さを示す
図、（ｂ）は突出部長さＸ１を示す図、（ｃ）は最大処
理深さＤmaxを示す図である。

【図１０】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。

【図１１】処理幅を拡大する場合の回転工具の移動軌跡
を示す図である。

【図１２】回転工具の傾け角を示す図である。

【図１３】回転工具の突出部形状が球面状の場合の金属
部材の処理断面を示す図である。

【図１４】回転工具の突出部形状が逆螺子状の場合の金
属部材の処理断面を示す図である。

【図１５】回転工具の突出部形状が正螺子状の場合の金
属部材の処理断面を示す図である。

【図１６】回転工具の突出部形状がテーパ状の場合の金
属部材の処理断面を示す図である。

【図１７】回転工具の突出部形状が同心円状の場合の金
属部材の処理断面を示す図である。

【図１８】球面状の突出部を用いた場合の表面改質領域
の断面図である。

【図１９】逆螺子状の突出部を用いた場合の表面改質領
域の断面図である。

【図２０】突出部直径と先端部直径との比率による表面
処理結果を示す図である。

【図２１】回転工具の送り速度と回転数の関係を示す図
である。

【図２２】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。

【図２３】シリンダヘッドの弁間部の横断処理について
説明する図である。

【図２４】シリンダヘッドの弁間部の縦断処理について
説明する図である。

【図２５】本実施形態の表面処理における終端穴を形成
しない方法を説明する図である。

【図２６】本実施形態の表面処理における終端穴を形成
しない処理方法を説明する図である。

【図２７】本実施形態の表面処理における終端穴のみを
形成する処理方法を説明する図である。

【図２８】本実施形態の表面処理における終端穴を形成
しない方法を説明する図である。

【図２９】本実施形態の表面処理における横断処理と縦
断処理の熱衝撃寿命を示す図である。

【図３０】弁間部の表面処理手順を説明する図である。

【図３１】弁間部の表面処理手順を説明する図である。

【図３２】弁間部の表面処理手順を説明する図である。

【図３３】弁間部の表面処理手順を説明する図である。

【図３４】弁間部の表面処理手順を説明する図である。

【図３５】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３６】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。

【図３７】Ｔ６熱処理のみ、撹拌による表面処理のみ、
撹拌による表面処理後にＴ６熱処理を施した場合の熱衝
撃寿命を比較して示す図である。

【図３８】リメルト処理、撹拌による表面処理のみ、撹
拌による表面処理後にＴ６熱処理を施した場合の熱衝撃
寿命と処理深さとの関係を比較して示す図である。

【図３９】始端穴の容積を突出部の容積以上に形成した
場合の表面改質領域に発生する未充填欠陥を示す図であ
る。

【図４０】始端穴の寸法を変更した場合に表面改質領域
に未充填欠陥が発生するか否かを示す図である。

【図４１】回転工具の進行方向に対して、金属部材の厚
さが薄肉化する場合の表面改質領域に発生する欠陥を説
明する図である。

【図４２】金属部材の厚さが薄肉化する場合に回転工具
の埋設量を金属部材の厚さに応じて変更する方法を説明
する図である。

【図４３】本実施形態の回転工具の別構成として、回転
工具の突出部の突出量を可変にする機構を設けた例を示
した図である。

【図４４】突出部の長さと金属部材の表面改質領域の厚
さとの関係を測定する試験片を示す図である。

【図４５】図４４の試験片を用いて球面状と逆螺子状の
突出部を有する回転工具により表面処理を行った場合
の、試験片の背面に発生する欠陥を示す図である。

【図４６】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４７】リメルト処理の概要を説明する図である。

【符号の説明】

１ 摩擦撹拌装置 ２ 突出部 ３ 先端部 ４ 回転工具 ５ 工具駆動機構 １０ 弁間部 １１ 余肉部 １２ 鋳抜き穴 １３ 終端穴

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平面状の先端部と、該先端部に突出する
   突出部とを有する回転子を回転させながら、該回転子の
   先端部を金属部材の表面に押圧して、該金属部材の表面
   を非溶融の状態で摩擦により撹拌させて改質する金属部
   材の表面処理方法であって、 前記金属部材の表面に対する処理深さに応じて、前記回
   転子の突出部の前記金属部材の表面への埋設深さを可変
   とすることを特徴とする金属部材の表面処理方法。
2. 【請求項２】 前記突出部は、前記平面状の先端部に固
   定され、前記金属部材の表面に対する処理面積に応じ
   て、前記回転子の先端部の前記金属部材の表面への当接
   を制御することを特徴とする請求項１に記載の金属部材
   の表面処理方法。
3. 【請求項３】 前記突出部の埋設深さは、前記回転子の
   進行に従って前記回転子の処理終点に近づくほど減少さ
   せることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属部材
   の表面処理方法。
4. 【請求項４】 前記突出部の形状は螺子状で、前記回転
   子の突出部の前記金属部材の表面への埋設深さを減少す
   るときに、素材を表面に押し付ける方向に前記回転子を
   回転させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか
   １項に記載の金属部材の表面処理方法。