JP2003089884A - Surface reforming method and device for workpiece - Google Patents

Surface reforming method and device for workpiece

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JP2003089884A
JP2003089884A JP2001280490A JP2001280490A JP2003089884A JP 2003089884 A JP2003089884 A JP 2003089884A JP 2001280490 A JP2001280490 A JP 2001280490A JP 2001280490 A JP2001280490 A JP 2001280490A JP 2003089884 A JP2003089884 A JP 2003089884A
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JP
Japan
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workpiece
coating layer
base material
work piece
modifying
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Application number
JP2001280490A
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Japanese (ja)
Inventor
Kunihiko Wada
国彦 和田
Masako Nakabashi
昌子 中橋
Masayuki Ishikawa
昌幸 石川
Toshiaki Fuse
俊明 布施
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To form a surface reforming layer having excellent mechanical characteristics, corrosion resistance, wear resistance, electrical characteristics, etc. SOLUTION: The surface of a base metal 1 of a workpiece is reformed by forming a coating layer 2 on the surface of the base metal 1, then inserting a rotary tool 3 to perform circulating motion into the workpiece from its surface and relatively moving the rotary tool 3 and the workpiece in this state, thereby frictionally agitating the coating layer 2 or the base metal 1 and the coating layer 2.

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、各種工業分野にお
いて用いられる被加工物の特性を改善するために用いら
れる表面改質方法及び装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surface modification method and apparatus used for improving the characteristics of a workpiece used in various industrial fields.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、金属に対して機械的特性や耐食
性、耐磨耗性、電気伝導性等の機能を付高める方法とし
て、溶射法、めっき法、拡散浸透処理、物理蒸着法、化
学蒸着法、イオン注入など多くの表面改質法が用いられ
てきた。
2. Description of the Related Art Conventionally, thermal spraying, plating, diffusion permeation, physical vapor deposition, chemical vapor deposition have been used as methods for enhancing functions such as mechanical properties, corrosion resistance, abrasion resistance, and electrical conductivity of metals. Many surface modification methods have been used such as ion implantation and ion implantation.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】これらの方法にはそれ
ぞれ長所・短所があるが、共通する問題として、母材と
被覆層との界面での密着性、被覆層に内在する気孔、母
材の熱影響などが挙げられ、製品適用への阻害要因とな
っている。
Each of these methods has advantages and disadvantages, but common problems are adhesion at the interface between the base material and the coating layer, pores existing in the coating layer, and the base material Thermal effects are a factor that hinders the application of products.

【0004】また、これらの問題を解決するために、レ
ーザー加熱等の後処理によって表面層を再び改質するこ
とが行われている。
In order to solve these problems, the surface layer is reformed again by post-treatment such as laser heating.

【0005】しかしながら、レーザー加熱等では、密着
性向上のために入熱量を多くすると、母材に熱影響が及
んだり、被覆層に割れが生じ、逆に入熱量が少ないと、
改質が不十分であるなど、施工条件の最適化が極めて困
難であり、実用的にはほとんど用いられていない。
However, in the case of laser heating or the like, when the heat input amount is increased to improve the adhesion, the base material is thermally affected or the coating layer is cracked, and conversely, when the heat input amount is small,
It is extremely difficult to optimize the construction conditions such as insufficient reforming, and it is hardly used in practice.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】そこで、最近では溶射
法、めっき法、拡散浸透処理、物理蒸着法、化学蒸着
法、イオン注入などによって形成された表面層の内部、
もしくは表面層と母材とを摩擦攪拌によって再び表面改
質することが試みられている。
Therefore, recently, inside the surface layer formed by a thermal spraying method, a plating method, a diffusion permeation treatment, a physical vapor deposition method, a chemical vapor deposition method, ion implantation, or the like,
Alternatively, it has been attempted to modify the surface layer and the base material again by friction stirring.

【0007】現在、摩擦攪拌は主に板材の接合に用いら
れている。この摩擦攪拌接合法は、例えば特許2712838
号公報や特開平9−508073号公報に記載されているよう
に、被加工物より硬い回転子を被加工物に接触させ、こ
れによって生じる摩擦熱と圧力によって被加工物素材の
塑性流動化を引き起こすことにより、回転子が加工物内
で埋入状態で移動できることを利用したものである。
At present, friction stir is mainly used for joining plate materials. This friction stir welding method is disclosed, for example, in Japanese Patent No. 2712838.
As described in JP-A-9-508073 and JP-A-9-508073, a rotor that is harder than the work piece is brought into contact with the work piece, and the frictional heat and pressure generated thereby cause plastic fluidization of the work piece material. It is based on the fact that the rotor can be moved in an embedded state in the workpiece by causing it.

【0008】すなわち、回転子を2枚の板材の突合せ接
合線に沿って移動させると、移動する回転子の前方で生
じた塑性流動によって、2枚の板材が攪拌され、移動
後、急速な冷却によって固化し、最終的に両者は完全に
一体化される。
That is, when the rotor is moved along the butt joint line of the two plates, the two plates are agitated by the plastic flow generated in front of the moving rotor, and after the move, the plates are rapidly cooled. Solidify, and finally the two are completely integrated.

【0009】また、この摩擦攪拌を局部的な表面改質に
利用することも特開平2000−246114公報などで開示され
ている。しかし、この公報に見られる方法では、母材に
凹部を形成し、その中に改質用材料の粉末を導入するこ
となどから、改質部位が局所的であり、しかも処理前の
機械加工が不可欠であるなどの問題がある。
Further, it is also disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-246114 that the friction stir is utilized for local surface modification. However, in the method disclosed in this publication, since the concave portion is formed in the base material and the powder of the modifying material is introduced into the concave portion, the modified portion is local, and the machining before the treatment is performed. There are problems such as being indispensable.

【0010】本発明は、上記のような問題を解消し、母
材の熱影響が極めて少なく、しかも母材との密着性が極
めて高い被加工物の表面改質方法及び装置を提供するこ
とを目的とする。
The present invention solves the above problems and provides a method and apparatus for modifying the surface of a work piece which has a very small heat effect on the base material and has a very high adhesion to the base material. To aim.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、次のような方法及び装置により被加工物の
表面改質を行なうものである。
In order to achieve the above object, the present invention is to carry out surface modification of a work piece by the following method and apparatus.

【0012】請求項1に対応する発明は、被加工物の母
材表面に被覆層を形成した後、前記被加工物の表面側か
ら循環運動を行う工具を挿入し、この状態で工具と前記
被加工物とを相対移動させることによって、前記被覆層
又は前記母材と前記被覆層とを摩擦攪拌して母材表面を
改質する。
In the invention corresponding to claim 1, after forming a coating layer on the surface of a base material of a workpiece, a tool for circulating motion is inserted from the surface side of the workpiece, and in this state, the tool and the By moving the workpiece relative to each other, the coating layer or the base material and the coating layer are frictionally stirred to modify the surface of the base material.

【0013】請求項2に対応する発明は、請求項1に対
応する発明の被加工物の表面改質方法において、摩擦攪
拌処理前の前記被覆層と前記母材との密着強度が10M
Pa以上である。
According to a second aspect of the invention, in the method for modifying the surface of a workpiece according to the first aspect of the invention, the adhesion strength between the coating layer and the base material before friction stir processing is 10M.
Pa or higher.

【0014】請求項3に対応する発明は、請求項1に対
応する被加工物の表面改質方法において、被覆層は溶射
法により形成される。
According to a third aspect of the invention, in the surface modification method for a work piece according to the first aspect, the coating layer is formed by a thermal spraying method.

【0015】請求項4に対応する発明は、請求項3に対
応する発明の被加工物の表面改質方法において、溶射法
の溶射粒子の速度は500m/s以上である。
According to a fourth aspect of the present invention, in the surface modification method for a workpiece according to the third aspect of the invention, the velocity of the spray particles in the thermal spraying method is 500 m / s or more.

【0016】請求項5に対応する発明は、請求項1に対
応する発明の被加工物の表面改質方法において、前記被
覆層を形成した母材を、発熱体、燃焼ガス火炎、プラズ
マ火炎、赤外線ランプ加熱、高周波加熱のいずれかによ
って、加熱しながら摩擦攪拌を行う。
According to a fifth aspect of the invention, in the method for modifying the surface of a workpiece according to the first aspect of the invention, the base material on which the coating layer is formed is used as a heating element, a combustion gas flame, a plasma flame, Friction stirring is performed while heating with either infrared lamp heating or high frequency heating.

【0017】請求項6に対応する発明は、請求項1に対
応する発明の被加工物の表面改質方法において、前記工
具が前記被加工物に接触している領域の周辺、或いは装
置全体を不活性ガスによってシールドしながら摩擦撹拌
する。
According to a sixth aspect of the present invention, in the method for modifying the surface of a work piece according to the first aspect of the present invention, the periphery of a region where the tool is in contact with the work piece or the entire apparatus is Friction stir while shielding with an inert gas.

【0018】請求項7に対応する発明は、請求項1に対
応する発明の被加工物の表面改質方法において、前記被
加工物、前記工具、もしくは装置全体を真空容器に入
れ、減圧雰囲気下で母材表面の改質施工を行なう。
According to a seventh aspect of the present invention, in the method for modifying the surface of a work piece according to the first aspect of the present invention, the work piece, the tool, or the entire apparatus is placed in a vacuum container and the atmosphere is reduced. Modify the surface of the base metal with.

【0019】請求項8に対応する発明は、請求項1に対
応する発明の被加工物の表面改質方法において、前記工
具が前記被加工物に接触している領域の周辺、或いは装
置全体を酸素、又は窒素あるいはこれらのうち少なくと
も1つを含む混合ガスを吹きつけながら母材表面の改質
施工を行なう。
According to an eighth aspect of the invention, in the method for modifying the surface of a work piece according to the first aspect of the invention, the area around the area where the tool is in contact with the work piece or the entire apparatus is The base material surface is modified while blowing oxygen, nitrogen, or a mixed gas containing at least one of these.

【0020】請求項9に対応する発明は、請求項1に対
応する発明の被加工物の表面改質方法において、摩擦攪
拌前に形成する被覆層の厚さと前記工具の挿入深さとの
比を変化させた状態で摩擦撹拌することにより、部位に
よって異なる組成の表面改質層を形成する。
According to a ninth aspect of the invention, in the method for modifying the surface of a workpiece according to the first aspect of the invention, the ratio of the thickness of the coating layer formed before friction stirring to the insertion depth of the tool is set. By friction stirring under the changed state, the surface modified layer having a different composition depending on the site is formed.

【0021】請求項10に対応する発明は、請求項1に
対応する発明の被加工物の表面改質方法において、前記
被覆層は摩擦攪拌前に層厚の比を変化させた2つ以上の
層からなり、この被覆層を摩擦攪拌することにより、部
位によって異なる組成・特性の表面改質層を形成する。
According to a tenth aspect of the present invention, in the method for modifying the surface of a workpiece according to the first aspect of the present invention, the coating layer has two or more layers whose thickness ratio is changed before friction stirring. The coating layer is composed of layers, and the surface-modified layer having different composition / characteristics is formed by friction stirring the coating layer.

【0022】請求項11に対応する発明は、溶射法によ
り母材表面に被覆層を形成する溶射処理機構と、摩擦攪
拌法による表面改質処理機構とを具備し、前記母材又は
溶射処理機構並びに前記表面改質処理機構を移動させな
がら前記溶射処理機構により母材表面に被覆層を形成す
ると同時に前記表面改質処理機構により被加工物に対し
て表面改質を行う。
The invention corresponding to claim 11 is provided with a thermal spraying mechanism for forming a coating layer on the surface of the base material by the thermal spraying method and a surface modification processing mechanism by the friction stir method. Further, while moving the surface modification treatment mechanism, a coating layer is formed on the surface of the base material by the thermal spraying treatment mechanism, and at the same time, the workpiece is surface-modified by the surface modification treatment mechanism.

【0023】請求項12に対応する発明は、母材に対し
て垂直方向に移動可能に支持され溶射法により前記母材
表面に被覆層を形成する溶射処理機構と、この溶射処理
機構と隣接する位置に一体的に且つ前記母材に対して垂
直方向に移動可能に支持され前記溶射処理機構により被
覆層が形成された被加工物に対して摩擦攪拌法により表
面改質を行う表面改質処理機構と、前記母材とこれら両
機構とを相対移動させる移動手段とを備える。
According to a twelfth aspect of the invention, there is provided a thermal spray treatment mechanism which is movably supported in the vertical direction with respect to the base material and forms a coating layer on the surface of the base material by a thermal spraying method. Surface modification treatment for performing surface modification by a friction stir method on a workpiece integrally supported at a position and movably in a direction perpendicular to the base material and having a coating layer formed by the thermal spraying mechanism. A mechanism and a moving means for relatively moving the base material and both mechanisms.

【0024】請求項13に対応する発明は、円柱状の被
加工物の外周、又は円筒状の被加工物の外周あるいは内
周に溝部を機械加工し、溶射法によって溝部を硬質材で
被覆・充填した後、回転工具を前記溝部に挿入しなが
ら、被加工物を回転運動させて、外周又は内周溝部周辺
に耐磨耗層を形成する。
In the invention corresponding to claim 13, a groove is machined on the outer circumference or the inner circumference of a cylindrical work piece or a cylindrical work piece, and the groove is covered with a hard material by a thermal spraying method. After filling, the workpiece is rotated while the rotary tool is inserted into the groove to form a wear resistant layer around the outer or inner groove.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0026】図1は本発明による表面改質方法を説明す
るための第1の実施の形態を示す模式図である。
FIG. 1 is a schematic view showing a first embodiment for explaining the surface modification method according to the present invention.

【0027】図1において、まず、母材1の表面に溶射
法、めっき法、拡散浸透処理、物理蒸着法、化学蒸着
法、イオン注入のいずれかを用いて被覆層2を形成す
る。次に被加工物表面側から回転工具3を挿入する。
In FIG. 1, first, the coating layer 2 is formed on the surface of the base material 1 by any one of the thermal spraying method, the plating method, the diffusion permeation treatment, the physical vapor deposition method, the chemical vapor deposition method, and the ion implantation. Next, the rotary tool 3 is inserted from the surface side of the workpiece.

【0028】この回転工具3は、回転もしくは並進、あ
るいはこれらの組合せからなる循環運動をするが、装置
の構造が簡単で、工具への負担の少ない回転運動が最も
好ましい。
The rotary tool 3 performs a rotary motion, a translation motion, or a cyclic motion consisting of a combination thereof, but the rotary motion is most preferable because the device structure is simple and the load on the tool is small.

【0029】また、回転工具3の先端の部分にらせん状
の溝を形成しておくと、この溝に沿って材料が浅い部位
から深い部位、もしくは深い部位から浅い部位の方向へ
の材料の流れが生じるため、より効果的に材料の攪拌が
実現される。
If a spiral groove is formed at the tip of the rotary tool 3, the material flows along the groove from a shallow portion to a deep portion or from a deep portion to a shallow portion. Therefore, the stirring of the material is realized more effectively.

【0030】そこで、溝加工した回転工具3を被覆層2
の表面を押し付けながら埋入し、摩擦熱によって十分加
熱された後、回転工具3と被加工物とを相対運動させ
る。図中では、回転工具3を並進運動させた。この時、
回転工具3の挿入深さが皮膜厚さより小さい場合には、
被覆層2内だけを改質することが可能になり、挿入深さ
が皮膜厚さを超えると、被覆層2と母材1とが攪拌され
た表面改質層4を形成することが可能になる。
Therefore, the grooved rotary tool 3 is applied to the coating layer 2
It is embedded while pressing its surface, and after being sufficiently heated by frictional heat, the rotary tool 3 and the workpiece are relatively moved. In the figure, the rotary tool 3 is translated. This time,
When the insertion depth of the rotary tool 3 is smaller than the film thickness,
It becomes possible to modify only the inside of the coating layer 2, and when the insertion depth exceeds the film thickness, it becomes possible to form the surface modified layer 4 in which the coating layer 2 and the base material 1 are agitated. Become.

【0031】ここで、母材1の材料としては、被加工物
もしくは樹脂であれば特別な限定はないが、被加工物の
場合には融点が低い方が塑性流動を生じやすいことか
ら、アルミニウムやマグネシウム、銅およびこれらの合
金への適用が最も容易である。
Here, the material of the base material 1 is not particularly limited as long as it is a work piece or a resin, but in the case of a work piece, aluminum having a lower melting point is more likely to cause plastic flow. It is most easily applied to magnesium, copper and their alloys.

【0032】また、被覆層2の材料としても、被加工物
や樹脂の適用が考えられるが、母材同様、融点が低い方
が適用は容易である。
As the material of the coating layer 2, it is possible to apply a work piece or a resin, but it is easier to apply the material having a lower melting point as in the base material.

【0033】ところで、被覆層2と母材1との密着強度
は、摩擦攪拌後の表面層の性状(特に気孔率)に大きな
影響を及ぼす。
By the way, the adhesion strength between the coating layer 2 and the base material 1 has a great influence on the properties (particularly the porosity) of the surface layer after friction stirring.

【0034】図2は被覆層2と母材1との密着強度と気
孔率との関係を示すグラフである。この図から明らかな
ように、密着強度が10MPa以下では、摩擦攪拌時に
基材と被覆層との剥離が生じ、これによる気孔が内在し
てしまうため、良好な表面層を形成できない。特に3M
Pa以下では、被覆層の剥離が生じ、加工自体が不可能
であった。これに対し、被覆層2と母材1との密着強度
が密着強度が10MPa以上になると表面層内の気孔率
は小さくなり、優れた構造の皮膜形成が可能になる。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the adhesion strength between the coating layer 2 and the base material 1 and the porosity. As is clear from this figure, when the adhesion strength is 10 MPa or less, the base material and the coating layer are peeled off during frictional stirring, and the resulting pores are present, making it impossible to form a good surface layer. Especially 3M
When it was Pa or less, peeling of the coating layer occurred and the processing itself was impossible. On the other hand, when the adhesion strength between the coating layer 2 and the base material 1 is 10 MPa or more, the porosity in the surface layer becomes small, and a film having an excellent structure can be formed.

【0035】また、摩擦攪拌前の表面層の形成方法とし
ては、前述したようにスラリー法、溶射法、めっき法、
拡散浸透処理、物理蒸着法、化学蒸着法、イオン注入な
どの方法があるが、これらの中でも溶射法は、厚膜の形
成が容易であること、被覆材料の選択の幅が広いこと、
母材と被覆層との密着強度が比較的高いなどの理由か
ら、表面改質を行なうには好適であると考えられる。さ
らに、被覆層内部に気孔や積層界面のような変形が容易
な部位が存在するため、材料そのものの変形量がわずか
であっても、摩擦攪拌後に良好な皮膜を形成することが
できるので、この意味でも溶射法は本発明の表面改質法
に好適であるといえる。
As the method of forming the surface layer before frictional stirring, as described above, the slurry method, the thermal spraying method, the plating method,
There are methods such as diffusion permeation treatment, physical vapor deposition method, chemical vapor deposition method, and ion implantation. Among them, the thermal spraying method is easy to form a thick film and has a wide selection of coating materials.
It is considered to be suitable for surface modification because of the relatively high adhesion strength between the base material and the coating layer. Furthermore, because there are easily deformable parts such as pores and laminated interfaces inside the coating layer, a good film can be formed after friction stirring even if the amount of deformation of the material itself is small. It can be said that the thermal spraying method is also suitable for the surface modification method of the present invention.

【0036】図3は、溶射粒子速度の異なる数種類の溶
射法を用いて、被覆層を形成した後、摩擦攪拌を行い、
形成された表面層内部の欠陥を光学顕微鏡によって観
察、定量化した結果を示すグラフである。
FIG. 3 shows that after the coating layer is formed by using several kinds of thermal spraying methods having different sprayed particle velocities, friction stirring is performed.
It is a graph which shows the result of having observed and quantified the defect inside the formed surface layer with an optical microscope.

【0037】このグラフから分るように、溶射法の中で
も、高速の燃焼火炎などを利用した粒子速度が500m
/s以上の高速溶射法を利用すると、表面層内の欠陥量
の平均値が10%より低下することから、表面処理に用
いる溶射法としては、高速溶射法が好適であることが明
らかである。
As can be seen from this graph, even in the thermal spraying method, the particle velocity using a high-speed combustion flame is 500 m.
Since the average value of the amount of defects in the surface layer is lower than 10% when the high-speed spraying method of / s or more is used, it is clear that the high-speed spraying method is suitable as the spraying method used for the surface treatment. .

【0038】そこで、本実施の形態では、摩擦攪拌処理
前の被覆層2と母材1との密着強度が10MPa以上と
なり、且つ表面層内の欠陥率の少ない溶射粒子の速度が
500m/s以上の溶射法を用いて被覆層を形成するも
のである。
Therefore, in the present embodiment, the adhesion strength between the coating layer 2 and the base material 1 before the friction stir processing is 10 MPa or more, and the velocity of the spray particles having a small defect rate in the surface layer is 500 m / s or more. The coating layer is formed using the thermal spraying method.

【0039】このような表面改質方法とすれば、母材の
熱影響が少なく、且つ母材との密着性が極めて高い表面
皮膜を形成することができる。
According to such a surface modification method, it is possible to form a surface film which is less affected by the heat of the base material and has an extremely high adhesion to the base material.

【0040】上記の実施の形態において、回転工具3が
被加工物に接触している領域の周辺、あるいは装置全体
をアルゴン、またはヘリウムもしくはこれらの混合ガス
等の不活性ガスによってシールドしながら施工するよう
にしてもよい。
In the above-described embodiment, the work is carried out while shielding the rotary tool 3 around the region in contact with the workpiece or the entire apparatus with an inert gas such as argon, helium or a mixed gas thereof. You may do it.

【0041】また、被加工物、工具、もしくは装置全体
を真空容器に入れ、減圧雰囲気下で施工するようにして
もよい。
Further, the workpiece, the tool, or the entire apparatus may be put in a vacuum container and the work may be carried out under a reduced pressure atmosphere.

【0042】図4は真空中で母材表面の被覆層を改質す
るための装置の一例を示す構成図である。
FIG. 4 is a block diagram showing an example of an apparatus for modifying the coating layer on the surface of the base material in vacuum.

【0043】図4において、真空容器13内に被加工物
14は移動式ベッド12の上に固定され、並進運動を行
う。一方、回転工具3はモータ10に連結され、これら
は上下駆動機構11によって垂直方向に移動可能になっ
ている。
In FIG. 4, the work piece 14 is fixed on the movable bed 12 in the vacuum container 13 and moves in translation. On the other hand, the rotary tool 3 is connected to a motor 10, which is vertically movable by a vertical drive mechanism 11.

【0044】この場合、加工量を精密に制御するため
に、工具の位置決め機構や、ロードセルによる工具の荷
重制御機構を設けることも可能である。
In this case, in order to precisely control the machining amount, it is possible to provide a tool positioning mechanism or a tool load control mechanism using a load cell.

【0045】なお、図中15は真空容器13内を真空び
きするための真空ポンプである。
Reference numeral 15 in the figure denotes a vacuum pump for vacuuming the inside of the vacuum container 13.

【0046】図5は前述した表面改質の施工にあたり、
通常の方法、シールドガスを利用した方法、真空中での
施工それぞれによる皮膜内部に残存する不純物量の比較
結果を示すグラフである。
FIG. 5 shows the construction of the above-mentioned surface modification.
It is a graph which shows the comparison result of the amount of impurities which remain in the inside of a film by the usual method, the method using a shield gas, and the construction in vacuum.

【0047】このグラフから明らかなように不活性ガス
によるシールドを行なう方法によれば、主に酸化物から
構成される皮膜内部の不純物量が格段に減少し、優れた
特性の皮膜を形成することが可能となる。
As is clear from this graph, according to the method of shielding with an inert gas, the amount of impurities inside the film mainly composed of oxide is remarkably reduced, and a film with excellent characteristics is formed. Is possible.

【0048】また、真空中で施工を行なうと、さらに皮
膜内部に残存する不純物の量を低減することができる。
Further, if the work is carried out in vacuum, the amount of impurities remaining inside the film can be further reduced.

【0049】なお、この時の真空度としては13kPa
(100Torr)以下になると不純物の量は格段に抑
制されることから、この値以下にすることが望ましい。
The degree of vacuum at this time is 13 kPa.
Since the amount of impurities is remarkably suppressed when it is (100 Torr) or less, it is desirable to set it to this value or less.

【0050】このように被加工物と回転工具とを真空中
に設置することによって、皮膜内の残存不純物量はシー
ルドガスの利用と比べて大きく減少するが、真空中では
連続的な処理ができないことや、コストがかかることな
どを考慮し、これらを用途によって使い分けることが好
ましい。
By thus placing the work piece and the rotary tool in vacuum, the amount of residual impurities in the film is greatly reduced as compared with the use of the shield gas, but continuous processing cannot be performed in vacuum. It is preferable to use these in accordance with the intended use in consideration of the fact that it is expensive.

【0051】図6は本発明による表面改質方法を説明す
るための第2の実施の形態を示す模式図で、図1と同一
部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは
異なる点について述べる。
FIG. 6 is a schematic view showing a second embodiment for explaining the surface modification method according to the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. Now let's talk about the differences.

【0052】本実施の形態では、図6に示すように赤外
線ランプ5による加熱によって被加工物表面を加熱しな
がら回転工具3により摩擦撹拌を行なうものである。
In this embodiment, as shown in FIG. 6, frictional stirring is performed by the rotary tool 3 while heating the surface of the workpiece by heating with the infrared lamp 5.

【0053】この場合、加熱部位は回転工具3の移動に
応じて、攪拌部の周辺に移動しなければならない。した
がって、被加工物が移動する場合には加熱源の駆動機構
は必要ないが、回転工具3自体の位置が移動する場合に
は、回転工具3と赤外線ランプ5とが一体となっている
か、もしくは加熱源自体を独自の移動機構により移動さ
せる必要がある。
In this case, the heating portion has to move to the periphery of the stirring section according to the movement of the rotary tool 3. Therefore, when the workpiece moves, the driving mechanism of the heating source is not necessary, but when the position of the rotary tool 3 itself moves, the rotary tool 3 and the infrared lamp 5 are integrated, or It is necessary to move the heating source itself by its own moving mechanism.

【0054】母材1として、特に鉄系の材料などのよう
に融点が比較的高い材料では、摩擦加熱のみで塑性流動
を生じるまで加熱するのは困難であり、回転工具3にか
かる負担も大きくなる。
If the base material 1 is a material having a relatively high melting point such as an iron-based material, it is difficult to heat it until frictional heating alone causes plastic flow, and the load on the rotary tool 3 is large. Become.

【0055】本実施の形態のように、赤外線ランプ5に
よって被加工物表面の外部加熱を行うことによって、回
転工具3の寿命は著しく改善される。
By externally heating the surface of the workpiece by the infrared lamp 5 as in the present embodiment, the life of the rotary tool 3 is significantly improved.

【0056】なお、外部加熱の方法としては、赤外線ラ
ンプによる加熱以外に発熱体、燃焼ガス火炎、プラズマ
火炎、高周波加熱のいずれか、もしくは2つ以上の方法
を併用することも可能であり、その用途によって使い分
けることが可能である。
As an external heating method, in addition to heating by an infrared lamp, any one of a heating element, combustion gas flame, plasma flame, high frequency heating, or a combination of two or more methods can be used. It can be used properly depending on the application.

【0057】また、必ずしも局部的な加熱である必要は
なく、電気炉等を利用して全体を加熱しても良い。
Further, it is not always necessary to perform local heating, and the whole may be heated using an electric furnace or the like.

【0058】図7は本発明による表面改質方法を説明す
るための第3の実施の形態を示す模式図で、図1と同一
部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは
異なる点について述べる。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a third embodiment for explaining the surface modification method according to the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. Now let's talk about the differences.

【0059】本実施の形態では、図7に示すように不活
性なガスとしてアルゴンが充填されたガスボンベ8、反
応性ガスとして酸素が充填されたガスボンベ9を用い、
これらのガスボンベ8,9よりアルゴンガス及び酸素ガ
スをバルブ10とレギュレータを介してノズル6に供給
する構成とし、このノズル6を通して不活性ガスと反応
ガスとの混合ガスを回転工具3が被加工物に接触してい
る領域の周辺に噴出させてガス雰囲気7を形成するもの
である。
In this embodiment, a gas cylinder 8 filled with argon as an inert gas and a gas cylinder 9 filled with oxygen as a reactive gas are used as shown in FIG.
Argon gas and oxygen gas are supplied from these gas cylinders 8 and 9 to the nozzle 6 through a valve 10 and a regulator, and the rotary tool 3 supplies a mixed gas of an inert gas and a reaction gas through the nozzle 6 to the workpiece. The gas atmosphere 7 is formed by ejecting the gas atmosphere 7 around the region in contact with the.

【0060】上記実施の形態において、反応ガスとして
酸素に代えて窒素ガスを用いてもよい。
In the above embodiment, nitrogen gas may be used as the reaction gas instead of oxygen.

【0061】図8は酸素、あるいは窒素を摩擦攪拌部周
辺に吹きつけた場合と、吹きつけない通常の施工によっ
て形成された表面層の硬さの比較を示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing the comparison of the hardness of the surface layer formed by the normal construction in which oxygen or nitrogen is blown around the friction stirrer and that when it is not blown.

【0062】このグラフから明らかなように大気中で施
工した場合に比べて、酸素や窒素の吹きつけを行うこと
によって硬さは1.5倍以上に改善されている。このこ
とは、酸素や窒素の吹きつけによって、摩擦攪拌時に表
面に形成された酸化物や窒化物が巻き込まれ表面層内に
混入し、これらの化合物が硬度を増加させて、耐磨耗性
を向上させたものと考えられる。
As is clear from this graph, the hardness is improved by 1.5 times or more by spraying oxygen and nitrogen, as compared with the case where the work is performed in the atmosphere. This is because the blowing of oxygen or nitrogen causes the oxides and nitrides formed on the surface during friction stir to be entrained and mixed into the surface layer, and these compounds increase the hardness and wear resistance. It is considered to have improved.

【0063】また、アルゴンガスと酸素ガスの混合比を
制御することによって、被加工物の部位に応じて表面改
質層内に含まれる反応層の量を変化させることが可能で
あり、特性の異なる皮膜を一度の工程で実現することが
できる。
By controlling the mixing ratio of the argon gas and the oxygen gas, it is possible to change the amount of the reaction layer contained in the surface modification layer according to the site of the workpiece, and Different coatings can be realized in one step.

【0064】以上各実施の形態では、いずれも母材の表
面に被覆層を形成し、この被覆層を通して母材内に回転
工具を挿入して摩擦撹拌することで表面改質層を形成す
る場合について述べたが、次のような方法で表面改質層
を形成してもよい。
In each of the above embodiments, a coating layer is formed on the surface of the base material, and a rotary tool is inserted through the coating layer into the base material and friction stirring is performed to form the surface modification layer. However, the surface modification layer may be formed by the following method.

【0065】(1)摩擦攪拌前に形成する被覆層の厚さ
と、摩擦攪拌に用いる工具の挿入深さとの比を変化させ
て、部位によって異なる組成の表面層を形成する。
(1) The ratio of the thickness of the coating layer formed before frictional stirring to the insertion depth of the tool used for frictional stirring is changed to form a surface layer having a different composition depending on the site.

【0066】図9は被膜厚さと硬さとの関係を示すグラ
フである。
FIG. 9 is a graph showing the relationship between film thickness and hardness.

【0067】このグラフに示す撹拌処理前の皮膜厚さと
撹拌処理後の皮膜のビッカース硬さとの関係に基づいて
工具の挿入深さを制御することにより、部位によって異
なる組成の表面層を形成することができる。
By controlling the insertion depth of the tool based on the relationship between the coating thickness before the stirring treatment and the Vickers hardness of the coating after the stirring treatment shown in this graph, a surface layer having a different composition depending on the site is formed. You can

【0068】例えば、十分な耐磨耗性が要求される部位
に対しては、攪拌処理前の硬質材料被覆層の厚さを厚く
しておき、逆に材料の柔らかさの要求される部位には薄
く皮膜を形成した後、摩擦攪拌処理を行えば、製品の部
位毎に変化する要求特性に応じた部品を一度の工程で形
成することが可能となる。
For example, for a portion requiring sufficient abrasion resistance, the hard material coating layer before the stirring treatment should be thicker, and conversely, for a portion requiring softness of the material. By forming a thin film and then performing friction stir processing, it is possible to form parts in a single process according to the required characteristics that change for each part of the product.

【0069】(2)摩擦攪拌前に2つ以上の層からなる
被覆層を形成し、各層の厚さの比を変化させて、摩擦攪
拌後に部位によって異なる組成・特性の表面層を形成す
る。
(2) A coating layer consisting of two or more layers is formed before frictional stirring, the thickness ratio of each layer is changed, and after frictional stirring, a surface layer having different composition and characteristics is formed depending on the site.

【0070】図10は撹拌処理前の2層膜厚の厚さ比と
撹拌処理後の皮膜のビッカース硬さとの関係を示すグラ
フである。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the thickness ratio of the two-layer film thickness before the stirring treatment and the Vickers hardness of the film after the stirring treatment.

【0071】このグラフに示す関係に基づいて、各層の
組成や膜厚を制御すれば、一つの部品上にさまざまな組
成や特性を有する被覆層を1つの工程で実現することが
できる。
By controlling the composition and film thickness of each layer based on the relationship shown in this graph, a coating layer having various compositions and characteristics can be realized on one component in one step.

【0072】また、上記各実施の形態では、母材表面に
被覆層を形成することを前提にして説明したが、この被
覆層としては溶射法、めっき法、拡散浸透処理、物理蒸
着法、化学蒸着法、イオン注入のいずれかを用いて母材
表面に表面改質層を形成したものも含まれることは言う
までもない。
Further, in each of the above-described embodiments, the description has been made on the premise that the coating layer is formed on the surface of the base material, but the coating layer may be a thermal spraying method, a plating method, a diffusion permeation treatment, a physical vapor deposition method, a chemical vapor deposition method. It goes without saying that it also includes those in which a surface modification layer is formed on the surface of the base material using either the vapor deposition method or the ion implantation.

【0073】次に本発明による表面改質装置の実施の形
態について説明する。
Next, an embodiment of the surface modification device according to the present invention will be described.

【0074】図11は溶射機構と摩擦撹拌機構とを具備
した表面改質装置の一例を示す構成図である。
FIG. 11 is a block diagram showing an example of a surface reforming apparatus equipped with a thermal spraying mechanism and a friction stirrer mechanism.

【0075】図11において、母材1は図示矢印方向に
移動可能なテーブル19上に載置されている。また、母
材1の真上に配置された架台18の母材移動方向後端部
に取付けられた上下移動機構11aを介して溶射ガン1
6が支持され、また架台18の母材移動方向前端部に取
付けられた上下移動機構11bを介してモータ10が支
持され、このモータ10の回転軸に回転工具3が取付け
られる。
In FIG. 11, the base material 1 is placed on a table 19 which is movable in the direction of the arrow shown. Further, the spray gun 1 is mounted via a vertical movement mechanism 11a attached to the rear end of the base 18 in the base material moving direction of the gantry 18 arranged directly above the base material 1.
6 is supported, and the motor 10 is supported via a vertical movement mechanism 11b attached to the front end of the base 18 in the direction of movement of the base material. The rotary tool 3 is attached to the rotary shaft of the motor 10.

【0076】このような構成の表面改質装置において、
上下移動機構11aにより上下移動可能に支持された溶
射ガン16により母材表面に被覆層2が形成され、この
被覆層2は溶射フレーム17によって高温加熱された状
態で上下機構11bに支持されたモータ10により回転
駆動される回転工具3が被膜層2及び母材1内に挿入さ
れて表面改質が施工される。
In the surface reforming device having such a structure,
The coating layer 2 is formed on the surface of the base material by the thermal spray gun 16 supported by the vertical movement mechanism 11a so as to be vertically movable. The coating layer 2 is heated by the thermal spray frame 17 at a high temperature and is supported by the vertical mechanism 11b. A rotary tool 3 driven to rotate by 10 is inserted into the coating layer 2 and the base material 1 to perform surface modification.

【0077】従って、被覆層2の成形処理と被覆層2の
摩擦攪拌処理とが同時に行なうことができ、しかも溶射
フレーム17によって高温加熱された皮膜がそのまま摩
擦攪拌処理に移行するので、特別な外部加熱装置が不要
となり、特に長い平板を連続的に処理するための設備に
適した装置として実現できる。
Therefore, the forming process of the coating layer 2 and the friction stir processing of the coating layer 2 can be carried out at the same time, and the coating film heated at high temperature by the thermal spraying frame 17 is transferred to the friction stirring process as it is. No heating device is required, and it can be realized as a device suitable for equipment for continuously processing a particularly long flat plate.

【0078】このように溶射による被加工物の駆動機構
と、摩擦攪拌処理における被加工物の駆動機構とは基本
的に同じものを利用することが可能であり、これらを一
体化することによって生産性の高い装置が構成でき、装
置自体のコストを低減することもできる。また、溶射後
すぐに摩擦攪拌を行うことによって、溶射時の熱を利用
して、摩擦攪拌における回転工具の負担が低減でき、か
つ生産性を向上させることが可能になる。
As described above, it is possible to use basically the same drive mechanism for the workpiece by thermal spraying and the drive mechanism for the workpiece in the friction stir processing. It is possible to construct a highly reliable device and reduce the cost of the device itself. Further, by performing the friction stirring immediately after the thermal spraying, it is possible to reduce the load on the rotary tool in the friction stirring by utilizing the heat at the time of thermal spraying and to improve the productivity.

【0079】図12は本発明による表面改質方法を適用
して構造部品の製造方法を説明するための実施プロセス
を示す流れ図である。
FIG. 12 is a flow chart showing an implementation process for explaining a method of manufacturing a structural component by applying the surface modification method according to the present invention.

【0080】図12において、まず(1)にて、円柱状
の被加工物20の上部円周上に予備溝21を加工する。
その後、(2)にて予備溝21と直交する方向に溶射ガ
ン16を対向させて配置し、被加工物20をその中心軸
を中心に回転させながら溶射法により予備溝21を含む
周囲部に表面被覆層2を形成する。
In FIG. 12, first, in (1), a preliminary groove 21 is formed on the upper circumference of the cylindrical work piece 20.
After that, in (2), the spray gun 16 is arranged so as to face the spare groove 21 in a direction orthogonal to the spare groove 21, and the workpiece 20 is rotated around its central axis to the peripheral portion including the spare groove 21 by the spray method. The surface coating layer 2 is formed.

【0081】なお、溶射ガン16は予備溝21に対して
必ずしも直交する方向に配置する必要はなく、45°程
度に傾け、上下2回に分けて施工するなど要求に応じて
変更することも可能である。
The thermal spray gun 16 does not necessarily have to be arranged in a direction orthogonal to the preliminary groove 21, but can be tilted at about 45 ° and can be constructed separately in two steps up and down, and can be changed according to requirements. Is.

【0082】次に、(3)にて予備溝に対応する被覆層
表面から回転工具3を挿入し、表面被覆層と母材とを摩
擦攪拌して、予備溝部に合金化層を形成する。
Next, in (3), the rotary tool 3 is inserted from the surface of the coating layer corresponding to the preliminary groove, and the surface coating layer and the base material are frictionally stirred to form an alloyed layer in the preliminary groove portion.

【0083】最後に(4)にて合金化層内部に溝加工を
行うことによって、耐磨耗性等に優れた溝部の形成が実
現される。
Finally, by forming a groove in the alloyed layer in (4), a groove having excellent wear resistance can be formed.

【0084】このように本発明による表面改質方法を適
用した構造部品の製造方法は、円柱状の被加工物の外周
に溝部を機械加工し、溶射法によって溝部を硬質材で被
覆・充填した後、回転工具3を溝部に挿入しながら、被
加工物を回転運動させて、溝部周辺に耐磨耗層を形成す
るようにしたものである。
As described above, in the method of manufacturing a structural part to which the surface modification method according to the present invention is applied, a groove is machined on the outer periphery of a cylindrical work piece, and the groove is coated and filled with a hard material by a thermal spraying method. After that, the workpiece is rotated while the rotary tool 3 is inserted into the groove to form a wear resistant layer around the groove.

【0085】従来、自動車用ピストンのピストンリング
溝部のような溝部では、表面から溶射被覆を行っても良
好な密着性が得られず、このことが、溶射法適用の大き
な障害となっていた。
Conventionally, in a groove portion such as a piston ring groove portion of an automobile piston, good adhesion cannot be obtained even if thermal spray coating is performed from the surface, which has been a major obstacle to application of the thermal spray method.

【0086】しかしながら、本発明の表面改質法を用い
て前述したような摩擦攪拌処理を行えば、凹部であって
も優れた皮膜を形成することができ、例えば自動車用ピ
ストンの場合には、エンジンの寿命や自動車の燃費を著
しく向上することが実現される。
However, when the friction stir processing as described above is performed using the surface modification method of the present invention, an excellent film can be formed even in the concave portion. For example, in the case of automobile pistons, A significant improvement in engine life and vehicle fuel economy is achieved.

【0087】なお、最初に形成する溝部は最終的に要求
される溝部より幅と深さが大きくても、小さくても良い
が、小さめに加工してから、母材と被覆層とを攪拌した
後、所定の寸法に機械加工した方が、改質層の密着性が
高く好ましい。
The groove to be formed first may have a width or depth larger or smaller than the groove finally required, but the base material and the coating layer are agitated after processing to a smaller size. After that, it is preferable that the modified layer is machined to a predetermined size because the modified layer has high adhesion.

【0088】また、上記では円柱状の被加工物について
説明したが、円筒状の被加工物に形成された内周溝部に
対しても前述同様に摩耗撹拌処理を行なうことができ
る。
Although the cylindrical work piece has been described above, the wear stirring process can be performed on the inner circumferential groove portion formed on the cylindrical work piece in the same manner as described above.

【0089】[0089]

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、機械
的特性や耐食、耐磨耗性、電気的特性などに優れた表面
改質層を形成することが可能であり、従来の成膜手法に
よって形成された皮膜の特性と比べて各段に向上させる
ことができる表面改質方法及び装置を提供することがで
きる。
As described above, according to the present invention, it is possible to form a surface-modified layer having excellent mechanical properties, corrosion resistance, abrasion resistance, electrical properties, etc. It is possible to provide a surface modification method and apparatus that can be improved in each step as compared with the characteristics of a film formed by a film method.

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

【図1】本発明による表面改質方法を説明するための第
1の実施の形態を示す模式図。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a first embodiment for explaining a surface modification method according to the present invention.

【図2】被覆層と母材との密着強度と気孔率との関係を
示すグラフ。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the adhesion strength between the coating layer and the base material and the porosity.

【図3】溶射粒子速度の異なる数種類の溶射法を用いて
被覆層を形成した後、摩擦攪拌を行い、形成された表面
層内部の欠陥を光学顕微鏡によって観察、定量化した結
果を示すグラフ。
FIG. 3 is a graph showing the results of observing and quantifying defects inside the formed surface layer with an optical microscope after forming a coating layer using several types of thermal spraying methods with different sprayed particle velocities and then performing frictional stirring.

【図4】真空中で母材表面の被覆層を改質するための装
置の一例を示す構成図。
FIG. 4 is a configuration diagram showing an example of an apparatus for modifying a coating layer on the surface of a base material in a vacuum.

【図5】通常の方法、シールドガスを利用した方法、真
空中での施工それぞれによる皮膜内部に残存する不純物
量の比較結果を示すグラフ。
FIG. 5 is a graph showing a comparison result of the amount of impurities remaining inside the film by a normal method, a method using a shield gas, and an application in vacuum.

【図6】本発明による表面改質方法を説明するための第
2の実施の形態を示す模式図。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a second embodiment for explaining the surface modification method according to the present invention.

【図7】本発明による表面改質方法を説明するための第
3の実施の形態を示す模式図。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a third embodiment for explaining the surface modification method according to the present invention.

【図8】酸素、あるいは窒素を摩擦攪拌部周辺に吹きつ
けた場合と、吹きつけない通常の施工によって形成され
た表面層の硬さの比較を示すグラフ。
FIG. 8 is a graph showing a comparison of hardness of a surface layer formed by spraying oxygen or nitrogen around the friction stirrer part and a surface layer formed by normal construction without spraying.

【図9】被膜厚さと硬さとの関係を示すグラフ。FIG. 9 is a graph showing the relationship between film thickness and hardness.

【図10】撹拌処理前の2層膜厚の厚さ比と撹拌処理後
の皮膜のビッカース硬さとの関係を示すグラフ。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the thickness ratio of the two-layer film thickness before the stirring treatment and the Vickers hardness of the coating after the stirring treatment.

【図11】本発明による表面改質装置の実施の形態を示
す構成図。
FIG. 11 is a configuration diagram showing an embodiment of a surface modification device according to the present invention.

【図12】本発明による表面改質方法を適用して構造部
品の製造方法を説明するための実施プロセスを示す流れ
図。
FIG. 12 is a flowchart showing an implementation process for explaining a method for manufacturing a structural component by applying the surface modification method according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…母材 2…被服層 3…工具 4…表面改質層 5…赤外線ランプ 6…ノズル 7…シールドガス 8…アルゴンガスボンベ 9…酸素ガスボンベ 10…モータ 11,11a,11b…上下駆動機構 12…移動式ベッド 13…真空容器 14…被加工物 15…真空ポンプ 16…溶射ガン 17…溶射フレーム 18…装置架台 20…円柱状被加工物 21…予備溝 1 ... Base material 2 ... Clothes layer 3 ... Tool 4 ... Surface modification layer 5 ... Infrared lamp 6 ... Nozzle 7 ... Shield gas 8 ... Argon gas cylinder 9 ... Oxygen gas cylinder 10 ... Motor 11, 11a, 11b ... Vertical drive mechanism 12 ... Rollaway bed 13 ... Vacuum container 14 ... Workpiece 15 ... Vacuum pump 16 ... Thermal spray gun 17 ... Thermal spray frame 18 ... Device stand 20 ... Cylindrical work piece 21 ... Spare groove

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 昌幸 神奈川県横浜市鶴見区末広町2丁目4番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 布施 俊明 神奈川県横浜市鶴見区末広町2丁目4番地 株式会社東芝京浜事業所内 Fターム(参考) 4E067 AA05 AA06 AA07 BG00 DA00 DA17 DB01 DB03 DB05 DC04 DC07 EA00 4K031 AA02 AB03 AB04 AB05 AB07 AB08 AB09 DA01 EA03 FA03 FA10 FA11 4K044 AA01 BA01 BB02 BC01 BC02 BC14 CA11 CA62 CA64 CA67 CA71    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Masayuki Ishikawa             2-4 Suehiro-cho, Tsurumi-ku, Yokohama-shi, Kanagawa               Toshiba Keihin Office (72) Inventor Toshiaki Fuse             2-4 Suehiro-cho, Tsurumi-ku, Yokohama-shi, Kanagawa               Toshiba Keihin Office F-term (reference) 4E067 AA05 AA06 AA07 BG00 DA00                       DA17 DB01 DB03 DB05 DC04                       DC07 EA00                 4K031 AA02 AB03 AB04 AB05 AB07                       AB08 AB09 DA01 EA03 FA03                       FA10 FA11                 4K044 AA01 BA01 BB02 BC01 BC02                       BC14 CA11 CA62 CA64 CA67                       CA71

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 被加工物の母材表面に被覆層を形成した
後、前記被加工物の表面側から循環運動を行う工具を挿
入し、この状態で工具と前記被加工物とを相対移動させ
ることによって、前記被覆層又は前記母材と前記被覆層
とを摩擦攪拌して母材表面を改質することを特徴とする
被加工物の表面改質方法。
1. A coating layer is formed on the surface of a base material of a workpiece, and then a tool for circulating movement is inserted from the surface side of the workpiece, and the tool and the workpiece are relatively moved in this state. By doing so, the coating layer or the base material and the coating layer are frictionally stirred to modify the surface of the base material.
【請求項2】 請求項1記載の被加工物の表面改質方法
において、摩擦攪拌処理前の前記被覆層と前記母材との
密着強度が10MPa以上であることを特徴とする被加
工物の表面改質方法。
2. The method for modifying the surface of a work piece according to claim 1, wherein the adhesion strength between the coating layer and the base material before friction stir processing is 10 MPa or more. Surface modification method.
【請求項3】 請求項1記載の被加工物の表面改質方法
において、前記被覆層は溶射法により形成されることを
特徴とする被加工物の表面改質方法。
3. The method for modifying the surface of a work piece according to claim 1, wherein the coating layer is formed by a thermal spraying method.
【請求項4】 請求項3記載の被加工物の表面改質方法
において、溶射法の溶射粒子の速度は500m/s以上
であることを特徴とする被加工物の表面改質方法。
4. The method for modifying the surface of a work piece according to claim 3, wherein the velocity of the spray particles in the thermal spraying method is 500 m / s or more.
【請求項5】 請求項1記載の被加工物の表面改質方法
において、前記被覆層を形成した母材を、発熱体、燃焼
ガス火炎、プラズマ火炎、赤外線ランプ加熱、高周波加
熱のいずれかによって、加熱しながら摩擦攪拌を行うこ
とを特徴とする被加工物の表面改質方法。
5. The method for surface modification of a work piece according to claim 1, wherein the base material on which the coating layer is formed is formed by any one of a heating element, a combustion gas flame, a plasma flame, an infrared lamp heating, and a high frequency heating. A method for modifying the surface of a workpiece, wherein friction stirring is performed while heating.
【請求項6】 請求項1記載の被加工物の表面改質方法
において、前記工具が前記被加工物に接触している領域
の周辺、或いは装置全体を不活性なガスによってシール
ドしながら摩擦撹拌することを特徴とする被加工物の表
面改質方法。
6. The method for modifying a surface of a work piece according to claim 1, wherein the periphery of a region where the tool is in contact with the work piece or the entire apparatus is friction agitated while being shielded by an inert gas. A method for modifying the surface of a workpiece, comprising:
【請求項7】 請求項1記載の被加工物の表面改質方法
において、前記被加工物、前記工具、もしくは装置全体
を真空容器に入れ、減圧雰囲気下で母材表面の改質施工
を行なうことを特徴とする被加工物の表面改質方法。
7. The method for modifying the surface of a work piece according to claim 1, wherein the work piece, the tool, or the entire apparatus is placed in a vacuum container and the base material surface is modified under a reduced pressure atmosphere. A method for modifying the surface of a workpiece, comprising:
【請求項8】 請求項1記載の被加工物の表面改質方法
において、前記工具が前記被加工物に接触している領域
の周辺、或いは装置全体を酸素、又は窒素あるいはこれ
らのうち少なくとも1つを含む混合ガスを吹きつけなが
ら母材表面の改質施工を行なうことを特徴とする被加工
物の表面改質方法。
8. The method for modifying a surface of a work piece according to claim 1, wherein oxygen or nitrogen or at least one of the periphery of a region where the tool is in contact with the work piece or the entire apparatus is used. A method for modifying the surface of a workpiece, which comprises modifying the surface of a base material while spraying a mixed gas containing titanium.
【請求項9】 請求項1記載の被加工物の表面改質方法
において、摩擦攪拌前に形成する被覆層の厚さと前記工
具の挿入深さとの比を変化させた状態で摩擦撹拌するこ
とにより、部位によって異なる組成の表面改質層を形成
することを特徴とする被加工物の表面改質方法。
9. The method for surface modification of a work piece according to claim 1, wherein the friction stirring is performed in a state where the ratio of the thickness of the coating layer formed before the friction stirring and the insertion depth of the tool is changed. A method for modifying the surface of a workpiece, which comprises forming a surface modification layer having a different composition depending on the site.
【請求項10】 請求項1記載の被加工物の表面改質方
法において、前記被覆層は摩擦攪拌前に層厚の比を変化
させた2つ以上の層からなり、この被覆層を摩擦攪拌す
ることにより、部位によって異なる組成・特性の表面改
質層を形成することを特徴とする被加工物の表面改質方
法。
10. The method for modifying the surface of a work piece according to claim 1, wherein the coating layer is composed of two or more layers having different layer thickness ratios before friction stirring, and the coating layer is friction stirred. By doing so, a surface modification layer having a composition / characteristic that differs depending on the site is formed.
【請求項11】 溶射法により母材表面に被覆層を形成
する溶射処理機構と、摩擦攪拌法による表面改質処理機
構とを具備し、前記母材又は溶射処理機構並びに前記表
面改質処理機構を移動させながら前記溶射処理機構によ
り母材表面に被覆層を形成すると同時に前記表面改質処
理機構により被加工物に対して表面改質を行うことを特
徴とする被加工物の表面改質方法。
11. A base metal or thermal spray treatment mechanism and a surface modification treatment mechanism comprising a thermal spray treatment mechanism for forming a coating layer on the surface of the base metal by a thermal spraying method and a surface modification treatment mechanism by a friction stir method. A surface reforming method for a workpiece, wherein a coating layer is formed on the surface of the base material by the thermal spraying treatment mechanism while moving the workpiece, and at the same time surface modification is performed on the workpiece by the surface reforming treatment mechanism. .
【請求項12】 母材に対して垂直方向に移動可能に支
持され溶射法により前記母材表面に被覆層を形成する溶
射処理機構と、この溶射処理機構と隣接する位置に一体
的に且つ前記母材に対して垂直方向に移動可能に支持さ
れ前記溶射処理機構により被覆層が形成された被加工物
に対して摩擦攪拌法により表面改質を行う表面改質処理
機構と、前記母材とこれら両機構とを相対移動させる移
動手段とを備えたことを特徴とする被加工物の表面改質
装置。
12. A thermal spraying treatment mechanism which is movably supported in a vertical direction with respect to a base material and forms a coating layer on the surface of the base material by a thermal spraying method, and integrally and at a position adjacent to the thermal spraying treatment mechanism. A surface modification treatment mechanism which is movably supported in the vertical direction with respect to the base material, and which performs a surface modification by a friction stir method on the workpiece on which the coating layer is formed by the thermal spraying treatment mechanism; A surface reforming apparatus for a workpiece, comprising: a moving unit that relatively moves these two mechanisms.
【請求項13】 円柱状の被加工物の外周、又は円筒状
の被加工物の外周あるいは内周に溝部を機械加工し、溶
射法によって溝部を硬質材で被覆・充填した後、回転工
具を前記溝部に挿入しながら、被加工物を回転運動させ
て、外周又は内周溝部周辺に耐磨耗層を形成することを
特徴とする構造部品の加工方法。
13. A rotary tool is formed by machining a groove on the outer circumference or the inner circumference of a cylindrical work piece, or on the outer circumference or inner circumference of a cylindrical work piece, and coating and filling the groove section with a hard material by a thermal spraying method. A method of processing a structural part, characterized in that the workpiece is rotated while being inserted into the groove to form an abrasion resistant layer around the outer peripheral or inner peripheral groove.
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