JP2010174274A - Surface processing method of aluminum casting product - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、摩擦撹拌処理によるアルミニウム鋳造品の表面処理方法に関する。 The present invention relates to a surface treatment method for an aluminum casting by friction stir processing.
従来、例えばアルミニウム合金等の鋳造品(鋳物)に対する表面処理として、摩擦撹拌処理が行われている。摩擦撹拌処理とは、所定の回転工具が、回転している状態で処理対象の表面に挿入されることで発生する摩擦熱により、処理対象の表面を溶融させることなく撹拌して改質する表面処理である。 Conventionally, as a surface treatment for a cast product (casting) such as an aluminum alloy, a friction stir processing is performed. Friction stirring is a surface that is stirred and modified without melting the surface of the object to be processed by friction heat generated when a predetermined rotating tool is inserted into the surface of the object to be processed in a rotating state. It is processing.
摩擦撹拌処理によれば、鋳造品の欠陥が除去され強度の向上が図られる。しかし、処理対象が、所定の熱処理が施されたアルミニウム熱処理合金である場合、摩擦撹拌処理の熱(摩擦熱)の影響により、熱処理の効果が低下してしまうことがある。これに対し、特許文献1において、摩擦撹拌処理の後に、さらに熱処理を行う表面処理方法が提案されている。 According to the friction stir processing, defects in the cast product are removed and the strength is improved. However, when the object to be treated is an aluminum heat-treated alloy that has been subjected to a predetermined heat treatment, the effect of the heat treatment may be reduced due to the influence of the heat (friction heat) of the friction stir treatment. On the other hand, Patent Document 1 proposes a surface treatment method in which heat treatment is further performed after the friction stir treatment.
すなわち、特許文献1に開示されている表面処理方法においては、アルミニウム鋳造品に対し、熱処理としていわゆるT6処理(溶体化処理および時効処理)が施された後に、摩擦撹拌処理によって鋳造欠陥が除去され、さらにその後に再度T6処理が行われる。 That is, in the surface treatment method disclosed in Patent Document 1, a casting defect is removed by friction stir treatment after a so-called T6 treatment (solution treatment and aging treatment) is performed as a heat treatment on an aluminum cast product. Thereafter, the T6 process is performed again.
しかし、特許文献1に開示されているような表面処理方法によれば、次のような問題があり、十分な効果が得られない。すなわち、摩擦撹拌処理の後に、高温処理である熱処理が行われると、再結晶により結晶粒が粗大化する。このことから、例えば、摩擦撹拌処理の後に、熱処理としてT6処理が行われる場合、通常のT6処理並の疲労強度が得られない。また、相当程度の時間を要する熱処理を摩擦撹拌処理の前後で計二回行う必要があることから、熱処理について通常の二倍の時間がかかるため、処理時間が長くなる。 However, according to the surface treatment method disclosed in Patent Document 1, there are the following problems, and a sufficient effect cannot be obtained. That is, when a heat treatment that is a high-temperature treatment is performed after the friction stirring treatment, the crystal grains become coarse due to recrystallization. From this, for example, when the T6 treatment is performed as the heat treatment after the friction stirring treatment, the fatigue strength equivalent to that of the normal T6 treatment cannot be obtained. In addition, since it is necessary to perform heat treatment that requires a considerable amount of time twice before and after the friction stir treatment, the heat treatment takes twice as long as usual, so that the treatment time becomes longer.
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、疲労強度の向上等の熱処理による効果を損なうことなく、また、処理時間の長期化を招くことなく、摩擦撹拌処理による鋳造欠陥の除去を行うことができるアルミニウム鋳造品の表面処理方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the problems as described above, and the problem to be solved is that the effect of heat treatment such as improvement of fatigue strength is not impaired, and the processing time is prolonged. An object of the present invention is to provide a surface treatment method for an aluminum casting that can eliminate casting defects by friction stir processing.
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。 The problem to be solved by the present invention is as described above. Next, means for solving the problem will be described.
すなわち、請求項1においては、アルミニウム鋳造品を処理対象とし、所定の熱処理と、所定の回転工具を回転している状態で前記処理対象の表面部に挿入することで前記表面部を摩擦熱により非溶融状態で撹拌して改質する摩擦撹拌処理とを行うアルミニウム鋳造品の表面処理方法であって、前記熱処理として、溶体化処理および時効処理を行い、前記溶体化処理と前記時効処理との間に、前記摩擦撹拌処理を行うものである。 That is, in claim 1, an aluminum casting is a processing target, and the surface portion is subjected to frictional heat by inserting a predetermined heat treatment and a predetermined rotary tool into the surface portion of the processing target in a rotating state. A surface treatment method of an aluminum cast product that performs a friction stir treatment that is stirred and modified in a non-molten state, wherein the heat treatment includes a solution treatment and an aging treatment, and the solution treatment and the aging treatment. In the meantime, the friction stir processing is performed.
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
すなわち、本発明によれば、疲労強度の向上等の熱処理による効果を損なうことなく、また、処理時間の長期化を招くことなく、摩擦撹拌処理による鋳造欠陥の除去を行うことができる。
As effects of the present invention, the following effects can be obtained.
That is, according to the present invention, casting defects can be removed by the friction stir processing without impairing the effects of heat treatment such as improvement of fatigue strength and without increasing the processing time.
本発明は、アルミニウム鋳造品(以下「アルミ鋳造品」という。)を処理対象(以下「ワーク」という。)とする表面処理方法において、熱処理としての溶体化処理と時効処理との間に、鋳造品の欠陥を除去するための摩擦撹拌処理を行うことで、摩擦撹拌処理にともなう熱影響等により熱処理の効果が低減することを防止しようとするものである。以下、本発明の実施の形態を説明する。 The present invention relates to a surface treatment method in which an aluminum cast product (hereinafter referred to as “aluminum cast product”) is a treatment target (hereinafter referred to as “workpiece”), and between casting and aging treatment as a heat treatment. By performing the friction stir processing for removing the defect of the product, it is intended to prevent the effect of the heat treatment from being reduced due to the heat effect or the like accompanying the friction stir processing. Embodiments of the present invention will be described below.
本実施形態に係るアルミ鋳造品の表面処理方法(以下単に「表面処理方法」という。)は、例えばアルミニウム合金鋳物等のアルミ鋳造品をワークとするものである。具体的には、本実施形態に係る表面処理方法は、例えば自動車エンジンを構成するシリンダヘッドの表面の一部や、同じく自動車エンジンを構成するピストンやブレーキディスク等の部品の表面に対して行われる。したがって、本実施形態に係る表面処理方法は、例えばシリンダヘッド等のワークの製造過程において実施される。 The surface treatment method (hereinafter simply referred to as “surface treatment method”) for an aluminum cast product according to the present embodiment uses an aluminum cast product such as an aluminum alloy cast as a workpiece. Specifically, the surface treatment method according to the present embodiment is performed, for example, on a part of the surface of a cylinder head constituting an automobile engine, or on the surface of a part such as a piston or a brake disk constituting the automobile engine. . Therefore, the surface treatment method according to the present embodiment is performed in the process of manufacturing a workpiece such as a cylinder head, for example.
本実施形態に係る表面処理方法においては、ワークに対して、所定の熱処理と、摩擦撹拌処理とが行われる。摩擦撹拌処理は、アルミ鋳造品の欠陥を除去して強度を向上するための処理であり、所定の回転工具が用いられて行われる。 In the surface treatment method according to the present embodiment, predetermined heat treatment and friction stirring treatment are performed on the workpiece. The friction agitation process is a process for removing defects in the aluminum casting product and improving the strength, and is performed using a predetermined rotary tool.
具体的には、図1に示すように、摩擦撹拌処理は、回転工具20を回転している状態でワーク10の表面部(以下「ワーク表面部」という。)11に挿入することでワーク表面部11を摩擦熱により非溶融状態で撹拌して改質するものである。
Specifically, as shown in FIG. 1, the friction stir processing is performed by inserting the
回転工具20は、摩擦撹拌処理装置に備えられるものであり、同じく摩擦撹拌処理装置に備えられる所定の駆動手段によって回転駆動させられる。また、摩擦撹拌処理装置においては、ワーク10を位置決め保持するための治具が備えられる。
The
図1に示すように、回転工具20は、略円柱状の軸部材により構成されるものであり、所定の駆動手段によってモータ等により軸回転可能に構成される(矢印A1参照)。回転工具20は、その一側の端面部21に、小径部分である突起状のプローブ22を有する。
As shown in FIG. 1, the
回転工具20は、回転するとともに、プローブ22がワーク表面部11に押し込まれるように押し付けられた状態で、ワーク表面部11における処理領域に沿って移動させられる(矢印A2参照)。このため、摩擦撹拌処理装置においては、回転工具20とワーク10とは、所定の駆動手段等によってワーク表面部11における処理領域に沿う所定の方向に相対移動可能に設けられる。
The
このように、回転工具20が押圧された状態で回転しながらワーク表面部11上を移動することで、回転工具20のワーク表面部11に対する接触部、つまりワーク表面部11における端面部21およびプローブ22の接触部において摩擦熱および撹拌作用が生じる。かかる回転工具20による摩擦熱および撹拌作用により、回転工具20のワーク表面部11に対する接触部分およびその近傍の領域が軟化し、その領域部分において塑性流動が生じる。そして、塑性流動が生じた部分は非溶融状態で撹拌されることにより改質され、改質層12が形成される。
In this way, by moving on the work surface portion 11 while rotating while the
このような摩擦撹拌処理によれば、ワーク表面部11の金属組織が微細化され、鋳巣等の欠陥が除去され、ワーク表面部11の強度の向上が図られる。なお、回転工具20は、プローブ22を備えない構成であってもよい。この場合、端面部21が、回転工具20のワーク表面部11に対する接触部となり、かかる接触部において、改質層12を形成するための摩擦熱および撹拌作用が得られる。
According to such a friction stir processing, the metal structure of the workpiece surface portion 11 is refined, defects such as a cast hole are removed, and the strength of the workpiece surface portion 11 is improved. Note that the
また、本実施形態の表面処理方法においては、所定の熱処理として、溶体化処理および時効処理が行われる。溶体化処理とは、本実施形態のワーク10のようにアルミニウム合金等の非鉄金属についての固溶化処理であり、金属を所定の温度に加熱することで合金元素を固溶させた(溶け込ませた)後、急冷することで、合金元素の固溶化(溶体化)を図る処理(焼入れ処理)である。
In the surface treatment method of the present embodiment, solution treatment and aging treatment are performed as the predetermined heat treatment. The solution treatment is a solution treatment for a non-ferrous metal such as an aluminum alloy as in the
したがって、本実施形態の溶体化処理においては、ワーク10が、溶体化処理炉(溶体化処理を行うための炉)に入れられ、数時間程度の間、所定の溶体化温度(例えば500℃程度)に加熱された状態で保持される。そして、加熱後のワーク10が、沸騰水等を貯溜する焼入れ用水槽に浸けられること等によって急冷されることで、溶体化される。
Therefore, in the solution treatment of the present embodiment, the
また、時効処理とは、溶体化処理後の金属を溶体化温度に対して比較的低い温度の状態で保持することで、固溶した合金元素を析出させて硬化させる処理である。 The aging treatment is a treatment for precipitating and hardening a solid solution alloy element by holding the metal after the solution treatment at a relatively low temperature with respect to the solution treatment temperature.
したがって、本実施形態の時効処理においては、溶体化処理後のワーク10が、時効処理炉(時効処理を行うための炉)に入れられ、数時間程度の間、所定の温度(例えば200℃程度)に加熱された状態で保持される。これにより、溶体化処理によって固溶した合金元素が析出し、ワーク表面部11が硬化する。
Therefore, in the aging treatment of the present embodiment, the
このように、熱処理としての溶体化処理および時効処理がワーク10に施されることにより、ワーク表面部11について疲労強度の向上や硬度の向上等の効果が得られる。
As described above, the solution treatment and the aging treatment as the heat treatment are performed on the
そして、本実施形態の表面処理方法においては、ワーク10に施される溶体化処理と時効処理との間に、摩擦撹拌処理が行われる。つまり、前述したようにワーク10に施される熱処理としての溶体化処理が行われた後、欠陥を除去するための摩擦撹拌処理が行われ、かかる摩擦撹拌処理の後に、熱処理としての時効処理が行われる。
And in the surface treatment method of this embodiment, a friction stirring process is performed between the solution treatment and aging treatment which are performed on the
本実施形態の表面処理方法が、シリンダヘッドの製造過程において適用される場合(ワーク10がシリンダヘッドである場合)について、図2に示すフロー図を用いて説明する。図2に示すように、シリンダヘッドの製造過程においては、まず、鋳造機により、アルミニウム合金を材料としてシリンダヘッドが鋳造される(S10)。これにより、本実施形態の表面処理方法におけるワーク10としてのアルミ鋳造品であるシリンダヘッドが得られる。
The case where the surface treatment method of the present embodiment is applied in the manufacturing process of the cylinder head (when the
次に、ワーク10としてのシリンダヘッドに対して、溶体化処理が行われる(S20)。すなわち、鋳造されたシリンダヘッドが溶体化処理炉に入れられて所定の時間加熱された後、焼入れ用水槽に浸けられて急冷されることで、シリンダヘッドに溶体化処理が施される。 Next, a solution treatment is performed on the cylinder head as the workpiece 10 (S20). That is, the cast cylinder head is placed in a solution treatment furnace and heated for a predetermined time, and then immersed in a quenching water tank and rapidly cooled, whereby the cylinder head is subjected to a solution treatment.
続いて、溶体化処理後のシリンダヘッドに対して、摩擦撹拌処理が行われる(S30)。すなわち、図1に示すように、回転工具20を備える摩擦撹拌処理装置により、シリンダヘッドのワーク表面部11における所定の領域に、改質層12を形成するための摩擦撹拌処理が施される。
Subsequently, a friction stirring process is performed on the cylinder head after the solution treatment (S30). That is, as shown in FIG. 1, a friction stir processing for forming the modified
次に、摩擦撹拌処理後のシリンダヘッドに対して、時効処理が行われる(S40)。すなわち、摩擦撹拌処理によって改質層12が形成されたシリンダヘッドが時効処理炉に入れられて所定の時間比較的低温で加熱されることで、シリンダヘッドに時効処理が施される。
Next, an aging process is performed on the cylinder head after the friction stirring process (S40). That is, the cylinder head on which the modified
そして、時効処理後のシリンダヘッドについて機械加工が行われる(S50)。すなわち、熱処理としての溶体化処理および時効処理ならびに摩擦撹拌処理が施されたシリンダヘッドに対して、所定の加工機により、仕上げ加工等の機械加工が施される。 Then, the cylinder head after the aging treatment is machined (S50). That is, machining such as finishing is performed by a predetermined processing machine on the cylinder head subjected to the solution treatment and aging treatment as the heat treatment and the friction stir treatment.
以上説明した本実施形態の表面処理方法によれば、疲労強度の向上等の熱処理による効果を損なうことなく、また、処理時間の長期化を招くことなく、摩擦撹拌処理による鋳造欠陥の除去を行うことができる。 According to the surface treatment method of the present embodiment described above, casting defects are removed by friction stir treatment without impairing the effects of heat treatment such as improvement of fatigue strength and without causing a prolonged treatment time. be able to.
すなわち、熱処理(溶体化処理および時効処理)が行われた後に摩擦撹拌処理が行われる場合、摩擦撹拌処理にともなう熱影響により、疲労強度の向上等の熱処理による効果が低減することがある。この点、本実施形態の表面処理方法によれば、熱処理としての溶体化処理と時効処理との間に摩擦撹拌処理が行われることにより、摩擦撹拌処理の熱影響による熱処理の効果の低減が防止される。 That is, when the friction stir treatment is performed after the heat treatment (solution treatment and aging treatment) is performed, the effect of the heat treatment such as improvement of fatigue strength may be reduced due to the thermal effect of the friction stir processing. In this regard, according to the surface treatment method of the present embodiment, the friction stir treatment is performed between the solution treatment and the aging treatment as the heat treatment, thereby preventing the heat treatment effect from being reduced due to the heat effect of the friction stir treatment. Is done.
また、摩擦撹拌処理の後に、溶体化処理および時効処理を含む熱処理が行われる場合、摩擦撹拌処理の後に高温処理である熱処理(溶体化処理)が行われることとなるので、再結晶による結晶粒の粗大化にともない、疲労強度の確保が困難となる。この点、本実施形態の表面処理方法によれば、摩擦撹拌処理の後には、溶体化処理に比して低温の熱処理である時効処理のみが行われることから、再結晶による結晶粒の粗大化が防止され、摩擦撹拌処理によって鋳造欠陥が除去されることで向上する疲労強度が確保される。 In addition, when a heat treatment including a solution treatment and an aging treatment is performed after the friction stir processing, a heat treatment (solution treatment) that is a high-temperature treatment is performed after the friction stir processing. As the roughness of the steel increases, it becomes difficult to ensure fatigue strength. In this regard, according to the surface treatment method of the present embodiment, after the friction stir treatment, only the aging treatment, which is a low-temperature heat treatment as compared with the solution treatment, is performed, so that the crystal grains are coarsened by recrystallization. Is prevented, and the fatigue strength is improved by removing the casting defects by the friction stir processing.
また、本実施形態の表面処理方法によれば、熱処理としての溶体化処理および時効処理がそれぞれ一回ずつのみ行われることから、熱処理の工程が増えることによる処理時間の長期化を招くことがない。 In addition, according to the surface treatment method of the present embodiment, since the solution treatment and the aging treatment as the heat treatment are performed only once, the treatment time is not prolonged due to an increase in the number of heat treatment steps. .
ところで、本実施形態に係る表面処理方法においては、前述したような摩擦撹拌処理が、水中で行われることが好ましい。水中での摩擦撹拌処理に際しては、回転工具20等を含む摩擦撹拌処理装置において、少なくともワーク10におけるワーク表面部11の部分を浸し漬けることができる大きさを有する水槽が備えられる。つまり、水中での摩擦撹拌処理によれば、回転工具20のワーク表面部11に対する接触部が水中に存在する状態で、回転する回転工具20がワーク表面部11に押し付けられることによる摩擦熱および撹拌作用が得られる。
By the way, in the surface treatment method according to the present embodiment, it is preferable that the friction stirring treatment as described above is performed in water. In the friction stir processing in water, in the friction stir processing apparatus including the
水中での摩擦撹拌処理としては、例えば、ワーク10が水槽内において水没させられた状態で、回転工具20による処理が行われる。また、水槽に貯溜される水としては、例えば常温の水や所定温度の温水が用いられる。
As the friction stirring process in water, for example, the process by the
このように、摩擦撹拌処理が水中で行われることにより、摩擦撹拌処理の熱(摩擦熱)の影響を受ける部分が少なくなるとともに、かかる熱影響部においても冷却速度が上がる。このため、ワーク表面部11について、焼入れ効果により、溶体化相当の特性を得ることができる。 As described above, when the friction stir processing is performed in water, the portion affected by the heat (friction heat) of the friction stir processing is reduced, and the cooling rate is also increased in the heat affected portion. For this reason, about the workpiece | work surface part 11, the characteristic equivalent to solution formation can be acquired by the quenching effect.
図3に、本発明の実施例として、本発明に係る表面処理方法により表面処理が施された試験片(本実施例品)についての応力寿命の試験結果(疲労試験結果)の一例を示す。図3に示すグラフにおいて、縦軸は応力振幅(MPa)を示し、横軸は破断回数(破断までの繰返し数)を示す。 FIG. 3 shows an example of a stress life test result (fatigue test result) for a test piece (product of this example) subjected to surface treatment by the surface treatment method according to the present invention as an example of the present invention. In the graph shown in FIG. 3, the vertical axis indicates the stress amplitude (MPa), and the horizontal axis indicates the number of breaks (the number of repetitions until breakage).
本試験では、本実施例品に対する比較例として、次のような試験片(比較例品)を用いた。比較例品1は、表面処理として、摩擦撹拌処理を行った後に、熱処理としての溶体化処理および時効処理(摩擦撹拌処理⇒溶体化処理⇒時効処理)を行ったものである。比較例品2は、鋳造欠陥を有する鋳造品(鋳造欠陥品)である。比較例品3は、鋳造欠陥を有しない鋳造品(鋳造欠陥なし品)である。 In this test, the following test piece (comparative example product) was used as a comparative example for the product of this example. The comparative product 1 is obtained by performing a friction stir treatment as a surface treatment and then performing a solution treatment and an aging treatment as a heat treatment (friction stirring treatment → solution treatment → aging treatment). The comparative example product 2 is a cast product having a casting defect (cast defect product). The comparative example product 3 is a cast product without casting defects (a product without casting defects).
本試験結果によれば、1000万回疲労強度が、比較例品1では約70MPa、比較例品2では約52MPa、比較例品3では約80MPaであった。これに対し、本実施例品では、1000万回疲労強度について100MPa以上の値が得られた。 According to the test results, the 10 million times fatigue strength was about 70 MPa for Comparative Example Product 1, about 52 MPa for Comparative Example Product 2, and about 80 MPa for Comparative Example Product 3. On the other hand, in the product of this example, a value of 100 MPa or more was obtained for the 10 million times fatigue strength.
本試験結果からわかるように、本発明に係る表面処理方法によれば、摩擦撹拌処理によって鋳造欠陥の除去を行うことができるとともに、摩擦撹拌処理の後に熱処理(溶体化処理および時効処理)が施された鋳造品や鋳造欠陥なし品との比較においても、十分に高い疲労強度が得られる。 As can be seen from the test results, according to the surface treatment method of the present invention, casting defects can be removed by friction stir processing, and heat treatment (solution treatment and aging treatment) is performed after the friction stir processing. A sufficiently high fatigue strength can also be obtained in comparison with a cast product and a product without casting defects.
10 ワーク(処理対象)
11 ワーク表面部(表面部)
20 回転工具
10 Workpieces (processing target)
11 Workpiece surface (surface)
20 Rotating tools
Claims (1)
前記熱処理として、溶体化処理および時効処理を行い、
前記溶体化処理と前記時効処理との間に、前記摩擦撹拌処理を行うことを特徴とするアルミニウム鋳造品の表面処理方法。 An aluminum casting is a target to be processed, and a predetermined heat treatment and a predetermined rotary tool are inserted into the surface portion of the processing target while rotating, and the surface portion is agitated in a non-molten state by frictional heat and modified. A surface treatment method for an aluminum casting product that performs a friction stir treatment.
As the heat treatment, solution treatment and aging treatment are performed,
A surface treatment method for an aluminum cast product, characterized in that the friction stir treatment is performed between the solution treatment and the aging treatment.
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