JP3885061B2 - Manufacturing method of composite material - Google Patents

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Description

本発明は、ワークの一部に分散質を分散させることによって当該箇所を複合材料化する複合材料の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a composite material in which a dispersoid is dispersed in a part of a workpiece to make the portion into a composite material.

ディーゼル自動車の内燃機関を構成するシリンダヘッドは、通常、アルミニウム合金の溶湯を原材料とする重力鋳造(GDC)又は低圧鋳造(LPDC)によって製造され、ガソリン自動車のシリンダヘッドとは異なり、シリンダブロックに臨む側の面が平坦に形成される。   A cylinder head constituting an internal combustion engine of a diesel automobile is usually manufactured by gravity casting (GDC) or low pressure casting (LPDC) using a molten aluminum alloy as a raw material, and faces a cylinder block unlike a cylinder head of a gasoline automobile. The side surface is formed flat.

周知のように、内燃機関のシリンダボア内をピストンが往復運動する際には、該ピストンに設けられたピストンリングがシリンダボアの内周壁面に摺接する。また、ピストンが上死点に到達することに伴って、シリンダボアに導入された空気と気化燃料の混合気が圧縮され、次いで該混合気の爆発が起こる。このため、シリンダボアの内周壁面やシリンダヘッドには、高応力が作用する。   As is well known, when a piston reciprocates in a cylinder bore of an internal combustion engine, a piston ring provided on the piston is in sliding contact with an inner peripheral wall surface of the cylinder bore. Further, as the piston reaches top dead center, the air-fuel mixture introduced into the cylinder bore and the vaporized fuel are compressed, and then the air-fuel mixture explodes. For this reason, high stress acts on the inner peripheral wall surface of the cylinder bore and the cylinder head.

このような現象が繰り返されることから、シリンダヘッドに高応力が作用する部位、具体的には、バルブシート同士の間等には、クラックが発生することを回避するべく高剛性が希求される。従って、高剛性である素材、例えば、金属材にセラミックスを分散させた金属基複合材(MMC)からシリンダヘッドを製造することが本来は好ましい。   Since such a phenomenon is repeated, high rigidity is demanded in order to avoid the occurrence of cracks in a portion where high stress acts on the cylinder head, specifically between valve seats. Therefore, it is originally preferable to manufacture the cylinder head from a highly rigid material, for example, a metal matrix composite (MMC) in which ceramics are dispersed in a metal material.

しかしながら、シリンダヘッドの他の部位に高応力が作用することはほとんどなく、従って、一部に希求される高剛性を満足させるためにシリンダヘッド全体をMMC等で構成することは、コストの高騰を招く。また、MMCには、加工を施すことが容易でないという不具合がある。   However, high stress is rarely applied to other parts of the cylinder head. Therefore, if the entire cylinder head is made of MMC or the like in order to satisfy the high rigidity required for some parts, the cost increases. Invite. In addition, MMC has a problem that it is not easy to process.

このような観点から、特許文献1には、シリンダヘッドにおけるバルブシート間に摩擦撹拌を施し、さらに熱処理を施すことが提案されている。   From such a viewpoint, Patent Document 1 proposes that friction stirring is performed between valve seats in the cylinder head, and further heat treatment is performed.

特開2001−181809号公報JP 2001-181809 A

しかしながら、特許文献1に開示された技術は、所定の部位の肉を摩擦撹拌することで微細組織を均一化することによって表面改質を行うにとどまる。この場合、表面の特性は材質によって決定し、その材質固有の特性以上に優れた特性を得ることはできない。すなわち、例えば、その材質が示す理論強度以上の強度を得ることはできない。   However, the technique disclosed in Patent Document 1 only performs surface modification by homogenizing the fine structure by friction-stirring meat at a predetermined site. In this case, the characteristics of the surface are determined by the material, and it is not possible to obtain characteristics superior to those inherent to the material. That is, for example, it is not possible to obtain a strength higher than the theoretical strength indicated by the material.

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、部位に応じて希求される諸特性を容易且つ簡便な作業で、しかも、低コストで個別に向上させることが可能である複合材料の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and is a composite material that can easily improve various characteristics required according to the site by an easy and simple operation and at low cost. An object is to provide a manufacturing method.

前記の目的を達成するために、本発明は、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム又はマグネシウム合金のいずれかからなるワークの一部に分散質としてのセラミックスを分散させて複合材料化する複合材料の製造方法であって、
分散させる分散質の原材料を、前記ワークと同一組成又はアルミニウム合金の金属源とともにワーク上に載置する工程と、
1〜10kNの押圧力が付与されたツールを用いて前記原材料と前記ワークの肉とをともに摩擦撹拌することによって前記原材料を分散質として前記ワーク中に3〜60体積%の割合で前記金属源とともに分散させる工程と、
を有することを特徴とする。ここで、摩擦撹拌とは、摩擦熱によってワークの肉を軟化させて塑性流動させることを指称し、例えば、2個の部材の当接した端面同士を接合する摩擦撹拌接合において採用されている技術である。
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a composite material in which ceramic as a dispersoid is dispersed in a part of a work made of aluminum, aluminum alloy, magnesium or magnesium alloy to form a composite material. Because
Placing the dispersoid raw material to be dispersed on the workpiece together with the metal source of the same composition or aluminum alloy as the workpiece;
By using a tool to which a pressing force of 1 to 10 kN is applied, the raw material and the meat of the workpiece are frictionally agitated together , whereby the raw material is used as a dispersoid and the metal is contained in a proportion of 3 to 60% by volume in the workpiece. Dispersing with the source ;
It is characterized by having. Here, friction agitation refers to softening the workpiece meat by frictional heat and causing plastic flow, and, for example, a technique employed in friction agitation joining in which the abutting end surfaces of two members are joined together. It is.

本発明によれば、原材料とワークの肉とを摩擦撹拌するという容易且つ簡便な作業を行うことにより、ワークの所定部位中に分散質が分散し、このために該所定部位の特性が向上した複合材料を得ることができる。従って、部材全体を諸特性の優れた材質で構成する必要がないので、コストが高騰することを回避することができる。   According to the present invention, the dispersoid is dispersed in a predetermined part of the work by performing an easy and simple operation of friction stirring the raw material and the meat of the work, and thus the characteristics of the predetermined part are improved. A composite material can be obtained. Therefore, since it is not necessary to constitute the entire member with a material having excellent characteristics, it is possible to avoid an increase in cost.

しかも、摩擦撹拌では、ワークの肉を溶融することなく塑性流動させることができるので、摩擦撹拌後のワークにいわゆるブローホール等の欠陥が発生することがない。また、ワークの低融点成分が気化することがないので、ワークの組成が変化して該ワークが変質することもない。   In addition, the friction stirrer can plastically flow without melting the workpiece flesh, so that defects such as so-called blowholes do not occur in the work after the friction stir. Further, since the low melting point component of the work is not vaporized, the work composition is not changed and the work is not altered.

さらに、ワークを溶融させることがないので、残留応力を小さくすることができるとともに、ワークの歪を小さくすることができるという利点がある。   Furthermore, since the workpiece is not melted, there is an advantage that the residual stress can be reduced and the distortion of the workpiece can be reduced.

そして、分散質の種類を適宜選択することによって、所望の特性を向上させることができる。従って、本発明においては、例えば、ある部位では耐摩耗性が向上し、別の部位では潤滑性が向上する等、部位によって向上させる特性を相違させることもできる。   Desired characteristics can be improved by appropriately selecting the type of dispersoid. Therefore, in the present invention, for example, the wear resistance can be improved in one part and the lubricity can be improved in another part, and the characteristics to be improved can be made different depending on the part.

原材料としては、例えば、焼結や鋳造加工によって作製した板材を使用すればよい。   As the raw material, for example, a plate material produced by sintering or casting may be used.

又は、粉末を原材料として使用するようにしてもよい。この場合、摩擦撹拌前に粉末が散失することを防止するため、溶射によって粉末をワークに予め付着させておくことが好ましい。粉末を供給しながら、該粉末とワークとの摩擦撹拌を行うようにしてもよい。   Or you may make it use powder as a raw material. In this case, in order to prevent the powder from being lost before friction stirring, it is preferable that the powder is previously attached to the workpiece by thermal spraying. Friction stirring between the powder and the workpiece may be performed while supplying the powder.

分散質の好適な例としては、セラミックスを挙げることができる。例えば、Al23やSiC等を選定した場合、耐摩耗性が向上した部位を有する複合材料が得られる。また、BNやC等を選定した場合、潤滑性が向上する。 Suitable examples of the dispersoid include ceramics. For example, when Al 2 O 3 or SiC is selected, a composite material having a portion with improved wear resistance can be obtained. Moreover, when BN, C, etc. are selected, lubricity improves.

セラミックスを分散質とする場合、前記原材料にワークと同一組成、又はアルミニウムの金属粉末を予め含めておくことが好ましい。この場合、ワークの肉と分散質を容易に塑性流動させることができ、結局、分散質を容易にワーク中に分散させることができるからである。   When ceramics is used as a dispersoid, it is preferable that the raw material contains the same composition as the workpiece or metal powder of aluminum in advance. In this case, the flesh and dispersoid of the work can be easily plastically flowed, and eventually the dispersoid can be easily dispersed in the work.

また、ワークにおいてセラミックス(分散質)が分散した領域中での該分散質の割合は、3〜60体積%であることが好ましい。3体積%未満ではワークの特性を向上させる効果に乏しく、60体積%を超えると複合材料を加工することが容易ではなくなる。ここで、分散質の分散領域とは、分散質の最高到達点同士を結ぶことによって形成される領域のことを指称する。   Moreover, it is preferable that the ratio of this dispersoid in the area | region where ceramics (dispersoid) disperse | distributed in the workpiece | work is 3-60 volume%. If it is less than 3% by volume, the effect of improving the properties of the workpiece is poor, and if it exceeds 60% by volume, it is not easy to process the composite material. Here, the dispersed region of the dispersoid refers to a region formed by connecting the highest reaching points of the dispersoid.

一方、ワークの好適な例としては、シリンダヘッドの材質であるアルミニウム合金を挙げることができる。   On the other hand, a preferable example of the workpiece is an aluminum alloy that is a material of the cylinder head.

本発明によれば、摩擦撹拌を行うことによって分散質をワーク中に分散させるようにしている。これにより、所定の部位の特性が向上した複合材料を容易且つ簡便に得ることができる。しかも、このためにシリンダヘッド等の部材全体を諸特性の優れる材質から構成する必要がないので、コストの高騰を招くこともない。   According to the present invention, the dispersoid is dispersed in the work by performing frictional stirring. Thereby, a composite material with improved characteristics of a predetermined part can be obtained easily and simply. In addition, for this reason, it is not necessary to configure the entire member such as the cylinder head from materials having excellent characteristics, so that the cost is not increased.

また、分散させる分散質の種類を適宜変更することによって、所望の特性を向上させることができるとともに、部位に応じて希求される特性が異なる部材を容易且つ簡便に得ることもできる。   In addition, by appropriately changing the type of dispersoid to be dispersed, desired characteristics can be improved, and members having different characteristics required depending on the site can be easily and easily obtained.

以下、本発明に係る複合材料の製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of a method for producing a composite material according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

先ず、板材を使用する第1実施形態について説明する。   First, a first embodiment using a plate material will be described.

第1実施形態に係る複合材料の製造方法では、図1に示すように、摩擦撹拌接合用工具10が使用される。摩擦撹拌接合用工具10は、図示しないスピンドルに連結されて該スピンドルが回転付勢されることに伴って回転動作する回転体12と、該回転体12の先端部に設けられたプローブ14とを有する。後述するように、この摩擦撹拌接合用工具10の作用下に、ワーク16と板材18とが一体的に摩擦撹拌される。   In the method for manufacturing a composite material according to the first embodiment, a friction stir welding tool 10 is used as shown in FIG. The friction stir welding tool 10 includes a rotating body 12 that is connected to a spindle (not shown) and rotates when the spindle is urged to rotate, and a probe 14 provided at the tip of the rotating body 12. Have. As will be described later, the workpiece 16 and the plate member 18 are integrally frictionally stirred under the action of the friction stir welding tool 10.

図2に示すように、板材18の横幅wは、回転体12の直径Dsに比して小さく設定される。プローブ14の直径Dpは、特に限定されるものではないが、この場合、板材18の横幅wに比して大きく設定されている。また、板材18の厚みtは、5mm以下とすることが好ましい。プローブ14の長さLは、特に限定されるものではないが、例えば、板材18の厚みtと同等程度とすればよい。   As shown in FIG. 2, the lateral width w of the plate member 18 is set smaller than the diameter Ds of the rotating body 12. The diameter Dp of the probe 14 is not particularly limited, but in this case, the diameter Dp is set larger than the lateral width w of the plate member 18. The thickness t of the plate material 18 is preferably 5 mm or less. The length L of the probe 14 is not particularly limited, but may be, for example, approximately the same as the thickness t of the plate material 18.

この場合、ワーク16はアルミニウム合金からなり、該ワーク16上には、分散質の原材料である板材18が載置されている。なお、この板材18は、ワークと同一組成のアルミニウム合金粉末と、セラミックス粉末とが比較的緩やかに結合した焼結体からなる。   In this case, the workpiece 16 is made of an aluminum alloy, and a plate material 18 which is a dispersoid raw material is placed on the workpiece 16. The plate member 18 is made of a sintered body in which an aluminum alloy powder having the same composition as the workpiece and a ceramic powder are relatively loosely bonded.

セラミックス粉末としては、アルミニウム合金の特性を向上させる物質の粉末を選択すればよい。例えば、ワーク16に耐摩耗性を付与することを所望する場合にはAl23又はSiC等を選定することができ、潤滑性を付与することを所望する場合にはBNやC等を選定することができる。 As the ceramic powder, a powder of a substance that improves the characteristics of the aluminum alloy may be selected. For example, when it is desired to impart wear resistance to the workpiece 16, Al 2 O 3 or SiC can be selected, and when it is desired to impart lubricity, BN or C is selected. can do.

摩擦撹拌を実施するに際しては、前記スピンドルを回転付勢し、摩擦撹拌接合用工具10を回転動作させる。次に、摩擦撹拌接合用工具10を下降動作させ、上記のように構成された板材18の一端部における上端面を、プローブ14にて押圧する。   When carrying out the friction stirring, the spindle is urged to rotate, and the friction stirring welding tool 10 is rotated. Next, the friction stir welding tool 10 is lowered, and the upper end surface of the one end portion of the plate 18 configured as described above is pressed by the probe 14.

この際の押圧力は、1〜10kN程度とすることが好ましい。1kNでは摩擦熱が十分に発生しないので塑性流動が容易には進行せず、このため、複合化が進行することが容易ではなくなる。また、10kNを超えると、ワーク16が変形することがある。   The pressing force at this time is preferably about 1 to 10 kN. At 1 kN, sufficient frictional heat is not generated, so plastic flow does not proceed easily, and therefore, it is not easy for the composite to proceed. Moreover, when it exceeds 10 kN, the workpiece | work 16 may deform | transform.

このようにして回転動作したプローブ14が板材18に摺接することに伴って該板材18に摩擦熱が発生し、摺接箇所が軟化する。また、摩擦撹拌接合用工具10に所定の押圧力が加えられていることから、プローブ14の先端が板材18に埋没する。板材18は、最終的に、図3に示すように圧潰され、プローブ14の先端がワーク16に埋没する。   As the probe 14 rotated in this manner comes into sliding contact with the plate member 18, frictional heat is generated in the plate member 18 and the sliding contact portion is softened. Further, since a predetermined pressing force is applied to the friction stir welding tool 10, the tip of the probe 14 is buried in the plate material 18. The plate material 18 is finally crushed as shown in FIG. 3, and the tip of the probe 14 is buried in the workpiece 16.

この過程中、プローブ14が回転動作しているので、ワーク16の肉と板材18とが該プローブ14によって撹拌される。換言すれば、ワーク16の肉と板材18とが塑性流動を起こし、その結果、板材18に含まれたセラミックス粉末がワーク16中に分散される。この場合、板材18にアルミニウム合金粉末が添加されているので、摩擦撹拌時の塑性流動が容易に進行する。   During this process, since the probe 14 is rotating, the flesh of the workpiece 16 and the plate material 18 are agitated by the probe 14. In other words, the meat of the workpiece 16 and the plate material 18 cause plastic flow, and as a result, the ceramic powder contained in the plate material 18 is dispersed in the workpiece 16. In this case, since the aluminum alloy powder is added to the plate material 18, the plastic flow during friction stirring easily proceeds.

次に、摩擦撹拌接合用工具10の回転付勢を続行した状態で、該摩擦撹拌接合用工具10を図1における矢印X方向に指向して移動させる。これに伴いプローブ14が離間した箇所で冷却固化が起こり、これにより、アルミニウム合金であるワーク16中にセラミックス粉末が分散質として分散した複合材料が形成されるに至る。   Next, the friction stir welding tool 10 is moved in the direction indicated by the arrow X in FIG. 1 in a state where the rotational urging of the friction stir welding tool 10 is continued. Along with this, cooling and solidification occurs at the location where the probe 14 is separated, and thereby a composite material in which ceramic powder is dispersed as a dispersoid in the workpiece 16 which is an aluminum alloy is formed.

分散質が分散した部位(分散領域)において向上する特性は、セラミックス粉末の種類によって異なる。上記したように、分散質がAl23又はSiC等である場合には耐摩耗性が向上し、BNやC等である場合には潤滑性が向上する。 The characteristics that are improved at the site where the dispersoid is dispersed (dispersion region) vary depending on the type of ceramic powder. As described above, the wear resistance is improved when the dispersoid is Al 2 O 3 or SiC, and the lubricity is improved when it is BN or C.

その一方で、変位するプローブ14が接近した部位では、ワーク16の肉と板材18とが撹拌されることに伴って塑性流動が起こり、その結果、上記したように、ワーク16中にセラミックス粉末が分散質として分散される。この部位においても、プローブ14が離間した後に冷却固化が起こる。この現象が逐次的に繰り返されることにより、プローブ14の変位方向(矢印X方向)に沿って、ワーク16中に分散質が分散されるに至る。   On the other hand, at the portion where the displaced probe 14 approaches, plastic flow occurs as the meat of the workpiece 16 and the plate 18 are agitated. As a result, as described above, the ceramic powder is contained in the workpiece 16. Dispersed as a dispersoid. Even in this portion, cooling and solidification occur after the probe 14 is separated. By repeating this phenomenon sequentially, the dispersoid is dispersed in the workpiece 16 along the displacement direction (arrow X direction) of the probe 14.

図3に示すように、板材18が圧潰されることによってバリ20や凹部22が形成される。これらは、仕上加工によって除去される。   As shown in FIG. 3, burrs 20 and recesses 22 are formed when the plate material 18 is crushed. These are removed by finishing.

ここで、分散質としてAl23を分散させたワーク16におけるBスケールのロックウェル硬度(HRB)と、ヤング率(E)の向上率とを、該分散質の最高到達点同士を結んで形成される分散領域における分散質の割合との関係で図4に併せて示す。図4中、記号■はHRBを表し、記号●はEの向上率を表す。 Here, the B scale Rockwell hardness (HRB) and the Young's modulus (E) improvement rate in the workpiece 16 in which Al 2 O 3 is dispersed as the dispersoid are connected to the highest reach points of the dispersoid. FIG. 4 also shows the relationship with the ratio of the dispersoid in the formed dispersion region. In FIG. 4, the symbol ■ represents HRB, and the symbol ● represents the improvement rate of E.

この図4から諒解されるように、分散領域における分散質の割合が大きくなるほど、該分散領域の硬度及びヤング率が向上する。しかしながら、分散質の割合が過度に上昇すると、分散領域を平坦化する等、得られた複合材料を所定の形状に加工することが困難となる。このような事態を回避するべく、分散領域における分散質の割合は、3〜60体積%であることが好ましい。3体積%未満では、ワーク16の諸特性を向上させる効果に乏しい。   As can be seen from FIG. 4, as the proportion of the dispersoid in the dispersed region increases, the hardness and Young's modulus of the dispersed region improve. However, when the proportion of the dispersoid is excessively increased, it becomes difficult to process the obtained composite material into a predetermined shape, such as flattening the dispersion region. In order to avoid such a situation, the proportion of the dispersoid in the dispersion region is preferably 3 to 60% by volume. If it is less than 3% by volume, the effect of improving various properties of the workpiece 16 is poor.

より好ましい分散質の割合は、20〜50体積%である。20体積%以上であると、ヤング率Eが飛躍的に向上するようになる。一方、50体積%以内であれば、プローブ14が摩耗することを回避することができる。   A more preferable dispersoid ratio is 20 to 50% by volume. When it is 20% by volume or more, the Young's modulus E is drastically improved. On the other hand, if the volume is within 50% by volume, the probe 14 can be prevented from being worn.

このように、第1実施形態によれば、分散質となるセラミックス粉末を含む板材18をワーク16上に載置し、次に、摩擦撹拌接合用工具10にてワーク16の肉と板材18とを一体的に摩擦撹拌するという容易且つ簡便な作業を行うことによって、ワーク16中に分散質が分散し、このために所定部位の特性が向上した複合材料を得ることができる。換言すれば、ある部位のみに所望の特性を付与することができる。従って、所定の部位に所望の特性を発現させるために、部材全体を諸特性の優れた材質で構成する必要がない。このため、コストが高騰することを回避することができる。   As described above, according to the first embodiment, the plate material 18 containing the ceramic powder that becomes the dispersoid is placed on the workpiece 16, and then the meat of the workpiece 16 and the plate material 18 with the friction stir welding tool 10 By carrying out an easy and simple work of friction stirring together, the dispersoid is dispersed in the work 16, and thus a composite material with improved characteristics at a predetermined site can be obtained. In other words, desired characteristics can be given only to a certain part. Therefore, it is not necessary to configure the entire member with a material having excellent characteristics in order to express desired characteristics at a predetermined site. For this reason, it is possible to avoid an increase in cost.

しかも、この場合、ワーク16が溶融しないため、いわゆるブローホール等の欠陥が発生することがなく、ワーク16に含有される合金成分中の低融点成分が気化して該ワーク16の組成、ひいては特性が変化することもない。   In addition, in this case, since the workpiece 16 is not melted, defects such as so-called blowholes are not generated, and the low melting point component in the alloy component contained in the workpiece 16 is vaporized, and thus the composition and the characteristics of the workpiece 16 are obtained. Does not change.

その上、分散質の種類を適宜変更することにより、向上させる特性を変更することもできる。従って、例えば、ワーク16のある部位においてはAl23やSiC等の耐摩耗性を向上させる分散質を分散させ、その一方で、別の部位に対してBNやC等の潤滑性を向上させる分散質を分散させれば、部位によって諸特性が異なる複合材料を得ることもできる。 In addition, the characteristics to be improved can be changed by appropriately changing the type of dispersoid. Therefore, for example, dispersoids that improve wear resistance such as Al 2 O 3 and SiC are dispersed in a part where the workpiece 16 is present, while lubricity such as BN and C is improved relative to another part. If the dispersoid to be dispersed is dispersed, it is possible to obtain composite materials having various characteristics depending on the part.

なお、第1実施形態では、図5に示すように、摩擦撹拌接合用工具10の変位方向に沿ってワーク16に長尺溝24を設け、該長尺溝24内に板材18を挿入した後、摩擦撹拌を行うようにしてもよい。板材18を挿入することに代替し、セラミックス粉末を長尺溝24に収容した後に該セラミックス粉末とワーク16とを溶射によって互いに付着させるようにしてもよい。   In the first embodiment, as shown in FIG. 5, the long groove 24 is provided in the workpiece 16 along the displacement direction of the friction stir welding tool 10, and the plate material 18 is inserted into the long groove 24. Alternatively, friction stirring may be performed. Instead of inserting the plate material 18, the ceramic powder and the workpiece 16 may be adhered to each other by thermal spraying after the ceramic powder is accommodated in the long groove 24.

さらに、板材18は、焼結体に限定されるものではなく、金属又はセラミックスの表面に自発的に生成した酸化物を還元ガスによって活性化した後、溶湯金属を浸透させることによって複合化する、いわゆる活性化浸透法によって得られた金属基複合材(MMC)や、コンポキャスト等の鋳造加工によって得られたものであってもよい。   Furthermore, the plate member 18 is not limited to a sintered body, and is activated by reducing the oxide generated spontaneously on the surface of the metal or ceramics with a reducing gas, and then composited by infiltrating the molten metal. A metal matrix composite (MMC) obtained by a so-called activated permeation method or a material obtained by casting such as a component casting may be used.

次に、セラミックス粉末を含む粉末を原材料とし、該原材料を供給しながら摩擦撹拌を行う第2実施形態につき説明する。   Next, a second embodiment in which powder containing ceramic powder is used as a raw material and friction stirring is performed while the raw material is supplied will be described.

第2実施形態においては、図6に示すように、摩擦撹拌接合用工具10を矢印X方向に変位させる図示しない変位機構に対し、粉末供給管30が取り付けられる。   In the second embodiment, as shown in FIG. 6, a powder supply pipe 30 is attached to a displacement mechanism (not shown) that displaces the friction stir welding tool 10 in the arrow X direction.

第1実施形態に準拠して摩擦撹拌接合用工具10が回転動作している間、粉末供給管30から上記したようなセラミックス粉末、又はセラミックス粉末とアルミニウム合金粉末との混合粉末、すなわち、分散質の原材料である粉末Pがワーク16の上端面に供給される。この供給によって粉末Pがワーク16の上端面に載置された後、摩擦撹拌接合用工具10のプローブ14が下降動作されてワーク16に摺接する。   While the friction stir welding tool 10 is rotating in accordance with the first embodiment, the ceramic powder as described above from the powder supply pipe 30 or the mixed powder of the ceramic powder and the aluminum alloy powder, that is, the dispersoid. The powder P, which is a raw material, is supplied to the upper end surface of the workpiece 16. After the powder P is placed on the upper end surface of the workpiece 16 by this supply, the probe 14 of the friction stir welding tool 10 is moved down to slidably contact the workpiece 16.

ワーク16において、プローブ14が摺接した箇所は摩擦熱によって軟化し、最終的に、プローブ14がワーク16に回転動作しながら埋没する。このようにしてプローブ14が埋没することにより、ワーク16の肉が粉末Pとともに塑性流動される。   In the workpiece 16, the portion where the probe 14 is in sliding contact is softened by frictional heat, and finally the probe 14 is buried in the workpiece 16 while rotating. As the probe 14 is buried in this manner, the meat of the workpiece 16 is plastically flowed together with the powder P.

そして、プローブ14が前記変位機構の作用下に矢印X方向に変位され、終端点に到達するまで粉末供給管30から粉末Pの供給が続行される。上記したように、粉末供給管30は前記変位機構に取り付けられているので、該粉末供給管30がプローブ14の変位軌跡上から離脱することはない。   Then, the probe 14 is displaced in the direction of the arrow X under the action of the displacement mechanism, and the supply of the powder P from the powder supply pipe 30 is continued until reaching the end point. As described above, since the powder supply tube 30 is attached to the displacement mechanism, the powder supply tube 30 is not detached from the displacement locus of the probe 14.

以降、第1実施形態に準拠して摩擦撹拌が遂行された結果、矢印X方向に沿ってワーク16中にセラミックス粉末(分散質)が分散した複合材料が得られるに至る。   Thereafter, as a result of performing frictional stirring in accordance with the first embodiment, a composite material in which ceramic powder (dispersoid) is dispersed in the workpiece 16 along the arrow X direction is obtained.

このように、第2実施形態では分散質となるセラミックス粉末を含む粉末Pをワーク16上に供給しながら、摩擦撹拌接合用工具10にてワーク16の肉の摩擦撹拌を行う。すなわち、この場合においても、容易且つ簡便な作業によってワーク16中に分散質が分散し、このために所定の部位の特性が向上した複合材料が得られるに至る。   As described above, in the second embodiment, the friction stir of the meat of the workpiece 16 is performed by the friction stir welding tool 10 while supplying the powder P containing the ceramic powder as the dispersoid onto the workpiece 16. That is, even in this case, the dispersoid is dispersed in the work 16 by an easy and simple operation, and for this reason, a composite material with improved characteristics of a predetermined part is obtained.

勿論、第2実施形態においても、分散質の種類を適宜変更すれば、向上させる特性を変更することができ、結局、部位によって諸特性が異なる複合材料を得ることができる。   Of course, also in the second embodiment, if the type of dispersoid is appropriately changed, the characteristics to be improved can be changed, and eventually, composite materials having different characteristics depending on the parts can be obtained.

なお、第2実施形態においては、図7に示すように、摩擦撹拌接合用工具10の内部に通路32を設け、該通路32を経由させてプローブ14の先端部からセラミックス粉末を含む粉末Pを供給するようにしてもよい。   In the second embodiment, as shown in FIG. 7, a passage 32 is provided inside the friction stir welding tool 10, and the powder P containing ceramic powder is passed from the tip of the probe 14 via the passage 32. You may make it supply.

また、第2実施形態においても、分散領域における分散質の割合は、3〜60体積%であることが好ましく、20〜50体積%であることがより好ましい。   Moreover, also in 2nd Embodiment, it is preferable that the ratio of the dispersoid in a dispersion | distribution area | region is 3-60 volume%, and it is more preferable that it is 20-50 volume%.

上記した第1実施形態又は第2実施形態のいずれにおいても、分散質として金属粉末を分散させるようにしてもよい。この場合、金属の種類によっては、分散するとともにワーク16の構成金属であるアルミニウム合金と合金化することもある。本発明においては、このような分散質とワークとの合金化も複合材料化に含めるものとする。   In either the first embodiment or the second embodiment described above, the metal powder may be dispersed as a dispersoid. In this case, depending on the type of metal, it may be dispersed and alloyed with an aluminum alloy that is a constituent metal of the workpiece 16. In the present invention, such alloying of dispersoid and workpiece is included in the composite material.

さらに、ワーク16の構成金属は、アルミニウム合金に特に限定されるものではなく、アルミニウム、マグネシウム、マグネシウム合金等であってもよい。   Furthermore, the constituent metal of the workpiece 16 is not particularly limited to an aluminum alloy, and may be aluminum, magnesium, a magnesium alloy, or the like.

そして、ワーク16の別の例としては、バルブシートや、ディーゼル内燃機関を構成するピストンのヘッド面及びリング溝が挙げられる。   Another example of the workpiece 16 is a valve seat, a head surface of a piston constituting a diesel internal combustion engine, and a ring groove.

第1実施形態に係る製造方法を実施する状態を示す概略斜視説明図である。It is a schematic perspective explanatory drawing which shows the state which implements the manufacturing method which concerns on 1st Embodiment. ワーク、板材及び摩擦撹拌接合用工具の寸法関係を示す正面説明図である。It is front explanatory drawing which shows the dimension relationship of a workpiece | work, a board | plate material, and the tool for friction stir welding. プローブが押圧されることによって板材が圧潰された状態を示す概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows the state by which the board | plate material was crushed by pressing a probe. Al23を分散させたワークにおけるHRB及びヤング率と、分散領域における分散質の割合との関係を示すグラフである。And HRB and Young's modulus in the workpiece obtained by dispersing Al 2 O 3, is a graph showing the relationship between the ratio of the dispersoid in the dispersion region. 第1実施形態の変形例に係る製造方法を実施するためのワークと板材とを示す概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows the workpiece | work and board | plate material for enforcing the manufacturing method which concerns on the modification of 1st Embodiment. 第2実施形態に係る製造方法を実施する状態を示す概略斜視説明図である。It is a schematic perspective explanatory drawing which shows the state which implements the manufacturing method which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態の変形例に係る製造方法を実施するための摩擦撹拌接合用工具、ワーク、及び板材を示す概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows the friction stir welding tool for implementing the manufacturing method which concerns on the modification of 2nd Embodiment, a workpiece | work, and a board | plate material.

符号の説明Explanation of symbols

10…摩擦撹拌接合用工具 14…プローブ
16…ワーク 18…板材
30…粉末供給管 P…粉末

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Tool for friction stir welding 14 ... Probe 16 ... Workpiece 18 ... Plate material 30 ... Powder supply pipe P ... Powder

Claims (4)

アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム又はマグネシウム合金のいずれかからなるワークの一部に分散質としてのセラミックスを分散させて複合材料化する複合材料の製造方法であって、
分散させる分散質の原材料を、前記ワークと同一組成又はアルミニウム合金の金属源とともにワーク上に載置する工程と、
1〜10kNの押圧力が付与されたツールを用いて前記原材料と前記ワークの肉とをともに摩擦撹拌することによって前記原材料を分散質として前記ワーク中に3〜60体積%の割合で前記金属源とともに分散させる工程と、
を有することを特徴とする複合材料の製造方法。
A method for producing a composite material in which ceramic as a dispersoid is dispersed into a part of a workpiece made of aluminum, an aluminum alloy, magnesium or a magnesium alloy to form a composite material,
Placing the dispersoid raw material to be dispersed on the workpiece together with the metal source of the same composition or aluminum alloy as the workpiece;
By using a tool to which a pressing force of 1 to 10 kN is applied, the raw material and the meat of the workpiece are frictionally agitated together , whereby the raw material is used as a dispersoid and the metal is contained in a proportion of 3 to 60% by volume in the workpiece. Dispersing with the source ;
A method for producing a composite material, comprising:
請求項1記載の製造方法において、前記ワークにて前記分散質が分散した領域中の該分散質の割合を20〜50体積%とすることを特徴とする複合材料の製造方法。 The manufacturing method of claim 1, wherein method of producing a composite material in which the dispersoid is characterized the dispersoid to Rukoto 20-50% by volume proportion of the region that is dispersed in the workpiece. 請求項1又は2記載の製造方法において、前記分散質をAl 2 3 又はSiCとすることを特徴とする複合材料の製造方法。 The manufacturing method according to claim 1 or 2 wherein method of producing a composite material characterized in that the pre-Symbol dispersoid and Al 2 O 3 or SiC. 請求項1又は2記載の製造方法において、前記分散質をBN又はCとすることを特徴とする複合材料の製造方法。 The manufacturing method according to claim 1 or 2 wherein method of producing a composite material characterized in to Rukoto and the dispersoid BN or C.
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