JP4058479B2 - 金属部材の円柱内面改質方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は機械部品，自動車及び鉄道車両部品特にエンジンのシリンダ，ベアリング或いはＯＡ機器部品，航空機部品，船舶用機器部品，医療機器部品等に適用して好適な金属部材の円柱内面改質方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
この種円柱内面を有する金属部材の従来の製法として鋳造による方法が広く行われているが、鋳造法の場合製品形状、特に肉厚により凝固組織が不均一となり易く、また巣や気孔等の鋳造欠陥が生じ易い問題がある。
【０００３】
一方半溶融（チクソ成型法）／半凝固（レオ成型法）等もあるが、この方法の場合においても製品組織の不均一，偏析等が避けられない。
また半溶融金属の流れの合流部分で所謂ウェルドラインを生じ、強度，外観，機能の不均一を生じる問題もある。
【０００４】
他方粉末冶金による方法は、結晶粒を細かくできるものの気孔が生じる問題があり、また焼結体の延性，強度が不足するとともに各種加工，熱処理時の収縮量の予測，制御が極めて難しく、円柱内面への合体，複合化は困難である。
その他に溶接，レーザー等による改質も行われているが、この方法を小径の円柱内面或いは長尺の円柱内面の改質に適用することは極めて困難である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の金属部材の円柱内面改質方法はこのような課題を解決するために案出されたものである。
而して請求項１の改質方法は、円柱内面を有する純金属若しくは合金から成る金属部材の該円柱内面に沿って、該金属部材の軟化温度よりも高い軟化温度を有している加圧ロッドを加圧接触させながら相対回転運動させることによって該円柱内面の表層を摩擦発熱により軟化及び塑性流動させて、緻密な組織の改質層を形成することを特徴とする。
【０００６】
請求項２の改質方法は、請求項１に記載の金属部材の円柱内面改質方法において、前記円柱内面の直径よりも外径の大きい前記加圧ロッドを用い、該加圧ロッドを該円柱内面に対し相対回転させながら該円柱内面の開口部よりその内部に挿入し且つ軸方向に相対移動させることによって、該円柱内面の前記表層を塑性流動させて前記改質層を形成することを特徴とする。
【０００７】
【作用及び発明の効果】
本発明においては、円柱内面を有する純金属若しくは合金の金属部材を予め鋳造成形，押出成形，プレス成形，溶接等の一般的な加工法により作成する。そしてこの金属部材における円柱内面に沿って加圧ロッドを加圧接触させながら相対回転運動させ、内面表層を摩擦発熱により軟化及び塑性流動させる。
この塑性流動した部分では結晶粒の微細化，表層欠陥の圧着が行われて緻密な欠陥のない組織（改質層）となる。
この改質層は所謂ペッチの法則によって高強度化されており、耐磨耗性も母材金属に比べて大幅に向上する。
【０００８】
本発明によれば０．５〜５ｍｍ程度の厚みの改質層を円柱内面に形成することができる。
本発明はアルミニウム，アルミニウム合金，マグネシウム合金等の低融点金属から成る金属部材の加工に適用して特に効果があるが高融点材料、例えば鋳鉄，鋼，ステンレス鋼，銅合金等から成る金属部材の加工に適用可能である。
【０００９】
また加工は通常は大気中で行うことができるが、チタン合金のような活性材料に対してはアルゴン等の不活性ガス雰囲気や真空等の雰囲気中、或いはやや活性な銅等の材料の場合には窒素或いは炭酸ガス雰囲気中で行うこともできる。
更に気体中のみならず水，油等の液体中での摩擦発熱による塑性流動を利用して加工を行うこともできる。この場合には結晶粒の微細化効果は更に大きい。
【００１０】
本発明においては、加圧ロッドによる加圧下での円柱内面表層の強度の塑性加工による微細化或いは塑性流動による機械的な分断により組織を微細化させ、ペッチの法則により高強度化を図ることができるとともに、内面表層における不純物を細かく均一に分散させ得、これによる強度向上も図ることができる。
【００１１】
また金属部材の作製時に生じた円柱内面部分の割れや気孔等の欠陥を塑性変形と加圧力により圧着し封じることができる結果、健全な組織が得られるとともに、円柱内面に圧縮の残留応力を付与できることから、円柱内面の疲労寿命を向上させることができる。
また本発明によれば加工設備が簡単で済み且つ加工の制御，操作も容易であるなどの利点が得られる。
【００１２】
本発明においては、上記加圧ロッドとして金属部材の軟化温度よりも高い軟化温度を有するものを用いる。例えば金属部材がアルミニウム合金から成る場合、加圧ロッドとしてステンレス鋼から成るものを用いることができる。
【００１３】
本発明においては、様々な方法で円柱内面に対し加圧ロッドを加圧接触させ且つ相対回転運動させることができるが、円柱内面の直径よりも外径の大きな加圧ロッドを用い、これを円柱内面に対し相対回転させながらその開口部より内部に挿入し且つ軸方向に相対移動させることによって、円柱内面の表層を塑性流動させて上記改質層を形成する方法を好適に採用することができる（請求項２）。
【００１４】
この方法によれば、加圧ロッドを円柱内面に対し相対回転させながら開口部の内部に押し込むだけで、簡単に円柱内面に改質層を形成することができる。
尚、加圧ロッドとしては円柱状のもの（中実のもの）の外、円筒状のもの（中空のもの）或いは中実又は中空の六角形状等の多角形状のものを用いることも可能であり、更に表面に特定形状の凹凸をつけることにより更に効果的な摩擦熱を発生させ、強力な塑性流動を助長させることができる。
【００１５】
【実施例】
次に本発明の実施例を以下に詳述する。
図１に示しているようにＡｌ−Ｓｉ合金（ＡＣ８Ａ）製の金属部材１０（この例では底部１２付きのもの）の円柱内面１４に対して、ＳＫＤ６１から成る加圧ロッド１６を高速回転させながら開口部１８から軸方向に押し込み、円柱内面１４の改質を行った。
【００１６】
尚円柱内面１４の直径は２０ｍｍφ、加圧ロッド１６の外径は２３ｍｍφ、加圧ロッド１６の回転速度は１５００ｒｐｍ、押込速度は０．２ｍｍ／ｓｅｃとした。
この結果円柱内面１４の表層が加圧下に軟化して塑性流動を生じ、これにより組織の緻密な高強度の改質層２０が円柱内面１４に形成された。
【００１７】
この改質層２０の組織状態を調べるべく加工部分の断面を切り取って（図２中Ｋで示した部分）顕微鏡観察したところ、円柱内面１４の表層に沿って形成された改質層２０は（参考写真（イ）で示している）母材金属の組織（参考写真（ロ）で示している）に比べて結晶粒が微細で組織が緻密なものであり、且つその改質層２０は母材金属と良好に一体に固相接合或いは融合していた。
【００１８】
以上本発明の実施例を詳述したがこれはあくまで一例示である。
例えば本発明は上記のような底部１２を有しない円柱内面１４を有する金属部材の加工に対しても適用可能であるなど、その主旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例方法の説明図である。
【図２】 同実施例にて形成した改質層の切取部分を示す図である。
【符号の説明】
１０ 金属部材
１４ 円柱内面
１６ 加圧ロッド
１８ 開口部
２０ 改質層
Claims (2)
- 円柱内面を有する純金属若しくは合金から成る金属部材の該円柱内面に沿って、該金属部材の軟化温度よりも高い軟化温度を有している加圧ロッドを加圧接触させながら相対回転運動させることによって該円柱内面の表層を摩擦発熱により軟化及び塑性流動させて、緻密な組織の改質層を形成することを特徴とする金属部材の円柱内面改質方法。
- 請求項１に記載の金属部材の円柱内面改質方法において、前記円柱内面の直径よりも外径の大きい前記加圧ロッドを用い、該加圧ロッドを該円柱内面に対し相対回転させながら該円柱内面の開口部よりその内部に挿入し且つ軸方向に相対移動させることによって、該円柱内面の前記表層を塑性流動させて前記改質層を形成することを特徴とする金属部材の円柱内面改質方法。
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