JP4104778B2 - 円柱内面のコーティング方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【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やベアリング、或いはＯＡ機器部品，航空機部品，船舶用機器部品，医療機器部品に適用して好適な円柱孔を有する構造体の円柱内面のコーティング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
円柱孔を有する構造体の円柱内面にコーティングを施す従来の方法として鋳ぐるみによる方法が行われている。
しかしこの方法の場合製品形状、特に構造体の肉厚不均一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，レーザー等による方法も行われているが、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】
本発明の円柱内面のコーティング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の方法は、円柱孔を有する構造体の円柱内面に該構造体と同種若しくは異種材から成るコーティング材料をコーティングする方法であって、前記円柱孔内に前記コーティング材料及び該円柱孔よりも外径の小さな加圧ロッドを挿入するとともに、該加圧ロッドを該コーティング材料に加圧下に接触且つ前記構造体に対して相対回転させて、該コーティング材料を摩擦発熱により軟化及び該加圧ロッドと前記円柱内面との間の空間に沿って塑性流動させて該円柱内面にコーティング層を形成するようになし、且つ前記円柱孔は底部を有しないものとなすとともに、前記加圧ロッドと対向させる状態にバックアップロッドを配置して、該バックアップロッドと該加圧ロッドとで前記コーティング材料を軸方向に挟み込み、該加圧ロッドの相対回転により該コーティング材料を軟化及び塑性流動させて前記コーティング層を形成することを特徴とする。
【０００６】
請求項２の方法は、底部を有しない貫通孔形状の円柱孔を有する構造体の該円柱内面に該構造体と同種若しくは異種材から成るコーティング材料をコーティングする方法であって、前記コーティング材料にて形成された、前記円柱孔より外径の小さな加圧ロッドと、該加圧ロッドより高硬度の材質から成るバックアップロッドとを軸方向に対向させる状態で該円柱孔内に挿入し、該加圧ロッドと該バックアップロッドを相対回転させ加圧することにより該加圧ロッドを摩擦発熱により軟化させて塑性流動させ、前記円柱内面にコーティング層を形成することを特徴とする。
【０００７】
請求項３の方法は、円柱孔を有する構造体の円柱内面に該構造体と同種若しくは異種材から成るコーティング材料をコーティングする方法であって、前記円柱孔内に前記コーティング材料及び該円柱孔よりも外径の小さな加圧ロッドを挿入するとともに、該加圧ロッドを該コーティング材料に加圧下に接触且つ前記構造体に対して相対回転させて、該コーティング材料を摩擦発熱により軟化及び該加圧ロッドと前記円柱内面との間の空間に沿って塑性流動させて該円柱内面にコーティング層を形成するようになし、前記コーティング材料は前記円柱孔内において前記加圧ロッドの外周面と前記円柱内面との間にセットして、該加圧ロッドを相対回転させながら該加圧ロッドにより該コーティング材料を半径方向に加圧して軟化及び塑性流動させるようになすとともに、前記加圧ロッドは拡径可能なパ イプにて構成し、該加圧ロッド内部にマンドレルを軸方向に挿入して該加圧ロッドを拡径変形させ、前記コーティング材料を半径方向に加圧することを特徴とする。
【０００８】
請求項４の方法は、円柱孔を有する構造体の円柱内面に該構造体と同種若しくは異種材から成るコーティング材料をコーティングする方法であって、前記円柱孔内に前記コーティング材料及び該円柱孔よりも外径の小さな加圧ロッドを挿入するとともに、該加圧ロッドを該コーティング材料に加圧下に接触且つ前記構造体に対して相対回転させて、該コーティング材料を摩擦発熱により軟化及び該加圧ロッドと前記円柱内面との間の空間に沿って塑性流動させて該円柱内面にコーティング層を形成するようになし、且つ前記コーティング材料として複数の異種材の混合材から成るものを用いることを特徴とする。
【０００９】
【作用及び発明の効果】
本発明において、対象となる円柱孔を有する構造体は金属製，セラミックス製，プラスチックス製何れでも良く、またその製造方法も従来一般の製造方法を採用できる。
例えば金属製の構造体の場合鋳造，押出し，プレス成形，機械加工，溶接等の一般的な加工製造方法により作製することができる。
【００１０】
本発明では、この円柱孔を有する構造体の円柱内面に対し以下のようにしてコーティング層を形成する。
即ち、本発明では円柱孔内にコーティング材料と円柱孔よりも外径の小さな加圧ロッドを挿入し、そしてその加圧ロッドをコーティング材料に加圧下に接触させ且つ構造体に対し相対回転させてコーティング材料を摩擦発熱により軟化及び塑性流動させる。
塑性流動したコーティング材料は加圧ロッドの外周面と円柱内面との間に沿って流れて円柱内面に接合し、コーティング層を形成する。
【００１１】
このコーティング層は結晶粒が微細化しており、所謂ペッチの法則によって高強度を有するとともに円柱内面に対し強固に接合したものとなる。
ここでコーティング層の厚みは円柱孔の直径と加圧ロッドの外径との差或いは円柱孔を有する構造体とコーティング材料との熱的性質，変形強度等によって決まるが概ね数ｍｍ程度ないしそれ以下の厚みで形成することができる。
【００１２】
上記のように円柱孔を有する構造体は各種材質とすることができるが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ものに特に効果的である。
但し高融点材料、例えば鋳鉄，鋼，ステンレス鋼及び銅合金等から成るものに対しても適用可能である。
【００１３】
円柱孔を有する構造体とコーティング材料との溶融点等物性の大きく異なる材料の組合せの場合、高融点材料を予熱するなどにより低融点材料との接合性を向上させることも有効である。
【００１４】
コーティング処理は通常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、或いはやや活性な銅等の材料で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熱による塑性流動現象も利用でき、この場合更に結晶粒微細化効果は大きい。
【００１５】
本発明によれば、簡単な製造設備で円柱内面に構造体と同種又は異種材を複合化すること、即ちコーティングすることができ、且つその処理の制御・操作も容易である。
【００１６】
而してこれにより円柱内面に新たな機能を付加することができる。
例えば円柱内面に耐摩耗層，低摺動抵抗層，耐熱層，耐食層その他の機能を備えた層を形成することができる。即ち目的に応じて様々な機能を付加することができる。
しかもその新たな機能を有するコーティング層を円柱内面に対して強固に接合することができる。
【００１７】
尚円柱内面は平滑面であっても良いし凹凸を有するものであっても良い。
後者の場合、塑性流動によって形成されたコーティング層が円柱内面に対し物理的，機械的に嵌合した状態となって両者の接合強度が大きくなる利点が得られる。
【００１８】
本発明によれば、円柱内面に新たな機能を付加できるのみならず以下の利点も得られる。
即ち円柱内面表層部の結晶粒が摩擦熱や塑性変形により微細化し高強度化されるほか、表層部において不純物が細かく均一に分散し、これによっても強度向上が図られる。
【００１９】
また構造体作製時に生じた割れや気孔等の欠陥が塑性変形及び加圧力により圧着・封じられ（構造体が金属の場合）、この結果健全な組織が生成する。
また表層部に圧縮の残留応力が付与され、疲労寿命が向上する効果も得られる。
【００２０】
本発明においては、加圧ロッドとしてコーティング材料の軟化温度よりも高い軟化温度を有するものを用いることができる。
例えばコーティング材料としてＡｌ−１３Ｓｉ共晶合金を用いた場合において、加圧ロッドとして軟鋼，工具鋼或いは高合金材料（ステライト等）を用いることができる。
【００２１】
本発明においては、様々な手法でコーティング層を形成することができる。
例えば円柱孔内に挿入したコーティング材料に対して加圧ロッドを軸方向に加圧及び相対回転させながら前進移動させ、これによりコーティング材料を摩擦発熱させて加圧ロッドの外周面と円柱内面との間の環状空間に沿って塑性流動させ、コーティング層を形成することができる。
【００２２】
本発明では、円柱孔を底部を有しない形態となし、そして加圧ロッドと対向させる状態にバックアップロッドを配置して、それらバックアップロッドと加圧ロッドとの間にコーティング材料を挟み込み、その加圧ロッドの相対回転によってコーティング材料を摩擦発熱により軟化及び塑性流動させ上記コーティング層を形成することができる（請求項１）。
【００２３】
或いはまた加圧ロッドそのものをコーティング材料にて構成し、その加圧ロッドとバックアップロッドとを相対回転させ加圧することにより、その加圧ロッドを摩擦発熱により軟化及び塑性流動させて円柱内面にコーティング層を形成することもできる（請求項２）。
【００２４】
以上はコーティング材料を加圧ロッドにより軸方向に加圧する場合であるが、これと異なって加圧ロッドの外周面と円柱内面との間にコーティング材料をセットし、そして加圧ロッドを相対回転させながらその加圧ロッドによりコーティング材料を半径方向に加圧して摩擦発熱により軟化及び塑性流動させ、上記コーティング層を形成することもできる。
【００２５】
この場合において加圧ロッドを拡径可能なパイプにて構成し、その加圧ロッド内部にマンドレルを軸方向に挿入することによって加圧ロッドを拡径変形させ、これによりコーティング材料を半径方向に加圧して塑性流動させ、コーティング層を形成するといったことが可能である（請求項３）。
【００２６】
本発明においては、上記コーティング材料として複数の異種材の混合材から成るコーティング材料を用いることができる（請求項４）。
この場合、その複数の異種材の混合量或いは組合せを変えることによって、コーティング材料の組成及びコーティング層の機能を自在にコントロールすることができる。
【００２７】
コーティング材料の形態は板材となすことができ、或いはまた粉・粒体（切粉，ペレットを含む）から成るものを用いることもできる。
更にはまたワイヤ材から成るものを用いることもできるし、或いはまた箔材から成るものを用いることもできる。
これらの場合において異なる材料の板材を板厚方向に積層した状態で円柱孔内にセットしておくこともできるし、或いはまた異種の粉体の混合材を円柱孔内にセットしておくこと、更には異種の材料から成る複数種類のワイヤ材を集成した状態で円柱孔内にセットしておくことができるし、また箔材を用いる場合においても異種の箔材を重ねた状態で円柱孔内にセットしておくことができる。
【００２８】
以上はコーティング材料の一形態例であって、その他に粒状ペレット，焼結金属，鋳造体，溶接金属等にてコーティング材料を形成することもできる。
また上記加圧ロッドは断面円形の丸棒を用いることができることは勿論、断面が六角形状等の多角形状のものを用いることも可能である。
【００２９】
【実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて以下に詳しく説明する。
図１（図１は参考例を示す）において、１０は円柱孔１２を有する構造体で、この例では円柱孔１２は底部１４を有するものとされている。
ここで構造体１０は金属，セラミックス，プラスチックス等の各種の材質となすことができるが、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構造体１０に好適に適用することができる。
但し鋳鉄，鋼，ステンレス鋼，銅合金その他の高融点金属から成る構造体に対しても勿論適用可能である。
【００３０】
１６は丸棒から成る加圧ロッドであって、その外径は円柱孔１２の直径よりも僅かに小さくされている。
尚この加圧ロッド１６は後述のコーティング材料１８の軟化温度よりも高い軟化温度を有している。
【００３１】
また加圧ロッド１６として断面円形の丸棒以外に断面多角形状の角棒から成るものを用いることもできる。この点以下の各実施形態においても同様である。
【００３２】
この例では、図１に示しているように固定状態の円柱孔１２内且つ底部１４上にコーティング材料１８をセットするとともに円柱孔１２内に加圧ロッド１６を挿入し、そしてこれを高速回転させつつ前進移動させて先端面をコーティング材料１８に接触させ且つこれを軸方向に加圧する。
【００３３】
するとコーティング材料１８は摩擦発熱により軟化し、更に加圧ロッド１６による加圧力によって、円柱内面２０と加圧ロッド１６外周面との間の環状空間に沿って図中上方に塑性流動して這い上がり、それら加圧ロッド１６の外周面と円柱内面２０との間の空間を埋めるとともに円柱内面２０に強固に接合する。即ち円柱内面２０にコーティング層２２が形成される。
【００３４】
このとき構造体１０が金属製のものであればコーティング層２２は円柱内面２０に対し境界面で拡散接合した状態となって円柱内面２０に接合一体化し、接合力はより強固なものとなる。
【００３５】
或いは構造体１０がセラミックスや焼結体から成るものである場合、塑性流動したコーティング材料１８が円柱内面２０に存在する微細な気孔内に入り込んで、同じくコーティング層２２が円柱内面２０に強固に一体に接合する。
【００３６】
このようにして形成されたコーティング層２２は結晶粒が微細化しており、所謂ペッチの法則によって高強度を有している。
この方法によれば簡単な製造設備で円柱内面２０にコーティング層２２を形成でき且つその処理の制御・操作も容易である。
【００３７】
またコーティング材料１８の選択によって円柱内面２０に新たな機能を付加することができる。
例えばコーティング材料１８の組成を適宜の組成とすることによって円柱内面２０に耐摩耗性，低摺動抵抗性，耐熱性，耐食性その他の機能を付加することができる。
【００３８】
ここで円柱内面２０は平滑面であっても良いし凹凸を有するものであっても良い。
凹凸がある場合コーティング層２２が円柱内面２０に対し物理的，機械的に嵌合した状態となって接合強度が高まる利点が得られる。
【００３９】
この方法によれば、円柱内面表層部の結晶粒が摩擦熱や塑性変形により微細化し高強度化される外、表層部において不純物が細かく均一に分散し、これによっても強度が向上する。
【００４０】
また金属製の構造体１０の場合には、構造体作製時に生じた割れや気孔等の欠陥が塑性変形及び加圧力により圧着・封じられ、この結果健全な組織が生成する。
また表層部に圧縮の残留応力が付与され、疲労寿命が向上する効果も得られる。
【００４１】
尚、図１（II）に示しているように、コーティング材料１８が円柱孔１２の開口部からはみ出す結果、円柱内面２０上端部においてコーティング材料１８の接合が不十分となる恐れがあるときには、図２（Ａ）に示しているように加圧ロッド１６の押込最終時において、固定状態に設けた又は加圧ロッド１６と一体回転状態に設けたフランジ２４により加圧押込みを図るようにしても良い。
尚、同図の例ではフランジ２４はスプリング２６によって構造体１０側に弾発されている。
【００４２】
更に加えて、加圧ロッド１６の押込最終時に上端部で熱量不足を生じる恐れがあるときには、(Ｂ)(Ｉ)に示しているようにコーティング材料１８と同種組成若しくはこれに近い組成のフランジ２８をフランジ２４の下側に位置させておき、(Ｂ)(II)に示しているように最終押込時にこのフランジ２８を据込摩擦圧接するようにしても良い。
【００４３】
次に図３の例は粉体から成るコーティング材料１８を用いてコーティング層２２を形成するに際し、加圧ロッド１６に小径部３２を設ける一方、構造体１０における底部１４に小径部３２に対応する逃げ穴３４を設け、加圧ロッド１６の押込時に小径部３２をその逃げ穴３４に逃がすようにしたものである。
【００４４】
この例の場合、小径部３２を設けることによって昇熱が早くなる利点が得られる。
尚、粉末から成るコーティング材料１８は円柱孔１２内に充填した後プレスして固めておくことができる。
【００４５】
図４は本発明の実施の形態を示している。
ここにおいて円柱孔１２は底部１４を有しない形態のもので、断面円形の丸棒から成る加圧ロッド１６に対向するようにして、同じく断面円形の丸棒から成るバックアップロッド３６が設けてある。
ここでバックアップロッド３６はその外径が円柱孔１２の直径とほぼ同等か僅かに小さくされている。
【００４６】
この実施形態においては、コーティング材料１８をバックアップロッド３６で受けつつ、加圧ロッド１６を円柱孔１２内に挿入してバックアップロッド３６との間でコーティング材料１８を軸方向に挟み込み、そして加圧ロッド１６及びバックアップロッド３６を同じ方向に高速回転させて摩擦発熱によりコーティング材料１８を軟化及び塑性流動させ、円柱内面２０にコーティング層２２を形成する。
【００４７】
尚その際、バックアップロッド３６を図中下向きに後退移動させながら加圧ロッド１６を円柱孔１２内に押し込んで行くが、加圧ロッド１６の押込速度をバックアップロッド３６の後退速度よりも若干速く設定しておく。これによりコーティング材料１８が軸方向に加圧され、塑性流動によってコーティング層２２を形成する。
【００４８】
尚、加圧ロッド１６及びバックアップロッド３６を回転させる代りに構造体１０の側を回転させても良いし、或いは加圧ロッド１６及びバックアップロッド３６を同じ方向に回転させる一方、構造体１０を逆方向に回転させるようにしても良い。
また加圧ロッド１６とバックアップロッド３６は必ずしも同じ方向に回転しなくても良く、逆方向に回転しても良いし、或いは回転速度差をもって同一方向に回転しても良い。
【００４９】
またコーティング材料１８が十分塑性流動するように構造体１０，加圧ロッド１６，バックアップロッド３６等を予熱しても良いし、或いはまた逆にコーティング材料１８が塑性流動するに適した温度となるようにそれらを冷却しても良い。
【００５０】
尚、加圧ロッド１６及びバックアップロッド３６は、図５に示しているようにそれらの何れか一方又は両方を端部の円板３８と小径の軸部４０とで構成することもできる。
また粉末その他形態のコーティング材料１８を加熱・加圧し塑性流動させるに際して、円柱孔１２の開口端部に固定リング４２を設けておいても良い。
【００５１】
或いはまた、図６に示しているように粉末から成るコーティング材料１８を用いてコーティング層形成するに際し、コーティング材料１８の上面に蓋としての作用をなす金属プレート４４をセットしておくこともできる。
この場合金属プレート４４が粉末の飛散を防止する働きをなす。
【００５２】
次に図７の例（参考例）は、加圧ロッド１６を大径部４６と小径部４８及びそれらの間に位置し外周面が湾曲面をなす湾曲部５０とを有する形態となし、円柱孔１２内においてコーティング材料１８を加圧ロッド１６と円柱内面２０との間にセットして加圧ロッド１６を高速回転させながら図中下向きに押し込み、これによりコーティング材料１８を摩擦発熱により軟化させて塑性流動させ、円柱内面２０にコーティング層２２を形成するようにした例である。
この場合コーティング材料１８は加圧ロッド１６により半径方向内側から外側に向けて加圧される。
【００５３】
尚この場合においても加圧ロッド１６を固定し、構造体１０を加圧ロッド１６に対し回転運動させても良いのは前述した通りである。
要するに加圧ロッド１６を構造体１０に対して高速で相対回転させてコーティング材料１８を摩擦発熱させ、塑性流動化させれば良い。この点は上記各実施形態及び以後の各実施形態においても同様である。
【００５４】
尚、加圧ロッド１６は図８の参考例に示しているように大径部４６と小径部４８との間にテーパ部５１を設けた形態のものであっても良い。
また必要に応じて構造体１０の端部に受金具５２やバリ防止金具或いは飛散防止金具５４等を設けておくことができる。
【００５５】
図９は本発明の他の実施の形態を示したものである。
ここでは摺割り溝５６を有して拡径可能な中空金属パイプにて加圧ロッド１６を構成している。
５８はその中空金属パイプから成る加圧ロッド１６内部に挿入されるマンドレルであって、小径部６０と大径部６２及びそれらの間のテーパ部６４を有している。
【００５６】
この実施の形態では、加圧ロッド１６及びマンドレル５８を互いに同じ方向に同じ速度で回転させながら中空金属パイプから成る加圧ロッド１６の軸端の開口部からマンドレル５８をその内部に挿入して加圧ロッド１６を拡径させ、これにより加圧ロッド１６と円柱内面２０との間にセットしたコーティング材料１８を摩擦発熱させ塑性流動化せしめ、半径方向に加圧してコーティング層２２を形成するようにしたものである。
【００５７】
図１０（Ａ）は参考例を示したもので、ここでは加圧ロッド１６を固定状態として構造体１０を回転運動させ、そしてその加圧ロッド１６に楔６６を打ち込むことによって加圧ロッド１６を半径方向に押し広げ、これによりコーティング材料１８を加圧ロッド１６により半径方向内側から外側に向けて加圧するようになした例である。
【００５８】
また図１０（Ｂ）の参考例は、マンドレル５８の外周面に沿って多数の小径円柱状の加圧体６８を設けて加圧ロッド１６を構成し、回転する構造体１０及びコーティング材料１８に対し固定状態の加圧ロッド１６を半径方向内側から外側に加圧するようになした例である。
【００５９】
上記各実施形態において、コーティング材料１８としては様々な形態のものを用いることが可能である。
図１１はその例を示している。先ず図１１中（Ａ）の例は鍛造材，展伸材等の板材にてコーティング材料を構成した例で、この内(Ａ)(ａ)（参考例）のコーティング材料１８−１は複数種類の組成、例えばＡ組成とＢ組成とが均質に組成調整されて成る一体材Ｐ１とされている。
【００６０】
一方(Ａ)(ｂ)の例は組成の異なる板材を積層して全体のコーティング材料を構成した場合の例で、この内コーティング材料１８−２は例えばＡ組成の板材Ｐ２とＢ組成の板材Ｐ３とを積層して構成したものである。
またコーティング材料１８−３はＡ組成の板材Ｐ２とＢ組成の板材Ｐ３とを交互に多層に積層してコーティング材料を構成したものである。
【００６１】
（Ｂ）の例はコーティング材料を粉末材にて構成した場合の例で、この内(Ｂ)(ｃ)( 参考例 )のコーティング材料１８−４は複数種類の組成、例えば粉末Ｐ４の１つ１つがＡ＋Ｂ組成を有するように組成調整した場合の例で、(Ｂ)(ｄ)のコーティング材料１８−５はＡ組成を有する粉末Ｐ５とＢ組成を有する粉末Ｐ６との混合粉末にてコーティング材料を構成した例である。
尚粉末材に代えて粒材を用い、上記と同様にしてコーティング材料を構成することも可能である。
【００６２】
他方図１２(Ｃ)(ａ)（参考例）のコーティング材料１８−６は、例えばＡ＋Ｂ組成のワイヤ材Ｐ７にてコーティング材料を構成したもので、また(Ｃ)(ｂ)のコーティング材料１８−７は、例えばＡ組成のワイヤ材Ｐ８とＢ組成のワイヤ材Ｐ９とを混合状態に集成してコーティング材料となした例である。
【００６３】
更に(Ｄ)(ｃ)（参考例）のコーティング材料１８−８は、Ａ＋Ｂ組成に組成調整済みの箔材Ｐ１０を円筒形状に巻いてコーティング材料となしたもので、更に(Ｄ)(ｄ)のコーティング材料１８−９は、Ａ組成の箔材Ｐ１１とＢ組成の箔材Ｐ１２とを重ね合せた状態で円筒形状に巻いてコーティング材料となした例である。
【００６４】
これらコーティング材料の内１８−１，１８−４，１８−６，１８−８はコーティング材料の組成の均質化が容易である利点があり、またコーティング材料１８−２，１８−３，１８−５，１８−７，１８−９の場合、コーティング材料の組成調整を自由且つ容易に行い得る利点がある。
【００６５】
尚、図１１に示すコーティング材料１８−１〜１８−５は円柱孔１２の底部１４上に敷くコーティング材料として好適であるが、勿論加圧ロッド１６の外周面と円柱内面２０との間にセットする材料として用いることも可能である。
【００６６】
また図１２（Ｃ）のコーティング材料１８−６，１８−７についても、底部１４上に敷いて用いるコーティング材料としても或いはまた加圧ロッド１６と円柱内面２０との間にセットするコーティング材料としても用いることができる。
【００６７】
更に図１２（Ｄ）のコーティング材料１８−８，１８−９は、加圧ロッド１６と円柱内面２０との間にセットするコーティング材料として好適であるが、場合によってこれも円柱孔１２の底部１４上に敷くコーティング材料として用いることも勿論可能である。
【００６８】
更に上記例示したコーティング材料はあくまで一例であって、本発明においては他の様々な形態でコーティング材料を構成することが可能である。
【００６９】
図１３は本発明の更に他の実施の形態を示している。
この実施の形態では、加圧ロッド１６自体をコーティング材料１８にて形成し、そしてこの加圧ロッド１６とバックアップロッド３６とを円柱孔１２内に挿入してそれらを軸方向に対向させ、そして加圧ロッド１６をバックアップロッド３６に対し軸方向に加圧しながらそれらを相対回転させることによって加圧ロッド１６を摩擦発熱により軟化及び塑性流動させ、これにより円柱内面２０にコーティング層２２を形成するようにした例である。
この場合において、加圧ロッド１６を構成するコーティング材料１８として上記例示した各種形態のものを用いることが可能である。
【００７０】
【実施例】
＜実施例１＞
次に本発明の実施例を以下に詳述する。
図１４に示す方法に従い（この図１４の方法は上記図６に示す方法と同じで、ここでは具体的に寸法等が記入してある）、円柱孔１２を有する構造体１０として外径φ６０ｍｍ，軸方向厚み４０ｍｍ，円柱孔の直径φ２０ｍｍ，孔深さ３５ｍｍのアルミニウム製のものを用い、その内部に表１に示す各種材質の粉体から成るコーティング材料１８（本発明例）又はメタルから成るコーティング材料１８（比較例）を挿入・セットした上、これをバックアップロッド３６にて下方からバックアップしつつ円柱孔１２内部に加圧ロッド１６を高速回転状態で挿入し、コーティング材料１８の軟化及び塑性流動に基づくコーティング層２２の形成を行った。
【００７１】
ここで加圧ロッド１６としては外径φ１４ｍｍのＳＫＤ６１の材質のものを用い、コーティング材料１８の上面に純Ｃｕから成る金属プレート４４（厚み１ｍｍ）をセットした状態で加圧ロッド１６を回転数１５００ｒｐｍで高速回転させながら押込速度０．２ｍｍ／ｓｅｃ，押込量３５ｍｍで押込みを行った。
【００７２】
これにより形成されたコーティング層２２から試験片を切り出して摩擦係数測定試験に供した。
尚摩擦係数の測定試験は図１５（Ａ）に示すバーデン試験方法に従って行った。
即ち板形状の試験片７０（寸法：外径２０×３０ｍｍ，厚み：１０ｍｍ）の上面に相手ピン材７２を当てて試験片７０を往復平行移動させ（速度２０ｍｍ／ｓｅｃ）、相手ピン材７２と試験片７０との間の摩擦係数を測定した。
【００７３】
結果が表１及び図１５（Ｂ）に示してある。
尚、表１中Ｃｕ−１０ＭｏＳ２，Ｃｕ−２０ＭｏＳ２は何れも粉末材料であって、この実施例ではこの粉末をプレスした上で試験に供した。
【００７４】
【表１】
【００７５】
以上の結果から分かるように、本発明例のコーティング材料１８を用い、構造体１０の円柱内面２０に摩擦係数の低いコーティング層２２を形成することができた。
【００７６】
因みに参考写真（イ）はコーティング材料１８としてＣｕ＋２０％ＭｏＳ２（vol.％）を用いた場合に得られたコーティング層２２の断面及び表面の顕微鏡写真を示したもので、この顕微鏡写真から２硫化モリブデン（断面写真中黒い部分が２硫化モリブデンである）がＣｕ中に良好に均一に分散していることが分る。
【００７７】
＜実施例２＞
図４に示す方法に従って構造体１０，加圧ロッド１６，バックアップロッド３６，コーティング材料１８として下記の寸法，材質のものを用い、
構造体１０
外径：６０ｍｍ
内径：２２ｍｍ
軸方向厚み：８０ｍｍ
材質：５０５２
加圧ロッド１６
外径：１８ｍｍ
材質：ＳＫＤ６１
バックアップロッド３６
外径：２１．５ｍｍ
材質：ＳＫＤ６１
コーティング材料１８
Ａｌ−１３Ｓｉ共晶合金（ＡＣ８Ａ）
材料形態：鋳造材
以下の条件でコーティング層２２の形成を行った。
加圧ロッド１６
回転速度：１２００ｒｐｍ
押込速度：０．５ｍｍ／ｓｅｃ
バックアップロッド３６
回転方向：加圧ロッド１６の逆回転
回転速度：５００ｒｐｍ
後退速度：０．５ｍｍ／ｓｅｃ
【００７８】
参考写真(ロ)(Ａ)，(ロ)(Ｂ)は得られたコーティング層２２の組織状態を顕微鏡写真として示している。
また(ロ)(Ｃ)は鋳造により得たコーティング材料１８の組織状態を顕微鏡写真として示したものである（何れも倍率は×２００）。
尚(ロ)(Ａ)の写真はコーティング層２２の接合境界面Ｐとその近傍部分を示しており、また(ロ)(Ｂ)はその境界面Ｐより１ｍｍ程度外側の組織を示したものである。
【００７９】
これらの写真の比較から明らかなようにコーティング層２２の結晶は著しく微細化している。
特に鋳造状態の組織を示す(ロ)(Ｃ)に見られる六角状のＡｌ−Ｓｉ共晶は(ロ)(Ａ)では殆ど破砕されて無くなっている。
また(ロ)(Ｂ)の境界面Ｐよりやや外側での組織も(ロ)(Ｃ)の組織に比べて明確に微細化している。
【００８０】
以上本発明の実施の形態及び実施例について参考例とともに詳説したが、本発明は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】 コーティング方法の参考例の説明図である。
【図２】 他の参考例の説明図である。
【図３】 更に他の参考例の説明図である。
【図４】 本発明の実施形態の説明図である。
【図５】 本発明の他の実施形態の説明図である。
【図６】 本発明の更に他の実施形態の説明図である。
【図７】 更に他の参考例の説明図である。
【図８】 更に他の参考例の説明図である。
【図９】 本発明の更に他の実施形態の説明図である。
【図１０】 更に他の参考例の説明図である。
【図１１】 本発明において用いるコーティング材料の形態例を示す図である。
【図１２】 本発明において用いるコーティング材料の図１１とは異なる形態例を示す図である。
【図１３】 本発明の更に他の実施形態の説明図である。
【図１４】 本発明の一実施例方法の説明図である。
【図１５】 同実施例において行った摩擦係数の測定試験及びその結果得られた測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１０ 構造体
１２ 円柱孔
１４ 底部
１６ 加圧ロッド
１８，１８−１〜１８−９ コーティング材料
２０ 円柱内面
２２ コーティング層
３６ バックアップロッド
５８ マンドレル
【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やベアリング、或いはＯＡ機器部品，航空機部品，船舶用機器部品，医療機器部品に適用して好適な円柱孔を有する構造体の円柱内面のコーティング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
円柱孔を有する構造体の円柱内面にコーティングを施す従来の方法として鋳ぐるみによる方法が行われている。
しかしこの方法の場合製品形状、特に構造体の肉厚不均一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，レーザー等による方法も行われているが、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】
本発明の円柱内面のコーティング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の方法は、円柱孔を有する構造体の円柱内面に該構造体と同種若しくは異種材から成るコーティング材料をコーティングする方法であって、前記円柱孔内に前記コーティング材料及び該円柱孔よりも外径の小さな加圧ロッドを挿入するとともに、該加圧ロッドを該コーティング材料に加圧下に接触且つ前記構造体に対して相対回転させて、該コーティング材料を摩擦発熱により軟化及び該加圧ロッドと前記円柱内面との間の空間に沿って塑性流動させて該円柱内面にコーティング層を形成するようになし、且つ前記円柱孔は底部を有しないものとなすとともに、前記加圧ロッドと対向させる状態にバックアップロッドを配置して、該バックアップロッドと該加圧ロッドとで前記コーティング材料を軸方向に挟み込み、該加圧ロッドの相対回転により該コーティング材料を軟化及び塑性流動させて前記コーティング層を形成することを特徴とする。
【０００６】
請求項２の方法は、底部を有しない貫通孔形状の円柱孔を有する構造体の該円柱内面に該構造体と同種若しくは異種材から成るコーティング材料をコーティングする方法であって、前記コーティング材料にて形成された、前記円柱孔より外径の小さな加圧ロッドと、該加圧ロッドより高硬度の材質から成るバックアップロッドとを軸方向に対向させる状態で該円柱孔内に挿入し、該加圧ロッドと該バックアップロッドを相対回転させ加圧することにより該加圧ロッドを摩擦発熱により軟化させて塑性流動させ、前記円柱内面にコーティング層を形成することを特徴とする。
【０００７】
請求項３の方法は、円柱孔を有する構造体の円柱内面に該構造体と同種若しくは異種材から成るコーティング材料をコーティングする方法であって、前記円柱孔内に前記コーティング材料及び該円柱孔よりも外径の小さな加圧ロッドを挿入するとともに、該加圧ロッドを該コーティング材料に加圧下に接触且つ前記構造体に対して相対回転させて、該コーティング材料を摩擦発熱により軟化及び該加圧ロッドと前記円柱内面との間の空間に沿って塑性流動させて該円柱内面にコーティング層を形成するようになし、前記コーティング材料は前記円柱孔内において前記加圧ロッドの外周面と前記円柱内面との間にセットして、該加圧ロッドを相対回転させながら該加圧ロッドにより該コーティング材料を半径方向に加圧して軟化及び塑性流動させるようになすとともに、前記加圧ロッドは拡径可能なパ イプにて構成し、該加圧ロッド内部にマンドレルを軸方向に挿入して該加圧ロッドを拡径変形させ、前記コーティング材料を半径方向に加圧することを特徴とする。
【０００８】
請求項４の方法は、円柱孔を有する構造体の円柱内面に該構造体と同種若しくは異種材から成るコーティング材料をコーティングする方法であって、前記円柱孔内に前記コーティング材料及び該円柱孔よりも外径の小さな加圧ロッドを挿入するとともに、該加圧ロッドを該コーティング材料に加圧下に接触且つ前記構造体に対して相対回転させて、該コーティング材料を摩擦発熱により軟化及び該加圧ロッドと前記円柱内面との間の空間に沿って塑性流動させて該円柱内面にコーティング層を形成するようになし、且つ前記コーティング材料として複数の異種材の混合材から成るものを用いることを特徴とする。
【０００９】
【作用及び発明の効果】
本発明において、対象となる円柱孔を有する構造体は金属製，セラミックス製，プラスチックス製何れでも良く、またその製造方法も従来一般の製造方法を採用できる。
例えば金属製の構造体の場合鋳造，押出し，プレス成形，機械加工，溶接等の一般的な加工製造方法により作製することができる。
【００１０】
本発明では、この円柱孔を有する構造体の円柱内面に対し以下のようにしてコーティング層を形成する。
即ち、本発明では円柱孔内にコーティング材料と円柱孔よりも外径の小さな加圧ロッドを挿入し、そしてその加圧ロッドをコーティング材料に加圧下に接触させ且つ構造体に対し相対回転させてコーティング材料を摩擦発熱により軟化及び塑性流動させる。
塑性流動したコーティング材料は加圧ロッドの外周面と円柱内面との間に沿って流れて円柱内面に接合し、コーティング層を形成する。
【００１１】
このコーティング層は結晶粒が微細化しており、所謂ペッチの法則によって高強度を有するとともに円柱内面に対し強固に接合したものとなる。
ここでコーティング層の厚みは円柱孔の直径と加圧ロッドの外径との差或いは円柱孔を有する構造体とコーティング材料との熱的性質，変形強度等によって決まるが概ね数ｍｍ程度ないしそれ以下の厚みで形成することができる。
【００１２】
上記のように円柱孔を有する構造体は各種材質とすることができるが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ものに特に効果的である。
但し高融点材料、例えば鋳鉄，鋼，ステンレス鋼及び銅合金等から成るものに対しても適用可能である。
【００１３】
円柱孔を有する構造体とコーティング材料との溶融点等物性の大きく異なる材料の組合せの場合、高融点材料を予熱するなどにより低融点材料との接合性を向上させることも有効である。
【００１４】
コーティング処理は通常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、或いはやや活性な銅等の材料で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熱による塑性流動現象も利用でき、この場合更に結晶粒微細化効果は大きい。
【００１５】
本発明によれば、簡単な製造設備で円柱内面に構造体と同種又は異種材を複合化すること、即ちコーティングすることができ、且つその処理の制御・操作も容易である。
【００１６】
而してこれにより円柱内面に新たな機能を付加することができる。
例えば円柱内面に耐摩耗層，低摺動抵抗層，耐熱層，耐食層その他の機能を備えた層を形成することができる。即ち目的に応じて様々な機能を付加することができる。
しかもその新たな機能を有するコーティング層を円柱内面に対して強固に接合することができる。
【００１７】
尚円柱内面は平滑面であっても良いし凹凸を有するものであっても良い。
後者の場合、塑性流動によって形成されたコーティング層が円柱内面に対し物理的，機械的に嵌合した状態となって両者の接合強度が大きくなる利点が得られる。
【００１８】
本発明によれば、円柱内面に新たな機能を付加できるのみならず以下の利点も得られる。
即ち円柱内面表層部の結晶粒が摩擦熱や塑性変形により微細化し高強度化されるほか、表層部において不純物が細かく均一に分散し、これによっても強度向上が図られる。
【００１９】
また構造体作製時に生じた割れや気孔等の欠陥が塑性変形及び加圧力により圧着・封じられ（構造体が金属の場合）、この結果健全な組織が生成する。
また表層部に圧縮の残留応力が付与され、疲労寿命が向上する効果も得られる。
【００２０】
本発明においては、加圧ロッドとしてコーティング材料の軟化温度よりも高い軟化温度を有するものを用いることができる。
例えばコーティング材料としてＡｌ−１３Ｓｉ共晶合金を用いた場合において、加圧ロッドとして軟鋼，工具鋼或いは高合金材料（ステライト等）を用いることができる。
【００２１】
本発明においては、様々な手法でコーティング層を形成することができる。
例えば円柱孔内に挿入したコーティング材料に対して加圧ロッドを軸方向に加圧及び相対回転させながら前進移動させ、これによりコーティング材料を摩擦発熱させて加圧ロッドの外周面と円柱内面との間の環状空間に沿って塑性流動させ、コーティング層を形成することができる。
【００２２】
本発明では、円柱孔を底部を有しない形態となし、そして加圧ロッドと対向させる状態にバックアップロッドを配置して、それらバックアップロッドと加圧ロッドとの間にコーティング材料を挟み込み、その加圧ロッドの相対回転によってコーティング材料を摩擦発熱により軟化及び塑性流動させ上記コーティング層を形成することができる（請求項１）。
【００２３】
或いはまた加圧ロッドそのものをコーティング材料にて構成し、その加圧ロッドとバックアップロッドとを相対回転させ加圧することにより、その加圧ロッドを摩擦発熱により軟化及び塑性流動させて円柱内面にコーティング層を形成することもできる（請求項２）。
【００２４】
以上はコーティング材料を加圧ロッドにより軸方向に加圧する場合であるが、これと異なって加圧ロッドの外周面と円柱内面との間にコーティング材料をセットし、そして加圧ロッドを相対回転させながらその加圧ロッドによりコーティング材料を半径方向に加圧して摩擦発熱により軟化及び塑性流動させ、上記コーティング層を形成することもできる。
【００２５】
この場合において加圧ロッドを拡径可能なパイプにて構成し、その加圧ロッド内部にマンドレルを軸方向に挿入することによって加圧ロッドを拡径変形させ、これによりコーティング材料を半径方向に加圧して塑性流動させ、コーティング層を形成するといったことが可能である（請求項３）。
【００２６】
本発明においては、上記コーティング材料として複数の異種材の混合材から成るコーティング材料を用いることができる（請求項４）。
この場合、その複数の異種材の混合量或いは組合せを変えることによって、コーティング材料の組成及びコーティング層の機能を自在にコントロールすることができる。
【００２７】
コーティング材料の形態は板材となすことができ、或いはまた粉・粒体（切粉，ペレットを含む）から成るものを用いることもできる。
更にはまたワイヤ材から成るものを用いることもできるし、或いはまた箔材から成るものを用いることもできる。
これらの場合において異なる材料の板材を板厚方向に積層した状態で円柱孔内にセットしておくこともできるし、或いはまた異種の粉体の混合材を円柱孔内にセットしておくこと、更には異種の材料から成る複数種類のワイヤ材を集成した状態で円柱孔内にセットしておくことができるし、また箔材を用いる場合においても異種の箔材を重ねた状態で円柱孔内にセットしておくことができる。
【００２８】
以上はコーティング材料の一形態例であって、その他に粒状ペレット，焼結金属，鋳造体，溶接金属等にてコーティング材料を形成することもできる。
また上記加圧ロッドは断面円形の丸棒を用いることができることは勿論、断面が六角形状等の多角形状のものを用いることも可能である。
【００２９】
【実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて以下に詳しく説明する。
図１（図１は参考例を示す）において、１０は円柱孔１２を有する構造体で、この例では円柱孔１２は底部１４を有するものとされている。
ここで構造体１０は金属，セラミックス，プラスチックス等の各種の材質となすことができるが、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構造体１０に好適に適用することができる。
但し鋳鉄，鋼，ステンレス鋼，銅合金その他の高融点金属から成る構造体に対しても勿論適用可能である。
【００３０】
１６は丸棒から成る加圧ロッドであって、その外径は円柱孔１２の直径よりも僅かに小さくされている。
尚この加圧ロッド１６は後述のコーティング材料１８の軟化温度よりも高い軟化温度を有している。
【００３１】
また加圧ロッド１６として断面円形の丸棒以外に断面多角形状の角棒から成るものを用いることもできる。この点以下の各実施形態においても同様である。
【００３２】
この例では、図１に示しているように固定状態の円柱孔１２内且つ底部１４上にコーティング材料１８をセットするとともに円柱孔１２内に加圧ロッド１６を挿入し、そしてこれを高速回転させつつ前進移動させて先端面をコーティング材料１８に接触させ且つこれを軸方向に加圧する。
【００３３】
するとコーティング材料１８は摩擦発熱により軟化し、更に加圧ロッド１６による加圧力によって、円柱内面２０と加圧ロッド１６外周面との間の環状空間に沿って図中上方に塑性流動して這い上がり、それら加圧ロッド１６の外周面と円柱内面２０との間の空間を埋めるとともに円柱内面２０に強固に接合する。即ち円柱内面２０にコーティング層２２が形成される。
【００３４】
このとき構造体１０が金属製のものであればコーティング層２２は円柱内面２０に対し境界面で拡散接合した状態となって円柱内面２０に接合一体化し、接合力はより強固なものとなる。
【００３５】
或いは構造体１０がセラミックスや焼結体から成るものである場合、塑性流動したコーティング材料１８が円柱内面２０に存在する微細な気孔内に入り込んで、同じくコーティング層２２が円柱内面２０に強固に一体に接合する。
【００３６】
このようにして形成されたコーティング層２２は結晶粒が微細化しており、所謂ペッチの法則によって高強度を有している。
この方法によれば簡単な製造設備で円柱内面２０にコーティング層２２を形成でき且つその処理の制御・操作も容易である。
【００３７】
またコーティング材料１８の選択によって円柱内面２０に新たな機能を付加することができる。
例えばコーティング材料１８の組成を適宜の組成とすることによって円柱内面２０に耐摩耗性，低摺動抵抗性，耐熱性，耐食性その他の機能を付加することができる。
【００３８】
ここで円柱内面２０は平滑面であっても良いし凹凸を有するものであっても良い。
凹凸がある場合コーティング層２２が円柱内面２０に対し物理的，機械的に嵌合した状態となって接合強度が高まる利点が得られる。
【００３９】
この方法によれば、円柱内面表層部の結晶粒が摩擦熱や塑性変形により微細化し高強度化される外、表層部において不純物が細かく均一に分散し、これによっても強度が向上する。
【００４０】
また金属製の構造体１０の場合には、構造体作製時に生じた割れや気孔等の欠陥が塑性変形及び加圧力により圧着・封じられ、この結果健全な組織が生成する。
また表層部に圧縮の残留応力が付与され、疲労寿命が向上する効果も得られる。
【００４１】
尚、図１（II）に示しているように、コーティング材料１８が円柱孔１２の開口部からはみ出す結果、円柱内面２０上端部においてコーティング材料１８の接合が不十分となる恐れがあるときには、図２（Ａ）に示しているように加圧ロッド１６の押込最終時において、固定状態に設けた又は加圧ロッド１６と一体回転状態に設けたフランジ２４により加圧押込みを図るようにしても良い。
尚、同図の例ではフランジ２４はスプリング２６によって構造体１０側に弾発されている。
【００４２】
更に加えて、加圧ロッド１６の押込最終時に上端部で熱量不足を生じる恐れがあるときには、(Ｂ)(Ｉ)に示しているようにコーティング材料１８と同種組成若しくはこれに近い組成のフランジ２８をフランジ２４の下側に位置させておき、(Ｂ)(II)に示しているように最終押込時にこのフランジ２８を据込摩擦圧接するようにしても良い。
【００４３】
次に図３の例は粉体から成るコーティング材料１８を用いてコーティング層２２を形成するに際し、加圧ロッド１６に小径部３２を設ける一方、構造体１０における底部１４に小径部３２に対応する逃げ穴３４を設け、加圧ロッド１６の押込時に小径部３２をその逃げ穴３４に逃がすようにしたものである。
【００４４】
この例の場合、小径部３２を設けることによって昇熱が早くなる利点が得られる。
尚、粉末から成るコーティング材料１８は円柱孔１２内に充填した後プレスして固めておくことができる。
【００４５】
図４は本発明の実施の形態を示している。
ここにおいて円柱孔１２は底部１４を有しない形態のもので、断面円形の丸棒から成る加圧ロッド１６に対向するようにして、同じく断面円形の丸棒から成るバックアップロッド３６が設けてある。
ここでバックアップロッド３６はその外径が円柱孔１２の直径とほぼ同等か僅かに小さくされている。
【００４６】
この実施形態においては、コーティング材料１８をバックアップロッド３６で受けつつ、加圧ロッド１６を円柱孔１２内に挿入してバックアップロッド３６との間でコーティング材料１８を軸方向に挟み込み、そして加圧ロッド１６及びバックアップロッド３６を同じ方向に高速回転させて摩擦発熱によりコーティング材料１８を軟化及び塑性流動させ、円柱内面２０にコーティング層２２を形成する。
【００４７】
尚その際、バックアップロッド３６を図中下向きに後退移動させながら加圧ロッド１６を円柱孔１２内に押し込んで行くが、加圧ロッド１６の押込速度をバックアップロッド３６の後退速度よりも若干速く設定しておく。これによりコーティング材料１８が軸方向に加圧され、塑性流動によってコーティング層２２を形成する。
【００４８】
尚、加圧ロッド１６及びバックアップロッド３６を回転させる代りに構造体１０の側を回転させても良いし、或いは加圧ロッド１６及びバックアップロッド３６を同じ方向に回転させる一方、構造体１０を逆方向に回転させるようにしても良い。
また加圧ロッド１６とバックアップロッド３６は必ずしも同じ方向に回転しなくても良く、逆方向に回転しても良いし、或いは回転速度差をもって同一方向に回転しても良い。
【００４９】
またコーティング材料１８が十分塑性流動するように構造体１０，加圧ロッド１６，バックアップロッド３６等を予熱しても良いし、或いはまた逆にコーティング材料１８が塑性流動するに適した温度となるようにそれらを冷却しても良い。
【００５０】
尚、加圧ロッド１６及びバックアップロッド３６は、図５に示しているようにそれらの何れか一方又は両方を端部の円板３８と小径の軸部４０とで構成することもできる。
また粉末その他形態のコーティング材料１８を加熱・加圧し塑性流動させるに際して、円柱孔１２の開口端部に固定リング４２を設けておいても良い。
【００５１】
或いはまた、図６に示しているように粉末から成るコーティング材料１８を用いてコーティング層形成するに際し、コーティング材料１８の上面に蓋としての作用をなす金属プレート４４をセットしておくこともできる。
この場合金属プレート４４が粉末の飛散を防止する働きをなす。
【００５２】
次に図７の例（参考例）は、加圧ロッド１６を大径部４６と小径部４８及びそれらの間に位置し外周面が湾曲面をなす湾曲部５０とを有する形態となし、円柱孔１２内においてコーティング材料１８を加圧ロッド１６と円柱内面２０との間にセットして加圧ロッド１６を高速回転させながら図中下向きに押し込み、これによりコーティング材料１８を摩擦発熱により軟化させて塑性流動させ、円柱内面２０にコーティング層２２を形成するようにした例である。
この場合コーティング材料１８は加圧ロッド１６により半径方向内側から外側に向けて加圧される。
【００５３】
尚この場合においても加圧ロッド１６を固定し、構造体１０を加圧ロッド１６に対し回転運動させても良いのは前述した通りである。
要するに加圧ロッド１６を構造体１０に対して高速で相対回転させてコーティング材料１８を摩擦発熱させ、塑性流動化させれば良い。この点は上記各実施形態及び以後の各実施形態においても同様である。
【００５４】
尚、加圧ロッド１６は図８の参考例に示しているように大径部４６と小径部４８との間にテーパ部５１を設けた形態のものであっても良い。
また必要に応じて構造体１０の端部に受金具５２やバリ防止金具或いは飛散防止金具５４等を設けておくことができる。
【００５５】
図９は本発明の他の実施の形態を示したものである。
ここでは摺割り溝５６を有して拡径可能な中空金属パイプにて加圧ロッド１６を構成している。
５８はその中空金属パイプから成る加圧ロッド１６内部に挿入されるマンドレルであって、小径部６０と大径部６２及びそれらの間のテーパ部６４を有している。
【００５６】
この実施の形態では、加圧ロッド１６及びマンドレル５８を互いに同じ方向に同じ速度で回転させながら中空金属パイプから成る加圧ロッド１６の軸端の開口部からマンドレル５８をその内部に挿入して加圧ロッド１６を拡径させ、これにより加圧ロッド１６と円柱内面２０との間にセットしたコーティング材料１８を摩擦発熱させ塑性流動化せしめ、半径方向に加圧してコーティング層２２を形成するようにしたものである。
【００５７】
図１０（Ａ）は参考例を示したもので、ここでは加圧ロッド１６を固定状態として構造体１０を回転運動させ、そしてその加圧ロッド１６に楔６６を打ち込むことによって加圧ロッド１６を半径方向に押し広げ、これによりコーティング材料１８を加圧ロッド１６により半径方向内側から外側に向けて加圧するようになした例である。
【００５８】
また図１０（Ｂ）の参考例は、マンドレル５８の外周面に沿って多数の小径円柱状の加圧体６８を設けて加圧ロッド１６を構成し、回転する構造体１０及びコーティング材料１８に対し固定状態の加圧ロッド１６を半径方向内側から外側に加圧するようになした例である。
【００５９】
上記各実施形態において、コーティング材料１８としては様々な形態のものを用いることが可能である。
図１１はその例を示している。先ず図１１中（Ａ）の例は鍛造材，展伸材等の板材にてコーティング材料を構成した例で、この内(Ａ)(ａ)（参考例）のコーティング材料１８−１は複数種類の組成、例えばＡ組成とＢ組成とが均質に組成調整されて成る一体材Ｐ１とされている。
【００６０】
一方(Ａ)(ｂ)の例は組成の異なる板材を積層して全体のコーティング材料を構成した場合の例で、この内コーティング材料１８−２は例えばＡ組成の板材Ｐ２とＢ組成の板材Ｐ３とを積層して構成したものである。
またコーティング材料１８−３はＡ組成の板材Ｐ２とＢ組成の板材Ｐ３とを交互に多層に積層してコーティング材料を構成したものである。
【００６１】
（Ｂ）の例はコーティング材料を粉末材にて構成した場合の例で、この内(Ｂ)(ｃ)( 参考例 )のコーティング材料１８−４は複数種類の組成、例えば粉末Ｐ４の１つ１つがＡ＋Ｂ組成を有するように組成調整した場合の例で、(Ｂ)(ｄ)のコーティング材料１８−５はＡ組成を有する粉末Ｐ５とＢ組成を有する粉末Ｐ６との混合粉末にてコーティング材料を構成した例である。
尚粉末材に代えて粒材を用い、上記と同様にしてコーティング材料を構成することも可能である。
【００６２】
他方図１２(Ｃ)(ａ)（参考例）のコーティング材料１８−６は、例えばＡ＋Ｂ組成のワイヤ材Ｐ７にてコーティング材料を構成したもので、また(Ｃ)(ｂ)のコーティング材料１８−７は、例えばＡ組成のワイヤ材Ｐ８とＢ組成のワイヤ材Ｐ９とを混合状態に集成してコーティング材料となした例である。
【００６３】
更に(Ｄ)(ｃ)（参考例）のコーティング材料１８−８は、Ａ＋Ｂ組成に組成調整済みの箔材Ｐ１０を円筒形状に巻いてコーティング材料となしたもので、更に(Ｄ)(ｄ)のコーティング材料１８−９は、Ａ組成の箔材Ｐ１１とＢ組成の箔材Ｐ１２とを重ね合せた状態で円筒形状に巻いてコーティング材料となした例である。
【００６４】
これらコーティング材料の内１８−１，１８−４，１８−６，１８−８はコーティング材料の組成の均質化が容易である利点があり、またコーティング材料１８−２，１８−３，１８−５，１８−７，１８−９の場合、コーティング材料の組成調整を自由且つ容易に行い得る利点がある。
【００６５】
尚、図１１に示すコーティング材料１８−１〜１８−５は円柱孔１２の底部１４上に敷くコーティング材料として好適であるが、勿論加圧ロッド１６の外周面と円柱内面２０との間にセットする材料として用いることも可能である。
【００６６】
また図１２（Ｃ）のコーティング材料１８−６，１８−７についても、底部１４上に敷いて用いるコーティング材料としても或いはまた加圧ロッド１６と円柱内面２０との間にセットするコーティング材料としても用いることができる。
【００６７】
更に図１２（Ｄ）のコーティング材料１８−８，１８−９は、加圧ロッド１６と円柱内面２０との間にセットするコーティング材料として好適であるが、場合によってこれも円柱孔１２の底部１４上に敷くコーティング材料として用いることも勿論可能である。
【００６８】
更に上記例示したコーティング材料はあくまで一例であって、本発明においては他の様々な形態でコーティング材料を構成することが可能である。
【００６９】
図１３は本発明の更に他の実施の形態を示している。
この実施の形態では、加圧ロッド１６自体をコーティング材料１８にて形成し、そしてこの加圧ロッド１６とバックアップロッド３６とを円柱孔１２内に挿入してそれらを軸方向に対向させ、そして加圧ロッド１６をバックアップロッド３６に対し軸方向に加圧しながらそれらを相対回転させることによって加圧ロッド１６を摩擦発熱により軟化及び塑性流動させ、これにより円柱内面２０にコーティング層２２を形成するようにした例である。
この場合において、加圧ロッド１６を構成するコーティング材料１８として上記例示した各種形態のものを用いることが可能である。
【００７０】
【実施例】
＜実施例１＞
次に本発明の実施例を以下に詳述する。
図１４に示す方法に従い（この図１４の方法は上記図６に示す方法と同じで、ここでは具体的に寸法等が記入してある）、円柱孔１２を有する構造体１０として外径φ６０ｍｍ，軸方向厚み４０ｍｍ，円柱孔の直径φ２０ｍｍ，孔深さ３５ｍｍのアルミニウム製のものを用い、その内部に表１に示す各種材質の粉体から成るコーティング材料１８（本発明例）又はメタルから成るコーティング材料１８（比較例）を挿入・セットした上、これをバックアップロッド３６にて下方からバックアップしつつ円柱孔１２内部に加圧ロッド１６を高速回転状態で挿入し、コーティング材料１８の軟化及び塑性流動に基づくコーティング層２２の形成を行った。
【００７１】
ここで加圧ロッド１６としては外径φ１４ｍｍのＳＫＤ６１の材質のものを用い、コーティング材料１８の上面に純Ｃｕから成る金属プレート４４（厚み１ｍｍ）をセットした状態で加圧ロッド１６を回転数１５００ｒｐｍで高速回転させながら押込速度０．２ｍｍ／ｓｅｃ，押込量３５ｍｍで押込みを行った。
【００７２】
これにより形成されたコーティング層２２から試験片を切り出して摩擦係数測定試験に供した。
尚摩擦係数の測定試験は図１５（Ａ）に示すバーデン試験方法に従って行った。
即ち板形状の試験片７０（寸法：外径２０×３０ｍｍ，厚み：１０ｍｍ）の上面に相手ピン材７２を当てて試験片７０を往復平行移動させ（速度２０ｍｍ／ｓｅｃ）、相手ピン材７２と試験片７０との間の摩擦係数を測定した。
【００７３】
結果が表１及び図１５（Ｂ）に示してある。
尚、表１中Ｃｕ−１０ＭｏＳ２，Ｃｕ−２０ＭｏＳ２は何れも粉末材料であって、この実施例ではこの粉末をプレスした上で試験に供した。
【００７４】
【表１】
以上の結果から分かるように、本発明例のコーティング材料１８を用い、構造体１０の円柱内面２０に摩擦係数の低いコーティング層２２を形成することができた。
【００７６】
因みに参考写真（イ）はコーティング材料１８としてＣｕ＋２０％ＭｏＳ２（vol.％）を用いた場合に得られたコーティング層２２の断面及び表面の顕微鏡写真を示したもので、この顕微鏡写真から２硫化モリブデン（断面写真中黒い部分が２硫化モリブデンである）がＣｕ中に良好に均一に分散していることが分る。
【００７７】
＜実施例２＞
図４に示す方法に従って構造体１０，加圧ロッド１６，バックアップロッド３６，コーティング材料１８として下記の寸法，材質のものを用い、
構造体１０
外径：６０ｍｍ
内径：２２ｍｍ
軸方向厚み：８０ｍｍ
材質：５０５２
加圧ロッド１６
外径：１８ｍｍ
材質：ＳＫＤ６１
バックアップロッド３６
外径：２１．５ｍｍ
材質：ＳＫＤ６１
コーティング材料１８
Ａｌ−１３Ｓｉ共晶合金（ＡＣ８Ａ）
材料形態：鋳造材
以下の条件でコーティング層２２の形成を行った。
加圧ロッド１６
回転速度：１２００ｒｐｍ
押込速度：０．５ｍｍ／ｓｅｃ
バックアップロッド３６
回転方向：加圧ロッド１６の逆回転
回転速度：５００ｒｐｍ
後退速度：０．５ｍｍ／ｓｅｃ
【００７８】
参考写真(ロ)(Ａ)，(ロ)(Ｂ)は得られたコーティング層２２の組織状態を顕微鏡写真として示している。
また(ロ)(Ｃ)は鋳造により得たコーティング材料１８の組織状態を顕微鏡写真として示したものである（何れも倍率は×２００）。
尚(ロ)(Ａ)の写真はコーティング層２２の接合境界面Ｐとその近傍部分を示しており、また(ロ)(Ｂ)はその境界面Ｐより１ｍｍ程度外側の組織を示したものである。
【００７９】
これらの写真の比較から明らかなようにコーティング層２２の結晶は著しく微細化している。
特に鋳造状態の組織を示す(ロ)(Ｃ)に見られる六角状のＡｌ−Ｓｉ共晶は(ロ)(Ａ)では殆ど破砕されて無くなっている。
また(ロ)(Ｂ)の境界面Ｐよりやや外側での組織も(ロ)(Ｃ)の組織に比べて明確に微細化している。
【００８０】
以上本発明の実施の形態及び実施例について参考例とともに詳説したが、本発明は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】 コーティング方法の参考例の説明図である。
【図２】 他の参考例の説明図である。
【図３】 更に他の参考例の説明図である。
【図４】 本発明の実施形態の説明図である。
【図５】 本発明の他の実施形態の説明図である。
【図６】 本発明の更に他の実施形態の説明図である。
【図７】 更に他の参考例の説明図である。
【図８】 更に他の参考例の説明図である。
【図９】 本発明の更に他の実施形態の説明図である。
【図１０】 更に他の参考例の説明図である。
【図１１】 本発明において用いるコーティング材料の形態例を示す図である。
【図１２】 本発明において用いるコーティング材料の図１１とは異なる形態例を示す図である。
【図１３】 本発明の更に他の実施形態の説明図である。
【図１４】 本発明の一実施例方法の説明図である。
【図１５】 同実施例において行った摩擦係数の測定試験及びその結果得られた測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１０ 構造体
１２ 円柱孔
１４ 底部
１６ 加圧ロッド
１８，１８−１〜１８−９ コーティング材料
２０ 円柱内面
２２ コーティング層
３６ バックアップロッド
５８ マンドレル
Claims (4)
- 円柱孔を有する構造体の円柱内面に該構造体と同種若しくは異種材から成るコーティング材料をコーティングする方法であって、
前記円柱孔内に前記コーティング材料及び該円柱孔よりも外径の小さな加圧ロッドを挿入するとともに、該加圧ロッドを該コーティング材料に加圧下に接触且つ前記構造体に対して相対回転させて、該コーティング材料を摩擦発熱により軟化及び該加圧ロッドと前記円柱内面との間の空間に沿って塑性流動させて該円柱内面にコーティング層を形成するようになし、
且つ前記円柱孔は底部を有しないものとなすとともに、前記加圧ロッドと対向させる状態にバックアップロッドを配置して、該バックアップロッドと該加圧ロッドとで前記コーティング材料を軸方向に挟み込み、該加圧ロッドの相対回転により該コーティング材料を軟化及び塑性流動させて前記コーティング層を形成することを特徴とする円柱内面のコーティング方法。 - 底部を有しない貫通孔形状の円柱孔を有する構造体の該円柱内面に該構造体と同種若しくは異種材から成るコーティング材料をコーティングする方法であって、
前記コーティング材料にて形成された、前記円柱孔より外径の小さな加圧ロッドと、該加圧ロッドより高硬度の材質から成るバックアップロッドとを軸方向に対向させる状態で該円柱孔内に挿入し、該加圧ロッドと該バックアップロッドを相対回転させ加圧することにより該加圧ロッドを摩擦発熱により軟化させて塑性流動させ、前記円柱内面にコーティング層を形成することを特徴とする円柱内面のコーティング方法。 - 円柱孔を有する構造体の円柱内面に該構造体と同種若しくは異種材から成るコーティング材料をコーティングする方法であって、
前記円柱孔内に前記コーティング材料及び該円柱孔よりも外径の小さな加圧ロッドを挿入するとともに、該加圧ロッドを該コーティング材料に加圧下に接触且つ前記構造体に対して相対回転させて、該コーティング材料を摩擦発熱により軟化及び該加圧ロッドと前記円柱内面との間の空間に沿って塑性流動させて該円柱内面にコーティング層を形成するようになし、
前記コーティング材料は前記円柱孔内において前記加圧ロッドの外周面と前記円柱内面との間にセットして、該加圧ロッドを相対回転させながら該加圧ロッドにより該コーティング材料を半径方向に加圧して軟化及び塑性流動させるようになすとともに、
前記加圧ロッドは拡径可能なパイプにて構成し、該加圧ロッド内部にマンドレルを軸方向に挿入して該加圧ロッドを拡径変形させ、前記コーティング材料を半径方向に加圧することを特徴とする円柱内面のコーティング方法。 - 円柱孔を有する構造体の円柱内面に該構造体と同種若しくは異種材から成るコーティング材料をコーティングする方法であって、
前記円柱孔内に前記コーティング材料及び該円柱孔よりも外径の小さな加圧ロッドを挿入するとともに、該加圧ロッドを該コーティング材料に加圧下に接触且つ前記構造体に対して相対回転させて、該コーティング材料を摩擦発熱により軟化及び該加圧ロッドと前記円柱内面との間の空間に沿って塑性流動させて該円柱内面にコーティング層を形成するようになし、
且つ前記コーティング材料として複数の異種材の混合材から成るものを用いることを特徴とする円柱内面のコーティング方法。
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