JP4605489B2 - 表面処理方法及びエンジンの鋳物製シリンダヘッド - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばアルミニウム合金鋳物の表面処理方法及びエンジンの鋳物製シリンダヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車のディーゼルエンジンの高出力化に伴って燃焼室内の最高圧縮圧力も１２０ｋｇｆ／ｃｍ2程度から１５０ｋｇｆ／ｃｍ2程度へと高くなって燃焼室を構成するシリンダヘッド等のアルミニウム合金鋳物に対する熱負荷が高まっており、熱疲労や熱応力に対する耐熱性を高めるために局部的に（例えば、隣り合うポート間（弁間部）に）リメルト処理を施している（図３０参照）。また、従来に比べて要求されるリメルト深さも大きくなっている。
【０００３】
図３４は、従来のディーゼルエンジン用シリンダヘッドの製造工程を説明するフローチャートである。図３５は図３４の製造工程におけるリメルト処理の概要を説明する図である。
【０００４】
図３４に示すように、ステップＴ１では中間体としてのシリンダヘッドを鋳造する。ステップＴ２では、型から取り出して湯口を削除する。ステップＴ３では、鋳物に砂出しを主目的としたＴ６熱処理を施す。ステップＴ４では、リメルト処理前加工を施す。ステップＴ５では、鋳物を予熱する。ステップＴ６では、鋳物の弁間部にリメルト処理を施す。ステップＴ７では、鋳物に再度Ｔ６熱処理を施す。ステップＴ８では、仕上げ加工を施す。
【０００５】
リメルト処理は、図３５に示すように、砂出しした鋳物を予熱し、被表面処理領域に電極を近接させ、電極と被表面処理部材との間にＴＩＧやプラズマアークを発生させながら移動させて被処理組織を所定深さで溶融して再度凝固させることで、金属組織を微細化すると共に、鋳造欠陥の減少を図って伸びを増加する効果がある。更に、リメルト処理後に再度Ｔ６熱処理を施すことでリメルト処理による残留応力を開放する。リメルト処理では再凝固時の冷却速度を増大させることにより金属組織を微細化している。
【０００６】
別の表面処理方法として、特開平７−８８６４５号公報には、弁間部に母材よりも固相線の高いＡｌ−Ｃｕ系合金を肉盛り溶接することにより高強度層を形成して、母材との接合性を改善すると共に、熱疲労性の向上を図る構造が開示されている。
【０００７】
また、表面処理技術とは異なる技術分野であるが、特許第２７１２８３８号公報には、２つの部材の接合面にプローブを回転させながら挿入及び並進させ、接合面近傍の金属組織を摩擦熱により可塑化させて結合する溶接技術が開示されている。
【０００８】
また、特開平１０−１８３３１６号公報及び特開２０００−１５４２６には、シリンダヘッドのシリンダブロックに対する合わせ面などの鋳物の表面処理において、先端のショルダ部に突出部を設けた回転工具を回転させながら押し込んで、熱により非溶融の状態で撹拌する表面処理方法が開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記リメルト処理では、弁間部の熱容量が小さいことから、シリンダヘッドへの熱負荷増加に対応するために処理深さを増加させようと入熱量を増やしても、過溶融による肩型だれが生じてしまい、処理可能な深さに制約がある。また、入熱量を増加させると処理部の凝固時間が長くなり、組織の微細化効果が低下すると共に、ピンホール欠陥も増加するため、処理深さ増加による効果が相殺され、狙いとする耐熱性向上効果を得ることが難しい。
【００１０】
更に、入熱量を増加させるとリメルト処理時の熱応力による部材の割れが発生しやすくなるため、部材の予熱が必要となる。その他、マグネシウムを含有する母材では、溶融時にマグネシウムが蒸発、減少し、リメルト処理後のＴ６熱処理で強度向上代が小さくなって、所要の機械的特性が得られなくなる虞がある。
【００１１】
品質面では、入熱量のバラツキや磁気吹きによる位置ずれなどにより、処理深さのバラツキが大きいこと、処理部のピンホール欠陥は母材のガス含有量や鋳巣面積率に影響を受けることなどから品質安定性を確保することが課題となっている。
【００１２】
生産性の面では、処理部を溶融させることから、溶融部分の酸化を防止するためのシールドガスが必要である他、表面酸化物や不純物から発生するガスによる欠陥を防止するため、処理前に鋳肌を除去する工程が追加されている。更に、処理部に発生する高い引張り残留応力を解放するため、後熱処理が必要であることなどから、コスト低減が課題となっている。
【００１３】
また、上記公報記載の肉盛り溶接は、生産性の面では肉盛り部材の供給方法が、品質面ではピンホール欠陥の抑制や母材希釈率の安定性確保が課題である。また、母材を溶融させることに起因する課題は、リメルト処理と同様に有している。
【００１４】
一方、上記特開平１０−１８３３１６号公報及び特開２０００−１５４２６に記載の技術では、素材の変形を防止しつつ、広い領域を小さな突出部で処理するためには、処理経路などを適切に設定する必要がある。
【００１５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、素材の変形による未充填欠陥を防止しつつ、処理領域を深くできる表面処理方法及びエンジンの鋳物製シリンダヘッドを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明の表面処理方法は、凹所を有する鋳物の表面に、回転する回転工具の突出部を押し込むと共に、当該表面に当該突出部が形成される平面部であるショルダ部を押し当てて当該回転工具の摩擦熱により溶融させることなく撹拌して改質する表面処理方法であって、複数の前記凹所間の鋳物の表面における前記回転工具の表面処理経路を、当該回転工具の回転時において当該凹所と回転工具の突出部との間の素材の流動方向が当該回転工具の鋳物表面に沿った進行方向に対して同方向になるような往路である第１経路と当該第１経路に沿った復路である第２経路に設定し、当該第１経路と第２経路に沿って当該回転工具の突出部を押し込んで回転させながら鋳物表面に沿って移動させ、前記第１経路と第２経路において、前記凹所と当該凹所に最も近接する前記回転工具の突出部との間の処理領域の面積が、素材の流動方向が当該回転工具の進行方向に対して逆方向となる部分の処理領域の面積より狭く形成され、前記第１経路と第２経路における素材の流動方向が前記回転工具の進行方向に対して逆方向となる部分の各処理領域をオーバラップさせるように処理を施すことで処理深さを略同じにする。
【００１８】
また、好ましくは、前記回転工具は、前記鋳物に施される穴あけ加工における穴径より小径の回転工具を用いて、前記回転工具による表面処理経路の終点が前記穴あけ加工を施す位置になるように表面処理を施す。
【００２０】
また、好ましくは、前記表面処理経路は、その始点を通過するように当該表面処理経路の終点を設定する。
【００２１】
また、好ましくは、前記鋳物は、複数の気筒に対応して吸気ポート及び排気ポートを有するエンジンのシリンダヘッドであって、前記第１経路と第２経路は、前記排気ポート及び吸気ポートの間を通るように前記シリンダヘッドに設定される。
【００２２】
また、本発明のエンジンの鋳物製シリンダヘッドは、複数の気筒に対応して吸気ポート及び排気ポートを有するエンジンの鋳物製シリンダヘッドの表面に、回転する回転工具の突出部を押し込むと共に、当該表面に当該突出部が形成される平面部であるショルダ部を押し当てて当該回転工具の摩擦熱により溶融させることなく撹拌して改質したエンジンの鋳物製シリンダヘッドであって、前記吸気ポート及び排気ポートの間の前記シリンダヘッドにおける前記回転工具の表面処理経路を、当該回転工具の回転時において当該ポートと回転工具の突出部との間の素材の流動方向が当該回転工具のシリンダヘッド表面に沿った進行方向に対して同方向になるような往路である第１経路と当該第１経路に沿った復路である第２経路に設定し、当該第１経路と第２経路に沿って当該回転工具の突出部を押し込んで回転させながらシリンダヘッド表面に沿って移動させ、前記第１経路と第２経路において、前記ポートと当該ポートに最も近接する前記回転工具の突出部との間の処理領域の面積が、素材の流動方向が当該回転工具の進行方向に対して逆方向となる部分の処理領域の面積より狭く形成され、前記第１経路と第２経路における素材の流動方向が前記回転工具の進行方向に対して逆方向となる部分の各処理領域をオーバラップさせるように処理を施すことで処理深さを略同じにした。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明のように、請求項１又は５の発明によれば、素材の変形による未充填欠陥及び凹所縁部の肩だれを防止しつつ、処理領域を広く、深くできる。
【００２７】
請求項２の発明によれば、鋳物に施される穴あけ加工における穴径より小径の回転工具を用いて、回転工具による表面処理経路の終点が穴あけ加工を施す位置になるように表面処理を施すことにより、製品に終端穴を残さずに仕上げることができる。
【００２９】
請求項３の発明によれば、表面処理経路の始点を通過するように当該表面処理経路の終点を設定することにより、製品に終端穴を残さずに仕上げることができる。
【００３０】
請求項４の発明によれば、鋳物は、複数の気筒に対応して吸気ポート及び排気ポートを有するエンジンのシリンダヘッドであって、表面処理経路を排気ポートと吸気ポートの間を通るようにシリンダヘッドに設定することにより、シリンダヘッドのポート端部の変形による未充填欠陥を防止しつつ、処理領域を広く、深くできる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００３２】
図１は、本発明に係る実施形態の表面処理方法を実施するための摩擦撹拌装置の概略図である。図２は、図１の回転工具付近の拡大図である。図３は、回転工具の詳細図である。図４は、球面タイプの突出部形状を有する回転工具を示す図である。図５は、円筒タイプの突出部形状を有する回転工具示す図である。図６は、ねじ切りタイプの突出部形状を有する回転工具を示す図である。
【００３３】
本実施形態の摩擦撹拌による表面処理は、被表面処理部材の一例としてアルミニウム合金鋳物を対象としており、特に自動車のシリンダヘッドに形成される隣り合うポート間（弁間部）やピストン、ブレーキディスク等の表面改質処理に用いられ、アルミニウム合金鋳物の表面改質領域を摩擦熱により溶融させることなく撹拌させることにより、金属組織の微細化や共晶シリコン（Ｓｉ）粒子の均一分散化、鋳造欠陥の減少を図り、熱疲労（低サイクル疲労）寿命や伸び、耐衝撃性等の材料特性において従来のリメルト処理以上のものを得ることができる。
【００３４】
ここで、溶融しないで撹拌する状態とは、母材に含有される各成分或いは共晶化合物の中で最も融点が低いものよりもさらに低い温度下で摩擦熱により金属を軟化させて撹拌することを意味する。
【００３５】
図１乃至図３に示すように、摩擦撹拌装置１は、球状の非消耗型突出部２がその先端のショルダ部３に固定又は装着された円筒状の回転工具４と、この回転工具４を回転させて突出部２を回転駆動させつつ、被表面処理部材の表面改質領域に対して押圧しながら相対的に移動させる工具駆動手段５とを備える。
【００３６】
工具駆動手段５としては、モータ等により回転工具４が回転可能で、かつ送りネジ機構やロボットアーム等により回転工具４を上下左右のあらゆる方向に移動可能な装置であって、回転工具４の回転数、送り速度及び押圧力を制御可能なものが用いられる。他の形態としては、回転工具４を回転可能に軸支すると共に、被表面処理部材を相対的に上下左右のあらゆる方向に移動させてもよい。
【００３７】
突出部２と回転工具４のショルダ部３とは、アルミニウム合金よりも硬度の高い鋼材からなり、突出部２の形状が、所定半径の球面に形成されている。回転工具４はショルダ部３に突出部２が形成された第１円筒軸６と、この第１円筒軸６の上端部に連結されたより大径の第２円筒軸７と、この第２円筒軸７の上端部に連結された第１円筒軸６より大径で第２円筒軸７より小径の第３円筒軸８とから構成されている。第３円筒部８は工具駆動手段５に取り付けられる。
【００３８】
突出部２の形状は球面タイプ（図４）の他に、円筒タイプ（図５）、ねじ切りタイプ（図６）等があるが、特にピン外周にネジ溝が形成されたねじ切りタイプの撹拌能力が高く好ましい。
【００３９】
本実施形態では、図７に示すように、被表面処理部材としてＪＩＳで規格化されたアルミニウム合金であるＡＣ４Ｄを一例として用いるが、アルミニウム合金のマグネシウム（Ｍｇ）含有率として０．２〜１．５重量％、シリコン（Ｓｉ）含有率として１〜２４重量％、好ましくは４〜１３重量％の範囲で組成比率を変更可能である。他にＡＣ４Ｂ，ＡＣ２Ｂ、ピストンに用いるＡＣ８Ａ等も利用できる。シリコン含有率の上限を２４％に設定する理由は、それ以上シリコンを増加しても材料特性や鋳造性が飽和すると共に、撹拌性が悪化するからである。
【００４０】
マグネシウムを含有するアルミニウム合金鋳物は、熱処理によりＭｇ2Ｓｉを析出させて強度が高まる。ところが、リメルト処理のように溶融させて金属組織を微細化させる場合には、低融点（６５０℃）のマグネシウムが蒸発して含有量が低下することがある。そして、マグネシウム含有量が低下すると熱処理を施しても硬さや強度が低下して所望の材料特性が得られないことになる。
【００４１】
一方、摩擦撹拌による表面処理では、金属組織を溶融させないのでマグネシウムが蒸発することもないため、アルミニウム合金鋳物は熱処理によりＭｇ2Ｓｉを析出させて強度が高められるのである。
【００４２】
アルミニウム合金にシリコンを添加することにより、鋳造性（溶湯の流動性、引け特性、耐熱間割れ性）は向上するが、共晶シリコンが一種の欠陥として作用して機械的特性（伸び）が低下する。
【００４３】
共晶シリコンは硬くて脆く、亀裂発生の起点や伝播経路となるため伸びが低下する。また、弁間部のように繰り返し熱応力を受ける部位ではその疲労寿命が低下する。そして、金属組織ではデンドライトに沿って共晶シリコンが連なった形態を呈しているが、共晶シリコンを微細化し、均一に分散させることによって応力集中による亀裂の発生と、発生した亀裂の伝播を抑制することが可能となる。
【００４４】
図８（ａ）は突出部長さに応じた処理深さを示す図であり、図８（ｂ）は突出部長さＰＬを示す図であり、図８（ｃ）は最大処理深さＤｍａｘを示す図である。図９は、回転工具の回転数及び送り速度に応じた処理深さを示す図である。
【００４５】
本実施形態では、突出部長さＰＬを要求深さの８０〜９０％に設定する。要求深さは突出部長さの１．１〜１．２倍となり、（０）〜１０ｍｍ程度まで設定可能である。また、図８（ａ）に示すように、最大処理深さＤｍａｘは突出部長さＰＬに比例（突出部長さの１．１〜１．２倍）して大きくなり、最大処理幅も突出部径に比例して大きくなる。また、図９に示すように、最大処理深さＤｍａｘは突出部長さＰＬで決まり、回転数や送り速度による影響は少ないと言える。更に、図９に例示するリメルト処理による最大処理深さに比べてばらつきは小さくなって信頼性を高めることができる。
【００４６】
本実施形態のように燃焼室内の最高圧縮圧力が１５０ｋｇｆ／ｃｍ2程度と高いシリンダヘッドの弁間部を表面処理する場合には、生産性を考慮して回転工具の回転数を１２００〜２４００ｒｐｍ、送り速度を３０〜１５０ｍｍ／ｍｉｎ、最大処理深さＤｍａｘを仕上げ加工後で４ｍｍ以上（加工取り代１ｍｍ以下）に設定するのが好ましい。
【００４７】
図１０は、未充填欠陥の例を示す図である。図１１は、回転工具の傾け角度を示す図である。
【００４８】
また、上記処理条件において回転工具が処理表面に対して垂直（回転工具の傾け角θが０°）では、図１０に示す回転工具の角部近傍に発生する未充填欠陥の防止が難しい。また、傾け角θが５°より大きくなると回転工具４のショルダ部３のエッジで処理表面に深い溝が形成され、バリが多く生成されるために外観が悪くなると共に、仕上げ加工時に取り代が多くなって好ましくない。そこで、図１１に示すように回転工具４を表面処理領域面に対して送り方向とは反対方向に傾け角θを０°＜θ≦５°の範囲で傾けた状態で移動させることで、未充填欠陥を抑え、処理深さや送り速度をより高めて生産性を向上することができる。
［シリンダヘッドの製造方法］
次に、本実施形態によるディーゼルエンジン用シリンダヘッドの製造工程について説明する。
【００４９】
図１２は、本実施形態のディーゼルエンジン用シリンダヘッドの製造工程を説明するフローチャートである。
【００５０】
図１２に示すように、ステップＳ１では中間体としてのシリンダヘッドをアルミニウム合金から鋳造する。ステップＳ２では、鋳物を鋳造型から取り出して湯口を削除する。ステップＳ３では、鋳造型から取り出した鋳物に砂出しを主目的としたＴ６熱処理を施す。ステップＳ４では、鋳物の弁間部に摩擦撹拌により表面処理を施す。ステップＳ５では、鋳物に再度Ｔ６熱処理を施して硬さや強度を増加する。ステップＳ６では、仕上げ加工を施す。
【００５１】
以上のように、摩擦撹拌による表面処理を行うことで、図３４のステップＴ４のリメルト処理前加工、ステップＴ５の鋳物予熱、再Ｔ６熱処理が不要となるため、従来に比べて製造工程を簡略化して製造コストの削減を図ることができる。
［摩擦撹拌による表面処理］
次に、図１２の摩擦撹拌処理ついて説明する。
＜第１実施形態の表面処理＞
図１３乃至図１７は、第１実施形態として弁間部の摩擦撹拌処理手順を説明する図である。
【００５２】
摩擦撹拌処理の前工程として、図１３に示すように、シリンダヘッドＨを鋳造する際に、隣り合う吸気ポート１４及び排気ポート１５の中心を結ぶ線Ｌ１に沿った弁間部１０の各ポートの延長部分に余肉部１１と鋳抜き穴１２とを有する中間体を形成する。鋳抜き穴１２は鋳造後にドリル等で加工してもよく、突出部２の直径及び長さと略同じ寸法に形成される。
【００５３】
次に、図１４に示すように、突出部２を回転駆動しながら鋳抜き穴１２に挿入して位置決めすると共に、回転工具４のショルダ部３を弁間部１０の表面に押圧して処理深さを決める。
【００５４】
続いて、図１５に示すように、隣り合うポートの中心を結ぶ線Ｌ１を突出部２の移動軌跡として、工具駆動手段５によって突出部２を一方の余肉部１１の鋳抜き穴１２を始点として他方の余肉部１１に移動軌跡に沿って摩擦により撹拌しながら移動させる。この際、弁間部表面には回転工具４のショルダ部３の押圧により線Ｌ１に沿って円弧状の溝１６が形成される。
【００５５】
更に、図１６に示すように、突出部２を他方の余肉部１１まで移動させた後、弁間部１１から離間させる。この際、他方の余肉部１１には突出部２の終点として終端穴１３が形成される。
【００５６】
最後に、図１７に示すように、余肉部１１を削除して吸気ポート１４及び排気ポート１５を仕上げ加工する。
【００５７】
図１８（ａ）はリメルト処理による弁間部の処理方向を示す図であり、図１８（ｂ）は図１８（ａ）の処理方向による処理深さを示す断面図である。図１９（ａ）は本実施形態の摩擦撹拌処理による弁間部び処理方向を示す図であり、図１９（ｂ）は図１９（ａ）の処理方向による処理深さを回転工具の移動軌跡に対して直角方向から見た断面図である。図２０は本実施形態の摩擦撹拌処理による弁間部の処理深さを突出部の移動軌跡に平行な方向から見た断面図である。
【００５８】
上記表面処理において、隣り合う吸気ポート１４と排気ポート１５の中心を結ぶ線Ｌ１を突出部２の移動軌跡として弁間部１０を最短距離で横断させることによって、図１９及び図２０に示すように弁間部１０の割れ発生方向に処理されるため、図１８のように弁間部１０の割れ発生方向に対して直角に処理するリメルト処理に比べて弁間部１０の処理深さを容易に増加することができる。尚、突出部２の移動軌跡は、隣り合うポートの中心を結ぶ線だけでなく、他の割れの発生しやすい領域に設定することも可能である。
【００５９】
図２１（ａ）は、本実施形態の表面処理が施された金属組織及び母材の断面図であり、図２１（ｂ）は図２１（ａ）の金属組織及び母材を個別に示す断面図である。図２２（ａ）は、本実施形態の表面処理が施された金属組織を示す断面図であり、図２２（ｂ）は、リメルト処理が施された金属組織を示す断面図である。
【００６０】
図２１に示すように、摩擦撹拌による表面処理を施すことによって微細な共晶シリコンが均一に分散し、空孔欠陥のない金属組織が形成できる。また、図２２に示すように、リメルト処理と同程度の微細な金属組織が形成できる。
＜第２実施形態の表面処理＞
図２３に示すように、突出部形状が左ねじタイプで右回転される回転工具による処理領域断面は、当該工具の突出部を中心として素材が内部に押し付けられるように撹拌され、当該工具の回転方向に対して、素材の流動が回転工具の進行方向に対して同方向の部分は塑性流動が浅い位置となる処理深さが浅く、面積が狭い領域Ｒ１となり、逆方向の部分は塑性流動が深い位置となる処理深さが深く、面積が広い領域Ｒ２となる。この領域Ｒ１、Ｒ２の違いは、回転工具と素材との相対速度が、工具の回転と同方向では速いために速く狭く撹拌され、逆方向では相対速度が遅いためゆっくりと広く撹拌されるからと考えられる。
【００６１】
尚、回転工具の突出部形状は、ねじ切りタイプに限定されず、球面タイプ（図４）や円筒タイプ（図５）でも適用可能である。
【００６２】
第２実施形態の摩擦撹拌処理では、この特性を利用して、図２４に示す塑性流動の浅い領域Ｒ２をオーバラップさせて処理深さを略均一になるように複数の処理経路（例えば、往復経路）を設定する第１の処理パターンと、反対に、図２５に示す塑性流動の深い領域Ｒ１をオーバラップさせて処理深さを抑えて素材の流出を抑制する第２の処理パターンとを使い分けるものである。これにより、広い領域を小さな突出部を持つ回転工具により処理できると共に、第１の処理パターンでは、図２６に示すように、シリンダヘッドの表面処理においてポート端部にできるだけ近づけて処理する際に、ポート端部の薄肉側に狭い領域Ｒ１がくるように処理すれば、図２７に示すようなポート端部の変形を避けることができる。尚、第１及び第２の処理パターンでは、最大処理深さが略同じ高さになるようオーバラップさせ、回転工具のショルダ部の素材に対する押し込み量が決定される。
【００６３】
一方、突出部を持つ回転工具を用いた表面処理の欠点は、処理経路の終点に突出部の終端穴が残ってしまうところにある。更に、処理始点においても欠陥が生じやすく、これを解決するために、始点を通過するように処理経路を設定する。また、シリンダヘッドなどのボルトの穴あけ加工が後工程で施される鋳物の表面を処理する場合には、穴あけ加工における穴径より小径の突出部を用いて、処理経路の終点を穴あけ加工を施す位置に設定する。これにより、製品に終端穴が残らないようにできる。
【００６４】
次に、第２実施形態の摩擦撹拌処理を用いた直列多気筒のディーゼルエンジンのシリンダヘッドの表面処理について説明する。
【００６５】
図２８に示すように、シリンダヘッドＨは、複数の気筒に対応して一対の吸気ポート１４と、一対の排気ポート１５と、不図示のシリンダブロックに締結するため複数のテンションボルト穴２１とを有する。ここで、吸気ポートは吸気量をかせぐためになるべく大きくしたいという要求があるため、隣り合う吸気ポート間は狭くなり、薄肉になる。第２実施形態の摩擦撹拌処理は、このような部位の処理に特に有効である。
【００６６】
そして、１つの処理経路例として、図２８に示すように、１つの気筒に対して互いに対向する排気ポート１５及び吸気ポート１４の対の間を通るようにシリンダヘッドＨの長手方向の一端部から他端部に向かって連続処理してテンションボルト穴２１を終点とする第１パスＰ１と、この第１パスＰ１の処理後、この第１パスＰ１の終点に隣接する気筒から互いに対向する一対の排気ポート１５と一対の吸気ポート１４の間を順次処理してテンションボルト穴２１を終点とする第２パスＰ２〜Ｐ５とを経て、シリンダヘッドＨの表面を回転工具の熱により溶融させることなく撹拌して改質する。
【００６７】
また、上記第１処理パターンに関する他の処理経路例として、図２９に示すように、１つの気筒に対して互いに対向する排気ポート１５及び吸気ポート１４の対の間を通るようにシリンダヘッドＨの長手方向の一端部から他端部に向かって連続処理してテンションボルト穴２１を終点とする第１往路パスＱ１と、この第１往路パスＱ１とは反対方向に並列に排気ポート１５及び吸気ポート１４の対の間を通るようにシリンダヘッドＨの長手方向の他端部から一端部に向かって連続処理してテンションボルト穴２１を終点とする第１復路パスＱ２と、この第１復路パスＱ２の処理後、この第１復路パスＱ２の終点に隣接する気筒から互いに対向する一対の排気ポート１５と一対の吸気ポート１４の間を往復し、復路において往路の始点Ｑsを通過するように順次処理してテンションボルト穴２１を終点とする第２往復パスＱ３〜Ｑ６とを経て、シリンダヘッドＨの表面を回転工具の熱により溶融させることなく撹拌して改質する。
【００６８】
このように、シリンダヘッドＨに対して処理経路を設定することにより、広い領域を必要な部位だけ処理できるので、残留応力を低減でき、処理時間も短縮できる。一方、図３０に示すようにポート１４，１５間を８の字状にリメルト処理した場合には、ポート１４，１５間の略全領域を処理する必要がある。
【００６９】
また、処理時間が短縮できることで、素材の変形を抑えることができる。一方、上記８の字状にリメルト処理した場合には、処理経路は短くなるが、ポート近傍を通過するため、素材の変形が起こりやすい。
【００７０】
更に、往復パスでは、往路パスと復路パスの素材の温度分布が異なるため、素材が変形しにくいという利点がある。上記８の字状に処理した場合には、処理領域の重なる部分の素材抵抗が減少して、素材の変形が起こりやすい。
【００７１】
上記シリンダヘッドの表面処理では、回転工具の傾け角θは０°、回転数を６００〜１０００ｒｐｍ、送り速度を３００〜５００ｍｍ／ｍｉｎ、突出部長さを５．８ｍｍ、突出部径７±１ｍｍ、ショルダ部径１５±１ｍｍとして、処理深さが６〜６．５ｍｍ、第１パスの処理幅が７．５〜８ｍｍ、第２パスの処理幅が１５ｍｍになるように設定するのが好ましい。尚、突出部径とショルダ部径とは、２≦ショルダ部／突出部＜４として各寸法を設定する。また、ショルダ部の素材の処理表面に対する押し込み量は、１ｍｍ以下に設定する。
［表面処理後の熱処理］
図３１は撹拌による表面処理後にＴ６熱処理を施した場合と施さない場合の硬さを比較して示す図である。図３２は、Ｔ６熱処理のみ、撹拌による表面処理後にＴ６熱処理を施した場合、リメルト処理後にＴ６熱処理を施した場合の機械的特性を比較して示す図である。図３３は、熱処理の違いに応じて変化する初期硬さと熱疲労寿命との関係を示す図である。
【００７２】
上記摩擦撹拌による表面処理に加えて、仕上げ加工前に熱処理を施すと、熱処理を施さない場合に比べて、図３１に示すように表面処理組織及びその下層の母材ともに硬さ（Ｈｖ）を増大させることができる。また、図３２に示すようにＴ６処理のみ施したもの、リメルト処理後にＴ６熱処理を施したもの、摩擦撹拌処理のみ施したものの各機械的特性に比べて優れた引張強度及び伸び特性を得ることができる。
【００７３】
また、図３３からわかるように、熱処理を施さない方が初期硬さが低く、伸び特性が高いため、熱疲労寿命が高くなって熱衝撃に対する強度が大きくなる。従って、大きな熱疲労強度が要求される部位には摩擦撹拌処理のみを施した伸び特性が高い状態で使用するのが有効である。
【００７４】
これに対して、熱疲労と機械的な高サイクル疲労とが重畳されるような部位には、伸びだけでなく強度も必要となるので高い強度と伸びを両立させるために、摩擦撹拌処理とＴ６熱処理を施すのが有効である。また、熱の影響により処理組織近傍が軟化して強度が低下する場合にも、Ｔ６熱処理は強度を回復するのに有効である。
【００７５】
熱処理の一例として、ＪＩＳ規格のＴ６熱処理（溶体化処理と時効処理）が有効である。溶体化処理は、溶体化温度５３５℃（±５℃）で４時間保持した後に沸騰水で焼き入れする。時効処理は、時効温度１８０℃（±５℃）で６時間保持した後に空冷する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の表面処理方法を実施するための摩擦撹拌装置の概略図である。
【図２】図１のピン状工具付近の拡大図である。
【図３】ピン状工具の詳細図である。
【図４】球面タイプの先端ピン形状を示す図である。
【図５】円筒タイプの先端ピン形状を示す図である。
【図６】ねじ切りタイプの先端ピン形状を示す図である。
【図７】本実施形態のアルミニウム合金の成分比率を示す図である。
【図８】（ａ）は先端ピン長さに応じた処理深さを示す図、（ｂ）は先端ピン長さＰＬを示す図、（ｃ）は最大処理深さＤｍａｘを示す図である。
【図９】ピン状工具の回転数及び送り速度に応じた処理深さを示す図である。
【図１０】未充填欠陥の例を示す図である。
【図１１】ピン状工具の傾け角を示す図である。
【図１２】本実施形態のディーゼルエンジン用シリンダヘッドの製造工程を説明するフローチャートである。
【図１３】弁間部の表面処理手順を説明する図である。
【図１４】弁間部の表面処理手順を説明する図である。
【図１５】弁間部の表面処理手順を説明する図である。
【図１６】弁間部の表面処理手順を説明する図である。
【図１７】弁間部の表面処理手順を説明する図である。
【図１８】（ａ）はリメルト処理による弁間部の処理方向を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の処理方向による処理深さを示す断面図である。
【図１９】（ａ）は本実施形態の摩擦撹拌処理による弁間部び処理方向を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の処理方向による処理深さをピン状工具の移動軌跡に対して直角方向から見た断面図である。
【図２０】本実施形態の摩擦撹拌処理による弁間部の処理深さをピン状工具の移動軌跡に平行な方向から見た断面図である。
【図２１】（ａ）は、本実施形態の表面処理が施された金属組織及び母材の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の金属組織及び母材を個別に示す断面図である。
【図２２】（ａ）は、本実施形態の表面処理が施された金属組織を示す断面図であり、（ｂ）は、リメルト処理が施された金属組織を示す断面図である。
【図２３】第２実施形態の摩擦撹拌処理の特徴を説明する図であり、回転工具の進行方向及び素材の処理領域断面を示す図である。
【図２４】第２実施形態の摩擦撹拌処理における第１の処理パターンによる素材の処理領域断面を示す図である。
【図２５】第２実施形態の摩擦撹拌処理における第２の処理パターンによる素材の処理領域断面を示す図である。
【図２６】ポート端部を処理する場合の悪い例を説明する図である。
【図２７】ポート端部を処理する場合の良い例を説明する図である。
【図２８】第２実施形態の摩擦撹拌処理を用いた直列多気筒のディーゼルエンジンのシリンダヘッドの表面処理であって、１つの処理経路例を示す図である。
【図２９】第２実施形態の摩擦撹拌処理を用いた直列多気筒のディーゼルエンジンのシリンダヘッドの表面処理であって、他の処理経路例を示す図である。
【図３０】従来のリメルト処理を用いた直列多気筒のディーゼルエンジンのシリンダヘッドの表面処理例を示す図である。
【図３１】撹拌による表面処理後にＴ６熱処理を施した場合と施さない場合の硬さを比較して示す図である。
【図３２】Ｔ６熱処理のみ、撹拌による表面処理後にＴ６熱処理を施した場合、リメルト処理後にＴ６熱処理を施した場合の引張強度と伸び特性を比較して示す図である。
【図３３】熱処理の違いに応じて変化する初期硬さと熱疲労寿命との関係を示す図である。
【図３４】従来のディーゼルエンジン用シリンダヘッドの製造工程を説明するフローチャートである。
【図３５】リメルト処理の概要を説明する図である。
【符号の説明】
１ 摩擦撹拌装置
２ 突出部
３ ショルダ部
４ 回転工具
５ 工具駆動手段
１０ 弁間部
１１ 余肉部
１２ 鋳抜き穴
１３ 終端穴
Ｈ シリンダヘッド
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばアルミニウム合金鋳物の表面処理方法及びエンジンの鋳物製シリンダヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車のディーゼルエンジンの高出力化に伴って燃焼室内の最高圧縮圧力も１２０ｋｇｆ／ｃｍ2程度から１５０ｋｇｆ／ｃｍ2程度へと高くなって燃焼室を構成するシリンダヘッド等のアルミニウム合金鋳物に対する熱負荷が高まっており、熱疲労や熱応力に対する耐熱性を高めるために局部的に（例えば、隣り合うポート間（弁間部）に）リメルト処理を施している（図３０参照）。また、従来に比べて要求されるリメルト深さも大きくなっている。
【０００３】
図３４は、従来のディーゼルエンジン用シリンダヘッドの製造工程を説明するフローチャートである。図３５は図３４の製造工程におけるリメルト処理の概要を説明する図である。
【０００４】
図３４に示すように、ステップＴ１では中間体としてのシリンダヘッドを鋳造する。ステップＴ２では、型から取り出して湯口を削除する。ステップＴ３では、鋳物に砂出しを主目的としたＴ６熱処理を施す。ステップＴ４では、リメルト処理前加工を施す。ステップＴ５では、鋳物を予熱する。ステップＴ６では、鋳物の弁間部にリメルト処理を施す。ステップＴ７では、鋳物に再度Ｔ６熱処理を施す。ステップＴ８では、仕上げ加工を施す。
【０００５】
リメルト処理は、図３５に示すように、砂出しした鋳物を予熱し、被表面処理領域に電極を近接させ、電極と被表面処理部材との間にＴＩＧやプラズマアークを発生させながら移動させて被処理組織を所定深さで溶融して再度凝固させることで、金属組織を微細化すると共に、鋳造欠陥の減少を図って伸びを増加する効果がある。更に、リメルト処理後に再度Ｔ６熱処理を施すことでリメルト処理による残留応力を開放する。リメルト処理では再凝固時の冷却速度を増大させることにより金属組織を微細化している。
【０００６】
別の表面処理方法として、特開平７−８８６４５号公報には、弁間部に母材よりも固相線の高いＡｌ−Ｃｕ系合金を肉盛り溶接することにより高強度層を形成して、母材との接合性を改善すると共に、熱疲労性の向上を図る構造が開示されている。
【０００７】
また、表面処理技術とは異なる技術分野であるが、特許第２７１２８３８号公報には、２つの部材の接合面にプローブを回転させながら挿入及び並進させ、接合面近傍の金属組織を摩擦熱により可塑化させて結合する溶接技術が開示されている。
【０００８】
また、特開平１０−１８３３１６号公報及び特開２０００−１５４２６には、シリンダヘッドのシリンダブロックに対する合わせ面などの鋳物の表面処理において、先端のショルダ部に突出部を設けた回転工具を回転させながら押し込んで、熱により非溶融の状態で撹拌する表面処理方法が開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記リメルト処理では、弁間部の熱容量が小さいことから、シリンダヘッドへの熱負荷増加に対応するために処理深さを増加させようと入熱量を増やしても、過溶融による肩型だれが生じてしまい、処理可能な深さに制約がある。また、入熱量を増加させると処理部の凝固時間が長くなり、組織の微細化効果が低下すると共に、ピンホール欠陥も増加するため、処理深さ増加による効果が相殺され、狙いとする耐熱性向上効果を得ることが難しい。
【００１０】
更に、入熱量を増加させるとリメルト処理時の熱応力による部材の割れが発生しやすくなるため、部材の予熱が必要となる。その他、マグネシウムを含有する母材では、溶融時にマグネシウムが蒸発、減少し、リメルト処理後のＴ６熱処理で強度向上代が小さくなって、所要の機械的特性が得られなくなる虞がある。
【００１１】
品質面では、入熱量のバラツキや磁気吹きによる位置ずれなどにより、処理深さのバラツキが大きいこと、処理部のピンホール欠陥は母材のガス含有量や鋳巣面積率に影響を受けることなどから品質安定性を確保することが課題となっている。
【００１２】
生産性の面では、処理部を溶融させることから、溶融部分の酸化を防止するためのシールドガスが必要である他、表面酸化物や不純物から発生するガスによる欠陥を防止するため、処理前に鋳肌を除去する工程が追加されている。更に、処理部に発生する高い引張り残留応力を解放するため、後熱処理が必要であることなどから、コスト低減が課題となっている。
【００１３】
また、上記公報記載の肉盛り溶接は、生産性の面では肉盛り部材の供給方法が、品質面ではピンホール欠陥の抑制や母材希釈率の安定性確保が課題である。また、母材を溶融させることに起因する課題は、リメルト処理と同様に有している。
【００１４】
一方、上記特開平１０−１８３３１６号公報及び特開２０００−１５４２６に記載の技術では、素材の変形を防止しつつ、広い領域を小さな突出部で処理するためには、処理経路などを適切に設定する必要がある。
【００１５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、素材の変形による未充填欠陥を防止しつつ、処理領域を深くできる表面処理方法及びエンジンの鋳物製シリンダヘッドを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明の表面処理方法は、凹所を有する鋳物の表面に、回転する回転工具の突出部を押し込むと共に、当該表面に当該突出部が形成される平面部であるショルダ部を押し当てて当該回転工具の摩擦熱により溶融させることなく撹拌して改質する表面処理方法であって、複数の前記凹所間の鋳物の表面における前記回転工具の表面処理経路を、当該回転工具の回転時において当該凹所と回転工具の突出部との間の素材の流動方向が当該回転工具の鋳物表面に沿った進行方向に対して同方向になるような往路である第１経路と当該第１経路に沿った復路である第２経路に設定し、当該第１経路と第２経路に沿って当該回転工具の突出部を押し込んで回転させながら鋳物表面に沿って移動させ、前記第１経路と第２経路において、前記凹所と当該凹所に最も近接する前記回転工具の突出部との間の処理領域の面積が、素材の流動方向が当該回転工具の進行方向に対して逆方向となる部分の処理領域の面積より狭く形成され、前記第１経路と第２経路における素材の流動方向が前記回転工具の進行方向に対して逆方向となる部分の各処理領域をオーバラップさせるように処理を施すことで処理深さを略同じにする。
【００１８】
また、好ましくは、前記回転工具は、前記鋳物に施される穴あけ加工における穴径より小径の回転工具を用いて、前記回転工具による表面処理経路の終点が前記穴あけ加工を施す位置になるように表面処理を施す。
【００２０】
また、好ましくは、前記表面処理経路は、その始点を通過するように当該表面処理経路の終点を設定する。
【００２１】
また、好ましくは、前記鋳物は、複数の気筒に対応して吸気ポート及び排気ポートを有するエンジンのシリンダヘッドであって、前記第１経路と第２経路は、前記排気ポート及び吸気ポートの間を通るように前記シリンダヘッドに設定される。
【００２２】
また、本発明のエンジンの鋳物製シリンダヘッドは、複数の気筒に対応して吸気ポート及び排気ポートを有するエンジンの鋳物製シリンダヘッドの表面に、回転する回転工具の突出部を押し込むと共に、当該表面に当該突出部が形成される平面部であるショルダ部を押し当てて当該回転工具の摩擦熱により溶融させることなく撹拌して改質したエンジンの鋳物製シリンダヘッドであって、前記吸気ポート及び排気ポートの間の前記シリンダヘッドにおける前記回転工具の表面処理経路を、当該回転工具の回転時において当該ポートと回転工具の突出部との間の素材の流動方向が当該回転工具のシリンダヘッド表面に沿った進行方向に対して同方向になるような往路である第１経路と当該第１経路に沿った復路である第２経路に設定し、当該第１経路と第２経路に沿って当該回転工具の突出部を押し込んで回転させながらシリンダヘッド表面に沿って移動させ、前記第１経路と第２経路において、前記ポートと当該ポートに最も近接する前記回転工具の突出部との間の処理領域の面積が、素材の流動方向が当該回転工具の進行方向に対して逆方向となる部分の処理領域の面積より狭く形成され、前記第１経路と第２経路における素材の流動方向が前記回転工具の進行方向に対して逆方向となる部分の各処理領域をオーバラップさせるように処理を施すことで処理深さを略同じにした。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明のように、請求項１又は５の発明によれば、素材の変形による未充填欠陥及び凹所縁部の肩だれを防止しつつ、処理領域を広く、深くできる。
【００２７】
請求項２の発明によれば、鋳物に施される穴あけ加工における穴径より小径の回転工具を用いて、回転工具による表面処理経路の終点が穴あけ加工を施す位置になるように表面処理を施すことにより、製品に終端穴を残さずに仕上げることができる。
【００２９】
請求項３の発明によれば、表面処理経路の始点を通過するように当該表面処理経路の終点を設定することにより、製品に終端穴を残さずに仕上げることができる。
【００３０】
請求項４の発明によれば、鋳物は、複数の気筒に対応して吸気ポート及び排気ポートを有するエンジンのシリンダヘッドであって、表面処理経路を排気ポートと吸気ポートの間を通るようにシリンダヘッドに設定することにより、シリンダヘッドのポート端部の変形による未充填欠陥を防止しつつ、処理領域を広く、深くできる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００３２】
図１は、本発明に係る実施形態の表面処理方法を実施するための摩擦撹拌装置の概略図である。図２は、図１の回転工具付近の拡大図である。図３は、回転工具の詳細図である。図４は、球面タイプの突出部形状を有する回転工具を示す図である。図５は、円筒タイプの突出部形状を有する回転工具示す図である。図６は、ねじ切りタイプの突出部形状を有する回転工具を示す図である。
【００３３】
本実施形態の摩擦撹拌による表面処理は、被表面処理部材の一例としてアルミニウム合金鋳物を対象としており、特に自動車のシリンダヘッドに形成される隣り合うポート間（弁間部）やピストン、ブレーキディスク等の表面改質処理に用いられ、アルミニウム合金鋳物の表面改質領域を摩擦熱により溶融させることなく撹拌させることにより、金属組織の微細化や共晶シリコン（Ｓｉ）粒子の均一分散化、鋳造欠陥の減少を図り、熱疲労（低サイクル疲労）寿命や伸び、耐衝撃性等の材料特性において従来のリメルト処理以上のものを得ることができる。
【００３４】
ここで、溶融しないで撹拌する状態とは、母材に含有される各成分或いは共晶化合物の中で最も融点が低いものよりもさらに低い温度下で摩擦熱により金属を軟化させて撹拌することを意味する。
【００３５】
図１乃至図３に示すように、摩擦撹拌装置１は、球状の非消耗型突出部２がその先端のショルダ部３に固定又は装着された円筒状の回転工具４と、この回転工具４を回転させて突出部２を回転駆動させつつ、被表面処理部材の表面改質領域に対して押圧しながら相対的に移動させる工具駆動手段５とを備える。
【００３６】
工具駆動手段５としては、モータ等により回転工具４が回転可能で、かつ送りネジ機構やロボットアーム等により回転工具４を上下左右のあらゆる方向に移動可能な装置であって、回転工具４の回転数、送り速度及び押圧力を制御可能なものが用いられる。他の形態としては、回転工具４を回転可能に軸支すると共に、被表面処理部材を相対的に上下左右のあらゆる方向に移動させてもよい。
【００３７】
突出部２と回転工具４のショルダ部３とは、アルミニウム合金よりも硬度の高い鋼材からなり、突出部２の形状が、所定半径の球面に形成されている。回転工具４はショルダ部３に突出部２が形成された第１円筒軸６と、この第１円筒軸６の上端部に連結されたより大径の第２円筒軸７と、この第２円筒軸７の上端部に連結された第１円筒軸６より大径で第２円筒軸７より小径の第３円筒軸８とから構成されている。第３円筒部８は工具駆動手段５に取り付けられる。
【００３８】
突出部２の形状は球面タイプ（図４）の他に、円筒タイプ（図５）、ねじ切りタイプ（図６）等があるが、特にピン外周にネジ溝が形成されたねじ切りタイプの撹拌能力が高く好ましい。
【００３９】
本実施形態では、図７に示すように、被表面処理部材としてＪＩＳで規格化されたアルミニウム合金であるＡＣ４Ｄを一例として用いるが、アルミニウム合金のマグネシウム（Ｍｇ）含有率として０．２〜１．５重量％、シリコン（Ｓｉ）含有率として１〜２４重量％、好ましくは４〜１３重量％の範囲で組成比率を変更可能である。他にＡＣ４Ｂ，ＡＣ２Ｂ、ピストンに用いるＡＣ８Ａ等も利用できる。シリコン含有率の上限を２４％に設定する理由は、それ以上シリコンを増加しても材料特性や鋳造性が飽和すると共に、撹拌性が悪化するからである。
【００４０】
マグネシウムを含有するアルミニウム合金鋳物は、熱処理によりＭｇ2Ｓｉを析出させて強度が高まる。ところが、リメルト処理のように溶融させて金属組織を微細化させる場合には、低融点（６５０℃）のマグネシウムが蒸発して含有量が低下することがある。そして、マグネシウム含有量が低下すると熱処理を施しても硬さや強度が低下して所望の材料特性が得られないことになる。
【００４１】
一方、摩擦撹拌による表面処理では、金属組織を溶融させないのでマグネシウムが蒸発することもないため、アルミニウム合金鋳物は熱処理によりＭｇ2Ｓｉを析出させて強度が高められるのである。
【００４２】
アルミニウム合金にシリコンを添加することにより、鋳造性（溶湯の流動性、引け特性、耐熱間割れ性）は向上するが、共晶シリコンが一種の欠陥として作用して機械的特性（伸び）が低下する。
【００４３】
共晶シリコンは硬くて脆く、亀裂発生の起点や伝播経路となるため伸びが低下する。また、弁間部のように繰り返し熱応力を受ける部位ではその疲労寿命が低下する。そして、金属組織ではデンドライトに沿って共晶シリコンが連なった形態を呈しているが、共晶シリコンを微細化し、均一に分散させることによって応力集中による亀裂の発生と、発生した亀裂の伝播を抑制することが可能となる。
【００４４】
図８（ａ）は突出部長さに応じた処理深さを示す図であり、図８（ｂ）は突出部長さＰＬを示す図であり、図８（ｃ）は最大処理深さＤｍａｘを示す図である。図９は、回転工具の回転数及び送り速度に応じた処理深さを示す図である。
【００４５】
本実施形態では、突出部長さＰＬを要求深さの８０〜９０％に設定する。要求深さは突出部長さの１．１〜１．２倍となり、（０）〜１０ｍｍ程度まで設定可能である。また、図８（ａ）に示すように、最大処理深さＤｍａｘは突出部長さＰＬに比例（突出部長さの１．１〜１．２倍）して大きくなり、最大処理幅も突出部径に比例して大きくなる。また、図９に示すように、最大処理深さＤｍａｘは突出部長さＰＬで決まり、回転数や送り速度による影響は少ないと言える。更に、図９に例示するリメルト処理による最大処理深さに比べてばらつきは小さくなって信頼性を高めることができる。
【００４６】
本実施形態のように燃焼室内の最高圧縮圧力が１５０ｋｇｆ／ｃｍ2程度と高いシリンダヘッドの弁間部を表面処理する場合には、生産性を考慮して回転工具の回転数を１２００〜２４００ｒｐｍ、送り速度を３０〜１５０ｍｍ／ｍｉｎ、最大処理深さＤｍａｘを仕上げ加工後で４ｍｍ以上（加工取り代１ｍｍ以下）に設定するのが好ましい。
【００４７】
図１０は、未充填欠陥の例を示す図である。図１１は、回転工具の傾け角度を示す図である。
【００４８】
また、上記処理条件において回転工具が処理表面に対して垂直（回転工具の傾け角θが０°）では、図１０に示す回転工具の角部近傍に発生する未充填欠陥の防止が難しい。また、傾け角θが５°より大きくなると回転工具４のショルダ部３のエッジで処理表面に深い溝が形成され、バリが多く生成されるために外観が悪くなると共に、仕上げ加工時に取り代が多くなって好ましくない。そこで、図１１に示すように回転工具４を表面処理領域面に対して送り方向とは反対方向に傾け角θを０°＜θ≦５°の範囲で傾けた状態で移動させることで、未充填欠陥を抑え、処理深さや送り速度をより高めて生産性を向上することができる。
［シリンダヘッドの製造方法］
次に、本実施形態によるディーゼルエンジン用シリンダヘッドの製造工程について説明する。
【００４９】
図１２は、本実施形態のディーゼルエンジン用シリンダヘッドの製造工程を説明するフローチャートである。
【００５０】
図１２に示すように、ステップＳ１では中間体としてのシリンダヘッドをアルミニウム合金から鋳造する。ステップＳ２では、鋳物を鋳造型から取り出して湯口を削除する。ステップＳ３では、鋳造型から取り出した鋳物に砂出しを主目的としたＴ６熱処理を施す。ステップＳ４では、鋳物の弁間部に摩擦撹拌により表面処理を施す。ステップＳ５では、鋳物に再度Ｔ６熱処理を施して硬さや強度を増加する。ステップＳ６では、仕上げ加工を施す。
【００５１】
以上のように、摩擦撹拌による表面処理を行うことで、図３４のステップＴ４のリメルト処理前加工、ステップＴ５の鋳物予熱、再Ｔ６熱処理が不要となるため、従来に比べて製造工程を簡略化して製造コストの削減を図ることができる。
［摩擦撹拌による表面処理］
次に、図１２の摩擦撹拌処理ついて説明する。
＜第１実施形態の表面処理＞
図１３乃至図１７は、第１実施形態として弁間部の摩擦撹拌処理手順を説明する図である。
【００５２】
摩擦撹拌処理の前工程として、図１３に示すように、シリンダヘッドＨを鋳造する際に、隣り合う吸気ポート１４及び排気ポート１５の中心を結ぶ線Ｌ１に沿った弁間部１０の各ポートの延長部分に余肉部１１と鋳抜き穴１２とを有する中間体を形成する。鋳抜き穴１２は鋳造後にドリル等で加工してもよく、突出部２の直径及び長さと略同じ寸法に形成される。
【００５３】
次に、図１４に示すように、突出部２を回転駆動しながら鋳抜き穴１２に挿入して位置決めすると共に、回転工具４のショルダ部３を弁間部１０の表面に押圧して処理深さを決める。
【００５４】
続いて、図１５に示すように、隣り合うポートの中心を結ぶ線Ｌ１を突出部２の移動軌跡として、工具駆動手段５によって突出部２を一方の余肉部１１の鋳抜き穴１２を始点として他方の余肉部１１に移動軌跡に沿って摩擦により撹拌しながら移動させる。この際、弁間部表面には回転工具４のショルダ部３の押圧により線Ｌ１に沿って円弧状の溝１６が形成される。
【００５５】
更に、図１６に示すように、突出部２を他方の余肉部１１まで移動させた後、弁間部１１から離間させる。この際、他方の余肉部１１には突出部２の終点として終端穴１３が形成される。
【００５６】
最後に、図１７に示すように、余肉部１１を削除して吸気ポート１４及び排気ポート１５を仕上げ加工する。
【００５７】
図１８（ａ）はリメルト処理による弁間部の処理方向を示す図であり、図１８（ｂ）は図１８（ａ）の処理方向による処理深さを示す断面図である。図１９（ａ）は本実施形態の摩擦撹拌処理による弁間部び処理方向を示す図であり、図１９（ｂ）は図１９（ａ）の処理方向による処理深さを回転工具の移動軌跡に対して直角方向から見た断面図である。図２０は本実施形態の摩擦撹拌処理による弁間部の処理深さを突出部の移動軌跡に平行な方向から見た断面図である。
【００５８】
上記表面処理において、隣り合う吸気ポート１４と排気ポート１５の中心を結ぶ線Ｌ１を突出部２の移動軌跡として弁間部１０を最短距離で横断させることによって、図１９及び図２０に示すように弁間部１０の割れ発生方向に処理されるため、図１８のように弁間部１０の割れ発生方向に対して直角に処理するリメルト処理に比べて弁間部１０の処理深さを容易に増加することができる。尚、突出部２の移動軌跡は、隣り合うポートの中心を結ぶ線だけでなく、他の割れの発生しやすい領域に設定することも可能である。
【００５９】
図２１（ａ）は、本実施形態の表面処理が施された金属組織及び母材の断面図であり、図２１（ｂ）は図２１（ａ）の金属組織及び母材を個別に示す断面図である。図２２（ａ）は、本実施形態の表面処理が施された金属組織を示す断面図であり、図２２（ｂ）は、リメルト処理が施された金属組織を示す断面図である。
【００６０】
図２１に示すように、摩擦撹拌による表面処理を施すことによって微細な共晶シリコンが均一に分散し、空孔欠陥のない金属組織が形成できる。また、図２２に示すように、リメルト処理と同程度の微細な金属組織が形成できる。
＜第２実施形態の表面処理＞
図２３に示すように、突出部形状が左ねじタイプで右回転される回転工具による処理領域断面は、当該工具の突出部を中心として素材が内部に押し付けられるように撹拌され、当該工具の回転方向に対して、素材の流動が回転工具の進行方向に対して同方向の部分は塑性流動が浅い位置となる処理深さが浅く、面積が狭い領域Ｒ１となり、逆方向の部分は塑性流動が深い位置となる処理深さが深く、面積が広い領域Ｒ２となる。この領域Ｒ１、Ｒ２の違いは、回転工具と素材との相対速度が、工具の回転と同方向では速いために速く狭く撹拌され、逆方向では相対速度が遅いためゆっくりと広く撹拌されるからと考えられる。
【００６１】
尚、回転工具の突出部形状は、ねじ切りタイプに限定されず、球面タイプ（図４）や円筒タイプ（図５）でも適用可能である。
【００６２】
第２実施形態の摩擦撹拌処理では、この特性を利用して、図２４に示す塑性流動の浅い領域Ｒ２をオーバラップさせて処理深さを略均一になるように複数の処理経路（例えば、往復経路）を設定する第１の処理パターンと、反対に、図２５に示す塑性流動の深い領域Ｒ１をオーバラップさせて処理深さを抑えて素材の流出を抑制する第２の処理パターンとを使い分けるものである。これにより、広い領域を小さな突出部を持つ回転工具により処理できると共に、第１の処理パターンでは、図２６に示すように、シリンダヘッドの表面処理においてポート端部にできるだけ近づけて処理する際に、ポート端部の薄肉側に狭い領域Ｒ１がくるように処理すれば、図２７に示すようなポート端部の変形を避けることができる。尚、第１及び第２の処理パターンでは、最大処理深さが略同じ高さになるようオーバラップさせ、回転工具のショルダ部の素材に対する押し込み量が決定される。
【００６３】
一方、突出部を持つ回転工具を用いた表面処理の欠点は、処理経路の終点に突出部の終端穴が残ってしまうところにある。更に、処理始点においても欠陥が生じやすく、これを解決するために、始点を通過するように処理経路を設定する。また、シリンダヘッドなどのボルトの穴あけ加工が後工程で施される鋳物の表面を処理する場合には、穴あけ加工における穴径より小径の突出部を用いて、処理経路の終点を穴あけ加工を施す位置に設定する。これにより、製品に終端穴が残らないようにできる。
【００６４】
次に、第２実施形態の摩擦撹拌処理を用いた直列多気筒のディーゼルエンジンのシリンダヘッドの表面処理について説明する。
【００６５】
図２８に示すように、シリンダヘッドＨは、複数の気筒に対応して一対の吸気ポート１４と、一対の排気ポート１５と、不図示のシリンダブロックに締結するため複数のテンションボルト穴２１とを有する。ここで、吸気ポートは吸気量をかせぐためになるべく大きくしたいという要求があるため、隣り合う吸気ポート間は狭くなり、薄肉になる。第２実施形態の摩擦撹拌処理は、このような部位の処理に特に有効である。
【００６６】
そして、１つの処理経路例として、図２８に示すように、１つの気筒に対して互いに対向する排気ポート１５及び吸気ポート１４の対の間を通るようにシリンダヘッドＨの長手方向の一端部から他端部に向かって連続処理してテンションボルト穴２１を終点とする第１パスＰ１と、この第１パスＰ１の処理後、この第１パスＰ１の終点に隣接する気筒から互いに対向する一対の排気ポート１５と一対の吸気ポート１４の間を順次処理してテンションボルト穴２１を終点とする第２パスＰ２〜Ｐ５とを経て、シリンダヘッドＨの表面を回転工具の熱により溶融させることなく撹拌して改質する。
【００６７】
また、上記第１処理パターンに関する他の処理経路例として、図２９に示すように、１つの気筒に対して互いに対向する排気ポート１５及び吸気ポート１４の対の間を通るようにシリンダヘッドＨの長手方向の一端部から他端部に向かって連続処理してテンションボルト穴２１を終点とする第１往路パスＱ１と、この第１往路パスＱ１とは反対方向に並列に排気ポート１５及び吸気ポート１４の対の間を通るようにシリンダヘッドＨの長手方向の他端部から一端部に向かって連続処理してテンションボルト穴２１を終点とする第１復路パスＱ２と、この第１復路パスＱ２の処理後、この第１復路パスＱ２の終点に隣接する気筒から互いに対向する一対の排気ポート１５と一対の吸気ポート１４の間を往復し、復路において往路の始点Ｑsを通過するように順次処理してテンションボルト穴２１を終点とする第２往復パスＱ３〜Ｑ６とを経て、シリンダヘッドＨの表面を回転工具の熱により溶融させることなく撹拌して改質する。
【００６８】
このように、シリンダヘッドＨに対して処理経路を設定することにより、広い領域を必要な部位だけ処理できるので、残留応力を低減でき、処理時間も短縮できる。一方、図３０に示すようにポート１４，１５間を８の字状にリメルト処理した場合には、ポート１４，１５間の略全領域を処理する必要がある。
【００６９】
また、処理時間が短縮できることで、素材の変形を抑えることができる。一方、上記８の字状にリメルト処理した場合には、処理経路は短くなるが、ポート近傍を通過するため、素材の変形が起こりやすい。
【００７０】
更に、往復パスでは、往路パスと復路パスの素材の温度分布が異なるため、素材が変形しにくいという利点がある。上記８の字状に処理した場合には、処理領域の重なる部分の素材抵抗が減少して、素材の変形が起こりやすい。
【００７１】
上記シリンダヘッドの表面処理では、回転工具の傾け角θは０°、回転数を６００〜１０００ｒｐｍ、送り速度を３００〜５００ｍｍ／ｍｉｎ、突出部長さを５．８ｍｍ、突出部径７±１ｍｍ、ショルダ部径１５±１ｍｍとして、処理深さが６〜６．５ｍｍ、第１パスの処理幅が７．５〜８ｍｍ、第２パスの処理幅が１５ｍｍになるように設定するのが好ましい。尚、突出部径とショルダ部径とは、２≦ショルダ部／突出部＜４として各寸法を設定する。また、ショルダ部の素材の処理表面に対する押し込み量は、１ｍｍ以下に設定する。
［表面処理後の熱処理］
図３１は撹拌による表面処理後にＴ６熱処理を施した場合と施さない場合の硬さを比較して示す図である。図３２は、Ｔ６熱処理のみ、撹拌による表面処理後にＴ６熱処理を施した場合、リメルト処理後にＴ６熱処理を施した場合の機械的特性を比較して示す図である。図３３は、熱処理の違いに応じて変化する初期硬さと熱疲労寿命との関係を示す図である。
【００７２】
上記摩擦撹拌による表面処理に加えて、仕上げ加工前に熱処理を施すと、熱処理を施さない場合に比べて、図３１に示すように表面処理組織及びその下層の母材ともに硬さ（Ｈｖ）を増大させることができる。また、図３２に示すようにＴ６処理のみ施したもの、リメルト処理後にＴ６熱処理を施したもの、摩擦撹拌処理のみ施したものの各機械的特性に比べて優れた引張強度及び伸び特性を得ることができる。
【００７３】
また、図３３からわかるように、熱処理を施さない方が初期硬さが低く、伸び特性が高いため、熱疲労寿命が高くなって熱衝撃に対する強度が大きくなる。従って、大きな熱疲労強度が要求される部位には摩擦撹拌処理のみを施した伸び特性が高い状態で使用するのが有効である。
【００７４】
これに対して、熱疲労と機械的な高サイクル疲労とが重畳されるような部位には、伸びだけでなく強度も必要となるので高い強度と伸びを両立させるために、摩擦撹拌処理とＴ６熱処理を施すのが有効である。また、熱の影響により処理組織近傍が軟化して強度が低下する場合にも、Ｔ６熱処理は強度を回復するのに有効である。
【００７５】
熱処理の一例として、ＪＩＳ規格のＴ６熱処理（溶体化処理と時効処理）が有効である。溶体化処理は、溶体化温度５３５℃（±５℃）で４時間保持した後に沸騰水で焼き入れする。時効処理は、時効温度１８０℃（±５℃）で６時間保持した後に空冷する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の表面処理方法を実施するための摩擦撹拌装置の概略図である。
【図２】図１のピン状工具付近の拡大図である。
【図３】ピン状工具の詳細図である。
【図４】球面タイプの先端ピン形状を示す図である。
【図５】円筒タイプの先端ピン形状を示す図である。
【図６】ねじ切りタイプの先端ピン形状を示す図である。
【図７】本実施形態のアルミニウム合金の成分比率を示す図である。
【図８】（ａ）は先端ピン長さに応じた処理深さを示す図、（ｂ）は先端ピン長さＰＬを示す図、（ｃ）は最大処理深さＤｍａｘを示す図である。
【図９】ピン状工具の回転数及び送り速度に応じた処理深さを示す図である。
【図１０】未充填欠陥の例を示す図である。
【図１１】ピン状工具の傾け角を示す図である。
【図１２】本実施形態のディーゼルエンジン用シリンダヘッドの製造工程を説明するフローチャートである。
【図１３】弁間部の表面処理手順を説明する図である。
【図１４】弁間部の表面処理手順を説明する図である。
【図１５】弁間部の表面処理手順を説明する図である。
【図１６】弁間部の表面処理手順を説明する図である。
【図１７】弁間部の表面処理手順を説明する図である。
【図１８】（ａ）はリメルト処理による弁間部の処理方向を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の処理方向による処理深さを示す断面図である。
【図１９】（ａ）は本実施形態の摩擦撹拌処理による弁間部び処理方向を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の処理方向による処理深さをピン状工具の移動軌跡に対して直角方向から見た断面図である。
【図２０】本実施形態の摩擦撹拌処理による弁間部の処理深さをピン状工具の移動軌跡に平行な方向から見た断面図である。
【図２１】（ａ）は、本実施形態の表面処理が施された金属組織及び母材の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の金属組織及び母材を個別に示す断面図である。
【図２２】（ａ）は、本実施形態の表面処理が施された金属組織を示す断面図であり、（ｂ）は、リメルト処理が施された金属組織を示す断面図である。
【図２３】第２実施形態の摩擦撹拌処理の特徴を説明する図であり、回転工具の進行方向及び素材の処理領域断面を示す図である。
【図２４】第２実施形態の摩擦撹拌処理における第１の処理パターンによる素材の処理領域断面を示す図である。
【図２５】第２実施形態の摩擦撹拌処理における第２の処理パターンによる素材の処理領域断面を示す図である。
【図２６】ポート端部を処理する場合の悪い例を説明する図である。
【図２７】ポート端部を処理する場合の良い例を説明する図である。
【図２８】第２実施形態の摩擦撹拌処理を用いた直列多気筒のディーゼルエンジンのシリンダヘッドの表面処理であって、１つの処理経路例を示す図である。
【図２９】第２実施形態の摩擦撹拌処理を用いた直列多気筒のディーゼルエンジンのシリンダヘッドの表面処理であって、他の処理経路例を示す図である。
【図３０】従来のリメルト処理を用いた直列多気筒のディーゼルエンジンのシリンダヘッドの表面処理例を示す図である。
【図３１】撹拌による表面処理後にＴ６熱処理を施した場合と施さない場合の硬さを比較して示す図である。
【図３２】Ｔ６熱処理のみ、撹拌による表面処理後にＴ６熱処理を施した場合、リメルト処理後にＴ６熱処理を施した場合の引張強度と伸び特性を比較して示す図である。
【図３３】熱処理の違いに応じて変化する初期硬さと熱疲労寿命との関係を示す図である。
【図３４】従来のディーゼルエンジン用シリンダヘッドの製造工程を説明するフローチャートである。
【図３５】リメルト処理の概要を説明する図である。
【符号の説明】
１ 摩擦撹拌装置
２ 突出部
３ ショルダ部
４ 回転工具
５ 工具駆動手段
１０ 弁間部
１１ 余肉部
１２ 鋳抜き穴
１３ 終端穴
Ｈ シリンダヘッド
Claims (5)
- 凹所を有する鋳物の表面に、回転する回転工具の突出部を押し込むと共に、当該表面に当該突出部が形成される平面部であるショルダ部を押し当てて当該回転工具の摩擦熱により溶融させることなく撹拌して改質する表面処理方法であって、
複数の前記凹所間の鋳物の表面における前記回転工具の表面処理経路を、当該回転工具の回転時において当該凹所と回転工具の突出部との間の素材の流動方向が当該回転工具の鋳物表面に沿った進行方向に対して同方向になるような往路である第１経路と当該第１経路に沿った復路である第２経路に設定し、当該第１経路と第２経路に沿って当該回転工具の突出部を押し込んで回転させながら鋳物表面に沿って移動させ、
前記第１経路と第２経路において、前記凹所と当該凹所に最も近接する前記回転工具の突出部との間の処理領域の面積が、素材の流動方向が当該回転工具の進行方向に対して逆方向となる部分の処理領域の面積より狭く形成され、前記第１経路と第２経路における素材の流動方向が前記回転工具の進行方向に対して逆方向となる部分の各処理領域をオーバラップさせるように処理を施すことで処理深さを略同じにすることを特徴とする表面処理方法。 - 前記回転工具は、前記鋳物に施される穴あけ加工における穴径より小径の回転工具を用いて、前記回転工具による表面処理経路の終点が前記穴あけ加工を施す位置になるように表面処理を施すことを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
- 前記表面処理経路は、その始点を通過するように当該表面処理経路の終点を設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の表面処理方法。
- 前記鋳物は、複数の気筒に対応して吸気ポート及び排気ポートを有するエンジンのシリンダヘッドであって、
前記第１経路と第２経路は、前記排気ポート及び吸気ポートの間を通るように前記シリンダヘッドに設定されることを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。 - 複数の気筒に対応して吸気ポート及び排気ポートを有するエンジンの鋳物製シリンダヘッドの表面に、回転する回転工具の突出部を押し込むと共に、当該表面に当該突出部が形成される平面部であるショルダ部を押し当てて当該回転工具の摩擦熱により溶融させることなく撹拌して改質したエンジンの鋳物製シリンダヘッドであって、
前記吸気ポート及び排気ポートの間の前記シリンダヘッドにおける前記回転工具の表面処理経路を、当該回転工具の回転時において当該ポートと回転工具の突出部との間の素材の流動方向が当該回転工具のシリンダヘッド表面に沿った進行方向に対して同方向になるような往路である第１経路と当該第１経路に沿った復路である第２経路に設定し、
当該第１経路と第２経路に沿って当該回転工具の突出部を押し込んで回転させながらシリンダヘッド表面に沿って移動させ、
前記第１経路と第２経路において、前記ポートと当該ポートに最も近接する前記回転工具の突出部との間の処理領域の面積が、素材の流動方向が当該回転工具の進行方向に対して逆方向となる部分の処理領域の面積より狭く形成され、前記第１経路と第２経路における素材の流動方向が前記回転工具の進行方向に対して逆方向となる部分の各処理領域をオーバラップさせるように処理を施すことで処理深さを略同じにしたことを特徴とするエンジンの鋳物製シリンダヘッド。
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