(57)【要約】【課題】摩擦攪拌プロセスにより、軽金属鋳物の表面における強度が特に必要とされる箇所で、より表面の微細化がなされるようにすることができる軽金属鋳物の表面改質方法を提供する。【解決手段】鋳物の表面に回転軸及び回転子を押圧させた状態で前記回転軸及び回転子を回転かつ送り移動させて当該鋳物を表面改質する摩擦攪拌プロセスによる軽金属鋳物の表面改質方法は、前記軽金属鋳物における改質によって強度をより高めたい部分に、前記回転軸及び回転子の回転方向と送り方向とが一致する側が来るようにして前記回転軸及び回転子を回転させながら送り移動させる。【選択図】図６
2020001086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳物の表面に回転軸及び回転子を押圧させた状態で前記回転軸及び回転子を回転かつ送り移動させて当該鋳物を表面改質する摩擦攪拌プロセスによる軽金属鋳物の表面改質方法であって、
前記軽金属鋳物における改質によって強度をより高めたい部分に、前記回転軸及び回転子の回転方向と送り方向とが一致する側が来るようにして前記回転軸及び回転子を回転させながら送り移動させる、軽金属鋳物の表面改質方法。
【請求項２】
前記送り移動を、同じ送り方向に複数回実施し、
各回の送り移動は、次の送り移動の経路を前回の送り移動の経路に対して前記回転子の直径以下の所定の幅だけ平行にずらして実施する、請求項１に記載の軽金属鋳物の表面改質方法。
【請求項３】
前記回転軸及び回転子の回転方向と送り方向とが一致する側が前記軽金属鋳物の縁側に来るようにし、前記回転軸及び回転子を前記軽金属鋳物の縁に沿って周回する経路に従って送り移動させる、請求項１に記載の軽金属鋳物の表面改質方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽金属鋳物の表面改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金等の軽金属鋳物における凝固組織の粗大化による素材特性のバラツキや品質低下等を改善するための、摩擦攪拌プロセス（ＦＳＰ:Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）を応用した表面改質技術が知られている。特許文献１には、摩擦攪拌プロセスによる軽金属鋳物の表面改質技術において、軽金属鋳物の表面を摩擦攪拌プロセスにより金属組織を微細化する際に、金属組織を改質するための添加材を金属組織に添加する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２５５４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、大きな衝撃を受ける可能性のある部材では、衝撃を受けた際に、設計で意図したように部材が破壊されるのが望ましい。例えば、車両に使用される各部材は、車両が衝突などの衝撃を受けた際に、乗員が受ける衝撃ができるだけ小さくなるように各部材の破壊がされるよう設計されているのが好ましい。
【０００５】
車両において、複雑な形状を有する部材は軽金属鋳物で形成される場合が多い。例えば、車両における、サスペンションタワー、リヤサイドメンバー、エンジンのシリンダブロックなどの部材は、軽金属鋳物で形成されている。このような軽金属鋳物で形成された部材についても、衝撃を受けた際に、設計で意図したように部材の破壊が起きるのが望ましい。
【０００６】
軽金属鋳物で形成された部材が応力集中しやすい箇所を有する場合、当該箇所において、内部欠陥を含んでいる可能性があり、その場合、強度的に最も弱くなる可能性が高い。例えば、軽金属鋳物で形成された部材が応力集中しやすい溶接箇所を有する場合、衝撃を受けた際に当該溶接箇所の近傍の領域において破壊が生じる可能性が高い。しかしながら、溶接箇所の近傍の領域では、破壊の生じ方を設計的にコントロールすることが困難である。このため、軽金属鋳物で形成される部材が溶接箇所を有する場合、衝撃を受けた際に、溶接箇所の近傍の領域ではなく、破壊の生じ方を設計的にコントロールしやすい箇所で破壊が生じるようにする必要がある。つまり、溶接箇所の近傍の領域における強度を、破壊の生じ方を設計的にコントロールしやすい箇所の強度よりも高める必要がある。こういったことから、軽金属鋳物の表面改質において、強度が特に必要とされる箇所では、そうでない箇所よりも、金属組織の微細化がなされることが望まれる。
【０００７】
以上の背景に鑑み、本発明の目的は、摩擦攪拌プロセスにより、軽金属鋳物の表面における強度が特に必要とされる箇所で、より金属組織の微細化がなされるようにすることができる軽金属鋳物の表面改質方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、鋳物の表面に回転軸及び回転子を押圧させた状態で前記回転軸及び回転子を回転かつ送り移動させて当該鋳物を表面改質する摩擦攪拌プロセスによる軽金属鋳物の表面改質方法であって、前記軽金属鋳物における改質によって強度をより高めたい部分に、前記回転軸及び回転子の回転方向と送り方向とが一致する側が来るようにして前記回転軸及び回転子を回転させながら送り移動させるものである。
【０００９】
本発明者は、摩擦攪拌を行った表面における、回転軸及び回転子の回転方向と送り方向とが逆になる側（ＲＳ）の近傍のよりも回転軸及び回転子の回転方向と送り方向とが一致する側（ＡＳ）の近傍の方が、表面の金属組織がより微細化されることを見いだした。軽金属鋳物における改質によって強度をより高めたい部分がＡＳに来るようにすることで、表面改質を実施後の、当該強度をより高めたい部分において、より表面の金属組織の微細化がなされ、強度がより高まるようにすることができる。
【００１０】
さらに、前記送り移動を、同じ送り方向に複数回実施し、各回の送り移動は、次の送り移動の経路を前回の送り移動の経路に対して前記回転子の直径以下の所定の幅だけ平行にずらして実施するようにしてもよい。このようにすると、前回の送り移動の経路でＡＳになっていなかった箇所が、次の送り移動の経路、またはそれ以降の送り移動の経路ではＡＳになる。これにより、軽金属鋳物で形成される部材の表面をまんべんなく微細化することができる。
【００１１】
さらに、前記回転軸及び回転子の回転方向と送り方向とが一致する側が前記軽金属鋳物の縁側に来るようにし、前記回転軸及び回転子を前記軽金属鋳物の縁に沿って周回する経路に従って送り移動させるようにしてもよい。軽金属鋳物で形成される部材における、縁側にＡＳ、内側にＲＳが来るようにすることで、当該縁の近傍の箇所において表面の金属組織が微細化される。これにより、軽金属鋳物で形成される部材の外周の強度をより高めることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、摩擦攪拌プロセスにより、軽金属鋳物の表面における強度が特に必要とされる箇所で、より表面の微細化がなされるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施の形態にかかる軽金属鋳物の表面改質方法に用いる摩擦攪拌装置の概略構成を示す図である。
【図２】改質前のアルミニウム合金鋳物で形成された部材の表面における金属組織の顕微鏡写真である。
【図３】摩擦攪拌装置による摩擦攪拌プロセスの概略について説明する模式図である。
【図４】摩擦攪拌による改質効果の差について説明する模式図である。
【図５】本実施の形態にかかる軽金属鋳物の表面改質方法の特徴点について説明する模式図である。
【図６】本実施の形態にかかる軽金属鋳物の表面改質方法の特徴点について説明する模式図である。
【図７】本実施の形態にかかる軽金属鋳物の表面改質方法の特徴点について説明する模式図である。
【図８】本実施の形態にかかる軽金属鋳物の表面改質方法の流れについて示すフローチャートである。
【図９】回転ツール及びプローブの送り移動のさせ方の別の一例について説明する模式図である。
【図１０】回転ツール及びプローブの送り移動のさせ方のさらに別の一例について説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
【００１５】
本実施の形態にかかる軽金属鋳物の表面改質方法は、鋳物の表面に回転軸及び回転子を押圧させた状態で回転軸及び回転子を回転かつ送り移動させて当該鋳物を表面改質する摩擦攪拌プロセスにより軽金属鋳物の表面を改質する方法である。軽金属鋳物は、アルミニウム合金やマグネシウム合金等の軽金属で形成された鋳物ある。軽金属鋳物の表面改質とは、主に、軽金属鋳物の表面における金属組織の微細化することや鋳巣などの内部欠陥を除去することである。まず、本実施の形態にかかる軽金属鋳物の表面改質方法に用いる摩擦攪拌装置について説明する。
【００１６】
図１は、本実施の形態にかかる軽金属鋳物の表面改質方法に用いる摩擦攪拌装置１の概略構成を示す図である。図１に示すように、摩擦攪拌装置１は、主軸駆動部２と、移動機構３と、回転軸としての回転ツール４と、回転子としてのプローブ５と、を有する。
【００１７】
主軸駆動部２は、電動モーター（図示せず）によって回転される回転駆動軸（図示せず）を有する。主軸駆動部２は、台座部６に垂直に固定された支柱７に、移動機構３を介して支持されている。台座部６上にはワークテーブル８が配設されている。ワークテーブル８上には、軽金属鋳物で形成される部材であるワークＷが静置される。
【００１８】
移動機構３は、昇降押圧機構（図示せず）と、送り移動機構（図示せず）と、を有する。昇降押圧機構は、主軸駆動部２をワークＷに対して垂直な方向（すなわち主軸の回転駆動軸の方向）に移動させる。送り移動機構は、主軸駆動部２をワークＷに対して水平な送り方向に移動させる。
【００１９】
回転ツール４は、主軸駆動部２により回転される円筒状の部材で、円筒の中心軸が主軸駆動部２の回転駆動軸の軸心と一致している。回転ツール４の下端には、ワークＷの上面を押圧可能な水平面である押圧面が形成されている。回転ツール４は、例えば、ステンレス鋼などの、ワークＷの母材よりも高硬度で高融点の金属材料で形成されている。
【００２０】
プローブ５は、回転ツール４よりも径が小さい円筒状の部材で、回転ツール４の押圧面において、押圧面の中心から下方に向かって突出するように固定設置されている。プローブ５の円筒の中心軸は、回転ツール４の円筒の中心軸と同軸になっている。プローブ５は、回転ツール４と同様に、ワークＷの母材よりも高硬度で高融点の金属材料で形成されている。なお、プローブ５の円筒側面には、プローブ５を回転させる方向とは逆向きのねじ切りがされていてもよい。このようにする場合、例えば、プローブ５を回転させる方向が時計回りであれば、プローブ５の円筒側面には反時計回りのねじ切りがされる。これにより、ワークＷにおける摩擦熱により軟化した箇所の攪拌がより促進されるようにすることができる。
【００２１】
次に、本実施の形態にかかる、軽金属鋳物の表面改質方法について説明する。なお、以下の説明において、摩擦攪拌装置１の構成については、図１を適宜参照する。
【００２２】
図２は、改質前のアルミニウム合金鋳物（ＡＤＴ１０−Ｆ）で形成された部材の表面における金属組織の顕微鏡写真である。図２において、黒く見える部分が共晶シリコンである。図２に示すように、アルミニウム合金鋳物で形成された部材では、金属組織において、共晶シリコンが、微細化せずに粗大析出粒子Ｒ１として存在している箇所が多数見られる。
【００２３】
図３は、摩擦攪拌装置１による摩擦攪拌プロセスの概略について説明する模式図である。図３に示すように、移動機構３（図１参照）の昇降押圧機構によって回転ツール４及びプローブ５を主軸の回転軸線方向である矢印Ａの方向に降下させ、回転ツール４の下端の押圧面によりワークＷの上面を押圧した状態で回転ツール４及びプローブ５を矢印Ｃの向き（時計回り）に高速回転させる。すなわち、回転ツール４及びプローブ５をワークＷの母材に摩擦接触させる。このときに発生する摩擦熱により、ワークＷの母材である軽金属材料が溶融せず塑性変形する温度域に維持されるので、ワークＷの母材が軟化して攪拌される。これにより、ワークＷの表面における金属組織の粗大析出粒子（図２参照）が粉砕されて当該金属組織が微細化され、かつ、鋳巣などの内部欠陥も除去される。
【００２４】
上述したように回転ツール４及びプローブ５をワークＷに押し当てて高速回転させるとともに、移動機構３の送り移動機構によって回転ツール４を送り方向である矢印Ｂの方向に移動させる。この結果、ワークＷの表層は、摩擦攪拌により回転ツール４の移動経路Ｌに沿って改質される。すなわち、摩擦攪拌を実施したワークＷの表層Ｗａが表面改質される。
【００２５】
図４は、摩擦攪拌による改質効果の差について説明する模式図である。ここで、図４は、図３の矢印Ａの方から見た図である。図４において、回転ツール４及びプローブ５の回転方向Ｃ（Ｃ１）と送り方向Ｂとが一致する側をＡＳ（Ａｄｖａｎｃｉｎｇ  Ｓｉｄｅ）、回転ツール４及びプローブ５の回転方向Ｃ（Ｃ２）と送り方向Ｂとが逆になる側をＲＳ（Ｒｅａｔｒｅａｔｉｎｇ  Ｓｉｄｅ）とする。本発明者は、摩擦攪拌を行った表面Ｗａにおける、ＲＳの近傍よりもＡＳの近傍の方が、表面の金属組織がより微細化され強度と延性を向上させる効果がより大きくなることを見いだした。
【００２６】
図５から図７は、本実施の形態にかかる軽金属鋳物の表面改質方法の特徴点について説明する模式図である。ここで、図５は、軽金属鋳物で形成される部材であるワークＷ１を回転ツール４及びプローブ５の送り方向から見た図である。図６の上段は、ワークＷ１を回転ツール４及びプローブ５の送り方向から見た図、図６の下段は、ワークＷ１を回転ツール４及びプローブ５の軸方向から見た図である。図７は、ワークＷ１を回転ツール４及びプローブ５の送り方向から見た図である。
【００２７】
図５に示すように、軽金属鋳物で形成される部材であるワークＷ１が応力集中しやすい溶接箇所Ｓ１を有しているとする。溶接箇所Ｓ１の近傍の領域Ｓ２は内部欠陥を含んでいる可能性が高く、強度的に最も弱くなる可能性が高い。このため、ワークＷ１が、衝撃を受けた際、溶接箇所Ｓ１の近傍の領域Ｓ２において破壊が生じる可能性が高い。しかし、溶接箇所Ｓ１の近傍の領域Ｓ２では、破壊の生じ方を設計的にコントロールすることが困難なため、ワークＷ１が衝撃を受けた際、少なくとも溶接箇所Ｓ１の近傍の領域Ｓ２では破壊が生じて欲しくない。このため、溶接箇所Ｓ１の近傍の領域Ｓ２の強度を、領域Ｓ３や領域Ｓ４などの領域Ｓ２以外の領域の強度よりも高める必要がある。
【００２８】
そこで、本実施の形態にかかる軽金属鋳物の表面改質方法では、図６に示すように、溶接箇所Ｓ１の近傍の領域Ｓ２に回転ツール４及びプローブ５の回転方向と送り方向とが一致する側であるＡＳが来るようにする。すなわち、ワークＷ１における改質によって強度をより高めたい部分に、回転ツール４及びプローブ５の回転方向と送り方向とが一致する側であるＡＳが来るようにする。このとき、回転ツール４及びプローブ５の回転方向と送り方向とが逆になる側であるＲＳは領域Ｓ３に来る。このように回転ツール４及びプローブ５をセッティングして回転ツール４及びプローブ５を回転させながら送る。
【００２９】
図７は、図５及び図６を参照して説明した軽金属鋳物の表面改質方法を実施した後の、ワークＷ１の表面における金属組織の顕微鏡写真である。ここで、ワークＷ１はアルミニウム合金鋳物（ＡＤＴ１０−Ｆ）である。図７では、摩擦攪拌を実施したワークＷ１の表層Ｗａにおける、溶接箇所Ｓ１の近傍の領域Ｓ２の金属組織の顕微鏡写真をＰ１に示す。また、摩擦攪拌を実施したワークＷ１の表層Ｗａにおける、領域Ｓ３の金属組織の顕微鏡写真をＰ２に、領域Ｓ４の金属組織の顕微鏡写真をＰ３に示す。図７のＰ１、Ｐ２、Ｐ３において、黒く見える部分が共晶シリコンである。
【００３０】
図７に示すように、領域Ｓ２の金属組織の顕微鏡写真であるＰ１では、領域Ｓ３の金属組織の顕微鏡写真であるＰ２や領域Ｓ４の金属組織の顕微鏡写真であるＰ３と比べて、共晶シリコンがより微細に分布していることが確認できる。領域Ｓ３は摩擦攪拌を行った際にＲＳの方にあった領域であるが、図２に示すワークＷ１の母材と比べれば金属組織が微細化されているものの、微細化が十分になされていない箇所も多く見られる。領域Ｓ２と領域Ｓ３との間にある領域Ｓ４は、領域Ｓ３より金属組織が微細化されているが、領域Ｓ２よりは金属組織が微細化されていない。
【００３１】
このように、本実施の形態にかかる軽金属鋳物の表面改質方法を実施した後の、ワークＷ１の表面における強度が特に必要とされる箇所である領域Ｓ２において、領域Ｓ２以外の領域である領域Ｓ３や領域Ｓ４よりも、より表面の微細化がなされ、強度がより高まるようにすることができる。
【００３２】
図８は、本実施の形態にかかる軽金属鋳物の表面改質方法の流れについて示すフローチャートである。図８に示すように、まず、回転ツール４及びプローブ５の回転方向と送り方向とが一致する側であるＡＳが、軽金属鋳物における改質によって強度をより高めたい部分に来るように、ワークに対し、回転ツール４及びプローブ５の位置決めをする（ステップＳ１）。続いて、回転ツール４及びプローブ５を、回転させながら軽金属鋳物の表面に押圧させる（ステップＳ２）。続いて、所定の経路に沿って回転ツール４及びプローブ５を送り移動させる（ステップＳ３）。
【００３３】
図９は、回転ツール４及びプローブ５の送り移動のさせ方の別の一例（図６とは別の一例）について説明する模式図である。ここで、図９の上段は回転ツール４及びプローブ５の送り方向から見た図、図９の下段は回転ツール４及びプローブ５の軸方向から見た図である。図９に示すように、回転ツール４及びプローブ５の送り移動を、同じ送り方向Ｂに複数回実施し、各回の送り移動は、次の送り移動の経路Ｌ２を前回の送り移動の経路Ｌ１に対してプローブ５の直径Ｄ以下の所定の幅Ｊだけ平行にずらして実施するようにしてもよい。このようにすると、前回の送り移動の経路Ｌ１でＡＳになっていなかった箇所が、次の送り移動の経路Ｌ２、またはそれ以降の送り移動の経路ではＡＳになるので、ワークＷの表面をまんべんなく微細化することができる。
【００３４】
図１０は、回転ツール４及びプローブ５の送り移動のさせ方のさらに別の一例（図６、図９とは別の一例）について説明する模式図である。ここで、図１０は、回転ツール４及びプローブ５の軸方向から見た図である。図１０に示すように、回転ツール４及びプローブ５の回転方向と送り方向とが一致する側であるＡＳが軽金属鋳物で形成される部材であるワークＷ２の縁Ｍ側に来るようにし、回転ツール４及びプローブ５を、縁Ｍに沿って周回する経路Ｌ３に従って送り移動させるようにしてもよい。このように、ワークＷ２における縁ＭにＡＳ、内側にＲＳが来るようにすることで、縁Ｍの近傍の箇所において表面の金属組織が微細化される。これにより、ワークＷ２の外周の強度をより高めることができる。
【００３５】
以上、本発明を上記実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００３６】
１  摩擦攪拌装置
２  主軸駆動部
３  移動機構
４  回転ツール
５  プローブ
６  台座部
７  支柱
８  ワークテーブル
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２  ワーク
【図１】
2020001086.tif 000003
【図２】
2020001086.tif 000004
【図３】
2020001086.tif 000005
【図４】
2020001086.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2020001086.tif 000009
【図８】
2020001086.tif 000010
【図９】
2020001086.tif 000011
【図１０】
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