(57)【要約】【課題】疲労強度の向上等の熱処理による効果を損なうことなく、また、処理時間の長期化を招くことなく、摩擦撹拌処理による鋳造欠陥の除去を行うことができるアルミニウム鋳造品の表面処理方法を提供すること。【解決手段】アルミニウム鋳造品を処理対象とし、所定の熱処理と、所定の回転工具を回転している状態で前記処理対象の表面部に挿入することで前記表面部を摩擦熱により非溶融状態で撹拌して改質する摩擦撹拌処理とを行うアルミニウム鋳造品の表面処理方法であって、前記熱処理として、溶体化処理（Ｓ２０）および時効処理（Ｓ４０）を行い、溶体化処理（Ｓ２０）と時効処理（Ｓ４０）との間に、摩擦撹拌処理（Ｓ３０）を行う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム鋳造品を処理対象とし、所定の熱処理と、所定の回転工具を回転している状態で前記処理対象の表面部に挿入することで前記表面部を摩擦熱により非溶融状態で撹拌して改質する摩擦撹拌処理とを行うアルミニウム鋳造品の表面処理方法であって、
前記熱処理として、溶体化処理および時効処理を行い、
前記溶体化処理と前記時効処理との間に、前記摩擦撹拌処理を行うことを特徴とするアルミニウム鋳造品の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌処理によるアルミニウム鋳造品の表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばアルミニウム合金等の鋳造品（鋳物）に対する表面処理として、摩擦撹拌処理が行われている。摩擦撹拌処理とは、所定の回転工具が、回転している状態で処理対象の表面に挿入されることで発生する摩擦熱により、処理対象の表面を溶融させることなく撹拌して改質する表面処理である。
【０００３】
摩擦撹拌処理によれば、鋳造品の欠陥が除去され強度の向上が図られる。しかし、処理対象が、所定の熱処理が施されたアルミニウム熱処理合金である場合、摩擦撹拌処理の熱（摩擦熱）の影響により、熱処理の効果が低下してしまうことがある。これに対し、特許文献１において、摩擦撹拌処理の後に、さらに熱処理を行う表面処理方法が提案されている。
【０００４】
すなわち、特許文献１に開示されている表面処理方法においては、アルミニウム鋳造品に対し、熱処理としていわゆるＴ６処理（溶体化処理および時効処理）が施された後に、摩擦撹拌処理によって鋳造欠陥が除去され、さらにその後に再度Ｔ６処理が行われる。
【０００５】
しかし、特許文献１に開示されているような表面処理方法によれば、次のような問題があり、十分な効果が得られない。すなわち、摩擦撹拌処理の後に、高温処理である熱処理が行われると、再結晶により結晶粒が粗大化する。このことから、例えば、摩擦撹拌処理の後に、熱処理としてＴ６処理が行われる場合、通常のＴ６処理並の疲労強度が得られない。また、相当程度の時間を要する熱処理を摩擦撹拌処理の前後で計二回行う必要があることから、熱処理について通常の二倍の時間がかかるため、処理時間が長くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１８１８０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、疲労強度の向上等の熱処理による効果を損なうことなく、また、処理時間の長期化を招くことなく、摩擦撹拌処理による鋳造欠陥の除去を行うことができるアルミニウム鋳造品の表面処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００９】
すなわち、請求項１においては、アルミニウム鋳造品を処理対象とし、所定の熱処理と、所定の回転工具を回転している状態で前記処理対象の表面部に挿入することで前記表面部を摩擦熱により非溶融状態で撹拌して改質する摩擦撹拌処理とを行うアルミニウム鋳造品の表面処理方法であって、前記熱処理として、溶体化処理および時効処理を行い、前記溶体化処理と前記時効処理との間に、前記摩擦撹拌処理を行うものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
すなわち、本発明によれば、疲労強度の向上等の熱処理による効果を損なうことなく、また、処理時間の長期化を招くことなく、摩擦撹拌処理による鋳造欠陥の除去を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】摩擦撹拌処理についての説明図。
【図２】本発明の一実施形態に係る表面処理方法を示すフロー図。
【図３】応力寿命の試験結果の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、アルミニウム鋳造品（以下「アルミ鋳造品」という。）を処理対象（以下「ワーク」という。）とする表面処理方法において、熱処理としての溶体化処理と時効処理との間に、鋳造品の欠陥を除去するための摩擦撹拌処理を行うことで、摩擦撹拌処理にともなう熱影響等により熱処理の効果が低減することを防止しようとするものである。以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
本実施形態に係るアルミ鋳造品の表面処理方法（以下単に「表面処理方法」という。）は、例えばアルミニウム合金鋳物等のアルミ鋳造品をワークとするものである。具体的には、本実施形態に係る表面処理方法は、例えば自動車エンジンを構成するシリンダヘッドの表面の一部や、同じく自動車エンジンを構成するピストンやブレーキディスク等の部品の表面に対して行われる。したがって、本実施形態に係る表面処理方法は、例えばシリンダヘッド等のワークの製造過程において実施される。
【００１４】
本実施形態に係る表面処理方法においては、ワークに対して、所定の熱処理と、摩擦撹拌処理とが行われる。摩擦撹拌処理は、アルミ鋳造品の欠陥を除去して強度を向上するための処理であり、所定の回転工具が用いられて行われる。
【００１５】
具体的には、図１に示すように、摩擦撹拌処理は、回転工具２０を回転している状態でワーク１０の表面部（以下「ワーク表面部」という。）１１に挿入することでワーク表面部１１を摩擦熱により非溶融状態で撹拌して改質するものである。
【００１６】
回転工具２０は、摩擦撹拌処理装置に備えられるものであり、同じく摩擦撹拌処理装置に備えられる所定の駆動手段によって回転駆動させられる。また、摩擦撹拌処理装置においては、ワーク１０を位置決め保持するための治具が備えられる。
【００１７】
図１に示すように、回転工具２０は、略円柱状の軸部材により構成されるものであり、所定の駆動手段によってモータ等により軸回転可能に構成される（矢印Ａ１参照）。回転工具２０は、その一側の端面部２１に、小径部分である突起状のプローブ２２を有する。
【００１８】
回転工具２０は、回転するとともに、プローブ２２がワーク表面部１１に押し込まれるように押し付けられた状態で、ワーク表面部１１における処理領域に沿って移動させられる（矢印Ａ２参照）。このため、摩擦撹拌処理装置においては、回転工具２０とワーク１０とは、所定の駆動手段等によってワーク表面部１１における処理領域に沿う所定の方向に相対移動可能に設けられる。
【００１９】
このように、回転工具２０が押圧された状態で回転しながらワーク表面部１１上を移動することで、回転工具２０のワーク表面部１１に対する接触部、つまりワーク表面部１１における端面部２１およびプローブ２２の接触部において摩擦熱および撹拌作用が生じる。かかる回転工具２０による摩擦熱および撹拌作用により、回転工具２０のワーク表面部１１に対する接触部分およびその近傍の領域が軟化し、その領域部分において塑性流動が生じる。そして、塑性流動が生じた部分は非溶融状態で撹拌されることにより改質され、改質層１２が形成される。
【００２０】
このような摩擦撹拌処理によれば、ワーク表面部１１の金属組織が微細化され、鋳巣等の欠陥が除去され、ワーク表面部１１の強度の向上が図られる。なお、回転工具２０は、プローブ２２を備えない構成であってもよい。この場合、端面部２１が、回転工具２０のワーク表面部１１に対する接触部となり、かかる接触部において、改質層１２を形成するための摩擦熱および撹拌作用が得られる。
【００２１】
また、本実施形態の表面処理方法においては、所定の熱処理として、溶体化処理および時効処理が行われる。溶体化処理とは、本実施形態のワーク１０のようにアルミニウム合金等の非鉄金属についての固溶化処理であり、金属を所定の温度に加熱することで合金元素を固溶させた（溶け込ませた）後、急冷することで、合金元素の固溶化（溶体化）を図る処理（焼入れ処理）である。
【００２２】
したがって、本実施形態の溶体化処理においては、ワーク１０が、溶体化処理炉（溶体化処理を行うための炉）に入れられ、数時間程度の間、所定の溶体化温度（例えば５００℃程度）に加熱された状態で保持される。そして、加熱後のワーク１０が、沸騰水等を貯溜する焼入れ用水槽に浸けられること等によって急冷されることで、溶体化される。
【００２３】
また、時効処理とは、溶体化処理後の金属を溶体化温度に対して比較的低い温度の状態で保持することで、固溶した合金元素を析出させて硬化させる処理である。
【００２４】
したがって、本実施形態の時効処理においては、溶体化処理後のワーク１０が、時効処理炉（時効処理を行うための炉）に入れられ、数時間程度の間、所定の温度（例えば２００℃程度）に加熱された状態で保持される。これにより、溶体化処理によって固溶した合金元素が析出し、ワーク表面部１１が硬化する。
【００２５】
このように、熱処理としての溶体化処理および時効処理がワーク１０に施されることにより、ワーク表面部１１について疲労強度の向上や硬度の向上等の効果が得られる。
【００２６】
そして、本実施形態の表面処理方法においては、ワーク１０に施される溶体化処理と時効処理との間に、摩擦撹拌処理が行われる。つまり、前述したようにワーク１０に施される熱処理としての溶体化処理が行われた後、欠陥を除去するための摩擦撹拌処理が行われ、かかる摩擦撹拌処理の後に、熱処理としての時効処理が行われる。
【００２７】
本実施形態の表面処理方法が、シリンダヘッドの製造過程において適用される場合（ワーク１０がシリンダヘッドである場合）について、図２に示すフロー図を用いて説明する。図２に示すように、シリンダヘッドの製造過程においては、まず、鋳造機により、アルミニウム合金を材料としてシリンダヘッドが鋳造される（Ｓ１０）。これにより、本実施形態の表面処理方法におけるワーク１０としてのアルミ鋳造品であるシリンダヘッドが得られる。
【００２８】
次に、ワーク１０としてのシリンダヘッドに対して、溶体化処理が行われる（Ｓ２０）。すなわち、鋳造されたシリンダヘッドが溶体化処理炉に入れられて所定の時間加熱された後、焼入れ用水槽に浸けられて急冷されることで、シリンダヘッドに溶体化処理が施される。
【００２９】
続いて、溶体化処理後のシリンダヘッドに対して、摩擦撹拌処理が行われる（Ｓ３０）。すなわち、図１に示すように、回転工具２０を備える摩擦撹拌処理装置により、シリンダヘッドのワーク表面部１１における所定の領域に、改質層１２を形成するための摩擦撹拌処理が施される。
【００３０】
次に、摩擦撹拌処理後のシリンダヘッドに対して、時効処理が行われる（Ｓ４０）。すなわち、摩擦撹拌処理によって改質層１２が形成されたシリンダヘッドが時効処理炉に入れられて所定の時間比較的低温で加熱されることで、シリンダヘッドに時効処理が施される。
【００３１】
そして、時効処理後のシリンダヘッドについて機械加工が行われる（Ｓ５０）。すなわち、熱処理としての溶体化処理および時効処理ならびに摩擦撹拌処理が施されたシリンダヘッドに対して、所定の加工機により、仕上げ加工等の機械加工が施される。
【００３２】
以上説明した本実施形態の表面処理方法によれば、疲労強度の向上等の熱処理による効果を損なうことなく、また、処理時間の長期化を招くことなく、摩擦撹拌処理による鋳造欠陥の除去を行うことができる。
【００３３】
すなわち、熱処理（溶体化処理および時効処理）が行われた後に摩擦撹拌処理が行われる場合、摩擦撹拌処理にともなう熱影響により、疲労強度の向上等の熱処理による効果が低減することがある。この点、本実施形態の表面処理方法によれば、熱処理としての溶体化処理と時効処理との間に摩擦撹拌処理が行われることにより、摩擦撹拌処理の熱影響による熱処理の効果の低減が防止される。
【００３４】
また、摩擦撹拌処理の後に、溶体化処理および時効処理を含む熱処理が行われる場合、摩擦撹拌処理の後に高温処理である熱処理（溶体化処理）が行われることとなるので、再結晶による結晶粒の粗大化にともない、疲労強度の確保が困難となる。この点、本実施形態の表面処理方法によれば、摩擦撹拌処理の後には、溶体化処理に比して低温の熱処理である時効処理のみが行われることから、再結晶による結晶粒の粗大化が防止され、摩擦撹拌処理によって鋳造欠陥が除去されることで向上する疲労強度が確保される。
【００３５】
また、本実施形態の表面処理方法によれば、熱処理としての溶体化処理および時効処理がそれぞれ一回ずつのみ行われることから、熱処理の工程が増えることによる処理時間の長期化を招くことがない。
【００３６】
ところで、本実施形態に係る表面処理方法においては、前述したような摩擦撹拌処理が、水中で行われることが好ましい。水中での摩擦撹拌処理に際しては、回転工具２０等を含む摩擦撹拌処理装置において、少なくともワーク１０におけるワーク表面部１１の部分を浸し漬けることができる大きさを有する水槽が備えられる。つまり、水中での摩擦撹拌処理によれば、回転工具２０のワーク表面部１１に対する接触部が水中に存在する状態で、回転する回転工具２０がワーク表面部１１に押し付けられることによる摩擦熱および撹拌作用が得られる。
【００３７】
水中での摩擦撹拌処理としては、例えば、ワーク１０が水槽内において水没させられた状態で、回転工具２０による処理が行われる。また、水槽に貯溜される水としては、例えば常温の水や所定温度の温水が用いられる。
【００３８】
このように、摩擦撹拌処理が水中で行われることにより、摩擦撹拌処理の熱（摩擦熱）の影響を受ける部分が少なくなるとともに、かかる熱影響部においても冷却速度が上がる。このため、ワーク表面部１１について、焼入れ効果により、溶体化相当の特性を得ることができる。
【００３９】
図３に、本発明の実施例として、本発明に係る表面処理方法により表面処理が施された試験片（本実施例品）についての応力寿命の試験結果（疲労試験結果）の一例を示す。図３に示すグラフにおいて、縦軸は応力振幅（ＭＰａ）を示し、横軸は破断回数（破断までの繰返し数）を示す。
【００４０】
本試験では、本実施例品に対する比較例として、次のような試験片（比較例品）を用いた。比較例品１は、表面処理として、摩擦撹拌処理を行った後に、熱処理としての溶体化処理および時効処理（摩擦撹拌処理⇒溶体化処理⇒時効処理）を行ったものである。比較例品２は、鋳造欠陥を有する鋳造品（鋳造欠陥品）である。比較例品３は、鋳造欠陥を有しない鋳造品（鋳造欠陥なし品）である。
【００４１】
本試験結果によれば、１０００万回疲労強度が、比較例品１では約７０ＭＰａ、比較例品２では約５２ＭＰａ、比較例品３では約８０ＭＰａであった。これに対し、本実施例品では、１０００万回疲労強度について１００ＭＰａ以上の値が得られた。
【００４２】
本試験結果からわかるように、本発明に係る表面処理方法によれば、摩擦撹拌処理によって鋳造欠陥の除去を行うことができるとともに、摩擦撹拌処理の後に熱処理（溶体化処理および時効処理）が施された鋳造品や鋳造欠陥なし品との比較においても、十分に高い疲労強度が得られる。
【符号の説明】
【００４３】
１０    ワーク（処理対象）
１１    ワーク表面部（表面部）
２０    回転工具
【図１】
2010174274.tif 000003
【図２】
2010174274.tif 000004
【図３】
2010174274.tif 000005