(57)【要約】      （修正有）【課題】回転工具との摩擦熱によって軟化したワークの広範囲の領域に亘って、均一な複合材を生成する。【解決手段】左回りの工作機械に用いられる回転工具であって、この回転工具は、主軸１と、その両端に設けられたショルダー２と、そのショルダー２に形成されたプローブ３とからなり、そのプローブ３の表面には左ねじ５が形成されている。この左ねじ５は、ショルダー２及びプローブ３との摩擦熱によって軟化したワーク６に上向きの流動ｆをプローブ３に沿って生じさせる。ワークＷとしてアルミニウムを適用し、このアルミニウムＷとプローブ３の間に介在して粉末状シリコンカーバイドを設ければ、流動ｆによって軟化したアルミニウム６中に粉末状シリコンカーバイドが均一に分散するので、複合材が広範囲に亘って生成される。【選択図】図２
2008132505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転しながらワーク（Ｗ）の表面に接触するショルダー（２）と、そのショルダー（２）の先端に突出して設けられ、回転軸周りに回転しながら上記ワーク（Ｗ）の表面に当接し、その際に発生した摩擦熱によって軟化したワーク（６）に挿入されて、その軟化したワーク（６）を流動撹拌するプローブ（３）とを有する回転工具において、
上記プローブ（３）の表面に、上記回転工具の回転時に、上記軟化したワーク（６）の上向きの流動（ｆ）を上記プローブ（３）に沿って生じさせる突起（５）を形成したことを特徴とする回転工具。
【請求項２】
上記プローブ（３）の表面に形成された突起（５）が、左回りの工作機械に取り付けられる回転工具にあっては左周りの螺旋形の突条（５）、右回りの工作機械に取り付けられる回転工具にあっては右周りの螺旋形の突条（５）であることを特徴とする請求項１に記載の回転工具。
【請求項３】
回転しながらワーク表面に接触するショルダー（２）と、そのショルダー（２）の先端に突出して設けられ、回転軸周りに回転しながら上記ワーク（Ｗ）の表面に当接し、その際に発生した摩擦熱によって軟化したワーク（６）に挿入されて、その軟化したワーク（６）を流動撹拌するプローブ（３）とを有する回転工具を用いたワーク（Ｗ）の表面改質方法において、
上記プローブ（３）の表面に、上記回転工具の回転時に、上記軟化したワーク（６）の上向きの流動（ｆ）を上記プローブ（３）に沿って生じさせる突起（５）を形成した回転工具を用いて、上記軟化したワーク（６）の表面改質を行なうことを特徴とするワーク（Ｗ）の表面改質方法。
【請求項４】
上記プローブ（３）の表面に形成された突起（５）が、左回りの工作機械に取り付けられる回転工具にあっては左周りの螺旋形の突条（５）、右回りの工作機械に取り付けられる回転工具にあっては右周りの螺旋形の突条（５）であることを特徴とする請求項３に記載のワークの表面改質方法。
【請求項５】
請求項３又は４に記載のワーク（Ｗ）の表面改質方法において、ワーク（Ｗ）である金属と上記プローブ（３）の間に添加材（９）を介在し、上記金属（Ｗ）と添加材（９）からなる複合材（１０）を生成することを特徴とする複合材の製造方法。
【請求項６】
上記金属（Ｗ）の表面に溝（８）を形成し、その溝（８）に添加材（９）を充填し、その溝（８）に沿って上記プローブ（３）を移動して上記金属（Ｗ）と添加材（９）からなる複合材（１０）を生成することを特徴とする請求項５に記載の複合材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、金属等のワークの表面を摩擦してその摩擦熱により軟化したワークを塑性流動するための回転工具、その回転工具を用いたワークの表面改質方法、及び、金属と添加材とからなる複合材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属等からなるワークの表面近傍の改質を行なうための回転工具としては、例えば、そのワーク表面に接触するショルダーと、そのショルダーの先端に設けられたプローブとから構成されるものがある。このプローブを回転軸周りに回転させながらワークの表面に当接させ、その際の摩擦熱によってこのワークを軟化させ、軟化したワークにこのプローブを挿入して、このワークを塑性流動させる。
【０００３】
上記プローブが挿入されると、上記ショルダーがワークの表面に当接し、これによってさらに多くの摩擦熱が発生して上記軟化が促進されるので、上記プローブがワークに挿入された状態のままで、このプローブを移動することができる。
【０００４】
このプローブに螺旋形の突条を形成すると、この螺旋形の突条が回転する際にこの突条が上又は下に見かけ上移動し、この突条の移動によって、軟化した上記ワークに上方向又は下方向への流動が生じるため、螺旋形の突条を形成しないプローブと比較して、その流動が効率的になされる（特許文献１及び２参照）。
【特許文献１】特開２００３−４８０８３号公報
【特許文献２】特開２００５−２０５４２３号公報
【０００５】
例えば、特許文献１に示す方法においては、上記回転工具のプローブ３に、この回転工具の回転方向とは逆周りの螺旋形の突条１１を形成し、この回転工具の回転による摩擦熱により軟化したワーク６を、回転する上記螺旋形の突条１１により、プローブ３に沿って、そのワーク６の表面からワーク６の内部に流動ｆさせる（図６参照）。このワーク６とプローブ３の間に添加材を介在すれば、この添加材がプローブ３の回転によってワーク６の内部に取り込まれ、取り込まれた添加材はワーク６と混合されて、両者の複合材１０が生成される。
【０００６】
また、特許文献２に示す方法においては、プローブ３の軸方向の上半分に回転工具の回転方向と逆方向周りのねじ１１を形成し、一方、軸方向の下半分に回転工具の回転方向と順方向周りのねじ５を形成したものであり、このねじ５，１１のねじ山は、上記螺旋形の突条と同様に、そのプローブ３との摩擦によって軟化したワーク６を流動ｆする役割を有する。
【０００７】
このプローブ３の上半分のねじ１１は、軟化したワーク６を、上記回転工具に沿って、ワーク表面から下方へ流動ｆさせ、プローブ３の下半分のねじ５は、このプローブ３の下端近傍の軟化したワーク６を、この回転工具に沿って、上方へ流動ｆさせる役割を有する（図７参照）。この下方及び上方への流動によって、プローブ３による流動ｆが効率的になされ、この流動ｆの際にワーク６とプローブ３の間に添加材を介在すれば、上記と同様に、取り込まれた添加材はワーク６と混合されて、両者の複合材１０が生成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここで、特許文献１に示す方法で上記ワークと添加材の複合材を形成する場合、ワークの表面近傍の添加材が、上記プローブに沿って、軟化したワークとともにそのワーク表面近傍からワーク内部に引き込まれる。このワーク表面は回転工具のショルダーに接触しているので、接触界面で最も高温で流動性が高いのに対して、接触界面から離れたワーク内部は低温で流動性も低い。
【０００９】
そのため、引き込まれた添加材がワーク内部に停留しやすく、ワークと添加材との混合が不十分なものとなりやすい。このことから、軟化したワークの広範囲に亘って均一な複合材を生成するのが困難であるという問題がある。
【００１０】
また、特許文献２に示す方法で上記ワークと添加材の複合材を生成する場合、上記回転工具に沿って、プローブ上部によって下向きの、及び、プローブ下部によって上向きの流動が生じ、上下からの流動はねじの軸方向中央付近でぶつかり合い、水平方向の外側に拡がる。外側に拡がった流動は、軟化した部分の外縁まで到達する。
【００１１】
ここで、上述したように、上記プローブ上部に沿った下向きの流動は、プローブ下部に沿った上向きの流動と比較して温度が高く、上記外縁に到達した際にもその温度の高低関係は保たれているため、温度の高いプローブ上部に沿った下向きの流動は外縁に到達した際に上向きの流動に変わり、プローブ下部に沿った上向きの流動は外縁に到達した際に下向きの流動に変わる。
【００１２】
このことから、プローブ上部によって生じた流動と、プローブ下部によって生じた流動とは、互いに混じり合いにくく、上記ワークとプローブの間に介在した添加材が、軟化したワークの全体に行き渡りにくいため、均一な複合材の生成が困難であるという問題がある。
【００１３】
そこで、この発明は、回転工具との摩擦熱によって軟化したワークの広範囲の領域に亘って、均一な複合材を生成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するため、この発明は、上記回転工具のプローブの表面に、この回転工具の回転時に、軟化した上記ワークの上向きの流動をこのプローブに沿って生じさせる突起を形成したのである。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によると、上記回転工具のプローブとワークとの摩擦熱によってワークが軟化し、軟化したワークにこのプローブを挿入して回転すると、プローブの表面に形成された突起によって、軟化したワークにこのプローブに沿った上向きの流動が生じる。さらに、流動したワークがこのワークとプローブの間に介在して設けられた添加材と混じり合い、混じり合った状態で軟化領域の外縁まで流動し、その外縁で下向きの流動へと方向転換する。この下向きの流動は軟化した領域の底部まで達するので、添加材が軟化したワークに行き渡り、広範囲に亘って均一な複合材が生成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明は、回転しながらワークの表面に接触するショルダーと、そのショルダーの先端に突出して設けられ、回転軸周りに回転しながら上記ワークの表面に当接し、その際に発生した摩擦熱によって軟化したワークに挿入されて、その軟化したワークを流動撹拌するプローブとを有する回転工具において、このプローブの表面に、回転工具の回転時に軟化したワークの上向きの流動を上記プローブに沿って生じさせる突起を形成した構成を採用できる。
【００１７】
このプローブの表面に形成された突起は、例えば、左回りの工作機械に取り付けられる回転工具にあっては回転軸周りに左周りの螺旋を形成した突条、右回りの工作機械に取り付けられる回転工具にあっては回転軸周りに右周りの螺旋を形成した突条が適用される。ここでいう、例えば左周りの螺旋とは、左ねじと同じ巻き方向の螺旋のことを指す。
【００１８】
この突起の形状としては、上記プローブに沿って、軟化したワークの上向きの流動を生じさせるものであれば、螺旋形の突条に限定されない。
【００１９】
この回転工具は、金属等のワークの表面改質に用いることができ、この回転工具を回転しながらワークに接触させて、そのワークの表面近傍を高温状態とし、その後冷却すると、その表面近傍において結晶組織が微細化されて、そのワークの表面硬度が向上する。例えば、アルミニウムやマグネシウム、あるいは、これらの金属の合金等の低融点金属においては、この回転工具を接触させて摩擦させた際に軟化しやすいので、この表面改質の効果が顕著である。
【００２０】
また、この表面改質の他の例として、ワークである金属とプローブの間に添加材を介在し、上記回転工具を回転しながらワークに接触させて、そのワークを軟化し、軟化したワークに添加材を上記プローブの回転によって生じた流動で混ぜ合わせて、均一な複合材を生成することもできる。
【００２１】
この複合材に要求される物性に対応して種々の添加材が適用でき、例えば、シリコンカーバイド、アルミナ、タングステンカーバイド等の硬質材を用いれば、上記複合材に耐摩耗性を付与することができ、二硫化モリブデン等の潤滑材を用いれば、摺動時における潤滑性を付与することができる。
【００２２】
この添加材の供給方法としては、シート状の添加材を金属の表面とプローブの間に介在して設ける方法、あるいは、金属の表面に幅が１ｍｍ程度、深さが２〜５ｍｍ程度の溝を形成し、その溝に粉末状等にした添加材を充填し、その溝に沿ってプローブを移動する方法等が採用できる。この溝の幅及び深さは一例であって、使用するプローブの径及び長さによって適宜変えるのがよい。
【００２３】
特に、添加材が上記硬質材の場合、この添加材によってプローブが磨耗してプローブの寿命が短くなることがあるため、溝の幅をプローブの径よりも狭くして、このプローブと添加材の接触をできるだけ回避し、このプローブの磨耗を抑制するのが好ましい。
【実施例】
【００２４】
図１にこの発明における一実施例を示して説明すると、この回転工具は主軸１と、主軸１の両端にショルダー２と、そのショルダー２にプローブ３とが設けられ、上記主軸１の軸方向中央には、工作機械に取り付けた際にその主軸１の差し込み深さを所定の深さに保つための拡径部４が設けられている。
【００２５】
このプローブ３の軸方向の長さは、いずれも５ｍｍで、その径は６ｍｍである。また、これらのプローブ３の表面にはピッチが０．５ｍｍの左ねじ５が形成されている。
【００２６】
この回転工具の主軸の一端を上記所定の深さまで工作機械に差し込んで、この回転工具を安定して固定し、他端のプローブ３でワーク６の表面処理が行われる。この回転工具の使用に伴い、プローブ３の表面に形成された左ねじ５が磨耗して撹拌能力が低下した際には、この回転工具を反対向きに工作機械に差し込むことで、磨耗していない他方のプローブ３で処理を継続することができる。
【００２７】
このように、一つの回転工具の両端にプローブ３を形成すると、工具の数を半分に減らすことができるので、回転工具の作製における材料費のコストダウンを図ることができる。
【００２８】
この回転工具は左回りの工作機械に用いられ、プローブ３に形成された左ねじ５のねじ山は、この回転に伴って、このプローブ３の先端から根元に向かって移動する。つまり、図２に示すように、軟化したワーク６は、このねじ山の移動に伴って矢印の方向に流動ｆする。
【００２９】
上記ショルダー２の径は１５ｍｍで、このショルダー２のワーク６との当接面には傾斜角が１０度のテーパ７が形成され、外径に向かうほど軸方向に肉厚となっている。このテーパ７は、図２に示すように、プローブ３の回転によって上向きに流動ｆした軟化したワーク６が、上記当接面の外に漏れ出すのを抑制するので、このショルダー２の下の領域のみに上記流動ｆを生じさせることができる。
【００３０】
この回転工具を用いて、アルミニウム基材Ｗ中にシリコンカーバイド９を分散させて、そのアルミニウム基材Ｗの表面に耐磨耗性を有する複合材１０の層を形成する手順を次に述べる。
【００３１】
このシリコンカーバイド９として、市販されている粉末状シリコンカーバイド９（平均粒径１１μｍ）を用いた。
【００３２】
上記アルミニウム基材としてアルミニウム展伸材Ｗ（ＪＩＳ  Ａ６０６１Ｐ−Ｔ６、厚さ１０ｍｍ）を用い、図３（ａ）に示すように、まず、そのアルミニウム展伸材Ｗの表面に深さ５ｍｍ、幅１ｍｍの溝８を形成し、その溝８に粉末状シリコンカーバイド９を充填した。
【００３３】
次に、図３（ｂ）に示すように、上記回転工具を１０００回転／分の回転速度で回転させた状態で、その回転工具を溝８の上に接触させ、この回転工具に荷重を負荷して、軸方向の長さが５ｍｍのプローブ３を、ショルダー２がこのアルミニウム展伸材Ｗの表面に当接する深さまで挿入し、このプローブ３が挿入されたままの状態で、２５ｍｍ／分の一定速度でこのプローブ３を上記溝８に沿って水平に移動（同図の矢印ｓ）し、アルミニウム展伸材Ｗと粉末状シリコンカーバイド９の複合材１０を生成した。
【００３４】
また、アルミニウム展伸材Ｗの代わりにアルミニウム鋳造材Ｗ（ＪＩＳ  ＡＣ４Ａ−Ｆ、厚さ２５ｍｍ）を用いて、アルミニウム展伸材Ｗと同一の条件で処理を行なった。
【００３５】
表１にこの発明の左ねじ５を形成したプローブ３と、比較例として左ねじ５と同じピッチの右ねじ１１を形成したプローブ３とを用いた場合の複合材１０の生成状況の良否を比較した。この良否は、軟化したワーク６の全体において、アルミニウム基材Ｗと粉末状シリコンカーバイド９が均一に混合された複合材１０が生成されているか否かで判断した。
【００３６】
【表１】
2008132505.tif 000003
【００３７】
まず、アルミニウム展伸材Ｗにおいては、左ねじ５を形成したプローブ３を用いた場合、アルミニウム展伸材Ｗが軟化した広い範囲に亘って均一な複合材１０が生成されたが（図４（ａ）参照）、右ねじ１１を形成したプローブ３を用いた場合、アルミニウム展伸材Ｗの一部に欠陥ｄが導入された（図４（ｂ）参照）。この欠陥ｄは、その部分において軟化したアルミニウム展伸材Ｗの流動ｆが円滑に行なわれなかったために生じた空洞であると考えられる。
【００３８】
また、アルミニウム鋳造材Ｗにおいては、上記と同様に、左ねじ５を形成したプローブ３を用いた場合、アルミニウム鋳造材Ｗが軟化した広い範囲に亘って均一な複合材１０が生成されたが（図５（ａ）参照）、右ねじ１１を形成したプローブ３を用いた場合、そのプローブ３の先端近傍に粉末状シリコンカーバイド９が高密度に存在する領域ａが形成され、複合材１０が均一に生成されていないことが明らかとなった（図５（ｂ）参照）。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明の一実施例における回転工具を示す断面図
【図２】この発明の一実施例における流動の様子を示す作用図
【図３】この発明の一実施例において、（ａ）はワークに形成した溝を示す斜視図、（ｂ）は回転工具でワークを処理する様子を示す斜視図
【図４】アルミニウム展伸材を用いて複合材を生成処理した後の光学顕微鏡による断面写真であって、（ａ）はこの発明のプローブ（左ねじ）を用いた場合、（ｂ）は比較例のプローブ（右ねじ）を用いた場合
【図５】アルミニウム鋳造材を用いて複合材を生成処理した後の光学顕微鏡による断面写真であって、（ａ）はこの発明のプローブ（左ねじ）を用いた場合、（ｂ）は比較例のプローブ（右ねじ）を用いた場合
【図６】比較例における流動の様子を示す作用図
【図７】他の比較例における流動の様子を示す作用図
【符号の説明】
【００４０】
２  ショルダー
３  プローブ
５  突起
６  （軟化した）ワーク
８  溝
９  添加材
１０  複合材
Ｗ  ワーク
ｆ  流動
【図１】
2008132505.tif 000004
【図２】
2008132505.tif 000005
【図３】
2008132505.tif 000006
【図６】
2008132505.tif 000007
【図７】
2008132505.tif 000008
【図４】
2008132505.tif 000009
【図５】
2008132505.tif 000010