(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線のまわりに回転するツールの先端部分のプローブを、合金成形体の表面部に圧入し、回転するツールとの摩擦によって合金を加熱して軟化させ、プローブが圧入された状態でツールを回転させてプローブ近傍の合金を撹拌しつつ、合金成形体の表面に平行にツールを移動させ、合金成形体の同一部分において少なくとも２度摩擦撹拌する合金成形体の改質方法であって、
先に摩擦撹拌した後、ツールの回転方向と前記平行移動方向が同じ側（アドバンシングサイド）に対し、ツールの回転方向と前記平行移動方向が逆の側（リトリーティングサイド）で再度摩擦撹拌することを特徴とする合金成形体の改質方法。
【請求項２】
先に一方向に摩擦撹拌した後、一旦ツールを引き上げて、ツールの回転方向と前記平行移動方向が同じ側（アドバンシングサイド）に対し、ツールのショルダーの半径以下の一定の間隔をあけてプローブを、合金成形体の表面部に圧入し前記平行移動方向に対し同方向に、合金成形体の表面に平行にツールを移動させることを特徴とする請求項１記載の合金成形体の改質方法。
【請求項３】
先に一方向に摩擦撹拌した後、ツールの回転方向と前記平行移動方向が同じ側（アドバンシングサイド）に対し、ツールのショルダーの半径以下の一定の間隔をあけて前記平行移動方向に対し逆方向に、合金成形体の表面に平行にツールを移動させることを特徴とする請求項１記載の合金成形体の改質方法。
【請求項４】
先に摩擦撹拌した後、ツールの回転方向と前記平行移動方向が同じ側（アドバンシングサイド）に対し、ツールのショルダーの半径以下の一定の間隔をあけてツールを、渦巻き状に移動させることを特徴とする請求項１記載の合金成形体の改質方法。
【請求項５】
ツールを、合金成形体の表面の中心部から周囲に向かって拡がる渦巻き状に移動させることを特徴とする請求項４記載の合金成形体の改質方法。
【請求項６】
ツールを渦巻き状に移動させることによってできるツールの軸の軌跡である渦が合金成形体の中心部から始まり周辺部に拡がるものであって、渦が時計回りの場合は、ツールの回転方向も時計回りとし、渦が反時計回りの場合は、ツールの回転方向も反時計回りとすることを特徴とする請求項４記載の合金成形体の改質方法。
【請求項７】
ツールを渦巻き状に移動させることによってできるツールの軸の軌跡である渦が合金成形体の周辺部から始まり中心部に進むものであって、渦が時計回りの場合は、ツールの回転方向を反時計回りとし、渦が反時計回りの場合は、ツールの回転方向を時計回りとすることを特徴とする請求項４記載の合金成形体の改質方法。
【請求項８】
請求項４記載の合金成形体の改質方法であって、最初に、ツールを、合金成形体の表面の中心部から周囲に向かって拡がる渦巻き状に移動させるにおいて、ツールの軸の軌跡である渦が時計回りの場合は、ツールの回転方向を時計回りとし、渦が反時計回りの場合は、ツールの回転方向を反時計回りとし、続いて最初の渦に隣接する第２の渦として、最初のツールの回転方向を維持したまま、第２の渦を外周から中心方向に渦の回転方向が最初の渦と反対方向である渦を形成させることを特徴とする合金成形体の改質方法。
【請求項９】
合金が鋳造合金であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の合金成形体の改質方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の合金成形体の改質方法によって得られた合金成形体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合金成形体、特に高強度マグネシウム合金成形体の摩擦攪拌による改質方法及び改質された合金成形体に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネシウム（Ｍｇ）合金は、軽量であるため、航空機、車両などの輸送機用材料、携帯型のパーソナルコンピュータ、携帯電話機などのモバイル機器の筐体用材料として有望とされている。しかしながら、Ｍｇと同様に軽金属元素として知られるチタニウム（Ｔｉ）またはアルミニウム（Ａｌ）を基材とするＴｉ合金、Ａｌ合金に比べると、Ｍｇ合金は、比強度が低く、耐食性が劣り、また生産性が劣るという問題がある。
【０００３】
そこで、機械的性質に優れるＭｇ合金開発の試みが種々行われており、なかでも有望なＭｇ合金として、Ｍｇを基材とし、亜鉛（Ｚｎ）およびイットリウム（Ｙ）を含み強度に優れるＭｇ−Ｚｎ−Ｙ合金が提案されている（非特許文献１参照）。しかしながら鋳造したままでは強度が不足しており、そのままでは比強度（強さ／密度）が低いため軽量材料としてＭｇ合金を用いる理由がないという問題がある。
【０００４】
一方、摩擦撹拌接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  ｗｅｌｄｉｎｇ  以下「ＦＳＷ」ということがある。）による技術を展開した、合金成形体表面を摩擦攪拌することにより改質するＦｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｐｒｏｃｅｓｓが提案されている（以下、摩擦攪拌による改質を「ＦＳＰ」ということがある）。例えば、特許文献１には、アルミニウム鋳物材の表面に、高速回転するプローブを接触させて摩擦熱にて軟化させる摩擦撹拌溶接処理を施すことを特徴とするアルミニウム鋳物材の表面改質方法が提案されている。
【０００５】
また、特許文献２には、金属材より高融点および高硬度のロッドを回転して前記金属材の表面部を押圧しつつ移動させ、前記金属材の表面部を塑性変形自在となる温度まで加熱すると共に攪拌し、もって前記金属材が冷却後に前記表面部の組織を微細化することを特徴とする金属材の表面改質方法が提案されている。
【０００６】
また、特許文献３及び特許文献４にも、摩擦攪拌によるマグネシウム合金成形体やアルミニウム合金成形体の強度や加工性の向上が提案されている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１〜４に記載の方法は、いずれも、合金成形体の一つの部位に対して、１度だけ、摩擦攪拌する方法であり、改質効果が十分ではなかった。
【０００８】
そこで、改質効果を向上させるための方法が研究されており、非特許文献２には、鋳造マグネシウム合金に対して、摩擦攪拌を一度だけ行った場合と、一部重ね合わせて２度行った場合を比較した結果、撹拌部が重なっている部分において、重なっていない部分と比較してより微細な組織となったこと、摩擦撹拌を受けた試料では、鋳造組織に比べて１．５倍以上の硬さを示すこと、及び、重複して摩擦攪拌した部位においては、より微細に、硬くなることが記載されている。
【０００９】
一方ＦＳＰとは異なるが、ＦＳＰの基礎となる摩擦撹拌接合技術、ＦＳＷでは、摩擦撹拌接合を行う摩擦撹拌接合用工具（ツール）が回転動作され、該摩擦撹拌接合用工具（ツール）の肩部（ショルダー）に設けられた突設部（プローブ）が非接合材同士の当接箇所に圧力下埋没される。これに伴って当接箇所の周辺に摩擦熱が発生し、この摩擦熱によって端面を含む端部同士の肉が塑性流動を起こすことにより、端面同士が接合一体化される。この摩擦撹拌接合用工具（ツール）が、接合しようとする当接線に沿って移動することにより所望の当接箇所全体に亘る接合がなされる。
【００１０】
このＦＳＷにおいて、例えば特許文献５に記載されているように、上記プローブの回転方向とプローブの移動方向とが一致した側である前進側（アドバンシングサイド）と、後退側（リトリーティングサイド）では、詳しくは、後述するが、攪拌効果が異なる。
【００１１】
このように、成形体表面の摩擦攪拌による改質技術は種々提案されており、改質特に硬度、強度の更なる向上が期待されている。
【００１２】
【非特許文献１】河村能人、井上明久，「ナノ結晶強力マグネシウム合金の開発」，まてりあ，日本金属学会，２００２年，第４１巻，第９号，ｐ６４４−６４９
【非特許文献２】田中真帆、辻川正人、東健司、大塚雅之、西田英人，「鋳造マグネシウム合金の摩擦攪拌による強化」，日本鋳造工学会第１４５回全国講演大会（２００４年１０月１３日−１４日,北九州）講演概要集, ｐ１１１
【特許文献１】特開平１０−１８３３１６号公報
【特許文献２】特開２００１−３２０５８号公報
【特許文献３】特開２００２−１０４２８９号公報：請求項６、段落００１８、図６
【特許文献４】特開２００４−７４２５５号公報
【特許文献５】特開２００４−３１４０８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記の現状に鑑み、強度のより高い合金成形体を得ることのできる、合金成形体の改質方法、及び、強度のより高い合金成形体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、合金成形体の改質において、アドバンシングサイド（Ａｄｖａｎｃｉｎｇ−ｓｉｄｅ）でＦＳＰした後に再度リトリーティングサイド（Ｒｅｔｒｅａｔｉｎｇ−ｓｉｄｅ）になるようにツールの位置をずらせてＦＳＰを行い改質したものは、リトリーティングサイドでＦＳＰした後に再度アドバンシングサイドになるように位置をずらせてＦＳＰを行い改質したものより、硬度が向上することを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１５】
すなわち、請求項１記載の発明の合金成形体の改質方法は、軸線のまわりに回転するツールの先端部分のプローブを、合金成形体の表面部に圧入し、回転するツールとの摩擦によって合金を加熱して軟化させ、プローブが圧入された状態でツールを回転させてプローブ近傍の合金を撹拌しつつ、合金成形体の表面に平行にツールを移動させ、合金成形体の同一部分において少なくとも２度摩擦撹拌する合金成形体の改質方法であって、先に摩擦撹拌した後、ツールの回転方向と前記平行移動方向が同じ側（アドバンシングサイド）に対し、ツールの回転方向と前記平行移動方向が逆の側（リトリーティングサイド）で再度摩擦撹拌することを特徴とする。
【００１６】
請求項２記載の合金成形体の改質方法は、請求項１記載の合金成形体の改質方法において、先に一方向に摩擦撹拌した後、一旦ツールを引き上げて、ツールの回転方向と前記平行移動方向が同じ側（アドバンシングサイド）に対し、ツールのショルダーの半径以下の一定の間隔をあけてプローブを、合金成形体の表面部に圧入し前記平行移動方向に対し同方向に、合金成形体の表面に平行にツールを移動させることを特徴とする。
【００１７】
請求項３記載の合金成形体の改質方法は、請求項１記載の合金成形体の改質方法において、先に一方向に摩擦撹拌した後、ツールの回転方向と前記平行移動方向が同じ側（アドバンシングサイド）に対し、ツールのショルダーの半径以下の一定の間隔をあけて前記平行移動方向に対し逆方向に、合金成形体の表面に平行にツールを移動させることを特徴とする。
【００１８】
請求項４記載の合金成形体の改質方法は、請求項１記載の合金成形体の改質方法において、先に摩擦撹拌した後、ツールの回転方向と前記平行移動方向が同じ側（アドバンシングサイド）に対し、ツールのショルダーの半径以下の一定の間隔をあけてツールを、渦巻き状に移動させることを特徴とする。
【００１９】
請求項５記載の合金成形体の改質方法は、請求項４記載の合金成形体の改質方法において、ツールを、合金成形体の表面の中心部から周囲に向かって拡がる渦巻き状に移動させることを特徴とする。
【００２０】
請求項６記載の合金成形体の改質方法は、請求項４記載の合金成形体の改質方法において、ツールを渦巻き状に移動させることによってできるツールの軸の軌跡である渦が合金成形体の中心部から始まり周辺部に拡がるものであって、渦が時計回りの場合は、ツールの回転方向も時計回りとし、渦が反時計回りの場合は、ツールの回転方向も反時計回りとすることを特徴とする。
【００２１】
請求項７記載の合金成形体の改質方法は、請求項４記載の合金成形体の改質方法において、ツールを渦巻き状に移動させることによってできるツールの軸の軌跡である渦が合金成形体の周辺部から始まり中心部に進むものであって、渦が時計回りの場合は、ツールの回転方向を反時計回りとし、渦が反時計回りの場合は、ツールの回転方向を時計回りとすることを特徴とする。
【００２２】
請求項８記載の合金成形体の改質方法は、請求項４記載の合金成形体の改質方法であって、最初に、ツールを、合金成形体の表面の中心部から周囲に向かって拡がる渦巻き状に移動させるにおいて、ツールの軸の軌跡である渦が時計回りの場合は、ツールの回転方向を時計回りとし、渦が反時計回りの場合は、ツールの回転方向を反時計回りとし、続いて最初の渦に隣接する第２の渦として、最初のツールの回転方向を維持したまま、第２の渦を外周から中心方向に渦の回転方向が最初の渦と反対方向である渦を形成させることを特徴とする。
【００２３】
請求項９記載の合金成形体の改質方法は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の合金成形体の改質方法において、合金が鋳造合金であることを特徴とする。
【００２４】
請求項１０記載の本発明の合金成形体は、請求項１〜９のいずれか１項に記載の合金成形体の改質方法によって得られた合金成形体である。
【００２７】
以下、本発明の合金成形体の改質方法を詳細に説明する。
【００２８】
本発明で用いられる合金成形体の材質としては、特に限定されることはないが、鋳造合金が好ましく、合金とは２以上の元素を含むものを指し、鋳造合金としては、例えば、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金等が挙げられ、特に高強度マグネシウム合金が好ましく、高強度マグネシウム合金としては、亜鉛及びイットリウムを含むマグネシウム基合金が特に好ましい。成形体の形状としても、特に限定されず、例えば、板状、棒状、更に複雑な形状等が挙げられる。
【００２９】
本発明においてツールとは、特に限定されず被加工材よりも硬く、耐高温性のある材質であればＦＳＷで用いられるツールを用いることができる。ツールは合金成形体を摩擦攪拌するために用いられる回転体であり、その先端部分にプローブを備えているものである。プローブとは、摩擦攪拌に際して、合金成形体の内部に埋入されて、合金成形体を攪拌するものである。ツールのショルダーとは、ツールの肩部のことであり、摩擦攪拌処理に際して合金成形体表面を押圧する面のことである。ショルダーの半径とは、上記押圧面の半径のことをいう。
【００３０】
本発明においては、合金成形体より高融点および高硬度のツールを回転して合金成形体の表面部に押圧すると、両者の摩擦により合金成形体の表面部が加熱されて軟化する。軟化部分にツールの肩部（ショルダー）に突設された先端部（プローブ）を更に回転させながら埋入し肩部が合金成形体の表面部に当り埋入が一旦とまった段階で、溶融まではしない状態でツールにより摩擦攪拌すると、ツール先端部（プローブ）及び肩部近傍の合金成形体が塑性流動し、組織が微細化される。この状態でツールの位置を合金成形体の表面に沿って移動させると、移動後はツール先端部の埋没されていた空間は塑性流動化した合金で埋められ、摩擦熱源が去ったため冷却され空孔のない均一で微細な組織を得ることができる。
【００３１】
ツールと合金成形体との相対運動は、何れか一方または双方を移動させることにより行う。ツールと合金成形体の何れか一方または双方を移動することにより、合金成形体の表面部に面積を持って組織を微細化することができる。
【００３２】
先述の如くツールは肩部（ショルダー）上に突出した突設部（プローブ）を有する。プローブの長さは、改質処理しようとする合金成形体の厚みの８０〜９０％が好ましい。塊状の被加工材に対し用いるためには長い方が好ましいが、あまり長すぎても折れやすくなるため、折れない程度の長さのものが用いられる。
摩擦撹拌能はツールの形状（主にショルダー径、プローブ径、プローブ長さ）に依拠し、さらにプローブの形状（円筒か、円錐台か、ねじ状か、異形か、プローブ中心がツール回転軸に対し偏心か）等にも依拠し、さらに運転条件（ツール回転速度、ツール押圧力、移動速度）及び被改質材料の材質、厚さ等にも関係する。
【００３３】
本発明では、合金成形体の改質において、アドバンシングサイドでＦＳＰした後に再度リトリーティングサイドになるよう位置をずらせてＦＳＰを行い改質する。この方法により、合金成形体の硬度が向上する。位置をずらせる程度は、一定の距離である必要があるが、その距離は、摩擦攪拌がされる距離以内であれば、限定されるわけではないが、ショルダーの半径以下が好ましく、下限はプローブの半径程度である。ショルダーの半径よりも大きくなるとＦＳＰによる撹拌領域間に隙間ができるため好ましくなく、プローブの半径よりも小さいと、ＦＳＰの作業時間が長くなり、効率が悪くなる。
【発明の効果】
【００３４】
請求項１の合金成形体の改質方法によれば、アドバンシングサイドでＦＳＰした後に再度リトリーティングサイドでＦＳＰを行い改質するので、逆の手順のものに比し硬度が向上する。
【００３５】
請求項２の合金成形体の改質方法によれば、改質に際して、ツールを合金成形体の一方端に接触させて改質を開始し、他方端に達した後に、合金成形体から抜き出し、最初の開始端側に戻して、再び、合金成形体に接触させて改質処理するため単純な繰り返し操作で改質処理できる。
【００３６】
請求項３の合金成形体の改質方法によれば、改質に際して、ツールを合金成形体の一方端に接触させて改質を開始し、他方端に達した後に、合金成形体から抜き出し、最初の開始端側に戻して、再び、合金成形体に接触させて改質処理するものに比べ、ツールを合金成形体から、抜き出すことなく、連続して改質処理できるので、より効率良く処理できる。
【００３７】
請求項４の合金成形体の改質方法によれば、ツールを合金成形体から、抜き出すことなく、また、ツールの回転方向も変えることなく、連続して改質処理できるので、迅速、簡単に一層効率良く処理できる。
【００３８】
請求項５の合金成形体の改質方法によれば、ツールを合金成形体から、抜き出すことなく、また、ツールの回転方向も変えることなく、連続して改質処理できるとともに、処理される合金成形体の端の方に１箇所だけ、プローブの抜き跡ができるだけなので、請求項４の効果に加え、更に、改質処理の効率がよい。
【００３９】
請求項６の合金成形体の改質方法によれば、簡易に短時間に確実に面状に改質ができる。
【００４０】
請求項７の合金成形体の改質方法によれば、簡易に短時間に確実に面状に改質ができる。
【００４１】
請求項８の合金成形体の改質方法によれば、簡易に短時間に確実に面状に改質ができる。
【００４２】
請求項９の合金成形体の改質方法によれば、鋳造合金成形体の改質が効果的になされる。
【００４５】
請求項１０の合金成形体は、硬度が高く強度が高められている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の合金成形体の改質方法に用いる表面改質装置を用いて、板形状の合金成形体１０を摩擦攪拌処理している状態を示す一例の概略全体斜視図である。図１の表面改質装置において、１は摩擦撹拌接合に用いられる装置と略類似の装置（図示せず）に把持したツール、２はツールの先端部分のプローブである。ツール１は、軸線３のまわりに回転している。ツール１は合金成形体１０より高融点および高硬度の材質からなり、例えば工具鋼、超硬、セラミックス等により形成される。本発明においては、ツール１の先端部分のプローブ２を、合金成形体１０の表面部１０ａに圧入し、回転するツール１のショルダー１ａとの摩擦によって合金成形体１０を加熱して軟化させ、プローブ２が圧入された状態でツール１を引き続き回転させてプローブ２近傍の合金成形体１０を撹拌しつつ、合金成形体１０の表面に平行にツール１を移動させる。ツール１が移動すると合金成形体が次々と攪拌され、ツールが移動した後の合金成形体表面には、ショルダーの接触によるほぼ円形に近い極浅い窪みを生じ、それらが次々に断続的にずれて重なるため並んだ弧状の瘢痕が残る。
【００４７】
図１において、ツール１は、時計回りに回転し、合金成形体１０の表面に平行に矢印Ｘ方向に移動している。Ｖ１とＶ２はツール１の移動に伴う軸３の軌跡から最も離間する箇所（ショルダー端部における移動方向及び逆方向）の回転方向のベクトル成分である。そして、ツールの回転方向と平行移動方向が同じ側をアドバンシングサイドといい、ツールの回転方向と平行移動方向が逆の側をリトリーティングサイドという。
【００４８】
請求項２の発明では  先に一方向に摩擦撹拌した後、一旦ツールを引き上げて、ツールの回転方向と前記平行移動方向が同じ側（アドバンシングサイド）に対し、ツールのショルダーの半径以下の一定の間隔をあけてプローブを、合金成形体の表面部に圧入し前記平行移動方向に対し同方向に、合金成形体の表面に平行にツールを移動させる。
【００４９】
すなわち、先に一方向に摩擦撹拌した後、ツールの回転方向と平行移動方向が同じ側（アドバンシングサイド）に対し、ツールの回転方向と平行移動方向が逆の側（リトリーティングサイド）で再度摩擦撹拌する。この実施の１手順を具体的に説明すると、図１のようにして摩擦攪拌しながらツール１を合金成形体の端部まで移動させた後、ツールを合金成形体から引き出し、更に、移動前の最初の位置側までツールを移動させる。そして、ツール１を図１に示した矢印Ｙ方向に少し（例えば、プローブ２の半径の２分の１程度からショルダーの半径までの間の距離で）移動させた後、ツール１の先端部分のプローブ２を、再び、合金成形体１０の表面部１０ａに圧入し、先ほどの移動の軌跡に平行にツールを移動させて、先ほど、アドバンシングサイドで摩擦攪拌された部分をリトリーティングサイドで摩擦攪拌する。なお、図１において、この後の方の摩擦攪拌処理の様子を、２点鎖線にて示した
【００５０】
請求項３の発明においては、請求項１記載の合金成形体の改質方法において、先に一方向に摩擦撹拌した後、ツールの回転方向と前記平行移動方向が同じ側（アドバンシングサイド）に対し、ツールのショルダーの半径以下の一定の間隔をあけて前記平行移動方向に対し逆方向に、合金成形体の表面に平行にツールを移動させる。この場合、間隔がツールのショルダーの半径よりも離れると、合金成形体の同一箇所を２回重複して摩擦攪拌し難しくなる。
【００５１】
この実施の１手順を具体的に説明する。図２（ａ）は、この発明において、ツール１が合金成形体１０を摩擦攪拌しながら移動することによって、合金成形体１０を摩擦攪拌した模式的な平面図である。図２（ｂ）と図２（ｃ）は、ツール１の回転方向及び移動方向を示す平面図である。まず、ツール１が図２（ｂ）に示すように、反時計回りに回転しながら（Ｖ３及びＶ４は、それぞれの位置における回転方向のベクトル成分を示す）矢印Ｘ１方向に移動し、合金成形体１０が摩擦攪拌されツールのショルダーの瘢痕１０ｂが残る。
【００５２】
次に、ツール１が矢印Ｙ１方向にツールのショルダーの半径分だけ移動される。次に、ツール１が図２（ｃ）に示すように、上記とは逆方向である時計回りに回転しながら（Ｖ５及びＶ６は、それぞれの位置における回転方向のベクトル成分を示す）、上記移動方向Ｘ１に対し逆方向である矢印Ｘ２方向に移動し、合金成形体が摩擦攪拌されツールのショルダーの瘢痕１０ｃが残る。上記２方向の摩擦攪拌により、摩擦攪拌が重なる部分１０ｓ（図２（ａ）において、斜線で囲まれた部分。その幅は、Ｌ）は、先にアドバンシングサイドで摩擦攪拌され、次いでリトリーティングサイドで摩擦攪拌された部分となる。なお、摩擦攪拌部分１０ｓの表面には、先に摩擦攪拌された部分に残っていたショルダーの瘢痕１０ｂは、後の摩擦攪拌によって消えるので、瘢痕１０ｃが残っている。１００は、ツール１が矢印Ｘ２方向の合金成形体の端部に達した後、プローブ２が合金成形体から抜き上げられた跡に残る抜き跡である。
【００５３】
図２（ｄ）は、上記の操作が更に繰り返されることにより、合金成形体１０が連続して摩擦攪拌された状態を示す模式的な平面図である。この図においては、ツールの軌跡及び瘢痕を模式的に表わす。２０は、この摩擦攪拌処理に際して移動したツールの軸の軌跡を示すものであり、これは、実際には肉視できるものではない。１００は、プローブが合金成形体から抜き上げられた跡に残る抜き跡である。
【００５４】
請求項４記載の合金成形体の改質方法は、請求項１記載の合金成形体の改質方法において、先に摩擦撹拌した後、ツールの回転方向と前記平行移動方向が同じ側（アドバンシングサイド）に対し、ツールのショルダーの半径以下の一定の間隔をあけてツールを、渦巻き状に移動させる。また、請求項５記載の合金成形体の改質方法は、請求項４記載の合金成形体の改質方法において、ツールを、合金成形体の表面の中心部から周囲に向かって拡がる渦巻き状に移動させる。
【００５５】
この実施の手順を具体的に説明する。図３（ａ）は、この発明において、ツール１が合金成形体１０を摩擦攪拌しながら移動することによって、合金成形体１０が摩擦攪拌された部分を示す模式的な平面図である。なお、ツールの移動によって生ずる瘢痕は、合金成形体の同一部分が重ねて摩擦攪拌される場合は、先の摩擦攪拌によって生じた瘢痕は、後の摩擦攪拌によって消されることになるが、図３（ａ）においては、先の処理によって生じた瘢痕も消さずに描かれている。また、図３（ｂ）は、ツール１の回転方向を示す平面図である。まず、ツール１が時計回りに回転しながら、合金成形体１０の表面の中心部である１０ｅにそのプローブが圧入される。次いで、ツール１を回転させつつ、合金成形体１０の表面の中心部１０ｅから周辺部１０ｆに向かって拡がるショルダーの半径に相当する等間隔の渦巻き状に移動させる（具体的には、ツール１の移動に伴う軸の軌跡２１が渦巻き状になるように移動させる。なお、図３（ａ）に描かれた軸の軌跡２１は、肉視できるものではない。）。このとき、ツールの移動に伴って摩擦攪拌される合金成形体の部分が常に一部ずつ重なるようにすると、合金成形体１０上に先にアドバンシングサイドで摩擦攪拌され、次いでリトリーティングサイドで摩擦攪拌された部分ができる。
【００５６】
上記のように、図３は、摩擦攪拌の重なりの程度をツールのショルダーの半径に等しくした場合のものであり、軸の軌跡における渦の巻き幅ｄが、ツールのショルダーの半径に等しくなっている場合であるが、この重なり部分を適宜調節することにより、合金成形体の重複撹拌領域が先にアドバンシングサイドで摩擦攪拌され、次いでリトリーティングサイドで摩擦攪拌された部分とすることができる。なお、図３（ａ）においては、渦巻きの開始当初の１巻き程度を除いては、全て、先にアドバンシングサイドで摩擦攪拌され、次いでリトリーティングサイドで摩擦攪拌された部分となっている。
【００５７】
図３（ｃ）は、ツールを渦巻き状に移動させる場合の別の例を示すものであり、移動に伴うツールの軸の軌跡２２が、蚊取り線香状を呈する場合を示している。１００は、プローブの抜き跡である。
また、図３（ｄ）は、上記の蚊取り線香状の軸の軌跡２３が合金成形体上に複数形成される場合と、その軌跡が重なっている場合を示している。１００は、プローブの抜き跡である。
【００５８】
なお、軸の軌跡が渦巻き状となるように、ツールを移動させる場合、合金成形体が先にアドバンシングサイドで摩擦攪拌され、次いでリトリーティングサイドで摩擦攪拌されるようにするには、ツールの回転方向と、ツールの軸の軌跡である渦の回転方向との間に、次の関係が必要である。
渦が合金成形体の中心部から始まり、周辺部に拡がるものであって、渦が時計回りの場合は、ツールも時計回りになる必要があり、渦が反時計回りの場合は、ツールも反時計回りになる必要がある。また、渦が合金成形体の周辺部から始まり、中心部に進むものであって、渦が時計回りの場合は、ツールは反時計回りになる必要があり、渦が反時計回りの場合は、ツールは時計回りになる必要がある。
【００５９】
請求項８記載の合金成形体の改質方法は、請求項４記載の合金成形体の改質方法であって、最初に、ツールを、合金成形体の表面の中心部から周囲に向かって拡がる渦巻き状に移動させるにおいて、ツールの軸の軌跡である渦が時計回りの場合は、ツールの回転方向を時計回りとし、渦が反時計回りの場合は、ツールの回転方向を反時計回りとし、続いて最初の渦に隣接する第２の渦として、最初のツールの回転方向を維持したまま、第２の渦を外周から中心方向に渦の回転方向が最初の渦と反対方向である渦を形成させることを特徴とする。
【００６０】
図４（ａ）は、請求項８の具体例を説明する模式的な平面図である。図４（ａ）において、２４は、ツールを渦巻き状に移動させることによってできるツールの軸の軌跡である。最初に向かって左側の渦を形成する。まず、合金成形体１０の表面の中心部のＳの位置から渦を形成し始め、周囲に向かって拡がる時計回りの渦を形成する。この渦の形成にあたってツールの回転方向を時計回りで行う。続いて最初の渦に隣接する第２の渦として、向かって右側の渦を形成する。この際、ツールの回転方向の時計回りを維持したまま、外周から中心方向に渦の回転方向が、最初の渦と反対方向である反時計回りの渦を形成する。渦の最終のＥの位置には、プローブの抜き跡１００ができる。この方法は、左右２つの渦を形成するにあたり、ツールの回転方向を変える必要がないという利点がある。
【００６１】
図４（ｂ）は、請求項８の別の具体例を説明する模式的な平面図である。図４（ｂ）において、２４は、ツールを渦巻き状に移動させることによってできるツールの軸の軌跡である。最初に向かって左側の渦を形成する。まず、合金成形体１０の表面の中心部のＳの位置から渦を形成し始め、周囲に向かって拡がる反時計回りの渦を形成する。この渦の形成にあたってツールの回転方向を反時計回りで行う。続いて最初の渦に隣接する第２の渦として、向かって右側の渦を形成する。この際、ツールの回転方向の反時計回りを維持したまま、外周から中心方向に渦の回転方向が、最初の渦と反対方向である時計回りの渦を形成する。渦の最終のＥの位置には、プローブの抜き跡１００ができる。この方法は、左右２つの渦を形成するにあたり、ツールの回転方向を変える必要がないという利点がある。
【００６２】
図４（ｃ）は、請求項８の具体例ではないが、ツールを渦巻き状に移動させる本発明の１実施例である。図４（ｃ）において、２４は、ツールを渦巻き状に移動させることによってできるツールの軸の軌跡である。最初に向かって左側の渦を形成する。まず、合金成形体１０の外周側のＳの位置から渦を形成し始め、中心部に向かって反時計回りの渦を形成する。この渦の形成にあたってツールの回転方向を時計回りで行う。ツールが最初の渦の中心部に達したところで、ツールを向かって右の渦を形成するための中心部に直線的に移動させる。次いで、中心部から外周部にツールを時計回りの渦巻き状に移動させて右側の渦を形成させる。この際、ツールの回転方向は、最初の回転方向と同様の時計回りとする。渦の最終のＥの位置には、プローブの抜き跡１００ができる。この方法も、左右２つの渦を形成するにあたり、ツールの回転方向を変える必要がないという利点がある。また、抜き跡１００が外周部に一つできるだけなので改質処理の効率がよくなる、という利点もある。なお、この方法は、左右の渦が隣り合うところだけ、先にアドバンシングサイド、次いで、リトリーティングサイドの順で摩擦攪拌処理することができない。
【００６３】
図４（ｄ）は、請求項８の具体例ではないが、ツールを渦巻き状に移動させる本発明の１実施例である。図４（ｄ）において、２４は、ツールを渦巻き状に移動させることによってできるツールの軸の軌跡である。最初に向かって左側の渦を形成する。まず、合金成形体１０の中心側のＳの位置から渦を形成し始め、外周部に向かって時計回りの渦を形成する。この渦の形成にあたってツールの回転方向を時計回りで行う。ツールが最初の渦の外周部に達したところで、ツールを向かって右の渦を形成するための中心部に直線的に移動させる。次いで、中心部から外周部にツールを時計回りの渦巻き状に移動させて右側の渦を形成させる。この際ツールの回転方向は最初の回転方向と同様の時計回りとする。渦の最終のＥの位置には、プローブの抜き跡１００ができる。この方法も、左右２つの渦を形成するにあたり、ツールの回転方向を変える必要がないという利点がある。また、抜き跡１００が外周部に一つできるだけなので改質処理の効率がよくなる、という利点もある。なお、この方法は、左右の渦が隣り合うところだけ、先にアドバンシングサイド、次いで、リトリーティングサイドの順で摩擦攪拌処理することができない。
【００６４】
図５は、本発明において用いられるツール１の一例と摩擦攪拌による改質時の状態を示す部分断面図である。ツール１は本体の先端部分にプローブ２を有する。プローブ２は、好ましくはツール１の底面中央部（肩部がショルダー１ａを形成する）に突出部として設けられる。プローブ２は、合金成形体１０に押し込まれて、内部の組織を攪拌する作用を有する。ツールもプローブも形状は、ＦＳＷで用いられるものを用いることができ特には限定されないが、円柱状が好ましい。
【００６５】
プローブ２の先端部２ａは平面でも良いが、攪拌作用を増大するために球面などの曲面としても、また拡径状としても良い。プローブの先端部を拡径とした場合、その拡径はプローブの直径の１．２〜２．０倍程度で良い。また、プローブの先端部に、１つ以上のリング状の膨径部を設けてもよい。
【００６６】
ツールのショルダー径、プローブ径、プローブ長その他形態要素は改質しようとする合金成形体の種類・性質および稼動条件を勘案して適宜選択される。
改質処理に際しては、プローブ２で合金成形体１０の表面部１０ａが塑性変形自在となる温度まで加熱されると共に攪拌され、合金成形体１０が冷却後に摩擦攪拌領域の結晶が微細化され、改質部１０ｇが形成される。
【００６７】
摩擦攪拌による改質領域１０ｇの幅は、ショルダー径、プローブ径、被加工材の材質、摩擦攪拌条件に左右されるが、主にプローブ径に影響される。ショルダー径に比しプローブ径が大きければ、改質領域１０ｇはショルダー１ａの下部深くまでショルダー径に近い幅となり、ショルダー径に比しプローブ径が小さければ改質領域１０ｇの幅は狭くなる。  またプローブ長が短ければ、深部の改質領域幅は狭くなる。
【００６８】
図５において、ツールがこの紙面から読者側に向かって動くと仮定すると、向かって右側が、アドバンシングサイドの改質部４となり、向かって左側がリトリーティングサイドの改質部５となる。サイドにより摩擦攪拌効果が異なる。摩擦攪拌処理によって、攪拌される撹拌領域はアドバンシングサイドの改質部４よりもリトリーティングサイドの改質部５の方が多い。
【００６９】
したがってツールの回転軸を１度目と２度目でずらす間隔は上記プローブ径、ショルダー径等の組み合わせの条件により適宜選択され、プローブ径の２分の１〜ショルダー径の２分の１が好ましい。
【００７０】
以下に、実施例を挙げて本発明をより詳しく説明する。
【実施例１】
【００７１】
Ｍｇ−Ｙ−Ｚｎ合金を溶解し、インゴットにし、１２０×１００×６ｍｍの板材を切り出し、この板材を本発明の改質方法により摩擦撹拌処理した。具体的には、請求項２の方法による、一部重ね合わせた二重ビード（２度攪拌）とした。この重ね合わせの際、アドバンシングサイドで摩擦攪拌処理した部分を後にリトリーティングサイドで攪拌する様に、第１パス（１度目の処理）の後、第２パス（２度目の処理）を第１パスのアドバンシングサイド側に、ツールのプローブ直径（４ｍｍ）の１／２（２．０ｍｍ）だけずらせて摩擦攪拌処理を行った。さらに、第２パスの後、第３パスを第２パスのアドバンシングサイド側に、ツールのプローブ直径の１／２（２．０ｍｍ）だけずらせて摩擦攪拌処理を行った。
【００７２】
使用装置及び作業条件は、以下の通りとした。
ツールのショルダーの直径１４ｍｍ。プローブの長さ３．０ｍｍ、直径４．０ｍｍ。
プローブ形状は直円柱。ツールとプローブの材質は  ＪＩＳ  ＳＫＤ６１。
ツールの回転数７５０ｒｐｍ。ツールの合金成形体への摩擦荷重９ｋＮ。ツールの移動速度１００ｍｍ／ｍｉｎ。
【００７３】
（比較例１）
実施例１で用いた板材と同様の板材で、摩擦攪拌処理をしていないもの。
（比較例２）
摩擦攪拌処理を１回だけ行なった他は、実施例１と同様にして摩擦攪拌処理を行なった。
【００７４】
（比較例３）
リトリーティングサイドで摩擦攪拌処理した後に、同じ箇所がアドバンシングサイドになるように位置をずらせて摩擦攪拌処理を行なった他は、実施例１と同様にして摩擦攪拌処理を行なった。具体的には、重ね合わせの際、リトリーティングサイドで摩擦攪拌処理した部分を後にアドバンシングサイドで攪拌する様に、第１パスの後、第２パスを第１パスのリトリーティングサイド側に、ツールのプローブ直径の１／２（２．０ｍｍ）だけずらせて摩擦攪拌処理を行った。さらに、第２パスの後、第３パスを第２パスのリトリーティングサイド側に、ツールのプローブ直径の１／２（２．０ｍｍ）だけずらせて摩擦攪拌処理を行った。
【００７５】
（性能評価）
実施例１及び比較例３により得られた合金成形体を、表面に対し垂直方向に裁断し、断面の表面から深さ１．５ｍｍの数点においてビッカース硬さ（Ｈｖ）を荷重１００ｇで測定した。２度攪拌された後３度目の熱影響を受けた部分について平均値を求めた。
比較例１においては任意の部分で表面に対し垂直方向に裁断し、比較例２においては摩擦撹拌された部分につき表面に対し垂直方向に裁断し、上記と同様に測定した。
【００７６】
実施例１で得られた合金成形体のビッカース硬さ（Ｈｖ）測定結果を、図６に示した。図中、１ｓｔ  ｐａｓｓとは第１パスを、３ｒｄ  ｐａｓｓとは第３パスを意味し、１ｓｔとは第１パスを、２ｎｄとは第２パスを、３ｒｄとは第３パスを意味する（後述の図７、図８及び図９についても同様である）。この図は、１ｓｔ  ｐａｓｓ攪拌部中央からの距離（すなわち、第１パス摩擦攪拌処理時の摩擦攪拌部中央からの距離）と、ビッカース硬さ（Ｈｖ）との関係を表わすものである。図中、「２回攪拌され、その後３ｒｄ  ｐａｓｓの熱影響を受けた部分」と記載された両方向矢印で示す範囲（１ｓｔ  ｐａｓｓ攪拌部中央からの距離が０〜−２（ｍｍ）の範囲）の測定値が、アドバンシングサイドで処理後、リトリーティングサイドで処理された部分のビッカース硬さ（Ｈｖ）を表わしている。この部分のビッカース硬さ（Ｈｖ）の平均値は１２１Ｈｖであった。
【００７７】
比較例３で得られた合金成形体のビッカース硬さ（Ｈｖ）測定結果を、図７に示した。この図は、１ｓｔ  ｐａｓｓ攪拌部中央からの距離（すなわち、第１パス摩擦攪拌処理時の摩擦攪拌部中央からの距離）と、ビッカース硬さ（Ｈｖ）との関係をみたものである。図中、「２回攪拌され、その後３ｒｄ  ｐａｓｓの熱影響を受けた部分」と記載された両方向矢印で示す範囲（１ｓｔ  ｐａｓｓ攪拌部中央からの距離が０〜２（ｍｍ）の範囲）の測定値が、リトリーティングサイドで処理後、アドバンシングサイドで処理した部分のビッカース硬さ（Ｈｖ）を表わしている。この部分のビッカース硬さ（Ｈｖ）の平均は１１３Ｈｖであった。
【００７８】
また、実施例１と比較例３の測定値を一つのグラフにプロットしたものを、図８に示した。図中、ｎｏ１は実施例１の測定値であり、ｎｏ２は比較例３の測定値である。
【００７９】
また、比較例１の合金成形体のビッカース硬さ（Ｈｖ）の平均は６０Ｈｖ、比較例２で得られた合金成形体のビッカース硬さ（Ｈｖ）の平均は９２Ｈｖであった。
【００８０】
よって、本発明の改質方法を用いると、ビッカース硬さ（Ｈｖ）のより高い合金成形体を得ることができた。
【００８１】
また、実施例１及び比較例３で得られた合金成形体の表面斜め上から撮った写真を図９に示した。ｎｏ１が実施例１の写真、ｎｏ２が比較例３の写真である。図９において、Ａ−ｓｉｄｅ側とはアドバンシングサイド側、Ｒ−ｓｉｄｅ側とはリトリーティングサイド側を意味する。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明の合金成形体の改質方法は、合金成形体、特にマグネシウム合金成形体の改質に好適に利用可能である。また、得られた合金成形体は、高強度の工業材料として種々の産業分野で利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】板形状の合金成形体を摩擦攪拌処理している状態を示す一例の概略全体斜視図。
【図２】本発明の一実施形態を説明するための図であり、図２（ａ）は、合金成形体を摩擦攪拌した模式的な平面図、図２（ｂ）と図２（ｃ）は、ツールの回転方向及び移動方向を示す平面図、及び図２（ｄ）は、合金成形体が連続して摩擦攪拌された状態を示す模式的な平面図である。
【図３】本発明の他の実施形態を説明するための図であり、図３（ａ）は、合金成形体が摩擦攪拌された部分を示す平面図であり、図３（ｂ）は、ツールの回転方向を示す平面図である。図３（ｃ）と図３（ｄ）は、ツールの移動に伴うツールの軸の軌跡とプローブの抜き跡とを、合金成形体上に示した模式的な平面図である。
【図４】本発明の他の実施形態を説明するための図であり、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）及び図４（ｄ）は、ツールの移動に伴うツールの軸の軌跡とプローブの抜き跡とを、合金成形体上に示した模式的な平面図である。
【図５】ツールの一例と摩擦攪拌による改質時の状態を示す部分断面図。
【図６】実施例１で得られた合金成形体のビッカース硬さ（Ｈｖ）測定結果を表わす図である。
【図７】比較例３で得られた合金成形体のビッカース硬さ（Ｈｖ）測定結果を表わす図である。
【図８】実施例１と比較例３の測定値を一つのグラフにプロットした図である。
【図９】図面代用写真。実施例１及び比較例３で得られた合金成形体の表面斜め上から撮った写真であり、ｎｏ１が実施例１の写真、ｎｏ２が比較例３の写真である。
【符号の説明】
【００８４】
１      ツール
１ａ    ショルダー（肩部）
２      プローブ
２ａ    先端部
３      軸線
４      アドバンシングサイドの改質部
５      リトリーティングサイドの改質部
１０    合金成形体
１０ａ  表面部
１０ｂ、１０ｃ  瘢痕
１０ｅ  中心部
１０ｆ  周辺部
１０ｇ  改質部
１０ｓ  摩擦攪拌が重なる部分
２０、２１、２２、２３、２４  軸の軌跡
１００  （プローブの）抜き跡
Ｌ      幅
ｄ      軸の軌跡における渦の巻き幅
Ｘ、Ｘ１、Ｘ２、Ｙ、Ｙ１  移動方向
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６  ベクトル成分
【図２】
0004792271.tif 000002
【図３】
0004792271.tif 000003
【図４】
0004792271.tif 000004
【図５】
0004792271.tif 000005
【図６】
0004792271.tif 000006
【図７】
0004792271.tif 000007
【図１】
0004792271.tif 000008
【図８】
0004792271.tif 000009
【図９】
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