(57)【要約】【課題】ワークの一部に分散質を分散させることによって、当該箇所を複合材料化する。【解決手段】アルミニウム合金からなるワーク１６上に、セラミックス粉末、及びワーク１６と同一組成のアルミニウム合金の粉末との焼結体である板材１８を載置する。この板材１８の上端面に、回転動作する摩擦撹拌接合用工具１０のプローブ１４を押圧し、該板材１８を圧潰させる。最終的に、プローブ１４がワーク１６の上端面に到達し、これにより、該ワーク１６の肉と板材１８とが一体的に摩擦撹拌される。その結果、板材１８に含まれたセラミックス粉末が分散質としてワーク１６中に分散される。セラミックス粉末の種類を選定することにより、分散質が分散した領域における特性が種々設定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属からなるワークの一部に分散質を分散させて複合材料化する複合材料の製造方法であって、
分散させる分散質の原材料をワーク上に載置する工程と、
前記原材料と前記ワークの肉とをともに摩擦撹拌することによって前記原材料を分散質として前記ワーク中に分散させる工程と、
を有することを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の製造方法において、前記分散質としてセラミックスを分散させることを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の製造方法において、前記ワークにて前記分散質が分散した領域中の該分散質の割合を３〜６０体積％とすることを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の製造方法において、前記分散質として金属を分散させることを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法において、前記ワークがアルミニウム合金からなることを特徴とする複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークの一部に分散質を分散させることによって当該箇所を複合材料化する複合材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル自動車の内燃機関を構成するシリンダヘッドは、通常、アルミニウム合金の溶湯を原材料とする重力鋳造（ＧＤＣ）又は低圧鋳造（ＬＰＤＣ）によって製造され、ガソリン自動車のシリンダヘッドとは異なり、シリンダブロックに臨む側の面が平坦に形成される。
【０００３】
周知のように、内燃機関のシリンダボア内をピストンが往復運動する際には、該ピストンに設けられたピストンリングがシリンダボアの内周壁面に摺接する。また、ピストンが上死点に到達することに伴って、シリンダボアに導入された空気と気化燃料の混合気が圧縮され、次いで該混合気の爆発が起こる。このため、シリンダボアの内周壁面やシリンダヘッドには、高応力が作用する。
【０００４】
このような現象が繰り返されることから、シリンダヘッドに高応力が作用する部位、具体的には、バルブシート同士の間等には、クラックが発生することを回避するべく高剛性が希求される。従って、高剛性である素材、例えば、金属材にセラミックスを分散させた金属基複合材（ＭＭＣ）からシリンダヘッドを製造することが本来は好ましい。
【０００５】
しかしながら、シリンダヘッドの他の部位に高応力が作用することはほとんどなく、従って、一部に希求される高剛性を満足させるためにシリンダヘッド全体をＭＭＣ等で構成することは、コストの高騰を招く。また、ＭＭＣには、加工を施すことが容易でないという不具合がある。
【０００６】
このような観点から、特許文献１には、シリンダヘッドにおけるバルブシート間に摩擦撹拌を施し、さらに熱処理を施すことが提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１８１８０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示された技術は、所定の部位の肉を摩擦撹拌することで微細組織を均一化することによって表面改質を行うにとどまる。この場合、表面の特性は材質によって決定し、その材質固有の特性以上に優れた特性を得ることはできない。すなわち、例えば、その材質が示す理論強度以上の強度を得ることはできない。
【０００９】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、部位に応じて希求される諸特性を容易且つ簡便な作業で、しかも、低コストで個別に向上させることが可能である複合材料の製造方法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】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明は、金属からなるワークの一部に分散質を分散させて複合材料化する複合材料の製造方法であって、
分散させる分散質の原材料をワーク上に載置する工程と、
前記原材料と前記ワークの肉とをともに摩擦撹拌することによって前記原材料を分散質として前記ワーク中に分散させる工程と、
を有することを特徴とする。ここで、摩擦撹拌とは、摩擦熱によってワークの肉を軟化させて塑性流動させることを指称し、例えば、２個の部材の当接した端面同士を接合する摩擦撹拌接合において採用されている技術である。
【００１１】
本発明によれば、原材料とワークの肉とを摩擦撹拌するという容易且つ簡便な作業を行うことにより、ワークの所定部位中に分散質が分散し、このために該所定部位の特性が向上した複合材料を得ることができる。従って、部材全体を諸特性の優れた材質で構成する必要がないので、コストが高騰することを回避することができる。
【００１２】
しかも、摩擦撹拌では、ワークの肉を溶融することなく塑性流動させることができるので、摩擦撹拌後のワークにいわゆるブローホール等の欠陥が発生することがない。また、ワークの低融点成分が気化することがないので、ワークの組成が変化して該ワークが変質することもない。
【００１３】
さらに、ワークを溶融させることがないので、残留応力を小さくすることができるとともに、ワークの歪を小さくすることができるという利点がある。
【００１４】
そして、分散質の種類を適宜選択することによって、所望の特性を向上させることができる。従って、本発明においては、例えば、ある部位では耐摩耗性が向上し、別の部位では潤滑性が向上する等、部位によって向上させる特性を相違させることもできる。
【００１５】
原材料としては、例えば、焼結や鋳造加工によって作製した板材を使用すればよい。
【００１６】
又は、粉末を原材料として使用するようにしてもよい。この場合、摩擦撹拌前に粉末が散失することを防止するため、溶射によって粉末をワークに予め付着させておくことが好ましい。粉末を供給しながら、該粉末とワークとの摩擦撹拌を行うようにしてもよい。
【００１７】
分散質の好適な例としては、セラミックスを挙げることができる。例えば、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＣ等を選定した場合、耐摩耗性が向上した部位を有する複合材料が得られる。また、ＢＮやＣ等を選定した場合、潤滑性が向上する。
【００１８】
セラミックスを分散質とする場合、前記原材料にワークと同一組成、又はアルミニウムの金属粉末を予め含めておくことが好ましい。この場合、ワークの肉と分散質を容易に塑性流動させることができ、結局、分散質を容易にワーク中に分散させることができるからである。
【００１９】
また、ワークにおいてセラミックス（分散質）が分散した領域中での該分散質の割合は、３〜６０体積％であることが好ましい。３体積％未満ではワークの特性を向上させる効果に乏しく、６０体積％を超えると複合材料を加工することが容易ではなくなる。ここで、分散質の分散領域とは、分散質の最高到達点同士を結ぶことによって形成される領域のことを指称する。
【００２０】
分散質は、金属粉末又は金属間化合物粉末であってもよい。金属粉末を分散質とする場合、該金属とワークとが合金化してもよい。本発明における複合材料化には、このような合金化が含まれるものとする。
【００２１】
一方、ワークの好適な例としては、シリンダヘッドの材質であるアルミニウム合金を挙げることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、摩擦撹拌を行うことによって分散質をワーク中に分散させるようにしている。これにより、所定の部位の特性が向上した複合材料を容易且つ簡便に得ることができる。しかも、このためにシリンダヘッド等の部材全体を諸特性の優れる材質から構成する必要がないので、コストの高騰を招くこともない。
【００２３】
また、分散させる分散質の種類を適宜変更することによって、所望の特性を向上させることができるとともに、部位に応じて希求される特性が異なる部材を容易且つ簡便に得ることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に係る複合材料の製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
先ず、板材を使用する第１実施形態について説明する。
【００２６】
第１実施形態に係る複合材料の製造方法では、図１に示すように、摩擦撹拌接合用工具１０が使用される。摩擦撹拌接合用工具１０は、図示しないスピンドルに連結されて該スピンドルが回転付勢されることに伴って回転動作する回転体１２と、該回転体１２の先端部に設けられたプローブ１４とを有する。後述するように、この摩擦撹拌接合用工具１０の作用下に、ワーク１６と板材１８とが一体的に摩擦撹拌される。
【００２７】
図２に示すように、板材１８の横幅ｗは、回転体１２の直径Ｄｓに比して小さく設定される。プローブ１４の直径Ｄｐは、特に限定されるものではないが、この場合、板材１８の横幅ｗに比して大きく設定されている。また、板材１８の厚みｔは、５ｍｍ以下とすることが好ましい。プローブ１４の長さＬは、特に限定されるものではないが、例えば、板材１８の厚みｔと同等程度とすればよい。
【００２８】
この場合、ワーク１６はアルミニウム合金からなり、該ワーク１６上には、分散質の原材料である板材１８が載置されている。なお、この板材１８は、ワークと同一組成のアルミニウム合金粉末と、セラミックス粉末とが比較的緩やかに結合した焼結体からなる。
【００２９】
セラミックス粉末としては、アルミニウム合金の特性を向上させる物質の粉末を選択すればよい。例えば、ワーク１６に耐摩耗性を付与することを所望する場合にはＡｌ2Ｏ3又はＳｉＣ等を選定することができ、潤滑性を付与することを所望する場合にはＢＮやＣ等を選定することができる。
【００３０】
摩擦撹拌を実施するに際しては、前記スピンドルを回転付勢し、摩擦撹拌接合用工具１０を回転動作させる。次に、摩擦撹拌接合用工具１０を下降動作させ、上記のように構成された板材１８の一端部における上端面を、プローブ１４にて押圧する。
【００３１】
この際の押圧力は、１〜１０ｋＮ程度とすることが好ましい。１ｋＮでは摩擦熱が十分に発生しないので塑性流動が容易には進行せず、このため、複合化が進行することが容易ではなくなる。また、１０ｋＮを超えると、ワーク１６が変形することがある。
【００３２】
このようにして回転動作したプローブ１４が板材１８に摺接することに伴って該板材１８に摩擦熱が発生し、摺接箇所が軟化する。また、摩擦撹拌接合用工具１０に所定の押圧力が加えられていることから、プローブ１４の先端が板材１８に埋没する。板材１８は、最終的に、図３に示すように圧潰され、プローブ１４の先端がワーク１６に埋没する。
【００３３】
この過程中、プローブ１４が回転動作しているので、ワーク１６の肉と板材１８とが該プローブ１４によって撹拌される。換言すれば、ワーク１６の肉と板材１８とが塑性流動を起こし、その結果、板材１８に含まれたセラミックス粉末がワーク１６中に分散される。この場合、板材１８にアルミニウム合金粉末が添加されているので、摩擦撹拌時の塑性流動が容易に進行する。
【００３４】
次に、摩擦撹拌接合用工具１０の回転付勢を続行した状態で、該摩擦撹拌接合用工具１０を図１における矢印Ｘ方向に指向して移動させる。これに伴いプローブ１４が離間した箇所で冷却固化が起こり、これにより、アルミニウム合金であるワーク１６中にセラミックス粉末が分散質として分散した複合材料が形成されるに至る。
【００３５】
分散質が分散した部位（分散領域）において向上する特性は、セラミックス粉末の種類によって異なる。上記したように、分散質がＡｌ2Ｏ3又はＳｉＣ等である場合には耐摩耗性が向上し、ＢＮやＣ等である場合には潤滑性が向上する。
【００３６】
その一方で、変位するプローブ１４が接近した部位では、ワーク１６の肉と板材１８とが撹拌されることに伴って塑性流動が起こり、その結果、上記したように、ワーク１６中にセラミックス粉末が分散質として分散される。この部位においても、プローブ１４が離間した後に冷却固化が起こる。この現象が逐次的に繰り返されることにより、プローブ１４の変位方向（矢印Ｘ方向）に沿って、ワーク１６中に分散質が分散されるに至る。
【００３７】
図３に示すように、板材１８が圧潰されることによってバリ２０や凹部２２が形成される。これらは、仕上加工によって除去される。
【００３８】
ここで、分散質としてＡｌ2Ｏ3を分散させたワーク１６におけるＢスケールのロックウェル硬度（ＨＲＢ）と、ヤング率（Ｅ）の向上率とを、該分散質の最高到達点同士を結んで形成される分散領域における分散質の割合との関係で図４に併せて示す。図４中、記号■はＨＲＢを表し、記号●はＥの向上率を表す。
【００３９】
この図４から諒解されるように、分散領域における分散質の割合が大きくなるほど、該分散領域の硬度及びヤング率が向上する。しかしながら、分散質の割合が過度に上昇すると、分散領域を平坦化する等、得られた複合材料を所定の形状に加工することが困難となる。このような事態を回避するべく、分散領域における分散質の割合は、３〜６０体積％であることが好ましい。３体積％未満では、ワーク１６の諸特性を向上させる効果に乏しい。
【００４０】
より好ましい分散質の割合は、２０〜５０体積％である。２０体積％以上であると、ヤング率Ｅが飛躍的に向上するようになる。一方、５０体積％以内であれば、プローブ１４が摩耗することを回避することができる。
【００４１】
このように、第１実施形態によれば、分散質となるセラミックス粉末を含む板材１８をワーク１６上に載置し、次に、摩擦撹拌接合用工具１０にてワーク１６の肉と板材１８とを一体的に摩擦撹拌するという容易且つ簡便な作業を行うことによって、ワーク１６中に分散質が分散し、このために所定部位の特性が向上した複合材料を得ることができる。換言すれば、ある部位のみに所望の特性を付与することができる。従って、所定の部位に所望の特性を発現させるために、部材全体を諸特性の優れた材質で構成する必要がない。このため、コストが高騰することを回避することができる。
【００４２】
しかも、この場合、ワーク１６が溶融しないため、いわゆるブローホール等の欠陥が発生することがなく、ワーク１６に含有される合金成分中の低融点成分が気化して該ワーク１６の組成、ひいては特性が変化することもない。
【００４３】
その上、分散質の種類を適宜変更することにより、向上させる特性を変更することもできる。従って、例えば、ワーク１６のある部位においてはＡｌ2Ｏ3やＳｉＣ等の耐摩耗性を向上させる分散質を分散させ、その一方で、別の部位に対してＢＮやＣ等の潤滑性を向上させる分散質を分散させれば、部位によって諸特性が異なる複合材料を得ることもできる。
【００４４】
なお、第１実施形態では、図５に示すように、摩擦撹拌接合用工具１０の変位方向に沿ってワーク１６に長尺溝２４を設け、該長尺溝２４内に板材１８を挿入した後、摩擦撹拌を行うようにしてもよい。板材１８を挿入することに代替し、セラミックス粉末を長尺溝２４に収容した後に該セラミックス粉末とワーク１６とを溶射によって互いに付着させるようにしてもよい。
【００４５】
さらに、板材１８は、焼結体に限定されるものではなく、金属又はセラミックスの表面に自発的に生成した酸化物を還元ガスによって活性化した後、溶湯金属を浸透させることによって複合化する、いわゆる活性化浸透法によって得られた金属基複合材（ＭＭＣ）や、コンポキャスト等の鋳造加工によって得られたものであってもよい。
【００４６】
次に、セラミックス粉末を含む粉末を原材料とし、該原材料を供給しながら摩擦撹拌を行う第２実施形態につき説明する。
【００４７】
第２実施形態においては、図６に示すように、摩擦撹拌接合用工具１０を矢印Ｘ方向に変位させる図示しない変位機構に対し、粉末供給管３０が取り付けられる。
【００４８】
第１実施形態に準拠して摩擦撹拌接合用工具１０が回転動作している間、粉末供給管３０から上記したようなセラミックス粉末、又はセラミックス粉末とアルミニウム合金粉末との混合粉末、すなわち、分散質の原材料である粉末Ｐがワーク１６の上端面に供給される。この供給によって粉末Ｐがワーク１６の上端面に載置された後、摩擦撹拌接合用工具１０のプローブ１４が下降動作されてワーク１６に摺接する。
【００４９】
ワーク１６において、プローブ１４が摺接した箇所は摩擦熱によって軟化し、最終的に、プローブ１４がワーク１６に回転動作しながら埋没する。このようにしてプローブ１４が埋没することにより、ワーク１６の肉が粉末Ｐとともに塑性流動される。
【００５０】
そして、プローブ１４が前記変位機構の作用下に矢印Ｘ方向に変位され、終端点に到達するまで粉末供給管３０から粉末Ｐの供給が続行される。上記したように、粉末供給管３０は前記変位機構に取り付けられているので、該粉末供給管３０がプローブ１４の変位軌跡上から離脱することはない。
【００５１】
以降、第１実施形態に準拠して摩擦撹拌が遂行された結果、矢印Ｘ方向に沿ってワーク１６中にセラミックス粉末（分散質）が分散した複合材料が得られるに至る。
【００５２】
このように、第２実施形態では分散質となるセラミックス粉末を含む粉末Ｐをワーク１６上に供給しながら、摩擦撹拌接合用工具１０にてワーク１６の肉の摩擦撹拌を行う。すなわち、この場合においても、容易且つ簡便な作業によってワーク１６中に分散質が分散し、このために所定の部位の特性が向上した複合材料が得られるに至る。
【００５３】
勿論、第２実施形態においても、分散質の種類を適宜変更すれば、向上させる特性を変更することができ、結局、部位によって諸特性が異なる複合材料を得ることができる。
【００５４】
なお、第２実施形態においては、図７に示すように、摩擦撹拌接合用工具１０の内部に通路３２を設け、該通路３２を経由させてプローブ１４の先端部からセラミックス粉末を含む粉末Ｐを供給するようにしてもよい。
【００５５】
また、第２実施形態においても、分散領域における分散質の割合は、３〜６０体積％であることが好ましく、２０〜５０体積％であることがより好ましい。
【００５６】
上記した第１実施形態又は第２実施形態のいずれにおいても、分散質として金属粉末を分散させるようにしてもよい。この場合、金属の種類によっては、分散するとともにワーク１６の構成金属であるアルミニウム合金と合金化することもある。本発明においては、このような分散質とワークとの合金化も複合材料化に含めるものとする。
【００５７】
さらに、ワーク１６の構成金属は、アルミニウム合金に特に限定されるものではなく、アルミニウム、マグネシウム、マグネシウム合金等であってもよい。
【００５８】
そして、ワーク１６の別の例としては、バルブシートや、ディーゼル内燃機関を構成するピストンのヘッド面及びリング溝が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】第１実施形態に係る製造方法を実施する状態を示す概略斜視説明図である。
【図２】ワーク、板材及び摩擦撹拌接合用工具の寸法関係を示す正面説明図である。
【図３】プローブが押圧されることによって板材が圧潰された状態を示す概略縦断面図である。
【図４】Ａｌ2Ｏ3を分散させたワークにおけるＨＲＢ及びヤング率と、分散領域における分散質の割合との関係を示すグラフである。
【図５】第１実施形態の変形例に係る製造方法を実施するためのワークと板材とを示す概略縦断面図である。
【図６】第２実施形態に係る製造方法を実施する状態を示す概略斜視説明図である。
【図７】第２実施形態の変形例に係る製造方法を実施するための摩擦撹拌接合用工具、ワーク、及び板材を示す概略縦断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０…摩擦撹拌接合用工具            １４…プローブ
１６…ワーク                        １８…板材
３０…粉末供給管                    Ｐ…粉末
【図１】
2005272919.tif 000003
【図２】
2005272919.tif 000004
【図３】
2005272919.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005272919.tif 000007
【図６】
2005272919.tif 000008
【図７】
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