(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の部位に局所的に強度及び硬度を高める処理を施した部位と、切削加工等の加工を施すことができる強化及び硬化処理を施していない部位を有するアルミニウム乃至アルミニウム合金部材であって、１）アルミニウム乃至アルミニウム合金部材の表面に高速回転する工具を接触させ、工具と部材表面の摩擦熱による部材の熱処理効果と、工具による部材の機械的撹拌効果との併用によりアルミニウム乃至アルミニウム合金の組織制御を行い、局所的に強度及び硬度を高めたアルミニウム乃至アルミニウム合金であること、２）工具の回転数を変化させること及び／又は工具と部材が接触する部分の面積を任意に変化させることによって、発生する摩擦熱量を制御して部材の熱処理温度を任意の値に変化させ、部材の結晶粒径組織を任意の大きさに制御することにより局所的に強度及び硬度を高めたこと、３）それにより、強度及び硬度を高める処理を施した部位の中で、場所ごとに異なる結晶粒径を有する部材としたこと、を特徴とするアルミニウム乃至アルミニウム合金部材。
【請求項２】
回転工具の、部材と接触し摩擦熱を発生する部分の直径を変化させることにより、工具と部材が接触する部分の面積を任意に変化させることを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム乃至アルミニウム合金部材。
【請求項３】
回転工具の回転軸を、あらかじめ接触させる部材表面の法線方向に対して傾斜させて設置することにより、回転工具の部材に接触する部分と部材表面のなす角を０度より大きく１０度以下にし、更に、回転工具と部材表面の距離を変化させることにより、工具と部材が接触する部分の面積を任意に変化させることを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム乃至アルミニウム合金部材。
【請求項４】
部材の熱処理部の温度を１３０〜２００℃に制御することを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム乃至アルミニウム合金部材。
【請求項５】
部材の結晶粒径を１〜５μｍに制御することを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム乃至アルミニウム合金部材。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の局所的に強度及び硬度を高めたアルミニウム乃至アルミニウム合金部材を使用したことを特徴とする機械的構造物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム及びアルミニウム合金の組織制御に関するものであり、更に詳しくは、特に、製品形状に柔軟に対応でき、生産性良く、大きな設備を必要とせず、省エネルギーで、アルミニウム及びアルミニウム合金の結晶粒径を広い範囲にわたって制御しうる新しいアルミニウム及びアルミニウム合金の組織制御方法及びその製品に関するものである。
本発明は、アルミニウムならびにアルミニウム合金の組織制御による強度、硬度の制御をきわめて容易に、低コストで行うことを可能にする方法として有用である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、アルミニウム及びアルミニウム合金は、比強度が高いことから、様々な分野において、各種構造部材への応用が検討され実施されてきている。
【０００３】
アルミニウム及びアルミニウム合金の機械的特性は、その結晶組織に大きな影響を受けることが知られている。特に、強度や硬度は組織の結晶粒径の影響を大きく受け、一般に結晶粒径が小さいほど室温下において高強度、高硬度であることが今までの研究で明らかになっている［Ｈａｌｌ−Ｐｅｔｃｈの式、σ＝σ0＋ｋ・ｄ-1/2、ここで、σは変形応力、σ0 及びｋは材料に依存する定数、ｄは結晶粒径］。
【０００４】
結晶粒径の制御方法としては、鋳造時の冷却速度の大小により、直径数十μｍから数ｍｍオーダーまでコントロールできることが知られている。しかし、強度等の機械的特性の向上のためには、数μｍ以下の、より細かい範囲での結晶粒径組織の制御方法が必要とされている。
【０００５】
結晶粒径を数μｍオーダーで制御するためには、微量の添加元素を母材のアルミニウム合金に加えることも従来から行われてきた。しかしながら、安易に他元素を利用することはコストの面からも、部材をリサイクルして再利用する際の処理を複雑にする点からも、好ましいこととは言えないのである。
【０００６】
このようなことから、近年では、材料に強い塑性歪みを与えることで、材料に動的な組織変化を起こし、これを利用して結晶粒を微細化する手法が検討されている。例えば、材料を繰り返し押し出すことで強い歪みを与えるＥＣＡＰ法によれば、結晶粒径を約１μｍまで微細化しうることが明らかになっており、材料強度も飛躍的に向上することが知られている。
【０００７】
しかしながら、ＥＣＡＰ法等の押し出し法は、押し出し形状に制限があるため、製品の形状に柔軟に対応できないこと、大きな部材を押し出すためには数百トン以上の能力をもったプレス設備が必要になること、一般に、加熱のために電気炉を必要とすること、一般に、一つの製品を数回から十数回繰り返して押し出すため、生産性が悪く、多大のエネルギーを要すること、が問題点として挙げられている。
【０００８】
このようなことから、当技術分野において、製品形状に柔軟に対応でき、生産性良く、大きな設備を必要とせず、省エネルギーを指向した新しいアルミニウム又はアルミニウム合金の組織制御方法の開発が強く求められてきたのである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術に鑑みて、アルミニウム及びアルミニウム合金の新しい組織制御方法を開発することを目標として鋭意研究を重ねた結果、新たに見出された知見に基づきなされたものであり、本発明の解決課題とするところは、構造用材料として多くの需要が見込まれているアルミニウム及びアルミニウム合金に対する、製品形状に柔軟に対応でき、生産性良く、大きな設備を必要とせず、且つ省エネルギーを指向した新しい組織制御方法及びその製品を提供することにある。
すなわち、本発明は、アルミニウム及びアルミニウム合金の結晶粒径組織を広い範囲にわたって制御することが可能な新しいアルミニウム及びアルミニウム合金の組織制御方法及びその製品を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、所定の部位に局所的に強度及び硬度を高める処理を施した部位と、切削加工等の加工を施すことができる強化及び硬化処理を施していない部位を有するアルミニウム乃至アルミニウム合金部材であって、１）アルミニウム乃至アルミニウム合金部材の表面に高速回転する工具を接触させ、工具と部材表面の摩擦熱による部材の熱処理効果と、工具による部材の機械的撹拌効果との併用によりアルミニウム乃至アルミニウム合金の組織制御を行い、局所的に強度及び硬度を高めたアルミニウム乃至アルミニウム合金であること、２）工具の回転数を変化させること及び／又は工具と部材が接触する部分の面積を任意に変化させることによって、発生する摩擦熱量を制御して部材の熱処理温度を任意の値に変化させ、それにより、部材の結晶粒径組織を任意の大きさに制御することにより局所的に強度及び硬度を高めたこと、３）それにより、強度及び硬度を高める処理を施した部位の中で、場所ごとに異なる結晶粒径を有する部材としたこと、を特徴とするアルミニウム乃至アルミニウム合金部材、である。
また、本発明は、上記アルミニウム乃至アルミニウム合金部材において、回転工具の、部材と接触し摩擦熱を発生する部分の直径を変化させることにより、工具と部材が接触する部分の面積を任意に変化させること、また、回転工具の回転軸を、あらかじめ接触させる部材表面の法線方向に対して傾斜させて設置することにより、回転工具の部材に接触する部分と部材表面のなす角を０度より大きく１０度以下にし、更に、回転工具と部材表面の距離を変化させることにより、工具と部材が接触する部分の面積を任意に変化させること、を好ましい実施態様とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、図面を参照しつつ、本発明の具体的構成について詳細に説明することとする。
【００１２】
図１は、回転工具を用いて、アルミニウム部材のアルミニウム板４の組織制御を行う工程を示したものである。回転工具１は、アルミニウム板を摩擦する工具底面部１ａでアルミニウム部材表面を摩擦し、摩擦熱を発生させる。同時に先端のピン１ｂを部材内部に挿入し、機械的撹拌を加えることで、部材に動的な組織変化を与えるものである。２は攪拌部、３は摩擦痕を示す。回転工具１を部材表面に沿って移動させることで、広範囲に渉って処理を行い、部材の組織を制御しうるものである。
【００１３】
本発明は、このとき、回転工具１の回転数を変化させること、及び、アルミニウム板を摩擦する工具底面部１ａと部材の間の接触面積を変化させることにより、発生する摩擦熱量を変化させ、アルミニウム部材のアルミニウム板の熱処理温度を制御することを特徴としている。
【００１４】
特に、本発明においては、工具底面部１ａの直径を変化させること、及び工具の底面と部材の間の位置関係を変化させることにより、工具の底面と部材の間の接触面積を変化させるものである。好適には、工具の、部材と接触し摩擦熱を発生する部分の直径は７ｍｍ〜２０ｍｍであるが、これらに制限されるものではない。
【００１５】
図２は、工具底面１ａとアルミニウム部材表面間の距離を変えることで、工具底面（ショルダー部）とアルミニウム部材の接触面積を変化させる工程を示したものである。工具底面とアルミニウム板表面の距離は、工具底面の直径によって最適な範囲が決まるが、およそ０〜０．３ｍｍの範囲が望ましい。それより大きい場合には接触面積が小さくなることから、アルミニウム板材を充分に軟化させるに足る摩擦熱が得られず、その結果、攪拌部においてアルミニウム板材が充分な塑性流動を起こさないため、亀裂や空孔といった機械的特性に悪影響を及ぼす欠陥の発生が多くなる可能性がある。
回転工具１の回転軸は工具の進行方向に対して後方に傾斜して設置されている。傾斜角は０度以上１０度以下、最も好適には３〜５度が望ましく、それより小さい場合には工具の底面とアルミニウム部材表面間の接触面積の増減を細かく制御することが困難になる可能性があり、逆にそれより大きい場合には接触面積を増やす際に工具をアルミニウム部材に深く挿入しなければならず、その結果、アルミニウム部材表面に生じる窪みが大きくなるという問題が生じる可能性がある。図２において、３は、工具底面とアルミニウム板表面を最も接触させた時のアルミニウム板表面位置（接触面積；大、この時の工具とアルミニウムの位置関係を位置Ａと定義する。）、４は、工具底面とアルミニウム板表面をやや離した時のアルミニウム板表面位置（接触面積；中、この場合を位置Ｂと定義）、５は、工具底面とアルミニウム板表面を最も離した時のアルミニウム板表面位置（接触面積；小、この場合を位置Ｃと定義）を示す。
【００１６】
【実施例】
以下に、実施例として、工業用純アルミニウム圧延材を対象とした本発明による組織制御の例を示し、本発明の効果について明らかにする。
【００１７】
図３は、工具の回転数を１５４０ｒｐｍ、移動速度を０．５ｍｍ／ｓｅｃで一定とし、アルミニウム部材と接触する工具底面の直径を７〜１０ミリまで変化させ、同時に工具底面とアルミニウム部材表面の位置関係を３段階に変化させたときの、摩擦熱によって上昇したアルミニウム部材処理部の到達温度を示している。工具位置Ａとは、工具底面全面がアルミニウム部材表面に接触している状態であり、工具位置Ｂは、工具位置Ａから工具を０．１ｍｍ上昇させ、工具底面とアルミニウム部材表面の接触面積を減じた状態であり、工具位置Ｃは、工具位置Ａから工具を０．２ｍｍ上昇させ、接触面積を最も減じた状態である。
【００１８】
図４は、工具の回転数を８９０ｒｐｍ、移動速度を０．５ｍｍ／ｓｅｃで一定とし、アルミニウム部材と接触する工具底面の直径を７〜１０ｍｍまで変化させ、同時に工具底面とアルミニウム部材表面の位置関係を３段階に変化させたときの、摩擦熱によって上昇したアルミニウム部材処理部の到達温度を示している。工具位置Ａ、Ｂ、Ｃの定義は、図３と同様である。
【００１９】
ここまでで、工具の回転数及びアルミニウム部材と接触する工具底面の直径、更に、工具底面と部材表面の距離を変化させることにより、摩擦熱による部材の温度上昇を制御し、到達温度を１３０℃から４７０℃まで任意に変化させうることが明らかになった。
【００２０】
表１は、処理中の工業用純アルミニウムの到達温度と、得られる組織の関係を示したものである。処理部の温度が４００〜４７０℃に達するとき、結晶粒径は１００μｍ程度まで粗大化する。これは母材の結晶粒径を大きく上回っている。温度が３８０〜３９０℃のときには、結晶粒径は５０〜８０μｍ、温度が２７０〜３２０℃のときには、２０〜４０μｍ、２００℃以下のときには、１〜数μｍまで微細化が可能である。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
図５は、本発明により結晶粒径を微細化した工業用純アルミニウムの硬度測定結果の一例である。処理部の硬度は５２〜５７ＨＶであり、母材の３７〜４１ＨＶに比べて上昇していることが分かる。
【００２３】
図６は、動的に工具底面と部材表面の接触面積を変化させることにより、場所ごとに異なる結晶粒径を有する部材を作成する工程を示している。
このように、本発明によれば、部材の必要とされる部位にのみ、局所的に強度及び硬度を高める処理を施すことが可能であり、効率的であるばかりかコストの低減に寄与できる。
【００２４】
以上、本発明の代表的な実施例として、工業用純アルミニウムに適用した例について詳述してきたが、本発明は、そのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、ＪＩＳ  Ａ５０８３等に代表される既知のアルミニウム合金にも同様に実施されうるものである。
【００２５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、従来の押出しや圧延に比べて簡便で、部材の形状の自由度が大きい上、処理条件によって結晶粒径を１μｍから１００μｍの幅広い範囲内で任意に制御することができる。
【００２６】
また、動的に処理条件を変更することで、局所的に部材の結晶粒径を制御することが可能であり、それにより、部材の必要とされる部位にのみ、局所的に強度及び硬度を高める処理を施すことが可能である。また、このような処理の後に、必要であれば、強化及び硬化処理を施していない部位に対して、容易に切削加工、塑性加工等を実施することができる。
【００２７】
更に、本発明によれば、添加元素を母材のアルミニウム合金に加えることなく、加熱のための電気炉も必要なく、更には、大型プレスのような特殊設備を必要としないことから、アルミニウムならびにアルミニウム合金の組織制御による強度、硬度の制御を従来法に比べてきわめて容易に、低コストで行うことができる。
【００２８】
そして、それらの結果として、アルミニウムならびにアルミニウム合金の機械的構造物等への適用が促進され、その工業的な利用が大きく拡大することが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるアルミニウム及びアルミニウム合金の組織制御方法を実施しうる装置の一例を示す模式図である。
【図２】本発明に係わる回転工具と、組織制御を実施されるアルミニウム及びアルミニウム合金部材表面の位置関係を示す説明図である。
【図３】本発明により組織制御を実施した際に、工具の回転数が１５４０ｒｐｍの時の、工具底面の直径、ならびに工具と工業用純アルミニウム材表面の位置関係が、処理中の工業用純アルミニウム材の到達温度に与える影響を示す説明図である。
【図４】本発明により組織制御を実施した際に、工具の回転数が８９０ｒｐｍの時の、工具底面の直径、ならびに工具と工業用純アルミニウム材表面の位置関係が、処理中の工業用純アルミニウム材の到達温度に与える影響を示す説明図である。
【図５】本発明により結晶粒径を微細化した工業用純アルミニウムの硬度分布測定例を示す説明図である。
【図６】本発明に係わるアルミニウム及びアルミニウム合金の組織制御方法に従って、回転工具の高さ又は回転数を動的に変化させることにより、アルミニウム部材の任意の場所の結晶粒径を、任意の大きさに制御できることを示す模式図である。
【符号の説明】
（図１の符号の説明）
１    回転工具
１ａ  アルミニウム板を摩擦する工具底面部
１ｂ  ピン
２    攪拌部
３    摩擦痕
４    アルミニウム板
（図２の符号の説明）
１    回転工具
１ａ  工具底面
１ｂ  ピン
２    工具の回転軸
３    工具底面とアルミニウム板表面を最も接触させた時のアルミニウム板表面位置（接触面積；大、位置Ａ）
４    工具底面とアルミニウム板表面をやや離した時のアルミニウム板表面位置（接触面積；中、位置Ｂ）
５    工具底面とアルミニウム板表面を最も離した時のアルミニウム板表面位置（接触面積；小、位置Ｃ）
（図３、図４の符号の説明）
Ａ    工具底面とアルミニウム板表面を最も接触させた時のアルミニウム板表面位置（接触面積；大）
Ｂ    工具底面とアルミニウム板表面をやや離した時のアルミニウム板表面位置（接触面積；中）
Ｃ    工具底面とアルミニウム板表面を最も離した時のアルミニウム板表面位置（接触面積；小）
【図１】
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【図２】
0004006515.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
0004006515.tif 000007
【図６】
0004006515.tif 000008