(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の円環状の複合化材を拘束型と相手部材にて拘束しつつ該相手部材に対して該複合化材を該複合化材の軸方向に加圧した状態で該拘束型とともに相対回転させて該複合化材を摩擦発熱により軟化及び塑性流動させ、該複合化材を該拘束型により成形しつつ該相手部材との接触面に接合して複合一体化することを特徴とする金属の成形複合化方法。
【請求項２】
金属製の円環状の複合化材を拘束型の円形の内周面にて拘束しつつ該拘束型の内部に挿入した相手部材に対して該複合化材を該複合化材の軸方向に加圧した状態で該拘束型とともに相対回転させて該複合化材を摩擦発熱により軟化及び塑性流動させ、該複合化材を該拘束型により成形しつつ該相手部材の外周面に接合して複合一体化することを特徴とする金属の成形複合化方法。
【請求項３】
請求項２に記載の成形複合化方法において、前記複合化材を加圧部材により前記軸方向に加圧した状態で該複合化材を前記塑性流動させて成形及び複合一体化することを特徴とする金属の成形複合化方法。
【請求項４】
請求項２，３の何れかに記載の成形複合化方法において、前記拘束型が周方向複数箇所で分割されて成る分割型から成っており、該拘束型を求心方向に締め上げることによって前記複合化材を内方に加圧することを特徴とする金属の成形複合化方法。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載の成形複合化方法において、前記相手部材がピストンであり、複合化部位がピストンリング溝部分であることを特徴とする金属の成形複合化方法。
【請求項６】
請求項１に記載の成形複合化方法において、前記相手部材がエンジンシリンダヘッドであり、前記複合化材がバルブシートであることを特徴とする金属の成形複合化方法。
【請求項７】
請求項６に記載の成形複合化方法において、前記複合化材が金属粉末若しくはその圧粉体又は焼結体から成っていることを特徴とする金属の成形複合化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は機械部品，エンジンのピストン等の自動車及び鉄道車両部品，ＯＡ機器部品，航空機部品，船舶用機器部品，医療機器部品等に好適に適用可能な金属の成形複合化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、金属製複合化材を相手部材に複合一体化する方法として以下の各種の方法が知られている。
鋳造法はその１つであるがこの鋳造法の場合、製品形状、特に肉厚により凝固組織が不均一となり易く、また巣や気孔等の鋳造欠陥が生じ易い問題がある。
【０００３】
一方半溶融（チクソ成形法）／半凝固（レオ成形法）等もあるが、この方法の場合においても製品組織の不均一，偏析等が避けられない。
また半溶融金属の流れの合流部分で所謂ウェルドラインを生じ、強度，外観，機能の不均一を生じる問題もある。
【０００４】
他方粉末冶金による方法は、結晶粒を細かくできるものの気孔が生じる問題があり、また焼結体の延性，強度が不足するとともに各種加工，熱処理時の収縮量の予測，制御が極めて難しく、従ってそのままこれを相手部材に複合一体化することは困難である。
この他に溶接，レーザー等による方法もあるが、例えば相手部材が鋳造品或いはダイキャスト品，粉末焼結品であった場合、この方法を適用すると相手部材内部のガスが気孔として残留する可能性が高い問題がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の金属の成形複合化方法はこのような課題を解決するために案出されたものである。
而して請求項１の方法は、金属製の円環状の複合化材を拘束型と相手部材にて拘束しつつ該相手部材に対して該複合化材を該複合化材の軸方向に加圧した状態で該拘束型とともに相対回転させて該複合化材を摩擦発熱により軟化及び塑性流動させ、該複合化材を該拘束型により成形しつつ該相手部材との接触面に接合して複合一体化することを特徴とする。
【０００６】
請求項２の方法は、金属製の円環状の複合化材を拘束型の円形の内周面にて拘束しつつ該拘束型の内部に挿入した相手部材に対して該複合化材を該複合化材の軸方向に加圧した状態で該拘束型とともに相対回転させて該複合化材を摩擦発熱により軟化及び塑性流動させ、該複合化材を該拘束型により成形しつつ該相手部材の外周面に接合して複合一体化することを特徴とする。
【０００７】
請求項３の方法は、請求項２に記載の成形複合化方法において、前記複合化材を加圧部材により前記軸方向に加圧した状態で該複合化材を前記塑性流動させて成形及び複合一体化することを特徴とする。
【０００８】
請求項４の方法は、請求項２，３の何れかに記載の成形複合化方法において、前記拘束型が周方向複数箇所で分割されて成る分割型から成っており、該拘束型を求心方向に締め上げることによって前記複合化材を内方に加圧することを特徴とする。
【０００９】
請求項５の方法は、請求項１〜４の何れかに記載の成形複合化方法において、前記相手部材がピストンであり、複合化部位がピストンリング溝部分であることを特徴とする。
【００１０】
請求項６の方法は、請求項１に記載の成形複合化方法において、前記相手部材がエンジンシリンダヘッドであり、前記複合化材がバルブシートであることを特徴とする。
【００１１】
請求項７の方法は、請求項６に記載の成形複合化方法において、前記複合化材が金属粉末若しくはその圧粉体又は焼結体から成っていることを特徴とする。
【００１２】
【作用及び発明の効果】
上記のように本発明では金属製の円環状の複合化材を拘束型と相手部材とで拘束しつつ、これを相手部材に対し相対回転させて摩擦発熱により塑性流動させ、拘束型によりこれを成形しつつ相手部材に複合一体化する（請求項１，２）。
【００１３】
ここで複合化材と相手部材との相対回転は、何れか一方を停止状態として他方を回転運動させるか、或いは両者を反対方向に回転運動させるか、又は両者を同一方向に回転運動させるとともにそれらの間に回転速度差を持たせることなどによって行うことができる。
【００１４】
また相手部材は金属，セラミックス或いは金属間化合物，複合材料その他が可能であるが、本発明は相手部材又は複合化材の材質がアルミニウム，アルミニウム合金，マグネシウム合金等の低融点金属である場合に特に効果がある。但し鋼，ステンレス鋼，銅合金等の高融点金属材料に対しても適用可能である。
【００１５】
処理の雰囲気としては通常大気中で良いが、チタン合金のような活性材料についてはアルゴン等の不活性ガス雰囲気や真空等の雰囲気、或いはやや活性な銅等の材料では窒素或いは炭酸ガス雰囲気を用いることもできる。
更に気体中のみならず水，油等の液体中での摩擦発熱による塑性流動現象も利用でき、この場合更に結晶粒微細化効果は大きい。
【００１６】
本発明によれば相手部材の接触面に同種若しくは異種の金属製部材を複合一体化することができる。
そしてこの複合化によって相手部材に耐摩耗性を付与したり或いは低摺動抵抗，耐熱性，耐食性等の特定の機能を付与することができる。
しかもこの複合化した部分は境界面が摩擦発熱に基づく塑性流動によって相手部材と接合しているため、これを強固に相手部材に接合状態とすることができる。
【００１７】
本発明によれば、複合化によって上記のように相手部材に特定の機能を付与できるのみならず以下の利点も得られる。
即ち複合化材を摩擦発熱により塑性流動させて接合することから、その塑性流動により複合化材の結晶粒を機械的に分断して微細化させ、所謂ペッチの法則によりこれを強度の高いものとなすことができる。
また複合化材中に存在する不純物を細かく均一に分散させることができ、このこともまた複合化材の強度を高めるように作用する。
【００１８】
本発明においては、上記のように相手部材の材質として各種材質が可能であるが特に相手部材が金属製部材であるとき、上記に加えて以下の利点も得られる。
即ち本発明によれば、相手部材の外周面表層部が摩擦発熱による塑性流動によって結晶粒が微細化し高強度となるとともに、同表層部に存在する不純物が細かく均一に分散し、これによっても強度向上が図られる。
【００１９】
また相手部材中に存在する割れや気孔等の欠陥が塑性変形と加圧力により圧着し封じられる結果、健全な組織が得られる。
加えて複合化材の複合化処理表面に圧縮の残留応力を付与でき、その結果疲労寿命を向上させることができる。
加えて本発明によれば簡単な設備で加工でき且つ加工の制御，操作も容易に行うことができる。
【００２０】
本発明においては、上記複合化材を加圧部材により軸方向に加圧した状態の下でこれを塑性流動させ、成形及び相手部材への複合一体化を行うことができる（請求項３）。
このようにすれば複合化材をより効果的に塑性流動させ、相手部材に接合することができる。
【００２１】
更に本発明においては拘束型を分割型にて構成し、これを求心方向に締め上げることによって、複合化材を内方に加圧することができる（請求項４）。
尚この加圧は複合化材を塑性流動化する際或いは塑性流動化を終了したときにおいて行うことができ、これにより複合化材の相手部材への接合性を向上させることができる。
【００２２】
本発明の方法は、ピストンを相手部材としてそのピストンリング溝を複合強化する方法として好適なものであり（請求項５）、或いはまたエンジンシリンダヘッドのパルブポート部にバルブシートを複合化する方法として好適なものである（請求項６）。
後者の場合において、その複合化材を金属粉末若しくはその圧粉体又は焼結体にて構成し、上記処理によってこれを塑性流動させて成形及び相手部材に複合一体化するようになすことができる（請求項７）。
【００２３】
【実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて以下に詳しく説明する。
図１及び図２において、１０はピストンリング等の金属製の複合化材（材質は例えばＡＣ５Ａ＋Ｃｕ粉末３０％（ｗｔ％）の混合成形体）であって、円環状をなしている。
１２は複合化材１０を接合すべきピストン等の円柱状の相手部材（材質は例えばＡＣ８Ｂ）であって、端部外周面に環状溝１４を有している。
１６は円筒形状をなす拘束型（材質は例えばＳＫＤ６１）であり、１８は加圧部材（材質は例えば粉末高速度工具鋼（１．３Ｃ−４Ｃｒ−５Ｍｏ−６．５Ｗ−３Ｖ−８Ｃｏ−残Ｆｅ））である。
加圧部材１８は、複合化材１０を軸方向に加圧する部材である。
【００２４】
本実施形態では、相手部材１２を固定した状態としておいて、円環状の複合化材１０を拘束型１６の内周面にて拘束しつつそれらを一体に高速回転（例えば回転速度１５００ｒｐｍ）させ、複合化材１０を相手部材１２に対して相対運動させる。
尚このとき加圧部材１８により複合化材１０を軸方向に加圧した状態で回転運動させる。
【００２５】
この相対高速回転運動によって複合化材１０全体（場合によって相手部材１２側の表層部の局部）が摩擦発熱により軟化及び塑性流動化し、更には相手部材１２の外周部、詳しくは環状溝１４の部分が摩擦発熱により軟化及び塑性流動化し、複合化材１０が拘束型１６にて成形されると同時に相手部材１２、即ち環状溝１４の部分に接合し、複合一体化する。
【００２６】
尚複合化材１０と相手部材１２とは相対回転運動すれば良く、従って複合化材１０及び拘束型１６の回転と併せて相手部材１２を複合化材１０に対して反対方向に回転運動させても良いし、或いは逆に複合化材１０及び拘束型１６を固定状態として相手部材１２を高速回転運動させるようにしても良い。
或いはまた複合化材１０及び拘束型１６と相手部材１２とを同一方向に且つ回転速度差を持って回転運動させるようにすることもできる。
但し何れの場合においても複合化材１０と拘束型１６とは相対回転させない。
図１（ロ）は、このようにして複合化材１０を相手部材１２に接合し、複合一体化した状態を示している。
【００２７】
本実施形態によれば、相手部材１２の外周面に同種若しくは異種の金属製部材を複合一体化することができる。
そしてこの複合化によって相手部材１２外周面に耐摩耗性を付与したり或いは低摺動抵抗，耐熱性，耐食性等の特定の機能を付与することができる。
しかもこの複合化した部分は境界面が摩擦発熱に基づく塑性流動によって相手部材１２と接合しているため、これを強固に相手部材１２に接合状態とすることができる。
【００２８】
また複合化によって上記のように相手部材１２に特定の機能を付与できるのみならず以下の利点も得られる。
即ち複合化材１０を摩擦発熱により塑性流動させて接合することから、その塑性流動により複合化材１０の結晶粒を機械的に分断して微細化させ、所謂ペッチの法則によりこれを強度の高いものとなすことができる。
また複合化材１０中に存在する不純物を細かく均一に分散させることができ、このことによっても複合化材１０の強度を高めることができる。
【００２９】
また特に相手部材１２が金属製部材であるとき、以下の利点も得られる。
即ち相手部材１２の外周面表層部が摩擦発熱による塑性流動によって結晶粒が微細化し高強度となるとともに、同表層部に存在する不純物が細かく均一に分散し、これによって強度向上が図られる。
【００３０】
また相手部材１２中に存在する割れや気孔等の欠陥が塑性変形と加圧力により圧着し封じられる結果、健全な組織が得られる。
加えて複合化材１０の複合化処理表面に圧縮の残留応力を付与でき、疲労寿命を高めることができる。
【００３１】
図３は上記拘束型を分割型にて構成した形態例で、ここでは拘束型１６を周方向４箇所で分割し、分割体１６−１，１６−２，１６−３，１６−４の４つの分割体から成る分割型として構成してある。
【００３２】
この実施形態において、複合化材１０を相対回転運動により軟化及び塑性流動加工している最中或いは終了時において、４分割の分割型から成る拘束型１６を求心方向に締め上げて複合化材１０を求心方向、即ち環状溝１４に対して加圧することで、複合化材１０の相手部材１２への接合力をより高めることができる。
【００３３】
図４は本発明をエンジンシリンダヘッドへのバルブシートの複合化に適用した場合の実施形態を示したもので、同図中２０は軸部２２と大径の傘部２４とを有する拘束型（材質は例えば粉末高速度工具鋼）である。
２６は複合化材としての円環状のバルブシートで、ここでは金属粉末の圧粉体（又は焼結体）（材質は例えば２．５Ｓｉ−２２Ｎｉ−４Ｆｅ−残Ｃｕ）から成っている。
尚、拘束型２０側には環状の嵌合凹部２８が形成されており、またバルブシート２６側には対応する環状の嵌合凸部３０が形成されている。
【００３４】
この実施形態では、相手部材としてのエンジンシリンダヘッド３２及び複合化材としてのバルブシート２６との間に摩擦発熱させ、そして拘束型２０を図４（Ａ）中下向きに引き込みながら高速回転させることでバルブシート２６及びエンジンシリンダヘッド３２との接触部を軟化及び塑性流動させ、バルブシート２６をエンジンシリンダヘッド３２に接合一体化することができる。
【００３５】
尚このとき、エンジンシリンダヘッド３２の表層部も摩擦発熱により塑性流動化し、これによりバルブシート２６とエンジンシリンダヘッド３２とが境界面で拡散接合し、強固に一体化する。
ここでは上記の実施形態とは異なって特別な加圧部材を用いていないが、拘束型２０そのものが加圧部材を兼ねていると考えることもできる。
【００３６】
尚この例においてもバルブシート２６及び拘束型２０を固定状態とし、そしてエンジンシリンダヘッド３２を高速回転運動させることで、バルブシート２６を拘束型２０にて形状を整えて複合一体化するようになすこともできる。
或いは拘束型２０及びバルブシート２６を回転運動させるとともに、エンジンシリンダヘッド３２を逆方向に回転運動させるようにしても良いし、更にはそれらを同一方向に回転運動させ且つバルブシート２６とエンジンシリンダヘッド３２との間に速度差を持たせるようにすることもできる。
【００３７】
この実施形態では、嵌合凹部２８と嵌合凸部３０との機械的，物理的嵌合に基づいてバルブシート２６とエンジンシリンダヘッド３２とを強固に接合一体化することができる。
また、バルブシート２６と拘束型２０との接触面の形状を適切な形状にすることにより、こよなく最終形状に近い成形を行い、後加工工程を簡略化することができる。
以上本発明の実施の形態を説明したがこれはあくまで一例示であり、本発明はその主旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた形態で構成可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態の説明図である。
【図２】  図１における拘束型，複合化材，相手部材の平面断面図である。
【図３】  本発明の他の実施形態における図２に相当する図である。
【図４】  本発明の更に他の実施形態の説明図である。
【符号の説明】
１０  複合化材
１２  相手部材
１６，２０  拘束型
１６−１，１６−２，１６−３，１６−４  分割体
１８  加圧部材
２０  拘束型
２６  バルブシート（複合化材）
３２  エンジンシリンダヘッド（相手部材）
【図１】
0004087532.tif 000002
【図２】
0004087532.tif 000003
【図３】
0004087532.tif 000004
【図４】
0004087532.tif 000005