JP3346380B2 - 鋳物表面の微細空隙除去方法およびこれに用いる攪拌ツール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばアルミニウ
ム合金鋳物の表面における微細空隙除去方法およびこれ
に用いる攪拌ツールに関する。尚、本明細書において、
特にことわらない限り、表面とは鋳物の表面および表層
を指し、微細空隙とは表面の微細な凹凸および表層の微
細な空隙の何れか一方または双方を指称する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウムまたはその合金(以下、単
にアルミニウムと称する)からなる鋳物またはダイカス
ト製品の表層付近には、溶湯に固溶されていた水素ガス
や金属収縮に起因する約０．１〜０．５ｍｍの微細な空
隙が生じ易い。また、アルミニウムやその他の金属、合
金からなる鋳物表面の鋳肌には、微細な凹凸を生じる場
合がある。これらの微細な空隙や凹凸が表層や表面に存
在していると、アルミニウム製などの鋳物製品の機械的
性質や表面処理特性を顕著に低下させてしまう。

【０００３】このため、例えばアルミニウム鋳物表面の
微細な凹凸を除去すべく、アルミニウム鋳物材の表面改
質法が提案されている(特開平１０−１８３３１６号公
報)。この方法は、アルミニウム鋳物の表面に高速回転
するプローブを接触させて摩擦熱により軟化させる摩擦
攪拌溶接処理を施すことにより、微細な凹凸を除去する
表面改質法である(上記公報参照)。しかしながら、上記
の改質方法では、アルミニウムなどの鋳物において、表
面の凹凸よりも強度低下の影響が大きい表層付近におけ
る微細な空隙ついては、何ら検討されていない。

【０００４】また、鋳物における広い面積に渉る表面や
表層を、改質して微細な凹凸や空隙を効率良く除去する
には、前記プローブの径を太くして使用することが考え
られる。しかし、太径のプローブを有するツールを用い
て改質処理領域を拡げることは、プローブ自体の強度や
係るプローブを有するツールを含む設備の点から自ずと
制限が生じる。このため、攪拌ツールにおける通常サイ
ズのプローブを、広範な鋳物の表面に沿って接触させ且
つ移動させる操作を複数回に渉って繰り返す操作が必要
となる。しかしながら、各操作毎において鋳物表面から
プローブを抜いた跡に、プローブに倣った形状の凹みが
生じてしまい、却って鋳物の強度低下を招来する、とい
う問題がある。しかも、上記凹みを同じ素材の金属で穴
埋め処理を行うと、更に工数が増え且つコスト高にな
る、という問題もあった。

【０００５】

【発明が解決すべき課題】本発明は、以上にて説明した
従来の技術における問題点を解決し、鋳物表面や表層に
おける微細な空隙や凹凸を確実且つ効率良く除去し得る
鋳物表面の微細空隙除去方法およびこれに用いる攪拌ツ
ールを提案する、ことを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、鋳物表面に対し回転しつつ移動する本体お
よびプローブを含む攪拌ツールの操作において、その挿
入および抜き出し操作を少なくすると共に、鋳物におい
て流動化した金属材料の外部への飛散を抑制し且つ攪拌
ツールの移動軌跡に形成される攪拌部における金属材料
の供給不足を解消する、ことに着想して成されたもので
ある。即ち、本発明の鋳物表面の微細空隙除去方法は、
鋳物の表面に沿って回転しつつ移動する本体およびその
底面の中心部から突出するプローブを含む攪拌ツール
を、上記底面が鋳物の表面に当接または略当接しつつ上
記プローブを鋳物の表面付近に挿入して微細な空隙を除
去するに際し、上記攪拌ツールを平面視において鋳物の
表面に対して、Ｕターン、あるいは直角または任意角度
のターンを含みつつ、移動軌跡が互いに隣接するように
連続移動させる、ことを特徴とする。

【０００７】これによれば、攪拌ツールの本体底面とプ
ローブとが回転しつつ移動した鋳物表面付近には、鋳物
素材の金属材料が固相状態で攪拌され流動化して固化し
た緻密な組織の攪拌部が、上記ツールの移動軌跡に沿っ
て形成される。尚、係る移動軌跡とは、鋳物の表面に沿
って、攪拌ツールのプローブおよび本体の底面が移動し
た軌跡を指す。また、攪拌ツールを鋳物表面に沿って直
線移動した後、Ｕターンさせて元の移動軌跡に隣接して
攪拌部を連続形成したり、係る直線移動とＵターンとを
複数回に渉り繰り返して広い範囲の鋳物表面を移動さ
せ、これら鋳物表層の微細な空隙や表面の凹凸を除去す
ることができる。あるいは、攪拌ツールを鋳物表面に沿
って直線移動させた後、直角のＬターンをさせて元の移
動軌跡に隣接して移動し且つ更にＬターンと直線移動と
を交互に繰り返したり、同心円に近似した渦巻き状に移
動軌跡を隣接させつつ鋳物表面の中心部と周辺との間を
移動させて、広い範囲の鋳物表層の微細な空隙や表面の
凹凸を除去することもできる。しかも、上記攪拌ツール
の移動は連続して行うため、当該ツールのプローブを最
後に抜き出した跡に残る凹みを１箇所のみに制限でき、
鋳物表面付近の強度低下を抑制することもできる。ある
いは、鋳物表面の形態により複数回の移動操作を行う場
合でも、プローブを抜き出した跡の凹みを最小限にする
ことができる。

【０００８】尚、攪拌ツールにおける本体の底面(ショ
ルダ)は、鋳物表面に対しこれを押圧しつつ接触(当接ま
たは略当接)して、当該ツールのプローブによって鋳物
素材の固相状態で流動化された金属材料の外部への飛散
を抑制している。係る攪拌ツールは、鋳物の金属材料よ
りも更に高融点で且つ硬質の金属または合金、例えば高
速度工具鋼から成形されたものが用いられる。また、攪
拌ツールは、いわゆる摩擦攪拌接合に用いられる円柱形
の本体とその底面の中心部から突出するプローブとを含
む接合ツールと同様の形態であれば、特に制限しない
が、後述するようにツールの底面において周縁からプロ
ーブの基端部に向けて渦巻き状に突出する凸条を有する
ものが特に好適に用いられる。

【０００９】また、前記攪拌ツールのプローブにより攪
拌された鋳物の表面付近において隣接する攪拌部同士
が、互いに重複する部分を含む、鋳物表面の微細空隙除
去方法も含まれる。これによれば、鋳物素材の金属材料
が固相状態で攪拌され流動化された緻密な組織の攪拌部
が、隣接する先に形成された攪拌部に沿って、互いに重
複部分を有した状態で形成される。従って、鋳物表面の
微細な凹凸は基より、表層付近の微細な空隙を確実に除
去することができるため、鋳物表面付近を緻密な組織に
して当該鋳物製品の強度を高め所要の特性を発揮させる
ことができる。

【００１０】更に、前記攪拌ツールを鋳物の表面におけ
る隣接する移動軌跡に移動させるに際し、第１の攪拌に
おけるツール本体の底面の押し込み量に対し、これに隣
接する第２の攪拌におけるツール本体の底面の押し込み
量を鋳物の深さ方向に０．１ｍｍ以上深くする、鋳物表
面の微細空隙除去方法も含まれる。これによれば、攪拌
ツールの当初寄りの移動軌跡に形成される第１の攪拌部
の表面は、ツール本体の底面に押圧されて僅かに窪む
が、連続して形成される隣接する移動軌跡に形成される
第２の攪拌部の表面が更に窪む。このため、第２以降の
攪拌部に供給する流動化した金属材料の供給量を適正化
でき、供給不足により攪拌部内に空隙を形成する内部欠
陥を確実に防止することができる。尚、上記第１の攪拌
および第２の攪拌は、攪拌ツールを移動させる際の当初
寄りと終点寄りの攪拌位置を相対的に示すものである。
また、増加する押し込み量が０．１ｍｍ未満では表面欠
陥を生じる場合があるため、これを除いたものである。
更に、増加させる押し込み量の上限は特に規定しない
が、例えば０．５ｍｍを越えると攪拌部の表面の両側に
沿って押し出された金属材料のバリの発生が顕著になる
ため、これ以下が望ましい。より望ましい増加押し込み
量は、０．１５〜０．２５ｍｍの範囲である。

【００１１】加えて、前記攪拌ツールを鋳物の表面に沿
って回転しつつ移動するに際して、攪拌ツールの前記本
体およびプローブの軸心を、鋳物の表面に対し垂直姿勢
に保つ、鋳物表面の微細空隙除去方法も含まれる。これ
によれば、攪拌ツールをＵターンまたはＬターンなどさ
せる際に、そのままの姿勢で連続して移動操作を行うこ
とができ、直線移動部の攪拌部とＵターンなどした曲が
り部の攪拌部とを均一な組織として形成することができ
る。更に、攪拌ツールの傾斜角度を調製する機能が不要
となると共に、攪拌ツールにおける本体とプローブおよ
びこれらを回転駆動する駆動源の配置や、係る駆動源と
本体およびプローブとの動力伝達機構を容易且つ簡素化
することも可能となる。

【００１２】一方、前記微細空隙除去方法に特に好適に
用いられる本発明の攪拌ツールは、鋳物の表面付近に挿
入し微細な空隙を除去するツールであって、鋳物の表面
に沿って回転しつつ移動する円柱形の本体と、この本体
の底面の中心部から突出するプローブと、上記本体の底
面において、この底面の周縁から上記プローブ基端部に
向けて渦巻き状に突出して設けられた凸条と、を含む、
ことを特徴する。これによれば、鋳物表面付近に挿入さ
れるプローブによって塑性・流動化された金属材料は、
鋳物表面に押圧しつつ接触する本体の底面に設けた渦巻
き状の凸条によって、プローブに向けて流動するように
誘導される。この結果、攪拌部において材料不足により
表面が凹む表面欠陥や、空隙形成による内部欠陥の発生
を確実に防止して緻密で均一な金属組織の攪拌部を、鋳
物表面付近の広い範囲に渉って連続形成することができ
る。

【００１３】また、前記渦巻き状に突出する凸条は、前
記本体の底面において４分の３周巻き以上である、攪拌
ツールも含まれる。これによれば、ツール本体の底面付
近において、塑性・流動化した鋳物素材の金属材料が外
部に飛散し溢れ出す事態を防ぎ、攪拌部における表面欠
陥を一層確実に防ぐことができる。尚、上記凸条が４分
の３周巻き未満では、上述した効果が不十分になるた
め、これを除外した。

【００１４】更に、前記プローブの直径(ｄ)に対する前
記底面を含む本体の直径(Ｄ)の比Ｄ／ｄが、１．８以上
である、攪拌ツールも含まれる。これによれば、プロー
ブに対し本体やその底面が太径となるため、プローブに
より塑性・流動化された鋳物素材の金属材料は、底面に
設けた渦巻き状の凸条により攪拌部内に留められ、表面
欠陥のない健全な攪拌部を形成できる。上記比Ｄ／ｄ
が、１．８未満になると、プローブに対し本体底面の直
径が近付き、流動化した金属材料を底面付近に溜められ
ず、外部に飛散して表面欠陥を生じ得るため、この範囲
を除外した。尚、本発明の微細空隙除去方法および攪拌
ツールが適用される鋳物は、アルミニウム鋳物の他、鉄
鋳物、鋼鋳物、チタンおよびその合金の鋳物等も含まれ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下において本発明の実施に好適
な形態を図面と共に説明する。図１(Ａ)，(Ｂ)は、本発
明の鋳物表面の微細空隙除去方法の概略と、これに用い
る攪拌ツール１０の使用状態を示す。図示のように、ア
ルミニウム鋳物１の表面２に沿って、円柱形の本体１２
とその底面(ショルダ)１３の中心部から同軸心で突出す
るプローブ１４とを含む攪拌ツール１０を、回転させ且
つ図１(Ａ)で右方向に移動させる。攪拌ツール１０は、
５００〜１５０００ｒｐｍの回転数で回転され、且つそ
の軸心に沿って１〜３０ｋＮの押し込み力を鋳物１の表
面２に向けて加えつつ、プローブ１４を鋳物１の表層に
向けて挿入すると共に、図１(Ａ)で右方向に５０ｍｍ〜
２メートル／分の移動速度で送られる。図１(Ｂ)に示す
ように、プローブ１４の周面には、ネジ(ネジ山とネジ
谷)１６が形成されている。

【００１６】図１(Ａ)，(Ｂ)に示すように、攪拌ツール
１０が通過した跡には、前記プローブ１４によって固相
状態で塑性化および流動化された鋳物１のアルミニウム
が攪拌されつつ固化した緻密な組織の攪拌部４が形成さ
れる。また、係る攪拌部４の表面６は、攪拌ツール１０
における本体１２の底面１３に押圧された結果、鋳物１
の表面２よりも約０．２ｍｍ程度と僅かに窪んでいる。
以上のような攪拌部４およびその表面６は、攪拌ツール
１０の移動軌跡に沿って、連続して形成される。即ち、
攪拌部４の表面６は、攪拌ツール１０の移動軌跡と共通
する。尚、プローブ１４周面のネジ１６は、アルミニウ
ムとの接触面積を増やして、上記流動化および攪拌作用
を促進させる働きを成す。

【００１７】攪拌ツール１０は、アルミニウム鋳物１よ
りも高融点で且つ硬質の例えば高速度工具鋼から成形さ
れ、図２(Ａ)〜(Ｃ)に示すように、円柱形の本体１２の
底面１３に、当該底面１３の周縁からプローブ１４の基
端部に向けて、図２(Ｂ)の底面視で略２周の渦巻き状に
突出する凸条１７を一体に有する。係る凸条１７の渦巻
き方向は、図２(Ｂ)中の矢印で示すように、攪拌ツール
１０が回転した際に、塑性化したアルミニウムをプロー
ブ１４の基端部に向けて、強制的に流動させるように予
め設定される。図２(Ｂ)，(Ａ)中の符号１８，１９は、
上記渦巻き状の凸条１７における両端部を示す。尚、凸
条１７は、底面１３において少なくとも４分の３周巻き
以上として突設することで、プローブ１４により流動化
したアルミニウムが攪拌部４における表面６の中央付近
に集まり、外部への飛散を防止して表面欠陥を防ぐこと
ができる。因みに、上記攪拌ツール１０における底面１
３を含む本体１２の直径Ｄは１５ｍｍで、長さ約６ｍｍ
のプローブ１４の直径ｄはネジ１６のネジ谷径で６ｍｍ
であり、直径Ｄ，ｄ間の比Ｄ／ｄは２．５である。係る
比Ｄ／ｄが１．８以上であるため、流動化したアルミニ
ウムの外部への飛散による漏れを防止できる。尚、ネジ
１６は、例えばＭ７×１程度のネジ山外径とピッチとを
有する。

【００１８】図３は、本発明の鋳物表面の微細空隙除去
方法における１形態に関する。図３(Ａ)に示すように、
アルミニウム鋳物１の矩形の表面２において、左上隅付
近に回転する攪拌ツール１０を配置し、プローブ１４を
鋳物１の表層に垂直に挿入すると共に、本体１２の底面
１３を表面２に対し押圧しつつ接触(当接)させて、先ず
スタートＳさせる。この際、図３(Ｂ)に示すように、プ
ローブ１４の付近における鋳物１の表層には、攪拌部４
が形成される。次に、スタートＳの位置から図３(Ａ)中
の矢印で示すように、攪拌ツール１０を右方向に回転し
つつ移動させた後、Ｕターン７させる。この際、攪拌ツ
ール１０の本体１２およびプローブ１４の軸心は鋳物１
の表面２に対し、垂直(直角)姿勢の状態で回転しつつ移
動しているため、Ｕターン７をスムーズに行うことがで
きる。

【００１９】続いて、攪拌ツール１０を左／右方向への
直線移動とこれらの間のＵターン７とを交互に繰り返し
て行う。しかも、攪拌ツール１０が通過した隣接する移
動軌跡に形成される攪拌部４，４は互いに重複するよう
予めツール１０の移動経路を設定する。この結果、図３
(Ｃ)に示すように、互いに平行で隣接する複数の攪拌部
４が重複した状態で、図３(Ａ)に示すように、アルミニ
ウム鋳物１の表面２におけるほぼ全面に渉って、攪拌部
４がジグザク状に形成される。尚、図３(Ａ)，(Ｃ)中の
符号Ｅは、攪拌ツール１０の終点位置を示し、その中心
部にはプローブ１４を抜いた跡の凹み９が形成される。

【００２０】前記図３における攪拌ツール１０の移動に
際して、図４(Ａ)，(Ｂ)に示すように、隣接する攪拌部
４ａ，４ｂのうち、当初(第１)の攪拌部４ａの表面６ａ
における鋳物１の表面２に対する窪み量ｎ１に比べて、
その後に形成された第２の攪拌部４ｂの表面６ｂにおけ
る窪み量ｎ２が僅かに大きくなるように、攪拌ツール１
０における第１・第２の押し込み量を調整している。こ
れにより、攪拌部４ｂに供給すべき流動化したアルミニ
ウムの供給量を適正化でき、供給不足により攪拌部４ｂ
内に空隙を生じる内部欠陥を防止することができる。攪
拌ツール１０において増加した押し込み量は、０．１ｍ
ｍ以上であり、望ましくは０．１５ｍｍ以上である。
尚、増加すべき押し込み量をあまり増やすと、アルミニ
ウムの飛散により攪拌部４の表面６の両側に沿って生じ
るバリが増大するため、増加すべき押し込み量は０．５
ｍｍ以下、望ましくは０．２５ｍｍ以下とする。これに
より、流動化したアルミニウムが攪拌部４ａ，４ｂから
外部に溢れ出ず、供給不足を生じないので、攪拌部４
ａ，４ｂにおいてアルミニウム不足による内部欠陥を確
実に防止することができる。

【００２１】図４(Ｃ)は、攪拌ツール１０の異なる移動
パターンを示し、平面視で正方形のアルミニウム鋳物１
の表面２において、左下隅の位置からツール１０をスタ
ートＳし、表面２の各辺に沿って直線移動と直角に曲が
るＬターン８とを交互に繰り返した後、表面２の中央付
近の位置で終点Ｅとしてツール１０を抜いたものであ
る。従って、鋳物１の表面２において隣接する攪拌部４
の内外３重の表面６ａ，６ｂ，６ｃを略矩形に形成し、
表面２の中心部を除くほぼ全域において、表層付近の微
細な空隙や表面２の微細な凹凸を除去できる。また、図
４(Ｄ)は、表面２の左下寄りの位置から攪拌ツール１０
をスタートＳし、直線移動と直角に曲がるＬターン８と
を交互に繰り返すと共に、途中でＵターン７を含めて移
動させ、内外２重の攪拌部４の表面６ａ，６ｂを形成し
た後、スタートＳに対して斜め外側の位置で終点Ｅでツ
ール１０を抜いたものである。

【００２２】更に、図４(Ｅ)は、表面２の左下隅の位置
から攪拌ツール１０をスタートＳし、直線移動と直角に
曲がるＬターン８とを交互に繰り返すと共に、途中でＵ
ターン７を含めて移動させて、内外２重の攪拌部４の表
面６ａ，６ｂを形成した後、スタートＳに隣接した位置
で終点Ｅとしてツール１０を抜いたものである。また、
図４(Ｆ)は、表面２の左辺中央の位置から攪拌ツール１
０をスタートＳし、表面２の中心部に向けて時計回り方
向にカーブし且つ渦巻き状に移動させて同心円に近似し
た渦巻き状の攪拌部４による表面６ａ，６ｂ，６ｃを形
成した後、表面２の中心部付近で終点Ｅとしてツール１
０を抜いたものである。尚、図４(Ｆ)において、攪拌ツ
ール１０のスタートＳと終点Ｅとの位置をそれぞれ逆に
した移動パターンにしても良い。この場合、プローブ１
４が抜けた凹部９を表面２の周辺寄りの位置に形成する
ことができる。

【００２３】以上のように、図２に示した攪拌ツール１
０を使用して図１、図３および図４に示した微細空隙除
去方法を行うことにより、攪拌ツール１０のプローブ１
４が回転しつつ移動したアルミニウム鋳物１の表面２付
近には、アルミニウムが固相状態で攪拌・流動化されて
固化した緻密な組織の攪拌部４が、ツール１０の移動軌
跡に沿って形成される。また、攪拌ツール１０を鋳物１
の表面２に沿って直線移動した後、Ｕターン７させて元
の移動軌跡に隣接して攪拌部４を連続形成したり、係る
直線移動とＵターン７とを複数回に渉り繰り返して広い
範囲の鋳物１の表面２を移動させ、これら鋳物１の表層
の微細な空隙や表面２の微細な凹凸を除去することがで
きる。更には、攪拌ツール１０をアルミニウム鋳物１の
表面２に沿って直線移動した後、直角のＬターン８をさ
せて元の移動軌跡に隣接して移動し且つ更にＬターン８
と直線移動とを交互に繰り返したり、渦巻き状に移動軌
跡を隣接させつつ鋳物１の表面２の中心部と周辺との間
を移動させて、広い範囲の鋳物１の表層の微細な空隙や
表面２の微細な凹凸を除去することもできる。

【００２４】しかも、上記攪拌ツール１０の移動は連続
して行うため、当該ツール１０のプローブ１４を最後に
抜き出した終点Ｅに残る凹み９を１箇所のみまたは最小
限にでき、アルミニウム鋳物１の表面２付近の強度低下
を抑制することもできる。また、鋳物１の表面２におい
て、プローブ１４により形成され且つ隣接する攪拌部
４，４間には、互いの重複部が存在するため、表層付近
の微細な空隙を確実に除去して緻密な表層組織に改質で
きる。更に、隣接する攪拌部４ａ，４ｂにおける攪拌ツ
ール１０における本体１２の底面１３の押し込み量を、
０．１〜０．５ｍｍの範囲で順次増加させるため、追っ
て形成された攪拌部４ｂ中において空隙を生じ得る内部
欠陥を予防できる。

【００２５】加えて、攪拌ツール１０をその本体１２お
よびプローブ１４の軸心を、鋳物１の表面２に対し、垂
直姿勢の状態で回転しつつ移動させるため、前記Ｕター
ン７やＬターン８の移動が容易となり、当該ツール１０
自体の操作も容易となる。一方、攪拌ツール１０は、そ
の本体１２の底面に渦巻き状の凸条１７を少なくとも４
分の３周巻き以上に渉って突設したので、プローブ１４
により流動化したアルミニウムが攪拌部４における表面
６の中央付近に集まり、外部への溢れ出す事態を防止す
ることが可能となる。しかも、プローブ１４の直径ｄに
対する本体１２(底面１３)の直径Ｄの比Ｄ／ｄを１．８
以上としたので、流動化したアルミニウムは、底面１３
に設けた渦巻き状の凸条１７により攪拌部４内に留めら
れ、表面欠陥のない健全な攪拌部４を確実に形成するこ
とができる。尚、本発明の微細空隙除去方法は、凸条１
７を有する攪拌ツール１０に限らず、次述する凸条１７
のない攪拌ツール１０ａを用いても実現可能である。

【００２６】

【実施例１，２】ここで本発明の具体的な実施例を比較
例と共に説明する。図５(Ａ)は、前記攪拌ツール１０を
用い、アルミニウム鋳物１の表面２付近を回転させつつ
移動させて、攪拌部４とその表面６とを形成した状態を
示す。この場合、攪拌ツール１０の底面１３は、鋳物１
の表面２に接触する程度とされ、鋳物１の表層には渦巻
き形の凸条１７のみが挿入される。係るツール１０にお
いて、底面１３を含む本体１２の直径Ｄは１５ｍｍで、
長さ６ｍｍのプローブ１４の直径ｄはネジ１６のネジ谷
径で６ｍｍであり、直径Ｄ，ｄ間の比Ｄ／ｄは２．５で
ある。また、凸条１７の断面寸法は、幅０．５ｍｍ、高
さ１ｍｍである。

【００２７】図５(Ｂ)，(Ｃ)は、異なる形態の攪拌ツー
ル１０ａとその使用状態を示す。攪拌ツール１０ａは、
いわゆる摩擦攪拌接合に用いられる接合ツールと同様の
もので、上記攪拌ツール１０と同じ直径(Ｄ)１５ｍｍの
本体１２と、その底面１３ａの僅かに凹んだ中心部から
突出し上記攪拌ツール１０と同じ６ｍｍの長さで且つ直
径(ｄ)６ｍｍのプローブ１４、およびその周面に同じネ
ジ１６を有する。尚、本体１２の底面１３ａの周縁にお
けるすくい角θ１は１０°である。図５(Ｃ)に示すよう
に、攪拌ツール１０ａは、アルミニウム鋳物１の表面２
に対して、その本体１２およびプローブ１４の軸心を前
進方向と反対側に数°傾斜(前進角θ２)させた状態で、
回転しつつ移動して用いられる。この場合、攪拌ツール
１０ａの表面２に対する押し込み量(ａｐ)は、図５(Ｃ)
に示すように、鋳物１の表面２と上記底面１３ａにおけ
る軸心との垂直方向の距離で示される。

【００２８】ここで、厚さ２０ｍｍで、１００ｍｍ×２
００ｍｍの表面２を有するアルミニウム鋳物(ＪＩＳ：
ＡＣ４Ｃ)１を５組用意した。また、３組の攪拌ツール
１０と２組の攪拌ツール１０ａとを別途用意した。３組
の攪拌ツール１０のうち、その本体１２の底面１３に渦
巻き形に突設した凸条１７が１周巻きのものを実施例
１、４分の３周(３／４)巻きのものを実施例２、半周
(１／２)巻きのものを比較例１とした。また、２組の攪
拌ツール１０ａを比較例２，３とした。表１のように、
各例の攪拌ツール１０，１０ａを、押し込み量(ａｐ)の
有無、表面２に対する傾斜(前進角θ２)の有無で分け、
且つ同じ８９０ｒｐｍの回転数および５００ｍｍ／分の
移動速度を伴って、各組のアルミニウム鋳物１の表面２
に沿って、長さ１８０ｍｍの直線形にプローブ１４を移
動させた。各例のツール１０，１０ａにより形成された
鋳物１の攪拌部４を、個別に切断して目視によって、内
部欠陥や表面欠陥の有無を調べた。これらの結果も、各
例のツール１０，１０ａに対応させた実施例１，２や比
較例１〜３として表１に示した。

【００２９】

【表１】

【００３０】表１によれば、実施例１，２では欠陥がな
かったのに対し、半周分の渦巻き形の凸条１７を有する
攪拌ツール１０を用いた比較例１では攪拌部４の表面が
凹む表面欠陥が生じていた。比較例１では、凸条１７が
半周分しかないため、プローブにより流動化したアルミ
ニウムが攪拌部４から外部に飛散したために表面欠陥が
生じた。また、攪拌ツール１０ａを垂直姿勢で用いた比
較例２では攪拌部４中に内部欠陥が生じていた。これ
は、凸条１７のない攪拌ツール１０ａを垂直姿勢で使用
し且つ押し込み量(ａｐ)を０．２ｍｍで加えたため、流
動化したアルミニウムが攪拌部４中において不足した結
果、内部欠陥を生じたものである。尚、比較例３では、
比較例２と同じ押し込み量(ａｐ)を加えたが、攪拌ツー
ル１０ａを３°傾斜させた結果、流動化したアルミニウ
ムが攪拌部４に留まったため、内部欠陥や表面欠陥を生
じていなかった。但し、比較例３のように、ツール１０
ａを３°傾斜させることは、鋳物１の広い表面２を連続
して移動させる際に、前記Ｕターン７などが困難で実用
的ではない。以上の結果から、本発明の微細空隙除去方
法およびこれに用いる攪拌ツール１０の優位性が理解さ
れる。

【００３１】

【実施例３，４】厚さ２０ｍｍで、１００ｍｍ×２００
ｍｍの表面２を有するアルミニウム鋳物(ＪＩＳ：ＡＣ
４Ｃ)１を３組用意し、且つ３組の攪拌ツール１０も用
意した。表２に示すように、各例のツール１０の底面１
３の直径Ｄを１５ｍｍで共通とし、プローブ１４の直径
ｄ(ネジ１６のネジ谷径)を変化させて、これらの比Ｄ／
ｄを３通りに変化させた。また、渦巻き形の凸条１７の
巻数も表２のように変化させて、実施例３，４や比較例
４とした。これらを同じ８９０ｒｐｍの回転数および同
じ５００ｍｍ／分の移動速度を伴って、各組のアルミニ
ウム鋳物１の表面２に沿って、長さ１８０ｍｍの直線形
にプローブ１４を個別に移動させた。各例のツール１０
により形成された鋳物１の攪拌部４を、個別に切断して
目視により、内部欠陥や表面欠陥の有無を調べた。これ
らの結果も、各例のツール１０に対応させた実施例３，
４や比較例４として表２に示した。

【００３２】

【表２】

【００３３】表２によれば、前記比Ｄ／ｄが１．８以上
で且つ凸条１７が４分の３周巻き以上の実施例３，４で
は、何れにも欠陥は生じていなかった。これに対し、比
較例４では、凸条１７を４分の３周巻きとしたにも拘わ
らず、前記比Ｄ／ｄは１．８未満であるため、その攪拌
部４に表面欠陥が生じていた。即ち、上記比Ｄ／ｄが
１．８未満であり、プローブ１４の径ｄに対して底面１
３の径Ｄが相対的に小さくなるため、プローブ１４によ
って流動化したアルミニウムが攪拌部４から溢れ出し、
ツール１０の周囲から外部に飛散したためである。係る
結果により、上記比Ｄ／ｄを１．８以上とし且つ凸条１
７を４分の３周巻き以上とする本発明の攪拌ツール１０
の優位性が、容易に理解される。

【００３４】

【実施例５，６】樹脂を射出成形するアルミニウム製の
金型は、一般に展伸用アルミニウム合金を圧延した圧延
材により製作され、そのキャビティの表面には例えばＦ
ｅメッキが耐熱・耐摩耗性のために被覆されている。し
かし、係る金型はコスト高であるため、アルミニウム鋳
物の適用が検討されている。ところが、アルミニウム鋳
物には鋳巣が内在するため、表面精度の良いキャビティ
が形成しにくい、という問題がある。このために、これ
まで実用化には至っていなかった。ここで、アルミニウ
ム鋳物製の射出成形金型について、本発明の微細空隙除
去方法を適用した実施例を行い、上述した問題点を解決
可能とした。先ず、図６(Ａ)に示すように、厚さが３０
ｍｍで、１００ｍｍ×２００ｍｍの表面２２を有するア
ルミニウム(ＪＩＳ：Ａ５０８３)鋳物２０を３組用意し
た。これらの鋳物２０は、射出成形金型を製作するため
の模擬的な試験片である。

【００３５】また、前記同様の攪拌ツール１０を用意し
た。該ツール１０は、その底面１３を含む本体１２の直
径Ｄは１５ｍｍで、長さ６ｍｍのプローブ１４の直径ｄ
はネジ１６のネジ谷径で７ｍｍであり、直径Ｄ，ｄ間の
比Ｄ／ｄは約２．１である。図６(Ｂ)に示すように、係
る攪拌ツール１０を用いて、各組のアルミニウム鋳物２
０の表面２２に対し、左側の位置に１つのＵターン７を
含む平面視でＵ字形を呈し且つ互いに通過軌跡が重複す
る２本の攪拌部４からなる改質部２４を、個別に形成し
た。また、表面２２の右側の位置に、３つのＵターン７
を交互に含む平面視でジグザグ形を呈し且つ互いに通過
軌跡が重複する４本の攪拌部４からなる改質部２６を、
各組の鋳物２０に個別に形成した。この際、攪拌ツール
１０は鋳物２０の表面２２に対し垂直姿勢に保たれ、且
つ同じ８９０ｒｐｍの回転数と同じ５００ｍｍ／分の移
動速度により回転させつつ移動させた。

【００３６】そして、１組のアルミニウム鋳物２０は、
その表面２２において、改質部２４，２６共に、ツール
１０における本体１２の底面１３の押し込み量を、当初
または直前の移動直線部に対し０．２ｍｍずつ増加させ
た。これにより、得られた改質部２４，２６を有する鋳
物２０を実施例５とした。また、別組の鋳物２０におい
て、押し込み量を０．５ｍｍずつ増加させたものを実施
例６とした。更に、別組の鋳物２０において、押し込み
量を当初の０．２ｍｍのまま一定に保ったものを比較例
５とした。

【００３７】各例のアルミニウム鋳物２０の改質部２
４，２６を切断して目視により、内部欠陥や表面欠陥の
有無を調べた。その結果、実施例５，６の何れでも、欠
陥は生じていなかった。これに対し、比較例５では、微
細な内部欠陥が確認された。係る結果により、隣接する
攪拌部４毎にツール１０を０．１ｍｍ以上で順次深く押
し込む本発明の微細空隙除去方法の優位性が理解され
る。尚、実施例６では、押し込み量が大きいため、攪拌
部４の両側に沿ってバリが顕著に形成されていた。この
ため、増加する押し込み量は０．５ｍｍより小さい方が
望ましいと言える。

【００３８】

【実施例７】図６(Ａ)に示したアルミニウム鋳物２０を
別に２組用意した。１組には、図６(Ｂ)に示した改質部
２４，２６を前記同様にして形成した後、図６(Ｃ)に示
すように、改質部２４，２６の長手方向に沿った凹溝２
５，２７を形成し、厚さ約２ｍｍで断面略凹形の改質部
２４ａ，２６ａを形成した後、その表面にＦｅメッキを
被覆した模擬的な射出成形金型２８を製作した。これを
実施例７とした。上記改質部２４ａ，２６ａは、射出成
形金型２８におけるキャビティに相当する。尚、上記Ｆ
ｅメッキは、アルミニウム鋳物２０の表面２２にＮｉ・
Ｃｒメッキ層を被覆した後、硫化第一鉄、フッ化ナトリ
ウム、およびピロガールを混合した鉄メッキ浴中におい
て通電することにより、Ｎｉ・Ｃｒメッキ層の上にＦｅ
メッキ層を更に被覆するものである。一方、別組の図６
(Ａ)に示した鋳物２０に対し、直に上記と同じＦｅメッ
キを同じ条件で被覆して、得られた模擬的な射出成形金
型を比較例６とした。実施例７の改質部２４ａ，２６ａ
につき、Ｆｅメッキの状態を観察した結果、緻密で均一
なメッキ面であった。これに対し、比較例６では、表層
付近の鋳巣に起因する穴や凹凸が確認された。従って、
本発明による微細空隙除去方法は、アルミニウム製の射
出成形金型に有効に適用可能であることが裏付けられ
た。

【００３９】本発明は、以上に説明した形態や実施例に
限定されるものではない。例えば、前記攪拌部４の表面
６は、そのままで活用しても良いが、係る攪拌部４の大
半を残すように、表面６付近を切削する仕上げ加工を施
しても良い。また、攪拌ツール１０の移動に際して、直
線移動部同士の間において、鋭角または鈍角のターンを
含めても良い。更に、攪拌ツール１０におけるプローブ
１４の先端面には、格子状または散点状の多数の凸部を
設けても良く、あるいは、プローブ１４の周面に対し前
記ネジ１６に替えて、その軸心に沿った複数の凹溝を設
けても良い。また、鋳物１の表面２には、前記平坦面に
限らず、緩いカーブにより突出または窪む曲面も含まれ
る。尚、攪拌ツール１０，１０ａの回転を伴う各種の移
動パターンを、当該ツールを制御する例えばパーソナル
コンピュータのＲＡＭなどに予め記憶させておき、直線
移動部の長さやＵターンなどの径を随時入力可能とし
て、本発明の微細空隙除去方法を自動化することも可能
である。

【００４０】

【発明の効果】以上において説明した本発明の鋳物表面
の微細空隙除去方法によれば、攪拌ツールのプローブが
回転して移動した鋳物表面付近には、鋳物の金属材料が
固相状態で攪拌され流動化された緻密な組織の攪拌部
が、上記ツールの移動軌跡に沿って形成される。また、
攪拌ツールを鋳物表面に沿って直線移動した後、Ｕター
ンさせて元の移動軌跡に隣接して攪拌部を連続形成した
り、係る直線移動とＵターンとを複数回に渉り繰り返し
て広い範囲の鋳物表面を移動させ、これら鋳物表層の微
細な空隙や表面の凹凸を除去できる。あるいは、攪拌ツ
ールを鋳物表面に沿って直線移動させた後、直角のＬタ
ーンをさせて元の移動軌跡に隣接して移動し且つ更にＬ
ターンと直線移動とを交互に繰り返したり、渦巻き状に
移動軌跡を隣接させつつ鋳物表面の中心部と周辺との間
を移動させて、広い範囲の鋳物表層の微細な空隙や表面
の凹凸を除去することもできる。しかも、上記ツールの
移動は連続して行うため、当該ツールのプローブを最後
に抜き出した跡に残る凹みを１箇所または最小限にで
き、鋳物表面付近の強度低下を抑制することもできる。

【００４１】また、請求項２の微細空隙除去方法によれ
ば、鋳物の金属材料が固相状態で攪拌・流動化された緻
密な組織の攪拌部が、隣接する先に形成された攪拌部に
沿って、互いに重複した状態で形成される。従って、鋳
物表面の微細な凹凸は基より、表層付近に存在する微細
な空隙を確実に除去することができるため、鋳物表面付
近を緻密な組織にして鋳物製品の強度を高め所要の特性
を発揮させ得る。更に、請求項３の微細空隙除去方法に
よれば、攪拌ツールの移動軌跡に形成される第１の攪拌
部の表面は、ツール本体の底面に押圧されて僅かに窪む
が、連続して形成される隣接する移動軌跡に形成される
第２の攪拌部の表面が更に窪む。この結果、鋳物素材の
流動化した金属材料が攪拌部に適正に供給されるので、
攪拌部中において材料不足による内部欠陥を確実に防止
できる。

【００４２】一方、本発明の攪拌ツールによれば、鋳物
表面付近に挿入するプローブにより塑性・流動化された
金属材料は、鋳物表面に押圧しつつ接触する本体の底面
に設けた渦巻き状の凸条によって、プローブに向けて流
動するように誘導される。従って、攪拌部において材料
不足により表面が凹む表面欠陥や、内部欠陥の発生を確
実に防止して緻密で均一な金属組織の攪拌部を、鋳物表
面付近の広い範囲に渉って連続形成することができる。
また、請求項７の攪拌ツールによれば、プローブに対し
本体や底面が太径となるため、プローブにより塑性・流
動化された鋳物の金属材料は、底面に設けた渦巻き状の
凸条により攪拌部内に留められ、表面欠陥のない健全な
攪拌部を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(Ａ)は本発明の微細空隙除去方法の概略を示す
斜視図、(Ｂ)は(Ａ)中のＢ−Ｂ線に沿った視角による断
面図。

【図２】(Ａ)，(Ｂ)は本発明の攪拌ツールを示す側面図
または底面図、(Ｃ)は(Ｂ)中のＣ−Ｃ線に沿った視角に
よる断面図。

【図３】(Ａ)は本発明の微細空隙除去方法の１形態を示
す平面図、(Ｂ)，(Ｃ)は(Ａ)中のＢ−Ｂ線に沿った視角
による異なる時点での断面図。

【図４】(Ａ)，(Ｂ)は本発明の微細空隙除去方法におけ
る攪拌ツールの押し込み態様を示す概略図、(Ｃ)〜(Ｆ)
は異なる形態の微細空隙除去方法を示す平面図。

【図５】(Ａ)は本発明の攪拌ツールの使用状態を示す概
略図、(Ｂ)は本発明の微細空隙除去方法に用い得る異な
る形態の攪拌ツールの断面図、(Ｃ)はその使用状態を示
す概略図。

【図６】(Ａ)〜(Ｃ)は本発明の微細空隙除去方法を用い
た射出成形金型の試験片の製作工程を示す概略図。

【符号の説明】

１，２０………アルミニウム鋳物(鋳物) ２，２２………表面 ４………………攪拌部 ６………………攪拌部の表面(移動軌跡) ７………………Ｕターン ８………………Ｌターン(直角のターン) １０，１０ａ…攪拌ツール １２……………本体 １３，１３ａ…底面 １４……………プローブ １７……………凸条 ｎ１，ｎ２……押し込み量

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開2001−246458（ＪＰ，Ａ) 特開2000−15426（ＪＰ，Ａ) 特開2001−181809（ＪＰ，Ａ) 特開2001−32058（ＪＰ，Ａ) 特開2000−336465（ＪＰ，Ａ) 特開2001−347360（ＪＰ，Ａ) 特開2001−347359（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−183316（ＪＰ，Ａ) 特表 平７−505090（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22D 29/00 B23K 20/12 310 B23K 103:10

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鋳物の表面に沿って回転しつつ移動する本
   体およびその底面の中心部から突出するプローブを含む
   攪拌ツールを、上記底面が鋳物の表面に当接または略当
   接しつつ上記プローブを鋳物の表面付近に挿入して微細
   な空隙を除去するに際し、 上記攪拌ツールを平面視において鋳物の表面に対して、
   Ｕターン、あるいは直角または任意角度のターンを含み
   つつ、移動軌跡が互いに隣接するように連続移動させ
   る、ことを特徴とする鋳物表面の微細空隙除去方法。
2. 【請求項２】前記攪拌ツールのプローブにより攪拌され
   た鋳物の表面付近において隣接する攪拌部同士が、互い
   に重複する部分を含む、 ことを特徴とする請求項１の鋳物表面の微細空隙除去方
   法。
3. 【請求項３】前記攪拌ツールを鋳物の表面において隣接
   する移動軌跡に移動させるに際し、第１の攪拌における
   ツール本体の底面の押し込み量に対し、これに隣接する
   第２の攪拌におけるツール本体の底面の押し込み量を鋳
   物の深さ方向に０．１ｍｍ以上深くする、 ことを特徴とする請求項１または２の鋳物表面の微細空
   隙除去方法。
4. 【請求項４】前記攪拌ツールを鋳物の表面に沿って回転
   しつつ移動するに際して、攪拌ツールの前記本体および
   プローブの軸心を、鋳物の表面に対し垂直姿勢に保つ、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の鋳物
   表面の微細空隙除去方法。
5. 【請求項５】鋳物の表面付近に挿入し微細な空隙を除去
   するツールであって、 鋳物の表面に沿って回転しつつ移動する円柱形の本体と 上記本体の底面の中心部から突出するプローブと、 上記本体の底面において、この底面の周縁から上記プロ
   ーブ基端部に向けて渦巻き状に突出して設けられた凸条
   と、を含む、ことを特徴する攪拌ツール。
6. 【請求項６】前記渦巻き状に突出する凸条は、前記本体
   の底面において４分の３周巻き以上である、ことを特徴
   する請求項５に記載の攪拌ツール。
7. 【請求項７】前記プローブの直径(ｄ)に対する前記底面
   を含む本体の直径(Ｄ)の比Ｄ／ｄが、１．８以上であ
   る、 ことを特徴する請求項５または６に記載の攪拌ツール。
8. 【請求項８】請求項５乃至請求項７の何れかの接合ツー
   ルを用いる、ことを特徴とする、請求項１乃至４の何れ
   かに記載の鋳物表面の微細空隙除去方法。