摩擦攪拌プロセスに用いるツールおよび摩擦攪拌プロセス
【課題】摩擦攪拌プロセスで使用するツールに掛ける荷重を減少することができる、形状が単純で寿命の長いツールを提供することである。
【解決手段】ツールの底面に凹み穴を形成して、被処理材の接合時または表面処理時にツール底面が被処理材と接触する実質面積をプロセス条件に応じて減少させる。
【解決手段】ツールの底面に凹み穴を形成して、被処理材の接合時または表面処理時にツール底面が被処理材と接触する実質面積をプロセス条件に応じて減少させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は摩擦攪拌プロセスに用いるツールおよびそのツールを用いた摩擦攪拌プロセス、特に鋳鉄材や鉄鋼材の表面硬化処理に用いるツールに関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌接合は比較的新しい接合法であり、初期においては、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金などの接合に向けての研究が進められ、現在までにアルミニウム合金をはじめとする融点の低い軽金属の接合に実用化されている。その後はこれまで接合が困難とされてきた軽金属の鋳物材、複合材、異材接合、さらに鉄鋼材を中心とする高融点材料の接合や接合のメカニズムについての研究に展開しつつある。
【０００３】
一方、この摩擦攪拌接合技術は発生する摩擦熱を利用して金属材料の表面改質にも応用されてきており、特許文献１にはその一例が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−０７７４１９号公報。
【０００５】
摩擦攪拌プロセスは、ツールと呼ばれる工具を接合材または表面改質材に接触させながら回転させて摩擦熱を発生させ、ツールを所定の位置まで材料に圧入させた状態で接合材または改質材料の流動を伴いつつツールを接合方向または改質領域で移動させながら接合また改質を行う方法である。
【０００６】
図１は摩擦攪拌プロセスを利用した表面硬化処理法の概略を示しており、表面硬化処理しようとする例えば鋳鉄材のような被処理材１にツール２を加圧状態で接触させながらA 方向に回転させつつB方向に移動させていく。３はツール２に荷重を掛けながら回転、移動する工作機械などの駆動装置である。４はツール２が通過して硬化処理された処理部、５は処理部４が深さ方向に及んでいることを示す。
【０００７】
摩擦攪拌プロセスに用いられるツール２は、一般的に、図２に示すように全体が円柱状で、底面に小径の円柱状のプローブ２１を有しており、プローブの長さを変化させることにより硬化部の厚さを変化させることが可能である。大径部の下端縁はショルダ２ａと呼ばれている。プローブ２１の回転により材料に摩擦熱が発生し、材料が攪拌され、その際はみ出た材料をショルダ２ａで押さえつけてバリの発生を抑えるようにしている。ツールの形状によって表面処理の状態が大きく変ることがよく知られており、様々な形状のツールが開発されている。
【０００８】
一方、摩擦攪拌プロセスを利用して材料の表面を改質する表面改質処理法では、図２に示したツール２のプローブ２１のない底面が平坦なツールが実験的に使用されている。
【０００９】
いずれの場合も、摩擦攪拌プロセスは、図３に示すように、ツール２を被処理材１の表面に対して移動方向B後方に角度（前進角）θ°だけ傾斜させた状態で白矢印Dで示す方向に荷重を掛けながら、被処理材１に押し付けた状態で図１に矢印Aで示すように回転させながら矢印Bの方向に移動させて行われる。
θはおおむね０〜１０°である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、この摩擦攪拌接合プロセスを鉄系材料の表面硬化処理に適用するに当たっては、応力の集中を抑え、ツール寿命の長期化を図るためにツール形状の単純化が望ましく、単純な形状、構造で強度がありかつ硬化処理上効率のよいツールが望まれている。
本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、比較的単純な形状で、寿命が長くかつ処理効率に優れたツールおよびそのツールを用いた摩擦攪拌プロセス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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、摩擦攪拌プロセスに用いるツールの底面に凹み穴を形成した。
【００１２】
さらに、底面に凹み穴を形成したツールの底面と被処理材との接触面積の減少程度をプロセス条件、例えばツールに掛ける荷重に応じて変えるようにした。
【００１３】
また、本発明においては、摩擦攪拌プロセスにより被処理材の表面硬化処理をするに当たり、底面に凹み穴を形成したツールを用いることとした。
【００１４】
本発明による摩擦攪拌プロセスは鋳鉄材、鉄鋼材、その他の材料の表面硬化処理に用いられる。
【００１５】
本発明の一実施形態によれば、ツールの底面に形成する凹み穴の面積は、ツールの回転速度をN（ｒｐｍ）、ツールの移動速度をV(ｍｍ／分)、ツールへの加圧荷重をL（ｋｇ）、ツールの試料との接触面積率（平坦ツールの底面積と平坦ツールの底面積から凹み穴の面積を引いた残りの面積との比率）をR（０＜R＜1）としたとき、表面硬化処理される被処理材がパーライト系片状黒鉛鋳鉄である場合は、式12500＜Ｎ×L／ＶＲ＜150000を満足するR の値に基いて決定される。
【００１６】
また本発明の摩擦攪拌プロセスにおいては、底面に凹み穴を形成したツールを用いる。
【００１７】
本発明による摩擦攪拌プロセスを鋳鉄材や鉄鋼材の表面硬化処理に用いる場合、特にパーライト系片状黒鉛鋳鉄の表面硬化処理に用いる場合、そのプロセス条件が下記の式を満足することが好ましい。
【００１８】
ツールの回転速度をN（ｒｐｍ）、ツールの移動速度をV(ｍｍ／分)、ツールへの加圧荷重をL（ｋｇ）、ツールの被処理材との接触面積率（平坦ツールの底面積と平坦ツールの底面積から凹み穴の面積を引いた残りの面積との比率）をR（０＜R＜1）としたとき、12500＜Ｎ×L／ＶＲ＜150000。
【００１９】
さらに、ツールの直径D(ｍｍ)を考慮すると、プロセス条件が式312500＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜3750000を満足することが好ましい。
【００２０】
また別の実施態様において、本発明による摩擦攪拌プロセスをパーライト系球状黒鉛鋳鉄の表面硬化処理に用いる場合、プロセス条件が式11250＜Ｎ×L／ＶＲ＜75000を満足することが好ましい。
【００２１】
さらに、ツールの直径D(ｍｍ)を考慮すると、プロセス条件が式281250＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜1875000を満足することが好ましい。
【００２２】
また別の実施態様において、本発明による摩擦攪拌プロセスをフェライト系片状黒鉛鋳鉄の表面硬化処理に用いる場合、プロセス条件が式45000＜Ｎ×L／ＶＲ＜210000を満足することが好ましい。
【００２３】
さらに、ツールの直径D(ｍｍ)を考慮すると、プロセス条件が式1125000＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜5250000を満足することが好ましい。
【００２４】
また別の実施態様において、本発明による摩擦攪拌プロセスをフェライト系球状黒鉛鋳鉄の表面硬化処理に用いる場合、プロセス条件が式30000＜Ｎ×L／ＶＲ＜150000を満足することが好ましい。
【００２５】
さらに、ツールの直径D(ｍｍ)を考慮すると、プロセス条件が式750000＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜3750000を満足することが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、ツールの形状が比較的単純なので製作が容易であり、寿命も長く、その上ツールに掛ける比較的少ない荷重で摩擦攪拌プロセスが可能となる。
【００２７】
本発明による底面に凹み穴を形成した円柱状のツールをたとえばパーライト系片状黒鉛鋳鉄の表面硬化処理に用いた場合、凹φ１０ツールを使用する場合においては、４ｋｇｆ／ｍｍ２以上の加圧力のもとでは、底面が平坦なツールに掛ける荷重を１６％減らしてもそれと同等の硬化層が得られた。また凹φ１５ツールを使用する場合は、６ｋｇｆ／ｍｍ２以上の加圧力のもとでは、底面が平坦なツールに掛ける荷重を３６％減らしてもそれと同等の硬化層が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】摩擦攪拌プロセスによる表面硬化処理の実施状態の概略を示す。
【図２】従来の摩擦攪拌プロセスで使用されているツールの代表例を示す
【図３】摩擦攪拌プロセスにおけるツールの動作状態を示す。
【図４】摩擦攪拌ロセスで使用される本発明によるツールの一例を示しており、（ａ）はツールの斜視図、（ｂ）はツールの平坦面、（ｃ）は直径１０ｍｍの凹み穴を有するツールの底面図、（ｄ）は直径１５ｍｍの凹み穴を有するツールの底面図、（ｅ）は直径２０ｍｍの凹み穴を有するツールの底面図である。
【図５】底面が平坦なツールと底面に直径１０mmの円形凹み穴のあるツールを用いて表面硬化処理をした供試材料の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。
【図６】底面が平坦なツールと底面に直径１５mmの円形凹み穴のあるツールを用いて表面硬化処理をした供試材料の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。
【図７】底面が平坦なツールと底面に直径２０mmの円形凹み穴のあるツールを用いて表面硬化処理をした供試材料の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。
【図８】供試材料の硬化層の厚さのツール圧力依存性を示す。
【図９】供試材料の硬化層の厚さの荷重依存性を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】
本発明ではツールの形状が被処理材の表面硬化処理に与える影響を調べるべく、以下の実験を行った。
実 験 例 １
供試材料：パーライト系片状黒鉛鋳鉄（FC300）
供試材料は下記の化学分析値および寸法を有する。
【００３１】
化学分析値（重量％）
C Si Mn P S Mｇ
FC 300 3.02 1.60 0.75 0.07 0.042 −
寸 法（ｍｍ）
長さ 幅 厚さ
１００ ３００ ５
プロセス前の供試材料（FC300）のビッカース硬度は２２０〜２５０HVであり、基地組織はすべてパーライト組織であった。
実 験
FC300を供試材料とし、図４（ａ）に示すような底面中心に円形の凹み穴２ｂを形成した超硬合金製の直径２５ｍｍ、長さ３０ｍｍのツールを用いた。凹み穴２ｂの直径として、図４（ｃ）に示すような１０ｍｍのもの、図４（ｄ）に示すような１５ｍｍのもの、図４（ｅ）に示すような２０ｍｍのものを用い、比較のために図４（ｂ）に示すような底面が平坦なものの４種類を用いた。
【００３２】
ツール２に掛ける荷重はツール底面にかかる圧力が同等になるように設定した。実験条件の一覧を下に示し、この条件でツールの回転速度を１０００ｒｐｍ、ツールの移動速度を１００ｍｍ／分、ツールの前進角を３°として実験を行った。
【００３３】
ツール形状 底面平坦 底面の凹み穴
凹み穴の直径 − １０ｍｍ １５ｍｍ ２０ｍｍ
底面の表面積(mm2) 490.87 412.33 314.16 176.71
面積比 100% 84% 64% 36%
圧力2kg/mm2 荷重 981kgf 825kgf 628kgf 353kgf
圧力4kg/mm2 荷重 1963 1649 1257 707
圧力6kg/mm2 荷重 2944 2474 1886 1060
圧力8kg/mm2 荷重 3925 3299 2513 1414
圧力10kg/mm2 荷重 4906 4123 3142 1767
圧力12kg/mm2 荷重 − 4948 3770 2121
図５、図６、図７は実験結果を示す。
【００３４】
図５は、底面が平坦なツール（以下平坦ツールと略す）と底面に直径１０mmの円形凹み穴のあるツール（以下凹φ１０ツールと略す）を用いて表面硬化処理をした場合の供試材料の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図、図６は、平坦ツールと底面に直径１５mmの円形凹みのあるツール（以下凹φ１５ツールと略す）を用いた場合の供試材料の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図、図７は、平坦ツールと底面に直径２０mmの円形凹みのあるツール（以下凹φ２０ツールと略す）を用いた場合の供試材料の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。
【００３５】
このカラー硬度分布図は、ビッカース硬さ試験を広い範囲で行いその値を色分けしたものであり、横軸は試料（供試材料）中心からの距離（ｍｍ）、縦軸は試料（供試材料）の表面からの深さ（ｍｍ）を示している。各図には硬度の指標となるビッカース硬さHVのカラーバーをつけてあるが、このバーは右に行くほど黄色からオレンジ色、さらには赤に近いオレンジ色となり、バーの右端の硬度はビッカース硬度９００である。各図において、試料の表面近くの色とその広がりをこのカラーバーを参照してご覧いただきたい。
【００３６】
まず図５を参照すると、ツール圧力が４ｋｇｆ／ｍｍ２以上の条件では、同じ圧力では凹φ１０ツールを用いても平坦ツールと同程度またはそれ以上の硬化層を得ることができることが分かる。
【００３７】
一方、平坦ツールの圧力１０ｋｇｆ／ｍｍ２と凹φ１０ツールの圧力１２ｋｇｆ／ｍｍ２について比較すると、凹φ１０ツールを用いた方がより深くまで硬化させることができる。しかしながら圧力２ｋｇｆ／ｍｍ２の条件では、どちらのツールを用いても、これまで適正と判断した１ｍｍ以上の硬化層を得ることが出来なかった。
【００３８】
以上のことから、圧力４ｋｇｆ／ｍｍ２以上の条件であれば、凹φ１０ツールを用いることで平坦ツールと比較してツールに掛ける荷重を１６％減らしても平坦ツールと同程度の硬化層が得られると結論できる。しかし圧力４ｋｇｆ／ｍｍ２以下の条件では凹φ１０ツールを用いても平坦ツールと同等の結果は得られない。
【００３９】
次に図６を参照すると、ツール圧力が６ｋｇｆ／ｍｍ２以上の条件では、同じ圧力では凹φ１５ツールを用いても平坦ツールと同程度またはそれ以上の硬化層を得ることができることが分かる。
【００４０】
一方、平坦ツールの圧力８ｋｇｆ／ｍｍ２と凹φ１５ツールの圧力１２ｋｇｆ／ｍｍ２について比較すると、凹φ１５ツールを用いた方がより深くまで硬化させることができる。しかしながら圧力４ｋｇｆ／ｍｍ２の条件では、平坦ツールと比較すると、凹φ１５ツールを用いた方が硬化層が浅くなっている。また凹φ１０ツールの場合と同様に、ツール圧力２ｋｇｆ／ｍｍ２の条件では、どちらのツールを用いても、これまで適正と判断した１ｍｍ以上の硬化層を得ることが出来なかった。
【００４１】
凹φ１０ツールでは、ツール圧力４ｋｇｆ／ｍｍ２以上の条件で、平坦ツールと同程度の硬化層を得ることが出来ているため、ツールに掛ける荷重を減らすことのできる条件範囲は狭くなっている。しかし凹φ１５ツールを用いることで減らすことのできる過重は３６％であるため、凹φ１０ツールの１６％よりもその効果は大きい。
【００４２】
図７を参照すると、この実験では凹φ２０ツールでは上述した他の直径の凹み穴付きツールと違って、ツール圧力が１２ｋｇｆ／ｍｍ２の条件では適正条件としている１ｍｍ以上の硬化層は得られているものの、ツール圧力が１０ｋｇｆ／ｍｍ２以下の条件では平坦ツールよりも硬化深さはかなり小さくなっており、ツール圧力が２ｋｇｆ／ｍｍ２の条件では硬化層を得ることが出来なかった。この場合はプロセス中に温度が変態点に達していなかったと考えられる。この凹φ２０ツールを用いた場合には、同程度の荷重である平坦ツール圧力４ｋｇｆ／ｍｍ２と凹φ２０ツール圧力１２ｋｇｆ／ｍｍ２の硬度分布を比較しても凹φ２０ツールを用いた方が硬化層の深さは浅い。
【００４３】
以上のことから、凹φ２０ツールを用いた場合は平坦ツールと同等な効果を得ることは困難である。
【００４４】
以上の実験結果を総じて考察するに、凹φ２０ツールを用いた場合は、硬化幅は他のツールを用いた場合と同程度であるものの、硬化深さが不十分となっている。その他のツールを用いた場合は、ツール圧力が４ｋｇｆ／ｍｍ２以上の条件で適正範囲である１ｍｍ以上の硬化層を均一に得ることができた。しかし平坦ツールと比較すると、凹φ１０ツールでは圧力４ｋｇｆ／ｍｍ２以下で、凹φ１５ツールでは圧力６ｋｇｆ／ｍｍ２以下で硬化範囲が狭くなっている。凹み穴径ごとに安定した入熱が得られる条件が異なるが、安定した入熱が得られる条件下では硬化層は基本的には圧力に依存するということが明らかになった。
【００４５】
ここでツールの回転速度をN（ｒｐｍ）、ツールの移動速度をV(ｍｍ／分)、ツールへの加圧荷重をL（ｋｇ）、ツールの直径をD(ｍｍ)、ツールの被処理材（供試材料）との接触面積率（平坦ツールの底面積と平坦ツールの底面積から凹み穴の面積を引いた残りの面積との比率）をR（０＜R＜1）とすると、上記実験結果に基づき厚さが１mm以下でも実用に供する硬化層が得られるプロセス条件は、パーライト系片状黒鉛鋳鉄に対しては次の関係式（１）または（２）を満足すればよいとの結論に達した。
【００４６】
1000×5000／400＜Ｎ×Ｌ×D／ＶＲ＜1500×5000／50
つまり12500＜Ｎ×L／ＶＲ＜150000 ・・・ （１）
またツールの直径D(ｍｍ)を考慮すると、
1000×5000×25／400＜Ｎ×Ｌ×D／ＶＲ＜1500×5000×25／50
つまり312500＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜3750000 ・・・ （２）
以上をまとめると、次のようになる。
（１）ツール底面に凹み穴を設けた凹み穴付きツールを用いることで、低荷重のプロセス条件（つまり、凹φ１０ツールでは平坦ツールの１６％減、凹φ１５ツールでは平坦ツールの３６％減）でも、平坦ツールと同等の硬化層を得ることができる。これは大幅な省エネであり、ロボット等を使用する際に、それに必要とされる剛性が低減される。
（２）ツール圧力が小さ過ぎる場合は、入熱量の不足によりプロセス中に発生したばりがツール下面の凹み穴に進入して完全に流動せず、ばりが凹み穴を塞ぎ、平坦ツールのような働きをしてしまうため、荷重を減らすことはできない。
（３）直径２５mmのツールに対して直径２０ｍｍという凹み割合の大きいツールを用いると、ツールが試料に接触する面積が極端に小さくなり、ツールがあたかも切削工具のような働きをするために平坦ツールと同等の結果は得られない。
【００４７】
次に、これらの供給材料ついて、ビッカース試験により約７００HVの硬度が得られた深さ（硬化層の厚さ）のツール圧力依存性および荷重依存性を図８および図９にそれぞれ示した。
【００４８】
これらの図から、約７００HVの硬度が得られた深さ（硬化層の厚さ）は、ツール圧力が大きくなるとツール圧力に依存し、ツール圧力が小さくなるとツールに掛ける荷重に依存する傾向があることが分かる。これは、高圧力条件では適切な入熱量を得ることができ、プロセス中の温度が高いためプロセス中に発生したばりが仮にツール下面の凹み穴に進入したとしても、その中で流動するからである。そのため凹み穴を塞ぐことなく本来の凹み穴付きツールが有効に機能し、硬化層は圧力に依存すると考えられる。
【００４９】
一方、低圧力条件では、入熱量の不足により、プロセス中に発生したばりがツール底面の凹み穴に進入した場合には、その中で十分に流動しておらず、ツールの凹み穴を塞ぎ平坦ツールと同様な働きをするため、硬化層は荷重に依存すると考えられる。
【００５０】
以上の実験ではツール底面に形成する円形凹み穴の直径は１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍの３例についてのみ例示したが、これらとは異なる径の凹み穴についてもツールに掛ける荷重との関係において好ましい穴径すなわちツールと被処理材との接触面積の減少割合が導き出せると考えられる。また凹み穴は必ずしも円形である必要はない。
【００５１】
本発明者らは、さらに、上記実験例と同じプロセス条件で、同寸法のフェライト系片状黒鉛鋳鉄、フェライト系球状黒鉛鋳鉄、パーライト系球状黒鉛鋳鉄を供試材料として用いて表面硬化処理の実験を行った（実験例２、３、４）。その結果、厚さが１mm以下でも実用に供する硬化層が得られるプロセス条件はそれぞれの供試材料について関係式（３）〜（８）を満足すればよいとの結論に達した。
実 験 例 ２
供試材料：フェライト系片状黒鉛鋳鉄
1500×3000／100＜Ｎ×Ｌ／ＶＲ＜3500×3000／50
つまり45000＜Ｎ×L／ＶＲ＜210000 ・・・ （３）
またツールの直径D(ｍｍ)を考慮すると、
1500×3000×25／100＜Ｎ×Ｌ×D／ＶＲ＜3500×3000×25／50
つまり1125000＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜5250000 ・・・（４）
実 験 例 ３
供試材料：フェライト系球状黒鉛鋳鉄
1000×3000／100＜Ｎ×Ｌ／ＶＲ＜1500×5000／50
つまり30000＜Ｎ×L／ＶＲ＜150000 ・・・ （５）
またツールの直径D(ｍｍ)を考慮すると、
1000×3000×25／100＜Ｎ×Ｌ×D／ＶＲ＜1500×5000×25／50
つまり750000＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜3750000 ・・・ （６）
実 験 例 ４
供試材料：パーライト系球状黒鉛鋳鉄
900×5000／400＜Ｎ×Ｌ／ＶＲ＜1500×5000／100
つまり11250＜Ｎ×L／ＶＲ＜75000 ・・・ （７）
またツールの直径D(ｍｍ)を考慮すると、
900×5000×25／400＜Ｎ×Ｌ×D／ＶＲ＜1500×5000×25／100
つまり281250＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜1875000 ・・ （８）
以上は摩擦攪拌プロセスを用いてフェライト系およびパーライト系の片状および球状黒鉛鋳鉄の表面硬化処理をする場合を例示してツールの様々な形状、つまりツールの底面に異なる直径の凹み穴を形成したツールを用いた例につき説明したが、本発明はさらに他の鋳鉄材、鋼鉄材、合金材、複合材、異材接合材などの接合についてもまた表面処理についても適用し、さらにツールの底面に設ける凹み穴の径や形状を変えても同様な結果が得られることは当業者であれば容易に考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明はによるツールは、鋳鉄材、鋼鉄材、合金材、複合材、異材接合材などの接合または表面処理に用いられる摩擦攪拌プロセスで用いられる。
【符号の説明】
【００５３】
１ 被処理材
２ ツール
２１ プローブ
２ａ ショルダ
２ｂ 凹み穴
３ 加圧・回転・移動装置
４ 処理部
５ 深さ部
【技術分野】
【０００１】
本発明は摩擦攪拌プロセスに用いるツールおよびそのツールを用いた摩擦攪拌プロセス、特に鋳鉄材や鉄鋼材の表面硬化処理に用いるツールに関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌接合は比較的新しい接合法であり、初期においては、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金などの接合に向けての研究が進められ、現在までにアルミニウム合金をはじめとする融点の低い軽金属の接合に実用化されている。その後はこれまで接合が困難とされてきた軽金属の鋳物材、複合材、異材接合、さらに鉄鋼材を中心とする高融点材料の接合や接合のメカニズムについての研究に展開しつつある。
【０００３】
一方、この摩擦攪拌接合技術は発生する摩擦熱を利用して金属材料の表面改質にも応用されてきており、特許文献１にはその一例が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−０７７４１９号公報。
【０００５】
摩擦攪拌プロセスは、ツールと呼ばれる工具を接合材または表面改質材に接触させながら回転させて摩擦熱を発生させ、ツールを所定の位置まで材料に圧入させた状態で接合材または改質材料の流動を伴いつつツールを接合方向または改質領域で移動させながら接合また改質を行う方法である。
【０００６】
図１は摩擦攪拌プロセスを利用した表面硬化処理法の概略を示しており、表面硬化処理しようとする例えば鋳鉄材のような被処理材１にツール２を加圧状態で接触させながらA 方向に回転させつつB方向に移動させていく。３はツール２に荷重を掛けながら回転、移動する工作機械などの駆動装置である。４はツール２が通過して硬化処理された処理部、５は処理部４が深さ方向に及んでいることを示す。
【０００７】
摩擦攪拌プロセスに用いられるツール２は、一般的に、図２に示すように全体が円柱状で、底面に小径の円柱状のプローブ２１を有しており、プローブの長さを変化させることにより硬化部の厚さを変化させることが可能である。大径部の下端縁はショルダ２ａと呼ばれている。プローブ２１の回転により材料に摩擦熱が発生し、材料が攪拌され、その際はみ出た材料をショルダ２ａで押さえつけてバリの発生を抑えるようにしている。ツールの形状によって表面処理の状態が大きく変ることがよく知られており、様々な形状のツールが開発されている。
【０００８】
一方、摩擦攪拌プロセスを利用して材料の表面を改質する表面改質処理法では、図２に示したツール２のプローブ２１のない底面が平坦なツールが実験的に使用されている。
【０００９】
いずれの場合も、摩擦攪拌プロセスは、図３に示すように、ツール２を被処理材１の表面に対して移動方向B後方に角度（前進角）θ°だけ傾斜させた状態で白矢印Dで示す方向に荷重を掛けながら、被処理材１に押し付けた状態で図１に矢印Aで示すように回転させながら矢印Bの方向に移動させて行われる。
θはおおむね０〜１０°である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、この摩擦攪拌接合プロセスを鉄系材料の表面硬化処理に適用するに当たっては、応力の集中を抑え、ツール寿命の長期化を図るためにツール形状の単純化が望ましく、単純な形状、構造で強度がありかつ硬化処理上効率のよいツールが望まれている。
本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、比較的単純な形状で、寿命が長くかつ処理効率に優れたツールおよびそのツールを用いた摩擦攪拌プロセス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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、摩擦攪拌プロセスに用いるツールの底面に凹み穴を形成した。
【００１２】
さらに、底面に凹み穴を形成したツールの底面と被処理材との接触面積の減少程度をプロセス条件、例えばツールに掛ける荷重に応じて変えるようにした。
【００１３】
また、本発明においては、摩擦攪拌プロセスにより被処理材の表面硬化処理をするに当たり、底面に凹み穴を形成したツールを用いることとした。
【００１４】
本発明による摩擦攪拌プロセスは鋳鉄材、鉄鋼材、その他の材料の表面硬化処理に用いられる。
【００１５】
本発明の一実施形態によれば、ツールの底面に形成する凹み穴の面積は、ツールの回転速度をN（ｒｐｍ）、ツールの移動速度をV(ｍｍ／分)、ツールへの加圧荷重をL（ｋｇ）、ツールの試料との接触面積率（平坦ツールの底面積と平坦ツールの底面積から凹み穴の面積を引いた残りの面積との比率）をR（０＜R＜1）としたとき、表面硬化処理される被処理材がパーライト系片状黒鉛鋳鉄である場合は、式12500＜Ｎ×L／ＶＲ＜150000を満足するR の値に基いて決定される。
【００１６】
また本発明の摩擦攪拌プロセスにおいては、底面に凹み穴を形成したツールを用いる。
【００１７】
本発明による摩擦攪拌プロセスを鋳鉄材や鉄鋼材の表面硬化処理に用いる場合、特にパーライト系片状黒鉛鋳鉄の表面硬化処理に用いる場合、そのプロセス条件が下記の式を満足することが好ましい。
【００１８】
ツールの回転速度をN（ｒｐｍ）、ツールの移動速度をV(ｍｍ／分)、ツールへの加圧荷重をL（ｋｇ）、ツールの被処理材との接触面積率（平坦ツールの底面積と平坦ツールの底面積から凹み穴の面積を引いた残りの面積との比率）をR（０＜R＜1）としたとき、12500＜Ｎ×L／ＶＲ＜150000。
【００１９】
さらに、ツールの直径D(ｍｍ)を考慮すると、プロセス条件が式312500＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜3750000を満足することが好ましい。
【００２０】
また別の実施態様において、本発明による摩擦攪拌プロセスをパーライト系球状黒鉛鋳鉄の表面硬化処理に用いる場合、プロセス条件が式11250＜Ｎ×L／ＶＲ＜75000を満足することが好ましい。
【００２１】
さらに、ツールの直径D(ｍｍ)を考慮すると、プロセス条件が式281250＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜1875000を満足することが好ましい。
【００２２】
また別の実施態様において、本発明による摩擦攪拌プロセスをフェライト系片状黒鉛鋳鉄の表面硬化処理に用いる場合、プロセス条件が式45000＜Ｎ×L／ＶＲ＜210000を満足することが好ましい。
【００２３】
さらに、ツールの直径D(ｍｍ)を考慮すると、プロセス条件が式1125000＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜5250000を満足することが好ましい。
【００２４】
また別の実施態様において、本発明による摩擦攪拌プロセスをフェライト系球状黒鉛鋳鉄の表面硬化処理に用いる場合、プロセス条件が式30000＜Ｎ×L／ＶＲ＜150000を満足することが好ましい。
【００２５】
さらに、ツールの直径D(ｍｍ)を考慮すると、プロセス条件が式750000＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜3750000を満足することが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、ツールの形状が比較的単純なので製作が容易であり、寿命も長く、その上ツールに掛ける比較的少ない荷重で摩擦攪拌プロセスが可能となる。
【００２７】
本発明による底面に凹み穴を形成した円柱状のツールをたとえばパーライト系片状黒鉛鋳鉄の表面硬化処理に用いた場合、凹φ１０ツールを使用する場合においては、４ｋｇｆ／ｍｍ２以上の加圧力のもとでは、底面が平坦なツールに掛ける荷重を１６％減らしてもそれと同等の硬化層が得られた。また凹φ１５ツールを使用する場合は、６ｋｇｆ／ｍｍ２以上の加圧力のもとでは、底面が平坦なツールに掛ける荷重を３６％減らしてもそれと同等の硬化層が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】摩擦攪拌プロセスによる表面硬化処理の実施状態の概略を示す。
【図２】従来の摩擦攪拌プロセスで使用されているツールの代表例を示す
【図３】摩擦攪拌プロセスにおけるツールの動作状態を示す。
【図４】摩擦攪拌ロセスで使用される本発明によるツールの一例を示しており、（ａ）はツールの斜視図、（ｂ）はツールの平坦面、（ｃ）は直径１０ｍｍの凹み穴を有するツールの底面図、（ｄ）は直径１５ｍｍの凹み穴を有するツールの底面図、（ｅ）は直径２０ｍｍの凹み穴を有するツールの底面図である。
【図５】底面が平坦なツールと底面に直径１０mmの円形凹み穴のあるツールを用いて表面硬化処理をした供試材料の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。
【図６】底面が平坦なツールと底面に直径１５mmの円形凹み穴のあるツールを用いて表面硬化処理をした供試材料の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。
【図７】底面が平坦なツールと底面に直径２０mmの円形凹み穴のあるツールを用いて表面硬化処理をした供試材料の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。
【図８】供試材料の硬化層の厚さのツール圧力依存性を示す。
【図９】供試材料の硬化層の厚さの荷重依存性を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】
本発明ではツールの形状が被処理材の表面硬化処理に与える影響を調べるべく、以下の実験を行った。
実 験 例 １
供試材料：パーライト系片状黒鉛鋳鉄（FC300）
供試材料は下記の化学分析値および寸法を有する。
【００３１】
化学分析値（重量％）
C Si Mn P S Mｇ
FC 300 3.02 1.60 0.75 0.07 0.042 −
寸 法（ｍｍ）
長さ 幅 厚さ
１００ ３００ ５
プロセス前の供試材料（FC300）のビッカース硬度は２２０〜２５０HVであり、基地組織はすべてパーライト組織であった。
実 験
FC300を供試材料とし、図４（ａ）に示すような底面中心に円形の凹み穴２ｂを形成した超硬合金製の直径２５ｍｍ、長さ３０ｍｍのツールを用いた。凹み穴２ｂの直径として、図４（ｃ）に示すような１０ｍｍのもの、図４（ｄ）に示すような１５ｍｍのもの、図４（ｅ）に示すような２０ｍｍのものを用い、比較のために図４（ｂ）に示すような底面が平坦なものの４種類を用いた。
【００３２】
ツール２に掛ける荷重はツール底面にかかる圧力が同等になるように設定した。実験条件の一覧を下に示し、この条件でツールの回転速度を１０００ｒｐｍ、ツールの移動速度を１００ｍｍ／分、ツールの前進角を３°として実験を行った。
【００３３】
ツール形状 底面平坦 底面の凹み穴
凹み穴の直径 − １０ｍｍ １５ｍｍ ２０ｍｍ
底面の表面積(mm2) 490.87 412.33 314.16 176.71
面積比 100% 84% 64% 36%
圧力2kg/mm2 荷重 981kgf 825kgf 628kgf 353kgf
圧力4kg/mm2 荷重 1963 1649 1257 707
圧力6kg/mm2 荷重 2944 2474 1886 1060
圧力8kg/mm2 荷重 3925 3299 2513 1414
圧力10kg/mm2 荷重 4906 4123 3142 1767
圧力12kg/mm2 荷重 − 4948 3770 2121
図５、図６、図７は実験結果を示す。
【００３４】
図５は、底面が平坦なツール（以下平坦ツールと略す）と底面に直径１０mmの円形凹み穴のあるツール（以下凹φ１０ツールと略す）を用いて表面硬化処理をした場合の供試材料の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図、図６は、平坦ツールと底面に直径１５mmの円形凹みのあるツール（以下凹φ１５ツールと略す）を用いた場合の供試材料の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図、図７は、平坦ツールと底面に直径２０mmの円形凹みのあるツール（以下凹φ２０ツールと略す）を用いた場合の供試材料の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。
【００３５】
このカラー硬度分布図は、ビッカース硬さ試験を広い範囲で行いその値を色分けしたものであり、横軸は試料（供試材料）中心からの距離（ｍｍ）、縦軸は試料（供試材料）の表面からの深さ（ｍｍ）を示している。各図には硬度の指標となるビッカース硬さHVのカラーバーをつけてあるが、このバーは右に行くほど黄色からオレンジ色、さらには赤に近いオレンジ色となり、バーの右端の硬度はビッカース硬度９００である。各図において、試料の表面近くの色とその広がりをこのカラーバーを参照してご覧いただきたい。
【００３６】
まず図５を参照すると、ツール圧力が４ｋｇｆ／ｍｍ２以上の条件では、同じ圧力では凹φ１０ツールを用いても平坦ツールと同程度またはそれ以上の硬化層を得ることができることが分かる。
【００３７】
一方、平坦ツールの圧力１０ｋｇｆ／ｍｍ２と凹φ１０ツールの圧力１２ｋｇｆ／ｍｍ２について比較すると、凹φ１０ツールを用いた方がより深くまで硬化させることができる。しかしながら圧力２ｋｇｆ／ｍｍ２の条件では、どちらのツールを用いても、これまで適正と判断した１ｍｍ以上の硬化層を得ることが出来なかった。
【００３８】
以上のことから、圧力４ｋｇｆ／ｍｍ２以上の条件であれば、凹φ１０ツールを用いることで平坦ツールと比較してツールに掛ける荷重を１６％減らしても平坦ツールと同程度の硬化層が得られると結論できる。しかし圧力４ｋｇｆ／ｍｍ２以下の条件では凹φ１０ツールを用いても平坦ツールと同等の結果は得られない。
【００３９】
次に図６を参照すると、ツール圧力が６ｋｇｆ／ｍｍ２以上の条件では、同じ圧力では凹φ１５ツールを用いても平坦ツールと同程度またはそれ以上の硬化層を得ることができることが分かる。
【００４０】
一方、平坦ツールの圧力８ｋｇｆ／ｍｍ２と凹φ１５ツールの圧力１２ｋｇｆ／ｍｍ２について比較すると、凹φ１５ツールを用いた方がより深くまで硬化させることができる。しかしながら圧力４ｋｇｆ／ｍｍ２の条件では、平坦ツールと比較すると、凹φ１５ツールを用いた方が硬化層が浅くなっている。また凹φ１０ツールの場合と同様に、ツール圧力２ｋｇｆ／ｍｍ２の条件では、どちらのツールを用いても、これまで適正と判断した１ｍｍ以上の硬化層を得ることが出来なかった。
【００４１】
凹φ１０ツールでは、ツール圧力４ｋｇｆ／ｍｍ２以上の条件で、平坦ツールと同程度の硬化層を得ることが出来ているため、ツールに掛ける荷重を減らすことのできる条件範囲は狭くなっている。しかし凹φ１５ツールを用いることで減らすことのできる過重は３６％であるため、凹φ１０ツールの１６％よりもその効果は大きい。
【００４２】
図７を参照すると、この実験では凹φ２０ツールでは上述した他の直径の凹み穴付きツールと違って、ツール圧力が１２ｋｇｆ／ｍｍ２の条件では適正条件としている１ｍｍ以上の硬化層は得られているものの、ツール圧力が１０ｋｇｆ／ｍｍ２以下の条件では平坦ツールよりも硬化深さはかなり小さくなっており、ツール圧力が２ｋｇｆ／ｍｍ２の条件では硬化層を得ることが出来なかった。この場合はプロセス中に温度が変態点に達していなかったと考えられる。この凹φ２０ツールを用いた場合には、同程度の荷重である平坦ツール圧力４ｋｇｆ／ｍｍ２と凹φ２０ツール圧力１２ｋｇｆ／ｍｍ２の硬度分布を比較しても凹φ２０ツールを用いた方が硬化層の深さは浅い。
【００４３】
以上のことから、凹φ２０ツールを用いた場合は平坦ツールと同等な効果を得ることは困難である。
【００４４】
以上の実験結果を総じて考察するに、凹φ２０ツールを用いた場合は、硬化幅は他のツールを用いた場合と同程度であるものの、硬化深さが不十分となっている。その他のツールを用いた場合は、ツール圧力が４ｋｇｆ／ｍｍ２以上の条件で適正範囲である１ｍｍ以上の硬化層を均一に得ることができた。しかし平坦ツールと比較すると、凹φ１０ツールでは圧力４ｋｇｆ／ｍｍ２以下で、凹φ１５ツールでは圧力６ｋｇｆ／ｍｍ２以下で硬化範囲が狭くなっている。凹み穴径ごとに安定した入熱が得られる条件が異なるが、安定した入熱が得られる条件下では硬化層は基本的には圧力に依存するということが明らかになった。
【００４５】
ここでツールの回転速度をN（ｒｐｍ）、ツールの移動速度をV(ｍｍ／分)、ツールへの加圧荷重をL（ｋｇ）、ツールの直径をD(ｍｍ)、ツールの被処理材（供試材料）との接触面積率（平坦ツールの底面積と平坦ツールの底面積から凹み穴の面積を引いた残りの面積との比率）をR（０＜R＜1）とすると、上記実験結果に基づき厚さが１mm以下でも実用に供する硬化層が得られるプロセス条件は、パーライト系片状黒鉛鋳鉄に対しては次の関係式（１）または（２）を満足すればよいとの結論に達した。
【００４６】
1000×5000／400＜Ｎ×Ｌ×D／ＶＲ＜1500×5000／50
つまり12500＜Ｎ×L／ＶＲ＜150000 ・・・ （１）
またツールの直径D(ｍｍ)を考慮すると、
1000×5000×25／400＜Ｎ×Ｌ×D／ＶＲ＜1500×5000×25／50
つまり312500＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜3750000 ・・・ （２）
以上をまとめると、次のようになる。
（１）ツール底面に凹み穴を設けた凹み穴付きツールを用いることで、低荷重のプロセス条件（つまり、凹φ１０ツールでは平坦ツールの１６％減、凹φ１５ツールでは平坦ツールの３６％減）でも、平坦ツールと同等の硬化層を得ることができる。これは大幅な省エネであり、ロボット等を使用する際に、それに必要とされる剛性が低減される。
（２）ツール圧力が小さ過ぎる場合は、入熱量の不足によりプロセス中に発生したばりがツール下面の凹み穴に進入して完全に流動せず、ばりが凹み穴を塞ぎ、平坦ツールのような働きをしてしまうため、荷重を減らすことはできない。
（３）直径２５mmのツールに対して直径２０ｍｍという凹み割合の大きいツールを用いると、ツールが試料に接触する面積が極端に小さくなり、ツールがあたかも切削工具のような働きをするために平坦ツールと同等の結果は得られない。
【００４７】
次に、これらの供給材料ついて、ビッカース試験により約７００HVの硬度が得られた深さ（硬化層の厚さ）のツール圧力依存性および荷重依存性を図８および図９にそれぞれ示した。
【００４８】
これらの図から、約７００HVの硬度が得られた深さ（硬化層の厚さ）は、ツール圧力が大きくなるとツール圧力に依存し、ツール圧力が小さくなるとツールに掛ける荷重に依存する傾向があることが分かる。これは、高圧力条件では適切な入熱量を得ることができ、プロセス中の温度が高いためプロセス中に発生したばりが仮にツール下面の凹み穴に進入したとしても、その中で流動するからである。そのため凹み穴を塞ぐことなく本来の凹み穴付きツールが有効に機能し、硬化層は圧力に依存すると考えられる。
【００４９】
一方、低圧力条件では、入熱量の不足により、プロセス中に発生したばりがツール底面の凹み穴に進入した場合には、その中で十分に流動しておらず、ツールの凹み穴を塞ぎ平坦ツールと同様な働きをするため、硬化層は荷重に依存すると考えられる。
【００５０】
以上の実験ではツール底面に形成する円形凹み穴の直径は１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍの３例についてのみ例示したが、これらとは異なる径の凹み穴についてもツールに掛ける荷重との関係において好ましい穴径すなわちツールと被処理材との接触面積の減少割合が導き出せると考えられる。また凹み穴は必ずしも円形である必要はない。
【００５１】
本発明者らは、さらに、上記実験例と同じプロセス条件で、同寸法のフェライト系片状黒鉛鋳鉄、フェライト系球状黒鉛鋳鉄、パーライト系球状黒鉛鋳鉄を供試材料として用いて表面硬化処理の実験を行った（実験例２、３、４）。その結果、厚さが１mm以下でも実用に供する硬化層が得られるプロセス条件はそれぞれの供試材料について関係式（３）〜（８）を満足すればよいとの結論に達した。
実 験 例 ２
供試材料：フェライト系片状黒鉛鋳鉄
1500×3000／100＜Ｎ×Ｌ／ＶＲ＜3500×3000／50
つまり45000＜Ｎ×L／ＶＲ＜210000 ・・・ （３）
またツールの直径D(ｍｍ)を考慮すると、
1500×3000×25／100＜Ｎ×Ｌ×D／ＶＲ＜3500×3000×25／50
つまり1125000＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜5250000 ・・・（４）
実 験 例 ３
供試材料：フェライト系球状黒鉛鋳鉄
1000×3000／100＜Ｎ×Ｌ／ＶＲ＜1500×5000／50
つまり30000＜Ｎ×L／ＶＲ＜150000 ・・・ （５）
またツールの直径D(ｍｍ)を考慮すると、
1000×3000×25／100＜Ｎ×Ｌ×D／ＶＲ＜1500×5000×25／50
つまり750000＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜3750000 ・・・ （６）
実 験 例 ４
供試材料：パーライト系球状黒鉛鋳鉄
900×5000／400＜Ｎ×Ｌ／ＶＲ＜1500×5000／100
つまり11250＜Ｎ×L／ＶＲ＜75000 ・・・ （７）
またツールの直径D(ｍｍ)を考慮すると、
900×5000×25／400＜Ｎ×Ｌ×D／ＶＲ＜1500×5000×25／100
つまり281250＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜1875000 ・・ （８）
以上は摩擦攪拌プロセスを用いてフェライト系およびパーライト系の片状および球状黒鉛鋳鉄の表面硬化処理をする場合を例示してツールの様々な形状、つまりツールの底面に異なる直径の凹み穴を形成したツールを用いた例につき説明したが、本発明はさらに他の鋳鉄材、鋼鉄材、合金材、複合材、異材接合材などの接合についてもまた表面処理についても適用し、さらにツールの底面に設ける凹み穴の径や形状を変えても同様な結果が得られることは当業者であれば容易に考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明はによるツールは、鋳鉄材、鋼鉄材、合金材、複合材、異材接合材などの接合または表面処理に用いられる摩擦攪拌プロセスで用いられる。
【符号の説明】
【００５３】
１ 被処理材
２ ツール
２１ プローブ
２ａ ショルダ
２ｂ 凹み穴
３ 加圧・回転・移動装置
４ 処理部
５ 深さ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦攪拌プロセスに用いるツールの底面に凹み穴を形成したことを特徴とするツール。
【請求項２】
平坦な底面に凹み穴を形成したツールの底面と被処理材との接触面積の減少程度を摩擦攪拌プロセスのプロセス条件に応じて変えることを特徴とする請求項１に記載のツール。
【請求項３】
ツールの底面に形成する凹み穴の面積は、ツールの回転速度をN（ｒｐｍ）、ツールの移動速度をV(ｍｍ／分)、ツールへの加圧荷重をL（ｋｇ）、ツールの試料との接触面積率（平坦ツールの底面積と平坦ツールの底面積から凹み穴の面積を引いた残りの面積との比率）をR（０＜R＜1）としたとき、表面硬化処理される被処理材がパーライト系片状黒鉛鋳鉄である場合は、下記の式を満足するR の値に基いて決定されることを特徴とする請求項１または２に記載のツール。
12500＜Ｎ×L／ＶＲ＜150000
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の底面に凹み穴を形成したツールを用いることを特徴とする摩擦攪拌プロセス。
【請求項５】
鋳鉄材や鉄鋼材の表面硬化処理に用いる請求項４に記載の摩擦攪拌プロセス。
【請求項６】
表面硬化処理される被処理材がパーライト系片状黒鉛鋳鉄である場合のプロセス条件が下記の式を満足することを特徴とする請求項４または５に記載の摩擦攪拌プロセス。
ツールの回転速度をN（ｒｐｍ）、ツールの移動速度をV(ｍｍ／分)、ツールへの加圧荷重をL（ｋｇ）、ツールの試料との接触面積率（平坦ツールの底面積と平坦ツールの底面積から凹み穴の面積を引いた残りの面積との比率）をR（０＜R＜1）とすると、
12500＜Ｎ×L／ＶＲ＜150000
【請求項７】
請求項６に記載の摩擦攪拌プロセスにおいて、ツールの直径をD(ｍｍ)とすると、プロセス条件が下記の式を満足することを特徴とする摩擦攪拌プロセス。
312500＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜3750000
【請求項８】
表面硬化処理される被処理材がパーライト系球状黒鉛鋳鉄である場合のプロセス条件が下記の式を満足することを特徴とする請求項４または５に記載の摩擦攪拌プロセス。
ツールの回転速度をN（ｒｐｍ）、ツールの移動速度をV(ｍｍ／分)、ツールへの加圧荷重をL（ｋｇ）、ツールの試料との接触面積率（平坦ツールの底面積と平坦ツールの底面積から凹み穴の面積を引いた残りの面積との比率）をR（０＜R＜1）とすると、
11250＜Ｎ×L／ＶＲ＜75000
【請求項９】
請求項８に記載の摩擦攪拌プロセスにおいて、ツールの直径をD(ｍｍ)とすると、プロセス条件が下記の式を満足することを特徴とする摩擦攪拌プロセス。
281250＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜1875000
【請求項１０】
表面硬化処理される被処理材がフェライト系片状黒鉛鋳鉄である場合のプロセス条件が下記の式を満足することを特徴とする請求項４または５に記載の摩擦攪拌プロセス。
ツールの回転速度をN（ｒｐｍ）、ツールの移動速度をV(ｍｍ／分)、ツールへの加圧荷重をL（ｋｇ）、ツールの試料との接触面積率（平坦ツールの底面積と平坦ツールの底面積から凹み穴の面積を引いた残りの面積との比率）をR（０＜R＜1）とすると、
45000＜Ｎ×L／ＶＲ＜210000
【請求項１１】
請求項１０に記載の摩擦攪拌プロセスにおいて、ツールの直径をD(ｍｍ)とすると、プロセス条件が下記の式を満足することを特徴とする摩擦攪拌プロセス。
1125000＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜5250000
【請求項１２】
表面硬化処理される被処理材がフェライト系球状黒鉛鋳鉄である場合のプロセス条件が下記の式を満足することを特徴とする請求項４または５に記載の摩擦攪拌プロセス。
ツールの回転速度をN（ｒｐｍ）、ツールの移動速度をV(ｍｍ／分)、ツールへの加圧荷重をL（ｋｇ）、ツールの試料との接触面積率（平坦ツールの底面積と平坦ツールの底面積から凹み穴の面積を引いた残りの面積との比率）をR（０＜R＜1）とすると、
30000＜Ｎ×L／ＶＲ＜150000
【請求項１３】
請求項１２に記載の摩擦攪拌プロセスにおいて、ツールの直径をD(ｍｍ)とすると、プロセス条件が下記の式を満足することを特徴とする摩擦攪拌プロセス。
750000＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜3750000
【請求項１】
摩擦攪拌プロセスに用いるツールの底面に凹み穴を形成したことを特徴とするツール。
【請求項２】
平坦な底面に凹み穴を形成したツールの底面と被処理材との接触面積の減少程度を摩擦攪拌プロセスのプロセス条件に応じて変えることを特徴とする請求項１に記載のツール。
【請求項３】
ツールの底面に形成する凹み穴の面積は、ツールの回転速度をN（ｒｐｍ）、ツールの移動速度をV(ｍｍ／分)、ツールへの加圧荷重をL（ｋｇ）、ツールの試料との接触面積率（平坦ツールの底面積と平坦ツールの底面積から凹み穴の面積を引いた残りの面積との比率）をR（０＜R＜1）としたとき、表面硬化処理される被処理材がパーライト系片状黒鉛鋳鉄である場合は、下記の式を満足するR の値に基いて決定されることを特徴とする請求項１または２に記載のツール。
12500＜Ｎ×L／ＶＲ＜150000
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の底面に凹み穴を形成したツールを用いることを特徴とする摩擦攪拌プロセス。
【請求項５】
鋳鉄材や鉄鋼材の表面硬化処理に用いる請求項４に記載の摩擦攪拌プロセス。
【請求項６】
表面硬化処理される被処理材がパーライト系片状黒鉛鋳鉄である場合のプロセス条件が下記の式を満足することを特徴とする請求項４または５に記載の摩擦攪拌プロセス。
ツールの回転速度をN（ｒｐｍ）、ツールの移動速度をV(ｍｍ／分)、ツールへの加圧荷重をL（ｋｇ）、ツールの試料との接触面積率（平坦ツールの底面積と平坦ツールの底面積から凹み穴の面積を引いた残りの面積との比率）をR（０＜R＜1）とすると、
12500＜Ｎ×L／ＶＲ＜150000
【請求項７】
請求項６に記載の摩擦攪拌プロセスにおいて、ツールの直径をD(ｍｍ)とすると、プロセス条件が下記の式を満足することを特徴とする摩擦攪拌プロセス。
312500＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜3750000
【請求項８】
表面硬化処理される被処理材がパーライト系球状黒鉛鋳鉄である場合のプロセス条件が下記の式を満足することを特徴とする請求項４または５に記載の摩擦攪拌プロセス。
ツールの回転速度をN（ｒｐｍ）、ツールの移動速度をV(ｍｍ／分)、ツールへの加圧荷重をL（ｋｇ）、ツールの試料との接触面積率（平坦ツールの底面積と平坦ツールの底面積から凹み穴の面積を引いた残りの面積との比率）をR（０＜R＜1）とすると、
11250＜Ｎ×L／ＶＲ＜75000
【請求項９】
請求項８に記載の摩擦攪拌プロセスにおいて、ツールの直径をD(ｍｍ)とすると、プロセス条件が下記の式を満足することを特徴とする摩擦攪拌プロセス。
281250＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜1875000
【請求項１０】
表面硬化処理される被処理材がフェライト系片状黒鉛鋳鉄である場合のプロセス条件が下記の式を満足することを特徴とする請求項４または５に記載の摩擦攪拌プロセス。
ツールの回転速度をN（ｒｐｍ）、ツールの移動速度をV(ｍｍ／分)、ツールへの加圧荷重をL（ｋｇ）、ツールの試料との接触面積率（平坦ツールの底面積と平坦ツールの底面積から凹み穴の面積を引いた残りの面積との比率）をR（０＜R＜1）とすると、
45000＜Ｎ×L／ＶＲ＜210000
【請求項１１】
請求項１０に記載の摩擦攪拌プロセスにおいて、ツールの直径をD(ｍｍ)とすると、プロセス条件が下記の式を満足することを特徴とする摩擦攪拌プロセス。
1125000＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜5250000
【請求項１２】
表面硬化処理される被処理材がフェライト系球状黒鉛鋳鉄である場合のプロセス条件が下記の式を満足することを特徴とする請求項４または５に記載の摩擦攪拌プロセス。
ツールの回転速度をN（ｒｐｍ）、ツールの移動速度をV(ｍｍ／分)、ツールへの加圧荷重をL（ｋｇ）、ツールの試料との接触面積率（平坦ツールの底面積と平坦ツールの底面積から凹み穴の面積を引いた残りの面積との比率）をR（０＜R＜1）とすると、
30000＜Ｎ×L／ＶＲ＜150000
【請求項１３】
請求項１２に記載の摩擦攪拌プロセスにおいて、ツールの直径をD(ｍｍ)とすると、プロセス条件が下記の式を満足することを特徴とする摩擦攪拌プロセス。
750000＜Ｎ×Ｌ×D ／ＶＲ＜3750000
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−６６２８７（Ｐ２０１２−６６２８７Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１３８９８（Ｐ２０１０−２１３８９８）
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、近畿経済産業局、平成２１年度戦略的基盤技術高度化支援事業「高速回転ツールを用いた鋳物の表面硬化技術の開発」に係る委託研究、産業技術強力法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【出願人】（０００１５５３６６）株式会社木村鋳造所 (23)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、近畿経済産業局、平成２１年度戦略的基盤技術高度化支援事業「高速回転ツールを用いた鋳物の表面硬化技術の開発」に係る委託研究、産業技術強力法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【出願人】（０００１５５３６６）株式会社木村鋳造所 (23)
【Ｆターム（参考）】
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