【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
【発明の目的】[Purpose of the invention]
（産業上の利用分野）
本発明は、鋳物の表面を再溶融した後凝固させ、鋳造欠
陥の除去、組織の微細化、あるいは合金成分の汐加によ
る合金層の形成などを行って当該鋳物表面を改質するの
に利用される鋳物の再溶融処理方法に関するものである
。
（従来の技術）
各種鋳物のうちアルミニウム合金鋳物は、軽量で、熱伝
導性、耐食性が良く、しかも鋳造性に慢れているため、
例えば自動車用エンジン部品にも多く使用されている。
しかし、アルミニウム合金鋳物は、鉄鋼系材料からなる
ものにくらべて耐熱性や耐摩耗性が劣り、近年のエンジ
ン高出力化に伴い各部品にがかる熱的あるいは応力的な
負荷が大きくなっているため、従来のアルミニウム合金
鋳物では耐久性が不十分となってきている。そこで、前
記アルミ−ラム合金鋳物の負荷の厳しい部分を電子ビー
ム。
レーザビーム、プラズマアーク、ＴＩＧアークなどの高
密度熱源によって再溶融処理し、鋳造欠陥の低減、組織
の微細化、あるいは合金層の形成による耐久性の向上を
図る方法が例えば特開昭５５−２７５８７号公報、５９
−８０７１２号公報、６１−１９３７７３号公報などに
よって提案されている。
（発明が解決しようとする課題）
しかしながら、上記の熱源の中ではアークが設備費用の
面で安価であり、ある程度の深さ９幅の再溶融部を得る
ことができるので、簡便な再溶融処理の熱源として有望
であるにもかかわらず、次のような課題があるので、広
く採用されるには到っていない。
（１）電子ビームやレーザビームにくらべてエネルギ密
度が小さいため再溶融部の寸法は広く浅い形状となるが
、再溶融部内の温度が低く攪拌作用が小さいため内部の
欠陥が除去されにくく、とくに処理素材中のガス成分が
多い場合には完全に除去することができず、ブローホー
ルとなって素材中に残存することがある。
（２）電子ビームやレーザビームにくらベテ処理速度が
遅いため、広い面積を処理するにはトーチを少しづつず
らして何回も走査する必要があり、処理に時間がかかる
。また、歪や素材表面の荒れも大きくなる。
（発明の目的）
本発明は、上記のような従来の課題に着目してなされた
ものであって、設備費用の安価なアークを熱源とし、し
かも欠陥のない再溶融部を生産性よく得ることができる
鋳物の再溶融処理方法を提供することを目的としている
。(Industrial Application Field) The present invention involves remelting and solidifying the surface of a casting, removing casting defects, refining the structure, or forming an alloy layer by adding alloy components to the surface of the casting. The present invention relates to a remelting treatment method for castings used for modifying. (Prior art) Among various castings, aluminum alloy castings are lightweight, have good thermal conductivity and corrosion resistance, and are excellent in castability.
For example, it is widely used in automobile engine parts. However, aluminum alloy castings have inferior heat resistance and wear resistance compared to those made of steel-based materials, and with the increase in engine output in recent years, the thermal and stress loads placed on each component have increased. However, conventional aluminum alloy castings have become insufficiently durable. Therefore, the parts of the aluminum-ram alloy castings that are subjected to severe loads are exposed to electron beams. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 55-27587 discloses a method of remelting using a high-density heat source such as a laser beam, plasma arc, or TIG arc to reduce casting defects, refine the structure, or improve durability by forming an alloy layer. No. 59
This method has been proposed in JP-A-80712, JP-61-193773, and the like. (Problem to be Solved by the Invention) However, among the above heat sources, arc is inexpensive in terms of equipment cost, and it is possible to obtain a remelting part with a certain depth and width, so it is a simple remelting process. Despite its promise as a heat source, it has not been widely adopted due to the following issues. (1) Since the energy density is lower than that of electron beams or laser beams, the dimensions of the remelted zone are wide and shallow, but since the temperature inside the remelted zone is low and the stirring action is small, internal defects are difficult to remove, especially If there are many gas components in the treated material, it may not be possible to remove them completely and they may remain in the material as blowholes. (2) Due to the slow processing speed of electron beams and laser beams, in order to process a large area, it is necessary to shift the torch a few times and scan it many times, which takes time. In addition, distortion and roughness of the material surface also increase. (Object of the Invention) The present invention has been made by focusing on the above-mentioned conventional problems, and is to use an arc, which is inexpensive in equipment cost, as a heat source, and to obtain a defect-free remelted part with high productivity. The purpose of the present invention is to provide a method for remelting castings.
【発明の構ＪＲ，】[Structure of the invention JR,]
（課題を解決するための手段）
本発明者は、上記目的を達成するため、アークを熱源と
する再溶融処理の諸条件について鋭意検討した結果、再
溶融処理と同時に再溶融部内に攪拌や振動作用を起すこ
との有効性について着目した。すなわち、再溶融部内に
攪拌や振動が起ることによって、内部欠陥が浮上、放出
されやすくなる共に、再溶融部の幅が広くなり、生産性
が向上するものと考えられる。
一方、再溶融部に攪拌作用を起すには、（１）アーク電
流をパルス電流として、アークの変化により再溶融部を
振動させる、
（２）処理素材に超音波発振器を取り付け、再溶融処理
をしながら素材を振動させる、（３）アークに磁場をか
け、アークを回転させたり振らせたりすることによって
再溶融部を振動、攪拌させる、
（４）再溶融部に磁場をかけ、再溶融部の溶融金属を流
動させる、
などの方法が考えられるが、前記（１）および（２）の
方法では、回転運動を与えることができないので攪拌作
用が弱いことが判明した。また、（３）の方法では、攪
拌作用を与えることはできるが、いわゆる「磁気吹き」
の現象となってアークのシールドが乱れ易く、空気を巻
込んでかえって欠陥が増加する恐れがあることが判った
。
これに対しく４）の方法−では、内部欠陥が上面から放
出され易くなり、結晶粒の成長が抑えられて微細化する
と共に、再溶融部の形状についてもやや浅く、幅が広く
なることが認められ、同−入熱による処理面積が増大し
、生産性が向上することが判明した。
本発明に係る鋳物の再溶融処理方法は」１記の知見に基
づくものであって、鋳物表面を再溶融して凝固、改質さ
せる再溶融処理において、アークによって再溶融した被
処理部表面に概略垂直方向の磁場をかけることによって
前記再溶融部を磁気攪拌する構成としたものであり、こ
のような鋳物の再溶融処理方法を前述した課題を解決す
るための手段としたことを特徴としている。
第１図（ａ）（ｂ）は、本発明に係る鋳物の再溶融処理
方法における再溶融部の磁気攪拌の原理について、ＴＩ
Ｇアークを例として説明する図である。図に示すトーチ
１は、中央部のタングステン電極２の周囲にシールドノ
ズル３を備えると共に、前記シールドノズル３の外周に
は磁場発生電源４に接続された励磁コイル５が設置され
ている。
前記トーチ１のタングステン電極２と再溶融処理を施す
鋳物６との間にアーク７を発生させることにより、その
熱で前記鋳物６の被処理部６ａの表面が溶融され、再溶
融部８が形成される。このとき、前記アーク７および再
溶融部８は、前記トーチ１のノズル３から供給されるア
ルゴンなどの不活性ガスによってシールドされ、大気か
ら保護されるようになっている。
前記１・−チ１は図中左方向に移動し、この移動に伴っ
て前記再溶融部８の溶融金属が凝固し１・−チ１が通過
したあとの前記被処理部６ａの表面には凝固部９が形成
されている。
このとき、前記タングステン電極２から再溶融部８に流
れる電流Ｉは、図中に矢印で示すように、鋳物６の表面
付近では前記表面にほぼ平行に、且つ前記再溶融部８の
中心から放射状に流れている。これに、前記トーチ１の
ノズル３に設置した１ＭＩ＋ｌｉａコイル５を磁場発生
電源４によって励磁することにより、前記被処理部６ａ
の表面に垂直な方向に、第１図（ａ）中に破線矢印で示
す磁場Ｈを与えると、再溶融部８内を流れる前記電流Ｉ
との相互作用によって第１図（ｂ）中に短い矢印で示す
ローレンツ力Ｆが発生し、再溶融部８の溶融金属が一定
方向に流動して攪拌作用が生じる。
この撹拌作用により前記鋳物６の表面近傍にあった内部
欠陥が浮上して消滅し易くなり、再溶融部８は浅く幅の
広い形状となると共に、結晶粒の成長が抑えられて微細
な組織となる。
また、前記磁場Ｈを交番磁場とすることにより、あるい
はアーク電流を交流とすることにより、再溶融部８に作
用するローレンツ力Ｆが周期的に反転するようになるた
め、より効果的な攪拌が可能となる。
さらにこのとき、励磁電流と周波数とを適正に選択する
ことにより攪拌作用の効果を調整することができる。す
なわち、励磁電流が大きくなると磁場強度が高くなって
撹拌力も強くなり、周波数が高くなると反転頻度も多く
なるが、溶融金属の粘性との関係であまりに大きな攪拌
力や反転周期には溶融金属が追随できなくなるので過大
な励磁電流やＷ１３すぎる周波数は効果がない。そして
、アルミニウム合金鋳物の場合には、磁場強度は最大６
００ガウス、周波数は最大１０ヘルツ程度までがそれぞ
れ望ましい範囲である。
なお、前記磁気攪拌の原理は、ＴＩＧアークを例にして
説明したが、プラズマアークの場合も同様と考えてよい
。
本発明に係る鋳物の再溶融処理方法は、例えば、自動車
用エンジンのシリンタヘッド弁間部やピストンのへ・ン
ド部のように、結晶粒が粗く、内部に鋳造欠陥があって
使用中に亀裂が発生する恐れのある部位への対策として
有効である。
また、本発明に係る再溶融処理を行う際に合金化材料を
再溶融部に供給するか、あるいは予め鋳物表面に合金化
材料をコーティングしておくことにより、前記鋳物素材
より融点が高い合金化材料や比重が異なる合金化材料で
あっても磁気攪拌作用によって容易に前記素材金属と融
合して偏析のない均一な合金層を得ることができ、耐熱
性や耐摩耗性のより優れた表面層を形成させることがで
きる。
なお、アルミニウム合金鋳物の場合には、Ｔ６やＴ７な
どの熱処理を施して使用ネれることが多いが、本発明に
係る再溶融処理は、前記熱処理前に行うことが望ましい
。これは、再溶融によって生じた残留応力が熱処理によ
って低減できることによる。
（作用）
本発明に係る鋳物の再溶融処理方法は、アークを利用し
て再溶融した鋳物の被処理部表面に概略垂直方法の磁場
をかけることによって、再溶融部を流れる電流と前記磁
場との相互作用で前記再溶融部内にローレンツ力を発生
させ、これにより再溶融部の溶融金属を磁気攪拌するも
のであり、この攪拌によって鋳物表面近傍にある内部欠
陥が浮上しやすくなり、結晶粒の成長が抑えられて組織
が微細化すると共に再溶融部が浅く幅の広い形状となる
。
（実施例）
第１図に示したような磁場発生器５を取り付けたＴＩＧ
トーチ１を用いて、電流 ２００Ａ。
走行速度 １００ｍｍ／分、シールドガス アルゴン流
量１５文／分、スタンドオフ ４ｍｍのＴＩＧアーク条
件のもとに、磁場強度（励磁主ＩＱ）および周波数を組
合わせた第１表に示す磁場条件による磁気撹拌をそれぞ
れ何加してＪＩＳ Ｈ５２０２ＡＣ４Ｂに相当する５
ｉＣｕ系アルミニウム合金鋳物表面にビードオンプレー
ト方式で再溶融処理を施した。
次いで、各再溶融処理ビードの中央部から横断面マクロ
試験片を採取し、再溶融部の寸法および前記マクロ試験
片」二のブローホール数を測定した。さらにミクロ組織
を行ってデンドライトアーム間隔（ＤＡＳ）を測定した
。
また、比較例として、前記ＴＩＧ）−チから磁場発生器
を取り外し、前記と同様のＴＩＧアーク条件により、同
一のアルミニウム合金鋳物表面−１−に、同様の再溶融
処理を磁気攪拌を不」加することな〈実施した。次いで
、前記実施例と同様に再溶融部の寸法、ブローホール発
生数およびデンドライトアーム間隔を測定した。
これらの結果は、第１表に合わせて示すとおりで、磁気
攪拌を加えなかった比較例にくらべて、それぞれの磁場
条件による磁気攪拌を付加した本発明実施例では、いず
れも再溶融部の深さが減少し、再溶融部の幅が増大する
明らかな傾向が認められ、１回の処理面積が大きくなっ
て生産性が向上することが確認された。また、ブローホ
ール数が大幅に減少すると共にデンドライトアーム間（
ＤＡＳ）が減少しており、結晶粒の微細化傾向が明らか
であって、再溶融部の靭性向上に有効であった。
なお、上記実施例では、アルミニウム合金鋳物への適用
例を示したが、本発明に係る再溶融処理方法は、アルミ
ニウム合金鋳物のみに限定される訳ではなく、磁場条件
を適正に選択することにより鋳鉄その他の金属鋳物にも
適用することができる。(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the inventor of the present invention, as a result of intensive study on the various conditions of remelting treatment using an arc as a heat source, found that stirring and vibration within the remelting part at the same time as the remelting treatment. We focused on the effectiveness of inducing an action. That is, it is thought that by stirring and vibration occurring in the remelting zone, internal defects are more likely to float and be released, and the width of the remelting zone is widened, improving productivity. On the other hand, in order to create a stirring action in the remelting zone, (1) the arc current is made into a pulse current, and the remelting zone is vibrated by changes in the arc, (2) an ultrasonic oscillator is attached to the material to be treated, and the remelting process is started. (3) Apply a magnetic field to the arc and rotate or shake the arc to vibrate and stir the remelted part. (4) Apply a magnetic field to the remelted part to vibrate and stir the remelted part. Methods such as the following can be considered, but it has been found that methods (1) and (2) described above have weak stirring effects because rotational motion cannot be imparted. In addition, in method (3), although it is possible to give a stirring effect, so-called "magnetic blowing"
It was found that the arc shield is easily disturbed by this phenomenon, and there is a risk that air will be drawn in and the number of defects will increase. On the other hand, in method 4), internal defects are more likely to be ejected from the upper surface, suppressing the growth of crystal grains and making them finer, and the shape of the remelted part also becomes slightly shallower and wider. It was found that the processing area was increased due to the same heat input, and productivity was improved. The remelting treatment method for a casting according to the present invention is based on the knowledge described in 1. In the remelting treatment in which the surface of the casting is remelted, solidified, and modified, the surface of the part to be treated that has been remelted by an arc is The remelting section is magnetically stirred by applying a magnetic field in a substantially perpendicular direction, and is characterized in that such a casting remelting treatment method is used as a means for solving the above-mentioned problems. . FIGS. 1(a) and 1(b) show the principle of magnetic stirring of the remelting part in the casting remelting treatment method according to the present invention.
It is a figure explaining a G arc as an example. The torch 1 shown in the figure includes a shield nozzle 3 around a tungsten electrode 2 in the center, and an excitation coil 5 connected to a magnetic field generating power source 4 is installed around the outer periphery of the shield nozzle 3. By generating an arc 7 between the tungsten electrode 2 of the torch 1 and the casting 6 to be remelted, the surface of the treated part 6a of the casting 6 is melted by the heat, forming a remelting part 8. be done. At this time, the arc 7 and the remelting section 8 are shielded by an inert gas such as argon supplied from the nozzle 3 of the torch 1, and are protected from the atmosphere. The 1·-chi 1 moves to the left in the figure, and as it moves, the molten metal in the remelted part 8 solidifies, and after the 1·-chi 1 has passed, the surface of the treated part 6a is A solidified portion 9 is formed. At this time, the current I flowing from the tungsten electrode 2 to the remelting section 8 is approximately parallel to the surface near the surface of the casting 6 and radially from the center of the remelting section 8, as shown by the arrow in the figure. It is flowing to. By exciting the 1MI+lia coil 5 installed in the nozzle 3 of the torch 1 with the magnetic field generating power source 4, the treated portion 6a
When a magnetic field H indicated by a broken line arrow in FIG. 1(a) is applied in a direction perpendicular to the surface of
Due to the interaction, a Lorentz force F shown by a short arrow in FIG. 1(b) is generated, and the molten metal in the remelting section 8 flows in a fixed direction, producing a stirring action. Due to this stirring action, internal defects near the surface of the casting 6 float and disappear easily, and the remelted part 8 becomes shallow and wide, and the growth of crystal grains is suppressed to form a fine structure. Become. Furthermore, by making the magnetic field H an alternating magnetic field or by making the arc current an alternating current, the Lorentz force F acting on the remelting section 8 is periodically reversed, so more effective stirring can be achieved. It becomes possible. Furthermore, at this time, the effect of the stirring action can be adjusted by appropriately selecting the excitation current and frequency. In other words, as the excitation current increases, the magnetic field strength increases and the stirring force becomes stronger, and as the frequency increases, the frequency of reversals increases, but due to the relationship with the viscosity of the molten metal, the molten metal will follow too large a stirring force or reversal period. Excessive excitation current and frequencies exceeding W13 are ineffective. In the case of aluminum alloy castings, the magnetic field strength is up to 6
00 Gauss and a maximum frequency of about 10 Hertz are respectively desirable ranges. Note that although the principle of magnetic stirring has been explained using a TIG arc as an example, it may be considered that the same applies to a plasma arc. The remelting treatment method for castings according to the present invention can be applied to, for example, areas where crystal grains are coarse and there are internal casting defects and cracks occur during use, such as in the cylinder head valve gap or piston head area of an automobile engine. It is effective as a countermeasure for areas where it may occur. Furthermore, by supplying the alloying material to the remelting section when performing the remelting process according to the present invention, or by coating the surface of the casting with the alloying material in advance, it is possible to form an alloy with a melting point higher than that of the casting material. Even if alloyed materials have different materials or specific gravity, they can be easily fused with the raw metal by magnetic stirring to obtain a uniform alloy layer without segregation, resulting in a surface layer with better heat resistance and wear resistance. can be formed. Note that, in the case of aluminum alloy castings, they are often subjected to heat treatment such as T6 or T7 before use, but it is desirable that the remelting treatment according to the present invention be performed before the heat treatment. This is because residual stress caused by remelting can be reduced by heat treatment. (Function) The method for remelting a casting according to the present invention applies a magnetic field in a substantially perpendicular direction to the surface of the treated part of the remelted casting using an arc, so that the current flowing through the remelting part and the magnetic field are This interaction generates a Lorentz force within the remelting zone, which magnetically stirs the molten metal in the remelting zone.This stirring makes it easier for internal defects near the surface of the casting to float up, causing the formation of crystal grains. Growth is suppressed, the structure becomes finer, and the remelted area becomes shallower and wider. (Example) TIG equipped with a magnetic field generator 5 as shown in Fig. 1
Using torch 1, current 200A. Under the TIG arc conditions of a running speed of 100 mm/min, a shielding gas argon flow rate of 15 m/min, and a standoff of 4 mm, magnetic stirring is performed under the magnetic field conditions shown in Table 1, which combines the magnetic field strength (excitation main IQ) and frequency. 5 equivalent to JIS H5202AC4B by adding each
The surface of an iCu-based aluminum alloy casting was subjected to remelting treatment using a bead-on-plate method. Next, a cross-sectional macro test piece was taken from the center of each remelted bead, and the dimensions of the remelted part and the number of blowholes in the macro test piece were measured. Further microstructure was performed to measure dendrite arm spacing (DAS). As a comparative example, the magnetic field generator was removed from the TIG) and the same aluminum alloy casting surface -1 was subjected to the same remelting process without magnetic stirring under the same TIG arc conditions as above. Things to do <Implemented. Next, the dimensions of the remelted portion, the number of blowholes, and the dendrite arm spacing were measured in the same manner as in the previous example. These results are shown in Table 1, and compared to the comparative example in which no magnetic stirring was applied, the depth of the remelted zone was lower in the examples of the present invention in which magnetic stirring was applied under each magnetic field condition. A clear tendency for the width of the remelted zone to decrease and the width of the remelted zone to increase was observed, and it was confirmed that the area treated at one time was increased and productivity was improved. In addition, the number of blowholes is significantly reduced, and the gap between the dendrite arms (
DAS) decreased, and there was a clear tendency for crystal grains to become finer, which was effective in improving the toughness of the remelted zone. In addition, although the above embodiment shows an example of application to aluminum alloy castings, the remelting treatment method according to the present invention is not limited to aluminum alloy castings only, and can be applied to aluminum alloy castings by appropriately selecting magnetic field conditions. It can also be applied to cast iron and other metal castings.
【発明の効果】【Effect of the invention】
以上説明したように、本発明に係る鋳物の再溶融処理方
法は、鋳物表面を再溶融して凝固、改質させる再溶融処
理において、アークによって再溶融した被処理部表面に
概略垂直方向の磁場をかけることにより前記再溶融部を
磁気攪拌する構成としたものであるから、設備費用が安
価で、しかも欠陥のない再溶融部を生産性よく得ること
ができるという優れた効果を奏するものである。As explained above, in the remelting treatment method for castings according to the present invention, in the remelting treatment in which the surface of the casting is remelted, solidified, and modified, a magnetic field is applied in a direction approximately perpendicular to the surface of the part to be treated that has been remelted by an arc. Since the structure is such that the remelting zone is magnetically stirred by applying a magnetic stirrer, the equipment cost is low and a defect-free remelting zone can be obtained with high productivity, which is an excellent effect. .
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]
第１図（ａ）（ｂ）は本発明に係る鋳物の再溶融処理方
法における再溶融部の磁気攪拌原理を示す各々説明図で
ある。
６・・・鋳物、６ａ・・・被処理部、７・・・アーク、
８・・・再溶融部、Ｈ・・・磁場。
特許出願人 日産自動車株式会社FIGS. 1(a) and 1(b) are explanatory diagrams each showing the principle of magnetic stirring in the remelting section in the method for remelting a casting according to the present invention. 6... Casting, 6a... Part to be treated, 7... Arc,
8... Remelting section, H... Magnetic field. Patent applicant Nissan Motor Co., Ltd.