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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft allgemein ein verschleißfestes bzw. abriebfestes Element und ein Herstellungsverfahren für ein verschleißfestes Element, und betrifft insbesondere ein verschleißfestes Element einschließlich einem Substrat und einer auf einem Substrat vorgesehenen bzw. angeordneten Plattierschicht bzw. Mantelschicht und ein Herstellungsverfahren desselben.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Es gibt verschleißfeste Elemente einschließlich einer auf einem Substrat vorgesehenen Plattierschicht, die somit verbesserte Verschleißfestigkeit bzw. Abriebfestigkeit aufweisen. Beispiele derartiger verschleißfester Elemente umfassen einen Ventilsitz mit Verschleißfestigkeit. Ein verschleißfester Ventilsitz ist auf einer Umfangskante eines brennraumseitigen Öffnungsendes einer jeden Ansaugöffnung bzw. eines jeden Saugstutzen und einer jeden Abgasöffnung bzw. eines jeden Abgasanschlusses bzw. einer jeden Auslassöffnung in einem Zylinderkopf vorgesehen, da ein Ventil wiederholt in Kontakt mit der Umfangskante in einer Hochtemperaturumgebung kommt.
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Der Ventilsitz wird durch Ausbilden einer Plattierschicht auf der Umfangskante des Öffnungsendes einer jeden Ansaugöffnung und einer jeden Abgasöffnung eines unfertigen Zylinderkopfes, welcher ein Substrat ist, hergestellt, und dann wird die Plattierschicht geschnitten. Die Plattierschicht wird fortschreitend durch Bewegen eines Schmelzbades ausgebildet, welches auf dem Substrat durch eine lokale Heizvorrichtung während der Zufuhr von Metallpulver zum Schmelzbad ausgebildet ist. Konkrete Beispiele einer Heizquelle, welche in der lokalen Heizvorrichtung verwendet wird, schließen einen Laserstrahl, eine Acetylengasflamme, und einen Plasmabogen ein.
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Die japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2001-105177 (
JP 2001-105177 A ) beschreibt eine Technik zur Ausbildung einer Plattierschicht durch Schmelzen von Plattierpulver (d.h., Pulver, das zum Plattieren verwendet wird), welches Hartpulver und Matrixpulver enthält. Das Hartpulver enthält Molybdän (Mo) und/oder Wolfram (W). Das Matrixpulver enthält eine Kupfer-basierte Legierung.
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Ferner offenbaren die Patentanmeldung
US 2016/0375523 A1 eine Plattierschicht und die Patentanmeldung
US 2004/0045641 A1 eine verschleißfeste Legierung entsprechend dem Stand der Technik.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfinder fanden die folgenden Sachverhalte, welche angesichts des Herstellungsverfahrens eines verschleißfesten Elements angesprochen werden sollen. Gemäß diesem Verfahren wird eine Plattierschicht durch Schmelzen von Plattierpulver, welches Hartpulver und Matrixpulver enthält, durch eine lokale Heizvorrichtung ausgebildet, während das Plattierpulver auf ein Substrat zugeführt wird, und dann wird die Plattierungsschicht geschnitten. Mit der in
JP 2001-105177 A beschriebenen Technik können Hartpulverpartikel, die durch die lokale Heizvorrichtung geschmolzen werden, agglomerieren, und Hartpartikel in der Plattierungsschicht können somit derart grob werden, dass sich die Bearbeitbarkeit der Plattierungsschicht verschlechtert.
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Die Erfindung stellt eine Technik zur Unterdrückung der Vergröberung der Hartpartikel in einer Plattierschicht bereit, wodurch die Bearbeitbarkeit der Plattierschicht verbessert wird.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren eines verschleißfesten Elements, welches umfasst: Ausbilden einer Plattierschicht auf einem Substrat; und Schneiden der auf dem Substrat ausgebildeten Plattierschicht. Die Plattierschicht wird durch Bewegen einer Stelle, die durch eine lokale Heizvorrichtung beheizt werden soll, relativ zum Substrat ausgebildet, während Plattierpulver auf das Substrat zugeführt wird und das Plattierpulver unter Verwendung der lokalen Heizvorrichtung geschmolzen wird. Das Plattierpulver enthält ein Matrixpulver und ein Hartpulver. Das Matrixpulver enthält eine Kupfer-basierte Legierung. Das Hartpulver enthält ein Silizid als eine harte Phase. Das Silizid enthält ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Cr, Fe, Co, Ni, und Cu, und ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Mo, W, und Nb. Das Hartpulver umfasst ein erstes Hartpulver und ein zweites Hartpulver. Im Vorgang der Bildung der Plattierschicht wird das zweite Hartpulver getrennt vom ersten Hartpulver einem Schmelzbad zugeführt, welches sich durch Schmelzen des ersten Hartpulvers und des Matrixpulvers unter Verwendung der lokalen Heizvorrichtung derart ausbildet, dass zumindest ein Teil des zweiten Hartpulvers ungeschmolzen in der Plattierschicht verbleibt.
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In dem Herstellungsverfahren eines verschleißfesten Elements nach dem ersten Aspekt der Erfindung wird das Hartpulver in das erste Hartpulver und das zweite Hartpulver eingeteilt, und das erste Hartpulver und das Matrixpulver werden durch die lokale Heizvorrichtung geschmolzen. Das heißt, dieses Verfahren kann die Menge an Hartpulver, welche durch die lokale Heizvorrichtung zu schmelzen ist, verglichen mit herkömmlichen Verfahren reduzieren. Es ist somit möglich, die Vergröberung der Hartpartikel in der Plattierschicht aufgrund von Aggregation bzw. Anhäufung der Hartpulverpartikel zu unterdrücken. Deshalb wird eine Verschlechterung der Bearbeitbarkeit der Plattierschicht verringert. Zusätzlich wird eine ausreichende Verschleißfestigkeit sichergestellt, indem zumindest einem Teil des zweiten Hartpulvers erlaubt wird, ungeschmolzen in der Plattierschicht zu verbleiben.
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Das zweite Hartpulver weist eine größere Partikelgröße auf als die Partikelgröße des ersten Hartpulvers. Je größer die Partikelgröße des zweiten Hartpulvers ist, desto höher ist die Verschleißfestigkeit. Je kleiner die Partikelgröße des ersten Hartpulvers ist, desto leichter wird das erste Hartpulver durch die lokale Heizvorrichtung geschmolzen. Die Partikelgröße des zweiten Hartpulvers kann 250 µm oder kleiner sein, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern.
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Das zweite Hartpulver kann zum Schmelzbad von einer Position zugeführt werden, die sich hinter einer Position befindet, von der das erste Hartpulver zugeführt wird, in eine Richtung, in welcher die Stelle, die beheizt werden soll, relativ zum Substrat bewegt wird. Jedes, sowohl das erste Hartpulver als auch das zweite Hartpulver, enthält mindestens 10 Gew.-% von einem oder mehreren Elementen, ausgewählt aus Cr, Fe, Co, Ni, und Cu, mindestens 15 Gew.-% von einem oder mehreren Elementen, ausgewählt aus Mo, W, und Nb, und 2,0 Gew.-% bis 8,0 Gew.-% Si.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein verschleißfestes Element, welches durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erhalten wird und welches umfasst: ein Substrat; und eine auf dem Substrat vorgesehene Plattierschicht. Die Plattierschicht umfasst eine Matrix, Hartpulver, und kristallisierte Partikel, die in der Matrix auskristallisieren. Die Matrix enthält eine Kupfer-basierte Legierung. Das Hartpulver verbleibt ungeschmolzen und enthält ein Silizid als eine Hartphase, welches ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Cr, Fe, Co, Ni, und Cu, und ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Mo, W, und Nb enthält. Die kristallisierten Partikel enthalten ein Silizid als eine Hartphase, welches ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Cr, Fe, Co, Ni, und Cu, und ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Mo, W, und Nb enthält.
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Das verschleißfeste Element nach dem zweiten Aspekt der Erfindung enthält Hartpulver und kristallisierte Partikel. Das Hartpulver verbleibt ungeschmolzen und enthält das Silizid als die Hartphase, welches ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Cr, Fe, Co, Ni, und Cu, und ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Mo, W, und Nb enthält. Die kristallisierten Partikel enthalten das Silizid als die Hartphase, welches ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Cr, Fe, Co, Ni, und Cu, und ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Mo, W, und Nb enthält. Zumindest ein Teil des Hartpulvers verbleibt ungeschmolzen in der Plattierschicht, so dass es möglich ist, eine ausreichende Verschleißfestigkeit sicherzustellen. Zusätzlich ist es möglich, die Vergröberung der kristallisierten Partikel in der Plattierschicht aufgrund von Aggregation bzw. Anhäufung der Hartpulverpartikel zu unterdrücken. Deshalb wird eine Verschlechterung der Bearbeitbarkeit der Plattierschicht reduziert bzw. vermindert.
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Das Hartpulver weist eine größere Partikelgröße als die Partikelgröße der kristallisierten Partikel auf. Je größer die Partikelgröße des Hartpulvers ist, desto höher ist die Verschleißfestigkeit. Um die Bearbeitbarkeit zu verbessern, kann die Partikelgröße des Hartpulvers 250 µm oder kleiner sein, und die Partikelgröße der kristallisierten Partikel kann 100 µm oder weniger betragen. Zusätzlich können die kristallisierten Partikel eine höhere Härte als die Härte des Hartpulvers aufweisen.
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Die Erfindung unterdrückt die Vergröberung der Hartpartikel in der Plattierschicht, wodurch die Bearbeitbarkeit der Plattierschicht verbessert wird.
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Figurenliste
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Eigenschaften, Vorteile, und technische und industrielle Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug zu der beigefügten Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und wobei:
- 1 eine perspektivische Ansicht ist, welche die Übersicht eines Schrittes zur Herstellung einer Plattierschicht in einem Herstellungsverfahren eines verschleißfesten Elements nach einer ersten Ausführungsform schematisch darstellt;
- 2 eine Schnittansicht eines Laserbearbeitungskopfes ist, welcher in dem Herstellungsverfahren eines verschleißfesten Elements nach der ersten Ausführungsform verwendet wird;
- 3 eine Schnittansicht ist, welche die Details des Herstellungsverfahrens eines verschleißfesten Elements nach der ersten Ausführungsform darstellt;
- 4 eine Schnittansicht ist, welche die Details des Herstellungsverfahrens eines verschleißfesten Elements nach der ersten Ausführungsform darstellt;
- 5 eine Seitenansicht ist, welche ein Verfahren zum Zuführen von Plattierpulver im Schritt der Herstellung einer Plattierschicht schematisch darstellt;
- 6 eine optische Mikrophotographie eines Bereiches bzw. Abschnitts einer Plattierschicht nach einem Beispiel ist;
- 7 ein Bild reflektierter Elektronen einer untersuchten, in 6 angezeigten Stelle ist;
- 8 ein Balkendiagramm ist, welches den Vergleich zwischen den Ergebnissen eines Bearbeitbarkeitstests, welcher mit der Plattierschicht nach dem Beispiel und einer Plattierschicht nach einem Vergleichsbeispiel ausgeführt wurde, darstellt; und
- 9 ein Balkendiagramm ist, welches den Vergleich zwischen den Ergebnissen eines Verschleißtests, welcher an einem Ventilsitz nach dem Beispiel und einem Ventilsitz nach dem Vergleichsbeispiel ausgeführt wurde, darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachstehend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung im Detail mit Bezug zur beigefügten Zeichnung beschrieben. Man beachte, dass die Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt ist. Die folgende Beschreibung und die Zeichnung sind gegebenenfalls vereinfacht, um das Verständnis der Beschreibung zu vereinfachen.
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Erste Ausführungsform
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Zunächst wird ein Herstellungsverfahren eines verschleißfesten Elements nach einer ersten Ausführungsform mit Bezug auf die 1 bis 5 beschrieben. Ein auf einem Zylinderkopf eines Motors ausgebildeter Ventilsitz wird als ein Beispiel eines verschleißfesten Elements beschrieben. Jedoch ist ein verschleißfestes Element nicht auf einen Ventilsitz beschränkt.
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1 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Übersicht eines Schrittes zur Herstellung einer Plattierschicht im Herstellungsverfahren eines verschleißfesten Elements nach der ersten Ausführungsform schematisch darstellt. 2 ist eine Schnittansicht eines Laserbearbeitungskopfes, welcher in dem Herstellungsverfahren eines verschleißfesten Elements nach der ersten Ausführungsform verwendet wird. Die 3 und 4 sind jeweils eine Schnittansicht, welche die Details eines Herstellungsverfahrens eines verschleißfesten Elements nach der ersten Ausführungsform darstellt. 5 ist eine Seitenansicht, welche ein Verfahren zur Zuführung von Plattierpulver im Schritt der Herstellung einer Plattierschicht schematisch darstellt.
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Mit Bezug auf 1 wird eine Beschreibung zur Übersicht des Schrittes zur Herstellung einer Plattierschicht im Herstellungsverfahren eines verschleißfesten Elements nach der ersten Ausführungsform bereitgestellt. Zunächst wird die Anordnung eines unfertigen Zylinderkopfes 10, welches ein Beispiel eines Substrates ist, beschrieben. Der unfertige Zylinderkopf 10 ist ein Gussteil, welches zum Beispiel Gusseisen oder eine Aluminiumlegierung enthält. Wie in 1 dargestellt, umfasst der unfertige Zylinderkopf 10 eine Mehrzahl an Brennkammern 13. Jede Brennkammer 13 ist mit Ansaugöffnungen 11 und Abgasöffnungen bzw. Ablassöffnungen 12 versehen. Eine Senkbohrung bzw. gekerbte Nut 14 wird durch Bearbeitung auf einer Umlaufkante eines Öffnungsendes aller Ansaugöffnungen 11 und Abgasöffnungen 12 ausgebildet. Eine Plattierschicht soll in der Senkbohrung 14 ausgebildet werden. Man beachte, dass das vorstehend beschriebene Öffnungsende ein Öffnungsende auf Seiten der Brennkammer 13 ist.
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Der in 1 dargestellte, unfertige Zylinderkopf 10 soll in einem Zylinderkopf für einen Motor einschließlich vier Zylinder und ausgestattet mit 16 Ventilen ausgestaltet werden. Der unfertige Zylinderkopf 10 umfasst vier Brennkammern 13, wovon jede mit zwei Ansaugöffnungen 11 und zwei Abgasöffnungen 12 versehen ist. Unnötig zu erwähnen ist, dass die Anzahl der Brennkammern 13, die Anzahl der Ansaugöffnungen 11 und die Anzahl der Abgasöffnungen 12 nicht auf diese in einem Beispiel in 1 dargestellten beschränkt ist, und gegebenenfalls angepasst werden können.
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Wie in 1 dargestellt, wird eine Plattierschicht durch Anwenden eines Laserstrahls 30 (mit einer optischen Achse A2) auf die Senkbohrung 14 von einem Laserbearbeitungskopf 40 während der Zufuhr von Plattierpulver (d.h., zur Plattierung verwendetes Pulver) zur Senkbohrung 14 vom Laserbearbeitungskopf 40 ausgebildet. Wenn der Laserbearbeitungskopf 40 eine Umdrehung um eine Zentralachse A1 der Senkbohrung 14, welche eine Ringform aufweist, durchführt, wird eine Plattierschicht über den gesamten Kreisumfang der Senkbohrung 14 ausgeführt. Die Zentralachse A1 verläuft durch das Zentrum der Senkbohrung 14 und steht senkrecht zur Bodenfläche der Senkbohrung 14. Eine Plattierschicht wird um jede der Ansaugöffnungen 11 und Abgasöffnungen 12 ausgebildet, nachdem die Stellung des unfertigen Zylinderkopfes 10 derart eingestellt ist, dass die Laufrichtung der Zentralachse A1 der Senkbohrung 14 einer jeder der Ansaugöffnungen 11 und der Abgasöffnungen 12 mit der Vertikalrichtung zusammenfällt. In dem Herstellungsverfahren eines verschleißfesten Elements nach der ersten Ausführungsform, wird das Plattierpulver auch von einer anderen Düse als dem Laserbearbeitungskopf 40 zugeführt, wie später im Detail mit Bezug auf 5 beschrieben wird.
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Als nächstes wird die Anordnung des Laserbearbeitungskopfes 40 mit Bezug auf 2 beschrieben. Der Laserbearbeitungskopf 40 umfasst eine Innendüse 41, eine Au-ßendüse 42 und ein Materialzuführrohr 43. Das heißt, der Laserbearbeitungskopf 40 weist eine koaxiale Doppelrohrstruktur auf, bestehend aus der Innendüse 41 und der Au-ßendüse 42, wobei jede eine Zentralachse aufweist, welche mit der optischen Achse A2 des Laserstrahls 30 zusammenfällt.
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Insbesondere wird der Laserstrahl 30 von der Innendüse 41 emittiert bzw. ausgesendet. Zusätzlich werden Inertgas und Plattierpulver, welche durch das Materialzuführrohr 43 zugeführt worden sind, von einem Spalt zwischen der Innendüse 41 und der Au-ßendüse 42 entladen. Das heißt, die Achse entlang der das Plattierpulver und das Inertgas entladen werden, fällt mit der optischen Achse A2 des Laserstrahls 30 zusammen. Beispiele des Inertgases umfassen Argongas und Stickstoffgas.
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Wie vorstehend beschrieben, sind ein Abschnitt, von welchem der Laserstrahl 30 emittiert bzw. ausgesendet wird, und ein Abschnitt, von dem das Plattierpulver und das Inertgas zugeführt werden, miteinander verbunden. Somit wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung kompakt gemacht. Das Materialzuführrohr 43 ist in 1 weggelassen.
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Als nächstes werden die Details des Herstellungsverfahren eines verschleißfesten Elements nach der ersten Ausführungsform mit Bezug auf die 3 und 4 beschrieben. 3 stellt einen Schritt der Herstellung einer Plattierschicht 20 dar. 4 stellt einen Schritt des Schneidens der Plattierschicht 20 dar. Das Herstellungsverfahren eines Ventilsitzes, welcher ein Beispiel eines verschleißfesten Elements ist, ist dasselbe, ungeachtet ob der Ventilsitz in der Ansaugöffnung 11 oder in der Abgasöffnung 12 bereitgestellt wird. Deshalb wird das Herstellungsverfahren eines Ventilsitzes, der in der Ansaugöffnung 11 angeordnet ist, nachstehend beschrieben.
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Zunächst wird, wie in 3 dargestellt, der Laserstrahl 30 auf die Senkbohrung 14, welche eine Ringform aufweist, angewendet und auf der Umlaufkante des Öffnungsendes der Ansaugöffnung 11 ausgebildet, während das Plattierpulver der Senkbohrung 14 zugeführt wird. Man beachte, dass das vorstehend beschriebene Öffnungsende der Ansaugöffnung 11 ein Öffnungsende auf Seiten der Brennkammer 13 ist. Somit wird das Plattierpulver geschmolzen und dann in der Senkbohrung 14 verfestigt, wodurch eine Plattierschicht 20 ausgebildet wird, die zu einem Ventilsitz verarbeitet werden soll.
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Wie in 1 dargestellt, wird der Laserstrahl 30 (mit der optischen Achse A2) vom Laserbearbeitungskopf 40 emittiert. Der Laserbearbeitungskopf 40 macht eine Umdrehung um die Zentralachse A1 der Senkbohrung 14, welche eine Ringform aufweist, und somit wird die Plattierschicht 20 über den gesamten Umfang der Senkbohrung 14 ausgebildet. Ein Neigungswinkel θ1 der optischen Achse A2 des Laserstrahls 30 ist ungefähr 45°, wie in 3 dargestellt.
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Die Senkbohrung 14 wird zum Beispiel durch Bearbeitung ausgebildet. Die Senkbohrung 14 hat eine Bodenfläche 14a, eine geneigte Oberfläche 14b, und eine Seitenwand 14c, wie in 3 dargestellt. Die Plattierschicht 20 hat wahrscheinlich einen Defekt bzw. eine Fehlstelle an einer Ecke der Senkbohrung 14. Jedoch ist es aufgrund der zwischen der Bodenfläche 14a und der Seitenwand 14c angeordneten, geneigten Oberfläche 14b möglich, das Auftreten eines Defekts in der Plattierschicht 20 an der Ecke der Senkbohrung 14 zu verringern.
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Als nächstes wird, wie in 4 dargestellt, die Plattierschicht 20 zusammen mit dem unfertigen Zylinderkopf 10 durch Konturierung geschnitten. Ein Schneidwerkzeug 50 für Konturierung umfasst einen Halter 51 und an dem Halter 51 befestigte Schneideinsätze bzw. Drehzähne 52a, 52b. Die Schneideinsätze 52a, 52b sind, zum Beispiel, Hartmetallplättchen.
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Das Schneidwerkzeug 50 bewegt sich von Innen bzw. der Innenseite nach Außen bzw. zur Außenseite in der radialen Richtung der Senkbohrung 14, während es um eine Rotationsachse A3 mit einer hohen Geschwindigkeit rotiert. Somit werden die Plattierschicht 20 und der unfertige Zylinderkopf 10 in eine Form geschnitten, welche durch lange, gestrichelte, doppelgepunktete Linien angezeigt ist. Insbesondere wird eine Führungsfläche 22a auf bzw. an der Seite der Brennkammer durch den Schneideinsatz 52a ausgebildet, und eine Führungsfläche 22b auf bzw. an der Innenseite der Öffnung wird durch den Schneideinsatz 52b ausgebildet. Schließlich wird eine Ventilsitzoberfläche 23 durch weiteres Schneiden der Plattierschicht 20 ausgebildet. Das Schneideverfahren ist nicht auf Konturierung beschränkt, und kann zum Beispiel Eintauchen bzw. Stürzen sein.
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Als nächstes wird mit Bezug zu 5 eine Beschreibung bezüglich eines Verfahrens zum Zuführen des Plattierpulvers im Schritt der in 3 dargestellten Herstellung einer Plattierschicht bereitgestellt. Wie in 5 dargestellt, enthält das Plattierpulver ein Matrixpulver MP und ein Hartpulver. Das Matrixpulver MP enthält eine Kupfer-basierte Legierung. Das Hartpulver enthält ein Silizid als eine Hartphase, welches ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Chrom (Cr), Eisen (Fe), Cobalt (Co), Nickel (Ni), und Kupfer (Cu), und ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), und Niob (Nb), enthält.
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Im Herstellungsverfahren eines verschleißfesten Elements nach der vorliegenden Ausführungsform wird das Hartpulver in ein erstes Hartpulver HP1 und in ein zweites Hartpulver HP2, wie in 5 dargestellt, eingeteilt. Dann wird ein Schmelzbad 21 durch Schmelzen des ersten Hartpulvers HP1 und des Matrixpulvers MP unter Verwendung des Laserstrahls 30 gebildet, während das erste Hartpulver HP1 und das Matrixpulver MP vom Laserbearbeitungskopf 40 zugeführt wird. Während das Schmelzbad 21 gebildet wird, wird das zweite Hartpulver HP2 zum Schmelzbad 21 von einer Position zugeführt, die sich hinter einer Position befindet, von der das erste Hartpulver HP1 zugeführt wird, in der Richtung, in welcher das Schmelzbad 21 relativ zum unfertigen Zylinderkopf 10 bewegt wird. Das heißt, in der Richtung, in welche das Schmelzbad 21 relativ zum unfertigen Zylinderkopf 10 bewegt wird, befindet sich die Position, von der das zweite Hartpulver HP2 zugeführt wird, hinter der Position, von der das erste Hartpulver HP1 zugeführt wird. Das erlaubt zumindest einem Teil des zweiten Hartpulvers HP2 ungeschmolzen in der Plattierschicht 20 zu verbleiben. Das zweite Hartpulver HP2 wird, zum Beispiel, von einer anderen Düse (nicht dargestellt) als dem Laserbearbeitungskopf 40 zugeführt.
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Das erste Hartpulver HP1 und das Matrixpulver MP müssen nicht von dem Laserbearbeitungskopf 40 zugeführt werden, und können von einer anderen Düse zugeführt werden. Das erste Hartpulver HP1 und das Matrixpulver MP müssen nicht zuvor zusammengemischt werden, und können getrennt voneinander zugeführt werden.
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Wie in 5 dargestellt, wird das zweite Hartpulver HP2 in das Schmelzbad 21, ohne durch den Laserstrahl 30 geschmolzen zu werden, zugegeben. Deshalb benötigt es eine gewisse Menge an Zeit für das zweite Hartpulver HP2, um vollständig geschmolzen zu werden. Zusätzlich wird das zweite Hartpulver HP2 in das Schmelzbad 21 von einer Position zugegeben, die sich hinter einer Position befindet, von der das erste Hartpulver HP1 zugeführt wird, in der Richtung, in welcher eine Stelle, die durch den Laserstrahl 30 beheizt werden soll, relativ zum unfertigen Zylinderkopf 10 bewegt wird. Deshalb verfestigt sich das Schmelzbad 21 innerhalb einer kurzen Zeit, nachdem das zweite Hartpulver HP2 in das Schmelzbad 21 zugegeben wurde, sodass das zweite Hartpulver HP2 wahrscheinlich ungeschmolzen verbleibt. Der Begriff „ungeschmolzen“ schließt einen Fall ein, bei dem ein Teil des zweiten Hartpulvers HP2 geschmolzen ist und der Rest des zweiten Hartpulvers HP2 ungeschmolzen verbleibt. Das zweite Hartpulver HP2 kann von einer Position zugegeben werden, die sich vor einer Position befindet, von der das erste Hartpulver HP1 zugeführt wird, in der Richtung, in der die Stelle, die durch den Laserstrahl 30 erhitzt werden soll, relativ zum unfertigen Zylinderkopf 10 bewegt wird, solange das zweite Hartpulver HP2 in einen Seitenabschnitt des Schmelzbades 21 zugegeben wird, auf den der Laserstrahl 30 nicht angewendet wird.
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Das Matrixpulver MP enthält, zum Beispiel, eine hitzebeständige Kupfer-basierte Legierung, welche 10,0 Gew.-% bis 38,0 Gew.-% Ni, 2,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% Silizium (Si), und mindestens 56,0 Gew.-% Cu enthält. Das Matrixpulver MP kann weiter ein Element wie Cr, Fe, oder Co enthalten.
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Das erste Hartpulver HP1 und das zweite Hartpulver HP2 enthalten jeweils 2,0 Gew.-% bis 8,0 Gew.-% Si, mindestens 10,0 Gew.-% von einem oder mehreren Elementen X, ausgewählt aus Fe, Co, Ni, Cr, und Cu, und mindestens 15,0 Gew.-% von einem oder mehreren Elementen Y, ausgewählt aus Mo, W, und Nb. Si bildet eine Hartphase in der Form eines Silizids, ausgedrückt durch eine chemische Formel X3Y2Si.
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Das erste Hartpulver HP1 und das zweite Hartpulver HP2 müssen nicht dieselbe Zusammensetzung aufweisen, und können voneinander unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, so lange die Gehalte der Bestandteile bzw. Komponenten innerhalb der vorstehend beschriebenen Bereiche sind. Das zweite Hartpulver HP2 kann aus zwei oder mehreren Arten von Hartpulver mit voneinander verschiedenen Zusammensetzungen ausgebildet sein. In diesem Fall können die zwei oder mehrere Arten von Hartpulver mit voneinander verschiedenen Zusammensetzungen zuvor gemischt und dann zugeführt werden, oder können getrennt voneinander zugeführt werden.
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Im Vorgang des Kühlens des Schmelzbades 21, welches durch Schmelzen des ersten Hartpulvers HP1 und des Matrixpulvers MP gebildet wird, kristallisiert eine neue Hartphase aufgrund einer sogenannten Trennreaktion zweier Flüssigphasen aus. Die kristallisierten Partikel umfassen außerdem ein Silizid als eine Hartphase, welches die Elemente X und die Elemente Y enthält. In den kristallisierten Partikeln sind die Konzentrationen der Elemente Y und Si höher, und die Konzentrationen der Elemente X außer Cu sind niedriger als diejenigen im ersten Hartpulver HP1. Wenn somit das zweite Hartpulver HP2 grundlegend dieselbe Zusammensetzung wie das erste Hartpulver HP1 aufweist, ist die Härte der kristallisierten Partikel höher als die Härte des zweiten Hartpulvers HP2.
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Die kristallisierten Partikel werden nicht gröber, und weisen eine kleine Partikelgröße von 100 µm oder weniger auf. Dies führt zu der verbesserten Bearbeitbarkeit. Ferner werden zwei Arten von Hartpartikeln, welche sich in der Härte und Partikelgröße voneinander unterscheiden, in der Plattierschicht 20 durch Einstellen der Partikelgröße des zuzuführenden zweiten Hartpulvers HP2 angeordnet, so dass die Partikelgröße des zweiten Hartpulvers HP2, welches in der Plattierschicht 20 verbleibt, größer ist als die Partikelgröße der kristallisierten Partikel. Dies ergibt ein gutes Gleichgewicht zwischen der Bearbeitbarkeit und der Verschleißfestigkeit.
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Der Anteil des Hartpulvers (die Gesamtheit des ersten Hartpulvers HP1 und des zweiten Hartpulvers HP2) am Matrixpulver MP ist vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von 5,0 Gew.-% bis 50 Gew.-%. Wenn der Anteil des Hartpulvers am Matrixpulver MP geringer als 5,0 Gew.-% ist, kann eine ausreichende Verschleißfestigkeit nicht erhalten werden. Andererseits neigen, wenn der Anteil des Hartpulvers am Matrixpulver MP höher als 50 Gew.-% ist, die Hartpartikel in der Plattierschicht 20 dazu, derart grob zu werden, dass sich die Bearbeitbarkeit verschlechtert.
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Der Anteil des zweiten Hartpulvers HP2 am ersten Hartpulver HP1 ist vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von 25 Gew.-% bis 75 Gew.-%. Wenn der Verschleißfestigkeit eine höhere Priorität gegeben wird, wird bevorzugt die Menge des zweiten Hartpulvers HP2 innerhalb dieses Bereiches erhöht. Wenn andererseits der Bearbeitbarkeit eine höhere Priorität gegeben wird, wird bevorzugt die Menge des ersten Hartpulvers HP1 innerhalb dieses Bereiches erhöht.
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Die Partikelgröße des zweiten Hartpulvers HP2 ist vom Standpunkt der Verbesserung der Verschleißfestigkeit vorzugsweise größer, und ist vorzugsweise kleiner vom Standpunkt der Verbesserung der Bearbeitbarkeit. Insbesondere vom Standpunkt der Verbesserung der Bearbeitbarkeit ist die Partikelgröße des zweiten Hartpulvers HP2 vorzugsweise gleich oder kleiner als 250 µm. Das liegt daran, dass sich die Bearbeitbarkeit der Plattierschicht 20 drastisch verschlechtert, wenn die Partikelgröße der Hartpartikel in der Plattierschicht 20 250 µm übersteigt. Die Partikelgröße jeweils des ersten Hartpulvers HP1 und des Matrixpulvers MP ist nicht auf eine bestimmte Größe beschränkt. Vom Standpunkt der Erleichterung des Schmelzens ist jeweils die Partikelgröße des ersten Hartpulvers HP1 und des Matrixpulvers MP vorzugsweise so klein wie möglich, insbesondere gleich oder kleiner als 150 µm.
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Im Herstellungsverfahren eines verschleißfesten Elements nach der vorliegenden Ausführungsform wird das Hartpulver in das erste Hartpulver HP1 und das zweite Hartpulver HP2 eingeteilt, und das erste Hartpulver HP1 und das Matrixpulver MP werden durch eine lokale Heizvorrichtung geschmolzen. Das heißt, dieses Verfahren kann die Menge des durch eine lokale Heizvorrichtung zu schmelzenden Hartpulvers im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren verringern. Somit ist es möglich, die Vergröberung der Hartpartikel in der Plattierschicht aufgrund von Aggregation der Hartpulverpartikel zu unterdrücken. Deshalb wird die Verschlechterung der Bearbeitbarkeit der Plattierschicht verringert. Zusätzlich wird eine ausreichende Verschleißfestigkeit sichergestellt, indem zugelassen wird, dass zumindest ein Teil des zweiten Hartpulvers HP2 ungeschmolzen in der Plattierschicht 20 verbleibt.
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Nachstehend werden ein Beispiel der Erfindung und ein Vergleichsbeispiel beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das nachstehend beschriebene Beispiel beschränkt. Tabelle 1 gibt die Zusammensetzung jeweils des Matrixpulvers und des Hartpulvers an, welche im Beispiel und im Vergleichsbeispiel verwendet werden. Tabelle 2 gibt die Vickers-Härte (HV0,1), den Liquiduspunkt (oberer Schmelzpunkt) und den Soliduspunkt (unterer Schmelzpunkt) jeweils des Matrixpulvers und des Hartpulvers an, welche im Beispiel und im Vergleichsbeispiel verwendet wurden.
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Im Beispiel wurde das Hartpulver in ein erstes Hartpulver und ein zweites Hartpulver eingeteilt. Die Zusammensetzung jeweils des ersten Hartpulvers und des zweiten Hartpulvers war identisch zur Zusammensetzung des Hartpulvers, welche in Tabelle 1 angegeben ist. Wie in 5 dargestellt, wurden das erste Hartpulver und das Matrixpulver mit jeweils einer Siebpartikelgröße von 32 µm bis 106 µm zusammengemischt und durch einen Laserstrahl geschmolzen, um ein Schmelzbad zu bilden. Während das Schmelzbad gebildet wurde, wurde das zweite Hartpulver mit einer Siebpartikelgröße von 106 µm bis 150 µm dem Schmelzbad von einer Position zugeführt, welche sich hinter einer Position befindet, von der das erste Hartpulver zugeführt wird, in der Richtung, in der eine Stelle, welche durch einen Laserstrahl beheizt werden soll, relativ zu einem unfertigen Zylinderkopf bewegt wird.
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Im Beispiel betrug das Masseverhältnis zwischen dem Matrixpulver, dem ersten Hartpulver, und dem zweiten Hartpulver 75:15:10. Das heißt, der Anteil des Hartpulvers (die Summe des ersten Hartpulvers und des zweiten Hartpulvers) am Matrixpulver war 33,3 Gew.-%, und der Anteil des zweiten Hartpulvers am ersten Hartpulver war 66,7 Gew.-%.
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Im Vergleichsbeispiel wurden das Hartpulver und das Matrixpulver mit jeweils einer Siebpartikelgröße von 32 µm bis 106 µm zusammengemischt, ohne das Hartpulver in ein erstes Hartpulver und ein zweites Hartpulver einzuteilen, und die Mischung wurde durch einen Laserstrahl geschmolzen, um eine Plattierschicht zu bilden. Das Massenverhältnis zwischen dem Matrixpulver und dem Hartpulver war 75:25. Das heißt, der Anteil des Hartpulvers am Matrixpulver war 33,3 Gew.-%, wie im Beispiel. Tabelle 1
| | Zusammensetzung (Gew.-%) |
| Cu | Ni | Si | Mo | Fe | Co | Cr | C | O |
| Matrixpulver | bal. | 12,3 | 2,61 | <0,01 | 3,82 | 2,61 | 0,99 | - | 0,01 |
| Hartpulver | 0,5 | 22,8 | 5,17 | 39,4 | 12,4 | 15,6 | 4,11 | <0,01 | 0,02 |
Tabelle 2
| | Härte (HV0,1) | Liquiduspunkt (°C) | Soliduspunkt (°C) |
| Matrixpulver | 192 | 1120 | 1040 |
| Hartpulver | 861 | 1485 | 1275 |
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Sowohl im Beispiel, als auch im Vergleichsbeispiel wurde eine Platte, welche eine in JIS spezifizierte A5052 Aluminiumlegierung enthält, als ein Substrat verwendet, und eine Halbleiterlaservorrichtung wurde verwendet, um eine Plattierschicht zu bilden. Für die Plattierbedingungen betrug die Ausgangsleistung 2,0 kW, die Plattierrate betrug 20,0 mm/Sek, und die Zuführrate des Plattierpulvers betrug 0,03 g/mm.
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6 ist eine optische Mikrophotographie eines Bereichs einer Plattierschicht nach dem Beispiel. 7 ist ein Bild reflektierter Elektronen einer in 6 angegebenen, untersuchten Stelle. Tabelle 3 gibt die Ergebnisse der Elementaranalyse an, welche an den in 7 angezeigten untersuchten Stellen 1 bis 6 durchgeführt wurde. Wie aus den 6 und 7 ersichtlich, hatte die Plattierschicht nach dem Beispiel eine Textur mit einer Matrix, in der ungeschmolzenes Hartpulver und kristallisierte Partikel dispergiert wurden. Das ungeschmolzene Hartpulver bestand aus dem zweiten Hartpulver mit einer Siebpartikelgröße von 106 bis 150 µm und verblieb ungeschmolzen. Die kristallisierten Partikel wiesen eine Partikelgröße von mehreren zig Mikrometern oder weniger auf. Das heißt, eine Vergröberung der Hartpartikel in der Plattierschicht wurde unterdrückt.
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Wie aus 7 ersichtlich, durchging Cu in der Matrix eine Diffusionsreaktion, um in die ungeschmolzene Hartschicht einzudringen, welche aus dem zweiten Hartpulver mit einer Siebpartikelgröße von 106 bis 150 µm bestand und ungeschmolzen verblieb. Wie in den Spalten für die untersuchten Stellen 1 bis 3 in Tabelle 3 angegeben, war die Konzentration von Cu im ungeschmolzenen Hartpulver höher als in dem in Tabelle 1 angegebenen Materialhartpulver. Andererseits waren die Konzentrationen der anderen Hauptlegierungselemente wie, Mo, Ni, Co, und Si, im ungeschmolzenen Hartpulver ähnlich zu denen im in Tabelle 1 angegebenen Materialhartpulver. Die Vickers-Härte des in 7 dargestellten, ungeschmolzenen Hartpulvers betrug 882 HV0,1, welche ähnlich zu der Vickers-Härte des in Tabelle 1 angegebenen Materialhartpulvers war. Wie vorstehend beschrieben, kann das ungeschmolzene Hartpulver durch das Erscheinungsbild, die Zusammensetzung, und die Härte identifiziert werden.
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Wie aus
7 ersichtlich, betrug die Partikelgröße der kristallisierten Partikel mehrere zig Mikrometer oder weniger und war kleiner als die des ungeschmolzenen Hartpulvers. Wie in den Spalten für die untersuchten Stellen 4 und 5 in Tabelle 3 angegeben, war die Konzentration an Mo höher und die Konzentrationen an Ni und Co waren niedriger in den kristallisierten Partikeln 1 und den kristallisierten Partikeln 2 als in dem in Tabelle 1 angegebenen Materialhartpulver. Somit wurde die Vickers-Härte der kristallisierten Partikel 1 und der kristallisierten Partikel 2 deutlich höher als die des in Tabelle 1 angegebenen Materialhartpulvers, und die Werte der Vickers-Härte der kristallisierten Partikel 1 und der kristallisierten Partikel 2 waren 1252 HV0,1 bzw. 1195 HV0,1. Wie vorstehend beschrieben, können die kristallisierten Partikel durch das Erscheinungsbild, die Zusammensetzung, und die Härte identifiziert werden. Tabelle 3
| | Untersuchte Stelle | Ergebnis der Elementaranalyse (Gew.-%) |
| C | Al | Si | Cr | Fe | Co | Ni | Cu | Mo |
| Ungeschmolzenes Hartpulver | 1 | 1,0 | 0,2 | 5,2 | 4,9 | 4,9 | 16,2 | 20,2 | 3,3 | 37,6 |
| 2 | 0,4 | 0,2 | 5,1 | 4,0 | 4,0 | 15,9 | 22,5 | 2,5 | 38,0 |
| 3 | 1,2 | 0,6 | 4,9 | 4,7 | 4,7 | 14,2 | 20,2 | 4,4 | 38,6 |
| Kristallisierte Partikel 1 | 4 | 0,0 | 3,0 | 6,0 | 2,9 | 2,9 | 9,4 | 10,6 | 9,4 | 48,3 |
| Kristallisierte Partikel 2 | 5 | 0,0 | 2,8 | 5,6 | 3,5 | 3,5 | 10,8 | 11,7 | 8,6 | 45,6 |
| Matrix | 6 | 3,1 | 7,4 | 2,1 | 0,9 | 0,9 | 3,9 | 15,0 | 63,0 | 0,5 |
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Die Plattierschichten nach dem Beispiel und dem Vergleichsbeispiel wurden einem Bearbeitbarkeitstest während des Eintauchens unterzogen. Im Bearbeitbarkeitstest, wurde eine TiCN-beschichtete Carbid-Spitze als ein Schneideinsatz verwendet. 300 Plattierschichten wurden unter den folgenden Eintauchbedingungen hergestellt: mit der Schneidegeschwindigkeit V 80 m/min, der Zuführrate pro Umdrehung f0,03 mm/U, und der Schnitttiefe t 0,5 mm.
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8 ist ein Balkendiagramm, welches den Vergleich zwischen den Ergebnissen eines auf der Plattierschicht nach dem Beispiel und der Plattierschicht nach dem Vergleichsbeispiel ausgeführten Bearbeitbarkeitstest darstellt. Die Ordinatenachse stellt die Menge an Verschleiß bzw. Abrieb des Schneideinsatzes dar. Wie in 8 dargestellt, war die Menge an Verschleiß bzw. Abrieb des Schneideinsatzes, der verwendet wurde, um die Plattierschicht nach dem Beispiel zu schneiden, halb oder weniger der Menge an Verschleiß des Schneideinsatzes, welcher verwendet wurde, um die Plattierschicht nach dem Vergleichsbeispiel zu schneiden. Das heißt, dass die Plattierschicht nach dem Beispiel eine verbesserte Bearbeitbarkeit aufwies.
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Zusätzlich wurden die Ventilsitze, welche durch Schneiden der Plattierschichten nach dem Beispiel und dem Vergleichsbeispiel hergestellt wurden, einem Verschleißtest unterzogen, in dem die Verwendung als Abgas-Ventilsitze simuliert wurde. Die Bedingungen für den Verschleißtest waren wie folgt: die Federbelastung betrug 25 kgf, die Rotationsgeschwindigkeit des Ventils betrug 30 U/min, die Hubhöhe des Ventils betrug 4,9 mm, die Rotationsgeschwindigkeit der Nocke betrug 2300 U/min, die Temperatur der Bodenfläche des Ventilsitz betrug 300 °C, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrug 30, und die Testzeit betrug acht Stunden.
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9 ist ein Balkendiagramm, welches den Vergleich zwischen den Ergebnissen eines an dem Ventilsitz nach dem Beispiel und dem Ventilsitz nach dem Vergleichsbeispiel ausgeführten Verschleißtests darstellt. Die Ordinatenachse stellt die Menge an Verschleiß des Ventilsitzes in der Axialrichtung desselben dar. Wie in 9 dargestellt, war die Menge an Verschleiß des Ventilsitzes in seiner Axialrichtung nach dem Beispiel im Wesentlichen dieselbe wie die Menge an Verschleiß des Ventilsitzes in seiner Axialrichtung nach dem Vergleichsbeispiel. Wie vorstehend beschrieben, war die Verschleißfestigkeit im Beispiel im Wesentlichen auf demselben Niveau wie das im Vergleichsbeispiel, und die Bearbeitbarkeit der Plattierschicht im Beispiel war erheblich höher als in dem Vergleichsbeispiel.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehende Ausführungsform beschränkt, und zum Beispiel kann das verwendete Plattierverfahren vom in der vorstehenden Ausführungsform angewandten Laserplattieren abweichen, und kann Gasplattieren oder Plasmaplattieren sein.
