JP2002541322A - 軽金属シリンダーブロック、その製造方法、およびその製造方法を実施するための装置 - Google Patents
軽金属シリンダーブロック、その製造方法、およびその製造方法を実施するための装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 軽金属マトリックス合金と、プライマリ・シリコン析出物を微細に分散した表面層からなり、耐摩耗性を有し且つトライボロジー的に最適化された少なくとも１つのシリンダー摺動面を有する軽金属シリンダーブロック。
【解決手段】 この表面層は、粒子径１〜１０μｍの均一に分散されたほぼ球状の粒子で構成される。表面層は１０〜１４％のＡｌＳｉ共晶と５〜２０％のプライマリ・シリコンを含み、残りは純粋なＡｌ相である。軽金属シリンダーブロックをつくるために、レーザービームは少なくとも２ｍｍの帯幅で、軽金属マトリックス表面上を送り方向を横切るように導かれ、硬質材料を含む粉末は、レーザービームが軽金属マトリックス表面に衝突するポイントで溶融温度に加熱されて拡散される。中空シリンダーの摺動面を被覆するための装置は、粉末供給手段と、レーザービーム装置、および偏向ミラーを備えた焦点システムで構成される。粉末供給手段とレーザービーム装置は、中空シリンダーの直径方向と軸方向に互いに平行に導かれる。焦点システムは直線状ビーム放射口を含む。粉末供給手段には計量装置が備えられ、それによって粉末の流量をレーザービームの送り速度の関数として設定することができる。
Description
【０００１】
本発明は、軽金属マトリックス合金と硬質の物質を含む粉末材料からなり耐摩
耗性をそなえ且つトライボロジー的に最適化された少なくとも１つのシリンダー
摺動面を有する軽金属シリンダーブロックであって、前記粉末材料が軽金属マト
リックス中にプライマリ・シリコン析出物を含む微細分散表面層の形で存在する
軽金属シリンダーブロックに関する。
耗性をそなえ且つトライボロジー的に最適化された少なくとも１つのシリンダー
摺動面を有する軽金属シリンダーブロックであって、前記粉末材料が軽金属マト
リックス中にプライマリ・シリコン析出物を含む微細分散表面層の形で存在する
軽金属シリンダーブロックに関する。
【０００２】
ヨーロッパ特許０８３７１５２Ａ１号（Bayerische Motoren Werke AG (BMW)
出願）公報によれば、アルミニウム合金で構成された内燃機エンジンの構成部品
を被覆する方法が開示されている。この方法によれば、レーザービームを被覆す
る部品の表面に直接到達させずに、最初に粉末ビームに当たるように向ける。粉
末ビームのエネルギーによって、この粉末は固相から液相へ完全に変換され、そ
れによってこの粉末が部品表面に当たった時に部品表面の被覆材料として微細な
液滴状に分離され、この微細な液滴が部分的に非晶質となるような固化条件の下
で固化される。
出願）公報によれば、アルミニウム合金で構成された内燃機エンジンの構成部品
を被覆する方法が開示されている。この方法によれば、レーザービームを被覆す
る部品の表面に直接到達させずに、最初に粉末ビームに当たるように向ける。粉
末ビームのエネルギーによって、この粉末は固相から液相へ完全に変換され、そ
れによってこの粉末が部品表面に当たった時に部品表面の被覆材料として微細な
液滴状に分離され、この微細な液滴が部分的に非晶質となるような固化条件の下
で固化される。
【０００３】 したがって、この先行技術の方法の場合は、粉末は部品の表面相中には合金化
されず、被覆材料が表面に至る途中で相変換を起こし、アルミニウム・シリコン
粉末がレーザービーム中で液化される。この粉末が部品表面で固化すると、対象
物は微細に分散されたシリコン、いわゆるプライマリ・シリコンを放出すること
になる。
されず、被覆材料が表面に至る途中で相変換を起こし、アルミニウム・シリコン
粉末がレーザービーム中で液化される。この粉末が部品表面で固化すると、対象
物は微細に分散されたシリコン、いわゆるプライマリ・シリコンを放出すること
になる。
【０００４】 冷却速度を変えることにより、１〜５μｍの範囲の大きさのシリコン結晶を作
り出すことが目的である。しかしながら、必要とされる急速冷却は、被覆する部
品に働くレーザービームのエネルギーのため、実際には達成することはできない
。その結果、基層表面が急激に加熱され、そのため、生じたＳｉ溶湯の熱を十分
迅速に放出することができず、結晶相およびプライマリ結晶の代わりに非結晶相
が生成される。
り出すことが目的である。しかしながら、必要とされる急速冷却は、被覆する部
品に働くレーザービームのエネルギーのため、実際には達成することはできない
。その結果、基層表面が急激に加熱され、そのため、生じたＳｉ溶湯の熱を十分
迅速に放出することができず、結晶相およびプライマリ結晶の代わりに非結晶相
が生成される。
【０００５】 前記ＢＭＷ社の特許の実施態様によれば、処理された層の厚さが３ｍｍの場合
、被覆材料の滑らかで平坦な表面を達成するために、処理層の約５０％が除去さ
れる（第６欄、１０〜１５行）。このことは、高い除去損失と、液滴状で与えら
れる材料により顕著な波形が形成される結果として利用できない境界領域ができ
ることを意味し、このことが、この方法のもう１つの不利な点となる。
、被覆材料の滑らかで平坦な表面を達成するために、処理層の約５０％が除去さ
れる（第６欄、１０〜１５行）。このことは、高い除去損失と、液滴状で与えら
れる材料により顕著な波形が形成される結果として利用できない境界領域ができ
ることを意味し、このことが、この方法のもう１つの不利な点となる。
【０００６】 ヨーロッパ特許Ａ−０２２１２７６号によれば、アルミニウム合金の表面層を
レーザーエネルギーにより再溶融することにより、アルミニウム合金に耐摩耗性
を付与することが知られている。結合剤、粉末状シリコン、銅、炭化チタンで構
成される層が表面層として適用され、次いでレーザーにより溶融され表面層とな
る。記載されている実施態様によれば、ＴｉＣが５〜３０％の範囲で添加され、
表面硬度の著しい増加が達成されている。
レーザーエネルギーにより再溶融することにより、アルミニウム合金に耐摩耗性
を付与することが知られている。結合剤、粉末状シリコン、銅、炭化チタンで構
成される層が表面層として適用され、次いでレーザーにより溶融され表面層とな
る。記載されている実施態様によれば、ＴｉＣが５〜３０％の範囲で添加され、
表面硬度の著しい増加が達成されている。
【０００７】 しかしながら、トライボロジー的な見地からからすれば、レーザーでの再溶融
時の極端に高い冷却速度は、コアの微細化を達成するが、この方法では十分な量
のプライマリ・シリコンは生成しない。従って、レーザーによる再溶解は、Ａｌ
Ｓｉ合金からなり、プライマリ・シリコンの支持平面および潤滑剤を含むセット
バック部分を有する往復式ピストンエンジンのシリンダー摺動面を形成するのに
は適さない。
時の極端に高い冷却速度は、コアの微細化を達成するが、この方法では十分な量
のプライマリ・シリコンは生成しない。従って、レーザーによる再溶解は、Ａｌ
Ｓｉ合金からなり、プライマリ・シリコンの支持平面および潤滑剤を含むセット
バック部分を有する往復式ピストンエンジンのシリンダー摺動面を形成するのに
は適さない。
【０００８】 ヨーロッパ特許０４１１３２２号公報は、前記のヨーロッパ特許０２１１２７
６号公報開示の技術を基礎とするＡｌＳｉ合金からなる部品の耐摩耗性表面形成
方法を開示している。この方法では、レーザーによる再溶融プロセスを実施する
前に、層にプライマリ・シリコン結晶のための接種剤（結晶核形成剤）が供給さ
れる。接種剤または結晶核形成剤としては、炭化シリコン、炭化チタン、窒化チ
タン、炭化ボロン、ホウ化チタンが記載されている。
６号公報開示の技術を基礎とするＡｌＳｉ合金からなる部品の耐摩耗性表面形成
方法を開示している。この方法では、レーザーによる再溶融プロセスを実施する
前に、層にプライマリ・シリコン結晶のための接種剤（結晶核形成剤）が供給さ
れる。接種剤または結晶核形成剤としては、炭化シリコン、炭化チタン、窒化チ
タン、炭化ボロン、ホウ化チタンが記載されている。
【０００９】 好ましい実施態様において、被覆はシルクスクリーン技術により剥離被覆の形
式で形成され、対象部品の表面に適用される。被覆厚さは好ましくは２００μｍ
、溶融深さは４００〜６００μｍとすることができる。実際の使用方法は、４０
０μｍの溶融深さを達成することができるように、不活性雰囲気中で直線焦点式
のレーザービームにより行われる。示されている実施例では、合金化領域中のシ
リコン含有量は２５％、ニッケル含有量は８％となっている（硬度２５０ＨＶを
越えている）。
式で形成され、対象部品の表面に適用される。被覆厚さは好ましくは２００μｍ
、溶融深さは４００〜６００μｍとすることができる。実際の使用方法は、４０
０μｍの溶融深さを達成することができるように、不活性雰囲気中で直線焦点式
のレーザービームにより行われる。示されている実施例では、合金化領域中のシ
リコン含有量は２５％、ニッケル含有量は８％となっている（硬度２５０ＨＶを
越えている）。
【００１０】 既に述べたように、後者の再溶融および溶融合金化のプロセスにおいては、必
要とされる微細に分散されたプライマリ・シリコンの偏在を達成するために、マ
トリックス合金に被覆する間、冷却を行なうことが必要である。接種剤を添加す
るために、反応はアルミニウムの表面で起きる。加えて、この被覆方法は曲面状
の表面に常に適用することはできない。
要とされる微細に分散されたプライマリ・シリコンの偏在を達成するために、マ
トリックス合金に被覆する間、冷却を行なうことが必要である。接種剤を添加す
るために、反応はアルミニウムの表面で起きる。加えて、この被覆方法は曲面状
の表面に常に適用することはできない。
【００１１】 ヨーロッパ特許０６２２４７６Ａ１号公報は、レーザー誘導ＭＭＣ被覆を有す
る金属基材を提案している。ＭＭＣ被覆は、被覆厚さ２００μｍ〜３ｍｍの範囲
の被覆厚さからなり、均一に分散されたＳｉＣ粒子を含み、好ましい実施態様に
おいては、ＭＭＣ被覆中に均一に分散されたＳｉＣ粒子の形で最大４０重量％の
ＳｉＣを含む。製造目的に対して、ＳｉＣ粉末と予め合金化されたＡｌＳｉ粉末
を含む粉体混合物がレーザービーム中で加熱される。粉末混合物から均一な合金
を生成させるために必要な熱は、基材層に加える粉末から供給される。ＳｉＣな
どの硬質金属材料を含む製品は非常に高い硬度を有し、これはピストンリングの
摩耗挙動上不利なものとなる。さらに、機能性が高く、破片を生じない摺動面を
達成するためにはセラミック粒子の最表層を除去しなければならず、機械加工が
非常に複雑且つ高価なものとなる。
る金属基材を提案している。ＭＭＣ被覆は、被覆厚さ２００μｍ〜３ｍｍの範囲
の被覆厚さからなり、均一に分散されたＳｉＣ粒子を含み、好ましい実施態様に
おいては、ＭＭＣ被覆中に均一に分散されたＳｉＣ粒子の形で最大４０重量％の
ＳｉＣを含む。製造目的に対して、ＳｉＣ粉末と予め合金化されたＡｌＳｉ粉末
を含む粉体混合物がレーザービーム中で加熱される。粉末混合物から均一な合金
を生成させるために必要な熱は、基材層に加える粉末から供給される。ＳｉＣな
どの硬質金属材料を含む製品は非常に高い硬度を有し、これはピストンリングの
摩耗挙動上不利なものとなる。さらに、機能性が高く、破片を生じない摺動面を
達成するためにはセラミック粒子の最表層を除去しなければならず、機械加工が
非常に複雑且つ高価なものとなる。
【００１２】
従って、本発明の目的は、耐摩耗性且つトライボロジー的に耐荷重能のある少
なくとも１つの摺動面を有する軽金属シリンダーブロックであって、表面層が５
〜２０％の微細に分散されたプライマリ・シリコンを含み、マトリックス合金と
の転移領域においては境界ゾーンの幅が狭く、該転移領域中には欠陥や酸化物を
含まない軽金属シリンダーブロックを開発することにある。
なくとも１つの摺動面を有する軽金属シリンダーブロックであって、表面層が５
〜２０％の微細に分散されたプライマリ・シリコンを含み、マトリックス合金と
の転移領域においては境界ゾーンの幅が狭く、該転移領域中には欠陥や酸化物を
含まない軽金属シリンダーブロックを開発することにある。
【００１３】
当該軽金属シリンダーブロックを製造するために使用される方法は、プロセス
段階が少なく、且つそれに続く化学処理が完全に排除されている。
段階が少なく、且つそれに続く化学処理が完全に排除されている。
【００１４】 この目的は本発明の請求項に示された特徴により達成される。以下、いくつか
の実施態様を示すが、それらは本発明に基づくレーザー合金化法の好ましい応用
を示すものである。
の実施態様を示すが、それらは本発明に基づくレーザー合金化法の好ましい応用
を示すものである。
【００１５】
まず、アルミニウムまたはマグネシウム合金で作られる軽金属エンジンブロッ
クの内部を被覆するための装置について説明する。この装置においては、エンジ
ンブロックのシリンダー中に下降し、同時に純シリコン粉末を導入するプローブ
が設けられている。このプローブは、粉末供給手段とレーザービーム装置からな
る。
クの内部を被覆するための装置について説明する。この装置においては、エンジ
ンブロックのシリンダー中に下降し、同時に純シリコン粉末を導入するプローブ
が設けられている。このプローブは、粉末供給手段とレーザービーム装置からな
る。
【００１６】 プローブに配置されたロータリードライブが、粉末噴出ノズルとエネルギービ
ームを内側、すなわち軽金属シリンダーブロックの摺動面に向ける。
ームを内側、すなわち軽金属シリンダーブロックの摺動面に向ける。
【００１７】 この装置の目的は、シリコン粒子が並行して供給される摺動面を横切って螺旋
状に回転するレーザービーム手段により、シリコンの形の硬質材料粒子を合金化
させることである。レーザーエネルギーを、マトリックス表面上に広い軌跡で分
散させるため、レーザービームは、好ましくは２〜４ｍｍの軌跡幅の直線状焦点
を有するものとする。スポットビームにより形成される表面と比較して、この焦
点方式は波型の形状を形成せず、微細に分散されたプライマリ・シリコン粒子の
平坦なバンドとなる。このバンドは、合金化領域（Alloyed-on zone)と呼ばれ、
この合金化領域とマトリックス金属の間の境界ゾーンには狭い転移領域が存在す
るだけである（図４参照）。
状に回転するレーザービーム手段により、シリコンの形の硬質材料粒子を合金化
させることである。レーザーエネルギーを、マトリックス表面上に広い軌跡で分
散させるため、レーザービームは、好ましくは２〜４ｍｍの軌跡幅の直線状焦点
を有するものとする。スポットビームにより形成される表面と比較して、この焦
点方式は波型の形状を形成せず、微細に分散されたプライマリ・シリコン粒子の
平坦なバンドとなる。このバンドは、合金化領域（Alloyed-on zone)と呼ばれ、
この合金化領域とマトリックス金属の間の境界ゾーンには狭い転移領域が存在す
るだけである（図４参照）。
【００１８】 粉末は、金属マトリックス合金に衝突する直前までは粒子構造を含んでおり、
レーザービームの領域内で、０．１〜０．５秒の接触時間で金属マトリックス合
金と接触する時にのみ溶融され、合金化される。従って、この直線状焦点手段に
より、約１０％の境界ゾーンの割合を達成することが可能となる。レーザー軌跡
はシリンダーボア内を螺旋状に下降し、必要であれば、重なり合いを避けて有効
部分を実質的に並べることができる。このようにして平滑で完全に均質な表面層
を形成することができ、この層は、わずかな波形を除去するために、精密加工に
よる仕上げが必要とされるのみである。
レーザービームの領域内で、０．１〜０．５秒の接触時間で金属マトリックス合
金と接触する時にのみ溶融され、合金化される。従って、この直線状焦点手段に
より、約１０％の境界ゾーンの割合を達成することが可能となる。レーザー軌跡
はシリンダーボア内を螺旋状に下降し、必要であれば、重なり合いを避けて有効
部分を実質的に並べることができる。このようにして平滑で完全に均質な表面層
を形成することができ、この層は、わずかな波形を除去するために、精密加工に
よる仕上げが必要とされるのみである。
【００１９】 耐摩耗性且つトライボロジー的に最適化された少なくとも１つのシリンダー摺
動面を有する軽金属シリンダーブロックをつくる場合に適用される本発明の機械
加工処理の例としては、以下の機械加工段階が挙げられる。まず、平均層厚さが
３００〜７５０μｍのプライマリ・シリコンを含む合金化領域をマトリックス合
金中に形成する。実際の層の厚さは、加工パラメータ、装置の位置決め精度なら
びに鋳物の寸法公差などの種々の影響因子により異なる。従って、以下に示す厚
さは、常に「平均」層厚さを指すものとし、また公差の範囲は装置を部品の中心
に持ってくることができるため非常に小さなものとすることができる。
動面を有する軽金属シリンダーブロックをつくる場合に適用される本発明の機械
加工処理の例としては、以下の機械加工段階が挙げられる。まず、平均層厚さが
３００〜７５０μｍのプライマリ・シリコンを含む合金化領域をマトリックス合
金中に形成する。実際の層の厚さは、加工パラメータ、装置の位置決め精度なら
びに鋳物の寸法公差などの種々の影響因子により異なる。従って、以下に示す厚
さは、常に「平均」層厚さを指すものとし、また公差の範囲は装置を部品の中心
に持ってくることができるため非常に小さなものとすることができる。
【００２０】 次の機械加工工程では、３００〜７５０μｍの最初の層厚さをホーニングなど
の精密機械加工によって最大１５０μｍ除去することにより、必要とされる最終
的な層厚さにする。本発明の方法により達成される最終層厚さは１５０〜６５０
μｍの範囲である。この層は、特に請求項１および２に記載されているような構
造により特徴付けられる純粋な拡散層である。
の精密機械加工によって最大１５０μｍ除去することにより、必要とされる最終
的な層厚さにする。本発明の方法により達成される最終層厚さは１５０〜６５０
μｍの範囲である。この層は、特に請求項１および２に記載されているような構
造により特徴付けられる純粋な拡散層である。
【００２１】 硬質相の偏析量は、粉末の供給量、レーザービームの送り量、供給するレーザ
ーエネルギーの量を調節することにより設定することができる。析出量が１０μ
ｍ未満の場合、硬質相の仕上げ加工で破棄すべき深さは減じられ、従来必要とさ
れていた破棄すべき硬質相の除去のための機械加工公差を顕著に減少させること
ができる。（破棄すべき深さは、最表層に含まれる強固に結合されていない硬質
層により決められる）。
ーエネルギーの量を調節することにより設定することができる。析出量が１０μ
ｍ未満の場合、硬質相の仕上げ加工で破棄すべき深さは減じられ、従来必要とさ
れていた破棄すべき硬質相の除去のための機械加工公差を顕著に減少させること
ができる。（破棄すべき深さは、最表層に含まれる強固に結合されていない硬質
層により決められる）。
【００２２】 合金化目的のためにレーザービームを使用することにより、表面は硬化され、
少なくとも１６０ＨＶの表面層硬度を達成することができる。良好な硬化結果が
得られるため、レーザー処理した表面は直接ホーニング加工することができる。
さらに従来は必要とされていた硬質相を露出させるための追加の機械的および化
学的処理段階はまったく必要なくなる。このことはまたシリンダー被覆を穴ぐり
する必要がないことも意味する。何故なら、表面波形は帯状合金領域の重なりの
の程度に応じて異なるが、無視できるほど小さいからである。
少なくとも１６０ＨＶの表面層硬度を達成することができる。良好な硬化結果が
得られるため、レーザー処理した表面は直接ホーニング加工することができる。
さらに従来は必要とされていた硬質相を露出させるための追加の機械的および化
学的処理段階はまったく必要なくなる。このことはまたシリンダー被覆を穴ぐり
する必要がないことも意味する。何故なら、表面波形は帯状合金領域の重なりの
の程度に応じて異なるが、無視できるほど小さいからである。
【００２３】
以下、本発明により達成可能なエンジンブロック摺動面の表面構造を、比較例
を参照しながら詳細に説明する。 図１によれば、本発明に係る被覆装置は、端部１ａに摺動面５に向けられたノ
ズル１ｂを含む粉末供給手段１により構成されている。
を参照しながら詳細に説明する。 図１によれば、本発明に係る被覆装置は、端部１ａに摺動面５に向けられたノ
ズル１ｂを含む粉末供給手段１により構成されている。
【００２４】 エネルギーは、レーザービーム装置２、焦点システム３、偏向ミラー４により
供給される。偏向ミラー４は、粉末が摺動表面７に衝突する前にレーザービーム
が粉末に当たらないようにするものである。
供給される。偏向ミラー４は、粉末が摺動表面７に衝突する前にレーザービーム
が粉末に当たらないようにするものである。
【００２５】 公知の光学の法則に基づいて、レーザービーム６は直線状、好ましくはＸ−、
Ｉ−、または８−形状に焦点が合わされるようにし、たとえばミラーを傾けるこ
とにより、摺動表面７をなぞるように放射する。導入されるエネルギーの量は、
境界部分の析出構造に影響を与えるように、摺動表面７をなぞる形状により調節
することができる。
Ｉ−、または８−形状に焦点が合わされるようにし、たとえばミラーを傾けるこ
とにより、摺動表面７をなぞるように放射する。導入されるエネルギーの量は、
境界部分の析出構造に影響を与えるように、摺動表面７をなぞる形状により調節
することができる。
【００２６】 ミラー４を傾けることにより、レーザービーム６は、摺動表面７上を移動し、
帯状のバンドが得られる。もし同時に、レーザービーム６をシリンダー軸８に向
けて前進させると、これら２つの動きが重なって、摺動表面７上に螺旋状の被覆
が得られる。この回転運動とシリンダー軸８に向かう並進の動きは、螺旋の巻き
方が互いに近くなるようにして閉鎖型の（不定形な広がりのない）合金化領域を
達成するように互いに調節しなければならない。
帯状のバンドが得られる。もし同時に、レーザービーム６をシリンダー軸８に向
けて前進させると、これら２つの動きが重なって、摺動表面７上に螺旋状の被覆
が得られる。この回転運動とシリンダー軸８に向かう並進の動きは、螺旋の巻き
方が互いに近くなるようにして閉鎖型の（不定形な広がりのない）合金化領域を
達成するように互いに調節しなければならない。
【００２７】 図２は、本発明に従う直線状焦点を用いて形成された、析出物の多い領域１１
と横方向に配置された析出物の少ない領域１２、１３で構成された合金化領域１
０を示す。図２は、レーザー処理直後の合金化領域の状態を示すもので、析出物
の少ない領域ＬALの割合が、析出物の多い領域の有効長さＬNLに比べて比較的少
ないことがわかる。図３では、これらの領域はそれぞれＬAKの記号で示されてい
るが、これらは界面領域１５、１６、１７と関連している。
と横方向に配置された析出物の少ない領域１２、１３で構成された合金化領域１
０を示す。図２は、レーザー処理直後の合金化領域の状態を示すもので、析出物
の少ない領域ＬALの割合が、析出物の多い領域の有効長さＬNLに比べて比較的少
ないことがわかる。図３では、これらの領域はそれぞれＬAKの記号で示されてい
るが、これらは界面領域１５、１６、１７と関連している。
【００２８】 比較のため、図３は、従来の円形焦点により形成された３つの合金化領域を示
す。直線状焦点により形成される被覆幅は、円形焦点により形成される被覆幅と
ほぼ同じである。円形焦点を使用する方法の場合、析出物の多い構造の有効長さ
ＬNKは、直線状焦点により達成される有効長さＬNLよりも著しく短いことがわか
る。さらに、円形焦点の場合、析出物の少ない構造はシリンダーブロック構造の
深部領域に向かって伸びるので、硬化表面層の有効深さは、直線状焦点の場合よ
りもかなり短い。これは、図３の断面図に広い界面領域１５、１６、１７で示さ
れている。
す。直線状焦点により形成される被覆幅は、円形焦点により形成される被覆幅と
ほぼ同じである。円形焦点を使用する方法の場合、析出物の多い構造の有効長さ
ＬNKは、直線状焦点により達成される有効長さＬNLよりも著しく短いことがわか
る。さらに、円形焦点の場合、析出物の少ない構造はシリンダーブロック構造の
深部領域に向かって伸びるので、硬化表面層の有効深さは、直線状焦点の場合よ
りもかなり短い。これは、図３の断面図に広い界面領域１５、１６、１７で示さ
れている。
【００２９】 同じ浸透深さで見た場合、図３の比較例の有効深さは、図２の本発明の実施例
のものより短く、比較例の被覆の品質は劣る。さらに、比較例と本発明の実施例
の機械加工深さを同じにすると、比較例のものにおいて除去しなければならない
材料の量ΔＨWKは（本発明の実施例のΔＨWLより）著しく多くなる。何故なら、
円形焦点の場合は波の多い表面層を作り出し、摺動面の領域における有効な材料
の割合ＭK が図２の対応する摺動面部分（ＬNL）よりも少なくなるからである。
のものより短く、比較例の被覆の品質は劣る。さらに、比較例と本発明の実施例
の機械加工深さを同じにすると、比較例のものにおいて除去しなければならない
材料の量ΔＨWKは（本発明の実施例のΔＨWLより）著しく多くなる。何故なら、
円形焦点の場合は波の多い表面層を作り出し、摺動面の領域における有効な材料
の割合ＭK が図２の対応する摺動面部分（ＬNL）よりも少なくなるからである。
【００３０】 本発明の実施例において、有効な材料の割合はＬNLとなり、一方ＭK はＬNK1 、ＬNK2 、ＬNK3 それぞれの量の合計分として形成される。
【００３１】
従って、本発明の軽金属シリンダーブロックは、微細なプライマリ・シリコン
析出物の均一な分布が得られる結果、トライボロジー的に最適化され且つ耐摩耗
性を有するシリンダー摺動表面からなり、それを直線状焦点の重ね合わせ処理に
より低コストで製造することができる。
析出物の均一な分布が得られる結果、トライボロジー的に最適化され且つ耐摩耗
性を有するシリンダー摺動表面からなり、それを直線状焦点の重ね合わせ処理に
より低コストで製造することができる。
【００３２】 これは図４に示された構造により例証される。この図は拡大率２００：１のミ
クロ断面であり、図４の右半分のＡは、ＡｌＳｉ９Ｃｕ３系の鋳造合金、図４の
左半分のＢは、微細に分散したプライマリ・シリコン析出物を持つトライボロジ
ー的に最適化された表面層を示す。この実施例においては、プライマリ・シリコ
ンの割合は１０％であり、プライマリ相の直径は４．４μｍ、またプライマリ相
間の距離は１３μｍである。
クロ断面であり、図４の右半分のＡは、ＡｌＳｉ９Ｃｕ３系の鋳造合金、図４の
左半分のＢは、微細に分散したプライマリ・シリコン析出物を持つトライボロジ
ー的に最適化された表面層を示す。この実施例においては、プライマリ・シリコ
ンの割合は１０％であり、プライマリ相の直径は４．４μｍ、またプライマリ相
間の距離は１３μｍである。
【００３３】 この新しい材料の耐荷重能に関しては、合金化領域Ｂとマトリックス構造Ａの
結合に特別な重要性があることを考えなければならない。ミクロ断面（図４）か
らわかるように、転移ゾーンＣは酸化物やその他の欠陥を全く含まない。これは
、合金化領域がマトリックス構造から実質的に“in situ"で形成されるという事
実によるものであり、これにより領域ＡとＢで異なる組成を持つ均一な材料を形
成することができる。
結合に特別な重要性があることを考えなければならない。ミクロ断面（図４）か
らわかるように、転移ゾーンＣは酸化物やその他の欠陥を全く含まない。これは
、合金化領域がマトリックス構造から実質的に“in situ"で形成されるという事
実によるものであり、これにより領域ＡとＢで異なる組成を持つ均一な材料を形
成することができる。
【図１】 本発明に基づいて設計された被覆装置の原理を示す部分断面図である。
【図２】 本発明に基づいて形成される表面層の原理を示す図である。
【図３】 異なる表面構造を有する比較例の表面層を示す図である。
【図４】 レーザー処理により形成した合金化領域の鋳物断面である。
１ 粉末供給手段 １ａ 粉末供給手段の端部 １ｂ ノズル ２ レーザービーム装置 ３ 焦点システム ４ 偏向ミラー ５ 摺動面 ６ レーザービーム ７ 摺動表面 ８ シリンダー軸 ９ − １０ 合金化領域 １１ 析出物の多い領域 １２、１３ 析出物の少ない領域 １４ − １５、１６、１７ 境界領域 ＭK 材料のパーセント ＬNK 析出物の多い構造部の有効長さ ＬNL 析出物の多い領域の有効長さ ＬAL 析出物の少ない領域のパーセント ＬAK 界面領域に関連する部分 ΔＨWK 比較例で取り除かれた材料 ΔＨWL 本発明の実施例で取り除かれた材料 Ａ マトリックス構造 Ｂ 合金化領域 Ｃ 転移領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ， ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，Ｓ Ｎ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ， ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)， ＡＥ，ＡＭ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，Ｂ Ｙ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＤＭ，ＥＥ，ＧＤ，ＧＥ ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ， ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，Ｌ Ｓ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＧ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，Ｚ Ａ，ＺＷ 【要約の続き】 を含む。粉末供給手段には計量装置が備えられ、それに よって粉末の流量をレーザービームの送り速度の関数と して設定することができる。
Claims (18)
- 【請求項１】 プライマリ・シリコン相を含む微細分散表面層を有する軽金
属マトリックス合金からなり、耐摩耗性を有し且つトライボロジー的に最適化さ
れた少なくとも１つのシリンダー摺動面を有する軽金属シリンダーブロックであ
って、前記プライマリ・シリコンが平均粒子径１〜１０μｍの均一に分散された
ほぼ球状の粒子で構成され、前記表面層が１０〜１４％のＡｌＳｉ共晶と５〜２
０％のプライマリ・シリコンを含み、残部が純Ａｌ相であり、表面の最低硬度が
１６０ＨＶであることを特徴とする軽金属シリンダーブロック。 - 【請求項２】 前記プライマリ・シリコン相が、プライマリ相径の１〜５倍
の間隔で表面層中に分散していることを特徴とする請求項１に記載の軽金属シリ
ンダーブロック。 - 【請求項３】 前記プライマリ・シリコンが、少なくとも２ｍｍの帯幅を有
し、前記マトリックス合金中の平均層厚さが１５０〜６５０μｍの帯状の合金化
領域中に配置されており、前記帯がシリンダー摺動面に沿って螺旋状に伸びてい
ることを特徴とする請求項１または２記載の軽金属シリンダーブロック。 - 【請求項４】 前記帯幅が２〜４ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３
のいずれかに記載の軽金属シリンダーブロック。 - 【請求項５】 いくつかの隣接する合金化領域がある場合に、前記帯が５〜
１０％の重なり幅で重なり合うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載
の軽金属シリンダーブロック。 - 【請求項６】 プライマリ・シリコン相を含む微細分散表面層を有する軽金
属マトリックス合金からなり、耐摩耗性を有し且つトライボロジー的に最適化さ
れた少なくとも１つのシリンダー摺動面を有する軽金属シリンダーブロックであ
って、前記摺動面が、純粋な拡散層として、析出物の多い合金化領域（１１）と
偏折物の少ない界面領域（１２、１３）からなり、前記偏折物が平均粒子径１〜
１０μｍの均一に分散されたほぼ球状のプライマリ・シリコン粒子で構成され、
且つ前記合金化領域が１０〜１４％のＡｌＳｉ共晶と５〜２０％のプライマリ・
シリコンを含み、残部が純なＡｌ相で、最低硬度が１６０ＨＶである摺動面をそ
なえることを特徴とする軽金属シリンダーブロック。 - 【請求項７】 軽金属マトリックス合金と、硬質の物質を含む粉末材料から
なり、且つ該粉末材料がプライマリ・シリコン析出物を含んだ微細分散表面層の
形で軽金属マトリックス中に存在する、耐摩耗性を有し且つトライボロジー的に
最適化された少なくとも１つのシリンダー摺動面を有する軽金属シリンダーブロ
ックを、重力鋳造、低圧鋳造または高圧ダイカスト鋳造した後、レーザービーム
と粉末ビームによる同時表面処理法を用いて製造する方法であって、前記レーザ
ービームが、少なくとも２ｍｍの帯幅で、マトリックス表面を横切る方向に導か
れ、前記粉末は、レーザービームが軽金属マトリックス表面に衝突する０．１〜
０．５秒の接触時間の間に、溶融温度に加熱されて拡散されることを特徴とする
軽金属シリンダーブロックの製造方法。 - 【請求項８】 前記軽合金マトリックス合金が、衝突点において、少なくと
も３５０μｍの深さまで完全に溶融し、プラズマ状態の中で軽合金マトリックス
表面上で転移されることを特徴とする請求項７記載の軽金属シリンダーブロック
の製造方法。 - 【請求項９】 拡散中に、溶融した前記粉末が５００〜１０００μｍの層厚
さからなる合金化領域を形成することを特徴とする請求項７または８記載の軽金
属シリンダーブロックの製造方法。 - 【請求項１０】 前記金属マトリックス合金に衝突する直前で、前記粉末が
粒子構造からなり、前記粉末が前記レーザービームの領域で前記金属マトリック
ス合金との接触を通じてのみ、０．１〜０．５秒の接触時間内に溶融され合金化
されることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の軽金属シリンダーブロ
ックの製造方法。 - 【請求項１１】 前記レーザービームと前記粉末ビームの送り速度が、下記
ａ）〜ｃ）が達成されるよう制御されることを特徴とする請求項７〜１０のいず
れかに記載の軽金属シリンダーブロックの製造方法。 ａ）前記金属マトリックス合金への拡散が３５０〜８５０μｍの浸透深さで行わ れ、 ｂ）前記合金化領域の制御された低速冷却により、ほぼ球状で１０μｍ以下のプ ライマリ相が形成され、プライマリ相間の間隔はプライマリ相径の１〜５倍で あり、 ｃ）層の硬度が１１０〜１６０ＨＶの硬質相の析出が達成される。 - 【請求項１２】 前記レーザービームの送り速度が０．８〜４．０ｍ／分で
、焦点を合わせた衝突面積が１〜１０ｍｍ2 、レーザー光の出力が３〜４ｋＷで
あることを特徴とする請求項１１記載の軽金属シリンダーブロックの製造方法。 - 【請求項１３】 前記レーザービームが、中空シリンダーの内側の摺動面に
直線状焦点を当てながら螺旋状に回転し、処理工程中にＳｉ粉末が加えられ、プ
ライマリ・シリコンを含む帯状の合金化領域を形成することを特徴とする請求項
７〜１２のいずれかに記載の軽金属シリンダーブロックの製造方法。 - 【請求項１４】 前記合金化領域の平均処理深さが７５０μｍであることを
特徴とする請求項７〜１３のいずれかに記載の軽金属シリンダーブロックの製造
方法。 - 【請求項１５】 機械加工により全層厚さの３０％以下の最上層を取り除く
ことによって、前記合金化領域の硬質相が露出されることを特徴とする請求項７
〜１４のいずれかに記載の軽金属シリンダーブロックの製造方法。 - 【請求項１６】 前記合金化領域が、中間機械加工処理が行われることなし
に直接ホーニング加工されることを特徴とする請求項７〜１５のいずれかに記載
の軽金属シリンダーブロックの製造方法。 - 【請求項１７】 粉末供給手段（１）と、レーザービーム装置（２）、偏向
ミラー（４）をそなえた焦点システム（３）で構成される中空シリンダーの摺動
面を被覆する方法を実施するための装置であって、前記粉末供給手段（１）およ
び前記レーザービーム装置（２）は、前記中空シリンダーの直径方向および軸方
向に互いに平行に導かれ、前記焦点システム（３）はビーム幅２．０〜２．５ｍ
ｍの直線状ビーム放射口をそなえ、前記粉末供給手段は計量装置が備えられ、該
計量装置によって粉末の流量をレーザービームの送り速度の関数として設定でき
るようにしたことを特徴とする軽金属シリンダーブロックの製造装置。 - 【請求項１８】 前記焦点システム（３）が、Ｘ−、Ｉ−または８−形状の
焦点形状からなり、上層および下層領域で中央焦点領域よりも高いエネルギー出
力となることを特徴とする請求項１７記載の軽金属シリンダーブロックの製造装
置。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19915038A DE19915038A1 (de) | 1999-04-01 | 1999-04-01 | Leichtmetallzylinderblock, Verfahren zu seiner Herstellung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
| DE19915038.9 | 1999-04-01 | ||
| PCT/EP2000/002125 WO2000060136A1 (de) | 1999-04-01 | 2000-03-10 | Leichtmetallzylinderblock, verfahren zu seiner herstellung und vorrichtung zur durchführung des verfahrens |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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ID=7903361
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