JP2005199278A

JP2005199278A - クラッド性および耐摩耗性に優れた肉盛用銅合金粉末

Info

Publication number: JP2005199278A
Application number: JP2004005066A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Sawada; 俊之澤田; Masaru Yanagimoto; 勝柳本; Tomoki Okita; 智樹沖田; Makoto Asami; 誠阿佐美; Takashi Tsuyunashi; 崇志露無
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【課題】クラッド性、耐摩耗性および仕上げ性に優れたレーザー肉盛用銅合金粉末を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｓｉ：２〜５％、Ｎｉ：７〜２０％、Ｆｅ＋Ｃｏ：１０％以下を含有し、かつ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒの１種または２種以上を合計０．１〜１０％、残部Ｃｕおよび不可避的不純物からなるクラッド性および耐摩耗性に優れた肉盛用銅合金粉末。また、上記合金にに加えて、さらに、Ｍｏ：５％以下、Ｂ：２％以下、Ｐ：２％以下、Ｖ：４％以下を含むクラッド性および耐摩耗性に優れた肉盛用銅合金粉末。
【選択図】なし

Description

本発明は、クラッド性、耐摩耗性および仕上げ性に優れたレーザー、プラズマ、ガスなどを熱源とした一般的な肉盛用銅合金粉末に関し、特に、自動車エンジン用アルミ製シリンダのヘッド部分におけるバルブとの摩耗に耐える、レーザー肉盛りによる基材にクラッドするバルブシート用レーザー肉盛用銅合金粉末に関するものである。

近年、金属基体上にレーザ、プラズマアークや電子ビームなどの高エネルギー密度の加熱源を用いて、しかも自動的に粉末を肉盛溶接する技術が進歩している。特に、レーザパワーの高出力化に伴って、レーザ粉末肉盛技術の工業的な適用が活発となっている。
一方、自動車エンジン等のバルブシートには、Ｆｅ基粉末焼結材が主に使用され、これをシリンダヘッドに圧入しバルブによる摩耗を抑制している。このような焼結バルブシートと比較し、放熱性、薄肉性に優れたレーザー肉盛バルブシートとして、レーザ粉末肉盛溶接する際、ビード形状が良好で、融合不良等の欠陥が発生せず、また、粉末製造に支障を来すことのない範囲でＣｕ基合金に有効な微量の添加元素および微量の酸素を含有させたものとして、例えば特許第２９８４３４４号公報（特許文献１）が開示されている。

すなわち、Ｎｉ：１０〜４０％、Ｓｉ：０．１〜６％を必須成分とし、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる合金において、Ａｌ、Ｙ、ミッシュメタル、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆのうちの１種又は２種以上の合計が０．０１〜０．１％、Ｏ：０．０１〜０．１％を含有することを特徴とするレーザ肉盛用Ｃｕ基合金粉末にある。
特許第２９８４３４４号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示されている技術によると、Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗ，Ｆｅ，Ｃｒは耐摩耗性を向上させる成分として出来るだけ多く含有させることが望ましいとしている。しかし、これら元素を一定量以上含むことにより、肉盛層は２液相分離し１００μｍ近い粗大粒子が析出する。この粗大粒子により表面仕上げ性が悪くなり、また、工具寿命が短くなるという問題がある。さらに、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ等の高融点合金元素が多量に入ることにより溶湯の粘性が高くなり肉盛性（クラッド性）が悪いという問題がある。

上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、Ｎｉ添加による硬さの向上および一定量以下に抑えることによるクラッド性の維持、Ｆｅ，Ｃｏ添加量を抑えることによる粗大粒子の抑制、Ｓｉ添加による硬さ向上と一定量以下に抑えることによる脆化の抑制、Ｍｏの溶け残り防止とＢによるホウ化物析出並びにＡｌ等添加によるクラッド性を維持し、かつ、硬さを向上させる総合的な効果のあることを見出したものである。その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｓｉ：２〜５％、Ｎｉ：７〜２０％、Ｆｅ＋Ｃｏ：１０％以下を含有し、かつ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒの１種または２種以上を合計０．１〜１０％、残部Ｃｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とするクラッド性および耐摩耗性に優れた肉盛用銅合金粉末。

（２）前記（１）に加えて、さらに、Ｍｏ：５％以下、Ｂ：２％以下を含むことを特徴とするクラッド性および耐摩耗性に優れた肉盛用銅合金粉末。
（３）前記（１）または（２）に加えて、さらに、Ｐ：２％以下、Ｖ：４％以下を含むことを特徴とするクラッド性および耐摩耗性に優れた肉盛用銅合金粉末にある。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の第１の特徴は、Ｎｉ含有量を下げ、Ｆｅ，Ｃｏの合計含有量を規制することにより、硬さを向上し、肉盛性（クラッド性）を維持し、粗大粒子の抑制を図ったものである。第２の特徴は、Ｓｉ含有量を規制することにより硬さの向上と脆化の抑制を図るものである。また、第３の特徴は、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒの１種または２種以上を規制することにより、硬さを高めると共に、良好な肉盛性（クラッド性）を維持することにある。さらに、Ｍｏ、Ｂ、Ｐ、およびＶの規制により、硬さのより向上、並びに溶け残りの防止等を図るものである。

本発明によるＣｕ基合金粉末はクラッド性、耐摩耗性、仕上性に優れたレーザー、プラズマ、ガスなどを熱源とした一般的な肉盛バルブシート用原料粉末であって、特にレーザー粉末肉盛を行うに際して、良好なビードが得られ、しかも、安定で効率のよい肉盛部品、例えば自動車エンジンの高性能のバルブシートを製造することができる極めて優れた効果を奏するものである。

次に、本発明についての成分組成の限定理由について述べる。
Ｓｉ：２〜５％
Ｓｉは、Ｃｕマトリックス中にＮｉ系珪化物として析出し、合金の硬さを向上させて耐摩耗性を向上させるための必須元素である。しかし、２％未満では硬さ向上の効果が十分でない。また、５％を超えて添加すると合金を脆化させ、また、ビード形状が安定しなかったり、クラックが発生するなど肉盛性を劣化させるためその上限を５％とした。

Ｎｉ：７〜２０％
Ｎｉは、Ｓｉと同様に、Ｃｕマトリックス中にＮｉ系珪化物として析出し、合金の硬さを向上させるための必須元素である。しかし、７％未満では硬さ向上の効果が十分でない。また、２０％を超えて添加すると肉盛性が劣化するため、その上限を２０％とした。
Ｆｅ＋Ｃｏ：１０％以下
ＦｅおよびＣｏは、硬さ向上に効果があるが、ともに溶湯を２液相分離させ粗大硬質粒子を析出させてしまうため、合計の上限を１０％とした。

Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒの１種または２種以上を合計０．１〜１０％
Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒについては、合計で０．１〜１０％添加することで肉盛性を劣化させることなく、また、粗大硬質粒子を析出することなく、硬さ向上および／または耐酸化性の向上に効果がある。特にＡｌについては硬さ向上の効果が著しく有効である。しかし、これら元素の添加は０．１％未満ではその効果が十分でなく、また、１０％を超えて添加すると肉盛性が劣化する。従って、その範囲を０．１〜１０％とした。

Ｍｏ：５％以下、Ｂ：２％以下
Ｍｏ、Ｂは共に合金の硬さを向上させて耐摩耗性を向上させる効果がある。特に同時添加した場合、Ｍｏホウ化物が分散析出し、さらに効果的である。しかし、Ｍｏは５％を超えて添加すると合金粉末製造時に溶湯中で溶け残るため粉末製造が困難になる。従って、Ｍｏ添加量の上限を５％とした。Ｂについては、２％を超えると肉盛性が悪くなるため２％を上限とした。

Ｐ：２％以下、Ｖ：４％以下
Ｐは、主にＮｉ珪化物中に固溶し合金の硬さを向上するほか、詳細は不明であるが、自己潤滑と思われる効果を有し、耐摩耗性を改善する。また、Ｖと同時添加すると、Ｖ，Ｐリッチな硬質粒子を析出し耐摩耗性を向上する。しかし、２％を超える添加は、逆に脆化を起こし、肉盛性も劣化させることから、その上限を２％とした。
Ｖは、硬さ向上に効果があり、前述のようにＰとの同時添加によりＶ，Ｐリッチ硬質粒子を析出する。しかし、４％を超えて添加すると合金粉末作製時に溶湯中で溶け残るため粉末製造が困難になる。そのため、Ｖ添加量の上限を４％とした。

また、直径１５μｍ以上の粗大な硬質相が存在しない微細な組織を有することにより切削性の改善を図った。望ましくは直径１０μｍ以上の粗大な硬質相が存在しない微細な組織を有することがより好ましい。そのためには、高融点の硬質相形成元素（Ｍｏ、Ｖ）の上限を規定することにより、硬質相の凝集を避け、液相分離傾向の強いＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒの上限を規定することにより、液相分離により生じる粗大硬質相を析出しないようにした。また、粉末での平均硬さがビッカース硬度で２００以上を必要とする。しかし、ビッカース硬度が２００未満では、強度、耐摩耗性の点で肉盛用銅合金として要求されているレベルを満たさない。従って、その下限値を２００とした。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１に示される成分組成になるように配合した本発明合金、比較例合金を３０ｋｇアトマイザで真空誘導溶解し、溶湯ノズル径φ３ｍｍ、コンファインド型噴霧ノズルを用いて出湯温度１５２０℃、噴霧圧４ＭＰａにてＡｒガスを使用したガスアトマイズ法により粉化し、そのままＡｒガス雰囲気中で冷却してレーザ粉末肉盛用Ｃｕ基合金粉末を得た。以上のようにして得られた粉末をそれぞれ−８０〜＋２８０メッシュに篩分け、下記の条件でレーザ粉末肉盛を行い、さらに、加えて、バルブシート形状に加工し、研磨した後、３５０℃に加熱した状態でバルブによる摩耗評価を行なった。以下に、各評価の方法と判定基準を示す。また、評価結果を表２に示す。

（ａ）レーザ粉末肉盛条件
・金属基体：Ａｌ基材；ＪＩＳＡＣ２Ｂ＋溶体化時効処理
・レーザ形：１．８×４ｍｍ矩形
・レーザ出力：１．５ｋｗ
・粉末供給量：５０ｇ／ｍｉｎ
・雰囲気：Ａｒガス（７０Ｌ／ｍｉｎ）
・処理速度：８ｍｍ／ｓｅｃ

（ｂ）肉盛性：肉盛性のうち、ビード形状については、肉盛ビード断面を研磨して観察したときの縦横比で評価した。
〇：高さ／幅が０．６以下
×：高さ／幅が０．６超
（ｃ）耐摩耗性：摩耗評価（単体リグ摩耗試験、３５０℃加熱、３０００ｒｐｍ、４．５ｈ）後のバルブシートの摩耗深さで評価した。
〇：摩耗高深さが２０μｍ以下
×：摩耗高深さが２０μｍ超

（ｄ）仕上性：バルブシート状に研磨した後の表面粗さで評価した。
〇：表面粗さＲａ０．２μｍ以下
×：表面粗さＲａ０．２μｍ超
（ｅ）粉末製造法：アトマイズ後のルツボ内における母材溶け残りの有無
無：○
有：×

さらに、表２に示す形状、クラックの有無、アトマイズ時の閉塞状況および粗大硬質相の有無に関して、以下のような基準で評価した。
〔形状（表面粗さ計で測定ＪＩＳＢ０６０１に準拠）〕
直線状に肉盛した時のビード頂上部の凹凸で評価した。
○：断面曲線の最大の高さＲｙ≦０．５ｍｍ
×：Ｒｙ≧０．５ｍｍ

〔クラックの有無〕
肉盛ビードの表面を目視にて観察した。
○：肉盛後クラックなし
×：クラック発生
〔アトマイズ時の閉塞〕
３０ｋｇアトマイザの溶湯が全量噴霧できたかどうかで評価した。
○：ノズル閉塞なし
×：アトマイズ中にノズル閉塞発生

〔粗大硬質相の有無〕
肉盛ビード断面を研磨して顕微鏡で観察した。
◎：直径１０μｍ以上の粗大な硬質相なし
○：直径１５μｍ以上の粗大な硬質相なし
×：直径１５μｍ以上の粗大な硬質相あり、でそれぞれ評価した。

表２に示すように、Ｎｏ．１〜１３は本発明例であり、Ｎｏ．１４〜２４は比較例である。Ｎｏ．１〜１３の本発明例のレーザ粉末肉盛用Ｃｕ基合金粉末は、通常のガスアトマイズ法で問題なく合金粉末を製造出来る組成であり、この粉末を用いてレーザ粉末肉盛を行なうと、ビード形状が良好で、レーザ粉末肉盛性が良好である。また、形状も良く、クラックの発生もなく、アトマイズ時の閉塞もなく、かつ直径１５μｍ以上の粗大硬質相もなく、平均硬さＨＶ２００以上の極めて優れた肉盛用銅合金粉末を得ることが出来ることが判る。

一方、比較例Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１５は、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒの１種または２種の何れかが含有されていないために、平均硬さが低く、耐摩耗性に劣る。比較例Ｎｏ．１６はＮｉ含有量が低く、かつ、Ｓｉ含有量が低いために平均硬さが低く、耐摩耗性に劣る。比較例Ｎｏ．１７はＮｉ含有量が高く、かつ、Ｓｉ含有量が高いためにビード形状が悪い。比較例Ｎｏ．１８はＦｅ含有量が高く、かつ、Ｃｏ含有量が高いために粗大硬質粒子が析出し、かつ仕上性に劣る。

比較例Ｎｏ．１９はＮｉ含有量が低いために、平均硬さが低く、かつ耐摩耗性が劣る。比較例Ｎｏ．２０はＳｉ含有量が高いために、ビード形状が悪い。比較例Ｎｏ．２１はＦｅ含有量とＣｏ含有量の和が高く、さらに、Ｍｏ含有量が高いために、粗大硬質粒子が析出し、かつ粉末製造性が悪い。比較例Ｎｏ．２２はＢ含有量が高いために、ビード形状が悪い。比較例Ｎｏ．２３はＶ含有量が高いために、製造性が悪い。比較例Ｎｏ．２４はＰ含有量が高いために、クラックが発生し、かつビード形状が悪い。

特許出願人山陽特殊製鋼株式会社
代理人弁理士椎名彊

Claims

質量％で、
Ｓｉ：２〜５％、
Ｎｉ：７〜２０％、
Ｆｅ＋Ｃｏ：１０％以下
を含有し、かつ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒの１種または２種以上を合計０．１〜１０％、残部Ｃｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とするクラッド性および耐摩耗性に優れた肉盛用銅合金粉末。
請求項１に加えて、さらに、Ｍｏ：５％以下、Ｂ：２％以下を含むことを特徴とするクラッド性および耐摩耗性に優れた肉盛用銅合金粉末。
請求項１または２に加えて、さらに、Ｐ：２％以下、Ｖ：４％以下を含むことを特徴とするクラッド性および耐摩耗性に優れた肉盛用銅合金粉末。