JP2018158379A - バルブシート合金 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な方法でもって、肉盛層の始端部における割れを確実に低減することのできるバルブシート合金の提供。【解決手段】Niが5.0%〜20%、Siが2.4%〜4.0%、Moが0%〜40%、残部がCuの金属粉末で肉盛りされた12%以下のアルミニウム成分を含むバルブシート合金で、各成分の濃度が相対的に低い第１金属粉末で、始端部を形成し、各成分の濃度が相対的に高い第２金属粉末で、一般部及び摺端部をレーザ肉盛し、始端部のアルミ希釈率が高くなることを防止する。【選択図】図８

Description

本発明は、バルブシート合金に係り、特に、アルミニウム製の基材の表面に銅基の金属粉末を供給して形成される肉盛層のバルブシート合金に関する。

例えばエンジン用シリンダヘッドのバルブシートの耐久性を向上させるとともにその設計自由度を高めるために、バルブシートに対し、例えば粉末状の肉盛り材料を供給しながらレーザビームを照射し、バルブシートとレーザビームを相対回転させることによって肉盛層（クラッド層）を形成するレーザ加工が知られている。このレーザ加工は、エンジンの燃焼室に必要な機械加工、例えばバルブ孔形成加工等がおこなわれたシリンダヘッドに対し、そのバルブシートとなるべき領域に銅合金等からなる耐摩耗性を有する粉末状の肉盛り材料を供給しつつレーザ照射を実行し、最終的にバルブシートとなるべきリング状の肉盛層、すなわち肉盛ビード部を形成するという技術であり、一般にレーザクラッド加工や肉盛加工と称されている。

ところで、前記のようなリング状の肉盛層を形成する場合、肉盛層の肉盛り作業開始部となる始端部に終端部を重ね合わせてオーバーラップ部を形成して肉盛量を確保する必要があるが、そのオーバーラップ部において、未溶着部やクラックなどの欠陥が発生しやすいという問題があった。

このような問題に対し、特許文献１には、肉盛り層の肉盛り作業開始部となる始端部に、肉盛り作業終了部となる終端部を重ねて肉盛り層を形成する際に、始端部表面の金属母材表面に対する傾斜角度が所定範囲となるように調整する技術が提案されている。

特許第３４０９６３１号公報

しかしながら、上記特許文献１に所載の提案技術のように、肉盛層の始端部表面の傾斜角度を精緻に調整することは極めて難しい。また、排気側は、吸気側に比べて、高温環境下で耐摩耗性を確保しなければならない。この排気側バルブシートに適した肉盛り材料として、マトリックス（硬質粒子以外の基地の部分）の硬度を上げたり、硬質粒子の面積率を上げて、バルブとバルブシート表面間で生じる凝着摩耗を抑制した材料（例えば、Ni、Si、Mo、Alを多く含む材料）を使用して肉盛層を形成すると、依然として、前述の始端部で多数の割れ（クラック）が生じるという問題があった。

より詳しくは、NiやSiの含有量が多くなると、Cu-Ni-Siの網目状の組織が生じやすくマトリックスの硬度が向上する。また、Moの含有量が多くなると、Mo-Si-FeとMo-Ni-Siで構成される硬質粒子の面積率が増加する。また、Alの含有量が多くなると、Cu-Ni-Alの固溶強化組織が生じやすくマトリックスの硬度が向上する。

しかし、前記レーザクラッド加工では、Cu基の粉末状の肉盛り材料をAl製のシリンダヘッド上で溶融させて溶け込ませるため、クラッド組織へのAl成分の混入が避けられない（この現象を、Al希釈という）。Al成分の混入量が規定値（CuのAl固溶限）を超えると金属間化合物（AlNi、CuAl等）が形成され、材料伸びの低下や残留引張応力の増加を引き起こす。この部位に2層目（終端部）クラッド時の熱収縮が加わると、その負荷により割れ（クラック）が発生する可能性がある。特に、肉盛層の始端部は体積もしくは断面積が小さいため、他の部位に比べてAl希釈成分が高くなり（例えば、一般部のAl希釈成分は0〜1%程度に対し、始端部のAl希釈成分は3〜5%程度）、材料伸びの低下や残留引張応力の増加が大きくなるので、割れ（クラック）がより生じやすくなる。

すなわち、前記のようなリング状の肉盛層を形成する場合、肉盛層の作業開始部である始端部は、始端部形成後の部分である一般部に比べて肉盛層の体積もしくは断面積が小さいため、Al基材からのAl希釈の影響を受けやすい。Al濃度が高くなると金属間化合物（CuAl等）が形成されやすくなり、肉盛層に割れが発生しやすくなるので、バルブシートの耐久性が低下してしまうというものである。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、簡便な方法でもって、前述の肉盛層の始端部における割れを確実に低減することのできるバルブシート合金を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるバルブシート合金は、Niが5.0%〜20%、Siが2.4%〜4.0%、Moが0%〜40%、残部がCuの金属粉末で肉盛りされた12%以下のアルミニウム成分を含むものである。

本発明によれば、前記始端部におけるAl固溶限を高めることができる。そのため、基材からのAl希釈による金属間化合物の形成を低減できるため、前述の肉盛層の始端部における割れを確実に低減することが可能となる。

本発明の肉盛層の製造方法が適用されるレーザクラッド加工装置の主要構成を概略的に示す斜視図である。 図１で示すレーザクラッド加工装置による肉盛層の製造方法を模式的に示す要部拡大図である。 図２に示す同軸ノズルの内部構造および金属粉末の供給経路（始端部加工時）を概略的に説明する図である。 図２に示す同軸ノズルの内部構造および金属粉末の供給経路（一般部及び終端部加工時）を概略的に説明する図である。 図２に示す同軸ノズルの内部構造および金属粉末の供給経路の他例（始端部加工時）を概略的に説明する図である。 図２に示す同軸ノズルの内部構造および金属粉末の供給経路の他例（一般部及び終端部加工時）を概略的に説明する図である。 シリンダヘッドのバルブシート部を模式的に示す平面図。 図５ＡのＸ−Ｘ矢視断面図。 図５ＢのＹ−Ｙ矢視断面図。 第１金属粉末供給量、第２金属粉末供給量、レーザ出力、クラッド（肉盛）高さの関係を説明する図。 Al濃度と引張強度の関係を示す図である。 Al濃度と破断歪の関係を示す図である。 実施例１と比較例１の金属粉末の粉末合金成分を示す図である。 実施例１による肉盛層の、加工方向に対して垂直な断面および加工方向に沿う断面の断面観察結果を示す組織写真図である。 比較例１による肉盛層の、加工方向に対して垂直な断面および加工方向に沿う断面の断面観察結果を示す組織写真図である。 実施例２と比較例１の金属粉末の粉末合金成分、および、機能面と品質面での実験結果を示す図である。 実施例２と比較例２の金属粉末の粉末合金成分、および、機能面と品質面での実験結果を示す図である。 実施例３と比較例３の金属粉末の粉末合金成分、および、機能面と品質面での実験結果を示す図である。 実施例４と比較例４の金属粉末の粉末合金成分、および、機能面と品質面での実験結果を示す図である。 実施例５と比較例５の金属粉末の粉末合金成分、および、機能面と品質面での実験結果を示す図である。 実施例６と比較例６の金属粉末の粉末合金成分、および、機能面と品質面での実験結果を示す図である。 実施例７と比較例７の金属粉末の粉末合金成分、および、機能面と品質面での実験結果を示す図である。 実施例８と比較例８の金属粉末の粉末合金成分、および、機能面と品質面での実験結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

まず、図１〜図３Ａ、Ｂを参照して、本発明の肉盛層の製造方法が適用されるレーザクラッド加工装置の一例を概説する。

図１は、本発明の肉盛層の製造方法が適用されるレーザクラッド加工装置の主要構成を概略的に示した斜視図であり、図２は、図１で示すレーザクラッド加工装置による肉盛層の製造方法を模式的に示す要部拡大図である。また、図３Ａ、Ｂは、図２に示す同軸ノズルの内部構造および金属粉末の供給経路を概略的に説明する図であり、図３Ａは始端部加工時、図３Ｂは始端部加工後の一般部及び終端部加工時を説明する図である。

図１で示すレーザクラッド加工装置１は、例えばアルミニウム（Al）ないしアルミニウム合金製のシリンダヘッドＨ（以下、基材もしくはAl基材ということがある）のバルブシート部Ｓにレーザクラッド加工（肉盛加工）を行う装置であって、主に、シリンダヘッドＨを傾動して保持するシリンダヘッド保持装置９と、加工部位（基材表面）にレーザビームを照射しながら金属粉末（銅を主成分とする金属材料）を吐出するレーザ加工ヘッド（レーザ照射部及び粉末供給部）２と、レーザ加工ヘッド２を鉛直方向に傾斜して保持して鉛直軸線周りに回転させることにより、加工部位におけるレーザ加工ヘッド２からの金属粉末の供給位置及びレーザビームの照射位置を周方向（回転方向）で移動させる回転装置３と、レーザ加工ヘッド２に金属粉末を供給する２つの供給装置（第１供給部、第２供給部）１０、１４と、供給装置１０、１４からのレーザ加工ヘッド２への金属粉末の供給状態を制御する制御装置（制御部）２０とを備えている。

シリンダヘッド保持装置９は、バルブシート部Ｓの中心軸線が鉛直方向となるようにシリンダヘッドＨを傾動したり、バルブシート部Ｓの中心軸線とレーザ加工ヘッド２の回転軸線とが一致するようにシリンダヘッドＨを水平方向へ二次元的に移動させるものである。

レーザ加工ヘッド２は、主に、金属粉末の加熱手段としてのレーザビームを発生するレーザ発振部５と、レーザビームを集光する集光レンズ等が内蔵された光学系部６と、レーザビームを通過させるとともにそのレーザビームの周囲から金属粉末を吐出する二重管構造の同軸ノズル７と、を有している。

また、各供給装置１０、１４は、主に、レーザ加工ヘッド２に供給する金属粉末を貯留するフィーダ１１、１５を有し、各フィーダ１１、１５とレーザ加工ヘッド２の同軸ノズル７とは、供給チューブ１８および該供給チューブ１８に設けられた切替えバルブ（切替え部）１９を介して接続されている（詳細構造は後述）。

このレーザクラッド加工装置１では、加工部位に形成される肉盛層（クラッド層）に応じた量の金属粉末が供給チューブ１８等を介して各フィーダ１１、１５から同軸ノズル７へ供給され、レーザ発振部５によってその金属粉末に応じた出力のレーザビームが生成され、同軸ノズル７を介して加工部位にレーザビームを照射しながら該レーザビームの周囲から該レーザビームへ向かって金属粉末を吐出することにより、シリンダヘッドＨのバルブシート部Ｓに環状の肉盛層を形成することができる（図２参照）。

なお、環状の肉盛層を形成すべく、回転装置３は、レーザ加工ヘッド２を360°以上（例えば450°程度）回転させ、加工部位の始点と終点との間にオーバーラップ部（例えば約90°分のオーバーラップ部）を形成するようになっている。

より詳しくは、図３Ａ、Ｂで示すように、前記同軸ノズル７は、主に、レーザビームが通過するためのレーザ通路を有する略円管状のインナノズル部材７ａと、インナノズル部材７ａに外嵌されるアウタノズル部材７ｂとを備えている。アウタノズル部材７ｂの内周面は、インナノズル部材７ａの外周面と相補的な形状を有し、インナノズル部材７ａとアウタノズル部材７ｂとは同軸上に配置され、インナノズル部材７ａとアウタノズル部材７ｂとの間に金属粉末が通過する略円環状の吐出空間８が画成されている。なお、インナノズル部材７ａやアウタノズル部材７ｂは、その先端側へ向かって縮径している。

前記吐出空間８には、周方向で略等間隔に複数（図示例では、90°間隔で４個）の供給パイプ８ａ〜８ｄが連設されており、各供給パイプ８ａ〜８ｄが接続チューブ４を介して切替えバルブ１９に接続されている。

なお、図示例では、前記吐出空間８が一空間として形成されているが、例えば、前記吐出空間８を、周方向で略等間隔（例えば90°間隔）に設けられた分割壁によって複数（例えば４個）の小空間に分割し、各小空間に、各小空間へ金属粉末を供給するための供給パイプを連設しても良い。

一方、供給装置（第１供給部）１０のフィーダ１１は、接続チューブ１２を介して前記切替えバルブ１９に接続されるとともに、供給装置（第２供給部）１４のフィーダ１５は、接続チューブ１６を介して前記切替えバルブ１９に接続されている。

そして、前記制御装置２０により前記回転装置３等と連動して前記切替えバルブ１９の切替えを制御することにより、例えば、以下の連通状態が形成され、各フィーダ１１、１５から同軸ノズル７の供給パイプ８ａ〜８ｄへの金属粉末の供給経路の切替えが行われるようになっている。
［第１連通状態］
肉盛層の始端部加工時（つまり、レーザ加工ヘッド２（の同軸ノズル７）の加工始点からの回転角度が所定角度（例えば約45°）以下である時）において、フィーダ１１（に連結された接続チューブ１２）と供給パイプ８ａ〜８ｄ（に連結された接続チューブ４）とが連通し、フィーダ１１に貯留された金属粉末が供給パイプ８ａ〜８ｄを介して吐出空間８に供給され、フィーダ１５（に連結された接続チューブ１６）と供給パイプ８ａ〜８ｄ（に連結された接続チューブ４）との連通は遮断される状態（図３Ａに示される状態）。［第２連通状態］
肉盛層の始端部加工後の一般部及び終端部加工時（つまり、レーザ加工ヘッド２（の同軸ノズル７）の回転角度が所定角度（例えば約45°）より大きい時）において、フィーダ１１（に連結された接続チューブ１２）と供給パイプ８ａ〜８ｄ（に連結された接続チューブ４）との連通は遮断され、フィーダ１５（に連結された接続チューブ１６）と供給パイプ８ａ〜８ｄ（に連結された接続チューブ４）とが連通し、フィーダ１５に貯留された金属粉末が供給パイプ８ａ〜８ｄを介して吐出空間８に供給される状態（図３Ｂに示される状態）。

なお、図３Ａ、Ｂに示す例では、一つの切替えバルブ１９を利用して各フィーダ１１、１５からの同軸ノズル７の供給パイプ８ａ〜８ｄへの金属粉末の供給状態（供給経路）の切替えを実施したが、例えば、図４Ａ、Ｂで示すように、各フィーダ１１、１５に供給パイプ８ａ〜８ｄに繋がる供給チューブを別個に接続し、各供給チューブに切替えバルブ１９ａ、１９ｂを装備し、二つの切替えバルブ１９ａ、１９ｂを利用して（つまり、制御装置２０で二つの切替えバルブ１９ａ、１９ｂを同時に制御して）各フィーダ１１、１５からの同軸ノズル７の供給パイプ８ａ〜８ｄへの金属粉末の供給状態（供給経路）の切替えを実施するようにしても良い。また、切替えバルブを省略し、各フィーダ１１、１５に設けられた流量制御用の開閉バルブを利用して（つまり、制御装置２０で各フィーダ１１、１５の開閉バルブを同時に制御して）各フィーダ１１、１５からの同軸ノズル７の供給パイプ８ａ〜８ｄへの金属粉末の供給状態（供給経路）の切替えを実施するようにしても良い。

また、各フィーダ１１、１５には、窒素ガスなどの不活性ガスからなるキャリアガスが通過するキャリアガス配管（不図示）が設けられ、当該キャリアガスを用いて該キャリアガスとともに金属粉末を当該フィーダ１１、１５から供給チューブ１８（接続チューブ１２、１６等）を通して同軸ノズル７へ圧送して供給するようになっている。

なお、アウタノズル部材７ｂには、窒素ガスなどの不活性ガスが通過するガス供給路が設けられ、そのガス供給路を介して供給された不活性ガスが、インナノズル部材７ａとアウタノズル部材７ｂとの間に画成されたガス充填空間と、該ガス充填空間に連通するようにインナノズル部材７ａに形成された複数のガス吐出路を介してインナノズル部材７ａのレーザ通路に供給される。

シリンダヘッドＨのバルブシート部Ｓへの肉盛層の形成に当たり、各フィーダ１１、１５から同軸ノズル７へ金属粉末を供給する際には、キャリアガス配管に設けられた開閉バルブが開弁され、各フィーダ１１、１５に貯留された金属粉末が、キャリアガス配管から供給されるキャリアガスの圧力によって該キャリアガスとともに供給チューブ１８を構成する各接続チューブ１２、１６へ送出され、前述の切替えバルブ１９および接続チューブ４を通って同軸ノズル７の各供給パイプ８ａ〜８ｄへ供給される。各供給パイプ８ａ〜８ｄへ供給された金属粉末は、吐出空間８へ導入されて周方向へ拡散もしくは分散しながら、当該吐出空間８の先端側の吐出口から外部へ吐出される。

吐出口を介して吐出された金属粉末は、レーザ加工ヘッド２のレーザ発振部５から出射されてインナノズル部材７ａのレーザ通路を通過したレーザビームにより溶融され、溶融された金属粉末が加工部位であるシリンダヘッドＨのバルブシート部Ｓに溶着され、溶着された金属粉末が冷却固化されて、加工部位に所定の厚さ及び外形を有する肉盛層（クラッド層）が形成される。なお、インナノズル部材７ａのレーザ通路は、上記したように、ガス供給路等を介して供給された不活性ガスの通路も兼ねており、レーザクラッド加工に際して不活性ガスがレーザ通路を通って被加工部材の加工部位へ噴射されるようになっている。

なお、各フィーダ１１、１５から各接続チューブ１２、１６（つまり、同軸ノズル７）へ送出される金属粉末の量や、キャリアガスの流量や圧力（フィーダ内圧）は、各フィーダ１１、１５により管理されている。

次に、図１で示すレーザクラッド加工装置による肉盛層の製造（形成）方法、およびそれにより形成される肉盛層の内部構造について、より詳細に説明する。

本実施形態では、前述の供給装置（第１供給部）１０のフィーダ１１に、Ni、Si、Mo、Alのうち少なくとも一つ（好ましくは、Ni、Si、Mo、Alの全て）の濃度（言い換えれば、添加率）が相対的に低い銅基の金属粉末（第１金属粉末）が貯留され、供給装置（第２供給部）１４のフィーダ１５に、Ni、Si、Mo、Alのうち少なくとも一つ（好ましくは、Ni、Si、Mo、Alの全て）の濃度が相対的に高い銅基の金属粉末（第２金属粉末）が貯留されている。

前記制御装置２０は、前述のように、レーザ加工ヘッド２の同軸ノズル７の回転角度に応じて切替えバルブ１９の切替えを行うことにより、シリンダヘッドＨのバルブシート部Ｓにおける肉盛層の始端部加工時には、同軸ノズル７の各供給パイプ８ａ〜８ｄが前記フィーダ１１と連通し、前記フィーダ１１から前記第１金属粉末が同軸ノズル７（の吐出空間８）に供給される（図３Ａも併せて参照）。また、肉盛層の一般部及び終端部加工時には、同軸ノズル７の各供給パイプ８ａ〜８ｄが前記フィーダ１５と連通し、前記フィーダ１５から前記第２金属粉末が同軸ノズル７（の吐出空間８）に供給されるようになっている（図３Ｂも併せて参照）。

これにより、本実施形態のレーザクラッド加工装置１にて肉盛層を形成する場合、図５Ａ〜５Ｃおよび図６に示されるように、まず（図６に示す例では、加工始点である回転角度0°から回転角度45°程度まで）、前記フィーダ１１から同軸ノズル７に供給された第１金属粉末（Ni、Si、Mo、Alの濃度が相対的に低い金属粉末）が同軸ノズル７（のインナノズル部材７ａ）を通過したレーザビームにより溶融されてシリンダヘッドＨのバルブシート部Ｓに溶着・肉盛りされて始端部が形成される。その後（図６に示す例では、回転角度45°程度から回転角度450°まで）、同軸ノズル７に対するフィーダ１１、１５からの供給経路が切り替えられ、前記フィーダ１５から同軸ノズル７に供給された第２金属粉末（Ni、Si、Mo、Alの濃度が相対的に高い金属粉末）が前記レーザビームにより溶融されてシリンダヘッドＨのバルブシート部Ｓに溶着・肉盛りされて一般部および終端部が形成されることになる。

なお、本例では、図６に示すように、始端部形成時の第１金属粉末に対するレーザ出力が、始端部形成後の第２金属粉末に対するレーザ出力より小さく設定されている。言い換えれば、前記制御装置２０は、レーザ加工ヘッド２の同軸ノズル７の回転角度に応じてレーザ加工ヘッド２（のレーザ発振部５）のレーザ出力も同時に制御している。

なお、本実施形態で、肉盛層の「始端部」とは、加工の始点（肉盛層の加工開始位置）から肉盛りされた層の高さが製品時のシート面の高さ未満の領域を意味する（特に、図５Ｃ参照）。また、肉盛層の「一般部」とは、前記始端部形成後の、肉盛りされた層の高さが製品時のシート面の高さ以上の領域を意味する。また、肉盛層の「終端部」とは、少なくとも前記始端部にオーバーラップする部分以降の領域を意味している（特に、図５Ｃ、図６参照）。

ここで、上記第１金属粉末（始端部形成に用いられる金属材料）および第２金属粉末（一般部及び終端部形成に用いられる金属材料）の粉末合金成分の組成は、以下の考えに基づき決定されたものである。

《Ni成分について》
Niは、含有量（率）が多くなると、Cu-Ni-Siの網目状の組織が生じやすく、マトリックスの強度が向上するが、20%を超えると、割れが発生しやすくなり、溶着性が低下する。一方で、含有量（率）が少ないと、NiSi（ニッケル珪化物）の形成やAl固溶限の増加によるAlNi化合物の形成が抑制され、クラックを抑制できるが、5%未満ではマトリックスの強化が不十分となるため、燃焼圧等のエンジン負荷に耐えられない。そのため、5.0%〜20.0％の範囲内で、第１金属粉末でのNi量を相対的に少なくし、第２金属粉末でのNi量を相対的に多くする。

《Si成分について》
Siは、含有量（率）が多くなると、Cu-Ni-Siの網目状の組織が生じやすく、マトリックスの強度が向上するとともに、Alへの溶着性が向上するが、過度に多くなると、Cu-Ni-Si組織のCu-Ni結晶粒の粒界に形成されたニッケル珪化物（Ni₃Si等）が増加するため、延性が低下し、これに希釈した基材成分（Al成分）がCuのAl固溶限を超えて混入すると粒界に金属間化合物（AlNi等）を形成し、伸びが著しく低下する。また、低いAl濃度でも高い残留引張応力が生じるためクラックが発生しやすくなる。より詳しくは、2.4%以下では、未溶着が発生しやすくなり、4.0%以上では、上記理由により、肉盛層の一般部にクラックが生じやすくなる。そのため、2.4%〜4.0%の範囲内で、第１金属粉末でのSi量は、第２金属粉末でのSi量未満とする。

《Mo成分について》
Moは、含有量（率）が多いほど、Mo-Si-FeとMo-Ni-Siで構成される硬質粒子の面積率が増加し、硬質粒子が多く晶出し、耐摩耗性が向上するが、マトリックスに比べて靱性がないため、破断歪が低下してクラックが発生しやすくなる。より詳しくは、40.0%を超えると硬質粒子が過剰となり靱性が低下し、クラックが発生しやすくなる。そのため、0%〜40.0%の範囲内で、第１金属粉末でのMo量は、第２金属粉末でのMo量未満とする。

《Al成分について》
Alは、含有量（率）が多くなると、Cu-Ni-Alの固溶強化組織が生じやすく、マトリックスの強度が向上するが、過度に多くなると、希釈した基材成分（Al成分）によりAlNiやCuAlといった延性が低い金属間化合物相が増加し、クラックが生じやすくなる。つまり、Al成分が僅かでも入ると引張強度は向上するが（図７参照）、12%を上回ると、破断歪（低いと割れやすい）がAl濃度0%の場合を下回ることになる（図８参照）。そのため、0%〜12.0%の範囲内で、第１金属粉末でのAl量を相対的に少なくし、第２金属粉末でのAl量を相対的に多くする。

すなわち、上記のようにして本実施形態のレーザクラッド加工装置１にて肉盛層を形成することで、前記フィーダ１１から同軸ノズル７に供給された第１金属粉末で構成される肉盛層の始端部は、Al固溶限が相対的に高い組織となる。

また、前記フィーダ１５から同軸ノズル７に供給された第２金属粉末で構成される肉盛層の一般部及び終端部は、耐摩耗性に優れた組織となる。詳しくは、本実施形態のレーザクラッド加工装置１にて形成される肉盛層の製品時におけるシート面は、第２金属粉末により形成される組織となり、NiやSiをより多く含む組織となるため、Cu-Ni-Siの網目状の組織が生じやすくマトリックスの硬度が向上し、マトリックスが剥がれてバルブに付着して進行する凝着摩耗が抑制されることが期待される。また、Moをより多く含む組織となるため、Mo-Si-FeとMo-Ni-Siで構成される硬質粒子の面積率が増加し、耐摩耗性が向上することが期待される。また、Alをより多く含む組織となるため、Cu-Ni-Alの固溶強化組織が生じやすくマトリックスの硬度が向上し、マトリックスが剥がれてバルブに付着して進行する凝着摩耗が抑制されることが期待される。

以上で説明したように、本実施形態によれば、肉盛層の始端部に供給される第１金属粉末は、前記始端部形成後の一般部に供給される第２金属粉末に比べてSi、Ni、Mo、Alのうち少なくとも一つの濃度が相対的に低いので、前記始端部におけるAl固溶限を高めることができる。そのため、基材からのAl希釈による金属間化合物の形成を低減できるため、前述の肉盛層の始端部における割れを確実に低減することが可能となる。

また、本実施形態では、肉盛層の加工過程での切替えバルブ１９（あるいは、各フィーダ１１、１５に配備された流量制御用の開閉バルブなど）の切替えにより各供給装置１０、１４のフィーダ１１、１５から同軸ノズル７への金属粉末の供給経路の切替えが行われるので、生産性を確保できるといった効果もある。

なお、上記実施形態では、レーザビームを通過させるとともにそのレーザビームの周囲から金属粉末を吐出する二重管構造の同軸ノズル７を利用したが、例えば、レーザビームと金属粉末を別個のノズルを使用して基材（シリンダヘッドＨのバルブシート部Ｓ）の表面に供給しても良い。言い換えれば、上記実施形態では、基材の表面に金属粉末を供給する粉末供給部と、該粉末供給部から供給された金属粉末にレーザビームを照射して当該金属粉末を溶融させるレーザ照射部とを兼ね備えたレーザ加工ヘッド２（の同軸ノズル７）を利用したが、例えば、前記粉末供給部と前記レーザ照射部を別個の装置で構成しても良い。また、上記実施形態では、各供給装置１０、１４から供給される異なる成分の金属粉末を一つの同軸ノズル７から順次吐出（供給）したが、例えば、各供給装置１０、１４から供給される異なる成分の金属粉末を別個の（二つの）ノズルを使用して基材（シリンダヘッドＨのバルブシート部Ｓ）の表面に向けて順次供給しても良い。

また、前記同軸ノズル７の吐出空間８に金属粉末を供給する供給パイプの数や位置等は、適宜に変更できることは言うまでも無い。

さらに、上記実施形態では、構成を明確化するために、所定の時間（図６に示す例では、約45°の回転角度）で、同軸ノズル７に対するフィーダ１１からの第１金属粉末の供給とフィーダ１５からの第２金属粉末の供給とを完全に切り替え、フィーダ１１からの第１金属粉末のみを供給して始端部を形成し、フィーダ１５からの第２金属粉末のみを供給して一般部と終端部を形成するものとしたが、肉盛層の始端部加工に用いられる金属粉末のAl固溶限が一般部及び終端部加工に用いられる金属粉末のAl固溶限より高くなるとともに、製品時のシート面の耐摩耗性等が確保できれば、所定の時間幅（所定の回転角度の範囲内）で、フィーダ１１から供給される第１金属粉末とフィーダ１５から供給される第２金属粉末とを混合して使用しても良いことは勿論である。

＜肉盛層（クラッド層）の機能面・品質面を評価した実験とその結果＞
本発明者等は、前記したレーザクラッド加工装置１を利用し（加工条件は、例えば図６を参照）、異なる粉末合金成分の金属粉末（実施例１〜８、比較例１〜８）を使用してAl基材（Al製のシリンダヘッドのバルブシート部）に肉盛層を形成し、その肉盛層の機能面・品質面の評価実験を実施した。

｛実施例１による肉盛層（クラッド層）の断面を観察した実験とその結果｝
まず、本発明者等は、異なる粉末合金成分の金属粉末（実施例１、比較例１）を使用してAl基材（Al製のシリンダヘッドのバルブシート部）に肉盛層を形成し、その肉盛層の断面観察実験を実施した。

≪実施例１と比較例１の対比≫
図９は、実施例１、比較例１における金属粉末の粉末合金成分を示している。図９から分かるように、実施例１における第１金属粉末は、第２金属粉末と比べて、Ni、Si、Mo、Alの全ての濃度が低く設定されている。また、比較例１における金属粉末は、実施例１における第２金属粉末とほぼ同じ（Al量が僅かに異なる）粉末合金成分に設定されている。つまり、比較例１は、実施例１における第２金属粉末とほぼ同じ粉末合金成分を持つ単一の金属粉末を使用して肉盛層加工したものである。

図１０Ａは、本実験で作製された実施例１による肉盛層の、加工方向に対して垂直な断面（図５ＡのＸ−Ｘ矢視断面に相当）および加工方向に沿う断面（図５ＢのＹ−Ｙ矢視断面に相当）の断面観察結果を示す組織写真図である。また、図１０Ｂは、比較例１による肉盛層の、加工方向に対して垂直な断面および加工方向に沿う断面の断面観察結果を示す組織写真図である。

図１０Ｂで示す比較例１では、始端部にて金属間化合物相が多く析出しているため、一般部や終端部に比べてやや白く見え、クラックの発生が確認された。

なお、比較例１による組織のクラック発生部の組織をクラック無し部の組織と比較するために拡大組織を調査したところ、Al希釈が10%あり、その結果、延性な（クラックに強い）Cu-Ni金属相が減少し、Al濃度の増加によりAlとNiが結合して延性の低い金属間化合物相AlNiが生じていることが分かった。

一方、図１０Ａで示す実施例１では、始端部の色目が一般部や終端部に近く、白くなっていないことから、クラックが生じやすい金属間化合物相があまり析出していないことが確認された。

｛実施例２〜８による肉盛層（クラッド層）のマトリックスの硬度、硬質粒子の面積率、クラックの有無を測定した実験とその結果｝
次に、本発明者等は、異なる粉末合金成分の金属粉末（実施例２〜８、比較例１〜８）を使用してAl基材（Al製のシリンダヘッドのバルブシート部）に肉盛層を形成し、その肉盛層のマトリックスの硬度、硬質粒子の面積率、クラックの有無（発生数）の測定実験を実施した。

上述の比較例１による組織のクラック発生部の考察（図１０Ｂ参照）から、Al成分のCuへの混入量が規定値（固溶限）を超えると金属間化合物（AlNi、CuAl）が形成され、延びの低下を引き起してクラックが生じやすい組織になるという知見が得られた。そこで、本実験では、CuのAl固溶限を定義し、第１金属粉末と第２金属粉末の粉末合金成分組成のSi量、Ni量、Mo量、Al量の大小関係を制御因子とし、結果指標として、凝着摩耗を抑制するマトリックス硬さ（Hv0.1）、耐摩耗性を向上させる硬質粒子の面積率、クラックの有無（亀裂発生数）を選定して評価した。なお、機能面としてのマトリックス硬さ、硬質粒子の面積率は、いずれも高いほど凝着摩耗に対して有利であり、品質面としての始端部に見られる亀裂発生数は、低いほど（つまり、ゼロが）望ましい。

ここで、「CuのAl固溶限」とは、Al成分のCuへの混入量がその値を超えるとCu中に金属間化合物（AlNi、CuAl）が形成され、延びの低下を引き起してクラックが生じやすくなる限界値で、金属粉末中のNi、Si、Mo成分の値で決まる値である。

≪実施例２と比較例１の対比≫
図１１は、実施例２、比較例１の金属粉末の粉末合金成分、および、その機能面と品質面での実験結果を示している。図１１から分かるように、実施例２における第１金属粉末は、第２金属粉末と比べて、Ni、Si、Mo、Alの全ての濃度が低く設定されている。また、尺度となる第１金属粉末のCuのAl固溶限は、第２金属粉末のCuのAl成分固溶限より高い。また、比較例１における金属粉末は、実施例２における第２金属粉末と同じ粉末合金成分に設定されている。つまり、比較例１は、実施例２における第２金属粉末と同じ粉末合金成分を持つ単一の金属粉末を使用して肉盛加工したものである。

実施例２では、比較例１と同等の機能が亀裂ゼロで実現できる一方で、比較例１では、亀裂が１９個発生していることが確認された。

≪実施例２と比較例２の対比≫
図１２は、実施例２、比較例２の金属粉末の粉末合金成分、および、その機能面と品質面での実験結果を示している。図１２から分かるように、比較例２における金属粉末は、実施例２における第１金属粉末と同じ粉末合金成分に設定されている。つまり、比較例２は、実施例２における第１金属粉末と同じ粉末合金成分を持つ単一の金属粉末を使用して肉盛加工したものである。

比較例２では、Si量、Ni量、Mo量、Al量が少ない（実施例２の第２金属粉末より少なく、第１金属粉末と同じ）ので、亀裂はゼロであるが、マトリックス硬さ、硬質粒子の面積率がともに実施例２より低く、機能面で実施例２より劣ることが確認された。

≪実施例３と比較例３の対比≫
図１３は、実施例３、比較例３の金属粉末の粉末合金成分、および、その機能面と品質面での実験結果を示している。図１３から分かるように、実施例３における第１金属粉末は、第２金属粉末と比べて、Siの濃度（Si量）のみが低く設定されている。また、尺度となる第１金属粉末のCuのAl固溶限は、第２金属粉末のCuのAl成分固溶限より高い。また、比較例３における金属粉末は、実施例３における第２金属粉末と同じ粉末合金成分に設定されている。

実施例３の第２金属粉末と比較例３の金属粉末は同じ粉末合金成分であるので、実施例３と比較例３は、機能面では等しい（つまり、マトリックス硬さ、硬質粒子の面積率はともに同じである）。一方で、実施例３の第１金属粉末のSi濃度（Si量）が相対的に低いので、実施例３では、亀裂がゼロであるのに対し、比較例３では、亀裂が２個発生していることが確認された。

≪実施例４と比較例４の対比≫
図１４は、実施例４、比較例４の金属粉末の粉末合金成分、および、その機能面と品質面での実験結果を示している。図１４から分かるように、実施例４における第１金属粉末は、第２金属粉末と比べて、Moの濃度（Mo量）のみが低く設定されている。また、尺度となる第１金属粉末のCuのAl固溶限は、第２金属粉末のCuのAl成分固溶限より高い。また、比較例４における金属粉末は、実施例４における第２金属粉末と同じ粉末合金成分に設定されている。

実施例４の第２金属粉末と比較例４の金属粉末は同じ粉末合金成分であるので、実施例４と比較例４は、機能面では等しい（つまり、マトリックス硬さ、硬質粒子の面積率はともに同じである）。一方で、実施例４の第１金属粉末のMo濃度（Mo量）が相対的に低いので、実施例４では、亀裂がゼロであるのに対し、比較例４では、亀裂が１個発生していることが確認された。

≪実施例５と比較例５の対比≫
図１５は、実施例５、比較例５の金属粉末の粉末合金成分、および、その機能面と品質面での実験結果を示している。図１５から分かるように、実施例５における第１金属粉末は、第２金属粉末と比べて、Alの濃度（Al量）のみが低く設定されている。また、尺度となる第１金属粉末のCuのAl固溶限は、第２金属粉末のCuのAl成分固溶限より高い。また、比較例５における金属粉末は、実施例５における第２金属粉末と同じ粉末合金成分に設定されている。

実施例５の第２金属粉末と比較例５の金属粉末は同じ粉末合金成分であるので、実施例５と比較例５は、機能面では等しい（つまり、マトリックス硬さ、硬質粒子の面積率はともに同じである）。一方で、実施例５の第１金属粉末のAl濃度（Al量）が相対的に低いので、実施例５では、亀裂がゼロであるのに対し、比較例５では、亀裂が１５個発生していることが確認された。

≪実施例６と比較例６の対比≫
図１６は、実施例６、比較例６の金属粉末の粉末合金成分、および、その機能面と品質面での実験結果を示している。図１６から分かるように、実施例６における第１金属粉末は、第２金属粉末と比べて、SiとMoの濃度（Si量とMo量）が低く設定されている。また、尺度となる第１金属粉末のCuのAl固溶限は、第２金属粉末のCuのAl成分固溶限より高い。また、比較例６における金属粉末は、実施例６における第２金属粉末と同じ粉末合金成分に設定されている。

実施例６の第２金属粉末と比較例６の金属粉末は同じ粉末合金成分であるので、実施例６と比較例６は、機能面では等しい（つまり、マトリックス硬さ、硬質粒子の面積率はともに同じである）。一方で、実施例６の第１金属粉末のSi濃度とMo濃度（Si量とMo量）が相対的に低いので、実施例６では、亀裂がゼロであるのに対し、比較例６では、亀裂が５個発生していることが確認された。

≪実施例７と比較例７の対比≫
図１７は、実施例７、比較例７の金属粉末の粉末合金成分、および、その機能面と品質面での実験結果を示している。図１７から分かるように、実施例７における第１金属粉末は、第２金属粉末と比べて、SiとNiの濃度（Si量とNi量）が低く設定されている。また、尺度となる第１金属粉末のCuのAl固溶限は、第２金属粉末のCuのAl成分固溶限より高い。また、比較例７における金属粉末は、実施例７における第２金属粉末と同じ粉末合金成分に設定されている。

実施例７の第２金属粉末と比較例７の金属粉末は同じ粉末合金成分であるので、実施例７と比較例７は、機能面では等しい（つまり、マトリックス硬さ、硬質粒子の面積率はともに同じである）。一方で、実施例７の第１金属粉末のSi濃度とNi濃度（Si量とNi量）が相対的に低いので、実施例７では、亀裂がゼロであるのに対し、比較例７では、亀裂が５個発生していることが確認された。

≪実施例８と比較例８の対比≫
図１８は、実施例８、比較例８の金属粉末の粉末合金成分、および、その機能面と品質面での実験結果を示している。図１８から分かるように、実施例８における第１金属粉末は、第２金属粉末と比べて、SiとNiとMoの濃度（Si量とNi量とMo量）が低く設定されている。また、尺度となる第１金属粉末のCuのAl固溶限は、第２金属粉末のCuのAl成分固溶限より高い。また、比較例８における金属粉末は、実施例８における第２金属粉末と同じ粉末合金成分に設定されている。

実施例８の第２金属粉末と比較例８の金属粉末は同じ粉末合金成分であるので、実施例８と比較例８は、機能面では等しい（つまり、マトリックス硬さ、硬質粒子の面積率はともに同じである）。一方で、実施例８の第１金属粉末のSi濃度とNi濃度とMo濃度（Si量とNi量とMo量）が相対的に低いので、実施例８では、亀裂がゼロであるのに対し、比較例８では、亀裂が４個発生していることが確認された。

すなわち、この実験結果より、肉盛層を形成する第１金属粉末のSi、Ni、Mo、Alのうち少なくとも一つの濃度を第２金属粉末に比べて低くすることにより、機能（マトリックスの硬度や硬質粒子の面積率）を維持しながら、品質に関連する肉盛層の始端部における割れを確実に低減できることが実証された。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…レーザクラッド加工装置（肉盛層の製造装置）、２…レーザ加工ヘッド（粉末供給部、レーザ照射部）、３…回転装置、５…レーザ発振部、６…光学系部、７…同軸ノズル、７ａ…インナノズル部材、７ｂ…アウタノズル部材、８…吐出空間、８ａ〜８ｄ…供給パイプ、９…シリンダヘッド保持装置、１０、１４…供給装置（第１供給部、第２供給部）、１１、１５…フィーダ、１８…供給チューブ、１９…切替えバルブ（切替え部）、２０…制御装置（制御部）

Claims (1)

1. Niが5.0%〜20%、Siが2.4%〜4.0%、Moが0%〜40%、残部がCuの金属粉末で肉盛りされた12%以下のアルミニウム成分を含むバルブシート合金。