JP2890658B2 - アルミ鋳物部品の局部強化方法 - Google Patents

アルミ鋳物部品の局部強化方法

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    • B23K9/04—Welding for other purposes than joining, e.g. built-up welding

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、内燃機関のシリンダヘッドなどのアルミ鋳
物部品の局部強化方法に関する。
［従来の技術］ 近来にあっては、エンジンの高出力化に伴い、シリン
ダヘッドに、温度上昇による熱負荷と同時に、機械的負
荷の増大が問題となっている。
即ち第７図に示すように、この負荷増大により、シリ
ンダヘッド１の下面２、特に他の部位より比較的肉薄な
部分である吸気ポート３と排気ポート４との間（弁間
部）、及びこれらの燃料噴射ノズル孔（或いは予燃焼室
孔）５との間の部分６に、熱キレツが生じてしまう。
また第８図に示すように、ピストン７においても負荷
の大きい燃焼室８の周囲（図中斜線にて示す）が強化さ
れるべき部位となる。
この対策として従来採用された局部強化方法には、次
のような技術があった。
合金化；耐熱成分（Cr,Mo,Cu,Ni等）を適量添加し、
耐熱強度を向上させる。
鋳包み；熱キレツ発生部位に鉄鋼材料，耐熱金属材料
を鋳包む。
改良処理；ストロンチウムやチタンを適量添加し、析
出する結晶粒を微細化し、引張強度を高めると同時に、
伸び特性を向上させ、耐熱レキツ性を向上させる。
硬質アルマイト処理；硬質アルマイト処理被膜を100
μｍ前後形成させることで耐熱性を向上させる。
再溶融処理；レーザ，電子ビーム,TIGなどの高密度エ
ネルギ源によりアルミ母材を溶融、急冷凝固させること
で、結晶粒の微細化を図り耐熱強度を高める。
ただしこれらの従来技術には、次のような問題があっ
た。
合金化…コスト高となるほか、公金添加により鋳造性
が悪くなり、“引け巣”等の鋳造欠陥発生により、生産
性、歩留りの悪化を伴う。また鋳造性の悪化により、耐
熱強度に大きな影響を及ぼすミクロシュリケージが多く
なり、合金化によってかえって耐熱強度を悪化させるこ
とになる。
鋳包み…鋳包み性の確保のため、鋳包み鉄鋼材料の前
処理としてアルミナイズ処理を必要とするほか、酸化防
止、鋳包み温度の徹底管理、及び鋳包み後の非破壊検査
が必要となり、大幅な工数増大となる。
改良処理…簡便な改良方法であるが、効果が小さい。
硬質アルマイト処理…耐熱性向上効果は上記，と
比べ大きいが、キレツ発生部位のみを処理するために
は、他の部位のマスキングによるアルマイト除去処理が
必要となり、手間がかかる高価な処理となる。
再溶融処理…処理方法が簡便で耐熱性向上効果が大き
い処理であるが、現在求められている耐熱性向上目標に
対して不充分である。
［発明が解決しようとする課題］ 上記〜の従来技術が有している問題点を避けるも
のとして、の再溶融時に耐熱成分を添加する合金溶融
処理がある。近来にあっては、強化したい部位にプラズ
マ溶接機によって耐熱金属粉末（Ni,Cu,Cr,Mo,Wなど）
を単独で或いは混合させて溶かし込み、結晶粒微細化す
ると同時に、合金化する方法が研究されている。
この方法によれば、耐熱合金化層の濃度を高くできる
ため、前記再溶融処理よりも局部的な耐熱性及び耐摩耗
性能の向上が図れることとなる。ただしこの方法におい
ては、次のような問題があった。
a.耐熱金属粉末を単独で溶加する場合、母材アルミとの
なじみ性が悪く、溶加金属層と母材との境界部でキレツ
が生じやすい。
b.耐熱金属粉末を複数種混ぜて溶加する場合、混合が均
一にならないことによる溶加金属の収縮率の違いにより
キレツが生じる。
c.プラズマ溶接機による粉末添加では、母材のガス欠陥
のガスを溶融時放出し、これが溶接肉盛り部に現出しガ
ス欠陥の多い肉盛りとなる。
そこで本発明は、大幅な耐熱性の向上が図れ、しかも
キレツなどの欠陥が生じないアルミ鋳物部品の局部強化
方法を提供すべく創案されたものである。
［課題を解決するための手段及び作用］ 本発明は、強化対象の部位に耐熱物質粉末を用いて肉
盛り溶接した後、上記部位を高密度エネルギにて再溶融
させるアルミ鋳物部品の局部強化方法であって、上記耐
熱物質粉末を、耐熱元素を核とし金属粒子を被覆粒子と
したカプセル粒子で形成したものである。
また本発明は、耐熱元素の核粒子に金属粒子を被覆さ
せたカプセル粒子を鞘材の内に充填させて複合ワイヤを
形成し、この複合ワイヤを溶加材として強化対象となる
部位に肉盛り溶接した後、高密度エネルギにて再溶融さ
せるものである。
なお、上記金属粒子がアルミ、Cu又はCu合金からなる
のが好ましい。
［実施例］ 以下、本発明の実施例を、添付図面に従って説明す
る。
第１図は、本発明に係わるアルミ鋳物部品の局部強化
方法の第一の実施例を示すものであり、シリンダヘッド
などのアルミ鋳物部品11の強化対象となる部位12に、耐
熱物質粉末13を使ってプラズマ溶接機14で肉盛りした
後、TIG溶接トーチ15で再溶融させるものである。
プラズマ溶接機14は、アークを飛ばすための電極（タ
ングステン棒）16と、これを囲んで作動ガスＧを噴出さ
せる内ノズル17と、微粉末を供給する外ノズル18とを備
えて成る。そして、内ノズル17と作動ガスＧとによっ
て、アークを絞るように拘束してエネルギ密度を高める
と共に、微粉末を母材に吹き付けて、肉盛り溶接（溶
射）するようになっている。本実施例にあっては、供給
する粉末として耐熱物質であるNiの粉末を使用してい
る。
またTIG溶接トーチ15は、TIG溶接を行う装置であっ
て、アークを発生させるための電極19と、シールドのた
めの不活性ガスを噴出させるノズル20とで成る。
これらプラズマ溶接機14とTIGトーチ15とを所定の間
隔を隔てて直列に並べ、プラズマ溶接機14を先行させて
部位12の表面に沿って移動させる。
即ち、プラズマ溶射によって対象部位にNi粉末を肉盛
り溶接して、Ni粉末が添加された耐熱合金層21を形成し
た直後に、TIG溶接トーチ15のアークによって、強化す
べき部位12を再溶融し、アルミ鋳物に強固に合金化させ
て再溶融合金化層22を形成する。
このようにすることで、添加するNi濃度を濃くするこ
とができ、耐熱性の大幅な向上が達成されると共に、再
溶融によりなじみ性を良好にし、キレツの発生による剥
がれやガス欠陥などを防止できる。
またプラズマ溶接機を使用して肉盛りを行ったので、
Ni粉末をそのままの形で使用でき、極めて実際的であ
る。
そして従来は、プラズマ溶接法によって耐熱金属粉末
を局部的に添加する場合、溶接電流、電圧、電極の移動
速度、溶加耐熱金属の添加量など、条件設定が多様で、
かつその管理が複雑であった。これに対し本発明は、条
件設定の幅を広くでき、且つ第一段のプラズマによる肉
盛りを、完全な品質でなくても、第二段の高密度エネル
ギにより完全な品質とすることが可能となる。即ち、管
理が容易で生産性の向上に寄与できるものである。
なお、高密度エネルギとしては、本実施例のTIGアー
クの他、電子ビームやレーザビーム、プラズマアークな
どを用いることができる。
また耐熱物質としては、Niの他、Cr,Moなどの耐熱金
属でもよい。さらに、異種物質粒子を複合させたカプセ
ル粒子を使用してもよい。
このカプセル粒子を製造するに際しては、第２図に示
すように、まず核となるNi粒子31に、その1/10程度の粒
径を有したアルミ粒子32を静電付着させ、これを8,000
〜16,000rpmの回転翼を備えた容器（遠心転動装置）の
内に投入し、１〜10分間、気流による衝撃力を与える。
この衝撃作用により、アルミ粒子32がNi粒子31に強固に
付着して、第３図に示すように、Ni粒子を該33とし、こ
れよりも小径のアルミ被覆粒子34が囲繞して成るカプセ
ル粒子35が得られる。
このようなカプセル粒子35を使用することで、合金化
層21,22の外側が同質のアルミであることから、アルミ
母材とのなじみ性がより一層良くなると共に、Niとアル
ミとの混合を均一にでき、品質の向上に寄与できる。
なお被覆粒子としては、アルミの他、アルミとなじみ
性のある金属（Cu,Cu合金など）を使用すればよい。
次に本発明の第二の実施例を説明する。
この実施例は、前記第３図に示したカプセル粒子35を
使用して、MIG溶接法により対象部位12に肉盛りした
後、第一の実施例と同様に再溶融させるものである。
先ず第４図に示すように、カプセル粒子35を集合させ
た粉体を、鞘材となるアルミ製パイプ41に充填し、これ
を線引きして第５図に示すような直径0.8〜1.6mmの複合
ワイヤ42を形成する。この複合ワイヤ42の製造は、公知
のフラックス入りワイヤ（flux−cored wire）と同様に
行えばよい。
そしてこの複合ワイヤ42を、第６図に示すようにMIG
溶接を行うMIG溶接装置43にセットする。
このMIG溶接装置43は、不活性ガスが吹き出すための
ノズル44と、溶接用のワイヤを順次送り出すためのワイ
ヤ供給装置45とを備え、そのワイヤを消耗電極にしてア
ーク溶接を行うようになっている。
このMIG溶接装置43と直列に、前記第一の実施例と同
様なTIG溶接トーチ15を配置しておき、複合ワイヤ42を
溶加材とした肉盛り溶接を行って耐熱合金層46を形成さ
せた後、これをTIGアークによって再溶融することで、
再溶融合金化層47を形成する。
このようにすることで、前記第一の実施例と同様に、
耐熱性の大幅な向上が達成されると共に、再溶融により
なじみ性を良好にし、キレツの発生などの溶接欠陥を防
止できる。またカプセル粒子35で製造した複合ワイヤ42
により、均質な再溶融合金化層47が形成できるものであ
る。
そして溶接速度の速いMIG溶接装置を使用して肉盛り
をすることで、生産性の向上に寄与できる。
なお、鞘材としては、アルミ製のパイプの他、アルミ
となじみ性がよく延性がある金属であれば、どの様なも
のを使用しても構わない。
［発明の効果］ 以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果
を発揮する。
（１）強化対象の部位に耐熱物質粉末を用いて肉盛り溶
接した後、これを高密度エネルギにて再溶接させるの
で、耐熱性の大幅な向上が達成されると共に、なじみ性
が良好にあり、キレツ発生などの溶接欠陥を防止でき
る。
（２）上記肉盛り溶接がプラズマ溶接法にて為される方
法においては、耐熱物質粉末をそのままの形で使用でき
る （３）上記耐熱物質粉末が、耐熱元素を核とし、アルミ
となじみ性が良い金属粒子を被覆粒子としたカプセル粒
子で成る方法においては、さらに、均一に耐熱元素が配
合された再溶融合金化層を形成できる。
（４）上記のカプセル粒子で複合ワイヤを形成し、これ
を溶加材として肉盛り溶接した後、高密度エネルギにて
再溶融させるので、耐熱性の大幅な向上が達成されると
共に、なじみ性が良好になり、キレツ発生などの溶接欠
陥を防止でき、さらに生産性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係わるアルミ鋳物部品の局部強化方法
の第一の実施例を説明するための断面図、第２図はその
耐熱物質粉末たるカプセル粒子を製造する過程を示した
断面図、第３図は製造されたカプセル粒子の断面図、第
４図は本発明の第二の実施例を説明するための複合ワイ
ヤを製造する過程を示した斜視図、第５図は製造された
複合ワイヤの斜視図、第６図はその複合ワイヤを使って
肉盛りをする工程を示した断面図、第７図は従来技術の
課題を説明するためのアルミ鋳物部品たるシリンダヘッ
ドの下面図、第８図は同じくピストンの斜視図である。 図中、12は強化対象の部位、13は耐熱物質粉末、14はプ
ラズマ溶接機、15はTIG溶接トーチ、35はカプセル粒
子、42は複合ワイヤ、43はMIG溶接装置である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｂ２３Ｋ 35/368 Ｂ２３Ｋ 35/368 Ｅ (56)参考文献 特開 昭61−170577（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−80348（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−115676（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−135091（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−254391（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B23K 9/04 B23K 35/02 B23K 35/368 B23K 10/02 501

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】強化対象の部位に耐熱物質粉末を用いて肉
    盛り溶接した後、上記部位を高密度エネルギにて再溶融
    させるアルミ鋳物部品の局部強化方法であって、上記耐
    熱物質粉末を、耐熱元素を核とし金属粒子を被覆粒子と
    したカプセル粒子で形成したことを特徴とするアルミ鋳
    物部品の局部強化方法。
  2. 【請求項２】耐熱元素の核粒子に金属粒子を被覆させた
    カプセル粒子を鞘材の内に充填させて複合ワイヤを形成
    し、該複合ワイヤを溶加材として強化対象となる部位に
    肉盛り溶接した後、高密度エネルギにて再溶融させるこ
    とを特徴とするアルミ鋳物部品の局部強化方法。
  3. 【請求項３】上記金属粒子がアルミ、Cu又はCu合金から
    なる請求項１又は２記載のアルミ鋳物部品の局部強化方
    法。
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