JP2935123B2 - アルミニウム材の表面硬化用溶加材 - Google Patents

アルミニウム材の表面硬化用溶加材

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は溶加材、特にアルミニウム材の表面を硬化
させて耐摩耗性に優れたアルミニウム合金材となすのに
用いられる溶加材に関する。
なお、この明細書においてアルミニウムの語はその合
金を含む意味で用いる。
従来の技術 周知のように、アルミニウムは汎用されている鉄系材
料等と比較して格段に軽量であるのに加え、熱伝導特性
に優れ、また耐食性も優れるところから、最近では自動
車等の各種機械部品として広く使用されるようになって
きている。
しかしながら、一般にアルミニウムは鉄系材料と比較
して耐摩耗性に劣り、このことが自動車等における軽量
化等を目的として鉄系部材をA1合金部材に代える際の大
きな障害となっていた。
そこで従来より、耐摩耗性が要求される部位に適用さ
れるアルミニウム材の耐摩耗性向上策として、アルミニ
ウム材の表面に耐摩耗性に優れた表面硬化層を形成する
試みがなされている。このような表面硬化層の形成方法
の1つとして、本出願人は先に、アルミニウム材の表面
を外部から供給した1種または2種以上の金属ともにレ
ーザビーム等の高密度エネルギー熱源を照射して局部的
に溶融することにより、アルミニウム材の表面を合金化
させる方法を提案した(特願昭63−304518号)。この方
法によれば、硬度の高い表面合金化層が得られしかも該
層の剥離の危険がないことから、耐摩耗性部品として比
較的好適なアルミニウム材の提供が可能となる。
発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記の方法では合金化層の形成に際し
て次のような欠点があった。即ち、上記方法において、
表面硬化用金属のアルミニウム材表面への供給は、これ
を粉末にしてレーザビーム等の照射前に予めバインダー
を用いてアルミニウム材表面に塗布しておくとか、金属
粉末をレーザビーム等の照射中に溶融部に直接投入する
ことにより行われるが、前者の塗布法では溶接姿勢によ
っては塗布した粉末の落下や剥れが生じる場合があっ
た。また塗布作業性も良くなかった。さらにはバインダ
ーの種類によっては表面硬化層に気孔等の欠陥が残る虞
れもあった。一方、後者の直接投入法では粉末の溶融部
への連続的安定供給が困難であり、殊に少量の場合には
困難性が特に増大するものであった。また、直接投入法
の1つとして溶融熱源のキャリアーガスに載せて粉末を
供給する方法もあるが、この場合には熱源の照射に影響
を及ぼすとか、狙い位置に適量を確実に供給するのが難
しい等の欠点があった。
また、上述のように、金属粉末によって、耐摩耗性と
して比較的好適なアルミニウムが得られるが、合金化層
形成時にアルミニウム材と金属粉末の濡れ性を向上さ
せ、より表面が滑らかで極めて良好な合金化層の形成
し、もって耐摩耗性部品として一層好適なアルミニウム
材の提供も切望されてきている。
この発明は上述の技術的背景に鑑みてなされたもので
あって、溶接姿勢に制約を受けることなく、表面硬化層
形成のための金属粉末等を狙い位置へ安定して供給で
き、もってアルミニウム材の表面へ確実にかつ効率良く
表面硬化層を形成できると共に、より表面が滑らかで極
めて良好な合金化層を形成できることを目的とし、その
ための材料を提供するものである。
課題を解決するための手段 上記目的を達成する材料として、この発明は、図面の
符号を参照して示すと、軸線方向に中空部(2a)を有す
る細管状のアルミニウム皮材(2)の前記中空部(2a)
に、A1以外の1種または2種以上の金属間化合物形成用
金属粉末(3)と1種または2種以上の珪化物の粉末と
が充填状態に収容されてなることを特徴とするアルミニ
ウム材の表面硬化用溶加材を提供するものである。
なお、この明細書において「金属」の語はB、Si、Ge
等のいわゆる半金属を含まない意味で用いる。
上記アルミニウム皮材(2)は、金属粉末及び珪化物
を内部中空部に収容することにより定形状態に保持する
役割を果すとともに、金属粉末の母材に対する十分な濡
れ性を保証する役割を果す。このアルミニウム皮材
(2)の組成は特に限定されるものではなく、純A1や50
52合金、5083合金その他の合金を、表面硬化層を形成す
べきアルミニウム材の組成等との関係で適宜採択使用す
れば良い。
アルミニウム皮材(2)の内部中空部(2a)に充填状
態に収容される金属粉末(3)は、溶融によってアルミ
ニウム材のA1マトリックスに金属間化合物として晶出し
極めて硬度の高い合金化層を形成する役割を果す。従っ
て、該金属は溶融によって主にA1との間で金属間化合物
を形成するものであれば何でも良い。一例としては、ア
ルミニウムと比較的濡れ性の良いNi、Cu、Cr、Fe、Ti、
Zr、Mn、V、Nb、Mo、Hf、Ta等の各元素を挙げうる。ま
た、必ずしも金属単体である必要はなく、金属間化合物
や合金の形で供給し、溶融によってA1と反応してA1系の
金属間化合物を形成するものでも良い。これら金属粉末
は1種のみを用いても良く、あるいは2種以上混合して
用いても良い。
前記金属粉末とともに中空部(2a)に収容される1種
または2種以上のの珪化物の粉末もまた、溶融によって
アルミニウム材の表面に分散合金化して硬度の高い合金
化層を形成する役割を果す。かつまた、珪化物粉末を加
えることによって、珪化物中のSiが合金化層形成時にA1
との濡れ性向上作用を果たしていることに起因して、ア
ルミニウム材と金属粉末あるいは珪化物粉末との濡れ性
が良くなり、表面が滑らかで極めて良好な合金化層の形
成が可能となる利点もある。好ましい珪化物の例として
はMg2Si、TiSi2、MoSi2、NbSi2、CrSi2等を挙げうる。
金属粉末と珪化物粉末の合計量は、A1皮材に対して横
断面の面積比で1:10〜10:1の範囲となるように設定する
のが好ましい。上記範囲を下回って金属粉末及び珪化物
粉末が少なくなると、溶融後の母材の表面硬化作用に乏
しいものとなる危険がある。一方、上記範囲を超えて金
属粉末及び珪化物粉末が多くなると、母材と金属粉末及
び珪化物粉末との濡れ性が悪くなり母材と合金化層の接
合強度が低下する虞れがある。また、金属粉末、珪化物
粉末の粒径は200μm程度以下とするのが好ましい。
また、金属粉末及び珪化物粉末と母材との濡れ性のさ
らなる向上のために金属粉末及び珪化物とともに、粒径
50〜200μm程度のA1粉末を5〜30%程度混合させるも
のとしても良い。
第1図に示す溶加材(1)の製作は例えば次のように
して行えば良い。即ち、第2図に示すような所定厚さの
長尺板状のアルミニウム皮材(2)をロールフォーミン
グにより第3図に示す断面半円状に成形して、その凹部
に金属粉末及び珪化物粉末からなる粉末(3)を充填し
たのち、第4図に示すようにさらに断面円形に成形して
両端閉じ合せ部(4)を溶接することにより行いうる。
なお、その後必要に応じて引抜き加工等を行っても良
い。ここに、溶加材(1)中のアルミニウムと粉末
(3)の量的な比率は、皮材(2)の肉厚を変えること
により変化させることができる。なお、アルミニウム皮
材(2)の肉厚を変化させることなく、第5図に示すよ
うに溶加材(1)の軸心部に皮材と同組成あるいは別組
成のアルミニウム心材(5)を設けることによりアルミ
ニウムと粉末(3)との比率を変えても良い。また、第
6図に示すように、アルミニウム皮材(2)の内部に軸
線方向の2以上の中空部(2a)(2a)…を設けてこれら
に粉末(3)を充填状態に収容するものとしても良い。
第5図及び第6図において第1図の溶加材と同一名称部
分は同一の符号にて示す。
こうして製作した溶加材は、一般的には溶接棒あるい
は溶接芯線として用いられ、TIG溶接、MIG溶接等の溶接
手段によりアルミニウム材の表面硬化予定部分に肉盛溶
接される。通常、TIG溶接に用いる場合は外径2.4〜3.2m
m程度に設定され、MIG溶接に用いる場合は外径1.2〜2.4
mm程度に設定される。溶接後においてはアルミニウム材
の溶融部分は短時に凝固し、アルミニウム材のA1マトリ
ックスに例えばTiAl3、ZrAl3、NiAl、NiAl3、Ni2
l3、FeAl3、Fe4Al13等の金属間化合物と珪化物の粒子
が均一緻密にあるいは塊状に晶出した合金化層が形成さ
れる。
而して、金属間化合物及び珪化物粒子はそれ自体極め
て硬度が高いため、合金化層が全体として高い硬度を示
し、優れた耐摩耗性を具有する。また、珪化物粉末を加
えることによって、珪化物中のSiが合金化層形成時にA1
との濡れ性向上作用を果たしていることに起因して、ア
ルミニウム材と金属粉末あるいは珪化物粉末との濡れ性
が良くなり、表面が滑らかで極めて良好な合金化層の形
成が可能となるなお、A1マトリックス中の金属間化合物
及び珪化物粒子はこれが硬質であるほど合金化層の硬さ
は固いものとなる。
表面に硬質合金化層を形成したアルミニウム材は、そ
の後必要に応じて最終製品形状に機械加工し、耐摩耗性
部品として実用に供する。なお、この母材たるアルミニ
ウム材の組成は特限定されるものではなく、純A1は勿論
のこと2000系その他のアルミニウム展伸材あるいはAC8
A、AC2B等のアルミニウム鋳物材等を適宜用いうる。
実施例 A1100からなるアルミニウム皮材の軸心中空部に、下
のような組成の金属粉末及び珪化物粉末からなる粉末が
充填状態に収容された長尺溶加材を製作した。
溶加材の製作は第2図〜第4図にて説明したようにロ
ールフォーミングにより径大のものを製作したのち引抜
きを施すことによって行った。溶加材(1)の外径は1.
6mmとし、溶加材横断面におけるアルミニウム皮材
(2)と粉末(3)との面積比率は1:10とした。
[使用粉末]50wt%Ni+50wt%TiSi2 [Al皮材:粉末(面積比)] 1:10 [使用粒径(μm)]Ni:100、TiSi2:45 一方、表面硬化層を形成すべきアルミニウム材として
AC8A鋳物合金からなる厚さ7.5mm×幅40mm×長さ100mmの
試験片を用意した。そして、第7図に示すように、試験
片(6)の中央部長手方向に深さ0.5mmの浅溝(7)を
形成した。
次に、同図に示すようにTIG溶接機(8)を用い、溶
加材供給機(9)から連続的に前記溶加材を供給しつつ
試験片の溝(7)の部分につき半自動TIG溶接を行っ
た。図中(10)は溶接部である。溶接速度は100m/minと
した。溶接後、凝固した溶接部分の組織状態を調べたと
ころ、溝部分の全体にわたって合金化層が形成されてい
た。かつこの合金化層は、A1マトリックスに金属間化合
物と珪化物粒子が比較的均一緻密に晶出しあるいは分散
した部分と塊状となった部分とを有し、合金化層の表面
が特に滑らかで、合金化層全体の硬さはHv400〜800(荷
重100g)であった。一方、アルミニウム材単体の硬度を
調べたところ、Hv30(荷重5kg)であった。
以上の試験結果からわかるように、本発明に係る溶加
材を用いると、極めて硬度が高く従って当然に耐摩耗性
にも優れ、表面が滑らかで極めて良好な合金化層をアル
ミニウム材の表面に簡単かつ確実に形成しうることを確
認しえた。
また、上記実施例において、TiSi2の代わりに、Mg2Si
2、MoSi2,NbSi2,CrSi2を用いて、同一条件で溶接を行っ
たところ、実施例とほぼ同様の組織状態、硬さが得られ
た。
発明の効果 以上説明したように、この発明は、軸線方向に中空部
(2a)を有する細管状のアルミニウム皮材(2)の前記
中空部(2a)に、金属間化合物形成用の1種または2種
以上の金属粉末と1種または2種以上の珪化物の粉末と
がに充填状態に収容されてなる溶加材を提供するもので
あるから、該溶加材を用いてアルミニウム材の表面を溶
接することによって、溶融により生じた金属間化合物及
び珪化物とA1マトリックスとが合金化した硬質合金化層
を形成することができる。その上、珪化物粉末によっ
て、アルミニウム材との濡れ性を向上でき、表面が滑ら
かで極めて良好な合金化層の形成が可能となる効果があ
る。
その結果、自動車等に要請される耐摩耗性部品として
一層好適なアルミニウム材の提供が可能となる。しか
も、アルミニウム材への上記表面硬化層の形成に際して
は、金属粉末及び珪化物粉末を溶加材として供給するも
のであるから、従来の塗布法と異なり、溶接姿勢によっ
ては塗布した粉末が落下したり剥れたりすることのあっ
た不都合を解消しえ、溶接姿勢に制約を受けることなく
表面硬化層を形成することができ、例えばアルミニウム
材が回転物である場合にも表面硬化層の形成が可能とな
る。
また、粉末を塗布保持するためのバインダーを全く用
いる必要がないので、表面硬化層に気孔等の欠陥が残る
虞れも払拭しうる。また、塗布工程自体が不要となるか
ら作業効率を向上できひいては生産性を向上できる。さ
らに、塗布法では熱源が直接粉末に照射されるのでアル
ミニウム材のクリーニング作用が得られないが、本発明
に係る溶加材ではAC電源等を利用した場合のアルミニウ
ム材のクリーニング作用を期待できる。さらにはまた、
溶加材として供給することで粉末の供給量を容易に調整
できるから、供給量の多少にかかわらず任意量の粉末を
狙い位置へ連続的に安定して供給することができる。
【図面の簡単な説明】 第1図はこの発明に係る溶加材の一例を示す断面斜視
図、第2図〜第4図は第1図に示した溶加材の製造工程
を説明するためのもので、第2図は板状態のアルミニウ
ム皮材の断面図、第3図は半円状に成形して粉末を充填
した状態の断面図、第4図はアルミニウム材の両端を閉
じ合せた状態の断面図、第5図は溶加材の変形例を示す
断面図、第6図は他の変形例を示す断面図、第7図は実
施例における試験片の溶接工程を模式的に示す斜視図で
ある。 (1)……溶加材、(2)……アルミニウム皮材、(2
a)……中空部、(3)……金属及び珪化物の粉末。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】軸線方向に中空部(2a)を有する細管状の
    アルミニウム皮材(2)の前記中空部(2a)に、A1以外
    の1種または2種以上の金属間化合物形成用金属粉末
    (3)と1種または2種以上の珪化物の粉末とが充填状
    態に収容されてなることを特徴とするアルミニウム材の
    表面硬化用溶加材。
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