JP2954258B2 - アルミニウム材の表面硬化用溶加材の製造方法 - Google Patents

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
用いられる溶加材の製造方法に関する。

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Al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種以上の硬質粒子とと
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、高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、
表面硬化用硬質粒子のアルミニウム材表面への供給は、
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、硬質粒子をレーザ
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
た粒子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硬質粒子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硬質粒子を供給す
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。

この発明はかかる欠点を一挙に解決すべくなされたも
のであって、溶融姿勢に制約を受けることなく、表面硬
化層形成のための硬質粒子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ようにすることを目的とし、そ
のための材料の製造方法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の製造方法として、この発明
は、長尺板状のアルミニウム皮材をロールフォーミング
により断面半円状に成形して、その凹部に１種または２
種以上の硬質粒子を充填した後、さらに断面円形に成形
して両端閉じ合わせ部を溶接す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の製造方法を提供するも
のである。さらには、硬質粒子とともに１種または２種
以上の硼化物ないしは珪化物の粉末を充填する表面硬化
用溶加材の製造方法を提供するものである。

この発明に係る製造方法によれば、アルミニウム皮材
（２）の中空部（2a）に１種または２種以上の硬質粒子
（３）等が充填状態に収容された溶加材を簡単かつ確実
に製造することができる。

上記アルミニウム皮材（２）は、硬質粒子（３）を内
部中空部（2a）に収容することにより定形状態を保持す
る役割を果すとともに、硬質粒子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Al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
態に収容される硬質粒子（３）は、溶融によってアルミ
ニウム材のAlマトリックスに分散し合金化して極めて硬
度の高い合金化層を形成する役割を果す。かかる硬質粒
子としてはTiC、WC、ZrC、NbC等の炭化物や、TiN、Zr
N、CrN等の窒化物や、TiO、Al₂O₃等の酸化物その他のセ
ラミックスを挙げうる。これら硬質粒子は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。

上記の硬質粒子とAl皮材との比率は、溶加材の横断面
における面積比において、硬質粒子:Al皮材＝1:10〜10:
1の範囲となるように設定すべきである。上記範囲を下
回って硬質粒子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
超えて硬質粒子が多くなると、母材と硬質粒子との濡れ
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。

さらに、皮材中空部（2a）に収容される表面硬化用粉
末として、上記の硬質粒子に加えて１種または２種以上
の硼化物ないしは珪化物即ち金属元素と硼素ないしは珪
素との化合物の粉末を併せて用いても良い。このような
硼化物ないしは珪化物もまた、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、硼化物や珪化物粉末を加え
ることにより、おそらくは硼化物中のＢや珪化物中のSi
が合金化層形成時にAlとの濡れ性向上作用を果たしてい
ることに起因して、アルミニウム材と硬質粒子あるいは
硼化物や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。好ましい硼化物の例としては、TiB₂、ZrB₂、NbB₂、
CrB₂、TaB₂、NiB等を挙げうる。一方、好ましい珪化物
の例としてはMgSi、TiSi₂、MoSi₂、NbSi₂、CrSi₂等を挙
げうる。硬質粒子と硼化物や珪化物との混合粉末を用い
る場合、これら合計量がAl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れば良い。ま
た、硬質粒子や硼化物、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、硬質粒子等と母材との濡れ性の向上のために硬
質粒子とともに、粒径50〜200μｍ程度のAl・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
に前記硬質粒子（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。また、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硬質粒子
（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。また、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
ニウムと粉末との比率を変えても良い。

こうして製作した溶加材は、一般的には溶接防あるい
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Alマトリ
ックスに硬質粒子が均一に分散しあるいは塊状化した合
金化層が形成される。また、硬質粒子に硼化物ないしは
珪化物が混合される場合には硬質粒子とともに硼化物や
珪化物の粒子が均一緻密に分散しあるいは塊状化した合
金化層が表面に形成される。而して、硬質粒子や硼化物
や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。なお、Alマトリックス中の硬質粒子や硼化物、珪
化物粒子はこれが硬質であるほど合金化層の硬さは硬い
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
ウム材の組成は特に限定されるものではなく、純Al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Al
C8Al、AlC2等のアルミニウム鋳物材等を適宜用いうる。

実施例 Al100からなるアルミニウム皮材の軸心中空部（2a）
に、第１表のような組成の硬質粒子、あるいは硬質粒子
と硼化物、珪化物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）と硬質粒子等（３）との面積比率は
第１表のとおりとした。

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100mm/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、Alマトリックスに硬質粒子
や、硼化物、珪化物粉末を混合したものでは硬質粒子と
硼化物、珪化物粒子が比較的均一緻密に分散した部分と
塊状となった部分とを有し、合金化層全体の硬さは第１
表に示すとおりであった。また、硼化物、珪化物粉末を
混合したNo.5、No.6は、合金化層の表面が特に滑らかで
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
にも優れた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。

発明の効果 以上説明したように、この発明は、長尺板状のアルミ
ニウム皮材をロールフォーミングにより断面半円状に成
形して、その凹部に１種または２種以上の硬質粒子を充
填した後、さらに断面円形に成形して両端閉じ合わせ部
を溶接することを特徴とするアルミニウム材の表面硬化
用溶加材の製造方法を提供するものであるから、アルミ
ニウム皮材（２）の中空部（2a）に１種または２種以上
の硬質粒子（３）が充填状態に収容された溶加材を簡単
かつ確実に製造することができる。

従って、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、Alマトリックスに硬質粒子が分散
し合金化した硬質合金化層を形成することができ、自動
車等に要請される耐摩耗性部品として好適なアルミニウ
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、硬質粒子を溶加材と
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粒子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、硬質粒子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AlC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
粒子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硬質粒子を狙い位置へ連続的に安定
して供給できる。

また、請求項２に係る発明によれば、硬質粒子や硼化
物、珪化物粉末と、アルミニウム材との濡れ性を向上
し、一層表面が滑らかで極めて良好な合金化層の形成で
きる溶加材を簡単かつ確実に製造することが可能とな
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硬質粒子を
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）……硬質粒子。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】長尺板状のアルミニウム皮材をロールフォ
   ーミングにより断面半円状に成形して、その凹部に１種
   または２種以上の硬質粒子を充填した後、さらに断面円
   形に成形して両端閉じ合わせ部を溶接することを特徴と
   するアルミニウム材の表面硬化用溶加材の製造方法。
2. 【請求項２】前記硬質粒子とともに１種または２種以上
   の硼化物ないしは珪化物の粉末を前記凹部に充填する請
   求項１に記載の表面硬化用溶加材の製造方法。