JP2987041B2 - 金属製母材表面へのセラミックス層形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属製の母材表面へセラ
ミックス層を形成する形成方法に関する。この方法は、
例えばミキサー車のミキサー内面等の耐摩耗性を向上さ
せる場合に好適である。

【０００２】

【従来の技術】金属製の母材表面の耐摩耗性を向上させ
るべく、母材表面にセラミックス層を形成する場合、Ｐ
ＶＤ法又はＣＶＤ法によることが一般的である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＰＶＤ法等に
より母材表面にセラミックス層を形成する場合には、特
殊環境にチャンバー内を維持し、このチャンバー内に母
材を保持しつつセラミックス層を形成しなければならな
い。このため、母材がチャンバー内に収納可能な大きさ
のものに限定されてしまう。

【０００４】また、上記ＰＶＤ法等ではセラミックスを
分子レベルで母材表面に付着させていくことから、成膜
速度がさほど早くなく、短時間で十分に厚いセラミック
ス層を形成することができない。そこで、特開平２−１
１８０８３号公報又は特公昭５−２４９６７号公報に記
載のように、金属製の結合用粉末と、セラミックスから
なる被覆粉末とからなる混合粉末を用意し、この混合粉
末をレーザ光により溶融することが考えられる。これら
の方法により、結合用粉末からなる溶湯の表面に被覆粉
末が凝集した状態でその溶湯を凝固させ、これによりビ
ードを形成することができるため、ビード表面に強固に
結合されたセラミックス層を形成することができる。

【０００５】しかしながら、上記特開平２−１１８０８
３号公報記載の方法では、比重７．９のＳＵＳ３０４か
らなる結合用粉末と、比重４．９のＴｉＣからなる被覆
粉末とを採用している。また、特公昭５−２４９６７号
公報記載の方法では、比重２．３のＳｉ等からなる結合
用粉末と、ＴｉＣからなる被覆粉末とを採用している。
そして、これらの方法では、結合用粉末が溶融した溶湯
内で対流を生じさせることなく、また溶湯に対する濡れ
性を考慮することなく、比重の違いによって溶湯中で被
覆粉末を浮き上がらせている。このため、これらの方法
では、結合用粉末と被覆粉末との選択が比重によって限
られてしまい、幅広い選択枝の下で所望のセラミックス
層を母材表面に形成することができない。

【０００６】本発明は、母材の大きさが限定されず、こ
の母材表面に幅広い選択肢の下で所望のセラミックス層
を比較的短時間で十分に厚く形成可能とすることを解決
すべき課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の金属製母材表面
へのセラミックス層形成方法は、高靱性金属からなる結
合用粉末と、主としてセラミックスからなり、溶融状態
の該高靱性金属に対して悪い濡れ性を有する被覆粉末と
からなる混合粉末を用意し、該混合粉末を金属製の母材
表面に載置する第１工程と、載置された該混合粉末に高
エネルギー熱源を照射することにより、該結合用粉末を
溶融させるとともに、その溶湯内に生起させた対流を該
被覆粉末に作用させ、もって該被覆粉末が表面に凝集し
た状態で該溶湯を凝固させる第２工程と、を有するとい
う新規な構成を採用している。

【０００８】混合粉末は結合用粉末と被覆粉末とからな
る。結合用粉末は高靱性金属からなる。この結合用粉末
としては、例えば、Ｎｉ、Ｎｉ系合金、Ｃｕ、Ｃｕ系合
金、Ａｇ、Ａｇ系合金等の粉末を採用することができ
る。被覆粉末は、溶融された高靱性金属との間で悪い濡
れ性を有し、主としてセラミックスからなる。この被覆
粉末としては、（１）ＴａＣ（比重：１４．５）、Ｔｉ
Ｃ（比重：４．９）、β−Ａｌ₂ Ｏ₃ （比重：３．３）
等のセラミックス粉末そのまま、（２）酸化物でないセ
ラミックス粉末、例えばＴａＣ、ＴｉＣ等の表面を酸化
処理させた粉末、（３）セラミックス粉末の表面に高靱
性金属と反応せず、しかも融点が高靱性金属より高い金
属をメッキ等により被覆させた粉末を採用することがで
きる。（３）の粉末の具体例としては、表１に掲げる高
靱性金属とセラミックス粉末に被覆させる金属との組合
せを採用することができる。

【０００９】

【表１】 なお、濡れ性は溶融された高靱性金属との間の接触角θ
（°）で表され、接触角θが９０（°）以上であれば悪
い濡れ性を有し、接触角θが９０（°）未満であれば良
い濡れ性を有する。

【００１０】高エネルギー熱源としてはレーザ光を採用
することができる。この高エネルギー熱源はオシレート
しつつ混合粉末に照射させることが好ましい。

【００１１】

【作用】本発明の金属表面へのセラミックス被覆方法で
は、第１工程において、用意された混合粉末を金属製の
母材表面に載置する。そして、第２工程において、載置
された混合粉末に高エネルギー熱源を照射する。このと
き、結合用粉末が溶融して溶湯となり、被覆粉末は溶融
しない。そして、溶湯内の対流が被覆粉末に作用する。

【００１２】これにより、被覆粉末は、溶湯の表面に浮
上し、溶湯との間で悪い濡れ性を有するため、ほとんど
沈降しない。このため、溶湯の表面に被覆粉末が凝集す
る。この状態で高エネルギー熱源の照射を停止すれば、
この状態でその溶湯を凝固させることができるため、母
材表面にビードが形成され、ビード表面には強固に結合
されたセラミックス層が形成される。このセラミックス
層は被覆粉末が主としてセラミックスからなるため、硬
質である。

【００１３】したがって、本発明の方法によれば、従来
のようにチャンバー内でセラミックス層を形成するので
はなく、大気中でセラミックス層を形成することができ
るため、母材の大きさが限定されることはない。また、
本発明の方法では、粒子のままの被覆粉末により母材表
面にセラミックス層を形成していくため、形成速度が比
較的早く、短時間で十分に厚いセラミックス層を形成す
ることができる。特に、混合粉末を母材表面に載置する
量を増加させれば同一厚さのセラミックス層をもつ厚い
ビードを形成することができ、混合粉末中における被覆
粉末の割合を増加させれば同一厚さのビードで厚いセラ
ミックス層を形成することができる。

【００１４】さらに、本発明の方法では、結合用粉末が
溶融した溶湯内で対流を生じさせ、この対流と濡れ性の
悪さとによって被覆粉末を表面に凝集させており、比重
の違いによって被覆粉末を表面に凝集させているのでは
ない。このため、この方法では、結合用粉末と被覆粉末
との選択が比重によって限られることはない。高エネル
ギー熱源をオシレートしつつ混合粉末に照射した場合に
は、結合用粉末の溶湯内で対流がより盛んに生じる。こ
のため、この場合には、混合粉末中における被覆粉末の
割合が小さくても、高い面積率でセラミックス層を形成
することができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を具体化した実施例を図面を参
照しつつ説明する。 〔第１工程〕図１に示すように、ＳＳ４１からなる母材
１を用意する。また、結合用粉末２ａとして、Ｎｉ系合
金（Ｎｉ−１５Ｃｒ−０．３Ｃ−５Ｓｉ−０．７Ｂ−５
Ｆｅ−２Ｗ、比重：８．１３）のガスアトマイズ粉を用
意する。さらに、被覆粉末２ｂとして、ＴａＣ粉末の表
面を酸化処理させた粉末（平均粒径：５０μｍ、比重：
１４．５、溶融Ｎｉ系合金との接触角θ：９０°）を用
意する。９２重量％の結合用粉末２ａと８重量％の被覆
粉末２ｂとを混合し、混合粉末２を得る。

【００１６】この混合粉末２をタンク３に投入し、タン
ク３とホースにより接続された供給装置４より混合粉末
２を母材１の表面に載置する。供給装置４は、図示しな
い歯車が所定回転することにより、混合粉末２の供給量
を回転数に応じて変化可能になされている。 〔第２工程〕載置された混合粉末２にレーザ光５を照射
する。このときの条件を表２に示す。

【００１７】

【表２】 このとき、図２（Ａ）に示すように、結合用粉末２ａが
溶融して溶湯２ａとなり、被覆粉末２ｂは溶融しない。
そして、溶湯２ａ内の対流が被覆粉末２ｂに作用する。
ここで、レーザ光５をオシレートしつつ混合粉末２に照
射しているため、溶湯２ａ内で対流が盛んに生じる。

【００１８】溶湯２ａ内の被覆粉末２ｂは、上昇方向の
対流により、溶湯２ａの表面側に浮上し、図２（Ｂ）に
示すように、一部の被覆粉末２ｂが溶湯２ａの表面に到
達する。なお、レーザ光５の照射が終了した部位では、
溶湯２ａの底部から凝固（凝固界面を符号Ｓで示す。）
が始まる。表面に到達した被覆粉末２ｂは、図２（Ｃ）
に示すように、溶湯２ａとの間で悪い濡れ性を有するこ
とで大気と接触し、表面張力によって溶湯２ａの表面に
保持される。表面に到達しなかった被覆粉末２ｂは、図
２（Ｄ）に示すように、下降方向の対流により、凝固界
面Ｓ近くまで下降し、上昇方向の対流に乗れば、再度溶
湯２ａの表面側に浮上していく。

【００１９】凝固界面Ｓまで下降した被覆粉末２ｂは、
図２（Ｅ）に示すように、凝固界面Ｓにトラップされ
る。このとき、溶湯２ａ及び被覆粉末２ｂが形成するビ
ードＢの上方まで凝固界面Ｓが進展しているので、凝固
界面Ｓにトラップされた被覆粉末２ｂはビードＢの底部
に止まることはない。かかる動作が繰り返され、溶湯２
ａの表面に被覆粉末２ｂが凝集する。そして、図２
（Ｆ）に示すように、この状態で溶湯２ａ全体が凝固
し、母材１表面にビードＢが形成される。このため、図
３に示すように、母材１表面上のビードＢ表面にはＮｉ
系合金によって強固に結合されたセラミックス層２ｂが
形成される。そして、このビードＢは、母材１がＳＳ４
１であり、セラミックス層２ｂを結合する結合用粉末２
ａがＮｉ系合金であるため、母材１に強固に結合されて
いる。かかるセラミックス層２ｂはクラック発生後も剥
離を生じにくいものであった。また、このセラミックス
層２ｂは被覆粉末２ｂが主としてＴａＣからなるため、
Ｈｖ１８００以上と硬質であった。

【００２０】このため、この方法によれば、従来のよう
にチャンバー内でセラミックス層２ｂを形成するのでは
なく、大気中でセラミックス層２ｂを形成することがで
きるため、母材１を大きさで限定する必要がないことが
わかる。また、この方法では、粒子のままの被覆粉末２
ｂにより母材１表面にセラミックス層２ｂを形成してい
るため、またレーザ光５の処理速度を早めることも可能
であることから、形成速度が比較的早く、短時間で十分
に厚いセラミックス層２ｂを形成できることがわかる。

【００２１】したがって、この方法を採用すれば、耐摩
耗性を向上させた例えばバルブシートを大量に製造する
ことができることがわかる。また、この方法では、結合
用粉末２ａの溶湯２ａ内で対流を生じさせ、この対流と
濡れ性の悪さとによって被覆粉末２ｂを表面に凝集させ
ており、比重の違いによって被覆粉末２ｂを表面に凝集
させているのではない。このため、この方法では、結合
用粉末２ａと被覆粉末２ｂとの選択が比重によって限ら
れることはない。したがって、幅広い選択肢の下で所望
のセラミックス層２ｂを母材１表面に形成できることが
わかる。 （試験１）上記供給装置４の歯車の回転数を変化させる
ことにより、母材１表面に載置する混合粉末２の供給量
を変化させる。また、混合粉末２中における被覆粉末２
ｂの割合を変化させる。他の条件を実施例と同一とし
て、ビードＢを形成し、被覆粉末２ｂの量（ｗｔ％）と
ビードＢ全体及びビードＢ表面における被覆粉末２ｂの
個数との関係を求める。

【００２２】粉末供給量が０．４４ｇ／秒のときにおけ
る結果を図４に示す。粉末供給量が０．２７ｇ／秒のと
きにおける結果を図５に示す。また、混合粉末２中にお
ける被覆粉末２ｂの割合が８ｗｔ％のときのビードＢ表
面の状態を図６（Ａ）に示す。混合粉末２中における被
覆粉末２ｂの割合が８ｗｔ％以上のときのビードＢ表面
の状態を図６（Ｂ）に示す。図６（Ａ）では、被覆粉末
２ｂの粒径がセラミックス層２ｂの厚さである。

【００２３】図４、図５及び図６より、混合粉末２中に
おける被覆粉末２ｂの割合が８ｗｔ％のときにビードＢ
表面での被覆粉末２ｂの面積率が１００％になっている
ため、それ以上被覆粉末２ｂを混合することにより、セ
ラミックス層２ｂの厚さを増加できることがわかる。し
たがって、この方法では、セラミックス層２ｂの面積率
及び厚さを容易に変化させうることがわかる。 （試験２）レーザ光５をオシレートしつつ混合粉末２に
照射した場合と、レーザ光５をオシレートすることなく
混合粉末２に照射した場合とについて、被覆粉末２ｂの
量（ｗｔ％）とビードＢ内における被覆粉末２ｂ個数と
の関係を求める。他の条件を実施例と同一として、ビー
ドＢを形成する。結果を図７に示す。図７では、オシレ
ートした場合を実線、オシレートしない場合を一点鎖線
で示す。

【００２４】図７より、オシレートした場合には混合粉
末２中における被覆粉末２ｂの割合が８ｗｔ％でビード
Ｂ表面での被覆粉末２ｂの面積率が１００％になるのに
対し、オシレートしない場合には混合粉末２中における
被覆粉末２ｂの割合が１２ｗｔ％でビードＢ表面での被
覆粉末２ｂの面積率が１００％になることがわかる。し
たがって、レーザ光５をオシレートしつつ混合粉末２に
照射した場合には、混合粉末２中における被覆粉末２ｂ
の割合が小さくても、高い面積率でセラミックス層２ｂ
を形成できることがわかる。 （試験３）良い濡れ性の被覆粉末２ｂとして、表面を酸
化処理させないＴａＣ粉末（平均粒径：５０μｍ、比
重：１４．５、溶融Ｎｉ系合金との接触角θ：約５０
°）を用意する。そして、実施例１の悪い濡れ性の被覆
粉末２ｂを用いた場合とともに、被覆粉末２ｂの量（ｗ
ｔ％）とビードＢ内における被覆粉末２ｂ個数との関係
を求める。他の条件は実施例１と同一として、ビードＢ
を形成する。結果を図８に示す。図８では、悪い濡れ性
の被覆粉末２ｂを用いた場合を実線、良い濡れ性の被覆
粉末２ｂを用いた場合を二点鎖線で示す。

【００２５】図８より、悪い濡れ性の被覆粉末２ｂを用
いた場合には、混合粉末２中における被覆粉末２ｂの割
合が８ｗｔ％でビードＢ表面での被覆粉末２ｂの面積率
が１００％になるのに対し、良い濡れ性の被覆粉末２ｂ
を用いた場合には、ＴａＣ粉末の比重がＮｉ系合金より
大きいことから、混合粉末２中における被覆粉末２ｂの
割合にかかわらず、ビードＢ表面での被覆粉末２ｂの面
積率が１００％にならないことがわかる。

【００２６】したがって、悪い濡れ性の被覆粉末２ｂを
用いた場合には、溶湯２ａの対流にとともに被覆粉末２
ｂが溶湯２ａの表面に凝集し、ビードＢ表面に高い面積
率でセラミックス層２ｂを形成できることがわかる。な
お、母材１表面上に平滑なセラミックス層２ｂを大きな
面積で確保したい場合には、まず図９（Ａ）に示すよう
に、ビードＢを多層盛りする。このとき、レーザ光５を
ウィビングすれば、やや平滑なビードＢが得られる。そ
して、破線に示すように、多層盛りのビードＢを切削す
ることにより平滑加工すれば、図９（Ｂ）に示すよう
に、平滑かつ大面積のセラミックス層２ｂが得られる。

【００２７】また、母材１をＦＣ２３として実施例と同
様に適用した場合にも、同様の効果が得られた。

【００２８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の金属製母
材表面へのセラミックス層形成方法では、特許請求の範
囲記載の構成を採用しているため、母材の大きさを限定
することなく、この母材表面にセラミックス層を比較的
短時間で十分に厚く形成することができる。

【００２９】したがって、この方法を採用すれば、耐摩
耗性を向上させた例えばバルブシートを大量に製造する
ことができる。また、この方法では、結合用粉末が溶融
した溶湯内で対流を生じさせることにより被覆粉末を表
面に凝集させているため、結合用粉末と被覆粉末との選
択が比重によって限られることはなく、幅広い選択肢の
下で所望のセラミックス層を母材表面に形成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の方法を模式的に示す側面図である。

【図２】実施例の方法において、溶湯内での被覆粉末の
挙動を示す模式断面図である。

【図３】実施例の方法により得られたセラミックス層を
含むビードを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の
ｂ方向での模式断面図、（Ｃ）は（Ａ）のｃ方向での平
面図である。

【図４】試験１において、被覆粉末量とビードにおける
被覆粉末の個数との関係を示すグラフである。

【図５】試験１において、被覆粉末量とビードにおける
被覆粉末の個数との関係を示すグラフである。

【図６】試験１により得られたセラミックス層を含むビ
ードの模式断面図である。

【図７】試験２において、被覆粉末量とビードにおける
被覆粉末の個数との関係を示すグラフである。

【図８】試験３において、被覆粉末量とビードにおける
被覆粉末の個数との関係を示すグラフである。

【図９】他の実施例により得られたビードの模式断面図
である。

【符号の説明】

１…母材 ２…混合粉末 ２ａ…
結合用粉末（溶湯） ２ｂ…被覆粉末 ５…レーザ光（高エネルギー熱
源）

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高靱性金属からなる結合用粉末と、主とし
   てセラミックスからなり、溶融状態の該高靱性金属に対
   して悪い濡れ性を有する被覆粉末とからなる混合粉末を
   用意し、該混合粉末を金属製の母材表面に載置する第１
   工程と、 載置された該混合粉末に高エネルギー熱源を照射するこ
   とにより、該結合用粉末を溶融させるとともに、その溶
   湯内に生起させた対流を該被覆粉末に作用させ、もって
   該被覆粉末が表面に凝集した状態で該溶湯を凝固させる
   第２工程と、を有することを特徴とする金属製母材表面
   へのセラミックス層形成方法。
2. 【請求項２】高エネルギー熱源をオシレートさせて混合
   粉末に照射することを特徴とする請求項１記載の金属製
   母材表面へのセラミックス層形成方法。