JP3141524B2 - 表面被覆材、表面被覆処理方法および内燃機関用バルブ - Google Patents

表面被覆材、表面被覆処理方法および内燃機関用バルブ

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JP3141524B2 JP04140121A JP14012192A JP3141524B2 JP 3141524 B2 JP3141524 B2 JP 3141524B2 JP 04140121 A JP04140121 A JP 04140121A JP 14012192 A JP14012192 A JP 14012192A JP 3141524 B2 JP3141524 B2 JP 3141524B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】 本発明は主として金属の表面に
被覆硬化層を形成する表面被覆材、該表面被覆材を使用
した表面被覆処理方法、および該表面被覆処理が施され
ている内燃機関用バルブに関するものである。
【0002】
【従来の技術】 Ti 、Ti 合金、あるいはTi −Al
系金属間化合物は比較的強度が高くしかも軽量であり、
例えば回転運動、往復運動等をする部材の材料とすれ
ば、駆動エネルギーを小さく出来また振動も軽減出来
る。しかしながら上記Ti 、Ti 合金、あるいはTi −
Al 系金属間化合物は十分な耐磨耗性を持たないために
適用範囲に限界がある。
【0003】 従来、上記Ti 、Ti 合金、あるいはT
i −Al 系金属間化合物の欠点を解消するために、例え
ばTi 合金に硬質粒子を混合した表面被覆材が提供され
ている。(特願平3−211624号、特願平3−23
1709号、特願平3−245527号)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】 しかしながら上記従
来の表面被覆材は融点が高いために、金属被処理表面に
被覆硬化層を形成するためにはプラズマ粉末溶接法(P
PW法)を適用しなければならず、金属被処理表面に広
い面積にわたって被覆硬化層を形成するためにはコスト
が非常にかゝると云う問題点があった。
【0005】
【課題を解決するための手段】 本発明は上記従来の課
題を解決するための手段として、Ti −Al 系金属間化
合物において融点降下元素を、Cu は 5〜40重量%、
Zr は6〜50重量%、Ni は5〜30重量%、Mn は
1〜30重量%、Si は1〜20重量%、Bは0.3
〜5重量%、Pは0. 01〜5重量%の範囲で添加して
融点が1250℃以下になるように調節し た基材に硬質
粒子を1〜30重量%の割合で混合したことを特徴とす
る表面 被覆材を提供するものである。また上記表面被覆
材を被処理表面に付着させた後熱処理を行なって該表面
被覆材を該被処理表面に密着せしめる表面被覆処理方法
を提供するものであ る。 該表面被覆材は粉末であり、該
粉末を溶剤と混合した上で該被処理表面に 付着させるこ
とが望ましい。更にまた表面被覆処理が軸端部(4) 、軸
部(3) およびフェース部(2) の少なくとも一ヶ所以上に
施されている内燃機関用バ ルブ(1) を提供するものであ
る。
【0006】(Ti −Al 系金属間化合物) 本発明の表面被覆材の基材としては、Ti −Al 系金属
間化合物が使用されるが、望ましいTi −Al 系金属間
化合物としてはAl を25〜42重量%含むTi −Al
系金属間化合物がある。Al をこの範囲で含むTi −A
l系金属間化合物はTi Al もしくはTi Al +Ti3Al
を形成し、したがって対象とする被処理表面、特にTi
系被処理表面とのなじみが良く、また変態点が比較的
高温であるので、Ti 合金のように被処理部材の使用温
度(例えば400〜500℃)で変態、時効等の現象を
生じないため熱的安定性に優れる。
【0007】 Al が25重量%未満で含まれる場合に
はTi3Al の比率が増加して靱延性が劣化し割れ感受性
が高くなる。一方Al が42重量%を越えて含まれる場
合にはTi Al3が過剰に形成されやはり靱延性が劣化し
割れ感受性が高くなる。更にAl はTi3Al 量が5〜5
0容量%の範囲になる30〜34重量%で含まれること
が望ましい。
【0008】(融点降下元素) 上記Ti −Al 系金属間化合物の融点を降下させるため
に用いられる元素としてはCu,Zr,Ni,Mn,Si,Bおよ
びPが有利であり、上記元素は二種以上混合されてもよ
い。そしてCu は5〜40重量%、Zr は6〜50重量
%、Ni は5〜30重量%、Mn は11〜30重量%、
Si は1〜20重量%、Bは0.3〜5重量%、Pは
0.01〜5重量%の範囲で添加されることが望まし
く、上記範囲未満の添加量では融点降下効果は顕著でな
くなり、また上記範囲を越える添加量では表面被覆材の
靱性を低下させる。
【0009】 上記元素は上記範囲において添加量が多
い程表面被覆材の融点が降下し、被処理表面との密着性
を確保する処理がし易くなるが、結果として得られる被
覆硬化層の使用可能温度も低くなるので、上記元素の添
加量はこの点を考慮して決定されなければならない。
【0010】 本発明においては、上記融点降下元素を
添加したTi −Al 系金属間化合物は1250℃以下に
調節された融点を有する。該金属間化合物の融点が12
50℃を越えると被処理材の密着性を高める熱処理時の
材料の変形等該被処理表面に密着させる処理が困難にな
る。
【0011】(硬質粒子) 本発明に使用する硬質粒子としては炭化物、窒化物、ほ
う化物等がある。該硬質粒子を例示すればTi C、Nb
C、WC、Ti N、Nb N、BN、Ti2B等であり、上
記硬質粒子は二種以上混合されてもよい。上記硬質粒子
は上記基材中に分散して被覆硬化層の硬度を向上させる
ために添加されるものであり、そのためには1重量%以
上混合されることが望ましいが、混合量が30重量%を
越えると結果として得られる被覆硬化層に割れが入り易
くなる。
【0012】(表面被覆処理方法) 本発明の表面被覆材は通常粉末形状で提供される。上記
粉末状の表面被覆材を製造するには、上記基材、融点降
下元素および硬質粒子を混合溶製して一体化してから粉
末化する方法が原則的に用いられるが、各々の粉末を所
定比率混合してもよいし、また成分の一部を溶製し、一
部を粉末として混合してもよい。
【0013】 上記粉末状の表面被覆材は通常60〜2
00メッシュ程度の粒度とされ、ポリビニルアルコール
溶媒中に分散されスラリー状又はペースト状とし、部材
の被処理表面にスプレー、浸漬、はけ塗り等の方法で塗
布し、該被処理表面の融点よりも低くかつ表面被覆材の
融点よりも高い温度で加熱して該塗布層を該被処理表面
に密着させ、該被処理表面上に被覆硬化層を形成する。
【0014】(被処理部材) 本発明の表面被覆材を用いた表面被覆処理方法が特に有
用であるのは前記したように回転運動、往復運動等をす
る部材、例えば内燃機関のバルブ、カム等である。この
ような部材は駆動エネルギーを小さくするために比較的
強度が高くかつ軽量である材料を使用することが望まし
く、このような材料としてはTi 、Ti 合金、Ti −A
l 系金属間化合物が適当である。上記Ti、Ti 合金、
Ti −Al 系金属間化合物を例示すれば、純Ti 、Ti
−6Al −4V,Ti −22V−4Al ,Ti −6Al
−6V−2Sn 等のTi 合金、いわゆるスーパーアルフ
ァ合金と呼ばれるTi3Al もしくはTi Al +Ti3Al
からなるTi −Al 系金属間化合物である。
【0015】
【作用】 本発明の表面被覆材においては、Ti −Al
系金属間化合物を基材とし、これに融点降下元素を添加
して融点を1250℃以下になるように調節してあるか
ら、該表面被覆材を部材の被処理表面に付着させて熱処
理により密着させる際、該被処理表面を構成する材料の
融点よりも低い温度が適用出来、広範囲にわたって容易
に被覆することが可能になる。
【0016】 また上記Ti −Al 系金属間化合物は変
態点が比較的高温であるから、被処理部材の使用温度
(通常400〜500℃)において硬さ等の特性が変わ
ることなく安定している。更に本発明の表面被覆材には
硬質粒子が混合されているから結果として得られる被覆
硬化層は高い硬度を有し優れた耐磨耗性が得られる。
【0017】
【実施例】〔実施例1〕 (1) 被処理材料 下記の組成の被処理材料を用いる。 A 純Ti B Ti −6Al −4V C Ti −22V−4Al D Ti −14Al −20Nb −3V−2Mo E Ti −33.5Al F Ti −33.5Al −0.5Si −0.5Cr −1Nb 上記材料のうちA〜Dについてはプラズマ熱源を用いて
積層凝固させた後、真空中でアークによって再溶解する
ことによって得た100Kgのインゴットを熱間加工して
から適当な熱処理を施した材料を使用し、E,Fについ
てはプラズマアークを熱源として水冷銅ルツボを備えた
スカル炉を用いてArガス雰囲気中で材料を溶解して8K
gのインゴットを得た。上記被処理材料A〜Fについて
それぞれ径10mm、長さ50〜100mmの棒材を切出し
て被処理材料とした。
【0018】(2) 表面被覆材 表1に示す組成の基材を溶解し遠心噴霧法によって粉末
とし、60〜200メッシュに篩別したものに表1に示
す硬質粒子を混合して表面被覆材とした。
【0019】(3) 表面被覆処理 上記表面被覆材粉末をポリビニルアルコールと混合して
スラリーとし、該スラリーに上記棒状の被処理材料を浸
漬して該スラリーを付着させた。その後1000〜11
00℃の範囲で熱処理し、形成された被覆硬化層表面を
研削して評価に供する試料とした。
【0020】(4) 試験 各材料について、割れの有無の確認、硬度測定、磨耗試
験を行なった。 割れの有無 目視による 硬度測定 被覆硬化層の硬さを荷重1kgf でHVとして測定した。 磨耗試験 ピンオンディスク磨耗試験により周速62.6m/分、距
離2.63×104 m 、押付力30kg、無潤滑状態で試
料の重量減を測定した。 上記試験結果は表1に示される。
【表1】
【0021】 表1によれば本発明試料No.1〜13
被覆硬化層に割れを生ぜず、高硬度かつ良好な耐摩耗性
を有するが、表面被覆処理を施さない比較試料A1 は低
硬度で耐摩耗性に著しく劣り、融点降下元素を添加せ
ず、かつ硬質粒子を30重量%を越えて含有する比較試
料A2 は被覆硬化層に割れを生じ、また硬質粒子を混合
しない比較試料A3 は低硬度で耐摩耗性に劣る。
【0022】〔実施例2〕 実施例1の被処理材料Bのインゴットを鍛伸した後、図
1に示すようなフェース部(2) 、軸部(3) 、軸端部(4)
とからなる内燃機関用バルブ(1) に加工した。該バルブ
(1) のフェース径は30mm,長さは100mmである。更
に被処理材料Fのインゴットを鍛造して切削加工によっ
て同形のバルブとした。
【0023】 実施例1の(2) に記した表面被覆材を使
用して、(3) に記した表面被覆処理方法により、上記バ
ルブの軸部(3) および軸端部(4) に夫々被覆硬化層(5)
を形成し、この際の被覆硬化層(5) の割れの有無および
硬度を測定した。その結果を表2に示す。
【表2】
【0024】 表2によれば本発明の試料No.1〜
被覆硬化層に割れを生ぜずかつ高硬度であるが、硬質粒
子を混合しない比較試料A1 は硬度が充分でなく、また
硬質粒子を30重量%を越えて含有する比較試料A2 は
割れが発生する。
【0025】
【発明の効果】 したがって、本発明においては被処理
表面に硬度が大でかつ耐摩耗性の良好な被覆硬化層を形
成することが出来、また広い面積にわたって被覆硬化層
を形成してもコストがかゝらない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例2に用いたバルブ試料の斜視図
【符号の説明】
1 内燃機関用バルブ2 フェース部 3 軸部 4 軸端部 5 被覆硬化層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 30/00 C22C 14/00 C22C 32/00 C23C 24/10 F01L 3/04

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Ti −Al 系金属間化合物において融点降
    下元素を、Cu は 5〜40重量%、Zr は6〜50重量
    %、Ni は5〜30重量%、Mn は1 1〜30重量%、
    Si は1〜20重量%、Bは0.3〜5重量%、Pは
    0. 01〜5重量%の範囲で添加して融点が1250℃
    以下になるように調節し た基材に硬質粒子を1〜30重
    量%の割合で混合したことを特徴とする表面 被覆材
  2. 【請求項2】請求項1に記載の表面被覆材を被処理表面
    に付着させた後熱 処理を行なって該表面被覆材を該被処
    理表面に密着せしめることを特徴とす る表面被覆処理方
  3. 【請求項3】該表面被覆材は粉末であり、該粉末を溶剤
    と混合した上で該 被処理表面に付着させる請求項2の表
    面被覆処理方法
  4. 【請求項4】請求項2または3の表面被覆処理が軸端
    部、軸部およびフェ ース部の少なくとも一ヶ所以上に施
    されていることを特徴とする内燃機関用 バルブ
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CN106319399B (zh) * 2016-09-23 2018-07-31 北方工业大学 一种含P元素Ti基非晶合金及其制备方法
CN111270234B (zh) * 2020-03-10 2022-04-19 昆明理工大学 一种在钛合金表面制备钛铝增强涂层的方法

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