JP3383179B2 - 金属部材の疲労強度向上方法及び疲労強度が向上した金属部材 - Google Patents
金属部材の疲労強度向上方法及び疲労強度が向上した金属部材Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属部材の疲労強
度向上方法、及び、疲労強度が向上した金属部材に関す
る。
度向上方法、及び、疲労強度が向上した金属部材に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】金属部材の疲労強度を向上させる方法と
して、従来より、窒化、浸炭焼入、高周波焼入等の表面
硬化法、ショットやグリッド等を投射するピーニング加
工法を実行し、金属部材の表層に残留圧縮応力を付与す
ることが行われている。
して、従来より、窒化、浸炭焼入、高周波焼入等の表面
硬化法、ショットやグリッド等を投射するピーニング加
工法を実行し、金属部材の表層に残留圧縮応力を付与す
ることが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記した方法
とは異なる方法により、疲労強度を向上させ得る金属部
材の疲金属部材の疲労強度向上方法及び疲労強度が向上
した金属部材を提供するにある。
とは異なる方法により、疲労強度を向上させ得る金属部
材の疲金属部材の疲労強度向上方法及び疲労強度が向上
した金属部材を提供するにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明者は上記した課題
のもとに鋭意開発を進め、そして、変態により体積膨張
する金属材料を溶射して金属部材の表面に溶射層を形成
し、溶射層の冷却による収縮よりも、変態による体積膨
張を大きくすれば、溶射層に圧縮残留応力を付与でき、
これにより金属部材の疲労強度が改善できることを知見
し、試験で確認し、本発明を完成した。
のもとに鋭意開発を進め、そして、変態により体積膨張
する金属材料を溶射して金属部材の表面に溶射層を形成
し、溶射層の冷却による収縮よりも、変態による体積膨
張を大きくすれば、溶射層に圧縮残留応力を付与でき、
これにより金属部材の疲労強度が改善できることを知見
し、試験で確認し、本発明を完成した。
【０００５】即ち、請求項１に係る金属部材の疲労強度
向上方法。重量比で炭素を０．３〜２．０％を含むと共
に冷却に伴いマルテンサイト変態する組成を有し変態に
より体積膨張するＦｅ−Ｃ系の溶射材料を含む金属材料
を用い、金属材料を溶射して、アルミ合金またはマグネ
シウム合金で形成された金属部材の表面に溶射層を積層
し、溶射層の冷却による収縮よりも、変態による体積膨
張を大きくすることにより、溶射層に圧縮残留応力が存
在する部位を形成し、溶射層においてアスペクト比（長
径／短径）が３未満の粒子を、溶射時における未溶融ま
たは半溶融の粒子とみなしたとき、未溶融または半溶融
の粒子とみなされた粒子は、前記溶射層において面積率
で２０〜４０％に設定されており、金属部材の疲労強度
を向上させることを特徴とするものである。
向上方法。重量比で炭素を０．３〜２．０％を含むと共
に冷却に伴いマルテンサイト変態する組成を有し変態に
より体積膨張するＦｅ−Ｃ系の溶射材料を含む金属材料
を用い、金属材料を溶射して、アルミ合金またはマグネ
シウム合金で形成された金属部材の表面に溶射層を積層
し、溶射層の冷却による収縮よりも、変態による体積膨
張を大きくすることにより、溶射層に圧縮残留応力が存
在する部位を形成し、溶射層においてアスペクト比（長
径／短径）が３未満の粒子を、溶射時における未溶融ま
たは半溶融の粒子とみなしたとき、未溶融または半溶融
の粒子とみなされた粒子は、前記溶射層において面積率
で２０〜４０％に設定されており、金属部材の疲労強度
を向上させることを特徴とするものである。
【０００６】
【０００７】請求項２に係る金属部材の疲労強度向上方
法は、請求項１において、溶射後に溶射層に対してサブ
ゼロ処理を実行し、溶射層における残留オーステナイト
のマルテンサイト化を図ることを特徴とするものであ
る。
法は、請求項１において、溶射後に溶射層に対してサブ
ゼロ処理を実行し、溶射層における残留オーステナイト
のマルテンサイト化を図ることを特徴とするものであ
る。
【０００８】
【発明の実施の形態】溶射層では、溶射の際の冷却によ
り凝固収縮が生じたり、凝固後の冷却により冷却収縮が
生じる。この結果、一般的には、溶射層には引張残留応
力が発生する。この点請求項１に係る方法によれば、溶
射層の冷却による収縮よりも、変態による体積膨張を大
きくすることにより、溶射層に圧縮残留応力が存在する
部位を形成する。本方法では、溶射の際に未溶融または
半溶融の粒子の割合を多くすることが好ましい。このよ
うにすれば、溶射の際に溶融粒子の割合が低下するた
め、溶射層における凝固収縮量が小さくなる。よって、
溶射層の冷却による収縮量よりも、変態による体積膨張
量を大きくするのに有利となる。従って溶射層における
変態に基づく体積膨張量が確保され、溶射層に圧縮残留
応力が存在する部位を形成するのに有利となる。
り凝固収縮が生じたり、凝固後の冷却により冷却収縮が
生じる。この結果、一般的には、溶射層には引張残留応
力が発生する。この点請求項１に係る方法によれば、溶
射層の冷却による収縮よりも、変態による体積膨張を大
きくすることにより、溶射層に圧縮残留応力が存在する
部位を形成する。本方法では、溶射の際に未溶融または
半溶融の粒子の割合を多くすることが好ましい。このよ
うにすれば、溶射の際に溶融粒子の割合が低下するた
め、溶射層における凝固収縮量が小さくなる。よって、
溶射層の冷却による収縮量よりも、変態による体積膨張
量を大きくするのに有利となる。従って溶射層における
変態に基づく体積膨張量が確保され、溶射層に圧縮残留
応力が存在する部位を形成するのに有利となる。
【０００９】溶射層に圧縮残留応力が存在する部位が形
成されれば、その溶射層を表面に有する金属部材の疲労
強度が向上する。亀裂の進展抑制効果が高まるためと推
察される。溶射の際における未溶融または半溶融の粒子
の割合としては、金属部材の種類、溶射する金属材料に
もよるが、溶射層において占める面積率で２０〜４０％
程度とする。
成されれば、その溶射層を表面に有する金属部材の疲労
強度が向上する。亀裂の進展抑制効果が高まるためと推
察される。溶射の際における未溶融または半溶融の粒子
の割合としては、金属部材の種類、溶射する金属材料に
もよるが、溶射層において占める面積率で２０〜４０％
程度とする。
【００１０】面積率が少ないと、圧縮残留応力の部位が
形成されにくい。面積率が４０％を越えると、未溶融ま
たは半溶融の粒子の割合が過剰となり易く、溶射層の形
成が困難となり易い。溶射する金属材料としては、つま
り溶射材としては、鉄系材料を採用できるが、これにア
ルミ合金等の非鉄系材料を混合しても良い。溶射する金
属材料としては、溶射前の状態で、平均粒径は５〜２５
０μｍ程度のものを採用できる。
形成されにくい。面積率が４０％を越えると、未溶融ま
たは半溶融の粒子の割合が過剰となり易く、溶射層の形
成が困難となり易い。溶射する金属材料としては、つま
り溶射材としては、鉄系材料を採用できるが、これにア
ルミ合金等の非鉄系材料を混合しても良い。溶射する金
属材料としては、溶射前の状態で、平均粒径は５〜２５
０μｍ程度のものを採用できる。
【００１１】溶射する金属材料が粉末である場合には、
平均粒径が相対的に大きい粒子（平均粒径８０〜１００
μｍ）と、平均粒径が相対的に小さい粒子（平均粒径２
０〜５０μｍ）との混合粉末を用いることができる。こ
のようにすれば、溶射層において小さな粒子に大きい粒
子が混ざり、大きい粒子が溶射層の亀裂を停留させる停
留効果を期待し易い。
平均粒径が相対的に大きい粒子（平均粒径８０〜１００
μｍ）と、平均粒径が相対的に小さい粒子（平均粒径２
０〜５０μｍ）との混合粉末を用いることができる。こ
のようにすれば、溶射層において小さな粒子に大きい粒
子が混ざり、大きい粒子が溶射層の亀裂を停留させる停
留効果を期待し易い。
【００１２】溶射する金属材料は、鉄系粉末とアルミ合
金等の非鉄系粉末との混合粉末で構成できる。この場合
には、溶射前の状態で、混合粉末を１００％としたと
き、鉄系粉末は例えば２０〜６０％、特に３５〜５５％
または４５〜５０％にできるが、これに限定されるもの
ではない。本発明で用いる金属部材の材質としては、ア
ルミ合金、マグネシウム合金を採用する。金属部材とし
ては、ピストン等を採用できる。
金等の非鉄系粉末との混合粉末で構成できる。この場合
には、溶射前の状態で、混合粉末を１００％としたと
き、鉄系粉末は例えば２０〜６０％、特に３５〜５５％
または４５〜５０％にできるが、これに限定されるもの
ではない。本発明で用いる金属部材の材質としては、ア
ルミ合金、マグネシウム合金を採用する。金属部材とし
ては、ピストン等を採用できる。
【００１３】本発明で形成する溶射層の厚みは、金属部
材の用途、溶射層の材質等にもよるが、例えば１００〜
５０００μｍ程度、特に２００〜１０００μｍ程度、更
に２５０〜５００μｍ程度にできるが、これに限定され
るものではない。請求項１に係る方法によれば、溶射さ
れる金属材料は冷却に伴いマルテンサイト変態する組成
であるため、マルテンサイト変態による体積膨張を期待
できる。
材の用途、溶射層の材質等にもよるが、例えば１００〜
５０００μｍ程度、特に２００〜１０００μｍ程度、更
に２５０〜５００μｍ程度にできるが、これに限定され
るものではない。請求項１に係る方法によれば、溶射さ
れる金属材料は冷却に伴いマルテンサイト変態する組成
であるため、マルテンサイト変態による体積膨張を期待
できる。
【００１４】溶射で金属部材に被着した粒子の熱は、金
属部材に直ちに伝熱されるため、粒子は急冷され、従っ
て溶射層はマルテンサイト相の割合が多くなる。金属部
材がアルミ系合金のように熱伝導率が高い材料である場
合には、一般的には、溶射された粒子は一層に急冷され
易くなり、従ってマルテンサイト相が生成され易い。請
求項１に係る方法によれば、溶射される金属材料は、重
量比で炭素を０．３〜２．０％を含むＦｅ−Ｃ系の溶射
材料を含み、マルテンサイト変態による体積膨張を期待
するのに有利である。炭素が０．３％未満であれば、良
好なる体積膨張量を期待できない。炭素が２．０％を越
えると、溶射する金属材料が粉末の場合には、粉末生成
が困難となる。Ｆｅ−Ｃ系のマルテンサイト相は硬質で
あるため、溶射層の耐摩耗性の向上も期待できる。上記
したＦｅ−Ｃ系では、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉを含むことがで
きる。
属部材に直ちに伝熱されるため、粒子は急冷され、従っ
て溶射層はマルテンサイト相の割合が多くなる。金属部
材がアルミ系合金のように熱伝導率が高い材料である場
合には、一般的には、溶射された粒子は一層に急冷され
易くなり、従ってマルテンサイト相が生成され易い。請
求項１に係る方法によれば、溶射される金属材料は、重
量比で炭素を０．３〜２．０％を含むＦｅ−Ｃ系の溶射
材料を含み、マルテンサイト変態による体積膨張を期待
するのに有利である。炭素が０．３％未満であれば、良
好なる体積膨張量を期待できない。炭素が２．０％を越
えると、溶射する金属材料が粉末の場合には、粉末生成
が困難となる。Ｆｅ−Ｃ系のマルテンサイト相は硬質で
あるため、溶射層の耐摩耗性の向上も期待できる。上記
したＦｅ−Ｃ系では、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉを含むことがで
きる。
【００１５】文献（日本鉄鋼協会、鉄の熱処理、改訂５
版、６３ページ）によれば、マルテンサイト変態による
体積膨張量は１．６９×重量％Ｃで示されると、報告さ
れている。このように溶射される金属材料に含まれる炭
素含有量が増大すれば、体積膨張量の増加を期待でき
る。請求項２に係る方法によれば、溶射後に溶射層に対
してサブゼロ処理が実行されるため、溶射層における残
留オーステナイトのマルテンサイト化が促進される。従
って、マルテンサイト変態による体積膨張量が確保され
る。サブゼロ処理は、液体窒素、ドライアイス等の冷媒
と溶射層とを接触させることにより実行できる。
版、６３ページ）によれば、マルテンサイト変態による
体積膨張量は１．６９×重量％Ｃで示されると、報告さ
れている。このように溶射される金属材料に含まれる炭
素含有量が増大すれば、体積膨張量の増加を期待でき
る。請求項２に係る方法によれば、溶射後に溶射層に対
してサブゼロ処理が実行されるため、溶射層における残
留オーステナイトのマルテンサイト化が促進される。従
って、マルテンサイト変態による体積膨張量が確保され
る。サブゼロ処理は、液体窒素、ドライアイス等の冷媒
と溶射層とを接触させることにより実行できる。
【００１６】
【００１７】
【実施例】以下、本発明の実施例を試験例に従って図面
を参照して説明する。 試験片 本実施例では、ピストンの溝底部を想定し、形状係数α
が１．８３の切欠をもつ疲労試験用の試験片（ＪＩＳ−
２２７４ １号試験片に準ずる）を金属部材として用い
た。この試験片を図１に示す。試験片の基材は、アルミ
展伸材（基本組成：Ａｌ−１０ｗｔ％Ｓｉ、添加元素：
Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、神戸製鋼：ＫＴＭ−１０）と
した。展伸材を用いたのは、鋳造欠陥による影響をなく
すためである。試験片のうち被溶射面はＲｚ＝０．５μ
ｍ以下とした。 溶射材料 溶射される金属材料である溶射材料は、鉄系粉末（平均
粒径＝４６μｍ、アトマイズ粉末）とアルミ合金系粉末
（平均粒径＝５５μｍ、アトマイズ粉末）との混合粉末
とした。混合粉末を１００％としたとき、アルミ合金系
粉末は１０ｗｔ％とした。
を参照して説明する。 試験片 本実施例では、ピストンの溝底部を想定し、形状係数α
が１．８３の切欠をもつ疲労試験用の試験片（ＪＩＳ−
２２７４ １号試験片に準ずる）を金属部材として用い
た。この試験片を図１に示す。試験片の基材は、アルミ
展伸材（基本組成：Ａｌ−１０ｗｔ％Ｓｉ、添加元素：
Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、神戸製鋼：ＫＴＭ−１０）と
した。展伸材を用いたのは、鋳造欠陥による影響をなく
すためである。試験片のうち被溶射面はＲｚ＝０．５μ
ｍ以下とした。 溶射材料 溶射される金属材料である溶射材料は、鉄系粉末（平均
粒径＝４６μｍ、アトマイズ粉末）とアルミ合金系粉末
（平均粒径＝５５μｍ、アトマイズ粉末）との混合粉末
とした。混合粉末を１００％としたとき、アルミ合金系
粉末は１０ｗｔ％とした。
【００１８】鉄系粉末の基本組成は、Ｆｅ−１ｗｔ％Ｃ
とした。アルミ合金系粉末の基本組成はＡｌ−１５ｗｔ
％Ｓｉとした。アルミ合金系粉末は、被溶射物である試
験片がアルミ合金であるため、溶射層と試験片との間に
おける熱膨張差の緩和を主眼として用いた。なお、鉄系
粉末とアルミ合金系粉末とを含む混合粉末のうち、粒子
径が同程度であれば、融点の差により、鉄系粉末よりも
アルミ合金系粉末は溶融粒子になり易いと考えられる。 溶射処理 ＨＶＯＦ（High Velosity Oxigen Fuel)溶射法を採用し
た。ＨＶＯＦ溶射法は超音速ガスフレーム溶射とも呼ば
れ、溶射粉末粒子は通常のプラズマ溶射に比較して高速
で飛行（一般的には、通常のプラズマ溶射に比較して数
倍と言われている）すると共に、溶射粉末の溶融温度が
通常のプラズマ溶射に比較して低いという特徴をもつ。
ＨＶＯＦ溶射法で溶射した溶射層は、気孔率が低く緻密
であり、密着力も大きい。図１（ａ）に示すハッチング
領域ＳＡに溶射層を形成した。図１（ｂ）は溶射層の断
面を模式的に示す。
とした。アルミ合金系粉末の基本組成はＡｌ−１５ｗｔ
％Ｓｉとした。アルミ合金系粉末は、被溶射物である試
験片がアルミ合金であるため、溶射層と試験片との間に
おける熱膨張差の緩和を主眼として用いた。なお、鉄系
粉末とアルミ合金系粉末とを含む混合粉末のうち、粒子
径が同程度であれば、融点の差により、鉄系粉末よりも
アルミ合金系粉末は溶融粒子になり易いと考えられる。 溶射処理 ＨＶＯＦ（High Velosity Oxigen Fuel)溶射法を採用し
た。ＨＶＯＦ溶射法は超音速ガスフレーム溶射とも呼ば
れ、溶射粉末粒子は通常のプラズマ溶射に比較して高速
で飛行（一般的には、通常のプラズマ溶射に比較して数
倍と言われている）すると共に、溶射粉末の溶融温度が
通常のプラズマ溶射に比較して低いという特徴をもつ。
ＨＶＯＦ溶射法で溶射した溶射層は、気孔率が低く緻密
であり、密着力も大きい。図１（ａ）に示すハッチング
領域ＳＡに溶射層を形成した。図１（ｂ）は溶射層の断
面を模式的に示す。
【００１９】溶射条件は次のようとした。
プロピレン：４０リットル／分
酸素：４５リットル／分
空気：８０リットル／分
溶射層の膜厚：０．５ｍｍ
なお試験片の平行部全体に膜厚２ｍｍで溶射した後、膜
厚１．５ｍｍまで機械加工し、更に中央部にＵ字形の溝
を加工した。その溝の底の部分の膜厚を溶射層の膜厚と
する。
厚１．５ｍｍまで機械加工し、更に中央部にＵ字形の溝
を加工した。その溝の底の部分の膜厚を溶射層の膜厚と
する。
【００２０】なお、冶金の分野では焼入温度が高温すぎ
ると、かえって焼きがはいりにくいと言われている。こ
の点ＨＶＯＦ処理法を採用すれば、溶射粉末の温度が通
常のプラズマ溶射法に比較して低温となるため、マルテ
ンサイト変態の促進に有利と推察される。 疲労試験 溶射層を形成した試験片を用いて疲労試験を行った。こ
の試験はＪＩＳ−Ｚ２２７４に基づいて行った。試験結
果を図２に示す。図２から理解できるように、溶射層を
形成した試験片の疲労限（繰り返し数１０7 回到達試験
片の最大値で表す）は、２５０ＭＰａ程度であった。こ
の試験片の溶射層の残留応力を測定したら、圧縮応力が
約１００〜１２０ＭＰａ存在していた。
ると、かえって焼きがはいりにくいと言われている。こ
の点ＨＶＯＦ処理法を採用すれば、溶射粉末の温度が通
常のプラズマ溶射法に比較して低温となるため、マルテ
ンサイト変態の促進に有利と推察される。 疲労試験 溶射層を形成した試験片を用いて疲労試験を行った。こ
の試験はＪＩＳ−Ｚ２２７４に基づいて行った。試験結
果を図２に示す。図２から理解できるように、溶射層を
形成した試験片の疲労限（繰り返し数１０7 回到達試験
片の最大値で表す）は、２５０ＭＰａ程度であった。こ
の試験片の溶射層の残留応力を測定したら、圧縮応力が
約１００〜１２０ＭＰａ存在していた。
【００２１】溶射層を形成していない試験片について
も、同様に疲労試験を行った。試験結果を図３に示す。
図３から理解できるように、溶射層を形成していない試
験片の疲労限は８５ＭＰａであった。更に、溶射層の厚
みを変化させた試験片について、疲労試験を行った。試
験結果を図４に示す。図４から理解できるように、溶射
層の厚みが０．１ｍｍを越えると、疲労強度の改善効果
が大きくなる。即ち試験結果によれば、溶射層の厚みが
増大するにつれて、試験片の疲労限が増加する。溶射層
の厚みが約１ｍｍのときには、疲労限は２５０ＭＰａ付
近、または、この値を越える。
も、同様に疲労試験を行った。試験結果を図３に示す。
図３から理解できるように、溶射層を形成していない試
験片の疲労限は８５ＭＰａであった。更に、溶射層の厚
みを変化させた試験片について、疲労試験を行った。試
験結果を図４に示す。図４から理解できるように、溶射
層の厚みが０．１ｍｍを越えると、疲労強度の改善効果
が大きくなる。即ち試験結果によれば、溶射層の厚みが
増大するにつれて、試験片の疲労限が増加する。溶射層
の厚みが約１ｍｍのときには、疲労限は２５０ＭＰａ付
近、または、この値を越える。
【００２２】試験片に係る溶射層を調べたところ、溶射
層を構成する粒子のうち、偏平化が進行していない粒子
は、溶射層のうち面積率で１２％〜２８％程度、特に２
０％程度であった。溶射される金属材料のうち溶射の際
に溶融化が大きく進行した粒子は、被溶射面への衝突に
より偏平化が進行し易い。このことから、偏平化が進行
していない粒子は、溶射の際において未溶融または半溶
融の粒子であると推察される。 サブゼロ処理 溶射層を形成した試験片に対して、サブゼロ処理を実行
した。この試験では前記した条件と同様な溶射条件で、
溶射層（厚み：０．５ｍｍ）を形成した。溶射粉末は前
記同様に鉄系粉末とアルミ合金系粉末とで構成されてい
る。但し鉄系粉末の組成は、Ｆｅ−１．５ｗｔ％Ｃとし
た。試験片に係る溶射層を調べたところ、偏平化が進行
していない粒子は、面積率で１０％〜２８％程度、特に
２０％程度であった。
層を構成する粒子のうち、偏平化が進行していない粒子
は、溶射層のうち面積率で１２％〜２８％程度、特に２
０％程度であった。溶射される金属材料のうち溶射の際
に溶融化が大きく進行した粒子は、被溶射面への衝突に
より偏平化が進行し易い。このことから、偏平化が進行
していない粒子は、溶射の際において未溶融または半溶
融の粒子であると推察される。 サブゼロ処理 溶射層を形成した試験片に対して、サブゼロ処理を実行
した。この試験では前記した条件と同様な溶射条件で、
溶射層（厚み：０．５ｍｍ）を形成した。溶射粉末は前
記同様に鉄系粉末とアルミ合金系粉末とで構成されてい
る。但し鉄系粉末の組成は、Ｆｅ−１．５ｗｔ％Ｃとし
た。試験片に係る溶射層を調べたところ、偏平化が進行
していない粒子は、面積率で１０％〜２８％程度、特に
２０％程度であった。
【００２３】このような溶射層を形成した試験片を液体
窒素（７７Ｋ）に５分間浸漬し、サブゼロ処理を実行し
た。そして、サブゼロ処理前の試験片、サブゼロ処理後
の試験片の双方について、同様に疲労試験を行った。試
験結果を図５に示す。サブゼロ処理前の試験片の疲労限
は２１０ＭＰａ程度であり、サブゼロ処理前の溶射層に
は残留オーステナイトが面積率で２５％程度存在してい
た。これに対してサブゼロ処理後の試験片の疲労限は、
２８０ＭＰａ程度に上昇した。この値は鋼材に匹敵する
と考えられる。 面積率と応力との関係 溶射層における未溶融または半溶融の粒子の面積率と溶
射層における残留応力との関係について、試験した。試
験条件は前記したものと同様である。但し、鉄系粉末
は、平均粒径が６０μｍの第１粉末と、平均粒径が２８
μｍの第２粉末とを混ぜて用いた。大径の粉末粒子は熱
容量が大きく、溶射の際に未溶融または半溶融になり易
いことから、第１粉末と第２粉末との割合を調整するこ
とにより、未溶融または半溶融の粒子の面積率を変化で
きるからである。
窒素（７７Ｋ）に５分間浸漬し、サブゼロ処理を実行し
た。そして、サブゼロ処理前の試験片、サブゼロ処理後
の試験片の双方について、同様に疲労試験を行った。試
験結果を図５に示す。サブゼロ処理前の試験片の疲労限
は２１０ＭＰａ程度であり、サブゼロ処理前の溶射層に
は残留オーステナイトが面積率で２５％程度存在してい
た。これに対してサブゼロ処理後の試験片の疲労限は、
２８０ＭＰａ程度に上昇した。この値は鋼材に匹敵する
と考えられる。 面積率と応力との関係 溶射層における未溶融または半溶融の粒子の面積率と溶
射層における残留応力との関係について、試験した。試
験条件は前記したものと同様である。但し、鉄系粉末
は、平均粒径が６０μｍの第１粉末と、平均粒径が２８
μｍの第２粉末とを混ぜて用いた。大径の粉末粒子は熱
容量が大きく、溶射の際に未溶融または半溶融になり易
いことから、第１粉末と第２粉末との割合を調整するこ
とにより、未溶融または半溶融の粒子の面積率を変化で
きるからである。
【００２４】この試験では、溶射層において未溶融また
は半溶融の粒子が占める面積率は、次のようして規定し
た。即ち、溶射層の顕微鏡写真を利用し、粒子のアスペ
クト比Ａ（長径／短径）が３未満のもの（Ａ＜３）を、
未溶融または半溶融の粒子とみなし、これの面積率を画
像処理で求めた。残留応力は前述同様にＸ線にて測定し
た。
は半溶融の粒子が占める面積率は、次のようして規定し
た。即ち、溶射層の顕微鏡写真を利用し、粒子のアスペ
クト比Ａ（長径／短径）が３未満のもの（Ａ＜３）を、
未溶融または半溶融の粒子とみなし、これの面積率を画
像処理で求めた。残留応力は前述同様にＸ線にて測定し
た。
【００２５】試験結果を図６に示す。図６から理解でき
るように、未溶融または半溶融の粒子の面積率が大きく
なるにつれて、溶射層における圧縮残留応力が増大する
傾向となる。未溶融または半溶融の粒子が占める面積率
が大きいと、凝固収縮量が小さくなる。そのため、凝固
収縮量よりも体積膨張量が大きくなり易く、圧縮残留応
力が増大するものと推察される。
るように、未溶融または半溶融の粒子の面積率が大きく
なるにつれて、溶射層における圧縮残留応力が増大する
傾向となる。未溶融または半溶融の粒子が占める面積率
が大きいと、凝固収縮量が小さくなる。そのため、凝固
収縮量よりも体積膨張量が大きくなり易く、圧縮残留応
力が増大するものと推察される。
【００２６】なおこの試験では、残留応力が１８０ＭＰ
ａの引張であった試験片を除いて、ＨＶＯＦ法により溶
射層を形成した。 面積率と疲労強度との関係 溶射層の厚みを０．５ｍｍに設定した状態で、未溶融ま
たは半溶融の粒子の面積率と試験片の疲労強度との関係
について試験し、試験結果を図７に示す。図７に示すよ
うに、未溶融または半溶融の粒子の面積率が増加するに
つれて、試験片の疲労限が増加する。面積率が２０〜４
０％では疲労限は２５０ＭＰａ程度となる。 面積率と溶射付着効率との関係 未溶融または半溶融の粒子の面積率と溶射付着効率との
関係について試験し、試験結果を図８に示す。図８に示
すように、未溶融または半溶融の粒子の面積率が増加す
るにつれて、溶射粉末の付着効率が低下する傾向があ
る。溶射の際に、未溶融または半溶融の粒子の割合が増
加すれば、溶射される粒子の溶融が不充分となり、被溶
射面に付着しにくくなるからである。 適用例 図９〜図１０は適用例を示す。この例では、ガソリン用
またはディーゼル用の内燃機関に使用するアルミ合金
（Ａｌ−Ｓｉ系）で形成したピストン１には、溶射処理
前にはリング状の溝１１が形成されている。この溝１１
は、傾斜角θ１をもつ傾斜面１１ａと、底面１１ｃとを
もつ。
ａの引張であった試験片を除いて、ＨＶＯＦ法により溶
射層を形成した。 面積率と疲労強度との関係 溶射層の厚みを０．５ｍｍに設定した状態で、未溶融ま
たは半溶融の粒子の面積率と試験片の疲労強度との関係
について試験し、試験結果を図７に示す。図７に示すよ
うに、未溶融または半溶融の粒子の面積率が増加するに
つれて、試験片の疲労限が増加する。面積率が２０〜４
０％では疲労限は２５０ＭＰａ程度となる。 面積率と溶射付着効率との関係 未溶融または半溶融の粒子の面積率と溶射付着効率との
関係について試験し、試験結果を図８に示す。図８に示
すように、未溶融または半溶融の粒子の面積率が増加す
るにつれて、溶射粉末の付着効率が低下する傾向があ
る。溶射の際に、未溶融または半溶融の粒子の割合が増
加すれば、溶射される粒子の溶融が不充分となり、被溶
射面に付着しにくくなるからである。 適用例 図９〜図１０は適用例を示す。この例では、ガソリン用
またはディーゼル用の内燃機関に使用するアルミ合金
（Ａｌ−Ｓｉ系）で形成したピストン１には、溶射処理
前にはリング状の溝１１が形成されている。この溝１１
は、傾斜角θ１をもつ傾斜面１１ａと、底面１１ｃとを
もつ。
【００２７】そして溶射ガン４により、溶射粉末を矢印
Ａ１方向に噴出し、ピストン１の溝１１に溶射層２を積
層し、溶射処理（ＨＶＯＦ処理）した。その後、溶射層
２に切削加工を施し、ピストンリング溝３を形成した。
ピストンリング溝３は、ピストンリングと摺動する摺動
面３１、３２と底面３３とをもつ。この溶射層２に対し
ても前述同様にサブゼロ処理を施すことができる。
Ａ１方向に噴出し、ピストン１の溝１１に溶射層２を積
層し、溶射処理（ＨＶＯＦ処理）した。その後、溶射層
２に切削加工を施し、ピストンリング溝３を形成した。
ピストンリング溝３は、ピストンリングと摺動する摺動
面３１、３２と底面３３とをもつ。この溶射層２に対し
ても前述同様にサブゼロ処理を施すことができる。
【００２８】溝１１の傾斜面１１ａ及び底面１１ｃは拘
束面として機能し得るため、溝１１に積層された溶射層
２は拘束性が高い。そのため、サブゼロ処理により溶射
層２におけるマルテンサイト化が促進されて、溶射層２
における体積膨張量が増加すると、溶射層２における圧
縮残留応力の増加を期待できる。 （他の例）上記した記載から次の技術的思想も把握でき
る。 ○金属部材は拘束面をもち、拘束面付近に溶射層が形成
されていることを特徴とする各請求項に係る疲労強度向
上方法及び部材 ○金属部材本体に溶射層を積層して構成され、溶射層は
圧縮残留応力が存在する部位を有することを特徴とする
疲労強度が向上した金属部材。 ○変態により体積膨張する金属材料と、溝をもつピスト
ンとを用い、前記金属材料を溶射してピストンの溝に溶
射層を積層し、前記溶射層の冷却による収縮よりも、変
態による体積膨張を大きくすることにより、前記溶射層
に圧縮残留応力が存在する部位を形成することを特徴と
するピストンの溝の疲労強度向上方法及びピストン。
束面として機能し得るため、溝１１に積層された溶射層
２は拘束性が高い。そのため、サブゼロ処理により溶射
層２におけるマルテンサイト化が促進されて、溶射層２
における体積膨張量が増加すると、溶射層２における圧
縮残留応力の増加を期待できる。 （他の例）上記した記載から次の技術的思想も把握でき
る。 ○金属部材は拘束面をもち、拘束面付近に溶射層が形成
されていることを特徴とする各請求項に係る疲労強度向
上方法及び部材 ○金属部材本体に溶射層を積層して構成され、溶射層は
圧縮残留応力が存在する部位を有することを特徴とする
疲労強度が向上した金属部材。 ○変態により体積膨張する金属材料と、溝をもつピスト
ンとを用い、前記金属材料を溶射してピストンの溝に溶
射層を積層し、前記溶射層の冷却による収縮よりも、変
態による体積膨張を大きくすることにより、前記溶射層
に圧縮残留応力が存在する部位を形成することを特徴と
するピストンの溝の疲労強度向上方法及びピストン。
【００２９】
【発明の効果】請求項１に係る疲労強度向上方法によれ
ば、溶射層の冷却による収縮よりも変態による体積膨張
を大きくすることにより、溶射層に圧縮残留応力が存在
する部位を形成する。そのため金属部材の疲労強度が改
善される。請求項１に係る疲労強度向上方法によれば、
溶射される金属材料は冷却に伴いマルテンサイト変態す
る組成であるため、溶射層の冷却による収縮よりも、変
態による体積膨張を大きくするのに有利である。そのた
め金属部材の疲労強度を改善するのに有利である。
ば、溶射層の冷却による収縮よりも変態による体積膨張
を大きくすることにより、溶射層に圧縮残留応力が存在
する部位を形成する。そのため金属部材の疲労強度が改
善される。請求項１に係る疲労強度向上方法によれば、
溶射される金属材料は冷却に伴いマルテンサイト変態す
る組成であるため、溶射層の冷却による収縮よりも、変
態による体積膨張を大きくするのに有利である。そのた
め金属部材の疲労強度を改善するのに有利である。
【００３０】請求項１に係る疲労強度向上方法によれ
ば、溶射される金属材料は、重量比で炭素を０．３〜
２．０％を含むＦｅ−Ｃ系を含むため、良好なるマルテ
ンサイト変態が得られる。そのため金属部材の疲労強度
を改善するのに有利である。Ｆｅ−Ｃ系のマルテンサイ
ト相は硬質であるため、溶射層の耐摩耗性の向上も期待
できる。請求項２に係る疲労強度残留オーステナイトの
マルテンサイト化を図る。そのため、マルテンサイト化
が促進され、溶射層の冷却による収縮よりも変態による
体積膨張を大きくするのに有利である。そのため金属部
材の疲労強度を改善するのに有利である。
ば、溶射される金属材料は、重量比で炭素を０．３〜
２．０％を含むＦｅ−Ｃ系を含むため、良好なるマルテ
ンサイト変態が得られる。そのため金属部材の疲労強度
を改善するのに有利である。Ｆｅ−Ｃ系のマルテンサイ
ト相は硬質であるため、溶射層の耐摩耗性の向上も期待
できる。請求項２に係る疲労強度残留オーステナイトの
マルテンサイト化を図る。そのため、マルテンサイト化
が促進され、溶射層の冷却による収縮よりも変態による
体積膨張を大きくするのに有利である。そのため金属部
材の疲労強度を改善するのに有利である。
【００３１】
【図１】試験片の正面図である。
【図２】溶射層を形成した試験片の疲労試験の結果を示
すグラフである。
すグラフである。
【図３】溶射層を形成していない試験片の疲労試験の結
果を示すグラフである。
果を示すグラフである。
【図４】溶射層を形成した試験片の疲労限と溶射層の厚
みとの関係を示すグラフである。
みとの関係を示すグラフである。
【図５】サブゼロ処理を実行する前と実行した後におけ
る試験片の疲労限を示すグラフである。
る試験片の疲労限を示すグラフである。
【図６】未溶融または半溶融の粒子の面積率と残留応力
との関係を示すグラフである。
との関係を示すグラフである。
【図７】未溶融または半溶融の粒子の面積率と試験片の
疲労限との関係を示すグラフである。
疲労限との関係を示すグラフである。
【図８】未溶融または半溶融の粒子の面積率と溶射付着
効率との関係を示すグラフである。
効率との関係を示すグラフである。
【図９】ピストンの溝に溶射層を形成する際の工程図で
ある。
ある。
【図１０】ピストンの溝に形成した溶射層付近の断面図
である。
である。
図中、１はピストン（金属部材）、２は溶射層を示す。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 中野 敬章
愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地 アイ
シン精機株式会社内
(72)発明者 恒川 浩一
愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地 アイ
シン精機株式会社内
(56)参考文献 特開 平７−62519（ＪＰ，Ａ)
特開 昭56−169766（ＪＰ，Ａ)
特開 昭56−102574（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−107754（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−79718（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−185826（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−111856（ＪＰ，Ａ)
国際公開96／9421（ＷＯ，Ａ１)
溶射便覧，日刊工業新聞社，1964年
５月31日，第912〜914頁
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C23C 4/00 - 4/18
C21D 7/00
Claims (3)
- 【請求項１】重量比で炭素を０．３〜２．０％を含むと
共に冷却に伴いマルテンサイト変態する組成を有し変態
により体積膨張するＦｅ−Ｃ系の溶射材料を含む金属材
料を用い、 前記金属材料を溶射して、アルミ合金またはマグネシウ
ム合金で形成された金属部材の表面に溶射層を積層し、
前記溶射層の冷却による収縮よりも、変態による体積膨
張を大きくすることにより、前記溶射層に圧縮残留応力
が存在する部位を形成し、前記溶射層においてアスペクト比（長径／短径）が３未
満の粒子を、溶射時における未溶融または半溶融の粒子
とみなしたとき、未溶融または半溶融の粒子とみなされ
た粒子は、前記溶射層において面積率で２０〜４０％に
設定されており、 前記金属部材の疲労強度を向上させることを特徴とする
金属部材の疲労強度向上方法。 - 【請求項２】請求項１において、溶射後に前記溶射層に
対してサブゼロ処理を実行し、前記溶射層における残留
オーステナイトのマルテンサイト化を図ることを特徴と
する金属部材の疲労強度向上方法。 - 【請求項３】請求項１または請求項２のいずれかにおい
て、前記溶射層の厚みは１００〜５０００μｍであり、
溶射される前記金属材料は、鉄系粉末とアルミ合金とが
混合した混合粉末で構成されていることを特徴とする金
属部材の疲労強度向上方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07606697A JP3383179B2 (ja) | 1997-03-27 | 1997-03-27 | 金属部材の疲労強度向上方法及び疲労強度が向上した金属部材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07606697A JP3383179B2 (ja) | 1997-03-27 | 1997-03-27 | 金属部材の疲労強度向上方法及び疲労強度が向上した金属部材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10265932A JPH10265932A (ja) | 1998-10-06 |
| JP3383179B2 true JP3383179B2 (ja) | 2003-03-04 |
Family
ID=13594415
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07606697A Expired - Fee Related JP3383179B2 (ja) | 1997-03-27 | 1997-03-27 | 金属部材の疲労強度向上方法及び疲労強度が向上した金属部材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3383179B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6246666B2 (ja) | 2014-06-11 | 2017-12-13 | 日本発條株式会社 | 積層体の製造方法 |
-
1997
- 1997-03-27 JP JP07606697A patent/JP3383179B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 溶射便覧，日刊工業新聞社，１９６４年 ５月３１日，第９１２〜９１４頁 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10265932A (ja) | 1998-10-06 |
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