JP3744173B2

JP3744173B2 - 再溶融処理方法およびその装置

Info

Publication number: JP3744173B2
Application number: JP01837198A
Authority: JP
Inventors: 真司山本
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2018-01-30
Also published as: JPH11216572A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳造品等のワークを対象にして、局部的に厳しい熱的環境に晒される部分をプラズマアークやＴＩＧアーク等の高密度エネルギーで一瞬にして溶融させた後、その溶融部分を急冷して凝固させることにより、組織を微細にして熱疲労強度を増大させるという目的のために用いられる再溶融（リメルト）処理方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の再溶融処理方法およびその装置として、アルミニウム製のエンジン用シリンダヘッドをワークとして、その吸排気孔間の弁間部の局部的表面層に対する再溶融処理方法が知られている（例えば、特開平８−１５８０２６号公報参照）。このものでは、再溶融処理した弁間部の両側部位と吸排気孔との角部から溶融金属が垂れてしまう肩だれや溶け落ちの発生を防止するために、再溶融処理対象の弁間部を最終形状のものよりも予め幅広く形成し、再溶融処理後に切削して弁間部の幅を最終形状と同一にすることを行うようにしている。すなわち、図５に示すように、まず、上記吸排気孔１１，１２として最終口径Ｒのものよりもかなり小径の仮孔１１′，１２′を有するシリンダヘッド１′を鋳造して上記の互いに隣接する２つの仮孔１２′，１２′、１１′，１２′の各間の部分１３′，１４′を再溶融処理し、再溶融処理後に、各仮孔１１′，１２′の内周面を切削により拡径加工して最終口径Ｒの吸排気孔１１，１２，１２を形成するという方法が採られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、再溶融処理した部分の深さ（リメルト深さ）が深い程、ワークの有する割れもしくはクラックの発生に対する感受性を低くすることができる。すなわち、熱疲労強度上、割れの生じにくいワークにすることができる。
【０００４】
ところが、上記従来の再溶融処理方法およびその装置においては、上記リメルト深さの確保は図り得るものの、吸引排気孔１１，１２を形成するために再溶融処理後に仮孔１１′，１２′の内周面側からかなりの肉厚部分（図５にｄで示す部分）を仮孔１１′，１２′の内周面全体にわたり切削加工する必要があり、このため、その切削加工に大幅に手間とコストを要することになる。
【０００５】
一方、上記の切削加工を省略するために、当初から最終口径の吸排気孔を形成しておき、その弁間部に対し再溶融処理する場合には、上記の肩だれを防止するために、リメルト電流及び再溶融処理速度を制御することにより入熱量を上記肩だれが生じない程度に下げてやる必要がある。しかし、入熱量の低下に伴いリメルト深さが図６にｈで示すように浅くなり（低減化し）、所定の熱疲労強度を確保し得ないものになってしまう。
【０００６】
逆に、上記リメルト深さを図６に一点鎖線で示す位置まで深くしようとすると、ワークに対する再溶融処理時の入熱量を増大させて広く溶融させる必要が生じることになる。しかし、入熱量を増大させて深くしようとすると溶融池がトーチの進行方向に対し幅方向にも広がり、肩だれ量が増加する。特に、上記の弁間部の如き幅がかなり狭い部分に対する再溶融処理の場合には、図７に示すように重力の影響及び表面張力の影響を受けて溶融池の両肩部８１，８１に肩だれ、ひいては溶け落ちが生じその部分の肉が欠けて欠肉部８２，８２が生じることになる。そして、欠肉部８２，８２が生じると不良品となり、上記の切削加工の手間以上に不都合を生じることになる。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上記の弁間部の如く角部を有する処理部分に対し再溶融処理する場合に、リメルト深さを確保しつつ肩だれに起因する欠肉部の発生を防止して、大幅な切加工を必要とすることなく再溶融処理を可能とすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、再溶融処理方法に係る第１の発明は、角部を有する処理対象物に対し、高密度エネルギーを印加して上記角部を含む処理部分を再溶融した後に冷却させる再溶融処理を行う再溶融処理方法を対象とし、上記処理部分に肉盛りするための粉体を供給する粉体供給手段を用い、この粉体供給手段から粉体を上記処理部分の幅方向中心位置から角部側にずらせた偏心位置に向けて供給しつつ、高密度エネルギーを上記幅方向中心位置に向けて印加して上記処理部分の再溶融処理を行うようにすることを基本構成とするものである。ここで、上記「高密度エネルギーの印加」は、例えばプラズマアーク、ＴＩＧアーク、レーザービーム、もしくは、電子ビームを印加することにより行えばよい。また、「角部を有する処理対象物」としては、上記のシリンダヘッドの弁間部のほかに、例えばエンジンの点火プラグ孔周りや、キャビティ内に角部を有する各種成形型等が挙げられる。さらに、粉体供給手段により供給する「粉体」は、処理対象物に応じて、または、再溶融処理の目的に応じて定めればよく、例えば上記弁間部の場合にはシリンダヘッドと同等材質のものを、また、再溶融処理の目的が耐摩耗性にあるならば耐摩耗性に優れた材質のものを用いればよい。
【０００９】
上記の構成の場合、高密度エネルギーの印加が処理部分の幅方向中心位置に向けて行われる一方、粉体供給手段からの粉体の供給が上記中心位置よりも角部側の偏心位置に向けて行われることになる。上記高密度エネルギーの印加による溶融熱は、印加方向である中心位置に比べ角部側の方が低くなる上に、その角部側の偏心位置に対し新たな粉体が順次供給されることになるため、上記高密度エネルギーの印加に伴い形成される溶融池においては、角部側の凝固が促進されその幅方向中心位置よりも角部側の方がより早く凝固し始めることになる。このため、上記角部側の部位の凝固速度が早くなる程、溶融地の角部側から垂れ落ちる時間が短くなり、その結果、肩だれの発生が抑制されることになる。その上に、上記角部側の偏心位置には粉体が連続して供給されているため、その供給位置に対し母材の溶融池による凝固に加えて上記供給された粉体による肉盛りが形成されることになる。このため、リメルト深さを確保し得る高密度エネルギーの印加を行っても、角部側からの肩だれを抑制し得る上に、その角部側への肉盛りの形成により肩だれに起因する欠肉部を補充して欠肉部の発生を確実に防止し得る。
【００１０】
従って、例えば弁間部を処理部分とする場合には弁口（吸排気孔）として当初から最終口径に形成したシリンダヘッドに対し上記の再溶融処理を行うことができ、これにより、予め小径の仮孔を形成して再溶融処理後に切削加工するという手間を省略して省力化及び製造コストの低減化が図られる。また、上記の弁間部を処理部分とする場合には、角部が弁間部の幅方向両側に存在するため、高密度エネルギーを印加するトーチの両側位置に粉体供給手段をそれぞれ配設し、これらの粉体供給手段から上記弁間部の両角部に向けて粉体を供給することにより、両側の角部側について上記の作用が得られることになる。
【００１１】
上記の第１の発明を実施するための再溶融処理装置に係る第２発明は、角部を有する処理対象物に対し、高密度エネルギーを印加して上記角部を含む処理部分を再溶融処理する再溶融処理装置を対象とし、高密度エネルギーを上記処理部分の幅方向中心位置に向けて印加するトーチと、上記処理部分の肉盛りのための粉体を上記処理部分の幅方向中心位置から角部側にずらせた偏心位置に向けて供給する粉体供給手段とを備える構成とするものである。
【００１２】
上記の構成の場合、第１の発明による再溶融処理方法を確実に実施することが可能になる。さらに、粉体供給手段をトーチの進行方向に直交する幅方向両側位置の処理部分に対し供給するように配設することにより、例えば上記の弁間部の如く幅方向両側にそれぞれ角部を有するような処理部分に対しても上記の再溶融処理方法を確実に実施することが可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００１４】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る再溶融処理方法を実施するための再溶融処理装置を示し、１は処理対象物としてのシリンダヘッド、２はプラズマアーク３を印加するためのトーチとしてのタングステン電極、４はこのタングステン電極２の周囲に外挿されたノズル、５，５は肉盛り用粉体６を供給する粉体供給手段の一部を構成する一対の粉体供給孔である。
【００１５】
上記シリンダヘッド１の上面には、図２にも示すように弁口としての２つの吸気ポート１１，１１と、同じく弁口としての２つの排気ポート１２，１２とが開口されており、互いに隣接する２つのポート間の隔壁部が弁間部１３，１４，１４，１５とされている。上記各吸気ポート１１及び各排気ポート１２は共に最終口径（例えば排気ポートについては半径Ｒ）を有するように再溶融処理前に予め形成されている。そして、特に、両排気ポート１２，１２間の弁間部１３と、吸気ポート１２及び吸気ポート１１間の一側の弁間部１４とを含み、一側の排気ポート１２をコの字状に囲むような軌跡Ｐに沿った部分が再溶融処理対象の処理部分１６とされている。
【００１６】
上記タングステン電極２は、上記各弁間部１３，１４の頂面１３１に対し正対し、かつ、その中心軸Ｘが上記頂面１３１の幅方向Ｙの中心位置１３２に対し延長線上に位置付けられて、上記中心位置１３２に向けてプラズマアーク３を印加するように配設される。なお、図１には各弁間部１３，１４の内の一方の弁間部１３側についてのみ示すが、他方の弁間部１４についても図１と同様である。以下の説明においても同様である。
【００１７】
上記一対の粉体供給孔５，５は、上記各弁間部１３，１４に対し幅方向Ｄ両側位置に位置付けられるようになっており（図３参照）、上記ノズル４の周壁部を貫通して形成されている。そして、上記一対の粉体供給孔５，５の各先端側部分５１から開口５２までが上記各弁間部１３，１４の幅方向Ｙ両側の角部１３３，１３３側の偏心位置に向けて延びるように斜めに傾斜され（図１の軸線Ｓ参照）、これにより、上記両粉体供給孔５，５の各開口５２から各弁間部１３，１４の両角部１３３，１３３のそれぞれに向けて粉体６が供給されるようになっている。この場合の粉体６は、上記シリンダヘッド１の母材と同じ材質もしくは同等材質のものが用いられる。例えば、上記シリンダヘッド１がアルミニウム製であればその母材と同じ材質（例えばＡＣ４Ｄ材：ＪＩＳＨ５２０２）の粉末が用いられ、鋳鉄製であればその母材と同じ材質の粉末が用いられる。
【００１８】
上記各粉体供給孔５の上流側は図示省略の粉体供給ガス源及び粉体供給源と接続され、粉体供給ガス源からの不活性ガス（例えばＡｒ）の流量と、上記粉体供給源のホッパローラの速度とにより供給量制御が行われるようになっている。これらを含めて粉体供給手段が構成される。
【００１９】
次に、上記構成の再溶融処理装置を用いて上記処理部分１６に対する再溶融処理の手順について図２に基づいて説明する。
【００２０】
まず、処理部分１６の始点位置１６１から上記タングステン電極２によるプラズマアーク３の印加を開始し、そのタングステン電極２をノズル４と共に軌跡Ｐに沿って連続移動させていく。この時には両粉体供給孔５，５からの粉体６の供給は行わない。そして、弁間部１３に近付いたら所定位置から上記両粉体供給孔５，５から粉体６の供給を開始しその粉体６を供給しながら上記タングステン電極２及びノズル４を移動させていき、上記弁間部１３を通過した後の所定位置で上記粉体６の供給を停止する。さらに上記軌跡Ｐに沿って移動していって、弁間部１４に近付いたら所定位置から再び上記粉体６の供給を開始し、上記と同様に弁間部１４を通過した後の所定位置で粉体６の供給を停止する。そして、粉体６の供給を停止した状態でタングステン電極２からのプラズマアーク３の印加を続けながら移動し、終点位置１６２に到達すれば上記タングステン電極２によるプラズマアーク３の印加と移動とを共に停止して再溶融処理を終了する。上記の両弁間部１３，１４近傍での粉体６の供給範囲は、図２に一点鎖線のハッチングにより図示した範囲である。
【００２１】
上記の各弁間部１３，１４の各範囲において、粉体６を供給しながらプラズマアーク３の印加を行うことにより、図１に示すように、弁間部１３の頂部が溶融され、その後、シリンダヘッド１の有する自己冷却機能によりその溶融部が急冷されて凝固部７が形成されることになる。この凝固部７は、粉体６の供給なしに上記プラズマアーク３の印加のみの場合の形状（同図に８で示す一点鎖線参照）と比べ、粉体６の供給を受けた幅方向Ｙの両側肩部に肉盛り部７１，７１が形成されることになる。そして、この両肉盛り部７１，７１の形成により、凝固部７の両側肩部は各弁間部１３，１４の本来の両角部１３３，１３３よりも上方及び外側方に膨出した形状になる。
【００２２】
そして、このような凝固部７の形成の後、各弁間部１３，１４の頂面１３１及び両側面１３４からはみ出した部分の凝固部７が切削されて最終の弁間部１３，１４とされる。
【００２３】
このような再溶融処理方法によれば、幅がかなり狭い各弁間部１３，１４の頂部に対し欠肉部を生じることなく所定のリメルト深さを確保することができる。加えて、再溶融処理前のワークであるシリンダヘッド１として最終口径を有する各ポート１１，１２が形成されたものを用い、再溶融処理後は凝固部７のみを所定形状に整える切削加工だけで済むことになる。従って、再溶融処理前に最終口径よりもかなり小径のポートにしておき再溶融処理後に最終口径まで拡径する場合と比べ本再溶融処理方法では切削加工における削り代が極端に少なくすることができる。さらに、上記削り代に影響を与える肉盛り部７１，７１は粉体６の供給量を調整することにより低減調整することが可能であるため、不要な余盛りをなくして上記削り代を可及的に低減させることができる。
【００２４】
なお、図１にＴで示す軸線は粉体供給孔をタングステン電極２の中心軸Ｘの延長線と各弁間部１３，１４の幅方向中心位置１３２との交点に向けて配設し、その交点に向けて粉体を供給する場合を示すものであるが、この場合には粉体による余盛りが凝固部７の幅方向Ｙ中心位置に形成されてこの中心位置の肉が盛り上がるだけで、両側肩部での肩だれは抑制できない上に、その両側肩部に欠肉部が生じてしまうことになる。
【００２５】
＜第２実施形態＞
図４は本発明の第２実施形態に係る再溶融処理方法及び再溶融処理装置を示し、この第２実施形態は一側にのみ角部９１を有する処理部分９を対象として再溶融処理を行う場合についてのものである。このような処理部分９は、例えば孔縁部の角部、もしくは、成形型のキャビティ内面に設けられる凹段部等において現れる。
【００２６】
この第２実施形態で用いる再溶融処理装置としては、タングステン電極２の周囲を囲むノズル４′に対し粉体供給孔５′を１つのみ設ける。この粉体供給孔５′は、タングステン電極２の中心軸Ｘの延長線と上記処理部分９の上面との交点位置よりも角部９１側の偏心位置に向けて延びるように配設され、これにより、上記粉体供給孔５′からの粉体６から上記角部９１側の偏心位置に向けて供給されるようになっている。
【００２７】
そして、上記粉体供給孔５′から粉体６を所定量ずつ連続して供給しつつ、タングステン電極２によりプラズマアーク３を印加して上記角部９１に平行に移動させることにより、上記角部９１に対応する肩部位置に肉盛り部１０１を有する凝固部１０が形成されることになる。そして、上記凝固部１０の内の本来の形状線からはみ出した部分を切削することにより仕上げられる。
【００２８】
この第２実施形態の場合にも、肩だれに伴う欠肉部を生じることなく所定のリメルト深さを確保することができる。
【００２９】
なお、図４に８で示す一点鎖線の形状線は上記粉体６を供給を行うことなくむプラズマアーク３の印加のみを行った場合の凝固部の形状わ示すものである。この場合には、角部９１に対応する部分に肩だれが生じ欠肉部が発生することになる。特に、第２実施形態の処理部分９の如く一側のみに角部９１を有する場合には溶融熱の周囲への放散に一側と他側とで違いがあり、角部９１が過溶融し易くなり、欠肉部が生じ易くなる。この欠肉部の生じ易い部位に粉体６が供給されて肉盛り部１０１が形成されることにより上記の欠肉部の発生が確実に防止されることになる。
【００３０】
また、図４中４１はノズル４の先端開口部の他側（同図の右側）部分をすり鉢状に拡径させた部分テーパ開口部、４２は上記ノズル４の先端開口部の他側部分を上方に後退させたカット部であり、いずれも、タングステン電極２から印加されるプラズマアーク３（同図に一点鎖線で示すプラズマアーク３参照）を角部９１とは反対側である他側に広がらせるためのものである。すなわち、上記テーパ開口部４１の形成によって、ガス流速が下げられて上記プラズマアーク３が図面の右側に広がって非対称形状になり、また、上記カット部４２の形成によって、タングステン電極２の先端部位に対するノズル４のウォール効果が右側部分のみ弱くなり、その結果、上記プラズマアーク３が右側に広がって非対称形状になるものである。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜３記載の第１の発明における再溶融処理方法によれば、粉体供給手段からの粉体を処理部分の幅方向中心位置よりも角部側の偏心位置に向けて供給するようにしているため、その角部側の凝固を促進するとともに、その角部側に肉盛り部を形成することができる。このため、リメルト深さを確保し得る高密度エネルギーの印加を行っても、角部側からの肩だれを抑制することができる上に、その角部側への肉盛りの形成により肩だれに起因する欠肉部を補充して欠肉部の発生を確実に防止することができる。
【００３２】
従って、例えば弁間部を処理部分とする場合には弁口（吸排気孔）として当初から最終口径に形成したシリンダヘッドに対し上記の再溶融処理を行うことができ、これにより、予め小径の仮孔を形成して再溶融処理後に切削加工するという手間を省略して省力化及び製造コストの低減化を図ることができる。
【００３３】
請求項４、５記載の第２の発明における再溶融処理装置によれば、第１の発明による再溶融処理方法を確実に実施することができる上に、粉体供給手段をトーチの進行方向に直交する幅方向両側位置の処理部分に対し供給するように配設することにより、例えば上記の弁間部の如く幅方向両側にそれぞれ角部を有するような処理部分に対しても上記の再溶融処理方法を確実に実施することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図２のＢ−Ｂ線における第１実施形態の縦断面説明図である。
【図２】シリンダヘッドの平面説明図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線における断面図である。
【図４】第２実施形態の縦断面説明図である。
【図５】従来の再溶融処理方法を説明するための図２対応図である。
【図６】リメルト深さが浅い再溶融処理の状態を示す断面図である。
【図７】リメルト深さが深い再溶融処理の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
２タングステン電極（トーチ）
３，３′ プラズマアーク（高密度エネルギー）
４，４′ ノズル
５，５′ 粉体供給孔（粉体供給手段）
６粉体
９処理部分
１１吸気ポート（弁口）
１２排気ポート（弁口）
１３，１４弁間部（処理部分）
１６処理部分
９１角部
１３２幅方向中心位置
１３３角部

Claims

角部を有する処理対象物に対し、高密度エネルギーを印加して上記角部を含む処理部分を再溶融した後に冷却させる再溶融処理を行う再溶融処理方法であって、
上記処理部分に肉盛りするための粉体を供給する粉体供給手段を用い、
この粉体供給手段から粉体を上記処理部分の幅方向中心位置から角部側にずらせた偏心位置に向けて供給しつつ、高密度エネルギーを上記幅方向中心位置に向けて印加して上記処理部分の再溶融処理を行うようにする
ことを特徴とする再溶融処理方法。
請求項１において、
粉体供給手段から供給する粉体として、処理対象物の母材と同等材質のものを用いるようにする
ことを特徴とする再溶融処理方法。
請求項１において、
処理部分として、エンジンのシリンダヘッドの互いに隣接する２つの弁口により挟まれた弁間部の頂部部分に適用する
ことを特徴とする再溶融処理方法。
請求項３において、
粉体供給手段を、高密度エネルギーを印加するトーチの両側位置にそれぞれ配設し、
弁間部の両側の弁口により構成される両角部に向けて上記各粉体供給手段から粉体を供給するようにする
ことを特徴とする再溶融処理方法。
角部を有する処理対象物に対し、高密度エネルギーを印加して上記角部を含む処理部分を再溶融処理する再溶融処理装置であって、
高密度エネルギーを上記処理部分の幅方向中心位置に向けて印加するトーチと、
上記処理部分の肉盛りのための粉体を上記処理部分の幅方向中心位置から角部側にずらせた偏心位置に向けて供給する粉体供給手段と
を備えている
ことを特徴とする再溶融処理装置。
請求項５において、
粉体供給手段は、上記トーチの進行方向に直交する幅方向両側位置の処理部分に対し粉体を供給するように配設されている
ことを特徴とする再溶融処理装置。