JP3859970B2 - 鋼製の部材に耐摩耗性を有する表面を形成する方法およびこのような部材を少なくとも１つ有して成る装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発明の第一の概念によれば、鋼製の部材に耐摩耗性を有する表面を設ける方法に関し、さらなる発明の概念によれば、少なくとも部分的に耐摩耗性を有する表面が設けられた鋼製の部材を少なくとも１つ有して成る装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固い表面を形成するために鋼製の部材の表面側を硬化させることは周知であるが、表面を硬化させるには手間のかかる熱処理が必要であり、これには熟練が要求される。しかもこのような処理によって実現可能な硬度はおよそ十分とは言い難い。さらなる不利点は、表面側を硬化させる場合には比較的小さな深度でしか硬化が実現できず、剥離する恐れが大きく、従って比較的短い寿命しか得られないということである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の点から本発明の課題は上記のような類の方法および装置を容易かつ廉価な手段を用いて改良し、耐摩耗性を有する領域の硬度と厚みを大きくするとともに、確実に固着させ、容易に製造できるものとすることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記の課題は本発明に係る方法により、鋼製の母材に鋼よりも硬い中間層およびさらに硬い外部層が形成されるように、アルミニウム青銅から成る複数の層形成体を順次、上下に重なるように溶着させることによって解決され、また、本発明に関する装置により、耐摩耗性を有する表面を形成するために、保護コーティングが設けられていることによって解決される。この保護コーティングは、鋼製の母材にアルミニウム青銅から成る複数の、好適には２つの層形成体を上下に重なるように溶着させて形成されている。
【０００５】
アルミニウム青銅はうまい具合に溶接によって溶着され、驚くべきことに、この溶着されたアルミニウム青銅の外側の層形成体の方が、内側の層形成体よりも硬いことが明らかにされている。２つの層形成体を上下に重なるように溶接させたものを用いて行った実験では、内側の層形成体で３００〜４００ＨＶの硬度が得られたのに対して、外側の層形成体では５００〜６００ＨＶというはるかに大きな硬度が得られた。このような結果から自ずと比較的硬い外部層と、外部層よりは柔らかいが、硬度が１００〜２００ＨＶである鋼製の母材に対して、鋼よりも依然として硬い中間層とがうまく形成されることになる。従って母材と耐摩耗性を有する外部層との硬度の差は一度にではなく、何段階かを経て解消されることが確実となり、表面に平行に働く剪断力、および、表面に垂直に働く横力は、上手い具合に確実に母材に伝達される。これにより剥離防止に対する信頼性が高まり、外部層の硬度が大きいことによって保証される寿命の長さが十分活かされる結果となる。すなわち、本発明による手段により、好適に全体的な経済効率が確実に高くなる。
【０００６】
上位の請求項に記載の手段の好適な形態や目的に適ったさらなる発展態様は下位請求項に記載されている。特に好適である形態は、アルミニウム青銅から成る層形成体を溶着させる前に、その都度、目下の被溶接材料を炉で予熱するものである。予熱することにより、下側または上側の層形成体の硬度は増大する。このようにして所望の硬度を個々の場合の条件に合わせて個別に適応させるための簡単な方法が可能となる。
【０００７】
特に好適であるのは予熱の温度が３５０℃である場合であった。この場合、母材の構造を変えることなく最適な硬度が得られる。
【０００８】
実現可能な硬度を個々の場合の条件に適合させるさらなる方法は、使用されるアルミニウム青銅の組成を好適に変化させるものである。特に大きな硬度を実現しなければならない場合は、１３％〜１６％のAl、４％〜５％のFe、０．２％〜０．８％のSi、１％〜２％のMn、最大で０．２％のC、残りの成分としてCuを含むアルミニウム青銅が好適に用いられる。８％〜１１％のAl、４％〜６％のNi、３％〜５％のFe、１％〜２％のMn、そして、残りの成分としてCuを含むアルミニウム青銅を使用すると、硬度はより小さくなる。このようにして外側の層形成体、及び／又は下側の層形成体の硬度を個々の場合の要求に適合させることができる。
【０００９】
大抵の場合は、保護コーティングを形成する全ての層形成体が同一のアルミニウム青銅から成るのが望ましい。このように形成すると製造が容易となり、上下に重ねて設けられた層形成体と層形成体の間の一様な接合が得られる。
【００１０】
さらなる好適な手段として、慣らし運転時の特性を良好にするために、外側の、アルミニウム青銅から成る耐摩耗性を有する層形成体に、MoS₂などから成る迅速に摩耗する被覆層を設けてもよい。このような慣らし運転層は慣らし運転段階で自ずから消失するものであるが、それによって、アルミニウム青銅から成る外側の硬い耐久層が確実に一定の慣らし運転時間をおいてから露出され、効果を発揮することになり、長い寿命を実現する上で有利な効果を及ぼす。
【００１１】
【発明の実施の形態】
上位の請求項に記載された手段のさらなる有効な形態および目的に適った発展態様は、残りの従属請求項に記載され、以下に説明する実施の形態において図面に基づいて詳細に記載される。
【００１２】
本発明は、鋼から成る構成部材が、その表面に、硬度が１００〜２００ＨＶの鋼の硬さを上回るような硬さを有する保護コーティングを必要とする場所であれば、どんな所にも応用できる。そのような例としてピストンリング、クロスヘッドガイドなど、大きな負荷を受ける走行面を有するエンジンの種々の構成部材が挙げられる。母材よりも硬い保護コーティングを用いることにより、摩耗の速度を減少させて寿命を増大させる必要がある。そのため、負荷を受ける表面の硬度をできるだけ大きくするとともに、母材との接着をできるだけ良好に行うことが求められる。
【００１３】
図１に示す２サイクル大型ディーゼルエンジンのフレームの部分図には、クロスヘッド１の側面に設けられた２つの支持壁２が示されている。クロスヘッド１の側方には、ガイドシュー３が設けられ、ガイドシュー３の両端部には、互いに背反する支持面を有するガイド板４が設けられている。ガイド板４は、フレーム側に設けられていて、互いに対向する走行面を有するガイドレール５上を動く。
【００１４】
ガイド板４およびガイドレール５は母材として通常の鋼から成り、これらの部材の対向的に設けられた走行面の領域に、保護コーティング６が設けられている。保護コーティングは鋼よりも大きな硬度を有するので、寿命は確実に長くなる。軸受ブシュ、ピストンリングなど、同様の負荷を常時受けるその他の鋼から成る部材にも当然、このような保護コーティングを設けることができる。
【００１５】
保護コーティング６は、アルミニウム青銅から成り、図２が明瞭に示す通り、鋼から成る母材７に順次、望ましくは溶接によって溶着され、上下に重ねて設けられた２つの層形成体８，９から形成される。鋼の硬度は通常１００〜２００ＨＶであり、アルミニウム青銅の硬度は通常２００ＨＶの値を取る。鋼からなる母材７に最初に溶接される下側の層形成体８は、驚くべきことにすでにおよそ３００〜４００ＨＶの硬度を有している。２番目の外側の層形成体９では、驚いたことにこれよりはるかに大きな５００〜６００ＨＶの硬度が得られる。このことから外側の層形成体９は、耐摩耗性を有する耐久層として特に好適であり、このような耐久層は運転条件が過酷な場合でも確実に長い寿命を実現する。
【００１６】
一定の慣らし運転段階を経てから、初めて非常に硬い耐久層が効果を発揮するならば非常に好適である。このような場合には、外側の層形成体９に比較的速く摩耗するMoS₂などの材料から成る慣らし運転層１０を設けることができる。慣らし運転層は、慣らし運転段階の間に自ずから消失するため、図２の右方に示す通り、アルミニウム青銅から成り、大きな硬度を有する外側の層形成体９が続いて使用に供される。
【００１７】
小さい方の硬度を有する下側の層形成体８は実際には非常に硬い外側の層形成体９とこれに対して比較的柔らかい母材７とをつなぐ中等度の硬さの結合層の働きをしている。これによって外側の層形成体９と母材７との間で硬度が段階的に調整されるとともに、内側の層形成体８は硬度がより小さいために靱性および衝撃強さはより大きくなるので、矢印１１，１２によって示されるように表面に平行に働く剪断力と表面に垂直に働く横力が上手く受け止められて母材７に伝達される。図に示す実施形態では、上下に重ねて溶接された層形成体８，９の厚みは等しい。これらの層形成体の厚みはおよそ１．５ｍｍとすることができる。これ以外の厚みにすることも、層形成体８，９の厚みを異なるものにすることも当然可能である。本実施形態に係る上下に重ねて溶接された２つの層形成体８，９を有する構成が特に好適であることが明らかであるとはいえ、２つ以上の層形成体を上下に重ねて溶接することも考えることができよう。
【００１８】
層形成体８，９の製造には８％〜２５％のAl、ならびに、Sb, Co, Be, Cr, Sn, Mn, Si, Cd, Zn, Fe, Ni, Pb およびCのうち少なくとも１つの成分をそれぞれ０．２％〜１０％、および残りの成分としてCuを含むアルミニウム青銅が好適に使用される。一方、及び／又は、他方の層形成体８，９が特に大きな硬度を有することが望まれる場合は、１３％〜１６％のAlと、４％〜５％のFe、０．２％〜０．８％のSi、１％〜２％のMn、最大でも０．２％のC、残りの成分としてCuを含むアルミニウム青銅が好適に使用される。一方、及び／又は、他方の層形成体８，９がやや小さ目の硬度を有することが望まれる場合は８％〜１１％のAl、４％〜６％のNi、３％〜５％のFe、１％〜２％のMn、残りの成分としてCuを含むアルミニウム青銅が使用される。個々の場合に応じてそれぞれの層形成体８，９に対し、それぞれ好適なアルミニウム青銅を使用すればよいが、通常は２つの層形成体８，９に対して同一のアルミニウム青銅を使用するのが好適である。
【００１９】
層形成体８，９は、上述したように、溶接工程を通じて母材上にもたらされうるものである。溶接の際にはアーク放電、またはレーザー光線、またはガス焔が用いられる。
【００２０】
実現可能な硬度を増大させるために、アルミニウム層を設ける前に、その都度、目下の被溶接部材を予熱してもよい。すなわち、下側の層形成体８を設ける前に母材７を、また、２番目の層形成体９を設ける前に、このように被覆された中間生成品を予熱してもよい。予熱は好ましくは炉で行われ、およそ３５０℃の予熱温度が特に好適であることが判明している。
【図面の簡単な説明】
【図１】２サイクル大型ディーゼルエンジンのクロスヘッドガイドの一部を示す図である。
【図２】図１の保護コーティングが施された部分を拡大して示す図である。
【符号の説明】
６・・・保護コーティング
７・・・母材
８・・・層形成体（中間層を形成する層形成体）
９・・・層形成体（外部層を形成する層形成体）
１０・・・慣らし運転層

Claims (7)

1. 鋼から成る部材に耐摩耗性を有する表面を設けるための方法であって、
   鋼から成る母材（７）に、鋼よりも硬い中間層とさらに硬い外部層を有する保護コーティング（６）を形成するために、アルミニウム青銅から成る２つの層形成体（８，９）を上下に重なるように順次溶着し、
   内側層に対して８％−１１％の Al と、４％−６％の Ni 、３％−５％の Fe 、１％−２％の Mn 、残りの成分として Cu を含むアルミニウム青銅が設けられ、外側層に対して１３％−１６％の Al と、４％−５％の Fe 、０．２％−０．８％の Si 、１％−２％の Mn 、最大でも０．２％の C 、残りの成分として Cu を含むアルミニウム青銅が設けられることを特徴とする方法。
2. 前記保護コーティング（６）を形成する層形成体（８，９）を溶接することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記保護コーティング（６）の各層形成体（８または９）を設ける前に、その都度被溶接材料を好ましくは炉において予熱することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. およそ３５０℃で予熱を行なうことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 鋼から成る部材を少なくとも１つ有し、前記部材には、少なくとも部分的に耐摩耗性を有する表面が設けられて成る装置であって、
   前記耐摩耗性を有する表面を形成するために保護コーティング（６）が設けられ、該保護コーティングは、鋼から成る母材（７）に、アルミニウム青銅から成る２つの層形成体（８，９）が互いに重なるように溶着されて成り、
   内側層に対して８％−１１％の Al と、４％−６％の Ni 、３％−５％の Fe 、１％−２％の Mn 、残りの成分として Cu を含むアルミニウム青銅が設けられ、外側層に対して１３％−１６％の Al と、４％−５％の Fe 、０．２％−０．８％の Si 、１％−２％の Mn 、最大でも０．２％の C 、残りの成分として Cu を含むアルミニウム青銅が設けられることを特徴とする装置。
6. 前記母材の近く設けられた層形成体（８）の硬度は３００〜４００ＨＶとされるとともに、前記表面側に設けられた層形成体（９）の硬度は５００〜６００ＨＶとされていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 新品の状態において、アルミニウム青銅から成る前記外側の層形成体（９）に、迅速に摩耗する材料から成る慣らし運転層（１０）が設けられていることを特徴とする請求項５または６に記載の装置。

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