JP4201103B2 - 複合部材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属間化合物相および要素金属相の混合相組織を有する焼結体、特に金属間化合物相:40〜80容量%および残りが要素金属相の混合相組織を有する焼結体からなる加工性および熱伝導性に優れた母材と、その母材表面に耐摩耗性に優れた金属間化合物相からなる硬質部分を形成した複合部材及びその製造方法に関するものであり、この複合部材は、バルブが当接するバルブシール面を前記硬質部分とし、バルブシート本体を母材とすることによりバルブシートを作製したり、カムが当接する面を前記硬質部分とし、タペット本体を母材とすることによりタペットを作製したりするなどして摺動部品の作製に用いられる。
【0002】
【従来の技術】
金属間化合物は、高硬度および耐摩耗性を有するところからバルブシートまたはタペットなどの各種摺動部材として用いられている。かかる金属間化合物を用いてバルブシートまたはタペットなど各種摺動部材を作製しても加工性が悪いところから最終寸法に精密加工するのに時間がかかり過ぎ、さらに靭性が低いところから欠損などが発生して実用にはならない。したがってこれら金属間化合物を用いて各種摺動部材を作製するには靭性に優れかつ熱伝導性に優れた異種金属(例えば銅合金)からなる母材の表面に金属間化合物を形成することにより、母材で靭性を確保し、硬質部分で耐摩耗性を確保し、靭性および耐摩耗性を共有する複合部材を作製し、この複合部材を用いてバルブシートまたはタペットなど各種摺動部材を作製していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この様にして得られた従来の複合部材は、表面に形成された金属間化合物からなる硬質部分と母材とは組成が全く相違するところから、母材と硬質部分との接合強度が弱く、したがって前記複合部材を用いてエンジンのバルブシートまたはタペットなどを作製すると、金属間化合物からなる硬質部分が母材から剥離することがあるので好ましくない。
【0004】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、上述のような観点から、硬質部分が母材から剥離することがなく、しかも従来よりも加工性、熱伝導性および耐摩耗性に優れた摺動部材の作製に使用できる部材を得るべく研究を行った結果、
(a)金属間化合物が合成可能な要素金属粉末を混合し、圧粉成形して圧粉体を成形し、得られた圧粉体を完全に金属間化合物になりきらない条件で通電プレス成形して金属間化合物相および要素金属相の混合相組織を有する密度比:92%以上の焼結体を作製したところ、得られた混合相組織を有する焼結体は金属間化合物よりも靭性があり、この焼結体は要素金属相を含むところから熱伝導性に優れ、さらに加工性に優れている、
(b)この焼結体の所用個所にレーザービームまたは電子ビームを照射したり高周波加熱をすると、金属間化合物相および要素金属相の混合相組織を有する焼結体の所用個所の表面に金属間化合物相からなる硬質部分が形成された複合部材が得られ、この複合部材は硬質部分の耐摩耗性並びに焼結体部分の熱伝導性および加工性により、耐摩耗性、熱伝導性および加工性を共有する特性が得られる、
(c)この複合部材の硬質部分を例えばバルブシート本体のバルブが当接するバルブシール面またはタペットのカムが当接するカム当接面に形成すると、金属間化合物と同じ耐摩耗性を有しかつ熱伝導性に優れたバルブシートまたはタペットが得られ、また加工もしやすい、
などの知見を得たのである。
【0005】
この発明は、かかる知見にもとづいて成されたものであって、
(1)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は金属間化合物相からなり、前記母材は金属間化合物相および要素金属相の混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、に特徴を有するものである。
【0006】
この発明の複合部材を構成する金属間化合物は、すでに知られたいかなる金属間化合物を用いることができるが、これら金属間化合物の内でも生成エンタルピーが15kJ/mol以上有する金属間化合物、例えば、原子比で(以下、同じ)Fex Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)、Nix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)、Tix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)、Nbx Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)、Mox Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)、Fex Ti1-x (ただし、x=0.75〜0.4)、Nix Ti1-x (ただし、x=0.8〜0.25)、Fex Si1-x (ただし、x=0.8〜0.4)、Nix Si1-x (ただし、x=0.8〜0.2)、Tix Si1-x (ただし、x=0.7〜0.3)などの金属間化合物を用いることが好ましい。
この発明の複合部材の母材における金属間化合物相および要素金属相の混合相組織は、要素金属の配合割合によって素地の要素金属相が異なったものとなる。ここで要素金属相とは金属間化合物を構成する金属の両方あるいは一方の金属相である。
例えば、金属間化合物がFex Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の場合は母材の混合相組織の素地における要素金属相はFe金属相および/またはAl金属相からなり、
金属間化合物がNix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の場合は母材の混合相組織の素地における要素金属相はNi金属相および/またはAl金属相からなり、
金属間化合物がTix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の場合は母材の混合相組織の素地における要素金属相はTi金属相および/またはAl金属相からなり、
金属間化合物がNbx Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の場合は母材の混合相組織の素地における要素金属相はNb金属相および/またはAl金属相からなり、
金属間化合物がMox Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の場合は母材の混合相組織の素地における要素金属相はMo金属相および/またはAl金属相からなり、
金属間化合物がFex Ti1-x (ただし、x=0.75〜0.4)の場合は母材の混合相組織の素地における要素金属相はFe金属相および/またはTi金属相からなり、
金属間化合物がNix Ti1-x (ただし、x=0.8〜0.25)の場合は母材の混合相組織の素地における要素金属相はNi金属相および/またはTi金属相からなり、
金属間化合物がFex Si1-x (ただし、x=0.8〜0.4)の場合は母材の混合相組織の素地における要素金属相はFe金属相および/またはSi金属相からなり、
金属間化合物がNix Si1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の場合は母材の混合相組織の素地における要素金属相はNi金属相および/またはSi金属相からなり、
金属間化合物がTix Si1-x (ただし、x=0.7〜0.3)の場合は母材の混合相組織の素地における要素金属相はTi金属相および/またはSi金属相からなる。
また、この発明の複合部材の金属間化合物相および要素金属相の混合相組織からなる焼結体母材は、全体として前記硬質部分と同じ組成を有する。
したがって、この発明は、
(2)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でFex Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Fex Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とFe金属相および/またはAl金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
(3)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でNix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Nix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とNi金属相および/またはAl金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
(4)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でTix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Tix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とTi金属相および/またはAl金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
(5)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でNbx Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Nbx Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とNb金属相および/またはAl金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
(6)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でMox Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Mox Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とMo金属相および/またはAl金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
(7)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でFex Ti1-x (ただし、x=0.75〜0.4)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Fex Ti1-x (ただし、x=0.75〜0.4)金属間化合物相とFe金属相および/またはTi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
(8)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でNix Ti1-x (ただし、x=0.8〜0.25)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Nix Ti1-x (ただし、x=0.8〜0.25)金属間化合物相とNi金属相および/またはTi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
(9)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でFex Si1-x (ただし、x=0.8〜0.4)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Fex Si1-x (ただし、x=0.8〜0.4)金属間化合物相とFe金属相および/またはSi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
(10)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でNix Si1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Nix Si1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とNi金属相および/またはSi金属相との混合相組織並びに前記硬質層部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
(11)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でTix Si1-x (ただし、x=0.7〜0.3)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Tix Si1-x (ただし、x=0.7〜0.3)金属間化合物相とTi金属相および/またはSi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
に特徴を有するものである。
【0007】
この発明の複合部材で用いる金属間化合物の組成は、Fex Al1-x (ただし、x=0.8〜0.4)、Nix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.4)、Tix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.4)、Nbx Al1-x (ただし、x=0.8〜0.4)、Mox Al1-x (ただし、x=0.6〜0.25)、Fex Ti1-x (ただし、x=0.7〜0.45)、Nix Ti1-x (ただし、x=0.8〜0.4)、Fex Si1-x (ただし、x=0.8〜0.45)、Nix Si1-x (ただし、x=0.8〜0.45)、Tix Si1-x (ただし、x=0.65〜0.4)であることが一層好ましい。
したがって、この発明は、
(12)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でFex Al1-x (ただし、x=0.8〜0.4)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Fex Al1-x (ただし、x=0.8〜0.4)金属間化合物相とFe金属相および/またはAl金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
(13)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でNix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.4)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Nix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.4)金属間化合物相とNi金属相および/またはAl金属相との混合相組織並びに前記硬質層部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
(14)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でTix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.4)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Tix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.4)金属間化合物相とTi金属相および/またはAl金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
(15)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でNbx Al1-x (ただし、x=0.8〜0.4)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Nbx Al1-x (ただし、x=0.8〜0.4)金属間化合物相とNb金属相および/またはAl金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
(16)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でMox Al1-x (ただし、x=0.6〜0.25)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Mox Al1-x (ただし、x=0.6〜0.25)金属間化合物相とMo金属相および/またはAl金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
(17)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でFex Ti1-x (ただし、x=0.7〜0.45)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Fex Ti1-x (ただし、x=0.7〜0.45)金属間化合物相とFe金属相および/またはTi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
(18)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でNix Ti1-x (ただし、x=0.8〜0.4)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Nix Ti1-x (ただし、x=0.8〜0.4)金属間化合物相とNi金属相および/またはTi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
(19)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でFex Si1-x (ただし、x=0.8〜0.45)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Fex Si1-x (ただし、x=0.8〜0.45)金属間化合物相とFe金属相および/またはSi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
(20)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でNix Si1-x (ただし、x=0.8〜0.45)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Nix Si1-x (ただし、x=0.8〜0.45)金属間化合物相とNi金属相および/またはSi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
(21)母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、前記硬質部分は、原子比でTix Si1-x (ただし、x=0.65〜0.4)の組成を有する金属間化合物相からなり、前記母材は、Tix Si1-x (ただし、x=0.65〜0.4)金属間化合物相とTi金属相および/またはSi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなる複合部材、
に特徴を有するものである。
【0008】
この発明の複合部材の母材における混合相組織において、金属間化合物相が占める割合は40〜80容量%の範囲内にあることが好ましい。その理由は、金属間化合物相が80容量%を越えると機械加工性が低下するので好ましくなく、一方、40容量%未満では強度が不足するので好ましくないことによるものである。
したがって、この発明は、
(22)前記(1)〜(21)の内のいずれかに記載の複合部材の母材における混合相組織において、金属間化合物相の占める割合は40〜80容量%である複合部材、に特徴を有するものである。
この発明の複合部材は、内燃機関の耐熱性および耐摩耗性を有する摺動部材として用いるのが好ましく、特にバルブシート、タペットの部材として用いることが好ましい。
したがって、この発明は、
(23)前記(1)〜(22)の内のいずれかに記載の複合部材からなる摺動部材、
(24)前記(1)〜(22)の内のいずれかに記載の複合部材からなるバルブシート、
(25)前記(1)〜(22)の内のいずれかに記載の複合部材からなるタペット、
に特徴を有するものである。
【0009】
この発明の複合部材は、金属間化合物が合成可能な要素金属粉末を配合し混合し、圧粉成形して圧粉体を作製し、得られた圧粉体を必要に応じて脱バインダー処理した後、通電プレス成形して金属間化合物相および要素金属相からなる混合相組織を有する焼結体を作製し、この混合相組織を有する焼結体の所用個所に加熱処理を施すことにより焼結体の表面に金属間化合物相からなる硬質部分を形成して製造する。前記混合相組織は金属間化合物相:40〜80容量%および残りが前記要素金属相の混合相組織であることが一層好ましい。
したがって、この発明は、
(26)金属間化合物が合成可能な要素金属粉末を配合し混合し、圧粉成形して圧粉体を作製し、得られた圧粉体を通電プレス成形して金属間化合物相および要素金属相の混合相組織を有する焼結体を作製し、この混合相組織を有する焼結体の所用個所に加熱処理を施すことにより焼結体の表面に金属間化合物相からなる硬質部分を形成する複合部材の製造方法、
(27)前記(26)記載の焼結体の混合相組織は、金属間化合物相:40〜80容量%および残りが要素金属相からなる混合相組織である複合部材の製造方法、に特徴を有するものである。
前記加熱処理は、レーザービーム照射、電子ビーム照射、高周波加熱などにより行うことができるが、この中でもレーザービーム、電子ビームなどの高エネルギービーム照射することが最も好ましい。
【0010】
この発明の複合部材およびその製造方法を図面により一層具体的に説明する。
図1は、この発明の複合部材の一例を説明するための模型的断面説明図である。図1においてABは金属間化合物相、AおよびBは金属間化合物を構成する要素金属相である。この発明の複合部材1は、要素金属相A、要素金属相Bおよび金属間化合物相ABからなる混合相組織を有する焼結体からなる母材11と、この母材の表面に形成された金属間化合物ABの単一相からなる硬質部分12とで構成されている。前記母材11の組成は、全体として見ると硬質部分12と同じ組成を有し、また前記母材11は十分な強度を保持するためには少なくとも92%の密度比を有することが好ましい。
さらに前記母材11における金属間化合物相ABは40〜80容量%(すなわち要素金属相Aおよび/または要素金属相Bの合計が20〜60%)含有されていれば良く、金属間化合物相ABが40容量%未満含まれているようでは複合部材として十分な強度が得られず、一方、金属間化合物相ABが80容量%を越えて含有すると金属間化合物相ABが多くなりすぎて熱伝導性が悪くなり、さらに硬くなりすぎて機械加工性が損なわれるので好ましくない。
図示してはないが、この発明の複合部材を構成する母材11は、焼結体製造時の要素金属の配合割合によって金属間化合物相ABおよび要素金属相Aからなる混合相組織となったり、金属間化合物相ABおよび要素金属相Bからなる混合相組織となったり、金属間化合物相AB、要素金属相Aおよび要素金属相Bからなる混合相組織となったりする。要素金属相Aおよび/または要素金属相Bは金属相であるから金属間化合物相よりも熱伝導性に優れまた加工性にも優れており、したがってこの発明の複合部材は母材11が混合組織を有することにより熱伝導性および加工性に優れると共に、硬質部分12を金属間化合物ABの単一相からなるようにすることによりその部分の耐摩耗性を向上させている。
【0011】
図2は、この発明の複合部材の製造方法を説明するための説明図である。まず、金属間化合物を構成する要素金属粉末a,bを用意し、この要素金属粉末aおよび要素金属粉末bを、金属間化合物を構成する割合になるように配合し混合し、この混合粉末をプレスして図2(イ)に示される圧粉体13を作製し、この圧粉体13を完全な金属間化合物とならない条件で焼結することにより図2(ロ)に示される焼結体14を作製する。圧粉体13を完全な金属間化合物とならないように焼結するには、通電プレス成形法により行なうことが有効である。その理由として、通電プレス成形法は極めて短時間で焼結が可能であるところから、長時間かけて行なう従来の抵抗加熱プレス成形法よりも圧粉体が金属間化合物になり難いことによるものと考えられる。
前記圧粉体を完全な金属間化合物とならないように通電プレス成形するには、電流密度:10〜65A/mm2、通電時間:0.1〜15秒保持の通電条件で、通電と同時にプレス成形または加圧した直後に通電しプレス成形することが好ましい。
このようにして得られた焼結体14は、図2(ロ)に示されるように、要素金属相A、要素金属相Bおよび金属間化合物相ABからなる混合相組織を有する。この混合相組織を有する焼結体14の表面の所用個所に、図2(ハ)に示されるように、レーザー、電子ビームなどの高エネルギービーム15を照射して加熱処理すると、加熱処理された部分12はほぼ100容量%の金属間化合物ABとなり、加熱処理を焼結体14の一面全面に施すと焼結体14の一面全面に金属間化合物ABからなる硬質部分が形成され、図1に示される複合部材1が得られる。前記加熱処理は高周波加熱によっても行なうことが出来る。
【0012】
この発明の複合部材をFe粉末およびAl粉末で作製するには、Fe粉末:20〜80原子%、Al粉末:残部からなる混合粉末をプレス成形して圧粉体を作製し、この圧粉体に通電プレス成形を施してFex Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相、Fe相および/またはAl相の混合相組織を有する密度比:92%以上の焼結体母材を作製し、この母材の表面に加熱処理を施すことによりFex Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)からなる硬質部分が形成され、この発明の複合部材を製造することができる。
【0013】
この発明の複合部材をNi粉末およびAl粉末で作製するには、Ni粉末:20〜80原子%、Al粉末:残部からなる混合粉末をプレス成形して圧粉体を作製し、この圧粉体に通電プレス成形を施してNix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相、Ni相および/またはAl相の混合相組織を有する密度比:92%以上の焼結体母材を作製し、この母材の表面に加熱処理を施すことによりNix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)からなる硬質部分が形成され、この発明の複合部材を製造することができる。
【0014】
この発明の複合部材をTi粉末およびAl粉末で作製するには、Ti粉末:20〜80原子%、Al粉末:残部からなる混合粉末をプレス成形して圧粉体を作製し、この圧粉体に通電プレス成形を施してTix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相、Ti相および/またはAl相の混合相組織を有する密度比:92%以上の焼結体母材を作製し、この母材の表面に加熱処理を施すことによりTix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)からなる硬質部分が形成され、この発明の複合部材を製造することができる。
【0015】
この発明の複合部材をNb粉末およびAl粉末で作製するには、Nb粉末:20〜80原子%、Al粉末:残部からなる混合粉末をプレス成形して圧粉体を作製し、この圧粉体に通電プレス成形を施してNbx Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相、Nb相および/またはAl相の混合相組織を有する密度比:92%以上の焼結体母材を作製し、この母材の表面に加熱処理を施すことによりNbx Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)からなる硬質部分が形成され、この発明の複合部材を製造することができる。
【0016】
この発明の複合部材をMo粉末およびAl粉末で作製するには、Mo粉末:20〜80原子%、Al粉末:残部からなる混合粉末をプレス成形して圧粉体を作製し、この圧粉体に通電プレス成形を施してMox Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相、Mo相および/またはAl相の混合相組織を有する密度比:92%以上の焼結体母材を作製し、この母材の表面に加熱処理を施すことによりMox Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)からなる硬質部分が形成され、この発明の複合部材を製造することができる。
【0017】
この発明の複合部材をFe粉末およびTi粉末で作製するには、Fe粉末:40〜75原子%、Ti粉末:残部からなる混合粉末をプレス成形して圧粉体を作製し、この圧粉体に通電プレス成形を施してFex Ti1-x (ただし、x=0.75〜0.4)の組成を有する金属間化合物相、Fe相および/またはTi相の混合相組織を有する密度比:92%以上の焼結体母材を作製し、この母材の表面に加熱処理を施すことによりFex Ti1-x (ただし、x=0.75〜0.4)からなる硬質部分が形成され、この発明の複合部材を製造することができる。
【0018】
この発明の複合部材をNi粉末およびTi粉末で作製するには、Ni粉末:25〜80原子%、Ti粉末:残部からなる混合粉末をプレス成形して圧粉体を作製し、この圧粉体に通電プレス成形を施してNix Ti1-x (ただし、x=0.8〜0.25)の組成を有する金属間化合物相、Ni相および/またはTi相の混合相組織を有する密度比:92%以上の焼結体母材を作製し、この母材の表面に加熱処理を施すことによりNix Ti1-x (ただし、x=0.8〜0.25)からなる硬質部分が形成され、この発明の複合部材を製造することができる。
【0019】
この発明の複合部材をFe粉末およびSi粉末で作製するには、Fe粉末:40〜80原子%、Si粉末:残部からなる混合粉末をプレス成形して圧粉体を作製し、この圧粉体に通電プレス成形を施してFex Si1-x (ただし、x=0.8〜0.4)の組成を有する金属間化合物相、Fe相および/またはSi相の混合相組織を有する密度比:92%以上の焼結体母材を作製し、この母材の表面に加熱処理を施すことによりFex Si1-x (ただし、x=0.8〜0.4)からなる硬質部分が形成され、この発明の複合部材を製造することができる。
【0020】
この発明の複合部材をNi粉末およびSi粉末で作製するには、Ni粉末:20〜80原子%、Si粉末:残部からなる混合粉末をプレス成形して圧粉体を作製し、この圧粉体に通電プレス成形を施してNix Si1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相、Ni相および/またはSi相の混合相組織を有する密度比:92%以上の焼結体母材を作製し、この母材の表面に加熱処理を施すことによりNix Si1-x (ただし、x=0.8〜0.2)からなる硬質部分が形成され、この発明の複合部材を製造することができる。
【0021】
この発明の複合部材をTi粉末およびSi粉末で作製するには、Ti粉末:30〜70原子%、Si粉末:残部からなる混合粉末をプレス成形して圧粉体を作製し、この圧粉体に通電プレス成形を施してTix Si1-x (ただし、x=0.7〜0.3)の組成を有する金属間化合物相、Ti相および/またはSi相の混合相組織を有する密度比:92%以上の焼結体母材を作製し、この母材の表面に加熱処理を施すことによりTix Si1-x (ただし、x=0.7〜0.3)からなる硬質部分が形成され、この発明の複合部材を製造することができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
実施例1
平均粒径:5μmのFe粉末、平均粒径:20μmのAl粉末、平均粒径:10μmのTi粉末、平均粒径:5μmのNi粉末、平均粒径:10μmのSi粉末、平均粒径:10μmのNb粉末および平均粒径:10μmのMo粉末を用意し、これら粉末を表1に示される割合で配合し、混合し、金型成形して直径:20mm、高さ:10mmの寸法を有する要素粉末の混合粉末からなる圧粉体を作製した。
【0023】
この圧粉体を100MPaの圧力で加圧しながら表1に示される通電条件で通電することにより焼結体を作製した。この焼結体の組織を金属顕微鏡で観察したところ、要素金属混合相素地中に表1に示される割合の金属間化合物相が分散した金属間化合物相と要素金属相の混合相組織を有していた。この焼結体の一部表面にいずれも照射出力:500W、照射速度:1mm/秒、ビーム径:1.4mmの条件で炭酸ガスレーザーを照射することにより前記母材の表面に金属間化合物相からなる硬質部分を有する本発明複合部材1〜10を作製した。得られた本発明複合部材1〜10の母材の密度比、母材中心部の硬さおよび熱伝導度、並びに硬質部分の硬さを測定し、その結果を表1に示した。
【0024】
従来例1
さらに比較のために、実施例1で作製した表1に示されるの圧粉体を黒鉛型に装入し、100MPaの圧力で加圧しながら黒鉛型を通常の抵抗加熱により表2に示される温度で120分間加熱することにより金属間化合物相からなる従来部材1〜10を作製した。得られた従来部材1〜10について、中心部の金属間化合物相の含有量および硬さを測定し、さらに従来部材1〜10の熱伝導度を測定し、その結果を表2に示した。
【0025】
【表1】
【0026】
【表2】
【0027】
表1〜2に示される結果から、本発明複合部材1と従来部材1、本発明複合部材2と従来部材2、本発明複合部材3と従来部材3、本発明複合部材4と従来部材4、本発明複合部材5と従来部材5、本発明複合部材6と従来部材6、本発明複合部材7と従来部材7、本発明複合部材8と従来部材8、本発明複合部材9と従来部材9、本発明複合部材10と従来部材10とはそれぞれ成分組成が同一であるが、本発明複合部材1〜10は母材に含まれる金属間化合物相が少なく(したがって、要素金属混合相が多く含まれており)かつ高密比を有するところから硬さが低くて靭性に優れ、さらに要素金属混合相が多く含まれているので熱伝導性に優れ、また母材表面に形成された硬質部分はほぼ100%の金属間化合物相からなるために硬く、極めて優れた耐摩耗性を有し、したがって、本発明複合部材1〜10は従来部材1〜10と比べて特に強度および耐磨耗性を必要とする機械部品の製造に適していることが分かる。
【0028】
実施例2
実施例1で用意したFe粉末およびAl粉末をFe粉末:75原子%、Al粉末:25原子%となるように配合し混合し、金型成形して外径:34mm、内径:27mm、厚さ:2mmの寸法を有する要素粉末の圧粉体を作製した。この圧粉体を100MPa、25A/mm2、2秒間保持の条件で通電プレス成形し、Fe75Al25金属間化合物相、Fe金属相およびAl金属相の混合相組織を有するバルブシート母材を作製し、このバルブシート母材のバルブが当接するバルブシール面に照射出力:500W、照射速度:1mm/秒、ビーム径:1.4mmの条件で炭酸ガスレーザーを照射することによりバルブシール面に金属間化合物相からなる硬質部分を形成し、Fe75Al25金属間化合物相、Fe金属相およびAl金属相からなる混合相組織を有するバルブシート母材および金属間化合物相がほぼ100容量%の硬質部分からなる本発明バルブシートを作製した。
【0029】
一方、SUH36の材質からなり外径が30mmの傘部分を有するバルブを用意し、このバルブの傘部分を900℃に保持した。本発明バルブシートをそれぞれ内部が冷却されている治具に圧入し、前記傘部分を900℃に保持したバルブを用い、ガソリン燃焼雰囲気中で着座荷重:30kg、バルブ着座回数:3000回/分の条件で100時間試験を行ない、本発明バルブシートの最大摩耗深さを測定したところ、最大摩耗深さは5μmであった。
【0030】
従来例2
さらに比較のために、実施例2で作製した圧粉体を黒鉛型に装入し、100MPaの圧力で加圧しながら黒鉛型を通常の抵抗加熱により850℃で120分間加熱することにより従来バルブシートを作製した。この従来バルブシートを、実施例2と同様にして最大摩耗深さを測定したところ、最大摩耗深さは25μmであった。
【0031】
実施例2および従来例2から明らかなように、本発明バルブシートは、従来バルブシートと比較して、最大摩耗深さが小さいことが分かる。
【0032】
【発明の効果】
上述のように、この発明の複合部材は、バルブシート、タペットなどの特性を向上させ、自動車の高性能化、高燃費化および低公害化に対処するために開発された新型エンジンの性能向上に寄与することができ、産業上優れた効果をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の複合部材の構成を説明するための模型的断面説明図である。
【図2】この発明の複合部材を製造するための説明図である。
【符号の説明】
1 複合部材
11 母材
12 硬質部分
13 圧粉体
14 焼結体
15 高エネルギービーム
a 要素金属粉末
b 要素金属粉末
A 要素金属相
B 要素金属相
AB 金属間化合物相
Claims (38)
- 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、金属間化合物相からなり、
前記母材は、金属間化合物相および要素金属相の混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でFex Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Fex Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とFe金属相とAl金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でNix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Nix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とNi金属相とAl金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でTix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Tix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とTi金属相とAl金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でNbx Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Nbx Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とNb金属相とAl金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でMox Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Mox Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とMo金属相とAl金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でFex Ti1-x (ただし、x=0.75〜0.4)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Fex Ti1-x (ただし、x=0.75〜0.4)金属間化合物相とFe金属相とTi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でNix Ti1-x (ただし、x=0.8〜0.25)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Nix Ti1-x (ただし、x=0.8〜0.25)金属間化合物相とNi金属相とTi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でFex Si1-x (ただし、x=0.8〜0.4)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Fex Si1-x (ただし、x=0.8〜0.4)金属間化合物相とFe金属相とSi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でNix Si1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Nix Si1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とNi金属相とSi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でTix Si1-x (ただし、x=0.7〜0.3)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Tix Si1-x (ただし、x=0.7〜0.3)金属間化合物相とTi金属相とSi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の燒結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でFex Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Fex Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とFe金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でNix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Nix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とNi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でTix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Tix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とTi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でNbx Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Nbx Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とNb金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でMox Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Mox Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とMo金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でFex Ti1-x (ただし、x=0.75〜0.4)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Fex Ti1-x (ただし、x=0.75〜0.4)金属間化合物相とFe金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でNix Ti1-x (ただし、x=0.8〜0.25)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Nix Ti1-x (ただし、x=0.8〜0.25)金属間化合物相とNi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でFex Si1-x (ただし、x=0.8〜0.4)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Fex Si1-x (ただし、x=0.8〜0.4)金属間化合物相とFe金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でNix Si1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Nix Si1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とNi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でTix Si1-x (ただし、x=0.7〜0.3)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Tix Si1-x (ただし、x=0.7〜0.3)金属間化合物相とTi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でFex Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Fex Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とAl金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でNix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Nix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とAl金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でTix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Tix Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とAl金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でNbx Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、前記硬質部分と同じ組成を有するNbx Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とAl金属相との混合相組織並びに密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でMox Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Mox Al1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とAl金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でFex Ti1-x (ただし、x=0.75〜0.4)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Fex Ti1-x (ただし、x=0.75〜0.4)金属間化合物相とTi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でNix Ti1-x (ただし、x=0.8〜0.25)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Nix Ti1-x (ただし、x=0.8〜0.25)金属間化合物相とTi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でFex Si1-x (ただし、x=0.8〜0.4)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Fex Si1-x (ただし、x=0.8〜0.4)金属間化合物相とSi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でNix Si1-x (ただし、x=0.8〜0.2)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Nix Si1-x (ただし、x=0.8〜0.2)金属間化合物相とSi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 母材とその母材の表面に形成された硬質部分からなる複合部材において、
前記硬質部分は、原子比でTix Si1-x (ただし、x=0.7〜0.3)の組成を有する金属間化合物相からなり、
前記母材は、Tix Si1-x (ただし、x=0.7〜0.3)金属間化合物相とSi金属相との混合相組織並びに前記硬質部分と同じ組成を有する密度比:92%以上の焼結体からなることを特徴とする複合部材。 - 前記母材の混合相組織において金属間化合物相の占める割合は、40〜80容量%であることを特徴とする請求項1〜31の内のいずれかの請求項に記載の複合部材。
- 請求項1〜32の内のいずれかの請求項に記載の複合部材からなることを特徴とする摺動部材。
- 請求項1〜32の内のいずれかの請求項に記載の複合部材からなることを特徴とするバルブシート。
- 請求項1〜32の内のいずれかの請求項に記載の複合部材からなることを特徴とするタペット。
- 金属間化合物が合成可能な要素金属粉末を混合し、圧粉成形して圧粉体を成形し、得られた圧粉体を通電プレス成形して金属間化合物相および要素金属相の混合相組織を有する密度比:92%以上の焼結体を作製し、この混合相組織を有する密度比:92%以上の焼結体の所用個所を加熱処理することにより焼結体の表面に金属間化合物相からなる硬質部分を形成することを特徴とする複合部材の製造方法。
- 前記密度比:92%以上の焼結体の混合相組織は、金属間化合物相:40〜80容量%および残りが要素金属相からなる混合相組織であることを特徴とする請求項36記載の複合部材の製造方法。
- 前記加熱処理は、レーザービーム照射、電子ビーム照射または高周波加熱による加熱処理であることを特徴とする請求項36記載の複合部材の製造方法。
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