JP4943080B2 - レーザー肉盛バルブシート用原料粉末およびこれを用いたバルブシート - Google Patents
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(1)レーザー肉盛バルブシート用原料粉末において、質量%で、B:0.5〜5%、Ni:20%以下、Si:3%以下を含有し、かつFe,Co,Al,Mnの1種または2種以上をFe:4%以下、Co:4%以下、Al:1%以下、Mn:3%以下含有し、残部がCuおよび不可避的不純物であるCu基合金からなるCu基合金粉末を80〜99%と、Mo:5〜40%、Cr:25%以下を含有し、かつSi,B,Coの1種または2種以上をSi:5%以下、B:0.5%以下、Co:10%以下含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であるFe基合金またはMo:5〜40%以下を含有し、かつNi,Cr,Si,Feの1種または2種以上をNi:10%以下、Cr:10%以下、Si:2%以下、Fe:10%以下含有し、残部がCoおよび不可避的不純物であるCo基合金であり、ピッカース硬さが500HV以上、平均粒径が50〜200μmであるFe基合金またはCo基合金からなる粉末を1〜20%とを混合してなることを特徴とするレーザー肉盛バルブシート用原料粉末。
(2)前記(1)に記載の原料粉末をレーザー肉盛したレーザー肉盛バルブシートであって、質量%で、Mo:5〜40%、Cr:25%以下を含有し、かつSi,B,Coの1種または2種以上をSi:5%以下、B:0.5%以下、Co:10%以下含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であるFe基合金またはMo:5〜40%を含有し、かつNi,Cr,Si,Feの1種または2種以上をNi:10%以下、Cr:10%以下、Si:2%以下、Fe:10%以下含有し、残部がCoおよび不可避的不純物からなるCo基合金を主成分とした相をMo系硼化物が囲んだ殻構造の粗大粒子を有することを特徴とするレーザー肉盛バルブシート。
(3)前記(2)に記載の殻構造の粗大粒子がピッカース硬度500HV以上、平均粒径30〜300μmであることを特徴とするレーザー肉盛バルブシートにある。
本発明における最も重要な特徴は、Bを所定量含むCu基合金粉末(肉盛性に優れる)と、Moを所定量含むFeまたはCo基合金粉末(高硬度に優れる)を混合していることにある。この混合粉末をレーザーなどで溶融、凝固させると、Bを含むCu基合金粉末中のBが、Moを含むFeまたはCo基合金粉末中で硼化物を生成しやすいMoと、Moを含むFeまたはCo基合金粉末の界面で反応し、Mo系硼化物となり、図1に示す殻構造の硬質粒子を形成することである。すなわち、図1は、本発明に係る混合粉末による硬質粒子の光学顕微鏡写真(図1(a))とその模式図(図1(b))である。この方法により、以下の(1)〜(5)の特徴を有する。
ここで、Mo系硼化物を生成するために、仮に所定量のMoを、Bを含むCu基合金粉末中に添加したとすると、Mo,Bを含むCu基合金溶湯は極めて高温でMo系硼化物を晶出するため、アトマイズ時に超粗大晶出粒子となりノズル閉塞を起こしやすい。また、Bを添加しない場合でも、MoとCuは液相でも全く溶け合わないため、非常に高融点となり、アトマイズ性に劣る。
Bは、本肉盛材において、Moを含むFeまたはCo基合金粉末中のMoと反応し、Mo系硼化物を生成するための必須成分である。しかし、0.5%未満ではMo系硼化物の生成が十分ではなく、また、5%を超えるとBを含むCu基合金粉末を主とした基地が脆化し肉盛割れを発生するなど、肉盛性を劣化させる。従って、その範囲を0.5〜5%とする。好ましくは1.0〜4%とする。
本レーザー肉盛バルブシートは、主にアルミニウム合金のシリンダヘッドに肉盛されるため、Alとの溶接性に優れたCuをベース合金としている。
混合量:80〜99質量%
本発明において、Bを含むCu基合金粉末は、良好な肉盛性を有するCu基合金粉末であり、肉盛層においては基地となる成分であるので、Moを含むFeまたはCo基合金粉末よりも多く混合する。しかし、Bを含むCu基合金粉末の混合量が80%未満では肉盛性が劣化し、99%を超えると耐摩耗性が劣化する。好ましくは85〜95%とする。
Mo:5〜40質量%
Moは、本肉盛材において、Bを含むCu基合金粉末中のBと反応し、Mo系硼化物を生成するための必須成分である。しかし、5%未満ではMo系硼化物の生成が十分ではなく、また、40%を超えるとMoを含むFeまたはCo基合金粉末の融点を上昇させ、アトマイズが困難になる。従って、その範囲を5〜40%とした。好ましくは10〜30%とする。
Fe,Coは、ともに比較的低融点なため、レーザー肉盛技術での溶融が可能であり、しかも、Cuとの反応性が悪く、必要以上にBを含むCu基合金粉末の溶湯中へ拡散しないため、Bを含むCu基合金粉末が本来持つ良好な肉盛性を損なわない。また、本発明の必須元素であるMoを40%まで添加してもアトマイズ可能な融点(1600℃程度)に抑えることができる。
本発明において、Moを含むFeまたはCo基合金粉末の混合量は、殻状粗大硬質粒子の量に影響する。しかし、1%未満では粗大硬質粒子の量が十分でないため、耐摩耗性に劣る。また、20%を超えると肉盛層が脆化し肉盛割れが発生するなど肉盛性を劣化させる。従って、その範囲を1〜20%とした。好ましくは5〜15%とする。
本発明において、Moを含むFeまたはCo基合金粉末は、添加元素であるMoが一部B(Bを含むCu基合金粉末)と反応し、Mo系硼化物を生成する他、多くは肉盛材においても、元のMoを含むFeまたはCo基合金粉末とほぼ同じ組成で、殻状粗大硬質粒子の内部に留まる。従って、Moを含むFeまたはCo基合金粉末そのものが粗大硬質粒子の硬度に影響する。従って、Moを含むFeまたはCo基合金粉末の硬度がビッカース硬度500HV未満では、十分な硬度の殻状粗大粒子が得られないため、耐摩耗性改善の効果が十分でない。従って、その下限を500HVとした。好ましくは750HVとする。
本発明において、Moを含むFeまたはCo基合金粉末の平均粒径は、殻状粗大硬質粒子のサイズおよびレーザー肉盛時の溶接性に影響を与える。つまり、Moを含むFeまたはCo基合金粉末の粒径が大きいと、肉盛材中に分散する殻状粗大粒子のサイズも大きくなる傾向にある。ただし、レーザー肉盛時に一旦は溶融するため、全く同じとは限らない。(従って、下記の肉盛層中の粗大粒子サイズの範囲とは完全には一致していない。)そこで、Moを含むFeまたはCo基合金粉末の平均粒径が50μm未満では十分な殻状粗大粒子のサイズが得られないため、耐摩耗性改善の効果が十分でなく、また、200μmを超えるとレーザー肉盛時に十分に溶解せず、肉盛性を劣化させる。従って、その範囲を50〜200μmとした。好ましくは65〜150μmとする。
上述したように、Mo系硼化物を囲んだ殻構造の粗大粒子であることにより耐摩耗性、仕上性のバランスが両立できる。また、本発明における粗大粒子の硬度は耐摩耗性に影響するが、500HV未満では耐摩耗性が十分でない。さらに、粗大粒子のサイズは耐摩耗性に影響するが、30μm未満では、耐摩耗性が劣化し、300μmを超えると仕上性が劣化することから、その範囲を30〜300μmとする。好ましくは、100〜250μmとする。
表1および表2に示す母材の1.5kgを溶解し、Arアトマイズにて粉末を作製し、Bを含むCu基合金粉末は150/63μmに分級し、また、Moを含むFeまたはCo基合金粉末は表2の平均粒径になるように分級した後、Bを含むCu基合金粉末とMoを含むFeまたはCo基合金粉末を混合し、幅4mm、深さ2mmの溝を付けたAl基材上に円環状にレーザー肉盛し、バルブシート形状に切削、研磨加工し、150℃に加熱した状態でバルブによる摩耗評価(A/F比=14.7)をした。
レーザー出力:1.5kw
レーザー形 :矩形
粉末供給量 :50g/min
送り速度 :8mm/s
Ar雰囲気中で行う。
レーザー形 :矩形
粉末供給量 :50g/min
送り速度 :8mm/s
Ar雰囲気中で行う。
(2)耐摩耗性:摩耗評価後のバルブシートの摩耗深さで評価(摩耗深さ≦60μm:○、摩耗深さ>60μm:×)
(3)仕上性:バルブシート状に研磨した後の表面粗さで評価(Ra≦0.2μm:○、Ra>0.2μm:×)
これに対し、本発明例であるNo.1〜5、No.11〜14は、いずれも本発明の条件を満たしていることから、その特性とする肉盛性、耐摩耗性および仕上性に優れていることが分かる。
2 Moを含むFeまたはCo基合金粉末を主成分とした硬質相
3 Moを含むFeまたはCo基合金粉末の内部にBが拡散して生成したMo系硼化物 4 殻状Mo系硼化物
特許出願人 山陽特殊製鋼株式会社 他1名
代理人 弁理士 椎 名 彊
Claims (3)
- レーザー肉盛バルブシート用原料粉末において、質量%で、B:0.5〜5%、Ni:20%以下、Si:3%以下を含有し、かつFe,Co,Al,Mnの1種または2種以上をFe:4%以下、Co:4%以下、Al:1%以下、Mn:3%以下含有し、残部がCuおよび不可避的不純物であるCu基合金からなるCu基合金粉末を80〜99%と、Mo:5〜40%、Cr:25%以下を含有し、かつSi,B,Coの1種または2種以上をSi:5%以下、B:0.5%以下、Co:10%以下含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であるFe基合金またはMo:5〜40%以下を含有し、かつNi,Cr,Si,Feの1種または2種以上をNi:10%以下、Cr:10%以下、Si:2%以下、Fe:10%以下含有し、残部がCoおよび不可避的不純物であるCo基合金であり、ピッカース硬さが500HV以上、平均粒径が50〜200μmであるFe基合金またはCo基合金からなる粉末を1〜20%とを混合してなることを特徴とするレーザー肉盛バルブシート用原料粉末。
- 請求項1に記載の原料粉末をレーザー肉盛したレーザー肉盛バルブシートであって、質量%で、Mo:5〜40%、Cr:25%以下を含有し、かつSi,B,Coの1種または2種以上をSi:5%以下、B:0.5%以下、Co:10%以下含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であるFe基合金またはMo:5〜40%を含有し、かつNi,Cr,Si,Feの1種または2種以上をNi:10%以下、Cr:10%以下、Si:2%以下、Fe:10%以下含有し、残部がCoおよび不可避的不純物からなるCo基合金を主成分とした相をMo系硼化物が囲んだ殻構造の粗大粒子を有することを特徴とするレーザー肉盛バルブシート。
- 請求項2に記載の殻構造の粗大粒子がピッカース硬度500HV以上、平均粒径30〜300μmであることを特徴とするレーザー肉盛バルブシート。
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