JP5079381B2 - 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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上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、特に凝着摩耗の激しい環境下で使用される場合においても良好な耐摩耗性を示し、かつ、製造性、肉盛性、仕上性にも優れた特性を示すレーザー肉盛バルブシート用原料粉末およびレーザー肉盛バルブシートを提供するものである。
(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、Ni:7〜20%、Fe+Co:10%以下、Si:2〜5%、Al:3%以下、B:0.5〜5%、残部Cuおよび不可避的不純物からなる粉末を80〜99%と、Mo:5〜40%、Cr:25%以下、Si:5%以下、残部Coおよび不可避的不純物からなり、ビッカース硬度が500HV以上、平均粒径が50〜200μmである粉末を1〜20%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、Mo:5〜40%、Cr:25%以下、Si:5%以下、残部Coおよび不可避的不純物からなる粉末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)に記載のレーザー肉盛バルブシートにおいて、前記殻構造の粗大粒子が、ビッカース硬度が500HV以上、平均粒径が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、Ni,Fe,Co,Si,Al,Bを所定量含む肉盛性に優れたCu基合金粉末(以下、Cu基合金粉末という)と、Mo,Cr,Siを所定量含む高硬度なCo基合金粉末(以下、Co基合金粉末という)を混合していることにある。この混合粉をレーザーなどで溶融、凝固させると、Cu基合金粉末中のBが、Co基合金粉末中で硼化物を生成しやすいMoと、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にある。なお、図1は、本発明に係る殻構造の硬質粒子を形成する状態を示す反射電子像およびその模式図であり、図1(a)は反射電子像であり、図1(b)は図1(a)の模式図である。
(1)生成するMo系硼化物は摩耗環境において潤滑作用を持つ。この潤滑作用については詳細は定かでないが、酸化雰囲気で生成するMo,Bの酸化物により、バルブ、バルブシート表面における、双方への移着が抑制されるためと推測される。この潤滑作用によって、上記のような極めて厳しい凝着摩耗環境下においても良好な耐摩耗性を有することができるものである。
先ず、Ni,Fe,Co,Si,Al,Bを所定量含む肉盛性に優れたCu基合金粉末について説明する。
Ni:7〜20%
Niは、硬度を上げ、耐摩耗性を改善する効果がある。しかし、7%未満ではその効果が十分でなく、20%を超えると肉盛性が劣化することから、その範囲を7〜20%とした。好ましくは10〜17%とする。
FeとCoは、Cu合金中での挙動が似ており、合計量によって扱うことができる。Fe,Coは硬度を上げ、耐摩耗性を改善する効果がある。しかし、10%を超えると肉盛性が劣化することから、その上限を10%とした。好ましくは2〜7%とする。
Si:2〜5%
Siは、硬度を上げ、耐摩耗性を改善する効果がある。しかし、2%未満ではその効果が十分でなく、5%を超えると肉盛性が劣化することから、その範囲を2〜5%とした。好ましくは3〜5%とする。
Alは、硬度を上げ、耐摩耗性を改善する効果がある。しかし、3%を超えると肉盛性が劣化することから、その上限を3%とした。好ましくは0.1〜1%とする。
B:0.5〜5%
Bは、本発明における肉盛材において、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なく、また、5%を超えると、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%とした。好ましくは1〜3%とする。
Cuは、本発明に係る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。この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。従って、80%未満では肉盛性が劣化し、また、99%を超えると耐摩耗性が劣化することから、その範囲を80〜99%とした。好ましくは85〜96%とする。
Mo:5〜40%
Moは、本発明の肉盛材において、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なく、また、40%を超えると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。
Crは、硬さを上げ、耐摩耗性を改善する効果がある。しかし、25%を超えると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、その上限を25%とした。好ましくは10〜20%とする。
Siは、硬さを上げ、耐摩耗性を改善する効果がある。しかし、5%を超えると肉盛層におけるCu基合金粉末を主とした粗大硬質粒子が脆くなり、仕上加工時にこの粗大硬質粒子が脱落し、仕上げ性が劣化してしまう。従って、その上限を5%とした。好ましくは3%以下とする。
本発明におけるCo基合金粉末は、添加元素であるMoが一部B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、元の原料粉末である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、Co基合金粉末の硬度そのものが肉盛層中の粗大硬質粒子の硬度に影響する。しかし、Co基合金粉末のビッカース硬度が500HV未満では、肉盛層中の粗大硬質粒子の硬度を500HV以上にすることが困難であり、その場合耐摩耗性が十分でないことから、その下限を500HVとした。好ましくは600〜850HVとする。
本発明における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。Co基合金粉末の平均粒径が50μm未満では殻状粗大硬質粒子のサイズが小さくなってしまい、耐摩耗性改善の効果が十分でない。また、Co基合金粉末の平均粒径が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ことから、Co基合金粉末の平均粒径の範囲を50〜200μmとした。好ましくは70〜120μmとする。
1.5kgの表1に示す母材を溶解し、Arアトマイズにて合金粉末を得る。表1に示すCu基合金粉末を150/63μmに分級し、また、Co基合金粉末は各平均粒径になるように分級し、これらを混合し、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を行いバルブシート形状に切削、研磨加工した後150℃に加熱した状態でバルブによる摩耗評価(A/F比=1.47)を行った。また、混合条件および殻構造粗大粒子硬度および径を表1および表2に示す。粗大粒子径は肉盛材を研磨し、光学顕微鏡写真により画像解析にて測定し、相当円の直径に換算した。その結果を表2に示す。
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雰囲気中で行った。
(a)肉盛性
肉盛ビード断面の縦横比および肉盛割れの有無で評価(高さ/幅≦0.6、かつ肉盛割れなし:○、高さ/幅>0.6、または/および、肉盛割れあり:×)
(b)耐摩耗性
耐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>6060μm:×)
(c)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.1〜4およびNo.10〜14のいずれも本発明の条件を満足していることから、肉盛性、耐摩耗性および仕上性についていずれも優れていることが分かる。
2 Co基合金粉末を主成分とした硬質相
3 殻状Mo系硼化物
4 BがCo基合金粉末の内部へ拡散し生成した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、
Ni:7〜20%、
Fe+Co:10%以下、
Si:2〜5%、
Al:3%以下、
B:0.5〜5%、
残部Cuおよび不可避的不純物からなる粉末を80〜99%と、
Mo:5〜40%、
Cr:25%以下、
Si:5%以下、
残部Coおよび不可避的不純物からなり、ビッカース硬度が500HV以上、平均粒径が50〜200μmである粉末を1〜20%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、Mo:5〜40%、Cr:25%以下、Si:5%以下、残部Coおよび不可避的不純物からなる粉末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に記載のレーザー肉盛バルブシートにおいて、前記殻構造の粗大粒子が、ビッカース硬度が500HV以上、平均粒径が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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