JPH02290695A - アルミニウム材の表面硬化用溶加材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は溶加材、特にアルミニウム材の表面を硬化さ
せて耐摩耗性に優れたアルミニウム合金材となすのに用
いられる溶加材に関する。

なお、この明細書においてアルミニウムの語はその合金
を含む意味で用いる。

従来の技術 周知のように、アルミニウムは汎用されている鉄系材料
等と比較して格段に軽量であるのに加え、熱伝導特性に
優れ、また耐食性も優れるところから、最近では自動車
等の各種機械部品として広く使用されるようになってき
ている。

しかしながら、一般にアルミニウムは鉄系材料と比較し
て耐摩耗性に劣り、このことが自動車等における軽量化
等を目的として鉄系部材をＡρ合金部材に代える際の大
きな障害となっていた。

そこで従来より、耐摩耗性が要求される部位に適用され
るアルミニウム材の耐摩耗性向上策として、アルミニウ
ム材の表面に耐摩耗性に優れた表面硬化層を形成する試
みがなされている。

このような表面硬化層の形成方法の１つとしでて、本出
願人は先に、アルミニウム材の表面を外部から共給した
１種または２種以上の硼化物ないしは珪化物とともにレ
ーザビーム等の高密度エネルギー熱源を照射して局部的
に溶融することにより、アルミニウム材の表面を合金化
させる方法を提案した（特願昭６３−３０４５１９号）
。この方法によれば、硬度の高い表面合金化層が得られ
しかも該層の剥離の危険がないことから、耐摩耗性品と
して好適なアルミニウム材の提供が可能となる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記の方法では合金化層の形成に際して
次のような欠点があった。

即ち、上記方法において、硼化物ないしは珪化物のアル
ミニウム材表面への供給は、これを粉末にしてレーザビ
ーム等の照射前に予めバインダーを用いてアルミニウム
材表面に塗布しておくとか、粉末をレーザビーム等の照
射中に溶融部に直接投入することにより行われるが、前
者の塗布法では溶接姿勢によっては塗布した粉末の落下
や剥れが生じる場合があった。また塗布作業性も良くな
かった。さらにはバインダーの種類によっては表面硬化
層に気孔等の欠陥が残る虞れもあった。一方、後者の直
接投入法では粉末の溶融部への連続的安定供給が困難で
あり、殊に少量の場合には困難性が特に増大するもので
あった。また、直接投入法の１つとして溶融熱源のキャ
リアーガスに載せて粉末を洪給する方法もあるが、この
場合には熱源の照射に影響を及ぼすとか、狙い位置にＩ
Ｉ意の量を供給するのが難しい等の欠点があった。

この発明はかかる欠点を一挙に解決すべくなされたもの
であって、溶接姿勢に制約を受けることなく、表面硬化
層形成のための前記粉末を狙い位置へ安定して供給でき
、もってアルミニウム材の表面へ確実にかつ効率良く表
面硬化層を形成できるようにすることを目的とし、その
ための材料を提供するものである。

課題を解決するための手段 上記目的を達成する材料として、この発明は、図面の符
号を参照して示すと、アルミニウム皮材（２）の内部中
空部（２ａ）に、１種または２種以上の硼化物ないしは
珪化物の粉末（３）が充填状態に収容されてなることを
特徴とするアルミニウム材の表面硬化用溶加材（１）を
提洪するものである。

第１図に示すように、この発明に係る溶加材（１）は、
一般的には溶接棒あるいは溶接芯線として提供される。

通常、ＴＩＧ溶接に用いる場合は外径２．４〜３，２＃
程度に設定され、ＭＩＧ溶接に用いる場合は外径１，２
〜２．４ｍｍ程度に設定される。上記溶加材（１）は軸
心に中空部（２ａ）を有するアルミニウム皮材（２）と
、該中空部（２ａ）に充填状態に収容された硼化物ない
しは珪化物即ち金属元索と硼素ないしは珪素との化合物
の粉末（３）とからなる。このように、粉末（３）をア
ルミニウム皮材（２）の内部中空部に充填状態に収容さ
せるのは、該粉末を定形状態に保持するためである。こ
こに、アルミニウム皮材（２）の組成は特に限定される
ものではなく、純ＡΩや５０５２合金、５０８３合金そ
の他の合金を、表面硬化層を形成すべきアルミニウム材
の組成等との関係で適宜採択使用すれば良い。

アルミニウム皮材（２）の内部中空部（２ａ）に充填状
態に収容される硼化物ないしは珪化物粉末（３）は溶融
によってアルミニウム材の表面で合金化して硬度の高い
合金化層を形成する役割を果すものである。かかる効果
を生じさせる点て硼化物と珪化物とは相互に均等物であ
り、少なくともそれら化合物の１種を用いれば足りる。

好ましいｑ１１化物の例としてはＴｉＢ２、ＺｒＢ２　
、ＮｂＢ２　、Ｃ　ｒＢ２　ｓ　ＴａＢ２　、ＮｉＢ等
を挙げうる。一方、好ましい珪化物の例としてはＭｇ２
　Ｓ　ｔＳ”ｒｉ　Ｓ　ｉ２　、ＭｏＳ　ｉ２、ＮｂＳ
ｉ２、ＣｒＳｉ２等を挙げうる。このように溶加材中の
硼化物ないしは珪化物粉末は、溶接により形成された合
金化層の硬度向上を図るための必須構成要素であるが、
単に硬度向上のためであれば、同じく高い硬度を存する
Ｗｃ１ＴｉＣ等の炭化物やＴｉＮ，ＺｒＮ等の窒化物を
用いることも考えられる。しかし、硼化物ないしは窒化
物粉末を用いるのは次の理由による。

即ち、上記ＷＣやＴｉＮ等の粉末を用いた場合、アルミ
ニウム材との濡れ性が悪く良好な合金化層を形成するこ
とができないが、硼化物ないしは珪化物粉末を用いた場
合にはアルミニウム材との濡れ性が良く、表面が滑らか
で極めて良好な合金化層の形成が可能となるからである
。これは硼化物中のＢや珪化物中のＳｉが合金化層形成
時にＡΩとの濡れ性向上作用を果たすからと考えられる
。

また、濡れ性の更なる向上のため硼化物や珪化物の粉末
とともに、粒径５０〜２００μｍ程度のＡΩ粉末を５〜
３０％程度混合させるものとしても良い。

第１図に示す溶加材（１）の製作は例えば次のようにし
て行えば良い。即ち、第２図に示すような所定厚さの長
尺仮状のアルミニウム皮祠（２）をロールフォーミング
により第３図に示す断面半円状に成形して、その四部に
前記粉末（３）を充填したのち、第４図に示すようにさ
らに断面円形に成形して両端閉じ合せ部（４）を溶接す
ることにより行いうる。なお、その後必要に応じて引抜
き加工等を行っても良い。ここに、溶加材（１）中のア
ルミニウムと粉末（３）の量的な比率は、皮材（２）の
肉厚を変えることにより変化させることができる。なお
、アルミニウム皮材（２）の肉厚を変化させることなく
、第５図に示すように溶加材（１）の軸心部に皮祠と同
組成のアルミニウム心材（５）を設けることによりアル
ミニウムと粉末との比率を変えても良い。また、第６図
に示すように、アルミニウム皮材（２）の内部に軸線方
向の２以上の中空部（２ａ）　　（２ａ）・・・を設け
てこれらに粉末（３）を充填状態に収容するものとして
も良い。第５図及び第６図において第１図の溶加材と同
一名称部分は同一の符号にて示す。

この発明に係る溶加材は、通常の溶接と同様にＴＩＧ溶
接、Ｍ　Ｉ　Ｇ溶接等の手段によりアルミニウム材の表
面溶融部に供給される。溶融後においてはアルミニウム
材の溶融部分は短時に凝固し、アルミニウム材のＡΩマ
トリックスに硼化物ないしは珪化物粒子が均一緻密に分
散しあるいは塊状化した合金化層が表面に形成される。

而して、硼化物や珪化物はそれ自体極めて硬度が高いた
め、合金化層が全体として高い硬度を示し、優れた耐摩
耗性を具有する。

表面に硬質合金化層を形成したアルミニウム材は、その
後必要に応じて最終製品形状に機械加工し、耐摩耗性部
品として実用にはする。なお、このアルミニウム材の組
成は特に限定されるものではなく、純Ａρは勿論のこと
２０００系その他のアルミニウム展仲祠あるいはＡＣ８
Ａ，ＡＣ２Ｂ等のアルミニウム鋳物材等を適宜用いうる
。

発明の効果 以上説明したように、この発明は、１種または２種以上
の硼化物ないしは珪化物の粉末がアルミニウム皮材中に
充填状態に収容された溶加材を提供するものであるから
、該溶加材を用いてアルミニウム材の表面を溶接するこ
とによって、Ａρマトリックスと前記硼化物ないしは珪
化物粒子が合金化した硬質合金化層を形成することがで
きる。その結果、自動車等に要請される耐摩耗性部品と
して好適なアルミニウム材の提倶が可能となる。しかも
、アルミニウム＋４への上記表面硬化層の形成に際して
は、硼化物ないしは珪化物の粉末を溶加材として供給す
るものであるから、従来の塗布法と異なり、溶接姿勢に
よっては塗布した粉末が落下したり剥れたりすることの
あった不都合を解消しえ、溶接姿勢に制約を受けること
なく表面硬化層を形成することができ、例えばアルミニ
ウム材が回転物である場合にも表面硬化層の形成が可能
となる。

また、粉末を塗布保持するためのバインダーを全く用い
る必要がないので、表面硬化層に気孔等の欠陥が残る虞
れも払拭しうる。また、’１２　’６ｉ工程自体が不要
となるから作業効率を向上できひいては生産性を向上で
きる。さらに、塗布法では熱源が直接粉末に照射される
のでアルミニウム材のクリーニング作用が得られないが
、本発明に係る溶加材ではＡＣ電源等を利用した場合の
アルミニウム材のクリーニング作用を期待できる。さら
にはまた、溶加材として供給することで粉末の供給量を
容易に調整できるから、洪給量の多少にかかわらず任！
：ｒ．量の粉末を狙い位置へ連続的に安定して｛共給す
ることができる。

実施例 （実施例１） ＡＩＩＯＯからなるアルミニウム皮材の軸心中空部に、
１〜１０μｍ径のＴｉＳｉ２粉末が充填状態に収容され
た艮尺溶加材を製作した。

溶加材の製作は第２図〜第４図にて説明したようにロー
ルフォーミングにより径大のものを製作したのち引抜き
を施すことによって行った。

溶加材（１）の外径は１．６ｍｍ、アルミニウム皮材（
２）の肉厚は０．５ｍｍとした。

一方、表面硬化層を形成すべきアルミニウム材としてＡ
Ｃ８Ａ鋳物合金からなる厚さ７．５ｍ×幅４０＃×長さ
１　０　０　ｍｍの試験片を用意した。そして、第７図
に示すように、試験片（６）の中央部長手方向に深さ０
．５　ｍｍの浅溝（７）を形成した。

次に、同図に示すようにＴＩＧ溶接機（８）を用い、溶
加材共給機（９）から連続的に前記溶加材を供給しつつ
試験片の溝（７）の部分につき半自動ＴＩＧ溶接を行っ
た。図中（　１０）は溶接部である。溶接速度は１００
ｍｍ／ｍｉｎとした。

溶接後、凝固した溶接部分の組織状態を調べたところ、
溝部分の全体にわたって表面が滑らかで欠陥のない合金
化層が形成されていた。かつこの合金化層は、ＴｉＳｉ
２が比較的均一緻密に分散した部分と塊状となった部分
とを有し、合金化層全体の硬さはＨｖ８１〜８２４（荷
重１００ｇ）であった。しかも、合金化層内及び合金化
層とアルミニウム材界面では割れ及び気孔の発生は全く
認められなかった。一方、アルミニウム材単体の硬度を
調べたところ、Ｈｖ３０（荷重５Ｋｇ）であった。

（実施例２） ＴｉＳｉ２粉末の代わりに、１〜５μｍ径のＴｉＢ２粉
末を用いた以外は実施例１と同一の条件で試験を行った
ところ、同様に表面が滑らかで欠陥のない合金化層が形
成された。また合金化層の硬度はＨｖ２５０〜３２００
　（荷重５００３）であった。

（実施例３） ＴｉＳｉ２粉末に代えて、１〜５μｍ径のＺｒＢ２粉末
と１〜２μｍ径のＭｏＳｉ２粉末との混合粉末を用いた
以外は実施例１と同一の条件で試験を行ったところ、同
様に欠陥のない合金化層が形成された。合金化層の硬度
はＨｖｌ５０〜２８００　（荷重５００ｇ）であった。

（比較例１） ＴｉＳｉ２粉末の代わりに、５〜１０μｍ径のＴｉＣ粉
末を用いた以外は実施例１と同一の条件で試験を行った
ところ、表面に亀甲状の割れが認められ、一部が剥離し
ており、しかも合金化層直下には基材Ａｆｌのみの溶融
域が存在し、ＡＱとの濡れ性か悪いことが認められた。

第１図はこの発明に係る溶加材の一例を示す断面斜視図
、第２図〜第４図は第１図に示した溶加材の製造工程を
説明するためのもので、第２図は板状態のアルミニウム
皮材の断面図、第３図は半円状に成形して混合粉末を充
填した状態の断面図、第４図はアルミニウム材の両端を
閉じ合せた状態の断面図、第５図は溶加材の変形例を示
す断面図、第６図は他の変形例を示す断面図、第７図は
実施例における試験片の溶接工程を模式的に示す斜視図
である。

（１）・・・溶加材、（２）・・・アルミニウム皮材、
（２ａ）・・・中空部、（３）・・・混合粉末。

以上 以上の試験結果からわかるように、本発明に係る溶加材
を用いると、極めて硬度が高く従って当然に耐摩耗性に
も優れた合金化層をアルミニウム材の表面に簡単かつ確
実に形成しうろことを確認しえた。

【図面の簡単な説明】

第２図 第３図 第４図 第７図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. アルミニウム皮材の内部中空部に、１種または２種以上
   の硼化物ないしは珪化物の粉末が充填状態に収容されて
   なることを特徴とするアルミニウム材の表面硬化用溶加
   材。