JPH03294486A

JPH03294486A - 非晶質層を有する部材の製造方法

Info

Publication number: JPH03294486A
Application number: JP2093926A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kato; 真司加藤; Akio Sato; 彰生佐藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1990-04-11
Filing date: 1990-04-11
Publication date: 1991-12-25

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〕本発明は、位置や速度を検出する非接触型センサ等に使
用される、表面に非晶質層パターンを有する部材を製造
する方法に関する。

〔従来の技術〕

金属基体の回転軸に、誘導磁気異方性を有する逆磁歪効
果の大きい非晶質磁性合金薄膜を固定して、回転軸のト
ルクを測定するトルクセンサが知られている（例えば、
特公昭６３−２００３１号公報、「日経ニューマテリア
ルＪ　１９８７年２月１６日号第１０〜１１頁参照）。

また、ＣｕもしくはＮｉの金属基体の表面に非晶質合金
層を有する部材を得る方法として、「日経メカニカル、
　１９８７年１月２６日号第２８頁〜第２９頁には、非
晶質化し易い合金薄膜をＨＩＰ法（８００℃）により基
体表面に接合した後、パルスレーザを合金薄膜表面に照
射して急速溶融・急冷凝固処理することにより該合金薄
膜の表面層を非晶質化する方法が示されている。

そして、本発明者らは、特願昭６３−２９７３４４号（
昭和６３年１１月２５日出願日）にて、金属基体上に非
晶質化し易い合金の肉盛溶接層を結晶状態で形成し、こ
の肉盛溶接層にレーザなどの高密度エネルギを用いて非
晶質表面層を形成する方法を提案した。この提案した特
許出願での製造方法は特許請求の範囲に記載したように
、ｒ急冷凝固により非晶質化する合金を母材上に配置し
て、高密度エネルギを用いてその合金を母材上に肉盛溶
接した後、肉盛層の表面を機械加工により仕上げ、次い
で肉盛層の表面に高密度エネルギを印加して肉盛層の表
面層を急速溶融・急速再凝固させてその表面層を非晶質
化させることを特徴とする非晶質層を有する部材の製造
方法」である。この製造方法は、実施例的には、（１）
鋼材（Ｓ４５Ｃ）基体上に非晶質化容易な合金粉体を配
置し、レーザ（高密度エネルギ）照射によって溶解して
鋼基体に肉盛溶接し、（２）結晶状態の肉盛溶接層に表
面機械加工〈研削）を施こし、そして（３）肉盛溶接層
にレーザ（高密度エネルギ）を走査照射して照射部分を
急速再溶融・急速再凝固させて非晶質表面層を形成する
わけである。この非晶質表面層を所定パターンに形成し
て肉盛溶接層を非晶質部分と結晶質部分とからなるパタ
ーンにし、この磁気特性の変化パターンを励磁コイルお
よび検出コイルを有する検出器（磁気センサ）にて読み
取ることによって位置や速度などを検出できる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、提案した製造方法で作られた非晶質層を
有する部材においては、磁気センサで非晶質部分と結晶
部分との磁気特性の変化パターンを読み取ると、第３図
中のＢで示すような波形の検出信号が得られる。非晶質
層の検知がら最高信号強度に至るまでの波形立上り（信
号レベル変化）が緩やかである。このために、検出誤差
が大きくなり、ひとつの非晶質層での位置決め精度も誤
差を含み不十分である。

このような非晶質層の検出信号波形での緩い立上りは、
高密度エネルギ（レーザ、電子ビーム、ＴＩＧアーク、
プラズマアークなと）による急速溶融・急速再凝固で非
晶質層を結晶質の肉盛溶接層内に形成する際に、その表
面付近部分が全体から見て拡張部分（非晶質層厚さ漸減
部分）となっていることに起因している。

本発明の目的は、磁気センサの検出信号波形が従来より
も急峻な立上りとなるように非晶質層を有する部材を製
造する方法を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上述した目的が、金属基体の上に急冷凝固により非晶質
化する合金で結晶質の肉盛溶接層を形成し、該肉盛溶接
層に高密度エネルギを印加して急速溶融・急速再凝固に
よる非晶質層のパターンを形成する工程を含んでなる非
晶質層を有する部材の製造方法において、第１のやり方
として、高密度エネルギにレーザ光を用い、溶融・凝固
による非晶質層と肉盛溶接層の結晶質基地と境界面が前
記肉盛溶接層の表面とでなす角度（α）を直角に近付け
るように、レーザ光の肉盛溶接層表面に対する照射角度
（θ）を傾斜させることを特徴とする非晶質層を有する
部材の製造方法によって達成される。

また、第２のやり方として、非晶質層の形成後に、肉盛
溶接層の表面全体を機械加工して、非晶質層の表面拡張
部分を除去することを特徴とする非晶質層を有する部材
の製造方法によっても目的が同様に達成できる。

さらに、上述した第１のやり方および第２のやり方を組
合せることができ、検出信号の波形をより一層急峻な立
上りのものにすることができる。

〔作　用〕本発明での第１のやり方では再溶融凝固による非晶質層
の形状をレーザ光傾斜角度にそって全体的に傾けて、表
面付近拡張部分を短かくするわけである。また、第２の
やり方では、非晶質層形成後に、肉盛溶接層全表面を機
械加工して削り、非晶質層の表面付近拡張部分を削り落
して（除去して）しまうわけである。これらのようにし
て、従来よりも非晶質層の拡張部分を小さくすることが
重要改善点である。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照して本発明の実施態様例によって
、本発明の詳細な説明する。

第６図に示すように、炭素鋼などの金属基体１の上に非
晶質化容易な合金を肉盛用材料（粉末）２として配置す
る。非晶質化容易な合金としては、例えば、Ｆｅ−Ｂ系
、Ｆｅ−Ｐ系、Ｆｅ−Ｐ−Ｃ系、Ｐｄ−３ｉ系、Ｆｅ−
３ｉ−Ｂ系、Ｃｏ−３ｉ−Ｂ系などの合金があるが、要
は部材の用途に応じて最適なものを選択すれば良く、特
に合金組成を限定するものではない。その後に、レーザ
１３を照射し、走査することによって配置した粉末を順
次連続的に溶解して溶融金属ブール１０を形成し、冷却
凝固させて肉盛溶接層４を形成する０合金粉末の肉盛材
料およびレーザを利用しているが、公知のＴＩＧアーク
溶接法を用いワイヤ状合金の肉盛材料でもって肉盛溶接
層４を形成することができる。さらに、公知のプラズマ
溶射法でもって肉盛層４を形成することもできる。いず
れの場合にも、肉盛材料の溶融後の冷却は金属基体１へ
の熱伝導による自己冷却によって比較的急速に凝固する
が、肉盛溶接層４全体の厚みが比較的厚いこともあって
超急冷ではないので、微細組織の結晶層となっている。

そして、肉盛溶接層４の表面を滑らかにかつ所定厚さに
するために機械加工（切削加工ないし研削加工）する、
なお、この機械加工が必要でない場合には省略すること
ができる。

次いで、第１図に示すように、結晶状態の肉盛溶接層４
に高密度エネルギであるレーザ光５を照射して急速再溶
融し、自己冷却の急速再凝固によって非晶質層６を形成
する。ここでは、結晶層を非晶質化するようにレーザ光
（高密度エネルギ）の印加条件（例えば、レーザ出力、
レーザ走査速度、レーザ照射ビーム径など）を適切に設
定する必要がある。そして、本発明の第１のやり方にし
たがって、レーザ照射角度θ（すなわち、肉盛溶接層４
の表面に対する入射角）を直角（９０’　）でなく傾け
る（θ−１０〜８９°が望ましい）。このようなレーザ
光照射によって再溶融凝固させて形成した非晶質層６で
は、その主要部分７と肉盛溶接層４の結晶質基地との境
界面が肉盛溶接層４表面となす角度（α）をほぼ直角に
することができる。そうすると、非晶質層６の表面付近
拡張部分８は従来よりも短かくなる。他方、反対側にあ
る表面付近拡張部分９は従来よりも長くなってしまう。

なお、非晶質層６は製品長手方向に直角な方向に延在す
る線状（ストライブ状）に所定間隔Ｄ（第４図〉で形成
されており、製品長手方向に非晶質部分ストライブ６と
結晶質部分ストライブとが交互に現われるパターンにな
っている。

このようにして製造された非晶質層を有する部材（第５
図）はその肉盛層４が非晶質部分６と結晶質部分との交
互パターン表面となっており、第４図に示すように、磁
気センサ１３を肉盛溶接層４上をスライドさせて（又は
部材を移動させて）、磁気センサ１３にて非晶質と結晶
質との磁気特性に応じた検出信号強度を検出することが
できる（例えば、第３図中のＡて示す波形での検出信号
が得られる）。

このことが位置および速度を測定するのに利用できる。

なお、磁気センサ１３は励磁コイルおよび検出コイルか
らなり、励磁コイルに発振・増幅回路１４から高周波の
励磁電流が供給されており、検出コイルから得られる検
出信号は非晶質部分と結晶質部分との磁気特性に応じた
出力電位である。

第３図での検出信号波形を比べると、本発明の第１のや
り方で製造した部材では非晶質層の検出信号（Ａ）はそ
の立上りが従来（Ｂ）よりも急峻となっており、τ方、
その立下りが従来よりも緩やかになっている。少なくと
も検出信号立上りが急峻になっているので、この点の検
出誤差は小さくなり、スケール全体としても検出精度が
向上イーる。

検出信号（波形）の立上りを、非晶質層を有する部材と
の関係で説明すると、次のようになる。

検出信号波形の立上り変化（急峻さ）を、第４図に示す
ように、磁気センサの相対移動距離ｄＬ（−ｍ）と信号
強度変化ｄＶ（ボルト）との比ｄＶ／ｄＬで表わすと、
ｄＶ／ｄＬが大きいほど、距離変動に対して急激な信号
電圧変化（増加）が得られる。そこで、信号立上り変化
を波形立上り部分でピーク電圧値■ｐ（Ｖ）の１０％か
ら９０％になる範囲におけるｄＶ／ｄＬで示す。

非晶質層を有する部材を上述したように製造して部材（
イ）とする。レーザ光照射を傾斜させずに垂直に行なっ
た従来法によるものを部材（ア）とする。この部材（ア
）を製造してから次に表面を研削して肉盛溶接層を少し
薄くして非晶質層の表面拡張部分を削ったものを部材（
つ）とする（これは、本発明の第２やり方にしたがって
いる）。さらに、製造した部材（イ）の表面を研削して
弁面拡張部分を削ったものを部材（１）とする（これは
、本発明の第１やり方と第２やり方とを組合せている）
。

これら部材（ア）〜（１）の部分断面を第５図に示し、
かつ各部材の信号立上り（ｄＶ／ｄＬ）をも第５図に示
す、第５図中、参照番号１．４および６はそれぞれ金属
基体、肉盛溶接層および非晶質層である。

第５図かられかるように、従来法で製造した非晶質層を
有する部材（ア）の検出信号立上りｄＶ／ｄＬ１１０−
Ｉｌｌは５．３であり、本発明のやり方にしたがって製
造した部材（イ）〜（工）はいずれもｄＶ／ｄＬ値は従
来よりも大きく、立上りの急峻性は向上している。特に
、部材（１）では約２倍となって大幅に改善されている
。

匠まず、鋼材（Ｓ４５Ｃ）からなる厚さ１０ｍｍの平板状
基体１１および急冷凝固により非晶質化する（非晶質化
容易な）肉盛材料として５ｉ（ｘ％）−Ｂ（’１％）残
部Ｆｅ（又はＣｏ）（１，１≦Ｘ≦４．９　、２．１≦
ｙ≦３．７〕よりなる合金粉末を用意した。第６図に示
すように、基体１１上に用意した合金粉末２を幅５−１
厚さ２ＩＩＩ１１で直線状に配置した。この粉末２に、
ＣＯ２レーザ３を照射して溶融させ、がっそのレーザを
配置した粉末２の長手方向に直角にオシレートさせつつ
長手方向に走査し、粉末２を基本１１上に溶着させて結
晶状の肉盛溶接層４を形成した。このときのレーザ照射
条件は次の通りである。

レーザビーム・集光レンズにてφ２１１１ｍの大きさに
集光したビームを振幅幅４ｎ＋ｍでオシレートする。

オンし一ト数：　１８０）１ｚレーザ出カニ　２．５ｋＷレーザ走査速度：２０６ｓｒ／５ｈｉｎ（基体の移動速
度）次いて、肉盛溶接層４の表面に研削加工を施して、
肉盛溶接層４の厚みが０．６ｍｍとなるように加工した
。

そして、第１図に示すように、肉盛溶接層４にＹＡＧレ
ーザ５をレーザ照射角度θを７８°に傾けて長手方向に
対して直角にストライブ（線）状に走査照射し、急速再
溶融・急速再凝固させて非晶質層６を形成した。このレ
ーザ照射を所定間隔Ｄ（０，３＋ｕ＋＋）　ニテ行なっ
て、非晶質層６のストライプを繰返すパターンとした。

このときのレーザ照射条件は次゛の通りである。

レーザビーム二集光レンズにてφ０．２＋＋＋ｍの大き
さに集光。

放電電圧：　４４０Ｖパルスのエネルギ：０．ＩＪ／パルスパルス幅：０．５噂秒形成した非晶質層６は、第１図に示すようにカップコー
ン状であり、最大深さが０．２５ｍｍで、表面付近拡張
部分８および９の深さが０．０５ｍｍはどであり、表面
幅が０．１ｍｌ１１となり、非晶質層の主要部７の境界
面の表出面との角度がほぼ直角＜９０’　）であった。

このようにして製作した非晶質層を有する部材は、第２
図に示すように、形成した非晶質部分（層６）と結晶質
部分（肉盛溶接層２そのま丈の部分）とが交互ストライ
ブとなっているパターンであり、磁気センサ１３を部材
上で方向Ｃヘスライドさせる（又は部材を移動させる）
ことによって非晶質層６の検出を行ない、その数をカウ
ントして相対位置ないし相対速度を算出することができ
る。

発振・増幅回路１４がら２　ＭＨｚの励磁電流を磁気セ
ンサ１３の励磁コイルに供給し、該センサの検出コイル
から非晶質又は結晶質の磁気特性に応じた出力信号（電
位）が第３図中のＢで示す波形で得られる。

さらに、製作した部材の肉盛溶接層４に研削加工を施こ
して、０．１ｍｍ厚さ（深さ）削ると、非晶質層６の表
面付近拡張部分８および９を除去した。

このことによって、出力信号波形の立上りをもつと急峻
なものにかつ立下りの緩らかさをもつと急傾斜にするこ
とができた。

検出信号の波形立下りをも急峻なものとすることが次の
ようにしてできる。それは、第７図に示すように、非晶
質層の幅は太くなってしまうが、レーザ照射の照射角度
（入射角）をθ＋（９０−θ）×２として（第１図での
入射光の反射光となるような位置関係で）２回目の再溶
融凝固を同じ条件で行なう。結果として、先に形成した
非晶質層６に加えて非晶質層１６を形成することになり
、合体したひとつの非晶質層はその両側境界面が肉盛溶
接層表面とほぼ直角となっている。したがって、このよ
うにして非晶質層を形成した部材では、磁気センサによ
る検出信号が第８図に示す波形で得られる。さらに、第
９図に示すように、幅の広い非晶質層１７を形成するの
であれば、上述した第１図に関連して説明した条件でレ
ーザ照射を行なって非晶質層６を形成し、これを位置を
（図面上で右へ）ずらして重複形成するように複数回繰
り返す。

最後のレーザ照射を第７図に関連して説明したように非
晶質層側面が直角となるように行なって非晶質層１６を
形成する。このようにして非晶質層１７を形成した部材
では、磁気センサによる検出信号が第１０図に示す波形
で立上りおよび立下りとも急峻にすることができる。

第１図のように非晶質層６が全体として斜めになるのは
レーザ光の場合であって、ＴＩＧアーク、電子ビームな
どではそのようにはならない。一方、機械加工で肉盛溶
接層の表面を切削（研削）して非晶質層の表面拡張部分
を除去するのであれば、非晶質層形成はレーザのみなら
ずＴＩＧアーク、電子ビームなどであってもよい。さら
に、上述した本発明の実施態様例および従来例では金属
基体に平板を用いているが、金属丸棒ないし曲面のある
金属材でもよく、曲面上に肉盛溶接層を高密度エネルギ
でもって形成することができる。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明によれば、肉盛溶接層内に形成
する非晶質層は表面付近拡張部分を小さくされないしな
くされるので、その境界面（側面）が肉盛溶接層表面に
対してほぼ直角に近くなる。

そのために、非晶質層を磁気センサで検出する際Ｇ″、
は、検出信号波形の立上りが急峻となり、検出誤差が小
さくなり、個々の非晶質層での位置決め精度が向上する
。また、非晶質層形成後に、機械加工を施こすと肉盛溶
接層表面が平滑になり、機械加工なしで使用する場合よ
りも凹凸に起因した信号検出誤差を小さくすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る第１のやり方によるレーザ照射
で非晶質層を形成した非晶質層を有する部材の概略断面
図であり、第２図は、本発明の製造方法で製造された部材（長手方
向断面）と検出センサとの関係を示す図であり、第３図は、本発明実施例による部材および従来法による
部材での検出信号強度差を示すグラフであり、第４図は、磁気センサによる検出信号波形を示すグラフ
であり、第５図は、非晶質層を有する部材の部分断面と検出信号
波形立上り変化との関係を説明する図であり、第６図は、金属基体上に肉盛溶接層を形成している工程
を説明する斜視図であり、第７図は、２回レーザ照射で形成した非晶質層を有する
部材の概略断面図であり、第８図は、第７図の部材の検出信号波形を示すグラフで
あり、第９図は、幅広の非晶質層を有する部材の概略断面図で
あり、第１０図は、第９図の部材の検出信号波形を示すグラフ
である。ｌ・・・金属基体、　　　２・・・合金粉末、３・・・
レーザ、　　　　　４・・・肉盛溶接層、５・・・レー
ザ、　　　　６・・・非晶質層、８．９・・・拡張部分
、　１３・・・磁気センサ。

Claims

【特許請求の範囲】

１．金属基体の上に急冷凝固により非晶質化する合金で
結晶質の肉盛溶接層を形成し、該肉盛溶接層に高密度エ
ネルギを印加して急速溶融・急速再凝固による非晶質層
のパターンを形成する工程を含んでなる非晶質層を有す
る部材の製造方法において、前記高密度エネルギにレー
ザ光を用い、溶融・凝固による前記非晶質層と前記肉盛
溶接層の結晶質基地と境界面が前記肉盛溶接層の表面と
でなす角度（α）を直角に近付けるように、前記レーザ
光の前記肉盛溶接層表面に対する照射角度（θ）を傾斜
させることを特徴とする非晶質層を有する部材の製造方
法。
２．金属基体の上に急冷凝固により非晶質化する合金で
結晶質の肉盛溶接層を形成し、該肉盛溶接層に高密度エ
ネルギを印加して急速溶融・急速再凝固による非晶質層
のパターンを形成する工程を含んでなる非晶質層を有す
る部材の製造方法において、前記非晶質層の形成後に、
前記肉盛溶接層の表面全体を機械加工して、前記非晶質
層の表面拡張部分を除去することを特徴とする非晶質層
を有する部材の製造方法。