JPH03294487A - 非晶質層を有する部材 - 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〕 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Ｊ
　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
、「急冷凝固により非晶質化する合金を母材上に配置し
て、高密度工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（第８図）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
際に、第９図に示すように肉盛溶接層の始端部と終端部
とで信号強度（レベル）に差異が生じる。この場合には
、非晶質部分くパターン）が＋Ｖとして、一方、結晶部
分がＶとして検出されている。

このような検出信号レベル差は、形成した非晶質（アモ
ルファス）部分はどの位置でもほぼ同じであるので、そ
の基地である結晶部分に原因がある。これは、結晶部分
である肉盛溶接層１を高エネルギ（レーザ）を用いて形
成する際に、形成開始端部分と終端部分とでは、第８図
に示すように、熱の流れの方向が異なることに起因して
いる。すなわち、形成開始端部分では熱流が金属（鋼）
基体２に対して垂直であって、肉盛溶接層２の組織も第
１０Ａ図のように垂直方向に配向されており、一方、形
成終端部分では高密度エネルギ照射によって終端側が加
熱されるために熱流が金属基体２と垂直とはならずに斜
めとなり、組織も第１０Ｂ図のように熱流と同じに斜め
に配向されている。このように配向の違う組織は磁気特
性に影響を及ぼすた約に検出信号レベルに差異が生じて
しまう。

例えば、Ｆｅ基合金の肉盛溶接層２であると、Ｆｅ合金
の組織は熱流に沿って（１００）方向に配向される。肉
盛溶接層を磁性材料として見た場合に、磁気異方性によ
って（１００）方向に自発磁化が安定に向くため、磁気
センサで走査検出すると、組織が垂直な始端部分では信
号レベルが高いが、終端部分に近づくにつれ、組織が斜
めになるので（１００）配向の垂直成分が減少するので
、第９図の如くに信号レベルが約０．２５Ｖ低くなるよ
うに検出される。

そこで、肉盛溶接層の合金組織配向を揃えるために、金
属基体裏側全面からの強制冷却によって肉盛溶接層形成
時の熱を均一に奪うようにしたが、それでは十分な効果
はなかった。

本発明の目的は、磁気特性の変化パターンを磁気センサ
にて検出する際に肉盛溶接層の形成開始端部分と終端部
分とでの信号レベル差を小さくした非晶質層を有する部
材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、金属基体と、その上の急冷凝固により
非晶質化する合金の肉盛溶接層とからなり、該肉盛溶接
層に高密度エネルギを印加して急速溶解・急速再凝固に
よる非晶質層パターンが形成されている非晶質層を有す
る部材において、肉盛溶接層の合金組織配向が全体にわ
たって金属基体に対して垂直であ、ることを特徴とする
非晶質層を有する部材によって達成される。

〔作　用〕

上述したように従来は肉盛溶接層の合金組織配向が形成
開始端では金属基体と垂直であったが徐々に斜めになっ
てしまうので、本発明では肉盛溶接層の形成時に後述す
るような工夫をして合金組織の配向を全体にわたって垂
直の一方向に揃えてあり、このことによって信号レベル
差の発生原因をなくして信号レベルを同一水準にするこ
とができる。

〔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１図に示すように、金属基体１１を冷却しながら非晶
質化する合金の肉盛溶接層１２を高密度エネルギ（レー
ザ）１３の照射でもって形成して、本発明に係る合金組
織配向が垂直方向に揃った肉盛溶接層とすることができ
る。

冷却媒体が後で入れられる冷却ブロック１４を用意し、
該ブロックの上面を低温ノλンダ１５の溶融温度まで加
熱する。金属基体１１の半分のサイズの断熱材平板１６
と低温ハンダ平板１５とを用意しておいて、これら平板
１６．１５を加熱した冷却ブロック１４上へ置き、その
上に金属基体１１を載せる。ノ１ンダ平板１５が溶融し
て金属基体１１と冷却ブロック１４とをはんだ付けで接
着する。金属基体１１の半分は断熱材平板１６で覆われ
るようにして、金属基体１１と冷却ブロック１４とで断
熱材平板１６をはさむ。

接着後に、冷却ブロック１４内に冷却媒体（水、ドライ
アイスなど）１７を入れ（循環させ）、十分に金属基体
１１を冷却する。第１図では、冷却ブロック１４に冷却
媒体１７用配管１８が設けられ、水を循環させたり、ド
ライアイスの気化ガスを排出するものである。

そして、金属基体１１の上に非晶質化容易な合金を肉盛
用材料（粉末）２１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、第１図に示すように、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
して溶融金属プール２０を形成し、冷却凝固させて肉盛
溶接層１２を形成する。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１２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１２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１２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。

肉盛溶接層１２の冷却について詳しく説明すると、第２
図および第３図に示すようになる。なお、ここでの比較
例である従来の場合とは、金属基体１１をその裏面全面
で冷却ブロック１４にはんだ付けしたものであり、冷却
ブロック１４へは冷却媒体を供給しない。

肉盛溶接層１２の形成開始端部分での熱流は断熱材平板
１６が存在するものの金属溶融プール２０から垂直下方
の金属基体１１へ従来と同じであるが、中間地点より終
端部分ではハンダ１５が冷却ブロック１４との熱交換層
（への伝熱層）として働くので、肉盛溶接層１２での熱
流を常に垂直方向に保つことができる。つまり、第３図
に示すように、比較例（従来法）では終端部分に近づく
につれ、それまでに蓄積された熱の影響を受けて、金属
溶融プール２０の最高温度点が前方に（図面上右方へ）
傾き、そのために（ア）領域から（つ）領域へと進むに
つれて熱流（波線）は後方に（図面上左下り）傾き、そ
の方向沿って凝固組織配向する。一方、本発明の場合に
は、（ア）領域では比較例のときとランスするた於、そ
の最高温度点は（ア）領域の場合とほぼ同じで変わらな
い。そして、（つ）領域についても（イ）領域と同様で
あって最高温度点は変わらずに熱流は垂直方向である。

したがって、（ア）〜（つ）領域の全体で結晶の成長方
向く凝固組織配向方向）が金属基体１１に対して垂直と
なる。

上述したように肉盛溶接層１２を形成した後で、冷却ブ
ロック１４から冷却媒体１７を除去し、ハンダ溶融温度
まで冷却ブロック１４を加熱して金属基体１１を取外す
。ハンダを完全に除去した後で、肉盛溶接層１２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４図に示すように、結晶状態の肉盛溶接層１
２に高密度エネルギ（レーザ、電子ビーム、ＴＩＧアー
ク、プラズマアーク等）２２を印加して急速再溶融し、
自己冷却の急速再凝固によって非晶質層２３を形成する
。ここでは、結晶層を非晶質化するように高密度エネル
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
。非晶質層２３は製品長手方向に直角な方向に延在する
線状（ストライプ状）に所定間隙Ｄ（第４図）で形成さ
れる。このように、製品長手方向に非晶質部分ストライ
プ２３と結晶質部分ストライプとが交互に現われるパタ
ーンになっている。最後に、肉盛溶接層１２の表面を研
削又は研磨の仕上げ加工して使用に供することになる。

このようにして製造された非晶質層を有する部材２４（
第５図）はその肉盛層１２が非晶質部分２３と結晶質部
分との交互パターン表面となっており、第５図に示すよ
うに、磁気センサ２６にて非晶質と結晶質との磁気特性
の差による検出信号強度差を検出することができる。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、磁気センサー６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２７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。この検出の際に、肉盛溶接層１２自体の
合金組織配向は金属基体１１に対して垂直方向に一定に
揃っているので、組織配向が斜必になるなどの不揃いに
よる影響（出力信号レベルの差）が防止できる。

例 第１図に示すような冷却ブロック１４をアルミニウム合
金で製作し、ハンダ平板１５としてインジウム（Ｉｎ）
板を用意し、断熱材平板１６として厚さ０、５　ｍｍの
ベークライト板を用意した。そして、銅材（Ｓ４５Ｃ）
からなる厚さ１０　ｍｍ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　（ｙ％）−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。なお、ベークライト板１６の
サイズは基体１１０半分よりも少し大きくしである。

冷却ブロック１４の上にベークライト板１６およびＩｎ
ハンダ平板１５を載せ、さらにその上に基体１１を載せ
た。そして、冷却ブロック１４をインジウム融点以上の
温度（１６０℃）に加熱して、Ｉｎハンダ平板１５を溶
融させ、冷却することで基体１１を冷却ブロック１４に
はんだ付け（接着）した。冷却ブロック１４を空冷して
から、冷却ブロック１４内へ冷却媒体１７としてドライ
アイスを装入し、基体１１を十分に冷却した。ドライア
イスから生じる炭酸ガスを配管１８を通して離れたとこ
ろで放出した。

次に、基体ｌｌ上に用意した合金粉末２１を幅５ｍｍ、
厚さ２ｍＩ［ｌで直線状に配置した。この粉末２１に、
第１図および第２図に示すように００２レーザ１３を照
射して溶融させ、かつそのレーザを配置した粉末２１の
長手方向に直角にオシレートさせつつ長手方向に直角に
オシレートさせつつ長手方向に走査し、粉末２１を基体
１１上に溶着させて結晶状の肉盛溶接層１２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φ２ｍｍの大きさに集光
したビームを振幅幅４　ｍ＋ｎ でオシレートする。

オシレート周波数：　　１８０Ｈｚ レーザ出カニ　２．５　ｋＷ レーザ走査速度：　　２００ｍｍ／ｍ１ｎ（基体の移動
速度）このようにして形成した肉盛溶接層１２の開始端
部分および終端部分の合金組織を光学顕微鏡にて調べて
、第７Ａ図（開始端部分）および第７Ｂ図（終端部分）
の顕微鏡写真（ｘ　２００倍）が得られた。これら写真
から明らかなように、開始端部分のみならず終端部分の
合金組織も基体１１に対して垂直方向に配向されており
、従来の第１０Ｂ図ような斜め組織配向ではない。

次に、冷却媒体ドライアイスを除去してから、冷却ブロ
ック１４を１６０℃まで加熱して基体１１を取り外し、
ハンダを除去する。そして、肉盛溶接層１２に研削加工
を施して、厚さ０．５　ｍｍに仕上げ加工した。

最後に、第４図に示すように、肉盛溶接層１２にＹＡＧ
レーザ２２を長手方向に対して直角にストライプ（線）
状に照射し、急速再溶解・急速再凝固させて非晶質層２
３を形成した。このレーザ照射を所定間隙Ｄ（０，３ｍ
ｍ）にて行なって、非晶質層２３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：集光レンズにてφ０．２証の大きさに集
光。

放電電圧：　４００Ｖ パルスのエネルギ：　６０ｍＪ パルス幅：　０．５　ｍ秒 このようにして製作した非晶質層を有する部材２４は、
第５図に示すように、形成した非晶質部分（層２３）と
結晶質部分（第２肉盛溶接層１２そのままの部分）とが
交互ストライプとなっているパターンであり、磁気セン
サ２Ｇを部材２４上でスライドさせる（又は部材２４を
移動させる）ことによって非晶質層２３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２７から２ＭＨｚの
励磁電流を磁気センサ２６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）が得られる。肉盛溶接層１２の開
始端部分および終端部分での結晶質部分における出力信
号レベル差が測定結果から第６図に示すように小さい（
０，０２Ｖ）。一方、比較例（従来法）の場合には信号
レベル差が０．２５Ｖと大きい。なお、比較例は冷却ブ
ロックを使用しないで上述したのと同じように肉盛溶接
層および非晶質層を形成した場合である。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明によれば、肉盛溶接層を金属基
体上に形成する際に該基体の後半部を冷却体で冷却する
ように冷却状況を制御して肉盛溶接層組織の結晶配向を
揃える（金属基体に垂直方向一定にする）ことができる
。このことによって肉盛溶接層の形成開始端部分と終端
部分との検出信号レベル差が生じるのを抑制して非常に
小さくすることができる。この信号レベル差が非常に小
さくできることは、磁気センサ全体の感度を高くでき、
速度検出などでは確実な測定範囲を拡大できる。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。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る非晶質層を有する部材を製造す
る工程での該部材および冷却ブロックの概略断面図であ
り、 第２図は、第１図での部材および冷却ブロックの概略拡
大断面図であり、 第３図は、肉盛溶接層形成途中での金属溶融ブー／べ熱
流および結晶成長（凝固）方向を示している肉盛溶接層
および金属基体の概略断面図であり、 第４図は、肉盛溶接層に非晶質層パターンを形成してい
る工程を示す肉盛溶接層および金属基体の概略断面図で
あり、 第５図は、製造した非晶質層を有する部材と磁気センサ
との関係を示す図であり、 第６図は、本発明実施例による部材および従来法による
部材（比較例）での検出信号レベル差を示すグラフであ
り、 第７Ａ図は、本発明に係る部材での肉盛溶接層開始端部
分の金属組織の顕微鏡写真であり、第７Ｂ図は、本発明
に係る部材での肉盛溶接層終端部分の金属組織の顕微鏡
写真であり、第８図は、従来法で形成した肉盛溶接層お
よび熱流を図示した非晶質層を有する部材の概略断面図
であり、 第９図は、従来法で製造した非晶質層を有する部材での
非晶質層パターンを磁気センサにて検出した出力信号の
グラフであり、 第１０Ａ図は、従来法に係る部材での肉盛溶接層開始端
部分の金属組織の顕微鏡写真であり、第１０Ｂ図は、従
来法に係る部材での肉盛溶接層終端部分の金属組織の顕
微鏡写真である。 １１・・・金属基体、　　　　１２・・・肉盛溶接層、
１３・・・レーザ、１４・・・冷却ブロック、１５・・
・ハンダ平板、　　　１６・・・絶縁材平板、２０・・
・金属溶融プーノペ　２１・・・合金粉末。 第 図 第 図 １ 第１図 １１・・・金属基体 １２・・・肉盛溶接層 １３、、、レーザ １４・・・冷却ブロック １５・・・ハンダ平板 １６・・・絶縁材平板 ２０・、、金属溶融プール ２１・・１合金粉末 第 図 第 図 開始端 終端 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．金属基体と、その上の急冷凝固により非晶質化する
   合金の肉盛溶接層とからなり、該肉盛溶接層に高密度エ
   ネルギを印加して急速溶解・急速再凝固による非晶質層
   パターンが形成されている非晶質層を有する部材におい
   て、前記肉盛溶接層の合金組織配向が全体にわたって前
   記金属基体に対して垂直であることを特徴とする非晶質
   層を有する部材。