JPH04120280A - 表面硬化アルミニウム材の製造方法 - 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） この発明は表面硬化アルミニウム材の製造方法に関し、
さらに詳しくは金属被覆させたセラミック粉末粒子をレ
ーザアロイング等によってアルミニウム母材上において
合金化する方法に関する。

（従来の技術） 従来、Ｎｉ、　Ｆｅ、　Ｃｏ等の重金属粉末をＡＩ母材
表面に載置し、これら載置された重金属粉末をレーザア
ロイング、タングステン・イナート・ガス溶接（Ｔ、　
１．Ｇ、）等により溶融する等して、母材上表面のＡＩ
を合金化する方法は公知である。

また、ＴｉＣやＴｉＢｚ等のセラミック粉末をバインダ
ーとともに予めＡＩ母材方面に塗布し、この塗布された
セラミック粉末等をレーザ光を照射することにより溶融
する等して合金化する方法が報告されている（「粉末塗
布法によるＡ１のレーザ合金化」第２２回レーザ熱加工
研究会論文集、ｐ、２９〜４０　；　１９Ｂ９年７月２
１日）。

さらに、ＷＣ粉末とＡＩ粉末とを混合し、この混合粉末
をプラズマ粉体肉盛溶接（以下、Ｐ、Ｔ、Ａ。

と称する。）によりＡ１母材上に溶着させて肉盛して硬
化層を形成する方法も報告されている（「アルミニウム
表面ミリオーダー硬化技術調査報告書」金属系材料研究
開発センター、Ｉ）、３５；１９８９年３月）。

（発明が解決しようとする課！！り 前述したＮｉ、　Ｆｅ、　Ｃｏ等の重金属の粉末を合金
化する方法では合金化によって得られる合金化層の均一
性に問題があった。この均一性の問題はＡ１に比べて前
述の重金属は表１に示されるように比重が大きく融点が
高いことに起因している。

表１ ＡＩと重金属との比重および融点の比較ＡＩと各重金属
との比重および融点が前述されたような関係であればレ
ーザ光が照射されるとＡＩが先に溶融し、溶融しにくい
重金属は熔融域の下部に沈降する。このために、上部で
は重金属は希薄となる。したがって、冷却固化後に得ら
れた合金層においては、下部において重金属の作用によ
り局部的に硬度が高くなっているものの、上部ではその
作用が小さくて硬度の増加の程度も少なく、さらにＡ］
母材とそのＡＩ母材に接している合金層下部との間の、
大きな硬度差により、これらＡＩ母材と合金層下部との
境界部に割れが発生しやすいという問題も生じている。

レーザ光照射の代わりにタングステン・イナート・ガス
溶接（以下Ｔ、１．Ｇ、と称する）を行なった場合には
Ｔ、１．Ｇ、によるエネルギー密度はレーザ光よりも低
いために、溶融に要する処理時間を長くしなければなら
ず、このような比重差による分離がより顕著に発生した
。

また、ＴｉＣやＴｉＢｚ等のセラミック粉末をレーザ光
照射によってＡ１表面に合金化する事を意図しても、実
際のところセラミック粉末とＡ１都は殆ど反応せず、Ａ
Ｉのマトリックス中にセラミック粉末粒子が分散した形
になる。ところがセラミック粉末粒子とＡＩとはぬれ性
が悪いために、ＡＩのセラミック粉末粒子保持性が劣り
、マトリックスからセラミック粉末粒子が離脱しやすい
という問題があった。したがって、セラミック粉末を分
散させた合金化層を特に高面圧がかかる高速摺動部材に
適用することはできなかった。

また、このようなセラミック粉末を分散させた合金化層
の場合に、ＴｉＣについてＨｖ１２００〜２１００の高
硬度が得られたが、割れが発生しやすかった。ＴｉＢｚ
では割れはないが、硬度についてはＨｖ３００〜６００
で満足できるものではなかった。

さらに、ＷＣ粉末をＡＩ粉末と混合してＰ、Ｔ、Ａ、を
おこなう方法でも札が比重差により分離し、肉盛層下部
は沈降することから均質な硬化層が得られずＡＩ母材と
の密着性も悪かった。この方法では特に硬度が満足のい
くものではなく、硬化層上部でＨν３５〜４０、下部の
マトリックスにおいてもＨｖ４０程度でしかなかった。

以上のように、従来のＡ１表面の硬化技術では、高硬度
の表面合金層を得ることが困難であるためにＡＩマトリ
ックス内に硬化剤粒子が均質に高い保持力で分散した硬
化層を形成することが課題となっていた。

（課題を解決するための手段） この課題を解決するために、本発明に係る表面硬化アル
ミニウム材の製造方法では、アルミニウムまたはアルミ
ニウム合金からなる母材上にセラミック粉末に金属を被
覆し゛た粉末粒子を供給しこの供給された粉末粒子を高
密度エネルギ熱雰囲気中におくことによって母材上に供
給された粉末粒子を合金化することを要旨とする。

本発明に係る方法において、セラミック粉末として、Ｔ
ｉ、　Ｚｒ、　Ｖ、　Ｃｒ５Ｌａ、　ＮｂまたはＭｏ等
の金属の窒化物、炭化物、ホウ化物またはケイ化物等は
使用される。これらのセラミック粉末は高硬度、高融点
であり、また表１に示した重金属よりも比重が小さくＡ
Ｉの比重に近づいている。

この具体的な例として表２に示すようなものが挙げられ
る。

表２ セラミック粉末例 前述したようなセラミック粉末に金属を被覆して合金化
のための粉末粒子を得るために、このセラミック粉末に
被覆される金属としては次のようなＡ１と金属間化合物
を作る金属が使用可能である。なお（）内は比重を示す
。

Ｃａ（１，５５）、　Ｍｇ（１，７４）、　５ｒ（２，
６０）、　５ｃ（３，０２）、　Ｔｉ（４，５）、　Ｚ
ｒ（６，４４）、　５ｂ（６，６２）、　Ｎｄ（７，０
０）、　Ｃｒ（７，１４）、　Ｍｎ（７，３）、　Ｆｅ
（７，８６）、　Ｎｂ（８，４）、　Ｃ。

（８，７１）、Ｎ１（８，８）、　Ｃｕ（８，９３３）
、　Ｔｈ（１１，００）、　Ｈｆ（１３，３）、Ｕ（１
８，７）、　Ａｕ（１８，８８）、　Ｒｅ（２０，５３
）これらの金属は単体のみならずＡＩとの化合物であっ
てもよい、また、これらの金属単体および／またはＡ１
化合物を複数種類組み合わせて使用することも可能であ
る。

前述したようにして得られたいわゆる合金化粉末粒子を
予めＡ】または４１合金化（以下、単にＡＩと記述する
）からなる母材上に置いてから、またはノズル等で供物
しながら供給し、高密度エネルギー熱源を用いて熔融さ
セる。この時、Ａ１母村上に供給される合金化粉末粒子
の厚みとしては例えば、０．２５〜０．５腸位が適当で
ある。

また高密度エネルギー熱源としては、タングステン・イ
ナート・ガス炎、プラズマアーク、電子ビーム、レーザ
光またはこれらと等価な熱源等が挙げられる。

（作用） ＡＩとセラミック粉末粒子とはぬれ性が悪い０例えば、
ＴｉＣの場合、ぬれ角は１２０度以上である。

セラミック粉末粒子に金属を被覆すると、このぬれ性が
良くなる０例えば、ＴｉＣ、ではＣｏを被覆することに
より、ぬれ角は４０度以下になる。また、セラミック粉
末粒子は比重が比較的ＡＩに近いから個のセラミック粉
末粒子に金属を被覆して得る合金化粉末粒子の比重もＡ
Ｉとそれほどかけ離れたものにならない。例えばＣｏが
被覆されたセラミック粉末粒子である合金化粉末粒子は
、同じ大きさのＣｏ単体粉末粒子と比べてはるかに軽く
換言すれば比重が小さい、そして、金属を被覆すること
により粉末粒子のサイズが大きくなって、溶融Ａ１によ
る粘性抵抗を大きく受けるようになる。また、被覆状態
となっている金属の実景では、同じ充用の単体粉末粒子
の場合よりも表面積が大きくなる。

このような合金化粉末粒子は高密度エネルギー熱源から
熱を付与されることによって母材のＡ１と合金化される
。その際に、先ずＡＩが溶融し、合金化粉末粒子は溶融
ＡＩの中を沈降するが、前述したように大きな粘性抵抗
を受け、この沈降の速度は緩やかである。同時に、被覆
している金属が溶融しながらＡＩ中に拡散していき、Ａ
Ｉとの間で金属間結合が形成される。この金属間結合に
より生成される化合物の例としてはＮｉＡ１５゜ＣｏＡ
１ｗ＋　ＦｅＡｌ３等が挙げられる。このようにして形
成された合金化層では、マトリックス中にセラミック粉
末粒子がほぼ均一に分散して、このセラミック粉末粒子
を取り囲むように被覆金属と母材Ａ１との金属間化合物
が生成されＡＩとともにマトリックスを形成する。

（発明の効果） 本発明に係る方法において使用される合金化粉末粒子は
前記したように比較的Ａ１に近い比重を有し、また溶融
Ａ１にあって大きな粘性抵抗を受けるから、合金化層の
下部に沈降してしまうことがない。したがって、従来技
術で述べたように硬度差が合金化層の上部と下部の間に
生じないから、割れが発生することもない。また、マト
リックス中にＡ１と被覆金属との金属間化合物は生成す
るから、マトリックスの硬度が増す。

しかも、被覆金属の表面積が単体の粉末粒子の場合に比
べて大きいから、八１との接触面積が増し、金属間化合
物の生成がより均一に行なわれる。したがってマトリッ
クスの硬度も均一になる。合金化層全体について見ると
、金属間化合物の生成により硬度が増したマトリックス
中に、さらに硬度が大きなセラミック粉末粒子が分散し
た形になる。

加えて、予め金属を被覆したセラミック粉末粒子を合金
化するから、セラミック粉末粒子をマトリックスのセラ
ミック粉末粒子保持力が向上してセラミック粉末粒子が
マトリックスから離脱しにくくなる。

以上述べたように、本発明に係る方法により、アルミニ
ウム表面の硬化を効果層形成部の全層域にわたって、均
一に行なうことができる。また、形成される合金化層は
、耐摩耗性および耐熱性にも優れるから、高面圧高速摺
動部材にも適用可能となり、その用途が拡大する。

（実施例） 次に本発明の具体的な一実施例を図面を参照しつつ説明
する。

一実施例− ＴｉＣにＣｏを被覆させた合金化粉末粒子（Ａ）をＡ１
合金母材（！Ａ）上にレーザ出力５Ｋｗ、処理速度６０
０１／分でレーザ光を照射した。この母材上に厚さｌ■
以内の合金化層を形成した。このようにして形成された
合金化層の断面の顕微鏡写真を第１図に示す。得られた
合金化層では、ＴｉＣが熔融せずにほぼ均一に分散して
いた。また、ＴｉＣに被覆させたＣｏがＡＩと金属間化
合物を作っている。また、この第１図に示される断面に
おけるマトリックスの各部分の硬度分布をビッカース固
さにより測定した。この結果を第２図に示す。金属間化
合物の生成によりマトリックスの硬度はＨｖ３５０〜６
００に達した。さらに、割れの発生は全く見られなかっ
た。

同様に、表３に示す炭化物系セラミックおよびホウ化物
系セラミックと被覆金属との組み合わせによる合金化粉
末粒子についても、良好な合金化層が得られた。

一比較例一 実施例と同じＡ１合金母材（−）上に、Ｆｅをレーザア
ロイングした。得られた合金化層の断面組織写真を第３
図に示す。この写真かられかるように合金化層の下部に
Ｆｅ　（Ｆ）が沈降し均質な合全化層が得られなかった
。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例により得られた合金化層の金属組織の断
面を表す顕微鏡写真、第２図は合金化層の硬度分布を示
す断面図、第３図は比較例の合金化層の金属組織の断面
を表す顕微鏡写真である。 Ａ・・・合金化粉末 Ｆ・・・鉄 Ｗ・・・アルミニウム合金母材 出願人　　株式会社　小松製作所 代理人　　杉浦俊貴　′ユ、ニー ９＋二′−二つ 髪と、ど 第２図 手続 （甫　正　書（自発） 平成　２年１２月１２日 特願平２−２３８４１２号 表面硬化アルミニウム材の製造方法 事件の表示 発明の名称 補正をする者 事件との関係 住　所（居所） 氏　名（名称）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる母材
   上にセラミック粉末に金属を被覆した粉末粒子を供給し
   この供給された粉末粒子を高密度エネルギ熱雰囲気中に
   おくことによって母材上に供給された粉末粒子を合金化
   することを特徴とする表面硬化アルミニウム材の製造方
   法。 ２　前記セラミック粉末に金属を被覆した粉末粒子が、
   複数種類の内から選ばれた少なくとも１種類であること
   を特徴とする請求項１に記載の表面硬化アルミニウム材
   の製造方法。 ３　前記高密度エネルギ熱雰囲気を形成するための高密
   度エネルギ熱源が、レーザ光、電子ビーム、タングステ
   ン・イナート・ガス炎、プラズマアークまたはこれらと
   等価な熱源のうちから選ばれたものである請求項１に記
   載の表面硬化アルミニウム材の製造方法。