JPH0480990B2

JPH0480990B2 -

Info

Publication number: JPH0480990B2
Application number: JP61008552A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Kanazawa; Joji Myake; Haratsugu Koyama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1985-01-22
Filing date: 1986-01-18
Publication date: 1992-12-21
Also published as: JPS61270376A

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野この発明は、例えば自動車用エンジンのバルブ
シートの如く、耐摩耗性が要求される部位に好適
に使用されるＡ合金部材に関し、特にレーザビ
ームやTIGアーク等の高密度エネルギー源を用い
てＡ合金基材表面に他の材料を合金化（アロイ
ング）して耐摩耗性が高い表面合金化層を形成し
たＡ合金部材に関するものである。従来の技術周知のようにＡ合金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
れるようになつている。しかしながら一般にＡ
合金は鉄系材料と比較して耐摩耗性が劣り、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Ａ合金部材に代える際の大きな障害と
なつていた。そこで従来から、耐摩耗性が要求される部位に
適用されるＡ合金部材の耐摩耗性向上策とし
て、メツキや陽極酸化処理、あるいは溶射等の表
面処理を施して耐摩耗性の高い表面処理層を形成
する試みがなされているが、いずれの場合も表面
処理層の基材に対する密着性が充分でないところ
から、高面圧下で使用した場合に充分な耐久性を
確保できないという欠点があつた。このような点から、本出願人は、既に特願昭59
−78996号において、Ａ合金基材表面をNiと硬
質セラミツク粒子との混合粉末で被覆し、TIGア
ークやレーザビーム等の高密度エネルギを照射し
て、Ａ合金基材と前記混合粉末を合金化（アロ
イング）させ、Ni₃Ａ、NiA、Ni₂Ａ₃、
NiA₃等のNi−Ａ系金属間化合物からなるマ
トリツクス中に硬質セラミツク粒子を分散させた
複合層をＡ合金部材表面に形成する方法を提案
している。発明が解決すべき問題点前記提案の方法によれば、高密度エネルギ源を
用いたアロイングによつてＡ合金部材の表面に
耐摩耗性に優れた複合層を形成することができ、
またこの複合層のマトリツクスであるNi−Ａ
系金属間化合物は基材のＡ合金と一体に結合さ
れているため、高面圧下でも耐久性が高い。しか
しながら前記提案により得られる複合層はマトリ
ツクス（基地組成）の全体がNi−Ａ系金属間
化合物相となつており、この金属間化合物相は高
硬度ではあるものの、極めて脆いため、合金化処
理後の加工が困難であるという問題がある。すな
わち一般に合金化処理後の表面（複合層表面）は
凹凸が不可避的に生じているから、これをそのま
まバルブシート等の機械部品に使用するとはでき
ず、そこで表面精度を出すために通常は合金化処
理後に研磨する必要があり、また場合によつては
研削を必要とすることもあるが、金属間化合物相
のみをマトリツクスとする複合層は前述のように
脆いため、研磨加工あるいは研削加工あるいは研
削加工時にチツピングが発生したりクラツクが発
生したりして、加工が困難となり、したがつて実
用材料として使用するには問題があつた。この発明は以上の事情を背景としてなされたも
のであり、前記提案の問題点を解決して、合金化
処理後の加工の困難を招くことなく、高面圧下、
高温条件下においても著しく耐摩耗性の優れたＡ
合金部材を提供することを目的とするものであ
る。問題点を解決するための手段この発明のＡ合金部材は、Ａ合金基材の表
面にNiのみならず硬質な炭化物すなわちTiC（炭
化チタン；チタンカーバイド）、WC（炭化タング
ステン；タングステンカーバイド）、VC（炭化バ
ナジウム）、ZrC（炭化ジルコニウム）、NbC（炭化
ニオブ）、TaC（炭化タンタル）のうちから選ば
れた１種または２種以上をも同時に合金化するこ
とにより硬質炭化物相を表面層に分散させて、耐
摩耗性を一層向上させ、しかもその合金化にあた
り、最終的に得られる合金化層（複合層）の基地
組織の全体がNi−Ａ系金属間化合物相となつ
てしまわないように、すなわちNi−Ａ系金属
間化合物相とＡ合金相とが混在した組織を有す
る複合層となるようにその層中の平均Ni濃度を
設定し、これによつて前記提案の如きNi−Ａ
系合金間化合物相の脆さの問題を解決し、加工性
を確保するものである。具体的には、この発明の耐摩耗性Ａ合金部材
は、耐摩耗性が要求される部位のＡ合金基材表
面に、TiC、WC、VC、ZrC、NbC、TaCのうち
から選ばれた１種または２種以上の炭化物とNi
とを合金化することによつて、Ａ合金マトリツ
クスにNi−Ａ系金属間化合物および炭化物質
硬質相が晶出した、平均Ni濃度が10〜40重量％、
炭化物硬質相の平均濃度が0.5〜30重量％の複合
層をＡ合金基材表面に形成したことを特徴とす
るものである。作用この発明の合金部材は、前述のようにＡ合金
基材の表面に高密度エネルギ源を用いてNiおよ
びTiC等の硬質炭化物を合金化（アロイング）し
て、Ａ合金基地中にNi−Ａ系金属間化合物
および炭化物硬質相を晶出させた複合層、すなわ
ちＡ合金相とNi−Ａ系金属間化合物相およ
び炭化物硬質相とが混ざり合つた複合層を形成し
たものである。ここで、Ni−Ａ系金属間化合物としては、
主としてNiA₃およびNi₂Ａ₃の２種類の化合
物が晶出する。すなわち通常は複合層における平
均Ni濃度がNiおよびＡの合計量に対し28重量
％以下の場合にはNiA₃が晶出し、28重量％以
上の場合にはNiA₃およびNi₂Ａ₃が晶出する。
これらのNi−Ａ系金属間化合物は、いずれも
高硬度であつて、耐摩耗性および耐熱性を高める
作用を果たす。またTiC、WC、VC、ZrC、
NbC、TaCのような炭化物も勿論極めて硬質で
あり、したがつてこれらのうちから選ばれた１種
または２種以上の炭化物硬質相が微細に分散晶出
することによつて耐摩耗性をより一層向上させる
役割を果たす。一方複合層中のＡ合金マトリツ
クス相は後述するように各種固溶元素が固溶した
α−Ａ相を主体とするものであり、このα−Ａ
相は軟質であるため複合層全体の加工性を向上
させる作用を果たす。すなわち、Ni−Ａ系金
属間化合物相および炭化物硬質相とＡ合金マト
リツクス相とが共存することによつて、優れた耐
摩耗性および耐熱性を得ると同時に基地組織が
Ni−Ａ系金属間化合物相のみの場合と比較し
て格段に優れた加工性を得ることができる。なお本発明者等は既に別の特許出願において、
炭化物を加えず、NiのみをＡ合金基材表面に
合金化して、Ａ合金マトリツクス中にNi−Ａ
系金属間化合物を晶出させかつ平均Ni濃度を
10〜40重量％とした複合層を形成したＡ合金部
材を提案しているが、このようにNi単独の場合
と比較してこの発明では硬質炭化物を併せて合金
化して炭化物硬質相をも晶出させることにより一
層耐摩耗性が向上する。但し、前記複合層中の平均Ni濃度が40重量％
を越えれば、複合層全体がNi−Ａ系金属間化
合物相のみとなつてしまい、複合層が脆くなつて
加工が困難となる。一方複合層中の平均Ni濃度
が10重量％未満の場合には、Ni−Ａ系金属間
化合物の晶出量が極めて少なくなつて相対的にＡ
合金相の割合が大きくなり、その結果一部の材
料（例えばバルブ材として用いられているCo−
Cr合金など）を相手材とした場合に摩擦によつ
て凝着を生じ、摩擦部分に使用されている耐摩耗
部材として不適当となる。したがつて複合層中の
平均Ni濃度は10〜40重量％の範囲内とする必要
がある。また複合層中の炭化物硬質相の平均濃度
が0.5重量％未満では硬質炭化物を加えることに
よる耐摩耗性向上効果が充分に発揮されず、一方
炭化物硬質相の平均濃度が30重量％を越えれば相
手攻撃性が高くなつて相手部材の摩耗が大きくな
る。したがつて複合層中の炭化物硬質相の平均濃
度は0.5〜30重量％の範囲内とした。なおＡ合金基材としては機械部品等に使用さ
れている任意のＡ合金を用いることができる。
また前述の説明ではNi−Ａ系金属間化合物相
以外の部分を一括してＡ合金マトリツクス相と
称したが、基材として用いるＡ合金の成分によ
つては実際には各種合金元素が固溶したα−Ａ
相のみならず、そのα−Ａ相中にMg−Ａ系
化合物あるいはCu−Ａ系化合物相等が晶出す
る場合もあることは勿論である。なおまた、上述のような複合層中はＡ基材表
面層とNiとの合金化によつて形成されたもので
あるから、Ａ基材の母材部分との密着性は充分
にあり、したがつて高面圧下においても高い耐久
性を示す。以上のようなＡ合金部材を製造するにあたつ
ては、先ずＡ合金部材のうち耐摩耗性が要求さ
れる部位のＡ合金基材表面をNiおよびTiC等
の硬質炭化物の混合物で被覆する。その被覆手段
としては、例えば溶射法、メツキ法、あるいはス
ラリー塗布法などを用いることができる。このよ
うにしてNi＋硬質炭化物の被覆層を形成した後、
その表面にTIGアーク、レーザビームあるいは電
子ビームなどの高密度エネルギを照射して急速短
時間加熱し、Ni＋硬質炭化物被覆層とその下側
のＡ合金基材の一部（所要深さまでの部分）を
溶融させ、合金化させる。この合金化にあたつて
は、合金化層（複合層）中の平均Ni濃度を10〜
40重量％の範囲内に収めるべく、Ni＋硬質炭化
物被覆層の厚みに対するＡ合金基材の溶融深さ
が適切な深さとなるように高密度エネルギ照射条
件（出力や基材とエネルギ源との相対移動速度な
ど）を適切に設定することが肝要である。実施例実施例１鋳物用アルミニウム合金として知られるJIS
AC2BのＡ合金（Cu3.10％、Si.32％、Mg0.34
％、Zn0.01％、Fe0.43％、Mn0.30％、残部Ａ）
からなる60mm×25mm×８mmの試片の表面に、第１
表の記号Ａで示すように純Ni粉末75重量％、
TiC粉25重量％の混合粉末を溶射した後、TIGア
ークによつて溶射層と母材のＡ合金とを平均
Ni濃度が10〜40重量％の範囲内となるような条
件で合金化させた。合金化によつて形成された複
合層の表面を研磨した後、大越式迅速摩耗試験が
行なえる寸法、形状に試片を仕上げた。その後大
越式迅速摩耗試験を行なうとともに、複合層の組
成分析を行なつた。また、合金化すべき混合粉末として第１表の記
号Ｂで示すようにNi粉末およびWC粉末の混合粉
末を用いた場合と、記号Ｃで示すようにNi粉末
およびVC粉末の混合粉末を用いた場合と、記号
Ｄで示すようにNi粉末およびZrC粉末の混合粉末
を用いた場合と、記号Ｅで示すようにNi粉末お
よびNbC粉末の混合粉末を用いた場合と、記号
Ｆで示すようにNi粉末およびTaC粉末の混合粉
末を用いた場合と、記号Ｇで示すようにNi粉末、
TiC粉末、WC粉末の混合粉末を用いた場合と、
記号Ｈで示すようにNi粉末、VC粉末、ZrC粉末
の混合粉末を用いた場合と、記号Ｉに示すように
Ni粉末、VC粉末、NbC粉末の混合粉末を用いた
場合、以上の各ケースについて前記と同様な条件
で合金化を行ない、その後複数層の摩耗試験と組
成分析に供した。以上の実施例Ａ〜ＩのＡ合金部材における複
合層の成分組成分析結果は、第１表中に示す通り
であつた。

【表】一方、比較材１として従来から自動車エンジン
のバルブシート材として用いられている鉄系焼結
材料（C0.70〜1.20％、Mo4.0〜6.5％、Co7〜10
％、Pb10〜22％、Fe残部）を用意し、さらに比
較材２として、JIS AC2BのＡ合金基材表面に
TIGアークによりNiのみを合金化して、重量％
でＡ−34Ni−５％Si−２％Cuの成分組成の複
合層を形成したＡ合金部材を用意した。これらの本発明実施例材Ａ〜Ｉおよび比較材
１、２についての大越式迅速磨耗試験結果を第１
図に示す。なお大越式迅速磨耗試験の試験条件
は、相手材をSUH11とし、最終荷重6.3Kg、すべ
り速度0.31m／sec、すべり距離100mとした。第１図から、この発明による実施例Ａ〜Ｉの場
合には、従来のバルブシート材である比較材１と
比較して大越式迅速磨耗試験における磨耗痕面積
が小さく、従来の比較材１より優れた耐磨耗性を
有し、しかもNiのみを合金化した比較材２と比
べても耐磨耗性が優れていることが明らかであ
る。ここで、この発明の実施例材のNi濃度と比
較材２のNi濃度はほぼ同等であり、したがって
Niと同時にTiCその他の硬質炭化物を合金化す
ることによつて一層耐磨耗性が向上したことが明
らかてある。なお以上の実施例において、合金化処理後の研
磨加工においてはクラツクやチツピングが生じる
ことなく、円滑に研磨加工を行なうことができ
た。なおまた、別に本発明実施例材の複合層の組織
について、光学顕微鏡およびEPMAによる観察
を行なつたところ、Ａ合金マトリツクス相とし
てのα−Ａ相中にNi−Ａ系金属間化合物で
あるNiA₃および／またはNi₂Ａ₃が均一に晶
出するとともに微細な炭化物硬質相が均一に分散
晶出していることが確認された。実施例２合金化するべき混合粉末として、純Ni粉末と
TiC粉末との混合粉末を用いた場合と、純Ni粉
末とWC粉末との混合粉末を用いた場合と、純Ni
粉末とVC粉末を用いた場合と、純Ni粉末とZrC
粉末との混合粉末を用いた場合と、純Ni粉末と
NbC粉末を用いた場合と、純Ni粉末とTaC粉末
との混合粉末を用いた場合とについて、それぞれ
炭化物粉末の配合量を変えて、種々の量の炭化物
硬質相を有するNi合金化複合層をＡ基材表面
に形成した。その他の合金化の条件は実施例１と
同様である。なおいずれの炭化物を含む混合粉末
を合金化した場合もその複合層中のNi濃度は30
±５重量％である。以上のようにして得られた種々の炭化物量のＡ
合金部材複合層について大越式迅速摩耗試験を
行なつた結果を炭化物量に応じて第２図に示す。
なおこの場合の試験条件は実施例１の場合と同じ
である。一方、各Ａ合金部材複合層の摩擦時における
相手材への攻撃性を次のようにして調べた。すな
わち大越式迅速摩耗試験のローターに上述のよう
に複合層が生成されたＡ合金部材を用い、プレ
ートにJIS規格SUH11材を用い、そのプレートの
摩耗痕面積で複合層の相手攻撃性を評価した。そ
の結果を第３図に示す。第２図から明らかなように複合層中の炭化物量
が0.5重量％未満では複合層の摩耗痕面積が大き
く、充分な耐摩耗性が得られないことがわかる。
炭化物量が多くなるほど複合層の摩耗痕面積が少
なくなつて耐摩耗性が向上しているが、第３図に
示すように複合相中の炭化物量が30重量％を越え
れば相手材攻撃性が増すことがわかる。したがつ
てこの発明では既に述べたように複合層中の炭化
物量を0.5〜30重量％の範囲としたのである。実施例３合金化させるべき混合粉末として、純Ni粉末
のみを用いた場合、純Ni粉末とTiC粉末との混
合粉末を用いた場合、純Ni粉末とWC粉末との混
合粉末を用いた場合、および純Ni粉末とVC粉末
との混合粉末を用いた場合について、それぞれ合
金化後の複合層のNi量が変化するようにして、
合金化を行なつた。その他の条件は実施例１の場
合と同様である。なおNi粉末＋TiC粉末の場合
の複合層中のTiC濃度は４±２重量％、Ni粉末
＋WC粉末の場合の複合層中のWC濃度は10±２
重量％、Ni粉末＋VC粉末の場合の複合相中の
VC濃度は５±２重量％である。実施例１と同様にしてＡ合金部材複合層の耐
磨耗性を大越式迅速磨耗試験により調べた結果
を、複合層のNi濃度に対応して第４図に示す。
第４図から、Ni濃度が10％では充分な耐磨耗性
が得られないことが判る。発明の効果以上の説明で明らかなようにこの発明のＡ合
金部材は、Ａ合金基材表面にNiおよびTiC等
の硬質炭化物を合金化させて、Ａ合金マトリツ
クス中にNi−Ａ系金属間化合物および炭化物
硬質相を晶出させて、平均Ni濃度を10〜40重量
％、炭化物硬質相の平均濃度を0.5〜30重量％の
範囲内とした複合層を形成したものであるから、
耐摩耗性および耐熱性が高いと同時に加工性も良
好であり、したがつて高面圧下、高温条件下で耐
摩耗性が要求される部位に使用して著しく優れた
耐摩耗性、耐久性を発揮できると共に、実際部品
に適用するための研磨加工あるいは研削加工等を
も容易になし得る利点を有する。したがつてこの発明のＡ合金部材は、例えば
Ａ合金製シリンダヘツドのバルブシート、Ａ
合金製シフトフオークの爪部、Ａ合金製シリン
ダライナ、Ａ合金製ロツカアームのパツド等に
適用して好適なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例材１における実施例
材Ａ〜Ｉおよび比較材１，２の摩耗試験結果を示
すグラフ、第２図は実施例２において複合層中の
炭化物濃度が耐摩耗性に及ぼす影響を示すグラ
フ、第３図は同じく実施例２において複合層中の
炭化物濃度が相手攻撃性に及ぼす影響を示すグラ
フ、第４図は実施例３において複合層中のNi濃
度が耐摩耗性に及ぼす影響を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

１耐摩耗性が要求される部位のＡ合金基材の
表面に、TiC，WC，VC，ZrC，NbC，TaCのう
ちから選ばれた１種または２種以上の炭化物と
Niとを合金化することにより、Ni−Ａ系金属
間化合物相および炭化物硬質相をＡ合金マトリ
ツクス中に晶出させて平均Ni濃度を10〜40重量
％、炭化物硬質相の平均濃度を0.5〜30重量％と
した複合層をＡ合金基材表面に形成したことを
特徴とする耐摩耗性Ａ合金部材。