JPH0480992B2 - - Google Patents

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、Ni₂Ａ₅、
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（基地組織）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ことはで
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時にチツ
ピングが生じ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およびCrを合金化したものであつて、し
かもその合金化にあたつては、最終的に得られる
合金化層の全体が金属間化合物相となつてしまわ
ないように、すなわち金属間化合物相と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NiやCrの濃度を設定し、これによつ
て前記提案の如き合金間化合物相の脆さの問題を
解決し、加工性を確保すると同時に優れた耐摩耗
性を得るものである。

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NiおよびCrを合金化することによつて、平
均Ni濃度が10重量％以上、平均Cr濃度を５重量
％以上、NiおよびCrの合計の平均濃度を40重量
％以下とし、かつ残部がＡを主体とする複合層
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Crを合金化（アロイング）して、前述のよう
に所定のNi濃度、Cr濃度、NiおよびCrの合計濃
度を有する複合層をＡ合金基材表面に形成した
ものである。

ここで、前記複合層は、Ａ合金マトリツクス
相中に主として種々の金属間化合物が晶出した複
合層となる。この金属間化合物としては主にNi
−Ａ系金属間化合物、すなわちNiA₃および
Ni₂Ａ₃が晶出し、またこのほかCr−Ａ系金
属間化合物あるいはCr−Ni−Ａ系金属間化合
物も晶出する。さらにこれらのほか、Crの単相
が晶出することもあると考えられる。

上述のような金属間化合物相やCr相はいずれ
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。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ー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、金属間化合物
相やCr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、
Cr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
提供しているが、このようにNi単独の場合と比
較してこの発明ではCrを併せて合金化すること
により一層耐摩耗性が向上する。

但し、前記複合層中のNiおよびCrの合計の平
均濃度が40重量％を越えれば、αーＡ相が現わ
れないかまたは極めてわずかとなつてしまい、複
合層が脆くなつて加工が困難となる。したがつて
複合層中のNi＋Crの平均濃度は40重量％以下と
する必要がある。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重量％以上とする必要がある。
またCrの濃度が0.1重量％未満の場合にはCrの合
金化による耐摩耗性向上効果が発揮されない。し
たがつてCrの平均濃度は0.1重量％以上とする必
要がある。但しCrの効果を充分に発揮させるた
めには、Crの平均濃度は５重量％以上とするこ
とが望ましい。

複合中のNi，Cr以外の成分はＡを主体とす
るが、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、そ
の場合Ａ合金中にはＡのほか少量のCuやSi、
Mg、Mn等を含有することが多く、したがつて
複合中には前記のNi、CrおよびＡのほかＡ
合金基材からのCu、Si、Mg、Mn等の少量の合
金元素も含まれることは勿論である。そしてまた
Cu、Si、Mg、Mn等のうち、一部はＡ合金マ
トリツクス相としてのαーＡ相に固溶するが、
一部はMg−Ａ系化合物相あるいはCu−Ａ系
化合物相などとしてα−Ａ相中に晶出すること
が多く、また場合によつてはこれらの元素とＡ
およびNiやCr等との複合化合物として晶出する
こともある。

なおまた、上述のような複合層はＡ基材表面
層とNiおよびCr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−Cr合金ある
いはNiおよびCrの混合物によつて被覆する。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。なおこの被覆時においてはNi＋Cr被覆層中
のNiとCrの割合を、最終的に目標とする合金化
層（（複合層）中の平均NiとCrの比に設定するこ
とが望ましい。このようにしてNi＋Cr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＋Cr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Ni＋Crの平
均濃度を前述のような所要の範囲内に収めるべ
く、Ni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 鋳物用アルミニウム合金として知られる
JISAC2CのＡ合金（Cu 3.10％、Si 6.32％、
Mg 0.34％、Zn 0.01％、Fe 0.43％、Mn 0.30
％、残部Ａ）からなる60mm×25mm×８mmの試片
の表面に、80％Ni−20％Cr合金粉末を溶射した
後、TIGアークによつて溶射層と母材のＡ合金
とをNi＋Crの合計の平均Ni濃度が30重量％程度
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、複合層の成分分析を行なつた。

ここで成分分析の結果は、本実施例のＡ合金
部材における複合層の成分組成が重量％でNi21
％、Cr12％、Si5％、Cu2％、残部Ａであるこ
とが確認された。また比較材１として従来から自
動車用エンジンのバルブシート材として使用され
ている鉄系焼結材料（Ｃ 0.70〜1.20％、Mo 4.0
〜6.5％、Co ７〜10％、Pb 10〜22％、Fe残部）
を用意し、さらに比較材２として、JISAC2C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−34％Ni−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および比較材１、２につ
いての大越式迅速摩耗試験結果を第１図に示す。
なお大越式迅速摩耗試験の試験条件は、相手材を
SUE１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
して大越式迅速摩耗試験における摩耗痕面積が小
さく、従来の比較材１より優れた耐摩耗性を有
し、しかもNiのみを合金化した比較材２と比べ
ても耐摩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およびCrの合
計濃度と比較材２のNi濃度はほぼ同等であり、
したがつてNiの一部をCrによつて置き換えるこ
とによつて一層耐摩耗性が向上したことが明らか
である。

なお以上の実施例において、合金化処理後の研
磨加工においては特に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。

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Crを合
金化させて、平均Ni濃度を10重量％以上、平均
Cr濃度を0.1重量％以上、NiおよびCrの合計の平
均濃度を40重量％以下とし、残部がＡを主体と
する複合層をＡ基材表面に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図はの発明の実施例材および比較材１、２
の摩耗試験結果を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 耐摩耗性が要求される部位のＡ合金基材の
   表面にNiおよびCrを合金化することにより、平
   均Ni濃度を10重量％以上、平均Cr濃度を0.1重量
   ％以上、NiおよびCrの合計平均濃度を40重量％
   以下とし、かつ残部がＡを主体とする複合層を
   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。