JPH0525655A - アルミニウム系母材の表面硬化方法および表面硬化アルミニウム系部材 - Google Patents

アルミニウム系母材の表面硬化方法および表面硬化アルミニウム系部材

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JPH0525655A
JPH0525655A JP3201309A JP20130991A JPH0525655A JP H0525655 A JPH0525655 A JP H0525655A JP 3201309 A JP3201309 A JP 3201309A JP 20130991 A JP20130991 A JP 20130991A JP H0525655 A JPH0525655 A JP H0525655A
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alloy powder
alloy
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俊秀 武田
Kaoru Adachi
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 均一な組織および硬度を有しかつ割れのない
合金層をアルミニウム系母材表面に形成して、耐熱性お
よび耐摩耗性に優れた表面硬化アルミニウム系部材を得
る。 【構成】 アルミニウムおよびアルミニウムとの間で高
硬度の金属間化合物を生成する金属を用いてアルミニウ
ム合金粉末を作成し、このアルミニウム合金粉末をアル
ミニウムまたはアルミニウム合金よりなるアルミニウム
系母材上に供給するとともに、高密度エネルギー熱源を
用いてアルミニウム系母材中のアルミニウムと供給され
たアルミニウム合金粉末とを合金化させることにより合
金層を形成する。 【効果】 アルミニウム合金粉末中の金属とアルミニウ
ム合金粉末中および母材中のアルミニウムとにより合金
層が形成され、この合金層中に高硬度の金属間化合物が
生成して合金層中に均一に晶出する。特に、合金層を肉
厚で形成する場合における合金層の均質化や割れの防止
に有利である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、アルミニウム系母材
の表面硬化方法およびこの方法によって得られる表面硬
化アルミニウム系部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】アルミニウムは比重が2.7 と小さくまた
耐食性に優れているため、産業ロボット、自動車、航空
機等の軽量化を図る点から多くの量がこれらの生産に充
当されている。しかし、アルミニウムは耐摩耗性、耐熱
性が著しく劣るため、アルミニウム材が適用される機械
の特性上耐摩耗性や耐熱性が要求される部分対しては、
硬度Hv300 〜1000で硬化深さが１mm以上の硬化層をアル
ミニウム材に付与する技術の開発が進められている。
【０００３】この技術としては、従来からアルミニウム
またはアルミニウム合金よりなる母材にFe,Ni,Co等の金
属粉末を供給し、例えばレーザ光等の高密度エネルギー
熱源によって供給粉末を溶融させるとともに、母材のア
ルミニウムと合金化させるレーザアロイング法等が実用
化されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来のレーザアロイン
グ法による硬化処理では、アルミニウムと合金化される
金属がレーザ照射によって溶融している時間は通常0.5
秒以下と非常に短い。そのため、合金化される金属はア
ルミニウム母材中に均一になるまで十分に拡散すること
ができなかった。
【０００５】また、硬化物を形成する目的のもとに合金
化される金属は比重が大きく融点も高い例が多い。例え
ば、Niの比重は7.9 であり融点は1453℃である（Alの融
点は660 ℃）。このような比重と融点の違いにより、レ
ーザ光が照射されると融点が高くて溶融しにくいNiは比
重が大きいため溶融域の下部に沈降し、その結果溶融域
の上部ではNiが希薄となる。そして、冷却固化後の合金
層の組織も不均一なものとなって、合金層の下部ではNi
の比率が高いためにNi3Al(Alが86wt％）が晶出するに至
る。
【０００６】このNi3Al は高硬度であるが、非常に脆い
ため割れを発生させる原因となるという問題点があっ
た。また、合金層の上部ではNiの比率が低いため、十分
な硬さが得られないという問題点もあった。
【０００７】このような従来のアロイング法による硬化
処理の問題点は、合金層が厚肉である程顕著に現れてく
るため、特に厚みが１mm以上となった場合でも均質で割
れのない状態で高硬度が得られる合金層を形成する技術
の開発が求められていた。
【０００８】また、シリンダヘッドのバブルシート部な
どの相手材との間に相互運動がなされる部位に、従来の
アロイング技術を適用して硬化処理を行った場合には、
局部的に高硬度の部分が合金層に存在するために相手材
（この場合はバブル）の摩耗が過度に進行するという問
題点を生じていた。
【０００９】これらの面からも、合金層全体にわたって
均一で高い硬度を有する合金層を形成する要請は大きか
ったのである。したがって、本発明の目的は合金層をア
ルミニウム材に形成するに際し、靱性を害うことなく、
耐摩耗性および耐熱性に優れた表面硬化アルミニウム系
母材およびその製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前述したような目的を達
成するためにはアルミニウム合金層中にアルミニウムと
合金化させる金属が均一に分散することが必要となる。
そのために本発明では、予めアルミニウム系母材中のア
ルミニウムと合金化させる金属とアルミニウムとの合金
粉末を作成し、この合金粉末をアルミニウム系母材上に
供給するとともに、レーザ光等の照射によってアロイン
グを行うものである。
【００１１】すなわち、本発明のアルミニウム系母材の
表面硬化方法は、アルミニウムおよびアルミニウムとの
間で高硬度の金属間化合物を生成する金属を用いてアル
ミニウム合金粉末を作成し、このアルミニウム合金粉末
をアルミニウムまたはアルミニウム合金よりなるアルミ
ニウム系母材上に供給するとともに、高密度エネルギー
熱源を用いてアルミニウム系母材中のアルミニウムと供
給されたアルミニウム合金粉末とを合金化させることに
よりアルミニウム合金粉末供給部に合金化層を形成する
ことを要旨とする。
【００１２】また、この方法に得られる表面硬化アルミ
ニウム系部材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金
よりなるアルミニウム系母材上の所定の個所に、アルミ
ニウムおよびアルミニウムとの間で高硬度の金属間化合
物を生成する金属を用いて作成されたアルミニウム合金
粉末と、アルミニウム系母材中のアルミニウムとが均一
に組織化された合金層が形成されたことを要旨とする。
【００１３】本発明において、アルミニウム合金粉末を
作成するために使用される金属としては、アルミニウム
との間で高硬度の金属間化合物を生成し得る金属が用い
られる。この金属としては、Co,Cr,Cu,Fe,Ni,Mn,Mg,Ti,
Zr,Th,Nb,Ta 等が挙げられ、これらの金属のうちの１種
または２種以上が使用可能である。
【００１４】Niはこれらの金属の中でその使用が好まし
い金属の１つであるが、Niを使用する場合にはAlにNiを
10〜85wt％の割合で合金化したニッケルアルミニウム合
金粉末とするのが好ましい。その理由は、Niが86wt％以
上であるとNi3Al （Alが86wt％）が合金層中に晶出し易
く、このNi3Al は硬くて脆いことにより本発明の目的が
達成されない。
【００１５】このような観点からアルミニウム合金粉末
の組成を前述したような割合とすることにより、アルミ
ニウム系母材上に形成される合金層組織はアルミニウム
系母材表面にNiが10〜75wt％の割合で均一に合金化され
ているものとすることができる。
【００１６】アルミニウム系母材上に形成される合金層
中のNiが10wt％未満では合金層の硬さはHv150 以下とな
って、十分な硬さが得られない。またNiが75wt％を超え
ると局部的にNi3Al が生成する可能性が出てくる。しが
って本発明による合金層組織にはニッケルアルミニウム
金属間化合物が主としてNiAl3,Ni2Al3,NiAl 等の形で生
成していることになる。
【００１７】またアルミニウムとともに合金粉末を形成
する金属としては、前述したような基本的な金属のほか
にアルミニウム合金に一般的に添加されるSi,Zn,Pb,Bi,
V,Li,Sn 等の１種または２種以上を添加して前記の基本
的な金属と同様に予めアルミニウムと合金化させておい
てもよい。
【００１８】さらに、TiC 等のセラミック粉末にCo等の
金属を被覆させたものを前述したアルミニウム合金粉末
に混合して用いれば、セラミックが均一に分散したより
高い硬度の合金層を形成することが可能である。
【００１９】アルミニウム合金粉末をアルミニウム系母
材上に合金化するための高密度エネルギー熱源としては
レーザ光のほか電子ビーム、プラズマトランスファード
アーク(P.T.A）、タングステンイナートガスアーク(T.
I.G) 、メタルイナートガスアーク(M.I.G) またはこれ
らと等価な熱源が使用可能である。
【００２０】このような高密度エネルギー熱源を照射し
てアルミニウム合金粉末を合金化する処理は１回のみの
いわゆるシングルパス処理ではなく、２回以上繰り返す
多数回のパス処理を行うことが好ましい。１回のみの処
理ではアルミニウムと合金化される金属が比重差により
下部に沈降して上部が希薄になりがちであるが、この処
理を２回以上繰り返すことにより前記金属が下部から上
部に向かって層状に分布されることになり目標の成分構
成や硬さを持つ均一な合金層組織が形成出来る。
【００２１】このような高密度エネルギー熱源の多数回
パス処理を行うには、アルミニウム系母材上の所要個所
にアルミニウム合金粉末を予め載置してから高密度エネ
ルギー熱源を照射するよりも、アルミニウム合金粉末の
所要個所への給粉と高密度エネルギー熱源の照射とを同
時に行なう給粉タイプのアロイング法の方が有利であ
る。
【００２２】また、レーザ光等の高密度エネルギー熱源
による合金化を行う際における母材と溶融合金との表面
ぬれ性向上、高密度エネルギーの吸収率向上および溶融
池の酸化膜除去のために、アルミニウム合金粉末の給粉
前に予めKF系のフラックスを母材表面に塗布しておくこ
とが望ましい。
【００２３】
【作用】アルミニウム系母材上に供給されたアルミニウ
ム合金粉末は、高密度エネルギー熱源によってアルミニ
ウム系母材表面部のアルミニウムまたはアルミニウム合
金（以下単に母材アルミニウムと称する。）とともに溶
融する。これによって生成される溶融池ではアルミニウ
ム合金粉末が溶融した溶融アルミニウム合金が、アルミ
ニウム系母材から溶融したアルミニウム中に拡散してい
く。
【００２４】その際、アルミニウム合金とアルミニウム
系母材中のアルミニウムとの比重差は、アルミニウム合
金中の金属を（以下合金金属と称する。）をアルミニウ
ムと予め合金化しないで用いる場合におけるアルミニウ
ム系母材中のアルミニウムとその合金金属との比重差に
比べて格段に小さい。そのため、合金金属とアルミニウ
ム系母材中のアルミニウムとの比重差に起因して起こる
合金金属の沈降が抑制され、溶融池の下部において合金
金属の比率が高くなり過ぎることが防げる。
【００２５】このことは、固いが、脆いためアルミニウ
ムの表面処理上不適切な、Ni3Al 等の金属（Ni) が高比
率を占める金属間化合物の生成が避けられ、割れの発生
等のトラブルが防止できることを意味する。
【００２６】しかも、金属を予めアルミニウムと合金化
させたアルミニウム合金の形で母材上に供給するから、
合金金属は溶融した段階で既にアルミニウム中に分散し
ていることになり、アルミニウム系母材中のアルミニウ
ムに対して十分拡散しなくてもアルミニウムと合金金属
との比率が、目的とする金属間化合物を生成するための
比率に容易に近づけることができる。その結果、溶融池
が冷却固化して形成される合金層には、高い硬度の金属
間化合物が均一に晶出する。
【００２７】
【実施例】次に、本発明の具体的な実施例を図面を参照
しつつ説明する。図１に示されるような内燃機関用ピス
トン１の燃焼室に対位する凹部の内径部にのみ合金層２
を形成した。ピストン１の材質はアルミニウム合金であ
り、合金層２は以下の各実施例にもとづいて形成された
ものである。
【００２８】［実施例１］NiAl3(Niがほぼ40wt％）のニ
ッケルアルミニウム合金粉末をアルミニウム合金母材上
に給粉しつつ、レーザアロイング処理を３回行ったとこ
ろ、割れのない合金層が得られた。この合金層組織は平
均Ni濃度が約30％で、その硬さはHv300 程度であった。
【００２９】［実施例２］NiAl (Niがほぼ68wt％）のニ
ッケルアルミニウム合金粉末をアルミニウム合金母材上
に給粉しつつ、レーザアロイング処理を３回行ったとこ
ろ、組織が均一で割れのない合金層が得られた。この合
金層組織は平均Ni濃度が約38％でその硬さはHv300 〜50
0 であった。この実施例２で得られた合金層の金属組織
の顕微鏡写真を図２に示す。またこの図２に対応する各
部の硬さ分布を図３に示す。
【００３０】また、この実施例２と同様の処理をシリン
ダヘッドのバブルシート部に適用したところ、硬さHv33
2 〜420 の合金層がバブルシート部に形成された。
【００３１】［実施例３］NiAl (Niがほぼ68wt％）をア
ルミニウム合金母材上に給粉しつつ、レーザアロイング
処理を５回繰り返したところ、組織が均一で割れのない
合金層が得られた。この合金層組織は平均Ni濃度が約50
％でその硬さはHv600 〜700 であった。
【００３２】［比較例］純鉄粉末をアルミニウム合金母
材上に給粉しつつ、１回だけレーザアロイング処理を行
なったところ、得られた合金層では鉄が分離沈澱し割れ
が発生した。この比較例で得られた合金層の金属組織の
顕微鏡写真を図４に示す。またこの図４に対応する硬さ
分布を図５に示す。
【００３３】次に、実施例１および実施例３の合金層に
ついて通常の試験法に準拠して乾式摺動試験を行い耐摩
耗性を測定した。摺動の相手材としてはSUJ2を焼入およ
び焼もどしした HRC 58 〜64のものを用いた。この結果
を図６に示す。図６から明らかなように実施例１および
３の合金層は鉄系焼結品と同等の耐摩耗性が得られた。
【００３４】さらに、実施例３の合金層について高温下
における硬度を測定したところ図７に示されるように40
0 ℃でも十分に高い硬度の範囲を有していることが確認
された。
【００３５】
【発明の効果】このように、本発明によって形成される
合金層では、合金層全体にわたって均一に高硬度の金属
間化合物が晶出するから、合金層の硬さが均一となると
ともに、割れの発生も起こり難い。このような合金層を
相手材との摺動がなされる部材に形成した場合には、合
金層の硬さおよび組織が均一であるから相手材の摩耗を
過度に進行させることがない。
【００３６】また、使用するアルミニウム合金粉末の成
分組成を選択することにより、特定の金属間化合物を合
金層に晶出させることが可能となることにより、アルミ
ニウム系母材上に形成できる合金層組織の特性をコント
ロールすることが可能となる。
【００３７】さらに、本発明によるアルミニウム系母材
の表面硬化方法は、厚肉の特に１mm以上の厚さの合金層
を形成する上で有利である。したがって、本発明により
耐摩耗性および耐熱性の大きな優れたアルミニウム材が
提供され、このことは航空機、自動車、ロボット等の各
種産業における用途の拡大に大きく貢献するものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による具体的一実施例を例示する要部断
面説明図。
【図２】実施例２の合金層の金属組織の顕微鏡写真。
【図３】図２の合金層のに対応する各部の硬さ分布図。
【図４】比較例の合金層の金属組織の顕微鏡写真。
【図５】図４の合金層のに対応する各部の硬さ分布図。
【図６】乾式摺動試験の結果を示すグラフ。
【図７】高温下における硬度を示すグラフ。
【符号の説明】
１ ピストン ２ 合金層

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 アルミニウムおよびアルミニウムとの間
    で高硬度の金属間化合物を生成する金属を用いてアルミ
    ニウム合金粉末を作成し、このアルミニウム合金粉末を
    アルミニウムまたはアルミニウム合金よりなるアルミニ
    ウム系母材上に供給するとともに、高密度エネルギー熱
    源を用いてアルミニウム系母材中のアルミニウムと供給
    されたアルミニウム合金粉末とを合金化させることによ
    り、アルミニウム合金粉末供給部に合金層を形成するこ
    とを特徴とするアルミニウム系母材の表面硬化方法。
  2. 【請求項２】 アルミニウム系母材上に前記アルミニウ
    ム合金粉末を供給するとともに、高密度エネルギー熱源
    を用いて合金化させる工程が少なくとも２回行われるこ
    とを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム系母材の
    表面硬化方法。
  3. 【請求項３】 前記アルミニウム合金粉末に用いられる
    アルミニウムとの間で高硬度の金属間化合物を生成する
    金属が少なくともCo,Cr,Cu,Fe,Ni,Mn,Mg,Ti,Zr,Th,Nb,T
    a から選ばれた１種または２種以上の金属であることを
    特徴とする請求項１に記載のアルミニウム系母材の表面
    硬化方法。
  4. 【請求項４】 前記アルミニウム合金粉末として、アル
    ミニウムに対してニッケルを10〜85wt％の割合で合金化
    したニッケルアルミニウム合金を用いること特徴とする
    請求項１に記載のアルミニウム系母材の表面硬化方法。
  5. 【請求項５】 前記高密度エネルギー熱源がレーザ光、
    電子ビーム、プラズマトランスファードアーク、タング
    ステンイナートガスアーク、メタルイナートガスアーク
    またはこれらと等価な熱源から選ばれたものであること
    を特徴とする請求項１に記載のアルミニウム系母材の表
    面硬化方法。
  6. 【請求項６】 アルミニウムまたはアルミニウム合金よ
    りなるアルミニウム系母材上の所定の個所に、アルミニ
    ウムおよびアルミニウムとの間で高硬度の金属間化合物
    を生成する金属を用いて作成されたアルミニウム合金粉
    末と、アルミニウム系母材中のアルミニウムとが均一に
    組織化された合金層が形成されたことを特徴とする表面
    硬化アルミニウム系部材。
  7. 【請求項７】 前記合金層を組織するアルミニウム合金
    粉末がアルミニウムと、少なくともCo,Cr,Cu,Fe,Ni,Mn,
    Mg,Ti,Zr,Th,Nb,Taから選ばれた１種または２種以上の
    金属とからなるものであることを特徴とする請求項６に
    記載の表面硬化アルミニウム系部材。
  8. 【請求項８】 アルミニウム合金粉末とアルミニウム系
    母材中のアルミニウムとが均一に組織化された合金層に
    はアルミニウムに対してニッケルが10〜75wt％の割合で
    合金化されていることを特徴とする請求項６に記載の表
    面硬化アルミニウム系部材。
  9. 【請求項９】 前記合金層がシリンダヘッドにインサー
    トするバブルシートに形成されたものであることを特徴
    とする請求項６に記載の表面硬化アルミニウム系部材。
  10. 【請求項１０】 前記合金層が、バブルシート部に形成
    されたシリンダヘッドであることを特徴とする請求項６
    に記載の表面硬化アルミニウム系部材。
  11. 【請求項１１】 前記合金層が内燃機関の燃焼室に対向
    する頂上の内径部に形成されたピストンであることを特
    徴とする請求項６に記載の表面硬化アルミニウム系部
    材。
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