JPH06212455A - チタン−アルミニド金属間相からなる高負荷性被覆構造部材 - Google Patents
チタン−アルミニド金属間相からなる高負荷性被覆構造部材Info
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- JPH06212455A JPH06212455A JP5039440A JP3944093A JPH06212455A JP H06212455 A JPH06212455 A JP H06212455A JP 5039440 A JP5039440 A JP 5039440A JP 3944093 A JP3944093 A JP 3944093A JP H06212455 A JPH06212455 A JP H06212455A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は、特にピストンエンジン、ガスター
ビンおよび廃ガスターボチヤージヤー用の金属間相チタ
ン−アルミニドからなる、酸化及び摩耗に対して安定性
を有し、改良された接着性を有する高負荷性被覆構造部
材料を得る。 【構成】 この構造部材は、少なくともその熱腐食損傷
および/または摩耗損傷を受ける表面部分に、ハンダ付
け可能なニツケル基合金からなる真空ハンダ付けされた
箔で被覆する。0.1〜0.4mmの被覆厚さで充分なこ
とがわかった。ハンダ付けされた箔を構成するニツケル
基合金は好ましくは1180℃以下の融点を有する。
ビンおよび廃ガスターボチヤージヤー用の金属間相チタ
ン−アルミニドからなる、酸化及び摩耗に対して安定性
を有し、改良された接着性を有する高負荷性被覆構造部
材料を得る。 【構成】 この構造部材は、少なくともその熱腐食損傷
および/または摩耗損傷を受ける表面部分に、ハンダ付
け可能なニツケル基合金からなる真空ハンダ付けされた
箔で被覆する。0.1〜0.4mmの被覆厚さで充分なこ
とがわかった。ハンダ付けされた箔を構成するニツケル
基合金は好ましくは1180℃以下の融点を有する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、請求項1の上位概念に
よる、チタン−アルミニド金属間相からなる高負荷性被
覆構造部材に関する。
よる、チタン−アルミニド金属間相からなる高負荷性被
覆構造部材に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、金属間相TiAl(アルミニウム
44〜48原子%を含有するチタン−アルミニド)を基
材とする工作材料が、その良好な技術的性質のために、
例えばピストンモーターまたはガスタービン用の可動部
材として益々重要となっている。TiAl−工作材料
は、チタン合金と比較して、特に低い重量、高いクリー
プ強度、良好な熱膨張値および良好な熱伝動度を有して
いる。約300MPa の伸び限界値は約700℃までの作
業温度でほとんど低下しないので、TiAl工作材料は
重量に関して公知のニツケル超合金と同様に同じ特殊な
強さを有している。従って、原則的にはTiAl工作材
料からなる部材は、作業温度が約700℃までであり、
その部材が低重量を有していなければならないようなす
べての使用目的に適している。
44〜48原子%を含有するチタン−アルミニド)を基
材とする工作材料が、その良好な技術的性質のために、
例えばピストンモーターまたはガスタービン用の可動部
材として益々重要となっている。TiAl−工作材料
は、チタン合金と比較して、特に低い重量、高いクリー
プ強度、良好な熱膨張値および良好な熱伝動度を有して
いる。約300MPa の伸び限界値は約700℃までの作
業温度でほとんど低下しないので、TiAl工作材料は
重量に関して公知のニツケル超合金と同様に同じ特殊な
強さを有している。従って、原則的にはTiAl工作材
料からなる部材は、作業温度が約700℃までであり、
その部材が低重量を有していなければならないようなす
べての使用目的に適している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】TiAl−工作材料は
酸化に対する安定性および摩擦作用下での摩耗に対する
抵抗性が少ないという欠点がある。実際には既に、Ti
Al−工作材料にニオブを合金化することにより耐酸化
性の低い欠点を改善することが試みられたが、例えばニ
ツケル超合金の耐久性に到達することはできない。更
に、ニオブの合金化にはTiAl−工作材料の高騰を伴
う。摩耗に対する抵抗性を高めるために、例えば2ホウ
化チタンからなる粒子を工作材料に添加することが知ら
れている。このために工作材料は粉末冶金法によって製
造されなければならない。このことは技術的に費用がか
かり高価になる。更にこの製造方法では、硬質材料粒子
が、耐摩耗性を高めなければならない部材の表面にだけ
でなく、工作材料全体の中または部材の中にも存在する
ことになる。また、硬質材料粒子の浸潤させた工作材料
の、例えば次のカツテイングのような次の加工は明らか
に悪化される。
酸化に対する安定性および摩擦作用下での摩耗に対する
抵抗性が少ないという欠点がある。実際には既に、Ti
Al−工作材料にニオブを合金化することにより耐酸化
性の低い欠点を改善することが試みられたが、例えばニ
ツケル超合金の耐久性に到達することはできない。更
に、ニオブの合金化にはTiAl−工作材料の高騰を伴
う。摩耗に対する抵抗性を高めるために、例えば2ホウ
化チタンからなる粒子を工作材料に添加することが知ら
れている。このために工作材料は粉末冶金法によって製
造されなければならない。このことは技術的に費用がか
かり高価になる。更にこの製造方法では、硬質材料粒子
が、耐摩耗性を高めなければならない部材の表面にだけ
でなく、工作材料全体の中または部材の中にも存在する
ことになる。また、硬質材料粒子の浸潤させた工作材料
の、例えば次のカツテイングのような次の加工は明らか
に悪化される。
【0004】電気メツキ法または金属スプレー法、例え
ばプラズマスプレー法により、損傷を受けた表面部分に
TiAl−工作材料を金属被覆することは、基質材料へ
の金属被覆の接着性が少ないので実際には大抵うまく行
かず、従ってこの金属被は大きな負荷を受けると屡々剥
れる。
ばプラズマスプレー法により、損傷を受けた表面部分に
TiAl−工作材料を金属被覆することは、基質材料へ
の金属被覆の接着性が少ないので実際には大抵うまく行
かず、従ってこの金属被は大きな負荷を受けると屡々剥
れる。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、その表面被覆
が酸化および摩耗に対して大きな安定性を有し、基質材
料に対して公知の被覆よりも改良された接着性を有する
ような、金属間相チタン−アルミニドを基材とする高負
荷性被覆構造部材を作るという課題に基づいている。
が酸化および摩耗に対して大きな安定性を有し、基質材
料に対して公知の被覆よりも改良された接着性を有する
ような、金属間相チタン−アルミニドを基材とする高負
荷性被覆構造部材を作るという課題に基づいている。
【0006】上記課題は、本発明によれば、請求項1の
特徴事項によって解決される。
特徴事項によって解決される。
【0007】驚くべきことに、本発明により被覆され
た、チタン−アルミニドからなる構造部材の表面は、酸
化および摩耗に対して、処理されていない工作材料の表
面よりも本質的に大きな抵抗性を有していることがわか
った。この被覆された構造部材は約900℃の温度まで
耐酸化性を示し、トリボロジカル負荷を与えたときに耐
摩耗性が本質的に改善される。このことは、例えばエン
ジンオイルのような潤滑剤の作用下の滑り工程において
約200℃の温度までの構造部材の使用範囲、および約
700℃の温度までの高温での使用範囲に対応してい
る。これらの使用目的に対して従来は、特に硬質の合
金、例えばステリツトまたはトリバロイ合金からなる表
面層および被覆を摩耗保護層として有している通常の工
作材料からなる構造部材が使用されて来た。
た、チタン−アルミニドからなる構造部材の表面は、酸
化および摩耗に対して、処理されていない工作材料の表
面よりも本質的に大きな抵抗性を有していることがわか
った。この被覆された構造部材は約900℃の温度まで
耐酸化性を示し、トリボロジカル負荷を与えたときに耐
摩耗性が本質的に改善される。このことは、例えばエン
ジンオイルのような潤滑剤の作用下の滑り工程において
約200℃の温度までの構造部材の使用範囲、および約
700℃の温度までの高温での使用範囲に対応してい
る。これらの使用目的に対して従来は、特に硬質の合
金、例えばステリツトまたはトリバロイ合金からなる表
面層および被覆を摩耗保護層として有している通常の工
作材料からなる構造部材が使用されて来た。
【0008】本発明によれば、先づ、作動中に特に熱腐
食損傷および/または摩耗損傷を受ける構造部材の表面
に、ニツケル基合金からなる真空ハンダ付けした層を施
す。工作材料への該合金の真空中でのハンダ付けは公知
の方法によって行われる。合金の良合なハンダ付けを確
実に行うために、融点が1180℃以下の合金を使用す
ればよいことがわかった。高い融点を有するニツケル基
合金の場合には、真空中でのハンダ付けの場合には、工
作材料と合金との間の非常に烈しく経過する反応過程の
ために、工作材料と良く接着したハンダ被覆が得られな
い。
食損傷および/または摩耗損傷を受ける構造部材の表面
に、ニツケル基合金からなる真空ハンダ付けした層を施
す。工作材料への該合金の真空中でのハンダ付けは公知
の方法によって行われる。合金の良合なハンダ付けを確
実に行うために、融点が1180℃以下の合金を使用す
ればよいことがわかった。高い融点を有するニツケル基
合金の場合には、真空中でのハンダ付けの場合には、工
作材料と合金との間の非常に烈しく経過する反応過程の
ために、工作材料と良く接着したハンダ被覆が得られな
い。
【0009】実際に被覆された構造部材を使用する際に
は、構造部材または構造部材の選択された表面部分を酸
化および摩耗から保護するためには、0.1〜0.4mm
の被覆厚さで充分なことがわかった。従って、通常容易
に取扱できるハンダ箔を使用することができ、正確に加
工すべき表面にも一定の研削量を施すことができる。ハ
ンダ箔を構成するニツケル基合金は、同様に市販の公知
のものである。ニツケル主成分の外に、クロム1〜19
重量%、ホウ素1〜3.5重量%、ケイ素1〜10重量
%、リン1〜11重量%および炭素0.1〜0.7重量
%を含有するハンダ箔を使用するのが好ましい。ハンダ
付けされた層の酸化および摩耗に対する抵抗性を更に向
上させるために、ニツケル基合金に更にマンガン1〜3
5重量%およびタングステン1〜12重量%を添加する
ことができる。
は、構造部材または構造部材の選択された表面部分を酸
化および摩耗から保護するためには、0.1〜0.4mm
の被覆厚さで充分なことがわかった。従って、通常容易
に取扱できるハンダ箔を使用することができ、正確に加
工すべき表面にも一定の研削量を施すことができる。ハ
ンダ箔を構成するニツケル基合金は、同様に市販の公知
のものである。ニツケル主成分の外に、クロム1〜19
重量%、ホウ素1〜3.5重量%、ケイ素1〜10重量
%、リン1〜11重量%および炭素0.1〜0.7重量
%を含有するハンダ箔を使用するのが好ましい。ハンダ
付けされた層の酸化および摩耗に対する抵抗性を更に向
上させるために、ニツケル基合金に更にマンガン1〜3
5重量%およびタングステン1〜12重量%を添加する
ことができる。
【0010】ニツケル基合金は、主成分のニツケルの外
に、クロム6.5重量%、ケイ素4.5重量%、ホウ素
3重量%および鉄2.5重量%を含有するハンダ箔とし
て使用するのが好ましい(ドイツではL-NiCr7Si5Fe3B3/
L-Ni2 の商品名で、また米国ではASTM/AWS B-Ni2の規格
表示で公知のものである)。この合金の融点は約100
0℃である。
に、クロム6.5重量%、ケイ素4.5重量%、ホウ素
3重量%および鉄2.5重量%を含有するハンダ箔とし
て使用するのが好ましい(ドイツではL-NiCr7Si5Fe3B3/
L-Ni2 の商品名で、また米国ではASTM/AWS B-Ni2の規格
表示で公知のものである)。この合金の融点は約100
0℃である。
【0011】クロム13重量%およびリン10重量%を
含有する(融点890℃)またはリン11重量%だけを
含有する(融点875℃)ニツケル基合金(商品名また
は規格表示:L-NiCr13P10 およびL-NiP11 またはB-Ni7
およびN-Ni6 )もハンダ箔として特に適している。
含有する(融点890℃)またはリン11重量%だけを
含有する(融点875℃)ニツケル基合金(商品名また
は規格表示:L-NiCr13P10 およびL-NiP11 またはB-Ni7
およびN-Ni6 )もハンダ箔として特に適している。
【0012】特に、工作材料上に形成された層の耐摩耗
性を高めるために、好ましくは、ニツケル基合金に更に
炭化タングステン又は他の硬質材料または硬質合金を、
粒径約10〜50μm で10〜20容量%の量で添加す
ることができる。
性を高めるために、好ましくは、ニツケル基合金に更に
炭化タングステン又は他の硬質材料または硬質合金を、
粒径約10〜50μm で10〜20容量%の量で添加す
ることができる。
【0013】工作材料上で合金をハンダ付けするときに
得られる層の組成については正確に記載することができ
ない。恐らく、例えばNiAlおよびNi3 Alからな
る特に耐酸化性の相および例えばケイ化クロムおよびケ
イ化チタンおよび/またはホウ化クロムおよびホウ化チ
タンからなる特に耐摩耗性の相が層の中に存在する。本
発明を実施例によって以下に更に詳しく説明する。
得られる層の組成については正確に記載することができ
ない。恐らく、例えばNiAlおよびNi3 Alからな
る特に耐酸化性の相および例えばケイ化クロムおよびケ
イ化チタンおよび/またはホウ化クロムおよびホウ化チ
タンからなる特に耐摩耗性の相が層の中に存在する。本
発明を実施例によって以下に更に詳しく説明する。
【0014】
例1 アルミニウム45原子%およびクロム3原子%のチタン
−アルミニド鋳造ブロツクから、火花腐食により100 ×
35×7 mmの寸法の板を切り取り、側面をすべて研磨し
た。この板の表面に、クロム7重量%、ケイ素5重量
%、鉄3重量%およびホウ素3重量%のニツケル基合金
(商品名;Nicrobraze LM;米国ではASTM/AWSB-Ni2)の
ハンダの厚さが0.2mmの自己接着性箔を施した。この
箔は粒径5〜35のμm の球状ハンダ粉末95.4重量
%および可塑性有機結合剤4.6重量%からなる。前記
板の上に接着した箔を真空ハンダ釜の中で1050℃の
温度で5分間溶融した。このハンダの層は元の箔の大き
さを越えて約2mmの非常に薄い層となって板の上に広が
った。箔で覆われた板の表面には、0.18mmの被覆厚
さの均一な金属結晶性光沢層ができた。金属組織研磨に
より、この新たにできた表面層は合計6つの層で形成さ
れていることがわかった。TiAlからなる工作材料は
約300HV0.2の硬度を有しているが、生成された
表面層の硬度測定値は個々の層内で750HV0.2ま
での硬度値であった。
−アルミニド鋳造ブロツクから、火花腐食により100 ×
35×7 mmの寸法の板を切り取り、側面をすべて研磨し
た。この板の表面に、クロム7重量%、ケイ素5重量
%、鉄3重量%およびホウ素3重量%のニツケル基合金
(商品名;Nicrobraze LM;米国ではASTM/AWSB-Ni2)の
ハンダの厚さが0.2mmの自己接着性箔を施した。この
箔は粒径5〜35のμm の球状ハンダ粉末95.4重量
%および可塑性有機結合剤4.6重量%からなる。前記
板の上に接着した箔を真空ハンダ釜の中で1050℃の
温度で5分間溶融した。このハンダの層は元の箔の大き
さを越えて約2mmの非常に薄い層となって板の上に広が
った。箔で覆われた板の表面には、0.18mmの被覆厚
さの均一な金属結晶性光沢層ができた。金属組織研磨に
より、この新たにできた表面層は合計6つの層で形成さ
れていることがわかった。TiAlからなる工作材料は
約300HV0.2の硬度を有しているが、生成された
表面層の硬度測定値は個々の層内で750HV0.2ま
での硬度値であった。
【0015】被覆した板を用いて空気の酸素に対する安
定性を試験した。このために室釜を950℃に加熱し、
板を入れ、そこに23時間放置した。板を取り出した
後、室温で大気中で1時間20℃に冷却した。次いで更
にこの板を前記の加熱−冷却工程に3回さらした。4回
目のサイクルの終りに、板の被覆表面は専らオリーブグ
リーン色に着色した。板の被覆されていない表面には、
厚さ約0.6mmの斑着色したスケール層が不規則に裂け
ていた。
定性を試験した。このために室釜を950℃に加熱し、
板を入れ、そこに23時間放置した。板を取り出した
後、室温で大気中で1時間20℃に冷却した。次いで更
にこの板を前記の加熱−冷却工程に3回さらした。4回
目のサイクルの終りに、板の被覆表面は専らオリーブグ
リーン色に着色した。板の被覆されていない表面には、
厚さ約0.6mmの斑着色したスケール層が不規則に裂け
ていた。
【0016】クロム13重量%、リン10重量%のニツ
ケル基合金およびリン11%だけを添加したニツケル基
合金を用いて同様な方法で試験を行った。この2つのニ
ツケル基合金は890℃または875℃の融点を有して
いた。試験を行った後、最初に行った実験に相当する結
果が得られた。ここで、ニツケル−リン−ハンダを用い
て形成された表面被覆は、ニツケル−クロム−リン−ハ
ンダによる被覆程安定でなかった。しかしTiAl−工
作材料よりも耐スケール性であった。
ケル基合金およびリン11%だけを添加したニツケル基
合金を用いて同様な方法で試験を行った。この2つのニ
ツケル基合金は890℃または875℃の融点を有して
いた。試験を行った後、最初に行った実験に相当する結
果が得られた。ここで、ニツケル−リン−ハンダを用い
て形成された表面被覆は、ニツケル−クロム−リン−ハ
ンダによる被覆程安定でなかった。しかしTiAl−工
作材料よりも耐スケール性であった。
【0017】例2 TiAl−工作材料の本発明による被覆によって、摩擦
による摩耗に対する抵抗性の改善を、この実験により試
験した。Al45原子%およびクロム3原子%のチタン
−アルミニドの鋳造ブロツクから弁−スプリング・リテ
イナー10個を研削により製造した。この弁−スプリン
グ・リテイナーはエンジン中で、ガス切換え弁を閉じる
バネ力を弁軸に伝達する。このバネ力は約900Nであ
り、このバネ力に対して弁は付属のカムにより開放され
ていなければならない。弁−バネと弁−バネリテイナー
との間には相対運動により大きなトリポロジカル負荷が
かかるので、この両者は極めて硬い鋼で製造されるか、
または硬い表面層を備えていなければならない。
による摩耗に対する抵抗性の改善を、この実験により試
験した。Al45原子%およびクロム3原子%のチタン
−アルミニドの鋳造ブロツクから弁−スプリング・リテ
イナー10個を研削により製造した。この弁−スプリン
グ・リテイナーはエンジン中で、ガス切換え弁を閉じる
バネ力を弁軸に伝達する。このバネ力は約900Nであ
り、このバネ力に対して弁は付属のカムにより開放され
ていなければならない。弁−バネと弁−バネリテイナー
との間には相対運動により大きなトリポロジカル負荷が
かかるので、この両者は極めて硬い鋼で製造されるか、
または硬い表面層を備えていなければならない。
【0018】5個のバネリテイナーには、例1による組
成のハンダの厚さ0.2mmの自己接着性箔からなる打抜
きリングを、環状のバネ受け面上に置き、例1に述べた
方法によりハンダ付けした。残りの5個のバネリテイナ
ーには対応する箔をハンダ付けしなかった。次いでこの
10個のバネリテイナーをエンジンに取り付け−更に標
準法による鋼から14個のバネリテイナーを平行して作
った−次の試験プログラムによりエンジンを作動させ
た: 10時間 1000回転/分 50時間 2000回転/分 50時間 4000回転/分 50時間 6000回転/分 この試験プログラムを合計5サイクル、すなわち800
時間行った。エンジンからバネリテイナーを取り出した
後、被覆されたリテイナーは全然変化していなかった。
バネ−支持面および付属の弁バネには、摩耗は認められ
なかった。被覆されていないバネリテイナーでは、バネ
・支持面に約0.35mmの材料摩損が認められた。バネ
に材料磨損は認められなかったが、侵食痕跡が生じた。
成のハンダの厚さ0.2mmの自己接着性箔からなる打抜
きリングを、環状のバネ受け面上に置き、例1に述べた
方法によりハンダ付けした。残りの5個のバネリテイナ
ーには対応する箔をハンダ付けしなかった。次いでこの
10個のバネリテイナーをエンジンに取り付け−更に標
準法による鋼から14個のバネリテイナーを平行して作
った−次の試験プログラムによりエンジンを作動させ
た: 10時間 1000回転/分 50時間 2000回転/分 50時間 4000回転/分 50時間 6000回転/分 この試験プログラムを合計5サイクル、すなわち800
時間行った。エンジンからバネリテイナーを取り出した
後、被覆されたリテイナーは全然変化していなかった。
バネ−支持面および付属の弁バネには、摩耗は認められ
なかった。被覆されていないバネリテイナーでは、バネ
・支持面に約0.35mmの材料摩損が認められた。バネ
に材料磨損は認められなかったが、侵食痕跡が生じた。
【0019】
【発明の効果】本発明によって得られる利点は、特に、
高い耐摩耗性および高い熱腐食安定性を有する被覆を備
えたチタン−アルミニド工作材料からなる構造部材の得
られることにある。この被覆は技術的に簡単な方法で真
空ハンダ付けにより工作材料に施すことができ、該材料
上に良く接着する。非脆性かつ非破壊性の均一な層が工
作材料上に得られる。
高い耐摩耗性および高い熱腐食安定性を有する被覆を備
えたチタン−アルミニド工作材料からなる構造部材の得
られることにある。この被覆は技術的に簡単な方法で真
空ハンダ付けにより工作材料に施すことができ、該材料
上に良く接着する。非脆性かつ非破壊性の均一な層が工
作材料上に得られる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウオルフガング クライネカテフア ドイツ連邦共和国 7076 ワルトシユテツ テン ダンツイガーシユトラーセ 10
Claims (8)
- 【請求項1】 特にピストンモーター、ガスタービンま
たは廃ガスターボチヤージヤー用のチタン−アルミニド
金属間相からなる高負荷性被覆構造部材において、この
構造部材が少なくとも駆動の際に熱腐食および/または
摩滅の危険のある表面部分で、ハンダ付け可能なニツケ
ル基合金からなる真空ハンダ付けされた箔が被覆されて
おり、このニツケル基合金は1180℃以下の融点を有
し、ハンダ付けの際に構造部材および合金自身と金属性
硬質合金および/または硬質金属間相を形成することを
特徴とする高負荷性被覆構造部材。 - 【請求項2】 構造部材にハンダ付けされたニツケル基
合金からなる層が0.1〜0.4mmの層厚さを有するこ
とを特徴とする請求項1に記載の構造部材。 - 【請求項3】 構造部材をハンダ付けしたニツケル基合
金がニツケル主成分と クロム 1 〜19 重量% ホウ素 1 〜 3.5 重量% ケイ素 1 〜 10 重量% リン 1 〜11 重量%および 炭素 0.1 〜 0.7 重量% とからなることを特徴とする請求項1に記載の構造部
材。 - 【請求項4】 ハンダ付けされたニツケル基合金が更に
マンガン1〜35重量%およびタングステン1〜12重
量%を含有することを特徴とする請求項1に記載の構造
部材。 - 【請求項5】 ハンダ付けされたニツケル基合金がニツ
ケル主成分と クロム 6.5 重量% ホウ素 3.0 重量% ケイ素 4.5 重量%および 鉄 2.5 重量% とからなることを特徴とする請求項1に記載の構造部
材。 - 【請求項6】 ハンダ付けされたニツケル基合金がニツ
ケル主成分と、クロム13重量%およびリン10重量%
とからなることを特徴とする請求項1に記載の構造部
材。 - 【請求項7】 ハンダ付けされたニツケル基合金がニツ
ケル主成分の外にリン11重量%を含有することを特徴
とする請求項1に記載の構造部材。 - 【請求項8】 ハンダ付けされたニツケル基合金が更に
炭化タングステンまたは他の硬質材料または金属硬質合
金10〜20容量%を、10〜50μm の粒度で含有す
ることを特徴とする請求項1に記載の構造部材。
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