JPH074656B2 - アルミニウム合金に耐摩耗性材料をインプレグネーションする方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウム製品へ硬
質耐摩耗性材料からなる表面をインプレグネーション
（ｉｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎ）する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄に硬質耐摩耗性表面をインプレグネー
ションさせることに関して種々の技術が知られている。
このような技術には、溶射及びプラズマ溶射がある。し
かしながら、これらの溶射技術のそれぞれは、被覆工程
及び使用の間に、表層の剥離と関連した問題により損傷
を受け、更に、これらの技術の使用に関連して多大な費
用がかかる。

【０００３】炭化物の粒子を型の中におき、その後に溶
鉄を流し込むようなキャストインカーバイド（Ｃａｓｔ
−Ｉｎ−Ｃａｒｂｉｄｅ）法も同様に知られている。例
えば、エケマー（Ｅｋｅｍａｒ）らの米国特許第４，１
１９，４５９号明細書を見られたい。しかしながら、こ
のような鋳造法では、望ましい場所及び規則的な分布パ
ターンに炭化物粒子を正確に保持することは難しい。

【０００４】更に、ポリスチレンパターンに使用するよ
うなある種のキャストオン表面硬化技術も、この分野に
おいて同様に知られている。例えばハンセン（Ｈａｎｓ
ｅｎ）らの”キャストオン鉄クロム基表面硬化処理のポ
リスチレンパターン鋳造への適用（Application of Cas
t-On Ferrochrome-Based Hard Surfacings to Poly-sty
rene Pattern Casting）”（Bureau of Mines Report o
f Investigations8942,U.S.Department of Interior,19
85)を見られたい。

【０００５】これらの方法は鉄の含浸用に使用されてい
るが、アルミニウム合金に関しては今まで用いられてい
なかった。代わりに、該技術分野においては、溶融アル
ミニウムと微小な炭化物粒子のスラリーを遠心分離機に
かけて金属又は炭化物のどちらか一方がシリンダーの外
周に優先的に分離するようにし、それぞれの相のより高
い濃度をもたらすようにした、シリンダー形状を有する
アルミニウムから複合材料をつくっていた。

【０００６】しかしながら、そのような方法で、アルミ
ニウムの密度の５倍以上の密度を有する炭化タングステ
ンのような重い炭化物を鋳造するのは、そのような重い
粒子を懸濁状態に保つのが実行不可能なために、不適で
ある。更に、このような方法は、硬質耐摩耗性表面を鋳
物の選択領域に入れるのに、更には、耐摩耗性材料を望
ましいようにインプレグネーションさせた複雑なアルミ
ニウム形状を鋳造するのに効果的ではない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って、硬質耐摩耗性
材料をアルミニウム合金表面にインプレグネーションさ
せる方法に対するニーズは依然としてある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】以下の工程からなる本発
明の実施態様の１つでは、アルミニウム合金に硬質耐摩
耗性材料の表層をインプレグネーションさせる方法が開
示されている。すなわち； （ａ）所定の大きさの孔の所望のパターンを有するメッ
シュプレートを準備し； （ｂ）粒子を該メッシュプレート上へ散布して、粒子を
実質的にすべてのメッシュ孔に与え； （ｃ）少なくとも一部上に接着剤の層を有し且つ所望の
形状を有するサンドコアを与え； （ｄ）接着剤との接着を最小とするように粒子の所望の
パターンを接着剤の層上へ移送し； （ｅ）接着剤を硬化させて、粒子をサンドコアに定着さ
せ； （ｆ）アルミニウムの溶湯を粒子の周囲に流し込んで、
耐摩耗性材料の表層を有するアルミニウム製品を製造す
る。

【０００９】ある実施態様においては、工程（ｂ）の後
に、粒子をメッシュプレート上に置いた接着剤のテープ
を使用して移送して、そしてその後に、工程（ｄ）にお
いて、接着剤の層上に置き、そして、工程（ｅ）の後
に、剥がす。

【００１０】加えて、この方法によって製造された製品
がある。

【００１１】本発明の方法で用いるアルミニウム合金は
いずれのアルミニウム合金でもよいが、炭化物のぬれ性
を改善するために効果的な量の銅を含むのが好ましい。
銅は、少なくとも約３−５重量％の量だけ含まれるのが
好ましく、約４重量％の銅を含むのが最も好ましい。こ
のような合金の特別な例としては、２０１．０，２０
６．０等のようなＡＡ表示２ＸＸ．シリーズがある。

【００１２】本発明においては、硬質耐摩耗性材料のよ
り大きい粒子を用いるのが好ましい。すなわち、約２ｍ
ｍ又はそれ以上の大きさの粒子を用いるのが好ましい。
粒径は約２〜３ｍｍであるのがより好ましい。更に、全
ての粒子の大きさは中央値から約０．５ｍｍ以内である
のが好ましい。しかしながら、制御した望ましい厚さを
最終製品の種々の地点で有するような層を生ぜしめるた
めに、種々の大きさの粒子を使用できることは明らかで
ある。

【００１３】粒子の形状は本発明にとって特に重要では
ないが、使用の容易性及びその外の実際上の問題から実
質的に球状であることが同様に好ましい。

【００１４】硬質耐摩耗性材料の選択に関して、本発明
では、溶融金属にぬれることが可能な炭化タングステ
ン、炭化クロム等、又はそれらの混合物のような本技術
分野で伝統的に用いられてきた硬質相のいずれをも有効
的に用いることができる。更に、この材料は、鉄族の結
合金属を含みうる。炭化タングステンと共に使用すると
きはコバルトが、炭化クロムと共に使用するときはニッ
ケル等が好ましい。これは、好適な球の形状をつくりだ
すのに必要な場合がある。

【００１５】高温無機接着剤は、コアからの炭化物粒子
の早過ぎるレリーフを阻止するための接着剤として好適
である。高温とは、接着剤がアルミニウムを注ぐ温度よ
り高い溶解温度を有することを意味する。例えば、好適
な接着剤の例の１つとして、アレムコセラマボンド（Ａ
ＲＥＭＣＯ Ｃｅｒａｍａｂｏｎｄ）５６９がある。こ
れは、これは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｋの酸化物のコロイド懸濁
液の水を含み且つ約１６５０℃の最高使用温度を有する
ような特許高温結合剤である。（セラマボンドはアレム
コプロダクト会社（Ａｒｅｍｃｏ Ｐｒｏｄｕｃｔ，Ｉ
ｎｃ．）の商標名である。） 使用できる他の接着剤に
は、他の製造者、例えば、Ｃｏｔｒｏ−ｎｉｃｓ Ｃｏ
ｒｐｏｒａｔｉｏｎが製造した高温無機接着剤がある。

【００１６】本発明の方法は、空気セット（ベークな
し）サンドコアを利用して鋳物の特別な場所（又は複数
の場所）に耐摩耗性材料を含むような鋳物を得るために
使用する。（望ましい極限鋳造品を応じて変わるが、）
特別な形状及び大きさを有するサンドコアは、既知の方
法にいずれによっても製造できる。特に、サンドコアを
形成する特定の有効な方法は、ＡＳＭメタルスハンドブ
ックの第５巻、第８版に示されている。

【００１７】本発明の方法によって、球状炭化物粒子の
単層をコア表面に施している接着層上に散布するのが好
ましい。粒子上の接着フィルムは、溶融金属によって粒
子のぬれを妨げるため、最小の領域の接触に止まるべき
であり、コアに結合する際に接着剤と粒子との間に単一
点の接触となるべきである。更に、粒子は、コア上に均
一に分布、すなわち、近い隣接した接触のないようにし
て、それぞれの粒子の周囲に金属及びスラグが容易に流
れるようにし、良質の複合材料を形成しうるようにす
る。なお、スラグは炭化物、溶融金属及び高温接着剤と
の間の相互作用によって形成されるものである。

【００１８】上記の目的を果たすために、以下の手段を
用いることができる。メッシュプレート、例えば、望ま
しいパターンのメッシュの孔を有するシートを準備す
る。メッシュプレートは、最適な充填配置を与えるため
に、六角形パターンの孔を有するのが好ましい。その
上、メッシュプレートの厚さは、粒子がメッシュプレー
トの上に若干盛り上がるように、粒径の中央値以下、特
に粒径の中央値の約１／２〜約３／４から選択するのが
好ましい。特に、メッシュプレートは、望ましい厚さを
有する鋼又はプラスチック（例えば、ポリカーボネー
ト）シートに適切な手段、例えば、孔をドリルであけて
つくる。

【００１９】メッシュプレートを、支持プレート、例え
ば、鋼プレート等のようなものの平らな表面上に置いた
後に、粒子をメッシュプレート上に散布し、そして過剰
の粒子を取り除く。例えば、図１（ａ）を見られたい。
この除去は、満足できる手段のいずれによって行っても
よい。例えば、メッシュを粒子半径にほぼ等しい高さま
で持ち上げてそして過剰の粒子を掻き落として（scrape
off）除去する。例えば、図１（ｂ）を見られたい。メ
ッシュプレートは、その後に、支持プレートの平らな表
面まで下げて、粒子の頂部がメッシュプレートの上面上
に盛り上がり、六角形パターンの粒子分布を形成する。
例えば、図１（ｃ）及び（ｄ）を見られたい。

【００２０】接着層をサンドコアの耐摩耗性層を与える
べき場所に施す。接着層は、何ららの適切な手段、例え
ば、塗装又は吹き付けによってサンドコアに施すことが
できる。接着層の厚さは約０．１ｍｍ以上が好ましく、
０．２〜０．５ｍｍがより好ましい。

【００２１】このときに、粒子のパターンをサンドコア
の接着層まで移送する。ある実施態様においては、接着
テープを粒子パターン上に置く。接着テープを取り除い
たときに、六角形パターンの粒子がメッシュプレートか
ら接着テープに移る。例えば、図２を見られたい。

【００２２】テープは、その後に、接着層上において、
炭化物粒子が接着剤と最小にしか接触しないようにす
る。テープを動かしても、接着剤が硬化するまでに粒子
の配置を壊したり、接着剤と粒子との接触領域を増大さ
せたりすることはない。この自由によって、コアの正確
な位置にテープを置くことを可能とする。熱空気を十分
な時間だけ、例えば、２５−３０秒間、テープ上に送り
出して、接着剤が十分に乾燥してそれを所定の個所に保
持することができるようにすることもできる。

【００２３】接着剤は、その後に、硬化する。例えば、
セラマボンド５６９を用いた場合には、この硬化は、室
温では１６時間以内に、５０℃では８時間以内に起こ
る。接着剤が硬化したときに、テープを取り除くことが
できる。この取り除きは、コア表面に炭化物粒子のパタ
ーンをしっかりと定着したままできる。例えば、図３を
見られたい。

【００２４】本発明で用いることが可能なテープは、重
いすなわち高密度の炭化物をしっかりと所定の個所に保
持しうる程度に十分に強く、且つ、接着剤の硬化の後に
テープを炭化物ストリップから離して持ち上げたときに
粒子がレリーフする程度に十分に弱いようなテープであ
ればいずれでもよい。このようなテープの特別な例とし
ては、高粘着ゴム系接着剤付きの３Ｍ ４０４型テー
プ、及びアルリルテープ接着剤付きの３Ｍ ９４１５又
はＹ９２８低粘着性テープがある。

【００２５】更に、別の実施態様においては、プラスコ
ア会社（Ｐｌａｓｃｏｒｅ，Ｉｎｃ．）で製造されたよ
うなメッシュパターン付きポリマーシート、例えば、ポ
リカーボネートシートを用いる場合には、テープを使用
せずにコア上に直接炭化物を分布させるのに使用するの
に十分な程度に柔軟である。この方法においては、接着
剤をコア表面に施し、メッシュシートを接着層上に置
き、粒子をメッシュシート上に散布し、そして、接着剤
が硬化した後にメッシュをコア表面から離して持ち上げ
る。メッシュの大きさは、１つの粒子のみが１つのメッ
シュに入ることができるように選択する。しかしなが
ら、大きい又は複雑な表面を製造する場合には、テープ
を使用した方法が好適である。

【００２６】このときに、本発明の技術分野で伝統的に
用いられている鋳造技術のうちのいずれかの技術、例え
ば、重力鋳造（gravity feed casting）、スクイーズ鍛
造（squeeze casting）、真空鍛造等のような方法を使
用して、溶融アルミニウムを炭化物の周囲に流し込む。
しかしながら、使用の容易性のために、金属の重量送り
が好適である。

【００２７】典型的なアルミニウム鋳物をを図４に示
す。図４（ａ）及び（ｂ）において、銅被覆済みでプレ
ーンな炭化物を、鋳造したままの状態で示す。図４
（ｃ）及び（ｄ）において、銅被覆済みでプレーンな炭
化物を粉砕した。

【００２８】本発明の方法は、幅広く種々の用途を有す
るようなアルミニウム製品を製造するのに使用すること
ができる。特に、かかる手順は、ローターハウジングの
ような摩耗面を備えた複雑な製品を製造するのに使用す
ることができる。更に、これは、従来のシツテムと比べ
てかなり廉価な費用で行うことができる。

【００２９】本発明の種々の実施態様が有する容易性、
例えば、サンドコアの使用、曲線状で且つ複雑な種々の
コア表面への応用を可能とする接着テープの使用、金属
による粒子の閉じ込めを促進するような六角形で規則的
な粒子配置の使用に加えて、本発明の方法により、規則
的な粒子パターンの缶、更には、複合材料表面全体上が
均一な摩擦特性を有するような複合材料が得られる。

【００３０】本発明及び本発明の有する有利性を更に実
例を挙げて説明するために、以下のような特別な実施例
を示す。なお、これは単に例証として示したものであっ
て限定するものではない。

【００３１】

【実施例】約２ｍｍの直径の中央値を有し且つその直径
は中央値から０．５ｍｍ以内であるような球状粒子から
なる粉末を六角形のパターンの孔を有するメッシュプレ
ート上に散布する。シートの厚さは、粒子の半径の中央
値より若干大きい。

【００３２】メッシュプレートを、支持鋼プレートの上
に粒子の半径にほぼ等しい高さまで持ち上げ、過剰の粒
子は掻き落とす。シートを、その後、下げて支持プレー
ト上へ戻して、粒子の頂部がメッシュプレートの上面上
に盛り上がるようにする。

【００３３】３Ｍ ４０４型テープからなる接着剤テー
プを粒子パターン上において、軽くプレスして、そし
て、持ち上げて粒子パターンをテープに移す。

【００３４】約０．１〜０．２５ｍｍの厚さのセラマボ
ンド５６９接着剤の層を望ましい形状のサンドコア上へ
塗装して、そして、テープをその上に置いて接着剤と単
一の接触点をつくるようにする。

【００３５】接着剤は５０℃で８時間硬化させて、コア
を冷却させた後、好ましくは室温まで冷却させた後にテ
ープを剥がす。

【００３６】４重量％の銅を含む溶融アルミニウムを炭
化物粒子の周囲に流し込み、複合層を有する鋳物を製造
する。

【００３７】鋳物が冷却した後に、コアと共に高温接着
剤が、鋳造物の表面の炭化物から容易に分離する。

【００３８】本発明を種々の好適な実施態様の点から詳
述しているが、本発明の趣旨から逸脱することなくなさ
れうる種々の改変、置換、省略及び変更を当業者は理解
できる。従って、本発明の範囲は、請求項に記載した範
囲並びにその均等な範囲を意図している。

【図面の簡単な説明】

【図１】粒子パターンを形成する技術を示している。

【図２】本発明の実施態様の１つによって製造された金
属化合物の粒子の配置構造を示している写真である。

【図３】本発明の実施態様の１つによって製造された金
属化合物の粒子の配置構造を示している写真である。

【図４】本発明の実施態様の１つによって製造された金
属化合物の粒子の配置構造を示している写真である。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウム製品に硬質耐摩耗性材料の
   表層をインプレグネーションする方法であって： （ａ）所定の大きさの孔の所望のパターンを有するメッ
   シュプレートを準備し； （ｂ）粒子を該メッシュプレート上へ散布して、粒子を
   実質的にすべての孔に与え； （ｃ）少なくとも一部上に接着剤の層を有する所望の形
   状のサンドコアを準備し； （ｄ）接着剤との接着を最小とするように粒子のパター
   ンを接着剤の層上へ移送し； （ｅ）接着剤を硬化させて、粒子をサンドコアに定着さ
   せ； （ｆ）アルミニウムの溶湯を粒子の周囲に流し込んで、
   耐摩耗性材料の表層を有するアルミニウム製品を製造す
   る； 各工程を含む、前記方法。
2. 【請求項２】 工程（ｂ）の後に、粒子をメッシュプレ
   ート上に置いた接着テープを使用して移送することによ
   り粒子のパターンを取り上げ、そしてその後に、工程
   （ｄ）において接着層上に置き、そして、工程（ｅ）の
   後に、剥がす、請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 粒子は球状でありかつその直径の平均値
   は約２ｍｍ以上である、請求項２に記載の方法。
4. 【請求項４】 粒子の直径の平均値は約２〜３ｍｍであ
   る、請求項３に記載の方法。
5. 【請求項５】 それぞれの粒子の直径は、直径の中央値
   から約０．５ｍｍ以内にある、請求項４に記載の方法。
6. 【請求項６】 メッシュプレートは、粒子の直径の中央
   値の約１／２から約３／４の間の厚さである、請求項２
   に記載の方法。
7. 【請求項７】 前記アルミニウム製品は約４重量％の銅
   を含むアルミニウム合金からなる、請求項２に記載の方
   法。
8. 【請求項８】 耐摩耗性材料は炭化タングステンを含
   む、請求項２に記載の方法。
9. 【請求項９】 炭化タングステンは約１２重量％のＣｏ
   を含む、請求項８に記載の方法。
10. 【請求項１０】 接着剤は高温接着剤を含む、請求項２
    に記載の方法。
11. 【請求項１１】 高温接着剤は無機高温接着剤を含む、
    請求項１０に記載の方法。
12. 【請求項１２】 （ｇ）製品を冷却し、そして、高温接
    着剤とコアの両方をアルミニウム製品から分離する；工
    程を更に含む、請求項２に記載の方法。
13. 【請求項１３】 （ｈ）耐摩耗性表面を仕上げる；工程
    を更に含む、請求項１２に記載の方法。
14. 【請求項１４】 請求項２の方法によって製造されたア
    ルミニウム製品。