JPS61201784A - 耐熱・耐摩耗性Ａｌ合金部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、耐熱・耐摩耗性が要求される部位に好適に使用さ
れるΔｇ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へｇ合金基材表面
に他の材料を合金化（アロインク）して耐熱・耐摩耗性
が高い表面合金化層を形成したへｇ合金部材に関するも
のである。

周知のようにへｅ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っている。しか
しながら一般にへｇ合金は鉄系材料と比較して耐熱性、
耐摩耗性が劣り、このことが自動車等における軽層化等
を目的として鉄系部材をへｇ合金部材に代える際の大き
な障害となっていた。

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Ａｌ合金部材の耐熱性、耐摩耗性向上策として、メッ
キや陽極酸化処理、あるいは溶射等の表面処理を施して
耐熱性、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った
。

このような点から、本出願人は、既に特願昭５９−７８
９９６＠において、へｇ合金基材表面をＮ；と硬質セラ
ミッ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、へｇ合金基材
と前記混合粉末を合金化（アロインク）させ、Ｎｉ３Ａ
ｌ、ＮｉＡｌ　％　Ｎｉ　２　ＡＱ　ｓ、Ｎｉ　Ａｌｌ
　３等のＮｉ　　ＡＱ系金金属間化合物らなるマトリッ
クス中に硬質セラミック粒子を分散させた複合層をへｇ
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
ロイングによってへＱ合金部材の表面に耐熱性が優れか
つＨｖ４００以上の高硬度を有する耐摩耗性に優れた緻
密な複合層を形成することができ、またこの複合層のマ
トリックスで１、あるＮｉ−＾９系合金Ｉ間化合物は基
材のへｇ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
複合層はマトリックス（基地組成）の全体がＮ；−Ａｇ
系金属間化合物相となっており、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
合によっ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ッ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ッピングが
生じたりクラックが発生したりして、加工が困難となり
、したがって実用材料として使用するには問題があった
。

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
耐摩耗性、耐熱性の優れた八ｇ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 この発明の八ｇ合金部材は、へＱ合金基材の表面にＮ；
だけでなくさらにＴｉも合金化することによって特に高
温条件下における耐摩耗性の向上を図り、しかもそれ等
を合金化するにあたって、前述の問題点に鑑み最終的に
得られる合金化層の全体が金属間化合物相となってしま
わないように、すなわち金属間化合物相とへｇ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Ｎｉ１度およびＴｉ濃度を設定し、これによって前
記提案の如きＮｉ−Ａｇ系金属間化合物相等の脆さの問
題を解決し、加工性を確保すると同時に優れた耐摩耗性
、耐熱性を得るものである。

具体的には、この発明の耐摩耗性へＱ合金部材は、耐熱
・耐摩耗性が要求される部位のＡＱＱ金基材表面にＮｉ
およびＴｉを合金化することにより、平均Ｎ１濃度を５
．０重量％以上、平均Ｔｉ１度を５．０重量％以上、Ｎ
１およびＴｉの合計平均濃度を４０重量％以下とし、か
つ残部が八ｇを主体とする複合層をへｇ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、前述のようにへ９合金基材の表
面に高密度エネルギ源を用いてＮｉおよびＴｉを合金化
（７０イング）して、へＱ合金基地中に金属間化合物を
品出させた複合層、すなわちへｅ合金相と金属間化合物
相とが混ざり合った複合層を形成したものである。

ここで、金属間化合物相としては、主としてＮ；−Ａｇ
系金属間化合物相（ニッケルアルミナイド）、Ｔ１−Ａ
ｇ系金属間化合物相（チタンアルミナイド）、Ｎｉ　　
Ｔｉ−へＱ系金ａｍ化合物相（ニッケル・チタンアルミ
ナイド）の３種類の化合物が晶出する。これらの金属間
化合物は、いずれも高硬度であって、耐摩耗性および耐
熱性を高める作用を果たす。特にこれらの金属間化合物
のうちでもチタンアルミナイドおよびニッケルチタンア
ルミナイドは耐熱性、耐摩耗性を高める効果が大きい。

一方複合層中のＡｌ合金マトリックス相は後述するよう
に各種固溶元素が固溶したα−八へ相を主体とするもの
であり、このα−＾ｇ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
合物相とへｇ合金マトリックス相とが共存することによ
って、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
得ろことができる。

但し、前記複合層中のＮ１およびＴｉの合計平均濃度が
４０重口％を越えれば、複合層全体が金属間化合物相の
みとなってしまい、複合層が脆くなって加工が困難とな
る。一方複合層中の平均Ｎｉ濃度が５．０重量％未満の
場合には、Ｔｉをへ２合金基材にアロイングすること自
体が困難になる。また、平均Ｔｉ１１度が５．０重酋％
未満では、金属間化合物相におけるチタンアルミナイド
、ニッケルチタンアルミナイドの割合が少なく、耐熱・
耐摩耗性の向上効果が少なくなる。したがって複合層中
の平均Ｎｉ濃度および平均Ｔｉ１度はそれぞれ５．０重
量％以上とし、Ｎ；およびＴｉの合計平均濃度を４０重
量％以下とする必要がある。

なおへ２合金基材としては機械部品等に使用されている
任意のＡｌ合金を用いることができる。また前述の説明
ではＮｉ−へｇ系金属間化合物相以外の部分を一括して
へｇ合金マトリックス相と称したが、基材として用いる
へｇ合金の成分によっては実際には各種合金元素が固溶
したα−八へ相のみならず、そのα−八へ相中にＭａ−
へρ系化合物あるいはＣｕ　−へｅ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はへｇ基材表面層とＮｉ
およびＴｉとの合金化によって形成されたものであるか
ら、へｇ基材の母材部分との密着性は充分にあり、した
がって高面圧下においてもＳい耐久性を示す。

以上のようなへｅ合金部材を製造するにあたっては、先
ずへｇ合金部材のうち耐熱・耐摩耗性が要求される部位
のへｅ合金基材表面をＮ１およびＴｉで被覆する。その
被覆手段としては、例えばＮ；とＴｒとの混合粉の溶射
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Ｎ１およびＴｉの被ＮＷ１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、Ｎ；およびＴｉの被Ｎ１１ｌとその下側のへ２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。この合金化にあたっては、合金化！！！（複
合層）中の平均Ｎｉ濃度を５．０重層％以上、平均Ｔｉ
濃度を５．０重量％以上、ＮｉおよびＴｉの合計平均濃
度を４０重量％以下の範囲内に収めるべく、Ｎｉおよび
Ｔｉ被覆層の厚みに対するＡＱ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ＪＩＳＡ０２Ｇ
のへｇ合金（Ｃｕ　３．１０％、９ｉ　６．３２％、Ｍ
Ｏｏ、３４　％　、　ｌｉ　Ｏ，０１％、　Ｆｅ　　Ｏ
，４３％、　Ｍｎ　　Ｏ，３０％、残部Ａｌ）からなる
６０ｆｆｌｌ×２５ＩＩｌｌＸ８１Ｉ１ｍの試片の表面
に、Ｎ；７０重量％、Ｔｉ　３０重層％からなる混合粉
末を０．５■厚さとなるように溶射した後、ＴＩＧアー
クによって溶射層と母材のへＱ合金とを第１表に示す条
件で合金化させた。

第１表 合金化によって形成された複合層の表面を研磨した後、
犬種式迅速摩耗試験が行なえる寸法、形状に試片を仕上
げ（ＱＱ＋ｎｉｘ　２５ｍ＋ｅｘ８ａ＋ｗ）　、犬種式
迅速摩耗試験を行なった。ざらに大域式試験片から切り
取って高温硬さ試験片を作成しく５×５Ｘ１０）、ｆｌ
温硬さ試験を行なった。また複合層表面の金ＪｉＩ１１
１１の光学的顕微鏡１１察、および複合層の組成分析を
行なった。第２表に犬種式迅速摩耗：ｊＣ験条件、第３
表に８温硬さ瀾定条件を示す。

第２表 第３表 第１図には、以上の高温硬さ測定結果を示す。

第１図において、比較材１のデータには合金化を行なっ
ていないＡＣ２Ｃ（Ｊ　１８Ｉ！４格、Ｔ６処理済）の
データを、比較材２にはＮｉのみを合金化したもの（金
属層のＮｉ濃度２２ｗｔ％）のデータを用いた。第１図
から実施例のものは他に比べ高温硬さが格段に高く、耐
熱性に優れていることがわかる。

第２図に、大越式迅速摩耗試験の結果を示す。

比較材１、比較材２は＾瀧硬さ試験と同様のものを用い
た。

第２図から、この発明による実施例の場合には比較材と
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、優れた耐摩耗性を有することが明らかである。

第３図に実施例により得られた合金層の組織を示す。図
にみられる薄い灰色、濃い灰色の部分がニッケルアルミ
ナイド、チタンアルミナ−ｒド、ニッケルチタンアルミ
ナイド等の金属間１ヒ合物であり、白色の部分が母材の
へ２合金相である。図から金属間化合物相と母材のへ９
合金相とが均一に混在しており、しかも複合層表面の全
域にわたって均一な組織とっていることが確認された。

なお以上の実施例において、合金化処理優の研磨加工に
おいては特にクラックやチッ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へｇ合金部材は
、Ｍ合金基材表面にＮｉおよびＴｉを合金化させて、へ
９合金マトリックス中に金属間化合物を晶出させかつ平
均Ｎ；濃度および平均Ｔｉｓ度をそれぞれ５．０重量％
以上とし、ざらにＮｉおよびＴｉの合計平均濃度を４０
重量％以下の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
たがって高面圧下、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。

したがってこの発明のＡＩ！合金部材は、例えばへＱ合
金製シリンダヘッドのバルブシート、へＱ合金製シフト
フォークの爪部、へｇ合金製シリンダライナ、３２合金
製ロッカアームのパッ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および比較例の硬ざ゛試験結
果を示すグラフ、第２図はこの発明の実施例および比較
例の摩耗試験結果を示すグラフ、第３図はこの発明の実
施例のへ２合金部材における複合層の金属組織を示す顕
Ｗ繞写興（倍率：４００倍）である。 第１図 第２図 Ｆ８ “°　ロー 役 確 ！Ｌ度（’Ｃ） （ｒｒｙｎ）二［ ０比　ｒｒ−突

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 耐熱・耐摩耗性が要求される部位のＡｌ合金基材の表面
   にＮｉおよびＴｉを合金化することにより、平均Ｎｉ濃
   度を５．０重量％以上、平均Ｔｉ濃度を５．０重量％以
   上、ＮｉおよびＴｉの合計平均濃度を４０重量％以下と
   し、かつ残部がＡｌを主体とする複合層をＡｌ合金基材
   表面に形成したことを特徴とする耐熱・耐摩耗性Ａｌ合
   金部材。