JPS61264140A - 表面合金化層の形成方法 - 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、金属材料からなる基材の表面部に基材とは
異なる材料を合金化した表面合金化層を形成する方法に
関し、特に合金化のための材料を基材に対して配置する
手法を改良した表面合金化層形成方法に関するものであ
る。

従来の技術 最、近に至り、アルミニウム合金等からなる部材の表面
の耐摩耗性、耐熱性、耐酸化性、耐食性、断熱性等の特
性を改善するための方法として、表面合金化処理法（ア
ロインク法）が注目され、実用化のための研究が進めら
れている。この表面合金化処理法は、基材の合金化層を
形成すべき部分の表面に合金化すべき材料（以下合金化
材料と記す）を配置して、その合金化材料の上からＴＩ
Ｇアーク、電子ビーム、レーザ等の高密度加熱エネルギ
を照射することによってその部分を急速加熱し、前記合
金化材料とその下側の基材表面層とを溶融一体化（すわ
ち合金化）させ、表面合金化層を形成するものである。

この方法によれば、基材の特性（例えばアルミニウム合
金の場合は軽量性等）を生かしつつ、その基材では不足
する表面特性を合金化によって与えることができる。

このような合金化処理法においては、前述のように先ず
基材表面の所要部位に合金化材料を配置１６ｏ８が必要
であり、この合金化材料配置方法としては、従来法の（
Ａ）〜（Ｄ）に記す、ような方法が知られている。

（Ａ＞　　例えば特開昭５２−７８７３３号あるいは特
開昭５２−２９５５１や特開昭５５−１３１１６４号に
示されているように、合金化材料を粉末の状態で用意し
、その合金化材料粉末を基材表面に静置するかあるいは
合金化のための高密度エネルギ照射に先立って連続的に
フィーダーによって基材表面に供給する方法。なおこの
方法では、合金化材料粉末をバインダ物質と混合して基
材表面に塗布することもある。

＜８）　　例えば特開昭５３−４６４５６号に示されて
いるように、合金材料をリング状の形態で用意し、その
リングを基材に嵌装する方法。

（Ｃ）　　合金材料を基材の合金化層を形成すべき部分
にメッキする方法（例えば Ｍｅｌａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　　Ｔａｎ５ａｃｔｉｏｎ
ｓ　　Ｂ、　　Ｖｏｌ。

１４Ｂ　　（１９８３）、Ｐ１８１〜１９０参照） （Ｄ）　　例えば特開昭５５−１８５７５号に示されて
いるように、合金化材料を基材の合金化層ヲ形成すべき
部分に溶射する方法。

発明が解決すべき問題点 表面合金化処理のために合金化材料を基材表面の所要部
位に配置する方法を選定するにあたって重要な事項とし
ては、材料の自由度が大きいこと（すなわち材料の種類
による制約が少ないこと）、あるいは定量性が良いこと
（すなわち金属化材料を配置するにあたってその配置量
を目標通りに設定できること）、さらには経済的なコス
トが低いこと、また合金化性が良好であること（すなわ
ち欠陥の少ない合金化層が得られ、かつ得られた合金化
層の組成の目Ｉ！ｌＡ組成からのずれや層析が少ないこ
と）などが挙げられるが、最終的に形成される合金化層
の特性を左右すφという観点からは、合金化性が良いこ
とが最も重要と考えられる。

しかるに前述した（Ａ）〜（Ｄ）に示すような合金材料
配置方法では、材料自由度、定量性、経済性、合金化性
のすべてを満足することは困難であり、特にいずれの方
法でも共通して合金化性が不充分であるという問題があ
った。

すなわち前記（Ａ）の粉末による方法では、材料自由度
は充分であるが、定量性に関しては部品形状が単純であ
れば良好であるが？！雑な形状では急激に定量性が悪く
なり、さらに合金化性に関しては、合金化処理時に粉末
中からの空気巻込みやバインダ残りが生じて合金化層に
ブローホールや酸化物巻込みなどの欠陥を生じたり、組
成ずれや偏析が生じたりする問題がある。

また前記（Ｂ）のリング材嵌挿による方法では、定量性
は一応良好であるが、材料自由度に関してはリング状に
鋳造もしくは加工容易な材料に限られる問題があり、ま
たコスト面からも不利であり、さらに合金化性に関して
は、厚みがある程度以上厚くなければ実施困難であるた
め、合金濃度が低い合金化層を形成しようとする場合に
は組成ずれや偏析が生じ易い問題がある。

一方前記（Ｃ）のメッキ法による場合は、定量性の点は
良好であるが、メッキを行ない得る材料に限られるため
材料自由度が必ずしも大きくなく、またコストも高く、
さらに合金化性に関しては、厚いメッキ層を形成するこ
とが困難であるため、合金化濃度が高い合金化層を形成
することが困難であり、また偏析が生じ易いという問題
がある。

さらに前記（Ｄ）の溶射による場合は、コストが高い問
題があるほか、合金化性に関しては、溶射中に材料の醒
化や蒸発が生じ易いため、酸化物巻込み欠陥が生じ易く
、しかも組成ずれや偏析が生じ易いという問題がある。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、高
密度加熱エネルギを用いて合金化石を形成するにあたり
、合金化材料を基材に配置する際に要求される事項のう
ち、特に最終的に得られる合金化層の特性に大きな影響
を及ぼす合金化性を充分に向上させて、ブローホールや
酸化物巻込みなどの欠陥が少なくかつ組成ずれや偏析が
少ない表面合金化層を形成する方法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 上述の目的を達成するべく本発明者等は種々実験・検討
を重ねた結果、従来の各合金化材料配置方法ではいずれ
も成形あるいは加工された基材の表面に合金化材料を配
置していたのに対し、発想を大幅に転換して、基材の鋳
造時にその基材の一部に合金化材料を複合化（すなわち
合金化ではなく基材の相と合金化材料の相とが複合化）
している部分を作成し、その後その複合部に高密度加熱
エネルギを照射してその部分を合金化することによって
、欠陥が極めて少なくかつ組成ずれや偏析の少ない合金
化層を形成し得ることを見出し、この発明をなすに至っ
たのである。

したがってこの発明の方法は、金属材料からなる基材の
所要の部位に、その基材材料に対し異種材料を合金化し
た表面合金化層を形成するにあたり、合金化すべき材料
の多孔質体を鋳造用鋳型内の所要の部位に配置した後、
基材材料の溶湯を鋳型内に注湯して、前記合金化すべき
材料と基材材料とが複合一体化された複合部を有する中
間製品を鋳造し、次いでその中間製品の複合部に高密度
加熱エネルギを照射して、その複合部を溶融・合金化さ
せることを特徴とするものである。

発明の詳細な説明 以下この発明の方法を第１図および第２図から第７図に
従ってさらに具体的に説明する。

この発明の方法を実施するにあたっては、先ず例えば第
２図に示すように合金化材料からなる所定形状の多孔質
体１Ａ（図示の例ではリング状）を用意する。

ここで、合金化材料としては、合金化の目的等に応じて
純金属、合金、セラミック等のうちから任意に選定する
ことができる。但しこの発明の方法では後に基材溶湯の
注湯（および加圧）により基材溶湯との複合化を行なう
から、基材溶湯の注湯時に多孔質体が溶融しないように
、基材溶湯の注ＷＡ温度よりも高融点の材料を合金化材
料として選定する。例えば基材としてＡ１合金を用いる
場合、Ｎ１やＦｅ等の合金化材料を用いる。

前記多孔質体１Ａとしては短繊維成形体がコスト面から
最も有利であるが、このほかボイス力の成形体、長繊維
の成形体やシート、あるいは連続気泡を有する発泡体（
発泡金属）などを用いることもできる。いずれにしても
後の基材溶湯の注溜（あるいは注湯および加圧）時にお
いて基材溶湯が多孔質体の空隙に充分かっＶ易に充填さ
れる程度の空隙率を有する多孔質体、望ましくは空隙率
３０％程度以上の多孔質体であれば良い。

なお多孔質体１Ａとして短繊維成形体を用いる場合、短
繊維の長さ、径についても特に限定されるものではない
が、通常は数ｌＪｌ〜３１程度の径、数Ｉ程度の長さの
ものが使用し易い。そしてまた短ｔｓｉ、長！維いずれ
の場合においても１種のみの繊維からなる成形体やシー
ト、２種以上のｒＲ維を混合した成形体やシートのいず
れを用いても良い。ざらに繊維の成形法は任意であって
、結合材を使用しない圧縮のみの成形、あるいは結合材
を使用した成形のいずれを適用しても良い。

また多孔質体１Ａの形状は、最終的に形成する合金化層
形成部分の形状にしたがった形状とすれば良い。

上述のような多孔質体１Ａはこれを第３図に示すように
鋳型２内の所要部位に配置する。ここで鋳型２は、最終
的に得るべき、合金化層を有する製品の形状に対応する
キャビティを有するものとする。また多孔質体１Ａの配
置位置は、製品の合金化層を形成すべき部分に相当する
箇所とする。

なお第３図において符号３は鋳物を取出すためのノック
アウトビンである。

次いで第４図に示すように鋳型２内にＡ１合金溶湯ある
いは鋳鉄溶湯などの基材溶湯４を注湯する。この際、基
材溶湯は多孔質体１Ａ内の空隙にも侵入するが、その空
隙に基材溶湯が充分に充填されない場合には、第５図に
示すようにアッパバンチ５によって基材溶湯４を加圧し
、その加圧力を基材溶湯の凝固まで保持しても良い。ま
たこのほか製品形状によっては遠心鋳造などによって加
圧しても良い。このようにして多孔質体１Ａの空隙に基
材溶隔４が充填されかつその基材溶湯４が凝固すること
によって、多孔質体１Ａを構成する合金化材料と基材の
材料とが複合一体化し゛た複合部１Ｂが、基材材料から
なる母材部分８の所定の表面部に形成された鋳造品（中
間製品）６が得られる。例えば基材としてＡ１合金を用
い、合金化材料の多孔質体としてＮｉ短ａＩＭ成形体を
用いた場合、複合部１ＢはＡ１合金マトリックスにＮｉ
短ａｌｌが複合一体化された組織となり、その池の母材
部分８はＡ１合金となっている。なお基材層１４の注湯
時には、基材溶隔により多孔質体１Ａが溶融しないよう
に注湯温度を適切に設定する。

なおまた、基材溶隔の注湯前には前記多孔質体１Ａを予
熱しておいても良いことは勿論である。

次いでこの中間製品６を鋳型２から取出し、第６図およ
び第１図に拡大して示すように複合部１Ｂの表面にＴＩ
Ｇアーク、電子ビーム、レーザ等の高密度加熱エネルギ
７を照射する。このように高密度加熱エネルギ７を照射
することによって前記複合部１Ｂは急速に温度上昇し、
母材部分の全体がさほど温度上昇しないうちに複合部１
Ｂが溶融され、その複合部１Ｂを構成している合金化材
料と基材材料とが合金化される。そして高密度加熱エネ
ルギ源の移動あるいはそのエネルギ源の作動停止によっ
である位置の複合部に対する高密度加熱エネルギの照射
を停止させれば、その位置の溶融・合金化した部分の熱
は、未ださほど温度上昇していない母材側へ急速に移動
し、その溶融・合金化部分は急速に温度低下して急速凝
固される。

このようにして複合部１Ｂを溶融・合金化させ、かつ凝
固させた状態を第７図に示す。第７図において符号１Ｃ
は複合部１Ｂが合金化した表面合金化層を示す。

なおここで高密度加熱エネルギの照射による溶融深さは
、要は複合部１Ｂの深さとすれば良いが、実際には安全
サイドを見積って複合部１Ｂの深さよりも若干深くする
ことが好ましい。この溶融深さは、高密度加熱エネルギ
源の移動速度およびエネルギの強さによって調整するこ
とができる。

前述のように溶融・合金化したままの状態では通常はそ
の表面が荒れているから、溶融・合金化層にはその表面
合金化層１Ｃの表面に機械加工や研磨を施し、平滑化す
る。このように平滑化した状態を第８図に示す。

なお、表面合金化層の組成の制御は、基材の種類（組成
）、合金化材材料の種類（組成）、さらに合金化材料か
らなる多孔質体の空隙率（かさ密度）を選定、調整する
ことによって行なう。

以上の工程において、高密度加熱エネルギの照射による
溶融・合金化を行なう直前の状態では、合金化材料から
なる多孔質体の空隙内に基材の材料が充填されて、両材
料が複合一体化されている状態となっているから、高密
度加熱エネルギによる溶融・合金化処理時に偏析が生じ
るおそれが極めて少なく、また目標組成からの組成ずれ
が生じるおそれも極めて少ない。そしてまた、溶融・合
金化処理前に予め合金化材料と基材の材料とが複合部内
において密に接しているため、ブローホールの原因とな
る溶融・合金化処理時の空気巻込みや酸化が生じず、し
たがってブローホール等の欠陥も少ない合金化層を得る
ことができる。

実施例 ［実施例１］ び、びり振動切削法により得られた平均ｌ！Ｍ径１００
１Ｊ１１．牢均繊維長８ｍｌのニッケル繊維を、２．８
ｇ／ｃｃのＩｌ雑重密度有する外径５Ｑｉｖ、内径４４
■、高さ１０■のリングとなるように圧縮成形した。こ
のリング状のニッケルＩＩＩ成形体を前述の多孔質体１
として第３図に示すように鋳型２内に配し、ＪＩＳ　　
ＡＣ２Ｂの組成のアルミニウム合金群ｓ４を鋳型２内に
注湯（第４図）し、約１００ｋｇ／ｃｉの圧力を加えて
高圧鋳造を行なった（第５図）。得られた外径５０ａｍ
、高さ２０１ｍの鋳造品（中間製品）６を鋳型３から取
り出し、ｌ！雑の複合されていない部分をチャッキング
して回転させながら、第６図に示すように繊維複合部１
Ｂの表面にＴＩＧアークを照射して溶融合金化を行なっ
た。このＴＩＧアークによる溶融合金化条件は次の通り
である。

ピーク電流／ベース電流：　１７５Ａ／１４５Ａアルゴ
ンガス流１：２５１／鵬 トーチ速度＝２１／式 この結果、深さ３．５１のニッケルーアルミニウム系合
金化層を有するアルミニウムベースの製品が得られた。

その製品の合金化層について調べたところ、合金化層は
全域にわたって第９図に示すように均一に合金化されて
いることが判明した。

また合金化層内の平均Ｎｉ濃度を分析したところ２９．
１％であり、目標値（３０％）に近い値となっているこ
とが確認された。

［比較例１〕 Ｎｉ繊維成形体を用いずに、実流例１と同様な高圧鋳造
法により、外径５０＋ｓ、高ざ２０ｅｖのｄＩｓ　　Ａ
Ｃ２Ｃ合金からなる円筒体を得た。この円筒体の外周に
その下端から１０１１の高さの位置まで６ｇのＮｉ粉末
（粒度１５０〜３５０メツシユ）をＰＶＡを結合剤とし
て塗布した。なおＰＶＡ　Ｇ、を塗布後焼成により除去
した。次いで実施例１と同一のＴＩＧアーク溶融合金化
条件で溶融合金化を行なった。

この結果、深さ３．　ｌｆｆ１ｌ！のニッケルーアルミ
ニウム系合金化層が形成されたが、その合金化層につい
て調べたところ、第１０図に示すようにＮｉの偏析が著
しいことが判明した。また合金化層内の平均Ｎｔｍ度を
分析したところ２３％であって、目標１１　（３０％）
から大幅にずれていることが判明した。

［実Ｗｉ例２］ 合金化材料が純鉄であって、その純鉄ｌｌ雑からなる繊
維成形体の繊維密度が１．５ｇ／ＣＣである点板外は実
施例１と同様の方法で合金化層を形成させた。この結果
、ブローホール等の欠陥のない均一な鉄−アルミニウム
系合金化層が形成された。

［比較例２］ 比較例１における６ｇのＮｉ粉末の代りに、３ｇの純鉄
粉を用いた点板外は比較例１と同様な方法で鉄−アルミ
ニウム系合金化層を得た。この合金化層はａ！ｌ０ＪＪ
Ｉ〜数１００Ｊ−１１のブローホールが１〜３％の面積
率で発生していることが確認された。

以上の各実施例および比較例において、実施例１および
比較例１はいずれもＮｉ　−Ａｆ系合金化層を形成した
ものであり、このＮ＋　−Ａｉｉ合金化においては合金
化材料として粉末のＮｉを用いた比較例１では著しい偏
析が生じたが、この発明の方法による実施例１では前述
のように偏析のない均一な合金化層が得られた。これは
、予めｓｌｉであるＮｉの間に７１−リックスのＡ１合
金が充填されているため、高密度加熱エネルギによる急
速溶融・合金化においても均一合金層が得られたものと
思われる。また実施例２および比較例２はいずれもＦｅ
−Ｎｉ系系合金化合形成したものであり、この場合、合
金化材料として粉末のＦｅを用いた比較例２では多量の
ブローホールが発生したのに対し、この発明の方法によ
る実施例２ではブローホールの発生が皆無であった。こ
れは合金化処理前に予めｌ”ｅとＮｉが密に接している
ため、ブローホールの原因となる空気の巻込みや酸化が
生じなかったためと考えられる。

発明の効果 前述の実施例からも明らかなように、この発明の表面合
金化層形成方法によれば、高密度加熱エネルギ照射によ
る溶融・合金化処理時における合金化、性が充分に良好
であって、ピンホール、ブローホール、酸化物巻込みな
どの欠陥が殆んどなくしかも目標組成からの組成ずれや
偏析も少ない表面合金化層を形成することができる。し
たがってこの発明の方法によって形成された表面合金化
層は、その合金化の目的、例えば耐摩耗性や耐熱性、あ
るいは耐食性、断熱性等の１能向上の目的を充分に達成
することが可能である。

なお合金化性以外の点については、この発明の表面合金
化層形成方法では定（ト）性は充分に良好であり、また
適用コストも比較的低く、さらに材料自由度の点はｉ！
維成形体等の多孔質体に成形可能なものには適用できる
ため比較的良好である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の方法において島密度加熱エネルギ照
射による溶融・合金化処理を行なっている状況の一例を
拡大して示す模式的な断面図である。第２図から第８図
まではこの発明の方法を段階的に説明するための模式的
な断面図であって、第２図は多孔質体の一例を示す断面
図、第、３図は多孔質体を鋳型内に配置した状況を示す
断面図、第４図は鋳型内に基材溶湯を注湯している状況
を示す断面図、第５図は基材溶湯を加圧している状況を
示す断面図、第６図は鋳型から取出された中周製品（鋳
造品）の複合部に高密度加熱エネルギ照射による溶融・
合金化処理を行なっている状況を示す断面図、第７図は
溶融・合金化処理後の状況を示す断面図、第８図は研磨
後の状況を示す断面図である。第９図は実施例１により
形成された表面合金化層の金属組織を示す写真（倍率４
００倍）、第１０図は比較例１により形成された表面合
金化層の金属組織を示す写真′（倍率４００倍）である
。 １Ａ・・・多孔質体、　１Ｂ・・・複合部、　１Ｃ・・
・表面合金化層、　２・・・鋳型、　４・・・基材溶湯
、　６・・・中間品。 第１図 第９Ｕ〈１　　　　第１０図 第２図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 金属材料からなる基材の所要の部位に、その基材材料に
   対し異種材料を合金化した表面合金化層を形成するにあ
   たり、 合金化すべき材料の多孔質体を鋳造用鋳型内の所要の部
   位に配置した後、基材材料の溶湯を鋳型内に注湯して、
   前記合金化すべき材料と基材材料とが複合一体化された
   複合部を有する中間製品を鋳造し、次いでその中間製品
   の複合部に高密度加熱エネルギを照射して、その複合部
   を溶融・合金化させることを特徴とする表面合金化層の
   形成方法。