JPS62167890A - 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、耐摩耗性が要求される部位に好適に使用されるＡ
ｌ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Ａｌ合金基材表面に他の
材料を合金化（アロインク）して耐摩耗性が高い表面合
金化層を形成したＡｌ合金部材に関するものである。

従来の技術 周知のようにＡｌ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Ａｌ合金は鉄系材料と比較して耐摩耗
性が劣り、このことが自動車等における軽ω化等を目的
として鉄系部材をＡｌ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合金部材の耐摩耗性向上策として、メッキや陽４
ｆＡ酸化処理、あるいは溶射等の表面処理を施して耐摩
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、高血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号において、Ａｌ合金基材表面をＮｉと硬質セラ
ミック粒子との混合粉末で被覆し、ＴＩＧアークヤレー
ザビーム等の高密度エネルギを照射して、Ａｌ合金基材
と前記混合粉末を合金化（アロインク）させ、Ｎ　１３
Ａｌ、Ｎ　ＩＡｌ、Ｎｉ２Ａｉ’３、ＮｉＡｆａ等のＮ
ｉ−Ａｌ系金属間化合物か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Ａｌ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Ａｌ合金部材の表面に耐摩耗性に浸れ
た複合層を形成することができ、またこの複合層のマト
リックスでおるＮｉ−Ａｌ系金属間化合物は基材のへ１
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１ｑられる複合層
はマトリックス（基地組成）の全体がＮｉ−／ｌ系金属
間化合物相となってあり、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
が困難でめるという問題がおる。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おり
、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、高血圧下、高温条件下においても
著しく耐摩耗性の優れたＡｌ合金部材を提供することを
目的とするもので必る。

問題点を解決するための手段 この発明のＡｌ合金部材は、Ａ２合金基材の表面にＮｉ
のみならず硬質な窒化物すなわちＴｉＮ（窒化チタン＞
、ＺｒＮ（窒化ジルコニウム）、ＶＮ（窒化バナジウム
）　、ＴａＮ　（窒化タンタル）のうちから選ばれた１
種または２種以上の窒化物をも同時に合金化することに
より硬質窒化物相を表面層に分散させて、耐摩耗性を一
層向上させ、しかもその合金化に必たり、最終的に得ら
れる合金化層（複合層）の基地組織の全体がＮ　ｉ　−
Ａ、＆系金属間化合物相となってしまわないように、す
なわちＮｉ−Ａｌ系金属間化合物相とＡ２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
Ｎｉ濃度を設定し、これによって前記提案の如きＮｒ−
Ａｌｌ系合金化化合物相脆さの問題を解決し、加工性を
確保するもので市る。

具体的には、この発明の耐摩耗性へ２合金部材は、耐摩
耗性が要求される部位のＡ！合金基材表面に、Ｔ　ｉ　
Ｎ、ＺｒＮ、ＶＮ、ＴａＮのうちから選ばれた１種また
は２種以上の窒化物とＮ　ｉとを合金化することによっ
て、Ａｌ合金マトリックスにＮｉ−Ａｌ系金属間化合物
および窒化物硬質相が晶出した、平均Ｎｉ濃度が１０〜
４０重Φ％、窒化物硬質相の平均濃度が０．５〜３０重
量％の複合層をＡｌ合金基材表面に形成したことを特徴
とするもので必る。

作　　用 この発明の合金部材は、前述のようにＡ２合金基材の表
面に高密度エネルギ源を用いてＮｉおよびＴｉＮ等の硬
質窒化物を合金化（アロインク）して、Ａｌ合金基地中
にＮｉ−Ａｌ系金属間化合物および窒化物硬質相を晶出
させた複合層、すなわらＡｌ合金相とＮｉ−Ａｌ系金属
間化合物相および窒化物硬質相とが混ざり合った複合層
を形成したものでおる。

ここで、Ｎｉ−Ａｌ系金属間化合物としては、主として
Ｎ！Ａ！、３おＪ：びＮｉ２ＡＺ３の２．伸頌の化合物
が晶出する。すなわち通常は拶合芒における平均Ｎｉ濃
度がＮｉおにび７Ｍ’の合計最に対し２８患徂％以下の
場合にはＮｌＡｌ３が晶出し、２８Φ屯％以上の場合に
はＮｉＡｌ３およびＮ　！２　Ａｌ３が晶出する。これ
らのＮ　ｉ　−Ａｌｌ合金居間化合物、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
。またＴ　ｉ　Ｎ、ＺｒＮ、ＶＮ、ＴａＮのような窒化
物も勿論極めて硬質であり、したがってこれらのうちか
ら選ばれた１種または２種以上の窒化物硬質相が微細に
分散晶出することによって耐摩耗性をより一層向上させ
る１９割を果たす。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）容したα−八
へ相を主体とするものであり、このα−八へ相は軟質で
あるため複合層仝休の加工性を向上させる作用を果たす
。すなわち、Ｎ　！　−ＡＺ系金属間化合物相および窒
化物硬質相とＡｌ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
基地組織がＮｉ−Ａｌ系金属間化合物相のみの場合と比
較して烙段に優れた加工性を（ｑることができる。

なお本発明者等は既に別の特許出願において、窒化物を
加えず、ＮｉのみをＡｌ合金暴基材面に合金化して、Ａ
ｌ合金マトリックス中にＮｉ−Ａｌｌ合金居間化合物晶
出させかつ平均Ｎｉ１度を１０〜４０重但％と型温複合
層を形成したＡｌ合金部材を提案しているが、このよう
にＮｉ単独の場合と比較してこの発明では硬質窒化物を
併せて合金化して窒化物硬質相をも晶出させることによ
り−Ｓ耐摩耗性が向上する。

但し、前記複合層中の平均Ｎｉ濃度が４０重間％を越え
れば、複合層全体がＮｉ−／Ｍ系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１０重四％未満の場合に
は、Ｎｒ−Ａｘ系金金属間化合物晶出量が極めて少なく
なって相対的にＡｌ合金相の割合が大きくなり、その結
果一部の材料（例えばバルブ材として用いられているＣ
０−Ｃｒ合金など）を相手材とした場合に摩擦によって
凝着を生じ、摩擦部分に使用される耐摩耗部材として不
適当となる。したがって複合層中の平均Ｎｉ濃度は１０
〜４０重間％の範囲内とする必要がおる。また複合層中
の窒化物硬質相の平均濃度が０．５型温％未満では硬質
窒化物を加えることによる耐１７粍性向上効果が充分に
発揮されず、一方窒化物硬質相の平均濃度が３０重量％
を越えれば相手攻撃性か高くなって相手部材の摩耗が大
きくなる。

したがって複合層中の窒化物硬質相の平均濃度）ま０．
５〜３０重但％型温囲内とした。

なおＡ２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−Ａｌ系金属間化合物相以外の
部分を一括してＡｌ合金マトリックス相と称したが、基
材として用いるＡｌ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−Ａｌ相のみならず、そのα−Ａ
ｌ相中にＭｇ−Ａｆ’系化合物めるいはＣｕ−Ａｌ＞系
化合物相等が晶出する場合もめることは勿論でおる。

なおまた、上述のような複合層はＡｌ基材表面層とＮｉ
との合金化によって形成されたもので必るから、へ１塁
材の母材部分との密着性は充分におり、したがって高面
圧下においても高い耐久性を示す。

以上のようなＡｌ合金部材を製造づるにあたっては、先
ずＡｌ合金部材のうち耐摩耗性が要求される部位のＡｌ
合金蟇基材面をＮｉおよびＴｉＮ等の硬質窒化物の混合
物で被覆する。その被覆手段としては、例えば溶射法、
メッキ法、め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Ｎｉ＋硬質窒化物の被覆層を形
成した後、その表面にＴＩＧアーク、レーザビームおる
いは電子ビームなどの高田度エネルギを照射して急速短
時間加熱し、Ｎｉ十硬質窒化物被覆層とその下側のＡｌ
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、合金化層（複合
層）中の平均Ｎｉ濃度を１０〜４０重量％の範囲内に収
めるべく、Ｎｉ＋硬質窒化物被覆層の厚みに対するＡｌ
合金塁材の溶融深さか適切な深さとなるように高凹度エ
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市る。

実施例 実施例　１ 鋳物用アルミニウム合金として知られるＪＩＳＡＣ２Ｂ
のＡｌ合金（ＣＬＪ　３．１０％、Ｓｉ、３２％、ＭＣ
２０，３４％、Ｚｎ０．０１％、Ｆｅ０．４３％、Ｍｎ
Ｏ，３０％、残部Ａｌ＞からなる６０ｍｍｘ　２５ｍｍ
ｘ８ｍｍの試片の表面に、第１表の記号Ａで示すように
ｉ！Ｎｉ粉末７５重量％、ＴＡＮ粉２５重置％の混合粉
末を溶射した後、ＴＩＧアークによって溶射層と母材の
Ａｌ合金とを平均Ｎ＋濃度が１０〜４０重邑％の範囲内
となるような条件で合金化させた。合金化によって形成
された複合層の表面を研磨した後、大成式迅速摩耗試験
が行なえる寸法、形状に試片を仕上げた。その後大成式
迅速摩耗試験を行なうとともに、複合層の組成分析を行
なった。

また、合金化すべき混合粉末として第１表の記号Ｂで示
すようにＮｉ粉末およびＺｒＮ粉末の混合粉末を用いた
場合と、記号Ｃで示すようにＮｉ粉末およびＶＮ粉末の
混合粉末を用いた場合と、記＠Ｄで示すようにＮｉ粉末
およびＴａＮ粉末の混合粉末を用いた場合と、記号Ｅで
示すようにＮｉ粉末、ＴｉＮ粉末、ＺｒＮ粉末の混合粉
末を用いた場合と、記号Ｆで示すようにＮｉ粉末、Ｔｉ
Ｎ粉末、ＶＮ粉末の混合粉末を用いた場合、以上の各ケ
ースについて前記と同様な条件で合金化を行ない、その
後複数層の摩耗試験と組成分析に供した。

以上の実施例Ａ−ＦのＡｌ合金部材における複合層の成
分組成分析結果は、第１表中に示す通りであった。

第　　１　　表 一方、比較材１として従来から自動車エンジンのバルブ
シート材として用いられている鉄系焼結材料（Ｃ０，７
０〜１．２０％、ＭＯ４，０〜６．５％、ＣＯ７〜１０
％、Ｐｂ１０〜２２％、Ｆｅ残部）を用意し、さらに比
較材２として、ＪＩＳ　　ＡＣ２ＢのＡｌ合金塁材表面
にＴＩＧアークによりＮｉのみを合金化して、重量％で
Ａｌ−３４％Ｎｉ−５％３ｉ−２％Ｃｕの成分組成の複
合層を形成したＡｌ合金部材を用意した。

これらの本発明実施例材Ａ−Ｆおよび比較’ｒＡ　１．
２についての大成式迅速摩耗試験結果を第１図に示す。

なお大成式迅速摩耗試験の試験条件は、相手材を５ＵＨ
Ｉ　１とし、最終荷重６．３Ｊ、すべり速度０．３１　
ｍ／Ｓｅｅ、すべり距離１００　ｍとシタ。

第１図から、この発明による実施例Ａ〜Ｆの場合には、
従来のバルブシート材である比較材１と比較して大成式
迅速摩耗試験にあける摩耗痕面積が小ざく、従来の比較
材１より優れた耐摩耗性を有し、しかもＮｉのみを合金
化した比較ｖＪ’　２と比へても耐摩耗性が優れている
ことが明らかである。

ここで、この発明の実施例材のＮｉ濃度と比較材２のＮ
ｉ濃度はほぼ同等であり、したがってＮｉと同時にＴｉ
Ｎその他の硬質窒化物を合金化することによって一層耐
摩耗性が向上したことが明らかである。

なお以上の実施例において、合金化処理後の研磨加工に
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。

なおまた、別に本発明実施例材の複合層の組織について
、光学顕微鏡およびＥＰＭＡによる１２寮を行なったと
ころ、Ａｌ合金マトリックス相としてのα−Ａｌ相中に
Ｎｉ−Ａｌ系金属間化合物であるＮｉＡｌ５および／ま
たはＮｉ２Ａｊ２３が均一に晶出するとともに微細な窒
化物硬質相が均一に分散晶出していることが確認された
。

実施例　２ 合金化するべき混合粉末として、純Ｎｉ粉末とＴ　ｉ　
Ｎ粉末との混合粉末を用いた場合と、純Ｎｉ粉末とＺ　
ｒ　Ｎ　！！＞）末との混合粉末を用いた場合と、純Ｎ
ｉ粉末とＶＮ粉末を用いた場合と、純Ｎｉ粉末とＴａＮ
粉末との混合粉末を用いた場合とについて、それぞれ窒
化物粉末の配合量を変えて、種々の社の窒化物硬質相を
有するＮｉ合金化複合層をへ１基材表面に形成した。そ
の他の合金化の条件は実施例１と同様である。なおいず
れの窒化物を含む混合粉末を合金化した場合もその複合
層中のＮｉ濃度は３０±５重量％である。

以上のようにして得られた種々の窒化物量のＡｌ合金部
材複合層について大成式迅速摩耗試験を行なった結果を
窒化物量に応じて第２図に示す。

なおこの場合の試験条件は実施例１の場合と同じである
。

一方、各Ａｌ合金部材複合層の摩擦時における相手材へ
の攻撃性を次のようにして調べた。すなわち大成式迅速
摩耗試験のローターに上述のように複合層が生成された
Ａｌ合金部材を用い、プレートにＪＩＳ規格５ＵＨ１１
材を用い、そのプレートの摩耗痕面積で複合層の相手攻
撃性を評価した。その結果を第３図に示ず。

第２図から明らかなように複合層中の窒化物量が０．５
重量％未満では複合層の摩耗痕面積が大きく、充分な耐
摩粍性が得られないことがわかる。

窒化物量が多くなるほど複合層の摩耗痕面積が少なくな
って耐摩耗性が向上しているが、第３図に示すように複
合相中の窒化物・量が３０重量％を越えれば相手材攻撃
性が増すことがわかる。したがってこの発明では既に述
べたように複合層中の窒化物量を０．５〜３０重量％の
範囲としたのである。なお第３図では窒化物としてＴｉ
Ｎを用いた場合のみについて示しているが、他の窒化物
の場合も同様であることが確認されている。

実施例　３ 合金化させるぺぎ混合粉末として、純Ｎｉ粉末のみを用
いた場合および純Ｎｉ粉末とＴｉＮ粉末との混合粉末を
用いた場合について、それぞれ合金化後の複合層のＮｉ
量が変化するようにして、合金化を行なった。その他の
条件は実施例１の場合と同様でおる。なお複合層中のＴ
　ｉ　Ｎ９度はγ±２重但型温める。

実施例１と同様にしてＡｌ合金部材複合層の耐摩耗性を
大成式迅速摩耗試験により調べた結果を、複合層のＮｉ
濃度に対応して第４図に示す。第４図から、Ｎｉ濃度が
１０重量％では充分な＃４摩耗性が得られないことが判
る。なお第４図では窒化物としてＴｉＮを用いた場合の
みについて示したが、他の窒化物を用いた場合も同様で
あった。

発明の効果 以上の説明で明らかなようにこの発明のＡ２合金部材は
、Ａｌ合金基材表面にＮｉおよびＴｉＮ等の硬質窒化物
を合金化させて、Ａｌ合金マトリックス中にＮｉ−Ａｌ
系金属間化合物および窒化物硬質相を晶出させて、平均
Ｎｉ濃度を１０〜４０重間％、窒化物硬質相の平均濃度
を０．５〜３０重通％の範囲内とした複合層を形成した
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、したがって高血圧下、高温条件下
で耐摩耗性が要求される部位に使用して著しく例れた耐
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Ａｌ合金部材は、例えばＡｌ合金
製シリンダヘッドのバルブシート、７Ｍ合金製シフトフ
ォークの爪部、Ａｌ合金製シリンダライナ、Ａｌ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材１における実施例材Ａ−％
および比較材１．２の摩耗試験結果を示すグラフ、第２
図は実施例２において複合層中の窒化物濃度が耐摩耗性
に及ぼす影響を示すグラフ、第３図は同じ〈実施例２に
おいて複合層中の窒化物濃度が相手攻撃性に及ぼり影響
を示すグラフ、第４図は実施例３において複合層中のＮ
ｉ濃度が耐摩耗性に及ぼす影響を示すグラフである。 出願人　　トヨタ自動車株式会社 代理人　　弁理士　豊　１）武　久 （ほか１名） 第１図 着 第２図 窒化布量（ｗｔ％）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　耐摩耗性が要求される部位のＡｌ合金基材の表面に、
   ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＶＮ、ＴａＮのうちから選ばれた１種
   または２種以上の窒化物とＮｉとを合金化することによ
   り、Ｎｉ−Ａｌ系金属間化合物相および窒化物硬質相を
   Ａｌ合金マトリツクス中に晶出させて平均Ｎｉ濃度を１
   ０〜４０重量％、窒化物硬質相の平均濃度を０．５〜３
   ０重量％とした複合層をＡｌ合金基材表面に形成したこ
   とを特徴とする耐摩耗性Ａｌ合金部材。