JPS63317272A

JPS63317272A - 溶加材

Info

Publication number: JPS63317272A
Application number: JP15250187A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Watanabe; 裕之渡辺; Yoshiaki Iizuka; 飯塚　良明
Original assignee: Atsugi Motor Parts Co Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 1987-06-19
Filing date: 1987-06-19
Publication date: 1988-12-26

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】産業上の利用分野本発明は、例えば自動車用エンジンのピストン等の耐摩
耗性が要求される部位に溶着して、ピストン等の金属表
面に耐摩耗性に優れた合金層を形成するために使用され
る溶加材に関する。

従来の技術従来から、例えば自動車用エンジンのアルミニウム合金
製ピストンに形成されたピストンリング溝の耐摩耗性を
向上するため、電子ビームやレーザビーム等のエネルギ
ビームにより、ピストンリング溝の表面にニッケル或い
は鉄等の金属を溶かし込んで、ピストン母材表面に合金
層を形成し、ピストンリング溝の耐摩耗性が要求される
部位の耐摩耗性を向上する技術が知られている（特開昭
５５−２７５８７号公報参照）。

発明が解決しようとする問題点しかし、このような電子ビーム等のエネルギビームによ
ってピストン母材表面に合金層を形成し、ピストン母材
表面の耐摩耗性を向上させる処理方法では、ピストンを
真空容器中に保持して処理しなければならないため、処
理装置が大型化するとともに、処理装置内に空気を供給
、排出するのに時間がかか、す、生産性が悪いという問
題を有していた。

このような問題を解決するためには、電子ビーム等のエ
ネルギビームを使用した処理方法によらず、簡便でかつ
生産性のよいＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接等の溶接により、
ピストン母材表面の耐摩耗性を向上することが好ましい
。ところが、これらＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接等でピスト
ン母材に耐摩耗性を向上させる金属を溶着しても、所望
の耐摩耗性を発揮し得る溶接性に優れた溶加材がなかっ
た。

そこで、本発明はアルミニウム合金製のピストンにＭＩ
Ｇ溶接等の溶接によって確実に溶着でき、・ピストン母
材表面に耐摩耗性の優れた合金層を形成し得る溶加材を
提供することを目的としてなされたものである。

問題点を解決するための手段本発明の溶加材は、アルミニウムに少なくと６ニツケル
を５〜３０重量パ重量パーセント含み、かつ、銅を１５
重量パーセント以下含んだ材料からなっている。

作用本発明の溶加材はＭＩＧ溶接等の比較的簡便なアーク溶
接により、アルミニウム合金部材に溶接でき、その溶接
部（融解部）に溶加材の含育成分と略等しいニッケル及
び銅を含む耐摩耗性に優れた合金層が形成される。

実施例以下本発明の実施例を図面に基づき詳述する。

第１図は本発明に係る溶加材（溶接棒）のＭＩＧ溶接に
おける使用状態を示すもので、図においてＩはアルミニ
ウム合金（ＡＣ８Ａ）製ピストン素材であり、このピス
トン素材！にはピストンリング溝形成部位にノツチ２を
切り欠き形成しである。

このノツチ２は、第２図に示すように断面略台形状を呈
し、ノツチ幅Ｗ　＝　３　ｍ友、ノツチ深さＨ−３゜６
ｍｍ、側面傾斜角θ１＝θ、＝１５°となるようにピス
トン素材外周に環状に切り欠き形成されている。３は溶
接トーチであり、この溶接トーチ３はノツチ２に対応す
る部位に配置されており、この溶接トーチ３のコンタク
トチップ４には溶接棒５（Ｎｉ１０．５％、Ｓｔ　０．
０８％以下、　Ｃｕ　Ｏ，０１％、Ｍｇ　０．０１％、
Ｆｅ　Ｏ，１５％、Ｔｉ　Ｏ。

０２％以下、Ｚｎ　Ｏ，０４％、残部Ａｌ２（尚、成分
割合（％）は重量パーセントを意味するものとする。）
）が挿入されている。この溶接棒５は略ｌ。

６１１の線径を有し、コンタクトチップ４から連続的に
供給され、不活性ガス中で溶接が行なわれる。

このＭＩＧ溶接（パルス電流制御方式）は、平均電流１
６０Ａ、電圧２４ｖ、溶接速度８００　ｘｉ／ｗｉｎ。

不活性ガス（アルゴンガス）１１２０　（ｌ／　ｗｉｎ
で行なわれる。その結果、第３図に示すように、ピスト
ン素材ｌのノッチ２形成部及びその近傍には、ピストン
素材１と溶接棒５とが融解溶接された融解部６（Ｎｉ７
．２％、Ｓｔ　１０．２％、ＣｕＯ，４５％。

Ｍｇ０．４３％、Ｆｅ　Ｏ，２９％、Ｔｉ　Ｏ，０４％
。

ＺｎＯ，０３％、残部Ａｆｆ）が形成された。第４図は
、このようにして形成された融解部６を機械加工するこ
とにより得られたピストンリングｉｌ＄７の断面形状で
あり、このピストンリング溝７は断面略矩形状を呈し、
図中上部側壁面８及び下部側壁面９には融解部８の合金
が露出している。

次に溶接棒５の成分を変えるとともに、溶接条件、ノツ
チ形状等を変えて溶接した実施例を示す。

即ち、この実施例では、溶接棒５の成分を（Ｎｉ１４．
８％、Ｓｔ　Ｏ，０５％、Ｃｕ　４．８％、　ＭｇＯ９
Ｏ１％、Ｍｎ　Ｏ，０１％、Ｆｅ　Ｏ，１２％、Ｔｉ０
６０１％、Ｚｎ　Ｏ，０４％、残部Ａｌ２）とし、溶接
棒５の線径が２ｚｘのものを使用した。そして、ノツチ
２の形状は、ノツチ幅Ｗ＝３ｙｍ、ノツチ深さＨ＝３．
４ｍｍ、側面傾斜角θ、−〇、＝２５°となるように切
り欠き形成され（第２図参照）、このノツチ２に平均電
流１００Ａ、電圧１９ｖ、溶接速度２００　ｘｉ／ｆｆ
１ｉｎ、不活性ガス（アルゴンガス）量２０Ｑ／ｍｉｎ
の条件下で面記実施例と同様にしてＭＩＧ溶接（パルス
電流制御方式）を行なった。その結果、第３図に示すピ
ストン素材ｌのノッチ２形成部及びその近傍には、ピス
トン素材ｌと溶接棒５とが融解溶接された融解部６（Ｎ
ｉ１１．５％。

Ｓｉ　９．８％、Ｃｕ　４．３％、ＭｇＯ，５２％、　
Ｆｅ０１３０％、　Ｔｉ　Ｏ，０４％、　Ｚｎ　Ｏ，０
４％、残部Ａυが形成された。

以上述べた実施例はいずれもＭＩＧ溶接への適用例につ
いて説明したが、これに限られず、例えば交流ＴＩＧ溶
接に本発明に係る溶加材を使用することができる。以下
にその実施例を示す。

即ち、この実施例では、溶接棒５の成分を（Ｎｉ１９．
７％、Ｓｉ　０．０９％以下、ＣｕＯ，０１％。

Ｍｇ０．０１％、Ｆｅ　Ｏ，１４％、Ｔｉ　Ｏ，０５％
以下、Ｚｎ　Ｏ，０４％、残部ＡＣ）とし、溶接棒の線
径が２　、４　ｙｔｍに形成されたものを使用した。そ
して、第２図に示したノツチ２の形状が、ノツチ幅Ｗ＝
１．５ｉ麓、ノツチ深さ２　、５　ｚｘ、側面傾斜角θ
１＝θ、＝１５°となるように切り欠き形成され、この
ノツチ２に電流１４０Ａ、溶接速度３５ｃｘ／ｗｉｎ、
不活性ガス（アルゴンガス）量７１２／ａ＋ｉｎの条件
下でＴＩＧ溶接を行なった。その結果、第３図に示すピ
ストン素材ｌのノッチ２形成部及びその近傍には、ピス
トン素材ｌと溶接棒とが融解溶接された融解部６（Ｎｉ
　　１３．８％、Ｓｉ　６．３％。

ＣｕＯ，８４％、Ｍｇ０．２６％、Ｆｅ　Ｏ，２６％。

Ｔｉ　Ｏ，０４％、Ｚｎ　Ｏ，０３％、残部Ａ１２）が
形成された。

第５図は以上説明した各実施例と同様にして形成された
ピストン素材の融解部の摩耗試験方法（サバン式）を示
すもので、この図においてＩＯはピストン素材と同一材
料（ＡＣ８Ａ）からなる試験片母材であり、この試験片
母材ｌＯに融解部６を形成して試験片１１としている。

１２はピストンリング相当材料（ＳＵＳ４２０）で形成
されたローラである。この摩耗試験は、試験片温度を８
０℃とし、ローラ１２にはｅｏｋｇｒの摩耗荷重が負荷
され、ローラ１２と試験片１１とを１時間摩擦接触させ
て試験が行なわれた。

第６図は融解部のＮｔの成分量を変えて行なった摩耗試
験の結果を示すものである。この試験結果によれば、融
解部６のＮｉ成分量が増加するに従い摩耗量が少なくな
ることが分かる。これはＮ１−ＡＱ系金金属間化合物Ｎ
ｌＡｌ２３が晶出するｆコめであり、その晶出量はＮｉ
成分量が少ない場合には少なく、Ｎｉ成分量が多い場合
には多くなる。

このＮ１−ＡＱ系金金属間化合物共晶点はＮｉ成分量が
５．７％付近であり、５．７％以下では亜共晶状態とな
り、５．７％以上では過共晶状態となる。

このうち、耐摩耗性の高いＮ１−Ａ（ｌ系金属間化合物
は過共晶状態のものであり、第６図においてもＮｉ成分
量が５％付近（過共晶状態になる直前の状態）で耐摩耗
性向上の効果が大きくあられれることが分かる。一方、
Ｎｉ成分量が３０％を越えると、Ｎｉ成分量を増加させ
ても摩耗量はほとんど減少しなくなることがこの試験結
果から判明した。

以上第６図の試験結果によれば、耐摩耗性向上のために
は、融解部６のＮｉ成分量を５〜３０重量パーセントに
設定すればよいことが分かる。尚、Ｎｉ成成分量３重重
量パーセント溶接棒（Ｎｉ−１！合金）を工業的に容易
に製造できる上限値でもある。

第７図は、Ｎｉを１５重量パーセント含む溶接棒を使用
し、側面傾斜角θを変化させたノツチ２（第８図参照）
にＭＩＧ溶接した場合における融解部のＮｉ成分量を示
すものである。尚、この図において、Ｔ、線は溶接電流
値１００Ａで溶接した場合の実験結果を示し、Ｔ、線は
溶接電流値１４０Ａで溶接した場合の実験結果を示すも
のである。

この図によれば、ノツチ形状及び溶接条件（溶接電流値
）を適宜選択することにより、融解部のＮｉ成分量を溶
接棒のＮｉ成分量と略等しい値にすることができること
が示されている。この実験結果から溶接棒のＮｉ成分量
を５〜３０重量パーセントに設定すれば、融解部の合金
の耐摩耗性を向上し得ることが判明した。

次に、前記摩耗試験方法（サバン式）により溶接棒のＮ
ｉ成分量を設定することが妥当であるか否かを実機試験
をして確認した。その結果を第９図に示す。この図にお
いて、ｘｏはピストンリング溝部の材料がＡＣ８Ａ（ピ
ストン素材と同一材料）の場合であり、Ｘ、はピストン
リング溝部にＮｉを６．５重量パーセント含む融解部を
ＭＩＧ溶接で形成した場合、Ｘ、はピストンリング溝部
にＮｉを２０重量パーセント含む融解部をＭＩＧ溶接で
形成した場合を示す。この図によれば、ピストンリング
溝部にＮｉを所定重量パーセント含む融解部が形成され
たＸ、及びＸ、が、ＡＣＢＡ材のみからなるＸ。に比較
してリング溝の摩耗量が極めて少ないことが分かる。又
、この実験結果から、Ｎｉ成分量が多いＸ、の方がＮｉ
成分量の比較的少ないＸｌよりも摩耗量が少ないことが
分かる。尚、この実験において使用したピストンリング
はばね鋼（ＳＷＯＳＣ−Ｖ）製のピストンリングであり
、Ｘｏ、Ｘ、Ｘｓの各実験材料は同一条件下で実験が行
なわれたことは勿論である。この実験結果と前記摩耗試
験結果（第６図）とを比較すると、摩耗量とＮｉ成分量
との関係はほぼ同様の傾向を示しており、前記摩耗試験
により溶接棒のＮｉ成分量を決定することが妥当である
ことが確認された。

第１０図は融解部６（第３図参照）に含まれるＣｕの成
分量を変えた試験片を数種作製し、前記摩耗試験方法（
サバン式）により摩耗試験を行ない、その結果を図に示
したものである。この試験では、溶接棒のＮｉ成分量は
１５重量パーセントとし、Ｃｕの成分量のみを変えたも
のをＭＩＧ溶接で試験片母材に溶接して融解部６を形成
した試験片Ｉｌを使用した（第５図参照）。又、ノツチ
形状及び溶接条件は変化させず、融解部６のＮｉ成分量
が一定となるようにした。

この試験結果によれば、Ｃｕの成分量が増加するに従い
摩耗量も低下することがわかる。これは、融解部６にＣ
ｕが添加されることにより、ＡＱとＣｕとの金属間化合
物ＣｕＡＱｖが析出し、融解部６のＡＱ基地部の硬度増
加、結晶組織強化及び結晶組織の安定化が図られるため
である。しかし、Ｃｕの成分量が！５重量パーセント以
上に増加しても、摩耗量の低下は極めて少なくなり、Ｃ
ｕの成分量は耐摩耗性向上の観点から、１５重量パーセ
ントを上限値とすれば充分であることが分かった。又、
Ｃｕの成分量を１５重量パーセント以上に増加すると溶
接棒の伸びが小さくなり、溶接棒の製造が困難になると
共に、融解部６の溶接割れを発生しやすくなることから
も、溶接棒のＣｕの成分量の上限値を１５重量パーセン
トにすることは妥当である。

尚、本発明の溶加材をプラズマアーク溶接に使用するこ
ともできる。

以上の摩耗試験結果から溶加材の成分は、Ｎｉ成分量を
５〜３０重量パーセントとし、Ｃｕ成分量を１５重量パ
ーセント以下含むように設定され、残部はアルミニウム
と必要に応じＭｇ、　Ｍｎ、　Ｃｒ等の添加物とした。

これによって、従来がら使用されている電子ビームによ
り合金層を形成する方法に比較して、エネルギー密度の
小さいアーク溶接で偏析が少なく耐摩耗性に優れたＮｉ
−Ａｌ１合金の融解部を形成することが可能になった。

又、汎用的なアーク溶接で耐摩耗性に優れた融解部を形
成できるため、電子ビーム法等のように高価で、大規模
な設備を導入することなく、安価で小規模な設備で足り
る。加えて、電子ビーム法のようにピストン素材を真空
中に保持して処理する必要がなく、製造（処理）工程を
簡素化できると共に、溶加材（溶接棒）の連続的供給を
可能とし、製造（処理）工数を著しく削減できるもので
ある。更に、本発明に係る溶加材を、アルミニウム合金
（ＡＣ８Ａ）製ピストンに溶着させて形成した融解部に
は、一般的な表面処理と異なり硬度が比較的低いＮ１Ａ
Ｑｓが晶出するため、第４図に示すように融解部６にピ
ストンリング溝７を形成し、ピストンリングとの接触面
に融解部６の合金層を露出させた場合には、ピストンリ
ングを摩耗させることがなく、ピストンリング溝７の耐
摩耗性を向上することができるものである。、加えて、
ピストン素材と融解部の材料の比重が同等であるため、
ピストン重量が重くならず、加工性も良好であり、ピス
トン素材よりも融点が高いので耐熱特性も向上する。そ
のため、本発明に係る溶接棒により融解部を形成し、ピ
ストンリング溝の耐摩耗性を向上したピストンは、耐久
信頼性が大幅に向上し、ディゼル等の高熱負荷エンジン
や、タクシ−等の長寿命保証が必要なエンジンに対し、
特に効果的に使用されることが期待される。

尚、本発明に係る溶加材は、アルミニウム合金製ピスト
ンのピストンリング溝の耐摩耗性向上のために使用され
ろ場合に限られず、アルミニウム合金の摺動部の耐摩耗
性向上に有効であることは勿論である。

発明の効果以上述べたように本発明は、アルミニウムに少なくとも
ニッケルを５〜３０重量パ重量パーセント含み、かつ、
銅を１５重量パーセント以下含んだ溶加材であるため、
アルミニウム合金製のピストンにＭＩＧ溶接等の溶接に
よって確実に溶着され、ピストンに耐摩耗性の優れた合
金層を形成でき、従来の電子ビーム法等に比べ極めて簡
便で生産性の高いピストンの耐摩耗性向上処理ができる
という実用上優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る溶加材（溶接棒）を使用したＭＩ
Ｇ溶接状聾図、第２図はノツチ部形状、第３図は融解即
断面図、第４図はピストンリング溝部断面図、第５図は
摩耗試験（サバン式）概略図、第６図は融解部のＮｉ成
分量を変化させた場合の摩耗試験結果図、第７図はノツ
チ形状と融解部のＮｉ成分量との相関図、第８図は第７
図に関する試験で使用されたノツチ形状断面図、第９図
はピストンリング溝の実機試験結果図、第１Ｏ図は融解
部のＣｕ成分量を変化させた場合の摩耗試験結果図であ
る。５・・・溶加材（溶接棒）。外２名第２図第３図　　　　第４図第７図第８図

Claims

【特許請求の範囲】

アルミニウムに少なくともニッケルを５〜３０重量パー
セント含み、かつ、銅を１５重量パーセント以下含んだ
材料からなることを特徴とする溶加材。