JPH0116314B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプラズマガスを用いた金属表面硬化方
法および装置に関し、一層詳細にはワークにプラ
ズマガスを噴射してワーク表面を溶融し、この溶
融部に粉末状の高硬度金属を供給して前記ワーク
の所定の部位に耐摩耗性に優れた硬化層を形成す
る際、前記プラズマガスが拡散することを阻止す
ると共に前記高硬度金属が不要な部分に付着する
ことなく前記ワークの表面硬化処理加工を行うこ
とが可能なプラズマガスを用いた金属表面硬化方
法および装置に関する。

自動車に組み込まれるカムシヤフト、ロツカー
アーム等は長期間に亘り連続して使用されなけれ
ばならず、従つて、特に、その摺接部は極めて耐
摩耗性に優れていることが望まれる。このため、
従来から前記カムシヤフト、ロツカーアーム等に
対し耐摩耗性に優れる硬度の高い摺接部を形成す
るための種々の加工処理が施されている。

例えば、このようなカムシヤフト、ロツカーア
ーム等を鋳造成形する際に、摺接部となる部位に
冷し金を配設し、供給される溶湯をこの冷し金に
より急冷して硬化したチル層を形成する方法があ
る。然しながら、この冷し金によつては前記摺接
部に十分な硬度が得られないため、製品としての
カムシヤフト、ロツカーアーム等は長期間に亘り
使用することが不可能となる不都合が生ずる。

そこで、溶湯中にCr、Mo等の高硬度金属を添
加し、冷し金を用いて摺接部となる部位に高硬度
なチル層を形成するものが案出されている。とこ
ろが、この種のCr、Mo等を用いて所望の硬度を
有するチル層を形成するためには、溶湯中に一定
量以上の前記高硬度金属を添加しなければならな
い。しかも、硬化処理中にかなりの量のこの高硬
度金属が摺接部以外の部分にも混入してしまう。
従つて、鋳造成形後に取り出されるワークは全体
として硬度の高いものとなり、成形後ワークに対
して仕上げ加工等を施そうとする時、切削加工が
困難なものとなる欠点が指摘される。

本発明は前記の不都合を克服するためになされ
たものであつて、ワークにプラズマガスを噴射す
る際にこのプラズマガスが拡散することなく良好
に前記ワークの所定の部位を溶融すると共に、粉
末状の高硬度金属を不要な部分に付着させること
なく前記所定部位に供給することにより、前記ワ
ークに耐摩耗性に優れた高硬度な硬化層を形成す
ることを可能にするプラズマガスを用いた金属表
面硬化方法および装置を提供することを目的とす
る。

前記の目的を達成するために、本発明はシール
ドガスによつて遮蔽されている状態でワークに対
してアークを発生させ、前記アークに対して作動
ガスを供給してノズルからプラズマガスとして前
記ワーク噴出させ、前記プラズマガスに粉体また
は粒体からなる高硬度金属を供給して前記ワーク
に高硬度金属が混入した溶融池を生成する方法に
おいて、前記プラズマガスの噴出するノズルの周
囲に前記シールドガスを分流して供給することに
より前記プラズマガスの噴出範囲を規制すること
を特徴とする。

さらにまた、本発明は電極を内装しプラズマガ
スを噴出させるための狭小なノズル開口部を画成
したノズルチツプと、前記ノズルチツプを囲繞し
てシールドガスを前記ノズルチツプの先端部に供
給するシールドキヤツプと、前記シールドキヤツ
プに所定角度傾斜してその内部に臨み且つ前記ノ
ズル開口部から導出されるプラズマガスに指向し
て高硬度金属の粉体または粒体を供給する金属導
入管と、前記ノズルチツプとシールドキヤツプと
の間に前記ノズルチツプより離間してこのノズル
チツプ先端部を覆い且つシールドガスの分流路を
画成する遮蔽部材を設けることを特徴とする。

次に、本発明に係るプラズマガスを用いた金属
表面硬化方法についてそれを実施する装置との関
係において好適な実施例を挙げ、添付の図面を参
照しながら以下詳細に説明する。

第１図乃至第３図において、参照符号１０は本
発明に係るプラズマガスを用いた金属表面硬化装
置を示す。この場合、前記装置１０は中空状のシ
ールドキヤツプ１２と下端部に半球状の先端部１
３を有するノズルチツプ１４とを含み、前記シー
ルドキヤツプ１２とノズルチツプ１４との間には
シールドガス用通路１６が画成される（第２図参
照）。そして、シールドキヤツプ１２には夫々水
平方向に対し所定角度傾斜して孔部１８ａ，１８
ｂを穿設する。一方、前記ノズルチツプ１４の外
周部には所定の位置に周溝２０を刻設すると共
に、その中央部に鉛直方向に指向して作動ガス共
給用通路２２を形成し、この通路２２の出口側に
は段部を介してこれより小径なプラズマガス導出
用ノズル部２４を連通形成する。また、ノズルチ
ツプ１４には前記通路２２を囲繞するようにして
冷却水用開口部２５を形成すると共に、通路２２
内にタングステン電極２６を配設し、さらに前記
ノズルチツプ１４の外周部には遮蔽部材２８を装
着する。

すなわち、前記遮蔽部材２８は絶縁体、例え
ば、セラミツク系材料で形成され、その形状はノ
ズルチツプ１４の先端部１３の半球形状に対応し
て腕状を有しており、その上部並びに下部には
夫々開口部３０，３２が画成される。前記周回す
る開口部３０の内部端傍にはこの遮蔽部材２８の
上部に形成され所定の幅員を有して半径方向内方
に膨出する係止部３６ａ乃至３６ｄが臨み、さら
に、これらの係止部３６ａ乃至３６ｄには前記ノ
ズルチツプ１４の周溝２０に対応する溝部３８ａ
乃至３８ｄが刻設される。そして、前記周溝２０
と溝部３８ａ乃至３８ｄとにリング部材４２を介
装してこの遮蔽部材２８をノズルチツプ１４に装
着する。すなわち、遮蔽部材２８の内部に膨出す
る係止部３６ａ乃至３６ｄによつてノズルチツプ
１４の外周壁部と遮蔽部材２８の内周壁部との間
には複数個の通路４０が画成されることが容易に
諒解されよう。

一方、シールドキヤツプ１２の孔部１８ａ，１
８ｂには夫々高硬度金属粉末用導入管４４ａ，４
４ｂが嵌装される。前記導入管４４ａ，４４ｂは
ステンレス等で形成される第１の管体４６ａ，４
６ｂとセラミツク系材料で形成される第２の管体
４８ａ，４８ｂとを含み、前記管体４６ａ，４８
ａおよび４６ｂ，４８ｂは夫々ジヨイント５０
ａ，５０ｂを介して一体的に連結される。この場
合、第２管体４８ａ，１８ｂの一端部側は通路１
６内に所定長さ臨入しており、前記第２管体４８
ａ，４８ｂの軸線の延長線とノズル２４の延長線
とが下方において交差するよう夫々の孔部１８
ａ，１８ｂの角度を選択しておく。

本発明に係るプラズマガスを用いた金属表面硬
化装置は基本的には以上のように構成されるもの
であり、次にその作用並びに効果について説明す
る。

そこで、先ず、当該装置１０をワークＷの摺接
部となる部位の近傍に位置決めして後、タングス
テン電極２６を図示しない直流電源のマイナス側
に接続し、一方、ワークＷをプラス側に接続す
る。さらに、通路２２にはアルゴンガス等の作動
ガスを供給し、一方、通路１６にはシールドガス
を供給する。このため、タングステン電極２６と
ワークＷとの間にワークが発生する。そして、こ
のプラズマガスはノズル部２４を介して絞られて
高温、高速のプラズマアークとして先端部１３か
ら遮蔽部材２８の開口部３２を介して外部に導出
される。

この場合、第３図に示すように、通路１６に供
給されたシールドガスの一部は遮蔽部材２８の上
部に形成された係止部３６ａ乃至３６ｄの間隙か
ら通路４０に侵入して前記導出されたプラズマア
ークに吹き付けられる。従つて、前記プラズマア
ークはその周方向から供給されるシールドガスに
よりそのガス流による収束効果と冷却によるサー
マルピンチ効果の作用によりさらにこの直径を小
さくすることが出来、ワークＷの所望の部位に高
温、高速のプラズマアークを噴射してこれを効果
的に溶融して溶融池５２を形成することが可能と
なる。

一方、夫々の導入管４４ａ，４４ｂからは前記
プラズマアーク中に粉末状の高硬度金属５４が供
給される。この場合、高硬度金属５４としては
Cr、Mo、Ni、Ｗ、Ｖ、Nb等の単体、これらの
金属同士または他の金属との合金あるいは炭素等
との化合物等種々のものを選択することが可能で
ある。また、その際、前記高硬度金属は単独ある
いは二種以上複合して供給される。

このようにして、夫々の導入管４４ａ，４４ｂ
からプラズマアーク中に供給される高硬度金属５
４は前記プラズマアークにより加熱されて高速で
溶融池５２内に混入される。ここで、高硬度金属
５４にはプラズマアークの噴出圧力が作用すると
共に、当該装置１０がワークＷの上方を所定方向
に変位するよう移動制御されるため、この高硬度
金属５４は撹拌されて溶融池５２内に均一に分散
する。その際、前記高硬度金属５４が溶解し易い
ものであれば、この溶融池５２内に溶融し、一
方、溶解しにくいものであれば前記溶融池５２内
に分散する。

このようにして、当該装置１０を変位させてワ
ークＷの所定の部位に溶融池５２を形成して後、
タングステン電極２６とワークＷへの通電を停止
する。次いで、所定時間前記ワークＷを冷却すれ
ば、高硬度金属５４が均一に分散あるいは混入し
た硬化層がこのワークＷの所望の表層部に形成さ
れる。なお、この場合、シールドキヤツプ１２の
内部に高硬度金属５４を導入するための導入管４
４ａ，４４ｂの第２管体４８ａ，４８ｂが臨んで
いるが、この第２管体４８ａ，４８ｂはセラミツ
系の材料で形成されているためにプラズマアーク
によつて発生する高温の熱により損傷することは
ない。

ところで、前述したように、タングステン電極
２６とワークＷとの間に発生するプラズマアーク
は遮蔽部材２８と先端部１３との間で画成される
通路４０を介して供給されるシールドガスにより
好適にその径を縮小される。従つて、夫々の導入
管４４ａ，４４ｂから所定速度で送給される粉末
状高硬度金属５４により悪影響を蒙ることは回避
される。すなわち、ノズル部２４から導出される
プラズマアークは進行方向、すなわち、ワークＷ
側に指向して拡散する傾向にある。従つて、遮蔽
部材２８を設けていなければ、前記プラズマアー
クは徐々に拡散し、一方、所定速度の高硬度金属
５４が供給されることにより、このプラズマアー
クは前記高硬度金属５４が供給されない方向に拡
開し、第４図に示すように、略長方形状を有する
溶融池５２ａが形成されてしまう。このため、前
記ワークＷが好適に溶融されず、また、供給され
る高硬度金属５４がこの溶融池５２ａ内で均一に
分散されない場合が生ずる。

然しながら、本発明では遮蔽部材２８を設けて
通路４０を画成し、この通路４０を介してシール
ドガスを分岐させてノズル部２４から導出される
プラズマアークをさらに小径にしてワークＷに噴
射するよう制御している。従つて、夫々の導入管
４４ａ，４４ｂから供給される高硬度金属５４に
影響されることなく、前記ワークＷに良好な溶融
池５２を形成し、前記高硬度金属５４のワークＷ
に対する均一な混入作用を達成している（第４図
中破線参照）。

さらにまた、この遮蔽部材２８を設けることに
より、第２管体４８ａ，４８ｂからプラズマアー
クに送給される高硬度金属５４がノズルチツプ１
４自体に付着することを阻止している。蓋し、こ
のノズルチツプ１４に高硬度金属５４が付着すれ
ば、ノズルチツプ１４の先端部１３からのアー
ク、すなわち、ダブルアークが発生してワークＷ
に噴射されるプラズマアークのエネルギが不安定
となると共に、このノズルチツプ１４に損傷を与
える場合が多い。

然しながら、本発明では、前記ノズルチツプ１
４の先端部１３を覆うようにして遮蔽部材２８を
設け、この遮蔽部材２８とノズルチツプ１４とに
所定の隙間を有する通路４０を画成し、これにシ
ールドガスを導入して高硬度金属５４の付着を防
止することにより、装置自体に損傷を与えること
がないよう構成している。この場合、遮蔽部材２
８をセラミツク系の材料で形成しているため、こ
こにアークが発生することを阻止すると共にプラ
ズマアークの熱に容易に耐えることが出来る。

以上のように本発明によれば、電極とワークと
の間にプラズマアークを発生させ、さらに遮蔽部
材内を通過したシールドガスにより前記プラズマ
アークの径を好適に縮小してワークを溶融すると
共に、このプラズマアークに供給される高硬度金
属を高速で前記溶融部に混入している。このた
め、前記高硬度金属を所定の速度でプラズマアー
ク中に供給しても、このプラズマアークが拡散す
ることがなく、ワークの所定の部位を確実に溶融
することが出来る。そして、この溶融部に前記高
硬度金属を均一に送給して耐摩耗性に優れた高硬
度な硬化層を得ることが可能となる。さらにま
た、ノズルチツプの外周部に遮蔽部材を装着して
いるため、このノズルチツプに高硬度金属が付着
することを阻止し、前記ノズルチツプの損耗を回
避して長期間に亘つて良好に使用されるという効
果が得られる。

以上、本発明について好適な実施例を挙げて説
明したが、本発明はこの実施例に限定れるもので
はなく、例えば、金属粉末導入管の数を増加する
ことが出来、また、遮蔽部材はその表層部に絶縁
体を被覆させても同一作用を営むことが可能であ
る等、本発明の要旨を逸脱しない範囲において
種々の改良並びに設計の変更が可能なことは勿論
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るプラズマガスの発生装
置の一部省略分解図、第２図は本発明装置の一部
省略正面縦断面図、第３図は本発明装置の一部省
略拡大図、第４図はプラズマアークの発生状態を
示す説明図である。 １０…装置、１２…シールドキヤツプ、１４…
ノズルチツプ、１６，２２…通路、２４…ノズル
部、２６…タングステン電極、２８…遮蔽部材、
４４ａ，４４ｂ…導入管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シールドガスによつて遮蔽されている状態で
   ワークに対してアークを発生させ、前記アークに
   対して作動ガスを供給してノズルからプラズマガ
   スとして前記ワーク噴出させ、前記プラズマガス
   に粉体または粒体からなる高硬度金属を供給して
   前記ワークに高硬度金属が混入した溶融池を生成
   する方法において、前記プラズマガスの噴出する
   ノズルの周囲に前記シールドガスを分流して供給
   することにより前記プラズマガスの噴出範囲を規
   制することを特徴とするプラズマガスを用いた金
   属表面硬化方法。 ２ 電極を内装したプラズマガスを噴出させるた
   めの狭小なノズル開口部を画成したノズルチツプ
   と、前記ノズルチツプを囲繞してシールドガスを
   前記ノズルチツプの先端部に供給するシールドキ
   ヤツプと、前記シールドキヤツプに所定角度傾斜
   してその内部に臨み且つ前記ノズル開口部から導
   出されるプラズマガスに指向して高硬度金属の粉
   体または粒体を供給する金属導入管と、前記ノズ
   ルチツプとシールドキヤツプとの間に前記ノズル
   チツプより離間してこのノズルチツプ先端部を覆
   い且つシールドガスの分流路を画成する遮蔽部材
   を設けることを特徴とするプラズマガスを用いた
   金属表面硬化装置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の装置において、
   遮蔽部材の少なくとも表層部全面部を絶縁体で形
   成してなるプラズマガスを用いた金属表面硬化装
   置。 ４ 特許請求の範囲第２項記載または第３項記載
   の装置において、遮蔽部材の一端縁部に所定の幅
   員を有し半径方向内方に指向して膨出する複数の
   係止部を設け、前記係止部とノズルチツプとに
   夫々対応する周溝を形成し、前記周溝にリング部
   材を介装して前記遮蔽部材をノズルチツプに装着
   してなるプラズマガスを用いた金属表面硬化装
   置。 ５ 特許請求の範囲第２項記載の装置において、
   粉末金属導入管は少なくともその先端部をセラミ
   ツク系の材料で形成してなるプラズマガスを用い
   た金属表面硬化装置。