JPH03257175A

JPH03257175A - アルミニウム材の表面硬化用溶加材

Info

Publication number: JPH03257175A
Application number: JP5572390A
Authority: JP
Inventors: Shigetoshi Jogan; 茂利成願
Original assignee: Showa Aluminum Corp
Current assignee: Altemira Co Ltd
Priority date: 1990-03-07
Filing date: 1990-03-07
Publication date: 1991-11-15
Anticipated expiration: 2014-08-30
Also published as: JP2942299B2

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溶加材、特にアルミニウム材の表面を硬化さ
せて耐摩耗性に優れたアルミニウム合金材となすのに用
いられる溶加材に関する。

なお、この明細書においてアルミニウムの語はその合金
を含む意味で用いる。

従来の技術周知のように、アルミニウム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のに加え、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き
ている。

しかし紅から、一般にアルミニウムは鉄系材料と比較し
て耐摩耗性に劣り、このことが自動車等における軽量化
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。

そこで従来より、耐摩耗性が要求される部位に適用され
るアルミニウム材の耐摩耗性向上策として、アルミニウ
ム材の表面に耐摩耗性に優れた表面硬化層を形成する試
みがなされている。

このような表面硬化層の形成方法の１つとしてて、本出
願人は先に、アルミニウム材の表面を外部から供給した
１種または２種以上の金属及び１種または２Ｎ以上の硬
質粒子ともにレーザビーム等の高密度エネルギー熱源を
照射して局部的に溶融することにより、アルミニウム材
の表面を合金化させる方法を提案した（特願昭６３−３
０４５１８号）。この方法によれば、硬度の高い表面合
金化層が得られしかも核層の剥離の危険がないことから
、耐摩耗性部品として好適なアルミニウム材の提供が可
能となる。

発明が解決しようとする課題しかしながら、上記の方法では合金化層の形成に捺して
次のような欠点があった。

即ち、上記方法において、表面硬化用金属や硬質粒子の
アルミニウム材表面への供給は、これを混合粉末にして
レーザビーム等の照射前に予めバインダーを用いてアル
ミニウム材表面に塗布しておくとか、混合粉末をレーザ
ビーム等の照射中に溶融部に直接投入することにより行
われるが、前者の塗布法では溶接姿勢によっては塗布し
た粉末の落下や剥れが生じる場合があった。また塗布作
業性も良くなかった。さらにはバインダーの種類によっ
ては表面硬化層に気孔等の欠陥が残る虞れもあった。一
方、後者の直接投入法では粉末の溶融部への連続的安定
供給が困難であり、殊に少量の場合には困難性が特に増
大するものであった。また、直接投入法の１つとして溶
融熱源のキャリアーガスに載せて粉末を供給する方法も
あるが、この場合には熱源の照射に影響を及ぼすとか、
狙い位置に適量を確実に供給するのが難しい等の欠点が
あった。

この発明はかかる欠点を一挙に解決すべくなされたもの
であって、溶接姿勢に制約を受けることなく、表面硬化
層形成のための混合粉末を狙い位置へ安定して供給でき
、もってアルミニウム材の表面へ確実にかつ効率良く表
面硬化層を形成できるようにすることを目的とし、その
ための材料を提供するものである。

課題を解決するための手段上記目的を達成する材料として、この発明は、図面の符
号を参照して示すと、軸線方向に中空部（２ａ）を有す
る細管状のアルミニウム皮材（２）の前記中空部（２ａ
）に、Ａｆｉ以外の１種または２種以上の金属間化合物
形成用金属粉末と１種または２種以上の硬質粒子との混
合粉末（３）が充填状態に収容されてなることを特徴と
するアルミニウム材の表面硬化用溶加材を提供するもの
である。さらには、混合粉末とともにＩＮまたは２種以
上の硼化物ないしは珪化物の粉末が中空部（２ａ）に収
容されてなる表面硬化用溶加材を提供するものである。

なお、この明細書において「金属粉末」の語はＢ、Ｓｉ
％Ｇｅ等のいわゆる半金属粉末を含まない意味で用いる
。

上記アルミニウム皮材（２）は、混合粉末（３）を内部
中空部に収容することにより定形状態に保持する役割を
果すとともに、混合粉末の母材に対する十分な濡れ性を
保証する役割を果す。このアルミニウム皮材（２〉の組
成は特に限定されるものではなく、純Ａ立や５０５２合
金、５０８３合金その他の合金を、表面硬化層を形成す
べきアルミニウム材の組成等との関係で適宜採択使用す
れば良い。

アルミニウム皮材（２）の内部中空部（２ａ）に充填状
態に収容される混合粉末（３）のうち、金属粉末は溶融
によってアルミニウム材のＡｋマトリックスに金属間化
合物として晶出し極めて硬度の高い合金化層を形成する
役割を果す。

従って、該金属は溶融によって主にＡ（との間で金属間
化合物を形成するものであれば何でも良い。−例として
は、アルミニウムと比較的濡れ性の良いＮｉ、Ｃｕ５Ｃ
ｒＳＦｅＳＴｉ、Ｚｒ％　Ｍｎ５ＶＳＮｂ、Ｍｏ５Ｈｆ
、Ｔａ等の各元素を挙げうる。また、必ずしも金属単体
である必要はなく、金属間化合物や合金の形で供給し、
溶融によってＡｆｉと反応してＡＱ系の金属間化合物を
形成するものでも良い。一方、硬質粒子は、溶融によっ
てアルミニウム材のＡＵマトリックスに分散し合金化し
て極めて硬度の高い合金化層を形成する役割を果す。か
かる硬質粒子としてはＴｉ　Ｃ，ＷＣ，ＺｒＣ，ＮｂＣ
等の炭化物や、ＴｉＮ５ＺｒＮ１ＣｒＮ等の窒化物や、
Ｔｉ　Ｏ，ＡＮ２０３等の酸化物その他のセラミックス
を挙げうる。これら金属及び硬質粒子は１種ずつを混合
しても良く、一方あるいは両方を２種以上用いて混合し
ても良い。。

上記の混合粉末とＡｆｌ皮材との比率は、溶加材の横断
面における面積比において、金属粉末：、ＬＱ皮材−１
＝１０〜１０：１の範囲となるように設定すべきである
。上記範囲を下回って混合粉末が少なくなると溶融後の
母材の表面硬化作用に乏しいものとなる危険がある。一
方、上記範囲を超えて混合粉末が多くなると、母材と混
合粉末との濡れ性が悪くなり母材と合金化層の接合強度
が低下する虞れがある。

さらに、皮材中空部（２ａ）に収容される表面硬化用粉
末として、上記の混合粉末に加えて１種または２種以上
の硼化物ないしは珪化物即ち金属元素と硼素ないしは珪
素との化合物の粉末を併せて用いても良い。このような
硼化物ないしは珪化物もまた、溶融によってアルミニウ
ム材の表面に分散合金化して硬度の高い合金化層を形成
する役割を果す。かつまた、硼化物や珪化物粉末を加え
ることにより、おそらくは硼化物中のＢや珪化物中のＳ
ｉが合金化層形成時にＡｆｉとの濡れ性向上作用を果た
していることに起因して、アルミニウム材と混合粉末あ
るいは硼化物や珪化物粉末との濡れ性が良くなり、表面
が滑らかで極めて良好な合金化層の形成が可能となる利
点もある。好ましい硼化物の例としては、ＴｉＢ２、Ｚ
ｒＢ２、ＮｂＢ２、ＣｒＢ２、ＴａＢ２、ＮｉＢ等を挙
げうる。一方、好ましい珪化物の例としてはＭｇ２Ｓｉ
、ＴｉＳｉ２　、ＭｏＳ　ｉ２　、ＮｂＳ　ｉ２　、Ｃ
ｒＳ　ｉ２等を挙げうる。混合粉末とともに硼化物や珪
化物粉末を用いる場合、これら合計量がＡく皮材に対し
て横断面の面積比で１＝１０〜１０：ｌの範囲となるよ
うに設定すれば良い。また、金属粉末、硬質粒子、硼化
物、珪化物粉末の粒径は２００μｍ程度以下とするのが
好ましい。

また、混合粉末等と母材との濡れ性の向上のために混合
粉末とともに、粒径５ｏ〜２００μｍ程度のＡｆｌ粉末
を５〜３０％程度混合させるものとしても良い。

第１図に示す溶加材（１）の製作は例えば次のようにし
て行えば良い。即ち、第２図に示すような所定厚さの長
尺板状のアルミニウム皮材（２）をロールフォーミング
により第３図に示す断面半円状に成形して、その凹部に
前記粉末（３）を充填したのち、第４図に示すようにさ
らに断面円形に成形して両端閉じ合せ部（４）を溶接す
ることにより行いうる。なお、その後必要に応じて引抜
き加工等を行っても良い。ここに、溶加材（１）中のア
ルミニウムと粉末（３）の量的な比率は、皮材（２）の
肉厚を変えることにより変化させることができる。なお
、アルミニウム皮材（２）の肉厚を変化させることなく
、第５図に示すように溶加材（１）の軸心部に皮材と同
組成あるいは別組成のアルミニウム心材（５）を設ける
ことによりアルミニウムと粉末との比率を変えても良い
。また、第６図に示すように、アルミニウム皮材（２）
の内部に軸線方向の２以上の中空部（２ａ）　　（２ａ
）・・を設けてこれらに粉末（３）を充填状態に収容す
るものとしても良い。第５図及び第６図において第１図
の溶加材と同一名称部分は同一の符号にて示す。

こうして製作した溶加材は、−量的には溶接棒あるいは
溶接芯線として用いられ、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接等の
溶接手段によりアルミニウム材の表面硬化予定部分に肉
盛溶接される。通常、ＴＩＧ溶接に用いる場合は外径２
．４〜３゜２ｍｍ程度に設定され、ＭＩＧ溶接に用いる
場合は外径１．２〜２．４ｉｗ程度に設定される。溶接
後においてはアルミニウム材の溶融部分は短時に凝固し
、アルミニウム材のｉマトリックスに例えばＴｉＡｐ３
、ＺｒＡ、Ｑ３、ＮｉＡ、Ｑ、Ｎ１Ａｎ３、Ｎｉ２　Ａ
Ｎ３、ＦｅＡＱ３、Ｆｅ＋／ｌｔ：ｓ等の金属間化合物
が均一緻密にあるいは塊状に晶出し、かつこれに均一緻
密にあるいは塊状に分散した硬質粒子が入り混しった金
化層が形成される。また、溶加材に硼化物ないしは珪化
物が含まれる場合には金属間化合物や硬質粒子とともに
硼化物や珪化物の粒子が均一緻密に分散しあるいは塊状
化した合金化層が表面に形成される。而して、金属間化
合物や硼化物や珪化物粒子はそれ自体極めて硬度が高い
ため、合金化層が全体として高い硬度を示し、優れた耐
摩耗性を具有する。なお、Ａくマトリックス中の金属間
化合物、硬質粒子、硼化物、珪化物粒子はこれが硬質で
あるほど合金化層の硬さは硬いものとなる。

表面に硬質合金化層を形成したアルミニウム材は、その
後必要に応じて最終製品形状に機械加工し、耐摩耗性部
品として実用に供する。なお、この母材たるアルミニウ
ム材の組成は特に限定されるものではなく、純Ａｆｉは
勿論のこと２０００系その他のアルミニウム展伸材ある
いはＡＣ８ＡＳＡ０２Ｂ等のアルミニウム鋳物材等を適
宜用いうる。

実施例Ａｌｌ○０からなるアルミニウム皮材の軸心中空部に、
第１表のような組成の金属粉末と硬質粒子との混合粉末
、あるいはこの混合粉末と硼化物、珪化物粉末が充填状
態に収容された長尺溶加材を製作した。溶加材の製作は
第２図〜第４図にて説明したようにロールフォーミング
により径大のものを製作したのち引抜きを施すことによ
って行った。溶加材（１）の外径は１．６＃とし、溶加
材横断面におけるアルミニウム皮材（２）と粉末（３）
との面積比率は第１表のとおりとした。

［以下余白］一方、表面硬化層を形成すべきアルミニウム材としてＡ
Ｃ８Ａ鋳物合金からなる厚さ７，５馴×幅４０胴×長さ
１００ｍの試験片を用意した。そして、第７図に示すよ
うに、試験片（６）の中央部長手方向に深さ０．５＃の
浅満（７）を形成した。

次に、同図に示すようにＴＩＧ溶接機（８）を用い、溶
加材供給機（９）から連続的に前記溶加材を供給しつつ
試験片の溝（７）の部分につき半自動ＴＩＧ溶接を行っ
た。図中（１ｏ）は溶接部である。溶接速度は１００Ｎ
ｎ／ｍｉｎとした。

溶接後、凝固した溶接部分の組織状態を調べたところ、
溝部分の全体にわたって合金化層が形成されていた。か
っこの合金化層は、Ａｆｉマトリックスに金属間化合物
や硬質粒子、さらには硼化物、珪化物粉末を用いたもの
では硼化物、珪化物粒子が比較的均一緻密に晶出しある
いは分散した部分と塊状となった部分とを有し、合金化
層全体の硬さは第１表に示すとおりであった。また、硼
化物、珪化物粉末を混合したＮ。

４、Ｎｏ５は、合金化層の表面が特に滑らかであった。

一方、アルミニウム材単体の硬度を調べたところ、Ｈｖ
’３０（荷重５Ｋｇ）であった。

以上の試験結果かられかるように、本発明に係る溶加材
を用いると、極めて硬度が高く従って当然に耐摩耗性に
も優れた合金化層をアルミニウム材の表面に簡単かつ確
実に形成しうろことを確認しえた。

発明の詳細な説明したように、この発明は、金属間化合物形成用の
１種または２種以上の金属粉末と１種または２種以上の
硬質粒子との混合粉末がアルミニウム皮材中に充填状態
に収容された溶加材を提供するものであるから、該溶加
材を用いてアルミニウム材の表面を溶接することによっ
て、溶融により生じた金属間化合物及び硬質粒子とＡ℃
マトリックスとが合金化した硬質合金化層を形成するこ
とができる。その結果、自動車等に要請される耐摩耗性
部品として好適なアルミニウム材の提供が可能となる。

しかも、アルミニウム材への上記表面硬化層の形成に際
しては、混合粉末を溶加材として供給するものであるか
ら、従来の塗布法と異なり、溶接姿勢によっては塗布し
た粉末が落下したり剥れたりすることのあった不都合を
解消しえ、溶接姿勢に制約を受けることなく表面硬化層
を形成することができ、例えばアルミニウム材が回転物
である場合にも表面硬化層の形成が可能となる。

また、粉末を塗布保持するためのバインダーを全く用い
る必要がないので、表面硬化層に気孔等の欠陥が残る虞
れも払拭しうる。また、塗布工程自体が不要となるから
作業効率を向上できひいては生産性を向上できる。さら
に、塗布法では熱源が直接粉末に照射されるのでアルミ
ニウム材のクリーニング作用が得られないが、本発明に
係る溶加材ではＡＣ電源等を利用した場合のアルミニウ
ム材のクリーニング作用を期待できる。さらにはまた、
溶加材として供給することで粉末の供給量を容易に調整
できるから、供給量の多少にかかわらず任意量の粉末を
狙い位置へ連続的に安定して供給することができる。

また、請求項２に記載の溶加材によれば、上記効果に加
えて、金属粉末、硬質粒子、硼化物、珪化物粉末と、ア
ルミニウム材との濡れ性を向上でき、−層表面が滑らか
で極めて良好な合金化層の形成が可能となる効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る溶加材の一例を示す断面斜視図
、第２図〜第４図は第１図に示した溶加材の製造工程を
説明するためのもので、第２図は板状態のアルミニウム
皮材の断面図、第３図は半円状に成形して粉末を充填し
た状態の断面図、第４図はアルミニウム材の両端を閉じ
合せた状態の断面図、第５図は溶加材の変形例を示す断
面図、第６図は他の変形例を示す断面図、第７図は実施
例における試験片の溶接工程を模式的に示す斜視図であ
る。（１）・・・溶加材、（２）・・・アルミニウム皮材、
（２ａ）・・・中空部、（３）・・・混合粉末。第１図第２図第３図４）第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）軸線方向に中空部（２ａ）を有する細管状のアル
ミニウム皮材（２）の前記中空部（２ａ）に、Ａｌ以外
の１種または２種以上の金属間化合物形成用金属粉末と
１種または２種以上の硬質粒子との混合粉末（３）が充
填状態に収容されてなることを特徴とするアルミニウム
材の表面硬化用溶加材。
（２）前記金属粉末及び硬質粒子とともに１種または２
種以上の硼化物ないしは珪化物の粉末が中空部（２ａ）
に収容されてなる請求項（１）に記載の表面硬化用溶加
材。