JPH0435559B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は金属表面の強化層形成方法に係り、特
に高周波誘導加熱により金属表面を加熱溶融させ
て母材の表面金属とセラミツク系繊維との混合し
た複合層を形成するようになした金属表面の強化
層形成方法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

一般に、金属表面の耐腐食性、耐摩耗性などを
向上させる金属表面の強化法としては加熱された
母材金属表面に炭素を拡散浸入させる浸炭法や窒
素を拡散浸入させるタクトライド法またはクロム
金属で被覆するクロムメツキ法などが知られてい
る。これら強化法は母材として炭素鋼が主体であ
り、他の金属である例えばアルミニウム合金など
には適用することができない。

これに対し、アルミニウム合金などの金属表面
強化法としては例えば金属やセラミツクなどを火
炎溶射あるいはプラズマ溶射などにより母材の表
面にコーテイングする方法や有機物質であるプラ
スチツクで被覆する強化プラスチツクコーテイン
グ法などが採用されてはいるが、前者の溶射法に
あつては母材との接合が投ビヨウ効果による機械
的結合によるため密着力が比較的弱くこれが剥離
する問題があり、また後者の強化プラスチツクコ
ーテイング法にあつては耐摩耗性に関しては良好
であるものの被覆材料が樹脂であることから耐熱
性に劣り、被覆材料が高温劣化するという問題が
あつた。

また、近年アルミニウム合金のみならず炭素鋼
などの一般金属にも適用でき、耐摩耗性、耐熱性
に非常に優れた特性を示す金属強化法として
Si₃N₄、SiC、Al₂O₃などのセラミツク系繊維を利
用した金属系複合材料の製造方法が開発されるに
至つている。

この金属系複合材料（Fiber Reinforced
Metal）（以下「FRM」と記す）は上記した如く
耐摩耗性、耐熱性に非常に優れた特性を示すこと
から例えば自動車業界などにおいて研究されてお
り、例えばピストンやコンロツドなどの部品とし
て検討されており自動車の軽量化、高性能化が図
れている。

例えばピストンをFRMで製作するにはセラミ
ツク系繊維であるSiC繊維等を細かく切断し、こ
れをピストンの材料となるアルミニウム合金の溶
湯へ混入撹拌し、その後これを型入れしてピスト
ンを鋳造したり、また、第１図に示す如くピスト
ン１の摩耗の最も激しいリング溝部のみを強化す
るためには予めSiC、Al₂O₃繊維とマグネシウム
合金とを混合したFRMにより環状のリング溝部
２を成型しておき、この環状のリング溝部２をア
ルミニウム合金またはマグネシウム合金により鋳
包んでピストンを形成するようになされている。

更には、第２図に示す如くピストン１の最も高
温度にさらされるピストンヘツド３のみを強化す
るには上記したと同様に予めセラミツク系繊維と
アルミニウムとを混合したFRMによりピストン
ヘツド３のみを成型しておき、この成型されたピ
ストンヘツド３を鋳型４内へ入れてマグネシウム
合金などで鋳包んでピストンを形成するようにな
されている。

ところで、前記した従来方法には次のような問
題点があつた。まず、第一に記載したSiC繊維等
をアルミニウム合金の溶湯へ混入撹拌してピスト
ンを鋳造する方法にあつては、ピストン全体を補
強でき、また600℃の高温に耐え得るだけの耐熱
性を有して特性を向上させることができるが、高
価なセラミツク系繊維を多量に使用し、大巾なコ
ストアツプを余儀なくされるという不都合があつ
た。

また、他の従来方法にあつては、FRMで成型
した環状のリング溝部２やピストンヘツド３を鋳
包むいわゆる鋳包み方法を採用しているので予め
鋳包むFRM（強化材）を造つておく必要があり、
そのため工程が複雑化し、時間も多量に費し量産
性に欠けるという不都合があつた。

〔発明の目的〕 本発明は以上のような問題点に着目し、これを
有効に解決すべく創案されたものであり、その目
的とするところは金属母材の表面にセラミツク系
繊維層を形成し、その接合部を高周波誘導加熱に
より加熱溶融させて表面金属とセラミツク系繊維
との混合した複合層を形成し、もつて簡易且つ短
時間で耐摩耗性及び耐熱性の向上を図ることがで
きる金属表面の強化層形成方法を提供するにあ
る。

〔発明の実施例〕

以下に、本発明に係る方法の好適一実施例を添
付図面に基づいて詳述する。

まず、第３図乃至第７図は本発明に係る方法の
第１実施例を説明するための工程図である。

第３図は強化しようとする母材５であり、この
母材５は例えば鉄基合金などの鉄鋼材料の他、ア
ルミニウム合金やマグネシウム合金などの非鉄金
属材料よりなり、特に従来において表面強化層の
形成が困難であつたアルミニウム合金などがよ
い。この母材５の形状は説明のために円柱体に成
型してあるが、この形状に限定されないことは勿
論である。特に、母材５の表面が角ばつているよ
りも同一曲率を有した曲面により構成されてい
る。例えば球体や円柱体の方が均一な表面強化層
を形成するには良好である。

第４図は今後複合材料として使用されるセラミ
ツク系繊維を示す図であり、このセラミツク系繊
維６は例えばSi₃N₄やSiCなどのウイスカあるい
はAl₂O₃短繊維などから構成されており、特に、
母材５がアルミニウム合金よるなる場合にはセラ
ミツク系繊維としてSiCを使用すれば適合性が最
も良好となる。

まず、前記した如き母材５及びセラミツク系繊
維６を第５図に示すように有底筒体状のセラミツ
ク系るつぼ７内へ装填する。すなわち、るつぼ７
の中心部に上記母材５を立設すると共にこの母材
５とるつぼ７との間隙に上記セラミツク系繊維６
を充填して、円柱状母材５の側部表面にセラミツ
ク系繊維層８を形成する。ここで、るつぼ７内へ
セラミツク系繊維を充填するに際しては、繊維の
体積率を20〜60％にするのが良好である。

このようにして、母材５及びセラミツク系繊維
６の充填が完了したら、次にるつぼ７の外側にこ
の周方向に沿つて螺旋状に且つ均一に高周波誘導
コイル９を形成する。そして、これを高周波誘導
炉（図示せず）内に設置し、所定の周波数の化周
波電流を加えて瞬間的に加熱する。この際、母材
５に生じるうず電流の表皮作用により母材５の外
側表面のみが高温に加熱されて、この表面と繊維
層８との接合部のみがすなわち母材表面のみが溶
融されて表面金属と周囲に位置するセラミツク系
繊維との混合した複合層１０が母材表面に一様に
形成されることになる。

尚、るつぼ７の材質はセラミツク系の材料に限
定されず、高周波誘導により加熱されない材質な
らばどのような材料でもよい。

このようにして、母材表面の加熱溶融が終了し
たらこの母材５をるつぼ７から取り出して第６図
及び第７図部分拡大断面図に示す如く母材５の表
面に耐熱性及び耐摩耗性などを有する強化複合層
１０の形成が完了することになる。

ここで形成される複合層１０の厚さｌは製品の
用途にもよるが通常１mm程度であり、またこの厚
さを増減するには高周波電源の周波数を変化させ
たり或いは導通時間を変えることにより行うよう
にする。

この表面強化層が形成された金属（母材）は他
に何ら処理を施すことなく直接製品として使用で
き、また、高い精度が要求される場合にはこれに
研削を加えて仕上げ加工を施こして製品とする。

このように、従来行なわれていた鋳包み方法の
ように鋳包む強化材を予め造つておく必要がな
く、形状が完成された金属母材に直接強化複合層
を形成できるので工程も簡単であり、しかも短時
間に行うことができる。

また、真に耐摩耗性、耐熱性を必要とする部分
（表面）にのみ強化複合層を形成することができ、
高価なセラミツク系繊維を無駄に使用することが
なく経済的であり、しかも複合層へ混入されなか
つた残りのセラミツク系繊維は再度使用すること
ができる。

尚、この方法により製造された金属母材はその
ものを直接製品として利用するばかりでなく、例
えば鋳包み材などの強化材として他の部品へも適
用できるのは勿論である。

次に、本発明に係る方法の第２実施例について
説明する。

第８図乃至第１２図は第２実施例を説明するた
めの工程図である。

第１実施例が円柱体の外側部に複合層を形成し
たのに対し、本実施例はパイプ材のように中空円
筒体の内部表面に複合層を形成しようとするもの
である。

図示する如く１１は例えばパイプの如き中空円
筒状の金属母材である。

この金属母材１１を第９図及び第１０図に示す
如く中央部に中空筒体部１２を備えていわゆる二
重構造に成形されたるつぼ１３内へ同心円状に挿
入し、そして、金属母材１１の内側とるつぼ１３
の中空筒体部１２との間の間隙に第１実施例と同
様にセラミツク系繊維６を充填して、筒体状母材
の内側表面に繊維層８を形成する。

次いで、このるつぼ１３の中心部をなす中空筒
体部１２内へ高周波誘導コイル１４を挿入して、
これを高周波炉内にて瞬間的に誘導加熱する。こ
の加熱により母材１１の内側表面と繊維層８との
接合部すなわち母材内側表面のみが加熱溶融し、
これに周囲のセラミツク系繊維が混合して第１実
施例同様に材料表面に複合層１５を形成する。

そして、このるつぼ１３から金属母材１１を取
り出すことにより第１１図及び第１２図に示す如
く中空円筒状の金属母材１１のその内側表面に耐
摩耗性、耐熱性を備えた強化複合層１５が形成さ
れた完成品を製造することができる。

次に、本発明に係る方法の第３実施例について
説明する。

第１３図乃至第１５図は第３実施例を説明する
ための工程図であり、第２実施例がパイプ材の如
き中空筒体状の金属母材の内側表面のみに複合層
を形成したのに対し、本実施例はその内側表面の
みならず外側表面も同時に複合層を形成しようと
するものである。

第１３図にも示す如く本実施例において使用す
るるつぼ１６は前記第２実施例と同様その中央部
に中空筒体部１７を備えたいわゆる二重構造に成
型されたものであり、このるつぼ１６内へ上記中
空筒体状の金属母材１１をその内側表面及び外側
表面をるつぼ１６の壁より適宜離間させて挿入す
る。そして、金属母材１１の内側表面とるつぼ１
６の中空筒体部１７との間の間隙と、金属母材１
１の外側表面とるつぼ１６の内壁との間の間隙と
に第２実施例同様にセラミツク系繊維６を充填し
て、母材１１の内外表面にそれぞれ同心円状に繊
維層８，８を形成する。

次いで、るつぼ１６の中心部をなす中空筒体部
１７内及びるつぼ１６の外側壁に沿つて同心円状
にそれぞれ高周波誘導コイル１８，１８を形成
し、これらコイルに同時に高周波を加えて金属母
材１１の内側表面及び外側表面を加熱溶融せしめ
て複合層１９，１９を同時に形成する。そして、
るつぼ１６内より金属母材を取り出すことにより
第１４図及び第１５図に示す如き完成品を得るこ
とができる。

次に、本発明に係る方法の第４実施例について
説明する。

第１６図は自動車のトランスミツシヨンに用い
られるシフトフオークを示す斜視図であり、第１
７図及び第１８図は第４実施例を説明するための
工程図である。

このシフトフオーク２０はトランスミツシヨン
内において高速回転するシンクロメツシユギヤを
スライド移動させるための部品であり、半円弧状
に形成されたその両下端部２１，２１は高速回転
するシンクロメツシユギヤと常に摺動接触するこ
とから高い耐摩耗性が要求される。

このシフトフオーク２０の下端部２１，２１に
強化複合層を形成するには、第１実施例の円柱状
金属母材を処理したと同様に行なえばよく、すな
わち、第１７図及び第１８図に示す如くセラミツ
ク材料で形成された筒体状るつぼ２２内へシフト
フオーク２０の下端部２１を挿入してこれを支持
固定し、この下端部２１とるつぼ２２の内壁との
間の間隙内にセラミツク系繊維６を充填して繊維
層８を形成する。そして、このるつぼ２２の周囲
に螺旋状に施した高周波誘導コイル２３に高周波
を導通することにより、第１実施例同様にシフト
フオーク下端部（母材）２１の表面を加熱溶融せ
しめて、この表面金属とセラミツク系繊維との強
化複合層２４を形成する。

本実施例によればシフトフオークにおいて最も
耐摩耗性を必要とする部分に簡易且つ短時間に強
化複合層を形成でき、しかも従来よりも飛躍的に
耐摩耗性に優れたシフトフオークを製造すること
ができる。

次に、本発明に係る方法の第５実施例について
説明する。

第１９図及び第２０図は第５実施例を説明する
ための工程図である。

本実施例はピストンにおいて最も耐熱性及び強
度が要求されるピストンヘツド２５の部分に強化
複合層を形成するものである。

ピストンヘツド２５に複合層を形成するに際し
て、最も注意しなければならない点は、ピストン
製造には高い精度が要求されるためにヘツドに形
成される複合層の厚さを確実に制御する必要が生
ずる点にある。そのため、本実施例にあつては母
材であるピストンに圧力を加えてこれが所定間隔
移動したところでリミツトスイツチ２６により加
圧を停止し、所望の厚さの複合層を形成するよう
にしている。

具体的に説明すると、７は第１実施例にて使用
したと同様な筒体状のるつぼであり、この底部に
はセラミツク系繊維層８が適宜厚さだけ充填され
ている。そして、このるつぼ内の繊維層８上にす
でに成型加工されたピストン２７をそのヘツド２
５を下方に向けて挿入し載置する。

次に、第２０図に示す如くこのピストン２７に
連絡されるピストンロツド２８をプレス機械２９
に装着すると共にるつぼ７を支持する基台３０内
の上記ピストンヘツド２５に対応する部分に高周
波誘導コイル３１を設け、ヘツド２５の表面のみ
を高周波誘導加熱し得るようにする。また、上記
プレス機械２９のアーム３２の先端よりその延出
方向に所定間隔を隔ててリミツトスイツチ２６が
設けられており、アーム３２が所定距離だけ延出
したときにリミツトスイツチ２６によりこの加圧
を停止するようになつている。

このようにピストンロツド２８をプレス機械２
９へ取付けた状態で、高周波誘導コイル３１に高
周波を導通してピストンヘツド２５の表面のみを
加熱溶融せしめるとプレス機械２９により下方へ
加圧されていることからこのピストン２７全体が
次第に降下していき、所定の距離だけ降下したと
きにアーム３２がリミツトスイツチ２６と接触し
て加圧が停止される。この際、このリミツトスイ
ツチ２６と高周波誘導コイル３１の電源とを接続
しておけば、加圧の停止と同時に高周波の電源も
断つことができる。このように、所定の厚さだけ
ピストンヘツド２５を溶融せしめ、この表面金属
とセラミツク系繊維８とが混合された複合層３２
を形成することができる。

尚、必要に応じて仕上げ加工も施すようにして
もよい。

従来にあつては、予め製造された強化材を鋳包
む方法であつたために、強化材のみを製造するた
めの鋳造と、最終的にピストンの製造を行うため
の鋳造とは少なくとも２度以上行なわなければな
らず、また工程も複雑であつたが、本実施例によ
ればピストンを成型するための鋳造は一度で済
み、また成型を終えたピストン２７に簡易且つ短
時間に強化複合層３２を形成でき、しかも軽量で
耐熱性及び強度上優れたピストンを製造すること
ができる。

次に、本発明に係る方法の第６実施例について
説明する。

第２１図乃至第２６図は第６実施例を説明する
ための工程図である。

本実施例はピストンにおいて耐摩耗性が要求さ
れるリング溝部に強化複合層を形成するものであ
り、特に、リング溝部のうち耐摩耗性が最も要求
されるトツプリング溝部に関するものである。

図示する如く３３は母材であるピストン３４の
ヘツド部にその周方向に沿つて形成された断面矩
形状のトツプリング溝部であり、その深さ及び巾
とも３〜５mm程度に形成されている。

そして、第２２図及び第２３図に示す如くピス
トンヘツド部に、上記溝部３３の一部を開放させ
てこの溝部全体を覆う如く半円弧状に２分割され
た溝部覆体３５を取付ける。この溝部覆体３５は
耐火性を有し、しかも高周波誘導加熱を引起こさ
ないような例えばセラミツク材により形成されて
いる。

このように溝部覆体３５を取付けたならば、溝
部の一部開放部３６からこの溝内へ粉末体の或い
は短繊維状のセラミツク系繊維６を順次挿入充填
していく。

ここで、ピストン材質として例えばアルミニウ
ム合金、マグネシウム合金或いはチタン合金など
を使用し、またセラミツク系繊維としてSi₃N₄、
SiC或いはAl₂O₃などを使用するが、特に、ピス
トン材質としてアルミニウム合金を使用した場合
にはセラミツク系繊維としてSiCを使用するとそ
の適合性を良好なものにすることができる。

このようにして、セラミツク系繊維６の充填が
完了したら次に第２４図及び第２５図に示す如く
上記溝部覆体３５の周囲に沿つて高周波誘導コイ
ル３７を螺旋状に施し、これに高周波を導通して
溝部３３内側表面を瞬間的に溶解せしめてこの表
面金属と溝内に充填されたセラミツク系繊維６と
の混合した強化複合層３８を形成する。

このようにして、厚さ１mm程度の複合層３８を
形成したならば最後に仕上げ加工を施して第２６
図に示す如きピストンを完成する。

尚、複合層３８の厚さを変えるには高周波の周
波数を変化させたり或いは導通時間を変化させて
行う。

また、図示例にあつてはトツプリング溝部３３
のみに複合層３８を形成したが、これに限定され
ることなく全ての溝部に複合層を形成するように
してもよい。

更に、溝部覆体３５としては上記したものに限
られることなく例えば第２７図に示す如く構成し
てもよい。

すなわち、リング溝部３３を含むピストンヘツ
ド部全体に、これに密接させて覆う如く容器状の
溝部覆体３９を形成し、そしてリング溝部３３に
対応させて予め穿設されていたセラミツク系繊維
供給口４０から溝内へ繊維を供給するようにして
もよい。

以上のように、従来例の如くピストン材料とし
てアルミニウム合金のみを使用していた場合に
は、これが熱膨張係数が大きいことからピストン
とシリンダとの間隙すなわちサイドクリアランス
を大きくとらざるを得ないためオイル消費、エネ
ルギー効率または打音などの点で問題があつた
が、本実施例による強化複合層は熱膨張係数が小
さいことからトツプランド近傍のサイドクリアラ
ンスを狭めることができ、上記した問題点を一挙
に解決できるばかりでなく、吹き抜け等も防止で
きエンジン性能を向上させることもできる。

また、従来の鋳包み方法にあつては鋳包む補強
材を製造するに複雑な工程と多くの時間を費し、
しかも高価なセラミツク系繊維を多量に必要とし
たが、本実施例にあつては補強材を予め製造する
必要もなく、しかも耐摩耗性が最も要求される表
面のみに効果的に強化複合層を形成しているので
繊維の使用量が少なくてすみ、安価でしかも簡易
且つ短時間で耐摩擦性、耐熱性に優れたピストン
を製造することができる。

尚、以上述べた実施例にあつては、特に自動車
部品であるピストンの強化層形成方法について述
べたが、本発明はこれに限定されるものでなく耐
熱性、耐摩耗性を要求されるあらゆる分野にて使
用される金属の強化層形成方法として採用するこ
とができるのは勿論である。

〔発明の効果〕

(1) 金属母材の表面に、表面金属とセラミツク系
繊維（ウイスカ）との混合した強化複合層を形
成することにより、耐摩耗性、耐熱性の非常に
優れた金属母材を製造することができる。

(2) 従来行なわれていた鋳包み方法に比較して高
価なセラミツク系繊維の使用量が少なくて済み
経済的であるばかりでなく工程が簡単で且つ短
時間で製造することができる。

(3) 本発明に係る方法をピストンに採用すること
により、従来行なわれていた溶射法などにより
形成された強化皮膜より耐久性の優れた表面硬
化層を形成することができる。

(4) ピストンのサイドクリアランスを小さくでき
ることからオイル消費、打音の低減化及びエネ
ルギー効率の向上が図れ、また吹き抜けを防止
できることからエンジン性能の向上も図ること
ができる。

(5) 本発明に係る方法を実施するための装置類も
簡単なことから容易に実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は従来の鋳包み方法により製
造されたピストンを示す縦断面図、第３図乃至第
７図は本発明に係る第１実施例を説明するための
工程図であり、第３図は金属母材を示す斜視図、
第４図はセラミツク系繊維を示す斜視図、第５図
は高周波誘導加熱による加熱状態を示す斜視図、
第６図は複合層が形成された母材を示す斜視図、
第７図は同部分断面図、第８図乃至第１２図は第
２実施例を説明するための工程図であり第８図は
金属母材を示す斜視図、第９図は高周波誘導加熱
による加熱状態を示す斜視図、第１０図は同平面
図、第１１図は複合層が形成された母材を示す斜
視図、第１２図は同平面図、第１３図乃至第１５
図は第３実施例を説明するための工程図であり、
第１３図は金属母材を高周波誘導加熱により加熱
する状態を示す縦断面図、第１４図は複合層が形
成された母材を示す斜視図、第１５図は同縦断面
図、第１６図乃至第１８図は第４実施例を説明す
るための工程図であり、第１６図は母材であるシ
フトフオークを示す斜視図、第１７図は高周波誘
導加熱により加熱する状態を示す斜視図、第１８
図は同拡大縦断面図、第１９図及び第２０図は第
５実施例を説明するための工程図であり、第１９
図は母材であるピストンをるつぼ内へ装着した状
態を示す縦断面図、第２０図は加圧しつつ高周波
誘導加熱により加熱する状態を示す縦断面図、第
２１図乃至第２７図は第６実施例を説明するため
の工程図であり、第２１図はピストンヘツドのリ
ング溝部を示す斜視図、第２２図はピストンヘツ
ドに溝部覆体を取付けた状態を示す斜視図、第２
３図は同部分縦断面図、第２４図は高周波誘導加
熱により加熱する状態を示す平面図、第２５図は
同縦断面図、第２６図はリング溝部に複合層を形
成した状態を示す縦断面図、第２７図は他の溝部
覆体を使用した状態を示す縦断面図である。 尚、図中５，１１，２０，２５，３３は金属よ
りなる母材、６はセラミツク系繊維、１０，１
５，１９，２４，３２，３８は複合層である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属よりなる母材の表面に、セラミツク系繊
   維層を形成し、上記母材の表面と上記繊維層との
   接合部を加熱溶融させて、母材の表面金属とセラ
   ミツク系繊維との混合した複合層を形成するよう
   にした金属表面の強化層形成方法。 ２ 上記加熱溶融が高周波誘導加熱によるように
   した上記特許請求の範囲第１項記載の金属表面の
   強化層形成方法。 ３ 上記母材の金属がアルミニウム合金、マグネ
   シウム合金あるいは鉄基合金である上記特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の金属表面の強化
   層形成方法。 ４ 上記セラミツク系繊維層がSi₃N₄、SiCある
   いはAl₂O₃のウイスカによつて構成された上記特
   許請求の範囲第１項または第２項記載の金属表面
   の強化層形成方法。 ５ 上記金属がアルミニウム合金よりなり、且つ
   上記セラミツク系繊維層がSiCのウイスカよりな
   る上記特許請求の範囲第１項または第２項記載の
   金属表面の強化層形成方法。