WO2008004708A1

WO2008004708A1 - Procédé de fabrication d'un élément en fonte, élément en fonte, et moteur pour véhicule

Info

Publication number: WO2008004708A1
Application number: PCT/JP2007/063865
Authority: WO
Inventors: Minoru Kawasaki; Kohei Yanaka; Kenji Kidera; Yoshinori Ishikawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2009-01-05
Also published as: JP4802895B2; US8302305B2; KR100995786B1; JP2008012564A; US20090151163A1; KR20080063379A; EP2036655A4; EP2036655B1; CN101356039A; CN101356039B; EP2036655A1

Description

铸鉄部材の製造方法、铸鉄部材、及び車両用エンジン

技術分野

本発明は、铸鉄材料の表面に肉盛層（クラッド層）を形成する鎵鉄部材の製造方法に係り、特に、レーザにより溶融した肉盛材料を鎊鉄材料の表面に溶着させて肉盛層を形成する铸鉄部材の製造方法に関する。

明背景技術

書

従来から、エンジン用シリンダへッドのバルブシートの耐久性を向上させるために、吸気バルブ、排気バルブが接触する接触表面にバルブシートとして耐摩耗性の肉盛層を形成することが行われる。該肉盛層の形成は、例えばレーザなどの高密度熱源を用いて、耐摩耗性材料（肉盛のための材料）を溶融し、該溶融した材料を前記接触表面に溶着させることにより行なわれることが多い。

しかし、シリンダヘッド本体に铸鉄材料を用いた場合には、鍚鉄材料は、カーボンの含有率が一般鋼材に比べて高く、特に表面には扁平状に長くて大きい A型黒鉛が存在するため、該黒鉛と大気に含まれる酸素とが肉盛時に反応し、二酸化炭素ガスが生成されることがある。このガス生成により、形成されるパルブシート（肉盛層）中にピンホール、ブローホールなどのガス欠陥が発生することがあつた。

一方、肉盛時に溶融した材料が溶着することにより前記铸鉄材料の表面は加熱され、この表面を含む表層がチル化することがある。このチル化により、鎵鉄材料の表層が凝固収縮し、肉盛層にビ一ド割れが発生することがあった。

このような問題に鑑みて、鎊鉄材料の表面に肉盛層を形成する铸鉄部材の製造方法の一例として、肉盛前に肉盛層を形成すべき鍀鉄材料の表面にブラスト処理を施して、铸鉄材料の表面部にある黒鉛を予め除去し、この除去した表面部に肉盛層を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献 1参照）。該肉盛方法によれば、铸鉄材料の表面部から黒鉛部を予め除去したことにより、肉盛時における二酸化炭素ガスの生成が抑えられ、肉盛層中にガス欠陥が発生するのを抑制することができる。

一方、前記ビード割れを防止する方法の一例として、 F eよりも炭化物形成傾向が高い金属（例えば铸鉄）と N i ， C oの合金を铸鉄表面に配置し、レーザにより、これら材料を溶融凝固させて肉盛を行う方法（例えば、特許文献 2参照）

へ - や、鍀鉄製シリンダーライナ内面の最も摩擦の大きい領域を予熱した後、該領域にエネルギ密度の高いレーザ光を照射することにより、耐摩耗性、耐焼付性に優れた材料を溶着させて溶着層を肉盛形成する方法（例えば、特許文献 3参照）が提案されている。

特許文献 1 ：特開平 1 一 1 1 1 8 5 5号公報

特許文献 2 ：特開平 1 一 1 0 4 9 0 6号公報

特許文献 3 ：特開平 1— 1 0 4 4 8 7号公報発明の開示

しカゝし、特許文献 1のように铸鉄材料の表面にプラスト処理を施したとしても、その表面部にある黒鉛部を完全に除去することはできず、ガス欠陥の発生を抑制することは難しい。特に、铸鉄製シリンダヘッド本体にバルブシートとして肉盛層を形成する場合には、シリンダヘッド本体の形状が複雑であるため、肉盛をすべき箇所から的確に黒鉛部を除去することは難しい。さらに、大型ディーゼル系エンジンの場合には、バルブシートとして肉盛層が形成される範囲が広く、肉盛層の凝固形態のバランスが崩れ易いため、わずかなピンホールの発生が肉盛層の割れに繋がるおそれもあった。

一方、特許文献 2のように肉盛をした場合には、肉盛材と铸鉄材とを合金化させてビード割れを抑制し、特許文献 3のように肉盛をした場合には、材料の溶融にレーザを用いることにより鏡鉄部材の熱影響領域を低減しビード割れを抑制することができるが、これらの肉盛方法を単に行っただけでは、黒鉛と酸素ガスとの反応を抑制しているわけではないので、肉盛層中のガス欠陥の発生を充分に抑制することができない。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、铸鉄材料の表面に形成される肉盛層中のブローホール又はピンホールなどのガス欠陥の発生を低減すると共に前記肉盛層のビード割れの発生を抑制することができる铸鉄部材の製造方法を提供することにある。

本発明に係る铸鉄部材の製造方法は、肉盛のための材料（肉盛材料）をレーザ照射装置からのレーザの照射により溶融し、該溶融した材料を铸鉄材料の一部の表面に溶着させて肉盛層を形成する工程を含む铸鉄部材の製造方法であって、前記肉盛のための材料として銅元素を主材とした材料を用い、前記肉盛層が形成されたときに、 0 . 0 1〜2 . O m mの厚さの焼入れ層が前記铸鉄材料の前記表面に形成されるようにして、前記肉盛層を形成する工程を行うことを特徴とする。前記の如く铸鉄材料に肉盛層を形成することにより、肉盛層中のガス欠陥の発生を低減し、かつ肉盛層のビード割れの発生を抑制することができる。下記の実施例に示すように、焼入れ層の厚さが 0 . 0 1 m mよりも薄い場合には、肉盛層のビードが上手く形成され難く、焼入れ層の厚さが 2 . 0 m mよりも厚い場合には、肉盛層中にガス欠陥が発生し易く、肉盛層にビード割れも発生し易い。なお、このような厚さの焼入れ層の形成は、肉盛層の形成を行う工程において、レーザの照射強度を調整したり、肉盛層が形成される速度を調整したりして行うことができる。

本発明に係る肉盛方法において、前記肉盛のための材料として、酸素含有量が 2 0 0 p p m以下の材料を用いることがより好ましい。このように、酸素含有量を 2 0 0 p p m以下にすることにより、肉盛層中にガス欠陥が発生したとしても、車両用エンジンの使用環境に十分耐え得るバルブシート（肉盛層）を得ることができ、肉盛層にビード割れが発生することもない。そして、酸素含有量が 2 0 0 p p mよりも多い場合には、下記の実施例に示すように、その含有量の増加に伴ってガス欠陥が増加し、前記バルブシートとして用いるに充分な肉盛層を得ることができない。

さらに、前記の如き肉盛をする場合には、アルゴン等の不活性ガスを肉盛すベき面に流しながら行うことがより好ましい。このようにして肉盛を行うことにより、大気中の酸素ガスの巻き込みを低減することができる。これにより、上述した肉盛材料の酸素含有量の低減と、不活性ガスによる大気中の酸素ガスの巻き込み量の低減の相乗効果により、肉盛層中のガス欠陥の発生をさらに低減することができる。

本発明の錶鉄部材の製造方法において、前記レーザの照射強度を、 2 0 0 W/ mm ²以上に調整して、前記肉盛層を形成する工程を行うことが好ましい。該照射強度が 2 0 O W/ m m ²よりも小さい場合には、肉盛層のビードが形成され難レ、。

また、別の態様としては、前記肉盛層を形成する工程は、前記铸鉄材料の表面に、 0 . 1〜 1 . O m mの厚み範囲となるように第一肉盛層を形成する工程と、該第一肉盛層の表面に、前記第一肉盛層の厚みの 1 . 0倍〜 1 9倍の厚み範囲となるように第二肉盛層を形成する工程と、を少なくとも含むことが好ましい。上記二つの工程を含む肉盛方法を行うことにより、第一肉盛層が铸鉄材料の表面層にある黒鉛を封じ込め、ガス欠陥の発生を抑制することができる。さらに、第一肉盛層と第二肉盛層との二層の肉盛層を形成することにより、肉盛層の内部応力が緩和され、肉盛層のビ一ド割れを抑制することができる。

下記の実施例に示すように、第一肉盛層の厚みを 0 . 1 m mよりも薄くした場合には、第二肉盛層の形成後の肉盛層にビ一ド割れが発生し易く、第二肉盛層の厚みを 1 . O m mよりも厚くした場合には、第二肉盛層の形成後の肉盛層中にガス欠陥が発生し易い。さらに、下記の実施例に示すように、第二肉盛層の厚みを第一肉盛層の厚みの 1 9倍よりも厚くした場合には、第二肉盛層の凝固収縮時の応力によりビード割れを誘発するおそれがある。また、第二肉盛層の厚みを第一肉盛層の厚みの 1 . 0倍よりも薄くした場合には、ガス欠陥の発生を充分に抑制することができない。

前記第二肉盛層を形成する工程を、前記第二肉盛層が前記第一肉盛層の表面から外れないようにして行うことが好ましい。前記第一肉盛層の表面から外れないように、具体的には、第二肉盛層の溶けダレ等が第一肉盛層上から流れ出して铸鉄材料に接触しないように、第二肉盛層をすることにより、ガス欠陥の発生を防止することができる。

前記肉盛層を形成する工程の前処理工程として、前記铸鉄材料の表面層に含まれる黒鉛及び該黒鉛中の油分を除去することができる強度以上、かつ、前記铸鉄材料の表面が溶融する強度よりも小さい強度となるように、照射強度を調整したレーザを前記铸鉄材料の表面に照射する工程を行うことが好ましい。前記前処理工程を行って黒鉛を除去することにより、酸素と黒鉛による二酸化炭素ガスの生成反応を低減することができる。また、レーザの照射強度は、铸鉄材料の表面が溶融する強度よりも小さくなるように調整されているので、鏡鉄材料の最表面は、溶融によりチル化されることなく、母材となる铸鉄材料表面の亀裂発生を防止することができる。さらに、このような前処理工程を、前記レーザ照射装置を用いて行えば、新たに設備投資をすること無く安価に実施可能である。

特に、前記前処理工程において、前記铸鉄材料の表面に照射されるレーザの入射エネルギが、 1 0〜 2 0 Jノ mm ²の範囲となるように前記レーザの照射強度を調整することが好ましい。入射エネルギが 1 0 j Zm m ²よりも小さい場合には、熱量が不足するため铸鉄材料の最表面の黒鉛及び黒鉛中に含まれる油分を除去することができない。一方、入射エネルギが 2 0 J Zm m ²よりも大きい場合には、铸鉄材料の最表面が溶融によりチル化し、铸造材料の表面に亀裂が発生する。

より好ましい铸鉄部材の製造方法としては、前記レーザ照射装置と前記铸鉄材料のいずれか一方又は双方を、相対的に 1 5 0 mm/m i n〜 6 0 0 mm/m i nの速度範囲となるように移動させながら、前記肉盛層を形成する工程を行う。このような速度条件で肉盛層を形成することにより、確実にビード割れを低減することができる。前記相対的な速度（相対速度）力 1 5 0 m mZm i nよりも小さいである場合には、肉盛層を構成するビードのリップ部が断続的となってしまうおそれがある。さらに、 6 0 O m mZm i nよりも大きい場合には、前記レーザ照射装置の移動方向に沿ってビード割れが発生するおそれがある。

さらに、本発明において、上記肉盛方法により得られた铸造部材として、铸鉄材料の一部の表面に肉盛層を形成した铸鉄部材であって、前記肉盛層は銅元素を主材としており、前記铸鉄材料の前記表面には 0 . 0 1〜2 . O mmの厚さの焼入れ層が形成されていることを特徴とする铸鉄部材をも開示する。前記铸鉄部材の肉盛層は、限定されるものではないが前記鋒鉄材料の表面に、 0 . 1〜1 . 0 mmの厚み範囲の第一肉盛層と、該第一肉盛層の表面に、前記第一肉盛層の厚みの 1 . 0倍〜 1 9倍の厚み範囲の第二肉盛層と、を備えていることが好ましい。前記铸造部材は、ピンホール、ブローホールなどのガス欠陥、及び、肉盛層のビード割れが無いので、使用環境が厳しく安全性が重視される車両のエンジンなどに特に好適である。具体的には、前記铸鉄部材が、車両のエンジンを構成するシリンダヘッドであり、この铸鉄部材の表面に形成される肉盛層は、シリンダへッドを構成するバルブシートであることが好ましい。

本発明の铸鉄部材の製造方法によれば、铸鉄材料の表面に形成される肉盛層中のガス欠陥の発生及び前記肉盛層のビード割れの発生を抑制することができる。本明細書は本願の優先権の基礎である日本国特許出願 2006- 185846号の明細書及びまたは図面に記載されている内容を包含する。図面の簡単な説明

図 1は、本発明に係る铸鉄部材の製造方法を説明するための図である。

図 2は、実施例 1〜3の肉盛層の断面図である。

図 3は、実施例 1と比較例 3の耐摩耗試験の結果を示した図である。

図 4は、実施例 4と比較例 4における肉盛材料に含有する酸素含有量と、肉盛層におけるガス欠陥との関係を示した図である。

図 5は、実施例 5〜8と比較例 5〜8の肉盛層のガス欠陥（ピンホール）とビ一ド割れとの結果を示した図である。

図 6は、実施例 6と比較例 9の肉盛層の断面を示した図である。

図 7は、実施例 9と比較例 1 0の肉盛層の断面を示した図である。

図 8は、実施例 1 0と比較例 1 1により、前処理工程において、レーザの最適な入射エネルギの条件を説明するための図である。

図 9は、実施例 1 1と比較例 1 2により、最適加工速度を説明するための図である。

図 1 0は、肉盛層の割れの形態を説明するための図である。発明を実施するための最良の形態

以下に、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

尚、以下の実施例では、図 1に示すような铸鉄材料（例えば、図 1の場合はシリンダヘッド本体 2 1) の表面 22に、肉盛装置 1を用いて、肉盛層（例えば図 1の場合はバルブシート） 23を形成することにより、铸鉄部材 20を製作している。

実施例

[実施例 1 ]

肉盛寸法 200 mmX 500 X 1 5 Ommの铸鉄材料（ J I S規格： F C 25 相当）を準備し、この表面に肉盛のための材料（肉盛材料）として下記の表 1に示すような銅元素を主材とした耐摩耗性材料の粉末を用いて肉盛した。具体的には、図 1に示すように、粉末を不活性ガス（アルゴンガス）と共に搬送し、搬送した粉末にビーム照射面積が 6. 5 X 1. 0 mmのレ一ザ照射装置 1 0力らのレ一ザを照射することにより、前記粉末を溶融し、溶融した材料を铸鉄材料の一部の表面に溶着させて肉盛層を形成した。また、レーザの照射強度は、肉盛層下層 (铸鉄材料の表面）に形成される焼入れ層が 0. 0 1〜2. 0mmの範囲となるように、 2. O kwとし、肉盛時における铸鉄材料とレーザ照射装置との相対速度（加工速度） Vが 50 Omm/m i nとなるように、レーザ照射装置を移動させながら肉盛層を形成した。このようにして製造された铸鉄部材の断面を顕微鏡で観察した。この結果を図 2に示す。さらに、鎵鉄部材の肉盛層に対して、摺動速度 0. 3mZ s , 押付け荷重 1. 1 5 MP aの条件で摩耗試験を行った。この結果を図 3に示す。表 1

[実施例 2， 3]

実施例 1と同じようにして、铸鉄材料の表面に肉盛層を形成し、铸鉄部材を製作した。実施例 2が、実施例 1と異なる点は、レーザの照射強度を 2. 5 kwとして、加工速度を 50 OmmZm i nとした点である。また、実施例 3が、実施例 1と異なる点は、レーザの照射強度を 2. 5 kwとして、加工速度を 1 000 mm/m i nとした点である。このように製作された铸鉄部材の断面を実施例 1 と同様に顕微鏡で観察した。これらの結果を図 2に示す。

[比較例 1 ]

実施例 1と同じようにして、铸鉄材料の表面に肉盛層を形成し、铸鉄部材を製作した。実施例 1と異なる点は、焼入れ層が 0. 0 1 mmよりも小さくなるように、レーザの照射強度を調整して鋅鉄材料の表面に肉盛した点である。

[比較例 2]

実施例 1と同じようにして、铸鉄材料の表面に肉盛層を形成し、鎊鉄部材を製作した。実施例 1と異なる点は、焼入れ層が 2. Ommよりも大きくなるように、レーザの照射強度を調整して铸鉄材料の表面に肉盛した点である。

[比較例 3]

従来、バルブシートとしてシリンダへッドに圧入する焼結材（ J I S規格： S MF 30相当）を準備し、実施例 1と同じ条件で摩耗試験を行った。 '

[結果 1]

図 2に示すように、実施例 1〜3の肉盛層を形成した铸鉄部材は、ガス欠陥もなく、ビード割れもなかった。しかし、比較例 1の場合には、肉盛層のビードが形成され難かった。また、比較例 2の場合には、肉盛層中にガス欠陥が含まれ、肉盛層にビード割れが発生した。また、図 3に示すように、実施例 1の铸鉄部材は、比較例 3のものに比べて耐摩耗性が向上した。

[考察 1]

このような肉盛層は、肉盛のための材料を溶融させる温度（1 700°C以上）まで加熱して、铸鉄材料の表面に溶着させることにより形成されるので、形成された肉盛層は、铸鉄材料の表面（下地）の熱伝導によって自己冷却 ·凝固し形成される。その際に、铸鉄材料は、焼入れ変態点温度以上に加熱され且つ冷却されるために、肉盛層下層に焼入れ層が形成される。そして、結果 1より、 0. 0 1

〜2. Ommの厚さの焼入れ層ができるような条件で肉盛を行えば、ピンホールなどのガス欠陥を低減させることができると共に、肉盛層のビード割れを抑制することができると考えられる。さらに、 0. 0 1 mm以上の厚さの焼入れ層を形成するためには、少なくとも、レーザの照射強度を、 200WZmm²以上に調整することが望ましい。また、実施例 1の铸鉄部材が、比較例 3のものに比べて耐摩耗性が向上したのは、材質そのものの影響と、肉盛層中のガス欠陥、肉盛層のビード割れがなかったことによると考えられる。

[実施例 4]

実施例 1 と同じようにして、铸鉄材料の表面に肉盛層を形成し、铸鉄部材を製作した。実施例 1と相違する点は、前記肉盛材料として、酸素含有量が 200 p p m以下の材料（具体的には、酸素含有量が l O O p pm, 200 p p m) を用いた点である。そして、この铸鉄部材の肉盛層の断面において、平均径が 0. 2 mm以上のガス欠陥の個数と、平均径が 0. 4 mm以上のガス欠陥の個数と、を測定した。この結果を図 4に示す。尚、バルブシートに有害なガス欠陥（ピンホール）は、 0. 5 mm以上のものである。

[比較例 4 ]

実施例 4と同じようにして、铸鉄材料の表面に肉盛層を形成し、铸鉄部材を製作した。実施例 4と相違する点は、前記肉盛のための材料として、酸素含有量が 200 p p mを超えた材料（具体的には、酸素含有量が 250 p pm， 300 p pm， 350 p p m, 400 p p m) を用いた点である。そして、実施例 4と同じょうにして、ガス欠陥の個数を測定した。この結果を図 4に示す。

[結果 2 ]

図 4に示すように、実施例 4のように酸素含有量が 200 p pm以下の材料を肉盛材料として用いた場合には、平均径が 0. 4mm以上のガス欠陥はなかった。また、酸素含有量が 1 00 p pm以下の材料を用いた場合には、平均径が 0. 2 mm以上のガス欠陥はなかった。実施例 4, 比較例 4の結果からわかるように肉盛材料の酸素含有量が増加するに従って、ガス欠陥の個数が増加した。

[考察 2]

結果 2にから、肉盛層中に形成されるガス欠陥は、粉末（肉盛のための材料）に含まれる酸素と鎵鉄材料の黒鉛とが反応して生成される二酸化炭素により発生すると考えられ、前記酸素含有量を低くすることによってガス欠陥の発生は大部分が抑制できると考えられる。そして、酸素含有量が 200 p pm以下であれば、バルブシートに有害な 0. 5 mm以上のピンホールを抑制することができ、酸素含有量が 1 00 p p m以下であれば、平均径 0. 2 mm以下のピンホールを抑制でき、さらに良質の肉盛層を形成することができる。

[実施例 5]

実施例 1と同じようにして、铸鉄材料の表面に肉盛層を形成し、铸鉄部材を製作した。実施例 1と異なる点は、図 1に示すようなエンジンを構成するシリンダヘッドの本体（铸鉄材料） 2 1の表面 22に肉盛層 23を形成した点と、以下に示す二層からなる肉盛層を形成した点である。具体的には、肉盛層を形成するェ程として、まず、铸鉄材料の表面に、 0. 1 mmの厚みとなるように第一肉盛層

(一層目）を形成する工程を行った。次に、該第一肉盛層の表面に、厚みが 1. 9mm (第一肉盛層の 1 9倍の厚み）となるように第二肉盛層（二層目）を形成する工程を行った。尚、第一肉盛層と第二肉盛層の材質は同じである。そして、この二層からなる肉盛層が形成された铸鉄部材の断面を観察した。この結果を図 5に示す。尚、図 5に示す〇は、ビード割れが無い場合、又は、ガス欠陥が殆ど無い場合である。また、 △は、バルブシートの使用に支障が無いビード割れがある場合、又は、バルブシートの使用に支障が無いガス欠陥がある場合である。 X は、バルブシートの使用には好ましくないビード割れがある場合、又は、バルブシートの使用には好ましくないガス欠陥がある場合である。

[実施例 6〜 8]

実施例 5と同じようにして、シリンダヘッド本体（铸鉄材料）の表面に肉盛層を形成し、铸鉄部材を製作した。実施例 6が、実施例 5と相違する点は、第一肉盛層の厚みを 0. 5mmに、第二肉盛層の厚みを 1. 5 mm (第一肉盛層の 3.

0倍の厚み）にした点である。実施例 7が、実施例 5と相違する点は、第一肉盛層の厚みを 0. 8 mmに、第二肉盛層の厚みを 1. 2mm (第一肉盛層の 1. 5 倍の厚み）にした点である。さらに、実施例 8が、実施例 5と相違する点は、第一肉盛層を 1. 0mmに、第二肉盛層の厚みの 1. 0mm (第一肉盛層の 1. 0 倍の厚み）にした点である。そして、これらの肉盛を行った錄鉄部材に対しても、実施例 5と同じ断面観察を行った。この結果を図 5に示す。また、実施例 6の铸鉄部材の断面写真を図 6に示す。

[比較例 5〜 8 ]

実施例 5と同じようにして、シリンダヘッド本体（铸鉄材料）の表面に肉盛層を形成し、铸鉄部材を製作した。比較例 5〜8が、実施例 5と相違する点は、図 5に示すように、第一肉盛層の厚みを、 0 . 1 m mよりも薄くした（比較例 5 ) 、又は、 1 . 0 mmよりも厚くした（比較例 6〜 8 ) 点であり、さらに、第二肉盛層の厚みを、第一肉盛層の厚みの 1 9 . 0倍よりも厚くした（比較例 5 ) 、又は、第一肉盛層の厚みの 1 . 0倍よりも薄くした（比較例 6〜 8 ) 点である。そして、これらの肉盛層を形成した铸鉄部材に対しても、実施例 5と同じように断面観察を行った。この結果を図 5に示す。

[比較例 9 ]

比較例 2と同じようにして、一層のみの肉盛層を形成した。この铸鉄部材の断面写真を図 6に示す。

[結果 3 ]

図 5、図 6に示すように、実施例 5〜8の铸鉄部材の肉盛層には、バルブシートに用いるに支障のあるビード割れ、ガス欠陥は無かった。し力し、比較例 5〜 9の铸鉄部材の肉盛層には、ビード割れ、ガス欠陥のいずれか一方があり、バルブシートとして使用できないものであった。

[考察 3 ]

第一肉盛層を、 0 . 1〜1 . 0 m mの厚み範囲にすれば、第二肉盛層へのカーボンの希釈を低減することができ、ガスの発生を封じ込めることができると考えられる。そして、比較例 5の如く、第一肉盛層の厚さが第二肉盛層の厚さに比べて薄い（二層目が一層目の厚みの 1 9倍よりも厚い）場合には、第二肉盛層の凝固収縮時の応力によりビード割れを誘発したと考えられる。また、比較例 6〜 8 の如く、第一肉盛層の厚さが第二肉盛層の厚さに比べて厚い（二層目が一層目の厚みの 1 . 0倍よりも薄い）場合には、比較例 9のように、肉盛層にガス欠陥が含まれ、肉盛層を切削後のバルブシート最終形状表面に、ガス欠陥が空孔欠陥として露呈する場合もあり得る。よって、第一肉盛層の厚みの 1 . 0倍〜 1 9倍の厚み範囲となるように第二肉盛層を形成すれば、第二肉盛層の肉盛時の熱影響による割れの誘発も低減することができる。さらに、割れ、ガス欠陥の発生が無いより良質な肉盛層を形成するには、铸鉄材料の表面に、 0 . 5〜0 . 8 m mの厚み範囲となるように第一肉盛層を形成し、第一肉盛層の厚みの 1 . 5倍〜 3 . 0 倍の厚み範囲となるように第二肉盛層を形成することがより好ましいと考えられる。なお、第一肉盛層と第二肉盛層の材質が異なっていても、融点、熱膨張率等の材料特性が近いものであれば、略同様の結果が得られるものと考えられる。

[実施例 9 ]

実施例 5と同じように、铸鉄材料の表面に二層からなる肉盛層を形成し、錄鉄部材を製造した。実施例 5と相違する点は、図 7に示すように第二肉盛層を形成する工程を、前記第二肉盛層が前記第一肉盛層の表面から外れないようにして行つた（幅 a >幅 bとした）点である。そして、この肉盛層を形成した铸鉄部材の断面を観察した。この結果を図 7に示す。

[比較例 1 0 ]

実施例 9と同じように、鏡鉄材料の表面に二層からなる肉盛層を形成し、鏡鉄部材を製造した。実施例 5と相違する点は、図 7に示すように、第二肉盛層を形成する工程を、前記第二肉盛層が前記第一肉盛層の表面から外れるようにして行つた（幅 aく幅 bとした）点である。そして、この肉盛層を形成した铸鉄部材の断面を観察した。この結果.を図 7に示す。

[結果 4 ]

図 7に示すように、実施例 9の肉盛層にはガス欠陥が無かったが、比較例 1 0 の肉盛層のはみ出し部分の近傍には、ガス欠陥ピンホール（ピンホール）が発生していた。

[考察 4 ]

比較例 1 0のように、第二肉盛層の幅 bが第一肉盛層の幅 aよりも大きい場合には、その両端（はみ出し部分）で誇鉄材料の黒鉛の巻き込みが起こり、その結果として、第二肉盛層中にガス欠陥が発生しやすい。また、肉盛材料は、肉盛時には溶融するため、溶けダレが発生することがある。よって、第一肉盛層に表面にあわせて、その表面上に同じ面積の第二肉盛層を肉盛った場合であっても、第二肉盛層の溶けダレが铸鉄材料の表面に流れ込み、ガス欠陥を誘発するおそれも考えられる。よって、このような溶融、溶けダレをも想定して、第二肉盛層を形成する工程を、第二肉盛層が第一肉盛層の表面から外れないようにして行うことが望ましいと考えられる。

[実施例 1 0 ]

肉盛層の形成の前処理工程として、実施例 1に用いたのと同様の铸鉄材料の表面層に含まれる黒鉛及び該黒鉛中の油分を除去することができる強度以上、かつ、前記铸鉄材料の表面が溶融する強度よりも小さい強度となるように、照射強度を調整したレーザを、前記铸鉄材料の表面に照射した。具体的には、図 8に示すように、レーザの出力を 1. O kW又は 1. 5 kWとし、铸鉄材料の表面におけるレーザの入射エネルギが、 1 0〜20 jZmm²の範囲となるように、レーザの調整を行った。そして、これらの铸鉄材料の断面を観察した。この結果を図 8 に示す。さらに、実施例 1と同様の肉盛層を形成して铸鉄部材を製作し、該铸鉄部材の断面を観察した。

[比較例 1 1 ]

実施例 1 0と同じように前処理工程を行った。実施例 1 0と異なる点は、铸鉄材料の表面におけるレーザの入射エネルギを、 1 0 J Zmm²よりも小さくした、又は、 20 jZmm²よりも大きくした点である。そして、実施例 1 0と同様に、鍀鉄材料の断面を観察した。この結果を図 8に示す。さらに、実施例 1 0と同様に肉盛層を形成して铸鉄部材を製作し、該铸鉄部材の断面を観察した。

[結果 5]

実施例 1 0の铸鉄部材は、いずれもガス欠陥及び亀裂のない肉盛層が形成されたが、比較例 1 1の铸鉄部材のうち、前処理工程において 20 jZmrn²よりも大きいものは、最表面が溶融し、チル化が起こり母材表面に亀裂が発生し、肉盛層にビード割れが発生した。また、前処理工程において 1 0 J Zmm²よりも小さいものは、肉盛層中にガス欠陥が発生した。

[考察 5]

比較例 1 1の如く、 1 0 J Zmm²よりも小さい場合には、黒鉛及び黒鉛中の油分を除去することができなかったため、肉盛層にガス欠陥が発生したと考えられる。一方、 2 0 J /m m ²よりも大きい場合には、铸鉄材料のチル化により亀裂が発生し易く、この亀裂の発生により肉盛層にもビード割れが発生したものと考えられる。よって、実施例 1 0の如く、铸鉄材料の表面におけるレーザの入射エネルギが、 1 0〜2 0 J /m m ²の範囲となるようにレーザの調整を行えば、铸鉄材料の表面に介在する黒鉛及び黒鉛中の油分を除去することができ、鑲鉄材料の表面が溶融しチル化することもないので、高品質の肉盛層を形成することができると考えられる。

[実施例 1 1 ]

実施例 9と同じように、铸鉄材料の表面に肉盛層を形成し、铸鉄部材を製作した。実施例 9と相違する点は、図 1に示すレーザ照射装置 1 0と铸鉄材料（シリンダヘッド本体） 2 1とを相対的に移動させる速度（加工速度） Vを、図 9に示すように（肇印に示すように）、 1 5 0 m m/m i n〜 6 0 0 m m/m i nの範囲にして肉盛層を形成した点である。そして、铸鉄部材の外観及び断面の観察を行った。この結果を図 9に示す。尚、本実施例では、レーザ出力が、 1 . 5 k W 以下のものは、ビードが形成されないので、それ以上のレーザ出力で肉盛を行つている。

[比較例 1 2 ]

実施例 1 1と同じようにして、铸鉄材料の表面に肉盛層を形成し、铸鉄部材を製作した。実施例 1 1と相違する点は、図 9に示すように（X印に示すように）、相対移動速度（加工速度） Vを 1 5 0 m m/m i nよりも小さい又は 6 0 0 m m/m i nよりも大きい条件で、肉盛を行った点である。そして、肉盛層の外観及び断面の観察を行った。この結果を図 9に示す。

[結果 6 ]

実施例 1 1の铸鉄部材には、肉盛層にはガス欠陥、ビード割れは見られなかつた。比較例 1 2のうち、下降速度が 1 5 0 m i nよりも小さい場合には、ビードのリップルが断続的となり（凹凸が激しくなり）、バルブシートとして使用可能な肉盛層が得られなかった。また、従来の一般的な一層の肉盛の場合には、バルブシート円周に対して垂直方向の不確定な位置に、図 1 0の（a ) に示すようにバルブシート（肉盛層のビード）を横断する横断割れが発生したが、比較例 1 2 のうち加工速度が 6 0 O m i nよりも大きい場合には、図 1 0の（b ) に示すようにバルブシートを縦断する縦断割れが発生した。

[考察 6 ]

比較例 1 2の如き縦断割れは、ビードに対して円周並行に連続的に発生する割れ（現象）であるため、ビ一ド全体への応力増加が原因と考えられる。このような割れの発生は、二層肉盛によって、ガス欠陥 ·局部横断割れ（ビード割れ）を抑制する一方で、ビード全体への応力増加したことによるものと考えられる。そして、加工速度に対する影響が非常に顕著に表れるのは、冷却速度を主因として、前記割れの要因となる応力が発生するからであると考えられる。よって、実施例 1 1に示すように、力 Πェ速度が、 1 5 0 mm/m. i n〜 6 0 0 mm/m i nの範囲にすることにより（具体的には従来の一層盛りの一般的な加工速度（9 0 0 m mZm i n ) よりも低下させて）肉盛層の冷却速度を低下し、肉盛層ビード全体に発生する応力を低減し、ビード割れの発生を回避できたと考えられる。本明細書に引用されたすベての刊行物は、その内容の全体を本明細書に取り込むものとする。また、添付の請求の範囲に記載される技術思想及び発明の範囲を逸脱しない範囲内で本発明の種々の変形および変更が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。本発明はこのような変形及び変更をも包含することを意図している。

Claims

請求の範囲

1 . 肉盛のための材料をレーザ照射装置からのレーザの照射により溶融し、該溶融した材料を铸鉄材料の一部の表面に溶着させて肉盛層を形成する工程を含む铸鉄部材の製造方法であって、

前記肉盛のための材料として銅元素を主材とした材料を用い、前記肉盛層が形成されたときに、 0 . 0 1〜2 . O mmの厚さの焼入れ層が前記铸鉄材料の前記表面に形成されるようにして、前記肉盛層を形成する工程を行うことを特徴とする铸鉄部材の製造方法。

2 . 前記肉盛のための材料として、酸素含有量が 2 0 0 p p m以下の材料を用いることを特徴とする請求項 1に記載の铸鉄部材の製造方法。

3 . 前記レーザの照射強度を 2 0 O WZm m ²以上に調整して、前記肉盛層を形成する工程を行うことを特徴とする請求項 1又は 2に記載の铸鉄部材の製造方法。

4 . 前記肉盛層を形成する工程は、

前記铸鉄材料の表面に、 0 . 1〜1 . O m mの厚み範囲となるように第一肉盛層を形成する工程と、

該第一肉盛層の表面に、前記第一肉盛層の厚みの 1 . 0倍〜 1 9倍の厚み範囲となるように第二肉盛層を形成する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする請求項 1〜 3のいずれかに記載の铸鉄部材の製造方法。

5 . 前記第二肉盛層を形成する工程を、前記第二肉盛層が前記第一肉盛層の表面から外れないようにして行うことを特徴とする請求項 4に記載の铸鉄部材の製造方法。

6 . 前記肉盛層を形成する工程の前処理工程として、前記铸鉄材料の表面層に含まれる黒鉛及び該黒鉛中の油分を除去することができる強度以上、かつ、前記铸鉄材料の表面が溶融する強度よりも小さい強度となるように、照射強度を調整したレーザを前記铸鉄材料の表面に照射する工程を行うことを特徴とする請求項

：!〜 5のいずれかに記載の铸鉄部材の製造方法。

7. 前記铸鉄材料の表面に照射されるレーザの入射エネルギが、 1 0〜2 0 J Zmm²の範囲となるように前記レーザの照射強度を調整することを特徴とする請求項 6に記載の铸鉄部材の製造方法。，

8. 前記レーザ照射装置と前記铸鉄材料のいずれか一方又は双方を、相対的に 1 5 0 mm/m i r！〜 6 0 0 mm/m i nの速度範囲となるように移動させながら、前記肉盛層を形成する工程を行うことを特徴とする請求項 4〜 7のいずれかに記載の铸鉄部材の製造方法。

9. 前記請求項 1〜8のいずれかに記載の製造方法により肉盛層が形成された铸鉄部材。

1 0. 铸鉄材料の一部の表面に肉盛層を形成した铸鉄部材であって、

前記肉盛層は銅元素を主材としており、前記铸鉄材料の前記表面には 0. 0 1 〜2. 0 mmの厚さの焼入れ層が形成されていることを特徴とする铸鉄部材。

1 1. 前記肉盛層は、前記铸鉄材料の表面に、 0. 1〜 1. 0 mmの厚み範囲の第一肉盛層と、

該第一肉盛層の表面に、前記第一肉盛層の厚みの 1. 0倍〜 1 9倍の厚み範囲の第二肉盛層と、を備えていることを特徴とする請求項 1 0に記載の铸鉄部材。

1 2. 前記請求項 9〜1 1のいずれかに記載の铸鉄部材を備えた車両用ェンジンであって、前記铸鉄部材は、車両用エンジンを構成するシリンダへッドであり、前記肉盛層は、前記シリンダへッドを構成するバルブシートであることを特徴とする車両用エンジン。