JP2003525355A - 表面を合金化した筒状、部分的筒状または中空筒状の構造部材 - Google Patents

表面を合金化した筒状、部分的筒状または中空筒状の構造部材

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Abstract

(57)【要約】 表面を合金化した筒状、部分的筒状または中空筒状の構造部材は、アルミニウム母相の鋳造合金（１）と、構造部材（３）の表面まで延在する析出領域（３）とから形成され、且つ析出硬質相を有するアルミニウム基合金を含む。初晶硬質相によって過飽和になる共晶領域（以降遷移領域と呼ぶ）（２）が、母相（１）と析出領域（３）との間に存在し、且つ母相（１）から構造部材までの硬さの増加が、傾斜している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、表面を合金化した筒状、部分的筒状または中空筒状の構造部材に関
し、アルミニウム母相の鋳造合金と、構造部材の表面まで延在する析出領域とか
ら形成され、且つ析出硬質相を有するアルミニウム基合金を含む。
【０００２】 筒状壁の内部支持面を被覆する方法がドイツ特許明細書１９８１７０９１号に
記載される。刊行物(Offenlegungsschrift)の請求項１にしたがい、耐摩耗性の
面が、軽金属エンジンブロックの内側ピストン支持受面上、シリコン粉末の連続
供給用プローブを使用することによって形成され、このプローブのエネルギービ
ームは、この表面に沿って螺旋状に走行する放射スポットを備え、固定位置にお
ける軽金属エンジンブロックに対して移動する。約２ＫＷのレーザ光出力と、約
０．５〜２ｍｍの放射スポット直径でもって、１分当たり約１０ｇの粉末がこの
表面に塗付されて合金化された。これによって、２０〜５０％の硬質材料構成物
を約１ｍｍの溶け込み深さで表面まで合金化することができた。
【０００３】 軽金属シリンダーブロックブロックを製造する方法を進歩させる試みがなされ
ており、このシリンダーブロック内のレーザビームは、送り方向に少なくとも２
ｍｍのストリップ幅を有し、且つ固定位置に保持された軽金属母相表面を覆って
案内される。この場合、粉末は軽金属母相面のレーザビーム入射点で融点まで先
ず加熱され、その後母相に拡散する。初晶シリコンが、母相合金内に好ましく生
じ、１５０〜６５０μｍの平均層厚みの合金化領域に形成される。レーザ光の出
力は、好ましくは３〜４ＫＷであり、直線集束装置も使用可能である。
【０００４】 前述の方法で達成できる構造物は、初晶シリコン析出物を含む微細に分布する
表面相を有する軽金属母相合金からなり、この析出物は１〜１０μｍの平均粒径
を有する丸みを帯びた粒である。純アルミニウムの相に加えて、この表面層も１
０〜１４％のＡｌＳｉ共晶と、最大硬さが約１６０ＨＶである初晶シリコンを含
む。
【０００５】 熱衝撃に鈍感な構造部材が特別な適用に対して必要となる。この材料は、今ま
では非常に高価な処理手段を用いる既知の製造方法を使用することによってのみ
達成することができる。これらの非常に効能が求められる構造部材に対する特別
な性質は、母相から表面層までの硬さの緩やかな増加であり、硬さの増加が母相
合金の初期の硬さに対して２００％の範囲を越ええて増加する必要がある。
【０００６】 本発明の目的は、新しい微細組織特性と近表面材料変化とを備え、摩擦潤滑的
に最適である熱処理可能なシリンダーブロックを開発することである。この新し
い微細組織特性と近表面材料変化は、振動に曝される構造部材として鋳造ブラン
クを使用することを可能にし、このような振動に曝される構造部材の例としては
、往復運動する機械の軸受箱の軸受面、ブレーキ部品の摩耗面、及び全ての滑り
及び摩擦面である。
【０００７】 この目的は、本発明にしたがい、特許請求の範囲に記載する特性により解決さ
れる。本発明にしたがい、母相、析出物領域及び共晶遷移領域を含む構造物を使
用することによって、例えば、滑り面（クランクシャフト軸受）、摩擦面（ブレ
ーキディスク）、並びにその中に配置される弁座リングを含み、特に好ましい特
性を備えるエンジンブロックとシリンダーヘッドのような摩耗面を備える種々の
構造部材を製造することが可能である。これらの特性は、母相から表面層まで徐
々に硬さが増加することによって特徴付けられる。これらの特性は、すなわち、
熱衝撃に鈍感な構造部材が必要とされる適用物に対して装着される構造部材が予
定される。
【０００８】 種々の種類の合金を被服層に用いることができる。粉末は、適切な形状のスリ
ットノズルを介して単一工程（単一粉末照射）または複数工程（複数粉末照射）
によって加工物表面に被覆することができる。この直線集束幅は少なくとも４ｍ
ｍ、好ましくは５〜１５ｍｍである。
【０００９】 ＡｌＳｉ合金とＡｌＳｉＣｕ合金、並びにＡｌＳｉＣｕＮｉ合金とＭｇ含有Ａ
ｌ合金が、シリコンを粉末噴流で送り込む単一工程の粉末供給の加工物として適
切である。２段工程の粉末供給においては、鉛並びにシリコンが、アルミニウム
−シリコン鋳造ブランクに対して粉末材料として適用することもできる。
【００１０】 硬質材料粉末としてシリコンを使用する実施態様の二つの実施例を参照して、
次にさらに詳細に本発明を説明する。
【００１１】 図１は、アルミニウム母相１、遷移領域２、および析出領域３を有する本発明
にしたがい製造された構造部材の横断面を示す。この析出領域３において硬質材
料の微細析出物が、２５０ＨＶ以上を備える特に硬質の表面を形成する。構造部
材の表面４は、例えば、ピストン、シャフトまたは軸受部品の支持面を形成する
ことができ、単なる機械処理により使用するための準備状態をもたらす。
【００１２】 遷移領域２には、均質過飽和のアルミニウム−シリコンの鋳造組織が存在し、
この組織は均一の灰色である。この面に向けられるエネルギビームの熱流入は、
ここまで到達して、溶融前部を形成する。
【００１３】 表面合金化の際に、構造部材に供給される熱は、母相１を介して移動する。熱
平衡は、供給速度、エネルギ制御及び冷却手段によって左右される。
【００１４】 図２は、本発明に従い製造された構造部材の、構造部材の表面領域における硬
さ変化曲線を示す。本発明の場合、この硬さは、母相中で１００ＨＶをもたらし
、最大値２４０ＨＶまで段階的に増加する。改良した熱衝撃挙動は、この硬さ変
化曲線に結び付けられる。
【００１５】 Ｓｉ合金か初晶シリコンの硬質相領域は、さらに弾性的に柔らかな母相合金に
よって衝撃が緩和される。
【００１６】 表面を合金化した筒状または部分的に筒状の構造部材の製造方法は、加工物表
面に向かって直線放射（直線集光とも言う）領域を有する第１の指向性のエネル
ギビームを含む。それによって、加工物表面は溶融して、硬質材料または合金粉
末が溶融表面に送られる。
【００１７】 エネルギビームの入射領域に、過熱され且つ溶融する前部、溶体領域または再
溶融領域、及び凝固前部を有する局部的に制限された溶融バスが形成される。
【００１８】 加工物表面に供給される粉末は、加熱前部において溶融され且つ溶融バス内で
浸透する。この試験では、７８０〜９４０ｎｍの波長で、エネルギビームの組み
合わせ(coupling-in)は、速やかに過熱でき且つ液状母相合金との接触で溶融バ
スへと浸透できるように出力を最適化する。
【００１９】 溶融領域内の均質化工程が促進するように、対流が溶体領域においてなされる
。これは、出力比が少なくとも１０５Ｗ／ｃｍ２を有するエネルギビームによっ
て可能になる。溶融バス中の硬質材料または合金粉末は、直線集光が充分長時間
溶体領域に作用した場合、単に均一に分布することが研磨させた断面から見るこ
とができる。正確な値は実験的に決定される。
【００２０】 凝固領域において、均一に分布した粉末材料が、その後凝固領域において２０
０〜６００Ｋ／ｓｅｃの冷却速度で、送り速度が５００〜５０００ｍｍ／ｍｉｎ
である方向性凝固が施される。有利な変更において、この粉末は、所定量の粉末
が運動エネルギによって溶融領域へと浸透できるように、ガス流中で構造部材の
表面へと移される。
【００２１】 その次の試験が、第１の部分ビームが加熱及び溶融領域に向けて偏向され、且
つ第２の部分ビームが熱的な組織処理のための凝固前部の後方に偏向される入射
領域の前方で、好ましく分けられることを示す。この組織の形成は、この方法に
よって特別に制御することができる。
【００２２】 その上の微細組織の制御は、加工品の表面に周期的な＜１ＫＷ／ｃｍ２の出力
比で、凝固前部にエネルギビームを指向することによって達成できる。硬質材料
及び金属間相を溶解するため及び均一に分布するために、溶融バス中のエネルギ
ビームの作用時間は、０．０２〜１秒の間にある。
【００２３】 上記必須用件は、調整可能な直線集光幅を持つ＞３ＫＷダイオードレーザによ
ってかなえられる。被覆開始前及び被覆終了後にこの手段によって、エネルギビ
ームの直線集光幅は、送り方向に対して横軸を減少することができる。表面処理
の際に供給される粉末量または入射エネルギのわずかな重なりを作ることによっ
て、粉末の量も同様に制御することができる。
【００２４】 加工物が中空筒状に形成される場合、回転方向に関する固定位置においてエネ
ルギビームが、平らな合金化領域を作り出すために、回転軸方向に回転する際に
、連続的な供給方向が達成されるように、エネルギビームを好ましく回転する必
要がある。
【００２５】 表面を合金化した筒状、部分的に筒状または中空筒状の構造部材は、本発明を
用いて製造できる。これらは、アルミニウム母相の鋳造合金と、構造部材の上面
まで延在する析出領域とからなり、且つ析出硬質相を備えたアルミニウム基合金
を含む。母相と析出領域との間に、初晶硬質相によって過飽和になった共晶領域
（遷移領域と呼ぶ）が存在し、この領域の固さは、母材から構造部材の表面まで
段階的に増加する。特に好ましい条件は、母相合金がＡｌＳｉＣｕタイプの亜共
晶である場合に達成することができ、そして過飽和の共晶遷移領域に１μｍ以下
の微細に析出した初晶シリコン相を有するＡｌＳｉタイプの合金が存在し、析出
領域に２〜２０μｍの初晶シリコン相が存在する。そのため、構造部材の表面ま
での硬さの増加が、少なくとも２００％である。
【００２６】 本発明にしたがう構造部材の層厚み比は、構造部材の表面からアルミニウムの
母材の方向へと測定し、析出領域と遷移領域との間で、２：１より大きい。母相
と構造部材の表面との間の固さの増加が、１：１．５：２から１：２：３の範囲
で達成することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、表面を合金化した硬質部材を貫通する横断面である。
【図２】 図２は、図１の共通のＹ縦座標に沿った硬さ変化曲線を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G024 AA21 GA01 GA16 HA07 3J011 DA01 SB03 SB04 4K044 AA06 AB03 BA10 BA19 BB01 BB08 BB11 BC01 CA11 CA24 CA42

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 アルミニウム母相の鋳造合金と、構造部材の上側の表面まで
    延在する析出領域とから形成され、且つ析出硬質相を有するアルミニウム基合金
    を含み、表面を合金化した筒状、部分的筒状または中空筒状の構造部材であって
    、 前記母相と前記析出領域との間に、初晶硬質相によって過飽和になった共晶領
    域（以後遷移領域と呼ぶ）が存在し、且つ 前記母材から前記構造部材の表面まで硬さの増加が、段階的になっていること
    を特徴とする構造部材。
  2. 【請求項２】 アルミニウムの筒状ブロックの製造のために、前記母相の合
    金がＡｌＳｉＣｕタイプまたはＡｌＳｉＭｇタイプの亜共晶であり、且つ過飽和
    の共晶遷移領域に１μｍ以下の微細に析出した初晶シリコン相を有するＡｌＳｉ
    タイプの合金が存在するので、前記析出領域に２〜２０μｍの初晶シリコン相が
    存在し、前記構造部材の表面までの硬さの増加が、少なくとも２００％であるこ
    とを特徴とする請求項１記載の構造部材。
  3. 【請求項３】 滑り面と摩擦面とを備えるブレーキ部品の製造のために、純
    アルミニウムの相に加えて、前記表面の層に１０〜１４％のＡｌＳｉ共晶と、５
    〜２０％初晶シリコンとが存在する請求項１記載の構造部材。
  4. 【請求項４】 振動に曝される構造部材の製造のために、１６０〜２４０Ｈ
    Ｖの硬さを備える初晶シリコンを含む表面の硬質材料に埋め込まれることを特徴
    とする請求項１に記載の構造部材。
  5. 【請求項５】 前記構造部材の表面から前記アルミニウムの母材の方向へと
    測定した層の硬さ比が、前記析出領域と遷移領域との間で、２：１より大きいこ
    とを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の構造部材。
  6. 【請求項６】 前記母相と前記構造部材の表面との間の固さの増加が段階的
    であり、前記母相と、前記遷移領域と、析出領域とにおけるの前記硬度の増加が
    、１：１．５：２から１：２：３の比率であり、且つ前記構造部材の表面での最
    終硬さが約２００ＨＶであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載
    の構造部材。
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