JP2011225959A - 軽金属またはその合金の表面層強化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強化層が母材から剥離する心配がなく、かつ、均質で母材と同質の部品表面が得られるように、アルミニウムやマグネシウムの軽金属とその合金の表面層を強化することである。
【解決手段】アルミニウム合金の母材Ｍよりも硬質で比重が大きく、母材Ｍの金属元素と合金を形成しないＷＣの強化粒子６を、重力によって溶融した母材Ｍ中に沈降させて溶融部の下部に堆積させ、この強化粒子６の堆積層９の上側に溶融した母材Ｍを浮揚させた浮揚層１０を形成して、凝固させた浮揚層１０の表面を平滑化することにより、母材Ｍ中に形成された強化粒子６の堆積層９が剥離しないようにするとともに、表面に形成された母材Ｍの浮揚層１０によって、均質で母材Ｍと同質の部品表面が得られるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、軽金属またはその合金の表面層強化方法に関する。

アルミニウムやマグネシウムの軽金属とその合金は、鉄鋼材料よりも比重が小さいことから、軽量化を要求される自動車用等の部品に多く使用されるようになっている。また、アルミニウムやマグネシウムの軽金属とその合金は熱伝導率も高いので、放熱冷却等のための熱伝導性を必要とする各種機械用等の部品にも使用されている。

しかしながら、これらの軽金属やその合金は、鉄鋼材料に比べて強度や耐摩耗性が劣るので、大きな曲げ荷重や局部面圧等が負荷されると表面層に割れや凹み変形が生じやすい問題や、摩耗に対する耐久寿命が短い問題がある。このような軽金属や合金の表面層を強化する手段としては、母材の表面に、肉盛等によって硬化層を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１〜５参照）。なお、耐摩耗性を高める手段としては、ＰＶＤ(Physical Vapor Deposition)法、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法、めっき法、窒化法等によって、表面に硬質皮膜を形成する方法が知られている（例えば、特許文献６参照）。

特許文献１に記載されたものは、アルミニウム合金材料の表面に、シリコンを含有する肉盛材料を供給しながら、レーザビーム等の高密度エネルギを照射して、硬質の肉盛金属層を形成している。この肉盛材料には、Ｎｉ、Ｃｒ等の硬質金属、ＷＣ、ＴｉＣ、ＭｏＣ等の硬質セラミック、Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ系合金等の硬質合金を混合してもよいとしている。

特許文献２、３に記載されたものは、アルミニウムまたはアルミニウム合金材料の表面に、熱源として交流プラズマアークを用い、肉盛材料として、それぞれＣｕを含有するアルミニウム合金粉末、または金属と微細な硬質セラミックを用いて、Ａｌ−Ｃｕ合金の硬化肉盛層、または硬質セラミックを分散させた硬化肉盛層を形成している。

特許文献４に記載されたものは、アルミニウム系材料の表面に、Ｃｕ系自溶性合金を肉盛し、その上にＣｏ系、Ｎｉ系、Ｆｅ系超合金等の耐熱性、耐摩耗性、耐食性に優れた肉盛合金を２層肉盛している。また、特許文献５に記載されたものは、アルミニウムまたはアルミニウム合金材料の表面に、溶融によってＦｅまたはＣｒを含有する硬質の合金層を形成するとともに、この合金層の表面にイオン窒化処理を施している。

特開昭６３−２３５０８７号公報 特開平３−２２６３９４号公報 特開平５−３０９４７７号公報 特公平５−５５８５号公報 特開平６−８１１１３号公報 特開２０００−２５６８２２号公報

特許文献１〜４に記載された、肉盛によって母材の表面に硬質層を形成する表面層強化方法や、特許文献５に記載された、溶融によって母材の表面に硬質層を形成する表面層強化方法は、肉盛材料の合金や、肉盛材料と溶融した母材との合金で硬質層を形成しているので、合金で形成された硬質層と母材との間に境界が形成され、硬質層が剥離しやすい問題がある。

また、表面が母材と異質な合金の硬質層で覆われるので、軽金属やその合金の母材が有する優れた熱伝導性等の特性が損なわれる問題もある。さらに、硬質層に硬質セラミック等を分散させる場合は、表面が不均質なものとなるので、耐摩耗性や耐食性等を高めるための皮膜を形成する表面処理を行う際に、均一な表面処理ができない問題もある。

そこで、本発明の課題は、強化層が母材から剥離する心配がなく、かつ、均質で母材と同質の部品表面が得られるように、アルミニウムやマグネシウムの軽金属とその合金の表面層を強化することである。

上記の課題を解決するために、本発明に係る軽金属またはその合金の表面層強化方法は、アルミニウムもしくはマグネシウムの軽金属またはその合金で形成された母材の表面を、熱源によって所定の深さまで溶融して、この母材の表面の溶融部に、母材よりも硬質で比重が大きく、母材に溶融しない金属粒子、セラミック粒子およびサーメット粒子のいずれか１種または２種以上からなる強化粒子を供給し、この供給した強化粒子を重力によって溶融した母材中に沈降させて、前記溶融部の下部に堆積させ、この強化粒子を堆積させた堆積層の上側に、前記溶融した母材の軽金属またはその合金を浮揚させた浮揚層を形成して、この母材の浮揚層を凝固させたのち、その表面を平滑化する方法を採用した。

すなわち、母材よりも硬質で比重が大きく、母材に溶融しない金属粒子、セラミック粒子およびサーメット粒子のいずれか１種または２種以上からなる強化粒子を、重力によって溶融した母材中に沈降させて溶融部の下部に堆積させ、この強化粒子の堆積層の上側に、溶融した母材を浮揚させた浮揚層を形成して、凝固させた浮揚層の表面を平滑化することにより、堆積層の強化粒子の隙間で母材と一体に連なり、母材と境界を形成しない浮揚層によって、強化層としての堆積層が剥離しないようにするとともに、均質で母材と同質の部品表面が得られるようにした。また、堆積層の上側に浮揚した浮揚層は、堆積層の隙間で母材と一体に連なるので、母材の優れた熱伝導性を確保することもできる。

前記母材よりも硬質で比重が大きく、母材に溶融しない金属粒子としては、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｅ等を挙げることができ、セラミック粒子としては、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＭｏＣ、ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、Ｃｒ_３Ｃ_２等の炭化物、ＴｉＢ_２、ＺｒＢ_２、ＨｆＢ_２、ＶＢ_２、ＴａＢ_２、ＮｂＢ_２、ＣｒＢ_２、ＭｏＢ_２、ＷＢ等の硼化物、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＴａＯ_２等の酸化物を挙げることができる。また、サーメット粒子としては、これらの各種セラミック粒子をＮｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｒｅ等の金属で結合したものを挙げることができる。さらに、これらのセラミック粒子やサーメットの粒子の表面の一部または全部に、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ等をめっきしたものも強化粒子として使用することができる。

また、前記浮揚層の表面を平滑化する手段としては、旋盤、フライス盤等による研削加工や放電加工を挙げることができ、さらに、バフ研磨、ベルト研磨、ラップ研磨、化学研磨、電解研磨等によって研磨することもできる。

前記所定の深さまで溶融する溶融部の単位面積当たりの体積を、この単位面積当たりの溶融部に供給される前記強化粒子の総体積の１／４以上、好ましくは１／２以上とすることにより、強化粒子の堆積層の上側に、母材の浮揚層を確実に形成することができる。溶融した母材は堆積層の強化粒子の隙間も充填するので、浮揚層の厚みは堆積層の厚みより薄くなり、溶融部の単位面積当たりの体積が供給される強化粒子の総体積の１／４未満では、溶融した母材が強化粒子の隙間に充填されるのみで、浮揚層が形成されない恐れがあるからである。

前記強化粒子の粒径を１０〜３００μｍとすることにより、強化粒子を溶融部へ安定して供給することができ、好ましくは４０〜１５０μｍとすることにより、より均一に堆積層中に分散させることができる。

前記強化粒子の堆積層の厚みを、０．３ｍｍ以上、好ましくは０．５ｍｍ以上とすることにより、表面層を十分な深さまで強化することができる。

前記母材の表面を溶融する熱源を、プラズマ、レーザビームまたは電子ビームのいずれかの高密度エネルギを前記母材の表面に照射するものとすることにより、溶融部を所定の単位面積当たりの体積で精度よく溶融することができる。

前記平滑化した母材の浮揚層の表面に、溶射法、溶接法、めっき法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、ＤＬＣ(Diamond Like Carbon)法、窒化法、陽極酸化法、テフロンライニング法または化学緻密化法のいずれか１種または２種以上の表面処理によって硬質皮膜を形成することにより、耐摩耗性、耐焼付き性、耐食性等の特性を高めることができる。これらの硬質皮膜を形成する際には、事前にサンドブラストやショットブラスト等によって、平滑化した浮揚層の表面の粗度を調整してもよい。

前記溶射法としては、大気プラズマ溶射法、減圧プラズマ溶射法、水安定化プラズマ溶射法、加圧プラズマ溶射法、レーザ溶射法、レーザプラズマ溶射法、コールドスプレー、高速フレーム溶射法、粉末式フレーム溶射法、溶線式フレーム溶射法、溶棒式フレーム溶射法、アーク溶射法等を挙げることができる。なお、化学緻密化法は、酸化クロムによって化学的に緻密化されたＳｉＯ_２−ＣｒＯ_３からなる組成を有する皮膜を形成する方法である。

本発明に係る軽金属またはその合金の表面層強化方法は、母材よりも硬質で比重が大きく、母材に溶融しない金属粒子、セラミック粒子およびサーメット粒子のいずれか１種または２種以上からなる強化粒子を、重力によって溶融した母材中に沈降させて溶融部の下部に堆積させ、この強化粒子の堆積層の上側に、溶融した母材を浮揚させた浮揚層を形成して、凝固させた浮揚層の表面を平滑化するようにしたので、堆積層の強化粒子の隙間で母材と一体に連なり、母材と境界を形成しない浮揚層によって、強化層としての堆積層の剥離を防止できるとともに、均質で母材と同質の部品表面を得ることができ、耐摩耗性や耐食性等を高めるための皮膜を形成する表面処理を均一に行うことができる。また、堆積層の上側に浮揚した浮揚層は、堆積層の隙間で母材と一体に連なるので、母材の優れた熱伝導性を確保することもできる。

本発明に係る表面層強化方法に採用したＰＴＡ法を示す概念図 （ａ）は図１のＰＴＡ法で強化した母材の表面層を示す電子顕微鏡写真、（ｂ）は（ａ）の堆積層の一部を拡大した電子顕微鏡写真 （ａ）は図２（ａ）の浮揚層の表面を平滑化した状態を示す電子顕微鏡写真、（ｂ）は（ａ）の平滑化した浮揚層の表面に硬質皮膜を形成した状態を示す電子顕微鏡写真 実施例の摩耗試験方法を示す概念図

以下に、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明に係る軽金属の合金としてのアルミニウム合金（Ａ７０７５）の母材Ｍの表面層強化方法に採用したＰＴＡ(Plasma Transferred Arc)法を示す。このＰＴＡ法は、アルゴンガス１が流れる水冷ノズル２の中にタングステン電極３を配置し、タングステン電極３と水冷ノズル２間にアークを飛ばしてアルゴンガス１をプラズマ化させ、このプラズマ化したプラズマアーク４を高密度エネルギとして母材Ｍの表面に照射し、プラズマアーク４で溶融される母材Ｍの溶融部５に、母材Ｍよりも硬質で比重の大きい強化粒子６をキャリアガス７で供給するものであり、プラズマアーク４の周囲は、シールドガス８によってシールドされるようになっている。

この実施形態では、図１に示したＰＴＡ法によって、前記強化粒子６を粒径が４０〜１５０μｍのＷＣ（比重：１５．０〜１６．０）のセラミック粒子として、Ａ７０７５（比重：２．８）の母材Ｍの表面層を強化した。母材Ｍの溶融部５の単位面積当たりの体積は、この単位面積当たりに供給される強化粒子６の総体積の体積と略等しくした。さらに、後述する堆積層９の上側に形成された母材Ｍの表面の凝固した浮揚層１０を、研削加工によって平滑化した。

図２（ａ）は、前記ＰＴＡ法によって強化した状態の母材Ｍの表面層の断面を示す電子顕微鏡写真である。この写真から分かるように、母材Ｍ中には、比重が大きい強化粒子６が重力によって沈降した堆積層９が形成され、その上側に浮揚した母材Ｍによって浮揚層１０が形成されている。強化粒子６の堆積層９の厚みは約１．５ｍｍ、浮揚層１０の厚みは約１ｍｍと、堆積層９の厚みよりも薄くなっている。これは、単位面積当たりの溶融部５の体積と強化粒子６の総体積が略等しいものの、溶融した母材Ｍの一部が、堆積した強化粒子６間の隙間にも充填されるからである。なお、浮揚層１０の表面には、強化粒子６がわずかに存在するが、これは、浮揚層１０が表面から凝固を開始するため、表面の凝固開始後に供給された強化粒子６が沈降せずに残ったものである。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の堆積層９の一部を拡大した電子顕微鏡写真である。前記堆積層９の強化粒子６間の隙間には溶融した母材Ｍが充填され、この堆積層９の隙間に充填された母材Ｍによって、浮揚層１０の母材Ｍは堆積層９の下側の母材Ｍと一体に連なっている。したがって、母材Ｍが充填された強化粒子６の堆積層９が剥離することはなく、Ａ７０７５の母材Ｍの優れた熱伝導性も確保することができる。

図３（ａ）は、前記浮揚層１０を平滑化した状態を示す。この実施形態では、ＰＴＡ法で形成された浮揚層１０を、略１／３の厚みとするように研削で減厚している。この研削による平滑化によって、前記浮揚層１０の表面に残っていた強化粒子６も除去されている。この浮揚層１０の減厚量は、後の表面処理の種類や部品の用途によって適宜選定することができる。図３（ｂ）は、平滑化した浮揚層１０の表面に、さらにピアノ線を溶射材料とした溶射法による表面処理を施し、硬質皮膜１１を形成した状態を示す。

実施例として、図３（ａ）に示したように、強化粒子をＷＣのセラミック粒子としてＰＴＡ法で表面層を強化し、表面の浮揚層を平滑化した平板サンプル（実施例１）と、図３（ｂ）に示したように、さらに、浮揚層を平滑化した表面にピアノ線を溶射材料として溶射法で硬質皮膜を形成した平板サンプル（実施例２）を用意した。また、比較例として、何も処理を施さないＡ７０７５のままの平板サンプル（比較例１）と、その表面にピアノ線を溶射材料として溶射法で硬質皮膜を形成した平板サンプル（比較例２）も用意した。これらの実施例と比較例の各平板サンプルについて、表面層強度試験、摩耗試験および熱伝導性試験を行った。

前記表面層強度試験は、ブリネル硬さ試験法（ＪＩＳ Ｚ２２４３）に準じた方法で行い、直径１０ｍｍの超硬合金球圧子を１０００ｋｇｆの試験荷重で平板サンプルの表面に押圧して、試験荷重（ｋｇｆ）を圧痕の表面積（ｍｍ^２）で割ったブリネル硬さで評価した。表１に、表面強度試験の結果を示す。この試験結果より、ＰＴＡ法で表面層を強化した実施例１は、何も処理を施さない比較例１よりも、表面層を強化するとともに硬質皮膜を形成した実施例２は、硬質皮膜のみを形成した比較例２よりも、それぞれ大幅にブリネル硬さの値が大きくなっており、本発明に係る表面層強化方法が著しい表面層強化効果を有することが分かる。

前記摩耗試験は、スガ式摩耗試験機を使用し、ＪＩＳ Ｈ８６１５に準拠した摩耗試験を実施した。この摩耗試験は、図４に示すように、取り付け台２１に押さえ板２２で固定した平板サンプル２３の表面に、研磨紙２４を外周に装着した摩耗輪２５を所定の押し付け荷重Ｐで押し付けて、取り付け台２１と平板サンプル２３を所定のストロークＳで往復運動させ、平板サンプル２３の１往復毎に摩耗輪２５を０．９°ずつ回転して研磨紙２４を新しい研磨面で平板サンプル２３に当接するものである。研磨紙２４にはＪＩＳ Ｒ６２５２に規定されたＣＣ３２０を使用し、押し付け荷重Ｐは３ｋｇｆ、ストロークＳは３０ｍｍとした。各往復(Double Stroke)毎に平板サンプル２３の重量変化を電子天秤で測定し、この重量変化から算出される平板サンプル２３の摩耗量が１ｍｇとなるのに要した往復回数（ＤＳ/ｍｇ）で耐摩耗性を評価した。

表１に、前記摩耗試験の結果を併せて示す。摩耗試験は、表面層を強化するとともに硬質皮膜を形成した実施例２と、何も処理を施さない比較例１の平板サンプルについて行った。比較例１は、１ｍｇ摩耗するまでの往復回数が８ＤＳ/ｍｇと少なく、耐摩耗性が劣っている。これに対して、実施例２は、１ｍｇ摩耗するまでの往復回数が２３ＤＳ/ｍｇと大幅に増加し、優れた耐摩耗性を有している。この試験結果より、平滑化した浮揚層の表面に、さらに硬質皮膜を形成することにより、耐摩耗性も向上できることが分かる。

前記熱伝導性試験は、直径１０ｍｍ、厚さ２ｍｍの円盤状平板サンプルを用い、レーザフラッシュ法により、室温における表裏面間の熱伝導率を測定した。表１に、熱伝導性試験の結果を併せて示す。熱伝導性試験は、表面層を強化した実施例１と、何も処理を施さない比較例１の平板サンプルについて行った。比較例１の熱伝導率が１３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるのに対して、実施例１の熱伝導率は１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、ＷＣの強化粒子の堆積層を形成したことによる熱伝導率の低下は比較的少ないことが分かる。これは、浮揚層の母材Ｍが堆積層の隙間で下側の母材Ｍと一体に連なるためと考えられる。

上述した実施形態では、母材をアルミニウム合金とし、ＰＴＡ法によるプラズマアークを熱源として母材を溶融したが、母材はアルミニウム、マグネシウム、チタン、マグネシウム合金またはチタン合金とすることもでき、母材を溶融する熱源は、レーザビーム、電子ビーム等の他の高密度エネルギとすることもできる。

また、上述した実施形態では、強化粒子をＷＣのセラミック粒子としたが、強化粒子は母材よりも硬質で比重が大きく、母材の金属元素と合金を形成しないものであればよく、他のセラミック粒子、金属粒子、サーメット粒子とすることもでき、これらの粒子を２種以上混合したものとすることもできる。

Ｍ 母材
１ アルゴンガス
２ 水冷ノズル
３ タングステン電極
４ プラズマアーク
５ 溶融部
６ 強化粒子
７ キャリアガス
８ シールドガス
９ 堆積層
１０ 浮揚層
１１ 硬質皮膜
２１ 取り付け台
２２ 押さえ板
２３ 平板サンプル
２４ 研磨紙
２５ 摩耗輪

Claims (6)

1. アルミニウムもしくはマグネシウムの軽金属またはその合金で形成された母材の表面を、熱源によって所定の深さまで溶融して、この母材の表面の溶融部に、母材よりも硬質で比重が大きく、母材に溶融しない金属粒子、セラミック粒子およびサーメット粒子のいずれか１種または２種以上からなる強化粒子を供給し、この供給した強化粒子を重力によって溶融した母材中に沈降させて、前記溶融部の下部に堆積させ、この強化粒子を堆積させた堆積層の上側に、前記溶融した母材の軽金属またはその合金を浮揚させた浮揚層を形成して、この母材の浮揚層を凝固させたのち、その表面を平滑化するようにした軽金属またはその合金の表面層強化方法。
2. 前記所定の深さまで溶融する溶融部の単位面積当たりの体積を、この単位面積当たりの溶融部に供給される前記強化粒子の総体積の１／４以上とした請求項１に記載の軽金属またはその合金の表面層強化方法。
3. 前記強化粒子の粒径を１０〜３００μｍとした請求項１または２に記載の軽金属またはその合金の表面層強化方法。
4. 前記強化粒子の堆積層の厚みを０．３ｍｍ以上とした請求項１乃至３のいずれかに記載の軽金属またはその合金の表面層強化方法。
5. 前記母材の表面を溶融する熱源を、プラズマ、レーザビームまたは電子ビームのいずれかの高密度エネルギを前記母材の表面に照射するものとした請求項１乃至４のいずれかに記載の軽金属またはその合金の表面層強化方法。
6. 前記平滑化した母材の浮揚層の表面に、溶射法、溶接法、めっき法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、ＤＬＣ法、窒化法、陽極酸化法、テフロンライニング法または化学緻密化法のいずれか１種または２種以上の表面処理によって硬質皮膜を形成した請求項１乃至５のいずれかに記載の軽金属またはその合金の表面層強化方法。