JP2942299B2 - アルミニウム材の表面硬化用溶加材 - Google Patents

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。

しかしながら、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、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２種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63-304518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該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際し
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、請求項１に係る発明
は、図１に示すように、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）
の内部に、軸線方向に延びるアルミニウム心材（５）が
設けられると共に、前記アルミニウム皮材と前記アルミ
ニウム心材（５）との間の中空部（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
表面硬化用溶加材を提供するものである。さらに、請求
項２に係る発明は、混合粉末とともに１種または２種以
上の硼化物ないしは珪化物の粉末が、前記アルミニウム
皮材と前記アルミニウム心材（５）との間の中空部（2
a）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。

また、請求項３に係る発明は、図５に示すように、軸
線方向に複数の中空部（2a）を有する細管状のアルミニ
ウム皮材（２）の各中空部（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
化用溶加材を提供するものである。さらに、請求項４に
係る発明は、混合粉末とともに１種または２種以上の硼
化物ないしは珪化物の粉末が、前記アルミニウム皮材と
各中空部（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、S
i、Ge等のいわゆる半金属粉末を含まない意味で用い
る。

前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Al・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。

図１に示す前記アルミニウム心材（５）は、溶加材に
おける混合粉末（３）とAl材との比率を調整する役割を
果たす。例えば、アルミニウム心材（５）の直径を大き
くすれば、アルミニウム皮材とアルミニウム心材（５）
との間の中空部（2a）に収容し得る混合粉末の量を簡単
かつ確実に減少させることができし、逆にアルミニウム
心材（５）の直径を小さくすれば、アルミニウム皮材と
アルミニウム心材（５）との間の中空部（2a）に収容し
得る混合粉末の量を簡単かつ確実に増大させることがで
きる。なお、アルミニウム心材（５）は、アルミニウム
皮材（２）と同組成であっても別組成であってもよい。

また、図５に示すように、アルミニウム皮材（２）に
複数の中空部（2a）を設けた場合においても、上述のア
ルミニウム心材（５）を設けた場合と同様に、中空部
（2a）の大きさや個数を変えることにより、溶加材にお
ける混合粉末（３）とAl材との比率を簡単に調整するこ
とができる。

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Al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Al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。一
例としては、アルミニウムと比較的濡れ性の良いNi、C
u、Cr、Fe、Ti、Z r、Mn、Ｖ、Nb、Mo、Hf、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Al
と反応してAl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
Al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
TiC、WC、ZrC、NbC等の炭化物や、TiN、ZrN、CrN等の窒
化物や、TiO、Al₂O₃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Al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:Al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Si
が合金化層形成時にAl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、ZrB₂、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、MoSi₂、NbSi₂、CrSi₂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Al皮材に対して横断面の面積比
で1:10〜10:1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50〜200μｍ程度のAl粉末を５〜3
0％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
に前記アルミニウム心材（５）を設置し、かつ前記粉末
（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。

また、図５に示す溶加材の製作は、例えば、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（2
a）を設けたものを押出法により製造した後、その中空
部（2a）に混合粉末（３）を充填し、次いでこれを細径
に引き抜けばよい。

こうして製作した溶加材は、一般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2.4〜3.2m
m程度に設定され、MIG溶接に用いる場合は外径1.2〜2.4
mm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Alマトリ
ックスに例えばTiAl₃、ZrAl₃、NiAl、NiAl₃、Ni2Al₃、F
eAl₃、Fe₄Al₁₃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じ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、Al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Al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AC
8A、AC2B等のアルミニウム鋳物材等を適宜用いうる。

実施例 Ａ100からなるアルミニウム皮材の中空部に、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2.0mmとし、アルミニウ
ム心材の断面積を変えることにより、溶加材横断面にお
けるアルミニウム皮材（２）及び心材（５）と粉末
（３）との面積比率は第１表のとおりとした。

一方、表面硬化層を形成すべきアルミニウム材として
AC8A鋳物合金からなる厚さ7.5mm×幅40mm×長さ100mmの
試験片を用意した。そして、第６図に示すように、試験
片（６）の中央部長手方向に深さ0.5mmの浅溝（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（10）は溶接部である。溶接速度は100mm/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。かつこの合金化層は、Al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No4、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、Hv30（荷重5kg）であった。な
お、図５に示す実施形態の溶加材についても、上述と同
様の結果が得られた。

以上の試験結果からわかるように、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
確実に形成しうることを確認しえた。

発明の効果 以上説明したように、この発明は、軸線方向に中空部
を有する細管状のアルミニウム皮材の前記中空部の内部
に、軸線方向に延びるアルミニウム心材（５）が設けら
れると共に、前記アルミニウム皮材と前記アルミニウム
心材（５）との間の中空部に、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Al・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。特に、ア
ルミニウム心材の外径を変えることにより、溶加材にお
ける混合粉末とAl皮材との比率を簡単に調整することが
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漏れ性を向上でき、一層表面が滑ら
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。

また、請求項３に記載の溶加材によれば、請求項１に
係る発明と同様に、中空部の大きさや個数を変えること
により、溶加材における混合粉末とAl皮材との比率を簡
単に調整することができる。

また、請求項４に記載の溶加材によれば、請求項３に
記載の溶加材において、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、
一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図は他の変形例を示す断面
図、第６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、（2
a）……中空部、（３）……混合粉末、（５）…アルミ
ニウム心材。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項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）の内部に、
   軸線方向に延びるアルミニウム心材（５）が設けられる
   と共に、前記アルミニウム皮材と前記アルミニウム心材
   （５）との間の中空部（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. 【請求項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、前記ア
   ルミニウム皮材（２）と前記アルミニウム心材（５）と
   の間の中空部（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。
3. 【請求項３】軸線方向に複数の中空部（2a）を有する細
   管状のアルミニウム皮材（２）の各中空部（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。
4. 【請求項４】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各中空部
   （2a）に収容されてなる請求項（３）に記載の表面硬化
   用溶加材。