JP3305738B2 - Overlaid copper-based alloy with excellent wear resistance - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、銅（Ｃｕ）基合金、よ
り詳しくは、耐摩耗性に優れている分散強化型の肉盛用
銅基合金に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a copper (Cu) base alloy, and more particularly, to a dispersion strengthened copper base alloy having excellent wear resistance.

【０００２】[0002]

【従来の技術】銅基合金の耐摩耗性材料としては、Ｃｕ
にベリリウム（Ｂｅ）を添加したベリリウム銅あるいは
コルソン合金として知られるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金など
の析出硬化型の合金や、銅基マトリックス中にＳｉ
Ｏ₂ 、Ｃｒ₂ Ｏ₃ 、ＢｅＯ、ＴｉＯ₂ 、ＺｒＯ₂ 、Ｍｇ
Ｏ、ＭｎＯなどの硬質酸化物を主体とする粒子を分散さ
せた分散強化型の合金などが知られている。2. Description of the Related Art As a wear-resistant material of a copper-based alloy, Cu is used.
Precipitation hardening alloys such as beryllium copper or Cu-Ni-Si alloy known as Corson alloy with beryllium (Be) added to
O ₂ , Cr ₂ O ₃ , BeO, TiO ₂ , ZrO ₂ , Mg
Dispersion-strengthened alloys in which particles mainly composed of hard oxides such as O and MnO are dispersed are known.

【０００３】特に、ベリリウム銅は、鋼並みの強さ（１
００kg/mm²以上の引張強度）を有し、銅基合金の中では
高い硬さ（Ｈｖ３００以上の硬度）を有している。しか
しながら、このような析出硬化処理（時効硬化処理）を
施したものでは、析出（時効）温度よりも高い温度状態
（３５０〜４５０℃）になると、急激に硬さが低下し、
耐摩耗部材としては不十分である。また、このような析
出硬化処理は大物部材に適用し難く、熱処理による歪み
の発生が問題となり、処理に長時間を必要とする。さら
に、析出は、固体内の拡散によって生じるため、析出粒
子の大きさは数μｍ程度と微細であり、このため硬さは
得られても、摺動（滑り）を伴う摩耗条件では、しばし
ば大きな摩耗を生じることがある。In particular, beryllium copper has a strength comparable to steel (1).
00kg / mm ² or more in tensile strength) we have, have a high hardness (Hv 300 or more hardness) is in a copper-based alloy. However, in the case where such a precipitation hardening treatment (age hardening treatment) is performed, when the temperature becomes higher than the precipitation (aging) temperature (350 to 450 ° C.), the hardness rapidly decreases,
It is not sufficient as a wear-resistant member. Further, such a precipitation hardening treatment is difficult to be applied to large-sized members, causing a problem of distortion due to heat treatment, and requires a long time for the treatment. Further, since precipitation is caused by diffusion in a solid, the size of the precipitated particles is as fine as about several μm. Therefore, even if hardness is obtained, it is often large under wear conditions involving sliding (sliding). Wear may occur.

【０００４】また、分散強化型の銅基合金の内で、内部
酸化法によって得られるものは、固体内での酸素の拡散
により酸化物粒子を形成するので、この分散粒子は析出
型の場合と同様に微細なものとなってしまう。しかも、
固体内拡散のために高温長時間の処理を必要とし、大物
部材に適用し難く、歪み発生の問題もある。また、焼結
法によって得られるものは、原料粉体の粒径を変えるこ
とで容易に分散粒子の大きさをコントロールすることは
できるが、均一な分散をミクロンオーダでコントロール
することは困難である。しかも、肉盛のように局部的に
銅基合金層を形成しようとすると、基体である被処理部
材全体を焼結温度まで加熱しなければならず、それによ
って被処理部材に変形・歪みが発生してしまうので、肉
盛用には不向きである。[0004] Among the dispersion-strengthened copper-based alloys, those obtained by the internal oxidation method form oxide particles by diffusion of oxygen in a solid. Similarly, it becomes fine. Moreover,
High temperature and long time treatment is required for diffusion in a solid, and it is difficult to apply the method to a large member, and there is also a problem of generation of distortion. Moreover, the size obtained by the sintering method can easily control the size of the dispersed particles by changing the particle size of the raw material powder, but it is difficult to control the uniform dispersion on the order of microns. . In addition, if a copper-based alloy layer is to be formed locally like a build-up, the entire member to be processed as a substrate must be heated to the sintering temperature, thereby causing deformation and distortion of the member to be processed. It is not suitable for overlaying.

【０００５】そこで、本出願人は、肉盛用耐摩耗性銅基
合金として、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ−（Ｂ）−Ｓｉ系の銅基
合金に珪化物や硼化物の硬質粒子を晶出により分散させ
た銅基分散強化合金を、特開昭６３−１５７８２６号公
報で提案した。Ｆｅ−Ｎｉ系の珪化物および硼化物の硬
質粒子を分散させて、従来材よりも耐摩耗性を向上させ
ることができた。Accordingly, the applicant of the present invention has proposed that a hard particle of silicide or boride is crystallized on a Cu-Ni-Fe- (B) -Si-based copper-based alloy as a wear-resistant copper-based alloy for cladding. A dispersed copper-based dispersion strengthened alloy has been proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-157826. By dispersing hard particles of Fe-Ni-based silicide and boride, the abrasion resistance was able to be improved as compared with the conventional material.

【０００６】ところで、内燃機関（例えば、自動車エン
ジン）の排気バルブは、その温度がフェース部では７０
０℃以上であり、しかも排気ガス温度が１０００℃以上
になる場合もある。このために、バルブシートは、７０
０℃以上のバルブと接触しかつ１０００℃以上のガスに
曝されることになる。したがって、バルブシートの表面
温度が高温になり、バルブに銅基合金が凝着しやすい状
態になる。そして、一旦凝着が発生すると、そこでは銅
（Ｃｕ）基合金同士の接触になるため、凝着が激しく進
行して大きな摩耗を生じることになる。上述した提案に
係る銅基合金は、硬質粒子の晶出による強化作用を利用
しているが、マトリックスの銅リッチ相の凝着を抑える
ことができないことが分かった。また、第２相の析出で
強化した従来の銅基分散強化合金においても、銅リッチ
相の凝着が抑えられないことが分かった。The temperature of an exhaust valve of an internal combustion engine (for example, an automobile engine) is 70 degrees at the face.
0 ° C. or more, and the exhaust gas temperature may be 1000 ° C. or more. For this purpose, the valve seat is
It will be in contact with a valve above 0 ° C and be exposed to a gas above 1000 ° C. Therefore, the surface temperature of the valve seat becomes high, and the copper-based alloy tends to adhere to the valve. Then, once the adhesion occurs, the copper (Cu) -based alloy is brought into contact there, so that the adhesion progresses violently, causing large wear. It has been found that the copper-based alloy according to the above-mentioned proposal utilizes the strengthening effect by crystallization of hard particles, but cannot suppress the adhesion of the copper-rich phase of the matrix. It was also found that even in the conventional copper-based dispersion strengthened alloy strengthened by the precipitation of the second phase, the adhesion of the copper-rich phase could not be suppressed.

【０００７】そこで、本出願人は、マトリックスの銅リ
ッチ相の凝着を抑制するために、銅よりも酸化しやすい
亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）を銅基初晶中に固溶させる方
法（特開平３−６０８９５号）や鉛（Ｐｂ）を銅基α相
デンドライト（樹枝状晶）間に分散させる方法（特開平
３−８７３２７号公報）を提案した。さらに、硼素
（Ｂ）添加（硼化物の形成）の代わりにモリブデン（Ｍ
ｏ）を添加し、モリブデンの珪化物を形成することで潤
滑性を高めて改善することを提案した（特願平３−１３
０７３７号）。In order to suppress the adhesion of the copper-rich phase of the matrix, the present applicant has proposed a method in which zinc (Zn) and tin (Sn), which are more easily oxidized than copper, are dissolved in a copper-based primary crystal. (JP-A-3-60895) and a method of dispersing lead (Pb) between copper-based α-phase dendrites (dendrites) (JP-A-3-87327). Further, instead of adding boron (B) (forming boride), molybdenum (M
o) to improve and improve lubricity by forming molybdenum silicide (Japanese Patent Application No. 3-13).
0737).

【０００８】また、上記提案のＣｕ−Ｎｉ−Ｆｅ−
（Ｂ）−Ｓｉ系の銅基合金のＦｅ−Ｎｉ系の珪化物／硼
化物では、高温での硬さが低下することがあるので、摩
擦により高温となり易い比較的負荷の高い滑り摩耗に対
して耐摩耗特性が劣る傾向がある。そこで、クロム（Ｃ
ｒ）を添加して、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系の珪化物および硼
化物の硬質粒子を分散させることを特開平１−１１１８
３１号公報にて提案し、さらに、鉄（Ｆｅ）を削除可能
にしたＣｕ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ系の銅基合金を特開
平１−１５２２３２号公報にて提案した。In addition, the Cu-Ni-Fe-
(B) In the case of Fe-Ni-based silicide / boride of the -Si-based copper-based alloy, the hardness at high temperature may be reduced. Wear resistance tends to be poor. Then, chrome (C
Japanese Patent Laid-Open No. 1-1118 discloses the addition of r) to disperse hard particles of Fe-Ni-Cr-based silicide and boride.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-152232 proposes a Cu-Ni-Cr-B-Si based copper-based alloy capable of removing iron (Fe).

【０００９】[0009]

【発明が解決しようとする課題】滑り摩耗に対する耐摩
耗特性は、上述した提案の銅基合金で改善されたが、特
に、アブレッシブな摩耗に対してもっと耐磨耗性を高め
たものが求められている。そこで、本発明の目的は、十
分に耐摩耗性に優れた肉盛用銅基合金を提供することで
ある。The abrasion resistance characteristics against sliding wear have been improved with the above-mentioned proposed copper-based alloys. In particular, a material having a higher abrasion resistance against abrasive wear is required. ing. Then, an object of the present invention is to provide a copper base alloy for overlaying which is sufficiently excellent in wear resistance.

【００１０】[0010]

【課題を解決するための手段】上述の目的は、Ｎｉ：５
〜３０．０mass％、Ｓｉ：０．５〜５．０mass％、Ｂ：
０．５〜３．０mass％、Ｃｏ：２〜３０mass％、および
残部：Ｃｕおよび不可避的不純物からなり、Ｎｉ、Ｓ
ｉ、ＢおよびＣｏの合計含有量が６０mass％を超えな
い、耐摩耗性に優れた肉盛銅基合金によって達成され
る。なお、以下の記載において、含有量の単位である
「wt％」および「％」は「mass％」を意味する。 SUMMARY OF THE INVENTION The above-mentioned object is to achieve Ni: 5.
-30.0 mass% , Si: 0.5-5.0 mass% , B:
0.5 to 3.0 mass% , Co: 2 to 30 mass%, and
The balance: Ni, S composed of Cu and unavoidable impurities
The total content of i, B and Co should not exceed 60 mass%.
This is achieved by a build-up copper-based alloy having excellent wear resistance. In the following description, the content is a unit.
"Wt%" and "%" mean "mass%".

【００１１】Ｃｏの一部をＦｅに置換することもできる
（ただし、Ｃｏ≧２wt％）。さらに、上述の組成に、高
融点炭化物、Ｐｂ、ＳｎおよびＺｎの一種または二種以
上を含有させても良い。A part of Co can be replaced by Fe (however, Co ≧ 2 wt%). Furthermore, one or more of high-melting carbides, Pb, Sn and Zn may be contained in the above-described composition.

【００１２】本発明に係る分散強化銅基合金は、先に提
案した合金と同様に、金属基体上にレーザ、ＴＩＧアー
ク、プラズマアーク、電子ビームなどの高密度加熱エネ
ルギーを用いて溶着（肉盛）することによって容易に形
成されるものである。その際の銅基合金は、粉末あるい
は溶接棒の形態で用意される。The dispersion-strengthened copper-based alloy according to the present invention is welded on a metal substrate using a high-density heating energy such as a laser, a TIG arc, a plasma arc, and an electron beam, similarly to the previously proposed alloy. ) Is easily formed. The copper-based alloy at that time is prepared in the form of a powder or a welding rod.

【００１３】[0013]

【作用】本発明における組成成分の限定理由は次の通り
である。ＮｉはＣｕに固溶してＣｕ基マトリックスを強
化し、硬質なＮｉの珪化物（シリサイド）をデンドライ
トの間に形成して分散強化により耐摩耗性を高める。ま
た、２液相分離後にマトリックス中に均一に分散する硬
質粒子中に珪化物、硼化物として存在し、耐摩耗性確保
に重要な役割を果たす。５％未満では効果が十分に現れ
ず、一方、３０％を越えると、２液相分離化を抑制し、
耐摩耗性確保が難しくなる。また、肉盛合金（層）の靱
性が低下する。The reasons for limiting the composition of the present invention are as follows. Ni forms a solid solution in Cu to strengthen the Cu-based matrix, and forms a hard Ni silicide (silicide) between dendrites to enhance wear resistance by dispersion strengthening. Further, it exists as silicides and borides in the hard particles uniformly dispersed in the matrix after the separation of the two liquid phases, and plays an important role in ensuring abrasion resistance. If it is less than 5%, the effect is not sufficiently exhibited, while if it exceeds 30%, separation of two liquid phases is suppressed,
It becomes difficult to secure wear resistance. In addition, the toughness of the overlay alloy (layer) decreases.

【００１４】Ｓｉは珪化物形成元素であって、主にＮｉ
と、そしてＦｅ、Ｃｏとで化合物（珪化物）を形成し
て、さらにＣｕ基マトリックスの強化に寄与して耐摩耗
性などを確保する。その量が0.５％未満では、珪化物硬
質粒子の形成に不十分であり、一方、５％を越えると、
肉盛層（ビード）の靱性が低下し、割れの発生が見られ
る。Si is a silicide-forming element and is mainly composed of Ni
And a compound (silicide) with Fe and Co, and further contributes to strengthening of the Cu-based matrix to secure wear resistance and the like. If the amount is less than 0.5%, it is insufficient to form silicide hard particles, while if it exceeds 5%,
The toughness of the build-up layer (bead) is reduced, and cracking is observed.

【００１５】Ｂは主にＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉと化合物を形成
し、硬質粒子を構成する。この硬質粒子が耐摩耗性確保
に寄与する。その量が0.５％未満では十分な耐摩耗性確
保が難しく、5.０％を越えると、肉盛合金（層）靱性が
損なわれ、割れが発生し易くなる。B mainly forms a compound with Co, Fe and Ni to form hard particles. These hard particles contribute to ensuring wear resistance. If the amount is less than 0.5%, it is difficult to secure sufficient wear resistance, and if it exceeds 5.0%, the toughness of the build-up alloy (layer) is impaired and cracks are easily generated.

【００１６】ＣｏはＣｕ基マトリックスとほとんど固溶
せず、２液相分離を促進し、主に硼化物として硬質粒子
を形成する。この硼化物は高温での硬度低下が比較的小
さいので、高温での耐摩耗性を向上させ、高負荷での耐
摩耗性を向上させることになる。その量が２％未満で
は、その効果が得られず、一方、３０％を越えると相手
材への攻撃性の悪化や肉盛合金の靱性低下を招く。Co hardly forms a solid solution with the Cu-based matrix, promotes two-liquid phase separation, and forms hard particles mainly as borides. Since this boride has a relatively small decrease in hardness at high temperatures, it improves wear resistance at high temperatures and improves wear resistance under high loads. If the amount is less than 2%, the effect cannot be obtained. On the other hand, if it exceeds 30%, the aggressiveness to the counterpart material is deteriorated and the toughness of the overlay alloy is reduced.

【００１７】ＦｅはＣｏと同様な効果を有して、Ｃｏの
一部を置換するように添加される。Ｆｅは硬質粒子の耐
熱温度を下げるが、相手攻撃性との兼ね合いで、Ｃｏ単
独添加の場合よりもトータルの摩耗量でバランスが良く
なることがある。高負荷下での特性確保のためにはＣｏ
≧２％は必要であり、ＣｏとＦｅとの合計量が２％未満
では耐摩耗性が十分でなく、３０％を越えると相手材へ
の攻撃性の悪化や肉盛合金の靱性低下を招く。Fe has the same effect as Co, and is added so as to partially replace Co. Although Fe lowers the heat resistance temperature of the hard particles, the balance may be better in terms of the total wear amount than in the case where Co alone is added, in consideration of the counterpart aggressiveness. To ensure the characteristics under high load, Co
≧ 2% is required. If the total amount of Co and Fe is less than 2%, the wear resistance is not sufficient, and if it exceeds 30%, the aggressiveness to the counterpart material is deteriorated and the toughness of the overlay alloy is reduced. .

【００１８】高融点炭化物はマトリックス中に分散して
耐摩耗性をより一層向上させる効果がある。付加的に添
加する高融点炭化物とは、融点が１５００℃以上であっ
て、実質的に肉盛合金と反応（固溶、晶出など）しない
炭化物であり、例えば、ＴａＣ、ＴｉＣ、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 、
ＶＣ、ＮｂＣなどである。高融点炭化物の添加量として
は、耐摩耗性効果を出すには１wt％以上が望ましく、一
方、２０wt％を越えると溶着性を悪化させるので望まし
くない。The high melting point carbide is dispersed in the matrix and has the effect of further improving the wear resistance. The additional high-melting carbide is a carbide having a melting point of 1500 ° C. or more and substantially not reacting (solid solution, crystallization, etc.) with the build-up alloy, for example, TaC, TiC, Cr ₃ C ₂ ,
VC, NbC and the like. The addition amount of the high melting point carbide is desirably 1% by weight or more in order to exhibit the wear resistance effect, and if it exceeds 20% by weight, the weldability deteriorates.

【００１９】Ｐｂは高温雰囲気において固体潤滑作用を
もたらす元素として添加するものである。Ｐｂの添加量
としては、固体潤滑作用による凝着摩耗特性の改善効果
を出すには２wt％以上が望ましく、一方、２０wt％を越
えると分散硬質粒子の凝集を招き、相手材攻撃性が増大
するので望ましくない。Pb is added as an element having a solid lubricating action in a high temperature atmosphere. The addition amount of Pb is desirably 2% by weight or more in order to obtain the effect of improving the adhesive wear characteristics due to the solid lubrication effect. On the other hand, if it exceeds 20% by weight, aggregation of dispersed hard particles is caused, and the aggressiveness of the counterpart material is increased. Not so desirable.

【００２０】ＳｎおよびＺｎはＣｕ基合金の耐凝着性向
上（Ｃｕ基初晶での酸化物被膜形成）のために添加する
ものである。Ｓｎの添加量としては、凝着摩耗特性の改
善効果を出すには３wt％以上が望ましく、一方、１５wt
％を越えるとレーザやＴＩＧなどにて肉盛した際に割れ
の発生を招くことがあり望ましくない。また、Ｚｎの添
加量としては、凝着摩耗特性の改善効果を出すには同じ
く３wt％以上が望ましく、一方、３０wt％を越えると肉
盛した際に割れの発生を招くことがあり望ましくない。Sn and Zn are added for improving the adhesion resistance of the Cu-based alloy (forming an oxide film on the primary Cu-based crystal). The addition amount of Sn is desirably 3 wt% or more in order to obtain the effect of improving the adhesive wear characteristics.
%, It is not desirable because cracking may be caused when cladding is performed by laser or TIG. Further, the addition amount of Zn is desirably 3% by weight or more in order to exhibit the effect of improving the adhesive wear characteristics. On the other hand, if the amount exceeds 30% by weight, cracks may be generated when building up, which is not desirable.

【００２１】[0021]

【実施例】以下、添付図面を参照して、本発明の実施態
様例および比較例によって本発明をより詳細に説明す
る。表１に示した組成（wt％）の合金粉末の試料Ａ〜Ｉ
（本発明実施例のＣｕ基合金）と、比較例として特開昭
６３−１５７８２６号公報（特許請求の範囲第１項）で
の合金粉末の試料Ｊと、特開平１−５２２３２号公報で
の合金粉末の試料Ｋとを、後述するようにレーザ光を熱
源として用いて、Ａｌ合金（ＪＩＳ・ＡＣ２Ｃ）基板上
に溶着させて肉盛（溶着）層を形成した。試料Ｆは高融
点炭化物としてＴａＣ粒子を9.０％付加添加したもので
あり、試料ＧはＰｂを3.０％付加添加したものであり、
試料ＨはＳｎを5.０％付加添加したものであり、そして
試料ＩはＺｎを5.０％付加添加したものである。試料Ｊ
およびＫは比較例のＣｕ基合金である。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in more detail with reference to the accompanying drawings. Samples A to I of alloy powder having the composition (wt%) shown in Table 1
(Cu-based alloy of Examples of the present invention), a sample J of an alloy powder in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-157826 (Claim 1) as a comparative example, and a sample J in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-52232. A sample K of the alloy powder was welded on an Al alloy (JIS AC2C) substrate using a laser beam as a heat source, as described later, to form a build-up (welded) layer. Sample F was obtained by adding 9.0% of TaC particles as a high melting point carbide, and sample G was obtained by adding 3.0% of Pb.
Sample H was the one with 5.0% Sn added and Sample I was the one with 5.0% Zn added. Sample J
And K are Cu-based alloys of Comparative Examples.

【００２２】[0022]

【表１】 [Table 1]

【００２３】ここでの肉盛（溶着）は、図１に示すよう
な装置を用いて行った。図１において、金属基体（Ａｌ
合金基板：ＡＣ２Ｃ）１を矢印Ｔの方向へ４５０〜２０
００mm／min の速度で連続的に移動させる。この金属基
体１上に、試料Ａ〜Ｋの粉末２をホッパー（図示せず）
から粉末供給管３を介して、移動方向Ｔに対し直交する
方向にある幅Ｗで連続的に供給する。一方、レーザ光
４、はレーザ光源（図示せず）から折り返しミラー５お
よびオシレートミラー６で反射されて、金属基体１上の
粉末２に直径0.５〜5.０mmに集光された状態で１×１０
² 〜２×１０⁴ ｗ／mm² のパワー密度で照射される。こ
こでオシレートミラー６は、ガルバノモータなどの振動
機構７によって所定角度の範囲で振動して、粉末２に照
射されるレーザ光４を移動方向Ｐに対し直交する方向、
すなわち、金属基体１上の粉末２の幅Ｗの方向に１０〜
５００Ｈｚの周波数でオシレート（走査）する。The overlaying (welding) was performed using an apparatus as shown in FIG. In FIG. 1, a metal substrate (Al
Alloy substrate: AC2C) 1 in the direction of arrow T from 450 to 20
Move continuously at a speed of 00 mm / min. A powder 2 of samples A to K is put on a hopper (not shown) on the metal base 1.
Through the powder supply pipe 3 to continuously supply with a width W in a direction orthogonal to the moving direction T. On the other hand, the laser light 4 is reflected by a turning mirror 5 and an oscillating mirror 6 from a laser light source (not shown), and is condensed on the powder 2 on the metal substrate 1 to a diameter of 0.5 to 5.0 mm. 1 × 10
Irradiation is performed at a power density of ^{2 to} 2 × 10 ⁴ w / mm ² . Here, the oscillating mirror 6 is oscillated in a range of a predetermined angle by a vibration mechanism 7 such as a galvano motor, so that the laser light 4 applied to the powder 2 is directed in a direction orthogonal to the moving direction P,
That is, in the direction of the width W of the powder 2 on the metal substrate 1,
Oscillate (scan) at a frequency of 500 Hz.

【００２４】ここで、金属基体１上に配置された合金粉
末もしくは混合粉末２がレーザ光４の照射により急速溶
融された状態では、その溶融物９はＣｕ基マトリックス
となる合金の液相と、分散相なるべき液相とが分離した
状態、すなわち２液相またはそれ以上の多液相状態とな
り、その多液相状態の溶融物９をレーザ光ビームのオシ
レートによって攪拌することにより、２液相以上の多液
相が分離したまま、水中で油を攪拌する如き様相を呈
し、最終的に分散相粒子となるべき液相が球状に近い状
態でマトリックスとなるべき液相中に均一に分散する。
そしてその状態でレーザビームと金属基体との相対移動
（走査）によって溶融物９が凝固する際には、分散相と
なるべき相がマトリックスとなる相中に均一に分散した
まま凝固して、ＣｏとＮｉの珪化物や硼化物からなる分
散相粒子がＣｕ基マトリックス中に分散した本発明のＣ
ｕ基分散強化合金からなる溶着層８が金属基体１上に形
成されるものである。Here, in a state where the alloy powder or the mixed powder 2 disposed on the metal substrate 1 is rapidly melted by the irradiation of the laser beam 4, the molten material 9 becomes a liquid phase of the alloy serving as a Cu-based matrix. A liquid phase to be a dispersed phase is separated, that is, a multi-liquid phase of two liquid phases or more, and the melt 9 in the multi-liquid phase is agitated by oscillating a laser beam to form a two-liquid phase. While the above multi-liquid phase is separated, the oil-like phase is stirred in water, and the liquid phase to be finally dispersed particles is uniformly dispersed in the liquid phase to be a matrix in a nearly spherical state. .
When the melt 9 is solidified by the relative movement (scanning) of the laser beam and the metal base in that state, the melt 9 solidifies while the phase to be a dispersed phase is uniformly dispersed in the matrix phase. Phase particles according to the present invention, wherein dispersed phase particles comprising silicide or boride of Ni and Ni are dispersed in a Cu-based matrix.
The welding layer 8 made of a u-base dispersion strengthened alloy is formed on the metal substrate 1.

【００２５】このようなレーザ光４の照射によって、粉
末２（粒径：４０〜１５０μｍ）は瞬時に溶融されて溶
融物９となり、かつレーザ光４をオシレートすることに
よりその溶融物９が攪拌され、引き続いてその溶融物９
が金属基体１のＴ方向への移動によりレーザ光４が照射
されない位置に到れば、金属基体１への熱移動により急
速凝固され、分散強化Ｃｕ基合金からなる肉盛層（溶着
層）８が形成される。The powder 2 (particle size: 40 to 150 μm) is instantaneously melted into a melt 9 by the irradiation of the laser beam 4, and the melt 9 is stirred by oscillating the laser beam 4. , Followed by the melt 9
Reaches the position where the laser beam 4 is not irradiated due to the movement of the metal base 1 in the T direction, the solidification is rapidly solidified by the heat transfer to the metal base 1, and the build-up layer (weld layer) 8 made of a dispersion-strengthened Cu-based alloy is formed. Is formed.

【００２６】試料Ａ〜Ｋについてレーザ肉盛（溶着）
を、例えば、レーザ出力4.５ｋＷ、レーザビーム径2.５
mm、処理走査速度８００mm/min、レーザビームのオシレ
ート幅８mm、パワー密度２２５Ｗ／mm² 、オシレート周
波数２００Ｈｚの条件にて行い、Ａｌ基板１上に分散強
化Ｃｕ基合金の肉盛層８が得られる。試料Ｃの肉盛層の
表面研磨組織の金属組織写真（×４００）を図２に示
す。なお、試料Ａ、Ｂ、ＤおよびＥの肉盛層も試料Ｃと
本質的に同様な組織であった。Laser cladding (welding) for samples A to K
For example, a laser output of 4.5 kW and a laser beam diameter of 2.5
mm, processing scanning speed 800 mm / min, laser beam oscillating width 8 mm, power density 225 W / mm ² , oscillating frequency 200 Hz, to obtain a build-up layer 8 of a dispersion strengthened Cu-based alloy on the Al substrate 1. . FIG. 2 shows a metallographic photograph (× 400) of the surface polishing structure of the cladding layer of Sample C. In addition, the overlay layers of Samples A, B, D and E had essentially the same structure as Sample C.

【００２７】この組織写真（図２）から、銅基合金での
Ｃｕ基のマトリックス中に比較的大きな硬質粒子が比較
的均一に分散していることが分かる。これらの粒子は、
Ｃｏ、Ｎｉの珪化物、硼化物（ＨＶ＞７００）から構成
されている。From this structure photograph (FIG. 2), it can be seen that relatively large hard particles are relatively uniformly dispersed in the Cu-based matrix of the copper-based alloy. These particles are
It is composed of Co and Ni silicides and borides (HV> 700).

【００２８】（摩耗試験）形成した肉盛層（分散強化Ｃ
ｕ基合金）の摺動摩耗特性を調べるために、大越式摩耗
試験機により摩耗試験を行った。この試験は図３に示す
ように、金属基板１上の肉盛層８にステライトＮｏ．６
（Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ系の表面硬化用肉盛材）からなるロー
タ１０を押しつけつつ該ロータを回転させ、摩耗痕の幅
Ｌ調べる方法である。(Wear test) Formed overlay (dispersion strengthening C
In order to examine the sliding wear characteristics of the u-base alloy), a wear test was performed using an Ogoshi type wear tester. In this test, as shown in FIG. 6
This is a method in which the rotor 10 is rotated while pressing the rotor 10 made of (Co-Cr-W-based hardfacing material for surface hardening) to check the width L of the wear mark.

【００２９】試験条件としては、すべり速度0.３ｍ／
秒、すべり距離１００ｍ、最終荷重２０kgとした。この
ような摩耗試験の結果を図４に示す。図４から明らかな
ように、本発明に係る銅基合金試料Ａ〜Ｉでは、比較例
ＪおよびＫ（従来例）よりも摩耗痕幅が小さい。このよ
うに本発明の銅基合金は耐摩耗性が従来よりも向上して
いる。The test conditions include a slip velocity of 0.3 m /
Second, the sliding distance was 100 m, and the final load was 20 kg. FIG. 4 shows the results of such a wear test. As is clear from FIG. 4, the wear mark widths of the copper-based alloy samples A to I according to the present invention are smaller than those of Comparative Examples J and K (conventional examples). As described above, the wear resistance of the copper-based alloy of the present invention is improved as compared with the conventional one.

【００３０】（硬質粒子サイズ分布）試料Ｃ（本発明）
および試料Ｋ（比較例、特開平１−５２２３２号公報で
のＣｕ基合金）の硬質粒子（Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉの珪化物
および硼化物）のサイズを調べ、そのサイズ分布を図５
に示す。Ｃｒはその硼化物の融点（凝固点）が約１８０
０℃と高く、肉盛合金の凝固時に優先的に硼素（Ｂ）と
反応して硼化物を形成する。レーザ肉盛では凝固速度が
非常に速いために、この硼化物が大きく成長することな
く凝固が終了するので、粒子サイズの小さいものが多数
形成される。一方、Ｃｏを含有した試料Ｃでは、コバル
ト硼化物の融点が比較的低い（約１０００℃）ために、
液相での２相分離を行うのに十分時間があり（時間の制
御が可能となる）、大きなサイズの粒子を晶出すること
ができる。そのために、図５に示すように、サイズ分布
がなだらかな曲線で大きなサイズの粒子も形成される。
一般に、アブレッシブな摩耗に対する特性を確保するに
は、ある程度大きなサイズの硬質粒子が相手材の硬質粒
子との兼ね合いで重要であり、Ｃｒ含有銅基合金では大
きなサイズの硬質粒子を形成することが困難であるの
で、耐摩耗特性確保が難しいと考えられる。(Hard particle size distribution) Sample C (the present invention)
The size of hard particles (silicides and borides of Cr, Co, and Ni) of sample K (comparative example, Cu-based alloy in JP-A-1-52232) was examined, and the size distribution was shown in FIG.
Shown in Cr has a melting point (freezing point) of its boride of about 180.
It is as high as 0 ° C. and reacts preferentially with boron (B) during solidification of the build-up alloy to form boride. In the laser cladding, the solidification rate is very high, so that the solidification is completed without large growth of the boride, so that many particles having a small particle size are formed. On the other hand, in the sample C containing Co, the melting point of cobalt boride is relatively low (about 1000 ° C.).
There is enough time to allow two-phase separation in the liquid phase (time can be controlled) and large sized particles can be crystallized. As a result, as shown in FIG. 5, large-sized particles having a gentle size distribution curve are also formed.
Generally, in order to secure the property against abrasive wear, hard particles having a relatively large size are important in relation to the hard particles of the counterpart material, and it is difficult to form large size hard particles with a Cr-containing copper-based alloy. Therefore, it is considered that it is difficult to secure the wear resistance characteristics.

【００３１】（硬質粒子の硬度）試料Ｃ（本発明）およ
び試料Ｊ（比較例、特願昭６３−１５７８２６号公報で
のＣｕ基合金）の硬質粒子（試料ＣではＮｉ、Ｃｏの珪
化物および硼化物、試料ＪではＮｉ、Ｆｅの珪化物およ
び硼化物）およびマトリックスのビッカース硬さ（ＨＶ
｛9.８Ｎ｝）を調べ、その結果を図６に示す。図６から
分かるように、試料ＣおよびＪのＣｕ基マトリックス部
の硬さはほぼ同じであるが、硬質粒子の高温硬さは試料
Ｃのほうが試料Ｊよりも高い。これは、２液相分離によ
って生じた試料Ｃの硬質粒子の硬さは高温による低下が
少ないからであり、特に、高負荷を受ける場合に耐摩耗
性が優れることになる。(Hardness of Hard Particles) Hard particles of sample C (the present invention) and sample J (comparative example, Cu-based alloy in Japanese Patent Application No. 63-157826) (silicide of Ni and Co in sample C and Boride, sample J, silicides and borides of Ni and Fe) and Vickers hardness of matrix (HV
{9.8N}) and the results are shown in FIG. As can be seen from FIG. 6, although the hardness of the Cu-based matrix portions of Samples C and J are almost the same, the high-temperature hardness of the hard particles of Sample C is higher than that of Sample J. This is because the hardness of the hard particles of the sample C generated by the two liquid phase separation hardly decreases due to the high temperature, and the abrasion resistance is excellent particularly under a high load.

【００３２】（ＣｏのＦｅによる置換）本発明では、必
須成分のＣｏの一部をＦｅにて置換することができ、Ｆ
ｅ置換効果を次のようにして調べた。銅基合金組成とし
ては、Ｎｉ：２０wt％、Ｓｉ：2.８wt％、Ｂ：1.３wt
％、ＣｏおよびＦｅの合計（一定）：１０wt％、残部Ｃ
ｕとして、Ｆｅ量を変えた組成で、図１に関連して説明
したレーザ肉盛を上述した条件で行って、金属基体１の
上に肉盛層８を形成した。図３に示した大越式摩耗試験
機にて、ロータ１０の材質をステライトＮｏ．６（肉盛
用合金）とし、上述した条件にて摩耗試験を行い肉盛層
の摩耗痕幅（耐摩耗性）およびロータ減量（相手材攻撃
性）を調べ、その結果を図７に示す。ＣｏおよびＦｅの
一定合計量（１０％）においてＦｅ量が多くなるほど、
耐摩耗性が低下するが、相手攻撃性が強くなる。したが
って、相手材に応じて銅基合金組成を規定することによ
って、相手攻撃性および耐摩耗性を含めた摩耗特性をよ
り適切なものとした肉盛層を形成することができる。(Replacement of Co with Fe) In the present invention, a part of the essential component Co can be replaced by Fe.
The e-substitution effect was examined as follows. The composition of the copper-based alloy is as follows: Ni: 20 wt%, Si: 2.8 wt%, B: 1.3 wt%
%, Total of Co and Fe (constant): 10 wt%, balance C
The laser overlay described with reference to FIG. 1 was performed under the above-described conditions with u as the composition in which the amount of Fe was changed, and the overlay layer 8 was formed on the metal substrate 1. In the Ogoshi type abrasion tester shown in FIG. 6 (build-up alloy), a wear test was conducted under the above-described conditions, and the wear mark width (wear resistance) and the rotor weight loss (counterpart attack) of the build-up layer were examined. The results are shown in FIG. As the amount of Fe increases in a fixed total amount of Co and Fe (10%),
Abrasion resistance decreases, but opponent aggression increases. Therefore, by defining the composition of the copper-based alloy according to the mating material, it is possible to form a build-up layer having more appropriate wear characteristics including the mating aggressiveness and wear resistance.

【００３３】[0033]

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る分散
強化Ｃｕ基合金は、従来よりも高温状態での耐摩耗性が
優れている。そして、本発明のＣｕ基合金を任意に金属
基体上に肉盛（溶着）できるので、各種の機械部品（エ
ンジンのバルブシートを含め）で耐摩耗性が必要な部位
のみにこれを形成して特性向上を図ることができる。As described above, the dispersion-strengthened Cu-based alloy according to the present invention has better abrasion resistance in a high temperature state than the conventional one. Since the Cu-based alloy of the present invention can be arbitrarily built up (welded) on a metal substrate, it can be formed only on portions of various mechanical parts (including engine valve seats) where wear resistance is required. The characteristics can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】金属基板上へＣｕ基合金をレーザ肉盛（溶着）
する方法を示す装置の概略斜視図である。FIG. 1 Laser cladding (welding) of a Cu-based alloy on a metal substrate
FIG. 2 is a schematic perspective view of an apparatus showing a method for performing the method.

【図２】本発明にかかる試料Ｃの分散強化Ｃｕ基合金肉
盛層の金属組織写真（×４００）である。FIG. 2 is a metallographic photograph (× 400) of a dispersion-strengthened Cu-based alloy cladding layer of Sample C according to the present invention.

【図３】大越式摩耗試験機を模式的に示す概略図であ
る。FIG. 3 is a schematic view schematically showing an Ogoshi-type abrasion tester.

【図４】摩耗試験結果を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a wear test result.

【図５】試料ＣおよびＫの硬質粒子サイズの分布を示す
グラフである。FIG. 5 is a graph showing the distribution of the hard particle size of Samples C and K.

【図６】試料ＣおよびＫの硬質粒子およびマトリックス
の硬さを示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing hardness of hard particles and a matrix of Samples C and K.

【図７】本発明の銅基合金でのＦｅ量の摩耗痕幅および
ロータ減量への影響を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the effect of Fe content on wear scar width and rotor weight loss in the copper-based alloy of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１…金属基体 ２…粉末 ４…レーザ光 ８…肉盛層（溶着層） １０…ロータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Metal substrate 2 ... Powder 4 ... Laser beam 8 ... Overlay layer (welding layer) 10 ... Rotor

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 仲川 政宏 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 村瀬 博之 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 河崎 稔 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 斎藤 卓 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 田中 浩司 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１株式会社豊田中央研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 9/00 - 9/10 B23K 35/30 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Masahiro Nakagawa 1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Toyota Motor Corporation (72) Inventor Hiroyuki Murase 1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Toyota Motor Corporation ( 72) Inventor Minoru Kawasaki 1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Inside Toyota Motor Co., Ltd. (72) Inventor Taku Saito 41 Toyota Chuo R & D Laboratories Co., Ltd. Inventor Koji Tanaka 41 Toyota Chuo R & D Laboratories Co., Ltd. 1 at 41, Chuchu-yokomichi, Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi Prefecture (58) Field surveyed (Int.Cl. ⁷ , DB name) C22C 9/00-9/10 / 30

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】 下記組成： Ｎｉ：５〜３０．０mass％ Ｓｉ：０．５〜５．０mass％ Ｂ ：０．５〜３．０mass％ Ｃｏ：２〜３０mass％、および 残部：Ｃｕおよび不可避的不純物 からなり、Ｎｉ、Ｓｉ、ＢおよびＣｏの合計含有量が６
０mass％を超えない、 耐摩耗性に優れた肉盛銅基合金。1. The following composition: Ni: 5 to 30.0 mass% Si: 0.5 to 5.0 mass% B: 0.5 to 3.0 mass% Co: 2 to 30 mass%, and the balance: Consisting of Cu and unavoidable impurities , the total content of Ni, Si, B and Co is 6
Overlaid copper-based alloy with excellent wear resistance not exceeding 0 mass% . 【請求項２】 Ｃｏ≧２mass％となる範囲内で、Ｃｏの
一部をＦｅで置換した請求項１記載の肉盛銅基合金。2. Within the range where Co ≧ 2 mass%, the content of Co
2. The hardfacing copper-based alloy according to claim 1, wherein a part thereof is replaced with Fe . 【請求項３】 融点が１５００℃以上である高融点炭化
物：１〜２０mass％、Ｐｂ：２〜２０mass％、Ｓｎ：３
〜１５mass％およびＺｎ：３〜３０mass％からなる群か
ら選択された少なくとも一種を含有している請求項１ま
たは２記載の肉盛銅基合金。3. A high melting point carbonized material having a melting point of 1500 ° C. or more.
Product: 1 to 20 mass%, Pb: 2 to 20 mass%, Sn: 3
Group consisting of １５15 mass% and Zn: 3-30 mass%
The hardfacing copper-based alloy according to claim 1 , comprising at least one selected from the group consisting of: