(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工部にレーザクラッド加工が施されるレーザクラッド加工用素材を鋳造により成形する際に、レーザクラッド加工時に熱影響を受ける被加工部およびその近傍である熱影響部位を成形するインサート型を型本体から熱的に分離した低圧鋳造用型を用い、インサート型により熱影響部位を冷却しながら鋳造を行い、このとき、熱影響部位の素材冷却速度を以下の関係式
６．５１６×ｌｏｇ１０（ＤＡＳ値μｍ）＋２．４６７×（溶湯ガス量ｃｃ／１００ｇＡｌ）＜１１．１６４
の範囲とすることにより熱影響部位の素材空孔率を０．１２％以下としたことを特徴とするレーザクラッド加工用素材の製造方法。
【請求項２】
インサート型が、冷却用流体の流通路と温度測定手段を備えており、温度測定手段による測定温度に基づいて冷却用流体を調整し、インサート型の温度制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザクラッド加工用素材の製造方法。
【請求項３】
型本体とインサート型との間にエアギャップを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザクラッド加工用素材の製造方法。
【請求項４】
インサート型と型本体の湯口および湯道との間に断熱材を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザクラッド加工用素材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳造により成形した後に被加工部にレーザクラッド加工が施されるレーザクラッド加工用素材の製造方法に関し、より具体的には、鋳造により成形した後に被加工部であるバルブシート部にレーザクラッド加工が施される自動車のシリンダヘッド等のレーザクラッド加工用素材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、自動車用エンジンのさらなる高性能化を実現するために、シリンダヘッドのバルブシート部にレーザクラッド加工を行っている。このレーザクラッド加工では、例えば鋳造により成形されたアルミニウム合金製のシリンダヘッドに対して銅合金製の粉末クラッド用金属が用いられ、環状のバルブシート部に沿ってクラッド金属を供給しながらレーザビームを集中的に照射し、クラッド用金属を溶接肉盛りしてバルブシートを一体的に形成する。
【０００３】
このようにバルブシート部にレーザクラッド加工を施すことにより、別体のバルブシート部品を使用した場合に比べて耐摩耗性や耐熱性を高めることができ、また、熱伝導率の向上に伴ってエンジンの圧縮比や燃焼効率の向上にも貢献し得るものとなる。このようなレーザクラッド加工の技術は、例えば特開平１１−２９１０７２号公報に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、鋳造により成形した素材に前加工として切削等の機械加工をし、こののちレーザクラッド加工を施した場合、肉盛り層を形成したときに発生する加工不良の１つにポア欠陥がある。このポア欠陥は、図７に示すように、素材（金属母材）Ａのガス欠陥内に残留したガスや引け巣等の鋳造欠陥内に残留した前加工時の切削油等がレーザクラッド加工時の熱で肉盛り層Ｂ内に噴出し、肉盛り層Ｂの凝固時に気泡Ｃを形成して表面に露出したもの（Ｄ）であり、被加工部がシリンダヘッドのバルブシート部である場合、バルブシート面への露出によってシール不良をもたらすことがある。
【０００５】
そこで、従来では、鋳造により成形した素材を機械加工した後、洗浄剤を用いて切削油等を洗浄し、さらに素材を真空加熱により乾燥させて洗浄剤を除去し、ポア欠陥の発生率を低減させていた。しかし、このような洗浄工程および乾燥工程を経ると、全体の製造工程が長いものになるほか、初期の設備費や洗浄剤等のランニングコストが嵩むという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、レーザクラッド加工時にポア欠陥の発生を防止することができ、また、製造工程の短縮や設備費およびランニングコストの節減が可能であるレーザクラッド加工用素材の製造方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるレーザクラッド加工用素材の製造方法は、請求項１として、被加工部にレーザクラッド加工が施されるレーザクラッド加工用素材を鋳造により成形する際に、レーザクラッド加工時に熱影響を受ける被加工部およびその近傍である熱影響部位を成形するインサート型を型本体から熱的に分離した低圧鋳造用型を用い、インサート型により熱影響部位を冷却しながら鋳造を行い、このとき、熱影響部位の素材冷却速度を以下の関係式
６．５１６×ｌｏｇ１０（ＤＡＳ値μｍ）＋２．４６７×（溶湯ガス量ｃｃ／１００ｇＡｌ）＜１１．１６４
の範囲とすることにより熱影響部位の素材空孔率（素材の単位体積あたりの空孔総容積の割合）を０．１２％以下とした構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【０００８】
本発明に係わるレーザクラッド加工用素材の製造方法は、請求項２として、インサート型が、冷却用流体の流通路と温度測定手段を備えており、温度測定手段による測定温度に基づいて冷却用流体を調整し、インサート型の温度制御を行う構成とし、請求項３として、型本体とインサート型との間にエアギャップを設けた構成とし、請求項４として、インサート型と型本体の湯口および湯道との間に断熱材を設けた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【０００９】
なお、上記構成に基づいて低圧鋳造によりレーザクラッド加工用素材を製造する場合、保持炉の溶湯中に不活性ガスを供給して溶湯の脱ガスを行うバブリングや、保持炉内に不活性ガスを加圧供給して溶湯の吸ガスを防止する手段を併用することができる。
【００１０】
【発明の作用】
本発明の請求項１に係わるレーザクラッド加工用素材の製造方法では、被加工部にレーザクラッド加工が施されるレーザクラッド加工用素材を鋳造により成形する際に、レーザクラッド加工時に熱影響を受ける被加工部およびその近傍である熱影響部位を成形するインサート型を型本体から熱的に分離した低圧鋳造用型を用い、インサート型により熱影響部位を個別に冷却しながら鋳造を行うので、熱影響部位のみの冷却速度を調整し得ることとなり、この際、熱影響部位について、溶湯ガス量やＤＡＳ（デンドライトアームスペーシング）値に代表される冷却速度を所定の関係式で表される範囲に設定したので、熱影響部位が急速に冷却されて、熱影響部位の素材空孔率が０．１２％以下となる。そして、熱影響部位の素材空孔率を０．１２％以下としたので、鋳造により成形した素材に機械加工を施し、その後、洗浄剤を用いた洗浄工程や乾燥工程を行わずに素材にレーザクラッド加工を施したとしても、素材内部におけるガスや切削油等の残留がほとんど無く、これによりレーザクラッド加工時におけるポア欠陥の発生率がほぼ零になる。
【００１３】
本発明の請求項２に係わるレーザクラッド加工用素材の製造方法では、素材を鋳造により成形する際に、熱電対等の温度測定手段によって熱影響部位を成形するインサート型の温度を測定し、その測定結果に基づいてインサート型の流通路に流通する冷却用流体の流量を制御し、これにより熱影響部位の冷却速度が所定の範囲となるようにインサート型の温度制御を行うので、熱影響部位の冷却速度が正確に制御されることとなる。
【００１４】
本発明の請求項３に係わるレーザクラッド加工用素材の製造方法では、型本体とインサート型との間にエアギャップを設けているので、このエアギャップによって型本体からインサート型が熱的に分離され、インサート型ならびに熱影響部位の冷却効率が高められる。
【００１５】
本発明の請求項４に係わるレーザクラッド加工用素材の製造方法では、インサート型と型本体の湯口および湯道との間に断熱材を設けているので、この断熱材によって型本体からインサート型が熱的に分離されると共に、インサート型に対する溶湯の熱影響が一層少なくなり、インサート型ならびに熱影響部位の冷却効率がより高められる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わるレーザクラッド加工用素材の製造方法によれば、レーザクラッド加工用素材を鋳造により成形する際に、熱影響部位を成形するインサート型を型本体から熱的に分離した構造の低圧鋳造用型を用いると共に、熱影響部位について、溶湯ガス量やＤＡＳ（デンドライトアームスペーシング）値に代表される冷却速度を所定の関係式で表される範囲に設定したことにより、簡単な構造であるうえに、熱影響部位のみの冷却速度を所定の範囲に設定して、熱影響部位の素材空孔率を０．１２％以下にすることができ、これにより、素材内部におけるガスや機械加工時の切削油等の残留がほとんど無くなるので、従来の洗浄剤を用いた洗浄工程や真空加熱による乾燥工程が不要となり、その後のレーザクラッド加工時においてポア欠陥の発生率を実質的に零にすることができ、高品質のレーザクラッド加工部ならびに高品質の製品を得ることができる。また、洗浄工程や乾燥工程の廃止に伴って製造工程の大幅な短縮を実現することができると共に、設備費およびランニングコストの大幅な節減をも実現することができる。
【００１９】
本発明の請求項２に係わるレーザクラッド加工用素材の製造方法によれば、請求項１と同様の効果を得ることができるうえに、インサート型の流通路に流通させる冷却用流体およびインサート型の温度を測定する温度測定手段により、熱影響部位の冷却速度を正確に制御することができ、熱影響部位における０．１２％以下の素材空孔率をより確実に得ることができる。
【００２０】
本発明の請求項３に係わるレーザクラッド加工用素材の製造方法によれば、請求項１および２と同様の効果を得ることができるうえに、型本体とインサート型との間に設けたエアギャップにより、インサート型および熱影響部位の冷却効率を高めることができ、型本体側においては過冷却を防止することができる。
【００２１】
本発明の請求項４に係わるレーザクラッド加工用素材の製造方法によれば、請求項１〜３と同様の効果を得ることができるうえに、インサート型と型本体の湯口および湯道との間に設けた断熱材により、インサート型と型本体の湯口および湯道とが比較的近い位置関係であっても、インサート型および熱影響部位の冷却効率を高めることができると共に、冷却されたインサート型の影響で溶湯の温度が低下するような事態を防ぐことができる。
【００２２】
【実施例】
以下、図面に基づいて、本発明に係わるレーザクラッド加工用素材の製造方法を説明する。なお、この実施例におけるレーザクラッド加工用素材は、自動車のエンジンを構成するシリンダヘッドであって、鋳造により成形した後、切削等の機械加工を行ってから、被加工部であるバルブシート部にレーザクラッド加工が施される。
【００２３】
この実施例のレーザクラッド加工用素材は、鋳造材料としてＪＩＳ−ＡＣ２Ａ材にＳｒを５０〜１００ｐｐｍ添加したものを用いると共に、図３および図４に示す低圧鋳造装置を用いて成形した。
【００２４】
図示の低圧鋳造装置は、互いに開閉可能な複数の分割型１Ａ〜１Ｄから成る低圧鋳造用型１と、低圧鋳造用型１下側に配置され且つ加熱手段としてのヒーター２を備えた保持炉３を備えている。低圧鋳造用型１は、各分割型１Ａ〜１Ｄを閉じた状態でレーザクラッド加工用素材の成形空間４を形成し、下部には湯道５を介して成形空間４に通じる湯口６が設けてある。この湯口６には、保持炉３内の溶湯７に下端部を没入させたストーク８の上端部が接続してある。
【００２５】
また、低圧鋳造用型１は、図１に一部を示すように、シリンダヘッドであるレーザ加工用素材Ｗにおいてレーザクラッド加工時に熱影響を受ける部位、すなわちバルブシート部である被加工部およびその近傍の熱影響部位Ｑを成形するインサート型９を備えている。
【００２６】
インサート型９は、図２にも示すように、複数のバルブシート部に対応するシート成形部９ａを突出状態にすると共に、その内部には、図２に一部を示す如くシート成形部９ａを囲む冷却用流体の流通路１０が形成してあり、さらに、同型９の温度を測定するための温度測定手段１１が設けてある。温度測定手段１１には例えば熱電対を用いる。そして、インサート型９は、型本体（１Ｄ）との間に図１に示すエアギャップ１２が設けてあり、これにより型本体（１Ｄ）から熱的に分離された状態になっている。
【００２７】
また、インサート型９は、型本体（１Ｄ）の湯道５および湯口６との間に、図１に示す断熱材１３が設けてあり、これにより、後にインサート型９を冷却した際に高い冷却効率が得られるようにし、且つまた湯道５を通過する溶湯の温度低下を防止している。
【００２８】
さらに、インサート型９において熱電対等で構成される温度測定手段１１は図示しない制御装置に接続してある。制御装置は、測定温度に基づいて冷却用流体の供給源を駆動し、冷却用流体の流量を調整する。つまり、温度測定手段１１を入力源として、インサート型９の温度が所定の温度になるように、流通路１０に流通する冷却用流体の流量が制御される。したがって、予めインサート型の温度と溶湯の冷却速度との関係を設定しておけば、上記の制御によってレーザクラッド加工用素材Ｗの熱影響部位Ｑの冷却速度を調整することができる。
【００２９】
上記の低圧鋳造装置を用いてレーザクラッド加工用素材を製造するにあたり、まず、取鍋から保持炉３に出湯した後、図３に示すように、ボンベ１４およびノズル１５を用いて溶湯７中にアルゴンガスを供給し、バブリングにより溶湯７の脱ガスを行った。また、図４に示すように、ボンベ１６、加圧コントローラ１７および除湿機１８を用いて保持炉３内に露点−４０℃以下の窒素ガスを加圧供給して、溶湯７の吸ガスを防止する作業を行った。
【００３０】
こののち、保持炉３内を加圧することにより、ストーク８を通して溶湯７を低圧鋳造用型１の成形空間４に充填し、さらに、温度測定手段１１によりインサート型９の温度を測定しつつ流通路１０に冷却用流体を流通させて熱影響部位Ｑの冷却速度を調整し、溶湯７が凝固した後、分割型１Ａ〜４Ｄを開くことでレーザクラッド加工用素材を取り出した。
【００３１】
このようにして、溶湯ガス量および熱影響部位の冷却速度を異ならせて複数のレーザクラッド加工用素材Ｗを成形し、夫々の熱影響部位Ｑの素材空孔率（素材の単位体積あたりの空孔総容積の割合）を調べた。このとき、素材空孔率は、成形したレーザクラッド加工用素材における熱影響部位の表面を研磨し、この研磨面を例えば１００倍で組織写真を撮り、この写真に１ｍｍ方眼を重ねて０．５ｍｍ２  以上空孔にかかっている方眼の目を数え、全空孔面積を算定して全体に対する面積率を求めたものである。なお、測定した全面積は２ｍｍ２  程度とした。
【００３２】
溶湯のガス量と冷却速度（ＤＡＳ値）と素材空孔率の関係は、図５の三次元グラフに示すようなものとなった。ここで、図５に示す線Ｍに対して、図示する左側の領域（ＯＫ）が素材空孔率０．１２％以下となり、図示する右側の領域で素材空孔率０．１２％を越える。図５に示す関係から、以下の式を導き出した。
【００３３】
【式１】
６．５１６×ｌｏｇ１０（ＤＡＳ値μｍ）＋２．４６７×（溶湯ガス量ｃｃ／１００ｇＡｌ）＝ｌｏｇ１０（素材空孔率％）＋１２．０８５
【００３４】
次に、上記の如く鋳造により成形したレーザクラッド加工用素材の被加工部にレーザクラッド加工を行った。クラッド用金属には、Ｎｉを１４質量％、Ｓｉを３質量％、Ｆｅを１．５質量％、Ｃｒを２質量％、Ａｌを１質量％、Ｖを２質量％、およびＰを０．５質量％含む銅合金粉末を用いた。クラッド用金属の供給量は０．７２ｇ／ｓｅｃとし、レーザ出力は加工点で３．７ｋｗとし、加工速度は０．８ｍ／ｍｉｎとした。さらに、シールドガスにＡｒガスを使用すると共に、その流量を３０ｌ／ｍｉｎとし、加工点でのビーム形状を５ｍｍ×２ｍｍの線状とし且つ固定ビームとした。そして、レーザクラッド加工後において、加工面におけるポア欠陥の発生率を調査した。その結果を図６のグラフに示す。
【００３５】
図６から明らかなように、素材空孔率を０．１２％以下とすることで、レーザクラッド加工時においてポア欠陥が発生しないことが確認できた。そして、溶湯ガス量および冷却速度（ＤＡＳ値）を以下の関係式に抑えることでポア欠陥を防止し得ることが判明した。
【００３６】
【式２】
６．５１６×ｌｏｇ１０（ＤＡＳ値μｍ）＋２．４６７×（溶湯ガス量ｃｃ／１００ｇＡｌ）＜１１．１６４
【００３７】
すなわち、レーザクラッド加工用素材を低圧鋳造により成形する際に、溶湯ガス量および冷却速度（ＤＡＳ値）を上記式２の範囲とすることにより、熱影響部位の素材空孔率が０．１２％以下となり、これにより、素材内部におけるガスや機械加工時の切削油等の残留がほとんど無くなるので、洗浄剤を用いた洗浄工程や真空加熱による乾燥工程を行うことなくレーザクラッド加工を施しても、ポア欠陥の発生率が零になる。
【００３８】
なお、一般的な低圧鋳造装置を用いた場合には、型温が高いので熱影響部位の冷却速度が遅くなり、ＤＡＳ値も大きくなる。このため、素材空孔率０．１２％以下を達成するには、低ガス溶湯（０．１ｃｃ／１００ｇＡｌ）を供給維持する必要があると共に、常時バブリングを行うなどの作業が必要であって、設備費やランニングコストが高くなる。
【００３９】
これに対して、上記実施例の低圧鋳造装置では、型本体（１Ｄ）から熱的に分離したインサート型９を用い、このインサート型９により熱影響部位Ｑのみを急速に冷却するので、常時バブリングを行う必要も無く、これに加えて従来の洗浄剤による洗浄工程や真空加熱による乾燥工程を廃止し得るので、設備費やランニングコストを大幅に低減し得るものとなる。また、インサート型９の温度を測定しつつ冷却用流体の流量を調整することで、熱影響部位の冷却速度がより正確に制御される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係わるレーザクラッド加工用素材の製造方法に用いる低圧鋳造用型の一部及びレーザクラッド加工用素材を説明する断面図である。
【図２】インサート型の一部を説明する斜視図である。
【図３】低圧鋳造装置の構成およびバブリングによる脱ガスを行っている状態を説明する断面図である。
【図４】低圧鋳造装置の構成および吸ガス防止のために窒素ガスを供給している状態を説明する断面図である。
【図５】溶湯ガス量と冷却速度（ＤＡＳ値）と素材空孔率との関係を示す三次元グラフである。
【図６】素材空孔率とポア欠陥の発生率との関係を示すグラフである。
【図７】レーザクラッド加工時にポア欠陥が発生する状態を説明する断面図である。
【符号の説明】
Ｑ    熱影響部位
Ｗ    レーザクラッド加工用素材
１    低圧鋳造用型
５    湯口
６    湯道
９    インサート型
１０  流通路
１１  温度測定手段
１２  エアギャップ
１３  断熱材
【図１】
0003693161.tif 000002
【図２】
0003693161.tif 000003
【図３】
0003693161.tif 000004
【図４】
0003693161.tif 000005
【図５】
0003693161.tif 000006
【図６】
0003693161.tif 000007
【図７】
0003693161.tif 000008