(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム材の表面をＭｇ３Ｎ２ガスで覆い、前記表面を直流プラズマアークで溶融しつつ合金用金属粉末を添加し、この金属粉末とアルミニウム材との合金を表面に形成するアルミニウム材の表面合金化処理方法であって、前記Ｍｇ３Ｎ２ガスは、作動ガスの一部であるＮ２ガスを、アルミニウム材中のＭｇ成分又は外部から供給したＭｇ成分と反応させて生成することを特徴とするアルミニウム材の表面合金化処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はアルミニウム材の表面合金化処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料の表面改質方法には、表面焼入れ、浸炭、窒化など多種の手法が利用されているが、近年、表面合金化処理法が注目されている。
例えば、特開昭６２−３８７８６号公報「アルミ合金鋳物製内燃機関用シリンダヘッドの改良処理方法」は、アルミ製シリンダヘッドの弁間部にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｅのうちの１種類以上を高密度エネルギーを照射して合金化させるものであり、高密度エネルギーとして実施例においてＴＩＧアークを用い、その他レーザ、電子ビーム、プラズマアークでもよいとされている。
【０００３】
なお、表面合金化処理方法は、合金で改質を図ることは勿論であるが、微小気孔等の鋳造欠陥を有するアルミニウム材を、再溶融して再冷却すれば、母材側から表面へ指向性凝固を実施でき、溶接欠陥が表面へ押出されるので改質が図れる。同時に、非溶融部分が大きな容量の冷し金の作用をなすので再溶融部が急冷されて組織が微細化し、表面の改質が図れるというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、前記表面合金化処理方法に注目し、特にプラズマアークによるアルミニウム材の表面改質を研究するなかで、次の様な問題点を見出した。
図９（ａ），（ｂ）は従来アルミニウム材に用いられる交流プラズマ法の原理図であり、周知の通りアルミニウム材１０１は、強固なＡｌ２Ｏ３の酸化膜１０２で覆われているため、（ａ）にてアルミニウム材１０１を「−」、プラズマトーチの電極１０３を「＋」することにより、アルミニウム材１０１から電気ｅを飛ばし、この電子ｅで酸化膜１０２を突き破る。直後に、極性を変更した（ｂ）にて電極１０３から電子ｅを飛ばし、この電子ｅのエネルギーでアルミニウム材１０１の表面を加熱し、再溶融させる方法である。即ち、アルミニウム材には交番的に極性が変化して上記（ａ），（ｂ）を繰返すところの「交流プラズマ法」が適しているいわれている。
【０００５】
しかしながら、上記交流プラズマ法は交流プラズマアークを用いて、そのクリーニング作用により表面のＡｌ２Ｏ３酸化膜を電子で破壊するものであり、前記酸化膜を完全にあるいは均一に破壊し、除去することは難しい。その結果、電極からの電子は酸化膜の破壊された箇所又は局部的に薄い箇所に進行する。すると、アークは分散し、焦点が集中しないことになり、局部的に深い合金化層を得ることができない。この現象を次図で考察する。
図１０（ａ），（ｂ）は従来の交流プラズマ法の拡大図であり、酸化膜１０２は厚さにむらがあり、先ず薄い部分から電子ｅが電極１０３へ向い、次に電極１０３から薄い部分へプラズマアークが集中的に達する。そのため、処理面積が広くなり、処理深さが小さくなると考えられる。
（ｂ）は処理部のイメージ図であり、幅Ｗ×深さｄの処理部となる。
【０００６】
処理を要する排気弁、吸気弁、シリンダヘッド、ロッカアーム、ピストンロッドなどでは、必要な部分のみを深く改質する必要のあるものが少なくない。しかし、上記交流プラズマでは必要部分以外の部分も溶融してしまい、好ましくない。
そこで、本発明者等は、交流プラズマ法に代る狭い範囲を深く処理することのできる新プラズマ法を鋭意研究し、満足し得る技術を開発することに成功した。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
具体的には、アルミニウム材の表面をＭｇ３Ｎ２ガスで覆い、前記表面を直流プラズマアークで溶融しつつ合金用金属粉末を添加し、この金属粉末とアルミニウム材との合金を表面に形成する。
【０００９】
前記Ｍｇ３Ｎ２ガスは、作動ガスの一部である窒素ガスを、アルミニウム材中のＭｇ成分又は外部から供給したＭｇ成分をガス化させて反応させ、生成させる。
【００１０】
なお上記合金化処理において、電極とアルミニウム材表面の電圧は、トーチ間距離とガス体（雰囲気）により決まり、同トーチ間距離においては、Ａｒ雰囲気に比較して、Ｎ２雰囲気では電圧を倍増しなければ所定のプラズマアークを発生させることはできない。従って、放電しにくくなるため一般にＮ２は使用されない。
しかし、本発明はＮ２を適量に抑えることでＮ２雰囲気下でのプラズマ処理を可能にしたものである。
【００１１】
【作用】
ＭｇとＮ２をアルミニウム材表面で反応させ、還元性のＭｇ３Ｎ２を生成し、その還元作用によりアルミニウム材表面の酸化膜を完全又は均一に除去し、そこにプラズマアークを照射する。プラズマアークは最短距離を直進することになり、しかも酸化膜の膜厚のばらつきに左右されないので、狭くて深い処理が可能となる。その際に添加する合金用金属粉末は、Ｃｒ３Ｃ２，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｃｕが好適である。Ｃｒ３Ｃ２はＡｌ中に分散し、強度を高める作用をなす。Ｆｅは高融点の金属間化合物ＦｅＡｌ、Ｎｉは高融点の金属間化合物ＮｉＡｌを生成し、ＭｏはＭｏＡｌ，ＣｒはＣｒＡｌを生成する。Ｃｕは熱電導性を高め、同時にマトリクス強度を高める作用をなす。
【００１２】
前記Ｍｇ３Ｎ２ガスの生成方法を３例説明する。
図１（ａ），（ｂ）は本発明に係る還元性ガスの生成方法の第１原理図であり、アルミニウム材２Ａは適量の（Ｍｇ）が含有されているものを使用する。（ａ）にて電極３から電子ｅを発射すると、プラズマアークにより酸化膜１を局部的に加熱・破壊してアルミニウム材２Ａに至り、それを溶かし、成分中のＭｇをガス化する。このＭｇが作動ガスの一部のＮ２と次のごとく反応する。
３Ｍｇ（ガス）＋Ｎ２→Ｍｇ３Ｎ２
（ｂ）は雰囲気がＭｇ３Ｎ２に変わった状態を示す。
【００１３】
図２は本発明に係る還元性ガスの生成方法の第２原理図であり、酸化膜１の上に予めＭｇ材５を置いておく。Ｍｇ材５はＭｇ合金を含むペースト、シート、ワイヤの形態が取扱容易で好ましい。
作動ガスＮ２下でＭｇ材５に電極３から電子ｅを照射すると、Ｍｇ材５中のＭｇ成分がプラズマ熱でガス化し、３Ｍｇ（ガス）＋Ｎ２→Ｍｇ３Ｎ２の反応が進行する。
【００１４】
図３は本発明に係る還元性ガスの生成方法の第３原理図であり、酸化膜１の上に供給手段６，６にてＭｇ含有材７を供給する。
作動ガスＮ２下でＭｇ含有材７に電極３から電子ｅを照射すると、Ｍｇ成分がプラズマ熱でガス化し、３Ｍｇ（ガス）＋Ｎ２→Ｍｇ３Ｎ２の反応が進む。
【００１５】
図４（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る表面合金化処理方法の原理図であり、前記還元性ガスの生成方法のうちの第１原理を使用した具体的処理を説明する。
（ａ）において酸化膜１で被覆されたアルミニウム材２に電極３及び金属粉末供給手段４を臨ませ、アルミニウム材２側を「＋」、電極３側を「−」となるように直流電源５をつなぎ、且つ処理雰囲気をＡｒ＋Ｎ２とする。
アルミニウム材２は適量の（Ｍｇ）が含有されているものを使用する。電極３から電子ｅを発射すると、上記第１原理により還元性ガス（Ｍｇ３Ｎ２）が生成できる。
（ｂ）では、Ｍｇ３Ｎ２＋２Ａｌ２Ｏ３＋３Ｍｇ→２ＡｌＮ＋６ＭｇＯ＋２Ａｌの反応式により、酸化膜１が除かれる。
そこで、（ｃ）において酸化膜１の除かれたアルミニウム材２に金属粉末供給手段４から合金用金属粉末を添加し、これらアルミニウム材２と金属粉末とに電極３から直流プラズマアークを照射し、このアーク熱でアルミニウム材２の表面を溶かし、金属粉末との合金を生成する。
実施例で具体例を示すが、このときの処理部は狭く深い。
【００１６】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示す。なお、実施例は、▲１▼直流プラズマ法と従来の交流プラズマ法との比較、▲２▼本発明におけるＮ２の適量、▲３▼本発明におけるアルミニウム材の好適Ｍｇ量、▲４▼本発明方法を吸気弁の表面強化に適用した例、▲５▼本発明方法をシリンダヘッドの表面強化に適用した例からなり、これらを順次説明する。
図５はプラズマトーチの原理図であり、以下の説明の便利のために掲載した。即ち、プラズマトーチ１０はタングステン電極１１（前記電極３に相当）をノズル１２及びシールドキャップ１３で同心円状に囲い、電極１１とノズル１２との間にセンターガス（前記作動ガスに相当）を流し、ノズル１２とシールドキャップ１３との間にシールドガスを流す構造のものである。
【００１７】
▲１▼直流プラズマ法と従来の交流プラズマ法との比較；
【００１８】
【表１】
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【００１９】
実施例１は直流プラズマ法によるもので、センターガス流量を、Ａｒ（アルゴンガス）０．５５ｌ／ｍｉｎ＋Ｎ２０．０５ｌ／ｍｉｎとし、シールドガス流量をＡｒ９ｌ／ｍｉｎ、電流を１００／８０／１２０Ａ、アルミニウム材をＡＣ７Ａ−ＪＩＳ、合金用金属粉末をＣｒ３Ｃ２１０ｍｇ／ｃｍ２として、表面合金化処理を実施した。上記ＡＣ７Ａ−ＪＩＳは３．５〜５．５ｗｔ％のＭｇを含むから、本発明のプラズマアークは良好に形成可能である。
比較例１は従来の交流プラズマ法によるものであり、センターガス流量のみＡｒ０．６ｌ／ｍｉｎ（即ちＮ２を混合せず）とし、他の条件は実施例１に合せた。
【００２０】
図６は本発明に係る処理部の幅と深さを示すグラフであり、グラフの下方に略図した通り幅をＷ、深さをｄとした。
比較例１に比較して実施例１は幅Ｗが小さく且つ深さｄが大きい。従って、本発明方法によれば狭く深い合金層を形成することができる。
【００２１】
▲２▼本発明におけるＮ２の適量；
前記実施例１ではセンターガスをＡｒ０．５５ｌ／ｍｉｎ＋Ｎ２０．０５ｌ／ｍｉｎとしたが、このＮ２の適量を調べることは重要である。そこで、本発明者等は、次の条件での実験を実施した。
【００２２】
【表２】
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【００２３】
比較例２はセンターガスをＡｒのみとしたので、本発明の還元性ガスが形成できず、酸化膜を除去することができないため処理は不良であった。
実施例２はＮ２／Ａｒ比を１．７％、実施例３はＮ２／Ａｒ比を１０％、実施例４はＮ２／Ａｒ比を２０％、実施例５はＮ２／Ａｒ比を３３％としたので、処理結果は良好であった。
【００２４】
比較例３はＮ２／Ａｒ比を４３％としたもので、処理結果は不良であった。周知の通り、同一トーチ高さにおいて、センターガスをＡｒにした場合に比べて、Ｎ２の場合は所要電圧が約２倍となる。即ち、電圧を倍増しなければＮ２で所定のプラズマアークを発生させることはできない。従って、比較例３のようにＮ２の比率が過剰になると良好なプラズマアークが得られず、所望の処理結果が得られない。
従って、本発明方法においては、センターガスのＮ２／Ａｒ比を１．７％〜３３％範囲とすることが望ましい。この範囲であれば電圧や電流値を適度に抑えることができる。
▲３▼本発明におけるアルミニウム材料の適量Ｍｇ量；
直流プラズマアークを良好に形成するのに必要なＭｇ量を調べることは重要である。そこで、Ｍｇ含有量の異なるアルミニウム材について調べることにした。その条件及び結果図６に示す。
【００２５】
【表３】
0003552330.tif 000004
【００２６】
比較例４はアルミニウム材中のＭｇが０であるため、還元性ガスが十分に生成できず、プラズマアークが得られなかった。
実施例６，７，８，９は還元性ガスが適量生成され、良好な直流プラズマアークを得ることができた。
従って、２．０〜２０ｗｔ％の範囲のＭｇを含有したアルミニウム材が好適であることが分かった。
【００２７】
▲４▼本発明方法を吸気弁の表面強化に適用した例；
図７は本発明方法で吸気弁を合金化処理するときの作用図であり、吸気弁２０に金属粉末供給手段４から金属粉末を供給しつつ、プラズマトーチ１０にて合金化処理をする。その時の処理条件は表３に示す通りであり、吸気弁２０の材質は７０７５（アルミニウム合金）であり、また、合金用金属粉末は、Ｃｒ３Ｃ２が３０ｗｔ％、Ｍｏが１０ｗｔ％、Ｆｅが３０ｗｔ％、Ｎｉが１０ｗｔ％、で残部がＡＣ２Ｂ粉末からなり、ノズルからの供給量は８ｇ／ｍｉｎとした。なお、ＡＣ２Ｂ粉末の組成は、ＪＩＳＨ５２０２で規定されたアルミニウム合金である。
【００２８】
【表４】
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【００２９】
処理の結果、表面硬度はＨｖ（ビッカース硬度）で２１０となり、未処理時の表面硬度はＨｖで６０であるから、十分に表面が硬化されたことになる。
【００３０】
▲５▼本発明方法をシリンダヘッドの表面強化に適用した例；
図８はガソリンエンジンのシリンダヘッドの要部断面図であり、シリンダヘッド３０のバルブシート３１に金属粉末供給手段４から金属粉末を供給しつつ、プラズマトーチ１０にて合金化処理をする。その時の処理条件は表４に示す通りであり、シリンダヘッド３０の材質はＡＣ２Ｂ−ＪＩＳ（アルミニウム鋳物）であり、また、合金用金属粉末は、Ｃｒ３Ｃ２が５ｗｔ％、Ｍｏが１０ｗｔ％、Ｆｅが１０ｗｔ％、Ｎｉが１０ｗｔ％、Ｃｒが５ｗｔ％、で残部がＣｒ粉末からなり、ノズルからの供給量は８ｇ／ｍｉｎとした。ＡＣ２Ｂ−ＪＩＳは５〜７ｗｔ％のＭｇを含むから、本発明のプラズマアークは良好に形成可能である。
【００３１】
【表５】
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【００３２】
ここで溶込率は、（母材への溶込み深さ）÷（母材への溶込み深さ＋表面から外方への盛り上がり高さ）で定義される％表示値である。
処理の結果、溶込率は２０％、表面硬度はＨｖ（ビッカース硬度）で１８０〜２１０となり、未処理時の表面硬度がＨｖ４０〜５０であるから、十分に表面が硬化されたことになる。
【００３３】
そして、処理後のシリンダヘッド３０を機械仕上し、それをシリンダブロックに組込み、ガソリンエンジンを完成し、６０００ｒｐｍで１００時間の連続運転を評価試験として実施した。運転後のエンジンを分解し、シリンダヘッド３０のバルブシート３１を検査したところ、クラックの発生は認められなかった。
この種の改質処理を施さないシリンダブロックで同様の評価試験を実施すると、バルブシートに微細なクラックの発生することがあり、非改質品に比べて本発明による改質品は耐久性の向上が認められた。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１は、アルミニウム材の表面をＭｇ３Ｎ２ガスで覆い、前記表面を直流プラズマアークで溶融しつつ合金用金属粉末を添加し、この金属粉末とアルミニウム材との合金を表面に形成するようにしたもので、Ｍｇ３Ｎ２ガスでアルミニウム材表面の酸化膜を破壊してアルミニウム材を露出状態にし、そこにプラズマアークを照射することができ、プラズマアークは最短距離を直進することになり、しかも酸化膜の膜厚のばらつきに左右されないので、狭くて深い処理が可能となる。
【００３６】
請求項１で用いるＭｇ３Ｎ２ガスを作動ガス中のＮ２とアルミニウム材中のＭｇ成分又は外部から供給したＭｇ成分と反応させて生成するので、Ｍｇ３Ｎ２ガスは簡単に生成でき、生産コストの高騰を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る還元性ガスの生成方法の第１原理図
【図２】本発明に係る還元性ガスの生成方法の第２原理図
【図３】
本発明に係る還元性ガスの生成方法の第３原理図
【図４】
本発明に係る表面合金化処理方法の原理図
【図５】
プラズマトーチの原理図
【図６】
本発明に係る処理部の幅と深さを示すグラフ
【図７】
本発明方法で吸気弁を合金化処理するときの作用図
【図８】
ガソリンエンジンのシリンダヘッドの要部断面図
【図９】
従来アルミニウム材に用いられる交流プラズマ法の原理図
【図１０】
従来の交流プラズマ法の拡大図
【符号の説明】
１…酸化膜、２…アルミニウム材、３…電極、４…金属粉末供給手段、５…直流電源、１０…プラズマトーチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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