(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム材の表面に高密度エネルギービームを照射して、該表面を再溶融させて表面を改質するに際し、雰囲気をＭｇ３Ｎ２ガスとし、高密度エネルギービームをアルミニウム材側がプラス極となるような直流プラズマアークとするアルミニウム材の再溶融改質方法であって、
前記Ｍｇ３Ｎ２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再溶融改質方法。
【請求項２】
アルミニウム材の表面に高密度エネルギービームを照射して、該表面を再溶融させて表面を改質するに際し、アルミニウム材同士の突合せ部又はすみ肉部に照射することで、改質と同時に接合を行うことを特徴とした請求請１記載のアルミニウム材の再溶融改質方法。
【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改質方法に関する。
【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、窒化など多種の方法が利用されているが、近年、再溶融処理法による改質方法（以下、「再溶融改質方法」と略記する。）が実用に供されている。
例えば、特開昭６１−１９３７７３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必要部分に高密度エネルギーを照射して再溶融させて改質を図るものであり、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、再溶融改質方法は、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、鋳造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、前記再溶融改質方法に注目し、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１０（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から電子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」が適していると言われている。
【０００５】
しかし、上記（ａ）のときに電子ｅは酸化膜１０２のみならず、電極１０３にも衝突し、電極１０３を大いに消耗させるという問題がある。詳しくは後述する。
そこで、本発明者等は、交流プラズマ法に代る新プラズマ法を鋭意研究し、表面改質及び溶接に関し満足し得る技術を開発することに成功した。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
具体的には、請求項１ではアルミニウム材の表面に高密度エネルギービームを照射して、該表面を再溶融させて表面を改質するに際し、雰囲気をＭｇ３Ｎ２ガスとし、高密度エネルギービームをアルミニウム材側がプラス極となるような直流プラズマアークとすることを特徴とする。
【０００８】
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。
【０００９】
請求項２では、アルミニウム材の表面に高密度エネルギービームを照射して、該表面を再溶融させて表面を改質するに際し、アルミニウム材同士の突合せ部又はすみ肉部に照射することで、改質と同時に接合を行うことを特徴とする。
【００１０】
なお上記表面改質において、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】
Ｍｇ３Ｎ２ガスでアルミニウム材表面の酸化膜を除去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。
【００１２】
図１（ａ），（ｂ）は本発明に係る再溶融改質方法の原理図であり、（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４をつなぎ、且つ処理雰囲気を還元性ガスであるＭｇ３Ｎ２とする。
すると、Ｍｇ３Ｎ２＋２Ａｌ２Ｏ３＋３Ｍｇ→２ＡｌＮ＋６ＭｇＯ＋２Ａｌの反応式により、酸化膜１が除かれる。
（ｂ）は酸化膜１の除かれたアルミニウム材２に電極３から電子ｅが衝突していることを示し、この直流プラズマアークにより、アルミニウム材２の再溶融改質がなせる。
【００１３】
前記Ｍｇ３Ｎ２ガスの生成方法を３例説明する。
図２（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し、本図は図１（ａ）と同じであるから、以降、再溶融改質がなせる。
【００１４】
図３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。
【００１５】
図４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。
【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Ｍｇ含有材の適量、▲４▼本発明方法をシリンダヘッドの改質に適用した例、▲５▼，▲６▼本発明の溶接方法の例からなり、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；
図６はタングステン電極の先端の拡大図であり、タングステン電極１１の径Ｄを３ｍｍ、先端角θを６０゜とした場合に、最初の先端Ｒを０．１ｍｍとした。Ｒが大きくなると、アークの発生が困難になり、発生したアークが左右に振れて直進性が悪化し、またアーク径が増大して絞りにくくなるからである。そこで、使用限界をＲ＝０．８ｍｍとし、この値に達したら寿命とすることにした。
【００１８】
次の表１は実験条件をまとめたものである。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
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１００Ａ（又は８０Ａ）、導電条件を１分通電、１分停止の繰返しとして、電極の摩耗を調べた。
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。
【００２１】
図７はタングステン電極の寿命比較グラフであり、横軸は使用回数、縦軸は電極の先端Ｒを示し、●は１００Ａ、○は８０Ａでの結果である。
１００Ａにおいて比較例１では４回程で寿命となったのに対して、実施例１では４２回は使用可能であり、寿命は約１０倍となっている。グラフ中、▲１▼〜▲４▼における電極１１の先端の形状は次の図に示す通りであった。
【００２２】
図８▲１▼〜▲４▼はタングステン電極の先端の形状説明図であり、▲１▼は未使用状態を示し、Ｒ＝０．１ｍｍ、Ｎ（使用回数）＝０、▲２▼，▲３▼は本発明方法での使用状態（途中）を示し、▲４▼は従来方法での使用状態（寿命）を示した。
従って、本発明によれば、アルミニウム材の再溶融改質が直流プラズマ法で実施可能になり、しかも電極の消耗を抑えることができ、交流プラズマ法よりも優れていることが明らかになった。
【００２３】
▲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、次の表２の条件での実験を実施した。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
▲３▼本発明におけるＭｇ含有材の適量；
表３はＭｇ含有材の量を変化させて前記図３に記載した実験を実施した。その条件及び結果を記載したものである。
【００２８】
【表３】
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【００２９】
アルミニウム材及びＭｇ含有材の項を除いて、前記実施例１と同等条件であるから、この分の説明は省略する。
アルミニウム材はＡＣ４Ｃを使用した。この材料は含有Ｍｇ成分が０．２５〜０．４５重量％であり、含有Ｍｇの量が微量である。
一方、Ｍｇ含有材はＡＣ７Ｂの粉末を使用した。この材料は含有Ｍｇ成分が約１０重量％であり、含有Ｍｇの量が多量である。粉末の大きさは１０〜１００μｍとした。少量であれば、ＡＣ７Ｂ材をヤスリで削り、発生した粉を使用してもよい。
【００３０】
比較例４はＭｇ含有材を添加しなかった。アルミニウム材（ＡＣ４Ｃ）中のＭｇでは不足であったため、還元性ガスが生成せず、所定の処理ができなかった。実施例６はＭｇ含有材を２ｍｇ／ｃｍ２、実施例７はＭｇ含有材を５ｍｇ／ｃｍ２、実施例８はＭｇ含有材を１０ｍｇ／ｃｍ２、実施例９はＭｇ含有材を２０ｍｇ／ｃｍ２添加したところ満足すべき処理ができた。
比較例５はＭｇ含有材を３０ｍｇ／ｃｍ２としたものであり、一部がアルミニウム材表面に残留してしまった。Ｍｇ含有材の供給量が多過ぎたためと考える。従って、本発明においてはＭｇ含有材の定量な供給量は２〜２０ｍｇ／ｃｍ２である。
【００３１】
アルミニウム材をＭｇ成分の高いＡＣ７Ａ、ＡＣ７Ｂ、ＡＣ５Ａとすれば母材内のＭｇ成分が活用できるので、Ｍｇ含有材を節約若しくは無にすることができる。
【００３２】
上記Ｍｇ含有材をを添加するのと同様の作用を発揮するものとして、アルミニウム材自身に含まれるＭｇ成分を変える方法もある。
次の表４は、Ｍｇの含有量が０，２．０，５．０，７．０，２０，３０ｗｔ％のアルミニウム材を準備し、これらのアルミニウム材に表に示す条件の下で本発明の直流プラズマ処理を施した。
【００３３】
【表４】
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【００３４】
Ｍｇが含まれていない比較例６では還元性ガスの生成が不足し、所望の改質効果は得られなかった。
従って、表４からＭｇを２．０〜２０ｗｔ％の範囲で含むアルミニウム材であれば良好な結果が得られることが分かった。
【００３５】
▲４▼本発明方法をシリンダヘッドの表面改質に適用した例；
図９はガソリンエンジンのシリンダヘッドの底面図であり、シリンダヘッド２０には２個の吸気ポート２１，２１、２個の排気ポート２２，２２及び点火栓孔２３が開けられており、図中のハッチング（／／／）を施した部分に本発明の再溶融改質処理を施すことにした。
【００３６】
【表５】
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【００３７】
表５はその時の条件及び結果をまとめたものであり、シリンダヘッドはＭｇの含有成分が０．５％以下のＡＣ２Ｂである。ＡＣ２ＢのＭｇ成分は表３で述べたＡＣ４Ｃに近いので、Ｍｇ含有材を２ｍｇ／ｃｍ２だけ図９のハッチング部分に載せた後、表４の条件で再溶融改質を実施した。
【００３８】
処理後のシリンダヘッド２０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１２０の裏面を検査したところ、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、図９の排気ボート２２，２２間に微細なクラック２５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。
【００３９】
▲５▼本発明方法を突き合せ溶接に適用した例；
実施例１５及び比較例８：
本発明のプラズマアーク溶接法と従来のＴＩＧ（イナートガスタングステンアーク）溶接法との比較例である。
0003552332.tif 000007
実施例１５の溶接部強度は比較例８の溶接部強度と遜色なかった。従って、よって、本発明の直流プラズマ溶接法によれば、従来のＴＩＧ法並みの突き合せ溶接が可能であることが確認できた。
【００４１】
▲６▼本発明方法を重ねすみ肉溶接に適用した例；
実施例１６及び比較例９：
本発明のプラズマアーク溶接法と従来のＴＩＧ（イナートガスタングステンアーク）溶接法との比較例である。
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実施例１６の溶接部強度は比較例９の溶接部強度と遜色なかった。従って、よって、本発明の直流プラズマ溶接法によれば、従来のＴＩＧ法並みのすみ肉溶接が可能であることが確認できた。
【００４３】
尚、本発明のアルミニウム材２，２Ａはアルミニウム合金鋳物を含む広い意味のアルミニウム合金を意味する。
【００４４】
【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、Ｍｇ３Ｎ２ガスと直流プラズマアークとの組合わせにより、アルミニウム材の処理を実現したものであり、しかも従来の交流プラズマ法に比べて電極の寿命が格段に延びるという格別の効果が得られる。
【００４６】
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。
【００４７】
請求項２は、Ｍｇ３Ｎ２ガスと直流プラズマアークとの組合わせにより、アルミニウム材同士の突合せ部又はすみ肉部に照射することで、改質と同時に接合を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る再溶融改質方法の原理図
【図２】本発明に係る還元性ガスの生成方法の第１原理図
【図３】本発明に係る還元性ガスの生成方法の第２原理図
【図４】本発明に係る還元性ガスの生成方法の第３原理図
【図５】プラズマトーチの原理図
【図６】タングステン電極の先端の拡大図
【図７】タングステン電極の寿命比較グラフ
【図８】タングステン電極の先端の形状説明図
【図９】ガソリンエンジンのシリンダヘッドの底面図
【図１０】従来のアルミニウム材に用いられる交流プラズマ法の原理図
【符号の説明】
１…酸化膜、２，２Ａ…アルミニウム材、３…電極、４…直流電源、５…Ｍｇ材、７…Ｍｇ含有材、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】
0003552332.tif 000015
【図８】
0003552332.tif 000016
【図９】
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【図１０】
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