(57)【要約】【課題】盛金層内の硬質粒子の粗大化を抑制し、盛金層の被削性を向上させる。【解決手段】Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＣｕのうち１種以上の元素と、Ｍｏ、Ｗ及びＮｂのうち１種以上の元素とを含有するシリサイドを硬質相として含む硬質粉末と、銅基マトリクス粉末と、を含む盛金用粉末を基材上に供給しながら局所加熱装置によって溶融させつつ、加熱部位を基材に対して相対移動させて盛金層を形成するステップと、基材上に形成された盛金層を切削加工するステップと、を備えた耐摩耗部材の製造方法。硬質粉末は第１硬質粉末ＨＰ１と第２硬質粉末ＨＰ２とを含み、盛金層２０を形成するステップにおいて、第１硬質粉末ＨＰ１とマトリクス粉末ＭＰとを局所加熱装置によって溶融させて形成した溶融池２１に対して、第１硬質粉末ＨＰ１とは別に第２硬質粉末ＨＰ２を供給し、第２硬質粉末ＨＰ２の少なくとも一部を盛金層２０の内部に未溶解のまま残留させる。【選択図】図５
2018123388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕのうち１種以上の元素と、Ｍｏ、Ｗ、及びＮｂのうち１種以上の元素とを含有するシリサイドを硬質相として含む硬質粉末と、銅基合金からなるマトリクス粉末と、を含む盛金用粉末を基材上に供給しながら局所加熱装置によって溶融させつつ、前記局所加熱装置による加熱部位を前記基材に対して相対移動させて盛金層を形成するステップと、
前記基材上に形成された前記盛金層を切削加工するステップと、を備え、
前記硬質粉末は第１硬質粉末と第２硬質粉末とを含み、
前記盛金層を形成するステップにおいて、
前記第１硬質粉末と前記マトリクス粉末とを前記局所加熱装置によって溶融させて形成した溶融池に対して、前記第１硬質粉末とは別に前記第２硬質粉末を供給し、
前記第２硬質粉末の少なくとも一部を前記盛金層の内部に未溶解のまま残留させる、
耐摩耗部材の製造方法。
【請求項２】
前記第２硬質粉末の粒径を前記第１硬質粉末の粒径よりも大きくする、
請求項１に記載の耐摩耗部材の製造方法。
【請求項３】
前記第２硬質粉末の粒径を２５０μｍ以下とする、
請求項１又は２に記載の耐摩耗部材の製造方法。
【請求項４】
前記加熱部位の前記基材に対する相対移動方向の後方側から前記第２硬質粉末を供給する、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の耐摩耗部材の製造方法。
【請求項５】
前記第２硬質粉末及び前記第１硬質粉末は、いずれも、
Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕのうち１種以上の前記元素を１０質量％以上、
Ｍｏ、Ｗ、及びＮｂのうち１種以上の前記元素を１５質量％以上、
Ｓｉを２．０〜８．０質量％、含有する、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の耐摩耗部材の製造方法。
【請求項６】
基材と、
前記基材上に形成された盛金層と、を備えた耐摩耗部材であって、
前記盛金層は、
銅基合金からなるマトリクスと、
Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕのうち１種以上の元素と、Ｍｏ、Ｗ、及びＮｂのうち１種以上の元素とを含有するシリサイドを硬質相として含み、未溶解のまま残留した硬質粉末と、
Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕのうち１種以上の元素と、Ｍｏ、Ｗ、及びＮｂのうち１種以上の元素とを含有するシリサイドを硬質相として含む晶出粒子と、を有する、
耐摩耗部材。
【請求項７】
前記硬質粉末の粒径が前記晶出粒子の粒径よりも大きい、
請求項６に記載の耐摩耗部材。
【請求項８】
前記硬質粉末の粒径が２５０μｍ以下である、
請求項６又は７に記載の耐摩耗部材。
【請求項９】
前記晶出粒子の粒径が１００μｍ以下である、
請求項６〜８のいずれか一項に記載の耐摩耗部材。
【請求項１０】
前記晶出粒子の硬さが前記硬質粉末の硬さよりも高い、
請求項６〜９のいずれか一項に記載の耐摩耗部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摩耗部材及びその製造方法に関し、特に基材上に盛金層が形成された耐摩耗部材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基材上に盛金層を形成することにより、耐摩耗性を向上させた耐摩耗部材が知られている。例えば、エンジンのシリンダヘッドに形成された吸気／排気ポートの燃焼室側の開口端周縁には、高温環境下においてバルブが繰り返し当接するため、耐摩耗性を有するバルブシートが設けられている。
【０００３】
このバルブシートは、基材であるシリンダヘッド粗形材の吸気／排気ポートの開口端周縁に盛金層を形成した後、盛金層を切削加工することにより製造される。盛金層は、局所加熱装置によって基材上に形成された溶融池に金属粉末を供給しながら溶融池を移動させることにより、順次形成される。局所加熱装置の具体的な熱源として、レーザビーム、アセチレンガス炎、プラズマアーク等が用いられている。
【０００４】
特許文献１には、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）の１種類以上を含有する硬質粉末と銅基合金からなるマトリクス粉末とを含む盛金用粉末を溶融させて盛金層を形成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１０５１７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明者は、硬質粉末とマトリクス粉末とを含む盛金用粉末を基材上に供給しながら局所加熱装置によって溶融させて盛金層を形成した後、盛金層を切削加工する耐摩耗部材の製造方法に関し、以下の課題を見出した。
特許文献１に開示された技術では、局所加熱装置によって溶融する硬質粉末同士が凝集し、盛金層内の硬質粒子が粗大化するため、盛金層の被削性が低下する虞があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みなされたものであって、盛金層内の硬質粒子の粗大化を抑制し、盛金層の被削性を向上させることができるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係る耐摩耗部材の製造方法は、
Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕのうち１種以上の元素と、Ｍｏ、Ｗ、及びＮｂのうち１種以上の元素とを含有するシリサイドを硬質相として含む硬質粉末と、銅基合金からなるマトリクス粉末と、を含む盛金用粉末を基材上に供給しながら局所加熱装置によって溶融させつつ、前記局所加熱装置による加熱部位を前記基材に対して相対移動させて盛金層を形成するステップと、
前記基材上に形成された前記盛金層を切削加工するステップと、を備え、
前記硬質粉末は第１硬質粉末と第２硬質粉末とを含み、
前記盛金層を形成するステップにおいて、
前記第１硬質粉末と前記マトリクス粉末とを前記局所加熱装置によって溶融させて形成した溶融池に対して、前記第１硬質粉末とは別に前記第２硬質粉末を供給し、
前記第２硬質粉末の少なくとも一部を前記盛金層の内部に未溶解のまま残留させるものである。
【０００９】
本発明の一態様に係る耐摩耗部材の製造方法では、硬質粉末を第１硬質粉末と第２硬質粉末とに分け、前記第１硬質粉末と前記マトリクス粉末とを前記局所加熱装置によって溶融させる。すなわち、局所加熱装置によって溶融させる硬質粉末の量を従来よりも減らすことができる。そのため、硬質粉末同士の凝集によって盛金層内の硬質粒子が粗大化し、盛金層の被削性が低下することを抑制することができる。それと共に、第２硬質粉末の少なくとも一部を盛金層の内部に未溶解のまま残留させることにより、耐摩耗性を維持することができる。
【００１０】
前記第２硬質粉末の粒径を前記第１硬質粉末の粒径よりも大きくしてもよい。第２硬質粉末の粒径が大きい程、耐摩耗性が向上し、第１硬質粉末の粒径が小さい程、第１硬質粉末が局所加熱装置によって溶融しやすくなる。
また、被削性を向上させるために、前記第２硬質粉末の粒径を２５０μｍ以下としてもよい。
【００１１】
さらに、前記加熱部位の前記基材に対する相対移動方向の後方側から前記第２硬質粉末を供給してもよい。
また、前記第２硬質粉末及び前記第１硬質粉末は、いずれも、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕのうち１種以上の前記元素を１０質量％以上、Ｍｏ、Ｗ、及びＮｂのうち１種以上の前記元素を１５質量％以上、Ｓｉを２．０〜８．０質量％、含有してもよい。
【００１２】
本発明の一態様に係る耐摩耗部材は、
基材と、
前記基材上に形成された盛金層と、を備えた耐摩耗部材であって、
前記盛金層は、
銅基合金からなるマトリクスと、
Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕのうち１種以上の元素と、Ｍｏ、Ｗ、及びＮｂのうち１種以上の元素とを含有するシリサイドを硬質相として含み、未溶解のまま残留した硬質粉末と、
Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕのうち１種以上の元素と、Ｍｏ、Ｗ、及びＮｂのうち１種以上の元素とを含有するシリサイドを硬質相として含む晶出粒子と、を有するものである。
【００１３】
本発明の一態様に係る耐摩耗部材では、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕのうち１種以上の元素と、Ｍｏ、Ｗ、及びＮｂのうち１種以上の元素とを含有するシリサイドを硬質相として含み、未溶解のまま残留した硬質粉末と、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕのうち１種以上の元素と、Ｍｏ、Ｗ、及びＮｂのうち１種以上の元素とを含有するシリサイドを硬質相として含む晶出粒子と、を有する。硬質粉末の少なくとも一部を盛金層の内部に未溶解のまま残留させることにより、耐摩耗性を維持することができると共に、硬質粉末同士の凝集による盛金層内の晶出粒子の粗大化が抑制され、盛金層の被削性の低下を抑制することができる。
【００１４】
前記硬質粉末の粒径が前記晶出粒子の粒径よりも大きくてもよい。硬質粉末の粒径が大きい程、耐摩耗性が向上する。
また、被削性を向上させるために、硬質粉末の粒径が２５０μｍ以下でもよく、前記晶出粒子の粒径が１００μｍ以下でもよい。
さらに、前記晶出粒子の硬さが前記硬質粉末の硬さよりも高くてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、盛金層内の硬質粒子の粗大化を抑制し、盛金層の被削性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態に係る耐摩耗部材の製造方法において、盛金層を形成するステップの概要を模式的に示す斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る耐摩耗部材の製造方法に用いるレーザ加工ヘッドの断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る耐摩耗部材の製造方法の詳細を示す断面図である。
【図４】第１の実施形態に係る耐摩耗部材の製造方法の詳細を示す断面図である。
【図５】盛金層を形成するステップにおける盛金用粉末の供給方法を模式的に示す側面図である。
【図６】実施例に係る盛金層の断面の光学顕微鏡観察写真である。
【図７】図６に示した分析部位の反射電子像である。
【図８】実施例及び比較例に係る盛金層についての被削性試験の結果を比較して示す棒グラフである。
【図９】実施例及び比較例に係るバルブシート単体についての摩耗試験の結果を比較して示す棒グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１８】
（第１の実施形態）
まず、図１〜図５を参照して、第１の実施形態に係る耐摩耗部材の製造方法について説明する。ここでは、エンジンのシリンダヘッドに形成するバルブシートを耐摩耗部材の一例として説明するが、耐摩耗部材はバルブシートに限定されるものではない。
【００１９】
図１は、第１の実施形態に係る耐摩耗部材の製造方法において、盛金層を形成するステップの概要を模式的に示す斜視図である。
図２は、第１の実施形態に係る耐摩耗部材の製造方法に用いるレーザ加工ヘッドの断面図である。
図３、図４は、第１の実施形態に係る耐摩耗部材の製造方法の詳細を示す断面図である。
図５は、盛金層を形成するステップにおける盛金用粉末の供給方法を模式的に示す側面図である。
【００２０】
図１を参照して、第１の実施形態に係る耐摩耗部材の製造方法における盛金層形成の概要について説明する。まず、基材であるシリンダヘッド粗形材１０の構成について説明する。シリンダヘッド粗形材１０は、例えば鋳鉄やアルミニウム合金などからなる鋳物である。図１に示すように、シリンダヘッド粗形材１０は、複数の燃焼室１３を備えている。各燃焼室１３は、吸気ポート１１及び排気ポート１２を備えている。そして、吸気ポート１１及び排気ポート１２のそれぞれにおいて、燃焼室１３側の開口端周縁に、機械加工により盛金層形成用のザグリ溝１４が形成されている。
【００２１】
図１に示されたシリンダヘッド粗形材１０は、４気筒１６バルブ用であって、４つの燃焼室１３のそれぞれに吸気ポート１１及び排気ポート１２を２つずつ備えている。当然のことながら、燃焼室１３や吸気ポート１１及び排気ポート１２の個数は図１の例に限定されるものではなく、適宜決定されるものである。
【００２２】
図１に示すように、レーザ加工ヘッド４０からザグリ溝１４に盛金用粉末を供給しつつ、レーザビーム（光軸Ａ２）を照射して盛金層を形成する。レーザ加工ヘッド４０が、円環状のザグリ溝１４の中心軸Ａ１を軸として１回転することにより、ザグリ溝１４の全周に盛金層を形成することができる。中心軸Ａ１は、ザグリ溝１４の中心を通り、ザグリ溝１４の底面に垂直な軸である。吸気ポート１１や排気ポート１２のそれぞれにおいて、ザグリ溝１４の中心軸Ａ１が鉛直方向と一致するように、シリンダヘッド粗形材１０の姿勢を調整してから盛金層を形成する。
なお、詳細には図５を参照して後述するように、第１の実施形態に係る耐摩耗部材の製造方法では、レーザ加工ヘッド４０と別のノズルからも盛金用粉末を供給する。
【００２３】
次に、図２を参照して、レーザ加工ヘッド４０の構成について説明する。レーザ加工ヘッド４０は、内側ノズル４１、外側ノズル４２、原料供給管４３を備えている。すなわち、レーザ加工ヘッド４０は、ともにレーザビーム３０の光軸Ａ２を中心軸とする内側ノズル４１及び外側ノズル４２からなる同軸二重管構造を有している。
【００２４】
具体的には、内側ノズル４１からレーザビーム３０が出射される。また、内側ノズル４１と外側ノズル４２との間からは、原料供給管４３を介して供給された不活性ガス及び盛金用粉末が吐出される。つまり、盛金用粉末及び不活性ガスの吐出軸は、レーザビーム３０の光軸Ａ２と同軸である。不活性ガスとしては、例えばアルゴンガスや窒素ガスを挙げることができる。
【００２５】
このように、レーザビームの照射と盛金用粉末及び不活性ガスの供給とが一体化されることにより、レーザ加工装置をコンパクトにすることができる。なお、図１では、原料供給管４３は省略されている。
【００２６】
次に、図３、図４を参照して、第１の実施形態に係る耐摩耗部材の製造方法の詳細について説明する。図３は、盛金層２０を形成するステップを示している。図４は、盛金層２０を切削加工するステップを示している。なお、耐摩耗部材であるバルブシートの製造方法は、吸気ポート１１側と排気ポート１２側とにおいて同様であるから、吸気ポート１１側について説明する。
【００２７】
まず、図３に示すように、吸気ポート１１の燃焼室１３側の開口端周縁に形成された環状のザグリ溝１４に盛金用粉末を供給しつつ、レーザビーム３０を照射する。これにより、ザグリ溝１４の内部において盛金用粉末が溶融・凝固し、バルブシート用の盛金層２０が形成される。
【００２８】
ここで、図１に示したように、レーザビーム３０（光軸Ａ２）はレーザ加工ヘッド４０から照射される。そして、レーザ加工ヘッド４０は、環状のザグリ溝１４の中心軸Ａ１を軸として１回転するため、ザグリ溝１４の全周に盛金層２０を形成することができる。図３に示すように、レーザビーム３０の光軸Ａ２の傾斜角θ１は、４５°程度である。
【００２９】
図３に示すように、ザグリ溝１４は、例えば機械加工により形成され、底面１４ａ、斜面１４ｂ、側壁１４ｃを備えている。ザグリ溝１４の角部では盛金層２０に欠陥が発生しやすい。しかしながら、底面１４ａと側壁１４ｃとの間に設けられた斜面１４ｂにより、ザグリ溝１４の角部における盛金層２０の欠陥が抑制される。
【００３０】
次に、図４に示すように、盛金層２０をシリンダヘッド粗形材１０とともに、コンタリング加工により切削する。コンタリング加工用の切削工具５０は、支持部５１と、支持部５１に固定された刃具５２ａ、５２ｂを備えている。刃具５２ａ、５２ｂは、例えば超硬チップである。
【００３１】
切削工具５０は、回転軸Ａ３を軸として高速回転しながら、ザグリ溝１４の内側から外側に向かって移動する。これにより、２点鎖線で示された切削形状まで、盛金層２０及びシリンダヘッド粗形材１０が切削される。具体的には、刃具５２ａにより、燃焼室側ガイド面２２ａが形成される。刃具５２ｂにより、ポート奥側ガイド面２２ｂが形成される。最終的には盛金層２０をさらに切削することにより、バルブシート面２３を形成する。なお、切削方法はコンタリング加工に限定されず、例えばプランジ加工であってもよい。
【００３２】
次に、図５を参照して、図３に示した盛金層を形成するステップにおける盛金用粉末の供給方法について説明する。図５に示すように、盛金用粉末は、銅基合金からなるマトリクス粉末ＭＰと、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び銅（Ｃｕ）のうち１種以上の元素と、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、及びニオブ（Ｎｂ）のうち１種以上の元素とを含有するシリサイドを硬質相として含む硬質粉末とを含む。
【００３３】
本実施形態に係る耐摩耗部材の製造方法では、図５に示すように、硬質粉末を第１硬質粉末ＨＰ１と第２硬質粉末ＨＰ２とに分ける。そして、第１硬質粉末ＨＰ１とマトリクス粉末ＭＰとをレーザ加工ヘッド４０から供給しながらレーザビーム３０によって溶融させて溶融池２１を形成しつつ、第１硬質粉末ＨＰ１よりも溶融池２１の移動方向後方側から第２硬質粉末ＨＰ２を溶融池２１に供給する。これにより、第２硬質粉末ＨＰ２の少なくとも一部を盛金層２０の内部に未溶解のまま残留させる。第２硬質粉末ＨＰ２は、例えばレーザ加工ヘッド４０とは別のノズル（不図示）から供給する。第２硬質粉末ＨＰ２は
【００３４】
なお、第１硬質粉末ＨＰ１とマトリクス粉末ＭＰとを、レーザ加工ヘッド４０から供給する必要はなく、別のノズルから供給してもよい。さらに、第１硬質粉末ＨＰ１とマトリクス粉末ＭＰとを予め混合せずに、別々に供給してもよい。
【００３５】
図５に示すように、第２硬質粉末ＨＰ２は、レーザビーム３０によって溶融されるのではなく、溶融池２１の中に投入されるため、完全溶解するためにはある程度時間を要する。その上、第２硬質粉末ＨＰ２は、レーザビーム３０による加熱部位のシリンダヘッド粗形材１０に対する相対移動方向の後方側から溶融池２１に投入される。そのため、第２硬質粉末ＨＰ２が投入されてから溶融池２１が凝固するまでの時間が短く、未溶解のまま残留し易い。ここで、未溶解とは、１つの第２硬質粉末ＨＰ２において、一部が溶解し、残部が溶け残った場合も含む。なお、第２硬質粉末ＨＰ２は、レーザビーム３０が照射されない溶融池２１の側面部から投入するのであれば、加熱部位の相対移動方向の前方側から投入してもよい。
【００３６】
マトリクス粉末ＭＰは、例えば、Ｎｉを１０．０〜３８．０質量％、シリコン（Ｓｉ）を２．０〜６．０質量％、Ｃｕを５６．０質量％以上、含有する耐熱銅基合金からなる。マトリクス粉末ＭＰは、さらにＣｒ、Ｆｅ、Ｃｏ等の元素を含有してもよい。
【００３７】
第１硬質粉末ＨＰ１及び第２硬質粉末ＨＰ２は、Ｓｉを２．０〜８．０質量％、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びＣｕのうち１種以上の元素Ｘを１０．０質量％以上、Ｍｏ、Ｗ、及びＮｂのうち１種以上の元素Ｙを１５．０質量％以上、含有する。ここで、Ｓｉは、化学式Ｘ３Ｙ２Ｓｉで表されるシリサイドの形態で硬質相を形成する。
【００３８】
なお、第１硬質粉末ＨＰ１と第２硬質粉末ＨＰ２と、同一組成である必要はなく、上記成分範囲内であれば、それぞれ異なる組成であってもよい。また、第２硬質粉末ＨＰ２を２種類以上の異なる組成の硬質粉末から構成してもよい。その場合、各組成の硬質粉末を予め混合して供給しても、それぞれ別々に供給してもよい。
【００３９】
第１硬質粉末ＨＰ１とマトリクス粉末ＭＰとが溶融した溶融池２１からは、冷却過程において、いわゆる２液相分離反応によって新たな硬質相が晶出する。この晶出粒子も上記元素Ｘと上記元素Ｙとを含有するシリサイドを硬質相として含むが、元の第１硬質粉末ＨＰ１よりも、上記元素Ｙ及びＳｉの濃度が高く、上記元素ＸのうちＣｕを除く元素の濃度が低くなる。よって、第２硬質粉末ＨＰ２が第１硬質粉末ＨＰ１と略同一組成であれば、晶出粒子の硬さは、第２硬質粉末ＨＰ２の硬さよりも高くなる。
【００４０】
また、晶出粒子は粗大化せず、その粒径は例えば１００μｍ以下と小さい。そのため、被削性が向上する。また、盛金層２０の内部に残留する第２硬質粉末ＨＰ２の粒径が晶出粒子よりも大きくなるように、供給する第２硬質粉末ＨＰ２の粒径を調整することにより、盛金層２０の内部に硬さと粒径の異なる２種類の硬質粒子を存在させることができる。その結果、被削性と耐摩耗性を両立させることができる。
【００４１】
マトリクス粉末ＭＰに対する硬質粉末（第１硬質粉末ＨＰ１と第２硬質粉末ＨＰ２との合計）の割合は、５．０〜５０質量％の範囲とすることが好ましい。硬質粉末の割合が５．０質量％未満では、充分な耐摩耗性を得ることができない。他方、硬質粉末の割合が５０質量％を超えると、盛金層２０内の硬質粒子の粗大化が生じやすく、被削性が悪化する。
【００４２】
第１硬質粉末ＨＰ１に対する第２硬質粉末ＨＰ２の割合は２５〜７５質量％の範囲とすることが好ましい。耐摩耗性を重視する場合、この範囲において第２硬質粉末ＨＰ２を増加させることが好ましい。他方、被削性を重視する場合、この範囲において第１硬質粉末ＨＰ１を増加させることが好ましい。
【００４３】
第２硬質粉末ＨＰ２の粒径は、耐摩耗性向上の観点からは、大きい方が好ましく、被削性向上の観点からは、小さい方が好ましい。被削性向上の観点からは、第２硬質粉末ＨＰ２の粒径は、具体的には２５０μｍ以下とすることが好ましい。盛金層２０内の硬質粒子の粒径が２５０μｍを超えると急激に被削性が悪化するためである。また、第１硬質粉末ＨＰ１及びマトリクス粉末ＭＰの粒径は、特に限定されないが、溶融を容易にするという観点からは、なるべく小さい方が好ましく、具体的には１５０μｍ以下とすることが好ましい。
【００４４】
本実施形態に係る耐摩耗部材の製造方法では、硬質粉末を第１硬質粉末ＨＰ１と第２硬質粉末ＨＰ２とに分け、第１硬質粉末ＨＰ１とマトリクス粉末ＭＰとを局所加熱装置によって溶融させる。すなわち、局所加熱装置によって溶融させる硬質粉末の量を従来よりも減らすことができる。そのため、硬質粉末同士の凝集によって盛金層内の硬質粒子が粗大化し、盛金層の被削性が低下することを抑制することができる。それと共に、第２硬質粉末ＨＰ２の少なくとも一部を盛金層２０の内部に未溶解のまま残留させることにより、耐摩耗性を維持することができる。
【実施例】
【００４５】
以下、本発明の実施例、比較例について説明する。しかしながら、本発明は、以下の実施例のみに限定されるものではない。
表１に、実施例及び比較例に用いたマトリクス粉末及び硬質粉末の組成を示す。また、表２には、実施例及び比較例に用いたマトリクス粉末及び硬質粉末のビッカース硬さ（ＨＶ０．１）、液相線温度、固相線温度を示す。
【００４６】
実施例では、硬質粉末を第１硬質粉末と第２硬質粉末とに分けた。第１硬質粉末及び第２硬質粉末の組成はいずれも表１に示した硬質粉末の組成と同一である。そして、図５に示すように、篩粒径３２〜１０６μｍの第１硬質粉末とマトリクス粉末とを混合してレーザビームによって溶融させて溶融池を形成しつつ、第１硬質粉末よりもレーザビームによる加熱部位の進行方向後方側から篩粒径１０６〜１５０μｍの第２硬質粉末を溶融池に供給した。
【００４７】
実施例では、マトリクス粉末：第１硬質粉末：第２硬質粉末の質量比を、７５：１５：１０とした。すなわち、マトリクス粉末に対する硬質粉末（第１硬質粉末と第２硬質粉末との合計）の割合を３３．３質量％とし、第１硬質粉末に対する第２硬質粉末の割合を６６．７質量％とした。
【００４８】
一方、比較例では、硬質粉末を第１硬質粉末と第２硬質粉末とに分けず、篩粒径３２〜１０６μｍの硬質粉末とマトリクス粉末とを混合してレーザビームによって溶融させて盛金層を形成した。また、マトリクス粉末：硬質粉末の質量比は、７５：２５とした。すなわち、マトリクス粉末に対する硬質粉末の割合を実施例と同様に３３．３質量％とした。
【００４９】
【表１】
2018123388.tif 000003
【００５０】
【表２】
2018123388.tif 000004
【００５１】
実施例及び比較例では、いずれもＪＩＳ規格Ａ５０５２アルミニウム合金からなる板を基材とし、半導体レーザ装置を用いて盛金層を形成した。盛金条件については、出力を２．０ｋＷ、盛金速度を２０．０ｍｍ／秒、盛金用粉末供給量を０．０３ｇ／ｍｍとした。
【００５２】
図６は、実施例に係る盛金層の断面の光学顕微鏡観察写真である。図７は、図６に示した分析部位の反射電子像である。また、表３には、図７に示した分析位置１〜６の元素分析結果を示す。図６、図７に示すように、実施例に係る盛金層は、篩粒径１０６〜１５０μｍの第２硬質粉末が未溶解のまま残留した未溶解硬質粉末と、粒径が数１０μｍ以下の晶出粒子とが、マトリクス中に分散した組織を有していた。すなわち、盛金層内における硬質粒子の粗大化が抑制されていた。
【００５３】
図７に示すように、篩粒径１０６〜１５０μｍの第２硬質粉末が未溶解のまま残留した未溶解硬質粉末にはマトリクスのＣｕが拡散反応によって粉末内部に入り込み、表３の分析位置１〜３に示すように、未溶解硬質粉末におけるＣｕ濃度は、表１に示した原料の硬質粉末よりも上昇した。他方、未溶解硬質粉末におけるその他の主要合金元素であるＭｏ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉ等の濃度は、表１に示した原料の硬質粉末と同等であった。また、図７に示した未溶解硬質粉末のビッカース硬さも表１に示した原料の硬質粉末と同等の８８２ＨＶ０．１であった。このように、外観、組成、硬さから未溶解硬質粉末を同定することができる。
【００５４】
他方、図７に示すように、晶出粒子は粒径が数１０μｍ以下であり、未溶解硬質粉末に比べ小さかった。表３の分析位置４、５に示すように、晶出粒子１、晶出粒子２では、それぞれ表１に示した原料の硬質粉末よりＭｏの濃度が高くなり、Ｎｉ、Ｃｏの濃度が低くなった。これに伴い、晶出粒子１、晶出粒子２のビッカース硬さは、表１に示した原料の硬質粉末より大幅に上昇し、それぞれ１２５２ＨＶ０．１、１１９５ＨＶ０．１であった。このように、外観、組成、硬さから晶出粒子を同定することができる。
【００５５】
【表３】
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【００５６】
実施例及び比較例に係る盛金層について、プランジ加工による被削性試験を行った。
被削性試験では、刃具としてＴｉＣＮ超硬コートチップを用いた。プランジ加工条件は、切削速度Ｖ＝８０ｍ／分、１回転当たりの送り量ｆ＝０．０３ｍｍ／ｒｅｖ、切込み量ｔ＝０．５ｍｍとし、３００個の盛金層を加工した。
【００５７】
図８は、実施例及び比較例に係る盛金層についての被削性試験の結果を比較して示す棒グラフである。縦軸は刃具摩耗量である。図８に示す通り、実施例に係る盛金層での刃具摩耗量は、比較例に係る盛金層での刃具摩耗量の半分以下であり、実施例に係る盛金層の被削性が向上した。
【００５８】
また、実施例及び比較例に係る盛金層を切削加工して製造したバルブシート単体について、排気バルブシートを模擬した摩耗試験を行った。摩耗試験の試験条件は、スプリング荷重を２５ｋｇｆ、バルブ回転数を３０ｒｐｍ、バルブリフト量を４．９ｍｍ、カム回転数を２３００ｒｐｍ、バルブシート下面温度を３００℃、空燃比を３０、試験時間を８時間とした。
【００５９】
図９は、実施例及び比較例に係るバルブシート単体についての摩耗試験の結果を比較して示す棒グラフである。縦軸はバルブシートの軸方向摩耗量である。図９に示す通り、実施例に係るバルブシートの軸方向摩耗量は、比較例に係るバルブシートの軸方向摩耗量と同等であった。
以上の通り、実施例は、比較例と同等の耐摩耗性を維持しつつ、比較例に比べ盛金層の被削性が劇的に向上した。
【００６０】
なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、盛金方法として、上記実施形態において用いたレーザ盛金以外に、ガス盛金、プラズマ盛金等を用いることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１０  シリンダヘッド粗形材
１１  吸気ポート
１２  排気ポート
１３  燃焼室
１４  ザグリ溝
１４ａ  底面
１４ｂ  斜面
１４ｃ  側壁
１６  気筒
２０  盛金層
２１  溶融池
２２ａ  燃焼室側ガイド面
２２ｂ  ポート奥側ガイド面
２３  バルブシート面
３０  レーザビーム
４０  レーザ加工ヘッド
４１  内側ノズル
４２  外側ノズル
４３  原料供給管
５０  切削工具
５１  支持部
５２ａ  刃具
５２ｂ  刃具
ＨＰ１  第１硬質粉末
ＨＰ２  第２硬質粉末
ＭＰ  マトリクス粉末
【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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