(57)【要約】【課題】アルミニウム合金基材との密着性が良好で、且つ、耐摩耗性が高く、相手攻撃性が低い盛金材料を提供することを課題とする。【解決手段】本発明の盛金材料は、重量比でＣ：０．２〜３％、Ｃｅ：０．２〜１０％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする。盛金材料の形状は粉末であり、その粒径は４０〜２００μｍであることが好ましく、プラズマアーク法またはレーザクラッド法などを用いてアルミニウム合金基材上に良好な盛金を形成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量比でＣ：０．２〜３％、Ｃｅ：０．２〜１０％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする盛金材料。
【請求項２】
基材がアルミニウム合金である請求項１に記載の盛金材料。
【請求項３】
前記盛金材料は粉末である請求項１または２に記載の盛金材料。
【請求項４】
前記粉末の粒径は４０〜２００μｍである請求項３に記載の盛金材料。
【請求項５】
前記盛金材料の盛金方法はプラズマアーク法またはレーザクラッド法である請求項１〜４のいずれかに記載の盛金材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は盛金材料に関する。より詳しくは、アルミニウム合金からなるエンジン用シリンダヘッドのバルブシートとして好適な盛金材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来盛金を施したバルブシートとしては、銅系合金粉末をアルミニウム鋳造合金製のシリンダヘッドのバルブシート部に肉盛りして形成した肉盛りバルブシートが知られている（特許文献１）。盛金合金としての銅合金はアルミニウム合金とＣｕ−Ａｌ合金層を介して接合されるので盛金性は良好であるが、耐摩耗性については必ずしも満足できるものではなかった。
【０００３】
ところで、鉄系合金粉末など、高融点で高硬度の金属で盛金層を形成することができれば銅合金による盛金層に比べて耐摩耗性の向上が期待できる。しかし、鉄系合金からなる盛金材料はアルミニウム合金との密着性が不十分なため良好な盛金層を形成することができなかった。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２０２６２６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、アルミニウム合金基材との密着性が良好で、且つ、耐摩耗性が高く、相手攻撃性が低い盛金材料を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
鉄系合金からなる盛金材料とアルミニウム合金基材との密着性の問題は、アルミニウム合金表面に形成される酸化皮膜に起因すると考えられる。つまり、酸化皮膜により盛金のアルミニウム合金基材への濡れ性が低下すること、およびアルミニウム合金基材と盛金との間での元素の相互拡散が阻害されることなどである。そこで、鋭意研究の結果、鉄系の盛金材料へ希土類元素であるＣｅを添加することによりアルミニウム合金表面に形成される酸化皮膜を還元して、その悪影響を除去できることを見出した。
【０００７】
すなわち、本発明の盛金材料は、重量比でＣ：０．２〜３％、Ｃｅ：０．２〜１０％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする。
【０００８】
盛金材料の形状は粉末であり、その粒径は４０〜２００μｍであることが好ましく、プラズマアーク法またはレーザクラッド法などを用いてアルミニウム合金基材上に良好な盛金を形成することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の盛金材料は、重量比でＣ：０．２〜３％、Ｃｅ：０．２〜１０％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする。ここで、添加元素の含有範囲の限定理由は以下の通りである。
【００１０】
Ｃは炭化物を形成して盛金部の耐摩耗性を向上させる。この特性はＣが０．２重量％以上の鋼材で得られる。一方、Ｃ量が３重量％を越えると盛金部の耐摩耗性はさらに向上するが、盛金部と摺動する相手材料を摩耗する相手攻撃性が増大するので好ましくない。Ｃのより好ましい含有量の範囲は、０．５〜１．５重量％である。
【００１１】
Ｃｅは基材であるアルミニウム合金表面に生成した酸化皮膜を還元して、アルミニウム合金と盛金材料との間の元素の拡散を促進して、盛金材料と基材との密着性を向上させるために必須の元素である。Ｃｅの含有量が０．２重量％未満ではこの効果が小さいために十分な密着性を得ることができない。また、１０重量％を越えて含有させても効果は飽和してしまい、それ以上の密着性の向上は望めない。より好ましくは２〜６重量％である。
【００１２】
本発明の盛金材料の形状は、粉末形状、ワイヤ形状あるいは棒状など、特に限定されないが、プラズマアーク法やレーザクラッド法による盛金を考慮するとガスアトマイズ法によって粉末形状とすることが望ましい。粉末形状とした場合に、その粒径は４０〜２００μｍとすることが望ましい。粒径が２００μｍより大きくなると、盛金時に未溶融粉末が生じやすくなり、粉末同士や基材との融合不良を生じることがあるので好ましくない。また、これを避けるため入熱量を上げると、溶融金属の温度が上がりすぎ、盛金層を形成する基材のアルミニウム合金との間で脆弱な金属間化合物が多量に形成されることがあり適当ではない。他方、盛金材料の粒径が４０μｍ未満では粉末の安定送給性やその他製造上の取り扱いが容易でないために好ましくない。より好ましくは６０〜１５０μｍである。
【００１３】
本発明の盛金材料の熱源は特に限定されるものではないが、プラズマアークあるいはレーザビームを熱源とすることが望ましい。この時、盛金材料の酸化を防止するために炭酸ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスによるシールドを行うことが望ましい。
【００１４】
図１および２にアルミニウム合金に盛金した盛金部断面のＸ線マイクロアナライザによる面分析の結果を示す。図１は本発明の盛金材料（Ｃｅ：４重量％、Ｃ：１重量％、残部鉄）であり、図２はＣ：１重量％でＣｅを含有しない鉄系の比較合金材料である。図１ａおよび図２ａはＡｌの特性Ｘ線強度マッピングであり、図１ｂおよび図２ｂはＦｅ、図１ｃおよび図２ｃはＯの特性Ｘ線強度マッピングである。また、図１ｄはＣｅの特性Ｘ線強度マッピングである。図１ｅおよび図２ｄは二次電子像である。図１および図２の二次電子像で、１は盛金層であり、２は基材であるアルミニウム合金である。図１のＡｌとＦｅの特性Ｘ線強度マッピングから、拡散層３が盛金層１側へ形成されており基材のＡｌが拡散している様子が認められる。一方、Ｏの特性Ｘ線強度マッピングで分かるように、Ｃｅを含有しない図２ｃの盛金材料の肉盛りでは、アルミニウム合金基材２と盛金層１との境界付近にアルミニウムの酸化皮膜４の形成が認められる。この酸化皮膜４は緻密で強固であるためにアルミニウム合金の盛金層１側への拡散は認められない。このため盛金層１とアルミニウム合金基材２との密着性は必ずしも十分ではない。ところが本発明の盛金材料では、配合されたＣｅがアルミニウム合金基材の酸化皮膜を還元するので、図１ｃに示すように盛金層１と基材２との境界の酸化皮膜は不明瞭なものとなっている。このため、基材のアルミニウムは盛金層側へ拡散することができ、拡散層３でＡｌ−Ｆｅの合金層３’が形成されている（図１ａおよび図１ｂ）。Ａｌ−Ｆｅの合金層は基本的にはもろい性質を持っているので、レーザによる盛金層の形成においては、盛金粉末の酸素量を低減することで盛金への入熱量を抑制したり、熱処理により組織を細かくすることが望ましい。
【００１５】
【実施例】
以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。
（試料調製）
表１に示す試料番号１〜１０の１０種類の盛金用の鉄系合金を溶解して、窒素ガスを用いてガスアトマイズして粉末を形成した。なお、ガスアトマイズ条件は常法に従った。得られた粉末の粒径が４４〜１８０μｍの範囲となるようにふるいで分級し、盛金用の粉末材料を得た。なお、試料番号１〜５が本発明の合金組成範囲内にある実施例である。また、試料番号６〜１０は比較例であり、いずれか一つの合金組成範囲が本発明の合金組成範囲とは異なる合金である。
【００１６】
得られた各合金粉末をＪＩＳＡＣ２Ｃ（Ａｌ−３重量％Ｃｕ−６重量％Ｓｉ−０．３重量％Ｍｇ−０．３重量％Ｍｎ）のＡｌ合金平板試験片（厚さ：７ｍｍ、４０ｍｍ×２５ｍｍ）上に、出力：１００Ａ、処理速度：５ｍｍ／ｓｅｃ、粉末供給速度：１０ｇ／ｍｉｎの条件でプラズマ肉盛り溶接を施し、厚さ：２ｍｍ、幅：１０ｍｍ、長さ：３０ｍｍの盛金部を得た。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
（評価方法）
得られた盛金部について基材との密着性、耐摩耗性および相手攻撃性を以下の方法で評価した。
１）密着性の評価
試料の盛金部を盛金進行方向に対して直交する面で切断し、断面をバフ研磨後ナイタルでエッチングして盛金部の密着性を観察した。断面の盛金部と基材との界面を含む１０ｍｍ×４ｍｍの範囲を金属顕微鏡（倍率：５０倍）で目視観察して、以下の基準で４段階に評価した。評価点が大きいほど基材と盛金部との密着性が良好であることを示す。
【００１９】
盛金部の断面模式図を図３に示す。Ａｌ合金平板試験片２に盛金１を幅Ｗで施して盛金１とＡｌ合金２との界面５を顕微鏡観察した結果、長さがａ，ｃおよびｅの範囲は溶着しており、ｂとｄの範囲は未溶着であったとする。この時の溶着率（％）を（ａ＋ｃ＋ｅ）／Ｗ×１００と定義して、この溶着率（％）が０〜２０％未満の場合を密着性１と評価し、２０〜７０％未満を溶着性２、７０〜９５％未満を溶着性３、９５％以上を溶着性４として評価した。
２）摩耗特性の評価
密着性が良好と判断された試料番号の合金を、図４の単体摩耗試験機６のバルブシート７摺動面に上記と同様の条件でプラズマアークで盛金した。なお、バルブシート部７の形状は、外径：３３ｍｍ、幅：５ｍｍで、盛金の厚さは２ｍｍであった。さらに、盛金部を所定の形状に研削して盛金を施したバルブシートを形成した。この盛金を施したバルブシートを使用して単体の摩耗試験を実施した。
【００２０】
単体摩耗試験機６は図４に模式的に示すように、開口部に盛金を施したバルブシート７を有するＡｌ合金鋳物（ＡＣ２Ｃ）からなる基体２と、バルブ８とからなり、バルブ８は基部９をカム（図示しない）などでその軸心方向に押し上げることとスプリング１０の付勢力で押し下げることにより、上下に往復運動自在の構成となっている。
【００２１】
この単体摩耗試験機６でプロパンガスバーナ１１を加熱源として、バルブ８とバルブシート７との摺動部を加熱して、バルブシート７の温度を２００℃一定に制御した。また、スプリング１０の付勢力によりバルブフェースのバルブシート７への押圧力を１８ｋｇｆ、バルブ８とバルブシート７との当接回数を２０００回／分として８時間の連続試験を実施した。なお、バルブ８はＳＵＨ３５耐熱鋼であった。
【００２２】
耐摩耗性は試験後のバルブシート幅の増加量で評価した。増加量が大きいほど耐摩耗性が低いと判定した。なお、試験前のバルブシート７のバルブフェースとの当接面の幅は１．２ｍｍであった。
３）相手攻撃性の評価
相手攻撃性は、摩耗試験後のバルブのバルブフェイスの摩耗深さを表面粗さ計で２箇所測定して、その深さの平均値で評価した。摩耗深さの小さいものほど相手攻撃性が小さく良好であると判定した。
（評価結果）
評価結果を表１に併記する。
【００２３】
本発明の実施例である試料番号１〜５については、ＣｅとＣが本発明の範囲であるので、密着性の判定はいずれも３〜４と良好であり、また、耐摩耗性は０．０３〜０．１０ｍｍで、相手攻撃性は４〜１０μｍといずれの特性も良好であった。
【００２４】
しかし、試料番号６〜１０の比較例では、Ｃｅを含有していない試料番号６、９、１０は、基材との密着性が極めて悪く、盛金と基材との界面付近に多数の未溶着部分が認められたため、密着性は１または２という低い評価となった。このため試料番号６、９、１０については耐摩耗性及び相手攻撃性についての評価は実施しなかった。また、試料番号７は、Ｃｅは４％含有しているので密着性は良好であったが、Ｃが４％と本発明の上限である３％を越えて含有しているために盛金の硬さ硬くなり過ぎてしまい、相手攻撃性が２０μｍと大きな値となった。
【００２５】
さらに、試料番号８は、Ｃｅ４％以外は何も含有していない合金であった。その結果、基材との密着性は４と良好であったが、摩耗試験後のバルブシート幅の増加量が０．２０ｍｍと１０種類の試料中最も大きな値となり耐摩耗性に劣ることが分かった。
【００２６】
なお、Ｃｅの代わりに試料番号９ではＣｅと同様の希土類元素であるＹを、また、試料番号１０ではＴｉを、それぞれ３重量％ずつ含有させたが、いずれも前記のように密着性は改善されなかった。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の盛金材料は、希土類元素であるＣｅを０．２〜１０重量％含有しているので、基材であるアルミニウム合金の酸化皮膜を還元して元素の拡散を促進することができる。従って、基材と盛金との密着性が良好であり盛金が割れたり剥離したりすることがない。また、本発明の盛金材料は、Ｃを０．２〜３重量％含有して盛金に適度の硬さを付与することができるので、耐摩耗性と相手攻撃性に優れた摺動部を形成することができる。よって、本発明の盛金材料は、シリンダヘッドのバルブシート部や、ピストンのピストンリングとの摺動部などに使用して好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の盛金材料をアルミニウム合金に盛金した盛金部断面の各元素の特性Ｘ線強度マッピングを示す。図１ａはＡｌ、図１ｂはＦｅ、図１ｃはＯ、図１ｄはＣｅの特性Ｘ線強度マッピングである。なお、図１ｄは二次電子像である。
【図２】Ｃｅを含まない比較例の盛金材料をアルミニウム合金に盛金した盛金部断面の特性Ｘ線強度マッピングを示す。図２ａはＡｌ、図２ｂはＦｅ、図２ｃはＯの特性Ｘ線強度マッピングである。なお、図２ｄは二次電子像である。
【図３】餅金の密着性を評価する評価基準を説明する盛金部の断面模式図である。
【図４】バルブシートの単体摩耗試験方法を示す試験機の断面模式図である。
【符号の説明】
１：盛金層  ２：基材  ３：拡散層  ４：酸化皮膜  ６：単体摩耗試験機  ７：バルブシート  ８：バルブ  １０：スプリング  １１：プロパンガスバーナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年6月4日(2003.6.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
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