(57)【要約】本発明は、アルミニウム合金基板の表面上に金属充填剤が供給されてなる高強度の耐摩耗性複合層を形成するための方法に関する。前記金属充填剤には、アルミニウムと、シリコンと、少なくとも１５重量％の鉄を含む合金または混合粉末とが含まれる。アルミニウム合金基板の表面上に配置された合金または混合粉末は、合金または混合粉末にレーザーを照射することにより、アルミニウム合金基板の表面成分とともに溶解される。【選択図】図１
2004525267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金基板（１）の表面上に高強度の耐摩耗性複合層（２）を形成するための方法であって、
ａ）前記アルミニウム合金基板の表面上に、アルミニウムと、シリコンと、少なくとも１５重量％の鉄と、を含む合金または混合粉末からなる添加材料（５、６）を配置するかまたは供給するステップと、
ｂ）前記合金または混合粉末および前記アルミニウム合金基板の表面部分を溶融するために、前記アルミニウム合金基板（１）の表面上に配置されているかまたは供給されている前記添加材料（５、６）にレーザー（４）を照射するステップと、
ｃ）細かい均質の微細構造を形成するために、高い冷却速度で前記溶融物（３）を凝固させるステップとを含む方法。
【請求項２】
前記合金または混合粉末からの鉄が、アルミニウムとの、またはシリコンおよびアルミニウムとの金属間化合物を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記鉄の含有量が、好ましくは１５〜３０重量％であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記シリコンが、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金によって前記溶融物から析出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
さらなる金属間化合物を形成するために、銅及び／又は亜鉛及び／又はバナジウムが前記合金または混合粉末に添加されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記銅の含有量が、０〜約１５重量％であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記亜鉛の含有量が、０〜約５重量％であることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
前記バナジウムの含有量が、０〜約７重量％であることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記合金または混合粉末が、粉末として硬いセラミック材料を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記硬いセラミック材料が、金属炭化物または金属窒化物、および好ましくはＳｉＣ、ＷＣ、ＴｉＣ、またはＳｉ３Ｎ４からなることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記硬いセラミック材料の前記含有量が、０〜５０容量％であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記硬い材料が、溶融金属内の表面で溶融され、複合層の金属部分とかみ合うように結合することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法を使用して生成される、アルミニウム合金基板の表面上の耐摩耗性複合層であって、少なくとも１５重量％の鉄の含有量が、二元アルミニウム−鉄相または三元アルミニウム−シリコン−鉄相を含むことが好ましいことを特徴とする耐摩耗性複合層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金基板の表面上に高強度の耐摩耗性複合層を形成するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａｌ−Ｓｉ合金からなる成分については、過共晶合金が磨耗および摩擦を最小にする点から見て特に有利であることが証明されているので、このような合金を使用することが好ましい。十分な数および大きさのシリコン初晶を得るために、アルミニウム合金は、たとえば１４〜１７％のシリコンを含む。アルミニウムに加えて、合金内では粗いシリコン結晶も形成される。アルミニウムの厚みを減少させるエッチングプロセスにより、耐摩耗性を有する粗いシリコン結晶が突出し、くぼんだアルミニウムが安定した潤滑膜を形成し得る。
【０００３】
アルミニウム合金の高い耐摩耗性は、基板表面の変性による焼き入れにより、たとえばレーザービームを使用して表面を一部溶融することにより、既にかなり改良することができる。その結果、表面の強度が増す。
【０００４】
特許文献１では、Ａｌ−Ｓｉ合金からなる成分上で耐摩耗性を有する表面を生成するために使用される方法について開示している。このため、表面は、バインダー、粉末シリコン、シリコン初晶のための接種剤、及びフラックスを含む層で覆われ、次いでこの被膜はレーザーエネルギーを用いて溶融される。たとえば金属炭化物や金属窒化物といった形態の硬い材料を添加することにより、表面の硬さが既に相当増すという効果がある。合金元素を用いる１つの簡単な方法が、スクリーン印刷技術によって実現される。
【０００５】
さらに、特許文献２では、軽金属合金からなるシリンダーライナ上で耐摩耗層を生成するための方法が開示されており、その方法においては、高エネルギービーム、つまりレーザーまたは電子ビームにより、シリンダーライナ全体が固体−液体−固体相転移を受け、次いで再び機械加工が実施される。表面の硬さを増すために、層は、少量の鉄またはニッケルを混ぜて合金にし、硬い材料とすることができる。一例となるピストン表面は、この場合まず第１のプロセスステップで選択された金属で電気めっきされる。
【０００６】
しかし、既知の方法で使用される合金部分は、満足できる硬さを達成していない相に限られている。磨耗に対する成分表面の耐性をさらに増加することが望ましいであろう。
【０００７】
【特許文献１】
欧州特許第０  ４１１  ３２２号明細書
【特許文献２】
独国特許発明第４０  ４０  ４３６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、特に耐摩耗性を有する表面を生成する方法を提供する目的に基づくものである。
【０００９】
本発明は、特許請求項１の特徴によって実現される。さらなる請求項は、本発明の有利な改善された形態および発展した形態を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
アルミニウム合金基板の表面上に高強度の耐摩耗性複合層を形成するための方法は、基板の表面上に添加材料を配置することを含む。添加材料は、アルミニウムと、シリコンと、少なくとも１５重量％の鉄を含む合金または混合粉末とからなる。アルミニウム合金基板の表面上に配置されたまたは供給された合金または混合粉末にレーザーを照射することにより、合金または混合粉末およびアルミニウム合金基板の表面部分がともに溶解する。溶融中および冷却が起こるまで表面の酸化を防ぐために、本方法は不活性雰囲気の下で実施することが好ましい。溶融物は、細かい均質な微細構造となるように形成させるために、速い冷却速度で凝固される。
【００１１】
驚くべきことに、溶融段階からの急速な冷却プロセスにより、これまでに知られている、熱安定性のある耐摩耗性を有する金属間化合物に組み込まれるものよりはるかに鉄の含有量が高くなる。
【００１２】
先行技術において記載されている冷却速度が速いことによる欠点、つまりレーザー溶融により細かな顆粒粉末が得られるものの、シリコン初晶が十分に形成されないことが、これによって克服される。このようにして、有利なことに、磨耗負荷や熱機械的負荷の下においても、著しく長い耐用期間が達成される。
【００１３】
表面上でレーザービームを制御して誘導することにより、有利なことに、より細かい微細構造を有する硬い複合層が、その成分の局部的に限定された部分で、たとえば特に熱および機械的負荷が掛かっている部位で形成される。
【００１４】
合金または混合粉末からの混合鉄は、主に、アルミニウムとの二元金属間化合物およびアルミニウムとシリコンとの三元金属間化合物を形成する。鉄の含有量は、１５〜３０重量％が好ましい。この範囲内でなお、表面にひび割れのない複合層が形成される。
【００１５】
過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金を使用する結果、シリコンがまた複合層内の溶融物からある程度析出する。適切な成核剤を目標を定めて導入することによって、シリコンの析出の増加がさらに促される。
【００１６】
さらに、さらなる金属間化合物を形成するために、銅および／または亜鉛および／またはバナジウムを、合金または混合粉末に添加することが有利である。銅の含有量は０〜約１５重量％であることが好ましく、亜鉛の含有量は０〜約５重量％であることが好ましく、バナジウムの含有量は０〜約７重量％であることが好ましい。この種の添加物により、強度、じん性、及び腐食に対する耐性の点で複合層全体の質が向上する。
【００１７】
硬いセラミック材料を粉末として合金または混合粉末内に混ぜることが特に有利である。硬いセラミック材料は、金属炭化物または金属窒化物、好ましくはＳｉＣ、ＷＣ、ＴｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４からなる。硬いセラミック材料の含有量は、０〜５０容量％である。
【００１８】
本発明による方法においては、硬い材料は溶融金属内の表面で溶融され、その結果、緻密な複合層とかみ合うように結合する粉末粒子の粗い表面が生じる。硬い材料表面のこの部分的な溶融は、比較的多く鉄の含有量が添加された場合に特に起きる。
【００１９】
アルミニウム合金基板の表面上の耐摩耗性複合層の好ましい組成物は、１５〜３０重量％の鉄の含有量を含み、二元アルミニウム−鉄相および三元アルミニウム−シリコン−鉄相とからなることが好ましい。
【００２０】
以下に、有利な例示的実施形態に基づき、かつ図中に表した概略図を参照しながら、本発明についてより詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
第１の例示的実施形態では、 図１に示されているように、添加材料が連続的に添加される生成プロセスが例示されている。この目的で、アルミニウム合金基板１の表面は、レーザービーム４の真下に沿って動かされる。この動き７は、約２００ｍｍ〜１ｍ／分の速度で起こる。添加材料５は、レーザービームの入射点に、帯状、線状、または粉末状の形状にして直接供給され、溶融されて溶融池３を形成する。この手順において、複合層２は、正確にレーザーの入射点に形成され、ビームは、入射点で約３〜８ｍｍの直径を有する。
【００２２】
この方法は、局部的な層の形成に特に適切であり、表面をさらに構造的に形成する必要がない。噴霧プロセスを用いてさらにバインダー材料を使用することなく、混合粉末を添加できる。
【００２３】
細かい均質な微細構造を形成するために速い冷却速度で溶融物を凝固させることは、基板表面または基板材料全体を加えて冷却することによっても、得ることができる。
【００２４】
第２の例示的実施形態では、図２に示されているように、添加材料は、溶融が起きる前に、既に表面６に供給されている。広範囲な複合層の場合には、その基板表面を帯状および板状にした添加材料で覆うことにより供給することが好ましい。局部的に形成される複合層は、粉末状の添加材料を使用して、その表面を前もって構造的に形成することによって、たとえばスクリーン印刷によって形成される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】添加材料が連続的にて添加される生成プロセスを示している。
【図２】前もって添加材料が供給されている生成プロセスを示している。
【国際公開パンフレット】
2004525267.tif 000003
2004525267.tif 000004
2004525267.tif 000005
2004525267.tif 000006
2004525267.tif 000007
2004525267.tif 000008
2004525267.tif 000009
2004525267.tif 000010
2004525267.tif 000011
2004525267.tif 000012
2004525267.tif 000013
2004525267.tif 000014
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004525267.tif 000015
2004525267.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成15年8月14日(2003.8.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金基板（１）の表面上に高強度の耐摩耗性複合層（２）を形成するための方法であって、
ａ）前記アルミニウム合金基板の表面上に、アルミニウムと、シリコンと、少なくとも２０重量％の鉄と、１５重量％までの量の銅および／または５重量％までの量の亜鉛と、を含む合金または混合粉末からなる添加材料（５、６）を配置するかまたは供給するステップと、
ｂ）前記合金または混合粉末および前記アルミニウム合金基板の表面部分を溶融するために、前記アルミニウム合金基板（１）の表面上に配置されているかまたは供給されている前記添加材料（５、６）にレーザー（４）を照射するステップと、
ｃ）細かい均質の微細構造を形成するために、高い冷却速度で前記溶融物（３）を凝固させるステップとを含む方法。
【請求項２】
前記合金または混合粉末からの鉄が、アルミニウムとの、またはシリコンおよびアルミニウムとの金属間化合物を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記鉄の含有量が、２０〜３０重量％であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記シリコンが、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金によって前記溶融物から析出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
さらなる金属間化合物を形成するために、バナジウムが前記合金または混合粉末に添加されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記バナジウムの含有量が、０〜約７重量％であることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
前記合金または混合粉末が、粉末として硬いセラミック材料を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記硬いセラミック材料が、金属炭化物または金属窒化物、および好ましくはＳｉＣ、ＷＣ、ＴｉＣ、またはＳｉ３Ｎ４からなることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記硬いセラミック材料の前記含有量が、０〜５０容量％であることを特徴とする請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１１】
前記硬い材料が、溶融金属内の表面で溶融され、複合層の金属部分とかみ合うように結合することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法を使用して生成される、アルミニウム合金基板の表面上の耐摩耗性複合層であって、少なくとも２０重量％の鉄の含有量が、二元アルミニウム−鉄相または三元アルミニウム−シリコン−鉄相を含むことが好ましいことを特徴とする耐摩耗性複合層。
【国際調査報告】
2004525267.tif 000017
2004525267.tif 000018
2004525267.tif 000019
2004525267.tif 000020
2004525267.tif 000021
2004525267.tif 000022