(57)【要約】【課題】ビード割れの発生を十分に抑えることができる２層肉盛方法を提供する。【解決手段】基材１の表面に異種金属を２層に肉盛りする２層肉盛方法において、２層目の肉盛層７を形成する肉盛材料として所望の表面改質に適した材料を選択し、１層目の肉盛層６を形成する肉盛材料として、２層目の肉盛材料よりも高融点でかつ引張強さが大きい材料を選択する。１層目の肉盛層６の強度が高いので、２層目の肉盛り時の熱影響を受けても１層目の肉盛層６に割れが生じ難くなり、結果として肉盛層５全体のビード割れが防止され、一方、２層目の肉盛層７によって所望の表面改質効果が確保される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面に異種金属を２層に肉盛りする２層肉盛方法において、２層目の肉盛材料として所望の表面改質に適した材料を選択し、１層目の肉盛材料として、２層目の肉盛材料よりも高融点でかつ引張強さが大きい材料を選択することを特徴とする２層肉盛方法。
【請求項２】
１層目と２層目の肉盛り厚さの比を、２：８〜８：２に設定することを特徴とする請求項１に記載の２層肉盛方法。
【請求項３】
前記基材が、内燃機関用鋳鉄製シリンダヘッド基材であり、肉盛対象としての表面がバルブシート部であることを特徴とする請求項１または２に記載の２層肉盛方法。
【請求項４】
前記２層目の肉盛材料がＣｕ基合金であり、前記１層目の肉盛材料がＮｉ基合金、Ｃｏ基合金、オーステナイト系ステンレス鋼から選ばれた１種であることを特徴とする請求項３に記載の２層肉盛方法。
【請求項５】
レーザを熱源として用いて肉盛りすることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の２層肉盛方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材の表面に異種金属を２層に肉盛りする２層肉盛方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面を改質するため、基材表面に異種金属を肉盛りすることは、従来より広く行われており、たとえば、自動車用エンジンを構成する鋳鉄製シリンダヘッドにおいても、そのバルブシート部に肉盛りが施されている（たとえば、特許文献１参照）。ところで、基材表面に肉盛りすると、肉盛層中に割れ（ビード割れ）が往々にして発生する。これは、肉盛層に発生する内部応力（残留応力）が影響しており、特に肉盛り厚さが厚いほど残留応力が高くなって、ビード割れが発生しやすくなる。
【０００３】
そこで従来、上記したビード割れの発生を防止するため、前記特許文献１に記載のものでは、基材表面に異種金属を２層に肉盛りして、各層内に発生する残留応力を緩和する対策を採っている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した特許文献１に記載される対策では、１層目および２層目に同じ材料（Ｃｕ基合金）を肉盛りしているため、２層目の肉盛り時の熱影響で１層目の肉盛層に割れが誘発されて全体に割れが拡大する危険があり、ビード割れ対策として不十分であった。
【０００６】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、ビード割れの発生を十分に抑えることができる２層肉盛方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
金属の破壊は、通常、引張応力によって起こることが知られている。本発明は、この点に着目してなされたもので、１層目の肉盛材料として、２層目の肉盛材料よりも引張強さの大きい材料を選択して２層肉盛を行うことを特徴とする。このように２層肉盛を行う場合は、１層目の肉盛層の強度が高いので、２層目の肉盛り時の熱影響を受けても１層目に割れが生じ難くなり、結果として肉盛層全体のビード割れが防止される。
以下に、本発明の態様をいくつか例示し、それらについて項分けして説明する。
【０００８】
（１）基材の表面に異種金属を２層に肉盛りする２層肉盛方法において、２層目の肉盛材料として所望の表面改質に適した材料を選択し、１層目の肉盛材料として、２層目の肉盛材料よりも高融点でかつ引張強さが大きい材料を選択することを特徴とする２層肉盛方法。
【０００９】
（１）項記載の２層肉盛方法においては、１層目の肉盛材料として、２層目の肉盛材料よりも高融点でかつ引張り強さが大きい材料を選択しているので、２層目の肉盛時、１層目が溶融することにより１層目と２層目の成分が混合することを抑制し、１層目の強度低下を抑制し、なおかつ、２層目の肉盛時の熱影響を受けても１層目に割れが発生することはなくなる。また、２層目の肉盛材料として所望の表面改質に適した材料を選択しているので、要求される品質が犠牲になることもない。
【００１０】
（２）１層目と２層目の肉盛り厚さの比を、２：８〜８：２に設定することを特徴とする（１）項に記載の２層肉盛方法。
【００１１】
本発明において、１層目の肉盛厚さおよび２層目の肉盛り厚さは広範に変化させることができるが、一方の肉盛層が極端に厚くなると、残留応力が高くなって該一方の肉盛層に割れが発生しやすくなるので、ビード割れを確実に防止するには、（２）項記載のように２：８〜８：２の範囲に抑えるのが望ましい。
【００１２】
（３）前記基材が、内燃機関用鋳鉄製シリンダヘッド基材であり、肉盛対象としての表面がバルブシート部であることを特徴とする（１）または（２）項に記載の２層肉盛方法。
【００１３】
本発明の肉盛対象は任意であるが、（３）項記載のように鋳鉄製シリンダヘッド基材のバルブシートに対する肉盛りに向けて有用となる。
【００１４】
（４）前記２層目の肉盛材料がＣｕ基合金であり、前記１層目の肉盛材料がＮｉ基合金、Ｃｏ基合金、オーステナイト系ステンレス鋼から選ばれた１種であることを特徴とする（３）項に記載の２層肉盛方法。
【００１５】
鋳鉄製シリンダヘッド基材のバルブシート部には、一般的に耐摩耗性の向上を目的にＣｕ基合金が肉盛りされており、（４）項記載のようにＣｕ基合金を２層目の肉盛材料として選択する場合は、１層目の肉盛材料として、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金、オーステナイト系ステンレス鋼等を選択すれば、融点および引張強さの面で本発明の要件を満足するものとなる。
【００１６】
（５）レーザを熱源として用いて肉盛りすることを特徴とする（１）〜（４）項に記載の２層肉盛方法。
【００１７】
本（５）項記載の２層肉盛方法においては、レーザを熱源として用いる、いわゆるレーザ肉盛を行うので、１層目に対する基材からの成分希釈が最小限に抑えられ、１層目の強度が不用意に低下する危険を回避できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る２層肉盛方法によれば、肉盛層におけるビード割れの発生を十分に抑えることができることはもちろん、表面の改質効果を十分に確保することができるので、その利用価値は大なるものがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１および図２は、本発明に係る２層肉盛方法の一つの実施形態を示したものである。本実施形態は、内燃機関用の鋳鉄製シリンダヘッド（基材）１のバルブシート部２に対する異種金属の肉盛加工（クラッド加工）を行うもので、肉盛方式としては、ここではレーザ肉盛装置３によるレーザ肉盛方式が採用されている。レーザ肉盛装置３は、バルブシート部２に向けてレーザビームを照射すると共に金属粉末（肉盛材料）を吐出するレーザ加工ヘッド４を備えている。肉盛加工に際しては、前記レーザ加工ヘッド４がバルブシート部２に沿って走査され、これによってバルブシート部２には、後述の肉盛層５が連続して円環状に形成される。
【００２１】
本実施形態において、上記バルブシート部２に対する肉盛加工は、肉盛材料（金属粉末）の種類を変えて２工程に分けて行われる。より詳しくは、第２工程で用いる肉盛材料としては、バルブシート部２に要求される所望の耐摩耗性を有する材料、一例として、Ｃｕ基合金が選択される。一方、第１工程で用いる肉盛材料としては、前記第２工程で用いる肉盛材料よりも高融点でかつ引張強さの大きい材料、たとえば、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金、オーステナイト系ステンレス鋼等が選択される。
【００２２】
上記したように２工程に分けて肉盛加工を行うことで、バルブシート部２には、成分組成の異なる１層目の肉盛層６と２層目の肉盛層７とからなる２層構造の肉盛層５が形成される（図２）。この場合、１層目の肉盛層６と２層目の肉盛層７との厚さとの比が、２：８〜８：２の範囲に収まるように２工程の肉盛加工が実施される。前記した比率に１層目および２層目の肉盛層６、７の厚さを収めることで、各工程での肉盛加工に伴って各肉盛層６，７に生じる残留応力が緩和され、各肉盛層６、７における割れ発生が防止される。また、１層目の肉盛材料として、２層目の肉盛材料よりも高融点の材料を選択しているので、２層目の肉盛時、１層目の肉盛層６が溶融することにより１層目と２層目の成分が混合することを抑制し、１層目の肉盛層６の強度低下が抑制される。また、１層目の肉盛層６の引張強さが高いので、２層目の肉盛層７を形成する第２工程の肉盛加工時の熱影響を受けても１層目の肉盛層６に割れが生じ難くなり、この結果、肉盛層５の全体のビード割れが防止される。しかも、２層目の肉盛層７は、所望の耐摩耗性を有しているので、シリンダヘッド１のバルブシート部２の表面改質効果は十分となる。本実施形態においては特に、レーザ肉盛方式により肉盛層５を形成しているので、１層目の肉盛層６に対する基材（鋳鉄製シリンダヘッド）１からの成分希釈が最小限に抑えられ、この結果、１層目の肉盛層６の強度が不用意に低下することもない。
【００２３】
なお、上記実施形態においては、レーザビームを照射すると共に金属粉末を吐出する機能を有するレーザ加工ヘッド４を用いてレーザ肉盛を行うようにしたが、レーザビームを照射するレーザヘッドと金属粉末を吐出する粉末供給ヘッドとを各独立に備えたレーザ加工装置を用いてレーザ肉盛を行ってもよいことはもちろんである。また、このレーザ肉盛は、ＭＩＧ、ＴＩＧ、プラズマ等のアーク肉盛方式に代えてもよいものである。
【実施例１】
【００２４】
図１に示したシリンダヘッド１のバルブシート部２を対象に、１層目の肉盛材料として、表１に示す成分系の低融点Ｃｕ基合金、汎用のＣｕ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃ０基合金およびオーステナイト系ステンレス鋼の５種類を選択し、また、２層目の肉盛材料として、前記汎用のＣｕ基合金を選択し、半導体レーザを使用して、表２に示す加工条件で１層目（第１工程）および２層目（第２工程）のレーザ肉盛加工を行い、肉盛加工後、バルブシート部２の全周についてビード割れの有無を観察した。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
【表２】
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【００２７】
表１には、各ケースについてのビード割れの観察結果を付記している。これより、１層目の肉盛材料として低融点Ｃｕ基合金を選択したケース１および汎用のＣｕ基合金を選択したケース２でビード割れが認められ、特に低融点Ｃｕ基合金を選択したケース１の場合にビード割れが顕著に発生している。これに対し、１層目の肉盛材料として、２層目の肉盛材料（Ｃｕ基合金）よりも高融点でかつ引張強さの大きいＮｉ基合金、Ｃ０基合金、オーステナイト系ステンレス鋼を選択したケース３〜５では、いずれもビード割れはゼロ（０）となっており、１層目の材料選択がビード割れの発生に大きく影響することが明らかとなった。
【実施例２】
【００２８】
図３に示すように、上記シリンダヘッド１のバルブシート部２（図１）を模した形状の鋳鉄製供試体１０を複数用意し、同図に示すように該供試体１０の凹溝１１に２工程に分けてレーザ肉盛加工を実施して、１層目の肉盛層１２と２層目の肉盛層１３とを積層形成した。ここで、１層目の肉盛層１２を形成する肉盛材料としては、前記表１のケース３のＮｉ基合金を、２層目の肉盛層１３を形成する肉盛材としては、同じ表１のケースのＣｕ基合金をそれぞれ選択した。そして、表２に示した加工条件のうち、加工速度と粉末量とを変更して、１層目の肉盛層１２の厚さｔ１と２層目の肉盛層１３の厚さｔ２の比（ｔ１：ｔ２）を２：８、５：５、８：２に変化させ、肉盛加工後、ビード割れの有無を観察した。
【００２９】
この結果、各供試体１０の肉盛部には、ビード割れが全く認められず、本発明の方法によれば、１層目の肉盛厚さおよび２層目の肉盛り厚さを広範に変化させることができることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る２層肉盛方法の一つの実施形態を示す模式図である。
【図２】図１に示したシリンダヘッドのバルブシート部に対する肉盛状態を拡大して示す断面図である。
【図３】１層目と２層目の肉盛り厚さを変えて行った本発明の実施例に供した供試体を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    シリンダヘッド
２    バルブシート部
３    レーザ肉盛装置
４    レーザ加工ヘッド
５    肉盛層
６    １層目肉盛層
７    ２層目肉盛層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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