パルスファイバレーザ加工による溶射皮膜のはく離強度の最適化
福山大学 機械システム工学科
教授 加藤 昌彦
（2019 年度 一般研究開発助成 AF-2019216-B3）
キーワード：パルスファイバレーザ，溶射エンジン，はく離強度評価

１．研究の目的と背景
自動車エンジンでは，軽量化のためアルミニウム化が主流となっているが，ピストン摺動部は鋳鉄製ライナが埋込基材厚さ B2=2mm とした．パンチは六面体のパンチ A および，皮膜上面に接するように延長したパンチ B の２種類とし，それらを左側から変位制御で押込んだ．

まれている．しかし，鋳鉄製ライナは重く，また厚さがあるので冷却性にも劣り，自動車メーカーで取り組まれているエンジンのダウンサイジング化，軽量化のネックとなっている．
この問題を解決するため，鋳鉄製ライナをなくしたエンジンの開発が検討されており，溶射により薄膜をシリンダ表面に吹き付けることが検討されている．しかし，溶射膜をアルミニウムに直接吹付けたのでは溶射膜がはく離するので，ブラストによる界面粗面化処理が行われる．しかしこれには，①前処理品質（ブラストの不均一，ブラストメディアの基材埋没，表面硬化割れ），②界面凹凸形状の自由度が低さ，および制御性が低いことによるはく離強度の低さおよびばらつき，③環境負荷（砂や粉塵の飛散，廃棄メディアの大量発生）がある．これら問題を解決するた(a) パンチ Aめ，パルスファイバレーザによる界面の粗面化を検討する．
パルスファイバレーザ処理では，上記①，③の問題は生じない．また，②に関しても，レーザを用いることにより制御性よく界面凹凸を作成できるので，はく離強度を向上させ，かつばらつきを低下させる可能性が高い．
一方，溶射エンジンは，円筒内面に溶射されるので，このような用途に適したはく離強度評価法を用いる必要がある．溶射皮膜のはく離強度評価法は各種提案されているが 1)-5)，本研究目的に適した方法はないようである．
そこで本研究では，パルスファイバによる前処理方法の(b) パンチ B検討および，溶射皮膜の最適なはく離強度評価法の検討を

図 1 有限要素解析モデル

行った．

２．有限要素解析

き裂先端のエネルギ解放率 G を VCCM 法(virtual crack

はく離強度評価法検討のため，3 次元弾塑性有限要素解closure method)を用いて求めた 5)．エネルギ解放率はき析(FEM, MARC2016 エムエスシーソフトウェア（株）

裂閉口に要するエネルギより求まるので，き裂先端開口側製)を行った．解析に用いたモデルを図 1(a)および(b)に示の 2 節点変位と，それらの節点力と等価な節点力として，す．モデルは六面体 8 要素で作製した．皮膜は鉄系粉末

き裂先端およびそれの一つ前方の節点力から求めること

XPT512 とし，ヤング率は後述の引張試験により測定したができる．

750GPa とした．基材は鋳造用アルミニウム合金（ADC11）とし，塑性域を直線硬化材で近似した．ヤング率，塑性係

３．有限要素解析結果

数および降伏応力は，文献値より，それぞれ 71GPa，押込み荷重 P=50N における，ノッチ長さ a と，せん断4.57GPa，150MPa とした．皮膜と基材界面には長さ a のエネルギ開放率 G2 を全エネルギ開放率 G で除した無次元き裂を導入した．パンチは超硬合金(ヤング率 570GPa)と化せん断エネルギ開放率の関係を図 2 に示す．無次元化せした．幅 b=1mm とし，長さ l=2mm，膜厚 B1=115μm，ん断エネルギ開放率はパンチ B の方が高い．

模式的に図 4(a)および(b)に示す．はく離荷重負荷方向に対する溝の方向により，(a)平行溝，および(b)直交溝と定義する
4・2

はく離強度評価試験

はく離強度評価のため，図 5(a)および(b)に示す，水平押込み試験機を自作した．

図 2 ノッチ長さと無次元化せん断エネルギ解放率(a) 試験機の外観

図 3 ノッチ長さとエネルギ解放率
ノッチ長さ a と全エネルギ開放率 G の関係を図 3 に示(b) 模式図す．パンチ A はノッチ長さ依存性を示すことがわかる．

図 5 水平押込み試験機

このように，パンチ B の方が適切であることが分かった
ので，パンチ B で試験機を作成した．

界面に長さ a のノッチを導入して幅 b の試験片の皮膜部分に水平方向にアクチュエータにより荷重 P を徐々に4．実験方法
4・1

負荷して皮膜をはく離させた．押込み治具は皮膜上面の変試験片形を抑制する構造である．

基材には自動車エンジンに使用される鋳造用アルミニウム合金を使用した．表面仕上げしたのち条件を種々に変皮膜の界面破壊じん性値 GC は，導出した以下の式で求めた．

えたレーザ加工を行った後，WC-Co および Cr2C3 粉末を大気圧プラズマ溶射により，所定の厚さ B1 になるように成膜した．これを所定の幅 b にレーザ加工した．

GC =P2d22b B1 E1(1)

ここで，Pd ははく離荷重である．

５．実験結果及び考察
5・1

はく離強度評価

直交溝溝試験片に水平押込み試験を行い，式(1)より求めた無次元化界面破壊じん性値 GC を，レーザ溝幅をピッチで除した値 w/p で整理して図 6 に示す．なお，計算に際して，WC-Co および Cr2C3 皮膜の弾性係数 E1 は(a)平行溝(b)直交溝
図4

試験片

750GPa および 550GPa を用いた．
直交では，w/p の増加とともに界面破壊じん性値が増加し，ある値で最大となる．

(c)w/p=0.8
図 7 はく離面(直交溝)図 6 レーザ溝幅と界面破壊じん性値の関係(直交溝)

はく離面の操作型電子顕微鏡写真を図 7 に示す．w/p が0.2 と小さい場合，上部ではく離している．一方，w/p が0.8 と大きいと，基材ではく離している． 図 8 に模式的に示した図で説明すると，w/p が小さな(a)では interface1ではく離が生じ，w/p が過大な(c)では interface2 ではく
図 8 はく離面の模式図離が生じている．破壊じん性値の最大が得られるのは，interface1 と interface2 の界面強度が同等となる場合であると考えられ，それが最適値となる．

次に，平行溝の結果を図 9 に示す平行溝では，w/p の増加とともにわずかに増加する．しかし，最大値は直交溝の方が高いことがわかる．

(a)w/p=0.2

図 9 レーザ溝幅と界面破壊じん性値の関係(平行溝)６．結言
溶射エンジン用界面制御技術そして，レーザ加工の最適(b)w/p=0.5化およびはく離強度の開発を行った．得られた結論は以下のとおりである．
1

有限要素解析の結果，皮膜に水平に押込む方法を，皮膜が開口しないように変形抑制機構を設けると，安定した破壊じん性値が得られる．

2
3

解析をもとに試験機を作成し，実験を行ったところ，

3) 加藤昌彦，中佐啓治郎， 章博，秋竹教行, エ界面で皮膜はくが確認された．

ッジインデント試験による 8mass%Y2O3･ZrO2 遮熱溶射レーザ加工溝のはく離強度を評価したところ，レー皮膜の高温はく離強度評価, 材料, vol.55, pp.860-

ザ加工溝の異方性が認められ，直交方向で高い強度が得られた．また，最適な溝の寸法があることも分かった．

867(2006)
4) Masahiko Kato, MahmoudNazul, Takeshi Itti,

Hiroyuki Akebono, Atsushi Sugeta and Eiji Mitani,
Effects of coating thickness and interfacial

謝 辞

roughness on cracking and delamination strength

本研究は公益財団法人天田財団の援助を得て実施した．
記して謝意を示す．

of WC–Co coating measured by ring compression
test, Materials Science and Engineering, vol.61,012024(online)(2014)参考文献
1) 中佐啓治郎，加藤昌彦，張東坤，田坂圭一郎，エッジインデンテーション法による溶射皮膜のはく離強度
評価，材料，vol.47，pp.413-419(1998)
2) 加藤昌彦，張東坤，中佐啓治郎，曲げ荷重を受ける

5) 特許第 5709051 号, 皮膜の剥離強度評価方法及び評価装置
6) E.F. Rybicki and M.F. Kanninen, "A finite element
calculation of stress intensity factors by amodified crack closure

integral, Engineering

WC-Co 溶射皮膜の割れおよびはく離過程の解析，材料,

Fracture Mechanics", Vol.9, No.4 (1977) , pp.931-

vol.48, pp.629-635(1999)

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