JP5101838B2

JP5101838B2 - 金属部材の表面硬化方法

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Publication number: JP5101838B2
Application number: JP2006136802A
Authority: JP
Inventors: 知也荻野; 保博金井; 正徳岡
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2026-05-16
Also published as: JP2007308736A; WO2007132587A1; EP2025776A1; CN101484611A; US20090255504A1; KR20110119834A; CN102352505B; KR20090028529A; EP2025776A4; US8152942B2; KR101179151B1; CN101484611B; CN102352505A

Description

本発明は、エンジンや駆動部品などの輸送機分野や、機械構造分野など耐磨耗性が必要となる部品に使用される金属部材の表面硬化方法に関する。

近年、原油の重質化、軽質油の需要増加、石油精製法の変化等に伴い、低質油の燃料性状は悪化しており、燃料中に含まれる硬質粒子や硫黄分、燃料残渣物等により内燃機関の部品は磨耗しやすい環境にある。そういった上記状況に対応するため、例えば主にディーゼルエンジンに使用されている一体型ＦＣＤ（ダグタイル鋳鉄）製ピストンの、リング溝部の耐磨耗性を向上させるための技術として、リング溝部にレーザを用いて焼入れを行うというレーザ焼入れ技術（例えば、特許文献１参照）、高周波焼入れ技術（例えば、特許文献２参照）及びクロムメッキ処理技術などが公知となっており、広く適用されている。
特開昭６１−１４９４２４号公報特開平７−１１９８３１号公報

しかし、レーザ焼入れ技術や高周波焼入れ技術によって施された焼入れ部の硬さは６００Ｈｖ〜８００Ｈｖ程度しかない。また、焼入れ部の組織は完全に均一ではなく、マルテンサイト、ベイナイト、残留オーステナイト等の組織が混在しており、硬さのバラツキも大きい。また、トップリング溝はエンジン燃焼温度が伝わりやすく、約１５０℃以上になると焼入れ組織は焼戻され、硬さが約１００Ｈｖ〜２００Ｈｖ程度低下する。更に、ピストンの材質が腐食されやすい鋳鉄である場合、燃焼ガス中に含まれる硫黄等によりリング溝部に腐食が発生する。上記理由から、長時間使用によりピストンリング溝部が磨耗し、特に内燃機関用のピストンリング溝において、磨耗によってその上下隙間が大きくなると、ポンプ作用により潤滑油が上がりすぎ、潤滑油消費量が大となる。したがって、一定の磨耗量に達するとピストンを交換しなければならず、メンテナンスコストが発生する。また、レーザ焼入れは焼入れ深さが約３００μｍ以上になると微細亀裂が多数発生するため、あまり深い焼入れができない。一方、高周波焼入れは焼入れ深さが約８００μｍ程度まで可能であるが、熱処理歪が大きく、研削等の後加工が必要となる。

また、クロムメッキ処理における表面硬化においては、メッキ部の硬さは８００Ｈｖ〜１０００Ｈｖ程度であり耐磨耗性は優れているが、非常に高コストである。また、メッキ処理液に６価クロムを含むため、環境への影響を考慮すると好ましいものではない。

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、エンジン部品の表面に耐磨耗性に優れた合金層をコーティングし、部品寿命を向上させる表面硬化方法を提案することを目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

請求項１においては、鋳鉄製ピストン（１）を鋳造後、該ピストン（１）にリング溝部を切削加工して、ピストンリング溝部（３）を形成し、該ピストンリング溝部（３）の内壁の鋳鉄母材表面に、金属粉末と炭素粉末とバインダー及び溶剤を混合した混合物を、噴射用ノズルを用いて、前記ピストン（１）を周方向に一定速度で回転させて、均一に塗布して塗膜を形成し、該塗膜を乾燥させて、レーザ光（８）を照射し、該金属粉末と炭素粉末を焼結及び拡散させることにより、前記鋳鉄母材表面にＭＣ系炭化物を生成するとともに、該ＭＣ系炭化物を鋳鉄母材に接合する金属部材の表面硬化方法において、前記ピストンリング溝部（３）の内壁の塗膜の上に、黒鉛粉末をシンナー等の溶剤で希釈したレーザ吸収剤（１０）を、噴射用ノズルを用いて均一な被膜となるように、該ピストン（１）を周方向に一定速度で回転させて塗布被覆し、前記レーザ光の照射時に、前記金属粉末と炭素粉末からなるＭＣ系炭化物を焼結し、前記金属粉末の鋳鉄母材への拡散を促進させるものである。
請求項２においては、前記金属粉末は、タングステンの粉末、またはクロムの粉末であることを特徴とする請求項１に記載の金属部材の表面硬化方法である。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

鋳鉄製ピストン（１）を鋳造後、該ピストン（１）にリング溝部を切削加工して、ピストンリング溝部（３）を形成し、該ピストンリング溝部（３）の内壁の鋳鉄母材表面に、金属粉末と炭素粉末とバインダー及び溶剤を混合した混合物を、噴射用ノズルを用いて、前記ピストン（１）を周方向に一定速度で回転させて、均一に塗布して塗膜を形成し、該塗膜を乾燥させて、レーザ光（８）を照射し、該金属粉末と炭素粉末を焼結及び拡散させることにより、前記鋳鉄母材表面にＭＣ系炭化物を生成するとともに、該ＭＣ系炭化物を鋳鉄母材に接合する金属部材の表面硬化方法において、前記ピストンリング溝部（３）の内壁の塗膜の上に、黒鉛粉末をシンナー等の溶剤で希釈したレーザ吸収剤（１０）を、噴射用ノズルを用いて均一な被膜となるように、該ピストン（１）を周方向に一定速度で回転させて塗布被覆し、前記レーザ光の照射時に、前記金属粉末と炭素粉末からなるＭＣ系炭化物を焼結し、前記金属粉末の鋳鉄母材への拡散を促進させ、
更に、前記金属粉末は、タングステンの粉末、またはクロムの粉末であることとする、という本発明の表面硬化方法を金属部材の製造に適用することにより、次のような効果を奏するのである。
例えば、内燃機関用ＦＣＤ製ピストンのリング溝表面部に、タングステンまたはクロムといったＭＣ型炭化物を微細にかつ均一に分散させ、１０００〜３０００Ｈｖ程度の硬度を有する高硬度な合金層を容易に形成することが可能となる。

これにより、カーボン等の燃焼残渣物によるアグレッシブ磨耗を防ぐことが可能となる。

また、鉄鋼材料の場合では１５０℃以上で焼戻しによる硬さの低下が起こるが、上記のような特殊炭化物は高融点であり高温でも凝集粗大化しにくい。
また、温度上昇に伴う表面の硬度低下を防止する。

更に、鉄鋼材料よりも耐食性のあるセラミック系の合金を表面に形成することにより硫黄等による腐食防止が可能となる。

また、従来工法の高周波焼入れでは、焼入れ後、焼戻し及び研削を必要とする。一方、本発明ではリング溝を切削加工した後、その表面に１００μｍ〜３００μｍの均一な合金層を形成することにより、焼戻しを省き、後加工も無くすことが可能であるため、製造コストを削減することができるという効果を奏するものである。

次に、発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明の一実施例に係る製造工程を示す図である。

図２は同じく一部断面のピストンに適用する模型図である。

図３は図２の要部拡大断面図である。

図４は本発明方法で製造された鋳鉄製シリンダヘッドの一例を模式的に示す要部断面図である。

図５は図４のＺ部拡大図。

図６はシリンダブロックのライン表面部を示す図である。

本発明の金属部材の表面硬化方法を内燃機関用鋳鉄製ピストンの製造に適用した工程を、図１、図２及び図３を用いて説明する。

＜鋳造・機械加工工程＞
鋳型に鋳鉄溶湯を流し込みＦＣＤ（ダグタイル鋳鉄）製ピストン１を鋳造後、ピストンリング溝部を切削加工し、リング溝部３、４を形成する。

＜配合・塗布工程＞
まず、数種の金属粉末について所定量を秤量し配合する。次に、ボールミル等を用いて前記金属粉末が均等に分散するように合金粉末を混合する。該合金粉末に所定量の溶剤を入れて、さらに混合し、合金粉末と溶剤を均一に分散させる。そうして、その中にバインダーを添加して、全体が均一な混合物となるように十分に撹拌する。次に、前記リング溝部３、４に上記の如く得られた合金粉末、樹脂及び溶剤を混合した混合物を噴射用ノズル（図示せず）を用いて塗布する。塗布する際に、ピストン１を一定速度で回転させて、均一な粉末合金層（厚さ：２００〜４００μｍ）を形成する。該粉末合金層を形成後、常温で放置し十分に溶剤を乾燥させる。上記金属粉末としては、例えばＣｒ、Ｖ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ等の非常に硬い炭化物（ＭＣ系炭化物）を生成する金属を使用することが好ましいが、その他の硬合金を形成する金属として、アルミナ、ＴｉＮ、ＴｉＯ２、ＣｒＮ、ジルコニア、ＳｉＣ、ＴｉＣ等を用いて粉末合金層を形成してもかまわない。また樹脂は常温で硬化が可能なフタル酸樹脂系、アルキド樹脂系を使用することが好ましいが、特にこれらに限定するものでない。なお、溶剤としてはシンナー、トルエン、キシレン又はメタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール類を用いることが可能であり、乾燥速度や安全性を考慮し適宜選択すれば良い。また、実施例として上記のように金属粉末と溶剤の混合物に、後からバインダーを添加する工程を一例として上げたが、溶剤とバインダーの混合物のなかに金属粉末を添加して配合する工程としてもかまわない。また、本発明の効果を得るために粉末合金層の厚さとして２００〜４００μｍ程度とするのが好ましいが、特にこれに限定するものではない。なお、金属粉末は複数種を混合するだけでなく単一の金属粉末だけを用いてもかまわない。また、溶剤乾燥を促進するため被塗布物を乾燥炉等に入れて乾燥時間を短縮してもかまわない。

＜吸収剤塗布工程＞
前記粉末合金層の上に、レーザ波長に応じてレーザ吸収剤１０を５μｍ〜１５μｍ程度の膜厚となるよう噴射用ノズルを用いて塗布を行う。塗布する際に、ピストン１を一定速度で回転させて、均一な被膜となるようにする。該被膜を形成後、常温で放置し十分に溶剤を乾燥させる。本実施例では、レーザ吸収剤１０として黒鉛粉末をシンナー等の溶剤で希釈したものを用いて粉末合金層上に黒鉛被膜を形成したが、特にこれに限るものではなく酸化第２鉄等を主成分とした塗布剤等を吸収剤として塗布してもかまわない。また、前記希釈溶剤はシンナー、トルエン、キシレン又はメタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール類を用いることが可能であり、乾燥速度や安全性を考慮し適宜選択すれば良い。

＜合金化工程＞
図２及び図３に示すようにリング溝部３、４にレーザあるいは電子ビームを適切な出力及び走査速度にて照射し、粉末合金層を焼結あるいは溶融させ、リング溝部３、４に１５０μｍ〜３５０μｍ程度の膜厚の合金層２０を形成する。また、レーザとしては、ＣＯ２レーザやＹＡＧレーザ、半導体レーザ等が上げられる。またレーザよりも高エネルギーである電子ビーム等を用いることも可能である。こうして、前工程のレーザ吸収剤（黒鉛被膜）１０の塗布により、レーザ光８が粉末合金層上で効率的に吸収されることで粉末合金層が加熱されて、粉末合金層内及び該粉末合金層とピストン等金属母材（鋳鉄母材）との界面部で焼結及び溶融、母材への拡散が促進されることにより、金属母材表面に強固で耐磨耗性を有する合金層を生成するとともに、その合金層を金属母材（鋳鉄母材）に接合することが可能となるのである。なお、本実施例では金属母材としてＦＣＤ（ダグタイル鋳鉄）製の部材を用いているが、特にこれに限定するものではなくアルミ合金等などでもかまわない。

＜仕上げ加工＞
以上の工程により製造されたピストン１のリング溝３、４においては、必要に応じて合金層２０の表面の研削加工を行う。このような工程により、リング溝部３、４に合金層を有するピストンを製造することができる。

次に、ピストン１の製造の具体的な一例について説明する。まず、溶剤であるトルエン中にＭｏ（モリブデン）粉末を秤量し添加して、ボールミル装置を用いて混合する。続いてフタル酸樹脂を所定量添加し、全体が均一な混合物となるように撹拌する。次に、ＦＣＤ製ピストンを周方向に回転させながらリング溝部３の凹部に上記混合物を噴射用ノズルを用いて膜厚が３００μｍ程度となるように均一に塗布して、粉末合金層を形成する。該粉末合金層を形成後、常温で放置し十分に溶剤を乾燥させる。次に、前記粉末合金層の上にレーザ吸収剤１０（黒鉛とシンナーの混合物）を１０μｍ程度の膜厚となるよう噴射用ノズルを用いて塗布を行う。塗布する際に、ピストンを一定速度で周方向に回転させて、均一な被膜となるようにする。該被膜を形成後、常温で放置し十分に溶剤を乾燥させる。そして、図２及び図３に示すようにリング溝部３にＣＯ２レーザにてレーザ光８を照射し、例えばリング溝部３の上側面に合金層２０を形成する場合、レーザ光８を集光レンズ５により集光した後、反射鏡６によって形成した、入射角αでもって、前記上側面に照射しながら、該ピストン１を回転させ溝全周に合金層２０を形成させる。続いて、リング溝部３の下側面に合金層２０を形成する場合は、ピストン１を上下反転させてレーザ光８を照射してもよいが、レーザ光８の入射角αを変化させて照射させてもよい。ここで、本実施例では、特にリング溝部３の両側面に合金層２０を形成するに際し、図２に示す如く、レーザ光８に入射角αをもたせ、しかも、該溝の粉末合金層上に塗布したレーザ吸収剤１０と同様の黒鉛を塗布した遮蔽板９を介して角部１２をマスクして照射させるので、該角部１２のレーザ吸収剤１０を剥離してその厚さを調整する必要もなく、磨耗領域１１のみに合金層２０を形成でき、該角部１２が溶融することがなく、溶融による割れなどの欠陥を防止できるように構成している。このようにして、リング溝部３の磨耗領域１１に合金層２０を形成させたピストンを作製した。

＜耐磨耗性評価方法＞
上記の工程と同様の作製条件で、ダクタイル鋳鉄製テストピース（３０×１００（ｍｍ））上に合金層２０を形成させて、表面の硬さをビッカース硬度計で測定し、耐磨耗性評価を行った。上述したようにＭｏ（モリブデン）とＣ（カーボン）の混合粉末を用いて合金層２０を形成したテストピースにおいては、ビッカース硬度が２０００Ｈｖ程度であった。母材であるダグタイル鋳鉄（ビッカース硬度：３００Ｈｖ〜３５０Ｈｖ）と比較して６倍程度の高硬度の合金層２０が得られたことを確認した。

＜合金層の分析方法＞
上記テストピースについて、ＥＤＸ（エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置）を用いて合金層２０と鋳鉄母材であるテストピースとの界面部分を分析した結果としてＭｏ（モリブデン）が傾斜的に分布していることを確認した。つまり合金層２０が鋳鉄母材に接合していることを確認した。また、Ｘ線回折装置を用いてＭｏがＣと結合し高硬度かつ高融点のセラミック合金の一例であるＭｏＣ（モリブデン炭化物）を生成していることも確認した。

このような工程により、すなわち金属粉末、バインダー及び溶剤を混合し、その混合物を金属母材表面に均一に塗布して塗膜（粉末合金層）を形成し、該塗膜を乾燥させてレーザ８あるいは電子ビームを照射し焼結及び溶融、拡散させることにより、前記金属母材表面に合金層２０を生成するとともに、その合金層２０を金属母材に接合するという本発明の表面硬化方法を金属部材の製造に適用することにより、例えばＦＣＤ製ピストンのリング溝表面部に、ＭｏＣやＶＣといったＭＣ型炭化物を微細にかつ均一に分散させ、１０００〜３０００Ｈｖ程度の硬度を有する高硬度な合金層を容易に形成することが可能となる。これにより耐磨耗性または耐熱性が飛躍的に向上しカーボン等の燃焼残渣物によるアグレッシブ磨耗を防ぐことが可能となる。また、高価な金属合金を用いる場合であっても、必要箇所のみの使用となるため使用量が極めて少なく経済的である。

また、鉄鋼材料の場合では１５０℃以上で焼戻しによる硬さの低下が起こるが、上記のＭｏＣなどのような特殊炭化物は高融点であり高温でも凝集粗大化しにくい。そのため、エンジン運転時におけるピストンリング溝部３、４の温度上昇に伴うリング溝表面の硬度低下を防止する。

更に、鉄鋼材料よりも耐食性のある上記のようなセラミック系の合金を表面に形成することにより硫黄等による腐食防止が可能となる。

また、従来工法の高周波焼入れでは、焼入れ後、焼戻し及び研削を必要とする。一方、本発明ではリング溝部３を切削加工した後、その表面に１００μｍ〜３００μｍの合金層２０を均一に形成することにより、焼戻しを省き、後加工も無くすことが可能であるため、製造コストを削減することができる。

次に、本発明の金属部材の表面硬化方法を内燃機関用鋳鉄製シリンダヘッドに適用した例を、図４、図５を用いて説明する。

金属粉末としてＶ（バナジウム）とＣの混合粉末を用いたこと以外は実施例１と同様の作製条件において、シリンダヘッド１５を作製した。図５に示すように鋳鉄製シリンダヘッド１５には吸気バルブ１６と排気バルブ１７がバルブステム１８を介して上下方向に摺動自在に支持されている。シリンダヘッド１５の摺動部となるバルブシート部１９に本発明の製造方法に基づいて１５０μｍ〜３５０μｍの膜厚の合金層２１を形成した。該合金層２１と鋳鉄母材であるシリンダヘッド１５との界面部分においてはＶが傾斜的に分布しており、またＶＣ（バナジウム炭化物）が生成していることを確認した。ＶＣは実施例１のＭｏＣと同じく高硬度で耐磨耗性・耐熱性を有するセラミック合金（ビッカース硬度：２５００〜２８００Ｈｖ程度）として知られており、摺動部の耐磨耗性向上において非常に効果的である。すなわち上記のように金属粉末がレーザ光８により加熱溶融されて合金層２１内及び合金層２１と母材であるシリンダヘッド１５との界面部分で焼結及び拡散が促進されることにより、バルブシート部１９の表面に耐磨耗性のある合金層２１を有するバルブシート一体型シリンダヘッド１５を製造することができる。

以上の工程で製作された鋳鉄製シリンダヘッド１５によれば、バルブシート部１９と鋳鉄母材（シリンダヘッド１１）とを一体構造とすることが可能となるので、鋳鉄母材であるシリンダヘッド１１と合金層２１との境界部の接合強度を向上させることができる。つまり従来のバルブシート嵌合方式の鋳鉄シリンダヘッドと比較して、接合強度を高めることができるのである。

次に、本発明の金属部材の表面硬化方法を内燃機関用鋳鉄製シリンダブロックのライナ表面部に適用した例を、図６を用いて説明する。

金属粉末としてＷ（タングステン）とＣの混合粉末を用いたこと以外は実施例１と同様の作製条件において、シリンダブロック２５を作製した。図６に示すように鋳鉄製シリンダブロック２５の摺動部となるライナ表面部２６に本発明の製造方法に基づいて１５０μｍ〜３５０μｍの膜厚の合金層２２を形成した。該合金層２２と鋳鉄母材であるシリンダブロック２５のライン表面部２６との界面部分においてはＷが傾斜的に分布しており、またＷＣ（タングステン炭化物）が生成していることを確認した。ＷＣは実施例１のＭｏＣや実施例２のＶＣと同じく高硬度で耐磨耗性・耐熱性を有するセラミック合金（ビッカース硬度：２６００〜２８００Ｈｖ程度）として知られており、耐磨耗性向上において非常に効果的である。すなわち上記のように金属粉末がレーザ光８により加熱溶融されて合金層２２内及び合金層２２と母材であるシリンダブロック２５のライン表面部２６との界面部分で焼結及び拡散が促進されることにより、ライン表面部３１に耐磨耗性のある合金層２２を有する鋳鉄製シリンダブロック２５を製造することができる。

なお、本実施例においては内燃機関用金属部材について耐磨耗性及び耐熱性を有する合金層を形成する方法について説明したが、それ以外の用途で耐磨耗性を必要とする部材表面部に同様に合金層を形成して耐磨耗性を向上することも可能である。

本発明の一実施例に係る製造工程を示す図。同じく一部断面のピストンに適用する模型図。図２の要部拡大断面図。本発明方法で製造された鋳鉄製シリンダヘッドの一例を模式的に示す要部断面図。図４のＺ部拡大図。シリンダブロックのライン表面部を示す図。

１ピストン
３・４リング溝部
８レーザ光
１０レーザ吸収剤
１５シリンダヘッド
１９バルブシート部
２０・２１・２２合金層
２５シリンダブロック
２６ライン表面部

Claims

鋳鉄製ピストン（１）を鋳造後、該ピストン（１）にリング溝部を切削加工して、ピストンリング溝部（３）を形成し、該ピストンリング溝部（３）の内壁の鋳鉄母材表面に、金属粉末と炭素粉末とバインダー及び溶剤を混合した混合物を、噴射用ノズルを用いて、前記ピストン（１）を周方向に一定速度で回転させて、均一に塗布して塗膜を形成し、該塗膜を乾燥させて、レーザ光（８）を照射し、該金属粉末と炭素粉末を焼結及び拡散させることにより、前記鋳鉄母材表面にＭＣ系炭化物を生成するとともに、該ＭＣ系炭化物を鋳鉄母材に接合する金属部材の表面硬化方法において、前記ピストンリング溝部（３）の内壁の塗膜の上に、黒鉛粉末をシンナー等の溶剤で希釈したレーザ吸収剤（１０）を、噴射用ノズルを用いて均一な被膜となるように、該ピストン（１）を周方向に一定速度で回転させて塗布被覆し、前記レーザ光の照射時に、前記金属粉末と炭素粉末からなるＭＣ系炭化物を焼結し、前記金属粉末の鋳鉄母材への拡散を促進させることを特徴とする金属部材の表面硬化方法。
前記金属粉末は、タングステンの粉末、またはクロムの粉末であることを特徴とする請求項１に記載の金属部材の表面硬化方法。