專利名稱：金屬構(gòu)件的表面硬化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)動機或驅(qū)動部件等的輸送機械領(lǐng)域或機械結(jié)構(gòu)領(lǐng)域等需要耐磨性的部件使用的金屬構(gòu)件的表面硬化方法。
背景技術(shù)：
近年，隨著原油的重質(zhì)化、輕質(zhì)油的需求增加、石油加工方法的變化等，低質(zhì)油的燃料性質(zhì)惡化，由于燃料中含有的硬質(zhì)粒子或硫含量、燃料殘渣物等內(nèi)燃機的部件處于容易磨損的環(huán)境。為了適應(yīng)上述狀況，例如作為主要用于使柴油機使用的一體型F⑶(球墨鑄鐵)制活塞的環(huán)形槽部的耐磨性提高的技術(shù)，使用激光對環(huán)形槽部進行淬火的這樣的激光淬火技術(shù)(例如，參照專利文獻1)、高頻淬火技術(shù)(例如，參照專利文獻2)和鍍鉻處理技術(shù)等成為公知技術(shù)而廣泛地使用。專利文獻1 特開昭61-1494 號公報專利文獻2 特開平7-119831號公報然而，采用激光淬火技術(shù)或高頻淬火技術(shù)實施淬火的部分的硬度只有600Hv SOOHv左右。并且，淬火部分的組織不是完全均勻的，混合存在著馬氏體、貝氏體、殘留奧氏體等的組織，硬度的偏差也大。另外，第一道密封環(huán)槽容易傳導(dǎo)發(fā)動機燃燒溫度，變成約150°C以上時淬火組織被回火，硬度約降低IOOHv 200Hv左右。此外，活塞的材質(zhì)是容易腐蝕的鑄鐵的場合，燃燒氣體中含有的硫等對環(huán)形槽部發(fā)生腐蝕。由于上述理由，通過長時間使用活塞環(huán)槽部磨損、尤其是內(nèi)燃機用的活塞環(huán)槽，由于磨損其上下間隙增大時，由于抽吸作用而使?jié)櫥蜕仙^多，因此潤滑油消耗量變大。所以達到一定的磨損量時必須更換活塞，從而產(chǎn)生維修費用。另外，激光淬火在淬火深度達到約300 μ m以上時，由于發(fā)生許多微細龜裂，因此淬火不能夠太深。而高頻淬火雖然淬火深度可達到約800 μ m左右，但熱處理變形大，需要磨削等后加工。另外，鍍鉻處理中的表面硬化，鍍敷部分的硬度為SOOHv IOOOHv左右，雖然耐磨性優(yōu)異，但成本非常高。并且鍍敷處理液含有六價鉻，因此若考慮對環(huán)境的影響不是優(yōu)選的方法
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題因此本發(fā)明是鑒于上述狀況而完成的發(fā)明，要解決的課題是提供在發(fā)動機部件的表面涂布耐磨性優(yōu)異的合金層，使部件壽命提高的表面硬化方法，和采用該方法使耐磨性提高的活塞等的制造方法。解決課題的方法本發(fā)明的金屬構(gòu)件的表面硬化方法，是將含有金屬粉末、粘合劑和溶劑的混合物均勻地涂布在金屬母材表面上形成涂膜，通過使該涂膜干燥照射激光或電子束使之燒結(jié)和擴散，在上述金屬母材表面生成合金層的同時，將該合金層與上述金屬母材進行結(jié)合的方法。本發(fā)明的金屬構(gòu)件的表面硬化方法，是通過在上述涂膜上被覆石墨促進上述金屬粉末的燒結(jié)和擴散的方法。本發(fā)明的金屬構(gòu)件的表面硬化方法，是上述金屬母材為鑄鐵母材的方法。本發(fā)明的活塞的制造方法，是對內(nèi)燃機用活塞的環(huán)形槽部使用任何一項所述的金屬構(gòu)件的表面硬化方法的制造方法。本發(fā)明的汽缸蓋的制造方法，是對內(nèi)燃機用汽缸蓋的閥座部使用任何一項所述的金屬構(gòu)件的表面硬化方法的制造方法。本發(fā)明的汽缸體的制造方法，是對內(nèi)燃機用汽缸體的襯里表面部使用任何一項所述的金屬構(gòu)件的表面硬化方法的制造方法。本發(fā)明的活塞，是對內(nèi)燃機用活塞的環(huán)形槽部使用任何一項所述的金屬構(gòu)件的表面硬化方法的活塞。本發(fā)明的汽缸蓋，是對內(nèi)燃機用汽缸蓋的閥座使用任何一項所述的金屬構(gòu)件的表面硬化方法的汽缸蓋。本發(fā)明的汽缸體，是對內(nèi)燃機用汽缸體的襯里表面部使用任何一項所述的金屬構(gòu)件的表面硬化方法的汽缸體。發(fā)明效果作為本發(fā)明的效果，通過在金屬構(gòu)件的制造中使用本發(fā)明的表面硬化方法，即通過在金屬母材表面均勻地涂布含有金屬粉末、粘合劑和溶劑的混合物形成涂膜，使該涂膜干燥照射激光或電子束使之燒結(jié)和擴散，在上述金屬母材表面生成合金層的同時，將該合金層與金屬母材結(jié)合的方法，使MoC或VC這樣的MC型碳化物微細且均勻地分散在例如內(nèi)燃機用TOD制活塞的環(huán)形槽表面部，可容易地形成具有1000 3000Hv左右硬度的高硬度合金層。由此能夠防止碳等的燃燒殘渣物導(dǎo)致的腐蝕性磨損。另外，鋼鐵材料的場合，在150°C以上時引起由回火導(dǎo)致的硬度降低，但如上述那樣的特殊碳化物是高熔點的，即使是高溫下也難以凝聚粗大化。因此，防止環(huán)形槽表面的硬度隨發(fā)動機運轉(zhuǎn)時活塞環(huán)槽部的溫度上升而降低。此外，通過在表面形成比鋼鐵材料有耐腐蝕性的陶瓷類合金，能夠防止硫等導(dǎo)致的腐蝕。另外，現(xiàn)有技術(shù)的高頻淬火，淬火后必須回火和磨削。而本發(fā)明在對環(huán)形槽進行切削加工后，通過在其表面形成100 μ m 300 μ m的均勻的合金層，省去回火，可以沒有后加工，因此能夠降低制造成本。


圖1是表示本發(fā)明的一實施例涉及的制造工序。圖2是相同的一部分剖面的活塞使用的模型圖。圖3是圖2的主要部分放大剖面圖。圖4是示意地表示采用本發(fā)明方法制造的鑄鐵制汽缸蓋一例的主要部分剖面圖。圖5是圖4的Z部分擴大圖。圖6是表示汽缸體的襯里表面部分的圖。符號說明1-活塞、3、4_環(huán)形槽部分、8-激光、10-激光吸收劑、15-汽缸蓋、19-閥座、20、21、
22-合金層、25-汽缸體、26-襯里表面部。實施發(fā)明的最佳方式以下，對發(fā)明的實施方式進行說明。圖1是表示本發(fā)明的一實施例涉及的制造工序的圖，圖2是相同的一部分剖面的活塞使用的模型圖，圖3是圖2的主要部分放大剖面圖，圖4是示意地表示采用本發(fā)明方法制造的鑄鐵制汽缸蓋一例的主要部分剖面圖，圖5是圖4的Z部分放大圖，圖6是表示汽缸體的襯里表面部分的圖。實施例1利用圖1、圖2和圖3對內(nèi)燃機用鑄鐵制活塞制造使用本發(fā)明的金屬構(gòu)件的表面硬化方法的工序進行說明。<鑄造·機械加工工序>向鑄型中流入鑄鐵熔液鑄造F⑶(球墨鑄鐵)制活塞1后，對活塞環(huán)槽部進行切削加工，形成環(huán)形槽部3、4。<配合·涂布工序>首先，對數(shù)種金屬粉末稱取規(guī)定量進行配合。接著，使用球磨機等將合金粉末混合使上述金屬粉末均等地分散。向該合金粉末中加入規(guī)定量的溶劑進一步進行混合，使合金粉末與溶劑均勻地分散。然后向其中添加粘合劑充分地進行攪拌使整體成為均勻的混合物。接著，使用噴射用噴嘴(未圖示)在上述環(huán)形槽部3、4涂布如上述制得的合金粉末、樹脂與溶劑混合的混合物。進行涂布時，以一定速度使活塞1旋轉(zhuǎn)，形成均勻的粉末合金層(厚度200 400 μ m)。形成該粉末合金層后，在常溫下放置使溶劑充分地干燥。作為上述金屬粉末，例如優(yōu)選使用Cr、V、W、Mo、Ti等生成非常硬的碳化物(MC系碳化物)的金屬，而作為形成其他的硬質(zhì)合金的金屬，也可以使用氧化鋁、TiN、Ti02、CrN、氧化鋯、SiC、TiC等形成粉末合金層。另外樹脂優(yōu)選使用在常溫下能夠固化的鄰苯二甲酸樹脂系、醇酸樹脂系的樹脂，但不限定于這些樹脂。另外，作為溶劑可使用稀釋劑、甲苯、二甲苯或甲醇、乙醇、丙醇等的醇類，考慮干燥速度或安全性適當(dāng)進行選擇即可。再者，作為實施例雖然舉出了如上述向金屬粉末與溶劑的混合物中后添加粘合劑的工序作為一個例子，但也可以成為在溶劑與粘合劑的混合物中添加金屬粉末進行配合的工序。另外，為了得到本發(fā)明的效果，作為粉末合金層的厚度優(yōu)選為200 400 μ m左右， 但不限定于此。再者，金屬粉末不僅可以混合多種也可以只使用單一的金屬粉末。另外，為了促進溶劑干燥也可以將被涂布物放入干燥爐等中縮短干燥時間。<涂布吸收劑工序>使用噴射用噴嘴在上述粉末合金層的上面按照激光波長涂布激光吸收劑10使之成為5μπι 15μπι左右的膜厚。在進行涂布時以一定速度使活塞1旋轉(zhuǎn)以成為均勻的被膜。形成該被膜后，在常溫下放置使溶劑充分干燥。本實施例中，作為激光吸收劑10使用由稀釋劑等的溶劑稀釋石墨粉末的吸收劑在粉末合金層上形成石墨被膜，但不特別限定于此，也可以將氧化鐵為主要成分的涂布劑等作為吸收劑進行涂布。另外，上述稀釋溶劑可以使用稀釋劑、甲苯、二甲苯或甲醇、乙醇、丙醇等的醇類， 考慮干燥速度或安全性適當(dāng)?shù)剡M行選擇即可。<合金化工序>如圖2和圖3所示按照適當(dāng)?shù)妮敵龉β屎蛼呙杷俣葘Νh(huán)形槽部3、4照射激光或電子束，使粉末合金層燒結(jié)或熔融，在環(huán)形槽部3、4上形成150 μ m 350 μ m左右膜厚的合金層20。另外，作為激光，可舉出CO2激光或YAG激光、半導(dǎo)體激光等。還可以使用能量高于激光的電子束等。 這樣，通過前工序的激光吸收劑(石墨被膜)10的涂布，激光8在粉末合金層上被高效率地吸收、粉末合金層被加熱，由于在粉末合金層內(nèi)以及該粉末合金層與活塞等金屬母材(鑄鐵母材)的界面部促進燒結(jié)和熔融、向母材的擴散，因此在金屬母材表面生成牢固而具有耐磨性的合金層的同時，能夠?qū)⒃摵辖饘优c金屬母材(鑄鐵母材)進行結(jié)合。再者，本實施例中作為金屬母材使用F⑶(球墨鑄鐵)制的構(gòu)件，但不特別限定于此也可以是鋁合金等。<精加工>通過以上的工序制造的活塞1的環(huán)形槽3、4，根據(jù)需要進行合金層20的表面的磨削加工。通過這樣的工序能夠制造環(huán)形槽部3、4具有合金層的活塞。以下，對制造活塞1的具體的一個例子進行說明。首先，秤取Mo(鉬)粉末添加到作為溶劑的甲苯中，使用球磨機進行混合。接著添加規(guī)定量的鄰苯二甲酸樹脂，進行攪拌使整體成為均勻的混合物。接著，一邊使F⑶制活塞沿周圍方向旋轉(zhuǎn)，一邊使用噴射用噴嘴在環(huán)形槽部3的凹部均勻地涂布上述混合物使膜厚成為300 μ m左右形成粉末合金層。形成該粉末合金層后， 在常溫下放置使溶劑充分地干燥。接著，使用噴射用噴嘴在上述粉末合金層上涂布激光吸收劑10 (石墨與稀釋劑的混合物)使之成為ΙΟμπι左右的膜厚。進行涂布時使活塞以一定速度沿圓周方向旋轉(zhuǎn)，以成為均勻的被膜。形成該被膜后，在常溫下放置使溶劑充分地干燥。
然后，如圖2和圖3所示使用(X)2激光器對環(huán)形槽部3照射激光8，例如在環(huán)形槽部3的上側(cè)面形成合金層20的場合，利用聚光透鏡5將激光8聚光后，利用反射鏡6形成的入射角α，一邊對上述上側(cè)面進行照射，一邊使該活塞1旋轉(zhuǎn)使槽整個圓周形成合金層 20。接著，在環(huán)形槽部3的下側(cè)面形成合金層20的場合，可使活塞1上下倒置照射激光8， 但也可以使激光8的入射角α變化進行照射。在此，本實施例中，尤其是在環(huán)形槽部3的兩側(cè)面形成合金層20時，如圖2所示， 使激光8具有入射角α，而且利用涂布有與該槽的粉末合金層上涂布的激光吸收劑10同樣的石墨的遮蔽板9遮住角部12進行照射，因此不需要剝離該角部12的激光吸收劑10而調(diào)整其厚度，能夠只在磨損區(qū)域11形成合金層20，能夠不使該角部12熔融、而防止熔融導(dǎo)致的龜裂等的缺陷進行構(gòu)成。這樣，制得在環(huán)形槽3的磨損區(qū)域11形成了合金層20的活塞。<耐磨性評價方法>在與上述的工序同樣的制作條件下，使球墨鑄鐵制試片(30X100(mm))上形成合金層20，使用維氏硬度計測定表面的硬度，進行耐磨性評價。如上述那樣使用Mo (鉬)形成合金層20的試片，維氏硬度為2000Hv左右。與作為母材的球墨鑄鐵(維氏硬度300Hv 350Hv)進行比較確認得到6倍左右的高硬度的合金層20?！春辖饘拥姆治龇椒ā底鳛閷ι鲜鲈嚻褂肊DX (能量分散型熒光X射線分析裝置)分析合金層20與作為鑄鐵母材的試片的界面部分的結(jié)果，確認成梯度地分布著Mo (鉬)。即確認合金層20與鑄鐵母材結(jié)合。另外，使用X射線衍射裝置也確認Mo與C結(jié)合生成高硬度且高熔點的作為陶瓷合金一例的MoC (鉬碳化物)。通過在金屬構(gòu)件的制造中使用本發(fā)明的表面硬化方法，即通過將金屬粉末、粘合劑和溶劑混合，將該混合物均勻地涂布在金屬母材表面上形成涂膜(粉末合金層)，使該涂膜干燥后照射激光8或電子束使之燒結(jié)和熔融、擴散，在上述金屬母材表面生成合金層20 的同時，將該合金層20與金屬母材結(jié)合，例如使MoC或VC這樣的MC型碳化物微細且均勻地分散在TOD制活塞的環(huán)形槽表面部，能夠容易地形成具有1000 3000Hv左右硬度的高硬度的合金層。由此能夠大幅度地提高耐磨性或耐熱性，防止碳等的燃燒殘渣物導(dǎo)致的腐蝕性磨損。另外，即使是使用昂貴的金屬合金的場合，由于只是必要的部位使用因此使用量極少經(jīng)濟性好。另外，鋼鐵材料的場合在150°C以上時引起回火導(dǎo)致的硬度降低，但如上述的MoC 等的特殊碳化物為高熔點即使是高溫下也難以凝聚粗大化。為此，防止隨發(fā)動機運轉(zhuǎn)時活塞環(huán)槽部3、4溫度上升而環(huán)形槽表面的硬度降低。此外，通過在表面形成如上述比鋼鐵材料更具有耐腐蝕性的陶瓷系的合金能夠防止硫等導(dǎo)致的腐蝕。另外，現(xiàn)有技術(shù)的高頻淬火，淬火后必須回火和磨削。而本發(fā)明對環(huán)形槽部3切削加工后，通過在其表面均勻地形成100 μ m 300 μ m 的合金層20，省去回火，可以沒有后加工，因此能夠降低制造成本。實施例2
以下，利用圖4、圖5對內(nèi)燃機用鑄鐵制汽缸蓋使用本發(fā)明的金屬構(gòu)件的表面硬化方法的例子進行說明。除了使用V(釩)與C的混合粉末作為金屬粉末以外，在與實施例1同樣的制造條件下，制得汽缸蓋15。如圖5所示，在鑄鐵制汽缸蓋15中，通過閥桿18沿上下方向滑動自如地支撐吸氣閥16和排氣閥17。在作為汽缸蓋15的滑動部的閥座部19上，按照本發(fā)明的制造方法形成 150 μ m 350 μ m的膜厚的合金層21。在該合金層21與作為鑄鐵母材的汽缸蓋15的界面部分成梯度地分布著V，并且確認生成VC(釩碳化物)。已知VC為與實施例1的MoC同樣地為高硬度且具有耐磨性、耐熱性的陶瓷合金(維氏硬度2500Hv ^OOHv左右)，在滑動部的耐磨性提高方面非常有效。即通過如上述金屬粉末被激光8加熱熔融，在合金層21內(nèi)和合金層21與作為母材的汽缸蓋15的界面部分促進燒結(jié)和擴散，能夠制造在閥座部19的表面具有有耐磨性的合金層21的閥座一體型汽缸蓋15。若采用由以上的工序制造的鑄鐵制汽缸蓋15，則能夠使閥座部19與鑄鐵母材(汽缸蓋11)成為一體結(jié)構(gòu)，因此能夠使作為鑄鐵母材的汽缸蓋11與合金層21的邊界部的結(jié)合強度提高。即與以往的閥座嵌合方式的鑄鐵汽缸蓋進行比較，能夠提高結(jié)合強度。實施例3以下，利用圖6對內(nèi)燃機用鑄鐵制汽缸體的襯里表面部使用本發(fā)明的金屬構(gòu)件的表面硬化方法的例子進行說明。除了使用W(鎢)與C的混合粉末作為金屬粉末以外，在與實施例1同樣的制造條件下制得汽缸體25。按照本發(fā)明的制造方法在如圖6所示成為鑄鐵制汽缸體25的滑動部的襯里表面部沈上形成150 μ m 350 μ m膜厚的合金層22。在該合金層22與作為鑄鐵母材的汽缸體 25的襯里表面部沈的界面部分成梯度地分布著W，并且確認生成WC (鎢碳化物)。已知WC 與實施例1的MoC或?qū)嵤├?的VC同樣為高硬度且具有耐磨性·耐熱性的陶瓷合金(維氏硬度J600 ^OOHv左右)，在耐磨性提高方面非常有效。即通過如上述金屬粉末被激光8加熱熔融，在合金層22內(nèi)和合金層22與作為母材的汽缸體25的襯里表面部沈的界面部分促進燒結(jié)和擴散，能夠制造襯里表面部31具有有耐磨性的合金層22的鑄鐵制汽缸體25。再者，本實施例中雖然對內(nèi)燃機用金屬構(gòu)件形成具有耐磨性及耐熱性的合金層的方法進行了說明，但也可以在除此以外的用途中在需要耐磨性的構(gòu)件表面部同樣地形成合金層提高耐磨性。產(chǎn)業(yè)上的利用可能性本發(fā)明不限于內(nèi)燃機用金屬構(gòu)件的用途，可以廣泛地在需要耐磨性的構(gòu)件表面部使用。
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權(quán)利要求
1.金屬構(gòu)件的表面硬化方法，其特征在于，在鑄鐵制活塞的環(huán)形槽部涂布混合有合金粉末、粘合劑以及溶劑的混合物，形成均勻的粉末合金層，在涂布形成該粉末合金層后，使溶劑干燥，在所述粉末合金層上根據(jù)激光或電子束的波長，涂布用溶劑將石墨粉末稀釋而得到的激光吸收劑，在形成該被膜后，使溶劑干燥，接著，向該環(huán)形槽部以規(guī)定的輸出功率和掃描速度照射激光或電子束，使粉末合金層燒結(jié)或熔融，在該環(huán)形槽部形成薄膜的合金層，在該環(huán)形槽部的上下兩側(cè)的面形成合金層時，使激光具有入射角，利用涂布有與在該環(huán)形槽部的粉末合金層上涂布的激光吸收劑同樣的石墨的遮蔽板遮住該環(huán)形槽部的角部，進行照射，只在該環(huán)形槽部的磨損區(qū)域形成合金層。
2.權(quán)利要求1所述的金屬構(gòu)件的表面硬化方法，其特征在于，所述金屬粉末為含鎢的粉末。
3.權(quán)利要求1所述的金屬構(gòu)件的表面硬化方法，其特征在于，所述金屬粉末為含鉻的粉末。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬構(gòu)件的表面硬化方法。在發(fā)動機部件的表面涂布耐磨性優(yōu)異的合金層，使部件壽命提高的表面硬化方法，和采用該方法使耐磨性提高的活塞等的制造方法中，通過將金屬粉末、粘合劑和溶劑混合，將該混合物均勻地涂布在金屬母材表面形成涂膜，使該涂膜干燥，照射激光或電子束使之燒結(jié)和擴散，在上述金屬母材表面生成合金層的同時，使該合金層與金屬母材結(jié)合。
文檔編號C23C10/30GK102352505SQ20111030878
公開日2012年2月15日 申請日期2007年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月16日
發(fā)明者岡正德, 荻野知也, 金井保博 申請人:洋馬株式會社