JP2009285675A - Overlaying method - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a two-layer overlaying method for depositing dissimilar metals in two layers on the surface of a substrate.
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。 In order to modify the surface, depositing a dissimilar metal on the surface of the base material has been widely performed. For example, even in a cast iron cylinder head constituting an automobile engine, the valve seat portion is built up. (For example, refer to Patent Document 1). By the way, when it builds up on the substrate surface, cracks (bead cracks) often occur in the built-up layer. This is influenced by internal stress (residual stress) generated in the build-up layer. In particular, the thicker the build-up thickness, the higher the residual stress and the easier the bead cracking occurs.
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。
Therefore, conventionally, in order to prevent the occurrence of the above-described bead cracking, in the one described in
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。
However, in the countermeasure described in
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。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and the object of the present invention is to provide a two-layer overlaying method that can sufficiently suppress the occurrence of bead cracking.
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。
It is known that metal breakdown is usually caused by tensile stress. The present invention has been made paying attention to this point, and performs a two-layer overlay by selecting a material having a higher tensile strength than the second-layer overlay material as the first-layer overlay material. It is characterized by. In this way, when the two-layer build-up is performed, the strength of the first build-up layer is high, so that it is difficult for the first layer to crack even under the influence of heat during the second layer build-up. As a result, bead cracking of the entire overlay layer is prevented.
In the following, some aspects of the present invention will be illustrated and described in terms of items.
(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。
(1) In a two-layer overlaying method in which different types of metal are deposited on the surface of a base material in two layers, a material suitable for the desired surface modification is selected as the second-layer overlay material, and the
(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。 In the two-layer overlay method described in the item (1), a material having a higher melting point and a higher tensile strength than the second-layer overlay material is selected as the first-layer overlay material. When the first layer is built up, the first layer is melted to prevent the components of the first layer and the second layer from being mixed, the strength reduction of the first layer is suppressed, and the second layer is built up. Even under the influence of heat at the time, cracks do not occur in the first layer. Further, since the material suitable for the desired surface modification is selected as the second overlay material, the required quality is not sacrificed.
(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。 (2) The ratio of the build-up thickness of the 1st layer and the 2nd layer is set to 2: 8-8: 2, The 2-layer build-up method as described in the (1) term characterized by the above-mentioned.
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。 In the present invention, the build-up thickness of the first layer and the build-up thickness of the second layer can be widely changed. However, if one of the build-up layers becomes extremely thick, the residual stress increases and In order to prevent bead cracking with certainty, it is desirable to keep it in the range of 2: 8 to 8: 2 as described in the item (2).
(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。 (3) The two-layer structure according to (1) or (2), wherein the base material is a cast iron cylinder head base material for an internal combustion engine, and a surface as a build-up target is a valve seat portion. Overlaying method.
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。 Although the build-up object of this invention is arbitrary, it becomes useful toward the build-up with respect to the valve seat of a cast iron cylinder head base material as described in the item (3).
(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。 (4) The build-up material for the second layer is a Cu-based alloy, and the build-up material for the first layer is one selected from a Ni-based alloy, a Co-based alloy, and an austenitic stainless steel. The two-layer overlaying method according to item (3).
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。 The valve seat portion of the cast iron cylinder head base material is generally overlaid with a Cu-based alloy for the purpose of improving wear resistance, and the Cu-based alloy is added to the second layer as described in (4). When selecting as a build-up material, if Ni-base alloy, Co-base alloy, austenitic stainless steel, etc. are selected as the build-up material for the first layer, the requirements of the present invention are satisfied in terms of melting point and tensile strength. To be.
(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。 (5) The two-layer overlay method according to any one of (1) to (4), wherein the overlay is performed using a laser as a heat source.
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。 In the two-layer overlaying method described in the item (5), since so-called laser cladding is performed using a laser as a heat source, the component dilution from the base material to the first layer can be minimized, and the first layer The risk of inadvertent decline in strength can be avoided.
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。 According to the two-layer cladding method according to the present invention, it is possible to sufficiently suppress the occurrence of bead cracking in the cladding layer, and it is possible to sufficiently ensure the surface modification effect. There is something great.
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。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
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。
FIG. 1 and FIG. 2 show one embodiment of the two-layer overlay method according to the present invention. In the present embodiment, build-up processing (cladding processing) of a dissimilar metal is performed on the
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。
In this embodiment, the build-up process for the
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。
By performing the build-up process in two steps as described above, the
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。 In the above-described embodiment, laser cladding is performed by using the laser processing head 4 having a function of irradiating a laser beam and discharging a metal powder. Of course, laser cladding may be performed using a laser processing apparatus that is independently provided with a powder supply head to be discharged. Further, this laser overlay may be replaced with an arc overlay method such as MIG, TIG, or plasma.
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。
For the
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。
In Table 1, the observation result of the bead crack about each case is appended. From this, bead cracking was observed in
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。
As shown in FIG. 3, a plurality of
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。
As a result, no bead cracking was observed in the build-up portion of each
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
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