JP3552330B2

JP3552330B2 - Surface alloying treatment method for aluminum material

Info

Publication number: JP3552330B2
Application number: JP9152895A
Authority: JP
Inventors: 英明池田; 毅国生
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1995-03-24
Filing date: 1995-03-24
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2019-08-11
Also published as: JPH08260069A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はアルミニウム材の表面合金化処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料の表面改質方法には、表面焼入れ、浸炭、窒化など多種の手法が利用されているが、近年、表面合金化処理法が注目されている。
例えば、特開昭６２−３８７８６号公報「アルミ合金鋳物製内燃機関用シリンダヘッドの改良処理方法」は、アルミ製シリンダヘッドの弁間部にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｅのうちの１種類以上を高密度エネルギーを照射して合金化させるものであり、高密度エネルギーとして実施例においてＴＩＧアークを用い、その他レーザ、電子ビーム、プラズマアークでもよいとされている。
【０００３】
なお、表面合金化処理方法は、合金で改質を図ることは勿論であるが、微小気孔等の鋳造欠陥を有するアルミニウム材を、再溶融して再冷却すれば、母材側から表面へ指向性凝固を実施でき、溶接欠陥が表面へ押出されるので改質が図れる。同時に、非溶融部分が大きな容量の冷し金の作用をなすので再溶融部が急冷されて組織が微細化し、表面の改質が図れるというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、前記表面合金化処理方法に注目し、特にプラズマアークによるアルミニウム材の表面改質を研究するなかで、次の様な問題点を見出した。
図９（ａ），（ｂ）は従来アルミニウム材に用いられる交流プラズマ法の原理図であり、周知の通りアルミニウム材１０１は、強固なＡｌ_２Ｏ_３の酸化膜１０２で覆われているため、（ａ）にてアルミニウム材１０１を「−」、プラズマトーチの電極１０３を「＋」することにより、アルミニウム材１０１から電気ｅを飛ばし、この電子ｅで酸化膜１０２を突き破る。直後に、極性を変更した（ｂ）にて電極１０３から電子ｅを飛ばし、この電子ｅのエネルギーでアルミニウム材１０１の表面を加熱し、再溶融させる方法である。即ち、アルミニウム材には交番的に極性が変化して上記（ａ），（ｂ）を繰返すところの「交流プラズマ法」が適しているいわれている。
【０００５】
しかしながら、上記交流プラズマ法は交流プラズマアークを用いて、そのクリーニング作用により表面のＡｌ_２Ｏ_３酸化膜を電子で破壊するものであり、前記酸化膜を完全にあるいは均一に破壊し、除去することは難しい。その結果、電極からの電子は酸化膜の破壊された箇所又は局部的に薄い箇所に進行する。すると、アークは分散し、焦点が集中しないことになり、局部的に深い合金化層を得ることができない。この現象を次図で考察する。
図１０（ａ），（ｂ）は従来の交流プラズマ法の拡大図であり、酸化膜１０２は厚さにむらがあり、先ず薄い部分から電子ｅが電極１０３へ向い、次に電極１０３から薄い部分へプラズマアークが集中的に達する。そのため、処理面積が広くなり、処理深さが小さくなると考えられる。
（ｂ）は処理部のイメージ図であり、幅Ｗ×深さｄの処理部となる。
【０００６】
処理を要する排気弁、吸気弁、シリンダヘッド、ロッカアーム、ピストンロッドなどでは、必要な部分のみを深く改質する必要のあるものが少なくない。しかし、上記交流プラズマでは必要部分以外の部分も溶融してしまい、好ましくない。
そこで、本発明者等は、交流プラズマ法に代る狭い範囲を深く処理することのできる新プラズマ法を鋭意研究し、満足し得る技術を開発することに成功した。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
具体的には、アルミニウム材の表面をＭｇ _３Ｎ _２ガスで覆い、前記表面を直流プラズマアークで溶融しつつ合金用金属粉末を添加し、この金属粉末とアルミニウム材との合金を表面に形成する。
【０００９】
前記Ｍｇ_３Ｎ_２ガスは、作動ガスの一部である窒素ガスを、アルミニウム材中のＭｇ成分又は外部から供給したＭｇ成分をガス化させて反応させ、生成させる。
【００１０】
なお上記合金化処理において、電極とアルミニウム材表面の電圧は、トーチ間距離とガス体（雰囲気）により決まり、同トーチ間距離においては、Ａｒ雰囲気に比較して、Ｎ_２雰囲気では電圧を倍増しなければ所定のプラズマアークを発生させることはできない。従って、放電しにくくなるため一般にＮ_２は使用されない。
しかし、本発明はＮ_２を適量に抑えることでＮ_２雰囲気下でのプラズマ処理を可能にしたものである。
【００１１】
【作用】
ＭｇとＮ_２をアルミニウム材表面で反応させ、還元性のＭｇ_３Ｎ_２を生成し、その還元作用によりアルミニウム材表面の酸化膜を完全又は均一に除去し、そこにプラズマアークを照射する。プラズマアークは最短距離を直進することになり、しかも酸化膜の膜厚のばらつきに左右されないので、狭くて深い処理が可能となる。その際に添加する合金用金属粉末は、Ｃｒ_３Ｃ_２，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｃｕが好適である。Ｃｒ_３Ｃ_２はＡｌ中に分散し、強度を高める作用をなす。Ｆｅは高融点の金属間化合物ＦｅＡｌ、Ｎｉは高融点の金属間化合物ＮｉＡｌを生成し、ＭｏはＭｏＡｌ，ＣｒはＣｒＡｌを生成する。Ｃｕは熱電導性を高め、同時にマトリクス強度を高める作用をなす。
【００１２】
前記Ｍｇ_３Ｎ_２ガスの生成方法を３例説明する。
図１（ａ），（ｂ）は本発明に係る還元性ガスの生成方法の第１原理図であり、アルミニウム材２Ａは適量の（Ｍｇ）が含有されているものを使用する。（ａ）にて電極３から電子ｅを発射すると、プラズマアークにより酸化膜１を局部的に加熱・破壊してアルミニウム材２Ａに至り、それを溶かし、成分中のＭｇをガス化する。このＭｇが作動ガスの一部のＮ_２と次のごとく反応する。
３Ｍｇ（ガス）＋Ｎ_２→Ｍｇ_３Ｎ_２
（ｂ）は雰囲気がＭｇ_３Ｎ_２に変わった状態を示す。
【００１３】
図２は本発明に係る還元性ガスの生成方法の第２原理図であり、酸化膜１の上に予めＭｇ材５を置いておく。Ｍｇ材５はＭｇ合金を含むペースト、シート、ワイヤの形態が取扱容易で好ましい。
作動ガスＮ_２下でＭｇ材５に電極３から電子ｅを照射すると、Ｍｇ材５中のＭｇ成分がプラズマ熱でガス化し、３Ｍｇ（ガス）＋Ｎ_２→Ｍｇ_３Ｎ_２の反応が進行する。
【００１４】
図３は本発明に係る還元性ガスの生成方法の第３原理図であり、酸化膜１の上に供給手段６，６にてＭｇ含有材７を供給する。
作動ガスＮ_２下でＭｇ含有材７に電極３から電子ｅを照射すると、Ｍｇ成分がプラズマ熱でガス化し、３Ｍｇ（ガス）＋Ｎ_２→Ｍｇ_３Ｎ_２の反応が進む。
【００１５】
図４（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る表面合金化処理方法の原理図であり、前記還元性ガスの生成方法のうちの第１原理を使用した具体的処理を説明する。
（ａ）において酸化膜１で被覆されたアルミニウム材２に電極３及び金属粉末供給手段４を臨ませ、アルミニウム材２側を「＋」、電極３側を「−」となるように直流電源５をつなぎ、且つ処理雰囲気をＡｒ＋Ｎ_２とする。
アルミニウム材２は適量の（Ｍｇ）が含有されているものを使用する。電極３から電子ｅを発射すると、上記第１原理により還元性ガス（Ｍｇ_３Ｎ_２）が生成できる。
（ｂ）では、Ｍｇ_３Ｎ_２＋２Ａｌ_２Ｏ_３＋３Ｍｇ→２ＡｌＮ＋６ＭｇＯ＋２Ａｌの反応式により、酸化膜１が除かれる。
そこで、（ｃ）において酸化膜１の除かれたアルミニウム材２に金属粉末供給手段４から合金用金属粉末を添加し、これらアルミニウム材２と金属粉末とに電極３から直流プラズマアークを照射し、このアーク熱でアルミニウム材２の表面を溶かし、金属粉末との合金を生成する。
実施例で具体例を示すが、このときの処理部は狭く深い。
【００１６】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示す。なお、実施例は、▲１▼直流プラズマ法と従来の交流プラズマ法との比較、▲２▼本発明におけるＮ_２の適量、▲３▼本発明におけるアルミニウム材の好適Ｍｇ量、▲４▼本発明方法を吸気弁の表面強化に適用した例、▲５▼本発明方法をシリンダヘッドの表面強化に適用した例からなり、これらを順次説明する。
図５はプラズマトーチの原理図であり、以下の説明の便利のために掲載した。即ち、プラズマトーチ１０はタングステン電極１１（前記電極３に相当）をノズル１２及びシールドキャップ１３で同心円状に囲い、電極１１とノズル１２との間にセンターガス（前記作動ガスに相当）を流し、ノズル１２とシールドキャップ１３との間にシールドガスを流す構造のものである。
【００１７】
▲１▼直流プラズマ法と従来の交流プラズマ法との比較；
【００１８】
【表１】

【００１９】
実施例１は直流プラズマ法によるもので、センターガス流量を、Ａｒ（アルゴンガス）０．５５ｌ／ｍｉｎ＋Ｎ_２０．０５ｌ／ｍｉｎとし、シールドガス流量をＡｒ９ｌ／ｍｉｎ、電流を１００／８０／１２０Ａ、アルミニウム材をＡＣ７Ａ−ＪＩＳ、合金用金属粉末をＣｒ_３Ｃ_２１０ｍｇ／ｃｍ^２として、表面合金化処理を実施した。上記ＡＣ７Ａ−ＪＩＳは３．５〜５．５ｗｔ％のＭｇを含むから、本発明のプラズマアークは良好に形成可能である。
比較例１は従来の交流プラズマ法によるものであり、センターガス流量のみＡｒ０．６ｌ／ｍｉｎ（即ちＮ_２を混合せず）とし、他の条件は実施例１に合せた。
【００２０】
図６は本発明に係る処理部の幅と深さを示すグラフであり、グラフの下方に略図した通り幅をＷ、深さをｄとした。
比較例１に比較して実施例１は幅Ｗが小さく且つ深さｄが大きい。従って、本発明方法によれば狭く深い合金層を形成することができる。
【００２１】
▲２▼本発明におけるＮ_２の適量；
前記実施例１ではセンターガスをＡｒ０．５５ｌ／ｍｉｎ＋Ｎ_２０．０５ｌ／ｍｉｎとしたが、このＮ_２の適量を調べることは重要である。そこで、本発明者等は、次の条件での実験を実施した。
【００２２】
【表２】

【００２３】
比較例２はセンターガスをＡｒのみとしたので、本発明の還元性ガスが形成できず、酸化膜を除去することができないため処理は不良であった。
実施例２はＮ_２／Ａｒ比を１．７％、実施例３はＮ_２／Ａｒ比を１０％、実施例４はＮ_２／Ａｒ比を２０％、実施例５はＮ_２／Ａｒ比を３３％としたので、処理結果は良好であった。
【００２４】
比較例３はＮ_２／Ａｒ比を４３％としたもので、処理結果は不良であった。周知の通り、同一トーチ高さにおいて、センターガスをＡｒにした場合に比べて、Ｎ_２の場合は所要電圧が約２倍となる。即ち、電圧を倍増しなければＮ_２で所定のプラズマアークを発生させることはできない。従って、比較例３のようにＮ_２の比率が過剰になると良好なプラズマアークが得られず、所望の処理結果が得られない。
従って、本発明方法においては、センターガスのＮ_２／Ａｒ比を１．７％〜３３％範囲とすることが望ましい。この範囲であれば電圧や電流値を適度に抑えることができる。
▲３▼本発明におけるアルミニウム材料の適量Ｍｇ量；
直流プラズマアークを良好に形成するのに必要なＭｇ量を調べることは重要である。そこで、Ｍｇ含有量の異なるアルミニウム材について調べることにした。その条件及び結果図６に示す。
【００２５】
【表３】

【００２６】
比較例４はアルミニウム材中のＭｇが０であるため、還元性ガスが十分に生成できず、プラズマアークが得られなかった。
実施例６，７，８，９は還元性ガスが適量生成され、良好な直流プラズマアークを得ることができた。
従って、２．０〜２０ｗｔ％の範囲のＭｇを含有したアルミニウム材が好適であることが分かった。
【００２７】
▲４▼本発明方法を吸気弁の表面強化に適用した例；
図７は本発明方法で吸気弁を合金化処理するときの作用図であり、吸気弁２０に金属粉末供給手段４から金属粉末を供給しつつ、プラズマトーチ１０にて合金化処理をする。その時の処理条件は表３に示す通りであり、吸気弁２０の材質は７０７５（アルミニウム合金）であり、また、合金用金属粉末は、Ｃｒ_３Ｃ_２が３０ｗｔ％、Ｍｏが１０ｗｔ％、Ｆｅが３０ｗｔ％、Ｎｉが１０ｗｔ％、で残部がＡＣ２Ｂ粉末からなり、ノズルからの供給量は８ｇ／ｍｉｎとした。なお、ＡＣ２Ｂ粉末の組成は、ＪＩＳＨ５２０２で規定されたアルミニウム合金である。
【００２８】
【表４】

【００２９】
処理の結果、表面硬度はＨｖ（ビッカース硬度）で２１０となり、未処理時の表面硬度はＨｖで６０であるから、十分に表面が硬化されたことになる。
【００３０】
▲５▼本発明方法をシリンダヘッドの表面強化に適用した例；
図８はガソリンエンジンのシリンダヘッドの要部断面図であり、シリンダヘッド３０のバルブシート３１に金属粉末供給手段４から金属粉末を供給しつつ、プラズマトーチ１０にて合金化処理をする。その時の処理条件は表４に示す通りであり、シリンダヘッド３０の材質はＡＣ２Ｂ−ＪＩＳ（アルミニウム鋳物）であり、また、合金用金属粉末は、Ｃｒ_３Ｃ_２が５ｗｔ％、Ｍｏが１０ｗｔ％、Ｆｅが１０ｗｔ％、Ｎｉが１０ｗｔ％、Ｃｒが５ｗｔ％、で残部がＣｒ粉末からなり、ノズルからの供給量は８ｇ／ｍｉｎとした。ＡＣ２Ｂ−ＪＩＳは５〜７ｗｔ％のＭｇを含むから、本発明のプラズマアークは良好に形成可能である。
【００３１】
【表５】

【００３２】
ここで溶込率は、（母材への溶込み深さ）÷（母材への溶込み深さ＋表面から外方への盛り上がり高さ）で定義される％表示値である。
処理の結果、溶込率は２０％、表面硬度はＨｖ（ビッカース硬度）で１８０〜２１０となり、未処理時の表面硬度がＨｖ４０〜５０であるから、十分に表面が硬化されたことになる。
【００３３】
そして、処理後のシリンダヘッド３０を機械仕上し、それをシリンダブロックに組込み、ガソリンエンジンを完成し、６０００ｒｐｍで１００時間の連続運転を評価試験として実施した。運転後のエンジンを分解し、シリンダヘッド３０のバルブシート３１を検査したところ、クラックの発生は認められなかった。
この種の改質処理を施さないシリンダブロックで同様の評価試験を実施すると、バルブシートに微細なクラックの発生することがあり、非改質品に比べて本発明による改質品は耐久性の向上が認められた。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１は、アルミニウム材の表面をＭｇ _３Ｎ _２ガスで覆い、前記表面を直流プラズマアークで溶融しつつ合金用金属粉末を添加し、この金属粉末とアルミニウム材との合金を表面に形成するようにしたもので、Ｍｇ _３Ｎ _２ガスでアルミニウム材表面の酸化膜を破壊してアルミニウム材を露出状態にし、そこにプラズマアークを照射することができ、プラズマアークは最短距離を直進することになり、しかも酸化膜の膜厚のばらつきに左右されないので、狭くて深い処理が可能となる。
【００３６】
請求項１で用いるＭｇ _３Ｎ _２ガスを作動ガス中のＮ_２とアルミニウム材中のＭｇ成分又は外部から供給したＭｇ成分と反応させて生成するので、Ｍｇ _３Ｎ _２ガスは簡単に生成でき、生産コストの高騰を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る還元性ガスの生成方法の第１原理図
【図２】本発明に係る還元性ガスの生成方法の第２原理図
【図３】
本発明に係る還元性ガスの生成方法の第３原理図
【図４】
本発明に係る表面合金化処理方法の原理図
【図５】
プラズマトーチの原理図
【図６】
本発明に係る処理部の幅と深さを示すグラフ
【図７】
本発明方法で吸気弁を合金化処理するときの作用図
【図８】
ガソリンエンジンのシリンダヘッドの要部断面図
【図９】
従来アルミニウム材に用いられる交流プラズマ法の原理図
【図１０】
従来の交流プラズマ法の拡大図
【符号の説明】
１…酸化膜、２…アルミニウム材、３…電極、４…金属粉末供給手段、５…直流電源、１０…プラズマトーチ。[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a surface alloying method for an aluminum material.
[0002]
[Prior art]
Various methods, such as surface quenching, carburizing, and nitriding, are used for the surface modification method of a metal material. In recent years, a surface alloying treatment method has attracted attention.
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-38786 discloses a method for improving the processing method of an aluminum alloy cast cylinder head for an internal combustion engine. One or more types are alloyed by irradiating high-density energy, and a TIG arc is used in the embodiment as the high-density energy, and a laser, an electron beam, or a plasma arc may be used.
[0003]
In addition, the surface alloying treatment method, of course, aims at reforming with an alloy, but if the aluminum material having casting defects such as micropores is re-melted and re-cooled, it can be directed from the base material side to the surface. The solidification can be performed and the welding defect is extruded to the surface, so that the modification can be achieved. At the same time, since the non-melted portion acts as a chill with a large capacity, the re-melted portion is rapidly cooled, the structure becomes finer, and the surface can be modified.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The present inventors have paid attention to the surface alloying treatment method, and in particular, have studied the surface modification of an aluminum material by a plasma arc and have found the following problems.
FIGS. 9A and 9B are principle diagrams of an AC plasma method conventionally used for an aluminum material. As is well known, the aluminum material 101 is covered with a strong Al ₂ O ₃ oxide film 102. By (a) setting the aluminum material 101 to "-" and the plasma torch electrode 103 to "+", electricity e is skipped from the aluminum material 101, and the electrons e break through the oxide film 102. Immediately after that, the electron e is skipped from the electrode 103 in (b) whose polarity is changed, and the surface of the aluminum material 101 is heated and re-melted by the energy of the electron e. That is, it is said that the "AC plasma method" in which the polarity is alternately changed and the above (a) and (b) are repeated is suitable for the aluminum material.
[0005]
However, the above-mentioned AC plasma method uses an AC plasma arc to destroy the Al ₂ O ₃ oxide film on the surface by electrons due to its cleaning action, and the oxide film is completely or uniformly destroyed and removed. Is difficult. As a result, electrons from the electrode travel to a portion where the oxide film is destroyed or a locally thin portion. Then, the arc is dispersed and the focus is not concentrated, so that a locally deep alloyed layer cannot be obtained. This phenomenon will be considered in the following figure.
FIGS. 10A and 10B are enlarged views of the conventional AC plasma method, in which the oxide film 102 has an uneven thickness. First, electrons e are directed to the electrode 103 from a thin portion, and then thinned from the electrode 103. The plasma arc intensively reaches the part. Therefore, it is considered that the processing area increases and the processing depth decreases.
(B) is an image diagram of the processing unit, which is a processing unit of width W × depth d.
[0006]
Of the exhaust valves, intake valves, cylinder heads, rocker arms, piston rods and the like that require processing, there are many cases where only the necessary parts need to be deeply reformed. However, the AC plasma melts portions other than the necessary portions, which is not preferable.
Therefore, the present inventors have intensively studied a new plasma method capable of deeply processing a narrow range instead of the AC plasma method, and have succeeded in developing a satisfactory technique.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
Specifically, the surface of an aluminum material is covered with Mg ₃ N ₂ gas, and the surface is melted by a DC plasma arc, and a metal powder for an alloy is added to form an alloy of the metal powder and the aluminum material on the surface. .
[0009]
The Mg ₃ N ₂ gas, a nitrogen gas, which is part of the working gas, the Mg component supplied from Mg component or external in aluminum material is reacted by gasification, Ru to produce.
[0010]
In the above alloying treatment, the voltage between the electrode and the surface of the aluminum material is determined by the distance between the torches and the gas (atmosphere). In the distance between the torches, the voltage is doubled in the N ₂ atmosphere as compared with the Ar atmosphere. Otherwise, a predetermined plasma arc cannot be generated. Therefore, N ₂ is not generally used because discharge becomes difficult.
However, the present invention enables plasma processing in an N ₂ atmosphere by suppressing N ₂ to an appropriate amount.
[0011]
[Action]
Mg and N ₂ are reacted on the surface of the aluminum material to generate reducible Mg ₃ N _2, and the oxide film on the surface of the aluminum material is completely or uniformly removed by the reducing action, and the surface is irradiated with a plasma arc. Since the plasma arc travels straight along the shortest distance and is not affected by variations in the thickness of the oxide film, narrow and deep processing can be performed. The metal powder for alloy added at this time is preferably Cr ₃ C ₂ , Fe, Ni, Mo, Cr, Cu. Cr ₃ C ₂ is dispersed in Al and acts to increase the strength. Fe produces a high melting point intermetallic compound FeAl, Ni produces a high melting point intermetallic compound NiAl, Mo produces MoAl, and Cr produces CrAl. Cu has the effect of increasing the thermal conductivity and at the same time increasing the matrix strength.
[0012]
Three examples of the method of generating the Mg ₃ N ₂ gas will be described.
FIGS. 1A and 1B are first principle diagrams of a method for generating a reducing gas according to the present invention. An aluminum material 2A containing an appropriate amount of (Mg) is used. When the electron e is emitted from the electrode 3 in (a), the oxide film 1 is locally heated and broken by the plasma arc to reach the aluminum material 2A, which is melted, and Mg in the components is gasified. This Mg reacts with a part of N _{2 of the} working gas as follows.
3Mg (gas) + N ₂ → Mg ₃ N ₂
(B) shows a state in which the atmosphere has been changed to Mg ₃ N ₂ .
[0013]
FIG. 2 is a second principle diagram of the method for generating a reducing gas according to the present invention, in which an Mg material 5 is placed on the oxide film 1 in advance. The Mg material 5 is preferably in the form of a paste, sheet, or wire containing an Mg alloy because it is easy to handle.
When electrons e are irradiated from the electrode 3 to the Mg material 5 under the working gas N ₂ , the Mg component in the Mg material 5 is gasified by plasma heat, and the reaction of 3Mg (gas) + N ₂ → Mg ₃ N ₂ proceeds.
[0014]
FIG. 3 is a third principle diagram of the method for generating a reducing gas according to the present invention, in which Mg-containing material 7 is supplied onto oxide film 1 by supply means 6 and 6.
When the electron e is irradiated from the electrode 3 to the Mg-containing material 7 under the working gas N ₂ , the Mg component is gasified by plasma heat, and the reaction of 3Mg (gas) + N ₂ → Mg ₃ N ₂ proceeds.
[0015]
4 (a) to 4 (c) are principle diagrams of the surface alloying treatment method according to the present invention, and a specific treatment using the first principle among the above-described methods for generating a reducing gas will be described.
In (a), the electrode 3 and the metal powder supply means 4 face the aluminum material 2 covered with the oxide film 1, and the DC power supply 5 is set so that the aluminum material 2 side is "+" and the electrode 3 side is "-". And the processing atmosphere is Ar + N ₂ .
The aluminum material 2 contains an appropriate amount of (Mg). When the electrode 3 for emitting electrons e, the reducing gas by the first principles _(Mg 3 _{N 2)} can be generated.
In (b), the oxide film 1 is removed by the reaction formula of Mg ₃ N ₂ + 2Al ₂ O ₃ + 3Mg → 2AlN + 6MgO + 2Al.
In view of this, the metal powder for alloying is added from the metal powder supply means 4 to the aluminum material 2 from which the oxide film 1 has been removed in (c), and the aluminum material 2 and the metal powder are irradiated with a DC plasma arc from the electrode 3, The surface of the aluminum material 2 is melted by the arc heat to form an alloy with the metal powder.
Although a specific example will be described in the embodiment, the processing unit at this time is narrow and deep.
[0016]
【Example】
Examples of the present invention will be described below. Examples are: (1) comparison between DC plasma method and conventional AC plasma method, ( ₂ ) appropriate amount of N2 in the present invention, (3) preferred Mg amount of aluminum material in the present invention, (4) An example in which the method of the present invention is applied to surface strengthening of an intake valve, and (5) an example in which the method of the present invention is applied to surface strengthening of a cylinder head, will be described sequentially.
FIG. 5 is a diagram showing the principle of the plasma torch, which is provided for convenience of the following description. That is, the plasma torch 10 concentrically surrounds the tungsten electrode 11 (corresponding to the electrode 3) with the nozzle 12 and the shield cap 13, and allows a center gas (corresponding to the working gas) to flow between the electrode 11 and the nozzle 12. It has a structure in which a shield gas flows between the nozzle 12 and the shield cap 13.
[0017]
(1) Comparison between DC plasma method and conventional AC plasma method;
[0018]
[Table 1]

[0019]
Example 1 is based on a DC plasma method, in which the center gas flow rate is 0.55 l / min of Ar (argon gas) +0.05 l / min of N ₂ , the shielding gas flow rate is 9 l / min, the current is 100/80/120 A, Surface alloying treatment was performed using aluminum material of AC7A-JIS and metal powder for alloy of 10 mg / cm ² of Cr ₃ C ₂ . Since the AC7A-JIS contains 3.5 to 5.5 wt% Mg, the plasma arc of the present invention can be formed favorably.
Comparative Example 1 was based on the conventional AC plasma method, and the center gas flow rate was changed to Ar 0.6 l / min (that is, N ₂ was not mixed), and the other conditions were the same as in Example 1.
[0020]
FIG. 6 is a graph showing the width and the depth of the processing unit according to the present invention, where the width is W and the depth is d as schematically illustrated below the graph.
Example 1 has a smaller width W and a larger depth d than Comparative Example 1. Therefore, according to the method of the present invention, a narrow and deep alloy layer can be formed.
[0021]
( ₂₎ an appropriate amount of N _{2 in} the present invention;
In the first embodiment, the center gas is Ar 0.55 l / min + N ₂ 0.05 l / min. However, it is important to check the appropriate amount of N ₂ . Therefore, the present inventors conducted an experiment under the following conditions.
[0022]
[Table 2]

[0023]
In Comparative Example 2, since the center gas was only Ar, the reducing gas of the present invention could not be formed, and the oxide film could not be removed.
Example 2 has an N ₂ / Ar ratio of 1.7%, Example 3 has an N ₂ / Ar ratio of 10%, Example 4 has an N ₂ / Ar ratio of 20%, and Example 5 has an N ₂ / Ar ratio. Was 33%, so that the treatment result was good.
[0024]
In Comparative Example 3, the N ₂ / Ar ratio was set to 43%, and the processing result was poor. As is well known, at the same height of the torch, as compared with the case where the center gas to Ar, in the case of N ₂ required voltage is approximately doubled. That is, it is impossible to generate a predetermined plasma arc with N ₂ to be double the voltage. Therefore, good plasma arc when the ratio of N ₂ becomes excessive is not obtained as in Comparative Example 3 can not be obtained the desired processing result.
Therefore, in the method of the present invention, it is desirable that the N ₂ / Ar ratio of the center gas is in the range of 1.7% to 33%. Within this range, the voltage and current values can be appropriately suppressed.
{Circle around (3)} An appropriate amount of Mg of the aluminum material in the present invention;
It is important to determine the amount of Mg necessary to successfully form a DC plasma arc. Therefore, aluminum materials having different Mg contents were examined. The conditions and results are shown in FIG.
[0025]
[Table 3]

[0026]
In Comparative Example 4, since the Mg in the aluminum material was 0, sufficient reducing gas could not be generated, and no plasma arc was obtained.
In Examples 6, 7, 8, and 9, an appropriate amount of reducing gas was generated, and a good DC plasma arc could be obtained.
Therefore, it was found that an aluminum material containing Mg in the range of 2.0 to 20 wt% is suitable.
[0027]
{Circle around (4)} Example in which the method of the present invention is applied to surface strengthening of an intake valve;
FIG. 7 is an operation diagram when the intake valve is alloyed by the method of the present invention. The alloying process is performed by the plasma torch 10 while the metal powder is supplied from the metal powder supply means 4 to the intake valve 20. The processing conditions at that time are as shown in Table 3, the material of the intake valve 20 is 7075 (aluminum alloy), and the metal powder for the alloy is 30 wt% of Cr ₃ C ₂ , 10 wt% of Mo, and Fe 30 wt%, Ni was 10 wt%, the balance was made of AC2B powder, and the supply amount from the nozzle was 8 g / min. The composition of the AC2B powder is an aluminum alloy specified in JIS5202.
[0028]
[Table 4]

[0029]
As a result of the treatment, the surface hardness was 210 in Hv (Vickers hardness), and the surface hardness before treatment was 60 in Hv, indicating that the surface was sufficiently cured.
[0030]
{Circle over (5)} Examples in which the method of the present invention is applied to surface strengthening of a cylinder head;
FIG. 8 is a cross-sectional view of a main part of a cylinder head of a gasoline engine. An alloying process is performed by a plasma torch 10 while supplying metal powder from a metal powder supply unit 4 to a valve seat 31 of a cylinder head 30. The processing conditions at that time are as shown in Table 4, the material of the cylinder head 30 is AC2B-JIS (aluminum casting), and the metal powder for alloy contains 5 wt% of Cr ₃ C ₂ , 10 wt% of Mo, Fe was 10 wt%, Ni was 10 wt%, Cr was 5 wt%, and the balance was composed of Cr powder, and the supply amount from the nozzle was 8 g / min. Since AC2B-JIS contains 5 to 7 wt% of Mg, the plasma arc of the present invention can be favorably formed.
[0031]
[Table 5]

[0032]
Here, the penetration rate is a% display value defined by (depth of penetration into the base material) / (depth of penetration into the base material + height of swelling outward from the surface).
As a result of the treatment, the penetration rate was 20%, the surface hardness was 180 to 210 in Hv (Vickers hardness), and the surface hardness before treatment was 40 to 50 in Hv. Thus, the surface was sufficiently cured.
[0033]
Then, the treated cylinder head 30 was machine-finished, assembled into a cylinder block, a gasoline engine was completed, and continuous operation at 6000 rpm for 100 hours was performed as an evaluation test. When the engine after operation was disassembled and the valve seat 31 of the cylinder head 30 was inspected, no crack was found.
When a similar evaluation test is performed on a cylinder block that is not subjected to this type of reforming treatment, fine cracks may occur in the valve seat, and the modified product according to the present invention has a higher durability than the non-modified product. Improvement was observed.
[0034]
【The invention's effect】
The present invention has the following effects by the above configuration.
In the first aspect, the surface of the aluminum material is covered with Mg ₃ N ₂ gas , and the surface is melted by a DC plasma arc, and a metal powder for alloy is added to form an alloy of the metal powder and the aluminum material on the surface. In this manner, the oxide film on the surface of the aluminum material is destroyed with Mg ₃ N ₂ gas to expose the aluminum material, and a plasma arc can be applied to the aluminum material, and the plasma arc travels the shortest distance. In addition, since it is not affected by the variation of the thickness of the oxide film, narrow and deep processing can be performed.
[0036]
Since the Mg ₃ N ₂ gas used in

claim

1 is generated by reacting the N ₂ in the working gas with the Mg component in the aluminum material or the Mg component supplied from the outside, the Mg ₃ N ₂ gas can be easily generated, High production costs can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a first principle diagram of a method for generating a reducing gas according to the present invention; FIG. 2 is a second principle diagram of a method for generating a reducing gas according to the present invention;
FIG. 4 is a third principle diagram of the method for producing a reducing gas according to the present invention.
Principle of the surface alloying treatment method according to the present invention [FIG. 5]
Principle diagram of plasma torch [Fig. 6]
FIG. 7 is a graph showing the width and depth of the processing unit according to the present invention.
FIG. 8 is an operation diagram when the intake valve is alloyed by the method of the present invention.
Sectional view of main part of cylinder head of gasoline engine [Fig. 9]
Principle diagram of the AC plasma method conventionally used for aluminum materials [Fig. 10]
Enlarged view of conventional AC plasma method [Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Oxide film, 2 ... Aluminum material, 3 ... Electrode, 4 ... Metal powder supply means, 5 ... DC power supply, 10 ... Plasma torch.

Claims

A surface alloy of an aluminum material in which the surface of an aluminum material is covered with Mg ₃ N ₂ gas, and the surface is melted by a DC plasma arc, and a metal powder for an alloy is added to form an alloy of the metal powder and the aluminum material on the surface. Wherein the Mg ₃ N ₂ gas is generated by reacting an N ₂ gas which is a part of a working gas with a Mg component in an aluminum material or a Mg component supplied from outside. Alloying method for aluminum materials to be used.