JP2006095589A - Surface hardening method for titanium material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、チタン材料に対して極めて効率よく表面硬化を行うチタン材料の表面硬化方法に関するものである。 The present invention relates to a surface hardening method for a titanium material that performs surface hardening on the titanium material very efficiently.
チタン合金は、比強度が高く耐食性に優れており、ナイフや刃物の他、硬度を必要とする構造材に用いるのに適している。ここで、従来のチタン合金を硬化するための処理方法として、例えば、ガス窒化法やプラズマ窒化法があり、この方法によるとチタン合金の表面に黄金色を呈する硬質な層(TiNとTiN2からなる)を形成することができ、母材側にも窒素の拡散・固溶による硬質な層を形成することができる。この方法は、処理法として簡便であり、耐摩耗性を著しく改善できるという利点がある。 Titanium alloys have high specific strength and excellent corrosion resistance, and are suitable for use in structural materials that require hardness in addition to knives and blades. Here, as a processing method for curing a conventional titanium alloy, for example, there are a gas nitriding method and a plasma nitriding method, and according to this method, a hard layer (from TiN and TiN 2) that exhibits a golden color on the surface of the titanium alloy. And a hard layer can be formed on the base material side by diffusion and solid solution of nitrogen. This method is convenient as a treatment method and has the advantage that the wear resistance can be remarkably improved.
しかしながら、上記ガス窒化法やプラズマ窒化法にあっては、バッチ処理であり、しかも850℃以上の温度で主として10時間以上という高温・長時間処理を行うものである。そのため、大量に連続した処理をすることができず、また母材の機械的性質の劣化を生じさせるという問題がある。また、摺動部材等のように、摺動する部分だけ硬化させればよいものであっても、部材表面全体が硬化してしまい、後の機械加工が困難になる不都合が生じる場合もある。 However, the gas nitriding method and the plasma nitriding method are batch processing, and are performed at a temperature of 850 ° C. or higher for mainly 10 hours or longer. Therefore, there is a problem that a large amount of continuous treatment cannot be performed and the mechanical properties of the base material are deteriorated. Moreover, even if only the sliding part needs to be cured, such as a sliding member, the entire surface of the member may be cured, resulting in inconvenience that subsequent machining becomes difficult.
そこで、窒素ガスをシールドガスとしてチタン地金表面をアーク溶解し、溶融池に窒素を混入させて凝固することにより、溶融凝固部分に窒素を固溶してチタン材料を部分的に強化する方法が開示されている(下記の特許文献1および2)。
しかしながら、上記特許文献1および2記載の方法は、いずれも、窒素ガスをシールドガスとしてチタン地金の表面をアーク溶解させ、溶融池にシールドガス中の窒素を混入させるものであるため、アークの状態すなわち地金の溶融状態やシールドガスのシールド状態等の要因によって窒素の混入状態に変動をきたし、均一な硬化層を安定した状態で得られ難いという問題がある。 However, the methods described in Patent Documents 1 and 2 both arc-melt the surface of the titanium ingot using nitrogen gas as a shielding gas and mix nitrogen in the shielding gas into the molten pool. There is a problem that the mixed state of nitrogen varies depending on the state, that is, the molten state of the metal and the shield state of the shielding gas, and it is difficult to obtain a uniform hardened layer in a stable state.
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、均一な硬化層を安定した状態で得られるチタン材料の表面硬化方法の提供をその目的とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, and the objective is to provide the surface hardening method of the titanium material obtained in the stable state of a uniform hardening layer.
上記目的を達成するため、本発明のチタン材料の表面硬化方法は、チタン材料からなる地金の表面に対し、チタン材料と固溶してチタン材料を硬化させる硬化元素を含有するチタン材料から形成された溶加棒を用いて肉盛溶接を行うことにより、上記地金の表面に上記硬化元素が固溶した硬化層を形成することを要旨とする。 In order to achieve the above object, the surface hardening method of the titanium material of the present invention is formed from a titanium material containing a hardening element that solidifies with the titanium material and hardens the titanium material with respect to the surface of the bare metal made of the titanium material. The gist is to form a hardened layer in which the hardened element is solid-solved on the surface of the bare metal by performing overlay welding using the melted rod.
本発明のチタン材料の表面硬化方法は、チタン材料からなる地金の表面に対し、チタン材料と固溶してチタン材料を硬化させる硬化元素を含有するチタン材料から形成された溶加棒を用いて肉盛溶接を行うことにより、溶加棒に含まれる硬化元素が、地金表面と溶加棒との溶接によって形成されるチタン材料の溶融池に混入するとともに、溶融池周辺の地金にも拡散する。そして、このような混入と拡散によって、チタン材料に対して硬化元素が固溶し、地金の表面に硬化層を形成する。すなわち、溶加棒が地金に直接溶け込むような現象であるから、溶加棒中の硬化元素が確実に地金に混入して固溶層すなわち硬化層が形成され、均一な安定した硬化層を構成することができる。 The surface hardening method of the titanium material of the present invention uses a filler rod formed from a titanium material containing a hardening element that solidifies with the titanium material and hardens the titanium material with respect to the surface of the bare metal made of the titanium material. By performing overlay welding, the hardening elements contained in the filler bar are mixed into the molten pool of titanium material formed by welding the surface of the metal bar and the filler bar, and also into the metal around the molten pool. Also spread. And by such mixing and diffusion, the hardening element is dissolved in the titanium material, and a hardened layer is formed on the surface of the metal. That is, the phenomenon is that the filler rod directly melts into the base metal, so that the hardened element in the filler rod is surely mixed into the base metal to form a solid solution layer, that is, a hardened layer, and a uniform and stable hardened layer. Can be configured.
このように、溶加棒が地金とともに溶融状態になって、溶加棒に含有されている硬化元素が溶接で形成される溶融池に混入されて固溶させるものであるから、所定量の硬化元素を確実に固溶させることができ、期待通りの物性の表面硬化層を形成させることができる。さらに、溶加棒の製造工程において、溶加棒に含有させる硬化元素の量を容易に制御できるので、溶加棒からチタン材料に混入する硬化元素の量や分布状態を最適化するよう制御することが容易であり、硬化状態にムラのない良質な硬化層が形成できる。また、この場合において、例えば肉盛溶接をアーク溶接で行う場合、アーク電流,アーク電圧,アーク長さ等の溶接条件を所定値に正確に設定できるので、肉盛溶接自体を所定の肉盛状態にすることができ、ねらい通りの良質な硬化層を形成できる。 In this way, the filler rod is in a molten state together with the base metal, and the hardening element contained in the filler rod is mixed into the molten pool formed by welding to cause a solid solution. The hardened element can be reliably dissolved, and a hardened surface layer having the expected physical properties can be formed. Furthermore, in the manufacturing process of the filler rod, the amount of the hardening element contained in the filler rod can be easily controlled, so that the amount and distribution state of the hardening element mixed in the titanium material from the filler rod is controlled to be optimized. It is easy to form a high-quality cured layer with no unevenness in the cured state. Also, in this case, for example, when overlay welding is performed by arc welding, welding conditions such as arc current, arc voltage, arc length can be accurately set to predetermined values, so that the overlay welding itself is performed in a predetermined overlay state. It is possible to form a high-quality cured layer as intended.
本発明のチタン材料の表面硬化方法において、上記肉盛溶接により、上記硬化層中にチタンと硬化元素との化合物粒子を析出させる場合には、きわめて高い硬度を有する例えば硬質セラミックスや金属間化合物等の化合物粒子がチタン材料中に析出することで、硬化層の硬度が一層高くなる。 In the surface hardening method of the titanium material of the present invention, when depositing compound particles of titanium and a hardening element in the hardened layer by the overlay welding, for example, a hard ceramic or an intermetallic compound having a very high hardness. When the compound particles are precipitated in the titanium material, the hardness of the hardened layer is further increased.
本発明のチタン材料の表面硬化方法において、上記地金の表面に上記硬化元素と金属との化合物粉末を存在させた状態で上記肉盛溶接を行うことにより、上記硬化層中にチタンと硬化元素との化合物粒子を析出させる場合には、肉盛溶接時の溶融池中に上記硬化元素と金属との化合物粉末が混入することにより、形成される硬化層中に上記化合物粒子が分散した状態で析出し、硬化層の硬度が一層高くなる。 In the surface hardening method of the titanium material of the present invention, titanium and the hardening element are formed in the hardened layer by performing the overlay welding in a state where the compound powder of the hardening element and the metal is present on the surface of the metal. In the state where the compound particles are dispersed in the hardened layer formed by mixing the compound powder of the hardened element and the metal into the molten pool at the time of overlay welding. Precipitates and the hardness of the hardened layer is further increased.
本発明のチタン材料の表面硬化方法において、上記溶加棒中に上記硬化元素と金属との化合物粉末を存在させ、当該溶加棒で上記肉盛溶接を行うことにより、上記硬化層中にチタンと硬化元素との化合物粒子を析出させる場合には、上記化合物粉末は溶加棒中に存在しているので、肉盛溶接時の溶融池中に上記硬化元素と金属との化合物粉末が混入することにより、形成される硬化層中に上記化合物粒子が分散した状態で析出し、硬化層の硬度が一層高くなる。 In the surface hardening method for titanium material of the present invention, the compound powder of the hardening element and metal is present in the filler rod, and the build-up welding is performed with the filler rod, whereby titanium in the hardened layer is obtained. In the case where the compound particles of the hardening element are deposited, since the compound powder exists in the filler rod, the compound powder of the hardening element and the metal is mixed in the molten pool at the time of overlay welding. As a result, the compound particles are precipitated in a dispersed state in the cured layer to be formed, and the hardness of the cured layer is further increased.
つぎに、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be described.
本発明のチタン材料の表面硬化方法は、チタン材料からなる地金の表面に対し、チタン材料と固溶してチタン材料を硬化させる硬化元素を含有するチタン材料から形成された溶加棒を用いて肉盛溶接を行う。 The surface hardening method of the titanium material of the present invention uses a filler rod formed from a titanium material containing a hardening element that solidifies with the titanium material and hardens the titanium material with respect to the surface of the bare metal made of the titanium material. Perform overlay welding.
上記チタン材料としては、工業用純チタン材料、チタン系の耐食合金、α型チタン合金、ニアα型チタン合金、β型チタン合金、α+β型チタン合金等を適用することができ、特に限定するものではない。すなわち、地金のチタン材料として、工業用純チタン材料、チタン系の耐食合金、α型チタン合金、ニアα型チタン合金、β型チタン合金、α+β型チタン合金等のいずれを適用してもよく、溶加棒のチタン材料としても工業用純チタン材料、チタン系の耐食合金、α型チタン合金、ニアα型チタン合金、β型チタン合金、α+β型チタン合金等のいずれを適用してもよい。 As the titanium material, industrial pure titanium materials, titanium-based corrosion-resistant alloys, α-type titanium alloys, near-α-type titanium alloys, β-type titanium alloys, α + β-type titanium alloys, and the like can be applied. is not. In other words, any of pure industrial titanium materials, titanium-based corrosion resistant alloys, α-type titanium alloys, near α-type titanium alloys, β-type titanium alloys, α + β-type titanium alloys, etc. As the titanium material of the filler rod, any of industrial pure titanium material, titanium-based corrosion resistant alloy, α-type titanium alloy, near α-type titanium alloy, β-type titanium alloy, α + β-type titanium alloy, etc. may be applied. .
より詳しく説明すると、上記チタン系の耐食合金としては、例えば、Ti−0.15Pd合金、Ti−0.3Mo合金、Ti−5Ta合金等をあげることができるが、これに限定するものではなく、各種のものを用いることができる。 More specifically, examples of the titanium-based corrosion-resistant alloy include Ti-0.15Pd alloy, Ti-0.3Mo alloy, Ti-5Ta alloy, etc., but are not limited thereto. Various things can be used.
また、上記α型チタン合金としては、常温で母材が稠密六方晶のα相を呈するものであれば、特に限定するものではなく、各種のものを適用することができる。例えば、Ti−5Al−2.5Sn合金、Ti−5.5Al−3.5Sn−3Zr−1Nb−0.3Mo−0.3Si合金、Ti−2.5Cu合金等をあげることができる。 The α-type titanium alloy is not particularly limited as long as the base material exhibits a dense hexagonal α-phase at room temperature, and various types can be applied. For example, Ti-5Al-2.5Sn alloy, Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si alloy, Ti-2.5Cu alloy, etc. can be mentioned.
また、上記ニアα型チタン合金としては、特に限定するものではなく、各種のものを適用することができる。例えば、Ti−8Al−1Mo−1V合金、Ti−2.25Al−11Sn−5Zr−1Mo−0.2Si合金、Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Mo合金、Ti−5Al−5Sn−2Zr−2Mo−0.25Si合金、Ti−6Al−2Nb−1Ta−0.8Mo合金、Ti−6Al−2Sn−1.5Zr−1Mo−0.35Bi−0.1Si合金、Ti−6Al−5Zr−0.5Mo−0.2Si合金、Ti−5Al−6Sn−2Zr−1Mo−0.25Si合金等をあげることができる。 Moreover, it does not specifically limit as said near alpha type titanium alloy, Various things can be applied. For example, Ti-8Al-1Mo-1V alloy, Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.2Si alloy, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo alloy, Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo-0 .25Si alloy, Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo alloy, Ti-6Al-2Sn-1.5Zr-1Mo-0.35Bi-0.1Si alloy, Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0. 2Si alloy, Ti-5Al-6Sn-2Zr-1Mo-0.25Si alloy, etc. can be mentioned.
また、上記α+β型チタン合金としては、特に限定するものではなく、各種のものを適用することができる。例えば、Ti−8Mn合金、Ti−3Al−2.5V合金、Ti−6Al−4V合金、Ti−6Al−6V−2Sn合金、Ti−7Al−4Mo合金、Ti−6Al−2Sn−4Zr−6Mo合金、Ti−6Al−2Sn−2Zr−2Mo−2Cr−0.25Si合金、Ti−10V−2Fe−3Al合金、Ti−4Al−2Sn−4Mo−0.5Si合金、Ti−4Al−4Sn−4Mo−0.5Si合金、Ti−2.25Al−11Sn−4Mo−0.2Si合金、Ti−5Al−2Zr−4Mo−4Cr合金、Ti−4.5Al−5Mo−1.5Cr合金、Ti−6Al−5Zr−4Mo−1Cu−0.2Si合金等をあげることができる。 In addition, the α + β type titanium alloy is not particularly limited, and various types can be applied. For example, Ti-8Mn alloy, Ti-3Al-2.5V alloy, Ti-6Al-4V alloy, Ti-6Al-6V-2Sn alloy, Ti-7Al-4Mo alloy, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo alloy, Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.25Si alloy, Ti-10V-2Fe-3Al alloy, Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si alloy, Ti-4Al-4Sn-4Mo-0.5Si Alloy, Ti-2.25Al-11Sn-4Mo-0.2Si alloy, Ti-5Al-2Zr-4Mo-4Cr alloy, Ti-4.5Al-5Mo-1.5Cr alloy, Ti-6Al-5Zr-4Mo-1Cu -0.2Si alloy etc. can be mention | raise | lifted.
また、上記β型チタン合金は、常温で母材が体心立方晶のβ相を呈するものであれば、特に限定するものではなく、各種のものを適用することができる。例えば、Ti−13V−11Cr−3Al合金、Ti−8Mo−8V−2Fe−3Al合金、Ti−3Al−8V−6Cr−4Mo−4Zr合金、Ti−11.5Mo−6Zr−4.5Sn合金、Ti−11V−11Zr−2Al−2Sn合金、Ti−15Mo−5Zr合金、Ti−15Mo−5Zr−3Al合金、Ti−15V−3Cr−3Al−3Sn合金、Ti−20V−4Al−1Sn合金、Ti−22V−4Al合金等をあげることができる。 The β-type titanium alloy is not particularly limited as long as the base material exhibits a body-centered cubic β-phase at room temperature, and various types can be applied. For example, Ti-13V-11Cr-3Al alloy, Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al alloy, Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr alloy, Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn alloy, Ti- 11V-11Zr-2Al-2Sn alloy, Ti-15Mo-5Zr alloy, Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy, Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn alloy, Ti-20V-4Al-1Sn alloy, Ti-22V-4Al An alloy etc. can be mention | raise | lifted.
地金に用いるチタン材料と溶加棒に用いるチタン材料との組み合わせとしては、地金と溶加棒との溶接による溶接金属部を材料的に安定させるという観点から、同じタイプのチタン材料の組み合わせで用いるのが好ましい。すなわち、地金にα型チタン合金を使用した場合は溶加棒もα型チタン合金を、地金にβ型チタン合金を使用した場合は溶加棒もβ型チタン合金を、地金にα+β型チタン合金を使用した場合は溶加棒もα+β型チタン合金を、それぞれ用いるのが好ましい。また、溶加棒に純チタン材を使用した場合は、地金にどのタイプのチタン材料を用いても良い。 The combination of the titanium material used for the bare metal and the titanium material used for the filler rod is a combination of the same type of titanium material from the viewpoint of material stability of the weld metal part by welding between the bare metal and the filler rod. Is preferably used. That is, when α-type titanium alloy is used for the metal, the filler rod is also α-type titanium alloy, and when β-type titanium alloy is used for the metal, the filler bar is also β-type titanium alloy and α + β is used for the metal. When a type titanium alloy is used, it is preferable to use an α + β type titanium alloy for the filler rod. Moreover, when a pure titanium material is used for the filler rod, any type of titanium material may be used for the base metal.
上記チタン材料からなり、表面硬化処理の対象材である地金は、平板状やブロック状所定の形状のものを用いることができる。必要に応じて、予め冷間加工・熱間加工等の塑性加工や切削加工等を施すことにより、所定の製品形状(ネットシェイプを含む)に成形してもよい。なお、地金としてのチタン材料は、溶製材だけでなく、HIP焼結等の粉末冶金法によって得られた材料も含む趣旨である。 The base metal made of the titanium material and the target material for the surface hardening treatment can be a flat plate or a block-shaped one. If necessary, a predetermined product shape (including a net shape) may be formed by performing plastic working such as cold working or hot working, cutting work, or the like in advance. In addition, the titanium material as a bullion includes not only a melted material but also a material obtained by a powder metallurgy method such as HIP sintering.
上記硬化元素としては、金属結晶の格子間に侵入固溶して材料を硬化させるものであり、例えば、炭素,窒素,硼素,酸素等をあげることができる。これらの硬化元素は、溶加棒を形成するチタン材料中に含有させている。 Examples of the above-mentioned hardening element are elements that penetrate and dissolve in the lattice of the metal crystal to harden the material, and examples thereof include carbon, nitrogen, boron, oxygen, and the like. These hardening elements are contained in the titanium material forming the filler rod.
このような硬化元素を含有した溶加棒は、例えばつぎのようにしてつくることができる。例えば、チタン材料の棒材あるいは線材を、窒化性ガスの雰囲気下で所定時間加熱するガス窒化やプラズマ窒化、あるいは窒化性の塩浴中に浸漬する塩浴窒化等を施すことにより、チタン材料中に窒素を含む溶加棒を形成することができる。同様に、チタン材料の棒材あるいは線材に対して浸炭処理を施すことにより炭素を含む溶加棒を形成でき、浸炭窒化処理を行うことにより、炭素および窒素を含む溶加棒を形成することができる。また、材料の棒材あるいは線材に対してホウ化処理(ボロナイジング)を行うことにより、硼素を含有する溶加棒を形成することができる。 A filler rod containing such a hardening element can be produced, for example, as follows. For example, a titanium material rod or wire is subjected to gas nitriding, plasma nitriding, or salt bath nitriding immersed in a nitriding salt bath for a predetermined time in an atmosphere of a nitriding gas. A filler rod containing nitrogen can be formed. Similarly, a carbon-containing filler rod can be formed by carburizing titanium rods or wires, and carbon-nitrogen-containing filler rods can be formed by carbonitriding. it can. In addition, a boron-containing filler rod can be formed by performing a boriding process (boronizing) on the rod or wire of the material.
このような、表面処理的な手法で硬化元素を含有させる場合、例えば窒化処理と浸炭処理を同時もしくは順次行うことにより、2種類以上の硬化元素を含有させることも可能である。 When the hardening element is contained by such a surface treatment method, for example, two or more kinds of hardening elements can be contained by performing nitriding treatment and carburizing treatment simultaneously or sequentially.
また、別の方法として、チタン材料を加熱溶融する際に、溶解チタン材料中に窒素ガスを吹き込んだり、溶解チタン材料中に粉末炭素を混入して凝固させることにより、窒素や炭素を含むチタンインゴットを得、これを棒材あるいは線材に加工して窒素や炭素を含む溶加棒を形成することもできる。 As another method, when titanium material is heated and melted, nitrogen gas is blown into the molten titanium material, or powdered carbon is mixed into the molten titanium material and solidified to solidify the titanium ingot containing nitrogen or carbon. Can be processed into a rod or wire to form a filler rod containing nitrogen and carbon.
また、溶加棒中に上記化合物粉末を存在させる手法として、上記化合物粉末をバインダ液に混入し、それを溶加棒の表面に塗布したり、溶加棒を中空にしておいてその中に化合物粉末を充填したりすることもできる。 In addition, as a method of causing the compound powder to exist in the filler rod, the compound powder is mixed in a binder solution and applied to the surface of the filler rod, or the filler rod is hollowed and contained therein. It can also be filled with compound powder.
本発明では、上記のようにして得られた溶加棒を用いてチタン材料からなる地金に肉盛溶接を行うことにより、上記地金の表面に上記硬化元素が固溶した硬化層を形成する。 In the present invention, by performing overlay welding on a bare metal made of a titanium material using the filler rod obtained as described above, a hardened layer in which the hardening element is dissolved in the surface of the bare metal is formed. To do.
このようにすることにより、溶加棒に含まれる硬化元素が、地金表面と溶加棒との溶接によって形成されるチタン材料の溶融池に混入するとともに、溶融池周辺の地金にも拡散する。そして、このような混入と拡散によって、チタン材料に対して硬化元素が固溶し、地金の表面に硬化層を形成する。すなわち、溶加棒が地金に直接溶け込むような現象であるから、溶加棒中の硬化元素が確実に地金に混入して固溶層すなわち硬化層が形成され、均一な安定した硬化層を構成することができる。 By doing so, the hardening elements contained in the filler rod are mixed into the molten pool of titanium material formed by welding the surface of the metal rod and the filler rod, and also diffused into the metal around the molten pool. To do. And by such mixing and diffusion, the hardening element is dissolved in the titanium material, and a hardened layer is formed on the surface of the metal. That is, the phenomenon is that the filler rod directly melts into the base metal, so that the hardened element in the filler rod is surely mixed into the base metal to form a solid solution layer, that is, a hardened layer, and a uniform and stable hardened layer. Can be configured.
このように、溶加棒が地金とともに溶融状態になって、溶加棒に含有されている硬化元素が溶接で形成される溶融池に混入されて固溶させるものであるから、所定量の硬化元素を確実に固溶させることができ、期待通りの物性の表面硬化層を形成させることができる。さらに、溶加棒の製造工程において、溶加棒に含有させる硬化元素の量を容易に制御できるので、溶加棒からチタン材料に混入する硬化元素の量や分布状態を最適化するよう制御することが容易であり、硬化状態にムラのない良質な硬化層が形成できる。 In this way, the filler rod is in a molten state together with the base metal, and the hardening element contained in the filler rod is mixed into the molten pool formed by welding to cause a solid solution. The hardened element can be reliably dissolved, and a hardened surface layer having the expected physical properties can be formed. Furthermore, in the manufacturing process of the filler rod, the amount of the hardening element contained in the filler rod can be easily controlled, so that the amount and distribution state of the hardening element mixed in the titanium material from the filler rod is controlled to be optimized. It is easy to form a high-quality cured layer with no unevenness in the cured state.
上記のような肉盛溶接は、例えば、MIG溶接を採用することができる。そして、地金を所定の溶接治具に支持させるとともに溶加棒を消耗電極としてアーク溶接を行うことにより、溶加棒と地金の間にアークを発生させ、地金を溶解するとともに、溶加棒を溶解して地金の溶解池に移行させながら行われる。このようにして、溶融池が凝固してできた溶接金属部は、溶加棒の硬化元素が移行して固溶した硬化層が形成される。また、溶加棒の硬化元素は、溶融池に移行したのち溶融池の周囲の地金にも拡散浸透してその拡散領域を硬化させる。このような硬化層は、製品の摺動部分などに設けられる。このように、アーク溶接の溶接操作によって必要箇所のみに硬化層を形成することができる。また、肉盛溶接をアーク溶接で行うことから、アーク電流,アーク電圧,アーク長さ等の溶接条件を所定値に正確に設定できるので、肉盛溶接自体を所定の肉盛状態にすることができ、ねらい通りの良質な硬化層を形成できる。 For the overlay welding as described above, for example, MIG welding can be adopted. The base metal is supported by a predetermined welding jig and arc welding is performed using the filler bar as a consumable electrode, thereby generating an arc between the filler bar and the base metal, melting the base metal and melting the base metal. It is performed while melting the bar and moving it to the melting basin. In this way, the weld metal portion formed by solidification of the molten pool forms a hardened layer in which the hardened element of the filler rod is transferred to form a solid solution. Further, the hardening element of the filler rod moves to the molten pool and then diffuses and penetrates into the surrounding metal around the molten pool to harden the diffusion region. Such a hardened layer is provided on a sliding portion of the product. Thus, a hardened layer can be formed only in a required part by the welding operation of arc welding. In addition, since overlay welding is performed by arc welding, welding conditions such as arc current, arc voltage, and arc length can be accurately set to predetermined values, so that overlay welding itself can be put into a predetermined overlay state. And a high-quality cured layer can be formed as intended.
このときの溶加棒の直径は、0.8〜5mm程度に設定され、溶加棒の先端部と製品との間のアーク柱の長さは、1〜5mm程度に設定されている。また、アーク電流は20〜500A、アーク電圧は20〜40Vの範囲内に設定される。 The diameter of the filler rod at this time is set to about 0.8 to 5 mm, and the length of the arc column between the tip of the filler rod and the product is set to about 1 to 5 mm. The arc current is set within a range of 20 to 500 A, and the arc voltage is set within a range of 20 to 40V.
また、必要に応じて、上記MIG溶接装置を動作させて、溶加棒が蛇行やジグザク状に移動するようなウイービング動作を行うことによって、製品の所定箇所の広い領域にわたって表面硬化を行うこともでき、生産性の向上にとって有効である。 In addition, if necessary, surface hardening may be performed over a wide area of a predetermined part of the product by operating the MIG welding apparatus and performing a weaving operation in which the filler rod moves in a meandering or zigzag manner. This is effective for improving productivity.
そののち、製品の摺動部分を平滑にして製品の正常な動作をえるために、上記肉盛溶接の箇所を研磨して平坦な動作面を形成することが行われる。上記チタン材料の溶融部分は製品地金の深さ領域にまで達しているので、研磨後であっても表面には硬化元素が均一に分布した状態で存在し、製品の耐磨耗性を確保することができる。 After that, in order to smooth the sliding portion of the product and to obtain a normal operation of the product, the place of the overlay welding is polished to form a flat operation surface. Since the molten part of the titanium material reaches the depth region of the product ingot, the hardened elements are uniformly distributed on the surface even after polishing, ensuring the wear resistance of the product. can do.
上記肉盛溶接を行うための溶接手法としては、上述したMIG溶接に限定するものではなく、例えば、TIG溶接,MIG溶接,被覆アーク溶接等の各種アーク溶接等、各種のガスシールド溶接法を採用することができる。 The welding technique for performing the build-up welding is not limited to the above-described MIG welding, and various gas shield welding methods such as TIG welding, MIG welding, various arc welding such as covering arc welding, etc. are adopted. can do.
このとき、硬度調節の目的で、溶接後600℃以下×1〜40時間で析出熱処理を行うことができる。また、被肉盛り材がβ合金の場合は350〜600℃×1〜40時間で時効処理を兼ねて行う。 At this time, for the purpose of adjusting the hardness, precipitation heat treatment can be performed at 600 ° C. or less × 1 to 40 hours after welding. Further, when the build-up material is a β alloy, the aging treatment is performed at 350 to 600 ° C. for 1 to 40 hours.
ここで、上記のような肉盛溶接において、硬化元素の固溶硬化によって硬化層が形成されることは上述したとおりであるが、さらに、チタンと硬化元素との化合物粒子を上記硬化層中に析出させて一層製品の表面硬化を促進することができる。このようにすることにより、上記肉盛溶接により、きわめて高い硬度を有する化合物粒子が、硬質セラミックスや金属間化合物等としてチタン材料中に析出・分散され、硬化層の硬度が一層高くなる。 Here, in the build-up welding as described above, the hardened layer is formed by solid solution hardening of the hardened element as described above, but further, compound particles of titanium and the hardened element are contained in the hardened layer. It can be deposited to promote the surface hardening of the product. By doing so, compound welding having extremely high hardness is precipitated and dispersed in the titanium material as hard ceramics, intermetallic compounds or the like by the build-up welding, and the hardness of the hardened layer is further increased.
具体的には、上記地金の表面に上記硬化元素と金属との化合物粉末を存在させた状態で上記肉盛溶接を行うことにより、上記硬化層中にチタンと硬化元素との化合物粒子を析出させることができる。このようにすることにより、肉盛溶接時の溶融チタン材料中に上記化合物粉末が混入し、チタンと窒素あるいはチタンと炭素が窒化チタンや炭化チタンの化合物粒子になって析出・分散され、硬化層の硬度が一層高くなる。 Specifically, the build-up welding is performed in a state where the compound powder of the hardened element and the metal is present on the surface of the metal, thereby depositing compound particles of titanium and the hardened element in the hardened layer. Can be made. By doing so, the above compound powder is mixed in the molten titanium material at the time of overlay welding, and titanium and nitrogen or titanium and carbon are precipitated and dispersed as titanium nitride or titanium carbide compound particles, and the hardened layer The hardness of this is further increased.
すなわち、製品表面に肉盛溶接を行う前に、硬化元素と金属との化合物粉末、例えば、窒化クロム,炭化クロムおよび炭化鉄等から形成した化合物粉末を、製品の所定箇所の表面に所定の厚さで層状に配置する。この状態で上記炭化物粉末が配置された領域に対して上記溶加棒で肉盛溶接すると、溶融チタン材料中に窒化クロム,炭化クロムおよび炭化鉄等が溶け込んで、このときに窒化クロム,炭化クロムおよび炭化鉄等から分離した窒素や炭素が、チタンとの間で窒化チタンや炭化チタンのような非常に硬度の高い化合物粒子を析出・分散する。チタンは窒素や炭素との間で化合物を析出しやすい特質を有しているので、窒化チタンや炭化チタンの析出・分散が確実になされる。上記のように窒化クロム,炭化クロムおよび炭化鉄等を肉盛溶接工程において、補助的に介入させることにより、製品表面の硬度を一層高くすることができ、製品性能を向上させることが可能となる。 That is, before performing overlay welding on the product surface, a compound powder of a hardening element and a metal, for example, a compound powder formed from chromium nitride, chromium carbide, iron carbide, etc., is applied to the surface of a predetermined part of the product at a predetermined thickness. Now arrange them in layers. In this state, when overlay welding is performed on the region where the carbide powder is disposed with the filler rod, chromium nitride, chromium carbide, iron carbide, etc. are dissolved in the molten titanium material. At this time, chromium nitride, chromium carbide Also, nitrogen and carbon separated from iron carbide and the like precipitate and disperse extremely hard compound particles such as titanium nitride and titanium carbide with titanium. Titanium has the property of easily precipitating a compound between nitrogen and carbon, so that precipitation and dispersion of titanium nitride and titanium carbide are ensured. As described above, the hardness of the product surface can be further increased and the product performance can be improved by supplementarily interposing chromium nitride, chromium carbide and iron carbide in the build-up welding process. .
また、上記溶加棒中に上記硬化元素と金属との化合物粉末を存在させ、当該溶加棒で上記肉盛溶接を行うことにより、上記硬化層中にチタンと硬化元素との化合物粒子を析出させることができる。このようにすることにより、肉盛溶接時の溶融チタン材料中に上記化合物粉末が混入し、チタンと窒素あるいはチタンと炭素が窒化チタンや炭化チタンの化合物粒子になって析出・分散され、硬化層の硬度が一層高くなる。 Also, the compound powder of titanium and the hardening element is precipitated in the hardened layer by causing the powder of the hardening element and metal to exist in the filler bar and performing the build-up welding with the filler bar. Can be made. By doing so, the above compound powder is mixed in the molten titanium material at the time of overlay welding, and titanium and nitrogen or titanium and carbon are precipitated and dispersed as titanium nitride or titanium carbide compound particles, and the hardened layer The hardness of this is further increased.
すなわち、上記の溶加棒の作り方において説明したように、溶加棒中に窒化クロム,炭化クロムおよび炭化鉄等の粉末が溶加棒に一体化されている状態で肉盛溶接がなされると、溶融チタン材料中に窒化クロム,炭化クロムおよび炭化鉄等が溶け込んで、このときに窒化クロム,炭化クロムおよび炭化鉄等から分離した窒素や炭素が、チタンとの間で窒化チタンや炭化チタンのような非常に硬度の高い化合物粒子を析出・分散する。上記のように窒化クロム,炭化クロムおよび炭化鉄等を肉盛溶接工程において、補助的に介入させることにより、製品表面の硬度を一層高くすることができ、製品性能を向上させることが可能となる。 That is, as described in the above method of making the filler rod, when overlay welding is performed in a state where powders such as chromium nitride, chromium carbide and iron carbide are integrated in the filler rod in the filler rod. In this case, chromium nitride, chromium carbide, iron carbide, etc. are dissolved in the molten titanium material. At this time, nitrogen and carbon separated from chromium nitride, chromium carbide, iron carbide, etc. Such extremely hard compound particles are deposited and dispersed. As described above, the hardness of the product surface can be further increased and the product performance can be improved by supplementarily interposing chromium nitride, chromium carbide and iron carbide in the build-up welding process. .
つぎに、実施例について説明する。 Next, examples will be described.
窒化溶接棒による肉盛り溶接
i.ミグ溶接棒またはティグ溶加棒の製造
下記の表1に示す条件でミグ溶接棒またはティグ溶加棒を製造した。
i. Production of MIG welding rod or TIG welding rod MIG welding rod or TIG welding rod was produced under the conditions shown in Table 1 below.
ii.肉盛り溶接
つぎに、成形後の被肉盛り材の焼鈍処理や時効処理の終えた製品の耐摩耗性を必要とする刃部のみに肉盛り溶接を行った。肉盛溶接の溶接条件は、電流値70A、電圧値20V、アーク柱長2.5mmで行った。硬度調節の目的で溶接後に600℃以下1〜40時間程度の析出熱処理を行った。
ii. Build-up welding Next, build-up welding was performed only on the blade portion that requires the wear resistance of the product after the annealing and aging treatment of the build-up material after molding. The welding conditions for overlay welding were a current value of 70 A, a voltage value of 20 V, and an arc column length of 2.5 mm. For the purpose of adjusting the hardness, precipitation heat treatment was performed at 600 ° C. or lower for about 1 to 40 hours after welding.
iii.肉盛り溶着金属の性質
上記のようにして得られた肉盛溶接品の肉盛部の窒素含有率および硬度を測定した結果を下記の表2に示す。
このように、溶着部の硬度としてHv500〜600程度のものを得ることができた。これに対し、芯部の硬度はHv400以下(350程度)であった。 Thus, the thing of Hv500-600 was able to be obtained as the hardness of a welding part. On the other hand, the hardness of the core part was Hv 400 or less (about 350).
本発明は、例えば、スパイク用金具、摺動材、耐磨耗性部材、化学プラント、石油精製プラント、原子力発電プラント、海水淡水化装置等に用いるチタン材料やチタン製品に適用することができる。
The present invention can be applied to titanium materials and titanium products used for spike fittings, sliding materials, wear-resistant members, chemical plants, petroleum refining plants, nuclear power plants, seawater desalination devices, and the like.
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