JP2009214110A - 硬装用肉盛溶接棒および該硬装用肉盛溶接棒を用いて製作された掘削用工具 - Google Patents

Abstract

【課題】硬化肉盛層中での超硬粒子の分散性が優れ、超硬合金本来の性能を維持させ、溶融金属の微細空隙への侵入を容易にしてポアの減少を図ることで作業性を改善し、劣化の少ない超硬合金粒子によって形成された硬装肉盛層を得る事を目的とする。
【解決手段】本発明の硬装用肉盛溶接棒は、軟鋼パイプと該軟鋼パイプ内に充填された超硬合金粒子からなる肉盛溶接材において、前記超硬合金粒子が銅のコーティングを施されている事を特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、硬装用肉盛溶接棒および該硬装用肉盛溶接棒を用いて製作された掘削用工具例えば石油掘削用ビットに関する。

石油掘削用ビット、トンネル掘削用ローラーカッターなどの掘削用の工具類は、掘削による工具摩耗を防止することが強く求められるため、工具本体の先端に超硬合金チップを植設し、或いはダイヤモンドを用いる等、耐摩耗性を向上させるための様々な提案がなされ、且つ実施されている。

また工具本体は浸炭焼入れ処理等の熱処理で強化されているが、さらなる強化策として硬装肉盛施工されている。

一般的に行われている硬装肉盛りは、超硬粒子を軟鋼チューブに充填した溶接棒（硬装肉盛溶接棒）を用いるものである。これはガス溶接や電気溶接などにより掘削工具の耐摩耗要求部に、超硬合金粒子が分散した硬装肉盛層（硬化肉盛層）を形成する手法である。この硬装肉盛層により、掘削工具へ強力な耐摩耗性が付与される。

具体的に説明すると、この硬装肉盛溶接棒は軟鋼チューブの中に粒径０．３ｍｍ〜１．５ｍｍ程度の超硬合金粒子と、溶接性を改善するための少量のフェロマンガン、フェロシリコンおよび微量の珪酸ソーダなどを軟鋼チューブの中に封入したものである。
特開平１０−２５８３９０ 特開平１９−６９２２７ 米国特許６，７８２，９５８

従来の硬装肉盛溶接材を用いた肉盛層中の超硬合金粒子は、その中心部は本来の硬度を維持しているが外周部の硬度は激しく低下して、明らかに超硬合金粒子は周囲から劣化が生じている。これは溶接時の熱によって超硬合金粒子内部に侵入した鉄（結合金属）が、超硬合金の硬度を低下させているためである。換言すれば、肉盛り溶接施工に際して、溶融した鉄（軟鋼チューブ）が超硬合金粒子組織中に侵入して超硬合金本来の優れた特性を劣化させる。

このような現象を防ぐためは、短時間にすばやく溶接して、超硬合金粒が熱に曝される時間を極力短くしなければならない。

またこの溶接棒は溶接作業性が不安定になり易く、不安定になると溶接作業時間が長くなり、上記の理由で超硬合金本来の特性が損なわれる。また、肉盛り溶接作業において作業性の不安定が生じ易い事が原因となって、超硬合金粒子と溶融した軟鋼が境界で十分に溶け合わずに溶着不十分な肉盛層が形成され易い。従って溶接作業性の安定は、この硬装用肉盛溶接棒にとって極めて重要である。

溶接時に溶融金属が十分侵入できなかった微少空間はポアとして残り、硬化肉盛層は多孔質になり超硬合金粒子の保持力が弱まり粒子の脱落、クラックの発生等の要因となり易い。
これを防止するため溶接入熱を大きくして溶け込みを良くすると、超硬粒子の劣化が激しくなる。

本発明の目的は、上記の問題点を克服することにある。すなわち、本発明は、硬化肉盛層中での超硬粒子の分散性が優れ、超硬合金本来の性能を維持させ、溶融金属の微細空隙への侵入を容易にしてポアの減少を図ることで作業性を改善し、劣化の少ない超硬合金粒子によって形成された硬装肉盛層を得る事を目的とする。

この目的を達成する為に、本発明は次の様な手段を提供している。
本発明の硬装用肉盛溶接棒は軟鋼パイプと該軟鋼パイプ内に充填された超硬合金粒子からなる肉盛溶接材において、前記超硬合金粒子が銅のコーティングを施されている事を特徴としている。

本発明者は、鉄は銅および銅合金と固溶体を作り難く、溶け合う事が無いという特性を利用して超硬合金粒子の周囲を銅で保護することで、鉄が超硬合金粒の内部に侵入する事を防止することを考え、上記発明を考えた。即ち、本発明の基本原理は次の通りである。

銅をコーティングされた超硬粒子が加熱されると、まず低融点の銅が溶融し超硬合金粒の表面によく馴染み濡れた状態で超硬合金粒を銅の液相で包みこみ、同時に周囲の粒子とくっついて大きな塊状となる。

銅は極めて熱伝導性が良好であるため超硬粒子は均一加熱され、溶接作業の温度は安定化する。また、超硬合金粒子は雰囲気などからの酸化、脱炭現象から保護される。

さらに温度が上昇して軟鋼チューブが溶融すると、銅に覆われた超硬粒子は溶融鉄とよく馴染み、粒子の境界部に発生した微少空孔にも容易に溶融鉄が流れ込み、大きな塊状になった粒の集合体は溶融鉄に包まれ、すぐに個々の粒子にばらけ、溶融鉄の中に均一に分散し、微少気孔、微少ポアの発生は減少する。

同時に超硬粒内部への鉄の侵入は防止され超硬合金本来の特性が維持される。その結果、硬化肉盛層は、超硬合金粒がその特性を維持したまま均等に分散し、気孔や微少ポアがなく、硬度劣化の少ない硬化肉盛層が確保される。

コーティングされる銅は超硬合金重量に対して、好ましくは１Ｗｔ％未満であり、更に好ましくは０．５Ｗｔ％以下である。銅を多量にコーティングすれば鉄基結合金属相の硬度低下を引き起こし、結果として耐摩耗性が低下する。

また、前記超硬合金粒子は、フェロマンガン及びフェロシリコンを、前記肉盛用溶接材の重量に対する重量比率で合計１．０〜５．０Ｗｔ％含むことが望ましい。

本発明の硬装用肉盛溶接棒は、１１００℃程度に過熱されると、超硬合金粒を包んだ銅が溶融して超硬粒の表面を濡らす（覆う）。
さらに銅は周囲の粒子とくっ付いて大きな塊状となり、この事で超硬合金粒は全体的に均等に加熱される。

さらに加熱され軟鋼パイプが溶融鉄になると、超硬粒表面の銅は溶融鉄と良く濡れ、溶融鉄が細部にまで侵入する事を助長する。
しかし銅は鉄と超硬粒とのロウ材の役目を果たし、鉄とは良く濡れるがお互い合金化はしない。
従って超硬合金粒を包んだ銅皮膜を通過して超硬合金の内部にまで鉄が侵入する事は防止される。

また、この銅皮膜は、溶接ガス、封入フラックス、溶解物などが原因で引き起こされる外部雰囲気による酸化、脱炭、浸炭などから超硬合金粒を防止する。
その結果、溶接作業性は大きく改善され安定化する。湯流れ、湯の広がり、ブロー発生、等多くの項目について溶接性は改善され、安定した肉盛施工が可能になった。

また超硬粒は銅によって鉄の侵入による劣化が抑えられ、超硬合金の特性を維持し外周からの硬度低下が少なくなった。
硬装肉盛層中の超硬合金粒子は本来の特性を維持しつつ均一に分散させることが可能となり、ポアのない良好な肉盛層を確保できると共に、硬化肉盛層の耐摩耗性をさらに向上させることが可能となった。

ところで、軟鋼パイプが溶融されて鉄の結合相が生じるが、超硬粒に銅のコーティングを行った場合は従来のものに比べて鉄の結合相の硬度が低い。

従来の材料は溶接時に侵食した超硬粒子のＷ、Ｃ、Ｃｏなどと鉄が合金化してハイス（高速度鋼）の様な硬い結合相になる。

一方銅コーティングした材料はこの侵食が少ないため結合相の硬度が低下した。この結果、結合相の靭性が大きくなって材料の耐衝撃性が増す。
超硬粒に銅コーティングを行った後、フェロマンガン、フェロシリコンに適量の粉末状タングステンもしくはその炭化物（微粒粉末状が良い結果を得る）を添加すれば、結合層の硬度を高くする事が出来る。

粒径０．３〜１．５ｍｍの超硬合金粒子（ＷＣ−３．５％Ｃｏ（コバルト））に対して０．５重量％の銅微末（粒径１．５μｍ）を秤量、円筒容器に同時に投入し１０分間回転混合する。混合の結果、銅は超硬チップ外周にコーティングされチップは銅色になる。（これを非酸化雰囲気で８００〜１０００℃未満で焼成すればさらに良い結果が得られる。）

さらに予め混合された粒径１５０μｍ以下のフェロシリコン／フェロマンガン（１／２）を銅コーティングした超硬合金粒に対して３重量％を、銅コーティングされた超硬合金粒子と混合した。

１５０℃で十分乾燥した後、造缶機で軟鋼リボン中に充填して締め付け直径５ｍｍの硬装用肉盛溶接棒を製作した。
超硬合金粒子は、ＷＣ−３．５％Ｃｏ（コバルト）を用いた。

粒径０．３〜１．５ｍｍの超硬合金粒子（ＷＣ−３．５％Ｃｏ（コバルト））に対して２．０重量％の銅微末（粒径１．５μｍ）を秤量、円筒容器に同時に投入し１０分間回転混合する。混合の結果、銅は超硬チップ外周にコーティングされチップは銅色になる。（これを非酸化雰囲気で８００〜１０００℃未満で焼成すればさらに良い結果が得られる。）

さらに予め混合された粒径１５０μｍ以下のフェロシリコン／フェロマンガン（１／２）を銅コーティングした超硬合金粒に対して３重量％を、銅コーティングされた超硬合金粒子と混合した。

１５０℃で十分乾燥した後、造缶機で軟鋼リボン中に充填して締め付け直径５ｍｍの硬装用肉盛溶接棒を製作した。
超硬合金粒子は、ＷＣ−３．５％Ｃｏ（コバルト）を用いた。

性能調査
実施例１、実施例２で得られた硬装用肉盛溶接棒についての性能を調査した。
図１に本実施例１，２による硬装用肉盛溶接棒を用いて得られた肉盛層の組織写真を示す。図２は従来例による硬装用肉盛溶接棒を用いて得られた肉盛層の組織写真を示す。これらの組織写真は２％ナイタールで腐食後、村上試薬でさらに腐食して得られた肉盛層のものであり、倍率はそれぞれ４０倍である。

これら図１及び図２による硬化肉盛層の組織写真では銅添加による変化は特に見られないが、各部分の硬度を測定すると違いが明らかになった。

即ち、超硬合金粒の中心部１と外周部２の２部分、また鉄基結合層部３、の３部分の硬度を測定した。その結果を表１及び図３に示す。
表１における数値及び図３における縦軸はマイクロビッカース硬度（ＭＨＶ）を示す。

この結果によると、超硬合金粒子に関しては、本発明によって銅をコーティングした硬装用肉盛溶接棒の場合は超硬粒全体がほぼ同一硬度を示しているが、従来例の硬装用肉盛溶接棒は超硬粒子の外周部の硬度低下が顕著である。

結合層に関しては、本発明によって銅をコーティングした硬装用肉盛溶接棒の場合に比べて従来例の方が明らかに高硬度である。このことは従来例の場合は結合層への超硬成分の溶け込みが大きく、その結果として高硬度になったことを示している。

摩耗試験結果
２０ｍｍ角の鋼材の端面に硬装溶接施工を行った試験片４を３個、図４に示すように取り付け、レベル調整を行うことにより得られた試験用工具を１ｍ角の岩石上に総圧３トン／ｃｍ^２（試験片一個につき１トン／ｃｍ^２）で加圧すると共に水冷式で冷却しながら毎分２０ｍの速度で回転させた。
このようにして行った摩耗試験の結果を表２及び図５に示す。表２における縦軸は摩耗量（単位ｇ）、横軸は加圧回転時間を示す。

この結果によると、本発明によって銅を０．５％コーティングした硬装用肉盛溶接棒を用いた場合の摩耗量は、従来例の硬装用肉盛溶接棒を用いた場合の摩耗量に対して顕著に減少した。なお、本発明によって銅を２．０％コーティングした硬装用肉盛溶接棒を用いた場合の摩耗量は、従来例の硬装用肉盛溶接棒を用いた場合の摩耗量に対して若干増加した。

本発明による硬装用肉盛溶接棒を用いて得られた肉盛層の組織写真を示す。 従来例による硬装用肉盛溶接棒を用いて得られた肉盛層の組織写真を示す。 本発明による硬装用肉盛溶接棒を用いて得られた肉盛層の組織中で、超硬合金粒の中心部と外周部の２部分、また鉄基結合層部、の３部分の硬度を測定した結果を示す図である。 本発明の実施例の摩耗試験に用いた試験用工具を示す写真である。 本発明の実施例の摩耗試験の結果を示す図である。

符号の説明

１ 超硬合金粒の中心部
２ 超硬合金粒の外周部
３ 鉄基結合層部
４ 試験片

Claims (4)

1. 軟鋼パイプと該軟鋼パイプ内に充填された超硬合金粒子からなる肉盛溶接材において、前記超硬合金粒子が銅のコーティングを施されている事を特徴とする硬装用肉盛溶接棒。
2. 超硬粒をコーティングした銅は、超硬粒に対して１重量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の硬装用肉盛溶接棒。
3. 耐摩耗性が要求される部分に請求項１又は２に記載の硬装用肉盛溶接棒を用いて製作された、掘削用工具。
4. 耐摩耗性が要求される部分に請求項１又は２に記載の硬装用肉盛溶接棒を用いて製作された、石油掘削用ビット。