JP2017024051A - 肉盛溶接用材料及び肉盛金属 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス粒子を添加することなく必要な硬さが得られ、しかも、時効熱処理を行うことなく金属化合物を析出させることが可能な肉盛溶接用材料及び肉盛金属を提供すること。
【解決手段】肉盛溶接用材料は、４．０≦Ｎｉ≦３０．０ｍａｓｓ％、９．０≦Ｃｒ≦３０．０ｍａｓｓ％、及び、３．０≦Ａｌ≦６．０ｍａｓｓ％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。Ａｌ量は、４．５≦Ａｌ≦６．０ｍａｓｓ％が好ましい。また、Ｎｉ量は、１０．０≦Ｎｉ≦３０．０ｍａｓｓ％が好ましい。このような肉盛溶接用材料を用いて肉盛り溶接すると、常温硬さＨＶが３５０以上である肉盛金属が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、肉盛溶接用材料及び肉盛金属に関し、さらに詳しくは、母材表面への肉盛溶接に用いられる肉盛溶接用材料及びこれを用いて肉盛溶接することにより得られる肉盛金属に関する。

「肉盛溶接」とは、母材の表面に所定の組成を有する金属を溶着させることをいう。肉盛溶接は、母材表面の硬化処理、母材表面の耐食性の向上、欠損した母材表面の補修などに用いられている。そのため、母材表面に溶着させる金属には、用途に応じて、硬度、耐食性、耐熱性などが求められる。このような肉盛溶接に用いられる材料（溶加材）に関し、従来から種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、金属マトリックスに分散相としてセラミック粒子が混在する複合組織を有する肉盛層を形成するための溶接肉盛用溶接材が開示されている。
同文献には、金属チューブの中空孔内にセラミック粉末を充填し、これを用いて肉盛溶接を行うと、金属マトリックス中にセラミック粒子が均一に混在する肉盛層を形成することができる点が記載されている。

また、特許文献２には、ＮｂＣ、ＶＣ、及びＷＣの少なくとも１種以上の炭化物と、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金とを含み、炭化物の総量が１０ｗｔ％以下であるダイカスト金型補修用粉末が開示されている。
同文献には、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金の生地中に比較的少量の炭化物を分散させると、硬さが過大に上がらず、靱性および耐熱性が向上するため、ヒートチェック（割れ）や溶損を確実に低減することができる点が記載されている。

溶加材に炭化物などのセラミックス粒子を添加すると、金属マトリックス中にセラミックス粒子が分散した溶着金属が得られる。セラミックス粒子は、溶着金属の硬さや耐摩耗性を向上させるのに有効である。しかしながら、溶着金属中のセラミックス粒子は、割れの起点となりやすい。

この問題を解決するために、溶着金属中に金属間化合物を析出させ、これによって溶着金属を硬化させることも考えられる。しかし、従来の材料において、金属間化合物を析出させるためには、肉盛溶接後に硬さを上昇させるための熱処理が必要となる。この熱処理は、一般に長時間を要することが多い。例えば、ＳＵＳ６３０の場合、時効熱処理には４時間を要する。そのため、肉盛溶接後に時効熱処理を行うと、溶着金属は硬化するが、母材はかえって軟化する場合がある。また、時効熱処理工程が入ることにより、製造コストも高くなる。

時効熱処理が不要な肉盛金属として、Ｃｏ合金（ステライト（登録商標））が知られている。しかし、Ｃｏは特定化学物質に指定されており、健康障害を引き起こす可能性が指摘されている。さらに、時効熱処理を行うことなく金属間化合物を析出させることができ、しかも、セラミックス粒子を添加することなく必要な硬さが得られる肉盛金属が提案された例は、従来にはない。

特開昭６２−６７９８号公報 特開２００５−９７７４３号公報

本発明が解決しようとする課題は、セラミックス粒子を添加することなく必要な硬さが得られる肉盛溶接用材料、及びこれを用いて肉盛溶接することにより得られる肉盛金属を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、時効熱処理を行うことなく金属間化合物を析出させることができ、これによって必要な硬さが得られる肉盛溶接用材料、及びこれを用いて肉盛溶接することにより得られる肉盛金属を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る肉盛溶接用材料は、
４．０≦Ｎｉ≦３０．０ｍａｓｓ％、
９．０≦Ｃｒ≦３０．０ｍａｓｓ％、及び、
３．０≦Ａｌ≦６．０ｍａｓｓ％
を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを要旨とする。

本発明に係る肉盛金属は、
本発明に係る肉盛溶接用材料を用いて母材表面に肉盛溶接することにより得られ、
常温硬さがＨＶ３５０以上である
ことを要旨とする。

所定量のＮｉ及びＣｒを含み、かつ、室温においてγ相単相であるＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金に対して所定量のＡｌを添加すると、マトリックスがγ＋αの２相組織になると同時に、マトリックス中にＮｉＡｌが析出する。しかも、ＮｉＡｌを析出させるために熱処理を必要としない。そのため、各成分が最適化された肉盛溶接用材料を用いて肉盛溶接を行うと、硬さ、耐摩耗性、及び耐熱性に優れた肉盛金属が得られる。

溶接割れ及び常温硬さＨＶに及ぼすＡｌ量及びＮｉ量の影響を示す図である。 Ａｌ量と常温硬さＨＶとの関係を示す図である。 実施例１で得られた試料のビード外観写真、浸透探傷試験後の外観写真、及びＸ線回折パターンである。

比較例１で得られた試料のビード外観写真、浸透探傷試験後の外観写真、及びＸ線回折パターンである。 比較例４で得られた試料のビード外観写真、浸透探傷試験後の外観写真、及びＸ線回折パターンである。 比較例５で得られた試料の浸透探傷試験後の外観写真、及びＸ線回折パターンである。 比較例７で得られた試料の浸透探傷試験後の外観写真である。

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 肉盛溶接用材料］
［１．１． 構成元素］
本発明に係る肉盛溶接用材料は、以下のような元素を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。

（１） ４．０≦Ｎｉ≦３０．０ｍａｓｓ％：
Ｎｉは、オーステナイト生成元素である。また、Ｎｉは、Ａｌと金属間化合物ＮｉＡｌを形成する。一般に、マトリックス中に分散しているＮｉＡｌの量が多くなるほど、硬さが高くなる。このような効果を得るためには、Ｎｉ量は、４．０ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ｎｉ量は、さらに好ましくは、１９ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｎｉ量が過剰になると、γ量が多くなり、必要な硬さが得られない。従って、Ｎｉ量は、３０．０ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ｎｉ量は、さらに好ましくは、２５ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、２０ｍａｓｓ％以下である。

（２） ９．０≦Ｃｒ≦３０．０ｍａｓｓ％：
Ｃｒは、マトリックスの耐酸化性を向上させる作用がある。このような効果を得るためには、Ｃｒ量は、９．０ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ｃｒ量は、さらに好ましくは、２４．０ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｃｒ量が過剰になると、靱性が低下する。従って、Ｃｒ量は、３０．０ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ｃｒ量は、さらに好ましくは、２７ｍａｓｓ％以下である。

（３） ３．０≦Ａｌ≦６．０ｍａｓｓ％：
Ａｌは、Ｎｉと金属間化合物ＮｉＡｌを形成し、硬さの向上に寄与する。このような効果を得るためには、Ａｌ量は、３．０ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ａｌ量は、さらに好ましくは、４．５ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは、４．８ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ａｌ量が過剰になると、溶接割れが発生する。また、Ａｌ量が過剰になると、γ相が消失する。従って、Ａｌ量は、６．０ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ａｌ量は、さらに好ましくは、５．６ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、５．３ｍａｓｓ％以下である。

（４）不可避的不純物：
本発明に係る肉盛溶接用材料は、不可避的不純物が含まれていても良い。不可避的不純物としては、例えば、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓなどがある。肉盛金属の特性に悪影響を与える不可避的不純物は、少ないほど良い。
許容される不純物量は、元素の種類により異なる。例えば、Ｃの場合、０．０８ｍａｓｓ％以下であれば、肉盛金属の特性に与える悪影響は少ない。

［１．２． 形状］
本発明に係る肉盛溶接用材料の形状は、特に限定されない。肉盛溶接用材料の形状としては、例えば、粉末、棒などがある。

［１．３． 用途］
本発明に係る肉盛溶接用材料は、種々の母材に対して肉盛溶接する際の溶加材として用いることができる。本発明に係る肉盛溶接用材料は、特に、母材の予熱、及び、肉盛溶接後の熱処理を行うことなく、母材に肉盛溶接するために用いるのが好ましい。本発明に係る肉盛溶接用材料は、成分が最適化されているので、肉盛溶接後の冷却過程でマトリックス中に金属間化合物を析出させることができ、時効処理を必要としない。

［２． 肉盛金属］
本発明に係る肉盛金属は、本発明に係る肉盛溶接用材料を用いて母材表面に肉盛溶接することにより得られる。

［２．１． 母材］
本発明において、母材の組成は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。
母材としては、例えば、ＪＩＳ Ｇ４４０４ ＳＫＤ６１（熱間鍛造金型用鋼）などがある。

［２．２． 常温硬さ］
本発明に係る肉盛溶接用材料において、各成分（特に、Ａｌ）を最適化すると、肉盛金属の常温硬さＨＶは、３５０以上となる。各成分をさらに最適化すると、常温硬さＨＶは、３７０以上、あるいは、４００以上となる。

［２．３． ６００℃の高温硬さ］
本発明に係る肉盛溶接用材料において、各成分（特に、Ａｌ及びＮｉ）を最適化すると、肉盛金属の６００℃の高温硬さＨＶは、２５０以上となる。各成分をさらに最適化すると、高温硬さＨＶは、２７０以上、あるいは、２９０以上となる。

［３． 作用］
所定量のＮｉ及びＣｒを含み、かつ、室温においてγ相単相であるＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金に対して所定量のＡｌを添加すると、マトリックスがγ＋αの２相組織になると同時に、マトリックス中にＮｉＡｌが析出する。しかも、ＮｉＡｌを析出させるために熱処理を必要としない。そのため、各成分が最適化された肉盛溶接用材料を用いて肉盛溶接を行うと、硬さ、耐摩耗性、及び耐熱性に優れた肉盛金属が得られる。

（実施例１〜２、比較例１〜１０）
［１． 試料の作製］
表１に示す化学成分を有する原料を真空誘導炉にて溶製し、５０ｋｇの鋼塊を得た。次に、鋼塊を熱間鍛造し、φ５０×Ｌ２１０ｍｍの棒材を得た。棒材の熱間圧延を行い、コイル状とし、酸洗し、冷間圧延でφ１．６ｍｍの細線とし、光輝焼鈍を行った。
なお、比較として、Ｃｏ基合金（比較例８〜１０）も試験に供した。

［２． 試験方法］
光輝焼鈍後の線材を用いて、肉盛溶接を行った。溶接後、肉盛金属の表面を研磨し、常温及び６００℃におけるビッカース硬さを測定した。
また、肉盛金属の浸透探傷試験を行い、割れの有無を目視で確認した。さらに、肉盛金属のＸＲＤパターンを測定した。

［３． 結果］
表１に、結果を示す。なお、表１には、各試料の成分も併せて示した。図１に、溶接割れ及び常温硬さＨＶに及ぼすＡｌ量及びＮｉ量の影響を示す。図２に、Ａｌ量と常温硬さＨＶとの関係を示す。さらに、図４〜図７に、各試料のビード外観写真、浸透探傷試験後の外観写真、及びＸ線回折パターンを示す。表１及び図１〜７より、以下のことがわかる。

（１）Ａｌ量が４．０ｍａｓｓ％以上になると、常温硬さＨＶは、３５０以上となる。Ａｌ量が４．５ｍａｓｓ％以上になると、常温硬さＨＶは、３７０以上となる。
（２）Ａｌ量が更に増えると、常温硬さＨＶは、さらに高くなる。しかし、Ａｌ量が６．０ｍａｓｓ％を超えると、溶接割れを起こしやすい。
（３）Ａｌ量が４．０ｍａｓｓ％未満である場合、γ単相又はα＋γの２相組織となり、ＮｉＡｌは、ほとんど析出しない。また、Ａｌ量が６．０ｍａｓｓ％を超えると、α＋ＮｉＡｌの２相組織となる。一方、Ａｌ量が４〜６ｍａｓｓ％の範囲にある場合、α＋γ＋ＮｉＡｌの３相となる。
（４）実施例１〜２は、比較例８〜１０（Ｃｏ基合金）とほぼ同等の常温硬さ及び高温硬さを示した。

（５）Ａｌ量が少量である場合、α＋γとなり、硬くならない。Ａｌ量が過剰である場合、γが消失し、α＋ＮｉＡｌとなり、溶接割れが発生した。
（６）Ａｌ量が適正である場合、α＋γ＋ＮｉＡｌとなり、溶接割れは発生せず、硬さも十分な値が得られた。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係る肉盛溶接用材料は、各種の母材の表面に肉盛溶接する際の溶加材として用いることができる。

Claims (8)

1. ４．０≦Ｎｉ≦３０．０ｍａｓｓ％、
   ９．０≦Ｃｒ≦３０．０ｍａｓｓ％、及び、
   ３．０≦Ａｌ≦６．０ｍａｓｓ％
   を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる肉盛溶接用材料。
2. ４．５≦Ａｌ≦６．０ｍａｓｓ％である請求項１に記載の肉盛溶接用材料。
3. １０．０≦Ｎｉ≦３０．０ｍａｓｓ％である請求項１又は２に記載の肉盛溶接用材料。
4. １９．０≦Ｎｉ≦３０．０ｍａｓｓ％である請求項１から３までのいずれか１項に記載の肉盛溶接用材料。
5. ２４．０≦Ｃｒ≦３０．０ｍａｓｓ％である請求項１から４までのいずれか１項に記載の肉盛溶接用材料。
6. 母材の予熱、及び、肉盛溶接後の熱処理を行うことなく、前記母材に肉盛溶接するために用いられる請求項１から５までのいずれか１項に記載の肉盛溶接用材料。
7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載の肉盛溶接用材料を用いて母材表面に肉盛溶接することにより得られ、
   常温硬さがＨＶ３５０以上である肉盛金属。
8. ６００℃の高温硬さがＨＶ２５０以上である請求項７に記載の肉盛金属。

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