JP2017024053A - 金型補修溶接材料 - Google Patents
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Abstract
【課題】金型補修溶接材料において、金型の耐ヒートチェック性及び金型の寿命を確保しつつ、溶接材料の積層性を向上させること。
【解決手段】本発明に係る金型補修溶接材料は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．２０〜０．５０％、Ｍｎ：０．２０〜０．５０％、Ｃｒ：３．６〜６．０％、Ｍｏ：０．０１〜１．５％、Ｖ：０．００２〜０．８０％、Ａｌ：０．００１〜１．５０％、残部Ｆｅ及び不可避的元素を含有することを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係る金型補修溶接材料は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．２０〜０．５０％、Ｍｎ：０．２０〜０．５０％、Ｃｒ：３．６〜６．０％、Ｍｏ：０．０１〜１．５％、Ｖ：０．００２〜０．８０％、Ａｌ：０．００１〜１．５０％、残部Ｆｅ及び不可避的元素を含有することを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、金型補修溶接材料に関し、さらに詳しくは、ダイカスト金型を補修溶接するための金型補修溶接材料に関する。
アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、鉛等の金属もしくは合金を鋳造するためのダイカスト金型として、ＪＩＳ ＳＫＤ６１（以下、単にＳＫＤ６１とすることがある）に代表される熱間工具鋼が広く用いられている。上記金属のダイカストでは、金型への高温の溶湯の射出及び冷却が繰り返され、金型にヒートチェック等の亀裂や割れなどの損傷が生じる。金型表面にこのような損傷が生じると、その損傷が製品に転写されてしまう。そこで、ダイカスト金型の損傷箇所に対して、溶接による補修が行われる。
また、溶接による補修後の金型の耐ヒートチェック性を高めるためには、補修溶接材料が、母材である熱間工具鋼と同程度又はそれ以上に高い熱伝導率を有していることが必要である。補修溶接材料の熱伝導率が母材である熱間工具鋼の熱伝導率と隔たった低い値となっていると、金型を使用し続ける間に、補修溶接を施した部位が、ヒートチェックによって母材よりも早く割れてしまい、金型の寿命が短くなってしまう。
一方、金型の寿命という観点では、金型にヒートチェック等の亀裂や割れなどの損傷が生じた場合、そこを起点に亀裂や割れが進展して、いわゆる大割れになることを防止しなければならない。さらに、高温の溶融アルミやマグネシウムなどの溶湯が金型に接触することで、金型が少しずつ溶け出す溶損にも耐え得る必要がある。すなわち、ダイカスト金型の補修溶接材料自体にも、靭性、耐衝撃性、耐溶損性などの特性を持たせ、金型の寿命を確保しなければならない。
ヒートチェック等の亀裂や割れなどの損傷が激しい場合、金型の表面から深く亀裂が入り、高く（厚く）補修溶接を施す（この場合、肉盛溶接とも言う）必要がある。実際の作業現場では、金型に生じた亀裂ないし割れの箇所を補修溶接する場合、先ず亀裂ないし割れの箇所を取り除き、この箇所を埋めるように補修溶接を行う。また、鋳造設備の稼動率を上げるためには、短時間内で補修溶接の作業を終えなければならない。しかし、従来の溶接材料は、溶接時に金型表面で広がってしまい、何度も溶接を繰り返さなければならず、溶接時における溶接材料の厚さが確保しにくいという問題が指摘されていた。つまり、肉盛溶接において、溶接材料の積層性が悪いという問題があった。
本発明は上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、金型補修溶接材料において、金型の耐ヒートチェック性及び金型の寿命を確保しつつ、溶接材料の積層性を向上させることである。
本発明者らは、鋭意検討した結果この課題を解決できることを見い出した。その具体的手段は以下の通りである。まず、第１の発明は、質量％で（以下、同じ）、
Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．２０〜０．５０％、Ｍｎ：０．２０〜０．５０％、Ｃｒ：３．６〜６．０％、Ｍｏ：０．０１〜１．５％、Ｖ：０．００２〜０．８０％、Ａｌ：０．００１〜１．５０％、残部Ｆｅ及び不可避的元素からなり、ダイカスト金型の補修溶接部に用いられる金型補修溶接材料である。
Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．２０〜０．５０％、Ｍｎ：０．２０〜０．５０％、Ｃｒ：３．６〜６．０％、Ｍｏ：０．０１〜１．５％、Ｖ：０．００２〜０．８０％、Ａｌ：０．００１〜１．５０％、残部Ｆｅ及び不可避的元素からなり、ダイカスト金型の補修溶接部に用いられる金型補修溶接材料である。
次に、第２の発明は、上記した第１の発明に係る金型補修溶接材料であって、Ｎ：０．０００３〜０．２０％、Ｔｉ：０．０１〜０．５％、Ｎｂ：０．０１〜０．５％、Ｚｒ：０．０１〜０．５％、Ｔａ：０．０１〜０．５％、から選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする。
次に、第３の発明は、上記した第１の発明又は第２の発明に係る金型補修溶接材料であって、Ｃｏ：０．１０〜１．０％、Ｗ：０．１０〜５．０％、から選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする。
次に、第４の発明は、上記した第１の発明から第３の発明のいずれかの発明に係る金型補修溶接材料であって、Ｎｉ：０．３０〜１．０％、Ｃｕ：０．３０〜１．０％、から選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする。
次に、第５の発明は、上記した第１の発明から第４の発明のいずれかの発明に係る金型補修溶接材料であって、Ｓ：０．０１〜０．１５、Ｃａ：０．００１〜０．１５％、Ｓｅ：０．０３〜０．３５％、Ｔｅ：０．０１〜０．３５％、Ｂｉ：０．０１〜０．５０％、Ｐｂ：０．０３〜０．５０％から選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする。
次に、第６の発明は、上記した第１の発明から第５の発明のいずれかの発明に係る金型補修溶接材料であって、溶接金属の溶接ままの硬さが４２〜４９ＨＲＣとなることを特徴とする。
次に、第７の発明は、上記した第１の発明から第６の発明のいずれかの発明に係る金型補修溶接材料であって、室温の熱伝導率が２２〜３５Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする。
上記発明にかかる金型補修溶接用材料によると、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖの含有量が最適化されていることにより、優れた硬さに加えて、従来の熱間工具鋼と比較して同等以上の熱伝導率を有する。また、金型の寿命確保に必要な靭性、耐衝撃性、耐溶損性などの特性にも優れる。さらに、上記元素に加え、Ａｌが積極的に添加されていることにより、溶接時に溶接材料が金型表面（損傷を生じた箇所）で広がり過ぎてしまうことがなく、溶接材料の厚さを確保し得る。以上より、本発明に係る金型補修溶接材料によれば、金型の耐ヒートチェック性及び金型の寿命を確保しつつ、溶接材料の積層性を向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る金型補修溶接材料（以下、本金型補修溶接材料と言う）について詳細に説明する。本金型補修溶接材料は、溶解したアルミ合金を金型の隙間に流し込み凝固させて部品を製造する際に使用するダイカスト金型に用いられる。例えば、金型の材料としては、ＳＫＤ６１及びこの改良鋼を用いることができる。また、本金型補修溶接材料は、自動車のエンジンケースやミッションケースなどのアルミ製品を製造する際に用いる金型へ適用し得る。
本金型補修溶接材料は、以下のような元素を含有する。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。
なお、本金型補修溶接材料は、不可避的元素として、Ｎ：０．０００３％未満、Ｔｉ：０．０１％未満、Ｎｂ：０．０１％未満、Ｚｒ：０．０１％未満、Ｔａ：０．０１％未満、Ｃｏ：０．１０％未満、Ｗ：０．１０％未満、Ｎｉ：０．３０％未満、Ｃｕ：０．３０％未満、Ｓ：０．０１％未満、Ｃａ：０．００１％未満、Ｓｅ：０．０３％未満、Ｔｅ：０．０１％未満、Ｂｉ：０．０１％未満、Ｐｂ：０．０３％未満、Ｐ：０．０５％未満、Ｏ：０．０１％未満、Ｂ：０．００１％未満、、Ｍｇ：０．０２％未満、ＲＥＭ：０．１０％未満を含むことがある。
なお、本金型補修溶接材料は、不可避的元素として、Ｎ：０．０００３％未満、Ｔｉ：０．０１％未満、Ｎｂ：０．０１％未満、Ｚｒ：０．０１％未満、Ｔａ：０．０１％未満、Ｃｏ：０．１０％未満、Ｗ：０．１０％未満、Ｎｉ：０．３０％未満、Ｃｕ：０．３０％未満、Ｓ：０．０１％未満、Ｃａ：０．００１％未満、Ｓｅ：０．０３％未満、Ｔｅ：０．０１％未満、Ｂｉ：０．０１％未満、Ｐｂ：０．０３％未満、Ｐ：０．０５％未満、Ｏ：０．０１％未満、Ｂ：０．００１％未満、、Ｍｇ：０．０２％未満、ＲＥＭ：０．１０％未満を含むことがある。
Ｃ：０．１０〜０．３０％
Ｃは、溶接部の硬さを左右する重要な元素であり、０．１０％未満では硬さが不十分となってしまう。逆に、０．３０％を超えると硬さが硬くなり過ぎてしまい、溶接後の割れの懸念が高くなってしまう。従って、本発明ではＣを０．１０〜０．３０％の範囲内で含有させる。
Ｃは、溶接部の硬さを左右する重要な元素であり、０．１０％未満では硬さが不十分となってしまう。逆に、０．３０％を超えると硬さが硬くなり過ぎてしまい、溶接後の割れの懸念が高くなってしまう。従って、本発明ではＣを０．１０〜０．３０％の範囲内で含有させる。
Ｓｉ：０．２０〜０．５０％
Ｓｉは、軟化抵抗を高める上で有用な働きをなす元素である。アルミダイカスト金型の補修溶接に用いられる溶接材料の場合、軟化抵抗が小さいとアルミダイカスト金型にて鋳造を繰り返しているうちに、溶湯による加熱によって溶接部が軟化してしまう。而して溶接部が軟化してしまうとそこでヒートチェックが発生し易くなる。従って、本発明では軟化抵抗を高めるためにＳｉ量を０．２０％以上含有させる。一方、０．５０％を超えて多量に含有させると熱伝導率が低下しヒートチェックが発生しやすくなる。従って、本発明ではＳｉを０．２０〜０．５０％の範囲内で含有させる。
Ｓｉは、軟化抵抗を高める上で有用な働きをなす元素である。アルミダイカスト金型の補修溶接に用いられる溶接材料の場合、軟化抵抗が小さいとアルミダイカスト金型にて鋳造を繰り返しているうちに、溶湯による加熱によって溶接部が軟化してしまう。而して溶接部が軟化してしまうとそこでヒートチェックが発生し易くなる。従って、本発明では軟化抵抗を高めるためにＳｉ量を０．２０％以上含有させる。一方、０．５０％を超えて多量に含有させると熱伝導率が低下しヒートチェックが発生しやすくなる。従って、本発明ではＳｉを０．２０〜０．５０％の範囲内で含有させる。
Ｍｎ：０．２０〜０．５０％
Ｍｎは、０．２０％未満では硬さが不十分となり、０．２０％未満に下げようとすると原材料の配合を考慮する必要があり、製造コストが高くなってしまう。
一方、０．５０％を超えて含有させると逆に溶接部の硬さが硬くなり過ぎてしまう。また、Ｍｎを０．５０％以下に低くすることでベイナイトの生成を促進することができ、耐Ａｌ溶損性の向上が可能となる。さらに、Ｍｎを低くすることで熱伝導率の向上にもつながる。従って、本発明ではＭｎを０．２０〜０．５０％の範囲内で含有させる。
Ｍｎは、０．２０％未満では硬さが不十分となり、０．２０％未満に下げようとすると原材料の配合を考慮する必要があり、製造コストが高くなってしまう。
一方、０．５０％を超えて含有させると逆に溶接部の硬さが硬くなり過ぎてしまう。また、Ｍｎを０．５０％以下に低くすることでベイナイトの生成を促進することができ、耐Ａｌ溶損性の向上が可能となる。さらに、Ｍｎを低くすることで熱伝導率の向上にもつながる。従って、本発明ではＭｎを０．２０〜０．５０％の範囲内で含有させる。
Ｃｒ：３．０〜６．０％
Ｃｒは、３．６％未満では高温硬度が低くなり、耐ヒートチェック性が低下する。また、６．０％を超えて多量に含有させると熱伝導率が低下し、表層と内部との温度勾配が大きくなって発生する熱応力が高くなり、ヒートチェックが発生しやすくなる。従って、本発明ではＣｒを３．０〜６．０％の範囲内で含有させる。
Ｃｒは、３．６％未満では高温硬度が低くなり、耐ヒートチェック性が低下する。また、６．０％を超えて多量に含有させると熱伝導率が低下し、表層と内部との温度勾配が大きくなって発生する熱応力が高くなり、ヒートチェックが発生しやすくなる。従って、本発明ではＣｒを３．０〜６．０％の範囲内で含有させる。
Ｍｏ：０．０１〜１．５％
Ｍｏは、軟化抵抗に対して有用な元素である。但し、０．０１％未満では軟化抵抗に対する効果が小さいため、本発明では０．０１％以上含有させる。また、１．５％を超えて添加すると溶解コストが高くなる。また、Ｍｏは１．５％を超えて添加すると破壊靭性値が低下し、大割れを生じやすくなるため、１．５％以下にする必要がある。従って、本発明ではＭｏを０．０１〜１．５％の範囲内で含有させる。
Ｍｏは、軟化抵抗に対して有用な元素である。但し、０．０１％未満では軟化抵抗に対する効果が小さいため、本発明では０．０１％以上含有させる。また、１．５％を超えて添加すると溶解コストが高くなる。また、Ｍｏは１．５％を超えて添加すると破壊靭性値が低下し、大割れを生じやすくなるため、１．５％以下にする必要がある。従って、本発明ではＭｏを０．０１〜１．５％の範囲内で含有させる。
Ｖ：０．００２〜０．８０％
Ｖは、ＶＣ析出により結晶粒粗大化を防止する役割（ピン止め効果）を果たす。０．００２％未満ではＶＣ析出量が少なく、ピン止め効果を得にくい。そこで、本発明では０．００２％以上含有させる。また、Ｖ量が多いほどV炭化物が増加し、高温強度が向上する。しかし、Ｖが０．８０％より多く添加した場合に粗大な炭化物が増え、シャルピー衝撃値が低下してしまうため、Ｖは０．８０％以下にする必要がある。従って、本発明ではＶを０．００２〜０．８０％の範囲内で含有させる。
Ｖは、ＶＣ析出により結晶粒粗大化を防止する役割（ピン止め効果）を果たす。０．００２％未満ではＶＣ析出量が少なく、ピン止め効果を得にくい。そこで、本発明では０．００２％以上含有させる。また、Ｖ量が多いほどV炭化物が増加し、高温強度が向上する。しかし、Ｖが０．８０％より多く添加した場合に粗大な炭化物が増え、シャルピー衝撃値が低下してしまうため、Ｖは０．８０％以下にする必要がある。従って、本発明ではＶを０．００２〜０．８０％の範囲内で含有させる。
Ａｌ：０．００１〜１．５０％
Ａｌは、０．００１％以上添加することにより、Ａｌが置換型元素として働き、溶接時の湯が横に流れてしまうことが抑制できる。このため、金型表面に高く肉盛することができる。すなわち、肉盛溶接時の積層性が向上し、溶接の作業性が向上できる。また、窒化物形成元素であるＡｌを添加したことで、表層の窒化物量が増加し、溶接部分の表層の硬さを向上することができる。その結果、耐ヒートチェック性の向上を図ることができる。ただし、Ａｌが１．５０％を超えて添加すると、溶解コストが高くなる。また、熱伝導率の低下も生じてしまう。そのため、各元素の含有量は、上記の範囲とした。特に、耐ヒートチェック性の向上を図る場合には、Ａｌは、０．００２〜０．０１％とすることが好ましい。
Ａｌは、０．００１％以上添加することにより、Ａｌが置換型元素として働き、溶接時の湯が横に流れてしまうことが抑制できる。このため、金型表面に高く肉盛することができる。すなわち、肉盛溶接時の積層性が向上し、溶接の作業性が向上できる。また、窒化物形成元素であるＡｌを添加したことで、表層の窒化物量が増加し、溶接部分の表層の硬さを向上することができる。その結果、耐ヒートチェック性の向上を図ることができる。ただし、Ａｌが１．５０％を超えて添加すると、溶解コストが高くなる。また、熱伝導率の低下も生じてしまう。そのため、各元素の含有量は、上記の範囲とした。特に、耐ヒートチェック性の向上を図る場合には、Ａｌは、０．００２〜０．０１％とすることが好ましい。
Ｎ：０．０００３〜０．２０％、Ｔｉ：０．０１〜０．５％、Ｎｂ：０．０１〜０．５％、Ｚｒ：０．０１〜０．５％、Ｔａ：０．０１〜０．５％
炭素又は窒素と結合し、炭化物、窒化物又は炭窒化物を形成し、結晶粒の粗大化を抑制に寄与する元素である。すなわち、析出物を生成し、オーステナイト結晶粒のピン止め粒子として働き、結晶粒粗大化を抑制する。また、微細粒となることで靭性を上げることができる。ただし、添加量が上記成分範囲以下では析出物の生成量が少なく、ピン止めの効果が表れない。一方、上記成分範囲を超えると析出物が凝集してしまい、ピン止め粒子として効かなくなってしまう。そのため、各元素の含有量は、上記の範囲とした。
炭素又は窒素と結合し、炭化物、窒化物又は炭窒化物を形成し、結晶粒の粗大化を抑制に寄与する元素である。すなわち、析出物を生成し、オーステナイト結晶粒のピン止め粒子として働き、結晶粒粗大化を抑制する。また、微細粒となることで靭性を上げることができる。ただし、添加量が上記成分範囲以下では析出物の生成量が少なく、ピン止めの効果が表れない。一方、上記成分範囲を超えると析出物が凝集してしまい、ピン止め粒子として効かなくなってしまう。そのため、各元素の含有量は、上記の範囲とした。
Ｃｏ：０．１０〜１．０％、Ｗ：０．１０〜５．０％
Ｃｏ、Ｗを添加することで高温強度が高くなるが、必要以上に添加すると、コストが増加することや熱伝導率の低下につながる。そのため、各元素の含有量は、上記の範囲とした。
Ｃｏ、Ｗを添加することで高温強度が高くなるが、必要以上に添加すると、コストが増加することや熱伝導率の低下につながる。そのため、各元素の含有量は、上記の範囲とした。
Ｎｉ：０．３０〜１．０％、Ｃｕ：０．３０〜１．０％
Ｃｕ、Ｎｉを添加することでパーライトの生成が遅延され、焼入れ性が向上するが、必要以上に添加すると、コストが高くなる。また、熱伝導率の低下につながる。さらに、Ｎｉについては残留オーステナイトの増長につながってしまう。そのため、各元素の含有量は、上記の範囲とした。
Ｃｕ、Ｎｉを添加することでパーライトの生成が遅延され、焼入れ性が向上するが、必要以上に添加すると、コストが高くなる。また、熱伝導率の低下につながる。さらに、Ｎｉについては残留オーステナイトの増長につながってしまう。そのため、各元素の含有量は、上記の範囲とした。
Ｓ：０．０１〜０．１５、Ｃａ：０．００１〜０．１５％、Ｓｅ：０．０３〜０．３５％、Ｔｅ：０．０１〜０．３５％、Ｂｉ：０．０１〜０．５０％、Ｐｂ：０．０３〜０．５０％
Ｓ、Ｃａ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｐｂを添加することで溶接後の機械加工性が向上するが、入れ過ぎると溶接割れを促進してしまう。そのため、各元素の含有量は、上記の範囲とした。
Ｓ、Ｃａ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｐｂを添加することで溶接後の機械加工性が向上するが、入れ過ぎると溶接割れを促進してしまう。そのため、各元素の含有量は、上記の範囲とした。
本金型補修溶接材料は、溶接金属の溶接ままの硬さが４２〜４９ＨＲＣとなることが好ましい。金型の耐ヒートチェック性をより確保できるからである。ここで、「溶接まま」とは、溶接したままの状態で、溶接後に熱処理を施していない状態を言う。つまり、本金型補修溶接材料は、硬さを調質する溶接後の熱処理を省いた場合でも４２〜４９ＨＲＣの硬さが得ることができる。
本金型補修溶接材料は、室温の熱伝導率が２２〜３５Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましい。熱伝導率が２２Ｗ／ｍ・Ｋ未満の低い場合には、ダイカスト鋳造時に金型の表面と内部の温度勾配が生じ、金型に発生する熱応力が高くなり、ヒートチェックが発生しやすくなる。３５Ｗ／ｍ・Ｋを超えた高い場合には、添加する合金元素を極端に減らす必要があるため、溶接ままで母材同等の硬さを出すことが困難となり、耐ヒートチェック性が悪くなってしまう。
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
ＪＩＳ ＳＫＤ６１の試験片を用意し、この試験片に対して、表１（発明例）、表２（比較例）に示す各種化学組成の溶接棒（φ１．６ｍｍ×１０００ｍｍ）を用いてティグ溶接を行った。試験片は、予め焼入れ、焼戻し処理を２回行い、４３ＨＲＣの硬さとした。なお、溶接材料（溶接棒）は、直径が０．２〜３．５ｍｍであることが好ましい。０．２ｍｍよりも直径が細いと溶接の際の熱が母材の方に多く加わって母材の溶融量が多くなり、溶接部の硬さを必要以上に硬くしてしまうことに繋がる。一方、３．５ｍｍよりも太過ぎると溶接時の熱が溶接材料に奪われて母材側に十分加わらず、融合不良の原因となってしまう。
ＪＩＳ ＳＫＤ６１の試験片を用意し、この試験片に対して、表１（発明例）、表２（比較例）に示す各種化学組成の溶接棒（φ１．６ｍｍ×１０００ｍｍ）を用いてティグ溶接を行った。試験片は、予め焼入れ、焼戻し処理を２回行い、４３ＨＲＣの硬さとした。なお、溶接材料（溶接棒）は、直径が０．２〜３．５ｍｍであることが好ましい。０．２ｍｍよりも直径が細いと溶接の際の熱が母材の方に多く加わって母材の溶融量が多くなり、溶接部の硬さを必要以上に硬くしてしまうことに繋がる。一方、３．５ｍｍよりも太過ぎると溶接時の熱が溶接材料に奪われて母材側に十分加わらず、融合不良の原因となってしまう。
溶接条件は、Ａｒをシールドガスとして、溶接棒をアーク内に挿入して加熱し、これを溶融させて溶接を行った。なお、溶接電流は、１２０Ａ、溶接速度は、５ｃｍ／ｍｉｎの条件で行った。そして、溶接後の試験片を用いて、下記の各種試験を実施した。
＜溶接後の組織観察＞
３０×３０×１５ｍｍのＳＫＤ６１の試験片を用いて、３０×３０ｍｍの面に実施例と比較例をそれぞれ２層となる肉盛溶接した。その後、断面を切り出し、研磨および腐食を行い、肉盛溶接部のミクロ組織を観察し、ベイナイトの生成具合を比較した。視野の３０％以上にベイナイトが認められないものを「○」、視野の１０％以上にベイナイトが認められるものを「×」と評価した。
３０×３０×１５ｍｍのＳＫＤ６１の試験片を用いて、３０×３０ｍｍの面に実施例と比較例をそれぞれ２層となる肉盛溶接した。その後、断面を切り出し、研磨および腐食を行い、肉盛溶接部のミクロ組織を観察し、ベイナイトの生成具合を比較した。視野の３０％以上にベイナイトが認められないものを「○」、視野の１０％以上にベイナイトが認められるものを「×」と評価した。
＜耐Ａｌ溶損性評価＞
Φ２０×３０ｍｍの試験片のΦ２０ｍｍの面に実施例と比較例を１５ｍｍ上に肉盛溶接を行い、その後に機械加工を施してΦ１０×４０ｍｍの試験片を作成した。評価にはＡｌ合金ＡＤＣ１２を用い、溶湯温度７５０℃で試験片を回転させた状態で、試験片のΦ１０×１０ｍｍ部分のみを３０分間浸漬させ、浸漬前における浸漬前後の重量変化の割合を溶損率とした。耐Ａｌ溶損性としては、本試験条件における溶損率が３５％未満を「○」、３５％以上を「×」と評価した。
Φ２０×３０ｍｍの試験片のΦ２０ｍｍの面に実施例と比較例を１５ｍｍ上に肉盛溶接を行い、その後に機械加工を施してΦ１０×４０ｍｍの試験片を作成した。評価にはＡｌ合金ＡＤＣ１２を用い、溶湯温度７５０℃で試験片を回転させた状態で、試験片のΦ１０×１０ｍｍ部分のみを３０分間浸漬させ、浸漬前における浸漬前後の重量変化の割合を溶損率とした。耐Ａｌ溶損性としては、本試験条件における溶損率が３５％未満を「○」、３５％以上を「×」と評価した。
＜積層性評価＞
上記溶接後の組織観察に用いた試験片の断面から、母材に対する肉盛溶接部分の高さを測定し、積層性を評価した。溶接部分の高さが高くなるものを積層性が良いとし、本試験条件で積層性が３ｍｍ以上を「○」、３ｍｍ未満を「×」と評価した（クラックの深さとして長いもので３ｍｍを想定した）。
上記溶接後の組織観察に用いた試験片の断面から、母材に対する肉盛溶接部分の高さを測定し、積層性を評価した。溶接部分の高さが高くなるものを積層性が良いとし、本試験条件で積層性が３ｍｍ以上を「○」、３ｍｍ未満を「×」と評価した（クラックの深さとして長いもので３ｍｍを想定した）。
＜窒化特性評価＞
金型を窒化した後の影響を確認するため、上記溶接後の組織観察と同様の方法で肉盛溶接を行い、溶接跡を平面研磨で除去後にガス窒化処理を施した。その試験片の断面を切り出して、研磨後、ビッカース硬さ試験を実施した。ガス窒化処理条件は、５１０℃の大気圧雰囲気中にＮＨ３ガスを導入し、３時間保持後に冷却する条件を用いた。表層から２０μｍ位置の硬さを表層硬さとして比較を行い、表層硬さが１１００ＨＶ以上を「○」、１１００ＨＶ未満を「×」と評価した。
金型を窒化した後の影響を確認するため、上記溶接後の組織観察と同様の方法で肉盛溶接を行い、溶接跡を平面研磨で除去後にガス窒化処理を施した。その試験片の断面を切り出して、研磨後、ビッカース硬さ試験を実施した。ガス窒化処理条件は、５１０℃の大気圧雰囲気中にＮＨ３ガスを導入し、３時間保持後に冷却する条件を用いた。表層から２０μｍ位置の硬さを表層硬さとして比較を行い、表層硬さが１１００ＨＶ以上を「○」、１１００ＨＶ未満を「×」と評価した。
＜硬さ測定（溶接まま）＞
３０×３０×１５ｍｍのＳＫＤ６１の試験片を用いて、３０×３０ｍｍの面に実施例と比較例を３ｍｍ肉盛溶接した。次に、試験片の表面を平面研磨し、溶接跡を除去した後のその表面に対し、ロックウェル硬さ試験を実施した。硬さが４２〜４９ＨＲＣになったものを「○」、それ以外を「×」と評価した。
３０×３０×１５ｍｍのＳＫＤ６１の試験片を用いて、３０×３０ｍｍの面に実施例と比較例を３ｍｍ肉盛溶接した。次に、試験片の表面を平面研磨し、溶接跡を除去した後のその表面に対し、ロックウェル硬さ試験を実施した。硬さが４２〜４９ＨＲＣになったものを「○」、それ以外を「×」と評価した。
＜熱伝導率測定＞
硬さ測定に用いた試験片において、溶接部分からΦ１０×２ｍｍを切り出し、熱伝導率測定用の試験片を作成した。熱伝導率はレーザーフラッシュ法で測定し、室温の熱伝導率を測定した。熱伝導率が２２〜３５Ｗ／ｍ・Ｋになったものを「○」、それ以外を「×」と評価した。
硬さ測定に用いた試験片において、溶接部分からΦ１０×２ｍｍを切り出し、熱伝導率測定用の試験片を作成した。熱伝導率はレーザーフラッシュ法で測定し、室温の熱伝導率を測定した。熱伝導率が２２〜３５Ｗ／ｍ・Ｋになったものを「○」、それ以外を「×」と評価した。
＜高温硬さ測定＞
耐Ａｌ溶損性評価の試験片と同様の方法で肉盛溶接を行い、肉盛溶接部からΦ１０×５ｍｍの試験片を採取した。その試験片の表面を研磨後、試験片をヒーターにより加熱し、直接ビッカース圧痕をうち、その圧痕サイズからＨＶ硬さを測定した。５００℃時の高温硬さが３００ＨＶ以上になったものを「○」、３００ＨＶ未満を「×」と評価した。
耐Ａｌ溶損性評価の試験片と同様の方法で肉盛溶接を行い、肉盛溶接部からΦ１０×５ｍｍの試験片を採取した。その試験片の表面を研磨後、試験片をヒーターにより加熱し、直接ビッカース圧痕をうち、その圧痕サイズからＨＶ硬さを測定した。５００℃時の高温硬さが３００ＨＶ以上になったものを「○」、３００ＨＶ未満を「×」と評価した。
＜耐ヒートチェック性評価試験＞
Φ６２×５０mmのＳＫＤ６１試験片の上面に、実施例と比較例の２ｍｍの肉盛溶接を行い、その後に平面研磨で溶接跡を除去および研磨で粗さを整えた試験片を用いた。耐ヒートチェック性の評価は、Φ６２ｍｍの面に対し、高周波加熱コイルを用いて７秒間で５８０℃まで上昇させ、その後に噴射水を用いて３秒間冷却し、エアブローで７秒間放冷させ、熱応力を負荷させた。この行程を１サイクルとし、溶接部分における２５０００サイクル時のヒートチェックの発生具合をカラーチェック（赤色）で評価した。発生具合を写真撮影し、視野の１０％以上に赤色が認められなかった場合には「〇」、それ以外は「×」と評価した。
Φ６２×５０mmのＳＫＤ６１試験片の上面に、実施例と比較例の２ｍｍの肉盛溶接を行い、その後に平面研磨で溶接跡を除去および研磨で粗さを整えた試験片を用いた。耐ヒートチェック性の評価は、Φ６２ｍｍの面に対し、高周波加熱コイルを用いて７秒間で５８０℃まで上昇させ、その後に噴射水を用いて３秒間冷却し、エアブローで７秒間放冷させ、熱応力を負荷させた。この行程を１サイクルとし、溶接部分における２５０００サイクル時のヒートチェックの発生具合をカラーチェック（赤色）で評価した。発生具合を写真撮影し、視野の１０％以上に赤色が認められなかった場合には「〇」、それ以外は「×」と評価した。
＜結晶粒評価＞
溶接後の組織観察に用いた試験片の切断面を研磨、腐食を行い、４５０ｍｍ２の面積を観察し、その面積中にある最大粒径をＪＩＳ Ｇ ０５５１「鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法」に規定されている粒度番号で表現し、結晶粒の粗大化の有無を評価した。本試験条件で粒度番号が４番以上を「○」、４番未満を「×」と評価した。
溶接後の組織観察に用いた試験片の切断面を研磨、腐食を行い、４５０ｍｍ２の面積を観察し、その面積中にある最大粒径をＪＩＳ Ｇ ０５５１「鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法」に規定されている粒度番号で表現し、結晶粒の粗大化の有無を評価した。本試験条件で粒度番号が４番以上を「○」、４番未満を「×」と評価した。
＜シャルピー衝撃値評価＞
１００×１５×３０ｍｍの試験片の２つを肉盛溶接で接合させ、その中央部が１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍのＪＩＳ ３号衝撃試験片のノッチ部分になるように試験片を採取し、シャルピー衝撃値を室温で測定した。衝撃値が大きいほど、金型となった場合に割れにくいため好ましく、本試験条件でシャルピー衝撃値が３５Ｊ／ｃｍ２以上を「○」、３５Ｊ／ｃｍ２未満を「×」と評価した。
１００×１５×３０ｍｍの試験片の２つを肉盛溶接で接合させ、その中央部が１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍのＪＩＳ ３号衝撃試験片のノッチ部分になるように試験片を採取し、シャルピー衝撃値を室温で測定した。衝撃値が大きいほど、金型となった場合に割れにくいため好ましく、本試験条件でシャルピー衝撃値が３５Ｊ／ｃｍ２以上を「○」、３５Ｊ／ｃｍ２未満を「×」と評価した。
＜破壊靭性値評価＞
シャルピー衝撃値の試験片採取と同様の方法で肉盛溶接を行い、ＡＳＴＭ Ｅ３９９（金属材料の線形弾性平面ひずみ破壊靭性ＫＩＣのための標準試験方法）に準じて、試験片を採取し、予きれ裂を導入後に破壊靭性ＫＩＣ（臨界応力拡大係数）を求め、本試験条件で破壊靭性値が２５ＭＰａ・ｍ０．５以上を「○」、２５ＭＰａ・ｍ０．５未満を「×」と評価した。
シャルピー衝撃値の試験片採取と同様の方法で肉盛溶接を行い、ＡＳＴＭ Ｅ３９９（金属材料の線形弾性平面ひずみ破壊靭性ＫＩＣのための標準試験方法）に準じて、試験片を採取し、予きれ裂を導入後に破壊靭性ＫＩＣ（臨界応力拡大係数）を求め、本試験条件で破壊靭性値が２５ＭＰａ・ｍ０．５以上を「○」、２５ＭＰａ・ｍ０．５未満を「×」と評価した。
＜溶接割れ評価＞
耐ヒートチェック性の評価に用いたΦ６２×５０mmの試験片の研磨後の状態において、目視で溶接部分に割れがあるかを観察し、割れが見られないものは「○」、割れが有るものは「×」とした。
耐ヒートチェック性の評価に用いたΦ６２×５０mmの試験片の研磨後の状態において、目視で溶接部分に割れがあるかを観察し、割れが見られないものは「○」、割れが有るものは「×」とした。
各種試験結果を表３〜表６に示す。
表１〜表６を比較すると、以下のことが分かる。すなわち、比較例１は、Ｃが０．３０％超となっている。そのため、溶接部が硬くなりすぎて、硬さ測定、溶接割れ評価の試験結果が「×」となっている。なお、比較例１は、溶接割れ評価の試験で割れてしまったため、耐ヒートチェック性評価試験は、実施することができなかった。
また、比較例２は、Ｓｉが０．５０％超となっている。そのため、熱伝導率測定、耐ヒートチェック性評価試験の試験結果が「×」となっている。
また、比較例３〜５は、Ｍｎが０．５０％超となっている。そのため、溶接後の組織観察、耐Ａｌ溶損性評価の試験結果が「×」となっている。
また、比較例６、７は、Ｃｒが３．６％未満となっている。そのため、高温硬さ測定、耐ヒートチェック性評価試験の試験結果が「×」となっている。
また、比較例８〜１０は、Ｃｒが６．０％超となっている。そのため、熱伝導率測定、耐ヒートチェック性評価試験の試験結果が「×」となっている。
また、比較例１１〜１３は、Ｍｏが１．５％超となっている。そのため、破壊靭性値評価の試験結果が「×」となっている。
また、比較例１４〜１６は、Ｖが０．８％超となっている。そのため、結晶粒評価、シャルピー衝撃値評価の試験結果が「×」となっている。
また、比較例１７は、Ａｌが０．００１％未満となっている。そのため、積層性評価、窒化特性評価の試験結果が「×」となっている。図１は、肉盛高さとＡｌの添加量との関係（積層性）を示した図である。図１を見ると、Ａｌの添加により、溶接材料の積層性を向上し得ることがわかる。
上記比較例に対し、発明例は、いずれの試験結果においても良好な結果を得ている。上記結果から、金型の耐ヒートチェック性及び金型の寿命を確保しつつ、溶接材料の積層性を向上させることができる、と言える。
以上、本発明の実施形態、実施例について説明した。本発明は、これらの実施形態、実施例に特に限定されることなく、種々の改変を行うことが可能である。
Claims (7)
- 質量％で、
Ｃ：０．１０〜０．３０％、
Ｓｉ：０．２０〜０．５０％、
Ｍｎ：０．２０〜０．５０％、
Ｃｒ：３．６〜６．０％、
Ｍｏ：０．０１〜１．５％、
Ｖ：０．００２〜０．８０％、
Ａｌ：０．００１〜１．５０％、
残部Ｆｅ及び不可避的元素からなり、ダイカスト金型の補修溶接部に用いられる金型補修溶接材料。 - Ｎ：０．０００３〜０．２０％、
Ｔｉ：０．０１〜０．５％、
Ｎｂ：０．０１〜０．５％、
Ｚｒ：０．０１〜０．５％、
Ｔａ：０．０１〜０．５％、
から選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の金型補修溶接材料。 - Ｃｏ：０．１０〜１．０％、
Ｗ：０．１０〜５．０％、
から選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の金型補修溶接材料。 - Ｎｉ：０．３０〜１．０％、
Ｃｕ：０．３０〜１．０％、
から選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の金型補修溶接材料。 - Ｓ：０．０１〜０．１５、
Ｃａ：０．００１〜０．１５％、
Ｓｅ：０．０３〜０．３５％、
Ｔｅ：０．０１〜０．３５％、
Ｂｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｐｂ：０．０３〜０．５０％
から選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の金型補修溶接材料。 - 溶接金属の溶接ままの硬さが４２〜４９ＨＲＣとなることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の金型補修溶接材料。
- 室温の熱伝導率が２２〜３５Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の金型補修溶接材料。
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