JP2019111578A

JP2019111578A - 溶接肉盛用Ｃｏ基合金及び溶接肉盛用粉末

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Publication number: JP2019111578A
Application number: JP2017249620A
Authority: JP
Inventors: 充辻野; Mitsuru Tsujino; 進石村; Susumu Ishimura; 篠崎　斌; Takeshi Shinozaki; 斌篠崎; 大南山; Masaru Minamiyama; 大悟森田; Daigo MORITA; 陽介足立; Yosuke Adachi
Original assignee: SHIN NIPPON YOGYO KK; Komori Corp
Current assignee: SHIN NIPPON YOGYO KK; Komori Corp
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2037-12-26
Also published as: JP7108996B2

Abstract

【課題】溶接肉盛用Ｃｏ基合金として、大型構造材等の金属母材の表面に溶接肉盛層を形成した場合に、該肉盛層がステライト２１（登録商標）よるものと同等の強度を有して、大きな角度の曲げを施しても割れを生じない高い靱性を発揮し得るものを提供する。【解決手段】質量％で、Ｃが０．０５〜０．５０％、Ｓｉが０．５０〜２．００％、Ｍｎが０．５０〜１．５０％、Ｃｒが２０．００〜３０．００％、Ｍｏが１．５０〜５．５０％、Ｎｉが７．５０〜１２．００％、Ｆｅが１．００〜５．００％、残部がＣｏ及び不可避元素からなる溶接肉盛用Ｃｏ基合金。【選択図】なし

Description

本発明は、特に高強度で靱性に優れた溶接肉盛層を形成し得る溶接肉盛用Ｃｏ基合金と、その合金からなる溶接肉盛用粉末に関する。

一般的に、種々の金属母材の表面に耐蝕性を付与したり、浸食表面部を補修する手段として、溶接肉盛によって耐蝕性層を形成する方法が汎用されている。その代表的な溶接肉盛材として溶接性のよいＳＵＳ３０９材が知られるが、耐キャビテーション性等の機械的耐摩耗性が充分とは言えない。そこで、近年においては、耐キャビテーション性に優れる溶接肉盛材として、Ｎｉ基合金のハステロイＣ（米国・ヘインズ社の登録商標）や、Ｃｏ基合金のステライト（米国・デロロステライトグループの登録商標）が使用されるようになっている。特に、ステライト２１（同登録商標）は、低炭素のＣｏ基合金であるために溶接性が良好であることに加え、二次的な加工硬化特性を有していることから、大型構造材の表面改質用肉盛材として多用されている。

また、溶接肉盛材として、上記ステライト２１に近い組成で低炭素のＣｏ基合金も種々提案されている。例えば、特許文献１では、肉盛性と肉盛後の高温耐摩耗性を両立するＣｏ基合金として、重量％で、Ｃ：０．３〜１．１０％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：３．０％以下、Ｃｒ：２６．０〜３２．０％、Ｍｏ：０．５〜６．０％、Ｗ：０．５〜６．０％を含有し、残部Ｃｏ及び不可避不純物からなるものを開示している。特許文献２では、Ｃｏ基合金製ガスタービンの補修用肉盛溶接材料として、重量％で、Ｃ：０．０３〜０．１０％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｎｉ：１５〜２３％、Ｃｒ：２０〜３０％、Ｗ：３〜１０％、Ｔａ：５〜１５％、Ｚｒ：０．０５〜０．７％を含むＣｏ基合金を開示している。特許文献３では、高い耐キャビテーション性及び破壊靱性値を有するＣｏ基合金として、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．６０％、Ｓｉ：０．０１〜３．０％、Ｍｎ：１．５〜１０．０％、Ｎｉ：２．７〜４．５４％、Ｃｒ：７〜４０％、Ｍｏ：１．０〜１５．０％、Ｆｅ：３．０〜３０．０％を含み、残部Ｃｏ及び不可避不純物からなるものを開示している。

特開平１１−７７３７５号公報特開平１１−１１７７０５号公報特許第５６７６８０８号公報

前記のステライト２１を始めとする低炭素のＣｏ基合金は溶接性が良好で二次的な加工硬化特性を有するが、その溶接肉盛によって表面改質した大型構造材について、曲げ等の二次加工を施す際に肉盛層の割れ等の欠陥発生を防止する上で、肉盛層の靱性をより高めることが望ましい。本発明は、このような観点から、溶接肉盛用Ｃｏ基合金として、大型構造材等の金属母材の表面に溶接肉盛層を形成した場合に、該肉盛層が前記ステライト２１を用いたものに比較して遜色のない強度を維持しつつ、大きな角度の曲げを施しても割れを生じない高い靱性を発揮し得るものを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１の発明に係る溶接肉盛用Ｃｏ基合金は、質量％で、Ｃが０．０５〜０．５０％、Ｓｉが０．５０〜２．００％、Ｍｎが０．５０〜１．５０％、Ｃｒが２０．００〜３０．００％、Ｍｏが１．５０〜５．５０％、Ｎｉが７．５０〜１２．００％、Ｆｅが１．００〜５．００％、残部がＣｏ及び不可避元素からなることを特徴としている。

また、上記請求項１の溶接肉盛用Ｃｏ基合金の好適態様として、請求項２の発明ではＮｉが８．００〜１２．００質量％であること、請求項３の発明では不可避元素のＢが０．００１質量％以下であること、をそれぞれ規定している。

一方、請求項４の発明に係る溶接肉盛用粉末は、上記請求項１〜３の何れかに記載の溶接肉盛用Ｃｏ基合金からなり、粒度が６３〜２５０μｍの範囲にあるものとしている。

本発明に係る溶接肉盛用Ｃｏ基合金は、前記の特定の組成を有することにより、金属母材表面に溶接肉盛する際、溶接性が良好であると共に、形成された肉盛層が硬く高強度になることに加え、該肉盛層が高い靱性を備えたものとなるから、この肉盛層を設けた金属母材を大きな角度で曲げても該肉盛層に割れが発生せず、非常に優れた加工硬化特性は発揮する。

そして、この溶接肉盛用Ｃｏ基合金において、Ｎｉが８．００〜１２．００質量％であるものでは、高靱性で高強度の肉盛層を形成できるという利点がある。また、不可避元素のＢが０．００１質量％以下であるものでは、肉盛層の微小な粒界割れを回避できるという利点がある。

本発明の溶接肉盛用粉末は、上記の溶接肉盛用Ｃｏ基合金からなるが、粒度が６３〜２５０μｍの範囲にあることで、粉体プラズマ溶接やプラズマ溶射によって肉盛層を形成する際に安定した材料供給を行えると共に、高品位の肉盛層が得られる。

母材表面に肉盛層を設けた曲げ試験用供試材を示し、（ａ）は縦断正面図、（ｂ）は縦断側面図である。同供試材の曲げ試験方法を示す正面図である。溶接肉盛用Ｃｏ基合金に含まれる微量元素による溶接品質への影響を示し、（ａ）はサンプルＡ、（ｂ）はサンプルＢ、（ｃ）はサンプルＣ、の各々肉盛層表面の写真図である。同サンプルＣの欠陥部を拡大して示し、（ａ）は４０倍の光学顕微鏡写真図、（ｂ）は７５０倍の電子顕微鏡写真図である。

本発明の溶接肉盛用Ｃｏ基合金は、既述のように、質量％で、Ｃが０．０５〜０．５０％、Ｓｉが０．５０〜２．００％、Ｍｎが０．５０〜１．５０％、Ｃｒが２０．００〜３０．００％、Ｍｏが１．５０〜５．５０％、Ｎｉが７．５０〜１２．００％、Ｆｅが１．００〜５．００％、残部がＣｏ及び不可避元素からなる組成を有するものである。そして、この溶接肉盛用Ｃｏ基合金にて形成した肉盛層は、既存の優れたＣｏ基合金であるステライト２１を用いたものと比較し、遜色のない強度に加え、より高い靱性を発揮し得るものとなる。

前記組成中のＣは、肉盛層の強度を確保する炭化物の構成元素として有効であり、０．０５％未満では形成される炭化物が不足して必要な強度を確保できず、０．５０％を超えると肉盛層の靱性が低下する。特に、高強度及び高靱性の肉盛層を得るためには、Ｃを０．１５〜０．２５％とすることが推奨される。

Ｓｉは、合金の融点を下げて溶融金属の流動性を高めると共に、肉盛層の強度向上にも寄与するが、その作用を十分に発揮する上で０．５０％以上を必要とする一方、多過ぎては肉盛層の脆化を招くために上限を２．００％とする。より好ましいＳｉの比率は０．５０〜１．５０％である。

Ｍｎは、肉盛層の強度確保と脆性低下を防止する作用を持つが、０．５０％未満では該作用を発揮できず、逆に１．５０％を超えると溶接性を低下させるという問題がある。

Ｃｒは、肉盛層の耐酸化性、耐食性及び機械的強度を確保するのに不可欠の元素であり、２０．００％未満では耐酸化性が不充分になり、３０．００％を超えるとα相の析出によって機械的強度、特に靱性が極端に低下する。より好ましいＣｒの比率は２０．００〜２８．００％である。

Ｍｏは、肉盛層の機械的強度を向上させる固溶強化元素であるが、少な過ぎても多過ぎても機械的強度が低下するから、１．５０〜５．５０％の範囲とする。より好ましいＭｏの比率は４．５０〜５．５０％である。

Ｎｉは、Ｃｏ基合金に加えることによって、肉盛層を設けた母材を曲げ加工する際の該肉盛層の耐割れ性を向上させる効果があるが、７．５％未満では該効果が不十分になり、１２．００％を超えると肉盛層の強度が低下する。なお、高靱性で高強度の肉盛層を得る上で、特にＮｉを８．０〜１２．００％とすることが推奨される。

Ｆｅは、Ｃｏ基合金に延性及び柔軟性を付与する効果があるが、少な過ぎては該効果得られず、多過ぎては合金の耐食性及び耐摩耗性を損なうため、１．００〜５．００％の範囲とする。より好ましいＦｅの比率は１．５０〜２．５０％である。

Ｃｏは、Ｃｏ基合金としての基本元素であり、上記諸元素と共に、高耐食性、高耐熱性、高耐摩耗性、高靱性の合金を形成する。

なお、本発明の溶接肉盛用Ｃｏ基合金は、上記諸元素以外の元素についても、不可避不純物あるいは付随不純物として０．１質量％以下の微量の範囲で含んでいてもよい。ただし、Ｂについては、Ｎｉとの化合物の形で粒界に析出して粒界割れを発生させるから、０．００１％以下であることが望ましい。そのために、Ｃｏ基合金を微量元素分析にかけ、Ｂが０．００１％以下であることを確認した上で使用するのがよい。

このような溶接肉盛用Ｃｏ基合金の溶接肉盛手段としては、特に制約はなく、不活性ガスシールド下で行うアーク溶接であるプラズマ粉末溶接法（以下、Plasma Transferred Arcの頭文字をとってＰＴＡ溶接法と略称する）、レーザ溶接肉盛法、ＴＩＧ（タングステン・イナートガス）溶接法、酸素アセチレンガス溶接法等の種々の方法を採用できるが、特にＰＴＡ溶接法が高い生産性を得る上で好適である。

そして、ＰＴＡ溶接法やレーザ溶接肉盛法において本発明の溶接肉盛用Ｃｏ基合金を粉末として供給する場合、安定した材料供給で高品位の肉盛層を形成する上で、その溶接肉盛用粉末の粒度を６３〜２５０μｍの範囲とすることが好ましい。なお、ＰＴＡ溶接法では、電極と母材の間にプラズマアークを発生させるため、肉盛層の組成は母材表面部の溶け込みによって溶接材の合金組成から変化することになる。

本発明の溶接肉盛用Ｃｏ基合金による肉盛溶接の適用対象には特に制約はないが、当該Ｃｏ基合金が高靱性であることから、肉盛層による表面改質後に曲げ等の二次加工を施すことの多い大型構造材が好適である。

後記表１で示す組成の実施例１〜３のＣｏ基合金、比較例１のステライト２１、比較例２のハステロイＣ−２７６、及び比較例３のＳＵＳ３０９材の各々を溶接肉盛材として用い、図１（ａ）（ｂ）で示すように、長さＬ：１５０ｍｍ、幅Ｗ：２０ｍｍ、厚さ８．５ｍｍのＳ２５Ｃ圧延材１の表面に、ＰＴＡ溶接法によって厚さ３〜３．５ｍｍの溶接肉盛を施したのち、この溶接肉盛部の表面側を機械加工で研削して厚さ１．５ｍｍの肉盛層２とすることにより、総厚Ｔ：１０ｍｍの供試材Ｓを各溶接肉盛材毎に複数本作製した。なお、ＰＴＡ溶接の施工条件は次のとおりである。

〔ＰＴＡ溶接の施工条件〕
溶接電流・・・・・・・・・・・・１７０〜２１０Ａ
溶接電圧・・・・・・・・・・・・・・２２〜２８Ｖ
溶接速度・・・・・・・・・・・４０〜８０ｍｍ／分
シールドガス（Ａｒ）供給量・・・・・・２５Ｌ／分
予熱・パス間温度・・・・・・・・・室温〜１５０℃

〔曲げ試験〕
作製した各供試材Ｓの各２本につき、ＪＩＳＺ２２４８の金属材料曲げ試験法に規定する押曲げ法により、図２に示すように、間隔Ｄ：５０ｍｍで平行配置した支え３，３の円筒状頂部間に、肉盛層２側を下にした供試材Ｓを架け渡し、両支え３，３の中間位置において、上方から下端円筒状の押金具４を該供試材Ｓに荷重をかけて押し付けることにより、肉盛層２に割れを生じるか、又は曲げ角度が１００°を超えるまで、該供試材ＳをＶ字状に曲げて評価した。その結果を後記表１に示す。

〔硬度試験〕
各供試材Ｓにおける肉盛層２の表面のビッカース硬度（Ｈｖ）を、ビッカース硬度計によって２ｍｍ間隔で測定した。その結果を最小値〜最大値の形で表１に示す。

表１の結果から明らかなように、本発明のＣｏ基合金にて肉盛層２を形成した供試材Ｓは、曲げ試験において、実施例２，３では荷重２２００ｋｇ以上で１００°以上の曲げ角度まで肉盛層２の割れが発生せず、実施例１では２本の内１本に割れが発生したが荷重２２００ｋｇ以上で１００°以上の曲げが可能であり、また肉盛層２の硬度は実施例１〜３のいずもがＨｖ３００以上であった。しかるに、ＳＵＳ３０９にて肉盛層２を形成した比較例３の供試材では、荷重１８００ｋｇで１００°以上の曲げ角度になったが、肉盛層２の硬度がＨｖ２３０〜２４０と低く、機械的耐摩耗性に劣ることが判る。一方、Ｃｏ基合金のステライト２１にて肉盛層２を形成した比較例１の供試材Ｓでは、肉盛層２の硬度はＨｖ３００以上と高いが、荷重２３００ｋｇで９０°まで曲げると割れを生じており、靱性が不充分であると言える。また、Ｎｉ基合金のハステロイＣ２７６にて肉盛層２を形成した比較例２の供試材Ｓでは、やはり肉盛層２の硬度はＨｖ３００以上と高いが、荷重２１７０ｋｇで５８°まで曲げると割れを生じており、靱性に劣ることが判る。

〔微量元素含有量〕
本発明の溶接肉盛用Ｃｏ基合金において、必須元素（Ｃ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｏ）の比率を等しく設定して得られた多数のサンプルについて、微量元素分析によって不可避不純物であるＰ，Ｂ，Ｎ，Ｐｂの４元素の含有量を測定した。そして、これらサンプルから、次の表２で示すように特にＢ（ホウ素）の含有量に有意差のある三つのサンプルＡ，Ｂ，Ｃを選択し、これらサンプルのＣｏ基合金を用いてそれぞれ前記実施例及び比較例と同様にして圧延材の表面に肉盛層を形成した。その肉盛層表面を図３の写真図で示す。図３（ａ）はサンプルＡ、同（ｂ）はサンプルＢ、同（ｃ）はサンプルＣのそれぞれによる肉盛層表面である。

図３の写真図から明らかなように、Ｂ含有量が０．０００３質量％のサンプルＡによる肉盛層表面には全く欠陥が認められないが、同０．００２２質量％のサンプルＢによる肉盛層表面では微割れが散見され、更に同０．００４４質量％のサンプルＣによる肉盛層表面では略肉盛方向に沿って並んだ割れが明瞭に認められた。

そのサンプルＣによる肉盛層表面の割れ部分のミクロ組織について、光学顕微鏡で観察したところ、図４（ａ）で示す状態（倍率４０倍）になっており、更に図４（ａ）の矢印部分を光学顕微鏡で観察したところ、図４（ｂ）で示す状態（倍率７５０倍）であって、粒界に窒化ボロン（ＢＮ）が析出して粒界割れを生じていることが判明した。この結果から、Ｃｏ基合金のＢ含有量は０．００１質量％以下であることが望ましいと言える。

Claims

質量％で、Ｃが０．０５〜０．５０％、Ｓｉが０．５０〜２．００％、Ｍｎが０．５０〜１．５０％、Ｃｒが２０．００〜３０．００％、Ｍｏが１．５０〜５．５０％、Ｎｉが７．５０〜１２．００％、Ｆｅが１．００〜５．００％、残部がＣｏ及び不可避元素からなる溶接肉盛用Ｃｏ基合金。
Ｎｉが８．００〜１２．００質量％である請求項１に記載の溶接肉盛用Ｃｏ基合金。
不可避元素のＢが０．００１質量％以下である請求項１又は２に記載の溶接肉盛用Ｃｏ基合金。
上記請求項１〜３の何れかに記載の溶接肉盛用Ｃｏ基合金からなり、粒度が６３〜２５０μｍの範囲にある溶接肉盛用粉末。