JP2019136799A - Method for manufacturing tool material and tool material - Google Patents

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Abstract

To provide a method for efficiently improving other mechanical properties (flexural stress, toughness, impact resistance, and the like) without largely impairing abrasion resistance, high temperature softening resistance and the like of a build-up layer formed by a laser cladding method, and to provide a tool material in which a build-up layer of a high speed tool steel having excellent flexural stress, toughness, impact resistance, abrasion resistance, and the like is formed on the outermost surface of a comparatively inexpensive metal base material.SOLUTION: A method for manufacturing a tool material includes: a laser cladding step of irradiating a surface of a metal base material with a laser beam while supplying high-speed tool steel powder to the surface of the metal base material to form a build-up layer; a spheroidizing step of heating the build-up layer at 750-880°C; a quenching step of quenching the build-up layer subjected to the spheroidizing step; and a tempering step of tempering the build-up layer subjected to the quenching step.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、レーザクラッディング法を用いて金属基材の表面に高速度工具鋼の肉盛層を形成することによる、工具材の製造方法及び該製造方法で製造した工具材に関する。   The present invention relates to a tool material manufacturing method and a tool material manufactured by the manufacturing method by forming a built-up layer of high-speed tool steel on the surface of a metal substrate using a laser cladding method.

従来、表面処理技術の一つとして、金属基材の表面に当該金属基材とは異なる高硬度材料を肉盛りするこことにより、最表面の耐摩耗性等を向上させる技術が知られている。当該技術を用いた場合、高硬度材料を用いて形成した表面の肉盛層が摩耗しても、基材は元の形状を保持できるため、当該基材に対して再度同様の肉盛りを行うことで、繰り返し使用することが可能である。例えば、特許文献1(特開2013−176778号公報)には、肉盛りを行う手法として、レーザを用いて金属基材表面に高硬度の肉盛層を形成するレーザクラッディング法が開示されている。   Conventionally, as one of the surface treatment techniques, a technique for improving the wear resistance and the like of the outermost surface by embedding a high hardness material different from the metal base material on the surface of the metal base material is known. . When the technique is used, the base material can retain its original shape even if the surface build-up layer formed using a high-hardness material is worn. Therefore, it can be used repeatedly. For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-176778) discloses a laser cladding method for forming a high-hardness build-up layer on the surface of a metal substrate using a laser as a technique for performing the build-up. Yes.

ここで、肉盛りに用いる代表的な高硬度材料として、金属部材の高速切削等に用いられる高速度工具鋼を挙げることができる。例えば、特許文献2(特開2016−155155号公報)には、レーザクラッディング法を用いて金属基材の表面に対して高速度工具鋼を多層肉盛りする技術が開示されており、形成した肉盛層は、HIP(熱間等方圧加圧法)材と同等以上の硬度及び耐摩耗性が得られている。   Here, as a typical high-hardness material used for build-up, high-speed tool steel used for high-speed cutting of a metal member can be exemplified. For example, Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-155155) discloses a technique in which a high-speed tool steel is built up on the surface of a metal substrate using a laser cladding method. The build-up layer has a hardness and wear resistance equal to or higher than those of a HIP (hot isostatic pressing method) material.

特開2013−176778号公報JP 2013-176778 A 特開2016−155155号公報JP 2006-155155 A

しかしながら、レーザクラッディング法を用いた従来の肉盛りでは、肉盛層が急冷凝固組織となり、晶出炭化物が母材結晶粒界に偏析して曲げ応力の低下が発生するために用途が限られていた。加えて、高硬度のトレードオフとして靭性が低下することから、耐衝撃性を要求される用途にも適応することが困難であった。   However, in the conventional overlay using the laser cladding method, the build-up layer becomes a rapidly solidified structure, and crystallized carbides segregate at the crystal grain boundaries of the base material, resulting in a decrease in bending stress. It was. In addition, since the toughness is reduced as a trade-off for high hardness, it has been difficult to adapt to applications that require impact resistance.

以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、レーザクラッディング法で形成された肉盛層の耐摩耗性や高温軟化抵抗等を大きく損なうことなく、その他の機械的性質(曲げ応力、靭性、耐衝撃性等)を効率的に改善する方法を提供することにある。加えて、本発明は、比較的安価な金属基材の最表面に、優れた曲げ応力、靭性、耐衝撃性、耐摩耗性等を兼備する高速度工具鋼の肉盛層が形成された工具材を提供することも目的としている。   In view of the problems in the prior art as described above, the object of the present invention is to provide other mechanical properties without significantly degrading the wear resistance or high temperature softening resistance of the overlay layer formed by the laser cladding method ( It is to provide a method for efficiently improving bending stress, toughness, impact resistance and the like. In addition, the present invention provides a tool in which a built-up layer of high-speed tool steel having excellent bending stress, toughness, impact resistance, wear resistance, etc. is formed on the outermost surface of a relatively inexpensive metal base material. It also aims to provide materials.

本発明者らは、上記目的を達成すべく、レーザクラッディング法で形成された高速度工具鋼肉盛層の組織制御方法等について鋭意研究を重ねた結果、適当な温度範囲での熱処理を施すこと等が極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。   In order to achieve the above object, the present inventors conducted extensive research on the structure control method of the high-speed tool steel overlay formed by the laser cladding method, and as a result, performed heat treatment in an appropriate temperature range. This has been found to be extremely effective, and the present invention has been achieved.

即ち、本発明は、
金属基材の表面に高速度工具鋼粉末を供給しつつ、レーザビームを照射して肉盛層を形成させるレーザクラッディング工程と、
前記肉盛層を750〜880℃で熱処理する球状化焼鈍工程と、
前記球状化焼鈍工程を施した前記肉盛層を焼入れする焼入れ工程と、
前記焼入れ工程を施した前記肉盛層を焼戻しする焼戻し工程と、を有すること、
を特徴とする工具材の製造方法、を提供する。
That is, the present invention
A laser cladding step of forming a built-up layer by irradiating a laser beam while supplying high-speed tool steel powder to the surface of the metal substrate;
A spheroidizing annealing step of heat-treating the overlay layer at 750 to 880 ° C .;
A quenching step of quenching the overlay layer subjected to the spheroidizing annealing step;
A tempering step of tempering the overlay layer subjected to the quenching step,
A tool material manufacturing method characterized by the above.

レーザクラッディング法によって形成される肉盛層の金属組織は急冷凝固組織となり、高速度工具鋼粉末を原料とする場合はタングステン炭化物、クロム炭化物、バナジウム炭化物及びモリブデン炭化物等の晶出炭化物が母材結晶粒界に網目状に偏析してしまう。当該晶出炭化物の偏析は肉盛層の曲げ応力、靭性及び耐衝撃性等を低下させてしまうが、750〜880℃の温度域で熱処理を施すことによって、晶出炭化物を球状化すると共に、網目状の分布を分断することができる。   The metallographic structure of the built-up layer formed by the laser cladding method is a rapidly solidified structure. When high-speed tool steel powder is used as a raw material, crystallized carbides such as tungsten carbide, chromium carbide, vanadium carbide and molybdenum carbide are used as the base material. It segregates in a network form at the grain boundaries. While segregation of the crystallized carbide reduces the bending stress, toughness, impact resistance, etc. of the build-up layer, the crystallized carbide is spheroidized by heat treatment in a temperature range of 750 to 880 ° C. A mesh-like distribution can be divided.

また、本発明の工具材の製造方法においては、前記球状化焼鈍工程において、前記肉盛層を820〜880℃に保持した後、略750℃まで10〜50℃/時間の冷却速度で冷却し、その後、50〜150℃/時間の冷却速度で冷却すること、が好ましい。球状化焼鈍工程において、晶出炭化物の球状化及び網目状分布の分断を促進する観点からは、前記肉盛層の温度を775〜825℃とすることが好ましい。   Moreover, in the manufacturing method of the tool material of this invention, after hold | maintaining the said buildup layer at 820-880 degreeC in the said spheroidizing annealing process, it cools to about 750 degreeC with the cooling rate of 10-50 degreeC / hour. Then, it is preferable to cool at a cooling rate of 50 to 150 ° C./hour. In the spheroidizing annealing step, it is preferable that the temperature of the build-up layer is 775 to 825 ° C. from the viewpoint of promoting the spheroidization of the crystallized carbide and the division of the network distribution.

また、肉盛層を820〜880℃に保持した後、50〜150℃/時間の冷却速度で略750℃まで徐冷することで、基地組織を全面パーライト組織とすることができる。ここで、750℃には1時間程度保持することが好ましい。熱処理温度を炉温で管理する場合、炉温が750℃を示しても物温(肉盛層の温度)が追随できないことが想定されるが、750℃に1時間程度保持することで、肉盛層の温度を確実に750℃とすることができる。なお、最終的には50〜150℃/時間の冷却速度で冷却するが、例えば、炉冷することで当該冷却速度を簡便に実現することができる。   Moreover, after hold | maintaining an overlaying layer at 820-880 degreeC, a base structure can be made into a full pearlite structure | tissue by gradually cooling to about 750 degreeC with the cooling rate of 50-150 degreeC / hour. Here, it is preferable to hold at 750 ° C. for about 1 hour. When the heat treatment temperature is controlled by the furnace temperature, it is assumed that the material temperature (the temperature of the built-up layer) cannot follow even if the furnace temperature shows 750 ° C. However, by maintaining the temperature at 750 ° C. for about 1 hour, The temperature of the built-up layer can be reliably set to 750 ° C. In addition, although it cools finally with the cooling rate of 50-150 degreeC / hour, the said cooling rate is easily realizable by furnace cooling, for example.

また、本発明の工具材の製造方法においては、前記焼入れ工程の焼入れ温度を1120〜1190℃とすること、が好ましい。焼入れ温度を当該温度範囲とすることで、高速度工具鋼レーザ肉盛層に十分な硬度を付与しつつ、靭性を担保することができる。   Moreover, in the manufacturing method of the tool material of this invention, it is preferable that the quenching temperature of the said quenching process shall be 1120-1190 degreeC. By setting the quenching temperature in the temperature range, it is possible to ensure toughness while imparting sufficient hardness to the high-speed tool steel laser cladding layer.

また、本発明の工具材の製造方法においては、前記焼戻し工程の焼戻し温度を540〜570℃とすることが好ましく、略560℃とすることがより好ましい。焼戻し温度を肉盛層の焼戻し硬さが最高となる温度(ピーク温度)よりも低く設定した場合、得られる組織が不安定な状態となってしまうが、当該ピーク温度よりも高い温度で焼戻しを行うことで、安定した組織を得ることができる。また、前記焼戻し工程を3回以上繰り返すことで、より確実に安定した組織を得ることができる。   Moreover, in the manufacturing method of the tool material of this invention, it is preferable that the tempering temperature of the said tempering process shall be 540-570 degreeC, and it is more preferable to set it as about 560 degreeC. If the tempering temperature is set lower than the temperature (peak temperature) at which the tempering hardness of the built-up layer is the highest, the resulting structure will be unstable, but tempering is performed at a temperature higher than the peak temperature. By doing so, a stable tissue can be obtained. Moreover, a stable structure can be obtained more reliably by repeating the tempering step three times or more.

更に、本発明の工具材の製造方法においては、前記レーザクラッディング工程において、前記肉盛層を厚さ方向に2層以上形成させ、隣接する下部肉盛層と上部肉盛層の端部が同じ位置とならないようにすること、が好ましい。肉盛層を厚さ方向に2層以上形成させることで肉盛層の合計の厚さを任意に設定することができ、隣接する下部肉盛層と上部肉盛層の端部が同じ位置とならないようにすることで、当該肉盛層の剥離を抑制することができる。   Furthermore, in the method for manufacturing a tool material according to the present invention, in the laser cladding step, two or more layers of the build-up layer are formed in the thickness direction, and end portions of the adjacent lower build-up layer and upper build-up layer are formed. It is preferable not to be in the same position. By forming two or more overlay layers in the thickness direction, the total thickness of the overlay layer can be arbitrarily set, and the end portions of the adjacent lower overlay layer and the upper overlay layer are at the same position. By avoiding this, peeling of the overlay layer can be suppressed.

また、本発明は、
金属基材の表面に、高速度工具鋼のレーザ肉盛層が厚さ方向に2層以上形成し、
前記レーザ肉盛層の晶出炭化物が略球状で、母材結晶粒界に偏析していないこと、
を特徴とする工具材、も提供する。
The present invention also provides:
Two or more laser build-up layers of high-speed tool steel are formed in the thickness direction on the surface of the metal substrate,
The crystallized carbide of the laser build-up layer is substantially spherical and not segregated at the base material crystal grain boundary,
A tool material characterized by the above is also provided.

本発明の工具材においては、最表面が優れた高温軟化抵抗及び耐摩耗性を有する高速度工具鋼レーザ肉盛層となっており、当該レーザ肉盛層の晶出炭化物が略球状で、母材結晶粒界に偏析していないことから、高い曲げ応力及び耐衝撃性を有している。即ち、本発明の工具材は、種々の工具や耐摩耗部材等に用いることができ、レーザ肉盛層は広い領域に形成させることができることから、大型の部材としても好適に用いることができる。また、金属基材を安価な材料とすることで工具材の材料コストを低減することができ、例えば、レーザ肉盛層よりも優れた靭性等を有する金属基材を用いることで、工具材全体の信頼性等を向上させることもできる。   In the tool material of the present invention, the outermost surface is a high-speed tool steel laser cladding layer having excellent high-temperature softening resistance and wear resistance, and the crystallized carbide of the laser cladding layer is substantially spherical, Since it is not segregated at the material crystal grain boundaries, it has high bending stress and impact resistance. That is, the tool material of the present invention can be used for various tools, wear-resistant members, and the like, and since the laser cladding layer can be formed in a wide area, it can also be suitably used as a large member. In addition, the material cost of the tool material can be reduced by making the metal base material an inexpensive material. For example, the entire tool material can be obtained by using a metal base material having toughness superior to the laser cladding layer. It is also possible to improve the reliability and the like.

ここで、「晶出炭化物が略球状」とは、急冷凝固組織を有する一般的な高速度工具鋼肉盛層の結晶粒界に偏析する晶出炭化物と比較して、球状化が進行していることを意味している。また、「晶出炭化物が母材結晶粒界に偏析していない」とは、一般的な急冷凝固組織では結晶粒界に偏析する晶出炭化物が、結晶粒界のみではなく結晶粒内にも存在し、晶出炭化物同士の並びが分断されていることを意味している。その結果、晶出炭化物に沿った亀裂の伝播を抑制することができる。   Here, “crystallized carbide is almost spherical” means that spheroidization progresses compared to crystallized carbide that segregates at the grain boundaries of a general high-speed tool steel cladding layer having a rapidly solidified structure. It means that In addition, “crystallized carbide is not segregated at the crystal grain boundary of the base metal” means that crystallized carbide segregated at the crystal grain boundary in a general rapidly solidified structure is not only in the crystal grain boundary but also in the crystal grain. It means that the crystallized carbides are separated from each other. As a result, the propagation of cracks along the crystallized carbide can be suppressed.

金属基材は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の金属基材を用いることができるが、表面に形成させる高速度工具鋼レーザ肉盛層との密着性、希釈の抑制、機械的性質等の観点から、鋼材を用いることが好ましく、例えば、工具鋼や軸受鋼等を好適に用いることができる。   The metal substrate is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired, and various conventionally known metal substrates can be used, but the adhesion to the high-speed tool steel laser cladding layer formed on the surface is not limited. From the viewpoints of suppression of dilution, mechanical properties, and the like, it is preferable to use a steel material. For example, tool steel or bearing steel can be suitably used.

また、高速度工具鋼レーザ肉盛層を形成させる領域及び高速度工具鋼レーザ肉盛層の厚さは特に限定されず、金属基材表面の必要な領域のみに適当な厚さの高速度工具鋼レーザ肉盛層が形成されていればよい。   The thickness of the high-speed tool steel laser cladding layer and the thickness of the high-speed tool steel laser cladding layer are not particularly limited, and the high-speed tool having a thickness suitable only for the necessary region of the metal substrate surface. The steel laser overlaying layer should just be formed.

また、本発明の工具材においては、前記レーザ肉盛層において、隣接する下部レーザ肉盛層と上部レーザ肉盛層の端部が異なる位置となっていること、が好ましい。下部レーザ肉盛層と上部レーザ肉盛層の端部の位置が異なることで、各種応力の印加や熱衝撃等による肉盛層の剥離を抑制することができる。   Moreover, in the tool material of this invention, it is preferable in the said laser cladding layer that the edge part of an adjacent lower laser cladding layer and an upper laser cladding layer is a different position. Since the positions of the end portions of the lower laser build-up layer and the upper laser build-up layer are different, peeling of the build-up layer due to application of various stresses or thermal shock can be suppressed.

また、本発明の工具材においては、前記レーザ肉盛層の曲げ応力が2500MPa以上であること、が好ましい。本質的に高温軟化抵抗や耐摩耗特性に優れた高速度工具鋼レーザ肉盛層が2500MPa以上の曲げ応力を有することで、肉盛層に大きな応力が印加される用途でも本発明の工具材を好適に利用することができる。   Moreover, in the tool material of this invention, it is preferable that the bending stress of the said laser cladding layer is 2500 Mpa or more. The high-speed tool steel laser cladding layer, which is essentially excellent in high-temperature softening resistance and wear resistance, has a bending stress of 2500 MPa or more, so that the tool material of the present invention can be used even in applications where large stress is applied to the cladding layer. It can be suitably used.

更に、本発明の工具材においては、前記金属基材が円柱状であること、が好ましい。円柱状の金属基材の最表面を高速度工具鋼レーザ肉盛層とすることで、例えば、本発明の工具材を圧延ロールとして用いることができる。   Furthermore, in the tool material of this invention, it is preferable that the said metal base material is a column shape. By making the outermost surface of a cylindrical metal base material into a high-speed tool steel laser cladding layer, for example, the tool material of the present invention can be used as a rolling roll.

また、本発明の工具材においては、前記肉盛層の硬度が850HV以上であること、が好ましい。肉盛層の硬度が850HV以上となっていることで、工具材を種々の切削工具や耐摩耗部材等に使用することができる。   Moreover, in the tool material of this invention, it is preferable that the hardness of the said build-up layer is 850 HV or more. When the build-up layer has a hardness of 850 HV or higher, the tool material can be used for various cutting tools, wear-resistant members, and the like.

なお、本発明の工具材は、本発明の工具材の製造方法を用いて好適に製造することができる。   In addition, the tool material of this invention can be suitably manufactured using the manufacturing method of the tool material of this invention.

本発明によれば、レーザクラッディング法で形成された肉盛層の耐摩耗性や高温軟化抵抗等を大きく損なうことなく、その他の機械的性質(曲げ応力、靭性、耐衝撃性等)を効率的に改善する方法を提供することができる。加えて、本発明は、比較的安価な金属基材の最表面に、優れた曲げ応力、靭性、耐衝撃性、耐摩耗性等を有する高速度工具鋼の肉盛層が形成された工具材を提供することができる。   According to the present invention, other mechanical properties (bending stress, toughness, impact resistance, etc.) can be efficiently achieved without significantly degrading the wear resistance and high-temperature softening resistance of the cladding layer formed by the laser cladding method. Can be provided. In addition, the present invention provides a tool material in which a built-up layer of high-speed tool steel having excellent bending stress, toughness, impact resistance, wear resistance, etc. is formed on the outermost surface of a relatively inexpensive metal substrate. Can be provided.

本発明の工具材の製造方法の工程図である。It is process drawing of the manufacturing method of the tool material of this invention. 熱処理工程前における肉盛層の金属組織の模式図である。It is a schematic diagram of the metal structure of the built-up layer before the heat treatment process. 熱処理工程後における肉盛層の金属組織の模式図である。It is a schematic diagram of the metal structure of the built-up layer after the heat treatment process. 本発明の工具材の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the tool material of this invention. 本発明の工具材(熱延用ロール)の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the tool material (roll for hot rolling) of this invention. 本発明の工具材(棒鋼・線材用ロール)の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the tool material (roll for steel bars and wire rods) of the present invention. 本発明の工具材(分塊・鋼片用ロール)の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the tool material (roll for a lump and a steel piece) of this invention. 実施工具材の断面マクロ写真である。It is a cross-sectional macro photograph of an implementation tool material. 実施例及び比較例で得られた肉盛層及び焼結体のビッカース硬度を示すグラフである。It is a graph which shows the Vickers hardness of the build-up layer and sintered compact which were obtained by the Example and the comparative example. 実施工具材の熱処理前における肉盛層の組織写真である。It is a structure | tissue photograph of the built-up layer before heat processing of the implementation tool material. 実施工具材の熱処理後における肉盛層の組織写真である。It is a structure | tissue photograph of the built-up layer after the heat processing of the implementation tool material. 肉盛層及び焼結体の曲げ応力(抗折力)を示すグラフである。It is a graph which shows the bending stress (bending strength) of an overlaying layer and a sintered compact. 肉盛層及び焼結体の耐摩耗性を示すグラフである。It is a graph which shows the abrasion resistance of a building-up layer and a sintered compact.

以下、図1〜4を参照しながら、本発明の工具材の製造方法及び工具材における代表的な実施形態を詳細に説明する。但し、本発明は図示されるものに限られるものではなく、各図面は本発明を概念的に説明するためのものであるから、理解容易のために必要に応じて比や数を誇張又は簡略化して表している場合もある。更に、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。   Hereinafter, with reference to FIGS. 1-4, the manufacturing method of the tool material of this invention and the typical embodiment in a tool material are demonstrated in detail. However, the present invention is not limited to what is shown in the drawings, and each drawing is for conceptual description of the present invention, and therefore, ratios and numbers are exaggerated or simplified as necessary for easy understanding. In some cases, it is expressed in a form. Further, in the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.

1.工具材の製造方法
図1に本発明の工具材の製造方法の工程図を示す。本発明の工具材の製造方法は、必須の工程として、レーザクラッディング工程(S01)と、球状化焼鈍工程(S02)と、焼入れ工程(S03)と、焼戻し工程(S04)と、を有している。
1. Tool Material Manufacturing Method FIG. 1 is a process diagram of a tool material manufacturing method of the present invention. The manufacturing method of the tool material of the present invention includes a laser cladding step (S01), a spheroidizing annealing step (S02), a quenching step (S03), and a tempering step (S04) as essential steps. ing.

(1)レーザクラッディング工程(S01)
レーザクラッディング工程(S01)は、金属基材の表面に高速度工具鋼粉末を供給しつつ、レーザビームを照射して肉盛層を形成させるための工程である。なお、高速度工具鋼粉末には、一部の組成を異にした複数種が存在するが、耐摩耗性や靭性等の要求される特性に応じて適宜選択すればよい。
(1) Laser cladding process (S01)
The laser cladding step (S01) is a step for forming a built-up layer by irradiating a laser beam while supplying high-speed tool steel powder to the surface of the metal substrate. There are a plurality of types of high-speed tool steel powders having different compositions, but these may be appropriately selected according to required characteristics such as wear resistance and toughness.

本発明の工具材の製造方法で用いるレーザクラッディングは、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々のレーザクラッディング法を用いることができる。レーザクラッディング法は、金属基材の表面に粒径が統一された微細な金属粉末をレーザの照射領域に供給し、当該金属基材の上に肉盛層を一体的に形成する表面処理法であって、切断工具や圧延工具等の、製作段階の中間体である工具材の製作にも利用されている。   The laser cladding used in the method for producing a tool material of the present invention is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired, and various conventionally known laser cladding methods can be used. The laser cladding method is a surface treatment method in which a fine metal powder with a uniform particle size is supplied to the surface of a metal substrate to a laser irradiation region, and a built-up layer is integrally formed on the metal substrate. However, it is also used for the production of tool materials that are intermediates in the production stage, such as cutting tools and rolling tools.

当該レーザクラッディング法では、レーザ光源から射出されたレーザビームを集光させて局所的な入熱を行うことにより金属粉末を溶融するため、肉盛層は急速溶融及び急冷凝固により形成される。また、基材に対する熱ひずみや熱影響部を少なくし、基材と形成した肉盛層とにおける希釈率を低減することが可能である。更に、レーザビーム及び金属粉末を射出するトーチ部はプログラムによるロボット制御が可能であり、肉盛層の形成場所及び形状を比較的正確にコントロールすることができるため、金属部材の一部分に発生したクラック等の補修にも好適に用いることができる。   In the laser cladding method, the laser beam emitted from the laser light source is condensed and the metal powder is melted by performing local heat input, so that the overlay layer is formed by rapid melting and rapid solidification. Moreover, it is possible to reduce the thermal strain with respect to a base material and a heat affected zone, and to reduce the dilution rate in a base material and the built-up layer formed. Furthermore, the laser beam and the torch that injects the metal powder can be controlled by a robot, and the formation location and shape of the build-up layer can be controlled relatively accurately. It can also be suitably used for repairs.

レーザクラッディングでは、適当な組成及び粒度分布等を有する高速度工具鋼粉末を原料として用い、形成させる肉盛層のサイズ及び特性等に応じて適宜プロセス条件を最適化すればよいが、直径50〜150μmの高速度工具鋼粉末を用いることが好ましい。また、金属基材も本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の金属基材を用いることができるが、表面に形成させる高速度工具鋼肉盛層との密着性、希釈の抑制、機械的性質等の観点から、鋼材を用いることが好ましく、工具鋼や軸受鋼等を好適に用いることができる。より具体的には、例えば、中炭素鋼材(S45C等)、クロムモリブデン鋼鋼材、合金工具鋼鋼材、高炭素クロム軸受鋼鋼材等を用いることができる。   In laser cladding, a high-speed tool steel powder having an appropriate composition and particle size distribution is used as a raw material, and the process conditions may be optimized as appropriate depending on the size and characteristics of the built-up layer to be formed. It is preferable to use a high-speed tool steel powder of ˜150 μm. Further, the metal substrate is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired, and various conventionally known metal substrates can be used, but the adhesion to the high-speed tool steel overlay layer formed on the surface is also possible. In view of suppression of dilution, mechanical properties, and the like, it is preferable to use a steel material, and tool steel, bearing steel, and the like can be suitably used. More specifically, for example, medium carbon steel (S45C or the like), chrome molybdenum steel, alloy tool steel, high carbon chrome bearing steel, or the like can be used.

ここで、レーザクラッディング工程(S01)では、レーザビームの直線移動及び所定の間隔による並行移動、更に全体を複数回往復させることで略面状の多層肉盛層を形成させることが基本であるが、これに限定されるものではなく、例えば直線移動のみを所定回数繰り返して肉盛り部を形成してもよく、直線移動や曲線移動を組み合わせ、更にこれを所定回数繰り返してもよい。   Here, in the laser cladding step (S01), it is fundamental to form a substantially planar multi-layered layer by linearly moving the laser beam and moving it parallel at a predetermined interval, and further reciprocating the whole multiple times. However, the present invention is not limited to this. For example, only the linear movement may be repeated a predetermined number of times to form the build-up portion, or the linear movement or the curve movement may be combined, and this may be repeated a predetermined number of times.

更に、レーザクラッディング工程(S01)では、肉盛層を厚さ方向に2層以上形成させ、隣接する下部肉盛層と上部肉盛層の端部が同じ位置とならないようにすること、が好ましい。肉盛層を厚さ方向に2層以上形成させることで肉盛層の合計の厚さを任意に設定することができ、隣接する下部肉盛層と上部肉盛層の端部が同じ位置とならないようにすることで、当該肉盛層の剥離を抑制することができる。   Furthermore, in the laser cladding step (S01), two or more overlay layers are formed in the thickness direction so that the end portions of the adjacent lower overlay layer and the upper overlay layer are not in the same position. preferable. By forming two or more overlay layers in the thickness direction, the total thickness of the overlay layer can be arbitrarily set, and the end portions of the adjacent lower overlay layer and the upper overlay layer are at the same position. By avoiding this, peeling of the overlay layer can be suppressed.

(2)球状化焼鈍工程(S02)
球状化焼鈍工程(S02)は、レーザクラッディング工程(S01)で形成させた肉盛層に対して晶出炭化物を球状化及び均一分散させるための熱処理を施す工程である。
(2) Spheroidizing annealing process (S02)
The spheroidizing annealing step (S02) is a step of performing a heat treatment for spheroidizing and uniformly dispersing the crystallized carbide on the build-up layer formed in the laser cladding step (S01).

レーザクラッディング工程(S01)によって形成される肉盛層の金属組織は急冷凝固組織となり、高速度工具鋼粉末を原料とする場合はタングステン炭化物、クロム炭化物、バナジウム炭化物及びモリブデン炭化物等の晶出炭化物が母材結晶粒界に網目状に偏析してしまう。当該晶出炭化物の偏析は肉盛層の曲げ応力、靭性及び耐衝撃性等を低下させてしまうが、750〜880℃の温度域で熱処理を施すことによって、晶出炭化物が球状化すると共に、網目状の分布が分断される。   The metallographic structure of the built-up layer formed by the laser cladding step (S01) becomes a rapidly solidified structure. When high-speed tool steel powder is used as a raw material, crystallized carbides such as tungsten carbide, chromium carbide, vanadium carbide and molybdenum carbide Will segregate in the form of meshes at the base crystal grain boundaries. Segregation of the crystallized carbide reduces the bending stress, toughness, impact resistance, etc. of the build-up layer, but by performing a heat treatment in the temperature range of 750 to 880 ° C., the crystallized carbide becomes spheroidized, The mesh-like distribution is divided.

また、本発明の工具材の製造方法においては、前記球状化焼鈍工程において、前記肉盛層を820〜880℃に保持した後、略750℃まで10〜50℃/時間の冷却速度で冷却し、その後、50〜150℃/時間の冷却速度で冷却すること、が好ましい。球状化焼鈍工程において、晶出炭化物の球状化及び網目状分布の分断を促進する観点からは、前記肉盛層の温度を775〜825℃とすることが好ましい。   Moreover, in the manufacturing method of the tool material of this invention, after hold | maintaining the said buildup layer at 820-880 degreeC in the said spheroidizing annealing process, it cools to about 750 degreeC with the cooling rate of 10-50 degreeC / hour. Then, it is preferable to cool at a cooling rate of 50 to 150 ° C./hour. In the spheroidizing annealing step, it is preferable that the temperature of the build-up layer is 775 to 825 ° C. from the viewpoint of promoting the spheroidization of the crystallized carbide and the division of the network distribution.

図2及び図3に、球状化焼鈍工程(S02)前後における肉盛層の金属組織の模式図を示す。球状化焼鈍工程(S02)の前においては、肉盛層は母材結晶粒2の粒界に晶出炭化物4が網目状に偏析した状態となっている。また、多くの晶出炭化物4は扁平形状となっている。これに対し、球状化焼鈍工程(S02)を施すことによって、晶出炭化物4が母材結晶粒2の粒内にも分散し、明確な網目状のネットワーク構造が消失する。加えて、熱処理によって晶出炭化物4の形状は球状化が進行する。   In FIG.2 and FIG.3, the schematic diagram of the metal structure of the overlaying layer before and behind a spheroidizing annealing process (S02) is shown. Prior to the spheroidizing annealing step (S02), the build-up layer is in a state where the crystallized carbide 4 is segregated in a network shape at the grain boundaries of the base material crystal grains 2. Many crystallized carbides 4 have a flat shape. On the other hand, by performing the spheroidizing annealing step (S02), the crystallized carbide 4 is dispersed in the base material crystal grains 2 and the clear network structure disappears. In addition, the crystallized carbide 4 is spheroidized by heat treatment.

晶出炭化物4の分布状況及び形状の変化は、775〜825℃の温度範囲における熱処理によって効率的に得られ、特に略800℃における熱処理で顕著である。熱処理の温度を775℃超825℃未満とすることで、急冷凝固組織となっている高速度工具鋼基材の金属組織に関し、母材結晶粒界に網目状に偏析する晶出炭化物を球状化することができると共に、網目状の分布を分断することができる。当該晶出炭化物の変化によって、靭性及び耐衝撃性等を改善することができる。なお、本発明者らは急冷凝固組織を有する高速度工具鋼レーザ肉盛層に対する熱処理条件を詳細に検討した結果、当該温度範囲を見出したものである。   The distribution state and shape change of the crystallized carbide 4 are efficiently obtained by heat treatment in the temperature range of 775 to 825 ° C., and are particularly remarkable in the heat treatment at about 800 ° C. By making the temperature of the heat treatment more than 775 ° C. and less than 825 ° C., the crystallized carbides segregated in a network form at the base crystal grain boundaries are spheroidized with respect to the metal structure of the high-speed tool steel base material that is a rapidly solidified structure. And the mesh distribution can be divided. The change in the crystallized carbide can improve toughness and impact resistance. In addition, the present inventors discovered the said temperature range, as a result of examining in detail the heat processing conditions with respect to the high-speed tool steel laser cladding layer which has a rapidly solidified structure.

球状化焼鈍工程(S02)における熱処理時間は、30分以上とすることが好ましい。熱処理の保持時間を30分以上とすることで、網目状に偏析した晶出炭化物4の分断を十分に進行させることができる。その結果、高速度工具鋼レーザ肉盛層の曲げ応力、靭性及び耐衝撃性等を改善することができる。なお、より好ましい保持時間は1時間以上であり、最も好ましい保持時間は3時間以上である。   The heat treatment time in the spheroidizing annealing step (S02) is preferably 30 minutes or more. By setting the heat treatment holding time to 30 minutes or longer, the separation of the crystallized carbide 4 segregated in a network can be sufficiently advanced. As a result, the bending stress, toughness, impact resistance, etc. of the high-speed tool steel laser cladding layer can be improved. In addition, a more preferable holding time is 1 hour or more, and the most preferable holding time is 3 hours or more.

また、高速度工具鋼レーザ肉盛層を820〜880℃に保持した後は、略750℃まで10〜50℃/時間の冷却速度で冷却し、その後、50〜150℃/時間の冷却速度で冷却すること、が好ましい。球状化焼鈍工程において、晶出炭化物4の球状化及び網目状分布の分断を促進する観点からは、前記肉盛層の温度を775〜825℃とすることが好ましい。   Moreover, after hold | maintaining a high-speed tool steel laser build-up layer at 820-880 degreeC, it cools with the cooling rate of 10-50 degreeC / hour to about 750 degreeC, and then with the cooling rate of 50-150 degreeC / hour. It is preferable to cool. In the spheroidizing annealing step, it is preferable that the temperature of the build-up layer is 775 to 825 ° C. from the viewpoint of promoting the spheroidization of the crystallized carbide 4 and the division of the network distribution.

また、肉盛層を820〜880℃に保持した後、50〜150℃/時間の冷却速度で略750℃まで徐冷することで、基地組織を全面パーライト組織とすることができる。ここで、750℃には1時間程度保持することが好ましい。熱処理温度を炉温で管理する場合、炉温が750℃を示しても物温(肉盛層の温度)が追随できないことが想定されるが、750℃に1時間程度保持することで、肉盛層の温度を確実に750℃とすることができる。なお、最終的には50〜150℃/時間の冷却速度で冷却するが、炉冷することで当該冷却速度を簡便に実現することができる。   Moreover, after hold | maintaining an overlaying layer at 820-880 degreeC, a base structure can be made into a full pearlite structure | tissue by gradually cooling to about 750 degreeC with the cooling rate of 50-150 degreeC / hour. Here, it is preferable to hold at 750 ° C. for about 1 hour. When the heat treatment temperature is controlled by the furnace temperature, it is assumed that the material temperature (the temperature of the built-up layer) cannot follow even if the furnace temperature shows 750 ° C. However, by maintaining the temperature at 750 ° C. for about 1 hour, The temperature of the built-up layer can be reliably set to 750 ° C. In addition, although it cools finally with the cooling rate of 50-150 degreeC / hour, the said cooling rate is simply realizable by furnace-cooling.

熱処理の加熱手段には、熱処理炉や熱処理槽等を用いることができるが、酸化を防止する観点から、不活性ガス雰囲気や減圧・真空下で行うことが好ましい。また、必ずしも高速度工具鋼レーザ肉盛層の全体に対して球状化焼鈍を目的とした熱処理を施す必要はなく、例えば、部分的に熱処理を施す場合はレーザ照射や高周波加熱等を用いることができる。これらの方法で加熱を行うことにより、熱処理炉等の大型設備を別途準備する必要がなく、レーザ照射の場合はレーザクラッディング用のレーザ照射装置を用いることができる。また、所望の領域のみに熱処理を施すことができ、熱処理に必要なエネルギー消費量を低減することができる。加えて、レーザ照射や高周波加熱の位置は容易に制御することができ、圧延ロール等の大型部材に対しても容易に熱処理を施すことができる。   As a heating means for the heat treatment, a heat treatment furnace, a heat treatment tank, or the like can be used, but from the viewpoint of preventing oxidation, it is preferably performed in an inert gas atmosphere or under reduced pressure / vacuum. Further, it is not always necessary to perform heat treatment for the purpose of spheroidizing annealing on the entire high-speed tool steel laser cladding layer. For example, in the case of performing partial heat treatment, laser irradiation or high-frequency heating may be used. it can. By heating by these methods, it is not necessary to separately prepare a large facility such as a heat treatment furnace, and in the case of laser irradiation, a laser irradiation apparatus for laser cladding can be used. In addition, heat treatment can be performed only on a desired region, and energy consumption necessary for the heat treatment can be reduced. In addition, the position of laser irradiation and high-frequency heating can be easily controlled, and heat treatment can be easily performed on large members such as rolling rolls.

レーザ照射を用いた熱処理の具体的な方法としては、肉盛層の熱処理を施す領域が上記所定温度を保持できるよう、レーザの出力及びフォーカス等のパラメータを最適化し、対象領域にレーザを所定時間照射することにより加熱を行う。   As a specific method of heat treatment using laser irradiation, parameters such as laser output and focus are optimized so that the region to be heat-treated of the built-up layer can maintain the predetermined temperature, and the laser is applied to the target region for a predetermined time. Heating is performed by irradiation.

なお、対象とする領域の面積が広く、照射範囲を最も広域としたフォーカス設定を用いても表面全域にレーザ照射が行えない場合は、レーザの走査速度を最適化したうえでレーザ照射範囲を移動又は当該移動の繰り返しを行うことにより、対象とする全領域を走査する。この場合は、レーザ照射域と非レーザ照射域とで入熱量に差異が発生するが、対象領域の全域が上記所定温度を保持できる走査速度及びフォーカス設定を用いることにより、熱処理条件を満足することができる。   If the target area is large and the laser irradiation cannot be performed on the entire surface even if the focus setting with the widest irradiation range is used, the laser irradiation range is moved after the laser scanning speed is optimized. Alternatively, the entire region of interest is scanned by repeating the movement. In this case, there is a difference in heat input between the laser irradiation region and the non-laser irradiation region, but the heat treatment conditions must be satisfied by using the scanning speed and focus setting that can maintain the predetermined temperature throughout the target region. Can do.

(3)焼入れ工程(S03)
焼入れ工程(S03)は、球状化焼鈍工程(S02)によって晶出炭化物4の形状及び分散状況を改善した高速度工具鋼レーザ肉盛層に対して焼入れを施す工程である。
(3) Quenching process (S03)
The quenching step (S03) is a step of quenching the high-speed tool steel laser cladding layer in which the shape and dispersion state of the crystallized carbide 4 are improved by the spheroidizing annealing step (S02).

焼入れ温度は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、高速度工具鋼に関して従来公知の適当な温度を用いることができるが、1120〜1190℃とすることが好ましい。焼入れ温度を当該温度範囲とすることで、高速度工具鋼レーザ肉盛層の硬度を十分に上昇させることができると共に、靭性を担保することができる。   The quenching temperature is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired, and a conventionally known appropriate temperature can be used for the high-speed tool steel, but it is preferably 1120 to 1190 ° C. By setting the quenching temperature in the temperature range, the hardness of the high-speed tool steel laser overlay layer can be sufficiently increased, and toughness can be ensured.

(4)焼戻し工程(S04)
焼戻し工程(S04)は、焼入れ工程(S03)を施した高速度工具鋼レーザ肉盛層の硬度を調整することに加え、組織の安定化を図るための工程である。
(4) Tempering step (S04)
The tempering step (S04) is a step for stabilizing the structure in addition to adjusting the hardness of the high-speed tool steel laser cladding layer subjected to the quenching step (S03).

ここで、焼戻し温度は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、高速度工具鋼に関して従来公知の適当な温度を用いることができるが、540〜570℃とすることが好ましく、略560℃とすることがより好ましい。焼戻し温度を肉盛層の焼戻し硬さが最高となる温度(ピーク温度)よりも低く設定した場合、得られる組織が不安定な状態となってしまうが、当該ピーク温度よりも高い温度で焼戻しを行うことで、安定した組織を得ることができる。また、前記焼戻し工程を3回以上繰り返すことで、より確実に安定した組織を得ることができる。   Here, the tempering temperature is not particularly limited as long as the effect of the present invention is not impaired, and a conventionally known appropriate temperature can be used for the high-speed tool steel, but it is preferably 540 to 570 ° C. More preferably, the temperature is set to 560 ° C. If the tempering temperature is set lower than the temperature (peak temperature) at which the tempering hardness of the built-up layer is the highest, the resulting structure will be unstable, but tempering is performed at a temperature higher than the peak temperature. By doing so, a stable tissue can be obtained. Moreover, a stable structure can be obtained more reliably by repeating the tempering step three times or more.

2.工具材
図4に本発明の工具材の概略断面図を示す。本発明の工具材10は、金属基材12の表面に高速度工具鋼レーザ肉盛層14が形成し、高速度工具鋼レーザ肉盛層14の晶出炭化物4は略球状で、母材結晶2の粒界に偏析していないこと、を特徴とするものである。
2. Tool Material FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of the tool material of the present invention. In the tool material 10 of the present invention, a high-speed tool steel laser build-up layer 14 is formed on the surface of a metal substrate 12, and the crystallized carbide 4 of the high-speed tool steel laser build-up layer 14 is substantially spherical and has a base crystal. 2 is not segregated at the grain boundaries.

高速度工具鋼レーザ肉盛層14の金属組織は図3で説明した通りであり、晶出炭化物4が母材結晶粒2の粒内にも分散し、晶出炭化物4の明確な網目状のネットワーク構造が消失している。加えて晶出炭化物4は球状化が進行し、略球状の晶出炭化物4が含まれている。   The metal structure of the high-speed tool steel laser build-up layer 14 is as described with reference to FIG. 3, and the crystallized carbide 4 is dispersed in the base crystal grain 2, and the crystallized carbide 4 has a clear network shape. The network structure is lost. In addition, the crystallized carbide 4 is spheroidized and contains a substantially spherical crystallized carbide 4.

晶出炭化物4が母材結晶粒2の粒界に偏析すると、曲げ応力の低下及び隣接する母材結晶粒の結合力が低下するため、クラック発生時は母材結晶粒界に沿ってクラックが進展するが、晶出炭化物4の分散により隣接する母材結晶粒2の結合力が改善されるため、クラック及び剥離等の進展を抑制することができる。   When the crystallized carbide 4 segregates at the grain boundaries of the base crystal grains 2, the bending stress decreases and the bonding strength of the adjacent base crystal grains decreases, so that when cracks occur, cracks are generated along the base crystal grain boundaries. Although it progresses, since the bonding strength of the adjacent base crystal grains 2 is improved by the dispersion of the crystallized carbide 4, it is possible to suppress the progress of cracks and peeling.

また、高速度工具鋼レーザ肉盛層14の曲げ応力が2500MPa以上であること、が好ましい。本質的に高温軟化抵抗や耐摩耗特性に優れた高速度工具鋼レーザ肉盛層14が2500MPa以上の曲げ応力を有することで、肉盛層に大きな応力が印加される用途でも本発明の工具材を好適に利用することができる。   Moreover, it is preferable that the bending stress of the high-speed tool steel laser cladding layer 14 is 2500 MPa or more. The tool material of the present invention is used even in applications in which a large stress is applied to the build-up layer because the high-speed tool steel laser build-up layer 14 having essentially high temperature softening resistance and wear resistance has a bending stress of 2500 MPa or more. Can be suitably used.

高速度工具鋼レーザ肉盛層14の硬度は850HV以上であることが好ましい。肉盛層の硬度が850HV以上となっていることで、工具材を種々の切削工具や耐摩耗部材等に使用することができる。   The hardness of the high-speed tool steel laser cladding layer 14 is preferably 850 HV or higher. When the build-up layer has a hardness of 850 HV or higher, the tool material can be used for various cutting tools, wear-resistant members, and the like.

また、高速度工具鋼レーザ肉盛層14は多層肉盛層であること、が好ましい。多層肉盛層は、例えばレーザクラッディング法を用いて形成させることができ、1パスのレーザクラッディングで形成する肉盛層を水平方向及び/又は垂直方向に連続形成させることで得ることができる。高速度工具鋼レーザ肉盛層14を多層肉盛層とすることで、形成させる面積や厚さを容易に制御することができる。   Moreover, it is preferable that the high-speed tool steel laser cladding layer 14 is a multilayer cladding layer. The multi-layered overlay layer can be formed by using, for example, a laser cladding method, and can be obtained by continuously forming a build-up layer formed by one-pass laser cladding in the horizontal direction and / or the vertical direction. . By making the high-speed tool steel laser cladding layer 14 into a multilayer cladding layer, the area and thickness to be formed can be easily controlled.

また、本発明の工具材においては、前記レーザ肉盛層において、隣接する下部レーザ肉盛層と上部レーザ肉盛層の端部が異なる位置となっていること、が好ましい。下部レーザ肉盛層と上部レーザ肉盛層の端部の位置が異なることで、各種応力の印加や熱衝撃等による肉盛層の剥離を抑制することができる。   Moreover, in the tool material of this invention, it is preferable in the said laser cladding layer that the edge part of an adjacent lower laser cladding layer and an upper laser cladding layer is a different position. Since the positions of the end portions of the lower laser build-up layer and the upper laser build-up layer are different, peeling of the build-up layer due to application of various stresses or thermal shock can be suppressed.

更に、金属基材12は円柱状であることが好ましい。円柱状の金属基材12の表面に高速度工具鋼レーザ肉盛層14が形成されていることで、工具材10を圧延ロールとして好適に用いることができる。また、高速度工具鋼レーザ肉盛層14が破損等した場合には、レーザクラッディングによって再生補修することも可能である。   Furthermore, the metal substrate 12 is preferably cylindrical. Since the high-speed tool steel laser cladding layer 14 is formed on the surface of the cylindrical metal substrate 12, the tool material 10 can be suitably used as a rolling roll. Further, when the high-speed tool steel laser build-up layer 14 is damaged or the like, it can be repaired by laser cladding.

高速度工具鋼レーザ肉盛層14の原料には高速度工具鋼粉末が使用される。当該高速度工具鋼粉末には一部の組成を異にした複数種が存在するが、耐摩耗性や靭性等の要求される特性に応じて適宜選択すればよい。また、金属基材12も本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の金属基材を用いることができるが、表面に形成させる高速度工具鋼レーザ肉盛層14との密着性、希釈の抑制、機械的性質等の観点から、鋼材を用いることが好ましく、工具鋼や軸受鋼等を好適に用いることができる。より具体的には、例えば、中炭素鋼材(S45C等)、クロムモリブデン鋼鋼材、合金工具鋼鋼材、高炭素クロム軸受鋼鋼材等を用いることができる。   High-speed tool steel powder is used as a raw material for the high-speed tool steel laser cladding layer 14. The high-speed tool steel powder includes a plurality of types having different compositions, and may be appropriately selected according to required characteristics such as wear resistance and toughness. The metal base 12 is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired, and various conventionally known metal bases can be used. However, the high-speed tool steel laser cladding layer 14 formed on the surface and the metal base 12 can be used. From the viewpoints of adhesion, suppression of dilution, mechanical properties, etc., steel materials are preferably used, and tool steel, bearing steel, and the like can be suitably used. More specifically, for example, medium carbon steel (S45C or the like), chrome molybdenum steel, alloy tool steel, high carbon chrome bearing steel, or the like can be used.

本発明の工具材は、従来のHIP(熱間等方圧加圧法)ではサイズが大きすぎる用途や経済的に割が合わない用途に適用することができる。加えて、例えば、高速度工具鋼レーザ肉盛層14を有する円柱状の工具材を大型の圧延ロール等に適用することで、極めて経済的なビジネスモデルを構築することができる。   The tool material of the present invention can be applied to uses that are too large in size or economically unappropriate with conventional HIP (hot isostatic pressing). In addition, for example, an extremely economical business model can be constructed by applying a cylindrical tool material having the high-speed tool steel laser cladding layer 14 to a large rolling roll or the like.

工具材10を用いた代表的なロールの断面図を図5〜図7に示す。図5は熱延用ロール、図6は棒鋼・線材用ロール、図7は分塊・鋼片用ロールをそれぞれ示している。各ロールにおいて、被加工材が当接する金属基材12の表面には高速度工具鋼レーザ肉盛層14が形成されており、十分な曲げ応力、靭性、耐衝撃性及び耐摩耗性が担保されている。   Sectional drawing of the typical roll using the tool material 10 is shown in FIGS. FIG. 5 shows a hot-rolling roll, FIG. 6 shows a steel bar / wire roll, and FIG. 7 shows a shard / steel roll. In each roll, a high-speed tool steel laser cladding layer 14 is formed on the surface of the metal base 12 with which the work material comes into contact, and sufficient bending stress, toughness, impact resistance and wear resistance are ensured. ing.

また、これらのロールは表面の必要とされる領域のみに高速度工具鋼レーザ肉盛層14が形成されていることから比較的に安価であることに加えて、使用によって破損・摩耗等するのは高速度工具鋼レーザ肉盛層14であり、破損・摩耗等した領域の高速度工具鋼レーザ肉盛層14を再生補修することで再使用が可能である。その結果、鋳造によって製造したロールを使用する場合と比較して、大幅な省エネルギー、省資源及び低環境負荷を達成することができる。   These rolls are not only relatively inexpensive because the high-speed tool steel laser build-up layer 14 is formed only in the required area of the surface, but they are damaged and worn by use. Is a high-speed tool steel laser cladding layer 14 that can be reused by repairing the high-speed tool steel laser cladding layer 14 in a damaged or worn region. As a result, significant energy saving, resource saving, and low environmental load can be achieved as compared with the case of using a roll manufactured by casting.

ここで、本発明の工具材においては任意の領域に高速度工具鋼レーザ肉盛層14が形成されていることから、高速度工具鋼レーザ肉盛層の原料粉末の選定等によって、高速度工具鋼レーザ肉盛層14の硬度及び硬度分布を適宜調整することができる。例えば、図6に示す棒鋼・線材用ロールの高速度工具鋼レーザ肉盛層14について、被加工材との相互作用による摩耗の程度に応じて、領域毎に硬度を調整することができる。一般的には、底面と側面の境界領域の摩耗が顕著になることから、当該領域をより高硬度とすることが好ましい。   Here, in the tool material of the present invention, since the high-speed tool steel laser cladding layer 14 is formed in an arbitrary region, the high-speed tool steel is selected by selecting the raw material powder of the high-speed tool steel laser cladding layer. The hardness and hardness distribution of the steel laser cladding layer 14 can be adjusted as appropriate. For example, the hardness of the high-speed tool steel laser overlay layer 14 of the steel bar / wire roll shown in FIG. 6 can be adjusted for each region depending on the degree of wear due to interaction with the workpiece. Generally, since the wear of the boundary region between the bottom surface and the side surface becomes remarkable, it is preferable that the region has a higher hardness.

また、例えば、図7に示す分塊・鋼片用ロールにおいては、高速度工具鋼レーザ肉盛層14毎に異なる原料粉末を用い、各高速度工具鋼レーザ肉盛層に適当な機械的性質を付与することもできる。具体的には、例えば、ロール軸の進行方向に対して、高速度工具鋼レーザ肉盛層14の硬度を順番に増加又は低減させることができる。   Further, for example, in the roll for a lump / steel piece shown in FIG. 7, different raw material powders are used for each high-speed tool steel laser cladding layer 14, and mechanical properties suitable for each high-speed tool steel laser cladding layer are used. Can also be given. Specifically, for example, the hardness of the high-speed tool steel laser cladding layer 14 can be increased or decreased sequentially with respect to the traveling direction of the roll axis.

以下、実施例において本発明の工具材の製造方法及び工具材について更に説明するが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。   Hereinafter, although the manufacturing method and tool material of the tool material of this invention are further demonstrated in an Example, this invention is not limited to these Examples at all.

<実施例1>
粒径50〜150μmの高速度工具鋼(JIS−SKH40)粉末を用い、SCM440の基材上にレーザクラッディングを施して肉盛層を形成した後、当該肉盛層に対して熱処理(球状化焼鈍、焼入れ及び焼戻し)を行った。レーザにはディスクレーザを用い、レーザクラッディング条件を、レーザ出力2kW、レーザスポット径(フォーカス径)4.3mm、レーザ移動速度0.01m/sとした。
<Example 1>
Using a high-speed tool steel (JIS-SKH40) powder having a particle size of 50 to 150 μm, laser cladding is applied to the SCM440 base material to form a built-up layer, and then the built-up layer is heat treated (spheroidized) Annealing, quenching and tempering). A disk laser was used as the laser, and the laser cladding conditions were a laser output of 2 kW, a laser spot diameter (focus diameter) of 4.3 mm, and a laser moving speed of 0.01 m / s.

球状化熱処理は真空炉中(真空)で行い、球状化熱処理は860℃に3時間保持後、20℃/時間の冷却速度で750℃まで降温し、750℃で1時間保持した後に炉冷した。次に、真空炉中を130Paの窒素雰囲気とし、1130℃に20分間保持した後に窒素を更に導入しつつファン冷却することで焼入れを行った。その後、真空炉中を真空とし、560℃に2時間保持した後に窒素を導入してファン冷却する焼戻しを3回繰り返して実施工具材を得た。   The spheroidizing heat treatment was performed in a vacuum furnace (vacuum), and the spheroidizing heat treatment was held at 860 ° C. for 3 hours, then cooled to 750 ° C. at a cooling rate of 20 ° C./hour, held at 750 ° C. for 1 hour, and then cooled in the furnace . Next, the inside of the vacuum furnace was set to a nitrogen atmosphere of 130 Pa, and after holding at 1130 ° C. for 20 minutes, quenching was performed by cooling the fan while further introducing nitrogen. Thereafter, the vacuum furnace was evacuated, held at 560 ° C. for 2 hours, and then tempering by introducing nitrogen and cooling the fan was repeated three times to obtain an implement tool material.

得られた実施工具材の断面マクロ写真を図8に示す。基材の表面に高速度工具鋼の肉盛層が形成されており、剥離やクラック等の欠陥は認められない。また、図8に示す断面において、表面から1mm及び2mmの肉盛層のビッカース硬度を測定し、得られた結果を図9に示した。なお、硬度測定は荷重:100gf、荷重負荷時間:10sで行い、図9に示す値は各深さで水平に50点測定した平均値である。   A cross-sectional macro photograph of the obtained tool material is shown in FIG. A built-up layer of high-speed tool steel is formed on the surface of the substrate, and defects such as peeling and cracking are not recognized. Moreover, in the cross section shown in FIG. 8, the Vickers hardness of the built-up layer of 1 mm and 2 mm from the surface was measured, and the obtained result is shown in FIG. The hardness measurement was performed at a load of 100 gf and a load loading time of 10 s, and the values shown in FIG. 9 are average values obtained by measuring 50 points horizontally at each depth.

熱処理(球状化焼鈍、焼入れ及び焼戻し)前後における肉盛層の組織写真(光学顕微鏡写真)を図10及び図11にそれぞれ示す。熱処理前は母材結晶粒界に晶出炭化物が網目状に偏析しているが、熱処理後は当該網目状構造が分断され、晶出炭化物が比較的均一に分布していることが分かる。また、晶出炭化物は微細化され、球状化が進行している。   FIGS. 10 and 11 show structural photographs (optical micrographs) of the built-up layer before and after heat treatment (spheroidizing annealing, quenching, and tempering), respectively. Before the heat treatment, the crystallized carbides segregate in a network form at the base crystal grain boundaries, but after the heat treatment, it is understood that the network structure is divided and the crystallized carbides are distributed relatively uniformly. Further, the crystallized carbide is refined and spheroidization is progressing.

<比較例1>
熱処理を全く施さなかったこと以外は実施例1と同様にして、比較工具材1を得た。また、実施例1と同様にして肉盛層のビッカース硬度を測定し、得られた結果を図9に示した。
<Comparative Example 1>
A comparative tool material 1 was obtained in the same manner as in Example 1 except that no heat treatment was performed. Further, the Vickers hardness of the overlay layer was measured in the same manner as in Example 1, and the obtained results are shown in FIG.

<比較例2>
球状化焼鈍及び焼入れを施さなかったこと以外は実施例1と同様にして、比較工具材2を得た。また、実施例1と同様にして肉盛層のビッカース硬度を測定し、得られた結果を図9に示した。
<Comparative example 2>
Comparative tool material 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that spheroidizing annealing and quenching were not performed. Further, the Vickers hardness of the overlay layer was measured in the same manner as in Example 1, and the obtained results are shown in FIG.

<比較例3>
球状化焼鈍及び焼入れを施さず、焼戻し温度を520℃としたこと以外は実施例1と同様にして、比較工具材3を得た。また、実施例1と同様にして肉盛層のビッカース硬度を測定し、得られた結果を図9に示した。
<Comparative Example 3>
Comparative tool material 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that spheroidizing annealing and quenching were not performed and the tempering temperature was set to 520 ° C. Further, the Vickers hardness of the overlay layer was measured in the same manner as in Example 1, and the obtained results are shown in FIG.

<比較例4>
球状化焼鈍及び焼入れを施さず、焼戻し温度を600℃としたこと以外は実施例1と同様にして、比較工具材4を得た。また、実施例1と同様にして肉盛層のビッカース硬度を測定し、得られた結果を図9に示した。
<Comparative Example 4>
Comparative tool material 4 was obtained in the same manner as in Example 1 except that spheroidizing annealing and quenching were not performed and the tempering temperature was 600 ° C. Further, the Vickers hardness of the overlay layer was measured in the same manner as in Example 1, and the obtained results are shown in FIG.

<比較例5>
粒径250μmの高速度工具鋼(JIS−SKH40)粉末をHIP(熱間等方圧加圧法)にて焼結し、比較工具材5を得た。なお、焼結条件は1240℃、1000kgf/cmで3時間保持し、円柱状の焼結体を得た。また、実施例1と同様にして焼結体のビッカース硬度を測定し、得られた結果を図9に示した。
<Comparative Example 5>
A high-speed tool steel (JIS-SKH40) powder having a particle size of 250 μm was sintered with HIP (hot isostatic pressing) to obtain a comparative tool material 5. The sintering conditions were held at 1240 ° C. and 1000 kgf / cm 2 for 3 hours to obtain a cylindrical sintered body. Further, the Vickers hardness of the sintered body was measured in the same manner as in Example 1, and the obtained results are shown in FIG.

図9に示すビッカース硬度より、実施工具材はHIP焼結体(比較工具材5)と同程度の850HV以上の十分に高い硬度を有しており、各種工具や耐摩耗部材に適用可能であることが分かる。   From the Vickers hardness shown in FIG. 9, the implement tool material has a sufficiently high hardness of 850 HV or higher, which is comparable to that of the HIP sintered body (comparative tool material 5), and can be applied to various tools and wear-resistant members. I understand that.

実施工具材及び比較工具材1〜4の肉盛層、及び比較工具材5について、4点曲げ試験にて曲げ応力(抗折力)を測定した。得られた結果を図12に示す。実施工具材の肉盛層は、球状化焼鈍を施していない比較工具材1〜4の肉盛層よりも高い曲げ応力を有しており、HIP焼結体(比較工具材5)と同等レベルの曲げ応力を有していることが分かる。当該結果は、本発明の工具材の製造方法を用いることによって、形状及びサイズに制限されることなく、任意の領域にHIP焼結材並みの高速度工具鋼肉盛層が形成できることを示している。   About the build-up layer of the implementation tool material and the comparative tool materials 1 to 4, and the comparative tool material 5, the bending stress (bending strength) was measured by a four-point bending test. The obtained result is shown in FIG. The build-up layer of the execution tool material has higher bending stress than the build-up layer of the comparative tool materials 1 to 4 that have not been subjected to spheroidizing annealing, and is at the same level as the HIP sintered body (comparative tool material 5). It can be seen that the bending stress is as follows. The results show that by using the method for manufacturing a tool material of the present invention, a high-speed tool steel overlay layer similar to a HIP sintered material can be formed in any region without being limited by shape and size. Yes.

実施工具材及び比較工具材1〜4の肉盛層、及び比較工具材5について、ブロックオンリング試験を用いて耐摩耗性を評価した。具体的には、SUJ2製のリングを10N、20N及び40Nの各荷重で肉盛層又は焼結体に当接させ、形成される摩耗痕の幅を計測した。なお、リングの回転速度を1000rpm、試験時間を600秒とし、無潤滑条件にて評価した。得られた結果を図13に示す。   About the build-up layer of the implementation tool material and the comparative tool materials 1 to 4, and the comparative tool material 5, the wear resistance was evaluated using a block-on-ring test. Specifically, the SUJ2 ring was brought into contact with the build-up layer or the sintered body with each load of 10N, 20N, and 40N, and the width of the formed wear mark was measured. The evaluation was performed under a non-lubricating condition with the rotation speed of the ring being 1000 rpm and the test time being 600 seconds. The obtained result is shown in FIG.

図13に示す結果から、実施工具材の肉盛層は、球状化焼鈍を施していない比較工具材1〜4の肉盛層及びHIP焼結体(比較工具材5)と同等レベルの耐摩耗性を有していることが分かる。当該結果は、実施工具材の肉盛層は、組織制御及び硬度の調整によって靭性等を改善しているにもかかわらず、良好な耐摩耗性を維持していることを示している。   From the results shown in FIG. 13, the build-up layer of the working tool material has the same level of wear resistance as the build-up layer of the comparative tool materials 1 to 4 and the HIP sintered body (comparative tool material 5) not subjected to spheroidizing annealing. It turns out that it has sex. The results show that the build-up layer of the working tool material maintains good wear resistance despite improving toughness and the like by controlling the structure and adjusting the hardness.

2・・・母材結晶粒、
4・・・晶出炭化物、
10・・・工具材、
12・・・金属基材、
14・・・高速度工具鋼レーザ肉盛層。
2 ... Base crystal grains,
4 ... Crystallized carbide,
10 ... Tool material,
12 ... Metal substrate,
14: High-speed tool steel laser overlay.

Claims (10)

金属基材の表面に高速度工具鋼粉末を供給しつつ、レーザビームを照射して肉盛層を形成させるレーザクラッディング工程と、
前記肉盛層を750〜880℃で熱処理する球状化焼鈍工程と、
前記球状化焼鈍工程を施した前記肉盛層を焼入れする焼入れ工程と、
前記焼入れ工程を施した前記肉盛層を焼戻しする焼戻し工程と、を有すること、
を特徴とする工具材の製造方法。
A laser cladding step of forming a built-up layer by irradiating a laser beam while supplying high-speed tool steel powder to the surface of the metal substrate;
A spheroidizing annealing step of heat-treating the overlay layer at 750 to 880 ° C .;
A quenching step of quenching the overlay layer subjected to the spheroidizing annealing step;
A tempering step of tempering the overlay layer subjected to the quenching step,
The manufacturing method of the tool material characterized by these.
前記球状化焼鈍工程において、前記肉盛層を820〜880℃に保持した後、
略750℃まで10〜50℃/時間の冷却速度で冷却した後、
50〜150℃/時間の冷却速度で冷却すること、
を特徴とする請求項1に記載の工具材の製造方法。
In the spheroidizing annealing step, after the build-up layer is held at 820 to 880 ° C,
After cooling to approximately 750 ° C. at a cooling rate of 10-50 ° C./hour,
Cooling at a cooling rate of 50 to 150 ° C./hour,
The manufacturing method of the tool material of Claim 1 characterized by these.
前記焼入れ工程の焼入れ温度を1120〜1190℃とすること、
を特徴とする請求項1又は2に記載の工具材の製造方法。
The quenching temperature in the quenching step is 1120 to 1190 ° C.,
The method for manufacturing a tool material according to claim 1 or 2.
前記焼戻し工程の焼戻し温度を540〜570℃とすること、
を特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の工具材の製造方法。
The tempering temperature in the tempering step is 540 to 570 ° C.,
The manufacturing method of the tool material in any one of Claims 1-3 characterized by these.
前記焼戻し工程を3回以上繰り返すこと、
を特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の工具材の製造方法。
Repeating the tempering step three or more times;
The manufacturing method of the tool material in any one of Claims 1-4 characterized by these.
前記レーザクラッディング工程において、前記肉盛層を厚さ方向に2層以上形成させ、隣接する下部肉盛層と上部肉盛層の端部が同じ位置とならないようにすること、
を特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の工具材の製造方法。
In the laser cladding step, the overlay layer is formed in two or more layers in the thickness direction so that the end portions of the adjacent lower overlay layer and the upper overlay layer are not in the same position,
The method for manufacturing a tool material according to any one of claims 1 to 5.
金属基材の表面に、高速度工具鋼のレーザ肉盛層が厚さ方向に2層以上形成し、
前記レーザ肉盛層の晶出炭化物が略球状で、母材結晶粒界に偏析していないこと、
を特徴とする工具材。
Two or more laser build-up layers of high-speed tool steel are formed in the thickness direction on the surface of the metal substrate,
The crystallized carbide of the laser build-up layer is substantially spherical and not segregated at the base material crystal grain boundary,
Tool material characterized by
前記レーザ肉盛層において、隣接する下部レーザ肉盛層と上部レーザ肉盛層の端部が異なる位置となっていること、
を特徴とする請求項7に記載の工具材。
In the laser overlay layer, the end portions of the adjacent lower laser overlay layer and the upper laser overlay layer are in different positions,
The tool material according to claim 7.
前記レーザ肉盛層の曲げ応力が2500MPa以上であること、
を特徴とする請求項7又は8に記載の工具材。
The bending stress of the laser cladding layer is 2500 MPa or more,
The tool material according to claim 7 or 8, characterized in that.
前記金属基材が円柱状であること、
を特徴とする請求項7〜9のいずれかに記載の工具材。
The metal substrate is cylindrical,
The tool material according to any one of claims 7 to 9.
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