JP2019137880A - Tool regeneration method - Google Patents

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Abstract

To provide a method for repairing a high speed tool steel base material by forming a suitable build-up layer in an arbitrary region and a tool manufactured by the method, and to provide a method for repairing by forming a suitable build-up layer without causing peeling or cracking even for a high speed tool steel base material having a rapidly solidified structure.SOLUTION: The tool regeneration method includes a step for heat-treating a high speed tool steel base material at a temperature higher than 700°C and below 825°C, and a step for forming a repair build-up layer on the surface of the high speed tool steel base material subjected to the heat treatment. The heat treatment temperature is preferably greater than 775°C and less than 825°C. The high speed tool steel base material is preferably a high speed tool steel laser build-up layer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、高速度工具鋼基材の任意の領域に補修肉盛層を形成することによる、工具材の再生方法及び当該製造方法で製造した工具材に関する。   The present invention relates to a method for regenerating a tool material by forming a repair build-up layer in an arbitrary region of a high-speed tool steel base material and a tool material manufactured by the manufacturing 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。   2. Description of the Related Art Conventionally, as one of surface treatment techniques, a technique for improving the wear resistance and the like of the outermost surface by building up 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

上記レーザクラッディング法を用いて、例えば、金属基材のクラックや欠け等が生じた領域のみに適当な肉盛層を形成させることができれば、極めて効率的かつ安価な補修方法となり得る。更に、レーザクラッディングによって形成されたレーザ肉盛層に対する補修方法を確立することができれば、工具材の製造から再生利用までを包含する新規なビジネスモデルを構築することができる。例えば、安価な鋼材の表面に適当なレーザ肉盛層を形成させて工具材とすることで材料コストが低減され、レーザ肉盛層の破損領域のみを補修することができれば、当該補修に必要なコストのみで使用を継続することができる。   For example, if an appropriate build-up layer can be formed only in a region where a crack or chipping of a metal substrate has occurred using the laser cladding method, it can be a very efficient and inexpensive repair method. Furthermore, if a repairing method for the laser cladding layer formed by laser cladding can be established, a new business model including the production of tool materials to the reuse can be constructed. For example, if the material cost can be reduced by forming an appropriate laser cladding layer on the surface of an inexpensive steel material to make a tool material, and only the damaged area of the laser cladding layer can be repaired, this is necessary. Use can be continued only at cost.

しかしながら、工具材として汎用されている高速度工具鋼は、高い硬度や優れた耐摩耗性等を有しているが、当該特性のトレードオフとして、本質的に靭性が低下してしまう。その結果、金属基材を高速度工具鋼とする場合、再生補修した肉盛層が金属基材の熱影響部から剥離することが大きな問題となっていた。特に、高速度工具鋼基材が急冷凝固組織を有する場合、晶出炭化物が母材結晶粒界に偏析して靭性の低下がより顕著になることから、肉盛層を形成させて補修することは極めて困難であった。   However, high-speed tool steel that is widely used as a tool material has high hardness, excellent wear resistance, and the like, but as a trade-off of the characteristics, the toughness is essentially lowered. As a result, when the metal base material is a high-speed tool steel, it has been a big problem that the reconstructed build-up layer is peeled off from the heat-affected zone of the metal base material. In particular, when the high-speed tool steel base material has a rapidly solidified structure, crystallized carbides segregate at the base material crystal grain boundaries and the toughness decrease becomes more prominent. Was extremely difficult.

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、高速度工具鋼基材の任意の領域に適当な肉盛層を形成させて補修する方法、及び当該方法によって製造される工具材を提供することにある。また、特に、急冷凝固組織を有する高速度工具鋼肉盛材に対しても、剥離や割れ等を生じることなく適当な補修肉盛層を形成することができる補修方法を提供することを目的としている。   In view of the problems in the prior art as described above, an object of the present invention is to provide a method for repairing by forming an appropriate overlay layer in an arbitrary region of a high-speed tool steel base material, and a tool manufactured by the method. To provide materials. In particular, for the purpose of providing a repair method capable of forming an appropriate repair build-up layer without causing peeling or cracking even for a high-speed tool steel build-up material having a rapidly solidified structure. Yes.

本発明者らは、上記目的を達成すべく、高速度工具鋼基材に対する肉盛層の形成方法について鋭意研究を重ねた結果、高速度工具鋼基材に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 have conducted extensive research on a method for forming a built-up layer on a high-speed tool steel base material. As a result, the high-speed tool steel base material is subjected to 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、
高速度工具鋼基材を700℃超825℃未満で熱処理する熱処理工程と、
前記熱処理を施した前記高速度工具鋼基材の表面に補修肉盛層を形成させる補修肉盛工程と、を有すること、
を特徴とする工具材の再生方法、を提供する。
That is, the present invention
A heat treatment step of heat-treating the high-speed tool steel substrate at a temperature higher than 700 ° C. and lower than 825 ° C .;
A repair build-up process for forming a repair build-up layer on the surface of the high-speed tool steel substrate subjected to the heat treatment,
A method of regenerating a tool material characterized by the above.

補修肉盛層を形成させる高速度工具鋼基材の組織及び機械的性質は様々であるが、700℃超825℃未満で熱処理を施すことによって、補修肉盛工程に耐え得る靭性等を付与することができる。より具体的には、高速度工具鋼基材の補修肉盛層を形成させる領域を適当に軟化させることができれば、補修肉盛工程における剥離や割れ等を抑制することができる。   The structure and mechanical properties of the high-speed tool steel base material on which the repair build-up layer is formed vary, but by applying heat treatment at over 700 ° C. and less than 825 ° C., toughness that can withstand the repair build-up process is imparted. be able to. More specifically, if the region where the repair build-up layer of the high-speed tool steel base material is formed can be appropriately softened, peeling or cracking in the repair build-up process can be suppressed.

これに対し、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、高速度工具鋼基材を効率的に軟化させるためには、適当な熱処理温度範囲が存在し、当該温度範囲は700℃超825℃未満であることが明らかとなった。当該温度範囲で軟化が促進される理由については必ずしも明らかになっていないが、熱処理温度を700℃超825℃未満とすることで、母材のフェライトの相変態を伴うことなく、母材中に固溶している炭素と合金元素が炭化物として析出・凝集してある程度の大きさになり、固溶強化に寄与していた炭素や合金元素の量が低下するため、転位の移動が容易になり硬度が低下すると考えられる。また、高速度工具鋼基材を軟化させるより効率的な温度範囲は775℃超825℃未満である。   On the other hand, as a result of intensive studies, the present inventors have found that there is an appropriate heat treatment temperature range in order to efficiently soften the high-speed tool steel substrate, and the temperature range is over 700 ° C. and 825 ° C. It became clear that it was less than. Although the reason why the softening is promoted in the temperature range is not necessarily clear, by setting the heat treatment temperature to be higher than 700 ° C. and lower than 825 ° C., the phase change in the base material is not caused in the base material. Dissolved carbon and alloying elements are precipitated and aggregated as carbides and become a certain size, and the amount of carbon and alloying elements that contributed to solid solution strengthening decreases, so dislocation movement becomes easier. It is thought that the hardness decreases. Further, a more efficient temperature range for softening the high-speed tool steel substrate is more than 775 ° C. and less than 825 ° C.

補修肉盛工程における肉盛方法は、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、従来公知の種々の肉盛方法を用いることができる。例えば、レーザクラッディングやプラズマアーク溶接等を用いることができるが、レーザクラッディングを用いることが好ましい。レーザクラッディングを用いることで、所望の領域のみに正確に肉盛層を形成させることができる。また、レーザクラッディングを用いることで、高速度工具鋼基材に対する入熱量を抑制できることに加えて、肉盛層と高速度工具鋼基材との間における希釈を抑制することができる。   The overlaying method in the repair overlaying process is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired, and various conventionally known overlaying methods can be used. For example, laser cladding or plasma arc welding can be used, but it is preferable to use laser cladding. By using laser cladding, it is possible to accurately form a build-up layer only in a desired region. Moreover, in addition to being able to suppress the heat input with respect to a high-speed tool steel base material by using laser cladding, the dilution between a build-up layer and a high-speed tool steel base material can be suppressed.

また、本発明の工具材の再生方法においては、前記高速度工具鋼基材が高速度工具鋼レーザ肉盛層であること、が好ましい。高速度工具鋼レーザ肉盛層は形成プロセスにおいて急冷されるため、晶出炭化物が母材結晶粒界に偏析する典型的な急冷凝固組織となるが、本発明の工具材の製造方法を用いることで、当該高速度工具鋼レーザ肉盛層の表面においても良好な補修肉盛層を形成させることができる。また、高速度工具鋼レーザ肉盛層に対して補修を行うことで、高価かつ希少な原料の使用を最小限に抑えた工具材を再生使用することができる。   Moreover, in the reproduction | regenerating method of the tool material of this invention, it is preferable that the said high speed tool steel base material is a high speed tool steel laser cladding layer. Since the high-speed tool steel laser cladding layer is rapidly cooled in the formation process, the crystallized carbide becomes a typical rapidly solidified structure that segregates at the grain boundary of the base material, but the method for manufacturing the tool material of the present invention should be used. Thus, a good repair build-up layer can be formed also on the surface of the high-speed tool steel laser build-up layer. Further, by repairing the high-speed tool steel laser overlay layer, the tool material in which the use of expensive and rare raw materials is minimized can be reused.

レーザクラッディング法によって形成される高速度工具鋼レーザ肉盛層の金属組織は急冷凝固組織となり、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、特に、775℃超825℃未満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 metal structure of the high-speed tool steel laser overlay formed by the laser cladding method becomes a rapidly solidified structure, and crystallized carbides such as tungsten carbide, chromium carbide, vanadium carbide, and molybdenum carbide are network-like at the base crystal grain boundary. Segregate. The segregation of the crystallized carbide reduces the bending stress, toughness, impact resistance, etc. of the build-up layer. In particular, the crystallized carbide becomes spherical by performing heat treatment in a temperature range of more than 775 ° C. and less than 825 ° C. And the mesh-like distribution is divided.

レーザクラッディング法で形成された肉盛層を再生補修する場合、当該肉盛層に対してレーザクラッディングを施すと、熱影響部からの剥離が生じてしまう。これに対し、本発明の工具材の再生方法では熱処理工程によって肉盛層の晶出炭化物の偏析が改善されていることに加えて、適度に硬度が低下していることから、再生補修を目的として肉盛層を形成させる場合であっても、効果的に剥離を抑制することができる。   When the cladding layer formed by the laser cladding method is regenerated and repaired, if the cladding layer is subjected to laser cladding, peeling from the heat-affected zone occurs. On the other hand, in the method for regenerating the tool material of the present invention, in addition to the improvement of segregation of crystallized carbide in the build-up layer by the heat treatment process, the hardness is moderately reduced, so the purpose is to repair repair Even if it is a case where an overlaying layer is formed, peeling can be suppressed effectively.

また、本発明の工具材の再生方法においては、前記熱処理の保持時間を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の分断を十分に進行させることができると共に、高速度工具鋼基材の硬度を500HV以下に低下させることができる。その結果、高速度工具鋼基材の靭性及び耐衝撃性等を改善することができ、再生補修時の剥離を抑制することができる。なお、高速度工具鋼基材のより好ましい硬度は400HV以下であり、より好ましい保持時間は1時間以上、最も好ましい保持時間は3時間以上である。   Moreover, in the regeneration method of the tool material of this invention, it is preferable that the holding time of the said heat processing shall be 30 minutes or more. By setting the heat treatment holding time to 30 minutes or more, it is possible to sufficiently advance the separation of crystallized carbides segregated in a network, and to reduce the hardness of the high-speed tool steel substrate to 500 HV or less. . As a result, the toughness and impact resistance of the high-speed tool steel base material can be improved, and peeling at the time of regeneration repair can be suppressed. In addition, the more preferable hardness of a high-speed tool steel base material is 400 HV or less, a more preferable holding time is 1 hour or more, and the most preferable holding time is 3 hours or more.

また、本発明の工具材の再生方法においては、レーザ照射によって前記熱処理を施すこと、が好ましい。熱処理にレーザ照射を用いることで、熱処理炉等の設備を別途準備する必要がなく、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。   In the method for regenerating a tool material of the present invention, it is preferable to perform the heat treatment by laser irradiation. By using laser irradiation for heat treatment, it is not necessary to separately prepare equipment such as a heat treatment furnace, and 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 laser irradiation position can be easily controlled, and heat treatment can be easily performed on large members such as rolling rolls.

更に、本発明の工具材の再生方法においては、前記高速度工具鋼基材と前記補修肉盛層の組成が略同一であること、が好ましい。高速度工具鋼基材と当該高速度工具鋼基材の表面に形成させる補修肉盛層の組成を略同一とすることで、希釈に起因する材料特性の低下を抑制することができる。また、高速度工具鋼基材を高速度工具鋼レーザ肉盛層とする場合は、基本的に、補修肉盛の条件には肉盛時に用いた条件をそのまま適用することができることに加え、原料粉末の交換に伴う作業を行う必要がない。   Furthermore, in the method for regenerating a tool material according to the present invention, it is preferable that the composition of the high-speed tool steel substrate and the repair overlay layer is substantially the same. By making the compositions of the high-speed tool steel base material and the repair overlay layer formed on the surface of the high-speed tool steel base material substantially the same, it is possible to suppress a decrease in material characteristics due to dilution. In addition, when the high-speed tool steel base material is a high-speed tool steel laser overlay layer, basically, the conditions used during the overlaying can be applied as they are to the repair overlay conditions. There is no need to perform work associated with powder exchange.

また、本発明は、
高速度工具鋼基材の少なくとも一部分に補修肉盛層が形成し、
前記補修肉盛層と前記高速度工具鋼基材の接合界面近傍における、前記高速度工具鋼基材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:
A repair overlay is formed on at least a portion of the high-speed tool steel substrate,
In the vicinity of the joint interface between the repair build-up layer and the high-speed tool steel substrate, the crystallized carbide of the high-speed tool steel substrate is substantially spherical, and is not segregated at the base material crystal grain boundary,
A tool material characterized by the above is also provided.

高速度工具鋼基材の材質は、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、従来公知の種々の高速度工具鋼材を用いることができる。高速度工具鋼材としては、例えば、JIS G 4403:2006に規定されている各種SKH材やSKH40等を用いることができる。   The material of the high-speed tool steel base material is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired, and various conventionally known high-speed tool steel materials can be used. As the high-speed tool steel material, for example, various SKH materials and SKH40 defined in JIS G 4403: 2006 can be used.

本発明の工具材においては、前記高速度工具鋼基材が高速度工具鋼レーザ肉盛層であること、が好ましい。安価な金属基材の表面に優れた高温軟化抵抗を有する高速度工具鋼の肉盛層が形成し、当該肉盛層の晶出炭化物は略球状で結晶粒界に偏析していないことから、靭性及び耐衝撃性等が要求される用途にも好適に用いることができる。ここで、「晶出炭化物が略球状」とは、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母材結晶粒界に偏析する晶出炭化物が、母材結晶粒界のみではなく母材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。   In the tool material of this invention, it is preferable that the said high speed tool steel base material is a high speed tool steel laser cladding layer. The build-up layer of high-speed tool steel having excellent high-temperature softening resistance is formed on the surface of an inexpensive metal base material, and the crystallized carbide of the build-up layer is substantially spherical and does not segregate at the grain boundaries. It can also be suitably used for applications requiring toughness and impact resistance. Here, “the crystallized carbide is substantially spherical” means that spheroidization has progressed as compared to the crystallized carbide segregated at the grain boundaries. Also, “crystallized carbide is not segregated at the base crystal grain boundary” means that the crystallized carbide segregated at the base crystal grain boundary in a general rapidly solidified structure is not only the base crystal grain boundary but the base crystal grain boundary. It also exists in the material crystal grains, which means that the crystallized carbides are separated from each other. As a result, the propagation of cracks along the crystallized carbide can be suppressed.

補修肉盛層は、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材を用いることができるが、高速度工具鋼基材との密着性、希釈の抑制、機械的性質等の観点から選択することが好ましい。   The repair build-up layer is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired, and various conventionally known metal materials can be used, but adhesion to the high-speed tool steel substrate, suppression of dilution, machine It is preferable to select from the standpoint of physical properties.

また、補修肉盛層を形成させる領域及び補修肉盛層の厚さは特に限定されず、高速度工具鋼基材表面の必要な領域のみに適当な厚さの補修肉盛層が形成されていればよい。   Further, the thickness of the area for forming the repair overlay layer and the thickness of the repair overlay layer are not particularly limited, and the repair overlay layer having an appropriate thickness is formed only in the necessary area on the surface of the high-speed tool steel base material. Just do it.

また、本発明の工具材においては、前記高速度工具鋼基材の硬度が500HV以下であること、が好ましい。高速度工具鋼基材の硬度が500HV以下となっていることで、高速度工具鋼基材に優れた靭性及び耐衝撃性等が付与され、再生補修を目的として補修肉盛層を形成させる際の剥離を抑制することができる。なお、高速度工具鋼基材の硬度を400HV以下とすることで、靭性及び耐衝撃性等をより向上させることができ、再生補修時の剥離もより効果的に抑制することができる。ここで、高速度工具鋼基材の全領域で上記硬度となっている必要はなく、補修肉盛層を形成する領域で硬度調整が達成されていればよい。   Moreover, in the tool material of this invention, it is preferable that the hardness of the said high-speed tool steel base material is 500 HV or less. When the hardness of the high-speed tool steel base material is 500 HV or less, the high-speed tool steel base material is provided with excellent toughness, impact resistance, etc., and when a repair overlay is formed for the purpose of regenerative repair Peeling can be suppressed. In addition, by setting the hardness of the high-speed tool steel base material to 400 HV or less, toughness, impact resistance, and the like can be further improved, and peeling during regeneration repair can be more effectively suppressed. Here, it is not necessary to have the above-mentioned hardness in the entire region of the high-speed tool steel base material, and it is sufficient that the hardness adjustment is achieved in the region where the repair overlay layer is formed.

また、本発明の工具材においては、前記高速度工具鋼基材が高速度工具鋼レーザ肉盛層であることが好ましく、高速度工具鋼レーザ肉盛層が多層肉盛層であること、がより好ましい。多層肉盛層は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、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。肉盛層を多層肉盛層とすることで、肉盛層を形成させる面積や厚さを容易に制御することができる。   In the tool material of the present invention, the high-speed tool steel base material is preferably a high-speed tool steel laser overlay layer, and the high-speed tool steel laser overlay layer is a multilayer overlay layer. More preferred. The multilayer build-up layer can be formed using a laser cladding method, and can be obtained by continuously forming the build-up layer in the horizontal direction and / or the vertical direction. By making the build-up layer into a multi-layer build-up layer, the area and thickness for forming the build-up layer can be easily controlled.

更に、本発明の工具材においては、前記高速度工具鋼基材が円柱状であること、が好ましい。また、円柱状の安価な金属基材の表面に高速度工具鋼レーザ肉盛層が形成されていることがより好ましい。円柱状の高速度工具鋼基材の表面に高速度工具鋼の肉盛層が形成されていることで、例えば、比較的安価な圧延ロールとして好適に用いることができる。また、肉盛層が破損等した場合には、容易に再生補修することができる。   Furthermore, in the tool material of this invention, it is preferable that the said high speed tool steel base material is a column shape. Moreover, it is more preferable that a high-speed tool steel laser overlay layer is formed on the surface of a cylindrical inexpensive metal substrate. Since the build-up layer of high-speed tool steel is formed on the surface of the cylindrical high-speed tool steel base material, for example, it can be suitably used as a relatively inexpensive rolling roll. Further, when the built-up layer is damaged, it can be easily repaired and repaired.

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、高速度工具鋼基材の任意の領域に適当な肉盛層を形成させて補修する方法、及び当該方法によって製造される工具材を提供することができ、特に、急冷凝固組織を有する高速度工具鋼基材に対しても、剥離や割れ等を生じることなく適当な肉盛層を形成することができる補修方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a method of repairing by forming an appropriate build-up layer in an arbitrary region of a high-speed tool steel base material, and a tool material manufactured by the method, in particular, rapid solidification. It is possible to provide a repair method capable of forming an appropriate build-up layer without causing peeling or cracking even on a high-speed tool steel base material having a structure.

本発明の工具材の再生方法の工程図である。It is process drawing of the reproduction | regenerating 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. 実施例1で得られた高速度工具鋼基材の断面マクロ写真である。2 is a cross-sectional macro photograph of a high-speed tool steel base material obtained in Example 1. FIG. 実施例で得られた肉盛層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 built-up layer obtained in the Example. 実施例1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 overlay layer before the heat processing of Example 1. FIG. 実施例1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 Example 1. FIG. 実施例1で形成させた補修肉盛層の概観写真である。2 is an overview photograph of a repair overlay layer formed in Example 1. FIG. 比較例で得られた肉盛層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 built-up layer obtained by the comparative example. 比較例1で得られた肉盛層断面の光学顕微鏡写真である。2 is an optical micrograph of a cross-section of a built-up layer obtained in Comparative Example 1. 比較例3で得られた肉盛層断面の光学顕微鏡写真である。4 is an optical micrograph of a cross-section of a built-up layer obtained in Comparative Example 3. 比較例4で得られた肉盛層断面の光学顕微鏡写真である。6 is an optical micrograph of a cross-section of a built-up layer obtained in Comparative Example 4. 比較例5で形成させた補修肉盛層の概観写真である。6 is an overview photograph of a repair overlay layer formed in Comparative Example 5. FIG.

以下、図1〜4を参照しながら、本発明の工具材の再生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 to 4, representative embodiments of the method for regenerating a tool material and the tool material of the present invention will be described 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.工具材の再生方法
図1に本発明の工具材の再生方法の工程図を示す。本発明の工具材の再生方法は、必須の工程として、熱処理工程(S01)と、熱処理工程(S01)を施した高速度工具鋼基材に補修肉盛層を形成させる補修肉盛工程(S02)と、を有している。
1. Tool Material Regeneration Method FIG. 1 shows a process diagram of the tool material regeneration method of the present invention. The regeneration method of the tool material of the present invention includes, as essential steps, a heat treatment step (S01) and a repair build-up step (S02) for forming a repair build-up layer on the high-speed tool steel base material subjected to the heat treatment step (S01). ) And.

(1)熱処理工程(S01)
熱処理工程(S01)は、補修肉盛層を形成させる高速度工具鋼基材に熱処理を施す工程である。
(1) Heat treatment step (S01)
The heat treatment step (S01) is a step of performing a heat treatment on the high-speed tool steel base material on which the repair overlay layer is formed.

補修肉盛層を形成させる高速度工具鋼基材の組織及び機械的性質は様々であるが、700℃超825℃未満で熱処理を施すことによって、補修肉盛工程に耐え得る靭性等を付与することができる。より具体的には、高速度工具鋼基材の補修肉盛層を形成させる領域を適当に軟化させることができれば、補修肉盛工程(S02)における剥離や割れ等を抑制することができる。   The structure and mechanical properties of the high-speed tool steel base material on which the repair build-up layer is formed vary, but by applying heat treatment at over 700 ° C. and less than 825 ° C., toughness that can withstand the repair build-up process is imparted. be able to. More specifically, if the region where the repair build-up layer of the high-speed tool steel base material is formed can be appropriately softened, peeling and cracking in the repair build-up process (S02) can be suppressed.

特に、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。   In particular, by setting the temperature of the heat treatment to more than 775 ° C. and less than 825 ° C., the crystallized carbide segregated in a network form at the base crystal grain boundary with respect to the metal structure of the high-speed tool steel base material that is a rapidly solidified structure. While being able to spheroidize, a mesh-like distribution can be divided. The change in the crystallized carbide can improve toughness and impact resistance.

図2及び図3に、熱処理工程(S01)前後における高速度工具鋼基材の金属組織の模式図を示す。例えば、高速度工具鋼基材が高速度工具鋼レーザ肉盛層の場合、熱処理工程(S01)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は扁平形状又は板状となっている。これに対し、熱処理工程(S01)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 high speed tool steel base material before and behind heat processing process (S01) is shown. For example, when the high-speed tool steel base material is a high-speed tool steel laser overlay layer, before the heat treatment step (S01), the overlay layer has a network of crystallized carbides 4 at the grain boundaries of the base crystal grains 2. Segregated. Many crystallized carbides 4 have a flat shape or a plate shape. On the other hand, by performing the heat treatment step (S01), the crystallized carbides 4 are dispersed in the base 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℃超825℃未満の温度範囲における熱処理によって効率的に進行し、特に略800℃における熱処理で顕著である。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り、異なる温度における熱処理では当該効果を十分に得ることができない。   Changes in the distribution and shape of the crystallized carbide 4 proceed efficiently by heat treatment in a temperature range of more than 775 ° C. and less than 825 ° C., and are particularly noticeable in heat treatment at about 800 ° C. In addition, as a result of detailed examination of heat treatment conditions for the high-speed tool steel overlay layer having a rapidly solidified structure, the present inventors have found the temperature range, and the heat treatment at different temperatures sufficiently obtains the effect. I can't.

熱処理工程(S01)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と共に、高速度工具鋼肉盛層の硬度を500HV以下に低下させることができる。その結果、高速度工具鋼肉盛層の曲げ応力、靭性及び耐衝撃性等を改善することができることに加え、再生補修時の剥離を抑制することができる。なお、より好ましい高速度工具鋼肉盛層の硬度は400HV以下であり、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 heat treatment step (S01) is preferably 30 minutes or more. By setting the heat treatment holding time to 30 minutes or more, the separation of the crystallized carbide 4 segregated in a network can be sufficiently advanced, and the hardness of the high-speed tool steel overlay layer is reduced to 500 HV or less. Can do. As a result, it is possible to improve the bending stress, toughness, impact resistance and the like of the high-speed tool steel overlay layer, and to suppress peeling during regenerative repair. In addition, the hardness of the more preferable high-speed tool steel overlay is 400 HV or less, the more preferable holding time is 1 hour or more, and the most preferable holding time is 3 hours or more.

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、レーザ照射によって熱処理を施すことが好ましい。熱処理にレーザ照射を用いることで、熱処理炉等の設備を別途準備する必要がなく、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. Moreover, it is preferable to heat-process by laser irradiation. By using laser irradiation for heat treatment, it is not necessary to separately prepare equipment such as a heat treatment furnace, and 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 laser irradiation position 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、高速度工具鋼基材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 on the high-speed tool steel base can maintain the above-mentioned temperature, and the target region is laser Is heated for a predetermined time.

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.

(2)補修肉盛工程(S02)
本発明の工具材の再生方法においては、高速度工具鋼基材が急冷凝固組織を有する場合であっても、熱処理工程(S01)によって母材結晶粒界に網目状に偏析する晶出炭化物4が球状化されると共に、網目状の分布が分断されている。加えて、高速度工具鋼基材は適度に軟化していることから、レーザクラッディングを用いて容易に再生補修を施すことができる。
(2) Repair build-up process (S02)
In the method for regenerating a tool material of the present invention, even if the high-speed tool steel base material has a rapidly solidified structure, the crystallized carbide 4 segregates in a network form at the base material crystal grain boundary by the heat treatment step (S01). Is spheroidized and the mesh-like distribution is divided. In addition, since the high-speed tool steel base material is moderately softened, it can be easily repaired using laser cladding.

レーザクラッディング法で形成された高速度工具鋼レーザ肉盛層を再生補修する場合、当該肉盛層に対してレーザクラッディングを施すと熱影響部からの剥離が生じてしまう。これに対し、熱処理工程(S01)によって肉盛層の晶出炭化物4の偏析が改善されていることに加えて、適度に硬度が低下していることから、補修肉盛層を形成させる場合であっても効果的に剥離を抑制することができる。   When the high-speed tool steel laser build-up layer formed by the laser cladding method is regenerated and repaired, if the laser cladding is applied to the build-up layer, peeling from the heat-affected zone occurs. On the other hand, in addition to the improvement of segregation of the crystallized carbide 4 in the build-up layer by the heat treatment step (S01), the hardness is moderately lowered, so that the repair build-up layer is formed. Even if it exists, peeling can be suppressed effectively.

レーザクラッディングは、例えば、金属基材の表面に高速度工具鋼粉末を供給しつつ、当該高速度工具鋼粉末にレーザビームを照射することで達成できる。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。   Laser cladding can be achieved, for example, by irradiating the high-speed tool steel powder with a laser beam while supplying the 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.

レーザクラッディングの方法は、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 method of laser cladding 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、補修部の形状に合わせて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 laser cladding, it is fundamental to form a substantially planar multi-layer built-up layer by linearly moving the laser beam and moving it parallel at a predetermined interval, and further reciprocating the whole multiple times. It is not limited, for example, only the linear movement may be repeated a predetermined number of times to form the build-up part, or the linear movement or the curve movement may be combined according to the shape of the repaired part, and this may be repeated a predetermined number of times. .

なお、高速度工具鋼基材と補修によって形成させる補修肉盛層の組成は略同一とすることが好ましい。高速度工具鋼基材と補修肉盛層の組成を略同一とすることで、希釈に起因する材料特性の低下を抑制することができる。また、高速度工具鋼基材を高速度工具鋼レーザ肉盛層とする場合、当該高速度工具鋼レーザ肉盛層と補修肉盛層の組成を略同一とすることで、原料粉末の交換に伴う作業を省略することができる。   In addition, it is preferable that the composition of the repair built-up layer formed by repair with a high-speed tool steel base material is made substantially the same. By making the composition of the high-speed tool steel base material and the repair overlay layer substantially the same, it is possible to suppress a decrease in material properties due to dilution. When the high-speed tool steel base material is a high-speed tool steel laser cladding layer, the composition of the high-speed tool steel laser cladding layer and the repair cladding layer is substantially the same, so that the raw material powder can be replaced. The work involved can be omitted.

2.工具材
図4に本発明の工具材の概略断面図を示す。なお、ここでは金属基材の表面に高速度工具鋼レーザ肉盛層が形成され、当該高速度工具鋼レーザ肉盛層の一部分に補修肉盛層が形成された態様について説明する。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。また、高速度工具鋼レーザ肉盛層14の一部分には補修肉盛層16が形成されている。
2. Tool Material FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of the tool material of the present invention. Here, a mode in which a high-speed tool steel laser overlay layer is formed on the surface of the metal substrate, and a repair overlay layer is formed on a part of the high-speed tool steel laser overlay layer will be described. 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. No segregation at the grain boundaries. A repair overlay layer 16 is formed on a part of the high-speed tool steel laser overlay layer 14.

補修肉盛層16との接合界面近傍における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。ここで、「接合界面近傍」は高速度工具鋼レーザ肉盛層14及び補修肉盛層16の材質、厚さやクラッディング条件等によって異なるが、例えば、被接合界面から2mm程度の範囲が該当する。   The metal structure of the high-speed tool steel laser cladding layer 14 in the vicinity of the joint interface with the repair cladding layer 16 is as described with reference to FIG. 3, and the crystallized carbide 4 is dispersed in the base material crystal grains 2. The clear network structure of the crystallized carbide 4 has disappeared. In addition, the crystallized carbide 4 is spheroidized and contains a substantially spherical crystallized carbide 4. Here, “the vicinity of the bonding interface” varies depending on the material, thickness, cladding conditions, and the like of the high-speed tool steel laser cladding layer 14 and the repair cladding layer 16, but for example, a range of about 2 mm from the interface to be bonded corresponds. .

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.

補修肉盛層16との接合界面近傍における高速度工具鋼レーザ肉盛層14の硬度は500HV以下であることが好ましく、400HV以下であることがより好ましい。高速度工具鋼レーザ肉盛層14の硬度を当該範囲に調製することで、曲げ応力や靭性が十分に改善されるため、耐衝撃性が向上すると共に、レーザクラッディングを用いた再生補修時に発生する凝固時の収縮が高速度工具鋼レーザ肉盛層14に印加しても、クラック及び剥離の発生を抑制することができる。   The hardness of the high-speed tool steel laser build-up layer 14 in the vicinity of the joint interface with the repair build-up layer 16 is preferably 500 HV or less, and more preferably 400 HV or less. Adjusting the hardness of the high-speed tool steel laser cladding layer 14 within the above range can sufficiently improve the bending stress and toughness, so that the impact resistance is improved and it occurs during regenerative repair using laser cladding. Even when shrinkage during solidification is applied to the high-speed tool steel laser cladding layer 14, generation of cracks and peeling can be suppressed.

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.

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の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、容易に再生補修することができる。   Furthermore, the metal substrate 12 is preferably cylindrical. By forming the high-speed tool steel laser build-up layer 14 of the high-speed tool steel on the surface of the cylindrical metal substrate 12, the tool material 10 can be suitably used as a rolling roll. In addition, when the high-speed tool steel laser build-up layer 14 is damaged, it can be easily reproduced and repaired.

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。なお、高速度工具鋼粉末の組成は、C:1.3質量%以上、Cr:3質量%以上、Mo:4質量%以上、W:4質量%以上、V:2質量%以上とすることが好ましい。   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 composition of the high-speed tool steel powder is C: 1.3% by mass or more, Cr: 3% by mass or more, Mo: 4% by mass or more, W: 4% by mass or more, and V: 2% by mass or more. Is preferred.

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、金属基材12として、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。   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, as the metal substrate 12, for example, medium carbon steel (S45C or the like), chromium molybdenum steel, alloy tool steel, high carbon chromium bearing steel, or the like can be used.

また、補修肉盛層16の材質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材を用いることができるが、高速度工具鋼レーザ肉盛層14の組成と略同一の高速度工具鋼材を用いることが好ましい。補修肉盛層16の材質を高速度工具鋼レーザ肉盛層14の組成と略同一の高速度工具鋼材とすることで、最表面が均質な工具材10を得ることができる。   Further, the material of the repair overlay layer 16 is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired, and various conventionally known metal materials can be used, but the composition of the high-speed tool steel laser overlay layer 14 and It is preferable to use substantially the same high-speed tool steel. By making the material of the repair build-up layer 16 a high-speed tool steel material that is substantially the same as the composition of the high-speed tool steel laser build-up layer 14, the tool material 10 having the uniform outermost surface can be obtained.

また、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。   Further, the tool material of the present invention can be applied to uses that are too large in size or economically unappropriate in 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再生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 reproduction | regenerating 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。また、熱処理には真空中にて高周波加熱を用い、800℃で3時間保持とした。
<Example 1>
Using a high-speed tool steel (JIS-SKH40) powder having a particle size of 50 to 150 μm, a cladding layer was formed by applying laser cladding on a substrate of SCM440, and then the cladding layer was heat-treated. . 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. In addition, the heat treatment was performed using high frequency heating in a vacuum and held at 800 ° C. for 3 hours.

得られた高速度工具鋼基材の断面マクロ写真を図8に示す。SCM440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 high-speed tool steel substrate is shown in FIG. A built-up layer of high-speed tool steel is formed on the surface of the SCM440 base material, 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.

熱処理前後における肉盛層の組織写真(走査電子顕微鏡写真)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、晶出炭化物が母材結晶粒内にも分布していることが分かる。また、晶出炭化物の形状は球状化しており、特に母材結晶粒内の晶出炭化物は略球状となっている。   Structure photographs (scanning electron micrographs) of the built-up layer before and after heat treatment are shown in FIGS. 10 and 11, respectively. Before heat treatment, crystallized carbide is segregated in the form of a network at the base material crystal grain boundaries, but after the heat treatment, the network structure is divided and the crystallized carbide is also distributed in the base material crystal grains. I understand. In addition, the crystallized carbide has a spherical shape, and in particular, the crystallized carbide in the base crystal grain is substantially spherical.

得られた高速度工具鋼基材の肉盛層の最表面を平面研削し、当該肉盛層を形成させた条件を用いてレーザクラッディングを施して、補修肉盛層を形成させた。当該補修肉盛層の概観写真を図12に示す。熱影響部での補修肉盛層の剥離は認められず、良好な補修肉盛層が得られていることが確認された。   The outermost surface of the built-up layer of the obtained high-speed tool steel base was subjected to surface grinding, and laser cladding was applied using the conditions for forming the built-up layer to form a repair built-up layer. An overview photograph of the repair overlay layer is shown in FIG. Peeling of the repair overlay layer at the heat affected zone was not observed, and it was confirmed that a good repair overlay layer was obtained.

<実施例2>
熱処理の保持時間を30分間としたこと以外は実施例1と同様にして、高速度工具鋼基材を得た。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。なお、実施例1と同様にして補修肉盛層を形成させたところ、当該補修肉盛層の剥離は認められなかった。
<Example 2>
A high-speed tool steel base material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment was held for 30 minutes. 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. In addition, when the repair buildup layer was formed like Example 1, the peeling of the said repair buildup layer was not recognized.

<実施例3>
熱処理の保持時間を1時間としたこと以外は実施例1と同様にして、高速度工具鋼基材を得た。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。なお、実施例1と同様にして補修肉盛層を形成させたところ、当該補修肉盛層の剥離は認められなかった。
<Example 3>
A high-speed tool steel base material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment was held for 1 hour. 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. In addition, when the repair buildup layer was formed like Example 1, the peeling of the said repair buildup layer was not recognized.

<実施例4>
熱処理温度を750℃としたこと以外は実施例と同様にし、高速度工具鋼基材を得た。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13に示した(図13には実施工具材1の硬度も示している)。なお、実施例1と同様にして補修肉盛層を形成させたところ、当該補修肉盛層の剥離は認められなかった。
<Example 4>
A high-speed tool steel substrate was obtained in the same manner as in the example except that the heat treatment temperature was 750 ° C. Further, the Vickers hardness of the build-up layer was measured in the same manner as in Example 1, and the obtained results are shown in FIG. 13 (FIG. 13 also shows the hardness of the working tool material 1). In addition, when the repair buildup layer was formed like Example 1, the peeling of the said repair buildup layer was not recognized.

<実施例5>
熱処理温度を775℃としたこと以外は実施例1と同様にし、高速度工具鋼基材を得た。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13に示した。なお、実施例1と同様にして補修肉盛層を形成させたところ、当該補修肉盛層の剥離は認められなかった。
<Example 5>
A high-speed tool steel substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature was 775 ° 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. In addition, when the repair buildup layer was formed like Example 1, the peeling of the said repair buildup layer was not recognized.

<比較例1>
熱処理の温度を700℃としたこと以外は実施例1と同様にして、高速度工具鋼基材を得た。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13に示した。
<Comparative Example 1>
A high-speed tool steel base material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature was 700 ° 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.

得られた高速度工具鋼基材の肉盛層断面の光学顕微鏡写真を図14に示す。網目状模様が明瞭に観察され、晶出炭化物が母材結晶粒界に偏析していることが分かる。なお、実施例1と同様にして補修肉盛層を形成させたところ、熱影響部における当該補修肉盛層の剥離が認められた。   FIG. 14 shows an optical micrograph of the cross section of the built-up layer of the obtained high-speed tool steel substrate. The network pattern is clearly observed, and it can be seen that the crystallized carbide is segregated at the base material crystal grain boundary. In addition, when the repair built-up layer was formed like Example 1, peeling of the said repair built-up layer in the heat affected zone was recognized.

<比較例2>
熱処理温度を825℃としたこと以外は実施例1と同様にし、高速度工具鋼基材を得た。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13に示した。なお、実施例1と同様にして補修肉盛層を形成させたところ、熱影響部における当該補修肉盛層の剥離が認められた。
<Comparative example 2>
A high-speed tool steel base material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature was 825 ° 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. In addition, when the repair built-up layer was formed like Example 1, peeling of the said repair built-up layer in the heat affected zone was recognized.

<比較例3>
熱処理の温度を850℃としたこと以外は実施例1と同様にして、高速度工具鋼基材を得た。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13に示した。
<Comparative Example 3>
A high-speed tool steel base material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature was 850 ° 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.

得られた高速度工具鋼基材の肉盛層断面の光学顕微鏡写真を図15に示す。網目状模様が明瞭に観察され、晶出炭化物が母材結晶粒界に偏析していることが分かる。なお、実施例1と同様にして補修肉盛層を形成させたところ、熱影響部における当該補修肉盛層の剥離が認められた。   An optical micrograph of the cross-section of the resulting high-speed tool steel base material is shown in FIG. The network pattern is clearly observed, and it can be seen that the crystallized carbide is segregated at the base material crystal grain boundary. In addition, when the repair built-up layer was formed like Example 1, peeling of the said repair built-up layer in the heat affected zone was recognized.

<比較例4>
熱処理の温度を900℃としたこと以外は実施例1と同様にして、高速度工具鋼基材を得た。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13に示した。
<Comparative Example 4>
A high-speed tool steel substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature was 900 ° 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.

得られた高速度工具鋼基材の肉盛層断面の光学顕微鏡写真を図16に示す。網目状模様が明瞭に観察され、晶出炭化物が母材結晶粒界に偏析していることが分かる。なお、実施例1と同様にして補修肉盛層を形成させたところ、熱影響部における当該補修肉盛層の剥離が認められた。   An optical micrograph of the cross-section of the resulting high-speed tool steel substrate is shown in FIG. The network pattern is clearly observed, and it can be seen that the crystallized carbide is segregated at the base material crystal grain boundary. In addition, when the repair built-up layer was formed like Example 1, peeling of the said repair built-up layer in the heat affected zone was recognized.

<比較例5>
熱処理を施さなかったこと以外は実施例1と同様にして、SCM440基材の表面に肉盛層を形成させた。得られた肉盛層の最表面を平面研削し、当該肉盛層を形成させた条件でレーザクラッディングを施して、補修肉盛層を形成させた。当該補修肉盛層の概観写真を図17に示す。補修肉盛層は熱影響部で剥離しており、適当な熱処理を施さない場合は、良好な補修肉盛層が得られないことが確認された。
<Comparative Example 5>
A build-up layer was formed on the surface of the SCM440 substrate in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment was not performed. The outermost surface of the built-up layer thus obtained was subjected to surface grinding, and laser cladding was applied under the conditions for forming the built-up layer, thereby forming a repair built-up layer. An overview photograph of the repair overlay layer is shown in FIG. The repair overlay layer was peeled off at the heat-affected zone, and it was confirmed that a good repair overlay layer could not be obtained unless appropriate heat treatment was performed.

図9に示すビッカース硬度より、800℃の熱処理を30分間施すことで肉盛層の硬度は500HVよりも低くなり、3時間施すことで400HVよりも低くなっている。   From the Vickers hardness shown in FIG. 9, the build-up layer has a hardness lower than 500 HV by applying heat treatment at 800 ° C. for 30 minutes, and lower than 400 HV by applying for 3 hours.

また、図13に示すビッカース硬度より、熱処理温度が700℃以下及び825℃以上の場合では肉盛層の硬度低下が小さくなっており、500HV以上の硬度となっている。これに対し、熱処理温度が700℃超825未満の場合はビッカース硬度が500HV以下となっており、特に、熱処理温度を略800℃とすることで最も効果的に硬度が低下することが分かる。なお、800℃における硬度低下は、上述の組織変化に対応していると考えられる。即ち、当該結果は、800℃の熱処理によって、硬度調整を容易に行うことができるだけでなく、理想的な組織を得ることができることを示している。   From the Vickers hardness shown in FIG. 13, when the heat treatment temperature is 700 ° C. or lower and 825 ° C. or higher, the decrease in the hardness of the built-up layer is small, and the hardness is 500 HV or higher. On the other hand, when the heat treatment temperature is more than 700 ° C. and less than 825, the Vickers hardness is 500 HV or less, and in particular, it can be seen that the hardness is most effectively lowered when the heat treatment temperature is about 800 ° C. In addition, it is thought that the hardness fall in 800 degreeC respond | corresponds to the above-mentioned structure change. That is, the result shows that the hardness can be easily adjusted by heat treatment at 800 ° C., and an ideal structure can be obtained.

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、
16・・・補修肉盛層。
2 ... Base crystal grains,
4 ... Crystallized carbide,
10 ... Tool material,
12 ... Metal substrate,
14 ... High-speed tool steel laser overlay,
16: Repair overlay.

Claims (12)

高速度工具鋼基材を700℃超825℃未満で熱処理する熱処理工程と、
前記熱処理を施した前記高速度工具鋼基材の表面に補修肉盛層を形成させる補修肉盛工程と、を有すること、
を特徴とする工具材の製造方法。
A heat treatment step of heat-treating the high-speed tool steel substrate at a temperature higher than 700 ° C. and lower than 825 ° C .;
A repair build-up process for forming a repair build-up layer on the surface of the high-speed tool steel substrate subjected to the heat treatment,
The manufacturing method of the tool material characterized by these.
前記熱処理の温度を775℃超825℃未満とすること、
を特徴とする請求項1に記載の工具鋼の製造方法。
The temperature of the heat treatment is more than 775 ° C. and less than 825 ° C.,
The manufacturing method of the tool steel of Claim 1 characterized by these.
前記高速度工具鋼基材が高速度工具鋼レーザ肉盛層であること、
を特徴とする請求項1又は2に記載の工具鋼の製造方法。
The high-speed tool steel substrate is a high-speed tool steel laser overlay,
The method for producing a tool steel according to claim 1 or 2, wherein:
前記熱処理の保持時間を30分以上とすること、
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 holding time of the heat treatment is 30 minutes or more,
The manufacturing method of the tool material in any one of Claims 1-3 characterized by these.
前記熱処理によって前記高速度工具鋼基材の硬度を500HV以下にすること、
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。
The hardness of the high-speed tool steel base material is 500 HV or less by the heat treatment,
The manufacturing method of the tool material in any one of Claims 1-4 characterized by these.
レーザ照射によって前記熱処理を施すこと、
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。
Applying the heat treatment by laser irradiation,
The method for manufacturing a tool material according to any one of claims 1 to 5.
前記高速度工具鋼基材と前記補修肉盛層の組成が略同一であること、
を特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の工具材の製造方法。
The composition of the high-speed tool steel substrate and the repair overlay is substantially the same,
The method for manufacturing a tool material according to any one of claims 1 to 6.
高速度工具鋼基材の少なくとも一部分に補修肉盛層が形成し、
前記補修肉盛層と前記高速度工具鋼基材の接合界面近傍における、前記高速度工具鋼基材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。
A repair overlay is formed on at least a portion of the high-speed tool steel substrate,
In the vicinity of the joint interface between the repair build-up layer and the high-speed tool steel substrate, the crystallized carbide of the high-speed tool steel substrate is substantially spherical, and is not segregated at the base material crystal grain boundary,
Tool material characterized by
前記高速度工具鋼基材が高速度工具鋼レーザ肉盛層であること、
を特徴とする請求項8に記載の工具材。
The high-speed tool steel substrate is a high-speed tool steel laser overlay,
The tool material according to claim 8.
前記接合界面近傍における前記高速度工具鋼基材の硬度が500HV以下であること、
を特徴とする請求項8又は9に記載の工具材。
The high-speed tool steel base in the vicinity of the joining interface has a hardness of 500 HV or less,
The tool material according to claim 8 or 9, wherein:
前記高速度工具鋼レーザ肉盛層が多層肉盛層であること、
を特徴とする請求項9又は10に記載の工具材。
The high-speed tool steel laser overlay is a multilayer overlay,
The tool material according to claim 9 or 10, wherein:
前記高速度工具鋼基材が円柱状であること、
を特徴とする請求項8〜11のいずれかに記載の工具材。
The high speed tool steel substrate is cylindrical,
The tool material according to any one of claims 8 to 11, wherein:
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