JP2021110037A - レーザークラッディング用の耐摩耗性および耐腐食性の鉄ベース合金粉末及びそのレーザークラッディング層 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザークラッディング用の耐摩耗性および耐腐食性の鉄ベース合金粉末及びそれにより形成されたレーザークラッディング層を提供する。【解決手段】合金粉末は、以下の質量パーセントで各組成を含み、即ち、Ｃ：２．５〜３．０％、Ｃｒ：２９〜３１％、Ｎｉ：８．３〜８．５％、Ｖ：７．５〜８％、Ｔｉ：１．６〜１．８％、Ｆｅマージンである、ことを特徴とする。【効果】上記合金粉末が形成したクラッディング層は、良好な耐摩耗性と耐腐食性能を有するとともに、高い強度と靭性を有し、溶接性能に優れ、調製されたクラッディング層は、緻密でクラックがなく、高クラッディング速率によって引き起こされる急冷亀裂の問題を克服でき、上記合金粉末が形成したクラッディング層は、耐腐食性能が国家標準（ＧＢ／Ｔ６４６１−２００２）レベル９に達し、硬度が６１ＨＲＣ〜６３ＨＲＣであり、降伏強度が１７００〜１９００ＭＰａである。【選択図】なし

Description

本発明は、金属材料分野に属し、具体的には、レーザークラッディング用の耐摩耗性および耐腐食性の鉄ベース合金粉末及びそのレーザークラッディング層に関する。

レーザークラッディング技術は、表面強化プロセス技術であり、これは、異なる充填方法を介して、選択されたクラッディング材料を基板の表面に添加することを指し、高パワー密度のレーザービームを使用しながら基板表面の非常に薄い層と融合し、すばやく固化した後に、緻密な構造、非常に低い希釈、および基板との冶金学的結合を備えた表面クラッディング層を形成することにより、ベース層表面の耐摩耗性、耐腐食性、耐熱性、耐酸化性などの特性が大幅に向上し、適用範囲が非常に広くなっている。レーザークラッディングのステンレス鋼材料は、基板に優れた耐腐食性を与えることができ、これは、硬質クロム電気めっきに代わる一般的なプロセス方法であり、電気めっきと比較して、グリーンで、クリーン、高強度、長寿命という特徴がある。

通常の高Ｃｒステンレス鋼のクラッディング層は、Ｃ元素の含有量が少なく、クラッディング層の構造内部における硬質強化相が少ないため、クラッディング層の硬度は一般にＨＲＣ５５より低く、耐摩耗性能は高くないが、Ｃ含有量を増やすと、粒子境界に大量のＣｒ２３Ｃ６が析出するが、一方で、構造内のＣｒ含有量が希釈され、クラッディング層の耐腐食性能と粒界耐腐食性が低下する一方、粒子境界に脆いＣｒ２３Ｃ６が蓄積すると、粒子間亀裂のリスクが高まり、クラッディング層の強度が低下する。

クラッディング効率に対する要求の増大および使用コストを削減する緊急の必要性に伴い、高強度の耐摩耗性および耐腐食性の鉄ベースの合金材料を開発することが緊急に必要とされている。

本発明は、高強度耐摩耗性および耐腐食性鉄ベース合金粉末を提供し、この鉄ベース合金粉末により形成されたクラッディング層は、良好な耐摩耗性と耐腐食性能を有するとともに、高い強度と靭性を有し、溶接性能に優れ、調製されたクラッディング層は、緻密でクラックがなく、高クラッディング速率によって引き起こされた冷却亀裂の問題を克服することができる。

本発明は、レーザークラッディング用の耐摩耗性および耐腐食性の鉄ベース合金粉末を提供し、以下の質量パーセントで各組成を含み、即ち、Ｃ：２．５〜３．０％、Ｃｒ：２９〜３１％、Ｎｉ：８．３〜８．５％、Ｖ：７．５〜８％、Ｔｉ：１．６〜１．８％、Ｆｅマージンである。

更に、好ましくは、前記鉄ベース合金粉末の真球度は、９０％以上であり、粒度分布は、１５〜６５μｍであり、流動性は、３２−４１ｓ／１００ｇである。良好な流動性及び適切な粉末粒度範囲により、クラッディング層の品質とクラッディング安定性を確保できる。一方では、粒度分布が１５μｍ未満の微粉末は、凝集現像を引き起こすが、粉末の真球度が小さいほど、微粉末が凝集しやすく、両者が連携して作用することで、流動性が悪くなり、クラッディング過程に微粉末の凝集現像を引き起こしやすく、プロセス安定性に影響を与える一方、高クラッディング速率下では、レーザー作用時間が短く、溶融池の固化速度が速く、単位時間当たりに粉末に伝達されるエネルギーは比較的小さく、粒度分布が６５μｍを超える粉末は、完全に溶融するのに十分なエネルギーを得ることができず、その後クラッディング層に残り、亀裂、ボイド、その他の未融合の欠陥を形成する。

上記の方案において、好ましくは、前記Ｃ元素の含有量は、２．５〜３．０％である。共晶組成の範囲のＣは、クラッディング層でのフェライトの形成を抑制し、フェライト形成によって引き起こされるＣｒ、Ｖ、Ｔｉ合金元素の損失を回避し、急冷過程においてできるだけ多くのオーステナイトがクラッディング層でマルテンサイトに変換されることを確保するとともに、合金中のクロムカーバイド、バナジウムカーバイド、チタンカーバイドは、結晶粒を微細化することができ、クラッディング層の強度と硬度を効果的に向上させることができる。ただし、Ｃの含有量をＶおよびＴｉ元素の含有量と一致させて、できるだけ多くのＣをＶおよびＴｉと結合することを確保する必要があり、Ｃｒと結合して粒子境界にＣｒ２３Ｃ６を析出させてクラッディング層の耐腐食性能と耐亀裂性を損なうことを回避する。高すぎるＣ含有量は、それに一致するためにより多くのＶおよびＴｉ含有量を必要とし、リソースの浪費とコストの増加をもたらす。

上記の方案において、好ましくは、前記Ｃｒ元素の含有量は、２９〜３１％である。高いＣｒ含有量は、クラッディング層の腐食電極電位が上がり、腐食の発生を防ぎ、耐食性が向上するとともに、高いＣｒ含有量は、Ｃ元素の希釈効果が低下し、腐食性能の低下を防ぐことができる。ただし、Ｃｒはフェライト形成要素として、高すぎるＣｒ含有量は、クラッディング層でのフェライトの形成が促進され、さらにＣｒ、Ｖ、およびＴｉ合金元素が失われる。

上記の方案において、好ましくは、前記Ｎｉ元素の含有量は、８．３〜８．５％である。Ｎｉ元素の存在は、一方で、クラッディング層の湿潤性と延性を向上させることができ、他方で、クラッディング層の耐腐食性能を向上させることができる。

上記の方案において、好ましくは、前記Ｖの含有量は、７．５〜８％である。Ｖは強力なカーバイド形成元素であり、Ｃｒ元素と比較して、ＶはＣと優先的に結合してバナジウムカーバイドを形成する一方、粒子を微細化し、クラッディング層の強度と硬度を向上させ、他方で、粒子境界でのＣｒ２３Ｃ６の析出を低減する。これにより、クラッディング層の耐孔食性と粒子間亀裂抵抗が向上する。好ましいＣおよびＶ含有量範囲内で、共晶組成の炭化バナジウムは、クラッディング層構造内に均一に分布することができ、これにより、クラッディング層の全体的な強度および硬度が向上する。

上記の方案において、好ましくは、前記Ｔｉの含有量は、１．６〜１．８％である。Ｔｉは非常に強力なカーバイド形成要素である。ＶおよびＣｒ要素と比較して、ＴｉはＣと優先的に結合してチタンカーバイドを形成し、有害なＣｒ２３Ｃ６の析出を低減または回避することにより、クラッディング層の強度と耐腐食性能を向上させる。好ましい範囲を超えると、過剰なＴｉがＮｉと結合してＮｉ３Ｔｉを形成し、粒子境界に沿って析出し、クラッディング層の靭性が急激に低下する。

上記の方案において、前記鉄ベース合金粉末が形成したクラッディング層は、良好な耐摩耗性と耐腐食性能を有するとともに、高い強度と靭性を有し、溶接性能に優れ、調製されたクラッディング層は、緻密でクラックがなく、高クラッディング速率によって引き起こされた冷却亀裂の問題を克服することができる。

従来技術と比較して、本発明は、以下の有益な効果を有する。
（１）本発明の鉄ベース合金粉末が形成したクラッディング層は、良好な耐摩耗性と耐腐食性能を有するとともに、高い強度と靭性を有し、溶接性能に優れ、調製されたクラッディング層は、緻密でクラックがなく、高クラッディング速率によって引き起こされた冷却亀裂の問題を克服することができる。

（２）本発明の鉄ベース合金粉末が形成したクラッディング層硬度は、６１ＨＲＣ〜６３ＨＲＣであり、ＧＢ／Ｔ６４６１−２００２《腐食試験後の金属基板上の金属およびその他の無機コーティングのサンプルおよび試験片の評価》によれば、中性塩水噴霧試験でのクラッディング層の耐腐食性がレベル９に達し、良好な耐摩耗性と耐腐食性能を有する。

（３）本発明の鉄ベース合金粉末が形成したクラッディング層は、良好な強度と靭性を有し、クラッディング性能に優れ、クラッディング層の降伏強度が１７００〜１９００ＭＰａに達する。

本発明は、レーザークラッディング用の耐摩耗性および耐腐食性鉄ベース合金粉末を提出する。レーザークラッディングの前に、設計組成に従って原材料と粉末を配置して調製する必要がある。その粉末原材料の調製方法は、水噴霧、ガス噴霧、または機械的ボールミリング合金化を使用できる。これらの粉末調製方法と技術は、当業者によく知られているので、ここでは繰り返しない。本発明の技術案は、例示を通して以下にさらに詳述されるが、本発明の保護範囲は、内容に限定されない。

表１に示される実施例１、２及び比較例１、２の粉末組成に従って、采用以下のようなレーザークラッディングプロセス及びステップを用い、φ１１０ｍｍ×１２００ｍｍの９Ｃｒ２Ｍｏ軸に鉄ベース合金のクラッディング層をクラッディングする。
（１）鉄ベース合金粉末を篩分及びパージ処理する。

（２）研削加工により軸類のワーク表面の酸化物層と油汚れをクリアし、そのうち、ワークのクラッディング面積は、０．４１４ｍ＜２＞である。

（３）ステップ（２）では、前記ワーク表面にレーザークラッディングによりクラッディング層が調製され、使用するレーザー機は、半導体レーザーであり、プロセスパラメータは、レーザーパワー２１００Ｗ、スポット径１ｍｍ、走査線速度５５ｍ／ｍｉｎ、粉末供給速率３５ｇ／ｍｉｎであり、

（４）ステップ（３）で得られたワークを５軸数値制御工作機械で部品図に従って最終仕上げする。

本発明の方法によって、ピースクラッドされたワークに対して統計および性能試験を実施し、その結果は表１に示されている。実施例１および実施例２の粉末組成は両方とも好ましい範囲内であり、５５ｍ／ｍｉｎの走査線速度で得られたクラッディング層は、優れた性能を有し、良好な硬度および降伏強度を有する。比較例１および比較例２の粉末組成は好ましい範囲内になく、比較例１で５５ｍ／ｍｉｎの走査線速度で得られたクラッディング層は、低硬度および劣った耐摩耗性を有する。しかしながら、比較実施例２で得られたクラッディング層の降伏強度は低く、クラッディング層は高い線速度で亀裂を生じ、どちらも使用の要件を満たさなかった。比較例３と比較例４の粉末組成は実施例１と同じですが、真球度、粒度分布、流動性が好ましい範囲内になく、比較例３は真球度が低く、１５μｍ以下の粉末が多いため、流動性が悪くなり、クラッディング過程において、微粉末の凝集現像は深刻であり、安定したクラッディングを達成することはできない。比較例４では、粉末粒度が６５μｍ以上の粗い粉末が多く、クラッディング層の硬度は実施例１と同程度であるが、大量の未溶融粒子が存在しているため、高クラッディング線速度でクラッディング層にボイドやその他の未融合の欠陥が現れ、どちらも使用要件を満たしていなかった。

表１には、具体的に、実施例及び比較例に記載の組成、真球度、粒度分布及び流動性を示す。

表２には、具体的に、実施例及び比較例クラッディング層の性能及びクラッディング層の品質を示す。

上記は、本発明の好ましい具体的な実施形態にすぎないが、本発明の保護範囲はそれに限定されない。本発明によって開示される技術的範囲内の当業者によって容易に想像され得るいかなる変更または交換も、本発明の保護範囲に含まれるべきである。したがって、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲の保護範囲に従うべきである。

Claims (2)

1. レーザークラッディング用の耐摩耗性および耐腐食性の鉄ベース合金粉末であって、
   以下の質量パーセントで各組成を含み、即ち、Ｃ：２．５〜３．０％、Ｃｒ：２９〜３１％、Ｎｉ：８．３〜８．５％、Ｖ：７．５〜８％、Ｔｉ：１．６〜１．８％、Ｆｅマージンであり、
   各組成の質量の合計は、１００％であり、
   前記鉄ベース合金粉末の真球度は、９０％以上であり、
   粒度分布は、１５〜６５μｍであり、
   流動性は、３２−４１ｓ／１００ｇである、ことを特徴とする鉄ベース合金粉末。
2. 耐摩耗性及び耐腐食性のレーザークラッディング層であって、
   請求項１に記載の鉄ベース合金粉末を用いて調製され、以下のようなステップを含み、
   （１）前記鉄ベース合金粉末を篩分及びパージ処理し、鉄ベース合金粉末の真球度は、９０％以上であり、粒度分布は、１５〜６５μｍであり、流動性は、３２−４１ｓ／１００ｇであり、
   （２）研削加工により軸類のワーク表面の酸化物層と油汚れをクリアし、そのうち、ワークのクラッディング面積は、０．４１４ｍ＜２＞であり、
   （３）ステップ（２）では、前記ワーク表面にレーザークラッディングによりクラッディング層が調製され、使用するレーザー機は、半導体レーザーであり、プロセスパラメータは、レーザーパワー２１００Ｗ、スポット径１ｍｍ、走査線速度５５ｍ／ｍｉｎ、粉末供給速率３５ｇ／ｍｉｎであり、
   （４）ステップ（３）で得られたワークを５軸の数値制御工作機械で部品図に従って最終仕上げすることにより、耐摩耗性及び耐腐食性のレーザークラッディング層を得る、ことを特徴とするレーザークラッディング層。