JP2767861B2 - レーザ処理用粉末 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明はレーザを用いて金属基材上に他の金属等を
肉盛したりあるいは合金化したりする際に、肉盛材料も
しくは合金化材料として用いられる粉末に関するもので
ある。

従来の技術 最近に至り、自動車部品等においては、鋳鉄やアルミ
ニウム合金等からなる基材の一部の耐摩耗性や耐熱性等
を改善するために、基材上に異種金属をレーザによって
肉盛したりあるいは合金化したりすることが行なわれる
ようになった。このようなレーザ肉盛処理もしくはレー
ザ合金化処理（これらを総称してこの発明ではレーザ処
理と称するものとする）においては、基材上の必要部位
に肉盛材料もしくは合金化材料を供給しつつ、あるいは
予め肉盛材料もしくは合金化材料を配置しておき、その
上からレーザを照射して肉盛材料もしくは合金化材料を
溶融させ、その材料を基材上に肉盛するかまたは基材の
表面層と合金化させる。

ところでこのようなレーザ処理においては、レーザと
しては一般に炭酸ガスレーザを用いることが多い。炭酸
ガスレーザの波長は赤外領域であるため、通常の金属表
面ではレーザエネルギの吸収効率が極めて悪く、与えた
レーザエネルギの数％程度しか吸収されない。しかしな
がら粉末であれば多重反射により大幅に吸収効率が向上
することが知られており、そこで一般に肉盛や合金化等
のレーザ処理用材料としては粉末を用いるのが通常であ
る。

上述のように粉末をレーザ処理用材料として用いて炭
酸ガスレーザによりレーザ処理を施す場合、粉末が微細
なほどレーザエネルギ吸収効率が高くなって、処理に必
要なパワーも少なくなることが確認されている。すなわ
ち第３図は、種々の粒径の肉盛用粉末を用いて炭酸ガス
レーザにより肉盛した場合の肉盛ビード形成に必要なエ
ネルギ（レーザ出力）を調べた結果を示す。なおここで
肉盛用粉末としてはCu−20％Ni−３％Si−1.5％Ｂを用
い、肉盛される基材としてはS45Cを用いて、ビード幅5m
m、ビード高さ最大1.0mmのビードを形成するべく、処理
速度600mm/mmもしくは400mm/minにて肉盛を行なった。
第３図から、肉盛用粉末が微細なほど肉盛ビード形成に
必要なエネルギが少なくて済むことが明らかであり、こ
のことは肉盛用粉末が微細なほどレーザエネルギの吸収
効率が高いことを意味している。

発明が解決しようとする課題 前述のようにレーザ吸収効率を高めて、少ないエネル
ギで肉盛や合金化等のレーザ処理を行なうためには、処
理用材料の粉末として微細なものを用いることが好まし
いが、実際の量産ベースの操業において粉末を大量に取
扱う場合、微細な粉末では飛散しやすくなり、また粉末
の流動性も悪くなる。そのため、微細な粉末を用いれ
ば、基材上に粉末を供給する際に粉末が飛散してロスが
大きくなるとともに周囲の機器の故障を招いたり、また
流動性が悪いために円滑に一定流量で粉末を供給できな
くなって安定に肉盛ビードや合金化処理層を形成できな
くなったりする問題が発生する。したがって微細な粉末
を用いるにも限界があり、通常は100メッシュ〜350メッ
シュ（25μｍ〜105μｍ）程度の範囲の比較的大径の粉
末を使用せざるを得なかったのが実情である。そのため
幅広く処理する場合等においては、高い出力のレーザを
用いなければならず、エネルギコストが高くならざるを
得なったのである。

一方、レーザの出力不足を補う手段としては、粉末表
面を酸化させたりグラファイトを塗布したりする方法も
あるが、これらの方法は肉盛ビードや合金化処理層に欠
陥が生じ易くなり、品質上問題が生じる。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、
粉末の取扱い上の問題を招くことなくかつ処理層の欠陥
の発生を招くことなく、粉末のレーザエネルギ吸収効率
を高め、これにより低いエネルギで肉盛や合金化などの
レーザ処理を行ない得るようにしたレーザ処理用粉末を
提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段 この発明のレーザ処理用粉末においては、基本的には
比較的大径の粒子の表面に微細粒子を分散・付着させた
複合粉末とすることによって、上述の課題を解決してい
る。

具体的には、この発明のレーザ処理用粉末は、粒径が
20〜200μｍの範囲内の本体粒子の表面に、この本体粒
子と同じ成分組成を有し、かつ、粒径が0.1〜10μｍの
範囲内の微細粒子が分散して付着し、さらに、前記本体
粒子と前記微細粒子とが相互の結合力により結合された
複合粒子からなることを特徴とするものである。

作用 この発明のレーザ処理用粉末は、粒径が20〜200μｍ
の範囲内の本体粒子の表面に、粒径0.1〜10μｍの微細
粒子が分散して付着した複合粒子とされている。すなわ
ち比較的大径の本体粒子の表面に微細粒子がサテライト
状（衛星状）に分散した状態で付着したものとなってい
る。本体粒子表面の微細粒子は、レーザ処理時に多重反
射を生ぜしめて、レーザエネルギの吸収効率を高める作
用を果たし、したがって粉末全体としてのレーザエネル
ギ吸収効率も良好となる。一方本体粒子は比較的大径で
あるため、全体としての複合粒子も比較的大径であり、
そのため飛散しにくく、また粉末の流動性も良好であ
る。なおこの複合粒子は、表面に微細粒子が分散状態で
付着して表面が凹凸状となっているから、同じ径の球形
粒子からなる粉末と比較すれば粉末の流動性が劣りはす
るが、その流動性低下の程度は少なく、0.1〜10μｍ程
度の微細粒子をそのまま用いた場合と比較すれば格段に
粉末流動性が良好であり、実操業上特に支障はない。

ここで、本体粒子の表面に付着している微細粒子の径
が10μｍを越える場合には、レーザエネルギ吸収効率を
充分に高めることができず、一方0.1μｍ未満の超微細
な粒子はその製造が困難となって粉末製造コストが嵩む
から、微細粒子の径は0.1〜10μｍの範囲内に限定し
た。また本体粒子の径が20μｍ未満の場合には粉末の流
動性が悪化するとともに飛散しやすくなり、一方200μ
ｍを超える粗大な粒子となれば、表面に微細粒子が付着
していてもレーザエネルギ吸収効率が低くなってしまう
から、本体粒子の径は20〜200μｍの範囲内とした。

なお本体粒子の形状は、粉末の流動性等の点からは球
状もしくは球状に近い形状とすることが好ましい。

また本体粒子の表面に微細粒子を分散・付着させるた
めの具体的方法は任意であるが、例えばメカニカルアロ
イング法やアトマイズ時付着法等を適用することができ
る。前者のメカニカルアロイング法は、粗い本体粒子の
粉末と微細粒子の粉末とを混合し、機械的にこすり合わ
せることによって付着させるものであり、具体的には、
例えば非磁性容器内に粗い本体粒子の粉末と微細粒子の
粉末、および鋼製の多数のピンを混合して収容し、容器
外から磁界を加えるとともに磁界の向きを交番的に変化
させることによって粉末中の鋼製のピンを振動させ、こ
の鋼製のピンの振動により粗い本体粒子と微細粒子とを
こすり合わせ、機械的に付着させる方法である。また後
者のアトマイズ時付着法は、粗い本体粒子をガスアトマ
イズ法によって製造する際に、そのアトマイズ直後の半
溶融状態の本体粒子アトマイズ流に対して微細粒子粉末
を噴霧し、半溶融状態の本体粒子に微細粒子を付着させ
るものである。

さらに本体粒子とその表面の微細粒子に用いる材料の
種類は特に限定されるものではないが、通常のレーザ肉
盛もしくはレーザ合金化処理では、その肉盛や合金化の
目的に応じた金属もしくは合金を用いれば良い。そして
また本体粒子の材料とその表面の微細粒子の材料は、同
一の材料を用いる。つまり、粉末には、基材上に肉盛り
されるか、または基材の表面層と合金化される材料以外
の異種材料が混入されていない。したがって、粉末にレ
ーザを照射して溶融池を形成し、その材料を基材上に肉
盛りするかまたは基材の表面層と合金化させる場合に、
肉盛りビードや合金化処理層の結合力が高められて欠陥
の生成が抑制され、品質が向上する。さらにまた、本体
粒子と微細粒子とを、相互の粒子の結合力により結合し
た複合粒子からなるレーザ粉末である。言い換えれば、
本体粒子と微細粒子とがバインダーを用いることなく、
例えばメカニカルアロイング法やアトマイズ時付着法な
どにより、相互の結合力により結合されている。したが
って、粉末にレーザを照射して溶融池を形成した場合に
ガスの発生が防止され、肉盛りビードや合金化処理層に
巣欠陥が生じにくく、品質が向上する。

実施例 Cu−20wt％Ni−3wt％Si−1.5wt％Ｂからなる成分組成
を有しかつ粒径が30〜100μｍの球形をなす本体粒子の
表面に、同じ成分組成を有しかつ粒径が0.1〜５μｍの
微細粒子を分散状態で付着させた複合粒子からなるこの
発明の一実施例のレーザ肉盛用粉末を用意した。この粉
末の外観形状を模式的に第１図に示す。第１図において
１は本体粒子、２は微細粒子、３は複合粒子である。な
おこの複合粒子からなる粉末全体の粒度範囲は−100メ
ッシュ〜＋280メッシュである。なおまた、この複合粒
子粉末における本体粒子の粉末は、ガスアトマイズ法に
よって製造し、また微細粒子の粉末もガスアトマイズ法
によって製造し、さらに微細粒子を本体粒子の表面に付
着させる手段としては前述のメカニカルアロイング法を
適用した。

比較例として、前記と同じ成分組成を有する球形のレ
ーザ肉盛用粉末を用意いた。この比較例の粉末も、ガス
アトマイズ法によって製造したものであり、その粒度範
囲は実施例と同じく−100メッシュ〜＋280メッシュであ
る。

以上のような実施例および比較例のレーザ肉盛用粉末
を用いて円環状のテストピースの表面に環状にビードオ
ンプレートでレーザ肉盛する実験を行なった。なお肉盛
条件は、炭酸ガスレーザを用いてレーザ出力3.2kw、レ
ーザビーム幅5mm、処理速度600mm/minとして、実施例の
粉末と比較例の粉末ともに同じ条件とした。

上記のレーザ肉盛試験の結果、この発明の実施例の粉
末を用いた場合には完全な肉盛ビードを形成することが
できたが、比較例の粉末を用いた場合には、レーザ出力
が不足して不完全なビードしか形成されなかった。

また実施例の粉末および比較例の粉末について、その
流動度を調べた結果を第２図に示す。

第２図から、実施例の粉末の流動度の低下は比較例の
粉末の約５〜10％程度に過ぎず、実操業上特に問題がな
いことが確認された。

なお実施例ではレーザ肉盛の場合についてのみ示した
が、レーザ合金化処理の場合にも同様な効果が得られる
ことは勿論である。

発明の効果 この発明のレーザ処理用粉末は、その粒子が、比較的
大径の本体粒子の表面に微細粒子を分散状態で付着した
構成の複合粒子とされているため、レーザ肉盛もしくは
レーザ合金化処理等のレーザ処理時におけるレーザエネ
ルギ吸収効率が高く、そのためレーザ出力を従来よりも
低くして、エネルギコストを低減させることができると
ともに、粉末が飛散しやすかったり流動性が劣ったりす
ることもないため、粉末の取扱い上も特に問題が生じる
ことがない。またこの発明は、同じ成分組成を有する本
体粒子と微細粒子とを付着させた複合粒子からなるレー
ザ処理用粉末である。言い換えれば、粉末には、基材上
に肉盛りされるか、または基材の表面層と合金化される
材料以外の異種材料が混入されていない。したがって、
粉末にレーザを照射して溶融池を形成し、その材料を基
材上に肉盛りするかまたは基材の表面層と合金化させる
場合に、肉盛りビードや合金化処理層の結合力が高めら
れて欠陥の生成が抑制され、品質が向上する。

さらにこの発明は、本体粒子と微細粒子とが相互の結
合力により結合された複合粒子からなる粉末である。つ
まり、本体粒子と微細粒子とがバインダーを用いること
なく、例えばメカニカルアロイング法やアトマイズ時付
着法などにより、相互の結合力により結合されている。
したがって、粉末にレーザを照射して溶融池を形成した
場合にガスの発生が防止され、肉盛りビードや合金化処
理層に巣欠陥が生じにくく、品質が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例のレーザ処理用粉末を模式
的に示す略解図、第２図は実施例および比較例の粉末の
流動度を比較して示すグラフ、第３図は粉末の粒度が肉
盛ビード形成のために必要なレーザ出力に及ぼす影響を
示すためのグラフである。 １…本体粒子、２…微細粒子、３…複合粒子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C23C 24/00 - 26/02 C23C 4/00 - 6/00 B23K 26/00 - 26/18 B22F 1/00 - 1/02

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】粒径が20〜200μｍの範囲内の本体粒子の
   表面に、この本体粒子と同じ成分組成を有し、かつ、粒
   径が0.1〜10μｍの範囲内の微細粒子が分散して付着
   し、さらに、前記本体粒子と前記微細粒子とが相互の結
   合力により結合された複合粒子からなることを特徴とす
   るレーザ処理用粉末。