JP4901324B2

JP4901324B2 - 硬化肉盛層形成方法

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Publication number: JP4901324B2
Application number: JP2006170228A
Authority: JP
Inventors: 昌春天野
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2006-06-20
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2026-06-20
Also published as: JP2008000763A

Description

本発明は、硬化肉盛層形成方法に関する。

従来、耐摩耗性を必要とする部材（母材）上に肉盛溶接を行うことにより硬化肉盛層を形成して、母材の耐摩耗性を向上させることが行われている。この硬化肉盛層の形成においては、溶接によって溶加材を溶融させて母材上に溶融池を生成すると共に、溶融池に硬質粒子を散布する（特許文献１参照）。これにより、硬質粒子が未溶融状態で混入された硬化肉盛層を得ることができ、耐摩耗性を向上させることができる。
特開平８−４７７７４号公報

上記のような硬化肉盛層では、耐摩耗性を向上させるために硬化肉盛層の硬度を高めることが重要であるが、硬度が向上すれば亀裂が生じ易くなるという問題がある。また、亀裂を生じ難くするためには延性を向上させることが有効であるが、この場合、硬度が低下して耐摩耗性が低下する恐れがある。

本発明の課題は、硬化肉盛層における亀裂の発生を抑えると共に、耐摩耗性を向上させることができる硬化肉盛層形成方法を提供することにある。

第１発明にかかる硬化肉盛層形成方法は、炭素鋼からなる溶加材を溶融させて母材上に溶融池を生成する工程と、炭化物又は炭窒化物を含有する硬質粒子を溶融池に供給する工程と、溶融池が凝固することにより母材上に形成され硬質粒子を未溶融状態で含有すると共に硬質粒子の一部が溶融することによりオーステナイト組織を母相に含有する硬化肉盛層を得る工程と、母材および硬化肉盛層のオーステナイト組織にマルテンサイト変態を起こさせて硬化させるように母材および硬化肉盛層を焼き入れする工程とを備える。

この硬化肉盛層形成方法では、炭化物又は炭窒化物を含有する硬質粒子を溶融池に供給することにより、硬質粒子に含まれる炭化物の一部が硬化肉盛層の溶加材に溶出する。このため、硬質粒子を未溶融状態で含有すると共に、オーステナイトが安定化した組織を母相に含有する硬化肉盛層が形成される。これにより、割れ難い硬化肉盛層を形成することができる。そして、この硬化肉盛層が焼き入れされることにより、硬化肉盛層の母相がマルテンサイト変態を起こし、硬化肉盛層の硬度を向上させることができる。また、硬化肉盛層のオーステナイトがマルテンサイトに変態して硬化肉盛層が膨張することにより、母材のマルテンサイト変態膨張に追従することができる。このため、硬化肉盛層と母材との冷却により変位差を低減させることができ、焼き入れの際に硬化肉盛層に亀裂が生じることを抑えることができる。これにより、この硬化肉盛層形成方法では、硬化肉盛層における亀裂の発生を抑えると共に、耐摩耗性を向上させることができる。

第２発明にかかる硬化肉盛層形成方法は、第１発明の硬化肉盛層形成方法であって、硬質粒子は、炭化物としてＷＣを含有する。

この硬化肉盛層形成方法では、硬質粒子がＷＣを含有する。ＷＣは炭素鋼からなる溶加材に比較的よく溶けるため、溶出する炭素濃度が高くなり、硬化肉盛層中のマルテンサイト組織の量を増大させることができる。これにより、硬化肉盛層の硬度をより向上させることができる。

第３発明にかかる硬化肉盛層形成方法は、第１発明または第２発明の硬化肉盛層形成方法であって、硬質粒子は、ＷＣを含有する第１粒子と、ＴｉＣ又はＴｉＣＮを含有する第２粒子とを有する。

この硬化肉盛層形成方法では、硬質粒子は、ＷＣを含有する第１粒子と、ＴｉＣ又はＴｉＣＮを含有する第２粒子とを有する。ＷＣは比較的溶加材によく溶けるため、溶出する炭素濃度が高くなり、硬化肉盛層中のマルテンサイト組織の量を増大させることができ、硬化肉盛層の硬度を向上させることができる。また、ＴｉＣ又はＴｉＣＮが添加されることにより、生成されるマルテンサイト組織をより微細化することができる。これにより、硬化肉盛層の靱性を向上させることができる。また、ＷＣと、ＴｉＣ又はＴｉＣＮとの配合比を調整することによって、硬化肉盛層の硬度と靱性とを調整することも可能である。

第４発明にかかる硬化肉盛層形成方法は、第１発明から第３発明のいずれかの硬化肉盛層形成方法であって、母材および硬化肉盛層を焼き入れする工程では、硬化肉盛層が得られる際の入熱によって生成した脆弱な熱影響組織を消失させると共に硬化肉盛層を硬化させる。

この硬化肉盛層形成方法では、母材および硬化肉盛層を焼き入れする工程において、脆弱な熱影響組織を消失させると共に硬化肉盛層を硬化させる。このため、硬化肉盛層における亀裂の発生を抑えると共に、耐摩耗性を向上させることができる。

本発明にかかる硬化肉盛層形成方法では、硬化肉盛層の硬度を向上させることができると共に、硬化肉盛層に亀裂が生じることを抑えることもできる。これにより、この硬化肉盛層形成方法では、硬化肉盛層における亀裂の発生を抑えると共に、耐摩耗性を向上させることができる。

本発明に係る硬化肉盛層形成方法において用いられる溶接システム１を図１に示す。溶接システム１は、硬質粒子２を未溶融状態で含有する硬化肉盛層３をアーク溶接によって母材４上に形成するものである。母材４は、例えば、耐摩耗性が必要とされるバケットツースなどの建設機械の構成部品であり、Ｓ４５Ｃなどの炭素鋼や、ＳＣＭ４４０などの低合金鋼からなるものである。また、母材４としては、ＣｒＭｏ鋼、Ｃｒ鋼、ボロン鋼、Ｍｎ鋼などの金属からなるものも利用できる。この溶接システム１は、トーチ５と、硬質粒子供給ノズル６とを備えている。

トーチ５には、溶加材として溶接ワイヤ７が供給される。この溶接ワイヤ７は、軟鋼などの炭素鋼を主成分とするものである。溶接ワイヤ７は、図示しないコイルから繰り出されてトーチ５へ供給され、トーチ５の先端から所定の長さＬ１（突出長さ）だけ突出している。この溶接ワイヤ７がアークによって溶融して溶加材として供給されることによって、母材４上に溶融池８が生成される。トーチ５は、母材４の表面に対して角度θ（トーチ角）で傾斜しており、母材４の表面に沿って所定速度で移動する（図１の矢印Ａ１参照）。

硬質粒子供給ノズル６は、トーチ５の外部においてトーチ５に近接して配置されており、溶接ワイヤ７が溶融して形成される溶融池８の上方に配置される。硬質粒子供給ノズル６は、トーチ５の進行方向（図１の矢印Ａ１参照）に沿って前後に所定幅でウィービングしながらトーチ５と共に移動する（図１の矢印Ａ２，Ａ３参照）。硬質粒子２は、移動する硬質粒子供給ノズル６から重力落下することにより溶融池８のアーク直下に供給される。なお、硬質粒子供給ノズル６と溶融池８のアーク発生部分までの距離はＬ２である。また、硬質粒子供給ノズル６の外周には水冷パイプ９が配設されており、硬質粒子供給ノズル６を冷却している。

硬質粒子供給ノズル６から供給される硬質粒子２は、炭化物又は炭窒化物を主成分として含有する粒子、または、これらの１種類以上をＦｅ系、Ｃｏ系、Ｎｉ系の金属で結合した粒子からなるものである。硬質粒子２は、硬化肉盛層３の添加成分として必要な硬度、例えば、５００〜２０００Ｈｖ、好ましくは１０００〜１８００Ｈｖの硬度を有する。また、硬質粒子２の粒径は、０．５〜５ｍｍ、好ましくは０．５〜２．５ｍｍであり、その添加量は、硬化肉盛層３に対して５〜５５体積％、好ましくは１５〜４５体積％である。また、硬質粒子２は、１種類の粒子に限らず、複数種類の粒子が混合したものであってもよい。

なお、硬化肉盛層３の熱膨張係数は、硬質粒子２の熱膨張係数と、硬化肉盛層３の母相となる溶加材の熱膨張係数との複合則が成り立つため、硬質粒子２の熱膨張係数と供給量とを調整することによって、硬化肉盛層３の熱膨張係数を所望の値に調整することも可能である。例えば、溶加材として熱膨張係数１４．９の炭素鋼を用い、硬質粒子２として熱膨張係数７．２のＮｂＣを含有率３５体積％となるように供給した場合、硬化肉盛層３の熱膨張係数は、１４．９×（１−０．３５）＋７．２×０．３５＝１２．２となる。このため、硬化肉盛層３の熱膨張係数は、溶加材のみの場合の熱膨張係数よりも小さくなり、冷却中の硬化肉盛層３に圧縮の応力が発生し易くなる。これにより、硬化肉盛層に亀裂が発生し難くなる。また、溶加材として軟鋼を用いた場合、軟鋼は延性があるため、亀裂の発生をより抑えることができる。

次に、この溶接システム１を用いた硬化肉盛層形成方法のフローを図２に示す。

まず、第１工程Ｓ１では、アーク溶接が行われる。ここでは、アークを発生させることによって溶接ワイヤ７が溶融して溶加材として供給され、母材４上に溶融池８が生成される。なお、本発明に係る硬化肉盛層形成方法では、硬化肉盛層３の形成前に軟鋼等による下盛層を形成する下盛溶接は行われない。

次に、第２工程Ｓ２では、硬質粒子２が硬質粒子２供給ノズル６から落下して溶融池８に供給される。この第２工程Ｓ２は第１工程Ｓ１と並行して行われ、凝固する前の溶融池８に硬質粒子２が供給される。ここで、液体状態の溶融池８に、溶接ワイヤ７を構成する溶加材より比重が小さい硬質粒子２を供給することによって、未溶融の硬質粒子２が表面に多く集まった硬化肉盛層３を形成することができ、硬化肉盛層３の冷却過程において、表面における亀裂の発生を抑えることができる。この場合の硬質粒子２としては、例えば、溶加材として鋼を用いる場合には、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＺｒＣ、Ｃｒ３Ｃ２または、これらの１種類以上をＦｅ系、Ｃｏ系、Ｎｉ系の金属で結合した粒子からなるものがある。などがある。また、半凝固状態の溶融池８に、溶加材の比重以上の比重を有する硬質粒子２を供給してもよい。例えば、鋼を溶加材として用いる場合、溶加材と概ね同じ比重を有する硬質粒子２としては、ＮｂＣがある。また、より大きな比重を有するものとしては、Ｍｏ２Ｃ、ＴａＣ、ＷＣ、Ｗ２Ｃ、または、これらの１種類以上をＦｅ系、Ｃｏ系、Ｎｉ系の金属で結合した粒子からなるものがある。この場合も、未溶融の硬質粒子２が表面に多く集まった硬化肉盛層３を形成することができ、硬化肉盛層３の冷却過程において、表面における亀裂の発生を抑えることができる。さらに、溶加材の比重より小さい第１粒子と、溶加材の比重以上の比重を有する材料からなる第２粒子とを含む硬質粒子２を供給してもよい。この場合、硬化肉盛層３中に硬質粒子２を分散させることができる。また、当然に、硬化肉盛層３の表面近傍にも硬質粒子２を分布させることができるため、硬化肉盛層３の冷却過程において、表面における亀裂の発生を抑えることもできる。

第３工程Ｓ３では、溶融池８が凝固することにより、母材４上に形成され硬質粒子２を未溶融状態で含有する硬化肉盛層３が得られる。ここでは、トーチ５と硬質粒子２供給ノズル６とが移動した後の部分において、溶融池８が自然に凝固して硬化肉盛層３が形成される。

トーチ５と硬質粒子２供給ノズル６とが移動しながら、上記の第１工程Ｓ１から第３工程Ｓ３が繰り返し行われることにより、母材４の所定領域を覆うように硬化肉盛層３が形成される。

次に、第４工程Ｓ４では、母材４と硬化肉盛層３との焼き入れが行われ、第５工程Ｓ５において、母材４と硬化肉盛層３との焼き戻しが行われる。ここで、第４工程Ｓ４の焼き入れは、母材４および硬化肉盛層３の組織にマルテンサイト変態を起こさせて硬化させるために適当な条件で行われ、例えば、母材４と硬化肉盛層３とが８５０〜９５０℃で１〜２時間程度加熱された後に水冷又は油冷により冷却される。また、第５工程の焼き戻しでは、例えば、母材４と硬化肉盛層３とが２００〜３５０℃で３時間程度加熱した後に放冷により冷却される。

このような硬化肉盛層形成方法によって硬化肉盛層３が形成されると、未溶融の硬質粒子２が硬化肉盛層３に残存する一方、硬質粒子２の一部が溶けて炭素が溶加材に溶出する。このため、第３工程後の硬化肉盛層３の母相（溶加材）は、オーステナイトが安定化し、残留オーステナイトが多く含まれた組織となり、延性を有する。これにより、硬化肉盛層３において亀裂が発生し難くなる。

また、この硬化肉盛層３が第４工程において焼き入れされることにより、マルテンサイトが生成し、硬度が増大して耐摩耗性が向上すると共に、硬化肉盛層３の形成時の入熱で生成した脆弱な熱影響組織部（ＨＡＺ）が消失する。

さらに、硬化肉盛層３を形成するための溶接の熱によって硬度が低下していた母材４が焼き入れされることにより、母材４の硬度を増大させることもできる。

以下、本実施形態に係る硬化肉盛層形成方法の具体的実施例について説明する。なお、各実施例における条件を比較した表を図３に示す。

上述した溶接システム１および硬化肉盛層形成方法において、以下の条件で硬化肉盛層３を形成する。
〔母材４および溶接ワイヤ７の種類〕
母材４は、ＳＨ３０製（ＮｉＣｒＭｏ鋼）であり、重量％で、Ｃ：０．２５〜０．３０％、Ｓｉ：１．２０〜１．６０％、Ｍｎ：０．８〜１．０％、Ｎｉ：０．２５〜０．３５％、Ｃｒ：１．８５〜２．１５％、Ｍｏ：０．３０〜０．４０％、Ａｌ：０．０３〜０．３％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる。

溶接ワイヤ７は、ＪＦＥ溶接棒株式会社ＫＣ−５０製（５０ｋｇ級軟鋼、比重７．８）であり、φ１．２ｍｍのものを用いた。

なお、溶接ワイヤ７の突出長さＬ１は２５ｍｍであり、トーチ角θは６０°である。
〔溶接条件〕
溶接電流：３３０〜３５０Ａ
溶接電圧：３３Ｖ
溶接入熱：１５．４〜１５．６ｋＪ／ｃｍ
溶接速度（トーチ５の移動速度）：４２〜４５ｃｍ／ｍｉｎ
なお、シールドガスとして、ＣＯ２を毎分３０リットル供給する。
〔硬質粒子２供給ノズル６の移動条件〕
ウィービング波形：ｓｉｎ波
ウィービング周波数：３．０Ｈｚ
ウィービング幅：８．０〜９．８ｍｍ
硬質粒子２供給ノズル６とアーク発生部分までの距離Ｌ２：２５ｍｍ
〔硬質粒子２の種類〕
硬質粒子２として、ＷＣ−Ｃｏを主成分とする超硬粒（比重１４．５ｇ／ｃｍ３）を用いた。この超硬粒は、超硬合金のスローアウェイチップ廃材の破砕粒から得られたものである。硬質粒子２に関する他の条件は以下の通りである。

硬質粒子２の粒径：０．７１〜２．３６ｍｍ
硬質粒子２の供給量：３０６．５ｇ／ｍｉｎ
粒子供給総体積：２１．１ｃｍ３／ｍｉｎ
硬質粒子２の含有率：３８．５％
なお、硬質粒子２の含有率は、硬化肉盛層３の総断面積における硬質粒子２の断面積の割合を示すものであり、硬質粒子２の硬化肉盛層３への溶け混みを考慮しない見かけの含有率である。
〔熱処理条件〕
焼き入れ条件：９５０℃で１時間加熱した後、水冷
焼き戻し条件：２００℃で３時間加熱した後、放冷
〔結果〕
焼き入れ前の硬化肉盛層３では、硬質粒子２が未溶融で残存していると共に、母相は、残留オーステナイトが非常に多い組織となる。また、硬化肉盛層３に亀裂は発生しない。

焼き入れ及び焼き戻し後の硬化肉盛層３では、母相にマルテンサイトが生成しており、硬度が向上する。また、硬化肉盛層３に亀裂は発生しない。さらに、焼き入れにより、母材４の硬度も向上する。

〔条件〕
硬質粒子２として、ＷＣ−Ｃｏを主成分とする超硬粒と、ＴｉＣおよびＴｉＣＮ−Ｎｉを主成分とするサーメット粒とを混合したものを用いた。超硬粒については、実施例１と同様である。サーメット粒は、サーメットスローアウェイチップ廃材の破砕粒から得られたものである。サーメット粒の粒径は０．７１〜２．３６ｍｍである。

硬質粒子２中の超硬粒とサーメット粒との配合率は、体積％で、超硬粒：６２％、サーメット粒：３８％であり、重量％で、超硬粒：７６％、サーメット粒：２４％である。

硬質粒子２の供給量は、超硬粒：１６３．０ｇ／ｍｉｎ、サーメット粒：４９．５ｇ／ｍｉｎである。

また、粒子供給総体積は、１７．８ｃｍ３／ｍｉｎであり、硬質粒子２の含有率は３７．１％である。

他の条件については、第１実施例と同様である。
〔結果〕
この場合も、実施例１と同様に、硬度が向上していると共に亀裂が発生していない硬化肉盛層３が得られる。また、１〜５μｍの粒状のＴｉＣ又はＴｉＣＮが均一に析出し、硬質粒子２に超硬粒のみが配合された実施例１と比べて、母相のオーステナイトやマルテンサイトの組織が微細化する。また、実施例１のように、超硬粒の配合率が高いと、高い硬度が得られる一方で脆弱な（Ｗ，Ｆｅ）共晶炭化物が析出し易くなるが、硬度と靱性とのバランスの観点からは本実施例の配合率がより望ましいと考えられる。

また、実施例１と同様に、焼き入れにより母材４の硬度も向上する。

〔条件〕
硬質粒子２として、超硬粒とサーメット粒とを第２実施例とは異なる配合率で混合したものを用いた。

硬質粒子２中の超硬粒とサーメット粒との配合率は、体積％で、超硬粒：３４％、サーメット粒：６６％であり、重量％で、超硬粒：５０％、サーメット粒：５０％である。

硬質粒子２の供給量は、超硬粒：９６．３ｇ／ｍｉｎ、サーメット粒：９６．３ｇ／ｍｉｎである。

また、粒子供給総体積は、１９．５ｃｍ３／ｍｉｎであり、硬質粒子２の含有率は３９．１％である。

他の条件については、第１実施例と同様である。
〔結果〕
この場合も、実施例１と同様に、硬度が向上していると共に亀裂が発生していない硬化肉盛層３が得られる。また、第２実施例と同様に、１〜５μｍの粒状のＴｉＣが均一に析出し、硬質粒子２に超硬粒のみが配合された実施例１と比べて、母相のオーステナイトやマルテンサイトの組織が微細化する。また、実施例１よりも（Ｗ，Ｆｅ）共晶炭化物の析出量が少なくなる。さらに、焼き入れにより母材４の硬度も向上する。

硬質粒子２として、超硬粒とサーメット粒とを第２実施例および第３実施例とは異なる配合率で混合したものを用いた。

硬質粒子２中の超硬粒とサーメット粒との配合率は、体積％で、超硬粒：１２．５％、サーメット粒：８８％であり、重量％で、超硬粒：２２％、サーメット粒：７８％である。

硬質粒子２の供給量は、超硬粒：３６．５ｇ／ｍｉｎ、サーメット粒：１２６．５ｇ／ｍｉｎである。

また、粒子供給総体積は、１９．４ｃｍ３／ｍｉｎであり、硬質粒子２の含有率は３９．０％である。

他の条件については、第１実施例と同様である。
〔結果〕
この場合も、実施例１と同様に、硬度が向上していると共に亀裂が発生していない硬化肉盛層３が得られる。また、第２実施例および第３実施例と同様に、１〜５μｍの粒状のＴｉＣ又はＴｉＣＮが均一に析出し、硬質粒子２に超硬粒のみが配合された実施例１と比べて、母相のオーステナイトやマルテンサイトの組織が微細化する。また、実施例１よりも（Ｗ，Ｆｅ）共晶炭化物の析出量が少なくなる。さらに、焼き入れにより母材４の硬度も向上する。

硬質粒子２として、超硬粒が配合されておらずサーメット粒のみからなるものを用いた。

硬質粒子２の供給量は、１５８．５ｇ／ｍｉｎである。

また、粒子供給総体積は、２１．１ｃｍ３／ｍｉｎであり、硬質粒子２の含有率は３８．５％である。

他の条件については、第１実施例と同様である。
〔結果〕
この場合も、実施例１と同様に、硬度が向上していると共に亀裂が発生していない硬化肉盛層３が得られる。さらに、焼き入れにより母材４の硬度も向上している。

母材４として、重量％で、Ｃ：０．３２〜０．３５％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．８５〜１．１０％、Ｃｒ：０．８５〜１．１０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなるＳＢＴ−１Ｈ（ＭｎＣｒＢ鋼）を用いた。

また、８５０℃で２時間加熱した後に水冷することで焼き入れを行い、２００℃で３時間加熱した後に放冷することにより焼き戻しを行った。

他の条件については、実施例１と同様である。

この場合も、亀裂を発生させることなく硬度の高い硬化肉盛層３および母材４を得ることができる。

本発明は、硬化肉盛層における亀裂の発生を抑えると共に、耐摩耗性を向上させることができる効果を有し、硬化肉盛層形成方法として有用である。

本発明に係る硬化肉盛層形成方法で用いられる溶接システムの構成を示す図。本発明に係る硬化肉盛層形成方法のフローを示す図。各実施例の条件を比較した表を示す図。

Claims

炭素鋼からなる溶加材を溶融させて母材上に溶融池を生成する工程と、
炭化物又は炭窒化物を含有する硬質粒子を前記溶融池に供給する工程と、
前記溶融池が凝固することにより、前記母材上に形成され前記硬質粒子を未溶融状態で含有すると共に前記硬質粒子の一部が溶融することによりオーステナイト組織を母相に含有する硬化肉盛層を得る工程と、
前記母材および前記硬化肉盛層のオーステナイト組織にマルテンサイト変態を起こさせて硬化させるように前記母材および前記硬化肉盛層を焼き入れする工程と、
を備える硬化肉盛層形成方法。
前記硬質粒子は、前記炭化物としてＷＣを含有する、
請求項１に記載の硬化肉盛層形成方法。
前記硬質粒子は、ＷＣを含有する第１粒子と、ＴｉＣ又はＴｉＣＮを含有する第２粒子とを有する、
請求項１または２に記載の硬化肉盛層形成方法。
前記母材および前記硬化肉盛層を焼き入れする工程では、前記硬化肉盛層が得られる際の入熱によって生成した脆弱な熱影響組織を消失させると共に、前記硬化肉盛層を硬化させる、
請求項１から３のいずれかに記載の硬化肉盛層形成方法。