JP5632358B2

JP5632358B2 - 硬化肉盛用溶接材料とそれによる肉盛溶接層を有する機械部品

Info

Publication number: JP5632358B2
Application number: JP2011281957A
Authority: JP
Inventors: 充辻野; 進石村
Original assignee: 新日本溶業株式会社
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2031-12-22
Also published as: JP2013128976A

Description

本発明は、例えば高温下で作動するディスク式バルブの摺動ガイド部等、潤滑剤を使用できない高温下での摺動部に耐摩耗性を付与する硬化肉盛層を設けるのに使用される硬化肉盛用溶接材料と、該材料による肉盛溶接層を有する機械部品に関する。

一般的に、石油精製プラント等において高温流体を通す大流量流路の開閉部には、例えば図１に示すようなディスク式バルブが使用されている。このディスク式バルブは、配管接続用フランジ部Ｆ１，Ｆ２を備えたバルブケースＶ内の流路開閉部Ｒに対し、弁体としての厚板状のディスクＤを左右両側のガイドレールＧ，Ｇを介して進退移動させることにより、流路の遮蔽・開放を行うものである。しかして、左右各側のガイドレールＧは、図示のような上下一対の角棒体Ｓ，Ｓ（特許文献１）や、断面Ｌ字形のもの（特許文献２）からなるが、高温下での耐摩耗性を付与するために、例えば図２に示すガイドレールＧのように、母材１におけるディスクＤとの摺接ガイド面にトリバロイ（デロロ・ステライト社製の商品名）Ｔ−４００及びＴ−８００（以下、単にＴ−４００、Ｔ−８００と略称する）のようなＣｏ基合金やＮｉ基合金からなる高硬度の肉盛溶接層２を設けている。とりわけ、Ｔ−８００の肉盛溶接層は、高硬度であって、耐摩耗性、耐掻傷性、耐食性、低摩擦性等に優れる点から、広く採用されている。

上記のトリバロイ合金の概略組成は、質量％として、Ｔ−８００ではＭｏ：２８．５％、Ｃｒ８．５％、Ｓｉ：２．６％、Ｃ：０．０４％、残部Ｃｏ、Ｔ−４００ではＭｏ：２８．０％、Ｃｒ１８．０％、Ｓｉ：３．４％、Ｃ：０．０４％、残部Ｃｏとなっている。その肉盛溶接層の組織は、軟質なＣｏ基の固溶体マトリックス相と、硬い稠密六方晶系の金属間化合物であるＭｏ₃Ｃｏ₂Ｓｉのラーベス相との２相成分にて構成されている。

一方、ディーゼルエンジンやガスエンジン等の給排気バルブのバルブフェース用の硬化肉盛用溶接材料では、従来汎用のＴ−４００に代わるＣｏ基合金として、質量（重量）％で、Ｃｒ：７．０〜１５．０％、Ｍｏ：２６〜３３％、Ｃ：０．１〜０．５％、Ｓｉ：２．０〜５．０％、Ｍｎ：０．０１〜１．０％、残部Ｃｏの組成を有するものも提案されている（特許文献３）。

特開２００５−２３８２４７号公報特開平１１−２３４０号公報特開平５−１３１２８９号公報

しかるに、Ｔ−８００やＴ−４００の硬化肉盛用溶接材料は、溶接施工時の割れ感受性が高く、複雑形状への溶接施工や多層盛溶接が難しく、また表面硬度のばらつきを生じやすいという難点がある上、近年において前記ディスク式バルブのガイドレール等のように高温下で金属部材同士が摺接する部位に要望される更に高レベルの耐摩耗性、耐亀裂・欠損性には対応できなかった。一方、前記提案に係るＣｏ基合金の硬化肉盛用溶接材料においても、同様に高温下で金属部材同士が摺接する部位に要望される高レベルの耐摩耗性、耐亀裂・欠損性には対応できない。

本発明は、上述の事情に鑑みて、高硬度でばらつきが小さく、前記ガイドレール等として卓越した耐摩耗性を発揮する肉盛溶接層を形成でき、且つ溶接性や肉盛溶接層の機械加工性にも優れるＣｏ基合金系の硬化肉盛用溶接材料と、それによる肉盛溶接層を備えた機械部品を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１の発明に係る硬化肉盛用溶接材料は、Ｃｏ基合金であって、Ｃが０．６〜１．０質量％、Ｓｉが２．０〜５．０質量％、Ｗ，Ｎｂ，Ｔｉから選ばれる少なくとも一種が合量で０．５〜１．０質量％、Ｃｒが１６．０〜２０．０質量％、Ｍｏが２０．０〜３５．０質量質量％、Ｎｉが２．０質量％以下、Ｆｅが２．０質量％以下、残部がＣｏと不可避不純物である組成を有するものとしている。

また、請求項２の発明に係る機械部品は、高温下での金属同士の摺接部を構成する金属母材の摺接面に、請求項１に記載の硬化肉盛用溶接材料による厚さ２．５〜５ｍｍで２３℃におけるビッカース硬度（Ｈｖ）７００以上の肉盛溶接層が形成されてなるものとしている。

請求項１の発明によれば、Ｃｏ基合金系の硬化肉盛用溶接材料として、特定種の元素を特定範囲で含むことで、溶融金属の凝固時における固液相間の温度領域が拡大すると共に冷却速度も遅くなり、不活性ガスシールド下でも金属間化合物（Ｍｏ₃Ｃｏ₂Ｓｉ)結晶が多く析出して且つ複合炭化物の微細結晶も析出し、組織全体に小さい結晶粒子が分散して硬度的に安定するため、特に高温下でも高硬度であって、且つ硬度のばらつきが小さく、ディスク式バルブのガイドレール等として卓越した耐摩耗性を発揮でき、耐掻傷性、耐食性、低摩擦性、溶接性、機械加工性等にも優れた肉盛溶接層を形成できるものが提供される。

請求項２の発明によれば、ディスク式バルブのガイドレールのように高温下での摺接部を構成する金属部品として、その金属母材の摺接面に上記硬化肉盛用溶接材料による特定厚みで高硬度の肉盛溶接層が形成されていることから、摺接部が低摩擦で耐摩耗性、耐掻傷性、耐食性に優れるものが提供される。

ガイドレールの摺接部に肉盛溶接を施すディスク式バルブの一例を示す斜視図である。同ディスク式バルブの肉盛溶接を施したガイドレールの斜視図である。従来のＣｏ基合金（Ｔ−８００）による溶着金属組織の顕微鏡写真図を示し、（ａ）は倍率１６０、（ｂ）は倍率８００である。本発明の硬化肉盛用溶接材料による溶着金属組織の顕微鏡写真図を示し、（ａ）は倍率１６０、（ｂ）は倍率８００である。本発明の硬化肉盛用溶接材料と従来のＣｏ基合金（Ｔ−８００）による肉盛溶接層の研磨後の表面硬さ（Ｈｖ）と測定回数の相関図である。本発明の硬化肉盛用溶接材料と従来のＣｏ基合金（Ｔ−８００）による肉盛溶接層の摩耗試験による摩耗深さと摩耗回数の相関図である。本発明の硬化肉盛用溶接材料と従来のＣｏ基合金（Ｔ−８００）による肉盛溶接層の高温硬度試験による温度と硬度（Ｈｖ）の相関図である。

本発明の硬化肉盛用溶接材料は、既述のように、Ｃｏ（コバルト）基合金であって、Ｃ（炭素）が０．６〜１．０質量％、Ｓｉ（珪素）が２．０〜５．０質量％、Ｗ（タングステン），Ｎｂ（ニオブ），Ｔｉ（チタニウム）より選ばれる少なくとも一種が合量で０．５〜１．０質量％、Ｃｒ（クロム）が１６．０〜２０．０質量％、Ｍｏ（モリブデン）が２０．０〜３５．０質量質量％、Ｎｉ（ニッケル）が２．０質量％以下、Ｆｅ（鉄）が２．０質量％以下、残部が実質的にＣｏからなる組成を有するものである。

そして、この硬化肉盛用溶接材料によって基材表面に肉盛溶接した溶着金属は、Ｃｏ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｓｉの４元系合金相に、金属間化合物であるＭｏ₃Ｃｏ₂Ｓｉの結晶と、Ｍｏ及びＣｒとＷ，Ｎｂ，Ｔｉ等の複合炭化物の微細結晶とが分散した複合組織になっており、高度の耐熱性、耐摩耗性、耐食性を示すと共に、優れた高温硬度を備えている。これは、マトリックス中のＭｏ，Ｃｒ等の固溶によって高耐食性がもたらされ、またマトリックスに分散する硬質な金属間化合物（Ｍｏ₃Ｃｏ₂Ｓｉ）の自己潤滑性によって耐摩耗性が高められ、更にＭｏ−Ｃｒ−Ｗ複合炭化物の微細結晶の分散効果として高硬度、特に高温下での高硬度が付与されて且つ硬度のばらつきが少なくなるものと想定される。

上記組成中のＣは、Ｍｏ及びＣｒとＷ，Ｎｂ，Ｔｉ等との間で複合炭化物を形成する成分であり、その添加量が０．６質量％以上と従来汎用のＴ−８００に比較して略一桁多く、それによって多く析出した微細結晶の分散効果により、合金の硬度及び耐摩耗性を高め、また高温強度の向上に大きく寄与する。しかるに、その添加量は、多過ぎては複合炭化物の生成が過剰になって合金の脆化を招き、割れや欠けを発生し易くなるため、１．０質量％を上限とする。

Ｓｉは、合金の融点を下げて溶融金属の流動性を高める成分であり、その作用を十分に発揮する上で２．０質量％以上の添加を必要とするが、多過ぎては金属間化合物のＣｏ−Ｍｏ−Ｓｉ相が生成過剰になって合金の脆化を招くことから、添加量の上限を５．０質量％とする。

Ｗ，Ｎｂ，Ｔｉは、Ｍｏ及びＣｒと共に複合炭化物を形成する成分であって、該複合炭化物としてマトリックス中に分散し易い微細結晶を生成させて割れや欠け防止に寄与すると共に、特に硬度を大きく高める作用を発揮する。これらの添加量は合量で、０．５質量％未満では十分な添加効果が得られず，逆に１．０質量％を超えると溶融金属の流動性を低下させる。なお、Ｗ，Ｎｂ，Ｔｉの内、特にＷが添加効果の上で最適なものとして推奨される。

Ｍｏは、Ｃｏ，Ｃｒ，Ｓｉと共に前記の４元系合金相を形成し、且つＣｏ及びＳｉと共に前記金属間化合物の結晶を析出し、該金属間化合物の高い硬度と自己潤滑性によって合金の耐摩耗性を高め、また耐食性を向上させる成分である。その添加量は、２０．０質量％未満では金属間化合物の析出量が不足し、多くなるほど該析出量が増加するが、多過ぎてはＣｏ基合金としてのバランスを悪化させるので３５．０質量％を上限とする。

Ｃｒは、Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉと共に前記の４元系合金相を形成する成分であり、その添加によって特に合金の硬度及び耐食性を高める作用を発揮する。その添加量は、１６．０質量％未満では合金の耐食性及び耐熱性が不足すると共に硬度及び靱性も低下する一方、２０．０質量％を超えても合金の靱性が低下して割れや欠けを発生し易くなる。

Ｃｏは、Ｃｏ基合金としての基本元素であり、上記諸元素と共に、高耐食性、高耐熱性、高耐摩耗性、高靱性の合金を形成する。

Ｆｅ及びＮｉは、本発明の意図する合金特性面からは不要な不純分に相当する元素であるため、その混在量が少ないほどよいが、それぞれ２．０質量％までの範囲であれば特性的に許容される。

なお、本発明の硬化肉盛用溶接材料は、上記諸元素以外の元素についても、不可避不純物あるいは付随不純物として０．１質量％以下の微量の範囲で含んでいてもよい。

このような硬化肉盛用溶接材料による肉盛溶接手段としては、特に制約はなく、不活性ガスシールド下で行うアーク溶接であるプラズマ粉末溶接法やＴＩＧ（タングステン・イナートガス）溶接法、酸素アセチレンガス溶接法等の種々の方法を採用できるが、特にプラズマ粉末溶接法が高い生産性を得る上で好適である。

本発明の硬化肉盛用溶接材料による肉盛溶接の適用対象には特に制約はなく、例えば自動車、船舶、航空機、コンプレッサー、石油精プラント等で用いられる軸受部材、ピストン部材、シール部材、バルブ部材等の高い耐摩耗性が要求される各種部材、とりわけ金属同士の摺接部、潤滑剤が行き渡りにくい摺接部、高温下で潤滑剤を使用できない摺接部等を構成する部材が好適である。そして、これらの中でも特に適用効果が大きいのは、高温下で作動するディスク式バルブの摺動ガイド部等、潤滑剤を使用できない高温下での金属同士の摺接部を構成する部材である。

しかして、本発明の機械部品は、高温下での金属同士の摺接部を構成する金属母材の摺接面に、上記の硬化肉盛用溶接材料による厚さ２．５〜５ｍｍで２３℃におけるビッカース硬度（Ｈｖ）７００以上の肉盛溶接層が形成されてなるものとしている。この肉盛溶接層の厚さは、２．５ｍｍ未満では十分な耐久性が得られず、５ｍｍを超える厚みでは施工性に劣ると共に材料コスト的に不経済である。

後記表１に示す合金組成の粉末溶接材料Ａ１〜Ａ３（実施例）及びＢ１〜Ｂ１０（比較例）を用い、プラズマ粉末溶接法により、ＳＵＳ３０８鋼材（幅５０ｍｍ・厚さ３０ｍｍ・長さ３００ｍｍ）の表面に、溶接ビードの厚さ５ｍｍ、幅３０ｍｍ、長さ２５０ｍｍの肉盛溶接を行った後、該肉盛溶接層の表面を層厚が４ｍｍになるまでダイアモンド砥粒による荒研磨及びバフ研磨を行って鏡面仕上げした。なお、粉末溶接材料Ｂ１０はＴ−８００の合金組成である。

〔表面硬度試験１〕
粉末溶接材料Ａ１〜Ａ３及びＢ１〜Ｂ１０にて形成した各肉盛溶接層の表面のショアー硬度（Ｈｓ）を、ハンディ硬さ計（ＪＦＥアドバンテック社製の商品名SONOHARD HS-21型）を用いて測定した。その結果を後記表１に示す。なお、硬度のばらつきと平均は、各肉盛溶接層の試料１０点の測定値に基づく。

上記表１で示すように、本発明の硬化肉盛用溶接材料（粉末溶接材料Ａ１〜Ａ３）による肉盛溶接層の表面硬度は、ショアー硬度（Ｈｓ）として、Ｔ−８００（粉末溶接材料Ｂ１０）による肉盛溶接層に比較して格段に高い上にばらつきも少ないことが明らかである。また、本発明とは合金組成の元素比率が多少異なる硬化肉盛用溶接材料（粉末溶接材料Ｂ１〜Ｂ９）による肉盛溶接層の表面硬度は、ばらつきが比較的に少なくても本発明によるものよりも低くなることが判る。

〔表面硬度試験２〕
表１の粉末溶接材料Ａ１，Ｂ１０による各肉盛溶接層の表面のビッカース硬度（Ｈｖ）を、ビッカース硬度計によって２ｍｍ間隔で測定したところ、図５に示す結果が得られた。この図５より、本発明の硬化肉盛用溶接材料による肉盛溶接層の表面硬度は、ビッカース硬度（Ｈｖ）においても、従来汎用の硬化肉盛用溶接材料（Ｔ−８００）に比較して格段に高く且つばらつきが非常に少ないことが判る。

〔溶着金属の組織観察〕
表１の粉末溶接材料Ａ１，Ｂ１０による溶着金属の組織を走査型電子顕微鏡によって観察した。図３（ａ）（ｂ）は粉末溶接材料Ｂ１０による電子顕微鏡写真、図４（ａ）（ｂ）は粉末溶接材料Ａ１による電子顕微鏡写真である。図３（ａ）（ｂ）から明らかなように、粉末溶接材料Ｂ１０による溶着金属組織では、硬い稠密六方晶系のラーベス相（金属間化合物Ｍｏ₃Ｃｏ₂Ｓｉ）と、比較的軟らかいマトリックス相（共晶組織）との２相成分から構成されているが、凝固時の固液相間の温度領域が狭いため、金属間化合物は析出量が少ない上に大きな結晶粒子になり、これによって硬度のばらつきが大きくなると推測される。これに対し、本発明の硬化肉盛用溶接材料による溶着金属組織では、図４（ａ）（ｂ）から明らかなように、凝固時の固液相間の温度領域が拡大すると共に冷却速度も遅くなるため、金属間化合物が小さい結晶粒子として多く析出することに加えて複炭化物の微細結晶も多く析出し、これら金属間化合物と複炭化物の結晶粒子が組織全体に均一分散して硬度的に安定すると想定される。

〔高温硬さ試験〕
表１の粉末溶接材料Ａ１，Ｂ１０による肉盛溶接層の各試料５点について、高温顕微鏡硬度計を用い、荷重１ｋｇｆにおいて常温から８００℃までの表面硬度（ビッカース硬度Ｈｖ）を測定したところ、図７に示す結果が得られた。なお、図７のビッカース硬度（Ｈｖ）の数値は試料５点の平均値である。この試験結果から、本発明の硬化肉盛用溶接材料による肉盛溶接層は、常温から８００℃までの温度範囲の全域にわたり、従来汎用の硬化肉盛用溶接材料（Ｔ−８００）による肉盛溶接層よりも高い表面硬度を示すことが明らかである。

〔耐摩耗性試験〕
表１の粉末溶接材料Ａ１，Ｂ１０による肉盛溶接層について、スガ式摩耗試験機（型式：ＮＵＳ−ＩＳＯ−３）を用いて下記条件で摩耗試験を行い、各摩耗回数による摩耗溝の断面の面積（μｍ²)を測定した。その結果を図６に示す。
摩耗紙の砥粒材質：ＳｉＣ
摩耗紙粗さ：＃３２０
摩耗輪幅：１２ｍｍ
１往復毎の摩耗輪回転角度：０．９ｄｅｇ／１回往復
試験辺走査ストローク拒理：１０ｍｍ
垂直負荷：３０００ｇ・ｆ
走査平均速度：４００ｍｍ／分
摩耗往復数：１６００往復（４×４００回往復）

図６で示す摩耗試験結果から、本発明の硬化肉盛用溶接材料による肉盛溶接層は、従来汎用の硬化肉盛用溶接材料（Ｔ−８００）による肉盛溶接よりも高い耐摩耗性を具備することが判る。

〔溶接性〕
表１の粉末溶接材料Ａ１〜Ａ３，Ｂ１０について肉盛溶接時の挙動を観察したところ、粉末溶接材料Ａ１〜Ａ３は、従来汎用の粉末溶接材料Ｂ１０（Ｔ−８００）に比較し、溶融時の溶融プールの濡れ性が非常によく、溶接ビード端面も良好であるため、割れ等の溶接欠陥を生じにくいことが確認された。また、多層肉盛溶接（２層盛り）の場合、粉末溶接材料Ｂ１０では２層目の溶融プールの濡れ性が１層目よりも悪くなるのに対し、粉末溶接材料Ａ１〜Ａ３では１層目と２層目の溶融プールの濡れ性は変わらず良好であり、多層肉盛溶接への適用性にも優れることが判明した。

〔加工性〕
表１の粉末溶接材料Ａ１〜Ａ３，Ｂ１０による各肉盛溶接を施したＳＵＳ３０８鋼材について、フライス加工を行ったところ、相互の加工性に遜色はなく、またいずれも欠陥は発生しなかったが、粉末溶接材料Ａ１〜Ａ３の方が粉末溶接材料Ｂ１０よりも切断面の光沢に勝るように感じられた。

１母材
２肉盛溶接層
Ｇガイドレール（摺接部）
Ｓ角棒体（機械部品）

Claims

Ｃｏ基合金であって、Ｃが０．６〜１．０質量％、Ｓｉが２．０〜５．０質量％、Ｗ，Ｎｂ，Ｔｉから選ばれる少なくとも一種が合量で０．５〜１．０質量％、Ｃｒが１６．０〜２０．０質量％、Ｍｏが２０．０〜３５．０質量質量％、Ｎｉが２．０質量％以下、Ｆｅが２．０質量％以下、残部がＣｏと不可避不純物である組成を有する硬化肉盛用溶接材料。
高温下での金属同士の摺接部を構成する金属母材の摺接面に、請求項１に記載の硬化肉盛用溶接材料による厚さ２．５〜５ｍｍで２３℃におけるビッカース硬度（Ｈｖ）７００以上の肉盛溶接層が形成されてなる機械部品。