JP5837433B2

JP5837433B2 - 肉盛溶接部材の製造方法

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Publication number: JP5837433B2
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Inventors: 太一中道
Original assignee: Toyo Kohan Co Ltd
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Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2015-12-24
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Description

本発明は、肉盛溶接部材の製造方法に関する。

各種原料樹脂にグラスファイバーなどのフィラーや難燃剤などの添加物を混合してなる樹脂混合物を原料として、金型を用いた射出成形や押出成形により所望形状の成形品を製造する技術が知られている。このような技術においては、原料樹脂や添加物の種類によっては、成形時の加熱により、フッ素ガスや塩素ガス、硫化ガス、リン酸ガスなどの腐食性のガスが発生する場合があり、そのため、成形に用いられる金型や、コアピンなどの金型部品が腐食摩耗してしまうという課題がある。

特に、このような金型用の部材としては、部品寿命の長期化の要求に対応するために、高硬度の焼入鋼が一般的に用いられているが、焼入鋼は耐食性が低く、そのため、腐食性のガスによる腐食の進行を抑制できないものであった。

これに対して、たとえば、特許文献１に記載されているように、鋼材表面にＰＶＤやＣＶＤなどによりセラミックスコーティング等の表面処理を施すことにより、耐食性の改善が試みられている。

特開平５−１９５１９９号公報

しかしながら、上述した特許文献１の方法では、形成される皮膜は、厚みが薄く、また、緻密性が低いものであるため、耐食性の改善効果が低いという課題があった。これに対し、金型部品自体をセラミックス焼結体で構成する方法や、拡散接合やロウ付けにより鋼材表面にセラミックス焼結体を接合する方法なども考えられるが、たとえば、金型部品自体をセラミックス焼結体で構成する方法では、加工時間が長く、加工中や金型部品として実際に使用した際に、割れが発生したり、折損してしまうという不具合が生じてしまう。また、拡散接合やロウ付けにより鋼材表面にセラミックス焼結体を接合する方法では、接合時の加熱による熱膨張差により、セラミックス焼結体に割れが発生してしまうという不具合が生じてしまう。

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、耐食性および耐摩耗性が必要とされる箇所に、耐食性および耐摩耗性に優れたサーメット層を良好に形成可能な肉盛溶接部材の製造方法を提供することにある。

本発明者等は、Ｍｏ_２ＦｅＢ_２型またはＭｏ_２ＮｉＢ_２型の複硼化物を含むサーメット層を、肉盛溶接にて、２〜５ｍｍの幅で金属母材上に、前記金属母材の長手方向に沿って連続的に形成する際に、所定の溶接速度および照射エネルギーにて肉盛溶接を行なうことにより、耐食性および耐摩耗性に優れたサーメット層を備える肉盛溶接部材が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明によれば、Ｍｏ_２ＦｅＢ_２型またはＭｏ_２ＮｉＢ_２型の複硼化物を含むサーメット層を、肉盛溶接にて、２〜５ｍｍの幅で金属母材上に、前記金属母材の長手方向に沿って連続的に形成する肉盛溶接部材の製造方法であって、前記サーメット層を、前記金属母材の長手方向における、前記肉盛溶接の溶接速度１０〜２０ｃｍ／分、前記肉盛溶接の照射エネルギー密度８０００〜９７００Ｗ／ｃｍ^２の条件にて形成することを特徴とする肉盛溶接部材の製造方法が提供される。

本発明の製造方法において、前記肉盛溶接のプラズマアーク径を、前記金属母材の被溶接面の短手方向の長さ以下とすることが好ましい。
本発明の製造方法において、前記金属母材として、ロックウェル硬度がＨＲＣ４５以上である鋼材を使用することが好ましい。
本発明の製造方法において、前記サーメット層が、Ｍｏ_２ＦｅＢ_２型の複硼化物を含む硬質相と、Ｆｅ基合金からなる結合相とからなり、前記硬質相の含有割合が３５〜９５重量％であるように構成することが好ましい。
本発明の製造方法において、前記サーメット層が、Ｍｏ_２ＮｉＢ_２型の複硼化物を含む硬質相と、Ｎｉ基合金からなる結合相とからなり、前記硬質相の含有割合が３５〜９５重量％であるように構成することが好ましい。
本発明の製造方法において、前記金属母材として、被溶接面の短手方向の長さが２〜５ｍｍであるものを使用することが好ましい。
本発明の製造方法において、前記サーメット層と、前記金属母材との間に形成される溶接拡散層の厚みが、１〜３０μｍであることが好ましい。

本発明によれば、耐食性および耐摩耗性が必要とされる箇所に、耐食性および耐摩耗性に優れたサーメット層を良好に形成可能な肉盛溶接部材の製造方法を提供することができる。特に、本発明によれば、幅２〜５ｍｍと比較的微細なサーメット層を良好に形成することができ、これにより、耐食性・耐摩耗性が要求される箇所が、比較的微細なものであっても、耐食性および耐摩耗性に優れたサーメット層を適切に形成することができる。そのため、本発明によれば、耐食性・耐摩耗性が要求される箇所が、比較的微細な範囲とされる用途、特に、金型部品のうち耐食性・耐摩耗性が要求される微小部分、あるいは、コアピン等の微小な金型部品などのそれ自体が耐食性・耐摩耗性が要求される部品などに好適に用いることができる。また、微細な箇所に適切にサーメット層を形成することができることにより、必要以上にサーメット層を形成する必要がなくなるため、サーメット層の形成に要するコストを低減することができる。

図１は、本発明の製造方法により製造される肉盛溶接部材の一例を示す断面図である。図２は、本発明の肉盛溶接部材の製造方法に用いる金属母材１１の一例を示す斜視図である。図３は、本発明の製造方法に用いられるプラズマ肉盛溶接装置（ＰＴＡ）の一例を示す図である。図４は、実施例における耐食性試験の試験結果を示すグラフである。図５は、実施例における耐摩耗性試験の試験結果を示すグラフである。

まず、本発明の肉盛溶接部材の製造方法について説明する前に、本発明の製造方法により得られる肉盛溶接部材について説明する。

図１は、本発明の製造方法により製造される肉盛溶接部材の一例を示す図である。本発明の製造方法により製造される肉盛溶接部材１０は、金属母材１１の少なくとも一つの表面に、金属母材１１の長手方向に沿って、肉盛溶接により形成されたサーメット層１２を備えるものである。サーメット層１２は、金属母材１１に耐食性・耐摩耗性を付与するための層であり、そのため、耐食性・耐摩耗性が要求される部分や、耐食性・耐摩耗性が要求される部品に形成されることとなる。ここで、本発明の製造方法により製造される肉盛溶接部材１０は、肉盛溶接により形成されたサーメット層１２の一方向における幅（短手方向の幅）が、２〜５ｍｍと比較的微細であり、そのため、本発明の製造方法により製造される肉盛溶接部材１０は、サーメット層１２の幅がこのような微小な範囲とされる用途、特に、金型部品のうち耐食性・耐摩耗性が要求される微小部分、あるいは、コアピン等の微小な金型部品などのそれ自体が耐食性・耐摩耗性が要求される部品に好適に用いられる。

金属母材１１上に形成するサーメット層１２としては、Ｍｏ_２ＦｅＢ_２型またはＭｏ_２ＮｉＢ_２型の複硼化物を含むものである。

Ｍｏ_２ＦｅＢ_２型の複硼化物を含むサーメット層としては、Ｍｏ_２ＦｅＢ_２型の複硼化物を含む硬質相を３５〜９５重量％の割合で含有し、残部が、Ｆｅ基合金からなる結合相で構成されるものが好ましい。硬質相の含有割合を上記範囲とすることにより、サーメット層を形成することによる、耐食性および耐摩耗性の向上効果を適切に発揮させることができる。また、Ｍｏ_２ＦｅＢ_２型の複硼化物を含むサーメット層には、Ｗ，Ｃｒ，Ｎｉ，ＭｎおよびＳｉから選択される１種または２種以上が含有されていてもよい。

あるいは、Ｍｏ_２ＮｉＢ_２型の複硼化物を含むサーメット層としては、Ｍｏ_２ＮｉＢ_２型の複硼化物を含む硬質相を３５〜９５重量％の割合で含有し、残部が、Ｎｉ基合金からなる結合相で構成されるものが好ましい。硬質相の含有割合を上記範囲とすることにより、サーメット層を形成することによる、耐食性および耐摩耗性の向上効果を適切に発揮させることができる。また、Ｍｏ_２ＮｉＢ_２型の複硼化物を含むサーメット層には、Ｗ，Ｃｒ，Ｖ，ＭｎおよびＳｉから選択される１種または２種以上が含有されていてもよい。

サーメット層１２の具体的な組成としては、Ｍｏ_２ＦｅＢ_２型の複硼化物を含むものである場合には、Ｂ：４．２〜６．５重量％、Ｍｏ：３５〜５５重量％、Ｃｒ：０．５〜２５．０重量％、Ｎｉ：０〜１５重量％、Ｆｅ：残部であることが好ましい。また、これらに加えて、Ｗ、Ｃｏなど他の元素を含有していてもよい。

Ｆｅ（鉄）は、Ｂ，Ｍｏとともに、硬質相粒子となる複硼化物を形成するための元素であるとともに、結合相の主成分を構成する。Ｆｅ含有量が１０重量％未満の場合は、十分な液相が出現せず緻密な焼結体が得られず、強度の低下を招く。なお、Ｂ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｎｉ等のＦｅ以外の元素の合計量が９０重量％を越えてしまい、Ｆｅを１０重量％含有できない場合には、いうまでもなく、各元素の許容される重量％の範囲内において、その量を減じて、残部に１０重量％以上のＦｅを確保する。一方、多すぎると、耐摩耗性および耐食性が低下するおそれがある。

Ｎｉ（ニッケル）およびＣｒ（クロム）は、いずれも本発明のサーメット層の耐食性および耐酸化性を向上させる効果を示す。また、ＮｉとＣｒを組み合わせて使用（複合含有）することで、結合相をマルテンサイト、フェライト、オーステナイトおよびこれらの混相組織に任意に制御することにより、機械的特性および耐摩耗性を低減することなく、用途に応じた耐食性、耐熱性および非磁性化の付与が可能である。

あるいは、サーメット層１２が、Ｍｏ_２ＮｉＢ_２型の複硼化物を含むものである場合には、その組成は、Ｂ：４．２〜６．５重量％、Ｍｏ：３５〜５５重量％、Ｃｒ：７．５〜１５重量％、Ｖ：０．１〜１０重量％、Ｎｉ：残部であることが好ましい。また、これらに加えて、Ｗ、Ｃｏなど他の元素を含有していてもよい。

Ｎｉは、ＢおよびＭｏ同様に、複硼化物を形成するために必要な元素である。また、結合相を構成する主な元素であり、優れた耐食性に寄与する。Ｎｉ含有量が１０重量％未満の場合は、十分な液相が出現せず緻密な焼結体が得られず、強度の低下を招く。なお、Ｂ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｖ等のＮｉ以外の元素の合計量が９０重量％を越えてしまい、Ｎｉを１０重量％含有できない場合には、いうまでもなく、各元素の許容される重量％の範囲内において、その量を減じて、残部に１０重量％以上のＮｉを確保する。

Ｃｒは、複硼化物中のＮｉと置換固溶し、複硼化物の結晶構造を正方晶に安定化させる効果を有する。また添加したＣｒは、結合相中にも固溶し、サーメットの耐食性、耐摩耗性、高温特性、および機械的特性を大幅に向上させる。Ｃｒ含有量が多くなりすぎると、Ｃｒ₅Ｂ₃ などの硼化物を形成し、強度が低下する。

また、Ｖ（バナジウム）は、硬質相粒子となる複硼化物中のＮｉと置換固溶し、複硼化物の結晶構造を正方晶に安定化させる効果を有する。また、Ｖの一部は、結合層中にも固溶し、これにより耐食性、耐摩耗性、高温特性、および機械的特性を向上させる効果を有する。Ｖの含有量が少なすぎると、Ｖの添加効果が得難くなり、一方、多すぎると、ＶＢなどの硼化物を形成してしまい、機械的強度が低下してしまう。

なお、サーメット層１２の厚みｔは、耐食性・耐摩耗性の観点より、好ましくは１〜５ｍｍであり、より好ましくは３〜４ｍｍである。サーメット層１２の厚みｔが薄すぎると、サーメット層１２を形成することによる耐食性および耐摩耗性の改善効果が小さくなり、一方、５ｍｍを超えて厚くする場合には、肉盛溶接時に入熱量が大きくなってしまい、金属母材１１が変形してしまうという問題や、サーメット層１２中において硬質相が粒成長してしまい、これにより硬度低下が引き起こされ、耐摩耗性に劣るものとなってしまうという問題がある。

また、金属母材１１としては、特に限定されず、各種金属材料を用いることができるが、鋼材を用いることが好ましく、鋼材としては、そのロックウェル硬度が好ましくはＨＲＣ４５以上、特に、ＨＲＣ５２以上のものを用いることが好ましい。ロックウェル硬度が低すぎると、肉盛溶接部材１０を各種用途に用いた場合に、使用中に、部材の曲がりや屈曲が発生してしまう場合がある。

次いで、本発明の肉盛溶接部材の製造方法について説明する。本発明の肉盛溶接部材の製造方法は、肉盛溶接装置を用いて、図２に示す金属母材１１の一主面Ｐ上に、金属母材１１の長手方向Ｌに沿って、肉盛溶接により、サーメット層を形成することにより、図１に示すような構成を有する肉盛溶接部材１０を製造するための方法である。ここで、図２は、本発明の肉盛溶接部材の製造方法に用いる金属母材１１の一例を示す斜視図であり、図３は、本発明の製造方法で用いるプラズマ肉盛溶接装置（ＰＴＡ）の一例を示す概略断面図である。

図３に示すプラズマ肉盛溶接装置は、トーチ２０と、パイロットアーク電源３０と、プラズマアーク電源４０とを備えている。トーチ２０は、タングステン電極２１と、第１ノズル２２と、第２ノズル２３とを備えており、トーチ２０は、図示しない駆動手段により、長手方向Ｌに移動可能となっている。なお、トーチ２０に備えられている第１ノズル２２は、プラズマアーク収束用および粉体送給用のノズルであり、また、第２ノズル２３はシールドガス用のノズルである。

タングステン電極２１と第１ノズル２２との間には、プラズマ用ガス通路２４が形成されており、このプラズマ用ガス通路２４から、プラズマ用ガスとしてのアルゴンガスが供給されるようになっている。また、第１ノズル２２内には、粉体供給用ガス通路２５が形成されており、この粉体供給用ガス通路２５から、キャリアガスと共に、サーメット層１２を形成するためのサーメット粉体を供給できようになっている。なお、サーメット粉体としては、サーメット層１２を形成するためのサーメット焼結体を粒径５３〜１５０μｍの粉末状としたものなどを用いることができる。

パイロットアーク電源３０は、タングステン電極２１と金属母材１１との間に電圧を発生させるための電力を供給するための電源である。また、プラズマアーク電源４０は、タングステン電極２１と金属母材１１との間に発生させた電圧を安定させるために制御するための電源である。

そして、本発明においては、肉盛溶接部材１０は、このようなプラズマ肉盛溶接装置を用い、以下に説明する方法によって製造される。

すなわち、プラズマ用ガス通路２４から、アルゴンガスを供給しつつ、粉体供給用ガス通路２５から、キャリアガスと共に、サーメット層１２を形成するためのサーメット粉体を供給し、タングステン電極２１と金属母材１１との間でプラズマアーク５０を発生させ、トーチ２０を金属母材１１の長手方向Ｌに移動させながら、肉盛溶接によってサーメット層１２を長手方向Ｌに沿って連続的に形成していくことにより、肉盛溶接部材１０は製造される。なお、図３中においては、粉体供給用ガス通路２５から供給されるサーメット粉体を破線で示した。また、この際において、金属母材１１における溶接部分は、第１ノズル２２と第２ノズル２３の間に形成されたシールドガス用通路２６から供給されるシールドガスにより、シールドされた状態とされ、シールドされた状態にて肉盛溶接が行なわれることとなる。

なお、本発明の製造方法においては、具体的な肉盛溶接条件を以下のように設定する。すなわち、まず、肉盛溶接を行ない金属母材１１上に形成するサーメット層１２の幅、すなわち、図２に示す金属母材１１の短手方向Ｓ（トーチ２０の進行方向と垂直な方向）におけるサーメット層１２の幅が、２〜５ｍｍ、好ましくは３〜４ｍｍの範囲となるように、サーメット層１２を形成する。形成するサーメット層１２の幅を２ｍｍ未満とすると、サーメット層１２への金属母材１１の溶け込みが大きくなり、サーメット層１２の特性が低下してしまう。一方、サーメット層１２の幅を５ｍｍ超とすると、得られる肉盛溶接部材を、金型部品のうち耐食性・耐摩耗性が要求される微小部分や、コアピン等の微小な金型部品用途に用いる場合に、加工取代が大きくなってしまい、加工時間が増大し、生産効率が低下してしまう。

また、本発明の製造方法においては、肉盛溶接の溶接速度、すなわち、肉盛溶接を行なう際の金属母材１１の長手方向Ｌにおける、トーチ２０の移動速度を、１０〜２０ｃｍ／分に制御するものであり、好ましくは１０〜1５ｃｍ／分に制御する。溶接速度を１０ｃｍ／分未満とすると、サーメットと金属母材との溶け込みが大きくなり、得られるサーメット層１２の硬度が低下し、耐摩耗性が不十分となってしまう。一方、溶接速度を２０ｃｍ／分超とすると、サーメット層１２の厚みが薄くなるという不具合が生じてしまう。

また、本発明の製造方法においては、肉盛溶接を行なう際におけるプラズマアーク５０の照射エネルギー密度を、８０００〜９７００Ｗ／ｃｍ^２の範囲に制御するものである。照射エネルギー密度が８０００Ｗ／ｃｍ^２未満であると、サーメット粉体が十分に溶融しないためにサーメットの金属母材への溶着量が減少し、得られるサーメット層１２の厚みが薄くなりすぎてしまい、耐食性および耐摩耗性に劣るものとなってしまう。一方、照射エネルギー密度が９７００Ｗ／ｃｍ^２を超えると、サーメットと金属母材との溶け込みが大きくなり、得られるサーメット層１２の硬度が低下し、耐摩耗性が不十分となってしまう。なお、肉盛溶接を行なう際におけるプラズマアーク５０の照射エネルギー密度は、パイロットアーク電源３０により供給する電流および電圧を調整することにより、制御することができる。

また、本発明の製造方法においては、肉盛溶接を行なう金属母材１１として、肉盛溶接によりサーメット層１２を形成する主面Ｐにおける短手方向の長さｄ_Ｓ（図２参照）が、２〜５ｍｍのものを用いることが好ましく、３〜４ｍｍのものを用いることがより好ましい。短手方向の長さｄ_Ｓが上記範囲にあるものを用いることにより、サーメット層１２と金属母材１１の短手方向の長さとが同じ又は近いものとなるため、得られる肉盛溶接部材を最終形状へ加工する際における、加工を容易とすることができる。

また、本発明の製造方法においては、肉盛溶接を行なう際におけるプラズマアーク５０の金属母材１１上におけるアーク径（ビード径）を、肉盛溶接を行なう金属母材１１の短手方向の長さｄ_Ｓ以下とすることが好ましく、具体的には、短手方向の長さｄ_Ｓ以下の範囲であり、かつ、２〜５ｍｍの範囲とすることが好ましく、３〜４ｍｍの範囲とすることがより好ましい。

なお、プラズマアーク５０の金属母材１１上におけるアーク径（ビード径）を上記範囲とする方法としては、タングステン電極２１の先端の角度を好ましくは６０〜９０°の範囲、より好ましくは６０〜７５°の範囲に設定する方法が挙げられる。タングステン電極２１の先端の角度を上記範囲とすることにより、アーク径（ビード径）を上記したように微細なものとすることができ、これにより、肉盛溶接により形成されるサーメット層１２の幅を、２〜５ｍｍ、好ましくは３〜４ｍｍと微細なものとすることが可能となる。タングステン電極２１の先端の角度が小さ過ぎると、アーク径が拡散してしまい、サーメット層１２の幅が大きくなり、結果として、得られる肉盛溶接部材を、金型部品のうち耐食性・耐摩耗性が要求される微小部分や、コアピン等の微小な金型部品用途に用いる場合に、加工取代が大きくなってしまい、加工時間が増大し、生産効率が低下してしまう。一方、タングステン電極２１の先端の角度が大き過ぎると、アーク径が収束してしまい、金属母材１１に与えられる熱量が大きくなってしまい、サーメット層１２への金属母材１１の溶け込みが大きくなり、サーメット層１２の特性が低下してしまう場合がある。なお、タングステン電極２１の先端の角度は、タングステン電極２１の先端部分（プラズマアークが発生する部分）を、投影した場合における先端部分の角度と定義することができる。なお、タングステン電極２１の直径（先端部分以外の部分の直径）は、特に限定されないが、好ましくは２〜５ｍｍ、より好ましくは３〜４ｍｍである。

また、本発明の製造方法においては、肉盛溶接を行なう際における、プラズマガスの流量は、好ましくは１．０〜２．０Ｌ／分であり、キャリアガス流量は、好ましくは１．５〜４．０Ｌ／分であり、シールドガスの流量は、好ましくは１２〜１８Ｌ／分である。

さらに、本発明の製造方法においては、肉盛溶接を行なう際に、金属母材１１の過熱を防止するために、金属母材１１を水冷式の銅板で固定し、冷却しながら、肉盛溶接を行なうことが好ましい。肉盛溶接を行なう際に冷却を行なわない場合には、サーメット層１２への金属母材１１の溶け込みが大きくなり、サーメット層１２の特性が低下してしまう場合がある。

以上のようにして、本発明の製造方法により、図１に示すような肉盛溶接部材１０が製造される。なお、肉盛溶接部材１０は、上述した本発明の製造方法によって、肉盛溶接によりサーメット層１２が形成されるものであるため、肉盛溶接時の熱の影響により、サーメット層１２と金属母材１１との間には、通常、金属母材とサーメットからなる溶接拡散層が形成されることとなる。このような溶接拡散層の厚みは、通常、１〜３０μｍであり、好ましくは１０〜２０μｍである。

本発明によれば、上述した製造方法により、金属母材１１上にサーメット層１２を形成するものであるため、サーメット層１２の短手方向（溶接方向と垂直な方向）の幅を２〜５ｍｍと微細なものとした場合でも、良好に肉盛溶接によるサーメット層を形成することができる。そのため、本発明によれば、各種原料樹脂にグラスファイバーなどのフィラーを混合してなる樹脂混合物など、成形時の加熱により原料樹脂から腐食性のガスが発生したり、あるいは樹脂混合物に含有されるフィラーに対して良好な耐摩耗性が要求されるような樹脂成形用の金型用途に好適に用いられる肉盛溶接部材を提供することができる。とりわけ、本発明の製造方法によれば、上述したように、サーメット層１２の幅を２〜５ｍｍと微細なものとした場合でも、良好に肉盛溶接によるサーメット層を形成することができることから、耐食性・耐摩耗性が要求される箇所が、比較的微細な範囲とされる用途、特に、金型部品のうち耐食性・耐摩耗性が要求される微小部分、あるいは、コアピン等の微小な金型部品などのそれ自体が耐食性・耐摩耗性が要求される部品に好適に用いられる肉盛溶接部材を提供することができる。

なお、上記説明においては、図３に示すプラズマ肉盛溶接装置（ＰＴＡ）を用いて肉盛溶接を行なう場合を例示して説明したが、プラズマ肉盛溶接装置を用いる方法の他、ＴＩＧ溶接を行う装置を用いた場合でも、同様とすることができる。

以下に、実施例を挙げて、本発明についてより具体的に説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。

＜実施例１＞
配合組成が、Ｂ：５重量％、Ｍｏ：４４．４重量％、Ｃｒ：５重量％、Ｆｅ：残部となるように、原料粉末を配合し、原料粉末をボールミルにより湿式粉砕した。次いで、湿式粉砕した粉末を撹拌造粒法によって造粒し、得られた造粒粉体を１１００℃で０．５時間保持した後、分級することにより、Ｍｏ_２ＦｅＢ_２型の複硼化物を含む硬質相の含有割合が６２．３重量％であり、残部がＦｅ基合金である肉盛溶接用のサーメット粉体を得た。

次いで、得られたサーメット粉体を用いて、図２に示すような金属母材１１（長手方向Ｌの長さｄ_Ｌ＝５ｃｍ、短手方向Ｓの長さｄ_Ｓ＝３ｍｍ、鋼材ＳＫＤ１１（ＨＲＣ５６）を用いて、図３に示すプラズマ肉盛溶接装置を用いて、肉盛溶接により、幅３ｍｍのサーメット層１２を、長さｄ_Ｌ＝５ｃｍに渡って形成することで、肉盛溶接部材サンプルを得た。なお、図３に示すプラズマ肉盛溶接装置を用いた際における各種条件は、以下のとおりとした。
タングステン電極２１の先端の角度：６０°
タングステン電極２１の直径：４ｍｍ
溶接速度（トーチ２０の移動速度）：１０ｃｍ／分
パイロットアーク電源３０の電流：２０Ａ
パイロットアーク電源３０の電圧：２４．２Ｖ
パイロットアーク電源３０の電力：４８４Ｗ
金属母材１１上におけるプラズマアーク径：２．７ｍｍ
金属母材１１上におけるプラズマアーク面積：０．０５７ｃｍ^２
プラズマアークの照射エネルギー密度：８４５３Ｗ／ｃｍ^２
シールドガス流量：１４Ｌ／分
キャリアガス流量：３Ｌ／分
プラズマガス流量：１．５Ｌ／分
なお、プラズマアーク径はビード径を測定しプラズマアーク径とみなした。プラズマアーク面積はビード面積を測定しプラズマアーク面積とみなした。

そして、得られた肉盛溶接部材サンプルについて、以下の方法により、形成されたサーメット層１２の厚み、サーメット層１２のロックウェル硬度（ＨＲＡ）、および拡散接合層（溶接拡散層）の厚みの測定を行なった。

サーメット層１２および拡散接合層の厚みは、サンプルを切断した後、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察しその画像より測定した。また、サーメット層１２のロックウェル硬度（ＨＲＡ）は、ビッカース硬度計（圧子：１２０°ダイアモンド円錐圧子）を用いて、荷重１００ｇ・ｆの条件でサーメット層１２のビッカース硬度を測定し、得られた結果をロックウェル硬度に換算することにより求めた。結果を表１に示す。

＜実施例２＞
肉盛溶接を行なう際における、パイロットアーク電源３０の電流、電圧および電力を表１に示すように変更し、プラズマアーク径、プラズマアーク面積およびプラズマアークの照射エネルギー密度を表１に示すように変化させた以外は、実施例１と同様にして、肉盛溶接部材サンプルを得て、同様に評価を行った。結果を表１に示す。

＜実施例３＞
肉盛溶接を行なう際に用いるタングステン電極２１として、先端の角度が９０°のものを用いるとともに、肉盛溶接を行なう際における、パイロットアーク電源３０の電流、電圧および電力を表１に示すように変更し、プラズマアーク径、プラズマアーク面積およびプラズマアークの照射エネルギー密度を表１に示すように変化させた以外は、実施例１と同様にして、肉盛溶接部材サンプルを得て、同様に評価を行った。結果を表１に示す。

＜実施例４＞
溶接速度（トーチ２０の移動速度）を１０ｃｍ／分から１８ｃｍ／分に変更した以外は、実施例２と同様にして、肉盛溶接部材サンプルを得て、同様に評価を行った。結果を表１に示す。

＜比較例１＞
肉盛溶接を行なう際における、パイロットアーク電源３０の電流、電圧および電力を表１に示すように変更し、プラズマアーク径、プラズマアーク面積およびプラズマアークの照射エネルギー密度を表１に示すように変化させた以外は、実施例１と同様にして、肉盛溶接部材サンプルを得て、同様に評価を行った。結果を表１に示す。

＜比較例２〜４＞
比較例２〜４においては、肉盛溶接を行なう際における、溶接速度を６ｃｍ／分とし、かつ、パイロットアーク電源３０の電流、電圧および電力を表１に示すようにそれぞれ変更し、プラズマアーク径、プラズマアーク面積およびプラズマアークの照射エネルギー密度を表１に示すように変化させた以外は、実施例１と同様にして、肉盛溶接部材サンプルを得て、同様に評価を行った。結果を表１に示す。

＜比較例５〜７＞
比較例５〜７においては、肉盛溶接を行なう際に用いる、タングステン電極２１の先端部分の角度を２０°に変更し、かつ、パイロットアーク電源３０の電流、電圧および電力を表１に示すようにそれぞれ変更し、プラズマアーク径、プラズマアーク面積およびプラズマアークの照射エネルギー密度を表１に示すように変化させた以外は、実施例１と同様にして、肉盛溶接部材サンプルを得て、同様に評価を行った。結果を表１に示す。

表１に示すように、肉盛溶接によりサーメット層を形成する際に、サーメット層の幅を２〜５ｍｍと微細なものとし、かつ、肉盛溶接時の条件を、溶接速度１０〜２０ｃｍ／分の範囲、プラズマアークの照射エネルギー密度を８０００〜９７００Ｗ／ｃｍ^２の範囲とした実施例１〜４においては、得られるサーメット層は、十分な厚みを有し、またその硬度も高く、ロックウェル硬度（ＨＲＡ）が、いずれも高く、耐摩耗性に優れるものであった。また、実施例１〜４で形成されたサーメット層は、Ｍｏ_２ＦｅＢ_２からなる硬質相粒子を含むものであるため、耐摩耗性に加えて、複硼化物としてのＭｏ_２ＦｅＢ_２が本来有する耐食性および耐熱性にも優れるものであった。

一方、プラズマアークの照射エネルギー密度を９７００Ｗ／ｃｍ^２超とした比較例１，４においては、得られるサーメット層の硬度が低下してしまい、耐摩耗性に劣るものであった。
また、溶接速度を６ｃｍ／分と遅くした比較例２〜４においては、得られるサーメット層の硬度が低下してしまい、耐摩耗性に劣るものであった。
さらに、プラズマアークの照射エネルギー密度を８０００Ｗ／ｃｍ^２未満とした比較例５〜７においては、得られるサーメット層の厚みが薄くなりすぎてしまい、耐食性・耐摩耗性が不十分であった。

＜耐食性試験・耐摩耗性試験＞
次いで、実施例１で得られた肉盛溶接部材サンプルについて、以下に説明する方法にて、耐食性試験および耐摩耗試験を行った。

耐食性試験は、実施例１で得られた肉盛溶接部材サンプルについて、サーメット層１２の表面のみを、１０％リン酸水溶液、１０％塩酸水溶液および５０％硫酸水溶液に浸した場合における、サーメット層１２の腐食減量を測定することにより評価を行った。なお、１０％リン酸水溶液および１０％塩酸水溶液への浸漬は、温度４０℃、１０時間の条件で行い、５０％硫酸水溶液への浸漬は、温度５０℃、１０時間の条件で行い、各溶液に１０時間浸漬した後の減量を測定し、単位面積および単位時間当たりの減量を求め、これを腐食減量（単位は、ｍｇ／（ｍｍ^２・ｈ）とした。結果を図４に示す。また、本実施例においては、比較のため、肉盛溶接を行っていない鋼材サンプル（ＫＰＳ６）、および鋼材にＣｒめっきを行なったサンプル（めっき条件：ＪＩＳＨ８６１５ＥＰ／ＩＣｒ１０／１ＬＨ）についても同様に測定を行い、これらの結果も図４に示した。なお、肉盛溶接を行っていない鋼材サンプルについては、任意の面の表面のみを、鋼材にＣｒめっきを行なったサンプルについては、Ｃｒめっき層の表面のみを、１０％リン酸水溶液、１０％塩酸水溶液および５０％硫酸水溶液に浸すことで、上記評価を行った。

また、耐摩耗性試験は、実施例１で得られた肉盛溶接部材サンプルについて、大越式摩耗試験機によって、すべり摩耗試験を行い、摩耗量を測定することにより行なった。なお、本実施例においては、すべり摩耗試験は、最終荷重：１９．８ｋｇｆ、すべり距離２０ｍ、すべり速度：０．２ｍ／ｓ、０．４５ｍ／ｓ、０．９ｍ／ｓ、２．２８ｍ／ｓおよび４．２１ｍ／ｓの条件で行なった。結果を図５に示す。また、本実施例においては、耐食性試験と同様に、比較のため、肉盛溶接を行っていない鋼材サンプル（ＫＰＳ６）、および鋼材にＣｒめっきを行なったサンプルについても同様に測定を行い、これらの結果も図５に示した。

図４、図５より、本発明の製造方法により形成されたサーメット層（肉盛溶接部材サンプル）は、耐食性・耐摩耗性に極めて優れたものであることが確認できる。特に、本発明の製造方法により形成されたサーメット層は、塩酸および硫酸に加えて、リン酸に対する耐食性も高く、そのため、たとえば、リン原子を含有する樹脂を用いた場合でも、該樹脂から発生する可能性があるリン酸に対して優れた耐食性を実現可能なものであるといえる。

１０…肉盛溶接部材
１１…金属母材
１２…サーメット層
２０…トーチ
２１…タングステン電極
２２…第１ノズル
２３…第２ノズル
３０…パイロットアーク電源
４０…プラズマアーク電源
５０…プラズマアーク

Claims

Ｍｏ_２ＦｅＢ_２型またはＭｏ_２ＮｉＢ_２型の複硼化物を含むサーメット層を、肉盛溶接にて、２〜５ｍｍの幅で金属母材上に、前記金属母材の長手方向に沿って連続的に形成する肉盛溶接部材の製造方法であって、
前記サーメット層を、前記金属母材の長手方向における、前記肉盛溶接の溶接速度１０〜２０ｃｍ／分、前記肉盛溶接の照射エネルギー密度８０００〜９７００Ｗ／ｃｍ^２の条件にて形成することを特徴とする肉盛溶接部材の製造方法。
前記肉盛溶接のプラズマアーク径を、前記金属母材の被溶接面の短手方向の長さ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の肉盛溶接部材の製造方法。
前記金属母材として、ロックウェル硬度がＨＲＣ４５以上である鋼材を使用することを特徴とする請求項１または２に記載の肉盛溶接部材の製造方法。
前記サーメット層が、Ｍｏ_２ＦｅＢ_２型の複硼化物を含む硬質相と、Ｆｅ基合金からなる結合相とからなり、前記硬質相の含有割合が３５〜９５重量％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の肉盛溶接部材の製造方法。
前記サーメット層が、Ｍｏ_２ＮｉＢ_２型の複硼化物を含む硬質相と、Ｎｉ基合金からなる結合相とからなり、前記硬質相の含有割合が３５〜９５重量％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の肉盛溶接部材の製造方法。
前記金属母材として、被溶接面の短手方向の長さが２〜５ｍｍであるものを使用することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の肉盛溶接部材の製造方法。
前記サーメット層と、前記金属母材との間に形成される溶接拡散層の厚みが、１〜３０μｍ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肉盛溶接部材の製造方法。