JP5842192B2 - 耐摩耗性に優れた溶接材料およびその施工方法 - Google Patents
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Description
本発明は、肉盛溶接に用いる溶接材料に関し、粉砕破砕装置用刃物などの、耐摩耗性が必要とされる部位への表面改質に用いるものである。
家庭ごみ、廃棄木材や廃タイヤなどの多岐にわたる廃棄物を破砕粉砕する剪断式粉砕破砕装置の刃物は摩耗が著しく、優れた耐摩耗性が必要とされる。また、強度面だけでなく切断効率も求められ、過酷な条件下での操業を余儀なくされている。
従来、粉砕破砕装置用刃物として、熱処理硬化技術により硬化された熱処理刃物が用いられることがある。しかし、熱処理刃物の場合は亀裂による破断が問題であり、また摩耗状態が大きくなると処理能力の低下につながり廃棄処分となってしまう。これはエコロジーの視点からみても問題といえる。
また、刃物を溶接材肉盛により再利用する場合もある。しかし、この場合は破砕処理物及び刃物素材成分に応じた溶材選定を行わなければならない問題があり、あくまでも廃棄処分品を出さないための手段にすぎず、耐摩耗性においては熱処理刃物と同等以下となってしまう。
さらに、高硬度の耐摩耗溶接材を刃物に使用することもある。適用事例として、図９に３０Ｃｒ系肉盛材を使用した場合の断面金属組織の顕微鏡写真を示す。しかし、高硬度の耐摩耗溶接材を使用すると、図９に表わされているように、金属組織において析出炭化物が粗大化かつ柱状化することで刃先を鋭利な形状へ仕上げることが阻害されてしまい、切断品質が要求されるような刃物には適さないという問題がある。
そのため、粉砕破砕装置用刃物などのように耐摩耗性が必要とされる部位への表面改質として肉盛溶接を行い、それに用いる溶接材料について種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１では、Ｆｅ基合金、Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金から選ばれた少なくとも１種からなるマトリックス金属相中に、ほぼ均一に晶出／析出された５μｍ以下の粒径を有するＶＣ粒子相が１０〜６５％の範囲の面積比で存在する合金凝固体を得る合金の製造方法が開示されており、耐食・耐摩耗性の向上を図っている。
しかしながら、上記特許文献１ではマトリックス金属をＦｅ基合金からなる場合においてＶＣの量は１０重量％以下の量、さらに好ましくは７．５重量％以下となっており、上限値を超えて添加した場合、靭性低下や炭化物の欠落に起因する耐摩耗性の低下が生じるので好ましくないとされているが、本発明者らの知見によれば金属組織において晶出／析出した炭化物の占有面積率が十分とはいえず、所望する耐摩耗性には至らないという問題がある。
そこで、本発明はこれらの問題に対処するために開発完成されたものであり、粉砕破砕装置用刃物などの表面改質に用いられる溶接材料であって、過酷な条件下での操業においても亀裂を生じることなく耐摩耗性および耐久性を保持することができ、かつ、肉盛溶接面を鋭利な形状にしても、欠けや耐摩耗性に優れ、処理能力の低下を防ぎ、寿命の延長が可能な溶接材料およびその施工方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明に係る耐摩耗性に優れた溶接材料は、化学組成が重量比で、Ｖが４０．０〜６０．０％、Ｃｏが４．０〜１０．０％、Ｃｒが５．０〜１５．０％、Ｃが８．０〜１３．０％、Ｗが１．０〜１０．０％、ＳｉとＭｎの合計が１．０〜５．０％、その他不可避の不純物が０．５％以下、残部がＦｅであることを特徴とする。
この溶接材料を粉砕破砕装置用刃物などの被肉盛用基材に肉盛溶接することにより、その溶接金属の全面に丸みをおびた炭化物組織が晶出／析出し、その占有面積率が６５〜８５％となる耐摩耗性に優れた組織が形成されることになる。すなわち、耐摩耗性および耐久性を保持し、かつ、肉盛溶接面が鋭利な形状でも欠けや耐摩耗性に優れ、切断処理能力の低下が防止でき、刃物の寿命を延長可能な溶接材料が実現される。
ここで、化学組成が重量比で、Ｖが４０．０〜６０．０％、Ｃｏが４．０〜１０．０％、Ｃｒが５．０〜１５．０％、Ｃが８．０〜１３．０％、Ｗ、ＭｏおよびＮｂのうち、これらの１種類以上の合計が１．０〜１０．０％、ＳｉとＭｎの合計が１．０〜５．０％、その他不可避の不純物が０．５％以下、残部がＦｅであるとしてもよい。
また、本発明は、耐摩耗性に優れた溶接材料の施工方法として、化学組成が重量比で、Ｖが４０．０〜６０．０％、Ｃｏが４．０〜１０．０％、Ｃｒが５．０〜１５．０％、Ｃが８．０〜１３．０％、Ｗ、ＭｏおよびＮｂのうち、これらの１種類以上の合計が１．０〜１０．０％、ＳｉとＭｎの合計が１．０〜５．０％、その他不可避の不純物が０．５％以下、残部がＦｅである溶接材料を、１パスあたりの溶接ビード形状が、断面サイズで厚み３ｍｍ以下および幅１５ｍｍ以下となるよう溶接入熱を調整して被肉盛用基材に施工する、として構成することもできる。
以上説明したように、本発明に係る溶接材料によれば、粉砕破砕装置用刃物など工業用刃物の表面及び摩耗部に肉盛溶接した際に、その溶接金属の全面に丸みをおびた炭化物組織が晶出／析出し、その占有面積率が６５〜８５％となる耐摩耗性に優れた組織を形成する。この組織は、鋭利な形状となった刃先の欠けを防止し、また金属面の摩耗を遅らせ、稼動時の亀裂を防止することができる。そして、本発明に係る溶接材料を肉盛溶接することで破砕処理物に関係なく長期に亘り使用することができ、工業用刃物の寿命延長を実現することができる。
１ 被肉盛用基材
２ 肉盛溶接ビード
３ 廃タイヤ粉砕用２軸式破砕刃
４ 肉盛施工部
５ プラスチック粉砕用１軸式固定刃
６ 肉盛施工部
Ａ 肉盛ビード厚み
Ｂ 肉盛ビード幅
２ 肉盛溶接ビード
３ 廃タイヤ粉砕用２軸式破砕刃
４ 肉盛施工部
５ プラスチック粉砕用１軸式固定刃
６ 肉盛施工部
Ａ 肉盛ビード厚み
Ｂ 肉盛ビード幅
以下、本発明に係る耐摩耗性に優れた溶接材料およびその施工方法について詳細に説明する。
本実施の形態に係る溶接材料は、粉砕破砕装置用刃物の刃のように、耐摩耗性が必要とされる部位への肉盛溶接に用いられるものであり、化学組成が重量比でＶ（バナジウム）：４０．０〜６０．０％、Ｃｏ（コバルト）：４．０〜１０．０％、Ｃｒ（クロム）：５．０〜１５．０％、Ｃ（炭素）：８．０〜１３．０％、Ｗ（タングステン）：１．０〜１０．０％、Ｓｉ（シリコン）とＭｎ（マンガン）の合計が１．０〜５．０％、その他不可避の不純物が０．５％以下、残部をＦｅ（鉄）とした溶接金属である。そして、この溶接金属が丸みをおびた炭化物が晶出／析出し、炭化物の占有面積率が６５〜８５％となる金属組織を有している。
残部をＦｅとする理由として、Ｃｏ基又はＮｉ基では固溶体と晶出／析出した炭化物との結合度が低く、刃物のような鋭利な形状に加工する際、剥離や欠落を引き起こすことがある。また、Ｆｅ基とすることにより、ＶＣ単体で晶出／析出する傍ら、Ｖ−Ｃｒ−Ｆｅ系複合炭化物としても晶出／析出することになるので、Ｆｅ基との結合度が向上し、かつ、ＨＶ１０００を超える耐摩耗性に優れた高硬度の肉盛部が得られるということもある。
次に化学成分組成について説明する。
Ｖ（バナジウム）は一次固溶体の構成元素であると同時に炭化物生成に関する主要元素であり、化学組成が重量比で４０．０％未満では溶接金属組織内での炭化物の占有面積率が６５％以上に到達せず溶接金属の耐摩耗性が十分ではなく、所期の目的が達成されない。また溶接金属の化学組成が重量比で６０．０％を超えると溶接時の割れ感度が高くなるのみならず、使用時に衝撃などにより、肉盛基材から剥離する危険がある。
Ｃｏ（コバルト）は固溶体の強化、共晶炭化物生成のために必要不可欠の元素であり、添加する必要がある。重量比で４．０％未満の添加では効果が薄く、また重量比で１０．０％を超えると共晶部が脆化してしまうので、重量比で４．０〜１０．０％の添加とするのが望ましい。
Ｃｒ（クロム）は化学組成が重量比で５．０％未満では溶接金属の靭性、強度、耐食性が低下し、１５．０％を超えると粗大炭化物を生成し溶接金属が脆化する。
Ｃ（炭素）は化学組成が重量比で８．０％未満では、炭化物占有面積率が６５％以上に到達せず、溶接金属部の耐摩耗性が十分ではなく所期の目的が達成されない。重量比で１３．０％を超えると溶接金属の靭性が低下し、溶接時の割れ感度が高くなる。
さらに耐擬着性、耐摩耗性、高温硬度を向上させるため、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｗ（タングステン）のうち少なくとも１種類以上を添加する場合がある。この場合、これらの元素の含有量の合計が重量比で１．０％未満では効果が無く、また重量比で１０．０％を超えると共晶部が脆化し、実用性が失われる。
Ｓｉ（シリコン）、Ｍｎ（マンガン）は脱酸剤として添加するもので、重量比で１．０％未満では脱酸の機能が不足し、気孔、酸化物の介在等の欠陥を生じやすくなる。また重量比で５．０％を超えると溶接金属が脆化する。
Ｆｅ（鉄）はＶとともに固溶体構成元素であり、溶接金属の化学組成が重量比で１０．０％未満では固溶体の靭性が劣化し、溶接時の割れ感度が高くなるのみならず、使用時に衝撃などにより、肉盛基材から剥離する危険がある。溶接金属の化学組成が重量比で３３．０％を超えると溶接金属が軟化し、耐摩耗性が低下する。
図１は、本実施の形態に係る溶接材料を施工する際における、１パスあたりの肉盛溶接ビードの断面斜視図である。
被肉盛用基材１に対して、上記構成の溶接材料をレーザー肉盛法又はプラズマ肉盛法により溶接ビード１パスあたりの形状を断面サイズで肉盛ビード厚みＡが３ｍｍ以下および肉盛ビード幅Ｂが１５ｍｍ以下となるよう施工入熱量を調整させて、肉盛溶接ビード２を形成することで、割れのない高品位な肉盛金属が得られる。
このように１パスあたりの断面形状範囲を定めた理由は、１パスあたりの断面形状範囲が厚み寸法において３．３ｍｍおよび幅寸法において１４．７ｍｍで形成した場合では肉盛金属部には溶接時における熱応力の影響によるクラックの発生が認められ、また、１パスあたりの断面形状が厚み寸法において２．８ｍｍおよび幅寸法において１５．４ｍｍで形成した場合においても肉盛金属部には溶接時における熱応力の影響によるクラックの発生が認められた為である。
以下、本発明に係る溶接材料の実施例を挙げて説明する。
（実施例１）
図２は、本発明の実施例１において用いられる廃タイヤ粉砕用２軸式破砕刃の外観図である。
（実施例１）
図２は、本発明の実施例１において用いられる廃タイヤ粉砕用２軸式破砕刃の外観図である。
基材ＳＣＭ４４０からなる形状φ４９８ｍｍ、巾５１ｍｍの廃タイヤ粉砕用２軸破砕刃３の外周刃先部に、粒度範囲が＋４５／−１６０μｍであり、化学成分組成が重量比でＣ：１０．０％、Ｖ：５０．０％、Ｃｏ：１０．０％、Ｃｒ：９．０％、Ｗ：１．５％、Ｓｉ：０．５％、Ｍｎ：０．７％、残部がＦｅからなる混合粉末をプラズマ粉体肉盛溶接法により、厚さ３ｍｍの１層肉盛溶接を施して、肉盛施工部４を得た。機械加工を実施した後、タイヤ破砕装置へ組付け１２，０００ｋｇ廃タイヤを粉砕した結果、肉盛した刃先部の欠損や欠落なく摩耗量は０．８ｍｍに抑えることができ、通常のＳＣＭ４４０焼入鋼の５．２倍の耐摩耗性を示した。
一方、比較例１として、化学成分組成でＶの重量比を４０％未満とし、粒度範囲が＋４５／−１６０μｍであり、化学成分組成で重量比がＣ：６．５％、Ｖ：３０．０％、Ｃｏ：１０．０％、Ｃｒ：９．０％、Ｗ：１．５％、Ｓｉ：０．５％、Ｍｎ：０．７％、残部がＦｅからなる混合粉末をプラズマ粉体肉盛溶接法により実施例１と同じ条件下で肉盛溶接を施した。１２，０００ｋｇ廃タイヤを粉砕した結果、肉盛した刃先部の欠損や欠落はなかったが、摩耗量が２．２ｍｍとなり所望する耐摩耗性を得ることができなかった。
また化学組成でＶの重量比が６０．０％を超えるとした場合、粒度範囲が＋４５／−１６０μｍであり化学成分組成で重量比が、Ｃ：１４．６％、Ｖ：７０．０％、Ｃｏ：４．０％、Ｃｒ：８．０％、Ｓｉ：０．５％、Ｍｎ：０．７％、残部がＦｅからなる混合粉末をプラズマ粉体肉盛溶接法により、実施例１と同じ条件下で施工を行ったが溶接中に肉盛金属表面に亀裂が多数発生し粉砕用刃物には不適応と判断した。
図３に、廃タイヤ粉砕処理刃物における１２，０００ｋｇ処理後のＶ添加量と摩耗量の比較結果を示す。実施例１における耐摩耗性の優位性が表わされている。
また、図４は、実施例１の成分によって得られた耐摩耗性合金の断面金属組織の顕微鏡写真である。
本実施例で得られた試料合金を使用後に採取し金属組織顕微鏡写真にて倍率４００倍にて観察したところ、微細で丸みをおびた炭化物が均一分布しており、晶出／析出された炭化物の占有面積率は７４％であった。
図５は、実施例１の成分によって得られた耐摩耗合金における炭化物析出部のＸＲＤ構造解析結果を示すグラフである。
実施例１において、晶出／析出された炭化物はＸＲＤ（Ｘ線回折試験）による結晶構造評価においてＶ８Ｃ７型である事が認められており、十分な耐摩耗特性を有していることが示されている。
また、実施例１において晶出／析出されたＶ８Ｃ７型炭化物は、超微小硬度計を用いて 試験荷重：１ｇの条件にて評価した値が、晶出／析出部において２２１０ＤＨ、基地部において１１９４ＤＨと高硬度の金属組織を有する溶接材料となっている。
（実施例２）
図６は、本発明の実施例２において用いられるプラスチック粉砕用１軸式固定刃の外観図である。
（実施例２）
図６は、本発明の実施例２において用いられるプラスチック粉砕用１軸式固定刃の外観図である。
基材材質がＳＫＤ６１、外形（４８８ｍｍ×１９６ｍｍ 厚み４０ｍｍ）のプラスチック破砕用一軸式固定刃５の刃先部に、粒度範囲が＋７５／−１５０μｍであり、化学成分組成が重量比でＣ：１２．０％、Ｖ：５５．５％、Ｃｏ：４．０％、Ｃｒ：５．１％、Ｓｉ：０．８％、Ｍｎ：０．７％、Ｎｂ：２．７％、残部がＦｅからなる造粒粉末を用い、これをプラズマ粉体肉盛溶接法により、厚さ５ｍｍの２層肉盛溶接を施して、肉盛施工部６を得た。機械加工を実施した後、プラスチック専用粉砕機に組付け１ヶ月半使用した結果、１ヶ月半経過後も割れや剥離は無く刃先エッジ部の摩耗量は１．６ｍｍとなり従来品であるＳＫＤ１１焼入鋼の４．６６倍の耐摩耗性を示した。
一方、比較例２として、化学成分組成でＶの重量比を４０％未満とし、粒度範囲が＋７５／−１５０μｍであり、化学成分組成で重量比がＣ：７．０％、Ｖ：３３．０％、Ｃｏ：４．０％、Ｃｒ：５．１％、Ｓｉ：０．８％、Ｍｎ：０．７％、Ｎｂ：２．７％、残部がＦｅからなる造粒粉末を用い、プラズマ粉体肉盛溶接法により、実施例２と同じ条件下で肉盛溶接を施した。機械加工後に装置に組込み使用した結果、１ヶ月経過した時点で摩耗量は２．５ｍｍとなっており、ＳＫＤ１１焼入鋼の１．８倍程度の耐摩耗性に留まった。
また化学成分組成でＶの重量比が６０．０％を超えるとした場合、粒度範囲が＋７５／−１５０μｍであり、化学成分組成で重量比がＣ：１３．５％、Ｖ：６２．７％、Ｃｏ：４．０％、Ｃｒ：５．１％、Ｓｉ：０．８％、Ｍｎ：０．７％、Ｎｂ：２．７％、残部がＦｅからなる造粒粉末を用いこれをプラズマ粉体肉盛溶接法により実施例２と同じ条件下で肉盛溶接を実施したが、溶接金属表面に亀裂が多数発生し、肉盛金属部の強度低下の理由により実機には不適応と判断した。
図７に、プラスチック一軸式固定刃におけるＶ添加量と摩耗量の比較を示す。ここでも、実施例２における耐摩耗性の優位性が表わされている。
また、図８は、実施例２の成分によって得られた耐摩耗性合金の断面金属組織の顕微鏡写真である。
本実施例で得られた試料合金を使用後に採取し金属組織顕微鏡写真にて倍率４００倍にて観察したところ、微細で丸みをおびた炭化物が均一分布しており、晶出／析出された炭化物の占有面積率は７０％であった。
以上説明したように、溶接金属の全面に、丸みをおびた炭化物が晶出／析出した組織を形成するため、本発明に係る溶接材料を使用する際には、アトマイズ粉末、造粒粉末、混合粉末であって、プラズマ粉体肉盛溶接法またはレーザー粉体肉盛溶接法を用いる。
いずれの場合もその化学成分組成に基づいて、その溶接金属は体心立方晶の炭化物一次晶が丸みを帯び、占有面積率が６５〜８５％の範囲にて晶出／析出され、その間に炭化物と固溶体から成る共晶が形成される。
また１パスあたりの溶接ビード形状を断面サイズで厚み３ｍｍ以下および幅１５ｍｍ以下となるよう溶接入熱を調整し施工することで、割れの無い高品位な肉盛金属部が得られる。
上記炭化物の硬度は晶出／析出部において２２１０ＤＨ、基地部において１１９４ＤＨとなっており、析出炭化物が丸みをおびる事により摩耗が過酷な条件下での操業においても亀裂を生じることなく耐摩耗性、耐久性を保持し、且つこの炭化物を強靭な共晶が支持した組織を形成するため、肉盛溶接面を鋭利な形状にしても、欠けや耐摩耗性に優れ、処理能力の低下を防ぎ、交換時期の延長につなげることが可能となる。
以上、本発明に係る耐摩耗性に優れた溶接材料及びその施工方法について、実施の形態に基づいて説明したが本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の目的を達成でき、かつ発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々設計変更が可能であり、それらも全て本発明の範囲内に包含されるものである。
本発明に係る耐摩耗性に優れた溶接材料は、様々な廃棄物を破砕粉砕する粉砕破砕装置用刃物など、耐摩耗性が必要とされる部位への表面改質の溶接材料として好適である。
Claims (3)
- 化学組成が重量比で、
Ｖが４０．０〜６０．０％、
Ｃｏが４．０〜１０．０％、
Ｃｒが５．０〜１５．０％、
Ｃが８．０〜１３．０％、
Ｗが１．０〜３．０％、
ＳｉとＭｎの合計が１．０〜３．０％、
その他不可避の不純物が０．５％以下、
残部がＦｅである
ことを特徴とする耐摩耗性に優れた溶接材料。 - 化学組成が重量比で、
Ｖが４０．０〜６０．０％、
Ｃｏが４．０〜１０．０％、
Ｃｒが５．０〜１５．０％、
Ｃが８．０〜１３．０％、
Ｗ、ＭｏおよびＮｂのうち、これらの１種類以上の合計が１．０〜５．０％、
ＳｉとＭｎの合計が１．０〜３．０％、
その他不可避の不純物が０．５％以下、
残部がＦｅである
ことを特徴とする耐摩耗性に優れた溶接材料。 - 化学組成が重量比で、
Ｖが４０．０〜６０．０％、
Ｃｏが４．０〜１０．０％、
Ｃｒが５．０〜１５．０％、
Ｃが８．０〜１３．０％、
Ｗ、ＭｏおよびＮｂのうち、これらの１種類以上の合計が１．０〜５．０％、
ＳｉとＭｎの合計が１．０〜３．０％、
その他不可避の不純物が０．５％以下、
残部がＦｅである溶接材料を、
１パスあたりの溶接ビード形状が、断面サイズで厚み３ｍｍ以下および幅１５ｍｍ以下となるよう溶接入熱を調整して被肉盛用基材に施工する
ことを特徴とする耐摩耗性に優れた溶接材料の施工方法。
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