JP6146030B2 - 金型補修溶接材料 - Google Patents

Description

本発明は、金型補修溶接材料に関し、さらに詳しくは、熱間工具鋼よりなるダイカスト金型を補修溶接するための金型補修溶接材料に関する。

アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、鉛等の金属もしくは合金を鋳造するためのダイカスト金型として、ＪＩＳ ＳＫＤ６１（以下単にＳＫＤ６１とすることがある）に代表される熱間工具鋼が広く用いられている。上記金属のダイカストでは、金型への高温の溶湯の射出及び冷却が繰り返され、金型にヒートチェック等の亀裂や割れなどの損傷が生じる。金型表面にこのような損傷が生じると、その損傷が製品に転写されてしまう。そこで、ダイカスト金型の損傷箇所に対して、溶接による補修が行われる。

従来一般に、熱間工具鋼よりなるダイカスト金型の補修用の溶接材料として、１８．５Ｎｉ−４．８Ｍｎ−９．０Ｃｏ−０．１Ａｌ−０．６Ｔｉの組成を有するマルエージング鋼が用いられてきた。また、特許文献１には、マルエージング鋼よりも製造コストが低減され、硬さと溶接の効率が向上された補修溶接材料として、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ；０．３０〜１．５０％、Ｃｒ：３．６〜６．０％、Ｍｏ：０．８〜１．５％、Ｖ：０．１０〜０．８０％を含み、残部がＦｅ及び不可避的元素からなる補修溶接材料が開示されている。

特開２０１１−２４５４８８号公報

補修溶接材料を用いて補修を行ったダイカスト金型の耐ヒートチェック性を高めるためには、補修溶接材料が、硬さに優れるとともに、母材である熱間工具鋼と同程度又はそれ以上に高い熱伝導率を有していることが必要である。補修溶接材料の熱伝導率が母材である熱間工具鋼の熱伝導率と隔たった低い値となっていると、金型を使用し続ける間に、補修溶接を施した部位が、ヒートチェックによって母材よりも早く割れてしまい、金型の寿命が短くなってしまう。

マルエージング鋼は十分な硬さを有さないうえ、熱伝導率も低い。一方、特許文献１の補修溶接材料は、硬さにおいては優れているものの、熱伝導率が低い。このため、マルエージング鋼及び特許文献１の補修溶接材料をダイカスト金型の補修に使用する場合には、補修溶接が施された部位の耐ヒートチェック性が低くなってしまう。

本発明が解決しようとする課題は、硬さに優れるとともに、ダイカスト金型の補修に使用された際に高い耐ヒートチェック性を発揮し、金型の寿命の向上を図ることができる金型補修溶接材料を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明にかかる金型補修溶接材料は、０．３０＜Ｃ≦０．５０質量％、０．０５≦Ｓｉ≦０．８０質量％、０．５０≦Ｍｎ≦１．５０質量％、４．００≦Ｃｒ≦９．００質量％、０．５０≦Ｍｏ≦３．００質量％、及び、０．３０≦Ｖ≦０．７０質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを要旨とする。

ここで、前記金型補修溶接材料は、さらに、０．０１≦Ｗ≦４．００質量％を含んでもよい。

前記金型補修溶接材料は、さらに、０．３０≦Ｃｏ≦３．００質量％を含んでもよい。

前記金型補修溶接材料は、さらに、０．０００１≦Ｎｂ≦０．１００質量％、０．０００１≦Ｔａ≦０．１００質量％、０．０００１≦Ｔｉ≦０．１００質量％、０．０００１≦Ｚｒ≦０．１００質量％、０．０００５≦Ａｌ≦０．１０００質量％、及び、０．００２０≦Ｎ≦０．１５００質量％からなる群から選ばれる少なくとも１種以上を含んでもよい。

前記金型補修溶接材料は、さらに、０．０００２≦Ｂ≦０．０１００質量％、０．０５≦Ｃｕ≦１．５０質量％、及び、０．０５≦Ｎｉ≦１．５０質量％からなる群から選ばれる少なくとも１種以上を含んでもよい。

前記金型補修溶接材料は、０．００１≦Ｓ≦０．２００質量％、０．０００５≦Ｃａ≦０．２０００質量％、０．０３≦Ｓｅ≦０．５０質量％、０．００５≦Ｔｅ≦０．１００質量％、０．０１≦Ｂｉ≦０．３０質量％、及び、０．０３≦Ｐｂ≦０．５０質量％からなる群から選ばれる少なくとも１種以上を含んでもよい。

上記発明にかかる金型補修溶接用材料によると、特にＣとＳｉの含有量が最適化されていることにより、さらにはＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖの含有量も最適化されていることにより、優れた硬さに加えて、熱間工具鋼と比較して高い熱伝導率を有している。このため、熱間工具鋼を母材とする補修溶接に用い、加熱、冷却を繰り返した際に、溶接部に亀裂が生じることが防止され、高い耐ヒートチェック性が得られる。

一方で、金型補修溶接材料の熱伝導率が、熱間工具鋼よりなる母材の熱伝導率に比べて高くなりすぎることもないので、溶接時に、母材との熱伝導率の差に起因する溶接割れ（母材と溶接材の境界の割れ）が生じることも回避される。このように、金型補修溶接材料が母材と比較して適度に高い熱伝導率を有することで、耐ヒートチェック性の向上と溶接割れの防止の両方の効果により、ダイカスト金型の寿命を向上させることが可能となる。また、上記発明にかかる金型補修用材料は、高い被削性も同時に備える。

ここで、上記発明にかかる金型補修材料が、さらに上記所定量のＷを含む場合には、材料の強度を向上させることができる。

また、上記発明にかかる金型補修材料が、さらに上記所定量のＣｏを含む場合にも、材料の強度を向上させることができる。

上記発明にかかる金型補修材料が、さらに上記所定量のＮｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、及び、Ｎからなる群から選ばれる少なくとも１種以上を含んでいる場合には、材料の強度と靱性を向上させることができる。

上記発明にかかる金型補修材料が、さらに上記所定量のＢ，Ｃｕ、及びＮｉからなる群から選ばれる少なくとも１種以上を含んでいる場合には、材料の焼入れ性を向上させることができる。

上記発明にかかる金型補修材料が、さらに上記所定量のＳ、Ｃａ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、及びＰｂからなる群から選ばれる少なくとも１種以上を含んでいる場合には、材料の被削性を向上させることができる。

熱伝導率のＣ含有量に対する依存性を示すグラフである。 熱伝導率のＳｉ含有量に対する依存性を示すグラフである。 被削性のＳｉ含有量に対する依存性を示すグラフである。 ヒートチェック加速度試験に使用した試験片の形状を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である（図中の寸法単位はｍｍである）。 ヒートチェック加速度試験の結果を示す写真であり、（ａ１）、（ａ２）は実施例Ａ０９、（ｂ１）、（ｂ２）は比較例１、（ｃ１）、（ｃ２）は比較例２、（ｄ１）、（ｄ２）は比較例３の試験片のものである。（ａ１）〜（ｄ１）は５０００サイクル実施後の状態を示し、（ａ２）〜（ｄ２）は１００００サイクル実施後の状態を示している。 実施例Ａ０９の試験片のヒートチェック加速度試験の結果を示す写真であり、（ａ）は予後熱なしの場合、（ｂ）は予後熱ありの場合を示している。 溶接割れ評価試験に使用した試験片の形状を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である（図中の寸法単位はｍｍである）。 溶接割れ評価試験の結果を示す写真であり、（ａ）は予後熱なしの場合、（ｂ）は予後熱ありの場合を示している。

以下、本発明の一実施形態にかかる金型補修溶接材料について、詳細に説明する。

（成分組成）
本実施形態にかかる金型補修溶接材料（以下、単に補修溶接材料と称する場合がある）は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖを必須元素として含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。各成分元素の含有量とその限定理由を以下に説明する。

（１）０．３０＜Ｃ≦０．５０質量％
Ｃは、補修溶接材料の熱伝導性を大きく左右し、その含有量が少ないと、熱伝導率が高くなる。Ｃの含有量が０．３０質量％以下である場合には、補修溶接材料の熱伝導率が、母材である熱間工具鋼の熱伝導率よりも高くなりすぎるため、溶接時に補修溶接材料の熱応力が大きくなり、溶接割れが発生する。一方、Ｃの含有量が０．５０質量％を超えると、補修溶接材料の熱伝導率が母材である熱間工具鋼の熱伝導率よりも低くなりすぎ、熱伝導率の差により、ダイカストの工程で加熱、冷却を繰り返された溶接部に亀裂が生じやすくなる。つまり、溶接部の耐ヒートチェック性が低下される。そこで、母材である熱間工具鋼との熱伝導率の差による溶接割れの発生と耐ヒートチェック性の低下の両方を回避するために、Ｃの含有量は０．３０＜Ｃ≦０．５０質量％とされる。Ｃの含有量は、同時に、補修溶接材料の硬さに大きく影響するが、この含有量の範囲にあれば、金型補修溶接材料として適切な硬さ（４１０〜５５０Ｈｖ）を達成することができる。

なお、Ｃの含有量が多い場合には、補修溶接材料の被削性が低下する傾向がある。そこで、熱間工具鋼との比較において十分に高い熱伝導率と、高い被削性とを両立する観点から、Ｃの含有量は０．３０＜Ｃ≦０．４０質量％であることが好ましい。

（２）０．０５≦Ｓｉ≦０．８０質量％
Ｓｉは補修溶接材料において、軟化抵抗を高めるのに寄与する。補修溶接材料の軟化抵抗が小さいと、溶接部においてヒートチェックが発生しやすくなる。Ｓｉの含有量が０．０５質量％未満であると、補修溶接材料の軟化抵抗が小さくなり、溶接部の耐ヒートチェック性が低くなる。また、Ｓｉの含有量が０．０５質量％未満であると、熱間工具鋼と比べて熱伝導率が高くなりすぎ、溶接割れが発生しやすくなる。一方、Ｓｉの含有量が多いほど熱伝導率が低くなる傾向があり、０．８０質量％を超えると、母材である熱間工具鋼と比較して熱伝導率が低くなりすぎる。すると、母材との熱伝導率の差により、溶接部の耐ヒートチェック性が低くなる。そこで、耐ヒートチェック性を高め、溶接割れを防止する観点から、Ｓｉの含有量は、０．０５≦Ｓｉ≦０．８０質量％とされる。

なお、Ｓｉの含有量が少なくなると、被削性が低下する傾向があるので、熱間工具鋼との比較において十分に高い熱伝導率と、高い被削性とをバランス良く両立する観点から、Ｓｉの含有量は、０．３０≦Ｓｉ≦０．６０質量％であることが好ましく、０．４０≦Ｓｉ≦０．６０質量％であることがさらに好ましい。

（３）０．５０≦Ｍｎ≦１．５０質量％
Ｍｎは、金型補修溶接材料の硬さを向上させる。また、Ｍｎは焼入性を向上させるので、焼入によって一層硬さを向上させることができ、衝撃値も向上させることができる。Ｍｎの含有量が０．５０質量％未満では、硬さを確保することが困難になり、焼入性も不足する。一方、Ｍｎの含有量が１．５０質量％を超えると、溶接部が硬くなりすぎるうえ、熱伝導率が低下されてしまう。また、衝撃値がかえって低下する。そこで、Ｍｎの含有量は、必要十分な硬さを確保でき、かつ高い熱伝導率が得られるように、０．５０≦Ｍｎ≦１．５０質量％とされる。硬さと熱伝導率のバランスに鑑みると、Ｍｎの含有量は、０．５０≦Ｍｎ≦０．９０質量％であることが好ましい。

（４）４．００≦Ｃｒ≦９．００質量％
Ｃｒは耐ヒートチェック性を向上させるとともに、焼入れ性と硬さ、衝撃値を向上させるのに寄与する元素である。Ｃｒの含有量が４．００質量％未満の場合には、ヒートチェック性が低くなってしまい、十分な硬さを得ることができない。一方、Ｃｒを多く含有することで熱伝導率が低下するので、含有量が９．００質量％を超えると、熱伝導率が低くなりすぎてしまう。また、硬さも上昇しすぎてしまう。そこで、Ｃｒの含有量は、４．００≦Ｃｒ≦９．００質量％とされる。熱伝導率と硬さのバランスの観点から、Ｃｒの含有量は、４．５≦Ｃｒ≦６．０質量％であることが好ましい。

（５）０．５０≦Ｍｏ≦３．００質量％
Ｍｏは、補修溶接材料の硬さを向上させるとともに、軟化抵抗を高めるのに寄与する。Ｍｏの含有量が０．５０質量％未満であると、十分な硬さが得られないうえ、軟化抵抗が小さくなり、溶接部の耐ヒートチェック性が低くなる。一方、Ｍｏの含有量が３．００質量％を超えると、硬さが上昇しすぎてしまう。そこで、Ｍｏの含有量は、０．５０≦Ｍｏ≦３．００質量％とされる。耐ヒートチェック性と、好ましい硬さのバランスから、Ｍｏの含有量は、０．７５≦Ｍｏ≦１．７５質量％であることが好ましい。

（６）０．３０≦Ｖ≦０．７０質量％
Ｖは、炭化物の形成により、補修溶接材料の硬さ及び衝撃値を向上させる。また、金型の加熱に伴う軟化を抑制することができる。Ｖの含有量が０．３０質量％未満であると、硬さ及び軟化抵抗の向上の効果が得られにくい。一方、Ｖの含有量が０．７０質量％を超えると、硬さが上昇しすぎてしまう。また、高い熱伝導率が得られなくなる。そこで、Ｖの含有量は、０．３０≦Ｖ≦０．７０質量％とされる。好適な硬さと熱伝導率のバランスに鑑みると、Ｖの含有量は、０．４５≦Ｖ≦０．７０質量％であることが好ましい。

さらに、本実施形態にかかる金型補修溶接材料は、上記必須元素に加え、下記から選択される選択元素を、下記の含有量の範囲で任意に含有してもよい。

（７）０．０１≦Ｗ≦４．００質量％
Ｗは、炭化物の析出によって強度を上げるため（析出硬化）、添加することができる選択元素である。Ｗの含有量が０．０１質量％未満では高強度化の効果が小さい。一方で、Ｗの含有量が４．００質量％を超えると効果の飽和と著しいコスト増を招く。そこで、Ｗの含有量は、０．０１≦Ｗ≦４．００質量％とされる。

（８）０．３０≦Ｃｏ≦３．００質量％
Ｃｏは、母材への固溶によって強度を上げるため（固溶硬化）、添加することができる選択元素である。Ｃｏの含有量が０．３０質量％未満では高強度化の効果が小さい。一方で、Ｃｏの含有量が３．００質量％を超えると効果の飽和とコストの著しい増加を招く。そこで、Ｃｏの含有量は、０．３０≦Ｃｏ≦３．００質量％とされる。

（９）０．０００１≦Ｎｂ≦０．１００質量％、
０．０００１≦Ｔａ≦０．１００質量％、
０．０００１≦Ｔｉ≦０．１００質量％、
０．０００１≦Ｚｒ≦０．１００質量％、
０．０００５≦Ａｌ≦０．１０００質量％、及び、
０．００２０≦Ｎ≦０．１５００質量％からなる群から選ばれる少なくとも１種以上
Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、及びＮは、結晶粒を微細化して強度と靭性を上げるため、添加することができる選択元素である。いずれの元素も、所定量未満では強度と靭性の改善効果が小さい。また、所定量を超えると炭化物や窒化物や酸化物が過度に生成し、かえって靭性の低下を招く。

（１０）０．０００２≦Ｂ≦０．０１００質量％、
０．０５≦Ｃｕ≦１．５０質量％、及び、
０．０５≦Ｎｉ≦１．５０質量％からなる群から選ばれる少なくとも１種以上
Ｂ、Ｃｕ、及びＮｉは、焼入れ性を向上させるため、添加することができる選択元素である。いずれの元素も、所定量未満では焼入れ性の改善効果が小さい。また、所定量を超えると効果が飽和して実益に乏しい。特に、Ｃｕ及びＮｉは、過度の添加が熱伝導率を低下させる。

（１１）０．００１≦Ｓ≦０．２００質量％、
０．０００５≦Ｃａ≦０．２０００質量％、
０．０３≦Ｓｅ≦０．５０質量％、
０．００５≦Ｔｅ≦０．１００質量％、
０．０１≦Ｂｉ≦０．３０質量％、及び、
０．０３≦Ｐｂ≦０．５０質量％、からなる群から選ばれる少なくとも１種以上
Ｓ、Ｃａ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ、及び、Ｐｂは、被削性を向上させるため、添加することができる選択元素である。いずれの元素も、所定量未満では被削性の改善効果が小さい。また、所定量を超えると割れが発生しやすくなる。

（成分組成の効果）
本実施形態にかかる金型補修溶接材料は、上記組成を有することで、ＳＫＤ６１に代表される熱間工具鋼の熱伝導率との比較において、耐ヒートチェック性を向上させるのに十分高く、かつ溶接割れを防止できる程度には低い値に抑制された、適度な高さの熱伝導率を有する。これは特に、Ｃの含有量とＳｉの含有量を最適化することによって実現されている。つまり、Ｃ及びＳｉの含有量に所定の下限値を設けることで、熱伝導率が向上され、Ｃ及びＳｉの含有量に所定の上限値を設けることで、熱間工具鋼に比べて過度に熱伝導率が高くなることが防止されている。耐ヒートチェック性、溶接部の割れとも、合金成分組成全体に依存するものであり、熱伝導率の高低だけでその程度が決定されるわけではないが、おおむね、補修溶接材料の熱伝導率が、母材の熱伝導率との比較において、低すぎると高い耐ヒートチェック性が得られず、高すぎると溶接部割れが発生しやすくなる傾向がある。

具体的には、ＳＫＤ６１に代表される熱間工具鋼の熱伝導率は、おおむね２３Ｗ／ｍ／Ｋ以上、２４Ｗ／ｍ／Ｋ未満であり、このような熱伝導率を有する熱間工具鋼を母材として使用する補修溶接材料において、耐ヒートチェック性の向上と溶接割れの防止を効果的に図るためには、補修溶接材料は２４〜３０Ｗ／ｍ／Ｋの熱伝導率を有することが好ましい。後に実施例において示すように、上記組成を有する補修溶接材料は、このような熱伝導率を実現するものである。補修溶接材料の熱伝導率は、耐ヒートチェック性の向上と溶接割れの防止の両方を一層効果的に達成する観点から、さらに好ましくは２５〜２８Ｗ／ｍ／Ｋであるとよい。

そして、本実施形態にかかる補修溶接材料は、主にＳｉの含有量が所定値以上とされていることにより、高い被削性を備える。補修溶接材料を用いて金型の補修溶接を行う際に、肉盛溶接した後に盛り上がった箇所を除去する工程を有するため、補修溶接材料が高い被削性を有していることが好ましい。

さらに、ダイカスト金型用の補修溶接材料としては、一般に、４１０〜５５０Ｈｖ程度の硬さを有することが好ましいとされる。この範囲よりも低いと、ダイカスト金型としての使用に耐える硬さとして十分ではなく、逆に硬すぎても、溶接後の熱処理等の観点から好ましくないからである。本実施形態にかかる補修溶接材料に含有されるＣｒ、Ｍｏ、Ｖは、硬さを上昇させる効果を有するが、Ｃ及びＳｉの含有量の最適化と合わせて、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖの含有量が所定範囲に最適化されていることで、上記の好ましい硬さを実現することができる。また、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖは、多量に含有されることで補修溶接材料の熱伝導性を低下させるが、含有量が上記範囲に規定されることで、好ましい硬さを維持しつつ、母材となる熱間工具鋼の熱伝導率との比較において十分に高い熱伝導率を達成している。

（製造方法）
本実施形態にかかる補修溶接材料は、例えば、所定成分を所定の組成比で溶解させた溶湯からインゴットを作製し、９００℃から１２５０℃に加熱して鍛造、圧延を行うことで、溶接用線材（溶接棒）として製造することができる。また、圧延後の材料に伸線等を行っても良い。

さらに、本補修溶接材料は、焼入れ・焼戻しの工程を経て製造することが好適である。焼入れ・焼戻しの条件を調節することで、所望の硬さの補修溶接材料を得ることができる。本実施形態にかかる補修溶接材料の場合、上記のように、４１０〜５５０Ｈｖの硬さを有するように、焼入れ・焼戻しの条件を選択すればよい。具体的には、焼入れの条件として、１０００〜１０５０℃で０．５〜５時間保持した後、急冷する方法を例示することができる。また、焼戻しの条件として、５００〜６５０℃で１〜１０時間保持する形態を例示することができる。

（ダイカスト金型の補修溶接の方法）
本実施形態にかかる補修溶接材料は、ＳＫＤ６１等の熱間工具鋼よりなるダイカスト金型の補修のための肉盛溶接に好適に使用することができる。本実施形態にかかる補修溶接材料は、ＴＩＧ溶接及びレーザー溶接のいずれにも好適に適用できる。補修溶接材料は、通常は溶接棒の形状で使用されるが、溶接棒の直径は、０２〜４．０ｍｍであることが好ましい。

通常、ダイカスト金型の補修溶接においては、溶接割れを防止するため、予後熱が実施される。つまり、溶接前に金型母材を加熱しておく予熱と、溶接後に溶接部を加熱する後熱が行われる。しかしながら、本実施形態にかかる補修溶接材料は、所定の成分組成を有することの効果により、熱間工具鋼と近い熱伝導率を有しており、熱伝導率の差による溶接割れの発生が効果的に防止される。よって、予後熱を行わなくても、溶接割れの発生を回避することができる。つまり、本実施形態にかかる補修溶接材料を使用すれば、予後熱を行わないことにより、溶接工程を簡素化することができる。

ただし、本実施形態にかかる補修溶接材料においても、従来の材料と同様に、予後熱を行ってもかまわない。すると、溶接割れを一層確実に防止することができる。また、溶接部の耐ヒートチェック性については、予後熱の有無にほとんど影響されず、予後熱がなされる場合にもなされない場合にも、優れた耐ヒートチェック性が得られる。予後熱を行う場合、予熱を３５０〜４５０℃で０．５〜５時間、後熱を５００〜６５０℃で１〜１０時間、いずれも雰囲気炉中で行う形態を好適なものとして示すことができる。

このように肉盛溶接を行い、必要に応じて予後熱処理を行った後、溶接部の盛り上がった箇所を機械加工によって除去し、補修溶接部を金型表面と面一に仕上げればよい。

以下に本発明の実施例、比較例を示す。なお、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。

各実施例、比較例にかかる補修溶接材料は、それぞれに示す組成となるように調製した溶湯からインゴットを作製し、鍛造（９００〜１２００℃）、圧延を行い、各試験に必要とされる形状の試料片として得た。さらに、焼入れ（１０００〜１０５０℃、０．５〜１０時間）と、焼戻し（５５０〜６００℃、１〜１０時間）を行った。

＜実施例１：Ｃの含有量の検討＞
熱伝導率の観点からＣの含有量を最適化するため、熱伝導率のＣの含有量に対する依存性を評価した。つまり、Ｃ含有量を０．１〜１．０質量％の範囲で０．１質量％ごとに異ならせ、Ｃと、Ｓｉ：０．３５質量％、Ｍｎ：０．８３質量％、Ｃｒ：５．０３質量％、Ｍｏ：１．２１質量％、Ｖ：０．５９質量％を含み、残部がＦｅと不可避的不純物よりなる補修溶接材料を作製し、熱伝導率を測定した。ここで、熱伝導率は、直径２０ｍｍの線材からφ２０ｍｍ×２ｍｍの試料片を作製し、レーザーフラッシュ法を用いて室温にて測定した。

図１に、各Ｃ含有量を有する補修溶接材料について測定した熱伝導率を示す。これによると、Ｃ含有量が少ないほど、高い熱伝導率が得られている。前述したとおり、熱間工具鋼の熱伝導率との比較において、補修溶接材料の熱伝導率が低すぎることによる耐ヒートチェック性の低下と、逆に補修溶接材料の熱伝導率が高すぎることによる溶接部の割れを回避するためには、補修溶接材料が２４〜３０Ｗ／ｍ／Ｋの熱伝導率を有することが好ましい。図１において、Ｃの含有量が０．３〜０．５質量％であれば、熱伝導率がこの範囲にあり、しかも熱伝導率のＣ含有量に対する依存性が他の含有量領域に比較して非常に緩やかであり、安定して高い熱伝導率を得ることができる。このことから、Ｃの含有量を０．３０＜Ｃ≦０．５０質量％とすればよいことが分かる。なかでも、高い熱伝導率を有し、耐ヒートチェック性を効果的に高めることができるという点において、０．３０＜Ｃ≦０．４０質量％であることが好ましい。

＜実施例２：Ｓｉの含有量の検討＞
熱伝導率と被削性の観点から、Ｓｉの含有量を最適化するため、熱伝導率と被削性のＳｉ含有量に対する依存性を評価した。つまり、Ｓｉの含有量を０．１〜１．０質量％の範囲で０．１質量％刻みで異ならせ、Ｓｉと、Ｃ：０．３５質量％、Ｍｎ：０．８１質量％、Ｃｒ：５．７３質量％、Ｍｏ：１．２３質量％、Ｖ：０．６１質量％を含み、残部がＦｅと不可避的不純物よりなる補修溶接材料を作製し、熱伝導率と被削性の評価を行った。熱伝導率は、直径２０ｍｍの線材からφ２０ｍｍ×２ｍｍの試料片を作製し、レーザーフラッシュ法によって室温にて測定した。被削性は、超硬のコーティング工具が寿命となるまでに材料を削った距離として評価した。

図２に、各Ｓｉ含有量を有する補修溶接材料について測定した熱伝導率を示す。これによると、Ｓｉの含有量が少ないほど、熱伝導率が高くなり、０．１〜０．８質量％の領域で、２４〜３０Ｗ／ｍ／Ｋの熱伝導率を有し、熱間工具鋼の熱伝導率との関係において、高い耐ヒートチェック性と溶接割れの防止を図ることができる。

図３に、Ｓｉ含有量と被削性との関係を示す。これによると、Ｓｉ含有量が多いほど、被削性が向上している。おおむね、Ｓｉ含有量が０．８質量％を超えると、被削性向上の効果が飽和している。

以上の結果に基づき、熱間工具鋼の熱伝導率との関係において所望される熱伝導率と、高い被削性の両方をバランスよく得るために、Ｓｉの含有量は０．０５≦Ｓｉ≦０．８０質量％とすればよい。より好ましくは、０．４０≦Ｓｉ≦０．６０質量％とすればよい。

＜実施例３：各種補修溶接材料の特性の比較＞
上記のＣ及びＳｉの含有量の検討結果に基づき、表１〜３に示す各種組成を有する実施例及び比較例にかかる鋼材を作製し、特性を比較した。実施例Ａ０１〜Ａ１８は必須元素のみを含むものである。一方、実施例Ｂ０１〜Ｂ０４（Ｂ群）、Ｃ０１〜Ｃ０４（Ｃ群）、Ｄ０１〜Ｄ０４（Ｄ群）、Ｅ０１〜Ｅ０６（Ｅ群）は、必須元素に加えて選択元素を含むものであり、含有される添加元素の種類に応じて群に分類されている。また、比較例１は特許文献１の実施例１に、比較例２はＳＫＤ６１に、比較例３はマルエージング鋼にそれぞれ組成が対応する。

上記実施例及び比較例にかかる補修溶接材料について、以下のように特性評価を行った。

（熱伝導率の測定）
直径２０ｍｍの線材からφ２０ｍｍ×２ｍｍの試料片を作製し、レーザーフラッシュ法を用いて、熱伝導率を室温にて測定した。得られた値を表４に示す。

（耐ヒートチェック性の評価）
図４に示すように、ＳＫＤ６１よりなる母材Ｂの上に、各補修溶接材料よりなる肉盛溶接部Ｗを形成した試料片Ｓ１を作製し、ヒートチェック加速度試験を行った。ここで、母材Ｂとしては、真空炉にて、１０３０℃×２時間の焼戻し、ガスファン冷却（水冷相当）、６００℃×２時間の焼戻し、空冷、を順次行って得た、５０ＨＲＣの硬さを有するＳＫＤ６１を使用した。また、肉盛溶接部Ｗは、各補修溶接材料を直径１２ｍｍの線材として用い、溶接電流１００ＡでＴＩＧ溶接を行うことによって作製した。

ヒートチェック加速度試験においては、ねじ穴Ｈを介して試料片Ｓ１を試験機に固定し、試料片Ｓ１を３００ｒｐｍの回転速度で回転させながら高周波誘導加熱によって６秒間で５００℃まで加熱した後、４秒間水を吹きかけて冷却し、さらに１５秒間エアブローするサイクルを連続して行った。５０００サイクル実施後と１００００サイクル実施後に、試料片Ｓ１の表面を観察し、生じた亀裂の数と長さを評価した。長さ５ｍｍ以上の亀裂の数が５０００サイクルで２本以上、又は１００００サイクルで４本以上生じた場合を不良「×」とした。また、「×」以外のもので、１００００サイクルで長さ５ｍｍ以上の亀裂が３本以下である場合を良好「○」、１本以下である場合を特に良好「◎」とした。溶接に際して予後熱を行なわずに上記試験を行った評価結果を表４に示す。また、実施例Ａ０９、比較例１〜３について、５０００サイクル経過時（図５の（ａ１）〜（ｄ１））および１００００サイクル経過時（図５の（ａ２）〜（ｄ２））の試料片表面の写真を図５に示す。

また、予後熱が耐ヒートチェック性に与える影響を評価するため、代表として、実施例Ａ０９について、５００℃×１時間の予熱及び５００℃×１時間の後熱を行った試料片についても、同様のヒートチェック加速度試験を行った。予後熱を行っていない場合（ａ）と行った場合（ｂ）について、５０００サイクル経過時の試料片表面の写真を図６に示す。

（溶接部の硬さの測定）
各補修溶接材料（直径１２ｍｍの線材）を用いて、溶接電流１００ＡのＴＩＧ溶接によって形成した溶接部の硬さを、ＪＩＳ Ｚ２２３３のビッカース硬さ試験方法に準拠して測定した。試験荷重は２００ｇとした。

（溶接割れの評価）
図７に示す試料片Ｓ２を作製し、溶接割れの評価を行った。つまり、耐ヒートチェック性評価に用いたのと同様のＳＫＤ６１よりなる母材Ｂの中央部に断面略Ｕ字状の溝部を形成し、この溝部に、各補修溶接材料（直径１２ｍｍの線材）を用いて、溶接電流１００ＡのＴＩＧ溶接によって肉盛溶接部Ｗを形成した。そして、試料片Ｓ２を目視にて観察し、肉盛溶接部Ｗ上及び肉盛溶接部Ｗと母材Ｂとの境界部に亀裂が生じていない場合を良好「○」とし、これらの部位の少なくとも一方に亀裂が生じている場合を不良「×」とした。

表４に評価結果を示す。ここで、各実施例については、溶接の際に予後熱を行っていない。一方、各比較例についてはいずれも、５００℃×１時間の予熱及び５００℃×１時間の後熱を行った。

また、実施例にかかる補修溶接材料における予後熱の効果を評価するために、実施例Ａ０９の試料片について、予後熱を行わない場合に加え、５００℃×１時間の予熱及び５００℃×１時間の後熱を雰囲気炉中で（雰囲気：窒素）行った試料片についても溶接割れの評価を行った。図８に、予後熱を行っていない場合（ａ）と行った場合（ｂ）の試料片表面の写真を示す。

（評価結果）
表４に、各実施例及び比較例にかかる補修溶接材料の評価結果を示す。

表４によれば、本発明に規定される範囲内の成分組成を有している各実施例にかかる補修溶接材料は、熱伝導率、耐ヒートチェック性、溶接後の硬さ、溶接部の割れのいずれの評価においても、優れた特性を示している。一方、各比較例にかかる補修溶接材料は、本発明に規定される成分組成を有しておらず、一部又は全部の評価項目において、十分な特性が得られていない。以下に、各特性評価の結果についての分析を示す。

各実施例にかかる補修溶接材料は、熱間工具鋼の熱伝導率よりも高く、かつ熱間工具鋼の熱伝導率と比較して高すぎない、２４〜３０Ｗ／ｍ／Ｋの範囲の熱伝導率を有している。そして、これに対応して、各実施例にかかる補修溶接材料は良好な耐ヒートチェック性と溶接部の割れに対する耐性を有している。

耐ヒートチェック性に関して、図５を見ると、各比較例にかかる試料片では、５０００サイクルでも亀裂が見られ、１００００サイクルでは亀裂の発生がさらに進行しているのに対し、実施例Ａ０９にかかる試料片では、５０００サイクルでは亀裂が観測されておらず、１００００サイクルでも、比較的ヒートチェックの生じやすい肉盛溶接部の端部（図中左端部）にわずかに２本の亀裂が生じているのみである。これは、表４に示すように、実施例Ａ０９にかかる補修溶接材料は、２６．９Ｗ／ｍ／Ｋと十分に高い熱伝導率を有するのに対し、各比較例にかかる補修溶接材料は、２４Ｗ／ｍ／Ｋ以上未満の低い熱伝導率しか有していないことと対応している。

このように、本発明の実施例にかかる補修溶接材料は、従来の補修溶接材料に比較して、極めて高い耐ヒートチェック性を有している。これは、各必須元素の含有量の最適化によって、熱伝導率を調整している効果によるものである。とりわけ、ＣとＳｉの含有量は、熱伝導率の大きさと、熱伝導率の影響を大きく受ける耐ヒートチェック性とに大きな影響を与える。表４によると、これらの元素の含有量が０．３０＜Ｃ≦０．４０質量％かつ０．４０≦Ｓｉ≦０．６０質量％の範囲にある、実施例Ａ０２、Ａ０４〜Ａ１０、及びＢ〜Ｅ群の各実施例にかかる補修溶接材料においては、２５〜２８Ｗ／ｍ／Ｋの熱伝導率が得られ、特に良好な（◎）耐ヒートチェック性が達成されている。

なお、図６によると、溶接時の予後熱の有無によらず、５０００サイクル経過時にヒートチェックによる亀裂が観察されておらず、同等に高い耐ヒートチェック性が得られている。つまり、予後熱の有無は、耐ヒートチェック性に特に影響を与えない。

次に、溶接部の割れについて、各実施例にかかる補修溶接材料では、割れが発生していない（表４中で○）のに対し、比較例３にかかる補修溶接材料では、割れが発生している（表４中で×）。ここで、各実施例の評価に使用した試料片においては予後熱を行っていないのに対し、比較例の評価に使用した試料片においては予後熱を行っていることに注意を要する。一般に、溶接時の予後熱は、溶接割れを防止する効果があり、各実施例にかかる補修溶接材料おいては、このような予後熱を行っていないにもかかわらず、予後熱を経た比較例にかかる補修溶接材料よりも溶接割れが高度に防止されている。図８において、実施例Ａ０９の補修溶接材料に対して予後熱を行った場合（ｂ）と行っていない場合（ａ）の溶接部の形態を比較すると、予後熱の有無にかかわらず、肉盛溶接部（写真中央部の横長の不定形部分）上にも肉盛溶接部と母材との境界部にも全く亀裂が観測されていない。つまり、本発明の実施例にかかる補修溶接材料においては、予後熱を行わなくても、溶接割れを高度に防止することができる。

さらに、溶接後の硬さについては、補修溶接材料の製造工程における焼入れ・焼戻しの条件によって、ある程度調整可能なものではあるが、実施例にかかる補修溶接材料ではいずれも、熱間工具鋼よりなるダイカスト金型の補修溶接の用途に適した４１０〜５５０Ｈｖの値が達成されている。実施例にかかる補修溶接材料と大きく組成の異なる比較例３のマルエージング鋼においては、この範囲の硬さが得られていない。

最後に、Ｂ〜Ｅ群の各実施例にかかる補修溶接材料は、実施例Ａ０８とほぼ同じ構成の必須元素を含有し、さらに選択元素を添加されたものである。熱伝導率、耐ヒートチェック性、溶接後の硬さ、溶接部の割れの全評価項目において、必須元素の効果によって得られる高い特性が、選択元素の添加によっても維持されている。実施例Ａ０８との比較において、選択元素は、主として溶接後の硬さを向上させるのに寄与している。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

Ｓ１、Ｓ２ 試料片
Ｂ 母材
Ｗ 肉盛溶接部

Claims (6)

1. 熱伝導率が２３Ｗ／ｍ／Ｋ以上、２４Ｗ／ｍ／Ｋ未満である熱間工具鋼を母材とする金型の補修溶接材料であって、
   ０．３０＜Ｃ≦０．５０質量％、
   ０．０５≦Ｓｉ≦０．８０質量％、
   ０．５０≦Ｍｎ≦１．５０質量％、
   ４．００≦Ｃｒ≦９．００質量％、
   ０．５０≦Ｍｏ≦３．００質量％、及び、
   ０．３０≦Ｖ≦０．７０質量％を含み、
   残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、その熱伝導率が２４〜３０Ｗ／ｍ／Ｋであることを特徴とする金型補修溶接材料。
2. さらに、０．０１≦Ｗ≦４．００質量％を含むことを特徴とする請求項１に記載の金型補修溶接材料。
3. さらに、０．３０≦Ｃｏ≦３．００質量％を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の金型補修溶接材料。
4. さらに、
   ０．０００１≦Ｎｂ≦０．１００質量％、
   ０．０００１≦Ｔａ≦０．１００質量％、
   ０．０００１≦Ｔｉ≦０．１００質量％、
   ０．０００１≦Ｚｒ≦０．１００質量％、
   ０．０００５≦Ａｌ≦０．１０００質量％、及び、
   ０．００２０≦Ｎ≦０．１５００質量％からなる群から選ばれる少なくとも１種以上を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の金型補修溶接材料。
5. さらに、
   ０．０００２≦Ｂ≦０．０１００質量％、
   ０．０５≦Ｃｕ≦１．５０質量％、及び、
   ０．０５≦Ｎｉ≦１．５０質量％からなる群から選ばれる少なくとも１種以上を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の金型補修溶接材料。
6. さらに、
   ０．００１≦Ｓ≦０．２００質量％、
   ０．０００５≦Ｃａ≦０．２０００質量％、
   ０．０３≦Ｓｅ≦０．５０質量％、
   ０．００５≦Ｔｅ≦０．１００質量％、
   ０．０１≦Ｂｉ≦０．３０質量％、及び、
   ０．０３≦Ｐｂ≦０．５０質量％からなる群から選ばれる少なくとも１種以上を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の金型補修溶接材料。