JP6209479B2 - Surface modification method using ceramics - Google Patents
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Description
この発明は、高温雰囲気中等の苛酷な条件下で使用される各種の基材や部品において、その金属製の基材表面をセラミックスによって耐熱性、強度、耐焼付き性、耐クリープ性等を高度に改質するための表面改質方法に関する。 The present invention provides a high degree of heat resistance, strength, seizure resistance, creep resistance, etc. for various base materials and parts used under severe conditions such as in a high-temperature atmosphere with ceramics on the surface of the metal base material. The present invention relates to a surface modification method for modification.
従来より、耐摩耗性等が要求される基材の表面改質手段として、その基材表面に耐摩耗性に優れる超硬材等よりなる表面改質材を電気溶接やガス溶接もしくはロウ付けにて接合する方法が採用されている。しかるに、前者の溶接による接合では、基材と表面改質材との線膨張係数の違いから、溶接時又は溶接後に多数のクラックが発生し易く、これによって改質表面の耐久性が低下する上、溶接部分で基材側の成分が表面改質材中に不純物として取り込まれることで、耐食性、耐摩耗性、強度等の諸物性に悪影響が及び、所期する改質性能を充分に発揮できないという問題があった。また、後者のロウ付けによる接合では、基材表面と表面改質材との間にロウ材が充分に行き渡らず、接合強度が不足して使用中に表面改質材の剥がれを生じ易く、満足な耐久性が得られないという難点があった。 Conventionally, as a means for modifying the surface of a base material that requires wear resistance, etc., surface modification material made of super hard material having excellent wear resistance is applied to the surface of the base material for electric welding, gas welding or brazing. The joining method is adopted. However, in the former joining by welding, a large number of cracks are likely to occur at the time of welding or after welding due to the difference in the linear expansion coefficient between the base material and the surface modifying material, thereby reducing the durability of the modified surface. Incorporation of components on the substrate side as impurities in the surface modification material at the welded part adversely affects various physical properties such as corrosion resistance, wear resistance, strength, etc., and the desired modification performance cannot be fully exhibited. There was a problem. In addition, in the latter joining by brazing, the brazing material does not spread sufficiently between the base material surface and the surface modifying material, the joining strength is insufficient, and the surface modifying material is easily peeled off during use. However, there was a difficulty that a sufficient durability could not be obtained.
一方、本出願人は先に、表面改質手段として、基材表面に、多数の表面改質材を相互間並びに基材表面に対して隙間を置いて配列し、これらの隙間に、ガスバーナーによるパウダー溶射等でロー付け組成物からなる充填材(ロウ材)の溶融物を流し込んで充填することにより、表面改質材同士ならびに表面改質材と基材を接合する方法を提案している(特許文献1)。この表面改質手段では、多数の表面改質材とその相互間の隙間を満たす溶加材とからなる表面改質層により、基材の表面改質すべき表面全体が三次元的に密に覆われた状態になるため、優れた改質性能と改質表面の耐久性が得られる。 On the other hand, the present applicant previously arranged a large number of surface modifiers on the surface of the substrate as a surface modifying means with a gap between each other and the surface of the substrate. We propose a method of joining surface modifiers and surface modifiers together with a base material by pouring and filling a melt of a filler (brazing material) consisting of a brazing composition by powder spraying with (Patent Document 1). In this surface modification means, the entire surface of the substrate to be surface-modified is three-dimensionally densely covered by a surface modification layer comprising a large number of surface modification materials and a filler material that fills the gaps between them. Therefore, excellent reforming performance and durability of the modified surface can be obtained.
しかしながら、前記提案に係る表面改質手段は、特に高温雰囲気中で使用される各種の器材や部品に対しては適用困難であった。これは、例えば1200℃といった高温下での使用では、前記充填材(ロウ材)として融点が1300℃以上といった高融点のものが必要であるが、ガスバーナーを熱源とするパウダー溶射等では熱源のエネルギー密度が低いために該充填材を溶融できないことによる。また、TIG(タングステン−不活性ガス)溶接でも、エネルギー密度がアルゴンアークでは15.0kW/cm2 前後、プラズマアークでは50〜100kW/cm2 程度であるため、上記高融点のロウ材を確実に溶融させる上で溶接速度を高められず、施工能率が悪くなると共に、アークでは必然的にロウ材の溶け込み幅が大きくなることから、表面改質材相互の間隔を狭く設定できず、それだけ基材表面における表面改質材の面積比率が低くなって充分な表面改質作用を発揮できず、且つ溶接長さ当たりの入熱量が大きくなるため、基材との線膨張係数の違いによる表面改質材の割れや基材に対する熱的悪影響を生じ易くなる。一方、高耐熱性を付与する表面改質では、表面改質材としてセラミックスを使用する必要があるが、高融点のロウ材を溶融させる際の高温が表面改質材に及ぶと、伝熱性の低いセラミックスでは加熱部分から非加熱部分への温度勾配が非常に大きくなって割れを生じ易くなる。 However, the surface modification means according to the proposal has been difficult to apply to various equipment and parts used particularly in a high temperature atmosphere. For example, for use at a high temperature such as 1200 ° C., a filler having a high melting point such as 1300 ° C. or more is required as the filler (brazing material). However, in the case of powder spraying using a gas burner as a heat source, etc. This is because the filler cannot be melted because the energy density is low. Further, TIG - even (tungsten inert gas) welding, energy density in the argon arc 15.0kW / cm 2 before and after, since the plasma arc is about 50~100kW / cm 2, to ensure the brazing material of the high melting point When melting, the welding speed cannot be increased, the work efficiency deteriorates, and in the arc, the penetration width of the brazing material inevitably increases. The surface modification due to the difference in linear expansion coefficient from the base material because the area ratio of the surface modification material on the surface is low and sufficient surface modification action cannot be achieved and the heat input per weld length increases. It becomes easy to produce the thermal bad influence with respect to the crack of a material and a base material. On the other hand, in surface modification that imparts high heat resistance, it is necessary to use ceramics as the surface modification material. However, if the high temperature when melting the high melting point brazing material reaches the surface modification material, the heat transfer property With low ceramics, the temperature gradient from the heated part to the non-heated part becomes very large and cracks are likely to occur.
本発明は、上述の事情に鑑み、高温雰囲気中等の苛酷な条件下で使用される金属製の基材表面を改質する手段として、表面改質材にセラミックスを用い、該基材表面に高耐熱・高強度で耐久性に優れた高品質の表面改質層を高速度で能率よく形成できると共に、その形成過程で表面改質材の割れや基材に対する熱的悪影響を生じにくい方法を提供することを目的としている。 In view of the above-described circumstances, the present invention uses ceramics as a surface modifying material as a means for modifying a metal substrate surface used under severe conditions such as in a high temperature atmosphere, A high-quality surface-modified layer that is heat-resistant, high-strength, and excellent in durability can be formed efficiently at high speed, and a method that does not easily cause cracks in the surface-modified material and thermal adverse effects on the substrate during the formation process is provided. The purpose is to do.
上記目的を達成するために、請求項1の発明に係るセラミックスによる表面改質方法は、多数個のセラミックスチップを相互に0.5〜5mmの間隔を置いて、且つセラミックスチップにて覆われる面積/セラミックスチップ相互間に露呈する基材表面の面積の比率が40/60〜96/4の範囲になるように配列固定し、その配列したセラミックスチップ間に構成される網状の隙間に、連続的に溶加材を供給しつつレーザビームを照射することにより、溶加材を溶融肉盛りして該隙間を満たすことを特徴としている。 In order to achieve the above object, the surface modification method using ceramics according to the first aspect of the present invention is an area in which a large number of ceramic chips are spaced from each other by 0.5 to 5 mm and covered with ceramic chips. / Fixed so that the ratio of the surface area of the substrate surface exposed between the ceramic chips is in the range of 40/60 to 96/4, and continuously in the net-like gap formed between the arranged ceramic chips By irradiating a laser beam while supplying the filler material to the molten metal, the filler material is melted and filled to fill the gap.
請求項2の発明は、上記請求項1の表面改質方法において、前記セラミックスチップは、底幅5〜15mm、長さ5〜30mm、厚さ3〜30mmのサイズを有し、基材の被改質表面の周辺部では長さを前記範囲で調整したチップを用いるものとしている。 According to a second aspect of the present invention, in the surface modification method of the first aspect, the ceramic chip has a bottom width of 5 to 15 mm, a length of 5 to 30 mm, and a thickness of 3 to 30 mm. In the peripheral portion of the modified surface, a chip whose length is adjusted within the above range is used.
請求項3の発明は、上記請求項1又は2の表面改質方法において、前記セラミックスチップは、幅方向又は/及び長手方向の断面が台形をなすものとしている。 According to a third aspect of the present invention, in the surface modification method according to the first or second aspect, the ceramic chip has a trapezoidal cross section in the width direction and / or the longitudinal direction.
請求項4の発明は、上記請求項1〜3のいずれかの表面改質方法において、前記セラミックスチップは、TiB2、Cr3C2、W2C、WC、SiC、Si3N4、サイアロン、コーディエライト、アルミナ−グラファイトより選ばれる少なくとも一種からなるものとしている。
The invention according to claim 4, in any of the surface modification method of the
請求項5の発明は、上記請求項1〜4のいずれかの表面改質方法において、前記溶加材が融点1150℃以上の合金材料からなるものとしている。 According to a fifth aspect of the present invention, in the surface modification method according to any one of the first to fourth aspects, the filler material is made of an alloy material having a melting point of 1150 ° C. or higher.
請求項6の発明は、上記請求項1〜5の何れかの表面改質方法において、通電性を有する前記セラミックスチップの下面に高さ0.1〜0.5mmの凸部を形成し、このセラミックスチップを基材の被改質表面に載置して通電することにより、基材に対して該セラミックスチップを前記凸部で融着固定するものとしている。 According to a sixth aspect of the present invention, in the surface modification method according to any one of the first to fifth aspects, a convex portion having a height of 0.1 to 0.5 mm is formed on the lower surface of the ceramic chip having electrical conductivity. By placing a ceramic chip on the surface to be modified of the substrate and energizing it, the ceramic chip is fused and fixed to the substrate with the convex portions.
請求項7の発明は、上記請求項1〜5の何れかの表面改質方法において、通電性を有しない前記セラミックスチップの周面に導電金属層を形成し、このセラミックスチップを基材の被改質表面に載置して通電することにより、基材に対して該セラミックスチップを前記導電金属層で融着固定するものとしている。 According to a seventh aspect of the present invention, in the surface modification method according to any one of the first to fifth aspects, a conductive metal layer is formed on a peripheral surface of the ceramic chip having no electrical conductivity, and the ceramic chip is coated with a substrate. The ceramic chip is fused and fixed to the base material with the conductive metal layer by placing it on the modified surface and energizing it.
請求項8の発明は、上記請求項1〜5の何れかの表面改質方法において、基材の被改質表面に凹部を形成し、前記セラミックスチップを該凹部に嵌め込んで機械的に固定するものとしている。 According to an eighth aspect of the present invention, in the surface modification method according to any one of the first to fifth aspects, a recess is formed in the surface to be modified of the substrate, and the ceramic chip is fitted into the recess and mechanically fixed. I am going to do it.
請求項1の発明に係る表面改質方法によれば、金属製の基材の被改質表面が、相互間に特定間隔(0.5〜5mm)を置いて配列した多数個のセラミックスチップと、その配列間の網状に連続する隙間を埋めた溶加材の溶融固化物とで構成される表面改質層にて密に覆われることになる。そして、該表面改質層は、表面改質材のセラミックスが個々に独立した小サイズのチップに分離し、各チップにおける応力分散がよい上、その応力変形及び熱変形が周囲に存在する溶加材の溶融固化物の靱性によって吸収されるので、負荷の増減変化や温度変化による割れを生じにくいものとなる。しかも、前記隙間を埋める溶加材の溶融固化物が特定幅で網状に連続しているから、多数のセラミックスチップが該溶融固化物によって一まとめに拘束され、もって表面改質層全体が強固に一体化すると共に、該表面改質層と基材との高い接合強度が得られ、加えて基材の被改質表面を覆うセラミックスチップの面積比率が特定範囲にあるため、該セラミックスによる耐熱及び断熱作用、耐焼付き性、耐クリープ性等が充分に発揮される。従って、この表面改質後の基材は、高温雰囲気中で圧縮荷重や摩擦を受けるような苛酷な使用環境でも、充分な強度を保ち得る高耐熱性及び高耐久性を具備するものとなる。 According to the surface modification method according to the first aspect of the present invention, the surface to be modified of the metal substrate is made of a large number of ceramic chips arranged at a specific interval (0.5 to 5 mm) between each other. Then, it is densely covered with a surface modification layer composed of a melted and solidified material of a filler material in which gaps continuous in a net shape between the arrays are filled. The surface modification layer is formed by separating the surface modification material ceramics into small chips that are independent of each other, providing good stress dispersion in each chip, and the stress deformation and thermal deformation present in the surrounding area. Since it is absorbed by the toughness of the molten and solidified material, cracks due to changes in load and temperature changes are less likely to occur. In addition, since the melted and solidified material of the filler material filling the gaps is continuous in a network with a specific width, a large number of ceramic chips are constrained together by the molten and solidified material, so that the entire surface-modified layer is strengthened. In addition to being integrated, a high bonding strength between the surface modified layer and the base material is obtained, and in addition, the area ratio of the ceramic chip covering the surface to be modified of the base material is in a specific range. Insulation, seizure resistance, creep resistance, etc. are fully exhibited. Therefore, the surface-modified base material has high heat resistance and high durability capable of maintaining sufficient strength even in a severe use environment that receives a compressive load or friction in a high temperature atmosphere.
そして、この表面改質方法では、セラミックスチップの相互間の隙間を溶加材の溶融固化物で埋めるに際し、レーザ肉盛溶接の手法により、該隙間に連続的に溶加材を供給しつつレーザビームを照射することで、溶加材を溶融肉盛りして該隙間を満たすようにしている。このように熱源としてレーザビームを用いることにより、前記隙間が0.5〜5mmと狭いにも関わらず、その照射スポット径を該隙間の幅に合わせて高いエネルギー密度で加熱できるから、溶加材が非常に高融点であっても高速度で能率よく接合を行える上、溶加材の溶け込み幅が小さく、且つガス溶接やアーク溶接に比較して長さ当たりの入熱量が格段に少ないので、セラミックスチップの割れや基材に対する熱的悪影響を生じにくく、高品位の表面改質層を形成できる。 In this surface modification method, when the gap between the ceramic chips is filled with the melted solidified material of the filler metal, a laser is applied while continuously supplying the filler material to the gap by a laser overlay welding technique. By irradiating the beam, the filler material is melted to fill the gap. By using a laser beam as a heat source in this way, although the gap is as narrow as 0.5 to 5 mm, the irradiation spot diameter can be heated at a high energy density in accordance with the width of the gap. Because even if it has a very high melting point, it is possible to join efficiently at high speed, the penetration width of the filler metal is small, and the heat input per length is significantly less than gas welding and arc welding, It is difficult to cause cracks in the ceramic chip and thermal adverse effects on the substrate, and a high quality surface modified layer can be formed.
請求項2の発明によれば、前記セラミックスチップが特定サイズであるため、応力分散性が高く、負荷の増減変化や温度変化による割れをより生じにくくなる。
According to the invention of
請求項3の発明によれば、前記セラミックスチップの幅方向又は/及び長手方向の断面が台形をなすから、チップ間の隙間を埋める溶加材の溶融固化物の幅方向断面が楔形になり、これによって該溶融固化物によるセラミックスチップの拘束力が著しく増大する。従って、セラミックスチップが溶加材に対する濡れ性に乏しい材質であっても、溶加材の溶融固化物による充分な固着強度が得られる。
According to the invention of
請求項4の発明によれば、前記セラミックスチップが特定材質からなるため、高温雰囲気中での耐圧縮荷重強度及び耐摩耗性がより向上する。 According to the invention of claim 4, since the ceramic chip is made of a specific material, the compressive load strength and the wear resistance in a high temperature atmosphere are further improved.
請求項5の発明によれば、前記溶加材が融点1150℃以上の合金材料からなるため、高温に晒される基材表面の改質層用として高い適性を発揮できる。
According to invention of
請求項6の発明によれば、セラミックスチップとして通電性を有するものを使用する場合に、その下面に特定高さの凸部を設け、このセラミックスチップを基材の被改質表面に載置して通電することにより、基材に対して該セラミックスチップを極めて容易に固定できる。 According to the sixth aspect of the present invention, when a ceramic chip having electrical conductivity is used, a convex portion having a specific height is provided on the lower surface, and the ceramic chip is placed on the surface to be modified of the substrate. By energizing the ceramic chip, the ceramic chip can be fixed very easily to the base material.
請求項7の発明によれば、セラミックスチップとして通電性を有しないものを使用する場合に、その周面に導電金属層を設け、このセラミックスチップを基材の被改質表面に載置して通電することにより、基材に対して該セラミックスチップを極めて容易に固定できる。
According to the invention of
請求項8の発明によれば、基材の被改質表面に凹部を形成し、該凹部にセラミックスチップを嵌め込んで機械的に固定することにより、基材に対して該セラミックスチップを確実に固定できる。 According to the eighth aspect of the present invention, the concave portion is formed on the surface of the base material to be modified, and the ceramic chip is securely fixed to the base material by mechanically fixing the ceramic chip by fitting the concave portion into the concave portion. Can be fixed.
以下に、本発明に係るセラミックスによる表面改質方法の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments of a surface modification method using ceramics according to the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
この表面改質方法では、まず図1(a)に示すように、金属製の基材1の被改質表面1a上に、セラミックスチップ2の多数個を相互に一定の隙間4を置いて配列固定する。次に図1(b)に示すように、配列したセラミックスチップ2,2間に構成される網状の隙間4に、連続的に溶加材供給管5より溶加材の粉末30を供給しつつ、レーザ加工ヘッド6から出射するレーザビーム6aを照射することにより、該隙間4を溶加材の溶融物3aで満たして凝固させる。これにより、図2(c)に示すように、基材1の被改質表面1a上に、多数個のセラミックスチップ2と、その配列間の網状の隙間4を埋めた溶加材の溶融固化物3とで構成される表面改質層7が形成される。なお、この表面改質層7では通常、溶融固化物3の余盛り部分3bが該隙間4に沿って表面より畝状に突出した状態になるが、用途等より必要とあらば、後加工として表面全体を研磨して溶融固化物3の余盛り部分3bを除去することにより、図1(d)に示すように表面改質層7の表面を平坦化させる。
In this surface modification method, first, as shown in FIG. 1A, a large number of
ここで、基材1の被改質表面1a上にセラミックスチップ2を配列する際、セラミックスチップ2相互の隙間4の間隔G〔図1(a)参照〕は、0.5〜5mmに設定する。また、該被改質表面1aのセラミックスチップにて覆われる面積/セラミックスチップ相互間に露呈する基材表面の面積の比率が40/60〜96/4の範囲になるように設定する。この隙間4の間隔Gと上記の面積比率は、後述する本発明の作用効果を得る上で非常に重要な因子となる。
Here, when the
セラミックチップ2としては、図1で例示した幅方向断面が台形のものに限らず、長手方向断面が台形のもの、幅方向及び長手方向の断面が台形のもの、更に図2(b)で示すような直方体形状のものも好ましく使用できる。このセラミックスチップ2のサイズは、特に制約されないが、図2(a)(b)に示すように、底幅Wを5〜15mmの範囲、長さLを5〜30mmの範囲、厚さTを3〜30mmの範囲とすることが好ましい。なお、このようなセラミックチップ2は、基本的には同一寸法のものを用いるが、基材1の改質領域の端縁位置によって配列長さの過不足を生じる場合があるから、該改質領域の周辺部では長さTを前記範囲で調整したものを用いることになる。
The
セラミックスチップ2の材質としては、被改質物の使用時の高温下で強度を維持できる材料であればよく、例えばCrB2、TiB2、ZrB2等の硼化物、Cr3C2、W2C、WC、SiC等の炭化物、Si3N4、AlN、ZrN等の窒化物、Al2O3、ZrO2等の酸化物、NbSi2、WSi2、CrSi2等の珪化物、サイアロン〔Si6-ZAlZOZN8-Z、Si6-Z(Al,Y)ZOZN8-Z](0>Z>6)、コーディエライト(MgO−Al2O3−SiO2)、アルミナ−グラファイト等が挙げられる。そして、これらの中でも、TiB2、Cr3C2、W2C、WC、SiC、Si3N4、サイアロン、コーディエライト、アルミナ−グラファイトは、高硬度で且つ強度的にも優れる点から好適である。更に、断熱性や耐熱衝撃性に優れるSi3N4、サイアロンは適用範囲が広いので、特に好適である。
The material of the
なお、これらのセラミックスチップ2としては、材質が異なる複数種を併用してもよい。一方、基材1の金属材料としては、特に制約はないが、通常では一般的な耐熱鋼が使用される。
In addition, as these
溶加材としては、一般に肉盛溶接用として知られる合金材料を使用できるが、特に1250℃前後の高温雰囲気中での使用に対応して、融点1150℃以上の合金材料が好ましく、更に融点1350℃以上の合金材料が推奨される。このような高融点の合金材料としては、特に制約されないが、例えば、HK40(ASTM規格=JIS SCH22)として知られる25Cr−20Ni−Fe合金(融点1400℃)、28Cr−48Ni−5W−Fe合金(融点1380℃)の如きCr−Ni系耐熱合金、UMCo50(ベルギー国立冶金研究センター開発)として知られる28Cr−50Co−Fe合金(融点1388℃)の如きCr−Co系耐熱合金、80Cr−Fe合金(融点1650℃)如きFe−Cr系耐熱合金等が挙げられる。また、溶加材の粉末30のサイズは、特に制約されないが、平均粒度として20〜200μmの範囲が好ましく、特に平均粒度20〜100μmの球状粒子が流動性に優れる点から推奨される。
As the filler material, an alloy material generally known for overlay welding can be used. In particular, an alloy material having a melting point of 1150 ° C. or higher is preferable, and a melting point of 1350 ° C. is particularly suitable for use in a high temperature atmosphere around 1250 ° C. Alloy materials above ℃ are recommended. Such a high melting point alloy material is not particularly limited. For example, 25Cr-20Ni—Fe alloy (melting point 1400 ° C.) known as HK40 (ASTM standard = JIS SCH22), 28Cr-48Ni-5W—Fe alloy ( Cr-Ni heat-resistant alloy such as 28 ° C-50Co-Fe alloy (melting point 1388 ° C) known as UMCo50 (developed by the Belgian National Metallurgical Research Center), 80Cr-Fe alloy (melting point 1388 ° C) Fe-Cr heat-resistant alloy and the like having a melting point of 1650 ° C. The size of the
基材1の被改質表面1a上におけるセラミックスチップ2の配置は、該被改質表面1aが圧縮荷重のみを受ける用途では図3(a)で示すような縦横配列でよい。一方、該被改質表面1aが圧縮荷重に加えて摩擦を受ける用途では、高硬度のセラミックスチップ2による高い耐摩耗性を発現させるために、図3(b)で示すように、摩擦方向f1,f2に対し、直交方向の各列におけるセラミックスチップ2の位置が順次に1ピッチ未満でずれる配列(図示は半ピッチずれの千鳥配列)として、荷重摺接物が幅方向のいずれの位置でもセラミックスチップ2上を擦過する配置にするのがよい。なお、この千鳥配列では、一列置きに改質領域の端縁位置で配列長さの過不足を生じるため、図示のように一列置きの配列両端に長さの短いセラミック2’を用いている。
The arrangement of the
本発明の表面改質方法では、基材1の被改質表面1a上に配列固定したセラミックスチップ2の相互間の隙間4を溶加材の溶融固化物3で埋める手段として、図1(b)の如くレーザ肉盛溶接の技法を用いる。すなわち、レーザビーム6aを熱源とすれば、レンズ等の光学系によるフォーカス調整により、照射スポットを前記隙間4の間隔Gに対応する0.5〜5mm径に容易に絞り込んで高いエネルギー密度で加熱できるから、溶加材が非常に高融点の合金材料であっても高速度で能率よく接合を行える上、溶加材の溶け込み幅が小さく、且つガス溶接やアーク溶接に比較して長さ当たりの入熱量が格段に少ないので、溶接におけるセラミックスチップ2の割れや基材1に対する熱的悪影響を生じにくく、高品位の表面改質層7を形成できる。
In the surface modification method of the present invention, as means for filling the gaps 4 between the
因みに、レーザビーム6aのエネルギー密度は、100kW/cm2 以上に容易に設定できる。そして、本発明の改質方法においてレーザビーム6aによって隙間4を溶加材の溶融固化物3で埋める際、例えば半導体レーザを使用する場合、レーザ出力を0.3〜3kWの範囲、照射面の移動速度を20〜1000mm/分の範囲で、それぞれ調整できる。なお、電子ビーム溶接でも高いエネルギー密度を設定できるが、高真空下で行うことから溶加材の供給が困難であり、肉盛溶接には適用困難である。
Incidentally, the energy density of the laser beam 6a can be easily set to 100 kW / cm 2 or more. In the modification method of the present invention, when the gap 4 is filled with the molten solidified
隙間4への溶加材の粉末30の供給は、一般的なレーザ肉盛溶接と同様に、シールドガスを介してレーザビーム6aの照射スポット内に送り込むことが推奨される。その供給位置は1か所でもよいが、隙間4の全体に均等に供給する上で、該照射スポット内に臨む複二カ所以上とすることが好ましい。なお、上述した実施形態では溶加材を粉末30として供給しているが、該溶加材を棒状、帯状、線状等の形態で供給することも可能である。
It is recommended that supply of the
この表面改質方法により、高温下で使用される基材1の被改質表面1aは、図1(d)で示すように、相互間に0.5〜5mmの間隔Gを置いて配列した多数個のセラミックスチップ2と、その配列間の網状に連続する隙間4を埋めた溶加材の溶融固化物3とで構成される表面改質層7により、三次元的に密に覆われる。この表面改質層7は、表面改質材のセラミックスが個々に独立した小サイズのチップ2に分離し、各チップ2における応力分散がよい上、その応力変形及び熱変形が周囲に存在する溶加材の溶融固化物3の靱性によって吸収されるから、負荷の増減変化や温度変化による割れを生じにくいものとなる。しかも、この表面改質層7における溶加材の溶融固化物3が前記間隙Gに対応する0.5〜5mmの特定幅で網状に連続しているから、多数のセラミックスチップ2が該溶融固化物3によって一まとめに拘束され、もって表面改質層7全体が強固に一体化すると共に、該表面改質層7と基材1との高い接合強度が得られる。加えて、基材1の被改質表面1aのセラミックスチップにて覆われる面積/セラミックスチップ相互間に露呈する基材表面の面積の比率が40/60〜96/4の特定範囲にあるため、該セラミックスによる耐熱及び断熱作用と、溶加材の溶融固化物3による固着強度とが共に充分に発揮される。従って、この表面改質後の基材1は、高温雰囲気中で圧縮荷重や摩擦を受けるような苛酷な使用環境でも、充分な強度を保ち得る高耐熱性及び高耐久性を具備するものとなる。
By this surface modification method, the
セラミックスチップ2の相互間の隙間4の間隔Gは、0.5mmより狭くなると、溶加材を該隙間4の深部まで均一に溶け込ませることが困難になる上、表面改質層7と基材1との接合強度が不充分になる。逆に該隙間4の間隔Gが5mmより広くなると、表面改質層7におけるセラミックスの面積比率及び体積比率が過少になるため、耐熱性及び耐摩耗性が不充分になる。また、基材1の被改質表面1aを覆うセラミックスチップ2の上記の面積比率は、40/60未満ではセラミックスによる耐熱及び断熱作用が充分に発揮されず、逆に94/4を越えると基材1の被改質表面1aに対する表面改質層7の固着強度が不充分になる。
When the gap G between the gaps 4 between the
一方、セラミックスチップ2としては、既述のように、底幅Wを5〜15mmの範囲、長さLを5〜30mmの範囲、厚さTを3〜30mmの範囲とすることが推奨される。すなわち、これら底幅W,長さL,厚さTのいずれかが大き過ぎては圧縮荷重を受けた際の応力分散が悪くなって割れを生じ易くなる。逆に底幅W,長さL,厚さTのいずれかが小さ過ぎては、耐熱性及び耐摩耗性が不充分になり、また接合部の長さが増すことで作業能率も低下する。
On the other hand, as described above, it is recommended that the
なお、セラミックスチップ2として幅方向又は/及び長手方向の断面が台形のものを使用すれば、チップ2間の隙間4を埋める溶加材の溶融固化物3の幅方向断面が図1(d)で示すように楔形になるから、該溶融固化物3によるセラミックスチップ2の拘束力が著しく増大する。従って、セラミックスチップ2が溶加材に対する濡れ性に乏しい材質であっても、該セラミックスチップ2の剥離や抜落を確実に防止できる。しかして、上記拘束力の面からは、少なくとも幅方向の断面が表面側で狭く底面側で広い台形であることが推奨される。このような幅方向の断面が台形のセラミックスチップ2における底幅Wと頂部幅D〔図2(a)参照)の比は、D/Wとして0.6〜0.9程度とするのがよい。
If a
この表面改質方法では、基材1とセラミックスチップ2との接合強度は実質的に溶加材による接合にて担われる。従って、その前段階での基材1の被改質表面1aに対するセラミックスチップ2の固定は、接合時の位置ずれを防止するための仮止め程度でよく、該セラミックスチップ2の性状等に応じて種々の固定方式を採用できる。例えば、次の第一〜第三の固定方式は、特に操作的に簡単で確実に固定できる方法として推奨される。
In this surface modification method, the bonding strength between the
第一の固定方式は、セラミックスチップ2が通電性のある炭化物や硼素化物である場合に、図4(a)(b)で示すように、その下面側に畝状等の凸部21を設けておき、該セラミックスチップ2を基材1の被改質表面1a上に載置した状態で、その上面側と基材1との間で所要強度の通電Eを行うことにより、凸部21の先端部分の抵抗発熱で基材1に融着させる方法である。この場合の凸部21の高さSは、0.1〜0.5mm程度とするのがよく、低過ぎては融着力が不足し、逆に高過ぎてはチップ2の下面と基材1の被改質表面1aとの間に隙間を生じ、表面改質層7の耐剥離強度が低下する。
In the first fixing method, when the
第二の固定方式は、セラミックスチップ2が窒化物等の通電性のないものである場合に、図5(a)(b)で示すように、その周面に導電金属層22を設けておき、該セラミックスチップ2を基材1の被改質表面1a上に載置した状態で、導電金属層22を通して基材1との間で所要強度の通電Eを行うことにより、下面側部分の該導電金属層22のを前記同様に基材1に融着させる方法である。なお、導電金属層22は、セラミックスチップ2の周面にメッキ法や溶射法により、Ni、Ni−Cr、Ni−W等の導電性のよい金属からなる厚さ50〜500μm程度の層を形成すればよい。
In the second fixing method, when the
第三の固定方式は、基材1の被改質表面1aに凹部を形成しておき、該凹部にセラミックスチップ2を嵌め込んで機械的に固定する方法である。この場合、図6(a)(b)で示すように、基材1の被改質表面1aの凹部を蟻溝11とし、セラミックスチップ2として幅方向断面が台形状のものを用い、該蟻溝11にセラミックスチップ2を溝側端からスライド嵌合させ、所定の嵌合位置で蟻溝11の両側縁部を加締る方法が特に簡易である。この加締る方法以外の機械的固定手段としては、例えば、凹部にセラミックスチップ2を嵌め込んだのち、該凹部とセラミックスチップとの隙間に楔状の金属片を打ち込み又は圧入する方法もある。なお、この機械的固定を行う場合の凹部の深さは1〜10mm程度がよい。また、この場合、前記したセラミックスチップ2の相互間の間隔Gならびにセラミックスの面積比率は、基材1の被改質表面1a位置が基準となる。
The third fixing method is a method in which a concave portion is formed on the
実施例1
<基材> 幅50mm、長さ100mm、厚さ12.5mmの耐熱鋼板からなり、被
改質表面が幅43mm,長さ87mmで、被改質表面の周囲に高さ7mmの
突縁部を有する。
<セラミックスチップ> TiB2(硼素化チタン)からなり、幅方向の断面が底幅
7mmで上端幅6mmの台形、長さ25mm、厚さ7mmのチップ。下面の
長手方向両側に高さ0.2mmの畝状の凸部を有する。
上記基材の被改質表面に、上記セラミックスチップの12個を相互間に縦横共3mmの間隔を置いて図3(a)の如く縦横配列(3×4列)で載置し、通電を行うことにより、各セラミックスチップを基材に固定した(被改質表面に対するセラミックスの面積比率:57.8%)。そして、レーザ肉盛溶接装置(半導体レーザ)を用い、該基材上のセラミックスチップ間の隙間に、溶加材としてUMCo50(前出)の平均粒度50μmの粉末をシールドガス(アルゴン)を介して3方向から連続的に供給しつつ、レーザビーム(出力1kW,照射スポット径3mm)を照射することにより、該隙間を溶加材の溶融物で満たすようにして、溶接速度300mm/分で肉盛溶接方式による接合を行って表面改質層を形成した。そして、この表面改質層の表面をダイアモンド砥石によって研磨することにより、表面から突出した溶加材の余盛り部分をセラミックスチップの表層部を含めて除去して該表面改質層の表面を平坦化した。
Example 1
<Base material> It consists of a heat-resistant steel plate having a width of 50 mm, a length of 100 mm, and a thickness of 12.5 mm.
The modified surface has a width of 43 mm and a length of 87 mm, and a height of 7 mm around the surface to be modified.
Has a ridge.
<Ceramic Chip> TiB 2 consists (boron, titanium), in the width direction cross-section base width
A 7 mm trapezoid with an upper end width of 6 mm, a length of 25 mm and a thickness of 7 mm Underside
On both sides in the longitudinal direction, there are bowl-shaped convex portions having a height of 0.2 mm.
On the surface to be modified of the base material, 12 ceramic chips are placed in a vertical and horizontal arrangement (3 × 4 rows) as shown in FIG. By performing, each ceramic chip was fixed to the base material (the area ratio of the ceramic to the surface to be modified: 57.8%). Then, using a laser overlay welding apparatus (semiconductor laser), a powder of UMCo50 (supra) with an average particle size of 50 μm is added as a filler material through a shielding gas (argon) in the gap between the ceramic chips on the substrate. While continuously supplying from three directions, the laser beam (
実施例2
セラミックスチップとして、前記実施例1と同じもの10個と、長さが11mmと異なる以外は同様のもの4個とを用い、実施例1と同様の基材の被改質表面に、これらセラミックスチップを相互間に縦横共3mmの間隔を置いて図3(b)の如く千鳥配列で載置し、各セラミックスチップの上面と基材との間に実施例1と同様にして通電を行うことにより、各セラミックスチップを基材に固定した(被改質表面に対するセラミックスの面積比率:52.3%)。そして、実施例1と同じレーザ肉盛溶接装置を用い、該基体上のセラミックスチップ間の隙間に、実施例1と同様にしてUMCo50の粉末を供給しつつレーザビームの照射を行うことにより、表面改質層を形成したのち、その表面を実施例1と同様に研磨して平坦化した。
Example 2
The same 10 ceramic chips as in Example 1 and 4 similar ones except that the length is different from 11 mm are used, and these ceramic chips are formed on the surface to be modified of the same substrate as in Example 1. Are placed in a zigzag arrangement as shown in FIG. 3B with a space of 3 mm between each other in the vertical and horizontal directions, and electricity is applied between the upper surface of each ceramic chip and the base material in the same manner as in Example 1. Each ceramic chip was fixed to a base material (area ratio of ceramics to the surface to be modified: 52.3%). Then, using the same laser overlay welding apparatus as in Example 1, the surface of the ceramic substrate was irradiated with a laser beam while supplying the powder of UMCo50 to the gap between the ceramic chips on the substrate in the same manner as in Example 1. After forming the modified layer, the surface was polished and planarized in the same manner as in Example 1.
実施例3
セラミックスチップとして、材質がSi3N4(窒化ケイ素)からなり、底幅8mm、長さ25mm、厚さ10mmで且つ幅方向断面が台形(上端幅6mm)のもの12個を用いると共に、基材として、実施例1と同様の基材の被改質表面に全長にわたって底幅8.5mmの蟻溝4本を平行に設けたものを用い、その各蟻溝に溝側端からセラミックスチップをスライド嵌合させて所定位置に配置したのち、各セラミックスチップの両側の溝縁部を加締ることにより、各セラミックスチップを実施例1と同様の縦横配列で固定した。その縦横配列におけるセラミックスチップ相互の間隔は、基材の被改質表面の位置で縦横共に3mmに設定している(被改質表面に対するセラミックスの面積比率:57.8%)。そして、以降は実施例1と同様にしてUMCo50の粉末を供給しつつレーザビームの照射を行うことにより、表面改質層を形成したのち、その表面を実施例1と同様に研磨して平坦化した。
Example 3
The ceramic chip is made of Si 3 N 4 (silicon nitride), has a bottom width of 8 mm, a length of 25 mm, a thickness of 10 mm and a cross section in the width direction of a trapezoid (
1 基材
1a 被改質表面
11 蟻溝(凹部)
2,2’ セラミックスチップ
21 凸部
22 導電被覆層
3 溶融固化物
30 溶加材の粉末
4 隙間
6a レーザビーム
7 表面改質層
f1,f2 摩擦方向
G セラミックスチップの間隔
L セラミックスチップの長さ
T セラミックスチップの厚さ
W セラミックスチップの底幅
1
2,2 '
Claims (8)
6. The surface modification method using ceramics according to any one of claims 1 to 5, wherein a concave portion having an expanded bottom surface is formed on the surface of the substrate to be modified, and the ceramic chip is fitted into the concave portion and mechanically fixed.
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