JP6463648B2 - Filling method - Google Patents
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Description
本発明は、純銅又は銅合金からなる母材の表面に、鉄基合金を、ニッケル基合金等の中間層の介在なしに、直接溶接肉盛りする肉盛り方法に関する。なお、本明細書では、銅は特にことわりのない限り、純銅又は銅合金を意味する。同様に、ニッケルは特にことわりのない限り、純ニッケル又はニッケル基合金を意味する。 The present invention relates to a build-up method for directly welding and depositing an iron-based alloy on the surface of a base material made of pure copper or a copper alloy without an intermediate layer such as a nickel-based alloy. In the present specification, copper means pure copper or a copper alloy unless otherwise specified. Similarly, nickel means pure nickel or a nickel-base alloy unless otherwise specified.
従来、耐熱性、耐摩耗性、耐腐食性を持つ鉄基合金を純銅又は銅合金からなる銅母材の上に直接肉盛りすると、銅元素及び鉄元素の固溶限が低いために、溶着金属中の鉄元素や溶着金属に溶け込んだ銅元素が析出して、溶着金属に割れが発生しやすいことが知られている。これに関連して、銅ワイヤによる軟鋼母材上へのサブマージドアーク肉盛り溶接においては、溶着金属中の銅含有量が１０％になると溶着金属が最も硬くなり、６−７〜５５−６０％の範囲では溶着金属にビード横割れが発生することが、非特許文献１により報告されている。 Conventionally, when an iron-base alloy with heat resistance, wear resistance, and corrosion resistance is directly deposited on a copper base material made of pure copper or copper alloy, the solid solubility limit of copper element and iron element is low, so welding It is known that an iron element in a metal and a copper element dissolved in a weld metal are precipitated, and the weld metal is likely to be cracked. In this connection, in submerged arc overlay welding on a mild steel base material using a copper wire, the weld metal becomes the hardest when the copper content in the weld metal reaches 10%, and 6-7 to 55-60. Non-Patent Document 1 reports that bead transverse cracks occur in the weld metal in the range of%.
軟鋼への銅の肉盛りとは逆に、鉄基合金による銅母材表面への肉盛りにおいては、最も有害な現象は、銅母材との融合線やその近傍からの肉盛り合金の剥離割れである。肉盛り合金が剥離してしまうと、肉盛りの効果がなくなる。溶着金属の横割れや縦割れの方が、剥離とは直接繋がらないので未だしも許容される。銅母材への鉄基合金の肉盛りは、銅と軟鋼の異材接合の場合と異なり、溶接構造体の接合強度を求めるものではなく、銅母材表面の磨耗を防止するために行う施工であるため、欠陥を厳格に皆無にする必要性はない。あくまで銅母材と鉄基肉盛り合金との間の剥離を防止できれば良い。即ち、溶着金属へ銅元素が侵入しても、剥離を生じなければ良いのである。 Contrary to the build-up of copper on mild steel, the most harmful phenomenon in the build-up on the surface of a copper base material with an iron-based alloy is the peeling of the build-up alloy from the fusion line with the copper base material or the vicinity thereof. It is a crack. If the build-up alloy is peeled off, the build-up effect is lost. The lateral cracks and vertical cracks of the weld metal are still allowed because they are not directly connected to the peeling. Unlike the case of dissimilar joining of copper and mild steel, the build-up of an iron-based alloy on a copper base material does not require the joint strength of the welded structure, but is performed to prevent wear on the surface of the copper base material. There is no need to eliminate defects rigorously. It is only necessary to prevent peeling between the copper base material and the iron-based cladding alloy. That is, even if the copper element penetrates into the weld metal, it does not cause peeling.
従来、銅母材への鉄基合金の肉盛りにおいては、この肉盛り合金の剥離を防止するために、純ニッケルもしくはニッケル基合金が銅母材の表面に溶着され、その上に鉄基合金が肉盛りされていた。すなわち、鉄基肉盛り合金と銅母材との間にニッケルの中間層が介在されていた。通常、銅にはタフピッチ銅、脱酸銅が使用されており、特別な場合に無酸素銅が使用されている。ニッケル又はニッケル基合金は、銅と全率固溶体を形成し、割れを発生し難いことから、異材溶接の場合、しばしば銅と鋼との間の中間材として用いられていた。 Conventionally, in the build-up of an iron-based alloy on a copper base material, in order to prevent the build-up alloy from peeling, pure nickel or a nickel-base alloy is welded to the surface of the copper base material, and an iron-base alloy is formed thereon. Was meat-filled. That is, an intermediate layer of nickel is interposed between the iron-based cladding alloy and the copper base material. Usually, tough pitch copper and deoxidized copper are used as copper, and oxygen-free copper is used in special cases. Nickel or a nickel-based alloy forms a complete solid solution with copper and does not easily crack, so in the case of dissimilar welding, it has often been used as an intermediate material between copper and steel.
しかしながら、ニッケルはモリブデン、コバルトなどと同様、産業界では産業機械装置の寿命延命等を目的として多用されているが、希少価値金属類であるので、その使用量を極力減らすことが求められる。この観点から、本発明者はニッケル基溶接材料に代わる鉄基合金溶接材料を特許文献１及び２により先に提示した。 However, nickel, like molybdenum and cobalt, is widely used in the industry for the purpose of extending the life of industrial machinery and the like. However, since it is a rare metal, it is required to reduce its use as much as possible. From this viewpoint, the present inventor previously presented an iron-base alloy welding material instead of a nickel-base welding material in Patent Documents 1 and 2.
ところで、銅は加工性、耐腐食性、導電性、熱伝導性、殺菌性等の優れた特性を持つため、様々な用途に使用されており、われわれの生活に欠かせない存在になっている。ここで取り上げようとしている銅の特性は熱伝導性であり、例えば、製鉄所で使用される諸々の装置のなかで高炉羽口は高炉内に微粉炭を吹き込む装置であり、炉内温度が１０００℃以上あることから、その銅製羽口は内部を冷却水で冷却されて使用されている。 By the way, copper has excellent properties such as workability, corrosion resistance, electrical conductivity, thermal conductivity, and bactericidal properties, so it is used in various applications and is indispensable for our daily lives. . The characteristic of copper to be taken up here is thermal conductivity. For example, among various devices used in steelworks, the blast furnace tuyere is a device for blowing pulverized coal into the blast furnace, and the furnace temperature is 1000. The copper tuyere is used with its inside being cooled with cooling water because it is at or above ℃.
銅の室温付近での熱伝導率は３９８Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１である。これに対して、炭素含有量が０．５％以下の炭素鋼の室温付近での熱伝導率は５３Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１であり、銅の熱伝導率の約７．５分の１に過ぎない。また、５０％ニッケル鋼の熱伝導率は約１４Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１であり、銅の熱伝導率の約２８分の１に過ぎない。 The thermal conductivity of copper near room temperature is 398 W · m −1 · K −1 . On the other hand, the carbon steel having a carbon content of 0.5% or less has a thermal conductivity near room temperature of 53 W · m −1 · K −1, which is about 7.5 minutes of the thermal conductivity of copper. Only one. Moreover, the thermal conductivity of 50% nickel steel is about 14 W · m −1 · K −1, which is only about one-eighth of the thermal conductivity of copper.
一方、銅の融点は１０８４℃であり、他の金属、例えば鉄の融点（約１５３９℃）と比較すれば、かなり低い。このため、銅は高炉内では水冷しない限り溶融してしまうが、その優れた熱伝導性のため一旦水冷されると、外部の熱を速やかに吸収して冷却水に熱を伝え、その冷却効果は著しく優れている。従って、製鉄所における銅の用途は、主として、羽口、連続鋳造機の水冷鋳型、高炉炉体鉄皮を保護する水冷ステーブクーラー、製鋼所における転炉用ランスノズルやセメント工場のキルンバーナー、バーナークーラのような高温用途である。 On the other hand, the melting point of copper is 1084 ° C., which is considerably lower than that of other metals such as iron (about 1539 ° C.). For this reason, copper melts in the blast furnace unless it is water-cooled, but once it is water-cooled due to its excellent thermal conductivity, it quickly absorbs external heat and transfers the heat to the cooling water. Is remarkably superior. Therefore, copper applications in steelworks are mainly used for tuyeres, water-cooled molds for continuous casting machines, water-cooled stave coolers for protecting blast furnace cores, lance nozzles for converters in steelworks, kiln burners and burners for cement plants. For high temperature applications such as coolers.
しかし、銅は非常に柔らかい金属なので耐摩耗性はほとんど無く、高炉炉内における羽口等の用途において、鉄鉱石やコークス、石炭等による高温磨耗を受け、早期磨耗を発生し易く、短寿命であった。 However, since copper is a very soft metal, it has almost no wear resistance, and in applications such as tuyere in blast furnace furnaces, it is subject to high-temperature wear due to iron ore, coke, coal, etc. there were.
このため、銅製諸装置の表面に高温耐摩耗性や耐熱性に優れた鉄基合金やコバルト基合金を肉盛りすることにより、銅の磨耗を防止する対応が取られるようになった。しかし、銅製装置の表面に鉄基合金を直接肉盛することが出来ないので、その下盛り金属としてニッケルやニッケル基合金が肉盛りされているが、その下盛り合金の熱伝導度が銅に比べ著しく劣り、その優れた熱伝導性が大きく損なわれることは前述のとおりである。 For this reason, measures to prevent copper wear have been taken by building up an iron-base alloy or cobalt-base alloy having excellent high-temperature wear resistance and heat resistance on the surface of various copper devices. However, since it is not possible to directly deposit an iron-based alloy on the surface of a copper device, nickel or a nickel-based alloy is deposited as the overlay metal, but the thermal conductivity of the overlay alloy is copper. As described above, it is remarkably inferior in comparison and its excellent thermal conductivity is greatly impaired.
しかも、下盛り層の上に硬化肉盛り合金として、銅の約１／７．５の熱伝導性を持つ鉄基合金が肉盛りされることにより、銅本来の熱伝導性が異種金属の２層肉盛により大きく損なわれることになる。 In addition, an iron-based alloy having a thermal conductivity of about 1 / 7.5 of copper is built up as a hardfacing alloy on the underlaying layer, so that the original thermal conductivity of copper is 2 It will be greatly damaged by the layer overlay.
本発明の目的は、銅母材の上に純ニッケルやニッケル基合金等の中間層を介在させることなく鉄基合金、特に耐磨耗性鉄基合金を直接に且つ健全に肉盛りして、中間層の介在による熱電導性の悪化及び経済性の悪化を回避する肉盛り方法を提供することにある。 The object of the present invention is to directly and soundly build up an iron-base alloy, particularly an abrasion-resistant iron-base alloy, without interposing an intermediate layer such as pure nickel or a nickel-base alloy on the copper base material, An object of the present invention is to provide a build-up method for avoiding deterioration of thermal conductivity and economic efficiency due to the intermediate layer.
銅母材の上に鉄基合金を直接溶接したときの問題は、前述したとおり溶着金属の剥離割れであり、その原因は溶着金属への銅元素の溶け込みである。本発明者は、鉄基肉盛り合金の耐磨耗性を高めるために、その肉盛り合金へタングステンカーバイト粒子を添加することの有効性を先に知見した。そして今回、その肉盛り合金の品質を確認する過程で、溶着金属へのタングステンカーバイト粒子の添加が、剥離割れの防止に有効なことを知見した。 The problem when the iron-based alloy is directly welded onto the copper base material is the peeling crack of the weld metal as described above, and the cause is the penetration of the copper element into the weld metal. The present inventor has previously found the effectiveness of adding tungsten carbide particles to the build-up alloy in order to enhance the wear resistance of the iron-based build-up alloy. And this time, in the process of confirming the quality of the build-up alloy, we found that the addition of tungsten carbide particles to the weld metal is effective in preventing peeling cracks.
ＴＩＧ溶接を例にして説明すると、軟鋼製パイプの内部に鉄粉や、ブローホール発生の抑制剤としてのＦｅ−Ｓｉ粉、タングステン炭化物粒子等が充填されたＴＩＧ溶接棒を作製する。例えば、マトリックスが軟鋼で、その中にタングステンカーバイト粒子が２５〜５０％含有された溶着金属が形成されるＴＩＧ溶接棒である。この溶接棒をＴＩＧアークで溶融した場合、比重の重いタングステンカーバイト粒子は、溶接溶融金属と母材銅との境界部に速やかに沈殿し、タングステンカーバイト粒子からなるバリア層を形成して、母材銅が溶接溶融金属中へ拡散侵入するのを防止すると共に、溶接溶融金属が母材銅中へ拡散侵入するのを防止する。 Explaining TIG welding as an example, a TIG welding rod is produced in which iron powder, Fe-Si powder as an inhibitor for blowhole generation, tungsten carbide particles, and the like are filled inside a mild steel pipe. For example, it is a TIG welding rod in which a weld metal having a matrix of mild steel and containing 25 to 50% tungsten carbide particles therein is formed. When this welding rod is melted with a TIG arc, the tungsten carbide particles having a high specific gravity are quickly precipitated at the boundary between the weld molten metal and the base metal copper, forming a barrier layer made of tungsten carbide particles, The base material copper is prevented from diffusing and penetrating into the welded molten metal, and the welded molten metal is prevented from diffusing and penetrating into the base metal copper.
即ち、比重の重いタングステンカーバイト粒子をビード幅全幅に沿って、故意に沈殿させることにより、タングステンカーバイト粒子からなるバリヤ層を銅母材と肉盛り金属との境界線近傍に形成させるのである。ここで重要なことは、相互の溶融金属が拡散侵入する以前に、タングステンカーバイト粒子のバリヤ層が形成されることである。銅の比重は８．９６ｇ／ｃｍ3 であり、また軟鋼の比重は７．８７ｇ／ｃｍ3 で、銅の比重より若干小さい程度であるが、タングステンカーバイト粒子の比重は約１５．７７ｇ／ｃｍ3 で、軟鋼や銅の比重に比べて著しく大きく、母材銅が軟鋼溶着金属中へ拡散侵入する前に、タングステンカーバイト粒子がその比重差により速やかに沈降して銅母材との境界面近傍に沈殿する。 That is, by intentionally precipitating tungsten carbide particles having a high specific gravity along the entire width of the bead width, a barrier layer made of tungsten carbide particles is formed in the vicinity of the boundary line between the copper base material and the build-up metal. . What is important here is that a barrier layer of tungsten carbide particles is formed before each molten metal diffuses and penetrates. The specific gravity of copper is 8.96 g / cm 3, and in mild steel specific gravity 7.87 g / cm 3, is a degree slightly smaller than the specific gravity of the copper, the specific gravity of the tungsten carbide particles are about 15.77 g / cm 3 is significantly larger than the specific gravity of mild steel and copper, and before the base copper diffuses and penetrates into the weld metal of the mild steel, the tungsten carbide particles settle quickly due to the difference in specific gravity and the boundary surface with the copper base material Precipitate in the vicinity.
更に重要なことは、タングステンカーバイトの融点が約２８７０℃と高いために、ＴＩＧアークを受熱しても他の金属に比べ溶融し難く、そのままの形状で沈殿することである。即ちバリア材料としては、溶接溶融金属より比重が大きいこと、融点が溶接金属の融点より高いことが重要であり、ＷＣもしくはＷ２Ｃが最も好ましい。Ｗ２Ｃの比重は約１７．３４ｇ／ｃｍ３であり、その融点は約２７５０℃である。 More importantly, since the melting point of tungsten carbide is as high as about 2870 ° C., it is difficult to melt as compared with other metals even when it receives a TIG arc, and it precipitates in its original shape. That is, as the barrier material, it is important that the specific gravity is larger than that of the welded molten metal and the melting point is higher than the melting point of the weld metal, and WC or W 2 C is most preferable. The specific gravity of W 2 C is about 17.34 g / cm 3 and its melting point is about 2750 ° C.
加えて、肉盛り金属の耐摩耗性の見地から、タングステンカーバイト粒子は、ＷＣ粒子でＨＶが２４００、Ｗ２Ｃ粒子でＨＶが３０００というように、高い硬度を持ち、タングステンカーバイト粒子が銅母材との肉盛り界面近傍に沈殿することにより、耐摩耗層を形成し、銅母材の磨耗を防止することにも貢献するものである。このように、タングステンカーバイト粒子は、銅の拡散浸入を防止するバリア層として、また優れた耐磨耗性を与える機能材料として、２種類の重要な機能を発揮することが出来る。 In addition, from the standpoint of wear resistance of the build-up metal, tungsten carbide particles have high hardness, such as WC particles with HV of 2400, W 2 C particles with HV of 3000, and tungsten carbide particles are made of copper. By precipitating in the vicinity of the build-up interface with the base material, a wear-resistant layer is formed, which contributes to preventing wear of the copper base material. Thus, tungsten carbide particles can exhibit two important functions as a barrier layer that prevents diffusion and penetration of copper and as a functional material that provides excellent wear resistance.
タングステンカーバイト粒子は、上述のとおり、比重が大きいので、溶融溶着金属中で速やかに沈殿して銅の拡散浸入を防止するバリア層としての機能を充分に発揮することが期待されるが、その一方で、タングステンカーバイト粒子を単独で添加した場合、アーク熱で一部溶融し、溶着金属に多量のタングステンが溶け込んで、溶着金属を硬化させ、脆くする欠点が予測された。この欠点を解消するためには、タングステンカーバイト粒子の表面に純Ｎｉ粉、Ｎｉ基合金粉等を予め被覆しておくのが有効であることが判明した。この被覆は、タングステンカーバイト粒子の溶融を妨げ、更にＮｉが銅との溶接境界線に拡散浸入して、溶着金属の剥離を防止出来るほどの靭性を与えることが出来るのである。 As described above, the tungsten carbide particles have a large specific gravity, so that they are expected to sufficiently function as a barrier layer that quickly precipitates in the molten weld metal and prevents the diffusion and penetration of copper. On the other hand, when tungsten carbide particles were added alone, it was predicted that the arc metal melts partly and a large amount of tungsten melts into the weld metal, hardening the weld metal and making it brittle. In order to eliminate this drawback, it has been found effective to previously coat the surface of the tungsten carbide particles with pure Ni powder, Ni-based alloy powder or the like. This coating can prevent the tungsten carbide particles from melting, and can impart toughness that prevents Ni from diffusing and penetrating into the weld boundary line with copper to prevent peeling of the deposited metal.
前掲の非特許文献１を参照すると、Ｃｕが６〜７％以上になると、遊離銅が鉄基結晶粒界に浸入して、ビード横割れを発生することが述べられていることから、銅母材への鉄基合金の肉盛りでは、溶融金属中に沈殿したタングステンカーバイト粒子層と銅境界面との間に剥離を発生することが危惧される。 Referring to Non-Patent Document 1 mentioned above, it is stated that when Cu is 6 to 7% or more, free copper penetrates into the iron-based crystal grain boundary and generates bead transverse cracks. When depositing an iron-based alloy on a material, there is a concern that peeling may occur between the tungsten carbide particle layer precipitated in the molten metal and the copper interface.
しかしながら、溶接溶融金属に投入されるタングステンカーバイト粒子表面にＮｉ粉又はＮｉ合金粉が被覆されていると、被覆したＮｉ粉やＮｉ基合金粉の全部もしくは一部分が比重の重いタングステンカーバイト粒子と共に速やかに銅境界面近傍まで沈殿して、タングステンカーバイト粒子と銅境界面との間に多量のＮｉが溶融することが期待される。そうなると、冶金学的見地からは、溶接溶融中に一部拡散浸入した遊離ＣｕがＮｉ元素と反応して、Ｃｕと全率固溶体を形成し、遊離Ｃｕの含有量を減少させることが期待できる。その結果、Ｃｕの鉄基結晶粒界浸入を減少させることができ、ビード剥離割れの防止が可能となる。Ｃｕと合金を形成しやすい元素としてはＮｉの他にはＣｒ，Ｆｅ、Ｓｉ等があり、これら元素が単独または合金の形（例えばＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ，Ｃｕ−Ｍｎ−Ｓｉ，Ｃｕ−Ｆｅ−Ｃｒ等）で遊離Ｃｕと結合する。 However, if the surface of tungsten carbide particles put into the welded molten metal is coated with Ni powder or Ni alloy powder, all or part of the coated Ni powder or Ni-base alloy powder together with tungsten carbide particles having a high specific gravity It is expected that a large amount of Ni melts between the tungsten carbide particles and the copper boundary surface by quickly precipitating to the vicinity of the copper boundary surface. Then, from the metallurgical point of view, it can be expected that free Cu partially diffused and infiltrated during welding and melting reacts with Ni element to form a solid solution with Cu to reduce the content of free Cu. As a result, it is possible to reduce Cu iron-based grain boundary penetration and to prevent bead peeling cracks. Elements that easily form an alloy with Cu include Cr, Fe, Si and the like in addition to Ni. These elements may be used alone or in the form of an alloy (for example, Cu—Ni—Si, Cu—Mn—Si, Cu—Fe—). Cr and the like) to bond with free Cu.
本発明の肉盛り方法はかかる知見を基礎として開発されたものであり、純銅又は銅合金からなる銅母材の表面に鉄基合金を溶接肉盛りする際に、溶接肉盛り金属より融点が高く溶接溶融金属より比重が大きい高融点大比重金属粒子からなる粒子層を、溶接溶融金属中の銅母材との境界面近傍に形成するものである。 The overlaying method of the present invention was developed based on such knowledge, and has a higher melting point than the weld overlay metal when welding an iron-based alloy on the surface of a copper base material made of pure copper or a copper alloy. A particle layer composed of high melting point high specific gravity metal particles having a specific gravity greater than that of the welded molten metal is formed in the vicinity of the interface with the copper base material in the welded molten metal.
溶接溶融金属中の銅境界面近傍に形成された粒子層がバリア層となることにより、銅母材から溶接溶融金属中への銅元素の溶け込みが防止されると共に、溶接溶融金属から銅母材への鉄元素の溶け込みが防止されることにより、溶着金属の剥離割れが防止される。 The particle layer formed in the vicinity of the copper boundary surface in the welded molten metal serves as a barrier layer, thereby preventing the penetration of copper element from the copper base material into the welded molten metal and from the welded molten metal to the copper base material. By preventing the penetration of the iron element into the metal, the cracking of the weld metal is prevented.
高融点大比重金属粒子に対しては、その表面に純Ｎｉ又はＮｉ合金からなるＮｉ材を被覆するのがよい。そうすることにより、溶接溶融中に拡散浸入した遊離ＣｕがＮｉ元素と反応して、Ｃｕとの全率固溶体を形成し、遊離Ｃｕの含有量が減少することにより、Ｃｕの鉄基結晶粒界浸入が抑制され、溶着金属の剥離割れが一層効果的に防止される。 For the high melting point high specific gravity metal particles, the surface thereof is preferably coated with Ni material made of pure Ni or Ni alloy. By doing so, the free Cu that has penetrated and diffused during welding melting reacts with the Ni element to form a total solid solution with Cu, and the content of free Cu decreases, thereby reducing the iron-based crystal grain boundaries of Cu. Intrusion is suppressed, and the cracking of the weld metal is more effectively prevented.
本発明の肉盛り方法における溶接方法としては、サブマージドアーク法、ＴＩＧ法、ガス溶着法等が適用可能である。ＴＩＧ法、ガス溶着による手動肉盛り法では、溶接棒中にタングステンカーバイト粒子を内包させることができる。サブマージアーク溶接でも、複合ワイヤを使用することにより溶接棒中にタングステンカーバイト粒子を内包させることができる。それ以外の例えば通常のサブマージドアーク自動肉盛り方法等では、タングステンカーバイト粒子を予め肉盛り線上に散布しておくか、或いは外部から自動供給する必要があり、溶接ノズルの左右揺動による肉盛り方法が最善となる。ＴＩＧ法、ガス溶着法においても溶接棒を左右に揺動させることにより、広幅ビードが得られ、溶け込みを減少させることが出来る。ＴＩＧ棒をコイル状に巻き取り、ＴＩＧアークに自動送給することにより、自動肉盛りが可能である。自動複合ワイヤはタングステンカーバイト粒子のみを含有するものとマトリックスを形成するものの2種類を同時に供給すれば、好みのマトリックス合金が形成可能となる。 As a welding method in the overlaying method of the present invention, a submerged arc method, a TIG method, a gas welding method, or the like is applicable. In the TIG method or the manual overlaying method by gas welding, tungsten carbide particles can be included in the welding rod. Even in submerged arc welding, tungsten carbide particles can be included in a welding rod by using a composite wire. In other cases, such as a normal submerged arc automatic overlaying method, tungsten carbide particles must be dispersed on the overlaying line in advance or automatically supplied from the outside. The serving method is the best. Also in the TIG method and the gas welding method, a wide bead can be obtained and the penetration can be reduced by swinging the welding rod left and right. Automatic build-up is possible by winding the TIG rod into a coil and automatically feeding it to the TIG arc. If two types of automatic composite wires, one containing only tungsten carbide particles and the other forming a matrix, are supplied at the same time, a desired matrix alloy can be formed.
母材銅としては純銅の他、タフピッチ銅、脱酸銅、無酸素銅、キュープロニッケル、アルミ青銅、ニッケル青銅、シリコン青銅、リン青銅、銅−ニッケル、マンガン青銅等の溶接可能な銅合金ならば全て使用可能である。 In addition to pure copper, the base copper can be welded copper alloys such as tough pitch copper, deoxidized copper, oxygen free copper, cupro nickel, aluminum bronze, nickel bronze, silicon bronze, phosphor bronze, copper-nickel, manganese bronze, etc. Can be used.
高融点大比重金属粒子としては、タングステンカーバイト粒子（ＷＣ又はＷ２Ｃ）が代表的である。タングステンカーバイトの代用品として、各種炭化物、窒化物、ケイ化物、鉄複ホウ化物系サーメット、ニッケル基サーメットや各種サーメット等の使用が可能であるが、いずれの場合も比重が溶接溶融金属より大きく、溶接溶融金属中を速やかに沈殿することが重要であり、その融点も溶接金属の融点より高いことが重要である。炭化物やサーメットの単独添加だけでは、これらの要求が満たされない場合には数種類をバインダーで結合して使用しても良い。 The high melting point high specific gravity metal particles are typically tungsten carbide particles (WC or W2C). Various carbides, nitrides, silicides, iron double boride cermets, nickel-based cermets and various cermets can be used as substitutes for tungsten carbide, but in each case the specific gravity is greater than the welded molten metal. It is important to quickly precipitate in the weld molten metal, and it is important that the melting point is higher than the melting point of the weld metal. If these requirements cannot be satisfied by adding a carbide or cermet alone, several types may be combined with a binder.
高融点大比重金属粒子の形状は球の他、多面体でも良く、相互に混ざり合い易い形状が好ましい。球のみとすると、銅母材との界面近傍に沈殿した球粒子は銅界面から剥離し易い。沈殿した球粒子は界面で一段に並び易く、物理的に境界面から剥離し易い応力線を形成するのである。その中に多面体の粒子が介在すると、配列が不規則になり、応力が分散されて剥離し難くなる。 The shape of the high melting point high specific gravity metal particles may be a polyhedron in addition to a sphere, and a shape that is easy to mix with each other is preferable. If only spheres are used, the sphere particles precipitated in the vicinity of the interface with the copper base material are easily separated from the copper interface. The precipitated spherical particles are easy to line up at the interface and form stress lines that are physically easy to peel off from the interface. If polyhedral particles are interposed therein, the arrangement becomes irregular, the stress is dispersed, and separation becomes difficult.
高融点大比重金属粒子の粒径は０．１〜２．５ｍｍが好ましい。その粒径が０．１ｍｍ未満になると、溶接溶融金属のマトリックス中に融けてしまい、粒子の形状で存在できない。その粒径が２．５ｍｍより大きくなると、沈殿した粒子間のマトリックスに割れが形成され易くなり、タングステンカーバイト粒子がマトリックスから脱落しやすくなる。すなわち、粒子径が大きくなると、その間に介在するマトリックスの粒子間に形成される収縮応力が小径に比べ大きくなり、マトリックス金属に割れを発生させるのである。大径の粒子を使用する場合には、予め粒子の表面に純ニッケル又はニッケル合金を被覆して使用すると、マトリックスの硬度上昇が抑制されて、マトリックスの靭性が改善される。その結果、粒子間のマトリックスに割れを生じる危険性が大幅に減少し、高融点大比重金属粒子の脱落や剥離が防止可能となる。特に重要なことは、大きい粒子と小さい粒子とを適宜に混ぜ合わせ使用するのが大きな収縮応力の形成を軽減できて重要ということである。最も適切な粒径範囲は０．２ｍｍ〜２．０ｍｍである。 The particle diameter of the high melting point high specific gravity metal particles is preferably 0.1 to 2.5 mm. If the particle size is less than 0.1 mm, it melts into the matrix of welded molten metal and cannot exist in the form of particles. When the particle size is larger than 2.5 mm, cracks are likely to be formed in the matrix between the precipitated particles, and the tungsten carbide particles are likely to fall off the matrix. That is, when the particle diameter is increased, the shrinkage stress formed between the matrix particles interposed therebetween becomes larger than that of the small diameter, and the matrix metal is cracked. When large-diameter particles are used, if the surface of the particles is coated with pure nickel or a nickel alloy in advance, an increase in the hardness of the matrix is suppressed and the toughness of the matrix is improved. As a result, the risk of cracking in the matrix between the particles is greatly reduced, and it is possible to prevent the high melting point and high specific gravity metal particles from falling off or peeling off. What is particularly important is that it is important to appropriately mix large particles and small particles to reduce the formation of large shrinkage stress. The most suitable particle size range is 0.2 mm to 2.0 mm.
高融点大比重金属粒子のマトリックス中への添加量は重量比で１０％超５０％以下が好ましい。添加量が１０％では少な過ぎてバリヤ層の形成には不十分であり、少なくとも１０％超は必要になる。すなわち、溶接ビードを溶着した場合、ビードの中央部には高融点大比重金属粒子が存在するが、ビード左右のビード止端部に高融点大比重金属粒子が介在しないことがあるので、バリヤ層としての機能が不十分になり、溶融鉄と銅とが拡散侵入して割れを発生し易くなる。最大添加量としては５０％までが限界である。これより多くなると、マトリックスとする合金の含有量が減少して、マトリックスと粒子含有量とのバランスが崩れ、マトリックスの銅母材に対する接合強度が悪影響を受ける。 The amount of the high melting point high specific gravity metal particles added to the matrix is preferably more than 10% and 50% or less by weight. If the addition amount is 10%, it is too small to form a barrier layer, and at least 10% is required. That is, when welding beads are welded, high melting point high specific gravity metal particles are present in the center of the bead, but the high melting point high specific gravity metal particles may not be present at the bead toe ends on the left and right sides of the bead. As a result, the molten iron and copper are diffused and penetrated and cracks are easily generated. The maximum addition amount is up to 50%. If it exceeds this range, the content of the alloy as the matrix decreases, the balance between the matrix and the particle content is lost, and the bonding strength of the matrix to the copper base material is adversely affected.
タングステンカーバイト粒子の熱伝導度による影響を調査したが、タングステンカーバイト粒子の含有量が多いと、バリア層が逆に熱流を遮断して銅による冷却効果を損なう危険性がある。この観点からも、高融点大比重金属粒子の含有量は低目が好ましい。しかし、２０％以下になると、タングステンカーバイト粒子間に間隙が生じて、熱流がその間隙を縫って流出し、銅の冷却効果を向上させる方向に働くものの、銅の鉄基溶着金属結晶粒界への拡散浸入が危惧される。 The influence of the thermal conductivity of tungsten carbide particles was investigated, but if the content of tungsten carbide particles is large, there is a risk that the barrier layer will conversely block the heat flow and impair the cooling effect by copper. Also from this viewpoint, the content of the high melting point high specific gravity metal particles is preferably low. However, when it becomes 20% or less, a gap is generated between the tungsten carbide particles, and the heat flow sews through the gap and works in the direction of improving the cooling effect of copper, but the iron-based weld metal crystal grain boundary of copper. There is concern about diffusion and penetration.
この場合、高融点大比重金属粒子の表面に被覆された純Ｎｉ又はＮｉ合金が遊離Ｃｕの無害化に有効であるが、鉄基マトリックスのＮｉ含有量をある程度高めに含有させることにより、補助的な効果を持たせることができる。その最大Ｎｉ含有量は２０％で良い。因みに、市販されているニッケル基のタングステンカーバイドＴＩＧ溶接棒は、マトリッスがＮｉ−Ｓｉ−Ｃｒ合金で構成され、タングステンカーバイト粒子を約６５％含有する。その粒子サイズは０．１ｍｍ〜０．６ｍｍである。 In this case, pure Ni or Ni alloy coated on the surface of the high melting point high specific gravity metal particles is effective for detoxification of free Cu, but by adding the Ni content of the iron-based matrix to a certain extent, it is supplementary. Can have a special effect. The maximum Ni content may be 20%. Incidentally, in the commercially available nickel-based tungsten carbide TIG welding rod, the matrix is made of a Ni—Si—Cr alloy and contains about 65% of tungsten carbide particles. The particle size is 0.1 mm to 0.6 mm.
高融点大比重金属粒子の表面にＮｉ材を被覆することにより、アーク熱による高融点大比重金属粒子の溶融が回避されると共に、溶接溶融金属中に拡散溶融した遊離銅とＮｉ元素とが冶金反応して全率固溶体のＮｉ−Ｃｕ相を形成することが期待され、これにより銅の無害化を行う。被覆用Ｎｉ材としては、純ニッケル、５０％以上のニッケルを含有するニッケル合金（例えばインコネル合金、ハステロイＣ合金、ハステロイＢ合金、ハステロイＧ合金、ハステロイＸ合金、５０Ｃｒ−５０Ｎｉ、モネル等）が好ましく、溶射に使用されるＮｉ基自溶性合金の粉末が特に好ましい。 By coating the Ni material on the surface of the high melting point high specific gravity metal particles, melting of the high melting point high specific gravity metal particles due to arc heat is avoided, and free copper and Ni element diffused and melted in the weld molten metal are metallurgized. It is expected to react to form a solid solution Ni—Cu phase, thereby detoxifying copper. The Ni material for coating is preferably pure nickel or a nickel alloy containing 50% or more of nickel (for example, Inconel alloy, Hastelloy C alloy, Hastelloy B alloy, Hastelloy G alloy, Hastelloy X alloy, 50Cr-50Ni, Monel, etc.). Ni-based self-fluxing alloy powders used for thermal spraying are particularly preferred.
Ｎｉ材の形態としては、被覆操作を含めた取り扱いが容易な粉末が好ましい。ここにおける粉末の粒度は、高融点大比重金属粒子のサイズからか考えて、２００メッシュに近い粒度が好ましい。１０ｋｇのタングステンカーバイト粒子（粒径は０．１５〜０．４ｍｍ）に対して被覆できるＮｉ粉の重量は最大で約２．０ｋｇであり、この比率で被覆処理を行うことが望ましい。粉末の被覆は振動ミルにより可能である。機能発揮のために低融点Ｎｉ合金が好ましいが、その場合のタングステンカーバイト粒子への被覆可能な重量比は約２０％である。 As the form of the Ni material, a powder that is easy to handle including the covering operation is preferable. The particle size of the powder here is preferably a particle size close to 200 mesh considering the size of the high melting point high specific gravity metal particles. The maximum weight of Ni powder that can be coated on 10 kg of tungsten carbide particles (particle size is 0.15 to 0.4 mm) is about 2.0 kg, and it is desirable to perform the coating treatment at this ratio. Powder coating is possible with a vibration mill. A low melting point Ni alloy is preferable for the function, but in that case, the weight ratio of the tungsten carbide particles that can be coated is about 20%.
Ｎｉ粉末の被覆は、例えばタングステンカーバイト粒子とＮｉ粉末とを、固着剤である水ガラスと共に振動装置に投入し、振動させることにより行う。振動装置としては、例えばバレル研磨機を用いる。 The Ni powder coating is performed, for example, by putting tungsten carbide particles and Ni powder together with water glass as a fixing agent into a vibration device and vibrating. For example, a barrel grinder is used as the vibration device.
Ｎｉ粉末がコーティングされたタングステンカーバイト粒子を重量比で１０％超５０％以下含有させる場合、残り（９０％未満５０％以下）がマトリックス合金となる。マトリックス合金としては、軟鋼、クロム鋼、ステンレス鋼、高クロム鋳鉄、ニッケル基合金、コバルト基合金、耐熱鋳鋼などの溶接可能な鉄基合金は全て含まれる。特に、特に特許文献１及び２により提示された鉄基合金の使用が好ましい。マトリックスに安価な鉄基合金を使用しても、５５０〜６５０℃の時効処理を受けると、Ｃｕ，Ｗが溶着金属に析出して硬度が上昇すると共に、タングステンカーバイト粒子がアーク熱で溶融して、鉄基マトリックスに含有されるタングステン量が２７％の場合にはＨＶ９００の高硬度が付与され、非常に安価な肉盛り金属が提供されることになる。 When tungsten carbide particles coated with Ni powder are contained in a weight ratio of more than 10% and 50% or less , the remainder ( less than 90% and 50% or less ) becomes a matrix alloy. Matrix alloys include all weldable iron-base alloys such as mild steel, chrome steel, stainless steel, high chromium cast iron, nickel-base alloy, cobalt-base alloy, and heat-resistant cast steel. In particular, the use of an iron-based alloy proposed by Patent Documents 1 and 2 is particularly preferable. Even if an inexpensive iron-based alloy is used for the matrix, if it is subjected to an aging treatment at 550 to 650 ° C., Cu and W are deposited on the deposited metal to increase the hardness, and tungsten carbide particles are melted by arc heat. Thus, when the amount of tungsten contained in the iron-based matrix is 27%, a high hardness of HV900 is imparted, and a very inexpensive build-up metal is provided.
本発明の肉盛り方法は、純銅又は銅合金からなる銅母材の表面に鉄基合金を溶接肉盛りする際に、溶接肉盛り金属より融点が高く溶接溶融金属より比重が大きい高融点大比重金属粒子からなる粒子層を、溶接溶融金属中の銅母材との境界面近傍に形成することにより、溶接溶融金属中の銅境界面近傍に形成された粒子層がバリア層となることにより、銅母材から溶接溶融金属中への銅元素の溶け込みを防止する。また、溶接溶融金属から銅母材への鉄元素の溶け込みを防止する。これらにより、溶着金属の剥離割れを防止して、中間層を排除することにより、中間層の介在による熱電導性の悪化及び経済性の悪化を回避する。更に、高融点大比重金属粒子からなる粒子層は銅母材の磨耗抑制に寄与する。 The build-up method of the present invention is a high melting point large ratio that has a higher melting point than the weld overlay metal and a higher specific gravity than the weld molten metal when depositing an iron-based alloy on the surface of a copper base material made of pure copper or a copper alloy. By forming a particle layer composed of heavy metal particles in the vicinity of the interface with the copper base metal in the welded molten metal, the particle layer formed in the vicinity of the copper interface in the welded molten metal becomes a barrier layer, Prevents the penetration of copper element from the copper base metal into the welded molten metal. Moreover, the penetration of iron elements from the welded molten metal into the copper base material is prevented. By these, the peeling crack of a weld metal is prevented and an intermediate | middle layer is excluded, The deterioration of the thermal conductivity by the intervening intermediate | middle layer and the deterioration of economical efficiency are avoided. Furthermore, the particle layer made of high melting point high specific gravity metal particles contributes to the suppression of wear of the copper base material.
この際、高融点大比重金属粒子の表面に純Ｎｉ又はＮｉ合金からなるＮｉ材を被覆しておくことにより、溶接溶融中に拡散浸入した遊離ＣｕがＮｉ元素と反応して、Ｃｕとの全率固溶体を形成し、遊離Ｃｕの含有量を減少させことが期待できる。これにより、Ｃｕの鉄基結晶粒界浸入を抑制して、溶着金属の剥離割れを一層効果的に防止する。また、高融点大比重金属粒子をその溶融を抑制して保護する点からも、溶着金属の剥離割れを防止する。これらにより、中間層の排除による熱電導性の改善効果及び経済性の改善効果を高める。 At this time, by covering the surface of the high melting point high specific gravity metal particles with a Ni material made of pure Ni or Ni alloy, the free Cu that has diffused and entered during welding melting reacts with the Ni element, so It is expected that a solid solution is formed and the content of free Cu is reduced. Thereby, the iron base crystal grain boundary penetration of Cu is suppressed, and the peeling crack of the weld metal is more effectively prevented. Moreover, the peeling crack of a weld metal is also prevented from the point which protects the high melting point high specific gravity metal particle by suppressing its melting. By these, the improvement effect of the thermal conductivity by the elimination of the intermediate layer and the improvement effect of the economy are enhanced.
以下の本発明の実施形態を説明する。 The following embodiments of the present invention will be described.
第１実施形態は、手動肉盛り方法の一つとしてのＴＩＧ溶接法である。第１実施形態のＴＩＧ溶接法では、ＴＩＧ溶接棒の本体となるパイプの内部にタングステンカーバイト粒子、又は表面に純Ｎｉ又はＮｉ基合金からなるＮｉ粉末がコーテイングされたタングステンカーバイト粒子を重量比で１０％超５０％以下充填し、残りとしてマトリックス成分を構成する軟鋼成分、更には所望の耐摩耗性、耐熱性、耐食性等を与える合金元素粉末を充填して、ＴＩＧ肉盛り棒を作製する。そして、そのＴＩＧ肉盛り棒を用いて銅母材上に手動肉盛りを行う。 The first embodiment is a TIG welding method as one of manual overlaying methods. In the TIG welding method of the first embodiment, the weight ratio of tungsten carbide particles coated with tungsten carbide particles inside the pipe, which is the main body of the TIG welding rod, or with Ni powder consisting of pure Ni or Ni-based alloy on the surface. Filling with more than 10% and 50% or less, and filling the remainder with mild steel components constituting the matrix component, and further alloying element powder giving desired wear resistance, heat resistance, corrosion resistance, etc. . And the manual build-up is performed on a copper base material using the TIG build-up stick.
第２実施形態は自動肉盛り方法である。ここでは、タングステンカーバイト粒子、又は表面に純Ｎｉ又はＮｉ基合金からなるＮｉ粉末がコーテイングされたタングステンカーバイト粒子を、純銅又は銅合金からなる銅母材の上に、重量比１０％超５０％以下で散布（被覆）し、その上から、適切な肉盛りワイヤを使用して、サブマージドアーク自動溶接肉盛り施工を行う。
The second embodiment is an automatic overlaying method. Here, tungsten carbide particles or tungsten carbide particles coated with Ni powder made of pure Ni or a Ni-based alloy on the surface are placed on a copper base material made of pure copper or a copper alloy, and the weight ratio exceeds 50 %. Sprinkle (cover) at less than %, and from there, use an appropriate overlay wire to perform submerged arc automatic welding overlay construction.
以下にこれらを順に説明する。なお、前者の方法は小物部材を肉盛りする場合に適し、後者の方法は大表面積を肉盛りする装置の場合に適する。 These will be described in order below. The former method is suitable for building up small parts, and the latter method is suitable for an apparatus that builds up a large surface area.
１）ＴＩＧ手動溶接肉盛り（第１実施形態）
ＴＩＧ肉盛り棒は、タングステンカーバイト粒子を軟鋼パイプ内部に充填し易い特徴があり、また溶接肉盛り施工においては、ＴＩＧタングステン電極により単独アークを発生させ、外部からアーク点にＴＩＧ肉盛り棒を手動もしくは自動供給で送り込むことができるので、溶接熱源と溶接棒の供給が独立して制御可能であり、それぞれの単独制御の利点により、溶け込みのコントロールやタングステンカーバイト粒子の銅界面近傍への供給も行い易い利点がある。ちなみに、手溶接棒であると、アーク熱と棒の溶融の独立制御が困難であり、融け込みやタングステンカーバイト粒子のコントロールが難しくなる。
1) TIG manual welding overlay (first embodiment)
The TIG build-up bar has the feature that it is easy to fill tungsten carbide particles inside the mild steel pipe. In welding build-up construction, a TIG tungsten electrode is used to generate a single arc, and the TIG build-up bar is applied to the arc point from the outside. Since it can be fed manually or automatically, the supply of the welding heat source and the welding rod can be controlled independently. The advantages of each individual control enable the control of penetration and supply of tungsten carbide particles to the vicinity of the copper interface. There is also an advantage that it is easy to do. Incidentally, in the case of a manual welding rod, it is difficult to independently control the arc heat and the melting of the rod, and it becomes difficult to control the fusion and tungsten carbide particles.
〔ＴＩＧ溶接棒の製作〕
溶接肉盛り実験を行うにあたり、３種類の実験用ＴＩＧ溶接棒を製造した。
[Production of TIG welding rod]
Three types of experimental TIG welding rods were manufactured for the welding overlay experiment.
Ｎｏ．１溶接棒：軟鋼性ソリッドワイヤ
Ｎｏ．２溶接棒：軟鋼製パイプ内に重量比で３％のメタルシリコンと、重量比で約５０％ のタングステンカーバイト粒子（ＷＣ粒子で粒径は０．３〜０．５ｍｍ ）とを充填した複合ワイヤ
Ｎｏ．３溶接棒：軟鋼製パイプ内に重量比で３％のメタルシリコンと、重量比で約５０％ のタングステンカーバイト粒子（ＷＣ粒子で粒径は０．３〜０．５ｍｍ ）とを充填した複合ワイヤ
タングステンカーバイト粒子の表面にＮｉ合金粉末（２００メッシュ） をタングステンカーバイト粒子１０ｋｇに対し２．０ｋｇの割合でコー ティング。
No. 1 Welding rod: Mild steel solid wire No. 1 2 Welding rod: Composite in which 3% by weight metal silicon and about 50% by weight tungsten carbide particles (WC particles with a particle size of 0.3 to 0.5 mm) are filled in a mild steel pipe Wire No. 3 Welding rod: A composite in which 3% by weight metal silicon and 50% by weight tungsten carbide particles (WC particles with a particle size of 0.3 to 0.5 mm) are filled in a mild steel pipe. Wire
Ni alloy powder (200 mesh) is coated on the surface of tungsten carbide particles at a ratio of 2.0 kg to 10 kg of tungsten carbide particles.
軟鋼製パイプの外径は４．０ｍｍ、パイプ肉厚は、０．５ｍｍ、長さ５００ｍｍである。メタルシリコンは、溶着肉盛り金属のブローホールの発生を防止するための脱酸剤である。タングステンカーバイト粒子の添加量を約５０％まで増加した理由は、ＴＩＧ棒の場合、タングステンカーバイト粒子を銅界面近傍に自重による沈降で配列する必要があるので、多い程、配列が旨く行く可能性が高いことによる。ただし、銅界面近傍にタングステンカーバイト粒子があまりにも多量に存在した場合、銅界面と溶着金属との融着強度が確保できなくなり、剥離を生じる危険性がある。 The outer diameter of the mild steel pipe is 4.0 mm, the pipe thickness is 0.5 mm, and the length is 500 mm. Metal silicon is a deoxidizer for preventing the occurrence of blowholes in the welded metal. The reason why the added amount of tungsten carbide particles is increased to about 50% is that, in the case of TIG rods, it is necessary to arrange tungsten carbide particles near the copper interface by sedimentation due to their own weight. Due to its high nature. However, if too much tungsten carbide particles are present in the vicinity of the copper interface, the fusion strength between the copper interface and the weld metal cannot be secured, and there is a risk of delamination.
〔肉盛り実験〕
銅板の上に、３０ｍｍ幅に亘り、ＴＩＧ溶接棒を左右に揺動しつつ１層肉盛りで肉盛り施工を行った。１層肉盛り金属の高さは３〜４ｍｍであった。
[Meat filling experiment]
On the copper plate, a build-up operation was performed with a one-layer build-up while swinging the TIG welding rod left and right over a width of 30 mm. The height of the 1-layer overlay metal was 3 to 4 mm.
母材金属： タフピッチ銅 ９ｍｍ×３０ｍｍ×２６０ｍｍ
肉盛り条件： ＴＩＧ（ＤＣＳＰ ２００Ａ 予熱：６００℃）
Base metal: Tough pitch copper 9mm x 30mm x 260mm
Filling condition: TIG (DCSP 200A preheating: 600 ° C.)
〔表曲げ試験〕
肉盛りビードの銅界面との健全性を評価するために、肉盛りビードを外側にして表曲げ試験を行った。すなわち、溶着金属中に沈殿したタングステンカーバイト粒子からなるバリア層の銅境界面からの剥離、同バリア層と銅境界面との間に存在する溶着金属の延性度、タングステンカーバイト粒子と溶着金属との密着強度等を確認するために過酷な外曲げ試験を採用した。
[Front bending test]
In order to evaluate the soundness of the built-up bead with the copper interface, a surface bending test was performed with the built-up bead on the outside. That is, peeling of the barrier layer made of tungsten carbide particles precipitated in the weld metal from the copper interface, ductility of the weld metal existing between the barrier layer and the copper interface, tungsten carbide particles and the weld metal In order to confirm the adhesion strength and the like, a severe external bending test was adopted.
もしタングステンカーバイト粒子とマトリックスとの密着強度が低く、銅界面との密着不良や延性低下を生じている場合には、溶着金属と銅母材との間に簡単に剥離が発生することが想定される。タングステンカーバイト粒子の銅境界面での分布が良好な配列であるならば、Ｃｕの拡散浸入が少なく、表曲げ試験により良好な曲げ性能が得られるものと推定される。実際の用途では、硬化肉盛り合金に機械的または熱衝撃を受ける場合が想定されるが、表曲げ試験のような過酷な曲げ応力を受けることは無い。 If the adhesion strength between the tungsten carbide particles and the matrix is low, causing poor adhesion with the copper interface or reduced ductility, it is assumed that peeling easily occurs between the weld metal and the copper base material. Is done. If the distribution of the tungsten carbide particles at the copper interface is a good arrangement, it is estimated that Cu penetration is small and good bending performance can be obtained by a surface bending test. In actual applications, it is assumed that the hardfacing alloy is subjected to mechanical or thermal shock, but is not subjected to severe bending stress as in the surface bending test.
ちなみに、表曲げとは、肉盛り金属を外側にして、銅の母材側から曲げ冶具で押し曲げる曲げ試験であり、外側の肉盛り金属に割れが発生したときの曲げ角度を調査する。これに対して、肉盛り金属を内側にして銅母材を外側にした裏曲げ試験は銅が著しく延性に優れており、曲げ加工により銅自体が伸びるので、溶接棒の種類に関係なく１８０度の曲げ角度を示し、溶着金属の密着強度を調査することが出来なかった。従って、表曲げ試験のみにより密着強度を判定した。曲げ試験機におけるオス型（上型）の曲率は３０ｍｍＲ、雌型（下型）の曲率は５０ｍｍＲである。 By the way, surface bending is a bending test in which the build-up metal is on the outside and pushed and bent with a bending jig from the copper base metal side, and the bending angle when the outside build-up metal is cracked is investigated. On the other hand, the back bending test with the overlay metal on the inside and the copper base material on the outside shows that the copper is extremely excellent in ductility, and the copper itself stretches by bending, so it is 180 degrees regardless of the type of welding rod. It was not possible to investigate the adhesion strength of the weld metal. Therefore, the adhesion strength was determined only by the surface bending test. The curvature of the male mold (upper mold) in the bending tester is 30 mmR, and the curvature of the female mold (lower mold) is 50 mmR.
〔曲げ試験結果〕
表曲げ試験結果として、曲げ試験後の試験片の外観を図１〜図３に示す。図１（ａ）（ｂ）はＮｏ．１溶接棒を使用したＮｏ．１試験片の平面及び側面を示し、図２（ａ）（ｂ）はＮｏ．２溶接棒を使用したＮｏ．２試験片の平面及び側面を示し、図３（ａ）（ｂ）はＮｏ．３溶接棒を使用したＮｏ．３試験片の平面及び側面を示す。
[Bending test results]
As a result of the table bending test, the appearance of the test piece after the bending test is shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b) are Nos. No. 1 using a welding rod. 1 shows a plane and a side surface of a test piece, and FIGS. No. 2 using a welding rod. 2 shows the plane and side surfaces of the test piece, and FIGS. No. 3 using a welding rod. 3 shows the plane and side of the test piece.
Ｎｏ．１試験片は肉盛り硬化金属に延びがないためか直角に折れ曲がり（曲げ角度は８８．５度）、曲げの外側では肉盛り硬化金属が破断して大きく開口し、銅母材の約３ｍｍの深さにまで割れが進展した。評価は不可である。Ｎｏ．２試験片は、曲げ角度が１３１度に達したが、曲げの外側では銅母材の深さが約３ｍｍにまで割れが進展し、開口した。また、曲げの外側で硬化金属の脱落はないものの、開口部で銅母材が約５ｍｍの幅で剥離を生じた。評価は不可である。これらに対し、Ｎｏ．３試験片の曲げ角度は１２０度であった。Ｎｏ．２試験片より１１度ほど曲げ角度が少ないが、曲げの外側では硬化金属に割れが発生したのみで、銅母材に割れが伝搬することはなく、健全な曲げ性能を示した。 No. 1 The test piece is bent at right angles (bend angle is 88.5 degrees) because the build-up hard metal does not extend, and outside the bend, the build-up hard metal breaks and opens widely, and the copper base metal is about 3 mm. Cracks progressed to depth. Evaluation is not possible. No. In the two test pieces, the bending angle reached 131 degrees, but cracking progressed to the depth of about 3 mm on the copper base material outside the bend and opened. Moreover, although the hardened metal did not fall off outside the bend, the copper base material peeled off at a width of about 5 mm at the opening. Evaluation is not possible. In contrast, no. The bending angle of the three test pieces was 120 degrees. No. Although the bending angle was smaller by about 11 degrees than the two test pieces, only a crack occurred in the hardened metal outside the bend, and no crack propagated to the copper base material, indicating a sound bending performance.
Ｎｏ．１試験片〜Ｎｏ．３試験片における溶着金属の化学成分を分析（ＳＥＭ−ＥＤＳ分析）した結果を、先の表曲げ試験結果と共に表１に示す。表１中のＷ含有量はタングステンカーバイト粒子が一部溶融して鉄基溶着金属中に含有された値である。また、Ｎｏ．１試験片〜Ｎｏ．３試験片における溶着金属の硬度と銅母材の溶接熱影響部の硬度とを調査した結果を表２に示す。 No. 1 test piece to No. 1 The results of analyzing the chemical components of the weld metal in the three test pieces (SEM-EDS analysis) are shown in Table 1 together with the previous surface bending test results. The W content in Table 1 is a value in which tungsten carbide particles are partially melted and contained in the iron-based weld metal. No. 1 test piece to No. 1 Table 2 shows the results of examining the hardness of the weld metal in the three test pieces and the hardness of the weld heat affected zone of the copper base material.
これらの調査結果から、Ｎｏ．１試験片〜Ｎｏ．３試験片における曲げ部の割れのメカニズムは以下のように説明される。 From these survey results, 1 test piece to No. 1 The mechanism of cracking of the bent part in the three test pieces is explained as follows.
Ｎｏ．１試験片では、母材銅が溶着金属の結晶粒界に浸入し、脆化して１ヵ所の割れが一気に銅母材まで進展した。Ｎｏ．２試験片では、溶着金属における母材銅の含有量が割れを発生する限界値の７％であったが、タングステンカーバイト粒子からＷが多量に溶け込んだため硬化が生じ脆化が生じた。結果、Ｎｏ．１試験片と同様に、割れが母材銅にまで進展し、割れの一部は銅母材との肉盛境界線での剥離に進展した。 No. In one test piece, the base material copper entered the crystal grain boundary of the weld metal and became embrittled, and a crack at one point progressed to the copper base material at a stretch. No. In the two test pieces, the content of the base metal copper in the weld metal was 7% of the limit value at which cracking occurred, but since a large amount of W was dissolved from the tungsten carbide particles, hardening occurred and embrittlement occurred. As a result, No. As in the case of 1 test piece, the crack progressed to the base metal copper, and a part of the crack progressed to peeling at the overlay boundary line with the copper base material.
Ｎｏ．３試験片では、溶着金属における母材銅の含有量が５％と少なく、結晶粒界への銅元素の浸入が減少して、溶着金属の延性度が増加したために、溶着金属から母材銅への割れの進展が生じなかった。また、タングステンカーバイト粒子にＮｉを被覆したために、タングステンカーバイト粒子の溶融量が減少し、溶着金属の硬化がＮｏ．２試験片に比べ緩和され、ＨＶで約１３２低下した。 No. In the three test pieces, the content of the base metal copper in the weld metal was as low as 5%, the penetration of the copper element into the crystal grain boundary decreased, and the ductility of the weld metal increased. No crack growth occurred. Further, since the tungsten carbide particles were coated with Ni, the amount of melting of the tungsten carbide particles was reduced, and the weld metal was hardened. It was relaxed compared with 2 test pieces, and decreased by about 132 at HV.
タングステンカーバイト粒子にＮｉを被覆したＮｏ．３試験片では、溶着金属中の銅含有量が６−７％以下になり、耐割れ性が良好となった。これは、非特許文献１に記載された説明と符合する。タングステンカーバイト粒子の銅界面近傍における配列が、母材銅の浸入を防止するバリアとしての機能を効果的に発揮した結果と考えられる。 No. 1 in which tungsten carbide particles are coated with Ni. In 3 test pieces, the copper content in the weld metal was 6-7% or less, and the crack resistance was good. This coincides with the explanation described in Non-Patent Document 1. The arrangement of the tungsten carbide particles in the vicinity of the copper interface is considered to be a result of effectively exerting a function as a barrier for preventing the intrusion of the base material copper.
銅界面近傍におけるタングステンカーバイト粒子の沈殿状態及び配列状態を図４に示す。第１実施形態のＴＩＧ溶接法では、ＴＩＧ手動溶接肉盛りで施工を行ったが、タングステンカーバイト粒子の配列は良好である。 FIG. 4 shows the precipitation state and arrangement state of tungsten carbide particles in the vicinity of the copper interface. In the TIG welding method of the first embodiment, the construction was performed by TIG manual welding buildup, but the arrangement of tungsten carbide particles is good.
本実験を総括して、タングステンカーバイト粒子のバリア層としての機能が最も大きく、次いでタングステンカーバイト粒子の表面に被覆したＮｉ合金粉がタングステンカーバイト粒子の溶融を妨げる機能が大きいことが分かった。結果、本発明の肉盛り方法、特にＴＩＧアーク肉盛り方法によって母材銅の表面に直接肉盛り溶接ができることが明らかとなった。 Summarizing this experiment, it was found that the tungsten carbide particles have the largest function as a barrier layer, and then the Ni alloy powder coated on the surface of the tungsten carbide particles has a large function of preventing the tungsten carbide particles from melting. . As a result, it has been clarified that overlay welding can be performed directly on the surface of the base material copper by the overlaying method of the present invention, particularly the TIG arc overlaying method.
〔Ｎｏ．３試験片に関する熱処理の影響〕
Ｎｏ．３試験片に関し、熱処理による影響を調査した。試験時間は５５０〜６５０℃、試験時間は２００時間とした。ここにおける試験温度は当然、銅本体が水冷却を受けていることを前提とし、実際に表面肉盛りされた銅製装置が受ける最高温度を想定して定めた。タングステンカーバイトは５５０℃以上の温度になると高温酸化を受けることが報告されているが、幸いにもＮｏ．３試験片でのタングステンカーバイト粒子は鉄基の溶着金属内部で母材銅との溶融界面近傍に沈殿しており、肉盛り当初は溶着金属の表面には露呈しない。ただし、使用装置の磨耗進行の最終段階に至ると、タングステンカーバイト粒子は磨耗面に表れるようになる。
[No. Effect of heat treatment on 3 specimens]
No. The effect of heat treatment was investigated on the three test pieces. The test time was 550 to 650 ° C., and the test time was 200 hours. Naturally, the test temperature here was determined on the assumption that the copper body was subjected to water cooling, and the maximum temperature that the copper device with the actual surface build-up received was assumed. Tungsten carbide has been reported to undergo high-temperature oxidation at temperatures of 550 ° C. or higher. The tungsten carbide particles in the three test pieces are precipitated in the vicinity of the fusion interface with the base metal copper inside the iron-based weld metal and are not exposed on the surface of the weld metal at the beginning of the build-up. However, when reaching the final stage of wear of the used device, tungsten carbide particles appear on the wear surface.
Ｎｏ．３試験片の硬度を調査した表面にはタングステンカーバイト粒子が露呈しており、熱処理を受けた場合、どのような変化を生じるかを調査した。具体的には、Ｎｏ．３試験片における溶着金属（鉄基合金）の硬度を、溶接のままと熱処理後について調査した。調査結果を表３に示す。硬度は１５点の平均硬度値である。 No. 3 The hardness of the specimens was examined, and tungsten carbide particles were exposed on the surface, and it was investigated what changes would occur when subjected to heat treatment. Specifically, no. The hardness of the weld metal (iron-base alloy) in the three test pieces was investigated as it was and after the heat treatment. The survey results are shown in Table 3. The hardness is an average hardness value of 15 points.
Ｎｏ．３試験片における溶着金属の合金成分はＣ−Ｆｅ５９％、Ｗ２７％、Ｃｕ５％、Ｎｉ８％であり、熱処理後の平均硬度は約ＨＶ９００までに上昇し、溶接のままの硬度と比較してＨＶ３００も上昇した。これは、熱処理温度によるＣｕ及びＷの析出硬化現象に依存すると想定される。試験片には当初よりタングステンカーバイト粒子が露呈しており、熱処理により酸化されたが、極度に硬度が低下した状況はみられなかった。その理由は次のように考えられる。 No. The alloy components of the weld metal in the three test pieces are C-Fe 59%, W 27%, Cu 5%, Ni 8%, and the average hardness after heat treatment rises to about HV900. Rose. This is assumed to depend on the precipitation hardening phenomenon of Cu and W due to the heat treatment temperature. The test piece had tungsten carbide particles exposed from the beginning and was oxidized by heat treatment, but there was no situation in which the hardness was extremely reduced. The reason is considered as follows.
タングステンカーバイト粒子がアーク熱で溶融され、Ｆｅ−Ｃ−ＷーＮｉの複炭化物が鉄マトリックスに形成され、溶接のままの状態では平均硬度がＨＶ６０１であったが、これを５５０〜６５０℃で熱処理すると、鉄に時効性を与える金属であるＷ及びＣｕが共に鉄基に析出して、高硬度を与えたと想定される。 Tungsten carbide particles were melted by arc heat, Fe—C—W—Ni double carbide was formed in the iron matrix, and the average hardness was HV601 in the as-welded state. When heat-treated, it is assumed that both W and Cu, which are metals that give aging to iron, are precipitated on the iron base and give high hardness.
市販の高価な溶接棒であるＣ３％−Ｗ５７％−Ｆｅの常温における硬度はＨＶ９５０を与えるが、本実施形態で使用した溶接棒は、応力除去焼鈍を兼ねた時効熱処理を受けるとＨＶ９００〜ＨＶ１０００の高硬度を付与し、上記溶接棒と比較しても遜色が無い性能を安価に提供できる特徴がある。銅と溶着金属との境界線から約０．３ｍｍ母材側に入った溶接熱影響部の硬度がＨＶ１４０と高い値を示したが、それ以降の母材硬度はＨＶ５７であり、正常な硬度値であった。境界剥離を生じるような現象は認められなかった。 The hardness at room temperature of C3% -W57% -Fe, which is a commercially available expensive welding rod, gives HV950, but the welding rod used in this embodiment is HV900-HV1000 when subjected to aging heat treatment that also serves as stress relief annealing. It is characterized by providing high hardness and providing performance that is inferior to that of the above welding rod at a low price. The hardness of the weld heat affected zone which entered the base metal side about 0.3 mm from the boundary line between copper and the weld metal showed a high value of HV140, but the base metal hardness after that was HV57, which is a normal hardness value. Met. There was no phenomenon that caused boundary delamination.
２）サブマージドアーク自動溶接肉盛り（第２実施形態）
大型装置の肉盛りで水平面の場合、自動溶接肉盛り方法を使用するとき、溶接能率の向上及び肉盛り施工のために銅を高温予熱するが、自動ウイービング溶接の高入熱により予熱温度を低く抑え得る利点がある。更に大型装置の手動での肉盛り施工は予熱温度が高温であるために作業者に深刻な熱疲労を与えるのに対し、自動溶接肉盛りは作業難度の大幅な軽減につながる。
2) Submerged arc automatic welding overlay (second embodiment)
When the automatic welding method is used in the case of a horizontal surface with large equipment, the copper is preheated to improve welding efficiency and buildup, but the preheating temperature is lowered due to the high heat input of automatic weaving welding. There is an advantage that can be suppressed. Furthermore, manual build-up of a large apparatus causes severe thermal fatigue to the operator because the preheating temperature is high, whereas automatic welding build-up leads to a significant reduction in work difficulty.
使用した肉盛りワイヤは、特許文献１に記載された成分範囲の鉄基Ｄ合金（ＦＲＥＡ−ＭＥＴＡＬ−Ｄ）を採用した。Ｄ合金は１０００℃以上の高温用途に使用されるオーステナイト系高温耐熱鉄基合金であり、主成分は重量比で次のとおりである。Ｃ：０．５〜３．０％ Ｓｉ：３．５〜７．０％ Ｍｎ：１．０〜１０％、Ｃｒ：２５〜４５％ Ｎｉ：１０〜１３％ Ｆｅ：残 The build-up wire used was an iron-based D alloy (FREA-METAL-D) having a component range described in Patent Document 1. The D alloy is an austenitic high-temperature heat-resistant iron-based alloy used for high-temperature applications of 1000 ° C. or higher, and the main components are as follows by weight ratio. C: 0.5 to 3.0% Si: 3.5 to 7.0% Mn: 1.0 to 10%, Cr: 25 to 45% Ni: 10 to 13% Fe: remaining
〔肉盛り実験〕
タフピッチ銅からなる母材銅板（２０ｍｍ×５０ｍｍ×３５０ｍｍ）の上に、サブマージド溶接ヘッドを左右に揺動することにより、２８０〜３００Ａ−３５Ｖ（予熱：６００℃）の条件で３０ｍｍ幅×２００ｍｍ長の溶接ビード１層を肉盛りした。１層肉盛り金属の高さは５〜６ｍｍ、溶接ビード重量は２３０ｇである。溶接肉盛り材料の組み合わせは以下のとおりである。
[Meat filling experiment]
By swinging the submerged welding head left and right on a base copper plate (20 mm x 50 mm x 350 mm) made of tough pitch copper, it is 30 mm wide x 200 mm long under the condition of 280 to 300 A-35 V (preheating: 600 ° C). One layer of weld bead was built up. The height of the one-layer built-up metal is 5 to 6 mm, and the weld bead weight is 230 g. The combinations of welding overlay materials are as follows.
Ｎｏ．４試験：Ｄ合金ワイヤ（１．６ｍｍ径）を使用して銅に直接肉盛り
Ｎｏ．５試験：Ｄ合金ワイヤ（１．６ｍｍ径）を使用し、４０％タングステンカーバイト 粒子を銅表面に散布して肉盛り
Ｎｏ．６試験：Ｄ合金ワイヤ（１．６ｍｍ径）を使用し、表面にＮｉ粉を被覆した４０％ タングステンカーバイト粒子を銅表面に散布して肉盛り
No. 4 test: No. 1 directly overlaying copper using D alloy wire (1.6 mm diameter). Test 5: D alloy wire (1.6 mm diameter) was used, 40% tungsten carbide particles were sprinkled on the copper surface, and the build-up No. 6 test: D alloy wire (1.6mm diameter) was used and 40% tungsten carbide particles with Ni powder coated on the surface were sprinkled on the copper surface to build up
各試験片の性能はＴＩＧ溶接実験と同じく表曲げ性能で評価した。試験結果を図５（ａ）〜（ｃ）に表曲げ試験後の試験片の側面形状にて示す。ＴＩＧ溶接棒のタングステンカーバイト粒子添加量は５０％としたが、今回の自動溶接ではこれを４０％とした。自動溶接はＴＩＧ手動溶接肉盛りと比較して、溶け込みが少ないため、タングステンカーバイト粒子添加量を１０％少なくしたわけである。 The performance of each test piece was evaluated by surface bending performance as in the TIG welding experiment. The test results are shown in FIGS. 5A to 5C in the shape of the side surface of the test piece after the surface bending test. The amount of tungsten carbide particles added to the TIG welding rod was 50%, but this was 40% in this automatic welding. Since automatic welding has less penetration than TIG manual welding, the amount of tungsten carbide particles added is reduced by 10%.
図５（ａ）〜（ｃ）から分かるように、Ｎｏ．４試験片は１５７度曲げで母材銅を含め完全破綻した。硬化金属（溶着金属）中にタングステンカーバイト粒子を含むＮｏ．５試験片は、曲げ角度９４度で母材銅の深さ約１０ｍｍまで割れが進展した。ただし硬化金属の剥離はなかった。Ｎｉ被覆を施したタングステンカーバイト粒子を含むＮｏ．６試験片は、曲げ角度９０度に至ってようやく銅母材の深さ約３ｍｍまで割れが進展した程度であり、硬化金属の剥離も認められなかった。 As can be seen from FIGS. Four specimens completely failed including the base metal copper by bending 157 degrees. No. 1 containing tungsten carbide particles in hardened metal (welded metal). In the five test pieces, cracking progressed to a depth of about 10 mm of the base material copper at a bending angle of 94 degrees. However, there was no peeling of the hardened metal. No. containing tungsten carbide particles coated with Ni. In 6 test pieces, cracking progressed to a depth of about 3 mm of the copper base material only after reaching a bending angle of 90 degrees, and no peeling of the hard metal was observed.
これから分かるように、表曲げ試験結果は、ＴＩＧ肉盛り溶接と同様に、サブマージドアーク自動溶接肉盛りの場合に関しても、Ｎｉ粉を被覆したタングステンカーバイト粒子を用いる方法が最も良好な結果を示した。 As can be seen, the results of the surface bending test show that the method using tungsten carbide particles coated with Ni powder shows the best results in the case of submerged arc automatic welding build-up as well as TIG build-up welding. It was.
Ｎｏ．４試験片〜Ｎｏ．６試験片につき、溶着金属の硬度、主要化学成分の蛍光Ｘ線分析、及び母材銅の溶け込み率の調査結果を表４に示す。 No. 4 test pieces to No. 4 Table 4 shows the results of investigation on the hardness of the weld metal, the fluorescent X-ray analysis of the main chemical components, and the penetration rate of the base material copper for the six test pieces.
自動溶接肉盛りでは、溶け込み深さが浅く、溶け込み率が１４〜１７％であったためか、母材銅の溶け込み量が非常に少なく、非特許文献１に記載されたビード横割れ発生の限界量に近い数値を示した。Ｎｉ被覆のないタングステンカーバイト粒子を用いたＮｏ．５試験片でさえ、タングステンカーバイト粒子の溶融量が少なく、Ｎｏ．６試験片での硬度に比べ約ＨＶ２６高い程度であり、Ｗ溶融の影響は少なかった。 In automatic welding build-up, the penetration depth is shallow and the penetration rate is 14 to 17%, so the amount of penetration of the base metal copper is very small, and the limit amount of occurrence of bead transverse cracking described in Non-Patent Document 1 A value close to was shown. No. 1 using tungsten carbide particles without Ni coating. Even with 5 test pieces, the melting amount of tungsten carbide particles is small. The hardness was about HV26 higher than the hardness of 6 test pieces, and the influence of W melting was small.
従って、自動サブマージドアーク溶接方法を使用するならば、Ｎｉ被覆のないタングステンカーバイト粒子を用いたＮｏ．５試験片でも、銅表面への直接肉盛りも可能と考えられる。ただし、鉄基マトリックスのＮｉ含有量が１０％以上あったので、それによる好影響の可能性も含まれると考えられる。 Therefore, if the automatic submerged arc welding method is used, No. 1 using tungsten carbide particles without Ni coating is used. Even with five test pieces, it is considered possible to directly deposit on the copper surface. However, since the Ni content of the iron-based matrix was 10% or more, it is considered that the possibility of a positive influence is included.
３種類の試験片における溶着金属内のＮｉ含有量、Ｃｕ含有量、Ｃｒ含有量及びＦｅ含有量の各分布をカラーマッピングにより調査した。結果を図６に示す。 Each distribution of the Ni content, Cu content, Cr content and Fe content in the weld metal in the three types of test pieces was investigated by color mapping. The results are shown in FIG.
溶着金属内のＮｉ含有量の分布をカラーマッピングで調査すると、Ｎｉ含有量が色具合により変化し、赤色、次いで黄色、緑色、青色の順に含有量が減少する。タングステンカーバイト粒子層と銅界面間には、黄色、緑色が多く見られ、想定していた以上にＮｉが均一に多量分布されており、Ｎｉが銅界面の全体を覆うように介在することが分かる。ＥＤＳ分析によれば、Ｎｉ含有量は約１４％〜１５％であった。特に、タングステンカーバイト粒子間にはＮｉ含有量が最も多い赤色が点在して見られ、粒子間に存在するマトリックスの靭性を強化しており、その結果、タングステンカーバイト粒子とマトリックスとの密着強度が向上し、脱落防止に有効であると考えられる。 When the distribution of Ni content in the weld metal is investigated by color mapping, the Ni content changes depending on the color condition, and the content decreases in the order of red, then yellow, green, and blue. A lot of yellow and green are seen between the tungsten carbide particle layer and the copper interface, Ni is more uniformly distributed than expected, and Ni may be interposed so as to cover the entire copper interface. I understand. According to EDS analysis, the Ni content was about 14% to 15%. In particular, red with the highest Ni content is observed between tungsten carbide particles, and the toughness of the matrix existing between the particles is strengthened. As a result, the adhesion between the tungsten carbide particles and the matrix is enhanced. It is thought that the strength is improved and it is effective in preventing falling off.
タングステンカーバイト粒子間にＮｉが多く存在する理由は、タングステンカーバイト粒子に予めＮｉ粉を被覆していたためであり、タングステンカーバイト粒子が肉盛り溶融金属中に沈殿してからＮｉの大半が溶融したと想定される。更に、Ｎｉが銅界面から銅内部に不規則な幅ではあるが最大約２５０μ拡散浸入していた。 The reason why there is a lot of Ni between the tungsten carbide particles is that the tungsten carbide particles were previously coated with Ni powder, and most of the Ni melted after the tungsten carbide particles settled in the build-up molten metal. It is assumed that Furthermore, although Ni has an irregular width from the copper interface to the inside of the copper, a maximum of about 250 μ diffusion was infiltrated.
溶着金属中のＣｕについては、銅１００％の色具合がピンクであるが、溶着金属に含有されている銅の色具合は濃紺と淡青色との混在であり、銅の含有量が非常に微量であることが分かる。ＥＤＳ分析によれば、銅界面近辺における銅含有量は約３．７〜６．７％である。これは、タングステンカーバイト粒子のバリア層が有効であったこと、及び自動溶接による溶け込みが少ないことが効果を発揮したためである。銅界面近傍において、タングステンカーバイト粒子がアーク熱により溶融してＷが約９．５％〜１７．０％含有されていた。 For Cu in the weld metal, the color condition of 100% copper is pink, but the color condition of copper contained in the weld metal is a mixture of dark blue and light blue, and the copper content is very small. It turns out that it is. According to EDS analysis, the copper content in the vicinity of the copper interface is about 3.7 to 6.7%. This is because the barrier layer of tungsten carbide particles was effective, and the effect of less penetration by automatic welding was exhibited. In the vicinity of the copper interface, tungsten carbide particles were melted by arc heat and contained W of about 9.5% to 17.0%.
〔タングステンカーバイト粒子の銅の熱伝導度への影響〕
タングステンカーバイト粒子の熱伝導度は８４．０２Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１であり、Ｃｕに比べ約５倍程度劣る。純ニッケルの熱伝導度が９０．９Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１であるので、これと同程度である。タングステンカーバイト粒子のバリア層が熱伝導度を阻害しては、本発明の肉盛り方法は有効性を失う。そこで、タングステンカーバイト粒子のバリア層がどの程度、熱伝導性に影響を与えるかを調査した。
[Influence of tungsten carbide particles on thermal conductivity of copper]
The thermal conductivity of tungsten carbide particles is 84.02 W · m −1 · K −1, which is about 5 times inferior to Cu. Since the thermal conductivity of pure nickel is 90.9 W · m −1 · K −1, it is about the same. If the barrier layer of tungsten carbide particles hinders thermal conductivity, the overlaying method of the present invention loses its effectiveness. Therefore, we investigated how much the barrier layer of tungsten carbide particles affects the thermal conductivity.
すなわち、試験片の裏面を一定熱量で加熱しながら、１分から１５分まで１分刻みで表面温度を測定して、供試した試験片の表面温度の上昇度の違いを比較することにより、熱伝導性を評価した。供試した試験片は以下の３種類である。 That is, the surface temperature was measured in 1 minute increments from 1 minute to 15 minutes while the back surface of the test piece was heated at a constant calorific value, and the difference in the degree of increase in the surface temperature of the tested test pieces was compared. Conductivity was evaluated. The test pieces tested are the following three types.
Ａ（Ｎｏ．４相当のタフピッチ銅）
２０ｍｍｔ×５０ｍｍ×５０ｍｍ（全厚 ２０ｍｍｔ）
Ｂ（Ｎｏ．５相当のインコネル下盛り品）
タフピッチ銅（２０ｍｔ×５０ｍｍ×５０ｍｍ）の上にインコネル８２を３ｍｍ ｔ肉盛り後、ＦＲＥＡ−ＭＥＴＡＬ−Ｄ（Ｎｏ．５合金）を５ｍｍｔ肉盛り（全 厚２８ｍｍｔ）
※インコネル８２の化学成分：Ｃｒ１５％−Ｍｎ６．５−Ｎｂ２％−Ｆｅ７％− Ｎｉ６９．５％
Ｃ（Ｎｏ．６相当の４０％ＷＣ品）
タフピッチ銅（２０ｍｍｔ×５０ｍｍ×５０ｍｍ）の上にタングステンカーバイ ト粒子４０％を含有するＦＲＥＡ−ＭＥＴＡＬ−Ｄ（Ｎｏ．６合金）を５ｍｍｔ 肉盛り（全厚 ２５ｍｍｔ）
A (Tough pitch copper equivalent to No. 4)
20mmt x 50mm x 50mm (total thickness 20mmt)
B (Inconel underlayed product equivalent to No. 5)
Inconel 82 is built up 3mm t on tough pitch copper (20mt x 50mm x 50mm), and then FREA-METAL-D (No. 5 alloy) is built up 5mmt (total thickness 28mmt)
* Chemical components of Inconel 82: Cr15% -Mn6.5-Nb2% -Fe7% -Ni69.5%
C (No. 6 equivalent 40% WC product)
FREA-METAL-D (No. 6 alloy) containing 40% tungsten carbide particles on tough pitch copper (20mmt x 50mm x 50mm) 5mmt overlay (total thickness 25mmt)
試験片ＡはＮｏ．４試験片に対応し、試験片ＢはＮｏ．５試験片に対応し、試験片ＣはＮｏ．６試験片に対応する。結果を表５に示す。 Specimen A is No. Corresponding to 4 specimens, specimen B is No. Corresponding to 5 specimens, specimen C is No. Corresponds to 6 test pieces. The results are shown in Table 5.
試験結果を総括すると、Ｎｏ．６試験片における溶接合金〔Ｎｏ．６合金（４０％ＷＣ粒子含有）〕はインコネル下盛り金属に比べ表面温度が幾分高位を示したが、ほぼ同程度の表面温度であると判断される。Ｎｏ６．合金のＷＣ粒子含有量は４０％であったが、この含有量を減少すれば、表面温度はさらに上昇して、熱伝導性は改善される方向に進展すると想定された。タフピッチ銅と比較して、受熱温度によって多少異なるが、４００℃までは約１００〜１１０℃の差異があり、５００℃以上では６０〜８０℃の差異に減少した。通常、銅装置が使用される温度条件は８００〜１４００℃の高温雰囲気で使用されるので、その熱伝導性の差異は少なくなる傾向にある。これらの結果から、タングステンカーバイト粒子の熱伝導性は、ニッケル、ニッケル基合金の下盛り金属の場合と比較しても、同等か幾分優れた効果を発揮することが想定される。従って、本発明の根幹の一つを成す熱伝導性の改善に貢献出来ることが判明した。 The test results are summarized as follows. 6 Welded alloy [No. Alloy 6 (containing 40% WC particles)] showed a somewhat higher surface temperature than Inconel overlay metal, but it is judged that the surface temperature is almost the same. No6. The WC particle content of the alloy was 40%, but it was assumed that if this content was reduced, the surface temperature would increase further and the thermal conductivity would improve. Compared to tough pitch copper, although it differs somewhat depending on the heat receiving temperature, there was a difference of about 100-110 ° C. up to 400 ° C., and it decreased to a difference of 60-80 ° C. above 500 ° C. Usually, since the temperature condition in which the copper device is used is used in a high temperature atmosphere of 800 to 1400 ° C., the difference in thermal conductivity tends to decrease. From these results, it is assumed that the thermal conductivity of the tungsten carbide particles exhibits the same or somewhat superior effect as compared to the case of nickel or a nickel-base alloy underlay metal. Therefore, it has been found that it can contribute to the improvement of the thermal conductivity that forms one of the basis of the present invention.
〔耐磨耗性〕
Ｎｏ．６合金は、８００〜１０００℃かそれ以上の高温雰囲気に晒され、粉体による高温エロージョン磨耗を受ける用途に開発された。この合金の性能を各種高温耐磨金属耗材料との性能比較により評価した。Ｎｏ．６合金との比較材料としては、高温で使用される構造材料や耐摩耗性材料を主として選択した。表６は各種材料の室温における低応力研摩耗試験、表７は高温エロージョン磨耗試験の各結果を示す。
(Abrasion resistance)
No. Alloy 6 was developed for applications where it was exposed to high temperature atmospheres of 800-1000 ° C. or higher and subjected to high temperature erosion wear due to powder. The performance of this alloy was evaluated by comparing it with various high temperature wear resistant metal wear materials. No. As a comparative material with 6 alloys, structural materials and wear resistant materials used at high temperatures were mainly selected. Table 6 shows the results of a low stress abrasion test at room temperature for various materials, and Table 7 shows the results of a high temperature erosion wear test.
低応力研摩耗試験とは、エンドレスベルトグラインダを使用して、１５ｍｍ角の試験片を荷重１４．７Ｎ（１．５Ｋｇｆ）で研磨ベルトに一定時間押しつけて、その磨耗容積を測定するものである。標準資料としてＳＳ４００を使用し、その磨耗容積と比較することにより、各材料の磨耗係数を算出した。研磨ベルトの材質としてはアルミナ（硬度ＨＶ２１００）の含有量９６．５％、アルミナ粒度１２０＃である。表５からは、例えば常温において、Ｎｏ．６合金はＳＳ４００と比較して約２３倍、ステライトＮｏ．６と比較して約２０倍の耐摩耗性があることがわかる。 In the low stress abrasion test, an endless belt grinder is used to press a 15 mm square test piece against a polishing belt with a load of 14.7 N (1.5 Kgf) for a certain period of time, and the wear volume is measured. The wear coefficient of each material was calculated by using SS400 as standard data and comparing with the wear volume. The material of the polishing belt is an alumina (hardness HV2100) content of 96.5% and an alumina particle size of 120 #. From Table 5, for example, at room temperature, No. The alloy No. 6 is about 23 times that of SS400, Stellite No. It can be seen that the wear resistance is about 20 times that of 6.
温耐摩耗性を評価する試験としては高温エロージョン磨耗試験を行った。試験条件は以下のとおりである。 A high temperature erosion wear test was conducted as a test for evaluating the warm wear resistance. The test conditions are as follows.
ブラスト材料： ＳｉＯ2 ３７．７％、酸化鉄 ４０．５％、マグネシア １．０％
アルミナ：４．１％、酸化カルシウム ６．５％
ブラス粒度： １．０〜１．５ｍｍφ
試験片の寸法： ５０ｍｍ×５０ｍｍ
加熱方法： 試験片の裏面を加熱
照射距離： ２００ｍｍ
照射量： ２．６Ｋｇ／分
照射速度： ４０ｍ／秒
照射時間： １０分／回×３回行い、平均値を採用
入射角度： ３０度一定
母材金属： 試験片１〜試験片８までＳＵＳ３１０Ｓ母材（９ｍｍｔ）を使用
試験片９及び試験片１０は母材銅（９ｍｍｔ）を使用
Blasting material: SiO2 37.7%, iron oxide 40.5%, magnesia 1.0%
Alumina: 4.1%, calcium oxide 6.5%
Brass particle size: 1.0-1.5mmφ
Test piece dimensions: 50 mm x 50 mm
Heating method: Heating the back of the test piece Irradiation distance: 200 mm
Irradiation amount: 2.6 kg / min Irradiation speed: 40 m / sec Irradiation time: 10 minutes / times × 3 times, average value is adopted Incident angle: 30 degrees constant Base metal: SUS310S mother from test piece 1 to test piece 8 Use material (9mmt)
Test piece 9 and test piece 10 use base material copper (9mmt)
試験結果を評価すれば、６００〜７００℃の高温エロージョン性能に関し、Ｎｏ．６合金は鉄基合金にも拘わらず，高価なコバルト基合金のステライトＮｏ．１と同じ性能を与える。試験結果から判断して、Ｎｏ．６合金は高温環境におけるエロージョン磨耗やアブレージョン磨耗に充分対応出来ることが確認できた。 If the test results are evaluated, the high temperature erosion performance of 600 to 700 ° C. is No. Although the alloy 6 is an iron-based alloy, the expensive cobalt-based alloy Stellite No. 6 is used. 1 gives the same performance. Judging from the test results, no. It was confirmed that the alloy 6 can sufficiently cope with erosion wear and abrasion wear in a high temperature environment.
従来、銅母材上に耐磨耗性鉄基合金を溶接肉盛りする場合、母材上に中間層として純ニッケルやニッケル基合金を溶着して、その上に適切な耐磨耗性合金が肉盛りされていたが、本発明により、銅母材上への鉄基合金の直接肉盛りが可能になった。これにより、銅が持つ優れた熱伝導性を必要とする産業用諸装置において、純ニッケルやニッケル基合金の肉盛り溶接が不要になり、その溶接材料費の低減や施工コストの低減により、大幅なコスト低減が可能になる。銅の拡散浸入を防止するのに使用されたタングステンカーバイト粒子（ＷＣ粒子又はＷ2 Ｃ粒子）はバリア層の形成材料としてだけではなく、銅本体の磨耗防止材料として大きな効果を発揮する。
Conventionally, when a weld-resistant iron-base alloy is welded on a copper base material, pure nickel or a nickel-base alloy is welded as an intermediate layer on the base material, and an appropriate wear-resistant alloy is then formed on the intermediate layer. Although it was built up, according to the present invention, it is possible to build up the iron-based alloy directly on the copper base material. This eliminates the need for build-up welding of pure nickel or nickel-base alloys in industrial equipment that requires the superior thermal conductivity of copper, and significantly reduces the welding material costs and construction costs. Cost reduction. Tungsten carbide particles (WC particles or W2 C particles) used to prevent the diffusion and penetration of copper exhibit a great effect not only as a material for forming a barrier layer but also as a material for preventing wear of the copper body.
Claims (6)
The build-up method according to any one of claims 1 to 5, wherein the welding method is a manual build-up method or an automatic build-up method, the manual build-up method is a TIG method or a gas welding method, and the automatic build-up method is The overlay method which is a submerged arc method or a TIG arc method.
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