JP7018603B2 - Manufacturing method of clad layer - Google Patents

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本発明は、金属部材及びクラッド層の製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、大型部品の表面においても、室温から高温まで幅広い使用温度範囲において優れた耐摩耗性を有する金属部材を提供し得るクラッド層を備えた金属部材及びクラッド層の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a metal member and a clad layer. More specifically, the present invention is a method for manufacturing a metal member and a clad layer having a clad layer capable of providing a metal member having excellent wear resistance in a wide operating temperature range from room temperature to high temperature even on the surface of a large part. Regarding.

自動車分野をはじめ、エネルギー、製鋼、航空宇宙分野など多岐に渡る分野において高温特性に優れた材料が求められている。
耐摩耗材料として超硬合金(WC-Co)の性能は絶大であるが、結合相であるCoが温度上昇と共に軟化し、またWCが酸化するため、700℃以上の高温域においては使用できない。
そこで、発明者らはこれまでに高温においても硬さの低下が少なく、800℃以上の温度域において超硬合金を上回る硬さを備えた、2重複相組織を有するNi3Al基金属間化合物合金の鋳造材を提案した(特許第5146935号公報:特許文献1参照)。
Materials with excellent high-temperature characteristics are required in a wide range of fields such as the automobile field, energy, steelmaking, and aerospace fields.
Although the performance of cemented carbide (WC-Co) as a wear-resistant material is excellent, it cannot be used in a high temperature range of 700 ° C. or higher because Co, which is a bonded phase, softens as the temperature rises and WC oxidizes.
Therefore, the inventors have so far performed a Ni 3 Al-based intermetallic compound having a two-overlapping phase structure, which has a small decrease in hardness even at high temperatures and has a hardness higher than that of cemented carbide in a temperature range of 800 ° C. or higher. A cast material of an alloy was proposed (see Patent No. 5146935: Patent Document 1).

しかしながら、耐熱部材をNi(ニッケル)基合金の鋳造材により形成すると、部材全体の主成分をNiとする必要があるため、部材を鉄系合金で形成する場合に比べて製造コストが高くなるという問題がある。そこで、高温になると硬さが低下する鉄系合金からなる基材上に高い硬さ及び高温耐摩耗性を有するニッケル基合金のコーティング膜を形成することにより、製造コストを低減して耐熱部材を製造することが可能である。
ニッケル基合金のコーティング膜を形成する方法として、Ni3Al基金属間化合物合金を溶射しコーティングする方法が知られている(例えば、特開2015-63752号公報:特許文献2参照)。また、プローブ本体を、2重複相組織を有するニッケル基合金でコーティングした摩擦攪拌接合用ツールが知られている(特開2014-105379号公報:特許文献3及び特開2014-105381号公報:特許文献4参照)。
However, when the heat-resistant member is formed of a cast material of a Ni (nickel) -based alloy, the main component of the entire member must be Ni, so that the manufacturing cost is higher than when the member is formed of an iron-based alloy. There's a problem. Therefore, by forming a coating film of a nickel-based alloy having high hardness and high-temperature wear resistance on a base material made of an iron-based alloy whose hardness decreases at high temperatures, the manufacturing cost is reduced and the heat-resistant member is made. It is possible to manufacture.
As a method for forming a coating film of a nickel-based alloy, a method of spraying and coating a Ni 3 Al-based intermetallic compound alloy is known (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-63752: Patent Document 2). Further, a friction stir welding tool in which the probe body is coated with a nickel-based alloy having a two-overlapping phase structure is known (Japanese Patent Laid-Open No. 2014-105379: Patent Document 3 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-105381: Patent). See Document 4).

しかしながら、基材上に溶射によりニッケル基合金の溶射皮膜を形成すると膜表面から基材まで貫通した空隙が存在して、基材の腐食や酸化が生じるおそれがあり、耐熱部材の耐熱特性や寿命特性が低くなる。また、溶射皮膜はアンカー効果によって物理的に基材と接合されているものの、基材と溶射皮膜との密着強度が十分高いとは言えず、厳しい条件で使用されると溶射皮膜が基材から剥離し易いという問題もある。さらに、溶射では薄い皮膜(通常300μm程度)を形成するには適しているが、上記の通り、溶射皮膜は密着強度が高くないため、厚い皮膜を形成すると剥離を生じ易く、厚膜の形成が難しいという問題がある。
被覆アーク溶接により基材上にニッケル基合金のコーティング膜を形成する場合、基材成分がコーティング膜に混入するため、コーティング膜の高温硬さ特性が低下するという問題がある。
また、上記の特許文献3及び4に記載の技術では、基材上に形成するコーティング層の材料として、Taを含むニッケル基金属間化合物合金が用いられているが、このようなコーティング層を形成する上で、その製造(素材)コストをできるだけ低く抑えることが望まれる。
However, when a sprayed film of a nickel-based alloy is formed on a base material by thermal spraying, voids penetrating from the film surface to the base material may exist, which may cause corrosion or oxidation of the base material, and the heat resistance characteristics and life of the heat-resistant member. The characteristics are low. In addition, although the sprayed coating is physically bonded to the base material by the anchor effect, the adhesion strength between the base material and the sprayed coating is not sufficiently high, and when used under harsh conditions, the sprayed coating is removed from the base material. There is also the problem that it is easy to peel off. Further, although it is suitable for forming a thin film (usually about 300 μm) by thermal spraying, as described above, the thermal spraying film does not have high adhesion strength, so that when a thick film is formed, peeling easily occurs, and a thick film is formed. There is a problem that it is difficult.
When a nickel-based alloy coating film is formed on a base material by shielded metal arc welding, there is a problem that the high-temperature hardness characteristics of the coating film are deteriorated because the base material components are mixed in the coating film.
Further, in the techniques described in Patent Documents 3 and 4 above, a nickel-based intermetallic compound alloy containing Ta is used as the material of the coating layer formed on the base material, and such a coating layer is formed. It is desirable to keep the manufacturing (material) cost as low as possible.

また、ニッケル基金属間化合物合金の室温硬さは400~600HVであり、超硬合金(1400HV)はもとより、工具鋼(約800HV)よりも劣っている。
そこで、このような背景をもとに発明者らは、室温から高温までの幅広い温度範囲で優れた耐摩耗性を発揮できる材料として、炭化物等のセラミックス粒子の結合相としてニッケル基金属間化合物合金を用いた、粉末冶金法により製造する複合材料を提案した(特許第6011946号公報:特許文献5参照)。
The room temperature hardness of the nickel-based intermetallic compound alloy is 400 to 600 HV, which is inferior to that of cemented carbide (1400 HV) as well as tool steel (about 800 HV).
Therefore, based on such a background, the inventors have developed a nickel-based intermetallic compound alloy as a bonding phase of ceramic particles such as carbides as a material capable of exhibiting excellent wear resistance in a wide temperature range from room temperature to high temperature. We have proposed a composite material produced by a powder metallurgy method using the above (see Patent No. 6011946: Patent Document 5).

特許第5146935号公報Japanese Patent No. 5146935 特開2015-63752号公報JP-A-2015-63752 特開2014-105379号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-105379 特開2014-105381号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-105381 特許第6011946号公報Japanese Patent No. 6011946

粉末冶金法は,金型に原料粉末を充填して成形し、高温で焼き固めることによって製品を製造する手法であるが、製造可能なサイズは金型により制約されるため限度がある。その一方で、高温で耐摩耗性が要求される製品には大型のものも多く、これらを粉末冶金法で製造することは不可能である。
大型製品の耐摩耗性向上には、肉盛溶接により硬質な材料で被覆する方法が行われるが、従来の材料では高温の耐摩耗性は十分とはいえない。また、プラズマ粉体肉盛法などにより金属と炭化物粒子を複合化させる手法があるが、肉盛層内において炭化物粒子の偏りが生じることや高温の金属液体中への炭化物粒子の溶解が起こるなどの問題がある。
また、結合相中に炭化物が溶解すると、結合相の組成が本来のものから外れてしまう。このため、金属間化合物のように特定の組成においてのみその機能を発揮し得る材料を結合相とした場合、炭化物の溶解による組成変化によりその機能を失うことになる。
このようなことから肉盛溶接法でニッケル基金属間化合物合金を結合相としたセラミックス粒子分散複合体の作製は困難であると考えられていた。
The powder metallurgy method is a method of manufacturing a product by filling a mold with raw material powder, molding it, and baking it at a high temperature, but the size that can be manufactured is limited by the mold, so there is a limit. On the other hand, many of the products that require wear resistance at high temperatures are large, and it is impossible to manufacture them by the powder metallurgy method.
In order to improve the wear resistance of large products, a method of covering with a hard material by overlay welding is used, but the conventional material cannot be said to have sufficient wear resistance at high temperature. In addition, there is a method of compounding metal and carbide particles by a plasma powder overlay method, but the carbide particles are biased in the overlay layer and the carbide particles are dissolved in a high-temperature metal liquid. There is a problem.
Further, when the carbide is dissolved in the bonded phase, the composition of the bonded phase deviates from the original one. Therefore, when a material such as an intermetallic compound that can exert its function only in a specific composition is used as a bonded phase, the function is lost due to the composition change due to the dissolution of the carbide.
For these reasons, it has been considered difficult to fabricate a ceramic particle dispersion composite using a nickel-based intermetallic compound alloy as a bonded phase by the overlay welding method.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、基材と、ニッケル基金属間化合物合金を炭化物等のセラミックス粒子の結合相として利用したセラミックス/金属間化合物複合クラッド層とを備えた、低コストで製造することができ、高温での優れた硬さ特性を有する金属部材およびこのようなクラッド層をレーザメタルデポジション(LMD)法等により基材上に形成するクラッド層の製造方法を提供することを課題とする。
上記の「結合相」は「バインダー相」ともいい、本発明では「マトリックス」ともいう。
The present invention has been made in view of such circumstances, and includes a base material and a ceramics / intermetallic compound composite clad layer using a nickel-based intermetallic compound alloy as a bonding phase of ceramic particles such as carbides. In addition, a metal member that can be manufactured at low cost and has excellent hardness characteristics at high temperatures, and a clad layer that forms such a clad layer on a substrate by a laser metal deposition (LMD) method or the like. The challenge is to provide a method.
The above-mentioned "binding phase" is also referred to as a "binder phase" and is also referred to as a "matrix" in the present invention.

本発明者らは、基材と、それを被覆する、特定組成のニッケル基金属間化合物であるマトリックスとそれに分散されたセラミックス粒子とから構成されるクラッド層とを備えた金属部材が、上記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。 The present inventors have described the above-mentioned metal member provided with a base material and a clad layer composed of a matrix which is a nickel-based intermetallic compound having a specific composition and dispersed ceramic particles thereof. We have found that the problem can be solved and have completed the present invention.

また、本発明によれば、65at%以上80at%以下のNiと、4at%以上15at%以下のAlと、4at%以上15at%以下のVと、0at%を超え8at%以下のNbと、Ni、Al、V及びNbの合計重量に対して10重量ppm以上1000重量ppm以下のB(ホウ素)と、不可避不純物とからなる合計100%の合金組成を有する金属間化合物合金粉末と、V、Nb及びWからからなる群より選択される1種以上の元素の炭化物であり、かつ1μm以上150μm以下の粒子径を有するセラミックス粒子とを、キャリアガスと共に基材に噴射しながら基材に熱源光を照射することによりクラッド層を形成する工程を含み、
記クラッド層に対する前記セラミックス粒子の配合割合が10~60体積%であり、
前記金属間化合物合金粉末が、前記熱源光を受光することにより少なくとも一部が溶融して、前記セラミックス粒子と共に前記基材上に堆積することを特徴とするクラッド層の製造方法が提供される。
Further, according to the present invention, Ni of 65 at% or more and 80 at% or less, Al of 4 at% or more and 15 at% or less, V of 4 at% or more and 15 at% or less , Nb of more than 0 at% and 8 at% or less, and Ni. , B (boron) of 10% by weight or more and 1000% by weight or less with respect to the total weight of Al, V and Nb , and an intermetallic compound alloy powder having a total alloy composition of 100% consisting of unavoidable impurities, and V, Nb. A carbide of one or more elements selected from the group consisting of and W, and ceramic particles having a particle size of 1 μm or more and 150 μm or less are injected onto the base material together with a carrier gas to emit heat source light to the base material. Including the step of forming a clad layer by irradiation,
The mixing ratio of the ceramic particles to the clad layer is 10 to 60% by volume.
Provided is a method for producing a clad layer, characterized in that at least a part of the intermetallic compound alloy powder is melted by receiving the heat source light and deposited on the substrate together with the ceramic particles.

本発明によれば、基材と、ニッケル基金属間化合物合金を炭化物等のセラミックス粒子の結合相として利用したセラミックス/金属間化合物複合クラッド層とを備えた、低コストで製造することができ、高温での優れた硬さ特性を有する金属部材およびこのようなクラッド層をレーザメタルデポジション法等により基材上に形成するクラッド層の製造方法を提供することができる。
すなわち、本発明によれば、これまで適用が困難であった大型部品の表面においても、室温から高温まで幅広い使用温度範囲において耐摩耗性に優れた部材を提供することができるので、本発明の金属部材は、高温で耐摩耗・強度・耐食・耐酸化性を必要とする製品部材として、自動車、航空機、エネルギー・発電、化学プラント、鉄鋼メーカー等の幅広い産業分野での活用が期待できる。
また、本発明では、クラッド層が高い高温硬さ及び高温耐摩耗性を発揮し、基材には鉄系など用いることができるので、比較的安価な金属部材を提供することができる。また、クラッド層を設けることにより、金属部材の補修や再生が可能になる。
According to the present invention, a base material and a ceramics / intermetallic compound composite clad layer using a nickel-based intermetallic compound alloy as a bonding phase of ceramic particles such as carbides can be produced at low cost. It is possible to provide a metal member having excellent hardness characteristics at a high temperature and a method for producing a clad layer in which such a clad layer is formed on a substrate by a laser metal deposition method or the like.
That is, according to the present invention, it is possible to provide a member having excellent wear resistance in a wide operating temperature range from room temperature to high temperature even on the surface of a large part which has been difficult to apply. Metal parts are expected to be used in a wide range of industrial fields such as automobiles, aircraft, energy / power generation, chemical plants, and steel makers as product parts that require wear resistance, strength, corrosion resistance, and oxidation resistance at high temperatures.
Further, in the present invention, the clad layer exhibits high high-temperature hardness and high-temperature wear resistance, and an iron-based material can be used as the base material, so that a relatively inexpensive metal member can be provided. Further, by providing the clad layer, the metal member can be repaired or regenerated.

本発明の金属部材は、少なくとも次のいずれか1つの要件を満足する場合に、上記の効果をさらに発揮する。
(1)セラミックス粒子が、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al及びYからなる群より選択される1種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、珪化物または硼化物を含む粒子である。
(2)セラミックス粒子が、マトリックスを構成する元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、珪化物または硼化物を含む粒子である。
(3)セラミックス粒子が、V、Nb及びWからからなる群より選択される1種以上の元素の炭化物である。
(4)セラミックス粒子が、1μm以上150μm以下の粒子径を有する。
(5)マトリックスが、初析L12相と、該L12相及びD022相の共析組織とからなる2重複相組織を有する。
(6)マトリックスが、800℃以上の温度での熱処理により、初析L12相と、該L12相及びD022相の共析組織とからなる2重複相組織、またはL12相及びD022相の共析組織を形成するような合金組成を有する。
(7)基材が、ステンレス鋼、合金工具鋼、一般構造用圧延鋼、機械構造用炭素鋼及び機械構造用合金鋼からなる群より選択される鉄系合金またはニッケル、コバルト及びチタン並びにそれらの合金からなる群より選択される非鉄系合金である。
The metal member of the present invention further exerts the above-mentioned effect when at least one of the following requirements is satisfied.
(1) Carbides, nitrides, carbonitrides of one or more elements selected from the group in which the ceramic particles are Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al and Y. Particles containing oxides, carbides or boronides.
(2) The ceramic particles are particles containing carbides, nitrides, carbonitrides, oxides, silicides or borides of the elements constituting the matrix.
(3) The ceramic particles are carbides of one or more elements selected from the group consisting of V, Nb and W.
(4) The ceramic particles have a particle size of 1 μm or more and 150 μm or less.
(5) The matrix has a two overlapping phase structure composed of an initial analysis L1 2 phase and an eutectoid structure of the L1 2 phase and the D0 22 phase.
(6) The matrix is heat-treated at a temperature of 800 ° C. or higher to form a two-overlapping phase structure composed of an initial analysis L1 2 phase and an eutectic structure of the L1 2 phase and the D0 22 phase, or an L1 2 phase and D0 22 . It has an alloy composition that forms an eutectoid structure of the phase.
(7) The base material is an iron-based alloy or nickel, cobalt and titanium selected from the group consisting of stainless steel, alloy tool steel, rolled steel for general structure, carbon steel for machine structure and alloy steel for machine structure, and theirs. It is a non-iron alloy selected from the group consisting of alloys.

また、本発明のクラッド層の製造方法は、少なくとも次のいずれか1つの要件を満足する場合に、上記の効果をさらに発揮する。
(8)クラッド層を形成する工程が、金属間化合物合金粉末及びセラミックス粒子をキャリアガスと共に基材に噴射しながら基材に熱源光を照射することを複数回重ねて多層のクラッド層を形成する工程である。
(9)クラッド層を800℃以上1320℃以下の温度で熱処理する工程をさらに含む。
Further, the method for producing a clad layer of the present invention further exerts the above-mentioned effect when at least one of the following requirements is satisfied.
(8) In the step of forming the clad layer, the base material is irradiated with heat source light a plurality of times while injecting the intermetallic compound alloy powder and the ceramic particles together with the carrier gas onto the base material to form a multilayer clad layer. It is a process.
(9) Further includes a step of heat-treating the clad layer at a temperature of 800 ° C. or higher and 1320 ° C. or lower.

本発明の一実施形態のクラッド層の製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the clad layer of one Embodiment of this invention. 本発明の金属部材のクラッド層の外観写真であるIt is an appearance photograph of the clad layer of the metal member of this invention. 本発明の熱処理前後の金属部材のクラッド層のマトリックスの断面(堆積領域)のSEM写真である。It is an SEM photograph of the cross section (deposition area) of the matrix of the clad layer of the metal member before and after the heat treatment of this invention. 本発明の金属部材WCの熱処理後のクラッド層のマトリックス部分についての各元素のEPMAマップである。It is an EPMA map of each element about the matrix part of the clad layer after the heat treatment of the metal member WC of this invention. 本発明の金属部材VCの熱処理後のクラッド層のマトリックス部分についての各元素のEPMAマップである。It is an EPMA map of each element about the matrix part of the clad layer after the heat treatment of the metal member VC of this invention. 本発明の金属部材NbCの熱処理後のクラッド層のマトリックス部分についての各元素のEPMAマップである。It is an EPMA map of each element about the matrix part of the clad layer after the heat treatment of the metal member NbC of this invention. 本発明の金属部材WC、金属部材VC及び金属部材NbCの熱処理前後のクラッド層のX線回折図である。It is an X-ray-diffraction diagram of the clad layer before and after the heat treatment of the metal member WC, the metal member VC and the metal member NbC of the present invention. 金属部材WC、金属部材VC及び金属部材NbCの熱処理前後のクラッド層の表面近傍のビッカース硬さ分布を示す図である。It is a figure which shows the Vickers hardness distribution in the vicinity of the surface of the clad layer before and after the heat treatment of a metal member WC, a metal member VC and a metal member NbC.

(1)金属部材
本発明の金属部材は、基材と、該基材を被覆するクラッド層とを備え、
前記クラッド層が、金属間化合物合金からなるマトリックスと、該マトリックス中に分散されたセラミックス粒子とから構成され、
前記マトリックスが、65at%以上80at%以下のNiと、4at%以上15at%以下のAlと、4at%以上15at%以下のVと、0at%以上8at%以下の、Nb、Ta、Mo、Co、Cr、Si、W及びTiからなる群より選択される1種以上の第4元素と、Ni、Al、V及び第4元素の合計重量に対して10重量ppm以上1000重量ppm以下のB(ホウ素)と、不可避不純物と、0at%以上10at%以下の、前記基材からの混入不純物と、0at%以上5at%以下の、前記セラミックス粒子からの混入不純物とからなる合計100%の合金組成を有する金属間化合物合金(「ニッケル基金属間化合物合金」ともいう)であることを特徴とする。
ここで、「ニッケル基」とは、金属間化合物合金に含有されるそれぞれの元素の中でニッケルの量が最も多いことを意味し、その含有量は、少なくとも50at%以上であり、本発明においては、好ましくは65at%以上である。
(1) Metal member The metal member of the present invention comprises a base material and a clad layer covering the base material.
The clad layer is composed of a matrix made of an intermetallic compound alloy and ceramic particles dispersed in the matrix.
The matrix is 65 at% or more and 80 at% or less of Ni, 4 at% or more and 15 at% or less of Al, 4 at% or more and 15 at% or less of V, and 0 at% or more and 8 at% or less of Nb, Ta, Mo, Co. B (boron) of 10% by weight or more and 1000% by weight or less with respect to the total weight of one or more fourth elements selected from the group consisting of Cr, Si, W and Ti, and Ni, Al, V and the fourth element. ), Inevitable impurities, 0 at% or more and 10 at% or less of the mixed impurities from the base material, and 0 at% or more and 5 at% or less of the mixed impurities from the ceramic particles, and having a total alloy composition of 100%. It is characterized by being a metal-to-metal compound alloy (also referred to as a "nickel-based metal-to-metal compound alloy").
Here, the "nickel group" means that the amount of nickel is the largest among the elements contained in the intermetallic compound alloy, and the content thereof is at least 50 at% or more, and in the present invention. Is preferably 65 at% or more.

[クラッド層]
クラッド層は、金属間化合物合金からなるマトリックスと、該マトリックス中に分散されたセラミックス粒子とから構成される。
クラッド層の厚さは、特に限定されず、その目的や用途に応じて適宜設定すればよい。
例えば、0.8mm以上5mm以下とすることができ、また1mm以上4mm以下とすることもでき、5mm以上にしてもよい。
クラッド層は、複数回重ねて形成された多層構造であってもよい。その形成方法については、製造方法において説明する。
[Clad layer]
The clad layer is composed of a matrix made of an intermetallic compound alloy and ceramic particles dispersed in the matrix.
The thickness of the clad layer is not particularly limited and may be appropriately set according to the purpose and application thereof.
For example, it can be 0.8 mm or more and 5 mm or less, 1 mm or more and 4 mm or less, and 5 mm or more.
The clad layer may have a multi-layer structure formed by stacking a plurality of times. The forming method will be described in the manufacturing method.

[マトリックス]
マトリックスは、65at%以上80at%以下のNiと、4at%以上15at%以下のAlと、4at%以上15at%以下のVと、0at%以上8at%以下の、Nb、Ta、Mo、Co、Cr、Si、W及びTiからなる群より選択される1種以上の第4元素と、Ni、Al、V及び第4元素の合計重量に対して10重量ppm以上1000重量ppm以下のB(ホウ素)と、不可避不純物と、0at%以上10at%以下の、前記基材からの混入不純物と、0at%以上5at%以下の、前記セラミックス粒子からの混入不純物とからなる合計100%の合金組成を有する金属間化合物合金である。
[matrix]
The matrix consists of Ni of 65 at% or more and 80 at% or less, Al of 4 at% or more and 15 at% or less, V of 4 at% or more and 15 at% or less, and Nb, Ta, Mo, Co, Cr of 0 at% or more and 8 at% or less. B (boron) of 10% by weight or more and 1000% by weight or less with respect to the total weight of one or more fourth elements selected from the group consisting of Si, W and Ti, and Ni, Al, V and the fourth element. A metal having a total alloy composition of 0 at% or more and 10 at% or less, mixed impurities from the base material, and 0 at% or more and 5 at% or less, mixed impurities from the ceramic particles. It is an intermetallic alloy.

合金組成におけるNi含有量は、65at%以上80at%以下である。
Ni含有量が65at%未満では、Ni3AlやNi3V等の3:1組成の金属間化合物相が形成されないことがある。一方、Ni含有量が80at%を超えると、Ni固溶体相となることがある。
より具体的には、Ni含有量(at%)は、65、65.5、66、66.5、67、67.5、68、68.5、69、69.5、70、70.5、71、71.5、72、72.5、73、73.5、74、74.5、75、75.5、76、76.5、77、77.5、78、78.5、79、79.5、80のいずれか2つの数値の間の範囲であってもよく、好ましくは67at%以上77at%以下である。
The Ni content in the alloy composition is 65 at% or more and 80 at% or less.
If the Ni content is less than 65 at%, an intermetallic compound phase having a 3: 1 composition such as Ni 3 Al or Ni 3 V may not be formed. On the other hand, if the Ni content exceeds 80 at%, a Ni solid solution phase may be formed.
More specifically, the Ni content (at%) is 65, 65.5, 66, 66.5, 67, 67.5, 68, 68.5, 69, 69.5, 70, 70.5. , 71, 71.5, 72, 72.5, 73, 73.5, 74, 74.5, 75, 75.5, 76, 76.5, 77, 77.5, 78, 78.5, 79 , 79.5, 80 may be in the range between any two numerical values, preferably 67 at% or more and 77 at% or less.

合金組成におけるAl(アルミニウム)含有量は、4at%以上15at%以下である。
Al含有量が4at%未満では、Ni3Al相が形成されないことがある。一方、Al含有量が15at%を超えると、Ni5Al3などの脆い金属間化合物相が出現することがある。
より具体的には、Al含有量(at%)は、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5、14、14.5、15のいずれか2つの数値の間の範囲であってもよく、好ましくは5at%以上10at%以下である。
The Al (aluminum) content in the alloy composition is 4 at% or more and 15 at% or less.
If the Al content is less than 4 at%, the Ni 3 Al phase may not be formed. On the other hand, when the Al content exceeds 15 at%, a brittle intermetallic compound phase such as Ni 5 Al 3 may appear.
More specifically, the Al content (at%) is 4,4.5,5,5.5,6,6.5,7,7.5,8,8.5,9,9.5. It may be in the range of any two numerical values of 10, 10.5, 11, 11.5, 12, 12.5, 13, 13.5, 14, 14.5, 15 and is preferable. It is 5 at% or more and 10 at% or less.

合金組成におけるV(バナジウム)含有量は、4at%以上15at%以下である。
V含有量が4at%未満では、Ni3V相が形成されないことがある。一方、V含有量が15at%を超えると、耐酸化性が低下することがある。
より具体的には、V含有量(at%)は、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5、14、14.5、15のいずれか2つの数値の間の範囲であってもよく、好ましくは7at%以上14at%以下である。
The V (vanadium) content in the alloy composition is 4 at% or more and 15 at% or less.
If the V content is less than 4 at%, the Ni 3 V phase may not be formed. On the other hand, if the V content exceeds 15 at%, the oxidation resistance may decrease.
More specifically, the V content (at%) is 4, 4.5, 5, 5.5, 6, 6.5, 7, 7.5, 8, 8.5, 9, 9.5. It may be in the range of any two numerical values of 10, 10.5, 11, 11.5, 12, 12.5, 13, 13.5, 14, 14.5, 15 and is preferable. It is 7 at% or more and 14 at% or less.

合金組成における第4元素の含有量は、0at%以上8at%以下である。すなわち、第4元素は任意成分であって含有しなくてもよく、また8at%以下の量を含有してもよい第4元素の含有量が8at%を超えると、Ni3Al、Ni3V以外の金属間化合物相が形成されることがある。
より具体的には、第4元素の含有量(at%)は、0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8のいずれか2つの数値の間の範囲であってもよく、好ましくは0at%以上6at%以下である。
The content of the fourth element in the alloy composition is 0 at% or more and 8 at% or less. That is, the fourth element is an optional component and does not have to be contained, and may contain an amount of 8 at% or less. When the content of the fourth element exceeds 8 at%, Ni 3 Al, Ni 3 V Intermetallic compound phases other than the above may be formed.
More specifically, the content (at%) of the fourth element is 0, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, It may be in the range between any two numerical values of 5.5, 6, 6.5, 7, 7.5, and 8, and is preferably 0 at% or more and 6 at% or less.

合金組成におけるB(ホウ素)含有量は、Ni、Al、V及び第4元素の合計重量に対して10重量ppm以上1000重量ppm以下である。
B含有量が10重量ppm未満では、粒界割れ抑制の効果が得られないことがある。一方、B含有量が1000重量ppmを超えると、低融点相が形成されることがある。
より具体的には、B含有量(重量ppm)は、10、20、30、40、50、70、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000重量ppmのいずれか2つの数値の間の範囲であってもよく、好ましくは20重量ppm以上500重量ppm以下である。
The B (boron) content in the alloy composition is 10% by weight or more and 1000% by weight or less with respect to the total weight of Ni, Al, V and the fourth element.
If the B content is less than 10 wt ppm, the effect of suppressing grain boundary cracking may not be obtained. On the other hand, if the B content exceeds 1000 wt ppm, a low melting point phase may be formed.
More specifically, the B content (weight ppm) is any of 10, 20, 30, 40, 50, 70, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, and 1000 weight ppm. It may be in the range between the two numerical values, and is preferably 20% by weight or more and 500% by weight or less.

第4元素は、Nb、Ta、Mo、Co、Cr、Si、W及びTiからなる群より選択される1種以上であり、これらの中でも、強度向上効果の点でNbが好ましく、硬さ向上効果の点でWが好ましい。
Nb(ニオブ)の強度向上効果は、その含有量が5at%まではニオブの増加と共に増加し、5at%を超えるとその効果が飽和し、Ni3Nb相などの金属間化合物相の粗大化や多出現が考えられことから、ニオブの含有量は5at%以下(含有しない場合も含む)が好ましい。
また、W(タングステン)の硬さ向上効果は、その含有量が0.5at%未満では限定的であり、8at%を超えるとその効果が飽和する場合があると考えられることから、タングステンの含有量は0.5at%以上8at%以下が好ましい。
The fourth element is one or more selected from the group consisting of Nb, Ta, Mo, Co, Cr, Si, W and Ti. Among these, Nb is preferable in terms of strength improving effect, and hardness is improved. W is preferable in terms of effect.
The effect of improving the strength of Nb (niobium) increases with the increase of niobium up to 5 at%, and the effect saturates when the content exceeds 5 at%, resulting in coarsening of intermetallic compound phases such as Ni 3 Nb phase. Since multiple appearances are considered, the content of niobium is preferably 5 at% or less (including cases where it is not contained).
Further, the hardness improving effect of W (tungsten) is limited when the content is less than 0.5 at%, and it is considered that the effect may be saturated when the content exceeds 8 at%. Therefore, the content of tungsten is considered to be saturated. The amount is preferably 0.5 at% or more and 8 at% or less.

Ta(タンタル)は、固溶強化(硬化)に有効な元素であると考えられる。その効果は、タンタルの含有量が0.5at%未満では限定的であり、8at%を超えるとその効果が飽和する場合があると考えられることから、タンタルの含有量は0.5at%以上8at%以下が好ましい。 Ta (tantalum) is considered to be an effective element for solid solution strengthening (hardening). The effect is limited when the tantalum content is less than 0.5 at%, and it is considered that the effect may be saturated when the tantalum content exceeds 8 at%. Therefore, the tantalum content is 0.5 at% or more and 8 at. % Or less is preferable.

Mo(モリブデン)は、固溶強化(硬化)と析出強化(硬化)に有効な元素であると考えられる。その効果は、モリブデンの含有量が0.5at%未満では限定的であり、5at%を超えるとその効果が飽和する場合があると考えられることから、モリブデンの含有量は1at%以上5at%以下が好ましい。 Mo (molybdenum) is considered to be an effective element for solid solution strengthening (hardening) and precipitation strengthening (hardening). The effect is limited when the molybdenum content is less than 0.5 at%, and it is considered that the effect may be saturated when the molybdenum content exceeds 5 at%. Therefore, the molybdenum content is 1 at% or more and 5 at% or less. Is preferable.

Co(コバルト)は、耐酸化性向上効果を有すると考えられる。その効果は、コバルト含有量が6at%まではコバルトの増加と共に顕著となり、6at%を超えると飽和する場合があると考えられることから、コバルトの含有量は0.5at%以上6at%以下が好ましい。
Cr(クロム)は、耐酸化性向上と軽量化(低密度化)という効果を有すると考えられる。その効果は、クロム含有量が7at%まではクロム含有量の増加と共に顕著となり、7at%を超えるとその効果が飽和する場合があると考えられることから、クロムの含有量は0.5at%以上7at%以下が好ましい。
Co (cobalt) is considered to have an effect of improving oxidation resistance. The effect becomes remarkable as the cobalt content increases up to 6 at%, and it is considered that the cobalt content may be saturated when it exceeds 6 at%. Therefore, the cobalt content is preferably 0.5 at% or more and 6 at% or less. ..
Cr (chromium) is considered to have the effects of improving oxidation resistance and reducing the weight (reducing the density). The effect becomes remarkable as the chromium content increases up to 7 at%, and it is considered that the effect may be saturated when the chromium content exceeds 7 at%. Therefore, the chromium content is 0.5 at% or more. 7 at% or less is preferable.

Si(ケイ素)は、固溶強化(硬化)、軽量化(低密度化)、耐酸化性向上に有効な元素であると考えられる。その効果は、ケイ素含有量が0.1at%未満では限定的であり、3at%を超えるとその効果が飽和する場合があると考えられることから、ケイ素含有量は0.1at%以上3at%以下が好ましい。
Ti(チタン)は、強度向上効果を有すると考えられる。その効果は、チタン含有量が5at%まではチタン含有量の増加と共に顕著となり、5at%を超えるとその効果が飽和する場合があると考えられることから、チタン含有量は0at%以上5at%以下が好ましい。
Si (silicon) is considered to be an element effective for solid solution strengthening (hardening), weight reduction (low density), and improvement of oxidation resistance. The effect is limited when the silicon content is less than 0.1 at%, and it is considered that the effect may be saturated when the silicon content exceeds 3 at%. Therefore, the silicon content is 0.1 at% or more and 3 at% or less. Is preferable.
Ti (titanium) is considered to have an effect of improving strength. The effect becomes remarkable as the titanium content increases up to 5 at%, and it is considered that the effect may be saturated when the titanium content exceeds 5 at%. Therefore, the titanium content is 0 at% or more and 5 at% or less. Is preferable.

不可避不純物は、金属間化合物合金に不可避的に含まれる不純物であり、金属間化合物合金の製造に用いる材料に不可避的に含まれる不純物が含まれる。
基材からの混入不純物は、クラッド層の製造中に基材から金属間化合物合金に混入する不純物であり、その含有量は、0at%以上10at%以下である。
基材からの混入不純物の含有量が10at%を超えると、金属間化合物合金の物性に悪影響を与えることがあり、0at%である(含有しない)ことが好ましいが、製造工程において混入を避けることは難しく、その含有量は6at%以下であることが好ましい。
セラミックス粒子からの混入不純物は、クラッド層の製造中にセラミックス粒子から金属間化合物合金に混入する不純物であり、その含有量は、0at%以上5at%以下である。
セラミックス粒子からの混入不純物の含有量が5at%を超えると、金属間化合物合金の物性に悪影響を与えることがあり、0at%である(含有しない)ことが好ましいが、製造工程において混入を避けることは難しく、その含有量は4at%以下であることが好ましい。
The unavoidable impurities are impurities inevitably contained in the intermetallic compound alloy, and include impurities inevitably contained in the material used for producing the intermetallic compound alloy.
The impurities mixed from the base material are impurities mixed from the base material into the intermetallic compound alloy during the production of the clad layer, and the content thereof is 0 at% or more and 10 at% or less.
If the content of impurities mixed from the base material exceeds 10 at%, it may adversely affect the physical properties of the intermetallic compound alloy, and it is preferably 0 at% (not contained), but avoid mixing in the manufacturing process. Is difficult, and its content is preferably 6 at% or less.
The impurities mixed from the ceramic particles are impurities mixed from the ceramic particles into the intermetallic compound alloy during the production of the clad layer, and the content thereof is 0 at% or more and 5 at% or less.
If the content of impurities mixed from the ceramic particles exceeds 5 at%, it may adversely affect the physical properties of the intermetallic compound alloy, and it is preferably 0 at% (not contained), but avoid mixing in the manufacturing process. Is difficult, and its content is preferably 4 at% or less.

マトリックスは、初析L12相と、該L12相及びD022相の共析組織とからなる2重複相組織、すなわちNi3AlとNi3Vとを含んでなる2重複相組織、またはL12相及びD022相の共析組織を有していてもよい。
後述するLMD法により形成された金属間化合物合金のクラッド層は、通常、上記の2重複相組織の微細構造を有さない、所謂、2重複相組織の前駆体である。このような前駆体を後述する熱処理に付すことにより、2重複相組織の微細構造を有する金属間化合物合金のクラッド層を形成することができる。
すなわち、マトリックスは、800℃以上の温度での熱処理により、初析L12相と、該L12相及びD022相の共析組織とからなる2重複相組織、または、L12相及びD022相の共析組織を形成するような合金組成を有していてもよい。
The matrix is a two-overlapping phase structure consisting of an eutectoid L1 2 phase and an eutectoid structure of the L1 2 phase and a D0 22 phase, that is, a two-overlapping phase structure containing Ni 3 Al and Ni 3 V, or L1. It may have a two -phase and D022 phase eutectoid structure.
The clad layer of the intermetallic compound alloy formed by the LMD method described later is usually a precursor of the so-called two-overlapping phase structure, which does not have the fine structure of the above-mentioned two-overlapping phase structure. By subjecting such a precursor to a heat treatment described later, a clad layer of an intermetallic compound alloy having a fine structure having a two-overlapping phase structure can be formed.
That is, the matrix is formed by heat treatment at a temperature of 800 ° C. or higher to form a two-overlapping phase structure composed of an initial analysis L1 2 phase and an eutectic structure of the L1 2 phase and the D0 22 phase, or an L1 2 phase and D0 22 . It may have an alloy composition that forms an eutectoid structure of the phase.

[セラミックス粒子]
セラミックス粒子(「硬質粒子」ともいう)は、クラッド層を構成するマトリックス中に分散され、金属部材のクラッド層の強度(硬度)の向上に寄与する。
従来の溶解鋳造法等では,セラミックス粒子を金属・合金中に均一に分散させることは困難であったが、本発明では、後述するようなLMD法を用いていることから、マトリクスである金属間化合物合金中にセラミックス粒子を均質に分散させることができる。
セラミックス粒子としては、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al及びYからなる群より選択される1種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、珪化物または硼化物を含む粒子が挙げられる。これらの中でも、マトリクスの合金組成中に、侵入型元素の炭素または窒素を供給できるという観点では、炭化物、窒化物および炭窒化物が好ましい。
[Ceramic particles]
The ceramic particles (also referred to as "hard particles") are dispersed in the matrix constituting the clad layer, and contribute to the improvement of the strength (hardness) of the clad layer of the metal member.
It was difficult to uniformly disperse the ceramic particles in the metal / alloy by the conventional melt casting method or the like, but in the present invention, since the LMD method as described later is used, the intermetallic matrix is used. Ceramic particles can be uniformly dispersed in the compound alloy.
The ceramic particles include carbides, nitrides, carbonitrides, and oxides of one or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, and Y. , Carbide or boron containing boron. Among these, carbides, nitrides and carbonitrides are preferable from the viewpoint of being able to supply carbon or nitrogen as an entertaining element into the alloy composition of the matrix.

また、マトリックスの金属間化合物合金に含まれている元素の炭化物などをセラミックス粒子として選択することで、セラミックス粒子の成分がマトリックスに混入しても金属間化合物相の合金特性を低下させることがないことから、セラミックス粒子が、マトリックスを構成する元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、珪化物または硼化物を含む粒子であるのが好ましく、V、Nb及びWからからなる群より選択される1種以上の元素の炭化物であるのが好ましい Further, by selecting the carbides of the elements contained in the metal-to-metal compound alloy of the matrix as the ceramic particles, the alloy characteristics of the metal-to-metal compound phase are not deteriorated even if the components of the ceramic particles are mixed in the matrix. Therefore, it is preferable that the ceramic particles are particles containing carbides, nitrides, carbonitrides, oxides, siliceous compounds or borohydrides of the elements constituting the matrix, and are selected from the group consisting of V, Nb and W. It is preferably a carbide of one or more elements to be formed.

セラミックス粒子は、1μm以上150μm以下の粒子径を有するのが好ましい。
クラッド層に含まれるセラミックス粒子は、製造工程の熱履歴に伴う溶解や再晶出等によりその粒径が後述する原料粒子よりも小さくなることがある。
セラミックス粒子の粒子径が1μm未満では、摩耗を受けた際にマトリックスと共にセラミックス粒子が脱落し、耐摩耗性の向上に寄与しないことがある。一方、150μmを超えるとクラッド層の靭性が大きく低下することがある。
セラミックス粒子の粒子径は、公知の方法、例えば、光学顕微鏡や電子顕微鏡によるクラッド層の断面画像の解析結果から測定することができる。
The ceramic particles preferably have a particle size of 1 μm or more and 150 μm or less.
The particle size of the ceramic particles contained in the clad layer may be smaller than that of the raw material particles described later due to dissolution, recrystallization, etc. associated with the thermal history of the manufacturing process.
If the particle size of the ceramic particles is less than 1 μm, the ceramic particles may fall off together with the matrix when worn, which may not contribute to the improvement of wear resistance. On the other hand, if it exceeds 150 μm, the toughness of the clad layer may be significantly reduced.
The particle size of the ceramic particles can be measured by a known method, for example, from the analysis result of the cross-sectional image of the clad layer by an optical microscope or an electron microscope.

[マトリックス(金属間化合物合金)とセラミック粒子との配合比]
金属間化合物合金とセラミック粒子との配合比は、得ようとする金属部材の特性に合わせて適宜設定すればよい。
例えば、クラッド層(すなわち、金属間化合物合金とセラミック粒子との合計)に対して、セラミック粒子が10~60体積%である。
セラミック粒子がクラッド層に対して10体積%未満では、クラッド層の十分な強化効果が得られないことがある。一方、セラミック粒子がクラッド層に対して60体積%を超えると、クラッド層の形状が不安定になり,剥離や割れを生じることがある。
[Mixing ratio of matrix (intermetallic compound alloy) and ceramic particles]
The compounding ratio of the intermetallic compound alloy and the ceramic particles may be appropriately set according to the characteristics of the metal member to be obtained.
For example, the ceramic particles are 10 to 60% by volume with respect to the clad layer (that is, the total of the intermetallic compound alloy and the ceramic particles).
If the ceramic particles are less than 10% by volume with respect to the clad layer, a sufficient strengthening effect of the clad layer may not be obtained. On the other hand, if the ceramic particles exceed 60% by volume with respect to the clad layer, the shape of the clad layer becomes unstable, and peeling or cracking may occur.

[基材]
基材は、クラッド層により被覆(コーティング)される対象部材であり、例えば、鉄系合金などで形成された部材が挙げられる。一般に鉄系合金などは、高温になると強度・硬さが極端に低下するが、クラッド層により被覆されることにより、クラッド層が高温での摩耗から基材を保護するので、高温における耐摩耗性、強度、耐食性、耐酸化性に優れた金属部材を提供することができる。
基材としては、クラッド層と組み合わせて本発明の効果を発揮し得る金属材料であれば特に限定されず、例えば、ステンレス鋼(例えば、JIS G4315:2013)、合金工具鋼(例えば、JIS G4404:2006)、一般構造用圧延鋼(例えば、JIS G3101:2015)、機械構造用炭素鋼(例えば、JIS G4051:2009)及び機械構造用合金鋼(例えば、JIS G4053:2008)からなる群より選択される鉄系合金またはニッケル、コバルト及びチタン並びにそれらの合金からなる群より選択される非鉄系合金が挙げられる。
より具体的には、実施例において用いている、オーステナイト系冷間圧造用ステンレス鋼(SUS304)及び機械構造用合金鋼の熱間金型用合金工具鋼(SKD61)が挙げられる。
[Base material]
The base material is a target member coated by a clad layer, and examples thereof include a member formed of an iron-based alloy or the like. In general, iron-based alloys and the like have extremely low strength and hardness at high temperatures, but by being coated with a clad layer, the clad layer protects the base material from wear at high temperatures, so that it has abrasion resistance at high temperatures. , It is possible to provide a metal member having excellent strength, corrosion resistance and oxidation resistance.
The base material is not particularly limited as long as it is a metal material that can exert the effect of the present invention in combination with the clad layer, and is, for example, stainless steel (for example, JIS G4315: 2013), alloy tool steel (for example, JIS G4404:). 2006), selected from the group consisting of general structural rolled steel (eg JIS G3101: 2015), mechanical structural carbon steel (eg JIS G4051: 2009) and mechanical structural alloy steel (eg JIS G4053: 2008). Examples thereof include iron-based alloys or non-iron-based alloys selected from the group consisting of nickel, cobalt and titanium and their alloys.
More specifically, examples thereof include austenite-based cold heading stainless steel (SUS304) and alloy tool steel for hot dies of alloy steel for machine structure (SKD61), which are used in Examples.

[金属部材の用途]
本発明は、例えば従来、タングステンカーバイト・コバルト(WC-Co)のような、超硬合金が用いられていた用途において、より高い高温強度(硬さ)を有する合金(金属部材)を提供することができる。
また、本発明は、例えば従来、ダイス鋼、WC-Co系超硬合金、インコネルのような、工具用材料・耐熱材料が用いられていた用途において、より高い耐酸化性および耐食性を有する合金(金属部材)を提供することができる。
[Use of metal parts]
The present invention provides an alloy (metal member) having higher high temperature strength (hardness) in applications where cemented carbide has been conventionally used, for example, tungsten carbide cobalt (WC-Co). be able to.
Further, the present invention has an alloy having higher oxidation resistance and corrosion resistance in applications in which tool materials and heat-resistant materials such as die steel, WC-Co cemented carbide, and Inconel have been conventionally used. Metal members) can be provided.

(2)クラッド層の製造方法
本発明のクラッド層の製造方法は、65at%以上80at%以下のNiと、4at%以上15at%以下のAlと、4at%以上15at%以下のVと、0at%以上8at%以下の、Nb、Ta、Mo、Co、Cr、Si、W及びTiからなる群より選択される1種以上の第4元素と、Ni、Al、V及び第4元素の合計重量に対して10重量ppm以上1000重量ppm以下のB(ホウ素)と、不可避不純物とからなる合計100%の合金組成を有する金属間化合物合金粉末と、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al及びYからなる群より選択される1種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、珪化物または硼化物を含むセラミックス粒子とを、キャリアガスと共に基材に噴射しながら基材に熱源光を照射することによりクラッド層を形成する工程を含み、
前記金属間化合物合金粉末が、前記熱源光を受光することにより少なくとも一部が溶融して、前記セラミックス粒子と共に前記基材上に堆積することを特徴とする。
(2) Method for producing clad layer The method for producing a clad layer of the present invention includes Ni of 65 at% or more and 80 at% or less, Al of 4 at% or more and 15 at% or less, V of 4 at% or more and 15 at% or less, and 0 at%. The total weight of one or more 4th elements selected from the group consisting of Nb, Ta, Mo, Co, Cr, Si, W and Ti, which is 8 at% or less, and Ni, Al, V and the 4th element. On the other hand, an intermetallic compound alloy powder having a total alloy composition of B (boron) of 10% by weight or more and 1000% by weight or less and unavoidable impurities, and Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr. , Mo, W, Al and Y with a carrier gas and a substrate containing carbides, nitrides, carbonitrides, oxides, silices or boronic substances of one or more elements selected from the group. Including the step of forming a clad layer by irradiating the base material with heat source light while spraying on the base material.
The intermetallic compound alloy powder is characterized in that at least a part thereof is melted by receiving the heat source light and deposited on the base material together with the ceramic particles.

[金属間化合物合金粉末]
本発明の製造方法に用いる金属間化合物合金粉末は、65at%以上80at%以下のNiと、4at%以上15at%以下のAlと、4at%以上15at%以下のVと、0at%以上8at%以下の、Nb、Ta、Mo、Co、Cr、Si、W及びTiからなる群より選択される1種以上の第4元素と、Ni、Al、V及び第4元素の合計重量に対して10重量ppm以上1000重量ppm以下のB(ホウ素)と、不可避不純物とからなる。このような粉末は、例えば、アトマイズ法により製造することができる。また、金属間化合物合金粉末の平均粒径は、125μm以下であってもよい。
[Intermetallic compound alloy powder]
The intermetallic compound alloy powder used in the production method of the present invention includes Ni of 65 at% or more and 80 at% or less, Al of 4 at% or more and 15 at% or less, V of 4 at% or more and 15 at% or less, and 0 at% or more and 8 at% or less. 10 weight with respect to the total weight of one or more fourth elements selected from the group consisting of Nb, Ta, Mo, Co, Cr, Si, W and Ti, and Ni, Al, V and the fourth element. It consists of B (boron) of ppm or more and 1000% by weight or less, and unavoidable impurities. Such a powder can be produced, for example, by an atomizing method. Further, the average particle size of the intermetallic compound alloy powder may be 125 μm or less.

金属間化合物合金粉末は、例えば、ニッケル粉末、アルミニウム粉末、バナジウム粉末、ニオブ粉末およびボロン粉末等の元素粉末を原料粉末とする所定の組成を有する溶湯(溶融合金)をアトマイズする等により得た合金粉末であってよい。さらには、元素粉末と合金粉末とを混合した混合粉末であってもよい。
これらの中でも、より確実に金属間化合物合金が得られると共に、得られた複合材料の硬さを溶製材と同等レベルまで高くすることができることから、アトマイズ粉末が好ましい。
The intermetallic compound alloy powder is an alloy obtained by atomizing a molten metal (molten alloy) having a predetermined composition using elemental powders such as nickel powder, aluminum powder, vanadium powder, niobium powder and boron powder as raw material powders. It may be a powder. Further, it may be a mixed powder in which an elemental powder and an alloy powder are mixed.
Among these, atomized powder is preferable because an intermetallic compound alloy can be obtained more reliably and the hardness of the obtained composite material can be increased to the same level as that of a molten material.

[セラミックス粒子]
本発明の製造方法に用いるセラミックス粒子としては、前述のセラミックス粒子が挙げられる。
クラッド層の製造においては、セラミックス粒子を、金属間化合物合金粉末と共に基材に噴射する。これらを別々に噴射してもよいが、予めセラミックス粒子と金属間化合物合金粉末とを混合粉末を噴射してもよい。
[Ceramic particles]
Examples of the ceramic particles used in the production method of the present invention include the above-mentioned ceramic particles.
In the production of the clad layer, the ceramic particles are sprayed onto the substrate together with the intermetallic compound alloy powder. These may be jetted separately, or a mixed powder of ceramic particles and an intermetallic compound alloy powder may be jetted in advance.

本発明の製造方法に用いるセラミックス粒子(原料粒子)は、20μm以上150μm以下の粒子径を有するのが好ましい。
原料粒子の粒子径が20μm未満では、製造工程において粉末が凝集し流動性が低下することによりレーザ光等の熱源光照射部への供給が不安定になることがある。一方、150μmを超えると粉末噴射ノズルが目詰まりを起こすことがある。
セラミックス粒子の粒子径は、公知の方法、例えば、フィッシャーサブシーブサイザーによる方法により測定することができる。
The ceramic particles (raw material particles) used in the production method of the present invention preferably have a particle size of 20 μm or more and 150 μm or less.
If the particle size of the raw material particles is less than 20 μm, the powder may aggregate in the manufacturing process and the fluidity may decrease, resulting in unstable supply of laser light or the like to the heat source light irradiation unit. On the other hand, if it exceeds 150 μm, the powder injection nozzle may be clogged.
The particle size of the ceramic particles can be measured by a known method, for example, a method using a Fisher subsieving sizer.

[クラッド層の製造]
以下、図面を用いて本発明のクラッド層の製造方法について説明する。図面や以下の記述中で示す構成は例示であり、これらにより本発明の範囲は限定されない。
合金粉末の溶融のための熱源光(エネルギー源)としては、特に限定されないが、レーザ光、アーク光(TIG、MIGなど)などが挙げられ、ここでは、レーザ光を使用する例について説明する。
図1は、本発明の一実施形態のクラッド層の製造方法の説明図である。
この製造方法は、レーザメタルデポジション(LMD)装置11を用いた方法である。
具体的には、噴射ノズル5から金属間化合物合金粉末6とセラミックス粒子7とを、キャリアガスと共に基材2に噴射しながら、基材2に光学レンズ9を介してレーザ光8を照射し、噴射ノズル5を噴射ノズル移動方向10に移動させることにより、クラッド層3を形成し、基材2とそれを被覆するクラッド層3とを備えた金属部材1を得る。
[Manufacturing of clad layer]
Hereinafter, the method for producing the clad layer of the present invention will be described with reference to the drawings. The configurations shown in the drawings and the following description are exemplary and do not limit the scope of the invention.
The heat source light (energy source) for melting the alloy powder is not particularly limited, and examples thereof include laser light and arc light (TIG, MIG, etc.). Here, an example using laser light will be described.
FIG. 1 is an explanatory diagram of a method for manufacturing a clad layer according to an embodiment of the present invention.
This manufacturing method is a method using a laser metal deposition (LMD) device 11.
Specifically, while injecting the metal-metal compound alloy powder 6 and the ceramic particles 7 from the injection nozzle 5 onto the base material 2 together with the carrier gas, the base material 2 is irradiated with the laser beam 8 via the optical lens 9. By moving the injection nozzle 5 in the injection nozzle moving direction 10, a clad layer 3 is formed, and a metal member 1 having a base material 2 and a clad layer 3 covering the base material 2 is obtained.

すなわち、噴射ノズル移動方向10に一定速度で移動する噴射ノズル5の中心部から基材2に向けてレーザ光8が照射され、その照射ポイントに向けて金属間化合物合金粉末6とセラミックス粒子7がキャリアガスと共に噴射され、レーザ光8を受光した金属間化合物合金粉末6が溶融して殆ど溶融しないセラミックス粒子7を分散した溶融プール4を基材2上に形成する。形成された溶融プール4が噴射ノズル7の移動に伴って急冷され、固化してクラッド層3を形成する。 That is, the laser beam 8 is irradiated toward the base material 2 from the center of the injection nozzle 5 that moves at a constant speed in the injection nozzle moving direction 10, and the intermetallic compound alloy powder 6 and the ceramic particles 7 are directed toward the irradiation point. A molten pool 4 is formed on the base material 2 in which the intermetallic compound alloy powder 6 which is injected together with the carrier gas and receives the laser beam 8 is melted and the ceramic particles 7 which are hardly melted are dispersed. The formed molten pool 4 is rapidly cooled as the injection nozzle 7 moves, and solidifies to form the clad layer 3.

キャリアガスは、金属間化合物合金粉末及びセラミックス粒子の搬送媒体(ガス)として機能するだけでなく、原料成分及び形成されたクラッド層の大気による酸化を抑制するシールドガスとしても機能する。このことから、キャリアガスとしては、アルゴン(Ar)ガス、窒素(N)ガスなどの不活性ガスを用いることができる。 The carrier gas not only functions as a transport medium (gas) for the intermetallic compound alloy powder and ceramic particles, but also functions as a shield gas that suppresses oxidation of the raw material components and the formed clad layer by the atmosphere. Therefore, as the carrier gas, an inert gas such as argon (Ar) gas or nitrogen (N) gas can be used.

金属間化合物合金粉末及びセラミックス粒子の供給速度、レーザ出力などのクラッド層3の形成条件は、使用する装置の仕様、得ようとするクラッド層の物性、すなわち用いる原料成分などにより適宜設定すればよい。レーザ出力が低過ぎると、原料成分の溶融が不十分になるが、逆にレーザ出力が高過ぎるとクラッド層に基材成分が混入して、基材成分が実質的に混入していない堆積領域が得られず、クラッド層の所望の物性が得られないおそれがある。
基材とクラッド層との界面には、両者の構成成分が混入し合った希釈領域が形成されるのが好ましい。すなわち、希釈領域は、クラッド層側から基材側に近づくほど基材成分の濃度が高くなり、基材側からクラッド層側に近づくほど金属間化合物合金の成分の濃度が高くなる領域である。この希釈領域は、基材とクラッド層との接合を強固にし、金属部材に耐剥離性を付与する。
The conditions for forming the clad layer 3 such as the supply speed of the intermetallic compound alloy powder and the ceramic particles and the laser output may be appropriately set according to the specifications of the apparatus to be used, the physical characteristics of the clad layer to be obtained, that is, the raw material components to be used, and the like. .. If the laser output is too low, the raw material components will not melt sufficiently, but if the laser output is too high, the base material components will be mixed in the clad layer, and the deposition area where the base material components are not substantially mixed. May not be obtained and the desired physical properties of the clad layer may not be obtained.
It is preferable that a diluted region in which the constituent components of both are mixed is formed at the interface between the base material and the clad layer. That is, the dilution region is a region in which the concentration of the base material component increases as it approaches from the clad layer side to the base material side, and the concentration of the component of the intermetallic compound alloy increases as it approaches from the base material side to the clad layer side. This diluted region strengthens the bond between the base material and the clad layer and imparts peel resistance to the metal member.

例えば、レーザ出力を1kW以上1.6kW以下とし、金属間化合物合金粉末の供給速度を5g/min以上25g/min以下とし、金属間化合物合金粉末に対して0~60体積%のセラミックス粒子を供給することができる。
より具体的には、1.6kWのレーザ出力では、金属間化合物合金粉末の供給速度を20g/min以上25g/min以下に、1.2kWのレーザ出力では、金属間化合物合金粉末の供給速度を15g/min以上19g/min以下に、1.0kWのレーザ出力では、粉末供給速度を6g/min以上12g/min以下にすることができ、金属間化合物合金粉末に対して10~60体積%のセラミックス粒子を供給することができる。
For example, the laser output is set to 1 kW or more and 1.6 kW or less, the supply rate of the intermetallic compound alloy powder is set to 5 g / min or more and 25 g / min or less, and 0 to 60% by volume of ceramic particles are supplied with respect to the intermetallic compound alloy powder. can do.
More specifically, at a laser output of 1.6 kW, the supply rate of the intermetallic compound alloy powder is 20 g / min or more and 25 g / min or less, and at a laser output of 1.2 kW, the supply rate of the intermetallic compound alloy powder is set. With a laser output of 15 g / min or more and 19 g / min or less and 1.0 kW, the powder supply rate can be 6 g / min or more and 12 g / min or less, and 10 to 60% by volume with respect to the intermetallic compound alloy powder. Ceramic particles can be supplied.

上記のLMD装置は、粉末材料の供給量およびレーザ照射による投入エネルギーを精密に制御することができ、セラミックス粒子のマトリックス中への溶解を極力抑え、かつ基材成分の混入を制御しつつクラッド層を形成することができるので、本発明のクラッド層の製造方法に好適である。 The above-mentioned LMD apparatus can precisely control the supply amount of the powder material and the input energy due to the laser irradiation, suppress the dissolution of the ceramic particles in the matrix as much as possible, and control the mixing of the base material components while controlling the clad layer. Is suitable for the method for producing a clad layer of the present invention.

[多層クラッド層の形成]
クラッド層を形成する工程は、金属間化合物合金粉末及び前記セラミックス粒子をキャリアガスと共に基材に噴射しながら基材にレーザ光等の熱源光を照射することを複数回重ねて多層のクラッド層を形成する工程であってもよい。
例えば、上記の方法により基材上にクラッド層を形成した後、形成されたクラッド層上にさらに上記の方法によりクラッド層3を重ねて形成することができる。これにより、重ねて形成したクラッド層が一体化して、厚いクラッド層を形成することができる。
これにより、基材成分がクラッド層に混入することを抑制することができ、長期間の摩耗による減肉に耐え得るクラッド層を形成することができ、高温耐摩耗性に優れた金属部材を提供することができる。
[Formation of multilayer clad layer]
In the step of forming the clad layer, the multi-layered clad layer is formed by repeatedly irradiating the base material with heat source light such as laser light while injecting the intermetallic compound alloy powder and the ceramic particles together with the carrier gas onto the base material. It may be a step of forming.
For example, after the clad layer is formed on the base material by the above method, the clad layer 3 can be further laminated on the formed clad layer by the above method. As a result, the clad layers formed in layers can be integrated to form a thick clad layer.
As a result, it is possible to prevent the base material component from being mixed into the clad layer, it is possible to form a clad layer that can withstand wall thinning due to long-term wear, and a metal member having excellent high-temperature wear resistance is provided. can do.

[熱処理]
本発明のクラッド層の製造方法は、クラッド層を800℃以上1320℃以下の温度で熱処理する工程をさらに含んでいてもよい。
上記のクラッド層の製造方法では、通常、初析L12相と該L12相及びD022相の共析組織とからなる2重複相組織、すなわちNi3AlとNi3Vとを含んでなる2重複相組織が形成されない。このようなクラッド層を熱処理に付すことにより、クラッド層の少なくとも一部を2重複相組織、あるいはNi3AlとNi3Vの共析組織にすることができ、クラッド層を均質化することができる。
[Heat treatment]
The method for producing a clad layer of the present invention may further include a step of heat-treating the clad layer at a temperature of 800 ° C. or higher and 1320 ° C. or lower.
The above method for producing a clad layer usually comprises a two overlapping phase structure consisting of an eutectoid L1 2 phase and an eutectoid structure of the L1 2 phase and a D0 22 phase, that is, Ni 3 Al and Ni 3 V. 2 No overlapping phase structure is formed. By subjecting such a clad layer to heat treatment, at least a part of the clad layer can have a two-overlapping phase structure or an eutectic structure of Ni 3 Al and Ni 3 V, and the clad layer can be homogenized. can.

熱処理は、公知の装置及び方法を用いて行うことができる。
熱処理温度は、例えば、クラッド層を構成するマトリックスの金属間化合物合金が液相に相転移しない1320℃以下、好ましくは1300℃以下である。
具体的には、ニッケル固溶体単相領域に加熱され、その後の冷却過程でNi3AlとNi3Vとを含んでなる2重複相組織、あるいはNi3AlとNi3Vからなる共析組織をより確実に得られることから、熱処理温度は800℃以上1320℃以下であるのが好ましい。
熱処理時間(保持時間)は、例えば、0.5時間~24時間であるのが好ましい。
また、熱処理雰囲気は、クラッド層の大気による酸化を抑制するために、真空、またはアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気であるのが好ましい。
The heat treatment can be performed using known equipment and methods.
The heat treatment temperature is, for example, 1320 ° C. or lower, preferably 1300 ° C. or lower, at which the intermetallic compound alloy of the matrix constituting the clad layer does not undergo a phase transition to the liquid phase.
Specifically, it is heated to the nickel solid solution single-phase region, and in the subsequent cooling process, it has a two-overlapping phase structure containing Ni 3 Al and Ni 3 V, or an eutectoid structure consisting of Ni 3 Al and Ni 3 V. The heat treatment temperature is preferably 800 ° C. or higher and 1320 ° C. or lower, because it can be obtained more reliably.
The heat treatment time (retention time) is preferably, for example, 0.5 hour to 24 hours.
Further, the heat treatment atmosphere is preferably a vacuum or an inert gas atmosphere such as argon gas in order to suppress oxidation of the clad layer by the atmosphere.

本発明を以下の実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
実施例では、レーザメタルデポジション(LMD)法により、基材上にクラッド層(肉盛層)を形成して金属部材の試料を得、さらに熱処理を施し、それらの熱処理前後の試料について観察及び評価を行った。
The present invention will be specifically described with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.
In the embodiment, a clad layer (building layer) is formed on a substrate by a laser metal deposition (LMD) method to obtain a sample of a metal member, further heat-treated, and the samples before and after the heat treatment are observed and observed. Evaluation was performed.

[試料の作製]
下記の基材、金属間化合物合金粉末及びセラミックス粒子を用い、図1に示すようなLMDにより、下記の条件で基材上に、長さ=約60mm、幅=約5mm、高さ=約1~2.5mm(単層)のクラッド層を形成して3種の金属部材WC、金属部材VC及び金属部材NbCの試料を得た。
(金属間化合物合金粉末)
75.0at%Ni、9.0at%Al、13.0at%V、3.0at%Nb、0.005wt%Bの合金組成になるように調製した金属原料を、アトマイズ法により粉末化し、125μm以下の粒径に分級することにより、バインダーとしての金属間化合物合金粉末(NAV-3Nb)を得た。
[Preparation of sample]
Using the following base material, intermetallic compound alloy powder and ceramic particles, the length = about 60 mm, width = about 5 mm, height = about 1 on the base material under the following conditions by LMD as shown in FIG. A clad layer of about 2.5 mm (single layer) was formed, and samples of three types of metal member WC, metal member VC, and metal member NbC were obtained.
(Intermetallic compound alloy powder)
A metal raw material prepared to have an alloy composition of 75.0 at% Ni, 9.0 at% Al, 13.0 at% V, 3.0 at% Nb, 0.005 wt% B is powdered by an atomizing method to 125 μm or less. By classifying into the particle size of, an intermetallic compound alloy powder (NAV-3Nb) as a binder was obtained.

(セラミックス粒子)
WC粒子(粒径53~150μm)
VC粒子(粒径75~150μm)
NbC粒子(粒径~125μm)
(Ceramic particles)
WC particles (particle size 53-150 μm)
VC particles (particle size 75-150 μm)
NbC particles (particle size ~ 125 μm)

(基材)
材質:SUS304(18~20質量%Cr、8~10.5質量%Ni、残Fe)
寸法:長さ=60mm、幅=20mm、厚さ:10mm
(Base material)
Material: SUS304 (18 to 20% by mass Cr, 8 to 10.5% by mass Ni, residual Fe)
Dimensions: Length = 60mm, Width = 20mm, Thickness: 10mm

(LMD条件)
レーザ出力:1.6kW
レーザ操作速度:5mm/sec
レーザビーム径:5×5mm
キャリアガス:アルゴン(Ar)ガス、約5L/minで噴射ノズルから噴射
粉末及び粒子の供給速度:NAV-3Nb 17.4g/min
WC 20.4g/min
VC 9.6g/min
NbC 12.0g/min
使用粉末及び粒子:金属部材WC(NAV-3Nb+WC)
金属部材VC(NAV-3Nb+VC)
金属部材NbC(NAV-3Nb+NbC)
(LMD condition)
Laser output: 1.6kW
Laser operation speed: 5 mm / sec
Laser beam diameter: 5 x 5 mm
Carrier gas: Argon (Ar) gas, sprayed from the injection nozzle at about 5 L / min Supply rate of powder and particles: NAV-3Nb 17.4 g / min
WC 20.4g / min
VC 9.6g / min
NbC 12.0g / min
Powder and particles used: Metal member WC (NAV-3Nb + WC)
Metal member VC (NAV-3Nb + VC)
Metal member NbC (NAV-3Nb + NbC)

[試料の熱処理]
また、各金属部材の試料を下記の条件で熱処理した。
処理温度:1280℃
処理時間:5hr
雰囲気:真空
冷却:炉冷(炉内にて自然冷却)
[Heat treatment of sample]
Further, the sample of each metal member was heat-treated under the following conditions.
Processing temperature: 1280 ° C
Processing time: 5hr
Atmosphere: Vacuum cooling: Furnace cooling (natural cooling in the furnace)

[クラッド層の外観観察]
図2は、各金属部材のクラッド層の外観写真であり、上図がクラッド層の形成方向に垂直な方向から見た図であり、下図がクラッド層の断面図である。
図2によれば、いずれも表面欠陥や内部ボイドなどのない良好なクラッド層が形成されていることがわかる。また、金属部材VC及び金属部材NbCでは、それぞれセラミックス粒子のVC粒子及びNbC粒子がマトリックスのNAV-3Nb中に均質に分散していることがわかる。一方、金属部材WCでは、マトリックスのNAV-3Nbとセラミックス粒子のWC粒子との密度差が大きいためか、クラッド層の下層(基材側)にWC粒子が重量偏析していることがわかる。
[Observation of appearance of clad layer]
FIG. 2 is an external photograph of the clad layer of each metal member, the upper figure is a view seen from a direction perpendicular to the forming direction of the clad layer, and the lower figure is a cross-sectional view of the clad layer.
According to FIG. 2, it can be seen that a good clad layer having no surface defects or internal voids is formed in each case. Further, it can be seen that in the metal member VC and the metal member NbC, the VC particles and the NbC particles of the ceramic particles are uniformly dispersed in the NAV-3Nb of the matrix, respectively. On the other hand, in the metal member WC, it can be seen that the WC particles are weight segregated in the lower layer (base material side) of the clad layer probably because the density difference between the NAV-3Nb of the matrix and the WC particles of the ceramic particles is large.

[クラッド層の断面SEM観察]
図3は、熱処理前後の各金属部材のクラッド層のマトリックスの断面(堆積領域)のSEM写真であり、上段が熱処理前であり、下段が熱処理後であり、各写真の右上の写真が各写真の拡大写真である。但し、外観観察で重量偏析が観察された金属部材WCのみ、熱処理後の写真の上部領域と中心から下部領域の拡大写真を示す。
図3によれば、熱処理後の金属部材VC及びNbCでは、クラッド層に矩形状の組織が観察され、熱処理により2重複相組織(初析L12相と、L12相及びD022相の共析組織とからなる微細組織)が形成されていることがわかる。
一方、熱処理後の金属部材WCでは、WC粒子が少ないクラッド層の上部に2重複相組織様が観察される一方、WC粒子が高密度に存在するクラッド層の下部に丸みを帯びた初析相が観察され、重量偏析により熱処理によっても2重複相組織が形成され難いことがわかる。
このように実験結果によれば、セラミックス粒子がVC、NbCの場合には、WCの場合と比べて2重複相組織を形成し易く、セラミックス粒子がマトリックスを構成する元素(Nb、V)を含む元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物または硼化物を含む粒子であれば、加熱処理によって2重複相組織が形成され易いことがわかる。
[SEM observation of cross section of clad layer]
FIG. 3 is an SEM photograph of the cross section (deposited region) of the matrix of the clad layer of each metal member before and after the heat treatment, the upper part is before the heat treatment, the lower part is after the heat treatment, and the upper right photograph of each photograph is each photograph. It is an enlarged photograph of. However, only the metal member WC in which weight segregation was observed in the appearance observation shows an enlarged photograph of the upper region and the central to lower region of the photograph after the heat treatment.
According to FIG. 3, in the metal member VC and NbC after the heat treatment, a rectangular structure was observed in the clad layer, and the two overlapping phase structures (initially analyzed L1 2 phase, L1 2 phase and D0 22 phase) were observed by the heat treatment. It can be seen that a microstructure consisting of a heat-treated structure) is formed.
On the other hand, in the metal member WC after the heat treatment, a two-overlapping phase structure is observed in the upper part of the clad layer having few WC particles, while a rounded initial phase structure is observed in the lower part of the clad layer in which WC particles are present at high density. Is observed, and it can be seen that it is difficult to form a two-overlapping phase structure even by heat treatment due to weight segregation.
As described above, according to the experimental results, when the ceramic particles are VC and NbC, it is easier to form a two overlapping phase structure than in the case of WC, and the ceramic particles contain elements (Nb and V) constituting the matrix. It can be seen that if the particles contain elemental carbides, nitrides, carbonitrides, oxides or borides, a two-layered phase structure is likely to be formed by heat treatment.

[クラッド層のEPMA組成分析]
電子線マイクロアナライザ(EPMA)を用いて、熱処理前後の各金属部材のクラッド層のマトリックス部分の元素分析を行った。但し、外観観察で重量偏析が観察された金属部材WCのみ、上部領域と中心から下部領域に分けて分析した。
得られた結果を表1に示す。
[EPMA composition analysis of clad layer]
Using an electron probe microanalyzer (EPMA), elemental analysis of the matrix portion of the clad layer of each metal member before and after the heat treatment was performed. However, only the metal member WC in which weight segregation was observed in the appearance observation was analyzed separately in the upper region and the central to lower region.
The results obtained are shown in Table 1.

Figure 0007018603000001
Figure 0007018603000001

表1によれば、各金属部材のクラッド層のマトリックス部分には、金属間化合物合金粉末としての供試材に含まれない、基材のSUS304及びセラミックス粒子由来の元素が混入していることがわかる。また、Cr及びNiに関しては、熱処理前後で含有量に殆ど違いがない。すなわち、クラッド層の形成時に基材の一部が溶融してクラッド層に混入した基材成分のCr及びNiは、固体状態になった後は熱処理によっても含有量に殆ど変化がない。つまり、Cr及びNiの混入量はクラッド層の形成条件により決定されるものと考えられる。 According to Table 1, the matrix portion of the clad layer of each metal member contains elements derived from the base material SUS304 and the ceramic particles, which are not contained in the test material as the intermetallic compound alloy powder. Recognize. Further, regarding Cr and Ni, there is almost no difference in the contents before and after the heat treatment. That is, the contents of Cr and Ni, which are the base material components mixed in the clad layer by melting a part of the base material at the time of forming the clad layer, hardly change even by the heat treatment after becoming a solid state. That is, it is considered that the mixing amount of Cr and Ni is determined by the formation conditions of the clad layer.

また、同様にして、EPMAを用いて、熱処理後の各金属部材のクラッド層のセラミックス粒子部分の元素分析を行った。
得られた結果を表2に示す。
Further, in the same manner, elemental analysis of the ceramic particle portion of the clad layer of each metal member after the heat treatment was performed using EPMA.
The results obtained are shown in Table 2.

Figure 0007018603000002
Figure 0007018603000002

表2によれば、各金属部材のクラッド層のセラミックス粒子部分には、セラミックス粒子に含まれない、基材のSUS304及び金属間化合物合金粉末としての供試材由来の元素が混入していることがわかる。表2は、熱処理後の分析結果であるが、マトリックス部分と同様に、熱意処理前後で含有量に殆ど違いがないものと考えられる。 According to Table 2, the ceramic particle portion of the clad layer of each metal member contains elements derived from the test material as the base material SUS304 and the intermetallic compound alloy powder, which are not contained in the ceramic particles. I understand. Table 2 shows the analysis results after the heat treatment, and it is considered that there is almost no difference in the content before and after the heat treatment, as in the matrix portion.

[クラッド層のEPMAマッピング]
EPMAを用いて、熱処理後の各金属部材のクラッド層のマトリックス部分について各元素のマッピングを行った。分析対象元素は、Ni、Al、V、Nb、Fe、Cr及びC、金属部材WCについてのみWとした。
図4~6は、それぞれ金属部材WC、金属部材VC及び金属部材NbCの熱処理後のクラッド層のマトリックス部分についての各元素のEPMAマッピングである。図中、「SEI」は二次電子像を、「COMPO」は反射電子組成像を示す。
図4によれば、金属部材WCのクラッド層には2重複相組織が確認されず、炭化物を構成する元素がC、V、WとNbであることがわかる。
図5及び図6によれば、金属部材VC及び金属部材NbCには2重複相組織の形成が確認され、Alは初析に、Vはチャンネルに存在していることがわかる。また、基材から混入したFeとCrは共に、チャンネルに存在していることがわかる。
[EPMA mapping of clad layer]
Using EPMA, mapping of each element was performed for the matrix portion of the clad layer of each metal member after heat treatment. The elements to be analyzed were Ni, Al, V, Nb, Fe, Cr and C, and W only for the metal member WC.
4 to 6 are EPMA mappings of each element for the matrix portion of the clad layer after heat treatment of the metal member WC, the metal member VC and the metal member NbC, respectively. In the figure, "SEI" indicates a secondary electron image, and "COMPO" indicates a backscattered electron composition image.
According to FIG. 4, no two overlapping phase structure is confirmed in the clad layer of the metal member WC, and it can be seen that the elements constituting the carbide are C, V, W and Nb.
According to FIGS. 5 and 6, the formation of a two overlapping phase structure is confirmed in the metal member VC and the metal member NbC, and it can be seen that Al is present in the initial analysis and V is present in the channel. Further, it can be seen that both Fe and Cr mixed from the base material are present in the channel.

[X線回折による相同定]
X線回折を用いて、熱処理後の各金属部材のクラッド層の相同定を行った。
図7は、金属部材WC、金属部材VC及び金属部材NbCの熱処理前後のクラッド層のX線回折図である。
金属部材WCのクラッド層では、熱処理前にNi固溶体相(Nis.s.)が、熱処理後にNi固溶体相及びNi3Al相(Ni3Al)が存在していることがわかる。金属部材WCのクラッド層には2重複相組織が確認されない。
金属部材VCのクラッド層では、熱処理前にNi固溶体相及びNi3Al相が存在していることがわかる。金属部材VCには2重複相組織の形成が確認される。
金属部材NbCのクラッド層では、熱処理後にNi3Al相及びNi3V相(Ni3V)存在していることがわかる。金属部材NbCには2重複相組織の形成が確認される。
[Phase identification by X-ray diffraction]
Using X-ray diffraction, phase identification of the clad layer of each metal member after heat treatment was performed.
FIG. 7 is an X-ray diffraction diagram of the clad layer before and after the heat treatment of the metal member WC, the metal member VC, and the metal member NbC.
It can be seen that in the clad layer of the metal member WC, a Ni solid solution phase (Nis.s.) is present before the heat treatment, and a Ni solid solution phase and a Ni 3 Al phase (Ni 3 Al) are present after the heat treatment. No two overlapping phase structure is confirmed in the clad layer of the metal member WC.
It can be seen that the Ni solid solution phase and the Ni 3 Al phase are present in the clad layer of the metal member VC before the heat treatment. The formation of a two-overlapping phase structure is confirmed on the metal member VC.
It can be seen that the Ni 3 Al phase and the Ni 3 V phase (Ni 3 V) are present in the clad layer of the metal member NbC after the heat treatment. The formation of a two-overlapping phase structure is confirmed on the metal member NbC.

[硬さ分布]
ビッカース硬さ試験機を用いて、熱処理後の各金属部材のクラッド層の形成表面近傍から2.5mm付近までのビッカース硬さを測定した。ビッカース硬さ試験は、クラッド層の断面が現れるように試料を放電加工により切断しバフ研磨又は電解研磨した後、クラッド層の断面に圧子を押し付けることにより測定した。
図8は、金属部材WC、金属部材VC及び金属部材NbCの熱処理前後のクラッド層の表面近傍のビッカース硬さ分布を示す図である。
図8によれば、いずれの金属部材のクラッド層でも、熱処理前で450HV前後の硬さを有することがわかる。また、熱処理により若干硬さが上昇するが、熱処理前後で硬さ分布に大差がないことがわかる。
[Hardness distribution]
Using a Vickers hardness tester, the Vickers hardness from the vicinity of the formation surface of the clad layer of each metal member after the heat treatment to the vicinity of 2.5 mm was measured. The Vickers hardness test was measured by cutting the sample by electric discharge machining so that the cross section of the clad layer appeared, buffing or electrolytic polishing, and then pressing an indenter against the cross section of the clad layer.
FIG. 8 is a diagram showing the Vickers hardness distribution in the vicinity of the surface of the clad layer before and after the heat treatment of the metal member WC, the metal member VC, and the metal member NbC.
According to FIG. 8, it can be seen that the clad layer of any of the metal members has a hardness of about 450 HV before the heat treatment. Further, although the hardness is slightly increased by the heat treatment, it can be seen that there is no great difference in the hardness distribution before and after the heat treatment.

1:金属部材
2:基材
3:クラッド層
4:溶融プール
5:噴射ノズル
6:金属間化合物合金粉末
7:セラミックス粒子
8:レーザ光
9:光学レンズ
10:噴射ノズル移動方向
11:レーザメタルデポジション装置
1: Metal member 2: Base material 3: Clad layer 4: Molten pool 5: Injection nozzle 6: Intermetallic compound alloy powder 7: Ceramic particles 8: Laser light 9: Optical lens 10: Injection nozzle movement direction 11: Laser metal device Position device

Claims (3)

65at%以上80at%以下のNiと、4at%以上15at%以下のAlと、4at%以上15at%以下のVと、0at%を超え8at%以下のNbと、Ni、Al、V及びNbの合計重量に対して10重量ppm以上1000重量ppm以下のB(ホウ素)と、不可避不純物とからなる合計100%の合金組成を有する金属間化合物合金粉末と、V、Nb及びWからなる群より選択される1種以上の元素の炭化物であり、かつ1μm以上150μm以下の粒子径を有するセラミックス粒子とを、キャリアガスと共に基材に噴射しながら基材に熱源光を照射することによりクラッド層を形成する工程を含み、
前記クラッド層に対する前記セラミックス粒子の配合割合が10~60体積%であり、
前記金属間化合物合金粉末が、前記熱源光を受光することにより少なくとも一部が溶融して、前記セラミックス粒子と共に前記基材上に堆積することを特徴とするクラッド層の製造方法。
The total of Ni of 65 at% or more and 80 at% or less, Al of 4 at% or more and 15 at% or less, V of 4 at% or more and 15 at% or less, Nb of more than 0 at% and 8 at% or less, and Ni, Al, V and Nb. From the group consisting of intermetallic compound alloy powder having a total alloy composition of B (boron) of 10 wt ppm or more and 1000 wt ppm or less and unavoidable impurities with respect to the weight, and V, Nb and W. A clad layer is formed by irradiating a substrate with heat source light while injecting ceramic particles, which are carbides of one or more selected elements and having a particle diameter of 1 μm or more and 150 μm or less, onto the substrate together with a carrier gas. Including the forming step
The mixing ratio of the ceramic particles to the clad layer is 10 to 60% by volume.
A method for producing a clad layer, wherein at least a part of the intermetallic compound alloy powder is melted by receiving the heat source light and deposited on the base material together with the ceramic particles.
前記クラッド層を形成する工程が、前記金属間化合物合金粉末及び前記セラミックス粒子をキャリアガスと共に基材に噴射しながら前記基材に熱源光を照射することを複数回重ねて多層のクラッド層を形成する工程である請求項に記載の製造方法。 In the step of forming the clad layer, the base material is irradiated with heat source light a plurality of times while injecting the intermetallic compound alloy powder and the ceramic particles together with the carrier gas onto the base material to form a multilayer clad layer. The manufacturing method according to claim 1 , which is a step of performing. 前記クラッド層を800℃以上1320℃以下の温度で熱処理する工程をさらに含む請求項又はに記載の製造方法。 The production method according to claim 1 or 2 , further comprising a step of heat-treating the clad layer at a temperature of 800 ° C. or higher and 1320 ° C. or lower.
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