JP7134026B2 - Ｆｅ基合金粉末 - Google Patents

Description

本発明は、基材の表面に耐摩耗性を向上させる肉盛層を形成するために、肉盛材として使用され得るＦｅ基合金粉末に関する。

刃物、切削工具、切断工具などにおいては、切刃部分に耐摩耗性が要求され、切刃部分を保持する基材には靭性が要求される。そこで、靭性を有する材料で基材を形成し、そのうち切刃となる部分の表面を高硬度の肉盛層で改質することにより、切刃に耐摩耗性を備えることが行われている。このような肉盛層は、例えば、耐食性及び耐摩耗性に優れるマルテンサイト系ステンレス鋼で形成される。

例えば、特許文献１では、靭性を有するＦｅ基材表面にＷ及びＭｏを含むＦｅ系の粉末状肉盛材（クラッド材）を供給し、レーザービームの走査によってＦｅ基材と肉盛材とを一体化し、その後、通常の焼入れを行わずに、残留オーステナイトを減少させる温度範囲で加熱し、徐冷することによって、Ｆｅ基材の表面にマルテンサイト系ステンレス鋼からなる肉盛層を形成することが開示されている。

特開２０１３－１７６７７８号公報

溶接後熱処理において焼入れを行うと、基材及び肉盛層が焼入れ温度で保持されている間に、肉盛層から基材へ元素の拡散が生じて、肉盛層に要求される耐摩耗性が得られないことがある。また、溶接後熱処理において焼入れを行うと、熱歪みによって、基材と肉盛層との間に割れが生じることがある。一般に、基材の表面に金属粉末を肉盛溶接した後の溶接後熱処理は、焼入れと焼戻しとを含む。一般的な焼入れは、鋼を変態点以上の温度まで上昇させ、一定時間置いた後、急激に冷却することを行う。一般的な焼戻しは、焼入れによってマルテンサイト化した鋼の組織に対し、硬さや靭性強度を調整しながら更に再加熱した後、徐冷することを行う。

上記のように、溶接後熱処理の焼入れにより、肉盛層が要求される特性を備えなかったり、肉盛層に不具合が生じたりするおそれがあることから、それらを回避するために、肉盛材の溶接後熱処理において焼入れを省略することが考えられる。焼入れの省略を実現するためには、焼戻しによって、硬さや耐摩耗性等の所定の特性が発現する肉盛材が要求される。

上記の特許文献１では、レーザー照射により肉盛材及び基材を加熱してそれらを一体化させ、レーザー照射後には基材への熱拡散により肉盛層が急速に冷却されることから、このレーザー照射とその後の冷却とによって肉盛層に部分的焼入れが行われているとみなして、一般的な焼入れが省略されている。特許文献１では、高速度工具に好適なＷ及びＭｏを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼の肉盛層を形成する肉盛材が提案されるにとどまり、Ｃｒを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼の肉盛層を形成する肉盛材は提案されていない。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、Ｃｒを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼の肉盛層を形成する肉盛材となり得るＦｅ基合金粉末であって、溶接後熱処理において通常の焼入れが省略されても、耐摩耗性を含むマルテンサイト系ステンレス鋼の特性が発現する肉盛層を形成できるものを提供することにある。

本発明に係るＦｅ基合金粉末は、
Ｆｅを主成分とするマルテンサイト系ステンレス鋼の合金粉末であって、
Ｃ：１．４質量％以上３．５質量％以下、
Ｖ：２．０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｃｒ：１５．４質量％以上２０．０質量％以下、
Ｍｏ：８．０質量％未満、
Ｓｉ：２．０質量％未満、
Ｍｎ：２．０質量％未満、
残部のＦｅ及び不可避的不純物からなり、
｛４．２Ｃ－Ｖ｝（但し、Ｃは炭素の含有率であり、Ｖはがバナジウムの含有率である）が２．１質量％以上６．１質量％以下であることを特徴とする。

上記Ｆｅ基合金粉末を基材の表面に肉盛溶接したのち、焼入れが省略された、焼戻しを含む所定の溶接後熱処理を行うことによって、Ｃｒを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼の肉盛層を形成することができる。この肉盛層は、耐摩耗性を含むマルテンサイト系ステンレス鋼の特性を有する。よって、基材の表面に上記肉盛層が形成されてなる耐摩耗部材は、例えば、刃物、切削工具及び切断工具などの耐摩耗が要求される部材として好適である。

本発明によれば、Ｃｒを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼の肉盛層を形成する肉盛材となり得るＦｅ基合金粉末であって、溶接後熱処理において通常の焼入れが省略されても、耐摩耗性を含むマルテンサイト系ステンレス鋼の特性が発現する肉盛層を形成できるものを提供することができる。

本発明に係るＦｅ基合金粉末は、基材の表面にＣｒを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼の肉盛層が形成されて成る耐摩耗部材を製造するために使用される。基材は、例えば、炭素鋼などの靭性を有する鋼材であってよい。この肉盛層は、耐摩耗部材の用途に対応した耐摩耗性を備える。耐摩耗部材としては、刃物、切削工具、切断工具などが例示される。

上記Ｆｅ基合金粉末は、
Ｃ：１．４質量％以上３．５質量％以下、
Ｖ：２．０質量％以上１０．０質量％以下、
Ｃｒ：１５．０質量％以上２０．０質量％以下、
Ｍｏ：８．０質量％未満、
Ｓｉ：２．０質量％未満、
Ｍｎ：２．０質量％未満、
残部のＦｅ及び不可避的不純物からなる。

〔炭素（Ｃ）〕
Ｃは、Ｖ、Ｃｒ、及びＭｏと炭化物を形成し、硬さの向上に寄与する。肉盛層に適度な硬さを与えるために、合金のＣ含有率は望ましくは１．４質量％、更に望ましくは２．４質量％以上である。過剰なＣは靱性の低下をもたらすことから、合金のＣ含有率は望ましくは３．５質量％以下であり、更に望ましくは３．０質量％以下である。このような観点から、合金のＣ含有率は、好ましくは１．４質量％以上３．５質量％以下であり、更に好ましくは２．４質量％以上３．０質量％以下である。

〔バナジウム（Ｖ）〕
Ｖは、Ｃと結合して極めて硬質なＶ系炭化物（ＭＣ炭化物）を形成し、硬さの向上に寄与する。肉盛層に適度な硬さを与えるために、合金のＶ含有率は２．０質量％以上が好ましい。一方で、１０質量％を超えるＶは、靱性の低下をもたらし、また、硬さの向上のために多量のＣを要する。このような観点から、合金のＶ含有率は、２．０質量％以上１０．０質量％以下が好ましい。

〔クロム（Ｃｒ）〕
Ｃｒは、マトリックスへ固溶して、合金の焼入れ性及び耐食性の向上に寄与する。また、Ｃｒは、Ｃと結合してＣｒ系炭化物を形成し、硬さの向上に寄与する。肉盛層に適度な耐食性を備えるために、合金のＣｒ含有率は１５．０質量％以上が好ましい。また、２０．０質量％を超えるＣｒは、Ｃｒ系炭化物の増加に伴うマトリックス中のＣの不足により、肉盛層の硬さの低下をもたらす。このような観点から、合金のＣｒ含有率は、１５．０質量％以上２０．０質量％以下が好ましい。

〔モリブデン（Ｍｏ）〕
Ｍｏは、マトリクス中へ固溶して強化し、且つ、Ｃと結合してＭｏ系炭化物を形成して耐摩耗性の向上に寄与する。肉盛層に適度な耐摩耗性を与えるために、Ｍｏ含有率は０．１質量％以上としてよい。過剰なＭｏはＶ系炭化物の生成を阻害し、耐摩耗性を低下させる。更に、Ｍｏは比較的高価な金属であることから、含有量が増えるとコストが嵩む。このような観点から、合金のＭｏ含有率を、好ましくは８．０質量％未満とし、更に好ましくは２．０質量％未満とした。

〔ケイ素（Ｓｉ）〕
Ｓｉは、脱酸剤として添加され、耐酸化性、切削性及び焼入れ性の向上に寄与する。肉盛層に耐酸化性、切削性及び焼入れ性を備えるために、Ｓｉ含有率は０．１質量％以上としてよい。２．０質量％以上のＳｉは、靱性が低下をもたらす。このような観点から、合金のＳｉの含有率は、２．０質量％未満とした。

〔マンガン（Ｍｎ）〕
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸剤として添加され、耐酸化性及び焼入れ性の向上に寄与する。肉盛層に耐酸化性及び焼入れ性を備えるために、Ｍｎ含有率は０．１質量％以上としてよい。２．０質量％以上のＭｎは、熱処理後の残留オーステナイトの増加による、硬さの低下をもたらす。このような観点から、合金のＭｎの含有率は、２．０質量％未満とした。

上記化学組成の合金では、とりわけＶ系炭化物が焼戻しによって発現する硬化硬さを向上させる。従って、溶接後熱処理において焼入れを省略して焼戻しだけで肉盛層に適度な硬さを与えるためには、Ｖ系炭化物の生成量が重要となる。一方で、マトリックス中のＣ含有量が過剰となれば、溶接後熱処理に残留オーステナイトが生じて、肉盛層に適切な硬さが得られない。そこで、本発明に係るＦｅ基合金粉末は、Ｃ含有率とＶ含有率とが特定の条件を満たす。ここで、Ｃ含有率とＶ含有率との関係を規定する関数Ｍを、Ｍ＝｛４．２Ｃ－Ｖ｝と規定する。Ｍが２．１質量％未満では、マトリックス中のＣ含有量が低いために、肉盛層に適切な硬さが得られない。Ｍが６．１質量％を超えると、マトリックス中のＣ含有量が過剰となり、残留オーステナイトが生じて、肉盛層に適切な硬さが得られない。以上の観点から、Ｍは、２．１質量％以上６．１質量％以下が好ましく、３．０質量％以上４．８質量％以下が更に好ましい。

〔Ｆｅ基合金粉末の製造方法〕
本発明に係るＦｅ基合金粉末は、アトマイズ法や粉砕法などによって製造されてよい。アトマイズ法として、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、及びディスクアトマイズ法が例示される。上記のうち、Ｆｅ基合金粉末の含有酸素量を抑える観点から、ガスアトマイズ法及びディスクアトマイズ法が好ましい。合金への不純物の混入を抑える観点から、不活性ガス雰囲気でのアトマイズが好ましい。量産性の観点からは、ガスアトマイズ法が好ましい。

〔基材表面への肉盛層の形成方法〕
本発明に係るＦｅ基合金粉末が、例えば炭素鋼などの基材の表面に肉盛溶接される。ここで、肉盛溶接には、レーザー粉体肉盛溶接法やプラズマ粉体肉盛溶接法などの公知の粉体肉盛溶接法が採用されてよい。例えば、レーザー粉体肉盛溶接法では、基材表面をレーザーで加熱し、被加熱部分にＦｅ基合金粉末を供給する。加熱により溶融状態又は半溶融状態となった粒子は、他の粒子と結合するとともに、基材と金属結合し、固化して肉盛層が形成される。

上記のように肉盛層が形成された基材に対して、溶接後熱処理が行われる。この溶接後熱処理では、一般的な焼入れが省略され、焼戻しが行われる。焼戻し後の肉盛層のビッカース硬さは、６５０ＨＶ以上９５０ＨＶ以下が好ましい。肉盛層の硬さが６５０ＨＶ未満であると、耐摩耗部材に十分な耐摩耗性を備えることができず、耐摩耗部材の寿命が低下するおそれがある。

一般的に、マルテンサイト系ステンレス鋼は、工具鋼と比較して、Ｃｒ含有量が高いため、Ｍｓ点（マルテンサイト変態開始温度）が低く、残留オーステナイトが多い。一般的に、肉盛法の凝固では、溶製法の凝固と比較して、冷却速度が速く、一次炭化物が生成しにくく、マトリックス中のＣ、ＣｒなどのＭｓ点を低下させる元素の濃度が高いため、Ｍｓ点が低く、残留オーステナイトが多い。一般的に、焼入れを省略する場合は、省略しない場合と比較して、焼入れ温度保持工程で生成してマトリックス中に残存する一次炭化物が少ないことから、マトリックス中のＣ、Ｃｒなどの元素の濃度が高く、Ｍｓ点が低く、残留オーステナイトが多い。上記のような残留オーステナイトが多い条件であっても、本発明のＦｅ基合金粉末を用いることにより、肉盛層はマルテンサイト系ステンレス鋼として十分な高硬度を有する。これにより、基材に上記の肉盛層が被覆されてなる耐摩耗部材に、高い耐摩耗性を備えることができる。

以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされる。但し、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではない。

〔試料の作製〕
［実施例１］
所定の組成を有する原料を準備した。この原料の組成は、表１に示される実施例１に記載の通りである。この原料を、真空中において高周波誘導加熱法により溶融させて、溶湯とした。この溶湯を、直径が５ｍｍのノズルから落下させて、高圧の不活性ガスを噴霧し、ガスアトマイズ法により粉末を得た。この粉末を４５μm以上１２５μｍ以下に粒度調整し、実施例１の粉末を得た。レーザー粉体肉盛溶接法を用いて、実施例１の粉末で炭素鋼からなる基材の表面に肉盛層を形成した。レーザー粉体肉盛溶接法では、基材の表面に肉盛材となる実施例１の粉末を供給し、レーザービームの走査によって、基材に粉末を肉盛溶接した。肉盛層が形成された基材に対し、５４０～５８０℃で焼戻しを行って、実施例１に係る試料を得た。

［実施例２～２１、及び比較例１～９］
添加元素の種類と量とを表１に示される通りとした他は実施例１と同様にして、実施例２～２１及び比較例１～９の粉末及び試料を得た。

〔試料の硬さの評価〕
実施例１～２１及び比較例１～９の試料に対し、「ＪＩＳ Ｚ ２２４４」の規定に準拠して、肉盛層のビッカース硬さを測定した。その結果が表１に示されている。

表１に示されるように、実施例１～２１の試料のビッカース硬さは６５０ＨＶ以上９５０ＨＶ以下の範囲であり、実施例１～２１の試料は十分な硬さを備える。つまり、実施例１～２１の試料は十分な耐摩耗性を備える。更に、実施例１～２１の試料は、１５．０質量％以上２０．０質量％以下のＣｒを含有することから、炭素鋼などの鋼材と比較して高い耐食性を備えることが推定される。これにより、本発明に係るＦｅ基合金粉末は、肉盛溶接したのち、溶接後熱処理において通常の焼入れが省略されても、耐食性及び耐摩耗性を含むマルテンサイト系ステンレス鋼の特性が発現する肉盛層を形成できることが明らかである。

比較例１，２，３の試料のビッカース硬さは６５０ＨＶ未満であり、十分な硬さに満たない。この原因として、比較例１，２，３のＭ（＝４．２Ｃ－Ｖ）が２．１質量％未満であり、マトリックス中のＣの量が不十分であることが推定される。

比較例４の試料のビッカース硬さは６５０ＨＶ未満であり、十分な硬さに満たない。この原因として、比較例４の粉末のＣ含有率が低いことが推定される。

比較例５の試料のビッカース硬さは６５０ＨＶ未満であり、十分な硬さに満たない。この原因として、比較例５の粉末のＣ含有率が高く、且つ、Ｍが６．１質量％を超えていることから、残留オーステナイト量が多いことが推定される。

比較例６の試料のビッカース硬さは６５０ＨＶ未満であり、十分な硬さに満たない。この原因として、比較例６の粉末のＶ含有率が低いことから、硬質相であるＶ系の炭化物量が少ないことが推定される。

比較例７の試料のビッカース硬さは６５０ＨＶ未満であり、十分な硬さに満たない。この原因として、比較例７の粉末のＣｒ含有率が低いことから、Ｃｒ系の炭化物量が少ないことが推定される。また、この比較例２６の試料では、十分な耐食性が得られないことが推定される。

比較例８，９の試料のビッカース硬さは６５０ＨＶ未満であり、十分な硬さに満たない。この原因として、比較例８の粉末ではＣｒ含有率が高いことから、Ｃｒ系の炭化物量が多くなり、硬質相であるＶ系の炭化物量が少ないことが推定される。また、比較例９の粉末ではＭｏ含有率が高いことから、Ｍｏ系の炭化物量が多くなり、硬質相であるＶ系の炭化物量が少ないことが推定される。

Claims (1)

1. 基材に肉盛溶接されるＦｅ基合金粉末であって、
   Ｃ：１．４質量％以上３．５質量％以下、
   Ｖ：２．０質量％以上１０．０質量％以下、
   Ｃｒ：１５．４質量％以上２０．０質量％以下、
   Ｍｏ：８．０質量％未満、
   Ｓｉ：２．０質量％未満、
   Ｍｎ：２．０質量％未満、
   残部のＦｅ及び不可避的不純物からなり、
   ｛４．２Ｃ－Ｖ｝（但し、Ｃは炭素の含有率であり、Ｖはがバナジウムの含有率である）が２．１質量％以上６．１質量％以下である、
   Ｆｅ基合金粉末。