JP7153488B2

JP7153488B2 - 肉盛用又は溶射用の粉末

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Publication number: JP7153488B2
Application number: JP2018129711A
Authority: JP
Inventors: 隆久山本; 俊之澤田; 滉大三浦
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2022-10-14
Anticipated expiration: 2038-07-09
Also published as: JP2020007610A

Description

本発明は、肉盛法又は溶射法に適した粉末に関する。

金型の補修に、肉盛法が採用されている。肉盛法により、金型の表面に肉盛部（被覆層）が形成される。肉盛法による金型の補修の一例が、特開２０１１－２４５４８８公報に記載されてる。

近年は、レーザークラッドによる肉盛法が普及している。この肉盛法では、Ｃを含む合金粉末が用いられうる。Ｃは、肉盛部の硬度、強度及び耐摩耗性に寄与しうる。

特開２０１１－２４５４８８公報

肉盛法では、粉末が高温にさらされる。このとき、粉末に含まれるＣが大気中の酸素ガスと反応し、ＣＯガスが生成する。ＣＯガスは、大気へと放出される。ＣＯガスの多量の放出が生じた後の肉盛部では、Ｃの含有率が低い。この肉盛部の硬度は、低い。この肉盛部は、強度及び耐摩耗性に劣る。

ＣＯガスの放出に起因する低強度及び低耐摩耗性の問題は、肉盛法のみならず、溶射法でも見られる。

本発明の目的は、肉盛法及び溶射法においてＣＯガスの放出が抑制され、従って被覆層における高いＣの含有率が達成されうる粉末の提供にある。

本発明に係る肉盛用又は溶射用の粉末の材質は、Ｆｅ又はＣｏを主成分とする合金である。この合金は、
Ｃ：０．０３質量％以上２．６質量％以下
Ｓｉ：０．０５質量％以上１．０質量％以下
Ｍｎ：０．１０質量％以上１．０質量％以下
及び
Ｃｒ：３．０質量％以上３０質量％以下
を含む。この合金はさらに、Ｃａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙ、Ａｌ及びＺｒからなる群から選択された１種又は２種以上の元素Ｘを含む。この合金における、下記数式によって算出される値ＴＥは、０．０００８３以上０．００８３以下である。

この数式において、ｎは元素Ｘに含まれる元素種類数を表し、Ｐｘｉは元素Ｘ中のｉ番目の元素の含有率（質量％）を表し、ＡＷｉは元素Ｘ中のｉ番目の元素の原子量を表す。

好ましくは、値ＴＥは、０．００２５以上０．００５８以下である。

好ましくは、元素Ｘは、Ａｌ及び／又はＺｒである。

他の観点によれば、本発明に係る被覆層は、その材質がＦｅ又はＣｏを主成分とする合金である粉末から得られる。この合金は、
Ｃ：０．０３質量％以上２．６質量％以下
Ｓｉ：０．０５質量％以上１．０質量％以下
Ｍｎ：０．１０質量％以上１．０質量％以下
及び
Ｃｒ：３．０質量％以上３０質量％以下
を含む。この合金はさらに、Ｃａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙ、Ａｌ及びＺｒからなる群から選択された１種又は２種以上の元素Ｘを含む。この合金における、下記数式によって算出される値ＴＥは、０．０００８３以上０．００８３以下である。この被覆層における、元素Ｘの酸化物の数密度は、５個／μｍ^２以上８０個／μｍ^２以下である。

本発明に係る粉末が肉盛法又は溶射法に供されても、ＣＯガスが発生しにくい。この粉末が用いられた肉盛法及び溶射法では、Ｃの含有率が十分に大きい被覆層が得られる。この被覆層の硬度は大きい。この被覆層は、強度及び耐摩耗性に優れる。

本発明に係る粉末の材質は、合金である。この合金は、
Ｆｅ又はＣｏ：ベース
Ｃ：０．０３質量％以上２．６質量％以下
Ｓｉ：０．０５質量％以上１．０質量％以下
Ｍｎ：０．１０質量％以上１．０質量％以下
Ｃｒ：３．０質量％以上３０質量％以下
及び
元素Ｘ：含有率Ｐｘ（Ｐｘは、下記数式を満たす）
を含む。元素Ｘは、Ｃａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙ、Ａｌ及びＺｒからなる群から選択された１種又は２種以上である。以下、この合金における各元素の役割が詳説される。

［鉄（Ｆｅ）及びコバルト（Ｃｏ）］
この合金のベース元素は、Ｆｅ又はＣｏである。換言すれば、この合金は、Ｆｅ基合金又はＣｏ基合金である。Ｆｅ基合金及びＣｏ基合金は、強度及び耐摩耗性に優れる。この合金からなる粉末は、特に金型の補修に適している。合金のベース元素は、Ｆｅのみであってもよく、Ｃｏのみであってもよく、ＦｅとＣｏとの両方であってもよい。

［炭素（Ｃ）］
Ｃは、Ｆｅ及びＣｏに固溶する。Ｃは、粉末から得られた被覆層の硬度、強度及び耐摩耗性に寄与しうる。この観点から、Ｃの含有率は０．０３質量％以上が好ましく、０．１０質量％以上がより好ましく、０．４質量％以上が特に好ましい。Ｃの含有率は、２．６質量％以下が好ましい。この含有率が２．６質量％以下である粉末から得られた被覆層は、靱性に優れる。この観点から、含有率は２．０質量％以下がより好ましく、１．５質量％以下が特に好ましい。

［ケイ素（Ｓｉ）］
Ｓｉは、Ｆｅ及びＣｏに固溶する。Ｓｉは、粉末から得られた被覆層の強度及び耐ヒートチェック性に寄与しうる。この観点から、Ｓｉの含有率は０．０５質量％以上が好ましく、０．１０質量％以上がより好ましく、０．２質量％以上が特に好ましい。Ｓｉの含有率は、１．０質量％以下が好ましい。この含有率が１．０質量％以下である粉末から得られた被覆層は、靱性に優れる。この観点から、含有率は０．８質量％以下がより好ましく、０．５質量％以下が特に好ましい。

［マンガン（Ｍｎ）］
Ｍｎは、粉末から得られた被覆層の硬度及び強度に寄与しうる。この観点から、Ｍｎの含有率は０．１０質量％以上が好ましく、０．１５質量％以上がより好ましく、０．２０質量％以上が特に好ましい。Ｍｎの含有率は、１．０質量％以下が好ましい。この含有率が１．０質量％以下である粉末から得られた被覆層は、靱性に優れる。この観点から、含有率は０．８質量％以下がより好ましく、０．５質量％以下が特に好ましい。

［クロム（Ｃｒ）］
Ｃｒは、Ｆｅ及びＣｏへの他の元素の固溶に寄与する。Ｃｒは、被覆層の耐食性及び耐ヒートチェック性に寄与しうる。この観点から、Ｃｒの含有率は３．０質量％以上が好ましく、３．５質量％以上がより好ましく、４．０質量％以上が特に好ましい。Ｃｒの含有率は、３０質量％以下が好ましい。この含有率が３０質量％以下である粉末から得られた被覆層は、靱性に優れる。この観点から、含有率は２０質量％以下がより好ましく、１５質量％以下が特に好ましい。

［元素Ｘ］
元素Ｘは、Ｃａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙ、Ａｌ及びＺｒからなる群から選択された１種又は２種以上である。元素Ｘの酸素ガスとの反応性は、Ｃの酸素ガスとの反応性に比べると、高い。元素Ｘを含有する粉末が肉盛法、溶射法等に用いられると、元素Ｘが優先的に酸素ガスと反応する。従って、酸素ガスとのＣの反応が、抑制される。この粉末から得られた被覆層には、十分な量のＣが残存する。この被覆層の硬度は、高い。この被覆層は、強度及び耐摩耗性に優れる。

元素Ｘが酸素ガスと反応することで、酸化物が生成しうる。この酸化物は、被覆層に分散しうる。この分散は、被覆層の硬度を高める。この被覆層は、強度及び耐摩耗性に優れる。

この合金における、下記数式によって算出される値ＴＥは、０．０００８３以上０．００８３以下である。

値ＴＥが０．０００８３以上である粉末から、十分な量のＣが残存する被覆層が得られうる。さらに、値ＴＥがこの範囲である粉末から、十分な量の酸化物が分散する被覆層が得られうる。値ＴＥがこの範囲である粉末から得られた被覆層は、強度及び耐摩耗性に優れる。一方、値ＴＥが０．００８３以下である粉末から、靱性に優れた被覆層が得られうる。

被覆層の耐摩耗性及び強度の観点から、値ＴＥは０．００２５以上が好ましい。被覆層の靱性の観点から、値ＴＥは０．００５８以下が好ましい。

上記数式に代入される、各元素の原子量ＡＷは、以下の通りである。
Ｃａ：４０．０８
Ｄｙ：１６２．５０
Ｇｄ：１５７．２５
Ｌａ：１３８．９１
Ｎｄ：１４４．２４
Ｙ：８８．９１
Ａｌ：２６．９８
Ｚｒ：９１．２２

好ましい元素Ｘは、Ａｌ及びＺｒである。Ａｌが酸素ガスと反応することで、酸化物であるＡｌ_２Ｏ_３が生成する。Ｚｒが酸素ガスと反応することで、酸化物であるＺｒＯ_２が生成する。これらの酸化物の分散は、被覆層の硬度を高める。この被覆層は、強度及び耐摩耗性に優れる。合金が、ＡｌとＺｒとの両方を含有してもよい。

本発明に係る粉末に特に適した合金の組成は、以下の通りである。
Ｆｅ又はＣｏ：ベース
Ｃ：０．０３質量％以上２．６質量％以下
Ｓｉ：０．０５質量％以上１．０質量％以下
Ｍｎ：０．１０質量％以上１．０質量％以下
Ｃｒ：３．０質量％以上３０質量％以下
元素Ｘ：上記数式を満たす量
残部：不可避的不純物

［元素Ｍ］
合金が、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）及びバナジウム（Ｖ）からなる群から選択された１種又は２種以上の元素Ｍを含有してもよい。この元素Ｍは、被覆層の強度に寄与する。元素Ｍの合計の含有率は０．５質量％以上が好ましく、１．０質量％以上がより好ましく、１．５質量％以上が特に好ましい。この含有率は、２５質量％以下が好ましい。

［粉末の製造］
本発明に係る粉末は、アトマイズ法、粉砕法等によって製造されうる。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。合金に不純物が混入しにくいとの観点から、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。合金に不純物が混入しにくいとの観点から、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、ガスアトマイズが好ましい。

［金型の補修］
本発明に係る粉末が用いられた肉盛法又は溶射法により、金型が補修される。肉盛法及び溶射法では、粉末の粒子に圧縮ガス等によって速度が与えられる。加速されて進行中の粒子が、加熱手段にて加熱される。加熱手段として、ガスの燃焼炎、プラズマ、レーザー等が挙げられる。加熱により、粒子は溶融状態又は半溶融状態となる。この粒子が金型に衝突させられ、凝固する。凝固により、粒子同士が結合する。粒子は、下地である金型とも結合する。結合により、肉盛部（被覆層）が形成される。粒子が金型に衝突した後に、加熱がなされてもよい。粒子が金型に接触した状態で、加熱がなされてもよい。

［Ｃの残存率］
肉盛部（又は被覆層）におけるＣの残存率Ｐｃは、９０％以上が好ましく、９３％以上がより好ましく、９６％以上が特に好ましい。残存率Ｐｃが高い肉盛部は、高硬度である。残存率Ｐｃは、下記の数式によって算出される。
Ｐｃ＝（Ｐ２／Ｐ１）＊１００
この数式において、Ｐ１は粉末におけるＣの含有率（質量％）を表し、Ｐ２は肉盛部（又は被覆層）におけるＣの含有率（質量％）を表す。

［酸化物の数密度］
被覆層における、元素Ｘの酸化物の数密度Ｄｏは、５個／μｍ^２以上が好ましい。数密度Ｄｏが５個／μｍ^２以上である被覆層は、高硬度である。この観点から、数密度Ｄｏは８個／μｍ^２以上がより好ましく、１０個／μｍ^２以上が特に好ましい。数密度Ｄｏは、８０個／μｍ^２以下が好ましい。酸化物の数密度Ｄｏは、顕微鏡にて合金が観察されることで算出される。合金の、１００００００／μｍ^２のゾーン存在する酸化物の個数がカウントされて、数密度Ｄｏが算出される。

以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、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。

［ＳＫＨ５７］
［実施例１］
所定の組成を有する原料を、準備した。この原料は、表１に示されるＳＫＨ５７をベースとし、これに表２に示されるように０．０５０質量％のＣａを添加することで得られた。この原料を、真空中にてアルミナ製坩堝で、高周波誘導加熱法にて加熱した。この加熱によって原料を溶融させ、溶湯を得た。坩堝下にある直径が５ｍｍのノズルから、溶湯を落下させた。この溶湯に、高圧アルゴンガスを噴霧し、実施例１の粉末を得た。

［実施例２－５０及び比較例１－１０］
添加元素の種類と量とを下記の表２及び３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２－５０及び比較例１－１０の粉末を得た。

［ＳＫＨ５１］
［実施例５１］
所定の組成を有する原料を、準備した。この原料は、表１に示されるＳＫＨ５１をベースとし、これに表４に示されるように０．２８８質量％のＮｄを添加することで得られた。この原料を、真空中にてアルミナ製坩堝で、高周波誘導加熱法にて加熱した。この加熱によって原料を溶融させ、溶湯を得た。坩堝下にある直径が５ｍｍのノズルから、溶湯を落下させた。この溶湯に、高圧アルゴンガスを噴霧し、実施例５１の粉末を得た。

［実施例５２－１００及び比較例１１－２０］
添加元素の種類と量とを下記の表４及び５に示される通りとした他は実施例５１と同様にして、実施例５２－１００及び比較例１１－２０の粉末を得た。

［ＳＫＤ１１］
［実施例１０１］
所定の組成を有する原料を、準備した。この原料は、表１に示されるＳＫＤ１１をベースとし、これに表６に示されるように０．１７０質量％のＧｄを添加することで得られた。この原料を、真空中にてアルミナ製坩堝で、高周波誘導加熱法にて加熱した。この加熱によって原料を溶融させ、溶湯を得た。坩堝下にある直径が５ｍｍのノズルから、溶湯を落下させた。この溶湯に、高圧アルゴンガスを噴霧し、実施例１０１の粉末を得た。

［実施例１０２－１５０及び比較例２１－３０］
添加元素の種類と量とを下記の表６及び７に示される通りとした他は実施例１０１と同様にして、実施例１０２－１５０及び比較例２１－３０の粉末を得た。

［試作合金］
［実施例１５１］
所定の組成を有する原料を、準備した。この原料は、表１に示される試作合金をベースとし、これに表８に示されるように０．１７４質量％のＬａを添加することで得られた。この原料を、真空中にてアルミナ製坩堝で、高周波誘導加熱法にて加熱した。この加熱によって原料を溶融させ、溶湯を得た。坩堝下にある直径が５ｍｍのノズルから、溶湯を落下させた。この溶湯に、高圧アルゴンガスを噴霧し、実施例１５１の粉末を得た。

［実施例１５２－２００及び比較例３１－４０］
添加元素の種類と量とを下記の表８及び９に示される通りとした他は実施例１５１と同様にして、実施例１５２－２００及び比較例３１－４０の粉末を得た。

［肉盛部の形成］
厚さが２０ｍｍである板を用意した。各実施例及び各比較例の粉末を用い、レーザー肉盛法により、この板の上に肉盛部（被覆層）を形成した。この肉盛部では、長さは１００ｍｍであり、厚さは１０ｍｍであった。なお、板の材質は、適用される粉末の材質と同じとした。

［数密度のカウント］
前述の方法にて、添加元素の酸化物の数密度Ｄｏをカウントした。この結果が、下記の表２－９に示されている。

［硬さの測定］
「ＪＩＳＺ２２４４」の規定に準拠して、肉盛部のビッカース硬度を測定した。この結果が、下記の表２－９に示されている。

［抗折強度の測定］
肉盛部から、幅が５ｍｍであり、長さが５０ｍｍであり、厚さが３ｍｍである試験片を切り出した。この試験片を用い、「ＪＩＳＺ２２４８」の規定に準拠して、抗折強度を測定した。５回の測定の平均値が、下記の表２－９に示されている。

上記表３における、元素Ｘ以外の添加元素の原子量は、以下の通りである。
Ｐ：３０．９７
Ｍｇ：２４．３１
Ｔｉ：４７．９０

表２－９に示されるように、各実施例の粉末は総合評価に優れている。この評価結果から、本発明の優位性は明らかである。

本発明に係る粉末は、種々の肉盛法及び溶射法に用いられうる。

Claims

その材質がＦｅ又はＣｏを主成分とする合金である粉末であって、
上記合金が、
Ｃ：０．０３質量％以上２．６質量％以下
Ｓｉ：０．０５質量％以上１．０質量％以下
Ｍｎ：０．１０質量％以上１．０質量％以下
及び
Ｃｒ：３．０質量％以上３０質量％以下
を含んでおり、
上記合金が、Ｗ、Ｍｏ及びＶからなる群から選択された１種又は２種以上の元素Ｍを含んでおり、
上記元素Ｍの含有率が０．５質量％以上２５質量％以下であり、
上記合金がさらに、Ｃａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙ、Ａｌ及びＺｒからなる群から選択された１種又は２種以上の元素Ｘを含んでおり、
残部が不可避的不純物であり、
上記合金における、下記数式によって算出される値ＴＥが、０．０００８３以上０．００８３以下である肉盛用又は溶射用の粉末。

（上記数式において、ｎは元素Ｘに含まれる元素種類数を表し、Ｐｘｉは元素Ｘ中のｉ番目の元素の含有率（質量％）を表し、ＡＷｉは元素Ｘ中のｉ番目の元素の原子量を表す。）
上記値ＴＥが０．００２５以上０．００５８以下である請求項１に記載の粉末。
上記元素Ｘが、Ａｌ及び／又はＺｒである請求項１又は２に記載の粉末。
その材質がＦｅ又はＣｏを主成分とする合金である粉末から得られた被覆層であって、
上記合金が、
Ｃ：０．０３質量％以上２．６質量％以下
Ｓｉ：０．０５質量％以上１．０質量％以下
Ｍｎ：０．１０質量％以上１．０質量％以下
及び
Ｃｒ：３．０質量％以上３０質量％以下
を含んでおり、
上記合金がさらに、Ｃａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙ、Ａｌ及びＺｒからなる群から選択された１種又は２種以上の元素Ｘを含んでおり、
上記合金における、下記数式によって算出される値ＴＥが、０．０００８３以上０．００８３以下であり、
上記被覆層における、上記元素Ｘの酸化物の数密度が、５個／μｍ^２以上８０個／μｍ^２以下である被覆層。

（上記数式において、ｎは元素Ｘに含まれる元素種類数を表し、Ｐｘｉは元素Ｘ中のｉ番目の元素の含有率（質量％）を表し、ＡＷｉは元素Ｘ中のｉ番目の元素の原子量を表す。）
上記値ＴＥが０．００２５以上０．００５８以下である請求項４に記載の被覆層。
上記元素Ｘが、Ａｌ及び／又はＺｒである請求項４又は５に記載の被覆層。