JP7232391B2

JP7232391B2 - 金属部材の肉盛り方法および金属部材

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Publication number: JP7232391B2
Application number: JP2021028530A
Authority: JP
Inventors: 俊美宮城; 秀峰小関
Original assignee: PROTERIAL, LTD.
Current assignee: PROTERIAL, LTD.
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2023-03-03
Anticipated expiration: 2041-02-25
Also published as: JP2021159993A

Description

本発明は、表層に硬化層を有する金属部材の肉盛り方法および金属部材に関する。

従来、急激な加熱と冷却とが繰り返される過酷な環境で使用される金型は、加熱・冷却による膨張と圧縮により、熱サイクルに起因した低サイクル疲労現象による損傷を受ける。特に、金型表面に亀甲状あるいは直線状の細かいひび割れといった、熱疲労によるき裂が生じる。き裂は一旦生じると、金型内部に伝播して大割れを招いたり、金型が摩耗し易くなるなどの問題に発展する。このため、き裂が生じやすい箇所やき裂が生じた箇所に、表面硬化処理による硬化層の形成や肉盛りを施す必要があった。

従来、表面硬化処理の一つに窒化層を形成する方法がある。特許文献１では、窒化層にレーザービームを照射し、窒化層を改質させることにより、窒化層の耐摩耗性や耐溶損性を向上させる表面改質方法が開示されている。また、特許文献２には、き裂が生じた金型を補修する方法として、き裂が生じた箇所にレーザービームを照射することで、き裂を溶着させ、同時に急冷により硬化する工程を経て、き裂を改質させる金型補修方法が開示されている。

特開平５－９５５８号公報特開２０１６－７４０３５号公報

しかしながら、硬化層を有する金型に肉盛り溶接を施す場合、肉盛り箇所の近傍にある硬化層は、肉盛り時の熱影響を受けるため、例えば、硬化層が窒化層であるとき、熱影響を受けた窒化層からガス成分が生じて、肉盛部内に空孔や巣などの欠陥を多く内包してしまう。このように多くの欠陥を内包した肉盛部は、所望の耐摩耗性や耐溶損性を発揮しにくいだけでなく、金型の強度不足や金型表面の平滑性をも損なう。特許文献１あるいは特許文献２は、専ら、既存の窒化層の改質や生じてしまったき裂の改質を目的とするものであり、肉盛り溶接する際に窒化層等に生じる欠陥について考慮されたものではなかった。

そこで本発明では、硬化層を有する、金型等の金属部材に肉盛り溶接を施す際に、硬化層から生じるガス成分に起因する空孔や巣を抑制できる金属部材の肉盛り方法を提供する。また、肉盛りにおける、空孔や巣などの欠陥が生じるのを抑制可能な金属部材を提供する。

本発明は、合金母材と、前記合金母材の表面に設けられた硬化層とを有する金属部材に対して肉盛部を形成する肉盛り方法であって、前記肉盛部を形成する前に、前記肉盛部を形成しようとする位置で、前記硬化層の一部を熱源によって溶融、凝固させる第１の工程と、前記第１の工程で溶融、凝固された領域の一部を除去する第２の工程と、前記第２の工程で除去された領域に肉盛りをする第３の工程と、を有することを特徴とする金属部材の肉盛り方法である。

また、前記肉盛り方法において前記熱源は、８．８Ｊ／ｍｍ^３以上のエネルギー密度を有していることが好ましい。

また、前記肉盛り方法において、前記第１の工程において、前記合金母材および前記硬化層が前記熱源により溶融、凝固された溶融凝固部と、前記合金母材が前記熱源により熱影響を受けた熱影響部と、前記硬化層が前記熱源により熱影響を受けた改質硬化層と、を有する改質組織を形成させることが好ましい。

また、前記肉盛り方法において、前記第２の工程で除去された領域および前記第３の工程で肉盛された領域は、前記溶融凝固部の外縁よりも内側に位置し、前記改質硬化層に干渉しないことが好ましい。

また、前記肉盛り方法において、前記第１の工程において、前記熱源を同位置に２回以上走査することが好ましい。

本発明の金属部材は、合金母材と、前記合金母材の表面に設けられた硬化層とを有する金属部材であって、前記合金母材の表面の一部に溶融凝固部と、前記溶融凝固部に隣接している部分に改質硬化層と、前記溶融凝固部と前記合金母材との間に熱影響部と、を有することを特徴とする金属部材である。

また、前記金属部材において、前記溶融凝固部と前記熱影響部と前記改質硬化層とに存在する内部欠陥の面積率が、０．３８％以下であることが好ましい。

また、前記金属部材は、前記溶融凝固部の表面に、前記合金母材と同種または異種の合金からなる肉盛部と、を備えることが好ましい。

本発明によれば、硬化層を有する、金型等の金属部材に肉盛り溶接を施す際に、硬化層から生じるガス成分に起因する空孔や巣を抑制できる金属部材の肉盛り方法を提供できる。また、肉盛りにおける、空孔や巣などの欠陥が生じるのを抑制可能な金属部材を提供できる。

本発明の実施形態における、金属部材への肉盛り方法の工程を示す図である。本発明の実施形態における、金属部材の断面を示す模式図である。本発明の実施形態における、溶融・凝固後の金属部材の断面をエッチング処理した後に撮影した写真である。実施例における、溶融・凝固後の金属部材の外観および断面の写真である。比較例における、溶融・凝固後の金属部材の外観の写真である。実施例における、複数回溶融・凝固した後の金属部材の外観および断面の写真である。実施例における、複数回溶融・凝固した後の金属部材中の内部欠陥の面積率（内部内部欠陥面積率）の推移を示すグラフである。実施例における、溶融・凝固させた金属部材に開先加工および肉盛りを施した後の任意の一断面の写真である。実施例における、複数回溶融・凝固後させた金属部材に開先加工および肉盛りを施した後の任意の一断面の写真である。溶融・凝固させなかった金属部材に開先加工および肉盛りを施した後の任意の一断面の写真である。

本発明に係る金属部材の肉盛り方法の実施形態は、合金母材と、合金母材の表面に設けられた硬化層とを有する金属部材に対して、硬化層の一部を熱源によって溶融、凝固させる第１の工程と、第１の工程で溶融、凝固された領域の一部を除去する第２の工程と、第２の工程で除去された領域に肉盛りをする第３の工程と、を有することを特徴の一つとする金属部材の肉盛り方法である。

このようにすることで、硬化層を有する金属部材に肉盛り溶接を施す際に、あらかじめ硬化層から生じるガス成分を除去することができ、ガス成分に起因する空孔や巣が生じることを抑制できる。

以下に、本発明に係る金属部材の肉盛り方法および金属部材の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、以下の記載および図面は、適宜、簡略化されている。
まず、金属部材の肉盛り方法の実施形態について、図１および図３を用いて詳細に説明し、その次に、金属部材の実施形態について、図２および図３を用いて詳細に説明する。

図１は、金属部材１の肉盛り方法の工程の実施形態を示す図である。（ａ）は、金属部材１を示す模式図である。（ｂ）は、金属部材１に熱源３０を照射する工程を示す模式図である。（ｃ）は、熱源３０の照射によって、金属部材１の表層に改質硬化層４０、溶融凝固部５０を形成し、硬化層２０中から欠陥７０となるガス成分に起因する気泡を除去する工程を示す模式図である。（ｄ）は、金属部材１の表層から気泡を除去し、凝固した後の模式図である。（ｅ）は、溶融凝固部５０の一部を除去する開先加工を行う工程を示す模式図である。図１（ｆ）は、開先加工した領域（開先加工部８０）に肉盛りする工程を示す模式図である。図３は、溶融・凝固後の金属部材の断面をエッチング後の写真である。（ａ）は、金属部材１について、熱源３０を照射後、溶融凝固した後の、表面に垂直な方向に沿った任意の一断面をエッチング処理した後に撮影した写真である。（ｂ）は、（ａ）写真中の左白色枠で示した部分を拡大して撮影した写真である。

［金属部材］
本実施形態の金属部材１は、図１（ａ）に示すように、合金母材１０と、合金母材１０の表面に設けられた硬化層２０とを有している。

合金母材１０としては、例えば、ダイカスト等に使用される熱間金型用合金工具鋼、プレス成形に使用される冷間金型用合金工具鋼、切削等に使用される高速度工具鋼、プラスチック成形に用いられるプラスチック金型用鋼などを用いることができる。具体的には、鋼種としてＳＫＤ６１、ＳＫＨ５１、ＳＣＭ４４０などが挙げられる。

硬化層２０は合金母材１０よりも高硬度の層であり、硬化層２０としては、窒化処理による窒素拡散層および窒素化合物層、炭化物被覆処理による炭素拡散層および炭化物皮膜層などが挙げられる。例として、窒化処理としては、プラズマ窒化、ガス窒化、ガス軟窒化、浸硫窒化処理などがある。また炭化物被覆処理の一例としては、熔融塩法、化学蒸着法およびイオンプレーティング法などがある。

（第１の工程）
図１（ｂ）および（ｃ）に示すように、第１の工程は、肉盛部９０を形成する前に、肉盛部９０を形成しようとする位置で、硬化層２０の一部を熱源３０によって溶融、凝固させる工程である。

このとき、熱源３０のエネルギー密度は、好ましくは８．８Ｊ／ｍｍ^３以上であり、より好ましくは１０Ｊ／ｍｍ^３以上である。エネルギー密度を８．８Ｊ／ｍｍ^３以上とすることで、硬化層２０を溶融した際、硬化層２０内でガス成分により、欠陥７０となるガス成分に起因する気泡が発生しても、溶融池（溶融箇所）が凝固する前に、硬化層２０中からそれら気泡を除去できるため、溶融凝固後の金属部材１中に残留した気泡によって形成された空孔７１や巣などの欠陥を内在（内包）しにくくできる。

また、第１の工程では、合金母材１０および硬化層２０が、熱源３０により溶融、凝固された溶融凝固部５０と、合金母材１０が熱源３０により熱影響を受けた熱影響部６０と、硬化層２０が熱源３０により熱影響を受けて改質した改質硬化層４０とを有する改質組織を形成する工程とを有していることが好ましい。改質硬化層４０とは、第１の工程にて、上述した所定のエネルギー密度以上を有する熱源３０により、溶融・凝固されて形成された溶融凝固部５０の周囲に形成された硬化層２０、すなわち、熱源３０の照射によって熱影響を受けて改質した硬化層２０である。本明細書でいう改質硬化層４０とは、硬化層２０に比べて、Ｎ、Ｃ、Ｏ、Ｓのいずれかの濃度が低く、硬さが低い領域のことをいう。

溶融させるための熱源３０としては、レーザービームや電子ビーム、アーク溶接などがある。レーザービームとしては、ＣＯ_２，ＣＯ，ＹＡＧ等のレーザーを用いることができる。

［エネルギー密度］
合金母材１０の表層を溶融・凝固させるため必要なエネルギー密度は、ワーク、すなわち金属部材１の移動速度やレーザービームなどの熱源３０の走査速度、熱源３０の幅等に応じて変化するが、金属部材１表面を溶融、凝固でき、かつ割れが生じにくい範囲に設定することが好ましい。ここで、エネルギー密度は、熱源３０の出力を、熱源３０の照射面積とワークに対する熱源３０の走査速度で割ったときの値をエネルギー密度とする。具体的には、例えば、熱源３０をレーザービームとしたとき、エネルギー密度をＥ（Ｊ／ｍｍ^３）、レーザービーム出力を出力Ｐ（Ｗ）、レーザービームの口径（スポット径）面積を照射面積Ｓ（ｍｍ^２）、レーザービームの走査速度を走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）とすれば、算出式は、Ｅ（Ｊ／ｍｍ^３）＝Ｐ／Ｓ・Ｖとできる。

エネルギー密度の上限は特に限定せず、ワークの種類や硬化層２０の厚み等を考慮して適宜定めれば良いが、高いエネルギー密度を有する熱源３０を金属部材１表面に照射したとき、照射された箇所が局所的に高温になり、その個所とそれ以外の箇所（照射箇所の周囲）とで著しい温度差が生じた場合、熱膨張と熱収縮とによって、金属部材１表層に、き裂、例えば、終端割れが生じやすくなる可能性がある。したがって、著しい温度差が生じないように、エネルギー密度は、５０Ｊ／ｍｍ^３以下が好ましく、より好ましくは３０Ｊ／ｍｍ^３以下、またさらに好ましくは２６Ｊ／ｍｍ^３以下である。

上述のエネルギー密度の範囲に加えて、熱源３０の出力を１０００～２４００Ｗの範囲とし、走査速度を５００～２０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲とし、かつ単一（一回）走査した場合の、設定した熱源３０の口径に対する金属部材１に形成した溶融凝固部５０の幅の割合、すなわち、設定した熱源３０の口径に対する金属部材１の表層、または内部に形成した溶融凝固部５０の幅の割合（以下、熱源口径比）が、好ましくは４４％以上であり、より好ましくは５２％以上であり、さらに好ましくは７５％以上である。熱源口径比の上限は特に制限しないが、上述のエネルギー密度の範囲であればよく、１２０％以下であると好ましく、１１６％未満であるとより好ましい。

［溶融凝固部と熱影響部］
本実施形態でいう溶融凝固部５０と熱影響部６０は、所定のエネルギー密度を有する熱源３０が照射された金属部材１の断面を観察することで判別できる。

具体的には、図３に示すように、例えば、その金属部材１の任意断面を、鏡面研磨した後、ナイタール（濃硝酸をアルコールで希釈したもの）によってエッチング（腐食処理）を施した断面を観察すればよく、その断面を観察したとき、もっとも明るい領域を溶融凝固部５０、もっとも暗い領域を合金母材１０、溶融凝固部５０よりも暗く、合金母材１０よりも明るい領域を熱影響部６０と判別することができる。また、組織形態も相互に相違するため、これらの判別に用いることができる。これは、溶融凝固部５０と熱影響部６０とが、合金母材１０に比べて腐食しにくいという特徴を有するためであり、図３に示すように判別できる。

断面の観察方法としては、例えば、光学顕微鏡を用いて、所定の倍率、例えば、２００倍の視野で断面を観察すればよい。

凝固する冷却条件としては、溶融した合金母材１０の表層を凝固するための冷却速度は、速すぎると、溶融箇所（溶融池）と、その溶融箇所の周辺とで、膨張収縮差が大きくなり、割れが生じやすくなる。そのため、徐冷や空冷などが好ましい。

（第２の工程）
図１（ｄ）に示すように、第２の工程の実施形態としては、上述の第１の工程で溶融、凝固された領域（溶融凝固部５０）の一部を除去する工程である。除去方法としては、例えば、フライス盤やエンドミルを用いた切削加工によって除去する方法が挙げられる。なお、除去する工程は、開先加工と言い換えることができ、溶融、凝固された領域の一部を除去するが、その除去する領域を、開先加工部８０と言い換えることもできる。肉盛りを行う開先加工部８０に隣接して溶融凝固部５０が存在することで、肉盛部周辺における欠陥を抑制することができる。

また、第２の工程で除去された領域（開先加工部８０）および第３の工程で肉盛された領域（肉盛部９０）は、第１の工程で溶融、凝固された領域（溶融凝固部５０）の外縁よりも内側に位置していること、すなわち第２の工程で除去された領域を囲むように、溶融、凝固された領域に存在することが好ましい。係る形態の溶融凝固部５０の存在により、第２の工程で除去された領域および第３の工程で肉盛された領域が上述の改質硬化層４０に干渉しないため、欠陥の発生をより効果的に抑制することができる。

（第３の工程）
図１（ｆ）に示すように、第３の工程の実施形態としては、上述の第２の工程で除去された領域（開先加工箇所８０）に肉盛りを行う工程である。肉盛り方法としては、例えば、指向性エネルギー堆積法を用いることができる。指向性エネルギー堆積法とは、粉末やフィラメントの金属をレーザー光，電子ビーム，プラズマアークなどの指向エネルギービームで溶融し、積層する方法であり、ＬＭＤ（ＬａｓｅｒＭｅｔａｌＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方式、ＤＥＤ（ＤｉｒｅｃｔｅｄＥｎｅｒｇｙＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）と呼ばれる。肉盛り材料としては、例えば、合金母材１０と同種の金属あるいは合金母材１０とは異なる金属を用いることができる。具体的には、ＳＫＤ６１、ＳＫＨ５１、ＳＣＭ４４０、Ｔｉ基合金、Ｎｉ基合金などが挙げられる。

＜金属部材＞
図２および図３を用いて、金属部材の実施形態である、金属部材１００について詳細に説明する。図２に示すように、金属部材１００は、合金母材１０と、合金母材１０の表面に設けられた硬化層２０とを有する金属部材であって、合金母材１０の表面の一部に、溶融凝固部５０と、溶融凝固部５０に隣接している部分に、改質硬化層４０と、前記溶融凝固部と前記合金母材との間に熱影響部と、を有することを特徴の一つとする金属部材である。

上記構成を有していることで、肉盛りにおける、硬化層２０から生じるガス成分に起因する空孔や巣などの欠陥が生じるのを抑制可能な金属部材１００を提供できる。

［肉盛部］
また、合金母材１０の表面の一部に肉盛部９０を有していても良い。肉盛部９０は、溶融および凝固された溶融凝固部５０と熱影響部６０と、その溶融凝固部５０の一部を除去し、その除去した箇所に、合金母材１０と同種もしくは異種の合金を新たに肉盛りした箇所を指す。また、肉盛部９０を肉盛りする場合には、改質硬化層４０に囲まれた箇所に、肉盛部９０を肉盛りすることが好ましい。このようにすることで、金属部材１００をさらに肉盛りする場合でも、金属部材１００の硬化層２０に肉盛りする際の熱影響が及んでも、硬化層２０中に気孔などの欠陥が発生することを抑制することができる。

［内部欠陥］
本実施形態の金属部材１００は、金属部材１００表層の欠陥数が少ない、もしくは欠陥が占める割合が低い。具体的には、例えば、表面に垂直な方向な断面において、溶融凝固部５０中と熱影響部６０中と改質硬化層４０中とに形成されている欠陥７０が占める総和面積（内部欠陥総和面積）を、溶融凝固部５０と熱影響部６０と改質硬化層４０との総和の断面積（総和断面積）で割った値である内部欠陥の面積率（以下、内部欠陥面積率）を用いて評価できる。金属部材１００における内部欠陥面積率としては、０．３８％以下であることが好ましく、より好ましくは０．２４％以下であり、さらに好ましくは０．２３％以下である。

ここで、図３に、金属部材に熱源を照射した際に形成された、溶融凝固部５０と熱影響部６０との形態を示す。図３に示すように、溶融凝固部５０と熱影響部６０は、半楕円形状として観察することできる。例えば、図３にて内部欠陥率の算出をする場合には、溶融凝固部５０と熱影響部６０と改質硬化層４０との総和の断面積を総和断面とし、金属部材の任意断面をマイクロスコープや光学顕微鏡などを用いて観察領域を複数に分けて撮影し、撮影したそれら観察領域を二値化処理し、欠陥を抽出し、その抽出された面積の総和を内部欠陥総和面積とすればよい。

本実施形態でいう、欠陥７０は、金属部材１００の表面もしくは内部に生じる、空孔７１、粒界割れ７２などを意味する。具体的には、空孔７１とは、溶融凝固部５０と溶融凝固部５０近傍の熱影響部６０中と改質硬化層４０中とに形成される欠陥であり、直径１μｍ～５０μｍ程度の球状の空間および細長い空間であり、その空間を形成する内壁部が、ディンプル状の凹凸を有しているものをいう。また、空孔７１は、溶融凝固部５０の表面に放出されたとき、穴となって固まった欠陥は開口欠陥となる。

次に、粒界割れ７２は、熱影響部６０近傍および改質硬化層４０近傍の溶融凝固部５０に形成される欠陥であり、幅１～５μｍ程度の結晶粒界状の空間として認識できる。

図示しないが、上述の内部欠陥に加えて、金属部材１００の内部から外表面に掛けて生じる終端割れなどもある。終端割れは、硬化層２０と熱影響部６０との境界に形成される欠陥であり、溶融凝固部５０が膨張や収縮することによって硬化層２０に引張応力が加わることで発生する欠陥である。例えば、表面に垂直な方向に沿った縦状のき裂が、硬化層２０を分断し、硬化層２０表面まで進展しているものとして観察することができる。

［欠陥の検査方法］
欠陥の有無を検査する方法としては、放射線透過試験（ＪＩＳＺ３１０４）や超音波探傷試験（ＪＩＳＺ３０６０）による非破壊検査方法を用いることできる。また、金属部材１または金属部材１００の積層方向に沿った断面を、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡で観察することで確認できる。また、開口欠陥や終端割れは、表面に液剤を吹き付けて、表面の割れやヒビを観察しやすくする、カラーチェックなどを用いた外観検査で確認できる。

以下、本発明に関連して行った実施例について説明する。本実施例では、母材としてＳＫＤ６１を用いて、プラズマ窒化処理にて、該母材の表層に厚み１００μｍの窒化層を形成したベースプレートを用意した。熱源には、ＤＭＧＭＯＲＩ社製加工機のＬＡＳＥＲＴＥＣ６５のレーザービームを用いた。レーザービームの口径（直径）は３．０ｍｍとした。レーザービームの照射条件は、レーザービーム出力（Ｗ）：１０００～２４００、走査速度（ｍｍ／ｍｉｎ）：５００、１０００、２０００、照射回数（回）：１～５、とした。レーザービームの走査距離は、いずれの照射条件においても２０ｍｍとなるよう設定した。

レーザー照射部分表面の外観観察には、キーエンス社製のデジタルマイクロスコープ（ＶＨＸ－６０００）を用いた。また、レーザー照射部分の断面観察には、オリンパス社製の測定顕微鏡（ＳＴＭ７－ＢＳＷ）、およびキーエンス社製のデジタルマイクロスコープを用いた。ここで、レーザー照射部分の断面とは、レーザーの照射開始点から１０ｍｍだけレーザービームを走査した位置であり、その位置の断面、すなわちレーザーの走査方向に対して垂直に切り出した断面である。

表１に、レーザーの照射回数を１回とした場合の、各照射条件におけるエネルギー密度、熱源口径比、および内部欠陥の断面積率をそれぞれ示す。また、表２に、レーザーの照射回数を２～５回とした場合の、各照射条件における内部欠陥面積率をそれぞれ示す。

溶融凝固部および熱影響部については、図３のように、鏡面研磨後にナイタールによるエッチングを施したレーザー照射部分の断面において、合金母材に対して明るい領域を溶融凝固部および熱影響部とした。内部欠陥については、鏡面研磨されたレーザー照射部分の断面において、溶融凝固部中と熱影響部中と改質硬化層中に存在する黒い領域を内部欠陥とした。内部欠陥の断面積は、キーエンス社製のデジタルマイクロスコープを用い、１０００倍の視野で内部欠陥を複数枚撮影し、撮影した写真中の内部欠陥を二値化処理して計測した。複数回照射した条件における熱源口径比および内部欠陥面積率についても、各照射条件で１回照射したときと同様にして測定した。１回照射したときの結果を表１、複数回照射したときの結果を表２に示す。

表１に示すように、エネルギー密度を高くした場合（実施例１～９）において、内部欠陥面積率を０．３８％以下にすることができ、金属部材内部の欠陥を抑制できることを確認した。また、表２に示すように、複数回照射した条件（実施例１０～１５）では、内部欠陥面積率を０．２４％以下にすることができ、金属部材内部の欠陥をより一層抑制できることを確認した。一方、エネルギー密度が低い条件（比較例１および２）では、金属部材を溶融凝固することができかった。また、例えば、実施例５の条件であれば内部欠陥面積率を０．１１以下にでき、さらに実施例２の条件であれば内部欠陥面積率を０．０８以下にできるなど、欠陥の発生が顕著に抑制されることも確認した。なお、内部欠陥面積は、小数点第３桁以下を四捨五入した値である。

図４に、実施例８の照射条件（エネルギー密度：２０．４Ｊ／ｍｍ^３、レーザー出力：１２００Ｗ、走査速度：５００ｍｍ／ｍｉｎ、照射回数：１回）で照射した後の金属部材の表面外観写真（図４（ａ））、および任意の一断面の断面写真（図４（ｂ））を示す。図４（ａ）および（ｂ）に示すように、金属部材から欠陥７０（空孔７１、粒界割れ７２）を十分追い出すだけのエネルギー密度を有しているため、内部欠陥面積率を低減できたことに加えて、終端割れも抑制できた。

比較例１の照射条件（エネルギー密度：４．２Ｊ／ｍｍ^３、レーザー出力：１０００Ｗ、走査速度：２０００ｍｍ／ｍｉｎ、照射回数：１）で照射した後の金属部材について、図５に表面外観写真を示す。図５に示すように、比較例１の場合では、エネルギー密度が低いために、金属部材の表層を溶融できなかった。

次に、実施例６、実施例１２、実施例１３の照射条件（エネルギー密度：１７．０Ｊ／ｍｍ^３、レーザー出力：１０００Ｗ、走査速度：５００ｍｍ／ｍｉｎ、照射回数：１回、２回、５回）で照射した後の金属部材について、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に表面外観写真、図６（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に任意の一断面の断面写真を示す。また、図７に、それら照射条件（実施例６、１２、１３）について、内部欠陥面積率の推移を示す。図６および図７に示すように、走査を同位置に２回以上実施することで、内部欠陥面積率をより一層低減できた。また、任意の一断面を観察したが、空孔だけでなく、粒界割れも抑制できた。

一方、比較例２は、比較例１と同様に、１回当たりに照射するエネルギー密度が低いため、複数回照射しても金属部材の表層を溶融させることができなかった。

なお、エネルギー密度が、２７．２Ｊ／ｍｍ^３（出力：１６００Ｗ、走査速度：５００ｍｍ／ｍｉｎ、照射回数：１回）のレーザービームを金属部材に照射した場合や、４０．８Ｊ／ｍｍ^３（出力：２４００Ｗ、走査速度：５００ｍｍ／ｍｉｎ、照射回数：１回）のレーザービームを金属部材に照射した場合においては、照射後の金属部材の表層のうち、改質硬化層と硬化層との境界に、硬化層を分断し硬化層表面まで進展している線状空間、すなわち、終端割れのような割れが生じる傾向が見られたが、エネルギー密度が十分に高いことから、金属部材内部には、空孔などの欠陥はほとんど確認されなかった。

図８に、実施例８の照射条件（エネルギー密度：２０．４Ｊ／ｍｍ^３、レーザー出力：１２００Ｗ、走査速度：５００ｍｍ／ｍｉｎ、照射回数：１回）で照射後、溶融凝固部の領域内側に開先加工（工具：ラジアスエンドミルΦ６×Ｒ０．５）を施し、開先加工した箇所（表面）にＹＡＧ２８５（マルエージング鋼）を肉盛り（レーザー出力：１８００Ｗ、走査速度：１０００ｍｍ／ｍｉｎ、ビード間隔：１．５ｍｍ、積層ピッチ：０．９６ｍｍ）した金属部材の任意の一断面写真（図８（ａ））、およびその一断面の拡大写真（（図８（ｂ））を示す。図８（ａ）および図８（ｂ）の観察結果から、硬化層から生じるガス成分に起因する空孔や巣が抑制され、改質硬化層や熱影響部に欠陥が無いことを確認した。また、肉盛部もガス成分の抜けた溶融凝固部の上に形成されたために、ガス成分に起因する欠陥の影響を受けていないことが確認できた。

また、図９に、実施例１３の照射条件（エネルギー密度：、レーザー出力：１０００Ｗ、走査速度：５００ｍｍ／ｍｉｎ、照射回数：５回）で照射後、開先加工した箇所（表面）にＹＡＧ２８５（マルエージング鋼）を肉盛り（レーザー出力：１８００Ｗ、走査速度：１０００ｍｍ／ｍｉｎ、ビード間隔：１．５ｍｍ、積層ピッチ：０．９６ｍｍ）した金属部材の任意の一断面写真（図９（ａ））、およびその一断面の拡大写真（図９（ｂ））を示す。図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、硬化層から生じるガス成分に起因する空孔や巣が抑制され、改質硬化層や熱影響部に欠陥が無いことを確認した。また、肉盛部もガス成分の抜けた溶融凝固部の上に形成されたために、ガス成分に起因する欠陥の影響を受けていないことが確認できた。

また図１０に、硬化層の領域内側に開先加工（工具：ラジアスエンドミルΦ６×Ｒ０．５）を施し、開先加工した箇所（表面）にＹＡＧ２８５（マルエージング鋼）を肉盛り（レーザー出力：１８００Ｗ、走査速度：１０００ｍｍ／ｍｉｎ、ビード間隔：１．５ｍｍ、積層ピッチ：０．９６ｍｍ）した金属部材の任意の一断面写真（図１０（ａ））、およびその一断面の拡大写真（（図１０（ｂ））を示す。図１０（ａ）および図１０（ｂ）の観察結果から、肉盛部形成時に硬化層から生じるガス成分に起因した空孔や巣が肉盛部と熱影響部と改質硬化層とに残存していることを確認した。

１：金属部材
１０：合金母材
２０：硬化層
３０：熱源
４０：改質硬化層
５０：溶融凝固部
６０：熱影響部
７０：欠陥
７１：空孔
７２：粒界割れ
８０：開先加工部
９０：肉盛部
１００：金属部材
８００：金属部材
８１０：合金母材
８２０：硬化層
８４０：改質硬化層
８５０：溶融凝固部
８６０：熱影響部
８９０：肉盛部
９００：金属部材
９１０：合金母材
９２０：硬化層
９４０：改質硬化層
９５０：溶融凝固部
９６０：熱影響部
９９０：肉盛部
１０００：金属部材
１０１０：合金母材
１０２０：硬化層
１０２１：硬化層
１０７０：欠陥
１０８０：熱影響部
１０９０：肉盛部

Claims

合金母材と、前記合金母材の表面に設けられた硬化層とを有する金属部材に対して肉盛部を形成する肉盛り方法であって、
前記肉盛部を形成する前に、前記肉盛部を形成しようとする位置で、前記硬化層の一部を熱源によって溶融、凝固させる第１の工程と、
前記第１の工程で溶融、凝固された領域の一部を除去する第２の工程と、
前記第２の工程で除去された領域に肉盛りをする第３の工程と、を有する
ことを特徴とする金属部材の肉盛り方法。
前記熱源は、８．８Ｊ／ｍｍ^３以上のエネルギー密度を有している
ことを特徴とする請求項１に記載の金属部材の肉盛り方法。
前記第１の工程において、前記合金母材および前記硬化層が前記熱源により溶融、凝固された溶融凝固部と、前記合金母材が前記熱源により熱影響を受けた熱影響部と、前記硬化層が前記熱源により熱影響を受けた改質硬化層とを有する改質組織を形成させる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の金属部材の肉盛り方法。
前記第２の工程で除去された領域および前記第３の工程で肉盛された領域は、前記溶融凝固部の外縁よりも内側に位置し、前記改質硬化層に干渉しない
ことを特徴とする請求項３に記載の金属部材の肉盛り方法。
前記第１の工程において、前記熱源を同位置に２回以上走査する
ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の金属部材の肉盛り方法。
合金母材と、前記合金母材の表面に設けられた硬化層とを有する金属部材であって、
前記合金母材の表面の一部に溶融凝固部と、
前記溶融凝固部に隣接している部分に改質硬化層と、
前記溶融凝固部と前記合金母材との間に熱影響部と、を有する
ことを特徴とする金属部材。
前記溶融凝固部と前記熱影響部と前記改質硬化層とに存在する内部欠陥の面積率が、０．３８％以下である
ことを特徴とする請求項６に記載の金属部材。
前記溶融凝固部の表面に、前記合金母材と同種または異種の合金からなる肉盛部と、を備える
ことを特徴とする請求項６または７に記載の金属部材。