JP7464939B2 - Manufacturing method of hard metal member and hard metal member - Google Patents
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Description
特許法第３０条第２項適用 １．令和１年１０月４日ウェブサイトにて、ＫＩＳＴＥＣ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｕｂ ２０１９ レーザ加工技術フォーラムの予稿集で発表 ２．令和１年１１月１日地方独立行政法人神奈川県立産業技術総合研究所において開催されたＫＩＳＴＥＣ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｕｂ ２０１９ レーザ加工技術フォーラムで発表Patent Law Article 30, Paragraph 2 applies. 1. Announced on the website on October 4, 2019 in the proceedings of the KISTEC Innovation Hub 2019 Laser Processing Technology Forum. 2. Announced at the KISTEC Innovation Hub 2019 Laser Processing Technology Forum held at the Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology (a local independent administrative institution) on November 1, 2019.
本発明は、金属基材の表面に金属肉盛層を有する硬質金属部材の製造方法及び当該製造方法によって得られる硬質金属部材に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a hard metal component having a metal build-up layer on the surface of a metal substrate, and a hard metal component obtained by the manufacturing method.
従来、表面処理技術の一つとして、金属基材の表面に当該金属基材とは異なる高硬度材料を肉盛りすることにより、最表面の耐摩耗性等を向上させる技術が知られている。当該技術を用いた場合、高硬度材料を用いて形成した表面の肉盛層が摩耗しても、基材は元の形状を保持できるため、当該基材に対して再度同様の肉盛りを行うことで、繰り返し使用することが可能である。例えば、特許文献１（特開２０１３－１７６７７８号公報）には、肉盛りを行う手法として、レーザを用いて金属基材表面に高硬度の肉盛層を形成するレーザクラッディング法が開示されている。 Conventionally, one known surface treatment technique is to improve the wear resistance of the outermost surface by depositing a high-hardness material different from the metal substrate on the surface of the metal substrate. When this technique is used, even if the surface deposit layer formed using a high-hardness material wears away, the substrate can retain its original shape, so the substrate can be used repeatedly by depositing the same deposit again. For example, Patent Document 1 (JP Patent Publication 2013-176778 A) discloses a laser cladding method for depositing a high-hardness deposit on the surface of a metal substrate using a laser.
しかしながら、レーザを用いて形成されたままの金属肉盛層は、本来期待される機械的性質及び化学的性質等が発現されていない場合が多く、基本的には事後的な熱処理が必要となる。例えば、特許文献２（特開平５－３０５４６５号公報）においては、母材表面にレーザ焼成によってクラッド層を形成し、当該クラッド層の形成後に焦点を外したレーザビームによりクラッド層を照射して、クラッド層形成時の硬化部を再加熱して焼鈍することを特徴とする炭素鋼等のレーザクラッド法が開示されている。 However, metal cladding layers formed using a laser often do not exhibit the mechanical and chemical properties that are originally expected, and basically require subsequent heat treatment. For example, Patent Document 2 (JP Patent Publication 5-305465) discloses a laser cladding method for carbon steel, etc., which is characterized by forming a cladding layer on the surface of the base material by laser sintering, and then irradiating the cladding layer with a defocused laser beam after the cladding layer is formed, thereby reheating and annealing the hardened parts that were formed during the cladding layer formation.
上記特許文献２のレーザクラッド法においては、レーザ焼成によってクラッド層を形成すると、比較的狭い範囲の加熱が行なわれて、クラッド層の直下位置の母材組織中に硬化部が発生するが、焦点を外したレーザビームをクラッド層に照射すると、比較的広い範囲の加熱によって母材の温度上昇が抑制され、レーザビームによる熱影響部が当初の硬化部に及び、硬化部を軟化組織とすることができる、とされている。 In the laser cladding method of Patent Document 2, when a cladding layer is formed by laser firing, a relatively small area is heated, and a hardened portion is generated in the base material structure directly below the cladding layer. However, when a defocused laser beam is irradiated onto the cladding layer, a relatively large area is heated, which suppresses the temperature rise in the base material, and the heat-affected zone caused by the laser beam extends into the original hardened portion, making it possible to turn the hardened portion into a softened structure.
また、特許文献３（特開２０１７－１２５４８３号公報）においては、母材上の腐食が発生しやすい部位にクラッド層を形成するクラッド層形成工程と、当該クラッド層下の母材を調質における焼戻し温度で局所加熱する局所加熱工程とを含む、蒸気タービン翼の製造方法、が開示されている。 Patent Document 3 (JP Patent Publication 2017-125483 A) discloses a method for manufacturing a steam turbine blade, which includes a clad layer formation process for forming a clad layer in a portion of the base material where corrosion is likely to occur, and a local heating process for locally heating the base material below the clad layer at the tempering temperature in thermal refining.
上記特許文献３の蒸気タービン翼の製造方法においては、蒸気タービン翼の腐食が発生しやすい部位に形成されたクラッド層に局所加熱を行うことにより、クラッディングにより生成する熱影響層を除去し、高耐食なクラッド層を有する蒸気タービン翼の製造方法を提供することができる。また、これまでのクラッディング施工では不可能であった、熱影響層のみの局所的な焼戻しが可能となり、耐エロージョン摩耗性に加え、耐食性の付与と母材強度の確保が可能となる、とされている。 In the manufacturing method of the steam turbine blade in the above-mentioned Patent Document 3, by locally heating the cladding layer formed in the area of the steam turbine blade where corrosion is likely to occur, it is possible to remove the heat-affected layer generated by cladding, and provide a manufacturing method of the steam turbine blade having a highly corrosion-resistant cladding layer. In addition, it is possible to locally temper only the heat-affected layer, which was not possible with previous cladding work, and it is said that in addition to erosion wear resistance, it is possible to impart corrosion resistance and ensure the strength of the base material.
多層溶接で形成される金属肉盛層においては、場所によって硬さにむらが生じることが問題となっている。これは、先行パスによって形成した金属肉盛層の金属組織が後続パスの熱影響を受けるためである。また、例えば、高速度工具鋼の金属肉盛層では、溶接ままの状態よりも高い硬度を付与するために、溶接後に焼戻し熱処理を施す必要がある。その結果、別工程を追加する必要があるが、当該処理に熱処理炉等を用いる場合は大幅な製造コストの上昇や製造時間の増加が不可避である。 A problem with metal buildup layers formed by multi-pass welding is that the hardness varies from place to place. This is because the metal structure of the metal buildup layer formed by the preceding pass is affected by the heat of the subsequent pass. Also, for example, metal buildup layers made of high-speed tool steel must be tempered after welding to give them a higher hardness than in the as-welded state. This requires the addition of another process, but if a heat treatment furnace or the like is used for this process, a significant increase in manufacturing costs and time is unavoidable.
これに対し、上記特許文献２に記載のレーザクラッド法及び上記特許文献３に記載の蒸気タービン翼の製造方法では、熱処理にレーザ照射を利用するものであり、熱処理炉等を使用する場合と比較して簡便に処理を施すことができるが、金属肉盛層の硬度の増加と硬度のバラつき低減を同時に達成することはできない。また、これらの技術は金属肉盛層や金属基材を固相の状態で適当な温度に昇温するものであり、当該昇温をレーザ照射によって実現する点で従来一般的な方法よりも簡便であるが、基本的には母材熱影響部に対して部分的に焼戻し処理を施しているに過ぎない。 In contrast, the laser cladding method described in Patent Document 2 and the manufacturing method of the steam turbine blade described in Patent Document 3 use laser irradiation for heat treatment, which allows for easier processing compared to using a heat treatment furnace or the like, but it is not possible to simultaneously increase the hardness of the metal cladding layer and reduce hardness variation. In addition, these techniques heat the metal cladding layer or metal base material to an appropriate temperature in a solid phase state, and are simpler than conventional methods in that the temperature increase is achieved by laser irradiation, but essentially only partially temper the base material heat-affected zone.
以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、高硬度かつ均質な金属肉盛層を簡便に得る方法、及び当該方法によって製造される硬質金属部材を提供することにある。 In view of the problems in the conventional technology described above, the object of the present invention is to provide a method for easily obtaining a metal build-up layer that is high in hardness and uniformity, and a hard metal component manufactured by said method.
本発明者らは、上記目的を達成すべく、金属肉盛層に対する熱処理方法について鋭意研究を重ねた結果、加熱手段としてレーザ照射を用い、金属肉盛層を固相状態で加熱するのではなく、再溶融させること等が極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。 In order to achieve the above object, the inventors conducted extensive research into heat treatment methods for metal buildup layers, and discovered that using laser irradiation as a heating method and remelting the metal buildup layer rather than heating it in its solid phase is extremely effective, leading to the present invention.
即ち、本発明は、
金属基材の表面に形成させたマルテンサイト変態を生じる鋼からなる金属肉盛層にレーザ照射を施し、
前記レーザ照射によって前記金属肉盛層を再溶融させて溶融凝固領域を形成し、
前記溶融凝固領域の一部が重畳するように、前記レーザ照射を繰り返して熱処理を施すこと、
を特徴とする硬質金属部材の製造方法、を提供する。
That is, the present invention provides:
A metal cladding layer made of steel that undergoes martensitic transformation and formed on the surface of a metal substrate is irradiated with a laser,
The metal build-up layer is remelted by the laser irradiation to form a molten and solidified region;
Repeating the laser irradiation to perform heat treatment so that parts of the molten and solidified regions overlap;
The present invention provides a method for manufacturing a hard metal member, comprising the steps of:
本発明の硬質金属部材の製造方法においては、金属肉盛層に対する熱処理をレーザ照射による再溶融熱処理で達成するため、硬質金属部材の大きさ及び形状に依らず、簡便に実施することができる。また、金属肉盛層の形成にレーザ照射を用いる場合、当該装置をそのまま利用して熱処理を行うことができる。その結果、焼戻し熱処理を炉内で行う場合と比較して、製造コスト及び製造時間を大幅に削減することができる。 In the manufacturing method of the hard metal component of the present invention, the heat treatment of the metal buildup layer is achieved by remelting heat treatment using laser irradiation, so it can be easily performed regardless of the size and shape of the hard metal component. Furthermore, when laser irradiation is used to form the metal buildup layer, the heat treatment can be performed using the device as is. As a result, the manufacturing cost and manufacturing time can be significantly reduced compared to when tempering heat treatment is performed in a furnace.
マルテンサイト変態を生じる鋼からなる金属肉盛層に関しては、従来一般的なレーザ肉盛溶接を用いた場合、マルテンサイト相を有する金属肉盛層が形成された後に、次の溶接パスの影響を受けるため、硬度が低くなる熱影響部の形成が不可避である。これに対し、本発明の硬質金属部材の製造方法においては、再溶融した金属肉盛層が冷却される際、先のレーザ照射パス及び／又は後のレーザ照射パスによって金属基材及び未溶融の金属肉盛層が昇温されるため、レーザ溶接直後のマルテンサイト変態が抑制される。その結果、金属肉盛層に熱影響を及ぼす次のレーザ照射パスの終了以降にマルテンサイト変態が生じ、当該金属肉盛層への熱影響を硬度変化が生じない程度に小さくすることができる。 When a metal buildup layer made of steel that undergoes martensitic transformation is used with conventional laser buildup welding, the metal buildup layer having a martensitic phase is affected by the next welding pass after it is formed, and the formation of a heat-affected zone with reduced hardness is unavoidable. In contrast, in the manufacturing method of the hard metal member of the present invention, when the remelted metal buildup layer is cooled, the metal base material and the unmelted metal buildup layer are heated by the previous laser irradiation pass and/or the subsequent laser irradiation pass, so that martensitic transformation immediately after laser welding is suppressed. As a result, martensitic transformation occurs after the end of the next laser irradiation pass that has a thermal effect on the metal buildup layer, and the thermal effect on the metal buildup layer can be reduced to a level that does not cause a change in hardness.
本発明の硬質金属部材の製造方法においては、先のレーザ照射による前記金属肉盛層の予熱及び／又は後のレーザ照射による前記溶融凝固領域の後熱により、前記溶融凝固領域が前記鋼のＭｓ点以上の温度に維持され、前記後のレーザ照射の終了以降に前記溶融凝固領域において前記マルテンサイト変態が生じること、が好ましい。ここで、鋼のＭｓ点は組成によって変化するが、高速度工具鋼の場合、５０～１５０℃程度の温度となる。 In the manufacturing method of the hard metal member of the present invention, it is preferable that the molten solidified region is maintained at a temperature equal to or higher than the Ms point of the steel by preheating the metal cladding layer by the previous laser irradiation and/or by postheating the molten solidified region by the subsequent laser irradiation, and the martensitic transformation occurs in the molten solidified region after the end of the subsequent laser irradiation. Here, the Ms point of the steel varies depending on the composition, but in the case of high-speed tool steel, it is a temperature of about 50 to 150°C.
レーザ照射によって形成された溶融凝固領域が鋼のＭｓ点以上の温度に維持されている間は、最終的に得られる金属肉盛層の硬度に及ぼす次のレーザ照射パスからの入熱の影響は極めて小さい。金属肉盛層の硬度に大きく影響するのはマルテンサイト変態後に受ける熱履歴であり、マルテンサイト変態後における金属肉盛層とレーザ照射パスの距離を十分に確保することで、当該金属肉盛層の硬度低下を抑制することができる。 As long as the molten solidified region formed by the laser irradiation is maintained at a temperature equal to or higher than the Ms point of the steel, the effect of the heat input from the next laser irradiation pass on the hardness of the finally obtained metal buildup layer is extremely small. The hardness of the metal buildup layer is greatly affected by the thermal history after the martensitic transformation, and by ensuring a sufficient distance between the metal buildup layer after the martensitic transformation and the laser irradiation pass, the decrease in hardness of the metal buildup layer can be suppressed.
また、本発明の硬質金属部材の製造方法においては、同一領域に対して前記熱処理を２回以上施すこと、が好ましい。同一領域に対して熱処理を繰り返すと、金属基材及び未溶融の金属肉盛層がより広範囲かつ高温に予熱されるため、マルテンサイト変態のタイミングをより遅くすることができ、マルテンサイト変態後の金属肉盛層の硬度低下を確実に抑制することができる。また、同一領域に対する熱処理は４回以上施すことがより好ましい。 In addition, in the manufacturing method of the hard metal member of the present invention, it is preferable to perform the heat treatment two or more times on the same region. By repeatedly performing the heat treatment on the same region, the metal base material and the unmelted metal buildup layer are preheated to a wider range and higher temperature, so that the timing of the martensitic transformation can be delayed and the decrease in hardness of the metal buildup layer after the martensitic transformation can be reliably suppressed. It is also more preferable to perform the heat treatment four or more times on the same region.
また、本発明の硬質金属部材の製造方法においては、前記金属肉盛層がレーザ粉体肉盛溶接によって形成されていること、が好ましい。レーザ粉体肉盛溶接によって形成される金属肉盛層は、１パスのレーザ溶接によって形成される溶接ビード（肉盛線）が細く、金属肉盛層の形成が必要な領域を限定して精密な被覆処理を施すことができるが、一方で、殆どの場合において、当該溶接ビードを重畳させることで金属肉盛層を所望の形状及び大きさとするため、熱影響部の影響が顕在化しやすい。これに対し、本発明の硬質金属部材の製造方法を用いることで、硬度のばらつきを効果的に抑制できることから、良好な金属肉盛層を特定の領域に形成させることができる。 In addition, in the manufacturing method of the hard metal member of the present invention, it is preferable that the metal build-up layer is formed by laser powder build-up welding. The metal build-up layer formed by laser powder build-up welding has a thin weld bead (build-up line) formed by one pass of laser welding, and the area where the metal build-up layer needs to be formed can be precisely covered. On the other hand, in most cases, the metal build-up layer is formed into the desired shape and size by overlapping the weld beads, so the effect of the heat-affected zone is easily evident. In contrast, by using the manufacturing method of the hard metal member of the present invention, the variation in hardness can be effectively suppressed, and therefore a good metal build-up layer can be formed in a specific area.
また、本発明の硬質金属部材の製造方法においては、前記金属肉盛層の形成に用いた前記レーザ粉体肉盛溶接と同一のレーザ照射条件を用いて前記熱処理を施すこと、が好ましい。レーザ照射を用いた熱処理は存在するが、当該熱処理は対象領域を固相状態で加熱するものであり、例えば、対象領域が鋼の場合は、当該鋼の焼戻し温度に昇温するのが一般的である。鋼の焼戻し温度は目的によって異なるが、１００～７００℃であり、原料を溶融させるレーザ粉体肉盛溶接のレーザ照射条件を用いることはできない。これに対し、本発明の硬質金属部材の製造方法ではレーザ照射によって対象領域を再溶融させるため、レーザ粉体肉盛溶接のレーザ照射条件をそのまま用いることができ、円滑にプロセスを進めることができる。 In addition, in the manufacturing method of the hard metal member of the present invention, it is preferable to perform the heat treatment using the same laser irradiation conditions as the laser powder buildup welding used to form the metal buildup layer. Although there is a heat treatment using laser irradiation, the heat treatment heats the target area in a solid phase state. For example, when the target area is steel, the temperature is generally raised to the tempering temperature of the steel. The tempering temperature of steel varies depending on the purpose, but is 100 to 700°C, and the laser irradiation conditions of laser powder buildup welding, which melts the raw material, cannot be used. In contrast, in the manufacturing method of the hard metal member of the present invention, the target area is remelted by laser irradiation, so the laser irradiation conditions of laser powder buildup welding can be used as they are, and the process can proceed smoothly.
更に、本発明の硬質金属部材の製造方法においては、前記鋼が工具鋼であることが好ましく、高速度工具鋼であること、がより好ましい。高速度工具鋼は高硬度で耐摩耗性等に優れ、各種工具、金型及びロール等に好適に用いることができるところ、比較的高価かつ希少な添加元素が含まれており、必要な領域のみに最小限の高速度工具鋼を使用することが好ましい。これに対し、本発明の硬質金属部材の製造方法を用いることで、任意の領域に高硬度かつ均質な高速度工具鋼からなる金属肉盛層を形成させることができる。 Furthermore, in the manufacturing method of the hard metal member of the present invention, the steel is preferably a tool steel, and more preferably a high-speed tool steel. High-speed tool steel has high hardness and excellent wear resistance, and can be suitably used for various tools, dies, rolls, etc., but contains relatively expensive and rare additive elements, so it is preferable to use a minimum amount of high-speed tool steel only in necessary areas. In contrast, by using the manufacturing method of the hard metal member of the present invention, a metal build-up layer made of high-speed tool steel with high hardness and homogeneity can be formed in any desired area.
また、本発明は、
金属基材の表面に金属肉盛層を有し、
前記金属肉盛層におけるビッカース硬度の標準偏差（σ）が３０Ｈｖ以下であること、
を特徴とする硬質金属部材、も提供する。
The present invention also provides a method for producing a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
A metal build-up layer is provided on the surface of the metal substrate.
The standard deviation (σ) of the Vickers hardness in the metal buildup layer is 30 Hv or less;
Also provided is a hard metal member, characterized in that
本発明の硬質金属部材は、均一な硬度分布を得ることが困難である金属肉盛層に関して、ビッカース硬度の標準偏差（σ）が３０Ｈｖ以下となっていることが最大の特徴である。金属肉盛層が均質化されていることで、当該金属肉盛層を構成する金属材の特性を十分に活用することができると共に、硬質金属部材に高い信頼性を付与することができる。 The hard metal member of the present invention is characterized in that the standard deviation (σ) of Vickers hardness is 30 Hv or less for the metal buildup layer, where it is difficult to obtain a uniform hardness distribution. The homogenization of the metal buildup layer makes it possible to fully utilize the characteristics of the metal material that constitutes the metal buildup layer, and also provides the hard metal member with high reliability.
本発明の硬質金属部材においては、前記金属肉盛層は幅が０．１～４５ｍｍの溶接ビードからなること、が好ましい。より好ましい金属肉盛層の幅は０．１～２５ｍｍであり、最も好ましい金属肉盛層の幅は０．１～２０ｍｍである。細い溶接ビードを適当に組み合わせることで、所望の最終形状に対してニアネットシェイプ形状とすることができる。加えて、金属肉盛層が溶接ビードからなる被膜構造や多層盛構造となっているにも拘わらず、ビッカース硬度の標準偏差（σ）が３０Ｈｖ以下となっており、均質な機械的性質を有している。ここで、レーザ粉体肉盛溶接を用いることで、良好な細い溶接ビードを効率的に形成させることができる。 In the hard metal member of the present invention, the metal buildup layer is preferably made of a weld bead having a width of 0.1 to 45 mm. The width of the metal buildup layer is more preferably 0.1 to 25 mm, and most preferably 0.1 to 20 mm. By appropriately combining thin weld beads, a near-net shape can be obtained for the desired final shape. In addition, even though the metal buildup layer has a coating structure or multi-layer structure made of weld beads, the standard deviation (σ) of Vickers hardness is 30 Hv or less, and the metal buildup layer has homogeneous mechanical properties. Here, by using laser powder buildup welding, good thin weld beads can be efficiently formed.
また、金属肉盛層は金属基材に強固に溶接されているが、金属肉盛層の形成にレーザ粉体肉盛溶接を用いることで、当該金属肉盛層と金属基材の混合及び希釈を抑制することができる。その結果、接合界面近傍における硬質金属部材の特性劣化が最小限に留められている。 In addition, the metal buildup layer is firmly welded to the metal base material, but by using laser powder buildup welding to form the metal buildup layer, mixing and dilution of the metal buildup layer and the metal base material can be suppressed. As a result, deterioration of the properties of the hard metal component near the joint interface is kept to a minimum.
また、本発明の硬質金属部材は、前記金属肉盛層が高速度工具鋼であること、が好ましい。高速度工具鋼は優れた耐摩耗特性等を有しており、硬質金属部材を各種工具、金型及びロール等に好適に用いることができる。 In addition, in the hard metal member of the present invention, it is preferable that the metal build-up layer is high-speed tool steel. High-speed tool steel has excellent wear resistance and other properties, and the hard metal member can be suitably used for various tools, dies, rolls, etc.
本発明の硬質金属部材に使用する高速度工具鋼は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の高速度工具鋼材を用いることができる。高速度工具鋼材としては、例えば、ＪＩＳ Ｇ ４４０３：２００６に規定されている各種ＳＫＨ材を用いることができる。 The high-speed tool steel used in the hard metal member of the present invention is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, and various high-speed tool steel materials known in the art can be used. As the high-speed tool steel material, for example, various SKH materials specified in JIS G 4403:2006 can be used.
更に、本発明の硬質金属部材は、前記金属肉盛層の平均ビッカース硬度が７００Ｈｖ以上であること、が好ましい。硬質金属部材が７００Ｈｖ以上の高硬度を有し、ビッカース硬度の標準偏差（σ）が３０Ｈｖ以下となっていることで、高い信頼性が要求される耐摩耗部品や工具等に好適に用いることができる。なお、より好ましい硬質金属部材の硬度は８００Ｈｖ以上である。 Furthermore, the hard metal member of the present invention preferably has an average Vickers hardness of 700 Hv or more for the metal buildup layer. Since the hard metal member has a high hardness of 700 Hv or more and a standard deviation (σ) of the Vickers hardness of 30 Hv or less, it can be suitably used for wear-resistant parts and tools that require high reliability. In addition, the hardness of the hard metal member is more preferably 800 Hv or more.
なお、本発明の硬質金属部材は、本発明の硬質金属部材の製造方法を用いて好適に製造することができる。 The hard metal component of the present invention can be suitably manufactured using the hard metal component manufacturing method of the present invention.
本発明によれば、高硬度かつ均質な金属肉盛層を簡便に得る方法、及び当該方法によって製造される硬質金属部材を提供することができる。 The present invention provides a method for easily obtaining a metal build-up layer with high hardness and uniformity, and a hard metal component manufactured by the method.
以下、図１～３を参照しながら、本発明の硬質金属部材の製造方法及び硬質金属部材における代表的な実施形態を詳細に説明する。但し、本発明は図示されるものに限られるものではなく、各図面は本発明を概念的に説明するためのものであるから、理解容易のために必要に応じて比や数を誇張又は簡略化して表している場合もある。更に、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。 Below, a typical embodiment of the method for manufacturing a hard metal member and the hard metal member of the present invention will be described in detail with reference to Figures 1 to 3. However, the present invention is not limited to those shown in the drawings, and since each drawing is intended to conceptually explain the present invention, ratios and numbers may be exaggerated or simplified as necessary for ease of understanding. Furthermore, in the following description, the same or equivalent parts are given the same reference numerals, and duplicate descriptions may be omitted.
１．硬質金属部材の製造方法
図１に本発明の硬質金属部材の製造方法に関する模式図を示す。なお、図１においては、金属肉盛層をレーザ粉体肉盛溶接によって形成させた場合について示している。本発明の硬質金属部材の製造方法においては、金属基材２の表面に形成した金属肉盛層４にレーザ６を照射し、金属肉盛層４を再溶融させて溶融凝固領域８を形成し、溶融凝固領域８の一部が重畳するようにレーザ照射を繰り返すことで、熱処理を施すことができる。
1. Manufacturing method of hard metal member Fig. 1 shows a schematic diagram of the manufacturing method of the hard metal member of the present invention. Note that Fig. 1 shows a case where a metal build-up layer is formed by laser powder build-up welding. In the manufacturing method of the hard metal member of the present invention, a laser 6 is irradiated to a metal build-up layer 4 formed on a surface of a metal substrate 2, the metal build-up layer 4 is remelted to form a molten solidified region 8, and the laser irradiation is repeated so that a part of the molten solidified region 8 overlaps, thereby performing heat treatment.
（１）金属肉盛層
金属基材２の表面に形成させた金属肉盛層４は、マルテンサイト変態を生じる鋼からなっている。金属肉盛層４は、マルテンサイト変態によって硬化する鋼である限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の鋼とすることができるが、工具鋼であることが好ましく、高速度工具鋼であることがより好ましい。
(1) Metal build-up layer The metal build-up layer 4 formed on the surface of the metal substrate 2 is made of a steel that undergoes martensitic transformation. The metal build-up layer 4 is not particularly limited as long as it is a steel that hardens by martensitic transformation, and may be any of various conventionally known steels, but is preferably a tool steel, and more preferably a high-speed tool steel.
高速度工具鋼材としては、例えば、ＪＩＳ Ｇ ４４０３：２００６に規定されている各種ＳＫＨ材やＳＫＨ４０等を用いることができる。 For example, various SKH materials and SKH40, etc., as specified in JIS G 4403:2006 can be used as high-speed tool steel materials.
また、金属基材２と強固に接合され、粗大な欠陥がない良好な状態となっている限りにおいて、金属肉盛層４の形成方法は特に限定されず、従来公知の種々の方法を用いることができるが、任意の領域に緻密な金属肉盛層４を形成することができるレーザ粉体肉盛溶接を用いることが好ましい。レーザ粉体肉盛溶接においては、レーザ照射領域に原料となる金属粉末を供給することで、金属肉盛層４を形成させることができる。 As long as the metal is firmly bonded to the metal base material 2 and is in a good condition without any large defects, the method of forming the metal build-up layer 4 is not particularly limited, and various conventionally known methods can be used, but it is preferable to use laser powder build-up welding, which can form a dense metal build-up layer 4 in any area. In laser powder build-up welding, the metal build-up layer 4 can be formed by supplying the raw metal powder to the laser irradiation area.
レーザ粉体肉盛溶接では、レーザビームの直線移動及び所定の間隔による並行移動、更に全体を複数回往復させることで略面状の金属肉盛層４を形成させることが基本であるが、これに限定されるものではなく、例えば直線移動のみを所定回数繰り返して金属肉盛層４を形成してもよく、直線移動や曲線移動を組み合わせ、更にこれを所定回数繰り返してもよい。 In laser powder build-up welding, the laser beam is moved linearly and in parallel at a predetermined interval, and the entire beam is moved back and forth multiple times to form a roughly planar metal build-up layer 4. However, this is not limited to this, and for example, the metal build-up layer 4 may be formed by repeating only linear movement a predetermined number of times, or linear and curved movement may be combined and repeated a predetermined number of times.
レーザ粉体肉盛溶接によって形成された金属肉盛層４において硬度のばらつきが生じる機構について、模式的に図２に示す。図２は、金属基材２の表面に横方向に５パスの溶接ビード１０を重畳させた状況を示している。１パス目の溶接ビード１０は予熱がされていない状態で形成され、２パス目の溶接ビード１０が形成される際に熱影響を受ける。また、同様に、２パス目以降の溶接ビード１０は次の溶接ビード１０が形成される際に熱影響を受ける。加えて、溶接パス数の増加に伴って、溶接ビード１０の硬度が徐々に増加して飽和する傾向となる。これらの結果、レーザ粉体肉盛溶接によって形成された金属肉盛層４の硬度にはばらつきが生じ、鋼が本来有する高い硬度を金属肉盛層４の全体において均一に発現させることができない。 The mechanism by which hardness variations occur in the metal buildup layer 4 formed by laser powder buildup welding is shown in FIG. 2. FIG. 2 shows a situation in which five passes of weld beads 10 are superimposed laterally on the surface of a metal substrate 2. The first pass weld bead 10 is formed without preheating, and is thermally affected when the second pass weld bead 10 is formed. Similarly, the second and subsequent passes of weld beads 10 are thermally affected when the next weld bead 10 is formed. In addition, as the number of welding passes increases, the hardness of the weld bead 10 gradually increases and tends to saturate. As a result, the hardness of the metal buildup layer 4 formed by laser powder buildup welding varies, and the high hardness inherent to steel cannot be uniformly expressed throughout the entire metal buildup layer 4.
金属基材２は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の金属基材を用いることができるが、表面に形成させる金属肉盛層４との密着性、希釈の抑制、機械的性質等の観点から、鋼材を用いることが好ましく、工具鋼や軸受鋼等を好適に用いることができる。より具体的には、例えば、中炭素鋼材（Ｓ４５Ｃ等）、クロムモリブデン鋼鋼材、合金工具鋼鋼材、高炭素クロム軸受鋼鋼材等を用いることができる。 The metal substrate 2 is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, and various conventionally known metal substrates can be used, but from the viewpoints of adhesion with the metal buildup layer 4 formed on the surface, suppression of dilution, mechanical properties, etc., it is preferable to use a steel material, and tool steel, bearing steel, etc. can be suitably used. More specifically, for example, medium carbon steel (S45C, etc.), chromium molybdenum steel, alloy tool steel, high carbon chromium bearing steel, etc. can be used.
（２）レーザ照射条件
金属肉盛層４を再溶融して溶融凝固領域８を形成し、改質が必要な全ての領域に溶融凝固領域８を形成できる限りにおいて、レーザ照射条件は特に限定されず、従来公知の種々のレーザ波長、ビーム径、レーザ出力、レーザ走査速度及びレーザ走査パターンを用いることができるが、金属肉盛層４をレーザ粉体肉盛溶接で形成させた場合、当該レーザ粉体肉盛溶接におけるレーザ照射条件をそのまま適用することが好ましい。また、金属肉盛層４及び金属基材２の酸化を抑制するために、不活性雰囲気で処理を施すことが好ましい。
(2) Laser irradiation conditions As long as the metal buildup layer 4 is remelted to form the molten solidified region 8 and the molten solidified region 8 can be formed in all regions that require modification, the laser irradiation conditions are not particularly limited, and various conventionally known laser wavelengths, beam diameters, laser outputs, laser scanning speeds, and laser scanning patterns can be used, but when the metal buildup layer 4 is formed by laser powder buildup welding, it is preferable to apply the laser irradiation conditions in the laser powder buildup welding as they are. In addition, in order to suppress oxidation of the metal buildup layer 4 and the metal substrate 2, it is preferable to perform the treatment in an inert atmosphere.
より具体的には、金属肉盛層４は多数の溶接ビード１０から構成されており、レーザ粉体肉盛溶接と同一のレーザ照射条件を用いる場合、レーザは各溶接ビード１０に沿って照射されることになる。その結果、金属肉盛層４（溶接ビード１０）へのレーザ照射が繰り返されることになり、レーザ照射によって再溶融している領域以外の温度もある程度上昇することになる。 More specifically, the metal buildup layer 4 is composed of a large number of weld beads 10, and when the same laser irradiation conditions as those for laser powder buildup welding are used, the laser is irradiated along each weld bead 10. As a result, the laser irradiation of the metal buildup layer 4 (weld beads 10) is repeated, and the temperature rises to a certain extent in areas other than those remelted by the laser irradiation.
ここで、先のレーザ照射による金属肉盛層４の予熱及び／又は後のレーザ照射による溶融凝固領域８の後熱により、溶融凝固領域８が鋼のＭｓ点以上の温度に維持され、後のレーザ照射の終了以降に溶融凝固領域８においてマルテンサイト変態が生じることが好ましい。レーザ照射によって形成された溶融凝固領域８が鋼のＭｓ点以上の温度に維持されている間は、最終的に得られる金属肉盛層４の硬度に及ぼす次のレーザ照射パスからの入熱の影響は極めて小さい。金属肉盛層４の硬度に大きく影響するのはマルテンサイト変態後に受ける熱履歴であり、マルテンサイト変態後における金属肉盛層４とレーザ照射パスの距離を十分に確保することで、金属肉盛層４の硬度低下を抑制することができる。 Here, it is preferable that the molten solidified region 8 is maintained at a temperature equal to or higher than the Ms point of the steel by preheating the metal buildup layer 4 by the previous laser irradiation and/or postheating the molten solidified region 8 by the subsequent laser irradiation, and that martensitic transformation occurs in the molten solidified region 8 after the end of the subsequent laser irradiation. While the molten solidified region 8 formed by the laser irradiation is maintained at a temperature equal to or higher than the Ms point of the steel, the influence of the heat input from the next laser irradiation pass on the hardness of the finally obtained metal buildup layer 4 is extremely small. The hardness of the metal buildup layer 4 is greatly affected by the thermal history it receives after the martensitic transformation, and by ensuring a sufficient distance between the metal buildup layer 4 and the laser irradiation pass after the martensitic transformation, the decrease in hardness of the metal buildup layer 4 can be suppressed.
また、レーザ照射による熱処理は、同一領域に対して２回以上施すことが好ましい。同一領域に対して熱処理を繰り返すと、金属基材２及び未溶融の金属肉盛層４がより広範囲かつ高温に予熱されるため、マルテンサイト変態のタイミングをより遅くすることができ、マルテンサイト変態後の金属肉盛層４の硬度低下を確実に抑制することができる。また、同一領域に対する熱処理は４回以上施すことがより好ましいが、処理回数が多すぎると得られる平均硬度が低下するため、所望の平均硬度と許容される硬度のばらつきを鑑みて、適当な処理回数を設定する必要がある。 It is also preferable to perform the heat treatment by laser irradiation two or more times on the same region. By repeatedly performing heat treatment on the same region, the metal substrate 2 and the unmelted metal buildup layer 4 are preheated to a wider range and higher temperature, so that the timing of martensitic transformation can be delayed and the decrease in hardness of the metal buildup layer 4 after martensitic transformation can be reliably suppressed. It is also more preferable to perform heat treatment on the same region four or more times, but if the number of treatments is too many, the average hardness obtained decreases, so it is necessary to set an appropriate number of treatments taking into account the desired average hardness and the allowable hardness variation.
２．硬質金属部材
図３に本発明の硬質金属部材の概略断面図を示す。硬質金属部材２０は、金属基材２の表面に金属肉盛層４を有し、金属肉盛層４は幅が０．１～４５ｍｍの溶接ビード１０からなり、金属肉盛層４におけるビッカース硬度の標準偏差（σ）が３０Ｈｖ以下となっている。ここで、硬質金属部材２０における溶接ビード１０は、レーザ粉体肉盛溶接によって金属基材２の表面に形成された溶接ビードからなる金属肉盛層に対して、レーザ照射で溶融熱処理を施したものである。即ち、レーザ粉体肉盛溶接によって形成された溶接ビードの全領域に溶融凝固領域８が形成された場合、溶融凝固領域８が溶接ビード１０となる。
2. Hard metal member Fig. 3 shows a schematic cross-sectional view of the hard metal member of the present invention. The hard metal member 20 has a metal build-up layer 4 on the surface of a metal base material 2, and the metal build-up layer 4 is made of a weld bead 10 having a width of 0.1 to 45 mm, and the standard deviation (σ) of the Vickers hardness of the metal build-up layer 4 is 30 Hv or less. Here, the weld bead 10 in the hard metal member 20 is a metal build-up layer made of a weld bead formed on the surface of the metal base material 2 by laser powder build-up welding, which is subjected to a melting heat treatment by laser irradiation. That is, when a molten solidified region 8 is formed in the entire region of the weld bead formed by laser powder build-up welding, the molten solidified region 8 becomes the weld bead 10.
図３においては、レーザ粉体肉盛溶接によって形成された溶接ビードの全領域に溶融凝固領域８が形成された場合について示しているが、溶融凝固領域８は所望の領域に形成されていればよく、幅方向や深さ方向において溶接ビード１０の全てに形成されている必要はない。ここで、溶融凝固領域８が深さ方向において溶接ビード１０の全域に形成されている場合、元の溶接ビード１０（金属肉盛線）の形状等が確認できないが、その場合は一回のレーザ照射によって形成される溶融凝固領域８が溶接ビード１０となる。また、部分的に溶融凝固領域８が形成されている場合、当該領域においてビッカース硬度の標準偏差（σ）が３０Ｈｖ以下となっていればよい。 Figure 3 shows a case where the molten solidification region 8 is formed over the entire area of the weld bead formed by laser powder buildup welding, but the molten solidification region 8 may be formed in a desired area, and does not have to be formed over the entire weld bead 10 in the width direction or depth direction. Here, if the molten solidification region 8 is formed over the entire area of the weld bead 10 in the depth direction, the shape of the original weld bead 10 (metal buildup line) cannot be confirmed, but in that case, the molten solidification region 8 formed by one laser irradiation becomes the weld bead 10. Also, if the molten solidification region 8 is partially formed, it is sufficient that the standard deviation (σ) of the Vickers hardness in that area is 30 Hv or less.
また、図３では溶融凝固領域８（溶接ビード１０）が金属基材２に殆ど溶け込んでいないが、溶融凝固領域８（溶接ビード１０）はこれらが希釈されない程度に金属基材２に溶け込んでいることが好ましい。溶融凝固領域８（溶接ビード１０）と金属基材２とが冶金的に確実に接合されていることで、金属肉盛層４に大きな応力や繰り返しの応力が印加されるような用途にも好適に使用することができる。 In addition, in FIG. 3, the molten solidification region 8 (weld bead 10) is hardly melted into the metal base material 2, but it is preferable that the molten solidification region 8 (weld bead 10) is melted into the metal base material 2 to such an extent that it is not diluted. Since the molten solidification region 8 (weld bead 10) and the metal base material 2 are securely metallurgically joined, it can be suitably used in applications where large or repeated stress is applied to the metal buildup layer 4.
溶融凝固領域８においては、ビッカース硬度の標準偏差（σ）が３０Ｈｖ以下となっており、均質な機械的性質を有している。また、上述のとおり、金属肉盛層４は金属基材２に強固に溶接されているが、レーザ粉体肉盛溶接を用いることで、金属肉盛層４と金属基材２の混合及び希釈が効果的に抑制される。その結果、接合界面近傍における金属肉盛層４の特性劣化を最小限に留めることができる。 In the molten solidification region 8, the standard deviation (σ) of the Vickers hardness is 30 Hv or less, and the material has homogeneous mechanical properties. As described above, the metal buildup layer 4 is firmly welded to the metal substrate 2, but by using laser powder buildup welding, the mixing and dilution of the metal buildup layer 4 and the metal substrate 2 is effectively suppressed. As a result, the deterioration of the properties of the metal buildup layer 4 near the joint interface can be kept to a minimum.
金属肉盛層４は高速度工具鋼であり、金属肉盛層４（溶融凝固領域８）の平均ビッカース硬度は７００Ｈｖ以上であることが好ましい。金属肉盛層４（溶融凝固領域８）が７００Ｈｖ以上の高速度工具鋼であり、ビッカース硬度の標準偏差（σ）が３０Ｈｖ以下となっていることで、各種工具、金型及びロール等に好適に用いることができる。 The metal build-up layer 4 is a high-speed tool steel, and the average Vickers hardness of the metal build-up layer 4 (melt solidified region 8) is preferably 700 Hv or more. Since the metal build-up layer 4 (melt solidified region 8) is a high-speed tool steel of 700 Hv or more and the standard deviation (σ) of the Vickers hardness is 30 Hv or less, it can be suitably used for various tools, dies, rolls, etc.
金属肉盛層４を構成する高速度工具鋼は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の高速度工具鋼材を用いることができる。高速度工具鋼材としては、例えば、ＪＩＳ Ｇ ４４０３：２００６に規定されている各種ＳＫＨ材を用いることができる。 The high-speed tool steel constituting the metal build-up layer 4 is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, and various high-speed tool steel materials known in the art can be used. As the high-speed tool steel material, for example, various SKH materials specified in JIS G 4403:2006 can be used.
また、金属基材２も本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の金属基材を用いることができるが、表面に形成させる金属肉盛層４との密着性、希釈の抑制、機械的性質等の観点から、鋼材を用いることが好ましく、工具鋼や軸受鋼等を好適に用いることができる。より具体的には、金属基材２として、例えば、中炭素鋼材（Ｓ４５Ｃ等）、クロムモリブデン鋼鋼材、合金工具鋼鋼材、高炭素クロム軸受鋼鋼材等を用いることができる。 The metal substrate 2 is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, and various conventionally known metal substrates can be used, but from the viewpoints of adhesion with the metal buildup layer 4 formed on the surface, suppression of dilution, mechanical properties, etc., it is preferable to use a steel material, and tool steel, bearing steel, etc. can be suitably used. More specifically, for example, medium carbon steel (S45C, etc.), chromium molybdenum steel, alloy tool steel, high carbon chromium bearing steel, etc. can be used as the metal substrate 2.
また、硬質金属部材２０は、従来のＨＩＰ（熱間等方圧加圧法）による製造方法や、高温炉を用いた熱処理が必要な製造方法ではサイズが大きすぎる用途や経済的に割が合わない用途にも好適に適用することができる。 The hard metal member 20 can also be suitably used in applications where the size is too large or economically unviable for conventional manufacturing methods such as HIP (hot isostatic pressing) or manufacturing methods that require heat treatment using a high-temperature furnace.
以下、実施例において本発明の硬質金属部材の製造方法及び硬質金属部材について更に説明するが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。 The manufacturing method of the hard metal member and the hard metal member of the present invention will be further explained in the following examples, but the present invention is not limited to these examples.
＜実施例＞
粒径５３～１５０μｍの高速度工具鋼（ＪＩＳ－ＳＫＨ５１）粉末を原料とし、レーザ粉体肉盛溶接を用いて、ＳＳ４００基材上に５パスの溶接ビードを水平方向に一部重複させた金属肉盛層を形成させた。各溶接ビードの重複幅は２ｍｍとした。レーザ粉体肉盛溶接の条件は、レーザ出力２ｋＷ、レーザビーム径φ４．３ｍｍ、レーザ走査速度６ｍｍ／ｓ、粉末供給速度１５．５ｇ／ｍｉｎとし、シールドガスとして流量２３ｌ／ｍｉｎでＡｒガスを流通させた。レーザにはディスク発振のＹＡＧレーザを用いた。当該ＹＡＧレーザの波長は１．０６μｍである。
<Example>
Using high-speed tool steel (JIS-SKH51) powder with a particle size of 53 to 150 μm as the raw material, a metal build-up layer was formed on an SS400 substrate by laser powder build-up welding, in which five passes of weld beads were partially overlapped in the horizontal direction. The overlap width of each weld bead was 2 mm. The conditions of the laser powder build-up welding were a laser output of 2 kW, a laser beam diameter of φ4.3 mm, a laser scanning speed of 6 mm/s, a powder supply speed of 15.5 g/min, and Ar gas was circulated as a shielding gas at a flow rate of 23 l/min. A disk-oscillating YAG laser was used as the laser. The wavelength of the YAG laser was 1.06 μm.
金属肉盛層を形成させた金属基材の断面マクロ写真を図４に示す。断面マクロ観察においては、鏡面研磨した試料に対して酸性ピクリン酸アルコール溶液を使用してエッチング処理を施している。左端の溶接ビードが最初に形成されたものであり、順に右側に溶接ビードが形成されている。また、金属肉盛層における濃淡は組織が異なることを意味している。 Figure 4 shows a cross-sectional macrophotograph of a metal substrate with a metal build-up layer formed. For cross-sectional macroscopic observation, a mirror-polished sample was etched using an acidic picric acid alcohol solution. The weld bead on the left side was formed first, followed by the weld beads on the right side. The shading in the metal build-up layer indicates different structures.
図４に示す金属肉盛層について、深さ方向中心における水平方向のビッカース硬度分布を図５に示す。なお、図５に示すグラフの横軸は測定位置を示しており、１目盛が０．５ｍｍとなっている。ビッカース硬度測定の荷重は０．９８７Ｎとし、荷重付加時間は１０ｓとした。金属肉盛層のビッカース硬度は均一ではなく、標準偏差（σ）は４０．３Ｈｖとなっている。また、断面マクロ写真において暗くなっている領域は硬度が低く、明るい領域は硬度が高くなっており、最初に形成された溶接ビードの硬度は低く、溶接パスの増加に伴い硬度が上昇し、飽和する傾向が認められる。金属肉盛層の平均ビッカース硬度は７８５Ｈｖである。 Figure 5 shows the horizontal Vickers hardness distribution at the center of the depth direction for the metal buildup layer shown in Figure 4. The horizontal axis of the graph shown in Figure 5 indicates the measurement position, with one scale being 0.5 mm. The load for the Vickers hardness measurement was 0.987 N, and the load application time was 10 s. The Vickers hardness of the metal buildup layer is not uniform, with a standard deviation (σ) of 40.3 Hv. In addition, the dark areas in the cross-sectional macrophotograph have low hardness, and the bright areas have high hardness. The hardness of the first weld bead formed is low, and the hardness increases with the increase in welding passes, and a tendency for it to saturate is observed. The average Vickers hardness of the metal buildup layer is 785 Hv.
高速度工具鋼粉末を供給しないこと以外は上記レーザ粉体肉盛溶接のレーザ照射条件をそのまま適用し、金属肉盛層に対して再溶融熱処理を施した。また、同一の処理条件で再溶融熱処理を繰り返し、再溶融熱処理回数が１回、２回、４回及び６回の試料を作製した。各再溶融熱処理回数で得られた試料の断面マクロ写真を図６に示す。レーザ粉体肉盛溶接と同じレーザ照射位置とし、レーザ粉体肉盛溶接で形成された溶接ビードが完全に再溶融されているが、最終的には５パスの溶接ビード（再溶融凝固領域）が重複した状態となっている。また、再溶融熱処理によって金属肉盛層の濃淡が低減されており、特に、２回以上の再溶融熱処理によって、極めて均質な状態となっていることが分かる。 The metal build-up layer was subjected to remelting heat treatment under the same laser irradiation conditions as in the laser powder build-up welding, except that high-speed tool steel powder was not supplied. In addition, the remelting heat treatment was repeated under the same treatment conditions to produce samples with one, two, four, and six remelting heat treatments. Figure 6 shows cross-sectional macrophotographs of samples obtained after each remelting heat treatment. The laser irradiation position was the same as in the laser powder build-up welding, and the weld bead formed by the laser powder build-up welding was completely remelted, but ultimately the five-pass weld bead (remelted solidified area) was overlapped. In addition, it can be seen that the remelting heat treatment reduced the shading of the metal build-up layer, and in particular, the remelting heat treatment of two or more times resulted in an extremely homogeneous state.
図６に示す各金属肉盛層について、深さ方向中心における水平方向のビッカース硬度分布を図７に示す。なお、図７に示すグラフの横軸は測定位置を示しており、１目盛が０．５ｍｍとなっている。１回の再溶融熱処理によって金属肉盛層の平均ビッカース硬度は８２０Ｈｖに増加しており、再溶融熱処理を２回及び４回施した場合は８５０Ｈｖ以上の値となっている。ビッカース硬度のばらつきに関しては、２回以上の再溶融熱処理を施すことで、標準偏差（σ）が３０Ｈｖ以下となっている。 Figure 7 shows the horizontal Vickers hardness distribution at the center of the depth direction for each metal buildup layer shown in Figure 6. The horizontal axis of the graph in Figure 7 indicates the measurement position, with one scale division being 0.5 mm. The average Vickers hardness of the metal buildup layer increases to 820 Hv after one remelting heat treatment, and when remelting heat treatment is performed two or four times, the value is 850 Hv or more. With regard to the variation in Vickers hardness, the standard deviation (σ) is 30 Hv or less by performing remelting heat treatment two or more times.
再溶融熱処理を１０回繰り返し、当該プロセス中の金属肉盛層近傍における金属基材の温度変化を測定した。温度測定には熱電対を用い、測定位置は図８に示す５箇所とした。得られた測温結果を図９に示す。図９では５箇所からの測温結果が重複表示されているが、何れの場所においても再溶融熱処理によって温度が上昇しており、３回目の再溶融熱処理以降は金属基材の温度が２００℃以上となっている。なお、熱電対を用いて金属肉盛層の温度を測定することは困難であるが、レーザ照射領域に近い金属肉盛層は金属基材よりも確実に高温になる。当該結果は、再溶融熱処理中の金属肉盛層の温度は、高速度工具鋼のＭｓ点よりも高い値に維持されていることを示している。 The remelting heat treatment was repeated 10 times, and the temperature change of the metal substrate near the metal overlay during the process was measured. A thermocouple was used for temperature measurement, and the measurement positions were five as shown in FIG. 8. The obtained temperature measurement results are shown in FIG. 9. In FIG. 9, the temperature measurement results from five positions are overlapped, and the temperature rises due to the remelting heat treatment at all positions, and the temperature of the metal substrate becomes 200° C. or higher after the third remelting heat treatment. It is difficult to measure the temperature of the metal overlay using a thermocouple, but the metal overlay near the laser irradiation area is certainly hotter than the metal substrate. The result shows that the temperature of the metal overlay during the remelting heat treatment is maintained at a value higher than the Ms point of the high-speed tool steel.
＜比較例＞
金属肉盛層のビッカース硬度分布に及ぼすレーザ粉体肉盛溶接条件の影響を検討した。具体的には、粉末供給速度を７．７５ｇ／ｍｉｎ又は１５．５ｇ／ｍｉｎ、レーザ走査速度を６ｍｍ／ｓ、８ｍｍ／ｓ又は１０ｍｍ／ｓとしたこと以外は実施例と同様にして、金属肉盛層を形成させた。なお、レーザ照射による再溶融熱処理は施していない。
Comparative Example
The influence of laser powder build-up welding conditions on the Vickers hardness distribution of the metal build-up layer was examined. Specifically, the metal build-up layer was formed in the same manner as in the example, except that the powder supply rate was 7.75 g/min or 15.5 g/min, and the laser scanning rate was 6 mm/s, 8 mm/s, or 10 mm/s. Note that no remelting heat treatment by laser irradiation was performed.
各レーザ粉体肉盛溶接条件で得られた試料について、実施例と同様にして断面マクロ観察を行った。各試料の断面マクロ写真を図１０に示す。レーザ粉末肉盛溶接条件に依らず、金属肉盛層には金属組織の際に起因する明確な濃淡が認められる。 Cross-sectional macroscopic observation was performed on the samples obtained under each laser powder build-up welding condition in the same manner as in the examples. Cross-sectional macroscopic photographs of each sample are shown in Figure 10. Regardless of the laser powder build-up welding conditions, clear shading due to the metal structure was observed in the metal build-up layer.
図１０に示す各金属肉盛層に関して、実施例と同様にしてビッカース硬度測定を行った。得られた結果を図１１に示す。なお、図１１に示すグラフの横軸は測定位置を示しており、１目盛が０．５ｍｍとなっている。何れの金属肉盛層においてもビッカース硬度のばらつきは大きく、標準偏差（σ）は３０Ｈｖを大幅に超えている。 For each metal build-up layer shown in Figure 10, a Vickers hardness measurement was performed in the same manner as in the Example. The results are shown in Figure 11. Note that the horizontal axis of the graph shown in Figure 11 indicates the measurement position, with one division being 0.5 mm. For each metal build-up layer, the Vickers hardness had a large variation, with the standard deviation (σ) significantly exceeding 30 Hv.
以上の結果より、レーザ粉体肉盛溶接の条件を最適化しても金属肉盛層の高硬度化と均質化を図ることはできないことが分かる。一方で、本発明の硬質金属部材の製造方法を用いることで、レーザ照射のみによって金属肉盛層の高硬度化と均質化を同時に達成することができ、７００Ｈｖ以上の平均ビッカース硬度と３０Ｈｖ以下の標準偏差（σ）を簡便に実現することができることが示された。 These results show that optimizing the conditions for laser powder buildup welding does not allow for high hardness and homogenization of the metal buildup layer. On the other hand, by using the manufacturing method for hard metal components of the present invention, it is possible to simultaneously achieve high hardness and homogenization of the metal buildup layer by laser irradiation alone, and it has been shown that an average Vickers hardness of 700 Hv or more and a standard deviation (σ) of 30 Hv or less can be easily achieved.
２・・・金属基材、
４・・・金属肉盛層、
６・・・レーザ、
８・・・溶融凝固領域、
１０・・・溶接ビード、
２０・・・硬質金属部材。
2...metal substrate,
4...metal build-up layer,
6...laser,
8...melting and solidifying region,
10...weld bead,
20...Hard metal member.
Claims (6)
前記レーザ照射によって前記金属肉盛層を再溶融させて溶融凝固領域を形成し、
前記溶融凝固領域の一部が重畳するように、前記レーザ照射を繰り返して熱処理を施すこと、
を特徴とする硬質金属部材の製造方法。 A metal cladding layer made of steel that undergoes martensitic transformation and formed on the surface of a metal substrate is irradiated with a laser,
The metal build-up layer is remelted by the laser irradiation to form a molten and solidified region;
Repeating the laser irradiation to perform heat treatment so that parts of the molten and solidified regions overlap;
A method for manufacturing a hard metal member, comprising the steps of:
前記後のレーザ照射の終了以降に前記溶融凝固領域において前記マルテンサイト変態が生じること、
を特徴とする請求項１に記載の硬質金属部材の製造方法。 The molten solidification region is maintained at a temperature equal to or higher than the Ms point of the steel by preheating the metal cladding layer by the previous laser irradiation and/or post-heating the molten solidification region by the subsequent laser irradiation,
The martensitic transformation occurs in the melt-solidified region after the end of the subsequent laser irradiation;
The method for producing a hard metal part according to claim 1, characterized in that
を特徴とする請求項１又は２に記載の硬質金属部材の製造方法。 subjecting the same area to the heat treatment two or more times;
3. The method for producing a hard metal part according to claim 1 or 2, characterized in that
を特徴とする請求項１～３のうちのいずれかに記載の硬質金属部材の製造方法。 The metal build-up layer is formed by laser powder build-up welding;
The method for producing a hard metal member according to any one of claims 1 to 3, characterized in that
を特徴とする請求項４に記載の硬質金属部材の製造方法。 The heat treatment is performed using the same laser irradiation conditions as those used in the laser powder buildup welding used to form the metal buildup layer;
The method for producing a hard metal part according to claim 4, characterized in that
を特徴とする請求項１～５のうちのいずれかに記載の硬質金属部材の製造方法。 said steel being a high speed tool steel;
The method for producing a hard metal member according to any one of claims 1 to 5, characterized in that
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