JPH04131341A - レーザ肉盛用Ｃｕ基合金粉末 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ粉末肉盛溶接に用いるＣｕ基基盤盛合金
粉末関するものである。 〔従来の技術〕 従来公知の耐摩耗性、耐食性に優れた肉盛用粉末として
、本発明者らの一人がすでに、■Ｓｉ　０．１〜６χ、
８０．１〜４χ、　Ｎｉ　１０〜４０χ、　Ｃｒ　、　
Ｍｏ及び−の１種又は２種以上の合計が１／４　Ｎｉ≧
Ｃｒ＋１／２　Ｍｏ士１／３．５−を満足する範囲で含
有し、残部はＣｕであるＣｕ基自溶性合金粉末（特公昭
５Ｏ−４６０８）、■前記合金粉末と、少なくともＢ　
０．１〜４χ、Ｓｉ　０．１〜６χを含有するＣｏ基合
金粉末とをｌ：９〜７：３の割合で混合してなる粉末肉
盛溶接用Ｃｕ−Ｃｏ系自溶性合金粉末（特公昭４９−１
１９７９）などを提案している。 近年、金属基体上にレーザ、プラズマアークや電子ビー
ムなどの高エネルギー密度の加熱源を用いて、しかも自
動的に粉末を肉盛溶接する技術が進歩している。 特に、レーザパワーの高出力化にともなって、レーザ粉
末肉盛技術の工業的な適用が活発となっている。ところ
が、前述した従来公知の粉末を用いた場合、スパッタリ
ングの発生やビード形状の不良、欠肉、融合不良、ピン
ホール及びブローホール等の欠陥を生じ、レーザ粉末肉
盛溶接がうまくできない場合があった。特に混合粉では
、個々の粉末のレーザビーム吸収率の違いにより、不均
一なビードを生じやすくなる問題点がみられ、工業的に
、しかも自動化された工程でレーザ粉末肉盛部品を製品
する際、不良品が出来やすく、製造の安定性に欠ける欠
点があった。 〔発明が解決すべき問題点〕 本発明者らは、レーザ粉末肉盛溶接においてスパッタリ
ングがなく、ビード形状が良好で、欠肉、融合不良、ピ
ンホール及びブローホール等の欠陥を発生しないＣｕ基
合金粉末の組成を種々検討した結果、前述した従来公知
の合金の特性を損なうことなく、又、粉末製造に支障を
来すことのない範囲で有効な微量の添加元素及び微量の
酸素を含有することにより、前記問題点が解決されるこ
とを見出し、本発明を完成したものである。 〔問題を解決するための手段］ 本発明は、（１）Ｎｉ１０〜４０χ、Ｓｉ　０．１〜６
χを必須成分とし、残部がＣｕ及び不可避不純物からな
る合金において、 ■Ａｔ　、Ｙ　、　　ミツシュメタル＋　Ｔ＋　＋　Ｚ
ｒ　＋　Ｈｆのうちの１種又は２種以上の合計が０．０
１〜０．１ｚ、■（０）　０．０１〜０．１χ を含有することを特徴とするレーザ肉盛用Ｃｕ基合金粉
末。 （２）Ｎｉ１０〜４０！、Ｓｉ　０．１〜６χを必須成
分とし、Ｃｏ２０％以下、Ｍｏ又は／及び−の合計が２
０％以下、Ｆｅ５０％以下、Ｃｒ１Ｏ！以下、　Ｂ　０
．５％以下、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる合金
において、 （１）Ａｌ、Ｙ、ミッシュメタル　、Ｙ　、　　ミツシ
ュメタル、　ｒｉ　、　Ｚｒ　、　Ｈｆのうちの１種又
は２種以上の合計が０．０１〜０．１χ、■（０）　０
．０１〜０．１χ を含有することを特徴とするレーザ肉盛用Ｃｕ基合金粉
末である。 〔作用］ レーザ粉末肉盛における溶融〜凝固の機構は以下のよう
に考えられる。まずレーザビームは粉末に吸収されると
同時に母材表面に熱を供給し、溶融プールが形成される
０次に金属基体が移動することにより溶融プールが相対
的に移動するため、溶融プールは定常かつ連続的に冷却
・凝固して、肉盛層が形成される。 熱源にレーザビームを用いた場合の大きな特徴は、レー
ザビームが粉末及び溶融プールに吸収されることにより
、光→熱エネルギーに交換され、この熱エネルギーによ
って、加熱・溶融が起こることである。このため粉末及
び溶融プールのレーザビーム吸収率が非常に大切である
。 Ｃｕ合金のように反射率の高いものでは、粉末及び溶融
プールでレーザビームを効率よく吸収させることが、特
に重要である。 ところで、レーザ肉盛時における溶融プールの形成の良
否がレーザ肉盛層の良否に極めて大きな影響を及ぼして
いる。以下、この点につき詳述する。 溶融プール形成不良現象を分類すると、■溶融プール部
への入熱不足によって引き起こされる、粉末の未溶融又
は溶融不足や金属基体との濡れ不良、及び■入熱量は適
正で溶融はしているにもかかわらず、溶融プール内の溶
融金属の攪拌がはげしたために引き起こされる、溶融プ
ールの“表面撹乱”とがある。 溶融プールの形成不良が、上記■に起因したとき、レー
ザ肉盛層に与える影響は次の通りである。 溶融プールは、溶融不足等の影響で、溶融プール表面で
は常に一定の溶融金属自由表面を保つことができないた
め、冷却・凝固の際、定常かつ連続的凝固を行うことが
できなくなり、肉盛層表面に大きな凹凸を残したまま凝
固してしまう。この結果、ビード形状の不良や欠肉を発
生させる。さらにまた、溶融不足等の影響で、肉盛層の
内部ではピンホールが、また金属基体との界面では融合
不良が発生する。 一方、溶融プールの形成不良が上記■に起因したとき、
レーザ肉盛層に与える影響は次のとおりである。 溶融プールは、激しい“表面撹乱”の影響で、溶融プー
ル表面では常に一定の溶融金属自由表面を保つことがで
きないため、冷却・凝固の際、前記と同様に定常かつ連
続的な凝固を行うことができな（なり、肉盛層表面に大
きな凹凸を残したまま凝固してしまう。この結果、ビー
ド形状の不良や欠肉を発生させる。さらに、溶融プール
の激しい攪拌により、周囲のガスが溶融プール内に巻き
込まれる。巻き込まれたガスは加熱され、内部圧力を高
めながら膨張をし、溶融プール外へ脱出しようとする。 脱出の際、ガスは溶融金属の一部を吹き飛ばしながら出
て行くため、スパッタリング現象が発生する。さらにま
た、巻き込まれたガスが抜ききらずに溶融プールに残っ
たままで凝固してしまうとブローホールが発生する。 以上のごとく、レーザ肉盛時における溶融プール形成の
不良は、ビード形状の不良、欠肉、融合不良、ピンホー
ル及びブローホール等の種々の欠陥を発生させる原因と
なる。なお、念のために述べると、ビード形状の不良は
、他の肉盛欠陥、即ち、欠肉、融合不良、ピンホール及
びブローホールをも引き起していることを示唆している
。従って、ビード形状不良を防止することは極めて重要
な点である。さらに、肉盛層の欠陥ではないがスパッタ
リング発生の原因にもなっている、このスパッタリング
の発生は、レーザ肉盛作業において、ミラーや周辺機具
を汚染し、操業を継続して行うことを妨げる。従って、
スパッタリング発生を防止することは極めて重要な点で
ある。 本発明の第１の特徴は、レーザ粉末肉盛を行った際のス
パッタリングの発生やビード形状の不良、欠肉、融合不
良、ピンホール及びブローホール等の欠陥を防止する目
的で、微量成分（ＡＩ、Ｙ、ミツシュメタル、Ｔｉ、Ｚ
ｒ、Ｈｆ）の添加及び微量の酸素を含有していることで
あり、レーザビームを照射すると、それら微量成分の酸
化皮膜が粉末表面あるいは溶融プールの表面に形成され
ることである。この酸化皮膜は熱的に安定で、かつレー
ザビームを効率よく吸収するため、粉末及び溶融プール
への熱エネルギーは安定で、かつ効率よく供給され、適
正な溶融プールが形成される。さらにまた、この酸化皮
膜が溶融プールの見掛けの熔融粘度を高め、前述した“
表面撹乱”を鎮静化する。以上のごとき理由により、本
発明の第一の特徴は、上記肉盛不良を防止する作用があ
る。 さらに本発明の第２の特徴は、従来公知の合金の特性を
損なうことなく、又、粉末製造に支障を来すことのない
範囲の粒子個々の組成が均一な合金粉末の形態としたこ
とである。このことで、混合粉末をレーザ粉末肉盛に使
用した際の問題点、即ち、個々の粉末の吸収率の違いに
よる肉盛不安定さが改善され、工業的に、しかも自動化
された工程で、レーザ粉末肉盛を行う際に、より安定で
、効率が良くなる作用がある。 以下、本発明における必須成分の限定理由を説明する。 （Ｎｉ） ＮｉはＣｕに溶解しＣｕ−Ｎｉ合金相として、又、一部
は珪化物を形成してマトリックスを強化する゛とともに
、後述する耐摩耗性を向上させる選択成分であるＣｏ、
　Ｍｏ、　Ｗ、　Ｆｅ、　Ｃｒ及びＢを含有せしめるた
めに必要な成分である。Ｎｔ　１０％未満では従来のＣ
ｕ−Ｎｉ合金の特性、特に耐食性、耐摩耗性が出現でき
ず、さらに、上記選択成分、特にＣｒ、Ｍｏ及び−を添
加できる量が少なくなる。一方、Ｎｉの増加により合金
の溶解性は良くなるが、合金中のＣｕの固溶体相が減少
し、耐摩耗性が悪くなるため上限を４ｏｚとした。従っ
て、Ｎｉは１０〜４０χの範囲内とした。 （Ｓｉ） ＳｉはＮｉとの珪化物を形成すると同時に後述する各選
択成分と合金化して珪化物を形成させるために欠（こと
のできない成分であり、さらにＳｉはＢと共存する場合
には合金の自溶性を高めて溶着性を向上させる作用を果
たす。Ｓｉが０．１ｚ未満では目的とする珪化物が充分
に形成されず、耐摩耗性が低下し、Ｓｔが６ｚを超える
と過剰の珪化物の晶出及び合金の融点上昇を来たし、粉
末の製造ができなくなる。従って、Ｓｔは０．１〜６χ
の範囲内とした。 （Ａｌ、Ｙ、　　ミツシュメタル、　Ｔｉ、　Ｚｒ、　
Ｈｆ　）本発明において、レーザ粉末肉盛を行う際に上
記微量添加元素及び

〔０〕が極めて重要な働きをする。 ■族元素であるＡＩ、Ｙ、　　ミツシュメタル（Ｌａ、
Ｃｅ）及び■族元素であるＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆは、いずれ
もその他の成分元素に比べ酸化物生成標準自由工ふルギ
ーが大きいため、微量添加すると、酸素と結合して安定
した酸化皮膜を形成する。この酸化皮膜の形成はレーザ
粉末肉盛時に起こり、粉末及び溶融プール表面に安定し
た酸化皮膜を形成し、レーザビームを有効に吸収して、
適正な溶融プールを形成するとともに、溶解プールの表
面撹乱を鎮静化する。なお、この作用は上記各微量添加
元素を単体で添加した場合でも、２種以上の複合添加で
も、その合計で同様に論することができる。 上記微量添加元素の合計が０．０１χ未満では形成する
酸化皮膜が少なく、レーザビームの反射率が高くなるた
め、溶融プールの形成が不良となり、ビード形状等、前
述の種々欠陥を発生する危険性が大きくなる。一方、０
．１χを超えると酸化皮膜が多くなることにより、レー
ザビーム吸収率の上昇による加熱のため母材希釈量の増
加を来す危険性が高くなる。また、粉末製造時の溶湯の
流動性が悪くなり、粉末製造が困難となる。従って、Ａ
Ｉ、Ｙミツシュメタル＋　Ｔｔ　＋　Ｚｒ、　Ｈｆの１
種又は２種以上の合計は０．０１〜０．１ｚの範囲内と
した。 〔Ｏ〕は前記微量添加元素と結合して安定な酸化皮膜を
形成させるため必要な成分である。［０］が０．０１χ
未満では形成する酸化皮膜が少なく、レーザビームの反
射率が高くなるため、溶融プールの形成が不良となり、
ビード形状等前述の種々の欠陥を発生する危険性が大き
くなる。一方、（０）が０．１χを超えると熱的に不安
定な酸化皮膜が多くなることにより、スパッタリングを
生じたり、レーザビーム吸収率の上昇による過熱のため
母材希釈量の増加を来す危険性が高くなる。従って、〔
０〕は０．０１〜０．１χの範囲内とした。 次に、選択成分であるＣ　ｏ　＋　Ｍ　ｏ　＋　Ｗ　＋
　Ｆ　ｅ　＋　Ｃｒ及びＢはＣｕ基肉盛合金の主に耐摩
耗性を向上させる成分として従来よりよく知られている
。従って、できるだけ多く含有させることが望ましい。 しかし、これら選択成分を含有させると全て２液相分離
型合金となり、含有量によっては粉末製造に支障をきた
すこともでてくることがわかった。そこで、各成分をで
きるだけ含有させることのできる合金組成を種々検討し
た。その結果、合金粉末製造に支障を来すことのない上
限を規定するに到った。 以下、各選択成分の限定理由を説明する。 （ＣＯ） ＣｏはＣｕ中にはほとんど溶解せずＮｉと合金化し、共
に珪化物相を形成して耐摩耗性、さらに耐熱性、耐食性
を向上させるとともに、Ｍｏ及び−を有効に含有せしめ
るために必要な成分である。Ｃｏが２０％を超えると合
金の溶解性は良くなるが、上記特性の向上が少なく、Ｃ
ｏ地金は高価であることからコストの上昇を紹くため好
ましくない。従って、ＣＯは２０％以下とした。 （Ｍｏ及びＷ） Ｍｏ及び−はＣｕに対して溶解度がないので、Ｎｉ及び
Ｃｏと合金化する。また、Ｍｏ及び讐リッチの珪化物を
晶出することにより、耐摩耗性、耐熱性をさらに向上さ
せる有効な成分である。Ｍｏ、−はＮｉ及びＣｏに対し
て同様の溶解度があり、同じ働きをするため、各々の単
体添加でも複合添加でも同一の限定理由を論することが
できる。即ち、Ｍｏ及び−の１種あるいは２種の合計が
２０χを超えると、高融点珪化物の過剰晶出により溶解
度の限界を超え、粉末が製造できなくなる。従って、Ｍ
ｏ及び譬の１種又は２種の合計は２０％以下とした。 （Ｆｅ） Ｆｅは合金の溶解性において、Ｎｉ、Ｃｏと同様の働き
をし、それらの一部と置き換えることができ、加えてコ
ストの低下による経済効果をもたらすが、Ｆｅが２０χ
を超えると合金の耐食性を劣化させるおそれがある。従
って、Ｆｅは２０Ｘ以下とした。 （Ｃｒ） ＣｒはＣｕには溶解せず、Ｎｉ及びＣｏと合金化する。 Ｎｉ及び００部に溶解することにより珪化物を形成して
耐摩耗性を向上させるとともに、合金の耐食性、耐熱性
を向上させる。Ｃｒが１０χを超えると、ＭＯ及び−珪
化物の有効晶出量を減少させるおそれがある。従って、
Ｃｒは１ｏｚ以下とした。 （Ｂ） ＢはＣｕとほとんど溶解せずＮｉと合金化して耐摩耗性
を向上させるとともに、溶湯の流動性を良くし、自溶性
を付与する成分であるが、Ｂが０．５χを超えるとＣｒ
、　Ｍｏ、　Ｗとの高融点ホウ化物を形成し、晶出する
ため、粉末製造が困難となる。従って、Ｂは０，５％以
下とした。 以下、本発明の実施例を示す。 〔実施例・比較例〕 それぞれ第１表に示される成分組成になるように配合し
た本発明合金、比較例合金について、まず粉末製造作業
性の判断基準として、熱分析法による初晶晶出温度を測
定し、１５００°Ｃの溶湯を５φｍｍ　Ｘ　１００　ｍ
ｍ　ｌのシェルモールドへ鋳湯することにより流動性を
調査した。次に、各々の合金溶湯をＮ２ガスを使用した
ガスアトマイズ法により粉化し、そのままＮ２ガス雰囲
気中で冷却してレーザ粉末肉盛用Ｃｕ基合金粉末を得た
。以上のようにして得られた粉末をそれぞれ一８０〜＋
２８０メツシュに篩分け、下記の条件でレーザ粉末肉盛
を行い、スバッリングの有無及びビード形状を観察した
。それらの結果を第１表に示す・ （レーザ粉末肉盛条件） ・金属基体　、　　ＳＳ４ト レーザ出力；　　１．８ｋｗ ・ぼかし量　；ａｂ値１．４（線状ビーム）・処理速度
　；１００ＩＩＩｏｌ／１１ｉｎ第１表に示すように、
Ｎα１〜９の本発明のレーザ粉末肉盛用Ｃｕ基合金粉末
は、通常のガスアトマイズ法で問題なく合金粉末を製造
できる組成であり、本粉末を用いてレーザ粉末肉盛を行
うと、スパッタリングは発生せず、ビード形状が良好で
、レーザ粉末肉盛性が良好である。これに対して、漱１
０〜１５の比較例合金は、微量添加元素及び

〔０〕量が
はずれたもので、その中でｋｌｏ〜工３はスパッタリン
グの発生かもしくはビード形状の不均一が認められ、Ｎ
α１４．１５はレーザ粉末肉盛性が不良であると同時に
溶湯流動性が悪く、粉末製造困難な組成である。以上の
結果、微量添加元素及び

〔０〕量がレーザ粉末肉盛性に
重要な影響を及ぼすことが明らかである。 〔発明の効果〕 以上詳述したように、本発明のＣｕｊＪ合金粉末は耐摩
耗性、耐食性、耐熱性を向上させる成分を有効に含有し
ており、レーザ粉末肉盛を行うに際して、スパッリング
が発生せず、良好なビードが得られ、工業的にしかも自
動化された工程においても、安定で効率の良い肉盛部品
を製造できる効果を有する。 なお、本発明によるＣｕ基合金粉末はプラズマアークを
熱源とする粉末肉盛材としても良好な肉盛ができること
が確認されている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）Ｎｉ１０〜４０％（重量％、以下同じ）、Ｓｉ０
   ．１〜６％を必須成分とし、残部がＣｕ及び不可避不純
   物からなる合金において、 （１）Ａｌ、Ｙ、ミツシュメタル、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの
   うちの１種又は２種以上の合計が０．０１〜０．１％、
   （２）〔０〕０．０１〜０．１％ を含有することを特徴とするレーザ肉盛用Ｃｕ基合金粉
   末。 （２）Ｎｉ１０〜４０％、Ｓｉ０．１〜６％を必須成分
   とし、Ｃｏ２０％以下、Ｍｏ又は／及びＷの合計が２０
   ％以下、Ｆｅ２０％以下、Ｃｒ１０％以下、Ｂ０．５％
   以下、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる合金におい
   て、 （１）Ａｌ、Ｙ、ミッシュメタル、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの
   うちの１種又は２種以上の合計が０．０１〜０．１％、
   （２）〔０〕０．０１〜０．１％ を含有することを特徴とするレーザ肉盛用Ｃｕ基合金粉
   末。