JPH06122076A - 酸化物分散金属の肉盛溶接方法 - Google Patents

酸化物分散金属の肉盛溶接方法

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JPH06122076A
JPH06122076A JP27285792A JP27285792A JPH06122076A JP H06122076 A JPH06122076 A JP H06122076A JP 27285792 A JP27285792 A JP 27285792A JP 27285792 A JP27285792 A JP 27285792A JP H06122076 A JPH06122076 A JP H06122076A
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JP
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metal
oxide
powder
metallic
overlay
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JP27285792A
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English (en)
Inventor
Masashi Takaso
正志 高祖
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】酸化物分散金属の肉盛溶接方法を提供する。 【構成】金属の肉盛溶接の際、溶融金属中にその温度に
おいて酸素と金属元素に分解する金属酸化物、すなわち
MoO3、Nb2O5 、Ta2O5 、V2O5およびWO3 のうちの1種以
上と、この金属酸化物を構成する金属元素よりも酸化し
やすく溶融金属中で酸化物を形成する金属元素、すなわ
ちAl、Ti、YおよびZrのうちの1種以上とを添加するこ
とを特徴とする酸化物分散金属の肉盛溶接方法。 【効果】金属酸化物粉末は分解して、固溶強化金属と酸
素の供給源となるとともに、同時に添加された金属粉末
は酸化物となって微細に分散晶出するので、高強度の酸
化物分散金属の溶接肉盛層を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、熱間工具、金型などの
表面に耐摩耗性、高温変形抵抗(高温強度)に優れた表
面層を形成し、寿命を向上させるのに好適な酸化物分散
金属の肉盛溶接方法に関する。
【0002】
【従来の技術】現用の耐熱超合金には、Fe基、Co基、Ni
基などの合金があるが、これらの合金は主に金属間化合
物などの析出現象を利用して強化されている。したがっ
て、析出相が固溶するような高温領域に加熱される場合
には、析出による強化効果は失われることになる。そこ
で、粉末冶金法により、高温領域でも安定で、しかも転
位の運動を妨げる効果を持つ粒子をマトリックスに均一
に分散させた分散強化型複合材料が開発されている。例
えば、粒子としてはマトリックスに固溶せず、マトリッ
クスの融点直下の温度まで安定なThO2、Al2O3 、Y2O3
どの酸化物を利用する酸化物分散強化型複合材料と呼ば
れる耐熱超合金が知られている。この場合、マトリック
スとしては主にNi基合金が用いられる。
【0003】この他にマトリックスに炭化物を均一に分
散させた炭化物分散型複合材料があり、肉盛溶接により
形成される材料として活用されている。溶接材料として
マトリックス金属と炭化物の混合粉末を使用し、プラズ
マ粉体肉盛溶接法により肉盛溶接を行うと、肉盛層に炭
化物が分散した複合材料が得られる。この方法は、例え
ば熱間圧延用ロールの全表面に対しても適用することも
できる。肉盛層はマトリックス金属と炭化物との特性を
有するものとなると同時に、マトリックス金属は強度、
延性も確保されたものとなる。さらに、分散した炭化物
は硬質であるため、この肉盛層は耐摩耗性に優れ、熱間
工具、金型の寿命向上に寄与する (溶接技術、1991年4
月号、p.109〜115 参照)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】高温強度の高い従来の
酸化物分散強化型複合材料は、粉末冶金法で製造される
ため、これを熱間工具や金型に適用した場合、製作費が
高いという問題がある。
【0005】炭化物分散型複合材料を熱間工具や金型の
表面に肉盛溶接することは、既に実用化されている。し
かし、これは耐摩耗性の改善には効果的であるが、高温
強度の向上には有効ではない。なぜならば、分散してい
る炭化物は約 100μm の大きさの粒子であり、このよう
な大きな粒子では転位の運動を妨げる効果を発揮させる
ことができないので、高温強度の向上に有効な粒子分散
強化の効果もないからである(前記の報告文献参照)。
【0006】混合粉末を用いるプラズマ粉体肉盛溶接で
分散可能な粒子は、炭化物が主流であり、炭化物以外で
は硼化物も考えられるが、硼化物はスラグとして溶融金
属すなわち肉盛層の表面に浮上してしまい、マトリック
スへの分散は不可能である(溶接技術、1991年8月号、
p.153参照) 。
【0007】本発明の目的は、上記の問題を解消するこ
とができる酸化物分散金属の肉盛溶接方法を提供するこ
とにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は次の肉盛
溶接方法にある。
【0009】金属の肉盛溶接の際、溶融金属中にその温
度において酸素と金属元素に分解する金属酸化物、すな
わちMoO3、Nb2O5 、Ta2O5 、V2O5およびWO3 のうちの1
種以上と、この金属酸化物を構成する金属元素よりも酸
化しやすく溶融金属中で酸化物を形成する金属元素、す
なわちAl、Ti、YおよびZrのうちの1種以上とを添加す
ることを特徴とする酸化物分散金属の肉盛溶接方法。
【0010】熱間工具や金型は高温の被加工材と接触し
て、それらの表面は高温となるので、寿命は表面での摩
耗および変形により決定される。高温の鋼中で安定な粒
径1μm 以下の金属酸化物を肉盛層内に分散させること
で、肉盛層の高温変形抵抗(高温強度)を高めることが
できる。高温強度が高いことは高温硬さが高いことであ
り、当然、高温耐摩耗性も改善される。
【0011】
【作用】本発明の肉盛溶接方法では、金属酸化物と分散
酸化物のもとになる金属元素との粉末を用いるので、粉
末が使用できる溶接法に限定される。すなわち、プラズ
マ粉体肉盛溶接法が適する。プラズマ粉体肉盛溶接法で
は、マトリックス金属、金属酸化物および分散酸化物と
なる金属元素の粉末を混合したものを用いる。
【0012】これらの粉末は通常の肉盛溶接や溶射用の
もので十分であり、粉末の粒径は、実用上プラズマ粉体
肉盛溶接法において粉末供給が可能な、いずれも 100μ
m程度のものとするのが望ましい。この程度の粒径の粉
末を用いれば、粒径が1μm以下の望ましい金属酸化物
を分散させることができる。3種類の粉末の混合方法と
しては、成分偏析がないように機械的に十分混合できる
ものであればよい。
【0013】次に、本発明の方法で用いる、酸素供給源
となる金属酸化物および分散酸化物を形成させるための
金属元素の作用効果を説明する。
【0014】溶融状態にある肉盛層(溶融金属)に金属
酸化物の粉末を添加すると、高温の溶融金属内で溶解し
て金属元素と酸素に分解し、溶融金属中の酸素は増加す
る。
【0015】このような反応が可能な金属酸化物として
は、MoO3、Nb2O5 、Ta2O5 、V2O5およびWO3 がある。こ
れらは2種以上併用してもよい。分解した金属元素は、
溶融金属の凝固後マトリックス内に固溶するか、あるい
はマトリックス内に含まれているC(炭素)と結合して
炭化物として析出するが、いずれも強度を高める効果が
ある。
【0016】分散酸化物形成用金属の粉末を金属酸化物
と同様に添加すると溶融金属と一体化する。このとき、
マトリックスの金属よりも酸化しやすい金属元素を選択
すると、上記の金属酸化物の分解により発生した酸素と
結合して、優先的に酸化物となって溶融金属中に微細に
分散晶出する。このような反応が可能な金属元素として
は、Al、Ti、YおよびZrがある。これらの元素も1種だ
けでなく2種以上併用することができる。
【0017】例えば、マトリックス金属粉末に、金属酸
化物としてWO3 粉末、金属としてTi粉末を同時に混合し
プラズマ粉体肉盛溶接を行うと、溶融金属中で WO3 →W* +3O* Ti* +2O* → TiO2 の反応が起こり、TiO2による酸化物分散強化とWによる
固溶強化が行える。さらにWは、マトリックス内に固溶
C(炭素)が存在する場合、WC(炭化物)を形成するこ
ともあり、これによる分散強化も期待できる。ただし、
* はマトリックス金属内に固溶または溶解していること
を示す符号である。
【0018】図1は、上記の例を説明する概略の縦断面
図である。プラズマトーチ1からW電極5とArなどのプ
ラズマガス15を用いてアーク2を発生させ、その周囲を
Arなどのシールドガス4により保護する。アーク2内に
WO3(符号10)、 Ti(符号11)およびマトリックス金属
(図示せず) の各粉末を混合した粉末3を送給すると、
母材6の表面に形成される溶融金属7中に上記のW*
(符号9) 、O* (符号14) およびTi* (符号12) が存
在する状態になる。プラズマトーチ1を、図示する矢印
の方向に移動させて順次肉盛溶接を行うと凝固肉盛層8
が形成され、この中には微細に晶出した酸化物TiO2 (符
号13) と、同時にマトリックス金属内に固溶した状態の
* (符号9) が存在するようになる。このような状態
の凝固肉盛層8は、マトリックス金属内にWとTi酸化物
が存在するから、Wを固溶し、かつTi酸化物を分散した
強化型の材料となり、高温での硬さ、すなわち強度と耐
摩耗性を兼ね備えた肉盛層、すなわち、表面層が得られ
るのである。
【0019】このように、高温強度の向上に有効な分散
酸化物を肉盛層内に形成させるには、酸素供給源となる
金属酸化物と分散酸化物形成のための金属元素との粉末
を、溶融金属中に添加することが不可欠である。
【0020】プラズマ粉体肉盛溶接法を用いる際のマト
リックス金属の粉末としては、高温での変形抵抗、耐摩
耗性を有する材料である機械構造用炭素鋼(SC材)、
機械構造用合金鋼(SNCM材など)、炭素工具鋼(S
K材)、合金工具鋼(SKD材など)および高速度工具
鋼(SKH材)などが適する。
【0021】
【実施例】図1に示すプラズマ粉体肉盛溶接法を用い
て、次の条件で溶接を行った。
【0022】母 材:合金工具鋼SKD6の板材を用
いた。
【0023】肉盛方法:母材表面の全面に渡り一層溶接
した。
【0024】粉 末:各粉末の粒子径が約 100μm の
SKD6、WO3 およびTiの混合粉末を用いた。
【0025】肉盛層の評価:JIS Z 2252に定められてい
る高温ビッカース硬さ試験法を用いた。高温硬さが高い
ことは高温変形抵抗が高いことであり、高温耐摩耗性も
優れることを意味するからである。
【0026】溶接条件:表1に示すとおりとした。
【0027】添加するWO3 とTiの比率は以下に示す計算
により決定した。すなわち、前記の二つの式から、 2WO3 +3Ti →3TiO2+2W が得られる。WO3 の分子量は 231.85 、Tiの原子量は4
7.88 であるから、 {Ti/(WO3+Ti) }×100 ={ (3× 47.88) / (3×47.88 +2×231.85) }×100 = 24(%) 同様に、 {WO3 /(WO3+Ti) }×100 = 76(%) がそれぞれ得られる。
【0028】そこで、WO3 とTiの比率は上記の値に固定
し、添加する全粉末 {SKD6+(WO3+Ti) }中の(W
O3+Ti) の比率、すなわち、 (WO3 +Ti) /{SKD6+(WO3+Ti) } ×100 (%) を変化させる方法でTiO2の分散量とWの固溶量を変化さ
せた。
【0029】
【表1】
【0030】図2は、 (WO3+Ti) /{SKD6+(WO3
+Ti) } ×100 =10%として肉盛溶接した場合と、S
KD6のみを肉盛溶接した場合との肉盛層の硬さに及ぼ
す温度の影響を示す図である。図2から、本発明の方法
により肉盛層の高温硬さが向上していることがわかる。
【0031】図3は、800 ℃での肉盛層の硬さに及ぼす
粉末全体の中の(WO3+Ti) 添加比率の影響を示す図であ
る。図3から、(WO3+Ti) 添加比率が5%以上で硬さの
向上効果が認められ、添加比率の増加とともに向上する
ことがわかる。しかし、20%を超える場合はこの向上傾
向は飽和し、さらに40%以上では酸化物が溶融金属表面
に浮上して肉盛層の表面を被うので表面性状が悪化し
た。よって、添加比率は40%未満とするのが望ましい。
【0032】
【発明の効果】本発明の方法によれば、添加される金属
酸化物粉末は分解して固溶強化金属と酸素の供給源とな
る。溶接肉盛層には、分解した金属が固溶し、同時に添
加された金属粉末が酸化物となって微細に分散して晶出
するので、高温強度と高温耐摩耗性の優れた酸化物分散
金属の溶接肉盛層を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法を説明する概略の縦断面図であ
る。
【図2】本発明の方法による肉盛層の硬さ向上効果を高
温ビッカース硬さで示す図である。
【図3】800 ℃における肉盛層のビッカース硬さと添加
物(WO3+Ti) の比率との関係を示す図である。
【符号の説明】
1:プラズマトーチ、2:アーク、3:混合粉末、4:
シールドガス、5:W電極、6:母材、7:溶融金属、
8:凝固肉盛層、9:マトリックス金属内に固溶してい
るW、 10:WO3 粉末、11:Ti粉末 12:マトリックス金属内に溶解しているTi、 13:Ti
O2、14:マトリックス金属内に溶解しているO、 15:
プラズマガス

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属の肉盛溶接の際、溶融金属中にMoO3
    Nb2O5 、Ta2O5 、V2O5およびWO3 のうちの1種以上と、
    Al、Ti、YおよびZrのうちの1種以上とを添加すること
    を特徴とする酸化物分散金属の肉盛溶接方法。
JP27285792A 1992-10-12 1992-10-12 酸化物分散金属の肉盛溶接方法 Pending JPH06122076A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103121158A (zh) * 2013-03-05 2013-05-29 苏州东海玻璃模具有限公司 玻璃模具的喷焊处理工艺
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