JPH0890279A

JPH0890279A - Ａｌ基材料表面への肉盛溶接用複合ワイヤ

Info

Publication number: JPH0890279A
Application number: JP22801394A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Mori; 和彦森; Taisuke Miyamoto; 泰介宮本; Kouta Kodama; 幸多児玉; Shigeru Kurihara; 繁栗原; Yasutoshi Nakada; 康俊中田; Yoshio Kanbe; 良雄神戸
Original assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-09-22
Filing date: 1994-09-22
Publication date: 1996-04-09
Anticipated expiration: 2017-06-24
Also published as: JP3295245B2

Abstract

(57)【要約】【目的】Ａｌ基材料との溶接性が高く、耐摩耗性に優
れた肉盛層が安定して得られるガスシールドアーク肉盛
溶接用複合ワイヤを提供すること。【構成】Ｃｕ基材料とＡｌ基材料がクラッドされた外
皮材の中空部に硬質粒子とＡｌ基材料粒子からなるフラ
ックスを充填してなるＡｌ−Ｃｕ複合ワイヤにおいて、
粒径１μｍ〜１０５μｍ未満が９０％以上である粒度構
成の硬質粒子とＡｌ基材料粒子をワイヤ全重量に対し
て、硬質粒子：１〜６０重量％、Ａｌ基材料粒子：０．
２〜２０％を含有すると共に、更にＣｕ：２０〜８５％
含有し残部がＡｌ及び不可避不純物から成るＡｌ基材料
表面への肉盛溶接用複合ワイヤ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＡｌ基材料の表面に耐摩
耗性に優れた硬化層が安定してかつ経済的に得られるガ
スシールドアーク肉盛溶接用複合ワイヤに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術とその課題】ＡｌまたはＡｌ合金は鉄鋼材
料に比較して、軽量で熱伝導性、耐食性が優れているこ
とから自動車部品をはじめ広い分野で使用されている。
しかし、Ａｌ合金は一般に鉄鋼材料に比べ強度、耐摩耗
性、耐熱性の面で劣っており、Ａｌ合金素材そのままで
は、鉄鋼材料の代替材料として適用できる部位、部品は
限られている。また、既にＡｌ，Ａｌ合金が使用されて
いる場合でも、近年、使用環境が過酷になるにつれ、更
に耐久性の向上が求められている。

【０００３】その対策として、Ａｌ合金そのものの改良
の外に、表面に耐摩耗、耐熱層を形成する方法の一つと
して、肉盛溶接方法が行われている。例えば、特開昭５
８−２１５２９１号公報では、ＡｌにＣｏ，Ｎｉ，Ｍ
ｎ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｓｉ等を適宜含有したＡｌ基材料が示
されている。しかし、Ａｌにこれら元素を多量に含有し
たＡｌ基材料の製作は、鋳造・押出法や加圧凝固押出法
等によって製作は可能であるが、製造工程が煩雑である
こと、また自動化材料として細径化（１．２または１．
６ｍｍφ）が困難であるという問題があった。

【０００４】更に、特開平３−１６９４９６号公報、特
開平３−２５７１７３号公報、特開平３−２５７１７４
号公報では、Ａｌ外皮内にＡｌ以外の金属線、金属間化
合物形成金属粉または硬質粒子を収容した自動溶接用溶
加材（１．６ｍｍφ）が提案されているが、具体的な成
分範囲等の記載がなく実用に当たっては十分ではない。
また、外皮にＡｌを用いているため次の様な問題があっ
た。銅に比べ通電性がやや劣りアークの安定性に欠けるこ
と、外皮材の融点（純Ａｌ：６６０℃）が充填材の金
属間化合物形成金属粉、硬化粒子等の融点より低い場
合、その差が大きいと、高融点の硬質粒子（ＴｉＣ，Ｖ
₄Ｃ₃，ＴｉＮなど）は肉盛層中に硬質粒子同志が塊状
に凝集してしまい、粒子が均一に分散せず肉盛層は不均
一組織を生成しやすい。このため肉盛層の硬さのばらつ
きが大きくなり偏摩耗を起こす要因となることがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
問題点を解決するべくなされたもので、その目的とする
ところは、Ａｌ基材料との溶接性が高く、耐摩耗性に優
れた肉盛層が安定して得られるガスシールドアーク肉盛
溶接用複合ワイヤを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の、第一の発明に係わるＡｌ基材料表面への肉盛材料と
しての構成は、Ｃｕ基材料とＡｌ基材料がクラッドされ
た外皮材の中空部に硬質粒子とＡｌ基材料粒子からなる
フラックスを充填してなるＡｌ−Ｃｕ複合ワイヤにおい
て、粒径１μｍ以上〜１０５μｍ未満が９０％以上であ
る粒度構成の硬質粒子とＡｌ基材料粒子をワイヤ全重量
に対して、硬質粒子：１〜６０重量％、Ａｌ基材料粒
子：０．２〜２０％を含有すると共に、さらにＣｕ：２
０〜８５％含有し残部がＡｌ及び不可避不純物からなる
ところに要旨がある。

【０００７】

【作用】本発明によれば、Ａｌ基材料母材と非消耗電極
との間に発生させたアーク中（不活性ガスでシールドさ
れたアーク中）に、複合ワイヤを送給するか、または複
合ワイヤを消耗電極として送給することにより、Ａｌ基
材料表面にＣｕ、硬質粒子を含んだ肉盛層を形成でき
る。具体的には、室温においてＡｌ基材料の表面に耐摩
耗肉盛層を形成する肉盛材料について検討した。

【０００８】以下に本発明の実験経過と成分の限定理由
を示す。即ち、本発明者等はＣｕ基材料とＡｌ基材料を
クラッドした外皮の中空部に、特定の粒度構成の硬質粒
子とＡｌ基材料粒子からなるフラックスを充填した複合
ワイヤを試作した。表１に実験に供した硬質粒子（Ｔｉ
Ｃ）とＡｌ基材料粒子（純Ａｌ）の粒度構成の一例を示
す。ＴｉＣ粉とＡｌ粉は乾式混合した後、Ａｌパイプに
特公昭４５−３０９３７号公報に示される様に、パイプ
を振動させながらパイプの端部からＴｉＣ粉とＡｌ粉の
混合粉を充填した後、Ｃｕフープを当該充填Ａｌパイプ
に巻添えて、該フープの両端部をＴｉＧ溶接により塞
ぎ、圧延によりＣｕフープとＡｌパイプをクラッドさせ
た後、１．６ｍｍφまで伸線した。

【０００９】ＴｉＣとＡｌの添加量はＴｉＣを２０％と
し、Ａｌ粉の添加量を変化させて、さらに外皮のＣｕ量
が４０％、その他はＡｌ及び不可避不純物からなる複合
ワイヤを試作し、ＭＩＧ溶接法を用いて肉盛溶接を行
い、得られた肉盛層の硬さと肉盛層中のＴｉＣの分散状
況と耐摩耗性を調査した。肉盛層の硬さは荷重１０ｋｇ
のビッカース硬度計により肉盛層表面を１０箇所測定し
た。ＴｉＣの分散状況は５０倍の光学顕微鏡写真により
比較した。ＴｉＣの分散状況を示した写真を図１に示
す。耐摩耗性試験は表２に示すピンオンディスク摩耗試
験（図２）により調査した。摩耗特性は肉盛層から採取
したディスク材の摩耗重量を測定し、それぞれの密度で
除した摩耗体積減量で評価した。摩耗体積減量目標値を
１．０ｍｇ／体積／ｋｍ以下とした。なお、比較として
母材の摩耗体積減量も記した。図３に調査結果を示す。
硬さは平均値とその最大値−最小値を示した。

【００１０】溶接条件極性ＤＣＥＰ電流２２０Ａ電圧２３Ｖ速度６０ｃｐｍシールドガスＡｒ；２５ｌ／ｍｉｎ複合ワイヤ突き出し長さ１５ｍｍ母材ＡＣ２Ｂ；１０ｔ×５０ｗ×２００ｌ溶接法ビードオンプレート

【００１１】

【表１】

【００１２】

【表２】

【００１３】図３より、硬さおよび耐摩耗性はＴｉＣが
肉盛層中に存在することで、母材に比べてかなり良好と
なり、硬さは３倍以上に摩耗体積減量は１／６程度にな
る。しかし、更にＡｌ粉を１．０％添加しただけでＴｉ
Ｃのみに比べて硬さは向上し、摩耗体積減量は母材の１
／１２以下になる。この原因は図１に示した様に肉盛層
中のＴｉＣの分散性がＡｌ粉の添加により改善されるこ
とによる。図１の（ａ）はＡｌ粉を添加しないＴｉＣ粉
のみの分散状況であり、ＴｉＣ粒子が凝集して大きな塊
をつくる。この場合はＴｉＣの分散性が悪いために硬さ
がばらつき、摩耗試験では偏摩耗が発生して摩耗体積減
量が増加する。

【００１４】これに対して（ｂ）はＡｌ粉４％をＴｉＣ
粉と複合添加した場合のＴｉＣの分散状況であり、個々
のＴｉＣ粒子が均一に分散している。この場合は肉盛層
の硬さはＡｌ粉を加えない（ａ）に比べて高く、しかも
安定しているために摩耗試験による摩耗体積減量が少な
くなったと考えられる。しかし、図３でＡｌ粉の添加量
が２０％を超えるとスパッタ量の増加やＡｌ粉に付着し
ている水分、酸化物の影響で微小な気孔が発生する等の
問題が生じる。さらには、Ａｌ粉が２０％を超えると、
フラックスの嵩密度が小さくなるため外皮肉厚が薄くな
って、ワイヤの製造性が劣化する。したがって、Ａｌ基
材料粉の添加量は０．２〜２０％とする。

【００１５】次に硬質粒子の複合ワイヤ中への添加量は
１〜６０％とする。本発明ではＡｌ粉の作用により硬質
粒子の分散性が向上するものであるが、硬質粒子が１％
未満では肉盛層の硬さが低く、また硬質粒子の面積率
（硬質面積／単位面積当たりの肉盛面積）が少ないため
に耐摩耗性が改善されない。一方硬質粒子を６０％を超
えて充填するとＡｌ基材料粉を複合添加させるため、フ
ラックスの充填率が高まり複合ワイヤの製造性を劣化さ
せる。また、母材との濡れ性は悪化すると共に、肉盛層
の切削性も劣化させる。

【００１６】次に、本発明複合ワイヤに充填する硬質粒
子とＡｌ基材料粒子の粒度構成は共に１μｍ以上から１
０５μｍ未満が９０％以上の範囲のものを使用する。９
０％未満では複合ワイヤの製造性、肉盛層特性が劣る。
即ち、１μｍ未満の粒子が多いとフラックスの充填性が
極めて悪く充填率の変動が生じ、肉盛層中の硬質粒子の
面積率が安定せず、硬さのばらつきが大きく耐摩耗性が
安定しない。一方１０５μｍ以上の粒子が多いと複合ワ
イヤの製造性が劣化する。特に、硬質粒子の粒径が１０
５μｍを超えるものが多いとＡｌ外皮内部に硬質粒子が
くい込み、１．６ｍｍφ以下の細径では断線の原因とな
る。またＡｌ基材料粒子の粒径が１０５μｍが多くなる
と、乾式混合フラックスを用いた場合にフラックス充填
時に硬質粒子とＡｌ基材料粒子が偏析して、複合ワイヤ
長手方向の組成が変動し、肉盛層中の硬質粒子の面積率
が安定せず、硬さのばらつきが大きく耐摩耗性が安定し
ない。

【００１７】なお、硬質粒子とＡｌ基材料粒子からなる
フラックスは両者の粒子を乾式混合しても、または硬質
粒子とＡｌ基材料からなるガスアトマイズ粉でも良い。
ここでの硬質粒子とは、ＴｉＣ，ＮｂＣ，ＶＣ，Ｃｒ₃
Ｃ₂，ＷＣ，ＳｉＣ等の炭化物，ＴｉＮ，ＶＮ，Ｚｒ
Ｎ，ＮｂＮ等の窒化物，ＴｉＢ₂，ＶＢ₂，ＣｒＢ₂，
ＺｒＢ₂，ＮｂＢ₂等の窒化物，ＴｉＳｉ₂，ＶＳ
ｉ₂，ＣｒＳｉ₂等のケイ化物並びにＭｏ，Ｓｉ等の金
属粉が挙げられる。

【００１８】本発明におけるＣｕ基材料とＡｌ基材料を
クラッドした外皮とは、Ａｌ基材料フープまたはパイプ
に粒径１μｍ以上〜１０５μｍ未満が９０％以上の硬質
粒子とＡｌ基材料粒子からなるフラックスを所定量充填
した後、Ｃｕ基材料フープまたはパイプをＡｌ基材料表
面に被覆してクラッドさせたものである。本発明複合ワ
イヤにおいてＣｕ基フープまたはパイプを用い、そのＣ
ｕ量を２０〜８５％とするのは肉盛層のマトリックスの
硬さを向上させると共に、母材に対する濡れ性を確保す
る働きがある。Ｃｕ量が２０％未満では肉盛層の組織は
殆どα相（Ａｌ）ばかりになってしまい硬さが向上でき
ず、またアルミニウム母材との濡れ性が悪く良好な肉盛
層が得られない。一方Ｃｕ量が８５％を超えると肉盛層
の組織には脆弱な金属間化合物であるη₂相（ＣｕＡ
ｌ）が析出するため、肉盛層に割れが発生する。以上の
理由により複合ワイヤ中のＣｕ量を２０〜８５％とす
る。

【００１９】本発明による複合ワイヤの製造方法として
は、図４（複合ワイヤ横断面）に示した様にＣｕ基材料
外皮６にフープを使用し、フープを湾曲に成形しながら
硬質粒子粉末とＡｌ基材料粉末からなるフラックス４を
充填したＡｌ基材料パイプ５を挿入した後、該フープの
両端部をＴｉＧ溶接、レーザあるいは抵抗溶接により塞
ぎ、その後所定の径まで圧延、伸線するか、Ｃｕ基材料
外皮６にパイプを使用し、特開昭６２−２４４５１９号
公報に示されるように、Ｃｕパイプを振動させながらＣ
ｕパイプ端部から硬質粒子粉末とＡｌ基材料粉末からな
るフラックス４を充填したＡｌ基材料パイプ５を挿入
し、その後所定の径まで圧延、伸線加工を行って得る事
が出来る。

【００２０】

【実施例】本発明を更に実施例によって具体的に説明す
る。表４に複合ワイヤの設計成分と調査結果を示す。な
お、硬質粒子とＡｌ基材料粒子は表３に示す粒度構成の
ものを使用した。試作複合ワイヤ（１．６ｍｍφ：横断
面形状図４）をＡｌ合金鋳物板（ＪＩＳＡ５２０
２，ＡＣ２Ｂ１０ｔ×５０×２００ｍｍ）の表面にガ
スシールドアーク溶接法のＭＩＧ溶接により以下に示す
溶接条件でビードオンプレート溶接を実施した。溶接条件極性ＤＣＥＰ（複合ワイヤ＋）電流２００〜２５０Ａ電圧２３〜２４Ｖ速度６０ｃｐｍシールドガスＡｒ；２５ｌ／ｍｉｎ複合ワイヤ突き出し長さ１５ｍｍ母材ＡＣ２Ｂ１０ｔ×５０ｗ×２００ｌ

【００２１】上記の肉盛溶接試験により得られた肉盛層
について、表２に示す試験条件でピンオンディスク摩耗
試験（金属間摩耗試験（図２））を行い摩耗特性を調査
した。摩耗特性は肉盛層から採取したピン材の摩耗重量
を測定し、それぞれの密度で除した摩耗体積減量で評価
した。また、肉盛層中への硬質粒子の分散状況、肉盛層
の硬さ、割れ、ブローホール、切削性、複合ワイヤの製
造性についても調査した。ブローホールの測定方法はア
ルミニウム溶接部の放射線透過試験方法及び透過写真の
分類方法（ＪＩＳＺ３１０５）により判定した。肉盛
層の割れは溶接部断面を光学顕微鏡（×１００）にて調
査した。

【００２２】

【表３】

【００２３】

【表４】

【００２４】表４においてＮｏ．１〜Ｎｏ．１１は本発
明の要件を全て満たす本発明例であり、本発明の複合ワ
イヤは基材表面への肉盛層は硬質粒子が細かく均一に分
散しているため硬さは安定しており、摩耗量は１．０ｍ
ｇ／密度／ｋｍ以下であり良好な耐摩耗性を示した。ま
た肉盛層のブローホール判定結果はＪＩＳ１級で良好
であった。さらに割れは皆無であり、肉盛層の切削性お
よび複合ワイヤの製造性も良好であった。これに対しＮ
ｏ．１２〜２１はいずれも肉盛層の特性および複合ワイ
ヤの製造性において満足な結果が得られなかった。

【００２５】即ち、Ｎｏ．１２は硬質粒子の粒度構成に
おいて１μｍ未満の粒子が多く、硬質粒子の粒度範囲
（１μｍ以上〜１０５μｍ未満）が９０％未満であるた
めフラックスの充填性（複合ワイヤの製造性）が悪く、
複合ワイヤ長手方向での充填率の変動が大きいために、
肉盛層の硬質粒子の分散性が悪く、硬さがばらつき摩耗
体積減量も多くなった。なお肉盛層のブローホール判定
結果はＪＩＳ１級で良好であった。また割れは皆無で
あり、肉盛層の切削性および複合ワイヤの製造性は良好
であった。Ｎｏ．１３は硬質粒子の粒度構成において１
０５μｍ以上の粒子が多く、硬質粒子の粒度範囲（１μ
ｍ以上〜１０５μｍ未満）が９０％未満であるために、
複合ワイヤ伸線時において、硬質粒子がＡｌ基材料内壁
にくい込むため断線してしまい１．６ｍｍφまで伸線で
きなかった。

【００２６】Ｎｏ．１４はＡｌ基材料粒子の粒度構成に
おいて１μｍ未満の粒子が多く、Ａｌ基材料粒子の粒度
範囲（１μｍ以上〜１０５μｍ未満）が９０％未満であ
るためフラックスの充填性（複合ワイヤの製造性）が悪
く、複合ワイヤ長手方向での充填率の変動が大きいため
に、肉盛層の硬質粒子の分散性が悪く、硬さがばらつき
摩耗体積減量も多くなった。なお肉盛層のブローホール
判定結果はＪＩＳ１級で良好であった。また割れは皆
無であり、肉盛層の切削性は良好であった。

【００２７】Ｎｏ．１５はＡｌ基材料粒子の粒度構成に
おいて１０５μｍ以上の粒子が多く、Ａｌ基材料粒子の
粒度範囲（１μｍ以上〜１０５μｍ未満）が９０％未満
であるためにフラックスの偏析が生じ、複合ワイヤ長手
方向での組成の変動が大きいために、肉盛層の硬質粒子
の分散性が悪く、硬さがばらつき摩耗体積減量も多くな
った。なお肉盛層のブローホール判定結果はＪＩＳ１
級で良好であった。また割れは皆無であり、肉盛層の切
削性および複合ワイヤの製造性は良好であった。Ｎｏ．
１６は硬質粒子の含有量が少ないために肉盛層の硬さは
低く、硬質面積率も少ないために摩耗体積減量が多くな
った。なお肉盛層のブローホール判定結果はＪＩＳ１
級で良好であった。また割れは皆無であり、肉盛層の切
削性および複合ワイヤの製造性は良好であった。

【００２８】Ｎｏ．１７は硬質粒子の含有量が多く、ま
たＡｌ基材料粒子も複合添加しているために、複合ワイ
ヤの伸線性が悪く１．６ｍｍφまで伸線できなかった。
Ｎｏ．１８はＡｌ基材料粒子の含有量が少ないために肉
盛層の硬質粒子の分散性が悪く、硬さがばらつき摩耗体
積減量が多い。なお肉盛層のブローホール判定結果はＪ
ＩＳ１級で良好であった。また割れは皆無であり、肉
盛層の切削性および複合ワイヤの製造性は良好であっ
た。Ｎｏ．１９はＡｌ基材料粒子の含有量が多いため
に、肉盛層にブローホールが多く発生した。またフラッ
クスの嵩密度が小さくなり、そのため外皮肉厚が薄くな
ってワイヤの伸線性が劣っていた。なお肉盛層は硬質粒
子が細かく均一に分散しているため硬さは安定してお
り、摩耗量は１．０ｍｇ／密度／ｋｍ以下であり良好な
耐摩耗性を示した。また肉盛層の割れはなく、切削性は
良好であった。

【００２９】Ｎｏ．２０は硬質粒子とＡｌ基材料粒子の
含有量は本発明の範囲内であるが、Ｃｕ量が少ないため
に肉盛層の組織は殆どがα相（Ａｌ）ばかりで硬さが低
く、摩耗体積減量が多くなった。なお肉盛層のブローホ
ール判定結果はＪＩＳ１級で良好であった。また割れ
は皆無であり、肉盛層の切削性および複合ワイヤの製造
性は良好であった。Ｎｏ．２１は硬質粒子とＡｌ基材料
粒子の含有量は本発明の範囲内であるが、Ｃｕ量が多い
ために脆弱な金属間化合物であるη₂相（ＡｌＣｕ）が
析出するため、肉盛層の硬さが高く、割れが発生した。
また硬質粒子の分散性が良好であったが摩耗試験中に剥
離、脱落し摩耗体積減量は多かった。なお肉盛層のブロ
ーホール判定結果はＪＩＳ１級で良好であり、複合ワ
イヤの製造性も良好であった。

【００３０】

【発明の効果】以上のことにより、本発明の複合ワイヤ
を用いれば、Ａｌ基材料との接合性の高い耐摩耗性肉盛
層が安定して安価に得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａｌ添加しない場合とＡｌ添加した場合による
硬質粒子分散状況を示した図、

【図２】ピンオンディスク摩耗試験装置を示した図、

【図３】Ａｌ添加による硬さ、硬さのばらつきと摩耗体
積減量を示した図、

【図４】複合ワイヤの横断面を示した図である。

【符号の説明】

１肉盛層２ディスク３ピン４フラックス５Ａｌ基材料６Ｃｕ基材料外皮

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者児玉幸多愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者栗原繁東京都中央区築地三丁目５番４号日鐵溶接工業株式会社内 (72)発明者中田康俊東京都中央区築地三丁目５番４号日鐵溶接工業株式会社内 (72)発明者神戸良雄東京都中央区築地三丁目５番４号日鐵溶接工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃｕ基材料とＡｌ基材料がクラッドされ
た外皮材の中空部に硬質粒子とＡｌ基材料粒子からなる
フラックスを充填した肉盛溶接用複合ワイヤにおいて、
粒径１μｍ以上〜１０５μｍ未満が９０％以上である粒
度構成の硬質粒子とＡｌ基材料粒子をワイヤ全重量に対
して、硬質粒子：１〜６０重量％（以下％と略す）、Ａ
ｌ基材料粒子：０．２〜２０％を含有すると共に、さら
にＣｕ：２０〜８５％含有し残部がＡｌ及び不可避不純
物からなることを特徴とするＡｌ基材料表面への肉盛溶
接用複合ワイヤ。