JPH09316624A - 溶射被膜の後処理方法 - Google Patents

溶射被膜の後処理方法

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JPH09316624A
JPH09316624A JP15473196A JP15473196A JPH09316624A JP H09316624 A JPH09316624 A JP H09316624A JP 15473196 A JP15473196 A JP 15473196A JP 15473196 A JP15473196 A JP 15473196A JP H09316624 A JPH09316624 A JP H09316624A
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alloy
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thermal
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JP15473196A
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English (en)
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Hideki Hamaya
秀樹 浜谷
Saburo Kitaguchi
三郎 北口
Yasunobu Miyazaki
康信 宮崎
Masahiro Obara
昌弘 小原
Tsutomu Shimazu
勉 島津
Shinji Sato
信治 佐藤
Yasuhiro Tsumura
康浩 津村
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Nippon Steel Corp
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Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 素材に熱影響や熱変形を与えることなく溶射
被膜の密着強度を向上させるための後処理方法を提供す
る。 【解決手段】 素材の表面に形成した厚さ0.5〜1m
mのNi基合金、Co基合金、Fe基合金などの溶射被
膜を、被膜の表面から素材と被膜の界面までを電子ビー
ムによって、ビームのオシレーション幅が5〜20m
m、ビーム出力が4.0〜10.0kW、ビームモード
が三角波または正弦波、周波数が500〜50000H
z、処理速度が100〜2000mm/min、フォー
カス度がジャストフォーカス±50mm以上で加熱・溶
融する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は耐摩耗性、耐熱性、
耐腐食性が要求される熱間工具、連続鋳造用の鋳型など
への表面改質技術に関し、溶射被覆の素材への接合強度
向上のための後処理方法を提供する。
【0002】
【従来の技術】溶射は表面改質技術のひとつで、素材の
表面の耐摩耗性や耐腐食性を向上させることができる。
ここでの課題は素材と被膜との間の界面の接合強度が低
いことである。この課題を解決する手法の一つとして、
自溶性合金溶射被膜を素材ごと1000℃程度の炉中に
入れて、被膜および界面を再溶融(以降:フュージン
グ)して、接合強度を高める技術がある。しかしなが
ら、この手法では素材と被膜を同時に全体を加熱するた
め、(1)溶射被膜の融点が素材よりも低いという制
限、(2)処理時の素材の熱影響・熱変形が大きいなど
の課題がある。この課題を解決する技術として、溶射後
に被膜を表面からレーザーや電子ビームによってフュー
ジング処理する方法が特開昭58−192661、特開
昭62−253758などで開発されている。
【0003】ここで用いられている溶射の材料としては
Ni、Co、あるいはFeをベースとした各種合金があ
る。材料の選定は使用される環境に応じて、耐摩耗や耐
腐食用として行われている。また、さらに耐摩耗性を向
上させるために、WCやCr32 などの炭化物セラミ
ックスをこれら合金に混合させたサーメット系の溶射材
料の開発もなされている。これらの溶射材料の製造方法
としては金属ではアトマイズ法が、また、サーメット系
材料では、焼結粉砕、溶融粉砕、造粒、メッキ法などが
ある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述のレーザーや電子
ビームによるフュージング処理技術には、(1)被膜の
溶込み深さの精密な制御(±0.1mmオーダー以下で
の制御)が不可能、(2)処理時に被膜にボイドが発生
する、(3)処理部の表面に大きな凹凸が発生する、な
どの課題があり、信頼性や歩留が低い。また、この処理
時の条件は、溶射材料(組成、製造方法、融点、熱伝導
度、表面張力、粒子間の接合状態)によって大きく異な
る。したがって、本発明ではこれらの課題を解決するた
めのレーザーや電子ビームによるフュージング処理技術
の詳細を具体化し、かつ材料ごとに明確な処理条件を提
供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するものであって、溶射被膜の後処理方法において、素
材の表面に形成した厚さ0.5〜1mmの溶射被膜を、
被膜の表面から素材と被膜の界面までを電子ビームによ
って、ビームのオシレーション幅が5〜20mm、ビー
ム出力が4.0〜10.0kW、ビームモードが三角波
または正弦波、周波数が500〜50000Hz、リサ
ージュ波形の場合には周波数差が10%以上、処理速度
が100〜2000mm/min、フォーカス度がジャ
ストフォーカス±50mm以上で加熱・溶融することを
特徴とする溶射被膜の後処理方法である。ここにおいて
溶射被膜がNi基合金、Co基合金、Fe基合金の少な
くとも1種以上であること、または溶射被膜がNi基合
金、Co基合金、Fe基合金の少なくとも1種と炭化物
セラミックスとのサーメットであること、または溶射被
膜がNi基自溶性合金、Co基自溶性合金、Fe基自溶
性合金の少なくとも1種以上であることも特徴とする。
さらに素材が銅または銅合金の表面にNiメッキを0.
05〜4mm施してあることも特徴とする。
【0006】
【発明の実施の形態】溶射被膜の厚みは耐磨耗、耐腐食
などの機能を発揮させるためには0.2mm以上必要
で、かつ再溶融処理後に仕上げ加工をする必要があるた
め(仕上げ代は0.3mm以上必要)、溶射直後の被膜
の厚みは0.5mm以上にする必要がある。また、被膜
厚みが厚くなると、再溶融処理に要する熱量が増大し、
基板の熱変形が発生するのでこの熱変形が無いようにす
るために溶射直後の被膜厚みは1mm以下にする必要が
ある。なお溶射の方法は火炎溶射、プラズマ溶接などい
ずれの方法も適用できる。
【0007】ビームのオシレーション幅を5mm以上に
するのは処理時間を短縮するためである。一方、ビーム
幅が広いと処理部表面の表面張力差が大きくなり、処理
部表面の形状(凹凸)が大きくなるため、20mm以下
にする必要がある。
【0008】ビーム出力は溶射被膜を表面から界面まで
溶融させるために必要な熱量が必要である。この熱量は
溶射材料、溶射直後の被膜厚み、基板材料、基板厚み、
処理速度、ビードのオシレーション幅によって決定させ
るが、上記の範囲内の被膜を処理するためには4.0〜
10.0kWの出力が必要である。
【0009】ビームのモードとしては一般に三角波、正
弦波、鋸波などがあるが、ビード端でのビーム速度が高
く、端部の深溶け込み防ぐために三角波あるいは正弦波
にする。より好ましいのは三角波である。オシレーショ
ンの周波数は処理部表面の温度分布を小さくして、表面
の凹凸を低減するために500Hz以上にする必要があ
る。また、装置の能力上、50000Hz以下にする必
要がある。処理速度は処理時に発生するボイドを低減さ
せるために2000mm/min以下に、局所加熱によ
る基板変形を無くすために100mm/min以上にす
る必要がある。
【0010】フォーカス度としてはジャストフォーカス
では照射瞬間の熱衝撃が厳しく、この熱衝撃によって被
膜が剥離する可能性があるための、これを回避するため
にフォーカス度をジャストフォーカスから±50mm以
上好ましくは±100mm以上離したデフォーカスで行
う必要がある。
【0011】溶射材料としては電子ビーム処理を行うに
は被膜に電気伝導性が必要であり、かつ廉価であること
が必要であるため、Ni基合金、Co基合金、Fe基合
金の少なくとも1種以上にする必要がある。しかし、こ
れら合金で被膜内部にスラグ成分を含んでいない場合
は、表面凹凸を低減させる必要があるためにオシレーシ
ョン幅をは10mm以下にすることが特に重要である。
【0012】また、これら合金にWCやCr32 など
の炭化物セラミックスを添加することによって耐磨耗性
を向上させることが可能である。こうした炭化物セラミ
ックスを含む場合は、処理時に炭化物と被膜内部に混入
した酸素によってCOxガスが生成しやすく、被膜内部
にボイドが多発しやすい。このボイドを低減するには処
理部の凝固時間を長くしてボイドを表面から外部に出す
必要があるため、処理速度は250mm/min以下に
することが好ましい。
【0013】さらに溶射材料に耐腐食性、耐磨耗性の優
れたNi基自溶性合金を用いた場合、上述したオシレー
ション方法よりも均一加熱が可能なリサージュ波形(処
理方向と垂直および平行方向のオシレーション、前述は
進行方向と垂直方向のみのオシレーション)を用いるこ
とが好ましい。この時のビーム幅は表面の凹凸形状を抑
制するために15mm/min以下に、処理速度を高め
るために10mm/min以上にする必要がある。ビー
ムモードは深溶け込みを防止するために正弦波を組み合
わせることが好ましい。周波数は処理部表面の温度分布
を小さくして、表面の凹凸を低減するために500Hz
以上にする必要がある。また、装置の能力上、5000
0Hz以下にする必要があるが、ここで垂直方向と平行
方向の周波数差は10%以上にすることが均一加熱をす
るために必要である。
【0014】特に銅あるいは銅合金(以降、銅合金と略
す)表面の溶射被膜を再溶融処理する場合、被膜を直接
銅合金表面に形成するのではなく、Ni電気メッキを中
間に形成してから被膜を形成する。これは再溶融処理時
に銅合金と被膜では濡れにくく、再溶融した被膜が平滑
に凝固せず、また、熱拡散が大きくなり、再溶融時の溶
融効率が低下するためである。ここでNiメッキの厚み
は0.05mm以上にするのは溶射前のブラスト処理の
効果を得られるようにするためで、4mm以下にするの
は経済的な理由である。
【0015】溶射の原料粉末に焼結粉砕粉、溶融粉砕
粉、アトマイズ粉を用いるのが好ましい。これらの粉末
は造粒していないのでバインダーを使用しておらず、処
理時にガスが発生しにくく、ボイドの形成が抑制できる
からである。
【0016】
【実施例】
実施例1 表1および表2に各種溶射材料を各電子ビーム条件で溶
融処理を行った後の被膜内部の溶け込み深さ(○は被膜
と母材の界面までを処理幅の7割以上の範囲で溶融して
いる)、被膜内部の残存ボイド数(○はボイド数が10
個/処理断面以下の場合)、被膜表面の凹凸形状(○は
凹凸の最大差が0.2mm以下)の関係を示す。本発明
により、溶け込み深さ、ボイド数、表面凹凸を良好にす
るための処理条件が明確になった。
【0017】
【表1】
【0018】
【表2】
【0019】実施例2 溶射基板に銅合金(厚み:30mm)、表面にNi電解
メッキ(厚み:0.8mm)を施し、このメッキ表面に
厚み:0.7mmのステライトNo.6、Ni基自溶性
合金4種、WC−12Co被膜を溶射した。これらにつ
いて界面まで溶融する条件で電子ビーム処理した場合の
被膜とメッキの密着強度の関係を図1に示す。
【0020】この結果溶射のままでは硬度の高い材料ほ
ど密着強度は高いが、最高でも250MPaである。一
方、電子ビーム処理により、密着強度は材料の硬度によ
らず、ほぼ330MPa一定(Niメッキ強度と同等)
に向上することがわかる。
【0021】実施例3 幅250mm×高さ950mmの連続鋳造用鋳型の下端
部(高さ500mm)へ本発明の方法を適用した。まず
Ni電気メッキを行なったが、従来の手法と同様に鋳型
表面を酸洗した後、速やかにメッキ浴中に浸し、鋳型に
通電し平均厚み0.2mmのNiメッキを形成した。次
いでブラスト処理をSiCグリットを圧力5kgf/c
2 で先のNiメッキ表面に吹き付けて行なった。ブラ
スト処理後のメッキ表面の粗度はRmax=35〜45
であった。次に表3の条件で火炎溶射を行ない、表4の
条件で本発明の溶射被膜の後処理を行なった。
【0022】
【表3】
【0023】
【表4】
【0024】以上の条件で作製した溶射鋳型を実際の鋳
型として用いて、150トンの鋳造を600チャージ行
った結果、従来のNi基自溶性合金(フュージング処理
あり)を施している鋳型と比べて下端部の磨耗量は4分
の1に低減していた。
【0025】
【発明の効果】本発明により、溶射被膜の素材への接合
強度を向上させることができる。本発明を連続鋳造用鋳
型に適用すると、熱変形が無く耐磨耗性の優れた鋳型の
製造が可能となり、従来よりも鋳型の寿命が延びたこと
により、鋳型の維持に要するコストの大幅な削減が可能
となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の後処理による被膜の接合強度向上効果
を示すグラフ
フロントページの続き (72)発明者 小原 昌弘 千葉県富津市新富20−1 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 島津 勉 千葉県富津市新富20−1 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 佐藤 信治 愛知県東海市東海町5−3 新日本製鐵株 式会社名古屋製鐵所内 (72)発明者 津村 康浩 愛知県東海市東海町5−3 新日本製鐵株 式会社名古屋製鐵所内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 溶射被膜の後処理方法において、素材の
    表面に形成した厚さ0.5〜1mmの溶射被膜を、被膜
    の表面から素材と被膜の界面までを電子ビームによっ
    て、ビームのオシレーション幅が5〜20mm、ビーム
    出力が4.0〜10.0kW、ビームモードが三角波ま
    たは正弦波、周波数が500〜50000Hz、リサー
    ジュ波形の場合には周波数差が10%以上、処理速度が
    100〜2000mm/min、フォーカス度がジャス
    トフォーカス±50mm以上で加熱・溶融することを特
    徴とする溶射被膜の後処理方法。
  2. 【請求項2】 溶射被膜がNi基合金、Co基合金、F
    e基合金の少なくとも1種以上であることを特徴とする
    請求項1記載の溶射被膜の後処理方法。
  3. 【請求項3】 溶射被膜がNi基合金、Co基合金、F
    e基合金の少なくとも1種と炭化物セラミックスとのサ
    ーメットであることを特徴とする請求項1記載の溶射被
    膜の後処理方法。
  4. 【請求項4】 溶射被膜がNi基自溶性合金、Co基自
    溶性合金、Fe基自溶性合金の少なくとも1種以上であ
    ることを特徴とする請求項1記載の溶射被膜の後処理方
    法。
  5. 【請求項5】 素材が銅または銅合金の表面にNiメッ
    キを0.05〜4mm施してあることを特徴とする請求
    項1ないし4のいずれかに記載の溶射被膜の後処理方
    法。
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