JPS5825867A - ノジユラ−鋳鉄ベ−スメタルを表面硬化する方法 - 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】 本発明は溶接に関し、さらに詳細にはノジュラー鋳鉄片
を表面硬化させるための溶接方法に関する。

球状黒鉛鋳鉄やノジュラー鋳鉄としても知られているダ
クチル鋳鉄は、その低コストの故に、むしろ鋼よりも、
耐摩耗性、強度を要求する重機械、歯車、ロールを構成
する多くの用途やその他の用途において使用されている
。しかしながら、多くの用途において、ダクチル鋳鉄の
耐摩耗性は、長寿命の機器を提供するに望ましい程度よ
りはるかに劣っている。ノジュラー鋳鉄の゛耐摩耗性を
大いに向上させる周知の１つの方法は、ノジュラー鋳鉄
製部材に表面硬化材を融着させることである。

鋳鉄を溶接するに適正な技術を見分けることは困難であ
った。鋼よりもはるかに炭素含有量の多い鋳鉄は、熔融
溶接の後硬化すると硬い共晶炭化物を形成し、さらに、
溶接部直近の、熱が作用した部分において、例えば、マ
ルテンサイトやノ（イナイトのような硬い成分が形成さ
れうる。鋳鉄の硬くてもろい顕微鏡組織成分が鋳物の機
械加工性を極度に損ね、その結果、自然にあるいは、使
用荷重によって亀裂な生ぜしめる。鋳物において、硬く
てもろい構造の生成を阻止、あるいは最小に抑えるため
の公知の一方法は、溶接の前に鋳物を予熱し、溶接後熱
を加えられた部分が十分ゆっくりと冷却することによっ
て炭化物とかマルテンサイトの形成を除去するよう鋳物
をゆっくりと冷却することである。

この技術によって、ノジュラー鋳鉄の表面硬化がうまく
行われた部分の特定的な一例は、コンバインのコーンヘ
ッダに使用されるス企−り（草月）ロールである。スト
ークロールは基本的に、ロールの外面の長手方面に延び
城複数のリブ、即ち、隆起部を備えた管状の円筒形ロー
ルアトる。これらのロールは、その間でコーンの茎を把
持し、コーンヘッダの一列とされた鍼装置を通して下方
へ垂直に引張ること比よって、収穫作業において茎から
コーンの耳を剥離するために対で使用される。

前記ロールは、収穫作業において、田畑のほこりや砂に
完全に露出されている、最大の摩擦作用を受けるロール
の部分はリプである。従って、リプを硬化させることに
よりロールの寿命が大いに延びる。

スト−・クロールのリプな表面硬化する１つの周知の方
法は、ガスプラズマアーク溶接法を利用している。この
方法はノジュラー鋳鉄を８００−１　（１００℃の範囲
である赤熱温度まで予熱する過程を含む。

次いで、ロールはプラズマアーク表面硬化用ヘッドの下
方に位置される。ガスプラズマによって、ベースメタル
の溶融したパラドルがつくられる。

次いで、（重量パーセントでＣｒ　４１チ、ｃ７ｍ。

Ｓｉ　　１　％　、　Ｂ　０．０８．＊　　残りがＦｅ
の成分である）粉末クローム炭化物の充てん金属が前記
の溶融したパラドルに添加される。ロールは予熱なしに
冷却することができる。この方法によってストークロー
ルを表面硬化する時間とコストが、このようＫつくられ
たロールの耐摩耗性は良好なるものの、表面硬化したス
トークロールの広範な利用を阻害するものであることが
判明した。予熱過程を排除してこの方法を簡素化し、か
つ、コストを下げようとする試みも不成功であることが
判明した。ストークロールを予熱しなければ、表面′−
化部分とベースメタルとに横方向の亀裂が発生し、田畑
での使用時の摩耗を発生させる環境下では表面硬化部分
とベースメタルとを粉々に破損させた。

したがって、本発明の目的は高硬度と高耐摩耗性の成分
を提供する、ノジュラー鋳鉄ペースメタルを表面硬化す
る方法を提供することである。

本発明の別の目的はベースメタルの予熱−１あるいは後
加熱を要しない、ノジュラー鋳鉄ペースメタルを表面硬
化する溶接方法を提供することである。

本発明の別の目的は、従来技術の方法にお゛けるよりも
コストの低い、ノジュラー鋳鉄ペースメタルを表面硬化
する方法を提供することである。

以下の詳細説明と特許請求の範囲とから明らかとなるこ
れら、およびその他の目的は以下の過程を実施すること
により、ノジュラー鋳鉄ベースメタルを表面硬化する方
法によって達成される。

まず、ノジュラー鋳鉄ベースメタル、即ち、ワークピー
スはワークステーションに配置される。ベースメタルの
温度はワークステーションの周囲温度と同じでよい、即
ち、ベースメタルは高い温度まで予熱する必要はない。

次に、ガスタングステンアーク溶接用トーチがベースメ
タルに当てられ、ベースメタルのパラドルを形成する。

ベースメタルのパラドルと接触するよう充てん金属が供
給され、充てん金属の溶融物を形成する。トーチと充て
ん金属とは同調して表１面硬化すべきベースメタルの部
分の上方を運動する。トーチが運動すると、ベースメタ
ルのパラドルと充てん金属の溶融物とが硬化してベース
メタルに硬い表面を形成する。

充てん金属は、炭化物を形成する金属を大部分の成分と
して有する鋳鉄の充てん金属の群から選択される。次い
で、ベースメタルは、その表面への溶融した充てん金属
の゛供給が完了した直後、予熱なしに、ワークステーシ
ョンの周囲温度まで冷却される。

トーチで行った以外は、ベースメタルあるいはベースメ
タルの表面へは何ら後加熱は行われない。

予熱および後加熱の必要性を排除したことが、従来技術
による方法に対して本発明の溶一方法のコストを減少さ
せ、かつ、ベースメタルに、高硬度と高摩擦抵抗性の表
面硬、イ鴫を提供する。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明の好適実施例の実施によれば、゛ノジュラー鋳鉄
ペースメタル、即ちワークピースを表面硬化を行うため
に選択する。ワークピースの脣定形状は重要なことでは
なく、本発明は大きなワークピースの突起や、隆起部等
の表面゛硬化について最も効用性が大きい。突起リプや
隆起部の厚さ、幅は約０．２ｃｍから１．３ｃｍの範囲
であればよい。ワークピースは鋳放し状態でもよく、勿
論、清浄にすればよいが、これは必要性のないことが判
明した。

作業者によって、ワークピースは、例えば１８℃から２
７℃の間の人間にとって楽な通常の室温に維持されたワ
ークステーションにおかれ、ワークピースはワークステ
ーションの周囲温度となる。

次いで、従来のガスタングステンアーク溶接ト−チがワ
ークピースに当てられ、ベースメタルのパラドルを形成
する。該溶接トーチは、例えば、米国ユニオン、ニュー
ジャージ短夜のエアコ会社（Ａｉｒｃｏ　Ｃｏｒｐ、、
　Ｕｎｉｏｎ＋　Ｎ、Ｊ、）が製造しているＭＢ５ｎ−
Ｂ型のような通常の構造のものでよく、１２かも２４ボ
ルトの間の電圧、１１０から２９０アンペアの間の電流
で、直流の直線極性の電源から作動される。前述のトー
チの電極成分は２′チのソリニー）　（ｔｈｏｒｉａｔ
ｅｄ）タングステンであって、４００アンペアまでの電
流許容量を有し、円筒形である。しや閉ガスはアルゴン
、ヘリウム、あるいはこれらのガスの混合物でよいが、
ア′ルゴン〃スが好ましい。

ベースメタルのパドルの形成に続いて、充てん金属が前
記パドル゛と接触するよう送られ、溶融光てん金属を表
面硬化すべきベースメタルの表面の部分に供給する。次
いで、充てん金属とトーチとが、表面硬化を行うべき表
面の残部の上方を共に同調して運動する。ストリンガ、
あるいはウィービング技術を使用してよい。表面硬化は
、最小的０、５　ミＩＪから最小１２．７ミｌＪの間の
厚さで行われる。当該技術分野の専問家にとっては、コ
ストを下げ、かつ、表面硬化されたベースメタル支持層
によって提供される剛性を高めるため表面硬化層は出来
る限り薄くして耐摩耗性のような望ましい物性を得るこ
とが有利なことが認められる。充てん金属の送り速度と
、トーチの運動速度とは、ベースメタルの表面の単位長
さ当りのエネルギ入力が約５８８０　Ｊ／インチと７↑
２７Ｊ／インチ　との間で望ましい表面硬化厚さが得ら
れるように調整される。

また、ワークピースの耐摩性と硬度とを最大にするため
には、溶融ベースメタル量を添加した充てん金属量と溶
融ベースメタル量の総和で割った商に１００を掛けたも
ので規定される）稀釈パーセントが約５チから１５％と
なるよう溶接パラメータを制御することが好ましく、約
１０チが好ましい。

充てん金属は鉄をベースとした合金、コバルトをベース
とした合金、ニッケルをベースとしだ合金、および炭化
物成分とからなる群から選択される。そのような充てん
金属は、ここでも引用した溶接ハンドブック（Ｗｅｌｄ
ｉｎｇ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ）第７版。

第２巻、５５３，５６１頁に詳細に説明されている。

クローム２０％、炭素５．２％、マンガン１チ、シリコ
ン０．７％、モリブデン０．７　％　、残部鉄より構成
された充てん金属が好適光てん金属の一例である、 ベースメタルへの充てん金属の供給に続いて、次にワー
クピースは、表面硬化を行った直後からワークステーシ
ョンの周囲温度まで、後加熱を行うことなく冷却される
。前述の工程は、当該技術分野の専問家は認めるように
、従来の技術を用いて手作業、あるいは自動化された機
械によって実施することができる。

本発明の特徴にしたがった方法の実施を示すために以下
の例を実施してみた。

例１ 第１図と第２図において、表面硬化１６を行ったワーク
ピース１１を示す。ワークピース１１は発明σ背景にお
いて前述した用途を有するス）−クロールである。スト
ークロール１１は、複数の長手方向に延びる隆起部１５
を備えた管状の軸１３から構成されている。該ロールは
以下の成分を有するノジュラー鋳鉄製である。Ｃ３，４
−３，８％。

Ｓｊ　２．４−２．８４−　Ｍｇ　０．３５−０．６５
’％、　Ｃｕ　２．０−２．５％、Ｍｎ０．０４−０．
０８％、’　Ｃｒ０．０５−０．０９％。

Ｐｎ　０．００８−０．０２４　％、　　残りＦｃ’、
　”ワークピースをワークステーションの適所に固定し
た。ワークピースは何ら予熱されず、ワークステーショ
ンの周囲温度（２１℃）にあった−次いで、通常のガス
タングステンアーク溶接トー゛チ（エアコ社のＭＢ　５
０−　Ｂ型）を、隆起部の中の１個の一端に当てた。ト
ーチの作動パラメータは、溶接電流は２６０−２８０ア
ンペア、電圧は１４−１６ボルト。

電極の成分は２％のソリエートタングステン、電流容量
は４００アンペア、形状は円筒形、しや閉ガスはアルゴ
ンであった。

通常の方法で、高周波、高電圧信号を溶接回路に加える
ことによりベースメタルとトーチとの間にアークを発生
させた。トーチはペースメタルのパラドルができるまで
、約１−５秒間その初期位置に保持した。ウィービング
技術を利用して、ロール１１の隆起部１５の中の１個に
沿ってトーチが運動するにつれて、粉末状で、直径１．
５７ミ！Ｊの鋼製チューブに入れられた（成分がＣｒ２
Ｏ％。

Ｃ５，２％、　Ｍｎ　１％、　Ｓｔ　Ｏ，７ｓ、　Ｍｏ
　０．７　％を残部Ｆｅ））充てん金属が毎分７６−９
０センチの速度でペースメタルのパラドルへ送入された
。幅約４ミリ、厚さ約２ミリの表面硬化が隆起部の全長
にわたってつくられた。ロール１１の各隆起部１５は同
様に表面硬化された。最後の隆起部へめ表面硬化の直後
、ロールは後加熱なしにワークステーションの周囲温度
まで冷却された。前述のように隆起部の表面硬化を施し
たストークロールと、表面硬化を施さなかった同一のス
トークロールとを湿った砂ゴムの車輪による摩耗テスト
にかけたところ、表面硬化を施したストークロールは、
表面硬化を施さないストークロールより１８倍の耐摩耗
性を有することが判明した。摩耗テストは、ＡＳＴＭＧ
−６５の方法Ｂの仕様にしたがった。表面硬化しない隆
起部の硬度が２０００〜／Ｐ（２０ＲＣ）に対して、表
面硬化した隆起部のそれは６０００がら７０００■／Ｐ
　（５７−６３ＲＣ）であった。表面硬化したストーク
ロールはマグナフラックスと、不可視光とを使用して亀
裂テストを行い、隆起部１個当り２３の亀裂性向を有す
ることが判明した。

例゛２から例７ さらに別のスト−、クロールを表面硬化させ、特記以外
は例１と同様に評価した。その結果を以下の表に要約し
ている。例１からのデータと、未コーティングのノジュ
ラー鋳鉄製ストークロールのデータも比較のために以下
の表に含んでいる。

亀裂性向に関する試験結果は広範囲にわたるが、これら
の亀裂はベースメタルまで延びているものは何らないこ
とが判明した。

表面硬度に関するデータは、硬度が高く、炭素量が多く
、かつ、炭化物を形成する成分（クロームとバナジウム
）が多いことが耐摩耗性向上に寄与することを示してい
る。顕微鏡組織を検査した結果、高炭素含有の、高級合
金が鉄合金炭化物を最も多く含有していることを示して
いる。

前述の例から、ノジュラー鋳鉄は予熱、あるいは後加熱
を要することなく成功裡に表面硬化し、優れた耐摩耗性
と硬度とを得ることによって、従来技術による表面硬化
と比較しく高品質でしかも著しく安価なストークロール
を提供可能なことが判る。

ノジュラー鋳鉄はその強度、耐摩耗性、相対的に低いコ
ストの故に好ましいベースメタルであるが、本発明によ
る方法は、烏合金鉄、マルテンサイト合金鋼およびオー
ステナイト鋼を含むその他の鉄をベースとした合金をベ
ースメタルとして利用可能なことも認められる。

本発明による方法をその好適実施例にしたがって説明し
てきたが、その変更も当該技術の専問家には明らかなる
ことが認められる。したがって、特許請求の範囲は本発
明の真正な精神と範囲に入る全ての変更や修正をも網羅
する意図である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法によって表面硬化を施すべきスト
ークロールの部分側面図、 第２図は第１図の線２−２に沿ってみた断面図である。 図において、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 当てて、該ベースメタルのパラドルを形成し、ｂ）鉄を
   ベースとした合金、コバルトをベースとした合金、ニッ
   ケルをベースとした合金および炭化物成分とからなる群
   から選定した充てん金属を前記トーチのアークと接触す
   るよう送り、溶融した前記充てん金属を前記ベースメタ
   ルの表面の一部に供給し、 Ｃ）前記ベースメタルを前記ワークステーションの周囲
   温度まで冷却させる工程を含む、ノジュラー鋳鉄ベース
   メタルを表面硬化する方法において、その改良点が １）前記ベースメタルを予熱することなく前記α）の過
   程を実施し、かつ １１）前記ベースメタルを後加熱することな（前記Ｃ）
   の過程を実施することを特徴とするノジュラー鋳鉄の、 ベースメタルを表面硬化する方法。 （２）　　特許請求の範囲第１項に記載の方法において
   、前記充てん金属が高クローム鉄であることを特徴とす
   るノルニラ−鋳鉄ベースメタルを表面硬化する方法。 （３）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前
   記ベースメタルへの、前記充てん金属の稀釈度は５から
   １５Ｔｏの間であることを特徴とするレジュラー鋳鉄ペ
   ースメタルを表面硬化する方法。 （４）α）未予熱状態で前記ベースメタルをワークステ
   ーションに提供し、 ｂ）未予熱状態で前記ベースメタルにガスタングステン
   アーク溶接トーチを当て、 Ｃ）鉄をベースとした合金、コバルトをベースとした合
   金、ニッケルをベースとした合金、および炭化物成分と
   からなる群から選択した充てん金属を前記アークと接触
   するよう送り溶融光てん金属を前記ペースメタルの表面
   の一部に供給し、ｄ）前記溶融充てん金属を前記ベース
   メタルに供給した直後から、後加熱することなく前記ベ
   ースメタルを前記室の周囲温度まで冷却する過程を含む
   ことを特徴とするノジュラー鋳鉄のベースメタルを表面
   硬化する方法。 （５）特許請求の範囲第２項に記載の方法において、前
   記充てん金属が高クローム鉄であることを特徴とするノ
   ジュラー鋳鉄ベースメタルを表面硬化する方法。 （６）特許請求の範囲第２項に記載の方法において、前
   記ベースメタルへの前記充てん金属の稀釈度は５かも１
   ５％の間であることを特徴とするノジュラー鋳鉄ぺ一部
   メタルを表面硬化する方法。 Ｖ）基部材と、該基部材から延びた突起とを含む、ノジ
   ュラー鋳鉄ベースメタルのワークピースを表面硬化する
   方法において、 α）ガスタングステンアーク溶接トーチを非予熱状態の
   前記突起に当て鋳鉄のパラドルを形成し、 ｂ）鉄をペースとした合金、コバルトをペースとした合
   金、ニッケルをペースとした合金および炭化物成分とか
   らなる群から選定した充てん金属を前記トーチのアーク
   に接触させ溶融充てん金属を前記突起の表面に供給し、 Ｃ）溶融充てん金属を前記ワークピースに供給・した直
   後から、後加熱することなく前記ワークピースをワーク
   ステーションの周囲温度まで冷却させる過程を含むこと
   を特徴とするノジュラー鋳鉄ペースメタルのワークピー
   スを表面硬化する方法。 （８）特許請求の範皿第７項に記載の方法において、前
   記充てん金属・が高クローム鉄であることを特徴とする
   ノジュラー鋳晧ペースメタルを表面硬化する方法。 （９）特許請求の範囲第７項に記載の方法において、前
   記ベースメタルへの前記充てん金属の稀釈度は５から１
   ５チの間であることを特徴とするノジュラー鋳鉄ベース
   メタルを表面硬化する方法。