JPS6213578A

JPS6213578A - レ−ザ光による表面合金化およびクラツデイング用の添加材料

Info

Publication number: JPS6213578A
Application number: JP15325285A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Ashida; 芦田　喜郎; Yuichi Seki; 勇一関; Shigenori Kusumoto; 栄典楠本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1985-07-10
Filing date: 1985-07-10
Publication date: 1987-01-22

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】匡果よΔ机且立託本発明は、レーザ光を用いた母材金属材料のレーザ合金
化およびクラツディングに用いられる添加材料に関し、
更に詳しくは、母材金属材料の耐摩耗性、耐熱性等の向
上を図るために行なわれるレーザ合金化およびクラプデ
ィングに用いられる添加材料に関する。

従来の技術レーザ表面合金化とは、レーザ加熱により母材金属に薄
い溶融層をつくり、これに必要な合金元素を加えてほぼ
瞬間的に拡散させ母材表面に合金層を形成させる処理方
法である。かかる合金元素の添加方法としては、（ａ）
あらかじめ必要な合金元素を含む添加材料を母材表面に
付着させておきレーザ加熱によって母材もろとも溶かし
込む方法、および（ｂ）母材表面を加熱溶融しその溶融
プールに添加材料を添加する方法があり、（ａ）の場合
は、粉末、薄板線、あるいは箔状の添加材料が、また（
ｂ）の場合には線、粉末状の添加材料が通常用いられる
。

一方、レーザクラツディングはレーザ合金化とよく似た
処理であり、添加材料の量およびレーザ照射条件を調節
することによって母材の溶融量を少なくし、母材金属材
料の上に添加材料の成分に近い組成を持つ表面層全形成
（コーティング）する技術である。

かかる表面合金化およびクラプディングはいずれも低価
格の母材を用いつつ、必要最小限の部分のみを耐食性、
耐摩耗性、耐熱性などに優れた表面層とすることが可能
であるため、近年これらに関する研究が非常に活発に行
なわれている。

このようなレーザ光による合金化およびクラツディング
には、母材金属に所望の性質を付与しうる添加材料が用
いられる。

主に耐食性を付与する場合には、Ｃｒ５Ｓｉ１Ａ１２ｓ
など堅固な酸化物被膜を形成する金属元素が添加される
が、これらはいずれも低融点であり、また少量添加によ
って大きな効果が発揮されるため、特にその添加には問
題がない。

これに対し、耐摩耗性、耐熱性を付与する場合には、通
常高硬度を有するＴｉＣ１ＶＣ，ＮｂＣ。

ＷＣＳＭｏＣ，ＴａＣなどの金属炭化物；ＴｉＮ、Ａｏ
、Ｎ。

ＮｂＮ、ＶＮなどの金属窒化物；Ａ（！ｔＯ＋、ＴｉＯ
２、Ｃｒ　ｔ　Ｏ３、Ｚ　ｒ　Ｏ２などの金属酸化物が
添加される。

このような高硬度を有する金属化合物の添加により、（
１）冷却中にこれら化合物が微細に晶析比することによ
って生ずる分散硬化、（２）これら化合物の一部が晶析比せずマトリクス中に
強制固溶される為におこる固溶硬化、（３）レーザ合金
化後さらに時効を加えることによりマトリクス中に固溶
したこれら化合物を再析出させることによっておこる析
出硬化などが生じ、これらの硬化機構によって高硬度化
、耐摩耗性の改善を図る。しかし、これらの金属化合物
は非常に融点が高く、また多量の添加により後記のごと
くに種々の問題が生ずるため現状では極少量の添加によ
ってわずかな耐摩耗性、耐熱性の改善を図っているにす
ぎない。

本発明が解決しようとする問題点すなわち、レーザ光による母材の合金化処理あるいはタ
ラッディング処理にあたり、高融点化合物を多量添加す
ると以下の問題が発生する。

（１）該化合物は非常に溶融し難く、多量に添加すると
未溶融の化合物がそのまま合金化層に残留する。この未
溶融の化合物は通常凝集した状態で存在するため、脱落
しやすくボアや亀裂などの欠陥発生要因となる。

（２）たとえ溶融したとしても粘性が高い為、母材液相
と均一に混合せず部分的にムラのある組織となる。また
気泡が完全に表面に抜けきらず、そのまま合金化層内に
欠陥として残留する。

（３）添加材と母材の比重が異なる場合（ＡＱｔｏｓ、
ＳｉＣなどとＦ　ｅ、　Ｎ　ｉなど）は前記ムラがより
顕著である。

問題点を解決するための手段本発明は、（ａ）高硬度を有する硬質化合物または該硬
質化合物を構成する元素および（ｂ）該硬質化合物より
低融点の金属あるいは合金または該合金構成元素を含有
することを特徴とするレーザ光による表面合金化および
クラプディング用の添加材料を提供するものである。

添加された硬質金属化合物を完全に溶融させるには、そ
の融点以上に該化合物を加熱するか、あるいは、より低
融点で該化合物と液相を形成する金属または合金の溶液
で個々の化合物粒子を覆い該溶液との反応を利用しなけ
ればならない。

添加量が少量の場合には、金属化合物単独で添加しても
融点以上に加熱するのは比較的容易であり、またたとえ
融点以上に加熱されなくとも粉末の凝集は少ない状態に
て母材液相に添加される為液相との反応によって速やか
に溶融する。

しかしながら、添加量が多い場合は、金属化合均粒同士
が凝集して母材液相との接触面積が小さくなり、溶融が
非常に困難となる。

本発明は、該金属化合物よりも低融点の金属または合金
相を金属化合物とともに添加材料中に存在させることに
より、かかる問題を解決し得ることを見出したものであ
る。

すなわち、本発明の添加材料は加熱されると、まず低融
点の金属または合金相が溶融し、個々の硬質金属化合物
粒子が、該金属または合金の液相によって覆われた状態
となるため、はぼ瞬間的に硬質金属化合物成分と、金属
または合金の液相とからなる液相が形成される。従って
、未溶融の金属化合物が非常に残りにくく、また例え溶
は残ったとしても金属または合金相が硬質金属化合物粒
子間に存在するためこれら化合物は非常に脱落しにくい
。また、得られる液相の粘度が小さくなるため、母材液
相と金属化合物とが均一に混合し、気泡など欠陥が残る
こともない。

さらに硬質金属化合物の母打金属非存在下における単独
添加でのクラツディングは従来不可能であったが、本発
明添加材料は母材と予め混合しなくとも容易に溶融する
ため、クラツディングも可能となる。

以下に本発明の添加材料形成に使用される硬質金属化合
物および金属または合金について詳しく説明する。

（ａ）硬質化合物Ｖ、Ｔｉ１ＮｂＳＨｆ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｍｏ５Ｗ、Ｃｒ、
Ｆｅ、５ｉｓＣｏ、Ａ１２などのほとんどの金属と、Ｃ
，Ｎ、ＯｌＢなどの軽元素との化合物：　Ｆ　ｅｓ　Ｃ
ａｓ　Ｎ　ｒと、Ｔ　ｉ、　Ｚ　ｒ。

Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ５Ｗ、Ａ（２ＳＲｅ
、Ｓｉ、Ｍｎなどとの金属間化合物およびＭｏとＳｉの
金属間化合物：ＢＮなどの軽元素同士の化合物は、非常
に高硬度であり本発明において硬質化合物として使用し
うる。添加材料中においてこれら化合物は一種、または
二種以上が併用される。

（ｂ）金属または合金Ｆｅ、Ｎｉ、Ｇｏ、Ａ１２．Ｔｉ、ＣｒＳＭｎ、Ｚｒ、
Ｃｕの単体など、前記硬質化合物より低融点の金属を用
いうるが、添加材は比重が母材に近いことが望ましい。

また、前記硬質化合物より高融点にならない範囲で合金
化、クラツディング層のマトリクス強化等のため、Ｍｏ
５Ｗ、Ｃ，Ｎ、Ｂその他の元素を添加してもよい。

このような（ａ）硬質化合物と、（ｂ）それより低融点
の金属または合金相とからなる本発明の添加材料の形態
について、模式図（第１図〜第３図）を参照して説明す
る。すなわち、本発明添加材料は、（イ）第１図ａに示
すごとく、硬質化合物の粉末粒子（１）と、金属または
合金からなる粉末粒子（２）とを混合して製造された混
合粒子を含むものでもよく、（ロ）第２図に示すごとく粉末粒子（３）が、硬質化合
物と、金属または合金成分とから構成される単一の粒子
を含むものでもよい。

後者（ロ）の単一粒子を含む添加材を作成するには、目
的とする硬質化合物成分と、金属または合金成分とから
なる溶湯をアトマイズするか（第２図ｂ、第２図Ｃ）、
あるいは硬質化合物粉末表面に金属または合金成分をメ
ッキ、蒸着、イオンスパッタリングなどで被覆（第２図
ａ）する方法、あるいは逆に金属合金粉末表面に硬質化
合物を被覆する方法がある。レーザ表面合金化、タラプ
ディング時の化合物の溶融のしやすさ、合金化、クラツ
ディング部の品質などの点からは（ロ）の添加材料が優
れているが、その製造には特殊な装置が必要であり、添
加材料の単価が高くなるため合金化、クラツディングの
目的に応じ使い分けられる。

なお、（ロ）の添加材の場合、必ずしも各々の粉末粒子
のなかに硬質化合物相と、金属または合金相とが分離し
て存在する必要はなく硬質化合物を構成する各元素と金
属または合金相を構成する各元素が互いに全部または一
部固溶し合っていてもよい（第２図すまたはＣ）。

また混合粒子からなる添加材料に関しては、（イ）のご
とく特に高価な硬質化合物からなる粉末自体を使用する
必要はなく、（ハ）第１図すに示すごとく、該硬質化合物を構成する
各元素が別個の粉末粒子を構成しく例えばＶＣ炭化物で
あればＶ粉末（１）とＣ粉末（１’））これをさらに金
属または合金粉末（２）と混合したものでもよく、また
前記（イ）〜（ハ）の各添加材料を混合したものでもよ
い。

さらに本発明の添加材料の他の形態としては、（ニ）前
記（イ）〜（ハ）の形態の粉末を薄板（第３図）、線そ
の他の適宜の形状に焼結したものが特に好ましい。かか
る焼結晶は粉末状の添加材料に比べて合金化、タラプデ
ィング時の歩留まりが良く、また一定の供給量を維持す
ることが容易である。

発明の効果本発明添加材料を用いたレーザ表面合金化、クラツディ
ングによれば合金層あるいはクラツディング層に欠陥が
発生せず非常に高い硬度を有する表面層が得られるため
、摺動部を有する各種機械部品や、切削工具、冷間およ
び熱間成形用工具などの工具等の耐摩耗性、耐熱性を著
しく向上させることが可能となる。

夾旗■ 以下に本発明を実施例によりさらに詳しく説明する。実
施例中％は重量％を意味する。

実施例１後記第１表に示す成分および配合量を用い、次の方法に
より各種試験添加材料を製造した。

従来品：市販ノＶＣＳＴｉＣおよびＡｌｔＯ＊純度：　
　＞９９．０％粒径：　１〜６μｍ製法（イ）二硬質化合物の粉末粒子と、金属または合金
からなる粉末粒子とを混合して混合粉末を製造製法（ローａ）：硬質化合物粉末を撹拌しながら該粉末
表面に真空蒸着をにより合金を被覆する製法（ローｂ、ｃ）・硬質化合物成分と合金成分とから
なる溶湯をアトマイズする製法（ハ）：ｔＥｌ！質化合物化合物する各元素からな
る別個の粉末粒子、および金属粉末を混合する製法（ニ）：前記製法（イ）にて製造した混合粉末を熱
間静圧プレスにて加圧成形し、ついで、０．５ｍｍ厚にスライスして薄板を製造得られた各種試験添加材料を下記の条件で欠陥が発生し
ない限度内にてレーザ合金化（クラツディング）を実施
した。得られた合金化層（タラツデイング層）の硬度、
すなわち合金化可能な最高硬度を後記第２表に示す。

レーザ照射条件：出力　　　　＝　１〜５ｋｗワーク移動速度：１ｍ／分スポット径　　：５ｉ１Ｒ母材　　　　：５１５Ｃ１純チタン、純アルミ一般に、
表面の硬度は硬質化合物の添加量が多い程上昇する傾向
があるが、硬質化合物のみの添加（添加材１〜３）では
比較的少量の添加でボアや組織ムラ、未溶融化合物の凝
集などの欠陥が発生し、欠陥なしに得られる硬度は、第
２表に示すごと＜Ｈｖ９００未満である。これに対して
、本発明の添加剤４〜３８を用いた場合は、いずれも欠
陥なしに、Ｈｖ９００以上の高硬度化が達成される。

第１表第１表　（つづき）第１表　（つづき）第２表欠陥なしに形成可能な合金化（クラプディング）層の最
高ビッカース硬度（ＨＶ　；荷重２００９）第２表　（
つづき）第２表　（つづき）

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明添加材料の形態を示す模式図で
ある。特許出願人　株式会社　神戸製鋼折代　理　人　弁理士　前出　葆　外２名第１図０　　　
　　第１図す第２図０　　　第２図ｂ　　　　第２図Ｃ第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）（ａ）高硬度を有する硬質化合物または該硬質化
合物を構成する元素、および（ｂ）該硬質化合物より低
融点の金属あるいは合金または該合金構成元素を含有す
ることを特徴とするレーザ光による表面合金化およびク
ラッディング用の添加材料。
（２）硬質化合物が主成分をなして第一の粉末粒子を形
成し、低融点の金属または合金が主成分をなして第二の
粉末粒子を形成する混合粉末を含有する前記第（１）項
の添加材料。
（３）硬質化合物を構成する元素、および低融点の金属
または合金構成元素が各粉末粒子を形成する単一の粒子
を含有する前記第（１）項の添加材料。
（４）硬質化合物を構成する各元素が各々別個に粉末粒
子を形成し、低融点の金属または合金がさらに他の粉末
粒子を形成する混合粉末を含有する前記第（１）項の添
加材料。
（５）粉末焼結成形物の形態をなす前記第（１）項の添
加材料。