JPS626798A - 溶接肉盛用複合溶接材 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、金属マトリックスにセラミック粒子が分散し
ている複合組織を有する肉盛層を溶接法により形成する
ための肉盛用溶接材に関する。

〔従来技術〕

圧延ロール等のロール類、その他の構造部材を基材とし
、その表面に金属とセラミック粒子からなる複合組織を
有する被覆層を形成することは、基材の耐熱性や耐摩耗
性等を改善する極めて有効な方法である。この被覆層の
形成方法としては専ら溶射法が使用されている。溶射法
は、マトリックスとなる金属粉末にセラミック粉末を配
合した粉末混合物を溶射材料とし、これを加熱下に高速
度で基材表面に衝突・堆積させることにより被覆層を形
成するものであり、近時溶射材料として、例えば、炭化
珪素（Ｓ　ｉ　Ｃ）　、タングステン炭化物（ＷＣ）、
チタン炭化物（Ｔ　ｉ　Ｃ）等の炭化物系セラミック粉
末を主体とする複合粉末が工業的に供給されている。

しかし、溶射法により形成される被覆層（溶射層）は、
主として基材表面の凹凸に喰込んで付着しているに過ぎ
ず、密着強度に乏しく、機械衝撃により剥離し易いため
、実機使用における安定性や耐久性に問題がある。

本発明者等は、上記実情に対処するために、溶接肉盛法
により、金属−セラミック粒子複合組織を有する被覆層
を形成するための溶接材料として、ステンレス鋼等の金
属チューブに、セラミ・ツク粉末、またはセラミック粉
末とステンレス鋼等の金属粉末を充填した複合溶接材を
提供した（特願昭５８−１６４７０７号）。

〔解決しようとする問題点〕

上記溶接ワイヤを使用しタングステン不活性ガスアーク
溶接法（Ｔ　Ｉ　Ｇ溶接法）等による肉盛溶接により形
成される被覆層は、基材表面との境界部が溶接熱により
融着一体化しており、密着強度が高いので、溶射被覆層
のように容易に剥離することはない。

しかしながら、鋳造品等を基材としてその表面に形成さ
れる被覆層（肉盛層）は、基材との接合部、すなわち母
材との融合による被覆層の希釈部に低融点層や脆化層が
形成されることがあり、構造部材としての信転性の保証
に問題が残されている。

本発明は、上記問題を解決するための改良された溶接肉
盛用複合溶接材を提供しようとするものである。

〔技術的手段および作用〕

本発明の溶接肉盛用複合溶接材は、金属チューブと、そ
の中空孔内に充填されているセラミック粉末、またはセ
ラミック粉末と金属粉末の混合物とからなり、 金属マトリックスとなる金属分が、Ｃ：　０．０８％以
下、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎ　ｉ
　：　１０．０〜２０．０％、　　Ｃｒ　：　１５．０
〜３０．０％、ＡＥ：１．０〜５．０％、残部実質的に
Ｆｅからなる成分組成を有することを特徴とする。

本発明の肉盛用複合溶接材を用いて適当な溶接法、好ま
しくはＴＩＧ溶接法にて、肉盛溶接を行うことにより、
金属チューブ、または金属チューブとその中空孔内にセ
ラミック粉末と共に充填されている金属粉末が溶融して
形成される所定の成分組成の合金がマトリックスとなり
、そのマトリックス中にセラミック粒子が均一な分散相
として混在する複合組織からなる肉盛層が形成される。

この肉盛層は、良好な耐熱性、耐酸化性を有すると共に
、特に高温圧縮抵抗にすぐれ、かつ分散相であるセラミ
ック粒子が高い硬度（例えば、Ｈｖ　１４００以上）を
有することにより、すぐれた摩耗抵抗を兼備している。

また、肉盛層と基材表面とは、溶接熱により形成された
融着結合関係により強固に接合しており、１２００℃以
上の高温域においても高い接着強度を失うことがない。

しかも、その基材表面との融合による希釈部も、高靭性
を有し、高温強度にもすぐれている。

本発明の複合溶接材における、マトリックスとなるべき
金属分の成分限定理由は次のとおりである。含有量を示
す％は重量％である。

Ｃ：　０．０８％以下 Ｃは不純物であり、マトリックス金属を高融点に保つた
めに、上限を０．０８％とする。

Ｓ　ｉ　：　１．５％以下 および脱酸効果の点からは多い程よい。しかし、含有量
が多くなると、熔融金属中の脱酸生成物（ＳｉＯ□等）
の残存量が増し、マトリックス金属の清浄度が悪くなる
ので、１．５％以下とする。

Ｍｎ：２．０％以下 ＭｎはＳｉと同じく溶融金属の脱酸作用を有するほか、
溶融金属中の不純物であるＳをＭｎＳとして固定化する
ことにより、有害なＦｅＳの生成を防止する。但し、含
有量があまり多くなると、生成したＭｎＳの残存量が増
加し、マトリックス金属の清浄度を損なうので、２．０
％を上限とする。

Ｎｉ：１０．Ｏ〜２０．０％ Ｎｉはオーステナイト生成元素として重要である。マト
リックス金属のオーステナイト相を安定化させるには、
少なくとも１０．０％を必要とする。

但し、あまり多くなると、マトリックス金属が低融点化
するので、２０．０％を上限とする。

Ｃｒ　：　１５．０〜３０．０％ Ｃｒはマトリックス金属の耐酸化性を高める。

１５．０％を必要とする。但し、多量に含有すると、靭
、性が劣化するので、３０．０％を上限とする。

Ａｆ：１．、Ｏ〜５．０％ Ａ１は強力な耐酸化性向上元素である。１３００℃の高
温域における耐酸化性を確保するには、少なくとも１５
．０％を必要とする。しかし、５．０％を越えると、靭
性の低下をみるので、５．０％を上限とする。

一方、マトリック３中の分散相となるセラミック粒子と
しては、炭化物系（炭化珪素、タングステン炭化物、ク
ロム炭化物、チタン炭化物等）、窒化物系（窒化珪素等
）、酸化物系（ジルコニア、アルミナ等）等、種々のセ
ラミック粒子が、目的とする肉盛層の用途・要求性能に
応じて適宜選ばれる。例えば、ハースロール、超硬ロー
ル等の製鉄・製鋼用部材の肉盛層の形成には、炭化珪素
（Ｓ　ｉ　Ｃ）　、タングステン炭化物（ＷＣ）　、チ
タン炭化物（Ｔ　ｉ　Ｃ）等の炭化物系セラミックが、
耐熱性、耐摩耗性等の点から好ましく用いられる。

セラミック粒子の粒径は、０．０１〜３．５μｍが適当
であるが、特に０．０１−０．１　μｍの微細粒子の場
合には、マトリックス中の転位の移動を阻止する効果に
より、肉盛層の高温圧縮強度を高める。

肉盛層の金属マトリックスとこれに分散するセラミック
粒子との比率は、要求性能により適宜定められるが、耐
摩耗性や強度・靭性等の機械的性質の点から、セラミッ
ク粒子の占める割合は２０〜８０％（重量）が好ましい
。むろん、この割合は、複合溶接材を構成する金属分と
セラミック粉末との量比、すなわち金属チューブ（これ
にセラミック粉末と金属粉末の混合物が充填される場合
には、金属チューブと金属粉末の合計量）とセラミック
粉末充填量との比率により容易に調整することができる
。具体的には、金属チューブの内径・肉厚、およびこれ
に充填されるセラミック粉末と金属粉末の混合割合等に
より調整される。

本発明の複合溶接材は、引抜加工等で得られた金属チュ
ーブ内にセラミック粉末、またはセラミック粉末と金属
粉末の混合物を充填し、ついで必要に応じ、スェージン
グ加工に付し、滅厚・減径することにより製造すること
ができる。金属チューブ内にセラミック粉末と共に金属
粉末が充填される場合、金属チューブおよび金属粉末と
して、互いに成分組成の異なるものを使用し、両者が合
して必要な合金成分を補完し合うことにより所定の合金
成分組成を構成するようにしてよい。

本発明の複合溶接材を用いて形成される肉盛層は、各種
構造部材のすぐれた表面保護層であるが、更に、これを
中間層として基材表面にセラミックからなる被覆層を形
成することができる。すなわち、肉盛層の表面を機械加
工し、これに窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）や炭化珪素（Ｓ　
ｉ　Ｃ）等のセラミック成形体（未焼結体）または焼結
体を重ね、適当な押圧力（例えば、Ｑ、３　ｋｇ　ｆ　
／ｃＪ）で押付けたまま、適当な温度（例えば、１３０
０″Ｃ）に加熱保持することにより、肉盛層とセラミッ
ク層とが拡散接合により接着する。この肉盛層とセラミ
ック層との界面は、肉盛層の表面に生成したＦ　ｅ　Ｏ
％　Ｆ　ｅ　ｚ０３　、Ａ　１２２’０３等の酸化物と
、セラミック層の表面に生じた遊離ＳｉおよびＳｉＯ□
との反応によるものであり、両層の接着強度は、約ｌｆ
ｆ００ｋｇ／ｃｉと極めて高く、ロール類等の構造材料
の被覆層として好適である。

〔実施例〕

大廠拠ニ ステンレス鋼製シームレスチューブに、セラミック粉末
と金属粉末との混合物を充填し、スェージング加工を行
って複合溶接材（ａ）〜（ｃ）を製作した。

（１）複合溶接材 （１）チューブ 成分組成（％＞　　：　ｃｏ、ｏｓ、Ｓ　ｉｌｌ　、Ｍ
ｎＯ，９、Ｎｉ２Ｏ，５、Ｃｒ　２５．０、残部Ｆｅ　
（ＳＵＳ３１０相当）サイズ：肉厚０．７１ｍ、内径２
．６鶴（２）　　セラミック粉末 炭化珪素（ＳｉＣ）粉末、粒径１〜３．５μｍ（３）金
属粉末 Ｆｅ−Ａ１合金粉末（Ａ４２３３ｗｔ％）、粒径１〜３
．５μｍ （４）金属分／セラミック粉末の比（重量比）（ｉ）溶
接材（ａ）　　ニア０／３０ （ｉｉ　）溶接材（ｂ）　　：５０１５０（ｉｉｉ　）
溶接材（Ｃ）　　：３０／７０（ｎ）溶接肉盛 〔■・１〕上上記台溶接材（ａ）〜（ｃ）を用い、ＴＩ
Ｇ溶接法により基材（ステンレス鋼板）表面に肉盛層（
ａ）〜（Ｃ）（いずれも層厚は８０）を形成した。

（１）　　マトリックス成分組成 Ｃ０，０５、Ｓ　ｉｌ、ｏ　、ＭｎＯ，８、Ｎ　ｉｌ８
．０、Ｃｒ２３．２、／！ｊ２４．ｏ、残部Ｆｅ０（２
）圧縮強度（ａｔ１２３０℃） （ｉ）肉盛層（ａ）（マトリックス／セラミック＝７０
／３０）　　：０．１２ｋｇ／１ｎ２（ｉｉ　）肉盛層
（ｂ）（マトリックス／セラミックー５０１５０）　　
　　：　　０．１５ｋｇ／ｍ璽２（ｉｉｉ　）肉盛層（
Ｃ）（マトリックス／セラミック＝３０／７０）　　：
　０．２５ｋｇ／ｗｍ”（’ｎ・２〕上記溶接材（ｂ）
（金属分／セラミック＝５０１５０）を用い、第１図に
示す形状を有する分割試験片（イ）と（ロ）（ＫＨＲ４
ＯＣＭ相当材〕の胴部の突合わせ面の間に、ＴＩＧ溶接
により肉盛層（ｃ）を形成して両者を接合した（その試
験片サイズは、ＪＩＳ金属引張試験片１号に準拠。

Ｐ：２２０鶴、Ｌ　：　２００　ｘ＊、　Ｗ　：　４０
酊、Ｒ：２５鰭、Ｔ　：　１５ｍ１、ＣＸ　　（肉盛層
長）：５０ｍ■）。

上記接合試験片の１２５０℃での引張強度は０．０２ｋ
ｇ／鶴２である。またその破断位置は、接合部から離れ
た中央部であって、肉盛層には何ら変化は認められなか
った。

〔■・３〕上記溶接材（ｂ）（金属分／セラミック＝５
０７５０）を用い、ステンレス鋼板（ＳＵＳ３１０相当
）の表面にＴＩＧ溶接により肉盛層を形成した。その表
面を機械加工しく加工後の層厚２龍）、板状の窒化珪素
焼結体（板厚１０ｆ１）を重ねて０．３ｋｇ　／　ｃ４
の押圧力の作用下に、１３００℃に約１時間保持するこ
とにより、ステンレス鋼板と窒化珪素セラミック板との
接合体を得た。その接合強度は約１０００ｋｇ／−（常
温）であった。

〔発明の効果〕

本発明の複合溶接材を使用することにより、金属マトリ
ックスにセラミック粒子が分散した複合組織を有する肉
盛層を形成することができる。その肉盛層は、マトリッ
クス金属とセラミック粒子との複合効果により、耐熱性
・耐酸化性、高温圧縮強度、耐摩耗性等にすぐれている
。しがち、基材表面との接合が強固であることは言うま
でもなく、基材との融合による希釈部の靭性および高温
強度も高く、ロール類をはじめとする各種構造部材の保
護被覆層として高度の安定性・信頼性を有する。

また、本発明の溶接材により形成される肉盛層を中間層
として利用することにより、基材表面に接着強度の高い
セラミック被覆層を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例関係の引張試験片形状説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属マトリックスに分散相としてセラミック粒子
   が混在する複合組織を有する肉盛層を形成するための溶
   接肉盛用溶接材であって、 金属チューブと、その中空孔内に充填されているセラミ
   ック粉末、またはセラミック粉末と金属粉末の混合物と
   からなり、 金属マトリックスとなる金属分が、Ｃ：０．０８％以下
   、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：１
   ０．０〜２０．０％、Ｃｒ：１５．０〜３０．０％、Ａ
   Ｅ：１．０〜５．０％、残部実質的にＦｅからなる成分
   組成を有することを特徴とする溶接肉盛用複合溶接材。