TW201934239A - 工具材料的再生方法及工具材料 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種在高速工具鋼基材的任意區域形成適當的覆蓋層來進行修補之方法及藉由該方法製造之工具材料，尤其提供一種縱使是對於具有急冷凝固組織之高速工具鋼基材亦能夠不產生剝離或破裂等而形成適當的覆蓋層之修補方法。本發明的工具材料的再生方法，其特徵為，具有：熱處理製程，以超過700℃且低於825℃的溫度對高速工具鋼基材進行熱處理；及修補覆蓋製程，在實施了熱處理之高速工具鋼基材的表面形成修補覆蓋層。熱處理溫度設為超過775℃且低於825℃為較佳，高速工具鋼基材為高速工具鋼雷射覆蓋層較佳。
Description
本申請主張基於2018年2月7日申請之日本專利申請第2018-020304號的優先權。該日本申請的全部內容藉由參閱援用於本說明書中。
本發明係有關一種基於在高速工具鋼基材的任意區域形成修補覆蓋層之工具材料的再生方法及藉由該再生方法製造之工具材料。
本發明係有關一種基於在高速工具鋼基材的任意區域形成修補覆蓋層之工具材料的再生方法及藉由該再生方法製造之工具材料。
以往，作為表面處理技術之一，已知有藉由在金屬基材的表面覆蓋與該金屬基材不同之高硬度材料，提高最表面的耐磨耗性等之技術。利用該技術時，即使使用高硬度材料所形成之表面的覆蓋層磨耗，基材亦能夠保持原來的形狀，因此藉由對該基材再次進行相同的覆蓋，能夠反覆使用。例如，專利文獻1(日本特開2013-176778號公報)中，作為進行覆蓋之方法，揭示利用雷射在金屬基材表面形成高硬度的覆蓋層之雷射包覆(cladding)法。
在此，作為用於覆蓋之代表性的高硬度材料，能夠舉出在金屬構件的高速切削等中使用之高速工具鋼。例如，專利文獻2(日本特開2016-155155號公報)中，揭示利用雷射包覆法對金屬基材的表面將高速工具鋼進行多層覆蓋之技術，所形成之覆蓋層可獲得與HIP(熱均壓法)材料同等以上的硬度及耐磨耗性。
(先前技術文獻)
(專利文獻)
專利文獻1：日本特開2013-176778號公報
專利文獻2：日本特開2016-155155號公報
在此，作為用於覆蓋之代表性的高硬度材料，能夠舉出在金屬構件的高速切削等中使用之高速工具鋼。例如，專利文獻2(日本特開2016-155155號公報)中，揭示利用雷射包覆法對金屬基材的表面將高速工具鋼進行多層覆蓋之技術，所形成之覆蓋層可獲得與HIP(熱均壓法)材料同等以上的硬度及耐磨耗性。
(先前技術文獻)
(專利文獻)
專利文獻1：日本特開2013-176778號公報
專利文獻2：日本特開2016-155155號公報
(發明所欲解決之問題)
如果能夠利用上述雷射包覆法，例如僅在金屬基材的產生了龜裂或缺損等之區域形成適當的覆蓋層，則可成為極有效率且廉價的修補方法。而且，如果能夠確立針對藉由雷射包覆所形成之雷射覆蓋層之修補方法，則能夠構築包含從工具材料的製造至再生利用之新商業模式。例如，如果能夠在廉價的鋼材表面形成適當的雷射覆蓋層來作為工具材料，藉此降低材料成本，並僅對雷射覆蓋層的破損區域進行修補，則僅花費該修補所需之成本就能夠繼續使用。
然而，作為工具材料廣泛使用的高速工具鋼具有高硬度和優異的耐磨耗性等，但作為該特性的權衡取捨，本質上會導致韌性下降。其結果，金屬基材是採用高速工具鋼時，再生修補後之覆蓋層從金屬基材的熱影響部剝離之現象成為大問題。尤其，高速工具鋼基材具有急冷凝固組織時，晶出碳化物在母材晶界偏析而使韌性的下降變得更加顯著，因此形成覆蓋層來進行修補是極其困難的。
鑑於如以上的習知技術中的問題點，本發明的目的是為了提供一種在高速工具鋼基材的任意區域形成適當的覆蓋層來進行修補之方法、及藉由該方法製造之工具材料。並且，尤其是為了提供一種縱使是對於具有急冷凝固組織的高速工具鋼覆蓋材亦能夠不產生剝離和破裂等而形成適當的修補覆蓋層之修補方法。
(解決問題之技術手段)
本發明人等為了實現上述目的，針對高速工具鋼基材之覆蓋層的形成方法反覆進行了苦心研究，其結果，發現對高速工具鋼基材實施適當的溫度範圍的熱處理等是極其有效的，如此完成了本發明。
亦即，本發明提供一種工具材料的再生方法，其特徵為，具有：
熱處理製程，以超過700℃且低於825℃的溫度對高速工具鋼基材進行熱處理；及
修補覆蓋製程，在實施了前述熱處理之前述高速工具鋼基材的表面形成修補覆蓋層。
形成修補覆蓋層之高速工具鋼基材的組織及機械性質雖有各式各樣，但藉由以超過700℃且低於825℃的溫度實施熱處理，能夠賦予可承受修補覆蓋製程之韌性等。更具體而言，只要能夠使高速工具鋼基材的形成修補覆蓋層之區域適當軟化，就能夠抑制修補覆蓋製程中的剝離和破裂等。
針對此，本發明人等反覆進行苦心研究的結果，明白到為了有效地使高速工具鋼基材軟化，存在適當的熱處理溫度範圍，該溫度範圍為超過700℃且低於825℃。在該溫度範圍內軟化得以促進之理由雖不是十分明確，但應是藉由將熱處理溫度設為超過700℃且低於825℃，不會伴隨母材的肥粒鐵的相變化，固溶於母材中之碳與合金元素會以碳化物的形式析出、凝集而成為一定程度的大小，使有助於固溶強化之碳和合金元素的量降低，因此差排的移動變得容易而使硬度下降。並且，使高速工具鋼基材軟化之更有效率的溫度範圍為超過775℃且低於825℃。
修補覆蓋製程中的覆蓋方法只要無損本發明的效果，則並無特別限定，能夠使用以往公知的各種覆蓋方法。例如，能夠利用雷射包覆或電漿弧焊等，但利用雷射包覆為較佳。藉由利用雷射包覆，能夠僅在所希望的區域準確地形成覆蓋層。並且，藉由利用雷射包覆，能夠抑制對高速工具鋼基材之輸入熱量，而且還能夠抑制覆蓋層與高速工具鋼基材之間的稀釋。
並且，本發明的工具材料的再生方法中，前述高速工具鋼基材為高速工具鋼雷射覆蓋層較佳。高速工具鋼雷射覆蓋層在形成程序中急冷，因此成為晶出碳化物在母材晶界偏析之典型的急冷凝固組織，但藉由利用本發明的工具材料的再生方法，在該高速工具鋼雷射覆蓋層的表面亦能夠形成良好的修補覆蓋層。並且，藉由對高速工具鋼雷射覆蓋層進行修補，能夠再生使用將價格昂貴且稀少原料的使用量降到最低之工具材料。
藉由雷射包覆法形成之高速工具鋼雷射覆蓋層的金屬組織會成為急冷凝固組織，導致碳化鎢、碳化鉻、碳化釩及碳化鉬等晶出碳化物呈網狀在母材晶界偏析。該晶出碳化物的偏析會使覆蓋層的彎曲應力、韌性及耐衝擊性等下降，但特別是藉由以超過775℃且低於825℃的溫度範圍實施熱處理，使晶出碳化物球狀化，並且使網狀的分佈分裂。
對以雷射包覆法形成之覆蓋層進行再生修補時，若對該覆蓋層實施雷射包覆，則會產生從熱影響部的剝離。相對於此，本發明的工具材料的再生方法中，藉由熱處理製程，覆蓋層的晶出碳化物的偏析得到改善，而且硬度適當下降，因此縱使在以再生修補為目的而形成覆蓋層之情況下，亦能夠有效地抑制剝離。
並且，本發明的工具材料的再生方法中，將前述熱處理的保持時間設為30分鐘以上較佳。藉由將熱處理的保持時間設為30分鐘以上，能夠讓呈網狀偏析之晶出碳化物的分裂充分進展，並且能夠使高速工具鋼基材的硬度降低至500HV以下。其結果，能夠改善高速工具鋼基材的韌性及耐衝擊性等，能夠抑制再生修補時的剝離。另外，高速工具鋼基材的更佳硬度為400HV以下，更佳保持時間為1小時以上，最佳保持時間為3小時以上。
並且，本發明的工具材料的再生方法中，藉由雷射照射實施前述熱處理為較佳。藉由在熱處理中利用雷射照射，無需另外準備熱處理爐等設備，能夠利用雷射包覆用的雷射照射裝置。並且，能夠僅對所希望的區域實施熱處理，能夠減少熱處理所需之能量消耗量。而且，能夠輕易地控制雷射照射位置，對軋輥等大型構件亦能夠輕易地實施熱處理。
而且，本發明的工具材料的再生方法中，前述高速工具鋼基材與前述修補覆蓋層的組成大致相同為較佳。藉由將高速工具鋼基材與形成於該高速工具鋼基材的表面之修補覆蓋層的組成設為大致相同，能夠抑制起因於稀釋之材料特性的下降。並且，將高速工具鋼基材做成高速工具鋼雷射覆蓋層時，基本上，修補覆蓋的條件能夠就那樣運用覆蓋時使用之條件，而且無需進行伴隨原料粉末的更換之作業。
並且，本發明還提供一種工具材料，其特徵為，
在高速工具鋼基材的至少一部分形成修補覆蓋層，
在前述修補覆蓋層與前述高速工具鋼基材的接合界面附近，前述高速工具鋼基材的晶出碳化物為大致球狀且不在母材晶界偏析。
高速工具鋼基材的材質只要無損本發明的效果，則並無特別限定，能夠使用以往公知的各種高速工具鋼材。作為高速工具鋼材，例如能夠使用JIS G 4403:2006中既定之各種SKH材料和SKH40等。
本發明的工具材料中，前述高速工具鋼基材為高速工具鋼雷射覆蓋層較佳。在廉價的金屬基材的表面形成具有優異的高溫抗軟化性之高速工具鋼的覆蓋層，該覆蓋層的晶出碳化物為大致球狀且未在晶界偏析，因此還能夠適當地用於要求韌性及耐衝擊性等之用途。在此，“晶出碳化物為大致球狀”表示，與在晶界偏析之晶出碳化物相比，其球狀化更為進展。並且，“晶出碳化物未在母材晶界偏析”表示，通常的急冷凝固組織中會在母材晶界偏析之晶出碳化物，不僅存在於母材晶界，連在母材晶粒內也存在，使晶出碳化物彼此的排列分裂。其結果，能夠抑制沿著晶出碳化物之龜裂的擴散。
修補覆蓋層只要無損本發明的效果，則並無特別限定，能夠使用以往公知的各種金屬材料，但以基於與高速工具鋼基材的密合性、稀釋的抑制、機械性質等的觀點來選擇為較佳。
並且，形成修補覆蓋層之區域及修補覆蓋層的厚度並無特別限定，只要僅在高速工具鋼基材表面的必要的區域形成有厚度適當的修補覆蓋層即可。
並且，本發明的工具材料中，前述高速工具鋼基材的硬度為500HV以下較佳。藉由使高速工具鋼基材的硬度成為500HV以下，對高速工具鋼基材賦予優異的韌性及耐衝擊性等，能夠抑制以再生修補為目的來形成修補覆蓋層時的剝離。另外，藉由將高速工具鋼基材的硬度設為400HV以下，能夠更加提高韌性及耐衝擊性等，還能夠更有效地抑制再生修補時的剝離。在此，無需在高速工具鋼基材的整個區域成為上述硬度，只要在形成修補覆蓋層之區域完成了硬度調整即可。
並且，本發明的工具材料中，前述高速工具鋼基材為高速工具鋼雷射覆蓋層較佳，高速工具鋼雷射覆蓋層為多層覆蓋層更佳。多層覆蓋層能夠利用雷射包覆法形成，能夠藉由將覆蓋層沿水平方向及/或垂直方向連續形成來獲得。藉由將覆蓋層設為多層覆蓋層，能夠輕易地控制形成覆蓋層之面積和厚度。
而且，本發明的工具材料中，前述高速工具鋼基材為圓柱狀為較佳。並且，在圓柱狀的廉價的金屬基材的表面形成有高速工具鋼雷射覆蓋層為更佳。藉由在圓柱狀的高速工具鋼基材的表面形成有高速工具鋼的覆蓋層，例如能夠適當地用於作為比較廉價的軋輥。並且，覆蓋層發生破損等時，能夠輕易地進行再生修補。
另外，本發明的工具材料能夠利用本發明的工具材料的再生方法適當地製造。
(發明之效果)
依本發明，能夠提供一種在高速工具鋼基材的任意區域形成適當的覆蓋層來進行修補之方法、及藉由該方法製造之工具材料，尤其提供一種縱使是對具有急冷凝固組織之高速工具鋼基材亦能夠不產生剝離和破裂等而形成適當的覆蓋層之修補方法。
如果能夠利用上述雷射包覆法，例如僅在金屬基材的產生了龜裂或缺損等之區域形成適當的覆蓋層，則可成為極有效率且廉價的修補方法。而且，如果能夠確立針對藉由雷射包覆所形成之雷射覆蓋層之修補方法，則能夠構築包含從工具材料的製造至再生利用之新商業模式。例如，如果能夠在廉價的鋼材表面形成適當的雷射覆蓋層來作為工具材料，藉此降低材料成本，並僅對雷射覆蓋層的破損區域進行修補，則僅花費該修補所需之成本就能夠繼續使用。
然而，作為工具材料廣泛使用的高速工具鋼具有高硬度和優異的耐磨耗性等，但作為該特性的權衡取捨，本質上會導致韌性下降。其結果，金屬基材是採用高速工具鋼時，再生修補後之覆蓋層從金屬基材的熱影響部剝離之現象成為大問題。尤其，高速工具鋼基材具有急冷凝固組織時，晶出碳化物在母材晶界偏析而使韌性的下降變得更加顯著，因此形成覆蓋層來進行修補是極其困難的。
鑑於如以上的習知技術中的問題點，本發明的目的是為了提供一種在高速工具鋼基材的任意區域形成適當的覆蓋層來進行修補之方法、及藉由該方法製造之工具材料。並且，尤其是為了提供一種縱使是對於具有急冷凝固組織的高速工具鋼覆蓋材亦能夠不產生剝離和破裂等而形成適當的修補覆蓋層之修補方法。
(解決問題之技術手段)
本發明人等為了實現上述目的，針對高速工具鋼基材之覆蓋層的形成方法反覆進行了苦心研究，其結果，發現對高速工具鋼基材實施適當的溫度範圍的熱處理等是極其有效的，如此完成了本發明。
亦即，本發明提供一種工具材料的再生方法，其特徵為，具有：
熱處理製程，以超過700℃且低於825℃的溫度對高速工具鋼基材進行熱處理；及
修補覆蓋製程，在實施了前述熱處理之前述高速工具鋼基材的表面形成修補覆蓋層。
形成修補覆蓋層之高速工具鋼基材的組織及機械性質雖有各式各樣，但藉由以超過700℃且低於825℃的溫度實施熱處理，能夠賦予可承受修補覆蓋製程之韌性等。更具體而言，只要能夠使高速工具鋼基材的形成修補覆蓋層之區域適當軟化，就能夠抑制修補覆蓋製程中的剝離和破裂等。
針對此，本發明人等反覆進行苦心研究的結果，明白到為了有效地使高速工具鋼基材軟化，存在適當的熱處理溫度範圍，該溫度範圍為超過700℃且低於825℃。在該溫度範圍內軟化得以促進之理由雖不是十分明確，但應是藉由將熱處理溫度設為超過700℃且低於825℃，不會伴隨母材的肥粒鐵的相變化，固溶於母材中之碳與合金元素會以碳化物的形式析出、凝集而成為一定程度的大小，使有助於固溶強化之碳和合金元素的量降低，因此差排的移動變得容易而使硬度下降。並且，使高速工具鋼基材軟化之更有效率的溫度範圍為超過775℃且低於825℃。
修補覆蓋製程中的覆蓋方法只要無損本發明的效果，則並無特別限定，能夠使用以往公知的各種覆蓋方法。例如，能夠利用雷射包覆或電漿弧焊等，但利用雷射包覆為較佳。藉由利用雷射包覆，能夠僅在所希望的區域準確地形成覆蓋層。並且，藉由利用雷射包覆，能夠抑制對高速工具鋼基材之輸入熱量，而且還能夠抑制覆蓋層與高速工具鋼基材之間的稀釋。
並且，本發明的工具材料的再生方法中，前述高速工具鋼基材為高速工具鋼雷射覆蓋層較佳。高速工具鋼雷射覆蓋層在形成程序中急冷，因此成為晶出碳化物在母材晶界偏析之典型的急冷凝固組織，但藉由利用本發明的工具材料的再生方法，在該高速工具鋼雷射覆蓋層的表面亦能夠形成良好的修補覆蓋層。並且，藉由對高速工具鋼雷射覆蓋層進行修補，能夠再生使用將價格昂貴且稀少原料的使用量降到最低之工具材料。
藉由雷射包覆法形成之高速工具鋼雷射覆蓋層的金屬組織會成為急冷凝固組織，導致碳化鎢、碳化鉻、碳化釩及碳化鉬等晶出碳化物呈網狀在母材晶界偏析。該晶出碳化物的偏析會使覆蓋層的彎曲應力、韌性及耐衝擊性等下降，但特別是藉由以超過775℃且低於825℃的溫度範圍實施熱處理，使晶出碳化物球狀化，並且使網狀的分佈分裂。
對以雷射包覆法形成之覆蓋層進行再生修補時，若對該覆蓋層實施雷射包覆，則會產生從熱影響部的剝離。相對於此，本發明的工具材料的再生方法中，藉由熱處理製程，覆蓋層的晶出碳化物的偏析得到改善，而且硬度適當下降，因此縱使在以再生修補為目的而形成覆蓋層之情況下，亦能夠有效地抑制剝離。
並且，本發明的工具材料的再生方法中，將前述熱處理的保持時間設為30分鐘以上較佳。藉由將熱處理的保持時間設為30分鐘以上，能夠讓呈網狀偏析之晶出碳化物的分裂充分進展，並且能夠使高速工具鋼基材的硬度降低至500HV以下。其結果，能夠改善高速工具鋼基材的韌性及耐衝擊性等，能夠抑制再生修補時的剝離。另外，高速工具鋼基材的更佳硬度為400HV以下，更佳保持時間為1小時以上，最佳保持時間為3小時以上。
並且，本發明的工具材料的再生方法中，藉由雷射照射實施前述熱處理為較佳。藉由在熱處理中利用雷射照射，無需另外準備熱處理爐等設備，能夠利用雷射包覆用的雷射照射裝置。並且，能夠僅對所希望的區域實施熱處理，能夠減少熱處理所需之能量消耗量。而且，能夠輕易地控制雷射照射位置，對軋輥等大型構件亦能夠輕易地實施熱處理。
而且，本發明的工具材料的再生方法中，前述高速工具鋼基材與前述修補覆蓋層的組成大致相同為較佳。藉由將高速工具鋼基材與形成於該高速工具鋼基材的表面之修補覆蓋層的組成設為大致相同，能夠抑制起因於稀釋之材料特性的下降。並且，將高速工具鋼基材做成高速工具鋼雷射覆蓋層時，基本上，修補覆蓋的條件能夠就那樣運用覆蓋時使用之條件，而且無需進行伴隨原料粉末的更換之作業。
並且，本發明還提供一種工具材料，其特徵為，
在高速工具鋼基材的至少一部分形成修補覆蓋層，
在前述修補覆蓋層與前述高速工具鋼基材的接合界面附近，前述高速工具鋼基材的晶出碳化物為大致球狀且不在母材晶界偏析。
高速工具鋼基材的材質只要無損本發明的效果，則並無特別限定，能夠使用以往公知的各種高速工具鋼材。作為高速工具鋼材，例如能夠使用JIS G 4403:2006中既定之各種SKH材料和SKH40等。
本發明的工具材料中，前述高速工具鋼基材為高速工具鋼雷射覆蓋層較佳。在廉價的金屬基材的表面形成具有優異的高溫抗軟化性之高速工具鋼的覆蓋層，該覆蓋層的晶出碳化物為大致球狀且未在晶界偏析，因此還能夠適當地用於要求韌性及耐衝擊性等之用途。在此，“晶出碳化物為大致球狀”表示，與在晶界偏析之晶出碳化物相比，其球狀化更為進展。並且，“晶出碳化物未在母材晶界偏析”表示，通常的急冷凝固組織中會在母材晶界偏析之晶出碳化物，不僅存在於母材晶界，連在母材晶粒內也存在，使晶出碳化物彼此的排列分裂。其結果，能夠抑制沿著晶出碳化物之龜裂的擴散。
修補覆蓋層只要無損本發明的效果，則並無特別限定，能夠使用以往公知的各種金屬材料，但以基於與高速工具鋼基材的密合性、稀釋的抑制、機械性質等的觀點來選擇為較佳。
並且，形成修補覆蓋層之區域及修補覆蓋層的厚度並無特別限定，只要僅在高速工具鋼基材表面的必要的區域形成有厚度適當的修補覆蓋層即可。
並且，本發明的工具材料中，前述高速工具鋼基材的硬度為500HV以下較佳。藉由使高速工具鋼基材的硬度成為500HV以下，對高速工具鋼基材賦予優異的韌性及耐衝擊性等，能夠抑制以再生修補為目的來形成修補覆蓋層時的剝離。另外，藉由將高速工具鋼基材的硬度設為400HV以下，能夠更加提高韌性及耐衝擊性等，還能夠更有效地抑制再生修補時的剝離。在此，無需在高速工具鋼基材的整個區域成為上述硬度，只要在形成修補覆蓋層之區域完成了硬度調整即可。
並且，本發明的工具材料中，前述高速工具鋼基材為高速工具鋼雷射覆蓋層較佳，高速工具鋼雷射覆蓋層為多層覆蓋層更佳。多層覆蓋層能夠利用雷射包覆法形成，能夠藉由將覆蓋層沿水平方向及/或垂直方向連續形成來獲得。藉由將覆蓋層設為多層覆蓋層，能夠輕易地控制形成覆蓋層之面積和厚度。
而且，本發明的工具材料中，前述高速工具鋼基材為圓柱狀為較佳。並且，在圓柱狀的廉價的金屬基材的表面形成有高速工具鋼雷射覆蓋層為更佳。藉由在圓柱狀的高速工具鋼基材的表面形成有高速工具鋼的覆蓋層，例如能夠適當地用於作為比較廉價的軋輥。並且，覆蓋層發生破損等時，能夠輕易地進行再生修補。
另外，本發明的工具材料能夠利用本發明的工具材料的再生方法適當地製造。
(發明之效果)
依本發明，能夠提供一種在高速工具鋼基材的任意區域形成適當的覆蓋層來進行修補之方法、及藉由該方法製造之工具材料，尤其提供一種縱使是對具有急冷凝固組織之高速工具鋼基材亦能夠不產生剝離和破裂等而形成適當的覆蓋層之修補方法。
以下，參閱圖1至圖4，對本發明的工具材料的再生方法及工具材料中的代表性實施形態進行詳細說明。但是，本發明並不限定於圖示者，各圖示係用於概念性地說明本發明者，因此為了便於理解，依需要會有誇張或簡化表示比例或數量的情形。而且，以下說明中，對相同或相當之部分標註相同符號，也會有省略重複說明的情形。
1.工具材料的再生方法
圖1中示出本發明的工具材料的再生方法的製程圖。本發明的工具材料的再生方法中，作為必須的製程，具有熱處理製程(S01)及在實施了熱處理製程(S01)之高速工具鋼基材形成修補覆蓋層之修補覆蓋製程(S02)。
(1)熱處理製程(S01)
熱處理製程(S01)係對形成修補覆蓋層之高速工具鋼基材實施熱處理之製程。
形成修補覆蓋層之高速工具鋼基材的組織及機械性質雖有各式各樣，但藉由以超過700℃且低於825℃的溫度實施熱處理，能夠賦予可承受修補覆蓋製程之韌性等。更具體而言，只要能夠使高速工具鋼基材的形成修補覆蓋層之區域適當軟化，就能夠抑制修補覆蓋製程(S02)中的剝離和破裂等。
尤其，藉由將熱處理的溫度設為超過775℃且低於825℃，關於成為急冷凝固組織之高速工具鋼基材的金屬組織，能夠使呈網狀在母材晶界偏析之晶出碳化物球狀化，並且能夠使網狀分佈分裂。藉由該晶出碳化物的變化，能夠改善韌性及耐衝擊性等。
圖2及圖3中，示出熱處理製程(S01)前後的高速工具鋼基材的金屬組織的示意圖。例如，高速工具鋼基材為高速工具鋼雷射覆蓋層時，在熱處理製程(S01)之前，覆蓋層成為晶出碳化物4呈網狀在母材晶粒2的粒界偏析之狀態。並且，大部分的晶出碳化物4成為扁平形狀或板狀。相對於此，藉由實施熱處理製程(S01)，晶出碳化物4也在母材晶粒2的粒內分散，使明確的網狀的網絡結構消失。而且，藉由熱處理，使晶出碳化物4的形狀朝球狀化進展。
晶出碳化物4的分佈情況及形狀的變化，藉由超過775℃且低於825℃的溫度範圍的熱處理會有效率地進展，在大致800℃下的熱處理中尤其顯著。另外，本發明人等對針對具有急冷凝固組織之高速工具鋼覆蓋層之熱處理條件進行了詳細探討的結果，發現了該溫度範圍，藉由不同溫度下的熱處理，並無法充分獲得該效果。
熱處理製程(S01)中的熱處理時間設為30分鐘以上較佳。藉由將熱處理的保持時間設為30分鐘以上，能夠使呈網狀偏析之晶出碳化物4的分裂充分進展，並且能夠使高速工具鋼覆蓋層的硬度下降為500HV以下。其結果，能夠改善高速工具鋼覆蓋層的彎曲應力、韌性及耐衝擊性等，而且還能夠抑制再生修補時的剝離。另外，高速工具鋼覆蓋層的更佳硬度為400HV以下，更佳保持時間為1小時以上，最佳保持時間為3小時以上。
作為熱處理的加熱機構，能夠利用熱處理爐或熱處理槽等，基於防止氧化之觀點，在惰性氣體氛圍或減壓、真空下進行為較佳。並且，藉由雷射照射實施熱處理為較佳。藉由在熱處理中利用雷射照射，無需另外準備熱處理爐等設備，能夠利用雷射包覆用的雷射照射裝置。並且，能夠僅對所希望的區域實施熱處理，能夠減少熱處理所需之能量消耗量。而且，能夠輕易地控制雷射照射位置，對軋輥等大型構件，亦能夠輕易地實施熱處理。
作為利用雷射照射之熱處理的具體方法，是以使高速工具鋼基材的實施熱處理之區域能夠保持上述既定溫度的方式將雷射的輸出及聚焦等的參數最佳化，對對象區域照射既定時間的雷射，藉此進行加熱。
另外，作為對象之區域的面積寬廣，即使使用將照射範圍設為最廣域之聚焦設定亦無法對表面的整個區域進行雷射照射時，是將雷射的掃描速度最佳化，並移動雷射照射範圍或反覆進行該移動，藉此掃描作為對象之整個區域。此時，在雷射照射區與非雷射照射區雖在輸入熱量上產生差異，但藉由使用讓對象區域的整個區域能夠保持上述既定溫度之掃描速度及聚焦設定，就能夠滿足熱處理條件。
(2)修補覆蓋製程(S02)
本發明的工具材料的再生方法中，即使在高速工具鋼基材具有急冷凝固組織時，藉由熱處理製程(S01)，使呈網狀在母材晶界偏析之晶出碳化物4球狀化，並且使網狀的分佈分裂。而且，高速工具鋼基材適當地軟化，因此能夠利用雷射包覆輕易地實施再生修補。
對以雷射包覆法形成之高速工具鋼雷射覆蓋層進行再生修補時，若對該覆蓋層實施雷射包覆，則會產生從熱影響部的剝離。相對於此，藉由熱處理製程(S01)，覆蓋層的晶出碳化物4的偏析得到改善，而且硬度適當下降，因此即使在形成修補覆蓋層時，亦能夠有效地抑制剝離。
雷射包覆，例如能夠藉由一邊對金屬基材的表面供給高速工具鋼粉末一邊向該高速工具鋼粉末照射雷射光束來達成。另外，高速工具鋼粉末雖包含其一部分的組成不同之複數種，但依據耐磨耗性或韌性等所需特性適當選擇即可。
雷射包覆的方法只要無損本發明的效果，則並無特別限定，能夠利用以往公知的各種雷射包覆法。雷射包覆法，係對金屬基材的表面向雷射的照射區域供給粒徑統一之細微的金屬粉末，並在該金屬基材上一體形成覆蓋層之表面處理法，也被利用於切割工具或軋製工具等之作為製作階段的中間體之工具材料的製作中。
該雷射包覆法，係使從雷射光源射出之雷射光束聚光來進行局部的輸入熱量，藉此將金屬粉末熔融，因此是藉由急速溶融及急冷凝固形成覆蓋層。並且，能夠減少對基材之熱應變和熱影響部，並降低基材與所形成之覆蓋層中的稀釋率。而且，射出雷射光束及金屬粉末之吹管部能夠進行利用程式之機器人控制，能夠比較準確地控制覆蓋層的形成部位及形狀，因此還能夠適當地用於在金屬構件的一部分產生之龜裂等的修補。
在雷射包覆，只要使用具有適當的組成及粒度分佈等之高速工具鋼粉末作為原料，依據所形成之覆蓋層的尺寸及特性等適當地將程序條件最佳化即可，以使用直徑50～150μm的高速工具鋼粉末為較佳。並且，金屬基材只要無損本發明的效果，則亦無特別限定，能夠使用以往公知的各種金屬基材，但基於與形成於表面之高速工具鋼覆蓋層的密合性、稀釋的抑制、機械性質等的觀點，使用鋼材為較佳，能夠適當地使用工具鋼或軸承鋼等。更具體而言，例如能夠使用中碳鋼材(S45C等)、鉻鉬鋼鋼材、合金工具鋼鋼材、高碳鉻軸承鋼鋼材等。
在此，在雷射包覆，基本上藉由雷射光束的直線移動及既定間隔之平行移動，進一步使整體往返複數次，形成大致面狀的多層覆蓋層，但並不限定於此，例如可僅反覆進行既定次數的直線移動來形成覆蓋部，亦可配合修補部的形狀將直線移動和曲線移動予以組合，並進一步將此反覆進行既定次數。
另外，將高速工具鋼基材與藉由修補來形成之修補覆蓋層的組成設為大致相同為較佳。藉由將高速工具鋼基材與修補覆蓋層的組成設為大致相同，能夠抑制起因於稀釋之材料特性的下降。並且，將高速工具鋼基材設為高速工具鋼雷射覆蓋層時，藉由將該高速工具鋼雷射覆蓋層與修補覆蓋層的組成設為大致相同，能夠省略伴隨原料粉末的更換所進行之作業。
2.工具材料
圖4中示出本發明的工具材料的概略剖面圖。另外，在此，對在金屬基材的表面形成有高速工具鋼雷射覆蓋層，且在該高速工具鋼雷射覆蓋層的一部分形成有修補覆蓋層之態樣進行說明。本發明的工具材料10，係在金屬基材12的表面形成高速工具鋼雷射覆蓋層14，高速工具鋼雷射覆蓋層14的晶出碳化物4為大致球狀，並未在母材結晶2的粒界偏析。並且，在高速工具鋼雷射覆蓋層14的一部分形成有修補覆蓋層16。
在與修補覆蓋層16的接合界面附近，高速工具鋼雷射覆蓋層14的金屬組織如圖3中說明，晶出碳化物4也在母材晶粒2的粒內分散，晶出碳化物4的明確的網狀的網絡結構消失。而且，晶出碳化物4的球狀化進展，包含有大致球狀的晶出碳化物4。在此，“接合界面附近”是依據高速工具鋼雷射覆蓋層14及修補覆蓋層16的材質、厚度和包覆條件等而不同，但例如相當於自被接合界面起算2mm左右的範圍。
若晶出碳化物4在母材晶粒2的粒界偏析，則彎曲應力下降及相鄰之母材晶粒的結合力下降，因此產生龜裂時，龜裂會沿著母材晶界進展，但藉由晶出碳化物4的分散，相鄰之母材晶粒2的結合力得到改善，因此能夠抑制龜裂及剝離等的進展。
在與修補覆蓋層16的接合界面附近，高速工具鋼雷射覆蓋層14的硬度為500HV以下較佳，400HV以下為更佳。藉由將高速工具鋼雷射覆蓋層14的硬度調整為該範圍，彎曲應力和韌性充分地得到改善，因此耐衝擊性得到提高，並且即使在使用雷射包覆之再生修補時產生之凝固時的收縮施加於高速工具鋼雷射覆蓋層14，亦能夠抑制龜裂及剝離的產生。
並且，高速工具鋼雷射覆蓋層14為多層覆蓋層較佳。多層覆蓋層例如能夠利用雷射包覆法來形成，能夠將藉由1道次的雷射包覆形成之覆蓋層沿水平方向及/或垂直方向連續形成來獲得。藉由將高速工具鋼雷射覆蓋層14設為多層覆蓋層，能夠輕易地控制所形成之面積和厚度。
而且，金屬基材12為圓柱狀較佳。藉由在圓柱狀的金屬基材12的表面形成有高速工具鋼的高速工具鋼雷射覆蓋層14，能夠將工具材料10適當地用於作為軋輥。並且，高速工具鋼雷射覆蓋層14產生了破損等時，能夠輕易地進行再生修補。
作為高速工具鋼雷射覆蓋層14的原料使用高速工具鋼粉末。該高速工具鋼粉末雖包含其一部分的組成不同之複數種，但依據耐磨耗性或韌性等的所需特性適當選擇即可。另外，高速工具鋼粉末的組成設為C:1.3質量%以上、Cr:3質量%以上、Mo:4質量%以上、W:4質量%以上、V:2質量%以上為較佳。
並且，金屬基材12只要無損本發明的效果，則亦無特別限定，能夠使用以往公知的各種金屬基材，但基於與形成於表面之高速工具鋼雷射覆蓋層14的密合性、稀釋的抑制、機械性質等觀點，使用鋼材為較佳，能夠適當地使用工具鋼或軸承鋼等。更具體而言，作為金屬基材12，例如能夠使用中碳鋼材(S45C等)、鉻鉬鋼鋼材、合金工具鋼鋼材、高碳鉻軸承鋼鋼材等。
並且，修補覆蓋層16的材質只要無損本發明的效果，則並無特別限定，能夠使用以往公知的各種金屬材，但使用與高速工具鋼雷射覆蓋層14的組成大致相同的高速工具鋼材為較佳。藉由將修補覆蓋層16的材質設為與高速工具鋼雷射覆蓋層14的組成大致相同的高速工具鋼材，能夠獲得最表面均勻的工具材料10。
並且，本發明的工具材料能夠運用於依據以往的HIP(熱均壓法)為尺寸過大之用途或經濟上不划算之用途。而且，例如，藉由將具有高速工具鋼雷射覆蓋層14之圓柱狀的工具材料運用於大型的軋輥等，能夠構築極其經濟的商業模式。
將使用了工具材料10之代表性輥的剖面圖示於圖5至圖7。圖5表示熱軋用輥，圖6表示鋼棒、線材用輥，圖7表示鋼坯、鋼片用輥。各輥中，在被加工材料所抵接之金屬基材12的表面形成有高速工具鋼雷射覆蓋層14，可擔保充分的彎曲應力、韌性、耐衝擊性及耐磨耗性。
並且，該等輥中，僅在表面的所需之區域形成有高速工具鋼雷射覆蓋層14，因此比較廉價，而且經由使用而破損、磨耗等者係高速工具鋼雷射覆蓋層14，藉由對破損、磨耗等之區域的高速工具鋼雷射覆蓋層14進行再生修補，能夠進行再使用。其結果，與使用藉由鑄造製造之輥之情況相比，能夠實現大幅的節能、節省資源及低環境負荷。
在此，本發明的工具材料中，在任意區域形成有高速工具鋼雷射覆蓋層14，因此藉由高速工具鋼雷射覆蓋層的原料粉末的選定等，能夠適當調整高速工具鋼雷射覆蓋層14的硬度及硬度分佈。例如，關於圖6所示之鋼棒、線材用輥的高速工具鋼雷射覆蓋層14，能夠依據與被加工材料的相互作用所致之磨耗的程度，按每個區域調整硬度。通常，底面與側面的邊界區域的磨耗會變得顯著，因此將該區域設為更高的硬度為較佳。
並且，例如，圖7所示之鋼坯、鋼片用輥中，還能夠按每個高速工具鋼雷射覆蓋層14使用不同的原料粉末，對各高速工具鋼雷射覆蓋層賦予適當的機械性質。具體而言，例如，對於輥軸的行進方向，能夠依次增加或降低高速工具鋼雷射覆蓋層14的硬度。
以下，在實施例中對本發明的工具材料的再生方法及工具材料進一步進行說明，但本發明並不受該等實施例的任何限定。
[實施例]
＜實施例1＞
使用粒徑50～150μm的高速工具鋼(JIS-SKH40)粉末，在SCM440的基材上實施雷射包覆來形成覆蓋層之後，對該覆蓋層進行了熱處理。雷射係使用碟式雷射(Disk Laser)，將雷射包覆條件設為雷射輸出2kW、雷射點徑(焦點直徑)4.3mm、雷射移動速度0.01m/s。並且，熱處理中，在真空中利用高頻加熱，在800℃下保持了3小時。
將所獲得之高速工具鋼基材的剖面微距照片示於圖8。在SCM440基材的表面形成有高速工具鋼的覆蓋層，未發現剝離和龜裂等缺陷。並且，圖8所示之剖面中，測定自表面起算1mm及2mm的覆蓋層的維氏硬度，將所獲得之結果示於圖9。另外，以荷重:100gf、荷重負荷時間:10s進行硬度測定，圖9所示之值係在各深度水平地測定50點之平均值。
將熱處理前後的覆蓋層的組織照片(掃描電子顯微鏡照片)分別示於圖10及圖11。可知在熱處理之前，晶出碳化物呈網狀在母材晶界偏析，但在熱處理之後，使該網狀結構分裂，晶出碳化物也分佈於母材晶粒內。並且，使晶出碳化物的形狀球狀化，尤其是母材晶粒內的晶出碳化物成為大致球狀。
對所獲得之高速工具鋼基材的覆蓋層的最表面進行平面磨削，利用形成該覆蓋層之條件實施雷射包覆，如此形成了修補覆蓋層。將該修補覆蓋層的概觀照片示於圖12。未發現熱影響部中的修補覆蓋層的剝離，確認到獲得了良好的修補覆蓋層。
＜實施例2＞
除了將熱處理的保持時間設為30分鐘以外，與實施例1同樣地獲得了高速工具鋼基材。並且，與實施例1同樣地測定覆蓋層的維氏硬度，將所獲得之結果示於圖9。另外，與實施例1同樣地形成了修補覆蓋層，其結果，未發現該修補覆蓋層的剝離。
＜實施例3＞
除了將熱處理的保持時間設為1小時以外，與實施例1同樣地獲得了高速工具鋼基材。並且，與實施例1同樣地測定覆蓋層的維氏硬度，將所獲得之結果示於圖9。另外，與實施例1同樣地形成了修補覆蓋層，其結果，未發現該修補覆蓋層的剝離。
＜實施例4＞
除了將熱處理溫度設為750℃以外，與實施例1同樣地獲得了高速工具鋼基材。並且，與實施例1同樣地測定覆蓋層的維氏硬度，將所獲得之結果示於圖13(圖13中還示出有實施工具材料1的硬度)。另外，與實施例1同樣地形成了修補覆蓋層，其結果，未發現該修補覆蓋層的剝離。
＜實施例5＞
除了將熱處理溫度設為775℃以外，與實施例1同樣地獲得了高速工具鋼基材。並且，與實施例1同樣地測定覆蓋層的維氏硬度，將所獲得之結果示於圖13。另外，與實施例1同樣地形成了修補覆蓋層，其結果，未發現該修補覆蓋層的剝離。
＜比較例1＞
除了將熱處理的溫度設為700℃以外，與實施例1同樣地獲得了高速工具鋼基材。並且，與實施例1同樣地測定覆蓋層的維氏硬度，將所獲得之結果示於圖13。
將所獲得之高速工具鋼基材的覆蓋層剖面的光學顯微鏡照片示於圖14。可清楚地觀察到網狀模樣，可知晶出碳化物在母材晶界偏析。另外，與實施例1同樣地形成了修補覆蓋層，其結果，可觀察到熱影響部中的該修補覆蓋層的剝離。
＜比較例2＞
除了將熱處理溫度設為825℃以外，與實施例1同樣地獲得了高速工具鋼基材。並且，與實施例1同樣地測定覆蓋層的維氏硬度，將所獲得之結果示於圖13。另外，與實施例1同樣地形成了修補覆蓋層，其結果，可觀察到熱影響部中的該修補覆蓋層的剝離。
＜比較例3＞
除了將熱處理的溫度設為850℃以外，與實施例1同樣地獲得了高速工具鋼基材。並且，與實施例1同樣地測定覆蓋層的維氏硬度，將所獲得之結果示於圖13。
將所獲得之高速工具鋼基材的覆蓋層剖面的光學顯微鏡照片示於圖15。可清楚地觀察到網狀模樣，可知晶出碳化物在母材晶界偏析。另外，與實施例1同樣地形成了修補覆蓋層，其結果，可觀察到熱影響部中的該修補覆蓋層的剝離。
＜比較例4＞
除了將熱處理的溫度設為900℃以外，與實施例1同樣地獲得了高速工具鋼基材。並且，與實施例1同樣地測定覆蓋層的維氏硬度，將所獲得之結果示於圖13。
將所獲得之高速工具鋼基材的覆蓋層剖面的光學顯微鏡照片示於圖16。可清楚地觀察到網狀模樣，可知晶出碳化物在母材晶界偏析。另外，與實施例1同樣地形成了修補覆蓋層，其結果，可觀察到熱影響部中的該修補覆蓋層的剝離。
＜比較例5＞
除了未實施熱處理以外，與實施例1同樣地在SCM440基材的表面形成了覆蓋層。對所獲得之覆蓋層的最表面進行平面磨削，以形成該覆蓋層之條件實施雷射包覆，如此形成了修補覆蓋層。將該修補覆蓋層的概觀照片示於圖17。修補覆蓋層在熱影響部中產生了剝離，確認到未實施適當的熱處理時，無法獲得良好的修補覆蓋層。
依據圖9所示之維氏硬度，藉由實施30分鐘的800℃的熱處理，覆蓋層的硬度變得低於500HV，藉由實施3小時，變得低於400HV。
並且，依據圖13所示之維氏硬度，熱處理溫度為700℃以下及825℃以上時，覆蓋層的硬度下降減小，成為500HV以上的硬度。相對於此，熱處理溫度超過700℃且低於825時，維氏硬度成為500HV以下，可知尤其藉由將熱處理溫度設為大致800℃，硬度最有效地下降。另外，800℃下的硬度下降應是與上述的組織變化對應。亦即，該結果表示，藉由800℃的熱處理，不僅能夠輕易地進行硬度調整，還能夠獲得理想的組織。
1.工具材料的再生方法
圖1中示出本發明的工具材料的再生方法的製程圖。本發明的工具材料的再生方法中，作為必須的製程，具有熱處理製程(S01)及在實施了熱處理製程(S01)之高速工具鋼基材形成修補覆蓋層之修補覆蓋製程(S02)。
(1)熱處理製程(S01)
熱處理製程(S01)係對形成修補覆蓋層之高速工具鋼基材實施熱處理之製程。
形成修補覆蓋層之高速工具鋼基材的組織及機械性質雖有各式各樣，但藉由以超過700℃且低於825℃的溫度實施熱處理，能夠賦予可承受修補覆蓋製程之韌性等。更具體而言，只要能夠使高速工具鋼基材的形成修補覆蓋層之區域適當軟化，就能夠抑制修補覆蓋製程(S02)中的剝離和破裂等。
尤其，藉由將熱處理的溫度設為超過775℃且低於825℃，關於成為急冷凝固組織之高速工具鋼基材的金屬組織，能夠使呈網狀在母材晶界偏析之晶出碳化物球狀化，並且能夠使網狀分佈分裂。藉由該晶出碳化物的變化，能夠改善韌性及耐衝擊性等。
圖2及圖3中，示出熱處理製程(S01)前後的高速工具鋼基材的金屬組織的示意圖。例如，高速工具鋼基材為高速工具鋼雷射覆蓋層時，在熱處理製程(S01)之前，覆蓋層成為晶出碳化物4呈網狀在母材晶粒2的粒界偏析之狀態。並且，大部分的晶出碳化物4成為扁平形狀或板狀。相對於此，藉由實施熱處理製程(S01)，晶出碳化物4也在母材晶粒2的粒內分散，使明確的網狀的網絡結構消失。而且，藉由熱處理，使晶出碳化物4的形狀朝球狀化進展。
晶出碳化物4的分佈情況及形狀的變化，藉由超過775℃且低於825℃的溫度範圍的熱處理會有效率地進展，在大致800℃下的熱處理中尤其顯著。另外，本發明人等對針對具有急冷凝固組織之高速工具鋼覆蓋層之熱處理條件進行了詳細探討的結果，發現了該溫度範圍，藉由不同溫度下的熱處理，並無法充分獲得該效果。
熱處理製程(S01)中的熱處理時間設為30分鐘以上較佳。藉由將熱處理的保持時間設為30分鐘以上，能夠使呈網狀偏析之晶出碳化物4的分裂充分進展，並且能夠使高速工具鋼覆蓋層的硬度下降為500HV以下。其結果，能夠改善高速工具鋼覆蓋層的彎曲應力、韌性及耐衝擊性等，而且還能夠抑制再生修補時的剝離。另外，高速工具鋼覆蓋層的更佳硬度為400HV以下，更佳保持時間為1小時以上，最佳保持時間為3小時以上。
作為熱處理的加熱機構，能夠利用熱處理爐或熱處理槽等，基於防止氧化之觀點，在惰性氣體氛圍或減壓、真空下進行為較佳。並且，藉由雷射照射實施熱處理為較佳。藉由在熱處理中利用雷射照射，無需另外準備熱處理爐等設備，能夠利用雷射包覆用的雷射照射裝置。並且，能夠僅對所希望的區域實施熱處理，能夠減少熱處理所需之能量消耗量。而且，能夠輕易地控制雷射照射位置，對軋輥等大型構件，亦能夠輕易地實施熱處理。
作為利用雷射照射之熱處理的具體方法，是以使高速工具鋼基材的實施熱處理之區域能夠保持上述既定溫度的方式將雷射的輸出及聚焦等的參數最佳化，對對象區域照射既定時間的雷射，藉此進行加熱。
另外，作為對象之區域的面積寬廣，即使使用將照射範圍設為最廣域之聚焦設定亦無法對表面的整個區域進行雷射照射時，是將雷射的掃描速度最佳化，並移動雷射照射範圍或反覆進行該移動，藉此掃描作為對象之整個區域。此時，在雷射照射區與非雷射照射區雖在輸入熱量上產生差異，但藉由使用讓對象區域的整個區域能夠保持上述既定溫度之掃描速度及聚焦設定，就能夠滿足熱處理條件。
(2)修補覆蓋製程(S02)
本發明的工具材料的再生方法中，即使在高速工具鋼基材具有急冷凝固組織時，藉由熱處理製程(S01)，使呈網狀在母材晶界偏析之晶出碳化物4球狀化，並且使網狀的分佈分裂。而且，高速工具鋼基材適當地軟化，因此能夠利用雷射包覆輕易地實施再生修補。
對以雷射包覆法形成之高速工具鋼雷射覆蓋層進行再生修補時，若對該覆蓋層實施雷射包覆，則會產生從熱影響部的剝離。相對於此，藉由熱處理製程(S01)，覆蓋層的晶出碳化物4的偏析得到改善，而且硬度適當下降，因此即使在形成修補覆蓋層時，亦能夠有效地抑制剝離。
雷射包覆，例如能夠藉由一邊對金屬基材的表面供給高速工具鋼粉末一邊向該高速工具鋼粉末照射雷射光束來達成。另外，高速工具鋼粉末雖包含其一部分的組成不同之複數種，但依據耐磨耗性或韌性等所需特性適當選擇即可。
雷射包覆的方法只要無損本發明的效果，則並無特別限定，能夠利用以往公知的各種雷射包覆法。雷射包覆法，係對金屬基材的表面向雷射的照射區域供給粒徑統一之細微的金屬粉末，並在該金屬基材上一體形成覆蓋層之表面處理法，也被利用於切割工具或軋製工具等之作為製作階段的中間體之工具材料的製作中。
該雷射包覆法，係使從雷射光源射出之雷射光束聚光來進行局部的輸入熱量，藉此將金屬粉末熔融，因此是藉由急速溶融及急冷凝固形成覆蓋層。並且，能夠減少對基材之熱應變和熱影響部，並降低基材與所形成之覆蓋層中的稀釋率。而且，射出雷射光束及金屬粉末之吹管部能夠進行利用程式之機器人控制，能夠比較準確地控制覆蓋層的形成部位及形狀，因此還能夠適當地用於在金屬構件的一部分產生之龜裂等的修補。
在雷射包覆，只要使用具有適當的組成及粒度分佈等之高速工具鋼粉末作為原料，依據所形成之覆蓋層的尺寸及特性等適當地將程序條件最佳化即可，以使用直徑50～150μm的高速工具鋼粉末為較佳。並且，金屬基材只要無損本發明的效果，則亦無特別限定，能夠使用以往公知的各種金屬基材，但基於與形成於表面之高速工具鋼覆蓋層的密合性、稀釋的抑制、機械性質等的觀點，使用鋼材為較佳，能夠適當地使用工具鋼或軸承鋼等。更具體而言，例如能夠使用中碳鋼材(S45C等)、鉻鉬鋼鋼材、合金工具鋼鋼材、高碳鉻軸承鋼鋼材等。
在此，在雷射包覆，基本上藉由雷射光束的直線移動及既定間隔之平行移動，進一步使整體往返複數次，形成大致面狀的多層覆蓋層，但並不限定於此，例如可僅反覆進行既定次數的直線移動來形成覆蓋部，亦可配合修補部的形狀將直線移動和曲線移動予以組合，並進一步將此反覆進行既定次數。
另外，將高速工具鋼基材與藉由修補來形成之修補覆蓋層的組成設為大致相同為較佳。藉由將高速工具鋼基材與修補覆蓋層的組成設為大致相同，能夠抑制起因於稀釋之材料特性的下降。並且，將高速工具鋼基材設為高速工具鋼雷射覆蓋層時，藉由將該高速工具鋼雷射覆蓋層與修補覆蓋層的組成設為大致相同，能夠省略伴隨原料粉末的更換所進行之作業。
2.工具材料
圖4中示出本發明的工具材料的概略剖面圖。另外，在此，對在金屬基材的表面形成有高速工具鋼雷射覆蓋層，且在該高速工具鋼雷射覆蓋層的一部分形成有修補覆蓋層之態樣進行說明。本發明的工具材料10，係在金屬基材12的表面形成高速工具鋼雷射覆蓋層14，高速工具鋼雷射覆蓋層14的晶出碳化物4為大致球狀，並未在母材結晶2的粒界偏析。並且，在高速工具鋼雷射覆蓋層14的一部分形成有修補覆蓋層16。
在與修補覆蓋層16的接合界面附近，高速工具鋼雷射覆蓋層14的金屬組織如圖3中說明，晶出碳化物4也在母材晶粒2的粒內分散，晶出碳化物4的明確的網狀的網絡結構消失。而且，晶出碳化物4的球狀化進展，包含有大致球狀的晶出碳化物4。在此，“接合界面附近”是依據高速工具鋼雷射覆蓋層14及修補覆蓋層16的材質、厚度和包覆條件等而不同，但例如相當於自被接合界面起算2mm左右的範圍。
若晶出碳化物4在母材晶粒2的粒界偏析，則彎曲應力下降及相鄰之母材晶粒的結合力下降，因此產生龜裂時，龜裂會沿著母材晶界進展，但藉由晶出碳化物4的分散，相鄰之母材晶粒2的結合力得到改善，因此能夠抑制龜裂及剝離等的進展。
在與修補覆蓋層16的接合界面附近，高速工具鋼雷射覆蓋層14的硬度為500HV以下較佳，400HV以下為更佳。藉由將高速工具鋼雷射覆蓋層14的硬度調整為該範圍，彎曲應力和韌性充分地得到改善，因此耐衝擊性得到提高，並且即使在使用雷射包覆之再生修補時產生之凝固時的收縮施加於高速工具鋼雷射覆蓋層14，亦能夠抑制龜裂及剝離的產生。
並且，高速工具鋼雷射覆蓋層14為多層覆蓋層較佳。多層覆蓋層例如能夠利用雷射包覆法來形成，能夠將藉由1道次的雷射包覆形成之覆蓋層沿水平方向及/或垂直方向連續形成來獲得。藉由將高速工具鋼雷射覆蓋層14設為多層覆蓋層，能夠輕易地控制所形成之面積和厚度。
而且，金屬基材12為圓柱狀較佳。藉由在圓柱狀的金屬基材12的表面形成有高速工具鋼的高速工具鋼雷射覆蓋層14，能夠將工具材料10適當地用於作為軋輥。並且，高速工具鋼雷射覆蓋層14產生了破損等時，能夠輕易地進行再生修補。
作為高速工具鋼雷射覆蓋層14的原料使用高速工具鋼粉末。該高速工具鋼粉末雖包含其一部分的組成不同之複數種，但依據耐磨耗性或韌性等的所需特性適當選擇即可。另外，高速工具鋼粉末的組成設為C:1.3質量%以上、Cr:3質量%以上、Mo:4質量%以上、W:4質量%以上、V:2質量%以上為較佳。
並且，金屬基材12只要無損本發明的效果，則亦無特別限定，能夠使用以往公知的各種金屬基材，但基於與形成於表面之高速工具鋼雷射覆蓋層14的密合性、稀釋的抑制、機械性質等觀點，使用鋼材為較佳，能夠適當地使用工具鋼或軸承鋼等。更具體而言，作為金屬基材12，例如能夠使用中碳鋼材(S45C等)、鉻鉬鋼鋼材、合金工具鋼鋼材、高碳鉻軸承鋼鋼材等。
並且，修補覆蓋層16的材質只要無損本發明的效果，則並無特別限定，能夠使用以往公知的各種金屬材，但使用與高速工具鋼雷射覆蓋層14的組成大致相同的高速工具鋼材為較佳。藉由將修補覆蓋層16的材質設為與高速工具鋼雷射覆蓋層14的組成大致相同的高速工具鋼材，能夠獲得最表面均勻的工具材料10。
並且，本發明的工具材料能夠運用於依據以往的HIP(熱均壓法)為尺寸過大之用途或經濟上不划算之用途。而且，例如，藉由將具有高速工具鋼雷射覆蓋層14之圓柱狀的工具材料運用於大型的軋輥等，能夠構築極其經濟的商業模式。
將使用了工具材料10之代表性輥的剖面圖示於圖5至圖7。圖5表示熱軋用輥，圖6表示鋼棒、線材用輥，圖7表示鋼坯、鋼片用輥。各輥中，在被加工材料所抵接之金屬基材12的表面形成有高速工具鋼雷射覆蓋層14，可擔保充分的彎曲應力、韌性、耐衝擊性及耐磨耗性。
並且，該等輥中，僅在表面的所需之區域形成有高速工具鋼雷射覆蓋層14，因此比較廉價，而且經由使用而破損、磨耗等者係高速工具鋼雷射覆蓋層14，藉由對破損、磨耗等之區域的高速工具鋼雷射覆蓋層14進行再生修補，能夠進行再使用。其結果，與使用藉由鑄造製造之輥之情況相比，能夠實現大幅的節能、節省資源及低環境負荷。
在此，本發明的工具材料中，在任意區域形成有高速工具鋼雷射覆蓋層14，因此藉由高速工具鋼雷射覆蓋層的原料粉末的選定等，能夠適當調整高速工具鋼雷射覆蓋層14的硬度及硬度分佈。例如，關於圖6所示之鋼棒、線材用輥的高速工具鋼雷射覆蓋層14，能夠依據與被加工材料的相互作用所致之磨耗的程度，按每個區域調整硬度。通常，底面與側面的邊界區域的磨耗會變得顯著，因此將該區域設為更高的硬度為較佳。
並且，例如，圖7所示之鋼坯、鋼片用輥中，還能夠按每個高速工具鋼雷射覆蓋層14使用不同的原料粉末，對各高速工具鋼雷射覆蓋層賦予適當的機械性質。具體而言，例如，對於輥軸的行進方向，能夠依次增加或降低高速工具鋼雷射覆蓋層14的硬度。
以下，在實施例中對本發明的工具材料的再生方法及工具材料進一步進行說明，但本發明並不受該等實施例的任何限定。
[實施例]
＜實施例1＞
使用粒徑50～150μm的高速工具鋼(JIS-SKH40)粉末，在SCM440的基材上實施雷射包覆來形成覆蓋層之後，對該覆蓋層進行了熱處理。雷射係使用碟式雷射(Disk Laser)，將雷射包覆條件設為雷射輸出2kW、雷射點徑(焦點直徑)4.3mm、雷射移動速度0.01m/s。並且，熱處理中，在真空中利用高頻加熱，在800℃下保持了3小時。
將所獲得之高速工具鋼基材的剖面微距照片示於圖8。在SCM440基材的表面形成有高速工具鋼的覆蓋層，未發現剝離和龜裂等缺陷。並且，圖8所示之剖面中，測定自表面起算1mm及2mm的覆蓋層的維氏硬度，將所獲得之結果示於圖9。另外，以荷重:100gf、荷重負荷時間:10s進行硬度測定，圖9所示之值係在各深度水平地測定50點之平均值。
將熱處理前後的覆蓋層的組織照片(掃描電子顯微鏡照片)分別示於圖10及圖11。可知在熱處理之前，晶出碳化物呈網狀在母材晶界偏析，但在熱處理之後，使該網狀結構分裂，晶出碳化物也分佈於母材晶粒內。並且，使晶出碳化物的形狀球狀化，尤其是母材晶粒內的晶出碳化物成為大致球狀。
對所獲得之高速工具鋼基材的覆蓋層的最表面進行平面磨削，利用形成該覆蓋層之條件實施雷射包覆，如此形成了修補覆蓋層。將該修補覆蓋層的概觀照片示於圖12。未發現熱影響部中的修補覆蓋層的剝離，確認到獲得了良好的修補覆蓋層。
＜實施例2＞
除了將熱處理的保持時間設為30分鐘以外，與實施例1同樣地獲得了高速工具鋼基材。並且，與實施例1同樣地測定覆蓋層的維氏硬度，將所獲得之結果示於圖9。另外，與實施例1同樣地形成了修補覆蓋層，其結果，未發現該修補覆蓋層的剝離。
＜實施例3＞
除了將熱處理的保持時間設為1小時以外，與實施例1同樣地獲得了高速工具鋼基材。並且，與實施例1同樣地測定覆蓋層的維氏硬度，將所獲得之結果示於圖9。另外，與實施例1同樣地形成了修補覆蓋層，其結果，未發現該修補覆蓋層的剝離。
＜實施例4＞
除了將熱處理溫度設為750℃以外，與實施例1同樣地獲得了高速工具鋼基材。並且，與實施例1同樣地測定覆蓋層的維氏硬度，將所獲得之結果示於圖13(圖13中還示出有實施工具材料1的硬度)。另外，與實施例1同樣地形成了修補覆蓋層，其結果，未發現該修補覆蓋層的剝離。
＜實施例5＞
除了將熱處理溫度設為775℃以外，與實施例1同樣地獲得了高速工具鋼基材。並且，與實施例1同樣地測定覆蓋層的維氏硬度，將所獲得之結果示於圖13。另外，與實施例1同樣地形成了修補覆蓋層，其結果，未發現該修補覆蓋層的剝離。
＜比較例1＞
除了將熱處理的溫度設為700℃以外，與實施例1同樣地獲得了高速工具鋼基材。並且，與實施例1同樣地測定覆蓋層的維氏硬度，將所獲得之結果示於圖13。
將所獲得之高速工具鋼基材的覆蓋層剖面的光學顯微鏡照片示於圖14。可清楚地觀察到網狀模樣，可知晶出碳化物在母材晶界偏析。另外，與實施例1同樣地形成了修補覆蓋層，其結果，可觀察到熱影響部中的該修補覆蓋層的剝離。
＜比較例2＞
除了將熱處理溫度設為825℃以外，與實施例1同樣地獲得了高速工具鋼基材。並且，與實施例1同樣地測定覆蓋層的維氏硬度，將所獲得之結果示於圖13。另外，與實施例1同樣地形成了修補覆蓋層，其結果，可觀察到熱影響部中的該修補覆蓋層的剝離。
＜比較例3＞
除了將熱處理的溫度設為850℃以外，與實施例1同樣地獲得了高速工具鋼基材。並且，與實施例1同樣地測定覆蓋層的維氏硬度，將所獲得之結果示於圖13。
將所獲得之高速工具鋼基材的覆蓋層剖面的光學顯微鏡照片示於圖15。可清楚地觀察到網狀模樣，可知晶出碳化物在母材晶界偏析。另外，與實施例1同樣地形成了修補覆蓋層，其結果，可觀察到熱影響部中的該修補覆蓋層的剝離。
＜比較例4＞
除了將熱處理的溫度設為900℃以外，與實施例1同樣地獲得了高速工具鋼基材。並且，與實施例1同樣地測定覆蓋層的維氏硬度，將所獲得之結果示於圖13。
將所獲得之高速工具鋼基材的覆蓋層剖面的光學顯微鏡照片示於圖16。可清楚地觀察到網狀模樣，可知晶出碳化物在母材晶界偏析。另外，與實施例1同樣地形成了修補覆蓋層，其結果，可觀察到熱影響部中的該修補覆蓋層的剝離。
＜比較例5＞
除了未實施熱處理以外，與實施例1同樣地在SCM440基材的表面形成了覆蓋層。對所獲得之覆蓋層的最表面進行平面磨削，以形成該覆蓋層之條件實施雷射包覆，如此形成了修補覆蓋層。將該修補覆蓋層的概觀照片示於圖17。修補覆蓋層在熱影響部中產生了剝離，確認到未實施適當的熱處理時，無法獲得良好的修補覆蓋層。
依據圖9所示之維氏硬度，藉由實施30分鐘的800℃的熱處理，覆蓋層的硬度變得低於500HV，藉由實施3小時，變得低於400HV。
並且，依據圖13所示之維氏硬度，熱處理溫度為700℃以下及825℃以上時，覆蓋層的硬度下降減小，成為500HV以上的硬度。相對於此，熱處理溫度超過700℃且低於825時，維氏硬度成為500HV以下，可知尤其藉由將熱處理溫度設為大致800℃，硬度最有效地下降。另外，800℃下的硬度下降應是與上述的組織變化對應。亦即，該結果表示，藉由800℃的熱處理，不僅能夠輕易地進行硬度調整，還能夠獲得理想的組織。
2‧‧‧母材晶粒
4‧‧‧晶出碳化物
10‧‧‧工具材料
12‧‧‧金屬基材
14‧‧‧高速工具鋼雷射覆蓋層
16‧‧‧修補覆蓋層
圖1係本發明的工具材料的再生方法的製程圖。
圖2係熱處理製程之前的覆蓋層的金屬組織的示意圖。
圖3係熱處理製程之後的覆蓋層的金屬組織的示意圖。
圖4係表示本發明的工具材料的一例之概略剖面圖。
圖5係本發明的工具材料(熱軋用輥)的概略剖面圖。
圖6係本發明的工具材料(鋼棒、線材用輥)的概略剖面圖。
圖7係本發明的工具材料(鋼坯、鋼片用輥)的概略剖面圖。
圖8係在實施例1中獲得之高速工具鋼基材的剖面微距照片。
圖9係表示在實施例中獲得之覆蓋層的維氏硬度之曲線圖。
圖10係實施例1的熱處理之前的覆蓋層的組織照片。
圖11係實施例1的熱處理之後的覆蓋層的組織照片。
圖12係在實施例1中形成之修補覆蓋層的概觀照片。
圖13係表示在比較例中獲得之覆蓋層的維氏硬度之曲線圖。
圖14係在比較例1中獲得之覆蓋層剖面的光學顯微鏡照片。
圖15係在比較例3中獲得之覆蓋層剖面的光學顯微鏡照片。
圖16係在比較例4中獲得之覆蓋層剖面的光學顯微鏡照片。
圖17係在比較例5中形成之修補覆蓋層的概觀照片。
Claims (12)
- 一種工具材料的再生方法，其特徵為，具有： 熱處理製程，以超過700℃且低於825℃的溫度對高速工具鋼基材進行熱處理；及 修補覆蓋製程，在實施了前述熱處理之前述高速工具鋼基材的表面形成修補覆蓋層。
- 如申請專利範圍第1項所述之工具材料的再生方法，其中， 將前述熱處理的溫度設為超過775℃且低於825℃。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之工具材料的再生方法，其中， 前述高速工具鋼基材為高速工具鋼雷射覆蓋層。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之工具材料的再生方法，其中， 將前述熱處理的保持時間設為30分鐘以上。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之工具材料的再生方法，其中， 藉由前述熱處理，使前述高速工具鋼基材的硬度成為500HV以下。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之工具材料的再生方法，其中， 藉由雷射照射實施前述熱處理。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之工具材料的再生方法，其中， 前述高速工具鋼基材與前述修補覆蓋層的組成大致相同。
- 一種工具材料，其特徵為， 在高速工具鋼基材的至少一部分形成修補覆蓋層， 在前述修補覆蓋層與前述高速工具鋼基材的接合界面附近，前述高速工具鋼基材的晶出碳化物為大致球狀且未在母材晶界偏析。
- 如申請專利範圍第8項所述之工具材料，其中， 前述高速工具鋼基材為高速工具鋼雷射覆蓋層。
- 如申請專利範圍第8或9項所述之工具材料，其中， 前述接合界面附近的前述高速工具鋼基材的硬度為500HV以下。
- 如申請專利範圍第9項所述之工具材料，其中， 前述高速工具鋼雷射覆蓋層為多層覆蓋層。
- 如申請專利範圍第8或9項所述之工具材料，其中， 前述高速工具鋼基材為圓柱狀。
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