WO2012124289A1 - レーザクラッディング方法 - Google Patents

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好昭 森貞
雅 水野
源隆 阿部
優介 北村
長岡　亨
真男 福角
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株式会社Ａｍｃ
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Definitions

  • the present invention relates to a cladding material capable of forming a cladding layer in which vanadium carbide is uniformly dispersed on a base material, and a laser cladding method employing a cladding configuration.
  • Patent Document 1 shows an example in which plasma is used as a heat source.
  • the plasma powder build-up welding shown in Patent Document 1 needs to apply a large heat input to the base material and put the hard ceramic powder into the molten pool of the base material.
  • Non-Patent Document 1 discloses a laser cladding method in which only a small amount of a base material is melted by sending a raw material coaxially with laser light, and a molten portion is rapidly cooled. In the future, evaluation of cladding layers of various raw materials using this method is expected.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and provides a cladding material capable of easily forming a cladding layer in which a large amount of fine vanadium carbide is uniformly dispersed and a laser cladding method employing a cladding configuration. With the goal.
  • the present invention provides a laser cladding method in which a clad layer containing vanadium carbide is formed on the surface of a substrate by a laser processing head capable of emitting laser light and cladding material powder on the same axis.
  • the cladding material powder used in this method is composed of an iron-based material containing mass% and V: 7 to 15%.
  • the cladding material powder is preferably composed of an iron-based material containing mass% and V: 10 to 15%.
  • the cladding material may contain about 7% or more vanadium. It was understood that it was preferable. When such a coaxial laser processing head is used, the heat input to the substrate can be lowered.
  • the present invention is advantageous in that a clad layer in which fine vanadium carbide is uniformly dispersed can be secured by optimizing the vanadium content in such laser cladding with low heat input.
  • a cladding material powder having a vanadium content of 10 to 15 mass% is particularly preferable.
  • the cladding material powder containing vanadium of 15 mass% or more is difficult to manufacture.
  • the cladding material powder is mass%, C: 2.0 to 3.5, Cr: 10.0 to 18.0, Mo: 0.3 to 1.0, V: 10.0 to 15.0 It is preferable that the remaining main component is an iron-based material.
  • the laser light is preferably a semiconductor laser.
  • the laser processing head used in the above-described cladding method includes an irradiation port that irradiates the laser beam onto the substrate at the lower end, and a cladding that emits the cladding material powder in the vicinity of the irradiation port substantially coaxially with the laser beam.
  • the coating material powder supply pipe and a shield gas supply pipe that is substantially coaxial with the laser beam and emits an inert gas in the vicinity of the irradiation port.
  • the present invention also provides a cladding layer formed on the surface of the substrate from the cladding material powder.
  • This clad layer contains vanadium carbide uniformly dispersed, and the vanadium carbide has 40 to 70 vol% in the clad layer, and forms substantially spherical particles of 1 ⁇ m or less, respectively.
  • a clad layer in which vanadium carbide particles are uniformly dispersed is formed as described above.
  • vanadium carbide is only uniformly dispersed in the formed clad layer.
  • the shape and size of the particles are peculiar, and the amount of particles occupied is very large. Therefore, it can be said that such a structure of the cladding layer is obtained by implementing the laser cladding method of the present invention.
  • a cladding material capable of easily forming a clad layer in which a large amount of fine vanadium carbide is uniformly dispersed as hard ceramic particles on the substrate surface.
  • FIG. 1 is an SEM photograph of a clad layer formed when an iron-based material containing various contents of vanadium is used as a cladding material by the laser cladding method of FIG. 04 mass%, (b) shows 7.57 mass%, and (c) shows 10.11 mass%.
  • 1 is an SEM photograph of a clad layer formed when an iron-based material containing various contents of vanadium is used as a cladding material by the laser cladding method of FIG. 1, and the vanadium content (d) is 12. 52 mass% and (e) show 14.94 mass%.
  • (A) and (b) are TEM photographs of the clad layer corresponding to FIGS. 2 (a) and 2 (c), respectively. It is the schematic which shows the basic composition of the conventional laser cladding method.
  • Laser processing head (laser head) 11a Laser beam path 11b Entrance 11c Optical axis (central axis) 11d Irradiation port 12 Laser beam (laser beam) 13 Base material 13a Molten pool 14 Cladding material powder supply pipe 15 Cladding material (powder) 16 Cladding layer 17 Shield gas supply pipe 18 Inert gas 19 Cooling water supply pipe 20 Cooling water 21 Mirror 22 Convex lens 101 Laser processing head 102 Laser beam (laser light) 103 base material 103a molten pool " 104 Powder supply pipe 105 Raw material powder 106 Cladding layer 107 Shield gas supply pipe 108 Inert gas
  • FIG. 5 schematically shows a conventional laser cladding method.
  • the laser beam 102 condensed by the laser processing head 101 is irradiated on the surface of the base material 103 with a condensing point or a defocused beam.
  • the base material 103 forms a molten pool 103a which is melted and liquefied in the vicinity in a wide range on the irradiation surface of the laser beam 102.
  • the raw material powder 105 of the cladding is supplied to the surface of the base material 103 from the lower end portion of the powder supply pipe 104 provided adjacent to the laser processing head 101.
  • the raw material powder 105 supplied onto the surface of the base material 103 is melted by the laser light 102 and joined to the surface of the base material 103 to form a clad layer 106.
  • the laser processing head 101 irradiates the laser beam 102 while moving the surface of the base material 103 in the lateral direction (arrow X direction), and from the powder supply tube 104. Supplies the raw material powder 105 to the front side in the moving direction of the laser beam 102. As a result, the cladding layer 106 is formed on the rear side in the traveling direction of the laser beam 102.
  • a shield gas supply pipe 107 is disposed around the axis of the powder supply pipe 104.
  • the shield gas supply pipe 107 is supplied with an inert gas such as argon gas from above and discharged from the lower end. When the inert gas is released, the process part is shut off from the outside air to suppress oxidation.
  • FIG. 1 schematically shows the laser cladding method of the present invention.
  • the laser processing head 11 forms a hollow laser beam path 11a along the central axis, and the laser beam 12 travels along the optical path.
  • the laser beam 12 enters from the entrance 11 b of the laser processing head 11, is reflected vertically downward by the mirror 21, and reaches the convex lens 22.
  • the laser beam 12 reaching the convex lens 22 is condensed and irradiated from an irradiation port 11 d at the lower end of the laser processing head 11.
  • the laser beam 12 is irradiated on the surface of the base material 13 on the optical axis 11c, with the laser beam head 12 immediately below the lower end of the laser processing head 12 as a condensing point or defocused.
  • the base material 13 forms a molten pool 13a in which the irradiation surface of the laser light 12 is melted and liquefied in the same manner as in the conventional laser cladding method.
  • this molten pool 13a is a small range (after-mentioned).
  • the laser processing head 11 sends a cladding material powder (simply referred to as “cladding material”) 15 downward in order from the central axis side coaxially with the laser optical path 11a (coaxial (coaxial) with the optical axis 11c).
  • a cladding material powder supply pipe 14, a cooling water supply pipe 19 that sends the cooling water 20 downward, and a shield gas supply pipe 17 that sends the inert gas 18 downward are provided. More specifically, first, a cladding material powder supply tube 14 is disposed on the horizontal plane on the concentric outer side of the laser beam path 11a, and converges from the upper end to the optical axis 11c side following the condensing of the laser beam 12, thereby performing laser processing.
  • the head 11 communicates with the vicinity of the irradiation port 11d at the lower end.
  • the cladding material powder supply pipe 14 may be one or more pipes arranged at predetermined angles in a horizontal plane, or may be an annular pipe connected to the entire circumference. Accordingly, the cladding material powder supply pipe 14 flows in the cladding material powder 15 from the upper end thereof and emits it to the position where the laser beam 12 is irradiated onto the surface of the base material 13, that is, the molten pool 13 a on the surface of the base material 13. .
  • the released cladding material powder 15 is heat input by the laser beam 12 and the molten pool 13a of the base material 13, and a clad layer is formed on the surface of the base material 13 at the rear side of the moving direction of the laser processing head 11 (see arrow Y). 16 is formed.
  • both the focal point of the laser beam 12 and the cladding material powder 15 are emitted from the lower end of one laser processing head 11, and therefore the irradiation position of the laser beam 12 (the position of the molten pool 13a) and It is not necessary to perform positioning control with respect to the discharge position of the cladding material powder 15. Therefore, even if the laser processing head 11 scans the surface of the substrate 13, it is advantageous in that the thickness of the clad layer 16 can be easily controlled and the number of processing processes can be reduced.
  • the component evaluation of the cladding material powder will be described later.
  • a shield gas supply pipe 17 is disposed on the outer side (coaxial outer side) concentrically from the cladding material powder supply pipe 14 with respect to the laser optical path 11a in the horizontal plane, and follows the condensing of the laser light 12 from the upper end thereof.
  • the laser beam converges to the optical axis 11c side and communicates to the vicinity of the irradiation port 11d at the lower end of the laser processing head 11. Therefore, the shield gas supply pipe 17 discharges the inert gas 18 such as argon gas flowing in from the upper end at the lower end.
  • the shield gas supply pipe 17 may be any pipe that can be sprayed with an inert gas 18 in an amount sufficient to prevent oxidation of the clad layer 16, and may be a plurality of pipes or an annular pipe connected to the entire circumference.
  • a cooling water supply pipe 19 is disposed on the concentric outer side of the shield gas supply pipe 17 and communicates from the upper end thereof to a position above the laser processing head 11 by a predetermined distance.
  • the cooling water supply pipe 19 is not an essential part of the laser processing head 11 but a cooling function of the laser processing head 11.
  • cladding material powder by the above laser cladding method (raw material powder)
  • a clad layer 16 in which vanadium carbide is dispersed is formed by various cladding materials.
  • the dispersion state of the vanadium carbide when the cladding layer was formed by the laser cladding method shown in FIG. 1 for various cladding material powders having different vanadium V contents was evaluated.
  • Type Coax 8 manufactured by Laserline was used as the laser processing head 11 of FIG. 1 described above.
  • the laser light source a semiconductor laser manufactured by Laserline (wavelength: 810 to 980 nm) was used.
  • the cladding material powder 15 types of high corrosion and wear resistant tool steel powder (manufactured by Sanyo Special Steel Co., Ltd.) were prepared. Specifically, C, Si, Mn, Cr, Mo, V, and Fe are main component compositions, and detailed components are shown in Table 1.
  • SKD61 plate (height 17 mm ⁇ width 175 mm ⁇ length 230 mm) was used for the base material 13.
  • the laser output is 600 w
  • the moving speed of the laser machining head 11 is 1000 mm / min
  • the laser machining head 11 is fed by 0.5 mm
  • the cladding is wrapped on the surface of the base material 13.
  • the clad layer 16 having a height of 2 mm, a width of 15 mm, and a length of 65 mm was formed on the surface of the base material.
  • FIGS. 1-No. 5 is an SEM photograph in the case of using the cladding material powder No. 5, and a cross section of the clad layer is mirror-polished and then etched (ferric chloride solution) and photographed.
  • Vanadium Looking at the content of V, (a) is 5.04 mass%, (b) is 7.57 mass%, (c) is 10.11 mass%, (d) is 12.52 mass%, (E) is 14.94 mass%.
  • chromium carbide and vanadium carbide are mainly formed. Of these, chromium carbide is generally deflected to the crystal grain boundary of the base material (Fe).
  • the place where the vanadium carbide is formed varies depending on the vanadium content. When the vanadium content is low, the vanadium carbide is bent to the crystal grain boundary of the base material as in the case of the chromium carbide. As the content increases, it is uniformly dispersed in the substrate.
  • the vanadium carbide particles are uniformly dispersed in the clad layer 16, and the shape, size, and quantity thereof are dispersed.
  • vanadium carbide particles in (a) to (e) each detected the occupied area, and as a result, (a)-(not detected because of non-dispersion), (b) 43 vol%, (c) 61vol%, (d ) 45% vol%, (e) 67 vol% was detected.
  • FIG. 4 is a graph showing the No. 1 cladding material of Table 1 having a vanadium content of 5.04 mass% and 10.11 mass%.
  • 1 and No. 3 shows a structural photograph (TEM photograph) of a cross section of a clad layer formed from 3. That is, the TEM photograph in FIG. 4B corresponds to the SEM photograph in FIG.
  • the vanadium carbide is uniformly dispersed when the vanadium content increases.

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Abstract

　本発明は、バナジウム炭化物を均一分散させたクラッド層を形成するレーザクラッディング方法であって、mass％で、Ｖ：７～１５％を含有する鉄系材料、好ましくは、mass％で、Ｖ：１０～１５％を含有する鉄系材料からなるクラッディング材料粉末をレーザ光の光軸と同軸上に放出可能なレーザ加工ヘッドにより基材の表面にバナジウム炭化物を含有するクラッド層を形成する。

Description

レーザクラッディング方法
本発明は、基材にバナジウム炭化物が均一に分散したクラッド層を形成することが可能なクラッディング材料及びクラッディング構成を採用したレーザクラッディング方法に関する。
金属材の硬度や耐摩耗性を向上させるためには硬質セラミックス粒子を分散させることが効果的である。特に分散させるセラミックス粒子として、優れた機械的特性を有しているバナジウム炭化物を基材に大量に分散させる方法が種々検討されている。代表的な方法としては、鋳造、粉体肉盛溶接（クラッディング方法）を利用する方法が存在する。
しかしながら、鋳造の場合、５～１０μｍ程度の粗大なバナジウム炭化物が残存するので、耐摩耗性の点では有利であるが所望の硬度を確保できない場合もあり、また、粗大なバナジウム炭化物により微細な形状の加工に用いる工具等への活用は難しい。また鋳造の場合、バナジウム炭化物が基材の結晶粒界に偏折してしまいこの点でも機械的特性を満足できないという問題がある。
また、クラッディング方法（肉盛溶接）を利用する場合として特許文献１では熱源にプラズマを用いる例が示されている。しかしながら、特許文献１に示すプラズマ粉体肉盛溶接は基材に大入熱を加え、基材の溶融池に硬質セラミック粉末を投入する必要がある。この方法の場合、割れ防止の観点から広範囲に溶かされた基材を除冷していく必要があり入熱制御が困難である。したがって、除冷過程において基材とクラッド層（肉盛層）とが混ざってしまい所望量のクラッド層を形成することができない。
一方、近年、クラッディング方法の１つであり熱源にレーザを用いるレーザクラッディング方法において基材の溶融量を低減する構成が提供されている。例えば、非特許文献１では、レーザ光と同軸に原材料を送り出すことで基材を少量のみ溶融し、溶融部分を急冷するレーザクラッディング方法が示されている。今後、この方法を用いた種々の原材料のクラッド層の評価が期待されている。
特許第３８９６４７８号公報
レーザーライン社のホームページ（http://www.laserline.de/diode#laser/download#pdf/cladding-applications.pdf）
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、大量の微細なバナジウム炭化物が均一に分散したクラッド層を容易に形成し得るクラッディング材料及びクラッディング構成を採用したレーザクラッディング方法を提供することを目的とする。
本発明は、レーザ光とクラッディング材料粉末とを同軸上に放出可能なレーザ加工ヘッドにより基材の表面にバナジウム炭化物を含有するクラッド層を形成するレーザクラッディング方法を提供する。この方法で使用するクラッディング材料粉末は、mass％で、Ｖ：７～１５％を含有する鉄系材料からなる。
また、前記クラッディング材料粉末は、mass％で、Ｖ：１０～１５％を含有する鉄系材料からなることが好ましい。
レーザ光とクラッディング材等を同軸上に放出するレーザ加工ヘッドを使用してバナジウム炭化物が均一分散されたクラッド層を形成するには、クラッディング材料に７％程度以上のバナジウムが含有することが好ましいことが理解された。このような同軸型のレーザ加工ヘッドを用いると基材への入熱を低くすることができる。
本発明では、このような低入熱でのレーザクラッディングにおいてバナジウムの含有量を最適化することで微細なバナジウム炭化物が均一分散したクラッド層を確保することができる点で有利である。
上記クラッディング材料に含有されるバナジウムの含有率のうちとりわけ１０～１５mass％のバナジウム含有量のクラッディング材料粉末であることが好ましい。なお、１５mass％以上のバナジウムを含有するクラッディング材料粉末は製造が困難である。
[規則91に基づく訂正 09.04.2012]　
前記クラッディング材料粉末は、mass％で、Ｃ：２．０～３．５、Ｃｒ：１０．０～１８．０、Ｍｏ：０．３～１．０、Ｖ：１０．０～１５．０を含み、残部の主成分を鉄系材料とすることが好ましい。なお、レーザ光は半導体レーザであることが好ましい。
上述するクラッディング方法に使用するレーザ加工ヘッドは、下端で基材に前記レーザ光を照射する照射口と、前記レーザ光と略同軸で該照射口の近傍で前記クラッディング材料粉末を放出するクラッディング材料粉末供給管と、前記レーザ光と略同軸で該照射口の近傍で不活性ガスを放出するシールドガス供給管と、を備える構成である。
また本発明は、クラッディング材料粉末から基材の表面に形成したクラッド層も提供している。このクラッド層は均一に分散されたバナジウム炭化物を含有し、該バナジウム炭化物は、クラッド層内の４０～７０vol％を有し、それぞれ１μｍ以下の略球状の粒子を形成する。
上記本発明のレーザクラッディング方法を実施した場合、バナジウム炭化物粒子が均一に分散したクラッド層を形成することは上述した通りであるが、形成されたクラッド層にはバナジウム炭化物が均一分散されるだけでなくその粒子の形状、大きさに特殊性があり、粒子の占有量も非常に多い。したがって、このようなクラッド層の構成は本発明のレーザクラッディング方法を実施したものであるということができる。
本発明のレーザクラッディング方法によれば、硬質セラミックス粒子として微細なバナジウム炭化物を大量に均一分散したクラッド層を基材表面に容易に形成することができるクラッディング材料が提供される。これにより基材の機械的特性を簡単かつ確実に大幅に向上させることができ、高い耐摩耗性、耐食性等を要する部材への適正な材料を提供することができる。
本発明で用いるレーザクラッディング方法の構成を示す概略図である。 図１のレーザクラッディング方法で、種々の含有量のバナジウムを含む鉄系材料をクラッディング材料に使った場合に形成されるクラッド層のＳＥＭ写真であり、バナジウム含有率が（ａ）は５．０４mass%、（ｂ）は７．５７mass％、（ｃ）は１０．１１mass％の場合を示している。 図１のレーザクラッディング方法で、種々の含有量のバナジウムを含む鉄系材料をクラッディング材料に使った場合に形成されるクラッド層のＳＥＭ写真であり、バナジウム含有率が（ｄ）は１２．５２mass％、（ｅ）は１４．９４mass％を示している。 （ａ）（ｂ）は、それぞれ対応する図２（ａ）（ｃ）に相当するクラッド層のＴＥＭ写真である。 従来のレーザクラッディング方法の基本構成を示す概略図である。
１１　 レーザ加工ヘッド(レーザヘッド）
１１a  レーザ光路
１１b  入射口
１１c  光軸（中心軸）
１１d  照射口
１２　レーザ光（レーザビーム）
１３　基材
１３ａ　溶融池
１４　クラッディング材料粉末供給管
１５　クラッディング材料(粉末）
１６　クラッド層
１７　シールドガス供給管
１８　不活性ガス
１９　冷却水供給管
２０　冷却水
２１　ミラー
２２　凸レンズ
１０１　レーザ加工ヘッド
１０２　レーザビーム（レーザ光）
１０３　基材
１０３a  溶融池"
１０４　粉末供給管
１０５　原材料粉末
１０６　クラッド層
１０７　シールドガス供給管
１０８　不活性ガス
≪従来型のレーザクラッディング方法の基本構成（非同軸式）≫
まず、本発明のクラッディング方法（肉盛溶接方法）を説明する前提としてレーザクラッディングの基本構成について概説する。
図５には従来のレーザクラッディング方法を表す概略が示されている。図５に示すように、レーザ加工ヘッド１０１によって集光されたレーザ光１０２は集光点あるいはディフォーカスされたビームが基材１０３の表面に照射される。このとき基材１０３はレーザ光１０２の照射面に近傍の広範囲で溶かされて液体化した溶融池１０３ａを形成する。一方、レーザ加工ヘッド１０１に隣接して設けられた粉末供給管１０４の下端部からはクラッディングの原材料粉末１０５が基材１０３の表面に供給される。この基材１０３の表面上に供給された原材料粉末１０５はレーザ光１０２によって溶融され、基材１０３の表面に接合されてクラッド層１０６を形成する。
このような従来のレーザクラッディング方法では、図５に示すようにレーザ加工ヘッド１０１が基材１０３表面を横方向（矢印Ｘ方向）に移動しながらレーザ光１０２を照射し、粉末供給管１０４からはレーザ光１０２の移動方向前方側に原材料粉末１０５を供給する。これによりレーザビーム１０２の進行方向後ろ側にクラッッド層１０６が形成される。
また、粉末供給管１０４の軸周りにはシールドガス供給管１０７が配設される。このシールドガス供給管１０７は上方からアルゴンガス等の不活性ガスが流入され下端部から放出される。不活性ガスが放出されるとプロセス部を外気と遮断し酸化を抑制する。
しかしながら、図５に示す従来のレーザクラッディング方法の場合、原材料粉末１０５の供給位置とレーザ光１０２の焦点位置との位置決め制御が困難、すなわち入熱の制御が困難であり基材１０３も大きく溶かしてしまう（溶融池１０３ａが大きくなる）。これにより溶けた基材１０３に原材料粉末１０５が混ざりレーザ光１０２の照射位置に一定量の原材料粉末１０５が供給されなくなってしまう。その結果、クラッド層１０６の幅や高さが変化して均一なクラッド層１０６の生成が困難となってしまうという問題がある。
≪本発明で用いるレーザクラッディング方法の構成（同軸クラッディングトーチ）≫
次に、本発明のレーザクラッディング方法の構成について概説する。
図１は本発明のレーザクラッディング方法を表す概略を示している。図１に示すように、レーザ加工ヘッド１１は中心軸に沿って中空のレーザ光路１１ａを形成しており、レーザ光１２がこの光路に沿って内部を進行する。具体的には、レーザ光１２がレーザ加工ヘッド１１の入射口１１ｂから入射し、ミラー２１により鉛直下方に反射して凸レンズ２２まで到達する。凸レンズ２２に到達したレーザ光１２は集光されてレーザ加工ヘッド１１の下端の照射口１１ｄから照射される。そして、レーザ光１２は光軸１１ｃ上でレーザ加工ヘッド１２の下端直下が集光点となって又はディフォーカスされて基材１３の表面上に照射される。このとき基材１３は、従来のレーザクラッディング方法と同様にレーザ光１２の照射面が溶かされて液体化した溶融池１３ａを形成する。但し、この溶融池１３aは小範囲である（後述）。
一方、レーザ加工ヘッド１１は、レーザ光路１１ａと同軸（光軸１１ｃと同軸（共軸））に中心軸側から順に、クラッディング材料粉末（単に「クラッディング材料」とも称する）１５を下方に送り出すクラッディング材料粉末供給管１４と、冷却水２０を下方に送り出す冷却水供給管１９と、不活性ガス１８を下方に送り出すシールドガス供給管１７と、が設けられている。詳細には、まず水平平面においてレーザ光路１１ａの同心円状外側にクラッディング材料粉末供給管１４が配置されており、上端からレーザ光１２の集光に倣って光軸１１ｃ側に収束し、レーザ加工ヘッド１１の下端の照射口１１ｄ近傍まで連通している。
図示しないが、このクラッディング材料粉末供給管１４は、水平平面において所定の角度ごとに配置された１以上の管であっても良く、周全体につながった環状の管であっても良い。したがって、クラッディング原材料粉末供給管１４は、その上端からクラッディング材料粉末１５を流入し、レーザ光１２が基材１３の表面上に照射される位置すなわち基材１３表面の溶融池１３ａに放出する。放出されたクラッディング材料粉末１５はレーザ光１２と基材１３の溶融池１３ａとで入熱され、レーザ加工ヘッド１１の移動方向（矢印Ｙ参照）の後側の基材１３の表面にクラッド層１６を形成する。
とりわけ、このクラッディング方法ではレーザ光１２の焦点等とクラッディング材料粉末１５との両者ともに１つのレーザ加工ヘッド１１の下端から放出されるためレーザ光１２の照射位置（溶融池１３ａの位置）とクラッディング材料粉末１５の放出位置との位置決め制御を行う必要がない。したがって、レーザ加工ヘッド１１が基材１３の表面を走査してもクラッド層１６の厚さ等を制御し易く加工プロセス回数も軽減できる点で有利である。なお、クラッディング材料粉末の成分評価については後述する。
また、水平平面におけるレーザ光路１１ａに対してクラッディング材料粉末供給管１４より同心円状外側（同軸外側）にはシールドガス供給管１７が配置されており、その上端からレーザ光１２の集光に倣って光軸１１ｃ側に収束し、レーザ加工ヘッド１１の下端の照射口１１ｄ近傍まで連通している。したがって、シールドガス供給管１７はその上端から流入したアルゴンガス等の不活性ガス１８を下端で放出する。放出された不活性ガス１８はクラッディング材料粉末１５（ひいてはクラッド層１６）に吹き付けられるため、クラッド層１６が基材１３の表面に堆積されながら即に酸化防止処理を施すこととなる。このシールドガス供給管１７はクラッド層１６の酸化防止可能な程度の量の不活性ガス１８を吹き付けられるものであれば良く、複数の管や周全体につながった環状の管などが考えられる。
さらに、シールドガス供給管１７の同心円状外側には冷却水供給管１９が配置されており、その上端からレーザ加工ヘッド１１の下端から所定距離上方に位置まで連通している。なお、この冷却水供給管１９はレーザ加工ヘッド１１の必須部品ではなく、レーザ加工ヘッド１１の冷却機能である。
≪上記レーザクラッディング方法で最適なクラッディング材料粉末（原材料粉末）≫
上記レーザクラッディング方法を用いて種々のクラッディング材料によりバナジウム炭化物が分散したクラッド層１６を形成した。以下、バナジウムＶの含有量の異なる種々のクラッディング材料粉末について図１に示すレーザクラッディング方法でクラッド層を形成した場合のバナジウム炭化物の分散状態を評価した。
実験条件
使用装置としては上述する図１のレーザ加工ヘッド１１としてLaserline社製Type Coax8を使用した。また、レーザ光源としては、Laserline社製（波長810-980nm）の半導体レーザを使用した。
また、クラッディング材料粉末１５は、高耐食・耐磨耗工具鋼粉末（山陽特殊鋼社製）を５種類準備した。具体的には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、とＦｅを主成分組成とし、詳細な成分は表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
また、基材１３にはＳＫＤ６１板材（高さ１７ｍｍ×幅１７５ｍｍ×長さ２３０ｍｍ）を使用した。
さらに、クラッディング条件としては、レーザ出力が６００ｗ、レーザ加工ヘッド１１の移動速度が１０００ｍｍ／ｍｉｎ、レーザ加工ヘッド１１が送り量０．５ｍｍであり、基材１３の表面にクラッディングをラッピングさせることで、基材表面に高さ２ｍｍ×幅１５ｍｍ×長さ６５ｍｍのクラッド層１６を形成させた。
図２～図３は、上記実験条件により形成されたクラッド層１６の組織写真（ＳＥＭ写真）を示している。具体的には図２～図３の（ａ）～（ｅ）はそれぞれ表１のＮｏ．１～Ｎｏ．５のクラッディング材料粉末を使用した場合のＳＥＭ写真であり、クラッド層断面を鏡面研磨後、エッチング（塩化第二鉄溶液）を施して撮影している。バナジウム：Ｖの含有率に注目すると、ぞれぞれ（ａ）は５．０４mass%、（ｂ）は７．５７mass%、（ｃ）は１０．１１mass%、（ｄ）は１２．５２mass%、（ｅ）は１４．９４mass%である。
表１のような鉄系材料をクラッディング材料として使用する場合、主としてクロム炭化物とバナジウム炭化物とが形成される。このうちクロム炭化物は基材（Ｆｅ）の結晶粒界に偏折するのが一般的である。一方、図２～図３に示す通りバナジウム炭化物が形成される場所は、バナジウム含有量によって変化し、バナジウム含有率が低い場合はクロム炭化物と同様に基材の結晶粒界に偏折し、バナジウム含有率が高くなるにつれ基材中に均一に分散して形成される。詳細には（ａ）のようにバナジウム含有率が５mass%程度のときには偏折した状態といえるが、（ｂ）のようにバナジウム含有率が７～１０mass%程度では比較的良好に分散されており、（ｃ）～（ｄ）のようにバナジウム含有率が１０～１５mass%程度では十分に均一分散していることがわかる。
また、図２～図３に示すクラッド層１６の組織写真（ＳＥＭ写真）の画像解析を行った結果、バナジウム炭化物粒子はクラッド層１６内で均一に分散されており、その形状、大きさ、量は、
形状：球状
大きさ：1μｍ以下
量：４０～７０ vol%
であることがわかる。
なお、（ａ）～（ｅ）におけるバナジウム炭化物粒子は、それぞれ占有面積を検出した結果、（ａ）－（非分散ゆえ不検出）、(ｂ) ４３ vol%、(ｃ) ６１vol%、（ｄ） ４５ vol%、（ｅ） ６７ vol%  と検出された。
図４は、表１のクラッディング材料のうちバナジウムの含有率が５．０４mass%、１０．１１mass%であるＮｏ．１とＮｏ．３から形成されたクラッド層の断面の組織写真（ＴＥＭ写真）を示している。すなわち、図４（ｂ）のＴＥＭ写真は図２（ｃ）のＳＥＭ写真に相当する。
この図４を参照すれば、上述のように、バナジウム含有率が高くなるとバナジウム炭化物が均一に分散されていることが分かる。
以上、本発明のレーザクラッディング方法の実施形態およびその概念について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではない。特許請求の範囲および明細書等に記載の精神や教示を逸脱しない範囲で他の変形例、改良例が得られ、これら変形例及び改良例は全て本発明に含まれることは当業者は理解できるであろう。

Claims (6)

  1. クラッディング材料粉末をレーザ光の光軸と同軸上に放出可能なレーザ加工ヘッドにより基材の表面にバナジウム炭化物を含有するクラッド層を形成するレーザクラッディング方法であって、
    該クラッディング材料粉末は、mass％で、Ｖ：７～１５％を含有する鉄系材料からなることを特徴とするレーザクラッディング方法。
  2. 前記クラッディング材料粉末は、mass％で、Ｖ：１０～１５％を含有する鉄系材料からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザクラッディング方法。
  3. [規則91に基づく訂正 09.04.2012]　
    前記クラッディング材料粉末は、mass％で、
    Ｃ：２．０～３．５、Ｃｒ：１０．０～１８．０、Ｍｏ：０．３～１．０、Ｖ：１０．０～１５．０を含み、残部の主成分を鉄系材料とすることを特徴とする請求項２に記載のレーザクラッディング方法。
  4. 前記レーザ光は半導体レーザであることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザクラッディング方法。
  5. 前記レーザ加工ヘッドは、
    下端で基材に前記レーザ光を照射する照射口と、
    前記レーザ光と略同軸で該照射口の近傍で前記クラッディング材料粉末を放出するクラッディング材料粉末供給管と、
    前記レーザ光と略同軸で該照射口の近傍で不活性ガスを放出するシールドガス供給管と、を備えることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載のクラッディング方法。
  6. クラッディング材料粉末から基材の表面に形成したクラッド層であって、
    該クラッド層は均一に分散されたバナジウム炭化物を含有し、
    該バナジウム炭化物は、クラッド層内の４０～７０vol％を有し、それぞれ１μｍ以下の略球状の粒子を形成する、ことを特徴とするクラッド層。
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