(57)【要約】【課題】簡易な方法で効果的に高剛性化を図ることができる機械構造用部品及びその製造方法を提供すること。【解決手段】機械構造用部品は、鉄鋼材料よりなる基材２と、基材２の表面２０に肉盛溶接用原料を供給して溶接することにより形成してなる１層又は複数層の肉盛溶接層３１を備えた肉盛溶接部３とを有してなり、肉盛溶接層３１は、純鉄又は鉄合金よりなるマトリックス相中に、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素及びＦｅから選択される１種以上の元素を含むホウ化物又は／及びその複合化物を体積率で１０〜７０％分散させた高剛性鋼よりなると共に、基材２よりもヤング率が高い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鋼材料よりなる基材と、
該基材の表面に肉盛溶接用原料を供給して溶接することにより形成してなる肉盛溶接層を１層又は複数層備えた肉盛溶接部とを有してなり、
上記肉盛溶接層は、純鉄又は鉄合金よりなるマトリックス相中に、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素及びＦｅから選択される１種以上の元素を含むホウ化物又は／及びその複合化物を体積率で１０〜７０％分散させた高剛性鋼よりなると共に、上記基材よりもヤング率が高いことを特徴とする機械構造用部品。
【請求項２】
請求項１において、上記肉盛溶接部は、質量％で、Ｔｉ：４．２〜４０．０％、Ｂ：１．８〜１８．０％を含有し、かつ、上記ホウ化物又は／及びその複合化物のうち、体積率で５０％以上がＴｉＢ2であることを特徴とする機械構造用部品。
【請求項３】
請求項１又は２において、上記肉盛溶接部は、ヤング率の異なる複数の上記肉盛溶接層を積層して構成されており、該肉盛溶接層のヤング率は、上記基材に近いほど低く、該基材のヤング率との差が小さくなっていることを特徴とする機械構造用部品。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において、隣接する上記基材と上記肉盛溶接層との間及び該肉盛溶接層同士の間のヤング率の差は、４０ＧＰａ以下であることを特徴とする機械構造用部品。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において、上記肉盛溶接部の表面には、外表面肉盛溶接用原料を供給して溶接することにより形成してなる外表面肉盛溶接層が設けられており、該外表面肉盛溶接層は、純鉄又は鉄合金よりなるマトリックス相を有すると共に、該マトリックス相中への４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素及びＦｅから選択される１種以上の元素を含むホウ化物又は／及びその複合化物の分散量が体積率で１０％未満である鉄鋼材料よりなることを特徴とする機械構造用部品。
【請求項６】
請求項５において、上記外表面肉盛溶接層は、上記ホウ化物又は／及びその複合化物の含有量が０％であることを特徴とする機械構造用部品。
【請求項７】
請求項５又は６において、上記外表面肉盛溶接層と該外表面肉盛溶接層に隣接する上記肉盛溶接部における上記肉盛溶接層との間のヤング率の差は、４０ＧＰａ以下であることを特徴とする機械構造用部品。
【請求項８】
鉄鋼材料よりなる基材を準備し、
該基材の表面に肉盛溶接用原料を供給して溶接することにより、純鉄又は鉄合金よりなるマトリックス相中に、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素及びＦｅから選択される１種以上の元素を含むホウ化物又は／及びその複合化物を体積率で１０〜７０％分散させた高剛性鋼よりなると共に、上記基材よりもヤング率が高い肉盛溶接層を１層又は複数層備えた肉盛溶接部を形成することを特徴とする機械構造用部品の製造方法。
【請求項９】
請求項８において、上記肉盛溶接部は、質量％で、Ｔｉ：４．２〜４０．０％、Ｂ：１．８〜１８．０％を含有し、かつ、上記ホウ化物又は／及びその複合化物のうち、体積率で５０％以上がＴｉＢ2であることを特徴とする機械構造用部品の製造方法。
【請求項１０】
請求項８又は９において、上記肉盛溶接部は、ヤング率の異なる複数の上記肉盛溶接層を積層して構成されており、該肉盛溶接層のヤング率は、上記基材に近いほど低く、該基材のヤング率との差が小さくなっていることを特徴とする機械構造用部品の製造方法。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか１項において、隣接する上記基材と上記肉盛溶接層との間及び該肉盛溶接層同士の間のヤング率の差は、４０ＧＰａ以下であることを特徴とする機械構造用部品の製造方法。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれか１項において、上記肉盛溶接用原料は、溶接することによって上記高剛性鋼となり得る粉末原料又は該粉末原料を所定形状に固めた原料よりなることを特徴とする機械構造用部品の製造方法。
【請求項１３】
請求項８〜１２のいずれか１項において、上記肉盛溶接用原料の溶接は、粉体プラズマ溶接、粉体レーザー溶接、ＴＩＧ溶接、アーク溶接のいずれかの方法を用いることを特徴とする機械構造用部品の製造方法。
【請求項１４】
請求項８〜１３のいずれか１項において、上記肉盛溶接部の表面に外表面肉盛溶接用原料を供給して溶接することにより、純鉄又は鉄合金よりなるマトリックス相を有すると共に、該マトリックス相中への４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素及びＦｅから選択される１種以上の元素を含むホウ化物又は／及びその複合化物の分散量が体積率で１０％未満である鉄鋼材料よりなる外表面肉盛溶接層を形成することを特徴とする機械構造用部品の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４において、上記外表面肉盛溶接層は、上記ホウ化物又は／及びその複合化物の含有量が０％であることを特徴とする機械構造用部品の製造方法。
【請求項１６】
請求項１４又は１５において、上記外表面肉盛溶接層と該外表面肉盛溶接層に隣接する上記肉盛溶接部における上記肉盛溶接層との間のヤング率の差は、４０ＧＰａ以下であることを特徴とする機械構造用部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡易な方法で効果的に高剛性化を図ることができる機械構造用部品及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械構造用鋼等の鉄鋼材料は、他の合金に比べ安価に入手可能であり、しかも合金の添加、焼入れ、焼戻し等の熱処理、浸炭、窒化等の表面硬化処理の実施によって、強度、靭性等の機械的特性を大幅に改善することができる。ところが、これらの機械的特性を改善しても、剛性はほとんど変化しないため、剛性を高める技術が強く要望されていた。
【０００３】
近年、上記要望に対応するために、高剛性鋼と呼ばれる材料が開発されている。この鋼は、通常の鋼に比べヤング率が高いため、高剛性化を図ることができる。また、鋼であることから、通常の鋼と同様に熱処理等による機械的特性の向上を図ることができる。このような高剛性鋼としては、例えば、特許文献１に示される鋼が開示されている。
【０００４】
特許文献１には、鉄又は鉄合金からなるマトリックス中に４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素及びＦｅを含むホウ化物又は／及びその複合化物を所定量分散させたことを特徴とする高剛性鋼について記載されている。この高剛性鋼は、高剛性のホウ化物を鋼のマトリックス相中に分散させることによって、鋼の持つ優れた特性を活かしつつヤング率を高めたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２１８０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載された高剛性鋼は、溶製法を用いて比較的大きな鋼塊を製造することにより、後述の焼結法と比較して多量生産が可能であるが、ＴｉＢ2等の高硬度のホウ化物を分散させるため、加工性が非常に悪く、複雑な形状の部品の製造は非常に困難である。また、溶製法以外にも、焼結法を用いて製造することも可能であるが、この場合には、大幅なヤング率の向上が可能である反面、溶製法に比べ多量生産がし難いという問題が生じる。
【０００７】
このようなことから、比較的容易な方法で効果的に高剛性化を図ることができる機械構造用部品及びその製造方法が望まれている。
【０００８】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、簡易な方法で効果的に高剛性化を図ることができる機械構造用部品及びその製造方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、鉄鋼材料よりなる基材と、
該基材の表面に肉盛溶接用原料を供給して溶接することにより形成してなる肉盛溶接層を１層又は複数層備えた肉盛溶接部とを有してなり、
上記肉盛溶接層は、純鉄又は鉄合金よりなるマトリックス相中に、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素及びＦｅから選択される１種以上の元素を含むホウ化物又は／及びその複合化物を体積率で１０〜７０％分散させた高剛性鋼よりなると共に、上記基材よりもヤング率が高いことを特徴とする機械構造用部品にある（請求項１）。
【００１０】
また、上記第１の発明の機械構造用部品を製造する方法の発明として、次の第２の発明がある。
第２の発明は、鉄鋼材料よりなる基材を準備し、
該基材の表面に肉盛溶接用原料を供給して溶接することにより、純鉄又は鉄合金よりなるマトリックス相中に、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素及びＦｅから選択される１種以上の元素を含むホウ化物又は／及びその複合化物を体積率で１０〜７０％分散させた高剛性鋼よりなると共に、上記基材よりもヤング率が高い肉盛溶接層を１層又は複数層備えた肉盛溶接部を形成することを特徴とする機械構造用部品の製造方法にある（請求項８）。
【発明の効果】
【００１１】
上記機械構造用部品は、基材の表面に肉盛溶接によって形成された１層又は複数層の肉盛溶接層を備えた肉盛溶接部を有している。そして、該肉盛溶接層は、ホウ化物又は／及びその複合化物を上記特定の範囲の体積率で分散させた高剛性鋼よりなると共に、基材よりもヤング率が高い。そのため、上記肉盛溶接部を設けた部位において、高剛性化を図ることができる。そして、高剛性化が必要な部位を選択的に高剛性化することで、部品全体の機械的特性を向上させることができる。
【００１２】
また、高剛性化が必要な部位に肉盛溶接をするだけで、選択的に部品の高剛性化を図ることができるので、部品全体を高剛性鋼により構成する場合に比べて、高剛性化に必要な材料が少なくて済むため、低コストで高剛性化を図ることができる。また、加工代も必要最低限に抑えることができ、製造性を高めると共に製造コストを抑えることができる。
【００１３】
また、上記肉盛溶接部は、基材の表面に肉盛溶接用原料を供給して溶接することにより形成する。すなわち、肉盛溶接用原料を溶接によって溶融凝固させることにより形成する。そのため、溶接時において、肉盛溶接用原料を急速凝固させ、高剛性化に寄与する上記ホウ化物又は／及びその複合化物の粒子を微細分散させることができる。これにより、強度特性（特に疲労強度）を向上させることもできる。
【００１４】
このように、本発明によれば、簡易な方法で効果的に高剛性化を図ることができる機械構造用部品及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１における、基材の表面に肉盛溶接部を形成した様子を示す説明図。
【図２】実施例２における、本発明の適用例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
上記第１及び第２の発明において、上記肉盛溶接層（肉盛溶接部）に分散させるホウ化物をＦｅ以外では、４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族元素に限定したのは、上記特許文献等ですでに公知となっている通り、これらのホウ化物のヤング率が高く、ヤング率を高めるのに適しているからである。
【００１７】
また、上記肉盛溶接層（肉盛溶接部）に分散させた上記ホウ化物及び／又はその複合化物の体積率を１０〜７０％としている。
上記体積率が１０％未満の場合には、肉盛溶接層自体は基材よりも剛性が高くなるが、部品全体としては高剛性化の効果が十分に得られないおそれがある。一方、７０％を超える場合には、溶接が困難となるおそれがある。また、溶接後においては、加工が困難となる。
【００１８】
なお、上記肉盛溶接層（肉盛溶接部）は、上記ホウ化物及び／又はその複合化物の体積率が１０〜７０％であれば、純鉄又は鉄合金よりなるマトリックス相の組成は問わず、高剛性の肉盛溶接層を得ることができる。ただし、Ｔｉ等のホウ化物及び／又はその複合化物を形成している元素は、炭素と結合し易いため、マトリックス相に含まれる炭素量は、少ないほうが望ましい。
【００１９】
また、上記肉盛溶接部は、質量％で、Ｔｉ：４．２〜４０．０％、Ｂ：１．８〜１８．０％を含有し、かつ、上記ホウ化物又は／及びその複合化物のうち、体積率で５０％以上がＴｉＢ2であることが好ましい（請求項２、９）。
ここで、ＴｉＢ2は、ホウ化物の中でもヤング率が高く、密度が低いという特徴を有している。また、凝固時にＴｉとＢを含む原料を添加することによって、容易に安定したホウ化物として生成させることができる。したがって、ヤング率向上効果及び製造性の点を考慮すると、他のホウ化物を使用する場合と比較して大きく優れているため、分散させる上記ホウ化物又は及びその複合化物のうち、体積率で５０％以上をＴｉＢ2とすることが好ましい。一方、体積率が５０％未満の場合には、ヤング率向上効果が小さくなるおそれがある。
【００２０】
また、上記ホウ化物又は／及びその複合化物に含まれるＴｉＢ2の体積率を５０％以上とするためには、添加するＴｉ、Ｂの量を適切に調整することが好ましく、その範囲をＴｉは４．２〜４０．０％、Ｂは１．８〜１８．０％とすることが好ましい。また、ＴｉＢ2以外のホウ化物の生成を抑制するためには、ＴｉとＢの添加量のバランスがとれていることが必要であり、特にＢがＴｉの添加量と比較して過剰添加でないことが好ましい。すなわち、ＴｉとＢの配合比が原子数比で１：２（質量比でＴｉ／Ｂ＝２．２１５）に近くなるようにすることが好ましい。これにより、ＴｉＢ2の比率を高めることができる。
【００２１】
また、上記肉盛溶接部は、ヤング率の異なる複数の上記肉盛溶接層を積層して構成されており、該肉盛溶接層のヤング率は、上記基材に近いほど低く、該基材のヤング率との差が小さくなっていることが好ましい（請求項３、１０）。
この場合には、上記肉盛溶接部における複数の上記肉盛溶接層にヤング率の傾斜を持たせ、さらに隣接する上記基材と上記肉盛溶接層との間及び該肉盛溶接層同士の間のヤング率の差を小さくすることができる。そのため、ヤング率の差が大きい場合に生じる溶接界面での剥離を抑制することができる。
なお、上記肉盛溶接層のヤング率は、上記ホウ化物及び／又はその複合化物の体積率を変更することによって調整することができる。
【００２２】
また、隣接する上記基材と上記肉盛溶接層との間及び該肉盛溶接層同士の間のヤング率の差は、４０ＧＰａ以下であることが好ましい（請求項４、１１）。
上記肉盛溶接部にかかる負荷応力は、部品によって異なる。したがって、負荷が大きい部品に本発明を適用する際、ヤング率の差が４０ＧＰａを超える場合には、隣接する上記基材と上記肉盛溶接層との間又は該肉盛溶接層同士の間の溶接界面において剥離が生じるおそれがある。そのため、ヤング率の差が４０ＧＰａを超える場合には、両者の間にヤング率の値が中間の上記肉盛溶接層をもう１層又は複数層設け、ヤング率の差が小さくなるようにすることが好ましい。
【００２３】
また、上記肉盛溶接部を複数の上記肉盛溶接層によって構成した場合には、該肉盛溶接層の厚みは、各層同じ厚みとしてもよいし、各層異なる厚みとしてもよい。また、本発明の目的は、剛性を高めることであるため、例えば最も高いヤング率からなる上記肉盛溶接層の厚みを他の層に比べて厚くすることにより、得られるヤング率を高めることが可能である。
【００２４】
上記製造方法に用いる上記肉盛溶接用原料は、溶接することによって上記高剛性鋼となり得る粉末原料又は該粉末原料を所定形状に固めた原料よりなることが好ましい（請求項１２）。
この場合には、上記肉盛溶接用原料の均一性を十分に確保することができるため、溶接することによって得られる高剛性鋼よりなる上記肉盛溶接部の品質安定化を図る、つまりヤング率のばらつきを低減することができる。
また、上記肉盛溶接用原料として、１又は複数種類の粉末を混合したものを使用することにより、上記肉盛溶接層（肉盛溶接部）の成分調整が容易となる。また、従来の溶製法等に比べて製造コストを大幅に低減することができる。
【００２５】
上記肉盛溶接原料として粉末原料を用いる場合には、粉末ができるだけ均一となるように混合することが好ましい。混合が十分でなく不均一な場合には、溶接後の性能が場所によって不均一となる可能性があるので、注意が必要である。
また、粉末原料の混合方法としては、特に制約はなく、Ｖ型混合機、ボールミル、振動ミル等を用いることができる。
【００２６】
上記肉盛溶接原料として粉末原料を所定形状に固めた原料、例えば粉末原料を棒状に圧粉成形して焼結した溶接棒を用いる場合には、圧延、引抜等によって狙いとする寸法形状に加工することが好ましい。
なお、粉末原料を焼結して溶接棒を作製する場合、焼結工程では、焼結中に雰囲気ガスと原料粉末とが反応することによる酸化物の生成を抑制する必要がある。また、酸化物が生成しても、その生成量が使用上問題となるレベル以下に抑えることが必要である。
【００２７】
上記粉末原料としては、狙いとする成分に調整されたアトマイズ粉末を用いることができ、それ以外にもホウ化物原料とそれ以外の原料とを混合した混合粉末を用いることができる。
上記ホウ化物原料としては、すでにホウ化物となっている市販の粉末や、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素を含む粉末（フェロアロイ粉末等）とフェロボロン粉末との混合粉末等を用いることができる。これらは、溶接時の凝固する際に起きる反応等により、ホウ化物又はその複合化物を生成する。
上記ホウ化物原料以外の原料としては、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素を含む粉末フェロアロイ粉末や、最終的に目的とする成分に近い成分からなる粉末（例えば、Ｆｅ−Ｃｒを主体とするのであれば、ステンレス鋼粉末）や、純鉄等の金属粉末等を用いることができる。
【００２８】
また、上記粉末原料の粒径は、２０〜３００μｍであることが好ましい。
粉末原料の粒径が２０μｍ未満の場合には、溶接時において、粉末原料が粉末供給経路に詰まったり、飛散したりして溶接作業性を極端に低下させるおそれがある。一方、３００μｍを超える場合には、溶接時に溶融不良を起こしたり、上記肉盛溶接層（肉盛溶接部）内のホウ化物が粗大化したりするおそれがある。よって、大粒の粉末原料を使用する場合には、ボールミル、振動ミル、アトライタ等の各種粉砕機で粉砕し、所望の粒度まで調整することが必要である。
【００２９】
また、上記肉盛溶接用原料の溶接は、粉体プラズマ溶接、粉体レーザー溶接、ＴＩＧ溶接、アーク溶接のいずれかの方法を用いて行うことが好ましい（請求項１３）。
例えば、上記肉盛溶接用原料として粉末原料を用いた場合には、粉体プラズマ溶接や粉体レーザー溶接を用いて行うことが好ましい。また、上記肉盛溶接用原料として粉末原料を圧粉成形又は焼結した溶接棒を用いた場合には、ＴＩＧ溶接やアーク溶接を用いて行うことが好ましい。これにより、肉盛溶接を容易に行うことができる。
【００３０】
溶接方法は、高剛性化を図りたい部位の形状や領域の大きさ等によって、適宜選定すればよい。
また、溶接時には、大気との接触及び酸化物の生成を防止することができる溶接方法及び溶接条件とすることが好ましい。また、溶接条件（例えば、電流、溶接速度等）は、使用する上記肉盛溶接用原料や溶接手法によって異なり、欠陥（溶融不良等）を起こさない条件を選定することが好ましい。
【００３１】
また、溶接時における予熱は、特に制約はないが、溶接性を良くするために、３００〜５００℃程度にすることが好ましい。ただし、予熱によって部品性能が変化するものは、できるだけ予熱しないほうが良い。
また、溶接時における後熱は、溶接後の欠陥生成防止のために重要であり、４００〜５００℃程度に再加熱した後に徐冷することが好ましい。ただし、後熱によって部品性能が変化するものは、後熱温度を下げたり、ピーニングをすることにより残留応力を除去したりする等の必要がある。また、溶接後に調質処理等によって変態点以上の温度に加熱する部品は、後熱を省略しても問題ない。
【００３２】
また、上述した上記肉盛溶接部は、ホウ化物を含有している。ホウ化物自体は、Ｔｉホウ化物も含め、極めて高硬度の物質であるため、これらが多量に分散された上記肉盛溶接部は、通常の機械構造用鋼に比べて加工が難しくなる。
特に、肉盛溶接を行った場合には、最後に最終目的の形状に機械加工する必要があるため、本発明のようにホウ化物を分散させた上記肉盛溶接層を肉盛溶接して上記肉盛溶接部を形成した場合には、数個単位の単品加工性はクリアできるものの、最低数百個、多ければ数万個以上のレベルで量産するような場合に要求される量産加工性はクリアできない場合が生じる。
したがって、量産加工性が要求される場合には、上記肉盛溶接部の表面にさらに加工が容易な層を設けることが好ましい。
【００３３】
そこで、例えば、上記肉盛溶接部の表面には、外表面肉盛溶接用原料を供給して溶接することにより形成してなる外表面肉盛溶接層が設けられており、該外表面肉盛溶接層は、純鉄又は鉄合金よりなるマトリックス相を有すると共に、該マトリックス相中への４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素及びＦｅから選択される１種以上の元素を含むホウ化物又は／及びその複合化物の分散量が体積率で１０％未満である鉄鋼材料よりなる構成とすることが好ましい（請求項５、１４）。
【００３４】
すなわち、この場合には、上記基材の表面に上記肉盛溶接部を設け、さらに仕上げ面となる部分に、上記ホウ化物又は／及びその複合化物の体積率が上記肉盛溶接部よりも低く（１０％未満）又はこれらを全く含有しておらず（０％）、上記肉盛溶接部に比べて加工が容易な上記外表面肉盛溶接層を設ける。そのため、外表面を上記肉盛溶接部とする場合に比べて加工性を高めることができる。これにより、高剛性化という本発明の効果を維持しつつ、仕上げ加工が容易となり、加工性、特に量産加工性を高めることができる。
また、上記外表面肉盛溶接層に分散させた上記ホウ化物又は／及びその複合化物の体積率が１０％以上の場合には、外表面の加工性を高めるという効果を十分に得ることができないおそれがある。
【００３５】
また、上記外表面肉盛溶接層は、上記ホウ化物又は／及びその複合化物の含有量が０
％であることが好ましい（請求項６、１５）。
この場合には、上記ホウ化物又は／及びその複合化物が含有されている場合よりも、上記外表面肉盛溶接層の加工性をさらに高めることができる。そのため、仕上げ加工がさらに容易となり、量産加工性をより一層高めることができる。
【００３６】
また、上記外表面肉盛溶接用原料の形態としては、上記肉盛溶接用原料と同様に、粉末原料又は該粉末原料を所定形状に固めた原料（溶接棒等）を用いることができる。
また、上記外表面肉盛溶接用原料の溶接方法としては、上記肉盛溶接用原料と同様に、粉体プラズマ溶接、粉体レーザー溶接、ＴＩＧ溶接、アーク溶接等の方法を用いることができる。
【００３７】
また、上記外表面肉盛溶接原料に用いる材料としては、仕上げ加工を容易にすることを目的として形成される層であるため、加工性に最も影響の大きいホウ化物やその複合化物の含有量を１０％未満又は０％とした鉄鋼材料を選択することが好ましい。
また、上記外表面肉盛溶接原料として用いる材料を選択する際には、肉盛溶接後において得られる部品強度等の特性を考慮して選択することが必要である。特に、表面の状態（材料組成、組織、硬度等）は、部品強度に及ぼす影響が大きいことが多く、基本的には基材と同じ材料か、それが困難である場合には可能な限り基材に近い特性が得られる材料を選択し、必要な熱処理を行うことが理想的である。
【００３８】
しかしながら、基材の材質によっては、溶接性が悪く、溶接自体が困難な場合がある。そのような場合には、以下に説明する考え方で材料を選択し、上記外表面肉盛溶接原料として用いればよい。
例えば、剛性を高める以外に特に優れた特性が要求されないような場合には、低炭素鋼の溶接棒のように比較的安価で溶接性が良い材料を選択することが望ましい。
また、強度、耐食性、耐熱性等の特殊な特性が要求される場合には、それぞれの要求特性に応じた最適なステンレス鋼、耐熱鋼、高合金鋼等の溶接棒、溶接ワイヤ、粉末等の材料を選択することが望ましい。このような材料としては、例えば、ＪＩＳ規格によるＺ３２１１、Ｚ３２２１、Ｚ３２２３、Ｚ３２５１、Ｚ３３１６、Ｚ３３１７、Ｚ３３２１、Ｚ３３２３、Ｚ３３２４、Ｚ３３２６等が挙げられる。
【００３９】
また、上記外表面肉盛溶接層と該外表面肉盛溶接層に隣接する上記肉盛溶接部における上記肉盛溶接層との間のヤング率の差は、４０ＧＰａ以下であることが好ましい（請求項７、１６）。
上記肉盛溶接部及び上記外表面肉盛溶接層にかかる負荷応力は、部品によって異なる。したがって、負荷が大きい部品に本発明を適用する際、ヤング率の差が４０ＧＰａを超える場合には、隣接する上記外表面肉盛溶接層と上記肉盛溶接部における上記肉盛溶接層との間において剥離が生じるおそれがある。
【００４０】
また、上記外表面肉盛溶接層を肉盛溶接する際に、すでに肉盛溶接済みの上記肉盛溶接層との間でヤング率の差が大きい場合（ヤング率の差が４０ＧＰａを超える場合）には、その間に中間のヤング率からなる上記肉盛溶接層を肉盛溶接し、ヤング率の差が４０ＧＰａ以下となるようにすることが好ましいことは、上述したとおりである。
【００４１】
また、上記外表面肉盛溶接層は、すでに説明したように仕上げ加工を容易にすることを目的としており、その厚みは最終仕上げのための機械加工を可能にするために必要な最低限の厚さとすることが好ましい。すなわち、ホウ化物を分散し、ヤング率を高めた上記肉盛溶接層を形成して部品の高剛性化を図ったとしても、例えばヤング率が通常レベルである加工容易な上記外表面肉盛溶接層の厚みを厚くした場合には、高剛性化の効果が十分に得られないおそれがある。
【実施例】
【００４２】
（実施例１）
本発明の実施例にかかる機械構造用部品について説明する。
本例では、表１に示すごとく、肉盛溶接用原料としての１６種類の溶接材（溶接材ａ〜ｐ）及び外表面肉盛溶接用原料としての３種類の溶接材（溶接材ｘ、ｙ、ｚ）を用意し、表２に示すごとく、本発明の実施例としての供試材（実施例Ｅ１〜Ｅ２２）、比較例としての供試材（比較例Ｃ１〜Ｃ５）を作製し、ヤング率、剥離性、溶接性、単品加工性、量産加工性を評価する試験を行った。
【００４３】
具体的には、図１（ａ）、（ｂ）に示すごとく、基材２の表面２０に各種溶接材（溶接材ａ〜ｐ）を所定の条件で肉盛溶接した後、機械加工により所定の形状に切り出した。これにより、基材２の表面２０に１層又は複数層の肉盛溶接層３１を備えた肉盛溶接部３を形成した供試材１（実施例Ｅ１〜Ｅ１５、比較例Ｃ１、Ｃ２）を作製した。なお、一例として、図１（ａ）には、肉盛溶接層３１が１層のもの、図１（ｂ）には、肉盛溶接層３１が２層のものを示してある。
また、さらに、図１（ｃ）に示すごとく、肉盛溶接部３上に溶接材ｘ、ｙ、ｚを所定の条件で肉盛溶接した。これにより、肉盛溶接部３上に外表面肉盛溶接層４を形成した供試材１（実施例Ｅ１６〜Ｅ２２、比較例Ｃ３〜Ｃ５）を作製した。
【００４４】
本例において、基材としては、ＳＫＤ６１を用い、所定の焼入焼戻し処理された鋼材から１５×１００×１３０ｍｍの寸法としたものを用いた。基材のヤング率は、２１０ＧＰａである。
また、溶接材ａ〜ｐの材料としては、粒径４０〜７０μｍの二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）、粒径５０〜１５０μｍのフェロボロン（Ｆｅ−２０％Ｂ）、粒径５０〜１５０μｍのフェロチタン（Ｆｅ−４０％Ｔｉ）、粒径４０〜１００μｍのチタン（Ｔｉ）、粒径５０〜１５０μｍの鉄基材（Ｆｅ−３％Ｃｒ−０．４％Ｍｏ）、粒径１．０〜１．５μｍのホウ化タンタル（ＴａＢ2）、粒径５０〜１５０μｍのフェロクロム（Ｆｅ−７０％Ｃｒ）、粒径５０〜１５０μｍのフェロモリブデン（Ｆｅ−７０％Ｍｏ）、粒径５０〜１５０μｍのフェロニオブ（Ｆｅ−７０％Ｎｂ）、粒径５０〜１５０μｍのフェロバナジウム（Ｆｅ−８０％Ｖ）の各粉末を、肉盛溶接部のホウ化物及びその複合化物（以下、適宜、ホウ化物という）の体積率等が所定の値となるように混合した混合粉末を用いた。また、これらの溶接材ａ〜ｐの形態としては、上記混合粉末又はこれを棒状に圧粉成形して焼結してなる溶接棒を用いた。
【００４５】
また、溶接材ｘは、Ｔ−ＳＤ−１（特殊電極製）の溶接棒であり、その組成がＪＩＳ規格によるＳＫＤ６１相当である。
また、溶接材ｙは、ＮＣＦ０８（特殊電極製）の溶接棒であり、その組成がＪＩＳ規格によるＳＵＳ３０４相当である。
また、溶接材ｚは、Ｆｅ−０．１％Ｃ−３．０％Ｃｒの鉄鋼材料の粉末（粒径５０〜１５０μｍ）よりなる。
なお、これらの溶接材ｘ、ｙ、ｚは、いずれもホウ化物及びその複合化物の含有量が０％である。
【００４６】
また、溶接方法としては、粉体プラズマ溶接を用いた。溶接条件は、溶接電流：１８０Ａ、プラズマガス：３Ｌ／ｍｉｎ、シールドガス：１５Ｌ／ｍｉｎ、キャリアガス：５Ｌ／ｍｉｎ、供給量：２５ｇ／ｍｉｎ、溶接速度：８０ｍｍ／ｍｉｎ、ウィービング幅：１２ｍｍとした。
【００４７】
次に、各種溶接材（溶接材ａ〜ｐ、ｘ、ｙ、ｚ）を肉盛溶接して形成された肉盛溶接層及び外表面肉盛溶接層の特性について、表１に示す。
ホウ化物の種類の判定は、肉盛溶接層又は外表面肉盛溶接層についてＥＰＭＡ分析装置を用いて行った。
ホウ化物の体積率は、肉盛溶接層又は外表面肉盛溶接層における任意に選択した面積が１ｍｍ2の視野を対象に、画像解析装置を用いて面積率（＝体積率）を測定するという手順により求めた。なお、表中には、ホウ化物及びその複合化物の体積率が本発明の範囲（１０〜７０％）から外れているものを×印として示した。
ホウ化物に占めるＴｉＢ2の比率は、色調判別によりＴｉＢ2と判断できた粒子の面積率（＝体積率）を画像解析装置で測定することにより求めた。
ヤング率は、肉盛溶接層又は外表面肉盛溶接層単独のヤング率であり、後述の方法と同様の方法で測定した。
【００４８】
表１に示すごとく、溶接材ａ、ｈを肉盛溶接して形成された肉盛溶接層は、ホウ化物及びその複合化物の体積率が本発明の範囲（１０〜７０％）から外れている。
また、溶接材ｘ、ｙ、ｚを肉盛溶接して形成された外表面肉盛溶接層は、最終仕上げ加工を容易にするために溶接した層であって、ホウ化物及びその複合化物の含有量が０％のものである。
【００４９】
【表１】
2010167492.tif 000003
【００５０】
次に、作製した供試材（実施例Ｅ１〜Ｅ２２、比較例Ｃ１〜Ｃ５）を表２に示す。
機械加工により切り出した供試材の厚みは、基材と肉盛溶接部との合計で１０ｍｍとなるようにした。また、肉盛溶接部を複数の肉盛溶接層により構成する場合には、各肉盛溶接層が均等な厚みとなるようにした。ただし、実施例Ｅ２０及び比較例Ｃ５については、表２に示すとおり、溶接材ｎからなる層の厚みを変更して作製した。なお、表中の「層の構成」には、基材に対して溶接した複数の溶接材を左から順に記載した。
また、層間ヤング率の最大差とは、隣接する肉盛溶接層同士の間、基材と肉盛溶接層との間、肉盛溶接層と外表面肉盛溶接層との間のヤング率の差のうち最大のものである。
【００５１】
表２に示すごとく、実施例Ｅ２〜Ｅ５、Ｅ７、Ｅ１４は、肉盛溶接部が複数の肉盛溶接層により構成されており、その肉盛溶接層のヤング率が基材に近いほど低く、基材から遠いほど高くなっている。
また、実施例Ｅ１７、Ｅ１８は、肉盛溶接部が複数の肉盛溶接層により構成されており、その肉盛溶接層のヤング率が中央へ行くほど高く、外側へ行くほど（基材又は外表面肉盛溶接層に近いほど）低くなっている。本例では、実施例Ｅ１７は、中央の溶接材ｅを溶接材ｄ、ｂで順に挟み込むようなサンドイッチ構造となっている。また、実施例Ｅ１８も、中央の溶接材ｇを溶接材ｆ、ｅ、ｄ、ｂで順に挟み込むようなサンドイッチ構造となっている。さらに、実施例Ｅ１７、Ｅ１８は、肉盛溶接部を基材とその基材のヤング率に近いヤング率を有する溶接材ｚで挟み込むようなサンドイッチ構造となっている。
また、実施例１６、Ｅ１９〜Ｅ２２、比較例Ｃ３〜Ｃ５についても、肉盛溶接部を基材とその基材のヤング率に近いヤング率を有する溶接材ｘ、ｙ、ｚで挟み込むようなサンドイッチ構造となっている。
【００５２】
【表２】
2010167492.tif 000004
【００５３】
次に、表２に示す供試材（実施例Ｅ１〜Ｅ２２、比較例Ｃ１〜Ｃ５）について、各試験及びその評価を行った。
ヤング率は、供試材より１０×１０×１０ｍｍの立方体試験片を切り出し、水晶振動子を用いた複合振動子法により測定した。水晶振動子の共振周波数は、１１０．２５ＫＨｚである。測定方向は、積層した肉盛溶接層及び外表面肉盛溶接層に対して垂直な方向（積層方向）である。そして、基材のヤング率（２１０ＧＰａ）に対してヤング率向上効果が５％以下の場合には、基準を満たさないものとした。
【００５４】
剥離性は、供試材より１０×１０×５０ｍｍの試験片を切り出し、２５ｔオートグラフを用いて３点曲げ試験により試験片を破断させ、得られた破面及び試験片側面を観察して亀裂が存在しなければ、破面形態の基準を満たすものとした。
また、部品によっては、要求強度が低いものもあり、その判断基準として得られた荷重−変位線図の最大荷重の７５％をしきい値とし、それ以下で急激な荷重変化が認められなければ、荷重変化の基準を満たすものとした。ここで、荷重−変位線図の急激な荷重変化とは、一般にチップインと呼ばれる亀裂の発生により生じたものである。
【００５５】
溶接性は、供試材について、溶接内部に溶融不良や３０μｍ以上の連続するブローホールがなければ、基準を満たすものとした。
単品加工性は、供試材についてエンドミルによる切削試験を行い、切削距離５００ｍｍにおいて刃具磨耗量が所定量（０．３ｍｍ）以下であれば、刃具を交換することなく単品加工が可能とみなすことができ、基準を満たすものとした。
量産加工性は、供試材についてエンドミルによる切削試験を行い、切削距離５０００ｍｍにおいて刃具磨耗量が所定量（０．３ｍｍ）以下であれば、刃具を交換することなく１００個単位での連続加工が可能とみなすことができ、基準を満たすものとした。
【００５６】
そして、表２に示すごとく、ヤング率の評価は、基準を満たさないものを×印として示した。
また、剥離性のうちの破面形態（破断後の破面及び試験片側面の亀裂有無）の評価は、基準を十分に満たしているものを◎印、基準を満たしているものを○印、基準を満たしていないものを×印として示した。
また、剥離性のうちの荷重変化の評価は、基準を満たしているものを○印、基準を満たしていないものを×印として示した。
【００５７】
また、溶接性の評価は、基準を十分に満たしているものを◎印、基準を満たしているものを○印、基準を満たしていないものを×印として示した。
また、単品加工性の評価は、基準を満たしており、切削距離５００ｍｍにおける刃具磨耗量が０．２ｍｍ以下であるものを◎印、０．２ｍｍ超え０．３ｍｍ以下であるものを○印、基準を満たしていないものを×印として示した。
また、量産加工性の評価は、基準を満たしており、切削距離５０００ｍｍにおける刃具磨耗量が０．１ｍｍ以下であるものを◎印、０．１ｍｍ超え０．３ｍｍ以下であるものを○印、基準を満たしていないものを×印として示した。
【００５８】
次に、本発明の実施例としての供試材（実施例Ｅ１〜Ｅ２２）における作用効果について、比較例としての供試材（比較例Ｃ１〜Ｃ５）と比較して説明する。
表２の結果からわかるように、本発明の実施例Ｅ１〜Ｅ１２は、肉盛溶接層が、ホウ化物及びその複合化物を上記特定の範囲の体積率（１０〜７０％）で分散させた高剛性鋼よりなると共に、基材よりもヤング率が高い。また、層間ヤング率の最大差が４０ＧＰａ以下である。そのため、ヤング率、剥離性（破面形態・荷重変化）、溶接性及び単品加工性については基準を満たしていた。
【００５９】
また、実施例Ｅ１３〜Ｅ１５は、層間ヤング率の最大差が４０ＧＰａを超えているため、３点曲げ試験により破断に至るまでには、チップインと呼ばれる亀裂の発生が認められ、剥離性のうちの破面形態については基準を満たさなかった。しかし、最大荷重の７５％までの範囲では、亀裂の発生は生じなかったため、荷重変化については基準を満たしていた。また、その他のヤング率、溶接性及び単品加工性については基準を満たしていた。
したがって、比較的負荷の小さい部品に対しては、剥離性についても問題がなく、適用が可能であると考えられるが、負荷の大きい部品に適用する場合には、層間ヤング率の最大差を４０ＧＰａ以下にすることが好ましいことが確認できた。
【００６０】
本発明の実施例Ｅ１〜Ｅ１５に対して、比較例Ｃ１は、肉盛溶接層（溶接材ａ）におけるホウ化物の体積率が低いため、ヤング率については基準を満たさなかった。すなわち、高剛性化の効果を十分に得ることができなかった。
また、比較例Ｃ２は、肉盛溶接層（溶接材ｈ）におけるホウ化物の体積率が高く、層間ヤング率の最大差も４０ＧＰａを超えている。そのため、高いヤング率が得られるが、剥離性（破面形態・荷重変化）、溶接性及び単品加工性については基準を満たさなかった。
【００６１】
また、同表の結果からわかるように、実施例Ｅ１〜Ｅ１５は、外表面が体積率で１０％以上のホウ化物を含有する高剛性鋼よりなる肉盛溶接部であり、加工が容易であるとはいえず、数個程度の加工であれば刃具を交換しなくても済む単品加工性については基準を満たしていたが、量産加工性については基準を満たさなかった。
一方、実施例Ｅ１６〜Ｅ２２は、肉盛溶接部の外側にホウ化物を含有しない外表面肉盛溶接層を設けることにより、外表面が体積率で１０％以上のホウ化物を含有する高剛性鋼よりなる肉盛溶接部である実施例Ｅ１〜Ｅ１５に比べて、加工性を高めることができる。そのため、量産加工性についても基準を満たすものとなった。
【００６２】
なお、外表面肉盛溶接層は、ホウ化物を全く含有しない層だけでなく、体積率で１０％未満のホウ化物及びその複合化物を含有する層であっても、加工性を改善する効果が得られる。これは、ホウ化物の体積率が９％である溶接材ａ（表１参照）を用いて肉盛溶接部を形成した比較例Ｃ１の量産加工性の評価が○であることからも明らかである（表２参照）。
しかしながら、加工性をより優れたものとする場合には、ホウ化物を０％とした材料を用いたほうが望ましいのはもちろんである。
【００６３】
本発明の実施例Ｅ１６〜Ｅ２２に対して、比較例Ｃ３は、肉盛溶接部の外側に外表面肉盛溶接層を設けたものの、肉盛溶接層（溶接材ａ）におけるホウ化物の体積率が低いため、ヤング率について基準を満たさなかった。すなわち、高剛性化の効果を十分に得ることができなかった。
また、比較例Ｃ４は、同様に肉盛溶接部の外側に外表面肉盛溶接層を設けたものの、層間ヤング率の最大差が４０ＧＰａを超えているため、剥離性（破面形態・荷重変化）について基準を満たさなかった。
また、比較例Ｃ５は、同様に肉盛溶接部の外側に外表面肉盛溶接層を設けたものの、肉盛溶接層（溶接材ｎ）の厚みが薄かったことで高剛性化の効果を十分に得ることができず、ヤング率について基準を満たさなかった。
【００６４】
このように、上記の結果から、本発明は、機械構造用部品について、高い剛性が必要な部位に肉盛溶接を行い、ホウ化物を上記特定の範囲の体積率で分散させた高剛性鋼よりなる肉盛溶接部を設けることにより、その部位について高剛性化を図ると共に、高剛性化が必要な部位を選択的に高剛性化することで、部品全体の機械的特性を向上させることができることがわかった。また、溶接性、単品加工性についても、十分に確保することができることがわかった。また、層間ヤング率の最大差を上記特定の範囲とすることにより、負荷が大きい部品に対しても剥離性を十分に確保することができることがわかった。
【００６５】
また、肉盛溶接部上にさらに外表面肉盛溶接層を設けることにより、外表面がホウ化物を体積率で１０％以上含有する高剛性鋼よりなる肉盛溶接部である場合に比べて、加工性を高めることができることがわかった。そして、これにより、高剛性化という本発明の効果を維持しつつ、仕上げ加工が容易となり、加工性、特に量産加工性を高めることができることがわかった。
【００６６】
（実施例２）
本例は、本発明の機械構造用部品の適用例について説明したものである。
図２（ａ）は、エンジン等に用いられる機械構造用部品であるクランクシャフト１ａに適用した例である。本例では、クランクシャフト１ａのショルダー部１１ａに肉盛溶接部３を形成してある。
図２（ｂ）は、同じくエンジン等に用いられる機械構造用部品であるコンロッド１ｂに適用した例である。本例では、コンロッド１ｂのピン受け部１１ｂに肉盛溶接部３を形成してある。
図２（ｃ）は、ＣＶＴ（無段変速機）に用いられる機械構造用部品であるＣＶＴシャフト１ｃに適用した例である。本例では、ＣＶＴシャフト１ｃの軸部１１ｃ及び軸付け根部１２ｃに肉盛溶接部３を形成してある。
【００６７】
いずれの例においても、必要な部位を選択して肉盛溶接を行い、肉盛溶接部を設けることにより、機械構造用部品について、簡易な方法で効果的に高剛性化を図ることができる。そのため、従来提案されていた溶製高剛性鋼を用いて部品全体を高剛性鋼で製造する場合に比べて、はるかに低コストで高剛性化を達成することができ、その効果は極めて顕著である。
【００６８】
また、本例において、肉盛溶接部上に、さらに実施例１において示した外表面肉盛溶接層を設けることにより、外表面がホウ化物を体積率で１０％以上含有する高剛性鋼よりなる肉盛溶接部である場合に比べて、加工性を高めることができる。これにより、上述したような機械構造用部品の仕上げ加工が容易となり、加工性、特に量産加工性を高めることができる。
【符号の説明】
【００６９】
２  基材
２０  表面
３  肉盛溶接部
３１  肉盛溶接層
【図１】
2010167492.tif 000005
【図２】
2010167492.tif 000006