(57)【要約】【課題】簡易な方法で効果的に全体の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１は、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肉盛溶接部１１を形成した後に基材２を除去して肉盛溶接部１１のみにより構成してある。肉盛溶接部１１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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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肉盛溶接部を形成した後に上記基材を除去して上記肉盛溶接部のみにより構成してあり、
該肉盛溶接部は、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／及びその複合化物は、ＴｉＢ2が体積率で５０％以上を占めることを特徴とする機械構造用部品。
【請求項３】
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肉盛溶接部を形成し、
その後、上記基材を除去して上記肉盛溶接部のみと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４】
請求項３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／及びその複合化物は、ＴｉＢ2が体積率で５０％以上を占めることを特徴とする機械構造用部品の製造方法。
【請求項５】
請求項３又は４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６】
請求項３〜５のいずれか１項において、上記溶接は、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。
【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全体の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が記載されている。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。
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。
【０００７】
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全体の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】
【０００８】
第１の発明は、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肉盛溶接部を形成した後に上記基材を除去して上記肉盛溶接部のみにより構成してあり、
該肉盛溶接部は、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ことを特徴とする機械構造用部品にある（請求項１）。
【０００９】
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、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肉盛溶接部を形成し、
その後、上記基材を除去して上記肉盛溶接部のみと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３）。
【発明の効果】
【００１０】
上記機械構造用部品は、上記基材の表面に上記肉盛溶接部を肉盛溶接により形成した後に上記基材を除去し、残った上記肉盛溶接部のみにより構成されている。そして、該肉盛溶接部は、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。すなわち、上記機械構造用部品は、簡易な方法により、全体をヤング率の高い高剛性鋼で構成したものとなる。これにより、部品全体の高剛性化を容易かつ効果的に図ることができると共に、併せて部品全体の機械的特性を向上させることができる。
【００１１】
また、上記肉盛溶接部は、上記基材の表面に上記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、該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、上記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、強度特性を向上させることもできる。
【００１２】
このように、本発明によれば、簡易な方法で効果的に全体の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】
【００１３】
【図１】実施例における、肉盛溶接部のみにより構成された機械構造用部品（供試材）を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明において、上記機械構造用部品を構成する上記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。
【００１５】
また、上記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、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、加工が困難となるおそれがある。
【００１６】
なお、上記肉盛溶接部は、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、高剛性の肉盛溶接部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。
【００１７】
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、４）。
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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５）。
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、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。
【００２３】
また、上記粉末原料の粒径は、２０〜３００μｍであることが好ましい。
上記粉末原料の粒径が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。
【００２４】
また、上記溶接は、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６）。
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。
【００２５】
また、上記溶接方法は、最終的に得ようとする部品の形状や大きさ等によって、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。
【００２６】
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。
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。
【００２７】
また、肉盛溶接によって形成した上記肉盛溶接部から上記基材を除去する方法としては、ワイヤカット、砥石やバンドソーによる切断加工、研削加工等の方法を用いることができる。
また、上記基材を除去した後、上記肉盛溶接部に対して所望の形状となるように切削等の加工を施してもよい。また、切削等の加工を必要としない場合には、そのような加工を行わなくてもよい。
【００２８】
また、上記機械構造用部品は、例えば、音響用スピーカーの振動板、試験評価用設備の治具、プッシュロッドやコンロッド等の自動車部品等に適用することができる。特に、比較的小物で高剛性が要求される部品に適している。
【実施例】
【００２９】
本発明の実施例にかかる機械構造用部品及びその製造方法について説明する。
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）を用意し、本発明の機械構造用部品における実施例としての供試材（実施例Ｅ１〜Ｅ１４）、比較例としての供試材（比較例Ｃ１、Ｃ２）を作製し、ヤング率、溶接性、加工性を評価する試験を行った。
【００３０】
具体的には、まず、図１（ａ）に示すごとく、基材２の表面２０に各種溶接材を用いて所定の条件で肉盛溶接を行い、肉盛溶接部１１を形成した。
その後、図１（ｂ）に示すごとく、ワイヤカットにより肉盛溶接部１１から基材２を除去し、肉盛溶接部１１のみにより構成された機械構造用部品の供試材１（実施例Ｅ１〜Ｅ１４、比較例Ｃ１、Ｃ２）を作製した。
【００３１】
なお、本例では、基材としては、１５×１００×１３０ｍｍのＳＫＤ６１相当（Ｆｅ−５％Ｃｒ）を用いた。
また、溶接材の材料としては、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。
【００３２】
また、溶接材の形態としては、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。
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、パス数：１０パス、予熱：なし、後熱：なし、とした。
【００３３】
次に、各種溶接材（溶接材ａ〜ｐ）を用いて肉盛溶接により形成された肉盛溶接部の特性について、表１に示す。
ホウ化物の種類の判定は、ＥＰＭＡ分析装置を用いて行った。
ホウ化物の体積率は、肉盛溶接部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。
ホウ化物及びその複合化物に占める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。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
次に、表１に示す供試材（実施例Ｅ１〜Ｅ１４、比較例Ｃ１、Ｃ２）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とした。測定方向は、肉盛溶接部の厚み方向（除去した基材の表面に対して垂直な方向）である。そして、一般的な鋼のヤング率に対するヤング率向上効果が１０％以下と判断することができるヤング率２３０ＧＰａ以下となる場合には、基準を満たさないものとした。
【００３６】
溶接性は、供試材の内部に溶融不良や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。
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、刃具磨耗量が所定量（０．３ｍｍ）以下であれば、基準を満たすものとした。
【００３７】
そして、表１に示すごとく、ヤング率の評価については、基準を満たさないものを×印として示した。また、溶接性及び加工性の評価については、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。
【００３８】
次に、本発明の実施例としての供試材（実施例Ｅ１〜Ｅ１４）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、Ｃ２）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〜Ｅ１４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（１０〜７０％）で分散させた高剛性鋼よりなる肉盛溶接部のみにより構成されている。それ故、ヤング率は高い値を示している。そして、ヤング率、溶接性及び加工性がすべて基準を満たしている。
【００３９】
一方、比較例Ｃ１は、肉盛溶接部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、部品全体の高剛性化を図るという本発明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、肉盛溶接部におけるホウ化物の体積率が高いため、高いヤング率が得られるが、溶接性及び加工性について基準を満たさなかった。
【００４０】
このように、本発明の機械構造用部品は、基材の表面に肉盛溶接部を肉盛溶接により形成した後に基材を除去することで、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肉盛溶接部のみにより構成することができる。すなわち、簡易な方法により、全体をヤング率の高い高剛性鋼で構成することができる。これにより、部品全体の高剛性化を容易かつ効果的に図ることができる。また、溶接性、加工性等の特性についても、十分に確保することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１  機械構造用部品
１１  肉盛溶接部
２  基材
２０  表面
【図１】
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