(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ティグ溶接により肉盛りを行なうためのソリッドワイヤであって、質量％で、
Ｃ：０．２〜０．３％、
Ｓｉ：０．３〜１．６％、
Ｍｎ：０．４〜１．６％、
Ｃｒ：５．０〜６．０％、
Ｍｏ：１．５〜２．５％、
Ｗ：１．５〜４．０％、
Ｖ：０．３〜０．７％
を含有し、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０２％以下
で、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする肉盛用ティグ溶接ワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、肉盛用ティグ（ＴＩＧ）溶接ワイヤに関し、特にダイカスト金型などの熱間金型を補修するための肉盛溶接に使用されるティグ溶接ワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
コネクティングロッドやギアなどの自動車部品、アルミサッシなどの住宅用材料、スプーンやペットボトルなどの日用品、リードフレームやプリント基板などの電子部品などを製造するときには金型が使用されている。金型には一般に合金工具鋼が使用され、状況に応じて冷間または熱間で使用される。しかし特に熱間金型は摩耗溶損および大小の割れが生じやすく、肉盛溶接によって摩耗個所や溶損個所、割れ個所を補修する必要がある。
【０００３】
肉盛用の溶接材料として、特開平４−２８４９７号公報（特許文献１）には鋳鉄母材への肉盛りを目的とする鋼ワイヤが開示されている。このワイヤは８０％Ａｒ−２０％ＣＯ２をシールドガスとする消耗電極式アーク溶接（ＭＩＧ溶接）に使用するものであって、比較的大量のＭｎやＣｏを含有することによって母材からのＣの移行による溶接金属の脆化を防止している。
【０００４】
また特開平７−２１４３７６号公報（特許文献２）には、鋳鉄の硬化肉盛溶接用フラックス入りワイヤとして、比較的大量のＭｎやＣｏを含有することにより良好な耐摩耗性を有する肉盛溶接層を得られるワイヤが開示されている。溶接方法としては、１００％ＣＯ２や８０％Ａｒ−２０％ＣＯ２をシールドガスとする消耗電極式アーク溶接としている。
【０００５】
また特開平９−１７６７９８号公報（特許文献３）には、鋳鉄母材に溶接した後に過冷処理によって硬化させる、硬化肉盛り用溶接材料の組成に関する技術が開示されている。特許文献３の技術においては、シェフラー組織図のＮｉ当量とＣｒ当量に関して好ましい範囲を規定することにより、過冷処理前の機械加工性と過冷処理後の硬度を両立させようというものであり、さらにＣｏを添加することにより硬度を向上できるとしている。なお特許文献３の技術においては溶接方法に関しては格別な限定をしていない。
【０００６】
上記の特許文献１〜３の溶接材料を金型の補修溶接などに使用した場合、溶接時に発生するヒュームや、溶接金属の表面を研削するさいの粉塵にＣｏが含まれることがある。しかし近年Ｃｏを含む粉塵の健康に対する悪影響が指摘されており、これらＣｏを含有するワイヤを使用する場合には局所排気などの作業の管理を十分にする必要がある。
【０００７】
一方、特開平１１−３３７７８号公報（特許文献４）には、熱間加工用冶具に対する肉盛溶接や補修溶接に使用するためのフラックス入りワイヤが開示されている。このワイヤにおいてはＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗを適量含有することによって溶接時に溶接金属が割れたり欠けたりしないというものであるが、Ｃｏは含有していない。なお溶接方法としては、８０％Ａｒ−２０％ＣＯ２をシールドガスとする消耗電極式アーク溶接が示されている。
【０００８】
また特開平１１−１９７８７７号公報（特許文献５）には、コーンクラッシャやジョークラッシャなどの破砕機やパワーショベルなどの耐摩耗性と耐衝撃性が求められる部材に高硬度の金属を肉盛溶接するためフラックス入りワイヤが開示されている。このワイヤにおいては、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｂを適量含有するものであるが、特にＢは結晶を微細化すると共に硼化物の形成により溶接金属の硬度を高くするとしている。一方、特許文献５のワイヤもＣｏは含有していない。なお溶接方法としては、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、ティグ溶接、サブマージアーク溶接などいずれも適用可能であって、限定されないとしている。しかしながら特許文献４や特許文献５に示されているようなフラックス入りワイヤは、消耗電極として使用するのが本来の使用方法であって、ティグ溶接の溶加棒として使用した場合にはフラックスに含まれる弗化物や酸化物がスラグとなってアークが不安定になり、溶接作業性が不良となる問題がある。
【０００９】
また特開２０１３−３９５８９号公報（特許文献６）には、連続鋳造用ロールの胴部に肉盛溶接するための１３Ｃｒ−４〜８Ｎｉ系を基本とするマルテンサイト系ステンレス鋼の肉盛金属部材が開示されている。特許文献６の発明においては、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｏを適量含有することによって、溶接後に熱処理を施さずとも比較的高い靭性と硬さを併せ持つ肉盛溶接部が得られるとしている一方、Ｃｏは含有していない。なお溶接方法としては、８０％Ａｒ−２０％ＣＯ２をシールドガスとする消耗電極式アーク溶接や、粉末をプラズマ溶射する方法が示されている。しかしティグ溶接による肉盛りに使用した場合には、溶接入熱が低いので高温割れが生じ易く、また補修部分の溶接金属も、金型の使用時に表面に網目状の亀裂が生じるヒートチェックや、溶損が生じ易いという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平４−２８４９７号公報
【特許文献２】特開平７−２１４３７６号公報
【特許文献３】特開平９−１７６７９８号公報
【特許文献４】特開平１１−３３７７８号公報
【特許文献５】特開平１１−１９７８７７号公報
【特許文献６】特開２０１３−３９５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、ティグ溶接用のワイヤであって、特に熱間金型の摩耗部や欠損部の補修に用いたときに溶接欠陥が無く、比較的高い靱性と硬さの、研削性が良好な溶接金属を得られると共に、Ｃｏを含むヒュームの対策のための作業場の局所排気等が不要なものを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の要旨は、ティグ溶接により肉盛りを行なうためのソリッドワイヤであって、質量％で、Ｃ：０．２〜０．３％、Ｓｉ：０．３〜１．６％、Ｍｎ：０．４〜１．６％、Ｃｒ：５．０〜６．０％、Ｍｏ：１．５〜２．５％、Ｗ：１．５〜４．０％、Ｖ：０．３〜０．７％を含有し、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下で、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする肉盛用ティグ溶接ワイヤにある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の肉盛用ティグ溶接ワイヤによれば、熱間金型の摩耗部や欠損部の補修に用いたときに溶接欠陥が無く、比較的高い靱性と硬さの溶接金属を得られると共に、使用中に溶損およびヒートチェックが生じ難く金型寿命を向上させることができる。また溶接金属の表面を研削やサンディング等で成形する場合においても成形性が良く、作業場を局所排気するといった厳重な管理が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例に用いた溶接試験体の開先形状を示す図である。
【図２】本発明の実施例に用いた溶接金属の耐ヒートチェック性を試験する装置を説明する図である。
【図３】本発明の実施例に用いた溶接金属の耐溶損性を試験する装置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の肉盛用ティグ溶接ワイヤについて詳細に説明する。
本発明のワイヤはティグ溶接で使用することを前提としているが、これは消耗電極式の溶接に比べて溶け込みを浅くでき、また溶け込み量の調節が容易だからである。したがってティグ溶接を採用することにより、溶接金属成分の母材による希釈や濃化について容易に抑制ないし管理することができる。
【００１６】
またワイヤの形態としてはソリッドワイヤとすることを前提としているが、フラックス入りワイヤをティグ溶接の溶加棒に使用した場合、フラックスに含まれる弗化物や酸化物がスラグとなってアークが不安定になるおそれがあるからである。一方、フラックス入りワイヤの場合には、鋼中に含まれると材料を著しく硬化させるような成分元素については、外皮の鋼には含有させずにフラックスに含有させることにより伸線が容易になるという利点がある。しかし本発明の成分の場合には、ソリッドワイヤとしても伸線が困難になる程に硬化することはない。
【００１７】
本発明者らは前記の課題を解決するため、種々の成分を変化させた肉盛用ティグ溶接ワイヤを試作して、溶接金属の耐ヒートチェック性、耐溶損性、靭性および成形性を調査し、以下に示す知見を得た。
溶接金属の耐ヒートチェック性は、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＶ量の調整とＰおよびＳ量の低減により効果を得ることができることを知見した。
また溶接金属の耐溶損性は、Ｓｉ、ＭｎおよびＷ量の調整により効果を得ることができることを知見した。
また溶接金属の靭性は、Ｓｉ、Ｍｎ、ＭｏおよびＶ量の調整とＰおよびＳ量の低減により効果を得ることができることを知見した。
さらに、溶接金属の成形性は、、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＶの調整により目的とする硬さが得られることを知見した。
【００１８】
本発明の肉盛用ティグ溶接ワイヤは、各成分組成それぞれの単独の効果、また共存による相乗効果によりなし得るものであるが、以下にそれぞれの成分の添加理由および限定理由を述べる。なお以下において、ワイヤの化学成分はワイヤ質量に対する質量％で表すものとし、以下の説明においては質量％を単に％と表記する。
【００１９】
［Ｃ：０．２〜０．３％］
Ｃは、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＶと炭化物を生成し、溶接金属の硬さの向上に寄与する。しかしＣが０．２％未満であると、目標とする溶接金属の硬さが得られない。一方、Ｃが０．３％を超えると、溶接金属にヒートチェックが生じ易くなる。また硬さが高くなり過ぎて溶接後の成形加工が困難になると共に耐溶損性が低下する。したがってＣは０．２〜０．３％とする。
【００２０】
［Ｓｉ：０．３〜１．６％］
Ｓｉは、脱酸剤として作用して溶接金属を清浄にする。しかしＳｉが０．３％未満であると溶接金属が脱酸不足になりブローホールが生じ易くなる。一方、Ｓｉが１．６％を超えると溶接金属中の濃度が過度に高くなり靭性が低下し、また耐溶損性が低下する。したがって、Ｓｉは０．３〜１．６％とする。
【００２１】
［Ｍｎ：０．４〜１．６％］
ＭｎもＳｉと同様に脱酸剤として作用し、溶接金属の靭性を向上させる。Ｍｎが０．４％未満であると、溶接金属が脱酸不足となりブローホールが生じ易くなるとともにヒートチェックが生じ易くなる。また靭性も低下する。一方、Ｍｎが１．６％を超えると、溶接金属の強度が過度に高くなり、靭性が低下する。また耐溶損性が低下する。したがって、Ｍｎは０．４〜１．６％とする。
【００２２】
［Ｃｒ：５．０〜６．０％］
Ｃｒは炭化物を生成して溶接金属の硬さを向上させる。しかしＣｒが５．０％未満であると、目標とする溶接金属の硬さが得られない。一方、Ｃｒが６．０％を超えると、溶接金属にヒートチェックが生じ易くなる。また硬さが高くなり過ぎて溶接後の成形加工が困難になる。したがって、Ｃｒは５．０〜６．０％とする。
【００２３】
［Ｍｏ：１．５〜２．５％］
Ｍｏは繰返し加熱に対する耐ヒートチェック性を向上する。Ｍｏが１．５％未満であると溶接金属の目標とする硬さが得られず、耐ヒートチェック性も不十分である。一方、Ｍｏが２．５％を超えると溶接金属の靭性が低下すると共に、硬さが高くなり過ぎて成形性が低下する。したがって、Ｍｏは１．５〜２．５％とする。
【００２４】
［Ｗ：１．５〜４．０％］
Ｗは溶接金属の耐溶損性を大幅に向上する。しかしＷが１．５％未満では溶接金属の耐溶損性向上の効果は不十分である。一方、Ｗが４．０％を超えると溶接金属に微小なヒートチェックが生じ易くなると共に、硬さが高くなり過ぎて成形性が低下する。したがって、Ｗは１．５〜４．０％とする。
【００２５】
［Ｖ：０．３〜０．７％］
Ｖは溶接金属の組織を微細にして靭性を向上させると共に、炭化物を生成して硬さを向上させる。しかしＶが０．３％未満であると溶接金属の靭性が低く、また目標とする硬さが得られない。一方、Ｖが０．７％を超えると、溶接金属にヒートチェックが生じ易くなる。また硬さが高くなり過ぎて溶接後の成形加工が困難になる。したがって、Ｖは０．３〜０．７％とする。
【００２６】
［Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下］
ＰおよびＳは、溶接金属のヒートチェック感受性を高くすると共に、靭性を低下させる。したがってＰおよびＳはそれぞれ０．０２％以下とする。
【実施例】
【００２７】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
まず原料鋼を真空溶解して鋳塊とし、鍛造、圧延、伸線、焼鈍を順次した後、１．６ｍｍ径まで伸線して長さ１０００ｍｍのティグ溶接ワイヤを試作した。試作したティグ溶接ワイヤの化学成分を表１に示す。
【００２８】
【表１】
0005840746.tif 000002
【００２９】
溶接試験は、ＪＩＳ  Ｇ４４０４に規定される合金工具鋼ＳＫＤ６１の厚さ４０ｍｍの鋼板に、図１に示す溝付き開先を形成して、上記ワイヤを溶加棒としてティグ溶接により多層盛溶接を行なって試験体を作成した。溶接条件は、溶接電流は１２０〜１６０Ａ、シールドガスはＡｒ：１００％で流量：１０〜２０Ｌ／ｍｉｎである。またワイヤの送給量は２．５〜３．５ｇ／ｍｉｎである。
【００３０】
各試験体についてＸ線透過試験によりブローホールの有無を調査した。また溶接金属の硬さは各試験体の最上層部の固さをＪＩＳ  Ｚ２２４５に準拠してロックウェル硬さＣスケール（ＨＲＣ）で測定した。溶接金属の硬さについては、３９〜４４ＨＲＣの範囲にあれば良好と評価した。
【００３１】
溶接金属の耐ヒートチェック性の試験は、溶接金属の中央部から外径１５ｍｍ、内径４ｍｍ、高さ５ｍｍのリング状の試験片を採取して、図２に示す装置により加熱・冷却のヒートサイクルを繰り返す試験を行なった。図２において１は耐ヒートチェック性試験片であり、２は加熱コイル、３は加熱コイルの内周に沿って複数個設けられた冷却水ノズルである。この装置により耐ヒートチェック性試験片の外周面を高周波加熱し、所定温度に達したのち冷却水を噴射して急冷する。ヒートサイクルの条件は、４秒で７００℃まで加熱後ただちに水冷して３秒で常温にするというもので、これを１０００回繰り返した。試験後、耐ヒートチェック性試験片の外周面において、９０度ごとの４個所で割れの長さを顕微鏡を使用して測定した。その結果、１ｃｍ２当たりに換算して割れの長さの総計が４ｍｍ以下であれば良好と評価した。
【００３２】
溶接金属の耐溶損性の試験は、直径１０ｍｍ、長さ３０ｍｍの試験部と、直径８ｍｍ、長さ３０ｍｍの掴み部とを有する段付きの円柱状の試験片を溶接金属の中央部から採取し、アルミニウムダイカストの鋳型における溶損の条件を模した試験装置により行なった。図３は耐溶損性の試験装置を説明する図であって、回転軸１３が下向きになるように保持されたモータ１２の回転軸に試験片ホルダ１４が取り付けられている。耐溶損性試験片１１は前記の掴み部を試験片ホルダに挿入することにより、モータの回転軸１３から１５ｍｍ偏心した位置に取り付けられている。これらの下方には溶解炉１５が設けられ、昇降装置１６により耐溶損性試験片１１を溶融アルミニウム１７に浸漬させることができる。なお図３中１８は試験片の掴み部を保護するための保護カバー、１９は溶解炉のヒータである。試験の条件は溶融アルミニウムの温度は７５０℃、モータの回転速度は２００ｒｐｍで、２０分間の浸漬による試験片の重量の減少を測定し、溶損減量が８ｇ以下を良好とした。
【００３３】
また溶接金属の靭性の調査は、溶接金属表面から７ｍｍ下を中心にシャルピー衝撃試験片（ＪＩＳ  Ｚ２２０２  ４号）を採取して評価した。衝撃試験は温度０℃で繰返し３本行ない吸収エネルギーの平均値が５０Ｊ以上を合格とした。
【００３４】
これらの試験の結果を表２にまとめて示す。表１および表２中、ワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ９は本発明例、ワイヤ記号Ｗ１０〜Ｗ１８は比較例である。本発明例であるワイヤＷ１〜Ｗ９は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＶの含有量が適正であるので、溶接部にブローホールが無く、溶接金属の硬さが適正で、耐ヒートチェック性試験後の割れ長さの総計が短く、さらに溶損減量が少なく、吸収エネルギーも良好で極めて満足な結果であった。
【００３５】
【表２】
0005840746.tif 000003
【００３６】
比較例中ワイヤ記号Ｗ１０は、Ｃが少ないので溶接金属の硬さが低かった。また、Ｗが少ないので、溶接金属の溶損減量が多かった。
ワイヤ記号Ｗ１１は、Ｃが多いので溶接金属の硬さが高いとともに、溶接金属のヒートチェック試験後の割れ長さの総計が長かった。
【００３７】
ワイヤ記号Ｗ１２は、Ｓｉが少ないので溶接部にブローホールが生じた。また、Ｗが多いので溶接金属の硬さが高過ぎ、ヒートチェック試験後の割れ長さの総計が長かった。
ワイヤ記号Ｗ１３は、Ｓｉが多いので溶接金属の溶損減量が多く、吸収エネルギーが低値であった。また、Ｃｒが多いので溶接金属の硬さが高過ぎ、ヒートチェック試験後の割れ長さの総計が長かった。
【００３８】
ワイヤ記号Ｗ１４は、Ｍｎが少ないので溶接部にブローホールが生じた。また、溶接金属のヒートチェック試験後の割れ長さの総計が長く、吸収エネルギーも低値であった。さらに、Ｃｒが少ないので溶接金属の硬さが低かった。
ワイヤ記号Ｗ１５は、Ｍｎが多いので溶接金属の溶損減量が多く、吸収エネルギーが低値であった。また、Ｖが多いので溶接金属の硬さが高過ぎ、ヒートチェック試験後の割れ長さの総計が長かった。
【００３９】
ワイヤ記号Ｗ１６は、Ｍｏが少ないので溶接金属の硬さが低く、吸収エネルギーも低値であった。
ワイヤ記号Ｗ１７はＭｏが多いので溶接金属の硬さが高過ぎ、吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｗ１８は、Ｖが少ないので溶接金属の硬さが低く、吸収エネルギーも低値であった。
【符号の説明】
【００４０】
１    耐ヒートチェック性試験片
２    加熱コイル
３    冷却水ノズル
１１    耐溶損性試験片
１２    モータ
１３    回転軸
１４    試験片ホルダ
１５    溶解炉
１６    昇降装置
１７    溶融アルミニウム
１８    保護カバー
１９    溶解炉のヒータ
【要約】
【課題】肉盛用ティグ溶接ワイヤであって、特にダイカスト金型などの熱間金型の摩耗部や欠損部の補修に用いたときに溶接欠陥が無く、比較的高い靱性と硬さの溶接金属を得られると共に、使用中に溶損およびヒートチェックが生じ難く、Ｃｏを含むヒュームの対策のための作業場の局所排気等が不要なものを提供する。
【解決手段】ティグ溶接により肉盛りを行なうためのソリッドワイヤであって、質量％で、Ｃ：０．２〜０．３％、Ｓｉ：０．３〜１．６％、Ｍｎ：０．４〜１．６％、Ｃｒ：５．０〜６．０％、Ｍｏ：１．５〜２．５％、Ｗ：１．５〜４．０％、Ｖ：０．３〜０．７％を含有し、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下で、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる。
【選択図】なし【図１】
0005840746.tif 000004
【図２】
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【図３】
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