(57)【要約】【課題】レーザクラッディング法で形成された肉盛層の耐摩耗性や高温軟化抵抗等を大きく損なうことなく、その他の機械的性質（曲げ応力、靭性、耐衝撃性等）を効率的に改善する方法を提供する。加えて、本発明は、比較的安価な金属基材の最表面に、優れた曲げ応力、靭性、耐衝撃性、耐摩耗性等を兼備する高速度工具鋼の肉盛層が形成された工具材を提供する。【解決手段】金属基材の表面に高速度工具鋼粉末を供給しつつ、レーザビームを照射して肉盛層を形成させるレーザクラッディング工程と、当該肉盛層を７５０〜８８０℃で熱処理する球状化焼鈍工程と、球状化焼鈍工程を施した肉盛層を焼入れする焼入れ工程と、焼入れ工程を施した肉盛層を焼戻しする焼戻し工程と、を有すること、を特徴とする工具材の製造方法。【選択図】図１
2019136799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基材の表面に高速度工具鋼粉末を供給しつつ、レーザビームを照射して肉盛層を形成させるレーザクラッディング工程と、
前記肉盛層を７５０〜８８０℃で熱処理する球状化焼鈍工程と、
前記球状化焼鈍工程を施した前記肉盛層を焼入れする焼入れ工程と、
前記焼入れ工程を施した前記肉盛層を焼戻しする焼戻し工程と、を有すること、
を特徴とする工具材の製造方法。
【請求項２】
前記球状化焼鈍工程において、前記肉盛層を８２０〜８８０℃に保持した後、
略７５０℃まで１０〜５０℃／時間の冷却速度で冷却した後、
５０〜１５０℃／時間の冷却速度で冷却すること、
を特徴とする請求項１に記載の工具材の製造方法。
【請求項３】
前記焼入れ工程の焼入れ温度を１１２０〜１１９０℃とすること、
を特徴とする請求項１又は２に記載の工具材の製造方法。
【請求項４】
前記焼戻し工程の焼戻し温度を５４０〜５７０℃とすること、
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の工具材の製造方法。
【請求項５】
前記焼戻し工程を３回以上繰り返すこと、
を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の工具材の製造方法。
【請求項６】
前記レーザクラッディング工程において、前記肉盛層を厚さ方向に２層以上形成させ、隣接する下部肉盛層と上部肉盛層の端部が同じ位置とならないようにすること、
を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の工具材の製造方法。
【請求項７】
金属基材の表面に、高速度工具鋼のレーザ肉盛層が厚さ方向に２層以上形成し、
前記レーザ肉盛層の晶出炭化物が略球状で、母材結晶粒界に偏析していないこと、
を特徴とする工具材。
【請求項８】
前記レーザ肉盛層において、隣接する下部レーザ肉盛層と上部レーザ肉盛層の端部が異なる位置となっていること、
を特徴とする請求項７に記載の工具材。
【請求項９】
前記レーザ肉盛層の曲げ応力が２５００ＭＰａ以上であること、
を特徴とする請求項７又は８に記載の工具材。
【請求項１０】
前記金属基材が円柱状であること、
を特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の工具材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザクラッディング法を用いて金属基材の表面に高速度工具鋼の肉盛層を形成することによる、工具材の製造方法及び該製造方法で製造した工具材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、表面処理技術の一つとして、金属基材の表面に当該金属基材とは異なる高硬度材料を肉盛りするこことにより、最表面の耐摩耗性等を向上させる技術が知られている。当該技術を用いた場合、高硬度材料を用いて形成した表面の肉盛層が摩耗しても、基材は元の形状を保持できるため、当該基材に対して再度同様の肉盛りを行うことで、繰り返し使用することが可能である。例えば、特許文献１（特開２０１３−１７６７７８号公報）には、肉盛りを行う手法として、レーザを用いて金属基材表面に高硬度の肉盛層を形成するレーザクラッディング法が開示されている。
【０００３】
ここで、肉盛りに用いる代表的な高硬度材料として、金属部材の高速切削等に用いられる高速度工具鋼を挙げることができる。例えば、特許文献２（特開２０１６−１５５１５５号公報）には、レーザクラッディング法を用いて金属基材の表面に対して高速度工具鋼を多層肉盛りする技術が開示されており、形成した肉盛層は、ＨＩＰ（熱間等方圧加圧法）材と同等以上の硬度及び耐摩耗性が得られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１７６７７８号公報
【特許文献２】特開２０１６−１５５１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、レーザクラッディング法を用いた従来の肉盛りでは、肉盛層が急冷凝固組織となり、晶出炭化物が母材結晶粒界に偏析して曲げ応力の低下が発生するために用途が限られていた。加えて、高硬度のトレードオフとして靭性が低下することから、耐衝撃性を要求される用途にも適応することが困難であった。
【０００６】
以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、レーザクラッディング法で形成された肉盛層の耐摩耗性や高温軟化抵抗等を大きく損なうことなく、その他の機械的性質（曲げ応力、靭性、耐衝撃性等）を効率的に改善する方法を提供することにある。加えて、本発明は、比較的安価な金属基材の最表面に、優れた曲げ応力、靭性、耐衝撃性、耐摩耗性等を兼備する高速度工具鋼の肉盛層が形成された工具材を提供することも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記目的を達成すべく、レーザクラッディング法で形成された高速度工具鋼肉盛層の組織制御方法等について鋭意研究を重ねた結果、適当な温度範囲での熱処理を施すこと等が極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。
【０００８】
即ち、本発明は、
金属基材の表面に高速度工具鋼粉末を供給しつつ、レーザビームを照射して肉盛層を形成させるレーザクラッディング工程と、
前記肉盛層を７５０〜８８０℃で熱処理する球状化焼鈍工程と、
前記球状化焼鈍工程を施した前記肉盛層を焼入れする焼入れ工程と、
前記焼入れ工程を施した前記肉盛層を焼戻しする焼戻し工程と、を有すること、
を特徴とする工具材の製造方法、を提供する。
【０００９】
レーザクラッディング法によって形成される肉盛層の金属組織は急冷凝固組織となり、高速度工具鋼粉末を原料とする場合はタングステン炭化物、クロム炭化物、バナジウム炭化物及びモリブデン炭化物等の晶出炭化物が母材結晶粒界に網目状に偏析してしまう。当該晶出炭化物の偏析は肉盛層の曲げ応力、靭性及び耐衝撃性等を低下させてしまうが、７５０〜８８０℃の温度域で熱処理を施すことによって、晶出炭化物を球状化すると共に、網目状の分布を分断することができる。
【００１０】
また、本発明の工具材の製造方法においては、前記球状化焼鈍工程において、前記肉盛層を８２０〜８８０℃に保持した後、略７５０℃まで１０〜５０℃／時間の冷却速度で冷却し、その後、５０〜１５０℃／時間の冷却速度で冷却すること、が好ましい。球状化焼鈍工程において、晶出炭化物の球状化及び網目状分布の分断を促進する観点からは、前記肉盛層の温度を７７５〜８２５℃とすることが好ましい。
【００１１】
また、肉盛層を８２０〜８８０℃に保持した後、５０〜１５０℃／時間の冷却速度で略７５０℃まで徐冷することで、基地組織を全面パーライト組織とすることができる。ここで、７５０℃には１時間程度保持することが好ましい。熱処理温度を炉温で管理する場合、炉温が７５０℃を示しても物温（肉盛層の温度）が追随できないことが想定されるが、７５０℃に１時間程度保持することで、肉盛層の温度を確実に７５０℃とすることができる。なお、最終的には５０〜１５０℃／時間の冷却速度で冷却するが、例えば、炉冷することで当該冷却速度を簡便に実現することができる。
【００１２】
また、本発明の工具材の製造方法においては、前記焼入れ工程の焼入れ温度を１１２０〜１１９０℃とすること、が好ましい。焼入れ温度を当該温度範囲とすることで、高速度工具鋼レーザ肉盛層に十分な硬度を付与しつつ、靭性を担保することができる。
【００１３】
また、本発明の工具材の製造方法においては、前記焼戻し工程の焼戻し温度を５４０〜５７０℃とすることが好ましく、略５６０℃とすることがより好ましい。焼戻し温度を肉盛層の焼戻し硬さが最高となる温度（ピーク温度）よりも低く設定した場合、得られる組織が不安定な状態となってしまうが、当該ピーク温度よりも高い温度で焼戻しを行うことで、安定した組織を得ることができる。また、前記焼戻し工程を３回以上繰り返すことで、より確実に安定した組織を得ることができる。
【００１４】
更に、本発明の工具材の製造方法においては、前記レーザクラッディング工程において、前記肉盛層を厚さ方向に２層以上形成させ、隣接する下部肉盛層と上部肉盛層の端部が同じ位置とならないようにすること、が好ましい。肉盛層を厚さ方向に２層以上形成させることで肉盛層の合計の厚さを任意に設定することができ、隣接する下部肉盛層と上部肉盛層の端部が同じ位置とならないようにすることで、当該肉盛層の剥離を抑制することができる。
【００１５】
また、本発明は、
金属基材の表面に、高速度工具鋼のレーザ肉盛層が厚さ方向に２層以上形成し、
前記レーザ肉盛層の晶出炭化物が略球状で、母材結晶粒界に偏析していないこと、
を特徴とする工具材、も提供する。
【００１６】
本発明の工具材においては、最表面が優れた高温軟化抵抗及び耐摩耗性を有する高速度工具鋼レーザ肉盛層となっており、当該レーザ肉盛層の晶出炭化物が略球状で、母材結晶粒界に偏析していないことから、高い曲げ応力及び耐衝撃性を有している。即ち、本発明の工具材は、種々の工具や耐摩耗部材等に用いることができ、レーザ肉盛層は広い領域に形成させることができることから、大型の部材としても好適に用いることができる。また、金属基材を安価な材料とすることで工具材の材料コストを低減することができ、例えば、レーザ肉盛層よりも優れた靭性等を有する金属基材を用いることで、工具材全体の信頼性等を向上させることもできる。
【００１７】
ここで、「晶出炭化物が略球状」とは、急冷凝固組織を有する一般的な高速度工具鋼肉盛層の結晶粒界に偏析する晶出炭化物と比較して、球状化が進行していることを意味している。また、「晶出炭化物が母材結晶粒界に偏析していない」とは、一般的な急冷凝固組織では結晶粒界に偏析する晶出炭化物が、結晶粒界のみではなく結晶粒内にも存在し、晶出炭化物同士の並びが分断されていることを意味している。その結果、晶出炭化物に沿った亀裂の伝播を抑制することができる。
【００１８】
金属基材は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の金属基材を用いることができるが、表面に形成させる高速度工具鋼レーザ肉盛層との密着性、希釈の抑制、機械的性質等の観点から、鋼材を用いることが好ましく、例えば、工具鋼や軸受鋼等を好適に用いることができる。
【００１９】
また、高速度工具鋼レーザ肉盛層を形成させる領域及び高速度工具鋼レーザ肉盛層の厚さは特に限定されず、金属基材表面の必要な領域のみに適当な厚さの高速度工具鋼レーザ肉盛層が形成されていればよい。
【００２０】
また、本発明の工具材においては、前記レーザ肉盛層において、隣接する下部レーザ肉盛層と上部レーザ肉盛層の端部が異なる位置となっていること、が好ましい。下部レーザ肉盛層と上部レーザ肉盛層の端部の位置が異なることで、各種応力の印加や熱衝撃等による肉盛層の剥離を抑制することができる。
【００２１】
また、本発明の工具材においては、前記レーザ肉盛層の曲げ応力が２５００ＭＰａ以上であること、が好ましい。本質的に高温軟化抵抗や耐摩耗特性に優れた高速度工具鋼レーザ肉盛層が２５００ＭＰａ以上の曲げ応力を有することで、肉盛層に大きな応力が印加される用途でも本発明の工具材を好適に利用することができる。
【００２２】
更に、本発明の工具材においては、前記金属基材が円柱状であること、が好ましい。円柱状の金属基材の最表面を高速度工具鋼レーザ肉盛層とすることで、例えば、本発明の工具材を圧延ロールとして用いることができる。
【００２３】
また、本発明の工具材においては、前記肉盛層の硬度が８５０ＨＶ以上であること、が好ましい。肉盛層の硬度が８５０ＨＶ以上となっていることで、工具材を種々の切削工具や耐摩耗部材等に使用することができる。
【００２４】
なお、本発明の工具材は、本発明の工具材の製造方法を用いて好適に製造することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、レーザクラッディング法で形成された肉盛層の耐摩耗性や高温軟化抵抗等を大きく損なうことなく、その他の機械的性質（曲げ応力、靭性、耐衝撃性等）を効率的に改善する方法を提供することができる。加えて、本発明は、比較的安価な金属基材の最表面に、優れた曲げ応力、靭性、耐衝撃性、耐摩耗性等を有する高速度工具鋼の肉盛層が形成された工具材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の工具材の製造方法の工程図である。
【図２】熱処理工程前における肉盛層の金属組織の模式図である。
【図３】熱処理工程後における肉盛層の金属組織の模式図である。
【図４】本発明の工具材の一例を示す概略断面図である。
【図５】本発明の工具材（熱延用ロール）の概略断面図である。
【図６】本発明の工具材（棒鋼・線材用ロール）の概略断面図である。
【図７】本発明の工具材（分塊・鋼片用ロール）の概略断面図である。
【図８】実施工具材の断面マクロ写真である。
【図９】実施例及び比較例で得られた肉盛層及び焼結体のビッカース硬度を示すグラフである。
【図１０】実施工具材の熱処理前における肉盛層の組織写真である。
【図１１】実施工具材の熱処理後における肉盛層の組織写真である。
【図１２】肉盛層及び焼結体の曲げ応力（抗折力）を示すグラフである。
【図１３】肉盛層及び焼結体の耐摩耗性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図１〜４を参照しながら、本発明の工具材の製造方法及び工具材における代表的な実施形態を詳細に説明する。但し、本発明は図示されるものに限られるものではなく、各図面は本発明を概念的に説明するためのものであるから、理解容易のために必要に応じて比や数を誇張又は簡略化して表している場合もある。更に、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
【００２８】
１．工具材の製造方法
図１に本発明の工具材の製造方法の工程図を示す。本発明の工具材の製造方法は、必須の工程として、レーザクラッディング工程（Ｓ０１）と、球状化焼鈍工程（Ｓ０２）と、焼入れ工程（Ｓ０３）と、焼戻し工程（Ｓ０４）と、を有している。
【００２９】
（１）レーザクラッディング工程（Ｓ０１）
レーザクラッディング工程（Ｓ０１）は、金属基材の表面に高速度工具鋼粉末を供給しつつ、レーザビームを照射して肉盛層を形成させるための工程である。なお、高速度工具鋼粉末には、一部の組成を異にした複数種が存在するが、耐摩耗性や靭性等の要求される特性に応じて適宜選択すればよい。
【００３０】
本発明の工具材の製造方法で用いるレーザクラッディングは、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々のレーザクラッディング法を用いることができる。レーザクラッディング法は、金属基材の表面に粒径が統一された微細な金属粉末をレーザの照射領域に供給し、当該金属基材の上に肉盛層を一体的に形成する表面処理法であって、切断工具や圧延工具等の、製作段階の中間体である工具材の製作にも利用されている。
【００３１】
当該レーザクラッディング法では、レーザ光源から射出されたレーザビームを集光させて局所的な入熱を行うことにより金属粉末を溶融するため、肉盛層は急速溶融及び急冷凝固により形成される。また、基材に対する熱ひずみや熱影響部を少なくし、基材と形成した肉盛層とにおける希釈率を低減することが可能である。更に、レーザビーム及び金属粉末を射出するトーチ部はプログラムによるロボット制御が可能であり、肉盛層の形成場所及び形状を比較的正確にコントロールすることができるため、金属部材の一部分に発生したクラック等の補修にも好適に用いることができる。
【００３２】
レーザクラッディングでは、適当な組成及び粒度分布等を有する高速度工具鋼粉末を原料として用い、形成させる肉盛層のサイズ及び特性等に応じて適宜プロセス条件を最適化すればよいが、直径５０〜１５０μｍの高速度工具鋼粉末を用いることが好ましい。また、金属基材も本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の金属基材を用いることができるが、表面に形成させる高速度工具鋼肉盛層との密着性、希釈の抑制、機械的性質等の観点から、鋼材を用いることが好ましく、工具鋼や軸受鋼等を好適に用いることができる。より具体的には、例えば、中炭素鋼材（Ｓ４５Ｃ等）、クロムモリブデン鋼鋼材、合金工具鋼鋼材、高炭素クロム軸受鋼鋼材等を用いることができる。
【００３３】
ここで、レーザクラッディング工程（Ｓ０１）では、レーザビームの直線移動及び所定の間隔による並行移動、更に全体を複数回往復させることで略面状の多層肉盛層を形成させることが基本であるが、これに限定されるものではなく、例えば直線移動のみを所定回数繰り返して肉盛り部を形成してもよく、直線移動や曲線移動を組み合わせ、更にこれを所定回数繰り返してもよい。
【００３４】
更に、レーザクラッディング工程（Ｓ０１）では、肉盛層を厚さ方向に２層以上形成させ、隣接する下部肉盛層と上部肉盛層の端部が同じ位置とならないようにすること、が好ましい。肉盛層を厚さ方向に２層以上形成させることで肉盛層の合計の厚さを任意に設定することができ、隣接する下部肉盛層と上部肉盛層の端部が同じ位置とならないようにすることで、当該肉盛層の剥離を抑制することができる。
【００３５】
（２）球状化焼鈍工程（Ｓ０２）
球状化焼鈍工程（Ｓ０２）は、レーザクラッディング工程（Ｓ０１）で形成させた肉盛層に対して晶出炭化物を球状化及び均一分散させるための熱処理を施す工程である。
【００３６】
レーザクラッディング工程（Ｓ０１）によって形成される肉盛層の金属組織は急冷凝固組織となり、高速度工具鋼粉末を原料とする場合はタングステン炭化物、クロム炭化物、バナジウム炭化物及びモリブデン炭化物等の晶出炭化物が母材結晶粒界に網目状に偏析してしまう。当該晶出炭化物の偏析は肉盛層の曲げ応力、靭性及び耐衝撃性等を低下させてしまうが、７５０〜８８０℃の温度域で熱処理を施すことによって、晶出炭化物が球状化すると共に、網目状の分布が分断される。
【００３７】
また、本発明の工具材の製造方法においては、前記球状化焼鈍工程において、前記肉盛層を８２０〜８８０℃に保持した後、略７５０℃まで１０〜５０℃／時間の冷却速度で冷却し、その後、５０〜１５０℃／時間の冷却速度で冷却すること、が好ましい。球状化焼鈍工程において、晶出炭化物の球状化及び網目状分布の分断を促進する観点からは、前記肉盛層の温度を７７５〜８２５℃とすることが好ましい。
【００３８】
図２及び図３に、球状化焼鈍工程（Ｓ０２）前後における肉盛層の金属組織の模式図を示す。球状化焼鈍工程（Ｓ０２）の前においては、肉盛層は母材結晶粒２の粒界に晶出炭化物４が網目状に偏析した状態となっている。また、多くの晶出炭化物４は扁平形状となっている。これに対し、球状化焼鈍工程（Ｓ０２）を施すことによって、晶出炭化物４が母材結晶粒２の粒内にも分散し、明確な網目状のネットワーク構造が消失する。加えて、熱処理によって晶出炭化物４の形状は球状化が進行する。
【００３９】
晶出炭化物４の分布状況及び形状の変化は、７７５〜８２５℃の温度範囲における熱処理によって効率的に得られ、特に略８００℃における熱処理で顕著である。熱処理の温度を７７５℃超８２５℃未満とすることで、急冷凝固組織となっている高速度工具鋼基材の金属組織に関し、母材結晶粒界に網目状に偏析する晶出炭化物を球状化することができると共に、網目状の分布を分断することができる。当該晶出炭化物の変化によって、靭性及び耐衝撃性等を改善することができる。なお、本発明者らは急冷凝固組織を有する高速度工具鋼レーザ肉盛層に対する熱処理条件を詳細に検討した結果、当該温度範囲を見出したものである。
【００４０】
球状化焼鈍工程（Ｓ０２）における熱処理時間は、３０分以上とすることが好ましい。熱処理の保持時間を３０分以上とすることで、網目状に偏析した晶出炭化物４の分断を十分に進行させることができる。その結果、高速度工具鋼レーザ肉盛層の曲げ応力、靭性及び耐衝撃性等を改善することができる。なお、より好ましい保持時間は１時間以上であり、最も好ましい保持時間は３時間以上である。
【００４１】
また、高速度工具鋼レーザ肉盛層を８２０〜８８０℃に保持した後は、略７５０℃まで１０〜５０℃／時間の冷却速度で冷却し、その後、５０〜１５０℃／時間の冷却速度で冷却すること、が好ましい。球状化焼鈍工程において、晶出炭化物４の球状化及び網目状分布の分断を促進する観点からは、前記肉盛層の温度を７７５〜８２５℃とすることが好ましい。
【００４２】
また、肉盛層を８２０〜８８０℃に保持した後、５０〜１５０℃／時間の冷却速度で略７５０℃まで徐冷することで、基地組織を全面パーライト組織とすることができる。ここで、７５０℃には１時間程度保持することが好ましい。熱処理温度を炉温で管理する場合、炉温が７５０℃を示しても物温（肉盛層の温度）が追随できないことが想定されるが、７５０℃に１時間程度保持することで、肉盛層の温度を確実に７５０℃とすることができる。なお、最終的には５０〜１５０℃／時間の冷却速度で冷却するが、炉冷することで当該冷却速度を簡便に実現することができる。
【００４３】
熱処理の加熱手段には、熱処理炉や熱処理槽等を用いることができるが、酸化を防止する観点から、不活性ガス雰囲気や減圧・真空下で行うことが好ましい。また、必ずしも高速度工具鋼レーザ肉盛層の全体に対して球状化焼鈍を目的とした熱処理を施す必要はなく、例えば、部分的に熱処理を施す場合はレーザ照射や高周波加熱等を用いることができる。これらの方法で加熱を行うことにより、熱処理炉等の大型設備を別途準備する必要がなく、レーザ照射の場合はレーザクラッディング用のレーザ照射装置を用いることができる。また、所望の領域のみに熱処理を施すことができ、熱処理に必要なエネルギー消費量を低減することができる。加えて、レーザ照射や高周波加熱の位置は容易に制御することができ、圧延ロール等の大型部材に対しても容易に熱処理を施すことができる。
【００４４】
レーザ照射を用いた熱処理の具体的な方法としては、肉盛層の熱処理を施す領域が上記所定温度を保持できるよう、レーザの出力及びフォーカス等のパラメータを最適化し、対象領域にレーザを所定時間照射することにより加熱を行う。
【００４５】
なお、対象とする領域の面積が広く、照射範囲を最も広域としたフォーカス設定を用いても表面全域にレーザ照射が行えない場合は、レーザの走査速度を最適化したうえでレーザ照射範囲を移動又は当該移動の繰り返しを行うことにより、対象とする全領域を走査する。この場合は、レーザ照射域と非レーザ照射域とで入熱量に差異が発生するが、対象領域の全域が上記所定温度を保持できる走査速度及びフォーカス設定を用いることにより、熱処理条件を満足することができる。
【００４６】
（３）焼入れ工程（Ｓ０３）
焼入れ工程（Ｓ０３）は、球状化焼鈍工程（Ｓ０２）によって晶出炭化物４の形状及び分散状況を改善した高速度工具鋼レーザ肉盛層に対して焼入れを施す工程である。
【００４７】
焼入れ温度は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、高速度工具鋼に関して従来公知の適当な温度を用いることができるが、１１２０〜１１９０℃とすることが好ましい。焼入れ温度を当該温度範囲とすることで、高速度工具鋼レーザ肉盛層の硬度を十分に上昇させることができると共に、靭性を担保することができる。
【００４８】
（４）焼戻し工程（Ｓ０４）
焼戻し工程（Ｓ０４）は、焼入れ工程（Ｓ０３）を施した高速度工具鋼レーザ肉盛層の硬度を調整することに加え、組織の安定化を図るための工程である。
【００４９】
ここで、焼戻し温度は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、高速度工具鋼に関して従来公知の適当な温度を用いることができるが、５４０〜５７０℃とすることが好ましく、略５６０℃とすることがより好ましい。焼戻し温度を肉盛層の焼戻し硬さが最高となる温度（ピーク温度）よりも低く設定した場合、得られる組織が不安定な状態となってしまうが、当該ピーク温度よりも高い温度で焼戻しを行うことで、安定した組織を得ることができる。また、前記焼戻し工程を３回以上繰り返すことで、より確実に安定した組織を得ることができる。
【００５０】
２．工具材
図４に本発明の工具材の概略断面図を示す。本発明の工具材１０は、金属基材１２の表面に高速度工具鋼レーザ肉盛層１４が形成し、高速度工具鋼レーザ肉盛層１４の晶出炭化物４は略球状で、母材結晶２の粒界に偏析していないこと、を特徴とするものである。
【００５１】
高速度工具鋼レーザ肉盛層１４の金属組織は図３で説明した通りであり、晶出炭化物４が母材結晶粒２の粒内にも分散し、晶出炭化物４の明確な網目状のネットワーク構造が消失している。加えて晶出炭化物４は球状化が進行し、略球状の晶出炭化物４が含まれている。
【００５２】
晶出炭化物４が母材結晶粒２の粒界に偏析すると、曲げ応力の低下及び隣接する母材結晶粒の結合力が低下するため、クラック発生時は母材結晶粒界に沿ってクラックが進展するが、晶出炭化物４の分散により隣接する母材結晶粒２の結合力が改善されるため、クラック及び剥離等の進展を抑制することができる。
【００５３】
また、高速度工具鋼レーザ肉盛層１４の曲げ応力が２５００ＭＰａ以上であること、が好ましい。本質的に高温軟化抵抗や耐摩耗特性に優れた高速度工具鋼レーザ肉盛層１４が２５００ＭＰａ以上の曲げ応力を有することで、肉盛層に大きな応力が印加される用途でも本発明の工具材を好適に利用することができる。
【００５４】
高速度工具鋼レーザ肉盛層１４の硬度は８５０ＨＶ以上であることが好ましい。肉盛層の硬度が８５０ＨＶ以上となっていることで、工具材を種々の切削工具や耐摩耗部材等に使用することができる。
【００５５】
また、高速度工具鋼レーザ肉盛層１４は多層肉盛層であること、が好ましい。多層肉盛層は、例えばレーザクラッディング法を用いて形成させることができ、１パスのレーザクラッディングで形成する肉盛層を水平方向及び／又は垂直方向に連続形成させることで得ることができる。高速度工具鋼レーザ肉盛層１４を多層肉盛層とすることで、形成させる面積や厚さを容易に制御することができる。
【００５６】
また、本発明の工具材においては、前記レーザ肉盛層において、隣接する下部レーザ肉盛層と上部レーザ肉盛層の端部が異なる位置となっていること、が好ましい。下部レーザ肉盛層と上部レーザ肉盛層の端部の位置が異なることで、各種応力の印加や熱衝撃等による肉盛層の剥離を抑制することができる。
【００５７】
更に、金属基材１２は円柱状であることが好ましい。円柱状の金属基材１２の表面に高速度工具鋼レーザ肉盛層１４が形成されていることで、工具材１０を圧延ロールとして好適に用いることができる。また、高速度工具鋼レーザ肉盛層１４が破損等した場合には、レーザクラッディングによって再生補修することも可能である。
【００５８】
高速度工具鋼レーザ肉盛層１４の原料には高速度工具鋼粉末が使用される。当該高速度工具鋼粉末には一部の組成を異にした複数種が存在するが、耐摩耗性や靭性等の要求される特性に応じて適宜選択すればよい。また、金属基材１２も本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の金属基材を用いることができるが、表面に形成させる高速度工具鋼レーザ肉盛層１４との密着性、希釈の抑制、機械的性質等の観点から、鋼材を用いることが好ましく、工具鋼や軸受鋼等を好適に用いることができる。より具体的には、例えば、中炭素鋼材（Ｓ４５Ｃ等）、クロムモリブデン鋼鋼材、合金工具鋼鋼材、高炭素クロム軸受鋼鋼材等を用いることができる。
【００５９】
本発明の工具材は、従来のＨＩＰ（熱間等方圧加圧法）ではサイズが大きすぎる用途や経済的に割が合わない用途に適用することができる。加えて、例えば、高速度工具鋼レーザ肉盛層１４を有する円柱状の工具材を大型の圧延ロール等に適用することで、極めて経済的なビジネスモデルを構築することができる。
【００６０】
工具材１０を用いた代表的なロールの断面図を図５〜図７に示す。図５は熱延用ロール、図６は棒鋼・線材用ロール、図７は分塊・鋼片用ロールをそれぞれ示している。各ロールにおいて、被加工材が当接する金属基材１２の表面には高速度工具鋼レーザ肉盛層１４が形成されており、十分な曲げ応力、靭性、耐衝撃性及び耐摩耗性が担保されている。
【００６１】
また、これらのロールは表面の必要とされる領域のみに高速度工具鋼レーザ肉盛層１４が形成されていることから比較的に安価であることに加えて、使用によって破損・摩耗等するのは高速度工具鋼レーザ肉盛層１４であり、破損・摩耗等した領域の高速度工具鋼レーザ肉盛層１４を再生補修することで再使用が可能である。その結果、鋳造によって製造したロールを使用する場合と比較して、大幅な省エネルギー、省資源及び低環境負荷を達成することができる。
【００６２】
ここで、本発明の工具材においては任意の領域に高速度工具鋼レーザ肉盛層１４が形成されていることから、高速度工具鋼レーザ肉盛層の原料粉末の選定等によって、高速度工具鋼レーザ肉盛層１４の硬度及び硬度分布を適宜調整することができる。例えば、図６に示す棒鋼・線材用ロールの高速度工具鋼レーザ肉盛層１４について、被加工材との相互作用による摩耗の程度に応じて、領域毎に硬度を調整することができる。一般的には、底面と側面の境界領域の摩耗が顕著になることから、当該領域をより高硬度とすることが好ましい。
【００６３】
また、例えば、図７に示す分塊・鋼片用ロールにおいては、高速度工具鋼レーザ肉盛層１４毎に異なる原料粉末を用い、各高速度工具鋼レーザ肉盛層に適当な機械的性質を付与することもできる。具体的には、例えば、ロール軸の進行方向に対して、高速度工具鋼レーザ肉盛層１４の硬度を順番に増加又は低減させることができる。
【００６４】
以下、実施例において本発明の工具材の製造方法及び工具材について更に説明するが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。
【実施例】
【００６５】
＜実施例１＞
粒径５０〜１５０μｍの高速度工具鋼（ＪＩＳ−ＳＫＨ４０）粉末を用い、ＳＣＭ４４０の基材上にレーザクラッディングを施して肉盛層を形成した後、当該肉盛層に対して熱処理（球状化焼鈍、焼入れ及び焼戻し）を行った。レーザにはディスクレーザを用い、レーザクラッディング条件を、レーザ出力２ｋＷ、レーザスポット径（フォーカス径）４．３ｍｍ、レーザ移動速度０．０１ｍ／ｓとした。
【００６６】
球状化熱処理は真空炉中（真空）で行い、球状化熱処理は８６０℃に３時間保持後、２０℃／時間の冷却速度で７５０℃まで降温し、７５０℃で１時間保持した後に炉冷した。次に、真空炉中を１３０Ｐａの窒素雰囲気とし、１１３０℃に２０分間保持した後に窒素を更に導入しつつファン冷却することで焼入れを行った。その後、真空炉中を真空とし、５６０℃に２時間保持した後に窒素を導入してファン冷却する焼戻しを３回繰り返して実施工具材を得た。
【００６７】
得られた実施工具材の断面マクロ写真を図８に示す。基材の表面に高速度工具鋼の肉盛層が形成されており、剥離やクラック等の欠陥は認められない。また、図８に示す断面において、表面から１ｍｍ及び２ｍｍの肉盛層のビッカース硬度を測定し、得られた結果を図９に示した。なお、硬度測定は荷重：１００ｇｆ、荷重負荷時間：１０ｓで行い、図９に示す値は各深さで水平に５０点測定した平均値である。
【００６８】
熱処理（球状化焼鈍、焼入れ及び焼戻し）前後における肉盛層の組織写真（光学顕微鏡写真）を図１０及び図１１にそれぞれ示す。熱処理前は母材結晶粒界に晶出炭化物が網目状に偏析しているが、熱処理後は当該網目状構造が分断され、晶出炭化物が比較的均一に分布していることが分かる。また、晶出炭化物は微細化され、球状化が進行している。
【００６９】
＜比較例１＞
熱処理を全く施さなかったこと以外は実施例１と同様にして、比較工具材１を得た。また、実施例１と同様にして肉盛層のビッカース硬度を測定し、得られた結果を図９に示した。
【００７０】
＜比較例２＞
球状化焼鈍及び焼入れを施さなかったこと以外は実施例１と同様にして、比較工具材２を得た。また、実施例１と同様にして肉盛層のビッカース硬度を測定し、得られた結果を図９に示した。
【００７１】
＜比較例３＞
球状化焼鈍及び焼入れを施さず、焼戻し温度を５２０℃としたこと以外は実施例１と同様にして、比較工具材３を得た。また、実施例１と同様にして肉盛層のビッカース硬度を測定し、得られた結果を図９に示した。
【００７２】
＜比較例４＞
球状化焼鈍及び焼入れを施さず、焼戻し温度を６００℃としたこと以外は実施例１と同様にして、比較工具材４を得た。また、実施例１と同様にして肉盛層のビッカース硬度を測定し、得られた結果を図９に示した。
【００７３】
＜比較例５＞
粒径２５０μｍの高速度工具鋼（ＪＩＳ−ＳＫＨ４０）粉末をＨＩＰ（熱間等方圧加圧法）にて焼結し、比較工具材５を得た。なお、焼結条件は１２４０℃、１０００ｋｇｆ／ｃｍ２で３時間保持し、円柱状の焼結体を得た。また、実施例１と同様にして焼結体のビッカース硬度を測定し、得られた結果を図９に示した。
【００７４】
図９に示すビッカース硬度より、実施工具材はＨＩＰ焼結体（比較工具材５）と同程度の８５０ＨＶ以上の十分に高い硬度を有しており、各種工具や耐摩耗部材に適用可能であることが分かる。
【００７５】
実施工具材及び比較工具材１〜４の肉盛層、及び比較工具材５について、４点曲げ試験にて曲げ応力（抗折力）を測定した。得られた結果を図１２に示す。実施工具材の肉盛層は、球状化焼鈍を施していない比較工具材１〜４の肉盛層よりも高い曲げ応力を有しており、ＨＩＰ焼結体（比較工具材５）と同等レベルの曲げ応力を有していることが分かる。当該結果は、本発明の工具材の製造方法を用いることによって、形状及びサイズに制限されることなく、任意の領域にＨＩＰ焼結材並みの高速度工具鋼肉盛層が形成できることを示している。
【００７６】
実施工具材及び比較工具材１〜４の肉盛層、及び比較工具材５について、ブロックオンリング試験を用いて耐摩耗性を評価した。具体的には、ＳＵＪ２製のリングを１０Ｎ、２０Ｎ及び４０Ｎの各荷重で肉盛層又は焼結体に当接させ、形成される摩耗痕の幅を計測した。なお、リングの回転速度を１０００ｒｐｍ、試験時間を６００秒とし、無潤滑条件にて評価した。得られた結果を図１３に示す。
【００７７】
図１３に示す結果から、実施工具材の肉盛層は、球状化焼鈍を施していない比較工具材１〜４の肉盛層及びＨＩＰ焼結体（比較工具材５）と同等レベルの耐摩耗性を有していることが分かる。当該結果は、実施工具材の肉盛層は、組織制御及び硬度の調整によって靭性等を改善しているにもかかわらず、良好な耐摩耗性を維持していることを示している。
【符号の説明】
【００７８】
２・・・母材結晶粒、      
４・・・晶出炭化物、
１０・・・工具材、
１２・・・金属基材、
１４・・・高速度工具鋼レーザ肉盛層。
【図１】
2019136799.tif 000003
【図２】
2019136799.tif 000004
【図３】
2019136799.tif 000005
【図４】
2019136799.tif 000006
【図５】
2019136799.tif 000007
【図６】
2019136799.tif 000008
【図７】
2019136799.tif 000009
【図８】
2019136799.tif 000010
【図９】
2019136799.tif 000011
【図１０】
2019136799.tif 000012
【図１１】
2019136799.tif 000013
【図１２】
2019136799.tif 000014
【図１３】
2019136799.tif 000015