(57)【要約】【課題】耐摩耗性の被覆層をＣｕ製品の表面に作業性よく形成でき、被覆層を形成した製品の生産性を向上可能とする耐摩耗性被覆用溶加棒を提供する。【解決手段】Ｃｕを主成分とする製品の表面に、Ｎｉ又はＮｉ基合金からなる下地層を介して、耐摩耗性の被覆層を形成するために用いる耐摩耗性被覆用溶加棒であり、金属マトリックスに炭化系粉体セラミックスが散在状態で含まれる複合材を焼結させて棒状とした。また、被覆層のビッカース硬度は、金属マトリックスがＮｉとＣｒを含む場合、６００℃で９００以上、金属マトリックスがＦｅとＣｒを含む場合、６００℃で５５０以上、金属マトリックスがＣｏとＣｒを含む場合、６００℃で５８０以上、であることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕを主成分とする製品の表面に、Ｎｉ又はＮｉ基合金からなる下地層を介して、耐摩耗性の被覆層を形成するために用いる耐摩耗性被覆用溶加棒であって、
金属マトリックスに炭化系粉体セラミックスが散在状態で含まれる複合材を焼結させて棒状としたことを特徴とする耐摩耗性被覆用溶加棒。
【請求項２】
請求項１記載の耐摩耗性被覆用溶加棒において、前記複合材は、
前記金属マトリックスとして、Ｎｉを２０質量％以上２８質量％以下、かつ、Ｃｒを５質量％以上７質量％以下含み、
前記炭化系粉体セラミックスとして、ＴｉＣを４０質量％以上５５質量％以下、かつ、Ｃｒ３Ｃ２を１５質量％以上２５質量％以下含み、しかも、前記炭化系粉体セラミックスの量が、前記複合材の質量の７５質量％以下であることを特徴とする耐摩耗性被覆用溶加棒。
【請求項３】
請求項２記載の耐摩耗性被覆用溶加棒において、前記被覆層のビッカース硬度が、６００℃で９００以上であることを特徴とする耐摩耗性被覆用溶加棒。
【請求項４】
請求項１記載の耐摩耗性被覆用溶加棒において、前記複合材は、
前記金属マトリックスとして、Ｆｅを２０質量％以上３０質量％以下、かつ、Ｃｒを１０質量％以上１５質量％以下含み、
前記炭化系粉体セラミックスとして、ＴｉＣを４０質量％以上５５質量％以下、かつ、Ｃｒ３Ｃ２を１０質量％以上１５質量％以下含み、しかも、前記炭化系粉体セラミックスの量が、前記複合材の質量の７０質量％以下であることを特徴とする耐摩耗性被覆用溶加棒。
【請求項５】
請求項４記載の耐摩耗性被覆用溶加棒において、前記被覆層のビッカース硬度が、６００℃で５５０以上であることを特徴とする耐摩耗性被覆用溶加棒。
【請求項６】
請求項１記載の耐摩耗性被覆用溶加棒において、前記複合材は、
前記金属マトリックスとして、Ｃｏを２０質量％以上３０質量％以下、かつ、Ｃｒを５質量％以上１２質量％以下含み、
前記炭化系粉体セラミックスとして、ＴｉＣを３０質量％以上７０質量％以下、かつ、Ｃｒ３Ｃ２を５質量％以上２０質量％以下含み、しかも、前記炭化系粉体セラミックスの量が、前記複合材の質量の７５質量％以下であることを特徴とする耐摩耗性被覆用溶加棒。
【請求項７】
請求項６記載の耐摩耗性被覆用溶加棒において、前記被覆層のビッカース硬度が、６００℃で５８０以上であることを特徴とする耐摩耗性被覆用溶加棒。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の耐摩耗性被覆用溶加棒において、前記製品は、高炉用の羽口本体又はステーブクーラであることを特徴とする耐摩耗性被覆用溶加棒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温雰囲気中で使用されるＣｕ（純銅又は銅合金）製品の耐摩耗性を向上させるために用いる耐摩耗性被覆用溶加棒（溶接棒）に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温雰囲気中で使用されるＣｕ製品の摩耗対策として、従来、Ｎｉベースの合金をＣｕ母材に直接溶着させていた。このＮｉベースの合金は、ＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接によりＣｕ母材に対して直接肉盛している。
このように、Ｎｉベースの合金を肉盛することにより、Ｃｕ母材のみの製品と比較して、耐摩耗性の向上効果がある。
【０００３】
しかし、Ｎｉベースの合金では、高温領域における硬度及びその融点において限界がある。例えば、Ｎｉベースの合金を溶着した硬化肉盛羽口においては、Ｎｉベースの合金の硬度が、常温ではＨｖ１８０を有しているが、６００℃になるとＨｖ１３０程度まで低下する。また、Ｎｉベースの合金の融点は１３００℃程度である。
従って、従来の硬化肉盛羽口においても、高温度での摩耗に対して限界があるという問題があった。
【０００４】
そこで、本出願人は、先に、特許文献１のＣｕ製品を提案した。
具体的には、金属マトリックスに炭化系粉体セラミックス又はホウ化系粉体セラミックスの単体、あるいは炭化系粉体セラミックス及び／又はホウ化系粉体セラミックスからなる複合添加物を散在状態で含む硬化肉盛材を溶着させた硬化肉盛羽口である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２１７６１０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、上記した硬化肉盛材は粉体からなり、使用にあっては、粉体プラズマ溶接機を用いて粉体を対象物に溶着させるため、例えば、以下のように作業性が悪かった。
・湿度や温度などの影響で粉体が固まる。
・粉体プラズマ溶接機を長時間使用しなければ、粉体を供給する管が汚れたり、また、湿気を帯びたりして、溶接機を直ちに使用できないなどのトラブルを招く。
・粉体プラズマ溶接では、溶接作業そのもので細かい溶接形状ができない（自由度が小さい）。
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、耐摩耗性の被覆層をＣｕ製品の表面に作業性よく形成でき、被覆層を形成した製品の生産性を向上可能とする耐摩耗性被覆用溶加棒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】
【０００８】
前記目的に沿う本発明に係る耐摩耗性被覆用溶加棒は、Ｃｕを主成分とする製品の表面に、Ｎｉ又はＮｉ基合金からなる下地層を介して、耐摩耗性の被覆層を形成するために用いる耐摩耗性被覆用溶加棒であって、
金属マトリックスに炭化系粉体セラミックスが散在状態で含まれる複合材を焼結させて棒状とした。
【０００９】
本発明に係る耐摩耗性被覆用溶加棒において、前記複合材は、
前記金属マトリックスとして、Ｎｉを２０質量％以上２８質量％以下、かつ、Ｃｒを５質量％以上７質量％以下含み、
前記炭化系粉体セラミックスとして、ＴｉＣを４０質量％以上５５質量％以下、かつ、Ｃｒ３Ｃ２を１５質量％以上２５質量％以下含み、しかも、前記炭化系粉体セラミックスの量が、前記複合材の質量の７５質量％以下であることが好ましい。
ここで、前記被覆層のビッカース硬度が、６００℃で９００以上であることが好ましい。
【００１０】
本発明に係る耐摩耗性被覆用溶加棒において、前記複合材は、
前記金属マトリックスとして、Ｆｅを２０質量％以上３０質量％以下、かつ、Ｃｒを１０質量％以上１５質量％以下含み、
前記炭化系粉体セラミックスとして、ＴｉＣを４０質量％以上５５質量％以下、かつ、Ｃｒ３Ｃ２を１０質量％以上１５質量％以下含み、しかも、前記炭化系粉体セラミックスの量が、前記複合材の質量の７０質量％以下であることが好ましい。
ここで、前記被覆層のビッカース硬度が、６００℃で５５０以上であることが好ましい。
【００１１】
本発明に係る耐摩耗性被覆用溶加棒において、前記複合材は、
前記金属マトリックスとして、Ｃｏを２０質量％以上３０質量％以下、かつ、Ｃｒを５質量％以上１２質量％以下含み、
前記炭化系粉体セラミックスとして、ＴｉＣを３０質量％以上７０質量％以下、かつ、Ｃｒ３Ｃ２を５質量％以上２０質量％以下含み、しかも、前記炭化系粉体セラミックスの量が、前記複合材の質量の７５質量％以下であることが好ましい。
ここで、前記被覆層のビッカース硬度が、６００℃で５８０以上であることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る耐摩耗性被覆用溶加棒において、前記製品は、高炉用の羽口本体又はステーブクーラであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る耐摩耗性被覆用溶加棒は、Ｃｕを主成分とする製品の表面に耐摩耗性の被覆層を形成するために用いるものであり、金属マトリックスに炭化系粉体セラミックスが散在状態で含まれる複合材を焼結させて棒状としているので、粉体プラズマ溶接実施時の諸問題を解消でき、耐摩耗性の被覆層をＣｕ製品の表面に作業性よく形成できる。
従って、被覆層を形成した製品の生産性を向上できる。
【００１４】
また、被覆層のビッカース硬度を、金属マトリックスがＮｉとＣｒを含む場合、６００℃で９００以上、金属マトリックスがＦｅとＣｒを含む場合、６００℃で５５０以上、金属マトリックスがＣｏとＣｒを含む場合、６００℃で５８０以上、にするとき、高温度での耐摩耗性を十分に高めることができる。
更に、製品が、高炉用の羽口本体又はステーブクーラである場合、製品は、特に高温での耐摩耗性が求められるものであるため、本発明の効果がより顕著になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】各種複合材のビッカース硬度と温度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
本発明の一実施の形態に係る耐摩耗性被覆用溶加棒（以下、単に溶加棒ともいう）は、Ｃｕ（銅）を主成分とする製品の表面に、耐摩耗性の被覆層を形成するために用いる溶接棒である。以下、詳しく説明する。
【００１７】
製品は、純銅製又は銅合金製（銅の含有量：８０質量％以上）の製品であり、例えば、高炉用の羽口本体やステーブクーラがあるが、高温雰囲気中（例えば、１０００〜１６００℃程度）で使用され、耐摩耗性を向上させる必要がある製品であれば、これらに限定されるものではない。なお、上記した羽口本体やステーブクーラは、内部に冷却水が流れる通路が形成された水冷構造となっている。
【００１８】
製品の表面に被覆層を形成するに際しては、製品の表面に予め下地層を形成しておく。
下地層は、その材質が、製品と被覆層の双方に接合性がよい材料からなり、その熱膨張係数が、製品と被覆層の中間となるもの、即ち、Ｎｉ（純ニッケル）又はＮｉ基合金（例えば、Ｎｉ−Ｃｒ（ニッケルクロム）合金等）である。なお、下地層の厚みは、施工性と経済性を考慮して、例えば、２〜５ｍｍ程度とするのがよい。
この下地層の製品への溶着は、通常のＴＩＧ溶接機やＭＩＧ溶接機を用いて行う。
【００１９】
下地層の表面への被覆層の形成は、金属マトリックスに炭化系粉体セラミックスが散在状態で含まれる複合材の粉末を焼結させて棒状とした溶加棒（例えば、直径が３〜８ｍｍ程度）を用いて行う。
具体的には、例えば、ＴＩＧ溶接機やＭＩＧ溶接機と上記した溶加棒を使用し、複合材を下地層の表面に溶着させることにより行う。なお、被覆層の厚みは、摩耗環境下での寿命等を考慮して、例えば、２〜５ｍｍ程度とするのがよい。
【００２０】
溶加棒を構成する複合材の材質は、前記したように、高温雰囲気中で製品の耐摩耗性を向上させる材質（金属マトリックスに炭化系粉体セラミックスを散在させたもの）であり、しかも、棒状に成形（溶加棒を製造）できる材質であれば、特に限定されるものではないが、これらの性質を満足できる材質を考慮すれば、例えば、被覆層のビッカース硬度（Ｈｖ）が、６００℃で５５０以上（好ましくは、５８０以上、更には９００以上）となる材質が好ましい。一方、上限値については、棒状に成形可能な範囲で、被覆層の耐摩耗性が向上すればよいため、特に規定していないが、例えば、Ｈｖ１０００程度である。
【００２１】
なお、複合材を構成する炭化系粉体セラミックスは、被覆層の耐摩耗性を向上させる機能を有するものであり、金属マトリックスは、硬度が高く、しかも、炭化系粉体セラミックスを被覆層中に留めるバインダー機能を備えるものである。この複合材中の金属マトリックスの粒径は、例えば、２０〜２００μｍ程度であり、炭化系粉体セラミックスの粒径は、例えば、３〜１００μｍ程度である。
このような機能を備える複合材の材質としては、例えば、以下に示す複合材Ａ〜Ｃがある。
【００２２】
まず、複合材Ａは、金属マトリックスとして、ＮｉとＣｒを含み、炭化系粉体セラミックスとして、ＴｉＣ（チタンカーバイト）とＣｒ３Ｃ２（クロムカーバイト）を含む。  
ここで、金属マトリックスの各成分の含有量は、複合材の全量（全質量）を１００質量％として、Ｎｉが２０質量％以上２８質量％以下（更には、下限を２２質量％、上限を２６質量％、とするのがよい）であり、かつ、Ｃｒが５質量％以上７質量％以下（更には、下限を５．５質量％、上限を６．５質量％、とするのがよい）である。
【００２３】
この金属マトリックスには、更に、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（ケイ素）、及び、Ｂ（ホウ素）のいずれか１又は２以上からなる添加材が含まれてもよい。これら添加材の含有量は、複合材の全量を１００質量％として、１質量％以上５質量％以下（更には、下限を２質量％、上限を４質量％、とするのがよい）である。このように、金属マトリックスに添加材（特に、Ｓｉ、Ｂ）を加えることで、金属マトリックスの融点を下げ（凝固温度範囲を広くし）、溶加棒を製造する際の焼結温度を低く抑えることができる。
なお、金属マトリックスは、上記した成分と不可避的不純物で構成できるが、例えば、更に、Ｆｅ（鉄）等が含まれてもよい（２質量％以下程度）。
【００２４】
また、炭化系粉体セラミックスの各成分の含有量は、複合材の全量を１００質量％として、ＴｉＣが４０質量％以上５５質量％以下（更には、下限を４２質量％、上限を５０質量％、とするのがよい）であり、Ｃｒ３Ｃ２が１５質量％以上２５質量％以下（更には、下限を１７質量％、上限を２３質量％、とするのがよい）であり、しかも、炭化系粉体セラミックスの量（ＴｉＣとＣｒ３Ｃ２の合計量）が、複合材の全量の７５質量％以下である。ここで、炭化系粉体セラミックスの量が７５質量％を超えると、金属マトリックスの量が少なくなり、下地層の表面から被覆層（炭化系粉体セラミックス）が剥がれ易くなる。
なお、炭化系粉体セラミックスは、上記した成分と不可避的不純物で構成できるが、例えば、更に、他の硬質材等が含まれてもよい。
【００２５】
上記したように、複合材の金属マトリックスとして、上記した構成のＮｉ−Ｃｒ合金を使用することで、金属マトリックスそのものの硬度を、従来のＮｉベースの合金と比較して高めることができると共に、炭化系粉体セラミックスを被覆層中に留めることができる。
また、複合材の炭化系粉体セラミックスとしてＴｉＣとＣｒ３Ｃ２を使用することで、被覆層を、高硬度（ＴｉＣ：Ｈｖ２９００、Ｃｒ３Ｃ２：Ｈｖ１３００）、かつ、高融点（ＴｉＣ：３１００℃、Ｃｒ３Ｃ２：２４３５℃）にすることができる。
従って、複合材の構成を上記した構成とすることで、例えば、図１中の◆印で示すように、被覆層のビッカース硬度を、６００℃で９００以上にすることができる。なお、図１中の×印は、従来のＮｉベースの合金（成分として、Ｎｉ：７３質量％、Ｃｒ：１９質量％、Ｍｎ：３質量％、Ｆｅ：１質量％、を含有するＮｉ−Ｃｒ合金）である。
【００２６】
次に、複合材Ｂは、金属マトリックスとして、ＦｅとＣｒを含み、炭化系粉体セラミックスとして、ＴｉＣとＣｒ３Ｃ２を含む。  
ここで、金属マトリックスの各成分の含有量は、複合材の全量を１００質量％として、Ｆｅが２０質量％以上３０質量％以下（更には、下限を２１質量％、上限を２５質量％、とするのがよい）であり、かつ、Ｃｒが１０質量％以上１５質量％以下（更には、下限を１１質量％、上限を１３質量％、とするのがよい）である。
【００２７】
この金属マトリックスには、更に、Ｎｉ、Ｃ、Ｓｉ、及び、Ｂのいずれか１又は２以上からなる添加材が含まれてもよい。これら添加材の含有量は、複合材の全量を１００質量％として、３質量％以上１０質量％以下（更には、下限を４質量％、上限を８質量％、とするのがよい）である。この添加材の添加理由は、上記と同様の理由である。
なお、金属マトリックスは、上記した成分と不可避的不純物で構成できるが、例えば、更に、Ｍｎ（マンガン）等が含まれてもよい（１質量％以下程度）。
【００２８】
また、炭化系粉体セラミックスの各成分の含有量は、複合材の全量を１００質量％として、ＴｉＣが４０質量％以上５５質量％以下（更には、下限を４５質量％、上限を５０質量％、とするのがよい）であり、Ｃｒ３Ｃ２が１０質量％以上１５質量％以下（更には、下限を１１質量％、上限を１４質量％、とするのがよい）であり、しかも、炭化系粉体セラミックスの量（ＴｉＣとＣｒ３Ｃ２の合計量）が、複合材の全量の７０質量％以下である。この炭化系粉体セラミックス量の上限値は、上記と同様の理由から設定した。
なお、炭化系粉体セラミックスは、上記した成分と不可避的不純物で構成できるが、例えば、更に、他の硬質材が含まれてもよい。
【００２９】
上記したように、複合材の金属マトリックスとして、上記した構成のＦｅ−Ｃｒ合金を使用することで、金属マトリックスそのものの硬度を、従来のＮｉベースの合金と比較して高めることができると共に、炭化系粉体セラミックスを被覆層中に留めることができる。
従って、複合材の構成を上記した構成とすることで、例えば、図１中の■印で示すように、被覆層のビッカース硬度を、６００℃で５５０以上にすることができる。
【００３０】
続いて、複合材Ｃは、金属マトリックスとして、Ｃｏ（コバルト）とＣｒを含み、炭化系粉体セラミックスとして、ＴｉＣとＣｒ３Ｃ２を含む。  
ここで、金属マトリックスの各成分の含有量は、複合材の全量を１００質量％として、Ｃｏが２０質量％以上３０質量％以下（更には、下限を２３質量％、上限を２８質量％、とするのがよい）であり、Ｃｒが５質量％以上１２質量％以下（更には、下限を７質量％、上限を１１質量％、とするのがよい）である。
【００３１】
この金属マトリックスには、更に、Ｎｉ、Ｃ、Ｓｉ、及び、Ｂのいずれか１又は２以上からなる添加材が含まれてもよい。これら添加材の含有量は、複合材の全量を１００質量％として、８質量％以上１５質量％以下（更には、下限を９質量％、上限を１３質量％、とするのがよい）である。この添加材の添加理由は、上記と同様の理由である。
なお、金属マトリックスは、上記した成分と不可避的不純物で構成できるが、例えば、更に、Ｗ（タングステン）やＦｅ等が含まれてもよい（５質量％以下程度）。
【００３２】
また、炭化系粉体セラミックスの各成分の含有量は、複合材の全量を１００質量％として、ＴｉＣが３０質量％以上７０質量％以下（更には、下限を３５質量％、上限を６０質量％、とするのがよい）であり、Ｃｒ３Ｃ２が５質量％以上２０質量％以下（更には、下限を７質量％、上限を１５質量％、とするのがよい）であり、しかも、炭化系粉体セラミックスの量（ＴｉＣとＣｒ３Ｃ２の合計量）が、複合材の全量の７５質量％以下である。この炭化系粉体セラミックス量の上限値は、上記と同様の理由から設定した。
なお、炭化系粉体セラミックスは、上記した成分と不可避的不純物で構成できるが、例えば、更に、他の硬質材等が含まれてもよい。
【００３３】
上記したように、複合材の金属マトリックスとしてＣｏ−Ｃｒ合金を使用することで、金属マトリックスそのものの硬度を、従来のＮｉベースの合金と比較して高めることができる（例えば、Ｈｖ４２０〜４３０程度）と共に、炭化系粉体セラミックスを被覆層中に留めることができる。
従って、複合材の構成を上記した構成とすることで、例えば、図１中の▲印で示すように、被覆層のビッカース硬度を、６００℃で５８０以上にすることができる。
【００３４】
以上に示した耐摩耗性被覆用溶加棒を製造するに際しては、まず、金属マトリックスと炭化系粉体セラミックスの各成分を、上記した量に配合した後、金属マトリックスの粉体に炭化系粉体セラミックスの粉体を散在させて複合材を作成する。なお、金属マトリックスの粉体に炭化系粉体セラミックスの粉体を散在させる方法としては、従来公知の方法を使用できる。
次に、この複合材に必要に応じてバインダーを加え、焼結させて棒状とすることで、耐摩耗性被覆用溶加棒を製造する。なお、溶加棒の直径は、例えば、３〜８ｍｍ程度である。
【００３５】
以上に示した耐摩耗性被覆用溶加棒を使用することで、粉体プラズマ溶接実施時の諸問題を解消でき、耐摩耗性の被覆層をＣｕ製品の表面に作業性よく形成できるので、被覆層を形成した製品の生産性を向上できる。
【００３６】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の耐摩耗性被覆用溶加棒を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
【図１】
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