(57)【要約】【課題】硬化肉盛層における亀裂の発生を抑えることができる硬化肉盛層形成方法を提供する。【解決手段】硬化肉盛層形成方法は、溶加材として溶接ワイヤ７を溶融させて母材４上に溶融池８を生成する工程と、溶加材より比重の小さい材料からなる第１粒子を含む硬質粒子２を溶融池８に供給する工程と、溶融池８が凝固することにより母材４上に形成され硬質粒子２を未溶融状態で含有する硬化肉盛層３を得る工程とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶加材を溶融させて母材上に溶融池を生成する工程と、
前記溶加材より比重の小さい材料からなる第１粒子を含む硬質粒子を前記溶融池に供給する工程と、
前記溶融池が凝固することにより、前記母材上に形成され前記硬質粒子を未溶融状態で含有する硬化肉盛層を得る工程と、
を備える硬化肉盛層形成方法。
【請求項２】
前記硬質粒子は、前記溶加材の比重以上の比重を有する材料からなる第２粒子をさらに含む、
請求項１に記載の硬化肉盛層形成方法。
【請求項３】
溶加材を溶融させて母材上に溶融池を生成する工程と、
半凝固状態の前記溶融池に硬質粒子を供給する工程と、
前記溶融池が凝固することにより、前記母材上に形成され前記硬質粒子を未溶融状態で含有する硬化肉盛層を得る工程と、
を備える硬化肉盛層形成方法。
【請求項４】
前記硬質粒子は、前記溶加材の比重以上の比重を有する材料からなる粒子を含む、
請求項３に記載の硬化肉盛層形成方法。
【請求項５】
前記硬質粒子は、前記溶加材よりも熱膨張係数の小さい材料からなる、
請求項１から４のいずれかに記載の硬化肉盛層形成方法。
【請求項６】
前記溶加材は、軟鋼、Ｎｉ系、またはＣｕ系の金属を主成分とする、
請求項１から５のいずれかに記載の硬化肉盛層形成方法。
【請求項７】
前記硬質粒子は、炭化物または炭窒化物を含む、
請求項１から６のいずれかに記載の硬化肉盛層形成方法。
【請求項８】
前記硬質粒子は、炭化物、炭窒化物、または、これらの１種類以上をＦｅ系、Ｃｏ系、Ｎｉ系の金属で結合した粒子からなる、
請求項１から７のいずれかに記載の硬化肉盛層形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬化肉盛層形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、耐摩耗性を必要とする部材（母材）上に肉盛溶接を行うことにより硬化肉盛層を形成して、母材の耐摩耗性を向上させることが行われている。この硬化肉盛層の形成においては、溶接によって溶加材を溶融させて母材上に溶融池を生成すると共に、溶融池に硬質粒子を散布する（特許文献１参照）。これにより、硬質粒子が未溶融状態で混入された硬化肉盛層を得ることができ、耐摩耗性を向上させることができる。
【特許文献１】特開平８−４７７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のように硬化肉盛層が形成される場合、冷却過程では、母材の収縮量に対して硬化肉盛層の収縮量が大きいため、この収縮量の差によって硬化肉盛層に応力が作用する。そして、硬化肉盛層は伸びや靱性が低いため、このような応力を受けると硬化肉盛層の表面に亀裂が発生する恐れがある。このような亀裂の発生を防止するために、予熱や後熱が行われることも多いが、生産性を低下させる一因となっている。
【０００４】
本発明の課題は、硬化肉盛層における亀裂の発生を抑えることができる硬化肉盛層形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１発明の硬化肉盛層形成方法は、溶加材を溶融させて母材上に溶融池を生成する工程と、溶加材より比重の小さい材料からなる第１粒子を含む硬質粒子を溶融池に供給する工程と、溶融池が凝固することにより母材上に形成され硬質粒子を未溶融状態で含有する硬化肉盛層を得る工程とを備える。
【０００６】
この硬化肉盛層形成方法では、溶融池に供給される硬質粒子に含まれる第１粒子は、溶融池を構成する溶加材より比重が小さい材料からなる。このため、溶融池が凝固して得られた硬化肉盛層の表面近傍に未溶融状態の第１粒子を多く分布させることができる。亀裂は硬化肉盛層の表面から発生することが多いため、多数の第１粒子を硬化肉盛層の表面近傍に分布させることにより、硬化肉盛層の表面からの亀裂の発生を抑えることができる。これにより、この硬化肉盛層形成方法では、硬化肉盛層における亀裂の発生を抑えることができる。
【０００７】
第２発明の硬化肉盛層形成方法は、第１発明の硬化肉盛層形成方法であって、硬質粒子は、溶加材の比重以上の比重を有する材料からなる第２粒子をさらに含む。
【０００８】
この硬化肉盛層形成方法では、溶加材の比重以上の比重を有する材料からなる第２粒子が溶融池に供給される。このため、多数の第１粒子を硬化肉盛層の表面近傍に分布させると共に、第１粒子が分布している層よりも低い部分に多数の第２粒子を分布させることができる。
【０００９】
第３発明の硬化肉盛層形成方法は、溶加材を溶融させて母材上に溶融池を生成する工程と、半凝固状態の溶融池に硬質粒子を供給する工程と、溶融池を凝固させることにより母材上に形成され硬質粒子を未溶融状態で含有する硬化肉盛層を得る行程とを備える。
【００１０】
この硬化肉盛層形成方法では、硬質粒子が半凝固状態の溶融池に供給される。このため、硬質粒子が溶融池において沈降し難くなり、硬化肉盛層の表面近傍に多数の硬質粒子を分布させることができる。これにより、この硬化肉盛層形成方法では、未溶融状態の多数の硬質粒子を硬化肉盛層の表面近傍に分布させることができる。
【００１１】
第４発明の硬化肉盛層形成方法は、第３発明の硬化肉盛層形成方法であって、硬質粒子は、溶加材の比重以上の比重を有する材料からなる粒子を含む。
【００１２】
この硬化肉盛層形成方法では、硬質粒子が半凝固状態の溶融池に供給されるため、硬質粒子の比重に関わらず、硬化肉盛層の表面近傍に多数の硬質粒子を分布させることができる。このため、溶加材の比重以上の比重を有する材料からなる粒子であっても、硬化肉盛層の表面近傍に多数の硬質粒子を容易に分布させることができる。
【００１３】
第５発明の硬化肉盛層形成方法は、第１発明から第４発明のいずれかの硬化肉盛層形成方法であって、硬質粒子は、溶加材よりも熱膨張係数の小さい材料からなる。
【００１４】
この硬化肉盛層形成方法では、硬質粒子は、溶加材よりも熱膨張係数の小さい材料からなるため、熱膨張係数の複合側により硬化肉盛層全体としての熱膨張係数を低減させることができる。このため、硬化肉盛層の冷却時の収縮量を低減させることができ、亀裂の発生をより抑えることができる。
【００１５】
第６発明の硬化肉盛層形成方法は、第１発明から第５発明のいずれかの硬化肉盛層形成方法であって、溶加材は、軟鋼、Ｎｉ系、またはＣｕ系の金属を主成分とする。
【００１６】
この硬化肉盛層形成方法では、溶加材は、軟鋼、Ｎｉ系、またはＣｕ系の金属を主成分とするため延性が高い。このため、硬化肉盛層での亀裂の発生をより抑えることができる。
【００１７】
第７発明の硬化肉盛層形成方法は、第１発明から第６発明のいずれかの硬化肉盛層形成方法であって、硬質粒子は、炭化物または炭窒化物を含む。
【００１８】
炭化物や炭窒化物は、溶融した溶加材との濡れ性が良好であるため、この硬化肉盛層形成方法では、硬質粒子と溶加材とが強固に結合した硬化肉盛層を形成することができる。
【００１９】
第８発明の硬化肉盛層形成方法は、第１発明から第７発明のいずれかの硬化肉盛層形成方法であって、硬質粒子は、炭化物、炭窒化物、または、これらの１種類以上をＦｅ系、Ｃｏ系、Ｎｉ系の金属で結合した粒子からなる。
【００２０】
炭化物や炭窒化物は、溶融した溶加材との濡れ性が良好であるため、この硬化肉盛層形成方法では、硬質粒子と溶加材とが強固に結合した硬化肉盛層を形成することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る硬化肉盛層形成方法では、溶融池に供給される硬質粒子に含まれる第１粒子は、溶融池を構成する溶加材より比重が小さい材料からなる。このため、溶融池が凝固して得られた硬化肉盛層の表面近傍に未溶融状態の多数の第１粒子を分布させることができる。亀裂は硬化肉盛層の表面から発生することが多いため、第１粒子を硬化肉盛層の表面近傍に多く分布させることにより、硬化肉盛層の表面からの亀裂の発生を抑えることができる。これにより、この硬化肉盛層形成方法では、硬化肉盛層における亀裂の発生を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
＜第１実施形態＞
本発明に係る硬化肉盛層形成方法において用いられる溶接システム１を図１に示す。溶接システム１は、硬質粒子２を未溶融状態で含有する硬化肉盛層３をアーク溶接によって母材４上に形成するものである。母材４は、例えば、耐摩耗性が必要とされるバケットツースなどの建設機械の構成部品であり、炭素鋼、ＮｉＣｒＭｏ鋼やＣｒＭｏ鋼などの低合金鋼、高マンガン鋳鋼などの金属からなるものである。また、インコネルやハステロイなどのＮｉ基合金、黄銅や青銅などのＣｕ基合金などからなるもの母材４として利用可能である。この溶接システム１は、トーチ５と、硬質粒子供給ノズル６とを備えている。
【００２３】
トーチ５には、溶加材として溶接ワイヤ７が供給される。この溶接ワイヤ７は、軟鋼、Ｎｉ系、またはＣｕ系の金属を主成分とするものである。溶接ワイヤ７は、図示しないコイルから繰り出されてトーチ５へ供給され、トーチ５の先端から所定の長さＬ１（突出長さ）だけ突出している。この溶接ワイヤ７がアークによって溶融して溶加材として供給されることによって、母材４上に溶融池８が生成される。トーチ５は、母材４の表面に対して角度θ（トーチ角）で傾斜しており、母材４の表面に沿って所定速度で移動する（図１の矢印Ａ１参照）。
【００２４】
硬質粒子供給ノズル６は、トーチ５の外部においてトーチ５に近接して配置されており、溶接ワイヤ７が溶融して形成される溶融池８の上方に配置される。硬質粒子供給ノズル６は、トーチ５の進行方向（図１の矢印Ａ１参照）に沿って前後に所定幅でウィービングしながらトーチ５と共に移動する（図１の矢印Ａ２，Ａ３参照）。硬質粒子２は、移動する硬質粒子供給ノズル６から重力落下することにより溶融池８のアーク直下に供給される。なお、硬質粒子供給ノズル６と溶融池８のアーク発生部分までの距離はＬ２である。また、硬質粒子供給ノズル６の外周には水冷パイプ９が配設されており、硬質粒子供給ノズル６を冷却している。
【００２５】
硬質粒子供給ノズル６から供給される硬質粒子２は、溶接ワイヤ７を構成する溶加材より比重が小さく且つ溶加材よりも熱膨張係数が小さい材料からなる第１粒子から構成されている。この第１粒子は、例えば、溶加材として鋼を用いる場合には、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＺｒＣ、Ｃｒ３Ｃ２などの炭化物、炭窒化物、または、これらの１種類以上をＦｅ系、Ｃｏ系、Ｎｉ系の金属で結合した粒子からなるものである。第１粒子は、硬化肉盛層３の添加成分として必要な硬度、例えば、５００〜２０００Ｈｖ、好ましくは１０００〜１８００Ｈｖの硬度を有する。また、第１粒子の粒径は、０．５〜５ｍｍ、好ましくは０．５〜２．５ｍｍであり、第１粒子の添加量は、硬化肉盛層３に対して５〜５５容量％、好ましくは１５〜４５容量％である。
【００２６】
次に、この溶接システム１を用いた硬化肉盛層形成方法のフローを図２に示す。
【００２７】
まず、第１工程Ｓ１では、アーク溶接が行われる。ここでは、アークを発生させることによって溶接ワイヤ７が溶融して溶加材として供給され、母材４上に溶融池８が生成される。なお、本発明に係る硬化肉盛層形成方法では、硬化肉盛層の形成前に軟鋼等による下盛層を形成する下盛溶接は行われない。
【００２８】
次に、第２工程Ｓ２では、硬質粒子２が硬質粒子供給ノズル６から落下して溶融池８に供給される。第２工程Ｓ２は第１工程Ｓ１と並行して行われ、凝固する前の液体状態の溶融池８に硬質粒子２が供給される。
【００２９】
第３工程Ｓ３では、溶融池８が凝固することにより、母材４上に形成され硬質粒子２を未溶融状態で含有する硬化肉盛層３が得られる。ここでは、トーチ５と硬質粒子供給ノズル６とが移動した後の部分において、溶融池８が自然に凝固して硬化肉盛層３が形成される。第２工程において溶融池８に供給された硬質粒子２は溶加材よりも比重が小さいため、形成された硬化肉盛層３では、硬質粒子２が表面近傍に集中して分布している。
【００３０】
トーチ５と硬質粒子供給ノズル６とが移動しながら、これらの第１工程から第３工程が繰り返し行われることにより、母材４の所定領域を覆うように硬化肉盛層３が形成される。
【００３１】
このような硬化肉盛層形成方法によって硬化肉盛層３が形成されると、溶加材よりも比重の小さい硬質粒子２が溶融池８の上部に集中した状態で溶融池８が凝固する。これにより、表面近傍に硬質粒子２が多く分布した硬化肉盛層３を得ることができ、冷却時において硬化肉盛層３の表面に亀裂が生じることを抑えることができる。また、溶加材として上述したような延性のある材料が用いられることによっても、硬化肉盛層３の表面に亀裂が生じることを抑えることができる。
【００３２】
以下、第１実施形態に係る硬化肉盛層形成方法の具体的実施例について説明する。なお、各実施例における条件を比較した表を図３に示す。
【実施例１】
【００３３】
上述した溶接システム１および硬化肉盛層形成方法において、以下の条件で硬化肉盛層３を形成する。
〔母材４および溶接ワイヤ７の種類〕
母材４：ＳＨ３０製（ＮｉＣｒＭｏ鋼）
溶接ワイヤ７：ＪＦＥ溶接棒株式会社製（５０ｋｇ級軟鋼、比重７．８）、φ１．２ｍｍ
なお、溶接ワイヤ７の突出長さＬ１は２５ｍｍであり、トーチ角θは６０°である。
〔溶接条件〕
溶接電流：３５０Ａ
溶接電圧：３３Ｖ
溶接入熱：１５．４ｋＪ／ｃｍ
溶接速度（トーチ５の移動速度）：４５ｃｍ／ｍｉｎ
なお、シールドガスとして、ＣＯ２を毎分３０リットル供給する。
〔硬質粒子２の種類〕
硬質粒子２：ＴｉＣ−Ｎｉ（比重７．５ｇ／ｃｍ３）
硬質粒子２の粒径：０．７１〜２．３６ｍｍ
硬質粒子２の供給量：１５８．５ｇ／ｍｉｎ
粒子供給総体積：２１．１ｃｍ３／ｍｉｎ
硬質粒子２の含有率：３８．５％
なお、硬質粒子２の含有率は、硬化肉盛層３の総断面積における硬質粒子２の断面積の割合を示すものであり、硬質粒子２の硬化肉盛層３への溶け混みを考慮しない見かけの含有率である。
〔硬質粒子供給ノズル６の移動条件〕
ウィービング波形：ｓｉｎ波
ウィービング周波数：３．０Ｈｚ
ウィービング幅：９．４ｍｍ
硬質粒子供給ノズル６とアーク発生部分までの距離Ｌ２：２５ｍｍ
上記のような条件で硬化肉盛層３が形成されることにより、表面近傍に硬質粒子２が多く分布した硬化肉盛層３を得ることができ、冷却時において硬化肉盛層３の表面に亀裂が生じることを抑えることができる。
【実施例２】
【００３４】
母材４として、ＳＣＭｎＨ１１（高Ｍｎ鋼）製のものを用い、他の条件については実施例１と同様にして硬化肉盛層３を形成する。この場合も実施例１と同様に、表面近傍に硬質粒子２が多く分布した硬化肉盛層３を得ることができる。
【００３５】
＜第２実施形態＞
上記の第１実施形態における第２工程において、硬質粒子２を供給するタイミングを溶融池８が半凝固状態となったときとしてもよい。この場合、硬質粒子２は、溶加材の比重以上の比重を有する材料からなる粒子を含むものであってもよい。例えば、鋼を溶加材として用いる場合、概ね同じ比重を有するものとしては、ＮｂＣがある。また、大きな比重を有するものとしては、Ｍｏ２Ｃ、ＴａＣ、ＷＣ、Ｗ２Ｃ、または、これらの１種類以上をＦｅ系、Ｃｏ系、Ｎｉ系の金属で結合した粒子からなるものがある。
【００３６】
溶接システム１の構成や他の工程については第１実施形態と同様である。
【００３７】
以下、第２実施形態に係る硬化肉盛層形成方法の具体的実施例について説明する。
【実施例３】
【００３８】
硬質粒子２：ＷＣ−Ｃｏ（比重１４．５ｇ／ｃｍ３）
硬質粒子２の粒径：０．７１〜２．３６ｍｍ
硬質粒子２の供給量：３０６．５ｇ／ｍｉｎ
粒子供給総体積：２１．１ｃｍ３／ｍｉｎ
硬質粒子２の含有率：３８．５％
なお、硬質粒子供給ノズル６の移動条件は実施例１と概ね同じであるが、ウィービング幅は９．８ｍｍである。また、他の条件については実施例１と同様であるが、溶融池８が半凝固状態となったときに硬質粒子２が硬質粒子供給ノズル６から供給される。
【００３９】
この場合、半凝固状態の溶融池８に硬質粒子２が供給されるため、溶加材よりも比重の大きい硬質粒子２であっても沈降し難い。このため、硬質粒子２が溶融池８の上部に集中した状態で溶融池８が凝固する。これにより、表面近傍に硬質粒子２が多く分布した硬化肉盛層３を得ることができ、冷却時において硬化肉盛層３の表面に亀裂が生じることを抑えることができる。
【実施例４】
【００４０】
母材４としてＳＣＭｎＨ１１（高Ｍｎ鋼）製のものを用いる。他の条件については実施例３と同様である。
【００４１】
この場合も、実施例３と同様に、表面近傍に硬質粒子２が多く分布した硬化肉盛層３を得ることができ、冷却時において硬化肉盛層３の表面に亀裂が生じることを抑えることができる。
【００４２】
＜第３実施形態＞
上記の第１実施形態における第２工程において、溶加材の比重より小さい第１粒子だけではなく、溶加材の比重以上の比重を有する材料からなる第２粒子をさらに含む硬質粒子２を硬質粒子供給ノズル６から供給してもよい。ここでいう第２粒子とは、第２実施形態において硬質粒子として例示したものと同様のものである。第２粒子は第１粒子とは別体の粉体として第１粒子と混合された状態で供給されるが、第１粒子として例示した材料と第２粒子として例示した材料とがＦｅ系、Ｃｏ系、Ｎｉ系の金属で結合された粒子が硬質粒子として供給されてもよい。
【００４３】
溶接システム１の構成や他の工程については第１実施形態と同様である。
【００４４】
以下、第３実施形態に係る硬化肉盛層形成方法の具体的実施例について説明する。
【実施例５】
【００４５】
硬質粒子２：ＴｉＣ−ＮｉとＷＣ−Ｃｏとの混合（ＴｉＣ：３８容積％（２４重量％）、ＷＣ−Ｃｏ：６２容積％（７６重量％））
硬質粒子２の粒径：０．７１〜２．３６ｍｍ
第１粒子（ＴｉＣ−Ｎｉ）の供給量：４９．５ｇ／ｍｉｎ
第２粒子（ＷＣ−Ｃｏ）の供給量：１６３．０ｇ／ｍｉｎ
粒子供給総体積：１７．８ｃｍ３／ｍｉｎ
硬質粒子２の含有率：３７．１％
なお、溶接条件および硬質粒子供給ノズル６の移動条件は実施例１と概ね同じであるが、溶接速度は４２ｃｍ／ｍｉｎ、溶接入熱は１５．６ｋＪ／ｃｍ、ウィービング幅は８．０ｍｍである。他の条件については実施例１と同様であり、第１粒子と第２粒子とのどちらも液体状態の溶融池８に供給される。
【００４６】
上記のような条件で硬化肉盛層３が形成されると、溶加材よりも比重の小さい第１粒子が溶融池８の上部に集中し、且つ、溶加材よりも比重の大きい第２粒子が溶融池８の下部に集中した状態で溶融池８が凝固する。これにより、表面近傍に第１粒子が多く分布した硬化肉盛層３を得ることができ、冷却時において硬化肉盛層３の表面に亀裂が生じることを抑えることができる。また、第２粒子によって、硬化肉盛層３の表面だけではなく下部にも硬質粒子２を分布させることができるため、硬質粒子２を硬化肉盛層３中に分散させることができ、安定した耐摩耗性を得ることができる。
【実施例６】
【００４７】
母材４としてＳＣＭｎＨ１１（高Ｍｎ鋼）製のものを用いる。他の条件については実施例５と同様である。
【００４８】
この場合も、実施例５と同様に、表面近傍に第１粒子が多く分布し、下部に第２粒子が多く分布した硬化肉盛層３を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、硬化肉盛層における亀裂の発生を抑えることができる効果を有し、硬化肉盛層形成方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る硬化肉盛層形成方法で用いられる溶接システムの構成を示す図。
【図２】本発明に係る硬化肉盛層形成方法のフローを示す図。
【図３】各実施例の条件を比較した表を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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