レーザメタルデポジションによるめっき複合炭化物を含有した
高硬度肉盛層形成技術の開発
地方独立行政法人

大阪産業技術研究所

加工成形研究部部長

萩野秀樹

加工成形研究部

主任研究員

山口拓人

加工成形研究部

主任研究員

四宮徳章

技術サポートセンター

主幹研究員

小栗泰造

（平成 29 年度 一般研究開発助成 AF-2017226）

キーワード：レーザメタルデポジション，炭化物，高硬度肉盛層

１．研究の目的と背景ことが大きな課題となっている．先述の炭化物を含有し近年，高張力鋼板や CFRP といった加工困難な高強度た肉盛層を LMD で形成する場合，溶融したマトリクスの材料が自動車業界をはじめ多くの業界で利用されており，温度が炭化物の融点以下であっても，炭化物の表面がマ

それらを加工するための金型や工具の耐久性向上が強くトリクスの融液と接していると炭化物の溶出が起こり，望まれている．金型などの耐久性を向上させるためには，肉盛層のマトリクスが硬化し，割れ感受性が高くなるこ

耐摩耗性に優れた材料を利用する必要があるが，こうしとが知られている 1)．耐摩耗性に優れた肉盛層を形成す

た材料は一般的に高価であるため，金型全体に適用したるためには，炭化物を溶出させることなくマトリクスに場合にはコストが高くなるといった課題がある．一方，なる金属のみを溶融させる必要があるが，実現可能な耐摩耗性を付与するための表面処理に関する技術開発もLMD の条件範囲は狭く，安定した肉盛層の形成は困難で積極的に行われている．しかし，既存の表面処理には，ある．また，処理対象物を数百℃に予加熱した後，肉盛処理層の厚さが薄い，皮膜と基材の密着力が弱い，特別することも検討されているが，作業が煩雑なため実用化な処理雰囲気を必要とする場合は処理対象物のサイズにの障壁となっている．予加熱を行うことなく割れのない制約が生じるといった課題があり，これらを解決する新高硬度の肉盛層を形成する技術の開発が切望されている．

たな技術の開発が望まれている．

本研究では耐摩耗性に優れた高硬度肉盛層を得るた

レーザメタルデポジション（Laser Metal Deposition，

めに，硬度の高い炭化物を含んだ肉盛層をレーザを用い以下 LMD）は，処理対象物の特定箇所に所望の素材粉末て形成する新しい表面処理技術の開発を目的とした．マを供給しながらレーザを照射し，肉盛層を形成すること

トリクスの融液と炭化物が接している場合，先述のとおが可能な表面処理技術である．大気中で処理できるためり，炭化物が溶出し，割れの要因となる．そこで，本研

対象物のサイズの制約がほとんどない，基材との密着性究では，マトリクスと炭化物の接触を避けるため，めっに優れている，肉盛を繰り返すことで厚い肉盛層（0.1 mmきを施した炭化物の利用を試みた．肉盛時に，めっき成～ 数 mm）を形成できるといった利点を有している．ま分がマトリクス中に溶出したとしても，炭化物の表面がた，摩耗が激しい部位などの必要な箇所のみに肉盛する

マトリクスの融液と接触する前に凝固を完了させることことができるため，高価な材料の使用も必要最小限に抑ができれば，炭化物の溶出は抑制可能と考えられる．

えることができるという特長もある．このため，LMD ははじめに，肉盛層の割れ抑制に及ぼす，めっきの効果

耐摩耗性を必要とする金型や工具の新しい表面処理技術について検証した．肉盛層のマトリクスは，コバルト基として期待されている．特に，肉盛層のマトリクス(コバ合金とし，炭化物には表面にニッケル系のめっきを施しルト合金等）に硬度の高い炭化物（炭化タングステン等）たものを用いた．

を含有した肉盛層は，耐摩耗性に優れた理想的な肉盛層

LMD のパラメータには，レーザパワー，肉盛ヘッド送であり，LMD を利用することにより，このような肉盛層り速度，マトリクスとなる粉末，および炭化物の粉末供の形成も可能である．

給量がある．これらのパラメータには密接な相関があり，しかしながら，LMD を用いて高硬度の肉盛層を形成す最適条件を決定するためには多くの実験が必要となる．

る場合，熱応力に起因する割れが肉盛層に発生しやすい

また，粉末にめっきを施しても，パラメータ（以下，加工条件）が適正でなければ割れが発生する可能性がある．

エネルギー分散型 X 線分析装置（EDX）を用いて成分をそこで，本研究では最適な加工条件についての基礎的な調べた結果，白い粒状のものからはタングステン（以下，実験を行うとともに，熱応力シミュレーションによってW）と炭素（以下，C）が検出され，デンドライトからは最適な加工条件を決定する技術についても検討を行った．

W が多く検出された．この結果から，粒状のものは未溶解の WC であり，デンドライトは肉盛時に WC 粉末の一部２．めっきを施した炭化物を利用した肉盛2･1がマトリクス中に溶出し，凝固時に再び炭化物として晶出したものと考えることができる．(b)の場合は，めっき実験方法

肉盛に使用した炭化物は炭化タングステン（以下，WC，により炭化物の溶出が抑えられたことにより，デンドラ粒径約 70 m）で，その表面にめっきを施した．めっき

イト状の晶出物が少なくなったと考えられる．また，めの種類は融点が比較的高いニッケルボロンめっき（Ni-B，っき層は見られず，溶けてしまったものと考えられる．

厚さ約 2 m）とした．マトリクスにはコバルト基合金スそれぞれのマトリクスの成分を EDX で分析した結果をテライト 6（粒径 53 m ～ 150m）を用い，基材には表１に示す．めっきありの場合は，めっきなしと比べ，厚さ 10 mm，大きさ 100 mm × 100 mm の鋼板（材質 S50C）

W の値が 10 %程度小さくなっており，めっきにより WC のを用いた．

溶出が抑えられたことがわかる．ただ，ステライト 6 のレーザには，レーザライン社製の半導体レーザ（LDM2000-60）を用いた．レーザの最大出力は 2 kW，スポッW 含有量約 5 wt%と比べると，W の量は増えていることから，WC の溶出を完全に抑えることはできていない．

ト形状は 5 mm × 5 mm である．レーザ肉盛ヘッドにはフラウンホーファ製の COAX-12 を用いた．粉末の供給に(a)は GTV 社製の粉末供給装置を用い，キャリアガスにはアルゴンガスを用いた．また，肉盛中は肉盛ヘッドのノズルからシールドガスとしてアルゴンガスを 20 L/min.供給した．
2･2

めっきの効果の確認

レーザパワーの設定値 1.2 kW，ヘッドの送り速度 10mm/s，粉末供給量ステライト 6：約 6.5 g/min.，WC：約50 m

5.0 g/min.の条件で 3 層肉盛した試料（肉盛長さは 70mm，肉盛高さ約 1 mm）のカラーチェック後の表面写真を図１に示す．図では，割れが存在した箇所を矢印で示し(b)ている．(a)はめっきを施していない炭化物を使用した結果，(b)はめっきを施した炭化物を使用した結果である．
めっきを施すことにより，割れの数を約半分に低減させることができている．
肉盛層組織の SEM 写真を図２に示す．(a)はめっきを施していない炭化物を使用した結果，(b)はめっきを施した炭化物を使用した結果である．(a)の組織は，白い粒状のものと白いデンドライト状のもの，およびグレーのマ50 m

トリクスで構成されている．(b)も同様の組織になってい図２ 肉盛層組織の SEM 写真

るが，デンドライト状のものは少ない．

(a) めっきを施していない炭化物使用，(b) めっきを施した炭化物使用

表１
めっき

マトリクス成分の EDX 分析結果（wt%)

WCrFe

Co

Ni

その他

38.4

17.4

5.9

35.7

－

2.6

28.8

16.8

6.5

35.1

10.6

2.2なし
図１

肉盛層表面写真(a) めっきを施していない炭化物使用，(b)めっきを施した炭化物使用

めっきあり

以上の結果から，めっきを施すことによりレーザ肉盛

条件 A と条件 D を比較すると，条件 D の割れの数は条時の WC の溶出を抑えることができ，肉盛層に発生する件 A の 3 倍であり，炭化物へのめっきが割れ抑制に効果割れを低減することができたと考えられる．

があることを改めて確認することができた．
また，条件 A～C を比較すると，ヘッドの送り速度が遅2･3

いほど割れの数が少なくなっていることがわかる．この加工条件と割れの関係

めっきを施した炭化物を利用することにより，炭化物要因としては，送り速度が遅いほど，基材への入熱が大を含有した肉盛層の割れを低減できることがわかった．

きく，基材を予熱する効果があったことが考えられるが，次に，加工条件と割れの関係について検討した．実験条

今後，詳細に検討を行う必要がある．

件は，レーザパワー（設定値）1.2 kW ～ 1.6 kW，ヘッド送り速度 3 mm/s ～ 10 mm/s，粉末供給量ステライト

３．割れ低減のための加工条件の検討

6：約 2.6 g/min. ～ 約 13.0 g/min.，WC：約 2.0 g/min.

3･1～ 10.0 g/min.の間で変化させた．なお，粉末の混合比

前節において，加工条件により，割れ発生の頻度が変を一定にするために，ステライト 6 と WC の供給量の重わることを明らかにした．レーザ肉盛で割れが発生する量比をステライト 6：WC = 1.3:1 で固定した．また，肉要因として，肉盛後の冷却過程において基材の収縮量と盛高さを，ある程度等しくするためにヘッド送り速度と肉盛層の収縮量が異なるために発生する残留応力が考え粉末供給量の比を一定にした．肉盛長さと肉盛層数は前られる．したがって，残留応力が小さくなる条件で肉盛節と同じく，それぞれ 70 mm，3 層とした．

を行うことで，肉盛層に発生する割れの数を減らすこと

加工条件と変形量の関係

光学顕微鏡を用い，肉盛層長さ 70 mm あたりの表面のができると考えられる．肉盛層の残留応力を直接測定す割れ数を測定した結果を図３に示す．図中の A～D は表ることができれば，残留応力が小さくなる加工条件の検２に示す加工条件に対応している．条件 A～C は，めっき討も容易であるが，肉盛層の残留応力を直接測定するこを施した炭化物を使用しており，条件 D は，めっきを施とが困難であったため，薄い基材に肉盛を施し，基材のしていない炭化物を使用している．条件 A と条件 D は，変形量から相対的に残留応力が小さくなる加工条件につめっきの有無以外は同じ加工条件である．

いて検討を行った．
肉盛実験について以下に述べる．マトリクスにはコバ
ルト基合金ステライト 6（粒径 53 m ～ 150m）を用

20い，基材には厚さ 4 mm，大きさ 25 mm × 100 mm，材質割れの数（本／70 mm）

18SUS304 の板を用いた．レーザ肉盛装置は，前章の実験と16同じシステムを用いた．キャリアガスおよびシールドガ

14スについても前章と同様にアルゴンガスを用い，肉盛中12はシールドガスとして肉盛ヘッドのノズルからアルゴン10ガスを 20 L/min.供給した．
図４に，レーザパワーを 1.6 kW（設定値）で一定とし，8ヘッドの送り速度と粉末供給量を種々変えた加工条件で6得られた肉盛層の高さと変形量の関係を示す．また，こ4の変形量の定義を図５に示す．図５は肉盛した試料の縦2断面の模式図であり，変形量は基材裏面の中心から肉盛0A
図３BC方向に平行に 40 mm 離れた位置での変形量とした．

D

図４から，ヘッドの送り速度にかかわらず，肉盛高さが高いほど変形量が大きくなるという傾向が見られる．

各加工条件での割れ数の測定値

また，4 mm/s 以上の速度では，多少のばらつきはあるものの変形量にあまり差はないが，2 mm/s の速度の場合は
表２条件

加工条件

レーザパワー

ヘッド送り速度

ステライト 6WC 供給量

炭化物への(kW)(mm/s)

供給量 (g/min.)(g/min.)

めっき

A

1.2

3.0

3.93.0あり

B

1.25.06.55.0あり

C

1.610.0

13.010.0あり

D

1.23.03.93.0なし

4 mm/s 以上の場合と比べ，変形量が小さいという結果が肉盛層得られた．この結果は，2･3 節の実験結果（条件 A の場合は，条件 B,C と比べ，割れの数が少ない．条件 B と条件 C の割れの数にはあまり差がない）とも整合している．

変形量

基材

ただし，この傾向については，データの数が少ないため，今後，さらに実験を行い，データを増やして検討を行う

40 mm必要がある．
図５
3･2

変形量の定義レーザ肉盛りに関するシミュレーション

実験により，割れや変形の少ない最適な加工条件を求めることは，時間を含め多くのコストが必要となるため，2.0

シミュレーションの活用が期待されている．そこで，熱応力シミュレーションによる加工条件の最適化について検討を行った．

S-2mm/s
S-4mm/s
S-6mm/s
S-8mm/s
S-10mm/s

1.5(mm)計算力学研究センター社製 3 次元熱応力解析ソフト
Quick Therm を用い，前節の実験結果をもとにシミュレ

変形量ーションを行った．
はじめにレーザパワーの吸収率を見積もった．実際に肉盛実験に用いる試料と同じものにレーザ光を照射し，温度変化を測定した．その測定結果と伝熱シミュレーシ

1.00.5

ョンによる温度変化を比較することで，吸収率を 49.4 %0.0と見積もった．
肉盛高さと変形量の関係についてのシミュレーショ

02

肉盛高さ

ン結果を図６に示す．図４と図６を比較した結果，変形量の絶対値には差があるが，肉盛高さが高いほど，変形1

図６34(mm)

肉盛高さと変形量の関係についてのシミュレーション結果量が大きくなるという傾向が実験結果とシミュレーション結果とで一致した．また，送り速度が 2 mm/s の場合は，4 mm/s 以上の送り速度の場合と比べて変形量が小さいことや送り速度 4 mm/s と 6 mm/s の場合は変形量にあ４．まとめ

まり差がないといった点が実験とシミュレーションで同本研究では，レーザメタルデポジションにより，硬度じ傾向を示している．以上より，シミュレーションを利の高い肉盛層を割れなく形成するための技術について検用することで，加工条件の最適化が，ある程度可能だと討を行った．その結果，めっきを施した炭化物を利用す考えている．

ることにより，割れの数を低減することに成功した．
実験した条件の範囲では，割れを少なくする，あるいは変形を小さくするためには，肉盛ヘッドの送り速度は2.0遅い方がよいという結果が得られた．しかし，速度が遅
2mm/s
4mm/s
6mm/s
8mm/s
10mm/s

変形量(mm)1.5

い場合，希釈率や基材のダメージが大きくなる恐れもあるため，最適な加工条件については，異なる観点からも検討を行う必要がある．また，熱応力シミュレーションを利用した加工条件の最適化についても，ある程度の可1.0能性を示すことができた．

謝0.5

辞

本研究は，公益財団法人天田財団の平成 29 年度一般研究開発助成によるものです．ここに深く謝意を表しま0.0012

肉盛高さ
図４34(mm)

各種加工条件での肉盛高さと変形量の関係

す．

参考文献
1) S. Zanzarin, S. Bengtsson and A. Molinari : J.
Laser Appl., 27, (2015), S29209.