セラミックスを混合した Co-Cr-Mo
Mo 合金のプラズマ粉体肉盛溶接時の硬さ *桑嶋 孝幸**、、園田 哲也**、斎藤 貴**
Co-Cr-Mo
Mo 合金は優れた特性を有するは優れた特性を有するは優れた特性を有する生体材料材料のひとつである。
である。CCMCCM 合金は高価であり、加工性も悪いことから安価な材料との複合化、接合技術が不可欠である。
あり、加工性も悪いことから安価な材料との複合化、接合技術が不可欠である。本
本研究では PTA 溶接法で軟鋼へ肉盛溶接を行った。
溶接法で軟鋼へ肉盛溶接を行った。セラミックス粉末を混合して肉盛軟鋼へ肉盛溶接を行った。セラミックス粉末を混合して肉盛溶接を行うことによってうことによって CCM 合金単体と比較して大幅に合金単体と比較して大幅に硬さを向上させることがで硬さを向上させることができた。溶接金属の硬さは、溶接電流きた。溶接金属の硬さは、溶接電流の増加によってよって低くなった。
低くなった。
キーワード：
キーワード：CCM合金、、混合粉末、、PTA 溶接

Hardness of Plasma-Transferred
Plasma Transferred-Arc
Arc Weld of Mixed Powders ofCo––Cr–MoMo Alloys and Ceramics
Takayuki Kuwashima, Tetsuya Sonoda and Takashi Saito
Cobalt–chromium
chromium–molybdenum
molybdenum (CCM) alloy has excellent properties for use as abiomaterial and can be welded onto mild steel using plasma
plasma-transfer
transfer-arc
arc welding. This study
focuses on using this technique for industrial purposes. A mixed powder of CCM alloy anandCr2C3 ceramic is used as welding material. The welded metal is harder than the CCM alloy
alone, although the hardness decreases with increasing welding current.
key words : CCM alloy, mixed powder
powder, PTA welding
1 緒言
Co-Cr-Mo 合金（以下、合金（以下、CCM
CCM 合金と記す）は、機械的強合金と記す）は、機械的強度が高く耐食性が耐食性が良い材料で良い材料で、人工関節などの生体材料人工関節などの生体材料を中心に応用されている。岩手県においても原材料をを中心に応用されている。岩手県において 原材料を製造して生体材料メーカーへ供給している企業があり、今後の市場拡大が期待されている。
一方、CCMCCM 合金の優れた特性を一般産業へも応用しよ優れた特性を一般産業へも応用しようとする試みも盛んに行われており、プラスチック射出成形機用スクリュー等の試作等が行われている。
一般的に CCM 合金は高価であり、加工性も悪いことから安価な材料との複合化、接合技術が不可欠である。
ら安価な材料との複合化、接合技術が不可欠である。岩
手県工業技術センターにおいても溶射法やプラズマ粉体
肉盛溶接法（以下、（以下、PTA 法と記す）などによって、鋼材法と記す）などによって、鋼材との複合化技術開発に取り組んでいる 1)。溶射法による溶射法による複合化技術の開発では、技術の開発では、CCM
CCM 合金単体でマイクロビッカ
ース硬さ 550 が得られた 2)。加工速度や製品形状の自由加工速度や製品形状の自由度で、溶射法が優れている点もあるが、皮膜と基材は機械的なアンカー効果で接合されているために溶接法と比較して信頼性や接合強度で劣る。反面、PTA較して信頼性や接合強度で劣る。反面、法では溶接
溶接
金属と基材は冶金的な接合で接合強度が高く、継ぎ手のは冶金的な接合で接合強度が高く、継ぎ手の信頼性は高い。
信頼性は高い。CCM 合金を PTA 溶接した報告はあまりな
く、また、セラミックス粉末と混合した粉末を PTA 溶接した報告は見当たらない
した報告は見当たらない。
。
そこで本研究では、
そこで本研究では、CCMCCM 合金とセラミックスとの混合セラミックスとの混合粉末を用いて、粉末を用いて、PTA 法による CCM 合金の複合化技術に関***する検討を行うとともに、ダイカスト分野での部品等へする検討を行うとともに、ダイカスト分野での部品等への応用を考慮して Al 溶湯中での耐久性評価を行った。
2 実験方法2-1
1 供試材
実験に用いた CCM 合金粉末は、山陽特殊鋼合金粉末は、山陽特殊鋼（株）製の製のガスアトマイズ粉末である。粉末外観の SEM 写真を図 1に示す。粉末形状は球形で粒径は 63～150μm150μm である。また、溶接金属の硬さを向上させる目的でセラミックス粉末を CCM 合金粉末と混合して PTA 溶接を行った。用いたセラミックス粉末は、Crセラミックス粉末は、 2O3 と Cr2C3 の 2 種類である。両粉末外観の SEM 写真を図
写真を 1 に併せて示す。セラミックス
粉末は、粉砕法で製造されたもので形状が角張っていることがわかる。粉末はＶ型混合器で混合して使用した。

図 1 粉末外観の SEM 写真

平成 24～25
25 年度 JST 復興促進プログラム（A-STEP
復興促進プログラム（探索タイプ）
ものづくり基盤技術第１
ものづくり基盤技術第１部部（現 機能表面技術部）
機能表面技術部*** ものづくり基盤技術第１部（現 企画支援部）

岩手県工業技術センター研究報告 第 18 号（2016）

図 2 PTA 溶接法の概要

図 3 PTA 溶接金属断面の SEM 写真

図 4 PTA 溶接金属断面の SEM 写真と面分析結果と面分析結果（溶接電流：150A）（溶接電流：混合比は、体積比で CCM 合金：セラミックス粉末=60:40
合金：セラミックス粉末=60:40である。基材は、基材は、SS400(一般構造用圧延鋼材
一般構造用圧延鋼材)を用いた。
一般構造用圧延鋼材 を用いた。
2-2 溶接方法
使用した溶接機は、日鐵溶接工業（株）製の NW-300ASR
300ASR（電源）、150PPH
150PPH（溶接トーチ）（溶接トーチ）であるである。
溶接トーチは（株）安川電機製の六軸多関節ロボットに取り付けウィビングを行いながらに取り付けウィビングを行いながら溶接を行った。ガス溶接を行った。ガスはアルゴンガスを用いて、パイロットガス流量 1.5L/min
1.5L/min、溶接速度 6cm/min
6cm/min、溶接電流、溶接電流を 150A、180A
180A の 2 水準でで溶接を行った。
接を行った。PTA 溶接の写真を図
溶接の写真を 2 に示す。
2-3 評価方法
溶接した試験片は、精密切断機で切断して樹脂に埋め溶接した試験片は、精密切断機で切断して埋め込み研磨して込み研磨して、組織観察、マイクロビッカース硬さ測定
組織観察、マイクロビッカース硬さ測定を行った。マイクロビッカース硬さは、（株）ミツトヨ製
HM-221 を用いて、を用いて、0.1mm ステップで硬さ分布測定を行った。試験荷重は試験荷重は 200g である。
溶接金属の分析は、日本電子（株）製の FE-EPMA 装置（JXA-8530F））を用いて、金属組織観察、面分析を行った。
液体金属中での耐久性を調べるために純アルミ溶湯中に試験片を浸漬して、一定時間ごとに取り出し、断面を観察して評価した。
3 実験結果
実験結果及び考察
3-1 セラミックスセラミックス粉末の選択粉末の選択
はじめに混合するセラミックス混合するセラミックス粉末を選択するために混合するセラミックス粉末を選択するために同量混合した Cr2O3 と Cr2C3 セラミックス粉末を同条件でPTA 溶接した。溶接金属断面の SEM 写真を図
写真を 3 に示す。
Cr2O3 を混合した断面組織は、基材界面付近に白い組織が認められる。これは混合したセラミックス粉末粒子であると思われる。一方、ると思われる。一方、Cr2C3 を混合したものは一様な組織

図 5 PTA 溶接金属断面の SEM 写真
写真と面分析結果と面分析結果（溶接電流：180A）（溶接電流：となっており、溶接金属と金属基材界面の状態も良好である。これらの結果から、Crある。これらの結果から、 22C3 を混合するセラミックス粉末として選択し、溶接条件を変化させて、その影響を調査するとともに Al 溶湯中での耐久性の評価を行った。
3-2
2 溶接条件の組織、硬さへの影響
CCM 合金粉末とCr合金粉末と 2C3 セラミックス粉末の混合粉末で溶接電流を変化させて溶接を行った。
接電流を変化させて溶接を行った。溶接電流は溶接電流は 150A、、180A の 2 水準である。図水準である。 4、図、図 5 にそれぞれの SEM 写真を示す。観察は、溶接金属の下部、中部、上部の 3 箇所を観察している。
溶接電流 150A では下部組織が非常に細では下部組織が非常に細セラミックスを混合した Co-Cr
Cr-Mo 合金のプラズマ粉体肉盛溶接時の硬さ

かい角張った組織とかい角張った組織となっているなっている。これに対して、中部、。これに対して、中部、上部は大きな角張った組織の周りに細かな組織が観察されている。溶接電流 180A では、下部組織でも大きな角張った組織が観察されている。面分析の結果からこの角張った組織は、った組織は、Cr 炭化物であることがわかる。この炭化物の大きさは、混合した Cr2C3 よりも大きな物が多くあることから、溶接によって CCM 合金粉末中の Cr と Cr2C3 とが反応してできた炭化物である。
反応してできた炭化物である。はじめに大きい炭化物がはじめに大きい炭化物が凝固時に析出し、その後、その周りに細かい炭化物が析出しているものと考えられる。凝固は金属基材側から始まり上部が最終凝固部まり上部が最終凝固部となると考えられる。溶接金となると考えられる。溶接金

図 7 Al 溶湯浸漬試験後の PTA 溶接金属断面のマクロ写真

150A

図 8 Al 溶湯浸漬時間と反応層厚さの関係

180A

図 6 PTA 溶接金属断面の硬さ分布（溶接電流、上：（溶接電流、上：150A150A、下：180A））

属下部組織が細かいのは、CCM 合金と Cr2C3 が十分に反応する時間が短いことが影響しているものと推察される。
3-3 溶接金属の硬さ分布
次に溶接金属の硬さ分布を溶接金属の硬さ分布を 6 に示す。金属基材の硬溶接金属の硬さ分布を図
さは 200 程度であるが溶接金属はそれよりも硬くなっている。溶接電流 150A では、溶接金属の硬さは 800 程度であるが 180A では 700 程度となっており、少し下がっている。これは溶接電流が大きいために金属基材の溶融量る。これは溶接電流が大きいために金属基材の溶融量が増加して希釈されたためである。

図 9 Al 溶湯浸漬後の溶接金属断面の SEM 写真と面分析結果（溶接電流：面分析結果（溶接電流：150A）

岩手県工業技術センター研究報告 第 18 号（2016）

よる差はあまり大きくない。
よる差は大きくない。
次にこれらの試験片の Al 溶湯と溶接金属界面の SEM
写真と面分析結果を図
写真と面分析結果を 9、図 10 に示す。Co の濃度が界面で変化している。
溶接金属中の Cr2C3 は安定な化合物であることから、ることから はじめに Al 溶湯と接触している溶湯と接触しているマトリック
マトリック
ス中の金属成分が Al 溶湯と反応して溶湯と反応して、、反応層が形成されているものと考えられる。ているものと考えられる。

図 10 Al 溶湯浸漬後の溶接金属断面の SEM 写真と面分析結果（溶接電流：面分析結果（溶接電流：180A））

3-4 Al 溶湯中での耐久試験結果
次に Al 溶湯中での耐久試験結果
溶湯中での耐久試験結果について述べるについて述べる。
。図 7に試験片断面のマクロ写真を示す。溶湯に触れている上部に溶接金属と Al の反応層が観察されている。
反応層は時間の経過とともに厚くなっている。浸漬時間と反応層の厚さの関係をの厚さの関係を図 8 に示す。時間の経過と共に反応層厚さの増加は少なくさの増加は少なくなっているなっている。このことから反応。このことから反応速度は速度は徐々に遅くなっている徐々に遅くなっていることがわかることがわかる。また、溶接電流。また、溶接電流。また、溶接電流に4 結言
本研究では、CCM
本研究では CCM 合金を PTA 溶接法で SS400 と複合化することを目的として実施した。得られた知見をまとめると以下のとおりである。
(1)CCM 合金と Cr2C3 セラミックスの混合粉末を PTA 溶接することでマイクロビッカース硬さることでマイクロビッカース硬さ 800 が得られ、CCM 合金単体と比較して大幅に硬さを向上させることができた。
(2)Cr(2) 2O3セラミックスの混合粉末は均一な溶接金属が得られなかった。
(3)溶接電流を高くすると硬さは低下する傾向が認め(3)溶接電流を高くすると硬さは低下する傾向が認められた。これは金属基材の希釈効果によるものと考えられる。
(4)Al 溶湯中での浸漬試験では、時間の経過と共に反応層の増加が確認された。
文
献1)地域イノベーション戦略支援プログラム
地域イノベーション戦略支援プログラム（グローバル型）研究成果集、財団法人いわて産業振興センター型）研究成果集、財団法人いわて産業振興センター（2013）（2)桑嶋孝幸
桑嶋孝幸、柳原圭司
柳原圭司、飯村崇
崇、園田哲也
園田哲也、岩渕明、千千葉晶彦：溶射、
日本溶射学会誌
日本溶射学会誌、第50 巻、
第1第 号（2013））