雰囲気制御を利用した WC-Co 超硬合金のレーザメタルデポジション技術の開発
大阪産業技術研究所 和泉センター 加工成形研究部
主任研究員 山口 拓人（2018 年度 一般研究開発助成 AF-2018217-B3）
キーワード：レーザメタルデポジション，超硬合金，炭化物

１．研究の目的と背景

２．実験方法

超硬合金は，硬さと破壊靭性の両特性に優れることから，2・1

LMD 用雰囲気制御チャンバーの作製

代表的な耐摩耗材料として，切削工具や金型などに広く利レーザ加工中の雰囲気を制御する方法としては，密閉容用されている．一方，超硬合金は W や Co など希少元素を器内にレーザ光透過窓を取り付け，レーザを照射する方法

多く含むため材料コストが高く，高硬度であるため成型後が知られているが，LMD においては，粉末材料をキャリアの二次加工においても大きな加工コストが必要である．

ガスとともにレーザ照射部に供給する必要があるため，上安価で加工性の良い鉄系基材等の表面に超硬合金をコ記の方法は適用できない．本研究では，図１に示すように，ーティングすれば，超硬合金の使用量や加工コストを減らアクリル製チャンバー内で加工ヘッドが可動できる半密1)すことが可能になる．近年溶射技術の進歩 により，緻密閉容器を用いた．酸素濃度は，チャンバー内に導入するアな超硬合金の皮膜を得ることができているが，溶射皮膜はルゴンと空気の流量により制御した．また，比較のため，基材との密着性が不十分である場合がある．

同様の条件で通常の大気中雰囲気でも LMD 実験を行った．

レーザメタルデポジション(以下 LMD)は，基材上に粉末

2・2

実験条件を供給しながらレーザを照射することで，基材との密着性基材は板厚 10 mm の SUS304 を用いた．粉末は，超硬合に優れた肉盛層が得られる手法である．また，肉盛層を 3金の造粒焼結粉(GTV 製，WC/Co 88/12, 45 m ～ 90 m)次元的に積層することで，ニアネットシェイプの造形も可を用いた．

能である．LMD は，耐食性や耐摩耗性の向上を目的として，レーザは，最大出力 2 kW の半導体レーザ(Laserline,Co 系や Ni 系などの材料が使用されることが多いが，さらLDM-2000-60)を使用し，ビームスポットは加工点で 5 mmに耐摩耗性を向上させるため，炭化物等の硬質粒子を複合×5 mm の正方形とした．粉末の供給は Ar ガスをキャリア2)化した肉盛材料が使用される場合もある ．一方，粉末冶ガスとして用い，粉末供給量は 11.4 g/min とした．キャ

金プロセスで得られる超硬合金のような数m 以下の微細リアガスの流量は 5 L/min とし，レーザ照射中はノズルかな炭化物が高い体積率で含有された肉盛層の形成についらシールドガスとして Ar を 15 L/min で供給した．ヘッドては，いくつかの報告 3-5)はあるものの，硬質粒子複合型の移動速度は 5 mm/s に固定し，種々のレーザパワーで肉材料の LMD についての報告に比べて少ない．

盛実験を行った．

これは，超硬合金粉末を LMD に適用すると，肉盛層に気孔や割れなどの欠陥が多数発生し，実用化が困難であるためと考えられる．気孔欠陥については，WC の分解もしく

半導体レーザ光ファイバ

は液相中への溶出によって発生した C が O と結合し，COカメラガスを発生させるためと言われている 3)．
WC は耐酸化性に乏しく，大気中では 600 ℃付近から酸化による分解が開始することが知られている 6)．一方，密粉末供給機

ゴムシート

着性の良好な肉盛層を得るためには，結合相である Co や基材の融点以上に加熱する必要があり，酸素が介在する状

余剰ガス排気アルゴンガス態では WC の分解が避けられないことが，超硬合金の LMDを困難にしている要因の一つと考えられる．通常，LMD においては酸化抑制のためにシールドガスを使用するが，周酸素濃度計

圧縮空気囲の大気を巻き込むことから完全に酸素を遮断することはできない．
そこで，本研究では，LMD に適用可能な雰囲気制御用チャンバーを作製し，超硬合金のレーザ肉盛における処理雰
囲気中の酸素濃度の影響について調べた 7)．

試験片

図 1 実験装置の模式図

Oxygen concentration
In air1%

0.1%

1400 W

1200 WNo clad

1600 W

Laser power

1000 W

0.01%

5 mm

図 2 肉盛層のビード外観写真
作製した肉盛層に対し，断面の光学顕微鏡観察，硬さ測

度が低いほど，また同じ酸素濃度ではレーザパワーが小さ

定，SEM/EDX による組織観察および元素分析，ならびに X

いほど，ボイドは少ない傾向が見られた．これらの結果か線回折による相同定を行った．

ら，適切な酸素濃度とレーザパワーの組み合わせによって，ボイドの少ない肉盛層が得られることがわかった．

３．実験結果3・1

肉盛層断面のマイクロビッカース硬さを測定した結果，ビード外観と断面マクロ観察

低い酸素濃度で得られたボイドの少ない肉盛層の平均的

図 2 にレーザ肉盛後の外観写真を示す．大気中で作製した肉盛層の表面は黒く変色しており，いずれもピット状の硬さは 1100～1150 HV であり，WC-12Co の溶射被膜と同等以上の硬さであった．

欠陥が見られた．チャンバー内で作製した肉盛層は，チャ3・2

ンバー内の酸素濃度が低下するほど，表面の変色は少なく

図 4(a)は原料粉末の X 線回折パターンで，WC と Co のみなり，明るい灰色を呈するようになった．なお，レーザパ

肉盛層の相同定および SEM 観察から構成されていることがわかる．

ワーが小さい条件ではピット状の欠陥は見られなかった．

図 4(b)は大気中で作製した肉盛層の X 線回折パターン

図 3 に各肉盛層の断面光学顕微鏡写真を示す．大気中で，WC 以外に W2C や M6C(Co3W3C)のピークが明瞭に認めらで作製した肉盛層には多くのボイド状欠陥が観察される．

れた．これらの W2C や M6C は脆性な相であり，超硬合金でまた，レーザパワー1400 W で作製した肉盛層には，ボイは極力これらの相が混在しないことが望まれる．

ドの他にクラックも観察された．
Intensity (a.u.)(c)

Oxygen concentration
In air

1%

0.1%

0.01%

WC

W 2C

Cofcc (solid solution)

M6C

1000 Wボイド

No clad3035

基材(degree)

5055

50555055

Intensity (a.u.)

Intensity (a.u.)

1200 W

452θ
(d)

(a)

割れ

1400 W

303540452θ

(degree)505530(b)3540452θ(degree)(e)Intensity (a.u.)

Intensity (a.u.)

1600 W

Laser power

401 mm30

図 3 断面マクロ写真

3540452θ(degree)

5055

303540452θ

(degree)

図 4 原料粉末(a)および肉盛層(b-e)の XRD

一方，チャンバー内で作製した場合には，ボイドのほと(b)大気中，(c)O2:1%，(d)O2:0.1%，(e)O2:0.01%

んど無い肉盛層も見られた．同じレーザパワーでは酸素濃Laser power:1200 W

図 4(c)～(e)はチャンバー内で作製した肉盛層の X 線回

図 6 に，異なる酸素濃度で作製した肉盛層の SEM 写真を折パターンである．それぞれの肉盛層は同一のレーザパワ示す．同じレーザパワー(1200W)で，大気中で作製した肉ー，異なる酸素濃度で作製したものである．大気中で作製盛層(図 5(d))と比較して，酸素濃度 1 %で作製した肉盛層した肉盛層と異なり，W2C のピークはほとんど見られなか(図 6(c))は，W2C 相の割合が少なかった．酸素濃度が 0.1%った．M6C のピークは見られるものの，比較的原料粉末に以下(図 6(d))になると，W2C 相は観察されなくなり，大き近い相構成であった．また，酸素濃度の違いによる XRD パなボイド欠陥もほとんど見られなかった．また，原料粉末ターンの差は小さかった．と同程度の大きさの WC が均一に分散した組織が得られた．

図 5 に大気中で作製した肉盛層の断面 SEM 写真を示す．

図 7 に酸素濃度 0.01 %で作製した肉盛層の SEM 写真を高倍率の観察結果から，角ばった形状の相とやや丸みを帯示す．酸素濃度 0.01 %，レーザパワー1400 W で作製したびた相が認められた．SEM/EDX による元素分析の結果から，肉盛層の組織(図 7(c))は，酸素濃度 0.1 %，レーザパワー

角ばった相(Point A)は WC であり，やや丸みを帯びた相1200 W で作製したミクロ組織(図 6(d))と大きな違いは認(Point B)は W2C と同定された．周辺のロッド状の微細なめられず，微細な WC が均一に分散した組織が得られた．

分散相は M6C と推定される．レーザパワーが大きいほど，レーザパワーを 1600 W に増加させると，酸素濃度がWC の体積率が減少し，W2C 相の割合が多くなっていること

0.01 ％であっても，大きなボイド欠陥と W2C 相の生成ががわかった．

認められた(図 7(d))．

O2: 0.01%

In air
1200W

1000W
(a)

1400 W(b)

1600 W
(b)

(a)

ボイド

ボイド

ボイド

ボイド

(c)

(d)

(c)

WC

W2C

WC

100 m100 m100 m100 m(d)

Point A
WC+

WC

Point B
W2C+
M6C
W2C

5 m

5 m

5 m

5 m

図 5 大気中で作製した肉盛層の SEM 写真

図 7 チャンバー内で作製した肉盛層の SEM 写真

Laser power: (a,c)1000 W, (b,d)1200 W

O2: 0.01%, Laser power: (a,c)1400 W, (b,d)1600 W
組織観察の結果から，ボイドの発生傾向と W2C 相の生成

1200 WO2: 1%には相関が見られ，酸素濃度を低減することで，ボイドとO2: 0.1%(a)

W2C 相の生成を抑制できることがわかった．酸素濃度が高(b)いと，WC の分解あるいは液相への溶出で生じた C が容易
ボイドに酸素と結合し，生成した CO ガスが，凝固時に肉盛層内に閉じ込められてボイドとなり，また CO として放出されることで C の欠乏した組成となり，脱炭相である W2C 相がボイド
100 m(c)

100 m生じるものと考えられる．そのため，雰囲気中の酸素濃度を低減することで，WC 由来の C が酸素と結合する反応が(d)抑制され，ボイドの少ない肉盛層が得られたと考えられる．
しかし，酸素濃度が低い場合でもレーザパワーが過剰なWC場合には多数のボイドや W2C 相が見られた．これは，チャWCンバー内であっても少量の酸素の混入や原料粉末の不純

W2C
5 m

5 m

物に由来する酸素を完全に排除することは不可能であり，また，レーザ照射部の温度が上がることで反応が促進され，

図 6 チャンバー内で作製した肉盛層の SEM 写真

少量の酸素であっても CO ガスの生成が起こったためと推Laser power:1200 W, O2: (a,c)1%, (b,d) 0.1%測される．

肉盛ノズル

レーザ

(a)

補助ノズル

(b)

(a)

Ar

Ar

10 mm

粉末

基材

(b)

(c)

(d)

図 8 (a)補助ノズルの模式図(c)ビード外観
3・3

1 mm

1 mm

5 mm

(b)ノズル外観写真

図 9 多パスによる面状コーティング処理(a)ビード外観(d)断面マクロ写真

補助ノズルを用いた雰囲気制御方法(b)断面マクロ写真

イド欠陥が抑制され，脆性な W2C を含まない良好な肉盛層

上述の結果より，適切な酸素濃度とレーザパワーの組みが得られることがわかった．また，補助ノズルを用いてレ合わせによって，ボイドの少ない良好な肉盛層が得られる

ーザ照射部への大気の巻き込みを防止することも，ボイドことがわかった．つまり，酸素をある程度遮断することが欠陥の抑制に有効であることがわかった．なお，補助ノズ

できれば，レーザパワーの適正化によってボイドの発生をルを用いることで，チャンバーサイズの制約を受けないた抑制することができると考えられる．

め，面状のコーティング処理も可能となるが，単ビードのそこで，図 8(a)，(b)に示すように粉末供給ノズルの外肉盛層と比較するとボイド欠陥がやや増加する傾向が見側に補助ノズルを設けることで，大気の巻き込みを抑制すられた．そのため，面状のコーティング処理において欠陥る手法を試みた．図 8(c), (d)は補助ノズルを用いて，レを抑制するためには，より精密な入熱制御方法の確立が必ーザパワー1200 W で LMD を行ったときの肉盛層の外観と要であると考えられる．

断面マクロ写真である．雰囲気制御チャンバー内で酸素濃謝度を 0.1 %程度に低減した場合とほぼ同等のビード外観を有する肉盛層が形成され，内部のボイドも少ないことがわかった．
補助ノズルを用いることで，チャンバーのサイズに制約

辞

本研究は，公益財団法人天田財団一般研究開発助成(AF2018217-B3)を受けて行われました．ここに感謝の意を表します．

されることなく LMD を行うことが可能であることから，図8 と同じ条件の肉盛層を 3 mm 間隔で並べる，面状のコー参考文献

ティング処理を行った(図 9)．外観および断面観察の結果

1） 黒田聖治，渡邊誠：高温学会誌 36 (2010)，264.

から，ビード表面のピットや，肉盛層断面に大きなボイド

2） C.P. Paul, H. Alemohammad, E. Toyserkani, A.

はほとんど見られなかったが，単ビードで作製した肉盛層

Khajepour, S. Corbin, Mater. Sci. Eng. A. 464と比較するとややボイドが増加する傾向が見られた．これは，肉盛層を面状に処理する際，先の肉盛層とオーバーラップする部位が再加熱されることや，ステンレス鋼基材と肉盛層でレーザ光の吸収率に差があるために肉盛層に過剰な入熱が与えられたことなどが原因と推測される．したがって，超硬合金を面状にコーティングする際には，より精密な入熱制御が必要であると考えられる．

(2007) 170–176.
3） J. Leunda, C. Sanz, C. Soriano, Surf. Coat.
Technol. 307 (2016) 720–727.
4） 山下順広，舟田義則，塚本雅裕，阿部信行：石川県工業試験場

平成 29 年度研究報告 VOL.67, 5.

5） M. Erfanmanesh, H. Abdollah-Pour, H. Mohamma
dian-Semnani,R.

Shoja-Razavi,

Opt.

Laser

Technol. 97 (2017) 180–186.

４．結論
超硬合金の LMD において，肉盛層の欠陥低減を目的として，処理中の酸素濃度の影響を系統的に調べた．その結果，適正な酸素濃度とレーザパワーの組み合わせによって，ボ6） 田村武夫，浦田泰宏：電気加工学会誌，50 (2016) 205.
7） T. Yamaguchi, H. Hagino, Opt. Laser Technol.
139 (2021) 106922.