富士高周波工業株式会社

技術レポートレーザクラッディングの応⽤
富⼠⾼周波⼯業株式会社 代表取締役 後藤光宏
⼤阪府堺市堺区遠⾥⼩野町 2-3-15 TEL072-229-0230 FAX072-233-7583
Maillaser@fuji-koushuha.co.jp

1. はじめに
富⼠⾼周波⼯業株式会社は、⾼周波焼⼊れの受託加⼯メーカーとして、1956 年 11 ⽉に⼤阪府堺市で創業以来、⾼周波焼⼊れ専⾨の受託加⼯を⾏ってきました。60 年以上の⾼周波焼⼊れのノウハウを活かし、2008 年 12 ⽉にレーザ焼⼊れ装置を導⼊し、レーザ焼⼊れ事業を開始し、2011 年にレーザクラッディング事業（Fig.1）を開始しました。今回は、レー
ザクラッディングの応⽤編について紹介します。レーザクラッディングを上⼿に使いこなすためには、様々なノウハウが必要です。それらのノウハウをほんの⼀部ですが解説し、⾁盛りのレベルを１段階上げる⼀助になれば幸いです。
以 下 、 レ ー ザ ク ラ ッ デ ィ ン グ を “ LC （ LaserCladding）”と表記します。

Fig.1 シャフト外周のレーザクラッディング
2. LC の応⽤事例
2-1 LC の⾁盛り硬さについて
LC は、レーザ光によって、ピンポイントで粉末と基材を溶融させながら施⼯するため、溶融してから凝固するまでの時間が⾮常に短くなります。そのため、溶融凝固組織が微細になり、⾁盛り粉末のカタログなどに記載されている硬さよりも⾼い硬度が出やすくなります。その⼀例を Table1 に⽰します。例
えば、Co 基のステライト№6 はカタログ硬度がHRC40〜46 に対して、LC 硬度が HRC51〜53 となっています。もし、ステライトのガス⾁盛り施⼯から LC 施⼯に切り替えようとしたときに、硬度が⾼くなるという点に注意が必要です。後加⼯や部品使~1~⽤の関係上、LC 加⼯後の硬さを HRC40〜46 にした
いという時は、代替え粉末として、ステライト№21を使⽤することを推奨します。ガス⾁盛りでは、HRC27〜40 となっていますが、LC 施⼯だと HRC41〜43 まで上がります。ちょうど、ステライト№6 のガス⾁盛り並みの硬さになります。耐⾷性に関してもステライト№6 とほぼ同程度となるので、使⽤には問題無いと考えます。しかし、⾁盛り材料を変えるという事は、予期せぬトラブルを引き起こす可能性もあるので、慎重に検討する必要性があります。
Table1 LC の⾁盛り硬さ⼀覧

2-2 LC 施⼯の予熱効果
どのような⾁盛り加⼯においても、⾁盛り時に発⽣する割れ（クラック）は、同じように発⽣してしまいます。特に⾁盛り後の硬さが⾼いタイプの⾁盛り材は LC 施⼯といえども割れやすくなります。他の⾁盛り⼯法では、このような割れに対する対策として、⾁盛り前に適切な予熱をかけてから、⾁盛りをするという⼿法が取られています。今回は、ＬＣ施⼯において、予熱効果がどの程度あるのかを Ni 基
⾃溶性合⾦の Deloro50（Tabele2）を例にして説明します。
Tabele2 Deloro50 成分表

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技術レポートDeloro50 は LC 施⼯においては、割れやすい粉末のひとつに数えられます。LC 施⼯後のビード外観、切断マクロ、SEM 組織を Fig.2 に⽰します。外観や切断マクロでは、普通の⾒た⽬となっており、不具合は無いように感じますが、カラーチェックをしてみると、Fig.3 のように⾚い割れの指⽰模様がレーザの移動⽅向に対して垂直⽅向に出ています。Fig.3 は出⼒や速度、粉末量を種々変化させ、様々な条件でLC をしています。しかし、どの条件においても割れが発⽣していることが⾒て取れます。

Fig.4 予熱有り無し LC 施⼯後外観

Fig.2 Deloro50 の LC 施⼯

Fig.5 予熱有り無しカラーチェック後
2-3 硬質粒⼦複合⾁盛り
PTA ⾁盛りなどで、耐アブレッシブ摩耗対策とし
Fig.3 Deloro50 の LC 施⼯時の割れて、Co 合⾦の⾁盛り材などに硬質粒⼦であるタングステンカーバイト（WC）を混合させて⾁盛りする
この Deloro50 を割れが出ないようするために事があります。これと同じような事が、LC 施⼯にお300℃の余熱を加えて LC 施⼯をしたときの外観をいても出来るのかどうかについて説明します。Fig.6
Fig.4 に⽰します。LC 後の外観は⾒た⽬ではほとんのように、２ポッド以上ある粉末供給機にそれぞれど変わりません。そして、それぞれのワークに対しのポッドに Co 合⾦と硬質粒⼦である WC を⼊れまてカラーチェックをした時の結果を Fig.5 に⽰します。そして、途中で２つの粉末をミックスさせて、す。余熱無しのワークは割れの指⽰模様が出ていて、LC 施⼯⽤の⾁盛りノズルに Co 合⾦と WC を供給し、300℃余熱のワークは、割れの指⽰模様が出ていまレーザ光で粉末を溶融させながら⾁盛りをすれば、せん。よって、ＬＣ施⼯においても予熱の効果があ⾁盛りが可能です。
る事が⾔えます。予熱を⾏うことで、⾁盛り部付近
Fig.7 に基材 SUS304、⾁盛り材としては、Co 合の温度勾配が緩やかになり、⾁盛り時の変形や残留⾦ 60wt%、WC40wt%の混合粉末を⾁盛りしたとき応⼒の軽減につながって、割れの発⽣を抑制できまの切断⾯を⽰します。岩⽯のような⽩い粒が WC 粉す。
末となり、マトリックスが Co 合⾦になります。適正な条件を選択すれば、⾁盛り層全体に WC が均⼀に分散した⾁盛り層の形成が可能となります。WC~2~

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技術レポート複合粉末の LC 施⼯の注意点として、WC 粉末がレーザ光で溶融しやすいので出来る限り、WC 粉末を溶融させない条件設定が重要になります。WC 粉末がレーザ光によって、溶融してしまうと Fig.7 のように WC 粉末がガス化して、ブローホールが発⽣しやすくなります。

Fig.6 混合粉末の供給模式図Fig.7 WC 混合粉末の LC 施⼯断⾯図
2-4 傾斜⾁盛り
先ほどの混合粉末の供給⽅法を応⽤して、LC 施⼯においては、傾斜⾁盛りも可能です。Fig.8 に概念図を⽰します。WC 粉末の混合粉末は、割れ感受性が⾼く、厚く⾁盛りをしてしまうと内部応⼒で割れてしまう可能性が⾼くなります。そのため、1 層⽬（Co:WC=9:1）、２層⽬（7:3）、３層⽬（6:4）と⾁盛りする中で、少しずつ WC ⽐率を上げていき、割れ対策をする⼿法も有ります。この⼯法は、WC が⽐較的均⼀に分散する LC 施⼯ならではの⼯法と考えます。このように、WC ⽐率を少しずつ上げる傾斜⾁盛りをすれば、厚盛かつ割れが出にくい LC 施⼯も可能となります。

Fig.8 傾斜⾁盛り模式図
2-5 LC 施⼯後の熱処理⾁盛り粉末には、様々な種類の粉末があります。
その中には、LC 施⼯後に熱処理をすることで⾁盛り部の機械的特性を向上できる粉末もあります。例えば、時効硬化系のステンレス鋼、粉末ハイス鋼などがあげられます。今回は、粉末ハイス鋼の LC 施⼯について説明します。粉末ハイス鋼は、カタログ硬度としては、HRC60 以上の硬度が出るケースが多いです。しかし、それは、粉末ハイス鋼に適した熱処理（焼⼊れ＋焼戻し）を⾏う事で、狙いの硬さが出ます。LC 施⼯のみをした場合、Fig.9 のように⾁盛り部の硬さは、HV600 程度になります。これは、粉末ハイス鋼の⼀般的な硬度よりもかなり下回っています。粉末ハイス鋼には⼀般的に W（タングステン）や Cr（クロム）、V（バナジウム）などの合⾦元素が多く含まれています。そのため、LC 施⼯後は、残留オーステナイトが多量に残存するため、硬さが低下します。LC 施⼯後に焼き戻し施⼯をすることで、残留オーステナイトをマルテンサイトにし、さらに炭化物を析出させることで、HV950 程度の⾁盛り層が出来ます。
以上のように LC と熱処理を組み合わせることで、⾁盛り部の硬さを HV600→HV950 まで硬さを上昇させることが出来ました。この⼯法に関して弊社では、「特開 2013-176778 レーザクラッディング⽅法及び⼯具材」という特許を取得しています。詳しくは、そちらをご覧頂けたらと思います。

Fig.9 粉末ハイス鋼の LC 施⼯後の熱処理硬さ
2-6 粉末メーカーによる LC 施⼯性の違い
昨今は、LC 加⼯も少しずつ認知度が上がってきています。その環境下で、当然のことながら、様々な~3~

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粉末メーカーが独⾃の粉末を販売しています。今回、ご紹介するのは、Fe 系粉末では各粉末メーカー（A社、B 社、C 社）が販売している SKD61 相当の粉末を例に挙げます。各粉末メーカーが SKD61 として販売している粉末を同じ LC 条件で⾁盛りをした場合、どのような違いがあるのかについて報告します。平
⾯盛り（ハーフラップ）で LC を実施し、外観、内部の状態、⾁盛り部の硬さの３項⽬について調査しました。その外観を Fig.10 に⽰します。A〜C 社それぞれの⾁盛り外観は、⾒た⽬はほぼ同じです。よって、外観からそれぞれの粉末の違いを明確に評価することはできませんでした。
次に⾁盛り部を切断して、内部の状態について⽐較しました。結果を Fig.11 に⽰します。A 社、B 社、C 社の切断⾯の状態を⽐較した時、少し違いが⾒て取れます。A 社は⾁盛り後の表⾯形状が平坦になっているのに対して、C 社は平坦度が粗くなっているのが⾒て取れます。これは、粉末の溶融時の湯流れ性が主たる原因と考えます。溶融時の湯流れ性が良
い、悪いは、粉末の融点が関わってきます。融点が低い場合、溶けている時間が⻑くなるので、平滑な表⾯になりやすく、融点が⾼い場合、溶けている時間が短くなり、平滑になる前に⾁盛り部が凝固してしまいます。そのため、表⾯が凹凸になりやすいです。
最後に、⾁盛り部の硬さに関しても⽐較します。
A 社が Hv615、B 社が Hv655、C 社が Hv700 となり、湯流れ性が良ければ、硬度が低く、悪ければ、⾼くなっています。ある⼀定の相関性は⾒て取れます。
しかし、他の粉末においても同じ結果になるのかどうかは、詳細に調査していないので、今後のテーマとして考えています。

Fig.10 SKD61 相当材各メーカーの⾁盛り外観~4~

技術レポートFig.11 SKD61 相当材各メーカーの切断⾯
3. まとめ今回は、LC の応⽤事例についてまとめました。
LC 加⼯もレーザによる熱加⼯になるので、予熱が⾁盛り品質の特性を左右します。また、硬質粒⼦などを混ぜる事で、より特性の⾼い⾁盛り層を形成でき、さらに、⾁盛り後に熱処理を加える事で、⾁盛り層の新たな特性を引き出すこともできます。LC 施⼯単体では、出来ない事も他の技術と上⼿に組み合わせることでより、⾼機能な⾁盛り層を形成することができます。
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