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削除しないでください

雰囲気制御を利用した雰囲気制御を利用したWC-Co:&&R 超硬合金の超硬合金の
レーザメタルデポジション技術の開発
レーザメタルデポジション技術の開発
山口
*
山口拓人
拓人

T. Yamaguchi
１．研究の目的と背景

雰囲気中の酸素濃度の影響について調べた 7)．

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．実験方法

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用されている．一方，超硬合金は W や Co など希少元素 /0' 用雰囲気制御チャンバーの作製

を多く含むため材料コストが高く，高硬度であるため成型レーザ加工中の雰囲気を制御する方法としては，密閉容後の二次加工においても大きな加工コストが必要である．

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

安価で加工性の良い鉄系基材等の表面に超硬合金をコが知られているが，LMD においては，粉末材料をキャリーティングすれば，超硬合金の使用量や加工コストを減らアガスとともにレーザ照射部に供給する必要があるため，すことが可能になる．近年溶射技術の進歩 1)により，緻密上記の方法は適用できない．本研究では，図１に示すような超硬合金の皮膜を得ることができているが，溶射皮膜はに，アクリル製チャンバー内で加工ヘッドが可動できる半基材との密着性が不十分である場合がある．

密閉容器を用いた．酸素濃度は，チャンバー内に導入する

レーザメタルデポジション(以下 LMD)は，基材上に粉アルゴンと空気の流量により制御した．また，比較のため，末を供給しながらレーザを照射することで，基材との密着同様の条件で通常の大気中雰囲気でも LMD 実験を行った．
 実験条件

性に優れた肉盛層が得られる手法である．また，肉盛層を3 次元的に積層することで，ニアネットシェイプの造形も基材は板厚 10 mm の SUS304 を用いた．粉末は，超硬可能である．LMD は，耐食性や耐摩耗性の向上を目的と合金の造粒焼結粉(GTV 製 WC-12Co, 粒径 45 m ~ 90 m)

して，Co 系や Ni 系などの材料が使用されることが多いが，を用いた．

さらに耐摩耗性を向上させるため，炭化物等の硬質粒子をレーザは，最大出力 2 kW の半導体レーザ(Laserline,複合化した肉盛材料が使用される場合もある 2)．一方，粉LDM-2000-60)を使用し，ビームスポットは加工点で 5 mm

末冶金プロセスで得られる超硬合金のような数m 以下の×5 mm の正方形とした．粉末の供給は Ar ガスをキャリア

微細な炭化物が高い体積率で含有された肉盛層の形成にガスとして用い，粉末供給量は 11.4 g/min とした．キャリ

ついては，いくつかの報告 3-5)はあるものの，硬質粒子複アガスの流量は 5 L/min とし，レーザ照射中はノズルから合型材料の LMD についての報告に比べて少ない．

シールドガスとして Ar を 15 L/min で供給した．ヘッドの

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

移動速度は 5 mm/s に固定し，種々のレーザパワーで肉盛実験を行った．

ためと考えられる．気孔欠陥については，WC の分解もし
くは液相中への溶出によって発生した炭素が酸素と結合

半導体レーザ

光ファイバし，CO ガスを発生させるためと言われている 3)．

カメラ

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，密着性の良好な肉盛層を得るためには，結合相である Co や粉末供給機

ゴムシート基材の融点以上に加熱する必要があり，酸素が介在する状態では WC の分解が避けられないことが，超硬合金の余剰ガス排気アルゴンガス

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

酸素濃度計

圧縮空気るが，周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* 大阪産業技術研究所

加工成形研究部

試験片

図 1実験装置の模式図

主任研究員- 78 -

Oxygen concentration
In air

0.1%

0.01%

1400 W

1200 WNo clad

1600 W

Laser power

1000 W1%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

一方，チャンバー内で作製した場合には，ボイドのほ測定，SEM/EDX による組織観察および元素分析，ならびとんど無い肉盛層も見られた．同じレーザパワーでは酸素に X 線回折による相同定を行った．

濃度が低いほど，また同じ酸素濃度ではレーザパワーが小さいほど，ボイドは少ない傾向が見られた．これらの結果

３．実験結果から，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．

 ビード外観と断面マクロ観察
図 2 にレーザ肉盛後の外観写真を示す．大気中で作製肉盛層断面のマイクロビッカース硬さを測定した結果，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の欠陥が見られた．チャンバー内で作製した肉盛層は，チ硬さは 1100～1150 HV であり，WC-12Co の溶射被膜と同ャンバー内の酸素濃度が低下するほど，表面の変色は少な等以上の硬さであった．
 肉盛層の相同定および 6(0 観察くなり，明るい灰色を呈するようになった．なお，レーザ

図 4(a)は原料粉末の X 線回折パターンで，WC と Co のパワーが小さい条件ではピット状の欠陥は見られなかっみから構成されていることがわかる．

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．大気中で作製した肉盛層には多くのボイド状欠陥が観察される．また，レーザパワー1400 W で作製した肉盛層には，ボイド(c)Oxygen concentration
In air

1%0.1%0.01%

WC

W 2CCofcc (solid solution)

Intensity (a.u.)の他にクラックも観察された．
M6C

30351000 W

ボイド

割れ

3540452θ(degree)

505530(b)5055303540452θ(degree)

50555055(e)Intensity (a.u.)

Intensity (a.u.)

1400 W(degree)

Intensity (a.u.)

Intensity (a.u.)

1200 W

301600 W

Laser power

基材

452θ(d)(a)

No clad403540452θ(degree)

5055303540452θ(degree)

1 mm

図 4 原料粉末(a)および肉盛層(b-e)の XRD(b)大気中，(c)O2:1%，(d)O2:0.1%，(e)O2:0.01%

図 3断面マクロ写真

Laser power:1200 W- 79 -In air

O2: 0.01%
1200W

1000W(a)1400 W(b)

1600 W(b)(a)

ボイドボイドボイド

ボイド

100 m100 m

(c)

(d)

W2C

WC

100 m(c)

WC

100 m(d)

Point A+WC

Point BWC
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

1200 WO2: 1%相(Point B)は W2C と同定された．周辺のロッド状の微細O2: 0.1%(a)な分散相は M6C と推定される．レーザパワーが大きいほ(b)ど，WC の体積率が減少し，W2C 相の割合が多くなっていることがわかった．

ボイド

図 6 に，異なる酸素濃度で作製した肉盛層の SEM 写真を示す．同じレーザパワー(1200W)で，大気中で作製したボイド
100 m(c)

肉盛層(図 5(d))と比較して，酸素濃度 1 %で作製した肉盛100 m層(図 6(c))は，W2C 相の割合が少なかった．酸素濃度が(d)0.1%以下(図 6(d))になると，W2C 相は観察されなくなり，大きなボイド欠陥もほとんど見られなかった．また，原料WC粉末と同程度の大きさの WC が均一に分散した組織が得WCられた．

W2C5 m

図 7 に酸素濃度 0.01 %で作製した肉盛層の SEM 写真を5 m示す．酸素濃度 0.01 %，レーザパワー1400 W で作製した

図 6 チャンバー内で作製した肉盛層の SEM 写真

肉盛層の組織(図 7(c))は，酸素濃度 0.1 %，レーザパワー

Laser power:1200 W, O2: (a,c)1%, (b,d) 0.1%1200 W で作製したミクロ組織(図 6(d))と大きな違いは認められず，微細な WC が均一に分散した組織が得られた．

で，WC 以外に W2C や M6C(Co3W3C)のピークが明瞭に認

レーザパワーを 1600 W に増加させると，酸素濃度がめられた．これらの W2C や M6C は脆性な相であり，超硬0.01 %であっても，大きなボイド欠陥と W2C 相の生成が合金では極力これらの相が混在しないことが望まれる．

認められた(図 7(d))．

図 4(c)～(e)はチャンバー内で作製した肉盛層の X 線回組織観察の結果から，ボイドの発生傾向と W2C 相の生折パターンである．それぞれの肉盛層は同一のレーザパワ成には相関が見られ，酸素濃度を低減することで，ボイドー，異なる酸素濃度で作製したものである．大気中で作製と W2C 相の生成を抑制できることがわかった．酸素濃度した肉盛層と異なり，W2C のピークはほとんど見られなが高いと，WC の分解あるいは液相への溶出で生じた炭素かった．M6C のピークは見られるものの，比較的原料粉が容易に酸素と結合し，生成した CO ガスが，凝固時に肉末に近い相構成であった．また，酸素濃度の違いによる盛層内に閉じ込められてボイド状の欠陥となったと考え

XRD パターンの差は小さかった．

られる．このことから肉盛層に見られるボイド状の欠陥は，

図 5 に大気中で作製した肉盛層の断面 SEM 写真を示す．

その大半がガスに由来する気孔欠陥であると考えられる．

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

また，炭素が CO ガスとして放出されることで C の欠乏しびた相が認められた．SEM/EDX による元素分析の結果かた組成となり，脱炭相である W2C 相が生じるものと考え

ら，角ばった相(Point A)は WC であり，やや丸みを帯びたられる．そのため，雰囲気中の酸素濃度を低減することで，- 80 -肉盛ノズル

レーザ

(a)

補助ノズル

ArAr

(a)

(b)

10 mm

粉末(b)
基材

(c)

(d)

5 mm

1 mm
1 mm

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

図 8 (a)補助ノズルの模式図 (b)ノズル外観写真(c)ビード外観 (d)断面マクロ写真
WC 由来の炭素が酸素と結合する反応が抑制され，気孔欠過剰な入熱が与えられたことなどが原因と推測される．し陥が減少すると同時に脱炭相の少ない肉盛層が得られた

たがって，超硬合金を面状にコーティングする際には，よと考えられる．

り精密な入熱制御が必要であると考えられる．

しかし，酸素濃度が低い場合でもレーザパワーが過剰な場合には多数のボイドや W2C 相が見られた．これは，チャンバー内であっても少量の酸素の混入や原料粉末の不４．超硬合金の肉盛層のさらなる高品位化に向けた取り組み

純物に由来する酸素を完全に排除することは不可能であ

著者らの研究グループでは，LMD の高品位化に向けたり，また，レーザ照射部の温度が上がることで反応が促進研究を継続している．肉盛層に発生する気孔欠陥を根絶すされ，少量の酸素であっても CO ガスの生成が起こったたるためには，その発生メカニズムを明らかにする必要があめと推測される．

るが，溶融池の内部を観察することは通常困難である．著

 補助ノズルを用いた雰囲気制御方法

者らは，石英ガラスを用いることで，LMD 中の溶融池内上述の結果より，適切な酸素濃度とレーザパワーの組部の挙動を直接観察することに成功した 8)．図 10 は超硬み合わせによって，ボイドの少ない良好な肉盛層が得られ合金粉末を用いた LMD 中における，溶融池の内部を高速ることがわかった．つまり，酸素をある程度遮断すること度カメラで観察した画像である．この観察から，溶融池のができれば，レーザパワーの適正化によってボイドの発生内部から気泡が発生し，時間の経過とともに気泡が成長，を抑制することができると考えられる．

合体する様子を捉えることができた．この結果は，先行研

そこで，図 8(a)，(b)に示すように粉末供給ノズルの外側究で推測されているように，超硬合金の肉盛層の気孔欠陥に補助ノズルを設けることで，大気の巻き込みを抑制するは，溶融池内部におけるガス化反応に由来することを裏付手法を試みた．図 8(c), (d)は補助ノズルを用いて，レーザけるものと考えられる．

パワー1200 W で LMD を行ったときの肉盛層の外観と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度気泡を 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，面状のコーティング処理を行った(図 9)．外観および断面観察の結果から，ビード表面のピットや，肉盛層断面に大きなボイド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- 81 -基材
図 10 超硬合金の LMD 中における溶融池内部

また，補助ノズルを用いてレーザ照射部への大気の巻きボイド込みを防止することも，ボイド欠陥の抑制に有効であることがわかった．なお，補助ノズルを用いることで，チャンバーサイズの制約を受けないため，面状のコーティング処理も可能となるが，単ビードの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られた．そのため，面状のコAl添加領域ーティング処理において欠陥を抑制するためには，より精通常基材密な入熱制御方法の確立が必要であると考えられる．
石英ガラスを用いた手法により，超硬合金の LMD 中の溶融池内部において，気孔欠陥のもととなる気泡が発生し，1 mm

時間とともに成長，合体する様子を捉えることができた．
気孔欠陥の抑制には，酸素と親和性の強い元素を添加

図 11 アルミニウムを添加した基材上に形成したすることも有効であることがわかった．

超硬合金肉盛層の縦断面光学顕微鏡写真

謝 辞
超硬合金の LMD におけるガス化反応は，WC 由来の炭素と大気由来の酸素に起因するものと考えられており，実際，処理中の酸素濃度を低減することで，気孔が抑制されることを示した．しかし，先述のように酸素は大気中以外

本研究は，公益財団法人天田財団一般研究開発助成(AF-2018217)を受けて行われました．ここに感謝の意を表します．に粉末材料や基材にも不純物として含まれることから，処理部において完全に排除することは困難である．そこで，著者らは酸素と親和力の高い元素を利用することで，酸素を酸化物として固定し，炭素とのガス化反応を抑制する方

参考文献
1)

黒田聖治，渡邊誠：高温学会誌 36 (2010)，264.

2)

C.P. Paul, H. Alemohammad, E. Toyserkani, A.
Khajepour, S. Corbin, Mater. Sci. Eng. A. 464 (2007)

法を試みた 9)．図 11 はレーザ合金化法によりあらかじめ表面の一部にアルミニウムを添加したステンレス鋼基材を用いて，超硬合金の LMD を行った際の肉盛層の縦断面写真である．アルミニウムが添加された領域において，肉盛層中のボイドの量が大幅に減少していることがわかる．
これは酸素が優先的にアルミニウムと反応し，アルミニウムの酸化物を形成したことで，炭素とのガス化反応が抑制

170–176.
3)(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

され，気孔欠陥が低減されたためと考えられる．

(2017) 180–186.

５．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，ボイド欠陥が抑制され，脆性な W2C を含まない良好な肉盛層が得られることがわかった．

J. Leunda, C. Sanz, C. Soriano, Surf. Coat. Technol. 307

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.

8)

K. Tanaka, T. Yamaguchi, Surf. Coat. Technol. 447(2022) 128831.

9)

T. Yamaguchi, K. Tanaka, H. Hagino, Int. J. Refract. Met.
Hard Mater. 110 (2023) 106020.

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