JP2012192436A - レーザクラッディング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、バナジウム炭化物を均一分散させたクラッド層を形成し得るレーザクラッディング方法を提供する。
【解決手段】本レーザクラッディングでは、クラッディング材料粉末をレーザ光の光軸と同軸上に放出可能なレーザ加工ヘッドにより基材の表面にバナジウム炭化物を含有するクラッド層を形成する。このクラッディング材料粉末は、mass％で、Ｖ：７〜１５％を含有する鉄系材料からなるが、好ましくはmass％で、Ｖ：１０〜１５％を含有する鉄系材料からなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、基材にバナジウム炭化物が均一に分散したクラッド層を形成することが可能なクラッディング材料及びクラッディング構成を採用したレーザクラッディング方法に関する。

金属材の硬度や耐摩耗性を向上させるためには硬質セラミックス粒子を分散させることが効果的である。特に分散させるセラミックス粒子として、優れた機械的特性を有しているバナジウム炭化物を基材に大量に分散させる方法が種々検討されている。代表的な方法としては、鋳造、粉体肉盛溶接（クラッディング方法）を利用する方法が存在する。

しかしながら、鋳造の場合、５〜１０μｍ程度の粗大なバナジウム炭化物が残存するので、耐摩耗性の点では有利であるが所望の硬度を確保できない場合もあり、また、粗大なバナジウム炭化物により微細な形状の加工に用いる工具等への活用は難しい。また鋳造の場合、バナジウム炭化物が基材の結晶粒界に偏折してしまいこの点でも機械的特性を満足できないという問題がある。

また、クラッディング方法（肉盛溶接）を利用する場合として特許文献１では熱源にプラズマを用いる例が示されている。しかしながら、特許文献１に示すプラズマ粉体肉盛溶接は基材に大入熱を加え、基材の溶融池に硬質セラミック粉末を投入する必要がある。この方法の場合、割れ防止の観点から広範囲に溶かされた基材を除冷していく必要があり入熱制御が困難である。したがって、除冷過程において基材とクラッド層（肉盛層）とが混ざってしまい所望量のクラッド層を形成することができない。

一方、近年、クラッディング方法の１つであり熱源にレーザを用いるレーザクラッディング方法において基材の溶融量を低減する構成が提供されている。例えば、非特許文献１では、レーザ光と同軸に原材料を送り出すことで基材を少量のみ溶融し、溶融部分を急冷するレーザクラッディング方法が示されている。今後、この方法を用いた種々の原材料のクラッド層の評価が期待されている。

特許第３８９６４７８号公報

レーザーライン社のホームページhttp://www.laserline.de/diode_laser/download_pdf/cladding-applications.pdf

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、大量の微細なバナジウム炭化物が均一に分散したクラッド層を容易に形成し得るクラッディング材料及びクラッディング構成を採用したレーザクラッディング方法を提供することを目的とする。

本発明は、レーザ光とクラッディング材料粉末とを同軸上に放出可能なレーザ加工ヘッドにより基材の表面にバナジウム炭化物を含有するクラッド層を形成するレーザクラッディング方法を提供する。この方法で使用するクラッディング材料粉末は、mass％で、Ｖ：７〜１５％を含有する鉄系材料からなる。

また、前記クラッディング材料粉末は、mass％で、Ｖ：１０〜１５％を含有する鉄系材料からなることが好ましい。

レーザ光とクラッディング材等を同軸上に放出するレーザ加工ヘッドを使用してバナジウム炭化物が均一分散されたクラッド層を形成するには、クラッディング材料に７％程度以上のバナジウムが含有することが好ましいことが理解された。このような同軸型のレーザ加工ヘッドを用いると基材への入熱を低くすることができる。

本発明では、このような低入熱でのレーザクラッディングにおいてバナジウムの含有量を最適化することで微細なバナジウム炭化物が均一分散したクラッド層を確保することができる点で有利である。

上記クラッディング材料に含有されるバナジウムの含有率のうちとりわけ１０〜１５mass％のバナジウム含有量のクラッディング材料粉末であることが好ましい。なお、１５mass％以上のバナジウムを含有するクラッディング材料粉末は製造が困難である。

前記クラッディング材料粉末は、mass％で、Ｃ：２．０~３．５、Ｃｒ：１０．０~１８．０、Ｍｏ：０．３~１．０、Ｖ：１０．０~１５．０を含み、残部の主成分を鉄系材料とすることが好ましい。なお、レーザ光は半導体レーザであることが好ましい。

上述するクラッディング方法に使用するレーザ加工ヘッドは、下端で基材に前記レーザ光を照射する照射口と、前記レーザ光と略同軸で該照射口の近傍で前記クラッディング材料粉末を放出するクラッディング材料粉末供給管と、前記レーザ光と略同軸で該照射口の近傍で不活性ガスを放出するシールドガス供給管と、を備える構成である。

また本発明は、クラッディング材料粉末から基材の表面に形成したクラッド層も提供している。このクラッド層は均一に分散されたバナジウム炭化物を含有し、該バナジウム炭化物は、クラッド層内の４０〜７０vol％を有し、それぞれ１μｍ以下の略球状の粒子を形成する。

上記本発明のレーザクラッディング方法を実施した場合、バナジウム炭化物粒子が均一に分散したクラッド層を形成することは上述した通りであるが、形成されたクラッド層にはバナジウム炭化物が均一分散されるだけでなくその粒子の形状、大きさに特殊性があり、粒子の占有量も非常に多い。したがって、このようなクラッド層の構成は本発明のレーザクラッディング方法を実施したものであるということができる。

本発明のレーザクラッディング方法によれば、硬質セラミックス粒子として微細なバナジウム炭化物を大量に均一分散したクラッド層を基材表面に容易に形成することができるクラッディング材料が提供される。これにより基材の機械的特性を簡単かつ確実に大幅に向上させることができ、高い耐摩耗性、耐食性等を要する部材への適正な材料を提供することができる。

本発明で用いるレーザクラッディング方法の構成を示す概略図である。 図１のレーザクラッディング方法で、種々の含有量のバナジウムを含む鉄系材料をクラッディング材料に使った場合に形成されるクラッド層のＳＥＭ写真であり、バナジウム含有率が（ａ）は５．０４mass%、（ｂ）は７．５７mass％、（ｃ）は１０．１１mass％の場合を示している。 図１のレーザクラッディング方法で、種々の含有量のバナジウムを含む鉄系材料をクラッディング材料に使った場合に形成されるクラッド層のＳＥＭ写真であり、バナジウム含有率が（ｄ）は１２．５２mass％、（ｅ）は１４．９４mass％を示している。 （ａ）（ｂ）は、それぞれ対応する図２（ａ）（ｃ）に相当するクラッド層のＴＥＭ写真である。 従来のレーザクラッディング方法の基本構成を示す概略図である。

≪従来型のレーザクラッディング方法の基本構成（非同軸式）≫
まず、本発明のクラッディング方法（肉盛溶接方法）を説明する前提としてレーザクラッディングの基本構成について概説する。

図５には従来のレーザクラッディング方法を表す概略が示されている。図５に示すように、レーザ加工ヘッド１０１によって集光されたレーザ光１０２は集光点あるいはディフォーカスされたビームが基材１０３の表面に照射される。このとき基材１０３はレーザ光１０２の照射面に近傍の広範囲で溶かされて液体化した溶融池１０３ａを形成する。一方、レーザ加工ヘッド１０１に隣接して設けられた粉末供給管１０４の下端部からはクラッディングの原材料粉末１０５が基材１０３の表面に供給される。この基材１０３の表面上に供給された原材料粉末１０５はレーザ光１０２によって溶融され、基材１０３の表面に接合されてクラッド層１０６を形成する。

このような従来のレーザクラッディング方法では、図５に示すようにレーザ加工ヘッド１０１が基材１０３表面を横方向（矢印Ｘ方向）に移動しながらレーザ光１０２を照射し、粉末供給管１０４からはレーザ光１０２の移動方向前方側に原材料粉末１０５を供給する。これによりレーザビーム１０２の進行方向後ろ側にクラッッド層１０６が形成される。

また、粉末供給管１０４の軸周りにはシールドガス供給管１０７が配設される。このシールドガス供給管１０７は上方からアルゴンガス等の不活性ガスが流入され下端部から放出される。不活性ガスが放出されるとプロセス部を外気と遮断し酸化を抑制する。

しかしながら、図５に示す従来のレーザクラッディング方法の場合、原材料粉末１０５の供給位置とレーザ光１０２の焦点位置との位置決め制御が困難、すなわち入熱の制御が困難であり基材１０３も大きく溶かしてしまう（溶融池１０３ａが大きくなる）。これにより溶けた基材１０３に原材料粉末１０５が混ざりレーザ光１０２の照射位置に一定量の原材料粉末１０５が供給されなくなってしまう。その結果、クラッド層１０６の幅や高さが変化して均一なクラッド層１０６の生成が困難となってしまうという問題がある。

≪本発明で用いるレーザクラッディング方法の構成（同軸クラッディングトーチ）≫
次に、本発明のレーザクラッディング方法の構成について概説する。
図１は本発明のレーザクラッディング方法を表す概略を示している。図１に示すように、レーザ加工ヘッド１１は中心軸に沿って中空のレーザ光路１１ａを形成しており、レーザ光１２がこの光路に沿って内部を進行する。具体的には、レーザ光１２がレーザ加工ヘッド１１の入射口１１ｂから入射し、ミラー２１により鉛直下方に反射して凸レンズ２２まで到達する。凸レンズ２２に到達したレーザ光１２は集光されてレーザ加工ヘッド１１の下端の照射口１１ｄから照射される。そして、レーザ光１２は光軸１１ｃ上でレーザ加工ヘッド１２の下端直下が集光点となって又はディフォーカスされて基材１３の表面上に照射される。このとき基材１３は、従来のレーザクラッディング方法と同様にレーザ光１２の照射面が溶かされて液体化した溶融池１３ａを形成する。但し、この溶融池１３aは小範囲である（後述）。

一方、レーザ加工ヘッド１１は、レーザ光路１１ａと同軸（光軸１１ｃと同軸（共軸））に中心軸側から順に、クラッディング材料粉末（単に「クラッディング材料」とも称する）１５を下方に送り出すクラッディング材料粉末供給管１４と、冷却水２０を下方に送り出す冷却水供給管１９と、不活性ガス１８を下方に送り出すシールドガス供給管１７と、が設けられている。詳細には、まず水平平面においてレーザ光路１１ａの同心円状外側にクラッディング材料粉末供給管１４が配置されており、上端からレーザ光１２の集光に倣って光軸１１ｃ側に収束し、レーザ加工ヘッド１１の下端の照射口１１ｄ近傍まで連通している。

図示しないが、このクラッディング材料粉末供給管１４は、水平平面において所定の角度ごとに配置された１以上の管であっても良く、周全体につながった環状の管であっても良い。したがって、クラッディング原材料粉末供給管１４は、その上端からクラッディング材料粉末１５を流入し、レーザ光１２が基材１３の表面上に照射される位置すなわち基材１３表面の溶融池１３ａに放出する。放出されたクラッディング材料粉末１５はレーザ光１２と基材１３の溶融池１３ａとで入熱され、レーザ加工ヘッド１１の移動方向（矢印Ｙ参照）の後側の基材１３の表面にクラッド層１６を形成する。

とりわけ、このクラッディング方法ではレーザ光１２の焦点等とクラッディング材料粉末１５との両者ともに１つのレーザ加工ヘッド１１の下端から放出されるためレーザ光１２の照射位置（溶融池１３ａの位置）とクラッディング材料粉末１５の放出位置との位置決め制御を行う必要がない。したがって、レーザ加工ヘッド１１が基材１３の表面を走査してもクラッド層１６の厚さ等を制御し易く加工プロセス回数も軽減できる点で有利である。なお、クラッディング材料粉末の成分評価については後述する。

また、水平平面におけるレーザ光路１１ａに対してクラッディング材料粉末供給管１４より同心円状外側（同軸外側）にはシールドガス供給管１７が配置されており、その上端からレーザ光１２の集光に倣って光軸１１ｃ側に収束し、レーザ加工ヘッド１１の下端の照射口１１ｄ近傍まで連通している。したがって、シールドガス供給管１７はその上端から流入したアルゴンガス等の不活性ガス１８を下端で放出する。放出された不活性ガス１８はクラッディング材料粉末１５（ひいてはクラッド層１６）に吹き付けられるため、クラッド層１６が基材１３の表面に堆積されながら即に酸化防止処理を施すこととなる。このシールドガス供給管１７はクラッド層１６の酸化防止可能な程度の量の不活性ガス１８を吹き付けられるものであれば良く、複数の管や周全体につながった環状の管などが考えられる。

さらに、シールドガス供給管１７の同心円状外側には冷却水供給管１９が配置されており、その上端からレーザ加工ヘッド１１の下端から所定距離上方に位置まで連通している。なお、この冷却水供給管１９はレーザ加工ヘッド１１の必須部品ではなく、レーザ加工ヘッド１１の冷却機能である。

≪上記レーザクラッディング方法で最適なクラッディング材料粉末（原材料粉末）≫
上記レーザクラッディング方法を用いて種々のクラッディング材料によりバナジウム炭化物が分散したクラッド層１６を形成した。以下、バナジウムＶの含有量の異なる種々のクラッディング材料粉末について図１に示すレーザクラッディング方法でクラッド層を形成した場合のバナジウム炭化物の分散状態を評価した。

実験条件
使用装置としては上述する図１のレーザ加工ヘッド１１としてLaserline社製Type Coax8を使用した。また、レーザ光源としては、Laserline社製（波長810-980nm）の半導体レーザを使用した。
また、クラッディング材料粉末１５は、高耐食・耐磨耗工具鋼粉末（山陽特殊鋼社製）を５種類準備した。具体的には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、とＦｅを主成分組成とし、詳細な成分は表１に示す。

また、基材１３にはＳＫＤ６１板材（高さ１７ｍｍ×幅１７５ｍｍ×長さ２３０ｍｍ）を使用した。
さらに、クラッディング条件としては、レーザ出力が６００ｗ、レーザ加工ヘッド１１の移動速度が１０００ｍｍ／ｍｉｎ、レーザ加工ヘッド１１が送り量０．５ｍｍであり、基材１３の表面にクラッディングをラッピングさせることで、基材表面に高さ２ｍｍ×幅１５ｍｍ×長さ６５ｍｍのクラッド層１６を形成させた。

図２〜図３は、上記実験条件により形成されたクラッド層１６の組織写真（ＳＥＭ写真）を示している。具体的には図２〜図３の（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ表１のＮｏ．１〜Ｎｏ．５のクラッディング材料粉末を使用した場合のＳＥＭ写真であり、クラッド層断面を鏡面研磨後、エッチング（塩化第二鉄溶液）を施して撮影している。バナジウム：Ｖの含有率に注目すると、ぞれぞれ（ａ）は５．０４mass%、（ｂ）は７．５７mass%、（ｃ）は１０．１１mass%、（ｄ）は１２．５２mass%、（ｅ）は１４．９４mass%である。

表１のような鉄系材料をクラッディング材料として使用する場合、主としてクロム炭化物とバナジウム炭化物とが形成される。このうちクロム炭化物は基材（Ｆｅ）の結晶粒界に偏折するのが一般的である。一方、図２〜図３に示す通りバナジウム炭化物が形成される場所は、バナジウム含有量によって変化し、バナジウム含有率が低い場合はクロム炭化物と同様に基材の結晶粒界に偏折し、バナジウム含有率が高くなるにつれ基材中に均一に分散して形成される。詳細には（ａ）のようにバナジウム含有率が５mass%程度のときには偏折した状態といえるが、（ｂ）のようにバナジウム含有率が７〜１０mass%程度では比較的良好に分散されており、（ｃ）〜（ｄ）のようにバナジウム含有率が１０〜１５mass%程度では十分に均一分散していることがわかる。

また、図２〜図３に示すクラッド層１６の組織写真（ＳＥＭ写真）の画像解析を行った結果、
バナジウム炭化物粒子はクラッド層１６内で均一に分散されており、その形状、大きさ、量は、
形状：球状
大きさ：1μｍ以下
量：４０〜７０ vol%
であることがわかる。

なお、（ａ）〜（ｅ）におけるバナジウム炭化物粒子は、それぞれ占有面積を検出した結果、（ａ）−（非分散ゆえ不検出）、(ｂ) ４３ vol%、(ｃ) ６１vol%、（ｄ） ４５ vol%、（ｅ） ６７vol% と検出された。

図４は、表１のクラッディング材料のうちバナジウムの含有率が５．０４mass%、１０．１１mass%であるＮｏ．１とＮｏ．３から形成されたクラッド層の断面の組織写真（ＴＥＭ写真）を示している。すなわち、図４（ｂ）のＴＥＭ写真は図２（ｃ）のＳＥＭ写真に相当する。
この図４を参照すれば、上述のように、バナジウム含有率が高くなるとバナジウム炭化物が均一に分散されていることが分かる。

以上、本発明のレーザクラッディング方法の実施形態およびその概念について説明してきたが本発明はこれに限定されるものではなく特許請求の範囲および明細書等に記載の精神や教示を逸脱しない範囲で他の変形例、改良例が得られることは当業者は理解できるであろう。

１１ レーザ加工ヘッド(レーザヘッド）
１１a レーザ光路
１１b 入射口
１１c 光軸（中心軸）
１１d 照射口
１２ レーザ光（レーザビーム）
１３ 基材
１３ａ 溶融池
１４ クラッディング材料粉末供給管
１５ クラッディング材料(粉末）
１６ クラッド層
１７ シールドガス供給管
１８ 不活性ガス
１９ 冷却水供給管
２０ 冷却水
２１ ミラー
２２ 凸レンズ
１０１ レーザ加工ヘッド
１０２ レーザビーム（レーザ光）
１０３ 基材
１０３a 溶融池"
１０４ 粉末供給管
１０５ 原材料粉末
１０６ クラッド層
１０７ シールドガス供給管
１０８ 不活性ガス

Claims (6)

1. クラッディング材料粉末をレーザ光の光軸と同軸上に放出可能なレーザ加工ヘッドにより基材の表面にバナジウム炭化物を含有するクラッド層を形成するレーザクラッディング方法であって、
   該クラッディング材料粉末は、mass％で、Ｖ：７〜１５％を含有する鉄系材料からなることを特徴とするレーザクラッディング方法。
2. 前記クラッディング材料粉末は、mass％で、Ｖ：１０〜１５％を含有する鉄系材料からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザクラッディング方法。
3. 前記クラッディング材料粉末は、mass％で、
   Ｃ：２．０~３．５、Ｃｒ：１０．０~１８．０、Ｍｏ：０．３~１．０、Ｖ：１０．０~１５．０を含み、残部の主成分を鉄系材料とすることを特徴とする請求項２に記載のレーザクラッディング方法。
4. 前記レーザ光は半導体レーザであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザクラッディング方法。
5. 前記レーザ加工ヘッドは、
   下端で基材に前記レーザ光を照射する照射口と、
   前記レーザ光と略同軸で該照射口の近傍で前記クラッディング材料粉末を放出するクラッディング材料粉末供給管と、
   前記レーザ光と略同軸で該照射口の近傍で不活性ガスを放出するシールドガス供給管と、を備えることを特徴とする請求項１〜５に記載のクラッディング方法。
6. クラッディング材料粉末から基材の表面に形成したクラッド層であって、
   該クラッド層は均一に分散されたバナジウム炭化物を含有し、
   該バナジウム炭化物は、クラッド層内の４０〜７０vol％を有し、それぞれ１μｍ以下の略球状の粒子を形成する、ことを特徴とするクラッド層。