JPH055586B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、レーザ、TIGアーク、電子ビーム等
の所謂高密度エネルギ源を利用した盛金法に係
り、更に詳細には鋳鉄材料に対する盛金法に係
る。

従来の技術 鋳鉄材料の表面部の耐食性、耐熱製、耐摩耗性
などを向上させる一つの手段として、これらの性
質に優れた合金を鋳鉄材料の表面に盛金すること
をが有効であることが知られている。鋳鉄材料に
対する盛金に於ては、鋳鉄材料に対する溶接の場
合と同様、従来より一般に、鋳鉄母材が溶融し盛
金金属中にセメンタイトが晶出することに起因す
る割れの発生を防止すべく、盛金に先立つて鋳鉄
材料を予熱することが行われている。また盛金に
使用される溶接棒は、セメンタイトの晶出を抑え
ると共に溶着金属の基地がオーステナイトとなる
よう、高価なNi基の高炭素系の材料に選定され
ている。

発明が解決しようとする問題点 しかしかかる鋳鉄材料に対する盛金に於ては、
鋳鉄材料に含まれる黒鉛が盛金の際に燃焼するこ
とにより発生するCO又はCO₂ガスが溶融層中に
捕捉され、盛金金属中にブローホールが発生し易
く、特に盛金金属層の表面に発生したブローホー
ルにより盛金金属層の耐摩耗性や耐熱性が悪影響
を受けるので、従来の盛金法によつては鋳鉄材料
の表面部の耐摩耗性や耐熱性を必ずしも良好に向
上させることができないという問題がある。

本願発明者は、鋳鉄材料に対する従来の盛金に
於ける上述の如き問題に鑑み、種々の実験的研究
を行つた結果、鋳鉄材料の盛金されるべき表面に
予めCu若しくはCu合金の被膜を形成し、その被
膜上に高密度ネエルギ源を熱源として盛金金属を
溶着させれば、鋳鉄材料に対し予熱を行わなくて
も割れやブローホールの発生を伴うことなく盛金
を行うことができ、しかも盛金金属層の形成に使
用される材料もNi基の合金に制限されず、鋳鉄
材料の表面部に必要とされる耐摩耗性、耐熱性、
耐食性等の特性に応じて任意の合金を使用し得る
ことを見出した。

本発明は、本願発明者が行つた実験的研究の結
果得られた知見に基き、鋳鉄材料に対し予熱を行
わなくても割れやブローホールの発生を伴なうこ
となく任意の組成の盛金金属層を形成し得る盛金
法を提供することを目的としている。

問題点を解決するための手段 上述の如き目的は、本発明によれば、鋳鉄材料
の盛金されるべき表面にCu若しくはCu合金の被
膜を形成し、しかる後前記被膜上に高密度エネル
ギ源を熱源として盛金金属を溶着させる盛金法に
よつて達成される。

発明の作用及び効果 本発明によれば、盛金に先立つて鋳鉄材料の盛
金されるべき表面にCu若しくはCu合金の被膜が
形成され、該被膜により鋳鉄母材に含まれる黒鉛
へ酸素が供給されることが阻止され、これにより
黒鉛が燃焼してCO又はCO₂ガスが発生すること
が防止されるので、ブローホール等の欠陥を含ま
ない盛金金属層を形成することができる。

また本発明によれば、盛金に先立つて鋳鉄材料
の盛金されるべき表面にCu若しくはCu合金の被
膜が形成され、該被膜により鋳鉄母材表面のFe
及びＣが溶融状態の盛金金属に直接曝されること
が阻止され、溶融状態の盛金金属中にセメンタイ
トが晶出することが防止されるので、かかるセメ
ンタイトの晶出に起因して盛金金属層が割れるこ
とが回避され、従つて盛金に際し鋳鉄材料を予熱
することを省略することができる。

本願発明者が行つた実験的研究の結果によれ
ば、Cu又はCu合金の被膜の厚さが薄すぎる場合
には、上述の如き作用が十分に発揮されず、逆に
被膜の厚さが大きすぎる場合には盛金に際し被膜
を構成するCu等が溶融状態の盛金金属中へ比較
的多量に溶け込み，盛金金属層の性質に悪影響を
及ぼすことがある。従つて本発明の一つの詳細な
特徴によれば、Cu若しくはCu合金の被膜の厚さ
は30〜500μ、好ましくは50〜200μとされる。

また本願発明者が行つた実験的研究の結果によ
れば、被膜の形成に使用されるCu合金はCu−Ni
合金、Cu−Sn合金、Cu−Al合金の如き任意の
Cu合金であつてよいが、そのCu含有量が比較的
低い値である場合には、被膜の上述の如き作用が
十分には発揮されなくなる。従つて本発明の他の
一つの詳細な特徴によれば、Cu合金のCu含有量
は80％以上100％未満とされる。

更に盛金に先立つて行われるCu若しくはCu合
金の被膜の形成はめつきやコリーンプロセス等に
て行われてもよいが、これらは何れもバツチ式に
行われる方法であり、鋳鉄材料の特定の表面にの
み被膜を形成することが困難な方法である。これ
に対し高密度エネルギ源を熱源としてCu若しく
はCu合金を鋳鉄材料の表面に溶着させることに
より被膜を形成すれば、盛金に先立つてインライ
ン式にCu若しくはCu合金の被膜を形成すること
ができ、また鋳鉄材料の特定の表面にのみ被膜を
形成することができるので、被膜形成のコスト及
び被膜形成に使用されるCu若しくはCu合金の使
用料を低減することができる。従つて本発明の更
に他の一つの詳細な特徴によれば、Cu若しくは
Cu合金の被膜は鋳鉄材料の盛金されるべき表面
に高密度エネルギ源を熱源としてCu若しくはCu
合金を溶着させることにより形成される。

また本発明の方法に於ては、高密度エネルギ源
を熱源として被膜上に溶着される盛金金属及び鋳
鉄材料の表面部、及び上述の如く高密度エネルギ
源を熱源としてCu若しくはＣ合金を溶着させる
ことにより形成される被膜及び鋳鉄材料の表面部
は主とてし鋳鉄材料による吸熱により急冷される
ことが好ましい。かかる方法によれば、溶着され
た盛金金属や鋳鉄材料の表面部等を冷却するため
の特別な冷却装置は不要であり、またこれらが急
冷されるので、結晶組織が微細な盛金金属層を形
成することができる。

また本発明の方法に於ては、高密度エネルギ源
を熱源として盛金金属又はCu若しくはCu合金を
溶着させる過程は不活性雰囲気中にて行われるこ
とが好ましい。かかる方法によれば、盛金金属等
が酸化されることに起因する不具合の発生を回避
することができる。この場合不活性雰囲気は溶接
の場合の如くフラツクスにて創成されてもよい
が、確実性、スラグ巻き込みの回避、及び作業性
等の点からアルゴン、ヘリウムの如き不活性ガス
雰囲気又は真空雰囲気であることが好ましい。

尚本発明の方法に於ける高密度エネルギ源はレ
ーザ、TIGアーク、電子ビームであつてよいが、
レーザは盛金金属の粉末や鋳鉄材料の電気抵抗が
比較的高い場合にも適用可能であり、また焦点調
整により盛金金属の粉末等に対する加熱範囲の大
きさを比較的容易に調整し得る点に於て他の高密
度エネルギ源よりも優れており、TIGアーク及び
電子ビームは盛金金属の粉末が溶融されるとその
溶融金属が電磁攪拌作用により攪拌される点に於
てレーザよりも優れている。また電子ビームの雰
囲気は一般に真空雰囲気でなければならないのに
対し、レーザ及びTIGアークの雰囲気は不活性ガ
ス雰囲気であつてよいので、所定の雰囲気を創成
し維持するに必要な装置や作業能率の点からはレ
ーザ及びTIGアークが好ましく、電子ビームは加
熱領域を非常に小さくし得るので、かかる特徴を
必要とする場合には他の高密度エネルギ源よりも
優れている。従つて本発明の方法の更に他の一つ
の詳細な特徴によれば、盛金金属の種類、形成さ
れるべき盛金金属層の形状、面積、厚さ等に応じ
て高密度エネルギ源としてレーザ、TIGアーク、
電子ビームが適宜使い分けられる。

また鋳鉄材料の表面にCu又はCu合金粉末を配
置し、またCu又はCu合金被膜上に盛金金属の粉
末を配置することは、鋳鉄材料の表面に粉末をた
だ単に層状に予め配置することにより行われても
よく、また高密度エネルギ源がレーザや電子ビー
ムである場合には高密度エネルギ源に対しその走
査方向前方の位置にて鋳鉄材料の表面に連続的に
粉末を送給することにより行われてもよいが、粉
末の飛散を防止しその歩留りを向上させるために
は、粉末の圧紛成形体を金属材料に配置したり、
鋳鉄材料の表面に溝を形成し該溝内にて粉末を圧
紛成形したり、粉末にP.V.A.（ポリビニルアルコ
ール）の水溶液やアクリルとシンナーとの混合液
の如き粘結剤を添加してペーストを形成し、該ペ
ーストをヘラ塗り法やチユーブ法にて鋳鉄材料の
表面に附着させることにより行われてもよい。但
しペーストが形成される場合には、ペーストはそ
れらが乾燥されることにより形成される粉末層の
表面が酸化されたり、粉末層の表面部に気孔など
が発生することがない温度範囲及び雰囲気中にて
十分に乾燥され、実質的に水分を含有しない状態
で高密度エネルギ源による加熱に付されることが
好ましい。

更に本明細書に於て全てのパーセンテージは特
に断わらない限り重量％である。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例
に付いて詳細に説明する。

実施例 １ まずＡ型黒鉛を含むねずみ鋳鉄（3.2〜3.6％
Ｃ，1.5〜2.4％Si，0.5〜0.8％Mn，0.1％以下Ｐ，
0.15％以下Ｓ、残部実質的にFe）よりなり、70×
40×10mmの寸法を有する試験片を用意した。また
平均粒径50μのCu粉末を用意した。

次いで第１図に示されている如く、試験片１を
レーザガン２及び粉末供給ホツパ３の下方に配置
し、粉末供給ホツパ３内にCu粉末４を装入し、
レーザガン２の先端よりアルゴンを噴出させつつ
粉末供給ホツパ３の下端に接続された粉末送給管
５内へその上端よりアルゴンを導入し、これによ
り試験片１の70×40mmの表面１ａ上の中央にその
長手方向に沿つてCu粉末を連続的に送給し、そ
の状態にて試験片を図にて右方へ移動させること
により、試験片１上にCu粉末層６を形成しつつ
該Cu粉末層にレーザ７を照射し、下記の表１に
示された条件にてCu粉末をレーザにより局部的
に加熱してCu粉末を溶融させ、これにより第２
図に示されている如く、試験片の表面１ａの中央
にその長手方向に沿つて幅５mm、長さ60mm、厚さ
0.2mmのCu被膜８を形成した。尚この場合溶融層
及び試験片の表面部は主として試験片の主要部に
よつて吸熱されることにより急冷された。

第３図はかくして形成されたCu被膜及び試験
片の長手方向の断面の金属組織を５倍にて示す光
学顕微鏡写真である。

表 １ レーザ出力 ：2.0kw 出力モード ：マルチモード ビーム形状 ：直径７mmの円 レーザ走査速度 ：200mm／min アルゴンの流量 ：10／min 次いで第４図に示されている如く、ステライト
合金粉末（24％Cr，４％Ｗ，８％Ni，0.5％Si，
0.1％Ｂ，0.4％以下Ｃ、残部実質的にCo）９を他
の一つの粉末供給ホツパ１０内へ装入し、該粉末
供給ホツパ及びレーザガン２の下方に常温にまで
冷却され表面にCu被膜８を有する試験片１を配
置し、レーザガン２の先端よりアルゴンを噴出さ
せつつ粉末供給ホツパ１０の下端に接続された粉
末送給管１１内へその上端よりアルゴンを導入
し、これによりCu被膜８上にステライト合金粉
末を連続的に送給し、その状態にて試験片を図に
て右方へ移動させることによりCu被膜８上にス
テライト合金粉末層１２を形成しつつ該ステライ
ト合金粉末層にレーザ７を照射し、下記の表２に
示された条件にてステライト合金粉末をレーザに
より局部的に加熱してステライト合金粉末を溶融
させ、これにより第５図に示されている如く盛金
金属層１３を形成した。尚この場合にも溶融層及
び試験片の表面部は主として試験片の主要部によ
つて吸熱されることにより急冷された。

表 ２ レーザ出力 ：1.5kw 出力モード ：マルチモード ビーム形状 ：直径７mmの円 レーザ走査速度 ：100mm／min アルゴンの流量 ：10／min また比較の目的で、試験片の表面にCu被膜が
形成されず、試験片の表面に直接盛金が行われた
点を除き、実施例１の場合と同一の条件にてステ
ライト合金よりなる盛金金属層を形成し（比較例
１）、また比較例１に於けるステライト合金粉末
の代わりに平均粒径40μのNi合金（0.07％Ｃ，
0.06％Si，0.08％Fe、残部実質的にNi）の粉末が
使用された点を除き、比較例１と同一の条件にて
盛金金属層を形成した（比較例２）。

第６図乃至第８図はそれぞれ実施例１、比較例
１及び２に於て形成された盛金金属層及び試験片
の長手方向に垂直な断面の金属組織を37.5倍にて
示す光学顕微鏡写真である。これらの図面より、
比較例１及び２に於ては盛金金属層中にブローホ
ール（盛金金属層中の黒い部分）が発生してお
り、特に比較例１に於ては盛金金属層の表面に割
れ（盛金金属層の表面よりその内部へ延在する黒
い楔状の部分）が発生しているのに対し、実施例
１に於て形成された盛金金属層に於ては割れやブ
ローホールの如き欠陥は実質的に発生していない
ことが解る。

実施例 ２ Cu粉末の代わりに平均粒径40μのCu−Ni合金
粉末（15％Ni、残部実質的にCu）が使用され，
ステライト合金粉末の代わりに平均粒径40μのNi
合金粉末（14.4％Cr，5.5％Fe，4.8％Si，2.0％
Ｗ，0.6％Ｂ，0.3％Ｃ、残部実質的にNi）が使用
された点を除き実施例１の場合と同一の要領にて
盛金金属層を形成した。尚この場合Cu−Ni合金
被膜を形成するためのレーザ処理条件及びNi合
金よりなる盛金金属層を形成するためのレーザ処
理条件はそれぞれ下記の表３及び表４に示された
通りに設定された。

表 ３ レーザ出力 ：2.0kw 出力モード ：マルチモード ビーム形状 ：直径７mmの円 レーザ走査速度 ：200mm／min アルゴンの流量 ：10／min 表 ４ レーザ出力 ：1.5kw 出力モード ：マルチモード ビーム形状 ：直径７mmの円 レーザ走査速度 ：100mm／min アルゴンの流量 ：10／min 第９図は上述の如く形成された盛金金属層及び
試験片の長手方向に垂直な断面の金属組織を10倍
にて示す光学顕微鏡写真である。第９図に於て、
母材中の盛金金属層に近接した黒色の層状の部分
はCu−Ni合金被膜を形成する際に生じた第一の
熱影響部であり、この熱影響と盛金金属層との間
の明灰色の層状の部分はNi合金を盛金する際に
生じた第二の熱影響部であり、この熱影響部に隣
接する白色の層状の部分はCu−Ni合金被膜の部
分であり、この被膜上の部分が盛金金属としての
Ni合金の部分である。第９図により、この実施
例に於ても盛金金属層中にブローホールや割れ等
の欠陥は実質的に発生していないことが解る。

実施例 ３ Cu粉末の代わりに平均粒径40μのCu−Sn合金
粉末（15％Sn、残部実質的にCu）が使用され、
ステライト合金粉末の代わりに平均粒径40μのNi
合金粉末（14.4％Cr，5.5％Fe，4.8％Si，2.0％
Ｗ，0.6％Ｂ，0.3％Ｃ、残部実質的にNi）が使用
された点を除き実施例１の場合と同一の要領にて
盛金金属層を形成した。尚この場合Cu合金被膜
を形成するためのレーザ処理条件及びNi合金よ
りなる盛金金属層を形成するためのレーザ処理条
件はそれぞれ下記の表５及び表６に示された通り
に設定された。

表 ５ レーザ出力 ：3kw 出力モード ：マルチモード ビーム形状 ：直径12mmの円 レーザ走査速度 ：150mm／min アルゴンの流量 ：10／min 表 ６ レーザ出力 ：3.5kw 出力モード ：マルチモード ビーム形状 ：直径12mmの円 レーザ走査速度 ：150mm／min アルゴンの流量 ：10／min 第１０図は上述の如く形成された盛金金属層及
び試験片の長手方向に垂直な断面の金属組織を10
倍にて示す光学顕微鏡写真である。第１０図に於
て、母材中の盛金金属層に近接した黒い層状の部
分はCu−Sn合金被膜を形成する際に生じた第一
の熱影響部であり、この熱影響部であり，この熱
影響部と盛金金属層との間の灰色の層状の部分は
Ni合金を盛金する際に生じた第二の熱影響部に
隣接する白い層状の部分はCu−Sn合金被膜の部
分であり、この被膜上の部分が盛金金属としての
Ni合金の部分である。第１０図より、この実施
例に於ても盛金金属層中にブローホールや割れ等
の欠陥は実質的に発生していないことが解る。

以上に於ては本発明を三つの実施例について詳
細に説明したが、本発明はこれらの実施例に限定
されるものではなく、本発明の範囲内にて他の
種々の実施例が可能であることは当業者にとつて
明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋳鉄製の試験片の表面にCu被膜を形
成する要領を示す解図、第２図は試験片の表面に
形成されたCu被膜を示す斜視図、第３図は第２
図に示されたCu被膜及び試験片を長手方向に垂
直な断面の金属組織を５倍にて示す光学顕微鏡写
真、第４図は第２図に示されたCu被膜上に盛金
金属層を形成する要領を示す解図、第５図は試験
片の表面に形成された盛金金属層を示す斜視図、
第６図乃至第８図はそれぞれ実施例１、比較例１
及び２に於て形成された盛金金属層及び試験片の
長手方向に垂直な断面の金属組織を37.5倍にて示
す光学顕微鏡写真、第９図及び第１０図はそれぞ
れ実施例２及び３に於て形成された盛金金属層及
び試験片の長手方向に垂直な断面を10倍にて示す
光学顕微鏡写真である。 １……試験片、１ａ……表面、２……レーザガ
ン、３……粉末供給ホツパ、４……Cu粉末、５
……粉末送給管、６……Cu粉末層、７……レー
ザ、８……Cu被膜、９……ステライト合金粉末、
１０……粉末供給ホツパ、１１……粉末送給管、
１２……ステライト合金粉末層、１３……盛金金
属層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鋳鉄材料の盛金されるべき表面にCu若しく
   はCu合金の被膜を形成し、しかる後前記被膜上
   に高密度エネルギ源を熱源として盛金金属を溶着
   させる盛金法。 ２ 特許請求の範囲第１項の盛金法に於て、前記
   被膜の厚さは30〜500μであることを特徴とする
   盛金法。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項の盛金法に
   於て、前記Cu合金のCu含有量は80％以上100％未
   満であることを特徴とする盛金法。 ４ 特許請求の範囲第１項乃至第３項の何れかの
   盛金法に於て、前記被膜は前記表面に高密度エネ
   ルギ源を熱源としてCu若しくはCu合金を溶着さ
   せることにより形成されることを特徴とする盛金
   法。