JPH0615481A - 鋳鉄材への硬化肉盛り用溶接材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 鋳鉄母材への硬化肉盛り用溶接材料として、
直接肉盛りでき、良好な機械加工性を有し、かつ簡単な
処理でしかも歪等の発生もなくＨＲＣ４５以上の硬さに
まで硬化しうる肉盛り用溶接材料を提供する。 【構成】 溶着金属の基本成分組成が、Ｃ０．５０〜
１．５０％、Ｓｉ０．２０〜２．００％、Ｍｎ０．３０
〜６．００％、Ｃｒ０．３０〜１０．００％、Ｃｏ０．
３０〜１０．００％、残部Ｆｅおよび不可避の不純物か
らなり、かつマルテンサイト変態開始温度が１５０℃以
下である鋳鉄材への硬化肉盛り用溶接材料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋳鉄母材への硬化肉盛
り用として用いられる、被覆アーク溶接棒、溶接ワイ
ヤ、および溶接用粉末等の溶接材料に関し、更に詳しく
は、アルミ、鋼板等の金属性薄板材等をプレス加工する
プレス金型をはじめとする冷間プレス金型等の形状が複
雑で溶接後における機械加工性と硬さとが必要とされる
分野に利用される溶接材料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、アルミ、鋼板等の金属製薄板ロ
ール材から、一定長のブランク素材を切り取る場合のト
リミング金型や、このブランク素材をドロー金型で絞り
成形した後、周辺部の不要部を切除するためのトリミン
グ金型等を製造する方法として、所定の形状に鋳造した
金型素材に刃材としての溶接材料を硬化肉盛りし、この
肉盛り部分から刃を削り出す方法がある。

【０００３】前記の場合に使用される硬化肉盛り材料
は、肉盛りする製品の用途により選定され、従来では溶
着金属の合金含有量および硬さにより、ＪＩＳ Ｚ３２
５１やＡＷＳ Ａ５．１３等に多くの種類が規定され、
また、これ以外にも特別な用途に応じて合金成分組成を
工夫した溶接材料が市販されている。

【０００４】上記のような硬化肉盛り用溶接材料の硬化
は、加工硬化による硬化、時効、析出硬化熱処理による
硬化、およびフレーム、高周波による焼き入れ硬化等が
あるが、通常の場合は溶接のままで硬化して所定の硬さ
となる。したがって、前記のようなトリミング金型等に
おいて、硬化肉盛り溶接を行ない、その後、超硬、セラ
ミックス系あるいは高速度鋼刃等で切削加工して刃を削
り出すような場合に、切削できる限界が溶着金属の硬さ
により生じてくる。特にフライス盤等による断続切削で
は、刃物の種類が限定され、切削加工の容易な硬さは通
常ＨＲＣ４５までである。そこで、ＨＲＣ４５以上の硬
さが必要な用途の場合には、焼きなましにより溶着金属
の硬さを下げて機械加工した後に焼入れにより硬さを上
げるか、または研削盤により研磨加工を行なわなければ
ならない。

【０００５】しかしながら、前者の焼きなましにより溶
着金属の硬さを下げて加工した後、焼き入れする方法の
場合は、高温加熱と冷却により歪が発生するために、仕
上げ代を残して切削加工し、最後に研削仕上げを行なう
必要があり、工程数が多く、高コストで、しかも長い工
期を必要とする。また、後者の研削盤により研磨加工す
る方法では、加工物の形状的制約とともに、やはり高コ
ストで、しかも長い工期が必要である。

【０００６】更に、肉盛りする母材が鋳鉄の場合には、
その中に多量に含まれる炭素の影響を受け肉盛りした溶
着金属の硬さが上昇して靭性が低下し割れが発生する。
そのため第一層目にニッケル、鉄ニッケル等の下盛りを
行い防止しているが、このニッケルによる溶着金属の硬
さ低下のため、多層肉盛りが必要となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
硬化肉盛り用溶接材料においては、ＨＲＣ４５以上の硬
さが必要な場合には、機械加工性、高温加熱や冷却とい
った熱処理による歪、加工工程の煩雑さ、更に、母材が
鋳鉄の場合には炭素の影響による靭性の低下等の多くの
問題があった。本発明は上記の点に鑑み、鋳鉄母材への
硬化肉盛り用溶接材料として、直接肉盛りでき、良好な
機械加工性を有し、かつ簡単な処理でしかも歪等の発生
もなくＨＲＣ４５以上の硬さにまで硬化しうる肉盛り用
溶接材料を提供せんとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するために、鋳鉄材への硬化肉盛り用溶接材料とし
て、溶着金属の基本成分組成がＣ０．５０〜１．５０
％、Ｓｉ０．２０〜２．００％、Ｍｎ０．３０〜６．０
０％、Ｃｒ０．３０〜１０．００％、Ｃｏ０．３０〜１
０．００％、残部Ｆｅおよび不可避の不純物であり、か
つマルテンサイト変態開始温度が１５０℃以下である溶
接材料；前記の場合に溶接したままで溶着金属の硬さが
ＨＲＣ４５以下、かつ溶接後０℃以下の過冷処理で前記
溶着金属の硬さがＨＲＣ４５以上となる溶接材料；溶着
金属の基本成分組成が、前記溶接材料の基本成分組成に
更にＶ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕから選んだ１種ま
たは２種以上を含むものであり、かつマルテンサイト変
態開始温度が１５０℃以下である溶接材料；更には、前
記の場合に溶接したままで溶着金属の硬さがＨＲＣ４５
以下で、かつ溶接後０℃以下の過冷処理で前記溶着金属
の硬さがＨＲＣ４５以上となる溶接材料を提供せんとす
るものである。上記の場合に、溶接材料とは被覆アーク
溶接棒、溶接ワイヤ、および溶接用粉末のいずれをも含
むものとする。

【０００９】また、上記の場合、マルテンサイト変態開
始温度（以下、「Ｍｓ温度」という。）とは下式により
計算した値をいう。尚、式中、各成分の値は％である。

【００１０】Ｍs(℃)＝550−350×Ｃ−40×Ｍn−35×Ｖ
−20×Ｃr−17×Ｎi−10×Ｍo−5×Ｗ＋15×Ｃo＋30×
Ａl−10×Ｃu 尚、マルテンサイト変態終了温度（以下、「Ｍｆ温度」
という。）という場合は、下式により計算した値をい
う。

【００１１】Ｍf(℃)＝Ｍs−230 前記の場合に溶着金属の基本成分組成中の各成分の含有
量の範囲が限定される理由は以下のとおりである。先
ず、ＣはＭｓ温度、Ｍｆ温度の決定と、下の元素成分と
炭化物を作る最も有効な元素であって、このＣ量が０．
５０％未満ではＭｓ温度、Ｍｆ温度の調整で他の元素量
を多量に添加する必要が生じて不経済であり、また炭化
物量が不足して耐摩耗性が得られない。一方、このＣ量
が１．５０％を越えるとＭｓ温度、Ｍｆ温度が低下しす
ぎて他の元素を添加できず、そのために靭性のない溶着
金属となる。

【００１２】また、Ｓｉは脱酸効果と溶接中の溶着金属
の適度の粘性と流動性を上げ、作業性を向上させる元素
であり、このＳｉ量が０．２０％未満では前記のような
効果がなく、また、２．００％を越えて添加した場合に
は溶着金属の流れが良すぎ、盛り上がりが悪くなる。

【００１３】Ｍｎ量の下限を０．３０％とした理由は、
このＭｎの量がこれ未満では脱酸不足でブローホールが
発生することによる。また、Ｍｎは比較的安価な元素
で、溶着金属の靭性向上や脱酸元素として、更には、Ｍ
ｓ温度、Ｍｆ温度を下げる効果として有効であるが、
６．００％を越えると溶接時のスケールが多くなり作業
性が低下するので、その上限は６．００％とした。

【００１４】また、ＣｒはＣとの親和力が強く、溶着金
属中で硬さの高い炭化物を形成して耐摩耗性を向上させ
る効果があるが、このＣｒ量が０．３０％未満ではその
効果がなく、また、１０．００％を越えると硬さが高く
なりすぎて耐割れ性、および靭性が低下する。

【００１５】更に、Ｃｏは炭化物の析出を遅らせ、溶接
のままでの硬さの上昇を抑制する効果があるが、このＣ
ｏ量が０．３０％未満ではそのような効果が得られず、
また、１０．００％を越えるとＭｓ温度、Ｍｆ温度が高
くなりすぎ、所要の硬さが得られず、またＣｏは高価な
ため不経済でもある。

【００１６】尚、上記以外の元素の含有量としては、前
記の式により計算したＭｓ温度が＋１５０℃以下であれ
ばよい。また、ＴｉやＺｒといった元素は、Ｍｓ温度や
Ｍｆ温度には直接関係しないが、脱酸、作業性の改善等
といった効果があり、これらの金属元素を添加すること
もできる。更に、不純物については、本溶接材料の合金
作成に不可避なもの以外に、Ｍｓ温度が前記の＋１５０
℃以下になれば不純物の存在は特に問題とはならない。

【００１７】

【作用】上記のような本発明に係る溶接材料を用いて鋳
鉄母材に肉盛りすれば、例えば３層盛りの場合であれ
ば、第一層目および第二層目は鋳鉄母材中の炭素の巻き
込みによりＭｓ温度が常温以下となり、マンテルサイト
変態が完全に終了せず、溶着金属の組織は大部分が未変
態のオーステナイトとなる。このため、溶着金属の硬さ
は低く、軟らかく靭性のある金属となり、機械加工も容
易に行える。更に、同一溶接材料で肉盛りした第３層目
においては、溶着金属の特定の成分組成により、Ｍｓ温
度が＋１５０℃以下となるために、第一層目および第二
層目と同様に溶着金属の組織は未変態のオーステナイト
で占められ、溶接したままの溶着金属の硬さはＨＲＣ４
５以下となり、やはり機械加工を容易に行うことができ
る。そして、上記のように肉盛りした溶着金属を、機械
加工した後、ドライアイス、液体窒素、あるいは冷凍庫
等を用いて０℃以下に過冷することで、溶着金属のマン
テルサイト変態が開始しはじめ、残留オーステナイトが
マンテルサイトに変態し、硬さがＨＲＣ４５以上に上昇
して耐摩耗性のある溶着金属が得られる。また、このよ
うに過冷により硬度を上昇させるものであるから、従来
からの焼き入れする場合のように、金属が酸化したり、
あるいは高温加熱と冷却といった熱処理にともなう歪が
発生するといったこともなく、特別な仕上げ工程等も必
要としない。更には、肉盛りする母材が鋳鉄の場合で
も、その中に多量に含まれる炭素の影響により肉盛りし
た溶着金属の硬さが上昇して靭性が低下し割れが発生し
たりすることもなく、そのため従来のように第一層目に
ニッケル、鉄ニッケル等の下盛りを行う必要もなく、工
程数を大幅に低減することができる。

【００１８】（実験）下記表１は、各成分の比率を変化
させた被覆アーク溶接棒の成分組成であり、表２に、表
１の溶接棒で普通鋳鉄（ＦＣ２５）上に溶接ビードを置
き、第一層目、第二層目、第三層目のそれぞれの溶着金
属についてＭｓ温度、Ｍｆ温度を調べた結果を示した。
また、表３には、前記溶接棒のブロホールを含む溶接作
業性、割れの有無、加工の難易、溶接のままの溶着金属
の硬さ、過冷処理後の溶着金属の硬さおよび硬化後の摩
耗減量を調べた結果を示した。尚、Ｎｏ．１〜１９の試
料については−７６℃（ドライアイス）で過冷処理を行
い、一方、Ｎｏ．２０〜２６の試料については−１９６
℃（液体窒素）で過冷処理を行なった。また、Ｎｏ．２
０〜２６の試料を−７６℃で過冷処理した場合の硬度と
摩耗減量を（ ）内に示した。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】

【表３】

【００２２】また、Ｍｓ温度を前出の式により求め、図
１にこのＭｓ温度と溶接したままの溶着金属の硬さおよ
び過冷処理後の溶着金属の硬さとの関係を示した。

【００２３】尚、摩耗減量については、図２に示すよう
に、２枚の試験片で１０kg／cm²の圧力で超硬板を挾み
込み、１分間に２０往復する速度で５万回摺動したとき
の試験前と試験後の重量差を測定した。

【００２４】上記の実験結果より、Ｍｓ温度が＋１５０
℃より高くなれば、溶着金属の硬さはＨＲＣ４５よりも
高くなり（Ｎｏ．２、９、１０、１２、１５）、また、
ドライアイスによる過冷処理ではＭｓ温度が０℃よりも
低くなると硬度を充分に上げられなくなるが（Ｎｏ．
４、１４）、液体窒素による過冷処理を行えば硬度を充
分に上げられることがわかる（Ｎｏ．２３）。従って、
Ｍｓ温度が＋１５０℃以下で、かつ溶着金属の成分組成
が上記した本発明の範囲内であれば、溶接のままでＨＲ
Ｃ４５以下で、かつ過冷処理後の硬さが４５以上になる
ことが判明した（Ｎｏ．５、７、１１、１８〜２６）。
また、供試溶接棒のＮｏ．１８、１９は、Ｍｓ温度およ
びＭｆ温度を調節する他の元素を添加し、またはＣｒ、
Ｍｎと置換した被覆アーク溶接棒であるが、硬さ、耐摩
耗性ともに同様の結果であることもわかる。

【００２５】表４は、前記表１に示すＮｏ．５とほぼ同
じ成分組成の１．２mmのワイヤ（Ｎｏ．２７）と、６０
〜２００メッシュの粉末（Ｎｏ．２８）の溶着金属の成
分組成であり、表５は前記ワイヤおよび粉末を用いてＭ
ＩＧ溶接および粉体プラズマ溶接で普通鋳鉄（ＦＣ２
５）に溶接を行い、溶着金属の第一層目、第二層目及び
第三層目のＭｓ温度、およびＭｆ温度を調べた結果を示
し、更に表６は、これらの溶接のままの溶着金属の硬さ
とドライアイスによる過冷処理後の溶着金属の硬さ、並
びに摩耗減量、溶接作業性、割れの有無、および加工の
難易を調べた結果を示したものである。

【００２６】

【表４】

【００２７】

【表５】

【００２８】

【表６】

【００２９】これから明らかなように、ワイヤや粉末を
用いたＭＩＧ溶接や粉体プラズマ溶接の場合において
は、第一層目、第二層目はとけ込みの違いにより前記溶
接棒による被覆アーク溶接の場合とは硬さが多少異なる
ものの、第三層目のＭｓ温度が＋１５０℃以下であれ
ば、溶接方法にかかわらず、被覆アーク溶接と同様の結
果が得られる。

【００３０】

【実施例】表１に示したＮｏ．５の組成からなる被覆ア
ーク溶接棒を用い、図３に示すように普通鋳鉄（ＦＣ２
５）に手溶接で三層の肉盛り溶接を行った。また、図４
に示すように従来の方法で四層に肉盛り溶接を行い、前
記の場合と比較した。

【００３１】前記の場合の溶接条件は下記のとおりであ
る。

【００３２】（本発明に係る溶接材料（Ｎｏ．５）を用
いた場合の溶接条件） 溶接棒径 ３．２ｍｍ 溶接電流 ７０〜８０Ａｍｐ 予熱、後熱 なし 溶接速度 ８〜１０cm／min （従来法の溶接条件） 第一層目の被覆アーク溶接棒の成分組成（％） （ＪＩＳ Ｚ３２５２ ＤＦＣＮｉＦｅ） Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ｎｉ Ｆｅ ０．９２ ０．４８ ０．３２ ０．０１１ ０．０１０ ５６．２５ 残 溶接棒径 ３．２mm 溶接電流 １２０Amp 予熱、後熱 なし 溶接速度 １０cm／min 第二〜四層目の被覆アーク溶接棒の成分組成（％） （硬化肉盛り用溶接棒） Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ｎｉ Ｆｅ ０．３５ ２．９０ ０．２９ ０．０１０ ０．０１３ ９．０１ 残 溶接棒径 ３．２mm 溶接電流 １２０Amp 予熱、後熱 なし 溶接速度 １０cm／min 上記のようにして溶接した本発明に係る溶接棒と従来の
溶接棒とにおける、溶接した後の溶接のままの溶着金属
の断面硬度および本発明に係る溶接棒のドライアイスに
よる過冷処理後の溶着金属の断面硬度を測定し、その結
果を図５に示した。尚、加工性について溶接のままでの
従来の溶接金属と本発明の溶接金属とを切削加工し、刃
物にかかる背分力、送り分力および垂直分力の三分力を
測定した。その結果を表７に示した。

【００３３】

【表７】

【００３４】

【発明の効果】以上の結果から明らかなように、本発明
に係る溶接材料を用いて鋳鉄母材に対して硬化肉盛りを
行った場合には、従来の方法に比べて溶接のままでの溶
着金属の硬さが低いことから、溶接後の切削加工が容易
で従来に比べて切削抵抗が約２５％軽減でき、切削速度
の向上が可能であり、また、工具刃物の欠損が生じない
ため、工具費の削減が可能であるとともに、刃物を取り
替える必要がなくＮＣフライス等による無人自動切削加
工も可能となる。更には、加工後においてはドライアイ
ス、液体窒素、あるいは冷凍庫等を用いて過冷処理する
だけの簡単な処理で溶着金属の硬さを上げることがで
き、しかも、肉盛りする母材が鋳鉄の場合における炭素
の影響で溶着金属の硬さが上昇して靭性が低下して割れ
が発生したりすることがないことから、従来のようにニ
ッケル、鉄ニッケル等の下盛りの必要もなく、ニッケル
による溶着金属の硬さ低下防止のための多層肉盛りの必
要がない。更には、従来の焼き入れ処理のように高温加
熱、冷却等による歪の発生もなく、加工後に特別な仕上
げを必要とせず、工程数を削減することが可能となり、
コストの低減、納期の短縮化をも可能とするものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 溶着金属のＭｓ温度と硬度との関係を示すグ
ラフ

【図２】 摩耗試験方法の説明図

【図３】 本発明に係る溶接棒を用いた硬化肉盛り溶接
の説明図

【図４】 従来の溶接棒を用いた硬化肉盛り溶接の説明
図

【図５】 溶着金属の断面硬度を示すグラフ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 敬三 埼玉県狭山市新狭山１丁目10番地１ ホン ダエンジニアリング株式会社内 (72)発明者 西川 昇 埼玉県狭山市新狭山１丁目10番地１ ホン ダエンジニアリング株式会社内 (72)発明者 河瀬 剛毅 神奈川県横浜市戸塚区東俣野町1186番16号 (72)発明者 渡辺 正巳 大阪府高槻市北大樋町36番地

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶着金属の基本成分組成が、Ｃ０．５０
   〜１．５０％、Ｓｉ０．２０〜２．００％、Ｍｎ０．３
   ０〜６．００％、Ｃｒ０．３０〜１０．００％、Ｃｏ
   ０．３０〜１０．００％、残部Ｆｅおよび不可避の不純
   物からなり、かつマルテンサイト変態開始温度が１５０
   ℃以下である鋳鉄材への硬化肉盛り用溶接材料。
2. 【請求項２】 溶接したままで溶着金属の硬さがＨＲＣ
   ４５以下で、かつ溶接後０℃以下の過冷処理で前記溶着
   金属の硬さがＨＲＣ４５以上となる請求項１記載の鋳鉄
   材への硬化肉盛り用溶接材料。
3. 【請求項３】 溶着金属の基本成分組成が、請求項１記
   載の溶接材料の基本成分組成に更にＶ、Ｎｉ、Ｍｏ、
   Ｗ、Ａｌ、Ｃｕから選んだ１種または２種以上を含むも
   のであり、かつマルテンサイト変態開始温度が１５０℃
   以下である鋳鉄材への硬化肉盛り用溶接材料。
4. 【請求項４】 溶接したままで溶着金属の硬さがＨＲＣ
   ４５以下で、かつ溶接後０℃以下の過冷処理で前記溶着
   金属の硬さがＨＲＣ４５以上となる請求項３記載の鋳鉄
   材への硬化肉盛り用溶接材料。