JPH0615482A - Ａｌ基材料表面への肉盛溶接用溶加材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 Ａｌ基材料表面に溶加材中に含まれるガス量
が少ないソリッドワイヤを用いることで、溶加材を安定
して送給できピット、ブローホールなどの溶接欠陥が発
生せず、Ａｌ基母材への溶け込みが小さく、基材との接
合性の高い耐摩耗性、耐熱性肉盛層が安定して得られる
Ａｌ基細線とＣｕ基細線のより線溶加材を提供する。 【構成】 Ａｌ基材料表面への肉盛材料としての構成
は、Ａｌ基材料からなる細線とＣｕ基材料からなる細線
とをよりあわせてからなるＡｌ−Ｃｕ複合より線溶加材
であり、溶加材全重量に対してＣｕ：３０〜８５％を必
須成分として含有し、更にＳｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃ
ｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｂｅを１種または２種以上を含有し、
その他Ａｌ及び不可避不純物からなり、且つＳｉ、Ｆ
ｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｂｅの添加元素の
合計量を１０％以下に抑えた溶加材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＡｌ基材料の表面に耐摩
耗、耐熱層が安定してかつ経済的に得られるガスシール
ドアーク、プラズマアーク肉盛溶接用溶加材に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】ＡｌまたはＡｌ合金は鉄鋼材
料に比較して、軽量で熱伝導性、耐食性が優れているこ
とから自動車部品をはじめ広い分野で使用されている。
しかし、Ａｌ合金は一般に鉄鋼材料に比べ強度、耐摩耗
性、耐熱性の面で劣っており、Ａｌ合金素材そのままで
は、鉄鋼材料の代替材料として適用できる部位、部品は
限られている。また、既にＡｌ、Ａｌ合金が使用されて
いる場合でも、近年、使用環境が過酷になるにつれ、更
に耐久性の向上が求められている。その対策として、Ａ
ｌ合金そのものの改良の外に、表面に耐摩耗、耐熱層を
形成する方法が行われている。例えば、ＰＶＤ、ＣＶＤ
により薄い硬質皮膜層を形成する方法、溶射により比較
的厚い硬質皮膜層を形成する方法がある。しかし、これ
らの方法で形成される皮膜は非常に硬いが基材との密着
力が弱く、使用中に剥離、脱落の恐れがあり信頼性に乏
しい。更に、ＰＶＤ、ＣＶＤは皮膜形成速度が遅く、厚
膜の形成は困難である。溶射の場合は騒音、光線の発生
など環境面でも問題があり、また、基材との密着力が低
く使用中に剥離する等の問題がある。

【０００３】一方で、電子ビーム、レーザ、アークなど
の高密度エネルギー源を用いて基材表面とともに合金化
金属を溶融させ硬質合金層を形成する方法が開示されて
いる。これらの方法では、ある程度の硬さを持つ硬質層
を形成することができる。例えば、特開昭５５−２７５
８７号公報には電子ビームによるＡｌ合金ピストンへの
Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの合金化処理技術が
開示されている。実開昭６２−７２４５６、実開昭６２
−７２４５８号公報にも電子ビームによるＣｕの合金化
処理技術が開示されている。また、特開昭６１−１６６
９８２、特開昭６１−１７０５７８号公報にはＴＩＧア
ークによるＮｉ、Ｆｅの合金化処理技術が開示されてい
る。特開昭６４−１１０７３号公報にもアークによるＣ
ｕの合金化処理技術が開示されている。特開昭５８−１
７９５６９号公報に、添加材にＡｌまたはＡｌ合金粉末
とＮｂＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＶＣ粉末との混合粉末を用
い、ＴＩＧアークによるＡｌ系材料への表面硬化方法が
開示されている。

【０００４】これらの合金化処理技術は本発明と同様、
基材と処理層とは冶金的に結合しているため、接合力は
高く有望な技術であるが次のような問題がある。 （１）上記の合金化技術は本発明と同様、基材のＡｌ、
Ａｌ合金の表面を溶融させ、外部から金属を添加し合金
層を形成している。しかし、添加方法、条件や溶接入熱
条件が変動した場合、基材のＡｌ、Ａｌ合金の溶融量が
変化し、得られる合金層組成に変動をもたらす原因とな
る。特に、添加材に粉末を用いた場合、その溶加材の安
定送給、組成の偏析など問題があり、均一組成の合金層
が得にくい。例えば、ＮｂＣ、ＴｉＣ粉末等のセラミッ
クスとＡｌ合金粉との混合粉では、一般に炭化物等のセ
ラミックスなどは破砕粉であるため異形粉であり、安定
送給は困難で、比重の異なる混合粉では、組成的に均一
な送給は困難である。従って、添加金属の希釈量が変動
するため、得られる合金層の組成が不均一となり、耐摩
耗性、耐熱性などの特性が変動する原因となる。

【０００５】（２）通常、合金化するために添加する金
属は基材のＡｌ、Ａｌ合金に比べて融点が高いため、均
一な合金層を形成するのは難しい。高密度エネルギー源
の電子ビームを使用すれば、融点の高い合金化金属も容
易に溶融し均一な合金層を得ることができる。しかし、
電子ビームによる合金化処理は真空容器内で行うため、
Ａｌ、Ａｌ合金が過熱されるとブローホール、ピットが
発生しやすく、生産性も低い。レーザーは電子ビームと
同様、高エネルギー密度を有するが、Ａｌ、Ａｌ合金に
対しては、吸収率が低いため適していない。また、電子
ビーム、レーザーの装置とも高価なため、その適用部品
はコスト高となる。

【０００６】（３）Ａｌ、Ａｌ合金の溶接では、溶融状
態においてＨ₂、Ｈ₂Ｏ、Ｎ₂、Ｏ₂等を吸収し易いため、
ピットやブローホールなどの溶接欠陥を生成し易く、溶
加材からもたらされるガス成分が、その発生の大きな要
因である。Ａｌ合金粉等の金属粉は一般的にガスアトマ
イズ法または水アトマイズ法で製造されており、ソリッ
ドワイヤに比べて、ガスが多く含まれている。従って、
溶加材にＡｌ合金粉末等の金属粉末を用いた場合、粉末
中に含まれているガスにより、ブローホール、ピットな
どの溶接欠陥が発生しやすいという問題がある。

【０００７】そこで本出願人はＣｕ基またはＡｌ基パイ
プ中にＡｌ基またはＣｕ基ワイヤを充填した複合ワイヤ
を用いた、ＴＩＧ、ＭＩＧおよびプラズマアーク熱源に
よるＡｌ表面への硬化肉盛技術を提案した。この方法に
よれば、ピット、ブローホールなどの溶接欠陥が発生せ
ず、接合性の高い耐摩耗性、耐熱性肉盛層が安定して得
られるが、Ａｌ基母材への溶け込みがやや大きく母材劣
化の恐れがあり、この複合ワイヤはＡｌ基材およびＣｕ
基材の組成よりなるため、鋼製ワイヤに比べて剛性がな
く安定してワイヤを送給できない場合があった。

【０００８】また、特公平２−９９１２号公報では、２
本以上の電極ワイヤを一対の回転送りロールでねじり、
ねじりロール軸も相互回転させて得られた複数本のねじ
り線の消耗電極式の溶接方法および装置が開示されてい
る。本号公報においては、複数本の鋼製ワイヤのより線
を用い、溶接プロセスの能率向上を図ったものであり本
発明のようなＡｌ−Ｃｕの肉盛層を得ることを目的とし
たものではない。また、特開昭５２−１１７２５５号公
報では、複数の素ワイヤ（実ワイヤまたは複合ワイヤ）
をより合わせた溶接用消耗電極ワイヤが開示されてい
る。該発明ワイヤは、アーク発生点を分散させることで
アークの偏向を助長して、溶け込みの均一化を図ったも
ので狭開先溶接への適用を目的としたものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
合金化処理の問題点を解決するべくなされたもので、そ
の目的とするところは、Ａｌ基材料表面に溶加材中に含
まれるガス量が少ないソリッドワイヤを用いることで、
溶加材を安定して送給できピット、ブローホールなどの
溶接欠陥が発生せず、Ａｌ基母材への溶け込みが小さ
く、基材との接合性の高い耐摩耗性、耐熱性肉盛層が安
定して得られるＡｌ基細線とＣｕ基細線のより線溶加材
（以下、Ａｌ−Ｃｕ複合より線と略す）を提供すること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の、本発明にかかわるＡｌ基材料表面への肉盛材料とし
ての構成は、Ａｌ基材料からなる細線とＣｕ基材料から
なる細線とをよりあわせてからなるＡｌ−Ｃｕ複合より
線溶加材であり、溶加材全重量に対してＣｕ：３０〜８
５％を必須成分として含有し、更にＳｉ：０．１〜５
％、Ｆｅ：０．１〜２％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｍｇ：
０．１〜５％、Ｃｒ：０．１〜２％、Ｎｉ：０．１〜２
％、Ｔｉ：０．１〜２％、Ｂｅ：０．１〜３％を１種ま
たは２種以上を含有し、その他Ａｌ及び不可避不純物か
らなり、且つＳｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔ
ｉ、Ｂｅの添加元素の合計量が１０％以下に抑えてなる
ところに要旨が存在する。なお、本発明の複合ワイヤに
用いる肉盛溶接手段は、簡便な溶接法であるガスシール
ドアーク（ＴＩＧ、ＭＩＧ溶接）、プラズマ溶接法であ
る。

【００１１】

【作用】本発明によれば、不活性ガスでシールドされた
Ａｌ基材料母材と非消耗電極との間に発生させたアーク
中に、Ａｌ基材料細線とＣｕ基細線をよりあわせたＡｌ
−Ｃｕ複合より線を溶加材として送給することにより、
Ａｌ基材料表面にＣｕを含んだ肉盛層を形成でき、溶加
材の形態が細線のより線であるため、従来の複合ワイ
ヤ、ソリッドワイヤに比べて剛性が高くワイヤの送給性
が良好であるとともに、溶接入熱を低下させても容易に
溶融するため母材への溶け込みを抑制できる。具体的に
は、Ａｌ−Ｃｕ複合より線溶加材をＡｌ基材料の表面に
耐摩耗・耐熱肉盛層を形成する肉盛材料について検討し
た。また、この場合に得られる肉盛層の硬さは、耐摩耗
性の面から、ビッカース硬さＨｖ１５０以上必要であ
り、Ｈｖ１５０未満では耐摩耗性の向上が期待されな
い。Ａｌ−Ｃｕ複合より線による肉盛層の組織は高Ｃｕ
側でα相とθ相（ＣｕＡｌ₂）とからなり、θ相の存在
により耐摩耗性、耐熱性を有するものである。

【００１２】即ち、Ｃｕ量が３０％未満の場合では、溶
接によって得られる肉盛層のＣｕ量が不足し、殆どα相
のみとなってしまい、その硬さはＨｖ１５０に達せず耐
摩耗材に適しない。一方、Ｃｕ量が８５％をこえた場合
では、脆弱なη₂相が現れ、割れが発生する。従って、
Ａｌ基材料からなる細線とＣｕ基材からなる細線をより
あわせたＡｌ−Ｃｕより線のＣｕ量は３０〜８５％の範
囲内とする必要がある。更に、下記量の成分を１種また
は２種以上を含有させることで肉盛層の硬さが増し、よ
り一層の耐摩耗性向上が可能となる。 Ｓｉ：０．１〜５％、Ｆｅ：０．１〜２％、Ｍｎ：０．
１〜２％、Ｍｇ：０．１〜５％、Ｃｒ：０．１〜２％、
Ｎｉ：０．１〜２％、Ｔｉ：０．１〜２％、Ｂｅ：０．
１〜３％ しかし、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、
Ｂｅの添加元素の合計量が１０％を越えた場合、肉盛層
にマトリックスのＡｌと、例えばＦｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃ
ｒ、Ｎｉ、Ｔｉ元素との間に硬く脆い金属間化合物が多
量に生成するため、割れが発生するとともに、強度が高
くなりねじり加工が困難となり、伸線工程で断線が頻発
するため、上記添加元素の合計量を１０％以下に抑える
必要がある。

【００１３】Ｓｉ：Ｓｉは少量添加で固溶強化元素とし
て肉盛層の硬さを高めるとともに、凝固時の割れも起こ
り難く、母材とのぬれ性も良好にさせる。これら効果を
発揮するために０．１〜５％含有させる。０．１％未満
では肉盛層の硬さが得られず、５％を超えると肉盛層に
割れが発生する。 Ｆｅ：Ｆｅは固溶強化元素として肉盛層の硬さを高める
ために、０．１〜２％含有させる。０．１未満ではこの
効果が得られず、２％を越えると肉盛層に割れが発生す
る。 Ｍｎ：Ｍｎは固溶強化元素として肉盛層の硬さを高める
とともに凝固時の割れを防止させるために０．１〜２％
含有させる。０．１未満ではこの効果は得られず、２％
を超えると肉盛層に割れが発生する。

【００１４】Ｍｇ：Ｍｇは固溶強化元素として肉盛層の
硬さを高めるとともに、ブローホールを低減させるため
に、０．１〜５％添加させる。肉盛金属中にＭｇが存在
すると水素の固溶量が増加し、溶融金属中への水素吸収
速度が遅くなるためブローホールが減少できる。しかし
０．１％未満ではこれらの効果が得られず、５％を超え
ると肉盛層に割れが発生する。 Ｃｒ：Ｃｒは固溶強化元素として肉盛層の硬さを高める
ために、０．１〜２％含有させる。０．１未満ではこの
効果が得られず、２％を超えると肉盛層に割れは発生す
る。 Ｎｉ：Ｎｉは固溶強化元素として肉盛層の硬さを高める
とともに、肉盛層の組織を微細化させ靭性を向上させ
る。これらの効果を発揮するために０．１〜２％含有さ
せる。０．１％未満ではこれらの効果が得られず、２％
を越えると肉盛層に割れが発生する。

【００１５】Ｔｉ：Ｔｉは固溶強化元素として肉盛層の
硬さを高めるとともに、結晶粒を微細化させ靭性を向上
させるために０．１〜２％含有させる。０．１％未満で
はこれら効果が得られず、２％を超えると肉盛層に割れ
が発生する。 Ｂｅ：Ｂｅは固溶強化元素として肉盛層の硬さを高める
とともに、結晶粒を微細化させ靭性を向上させるために
０．１〜３％含有させる。０．１％未満ではこれら効果
が得られず、３％を超えると肉盛層に割れが発生する。 なお、これら成分はＡｌ−Ｃｕ複合より線を構成するＡ
ｌ基細線中またはＣｕ基細線中のいずれかか、両方に含
有させることができる。本発明によるＣｕ基材料からな
る細線とＡｌ基材料からなる細線をよりあわせたＡｌ−
Ｃｕ複合より線の製造方法としては、Ａｌ基細線とＣｕ
基細線を所望のＡｌ、Ｃｕ量になるようにそれぞれの細
線本数を調整した後、伸線加工する方法によれば良い。
図３（ａ）、（ｂ）は、１本のＣｕ基細線と６本のＡｌ
基細線を互いにより合わせたままのＡｌ−Ｃｕ複合より
線溶加材の横断面および外観を示す。図３（ｃ）はダイ
ス伸線後の、Ａｌ−Ｃｕ複合より線溶加材の横断面を示
したものである。

【００１６】

【実施例】本発明の効果を確認するため、純Ａｌ板（Ｊ
ＩＳ Ａ １０５０Ｐ、１０^t×５０×１５０ｍｍ）の
表面に表１に示す成分組成、素線径のＡｌ−Ｃｕ複合よ
り線（ワイヤ径：１．２ｍｍ、ねじりピッチ：素線径の
２５〜３０倍）を用い、図２に示す消耗電極式ガスシー
ルドアーク溶接法のＭＩＧ溶接、非消耗式ガスシールド
アーク溶接法のＴＩＧ溶接及びプラズマ溶接によるビー
ドオンプレート試験を実施した。各溶接法による溶接条
件を表２に示す。図２は、本発明に係るＡｌ−Ｃｕ複合
より線溶加材によるＭＩＧ溶接の概要を示す概略図であ
る。Ａｌ−Ｃｕ複合より線４にコンタクトチップ６を介
して電力を供給し、該より線溶加材をスプール１１より
送給ロール９、送給電動機１０により、アルゴン等の不
活性ガスでシールドガス７で遮蔽されたＡｌ板１母材上
へ自動的に送給し、該より線溶加材先端と母材との間に
アーク３を発生させることにより、溶加材は溶融して、
母材表面上に移行し肉盛層を形成する。上記の肉盛溶接
試験により得られた肉盛層について、肉盛層の硬さ、肉
盛層内部の割れ、ビード表面割れ等を調査した。肉盛層
の硬さの調査は、溶接部断面試験片において、図１に示
すようにビード表面より１ｍｍ下の位置におけるＡＢ間
を０．５ｍｍピッチで測定した結果の平均値を示した。
肉盛層内部の割れは溶接部断面を光学顕微鏡（×１０
０）にて調査し、ビード表面の割れについては目視によ
り割れの有無を調査した。また、ブローホール等の溶接
欠陥の検出及び評価は、放射線透過写真の等級方法（Ｊ
ＩＳＺ３１０５）に準じて行った。

【００１７】表３においてＮｏ．１〜Ｎｏ．２３は本発
明の用件を全て満たす本発明例であり、その内、Ｎｏ．
１〜１２はＴＩＧアーク溶接法、Ｎｏ．１３〜１８はＭ
ＩＧアーク溶接法、Ｎｏ．１９〜２３はプラズマアーク
溶接法によって肉盛溶接を行ったものである。これらど
の溶接法で行っても本発明のＡｌ−Ｃｕ複合より線は基
材表面への肉盛層は、十分な硬さを有するとともに、肉
盛層内部の微小割れ、ビード表面の割れは皆無であっ
た。なお、Ｎｏ．２、５はＣｕ、Ａｌ以外の添加元素が
ないものであり、他の本発明成分を添加したもに比べ硬
さは低くなった。これに対しＮｏ．２４〜３２はＴＩＧ
アーク溶接法、Ｎｏ．３３、３４はＭＩＧアーク溶接
法、Ｎｏ．３５〜３７はプラズマアーク溶接法で肉盛溶
接を行ったものであるが、いずれも肉盛層の特性におい
て満足な結果が得られなかった。尚、本発明及び比較例
の各Ａｌ−Ｃｕ複合より線（Ｎｏ．１〜３７）ともソリ
ッドタイプの溶加材であるため、ブローホール、ピット
等の溶接欠陥が認められず、耐ブローホール性は良好で
あった（１級合格）。すなわち、Ｎｏ．２４、３３はＣ
ｕ量が下限を下回る例で肉盛層の硬さが得られなかっ
た。なお、肉盛層内部及び表面の割れはなかった。

【００１８】Ｎｏ．２５はＣｕ量が上限を超えており肉
盛層は硬く、肉盛層内部および表面に割れが発生した。
Ｎｏ．２６はＳｉ量が上限を超えており肉盛層は硬く、
肉盛層内部および表面に割れが発生した。Ｎｏ．２７は
Ｆｅ量が上限を超えており肉盛層は硬く、肉盛層内部に
割れが発生した。なお、ビード表面の割れはなかった。
Ｎｏ．２８、３４、３５はＭｎ量が上限を超えており肉
盛層は硬く、肉盛層内部に割れが発生した。なお、ビー
ド表面の割れはなかった。Ｎｏ．２９はＭｇ量が上限を
超えており肉盛層は硬く、肉盛層内部および表面に割れ
が発生した。Ｎｏ．３０、３６はＣｒ量が上限を超えて
おり肉盛層は硬く、肉盛層内部に割れが発生した。な
お、ビード表面の割れはなかった。

【００１９】Ｎｏ．３１はＮｉ量が上限を超えており肉
盛層は硬く、肉盛層内部に割れが発生した。なお、ビー
ド表面の割れはなかった。Ｎｏ．３２はＴｉ量が上限を
超えており肉盛層は硬く、肉盛層内部および表面に割れ
が発生した。Ｎｏ．３３はＣｕ量が下限を下回る例で肉
盛層の硬さが得られなかった。なお、割れは内部、表面
にもなかった。Ｎｏ．３４はＣｕ量が上限を超えており
肉盛層は硬く、肉盛層内部および表面に割れが発生し
た。Ｎｏ．３５はＳｉ量が上限を超えており肉盛層は硬
く、肉盛層内部および表面に割れが発生した。Ｎｏ．３
６はＮｉ量が上限を超えており肉盛層は硬く、肉盛層内
部に割れが発生した。Ｎｏ．３７はＢｅ量が上限を超え
ており肉盛層は硬く、肉盛層内部に割れが発生した。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】

【表３】

【００２３】

【発明の効果】以上のことにより、本発明は数種の素線
を予め製造して、種々の組み合わせ複合よりすれば、種
々の成分割合の溶加材が、溶解工程経ずして容易に得ら
れ、またＡｌ−Ｃｕ複合より線溶加材を用いれば、割れ
が発生せず、Ａｌ基材との接合性の高い耐摩耗性、耐熱
性合金化層を安定して、安価に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明または比較例のＡｌ−Ｃｕ複合より線溶
加材により得られた肉盛金属の硬さ測定方法を示す説明
図。

【図２】本発明または比較例のＡｌ−Ｃｕ複合より線溶
加材をＭＩＧ溶接法に適用した肉盛溶接例を示す説明
図。

【図３】本発明または比較例のＡｌ−Ｃｕ複合より線溶
加材のより合わせたままの外観、及び断面並びに伸線後
の断面を示す説明図である。

【符号の説明】

１ Ａｌ板 ２ 肉盛層 Ａ、Ｂ 硬さ測定位置 ３ アーク ４ Ａｌ−Ｃｕ複合より線溶加材 ５ ノズル ６ コンタクトチップ ７ シールドガス ８ 溶接電源 ９ 送給ロール １０ 送給電動機 １１ スプール １２ Ａｌ基細線 １３ Ｃｕ基細線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小池 弘之 東京都中央区築地三丁目５番４号 日鐵溶 接工業株式会社研究所内 (72)発明者 神戸 良雄 東京都中央区築地三丁目５番４号 日鐵溶 接工業株式会社研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ａｌ基材料からなる細線とＣｕ基材料か
   らなる細線とをよりあわせてなることを特徴とするＡｌ
   基材料表面への肉盛溶接用溶加材。
2. 【請求項２】 Ａｌ基材料からなる細線とＣｕ基材料か
   らなる細線とをよりあわせてからなる溶加材において、
   溶加材全重量に対してＣｕ：３０〜８５重量％（以下、
   ％と略す）を必須成分として含有し、更にＳｉ：０．１
   〜５％、Ｆｅ：０．１〜２％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｍ
   ｇ：０．１〜５％、Ｃｒ：０．１〜２％、Ｎｉ：０．１
   〜２％、Ｔｉ：０．１〜２％、Ｂｅ：０．１〜３％を１
   種または２種以上を含有し、その他Ａｌ及び不可避不純
   物からなり、且つＳｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｎ
   ｉ、Ｔｉ、Ｂｅの添加元素の合計量が１０％以下に抑え
   てなることを特徴とする請求項（１）に記載のＡｌ基材
   料表面への肉盛溶接用溶加材。