WO1988004593A1 - Matiere de padding pour laser et procede d'utilisation dans un laser - Google Patents

Description

明 細 軎 レーザ肉盛用材料 S:びそれを用いたレーザ內盛方法 技 術 分 野

こ の発明 は 、 レ ーザ肉盛用材料に係 り 、 特 に銅を主 成分 と し 耐摺動 ♦ 摩耗性の高い レ ーザ肉盛用材料に 関 する 。 背 景 技 術

レ ーザ肉盛 （ レ ーザコ ー テ ィ ング 、 レ ーザク ラ ッ デ イ ング ） は 、 エネルギ密度 （ レ ーザ出力 ビ ー ム径 〉 を 微細 に コ ン ト ロ ールする こ と がで き る上、 処理速度が 速 く 母材に よ る希釈 .（ すなわち母材成分が溶けて 肉盛 合金中 に入 り 込むこ と に よ る 合金成分の希釈 ） を最小 限 に し 、 0 . 3 〜 1 . 5 卿程度の薄い肉盛層を必要部分に のみ付与する こ と ができるこ と か ら最近注目 さ れて い る技術である 。

こ の よ う な レ ーザ肉盛に は 、 第 3 図 に概略を示す よ う な レ ーザ肉盛装置が用 い ら れる 。 こ の装置は 、 母材 1 の表面 に形成さ れた溝 V上に 開口 する供給パイ プ 2 か ら レ ーザ ビ ー ム 3 と アルゴンガ ス （ A 「 ） 4 等の不 活性ガス と 肉盛用金属の粉末 5 を供給 し 、 該粉末 5 を 母材 1 上で急速溶融せ し めた後凝固させ 肉盛層 6 を形 成する よ う に し た ものである 。 .

レ ーザ ビ ー ム に よ れば局所的 に多大な熟エネルギ ー を与える こ と ができる た め高速処理が可能であ り 、 肉 寸法を極め て 高精度に す る こ と ができる _c ま た冷 m速度が Eく 微飿な結晶粒を得るこ とができるため肉 盛層の品質も高いもの とな り 、 加工歩留 り も高い。

このよう に レ一ザによる肉盛はほぼ完品寸法に近い 形で肉盛する こ とができるので材料歩留 り が高い等の 基本的なメ リ ッ 卜 を有 してお り 、 従来ステライ 卜等の コパル 卜 （ G o ) 系硬化金属、 ニ ッ ケル （ N i ) 系硬 化金属、 ステン レススチール等の鉄 （ F e ) 系合金に 用い られている。

從来、 肉盛に用い られる調 （ G u ) 系の材料と して は 黃調 （ C u - Z n ) 系合金、， や P B G 2 Α と指称 さ れている リ ン青 mや、 し B C と指称されている銅一 錕ー鉛 ( C u - S n 一 P b ) 系台金等があるが、 これ ら はいずれも以下に示す理由によ り 、 レーザ肉盛に使 兩するこ とはできず、 銅合金の レーザ肉盛は不可能で あ っ た _c

( 1 ) 黄銅 （ C u — Z η 合金 ）

亜鉛 ( Ζ π ) の沸点 ' 9 Q 8 O と低いため、 高 エネルギ密度熟源である レーザを ffiいる と 、. 溶 融池の温度が千数百度 &、上にな っ て蒸発 して し ま い肉瘙できない。

( 2 ) P R C 2 A ( C u 一 S n 系合金 ）

高面圧下でも使用でき摺動 料 と して有効な 鋦合金の Ί つであるが、. ガスを含み易 く 、. ガス 欠陷の発生原因 と な り易い

( 3 ) L B G ( G ϋ - S n - - P 系合金 ）

' レ一ザによる肉盛は上述のよ う に a密度エネ ルギ熱源の た め 、 処 a速度が非常 に 早 く 、 レ ー ザ に よ り 溶融 し て い る 時間が 0 . 1 〜 0 , 5 秒 と短 い た め レ一ザ照射 に よ っ て 生成さ れた スラ グが き上が ら な い う ち に硬化 し ス ラ グの巻き込み が起 っ て し ま う 。

ま た レ ー ザ に よ る 肉 盛 の 場 合 、 広 い 面 を 肉 盛 す る 時 は 第 4 図 の よ う に 線状 の 肉 盛層 を 少 し ず ら し 乍 ら 塑 ね な け れ ば な ら な い の で 、 第

5 図 に示 し た よ う に前の肉盛曆表面 に 出来た ス ラ グを次の肉盛時 に巻き込んで し ま う こ と に な る 。

こ の よ う に 、 レ ー ザ肉盛に 用 い ら れ得る銅台金 はな か つ た た め , 耐摺動摩耗特性の優れた銅系の レ ーザ肉 盛用 材料の実現† 望 ま れて いた _n

本発明 は 、 前記実情 に鑑みて な さ れた も ので 、 耐摺 動性、 耐摩耗性が高 く 、 高品質の レ ーザ肉盛を行な う こ と のでき る （ 銅を生成分 と す る 〉 レ ーザ肉盛用材斜 を提供す る こ と を 目 的 と する 。 図面の簡単な説明

第 1 図 は こ の発明 の実施例の レ ーザ肉盛用 材料の各 成分の比率を示す表、 第 2 図 は第 Ί 図のも のの摺動摩 I 試験結果を従来のもの と 比較 し て 示 し た グラ フ 、 第 3 図 は レ一ザ ピ一ム に よ る 肉盛を図解的 に 示 し た も の 、. 第 4 図及ひ'第 5 図 はそ れぞれ レ ーザ ビ ー ム に よ り 肉盛 を行な う 場 の肉盛 . !i並び に ス ラ グ に 関 す る説明図で あ る 。 発 明 の m 示

本発明の レーザ肉盛用材料は、 m ( ( c u ) を主成 分 と し 、 1 〜 5 m星パ一セン 卜のニ ッ ケル （ N ί ) と 0 . 2 〜 5 g ¾パーセン 卜 のシ リ コ ン （ S i ) と、 1 重 Eパーセン 卜 以下のボ ロ ン （ B ) 2 重量パ一セン个 以 下の リ ン （ P ) 、 3 重量パ一セ ン 卜 下 のマ ンガン ( M n ) のう ちの少な く とも 1 つ とを含有 してなるも のである。

ま た、 本発明の方法では、 金属母材上に ϋ ( C u ) を主成分 と し 、 1 〜 5 重量パ一セ ン 卜 のニ ッ ケル （ Ν i ) と 0 . 2 〜 5 重量パーセン 卜 のシ リ コ ン （ S 〖 〉 と、. 1 重 sパーセン 卜 以下のボロ ン （ Β ) 2 m パ一 セン 卜以下の リ ン （ P 〉 、 3 重量パーセン 卜 以下のマ ンガン （ M n 〉 のう ち の少なく とち Ί つ とを含有 して なる材料粉末を金属母材上に吹きつ けなが ら 、 不活性 ガス中で レーザビー ムを照射す る こ とによ り前記材料 粉末を溶融せ し'め肉盛層を形成するよう に している _c すなわち本発明の レーザ肉盛用 Vi料は G u , N ！ _; S ϊ を基本成分 と し た も の で 、 N i と S t は レーザ 肉盛後に通常お こなわ れる時効処理 に よ っ て N i 2 8 i の化合物 を作 り 合金 と し ての硬さ 上昇 に作用す る も のである 従 っ て N i ： S Ϊ =- 2 ： 1 のモ ル比 と なるよ う に NH と S i の添加 ϋを決定 サ る 。 しか し 乍 ら Ν ί 3 m. mパ一セ ン 卜 を超える と ffi手材が鉄 である場合特に a面圧での摺動 に焼付け が起る こ と があ り H i ? 8 ！ を 2 〜 3 靈 ©パーセン 卜 含む成分 成が ¾ ¾で ¾るが - i 1 〜 5 m パーセン 卜 、 S i 0 . 2 〜 5 £ ¾パー セ ン 卜 の範囲な ら ば特 に支降 はな い。

な お N i 2 S i を 2 〜 3 重 Sパー セ ン 卜 含み他 は銅 で 構 成 し た 成分 を レ ー ザ 肉 盛 し 、 5 0 0 で 、 時 時 効 処 理 す る と 、 銅 合 金 と し て は 非 常 に 高 硬 度 で あ る H _{R B}程度が得 ら れた 。

ま た S i , B , P , M n な ど は酸素 と結 合 し 、 溶融 し て いる銅合金の表面 に浮 き上が っ て 来る 。 こ の よ う に銅合金の比重の約数分の一 程度の非常 に軽い ス ラ グ を強制的に生成させ て 、 比重差 に よ り 上方 に 分離する こ と に よ っ て 、 ス ラ グ巻き込みを防止す る 。

こ の よ う に S i , B , P， M n は脱酸素剤 と し て の 働き を有 し 、 特 に B 1 S Sパー セ ン 卜 以下 、 P 2 重量 パー セ ン 卜 以下 、 M n 3 重 Sパー セ ン ト 以下の う ち 少 な く と も 1 つ のも のを用 いれば、 そ の脱酸素作用 に よ り ガス欠陷を良好 に 防止でぎる 。

ま た 、 上述 の脱酸素剤 の他 、 アル ミ ニ ウ ム （ A ^ 〉 、 力 ルシ ゥ ム （ G a ) 等も脱 m素剤 と し て 有効で あ る 。 こ れ ら は 、 Ί 靈壘パ一セ ン 卜 以下の範西で 、 含有 さ せ る のが よ く 、 例え ぱ、 C u , N i , S ί と 1. 重壘パ一 セ ン 卜 以下の八 か ら な る 台金粉未を用 い る 。

さ ら に上記材料 に微細なセ ラ ミ ッ ク ス粒子を分散さ せ た材料を用 い て 肉盛す る こ と に よ っ て 一 層 す ぐれた 耐摩耗特性ガ、'得 ら れる 。 こ の場 合 に用 い る セ ラ ミ ッ ク ス は H V 2 , 0 0 0 以上で あ れば後述 -§ る よ う に 、. ほ と ん ど何でも よ い 。 但 し 、 上記材料 と の比 ffi ：の なる ベ く 小さ いセ ラ ミ ッ ク 材料を用 い る の が望 ま し い 。 こ れは 比 m ¾が ¾る と均一な分散が生 じないためである。 試 験結果では、. 粒度的には数 程度のものであ り 、 0.01 霊 ®パーセン 卜程度を添加 したおのが最も高い P V値 が得られている。 ここで P V値と は、 面圧 （ P ) と摺 動速度 （ V ) との稹で表わされる摺動摩耗特性を示す 値である 。

上記 P V値向上の効果をもっ セ ラ ミ ッ ク ス と して は、. 例えば M o ₂ B 5 ， M o B V S i C , S i 3 N 4 , A 12 03 等があ り 、 これ らのセラミ ッ クスの中から 任意のものを 1つ以上で台計 SOffi fiパーセン 卜以下で 含むよう にするのがよい。 ここで 30重 Sパ一セン 卜 以 下 と したのはこれ以上となる と 、. 合金と しての強度が 低下するためである。

また上—記材料において、 一般に摺動用銅合金によ く 添加さ れる S' n ( 8 〜 15重 -量パーセ ン 卜 ） 、 や P b ( 8 〜 15重量 .パーセン 卜 ） を靈カロ してもよい。 発明を実施す るための最良の形態 第 1 図に示 ¾1く 、 96.49 g パーセ ン 卜 の銅粉末 と、 2.5 重量パーセン 卜 のニ ッ ケル粉未 と、 0.5 重量 パーセン トのシ リ コ ン粉末と、 0.2 m量パーセン 卜 の ボロ ン （ B ) 粉末と、. 0.3 蔞垦パーセン 卜 の リ ン （ P ) 粉末と 、. 0.01 ¾垦パーセン 卜 のホゥ化モ リ プデン （ ινι

0 2 B 5 ) 粉未 とを混台 してなる混合粉末を第 3 図に 示 した肉盛装置の供給パイ プから材料粉末 4 と して供 給 る と共に、. ガス 5 と じ て ァルゴンガスを 0.5 〜 10 / m i n で供給 しつつへ 銑檨 1 をこ の表而に形成さ れ た 肉 ^溝 V に 治 っ て 、 1 W/ i n の速さ で 行 させ な が ら 肉盛溝 V 内 に 肉盛層 6 を形成 し て い く "

こ こ で供給パイ プの径 は肉盛溝の幅を a と す る と

2 a < 「 く 3 a と なる よ う に す る のが よ く 、 ま た 、 ノ イ ブ先端 と 金属母材 1 と の距離は 5 a 以内 に す る のが よ い 。

供給パイ プの径 は 2 a よ り 小さ い と シ ー ル不十分 と な り 、 3 a よ り 大きい と ガス の流れ に 乱れが生 じシー ル不十分 と なる 。 ま た ガス消費 Sが増大 し て し ま う 。 供給パイ プの先端 と金属母材表面 と の距離 は 5 a 以上 に なる と ァルコ ンガ ス に 乱れが生 じ空気巻き込 み に よ り 酸化防止効果がな く なる 。

こ の よ う に し て形成さ れた 肉盛層を用 い て摺動摩耗 試験を行な っ た結果 、 第 2 図 に示す よ う に從来のもの に比べて 肉盛層 も相手材も.摩耗量が 2 程度臧少 し て お り 、 極めて 優れた摺動特性を得る こ と がで き た 。 こ の 肉盛層 は相手材 が鉄である場台 に 特 に '有効である銅 合金層 と な り 、 極め て 笑 ¾性の高い -ち ので あ る 。

なお、 こ の例で は 、 各元素 を単体 と し て混合 し材料 粉末 に加え た が 、. 化合物の形でも よ い こ と は い う ま で もな く 、 ま た 、 n 料粉末を一 s？ 融 し 、 合 金化 し た ¾ のを粉未化 し て も よ い 。

例 え ば、 G u 70 . 5 S量パ ー セ ン 卜 、 N i 2 0重量パ ー セ ン 卜 、 S i 4 . 5 ¾ Sパ ー セ ン ト 、 P 3重 パ一セ ン 卜 、. B 2里 S \°一セ ン 卜 を 含 む 第 1 の 合 金 粉末 と c u 90 s

一セ ン 卜 s Γΐ 1 o m ¾ 一セ ン 卜 、.

P 0 . 02 s s パ ー セ ン 卜 を む 2 の 合 金 粉 末 と を - a

85 ： 1 5の割合で混合 した混合粉末を用いても、 優れた 特性の肉盛層を得るこ とができる。 産業上の利用可能性

このよう に、 本発明の レーザ肉盛用材料によれぱ、 従来銅系の材料に対してほ とんど実施困難とされてい た レ一ザによる肉盛が可能 となるため、 耐摺動摩耗特 性にすぐれ、 寸法精度の高い肉盛層が容易かつ高速で 得られ、 油 E部品等の摺動部への肉盛に極めて有効な もの となる。

Claims

求 の 範 囲

銅 （ G u ) を主成分 と す る レ ーザ肉盛用材料 で あ っ て 、

1 〜 5 重 パー セ ン 卜 のニ ッ ケル （ N i ) と 0 . 2 〜 5 重量-パー亡 ン 卜 のシ リ コ ン （ S i ) と 1 垂 Sパー セ ン 卜 以下 の ボ ロ ン 〈 B ) 、 2 パー セ ン 卜 以下の リ ン （ P ) 、 3 重量パー セ ン 卜 以下のマ ンガ ン （ M n ) の う ち の少な く と も 1 つ と

を含有元素 と し て 含むも のである こ と を特徴 と する レ ーザ肉盛用材料。

前記名 含有元素 は 、 単体又 は こ れ ら の化合物 の混台粉未 と し て含ま れて いる こ と を特徴 と す る請求の範囲第 1 項記載の レ ーザ肉盛用 材料 。 . 前記各含有元素 は 、 銅 台金粉未 と し て 含 ま れ て いる こ と を特徴 と す る請求の範囲第 1 項記載 の レ ーザ肉盛用 材.斜 。

, 前記 レ ー ザ肉盛 材料 は , セ ラ ミ ッ ク 粉末を 含右 し て なる こ と を特徴 と す る m求の範囲第 1 項記戰の レ ー ザ肉盛用 材料。

. 前記セ ラ ミ ッ ク 粉未 は 、. ア ルミ ナ セ ラ ミ ッ ク 粉末であ る こ と を特徴 と す る請求 の範囲第 4 項 記載の レ ーザ肉盛用 材料 。

, 前 ΐ! — ッ ケル と シ リ コ ン は ΐ ル ]:匕で 2 ： 1 と なる よ う に 構成さ れて い る こ と を特徴 と る請 - 1 Q . - 求の範囲第 1 項記載の レーザ肉盛用材料。

. 銅 （ C u ) を主成分とする レーザ肉盛用材料 であ っ て、

1 〜 5 重量パーセン 卜 のニ ッ ケル （ N 〖 ) と 0 . 2 〜 5 重量パーセン 卜 のシ リ コ ン （ S i )

1 重量パーセン 卜 以下のアルミニウ ム

( A ^ 》 、 力ルシゥム （ G a > 等の脱酸素剤の う ちの少な く とお 1 つ と

を含有元素と して含むものであるこ とを特徴と する レーザ肉盛用材料。

. 前記各含有元素は、 単体又はこれらの化合物 の混合粉末と して含まれているこ とを特徴とす る請求の範囲第 7 項記載の レーザ肉盛用材料。 . 前記各含有元素は、 銅合金粉未 と して含ま れ て（ ることを特徴 とする請求の範囲第 7項記載 の レーザ肉盛用材料。

. 前記 レーザ肉盛用材料は 、 セラ ミ ッ ク粉末を 含有 してなるこ とを特徴とする請求の範囲第 7 項記載の レーザ肉盛用材料

Ί . BUI己セラ ミ ッ ク粉末は、 アルミナセラ ミ ッ ク 粉未であることを特徴とする請求の範囲第 1 0 項記載の レーザ肉盛用材料

2 . 前記ニ ッ ケル とシ リ コ ンはモル比で 2 ： と なるよう に構成されているこ とを特徴とする請 求の範囲第 7 項記載の レーザ肉盛用材料。

3 . 金属母材上に、

I. 銅 を主成分 と し

5 1 〜 5 垂 Sパ ー セ ン 卜 のニ ッ ケル （ N i ) と 0 . 2 〜 5 重星パー セ ン 卜 の シ リ コ ン （ S i ；) と 1 m mパ一セ ン 卜 以下の ボ ロ ン （ B ) 、 2 重量 パ一セ ン 卜 以下の リ ン （ P ) 、 3 重量パー セ ン 卜 以下のマ ンガ ン （ M n ) の う ち の少な く と も Ί つ と

を含有元素 と し て 含む材料 粉未を供給す る供 給工程 と 、 こ の材 n粉未 に対 し 、 不活性ガス雰 囲気中で レ一ザ ビ一ム を照射す る照射工程 と を 含み 、 前記金属母材上で前記材料粉末を溶融 せ し め レーザ肉盛層を形成する よ う に し た こ と を特徴 と す る レ ーザ肉盛方法 。

4 . 前記供給工程 は

前記含冇元素を単体又 は こ れ ら の化合物の混 合粉末 と し て 供給する 工程であ る こ と を特徴 と す る請求の範囲第 1 3 項記載の レ ーザ肉盛方法 ， 前記供給工程 は

前記含有元素を含有 し て な る銅 合金粉末を供 給 す る工程で ある こ と を特徴 と す る請求の範囲 第 Ί 3 i ^戟の レ一ザ肉盛方法