レーザー肉盛方法、積層構造および耐食性金属クラッド鋼
【課題】金属粉末中のクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を調整せずに、炭素鋼に耐食性処理すること。
【解決手段】ＳＵＳ３１２Ｌからなり炭素鋼２の表面２ａ側に供給された金属粉末を、該表面２ａ側を照射するレーザーにより溶融し、該表面２ａ側にクラッド層３Ａ、３Ｂを形成する層形成工程を備え、該層形成工程を複数回繰り返してクラッド層３Ａ、３Ｂを表面２ａ側に積層することで、複数層のクラッド層３Ａ、３Ｂからなる積層構造４を形成し、２回目以降の層形成工程の際、レーザーによる溶融を、直前の層形成工程の際に形成されたクラッド層３Ａ、３Ｂまでに留めておくレーザー肉盛方法を提供する。
【解決手段】ＳＵＳ３１２Ｌからなり炭素鋼２の表面２ａ側に供給された金属粉末を、該表面２ａ側を照射するレーザーにより溶融し、該表面２ａ側にクラッド層３Ａ、３Ｂを形成する層形成工程を備え、該層形成工程を複数回繰り返してクラッド層３Ａ、３Ｂを表面２ａ側に積層することで、複数層のクラッド層３Ａ、３Ｂからなる積層構造４を形成し、２回目以降の層形成工程の際、レーザーによる溶融を、直前の層形成工程の際に形成されたクラッド層３Ａ、３Ｂまでに留めておくレーザー肉盛方法を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー肉盛方法、積層構造および耐食性金属クラッド鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、炭素鋼の耐食性を向上させる方法として、例えば下記特許文献１に示されるようなレーザー肉盛方法が知られている。この方法は、金属成分中の低融点金属と高融点金属とを合金粉末化する工程と、合金粉末を含むクロム系複合材からなる金属粉末およびバインダを混合した被焼成被膜を炭素鋼の表面に形成する工程と、該被焼成被膜をレーザー照射によって焼成しクラッド層を形成する工程と、を有する。
前記金属粉末は、Ｆｅ基合金が粉末化されてなり、主成分として鉄を含有するとともに、その他クロム、ニッケルおよびモリブデンを含有している。そして、前記クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率が、鉄の含有比率に対して一定の値以上となっている。これにより、クラッド層に耐食性が具備されることとなり、炭素鋼に耐食性処理をすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３０６４７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、モリブデンの融点は鉄の融点よりも高いことから、前記従来のレーザー肉盛方法で、被焼成被膜をレーザー照射によって焼成しクラッド層を形成するためには、被焼成被膜および炭素鋼をレーザー照射により鉄の融点以上に加熱する必要がある。すると、炭素鋼が溶融して被焼成被膜と混合することで被焼成被膜が炭素鋼により希釈され、クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率が、金属粉末における前記各含有比率に比べて低下することとなる。
そのため、前記従来のレーザー肉盛方法では、クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率が一定の値以上となるように、金属粉末中のクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、予め高めに調整しておく必要があり、高い耐食性を具備するＳＵＳ３１２Ｌを、成分を未調整の状態では金属粉末の原料として用いることができなかった。
【０００５】
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、金属粉末中のクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を調整せずに、炭素鋼に耐食性処理することができるレーザー肉盛方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本願の請求項１に係るレーザー肉盛方法は、ＳＵＳ３１２Ｌからなり炭素鋼の表面側に供給された金属粉末を、該表面側を照射するレーザーにより溶融し、該表面側にクラッド層を形成する層形成工程を備え、該層形成工程を複数回繰り返して前記クラッド層を前記表面側に積層することで、複数層の前記クラッド層からなる積層構造を形成し、２回目以降の前記層形成工程の際、レーザーによる溶融を、直前の前記層形成工程の際に形成された前記クラッド層までに留めておくことを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、層形成工程を複数回繰り返してクラッド層を炭素鋼の表面側に積層することで、複数層のクラッド層からなる積層構造を形成するので、積層構造のうち、最も外側に位置する最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができる。
すなわち、複数層のクラッド層のうち、最も内側に位置し、炭素鋼上に形成された最内クラッド層には、炭素鋼が希釈し、最内クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率は、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率よりも低くなる。
しかしながら、最内クラッド層に外側から積層される積層クラッド層は、炭素鋼との間に前記最内クラッド層が配設されていることから、積層クラッド層を形成する際のレーザーによる溶融を、最内クラッド層までに留めておくことで、炭素鋼による希釈の影響を抑えることができる。したがって、積層クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、最内クラッド層における前記各含有比率に比べて高め、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができる。
このように、２回目以降の層形成工程の際、レーザーによる溶融を、直前の層形成工程の際に形成されたクラッド層までに留めておくことで、積層構造の内側から外側に向けて漸次、炭素鋼による希釈の影響を弱め、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができる。これにより、前記最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができる。
【０００８】
また、ＴＩＧ溶接などに比べて入熱量が小さいレーザーにより金属粉末を溶融しているので、層形成工程の際に、溶融池が凝固してクラッド層となるまでに要する凝固時間を短時間に抑えることができる。そのため、ＳＵＳ３１２Ｌのような、Ｍｏの固溶量が小さいＦｅ基合金であっても、溶融池が凝固する際にモリブデンが偏析するのを抑制することができる。
【０００９】
また、本願の請求項２に係る積層構造は、炭素鋼の表面側に積層された複数層のクラッド層を備え、該クラッド層は、ＳＵＳ３１２Ｌからなり前記表面側に供給された金属粉末を、該表面側を照射するレーザーにより溶融することで形成され、内側から２層目以降の前記クラッド層を形成する際のレーザーによる溶融が、直前に形成された前記クラッド層までに留められていることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、炭素鋼の表面側に積層された複数層のクラッド層を備えているので、積層構造のうち、最も外側に位置する最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができる。
すなわち、複数層のクラッド層のうち、最も内側に位置し、炭素鋼上に形成された最内クラッド層には、炭素鋼が希釈し、最内クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率は、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率よりも低くなる。
しかしながら、最内クラッド層に外側から積層される積層クラッド層は、炭素鋼との間に前記最内クラッド層が配設されていることから、積層クラッド層を形成する際のレーザーによる溶融を、最内クラッド層までに留めておくことで、炭素鋼による希釈の影響を抑えることができる。したがって、積層クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、最内クラッド層における前記各含有比率に比べて高め、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができる。
このように、内側から２層目以降のクラッド層を形成する際のレーザーによる溶融を、直前に形成されたクラッド層までに留めておくことで、積層構造の内側から外側に向けて漸次、炭素鋼による希釈の影響を弱め、ＳＵＳ３１２Ｌにおける各含有比率に近づけることができる。これにより、前記最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができる。
【００１１】
また、ＴＩＧ溶接などに比べて入熱量が小さいレーザーにより金属粉末を溶融しているので、各クラッド層を形成する際に、溶融池が凝固してクラッド層となるまでに要する凝固時間を短時間に抑えることができる。そのため、ＳＵＳ３１２Ｌのような、Ｍｏの固溶量が小さいＦｅ基合金であっても、溶融池が凝固する際にモリブデンが偏析するのを抑制することができる。
【００１２】
また、本願の請求項３に係る積層構造は、前記クラッド層として、前記炭素鋼上に形成された内クラッド層と、該内クラッド層に外側から積層された外クラッド層と、を備える２層構造とされ、前記外クラッド層は、前記内クラッド層よりも厚くなっていることを特徴とする。
【００１３】
この場合、耐食性を発揮する外クラッド層が、内クラッド層よりも厚いので、外クラッド層に耐食性を確実に具備させ、炭素鋼への耐食性処理をより確実なものとすることができる。
また、内クラッド層が、外クラッド層よりも薄いので、前述のように炭素鋼への耐食性処理をより確実なものとしつつ、積層構造の全体が厚くなるのを抑制することができる。
【００１４】
また、本願の請求項４に係る耐食性金属クラッド鋼は、炭素鋼と、前記積層構造と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本願の請求項１に係るレーザー肉盛方法によれば、前記最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができるので、最外クラッド層に高い耐食性を具備させることが可能になり、金属粉末中のクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を調整せずに、炭素鋼に耐食性処理することができる。
また、溶融池が凝固する際にモリブデンが偏析するのを抑制することができるので、炭素鋼への耐食性処理を確実なものとすることができる。
さらにこのように、ＳＵＳ３１２Ｌであってもモリブデンが偏析するのを抑制することができるので、Ｎｉ基系のコストが高い溶接材料（例えば、インコネル６２５等）を用いなくても良く、低コスト化を図ることもできる。
【００１６】
また、本願の請求項２に係る積層構造によれば、前記最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができるので、金属粉末中のクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を調整せずに、炭素鋼に耐食性処理することができる。
また、溶融池が凝固する際にモリブデンが偏析するのを抑制することができるので、炭素鋼への耐食性処理を確実なものとすることができる。
さらにこのように、ＳＵＳ３１２Ｌであってもモリブデンが偏析するのを抑制することができるので、Ｎｉ基系のコストが高い溶接材料（例えば、インコネル６２５等）を用いなくても良く、低コスト化を図ることもできる。
【００１７】
また、本願の請求項３に係る積層構造によれば、耐食性を発揮する外クラッド層が、内クラッド層よりも厚いので、炭素鋼への耐食性処理をより確実なものとしつつ、積層構造の全体が厚くなるのを抑制することができる。
さらに、本願の請求項４に係る耐食性金属クラッド鋼によれば、前記積層構造を備えているので、耐食性を確実に具備することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る耐食性金属クラッド鋼の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るレーザー肉盛方法に用いられる肉盛り装置の要部の側面図である。
【図３】図２に示す肉盛り装置で用いられるレーザーの炭素鋼上における形状を示す上面図である。
【図４】内クラッド層が形成される前の段階における炭素鋼の断面図である。
【図５】表面に単層のクラッド層が形成された炭素鋼の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態に係る耐食性金属クラッド鋼を説明する。
図１に示されるように、耐食性金属クラッド鋼１は、炭素鋼２と、炭素鋼２の表面２ａ側に積層された複数層のクラッド層３Ａ、３Ｂからなる積層構造４と、を備えている。この耐食性金属クラッド鋼１は、例えば海洋構造物などに採用される。
【００２０】
クラッド層３Ａ、３Ｂは、ＳＵＳ３１２Ｌからなり炭素鋼２の表面２ａ側に供給された金属粉末を、該表面２ａ側を照射するレーザーＬ（図２参照）により溶融することで形成される。本実施形態では、積層構造４は、クラッド層３Ａ、３Ｂとして、炭素鋼２上に形成された内クラッド層３Ａ（最内クラッド層）と、内クラッド層３Ａに積層された外クラッド層３Ｂ（最外クラッド層、積層クラッド層）と、を備える２層構造となっている。つまり内クラッド層３Ａは、複数のクラッド層３Ａ、３Ｂのうち、最も内側に位置しており、外クラッド層３Ｂは、複数のクラッド層３Ａ、３Ｂのうち、最も外側に位置している。
【００２１】
また内クラッド層３Ａは、後述するレーザー肉盛方法で形成されることにより、炭素鋼２と外クラッド層３Ｂとの間に全域にわたって配設されている。
さらに外クラッド層３Ｂは、内クラッド層３Ａよりも厚くなっており、積層構造４の厚みＴは、複数のクラッド層３Ａ、３Ｂを合わせた全体で、例えば約０．１〜０．５ｍｍ、好ましくは約０．２ｍｍ〜０．３ｍｍとなっている。
【００２２】
次に、以上のように構成された耐食性金属クラッド鋼１を製造する際のレーザー肉盛方法について説明する。
はじめに、この方法に用いられる肉盛り装置について説明する。
【００２３】
図２に示すように、肉盛り装置１０は、レーザーＬを照射するヘッド１１と、金属粉末を供給するパウダノズル１２と、を備えている。
ヘッド１１は、炭素鋼２と鉛直方向に対向して配置され、炭素鋼２の表面２ａ側にレーザーＬを照射しながら、水平方向のうちの一方向Ｘに移動する。
【００２４】
図３に示すように、ヘッド１１から炭素鋼２上に照射されたレーザーＬは、炭素鋼２を鉛直方向に沿って上方から見た上面視で、前記一方向Ｘに直交する方向に長い長方形状をなしている。なお図示の例では、レーザーＬの上面視形状における前記一方向Ｘに沿った大きさＬ１は、例えば約１．０〜２．５ｍｍとされ、レーザーＬの上面視形状における前記一方向Ｘに直交する方向に沿った大きさＬ２は、例えば約１２ｍｍとなっている。
【００２５】
図２に示すように、パウダノズル１２は、光軸Ｏに対して前記一方向Ｘ側に位置するとともに、光軸Ｏに対して前記一方向Ｘに傾斜して配置されている。また、パウダノズル１２における金属粉末の吐出口１２ａは、炭素鋼２の表面２ａから鉛直方向に、例えば約３ｍｍ程度離間して配置されている。これにより、パウダノズル１２から吐出される金属粉末は、光軸Ｏ上を通過した後、炭素鋼２上において前記一方向Ｘとは反対を向く他方向側に位置する部分に供給される。
またパウダノズル１２は、ヘッド１１の前記一方向Ｘへの移動に伴って前記一方向Ｘに移動する。
【００２６】
次に、前記肉盛り装置１０を用いたレーザー肉盛方法について説明する。
この方法では、炭素鋼２の表面２ａ側に供給された金属粉末をレーザーＬにより溶融し、該表面２ａ側にクラッド層３Ａ、３Ｂを形成する層形成工程を行う。
そして本実施形態では、層形成工程を複数回繰り返してクラッド層３Ａ、３Ｂを表面２ａ側に積層することで積層構造４を形成する。
【００２７】
以上の過程において、まず、炭素鋼２上に内クラッド層３Ａを形成する内クラッド層形成工程を行う。このとき、レーザーＬを炭素鋼２の表面２ａ側に照射しながらパウダノズル１２から金属粉末を供給するとともに、ヘッド１１およびパウダノズル１２を前記一方向Ｘに移動させる。そして、レーザーＬにより炭素鋼２および金属粉末をそれぞれ溶融し、これらが混合されてなる図示しない溶融池を形成する。その後、該溶融池が凝固することで、図１に示すような内クラッド層３Ａが形成される。
【００２８】
このように、前記溶融池は、炭素鋼２および金属粉末が混合されてなり、内クラッド層３Ａには、炭素鋼２が希釈することから、内クラッド層３Ａにおけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率は、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率よりも低くなる。
【００２９】
なお図４に示すように、炭素鋼２に内クラッド層３Ａが形成される前の段階では、炭素鋼２の表面２ａは、例えば約４０μｍ程度の凹凸を有する粗面状になっている。そして、内クラッド層形成工程の際、前述のように炭素鋼２を溶融することで、この表面２ａが平坦面状となる。なお図１に破線で示す仮想面２ｂは、炭素鋼２に内クラッド層３Ａが形成される前の段階における粗面状の表面２ａの凹凸の平均位置を表している。
【００３０】
その後、内クラッド層３Ａ上に外クラッド層３Ｂを形成する外クラッド層形成工程を行う。このとき、レーザーＬを炭素鋼２の表面２ａ側に照射しながらパウダノズル１２から金属粉末を供給するとともに、ヘッド１１およびパウダノズル１２を前記一方向Ｘに移動させる。そして、レーザーＬにより内クラッド層３Ａおよび金属粉末をそれぞれ溶融し、これらが混合されてなる図示しない溶融池を形成する。このとき、レーザーＬによる溶融を、内クラッド層３Ａまでに留めておく。その後、前記溶融池が凝固することで、図１に示すような外クラッド層３Ｂが形成される。
【００３１】
このように外クラッド層３Ｂは、炭素鋼２との間に内クラッド層３Ａが配設されていることから、外クラッド層３Ｂを形成する際のレーザーＬによる溶融を、内クラッド層３Ａまでに留めておくことで、炭素鋼２による希釈の影響を抑えることができる。したがって、外クラッド層３Ｂにおけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、内クラッド層３Ａにおける前記各含有比率に比べて高め、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができる。
またこのように、外クラッド層３Ｂを形成する際のレーザーＬによる溶融を、内クラッド層３Ａまでに留めておくことで、内クラッド層３Ａが、炭素鋼２と外クラッド層３Ｂとの間に全域にわたって形成されることとなる。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態に係るレーザー肉盛方法および積層構造４によれば、層形成工程を複数回繰り返してクラッド層３Ａ、３Ｂを炭素鋼２の表面２ａ側に積層することで、複数層のクラッド層３Ａ、３Ｂからなる積層構造４を形成するので、２回目以降の層形成工程の際、レーザーＬによる溶融を、直前の層形成工程の際に形成されたクラッド層３Ａ、３Ｂまでに留めておくことで、積層構造４の内側から外側に向けて漸次、炭素鋼２による希釈の影響を弱めることができる。これにより、外クラッド層３Ｂにおけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけて、外クラッド層３Ｂに高い耐食性を具備させることが可能になり、金属粉末中のクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を調整せずに、炭素鋼２に耐食性処理することができる。
【００３３】
また、ＴＩＧ溶接などに比べて入熱量が小さいレーザーＬにより金属粉末を溶融しているので、層形成工程の際に、溶融池が凝固してクラッド層３Ａ、３Ｂとなるまでに要する凝固時間を短時間に抑えることができる。そのため、ＳＵＳ３１２Ｌのような、Ｍｏの固溶量が小さいＦｅ基合金であっても、溶融池が凝固する際にモリブデンが偏析するのを抑制することが可能になり、炭素鋼２への耐食性処理を確実なものとすることができる。
【００３４】
さらにこのように、ＳＵＳ３１２Ｌであってもモリブデンが偏析するのを抑制することができるので、Ｎｉ基系のコストが高い溶接材料（例えば、インコネル６２５等）を用いなくても良く、低コスト化を図ることもできる。
なお、レーザーＬによる入熱量は、例えば約１０００〜３０００Ｊ／ｃｍとされ、Ｔｉｇ溶接時の入熱量は、例えば約９０００Ｊ／ｃｍとなっている。
【００３５】
また、耐食性を発揮する外クラッド層３Ｂが、内クラッド層３Ａよりも厚いので、外クラッド層３Ｂに耐食性を確実に具備させ、炭素鋼２への耐食性処理をより確実なものとすることができる。
また、内クラッド層３Ａが、外クラッド層３Ｂよりも薄いので、前述のように炭素鋼２への耐食性処理をより確実なものとしつつ、積層構造４の全体が厚くなるのを抑制することができる。
【００３６】
そして、本実施形態に係る耐食性金属クラッド鋼１によれば、前記積層構造４を備えているので、耐食性を確実に具備することができる。
【００３７】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記実施形態では、外クラッド層３Ｂが、内クラッド層３Ａよりも厚くなっているものとしたが、これに限られない。
また、前記実施形態では、積層構造４は２層構造であるものとしたが、これに限られるものではなく、３層以上の積層構造であっても良い。
【００３８】
その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。
【実施例】
【００３９】
（検証試験）
次に、前記実施形態で示したレーザー肉盛方法の作用効果についての検証試験を行った。
本検証試験では、比較例１〜５および実施例１〜３の計８種類のレーザー肉盛方法を実施した。
【００４０】
比較例１〜４では、図５に示すように、層形成工程を繰り返さずに、単層のクラッド層を形成した。
比較例５および実施例１〜３では、層形成工程を２回繰り返し、内クラッド層形成工程と、外クラッド層形成工程と、を行った。これらのうち、比較例５では、外クラッド層形成工程の際に、炭素鋼の表面側を炭素鋼に至るまでレーザーにより溶融した。一方、比較例１〜３では、レーザーによる溶融を内クラッド層までに留めた。
ここで、各レーザー肉盛方法の条件を表１に示す。なお表１におけるパウダーとは、前記金属粉末を意味する。
【００４１】
【表１】
【００４２】
次に、比較例１〜５および実施例１〜３それぞれのレーザー肉盛方法により形成されたクラッド層のうち、最も外側に位置する最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を測定した。
【００４３】
ここで最外クラッド層は、比較例１〜４のように、クラッド層が単層である場合にはそのクラッド層であり、比較例５および実施例１〜３のように、クラッド層が２層に積層されている場合には、外クラッド層である。
そして、各最外クラッド層をＥＰＭＡ分析することにより、各最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を測定した。
結果を表２および表３に示す。
【００４４】
【表２】
【００４５】
【表３】
【００４６】
表２は、比較例１以下の各肉盛方法で形成された最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を表している。なお、表２における金属粉末の行は、ＳＵＳ３１２Ｌからなる金属粉末中におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を表している。
【００４７】
また表３は、比較例１以下の各肉盛方法で形成された最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、前記金属粉末中におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率で割った各成分の残存率（％）を表している。各成分の残存率が１００に近いほど、最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率が、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づいていることとなる。
なお、表３に示した平均残存率は、各成分の残存率を加重平均することで算出されたものである。
【００４８】
表３に示すように、実施例１〜３では、最外クラッド層における前記平均残存率、並びにクロム、ニッケルおよびモリブデンの各残存率が９０％を超えており、最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率が、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づいていることが確認された。一方、比較例１〜５では、実施例１〜３よりも前記各残存率が低いことが確認された。
【００４９】
以上より、内クラッド層形成工程および外クラッド層形成工程を行うとともに、外クラッド層形成工程の際のレーザーによる溶融を、内クラッド層までに留めておくことで、単層のクラッド層を形成する場合、および外クラッド層形成工程の際にレーザーにより炭素鋼に至るまで炭素鋼の表面側をレーザーにより溶融する場合に比べて、最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができることが確認された。
【００５０】
（シミュレーション）
ここで前記検証試験における実施例１〜３では、層形成工程を２回繰り返し、クラッド層を２層、積層させた結果、２層目のクラッド層である最外クラッド層の前記平均残存率が９０％を超えることが確認されたが、層形成工程を３回繰り返し、クラッド層を３層、積層させ、３層目を最外クラッド層とすることで、該最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に一層近づけることができると考えられる。
【００５１】
そこで、層形成工程を３回繰り返した場合における最外クラッド層の前記平均含有率の見込値を算出するシミュレーションを実施した。
本シミュレーションでは、参考例１、２の計２種類のレーザー肉盛方法における最外クラッド層の前記平均残存率を算出した。
【００５２】
参考例１、２の各レーザー肉盛方法では、層形成工程の際、当該層形成工程で形成するクラッド層（以下、形成クラッド層という）中において、該形成クラッド層の下地となる炭素鋼またはクラッド層の成分である下地成分が含まれる含有比率（重量％）を一定にした上で、各クラッド層における前記平均残存率の見込値を算出した。
条件および結果を表４に示す。
【００５３】
【表４】
【００５４】
この結果、参考例１、２における２層目のクラッド層の前記平均残存率が９１〜９４％となっている。ここで、前記検証試験における実施例１〜３における最外クラッド層（２層目のクラッド層）の前記平均残存率も９１〜９４％であることから、実施例１〜３のレーザー肉盛方法の条件では、形成クラッド層における下地成分の含有比率が、２５〜３０重量％となっていたと考えられる。
【００５５】
また、このように実施例１〜３と同等の条件と考えられる参考例１、２では、３層目のクラッド層である最外クラッド層の前記平均残存率がいずれも９７％を超えており、最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率が、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に一層近づいて、炭素鋼２に確実に耐食性を具備させることができると考えられる。
【符号の説明】
【００５６】
１ 耐食性金属クラッド鋼
２ 炭素鋼
２ａ 表面
３Ａ 内クラッド層
３Ｂ 外クラッド層
４ 積層構造
Ｌ レーザー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー肉盛方法、積層構造および耐食性金属クラッド鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、炭素鋼の耐食性を向上させる方法として、例えば下記特許文献１に示されるようなレーザー肉盛方法が知られている。この方法は、金属成分中の低融点金属と高融点金属とを合金粉末化する工程と、合金粉末を含むクロム系複合材からなる金属粉末およびバインダを混合した被焼成被膜を炭素鋼の表面に形成する工程と、該被焼成被膜をレーザー照射によって焼成しクラッド層を形成する工程と、を有する。
前記金属粉末は、Ｆｅ基合金が粉末化されてなり、主成分として鉄を含有するとともに、その他クロム、ニッケルおよびモリブデンを含有している。そして、前記クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率が、鉄の含有比率に対して一定の値以上となっている。これにより、クラッド層に耐食性が具備されることとなり、炭素鋼に耐食性処理をすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３０６４７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、モリブデンの融点は鉄の融点よりも高いことから、前記従来のレーザー肉盛方法で、被焼成被膜をレーザー照射によって焼成しクラッド層を形成するためには、被焼成被膜および炭素鋼をレーザー照射により鉄の融点以上に加熱する必要がある。すると、炭素鋼が溶融して被焼成被膜と混合することで被焼成被膜が炭素鋼により希釈され、クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率が、金属粉末における前記各含有比率に比べて低下することとなる。
そのため、前記従来のレーザー肉盛方法では、クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率が一定の値以上となるように、金属粉末中のクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、予め高めに調整しておく必要があり、高い耐食性を具備するＳＵＳ３１２Ｌを、成分を未調整の状態では金属粉末の原料として用いることができなかった。
【０００５】
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、金属粉末中のクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を調整せずに、炭素鋼に耐食性処理することができるレーザー肉盛方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本願の請求項１に係るレーザー肉盛方法は、ＳＵＳ３１２Ｌからなり炭素鋼の表面側に供給された金属粉末を、該表面側を照射するレーザーにより溶融し、該表面側にクラッド層を形成する層形成工程を備え、該層形成工程を複数回繰り返して前記クラッド層を前記表面側に積層することで、複数層の前記クラッド層からなる積層構造を形成し、２回目以降の前記層形成工程の際、レーザーによる溶融を、直前の前記層形成工程の際に形成された前記クラッド層までに留めておくことを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、層形成工程を複数回繰り返してクラッド層を炭素鋼の表面側に積層することで、複数層のクラッド層からなる積層構造を形成するので、積層構造のうち、最も外側に位置する最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができる。
すなわち、複数層のクラッド層のうち、最も内側に位置し、炭素鋼上に形成された最内クラッド層には、炭素鋼が希釈し、最内クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率は、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率よりも低くなる。
しかしながら、最内クラッド層に外側から積層される積層クラッド層は、炭素鋼との間に前記最内クラッド層が配設されていることから、積層クラッド層を形成する際のレーザーによる溶融を、最内クラッド層までに留めておくことで、炭素鋼による希釈の影響を抑えることができる。したがって、積層クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、最内クラッド層における前記各含有比率に比べて高め、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができる。
このように、２回目以降の層形成工程の際、レーザーによる溶融を、直前の層形成工程の際に形成されたクラッド層までに留めておくことで、積層構造の内側から外側に向けて漸次、炭素鋼による希釈の影響を弱め、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができる。これにより、前記最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができる。
【０００８】
また、ＴＩＧ溶接などに比べて入熱量が小さいレーザーにより金属粉末を溶融しているので、層形成工程の際に、溶融池が凝固してクラッド層となるまでに要する凝固時間を短時間に抑えることができる。そのため、ＳＵＳ３１２Ｌのような、Ｍｏの固溶量が小さいＦｅ基合金であっても、溶融池が凝固する際にモリブデンが偏析するのを抑制することができる。
【０００９】
また、本願の請求項２に係る積層構造は、炭素鋼の表面側に積層された複数層のクラッド層を備え、該クラッド層は、ＳＵＳ３１２Ｌからなり前記表面側に供給された金属粉末を、該表面側を照射するレーザーにより溶融することで形成され、内側から２層目以降の前記クラッド層を形成する際のレーザーによる溶融が、直前に形成された前記クラッド層までに留められていることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、炭素鋼の表面側に積層された複数層のクラッド層を備えているので、積層構造のうち、最も外側に位置する最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができる。
すなわち、複数層のクラッド層のうち、最も内側に位置し、炭素鋼上に形成された最内クラッド層には、炭素鋼が希釈し、最内クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率は、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率よりも低くなる。
しかしながら、最内クラッド層に外側から積層される積層クラッド層は、炭素鋼との間に前記最内クラッド層が配設されていることから、積層クラッド層を形成する際のレーザーによる溶融を、最内クラッド層までに留めておくことで、炭素鋼による希釈の影響を抑えることができる。したがって、積層クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、最内クラッド層における前記各含有比率に比べて高め、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができる。
このように、内側から２層目以降のクラッド層を形成する際のレーザーによる溶融を、直前に形成されたクラッド層までに留めておくことで、積層構造の内側から外側に向けて漸次、炭素鋼による希釈の影響を弱め、ＳＵＳ３１２Ｌにおける各含有比率に近づけることができる。これにより、前記最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができる。
【００１１】
また、ＴＩＧ溶接などに比べて入熱量が小さいレーザーにより金属粉末を溶融しているので、各クラッド層を形成する際に、溶融池が凝固してクラッド層となるまでに要する凝固時間を短時間に抑えることができる。そのため、ＳＵＳ３１２Ｌのような、Ｍｏの固溶量が小さいＦｅ基合金であっても、溶融池が凝固する際にモリブデンが偏析するのを抑制することができる。
【００１２】
また、本願の請求項３に係る積層構造は、前記クラッド層として、前記炭素鋼上に形成された内クラッド層と、該内クラッド層に外側から積層された外クラッド層と、を備える２層構造とされ、前記外クラッド層は、前記内クラッド層よりも厚くなっていることを特徴とする。
【００１３】
この場合、耐食性を発揮する外クラッド層が、内クラッド層よりも厚いので、外クラッド層に耐食性を確実に具備させ、炭素鋼への耐食性処理をより確実なものとすることができる。
また、内クラッド層が、外クラッド層よりも薄いので、前述のように炭素鋼への耐食性処理をより確実なものとしつつ、積層構造の全体が厚くなるのを抑制することができる。
【００１４】
また、本願の請求項４に係る耐食性金属クラッド鋼は、炭素鋼と、前記積層構造と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本願の請求項１に係るレーザー肉盛方法によれば、前記最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができるので、最外クラッド層に高い耐食性を具備させることが可能になり、金属粉末中のクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を調整せずに、炭素鋼に耐食性処理することができる。
また、溶融池が凝固する際にモリブデンが偏析するのを抑制することができるので、炭素鋼への耐食性処理を確実なものとすることができる。
さらにこのように、ＳＵＳ３１２Ｌであってもモリブデンが偏析するのを抑制することができるので、Ｎｉ基系のコストが高い溶接材料（例えば、インコネル６２５等）を用いなくても良く、低コスト化を図ることもできる。
【００１６】
また、本願の請求項２に係る積層構造によれば、前記最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができるので、金属粉末中のクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を調整せずに、炭素鋼に耐食性処理することができる。
また、溶融池が凝固する際にモリブデンが偏析するのを抑制することができるので、炭素鋼への耐食性処理を確実なものとすることができる。
さらにこのように、ＳＵＳ３１２Ｌであってもモリブデンが偏析するのを抑制することができるので、Ｎｉ基系のコストが高い溶接材料（例えば、インコネル６２５等）を用いなくても良く、低コスト化を図ることもできる。
【００１７】
また、本願の請求項３に係る積層構造によれば、耐食性を発揮する外クラッド層が、内クラッド層よりも厚いので、炭素鋼への耐食性処理をより確実なものとしつつ、積層構造の全体が厚くなるのを抑制することができる。
さらに、本願の請求項４に係る耐食性金属クラッド鋼によれば、前記積層構造を備えているので、耐食性を確実に具備することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る耐食性金属クラッド鋼の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るレーザー肉盛方法に用いられる肉盛り装置の要部の側面図である。
【図３】図２に示す肉盛り装置で用いられるレーザーの炭素鋼上における形状を示す上面図である。
【図４】内クラッド層が形成される前の段階における炭素鋼の断面図である。
【図５】表面に単層のクラッド層が形成された炭素鋼の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態に係る耐食性金属クラッド鋼を説明する。
図１に示されるように、耐食性金属クラッド鋼１は、炭素鋼２と、炭素鋼２の表面２ａ側に積層された複数層のクラッド層３Ａ、３Ｂからなる積層構造４と、を備えている。この耐食性金属クラッド鋼１は、例えば海洋構造物などに採用される。
【００２０】
クラッド層３Ａ、３Ｂは、ＳＵＳ３１２Ｌからなり炭素鋼２の表面２ａ側に供給された金属粉末を、該表面２ａ側を照射するレーザーＬ（図２参照）により溶融することで形成される。本実施形態では、積層構造４は、クラッド層３Ａ、３Ｂとして、炭素鋼２上に形成された内クラッド層３Ａ（最内クラッド層）と、内クラッド層３Ａに積層された外クラッド層３Ｂ（最外クラッド層、積層クラッド層）と、を備える２層構造となっている。つまり内クラッド層３Ａは、複数のクラッド層３Ａ、３Ｂのうち、最も内側に位置しており、外クラッド層３Ｂは、複数のクラッド層３Ａ、３Ｂのうち、最も外側に位置している。
【００２１】
また内クラッド層３Ａは、後述するレーザー肉盛方法で形成されることにより、炭素鋼２と外クラッド層３Ｂとの間に全域にわたって配設されている。
さらに外クラッド層３Ｂは、内クラッド層３Ａよりも厚くなっており、積層構造４の厚みＴは、複数のクラッド層３Ａ、３Ｂを合わせた全体で、例えば約０．１〜０．５ｍｍ、好ましくは約０．２ｍｍ〜０．３ｍｍとなっている。
【００２２】
次に、以上のように構成された耐食性金属クラッド鋼１を製造する際のレーザー肉盛方法について説明する。
はじめに、この方法に用いられる肉盛り装置について説明する。
【００２３】
図２に示すように、肉盛り装置１０は、レーザーＬを照射するヘッド１１と、金属粉末を供給するパウダノズル１２と、を備えている。
ヘッド１１は、炭素鋼２と鉛直方向に対向して配置され、炭素鋼２の表面２ａ側にレーザーＬを照射しながら、水平方向のうちの一方向Ｘに移動する。
【００２４】
図３に示すように、ヘッド１１から炭素鋼２上に照射されたレーザーＬは、炭素鋼２を鉛直方向に沿って上方から見た上面視で、前記一方向Ｘに直交する方向に長い長方形状をなしている。なお図示の例では、レーザーＬの上面視形状における前記一方向Ｘに沿った大きさＬ１は、例えば約１．０〜２．５ｍｍとされ、レーザーＬの上面視形状における前記一方向Ｘに直交する方向に沿った大きさＬ２は、例えば約１２ｍｍとなっている。
【００２５】
図２に示すように、パウダノズル１２は、光軸Ｏに対して前記一方向Ｘ側に位置するとともに、光軸Ｏに対して前記一方向Ｘに傾斜して配置されている。また、パウダノズル１２における金属粉末の吐出口１２ａは、炭素鋼２の表面２ａから鉛直方向に、例えば約３ｍｍ程度離間して配置されている。これにより、パウダノズル１２から吐出される金属粉末は、光軸Ｏ上を通過した後、炭素鋼２上において前記一方向Ｘとは反対を向く他方向側に位置する部分に供給される。
またパウダノズル１２は、ヘッド１１の前記一方向Ｘへの移動に伴って前記一方向Ｘに移動する。
【００２６】
次に、前記肉盛り装置１０を用いたレーザー肉盛方法について説明する。
この方法では、炭素鋼２の表面２ａ側に供給された金属粉末をレーザーＬにより溶融し、該表面２ａ側にクラッド層３Ａ、３Ｂを形成する層形成工程を行う。
そして本実施形態では、層形成工程を複数回繰り返してクラッド層３Ａ、３Ｂを表面２ａ側に積層することで積層構造４を形成する。
【００２７】
以上の過程において、まず、炭素鋼２上に内クラッド層３Ａを形成する内クラッド層形成工程を行う。このとき、レーザーＬを炭素鋼２の表面２ａ側に照射しながらパウダノズル１２から金属粉末を供給するとともに、ヘッド１１およびパウダノズル１２を前記一方向Ｘに移動させる。そして、レーザーＬにより炭素鋼２および金属粉末をそれぞれ溶融し、これらが混合されてなる図示しない溶融池を形成する。その後、該溶融池が凝固することで、図１に示すような内クラッド層３Ａが形成される。
【００２８】
このように、前記溶融池は、炭素鋼２および金属粉末が混合されてなり、内クラッド層３Ａには、炭素鋼２が希釈することから、内クラッド層３Ａにおけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率は、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率よりも低くなる。
【００２９】
なお図４に示すように、炭素鋼２に内クラッド層３Ａが形成される前の段階では、炭素鋼２の表面２ａは、例えば約４０μｍ程度の凹凸を有する粗面状になっている。そして、内クラッド層形成工程の際、前述のように炭素鋼２を溶融することで、この表面２ａが平坦面状となる。なお図１に破線で示す仮想面２ｂは、炭素鋼２に内クラッド層３Ａが形成される前の段階における粗面状の表面２ａの凹凸の平均位置を表している。
【００３０】
その後、内クラッド層３Ａ上に外クラッド層３Ｂを形成する外クラッド層形成工程を行う。このとき、レーザーＬを炭素鋼２の表面２ａ側に照射しながらパウダノズル１２から金属粉末を供給するとともに、ヘッド１１およびパウダノズル１２を前記一方向Ｘに移動させる。そして、レーザーＬにより内クラッド層３Ａおよび金属粉末をそれぞれ溶融し、これらが混合されてなる図示しない溶融池を形成する。このとき、レーザーＬによる溶融を、内クラッド層３Ａまでに留めておく。その後、前記溶融池が凝固することで、図１に示すような外クラッド層３Ｂが形成される。
【００３１】
このように外クラッド層３Ｂは、炭素鋼２との間に内クラッド層３Ａが配設されていることから、外クラッド層３Ｂを形成する際のレーザーＬによる溶融を、内クラッド層３Ａまでに留めておくことで、炭素鋼２による希釈の影響を抑えることができる。したがって、外クラッド層３Ｂにおけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、内クラッド層３Ａにおける前記各含有比率に比べて高め、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができる。
またこのように、外クラッド層３Ｂを形成する際のレーザーＬによる溶融を、内クラッド層３Ａまでに留めておくことで、内クラッド層３Ａが、炭素鋼２と外クラッド層３Ｂとの間に全域にわたって形成されることとなる。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態に係るレーザー肉盛方法および積層構造４によれば、層形成工程を複数回繰り返してクラッド層３Ａ、３Ｂを炭素鋼２の表面２ａ側に積層することで、複数層のクラッド層３Ａ、３Ｂからなる積層構造４を形成するので、２回目以降の層形成工程の際、レーザーＬによる溶融を、直前の層形成工程の際に形成されたクラッド層３Ａ、３Ｂまでに留めておくことで、積層構造４の内側から外側に向けて漸次、炭素鋼２による希釈の影響を弱めることができる。これにより、外クラッド層３Ｂにおけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけて、外クラッド層３Ｂに高い耐食性を具備させることが可能になり、金属粉末中のクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を調整せずに、炭素鋼２に耐食性処理することができる。
【００３３】
また、ＴＩＧ溶接などに比べて入熱量が小さいレーザーＬにより金属粉末を溶融しているので、層形成工程の際に、溶融池が凝固してクラッド層３Ａ、３Ｂとなるまでに要する凝固時間を短時間に抑えることができる。そのため、ＳＵＳ３１２Ｌのような、Ｍｏの固溶量が小さいＦｅ基合金であっても、溶融池が凝固する際にモリブデンが偏析するのを抑制することが可能になり、炭素鋼２への耐食性処理を確実なものとすることができる。
【００３４】
さらにこのように、ＳＵＳ３１２Ｌであってもモリブデンが偏析するのを抑制することができるので、Ｎｉ基系のコストが高い溶接材料（例えば、インコネル６２５等）を用いなくても良く、低コスト化を図ることもできる。
なお、レーザーＬによる入熱量は、例えば約１０００〜３０００Ｊ／ｃｍとされ、Ｔｉｇ溶接時の入熱量は、例えば約９０００Ｊ／ｃｍとなっている。
【００３５】
また、耐食性を発揮する外クラッド層３Ｂが、内クラッド層３Ａよりも厚いので、外クラッド層３Ｂに耐食性を確実に具備させ、炭素鋼２への耐食性処理をより確実なものとすることができる。
また、内クラッド層３Ａが、外クラッド層３Ｂよりも薄いので、前述のように炭素鋼２への耐食性処理をより確実なものとしつつ、積層構造４の全体が厚くなるのを抑制することができる。
【００３６】
そして、本実施形態に係る耐食性金属クラッド鋼１によれば、前記積層構造４を備えているので、耐食性を確実に具備することができる。
【００３７】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記実施形態では、外クラッド層３Ｂが、内クラッド層３Ａよりも厚くなっているものとしたが、これに限られない。
また、前記実施形態では、積層構造４は２層構造であるものとしたが、これに限られるものではなく、３層以上の積層構造であっても良い。
【００３８】
その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。
【実施例】
【００３９】
（検証試験）
次に、前記実施形態で示したレーザー肉盛方法の作用効果についての検証試験を行った。
本検証試験では、比較例１〜５および実施例１〜３の計８種類のレーザー肉盛方法を実施した。
【００４０】
比較例１〜４では、図５に示すように、層形成工程を繰り返さずに、単層のクラッド層を形成した。
比較例５および実施例１〜３では、層形成工程を２回繰り返し、内クラッド層形成工程と、外クラッド層形成工程と、を行った。これらのうち、比較例５では、外クラッド層形成工程の際に、炭素鋼の表面側を炭素鋼に至るまでレーザーにより溶融した。一方、比較例１〜３では、レーザーによる溶融を内クラッド層までに留めた。
ここで、各レーザー肉盛方法の条件を表１に示す。なお表１におけるパウダーとは、前記金属粉末を意味する。
【００４１】
【表１】
【００４２】
次に、比較例１〜５および実施例１〜３それぞれのレーザー肉盛方法により形成されたクラッド層のうち、最も外側に位置する最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を測定した。
【００４３】
ここで最外クラッド層は、比較例１〜４のように、クラッド層が単層である場合にはそのクラッド層であり、比較例５および実施例１〜３のように、クラッド層が２層に積層されている場合には、外クラッド層である。
そして、各最外クラッド層をＥＰＭＡ分析することにより、各最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を測定した。
結果を表２および表３に示す。
【００４４】
【表２】
【００４５】
【表３】
【００４６】
表２は、比較例１以下の各肉盛方法で形成された最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を表している。なお、表２における金属粉末の行は、ＳＵＳ３１２Ｌからなる金属粉末中におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を表している。
【００４７】
また表３は、比較例１以下の各肉盛方法で形成された最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、前記金属粉末中におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率で割った各成分の残存率（％）を表している。各成分の残存率が１００に近いほど、最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率が、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づいていることとなる。
なお、表３に示した平均残存率は、各成分の残存率を加重平均することで算出されたものである。
【００４８】
表３に示すように、実施例１〜３では、最外クラッド層における前記平均残存率、並びにクロム、ニッケルおよびモリブデンの各残存率が９０％を超えており、最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率が、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づいていることが確認された。一方、比較例１〜５では、実施例１〜３よりも前記各残存率が低いことが確認された。
【００４９】
以上より、内クラッド層形成工程および外クラッド層形成工程を行うとともに、外クラッド層形成工程の際のレーザーによる溶融を、内クラッド層までに留めておくことで、単層のクラッド層を形成する場合、および外クラッド層形成工程の際にレーザーにより炭素鋼に至るまで炭素鋼の表面側をレーザーにより溶融する場合に比べて、最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に近づけることができることが確認された。
【００５０】
（シミュレーション）
ここで前記検証試験における実施例１〜３では、層形成工程を２回繰り返し、クラッド層を２層、積層させた結果、２層目のクラッド層である最外クラッド層の前記平均残存率が９０％を超えることが確認されたが、層形成工程を３回繰り返し、クラッド層を３層、積層させ、３層目を最外クラッド層とすることで、該最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率を、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に一層近づけることができると考えられる。
【００５１】
そこで、層形成工程を３回繰り返した場合における最外クラッド層の前記平均含有率の見込値を算出するシミュレーションを実施した。
本シミュレーションでは、参考例１、２の計２種類のレーザー肉盛方法における最外クラッド層の前記平均残存率を算出した。
【００５２】
参考例１、２の各レーザー肉盛方法では、層形成工程の際、当該層形成工程で形成するクラッド層（以下、形成クラッド層という）中において、該形成クラッド層の下地となる炭素鋼またはクラッド層の成分である下地成分が含まれる含有比率（重量％）を一定にした上で、各クラッド層における前記平均残存率の見込値を算出した。
条件および結果を表４に示す。
【００５３】
【表４】
【００５４】
この結果、参考例１、２における２層目のクラッド層の前記平均残存率が９１〜９４％となっている。ここで、前記検証試験における実施例１〜３における最外クラッド層（２層目のクラッド層）の前記平均残存率も９１〜９４％であることから、実施例１〜３のレーザー肉盛方法の条件では、形成クラッド層における下地成分の含有比率が、２５〜３０重量％となっていたと考えられる。
【００５５】
また、このように実施例１〜３と同等の条件と考えられる参考例１、２では、３層目のクラッド層である最外クラッド層の前記平均残存率がいずれも９７％を超えており、最外クラッド層におけるクロム、ニッケルおよびモリブデンの各含有比率が、ＳＵＳ３１２Ｌにおける前記各含有比率に一層近づいて、炭素鋼２に確実に耐食性を具備させることができると考えられる。
【符号の説明】
【００５６】
１ 耐食性金属クラッド鋼
２ 炭素鋼
２ａ 表面
３Ａ 内クラッド層
３Ｂ 外クラッド層
４ 積層構造
Ｌ レーザー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＵＳ３１２Ｌからなり炭素鋼の表面側に供給された金属粉末を、該表面側を照射するレーザーにより溶融し、該表面側にクラッド層を形成する層形成工程を備え、
該層形成工程を複数回繰り返して前記クラッド層を前記表面側に積層することで、複数層の前記クラッド層からなる積層構造を形成し、
２回目以降の前記層形成工程の際、レーザーによる溶融を、直前の前記層形成工程の際に形成された前記クラッド層までに留めておくことを特徴とするレーザー肉盛方法。
【請求項２】
炭素鋼の表面側に積層された複数層のクラッド層を備え、
該クラッド層は、ＳＵＳ３１２Ｌからなり前記表面側に供給された金属粉末を、該表面側を照射するレーザーにより溶融することで形成され、
内側から２層目以降の前記クラッド層を形成する際のレーザーによる溶融が、直前に形成された前記クラッド層までに留められていることを特徴とする積層構造。
【請求項３】
請求項２記載の積層構造であって、
前記クラッド層として、前記炭素鋼上に形成された内クラッド層と、該内クラッド層に外側から積層された外クラッド層と、を備える２層構造とされ、
前記外クラッド層は、前記内クラッド層よりも厚くなっていることを特徴とする積層構造。
【請求項４】
炭素鋼と、請求項２または３に記載の積層構造と、を備えていることを特徴とする耐食性金属クラッド鋼。
【請求項１】
ＳＵＳ３１２Ｌからなり炭素鋼の表面側に供給された金属粉末を、該表面側を照射するレーザーにより溶融し、該表面側にクラッド層を形成する層形成工程を備え、
該層形成工程を複数回繰り返して前記クラッド層を前記表面側に積層することで、複数層の前記クラッド層からなる積層構造を形成し、
２回目以降の前記層形成工程の際、レーザーによる溶融を、直前の前記層形成工程の際に形成された前記クラッド層までに留めておくことを特徴とするレーザー肉盛方法。
【請求項２】
炭素鋼の表面側に積層された複数層のクラッド層を備え、
該クラッド層は、ＳＵＳ３１２Ｌからなり前記表面側に供給された金属粉末を、該表面側を照射するレーザーにより溶融することで形成され、
内側から２層目以降の前記クラッド層を形成する際のレーザーによる溶融が、直前に形成された前記クラッド層までに留められていることを特徴とする積層構造。
【請求項３】
請求項２記載の積層構造であって、
前記クラッド層として、前記炭素鋼上に形成された内クラッド層と、該内クラッド層に外側から積層された外クラッド層と、を備える２層構造とされ、
前記外クラッド層は、前記内クラッド層よりも厚くなっていることを特徴とする積層構造。
【請求項４】
炭素鋼と、請求項２または３に記載の積層構造と、を備えていることを特徴とする耐食性金属クラッド鋼。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１７６４２２（Ｐ２０１２−１７６４２２Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４０１８８（Ｐ２０１１−４０１８８）
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【Ｆターム（参考）】
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