高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層の形成方法、高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層
【課題】単体Ｍｏや単体Ｎｂを母材に効率よく溶接する方法と、それにより得られる高Ｍｏ又は高Ｎｂ肉盛層を提供する。
【解決手段】母材４の溶接ポイントを所定温度に予熱しておき、溶接ポイントの周囲を不活性ガス３ａの雰囲気とした状態で、溶接材５として単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの少なくとも何れか一方をプラズマアーク溶接することにより、母材４に単体Ｍｏや単体Ｎｂの溶接材５、又は母材４と溶接材５とによる金属間化合物、の少なくとも何れか一方を含有する肉盛層６を形成する。
【解決手段】母材４の溶接ポイントを所定温度に予熱しておき、溶接ポイントの周囲を不活性ガス３ａの雰囲気とした状態で、溶接材５として単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの少なくとも何れか一方をプラズマアーク溶接することにより、母材４に単体Ｍｏや単体Ｎｂの溶接材５、又は母材４と溶接材５とによる金属間化合物、の少なくとも何れか一方を含有する肉盛層６を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単体Ｍｏや単体Ｎｂを母材に肉盛溶接する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱間工具や熱間圧延ロール等の部材表面の高硬度化や潤滑性能の向上のため、Ｍｏ（モリブデン）やＮｂ（ニオブ）等の遷移元素が鋼等の母材の表面への肉盛溶接に用いられることがある。Ｍｏは、融点が高く高温での耐食性を有し、熱間、冷間ともに潤滑性能、摺動性能があり、工具の高付加価値化と長寿命化に資することから、合金の一組成物として利用されてきている。また、Ｎｂも、高温での耐酸化性や耐食性、潤滑性能が高いことから、鉄鋼添加剤や超硬工具等の用途に利用されている。
【０００３】
ところで、Ｍｏは単体では高温での耐酸化性が著しく低く、大気中でＭｏをプラズマ肉盛溶接するとその多くは酸化されて飛散してしまう上に、溶接部ではＭｏは酸化モリブデンとなって溶接されるという問題がある。また、溶接部には割れが生じるため、単体Ｍｏの溶接は困難であると考えられている。そのため、Ｍｏは単体としてではなく、ＭｏとＣ（炭素）とＮｉ（ニッケル）からなる肉盛合金にＭｎ（マンガン），Ｃｒ（クロム）を添加したものや、Ｍｏ，Ｃ，Ｎｉ，Ｃｒからなる肉盛合金に必要に応じてＭｎ，Ｃｏ，Ｓｉ（ケイ素），Ｎｂ等を添加したものとするなど、肉盛溶接に用いるＭｏを他の金属等との合金とすることで、母材の表面に耐摩耗性等を付与する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、Ｎｂは溶接相手となる母材の種類によっては、殆ど溶接できないか、あるいは溶接できたとしても肉盛層の形状が崩れたりクラックが発生するなどして、重大な溶接欠陥が生じやすい（例えば、特許文献２参照）。そのため、Ｎｂは単体としてではなく、例えばフェロニオブや炭化ニオブ等の合金や化合物として、あるいは前述の特許文献１に開示されるＭｏとＮｉやＣｒ等の合金の組成の一部として利用されている。
【特許文献１】特開平１１−３１０８５４公報
【特許文献２】特開２００１−３１４９７１公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＭｏやＮｂを単体で母材に溶接することは、融点が高く高温での耐食性を有し、潤滑性能も高いといったＭｏやＮｂの性質を鑑みれば、工具の必要な箇所を局所的に高機能を持たせ、工具自体の長寿命化をも図るという点で極めて有用であると考えられる。
【０００６】
以上のような問題に鑑みて、本発明は、従来は困難であるとされてきた単体Ｍｏ又は単体Ｎｂを母材に高効率で溶接する方法と、それにより得られる高Ｍｏ又は高Ｎｂ肉盛層を提供することを主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明に係る高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層の形成方法は、母材に対して単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの少なくとも何れか一方からなる溶接材を肉盛溶接する方法であって、母材の溶接ポイントを所定温度に予熱する工程と、溶接ポイントの周囲を不活性ガス雰囲気とした状態で、前記溶接材をプラズマアーク溶接することにより、母材に対して、前記溶接材、又は前記母材と前記溶接材とによる金属間化合物、の少なくとも何れか一方を含有する肉盛層を形成する工程とを含むことを特徴としている。
【０００８】
このような方法により母材に肉盛層を形成する場合、まず溶接ポイントを予熱することで、溶接後の肉盛層の割れを効果的に防止することができる。予熱温度は母材の材質やその他の条件により適宜に設定することができるが、例えば母材がＦｅ（鉄）の場合、予熱温度は２５０℃以上、より好ましくは４５０℃以上とすることが好適である。さらに、適温に予熱した母材に対して、溶接ポイントの周囲を不活性ガス雰囲気とすること、すなわち溶接ポイントの周囲を低酸素濃度（好ましくは酸素濃度１％以下）とした状態で単体Ｍｏ又は単体Ｎｂ又はそれらの両方、の何れかからなる溶接材を溶接することにより、肉盛層にＭｏやＮｂの酸化物が形成されることを効果的に防止できるため、溶接部の割れがより生じにくい肉盛層が得られることとなる。特に、ＭｏやＮｂの融点を超える温度を得ることができる適切な溶接方法としては、プラズマアーク溶接が本発明には適している。プラズマアーク溶接では、プラズマ溶接装置のノズルから供給されるシールドガスやキャリアガスとしてアルゴンを使うことが一般的だが、これらのガスの作用域はプラズマアークの極周辺に限られ、その直ぐ外側には大気が存在していることから、プラズマアークや溶接池には酸素が不可避的に巻き込まれてしまう。この弊害を防止するためには、プラズマを発生するノズル自体をシールしなければならない。なお、母材と溶接材とによる金属間化合物とは、溶接材である単体Ｍｏや単体Ｎｂが母材の金属で希釈されたものである。
【０００９】
さらに本発明において、溶接部の酸化防止をさらに向上させるためには、溶接ポイントの周囲を箱体により覆い、溶接ポイントの周囲を不活性ガス雰囲気に保持した状態で肉盛層を形成する工程を行うことが有効である。
【００１０】
また、肉盛層を形成する工程において、溶接ポイントの周囲を不活性ガス雰囲気とする場合、適用する不活性ガスには、Ａｒ（アルゴン）を用いることが好適である。Ａｒガスであれば、空気よりも比重が大きいため、特に上述のように溶接ポイントの周囲を箱体で覆う場合に、箱体の上部を開口させていても内部をＡｒ雰囲気に保持することができ、さらに箱体の上部を開口することで溶接作業の効率化を図ることもできる。
【００１１】
さらに、肉盛層を形成する工程において、溶接材である単体Ｍｏや単体Ｎｂを粉体として溶接ポイントに添加すれば、より高硬度且つ高純度のＭｏ肉盛層やＮｂ肉盛層を形成することが可能となる。特に、上述のように溶接ポイントの周囲を箱体で覆い、且つ箱体内をＡｒガス雰囲気とした状態で粉体の単体Ｍｏや単体Ｎｂを供給すれば、溶接部での酸化物の生成をより確実に防止しつつ、高硬度の肉盛層を得ることができる。
【００１２】
なお、肉盛層を形成する工程においては、肉盛層を多層盛とすることで、肉盛層の表面におけるＭｏやＮｂの純度を向上することができる。すなわち、肉盛層が一層の場合、肉盛層の表面から深い部位においては、溶けた母材と溶接材とが混合した状態となり、表面に近い部位ほどＭｏやＮｂの純度が高い金属間化合物となるが、多層盛とすることで、肉盛層の表面近傍のＭｏやＮｂの純度を極めて高いものとすることができる。
【００１３】
また本発明は、母材に対してプラズマアーク溶接される肉盛層であって、少なくとも何れか１種からなる溶接材、又は前記母材と前記溶接材とによる金属間化合物、の少なくとも何れか一方を含有することを特徴とする高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層である。例えば、アーク溶接の一種であるＴＩＧ溶接では、アーク温度は５０００〜６０００℃となるといわれており、ＭｏやＮｂの融点を超えるので溶接を行うことは可能である。しかしながら本発明のように、アーク温度が１００００℃以上であるプラズマアーク溶接を適用することで、高融点金属であるＭｏやＮｂを溶接するための熱源をさらに十分に得ることができる。
【００１４】
このように、単体Ｍｏ又は単体Ｎｂからなる肉盛層は従前は実現できないと考えられていたところ、本発明により初めて得られることとなったものである。このような肉盛層であれば、融点が高く高温での耐食性を有し、潤滑性能も高いといったＭｏやＮｂの性質を十分に発揮することができるため、例えば本発明の肉盛層を工具に適用する場合、工具の強度及び寿命を向上することができる。その結果、摩耗等の原因で擦り減った工具表面の補修が容易となり、工具が長寿命化し、またリサイクルすることも可能となる。さらに、Ｃｒ等の高価な元素を含まないＦｅ等の安価で低機能な母材に単体Ｍｏ又は単体Ｎｂを溶接した肉盛層が得られるため、工具等の部材を容易に高機能化することが可能となる。
【００１５】
さらに、上述したように、肉盛層を単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの何れか同種を複数層に亘り溶接し多層盛とすることにより、溶接部表面のＭｏ又はＮｂの純度を高めることができるため、肉盛層及びそれを適用した工具等のさらなる高機能化を実現することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、従来は困難であるとされてきた母材への単体Ｍｏ又は単体Ｎｂによる硬度、耐食性、潤滑性能の高い肉盛層を形成することが可能である。これにより、Ｆｅ等の安価で低機能な材質からなる工具表面の高機能化、長寿命化等による高付加価値化が実現され、また工具表面の補修や工具自体のリサイクルも容易となり、コスト面でも多大なメリットが得られる。本発明を適用することができる工具としては、熱間工具や熱間圧延ロールを顕著な例として挙げることができるが、冷間工具に適用してもその性能向上に資するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１８】
以下の説明においては、単体Ｍｏ又は単体Ｎｂによる母材への肉盛層の形成方法並びに肉盛層形成に使用する溶接装置について述べるものとする。本実施形態では、溶接材として粉体の単体Ｍｏ又は単体Ｎｂを使用し、プラズマ粉体溶接（ＰＴＡ）により母材に肉盛層を形成する態様について説明する。ＰＴＡは、プラズマが熱源であるためアーク温度が非常に高く、単体Ｍｏや単体Ｎｂのような高融点金属を溶接するのに適しており、またアーク温度が高温であるが、溶接池での溶融状態が長時間保たれる訳ではないことから母材の溶接材（単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの粉体）への溶け込み（希釈）が少ないことなどの理由により、本発明の実施に適している。
【００１９】
図１は、本実施形態に適用されるＰＴＡを利用した溶接装置１の要部の概観を示す模式的な縦断面図である。この溶接装置１は、主としてＰＴＡ装置（トーチ２のみを図示する）と箱体３とから構成される。トーチ２は、駆動手段（図示省略）により溶接方向と直交する方向（例えば図中の左右方向）に移動可能とされている。具体的にトーチ２は、内側から順にタングステン電極２１、内壁２２、中壁２３、外壁２４により構成されている。内壁２２は水冷式ノズルとして機能している。タングステン電極２１と内壁２２とによりプラズマガス供給用ノズルを構成しており、図中上方から供給されるプラズマガス２ａをトーチ２の先端部に向けて送出するようにしている。また、内壁２２と中壁２３とによりプラズマアーク収束及び粉体供給用ノズルを構成しており、図中上方から供給されるキャリアガス２ｂと単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの粉体５をトーチ２の先端部から放出するようにしている。さらに中壁２３と外壁２４とによりシールドガス供給用ノズルを構成しており、図中上方から供給されるシールドガス２ｃをトーチ２の先端部から噴射するようにしている。また、符号２５及び２６はそれぞれパイロットアーク電源、プラズマアーク電源を示している。プラズマアーク電源２５は、タングステン電極２１と母材４との間に電圧を発生させるためのものであり、プラズマアーク電源２６は、発生した電圧を安定させるように制御するものである。プラズマガス２ａ、キャリアガス２ｂ、シールドガス２ｃには、例えばＡｒ（アルゴン）ガスを適用することが好ましい。
【００２０】
また、箱体３は、トーチ２の先端部と母材４とを収容するものであれば適宜の箱状のものを利用することができ、図１に示したように、上部を開口することで、箱体３内部への母材４等の出し入れや、トーチ２の母材４に対する接離動作や上述した溶接方向と直行する方向への動作を確保している。さらに箱体３の下端部にはダクト３１を接続しており、このダクト３１を通じてＡｒガス３ａを箱体３に導入し、箱体３の内部、特に溶接ポイントの周囲をＡｒガス雰囲気とするようにしている。
【００２１】
母材４には、箱体３内に入れる前に予熱を施している。本実施形態では母材４として、Ｆｅを適用することとしているため、予熱温度は４５０℃に設定している。このように母材４を予熱しておくことで、溶接後の肉盛層６（後述）の割れを防止している。
【００２２】
そして、予熱された母材４を箱体３に収容し、箱体３内をＡｒガス雰囲気としつつ、トーチ２の先端部をシールドガス２ｃによりシールドし、プラズマガス２ａとキャリアガス２ｂと共に単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの粉体５を供給しながらタングステン電極２１と母材４との間に電圧を発生させることにより、トーチ２の先端部からプラズマアーク２ｄを発生させる。そして、前述の駆動手段によりトーチ２と母材４とを相対的に移動させることで、母材４の表面に、単体Ｍｏ又は単体Ｎｂからなる肉盛層６を形成していく。図中、肉盛層６の先端部においてプラズマアーク２ｄの直下の灰色（色が濃い部分）で示している部分は、プラズマアーク２ｄにより溶融した母材４（本実施形態ではＦｅ）と溶接材である粉体５（本実施形態では単体Ｍｏ又は単体Ｎｂ）からなるプール（溶融池）であり、このプールが冷却されて硬化することで順次肉盛層が形成される。特に本実施形態では、溶接に際してＰＴＡを適用しているため、粉体５への母材４の溶け込みは比較的少ないが、肉盛層６の表面から深い部分ほど母材４により希釈されている割合が高く、肉盛層６の表面に近いほど溶接材であるＭｏ又はＮｂの純度が高くなっている。
【００２３】
さらに肉盛層６の表面近傍における単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの純度を高めるためには、上述した溶接工程を繰り返し行えばよい。すなわち、母材４の表面に形成した一層目の肉盛層６の上に、更に二層目、三層目・・・の肉盛層を形成すればよいことになる。このような方法を採用することで、これまで困難とされてきた単体Ｍｏ又は単体Ｎｂからなる肉盛層６を母材４の表面に、一層盛又は多層盛として形成することができる。
【００２４】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。上記の実施形態では、肉盛層の形成にあたり、プラズマ粉体溶接を適用した場合について説明したが、その他の溶接方法、例えばパイプの中にＭｏもしくはＮｂ粉末を封入し、ＴＩＧ溶接により溶接を行う方法を適用しても構わない。また、箱体の内部、特に溶接ポイントの周囲をＡｒガス以外の不活性ガス雰囲気としてもよいし、真空雰囲気としてもよい。特に肉盛層にＭｏやＮｂの酸化物が生成されるのを防止するには、不活性ガス又は真空雰囲気下において、酸素濃度を１％以下とすることが好適である。さらに、母材には上述したＦｅ以外の鋼材、例えばステンレス鋼材を適用することも可能である。その他、肉盛層形成方法やそれに利用する装置の具体的構成、肉盛層の組成等についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【実施例】
【００２５】
以下に、上述した本発明の実施形態により、母材をＦｅとし、溶接材を単体Ｍｏとして肉盛層を形成し、その肉盛層について行った各種試験について説明する。なお、母材には、縦横１００ｍｍ四方、厚さ１２ｍｍの板材を用い、特にマイクロビッカース硬度の測定には、溶接後（母材表面への肉盛層形成後）の板材から肉盛層を含む底辺１０ｍｍＸ５ｍｍの角柱を切り出して用いている。また、特に言及しない場合には、肉盛層が一層盛の場合について示している。
【００２６】
＜１．予熱温度と溶接部の割れの関係＞ 溶接前の母材を予熱した場合と、予熱温度を変化させた場合における溶接部の割れについて検討した。割れの有無の確認は、溶接部に染色剤を塗布し、割れ部分に染色剤を染み込ませて染色する浸透探傷法により行っている。図２に、予熱各温度と割れの有無の結果を示す。母材を予熱しない場合（室温）と、予熱温度を２５０℃〜３５０℃とした場合には、溶接部に割れが生じたが、母材の予熱温度を４００℃、４５０℃、６５０℃とした場合には、何れの予熱温度でも溶接部に割れは生じなかった。このことから、溶接材が単体Ｍｏの場合、溶接部への割れの防止のためには、溶接前における母材への予熱工程が必須であり、特に本試験で用いた母材Ｆｅと溶接材Ｍｏとの関係においては、４００℃以上、試験結果から鑑みれば４００℃〜６５０℃の予熱が必要であるとえいる。なお、母材がＦｅの場合、予熱温度を６５０℃を超えると母材が赤熱し始め、母材近くに配設されるプラズマのノズルが母材からの輻射熱の影響を受けるため、溶接作業を継続することができなくなる。そのため、母材の予熱温度は６５０℃程度を上限となる。
【００２７】
＜２．予熱温度の違いによる溶接部表面からの深さと硬度の関係＞ 溶接前の母材を２５０℃、４５０℃、６５０℃に予熱した場合と、予熱しない（室温）場合とにおいて、溶接部表面からの深さと溶接部の硬度との関係を調べた。図３に、各予熱温度における溶接部表面からの深さ０．５ｍｍから０．５ｍｍ毎におけるマイクロビッカース硬度の測定結果を示す。図中、各温度を示す折れ線に付した両矢印の左側は溶接部側を示し、右側は母材側を示す。同図から分かるように、母材を予熱しない場合と比較して、予熱温度が２５０℃、６５０℃の場合は溶接部表面からの各深さにおいて、マイクロビッカース硬度は同程度かやや低い値が示されたが、予熱温度が４５０℃の場合は、それよりも低温又は高温に予熱する場合や予熱しない場合と比較して、高いマイクロビッカース硬度の値が得られた。このことから、溶接部を高硬度とするためには、予熱温度が高すぎても低すぎてもよい結果が得られず、適温が存在することが明らかとなった。本試験の場合は、予熱の適温は４５０℃であるといえる。また、試験１の結果と併せて考慮すると、本試験の場合、溶接部に割れが生じず、且つ溶接部の硬度を向上するためには、溶接前に母材を４５０℃程度に予熱することが望ましいことが判明した。
【００２８】
＜３．箱体内での溶接による溶接部の硬度に与える影響＞ 上述したとおり、大気中で単体Ｍｏをプラズマ肉盛溶接するとその多くは酸化されて飛散する。それを防止するために、上記実施形態では、単体Ｍｏの溶接を箱体の内部でＡｒガス雰囲気として行ったが、その方法による溶接部の硬度に関する効果を示す実証試験を行った。すなわち、比較例として、大気中で溶接することにより、肉盛層を形成したものを採用している。大気中での溶接方法は、上記実施形態における溶接方法において箱体を用いず、溶接ポイントの周囲をＡｒガス雰囲気としないこと以外は同条件である。但し、プラズマ溶接時には図1中のプラズマガス２ａとキャリアガス２ｂとしてアルゴンを用いることが一般的であるため、多少のシール効果はあるが、アルゴンの作用範囲が限定されているために、全体をシールした箱体にヘッドを入れない場合に比べて、大気中の酸素の巻き込みを避けることは出来ない。なお、母材の予熱温度は、上記試験２の結果を考慮して、４５０℃としている。図４に、箱体内又は大気中での溶接方法において得られた溶接部表面からの深さ約０．５ｍｍからの略０．５ｍｍ毎におけるマイクロビッカース硬度の測定結果を示す。図中、各温度を示す折れ線に付した両矢印の左側は溶接部側を示し、右側は母材側を示す。同図から明らかなように、箱体内をＡｒガス雰囲気としてＭｏの肉盛層を形成した場合、大気中でＭｏの肉盛層を形成した場合と比較して、溶接部表面の何れの深さにおいても約２倍以上のビッカース硬度となった。このことから、より高硬度の肉盛層を得るためには、溶接ポイントの周囲をＡｒガス雰囲気とし、その状態を維持するために溶接を箱体内で行うことが有効であることが立証された。
【００２９】
＜４．肉盛層一層盛と多層盛の場合の溶接部のＭｏ濃度＞ 上述したように、ＰＴＡによれば、溶融ポイントではプラズマアークにより母材の表面が溶融し、同様に溶融した溶接材と共にプールが形成され、このプールが冷却により硬化することで肉盛層が形成される。したがって、肉盛層は母材であるＦｅによりＭｏが希釈された状態となっている。よって、肉盛層が一層盛の場合よりも多層盛の場合の方が、Ｍｏ濃度が高いと予想される。このことを検証するために、溶接部表面からの距離に対応してＦｅに対するＭｏ濃度を、一層盛の場合と二層盛の場合とで測定した。その結果として、溶接部表面からの距離の代表点（複数）におけるＦｅに対するＭｏ濃度（モル比）の値を、一層盛の場合について図５に、二層盛の場合について図６に示す。これらの結果から、溶接部表面からの距離が深くなるに従って、Ｆｅに対するＭｏ濃度が徐々に高まり、さらに深くなるとＭｏ濃度が低下することが判明した。また、予想通り、一層盛よりも二層盛の方がＭｏ濃度が高いことが明らかとなった。
【００３０】
以上の各試験の結果から、母材を適温に予熱することで肉盛層の割れを防止でき、且つ肉盛層の硬度を向上することができ、さらに溶接を箱体内でＡｒ雰囲気として行うことで肉盛層の硬度を向上することができ、肉盛層を多層盛とすることで肉盛層における溶接材（Ｍｏ）の濃度を向上することができることが明らかとなった。
【００３１】
次に、上述した本発明の実施形態により、母材をＦｅとし、溶接材を単体Ｎｂとして肉盛層を形成し、その肉盛層について行った各種試験について説明する。Ｎｂについては、予熱温度変化による肉盛層の割れの有無（下記試験５）、予熱温度の違いによる溶接部表面からの硬度変化（下記試験６）に関する試験を行っている。なお、母材や試験条件は、溶接材が単体Ｍｏの場合と同様である。
【００３２】
＜５．予熱温度と溶接部の割れの関係＞＞ 溶接前の母材を予熱した場合と、予熱温度を変化させた場合における溶接部の割れについて検討した。割れの有無の確認は、単体Ｍｏの場合と同様に浸透探傷法により行っている。図７に、予熱各温度と割れの有無の結果を示す。母材を予熱しない場合（室温）と、予熱温度を１５０℃〜３００℃とした場合には、溶接部に割れが生じたが、母材の予熱温度を４５０℃、６００℃とした場合には、何れの予熱温度でも溶接部に割れは生じなかった。このことから、溶接材がＮｂの場合も溶接部への割れの防止のためには、溶接前における母材への予熱工程が必須であり、特に本試験で用いた母材Ｆｅと溶接材Ｎｂとの関係においては、４５０℃以上、試験結果から鑑みれば４５０℃〜６００℃の予熱が必要であるとえいる。
【００３３】
＜６．予熱温度の違いによる溶接部表面からの深さと硬度の関係＞ 溶接前の母材を１５０℃、３００℃、４５０℃、６００℃に予熱した場合と、予熱しない（室温）場合とにおいて、溶接部表面からの深さと溶接部の硬度との関係を調べた。図８に、各予熱温度における溶接部表面からの深さ０．５ｍｍから０．５ｍｍ毎におけるマイクロビッカース硬度の測定結果を示す。同図から分かるように、母材を予熱しない場合と比較して、予熱した場合には、溶接部表面からの各深さにおいて溶接部のマイクロビッカース硬度が概ね向上したが、特に予熱温度が１５０℃、３００℃の場合は溶接部表面から浅い部分のマイクロビッカース硬度が大幅に向上し、予熱温度が４５０℃、６００℃の場合は、溶接部表面から浅い部分でのマイクロビッカース硬度は若干向上し、その硬度が深い部分まで概ね維持されることが分かった。このことから、溶接材をＮｂとした場合、目的とする硬度に応じて母材の予熱温度に適温が存在することが明らかとなった。特に試験５の結果と併せて考慮すると、本試験の場合、溶接部に割れが生じず、且つ溶接部の硬度を向上するためには、溶接前に母材を４５０℃〜６００℃程度に予熱することが望ましいといえる。
【００３４】
なお、溶接材が単体Ｎｂの場合、溶接を箱体内でＡｒ雰囲気下で行うことや、多層盛とすることが、単体Ｍｏの場合と同様に有効であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に適用される溶接装置の概観を示す模式的縦断面図。
【図２】溶接材に単体Ｍｏを用いた場合の母材への予熱温度と溶接部の割れとの関係を示す図。
【図３】溶接材に単体Ｍｏを用いた場合の溶接部表面からの各深さにおけるマイクロビッカース硬度の測定結果を示す図。
【図４】箱体内におけるＡｒガス雰囲気下での溶接による溶接部の硬度に関する効果を大気中での溶接方法と比較して溶接部表面からの各深さにおけるマイクロビッカース硬度の測定結果を示す図。
【図５】Ｍｏ一層盛における溶接部表面からのＭｏ濃度の変化を示す図。
【図６】Ｍｏ二層盛における溶接部表面からのＭｏ濃度の変化を示す図。
【図７】溶接材に単体Ｎｂを用いた場合の母材への予熱温度と溶接部の割れとの関係を示す図。
【図８】溶接材に単体Ｎｂを用いた場合の溶接部表面からの各深さにおけるマイクロビッカース硬度の測定結果を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
１…ＰＴＡを利用した溶接装置
２…トーチ
２ｄ…プラズマアーク
３…箱体
３ａ…不活性ガス（Ａｒガス）
４…母材
５…溶接材（単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの何れか一方又は両方）
６…肉盛層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単体Ｍｏや単体Ｎｂを母材に肉盛溶接する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱間工具や熱間圧延ロール等の部材表面の高硬度化や潤滑性能の向上のため、Ｍｏ（モリブデン）やＮｂ（ニオブ）等の遷移元素が鋼等の母材の表面への肉盛溶接に用いられることがある。Ｍｏは、融点が高く高温での耐食性を有し、熱間、冷間ともに潤滑性能、摺動性能があり、工具の高付加価値化と長寿命化に資することから、合金の一組成物として利用されてきている。また、Ｎｂも、高温での耐酸化性や耐食性、潤滑性能が高いことから、鉄鋼添加剤や超硬工具等の用途に利用されている。
【０００３】
ところで、Ｍｏは単体では高温での耐酸化性が著しく低く、大気中でＭｏをプラズマ肉盛溶接するとその多くは酸化されて飛散してしまう上に、溶接部ではＭｏは酸化モリブデンとなって溶接されるという問題がある。また、溶接部には割れが生じるため、単体Ｍｏの溶接は困難であると考えられている。そのため、Ｍｏは単体としてではなく、ＭｏとＣ（炭素）とＮｉ（ニッケル）からなる肉盛合金にＭｎ（マンガン），Ｃｒ（クロム）を添加したものや、Ｍｏ，Ｃ，Ｎｉ，Ｃｒからなる肉盛合金に必要に応じてＭｎ，Ｃｏ，Ｓｉ（ケイ素），Ｎｂ等を添加したものとするなど、肉盛溶接に用いるＭｏを他の金属等との合金とすることで、母材の表面に耐摩耗性等を付与する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、Ｎｂは溶接相手となる母材の種類によっては、殆ど溶接できないか、あるいは溶接できたとしても肉盛層の形状が崩れたりクラックが発生するなどして、重大な溶接欠陥が生じやすい（例えば、特許文献２参照）。そのため、Ｎｂは単体としてではなく、例えばフェロニオブや炭化ニオブ等の合金や化合物として、あるいは前述の特許文献１に開示されるＭｏとＮｉやＣｒ等の合金の組成の一部として利用されている。
【特許文献１】特開平１１−３１０８５４公報
【特許文献２】特開２００１−３１４９７１公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＭｏやＮｂを単体で母材に溶接することは、融点が高く高温での耐食性を有し、潤滑性能も高いといったＭｏやＮｂの性質を鑑みれば、工具の必要な箇所を局所的に高機能を持たせ、工具自体の長寿命化をも図るという点で極めて有用であると考えられる。
【０００６】
以上のような問題に鑑みて、本発明は、従来は困難であるとされてきた単体Ｍｏ又は単体Ｎｂを母材に高効率で溶接する方法と、それにより得られる高Ｍｏ又は高Ｎｂ肉盛層を提供することを主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明に係る高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層の形成方法は、母材に対して単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの少なくとも何れか一方からなる溶接材を肉盛溶接する方法であって、母材の溶接ポイントを所定温度に予熱する工程と、溶接ポイントの周囲を不活性ガス雰囲気とした状態で、前記溶接材をプラズマアーク溶接することにより、母材に対して、前記溶接材、又は前記母材と前記溶接材とによる金属間化合物、の少なくとも何れか一方を含有する肉盛層を形成する工程とを含むことを特徴としている。
【０００８】
このような方法により母材に肉盛層を形成する場合、まず溶接ポイントを予熱することで、溶接後の肉盛層の割れを効果的に防止することができる。予熱温度は母材の材質やその他の条件により適宜に設定することができるが、例えば母材がＦｅ（鉄）の場合、予熱温度は２５０℃以上、より好ましくは４５０℃以上とすることが好適である。さらに、適温に予熱した母材に対して、溶接ポイントの周囲を不活性ガス雰囲気とすること、すなわち溶接ポイントの周囲を低酸素濃度（好ましくは酸素濃度１％以下）とした状態で単体Ｍｏ又は単体Ｎｂ又はそれらの両方、の何れかからなる溶接材を溶接することにより、肉盛層にＭｏやＮｂの酸化物が形成されることを効果的に防止できるため、溶接部の割れがより生じにくい肉盛層が得られることとなる。特に、ＭｏやＮｂの融点を超える温度を得ることができる適切な溶接方法としては、プラズマアーク溶接が本発明には適している。プラズマアーク溶接では、プラズマ溶接装置のノズルから供給されるシールドガスやキャリアガスとしてアルゴンを使うことが一般的だが、これらのガスの作用域はプラズマアークの極周辺に限られ、その直ぐ外側には大気が存在していることから、プラズマアークや溶接池には酸素が不可避的に巻き込まれてしまう。この弊害を防止するためには、プラズマを発生するノズル自体をシールしなければならない。なお、母材と溶接材とによる金属間化合物とは、溶接材である単体Ｍｏや単体Ｎｂが母材の金属で希釈されたものである。
【０００９】
さらに本発明において、溶接部の酸化防止をさらに向上させるためには、溶接ポイントの周囲を箱体により覆い、溶接ポイントの周囲を不活性ガス雰囲気に保持した状態で肉盛層を形成する工程を行うことが有効である。
【００１０】
また、肉盛層を形成する工程において、溶接ポイントの周囲を不活性ガス雰囲気とする場合、適用する不活性ガスには、Ａｒ（アルゴン）を用いることが好適である。Ａｒガスであれば、空気よりも比重が大きいため、特に上述のように溶接ポイントの周囲を箱体で覆う場合に、箱体の上部を開口させていても内部をＡｒ雰囲気に保持することができ、さらに箱体の上部を開口することで溶接作業の効率化を図ることもできる。
【００１１】
さらに、肉盛層を形成する工程において、溶接材である単体Ｍｏや単体Ｎｂを粉体として溶接ポイントに添加すれば、より高硬度且つ高純度のＭｏ肉盛層やＮｂ肉盛層を形成することが可能となる。特に、上述のように溶接ポイントの周囲を箱体で覆い、且つ箱体内をＡｒガス雰囲気とした状態で粉体の単体Ｍｏや単体Ｎｂを供給すれば、溶接部での酸化物の生成をより確実に防止しつつ、高硬度の肉盛層を得ることができる。
【００１２】
なお、肉盛層を形成する工程においては、肉盛層を多層盛とすることで、肉盛層の表面におけるＭｏやＮｂの純度を向上することができる。すなわち、肉盛層が一層の場合、肉盛層の表面から深い部位においては、溶けた母材と溶接材とが混合した状態となり、表面に近い部位ほどＭｏやＮｂの純度が高い金属間化合物となるが、多層盛とすることで、肉盛層の表面近傍のＭｏやＮｂの純度を極めて高いものとすることができる。
【００１３】
また本発明は、母材に対してプラズマアーク溶接される肉盛層であって、少なくとも何れか１種からなる溶接材、又は前記母材と前記溶接材とによる金属間化合物、の少なくとも何れか一方を含有することを特徴とする高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層である。例えば、アーク溶接の一種であるＴＩＧ溶接では、アーク温度は５０００〜６０００℃となるといわれており、ＭｏやＮｂの融点を超えるので溶接を行うことは可能である。しかしながら本発明のように、アーク温度が１００００℃以上であるプラズマアーク溶接を適用することで、高融点金属であるＭｏやＮｂを溶接するための熱源をさらに十分に得ることができる。
【００１４】
このように、単体Ｍｏ又は単体Ｎｂからなる肉盛層は従前は実現できないと考えられていたところ、本発明により初めて得られることとなったものである。このような肉盛層であれば、融点が高く高温での耐食性を有し、潤滑性能も高いといったＭｏやＮｂの性質を十分に発揮することができるため、例えば本発明の肉盛層を工具に適用する場合、工具の強度及び寿命を向上することができる。その結果、摩耗等の原因で擦り減った工具表面の補修が容易となり、工具が長寿命化し、またリサイクルすることも可能となる。さらに、Ｃｒ等の高価な元素を含まないＦｅ等の安価で低機能な母材に単体Ｍｏ又は単体Ｎｂを溶接した肉盛層が得られるため、工具等の部材を容易に高機能化することが可能となる。
【００１５】
さらに、上述したように、肉盛層を単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの何れか同種を複数層に亘り溶接し多層盛とすることにより、溶接部表面のＭｏ又はＮｂの純度を高めることができるため、肉盛層及びそれを適用した工具等のさらなる高機能化を実現することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、従来は困難であるとされてきた母材への単体Ｍｏ又は単体Ｎｂによる硬度、耐食性、潤滑性能の高い肉盛層を形成することが可能である。これにより、Ｆｅ等の安価で低機能な材質からなる工具表面の高機能化、長寿命化等による高付加価値化が実現され、また工具表面の補修や工具自体のリサイクルも容易となり、コスト面でも多大なメリットが得られる。本発明を適用することができる工具としては、熱間工具や熱間圧延ロールを顕著な例として挙げることができるが、冷間工具に適用してもその性能向上に資するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１８】
以下の説明においては、単体Ｍｏ又は単体Ｎｂによる母材への肉盛層の形成方法並びに肉盛層形成に使用する溶接装置について述べるものとする。本実施形態では、溶接材として粉体の単体Ｍｏ又は単体Ｎｂを使用し、プラズマ粉体溶接（ＰＴＡ）により母材に肉盛層を形成する態様について説明する。ＰＴＡは、プラズマが熱源であるためアーク温度が非常に高く、単体Ｍｏや単体Ｎｂのような高融点金属を溶接するのに適しており、またアーク温度が高温であるが、溶接池での溶融状態が長時間保たれる訳ではないことから母材の溶接材（単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの粉体）への溶け込み（希釈）が少ないことなどの理由により、本発明の実施に適している。
【００１９】
図１は、本実施形態に適用されるＰＴＡを利用した溶接装置１の要部の概観を示す模式的な縦断面図である。この溶接装置１は、主としてＰＴＡ装置（トーチ２のみを図示する）と箱体３とから構成される。トーチ２は、駆動手段（図示省略）により溶接方向と直交する方向（例えば図中の左右方向）に移動可能とされている。具体的にトーチ２は、内側から順にタングステン電極２１、内壁２２、中壁２３、外壁２４により構成されている。内壁２２は水冷式ノズルとして機能している。タングステン電極２１と内壁２２とによりプラズマガス供給用ノズルを構成しており、図中上方から供給されるプラズマガス２ａをトーチ２の先端部に向けて送出するようにしている。また、内壁２２と中壁２３とによりプラズマアーク収束及び粉体供給用ノズルを構成しており、図中上方から供給されるキャリアガス２ｂと単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの粉体５をトーチ２の先端部から放出するようにしている。さらに中壁２３と外壁２４とによりシールドガス供給用ノズルを構成しており、図中上方から供給されるシールドガス２ｃをトーチ２の先端部から噴射するようにしている。また、符号２５及び２６はそれぞれパイロットアーク電源、プラズマアーク電源を示している。プラズマアーク電源２５は、タングステン電極２１と母材４との間に電圧を発生させるためのものであり、プラズマアーク電源２６は、発生した電圧を安定させるように制御するものである。プラズマガス２ａ、キャリアガス２ｂ、シールドガス２ｃには、例えばＡｒ（アルゴン）ガスを適用することが好ましい。
【００２０】
また、箱体３は、トーチ２の先端部と母材４とを収容するものであれば適宜の箱状のものを利用することができ、図１に示したように、上部を開口することで、箱体３内部への母材４等の出し入れや、トーチ２の母材４に対する接離動作や上述した溶接方向と直行する方向への動作を確保している。さらに箱体３の下端部にはダクト３１を接続しており、このダクト３１を通じてＡｒガス３ａを箱体３に導入し、箱体３の内部、特に溶接ポイントの周囲をＡｒガス雰囲気とするようにしている。
【００２１】
母材４には、箱体３内に入れる前に予熱を施している。本実施形態では母材４として、Ｆｅを適用することとしているため、予熱温度は４５０℃に設定している。このように母材４を予熱しておくことで、溶接後の肉盛層６（後述）の割れを防止している。
【００２２】
そして、予熱された母材４を箱体３に収容し、箱体３内をＡｒガス雰囲気としつつ、トーチ２の先端部をシールドガス２ｃによりシールドし、プラズマガス２ａとキャリアガス２ｂと共に単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの粉体５を供給しながらタングステン電極２１と母材４との間に電圧を発生させることにより、トーチ２の先端部からプラズマアーク２ｄを発生させる。そして、前述の駆動手段によりトーチ２と母材４とを相対的に移動させることで、母材４の表面に、単体Ｍｏ又は単体Ｎｂからなる肉盛層６を形成していく。図中、肉盛層６の先端部においてプラズマアーク２ｄの直下の灰色（色が濃い部分）で示している部分は、プラズマアーク２ｄにより溶融した母材４（本実施形態ではＦｅ）と溶接材である粉体５（本実施形態では単体Ｍｏ又は単体Ｎｂ）からなるプール（溶融池）であり、このプールが冷却されて硬化することで順次肉盛層が形成される。特に本実施形態では、溶接に際してＰＴＡを適用しているため、粉体５への母材４の溶け込みは比較的少ないが、肉盛層６の表面から深い部分ほど母材４により希釈されている割合が高く、肉盛層６の表面に近いほど溶接材であるＭｏ又はＮｂの純度が高くなっている。
【００２３】
さらに肉盛層６の表面近傍における単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの純度を高めるためには、上述した溶接工程を繰り返し行えばよい。すなわち、母材４の表面に形成した一層目の肉盛層６の上に、更に二層目、三層目・・・の肉盛層を形成すればよいことになる。このような方法を採用することで、これまで困難とされてきた単体Ｍｏ又は単体Ｎｂからなる肉盛層６を母材４の表面に、一層盛又は多層盛として形成することができる。
【００２４】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。上記の実施形態では、肉盛層の形成にあたり、プラズマ粉体溶接を適用した場合について説明したが、その他の溶接方法、例えばパイプの中にＭｏもしくはＮｂ粉末を封入し、ＴＩＧ溶接により溶接を行う方法を適用しても構わない。また、箱体の内部、特に溶接ポイントの周囲をＡｒガス以外の不活性ガス雰囲気としてもよいし、真空雰囲気としてもよい。特に肉盛層にＭｏやＮｂの酸化物が生成されるのを防止するには、不活性ガス又は真空雰囲気下において、酸素濃度を１％以下とすることが好適である。さらに、母材には上述したＦｅ以外の鋼材、例えばステンレス鋼材を適用することも可能である。その他、肉盛層形成方法やそれに利用する装置の具体的構成、肉盛層の組成等についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【実施例】
【００２５】
以下に、上述した本発明の実施形態により、母材をＦｅとし、溶接材を単体Ｍｏとして肉盛層を形成し、その肉盛層について行った各種試験について説明する。なお、母材には、縦横１００ｍｍ四方、厚さ１２ｍｍの板材を用い、特にマイクロビッカース硬度の測定には、溶接後（母材表面への肉盛層形成後）の板材から肉盛層を含む底辺１０ｍｍＸ５ｍｍの角柱を切り出して用いている。また、特に言及しない場合には、肉盛層が一層盛の場合について示している。
【００２６】
＜１．予熱温度と溶接部の割れの関係＞ 溶接前の母材を予熱した場合と、予熱温度を変化させた場合における溶接部の割れについて検討した。割れの有無の確認は、溶接部に染色剤を塗布し、割れ部分に染色剤を染み込ませて染色する浸透探傷法により行っている。図２に、予熱各温度と割れの有無の結果を示す。母材を予熱しない場合（室温）と、予熱温度を２５０℃〜３５０℃とした場合には、溶接部に割れが生じたが、母材の予熱温度を４００℃、４５０℃、６５０℃とした場合には、何れの予熱温度でも溶接部に割れは生じなかった。このことから、溶接材が単体Ｍｏの場合、溶接部への割れの防止のためには、溶接前における母材への予熱工程が必須であり、特に本試験で用いた母材Ｆｅと溶接材Ｍｏとの関係においては、４００℃以上、試験結果から鑑みれば４００℃〜６５０℃の予熱が必要であるとえいる。なお、母材がＦｅの場合、予熱温度を６５０℃を超えると母材が赤熱し始め、母材近くに配設されるプラズマのノズルが母材からの輻射熱の影響を受けるため、溶接作業を継続することができなくなる。そのため、母材の予熱温度は６５０℃程度を上限となる。
【００２７】
＜２．予熱温度の違いによる溶接部表面からの深さと硬度の関係＞ 溶接前の母材を２５０℃、４５０℃、６５０℃に予熱した場合と、予熱しない（室温）場合とにおいて、溶接部表面からの深さと溶接部の硬度との関係を調べた。図３に、各予熱温度における溶接部表面からの深さ０．５ｍｍから０．５ｍｍ毎におけるマイクロビッカース硬度の測定結果を示す。図中、各温度を示す折れ線に付した両矢印の左側は溶接部側を示し、右側は母材側を示す。同図から分かるように、母材を予熱しない場合と比較して、予熱温度が２５０℃、６５０℃の場合は溶接部表面からの各深さにおいて、マイクロビッカース硬度は同程度かやや低い値が示されたが、予熱温度が４５０℃の場合は、それよりも低温又は高温に予熱する場合や予熱しない場合と比較して、高いマイクロビッカース硬度の値が得られた。このことから、溶接部を高硬度とするためには、予熱温度が高すぎても低すぎてもよい結果が得られず、適温が存在することが明らかとなった。本試験の場合は、予熱の適温は４５０℃であるといえる。また、試験１の結果と併せて考慮すると、本試験の場合、溶接部に割れが生じず、且つ溶接部の硬度を向上するためには、溶接前に母材を４５０℃程度に予熱することが望ましいことが判明した。
【００２８】
＜３．箱体内での溶接による溶接部の硬度に与える影響＞ 上述したとおり、大気中で単体Ｍｏをプラズマ肉盛溶接するとその多くは酸化されて飛散する。それを防止するために、上記実施形態では、単体Ｍｏの溶接を箱体の内部でＡｒガス雰囲気として行ったが、その方法による溶接部の硬度に関する効果を示す実証試験を行った。すなわち、比較例として、大気中で溶接することにより、肉盛層を形成したものを採用している。大気中での溶接方法は、上記実施形態における溶接方法において箱体を用いず、溶接ポイントの周囲をＡｒガス雰囲気としないこと以外は同条件である。但し、プラズマ溶接時には図1中のプラズマガス２ａとキャリアガス２ｂとしてアルゴンを用いることが一般的であるため、多少のシール効果はあるが、アルゴンの作用範囲が限定されているために、全体をシールした箱体にヘッドを入れない場合に比べて、大気中の酸素の巻き込みを避けることは出来ない。なお、母材の予熱温度は、上記試験２の結果を考慮して、４５０℃としている。図４に、箱体内又は大気中での溶接方法において得られた溶接部表面からの深さ約０．５ｍｍからの略０．５ｍｍ毎におけるマイクロビッカース硬度の測定結果を示す。図中、各温度を示す折れ線に付した両矢印の左側は溶接部側を示し、右側は母材側を示す。同図から明らかなように、箱体内をＡｒガス雰囲気としてＭｏの肉盛層を形成した場合、大気中でＭｏの肉盛層を形成した場合と比較して、溶接部表面の何れの深さにおいても約２倍以上のビッカース硬度となった。このことから、より高硬度の肉盛層を得るためには、溶接ポイントの周囲をＡｒガス雰囲気とし、その状態を維持するために溶接を箱体内で行うことが有効であることが立証された。
【００２９】
＜４．肉盛層一層盛と多層盛の場合の溶接部のＭｏ濃度＞ 上述したように、ＰＴＡによれば、溶融ポイントではプラズマアークにより母材の表面が溶融し、同様に溶融した溶接材と共にプールが形成され、このプールが冷却により硬化することで肉盛層が形成される。したがって、肉盛層は母材であるＦｅによりＭｏが希釈された状態となっている。よって、肉盛層が一層盛の場合よりも多層盛の場合の方が、Ｍｏ濃度が高いと予想される。このことを検証するために、溶接部表面からの距離に対応してＦｅに対するＭｏ濃度を、一層盛の場合と二層盛の場合とで測定した。その結果として、溶接部表面からの距離の代表点（複数）におけるＦｅに対するＭｏ濃度（モル比）の値を、一層盛の場合について図５に、二層盛の場合について図６に示す。これらの結果から、溶接部表面からの距離が深くなるに従って、Ｆｅに対するＭｏ濃度が徐々に高まり、さらに深くなるとＭｏ濃度が低下することが判明した。また、予想通り、一層盛よりも二層盛の方がＭｏ濃度が高いことが明らかとなった。
【００３０】
以上の各試験の結果から、母材を適温に予熱することで肉盛層の割れを防止でき、且つ肉盛層の硬度を向上することができ、さらに溶接を箱体内でＡｒ雰囲気として行うことで肉盛層の硬度を向上することができ、肉盛層を多層盛とすることで肉盛層における溶接材（Ｍｏ）の濃度を向上することができることが明らかとなった。
【００３１】
次に、上述した本発明の実施形態により、母材をＦｅとし、溶接材を単体Ｎｂとして肉盛層を形成し、その肉盛層について行った各種試験について説明する。Ｎｂについては、予熱温度変化による肉盛層の割れの有無（下記試験５）、予熱温度の違いによる溶接部表面からの硬度変化（下記試験６）に関する試験を行っている。なお、母材や試験条件は、溶接材が単体Ｍｏの場合と同様である。
【００３２】
＜５．予熱温度と溶接部の割れの関係＞＞ 溶接前の母材を予熱した場合と、予熱温度を変化させた場合における溶接部の割れについて検討した。割れの有無の確認は、単体Ｍｏの場合と同様に浸透探傷法により行っている。図７に、予熱各温度と割れの有無の結果を示す。母材を予熱しない場合（室温）と、予熱温度を１５０℃〜３００℃とした場合には、溶接部に割れが生じたが、母材の予熱温度を４５０℃、６００℃とした場合には、何れの予熱温度でも溶接部に割れは生じなかった。このことから、溶接材がＮｂの場合も溶接部への割れの防止のためには、溶接前における母材への予熱工程が必須であり、特に本試験で用いた母材Ｆｅと溶接材Ｎｂとの関係においては、４５０℃以上、試験結果から鑑みれば４５０℃〜６００℃の予熱が必要であるとえいる。
【００３３】
＜６．予熱温度の違いによる溶接部表面からの深さと硬度の関係＞ 溶接前の母材を１５０℃、３００℃、４５０℃、６００℃に予熱した場合と、予熱しない（室温）場合とにおいて、溶接部表面からの深さと溶接部の硬度との関係を調べた。図８に、各予熱温度における溶接部表面からの深さ０．５ｍｍから０．５ｍｍ毎におけるマイクロビッカース硬度の測定結果を示す。同図から分かるように、母材を予熱しない場合と比較して、予熱した場合には、溶接部表面からの各深さにおいて溶接部のマイクロビッカース硬度が概ね向上したが、特に予熱温度が１５０℃、３００℃の場合は溶接部表面から浅い部分のマイクロビッカース硬度が大幅に向上し、予熱温度が４５０℃、６００℃の場合は、溶接部表面から浅い部分でのマイクロビッカース硬度は若干向上し、その硬度が深い部分まで概ね維持されることが分かった。このことから、溶接材をＮｂとした場合、目的とする硬度に応じて母材の予熱温度に適温が存在することが明らかとなった。特に試験５の結果と併せて考慮すると、本試験の場合、溶接部に割れが生じず、且つ溶接部の硬度を向上するためには、溶接前に母材を４５０℃〜６００℃程度に予熱することが望ましいといえる。
【００３４】
なお、溶接材が単体Ｎｂの場合、溶接を箱体内でＡｒ雰囲気下で行うことや、多層盛とすることが、単体Ｍｏの場合と同様に有効であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に適用される溶接装置の概観を示す模式的縦断面図。
【図２】溶接材に単体Ｍｏを用いた場合の母材への予熱温度と溶接部の割れとの関係を示す図。
【図３】溶接材に単体Ｍｏを用いた場合の溶接部表面からの各深さにおけるマイクロビッカース硬度の測定結果を示す図。
【図４】箱体内におけるＡｒガス雰囲気下での溶接による溶接部の硬度に関する効果を大気中での溶接方法と比較して溶接部表面からの各深さにおけるマイクロビッカース硬度の測定結果を示す図。
【図５】Ｍｏ一層盛における溶接部表面からのＭｏ濃度の変化を示す図。
【図６】Ｍｏ二層盛における溶接部表面からのＭｏ濃度の変化を示す図。
【図７】溶接材に単体Ｎｂを用いた場合の母材への予熱温度と溶接部の割れとの関係を示す図。
【図８】溶接材に単体Ｎｂを用いた場合の溶接部表面からの各深さにおけるマイクロビッカース硬度の測定結果を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
１…ＰＴＡを利用した溶接装置
２…トーチ
２ｄ…プラズマアーク
３…箱体
３ａ…不活性ガス（Ａｒガス）
４…母材
５…溶接材（単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの何れか一方又は両方）
６…肉盛層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材に対して単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの少なくとも何れか一方からなる溶接材を肉盛溶接する方法であって、
前記母材の溶接ポイントを所定温度に予熱する工程と、
前記溶接ポイントの周囲を不活性ガス雰囲気とした状態で、前記溶接材をプラズマアーク溶接することにより、前記母材に対して、前記溶接材、又は前記母材と前記溶接材とによる金属間化合物、の少なくとも何れか一方を含有する肉盛層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層の形成方法。
【請求項２】
前記肉盛層を形成する工程において、前記溶接ポイントの周囲を箱体により覆い、当該溶接ポイントの周囲を不活性ガス雰囲気下に保持している請求項１に記載の高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層の形成方法。
【請求項３】
前記不活性ガスは、Ａｒである請求項１又は２の何れかに記載の高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層の形成方法。
【請求項４】
前記肉盛層を形成する工程において、前記溶接材は、粉体として前記溶接ポイントに添加される請求項１乃至３の何れかに記載の高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層の形成方法。
【請求項５】
前記肉盛層を形成する工程において、前記肉盛層を、同種の多層盛とする請求項１乃至４の何れかに記載の高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層の形成方法。
【請求項６】
母材に対してプラズマアーク溶接される肉盛層であって、
単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの少なくとも何れか１種からなる溶接材、又は前記母材と前記溶接材とによる金属間化合物、の少なくとも何れか一方を含有することを特徴とする高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層。
【請求項７】
前記肉盛層は、前記母材の表面に複数層に亘り構成されたものである請求項６に記載の高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層。
【請求項１】
母材に対して単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの少なくとも何れか一方からなる溶接材を肉盛溶接する方法であって、
前記母材の溶接ポイントを所定温度に予熱する工程と、
前記溶接ポイントの周囲を不活性ガス雰囲気とした状態で、前記溶接材をプラズマアーク溶接することにより、前記母材に対して、前記溶接材、又は前記母材と前記溶接材とによる金属間化合物、の少なくとも何れか一方を含有する肉盛層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層の形成方法。
【請求項２】
前記肉盛層を形成する工程において、前記溶接ポイントの周囲を箱体により覆い、当該溶接ポイントの周囲を不活性ガス雰囲気下に保持している請求項１に記載の高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層の形成方法。
【請求項３】
前記不活性ガスは、Ａｒである請求項１又は２の何れかに記載の高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層の形成方法。
【請求項４】
前記肉盛層を形成する工程において、前記溶接材は、粉体として前記溶接ポイントに添加される請求項１乃至３の何れかに記載の高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層の形成方法。
【請求項５】
前記肉盛層を形成する工程において、前記肉盛層を、同種の多層盛とする請求項１乃至４の何れかに記載の高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層の形成方法。
【請求項６】
母材に対してプラズマアーク溶接される肉盛層であって、
単体Ｍｏ又は単体Ｎｂの少なくとも何れか１種からなる溶接材、又は前記母材と前記溶接材とによる金属間化合物、の少なくとも何れか一方を含有することを特徴とする高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層。
【請求項７】
前記肉盛層は、前記母材の表面に複数層に亘り構成されたものである請求項６に記載の高Ｍｏ／Ｎｂ肉盛層。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−４２４１９（Ｐ２０１０−４２４１９Ａ）
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０６４５３（Ｐ２００８−２０６４５３）
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【出願人】（５０４２５５６８５）国立大学法人京都工芸繊維大学 (203)
【出願人】（５９９０８６１０２）アイセイハード株式会社 (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【出願人】（５０４２５５６８５）国立大学法人京都工芸繊維大学 (203)
【出願人】（５９９０８６１０２）アイセイハード株式会社 (3)
【Ｆターム（参考）】
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