JP4611396B2 - 金型補修用粉末と金型補修方法 - Google Patents

Description

本発明は金型補修用粉末と金型補修方法に関する。

溶融金属のダイカスト法では、金型表面温度は成形を行う材料によっても異なるが、例えば鉄系の材料においては約８００℃に達する。
タングステン合金の接合に用いられるロウ材としては、銀ロウ、ニッケル（Ｎｉ）ロウが従来知られている。これらのロウ材で溶融金属成形用ダイカスト金型であるタングステン焼結合金製金型の補修を行う場合には、補修部に耐ヒートチェック性と耐溶損性が求められる。
前記銀ロウは、液相線が低いことから、耐溶損性が問題となる。一方、Ｎｉロウは、液相温度が比較的高いので耐溶損性はよいが、タングステンとの熱膨張係数の差が大きいため、金型内への溶湯流入時の熱負荷によりタングステンとＮｉロウとの接合界面等に過大な熱応力が発生し、早期の割れにつながる問題がある。

特開２００７−１１９９２１号公報（特許文献１）には、クラック修理用組成及び修理方法が開示されている。この修理用合金組成は単結晶のニッケル基材料と、第１のニッケル基ろう接合金と、第２のニッケル基ろう接合金とを含むものである。前記単結晶のニッケル基材料には、クロム、コバルト、チタン、タンタル等と共にタングステンを４〜６重量％含むことが記載されている。
また特開平９−１０８９１０号公報（特許文献２）には、Ｎｉ合金ロウ材を用いてダイヤモンド基焼結材料切刃片をろう付け接合する発明が開示されている。
特開２００７−１１９９２１号公報 特開平９−１０８９１０号公報

上記特許文献１には、修理用合金組成に含まれる３つの合金のうちの１つである単結晶のニッケル基合金にタングステンを含有させることが記載されている。しかしタングステンは、あくまで単結晶のニッケル基合金の合金成分として含まれるだけである。また主たる修理対象が単結晶材料で構成されたタービンエンジン部品である。このためタングステン焼結合金の補修部には向かず、耐ヒートチェック性や耐溶損性を十分に改良することができないと考えられる。
また上記特許文献２に開示されるＮｉ合金ろう材は、耐熱性材料であるダイヤモンド基焼結材料を接合するロウ材ではあるが、タングステン焼結合金の補修には耐ヒートチェック性や耐溶損性において問題が残る。

そこで本発明は上記従来のタングステン焼結合金製金型の補修用ロウの欠点を解消し、タングステン焼結合金製金型におけるクラック、溶損部、その他の損傷箇所である補修必要箇所を容易に補修することができると共に、タングステン焼結合金製金型そのものと同等の耐ヒートチェック性や耐溶損性を有する補修部を得ることができる金型補修用粉末と金型補修方法の提供を課題とする。

本発明者らは上記課題を解決すべく研究を行った結果、タングステン焼結合金製金型と熱膨張係数が近いタングステンそのものを粉として、Ｎｉロウの粉に混ぜてなる粉末を補修用粉末とすることで、上記の問題点を解消することが可能であることに気付き、本発明を完成した。
即ち、本発明の金型補修用粉末は、タングステン焼結合金製金型の補修を行うのに用いる金型補修用粉末であって、液相線温度が１０００℃以上のＮｉ系粉末ロウを６０〜９０重量％、粒径が５〜１５０μｍのタングステン粉末を１０〜４０重量％の割合で混合させてあることを第１の特徴としている。
また本発明の金型補修方法は、上記第１の特徴に記載の金型補修用粉末を、タングステン焼結合金製金型の補修必要箇所に充填し、非酸化雰囲気中で溶融、固化することを第２の特徴としている。
また本発明の金型補修方法は、上記第２の特徴に加えて、タングステン焼結合金製金型の補修必要箇所の周囲を耐熱性セラミックスで囲うことで補修必要箇所以外への漏れ、浸透を防止するようにしたことを第３の特徴としている。

請求項１に記載の金型補修用粉末によれば、液相線温度が１０００℃以上のＮｉ系粉末ロウにタングステン粉末を混合させてあるので、この粉末を用いてタングステン焼結合金製金型の補修必要箇所の補修を行うことにより、耐ヒートチェック性がよく且つ耐溶損性のよい補修部を得ることができる。即ち、１０００℃以上の液相線温度のＮｉ系粉末ロウと溶融温度の十分高いタングステン粉末との混合粉末であるので、得られる補修部が金型の使用温度に対しても十分な耐熱性を保持することから、耐溶損性の高い補修部を得ることができる。しかもタングステン粉末を加えることにより、補修部がもつ熱膨張係数をタングステン焼結合金製金型の熱膨張係数に近く調整することができ、よって補修部とその周囲の金型部分との熱膨張差を緩和できるので、ヒートチェックの発生や割れを抑制することができる。これにより耐久性のよい補修タングステン焼結合金製金型を得ることができる。

また請求項１に記載の金型補修用粉末によれば、Ｎｉ系粉末ロウを６０〜９０重量％、タングステン粉末を１０〜４０重量％の割合で混合させてあることにより、成分組成のそのような限定によってロウ付け用粉末としての十分な流動性、補修部充填性を確保しながら、且つ補修部のタングステン焼結合金製金型に対する熱膨張差緩和効果を発揮させることが可能となる。

また請求項１に記載の金型補修用粉末によれば、タングステン粉末の粒径を５〜１５０μｍに調整してあることにより、Ｎｉ系粉末ロウに対するタングステン粉末の均一分散性と得られる粉末のロウとしての流動性との両方を兼ね備えたものにすることができる。即ち、Ｎｉ系粉末ロウに加えられるタングステン粉末の粒径が小さいほど、より均一に分散させることができるが、一方、粒径が小さくなるほどロウの流動性が悪くなり、補修必要箇所への充填性能が悪くなる。本発明では混合するタングステンの粒径を上記の範囲にすることで、ロウとしての流動性を確保しながら良好なロウ付け、均一な組織、均一な熱膨張係数による熱膨張差緩和効果を得ることができる。

また請求項２に記載の金型補修方法によれば、請求項１に記載の金型補修用粉末を用い、且つこれを非酸化雰囲気中で溶融、固化するようにしているので、補修必要箇所に充填した粉末によるロウ付けの際、酸化が抑えられ、タングステン粉末が分散されたＮｉ系粉末ロウによる、良好なロウ付けが行われ、耐溶損性、耐ヒートチェック性のよい補修部を得ることが可能となる。

また請求項３に記載の金型補修方法によれば、上記請求項２に記載の構成による効果に加えて、タングステン焼結合金製金型の補修必要箇所の周囲を耐熱性セラミックスで囲うことで補修必要箇所以外への漏れ、浸透を防止するようにしたので、補修必要箇所以外で固化したロウを取り除く手間を無くすことができる。特に補修必要箇所での肉盛不足や厚み不足等のロウ付け不足を無くすことができる。

本発明の実施形態を以下に説明する。
本発明の実施形態に係る金型補修用粉末は、タングステン焼結合金製金型のクラック箇所や溶損部である補修必要箇所をロウ付け補修するのに用いられる粉末で、要するにＮｉ系粉末ロウにタングステン粉末を混合したものである。
Ｎｉ系粉末ロウにタングステン焼結合金金型に近い熱膨張係数を有するタングステン粉末を混合することで、補修部と金型本体との熱膨張差を緩和する。

ところで、Ｎｉ系粉末ロウとタングステン粉末の混合割合において、タングステン粉末の割合が多いほど、熱膨張差緩和効果が大きい。しかしタングステン粉末の割合を多くするほど、加熱処理時におけるロウの流動性が悪化するため、適切な混合割合で用いる必要がある。
また混合粉末における金型補修において、熱膨張差の緩和効果を安定して得るためには、補修におけるタングステン粉末が均一に分散していることが必要となる。
タングステン粉末の粒径が小さいほど均一に分散するのであるが、ロウの流動性はそれに反して悪化するため、適切な粒径を選択する必要がある。

上記補修の対象となるタングステン焼結合金は、タングステンを主成分とし、バインダーとして、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｏ等を１０％未満で用いた焼結合金である。低熱膨張、高熱伝導、機械的特性、切削加工性の観点からダイカスト金型に用いられる。

上記Ｎｉ系粉末ロウとしては、１０００℃以上の液相線温度を有するＮｉ系粉末ロウを用いる。
Ｎｉ系粉末ロウの粒径は、１５０μｍ程度のものを用いることができるが、補修必要箇所に要される精密性に応じて、適宜変更することが可能である。ただし、後述するタングステン粉末の粒径との関係では、タングステン粉末よりも大きいものを用いるのが好ましい。
前記液相線が１０００℃以上のＮｉ系粉末ロウとしては、ＪＩＳ規格のＢＮｉ−１、ＢＮｉ−１Ａ、ＢＮｉ−２、ＢＮｉ−３、ＢＮｉ−４、ＢＮｉ−５を用いることができる。
ここで、
ＢＮｉ−１ ：Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系で、液相線が約１０６０℃である。
ＢＮｉ−１Ａ：Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系で、液相線が約１０７５℃である。
ＢＮｉ−２ ：Ｎｉ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｂ−Ｆｅ系で、液相線が約１０００℃である。
ＢＮｉ−３ ：Ｎｉ−Ｓｉ−Ｂ系で、液相線が約１０４０℃である。
ＢＮｉ−４ ：Ｎｉ−Ｓｉ−Ｂ系で、液相線が約１０６５℃である。
ＢＮｉ−５ ：Ｎｉ−Ｃｒ−Ｓｉ系で、液相線が約１１３５℃である。

前記タングステン粉末は、補修箇所の熱膨張係数を低減し、金型本体との熱膨張差を緩和する機能を果たす。また補修箇所の耐熱温度を上げる機能を果たす。
タングステン粉末の混合割合は、Ｎｉ系粉末ロウ６０〜９０重量％に対してタングステン粉末を４０〜１０重量％混合させる。より具体的には、Ｎｉ系粉末ロウ６０〜９０重量％、残部をタングステン粉末としたものを用いることができる。
タングステン粉末が１０重量％未満の場合には、得られる補修部の熱膨張係数の低減化が不十分で、タングステン焼結合金製金型との熱膨張差を十分に緩和することができない。一方、タングステン粉末が４０重量％を超える場合には、ロウの流動性が悪化し、割れ易くなる。
タングステン粉末の粒径は、５〜１５０μｍに調整する。
タングステン粉末の粒径が５μｍ未満の場合は、均一的な分散には適しているが、ロウとしての流動性が悪化して、補修が好ましくできなくなる。一方、タングステン粉末の粒径が１５０μｍを超えると、補修部の損傷が容易に生じる問題がある。
勿論、タングステン粉末の粒径はＮｉ系粉末ロウの粒径以下とするのが好ましい。
タングステン粉末は、好ましくは、Ｎｉ系粉末ロウ６０〜９０重量％に対してタングステン粉末を４０〜１０重量％の混合で且つ粒径を５〜１５０μｍにするのがよい。

Ｎｉ系粉末ロウとＷ（タングステン）粉末の粉末混合割合を変えて、また１つの混合割合に対してＷ粉末の粒径を変更して試料１〜１９を作成した。
試料１〜１９ついて、タングステン焼結合金製金型に予め形成した補修必要箇所に、試料１〜１９を適用して補修を行い、補修ができたものについては更に５００ショットの鉄系材の成形を行った時点で補修部の損傷状態を観察した。結果を表１に示す。
表１において、補修そのものができなかったものについては「×」印を記す。また５００ショット成形後に割れが発生したものについては、「割れ発生」と記した。
なおＮｉ系粉末ロウとして、ＪｉＳ規格のＢＮｉ−２、粒径１５０μｍを用いた。またタングステン焼結合金製金型は、３〜７％程度の金属系バインダーを含むものを使用した。

表１の結果からわかるように、タングステン粉末を５〜４０重量％混合した場合は、タングステン粉末の粒径３μｍの場合に補修必要箇所の補修ができなかった。またタングステン粉末が５０重量％の場合は、タングステン粉末の粒径が１５０μｍの場合に補修必要箇所の補修ができなかった。これはタングステン粉末の粒径が小さくなることにより、粉末のロウ付け時の流動性が損なわれた結果であることがわかる。勿論、タングステン粉末の混合量が多くなりすぎても流動性が悪くなることを示している。
また補修部損傷状況に関しては、タングステン粉末の混合割合が０重量％及び５重量％のものは、全てのタングステン粉末粒径において、補修部の割れに至っている。これはタングステン粉末の混合割合が少ない場合には、熱膨張差緩和効果が十分に発揮されないことを示している。またタングステン粉末の混合割合が１０〜５０重量％の場合は、タングステン粉末粒径が２００μｍまで大きくなると、補修部に割れが生じている。これはタングステン粉末の粒径が大きくなると結果として、熱膨張差緩和効果が十分に発揮されないことを示している。
以上より、Ｎｉ系粉末ロウを６０〜９０重量％、残部を粒径５〜１５０μｍのタングステン粉末からなる粉末が、タングステン焼結合金製金型の補修において、熱膨張差緩和効果と補修必要箇所を良好に充填することができる流動性を両立することができることがわかる。

ところで金型の補修を行うにあたり、補修必要箇所以外の部分にロウが流動、浸透するのを防止し、補修必要箇所において必要な厚みの肉盛を得るために、耐熱性セラミックを用いた補修が有効である。セラミックスは粉末ロウの加熱処理温度以上、即ち１２００℃以上の耐熱性が必要である。補修方法は、補修必要箇所を耐熱性セラミックで囲い、補修必要箇所へ補修用の粉末を充填し、非酸化雰囲気で加熱処理を行う工程となる。加熱処理後（ロウ付け後）耐熱性セラミックを除去し、補修部を機械加工及び手作業により仕上げる。耐熱性セラミックを用いずに加熱処理を行うと、補修必要箇所以外の部分へ流動、浸透したろう材の除去を行わなければならず、また肉盛した補修部において必要な厚みを得ることができなくなる問題が生じ得る。

Claims (3)

1. タングステン焼結合金製金型の補修を行うのに用いる金型補修用粉末であって、液相線温度が１０００℃以上のＮｉ系粉末ロウを６０〜９０重量％、粒径が５〜１５０μｍのタングステン粉末を１０〜４０重量％の割合で混合させてあることを特徴とする金型補修用粉末。
2. 請求項１に記載の金型補修用粉末を、タングステン焼結合金製金型の補修必要箇所に充填し、非酸化雰囲気中で溶融、固化することを特徴とする金型補修方法。
3. タングステン焼結合金製金型の補修必要箇所の周囲を耐熱性セラミックスで囲うことで補修必要箇所以外への漏れ、浸透を防止するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の金型補修方法。