硬化金属のプライマー

建設や鉱山で使用される機器のメンテナンスを支援する溶接工は、おそらくハードフェーシングのプロセスに精通しているでしょう。なぜなら、このプロセスは乱暴に使用されたコンポーネントの寿命を延ばすのに役立つからです。 ゲッティイメージズ

ハードフェーシングは、産業用部品や機器の摩耗を最小限に抑え、耐用年数を延ばすための費用対効果の高い方法です。 一見、ハードフェイシングは混乱して面倒なように思えますが、事実を知ればそんなことはありません。

よくある 22 の質問に対する次の回答は、技術の基本を理解し、用途に最適なハードフェーシング製品を選択するのに役立ちます。

金属部品は、破損することが原因ではなく、摩耗、衝撃、または金属同士の接触によって摩耗し、寸法や機能が失われることが原因で本来の用途に失敗することがよくあります。 硬化表面仕上げとしても知られる硬化仕上げは、部品の寿命を延ばすために、溶接によって部品の表面に肉盛りまたは耐摩耗性の溶接金属を適用することです。 溶接金属は、固体表面として、またはワッフル、ヘリンボーン、ドット パターンなどのパターンで適用できます。

磨耗にさらされる機器を保護するために、多くの産業にとってハードフェーシングの重要性がますます高まっています。 摩耗部品の寿命を延ばすことで、数千ドルを節約し、生産性を向上させることができます。 ハードフェーシングは、すでに摩耗にさらされて耐用年数を失った部品を再調整するために使用できます。また、新しい部品の製造に使用して、使用前に寿命を延ばすこともできます。 ハードフェーシング用途の主なタイプは次の 3 つです。

ビルドアップまたはリビルド。

硬化肉盛またはオーバーレイ。

ビルドアップとオーバーレイの組み合わせ。

炭素含有量が 1% 未満の炭素鋼および低合金鋼は硬化面処理が可能です。 中炭素鋼および低合金鋼は、軟鋼よりも強度が高く、耐摩耗性に優れているため、非常に一般的です。 高炭素合金には特別な緩衝層が必要な場合があります。 ステンレス鋼、マンガン鋼、炭素鋼および合金鋼、鋳鉄、ニッケル基合金、銅基合金などの卑金属に硬化面処理を施すことができます。

炭素鋼および低合金鋼は磁性が強く、非磁性のオーステナイト系マンガン鋼と簡単に区別できます。 多くの低合金鋼や高炭素鋼は、装置やスペアパーツ、特に高い強度と耐摩耗性を必要とする装置の製造に使用されています。 これらは簡単には区別できませんが、適切な予熱温度と後加熱温度を決定するために識別する必要があります。

合金含有量が増加するにつれて、予熱と後熱の必要性がより重要になります。 たとえば、4130 で作られた鋼は一般に 400 度の予熱が必要です。レールに使用される鋼は通常高炭素であり、最低でも 600 ～ 700 度の予熱が必要です。マンガン鋼は予熱を必要としません。 実際、母材の熱を 500 °F 以下に保つための措置を講じる必要があります。

図1ハードフェーシングの経済性に影響を与える要因は数多くありますが、主要な要因は堆積速度であり、ここで各プロセスについて推定されています。

一般的な順に、硬化肉盛を適用するには次の溶接プロセスが使用されます。

オープンアークまたはガスシールド硬化肉盛ワイヤを使用したフラックス入りアーク溶接 (FCAW)

ガスシールドワイヤを使用したガスメタルアーク溶接 (GMAW)

被覆アーク溶接(SMAW)

サブマージアーク溶接（SAW）

ガスタングステンアーク溶接（GTAW）

酸素燃料溶接（OFW）または酸素アセチレン溶接

プラズマ転写アーク溶接、レーザー溶接、溶射、スプレーアンドヒューズ

現在の傾向は、FCAW と GMAW を使用した半自動および自動溶接プロセスの使用に向かっており、普及度の点ではほぼ同じです。 ソリッドワイヤまたはメタルコア溶接ワイヤを使用する GMAW ではガスシールドが必要ですが、FCAW ではオープンアークまたはガスレスで使用される溶接ワイヤとガスシールドが必要です。 フラックスコーティングされた電極を備えた SMAW は、装置が安価で持ち運び可能なため、特に現場でのハードフェーシング用途で依然として非常に人気があります。

溶接プロセスを選択するときは、次の要素を考慮してください。

電源のサイズを含む溶接機器の入手可能性

スティック電極または半自動ワイヤーの使用

硬化肉盛用消耗品の入手可能性

溶接材料のサイズ

ガスシールド線、オープンアーク線、サブマージドアーク線の使用

オペレータースキルが利用可能

溶接場所 - 屋内または屋外

コンポーネントのサイズと形状、および表面硬化する領域

堆積物の厚さ

成膜速度

溶接位置

機械加工要件

ご希望の仕上がり

事前に硬化処理を施した部品の部品準備

• 予熱および溶接後処理 (焼き戻し/徐冷/空冷)

最も一般的な摩耗の 3 つのタイプは次のとおりです。

すべての摩耗ケースの 40 ～ 50 パーセントを占める摩耗は、穀物、土や砂、石炭、鉱物などの材料が金属表面を滑るときに発生します。 アブレシブ摩耗は、ガウジング摩耗、高応力研削摩耗、および低応力スクラッチ摩耗に分類できます。

衝撃摩耗 (20%) は、破砕機の部品やマンガン踏切の上を転がる鉄道車両の車輪など、物体が別の物体に衝突したときに発生し、その結果、材料が剥離または剥離します。

凝着摩耗 (金属間) (15%) は、2 つの金属表面が圧力下で相互にスライドし、摩擦熱によって微細溶接状態が生じるときに発生します。 これは通常、潤滑されていない状態または乾燥した状態で発生します。

熱と腐食は他の 2 つのタイプの摩耗であり、それぞれが全ケースの約 5% を占めます。

ほとんどの摩耗部品は、衝撃などの単一の種類の摩耗によって破損するのではなく、摩耗と衝撃などの組み合わせによって破損します。 たとえば、採掘バケットの歯は通常、摩耗と衝撃の両方にさらされますが、一方のタイプが他方よりも優勢である可能性があります。 摩耗の種類によって、どの硬化表面溶接製品が使用されるかが決まります。 用途に最適な硬化合金を選択するには、摩耗モードを決定し、部品がさらされる環境を理解することが重要です。

鉄基合金は、次の 4 つの主要なカテゴリに分類できます。

マルテンサイト系。 このグループには、20 ～ 65 HRC のロックウェル硬度を持つすべての焼入れ可能な鋼が含まれます。 これらの合金は工具鋼と同様、冷却すると硬化します。 金属同士の接触や摩耗に優れています。 また、大きな衝撃にも耐えることができます。 HRC が 45 未満の合金は一般に、硬化肉盛前の肉盛または寸法の復元に使用され、部品は溶接後に機械加工する必要があります。 耐摩耗性を高めるために、50 HRC を超える高硬度のマルテンサイト合金が使用されています。

オーステナイト系。 オーステナイト合金には、加工硬化マンガン鋼やステンレスが含まれます。 これらの合金は一般に溶接時には柔らかく、溶接金属が繰り返しの衝撃を受けて加工された後にのみ硬化します。 優れた衝撃特性と適度な耐摩耗性を備えています。 オーステナイト系マンガン鋼は一般に、破砕機、鉄道線路のカエルや踏切、シャベルの歯の周囲で見られます。

金属炭化物と軟質オーステナイト母材。 これらの合金は、より柔らかいマトリックス中に大量の金属炭化物を含んでおり、過酷な摩耗用途に適しています。 大量のクロムと炭素を含む合金、つまり炭化クロム系は、鋳鉄または白鉄に近いものです。 追加量のニオブやバナジウムが含まれる場合があります。 硬度は 40 ～ 65 HRC です。 タングステンと炭素を大量に含む合金、つまりタングステンカーバイド系合金には、ホウ化物を形成する少量のホウ素が含まれる場合があり、激しい摩耗用途に適しています。

硬質マルテンサイト母材中の金属炭化物。 マルテンサイト マトリックスは本質的に 45 ～ 60 HRC の硬度を持つ工具鋼です。 これらの合金には、ニオブ、バナジウム、モリブデン、またはチタンが添加されています。 適切な手順を行えば、通常は応力亀裂を発生させることなく適用できます。

多くの炭化クロム合金は、適度な温度まで冷却すると亀裂が発生しますが、これは正常です。 オーステナイト族やマルテンサイト族などの他の族は、適切な溶接手順を適用すれば亀裂が発生しません。

チェッククラック、つまりチェックが発生すると、ビードの長さに対して垂直にクラックが発生します。 通常、3/8 ～ 2 インチの間隔で発生し、冷却時の溶接金属の収縮によって引き起こされる高い応力によって生じます。 亀裂は溶接ビードの厚さ全体に広がり、母材が脆くない限り母材で止まります。 母材の金属が硬いか脆い場合は、オーステナイト合金など、より柔らかくて丈夫な溶接金属の緩衝層を選択します。

一般に、クロム炭化物は、多量のクロム (15 パーセント以上) と炭素 (3 パーセント以上) を含む鉄ベースの合金です。 これらの元素は、摩耗に強い硬質炭化物を形成します。 堆積物は約 1/2 インチごとに頻繁に確認亀裂を生じ、溶接による応力を軽減します。 摩擦係数が低いため、滑りの良い材料が必要な用途にも適しています。

一般に、耐摩耗性はカーボンとクロムの量が増加すると増加しますが、カーボンの影響が最も大きくなります。 硬度値は 40 ～ 65 HRC です。 また、高温用途での耐摩耗性の向上に役立つ他の炭化物またはホウ化物を形成する可能性のある他の元素も含まれる場合があります。 これらの合金は 2 層または 3 層に限定されます。

複合炭化物は一般に、コロンビウム (ニオブ)、モリブデン、タングステン、またはバナジウムが添加された炭化クロム堆積物と関連付けられます。 これらの元素と炭素は、それ自身の炭化物を形成したり、現在の炭化クロムと結合して合金の全体的な耐摩耗性を高めます。 これらの要素をすべて含めることも、1 つまたは 2 つだけ含めることもできます。 摩耗が激しい用途や高熱の用途に使用されます。

これらの工具鋼合金には、チタン、ニオブ、またはバナジウムの緻密に詰まった炭化物が多数含まれています。 マルテンサイトの炭化物は、優れた摩耗特性を備えた亀裂のない堆積物が必要な用途に最適です。 溶接溶着物は一般に、炭化クロム硬化肉盛製品に期待されるのと同じ耐摩耗特性を示します。 これらの合金は亀裂が発生しないため、再適用が容易になる傾向があります。

炭化タングステン埋め込みとも呼ばれるこのプロセスでは、炭化タングステン粒子がホッパーから PS98 の溶融溶接溜まりに直接供給されます。 溶接ビードが冷えると、得られる溶接溶着物には、55 ～ 60 HRC の工具鋼マトリックスに埋め込まれた大量の炭化タングステン粒子が含まれます。 これらの非常に硬く耐摩耗性の粒子は、多くの困難で摩耗性の高い用途において、ブルドーザーやグレーダーのブレード、ドラグラインやローダーのバケット、さまざまなタイプのハンマーを早期摩耗から保護します。

岩石の多い土、鉱石、またはスラグでの作業の目的は、金属表面をその上の岩の動きによって引き起こされる摩耗から保護することです。 これは、レールのように材料の流れと平行に一連の尾根または溶接ビードを適用することで実現でき、岩だらけの土壌が表面に接触するのを防ぎます。

土や砂の中で作業する場合は、硬化表面溶接ビードを 1/4 ～ 11/2 インチの間隔で垂直に、または研磨材の流れに逆らって塗布します。 溶接ビード間で材料を強制的に圧縮すると、粒子の細かい砂や土の場合に効果的です。 激しい磨耗はしないが磨耗しやすい部分、または溶接部分が届きにくい部分にドットパターンを適用します。

母材の過熱による歪みや反りが問題になる可能性がある場合、薄い母材にもドットパターンが使用されます。 粘土分を含む土壌で作業する場合、目標は、表面に土壌を捕捉し、その下の表面を保護する捕捉された土壌の層を形成する硬化パターンを使用することです。 これは、クロスハッチまたはワッフル パターンで行うのが最適です。 このパターンは、細かい土壌と粗い土壌が混在している場合にもうまく機能します。

いいえ、マルテンサイト合金と炭化クロム合金は同じ硬度 (たとえば 58 HRC) を持ちますが、同じ研磨条件下では性能が大きく異なります。 クロム炭化物合金は、マルテンサイト合金よりも優れた耐摩耗性を提供します。 冶金学的微細構造はより優れた物差しですが、常に利用できるとは限りません。

摩耗を予測するために硬度を使用できるのは、評価対象の合金が同じ族内にある場合のみです。 たとえば、マルテンサイト族では、55 HRC 合金の方が 35 HRC 合金よりも優れた耐摩耗性を備えています。 これは、オーステナイト系または金属炭化物系のいずれにも当てはまる場合とそうでない場合があります。 繰り返しますが、微細構造を考慮する必要があります。

これは関与する摩耗の種類によって異なりますが、最も主要な摩耗メカニズムである摩耗の場合、ASTM Intl. G65 乾式砂ゴムホイール試験は広く使用されています。 サンプルは試験の前後に計量され、結果は通常、重量損失または体積損失のグラム数で表されます。 サンプルは、設定された回転数の間、既知の力で回転ゴムホイールに対して保持されます。 慎重にサイズ調整された特定の種類の砂が、サンプルとゴムホイールの間に滴下されます。 これは純粋な摩耗をシミュレートし、数値は材料選択のガイドラインとして使用されます。

低浸透と低希釈が硬化肉盛の主な目的であるため、通常、純粋なアルゴン、またはアルゴンと酸素または二酸化炭素との混合物が望ましい結果をもたらします。 純粋な CO2 を使用することもできますが、アルゴン混合物を使用する場合よりも多くのスパッタが発生する可能性があります。

溶接ワイヤは、溶接アーク全体に溶融金属のスプレー移動または球状 (ボール) 移動を生成します。

スプレー転写は、微細な溶融金属滴を分散させたもので、滑らかな音の転写が特徴です。 これらのワイヤは、良好な貫通力が必要な接合用途に適しています。

ボール移送ワイヤは、より大きな溶融金属滴またはボールを分散させます。 このタイプの転写は浸透と希釈が低く、硬化肉盛に適しています。 アークはノイズが多く、パチパチという可聴音を発生し、一般にスプレー移送ワイヤよりもスパッタ レベルが高くなります。 電気的突き出し、ガス、アンペア数、電圧などの溶接パラメータは、ボールのサイズとその移動に影響を与える可能性があります。 ガスレスワイヤまたはオープンアークワイヤはすべて、球状またはボール転送を行います。

熱影響部の亀裂は、低合金鋼や高炭素鋼、応力の高い部品、複雑な形状の部品を溶接するときに常に懸念されます。 一般に、すべての部品は少なくとも室温で溶接する必要があります。 使用している卑金属の化学的性質と硬化肉盛製品によっては、より高い予熱温度とパス間温度が必要になる場合があります。

高炭素鋼には予熱が必要です。 たとえば、4130 で作られた鋼は通常 400 度 F の予熱が必要です。レール用の鋼は通常高炭素であり、最低でも 600 ～ 700 度 F の予熱が必要です。

マンガン鋼と一部のステンレス鋼は予熱を必要とせず、溶接温度をできるだけ低く保つ必要があります。 実際、マンガンベースメタルを 500 度 F 未満に保つように努める必要があります。亀裂や剥離を防ぐための最適な組み合わせについては、製造元に問い合わせてください。

クロム炭化物および複合炭化物は一般に、適用できる層の数が制限されています。 金属炭化物の脆い性質によりチェッククラックが発生し、複数の層が適用されると応力が蓄積し続け、親金属またはバッファと硬化肉盛層の間に分離または剥離が発生するまでチェッククラックの根元に集中します。

メーカーが別途指定しない限り、正しい手順を行えば、マルテンサイト硬化合金を複数の層で塗布できます。 オーステナイト系マンガン硬化肉盛製品は、メーカーが別途指定しない限り、無制限の層で塗布できます。 さらに多くの層が必要な場合は、ビルドアップまたは緩衝合金を使用してください。

21. ビルドアップ合金と緩衝合金とは何ですか?

ビルドアップ合金と緩衝合金は、硬度と強度において親金属合金と同様です。 これらは、溶接後に機械加工を使用する必要がある場合に、ひどく摩耗した部品に適用され、寸法を戻すために使用されます。 硬度は 30 ～ 45 HRC で、後続のより耐摩耗性の硬化肉盛層の緩衝材として使用されます。 硬化合金がチェッククラックを生成する場合は、強靭なマンガン製品を緩衝材として使用して、チェッククラックが母材に侵入するのを鈍くし、阻止します。

軟鋼電極やワイヤーは、ビルドアップや緩衝層として決して使用しないでください。 軟鋼溶接製品は接合や加工には優れていますが、硬化肉盛をサポートする強度と硬度がありません。 柔らかい軟鋼の緩衝層が硬化表面層の下で崩壊し、硬化表面層が剥がれて破損する原因となります。

22. 鋳鉄に表面硬化処理はできますか?

はい、ただし予熱温度とパス間温度を必ず考慮してください。 ニッケルおよびニッケル鉄製品は通常、鋳鉄の再構築に適しています。 母材の炭素含有量の影響を受けず、延性を保ちます。 複数のレイヤーが可能です。 さらなる摩耗保護が必要な場合は、ニッケルまたはニッケル鉄の堆積物の上に金属炭化物製品を使用すると効果的です。

これらのよくある質問は、ハードフェイシングへの取り組みを始めたばかりです。 ハードフェーシング製品のメーカーと専門家は、ハードフェーシングについてのより深い理解に貢献し、お客様の用途に適した製品とプロセスの選択を支援します。

Bob Miller は、Postle Industries Inc. (5500 W. 164th St., Cleveland, OH 44142, 216-265-9000, postle.com) の材料およびアプリケーション エンジニアでした。