耐摩耗性溶接ワイヤのコア技術：高炭素クロム鉄粉が耐摩耗性を高める仕組み

I. 耐摩耗性溶接ワイヤの耐摩耗性に及ぼす主要な影響因子の分析

1.1 溶接ワイヤマトリックス材料の組成と微細構造

溶接ワイヤのマトリックス材料は耐摩耗性溶接ワイヤの基礎であり、その化学組成と微細構造は溶着金属の耐摩耗性に根本的な影響を及ぼします。化学組成の観点から見ると、マトリックス材料中の炭素、マンガン、シリコンなどの元素は、溶接ワイヤの溶接プロセス性能に影響を与えるだけでなく、強化材中の元素と相互作用して溶着金属中の強化相の形成と分布を制御します。例えば、炭素はクロムやタングステンなどの元素と炭化物を形成し、マンガンは溶融池の流動性を向上させ、溶接継手の緻密性を高めます。微細構造の観点から見ると、マトリックス材料の粒径と相組成は、溶着金属の初期の機械的特性を直接決定します。細粒構造のマトリックス材料は、一般的に強度と靭性が高く、強化相の均一な分布を担う優れた担体となります。さらに、マトリックス中のパーライトやフェライトなどの相の割合も、溶着金属の硬度と耐摩耗性に影響を与えます。マトリックスの微細構造を合理的に制御することが、耐摩耗性を向上させるための重要な基礎となります。

1.2 合金強化相の種類と分布規則

合金強化相は耐摩耗性溶接ワイヤの耐摩耗性を向上させるための中核要素であり、その種類、量、サイズ、および分布状態が耐摩耗性向上の効果を直接的に決定します。耐摩耗性溶接ワイヤの溶着金属において、一般的な合金強化相には主に炭化物、窒化物、ホウ化物などが含まれます。その中でも炭化物相は硬度と安定性が高いため広く使用されています。炭化物相の種類によって硬度と安定性が異なります。例えば、Cr₇C₃の硬度は1800～2200 HVに達し、マトリックス材料の硬度をはるかに上回り、耐摩耗性の向上に大きな効果を発揮します。さらに、合金強化相の分布則も重要です。均一に分散した強化相は、研磨粒子の動きをより効果的に妨げ、過度の局所摩耗を回避できます。逆に、強化相の凝集や偏析は、溶着金属の性能を不均一にし、耐摩耗性と靭性を低下させます。したがって、合金強化相の種類を合理的に選択し、技術的手段によってそれらの均一な分布を制御することが、耐摩耗性溶接ワイヤの耐摩耗性を向上させるための鍵となります。

1.3 溶接プロセスによる溶着金属の耐摩耗性の制御機構

溶接プロセスは、溶接ワイヤと母材を接合し、堆積金属を形成する重要なプロセスです。そのプロセスパラメータ（溶接電流、電圧、溶接速度、シールドガスの種類など）は、堆積金属の化学組成、微細組織、耐摩耗性に重要な制御役割を果たします。溶接電流と電圧の大きさは溶接入熱に直接影響し、溶融池の温度と冷却速度に影響を与えます。入熱が高いと溶融池の温度が上昇し、堆積金属の結晶粒が粗大化し、強化相が過剰に溶解するため、硬度と耐摩耗性が低下します。一方、入熱が低いと溶接が不十分になり、溶け込み不良やスラグの巻き込みなどの欠陥が発生し、堆積金属の性能にも影響を与えます。溶接速度は堆積金属の成形品質と冷却速度に影響を与えます。適切な溶接速度は、堆積金属の均一な厚さと緻密な組織を確保します。シールドガスの種類と流量は、主に溶融池の酸化を防止し、溶接プロセスの安定性を確保し、酸化物が溶着金属の性能に悪影響を及ぼすのを回避するために使用されます。したがって、溶接プロセスパラメータを最適化し、溶着金属の微細構造を正確に制御することは、耐摩耗性溶接ワイヤの耐摩耗性を向上させるための重要な保証となります。

1.4 耐摩耗性に関するコア評価指標と標準化試験方法

耐摩耗性溶接ワイヤの耐摩耗性を正確に評価することは、技術研究開発と応用を促進するための基礎です。現在、業界では一連の中核評価指標と標準化された試験方法が形成されています。中核評価指標には、主に硬度、摩耗損失、相対摩耗抵抗などが含まれます。硬度は、材料の局所的な変形と摩耗に対する耐性を測定する重要な指標であり、通常、ブリネル硬度（HB）、ロックウェル硬度（HRC）、またはビッカース硬度（HV）法で試験されます。高硬度の堆積金属は、一般に耐摩耗性が優れています。摩耗損失とは、特定の摩耗条件下での材料の質量損失または体積損失を指し、摩耗損失が小さいほど、材料の耐摩耗性が優れています。相対摩耗抵抗は、試験材料の摩耗損失を標準材料の摩耗損失と比較することによって得られ、試験材料の耐摩耗性の利点をより直感的に反映できます。標準化された試験方法には、主に研磨摩耗試験、衝撃摩耗試験、滑り摩耗試験などが含まれます。異なる試験方法によって異なる摩耗条件がシミュレートされるため、異なる使用条件下における耐摩耗性溶接ワイヤの耐摩耗性を総合的に評価することができます。例えば、研磨摩耗試験は主に鉱山機械の研磨切削動作をシミュレートし、衝撃摩耗試験は衝撃と摩耗の複合作用を受ける建設機械の動作条件をシミュレートします。標準化された試験方法と評価指標を通じて、耐摩耗性溶接ワイヤの性能比較や技術研究開発に客観的かつ正確なデータサポートを提供することができます。

II. 耐摩耗性溶接ワイヤ用高炭素クロム鉄粉の製造プロセスと適用技術

2.1 耐摩耗性溶接ワイヤ製造プロセスと高炭素クロム鉄粉添加法の最適化

2.1.1 フラックス入り溶接ワイヤにおける高炭素クロム鉄粉の配合設計と均一混合プロセス

フラックス入り溶接ワイヤは、高炭素クロム鉄粉のキャリアとして最も広く使用されているものの1つです。その製造工程において、高炭素クロム鉄粉の配合設計と均一混合工程は、溶接ワイヤの性能を確保するための鍵となります。配合設計においては、目標とする耐摩耗性、溶接プロセス性能、および溶接ワイヤの総合的な機械的特性要件に応じて、高炭素クロム鉄粉とその他の成分（鉄粉、フェロマンガン、フェロシリコン、グラファイト、スラグフォーマーなど）の配合比率を合理的に決定する必要があります。高炭素クロム鉄粉の配合比率が低すぎると、炭化物相の形成が不十分になり、強化効果が不十分になります。配合比率が高すぎると、堆積金属の靭性が低下し、溶接割れの感受性が高まり、コストも上昇します。一般的に、フラックス入り溶接ワイヤ中の高炭素クロム鉄粉の割合は20％～40％に制御するのが合理的です。均一混合プロセスの観点から、フラックス入りワイヤ内の高炭素クロム鉄粉の均一な分布を確保するには、効率的な混合装置と合理的な混合プロセスを採用する必要があります。現在、一般的に使用されている混合装置には、円錐ミキサーと二重らせんミキサーがあります。混合プロセス中は、混合時間や回転速度などのパラメータを制御し、混合の不均一や粒子の凝集を防ぐ必要があります。さらに、混合前に高炭素クロム鉄粉などの成分を乾燥させて水分や不純物を取り除き、溶接ワイヤの混合品質と溶接プロセス性能を確保する必要があります。

2.1.2 固体溶接ワイヤ表面への高炭素クロム鉄粉コーティングの製造技術

フラックス入り溶接ワイヤに加え、高炭素クロム鉄粉を含むコーティング材でソリッド溶接ワイヤの表面にコーティングすることも、高炭素クロム鉄粉の重要な応用形態です。この製造技術の核心は、高炭素クロム鉄粉をバインダーやその他の合金元素と混合し、特定の技術的手段でコーティング材を調製し、ソリッド溶接ワイヤの表面に均一にコーティングし、乾燥・硬化後に一定の厚さと強度を持つコーティング層を形成することです。この技術の鍵は、コーティング材の配合設計とコーティングプロセスの最適化にあります。コーティング材の配合においては、目標性能に応じて高炭素クロム鉄粉の含有量を適切に調整する必要があります。バインダーは、溶接プロセス中にコーティング材が脱落したり分解したりしないように、優れた接着強度と高温安定性を備えていなければなりません。コーティングプロセスとしては、ディップコーティング、スプレーコーティング、ロールコーティングなどが一般的です。ディップコーティング法はプロセスが簡単でコストが低いという利点がありますが、コーティング厚さの均一性は劣ります。スプレーコーティング法は均一なコーティング厚さを得ることができますが、設備コストが高くなります。ロールコーティング法は、工程が簡単で膜厚が均一であるという利点を併せ持つため、広く使用されています。さらに、コーティングの乾燥・硬化プロセスも重要であり、コーティングの強度と安定性を確保し、溶接工程中の欠陥を回避するために、温度と時間を適切に制御する必要があります。

2.2 高炭素クロム鉄粉添加量の最適化に関する実験的研究

2.2.1 添加量による溶接ワイヤの堆積効率への影響

高炭素クロム鉄粉の添加量は、溶着金属の耐摩耗性に影響を与えるだけでなく、溶接ワイヤの溶着効率にも大きな影響を与えます。溶着効率は、溶接ワイヤの溶接性能を測る重要な指標であり、単位時間あたりに消費される溶接ワイヤの質量に対する溶着金属の質量の比を指します。多くの実験研究により、高炭素クロム鉄粉の添加量と溶着効率の間には非線形関係があることが分かっています。添加量が少ない場合、高炭素クロム鉄粉は溶着効率にほとんど影響を与えません。添加量が増加すると、高炭素クロム鉄粉中の一部の元素が溶融池の流動性を改善し、溶接ワイヤの溶融と溶着を促進するため、溶着効率は徐々に向上します。しかし、添加量が一定の閾値を超えると、溶着効率は低下し始めます。これは、高炭素クロム鉄粉の密度が高いため、過剰に添加すると溶接ワイヤの溶融速度が遅くなるためです。一方、炭化物相が過剰に形成されると溶融池の粘度が上昇し、堆積金属の流動性と成形性が阻害されます。そのため、高い堆積効率を考慮しつつ、堆積金属の耐摩耗性を確保するためには、最適化実験を通じて高炭素クロム鉄粉の最適な添加範囲を決定する必要があります。

2.2.2 異なる添加量による堆積金属の耐摩耗性の進化則

高炭素クロム鉄粉の添加量の違いにより、溶着金属の耐摩耗性は明らかな変化則を示す。試験結果によると、高炭素クロム鉄粉の添加量が増加すると、溶着金属中の炭化物相の数が徐々に増加し、硬度と耐摩耗性もそれに応じて増加する。添加量が一定量に達すると、溶着金属の硬度と耐摩耗性はピークに達する。添加量をさらに増加させても、溶着金属の硬度と耐摩耗性は向上せず、むしろ低下し、靭性も著しく低下する。これは、添加量が多すぎると炭化物相の数が過剰になり、凝集・偏析が生じ、溶着金属の微細構造が不均一になり、局所的な応力集中が生じるためである。摩耗過程では、亀裂が発生しやすくなり、摩耗破壊が促進される。また、炭化物相が過剰になると、溶着金属の溶接工程の性能も低下し、溶接亀裂のリスクも増加する。したがって、実験を通じて高炭素クロム鉄粉の最適な添加量を決定することが、堆積金属の耐摩耗性と総合的な機械的特性とのバランスを実現するための鍵となります。

2.3 高炭素クロム鉄粉と溶接ワイヤの他の成分との適合性制御技術

高炭素クロム鉄粉と溶接ワイヤの他の成分（マトリックス金属、他の合金元素、スラグ形成剤、脱酸剤など）との適合性は、溶接ワイヤの溶接プロセス性能および溶着金属の性能に直接影響します。したがって、良好な適合性を確保するために、効果的な制御技術を採用する必要があります。まず、成分選択の観点から、高炭素クロム鉄粉の化学組成と物理的特性に応じて、他の成分を合理的に選択する必要があります。例えば、脱酸剤として優れた脱酸能力を持つフェロマンガン、フェロシリコンなどを選択すると、溶融池内の酸素を効果的に除去し、酸素とクロム間の酸化物の形成を回避し、炭化物相の形成への影響​​を防ぐことができます。適切なスラグ形成剤を選択することで、溶接プロセス中に良好なスラグの形成を確保し、溶融池と溶接継目を保護し、欠陥の発生を低減することができます。第二に、比率調整の観点からは、特定の成分の過剰または不足によって引き起こされる適合性の問題を回避するために、実験を通じて各成分の比率を最適化する必要があります。例えば、スラグ形成剤の比率が高すぎるとスラグが過剰になり、溶着金属の形成に影響を与える可能性があります。一方、脱酸剤の比率が不足すると、有害元素を効果的に除去できません。さらに、適切な量のマスター合金または希土類元素を添加することで、各成分間の相互作用を改善し、適合性を高めることができます。希土類元素は優れた精製および改質効果を有し、結晶粒の微細化、炭化物相の分布の改善、各成分間の結合力の向上、そして溶接ワイヤの総合的な性能の向上をもたらします。