工具鋼と超硬合金のろう付け

1. ろう付け材料

（1）工具鋼や超硬合金のろう付けには、通常、純銅、銅亜鉛、銀銅などのろう材が使用されます。純銅は各種超硬合金との濡れ性が良好ですが、水素還元雰囲気中でろう付けすると最良の効果が得られます。同時に、ろう付け温度が高いため、接合部の応力が大きくなり、割れが発生しやすくなります。純銅でろう付けした接合部のせん断強度は約150MPaで、接合部の可塑性も高いですが、高温作業には適していません。

銅亜鉛ろう材は、工具鋼や超硬合金のろう付けに最も一般的に使用されるろう材です。はんだの濡れ性と接合部の強度を向上させるために、Mn、Ni、Feなどの合金元素がはんだに添加されることがよくあります。例えば、b-cu58znmnにw（MN）4％を添加すると、超硬合金ろう付け継手のせん断強度が室温で300〜320MPaに達します。320℃でも220〜240mpaを維持できます。b-cu58znmnをベースに少量のCOを添加すると、ろう付け継手のせん断強度が350Mpaに達し、高い衝撃靭性と疲労強度を備え、切削工具や岩盤掘削ツールの耐用年数が大幅に向上します。

銀銅ろう材の融点が低く、ろう付け接合部の熱応力が小さいため、ろう付け時の超硬合金の割れ発生を抑制するのに効果的です。はんだの濡れ性を向上させ、接合部の強度と作業温度を向上させるために、Mn、Niなどの合金元素がはんだに添加されることがよくあります。例えば、b-ag50cuzncdniはんだは超硬合金との濡れ性に優れており、ろう付け接合部は優れた総合特性を備えています。

上記3種類のろう材に加えて、500℃以上で作業し、高い接合強度が求められる超硬合金には、b-mn50nicucrcoやb-ni75crsibなどのMn基およびNi基のろう材を選択できます。高速度鋼のろう付けには、焼入れ温度に一致するろう付け温度を持つ特殊なろう材を選択する必要があります。このろう材は2種類に分けられます。1つはフェロマンガン系ろう材で、主にフェロマンガンとホウ砂で構成されています。ろう付け接合部のせん断強度は通常約100MPaですが、接合部に亀裂が生じやすくなります。もう1種類のNi、Fe、Mn、Siを含む特殊な銅合金は、ろう付け接合部に亀裂が生じにくく、せん断強度を300mpaまで高めることができます。

（2）ろう付け用フラックスとシールドガスろう付け用フラックスの選択は、溶接する母材とフィラーメタルに適合させる必要があります。工具鋼と超硬合金のろう付けでは、主にホウ砂とホウ酸をろう付け用フラックスとして使用し、フッ化物（KF、NaF、CaF2など）を添加します。銅亜鉛ろう付けにはfb301、fb302、fb105のフラックスを使用し、銀銅ろう付けにはfb101～fb104のフラックスを使用します。ホウ砂フラックスは、主に特殊なろう材を用いて高速度鋼をろう付けする際に使用されます。

ろう付け加熱中の工具鋼の酸化を防ぎ、ろう付け後の洗浄を省くため、ガスシールドろう付けを採用することができます。保護ガスは不活性ガスまたは還元ガスのいずれかを使用し、ガスの露点は-40℃以下とします。超硬合金は水素の保護下でろう付けすることができ、必要な水素の露点は-59℃以下とします。

2. ろう付け技術

工具鋼はろう付け前に洗浄する必要があり、加工面は材料やろう付けフラックスの濡れ広がりを良くするため、滑らかすぎる必要はありません。超硬合金の表面は、ろう付け前にサンドブラスト、または炭化ケイ素やダイヤモンド砥石で研磨し、表面の過剰な炭素を除去して、ろう付け時にろう材が濡れるようにする必要があります。炭化チタンを含む超硬合金は濡れにくいため、新しい方法で表面に酸化銅または酸化ニッケルペーストを塗布し、還元雰囲気下で焼成することで銅またはニッケルを表面に転移させ、強固なはんだの濡れ性を高めます。

炭素工具鋼のろう付けは、焼入れ工程の前、または同時に行うことが望ましい。焼入れ工程の前にろう付けを行う場合、使用するろう材の固相線温度は焼入れ温度範囲よりも高く、焼入れ温度まで再加熱しても溶接部が破損することなく十分な強度を維持できるようにする必要がある。ろう付けと焼入れを組み合わせる場合は、固相線温度が焼入れ温度に近いろう材を選択する必要がある。

合金工具鋼は幅広い成分から構成されています。良好な接合性能を得るには、鋼種に応じて適切なろう材、熱処理プロセス、そしてろう付けと熱処理を組み合わせた技術を決定する必要があります。

高速度鋼の焼入れ温度は、一般に銀銅や銅亜鉛ろうの融点よりも高いため、ろう付け前に焼入れを行い、二次焼戻し中または二次焼戻し後にろう付けする必要があります。ろう付け後に焼入れが必要な場合は、上記の専用ろう材のみをろう付けに使用できます。高速度鋼切削工具のろう付けには、コークス炉の使用が適切です。ろう材が溶融したら、切削工具を取り出し、すぐに加圧して余分なろう材を押し出し、油焼入れを行い、550～570℃で焼戻しを行います。

鋼製工具バーに超硬合金ブレードをろう付けする場合は、ろう付けギャップを広げ、ろう付けギャップにプラスチック製の補償ガスケットを使用する方法を採用し、溶接後にゆっくりと冷却することで、ろう付け応力を低減し、亀裂を防ぎ、超硬合金工具アセンブリの耐用年数を延ばす必要があります。

ファイバー溶接後、溶接部のフラックス残留物を温水または一般的なスラグ除去剤で洗浄し、適切な酸洗液で酸洗して工具母材の酸化皮膜を除去します。ただし、ろう付け接合部の金属腐食を防ぐため、硝酸溶液は使用しないでください。