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、銀銅のろう付け用フィラー金属が使用されます。純銅はあらゆる種類の超硬合金に対して良好な濡れ性を示しますが、水素の還元雰囲気中でろう付けすることで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、亀裂発生傾向が高まります。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。ろうの濡れ性と接合部の強度を向上させるために、ろう材にはマンガン、ニッケル、鉄などの合金元素が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、超硬合金ろう付け接合部のせん断強度が室温で300～320MPaに達し、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、ろう付け接合部のせん断強度が350MPaに達し、高い衝撃靭性と疲労強度が得られ、切削工具や岩盤掘削工具の耐用年数を大幅に向上させることができます。

銀銅ろう付け用フィラーメタルの融点が低いことと、ろう付け接合部の熱応力が小さいことは、ろう付け中の超硬合金の割れやすさを低減するのに有利です。ろうの濡れ性を向上させ、接合部の強度と使用温度を向上させるために、マンガン、ニッケルなどの合金元素がろうに添加されることがよくあります。例えば、b-ag50cuzncdniろうは超硬合金に対して優れた濡れ性を持ち、ろう付け接合部は良好な総合特性を示します。

上記の 3 種類のろう付け用フィラー メタルに加えて、500 ℃ を超える温度で高接合強度を必要とする超硬合金の加工には、b-mn50nicucrco や b-ni75crsib などの Mn ベースおよび Ni ベースのろう付け用フィラー メタルを選択できます。高速度鋼のろう付けには、焼入れ温度に合うろう付け温度の特殊なろう付け用フィラー メタルを選択する必要があります。このフィラー メタルは 2 つのカテゴリに分けられます。1 つはフェロマンガンタイプのフィラー メタルで、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一般的に約 100MPa ですが、接合部に亀裂が生じやすいです。もう 1 つは Ni、Fe、Mn、Si を含む特殊な銅合金で、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）ろう付けフラックスおよびシールドガスろう付けフラックスの選択は、溶接する母材および溶加材に合わせて行う。工具鋼および超硬合金をろう付けする場合、使用するろう付けフラックスは主にホウ砂およびホウ酸であり、フッ化物（KF、NaF、CaF2など）が添加される。銅亜鉛ろう付けにはfb301、fb302、fb105フラックスが使用され、銀銅ろう付けにはfb101～fb104フラックスが使用される。ホウ砂フラックスは、主に特殊ろう付け溶加材を使用して高速度鋼をろう付けする場合に使用される。

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不要にするために、ガスシールドろう付けを用いることができる。保護ガスとしては不活性ガスまたは還元ガスを用いることができ、ガスの露点は-40℃以下でなければならない。超硬合金は水素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℃以下でなければならない。

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、加工面は材料とろう付けフラックスの濡れと広がりを容易にするためにあまり滑らかにす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するか、炭化ケイ素またはダイヤモンド砥石で研磨して表面の過剰な炭素を除去し、ろう付け中にろう付けフィラー金属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です。新しい方法では、酸化銅または酸化ニッケルペーストを表面に塗布し、還元雰囲気で焼成して銅またはニッケルを表面に移行させ、強力なろうの濡れ性を向上させます。

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のが好ましい。焼入れ工程の前にろう付けを行う場合は、使用するろう材の固相線温度が焼入れ温度範囲よりも高いものでなければならない。そうすることで、溶接部が焼入れ温度まで再加熱された際にも破損することなく十分な強度を維持できる。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、幅広い構成成分を有しています。良好な接合性能を得るためには、鋼種に応じて適切なろう付け用フィラーメタル、熱処理工程、およびろう付けと熱処理工程を組み合わせる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的に銀銅や銅亜鉛はんだ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を行う必要があります。ろう付け後に焼入れが必要な場合は、上記の特殊なろう付け用フィラーメタルのみをろう付けに使用できます。高速度鋼切削工具をろう付けする場合は、コークス炉を使用するのが適切です。ろう付け用フィラーメタルが溶けたら、切削工具を取り出してすぐに加圧し、余分なろう付け用フィラーメタルを押し出し、油焼入れを行い、その後550～570℃で焼戻しを行います。

超硬合金製の刃を鋼製のツールバーにろう付けする際には、ろう付けギャップを広げ、その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、超硬合金製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、溶接部に残ったフラックス残渣を温水または一般的なスラグ除去液で洗浄し、その後、適切な酸洗液で酸洗して、ベースツールロッド上の酸化皮膜を除去する。ただし、ろう付け接合金属の腐食を防ぐため、硝酸溶液は使用しないように注意する。