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JP7506421B2 - Method for manufacturing hard metal member, hard metal member and raw material powder thereof - Google Patents

Method for manufacturing hard metal member, hard metal member and raw material powder thereof Download PDF

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JP7506421B2 JP2022025416A JP2022025416A JP7506421B2 JP 7506421 B2 JP7506421 B2 JP 7506421B2 JP 2022025416 A JP2022025416 A JP 2022025416A JP 2022025416 A JP2022025416 A JP 2022025416A JP 7506421 B2 JP7506421 B2 JP 7506421B2
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Description

本発明は、金属基材の表面に硬質金属肉盛層を有する硬質金属部材の製造方法及び当該製造方法によって得られる硬質金属部材並びに当該製造方法に使用する原料粉末に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a hard metal component having a hard metal build-up layer on the surface of a metal substrate, a hard metal component obtained by the manufacturing method, and a raw material powder used in the manufacturing method.

従来、表面処理技術の一つとして、金属基材の表面に当該金属基材とは異なる高硬度材料を肉盛りすることにより、最表面の耐摩耗性等を向上させる技術が知られている。当該技術を用いた場合、硬質金属部材を高効率かつ安価に製造することができる。また、高硬度材料を用いて形成した表面の肉盛層が摩耗しても、基材は元の形状を保持できるため、当該基材に対して再度同様の肉盛りを行うことで、繰り返し使用することも可能である。 Conventionally, one known surface treatment technique is to improve the wear resistance of the outermost surface by depositing a high-hardness material different from the metal substrate on the surface of the metal substrate. When this technique is used, hard metal components can be manufactured efficiently and inexpensively. Furthermore, even if the surface deposit layer formed using a high-hardness material wears away, the substrate can retain its original shape, so it can be reused by depositing the same material on the substrate again.

例えば、本発明者らも、特許文献1(特開2013-176778号公報)において、レーザを用いて金属基材表面に高硬度の肉盛層を形成するレーザクラッディング法を開示している。 For example, the present inventors have also disclosed in Patent Document 1 (JP Patent Publication No. 2013-176778) a laser cladding method that uses a laser to form a high-hardness build-up layer on the surface of a metal substrate.

上記特許文献1に記載のレーザクラッディング法においては、「Fe基材表面にクラッド材としてFe系の高速度工具鋼粉末を供給し、レーザビームの走査によってFe基材とクラッド材とを一体化するクラッディング工程と、クラッディング工程の後に全体を加熱しその後徐冷し、レーザ走査部分のビッカース硬度が700以上1000以下とする熱処理工程と、を含むことを特徴とするレーザクラッディング方法」によって、レーザクラッディング層の割れを抑制しつつ、硬度を高めることができる。 The laser cladding method described in Patent Document 1 above is characterized by including "a cladding process in which Fe-based high-speed tool steel powder is supplied as a cladding material to the surface of an Fe base material, and the Fe base material and the cladding material are integrated by scanning with a laser beam, and a heat treatment process in which the entire product is heated after the cladding process and then slowly cooled, so that the Vickers hardness of the laser-scanned portion is 700 to 1000," which can increase the hardness while suppressing cracking of the laser cladding layer.

また、特許文献2(特開2009-214110号公報)においては、「軟鋼パイプと該軟鋼パイプ内に充填された超硬合金粒子からなる肉盛溶接材において、前記超硬合金粒子が銅のコーティングを施されていることを特徴とする硬装用肉盛溶接棒」、が開示されている。 Patent Document 2 (JP Patent Publication 2009-214110A) discloses "a hard-coating overlay welding rod, which is made of a mild steel pipe and cemented carbide particles filled in the mild steel pipe, and is characterized in that the cemented carbide particles are coated with copper."

一般的に行われている硬装肉盛りは、超硬粒子を軟鋼チューブに充填した溶接棒(硬装肉盛溶接棒)が用いられ、肉盛り溶接施工に際して、溶融した鉄(軟鋼チューブ)が超硬合金粒子組織中に侵入して超硬合金本来の優れた特性を劣化させるところ、上記特許文献2に記載の硬装用肉盛溶接棒においては、鉄は銅および銅合金と固溶体を作り難く、溶け合うことが無いという特性を利用して超硬合金粒子の周囲を銅で保護することで、鉄が超硬合金粒の内部に侵入することを防止できる、とされている。また、その結果、硬化肉盛層中での超硬粒子の分散性が優れ、超硬合金本来の性能を維持させ、溶融金属の微細空隙への侵入を容易にしてポアの減少を図ることで作業性を改善し、劣化の少ない超硬合金粒子によって形成された硬装肉盛層を得ることができる、とされている。 In the commonly used hard-cladding overlay, a welding rod (hard-cladding overlay welding rod) in which cemented carbide particles are filled in a soft steel tube is used, and during overlay welding, molten iron (soft steel tube) penetrates the cemented carbide particle structure and deteriorates the inherent excellent properties of the cemented carbide. However, in the hard-cladding overlay welding rod described in Patent Document 2, iron does not easily form a solid solution with copper and copper alloys, and the property that iron does not melt with them is utilized, and the cemented carbide particles are protected with copper to prevent iron from penetrating into the inside of the cemented carbide particles. As a result, the dispersion of the cemented carbide particles in the hard-cladding layer is excellent, the inherent performance of the cemented carbide is maintained, and the molten metal is easily penetrated into the fine gaps to reduce pores, improving workability, and a hard-cladding overlay formed from cemented carbide particles with little deterioration can be obtained.

特開2013-176778号公報JP 2013-176778 A 特開2009-214110号公報JP 2009-214110 A

超硬合金は極めて優れた硬さと破壊靭性を有しており、適当な金属基材の表面に超硬合金層を形成させ、耐摩耗材料等として活用することが期待されている。しかしながら、超硬合金に大量に含まれる硬質粒子(WC粒子)は高温下で酸素と反応して劣化することに加え、当該反応によって生成するCOガスによって超硬合金中に多数のボイド欠陥が形成されてしまう。 Cemented carbide has extremely excellent hardness and fracture toughness, and it is expected that a layer of cemented carbide can be formed on the surface of a suitable metal substrate and used as a wear-resistant material. However, the large amount of hard particles (WC particles) contained in cemented carbide reacts with oxygen at high temperatures and deteriorates, and the CO gas generated by this reaction forms numerous void defects in the cemented carbide.

これに対し、上記特許文献1に記載のレーザクラッディング方法は高速度工具鋼粉末を原料としてクラッディング層を形成させるものであり、超硬合金からなるクラッディング層を形成させるものではない。 In contrast, the laser cladding method described in Patent Document 1 forms a cladding layer using high-speed tool steel powder as a raw material, and does not form a cladding layer made of cemented carbide.

また、上記特許文献2に記載の硬装用肉盛溶接棒は超硬合金からなる肉盛層を形成させるためのものであるが、硬質粒子(WC粒子)の酸化については考慮されていない。加えて、溶接肉盛に使用される溶接棒であり、より成形自由度の高いレーザクラッディング(レーザ粉体肉盛溶接)等の付加製造法に用いることはできない。 The hard-cladding build-up welding rod described in Patent Document 2 is intended to form a build-up layer made of cemented carbide, but does not take into consideration the oxidation of hard particles (WC particles). In addition, it is a welding rod used for weld build-up, and cannot be used for additive manufacturing methods such as laser cladding (laser powder build-up welding), which has a higher degree of freedom in forming.

以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、酸化による硬質粒子(WC粒子)の劣化及び当該酸化に起因するボイド欠陥の形成を抑制することができる簡便かつ効率的な硬質金属部材の製造方法、及び当該製造方法によって得られる硬質金属部材、並びに当該製造方法に好適に使用することができる付加製造法用原料粉末を提供することにある。 In view of the problems in the conventional technology as described above, the object of the present invention is to provide a simple and efficient method for manufacturing a hard metal component that can suppress the deterioration of hard particles (WC particles) due to oxidation and the formation of void defects caused by the oxidation, as well as a hard metal component obtained by the manufacturing method, and a raw material powder for additive manufacturing that can be suitably used in the manufacturing method.

本発明者らは、上記目的を達成すべく、硬質金属肉盛層の組成及び形成方法について鋭意研究を重ねた結果、付加製造中に形成される溶融領域に脱酸元素を添加すること等が極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。 In order to achieve the above objective, the inventors conducted extensive research into the composition and formation method of hard metal build-up layers, and discovered that adding a deoxidizing element to the molten region formed during additive manufacturing is extremely effective, leading to the invention.

即ち、本発明は、
WC粒子を含む硬質粒子と、金属結合相と、を含有する混合粉末を原料とし、付加製造法によって金属基材の表面に硬質金属肉盛層を形成させる硬質金属部材の製造方法であって、
高エネルギービーム照射によって前記混合粉末の溶融領域を形成すると共に、前記溶融領域に脱酸元素を添加し、
前記脱酸元素が、前記溶融領域においてCOの標準生成自由エネルギー(ΔGCO)よりも低い標準生成自由エネルギーを有していること、
を特徴とする硬質金属部材の製造方法、を提供する。
高エネルギービームは本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、付加製造法に用いることができる従来公知の種々の高エネルギービームを用いることができる。当該高エネルギービームとしては、例えば、レーザ、電子ビーム及びPTA(プラズマトランスファードアーク)等を用いることができるが、レーザを用いることが好ましい。
That is, the present invention provides:
A method for manufacturing a hard metal member, comprising: forming a hard metal build-up layer on a surface of a metal substrate by an additive manufacturing method using a mixed powder containing hard particles including WC particles and a metal bonding phase as a raw material,
forming a molten region of the mixed powder by irradiating the mixed powder with a high energy beam and adding a deoxidizing element to the molten region;
The deoxidizing element has a standard free energy of formation lower than the standard free energy of formation of CO (ΔG CO ) in the melting region;
The present invention provides a method for manufacturing a hard metal member, comprising the steps of:
The high-energy beam is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, and various conventionally known high-energy beams that can be used in additive manufacturing methods can be used. As the high-energy beam, for example, a laser, an electron beam, a PTA (plasma transferred arc), etc. can be used, but it is preferable to use a laser.

本発明の硬質金属部材の製造方法においては、脱酸元素によってWC粒子の酸化が抑制されるため、硬質金属肉盛層におけるWC粒子の劣化及びボイド欠陥の形成を極めて効果的に抑制することができる。 In the manufacturing method of the hard metal component of the present invention, the oxidation of WC particles is suppressed by the deoxidizing element, so that the deterioration of WC particles and the formation of void defects in the hard metal cladding layer can be suppressed extremely effectively.

脱酸元素は溶融領域においてWCよりも優先的に酸化が進行する元素であればよく、具体的には、溶融領域においてCOの標準生成自由エネルギー(ΔGCO)よりも低い酸化物生成の標準生成自由エネルギーを有している元素を用いることができる。ここで、標準生成自由エネルギーの値は温度に依存するが、「超硬合金に使用されているCoやNi等の金属結合相が溶融する温度~高エネルギービーム照射で想定される溶融領域の最高温度」の温度範囲で検討すればよい。より具体的には、例えば、1500~2000℃の範囲における標準生成自由エネルギーを比較すればよい。 The deoxidizing element may be any element that oxidizes preferentially over WC in the molten region, and specifically, an element that has a standard free energy of oxide formation lower than the standard free energy of formation of CO in the molten region (ΔG CO ) may be used. Here, the value of the standard free energy of formation depends on temperature, but it may be considered in the temperature range of "the temperature at which the metallic bonding phase of Co, Ni, etc. used in the cemented carbide melts to the maximum temperature of the molten region expected in high-energy beam irradiation." More specifically, for example, the standard free energy of formation may be compared in the range of 1500 to 2000°C.

本発明の硬質金属部材の製造方法においては、前記脱酸元素を前記混合粉末に添加すること、が好ましい。溶融領域への脱酸元素の添加方法は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されないが、脱酸元素を混合粉末に予め添加しておくことで、効率的かつ簡便に溶融領域に添加することができる。また、脱酸元素を混合粉末に予め添加しておくことで、厚さ方向に多層の硬質金属肉盛層を形成させる場合であっても、脱酸元素の作用効果を一定に維持することができる。 In the manufacturing method of the hard metal member of the present invention, it is preferable to add the deoxidizing element to the mixed powder. The method of adding the deoxidizing element to the molten region is not particularly limited as long as it does not impair the effect of the present invention, but by adding the deoxidizing element to the mixed powder in advance, it is possible to add it to the molten region efficiently and easily. Furthermore, by adding the deoxidizing element to the mixed powder in advance, the action and effect of the deoxidizing element can be maintained constant even when forming a multi-layered hard metal overlay layer in the thickness direction.

その他、例えば、金属基材の表面に添加元素を配置してもよく、付加製造法を用いて添加元素からなる肉盛層を形成させてもよい。また、粉末を供給するノズル等を用いて、付加製造中に外部から添加元素を添加してもよい。更に、脱酸元素を含有する金属基材を選定することで、金属基材の脱酸元素を溶融領域に供給してもよい。 For example, additive elements may be placed on the surface of the metal substrate, or an additive manufacturing method may be used to form a build-up layer made of additive elements. Also, additive elements may be added from outside during additive manufacturing using a nozzle that supplies powder, etc. Furthermore, by selecting a metal substrate containing a deoxidizing element, the deoxidizing element of the metal substrate may be supplied to the molten region.

また、本発明の硬質金属部材の製造法においては、前記混合粉末を造粒粉とすること、が好ましい。造粒粉を用いることで各原料粉末の混合状態を均質化することができ、良好な硬質金属肉盛層を形成させることができる。また、脱酸元素を含有させる場合は当該脱酸元素を均一分散させることができ、硬質金属肉盛層におけるWC粒子の劣化及びボイド欠陥の形成をより確実に抑制することができる。 In addition, in the method for manufacturing a hard metal member of the present invention, it is preferable that the mixed powder is a granulated powder. By using a granulated powder, the mixed state of each raw material powder can be homogenized, and a good hard metal buildup layer can be formed. In addition, when a deoxidizing element is contained, the deoxidizing element can be uniformly dispersed, and the deterioration of WC particles and the formation of void defects in the hard metal buildup layer can be more reliably suppressed.

また、本発明の硬質金属部材の製造方法においては、前記硬質金属肉盛層を形成させる前記金属基材の表面に、前記脱酸元素を配置すること、が好ましい。上述のように、脱酸元素の添加方法は限定されないが、硬質金属肉盛層の所望の厚さが薄い場合(例えば、厚さ方向に1層又は2層程度の硬質金属肉盛層を形成させる場合)、特別な原料粉末を用いることなく簡便かつ効率的に硬質金属肉盛層におけるWC粒子の劣化及びボイド欠陥の形成を抑制することができる。 In addition, in the manufacturing method of the hard metal member of the present invention, it is preferable to place the deoxidizing element on the surface of the metal substrate on which the hard metal buildup layer is formed. As described above, the method of adding the deoxidizing element is not limited, but when the desired thickness of the hard metal buildup layer is thin (for example, when forming a hard metal buildup layer of about one or two layers in the thickness direction), it is possible to simply and efficiently suppress the deterioration of WC particles and the formation of void defects in the hard metal buildup layer without using a special raw material powder.

また、本発明の硬質金属部材の製造方法においては、前記硬質金属肉盛層を厚さ方向に多層の肉盛層とすること、が好ましい。本発明の硬質金属部材の製造方法においては、適当な脱酸元素の添加方法を選択することができるため、例えば、厚さ方向に3層以上の硬質金属肉盛層を形成させても当該脱酸元素の作用効果を発現させることができる。 In addition, in the manufacturing method of the hard metal member of the present invention, it is preferable that the hard metal build-up layer is a multi-layer build-up layer in the thickness direction. In the manufacturing method of the hard metal member of the present invention, a suitable method for adding a deoxidizing element can be selected, so that, for example, even if three or more layers of hard metal build-up layers are formed in the thickness direction, the effect of the deoxidizing element can be exerted.

更に、本発明の硬質金属部材の製造方法においては、前記脱酸元素がCa、Be、Mg、Ce、Al、Zr、Ti及びSiより選択される一種以上の元素であること、が好ましい。これらの元素は溶融領域においてWCよりも優先的に酸化が進行する元素であり、硬質金属肉盛層におけるWC粒子の劣化及びボイド欠陥の形成を抑制することができる。より好ましい脱酸元素はAl、Zr、Ti及びSiであり、最も好ましい脱酸元素はAlである。Alは溶融領域においてWCよりも優先的に酸化されるだけでなく、比較的安価かつ入手が容易であり、大量の原料粉末を要する場合であっても好適に用いることができる。 Furthermore, in the manufacturing method of the hard metal member of the present invention, it is preferable that the deoxidizing element is one or more elements selected from Ca, Be, Mg, Ce, Al, Zr, Ti and Si. These elements are elements that oxidize preferentially over WC in the molten region, and can suppress the deterioration of WC particles and the formation of void defects in the hard metal cladding layer. More preferable deoxidizing elements are Al, Zr, Ti and Si, and the most preferable deoxidizing element is Al. Not only is Al oxidized preferentially over WC in the molten region, but it is also relatively inexpensive and easily available, and can be used suitably even when a large amount of raw material powder is required.

また、本発明は、
金属基材の表面に硬質金属肉盛層が形成され、
前記硬質金属肉盛層はWC粒子を含む硬質粒子、金属結合相及び脱酸元素を含有し、
前記脱酸元素がCa、Be、Mg、Ce、Al、Zr、Ti及びSiより選択される一種以上の元素であること、
を特徴とする硬質金属部材、も提供する。
The present invention also provides a method for producing a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
A hard metal build-up layer is formed on the surface of the metal substrate,
The hard metal cladding layer contains hard particles including WC particles, a metal bonding phase and a deoxidizing element,
The deoxidizing element is one or more elements selected from Ca, Be, Mg, Ce, Al, Zr, Ti and Si;
Also provided is a hard metal member, characterized in that

本発明の硬質金属部材においては、硬質金属肉盛層の形成に際してWC粒子の酸化を抑制するために脱酸元素を用いており、当該脱酸元素が硬質金属肉盛層に含まれており、より具体的には、Ca、Be、Mg、Ce、Al、Zr、Ti及びSiより選択される一種以上の元素が含まれている。 In the hard metal member of the present invention, a deoxidizing element is used to suppress the oxidation of WC particles when forming the hard metal buildup layer, and the deoxidizing element is contained in the hard metal buildup layer, and more specifically, one or more elements selected from Ca, Be, Mg, Ce, Al, Zr, Ti, and Si are contained.

金属結合相は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の金属結合相を用いることができ、例えば、CoやNiを用いることができる。また、硬質粒子にはWC粒子が含まれていればよく、従来公知の種々の硬質粒子を用いることができる。 The metal bonding phase is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, and various conventionally known metal bonding phases can be used, such as Co and Ni. In addition, the hard particles need only contain WC particles, and various conventionally known hard particles can be used.

また、本発明の硬質金属部材においては、前記硬質金属肉盛層の気孔率が5%以下であること、が好ましい。本発明の硬質金属部材は、脱酸元素によってボイド欠陥の形成が抑制されている。より好ましい気孔率は4%以下であり、最も好ましい気孔率は3%以下である。 In addition, in the hard metal member of the present invention, it is preferable that the porosity of the hard metal buildup layer is 5% or less. In the hard metal member of the present invention, the formation of void defects is suppressed by the deoxidizing element. A more preferable porosity is 4% or less, and a most preferable porosity is 3% or less.

更に、本発明は、
本発明の硬質金属部材の製造方法で使用する混合粉末であって、
WC粒子を含む硬質粒子、金属結合相及び脱酸元素を含有し、
前記脱酸元素がCa、Be、Mg、Ce、Al、Zr、Ti及びSiより選択される一種以上の元素であること、
を特徴とする付加製造法用原料粉末、も提供する。
Furthermore, the present invention provides
A mixed powder used in the method for producing a hard metal member of the present invention,
Contains hard particles including WC particles, a metal bonding phase and a deoxidizing element;
The deoxidizing element is one or more elements selected from Ca, Be, Mg, Ce, Al, Zr, Ti and Si;
Also provided is a feed powder for additive manufacturing, comprising:

本発明の付加製造法用原料粉末における各成分の含有量や粒径等は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、付加製造法によって得られる硬質金属肉盛層の所望の特性に応じて適宜調整すればよい。 The content and particle size of each component in the additive manufacturing raw material powder of the present invention are not particularly limited as long as they do not impair the effects of the present invention, and may be adjusted appropriately according to the desired characteristics of the hard metal cladding layer obtained by the additive manufacturing method.

また、本発明の付加製造法用原料粉末は、前記脱酸元素をAlとし、前記Alの含有量を0.1~2.0質量%とすること、が好ましい。Alの含有量を0.1質量%以上とすることで、硬質金属肉盛層におけるWC粒子の劣化及びボイド欠陥の形成を抑制することができる。また、Alの含有量を2.0質量%以下とすることで、Alと金属基材(Fe)との反応によって形成する脆い金属間化合物の形成を抑制でき、当該金属間化合物の形成に起因する硬質金属肉盛層の割れを抑制することができる。 In addition, it is preferable that the deoxidizing element of the additive manufacturing raw material powder of the present invention is Al, and the content of Al is 0.1 to 2.0 mass%. By making the content of Al 0.1 mass% or more, it is possible to suppress the deterioration of WC particles and the formation of void defects in the hard metal buildup layer. In addition, by making the content of Al 2.0 mass% or less, it is possible to suppress the formation of brittle intermetallic compounds formed by the reaction between Al and the metal base material (Fe), and to suppress cracking of the hard metal buildup layer caused by the formation of the intermetallic compounds.

また、本発明の付加製造法用原料粉末は、造粒粉とすることが好ましい。造粒粉を用いることで各原料粉末の混合状態を均質化することができ、良好な硬質金属肉盛層を形成させることができる。また、脱酸元素を含有させる場合は当該脱酸元素を均一分散させることができ、硬質金属肉盛層におけるWC粒子の劣化及びボイド欠陥の形成をより確実に抑制することができる。ここで、造粒粉の形状、粒径及び粒度分布は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、付加製造法に用いる装置及び溶接条件や得られる硬質金属肉盛層の所望の特性に応じて適宜調整すればよい。 The raw powder for the additive manufacturing method of the present invention is preferably granulated powder. By using granulated powder, the mixed state of each raw powder can be homogenized, and a good hard metal buildup layer can be formed. In addition, when a deoxidizing element is contained, the deoxidizing element can be uniformly dispersed, and the deterioration of WC particles and the formation of void defects in the hard metal buildup layer can be more reliably suppressed. Here, the shape, particle size, and particle size distribution of the granulated powder are not particularly limited as long as they do not impair the effects of the present invention, and may be appropriately adjusted according to the equipment and welding conditions used in the additive manufacturing method and the desired properties of the resulting hard metal buildup layer.

本発明によれば、酸化による硬質粒子(WC粒子)の劣化及び当該酸化に起因するボイド欠陥の形成を抑制することができる簡便かつ効率的な硬質金属部材の製造方法、及び当該製造方法によって得られる硬質金属部材、並びに当該製造方法に好適に使用することができる付加製造法用原料粉末を提供することができる。 The present invention provides a simple and efficient method for manufacturing a hard metal component that can suppress the deterioration of hard particles (WC particles) due to oxidation and the formation of void defects caused by the oxidation, as well as a hard metal component obtained by the manufacturing method, and a raw material powder for additive manufacturing that can be suitably used in the manufacturing method.

同軸クラッディングトーチを用いて硬質金属肉盛層を形成させる場合の概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the formation of a hard metal cladding layer using a coaxial cladding torch. 各種酸化物の標準生成自由エネルギーと温度の関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between the standard free energy of formation of various oxides and temperature. 本発明の硬質金属部材の一態様を示す概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing one embodiment of a hard metal member of the present invention. 実施例1におけるレーザ粉体肉盛溶接の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of laser powder build-up welding in Example 1. 実施例1で得られた硬質金属肉盛層の断面写真である。1 is a cross-sectional photograph of a hard metal buildup layer obtained in Example 1. 実施例1で金属基材に直接形成させた硬質金属肉盛層の断面写真である。1 is a cross-sectional photograph of a hard metal build-up layer formed directly on a metal substrate in Example 1. 実施例1において各レーザ出力で得られた硬質金属肉盛層の断面写真である。4A to 4C are cross-sectional photographs of hard metal buildup layers obtained at each laser output in Example 1. 実施例1において各レーザ出力で金属基材に直接形成させた硬質金属肉盛層の断面写真である。4A to 4C are cross-sectional photographs of hard metal buildup layers formed directly on metal substrates at each laser output in Example 1. 実施例1における硬質金属肉盛層の気孔率とレーザ出力の関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between the porosity of the hard metal cladding layer and the laser output in Example 1. 実施例1で得られた硬質金属肉盛層のSEM写真である。1 is a SEM photograph of the hard metal build-up layer obtained in Example 1. 実施例1で金属基材に直接形成させた硬質金属肉盛層のSEM写真である。1 is a SEM photograph of a hard metal build-up layer formed directly on a metal substrate in Example 1. 実施例1で得られた硬質金属肉盛層のSEM-EDS分析結果である。1 shows the results of SEM-EDS analysis of the hard metal build-up layer obtained in Example 1. 実施例1で得られた硬質金属肉盛層のXRDパターンである。1 is an XRD pattern of the hard metal cladding layer obtained in Example 1. 実施例1で得られた硬質金属肉盛層と金属基材の接合界面のSEM写真である。1 is a SEM photograph of a bonding interface between a hard metal buildup layer and a metal substrate obtained in Example 1. 実施例1で金属基材に直接形成させた硬質金属肉盛層と金属基材の接合界面のSEM写真である。1 is a SEM photograph of a bonding interface between a hard metal buildup layer formed directly on a metal substrate in Example 1 and the metal substrate. 実施例2におけるレーザ粉体肉盛溶接の模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram of laser powder build-up welding in Example 2. 実施例2で得られた硬質金属肉盛層の外観写真及び断面写真である。3 is a photograph showing the appearance and cross-section of the hard metal build-up layer obtained in Example 2. 実施例2で得られた硬質金属肉盛層の断面におけるビッカース硬度分布である。1 is a Vickers hardness distribution in a cross section of a hard metal cladding layer obtained in Example 2. 実施例3で得られた硬質金属肉盛層の外観写真及び断面写真である。4 is a photograph showing the appearance and cross-section of the hard metal build-up layer obtained in Example 3. 実施例4で得られた硬質金属肉盛層の断面写真である。1 is a cross-sectional photograph of a hard metal buildup layer obtained in Example 4. 実施例4で金属基材に直接形成させた硬質金属肉盛層の断面写真である。1 is a cross-sectional photograph of a hard metal build-up layer formed directly on a metal substrate in Example 4. 実施例5で得られた硬質金属肉盛層の断面写真である。1 is a cross-sectional photograph of a hard metal buildup layer obtained in Example 5. 実施例5で得られた硬質金属肉盛層のSEM写真である。1 is a SEM photograph of a hard metal build-up layer obtained in Example 5. 実施例6で得られた造粒粉のSEM写真及びSEM-EDS分析結果である。1 shows an SEM photograph and SEM-EDS analysis results of the granulated powder obtained in Example 6. 実施例6で得られた各硬質金属肉盛層の断面写真である。4 is a cross-sectional photograph of each hard metal buildup layer obtained in Example 6.

以下、図を参照しながら、本発明の硬質金属部材の製造方法及び硬質金属部材並びにその原料粉末の代表的な実施形態を詳細に説明する。但し、本発明は図示されるものに限られるものではなく、各図面は本発明を概念的に説明するためのものであるから、理解容易のために必要に応じて比や数を誇張又は簡略化して表している場合もある。更に、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。 Below, with reference to the drawings, a detailed description will be given of representative embodiments of the method for manufacturing a hard metal member of the present invention, and the hard metal member and its raw material powder. However, the present invention is not limited to those shown in the drawings, and since each drawing is intended to conceptually explain the present invention, ratios and numbers may be exaggerated or simplified as necessary for ease of understanding. Furthermore, in the following description, the same or equivalent parts are given the same reference numerals, and duplicate descriptions may be omitted.

1.硬質金属部材の製造方法
付加製造法の一態様として、同軸クラッディングトーチを用いたレーザ粉体肉盛溶接の場合について説明する。
1. Manufacturing method of hard metal components As one aspect of additive manufacturing, laser powder build-up welding using a coaxial cladding torch will be described.

(1)付加製造方法
図1は同軸クラッディングトーチを用いて硬質金属肉盛層を形成させる場合の概略図である。レーザ加工ヘッド11は中心軸に沿って中空のレーザ光路11aを形成しており、レーザ光12がこの光路に沿って内部を進行する。具体的には、レーザ光12がレーザ加工ヘッド11の入射口11bから入射し、ミラー21により鉛直下方に反射して凸レンズ22まで到達する。凸レンズ22に到達したレーザ光12は集光されてレーザ加工ヘッド11の下端の照射口11dから照射される。そして、レーザ光12は光軸11c上でレーザ加工ヘッド12の下端直下が集光点となって又はディフォーカスされて金属基材13の表面上に照射される。このとき金属基材13は、従来のレーザ粉体肉盛溶接と同様にレーザ光12の照射面が溶かされて液体化した溶融池13aを形成する。
(1) Additive manufacturing method FIG. 1 is a schematic diagram of a case where a hard metal cladding layer is formed using a coaxial cladding torch. The laser processing head 11 forms a hollow laser optical path 11a along the central axis, and the laser light 12 travels inside along this optical path. Specifically, the laser light 12 enters the laser processing head 11 from the entrance 11b, is reflected vertically downward by a mirror 21, and reaches a convex lens 22. The laser light 12 that reaches the convex lens 22 is focused and irradiated from the irradiation port 11d at the lower end of the laser processing head 11. Then, the laser light 12 is irradiated onto the surface of the metal substrate 13 with the focal point directly below the lower end of the laser processing head 12 on the optical axis 11c or defocused. At this time, the metal substrate 13 is irradiated with the laser light 12 by melting the irradiated surface of the laser light 12 to form a molten pool 13a that is liquefied, as in conventional laser powder overlay welding.

レーザ加工ヘッド11は、レーザ光路11aと同軸(光軸11cと同軸(共軸))に中心軸側から順に、原料粉末15を下方に送り出す原料粉末供給管14と、冷却水20を下方に送り出す冷却水供給管19と、不活性ガス18を下方に送り出すシールドガス供給管17と、が設けられている。詳細には、まず水平平面においてレーザ光路11aの同心円状外側に原料粉末供給管14が配置されており、上端からレーザ光12の集光に倣って光軸11c側に収束し、レーザ加工ヘッド11の下端の照射口11d近傍まで連通している。 The laser processing head 11 is provided with, coaxially with the laser optical path 11a (coaxially with the optical axis 11c (coaxial)), a raw material powder supply pipe 14 that sends raw material powder 15 downward, a cooling water supply pipe 19 that sends cooling water 20 downward, and a shielding gas supply pipe 17 that sends inert gas 18 downward, in that order from the central axis side. In detail, the raw material powder supply pipe 14 is first arranged concentrically outside the laser optical path 11a in the horizontal plane, and converges from the upper end to the optical axis 11c side following the focusing of the laser light 12, and is connected to the vicinity of the irradiation port 11d at the lower end of the laser processing head 11.

図示しないが、原料粉末供給管14は、水平平面において所定の角度ごとに配置された1以上の管であっても良く、周全体につながった環状の管であっても良い。したがって、原料粉末供給管14は、その上端から原料粉末15を流入し、レーザ光12が金属基材13の表面上に照射される位置すなわち金属基材13表面の溶融池13aに放出する。放出された原料粉末15はレーザ光12と金属基材13の溶融池13aとで入熱され、レーザ加工ヘッド11の移動方向(矢印Y参照)の後側の金属基材13の表面に硬質金属肉盛層16を形成する。 Although not shown, the raw powder supply pipe 14 may be one or more pipes arranged at a predetermined angle on a horizontal plane, or may be a ring-shaped pipe connected around the entire circumference. Thus, the raw powder supply pipe 14 introduces raw powder 15 from its upper end and releases it into the position where the laser light 12 irradiates the surface of the metal base material 13, that is, into the molten pool 13a on the surface of the metal base material 13. The released raw powder 15 is heated by the laser light 12 and the molten pool 13a of the metal base material 13, and forms a hard metal build-up layer 16 on the surface of the metal base material 13 on the rear side in the movement direction of the laser processing head 11 (see arrow Y).

とりわけ、同軸クラッディングトーチを用いたレーザ粉体肉盛溶接ではレーザ光12の焦点等と原料粉末15との両者ともに1つのレーザ加工ヘッド11の下端から放出されるため、レーザ光12の照射位置(溶融池13aの位置)と原料粉末15の放出位置との位置決め制御を行う必要がない。したがって、レーザ加工ヘッド11が金属基材13の表面を走査しても硬質金属肉盛層16の厚さ等を制御し易く加工プロセス回数も軽減できる点で有利である。 In particular, in laser powder build-up welding using a coaxial cladding torch, both the focus of the laser light 12 and the raw material powder 15 are emitted from the lower end of a single laser processing head 11, so there is no need to control the positioning of the irradiation position of the laser light 12 (position of the molten pool 13a) and the emission position of the raw material powder 15. Therefore, even if the laser processing head 11 scans the surface of the metal substrate 13, it is easy to control the thickness of the hard metal build-up layer 16, and the number of processing processes can be reduced, which is an advantage.

また、水平平面におけるレーザ光路11aに対して原料粉末供給管14より同心円状外側(同軸外側)にはシールドガス供給管17が配置されており、その上端からレーザ光12の集光に倣って光軸11c側に収束し、レーザ加工ヘッド11の下端の照射口11d近傍まで連通している。したがって、シールドガス供給管17はその上端から流入したアルゴンガス等の不活性ガス18を下端で放出する。放出された不活性ガス18は原料粉末15(ひいては硬質金属肉盛層16)に吹き付けられるため、硬質金属肉盛層16が金属基材13の表面に堆積されながら即に酸化防止処理を施すこととなる。このシールドガス供給管17は硬質金属肉盛層16の酸化防止可能な程度の量の不活性ガス18を吹き付けられるものであれば良く、複数の管や周全体につながった環状の管などが考えられる。 In addition, a shielding gas supply pipe 17 is arranged concentrically (coaxially) outside the raw material powder supply pipe 14 with respect to the laser light path 11a in the horizontal plane, and converges from its upper end toward the optical axis 11c in accordance with the convergence of the laser light 12, and is connected to the vicinity of the irradiation port 11d at the lower end of the laser processing head 11. Therefore, the shielding gas supply pipe 17 discharges an inert gas 18 such as argon gas that flows in from its upper end at its lower end. The discharged inert gas 18 is sprayed onto the raw material powder 15 (and thus the hard metal buildup layer 16), so that the hard metal buildup layer 16 is immediately subjected to oxidation prevention treatment while being deposited on the surface of the metal substrate 13. This shielding gas supply pipe 17 may be any pipe capable of spraying an amount of inert gas 18 sufficient to prevent oxidation of the hard metal buildup layer 16, and may be a multiple pipe or a ring-shaped pipe connected to the entire circumference.

さらに、シールドガス供給管17の同心円状外側には冷却水供給管19が配置されており、その上端からレーザ加工ヘッド11の下端から所定距離上方に位置まで連通している。なお、この冷却水供給管19はレーザ加工ヘッド11の必須部品ではなく、レーザ加工ヘッド11の冷却機能である。 In addition, a cooling water supply pipe 19 is arranged concentrically outside the shielding gas supply pipe 17, and its upper end is connected to a position a predetermined distance above the lower end of the laser processing head 11. Note that this cooling water supply pipe 19 is not an essential part of the laser processing head 11, but serves the cooling function of the laser processing head 11.

用いるレーザの種類、レーザ出力、レーザ焦点サイズ、走査速度及び走査パターン等は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、硬質金属肉盛層16の所望の形状、大きさ及び機械的性質等に応じて適宜調整すればよい。 The type of laser used, laser output, laser focus size, scanning speed, scanning pattern, etc. are not particularly limited as long as they do not impair the effects of the present invention, and may be appropriately adjusted according to the desired shape, size, mechanical properties, etc. of the hard metal buildup layer 16.

本発明の硬質金属部材の製造方法における最大の特徴は、溶融池13aに脱酸元素を添加し、WC粒子の酸化を抑制することにある。溶融池13aに脱酸元素を添加する方法は特に限定されないが、脱酸元素を原料粉末15に添加することが好ましい。脱酸元素を原料粉末15に予め添加しておくことで、効率的かつ簡便に溶融池13aに脱酸元素を添加することができる。また、脱酸元素を原料粉末15に予め添加しておくことで、厚さ方向に多層の硬質金属肉盛層を形成させる場合であっても、脱酸元素の作用効果を一定に維持することができる。 The greatest feature of the manufacturing method of the hard metal member of the present invention is that a deoxidizing element is added to the molten pool 13a to suppress the oxidation of WC particles. Although there is no particular limitation on the method of adding the deoxidizing element to the molten pool 13a, it is preferable to add the deoxidizing element to the raw material powder 15. By adding the deoxidizing element to the raw material powder 15 in advance, the deoxidizing element can be added to the molten pool 13a efficiently and easily. Furthermore, by adding the deoxidizing element to the raw material powder 15 in advance, the effect of the deoxidizing element can be maintained constant even when multiple hard metal overlay layers are formed in the thickness direction.

その他、例えば、金属基材13の表面に添加元素を配置してもよく、付加製造法を用いて添加元素からなる肉盛層を形成させてもよい。また、粉末を供給するノズル等を用いて、付加製造中に外部から添加元素を添加してもよい。更に、脱酸元素を含有する金属基材13を選定することで、金属基材の脱酸元素を溶融池13aに供給してもよい。 For example, additive elements may be placed on the surface of the metal substrate 13, or an additive manufacturing method may be used to form a build-up layer made of additive elements. Also, additive elements may be added from outside during additive manufacturing using a nozzle that supplies powder, etc. Furthermore, by selecting a metal substrate 13 that contains a deoxidizing element, the deoxidizing element of the metal substrate may be supplied to the molten pool 13a.

原料粉末15として脱酸元素を含む粉末を用いることで、硬質金属肉盛層16を形成させるための予備処理として、金属基材13の表面に脱酸元素を含む肉盛層を形成させることができる。また、金属基材13の表面に脱酸元素を含むワイヤーや粉末等を配置し、当該領域にレーザ光12を照射してもよい。即ち、硬質金属肉盛層16の形成とその予備処理を同一の装置で担うことができる。 By using a powder containing a deoxidizing element as the raw material powder 15, a buildup layer containing a deoxidizing element can be formed on the surface of the metal base material 13 as a preliminary treatment for forming the hard metal buildup layer 16. Alternatively, a wire or powder containing a deoxidizing element may be placed on the surface of the metal base material 13, and the laser light 12 may be irradiated to that area. In other words, the formation of the hard metal buildup layer 16 and the preliminary treatment thereof can be carried out by the same device.

(2)原料粉末
硬質金属肉盛層16の原料粉末15は、WC粒子を含む硬質粒子と金属結合相とを含有する混合粉末である。
(2) Raw Material Powder The raw material powder 15 of the hard metal buildup layer 16 is a mixed powder containing hard particles including WC particles and a metallic binder phase.

当該混合粉末には、脱酸元素を添加することが好ましい。脱酸元素は溶融領域においてWCよりも優先的に酸化が進行する元素であればよく、具体的には、溶融領域においてCOの標準生成自由エネルギー(ΔGCO)よりも低い酸化物生成の標準生成自由エネルギーを有している元素を用いることができる。図2に金属データブックに記載されている各種酸化物の標準生成自由エネルギーと温度の関係を示す。「超硬合金に使用されているCoやNi等の金属結合相が溶融する温度~高エネルギービーム照射で想定される溶融領域の最高温度」の温度範囲(1500~2000℃の範囲)において、脱酸元素としてCa、Be、Mg、Ce、Al、Zr、Ti及びSiを使用できることが分かる。 It is preferable to add a deoxidizing element to the mixed powder. The deoxidizing element may be any element that oxidizes preferentially over WC in the molten region, and specifically, an element that has a standard free energy of oxide formation lower than the standard free energy of formation (ΔG CO ) of CO in the molten region can be used. Figure 2 shows the relationship between the standard free energy of formation and temperature of various oxides listed in the Metal Data Book. It can be seen that Ca, Be, Mg, Ce, Al, Zr, Ti and Si can be used as deoxidizing elements in the temperature range (1500 to 2000°C) of "the temperature at which the metallic bonding phase such as Co and Ni used in cemented carbide melts to the maximum temperature of the molten region expected by high-energy beam irradiation."

脱酸元素、WC粒子を含む硬質粒子及び金属結合相の含有量や粒径等は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、付加製造法によって得られる硬質金属肉盛層16の所望の特性に応じて適宜調整すればよい。 The content and particle size of the deoxidizing elements, hard particles including WC particles, and metal bonding phase are not particularly limited as long as they do not impair the effects of the present invention, and may be appropriately adjusted according to the desired characteristics of the hard metal buildup layer 16 obtained by the additive manufacturing method.

ここで、脱酸元素はAlとし、当該Alの含有量を0.1~2.0質量%とすることが好ましい。Alの含有量を0.1質量%以上とすることで、硬質金属肉盛層16におけるWC粒子の劣化及びボイド欠陥の形成を抑制することができる。また、Alの含有量を2.0質量%以下とすることで、Alと金属基材13との反応によって形成する脆い金属間化合物の形成を抑制でき、当該金属間化合物の形成に起因する硬質金属肉盛層16の割れを抑制することができる。 Here, the deoxidizing element is Al, and the Al content is preferably 0.1 to 2.0 mass%. By making the Al content 0.1 mass% or more, it is possible to suppress the deterioration of WC particles and the formation of void defects in the hard metal buildup layer 16. Furthermore, by making the Al content 2.0 mass% or less, it is possible to suppress the formation of brittle intermetallic compounds formed by the reaction between Al and the metal base material 13, and it is possible to suppress cracking of the hard metal buildup layer 16 caused by the formation of the intermetallic compounds.

WC粒子以外の硬質粒子は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、超硬合金やサーメットに使用されている従来公知の種々の硬質粒子を用いることができる。例えば、周期律表のIVa、Va、VIa金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ化物及び酸化物等の硬質粒子を用いることができる。より具体的には、例えば、WC、TiC、VC、MoC、ZrC、HfC、NbC、TaC、Cr、SiC、Si及びTiB等を用いることができる。 The hard particles other than WC particles are not particularly limited as long as they do not impair the effects of the present invention, and various hard particles known in the art that are used in cemented carbides and cermets can be used. For example, hard particles such as carbides, nitrides, carbonitrides, borides, and oxides of metals IVa, Va , and VIa in the periodic table can be used. More specifically, for example, WC, TiC, VC, Mo2C , ZrC, HfC, NbC, TaC, Cr3C2 , SiC, Si3N4 , and TiB2 can be used.

金属結合相の種類は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、超硬合金やサーメットに使用されている従来公知の種々の金属結合相を用いることができ、例えば、Co及びNiを好適に用いることができる。 The type of metal bonding phase is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, and various metal bonding phases that are conventionally known and used in cemented carbides and cermets can be used. For example, Co and Ni can be preferably used.

また、原料粉末15は造粒粉とすることが好ましい。造粒粉を用いることで各原料粉末の混合状態を均質化することができ、良好な硬質金属肉盛層16を形成させることができる。また、脱酸元素を含有させる場合は当該脱酸元素を均一分散させることができ、硬質金属肉盛層16におけるWC粒子の劣化及びボイド欠陥の形成をより確実に抑制することができる。ここで、造粒粉の形状、粒径及び粒度分布は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、付加製造法に用いる装置及び溶接条件や得られる硬質金属肉盛層16の所望の特性に応じて適宜調整すればよい。 The raw powder 15 is preferably granulated powder. By using granulated powder, the mixed state of each raw powder can be homogenized, and a good hard metal buildup layer 16 can be formed. In addition, when a deoxidizing element is contained, the deoxidizing element can be uniformly dispersed, and the deterioration of WC particles and the formation of void defects in the hard metal buildup layer 16 can be more reliably suppressed. Here, the shape, particle size, and particle size distribution of the granulated powder are not particularly limited as long as they do not impair the effects of the present invention, and may be appropriately adjusted according to the equipment and welding conditions used in the additive manufacturing method and the desired characteristics of the resulting hard metal buildup layer 16.

2.硬質金属部材
図3に本発明の硬質金属部材の一態様を示す概略断面図を示す。硬質金属部材21は、
金属基材13の表面に硬質金属肉盛層16が形成されたものである。硬質金属肉盛層16は金属基材13の全ての領域に形成されている必要はなく、任意の領域に形成されていればよい。
2. Hard Metal Member Fig. 3 is a schematic cross-sectional view showing one embodiment of the hard metal member of the present invention. The hard metal member 21 is
A hard metal build-up layer 16 is formed on the surface of a metal base material 13. The hard metal build-up layer 16 does not need to be formed on the entire region of the metal base material 13, and may be formed on any region.

硬質金属肉盛層16はWC粒子を含む硬質粒子及び金属結合相を有し、更に、脱酸元素(Ca、Be、Mg、Ce、Al、Zr、Ti及びSi)を含有していることを特徴としている。脱酸元素としてAlを用いた場合、当該Alはアルミナとして硬質金属肉盛層16に分散しており、Al含有量は0.1~2.0質量%であることが好ましい。 The hard metal buildup layer 16 has hard particles including WC particles and a metallic bonding phase, and further contains deoxidizing elements (Ca, Be, Mg, Ce, Al, Zr, Ti, and Si). When Al is used as a deoxidizing element, the Al is dispersed in the hard metal buildup layer 16 as alumina, and the Al content is preferably 0.1 to 2.0 mass%.

脱酸元素によってWC粒子の酸化が抑制されていることから、硬質金属肉盛層16はボイド欠陥が極めて少ない緻密な状態となっている。硬質金属肉盛層16の気孔率は5%以下であることが好ましく、4%以下であることがより好ましく、3%以下であることが最も好ましい。 Since the oxidation of WC particles is suppressed by the deoxidizing elements, the hard metal buildup layer 16 is in a dense state with very few void defects. The porosity of the hard metal buildup layer 16 is preferably 5% or less, more preferably 4% or less, and most preferably 3% or less.

また、脱酸元素としてAlを用いた場合であっても、金属基材13と硬質金属肉盛層16の接合界面に当該Al添加に起因する金属間化合物層が形成していないことが好ましい。具体的には、Alを添加しない原料粉末15を用いて硬質金属肉盛層16を形成させた場合と同様の接合界面となっていることが好ましい。 Even when Al is used as a deoxidizing element, it is preferable that an intermetallic compound layer due to the addition of Al is not formed at the bonding interface between the metal substrate 13 and the hard metal buildup layer 16. Specifically, it is preferable that the bonding interface is similar to that when the hard metal buildup layer 16 is formed using the raw material powder 15 to which Al is not added.

WC粒子を含む硬質粒子及び金属結合相の種類や含有量は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、硬質金属肉盛層16の所望の特性に応じて適宜調整すればよい。 The type and content of the hard particles, including WC particles, and the metal bonding phase are not particularly limited as long as they do not impair the effects of the present invention, and may be appropriately adjusted according to the desired characteristics of the hard metal buildup layer 16.

WC粒子以外の硬質粒子は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、超硬合金やサーメットに使用されている従来公知の種々の硬質粒子とすることができる。例えば、周期律表のIVa、Va、VIa金属の炭化物、窒化物または炭窒化物等の硬質粒子とすることができる。より具体的には、例えば、WC、TiC、VC、MoC、ZrC、HfC、NbC、TaC、Cr、SiC、Si及びTiB等を用いることができる。 The hard particles other than WC particles are not particularly limited as long as they do not impair the effects of the present invention, and may be various hard particles known in the art that are used in cemented carbides and cermets. For example, hard particles such as carbides, nitrides, or carbonitrides of metals IVa, Va, and VIa in the periodic table may be used. More specifically, for example, WC, TiC, VC, Mo2C , ZrC, HfC, NbC, TaC , Cr3C2 , SiC , Si3N4 , and TiB2 may be used.

硬質金属肉盛層16の厚さは特に限定されないが、厚さ方向に多層の肉盛層とすることが好ましい。硬質金属肉盛層16が厚さ方向に3層以上の肉盛層で形成されている場合であっても、ボイド欠陥が少ない緻密な状態となっている。 The thickness of the hard metal buildup layer 16 is not particularly limited, but it is preferable to have multiple buildup layers in the thickness direction. Even if the hard metal buildup layer 16 is formed of three or more buildup layers in the thickness direction, it is in a dense state with few void defects.

金属基材13は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の金属基材を用いることができるが、表面に形成させる硬質金属肉盛層16との密着性、機械的性質及び価格等の観点から、鋼材を用いることが好ましく、例えば、工具鋼や軸受鋼等を好適に用いることができる。より具体的には、金属基材13として、例えば、中炭素鋼材(S45C等)、クロムモリブデン鋼鋼材、合金工具鋼鋼材、高炭素クロム軸受鋼鋼材、ステンレス鋼材等を用いることができる。 The metal substrate 13 is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, and various conventionally known metal substrates can be used, but from the viewpoints of adhesion with the hard metal buildup layer 16 formed on the surface, mechanical properties, price, etc., it is preferable to use a steel material, and for example, tool steel or bearing steel can be suitably used. More specifically, for example, medium carbon steel (S45C, etc.), chromium molybdenum steel, alloy tool steel, high carbon chromium bearing steel, stainless steel, etc. can be used as the metal substrate 13.

3.付加製造法用原料粉末
本発明の付加製造法用原料粉末は、本発明の硬質金属部材の製造方法に好適に使用できるものであり、上記の「(2)原料粉末」で記載された特徴を有している。
3. Raw material powder for additive manufacturing The raw material powder for additive manufacturing of the present invention can be suitably used in the manufacturing method of the hard metal member of the present invention, and has the characteristics described in "(2) Raw material powder" above.

付加製造法用原料粉末の製造方法は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の粉末製造方法を用いることができる。 The method for producing the raw powder for additive manufacturing is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, and various conventionally known powder production methods can be used.

以下、実施例において本発明の硬質金属部材の製造方法及び硬質金属部材並びにその原料粉末について更に説明するが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。 The manufacturing method of the hard metal member of the present invention, the hard metal member, and the raw material powder thereof will be further explained in the following examples, but the present invention is not limited to these examples.

《実施例1》
図1に示す同軸クラッディングトーチを用いて、ステンレス鋼(SUS304)基材の表面に硬質金属肉盛層を形成させた。原料粉末にはGTV社製のWC-Co造粒粉(WC:88質量%、Co:12質量%、粒径:45~90μm)を用い、レーザ粉体肉盛溶接条件はレーザ出力:1400W、レーザ走査速度:5mm/s、原料粉末供給速度:10g/minとした。レーザには半導体レーザを用いた。また、付加製造法はアルゴンチャンバー内で実施し、当該チャンバー内の酸素は~100ppmとした。
Example 1
A hard metal build-up layer was formed on the surface of a stainless steel (SUS304) substrate using a coaxial cladding torch as shown in FIG. 1. GTV WC-Co granulated powder (WC: 88% by mass, Co: 12% by mass, particle size: 45-90 μm) was used as the raw material powder, and the laser powder build-up welding conditions were laser output: 1400 W, laser scanning speed: 5 mm/s, raw material powder supply speed: 10 g/min. A semiconductor laser was used as the laser. The additive manufacturing method was performed in an argon chamber, and the oxygen in the chamber was set to 100 ppm.

レーザ粉体肉盛溶接の前処理として、硬質金属肉盛層を形成させるステンレス鋼基材の表面にファイバーレーザを用いて線状の溝を加工し、当該溝にφ0.5mmの純アルミニウムワイヤーを配置した。次に、純アルミニウムワイヤーを配置した領域にレーザ出力:1800W、レーザ走査速度:3mm/sの条件で半導体レーザを照射し、ステンレス鋼基材の表面をAl合金化させた後、研磨を施して被処理領域を形成させた。 As a pretreatment for laser powder buildup welding, a linear groove was machined using a fiber laser on the surface of the stainless steel base material on which the hard metal buildup layer was to be formed, and a φ0.5 mm pure aluminum wire was placed in the groove. Next, a semiconductor laser was irradiated to the area where the pure aluminum wire was placed under conditions of laser output: 1800 W, laser scanning speed: 3 mm/s, and the surface of the stainless steel base material was alloyed with Al, and then polished to form the treated area.

図4に示すように被処理領域に対して1パスのレーザ粉体肉盛溶接を行い、硬質金属肉盛層を形成させた。得られた硬質金属肉盛層の断面写真を図5に示す。また、比較として、被処理領域を形成させることなくステンレス鋼基材の表面に1パスのレーザ粉体肉盛溶接を直接行って得られた硬質金属肉盛層の断面写真を図6に示す。ステンレス鋼基材の表面にAlを添加した場合は緻密な硬質金属肉盛層が形成しているのに対し、Alを添加しない場合は多数のボイド欠陥が形成していることが分かる。 As shown in Figure 4, one pass of laser powder build-up welding was performed on the treated area to form a hard metal build-up layer. A cross-sectional photograph of the resulting hard metal build-up layer is shown in Figure 5. For comparison, Figure 6 shows a cross-sectional photograph of a hard metal build-up layer obtained by performing one pass of laser powder build-up welding directly on the surface of a stainless steel base material without forming a treated area. It can be seen that when Al was added to the surface of the stainless steel base material, a dense hard metal build-up layer was formed, whereas when Al was not added, numerous void defects were formed.

レーザ出力を1200W、1400W、1600Wとして、被処理領域に対して1パスのレーザ粉体肉盛溶接を行って得られた硬質金属肉盛層の断面写真を図7に示す。また、同様のレーザ粉体肉盛溶接条件を用いて被処理領域を形成させることなくステンレス鋼基材の表面に1パスのレーザ粉体肉盛溶接を直接行って得られた硬質金属肉盛層の断面写真を図8に示す。全てのレーザ出力において、Alを添加することによる顕著なボイド欠陥の抑制効果が認められる。 Figure 7 shows cross-sectional photographs of hard metal buildup layers obtained by performing one pass of laser powder buildup welding on the treated area with laser powers of 1200 W, 1400 W, and 1600 W. Figure 8 shows cross-sectional photographs of hard metal buildup layers obtained by performing one pass of laser powder buildup welding directly on the surface of a stainless steel substrate without forming a treated area using similar laser powder buildup welding conditions. At all laser powers, the addition of Al has a significant effect in suppressing void defects.

図7及び図8に示す各硬質金属肉盛層について、断面光学顕微鏡写真の画像解析によって気孔率を測定した。より具体的には、解析ソフトImageJを使用し、肉盛層のピクセル数とポアのピクセル数の比から面積率を算出して気孔率とした。得られた気孔率とレーザ出力の関係を図9に示す。Alを添加しない場合の気孔率はレーザ出力1400W以上では20%以上となっているのに対し、Alを添加した場合の気孔率は全ての条件で5%以下となっている。 The porosity of each hard metal overlay shown in Figures 7 and 8 was measured by image analysis of cross-sectional optical microscope photographs. More specifically, analysis software ImageJ was used to calculate the area ratio from the ratio of the number of pixels in the overlay to the number of pixels in the pores, which was used as the porosity. The relationship between the obtained porosity and the laser output is shown in Figure 9. When Al was not added, the porosity was 20% or more at a laser output of 1,400 W or more, whereas when Al was added, the porosity was 5% or less under all conditions.

レーザ出力1400Wで得られた硬質金属肉盛層のミクロ組織について、Alを添加した場合及びAlを添加しなかった場合の走査電子顕微鏡(SEM)写真を図10及び図11にそれぞれ示す。Alを添加しなかった場合はWC粒子が粗大化しており、有害相(WC相)の生成が認められる。一方で、Alを添加した場合は微細なWC粒子が均一分散しており、有害相(WC相)の生成も認められない。 Scanning electron microscope (SEM) photographs of the microstructure of the hard metal cladding layer obtained with a laser output of 1400 W, with and without the addition of Al, are shown in Figures 10 and 11, respectively. When Al was not added, the WC particles were coarsened and the formation of a harmful phase ( W2C phase) was observed. On the other hand, when Al was added, fine WC particles were uniformly dispersed and no formation of a harmful phase ( W2C phase) was observed.

レーザ出力1400WでAlを添加して得られた硬質金属肉盛層のSEM-EDS分析結果を図12に示す。硬質金属肉盛層には微細なアルミニウム酸化物が分散していることが確認できる(元素マッピングの矢印)。また、金属基材のAl合金化領域及び硬質金属肉盛層のAl含有量を測定したところ、それぞれ0.8質量%及び0.5質量%であった。 Figure 12 shows the results of SEM-EDS analysis of the hard metal buildup layer obtained by adding Al with a laser output of 1400 W. It can be seen that fine aluminum oxides are dispersed in the hard metal buildup layer (arrows in element mapping). In addition, the Al content of the Al alloyed region of the metal substrate and the hard metal buildup layer was measured and found to be 0.8 mass% and 0.5 mass%, respectively.

原料粉末及びレーザ出力1400Wで得られた硬質金属肉盛層(Alを添加した場合及び添加しない場合)に対してXRD測定を行った。得られたXRDパターンを図13に示す。Alを添加して得られた硬質金属肉盛層の構成相は原料粉末から大きく変化してないことが分かる。また、Al添加に起因するAl系化合物は検出されなかった。一方で、Alを添加しない場合は図中に◆で示す有害相(WC相)に起因するピーク強度が大きくなり、WC粒子の劣化が進行していることが分かる。 XRD measurements were performed on the raw material powder and the hard metal build-up layer obtained with a laser output of 1400 W (with and without the addition of Al). The obtained XRD patterns are shown in Figure 13. It can be seen that the constituent phases of the hard metal build-up layer obtained with the addition of Al have not changed significantly from the raw material powder. Furthermore, no Al-based compounds due to the addition of Al were detected. On the other hand, in the case where no Al was added, the peak intensity due to the harmful phase ( W2C phase) indicated by ◆ in the figure became larger, and it can be seen that the deterioration of the WC particles was progressing.

レーザ出力を1400Wとした場合の硬質金属肉盛層と金属基材の接合界面に関して、Alを添加した場合及び添加しない場合のSEM観察結果を図14及び図15にそれぞれ示す。Alを添加した場合にアルミニウム酸化物(図中の矢印)が観察されること以外は大きな差異は認められず、Alを添加したことによる金属間化合物層の形成等は確認されなかった。 Figures 14 and 15 show the results of SEM observations of the bonded interface between the hard metal cladding layer and the metal substrate when the laser output was 1400 W, with and without the addition of Al, respectively. No significant differences were observed apart from the observation of aluminum oxide (arrow in the figure) when Al was added, and no formation of an intermetallic compound layer due to the addition of Al was confirmed.

《実施例2》
図16に示すように被処理領域に対して1パスのレーザ粉体肉盛溶接を行ったこと以外は実施例1と同様にして、硬質金属肉盛層を形成させた(レーザ出力:1400W)。得られた硬質金属肉盛層の外観写真及び断面写真を図17に示す。Alを添加した被処理領域に形成した硬質金属肉盛層は緻密化されているのに対し、金属基材に直接形成させた硬質金属肉盛層には多数のボイド欠陥が形成していることが分かる。
Example 2
A hard metal build-up layer was formed in the same manner as in Example 1, except that one pass of laser powder build-up welding was performed on the treated area as shown in Fig. 16 (laser output: 1400 W). Appearance and cross-sectional photographs of the obtained hard metal build-up layer are shown in Fig. 17. It can be seen that the hard metal build-up layer formed on the treated area to which Al was added was densified, whereas a large number of void defects were formed in the hard metal build-up layer formed directly on the metal substrate.

図17に示す硬質金属肉盛層断面について、マイクロビッカース硬度測定を行った(測定荷重:300gf)。得られた結果を図18に示す。硬質金属肉盛層の硬度は大きく変化しておらず、Alの添加による顕著な影響は認められない。当該結果は、Alの添加によって超硬合金の特性を損なうことなくボイド欠陥を低減できることを示している。 Micro Vickers hardness measurements were performed on the cross section of the hard metal buildup layer shown in Figure 17 (measurement load: 300 gf). The results are shown in Figure 18. The hardness of the hard metal buildup layer did not change significantly, and no significant effect was observed due to the addition of Al. This result shows that the addition of Al can reduce void defects without impairing the properties of the cemented carbide.

《実施例3》
脱酸元素をZrとしたこと以外は実施例2と同様にして、硬質金属肉盛層を形成させた。得られた硬質金属肉盛層の外観写真及び断面写真を図19に示す。Zrを添加した被処理領域に形成した硬質金属肉盛層は緻密化されているのに対し、金属基材に直接形成させた硬質金属肉盛層には多数のボイド欠陥が形成していることが分かる。また、実施例1と同様にして硬質金属肉盛層の気孔率を測定したところ、Zrを添加した被処理領域に形成した硬質金属肉盛層の気孔率は1.9%、基材に直接形成させた硬質金属肉盛層の気孔率は25.7%であった。
Example 3
A hard metal build-up layer was formed in the same manner as in Example 2, except that the deoxidizing element was Zr. Appearance and cross-sectional photographs of the obtained hard metal build-up layer are shown in FIG. 19. It can be seen that the hard metal build-up layer formed in the treated area to which Zr was added was densified, whereas the hard metal build-up layer formed directly on the metal substrate had many void defects. In addition, when the porosity of the hard metal build-up layer was measured in the same manner as in Example 1, the porosity of the hard metal build-up layer formed in the treated area to which Zr was added was 1.9%, and the porosity of the hard metal build-up layer formed directly on the substrate was 25.7%.

《実施例4》
原料粉末にはGTV社製のWC-Ni造粒粉(WC:88質量%、Ni:12質量%、粒径:45~90μm)を用いたこと以外は実施例1と同様にして、硬質金属肉盛層を形成させた(レーザ出力:1600W)。得られた硬質金属肉盛層の断面写真を図20に示す。また、比較として、被処理領域を形成させることなくステンレス鋼基材の表面にレーザ粉体肉盛溶接を直接施した場合の硬質金属肉盛層の断面写真を図21に示す。金属結合相がNiの場合であっても、Alの添加によって硬質金属肉盛層のボイド欠陥が顕著に抑制されていることが分かる。
Example 4
A hard metal build-up layer was formed in the same manner as in Example 1, except that WC-Ni granulated powder (WC: 88 mass%, Ni: 12 mass%, particle size: 45-90 μm) manufactured by GTV was used as the raw material powder (laser output: 1600 W). A cross-sectional photograph of the obtained hard metal build-up layer is shown in FIG. 20. For comparison, a cross-sectional photograph of the hard metal build-up layer in the case where laser powder build-up welding was directly performed on the surface of the stainless steel base material without forming a treated region is shown in FIG. 21. It can be seen that even when the metallic bonding phase is Ni, the addition of Al significantly suppresses void defects in the hard metal build-up layer.

《実施例5》
金属基材に約0.8質量%のAlを含有するSACM645基材を用い、Alを追加で添加することなく、SACM645基材にレーザ粉体肉盛溶接を直接施した。レーザ粉体肉盛溶接の処理条件及び原料粉末は実施例1と同様である(レーザ出力:1600W)。
Example 5
The metal substrate was a SACM645 substrate containing about 0.8% by mass of Al, and laser powder build-up welding was performed directly on the SACM645 substrate without adding additional Al. The processing conditions and raw powder of the laser powder build-up welding were the same as those in Example 1 (laser output: 1600 W).

1パスのレーザ粉体肉盛溶接を施した場合、厚さ方向に2パスのレーザ粉体肉盛溶接を重畳させた場合、及び厚さ方向に3パスのレーザ粉体肉盛溶接を重畳させた場合の硬質金属肉盛層の断面写真を図22に示す。2層目まではAlの供給によってボイド欠陥の形成が抑制されているが、3層目にはボイド欠陥が形成されている。 Figure 22 shows cross-sectional photographs of the hard metal buildup layer when one pass of laser powder buildup welding is performed, when two passes of laser powder buildup welding are superimposed in the thickness direction, and when three passes of laser powder buildup welding are superimposed in the thickness direction. The formation of void defects is suppressed up to the second layer by the supply of Al, but void defects are formed in the third layer.

図22に示す3パスのレーザ粉体肉盛溶接を重畳させた場合の硬質金属肉盛層断面のSEM写真を図23に示す。図23に示す1層目、2層目及び3層目についてEDS分析を行い、Alの含有量を測定したところ、1層目:0.235質量%、2層目:0.159質量%、3層目:0.089質量%であった(SACM645基材:0.845質量%)。当該結果は、ボイド欠陥の抑制には、少なくとも0.1質量%以上のAlの添加が必要であることを示している。 Figure 23 shows an SEM photograph of the cross section of the hard metal buildup layer when the three passes of laser powder buildup welding shown in Figure 22 were superimposed. EDS analysis was performed on the first, second, and third layers shown in Figure 23, and the Al content was measured. The results were: first layer: 0.235 mass%, second layer: 0.159 mass%, third layer: 0.089 mass% (SACM645 base material: 0.845 mass%). This result indicates that the addition of at least 0.1 mass% Al is necessary to suppress void defects.

《実施例6》
WC-Co造粒粉(WC:88質量%、Co:12質量%、粒径:15~45μm)に直径約3μmのAl粒子を混合して造粒し、Al含有量が0.5質量%、1.0質量%、2.5質量%の造粒粉を得た。造粒粉は原料粉末を手混合した後、PVA水溶液をバインダーとして噴霧し、乾燥及び分級することで製造した。
Example 6
WC-Co granulated powder (WC: 88% by mass, Co: 12% by mass, particle size: 15 to 45 μm) was mixed with Al particles having a diameter of about 3 μm and granulated to obtain granulated powders with Al contents of 0.5% by mass, 1.0% by mass, and 2.5% by mass. The granulated powders were produced by manually mixing the raw material powders, spraying an aqueous PVA solution as a binder, and then drying and classifying the powders.

得られた造粒粉(Al含有量:1.0質量%)のSEM写真及びSEM-EDSマッピングを図24に示す。略球状のWC-Co造粒粉と微細なAl粒子からなる造粒粉が得られていることが分かる。 The SEM photograph and SEM-EDS mapping of the obtained granulated powder (Al content: 1.0 mass%) are shown in Figure 24. It can be seen that the obtained granulated powder is composed of roughly spherical WC-Co granulated powder and fine Al particles.

得られた各造粒粉を原料粉末として用い、金属基材にAlを添加しなかったこと以外は実施例1と同様にして、硬質金属肉盛層を形成させた(レーザ出力:1600W)。 The resulting granulated powders were used as raw material powders, and hard metal build-up layers were formed in the same manner as in Example 1, except that no Al was added to the metal substrate (laser output: 1600 W).

得られた各硬質金属肉盛層の断面写真を図25に示す。全ての硬質金属肉盛層においてAl添加による緻密化が認められる。一方で、造粒粉のAl含有量を2.5質量%とした場合、硬質金属肉盛層に割れが認められる。当該結果は、硬質金属肉盛層の割れを抑制するためには、造粒粉のAl含有量の上限値を2.0質量%程度にする必要があることを示している。 Cross-sectional photographs of each of the hard metal buildup layers obtained are shown in Figure 25. Densification due to the addition of Al is observed in all of the hard metal buildup layers. On the other hand, when the Al content of the granulated powder is set to 2.5 mass%, cracks are observed in the hard metal buildup layer. This result indicates that in order to suppress cracks in the hard metal buildup layer, the upper limit of the Al content of the granulated powder needs to be set to approximately 2.0 mass%.

11・・・レーザ加工ヘッド、
11a・・・レーザ光路、
11b・・・入射口、
11c・・・光軸、
12・・・レーザ光、
13・・・金属基材、
13a・・・溶融池、
14・・・原料粉末供給管、
15・・・原料粉末、
16・・・硬質金属肉盛層、
17・・・シールドガス供給管、
18・・・不活性ガス、
19・・・冷却水供給管、
20・・・冷却水、
21・・・硬質金属部材。
11...laser processing head,
11a...laser optical path,
11b: entrance port,
11c...optical axis,
12...laser light,
13... Metal substrate,
13a...molten pool,
14: Raw powder supply pipe,
15... Raw material powder,
16...Hard metal overlay layer,
17...Shielding gas supply pipe,
18... inert gas,
19...cooling water supply pipe,
20...cooling water,
21...Hard metal member.

Claims (9)

WC粒子を含む硬質粒子と、金属結合相と、を含有する混合粉末を原料とし、付加製造法によって金属基材の表面に硬質金属肉盛層を形成させる硬質金属部材の製造方法であって、
高エネルギービーム照射によって前記混合粉末の溶融領域を形成すると共に、前記溶融領域に脱酸元素を添加し、
前記脱酸元素が、1500~2000℃の範囲においてCOの標準生成自由エネルギー(ΔGCO)よりも低い標準生成自由エネルギーを有し
前記脱酸元素をAl又はZrとすること、
を特徴とする硬質金属部材の製造方法。
A method for manufacturing a hard metal member, comprising: forming a hard metal build-up layer on a surface of a metal substrate by an additive manufacturing method using a mixed powder containing hard particles including WC particles and a metal bonding phase as a raw material,
forming a molten region of the mixed powder by irradiating the mixed powder with a high energy beam and adding a deoxidizing element to the molten region;
The deoxidizing element has a standard free energy of formation lower than the standard free energy of formation (ΔG CO ) of CO in the range of 1500 to 2000° C. ,
The deoxidizing element is Al or Zr;
A method for manufacturing a hard metal member, comprising the steps of:
前記脱酸元素を前記混合粉末に添加すること、
を特徴とする請求項1に記載の硬質金属部材の製造方法。
adding the deoxidizing element to the mixed powder;
The method for producing a hard metal part according to claim 1, characterized in that
前記混合粉末を造粒粉とすること、
を特徴とする請求項1又は2に記載の硬質金属部材の製造方法。
The mixed powder is made into a granulated powder.
3. The method for producing a hard metal part according to claim 1 or 2, characterized in that
前記硬質金属肉盛層を形成させる前記金属基材の表面に、前記脱酸元素を配置すること、
を特徴とする請求項1~3のうちのいずれかに記載の硬質金属部材の製造方法。
disposing the deoxidizing element on the surface of the metal substrate on which the hard metal cladding layer is to be formed;
The method for producing a hard metal member according to any one of claims 1 to 3, characterized in that
前記硬質金属肉盛層を厚さ方向に多層の肉盛層とすること、
を特徴とする請求項1~4のうちのいずれかに記載の硬質金属部材の製造方法。
The hard metal cladding layer is a multi-layer cladding layer in the thickness direction;
The method for producing a hard metal member according to any one of claims 1 to 4, characterized in that
金属基材の表面に硬質金属肉盛層が形成され、
前記硬質金属肉盛層はWC粒子を含む硬質粒子、金属結合相及び脱酸元素を有し、
前記脱酸元素がAl又はZrであること、
を特徴とする硬質金属部材。
A hard metal cladding layer is formed on the surface of the metal substrate,
The hard metal cladding layer has hard particles including WC particles, a metal bonding phase and a deoxidizing element,
The deoxidizing element is Al or Zr ;
A hard metal member characterized by:
前記硬質金属肉盛層の気孔率が5%以下であること、
を特徴とする請求項に記載の硬質金属部材。
The porosity of the hard metal buildup layer is 5% or less;
7. The hard metal member according to claim 6 ,
請求項1~に記載の硬質金属部材の製造方法で使用する混合粉末であって、
WC粒子を含む硬質粒子、金属結合相及び脱酸元素を含有し、
前記脱酸元素がAl又はZrであること、
を特徴とする付加製造法用原料粉末。
A mixed powder used in the method for producing a hard metal member according to any one of claims 1 to 5 ,
Contains hard particles including WC particles, a metal bonding phase and a deoxidizing element;
The deoxidizing element is Al or Zr ;
A raw material powder for additive manufacturing, characterized by:
前記Alの含有量を0.1~2.0質量%とすること、
を特徴とする請求項に記載の付加製造法用原料粉末。
The content of Al is 0.1 to 2.0 mass %;
The additive manufacturing feed powder according to claim 8 ,
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