異種コンデンサ放電溶接継手の圧痕特性と組織の相関性

Correlation Between the Indentation Properties and Microstructure of Dissimilar Capacitor Discharge Welded WC-Co/High-Speed Steel Joints.

• Giovanni Maizza
• Renato Pero
• Frediano De Marco
• Takahito Ohmura

抄録

超硬合金と工具鋼の溶接は、超硬合金の高い硬度と鋼の高い破壊靭性を両立させながら、そのトライボロジー特性、靭性、熱特性、化学特性を最適に調和させることができるため、成形コストを削減し、用途の汎用性を高めることができるため、科学的にも産業的にも意義のある挑戦的な課題である。既存の接合技術では、増加の一途をたどる過酷な使用条件に耐えるために、接合部の靭性が不十分であったり、高温強度が不十分であったりすることがよくあります。本論文では、タングステンカーバイドコバルト(WC-Co)複合棒とAISI M35高速度鋼(HSS)棒との突き合わせ継手を対象に、新しいコンデンサ放電溶接(CDW)プロセスを検討した。後者は、高電流集中と溶接部の熱を促進するために、円錐状の突起部を有する形状とした。CDWは、一軸圧力のみを印加するプレローディングステップの後に、直流（DC）電流パルスと外部一軸圧力を組み合わせることで機能する。比較的高い加熱・冷却速度により、高強度と靭性を兼ね備えた特徴的な超微細組織の薄層が促進される。形態学的分析は、CDWプロセスが以下のことを示した。(a)健全で網目状の接合部を形成し、(b)移行層を介して元のWC-Co複合母材のサブミクロ組織を保持し、(c)ハイス母材の元のマルテンサイトの微細組織を微細化し、(d)鋼側の溶接界面付近の厚さ1mmの層で耐食性を向上させることができることを示した。ナノインデンテーション試験の結果(e)溶接部のハイス母材側では硬さの低下は見られなかったが、(f)複合材側の移行層では若干の硬さの低下が見られた。また，(g)試料作製後の残留応力加工により生じたき裂の大きさに変化がなく，接合部の靭性の指標となっていることが確認された。

The welding of cemented carbide to tool steel is a challenging task, of scientific and industrial relevance, as it combines the high level of hardness of cemented carbide with the high level of fracture toughness of steel, while reducing the shaping cost and extending the application versatility, as its tribological, toughness, thermal and chemical properties can be optimally harmonised. The already existing joining technologies often impart either insufficient toughness or poor high-temperature strength to a joint to withstand the ever-increasing severe service condition demands. In this paper, a novel capacitor discharge welding (CDW) process is investigated for the case of a butt-joint between a tungsten carbide-cobalt (WC-Co) composite rod and an AISI M35 high-speed steel (HSS) rod. The latter was shaped with a conical-ended projection to promote a high current concentration and heat at the welding zone. CDW functions by combining a direct current (DC) electric current pulse and external uniaxial pressure after a preloading step, in which only uniaxial pressure is applied. The relatively high heating and cooling rates promote a thin layer of a characteristic ultrafine microstructure that combines high strength and toughness. Morphological analysis showed that the CDW process: (a) forms a sound and net shaped joint, (b) preserves the sub-micrometric grain structure of the original WC-Co composite base materials, via a transitional layer, (c) refines the microstructure of the original martensite of the HSS base material, and (d) results in an improved corrosion resistance across a 1-mm thick layer near the weld interface on the steel side. A nano-indentation test survey determined: (e) no hardness deterioration on the HSS side of the weld zone, although (f) a slight decrease in hardness was observed across the transitional layer on the composite side. Furthermore, (g) an indication of toughness of the joint was perceived as the size of the crack induced by processing the residual stress after sample preparation was unaltered.