JP2003136474A

JP2003136474A - Ｗｃ複合材料を用いた刃物

Info

Publication number: JP2003136474A
Application number: JP2001341438A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Matsuo; 松尾　　繁; Norimitsu Koe; 規充向江
Original assignee: Nippon Tungsten Co Ltd
Current assignee: Nippon Tungsten Co Ltd
Priority date: 2001-11-07
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2003-05-14

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は耐摩耗性、耐欠損性および耐食性に優
れた刃物、特にカッター、切断刃、円盤状の刃物を提供
することを目的とする。【解決手段】ＷＣを主成分とし７０〜９６重量％含有
し、部分安定化ジルコニア４〜３０重量％を含有する粉
末を混合し、所望の形状に成形後に還元雰囲気中で焼結
を行い、必要応じて機械加工を行って刃物を得る。この
ＷＣ系複合材料を用いた刃物は耐摩耗性、耐欠損性およ
び耐食性に優れており、カッター、切断刃および円盤状
の刃物に特に好適である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は食品、樹脂、ゴム、
紙、発泡スチロール、ワイヤー、木材、ダンボールなど
の切断用の刃物、カッター、切断刃および丸刃に関す
る。

【０００２】

【従来技術】従来、カッター、切断刃および丸刃などの
刃物は主に鉄系材料にて製作されている。鉄系材料に焼
き入れを行ったり、添加元素を加えることによって靱
性、硬さを向上させ、長寿命化、高靱性化などの高性能
化が進んできた。現在、鉄系材料で最もよく持ちいれて
いるものはSK-2材であり、焼き入れ焼戻しを行うことか
ら硬さの高い材料が得られている。通常の食品加工や紙
の切断、繊維の切断においては上記の鉄系材料で問題な
く使用できるが、切断相手材の硬さが高かったり、長時
間の使用の場合さらには使用および保管環境が鉄系材料
にとって錆びやすい場合（特に調理場の水分や海水）は
鉄系材料では不十分となる。また、特に鉄系材料で錆が
発生し性能の維持および用途上で問題が生じる場合に
は、ステンレス鋼が使用されることもあり、現在主に用
いられるステンレスはＳＵＳ４２０Ｊ−２（０．２６
〜０．４０％Ｃ、１２〜１４％Ｃｒ）やＧｉＮ−５，Ｓ
ＫＳ−７などである。ところが、ステンレス鋼は錆びに
くく、粘りけが高く、破壊しにくい反面、刃先が塑性変
形を生じやすい傾向にある。そのために、切断相手材の
硬さが高い場合や、工業用の用途に使用する場合で長時
間使用する場合は十分な切れ味を維持できなくなり頻繁
に再研磨の必要が生じる。そのために更なる長寿命化、
耐食性を備えた刃物として、現在まで特開平１１−２３
５４７８公報に示されるような超硬合金材料や、特開平
Ｈ１１−１２８５５８広報に示されるジルコニア系材料
を用いた刃物が発明されてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、鉄を含
む金属材料やＷＣに金属バインダーを加えた超硬合金
は、破壊靭性が高く使用中に破壊しにくいという利点が
あるが、硬さが不足している為に長寿命は実現できな
い。また、環境（特に水や塩水）に対し腐食が起こりや
すく、切れ味の低下、錆の被切断物への混入などの問題
も起こす。また、寿命を延ばすべくジルコニアを主成分
とした組成で刃物を作成したものは、腐食がきわめて起
こりにくく、また、耐摩耗性は極めて優れている反面、
その低い靭性により使用中に破壊を起こしやすい。ま
た、食品や衣料品などに使用する際、刃先に欠けが起こ
った場合、その破片が金属探知器で検出することが出来
ずに被切断物と共に次工程に進むという問題もある。本
発明は上記の各種刃物ではすべてを得ることが出来なか
った長寿命、高靭性、耐食性を併せ持った優れた刃物を
得ることを目的として行ったものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】ＷＣを主成分とし７０〜
９６重量％含有し、部分安定化ジルコニア４〜３０重量
％を含有する複合材料よりなる部位を少なくとも一部含
む刃物を作製することにより上記課題を解決した。請求
項１に示す本発明はＷＣを主成分とし７０〜９６重量％
含有し、部分安定化ジルコニア（以下「部分安定化ジル
コニア」を単に「ジルコニア」と表記する）４〜３０重
量％を含有するＷＣ複合材料よりなる部位を少なくとも
一部位有する刃物である。ＷＣおよびジルコニアを含有
することにより、通常刃物として用いられる鉄系材料、
ステンレス鋼と比較して硬さが高く、耐摩耗性に優れる
ことから刃先形状を長時間保持することができ、その結
果良好な切れ味や高能率切断を長時間持続させることが
できる。請求項２に示す本発明は手または機械で保持ま
たは固定し、食品、樹脂、ゴム、紙、発泡スチロール、
木材またはダンボールのいずれかを切断する、削るまた
は切り目を入れる際に使用する刃物である。これらを使
用する際は、形状によっては使用時に保持しにくく、重
量、価格、使用感から金属、木材、樹脂などで取っ手や
握る部分を作製して合わせて使用するものである。ま
た、機械に装着する場合は上記の取っ手や握る部分の代
わりに機械に固定するためのホルダー、ネジ締め、ボル
ト締め、挟み込み治具、その他固定治具を用いて使用す
る。適当な取っ手、握る部分をつけること、または機械
に固定することにより、切断時のぶれを防止し、刃の持
つ硬度や剛性を十分生かした切断が可能となる。また、
切り込みの角度などが一定に制御できることから刃の破
損を防ぎ、切断面の面荒れを防ぐことが出来る。請求項
３に示す本発明は手または機械で保持して使用する手で
持ち使用する手持ちカッターまたは被切断物を刃に押し
当て切断するのための固定カッターの形状を有する刃物
である。本発明のＷＣおよびジルコニアよりなる刃物は
高硬度、高靱性かつ高剛性率であり十分に保持または固
定されているために安定した切断を行うことができる。
請求項４に示す本発明は切断刃として用いるＷＣとジル
コニアよりなる刃物である。切断刃による切断は、切断
相手材に主にせん断力を与えて切断するが、本発明のＷ
Ｃとジルコニアよりなる刃物は曲げ剛性率が高く、切断
時に刃先が逃げにくいことから、使用すると精度よい切
断を行うことができる。請求項５に示す本発明は使用時
に回転し、円盤状の刃の形状を有することを特徴とする
刃物である。本発明のＷＣおよびジルコニアよりなる刃
物は強度がありかつ剛性率が高いために、高速で回転す
る円盤状の刃の形状を有す工具として適している。円盤
状の工具の外周部分は常に径方向への加速度を受けなが
ら回転運動を行っている。そのために加速度と自重によ
り回転中に変形が起こり、さらに破壊が起こる。本発明
の円盤状の刃は、強度および曲げ剛性率が高いことから
上記変形が最小限に押さえられ、刃が破壊しにくく、精
度良い加工を行うことができる。請求項６に示す本発明
はセラミックス、超硬合金、焼結合金、陶磁器などのグ
リーン体および仮焼結体に用いる整形用工具である。上
記の材料は焼成を行う前の段階では多くの粒子間の隙間
を有すためにグリーンおよび仮焼体の強度、硬度は共に
は高いものではないが、粒子それ自体の硬さは非常に高
いために整形に用いる工具には高い硬さが要求される。
ＷＣおよびジルコニアはいずれも硬さが高く、強度も高
いために上記整形用工具として適している。上記の各発
明により欠けにくく且つ長寿命で、耐食性に優れた刃物
を得ることができる。この刃物は食品、樹脂、ゴム、
紙、発泡スチロール、金属板、ダンボール、グリーン
体、仮焼結体、さらには布、不織布、ガラス繊維、氷な
どを切断する、削る、切り目を入れる用途に好適であ
る。本発明の刃物はＷＣを主成分とし７０〜９６重量
％、ジルコニアを４〜３０重量％含有するＷＣ複合材料
を用いた刃物である。本組成にて拡散および緻密化が十
分なＷＣ−ジルコニア複合材料は、両者の熱膨張の違い
から焼結後の冷却過程にて応力の残留が起こり、その結
果高い硬さ、強靭性を有する。また、２組成が複合する
ことにより、強度は超硬合金並みであり、硬さは原料で
ある超硬合金、ジルコニアの単体組成よりも高いものが
得られる。また、通常の超硬合金における金属のバイン
ダーを基本的に有しておらず、焼結はＷＣに対して低融
点であるジルコニアが中心となり進行する。粒径、焼結
温度、雰囲気によって十分に緻密な組織にならない場合
は、通常の超硬合金のごとくＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒなどの金
属バインダーを添加することも可能であるが諸特性（硬
さ、強度、破壊靭性、ヤング率および耐食性）に悪影響
を与えるために、添加する場合でも５％以下、できれば
添加しないことが望ましい。上記の組成ＷＣ複合材料を
作製するには、平均粒径が０．５〜１０μｍのＷＣおよ
びジルコニアの粉末を湿式にて２４時間以上混合後、乾
燥させる。その後、この混合物を所望の成形手段たとえ
ば金型プレス、冷間静水圧プレス、射出成形、押し出し
成形など公知の方法により任意の形状に成形するか、ま
たは混合粉末を型内に充填して焼成する。焼成は真空
中、希ガス雰囲気、COガス雰囲気、Ｈ_２ガス雰囲気など
非酸化雰囲気中で１３００〜１９００℃の温度範囲で行
う。以上の行程にて十分に緻密化が進行せずに焼結体中
に気孔が残るようであれば、希ガスおよび窒素雰囲気で
１００ＭＰａ以上の圧力下でＨＩＰ（熱間静水圧プレ
ス）処理を行うことも可能である。次に得られた焼結体
を必要に応じて加工を行う。加工は砥石による研削加
工、砥粒加工、放電加工、レーザー加工のいずれも可能
である。得られた焼結体を必要に応じて取っ手や固定用
の種々の治具にとる付けることにより切れ味がよく、寿
命が長く、また機械に装着して使用する場合は交換頻度
がきわめて少なくてすみ、腐食が生じにくい刃物、特に
カッター、切断刃および丸刃が得られる。また、取り付
け方法としてはネジ止め、ボルト締め、接着、加熱圧
接、締め込み、ロー付けなど様々な方法をとることがで
きる。

【０００５】

【実施例】純度９９％以上、平均粒径が１．０μｍのＷ
Ｃ粉末を８０重量％、部分安定化ジルコニアを２０重量
％とを調合後、ボールミルで２４時間混合した。乾燥
後、混合粉末をプレス成形した後この成形体をＡｒガス
０．２ＭＰａの雰囲気中、１７００℃で焼成を行った。
得られた焼結体を平面研削盤、ワイヤー放電加工機、型
彫放電加工機、万能研削盤を用いて図１〜図４に示すカ
ッター、切断刃、丸刃、整形工具それぞれの形状に加工
した。この試料を試料Ｎｏ．２とし、ＷＣおよびジルコ
ニアの組成を変えて同様の試料を作製したものをそれぞ
れ試料Ｎｏ．１、試料Ｎｏ．３、試料Ｎｏ．７および試
料Ｎｏ．８とした。さらに比較用として鉄系材料（ＳＫ
−２）、超硬合金（Ｃｏバインダー）、ジルコニアにて
同形状の試料を作り比較試料としてそれぞれ試料Ｎｏ．
４、試料Ｎｏ．５、および試料Ｎｏ．６とした。上記の
それぞれの組成を表１に示す。

【０００６】

【表１】

【０００７】但し、表中のZrO_２は３ｍｏｌ％Ｙ_２Ｏ_３
にて安定化したものである。*印の試料は本発明の範囲
外である。上記の試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．８のそれぞ
れの試料について図１に示す形状で大きさが１０×１５
０×１ｍｍの固定カッターを作製し一部を固定して表２
に示す被切断材である冷凍イカを刃の方向へ向かって自
動搬送装置にて５ｍ／秒の速度で進行させ切断した。搬
送装置には切断抵抗用の圧力センサーを取り付け、刃先
が摩耗または欠けを起こし切断抵抗が初期値の２倍の大
きさになったところで搬送を中止した。中止までに実際
に切断を行った時間（被切削材の入れ替えや位置合わせ
時間を除いた時間、以下同様）をそれぞれ表２に示す。
その結果、試料Ｎｏ．４（ＳＫ−２）、試料Ｎｏ．６は
(超硬)および試料Ｎｏ．７(ジルコニア５％)は寿命が短
く、試料Ｎｏ．５（ジルコニア）および試料Ｎｏ８（ジ
ルコニア４０％）は早期に刃先の欠けが生じた。本発明
の試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．３は欠けを起こすことな
く、長時間使用することができた。冷凍イカはイカの歯
の部分が硬質であり、ジルコニアを多く含む材料ではこ
の硬質部分の衝撃の際に欠けが起こり、早期に使用不可
となる。また、イカのような食品関係や医療関係、衣服
の切断などの用途の場合は通常金属探知器を使って針や
刃物のかけらが混入していないか検査を行うが、ジルコ
ニア単体の場合は金属探知器で探知ができないために望
ましくない。また、同様の実験を厚みが２０ｍｍ樹脂板
および板ゴムについて５ｍ／分の速度で行ったところ上
記冷凍イカ切断と同様の結果となった。樹脂板および板
ゴムについては切断時に刃先に熱が蓄積するために、ジ
ルコニアの一部が相変態を起こし、一部の試料では刃先
の形状が崩れ、早期に使用不可となった。

【０００８】

【表２】

【０００９】試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．８のそれぞれの
試料について図２に示すような切断機の形状に合わせて
１０×１０×２００ｍｍの大きさの切断刃を作製し片側
に穴をあけボルトで回転方向にだけ動くように固定し、
反対側を自動機にて反復運動させた。被切断材は紙（被
切断材Ｎｏ．６）であり、約０．１ｍｍの厚さの紙を１
５０枚重ねあわせ約１５ｍｍの厚さのものとした。重ね
た紙は自動搬送装置にて切断刃のストローク1回ごとに
自動で搬送し、刃先が摩耗または欠けを起こし切断抵抗
が初期値の２倍の大きさになったところで搬送を中止し
た。尚、この実験で圧力センサーは刃の自動反復装置に
取り付けた。中止までの時間を表３の被切断材Ｎｏ．６
に示す。その結果、試料Ｎｏ．４（ＳＫ−２）、試料Ｎ
ｏ．６は(超硬)および試料Ｎｏ．７(ＷＣ＋ジルコニア
２％)は寿命が短く、試料Ｎｏ．５（ジルコニア）およ
び試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．３および試料Ｎｏ．８（ジ
ルコニア４０％）は欠けも起こらず良好な切断を長時間
に渡って行うことができた。さらに被切断材を厚さが８
ｍｍの銅板（被切断材Ｎｏ．４）および直径が４ｍｍの
鉄製ワイヤー（被切断材Ｎｏ．５）で同様の実験をした
ところ、本発明の範囲である試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．
３は良好な結果を示したが、試料Ｎｏ．４（ＳＫ−
２）、試料Ｎｏ．６は(超硬)および試料Ｎｏ．７(ＷＣ
＋ジルコニア５％)は寿命が短く、試料Ｎｏ．５（ジル
コニア）および試料Ｎｏ．８（ジルコニア４０％）は破
壊靭性が小さいために早期に欠けが生じた。

【００１０】

【表３】

【００１１】試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．８のそれぞれの
試料について図３に示す形状で直径が１００ｍｍ、厚さ
が２ｍｍの丸刃を作製し、その中心部を固定して表３に
示す被切断材である厚さ１０ｍｍのダンボール（被切断
材Ｎｏ．７）を回転している刃の方向に自動搬送機を使
って送り切断した。丸刃は１０００ｒｐｍにて回転させ
た。ダンボールは自動搬送装置にて５ｍ／秒の速度で進
行させ切断した。搬送装置には切断抵抗用の圧力センサ
ーを取り付け、刃先が摩耗または欠けを起こし切断抵抗
が初期値の２倍の大きさになったところで搬送を中止し
た。測定寿命までの切削距離をそれぞれ表３に示す。そ
の結果、試料Ｎｏ．４（ＳＫ−２）、試料Ｎｏ．６は
(超硬)および試料Ｎｏ．７(ジルコニア２％)は寿命が短
く、試料Ｎｏ．５（ジルコニア）および試料Ｎｏ．１〜
試料Ｎｏ．３は良好な切断を長時間行うことができた。
木材（被切断材Ｎｏ．８）についての実験はダンボール
とまったく同じ傾向を示す結果を得た。発泡スチロール
（被切断材Ｎｏ．９）の切断については切断時に刃先に
熱が蓄積しやすいするために、ジルコニアを多く含む試
料は一部が相変態を起こし、刃先の欠けを生じた。試料
Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．８のそれぞれの試料について１
２．７×１２．７×４．８ｍｍの直方体のチップを作製
し、すくい面にあたる辺と頂点に幅０．２ｍｍ、角度２
５°の面取りを行ったものを旋盤のホルダーに締め付け
固定し、炭化珪素グリーン体（被切断材Ｎｏ．１０）の
切削整形を行った。切削周速は２０ｍ／分であり、切り
込み量は１．０ｍｍ（片側０．５ｍｍ）であった。刃先
が摩耗し、グリーン体表面が荒れるところを目視で判断
して切削可能時間とした。各試料についての切削可能時
間をそれぞれ表３に示す。その結果、試料Ｎｏ．４（Ｓ
Ｋ−２）、試料Ｎｏ．６は(超硬)および試料Ｎｏ．７
(ジルコニア２％)は寿命が短く、試料Ｎｏ．５（ジルコ
ニア）および試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．３は良好な切断
を長時間行うことができた。

【００１２】

【発明の効果】以上詳述したとおり本発明により、従来
様々な分野で使用されている刃物と比較して、硬さ、強
度、剛性、耐食性に優れており、使用環境および保存環
境に関わらず刃先の形状が長時間保たれるカッター、切
断刃、丸刃に代表される刃物を得ることができた。これ
らの刃物は食品、樹脂、ゴム、紙、発泡スチロール、ビ
ニール、ワイヤー、木材またはダンボール、グリーン
体、仮焼結体、布、不織布または氷のいずれかを切る、
削るまたは切り目を入れる用途に好適する。

【図面の簡単な説明】

【図1】代表的なカッター刃の形状を示す。

【図２】代表的な切断刃の形状と使用方法の概要を示
す。

【図３】代表的な円盤状の刃物の形状と使用方法の概要
を示す。

【図４】旋削用整形工具の形状と使用方法の概要を示
す。

【符号の説明】

１カッターの固定部２カッターの刃部３被切断物の進行方向４切断刃５回転反復運動の支点６反復運動の方向７被切断物の進行方向８回転する円盤状刃物９円盤状刃物の回転方向１０円盤状刃物の回転中心１１被切断物の進行方向１２チップ１３ホルダー１４ホルダーの進行方向１５被切削物の回転方向１６被切削グリーン体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＷＣを主成分とし７０〜９６重量％含有
し、部分安定化ジルコニア４〜３０重量％を含有する部
位を少なくとも１部含む刃物。
【請求項２】保持部または把持部を有し、使用時に手ま
たは機械で保持、固定して食品、樹脂、ゴム、紙、発泡
スチロール、金属板、ワイヤー、木材またはダンボール
のいずれかを切る、削るまたは切り目を入れる際に使用
する請求項1に記載の刃物。
【請求項３】手持ちカッターまたは被切断物を刃に押し
当て切断するための固定カッターの形状を有し、手また
は機械で保持して使用する請求項１または請求項２に記
載の刃物。
【請求項４】切断刃として用いられる請求項１から請求
項３のいずれかに記載の刃物。
【請求項５】使用時に回転し、円盤状の刃形状を有する
ことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項
４に記載の刃物。
【請求項６】セラミックス、超硬合金、焼結合金、陶磁
器のグリーン体および仮焼結体の整形に用いる請求項１
から請求項５のいずれかに記載の刃物。