JP2015199105A - 自動機用刃体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動機用刃体として、刃先部が高硬度で剪断性に優れ、使用中の衝撃による割れや欠損を生じにくく、耐久性に優れると共に補修容易で刃本体を再利用できるものを効率よく製造する方法を提供する。【解決手段】刃本体２ａの刃先部２３に、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．１０〜０．５０％、Ｃｒ：２．００〜３．００％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ｗ：１４．００〜２０．００％、Ｃｏ：１７．００〜２２．００％、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ及びＢの４元素の合量：０〜１．００％、Ｆｅ及び不可避不純物：残部、からなる組成を有する溶接材料を肉盛溶接したのち、５６０〜７００℃の温度範囲で時効処理し、冷却後の肉盛り部１０の表面を研磨加工する。【選択図】図３

Description

本発明は、種々の材質の固形被処理物を破砕する各種破砕機、同様の固形被処理物を粉砕する剪断式粉砕機、製本紙工業用の各種断裁機、木材チップや製紙原料チップの製造に用いるチッパーマシン及びフレーカーマシン、合板工業におけるロータリーレースマシンやスライサーマシン及び定寸切断機、丸鋸盤等のように、刃体の自動動作で対象物を破砕、切断、切削する種々の自動機用刃体の製造方法に関する。

従来より、プラスチック、木片、紙、金属等の廃材を細かく破砕するのに、ツイン・スリット型破砕機が汎用されている。この破砕機は、例えば図１及び図２に示すように、上部に投入口１ａ、下部に放出口１ｂを有する金属製ケーシング１内に、各々複数枚の環状破砕刃２…を環状スペーサ３を介して一定間隔置きに嵌装固定した駆動軸４と従動軸５とが、両軸４，５の一方側の各環状破砕刃２を他方の環状スペーサ３の位置に嵌合するように並設されると共に、両軸４，５に固着したギヤ６，７の噛合により、駆動軸４の内向き回転に伴って従動軸５も内向きに従動回転し、投入口１ａから投入された被処理物Ｗを両軸４，５の環状破砕刃２…同士の噛み合い部分に引き込んでスリットカッター方式で破砕する。なお、ケーシング１の両側壁内面側には、未破砕物の落下を防止する落下防止板８が櫛歯状に固着されている。

このような破砕機の環状破砕刃２…は、一般的に合金工具鋼、ダイス鋼、高速工具鋼等の高級鋼にて製作され、且つ剪断に関与する刃先部が特に摩耗し易いために熱処理等で硬度を高めているが、高級鋼の使用によって材料費及び加工費が高く付く上、熱処理によって全体の靱性が低下することから、使用中の破砕に伴う衝撃によって割れや欠損を生じ易く、これら割れや欠損で早期交換を余儀なくされて保全コストが更に増大すると共に、往々にして事故に繋がることがあった。また、ツイン・スリット型破砕機に限らず、刃体の自動動作で対象物を破砕、切断、切削する他の種々の自動機に用いる刃体においても、高級鋼製で刃先部の硬度を高めるために熱処理等を施すものでは、やはり材料費及び加工費が高く付くと共に、同様に靱性低下による割れや欠損を生じ易くなるという難点は共通している。

一方、ツイン・スリット型破砕機として、環状破砕刃を中心側の円板状の取付け台部分とこれを取囲む刃先側部分とに分割し、更に刃先側部分を周方向複数個の部品に分割構成し、刃先部品のみに高級鋼を使用することにより、全体としての材料費及び加工費を低減すると共に、摩耗の進行で寿命に至った際、ならびに割れや欠損を生じた際に、刃先部品のみの交換で保全費を少なくし得るものが提案されている（特許文献１，２）。しかるに、このように環状破砕刃を分割構成しても、刃体の全体寸法に対して刃先側部分の占める割合が大きいため、刃先部品に高級鋼を使用することで相当な材料費がかかると共に、刃先部品は相互嵌合や取付け台部分への取付けのために形状的に複雑になるから、これを高級鋼製にした場合、その加工費は却って高く付く上、刃先部品自体の熱処理による靱性低下に起因した割れや欠損の問題は解決されない。また、他の種々の自動機に用いる刃体においても、取付け台部分と刃先側部分とに分割構成し、その刃先側部分のみに高級鋼を使用する構成とした場合、やはり加工費の増大を招くと共に、同様に刃先側部分の割れや欠損という問題が残ることになる。

そこで、本出願人は先に、本発明の先行技術として、刃本体の刃先部に特定組成の溶接材料を肉盛溶接したのち、浸炭焼入れ処理、サブゼロ処理、焼戻し処理を順次施し、更に表面を研磨加工することにより、刃先部に該肉盛溶接による硬質金属層を備える刃体を仕上げるようにした自動機用刃体の製造方法を発明している（特許文献３）

実用新案公告昭５７−３１９５３号公報 特許第２８１３５７２号公報 特許第４３８１２１９号公報

本出願人に係る前記先行技術の自動機用刃体の製造方法によれば、刃先部が高硬度で剪断性に優れ、且つ使用中の衝撃による割れや欠損を生じにくく、耐久性に優れた刃体を安価に製造できるという利点がある。しかしながら、この製造方法では、肉盛溶接後に浸炭焼入れ処理、サブゼロ処理、焼戻し処理という３段階の熱処理を順次施す必要があるため、処理に手間及び時間を要して製造効率面で劣ると共に、熱エネルギー消費も多くなり、また浸炭焼入れによる硬化層が浅いという難点があった。

本発明は、上述の事情に鑑みて、自動機用刃体として、刃先部が高硬度で剪断性に優れ、且つ使用中の衝撃による割れや欠損を生じにくく、耐久性に優れると共に補修容易で刃本体を再利用できるものを効率よく製造する方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る自動機用刃体の製造方法は、刃本体の刃先部に、
Ｃ ：０．０５〜０．１５質量％、
Ｓｉ：０．１０〜０．５０質量％、
Ｍｎ：０．１０〜０．５０質量％、
Ｃｒ：２．００〜３．００質量％、
Ｖ ：０．１０〜０．５０質量％、
Ｗ ：１４．００〜２０．００質量％、
Ｃｏ：１７．００〜２２．００質量％、
Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ及びＢの４元素の合量：０〜１．００質量％、
Ｆｅ及び不可避不純物： 残部、
からなる組成を有する溶接材料を肉盛溶接したのち、５６０〜７００℃の温度範囲で時効処理し、冷却後の肉盛り部の表面を研磨加工することにより、刃先部に前記肉盛溶接による硬化層を備える刃体を仕上げることを特徴としている。

請求項２の発明は、上記請求項１の自動機用刃体の製造方法において、肉盛溶接後に、その肉盛り部を含む部位に機械加工を施した上で、前記の時効処理を施す構成としている。

請求項３の発明は、上記請求項１又は２の自動機用刃体の製造方法において、前記の時効処理の時間が２〜１０時間である構成としている。

請求項４の発明は、上記請求項１〜３のいずれかの自動機用刃体の製造方法において、前記の時効処理前の肉盛り部のロックウェル硬度Ｈｒｃを４９以下、時効処理後の肉盛り部の同硬度Ｈｒｃを６０以上とする構成としている。

請求項１の発明によれば、刃本体の刃先部にＣｏ−Ｗ系の特定の溶接材料を肉盛溶接後、特定温度範囲で時効処理を施すことから、肉盛り部の略全体がＣｏ−Ｗの金属間化合物の析出によって極めて高硬度の硬化層に転化し、もって刃先部の剪断性に優れ、且つ硬化層の強度及び靱性が高いために使用中の衝撃による割れや欠損を生じにくく、また肉盛り部の刃本体に対する溶着強度も大きく、耐久性に優れると共に、硬化層が深いことで再加工による刃本体の再利用も可能な自動機用刃体が得られる。しかも、この製造方法では、肉盛溶接後の熱処理が時効処理のみであるから、該熱処理の手間及び時間が軽減されて高い製造効率を達成できることに加え、熱エネルギー消費も低減される。

請求項２の発明によれば、肉盛溶接後に、その肉盛り部を含む部位に切削や穴あけ等の所要の機械加工を施すが、時効処理前の肉盛り部の硬度が低いため、該機械加工を容易に行える。

請求項３の発明によれば、特定時間の時効処理を施すことから、肉盛り部を極めて高硬度の硬化層に確実に転化できる。

請求項４の発明によれば、時効処理前の肉盛り部のロックウェル硬度Ｈｒｃが特定値以下であるため、その肉盛り部を含む部位に容易に機械加工を施すことができる一方、時効処理後の該肉盛り部の同硬度Ｈｒｃが特定値以上であるため、自動機用刃体の刃先部として好適な硬化層となる。

本発明の製造方法を適用する刃体を備える自動機の一例であるツイン・スリット型破砕機を示す横断面平面図である。 同破砕機の縦断正面図である。 本発明の製造方法を適用した同破砕機の環状破砕刃を示し、（イ）は正面図、（ロ）は（イ）のローロ線の断面矢視図である。 肉盛溶接に用いる溶接材料のＣｏ＋Ｗの質量％と、その肉盛り部の時効処理後のロックウェル硬度Ｈｒｃとの相関図である。 製造Ｎｏ．５で用いた溶接材料による肉盛り部の時効処理前及び時効処理後における表面距離と硬さとの相関図である。 製造Ｎｏ．５で用いた溶接材料による肉盛り部の断面ミクロ組織を示し、（ａ）は時効処理前、（ｂ）は時効処理後、のそれぞれ顕微鏡写真図である。

本発明に係る自動機用刃体の製造方法では、刃本体の刃先部に、下記組成の溶接材料を肉盛溶接したのち、５６０〜７００℃の温度範囲で時効処理し、冷却後の肉盛り部の表面を研磨加工して、該刃先部に肉盛溶接による硬化層を備える刃体を仕上げる。

〔溶接材料の組成〕
Ｃ ：０．０５〜０．１５質量％、
Ｓｉ：０．１０〜０．５０質量％、
Ｍｎ：０．１０〜０．５０質量％、
Ｃｒ：２．００〜３．００質量％、
Ｖ ：０．１０〜０．５０質量％、
Ｗ ：１４．００〜２０．００質量％、
Ｃｏ：１７．００〜２２．００質量％、
Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ及びＢの４元素の合量：０〜１．００質量％、
Ｆｅ及び不可避不純物： 残部、

上記組成中、Ｃは、刃本体に溶接材料を溶着させるために必要な成分であり、過少では時効処理による硬化層が強度不足になり、過多では時効処理前の肉盛り部の硬度が高くなり過ぎて、穴あけや研削等の機械加工が困難になる。

Ｓｉは、溶着のために必要な成分であることに加え、溶着金属の脱酸作用を示すが、過少では充分な作用が得られず、過多では時効処理による硬化層の硬度が不充分になる。

Ｍｎは、溶着のために必要な成分であることに加え、時効処理による硬化層の強度及び靱性を向上させる作用を示すが、過少では充分な作用が得られず、過多では該硬化層の硬度が不充分になる。

Ｃｒは、溶着のために必要な成分であることに加え、溶着金属の耐食性を向上させる作用を示すが、過少では充分な作用が得られず、過多では時効処理による硬化層の硬度が不充分になる。

Ｖは、肉盛り部の金属組織における結晶粒を微細化して靱性を高める作用を示すが、過少では充分な作用が得られず、過多では時効処理による硬化層の硬度が不充分になる。

ＷとＣｏは、共存して時効処理によってＣｏ−Ｗの金属間化合物を析出させ、この析出によって硬化層を高硬度にする重要な成分であり、過少では該硬化層の硬度を充分に高められず、過多では時効処理前の肉盛り部の硬度が硬度が高くなり過ぎて、穴あけや研削等の機械加工が困難になる。

Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ及びＢは、結晶粒の微細化に寄与するが、必須成分ではない。

また、刃本体の材質は、特に制約されないが、ＳＣＭ４４０の如きクロムモリブデン鋼、Ｓ４５Ｃ，Ｓ３５Ｃの如き炭素鋼等が挙げられる。

刃本体は、適用する自動機の刃体形状とするために、ガス切断等によって粗加工し、必要に応じて刃先部の肉盛溶接による硬化層形成領域を開先加工しておく。そして、この刃先部に上記組成の溶接材料を好適には１層肉盛で肉盛溶接したのち、この肉盛り部を含む部位に切削や穴あけ等の所要の機械加工を施す。このとき、上記溶接材料による肉盛り部は、ロックウェル硬度Ｈｒｃで４９以下であるため、該機械加工を容易に行える。

例えば、適用する自動機が図１及び図２で示す既述のツイン・スリット型破砕機である場合、その刃体である各環状破砕刃２は、図３（イ）（ロ）で示すように、刃本体２ａが外周部に複数（図では６つ）の刃部２１…を有して中央部に略正方形の軸挿嵌穴２２を備える厚肉環形をなすが、この刃本体２ａの刃先側周辺部の両側面に開先加工として形成された各環状凹段部２３に、上記肉盛溶接によって肉盛り部１０を設け、その表面を研削して設計寸法に対してある程度の研磨加工代を残すように粗加工する。

肉盛り部の厚さは、自動機用刃体の種類、サイズ、被処理物の材質、設定する処理（加工）条件等によって最適値が異なるが、一般的には０．５〜７ｍｍの範囲がよく、薄過ぎては充分な耐久性が得られず、逆に厚過ぎては一回の肉盛溶接では形成が困難で層の質も低下する。また、上記の研磨加工代は０．５ｍｍ程度でよい。

本発明では、上述のように刃本体の刃先部に肉盛溶接して所要の機械加工を行ったのち、５６０〜７００℃の温度範囲で時効処理を施すことにより、肉盛り部の略全体がＣｏ−Ｗの金属間化合物の析出によってロックウェル硬度Ｈｒｃで６０以上という極めて高硬度の硬化層に転化する。この時効処理の温度が５６０℃未満では上記金属間化合物の析出が不充分になり、逆に７００℃を越えると該金属間化合物が固溶し、いずれの場合もＨｒｃ６０以上の硬度が得られない。なお、時効処理の時間は、肉盛り部の厚さによって最適時間が異なるが、２〜１０時間の範囲内で設定することが望ましい。この処理時間が短過ぎては上記金属間化合物の析出が不充分になり、長過ぎては該金属間化合物が粗大になり、いずれもＨｒｃ６０以上の高硬度を達成できない。

上記の時効処理を施したのち、冷却した硬化層の表面を研磨加工して、該刃先部に肉盛溶接による硬化層を備える刃体を仕上げる。

かくして得られた自動機用刃体は、刃先部に肉盛溶接による極めて高硬度の硬化層を有することから、該刃先部の剪断性に優れ、破断、破砕、切断、断裁、切削等の各々の用途に適合する高い刃体能力が得られると共に、刃先部の摩耗を生じにくい上、硬化層の強度及び靱性が高いために使用中の衝撃による割れや欠損を生じにくく、且つ肉盛り部の刃本体に対する溶着強度も大きく、もって卓越した耐久性を発揮する。また、この自動機用刃体では、肉盛溶接による肉盛り部の略全体が高硬度の硬化層に転化し、既述した先行技術（特許文献３）のように肉盛溶接後に浸炭焼入れ処理を施す方法に比較し、硬化層が格段（概して２倍以上）に深くなり、それだけ長寿命になることに加え、刃先部が損傷したり消耗しても補修溶接可能であり、この補修溶接によって刃本体を再利用できるという利点もある。

更に、この製造方法では、肉盛溶接後の熱処理が時効処理のみであるから、該熱処理の手間及び時間が軽減されて高い製造効率を達成できることに加え、熱エネルギー消費も低減され、もって製造コストがより低減する。

本発明の適用対象とする自動機用刃体は、図３に例示したようなツイン・スリット型破砕機用の環状破砕刃に限らず、種々の材質の固形被処理物を破砕する他の各種破砕機、同様の固形被処理物を粉砕する剪断式粉砕機、製本紙工業用の各種断裁機、木材チップや製紙原料チップの製造に用いるチッパーマシン及びフレーカーマシン、合板工業におけるロータリーレースマシンやスライサーマシン及び定寸切断機、丸鋸盤等のように、刃体の自動動作で対象物を破砕、切断、切削する種々の自動機用刃体を包含する。なお、これら自動機用刃体の刃先部に肉盛溶接による硬化層（硬質金属層）を設けた具体例として、前記特許文献３には、ツイン・スリット型破砕機用の分割構成の環状破砕刃（図４）、一軸型破砕機用の固定刃及び回転側刃体（図５，図６）、チッパーナイフ（図７）、断裁包丁（図８）、丸鋸盤用鋸刃（図９）が挙げられており、これら自動機用刃体の製造に本発明を適用する場合でも該特許文献の図示と同様部位に肉盛溶接を施せばよい。

図１及び図２に示すツイン・スリット型破砕機用の環状破砕刃２を対象として、図３（イ）（ロ）に示すように、最大径８００ｍｍ，厚さ１００ｍｍのＳＣＭ４４０からなる刃本体２ａの刃先側周辺部の両側面に、それぞれ開先加工として環状凹段部２３を形成し、この刃本体２ａを１５０℃に予熱した状態でＭＩＧ溶接により、各環状凹段部２３に後記表１に記載の組成を有する溶接材料を一層盛りで約５ｍｍ厚に肉盛溶接したのち、その両肉盛り部１０，１０の表面を約０．５ｍｍの研磨加工代が残るように研削し、次いで５８０℃にて３時間の時効処理を行い、徐冷後に両肉盛り部１０，１０の表面を研磨加工して刃先部に該肉盛溶接による硬化層を有するＮｏ．１〜６の刃体を仕上げた。

これらＮｏ．１〜６の刃体について硬化層の最高硬度（Ｈｒｃ）を測定したところ、この測定値と各刃体の肉盛溶接に用いた溶接材料におけるＣｏ＋Ｗの質料％との関係は、図４に示す通りであった。この図４から明らかなように、溶接材料のＣｏとＷの合量比率が高くなるほど硬化層の硬度が高くなり、該溶接材料の組成が本発明の規定範囲に入るＮｏ．３〜６の刃体では該最高硬度（Ｈｒｃ）が６０以上に達している。

一方、Ｎｏ．５の刃体の時効処理前のサンプルと時効処理後のサンプルについて、肉盛り部の表面距離（表面からの深さ）０．２５ｍｍ毎の硬さを測定したところ、図５に示す結果が得られた。この図５より、時効処理前の肉盛り部１０は機械加工が容易なＨｒｃ４．９以下の硬度であるが、時効処理を経ることで該肉盛り部１０の略全体がＨｒｃ６．０以上の高硬度の硬化層に転化していることが判る。なお、図の「AsWeld」は時効処理前、「580℃*3Hr」は時効処理後である。

更に、Ｎｏ．５の刃体について、時効処理前のサンプルと時効処理後のサンプルについて、断面ミクロ組織を調べるために腐食液で表面を侵食させ、それぞれ肉盛り部の部分の顕微鏡写真を撮影した。これら断面ミクロ組織の顕微鏡写真（1000倍）を図６に示す。なお、図の（ａ）は時効処理前、（ｂ）は時効処理後である。

図６の顕微鏡写真図（ａ）に示すように、時効処理前の肉盛り部は、Ｆｅ₂Ｗ₂とＣｏ−Ｗの固溶体になっている。これに対し、顕微鏡写真図（ｂ）に示すように、時効処理後の肉盛り部（硬化層）は、Ｃｏ−Ｗの金属間化合物（ε相）が析出して硬化している。

２ 環状破砕刃（自動機用刃体）
２ａ 刃本体
２１ 歯部
２３ 環状段部（開先加工した刃先部）
１０ 肉盛り部（硬化層）

Claims (4)

1. 刃本体の刃先部に、
   Ｃ ：０．０５〜０．１５質量％、
   Ｓｉ：０．１０〜０．５０質量％、
   Ｍｎ：０．１０〜０．５０質量％、
   Ｃｒ：２．００〜３．００質量％、
   Ｖ ：０．１０〜０．５０質量％、
   Ｗ ：１４．００〜２０．００質量％、
   Ｃｏ：１７．００〜２２．００質量％、
   Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ及びＢの４元素の合量：０〜１．００質量％、
   Ｆｅ及び不可避不純物： 残部、
   からなる組成を有する溶接材料を肉盛溶接したのち、５６０〜７００℃の温度範囲で時効処理し、冷却後の肉盛り部の表面を研磨加工することにより、刃先部に前記肉盛溶接による硬化層を備える刃体を仕上げることを特徴とする自動機用刃体の製造方法。
2. 肉盛溶接後に、その肉盛り部を含む部位に機械加工を施した上で、前記の時効処理を施す請求項１に記載の自動機用刃体の製造方法。
3. 前記の時効処理の時間が２〜１０時間である請求項１又は２に記載の自動機用刃体の製造方法。
4. 前記の時効処理前の肉盛り部のロックウェル硬度Ｈｒｃを４９以下、時効処理後の肉盛り部の同硬度Ｈｒｃを６０以上とする請求項１〜３のいずれかに記載の自動機用刃体の製造方法。