JP5871253B2 - 制振性に優れた丸鋸、丸鋸用積層材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄、アルミニウム等の金属材料、あるいは石材、コンクリート等の切削に使用される丸鋸に関し、鋼層と銅系層が積層して一体化した積層材からなる制振性に優れた丸鋸および丸鋸用積層材の製造方法に関する。

従来、円板状の基板の外周部に刃部が設けられた丸鋸は、切削時に刃部が被切削部と交互に関与する刃部によって基板に切削荷重が作用し、基板が繰返し板厚方向に振動して横振れが生じるため、音圧レベルが高くなる欠点があった。
この基板の振動を防止するため、各種の制振構造が採用されているが、これらは丸鋸に、その板厚方向に貫通するスリット（切り溝）や適宜の形状の穴を形成して振動を抑制するものである。また、鋼板の間にインサートメタルを挟んだサンドイッチ鋼板は、丸鋸の基板材として適用可能であるとされている。

特許文献１には、丸鋸基板の外周部に所定寸法離れた円環領域で、かつ基板の両側面に所定深さの溝をそれぞれ形成することで、丸鋸回転時に交番的に加わる衝撃振動を減衰することが提案されている。

特許文献２には、重ね合わせた金属板と金属板との間に、ほぼ均一に分布して存在する微小な幅を有するインサートメタルとの間に拡散による冶金学的な接合を主とする接合要因とする接合部を形成し、かつ、この接合部以外は冶金学的に接合しない非接合部が形成される複合型制振金属板が提案されている。

特開平１０−２３５６０１号公報 特開平０３−８１１３８号公報

特許文献１では、丸鋸基板の外周部に板厚方向に貫通する溝を形成して制振するものであるため、基板の強度が大幅に低下する。あるいは、切削荷重による衝撃振動などによって基板側面からの強い力を受けた場合、応力集中の高いスリットや穴部分からクラックを生じ、破断しやすくなることが推定される。また、これらスリットや穴部分の形成は付加工程となるため、生産効率が悪い。

特許文献２には、板厚０．２ｍｍ程度のインサートメタルを介して３層構造からなる複合型制振鋼板が丸鋸基板にも適用できると提案されている。しかし、インサートメタルが厚く、板厚方向の凹凸が著しいため、製品として用いるためには、相当量の表面研磨を行って寸法精度を向上させることが不可欠と考えられる。また、インサートメタルを鋼板と鋼板の間にほぼ均一に散布し積層することは作業効率が悪く、生産性に劣る。

本発明者等は、２層以上の鋼板が積層された積層材であって、その接合面には、接合面の全部または一部に厚さ５０μｍ以下の純銅または銅系合金からなる銅層があり、また、接合面において、冶金学的に接合していない領域が１接合面あたり接合面の面積の５０〜８５％を占める積層材が制振性に優れることを見出した。本発明では、接触していても非接合である界面が高い制振性を発揮するのである。
また、その積層材から製造した丸鋸は、上記課題を解決した制振性に優れる丸鋸であることを確認した。
なお、本明細書で用いる「冶金学的に接合していない領域」とは、拡散接合の処理を行っても固相拡散による接合状態とならなかった領域を指すものとする。

さらに、その制振性に優れた丸鋸用積層材の製造方法として、厚さ３〜２５μｍの銅めっき層を有する銅めっき鋼板の表面に、凹部と凸部の高さの差がめっき厚以上５０μｍ以下、凸部の面積率が５〜２０％、かつ任意の位置に半径１０ｍｍの円形領域を描いたとき、その円内には凹部のみまたは凸部のみが含まれることがないように凹凸を形成し、その銅めっき鋼板を２枚以上重ね合わせて拡散接合する製造方法を発明した。

さらに、その銅めっき鋼板の表面に凹凸を形成する方法は、異形断面圧延により銅めっき層を除去することなく凹部を形成する方法、エッチングなどの化学的手法により銅めっき層を除去する方法、切削などの機械的手法により銅めっき層または銅めっき層と鋼板の一部を除去する方法が採用できる。

また、積層材の拡散接合は、平均面圧１〜５ＭＰａ、加熱温度８００〜１０００℃、加熱時間１０分以上とすればよい。

本発明によれば、接合面の一部に接触しているが接合した状態にはなっていない不連続な状態の界面を作りこんだ積層材を提供できる。この積層材を丸鋸の素材として用いることにより、板厚方向に貫通した溝を設けたり、インサートメタルを挟み込んだ積層材によることなく、制振性に優れた丸鋸を得ることができる。

異形断面圧延または切削で作製した、凸部と凹部のパターン 図１のパターンを重ね合わせた場合の模式図 凸部を突き合せて積層した接合前後の断面模式図 凹凸パターンを直交させて積層した接合前後の断面模式図 音圧レベルの測定方法を示す斜視図 土砂摩耗試験方法を示した図

図１に、銅めっき鋼板の表面に形成する凹凸の形状の一例を示す。例として、山部は幅３ｍｍ、溝部は幅５ｍｍである。この図では、６山５溝の凹凸パターンを図示している。

図２には、図１のパターン形成した銅めっき鋼板２枚を組み合わせた例を示す。ここで、２枚のうち片方を他方よりも９０°回転させ、山溝の凹凸パターンが直交するように組み合わせている。この積層材を拡散接合すると、この図の中において黒帯と斜線部が重なった箇所、すなわち凸部同士が接触している箇所が一体化し、健全な接合部となる。

図３に、接合前後の断面模式図を示す。（ア）は凹凸パターンを形成した銅めっき鋼板１枚を示している。（イ）は、同一の凹凸パターンを形成した銅めっき鋼板２枚を、直交させず凸部同士が突き合せになるように組み合わせた。（ウ）は接合後の断面である。凸部同士は完全に一体化するので、接合面において健全な接合部となる。しかし、凹部同士は接触してはいるものの、接合面の中で非接合部として存在している。

図４は、図３と同一の凹凸パターンを形成した銅めっき鋼板２枚を、互いに直交するように組み合せて積層体とした場合の例を示している。この断面では、上材に銅めっきが無い部分があるので、この部分と向い合った箇所（ｂ）は銅と鋼の接触部となる。この接触部も、接合面の中で非接合部として存在する。

以下、本発明で限定した諸条件の限定理由を説明する。
銅めっき層の厚さは、３〜２５μｍとする。
銅めっき層の厚さは、積層構造を作るための接着剤の役割として３μｍ以上あればよい。２５μｍを超えると、鋸・刃物等として使用中に銅層のみ摩耗が進行して摩擦部分で複数の鋼板がバラバラになるので、摩耗の進行、靭性の劣化など悪影響を及ぼす。

銅めっき鋼板表面の高低差は、めっき厚さ以上かつ５０μｍ以下とする。
銅めっき鋼板表面での高低差は、接合処理前の隙間を示すものである。この隙間が大きいと，接合処理後に隙間が残存しやすくなる。本発明では，接合後に接触していても非接合である界面が存在することが制振性を発揮するための基本であり，隙間として残存すると効果がない。よって，高低差は５０μｍ以下に抑える必要がある。

凸部面積は５〜２０％とする。
銅めっき鋼板の表面に凹凸を形成したとき、凸部面積が大きいと，接合後の非接合面積が大きくなる。拡散接合により接合部の非接合面積を所定の範囲とするには，鋼板の凸部が５〜２０％とする必要がある。５％以下では，非接合部面積が５０％以下になる。２０％を超えると非接合部面積が８５％を超える。

凹凸を形成した銅めっき鋼板の表面に半径１０ｍｍの円を描いたとき、円内には凸部のみ、または凹部のみが含まれることがない。言いかえれば、１つの凸部または凹部は、半径１０ｍｍの円を内包しない。
積層材の内部では、非接合部と接合部は均一に，かつ適度に微細に分散したほうが良好な制振性が得られる。少なくとも，半径φ１０の円を内包しない程度の凸部または凹部分布にしておけば，制振性の良好な状態が得られる。

積層材の内部銅層の厚さは、５０μｍ以下とする。
銅層は、鋼板どうしを接合させて鋸・刃物の構造を保持する接着剤の役割を果たす。５０μｍを超えると、鋸・刃物等として使用中に銅層のみ摩耗が進行して摩擦部分で複数層の鋼板に剥離が生じ、摩耗の進行、靭性の低下などで悪影響がでる。

非接合部は５０〜８５％とする。
非接合部が存在することで、摩擦による振動エネルギーの吸収により制振性が高まるのであって，５０％未満ではその効果は希薄である。８５％を超えると，鋸・刃物としての構造が脆弱になり，破壊しやすくなる。
非接合部の面積は、接合前に銅めっき鋼板の表面に形成した凹凸の形状と、その銅めっき鋼板の積み重ね方から、幾何的に求めることができる。本発明の拡散接合条件に従えば、銅めっきどうしが接触して得られた接合面は、固相拡散により接合した面となり、冶金学的接合状態となる。そこで、積み重ねたときに銅めっきによる凸部同士が接触する面積率が接合後の接合部面積率となり、その残部が非接合部の面積率としてよい。

板厚０．２〜２．５ｍｍ
鋸・刃物としての厚さは１〜８ｍｍ程度が一般的である。積層構造を構成するために，銅めっき鋼板の板厚は０．２〜２．５ｍｍとするのが妥当である。

平均面圧１〜５ＭＰａ
本発明は非接合面積率が所定の範囲となるように制御することが必要である。面圧が５ＭＰａを超えると，凸部の面積に関わらず，非接合面積率が小さくなりやすい。面圧が１ＭＰａ以下では凸部の面積に関わらず，非接合面積率が大きくなりやすい。

加熱温度８００〜１０００℃
本発明は非接合面積率が所定の範囲となるように制御することが必要である。
本発明では、銅めっき鋼板の表面に形成した凹凸の形状と、その銅めっき鋼板を積層するときの組み合わせ方から、接合面における接合部面積率を幾何的に算出できる。そして、非接合面積率はその残部としてよい。そのためには、幾何的に求められる接合部の面積率が積層体での接合部面積率として良好に再現できるよう、拡散接合の条件を適切に選定する必要がある。加熱温度が１０００℃を超えると，凸部の面積に関わらず，非接合面積率が小さくなりやすい。８００℃以下では，凸部の面積に関わらず，非接合面積率が大きくなりやすい。

加熱時間１０分以上
加熱時の温度分布を安定化させるために，少なくとも１０分の保持は必要である。

次に本発明の実施例について説明する。
表１にめっき母材となる鋼板の化学成分を示す。Ｄ鋼は一般的な鋸・刃物用鋼であるＪＩＳ炭素工具鋼のＳＫ８５である。

表１の鋼板を素材とし，銅めっき厚さが３〜４０μｍ、板厚０．４〜２．３ｍｍの範囲にある幅６００ｍｍの銅めっき鋼板コイルを製造した。このコイルから、１）異形断面圧延，２）表面研削，３）エッチングのいずれかの方法により、凸凹の高低差を６〜８０μｍ、積層材のひとつの接合面の面積あたり凸部の面積率を
５〜３０％となるように凹凸を形成した。銅めっき鋼板の板厚、銅めっき厚さ、凹凸部の形成方法、凹凸部の高低差、凸部の面積率は、表２に示してある。

異形断面圧延には，直径が４００ｍｍ，一方はフラットロールで、他方は胴部の円周方向にその頂部がフラットな縦断面台形状の凸部が形成されて成る一対のワークロールが設置されている２段圧延機を使用した。この圧延機のワークロールの間に素材の銅めっき鋼板を１回通板し，図１に示したとおり、山部は幅３ｍｍ、溝部は幅５ｍｍの繰り返し凹凸パターンを持つ異形断面帯板を製造した。高低差は、８０μｍである。
銅めっき鋼板を異形断面圧延により加工したので、めっき鋼板の表面に凹凸が形成されているものの、凹部（溝部）にも銅めっきは残っている。

表面研削による溝の作成は，幅が５ｍｍ，直径が２００ｍｍの♯３０００および♯８０００の研削砥石を装着したＮＣマシンを用いて、銅めっき鋼板の表面に図１と同様の凹凸パターンを形成した。溝部の深さは、１５０μｍに設定した。
銅めっき鋼板を表面から研削したので、凹凸パターンの凹部（溝部）は鋼板の素地が露出しており、この部分には銅めっきは残っていない。

エッチングによる溝の作成は，フォトエッチング法にて実施した。鋼板の表面に幅５ｍｍの凸部が形成できるようにマスキングしたフィルムを貼付した後，酸性塩化第二鉄を主体とした薬品を５０℃に加熱し，鋼板を数分浸漬して銅めっきを溶解除去した。

上記コイルを長さ６００ｍｍに切断後，積層枚数を２〜６とし，コイルの長手方向と幅方向が交互になるように積層したものを，真空加熱下のホットプレス炉を用いて面圧１〜５ＭＰａの負荷を付与しながら加熱温度７５０〜１１００℃で１０分間保持し，拡散接合による積層体を得た。

その後，幅１００ｍｍ×長さ２００ｍｍに切り出し，７８０〜８５０℃で１０分間加熱保持後，６０℃油中で焼入れ，２００〜５５０℃で３０ｍｉｎ加熱保持後，空冷の焼戻しを行い，ロックウエル硬さ４０〜５５ＨＲＣに調質した。積層数、積層後のトータル板厚、加熱温度、負荷した面圧、調質硬さは、表２に示したとおりである。なお，非接触部の割合は断面を超音波探傷により測定した。

得られた積層材について、制振性と土砂に対する耐摩耗性を評価した。
制振性の評価は、図５に示す装置を用いて行った。積層材を制振性測定対象物２としてフレーム１に糸３により懸垂保持しておいて、回転自在なハンマー４を水平状態から回転落下させてその打撃音をマイクロホン５にて受音し，アンプ６で音圧レベルを測定した。その結果を表２に示してある。
また，耐摩耗性については、図６に示す土砂摩耗試験を用いて試験前後の重量比を測定した。供試材から６０ｍｍ四方となる試験片を切り出した後，回転方向に対して３０°傾斜した試験ホルダーに固定し，φ２０ｍｍ以下の玉砂利を摩耗相手材とし，回転速度１００ｒｐｍ，乾式雰囲気にて行った。試験前後の試料重量差から摩耗により消失した材料の重量差を摩耗量とした。摩耗量も表２に示してある。
上記の評価では、比較材としてＤ，Ｅ鋼の組成を有する単板を用いて制振性および耐摩耗性について同様に試験を行った。それぞれ、Ｎｏ．１５とＮｏ．２４である。

Ｎｏ．１〜１５は一般的な鋸・刃物用鋼であるＪＩＳ炭素工具鋼のＳＫ８５が鋼の母材である。その中で本発明例であるＮｏ．１〜９は凸凹部の高低差が６〜４０μｍ、非接合部の界面面積率が５０〜８５％，音圧レベルが８８〜１０３ｄＢであった。比較例であるＮｏ．１０〜１４及び単板のＮｏ．１５は、音圧レベル１１５ｄＢであり、本発明例の積層材は音圧レベルが１０ｄＢ以上低下している。
また，Ｎｏ．１６〜２３は鋼の化学成分に関わらず，凸凹の高低差が１５〜３０μｍ，非接合部の界面面積が７０〜８５％であり，いずれも音圧レベルが９０〜９９ｄＢと低い。比較例Ｎｏ．２４の高炭素鋼（Ｅ鋼）の単板１１３ｄＢ及び比較例Ｎｏ．１５の単板１１５ｄＢに比べて１０ｄＢ以上の音圧低減が認められる。

比較例であるＮｏ．１０は、凸部の面積率が３０％と大きいことから，非接合部の面積率が４０％となり，音圧レベルが１０９ｄＢと高い。また，Ｎｏ．１３は、拡散接合時の加熱温度が１１００℃と高かったため，非接合部の面積率が１５％と小さく，音圧レベルが１１２ｄＢと高い。

比較例であるＮｏ．１１は、めっき厚が４０μｍと厚いことから，摩耗試験においてめっき層の摩耗が著しく、鋸・刃物用鋼として不適切である。

比較例であるＮｏ．１２は、凸凹部の高低差が８０μｍであり，非接合部の面積率が９０％と隙間が大きく，共振を起こしてしまい音圧レベルが高かった。また，接合面積が小さく，摩耗試験において積層材の剥離が生じており，鋸・刃物用鋼としては不適切である。

比較例であるＮｏ．１４は、拡散接合時の加熱温度が低いことから，非接合部の界面面積が９５％となり，共振を起こしてしまい音圧レベルが高かった。また，接合面積が小さく，摩耗試験後に積層材の剥離が生じており，鋸・刃物用鋼としては不適切である。

耐摩耗性の評価に至らなかったＮｏ．１２，１４およびめっき層の摩耗が著しかったＮｏ．１１を除く各積層材については，調質硬さが高いほど摩耗減量が少なく，摩耗試験後の本発明例の積層部分の剥離も認められない。

以上の結果から、本発明による積層材は良好な制振性と耐摩耗性を有している。

Claims (6)

1. 表面に厚さ３〜２５μｍの銅めっき層を有する銅めっき鋼板の表面に、凹部と凸部の高さの差がめっき厚以上５０μｍ以下、凸部の面積率が５〜２０％、かつ任意の位置に半径１０ｍｍの円形領域を描いたとき、その円内に凹部のみまたは凸部のみが含まれることがないように凹凸を形成し、その銅めっき鋼板を２枚以上重ね合わせて拡散接合し、接合面において接合していない領域が１接合面あたり接合面の面積の５０〜８５％を占める積層材とすることを特徴とする制振性に優れた丸鋸用積層材の製造方法。
2. 銅めっき鋼板の板厚が、０．２〜２．５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の丸鋸用積層材の製造方法。
3. 凹凸の形成方法が、異形断面圧延によるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の制振性に優れた丸鋸用積層材の製造方法。
4. 凹凸の形成方法が、エッチングにより銅めっき層を除去することによるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の制振性に優れた丸鋸用積層材の製造方法。
   
5. 凹凸の形成方法が、切削などの機械的手法により銅めっき層を除去することによるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の制振性に優れた丸鋸用積層材の製造方法。
   
6. 積層材の拡散接合において、平均面圧１〜５ＭＰａ、加熱温度８００〜１０００℃、加熱時間１０分以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の制振性に優れた丸鋸用積層材の製造方法。
   
   

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