JP7080163B2 - 切断刃、農業機械および切断刃の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、農作物を切断する切断刃、農業機械および切断刃の製造方法に関する。

コンバイン等の農業機械は、収穫した稲や小麦等の藁を切断するための切断刃を備えている。国際公開第２０１２／１４６４５２号（特許文献１）には、切断性および耐摩耗性を向上させるために、表面に炭化クロムあるいは炭化タングステンからなるコーティング層が設けられたチョッパーナイフが開示されている。また、特開２０１７－１１２９５７号公報（特許文献２）には、ダイヤモンドライクカーボンを主成分とする被覆層を有する切断刃が開示されている。

国際公開第２０１２／１４６４５２号 特開２０１７－１１２９５７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているチョッパーナイフでは、使用により刃先のコーティング層が剥離してしまうと、コーティング層が剥離した箇所を起点として摩耗が進行しやすくなる。特許文献２でも、被覆層の剥離によって耐摩耗性が低下し得る。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐摩耗性に優れた切断刃、当該切断刃を備える農業機械および当該切断刃の製造方法を提供することである。

本開示の一例によれば、農業機械に用いられ、農作物を切断する切断刃は、クロムを含む鋼によって構成された基材と、前記基材の外側に形成され、窒素濃度が２質量％以上である窒化層とを備える。前記窒化層は窒化クロムを含む。前記窒化層の厚みは３０μｍ以上である。

この開示によれば、基材よりも硬い、窒化クロムを含む窒化層が３０μｍ以上の厚みで形成されることにより、切断刃の耐摩耗性を向上させることができる。

上述の開示において、窒化層の硬度は、基材の硬度の１．５倍以上であることが好ましい。これにより、切断刃の耐摩耗性をさらに向上させることができる。

上述の開示において、窒化層の硬度は、基材の硬度の５倍以下であることが好ましい。これにより、窒化層を形成する際の基材の軟化に起因する耐摩耗性の低下を抑制できる。

上述の開示において、切断刃は、窒化層と基材との間に形成され、基材よりも硬度の低い軟質層をさらに備えることが好ましい。これにより、切断刃に加わる応力が軟質層によって緩和され、切断刃の耐摩耗性をさらに向上させることができる。

上述の開示において、切断刃の表面は、刃先部を構成する第１面と第２面とを含む。前記第１面および前記第２面に直交する断面と前記第１面との交線を第１交線とし、前記断面と前記第２面との交線を第２交線とするとき、刃先から前記第１交線と前記第２交線のなす角の二等分線に沿った前記窒化層の長さは３００μｍ以下であることが好ましい。これにより、刃先部の内部に占める基材の体積を十分に確保でき、刃先部の強度の低下を抑制することができる。

上述の開示において、鋼は１０質量％以上のクロムを含む。これにより、硬度の高い窒化層を形成しやすくなり、耐摩耗性をさらに向上させることができる。

上述の開示において、基材の厚みは、窒化層の厚みよりも大きい。これにより、切断刃の強度を高く維持できる。

本開示の一例によれば、農業機械は、上記の切断刃を備える。これにより、切断刃の耐摩耗性が向上し、切断刃の交換周期を長くすることができる。

本開示の一例によれば、農業機械に用いられ、農作物を切断する切断刃の製造方法は、所定形状に加工された基材を研磨する工程を備える。前記基材は、クロムを含む鋼によって構成される。製造方法は、研磨された前記基材の表面に窒素プラズマを照射して窒化処理を行なうことにより、窒素濃度が２質量％以上であり、かつ厚み３０μｍ以上の窒化層を形成する工程をさらに備える。

上記の開示によれば、基材よりも硬い、窒化クロムを含む窒化層が３０μｍ以上の厚みで形成されることにより、切断刃の耐摩耗性を向上させることができる。

上述の開示において、窒化処理の温度は、４５０～５１０℃であることが好ましい。これにより、基材と窒化層との間に、基材よりも硬度の低い軟質層を形成することができ、切断刃の耐摩耗性をさらに向上させることができる。

本発明によれば、耐摩耗性に優れた切断刃を提供できる。

本実施の形態に係る切断刃の外観を示す平面図である。 図１におけるＸ－Ｘ線矢視断面図である。 基材と窒化層との界面付近を示す拡大断面図である。 本実施の形態に係る切断刃の製造方法の流れの一例を示すフローチャートである。 プラズマ窒化装置の構成の一例を示す図である。 本実施の形態の切断刃を備えるコンバインの一例を示す側面図である。 図６に示すコンバインに備えられる細断装置の構成を示す断面図である。 断面上の複数の測定点を示す図である。 実施例１～６，比較例１，２，５の切断刃における窒素濃度の測定結果を示す図である。 実施例１～６，比較例１，２の切断刃の断面における硬度測定結果を示す図である。 実施例５の切断刃の断面における硬度測定結果を示す図である。 摩耗試験後の刃先摩耗量の測定結果を示す図である。 実施例５の切断刃における窒化層とその下層との界面付近の電子顕微鏡画像を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

＜切断刃の構造＞
図１および図２を参照して、本実施の形態に係る切断刃の構造について説明する。図１は、本実施の形態に係る切断刃の外観を示す平面図である。図２は、図１におけるＸ－Ｘ線矢視断面図である。

切断刃１は、農作物を切断するための刃であり、具体的には、コンバイン等の農業機械に用いられ、米や小麦等の藁を切断する。

切断刃１は、例えば厚みｔ１が２～７ｍｍの薄板である。図１に示す例の切断刃１は、平面視略六角形状である。具体的には、平面視において、切断刃１の輪郭線は、１つの円弧１ａと５つの辺１ｂ～１ｆとで構成される。辺１ｂは、円弧１ａの一端に連結し、辺１ｆは、円弧１ａの他端に連結する。辺１ｃは辺１ｂに連結し、辺１ｅは辺１ｆに連結する。辺１ｄは、辺１ｃおよび辺１ｅに連結し、円弧１ａに対向する。

切断刃１には、円弧１ａの近傍に穴部２が形成されている。切断刃１は、穴部２にネジ等が挿通されることで、農業機械の支持部材（図示せず）に移動可能に支持される。切断刃１は、支持部材の動きに伴って移動することにより藁等の農作物を切断する。なお、本実施形態では、切断刃１が移動することで藁等の農作物の切断を行う例について説明するが、これに限られるものではない。すなわち、切断刃１は、農業機械に固定され、切断刃１に向かって移動してきた農作物を切断してもよい。

切断刃１は、２つの刃先部３ａ，３ｂを有している。刃先部３ａ，３ｂは、辺１ｃ，１ｅに沿ってそれぞれ形成される。刃先部３ａ，３ｂの一方の切断性が低下した場合に、切断刃１を裏返して使用することで、切断性が低下していない他方の刃先部を使用することができる。なお、切断刃１は、刃先部３ａ，３ｂの一方のみを有してもよい。

図２に示されるように、切断刃１は、基材１０と、基材１０の外側に形成された、窒素濃度が２質量％以上である窒化層１１とを備える。基材１０は、クロムを含む鋼（鋼鉄）によって構成される。窒化層１１は窒化クロムを含む。窒化層１１の厚みｔ２は、３０μｍ以上である。

窒化クロムを含む窒化層１１のビッカース硬度（以下、単に「硬度」という）は、基材１０の硬度よりも硬い。ビッカース硬度は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（ＩＳＯ６５０７－２）に規定されるマイクロビッカース硬さ試験（ＨＶ０．１、試験力０．９８Ｎ）により測定される。基材１０よりも硬い窒化層１１が３０μｍ以上の厚みで形成されることにより、切断刃１の耐摩耗性を向上させることができる。

基材１０を構成する鋼は、１０質量％以上のクロムを含むことが好ましく、１２～１４質量％のクロムを含むことがさらに好ましい。基材１０を構成する鋼が１０質量％以上のクロムを含むことにより、基材１０の表面に３０μｍ以上の窒化層１１を形成しやすくなる。例えば、基材１０を構成する鋼は、強度および耐摩耗性に優れるマルテンサイト系ステンレス鋼である。マルテンサイト系ステンレス鋼は、常温でマルテンサイトを主要な組織とする組成を持つステンレス鋼である。

基材１０を構成する鋼は、例えば、中国国家規格（ＧＢ規格）の４Ｃｒ１３（ＪＩＳ規格のＳＵＳ４２０Ｊ２類似鋼種）、ＳＵＳ４２０Ｊ２、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４４０である。４Ｃｒ１３は、０．３６～０．４５質量％の炭素（Ｃ）と、１２～１４質量％のクロム（Ｃｒ）とを含むマルテンサイト系ステンレス鋼である。基材１０を構成する鋼は、クロム以外の金属元素（例えば、Ａｌ、Ｍｏ）を含んでもよい。

基材１０の厚みは、窒化層１１の厚みよりも大きいことが好ましい。これにより、切断刃１の強度を高く維持できる。

窒化層１１は、プラズマ窒化法を用いて基材１０の表面を窒化することにより基材１０の外側に形成される表面改質層である。窒化層１１の硬度は、基材１０の硬度の１．５倍以上であることが好ましい。これにより、切断刃１の耐摩耗性をさらに向上させることができる。

後述するように、プラズマ窒化法を用いた窒化処理の温度が高い程、窒化層１１の硬度が高くなる。ただし、窒化処理の温度が高くなると、基材１０が軟化しやすくなる。そのため、窒化層１１の硬度は基材１０の硬度の５倍以下であることが好ましい。これにより、基材１０の軟化に起因する耐摩耗性の低下を抑制できる。

図２に示されるように、切断刃１の表面は、刃先部３ａを構成する一対の側面４ａ，４ｂを含む。図２に示される断面（つまり、図１に示すＸ－Ｘ線に沿った断面）は、側面４ａおよび側面４ｂに直交する。図２において、交線５ａは、側面４ａと図２に示される断面との交線であり、交線５ｂは、側面４ｂと図２に示される断面との交線である。側面４ａ，４ｂが交わる刃先７から交線５ａと交線５ｂとのなす角の二等分線６に沿った窒化層１１の長さｄは３００μｍ以下であることが好ましい。

特許文献１に記載されるようにコーティング層を有する切断刃では、コーティング層は刃先部に付着しやすくなる。そのため、刃先部におけるコーティング層の厚みが厚くなり、刃先部の内部に占める基材の体積が小さくなる。その結果、刃先部の強度が低下し、コーティング層が剥がれやすくなる。しかしながら、二等分線６に沿った窒化層１１の長さｄを３００μｍ以下にすることにより、刃先部３ａの内部に占める基材１０の体積を十分に確保でき、刃先部３ａの強度の低下を抑制することができる。

図３は、基材と窒化層との界面付近を示す拡大断面図である。図３に示されるように、切断刃１は、基材１０と窒化層１１との間に、基材１０よりも硬度の低い軟質層１２をさらに備えていてもよい。軟質層１２は、基材１０を構成する鋼組織に微量の窒素が拡散した層（基材１０の表面改質層の一部）であると考えられ、窒化層１１を形成する際のプラズマ窒化条件に応じて形成される。

基材１０と窒化層１１との間に軟質層１２が存在することにより、切断刃１の耐摩耗性をさらに向上させることができる。これは、刃先部３ａに加わる応力が軟質層１２によって緩和されるためであると考えられる。

＜切断刃の製造方法＞
次に、本実施の形態に係る切断刃１の製造方法について説明する。
図４は、本実施の形態に係る切断刃の製造方法の流れの一例を示すフローチャートである。まず、所定形状に加工された基材１０を準備する準備工程Ｓ１が実施される。準備工程Ｓ１は、鋼板を打ち抜く工程、打ち抜かれた鋼板片をプレス加工する工程、焼入れ工程および焼戻し工程を含む。これらの工程は公知の技術を用いることができる。

次に、準備工程Ｓ１によって準備された基材１０を研磨する研磨工程Ｓ２が実施される。研磨工程Ｓ２では、基材１０に刃先が形成されるように研磨される。

次に、研磨された基材１０の表面の不動態皮膜を除去するクリーニング工程Ｓ３が実施される。クリーニング工程Ｓ３に続いて、プラズマ窒化法を用いて、基材１０の表面に窒素プラズマを照射して窒化処理を行なうことにより、窒素濃度が２質量％以上であり、かつ厚み３０μｍ以上の窒化層を形成する窒化工程Ｓ４が実施される。プラズマ窒化法とは、窒素混合ガス雰囲気中で炉体を陽極、処理物を陰極とし、陽極と陰極との間に数百ボルトの電圧を印加することによりプロズマを発生させ、生成した陽イオンを高速に処理物に衝突させて窒化させる方法である。なお、クリーニング工程Ｓ３は、基材１０の表面状態に応じて省略されてもよい。

図５は、プラズマ窒化装置の構成の一例を示す図である。図５に示すプラズマ窒化装置５０は、上記のクリーニング工程および窒化工程を実施することができる。図５に示されるように、プラズマ窒化装置５０は、真空チャンバ５１と、ガス供給装置５２と、真空ポンプ５３と、赤外線放射温度計５４と、直流電源５５と、制御盤５６とを備える。

真空チャンバ５１の内部には、被処理物支持部材５１１が設けられる。被処理物支持部材５１１には、被処理物Ｗ（ここでは所望の形状に加工および研磨された基材１０）が吊り下げられる。真空チャンバ５１の炉壁には窓５１２が形成され、窓５１２は石英ガラス板５１３で閉じられている。

真空チャンバ５１には配管を介して真空ポンプ５３が接続され、真空ポンプ５３は、真空チャンバ５１の内部からガスを排気する。真空チャンバ５１には配管を介してガス供給装置５２が接続され、ガス供給装置５２は、真空チャンバ５１の内部に複数種類のガス（窒素ガス、水素ガス、アルゴンガスなど）を供給することができる。

赤外線放射温度計５４は、真空チャンバ５１内部の被処理物Ｗから石英ガラス板５１３を介して放射される赤外線の強度を測定して、被処理物Ｗの温度を測定する。

直流電源５５は、真空チャンバ５１と被処理物支持部材５１１とに接続され、真空チャンバ５１と被処理物支持部材５１１を介した被処理物Ｗとの間に電圧を印加する。

制御盤５６は、赤外線放射温度計５４によって計測される被処理物Ｗの温度が設定した処理温度に維持されるように、直流電源５５の出力を制御する。

クリーニング工程では、最初に、被処理物支持部材５１１に被処理物Ｗがセットされる。その後、真空ポンプ５３により、真空チャンバ５１の内部のガスを排気し、真空にする。次に、真空チャンバ５１の内部に水素ガスおよびアルゴンガスを主成分とするガスを供給し、直流電源５５により被処理物Ｗに直流電圧を印加して被処理物Ｗの表面でグロー放電を生じさせる。グロー放電により水素、アルゴンのプラズマが励起する。生成されたアルゴンイオンが被処理物Ｗの表面に衝突し、さらにこれを水素が還元することで被処理物Ｗ表面の不動体皮膜が除去される。

窒化工程では、真空チャンバ５１の内部に窒素ガスおよび水素ガスを供給し、直流電源５５により被処理物Ｗに数百ボルトの直流電圧を印加して、被処理物Ｗの表面でグロー放電を生じさせる。グロー放電により生成したプラズマ中のＮ^＋およびＮ_２ ^＋イオン(窒素励起種)および水素励起種がバイアス電圧によって加速され、高速で被処理物Ｗの表面に衝突することにより、被処理物Ｗの昇温とイオンの拡散が行なわれ、被処理物Ｗの窒化が進行する。

本実施の形態の製造方法によれば、基材１０を研磨する研磨工程の後に、クリーニング工程および窒化工程のうちの少なくとも窒化工程を実施するだけで、窒化層１１を基材１０の外側に形成することができ、耐摩耗性に優れた切断刃１を製造することができる。

さらに、プラズマ窒化法を用いることにより、比較的低温で基材１０の表面を窒化することができ、基材１０の焼鈍しを回避できる。そのため、窒化工程の後の処理（再研磨など）が不要であり、生産性に優れる。

プラズマ窒化法による窒化処理の温度は、４５０～５１０℃であることが好ましい。当該温度範囲に設定することにより、図３に示される軟質層１２を基材１０と窒化層１１との間に形成することができ、切断刃１の耐摩耗性をさらに向上させることができる。

＜コンバインの構造＞
次に、図６および図７を参照して、切断刃１を備える農業機械の一例について説明する。図６は、本実施の形態の切断刃を備えるコンバインの一例を示す側面図である。図７は、図６に示すコンバインに備えられる細断装置の構成を示す断面図である。

図６に示されるように、コンバイン１００は、機体フレーム１０１と、左右一対のクローラ走行装置１０２とを備える。機体の前方には、植立穀稈を刈り取る刈取部１０３が設けられている。刈取部１０３には、植立穀稈を掻き込む掻込リール１０４と、植立穀稈を切断する刈刃１０５と、刈取穀稈を掻き込む掻込オーガ１０６と、が備えられている。

機体の前部における右側には、運転部１０７が設けられている。運転部１０７の後方には、脱穀処理後の穀粒を貯留する穀粒貯留タンク１０８が設けられている。穀粒貯留タンク１０８の左隣りには、刈取穀稈を脱穀処理する脱穀装置１０９が設けられている。刈取部１０３と脱穀装置１０９とに亘って、刈取穀稈を脱穀装置１０９に向けて搬送するフィーダ１１０が設けられている。脱穀装置１０９の後側には、脱穀処理後の排出物（農作物の一部）を細断処理する細断装置１１２が、脱穀装置１０９から取り外し可能に設けられている。細断装置１１２に複数の切断刃１が取り付けられている。

図７に示すように、細断装置１１２は、投入口２１と、放出口２２と、流下案内部材２３と、細断部２４と、ケース２５と、放出案内部材２６と、複数の固定刃部材２７とを備える。

投入口２１には排出物が投入される。放出口２２は、細断された排出物を外部に放出する。流下案内部材２３は、投入口２１の下端部から放出口２２に亘って設けられている。流下案内部材２３には、複数の固定刃部材２７が設けられている。

細断部２４は、流下案内部材２３の上側において横向き軸芯Ｘ１周りで回転し、投入口２１から投入された排出物を、流下案内部材２３との間に掻き込んで複数の切断刃１と複数の固定刃部材２７とによって細断する。細断部２４には、複数の切断刃１と回転体２８とが備えられている。回転体２８は、横向き軸芯Ｘ１周りで回転可能である。回転体２８には、複数の取り付け部２９が横向き軸芯Ｘ１周りで回転体２８から放射状に突出する状態で設けられている。複数の取り付け部２９の各々には、切断刃１がボルト固定されている。

ケース２５は、細断部２４を上側から覆う箱形状である。放出案内部材２６は、流下案内部材２３の下端部から切断刃１の下方を通って後方に向けて延びている。放出案内部材２６は、横向き軸芯Ｘ１よりも後側まで延びている。具体的には、放出案内部材２６は、機体前後方向において、横向き軸芯Ｘ１と、切断刃１の外周端部の回転軌跡Ｔの後端との間まで延びている。放出案内部材２６は、板状部材によって構成されている。放出案内部材２６における左側部及び右側部は、夫々、ケース２５にボルト固定されている。

耐摩耗性に優れた切断刃１が細断部２４に取り付けられることにより、コンバイン１００において効率的に排出物を細断することができる。また、切断刃１の交換周期を長くすることができる。なお、切断刃１は、図６および図７に示すコンバイン１００以外の農業機械に備えられていてもよい。

以下実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１の切断刃の作製＞
ＧＢ規格の４Ｃｒ１３鋼板を図１に示す所定形状に加工した後、研磨して刃先を形成することにより、基材を準備した。具体的には、円弧１ａ（図１参照）の長さが５０ｍｍであり、辺１ｂ，１ｆの長さが４５ｍｍであり、辺１ｃ，１ｅの長さが９０ｍｍであり、辺１ｄの長さが２３．４ｍｍであり、厚みｔ１（図２参照）が３．０ｍｍである。この基材を日本電子株式会社製のプラズマ窒化装置（ＪＩＮ－３ＳＣ－Ａ型）にセットし、基材の表面の不動態被膜を除去した。不動態被膜を除去するクリーニング工程の処理条件を以下のように設定した。
・真空チャンバ内の初期ガス圧：１Ｐａ
・使用ガス：アルゴンガスおよび水素ガスの混合ガス（体積比Ａｒ：Ｈ_２＝５０：５０）
・クリーニング中の真空チャンバ内のガス圧：１００Ｐａ
・設定電圧：３１０Ｖ
・処理時間：０．５時間。

クリーニング工程に引き続いて、同じイオン窒化装置を用いてプラズマ窒化法により基材の表面の窒化処理を行ない、実施例１の切断刃を作製した。窒化処理条件を以下のように設定した。
・真空チャンバ内の初期ガス圧：１Ｐａ
・使用ガス：窒素ガスおよび水素ガスの混合ガス（体積比Ｎ_２：Ｈ_２＝１：１）
・窒化処理中の真空チャンバ内のガス圧：８００Ｐａ
・設定電圧：４００Ｖ
・処理温度：５７５℃
・処理時間：１５時間。

＜実施例２～６および比較例１，２の切断刃の作製＞
窒化処理における処理温度を５５０℃に設定した点を除いて実施例１と同じ方法により、実施例２の切断刃を作製した。

窒化処理における処理温度を５２５℃に設定した点を除いて実施例１と同じ方法により、実施例３の切断刃を作製した。

窒化処理における処理温度を５１０℃に設定した点を除いて実施例１と同じ方法により、実施例４の切断刃を作製した。

窒化処理における処理温度を５００℃に設定した点を除いて実施例１と同じ方法により、実施例５の切断刃を作製した。

窒化処理における処理温度を４５０℃に設定した点を除いて実施例１と同じ方法により、実施例６の切断刃を作製した。

窒化処理における処理温度を４００℃に設定した点を除いて実施例１と同じ方法により、比較例１の切断刃を作製した。

窒化処理における処理温度を３７０℃に設定した点を除いて実施例１と同じ方法により、比較例２の切断刃を作製した。

＜比較例３の切断刃の作製＞
プラズマ窒化法による基材の表面の窒化処理の代わりに、ダイヤモンドライクカーボンからなる被覆層を基材の表面にＰＶＤ法を用いて形成した点を除いて実施例１と同じ方法により比較例３の切断刃を作製した。被覆層の厚みは３μｍであった。

＜実施例７の切断刃の作製＞
４Ｃｒ１３鋼板の代わりに１０％Ｃｒ鋼板を用いた点を除いて実施例５と同じ方法により、実施例７の切断刃を作製した。１０％Ｃｒ鋼板は、０．４質量％の炭素（Ｃ）と、１０．０質量％のクロム（Ｃｒ）とを含む。

＜実施例８の切断刃の作製＞
４Ｃｒ１３鋼板の代わりに８％Ｃｒ鋼板を用いた点を除いて実施例５と同じ方法により、実施例８の切断刃を作製した。８％Ｃｒ鋼板は、０．４質量％の炭素（Ｃ）と、８．０質量％のクロム（Ｃｒ）とを含む。

＜比較例４の切断刃の作製＞
４Ｃｒ１３鋼板の代わりに６％Ｃｒ鋼板を用いた点を除いて実施例５と同じ方法により、比較例４の切断刃を作製した。６％Ｃｒ鋼板は、０．４質量％の炭素（Ｃ）と、６．０質量％のクロム（Ｃｒ）とを含む。

＜比較例５の切断刃の作製＞
４Ｃｒ１３鋼板の代わりにＧＢ規格の６５Ｍｎ鋼板を用いた点を除いて実施例５と同じ方法により、比較例５の切断刃を作製した。６５Ｍｎ鋼板は、０．６２～０．７質量％の炭素（Ｃ）と、０．１７～０．３７質量％のケイ素（Ｓｉ）と、０．９～１．２質量％のマンガン（Ｍｎ）とを含むマンガン鋼である。

＜窒化層の厚みの測定＞
実施例１～８，比較例１～３の切断刃を辺１ｄから辺１ｃに沿って１ｍｍの箇所で切断し、その断面上の複数の点の各々における窒素濃度（質量％）を日本電子株式会社製の電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）「型番ＪＸＡ－８５３０Ｆ」を用いて測定した。

図８は、断面上の複数の測定点を示す図である。図８において、測定点群ＰＡは、窒化層の厚みｔ２（図２参照）を測定するための測定点の群である。測定点群ＰＢは、刃先７から交線５ａと交線５ｂとのなす角の二等分線６に沿った窒化層１１の長さｄ（図２参照）（以下、「刃先からの窒化層の長さｄ」ともいう）を測定するための測定点の群である。

図８に示されるように、測定点群ＰＡは、刃先から３ｍｍ離れた点から表面の法線方向に沿った複数の測定点を含む。具体的には、測定点群ＰＡは、切断刃の表面から０．５ｍｍの深さまで１０μｍ間隔の５０個の測定点を含む。窒素濃度が２質量％以上となる測定点の最大深さを窒化層の厚みｔ２として測定した。

図８に示されるように、測定点群ＰＢは、刃先から二等分線６（図２参照）に沿った複数の測定点を含む。具体的には、測定点群ＰＢは、切断刃の表面から０．５ｍｍの深さまで１０μｍ間隔の５０点である。窒素濃度が２質量％以上となる測定点の最大深さを刃先からの窒化層の長さｄとして測定した。

＜硬度の測定＞
実施例１～８，比較例１～４の切断刃を切断し、その断面上の測定点群ＰＡ（図６参照）に属する複数の測定点の各々におけるビッカース硬度を測定した。測定条件は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（ＩＳＯ６５０７－２）に規定されるマイクロビッカース硬さ試験（ＨＶ０．１、試験力０．９８Ｎ）に従う。断面上の測定点は、切断刃の表面から０．２ｍｍの深さまで２０μｍ間隔の１０点と、切断刃の表面からの深さ０．２５ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍおよび０．５ｍｍの４点との合計１４点である。

複数の測定点における硬度の測定結果から、窒化層の硬度、基材の硬度、および軟質層の存在の有無を確認した。

＜摩耗試験＞
実施例１～８，比較例１～４の切断刃について摩耗試験を行なった。摩耗試験は、切断刃を相手材に接触させながら回転させた後の摩耗量を測定する試験である。試験条件は、以下の通りである。
・回転数：６４ｒｐｍ
・相手材：４号珪砂（粒度範囲：１．１８ｍｍ以下）１２ｋｇ
・試験時間：３０時間
・切断刃の取付枚数：４枚。

摩耗試験を行なった後、辺１ｄから辺１ｃ（図２参照）に沿って１０ｍｍの位置における刃先摩耗量を測定した。

＜結果＞
図９は、実施例１～６，比較例１，２，５の切断刃における窒素濃度の測定結果を示す図である。図９には、測定点群ＰＡ（図６参照）の測定点における窒素濃度の測定結果が示される。図９に示されるように、実施例１～６の切断刃では、窒素濃度が２質量％以上となる窒化層が確認された。窒素濃度が２質量％以上となる測定点の最大深さを窒化層の厚みとして測定した。同様の方法により、測定点群ＰＢの窒素濃度の測定結果から、刃先からの窒化層の長さｄを測定した。実施例１～６の窒化層の厚みは３０μｍ以上であった。

比較例１，２，５の切断刃では、窒素濃度が２質量％以上となる窒化層が確認されなかった。

実施例７，８についても、実施例１～６と同様に、窒素濃度が２質量％以上であり、厚みが３０μｍ以上の窒化層が確認された。比較例４については、窒素濃度が２質量％以上の窒化層が確認されたが、当該窒化層の厚みは８μｍであった。比較例４の切断刃の基材は、６質量％のクロムを含む。基材に含まれるクロムの含有量が実施例１～８に比べて少ないために、１５時間の窒化処理では３０μｍ以上の窒化層が形成されなかった。クロムの含有量が６質量％の基材において厚み３０μｍ以上の窒化層を形成するためには、処理時間を増やす必要がある。

なお、実施例１～８および比較例４の切断刃の窒化層をＸ線回折分析したところ、窒化層に窒化クロムが含まれることが確認された。

図１０は、実施例１～６，比較例１，２の切断刃の断面における硬度測定結果を示す図である。図１０に示されるように、実施例１～６の切断刃では、窒化層が形成されている表面付近の硬度が、基材よりも高くなることが確認された。図９に示すグラフから測定された窒化層の厚みに基づいて、窒化層が確認された実施例１～６および比較例４について、窒化層に相当する測定点の硬度を窒化層の硬度として測定した。

図９に示されるように、表面から０．５ｍｍの深さの測定点では窒素濃度が０質量％である。さらに、図１０に示されるように、表面から０．４ｍｍより深い領域の測定点では硬度が略一定である。このことから、表面から０．５ｍｍの測定点の硬度を基材の硬度とした。

図１１は、実施例５の切断刃の断面における硬度測定結果を示す図である。図１１に示されるように、実施例５の切断刃では、窒化層と基材との間に、基材よりも硬度の低い軟質層の存在が確認された。図１０に示されるように、実施例４，６の切断刃にも、窒化層と基材との間に、基材よりも硬度の低い軟質層の存在が確認された。実施例５と同じ処理温度でプラズマ窒化を行なった実施例７，８および比較例４の切断刃についても、窒化層と基材との間に、基材よりも硬度の低い軟質層の存在が確認された。一方、実施例４～６よりも処理温度が高い実施例１～３の切断刃では、軟質層の存在が確認されなかった。

表１は、窒化層の厚みｔ１、刃先からの窒化層の長さｄ、窒化層および基材の硬度、軟質層の存在の有無の測定結果の一覧を示す。

図１２は、摩耗試験後の刃先摩耗量の測定結果を示す図である。図１２に示されるように、実施例１－８の切断刃の刃先摩耗量は、比較例１－５の切断刃の刃先摩耗量よりも小さくなることが確認された。これは、窒化濃度が２質量％以上であり、基材よりも硬度の高い窒化クロムを含む窒化層が３０μｍ以上形成されることにより、耐摩耗性が向上したためである。

特に、実施例４～６の切断刃の刃先摩耗量が小さいことが確認された。これは、窒化層と基材との間に、基材よりも硬度の低い軟質層が存在することにより、刃先が受ける応力が緩和され、耐摩耗性がさらに向上したためであると考えられる。また、プラズマ窒化における処理温度が比較的低いために、基材の硬度の低下が抑制されていることも一因であると考えられる。

図１３は、実施例５の切断刃における窒化層とその下層との界面付近の電子顕微鏡画像を示す図である。図１１に示す画像は、鏡面研磨した破断面をビレラ試薬でエッチング処理した後に、日本電子株式会社製の電子線マイクロアナライザ「型番ＪＸＡ－８５３０Ｆ」により撮像された。ビレラ試薬でエッチング処理を行なうと、窒化クロムを含む窒化層は、均一にエッチングされる。そのため、電子顕微鏡画像では、窒化層１１は、平坦面として観察される。一方、基材１０または基材１０に微量な窒素が拡散した軟質層１２では鋼組織に沿ってエッチングされるため、電子顕微鏡画像では凹凸面として観察される。

図１３に示されるように、窒化層１１とその下層との界面は、高さｈが２μｍ以上の凹凸状となっている。これにより、アンカー効果によって窒化層１１が基材１０から剥がれにくくなっていることが考えられる。

本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 切断刃、１ａ 円弧、１ｂ～１ｆ 辺、２ 穴部、３ａ，３ｂ 刃先部、４ａ，４ｂ 側面、５ａ，５ｂ 交線、６ 二等分線、７ 刃先、１０ 基材、１１ 窒化層、１２ 軟質層、２１ 投入口、２２ 放出口、２３ 流下案内部材、２４ 細断部、２５ ケース、２６ 放出案内部材、２７ 固定刃部材、２８ 回転体、２９ 取り付け部、５０ プラズマ窒化装置、５１ 真空チャンバ、５２ ガス供給装置、５３ 真空ポンプ、５４ 赤外線放射温度計、５５ 直流電源、５６ 制御盤、１００ コンバイン、１０１ 機体フレーム、１０２ クローラ走行装置、１０３ 刈取部、１０４ 掻込リール、１０５ 刈刃、１０６ 掻込オーガ、１０７ 運転部、１０８ 穀粒貯留タンク、１０９ 脱穀装置、１１０ フィーダ、１１２ 細断装置、５１１ 被処理物支持部材、５１２ 窓、５１３ 石英ガラス板、ＰＡ，ＰＢ 測定点群、Ｗ 被処理物。

Claims (10)

1. 農業機械に用いられ、農作物を切断する切断刃であって、
   クロムを含む鋼によって構成された基材と、
   前記基材の外側に形成され、窒素濃度が２質量％以上である窒化層とを備え、
   前記窒化層は窒化クロムを含み、
   前記窒化層の厚みは３０μｍ以上である、切断刃。
2. 前記窒化層の硬度は、前記基材の硬度の１．５倍以上である、請求項１に記載の切断刃。
3. 前記窒化層の硬度は、前記基材の硬度の５倍以下である、請求項２に記載の切断刃。
4. 前記窒化層と前記基材との間に形成され、前記基材よりも硬度の低い軟質層をさらに備える、請求項２または３に記載の切断刃。
5. 前記切断刃の表面は、刃先部を構成する第１面と第２面とを含み、
   前記第１面および前記第２面に直交する断面と前記第１面との交線を第１交線とし、前記断面と前記第２面との交線を第２交線とするとき、刃先から前記第１交線と前記第２交線のなす角の二等分線に沿った前記窒化層の長さは３００μｍ以下である、請求項１から４のいずれか１項に記載の切断刃。
6. 前記鋼は１０質量％以上のクロムを含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の切断刃。
7. 前記基材の厚みは、前記窒化層の厚みよりも大きい、請求項１から６のいずれか１項に記載の切断刃。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の切断刃を備える、農業機械。
9. 農業機械に用いられ、農作物を切断する切断刃の製造方法であって、
   所定形状に加工された基材を研磨する工程を備え、
   前記基材は、クロムを含む鋼によって構成され、
   研磨された前記基材の表面に窒素プラズマを照射して窒化処理を行なうことにより、窒素濃度が２質量％以上であり、かつ厚み３０μｍ以上の窒化層を形成する工程をさらに備える、切断刃の製造方法。
10. 前記窒化処理の温度は、４５０～５１０℃である、請求項９に記載の切断刃の製造方法。

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