JPH0478415B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 相対的に軟らかい基材のエツジに沿つてハー
ドフエーシングを施す方法であつて、この方法
は、相対的に型い材料の均一な層を少なくとも
0.2mmの厚さで基材のエツジに沿つて回転磨耗サ
ーフエーシングすること、及び、その層及び基材
に鋭いエツジを形成すること又は前記層を研磨し
て耐磨耗性の表面若しくは台座を形成することを
含み、前記基材エツジには、それの他の面に対し
て35゜乃至55゜傾きかつ前記他の面にＲ部を介して
繁がつた後面を伴う、角度を持つた輪郭の凹部が
形成され、前記相対的に堅い材料が前記後面及び
Ｒ部に密着した状態で前記凹部に堆積されて前記
凹部を満たすことを特徴とする基材のエツジに沿
つてハードフエーシングを施す方法。

２ 前記摩擦サーフエシングは、前記相対的に堅
い材料からなる回転部材を用い、摩擦界面が前記
基材に接触する位置から前記基材から若干離隔し
た前記回転部材に沿う位置に立上りかつ前記基材
の上に前記相対的に堅い材料の均一な層が少なく
とも0.2mmの厚さで堆積するような圧力、回転速
度、及び前記回転部材と前記基材との間の相対的
並進運動速度で実施される請求項１に記載の方
法。

３ 前記摩擦サーフエシングプロセスは、 ハードフエーシングを形成するための相対的に
堅い材料の部材であつて端面及び端面を通る回転
軸を有するものを回転可能に支持すること、 最初のタツチダウン段階の間にその端面を前記
基材に押し付けながら前記相対的に堅い材料の部
材を回転させること、 最初のタツチダウン段階の間に前記相対的に堅
い材料の部材の回転によつて生じる摩擦熱を漸進
的に増加させて、摩擦による熱が発生する界面を
前記基材に接触する位置から前記基材から少なく
とも0.2mm離隔した前記回転部材へ移動させるこ
と、 前記相対的に堅い材料の部材の端面を前記又は
他の相対的に軟らかい基材に押し付け、かつ前記
部材と相対的に軟らかい基材との間の相対的並進
運動を生じさせて前記部材を前記相対的に軟らか
い基材のエツジに沿つて移動させながら、前記相
対的に堅い材料の部材の回転を維持し、もつて摩
擦による熱が発生する界面を前記相対的に軟らか
い基材から少なくとも0.2mm離隔した位置に維持
しかつ前記基材の上に前記相対的に堅い材料の均
一な層が少なくとも0.2mmの厚さで堆積するよう
な圧力、回転速度、及び前記回転部材と前記基材
との間の相対的並進運動速度に設定された回転摩
擦フエーシングにより相対的に堅い材料が相対的
に軟らかい基材のエツジに沿つて堆積されるこ
と、 を含む請求項２に記載の方法。

４ 前記摩擦サーフエシングプロセスは、 スタートプレート、前記相対的に軟らかい基
材、及びエンドプレートを端と端とが隣接する関
係に支持すること、 ハードフエーシングを形成するための相対的に
堅い材料の部材であつて端面及び端面を通る回転
軸を有するものを回転可能に支持すること、 前記部材の端面を前記スタートプレートに押し
付け、かつ前記部材と前記スタートプレートとの
間の相対的並進運動を生じさせ、これにより前記
部材が前記スタートプレートに沿つて移動し、か
つ前記相対的に堅い材料の部材が、圧力が漸進的
に増加し、かつ前記相対的に堅い材料の部材が前
記相対的に軟らかい基板に隣接したスタートプレ
ートのエツジに到達した際に摩擦による熱が発生
する界面がスタートプレートに接触している位置
からスタートプレートから少なくとも0.2mm離隔
した位置に移動するような回転速度、及び前記回
転部材と前記基材との間の相対的並進運動速度に
設定された回転摩擦フエーシングにより相対的に
堅い材料をスタートプレートに沿つて堆積させる
こと、 前記相対的に堅い材料の部材の後面を前記相対
的に軟らかい基板に押し付け、かつ前記部材と前
記相対的に軟らかい基材との間の相対的並進運動
を生じさせて前記部材を前記相対的に軟らかい基
材のエツジに沿つて移動させながら前記部材の回
転を維持し、これにより、摩擦による熱が発生す
る界面を前記相対的に軟らかい基材から回転部材
に沿つて実質的に一定長離隔した位置に維持しか
つ前記基材の上に前記相対的に堅い材料の均一な
層が少なくとも0.2mmの厚さで堆積するような圧
力、回転速度、及び前記回転部材と前記基材との
間の相対的並進運動速度に設定された回転摩擦フ
エーシングにより相対的に堅い材料が相対的に軟
らかい基材のエツジに沿つて堆積されること、 前記相対的に堅い材料の部材がエンドプレート
に達するまで、前記部材と前記相対的に軟らかい
基材との間の接触状態が維持されていること、 を含む請求項２に記載の方法。

５ 施されたハードフエーシングの表面部分を除
去してそこに仕上げられた表面を形成することを
さらに含む請求項１乃至４のいずれか１項記載の
方法。

６ 前記相対的に堅い材料は、鉄、コバルト及び
ニツケルから選択される金属をベースとするマト
リツクス中の金属カーバイトを提供する請求項１
乃至５のいずれか１項記載の方法。

７ 前記相対的に堅い材料は、オーステナイト塩
度で溶融することなく高い歪速度で適用される変
態可能な高速度工具鋼であり、結果として生じる
微細なミクロ組織は非常に微細なマルテンサイト
マトリツクス中に均一に分布された約2μｍ又は
それ以下のサイズのカーバイトに変化し、施され
たハードフエーシングはテンパーされて２次硬化
が達成される請求項６に記載の方法。

８ ハードフエーシングが施された後、前記基材
は一定期間低温に維持され、続いてテンパーされ
る請求項７に記載の方法。

９ 前記基材はステンレス鋼であり、前記相対的
に堅い材料はマトリツクス中に非常に微細にカー
バイドが分布された層として基材に堆積されるコ
バルト／クロム／タングステン／カーボン合金で
あり、この層はこの材料の鋳放しの状態の硬度よ
りも高い硬度を有している請求項６に記載の方
法。

１０ 物品が、背中合わせに配置された第１及び
第２のエツジを有し、ハードフエーシングが各エ
ツジに堆積される請求項１乃至９のいずれか１項
記載の方法。

１１ 処理されるエツジが閉ざされたループであ
る請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方
法。

【発明の詳細な説明】

発明の概要 本発明は摩擦サーフエーシングにより材料の刃
部に沿いハードフエーシングを施す方法に関す
る。

英国特許第572789号（ハンス・クロツプストツ
ク）は金属を接続又は溶接する方法に就いて記載
しており、この場合、回転する溶接金属のロツド
又はバーを処理すべき金属の１部又は部品に連続
的にある圧力を掛けながら接触させ、又ある速度
でそれに対して移動させ、発生した摩擦熱により
ロツド又はバーの端部及び金属が溶接温度に達す
る如くにしている。その結果、ロツド又はバーの
金属が処理中の金属の上に堆積し、局部的拡大部
が形成され、又は２個の併置された金属片が接続
され、又はブローホール等が充墳されたりする。

従来、ブレード、ナイフ及びギロチン等の刃物
は３種類の方法で作られており、その１つは刃物
の表面に加炭し熱処理する方法であり、２つ目は
刃物に高速度工具鋼を蝋付け又はロール付けする
方法であり、３つ目は刃物自体を高速度工具鋼又
はその他の代表的切削合金鋼で作る方法である。

本発明は相対的に軟らかい基材のエツジに沿つ
てハードフエーシングを施す方法であつて、この
方法は、相対的に型い材料の均一な層を少なくと
も0.2mmの厚さで基材のエツジに沿つて回転磨耗
サーフエーシングすること、及び、その層及び基
材に鋭いエツジを形成すること又は前記層を研磨
して耐磨耗性の表面若しくは台座を形成すること
を含み、前記基材エツジには、それの他の面に対
して35゜乃至55゜傾きかつ前記他の面にＲ部を介し
て繁がつた後面を伴う、角度を持つた輪郭の凹部
が形成され、前記相対的に堅い材料が前記後面及
びＲ部に密着した状態で前記凹部に堆積されて前
記凹部を満たすことを特徴としている。そして、
前記摩擦サーフエツシングは、前記相対的に堅い
材料からなる回転部材を用い、摩擦界面が前記基
材に接触する位置から前記基材から若干離隔した
前記回転部材に沿う位置に立上りかつ前記基材の
上に前記相対的に堅い材料の均一な層が少なくと
も0.2mmの厚さで堆積するような圧力、回転速度、
及び前記回転部材と前記基材との間の相対的並進
運動速度で実施することができる。

特に好ましい材料は、鉄コバルト及びニツケル
から成るグループから選ばれた金属をベースとす
るマトリツクスの中に金属カーバイトを持つてい
る。高い歪速度で、又相対的堅い材料又は基材の
溶融点以下の高温で行われる本発明の方法によ
り、非常に細かい顕微鏡組織のマトリツクスの中
に均一に分散した非常に細かく分かれたカーバイ
トが得られ、その結果、軟鋼又はステンレス鋼の
基材に堆積させた時でも、予想以上に良い機械的
性質と使用寿命が得られる。この方法は相対的堅
い材料に有効に用いられ、その理由は、基材との
インターフエースに於ける混合が最低で、又この
インターフエースで非常に良い結合が得られるか
らである。特定の堅い材料及び基材では、このコ
ーテイングは厚さ３mmの基材に対しダメージも許
容出来ない歪みもなく施され得る。適当な基材の
材料は軟鋼及びステンレス鋼である。

本発明により作ることの出来る物品は、意外な
程長い使用寿命を示し且つ研ぎ直しの容易なブレ
ード、スケート、弁及び弁座を含んでいる。更
に、エクストルーダー（食品及びプラスチツク工
業に於いて本来の生産設備として又再生設備とし
て広く使用されている）のスクリユーの羽の刃に
耐摩耗性の表面を作ることが出来る。

更なる実施例に於いては、本発明の方法が、ド
ライバー及びたがねの如き手工具の刃部を作るの
に用いられ、これにハードフエーシングが行われ
ている。

次に、本発明による実施例に就いて下記の図面
を用いて説明する、即ち、 第１図は本発明の方法により刃を作るとき高速
度工具鋼のコーテイングを施すエツジに沿つて示
す軟鋼の加工片の概観図、 第２図は本発明による摩擦サーフエシング機械
の斜視図、 第３Ａ及び３Ｂ図は、許容し得るコーテイング
範囲に就いて、加工片の異なる取扱い方法を示す
本発明による加工片の平面図、 第４図は、第３Ａ及び３Ｂ図の加工片をコーテ
イングしている間の、開始から終了までのパラメ
ーター、特に“メクトロード”の圧力及び回転速
度の変化を測定した結果を描いた図、 第５及び６図は軟鋼上のT1工具鋼のコーテイ
ングの電子顕微鏡写真、 第７図は軟鋼の上に堆積したT1工具鋼のコー
テイングの表面からの深さと硬度との関係を示す
図、 第８及び９図はステンレス鋼の基材上のステラ
イトの顕微鏡写真、 第１０及び１１図は本発明による工具鋼のコー
テイングを施したスケートの刃部の側面及び断面
図、 第１２及び１３Ａから１３Ｃ図はきのこ弁と、
本発明の方法によりこれにコーテイングを行なう
手順を示す部分断面図、以上である。

摩擦コーテイングにより基材に表面コーテイン
グを施すことは既に知られている。手持ちの機械
で丸断面のバー又はロツドを用いコーテイングす
る材料の径は、本発明に於いては３から25mmであ
るが、この径は、それにふさわしい強力な機械を
用いれば、40mm以上に拡大することも可能であ
る。このバーが加圧されながら代表的には１秒当
り１から２ｍの円周速度で回転され、バーの基材
と界面を接する所に高温の塑性化された層が形成
される。板又はロツド状の基材を、回転するバー
（これをメクトロードという）の面に対して移動
させることにより0.2mm以上の厚さの塑性化され
た層が基材の表面に出来る。溶融は未だ起つてい
ないので、一般的に溶融溶接及びスプレーコーテ
イングに付纒う欠陥が生ずることは無い。

本発明は、カーバイドを含有する、鉄ベース
の、コバルトベースの又は余り一般的ではないが
ニツケルベースの合金によるハードフエーシング
材が加工片のミルエツジの道筋に沿い有効に堆積
可能であると言うことを見出だしたことに基いて
いる。第１図に於いて、軟鋼の加工片１０が断片
に切断され、又凹部１２が端部１３に沿つて形成
されている。この凹部１２は全体的に角度を持つ
た形成をしており、その後面が切削面１４に対し
代表的には35゜から55゜、好ましくは45゜傾き、Ｒ部
１５を経て切削面１４に繁がつている。加工片の
後面のこの角度は、高温の塑性化したメクトロー
ド材が上記凹部に沿つて進むとき、これが自然な
幾何学的形を形成する如き角度となつており、又
Ｒ部１５は材料の密着状態を保ち道筋の断面方向
に沿う熱発生が連続的になり、出来上がつた加工
片に結合不充分なコーテイングの線状部が成長す
るのを防いでいる。この道筋１２の深さ及び幅は
加工片１０の及び作るブレードのタイプにより決
められる。

回転チヤツク２６に固定されたメクトロード２
４を有するコーテイング機械２２のベツド２０に
ブレード１０がクランプ手段（図示無し）により
クランプされる。第２図は、コーテイングする位
置にブレード１０を置いた機械全体の姿を示して
いる。このコーテイング機械は、普通、フイード
バツク制御ループにインプツトを行なうセンサー
を備えており、加工片１０に対する、Ｎ／mm²で現
わされる所定のメクトロード圧力、メクトロード
２４の所定の回転速度、及び所定の供給速度が維
持される如くになつている。摩擦コーテイング法
の特徴の１つは、コーテイング・パラメータの選
択により所望の熱流特性が得られることである。
パラメーターを選択することにより、充分な熱を
発生させ、最も好ましい状態の摩擦インターフエ
ースが基材１０に接する部位から、基材１０から
僅か離れたメクトロード２４に沿う部位に向つて
立上がるようにすることが出来る。このコーテイ
ング法の最初のいわゆるタツチダウン段階、即
ち、メクトロード２４の摩擦加熱が平衡状態にな
るまで行われる段階と、溶接の終了時メクトロー
ド２４が接触しているブレード１０から引上げら
れる段階とが重要である。厚さ５mmの軟鋼と径10
mmの高速度工具鋼のバー２４を用いて行なう代表
的溶接の場合、タツチダウン段階は５秒を要し、
コーテイング段階は200秒を要する。この場合、
スビンドルの回転速度は約1250rpmで、加工片１
０の供給率は１秒当り４mmで、メクトロードに掛
かる力は約12kNである。この結果として厚さ0.7
mm又はそれ以上で、代表的な長さ800mmのコーテ
イングが出来る。

出来る層の厚さは、メクトロード２４の材質、
メクトロードの径及び影響度は少ないが基材１０
の材質及び厚さによつて決まる。従つて、代表例
として、10mmのメクトロードの場合は厚さ0.2か
ら１mmのコーテイングが出来、一方25mmのメクト
ロードの場合は厚さ0.5から２mmのコーテイング
が出来る。コーテイングを繰返せばいかようの厚
さのものも作ることが出来る。出来る層の幅は用
いられるメクトロードの径と同じである。平行な
溶接トラツクにより広幅のコーテイングをする必
要があるような場合、例えば、製紙及びプラスチ
ツク工業に用いる工業用大形ギロチンの刃の場合
は、径50mmまでのメクトロードが用いられる。

第３Ａ，３Ｂ及び４図に於いては、ブレード１
０がタツチダウン完了及びリフトオフの開始をと
れぞれ規定する線Ａ及びＢを持つている。このタ
ツチダウン段階には５秒を要し、又リフトオフ段
階は１秒以下である。タツチダウン及びリフトオ
フの間の中間段階（即ち、点ＡとＢの間）に、一
様な特性を示すコーテイングが出来る。第３Ａ図
の例の場合はタツチダウン及びリフトオフがスタ
ートプレート７及びエンドプレート８で行われ、
加工片の全長に実質的に有効なコーテイングが行
われるのに対し、第３Ｂ図の例の場合は、タツチ
ダウン及びリフトオフが加工片１０の端部９で行
われ、この部分は後に切除される。

ブレード１０にコーテイングが施された後、高
速度工具鋼の場合は、溶接時の高い硬度からコー
テイングをテンパーする為の熱処理段階が必要で
ある。

代表的な例として、２次硬化が起る場合は、
560℃で１時間づつ２回のテンパーが行われる。

コーテイングの形成及び熱処理段階が完了した
後、コーテイングを磨き、刃を付ける為にブレー
ドのエツジがグラインダーに掛けられる。本発明
の方法では溶融が行われないので、加工片１０に
生ずる歪の程度は一般的な蝋付け又は溶接に比し
非常に少ない。

本方法の際立つた特徴は、異なつた形の２種類
のハードフエーシング合金を以て行なう点であ
る。即ち、高速度工具鋼が用いられるときは、高
温で比較的柔らかいオーステナイトに同素変態が
生じ、その結果として、焼入れされて堅いマルテ
ンサイトになる。一方、ステライト系の合金の場
合は、同素変態が行われず、コーテイングを行う
ことが出来るように、単に高温での軟化が行われ
るだけである。

冶金学的に顕著な利点は、コーテイングの間に
合金が熱間加工され、得られた微細組織が良好な
特性を示すことである。高速度工具鋼の場合、得
られる顕微鏡組織は、後に続くテンパー段階での
２次硬化により促進される非常に微細なマルテン
サイトのマトリツクスの中に複雑に角張つたカー
バイト粒子が配列された非常に細かい組織であ
る。マトリツクス内のカーバイトの大きさは２ミ
クロンを超えるものが比較的少なく、マトリツク
ス全体にカーバイトが均一に分布しており、この
微細な顕微鏡組織により良好な刃物としての特性
が得られることが観測された。普通、高速度工具
鋼はもつと粗い顕微鏡組織で、帯状の大きなカー
バイト粒子と粗いマルテンサイトのマトリツクス
を伴つている。コーテイングの間メクトロードの
平衡条件下で存在するオーステナイトは非常に高
い歪率で熱間加工されるので、非常に微細な組織
をしており、これがこのすぐ後に続く急速冷却の
際同様に微細なマルテンサイト構造に変化する。
コバルト・ベースの合金の場合は、最終的に得ら
れる組織は一様で、コバルト／コロンビユウムの
固溶体マトリツクスの中に非常に均一に配列され
た複雑に角張つたカーバイトを伴なつている。

本発明に就き、以下、例によつて説明する。

例 １ 製材機の刃に用いられる軟鋼のブレードがＴ１
高速度工具鋼（18−４−１型）のエツジコーテイ
ング材により12mmコーテイングされた。コーテイ
ングされたブレードは薄断片にされ研磨され、走
査電子顕微鏡で検査された。この顕微鏡には後方
散乱デイテクターが装着されており、これは顕微
鏡写真に原子番号によるコントラストを与えるも
ので、低い原子番号２は黒いコントラストとし
て、又高いＺ域は明るい部分として示される。第
５図は走査電子顕微鏡写真であるが、この図に於
いて、良好なインターフエースにより高速度工具
鋼の層に接続された軟鋼の上平面部が示されてお
り、微細に分かれ均一に分布したカーバイトが見
られる。第６図は後方散乱像モードでの第５図の
インターフエースの拡大写真で、全てのインター
フエースボイド（黒い部分）の大きさが１ミクロ
ン以下であることが示されているが、このような
ボイドは希に出来るものである。マトリツクスの
同質性はその均一な外観からも明らかである。工
具表面に直角に、及びインターフエースの研磨断
面に沿う走査により、Ｔ１コーテイングの硬度が
ウイツカーズのマイクロベンチ硬度計を用いて測
定された。1000ｇmsで測定されたコーテイング
及び軟鋼基材の硬度はそれぞれ860±30及び173±
９であつた。50gms荷重でインターフエースの断
面に沿つて測定された硬度の走査結果が第７図に
プロツトされている。Ｔ１と軟鋼の境界線で硬度
が鋭く下降しているが、これはインターフエース
でコーテイング材料の希釈がほとんど起きていな
いことを示している。1000gms及び50gms荷重で
測定された硬度の差はコーテイングの厚さによる
ものと考えられる。

このタイプの長さ230mmのブレード４個が製材
機のブロツクに取付けられ、針葉樹材を28000m
かんな掛けした後も刃は正常であつた。Ｔ１鋼単
味のブレードの代表的寿命は針葉樹材で4000ｍで
ある。

例 ２ コーテイング直後にブレードが24時間液体窒素
に浸漬され、引続き560℃で１時間の熱処理が２
回行なわれたことを除き、ブレードが例１と同様
に作られた。このブレードを例１と同じ製材機に
取付けて試験した結果、針葉樹材を50000ｍかん
な掛けした後も使用可能の状態であり、その後こ
のブレードは取除かれた。

例 ３ 例１により作られたブレードの材料を0.4mm研
磨除去することにより研ぎ直しすることが出来
た。普通のＴ１鋼のブレードは研ぎ直しで代表的
に１〜２mmの研ぎ代を必要とする。

例 ４ ステンレス鋼（オーステナイト316型）のブレ
ードがステライト６の８mm幅のコーテイング材に
よりエツジ・コーテイングされた（このステライ
ト６はコバルト／クローム／タングステン／カー
ボン合金で、Ｃ＝１，Ｗ＝５，Cr＝26，Co＝残
り、を含有し、Stoody Deloro Stellite of
Swindon，UK，から入手出来るものである）。
ステライトの鋳放しのヴイツカース硬度は410で
あるが、この堆積コーテイングは30Kg荷重でのヴ
イツカース表面硬度で665を、又断面硬度で640を
示した。この硬度の増加は微細なカーバイトの分
布及び非常に微細なマトリツクス構造によるもの
である。第８図に示す上部層はステライトで、下
部層はステンレス鋼の基材である。第９図にステ
ライト６のコーテイングの細部が高倍率で示され
ており、微細に均一に分布したカーバイトが見ら
れる。これに反し、普通の酸素−アセチレン法で
堆積されたステライト６は粗いデンドライト構造
を示し、均質な切断刃にすることは困難である。

例 ５ 軟鋼のスケート用ブレード（第１０，１１図）
はその下部の両側面に凹みが設けられ、ここに
BT１高速度工具鋼が堆積され、第１図で説明し
たハード・フエーシング３２が形成され、引続き
研磨され、仕上げられる。

例 ６ エンジンの排気管用きのこ弁３４には周辺凹部
３６が設けられ、ここにステライト６の層３８が
堆積される。このステライト６の代わりにその他
のハード・フエーシング合金、例えばトリステ
ル・レンジ（tristelle range）のもの（鉄ベース
の合金で上記SDS社から入手可能）を用いてもよ
い。