JP2007143956A - Cutting tool - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、刃の主面に小さい角度で斜面を形成した大刃と、該主面の縁部に沿ってさらに大きい角度で斜面を形成した小刃とを有した刃物などにおいて、チタン合金中に硬質粒子を均一分散させたチタン基複合材料を利用した刃物およびその製造方法に関するものであり、ナイフ、カッターの刃、調理用刃物、鋏、カミソリ、その他各種の刃材に関する技術分野に属するものである。 The present invention provides a cutting tool having a large blade with a small angle formed on the main surface of the blade and a small blade with a large angle formed along the edge of the main surface. The present invention relates to a blade using a titanium-based composite material in which hard particles are uniformly dispersed in and a manufacturing method thereof, and belongs to a technical field related to knives, cutter blades, cooking blades, scissors, razors, and other various blade materials. It is.
純チタンやチタン合金は、軽量で高い弾性を有し、不銹、非磁性等の特徴を有する各種工業製品の有用な素材である。しかし、純チタンやチタン合金は、炭素鋼、ステンレス鋼などに比べて硬度が低いため、耐摩耗性を要する刃物の素材としては不適と考えられていた。 Pure titanium and titanium alloys are useful materials for various industrial products that are lightweight, have high elasticity, and have characteristics such as sterility and non-magnetism. However, pure titanium and titanium alloys have been considered to be unsuitable as materials for blades that require wear resistance because of their lower hardness than carbon steel, stainless steel, and the like.
最近では、上記チタン合金の強度、剛性、耐摩耗性等の特性を改善するため、該チタン合金中に硬質粒子を分散させた複合材が開発されている。この分散粒子としては、TiC、TiN、SiC、TiB2 等の粒子が使用されている。 Recently, a composite material in which hard particles are dispersed in the titanium alloy has been developed in order to improve properties such as strength, rigidity, and wear resistance of the titanium alloy. As the dispersed particles, particles such as TiC, TiN, SiC, and TiB2 are used.
また、特開平11−131171号公報では、炭化物を添加したチタン合金刃物から、耐摩耗性、強度をもたせていることが報告されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-131171 reports that a titanium alloy blade to which carbide is added has wear resistance and strength.
また、特開平8−311586号公報では、TiBを有するチタン合金を他の基材に溶射した刃物としていることが報告されている。
しかしながら、特許文献1では、炭化物を添加したチタン合金刃物であるが、耐摩耗性、強度が不十分であることがわかっている。 However, in Patent Document 1, although it is a titanium alloy blade to which carbide is added, it is known that the wear resistance and strength are insufficient.
また、特許文献2では、TiBを有するチタン合金を他の基材に溶射した刃物であるが、刃物を研ぐと溶射したTiBを有するチタン合金がすぐ磨耗してなくなるため、製品寿命が短いという問題があった。さらに、TiBを有するチタン合金を他の基材に溶射するため、密着性が悪くなり剥がれる恐れがあった。さらに、TiBを有するチタン合金を他の基材に溶射するという工程が製造上の大きな負担となっていた。
Further, in
前記問題点に鑑みて本発明の耐摩耗性チタン刃物は、基材が、チタンを主成分としたα相3、β相4の少なくとも一方からなるチタン合金と、該チタン合金中に分散したTiB粒子とを有することを特徴とする。
In view of the above problems, the wear-resistant titanium blade of the present invention has a base material in which a titanium alloy containing at least one of α-
上記TiB粒子の一部がチタン合金の表面に露出していることを特徴とする。 Part of the TiB particles is exposed on the surface of the titanium alloy.
かくして得た焼結部からなる刃材は、研削により所要の箇所に刃付け加工を施すことにより、所望の刃物を得ることができる。 The blade material composed of the sintered portion thus obtained can obtain a desired blade by performing a cutting process on a required portion by grinding.
本発明の耐摩耗性チタン刃物は、延性および靱性が低下しにくく、室温から高温までの強度、耐摩耗性等の特性が向上した耐摩耗性チタン刃物となる。炭素鋼、特殊鋼、ステンレス鋼に比べて当然に軽量であり、しかも海水中でも錆びない点でステンレス刃物以上に不銹性において勝り、炭化物添加に比べて高耐摩耗性をもつことが可能とった。 The wear-resistant titanium blade of the present invention is a wear-resistant titanium blade with improved ductility and toughness and improved properties such as strength from room temperature to high temperature and wear resistance. Naturally, it is lighter than carbon steel, special steel, and stainless steel. Moreover, it is superior to stainless steel blades in terms of sterility even in seawater, and it has higher wear resistance than carbide addition. .
また、本発明の刃物が初期から摩耗していく過程においても、分散しているTiB粒子が被処理物に対して、常に点接触しギザ刃機構になることから切れ味は変わることはない。 Further, even in the process in which the blade of the present invention is worn from the beginning, the dispersed TiB particles are always in point contact with the object to be processed, so that the sharpness is not changed.
また、TiBは母材のチタン合金内において高温から低温まで熱力学的に安定であり、チタン中に溶けにくく、チタンとの熱膨張差がほぼないので、TiB粒子が容易に脱粒することもなく、切れ味はいつまでも続くこととなる。 In addition, TiB is thermodynamically stable from high temperature to low temperature in the base titanium alloy, hardly dissolves in titanium, and has almost no difference in thermal expansion from titanium, so that TiB particles do not easily fall off. The sharpness will last forever.
以下に、請求項にかかる発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the claimed invention will be described.
本発明は、基材が、チタンを主成分としたα相3、β相4の少なくとも一方からなるチタン合金と、該チタン合金中に分散したTiB粒子とを有することを特徴とする。
The present invention is characterized in that the base material has a titanium alloy composed of at least one of
TiB粒子が均一分散されておらず局所的にTiB粒子が無いところが発生してしまうと耐摩耗性が劣ることとなり、反対にTiB粒子が多いところでは緻密化が得られずボイドが発生し、衝撃性が劣ってしまう。原料作製段階にTiB粒子あるいはTiB粒子となる前駆体を混合させ分散させておく必要がある。 If the TiB particles are not uniformly dispersed and there are places where there are no TiB particles, the wear resistance will be inferior. On the other hand, where there are many TiB particles, densification will not be obtained and voids will occur. It is inferior. It is necessary to mix and disperse TiB particles or precursors to become TiB particles in the raw material preparation stage.
ここで単に分散ではなく均一分散と説明しているのは、TiB粒子に等方性があり、またα相3、β相4、α相3+β相4を取り囲んでいるものではなく、凝集しているものではないことを明確にするためである。例えば20μm以下のTiBが400μm以下の平均間隔で点在している。ここで分散性での平均間隔の測定方法は、金属組織を示すSEM(走査型電子顕微鏡)写真(倍率500倍)を使用し、写真上の任意のTiB粒子1点から最短距離で存在するTiB粒子までの距離を定義し、平均値を算出したものである。TiB粒子が均一分散されたことにより、炭化物添加に比べて高耐摩耗性をもつことが可能とった。これは、炭化物の場合、炭素が母材に固溶し脆性化をまねくことが考えられ、対して硼化物は母材に固溶することもなく、熱力学的にも安定な元素だからである。
The reason why it is described as uniform dispersion, not simply dispersion is that TiB particles are isotropic and do not surround
そして上記TiB粒子の面積比が5%未満では、粒子分散強化の効果が小さく、上記材料を加工する際には難削材となり焼きつきが起き、完成品の刃体が反りやすい。また、特定値を越えると粒子が粗大化し、合金材料の靭性が低下する恐れがある。 When the area ratio of the TiB particles is less than 5%, the effect of particle dispersion strengthening is small, and when the material is processed, it becomes a difficult-to-cut material and seizure occurs, and the finished blade is likely to warp. Moreover, when a specific value is exceeded, there exists a possibility that a particle may coarsen and the toughness of an alloy material may fall.
また、母材となるチタン合金は純チタンに強化用合金元素を添加し機械的性質を改良したものである。強化用合金元素は、ヤング率がβ相4より大きいα相3安定化元素として0.5〜7.0重量%であるAlと、熱処理を行い更に強度を高めることができるβ相安定化元素として1.0〜12.0重量%であるV、2.0〜30.0重量%であるMo、1.0〜7.0重量%であるFeを添加したものであり、α相3安定化元素およびβ相安定化元素を適当に添加することでα相3+β相4といった優れた機械的性質が得られる。
The titanium alloy as the base material is obtained by adding mechanical alloying elements to pure titanium to improve mechanical properties. The alloying element for strengthening is 0.5% to 7.0% by weight of Al having a Young's modulus greater than β-
さらに本発明は、上記TiB粒子の一部がチタン合金の表面に露出していることを特徴とする。 Furthermore, the present invention is characterized in that a part of the TiB particles is exposed on the surface of the titanium alloy.
これは包丁の刃先の接触部分にあらわれはじめたTiB粒子が被処理物と点接触するギザ刃機構になるため切れ味は変わることはない。もちろん、TiB粒子は母材のチタン合金内において高温から低温まで熱力学的に安定であり、チタン中に溶けにくく、チタンとの熱膨張差がほぼないので、TiB粒子が容易に脱落することもないので、切れ味はいつまでも続くこととなる。突出する量はTiB粒子のアスペクト比に依存するが、TiB粒子の長手方向が突出するのが好ましい。 Since the TiB particles that have begun to appear at the contact portion of the knife edge of the knife become a pointed contact mechanism with the workpiece, the sharpness does not change. Of course, TiB particles are thermodynamically stable from high temperature to low temperature in the base titanium alloy, are not easily dissolved in titanium, and have almost no difference in thermal expansion from titanium, so TiB particles can easily fall off. Since there is no, the sharpness will continue forever. The protruding amount depends on the aspect ratio of the TiB particles, but it is preferable that the longitudinal direction of the TiB particles protrudes.
切れ味は一定荷重の下に刃先をテスト用紙に当て、一定速度で片道30mmの往復サイクル運動を128往復させ、テスト用紙の切込み枚数を1サイクル毎に記録する評価方法を採用し、128回まで安定しているかで評価することができる。 The sharpness is stable up to 128 times by applying an evaluation method in which the cutting edge is applied to the test paper under a constant load, the reciprocating cycle motion of 30 mm one way at a constant speed is reciprocated 128 times, and the number of test paper cuts is recorded per cycle. You can evaluate whether you are doing.
前記の評価方法から、横軸を対数表示とし128往復までの切れ味直線の傾きは大きく、他に比べて耐摩耗性があるといえる。テストを行うことで母材が摩耗し切れ味低下を招くが、母材が摩耗していく過程において、分散しているTiB粒子が随時現れ、TiB粒子が点接触しギザ刃機構になることから切れ味は変わることはなく、また、刃付け時にTiB粒子が点接触となるギザ刃機構状態となっていることも本発明の利点であることを失わない。特に上記TiB粒子が刃の表面から突出している面積比特定の範囲であることが好ましい。面積比が小さいとギザ刃機構として耐摩耗性が低下し、大きいと切れ味自体が低下する傾向になる。ここで面積比の測定方法は、金属組織を示すSEM(走査型電子顕微鏡)写真(倍率500倍)を使用し、刃先の稜線から1mm角を撮影し、そのなかで任意のTiBの粒径が1μm以上のTiBの占める面積比を求めたものである。 From the above evaluation method, it can be said that the horizontal axis is logarithmically displayed and the inclination of the sharp straight line up to 128 reciprocations is large, and it has higher wear resistance than others. By performing the test, the base material wears and causes a reduction in sharpness. However, in the process where the base material wears, the dispersed TiB particles appear at any time and the TiB particles come into point contact to form a serrated edge mechanism. There is no change, and the fact that the TiB particles are in the point contact state at the time of blade attachment is also an advantage of the present invention. In particular, it is preferable that the TiB particles have a specific area ratio range protruding from the blade surface. When the area ratio is small, the wear resistance of the serrated blade mechanism is lowered, and when the area ratio is large, the sharpness itself tends to be lowered. Here, the area ratio is measured by using a SEM (scanning electron microscope) photograph (magnification 500 times) showing a metal structure, photographing a 1 mm square from the edge line of the blade edge, in which the particle size of any TiB is The area ratio occupied by TiB of 1 μm or more is obtained.
また、上記TiB粒子の平均粒径は1〜20μmであり、そのうち平均粒径1〜20μmのものが、平均20〜400μmの間隔で点在していることが好ましい。平均粒径が1μm未満だとTiB粒子が脱粒して切れ味が悪くなり易く、平均粒径が20μmより大きいと切断面の品位が粗くなる傾向がある。そして平均粒径1〜20μmのTiB粒子が、平均20μm未満の間隔で分散していると、切れ味自体が低下するという不具合があり、粒径1〜20μmのTiB粒子が、平均400μmより大きい間隔で分散していると、ギザ刃機構として耐摩耗性の機能が低下するという不具合がある。 The average particle size of the TiB particles is 1 to 20 μm, and among them, particles having an average particle size of 1 to 20 μm are preferably scattered at an average interval of 20 to 400 μm. When the average particle size is less than 1 μm, TiB particles are likely to be shattered, resulting in poor sharpness, and when the average particle size is greater than 20 μm, the quality of the cut surface tends to be rough. And when TiB particles having an average particle diameter of 1 to 20 μm are dispersed at intervals of less than 20 μm on average, there is a problem that the sharpness itself is lowered, and TiB particles having a particle diameter of 1 to 20 μm are at intervals greater than the average of 400 μm. If dispersed, there is a problem that the wear resistance function of the serrated blade mechanism is lowered.
なお、本発明の刃材には副成分としてAgを重量比において0.1〜10%添加することも可能であり、Agを配合すれば、この刃材による刃物は抗菌性がある。しかも、その配合量が少量であるため、刃物の重量、営利性及び切れ味の寿命に悪影響があらわれないことも、本発明の利点であることを失わない。 In addition, it is also possible to add 0.1 to 10% by weight of Ag as a subsidiary component to the blade material of the present invention. If Ag is mixed, the blade made of this blade material has antibacterial properties. And since the compounding quantity is a small amount, it is not lost that it is an advantage of this invention that a bad influence is not exerted on the weight of a blade, a profitability, and the life of sharpness.
次に、本発明の実施例を示す。 Next, examples of the present invention will be described.
本発明の試料には、チタンを約80%含み、その他金属及びその化合物の粉末素材を添加、混合後、圧縮成形には4ton/cm2の圧力を使用する。焼結は真空炉中、1,200〜1,300℃で所要時間は約2時間としたものである。 The sample of the present invention contains about 80% titanium, and powder materials of other metals and their compounds are added and mixed, and then a pressure of 4 ton / cm 2 is used for compression molding. Sintering is performed in a vacuum furnace at 1,200 to 1,300 ° C. for a required time of about 2 hours.
かくして得た焼結部からなる刃材は、研削により所要の箇所に刃付け加工を施すことにより、所望の刃物を得ることができる。 The blade material composed of the sintered portion thus obtained can obtain a desired blade by performing a cutting process on a required portion by grinding.
TiBの分散量を種々変更して、耐摩耗性、抗折強度を調べた結果を表1に示し、耐摩耗性をグラフ化したものを図2に示す。
耐摩耗性の測定方法は、前記評価方法により耐摩耗性をグラフの傾きが優れているものには◎印を、やや優れているものには○印を、耐摩耗性がみられるものには△印を、全く耐摩耗性が見られないものを×印を付している。 The wear resistance measurement method is based on the above evaluation method. Wear resistance is indicated by ◎ for those with excellent slope, ○ for slightly superior, and for wear resistance. A triangle mark is given to those where no wear resistance is seen.
抗折強度の測定方法は、JISR1601−1995規格により4mm×3mm×36mmの検体を使用した。抗折強度が1600MPa以上のものには○印を、1200〜1600MPa未満のものには△印を、1200MPa未満のものには×印を付している。 As a method for measuring the bending strength, a specimen of 4 mm × 3 mm × 36 mm was used according to the JIS R1601-1995 standard. Those with a bending strength of 1600 MPa or more are marked with ◯, those with 1200 to less than 1600 MPa are marked with Δ, and those with less than 1200 MPa are marked with x.
実施例1〜5と比較例1〜3を比較する。 Examples 1-5 and Comparative Examples 1-3 are compared.
比較例1では、TiB粒子を均一分散させていないため、耐摩耗性、耐摩耗性が劣る。 In Comparative Example 1, since the TiB particles are not uniformly dispersed, the wear resistance and wear resistance are poor.
比較例2でおよび比較例3のような従来の炭化物添加やジルコニアセラミックのものは耐摩耗性および抗折強度のいずれかで劣ることがわかる。 It can be seen that the conventional carbide addition and zirconia ceramics in Comparative Example 2 and Comparative Example 3 are inferior in either wear resistance or bending strength.
次に、チタン合金中のα相:β相の比、平均粒径、平均間隔を種々変更し、初期切れ味、耐摩耗性、抗折強度、断面品位を調べた結果を表2に示す。
初期切れ味の測定方法は、前記耐摩耗性の評価方法により一回目の切れ味枚数が50枚以上のものには○印を、それよりも劣るものには△印を付している。 In the initial sharpness measurement method, a circle mark is given to those having a first sharpness of 50 or more, and a triangle mark is given to those inferior to that, according to the abrasion resistance evaluation method.
断面品位の測定方法は、刃先断面をSEM(走査型電子顕微鏡)写真(倍率500倍)より、刃先断面の刃幅を調べたものである。刃幅が1μm未満のものには◎印を、1〜3μm未満のものには○印を、3μm以上のものには△印を付している。 The method for measuring the cross-sectional quality is a method in which the blade width of the blade edge cross section is examined from a SEM (scanning electron microscope) photograph (magnification 500 times). Those with a blade width of less than 1 μm are marked with ◎, those with a blade width of less than 1 to 3 μm are marked with ◯, and those with a blade width of 3 μm or more are marked with Δ.
試料No17〜21より、耐摩耗性、抗折強度、断面品位の点でTiBの平均粒子径は1〜20μmが好ましいことがわかる。 From Sample Nos. 17 to 21, it can be seen that the average particle diameter of TiB is preferably 1 to 20 μm in terms of wear resistance, bending strength and cross-sectional quality.
試料No22〜26より、耐摩耗性、抗折強度、断面品位の点でTiBの平均間隔は20〜400μmが好ましいことがわかる。特に断面品位からみると、平均粒径と平均間隔が影響しTiB粒子が刃先にならぶ存在確立が高くなることで、TiBが突出しすぎてしまうためである。 From Sample Nos. 22 to 26, it is understood that the average interval of TiB is preferably 20 to 400 μm in terms of wear resistance, bending strength, and cross-sectional quality. In particular, when viewed from the cross-sectional quality, the average particle diameter and the average interval influence the TiB particles, and the existence probability that the TiB particles follow the cutting edge becomes high, so that TiB protrudes too much.
1 テスト紙
2 刃部(基材)
3 α相
4 β相
5 TiB粒子
1
3
Claims (2)
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2005
- 2005-11-29 JP JP2005344086A patent/JP2007143956A/en active Pending
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20120110 |