JP2008013802A - 金属製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ０．３重量％以上のＣを含有する金属材料により構成される金属製品（例えば各種金型、工具、刃物、機械・自動車部品など）に対して部分的な焼入硬化を適切に、かつ精密に行うことができる金属製品の製造方法を提供する。
【解決手段】 金属粉末射出成形法によりチップ４を成形しているので、成形されたチップ４内では、炭化物が製品全体に、しかも均一に分散されている。そして、この分散状態でレーザービームＬＢを用いて部分焼入処理を行っているため、レーザービームＬＢによる急速加熱によりオーステナイト組織を得るとともに、該オーステナイト母相への炭化物の固溶を短時間に完了させることができる。したがって、レーザー焼入を用いたとしても、チップ４の刃部４２に対する部分焼入を完全に行うことができ、該刃部４２を選択的に表面硬化させることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、０．３重量％以上のＣを含有する金属材料により構成される金属製品の表面を局部的に硬化させる金属製品の製造方法に関するものである。

金属製品を硬化させる方法として焼入硬化法が従来より多用されている。例えば鋼製の金属製品に対して焼入硬化処理を施すためには、鋼製の金属製品をＡ1変態点温度以上の高温域に加熱してオーステナイト組織を得る。また、母相に炭化物を固溶させるために鋼成分に対応する時間だけ均熱処理（固溶化熱処理）を施した後、金属製品を急冷して硬いマテンサイト組織を得ることによって金属製品を硬化させる。通常、高温域での温度コントロールが容易な炉の中に金属製品全体を装入する、全体焼入れによって行われている。しかしながら、金属製品によっては、熱処理コストの低減や部分的に異なる所要特性を得る等の目的から、部分焼入れを必要とする場合がある。そこで、このような要望を満足させるために、高周波焼入れ法やレーザー焼入れ法が行われるようになってきている（特許文献１参照）。

特開２００４−１９６７６号公報（段落［０００６］）

しかしながら、特許文献１に記載の部分焼入方法は急速加熱を用いており、オーステナイトの高温域における温度コントロールが難しく、十分な均熱時間を取ることができない。そのため、対象となる鋼材は炭化物が固溶しやすく、均熱時間を殆ど必要としない構造用鋼等の低合金鋼が主体となっている。また、高Ｃかつ合金元素を多く含む合金工具鋼（ＳＫＤ１１等）や高速度工具鋼（ＳＫＨ５１等）などの高合金鋼の焼入れは、炭化物を固溶させるため、１０００゜Ｃ以上の高温度域で所要時間、均熱する必要がある（通常、インチ当り３０分必要と言われている）。また、部分焼入方法の中でも、特にレーザービームを高密度熱源として用いた焼入方法では、超高速加熱のため、高温域での温度コントロールが非常に難しいことから適用対象は低合金鋼に限定されており、高合金鋼での安定的な操業は行われていない。

本発明の目的は、上記課題に鑑み、０．３重量％以上のＣを含有する金属材料により構成される金属製品（例えば各種金型、工具、刃物、機械・自動車部品など）に対して部分的な焼入硬化を適切に、かつ精密に行うことができる金属製品の製造方法を提供することにある。

この発明は、上記目的を達成するため、金属粉末を用いた粉末成形法により０．３重量％以上のＣを含有するとともに炭化物を全体に分散した金属製品を成形する粉末成形工程と、金属製品の表層部の一部にレーザービームを照射しながら走査して該レーザー走査領域に対して焼入処理を施す部分焼入工程とを備えたことを特徴としている。

このように構成された発明では、粉末成形工程により金属製品全体に炭化物が分散された上で、レーザービームによる部分焼入が実行される。このようにレーザービームの照射前に既に炭化物は分散されているため、レーザービームによる急速加熱により炭化物の固溶が短時間で完了し、優れた部分焼入が実行される。ここで、炭化物の固溶を促進するためには、粉末成形工程において約５μｍ以下の粒径を有する炭化物を金属製品の全体に均一に形成するのが望ましい。

また、金属製品としては各種金型、工具、刃物、機械・自動車部品などが含まれ、次のように構成されたチップに対しても上記した製造方法を適用することができる。このチップ（金属製品）は、所定方向を臨む刃面を有する刃部が設けられるとともに該刃部から所定方向と異なる方向に接合部が延設され、該接合部を鋸歯板の取付部に挿脱することにより該鋸歯板に対して着脱自在となっている。このチップ製造方法を構成する部分焼入工程では、刃面上にレーザービームを走査させて刃部を部分的に焼入硬化させることができる。また、刃面の底部から刃先に向けてレーザービームを走査させて刃部に焼入処理を施すように構成してもよい。

粉末成形工程としては、金属粉末射出成形法を用いることができる。また、粉末成形工程後で且つ部分焼入工程前に、金属製品全体に対して焼入処理を施した後に焼戻す全体焼入焼戻工程を実行するのが望ましい。

本発明の製造方法によれば、各種金型、工具、刃物、機械・自動車部品などの金属製品に対して部分的な焼入硬化を適切に、かつ精密に行うことができる。

＜金属製品の製造方法＞
高密度熱源としてレーザービームを用いて金属製品に対して部分焼入を行うことは上記したように周知の技術であるが、それを実行する上でオーステナイト相に炭化物を如何に固溶させるかが大きなポイントとなっている。特に、レーザービームを用いて加熱した場合、そのレーザービームが照射された領域は短時間で高温に加熱されるものの、該レーザー照射領域の温度を一定に保つことは難しい。そのため、オーステナイト相に炭化物が十分に固溶しないままレーザービームが該領域から移動すると、不完全焼入れとなってしまう。そこで、本発明者らは、上記課題について鋭意検討した結果、レーザービームによる部分焼入を実行する前に、予め金属製品全体に炭化物を分散させておくと、レーザービームによる急速加熱によりオーステナイト組織が得られるとともに、該オーステナイト母相への炭化物の固溶が短時間で完了することを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち本発明は、金属粉末を用いた粉末成形法により０．３重量％以上のＣを含有するとともに炭化物を全体に分散した金属製品を成形する粉末成形工程と、金属製品の表層部の一部にレーザービームを照射しながら走査して該レーザー走査領域に対して焼入処理を施す部分焼入工程とを備えたことを特徴とする金属製品の製造方法に関するものである。

ここで、本発明では粉末成形法を用いて金属製品全体に炭化物を分散させているが、レーザービームによる加熱によりオーステナイト相への炭化物の固溶を促進するために炭化物の粒径を小さくするのが望ましく、例えば約５μｍ以下の粒径に仕上げるのが好ましい。また、部分焼入された領域の組織を良好なものとするためには、粉末成形工程により炭化物を金属製品内で均一に分散させるのが望ましい。

また、従来の部分焼入方法では、合金元素の含有量が増大するにしたがって炭化物の固溶が困難となる。例えば０．３％以上のＣを含有し、Ｃr：３％以上、Ｍｏ：１％以上、Ｗ：１％以上、Ｖ：０．５％以上、合金元素合計：５％以上のいずれかを含む高合金鋼で構成された金属製品に対し、従来のレーザービームによる部分焼入方法を適用することは事実上不可能であった。これに対し、本発明では部分焼入工程に先立って炭化物を分散させているため、金属製品が高合金鋼で構成されていたとしても炭化物の固溶が確実に行われて適切な部分焼入が実行される。

また、上記製造方法は０．３重量％以上のＣを含有する金属材料により構成される金属製品全般に対して適用することができるが、例えば特開２００４−９０１８０号公報や特開２００５−１１４８号公報などに記載されたチップソーに用いるチップに対して本発明を適用することができる。以下、本発明の「金属製品」に相当するチップの製造方法の一実施形態を図１ないし図３を参照しながら説明する。

＜チップの構造および製造方法＞
図１はこの発明にかかる金属製品の製造方法により製造されるチップ（金属製品）の構成およびチップソーに対するチップの着脱手順を示す模式図である。また、図２はチップ（金属製品）の製造方法を示すフローチャートである。さらに、図３は図２の製造方法により製造されたチップを示す斜視図である。ここでは、チップの構成を説明した上で、そのチップの製造方法の一実施形態について詳述する。

図１中の符号１はチップソーの一例として示す製材用の帯鋸である。このチップソー１は、同図に示すように、スチール製の板帯部材を無端帯状に形成した鋸歯板２と、その鋸歯板２の歯形部３に対して着脱自在に構成されたチップ（刃体）４とで構成されている。すなわち、鋸歯板２の上方側縁に所定の歯ピッチで歯形部３が形成されている。一方、チップ４には、図１の矢印で示す切削方向（同図の右手方向）Ｘを臨む刃面４１が設けられており、この刃面４１を含む部位が刃部４２となっている。この刃部４２の先端部は刃先４２１となっている。つまり、刃先４２１を刃部前面の平坦な刃面４１の上部で先鋭に形成する。一方、刃部４２の下部が底部４２２となっており、後述するようにしてチップ４が鋸歯板２の歯形部３に装着されると、底部４２２が鋸歯板２の底部受面２１で当接して固定される。このように、本実施形態では、歯形部３が本発明の「取付部」に相当している。

また、この刃部４２の両側から切削方向Ｘにおける上流側（同図の左手側）に向け、舌片状の接合片（挟持片）４３が平面視でコ字状となるように延設されている。このため、接合片（挟持片）４３の間に上流側（図１の左手側）に開放した嵌合溝４４が形成されている。そして、嵌合溝４４に対して鋸歯板２の歯形部３が相対的に圧入され、一対の接合片４３が歯形部３を挟み込む。このように一対の接合片４３が鋸歯板２を広い接触面で両側より押圧挟持してチップ４が鋸歯板２に装着固定される。また、チップ４の装着と逆の手順によりチップ４を鋸歯板２から取り外すことも可能となっている。このように、本実施形態では、一対の接合片４３が本発明の「接合部」として機能している。このように構成されたチップ４の一例としては、例えば次のような寸法（図３参照）
刃巾Ｌ：２．１ｍｍ
刃厚Ｈ：１ｍｍ
接合片４３の突出長さ：２．５ｍｍ
刃面４１の上下高さ：５．０ｍｍ
嵌合溝１６の幅：板厚が１ｍｍの歯形部３に対し、圧入可能な締まり嵌め嵌合をする公差を有して形成している、
を有するものがある。また、チップ４の寸法などはこれに限定されるものではなく、例えば刃巾Ｌ＝３．３ｍｍのチップも存在している。なお、接合部の形状や構成などについては、これに限定されるものではない。

次に、上記のように構成されるチップ４の製造方法について図２を参照しつつ詳述する。この実施形態では、まずチップ４を構成する金属材料の粉末を準備し、該金属粉末を用いて金属粉末射出成形法（ＭＩＭ）によりチップ４を成形する（ステップＳ１）。より具体的には、以下の手順でチップ４が成形される。まず、原料の金属粉末にワックスや樹脂等の有機バインダーを１５０゜Ｃで混練して、一旦ペレット状にした後、加熱溶融し、チップ４の形状に基づき設計・製造された金型に１００〜６００気圧で射出成形する。そして、射出成形品（部分焼入前のチップ）を金型から取り出した後、この射出成形品を３８０゜Ｃまで昇温して２４〜４８時間かけて脱脂を行う。さらに、この脱脂処理を受けた射出成形品を焼結炉にて１１７０゜Ｃ前後で約１０時間かけて焼結する。こうして、図１や図３に示す形状のチップ４が成形される。

こうして成形されたチップ４に対して焼入・焼戻処理を施してチップ４の組織を調整する（ステップＳ２）。この実施形態では、焼入・焼戻処理を受けたチップ４のビッカース硬さＨvを測定したところ５５０〜６００程度であり、チップ４に対して要求される硬さ（ビッカース硬さＨv＝８００〜９００）に対して大幅に低い状態となっている。

これに続いて、チップ４をレーザー照射装置（図示省略）の試料台にセットし、刃部４２の底部４２２がレーザービームの照射位置に一致するように位置決めする。そして、レーザービームＬＢの射出を開始する（ステップＳ３）。これにより、まず最初に刃部４２の底部４２２に対し、約６ｍｍのスポット径でレーザービームＬＢが照射されて底部４２２の表面が急速加熱される。

また、レーザービームＬＢは底部４２２から刃先４２１に向けて例えば２８０（ｍｍ／分）で移動する（ステップＳ４）。このレーザー走査は、ステップＳ５で「ＹＥＳ」と判定、つまりレーザービームＬＢの照射位置が刃先位置に達したと判定されるまで実行される。この判定と同時にレーザービームＬＢの照射が停止されてレーザー走査を完了させる。このように刃面４１の各部はレーザービームＬＢによる急速加熱と急冷とを受けて焼入処理が施され、図３の梨地模様に示すように刃面４１の表面から約０．５〜１ｍｍの深さで刃部４２は焼入硬化されている。なお、この実施形態では、上記レーザー走査条件（走査速度およびスポット径など）でレーザー部分焼入処理を行っているが、その条件は金属製品の大きさ、材質、組成などに応じて適宜設定することが望ましい。

部分焼入処理が完了した後、必要に応じてサブゼロ処理（ステップＳ７）と焼戻し処理（ステップＳ８）を行うことができる。例えば、レーザー焼入処理後に例えば−５０゜Ｃ以下の温度でサブゼロ処理を行うことによりチップ４に残留しているオーステナイト組織がマルテンサイト変態して硬度をさらに高めるとともに組織の安定化を図ることができる。また、焼戻し処理を行うことでレーザー焼入やサブゼロ処理で得られた組織を安定な組織に近づけて所望の性質および状態を得ることができる。

以上のように、この実施形態によれば、金属粉末射出成形法によりチップ４を成形しているので、成形されたチップ４内では、炭化物が製品全体に、しかも均一に分散されている。そして、この分散状態でレーザービームＬＢを用いて部分焼入処理を行っているため、レーザービームＬＢによる急速加熱によりオーステナイト組織を得るとともに、該オーステナイト母相への炭化物の固溶を短時間に完了させることができる。したがって、レーザー焼入を用いたとしても、チップ４の刃部４２に対する部分焼入を完全に行うことができ、該刃部４２を選択的に表面硬化させることができる。例えば上記のようにして製造されたチップ４の刃先４２１のビッカース硬さＨvを測定したところ、８００〜９００の硬さが得られた。一方、刃部４２以外のビッカース硬さＨvは５５０〜６００程度となっている。

また、このようにして形成されたチップ４では、切削性に直接関係する刃部４２は焼入硬化される一方、それ以外の部位は硬さは抑制されて優れた靭性に備えている。その結果、(1)刃部４２の硬度が高く、優れた切削性を有する、(2)刃部４２以外の部位では靭性に優れ、鋸歯板２に対するチップ４の着脱時や操業中の高負荷によりチップ４が割れるなどの破損発生を効果的に抑制する、という複合的な作用効果を得ることができる。

また、この実施形態では、切削性において重要視されるのが刃部４２のうち刃先４２１であることを考慮してレーザービームＬＢを刃部４２の底部４２２側から刃先４２１側に走査させている。すなわち、レーザービームＬＢの照射開始直後では刃部４２の温度上昇は若干抑えられる傾向にあり、しかもレーザー出力も安定していないため、図３に示すように底部４２２では所望の焼入硬化を得ることは難しい。これに対し、レーザー走査の中間および後段においては照射開始直後の現象は解消されて所望の焼入硬化が得られる（焼入硬化領域）。したがって、切削性に優れたチップ４を安定して製造することができる。

＜その他＞
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態ではチップソーに用いるチップ４を本発明の「金属製品」とし、該製品の製造方法について説明したが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、他の金属製品に対しても適用可能である。例えば、デジタルカメラやビデオカメラ、あるいは携帯電話機等の製品において、液晶表示部や操作スイッチ部を反転させるために、カム機構が作用されている。例えば特開２００６−１３５４３３号公報に記載の機器では、表示部がカメラ部に対して回動されていない場合には、図４に示すように、回動軸５１に設けられているカム５２の突起部５２１がロック部材５３を押さえてロック孔５４に係合されないようにし、これによってカメラ部を本体部に対して回転可能にしている。また、表示部がカメラ部に対して回動された場合には、カム５２の突起部５２１によるロック部材５３の押圧が解除され、これによってロック部材５３がカメラ部のベースのロック孔５４内に侵入し、このロック部材５３によってカメラ部が本体部に対して回動しないように構成している。このようにカム５２の突起部５２１は回動動作に応じてロック部材５３と当接して摩耗する。そこで、カム５２を本発明の「金属製品」として粉末成形法により成形した後、突起部５２１に対してレーザービームＬＢによる部分焼入処理を行うことができる。これによって、突起部５２１を選択的に焼入硬化させて耐摩耗性を向上させることができる。

また、上記実施形態では、１本のレーザービームＬＢを用いて部分焼入処理を行っているが、複数本のレーザビームを用いてもよい。

また、上記実施形態では、本発明の「粉末成形法」として金属粉末射出成形法により金属製品を成形しているが、これ以外に粉末成形法を用いて金属製品を成形してもよい。例えば、チップ４などの金属製品を熱間等方圧プレス法（ＨＩＰ）により成形してもよい。

この発明は、０．３重量％以上のＣを含有する金属材料により構成される金属製品（例えば各種金型、工具、刃物、機械・自動車部品など）の製造全般に適用することができる。

この発明にかかる金属製品の製造方法により製造されるチップの構成およびチップソーに対するチップの着脱手順を示す模式図である。 チップ（金属製品）の製造方法を示すフローチャートである。 図２の製造方法により製造されたチップを示す斜視図である。 図２の製造方法により製造可能な他の金属製品を示す斜視図である。

符号の説明

２…鋸歯板
３…歯形部（取付部）
４…チップ（金属製品）
４１…刃面
４２…刃部
４３…接合片（接合部）
４４…嵌合溝（接合部）
５２…カム（金属製品）
４２１…（刃面の）刃先
４２２…（刃面の）底部
５２１…突起部
ＬＢ…レーザービーム

Claims (6)

1. 金属粉末を用いた粉末成形法により０．３重量％以上のＣを含有するとともに炭化物を全体に分散した金属製品を成形する粉末成形工程と、
   前記金属製品の表層部の一部にレーザービームを照射しながら走査して該レーザー走査領域に対して焼入処理を施す部分焼入工程と
   を備えたことを特徴とする金属製品の製造方法。
2. 前記粉末成形工程は約５μｍ以下の粒径を有する炭化物を前記金属製品の全体に均一に形成する工程である請求項１記載の金属製品の製造方法。
3. 前記金属製品が、所定方向を臨む刃面を有する刃部が設けられるとともに該刃部から前記所定方向と異なる方向に接合部が延設され、該接合部を鋸歯板の取付部に挿脱することにより該鋸歯板に対して着脱自在となっているチップである請求項１または２記載の金属製品の製造方法であって、
   前記部分焼入工程は前記刃面上にレーザービームを走査させて前記刃部を部分的に焼入硬化させる工程である金属製品の製造方法。
4. 前記部分焼入工程は前記刃面の底部から刃先に向けて前記レーザービームを走査させて前記刃部に焼入処理を施す工程である請求項３記載の金属製品の製造方法。
5. 前記粉末成形工程は金属粉末射出成形法である請求項１ないし４のいずれかに記載の金属製品の製造方法。
6. 前記粉末成形工程後で且つ前記部分焼入工程前に、前記金属製品全体に対して焼入処理を施した後に焼戻す全体焼入焼戻工程をさらに備えた請求項５記載の金属製品の製造方法。

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