JP2010023146A - 超硬工具及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属精練用の炉の改修作業等、高温での作業に使用可能な超硬工具を提供すること。
【解決手段】 鋼製台材に超硬チップを固着してなる超硬工具であって、前記超硬チップは、円筒状の鋼製保持部材に焼嵌めされ、該保持部材ともに台材に設けた嵌合穴に嵌合して溶接、ネジ等の固着手段により固着されていることを特徴とする超硬工具。この超硬工具は、超硬チップを焼嵌めした保持部材を、型で外周部から押圧し、保持部材と超硬チップとの密着性を高めた後、台材に設けた取り付け穴に嵌合して溶接等で固着することにより製造することができる。超硬チップの外周部に凹凸部を形成しておき、保持部材の一部を塑性変形させてこの凹凸部に係合させるのが好ましい。
【選択図】 図４

Description

本発明は、超硬チップを鋼製台材に固着してなる超硬工具であって、例えば金属精練用炉の改修に際して耐火煉瓦構築物の解体等に使用されるビットのように、高温で使用するに適した超硬工具とその製造方法に関するものである。

金属精練用の炉を改修する場合は、さく岩機を使って耐火煉瓦で構築された壁を解体する作業が行われる。さく岩機に取り付けれる工具としては、鉱山や土木工事等で使用されるロックビットが用いられている。

上記ロックビットは、鋼製台材（シャンク）に超硬合金製チップ（「超硬チップ」という）をロウ付け、圧入、焼嵌め等の固着手段で固着したものであり、このロックビットにさく岩機で回転と打撃を付与して耐火煉瓦に押し付け、該耐火煉瓦を破壊している。超硬工具は、このような用途以外にも広く使用されているが、一般に超硬チップは衝撃や熱に弱いので、過酷な条件で使用される超硬工具は、作業中に超硬チップが損傷したり、脱落したりすることが多かった。

特に、金属精練用の炉等、金属の溶融に使用する炉を改修する場合は、炉が冷めないうちに耐火煉瓦の壁を解体しなければ、炉全体が破壊されてしまうので、通常は１０００℃近い温度で解体作業を行っている。このため、ロウ付けで超硬チップを固着したビットは、ロウ材が溶融して、チップが脱落するという問題があった。また、超硬チップを圧入や焼嵌めで固着したビットは、台材の熱膨張によって超硬チップが嵌合している穴が拡張されるため、内部の超硬チップが脱落するという問題点があった。

上記超硬チップの脱落を防止する方法として、例えば図７に示すように、台材２に設けた取り付け穴に超硬チップを嵌合したのち、該超硬チップ３の回りを台材２に溶接する方法が考えられる。しかしながら、この方法では、熱衝撃に弱い超硬チップが溶接熱により破損するという問題点がある。また、超硬チップを鋳ぐるみして、これを溶接する方法も考えられているが、鋳ぐるみの際の熱により、超硬チップが変質するという問題がある。以上の他にも、超硬合金と異種材料を接合したものを固着する方法も試されたが、この方法では、熱によって超硬合金と異種材料とが分離して脱落するという問題点があった。さらに、これらの方法における問題点を解決する方法として、下記特許文献に開示されているような方法が提案されている。

特開２００６−２８９５４９号公報

上記特許文献１に記載のものは、図８に示すように、下側（取り付け穴の穴底側）が拡径した概略円錐状の超硬チップを台材２に設けた取り付け穴２ａに嵌合し、その肩部に、テーパ状の穴を有する鋼製の抜け止めリング４０を外嵌した後、該抜け止めリングと台材とを溶接固着する技術である。この技術は、台材の取り付け穴に嵌合した超硬チップを抜け止めリングで押えて逸脱を防止するものであるが、超硬チップの固定力がそれほど強くないため、厳しい使用条件のもとでは、熱膨張と打撃力によって超硬チップがぐらつき、破損や脱落を生じるという問題点がある。

そこで、本発明は、高温で厳しい使用条件においても、超硬チップが脱落しにくい超硬工具と、その製造方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は次のような構成とした。すなわち、本発明に係る超硬工具は、鋼製台材に超硬チップを固着してなる超硬工具であって、前記超硬チップは、中空部を有する円筒状の鋼製保持部材に焼嵌めされ、該超硬チップを保持する保持部材が台材に設けた取り付け穴に嵌合した状態で溶接、螺着等の固着手段により固着されていることを特徴としている。超硬チップの外周部に凹凸部が形成され、該凹凸部に保持部材の一部が塑性変形して係合しているものが特に好ましい。

また、本発明に係る超硬工具の製造方法は、円形断面を有し外周部に凹凸部が形成された超硬チップを、断面円形の嵌合穴を有する鋼製保持部材に焼嵌めしたのち、熱間鍛造温度付近の高温でこの保持部材を外周側から加圧し、当該保持部材の内壁面の一部を塑性変形させて前記超硬チップの凹凸部に係合させ、しかるのち、該保持部材を鋼製台材に設けた取り付け穴に嵌め込んだ状態で、溶接または螺着により固着することを特徴としている。

保持部材の材質として、空気焼き入れ可能な鋼材、例えばＳＮＣＭ鋼を採用すると、超硬チップの焼嵌めと同時に該保持部材の焼き入れを行うことができるので好ましい。

本発明に係る超硬工具は、超硬チップ自体の断面が円形であり、円筒状の保持部材に嵌合固着した状態で、該保持部材を台材に設けた取り付け穴に嵌め込んで溶接により固着されているので、高温における使用においても超硬チップの脱落が生じにくい。また、台材に固着するための溶接の熱が直接超硬チップに加わらないので、超硬チップにクラックや変質が生じない。

超硬チップを保持部材に対し焼嵌めした状態で、該保持部材を外周側から高温で加圧することにより、保持部材の内壁面の一部が塑性変形し、超硬チップと密着するので、超硬チップの保持はより確実で強固なものとなる。この場合、保持部材に嵌合する前の超硬チップ外周面に単数または複数の凹凸部を形成しておけば、保持部材に焼嵌めした後、外周部から高温で加圧する際に、保持部材の内壁面の一部が塑性変形により当該超硬チップの凹凸部に係合するので、超硬チップの保持がさらに強固なものとなる。また、保持部材の材質として、空冷で焼きの入る鋼種、例えばＳＮＣＭを採用することにより、焼嵌め後の保持部材自体の強度を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。図６は、超硬工具の１例として、金属精練用の炉の改修用ビットを表すもので、このビット１は、鋼材で作られた台材（シャンク）２の先端部に刃体として複数の超硬チップ３が固着されている。超硬チップ３は、図４に示すように、断面円形の中空部４ａを有する保持部材４に嵌合しており、保持部材４ごと台材２の先端部に形成されている取り付け穴２ａに嵌め込んだ状態で溶接固着されている。５は溶接層である。

上記超硬チップ３は、公知の粉末冶金法で製造される例えばＷＣ−Ｃｏ系超硬合金のチップであり、図１に示すように、円柱状の胴部３ａの先端部３ｂが円錐状にとがった形状となっている。最先端部には、若干の面取り３ｃが施されている。この超硬チップ３の胴部外周部には、複数の凹部７が形成されている。図示例では、上下２個ずつ、計８個の凹部７が超硬チップの外周部に均等に配置されている。この凹部７は、浅い球面状の凹部であり、その深さｈは０．２〜３ｍｍであり、直径ｄは数ｍｍである。凹部７の形状・寸法は、超硬チップの強度が低下しない程度のもので、保持部材４の内壁部が加圧時に変形してこれに係合し、超硬チップ３と保持部材４とが強固に固着一体化されるようなものであればよい。

なお、図示例では超硬チップ３に凹部７が形成されているが、要は保持部材４に強固に支持されるようにするためのものであるから、凹部の代わりに凸部を形成しておいてもよく、凹部と凸部をともに形成しておいてもよい。これらの凹凸形状の例としては、例えば超硬チップの外周部にローレット加工を施しておく等の方法がある。

保持部材４は、空冷鋼であるＳＮＣＭ材で作られた円筒状のものであり、その中空部（嵌合穴）４ａに超硬チップ３が嵌合した状態で取り付けられている。図２、図４で示す保持部材４は、嵌合穴４ａが有底の穴として形成されているが、底のないシリンダ状の嵌合穴としてもよい。保持部材４に対する超硬チップ３の取り付けは、次のようにして行われる。保持部材４を、その焼き入れ温度である約９００℃に加熱して熱膨張させた状態で、その中空部４ａに超硬チップ３を嵌め込む。そして、図３に示すように、下が狭いテーパ状の穴１０ａを有する受け型１０内に前記超硬チップ３を保持する保持部材４をそのまま挿入し、超硬チップ３の頭部（先端部）が嵌合する凹部１１ａを有する押し型１１を被せて、その上からプレスで加圧（図の矢印方向）する。

すると、保持部材４は、テーパ状の穴１０ａを有する受け型１０によってその下側からしだいに内向きに加圧され、高温状態の保持部材４が若干塑性変形する。このとき、凹部４ａの内壁面が超硬チップ３の凹部７に嵌り込むように変形し、超硬チップ３を強固に固定するのである。超硬チップ３の外周部に凸部が形成されている場合は、該凸部が保持部材４の凹部４ａ内壁に食い込んだ状態となって固定される。この加圧に際しては、受け型１０のテーパ面により、保持部材４の下側から徐々に加圧が行われるので、嵌合穴４ａ内の空気が穴底側から徐々に上向きに押し出される結果、穴底部に空気が残留せず、使用時に高温に加熱されても残留空気圧で超硬チップが押し出されるようなことがない。受け型１０のテーパ角Ａは、上記プレスによる上下方向の加圧により、保持部材４を塑性変形させるもので、加圧後の取り出しが容易な角度とすればよい。この角度は、例えば４〜６度程度である。

上記加圧により、保持部材４が塑性変形して超硬チップの凹部７に係合するとともに、冷却により保持部材４が収縮して、保持部材４が超硬チップ３を強固に保持する。上記図示例では、超硬チップ３の外径は１９ｍｍ、焼嵌め代は０．１ｍｍであり、超硬チップ３をその外径よりも０．１ｍｍ小さい嵌合穴４ａを設けた保持部材４に焼嵌めしたものである。焼嵌め温度は約９００℃であり、焼嵌めと同時に保持部材４の焼き入れが行われた。なお、焼嵌め前の超硬チップ３は、燒結肌のままであり、外周研磨は行わなかった。これは、表面が粗い方が保持部材の保持力が高くなると考えられるからである。

図２は、このようにして完成された超硬チップユニット３０を表すもので、このユニット３０は超硬チップ３が保持部材４にしっかりと嵌合保持されている。次に、超硬チップ３と保持部材４とが一体化した超硬ユニット３０を超硬工具の台材２に固着する。この固着は、台材２０の取り付け穴２ａに超硬ユニット３０を嵌合し、保持部材４と台材２とを溶接することにより行われる。固着に先だって、保持部材４の外周を旋盤加工し、寸法精度を上げておく。図４はこの固着状態を表すもので、超硬チップ３を保持した保持部材４が台材２の取り付け穴２ａに嵌合した状態で、溶接により固着されている。

上記図示例では、超硬チップユニット３０を台材２の取り付け穴２ａに嵌め込んで溶接により固着しているが、図５に示すように、保持部材４の外周部にオネジを切り、台材２の取り付け穴２ａにメネジを切って、両者を螺合により固着してもよく、超硬チップユニット３０を螺着した上にさらに保持部材を溶接で固着してもよい。超硬ユニット３０を溶接で固着しても、超硬チップ３に直接溶接熱が加わらないので、超硬チップにクラックや割れが生じたり、超硬合金が変質したりするおそれがない。

この超硬工具は、超硬チップ３を鋼材の保持部材４でしっかりと保持した状態で、該保持部材４を台材２に固着するので、高温で使用しても超硬チップ３が脱落するおそれは少ない。超硬チップ３は、保持部材４に焼嵌め温度からの冷却による締め付け力と加圧による締め付け力とで固着されるので、強固な固着が行われる。また、焼嵌めと同時に保持部材４の焼き入れも行うので、焼きの入った強靭な鋼材でチップが保持れ、この点でも保持力が高い。

さらに、図示例のように、超硬チップ３の外周部に凹部（もしくは凸部）７を形成しておき、保持部材４に焼嵌めした状態で、外周部から高温で加圧することにより、超硬チップ３と保持部材４の結合がより強固な超硬工具が得られる。

図９は、上記と異なる実施形態を表すもので、この実施形態では、保持部材４が底のない円筒状に形成され、この中に超硬チップ３が焼嵌めされている。超硬チップ３の底面は、台材２の取り付け穴２ａの穴底に接している。この実施形態では、保持部材の中空部４ａが貫通穴となっているので、加工が容易である。

本発明に係る超硬工具は、超硬チップが強固に固着されているもので、高温での使用に対しても損傷しにくいものであり、金属溶融用の炉の改修作業等に適したものである。また、本発明に係る超硬工具の製造方法は、このような超硬工具を製造するに適したものである。なお、この超硬工具を通常の掘削作業等の工具や、切削工具や耐摩工具等、他の用途の工具に好適に使用することができることは明らかである。

本発明に係る超硬工具に使用する超硬チップの外観図である。 超硬チップを嵌合固着した保持部材の断面図である。 超硬チップを固着した保持部材を加圧して締め付ける方法を表す断面図である。 超硬チップを固着した保持部材を台材に固着した状態を表す断面図である。 上記と異なる保持部材固着方法の説明図である。 超硬工具の１例であるビットの側面図（ａ）及び正面図（ｂ）である。 従来のチップ固着方法の説明図である。 上記と異なるチップ固着方法の説明図である。 上記と異なる実施形態の断面図である。

符号の説明

１ 超硬工具
２ 台材（シャンク）
３ 超硬チップ
４ 保持部材
７ 凹部
２ａ 取り付け穴
３０ 超硬チップユニット

Claims (5)

1. 鋼製台材に超硬チップを固着してなる超硬工具であって、前記超硬チップは、中空部を有する円筒状の鋼製保持部材に焼嵌めされ、該超硬チップを保持する保持部材が台材に設けた嵌合穴に嵌合した状態で固着手段により固着されていることを特徴とする超硬工具。
2. 超硬チップの外周部に、保持部材の一部が塑性変形して係合する凹凸部が形成されている請求項１に記載の超硬工具。
3. 保持部材の材質が空気焼き入れ可能な鋼材である請求項１または２に記載の超硬工具。
4. 円形断面を有し外周部に凹部が形成された超硬チップを、断面円形の嵌合穴を有する鋼製保持部材に焼嵌めしたのち、熱間鍛造温度付近の高温でこの保持部材を外周側から加圧し、当該保持部材の内壁面の一部を塑性変形させて前記超硬チップの凹凸部に係合させ、しかるのち、該保持部材を鋼製台材に設けた穴に嵌め込んだ状態で溶接または螺着により固着することを特徴とする超硬工具の製造方法。
5. 保持部材の材質が空気焼き入れ可能なＳＮＣＭ材であり、超硬チップの焼嵌めと同時に該保持部材の焼き入れを行う請求項４に記載の超硬工具の製造方法。

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