JP3633217B2 - 刃物及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は台金とこの台金に接合された超硬合金製の刃先チップとからなる刃物及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼製の台金に超硬合金製の刃先チップを接合した刃物では、一般に銀ろう等のろう材を用いて台金への刃先チップの接合を行っているが、このように刃先チップをろう付けした刃物では、ろう付け時の熱で台金が鈍ってしまうことによる硬度低下があるほか、荷重負荷が大である場合、刃先チップが脱落してしまうことがある。
【０００３】
このために特開昭６３−４３７８９号公報や特開平４−５２１８１号公報に示されているように、電子ビームやレーザービーム等の高エネルギービームによる溶融溶接によって台金に刃先チップを取り付けたものが提供されている。この場合、上記ろう付けによるものに比して、かなり大きな荷重がかかる場合にも問題を生じることがないものとなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高エネルギービームで刃先チップを接合したものにおいても、荷重のレベルが大きい場合、刃先チップと台金との接合域の端部において応力集中によりクラックが発生することがあり、このためにさらなる改善が求められているのが現状である。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑み為されたものであり、その目的とするところは高荷重環境下でも使用することができる刃物とこの刃物を容易に製造することができる製造方法とを提供するにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明に係る刃物は、鋼製の台金と、この台金に金属層を介して接合固着された超硬合金製の刃先チップとからなる刃物であり、上記金属層は台金の熱膨張率と刃先チップの熱膨張率との中間の熱膨張率を有する金属で形成された高強度金属部と、刃先チップと台金との接合域の両端部に位置するとともに靱性が上記金属部より大となっている高靱性金属部とからなることに特徴を有している。溶接接合の際の冷却時に問題となる熱応力を金属層の熱膨張率の選定によって小さくし、さらに応力が集中することになる接合域端部では高靱性金属からなる金属層を、他の部分では強度的な要求を満たす高強度金属からなる金属層を介在させることによって接合域端部でのクラックの発生のしやすさを抑制したものである。
【０００７】
この場合、金属層における高強度金属部と高靱性金属部とは同一元素を含む同系金属で形成しても、構成元素の異なる異種金属で形成してもよいが、前者の場合、高強度金属部と高靱性金属部との間の接合性がよく、欠陥を少なくすることができ、この場合、高強度金属部を鉄−ニッケルを主成分とする合金、高靱性金属部を高強度金属部よりもニッケル含有量が大の金属を好適に用いることができる。そして後者の場合、高強度金属部と高靱性金属部とに夫々より適切な材料を使用することができる。
【０００８】
また、金属層を高強度金属部から接合域端部の高靱性金属部にかけて硬さが漸次変化しているものとすると、高強度金属部と高靱性金属部との境界部に応力が集中してしまうことを避けることができるために、さらに好ましい結果を得ることができ、また金属層の高強度金属部を台金側から刃先チップ側にかけて熱膨張率が漸次変化しているものとすると、接合時の冷却時に発生する熱応力をさらに低減することができる。
【０００９】
そして本発明に係る刃物の製造方法は、鋼製の台金に金属層を介して超硬合金製の刃先チップを溶接固着するにあたり、刃先チップと台金との接合域の両端部と他の部分とにおいて強度及び靱性が異なるように金属層を形成することに特徴を有している。溶接時に強度及び靱性の調整を行うために、強度と靱性との設定を容易に行うことができる。
【００１０】
この時、金属層を鉄−ニッケルを主成分とする金属からなるものとするとともに、刃先チップと台金との接合域の端部におけるニッケル含有量が他の部分よりも大となるように金属層を形成すると、溶接時にニッケル含有量の調整を行って接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを、つまりは強度と靱性とを異ならせることを容易に行うことができる。
【００１１】
また、台金と刃先チップとの接合部において少なくとも一方に開先を形成するとともに接合域の端部となるところの開先を他の部分より大きくしておき、次いでニッケルまたはニッケル合金を溶加材として加えつつ上記開先部分で溶接を行うと、接合域端部では溶加材の比率、つまりニッケル含有量が高くなるために、接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを更に容易に行うことができる。
【００１２】
また、台金における刃先チップ接合面とこの接合面における接合域端部にコーナーを介して連続する面とにニッケルメッキを施し、次いで台金の上記刃先チップ接合面に刃先チップを台金とニッケルメッキとの加熱溶融で溶接しても、接合域端部ではコーナー及びコーナーを介した他の部分のニッケルメッキにおけるニッケルが、接合域端部のニッケル含有量を増やすために、接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを更に容易に行うことができる。
【００１３】
台金における刃先チップ接合面で且つ刃先チップと台金との接合域の端部となるところに凹部を形成し、次いで台金における上記凹部を含む刃先チップ接合面にメッキや溶射によるニッケル層を設け、この後、台金の上記刃先チップ接合面に刃先チップを台金とニッケル層との加熱溶融で溶接するようにしても、凹部のところでニッケルの量が接合域端部にニッケル含有量の多い合金層を形成することになるために、接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを更に容易に行うことができる。
【００１４】
台金と刃先チップとの接合面の少なくとも一方にニッケルやニッケル合金から成るニッケル層を形成するとともに接合域の端部となるところのニッケル層のニッケル含有量を他の部分のニッケル層のニッケル含有量より多くしておき、次いで台金と刃先チップとを接合部の台金と上記ニッケル層との加熱溶融で溶接するようにしてもよい。
【００１５】
更に、台金と刃先チップとの接合面の少なくとも一方にニッケルやニッケル合金から成るニッケル層を形成するとともに接合域の端部となるところのニッケル層の厚みを他の部分のニッケル層の厚みより大としておき、次いで台金と刃先チップとを接合部の台金と上記ニッケル層との加熱溶融で溶接しても、接合域端部にニッケル含有量の多い合金層を形成することができ、この時、メッキや溶射によるニッケル層の形成の後にシェービングや切削によってニッケル層の厚みを調整すれば、求める厚み分布のニッケル層を容易に得ることができる。
【００１６】
台金と刃先チップとの接合面間にニッケルやニッケルを含む金属からなる薄板を介在させるとともに該薄板における台金と刃先チップとの接合域の端部となるところを台金より外部に突出させておき、次いで台金と刃先チップとを接合部の台金と上記薄板との加熱溶融で溶接しても、やはり接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを容易に行うことができる。
【００１７】
鋼製の台金に金属層を介して超硬合金製の刃先チップを溶接固着するにあたり、刃先チップと台金との接合域の端部と他の部分とにおいて構成元素の異なる異種金属で金属層を形成する場合には、きわめて強度の高い高強度金属部と極めて靱性の高い高靱性金属部とを容易に形成することができる。
この時、台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配し、高強度金属を溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接するとともに該高強度金属の溶融熱で端部の高靱性金属を溶かすならば、高靱性金属の融点が高強度金属の融点よりもかなり低い場合にも、高靱性金属に突沸が生じることを温度コントロールを必要とすることなく防ぐことができる。
【００１８】
また、台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、端部の高靱性金属を溶かして台金と刃先チップとを接合域端部で接合溶接した後、高強度金属を溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接するならば、応力が集中しやすい接合域端部の溶接を先に行うことから、高強度金属部の溶接時及び溶接後の冷却時に発生する熱応力を高靱性金属部で緩和することができる。
【００１９】
台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、端部の高靱性金属を溶かして高強度金属を台金もしくは刃先チップに仮止めし、しかる後に刃先チップと台金とを相対させて溶接するならば、金属層の材料供給が容易となる上に、刃先チップのセッティングを安定的に且つ簡単に行うことができる。
【００２０】
台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、端部の高靱性金属の台金もしくは刃先チップへの係止により高強度金属を同時に仮止めし、しかる後に刃先チップと台金とを相対させて溶接する場合にも、金属層の材料供給が容易となる上に、刃先チップのセッティングを安定的に且つ簡単に行うことができる。
【００２１】
台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、高靱性金属と高強度金属とを同時に溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接するとともに該高強度金属と高靱性金属との配置境界部で両者を溶融混合させるならば、高強度金属部から接合域端部の高靱性金属部にかけて硬さが漸次変化している金属層を容易に得ることができる。
【００２２】
また、台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配するとともに上記高靱性金属と高強度金属との間にこの両者の中間的特性を有する中間特性金属を配して、これら金属を加熱溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接する場合にも、高強度金属部から接合域端部の高靱性金属部にかけて硬さが漸次変化している金属層を容易に得ることができる。
【００２３】
さらに、台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配するとともに上記高強度金属を熱膨張率が異なる複数層で形成し、上記高靱性金属及び高強度金属を加熱溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接するならば、台金側から刃先チップ側にかけて熱膨張率が漸次変化している高強度金属部を容易に得ることができる。
【００２４】
ＷＣ粉末に６〜２０％Ｃｏ粉末を混合したものを刃先チップ側に、ＷＣ粉末に４０〜６０％Ｃｏ粉末を混合したものを台金側に配するとともに接合域端部にＣｕ粉末を配して、これら粉末を加熱して焼結することで台金と刃先チップとを接合溶接しても、台金側から刃先チップ側にかけて熱膨張率が漸次変化している高強度金属部を容易に得ることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例について説明すると、図１に示す刃物は丸鋸刃であり、該丸鋸刃は鋼製（限定するものではないが、たとえばＳＫ５等の炭素鋼製）の台金１と、台金１の周縁から外周方向に突出する突部１０の片側の切欠部に固着された超硬合金製（限定するものではないが、たとえばタングステンカーバイトＷＣとコバルトＣｏとの焼結合金製）の刃先チップ２とから形成されている。図１における刃先チップ２は片側が切れ刃となったタイプのものを示しているが、図２は刃先チップ２の両側に切れ刃を設けたタイプのものを示している。
【００２６】
そしてこれら刃先チップ２は台金１に金属層３を介して接合されている。該金属層３は全域にわたって均質なものではなく、接合域の両端部が靱性の高い高靱性金属部３１、他の部分が高靱性金属部３１よりも靱性は低いものの強度が高い高強度金属部３２で形成されているとともに、高強度金属部３２は、台金１の熱膨張率と刃先チップ２の熱膨張率との中間の熱膨張率を有するもので形成されている。なお、高靱性及び高強度は、両金属部３１，３２の相対的な比較のもとでの表現であり、絶対的なものを指すものではない。
【００２７】
このような高靱性金属部３１と高強度金属部３２とは、同一元素を含む同系金属で形成しても、構成元素の異なる異種金属で形成してもよいが、同系金属で形成した場合、高強度金属部３２と高靱性金属部３１との間の接合性がよく、欠陥を少なくすることができる。
同系金属で形成する場合は、鋼（ＳＫ５）とニッケル（Ｎｉ）とを溶融させた鉄−ニッケル（Ｆｅ−Ｎｉ）を主成分とする合金で金属層３を形成するものを好適に用いることができる。この場合、ニッケル含有量の差によって高強度のものと高靱性のものとを得ることができ、高強度金属部３２ではニッケル含有量を少なくし、高靱性金属部３１ではニッケル含有量を多くする。たとえば、高靱性金属部３１はＦｅ−３０〜６０％Ｎｉ−０．１〜０．５％Ｃ、高強度金属部３２はＦｅ−２０〜３０％Ｎｉ−０．４〜０．６％Ｃ（いずれも超硬合金の成分であるコバルトＣｏを含んでいてもよい）とするのである。
【００２８】
ニッケル含有量が少ない高強度金属部３２は耐力が高く、塑性変形しにくいのに対して、ニッケル含有量が多い高靱性金属部３１は耐力が低くて塑性変形しやすいという特性を有している。従って上記刃物は、接合域の端部を除く部分が高強度金属部３２となっているために接合部全体としての耐力が高く、容易に塑性変形することがなく、刃物としての機能を満足させることができるものとなる。そして、溶接時の熱残留応力と外部荷重による応力が集中しやすい接合域の端部についてもニッケル含有量の少ない高強度金属部３２としていると、高強度金属部３２の靱性の低さ故にクラックが発生してしまうことが多いのであるが、接合域の端部はニッケル含有量が多くて靱性が高い高靱性金属部３１としているために、クラックが生じることがないものである。
【００２９】
しかも、金属層３の高強度金属部３２の熱膨張率を、刃先チップ２の熱膨張率とこれよりも大きい台金１の熱膨張率との中間の値となるようにしているために、刃先チップ２の台金１への接合のための溶接時及びその冷却時における熱応力が金属層３によって緩和されるものであり、熱応力が原因でクラックが生じたり刃先チップ２が外れたりしてしまうことがないものである。
【００３０】
なお、Ｆｅ−Ｎｉ合金は、ニッケル含有量が多くなるほど硬度が低下して靱性が大となり、ニッケル含有量が少なくなるほど硬度が高くなって塑性変形しにくくなるのに対して、熱膨張率はニッケル含有量が３０％程度の時にもっとも小さくなることから、金属層３、特に高強度金属部３２をＦｅ−Ｎｉ合金で形成する場合、単にニッケル含有量を少なくして硬度を高くすればよいというものではないことに注意しなくてはならない。
【００３１】
上記のようなニッケル含有量の異なる金属部３１，３２からなる金属層３を介して台金１に刃先チップ２を取り付けたものは、台金１への刃先チップ２の溶接接合を次のようにすることで得ることができる。すなわち、鋼製の台金１の刃先チップ２の接合を行う接合面に図３に示すように開先を形成して刃先チップ２を突き合わせ、溶加金属５を加えながらレーザビーム８を照射して溶加金属５と台金１の開先部分の両方を加熱溶融させて、図４に示すように溶加金属５と台金１の開先部の金属の混合合金が金属層３を構成するように溶接すると共に、この時、接合域の端部においては、ニッケル含有量の高い金属、例えば純ニッケルを溶加金属５として用い、他の部分では例えばＦｅ−４０〜５０％Ｎｉ合金を溶加金属５として用いるのである。溶接時にニッケル含有量の異なる溶加金属５を用いてニッケル含有量の調整を行うことから、同系金属からなるものの接合域端部と他の部分とでニッケル含有量が異なるために強度と靱性とが異なる金属部３１，３２を形成することを容易に行うことができる。
【００３２】
図５に示すように、台金１に形成する開先部のうち、接合域端部となるところの開先を他の部分より大きくしておいてもよい。この場合、ニッケルまたはニッケル合金からなる単一の溶加金属５を用いただけで、開先が大きい部分ではニッケル含有量が多くなるために、接合域端部と他の部分とでニッケル含有量が異なる（強度と靱性とが異なる）金属部３１，３２を形成することができる。
【００３３】
図６に示すように、台金１における刃先チップ２の接合面とこの接合面にコーナーを介して連続する面とにたとえば１００〜３００μｍの厚みのメッキによるニッケル層６を設けておき、次いで接合面に刃先チップ２を当ててレーザービームの照射によって台金１とニッケル層６とを加熱溶融させることで金属層３を形成して刃先チップ２を溶接してもよい。接合域の端部においてはコーナー及びコーナーを介した他の部分のニッケル層６におけるニッケルが図７に示すようにニッケル含有量の多い高靱性金属部３１を構成することになるものであり、この場合、ニッケル量を接合域端部と他の部分とで異なるようにするための調整作業を全く必要としない上にレーザービームを照射させて加熱溶融させるだけで、接合域端部に他の部分よりもニッケル含有量が多い高靱性金属部３１を形成することができるために、更に製造が容易となる。溶融のための加熱はレーザービームのほか、電子ビームやプラズマビーム、アークなどで行ってもよい。
【００３４】
ニッケル層６の厚みは溶接溶融部として形成される金属層３（金属部３１，３２）の組成がおおむね前述のような組成となるように溶融部の幅に応じて設定する。たとえば溶融部の幅が１ｍｍの場合、メッキによるニッケル層６の厚みを２５０μｍとすれば、溶融部の組成はおおよそＦｅ−２５％Ｎｉ−０．６％Ｃとなる。ニッケル層６は溶射によって形成してもよく、この場合、ニッケル層６の厚みは４００〜７００μｍ、溶接ビード幅のおよそ２／３とするのが好ましい。
【００３５】
なお、接合域端部に位置するコーナー部分のニッケル層６を利用して接合域端部の高靱性金属部３１のニッケル含有量を多くするために、図８に示すように台金１の端面が刃先チップ２の端面より突出していて台金１のコーナーが接合域端部から離れている時には上記コーナーを介した他の部分のニッケル層６におけるニッケルによる含有量増加が見込めないために、接合域端部にニッケル含有量の多い高靱性金属部３１を形成することはできない。従って、コーナーが刃先チップ２の端面とほぼ同じところに位置するように、もしくはコーナーが刃先チップ２の端面よりも突出しないところに位置するようにしておく。丸鋸の場合について説明したが、これに限るものではなく、図９及び図１０はバイトの場合を示している。
【００３６】
ニッケル層６を溶射で形成する場合には、図１１に示すように、刃先チップ２側に形成してもよく、この時、接合域端部となるところに形成したニッケル層６のニッケル含有量を他の部分より多くしておけば、該刃先チップ２を台金１に当接させてレーザービーム照射による加熱溶融で接合を行うことで、ニッケル含有量の異なる金属部３１，３２を形成することができる。ニッケル含有量が接合域端部で多くなっているニッケル層６を溶射で形成することは、該ニッケル層６を台金１側に設けることで行ってもよいのはもちろんである。
【００３７】
上記ニッケル層６に代えて、図１２に示すように、ニッケルまたはニッケル合金からなる薄板６０を刃先チップ２と台金１との間に介在させて該薄板６０と台金１とを加熱溶融させることで刃先チップ２の接合を行ってもよく、この時、薄板６０として接合域端部から長手方法あるいは幅方向にはみ出る大きさのものを用いることで、接合域端部にニッケル含有量の多い高靱性金属部３１を形成することができる。薄板６０としては０．０５〜０．４ｍｍの厚みのものを好適に用いることができるとともに、はみ出させる長さは０．１〜０．５ｍｍぐらいが適当であるがこれに限るものではない。
【００３８】
金属層３のニッケル含有量を接合域端部において異ならせることは、ニッケル層６や薄板６０の厚みを変更することで行ってもよい。図１３及び図１４は台金１における接合域端部となるところに凹部１５（たとえば深さ０．１〜２ｍｍ、幅０．２〜２ｍｍのもの）を設けておき、この後、メッキによるニッケル層６を形成すると、図１５に示すように、メッキの成長は凹部１５を埋めるとともにこの凹部１５において厚みが大きくなることから、刃先チップ２と台金１との接合域を溶融溶接すれば、接合域端部にニッケル含有量が多い高靱性金属部３１を形成することができる。
【００３９】
もちろん、ニッケル層６の厚みを図１６に示すように、接合域端部において最も厚く、接合域端部から離れるに従って厚みが減るようにしておいても良く、このようなニッケル層６は図１７に示すように、予め必要とする厚みよりも厚いニッケル層６をメッキや溶射等の手段で形成しておき、次いでニッケル層６に対してシェービング、切削等の加工を施すことで、図１６に示すように刃先チップ２と台金１との間の隙間が所定値以下に、且つ接合域端部でのニッケル層６の厚みが他の部分より厚くなるようにすることで得ることができる。
【００４０】
金属層３における高強度金属部３２と高靱性金属部３１とを同一元素を含む同系金属で形成する場合、Ｆｅ−Ｎｉ系金属（Ｎｉ単体を含む）のほか、コバール合金（Ｆｅ−２９％Ｎｉ−１７％Ｃｏ合金）とこれよりＮｉ含有量が高いＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を用いることができるが、これらに限定されるものではなく、組成比の違いで強度と靱性についての特性が変わる金属であればよい。また、接合域端部に設ける高靱性金属部３１の領域は０．１〜０．５ｍｍ程度とすれば、応力の集中を緩和することができるが、この値にしても限定するものではない。
【００４１】
金属層３における高強度金属部３２と高靱性金属部３１とを構成元素の異なる異種金属で形成する場合には、同一元素を含む同系金属で形成する場合よりも、高強度金属部３２の強度をより高く、高靱性金属部３１の靱性をより高くすることが各金属部３１，３２の材料選択によって容易に行うことができる。たとえば、高強度金属部３２はコバール合金（Ｆｅ−２９％Ｎｉ−１７％Ｃｏ合金）、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金等で形成して、高靱性金属部３１はＣｕ、Ａｇ、Ａｇ−Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｐｂ−Ｓｎ等で形成する。高靱性金属部３１を非常に軟質な金属で形成することができるために、接合域端部の靱性の向上が高いレベルで可能となる。この時の高靱性金属部３１は０．１〜１．０ｍｍほどの長さとするのがよい。
【００４２】
構成元素が異なる金属部３１，３２からなる金属層３を介して台金１に刃先チップ２を取り付けることは、鋼製の台金１の刃先チップ２の接合を行う接合面に図３に示すように開先を形成して刃先チップ２を突き合わせ、溶加金属５を加えながらレーザビーム８を照射して溶接するにあたり、接合域の端部と他の部分とで異なる溶加金属５を用いて該溶加金属５を溶融して供給することで各金属部３１，３２を形成して溶接を行うことができる。この時、高強度金属部３２を先に形成し、次いで高靱性金属部３１を形成する。また、台金１や刃先チップ２の一部を溶融させてもよく、特に金属部３１または金属部３２として鉄Ｆｅを含む材料を用いる場合は、台金１の金属層３と接する部分を積極的に溶融させて溶加金属５の溶融物と混合させることで合金化を図るようにしてもよい。
【００４３】
台金１と刃先チップ２との間に図１８に示すように高靱性金属部３１と高強度金属部３２との各材料３ａ，３ｂを介在させておき、レーザービームなどの照射でこれら材料３ａ，３ｂを溶融させて台金１への刃先チップ２の接合を行ってもよい。この時、高強度金属部３２の材料３ｂとしてチタンＴｉ、高靱性金属部３１の材料３ａとして銅Ｃｕを用いる場合のように、材料３ｂの融点に比して材料３ａの融点がかなり低い場合、レーザービームの照射を材料３ｂに対してのみ行い、融点が低い材料３ａは材料３ｂのレーザービーム照射による溶融の余熱で溶融させると、材料３ａ，３ｂに対してレーザービームの照射条件の変更といった入熱条件の制御を行わなくても、融点が低い材料３ａの突沸による飛散を招いたりすることなく溶接を行うことができる。
【００４４】
高靱性金属部３１の材料３ａとしてさらに融点が低いもの、たとえばＡｇ−Ｃｕろう、Ｐｂ−Ｓｎはんだなどを用いる場合には、図１９に示すように、台金１と刃先チップ２との間に高強度金属部３２の材料３ｂ（たとえばＦｅ−Ｎｉ合金）のみを介在させておき、該材料３ｂを加熱溶融させて刃先チップ２の溶接を行った直後に接合域端部に材料３ａを供給して材料３ｂの溶融の予熱で材料３ａを溶融させるようにしてもよい。
【００４５】
材料３ｂとしてＮｉ、材料３ａとしてＣｕを用いる場合には、台金１と刃先チップ２との間に図２０に示すように各材料３ａ，３ｂを介在させておいて、レーザービームを材料３ｂと台金１との接触部分を積極的に溶融させて、台金１と材料３ｂとの混合による合金化を行い、そして該溶融の予熱で材料３ａを溶融させるようにしてもよい。
【００４６】
図２１あるいは図２２に示すように、台金１と刃先チップ２との溶接をレーザービーム８の照射等によって高靱性金属部３１において行い、その後に高強度金属部３２を形成して溶接接合を行うようにしてもよい。応力が集中しやすい接合域端部を軟質の高靱性金属部３１で先に溶接しておくために、高強度金属部３２による刃先チップ２の溶接接合時と溶接後の冷却時に生じる熱応力を緩和することができる。
【００４７】
台金１と刃先チップ２との間に配した材料３ａ，３ｂを溶融させて刃先チップ２の溶接接合を行う場合には、図２３に示すように、材料３ａを加熱溶融させることで材料３ａ及び材料３ｂを台金１に仮止めし、この状態で刃先チップ２を台金１に相対させて溶接を行うと、材料３ａ，３ｂの供給及び刃先チップ２の安定したセッティングが容易となる。台金１側にではなく、刃先チップ２側に材料３ａ，３ｂを材料３ａの溶融で仮止めしてもよい。また材料３ａ，３ｂの仮止めは図２４や図２５に示すように材料３ａに対する曲げ加工や、台金１あるいは刃先チップ２と材料３ａとの凹凸係合や圧入などによって行ってもよい。
【００４８】
金属層３は高靱性金属部３１と高強度金属部３２の２種の金属で構成するのではなく、さらに多種の金属で構成するようにしてもよい。この場合、図２６に示すように高強度金属部３２と高靱性金属部３１との境界部分に両金属部３２，３２の中間の特性（硬さ）を有する金属部３３を配置するのが好ましい。たとえば高靱性金属部３１をＮｉ、高強度金属部３２をコバール合金（Ｆｅ−２９％Ｎｉ−１７％Ｃｏ合金）で形成する場合には、金属部３３をＦｅ−Ｎｉ合金（Ｎｉ含有量の多いものが好ましい）で形成する。また、高靱性金属部３１をＣｕ、高強度金属部３２をＴｉで形成する場合には、金属部３３をＡｇ−Ｃｕ合金で形成する。また、高靱性金属部３１をＦｅ−８０〜９０％Ｎｉ合金、高強度金属部３２をＦｅ−４２％Ｎｉ合金で形成する場合、金属部３３をＦｅ−４２〜８０％Ｎｉ合金で形成する。高強度金属部３２と高靱性金属部３１との境界部分での硬さや熱膨張率の急激な変化を金属部３３を介在させることで無くすことができるために、上記境界部での応力集中を防止することができるものであり、接合強度や接合信頼性を高めることができる。
【００４９】
なお、高強度金属部３２から接合域端部の高靱性金属部３１にかけて硬さを漸次変化させるにあたって金属部３３を形成する場合、その材料は必ずしも必要としない。図２７に示すように、高靱性金属部３１の材料３ａとしてＮｉを、高強度金属部３２の材料３ｂとしてＦｅ−４２％Ｎｉ合金を用いる場合、両材料３ａ，３ｂの境界部分を加熱して両材料３ａ，３ｂを溶融混合させることで、金属部３１，３２間に中間的特性の金属部３３を形成することができるからである。
【００５０】
さらには金属層３における高強度金属部３２に関しては、複数層で形成してもよい。この場合、高強度金属部３２の熱膨張率を台金１側から刃先チップ２側にかけて漸次変化させる（小さくする）ことができるために、台金１と高強度金属部３２との境界部分における熱膨張率の差を小さくすると同時に、高強度金属部３２と刃先チップ２との境界部分における熱膨張率の差を小さくすることができるものであり、熱膨張率の差が大きい部分を無くすことができるために、溶接接合時や溶接後の冷却時に発生する熱応力を低減することができ、接合強度や接合信頼性を向上させることができる。
【００５１】
高強度金属部３２は図２８に示すように３層で形成したり、図２９に示すように２層で形成したりすることができるが、３層で形成する場合、たとえば台金１側の層３２ａをＦｅ−１０〜２５％Ｎｉ合金（熱膨張率：１０〜１５×１０−６）、刃先チップ２側の層３２ｃをＦｅ−２５〜３０％Ｎｉ合金（熱膨張率：６〜１０×１０−６）、中間層をＦｅ−２２〜２７％Ｎｉ合金（熱膨張率：８〜１２×１０−６）で形成することができる。また、図２９に示すように、２層で形成する場合、台金１側の層３２ａをＦｅ−４０〜４５％Ｎｉ合金（熱膨張率：７〜１０×１０−６）、刃先チップ２側の層３２ｃをＦｅ−３８〜４０％Ｎｉ（熱膨張率：５〜８×１０−６）合金で形成することができる。いずれにしても、このように複数層で高強度金属部３２を形成する場合には、加熱溶融をレーザービームなどの照射によるのではなく、図２９に示すように、通電加熱で行うのが好ましい。相互に接触している各界面のみが溶融するために、層間が混じりあって熱膨張率の傾斜特性が崩れてしまうということがない。
【００５２】
図３０は台金１と刃先チップ２との間に純Ｎｉである厚み０．４５ｍｍｎの材料３２’を配し、材料３２’の台金１側の厚み０．２ｍｍと台金１の厚み０．８ｍｍの合計１ｍｍをレーザービームや電子ビーム、アーク等で加熱して溶融混合させることで、Ｆｅ−２０％Ｎｉ合金の層３２ａを形成し、次いで、材料３２’の残り０．２５ｍｍの厚さと上記の層３２ａの材料３２’側の厚み０．７５ｍｍの合計１ｍｍをレーザービームや電子ビーム、アーク等で加熱して溶融混合させることで、Ｆｅ−４０％Ｎｉ合金の層３２ｃを形成するとともに、この時、刃先チップ２の層３２ｃとの界面部をわずかに溶融させることで金属層３と溶接するようにしたものを示している。単一の材料３２’しか使用しないものの、熱膨張率の傾斜特性を備えた高強度金属部３２を得ることができる。なお、高靱性金属部３１の溶接は高強度金属部３２における上記の第１の溶接の前に行ってもよいし、第１の溶接または第２の溶接と同時に行ってもよいし、第２の応接の後に行ってもよい。
【００５３】
図３１はＷＣ粉末に６〜２０％Ｃｏ粉末を混合した層３２ｃを刃先チップ２側に配するとともにＷＣ粉末に４０〜６０％Ｃｏ粉末を混合した層３２ａを台金１側に配し、さらに接合域端部にＣｕ粉末からなる材料３ａを配して、これら粉末を台金１と刃先チップ２間のパルス通電加熱によって焼結することで台金１への刃先チップ２の接合溶接を行ったものを示している。この場合、粉末の混合比を変えるだけで必要とする熱膨張率の層を得ることができる。ちなみに、ＷＣ粉末に６〜２０％Ｃｏ粉末を混合したものを焼結すれば、６〜８×１０-6の熱膨張率のものを得ることができ、ＷＣ粉末に４０〜６０％Ｃｏ粉末を混合したものを焼結すれば、８〜１２×１０-6の熱膨張率のものを得ることができる。焼結のための加熱はパルス通電でなく、レーザービーム、電子ビーム、プラズマビーム、アークなどで行ってもよい。
【００５４】
さらに、上記で示したいくつかの製造方法を組み合わせてもよいのはもちろんである。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように本発明の刃物は、鋼製の台金と超硬合金製の刃先チップとの間の金属層を台金の熱膨張率と刃先チップの熱膨張率との中間の熱膨張率を有する金属で形成された高強度金属部と、刃先チップと台金との接合域の両端部に位置するとともに靱性が上記金属部より大となっている高靱性金属部とからなるものとし、溶接接合の際の冷却時に問題となる熱応力を金属層の熱膨張率の選定によって小さくしている上に、応力が集中することになる接合域端部では高靱性金属からなる金属層を介在させ、他の部分では強度的な要求を満たす高強度金属からなる金属層を介在させるために、強度的要求を満たしながらも接合域端部でのクラックの発生のしやすさを抑制することができる。
【００５６】
この時、金属層における高強度金属部と高靱性金属部とを同一元素を含む同系金属で形成すれば、高強度金属部と高靱性金属部との間の接合性がよく、欠陥を少なくすることができるために接合信頼性を高くすることができる。特に高強度金属部を鉄−ニッケルを主成分とする合金、高靱性金属部を高強度金属部よりもニッケル含有量が大の金属を用いると、台金と金属層との間の境界部分を両者の溶融物が混合した合金とすることができるために、良好な結果を得ることができる。
【００５７】
また、金属層における高強度金属部と高靱性金属部とを構成元素の異なる異種金属で形成した時には、高強度金属部と高靱性金属部とに夫々より適切な材料を使用することができるために、特に高靱性金属部を非常に軟質な金属で形成することができるために、応力集中緩和効果を高くすることができる。
そして、金属層を高強度金属部から接合域端部の高靱性金属部にかけて硬さが漸次変化しているものとすることで、複数種の金属部で金属層を形成する際の問題、つまり高強度金属部と高靱性金属部との境界部に応力が集中してしまうことを避けることができ、接合強度及び接合信頼性を高めることができる。
【００５８】
さらに金属層の高強度金属部を台金側から刃先チップ側にかけて熱膨張率が漸次変化しているものとすることで、接合時の冷却時に発生する熱応力をさらに低減することができるために、接合強度及び接合信頼性を高めることができる。
また本発明に係る刃物の製造方法は、鋼製の台金に金属層を介して超硬合金製の刃先チップを溶接固着するにあたり、刃先チップと台金との接合域の両端部と他の部分とにおいて強度及び靱性が異なるように金属層を形成するものであり、溶接時に強度及び靱性の調整を行うために、金属層の各部での強度と靱性との設定を容易に行うことができる。
【００５９】
この時、金属層を鉄−ニッケルを主成分とする金属からなるものとするとともに、刃先チップと台金との接合域の端部におけるニッケル含有量が他の部分よりも大となるように金属層を形成すると、溶接時にニッケル含有量の調整を行って接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを、つまりは強度と靱性とを異ならせることを容易に行うことができ、従って上記の刃物の製造が容易となる。
【００６０】
さらに、台金と刃先チップとの接合部において少なくとも一方に開先を形成するとともに接合域の端部となるところの開先を他の部分より大きくしておき、次いでニッケルまたはニッケル合金を溶加材として加えつつ上記開先部分で溶接を行うと、接合域端部では溶加材の比率、つまりニッケル含有量が高くなるために、接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを更に容易に行うことができる。
【００６１】
また台金における刃先チップ接合面とこの接合面における接合域端部にコーナーを介して連続する面とにニッケルメッキを施し、次いで台金の上記刃先チップ接合面に刃先チップを台金とニッケルメッキとの加熱溶融で溶接してもよく、この場合も接合域端部ではコーナー及びコーナーを介した他の部分のニッケルメッキにおけるニッケルが、接合域端部のニッケル含有量を増やすために、接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを更に容易に行うことができる。
【００６２】
台金における刃先チップ接合面とこの接合面にコーナーを介して連続する面とにニッケルメッキを施し、次いで台金の上記刃先チップ接合面に刃先チップを台金とニッケルメッキとの加熱溶融で溶接しても、接合域端部ではコーナー及びコーナーを介した他の部分のニッケルメッキにおけるニッケルが、接合域端部のニッケル含有量を増やすために、接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを更に容易に行うことができる。
【００６３】
台金における刃先チップ接合面で且つ刃先チップと台金との接合域の端部となるところに凹部を形成し、次いで台金における上記凹部を含む刃先チップ接合面にメッキや溶射によるニッケル層を設け、この後、台金の上記刃先チップ接合面に刃先チップを台金とニッケル層との加熱溶融で溶接するようにしても、凹部のところでニッケルの量が接合域端部にニッケル含有量の多い合金層を形成することになるために、接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを更に容易に行うことができる。
【００６４】
台金と刃先チップとの接合面の少なくとも一方にニッケルやニッケル合金から成るニッケル層を形成するとともに接合域の端部となるところのニッケル層のニッケル含有量を他の部分のニッケル層のニッケル含有量より多くしておき、次いで台金と刃先チップとを接合部の台金と上記ニッケル層との加熱溶融で溶接するようにしてもよい。接合域端部の合金層をニッケル含有量の多いものとすることができる。
【００６５】
更に、台金と刃先チップとの接合面の少なくとも一方にニッケルやニッケル合金から成るニッケル層を形成するとともに接合域の端部となるところのニッケル層の厚みを他の部分のニッケル層の厚みより大としておき、次いで台金と刃先チップとを接合部の台金と上記ニッケル層との加熱溶融で溶接しても、接合域端部にニッケル含有量の多い合金層を形成することができ、この時、メッキや溶射によるニッケル層の形成の後にシェービングや切削によってニッケル層の厚みを調整すれば、求める厚み分布のニッケル層を容易に得ることができる。
【００６６】
台金と刃先チップとの接合面間にニッケルやニッケルを含む金属からなる薄板を介在させるとともに該薄板における台金と刃先チップとの接合域の端部となるところを台金より外部に突出させておき、次いで台金と刃先チップとを接合部の台金と上記薄板との加熱溶融で溶接しても、やはり接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを容易に行うことができる。
【００６７】
鋼製の台金に金属層を介して超硬合金製の刃先チップを溶接固着するにあたり、刃先チップと台金との接合域の端部と他の部分とにおいて構成元素の異なる異種金属で金属層を形成する場合には、きわめて強度の高い高強度金属部と極めて靱性の高い高靱性金属部とを容易に形成することができ、従って実質的強度の極めて高い刃物を容易に製造することができる。
【００６８】
この時、台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、高強度金属を溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接するとともに該高強度金属の溶融熱で端部の高靱性金属を溶かすと、高靱性金属の融点が高強度金属の融点よりもかなり低い場合にも、高靱性金属に突沸が生じることを温度コントロールを必要とすることなく防ぐことができ、特性の大きくことなる金属を溶融させて溶接するにもかかわらず製造が容易となる。
【００６９】
また、台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、端部の高靱性金属を溶かして台金と刃先チップとを接合域端部で接合溶接した後、高強度金属を溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接すると、つまりは応力が集中しやすい接合域端部の溶接を先に行うと、高強度金属部分の溶接時及び溶接後の冷却時に発生する熱応力を高靱性金属部で緩和することができるために、高強度金属部に上記熱応力でクラックが発生したりすることがなく、溶接強度を確保することができる。
【００７０】
台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、端部の高靱性金属を溶かして高強度金属を台金もしくは刃先チップに仮止めし、しかる後に刃先チップと台金とを相対させて溶接すると、金属層の材料供給が容易となる上に、刃先チップの安定したセッティングを簡単に行うことができ、従って製造が容易となる。
【００７１】
台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、端部の高靱性金属の台金もしくは刃先チップへの係止により高強度金属を同時に仮止めし、しかる後に刃先チップと台金とを相対させて溶接する場合にも、金属層の材料供給が容易となる上に、刃先チップの安定したセッティングを簡単に行うことができる。
【００７２】
台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、高靱性金属と高強度金属とを同時に溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接するとともに該高強度金属と高靱性金属との配置境界部で両者を溶融混合させると、高強度金属部から接合域端部の高靱性金属部にかけて硬さが漸次変化している金属層を容易に得ることができる。
【００７３】
また、台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配するとともに上記高靱性金属と高強度金属との間にこの両者の中間的特性を有する中間特性金属を配して、これら金属を加熱溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接する場合にも、高強度金属部から接合域端部の高靱性金属部にかけて硬さが漸次変化している金属層を容易に得ることができる。
【００７４】
さらに、台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配するとともに上記高強度金属を熱膨張率が異なる複数層で形成し、上記高靱性金属及び高強度金属を加熱溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接するならば、台金側から刃先チップ側にかけて熱膨張率が漸次変化している高強度金属部を容易に得ることができる。
【００７５】
ＷＣ粉末に６〜２０％Ｃｏ粉末を混合したものを刃先チップ側に、ＷＣ粉末に４０〜６０％Ｃｏ粉末を混合したものを台金側に配するとともに接合域端部にＣｕ粉末を配して、これら粉末を加熱して焼結することで台金と刃先チップとを接合溶接しても、台金側から刃先チップ側にかけて熱膨張率が漸次変化している高強度金属部を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る刃物を示しており、（ａ）は正面図、（ｂ）は拡大斜視図である。
【図２】同上の刃先チップの形状が異なるものにおける拡大斜視図である。
【図３】同上の刃物の製造途中の状態を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。
【図４】同上の刃物の溶接後の状態を示す側面図である。
【図５】同上の他例における製造途中の状態を示す斜視図である。
【図６】同上の刃物の他の製造方法における製造途中の状態を示す斜視図である。
【図７】同上の溶接後の状態を示す斜視図である。
【図８】不適な台金の形状を示す斜視図である。
【図９】同上の他の刃物の製造途中の状態を示す斜視図である。
【図１０】同上の溶接後の状態を示す斜視図である。
【図１１】同上の刃物の別の製造方法を示すもので、（ａ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｂ）は溶接後の状態を示す斜視図である。
【図１２】同上の刃物のさらに別の製造方法を示すもので、（ａ）及び（ｂ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｃ）は溶接後の状態を示す斜視図である。
【図１３】同上の刃物の異なる製造方法を示すもので、（ａ）〜（ｄ）は製造順で示す断面図である。
【図１４】同上の他例を示すもので、（ａ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｂ）は溶接後の状態を示す斜視図である。
【図１５】同上の凹部におけるメッキの成長過程を示す断面図である。
【図１６】同上の刃物の他の製造方法における製造途中の状態を示す斜視図である。
【図１７】同上における製造途中の状態を示す斜視図である。
【図１８】同上の刃物の他の製造方法を示す側面図である。
【図１９】さらに他の製造方法を示すもので、（ａ）（ｂ）は共に側面図である。
【図２０】別の製造方法を示すもので、（ａ）（ｂ）は共に側面図である。
【図２１】異なる製造方法を示すもので、（ａ）（ｂ）は共に斜視図である。
【図２２】他の製造方法を示すもので、（ａ）及び（ｂ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｃ）は溶接後の状態を示す斜視図である。
【図２３】さらに他の製造方法を示すもので、（ａ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｂ）は溶接後の状態を示す斜視図である。
【図２４】同上の他例における製造途中の状態を示す斜視図である。
【図２５】同上のさらに他例における製造途中の状態を示すもので、（ａ）は側面図、（ｂ）は底面図である。
【図２６】刃物の製造方法の一例を示すもので、（ａ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｂ）は溶接後の状態を示す斜視図である。
【図２７】同上の他例を示すもので、（ａ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｂ）は溶接後の状態を示す斜視図である。
【図２８】刃物の製造法の他例を示す斜視図である。
【図２９】同上のさらに他例を示すもので、（ａ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｂ）は溶接後の状態を示す斜視図である。
【図３０】同上の別の例を示すもので、（ａ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｂ）は第１溶接工程後の状態を示す斜視図、（ｃ）は第２溶接工程後の状態を示す斜視図である。
【図３１】同上のさらに別の例を示すもので、（ａ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｂ）は溶接後の状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 台金
２ 刃先チップ
３ 合金層
３１ 高靱性金属部
３２ 高強度金属部
【発明の属する技術分野】
本発明は台金とこの台金に接合された超硬合金製の刃先チップとからなる刃物及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼製の台金に超硬合金製の刃先チップを接合した刃物では、一般に銀ろう等のろう材を用いて台金への刃先チップの接合を行っているが、このように刃先チップをろう付けした刃物では、ろう付け時の熱で台金が鈍ってしまうことによる硬度低下があるほか、荷重負荷が大である場合、刃先チップが脱落してしまうことがある。
【０００３】
このために特開昭６３−４３７８９号公報や特開平４−５２１８１号公報に示されているように、電子ビームやレーザービーム等の高エネルギービームによる溶融溶接によって台金に刃先チップを取り付けたものが提供されている。この場合、上記ろう付けによるものに比して、かなり大きな荷重がかかる場合にも問題を生じることがないものとなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高エネルギービームで刃先チップを接合したものにおいても、荷重のレベルが大きい場合、刃先チップと台金との接合域の端部において応力集中によりクラックが発生することがあり、このためにさらなる改善が求められているのが現状である。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑み為されたものであり、その目的とするところは高荷重環境下でも使用することができる刃物とこの刃物を容易に製造することができる製造方法とを提供するにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明に係る刃物は、鋼製の台金と、この台金に金属層を介して接合固着された超硬合金製の刃先チップとからなる刃物であり、上記金属層は台金の熱膨張率と刃先チップの熱膨張率との中間の熱膨張率を有する金属で形成された高強度金属部と、刃先チップと台金との接合域の両端部に位置するとともに靱性が上記金属部より大となっている高靱性金属部とからなることに特徴を有している。溶接接合の際の冷却時に問題となる熱応力を金属層の熱膨張率の選定によって小さくし、さらに応力が集中することになる接合域端部では高靱性金属からなる金属層を、他の部分では強度的な要求を満たす高強度金属からなる金属層を介在させることによって接合域端部でのクラックの発生のしやすさを抑制したものである。
【０００７】
この場合、金属層における高強度金属部と高靱性金属部とは同一元素を含む同系金属で形成しても、構成元素の異なる異種金属で形成してもよいが、前者の場合、高強度金属部と高靱性金属部との間の接合性がよく、欠陥を少なくすることができ、この場合、高強度金属部を鉄−ニッケルを主成分とする合金、高靱性金属部を高強度金属部よりもニッケル含有量が大の金属を好適に用いることができる。そして後者の場合、高強度金属部と高靱性金属部とに夫々より適切な材料を使用することができる。
【０００８】
また、金属層を高強度金属部から接合域端部の高靱性金属部にかけて硬さが漸次変化しているものとすると、高強度金属部と高靱性金属部との境界部に応力が集中してしまうことを避けることができるために、さらに好ましい結果を得ることができ、また金属層の高強度金属部を台金側から刃先チップ側にかけて熱膨張率が漸次変化しているものとすると、接合時の冷却時に発生する熱応力をさらに低減することができる。
【０００９】
そして本発明に係る刃物の製造方法は、鋼製の台金に金属層を介して超硬合金製の刃先チップを溶接固着するにあたり、刃先チップと台金との接合域の両端部と他の部分とにおいて強度及び靱性が異なるように金属層を形成することに特徴を有している。溶接時に強度及び靱性の調整を行うために、強度と靱性との設定を容易に行うことができる。
【００１０】
この時、金属層を鉄−ニッケルを主成分とする金属からなるものとするとともに、刃先チップと台金との接合域の端部におけるニッケル含有量が他の部分よりも大となるように金属層を形成すると、溶接時にニッケル含有量の調整を行って接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを、つまりは強度と靱性とを異ならせることを容易に行うことができる。
【００１１】
また、台金と刃先チップとの接合部において少なくとも一方に開先を形成するとともに接合域の端部となるところの開先を他の部分より大きくしておき、次いでニッケルまたはニッケル合金を溶加材として加えつつ上記開先部分で溶接を行うと、接合域端部では溶加材の比率、つまりニッケル含有量が高くなるために、接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを更に容易に行うことができる。
【００１２】
また、台金における刃先チップ接合面とこの接合面における接合域端部にコーナーを介して連続する面とにニッケルメッキを施し、次いで台金の上記刃先チップ接合面に刃先チップを台金とニッケルメッキとの加熱溶融で溶接しても、接合域端部ではコーナー及びコーナーを介した他の部分のニッケルメッキにおけるニッケルが、接合域端部のニッケル含有量を増やすために、接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを更に容易に行うことができる。
【００１３】
台金における刃先チップ接合面で且つ刃先チップと台金との接合域の端部となるところに凹部を形成し、次いで台金における上記凹部を含む刃先チップ接合面にメッキや溶射によるニッケル層を設け、この後、台金の上記刃先チップ接合面に刃先チップを台金とニッケル層との加熱溶融で溶接するようにしても、凹部のところでニッケルの量が接合域端部にニッケル含有量の多い合金層を形成することになるために、接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを更に容易に行うことができる。
【００１４】
台金と刃先チップとの接合面の少なくとも一方にニッケルやニッケル合金から成るニッケル層を形成するとともに接合域の端部となるところのニッケル層のニッケル含有量を他の部分のニッケル層のニッケル含有量より多くしておき、次いで台金と刃先チップとを接合部の台金と上記ニッケル層との加熱溶融で溶接するようにしてもよい。
【００１５】
更に、台金と刃先チップとの接合面の少なくとも一方にニッケルやニッケル合金から成るニッケル層を形成するとともに接合域の端部となるところのニッケル層の厚みを他の部分のニッケル層の厚みより大としておき、次いで台金と刃先チップとを接合部の台金と上記ニッケル層との加熱溶融で溶接しても、接合域端部にニッケル含有量の多い合金層を形成することができ、この時、メッキや溶射によるニッケル層の形成の後にシェービングや切削によってニッケル層の厚みを調整すれば、求める厚み分布のニッケル層を容易に得ることができる。
【００１６】
台金と刃先チップとの接合面間にニッケルやニッケルを含む金属からなる薄板を介在させるとともに該薄板における台金と刃先チップとの接合域の端部となるところを台金より外部に突出させておき、次いで台金と刃先チップとを接合部の台金と上記薄板との加熱溶融で溶接しても、やはり接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを容易に行うことができる。
【００１７】
鋼製の台金に金属層を介して超硬合金製の刃先チップを溶接固着するにあたり、刃先チップと台金との接合域の端部と他の部分とにおいて構成元素の異なる異種金属で金属層を形成する場合には、きわめて強度の高い高強度金属部と極めて靱性の高い高靱性金属部とを容易に形成することができる。
この時、台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配し、高強度金属を溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接するとともに該高強度金属の溶融熱で端部の高靱性金属を溶かすならば、高靱性金属の融点が高強度金属の融点よりもかなり低い場合にも、高靱性金属に突沸が生じることを温度コントロールを必要とすることなく防ぐことができる。
【００１８】
また、台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、端部の高靱性金属を溶かして台金と刃先チップとを接合域端部で接合溶接した後、高強度金属を溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接するならば、応力が集中しやすい接合域端部の溶接を先に行うことから、高強度金属部の溶接時及び溶接後の冷却時に発生する熱応力を高靱性金属部で緩和することができる。
【００１９】
台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、端部の高靱性金属を溶かして高強度金属を台金もしくは刃先チップに仮止めし、しかる後に刃先チップと台金とを相対させて溶接するならば、金属層の材料供給が容易となる上に、刃先チップのセッティングを安定的に且つ簡単に行うことができる。
【００２０】
台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、端部の高靱性金属の台金もしくは刃先チップへの係止により高強度金属を同時に仮止めし、しかる後に刃先チップと台金とを相対させて溶接する場合にも、金属層の材料供給が容易となる上に、刃先チップのセッティングを安定的に且つ簡単に行うことができる。
【００２１】
台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、高靱性金属と高強度金属とを同時に溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接するとともに該高強度金属と高靱性金属との配置境界部で両者を溶融混合させるならば、高強度金属部から接合域端部の高靱性金属部にかけて硬さが漸次変化している金属層を容易に得ることができる。
【００２２】
また、台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配するとともに上記高靱性金属と高強度金属との間にこの両者の中間的特性を有する中間特性金属を配して、これら金属を加熱溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接する場合にも、高強度金属部から接合域端部の高靱性金属部にかけて硬さが漸次変化している金属層を容易に得ることができる。
【００２３】
さらに、台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配するとともに上記高強度金属を熱膨張率が異なる複数層で形成し、上記高靱性金属及び高強度金属を加熱溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接するならば、台金側から刃先チップ側にかけて熱膨張率が漸次変化している高強度金属部を容易に得ることができる。
【００２４】
ＷＣ粉末に６〜２０％Ｃｏ粉末を混合したものを刃先チップ側に、ＷＣ粉末に４０〜６０％Ｃｏ粉末を混合したものを台金側に配するとともに接合域端部にＣｕ粉末を配して、これら粉末を加熱して焼結することで台金と刃先チップとを接合溶接しても、台金側から刃先チップ側にかけて熱膨張率が漸次変化している高強度金属部を容易に得ることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例について説明すると、図１に示す刃物は丸鋸刃であり、該丸鋸刃は鋼製（限定するものではないが、たとえばＳＫ５等の炭素鋼製）の台金１と、台金１の周縁から外周方向に突出する突部１０の片側の切欠部に固着された超硬合金製（限定するものではないが、たとえばタングステンカーバイトＷＣとコバルトＣｏとの焼結合金製）の刃先チップ２とから形成されている。図１における刃先チップ２は片側が切れ刃となったタイプのものを示しているが、図２は刃先チップ２の両側に切れ刃を設けたタイプのものを示している。
【００２６】
そしてこれら刃先チップ２は台金１に金属層３を介して接合されている。該金属層３は全域にわたって均質なものではなく、接合域の両端部が靱性の高い高靱性金属部３１、他の部分が高靱性金属部３１よりも靱性は低いものの強度が高い高強度金属部３２で形成されているとともに、高強度金属部３２は、台金１の熱膨張率と刃先チップ２の熱膨張率との中間の熱膨張率を有するもので形成されている。なお、高靱性及び高強度は、両金属部３１，３２の相対的な比較のもとでの表現であり、絶対的なものを指すものではない。
【００２７】
このような高靱性金属部３１と高強度金属部３２とは、同一元素を含む同系金属で形成しても、構成元素の異なる異種金属で形成してもよいが、同系金属で形成した場合、高強度金属部３２と高靱性金属部３１との間の接合性がよく、欠陥を少なくすることができる。
同系金属で形成する場合は、鋼（ＳＫ５）とニッケル（Ｎｉ）とを溶融させた鉄−ニッケル（Ｆｅ−Ｎｉ）を主成分とする合金で金属層３を形成するものを好適に用いることができる。この場合、ニッケル含有量の差によって高強度のものと高靱性のものとを得ることができ、高強度金属部３２ではニッケル含有量を少なくし、高靱性金属部３１ではニッケル含有量を多くする。たとえば、高靱性金属部３１はＦｅ−３０〜６０％Ｎｉ−０．１〜０．５％Ｃ、高強度金属部３２はＦｅ−２０〜３０％Ｎｉ−０．４〜０．６％Ｃ（いずれも超硬合金の成分であるコバルトＣｏを含んでいてもよい）とするのである。
【００２８】
ニッケル含有量が少ない高強度金属部３２は耐力が高く、塑性変形しにくいのに対して、ニッケル含有量が多い高靱性金属部３１は耐力が低くて塑性変形しやすいという特性を有している。従って上記刃物は、接合域の端部を除く部分が高強度金属部３２となっているために接合部全体としての耐力が高く、容易に塑性変形することがなく、刃物としての機能を満足させることができるものとなる。そして、溶接時の熱残留応力と外部荷重による応力が集中しやすい接合域の端部についてもニッケル含有量の少ない高強度金属部３２としていると、高強度金属部３２の靱性の低さ故にクラックが発生してしまうことが多いのであるが、接合域の端部はニッケル含有量が多くて靱性が高い高靱性金属部３１としているために、クラックが生じることがないものである。
【００２９】
しかも、金属層３の高強度金属部３２の熱膨張率を、刃先チップ２の熱膨張率とこれよりも大きい台金１の熱膨張率との中間の値となるようにしているために、刃先チップ２の台金１への接合のための溶接時及びその冷却時における熱応力が金属層３によって緩和されるものであり、熱応力が原因でクラックが生じたり刃先チップ２が外れたりしてしまうことがないものである。
【００３０】
なお、Ｆｅ−Ｎｉ合金は、ニッケル含有量が多くなるほど硬度が低下して靱性が大となり、ニッケル含有量が少なくなるほど硬度が高くなって塑性変形しにくくなるのに対して、熱膨張率はニッケル含有量が３０％程度の時にもっとも小さくなることから、金属層３、特に高強度金属部３２をＦｅ−Ｎｉ合金で形成する場合、単にニッケル含有量を少なくして硬度を高くすればよいというものではないことに注意しなくてはならない。
【００３１】
上記のようなニッケル含有量の異なる金属部３１，３２からなる金属層３を介して台金１に刃先チップ２を取り付けたものは、台金１への刃先チップ２の溶接接合を次のようにすることで得ることができる。すなわち、鋼製の台金１の刃先チップ２の接合を行う接合面に図３に示すように開先を形成して刃先チップ２を突き合わせ、溶加金属５を加えながらレーザビーム８を照射して溶加金属５と台金１の開先部分の両方を加熱溶融させて、図４に示すように溶加金属５と台金１の開先部の金属の混合合金が金属層３を構成するように溶接すると共に、この時、接合域の端部においては、ニッケル含有量の高い金属、例えば純ニッケルを溶加金属５として用い、他の部分では例えばＦｅ−４０〜５０％Ｎｉ合金を溶加金属５として用いるのである。溶接時にニッケル含有量の異なる溶加金属５を用いてニッケル含有量の調整を行うことから、同系金属からなるものの接合域端部と他の部分とでニッケル含有量が異なるために強度と靱性とが異なる金属部３１，３２を形成することを容易に行うことができる。
【００３２】
図５に示すように、台金１に形成する開先部のうち、接合域端部となるところの開先を他の部分より大きくしておいてもよい。この場合、ニッケルまたはニッケル合金からなる単一の溶加金属５を用いただけで、開先が大きい部分ではニッケル含有量が多くなるために、接合域端部と他の部分とでニッケル含有量が異なる（強度と靱性とが異なる）金属部３１，３２を形成することができる。
【００３３】
図６に示すように、台金１における刃先チップ２の接合面とこの接合面にコーナーを介して連続する面とにたとえば１００〜３００μｍの厚みのメッキによるニッケル層６を設けておき、次いで接合面に刃先チップ２を当ててレーザービームの照射によって台金１とニッケル層６とを加熱溶融させることで金属層３を形成して刃先チップ２を溶接してもよい。接合域の端部においてはコーナー及びコーナーを介した他の部分のニッケル層６におけるニッケルが図７に示すようにニッケル含有量の多い高靱性金属部３１を構成することになるものであり、この場合、ニッケル量を接合域端部と他の部分とで異なるようにするための調整作業を全く必要としない上にレーザービームを照射させて加熱溶融させるだけで、接合域端部に他の部分よりもニッケル含有量が多い高靱性金属部３１を形成することができるために、更に製造が容易となる。溶融のための加熱はレーザービームのほか、電子ビームやプラズマビーム、アークなどで行ってもよい。
【００３４】
ニッケル層６の厚みは溶接溶融部として形成される金属層３（金属部３１，３２）の組成がおおむね前述のような組成となるように溶融部の幅に応じて設定する。たとえば溶融部の幅が１ｍｍの場合、メッキによるニッケル層６の厚みを２５０μｍとすれば、溶融部の組成はおおよそＦｅ−２５％Ｎｉ−０．６％Ｃとなる。ニッケル層６は溶射によって形成してもよく、この場合、ニッケル層６の厚みは４００〜７００μｍ、溶接ビード幅のおよそ２／３とするのが好ましい。
【００３５】
なお、接合域端部に位置するコーナー部分のニッケル層６を利用して接合域端部の高靱性金属部３１のニッケル含有量を多くするために、図８に示すように台金１の端面が刃先チップ２の端面より突出していて台金１のコーナーが接合域端部から離れている時には上記コーナーを介した他の部分のニッケル層６におけるニッケルによる含有量増加が見込めないために、接合域端部にニッケル含有量の多い高靱性金属部３１を形成することはできない。従って、コーナーが刃先チップ２の端面とほぼ同じところに位置するように、もしくはコーナーが刃先チップ２の端面よりも突出しないところに位置するようにしておく。丸鋸の場合について説明したが、これに限るものではなく、図９及び図１０はバイトの場合を示している。
【００３６】
ニッケル層６を溶射で形成する場合には、図１１に示すように、刃先チップ２側に形成してもよく、この時、接合域端部となるところに形成したニッケル層６のニッケル含有量を他の部分より多くしておけば、該刃先チップ２を台金１に当接させてレーザービーム照射による加熱溶融で接合を行うことで、ニッケル含有量の異なる金属部３１，３２を形成することができる。ニッケル含有量が接合域端部で多くなっているニッケル層６を溶射で形成することは、該ニッケル層６を台金１側に設けることで行ってもよいのはもちろんである。
【００３７】
上記ニッケル層６に代えて、図１２に示すように、ニッケルまたはニッケル合金からなる薄板６０を刃先チップ２と台金１との間に介在させて該薄板６０と台金１とを加熱溶融させることで刃先チップ２の接合を行ってもよく、この時、薄板６０として接合域端部から長手方法あるいは幅方向にはみ出る大きさのものを用いることで、接合域端部にニッケル含有量の多い高靱性金属部３１を形成することができる。薄板６０としては０．０５〜０．４ｍｍの厚みのものを好適に用いることができるとともに、はみ出させる長さは０．１〜０．５ｍｍぐらいが適当であるがこれに限るものではない。
【００３８】
金属層３のニッケル含有量を接合域端部において異ならせることは、ニッケル層６や薄板６０の厚みを変更することで行ってもよい。図１３及び図１４は台金１における接合域端部となるところに凹部１５（たとえば深さ０．１〜２ｍｍ、幅０．２〜２ｍｍのもの）を設けておき、この後、メッキによるニッケル層６を形成すると、図１５に示すように、メッキの成長は凹部１５を埋めるとともにこの凹部１５において厚みが大きくなることから、刃先チップ２と台金１との接合域を溶融溶接すれば、接合域端部にニッケル含有量が多い高靱性金属部３１を形成することができる。
【００３９】
もちろん、ニッケル層６の厚みを図１６に示すように、接合域端部において最も厚く、接合域端部から離れるに従って厚みが減るようにしておいても良く、このようなニッケル層６は図１７に示すように、予め必要とする厚みよりも厚いニッケル層６をメッキや溶射等の手段で形成しておき、次いでニッケル層６に対してシェービング、切削等の加工を施すことで、図１６に示すように刃先チップ２と台金１との間の隙間が所定値以下に、且つ接合域端部でのニッケル層６の厚みが他の部分より厚くなるようにすることで得ることができる。
【００４０】
金属層３における高強度金属部３２と高靱性金属部３１とを同一元素を含む同系金属で形成する場合、Ｆｅ−Ｎｉ系金属（Ｎｉ単体を含む）のほか、コバール合金（Ｆｅ−２９％Ｎｉ−１７％Ｃｏ合金）とこれよりＮｉ含有量が高いＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を用いることができるが、これらに限定されるものではなく、組成比の違いで強度と靱性についての特性が変わる金属であればよい。また、接合域端部に設ける高靱性金属部３１の領域は０．１〜０．５ｍｍ程度とすれば、応力の集中を緩和することができるが、この値にしても限定するものではない。
【００４１】
金属層３における高強度金属部３２と高靱性金属部３１とを構成元素の異なる異種金属で形成する場合には、同一元素を含む同系金属で形成する場合よりも、高強度金属部３２の強度をより高く、高靱性金属部３１の靱性をより高くすることが各金属部３１，３２の材料選択によって容易に行うことができる。たとえば、高強度金属部３２はコバール合金（Ｆｅ−２９％Ｎｉ−１７％Ｃｏ合金）、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金等で形成して、高靱性金属部３１はＣｕ、Ａｇ、Ａｇ−Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｐｂ−Ｓｎ等で形成する。高靱性金属部３１を非常に軟質な金属で形成することができるために、接合域端部の靱性の向上が高いレベルで可能となる。この時の高靱性金属部３１は０．１〜１．０ｍｍほどの長さとするのがよい。
【００４２】
構成元素が異なる金属部３１，３２からなる金属層３を介して台金１に刃先チップ２を取り付けることは、鋼製の台金１の刃先チップ２の接合を行う接合面に図３に示すように開先を形成して刃先チップ２を突き合わせ、溶加金属５を加えながらレーザビーム８を照射して溶接するにあたり、接合域の端部と他の部分とで異なる溶加金属５を用いて該溶加金属５を溶融して供給することで各金属部３１，３２を形成して溶接を行うことができる。この時、高強度金属部３２を先に形成し、次いで高靱性金属部３１を形成する。また、台金１や刃先チップ２の一部を溶融させてもよく、特に金属部３１または金属部３２として鉄Ｆｅを含む材料を用いる場合は、台金１の金属層３と接する部分を積極的に溶融させて溶加金属５の溶融物と混合させることで合金化を図るようにしてもよい。
【００４３】
台金１と刃先チップ２との間に図１８に示すように高靱性金属部３１と高強度金属部３２との各材料３ａ，３ｂを介在させておき、レーザービームなどの照射でこれら材料３ａ，３ｂを溶融させて台金１への刃先チップ２の接合を行ってもよい。この時、高強度金属部３２の材料３ｂとしてチタンＴｉ、高靱性金属部３１の材料３ａとして銅Ｃｕを用いる場合のように、材料３ｂの融点に比して材料３ａの融点がかなり低い場合、レーザービームの照射を材料３ｂに対してのみ行い、融点が低い材料３ａは材料３ｂのレーザービーム照射による溶融の余熱で溶融させると、材料３ａ，３ｂに対してレーザービームの照射条件の変更といった入熱条件の制御を行わなくても、融点が低い材料３ａの突沸による飛散を招いたりすることなく溶接を行うことができる。
【００４４】
高靱性金属部３１の材料３ａとしてさらに融点が低いもの、たとえばＡｇ−Ｃｕろう、Ｐｂ−Ｓｎはんだなどを用いる場合には、図１９に示すように、台金１と刃先チップ２との間に高強度金属部３２の材料３ｂ（たとえばＦｅ−Ｎｉ合金）のみを介在させておき、該材料３ｂを加熱溶融させて刃先チップ２の溶接を行った直後に接合域端部に材料３ａを供給して材料３ｂの溶融の予熱で材料３ａを溶融させるようにしてもよい。
【００４５】
材料３ｂとしてＮｉ、材料３ａとしてＣｕを用いる場合には、台金１と刃先チップ２との間に図２０に示すように各材料３ａ，３ｂを介在させておいて、レーザービームを材料３ｂと台金１との接触部分を積極的に溶融させて、台金１と材料３ｂとの混合による合金化を行い、そして該溶融の予熱で材料３ａを溶融させるようにしてもよい。
【００４６】
図２１あるいは図２２に示すように、台金１と刃先チップ２との溶接をレーザービーム８の照射等によって高靱性金属部３１において行い、その後に高強度金属部３２を形成して溶接接合を行うようにしてもよい。応力が集中しやすい接合域端部を軟質の高靱性金属部３１で先に溶接しておくために、高強度金属部３２による刃先チップ２の溶接接合時と溶接後の冷却時に生じる熱応力を緩和することができる。
【００４７】
台金１と刃先チップ２との間に配した材料３ａ，３ｂを溶融させて刃先チップ２の溶接接合を行う場合には、図２３に示すように、材料３ａを加熱溶融させることで材料３ａ及び材料３ｂを台金１に仮止めし、この状態で刃先チップ２を台金１に相対させて溶接を行うと、材料３ａ，３ｂの供給及び刃先チップ２の安定したセッティングが容易となる。台金１側にではなく、刃先チップ２側に材料３ａ，３ｂを材料３ａの溶融で仮止めしてもよい。また材料３ａ，３ｂの仮止めは図２４や図２５に示すように材料３ａに対する曲げ加工や、台金１あるいは刃先チップ２と材料３ａとの凹凸係合や圧入などによって行ってもよい。
【００４８】
金属層３は高靱性金属部３１と高強度金属部３２の２種の金属で構成するのではなく、さらに多種の金属で構成するようにしてもよい。この場合、図２６に示すように高強度金属部３２と高靱性金属部３１との境界部分に両金属部３２，３２の中間の特性（硬さ）を有する金属部３３を配置するのが好ましい。たとえば高靱性金属部３１をＮｉ、高強度金属部３２をコバール合金（Ｆｅ−２９％Ｎｉ−１７％Ｃｏ合金）で形成する場合には、金属部３３をＦｅ−Ｎｉ合金（Ｎｉ含有量の多いものが好ましい）で形成する。また、高靱性金属部３１をＣｕ、高強度金属部３２をＴｉで形成する場合には、金属部３３をＡｇ−Ｃｕ合金で形成する。また、高靱性金属部３１をＦｅ−８０〜９０％Ｎｉ合金、高強度金属部３２をＦｅ−４２％Ｎｉ合金で形成する場合、金属部３３をＦｅ−４２〜８０％Ｎｉ合金で形成する。高強度金属部３２と高靱性金属部３１との境界部分での硬さや熱膨張率の急激な変化を金属部３３を介在させることで無くすことができるために、上記境界部での応力集中を防止することができるものであり、接合強度や接合信頼性を高めることができる。
【００４９】
なお、高強度金属部３２から接合域端部の高靱性金属部３１にかけて硬さを漸次変化させるにあたって金属部３３を形成する場合、その材料は必ずしも必要としない。図２７に示すように、高靱性金属部３１の材料３ａとしてＮｉを、高強度金属部３２の材料３ｂとしてＦｅ−４２％Ｎｉ合金を用いる場合、両材料３ａ，３ｂの境界部分を加熱して両材料３ａ，３ｂを溶融混合させることで、金属部３１，３２間に中間的特性の金属部３３を形成することができるからである。
【００５０】
さらには金属層３における高強度金属部３２に関しては、複数層で形成してもよい。この場合、高強度金属部３２の熱膨張率を台金１側から刃先チップ２側にかけて漸次変化させる（小さくする）ことができるために、台金１と高強度金属部３２との境界部分における熱膨張率の差を小さくすると同時に、高強度金属部３２と刃先チップ２との境界部分における熱膨張率の差を小さくすることができるものであり、熱膨張率の差が大きい部分を無くすことができるために、溶接接合時や溶接後の冷却時に発生する熱応力を低減することができ、接合強度や接合信頼性を向上させることができる。
【００５１】
高強度金属部３２は図２８に示すように３層で形成したり、図２９に示すように２層で形成したりすることができるが、３層で形成する場合、たとえば台金１側の層３２ａをＦｅ−１０〜２５％Ｎｉ合金（熱膨張率：１０〜１５×１０−６）、刃先チップ２側の層３２ｃをＦｅ−２５〜３０％Ｎｉ合金（熱膨張率：６〜１０×１０−６）、中間層をＦｅ−２２〜２７％Ｎｉ合金（熱膨張率：８〜１２×１０−６）で形成することができる。また、図２９に示すように、２層で形成する場合、台金１側の層３２ａをＦｅ−４０〜４５％Ｎｉ合金（熱膨張率：７〜１０×１０−６）、刃先チップ２側の層３２ｃをＦｅ−３８〜４０％Ｎｉ（熱膨張率：５〜８×１０−６）合金で形成することができる。いずれにしても、このように複数層で高強度金属部３２を形成する場合には、加熱溶融をレーザービームなどの照射によるのではなく、図２９に示すように、通電加熱で行うのが好ましい。相互に接触している各界面のみが溶融するために、層間が混じりあって熱膨張率の傾斜特性が崩れてしまうということがない。
【００５２】
図３０は台金１と刃先チップ２との間に純Ｎｉである厚み０．４５ｍｍｎの材料３２’を配し、材料３２’の台金１側の厚み０．２ｍｍと台金１の厚み０．８ｍｍの合計１ｍｍをレーザービームや電子ビーム、アーク等で加熱して溶融混合させることで、Ｆｅ−２０％Ｎｉ合金の層３２ａを形成し、次いで、材料３２’の残り０．２５ｍｍの厚さと上記の層３２ａの材料３２’側の厚み０．７５ｍｍの合計１ｍｍをレーザービームや電子ビーム、アーク等で加熱して溶融混合させることで、Ｆｅ−４０％Ｎｉ合金の層３２ｃを形成するとともに、この時、刃先チップ２の層３２ｃとの界面部をわずかに溶融させることで金属層３と溶接するようにしたものを示している。単一の材料３２’しか使用しないものの、熱膨張率の傾斜特性を備えた高強度金属部３２を得ることができる。なお、高靱性金属部３１の溶接は高強度金属部３２における上記の第１の溶接の前に行ってもよいし、第１の溶接または第２の溶接と同時に行ってもよいし、第２の応接の後に行ってもよい。
【００５３】
図３１はＷＣ粉末に６〜２０％Ｃｏ粉末を混合した層３２ｃを刃先チップ２側に配するとともにＷＣ粉末に４０〜６０％Ｃｏ粉末を混合した層３２ａを台金１側に配し、さらに接合域端部にＣｕ粉末からなる材料３ａを配して、これら粉末を台金１と刃先チップ２間のパルス通電加熱によって焼結することで台金１への刃先チップ２の接合溶接を行ったものを示している。この場合、粉末の混合比を変えるだけで必要とする熱膨張率の層を得ることができる。ちなみに、ＷＣ粉末に６〜２０％Ｃｏ粉末を混合したものを焼結すれば、６〜８×１０-6の熱膨張率のものを得ることができ、ＷＣ粉末に４０〜６０％Ｃｏ粉末を混合したものを焼結すれば、８〜１２×１０-6の熱膨張率のものを得ることができる。焼結のための加熱はパルス通電でなく、レーザービーム、電子ビーム、プラズマビーム、アークなどで行ってもよい。
【００５４】
さらに、上記で示したいくつかの製造方法を組み合わせてもよいのはもちろんである。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように本発明の刃物は、鋼製の台金と超硬合金製の刃先チップとの間の金属層を台金の熱膨張率と刃先チップの熱膨張率との中間の熱膨張率を有する金属で形成された高強度金属部と、刃先チップと台金との接合域の両端部に位置するとともに靱性が上記金属部より大となっている高靱性金属部とからなるものとし、溶接接合の際の冷却時に問題となる熱応力を金属層の熱膨張率の選定によって小さくしている上に、応力が集中することになる接合域端部では高靱性金属からなる金属層を介在させ、他の部分では強度的な要求を満たす高強度金属からなる金属層を介在させるために、強度的要求を満たしながらも接合域端部でのクラックの発生のしやすさを抑制することができる。
【００５６】
この時、金属層における高強度金属部と高靱性金属部とを同一元素を含む同系金属で形成すれば、高強度金属部と高靱性金属部との間の接合性がよく、欠陥を少なくすることができるために接合信頼性を高くすることができる。特に高強度金属部を鉄−ニッケルを主成分とする合金、高靱性金属部を高強度金属部よりもニッケル含有量が大の金属を用いると、台金と金属層との間の境界部分を両者の溶融物が混合した合金とすることができるために、良好な結果を得ることができる。
【００５７】
また、金属層における高強度金属部と高靱性金属部とを構成元素の異なる異種金属で形成した時には、高強度金属部と高靱性金属部とに夫々より適切な材料を使用することができるために、特に高靱性金属部を非常に軟質な金属で形成することができるために、応力集中緩和効果を高くすることができる。
そして、金属層を高強度金属部から接合域端部の高靱性金属部にかけて硬さが漸次変化しているものとすることで、複数種の金属部で金属層を形成する際の問題、つまり高強度金属部と高靱性金属部との境界部に応力が集中してしまうことを避けることができ、接合強度及び接合信頼性を高めることができる。
【００５８】
さらに金属層の高強度金属部を台金側から刃先チップ側にかけて熱膨張率が漸次変化しているものとすることで、接合時の冷却時に発生する熱応力をさらに低減することができるために、接合強度及び接合信頼性を高めることができる。
また本発明に係る刃物の製造方法は、鋼製の台金に金属層を介して超硬合金製の刃先チップを溶接固着するにあたり、刃先チップと台金との接合域の両端部と他の部分とにおいて強度及び靱性が異なるように金属層を形成するものであり、溶接時に強度及び靱性の調整を行うために、金属層の各部での強度と靱性との設定を容易に行うことができる。
【００５９】
この時、金属層を鉄−ニッケルを主成分とする金属からなるものとするとともに、刃先チップと台金との接合域の端部におけるニッケル含有量が他の部分よりも大となるように金属層を形成すると、溶接時にニッケル含有量の調整を行って接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを、つまりは強度と靱性とを異ならせることを容易に行うことができ、従って上記の刃物の製造が容易となる。
【００６０】
さらに、台金と刃先チップとの接合部において少なくとも一方に開先を形成するとともに接合域の端部となるところの開先を他の部分より大きくしておき、次いでニッケルまたはニッケル合金を溶加材として加えつつ上記開先部分で溶接を行うと、接合域端部では溶加材の比率、つまりニッケル含有量が高くなるために、接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを更に容易に行うことができる。
【００６１】
また台金における刃先チップ接合面とこの接合面における接合域端部にコーナーを介して連続する面とにニッケルメッキを施し、次いで台金の上記刃先チップ接合面に刃先チップを台金とニッケルメッキとの加熱溶融で溶接してもよく、この場合も接合域端部ではコーナー及びコーナーを介した他の部分のニッケルメッキにおけるニッケルが、接合域端部のニッケル含有量を増やすために、接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを更に容易に行うことができる。
【００６２】
台金における刃先チップ接合面とこの接合面にコーナーを介して連続する面とにニッケルメッキを施し、次いで台金の上記刃先チップ接合面に刃先チップを台金とニッケルメッキとの加熱溶融で溶接しても、接合域端部ではコーナー及びコーナーを介した他の部分のニッケルメッキにおけるニッケルが、接合域端部のニッケル含有量を増やすために、接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを更に容易に行うことができる。
【００６３】
台金における刃先チップ接合面で且つ刃先チップと台金との接合域の端部となるところに凹部を形成し、次いで台金における上記凹部を含む刃先チップ接合面にメッキや溶射によるニッケル層を設け、この後、台金の上記刃先チップ接合面に刃先チップを台金とニッケル層との加熱溶融で溶接するようにしても、凹部のところでニッケルの量が接合域端部にニッケル含有量の多い合金層を形成することになるために、接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを更に容易に行うことができる。
【００６４】
台金と刃先チップとの接合面の少なくとも一方にニッケルやニッケル合金から成るニッケル層を形成するとともに接合域の端部となるところのニッケル層のニッケル含有量を他の部分のニッケル層のニッケル含有量より多くしておき、次いで台金と刃先チップとを接合部の台金と上記ニッケル層との加熱溶融で溶接するようにしてもよい。接合域端部の合金層をニッケル含有量の多いものとすることができる。
【００６５】
更に、台金と刃先チップとの接合面の少なくとも一方にニッケルやニッケル合金から成るニッケル層を形成するとともに接合域の端部となるところのニッケル層の厚みを他の部分のニッケル層の厚みより大としておき、次いで台金と刃先チップとを接合部の台金と上記ニッケル層との加熱溶融で溶接しても、接合域端部にニッケル含有量の多い合金層を形成することができ、この時、メッキや溶射によるニッケル層の形成の後にシェービングや切削によってニッケル層の厚みを調整すれば、求める厚み分布のニッケル層を容易に得ることができる。
【００６６】
台金と刃先チップとの接合面間にニッケルやニッケルを含む金属からなる薄板を介在させるとともに該薄板における台金と刃先チップとの接合域の端部となるところを台金より外部に突出させておき、次いで台金と刃先チップとを接合部の台金と上記薄板との加熱溶融で溶接しても、やはり接合域端部と他の部分とでニッケル含有量を異ならせることを容易に行うことができる。
【００６７】
鋼製の台金に金属層を介して超硬合金製の刃先チップを溶接固着するにあたり、刃先チップと台金との接合域の端部と他の部分とにおいて構成元素の異なる異種金属で金属層を形成する場合には、きわめて強度の高い高強度金属部と極めて靱性の高い高靱性金属部とを容易に形成することができ、従って実質的強度の極めて高い刃物を容易に製造することができる。
【００６８】
この時、台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、高強度金属を溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接するとともに該高強度金属の溶融熱で端部の高靱性金属を溶かすと、高靱性金属の融点が高強度金属の融点よりもかなり低い場合にも、高靱性金属に突沸が生じることを温度コントロールを必要とすることなく防ぐことができ、特性の大きくことなる金属を溶融させて溶接するにもかかわらず製造が容易となる。
【００６９】
また、台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、端部の高靱性金属を溶かして台金と刃先チップとを接合域端部で接合溶接した後、高強度金属を溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接すると、つまりは応力が集中しやすい接合域端部の溶接を先に行うと、高強度金属部分の溶接時及び溶接後の冷却時に発生する熱応力を高靱性金属部で緩和することができるために、高強度金属部に上記熱応力でクラックが発生したりすることがなく、溶接強度を確保することができる。
【００７０】
台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、端部の高靱性金属を溶かして高強度金属を台金もしくは刃先チップに仮止めし、しかる後に刃先チップと台金とを相対させて溶接すると、金属層の材料供給が容易となる上に、刃先チップの安定したセッティングを簡単に行うことができ、従って製造が容易となる。
【００７１】
台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、端部の高靱性金属の台金もしくは刃先チップへの係止により高強度金属を同時に仮止めし、しかる後に刃先チップと台金とを相対させて溶接する場合にも、金属層の材料供給が容易となる上に、刃先チップの安定したセッティングを簡単に行うことができる。
【００７２】
台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、高靱性金属と高強度金属とを同時に溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接するとともに該高強度金属と高靱性金属との配置境界部で両者を溶融混合させると、高強度金属部から接合域端部の高靱性金属部にかけて硬さが漸次変化している金属層を容易に得ることができる。
【００７３】
また、台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配するとともに上記高靱性金属と高強度金属との間にこの両者の中間的特性を有する中間特性金属を配して、これら金属を加熱溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接する場合にも、高強度金属部から接合域端部の高靱性金属部にかけて硬さが漸次変化している金属層を容易に得ることができる。
【００７４】
さらに、台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配するとともに上記高強度金属を熱膨張率が異なる複数層で形成し、上記高靱性金属及び高強度金属を加熱溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接するならば、台金側から刃先チップ側にかけて熱膨張率が漸次変化している高強度金属部を容易に得ることができる。
【００７５】
ＷＣ粉末に６〜２０％Ｃｏ粉末を混合したものを刃先チップ側に、ＷＣ粉末に４０〜６０％Ｃｏ粉末を混合したものを台金側に配するとともに接合域端部にＣｕ粉末を配して、これら粉末を加熱して焼結することで台金と刃先チップとを接合溶接しても、台金側から刃先チップ側にかけて熱膨張率が漸次変化している高強度金属部を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る刃物を示しており、（ａ）は正面図、（ｂ）は拡大斜視図である。
【図２】同上の刃先チップの形状が異なるものにおける拡大斜視図である。
【図３】同上の刃物の製造途中の状態を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。
【図４】同上の刃物の溶接後の状態を示す側面図である。
【図５】同上の他例における製造途中の状態を示す斜視図である。
【図６】同上の刃物の他の製造方法における製造途中の状態を示す斜視図である。
【図７】同上の溶接後の状態を示す斜視図である。
【図８】不適な台金の形状を示す斜視図である。
【図９】同上の他の刃物の製造途中の状態を示す斜視図である。
【図１０】同上の溶接後の状態を示す斜視図である。
【図１１】同上の刃物の別の製造方法を示すもので、（ａ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｂ）は溶接後の状態を示す斜視図である。
【図１２】同上の刃物のさらに別の製造方法を示すもので、（ａ）及び（ｂ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｃ）は溶接後の状態を示す斜視図である。
【図１３】同上の刃物の異なる製造方法を示すもので、（ａ）〜（ｄ）は製造順で示す断面図である。
【図１４】同上の他例を示すもので、（ａ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｂ）は溶接後の状態を示す斜視図である。
【図１５】同上の凹部におけるメッキの成長過程を示す断面図である。
【図１６】同上の刃物の他の製造方法における製造途中の状態を示す斜視図である。
【図１７】同上における製造途中の状態を示す斜視図である。
【図１８】同上の刃物の他の製造方法を示す側面図である。
【図１９】さらに他の製造方法を示すもので、（ａ）（ｂ）は共に側面図である。
【図２０】別の製造方法を示すもので、（ａ）（ｂ）は共に側面図である。
【図２１】異なる製造方法を示すもので、（ａ）（ｂ）は共に斜視図である。
【図２２】他の製造方法を示すもので、（ａ）及び（ｂ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｃ）は溶接後の状態を示す斜視図である。
【図２３】さらに他の製造方法を示すもので、（ａ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｂ）は溶接後の状態を示す斜視図である。
【図２４】同上の他例における製造途中の状態を示す斜視図である。
【図２５】同上のさらに他例における製造途中の状態を示すもので、（ａ）は側面図、（ｂ）は底面図である。
【図２６】刃物の製造方法の一例を示すもので、（ａ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｂ）は溶接後の状態を示す斜視図である。
【図２７】同上の他例を示すもので、（ａ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｂ）は溶接後の状態を示す斜視図である。
【図２８】刃物の製造法の他例を示す斜視図である。
【図２９】同上のさらに他例を示すもので、（ａ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｂ）は溶接後の状態を示す斜視図である。
【図３０】同上の別の例を示すもので、（ａ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｂ）は第１溶接工程後の状態を示す斜視図、（ｃ）は第２溶接工程後の状態を示す斜視図である。
【図３１】同上のさらに別の例を示すもので、（ａ）は製造途中の状態を示す斜視図、（ｂ）は溶接後の状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 台金
２ 刃先チップ
３ 合金層
３１ 高靱性金属部
３２ 高強度金属部
Claims (24)
- 鋼製の台金と、この台金に金属層を介して接合固着された超硬合金製の刃先チップとからなる刃物であり、上記金属層は台金の熱膨張率と刃先チップの熱膨張率との中間の熱膨張率を有する金属で形成された高強度金属部と、刃先チップと台金との接合域の両端部に位置するとともに靱性が上記金属部より大となっている高靱性金属部とから成ることを特徴とする刃物。
- 金属層における高強度金属部と高靱性金属部とが同一元素を含む同系金属であることを特徴とする請求項１記載の刃物。
- 金属層における高強度金属部が鉄−ニッケルを主成分とする合金であり、高靱性金属部が高強度金属部よりもニッケル含有量が大の金属であることを特徴とする請求項２記載の刃物。
- 金属層における高強度金属部と高靱性金属部とが構成元素の異なる異種金属であることを特徴とする請求項１記載の刃物。
- 金属層は高強度金属部から接合域端部の高靱性金属部にかけて硬さが漸次変化しているものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の刃物。
- 金属層の高強度金属部は台金側から刃先チップ側にかけて熱膨張率が漸次変化しているものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の刃物。
- 鋼製の台金に金属層を介して超硬合金製の刃先チップを溶接固着するにあたり、刃先チップと台金との接合域の両端部と他の部分とにおいて強度及び靱性が異なるように金属層を形成することを特徴とする刃物の製造方法。
- 金属層を鉄−ニッケルを主成分とする金属からなるものとするとともに、刃先チップと台金との接合域の端部におけるニッケル含有量が他の部分よりも大となるように金属層を形成することを特徴とする請求項７記載の刃物の製造方法。
- 台金と刃先チップとの接合部において少なくとも一方に開先を形成するとともに接合域の端部となるところの開先を他の部分より大きくしておき、次いでニッケルまたはニッケル合金を溶加材として加えつつ上記開先部分で溶接を行うことを特徴とする請求項８記載の刃物の製造方法。
- 台金における刃先チップ接合面とこの接合面における接合域端部にコーナーを介して連続する面とにメッキや溶射によるニッケル層を設け、次いで台金の上記刃先チップ接合面に刃先チップを台金とニッケル層との加熱溶融で溶接することを特徴とする請求項８記載の刃物の製造方法。
- 台金における刃先チップ接合面で且つ刃先チップと台金との接合域の端部となるところに凹部を形成し、次いで台金における上記凹部を含む刃先チップ接合面にメッキや溶射によるニッケル層を設け、この後、台金の上記刃先チップ接合面に刃先チップを台金とニッケル層との加熱溶融によって溶接することを特徴とする請求項８記載の刃物の製造方法。
- 台金と刃先チップとの接合面の少なくとも一方にニッケルやニッケル合金から成るニッケル層を形成するとともに接合域の端部となるところのニッケル層のニッケル含有量を他の部分のニッケル層のニッケル含有量より多くしておき、次いで台金と刃先チップとを接合部の台金と上記ニッケル層との加熱溶融によって溶接することを特徴とする請求項８記載の刃物の製造方法。
- 台金と刃先チップとの接合面の少なくとも一方にニッケルやニッケル合金から成るニッケル層を形成するとともに接合域の端部となるところのニッケル層の厚みを他の部分のニッケル層の厚みより大としておき、次いで台金と刃先チップとを接合部の台金と上記ニッケル層との加熱溶融によって溶接することを特徴とする請求項８記載の刃物の製造方法。
- メッキや溶射によるニッケル層の形成の後にシェービングや切削によってニッケル層の厚みを調整し、しかる後に台金と刃先チップとを接合部の台金と上記ニッケル層との加熱溶融によって溶接することを特徴とする請求項１３記載の刃物の製造方法。
- 台金と刃先チップとの接合面間にニッケルやニッケルを含む金属からなる薄板を介在させるとともに該薄板における台金と刃先チップとの接合域の端部となるところを台金より外部に突出させておき、次いで台金と刃先チップとを接合部の台金と上記薄板との加熱溶融によって溶接することを特徴とする請求項８記載の刃物の製造方法。
- 鋼製の台金に金属層を介して超硬合金製の刃先チップを溶接固着するにあたり、刃先チップと台金との接合域の端部と他の部分とにおいて構成元素の異なる異種金属で金属層を形成することを特徴とする請求項７記載の刃物の製造方法。
- 台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を配するとともに接合域の他の部分に高強度金属を配して、高強度金属を溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接するとともに該高強度金属の溶融熱で端部の高靱性金属を溶かすことを特徴とする請求項１６記載の刃物の製造方法。
- 台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、端部の高靱性金属を溶かして台金と刃先チップとを接合域端部で接合溶接した後、高強度金属を溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接することを特徴とする請求項１６記載の刃物の製造方法。
- 台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、端部の高靱性金属を溶かして高強度金属を台金もしくは刃先チップに仮止めし、しかる後に刃先チップと台金とを相対させて溶接することを特徴とする請求項１６記載の刃物の製造方法。
- 台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、端部の高靱性金属の台金もしくは刃先チップへの係止により高強度金属を同時に仮止めし、しかる後に刃先チップと台金とを相対させて溶接することを特徴とする請求項１６記載の刃物の製造方法。
- 台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配して、高靱性金属と高強度金属とを同時に溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接するとともに該高強度金属と高靱性金属との配置境界部で両者を溶融混合させることを特徴とする請求項１６記載の刃物の製造方法。
- 台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配するとともに上記高靱性金属と高強度金属との間にこの両者の中間的特性を有する中間特性金属を配して、これら金属を加熱溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接することを特徴とする請求項１６記載の刃物の製造方法。
- 台金と刃先チップの接合域の端部に高靱性金属を、接合域の他の部分に高強度金属を配するとともに上記高強度金属を熱膨張率が異なる複数層で形成し、上記高靱性金属及び高強度金属を加熱溶融させることで台金と刃先チップとを接合溶接することを特徴とする請求項１６記載の刃物の製造方法。
- ＷＣ粉末に６〜２０％Ｃｏ粉末を混合したものを刃先チップ側に、ＷＣ粉末に４０〜６０％Ｃｏ粉末を混合したものを台金側に配するとともに接合域端部にＣｕ粉末を配して、これら粉末を加熱して焼結することで台金と刃先チップとを接合溶接することを特徴とする請求項２３記載の刃物の製造方法。
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