JP4159654B2 - 耐摩耗ライナーの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、硬質原料を搬送、移動させるシュート、破砕機等の耐摩耗性を必要とする箇所にライニングされる耐摩耗ライナーの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、硬質原料を搬送、移動させるシュート、破砕機、ダスト輸送管等の耐摩耗性を必要とする箇所にライニングされる耐摩耗ライナー５０として、図６に示す特開平９−１４１４４２号公報に記載されている形態のものが知られている。
耐摩耗ライナー５０においては、耐磨耗性に優れた材料からなるセラミックスピース本体５１に上拡径部５２を有する貫通孔５３が形成され、上拡径部５２に超硬（タングステンカーバイト及びタングステンカーバイト系の合金等からなる）又は通電性セラミックス等からなって上部が平面となった円板状の耐摩耗性導電材５４が固定配置されると共に、貫通孔５３に下側から、下端に溶接用突起５５を有し、しかも挿入状態で溶接用突起５５がセラミックスピース本体５１から下方に突出する金属体５６（普通鋼、ステンレス鋼等からなる）が挿入配置され、耐摩耗性導電材５４と金属体５６とが電気的に接合されている。
ここで、耐摩耗性導電材５４と金属体５６との接合、及びセラミックスピース本体５１への耐摩耗性導電材５４及び金属体５６の接合は、空気中、真空中又は不活性ガス中で鑞付けによって行われている。
また、耐摩耗ライナー５０を取付対象物である金属母材５７に取付けるためには、コンデンサー又はアークスタッド溶接機を使用し、耐摩耗性導電材５４を介して溶接用突起５５に大きな溶接電流を流して、溶解させてアークを発生させて金属母材５７に接合している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例に係る耐摩耗ライナー５０においては、解決すべき以下の問題があった。
セラミックスピース本体５１、耐摩耗性導電材５４及び金属体５６それぞれの接合は鑞付けであるため、厳しい使用条件では剥離が生じ、その結果寿命の低下を招くという問題があった。
また、セラミックスピース本体５１と耐摩耗性導電材５４とが別ピースとなっているので、摩耗の進行が不均一となり、偏摩耗によって寿命がさらに短かくなるという問題もあった。
さらに、形状が複雑なため、機械加工及び製造に手間を要するという問題もあった。
【０００４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、均一に摩耗が進行すると共に、厳しい使用条件の下でも寿命が長く、また機械加工の容易な耐摩耗ライナーの製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う請求項１記載の耐摩耗ライナーの製造方法は、超硬合金からなる超硬耐摩耗板と、応力緩和材となるインサート板と、溶接本体とを順次積層して、真空状態又は不活性ガス雰囲気で拡散接合する耐摩耗ライナーの製造方法であって、前記インサート板は、酸素含有量が１００ｐｐｍ以下の無酸素銅板である。
ここで超硬合金とは、元素周期表IVａ、Ｖａ、VIａ族の金属の炭化物粉末をＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの鉄族金属で焼結したものであり、セラミックスである金属炭化物と金属からなるサーメットに属するものも含め、総称していう。超硬合金は大別して、ＷＣ−Ｃｏ系と、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｔａ（Ｎｂ）Ｃ−Ｃｏ系の２種があり、Ｃｏ量、ＴｉＣ量、Ｔａ（Ｎｂ）量、Ｃ量、炭化物粒度等を調節することにより物性を変化させることができる。ＷＣ−Ｃｏ合金は鋳鉄や非鉄金属用切削工具、各種ダイス、プラグ、ロール、破砕用ロール等の耐摩耗工具、さく岩機用ビット等の鉱山工具、超高圧発生用部品等として用いられ、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｔａ（Ｎｂ）Ｃ−Ｃｏ合金は主として鋼切削用工具に用いられている。
【０００６】
応力緩和材となるインサート板は、伸びが小さく靭性の小さい超硬耐摩耗板と溶接本体との間にあって、超硬耐摩耗板に加わる衝撃力、温度変化等に伴う両者の膨張収縮の差を吸収緩和する働きを有しており、高靭性で延性の大きい金属、例えば銅、アルミニウム、亜鉛、錫、鉛あるいはこれらの合金等を用いることができる。
インサート板として銅板を使用する場合には、銅板の酸素含有量が１００ｐｐｍを超えると、超硬合金と銅板との接合界面にＣｏ₂ＷＯ₄、Ｃｕ₂Ｏ、ＣｕＯ、Ｃｕ₃Ｏ₄等の酸化物が生成することにより接合強度が低下するので、酸素含有量が１００ｐｐｍ以下の無酸素銅板を使用する。
【０００８】
請求項２記載の耐摩耗ライナーの製造方法は、請求項１記載の耐摩耗ライナーの製造方法において、前記拡散接合は、雰囲気圧力が３０Ｐａ以下、加熱温度８００〜１０００℃、接合時間２０〜９０分、接合圧力０．１〜２０ＭＰａの範囲で行う。
【０００９】
拡散接合における雰囲気圧力（真空度）は３０Ｐａ以下、望ましくは１５Ｐａ以下とするのがよい。３０Ｐａを超えると接合界面の空隙が埋まらず接合強度が低下するので、好ましくない。
拡散接合時の加熱温度は８００〜１０００℃の範囲、望ましくは８４０〜９４０℃の範囲とする。加熱温度が８００℃より低下すると、超硬合金と銅板、銅板と溶接本体間の拡散接合が充分に進行しないので、それぞれの接合界面から剥離する要因となる。一方、１０００℃を超えるとインサート材としての銅板の銅成分が、超硬合金に拡散しすぎて超硬合金の強度が低下して、超硬合金の一部から破壊が生じる。
接合時間（保持時間）は２０〜９０分がよく、望ましくは５０〜７０分がよい。接合時間が２０分より短いと充分な接合強度が得られず、９０分より長くすると、接合界面に互いの分子が移動しすぎて、被接合材本来の材料強度が低下するからである。
接合圧力（＝接合荷重／接合面積）は０．１〜２０ＭＰａの範囲がよく、望ましくは、５〜１５ＭＰａがよい。０．１ＭＰａより小さいと充分な接合強度が得られず、２０ＭＰａより大きいとインサート板である銅板や鉄板が変形し易くなると共に、設備にかかる負荷が増大するので好ましくない。
【００１０】
以上のように、本発明の耐摩耗ライナーは、超硬耐摩耗板、インサート板、溶接本体とを順に接合したものであるので、全体をコンパクトな耐摩耗部品とすることが可能である。
また、超硬耐摩耗板と溶接本体間にインサート板を挟んで、真空状態又は不活性ガス雰囲気で拡散接合を行うと、インサート板である銅板と超硬耐摩耗板、銅板と溶接本体との接合界面で原子の拡散が生じて一体化した強固な接合とすることができる。さらに、インサート板を拡散接合した部分は、従来のＡｇ基ろう材を用いて接合した場合に較べて接合強度を格段に強くでき、衝撃荷重や変形で超硬合金が剥離しにくくなり、長寿命化を達成できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１は本発明の一実施の形態に係る耐摩耗ライナーの断面図、図２は同耐摩耗ライナーの斜視図、図３は同耐摩耗ライナーの変形例の断面図、図４は同耐摩耗ライナーの変形例の断面図、図５は同耐摩耗ライナーの変形例の断面図である。本発明の一実施の形態に係る耐摩耗ライナー１０は、図１及び図２に示すように、摩耗面を構成しタングステン−コバルト系超硬合金からなる超硬耐摩耗板１１と、銅からなるインサート板１２と、鉄鋼（ＳＳ鋼材）からなる溶接本体１３とが順に積層されている。
【００１２】
超硬耐摩耗板１１は、タングステン（Ｗ）及びコバルト（Ｃｏ）系の超硬合金からなり、表１に示す化学組成（Ｗ：８２．９０ｗｔ％、Ｃｏ：６．７１ｗｔ％、Ｃ：４．５７ｗｔ％等）を有する耐摩耗性材料であり、そのサイズは幅が５０ｍｍ、長さが５０ｍｍ、厚みが５ｍｍに形成されている。これによって、耐摩耗ライナー１０に耐摩耗性を付加することができる。なお、ここに示したタングステン−コバルト系以外の超硬合金を適用することもできる。
タングステン−コバルト系超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ系合金）を使用する場合、タングステン含有量は７０〜９８ｗｔ％、コバルト含有量は２〜３０ｗｔ％とするのが好ましい。タングステンが７０ｗｔ％より低くなると、耐摩耗に必要な硬度が低下し、９８ｗｔ％を超えると焼結に必要な結合材となるコバルトの量が不足するため結合強度が低下する。一方コバルト含有量が２ｗｔ％より少なくなると超硬合金の結合強度が不足し、３０ｗｔ％を超えると必要な耐摩耗性を低下させるので好ましくない。
【００１３】
【表１】

【００１４】
インサート板１２は、酸素含有量が５〜１０ｐｐｍの銅（無酸素銅ともいう）を素材とする、平面サイズが超硬耐摩耗板１１と同じで、厚みが２ｍｍの銅板からなる。このように酸素濃度を抑制することによって、溶接本体１３と超硬耐摩耗板１１とをインサート板１２を介して拡散接合する際に、酸化物の生成を阻止することができる。また、インサート板１２を介在させることにより使用中に両者間に働く応力を緩和し、温度変動等に伴う温度分布を均一化する等、耐摩耗ライナー１０にかかる衝撃力、熱膨張差、熱応力等の負荷を軽減することができ、その耐用性を高めることができる。
この無酸素銅板の厚みは０．５〜３．０ｍｍ、望ましくは１．０〜２．０ｍｍとする。０．５ｍｍより薄いと超硬耐摩耗板１１と溶接本体１３間の緩衝作用が低下し、３．０ｍｍより厚くなると拡散接合を行うときに無酸素銅板が座屈し易くなると共に、無酸素銅板の変形量が大きくなるために全体の寸法精度が低下する要因になるからである。
【００１５】
溶接本体１３は、一般構造用圧延鋼材（ＳＳ鋼材）よりなり、平面サイズがインサート板１２と同じで、その非稼働面側（裏面側すなわち図１及び図２の下方側）の中心部には、溶接本体１３を取付対象物の一例である焼結鉱原料搬送用シュート本体１５に固定するための２段からなるスタッド用突起１６が形成されており、スタッド用突起１６以外の厚みが９ｍｍのタイル状部材である。なお、溶接本体１３には、前記ＳＳ鋼材の他に、機械構造用炭素鋼材（Ｓ−Ｃ鋼材）等に加えて、ステンレス鋼、合金鋼等を使用することもできる。スタッド用突起１６は鋼板から削り出しすることもできるし、又はプレス加工等で形成できる。
なお、図１に示すように、耐摩耗ライナー１０の側面の全部及び下面の周辺部には、塗料又は樹脂からなる絶縁物１７が設けられている。コンデンサー又はアークスタッド溶接機を使用して、耐摩耗ライナー１０を順々にシュート本体１５に取付ける際、この絶縁物１７によって隣合う耐摩耗ライナー１０同士又は耐摩耗ライナー１０の傾斜によるシュート本体１５との導電を避けるようにしている。
以上のような構成となるタイル状の耐摩耗ライナー１０を、破砕機、硬質原料の搬送用シュート等の摩耗の大きい箇所に多数ライニングすることにより、装置の耐久性を向上させることができる。
【００１６】
続いて、前記耐摩耗ライナー１０の製造方法について詳細に説明する。
まず、溶接本体１３となるＳＳ鋼材を所要形状及び所要表面粗さとなるように切断、切削研磨、圧延加工等をした後、超硬耐摩耗板１１との接着面に付着した錆等の酸化物被膜あるいは油脂膜等の汚れを研磨処理、酸洗処理等により除去して清浄化しておく。
また、インサート板１２及び超硬耐摩耗板１１についても、それぞれを所要寸法に加工し、さらにそれぞれの接着面を所要の表面粗さと平面度に仕上げる。即ち、インサート板１２及び超硬耐摩耗板１１間の隙間が、所定の例えば５μｍ以下になるように加工した後、同様にそれぞれの接着面を清浄化処理しておく。
このように清浄化処理を施しておくことにより、酸化被膜等のない接合面同士を接触させ、拡散接合に際して、最終的な接合強度を高めることができる。
次に、準備した前記溶接本体１３の上に、インサート板１２及び超硬耐摩耗板１１を順に積層させ、図示しない拡散接合処理装置を用いて表２に示す拡散接合処理条件の下で加熱、加圧する。
【００１７】
【表２】

【００１８】
ここで、前記拡散接合処理条件における雰囲気圧力（真空度）、加熱温度、接合時間、接合圧力がそれぞれ、３０Ｐａ以下、８００〜１０００℃、２０〜９０分、０．１〜２０ＭＰａの範囲となるようにする。
雰囲気圧力は拡散接合処理装置に設けられた真空ポンプによって制御することができ、本実施の形態では平均１３Ｐａに維持した。なお、このような真空状態においては、アルゴンガス等の不活性ガスを予め雰囲気ガスとして装入しておき、これを減圧した雰囲気中で拡散接合を行わせることもでき、不活性ガス雰囲気中で行うことも可能である。
加熱温度は、耐摩耗ライナー１０を構成する溶接本体１３、インサート板１２及び超硬耐摩耗板１１の積層体を保持する図示しない拡散接合処理装置内の雰囲気温度であり、各層を拡散接合処理装置に装入して各層の温度がほぼ均一となる状態に維持させる。
そして、溶接本体１３と超硬耐摩耗板１１との面を挟むように図示しない加圧装置を用いて加熱温度が９００℃となる状態で加圧し、接着面での接合圧力が１０ＭＰａとなるように全体に荷重を負荷して、この接合時間を６０分間保持させる。
これによって、過度の塑性変形を伴うことなく相互に原子が拡散して、強固な接合組織を得ることができる。
【００１９】
以上のような条件で製作して得られた耐摩耗ライナー１０における、超硬合金と銅間の接合強度は２５０ＭＰａであり、銅とＳＳ鋼材間の接合強度は２００ＭＰａであった。
そして、このようにして得られたタイル状の耐摩耗ライナー１０を焼結塊を搬送するベルトコンベヤのシュートに取付けたところ、従来例の耐摩耗ライナー５０（図６参照）では１ヶ月の寿命であったものが、１２ヶ月間にわたり使用できるようになった。
【００２０】
以上説明したように、本発明の一実施の形態に係る耐摩耗ライナー１０は、超硬合金とＳＳ鋼材間に銅板を挟んで、真空雰囲気中で拡散接合すると、銅板と超硬合金、銅板とＳＳ鋼材のそれぞれの接合界面で原子の拡散が生じ、一体化して強固に接合できる。耐摩耗ライナー１０においては、従来例に比較して、摩耗面が同一材であるので、均一に摩耗が進行し、その結果寿命を長くすることができる。
また、超硬合金と銅又は銅とＳＳ鋼材との拡散接合による拡散接合強度（２００〜２５０ＭＰａ）は、Ａｇ基ろう材を用いて接合した超硬合金と銅又は銅とＳＳ鋼材とのろう付け接合強度（１０〜５０ＭＰａ）に較べて格段に大きくなり、しかもインサート板を介在させることによって全体の靭性を大きくできるので、衝撃的な荷重や変形が耐摩耗ライナー１０に生じても超硬合金が剥離しにくく、設備の長寿命化を達成できる。
さらに、従来例の耐摩耗ライナー５０の構成に比べて簡単であるので、機械加工を極めて容易なものとすることができる。
【００２１】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
図３〜図５には、それぞれ耐摩耗ライナー１０の変形例の断面図を示す。なお同一の構成要素については、同一の符号を付し、また類似の構成要素については同一の符号にアルファベットを添字として付して詳しい説明を省略する。
図３の耐摩耗ライナー２０においては、溶接本体１３ａ下側が正四角錐台状として下端部にスタッド用突起を形成している。
図４の耐摩耗ライナー３０は、耐摩耗ライナー２０において、インサート板１２ａ及び溶接本体１３ｂの接合部を小さくした形態のものである。
図５の耐摩耗ライナー４０は、耐摩耗ライナー２０において、溶接本体１３ｃを小さくしてスタッド用突起を形成した形態のものである。
【００２２】
本発明の実施の形態においては、コンデンサー又はアークスタッド溶接機を使用して耐摩耗ライナー１０を取付対象物にスタッド溶接する際に、耐摩耗ライナー１０同士の導電を回避するために耐摩耗ライナー１０にスタッド用突起１６及び絶縁物１７を設けたが、必要に応じて（例えば、スタッド用突起１６を用いて取付対象物にアーク溶接で溶接する場合には）設けないこともある。即ち、溶接本体の形状は、超硬耐摩耗板１１と同様に平板状にすることができ、例えば図３及び図４において、インサート板を長辺とする断面が矩形の形状とすることもできる。
インサート板及び溶接本体の大きさ、及び溶接本体の形状については、耐摩耗ライナーの使用条件（温度、荷重、圧力等）や溶接方法（スタッド溶接又はアーク溶接等）に応じて適宜選択することができる。
スタッド用突起１６を２段状としたが、これに限定されず、１段又は３段以上とすることもできる。
【００２３】
【発明の効果】
【００２４】
請求項１、２記載の耐摩耗ライナーの製造方法においては、超硬合金からなる超硬耐摩耗板と、応力緩和材となるインサート板と、溶接本体とを順次積層して、真空状態又は不活性ガス雰囲気で拡散接合するので、各接合界面で原子の拡散が生じて一体化した強固な接合組織とすることができる。この拡散接合された部分は、従来のＡｇ基ろう材を用いたろう材接合に較べて接合強度を格段に大きくでき、しかも、インサート板を介在させることによって衝撃荷重や変形で超硬合金が剥離しにくくなるので、衝撃力や荷重が加わり撓みが生じるような部品としての耐摩耗ライナーの長寿命化を達成できる。
特に、インサート板は、酸素含有量が適正値以下の無酸素銅板であるので、拡散接合処理の際に各接合面で酸化物を生じることがなく所定の接合強度を維持することができる。
請求項２記載の耐摩耗ライナーの製造方法においては、拡散接合は、適正な雰囲気圧力、加熱温度、接合時間及び接合圧力の範囲で行うので、各接合面における接合状態が最適に維持され、所定の接合強度を有する耐摩耗ライナーが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る耐摩耗ライナーの断面図である。
【図２】同耐摩耗ライナーの斜視図である。
【図３】同耐摩耗ライナーの変形例の断面図である。
【図４】同耐摩耗ライナーの変形例の断面図である。
【図５】同耐摩耗ライナーの変形例の断面図である。
【図６】従来例の耐摩耗ライナーの説明図である。
【符号の説明】
１０ 耐摩耗ライナー １１ 超硬耐摩耗板
１２ インサート板 １２ａ インサート板
１３ 溶接本体 １３ａ 溶接本体
１３ｂ 溶接本体 １３ｃ 溶接本体
１５ シュート本体（取付対象物） １６ スタッド用突起
１７ 絶縁物 ２０ 耐摩耗ライナー
３０ 耐摩耗ライナー ４０ 耐摩耗ライナー

Claims (2)

1. 超硬合金からなる超硬耐摩耗板と、応力緩和材となるインサート板と、溶接本体とを順次積層して、真空状態又は不活性ガス雰囲気で拡散接合する耐摩耗ライナーの製造方法であって、
   前記インサート板は、酸素含有量が１００ｐｐｍ以下の無酸素銅板であることを特徴とする耐摩耗ライナーの製造方法。
2. 前記拡散接合は、雰囲気圧力が３０Ｐａ以下、加熱温度８００〜１０００℃、接合時間２０〜９０分、接合圧力０．１〜２０ＭＰａの範囲で行う請求項１記載の耐摩耗ライナーの製造方法。

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