JP5281547B2 - 刃物およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、剪断式粉砕破砕装置に用いられる刃物およびその製造方法に関する。

剪断式粉砕破砕装置に用いられる刃物は、一般的に合金工具鋼、ダイス鋼、ハイス鋼等の高級特殊鋼に、焼き入れや焼き戻し等の熱処理等を施して、強度や硬度、靭性を高めたものが使用されている。昨今における経済環境の悪化にもかかわらず、世界的に合金原料は高騰・高止まりしており、上記のような特殊鋼の単価もまた高騰した状況にあり、刃物の製造についてコスト面での課題が認識されている。

また、破砕・粉砕される被加工物は、家庭ごみ、産業廃棄物、廃棄木材、建材など多岐に亘り、刃物の摩耗が極めて著しく、破砕・粉砕効率の低下を余儀なくされている。そのため、主に廃棄物を破砕・粉砕する処理業者等からは、刃物寿命の維持や延長が強く要望されているところ、現状の特殊鋼等の熱処理硬化技術では、満足な解決を得ることができない状況にある。例えば、家庭用ごみの処理施設では、ごみの分別化が定着していないため、おしめ、コイン、ボールペン、ビニール製品といったありとあらゆるものを破砕・粉砕しなければならず、刃物はアブレーシブ（研削）形態で摩耗することになる。また、自動車用タイヤの処理では、地球環境に配慮する観点から各タイヤメーカが独自の製品開発を行っており、その配合物質も異なるため、廃タイヤの破砕粉砕装置は、このような多様性に対応する必要があり、強度面だけでなく切断効率や刃物寿命において益々過酷な環境に置かれている。

このような状況に対して、特許文献１では、刃先エッジ部にカーバイド系合金を肉盛し再生する技術が開示されている。また、上記特許文献１を受けて、特許文献２では、刃先エッジ部の摩耗現象に対して周方向へＦｅ基中クロム系硬化層を肉盛した後、機械加工又は研磨加工によって滑らかに連続した凹凸形状へ造形した硬化層を配置することで、エッジの鋭利性を維持し、刃先の曲面化・摩耗を減少させることができる技術も開示されている。さらに、特許文献３では、刃先部の摩耗部分であるエッジ部に凹状部を形成し、予熱後に肉盛溶接を施した後、さらに後熱し、肉盛溶接後の余肉部分を研磨して新しいエッジ部を得る技術も開示されている。

特開平９−２３４３８４号公報 特開平１１−１６５０９０号公報 特開２００１−１７０８４９号公報

しかしながら、上記特許文献２では、肉盛層で刃先部の凹凸形状を確保するには余肉部を設ける必要があり、中クロム系肉盛材の多大な浪費を招くこととなり、製造コストが甚大になるという問題がある。これに加えて、凹凸形状へ造形するには、余肉部分を機械加工等により除去しなければならず、加工コストも必要になるという問題もある。さらに、連続した肉盛層であるため、操業時に金属片等の異物（例えば、ボルトなど）が混入すると、噛み込み部を起点とした外力の作用によって、肉盛層を含む刃先の内部残留応力が開放されて、大きな開口状割れを生じさせてしまい、刃先の肉盛層が欠損、欠落して設備トラブルや操業中止に至るおそれもある。特に、亀裂が伝播することで刃先に大きな欠損が生じてしまうと、刃物として使用が不可能となり、装置の操業の中断を余儀なくされてしまう。

また、上記特許文献３には、溶接時並びに溶接後の熱収縮から生じる亀裂発生を防止するための予熱、後熱には多大な熱エネルギーを要するという問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、刃先摩耗部に対して、予熱、後熱などの多大な熱エネルギーを使用することなく、かつ、特別な加工手段を要することなく、凹凸状の刃先部を得ることができ、刃物の剪断能力を向上させるとともに耐摩耗性に優れ、切断能力を長期にわたり維持することが可能な剪断式粉砕破砕装置用の刃物及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る刃物は、剪断式粉砕破砕装置に用いられる刃物であって、刃先の外周面の両側縁に、刃物の周方向へ所定の間隔を空けて配列された凸状の硬化層であるビードを備えることを特徴とする。

これによれば、刃先外周面の両側縁に周方向へ等間隔に断続した凸状のビードを筋盛配列することで、凸と凸との間に凹部が形成されるので、機械加工をすることなく、凹凸状の刃先を得ることができる。また、ビードを筋盛形状とすることで、刃物要部の周長さが増大して、刃物の剪断能力を向上させるとともに、被加工物との接触頻度を低下させることでエッジ部分の摩耗が減少するので、優れた耐摩耗性を実現することもできる。さらに、ビードに欠損が生じても、ビードは断続して配列されており、連続していないので、ビードの欠損が拡大することがなく、ごく僅かな部分的欠損、欠落に留まり、刃物としての機能を長期にわたって維持することが可能である。

ここで、前記ビードは、刃物の回転方向に直交するように配置されているのが好ましく、前記刃先の外周面の両側縁で相対するビードの長さの合計は、刃物の厚みの１／２以下であるとするのがより好ましい。また、前記ビードが配列される間隔は、０．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲とするのがよい。これにより、剪断能力に優れ、製造コスト並びに加工コストを低減することができ、さらには寿命の長い刃物を実現することができる。

また、前記刃先の外周面の両側縁で相対するビードは、刃物の厚み方向の外側で高くなり中心方向へ向かうにつれて低くなるように形成されているとすれば、刃物側面を再研磨する都度、刃物の要部がシャープエッジとなり、刃物の剪断能力を維持、ひいては、長寿命化を実現できる。

さらに、前記ビードは、耐摩耗粒子の炭化物が金属素地に析出・混入したサーメット系合金材料で構成されているとすれば、アブレーシブ摩耗に対する耐摩耗性に優れた刃物となる。

また、本発明は、刃物の製造方法として、剪断式粉砕破砕装置に用いられる刃物の製造方法であって、刃先の外周面の両側縁に、刃物の周方向へ凸状の硬化層であるビードを所定の間隔を空けて配列するとしてもよい。ここで、前記ビードの配列後に、刃先に熱処理及び表面処理を施すとすれば、刃先の靭性および耐衝撃機械特性を良好にすることができる。また、前記ビードの配列前に、前記ビードが配列される箇所にＭｏ、ＶおよびＣｒを少量含有する肉盛材を中間肉盛層として形成するとしてもよい。これによれば、さらに、刃物の製造コストを低減することが可能となる。

このように、本発明に係る刃物およびその製造方法によれば、刃先外周面の両側縁に周方向へ等間隔に断続した凸状のビードを筋盛配列して凸と凸との間に凹部を形成するので、多大な熱エネルギーや特別な加工手段を要することなく、凹凸状の刃先が得られる。

また、筋盛形状のビードは、刃物要部の周長さが増大して、刃物の剪断能力を向上させる。さらに、被加工物との接触頻度が低下して刃先の摩耗が減少し、耐摩耗性に優れた刃物となる。さらに、ビードに欠損が生じた場合でも、断続したビードは、連続したビードのように欠損が拡大することがなく、部分的欠損で済むので、長期にわたって切断能力を維持することが可能である。

剪断式粉砕破砕装置用刃物の斜視図である。 剪断式粉砕破砕装置用刃物の正面図である。 刃先部の部分拡大図である。 刃先部のうち刃先フック部を含む箇所を拡大した斜視図である。 図２のＡ−Ａ線における断面図である。 分割構造式の剪断式粉砕破砕装置用刃物の斜視図である。

以下、本発明に係る刃物およびその製造方法について図を参照しながら説明する。

図１は刃物の斜視図、図２は正面図である。

刃物１は、廃棄物をリサイクルする際の前処理工程として、廃棄物を破砕粉砕処理する剪断式粉砕破砕装置に使用される刃物であり、円形状の刃物基材２と、その中心部に剪断式粉砕破砕装置の回転軸へ取り付けるための回転軸取付孔３とを備えている。

刃物基材２は、機械構造用鋼、構造用合金鋼、又は工具鋼を素材とし、必要に応じて適当な熱処理又は浸炭、チッ化等の表面処理を施した基材である。このような素材を用いることで、従来のような高級鋼材を使用する必要がなくなり、刃物製造コストの低減が実現可能となっている。

刃物基材２の刃先部５には、周方向に幾つかの刃先フック部４が等間隔に配されているとともに、刃先外周面５ａには、筋盛ビード１０が配されている。

筋盛ビード１０は、刃先外周面５ａに対して、溶接により筋盛り配置される凸状型の硬化層である。筋盛ビード１０は、耐摩耗粒子であるＷＣ（炭化タングステン）、ＣｒＣ（炭化クロム）、ＶＣ（炭化バナジウム）、ＮｂＣ（炭化ニオブ）、ＴｉＣ（炭化チタン）等の炭化物及び複炭化物等が金属素地に析出・混入したサーメット系合金材料で構成され、超硬質炭化物を生成させることにより、アブレーシブ摩耗に対する耐久性の向上が図られている。なお、筋盛ビード１０を形成するための溶接手段としては、被覆アーク溶接、マグ溶接、ミグ溶接、サブマージアーク溶接、ティグ溶接、プラズマ粉体溶接、レーザー溶接等を用いることができる。

図１に示すように、筋盛ビード１０は、刃先外周面５ａの両側縁に、刃物１の回転方向Ｘ（周方向）に断続的に配列され、各々の筋盛ビード１０は刃物１の回転方向Ｘに対して直角となるよう配置されている。

筋盛ビード１０の配置角度は、刃物の切断性能と摩耗寿命に大きな影響を及ぼす。被粉砕破砕物は、家庭ごみ、ゴムなどの軟質材料から、廃タイヤ、廃建材などの硬質材料まで多岐にわたる。また、粉砕破砕工程では、被粉砕破砕物が様々な大きさに破断分解されることになる。被粉砕破砕物の形状や材質などによって、刃物の要部から逃げていって切断効率を低下させるものや、刃先に偏って刃先の偏摩耗を招くものがあり、これを防止する観点から筋盛ビード１０の配置角度は刃物１の周方向に対して直角とするのが好ましい。なお、刃物１の周方向に対して直交するのが最も適しているが、配置角度を刃物１の周方向に対して３０°から１５０°の範囲の傾斜とすることもできる。この範囲から外れる配置角度とすると、被粉砕破砕物の偏りや逃げが大きくなり、切断効率が著しく低下してしまうことになる。

また、刃先外周面５ａの両側縁に相対して設けられる筋盛ビード１０の長さの合計は、刃物の厚み（素材板厚）の全幅となるようにしてもよいが、肉盛材料の使用量の節約および施工時間の短縮の見地から刃物基材２の板厚に対して１／２以下とするのが好ましい。刃物の摩耗は、刃先外周面の両側縁に集中し、刃先外周面の中央に向かうにつれて摩耗量が減少する傾向にあるから、刃先外周面５ａの両側縁を養生するように構成すれば足りる。

また、図３及び図４に示すように、筋盛ビード１０は、等間隔を空けて断続して配置されることにより、刃物基材２の表面が露出した刃先基材露出部１６を形成する。このように、凸状の筋盛ビード１０が断続的に配列されることで凹状の刃先基材露出部１６が形成されるから、刃物１の刃先部５として凹凸状刃先部１７を構成することとなる。なお、筋盛ビード１０が設けられる間隔（図３中Ａ）、すなわち、刃先基材露出部１６の幅は、０．５ｍｍ〜１０ｍｍであり、筋盛ビード１０の幅（図３中Ｂ）は、０．５ｍｍ〜３０ｍｍとするのが好ましい。筋盛ビード１０が設けられる間隔を０．５ｍｍ以上とするのは、筋盛ビード１０の先端に割れが生じた場合に、隣接する筋盛ビード１０を連続させると、割れが連結して刃先の欠損を大きくしてしまうので、隣接する筋盛ビード１０に影響を及ぼさないようにするためである。また、筋盛ビード１０が設けられる間隔を１０ｍｍ以下とするのは、１０ｍｍを超えた間隔で配置すると、筋盛ビード１０の特性を活かすことができなくなってしまうためである。ここで、筋盛ビード１０と、隣接する筋盛ビード１０の間（凸と凸の間）の刃先基材露出部１６とには、筋盛ビード１０の配置後に、焼き入れ、焼き戻しなどの熱処理と、浸炭、チッ化等の表面処理とを施すことにより、ＨＲＣ硬度（ロックウェル硬度）５５以上とするのが、より好ましい。これにより、刃先部５の靭性および耐衝撃機械特性を良好なものとすることができる。

さらに、図５に示すように、筋盛ビード１０の高さは、相対する筋盛ビード１０が刃物１の厚み方向の外側で高くなり中心方向へ向かうにつれて低くなるように溶接入熱量を制御することで形成されている。これにより、刃物側面６を再研磨する都度、刃物１の要部がシャープエッジとなるので、刃物の剪断能力を維持することができる。ここで、より刃物１の長寿命化が要求される場合には、刃先外周面５ａだけでなく、刃物側面６の両面にも刃物側面肉盛部１８を形成して、摩耗を受ける表面部全域を強化することもできる。このとき、刃物側面肉盛部１８の溶接後に、刃物としてのシャープエッジが得られるよう筋盛ビード１０の余盛部１０ａを機械加工により除去して、所定の厚みとなるよう仕上げる必要がある。なお、刃物側面肉盛部１８は、これを施工することにより、さらなる長寿命化を図ることができるが、過酷な摩耗環境でなければ施工する必要はない。

またさらに、刃物１の製造コストをより削減することが求められる場合は、一般構造用鋼板、鋳鋼品、低級特殊鋼などの安価な素材の上に熱処理又は表面処理効果を得られるＭｏ（モリブデン）、Ｖ（バナジウム）、Ｃｒ（クロム）を少量含有する低級肉盛材を中間肉盛層として形成してから筋盛ビード１０を溶接で配置するようにするのがよい。

以上のように構成される刃物１は、刃先外周面５ａの両側縁に周方向へ等間隔を空けて断続して筋盛ビード１０を配列することで刃先基材露出部１６が設けられることにより凹凸状刃先部１７が形成されるので、機械加工をすることなく、凹凸状の刃先を得ることができ、加工コストが低減される。また、筋盛形状とすることで、刃物要部の周長さが増大するので、稼働回転中の刃物と被破砕物との幾何学的な接触頻度を低減することができ、かつ、反対向きに回転している相対する刃物との相乗効果により、さらなる接触頻度の低減が可能となるので、効率的に被破砕物を粉砕切断することができるようになる。さらに、被破砕物との接触頻度が低下することにより、エッジ部分の摩耗を減少させ、再研磨までの寿命を延長させることができると同時に、装置稼働中に異物噛み込み等で硬化層部に亀裂が生じた場合でも、亀裂は筋盛ビード１０の断面のみに収まるから、刃先を大きく欠損、欠落させ難く、ごく僅かな部分的欠損、欠落に留まり、刃物としての機能を十分確保することが可能で、安定した装置の操業を維持することができる。

また、筋盛ビード１０は、断続して設けられていることで、ビードの一部が欠損しても隣接するビードに影響を及ぼすことがなく、欠損の拡がりを抑えることができるので、安定した操業を可能としている。

以上、本発明に係る刃物およびその製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の目的を達成でき、かつ発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々設計変更が可能であり、それらも全て本発明の範囲内に包含されるものである。

例えば、本発明に係る刃物は、一軸式破砕粉砕機用固定刃や回転刃にも適用することができる。

また、上記実施の形態では、筋盛ビードの材料としてサーメット系合金材料を使用することとしたが、刃物の使用用途に応じて、刃の欠損を防止するために耐衝撃性能に優れたハイス鋼系、ダイス鋼系、中クロム系材料を使い分けるようにしてもよい。廃木材や廃建材等の粉砕・破砕装置のように、刃先要部に靭性、強度、耐衝撃特性などの機械強度が要求される場合にとりわけ有効となる。

さらに、上記実施の形態では、刃先と刃物基材とが一体となったモノカッタ式（一体型）の刃物で説明したが、図６に示すような刃先と刃物基材とを分離させたピースカッタ式（分割構造式）の刃物であってもよい。

本発明に係る刃物およびその製造方法は、様々な廃棄物を破砕粉砕する一軸型又は多軸型の剪断式粉砕破砕装置の刃物として好適である。

１、１ａ 刃物
２、２ａ 刃物基材
３ 回転軸取付孔
４ 刃先フック部
４ａ ピースカッタ
５ 刃先部
５ａ 刃先外周面
６ 刃物側面
１０ 筋盛ビード
１０ａ 余盛部
１６ 刃先基材露出部
１７ 凹凸状刃先部
１８ 刃物側面肉盛部

Claims (8)

1. 剪断式粉砕破砕装置に用いられる刃物であって、
   刃先の外周面の両側縁に、刃物の周方向へ所定の間隔を空けて配列された凸状の硬化層であるビードを備え、
   前記ビードは、耐摩耗粒子の炭化物が金属素地に析出・混入したサーメット系合金材料で構成されている
   ことを特徴とする刃物。
2. 前記ビードは、刃物の回転方向に直交するように配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の刃物。
3. 前記刃先の外周面の両側縁で相対するビードの長さの合計は、刃物の厚みの１／２以下である
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の刃物。
4. 前記刃先の外周面の両側縁で相対するビードは、刃物の厚み方向の外側で高くなり中心方向へ向かうにつれて低くなるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の刃物。
5. 前記ビードが配列される間隔は、０．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の刃物。
6. 剪断式粉砕破砕装置に用いられる刃物の製造方法であって、
   刃先の外周面の両側縁に、刃物の周方向へ凸状の硬化層であるビードを所定の間隔を空けて配列する
   ことを特徴とする刃物の製造方法。
7. 前記ビードの配列後に、刃先に熱処理及び表面処理を施す
   ことを特徴とする請求項６記載の刃物の製造方法。
8. 前記ビードの配列前に、前記ビードが配列される箇所にＭｏ、ＶおよびＣｒを少量含有する肉盛材を中間肉盛層として形成する
   ことを特徴とする請求項６又は７記載の刃物の製造方法。