JP5858398B2 - チタン刃物材、チタン刃物及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、チタン粉末を基材にしたチタン刃物材、チタン刃物及びその製造方法に関する。
刃物は、切れ味が良く、切れ味が永く持続し、折れ難く、曲がり難く、錆難い、ことが望まれ、チタンクラッド鋼刃物が提案されている。
刃物が良く切れるためには、刃先になる刃物鋼は、できるだけ高硬度であることが望ましい。しかしながら、チタンには、刃物の刃先に使えるほど高硬度の材料が存在しないことから、チタンとステンレス刃物鋼のクラッドが提案されている。
近年、チタン粉末を焼結して作るチタン刃物が提案されている。このチタン刃物は、チタン粉末に硬質粉末を混合した後に圧縮成形し、真空炉中で１２００℃〜１３００℃で焼結し、その後、研削して刃付けした構成である。しかし、このチタン刃物は、刃先が柔らかいことから、硬い食材を切るには不向きであり、比較的に柔らかい野菜等を切る刃物として使用されている。
石山新太郎 「核融合炉用高熱伝導セラミックス製ダイバータプレートモデル試験体に関する基礎的研究」、日本原子力学会和文論文誌、Vol.3, No.3(2004),p56〜p65
竹腰久仁雄 「刃物の切れ味劣化のメカニズムについて」 砥粒加工学会学術講演会講演論文集 ２０００巻 ３０７頁〜３１２頁 ２０００．０９．１２発行
本発明の目的は、柔らかい食材はもちろん、硬い食材も切ることができ、良い切れ味が永く持続し、折れ難く、錆難い安価な刃物を得るためのチタン刃物の製造方法を実現することにある。
本発明のチタン刃物の製造方法は、チタン粉末に平均粒径２．５μｍ〜１４μｍの炭化ケイ素粉末を体積比で５％又は１０％混合してＭＡ処理（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｌｌｏｙｉｎｇ：機械的合金化処理）したＭＡ材を、純チタン板又はチタン合金板で形成したチタン筐体に充填して密封し、これを熱間圧延してチタン刃物材とし、このチタン刃物材を使用して刃物形状体を形成し、この刃物形状体を構成する前記ＭＡ材であるチタン粉末刃物材を１１００℃又は１２００℃の温度で焼結硬化した後に研削して刃付けすることにより、前記ＭＡ材によって構成されるチタン粉末刃物材の両側面には前記チタン筐体のチタン板によるチタン側板が配された構成とするチタン刃物の製造方法である。
本発明によれば、比較的安価で入手し易い平均粒径２．５μｍ〜１４μｍの炭化ケイ素粉末を硬質粉末としてチタン粉末に体積比で５％又は１０％混合してＭＡ処理したＭＡ材を純チタン板又はチタン合金板で形成したチタン筐体に充填して密封し、これを熱間圧延してチタン刃物材とし、このチタン刃物材を使用して刃物形状体を形成し、この刃物形状体を構成する前記ＭＡ材であるチタン粉末刃物材を１１００℃又は１２００℃の温度で焼結、研削してチタン刃物としたことにより、柔らかい食材はもちろん、硬い食材も切ることができ、しかも、良い切れ味を永く持続することができ、折れ難く、錆難い安価なチタン刃物を実現することができる。
本発明のチタン刃物の製造方法は、刃部を形成するＭＡ材をチタン粉末と該チタン粉末に平均粒径２．５μｍ〜１４μｍの炭化ケイ素粉末を体積比で５％又は１０％混合してＭＡ処理することによって構成しこのＭＡ材を純チタン板又はチタン合金板で形成したチタン筐体に充填して密封し、これを熱間圧延してチタン刃物材とし、このチタン刃物材を刃物形状に成形した後に該チタン刃物材を構成するチタン粉末刃物材を１１００℃又は１２００℃の温度で焼結した後に研削することにより刃付けしてチタン刃物とするものであり前記ＭＡ材によって構成されるチタン粉末刃物材の両側面に前記チタン板によるチタン側板が配された構成のチタン刃物を製造することができる。
目的とするチタン刃物の製造に好適な次のような材料を選定した。
先ず、チタン刃物材を構成するチタン粉末と硬質粉末の選定は、次の通りである。
チタン粉末として、バランスの良い刃物材としての特性を示すトーホーテック株式会社製 チタン合金粉末（ａ）（Ｔｉ−６４粉末）である ６４合金粉末 ＡＣＡ１５０ 及び安価で入手が容易な東邦チタニウム株式会社製 スポンジチタン粉末（ｂ）（ロットＮｏ．：Ｔ−０９０１５００８）を選定した。これらのチタン粉末の組成は、表１、表２に示す通りである（カタログ値）。
また、硬質粉末として使用する炭化ケイ素粉末は、平均粒径２．５μｍ〜１４μｍのものを体積比で５％又は１０％混合する。具体的には、比較的安価で熱拡散性の良い屋久島電工株式会社製の炭化ケイ素粉末を選定した。そして、表３に示すような平均粒径（カタログ値）で２．５μｍ〜１４μｍの４品種を選定した。
次に、ＭＡ処理は、ポットミル（径：φ１３５ｍｍ又はφ１８０ｍｍ）、セラミックボール（径：φ２５ｍｍとφ３０ｍｍ）を使用して、回転数を８０ｒｐｍで所定時間実行し、付加処理を行うことにより、ＭＡ処理の徹底を行った。すなわち、硬質粉末として炭化ケイ素粉末（ＧＣ−４０００Ｆ）を体積比でチタン合金粉末に対して１０％混合し、表４に示す各条件で実行した。
このＭＡ処理効果を確認するためＭＡ処理後の粉末（ＭＡ材）を表５に示す条件でＸ線回折測定を行った。
図１は、ＭＡ処理ｅのＸ線回折測定結果を示す特性曲線図である（ＭＡ処理ａ〜ｄの特性曲線については図示を省略）。この場合、粉末への投入エネルギーが大きくなると、結晶格子のひずみ量が大きくなるので、Ｘ線回折特性ピークがブロードになる（裾野の幅が広がる）傾向がある。従って、前記ＭＡ処理ａ〜ｅを比較すると、処理ａ〜ｃよりもポットミル径が大きい処理ｄ，ｅの方が投入エネルギーが大きく、各々の特性曲線から混合状態の改善が見られ、Ｔｉのピークもブロードになっている。また、処理ｅの粉末は、処理ｄの粉末よりも付加処理による均質混合、ＭＡ化が促進され、特性ピークがブロードになっている。チタン刃物の製作のためのＭＡ処理時要件としては、ａ〜ｅの中では、ｅが最適であることがわかる。
次に、本発明のチタン刃物の概略的な製造方法について、図２を参照して説明する。
ステップＳ１
チタン粉末刃物材を構成する素材であるチタン粉末を準備した。チタン粉末は、チタン合金粉末（ａ）又はスポンジチタン粉末（ｂ）である。
チタン粉末刃物材を構成する素材であるチタン粉末を準備した。チタン粉末は、チタン合金粉末（ａ）又はスポンジチタン粉末（ｂ）である。
ステップＳ２
硬質粉末として、炭化ケイ素粉末を準備した。
硬質粉末として、炭化ケイ素粉末を準備した。
ステップＳ３
チタン粉末と硬質粉末を混合して所定のＭＡ処理条件でＭＡ処理（ｅ）することによりＭＡ材を得た。ＭＡ材は、チタン粉末に対して炭化ケイ素粉末を体積比で５％又は１０％混合してＭＡ処理した粉末である。
チタン粉末と硬質粉末を混合して所定のＭＡ処理条件でＭＡ処理（ｅ）することによりＭＡ材を得た。ＭＡ材は、チタン粉末に対して炭化ケイ素粉末を体積比で５％又は１０％混合してＭＡ処理した粉末である。
ステップＳ４
ＭＡ材を充填して熱間圧延すると共に後にチタン側板となるチタン筐体を作製する素材として厚さ３ｍｍと２０ｍｍのチタン板（チタン合金粉末（ａ）には純チタン板（ＴＰ３４０）ａを、またスポンジチタン粉末（ｂ）にはチタン合金板（Ｔｉ−６４）ｂ）を準備した。
ＭＡ材を充填して熱間圧延すると共に後にチタン側板となるチタン筐体を作製する素材として厚さ３ｍｍと２０ｍｍのチタン板（チタン合金粉末（ａ）には純チタン板（ＴＰ３４０）ａを、またスポンジチタン粉末（ｂ）にはチタン合金板（Ｔｉ−６４）ｂ）を準備した。
ステップＳ５
チタン板を用いてチタン筐体を作製した。因みに、チタン筐体は、直方体であり、その外形寸法は、厚さ２６ｍｍ、幅１１５ｍｍ、長さ１５０ｍｍ及び厚さ６０ｍｍ、幅２２５ｍｍ、長さ３２０ｍｍの２種類である。
チタン板を用いてチタン筐体を作製した。因みに、チタン筐体は、直方体であり、その外形寸法は、厚さ２６ｍｍ、幅１１５ｍｍ、長さ１５０ｍｍ及び厚さ６０ｍｍ、幅２２５ｍｍ、長さ３２０ｍｍの２種類である。
ステップＳ６
チタン筐体にＭＡ材をプレス機で加圧しながら充填した。
チタン筐体にＭＡ材をプレス機で加圧しながら充填した。
ステップＳ７
ＭＡ材を充填したチタン筐体を電子ビーム溶接して密封した。
ＭＡ材を充填したチタン筐体を電子ビーム溶接して密封した。
ステップＳ８
ＭＡ材を充填したチタン筐体を熱間圧延した。この熱間圧延は、加熱温度９５０℃、加熱時間６０分で圧延し、１０ｍｍの厚さまで圧延した後に再加熱して、更に２ｍｍまで熱間圧延して残留気孔を除去したチタン刃物材を得た。
ＭＡ材を充填したチタン筐体を熱間圧延した。この熱間圧延は、加熱温度９５０℃、加熱時間６０分で圧延し、１０ｍｍの厚さまで圧延した後に再加熱して、更に２ｍｍまで熱間圧延して残留気孔を除去したチタン刃物材を得た。
ステップＳ９
チタン筐体にＭＡ材を充填して熱間圧延して作製したチタン刃物材について、熱処理した後に刃物形状体を作製した。
チタン筐体にＭＡ材を充填して熱間圧延して作製したチタン刃物材について、熱処理した後に刃物形状体を作製した。
ステップＳ１０
チタン刃物材で作製した刃物形状体を１１００℃(チタン粉末)又は１２００℃(スポンジチタン粉末)で焼結硬化処理してチタン粉末刃物材とした。
チタン刃物材で作製した刃物形状体を１１００℃(チタン粉末)又は１２００℃(スポンジチタン粉末)で焼結硬化処理してチタン粉末刃物材とした。
ステップＳ１１
焼結硬化後のチタン粉末刃物材を研削して刃付けすることにより、図３に示すようなチタン刃物２とした。因みに、２ａはチタン粉末刃物材、２ｂはチタン側板である。
焼結硬化後のチタン粉末刃物材を研削して刃付けすることにより、図３に示すようなチタン刃物２とした。因みに、２ａはチタン粉末刃物材、２ｂはチタン側板である。
このような製造方法で製造したチタン刃物２は、炭化ケイ素粉末の脱落もなく、従来のチタン刃物に対して格段に優れた切れ味を示した。しかも、良い切れ味を永く持続することができ、抗折強度試験でも折れ難く、曲がり難い特性が得られ、また、耐食性評価の塩水噴霧試験においても錆難い特性を示した。
以下にチタン素材の組み合わせを変えて２種類のチタン刃物の製造を説明する。
チタン刃物のチタン粉末刃物材を形成するＭＡ材を、チタン粉末としてチタン合金粉末を使用し、硬質粉末として炭化ケイ素を使用して構成するチタン刃物の製造について説明する。
この実施例において製造するチタン刃物は、前述した製造方法を適用して製造するものであり、チタン合金粉末（図２を参照して説明したステップＳ１におけるチタン合金粉末ａ）と炭化ケイ素粉末とを混合してＭＡ処理したＭＡ材（図２を参照して説明したステップＳ３におけるＭＡ材ａ）を使用して形成したチタン粉末刃物材の両側面にチタン側板を配した構成とする。チタン合金粉末と炭化ケイ素粉末の各種組み合わせ、表６に示すように選定してチタン刃物の試料を作製した。
試料Ｎｏ．１〜４は、チタン合金粉末に平均粒径の異なる炭化ケイ素粉末を体積比で５％混合したＭＡ材ａ、試料Ｎｏ．５〜８は、同チタン合金粉末に平均粒径の異なる炭化ケイ素粉末を体積比で１０％混合したＭＡ材ａである。
チタン筐体を次のように作製した。この筐体は、ＭＡ材ａを充填して密封して熱間圧延するために使用し、後にチタン刃物材の両側に残ってチタン側板となる部材である。このチタン筐体は、純チタン板（ＴＰ３４０）をＴｉｇ溶接して作製した。このチタン筐体の寸法は、純チタン板の厚さは３ｍｍ、筐体の外形寸法は、厚さを２６ｍｍ、幅を１１５ｍｍ、長さを１５０ｍｍとした。
チタン筐体に対するＭＡ材の充填と密封は、チタン筐体に表６に示した素材を処理したＭＡ材をプレス機で押しながら十分に充填し、ＭＡ材を充填したチタン筐体の開口をチタン板で蓋をして電子ビーム溶接で行った。
ＭＡ材を充填したチタン筐体を加熱温度９５０℃で６０分間加熱処理し、熱間圧延してチタン刃物材とした。
熱間圧延後のチタン刃物材は再圧延を行って厚さ２ｍｍとした。
熱処理後のチタン刃物材を使用して刃物形状体を形成し、焼結硬化処理を行った後に研削することにより刃付けしてチタン刃物を製造した。このチタン刃物（チタン粉末刃物材）のビッカース硬度測定、抗折強度測定、組織観察、切れ味試験を行った。
表７は、このチタン刃物のビッカース硬度測定結果を示している。
この結果、市販されている包丁はビッカース硬度で３５０〜５５０であるが、この実施例での焼結後のチタン刃物のビッカース硬度（平均値）は４３０〜５６４であり、ばらつきはあるもののいずれも一般の包丁の硬度に近い値を示す。特に、試料Ｎｏ．１（チタン合金粉末にＧＣ−４０００Ｆの炭化ケイ素粉末を５％混合したＭＡ材）、試料Ｎｏ．５，６（チタン合金粉末にＧＣ−４０００Ｆ又はＧＣ−１５００Ｆの炭化ケイ素粉末を１０％混合したＭＡ材）においては、一般家庭で使用する包丁として十分な硬さを備えている。
また、抗折強度測定の結果を表８に示す。
この結果、硬質粒子ＳｉＣの５％混入系試料（Ｎｏ．１〜４）の方が、１０％混入系試料（Ｎｏ．５〜８）よりも大きな値を示す傾向にあり、特にＳｉＣの平均粒子径の小さいＮｏ．１の試料では最大値を示し、折り曲げに強い特性を示した。
なお、チタン粉末刃物材２ａの両側面に配したチタン側板２ｂは、チタン刃物を折れ難く、曲がり難くする機能を有している。
また、熱間圧延後のＭＡ材（未焼結材及び焼結後の焼結材）の切断断面を光学顕微鏡を使用して組織観察したときの写真の一例を図４〜図７に示す。観察結果より、試料Ｎｏ．１〜４はＳｉＣの脱粒は認められないが、試料Ｎｏ．５〜Ｎｏ．８はいずれもＳｉＣの脱粒が認められ、刃材として不適であることがわかる。
さらに、ＳｉＣの熱拡散性を評価するためにＥＰＭＡの測定を行った。ここでは、炭素粒子の拡散性を評価するため、ＳｉＣ粒子混入量が多い試料Ｎｏ．８を用いた。これにより、ＳｉＣの炭素ＣがＴｉ合金層へ拡散し、その結果、Ｔｉ合金中に、より硬質で安定なＴｉＣとして強固に存在していることが確認された。
また、切れ味評価の測定結果を表９に示す。
この測定方法は、本多式切れ味試験機（非特許文献２）にて行った。試験体刃物を固定し、７．５ｍｍ幅の新聞紙相当の紙を重ねて約７５０ｇの加重をかけながら、２０ｍｍの往復運動をさせ、１往復の１切断回数として、１７回の切断操作を行い、切断された紙の枚数で評価する試験方法である。
測定値のバラツキが見られるが、未焼結材及び焼結材ともにＳｉＣの粒度が大きくなると切れ味が悪くなり、ＳｉＣの混入量が多くなると切れ味が良くなる傾向を示す。焼結熱処理によって切断枚数は上昇傾向にあり、切れ味が高まる。また、簡易的に刃付けを行ったものの、試料Ｎｏ．１、６及び８は、いずれも本法による刃物切れ味評価基準枚数の５０枚を超えた切断枚数を示す材料があることから、刃物としての使用は十分可能なレベルであることを確認した。
以上のことから、試料Ｎｏ．１のチタン刃物材は、バランスのとれた刃物材料特性を示す。すなわち、これは、チタン合金粉末と炭化ケイ素粉末をＭＡ処理したＭＡ材を使用して熱間圧延及び焼結により得られるチタン粉末刃物材であり、その両側面に配した純チタン側板によってチタン刃物を構成することが望ましいことが分かる。
以上のことを考慮して行ったチタン刃物の製造について説明する。
この実施例において製造するチタン刃物は、前述の実施例１と同様にして製造するものであり、チタン粉末と硬質粉末とを混合してＭＡ処理したＭＡ材を使用して構成したチタン粉末刃物材の両側面にチタン側板を配した構成とする。
図２に示した製造方法におけるステップＳ１のチタン粉末準備において、チタン粉末ｂとして本実施例では安価なスポンジチタン粉末ｂ（表２）を準備した。また、ステップＳ２の硬質粉末準備において、炭化ケイ素粉末（ＧＣ−４０００Ｆ）を準備した。
次に、ステップＳ３において、チタン粉末と硬質粉末を混合してＭＡ処理条件ｅでＭＡ処理することにより、ＭＡ材ｂを得た。すなわち、ＭＡ材ｂは、スポンジチタン粉末に炭化ケイ素粉末（ＧＣ−４０００Ｆ）を体積比で５％混合してＭＡ処理した粉末である。
このＭＡ材ｂを充填して熱間圧延すると共に後にチタン側板となるチタン筐体を作製する素材として厚さ２０ｍｍのチタン合金板（Ｔｉ−６４）を準備した（ステップＳ４）。
そしてチタン合金板を用いた直方体のチタン筐体を作製した。その外形寸法は、厚さ６０ｍｍ、幅２２５ｍｍ、長さ３２０ｍｍとした（ステップＳ５）。
そして、このチタン筐体にＭＡ材ｂをプレス機で加圧しながら充填した（ステップＳ６）。
ＭＡ材ｂを充填した各チタン筐体を実施例１と同様に電子ビーム溶接して密封した（ステップＳ７）。
次に、ＭＡ材を充填したチタン筐体を熱間圧延する。この熱間圧延は、加熱温度９５０℃、加熱時間６０分で１０ｍｍの厚さまで圧延した後に更に２ｍｍまで熱間圧延してチタン刃物材ｂとした（ステップＳ８）。
さらに、熱処理した後に刃物形状体を作製し（ステップＳ９）、次いで１２００℃で焼結硬化処理してチタン粉末刃物材を作製した（ステップＳ１０）。
その後、焼結硬化後のチタン粉末刃物材を研削して刃付けすることにより、図３に示すようなチタン刃物２とした（ステップＳ１１）。
図９〜図１２は、この実施例２において熱間圧延した未焼結チタン粉末刃物材の組織及び焼結温度(１１００〜１２００℃)の相違による脱粒状況を示す図面代用顕微鏡写真である。
図９〜図１１のチタン粉末刃物材では炭化ケイ素の脱粒が認められるが、図１２の１２００℃焼結温度条件では、殆ど脱粒が認められないことから、最適焼結温度を１２００℃とした。また、焼結条件が表面硬度(ビッカース硬度)に及ぼす影響を調べた。
実施例１と同様に、表面硬度は、焼結硬化処理による硬度上昇傾向が認められるが、焼結前後の硬度は実施例１より低い値を示す。焼結温度１１００℃以上では硬度のばらつき（焼結硬化むら)がみられるが、１１００℃、１２００℃では硬度の最大値が４００以上の値を示しており、焼結硬化の影響が大きく実用性が高い。
一方、切れ味測定（実施例１と同じ方法)の結果を表１１に示す。
切れ味測定の結果を考察すると、焼結硬化処理効果が現れており、特に１２００℃焼結では基準枚数５０枚より大きな値となっている。さらに、未焼結材包丁と１２００℃焼結材包丁及びセラミック包丁（市販品)を比較すると、１２００℃焼結材により作製した包丁は切れ味試験における切断枚数が１２０〜１５０枚と焼結材刃物の枚数の約２倍の非常に大きな値を示すが、切れ味の低下も比較的早い傾向にある。また、未焼結材により作製した包丁も同様に未焼結材刃物の約２倍の枚数を示しており、セラミック包丁（市販品)よりも優れた切れ味の包丁が得られた。
また、抗折強度測定結果を表１２に示す。測定方法、条件は前述の実施例１と同様である。
この測定結果を考察すると、焼結硬化処理の焼結温度が高くなることにより抗折強度は低下する傾向を示すことがわかる。このため、刃物側板に高強度材のＴｉ−６４のチタン合金板を使用することにより、刃物として折れ難く、曲がり難い強度特性が得られる。
また、作製した刃物の耐食性を評価するため、ＪＩＳ Ｚ２３７１に準拠して塩水噴霧試験を実施した。試験機にはスガ試験機株式会社製「塩乾湿複合サイクル試験機ＣＹＰ−９０」を用い、塩水組成は５％ＮａＣｌ水溶液（ｐＨ７、中性）、塩水噴霧温度、圧力は３５±１℃、９８ｋＰａで試験時間２４時間で実施した。試験結果は刃部及び側板には錆の発生は無く、全く異常はなかった。
このようにして作製したチタン刃物２は、炭化ケイ素粉末の脱粒もなく、従来のチタン刃物に対して格段に優れた切れ味を示した。しかも、良い切れ味を永く持続することができ、抗折強度測定でもチタン合金側板が機能して折れ難く、曲がり難い特性が得られ、また、塩水噴霧試験においても錆難い特性を示した。
１…チタン筐体、２…チタン刃物、２ａ…チタン粉末刃物材、２ｂ…チタン側板。
Claims (3)
- チタン粉末に平均粒径２．５μｍ〜１４μｍの炭化ケイ素粉末を体積比で５％又は１０％混合してＭＡ処理（機械的合金化処理）したＭＡ材を、純チタン板又はチタン合金板で形成したチタン筐体に充填して密封し、これを熱間圧延してチタン刃物材とし、このチタン刃物材を使用して刃物形状体を形成し、この刃物形状体を構成する前記ＭＡ材であるチタン粉末刃物材を１１００℃又は１２００℃の温度で焼結した後に研削して刃付けすることにより、前記ＭＡ材によって構成されるチタン粉末刃物材の両側面には前記チタン筐体のチタン板によるチタン側板が配された構成とするチタン刃物の製造方法。
- 請求項１において、前記ＭＡ処理は、ポットミルを使用して実行することを特徴とするチタン刃物の製造方法。
- 請求項１又は２において、前記チタン粉末は、チタン合金粉末又はスポンジチタン粉末であることを特徴とするチタン刃物の製造方法。
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