JPH042742A

JPH042742A - 複合チタン合金、複層チタン材、チタン刃物とそれらの製造方法

Info

Publication number: JPH042742A
Application number: JP2104033A
Authority: JP
Inventors: Tomio Nishikawa; 西川　富雄; Minoru Okada; 稔岡田; Wataru Takahashi; 渉高橋
Original assignee: FUSO OFF SERVICE KK; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: FUSO OFF SERVICE KK; Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-04-19
Filing date: 1990-04-19
Publication date: 1992-01-07

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［従来の技術］一般に刃物は切れ味を必要とすることから、高硬度であ
ることが必須条件であり、次いで必要に応じて靭性、延
性、耐食性を必要とする。従来、刀剣、包丁、ハサミ、
ナイフ等の刃物は、高硬度が容易に得られることから主
として炭素鋼で製造されている。靭性、延性を必要とす
る場合は、２層として刃金は高硬度の鋼とし、地金を高
延性の鋼とする和式刃物があり、洋式刃物は全体が同質
の鋼で製造さ、れている。

しかし炭素鋼は錆びやすいため、最近では一体のステン
レス鋼、あるいはその硬度不足を補うため高硬度炭素鋼
をステンレス鋼で挟んだクラツド鋼が使用されつつある
。さらに理美容用ハサミとして耐摩耗性を向上させるた
め、超硬被膜をイオンブレーティング法により形成した
もの（特開昭６Ｏ−２１２１８７）　、ナイフ・かみそ
り・せん定刃用として寿命を向上させるため、尖鋭部に
セラミックコーティング層を備えたもの（特開昭６ｌ−
３１１８９）、刃物・針・ハサミなどの硬度。

靭性、耐摩耗性、耐食性を向上させるため、チタン合金
を熱処理し、気相メツキで高硬度の表面層を形成したも
の（特開昭６ｌ−４４１７１）　、また磁気テープの切
断等においては強磁性物質を避ける必要があるためセラ
ミックス製の刃物が提案されている。

［発明が解決しようとする課題］炭素鋼製刃物は錆びが発生しやすく、特に料理用では塩
分に触れる機会が避けられないため、塩分に対する耐食
性が強く求められる。ステンレス製の刃物は硬度が低く
、切れ味に問題があると共に、耐摩耗性が低いため、研
磨回数が増大する。

表面に高硬度の表面処理を施す方法は耐食性と耐摩耗性
を改善するが、摩耗したときには再研磨が極めて困難に
なるとともに、表面処理被膜が薄いため一度研磨すれば
被膜が除去されてしまう。また炭素鋼は強磁性であるた
め１ｇｉ気テープ等の磁気を避ける必要のある部材の切
断には使用出来ない。セラミックス製は延性がないため
金属どうしの接触や落下などによる衝撃に対して欠けた
り、飛散したりして危険がある。また余りに硬質である
ため、再研磨が極めてＩ！Ｉ難であるなどの問題点があ
る。

なお一般にチタン材は耐摩耗性に劣ることが問題点の一
つであるため、機械構造部品の摺動部には従来の合金の
ままでは使用できないため、各種の表面処理が施されて
いる。したがって前述の刃物の問題点は同時にチタン合
金一般の問題点てもある。

そこで本発明の目的は、硬度が少なくとも刃物として必
要であるＨ　ｖ　７００以上で、塩分等に対して耐食性
があり、非磁性であり、延性を有し、曲げ強度が高く、
再研磨が容易な耐摩耗性複合合金とその製造方法、この
耐摩耗性合金を一面に有する複層材とその製造方法、さ
らに耐摩耗性、耐食性、非磁性で再研磨の可能な刃物と
その製造方法を提案することである。

［課題を解決するための手段］塩分に対する耐食性、非磁性、延性、強度、軽量の条件
を満たす工業用材料はチタン材である。

しかしチタン材は多くの長所を有するものの、銅のよう
に硬く出来ないことが欠点の一つであって、そのままで
は優れた刃物または耐摩耗性材料にはなり得ない。例え
ば刃物の硬度は、使用目的によっては、硬度を若干犠牲
にしても延性を確保する場合があるが、少なくとも、例
えばビッカース硬度で７００以上は必要であり、鋭利な
刃物は望ましくは７５０以上であって、上限は特にない
。重要なことは、例えば刃物の場合、いづれ寿命が来る
のであるから、特別な専門家に依存せずに、容易にかつ
安価に再研磨が可能であることである。

本発明者は上述のようなチタン材の優れた性質を生かし
つつ、硬度を増大させることを検討した結果、チタン材
は硬質物質を分散させても熱間焼結が容易であること、
熱間加工が容易であること、熱間圧接が容易であること
、硬質物質の量を適量にすることにより熱間加工性を維
持しながら刃物等耐摩耗性を必要とする製品に適した高
硬度が得られること、肉盛りが容易であることを見いだ
し、本発明を完成した。

本発明の要旨は次の通りである。なお、ここでチタン材
とは工業用純チタン、α型チタン合金、α＋β型チタン
合金、β型チタン合金等の結晶構造および金属組織に拘
らず、全てのチタンおよびチタン合金をいう。

（１）チタン材マトリックス中に合計が３０〜９０重量
％の１種または２種以上の硬質物質が分散してなる複合
チタン合金。

（２）一層がチタン材であり、他層が請求項（１）の複
合チタン合金である複層チタン材。

（３）請求項（１）の複合チタン合金からなるチタン刃
物。

（４）請求項（２）の複層チタン材からなり、刃金が複
合チタン合金、地金がチタン材であるチタン刃物。

（５）金属カプセルにチタン材粉末と合計が３０〜９０
重量％の１種または２種以上の硬質物質を混合封入し、
熱間静水圧処理を施し、次いで熱間加工したのち金属カ
プセルを除去する複合チタン合金の製造方法。

（６）チタン材と請求項（１）の複合チタン合金を重ね
合わせ、周囲を溶接により接合密閉したのち、熱間加工
し、必要に応じて冷間加工する請求項（２）の複層チタ
ン材の製造方法。

（７）チタン材の少なくとも一部に請求項（１）の合金
を肉盛りし、この肉盛り部を少なくとも刃金とするチタ
ン刃物の製造方法。

（８）刃物形状となした刃金側に請求項（１）の合金を
肉盛りしたのち、刃物に仕上げるチタン刃物の製造方法
。

［作用］図１に示すように、複合チタン合金１においてマトリッ
クス２としてチタン材を用いるのは、塩分に対する耐食
性、延性、強度に優れ、非磁性で軽量であるためである
。この複合チタン合金はそれ自身として耐食性、耐摩耗
性材料として使用出来る。例えば耐摩耗性を必要とする
部分に溶接、鑞付け、機械的取り付け、圧接等により取
り付けが可能である。さらに複層チタン材とする場合、
チタン材と容易に圧着出来る。

チタン材としては例えばＡＳＴＭ　　Ｇｄ、１〜４工業
用純チタンおよびさらに高酸素の純チタン系材料、例え
ばＴｉ−５Ａｌ−２，５５ｎ等の周知ノα型合金、例え
ばＴｉ−３Ａｌ−２，５Ｖ、Ｔ　ｉ　−６Ａ　Ｉ　−４
Ｖ等の周知のα＋β型合金１例えばＴｉ−１５Ｖ−３Ａ
Ｉ−３Ｃｒ−３８ｎ等の周知のβ型合金等、すべての工
業用チタンおよびチタン合金およびいかなる成分のチタ
ン材であっても使用可能である。

硬質物質を用いるのは製品の硬度を高めるためである。

硬質物質３はマトリックス２中に分散してマトリックス
２により保持される。

硬質物質３としては一種または二種以上の、例えばＴｉ
Ｃ，ＣｒＣ，Ｗ２Ｃ，ＷＣｌＶＣ，ＮｂＣ，ＺｒＣ等の
金属炭化物、例えばＴｉＮ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、Ｚ
ｒＮ等の金属窒化物、例えばＡ１□０３　、ＭｇＯ，Ｔ
ｉＯ□、Ｙ２Ｏ３、Ｔｈｅ２．ＵＯ２、ＺｒＯ，等の金
属酸化物、例えばＢＮ等の硼化物等が使用可能である。

これらは硬質物質であって、チタン材中に分散して複合
チタン合金１の硬度を上昇させる。硬質物質３の粒度は
微粉である程望ましい。複合チタン合金のコストを低減
させるためにスクラップを再利用するためにはＴｉ系化
合物が望ましい。

硬質物質３は多量である程高硬度が得られるが、合計量
を３０〜９０重量％とするのは、３０重量％未満である
と、耐摩耗性として必要な硬度、例えばビッカース硬度
で７００以上が得られないためであり、９０重量％を超
えると硬度が飽和すると共に熱間加工性が低下するため
である。

複合チタン合金１は高硬度であるから、これ自身として
耐摩耗材、例えば刃物あるいは耐摩耗部品として使用出
来る。

図２に示すように、複層チタン材４において一層として
チタン材５を用いるのは、複合チタン合金のマトリック
スと同様に、塩分に対する耐食性、延性、強度に優れ、
非磁性で軽量であること、ならびに他層とする複合チタ
ン合金１との溶接性、圧接性に優れるためである。複層
化は、硬質物質３を多量分散させて高硬度化した場合の
複合チタン合金の靭性と延性の低下を補うためである１
重複層チタン材は強度と延性を必要とし、かつ−面側に
高硬度と耐摩耗性が要求される用途に使用可能である。

例えば包丁の曲げ強さを改善する。

図３に例示するように、チタン刃物６において刃金７が
前記複合チタン合金１であるのは、刃金に必要な硬度、
耐食性、非磁性等の全ての性質を備えているためである
。

地金８をチタン材とするのは、刃金７が靭性および延性
が不足の場合にこれらを補うためである。

また切刃９を刃金７より軟質材で広幅にして刃１０の再
研磨を容易にする効果も得られる。図３は刃物に複層チ
タン合金を使用している例であるが。

刃金だけで十分な靭性、延性、強度が得られる場合、あ
るいは製造が容易である場合は複合チタン合金１だけで
よい。この刃物は再研磨により、硬化層のみが容易に損
耗し尽くすということはない。

複合チタン合金１の製造方法においてチタン材粉末と硬
質物質２を混合し、熱間静水圧法で製造するのは、製品
に硬質物質の基本組成および配合量を確保するとともに
熱間加工性を確保するためである。もとより試行により
配合量と分散量の関係を求め、適当な熱間加工性が得ら
れる場合は溶解法で製造してもよい。

熱間静水圧処理材望ましい。しかし８００℃未満では粉末の圧着と高密度
化に長時間を要する。上限は特に制限はないが、例えば
鉄製のカプセルを用いる場合は約１Ｑ５０℃である。こ
の温度を超えるとチタン材と鉄との共晶点に達し、カプ
セルが溶解すると共にチタン材と合金化する。

熱間静水圧処理材の必要寸法への加工は変形抵抗を下げ
、変形能を増大させて必要寸法を容易に得るため、さら
に高密度化のため熱間で行なう。

加工温度は８００℃未満では変形抵抗が高く変形能が低
いため、高温であるほうが望ましい。例えば鉄製のカプ
セルを用いたまま熱間加工する場合は１０５０℃である
。鉄製カプセルを除去して熱間加工する場合は、マトリ
ックスの過度の酸化を防ぐため約１２００℃以下が望ま
しい。加工方法は板材とする場合は鍛造、圧延が容易な
方法であり、棒材とする場合は＃ｉＩ造、造出押出能な
方法であり、管材とする場合は圧延、押出が可能な方法
である。カプセルは最終製品に不要のため除去する。

複層チタン材４の製造方法においてチタン材５と複合チ
タン合金１を重ねて熱間加工するのは、両者を圧接する
ためである。両者は互いに溶接可能であるから、重ね合
わせて周囲を溶接することにより容易に熱間加工用スラ
ブまたはビレットにすることが出来る。重ね合わせて溶
接するのはチタン材と複合チタンとを一体化するためで
あり、周囲を溶接密閉するのは重ね合わせた隙間への空
気の侵入を防止するためである。隙間には空気が少ない
方が望ましいが特に真空にする必要はない。

チタン材は高温で酸素や窒素と反応しやすく、高温加熱
によりこれらのガスを吸収して自然に真空になる。熱間
加工後は必要により冷間加工をしても良い。

複層チタン材は必要により熱処理する。熱処理条件はチ
タン材側の材質に応じて条件を設定する。

純チタン系またはα型合金の場合は焼鈍だけでよい、α
＋β型合金の場合は焼鈍または焼入れ焼戻し処理、β型
合金の場合は焼入れ時効処理を行なってもよい。

チタン刃物の他の製造方法は、刃物のチタン材製地金素
材または粗形状材に刃金となる位置に複合チタン合金を
肉盛りし、肉盛り部を刃の位置となるよう地取りし、ま
たは研磨し、刃物に加工すれば良い。

刃物は形状加工後、必要に応じて熱処理する。

歪み取り焼鈍を行なう場合の焼鈍温度は４５０〜７００
℃程度でよい。形状加工後または歪み取り焼鈍後、通常
の研磨を行なう。刃物の使用後に再研磨を必要とする場
合は、通常の方法で切刃を研磨すれば良い。

［実施例コＪＩ８２種級工業用純チタン粉末、Ｔｉ−６Ａ１−４ｖ
粉末、ＴｉＣ粉末、Ｗ　ｚ　Ｃ、Ａ　１２０３粉末、Ｔ
ｉＮ粉末を軟鋼製カプセル（５０ｍｍｘ１００＋ｍｘ　
２００＋ｎｍ）に真空封入し、８００〜１０００℃１５
時間熱間静水圧加工を施し、次いでカプセル付きのまま
１０ｍｍまで８００−１０００℃で熱間圧延した。表１
に素材粉末の配合量、熱間静水圧処理温度、熱間圧延温
度、得られたビッカース硬度を示す。

熱延材から酸洗によりカプセル材を除去し、マトリック
スが純チタンのものは、ＪＩＳ２種純チタン板（２０ｍ
ｍ厚さ）、マトリックスがＴｉ−６Ａｌ−４Ｖのものは
Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ板（２０ｍｍ厚さ）を重ねて周囲を
溶接し、圧延素材（３０ｍｍｘ７０ｍｍｘ１５０ｍｍ）
として９００　’Ｃで熱間圧延した。複合材と純チタン
またはＴ　ｉ　−６Ａ１−４Ｖとの接合面は超音波探傷
検査で検出できないほど良好であった。

４　発明の効果本発明における複合チタン合金においてはマトリックス
がチタン材からなるから塩分等に対して耐食性があり、
非磁性であり、適度の延性と強度を有し、硬質物質を分
散させているから高硬度を有する。したがって、高い耐
摩耗性を必要とする部材、例えば刃物材料、摺動部品と
して使用することができる。

複層チタン材においては一面がチタン材からなり、他面
が前記複合チタン合金からなるから、耐摩耗性を有する
と共に全体の強度と延性は前記複合チタン合金のみより
向上している。

刃物においては刃金が前記複合チタン合金からなり、ま
たは刃金が前記複合チタン合金、地金がチタン材からな
るから、刃の寿命が確保さ九ると共に、切刃を広幅にで
き、かつ再研磨が容易で、靭性・延性に優れているから
、料理用はもとより磁気テープ等の磁気物質の性質を変
化させることなく切断できる優れた安全な刃物が得られ
る。以上の結果、本発明は従来技術の課題を解決し、産
業の発達に寄与する効果が極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

図１は複合チタン合金の概略の組織を示す図である。図
２は複層チタン材の概略の断面組織を示す図である。図
３は複層チタン材を用いた場合の刃物の概略の断面を示
す図である。１・・複合チタン合金　２・・マトリックス３・・硬質
物質　　　　４・・複層チタン材５・・チタン材　　　
　６・・チタン刃物７・・刃金　　　　　　８・・地金９・・切刃

Claims

【特許請求の範囲】

（１）チタン材マトリックス中に合計が３０〜９０重量
％の１種または２種以上の硬質物質が分散してなること
を特徴とする複合チタン合金。
（２）一層がチタン材であり、他層が請求項（１）の複
合チタン合金であることを特徴とする複層チタン材。
（３）請求項（１）の複合チタン合金からなることを特
徴とするチタン刃物。
（４）請求項（２）の複層チタン材からなり、刃金が複
合チタン合金、地金がチタン材であることを特徴とする
チタン刃物。
（５）金属カプセルにチタン材粉末と合計が３０〜９０
重量％の１種または２種以上の硬質物質を混合封入し、
熱間静水圧処理を施し、次いで熱間加工したのち金属カ
プセルを除去することを特徴とする請求項（１）の複合
チタン合金の製造方法。
（６）チタン材と請求項（１）の複合チタン合金を重ね
合わせ、周囲を溶接により接合密閉したのち、熱間加工
し、必要に応じて冷間加工することを特徴とする請求項
（２）の複層チタン材の製造方法。
（７）チタン材の少なくとも一部に請求項（１）の合金
を肉盛りし、この肉盛り部を少なくとも刃金とすること
を特徴とするチタン刃物の製造方法。
（８）刃物形状となした刃金側に請求項（１）の合金を
肉盛りしたのち、刃物に仕上げることを特徴とするチタ
ン刃物の製造方法。