JPH0551628A - チタン製刃物及びその製造方法 - Google Patents

チタン製刃物及びその製造方法

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JPH0551628A
JPH0551628A JP23736391A JP23736391A JPH0551628A JP H0551628 A JPH0551628 A JP H0551628A JP 23736391 A JP23736391 A JP 23736391A JP 23736391 A JP23736391 A JP 23736391A JP H0551628 A JPH0551628 A JP H0551628A
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JP
Japan
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titanium
blade
titanium alloy
edge
melting
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JP23736391A
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English (en)
Inventor
Yasuo Murai
康生 村井
Eiji Takahashi
英司 高橋
Yoshinori Terada
好則 寺田
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
  • Nonmetal Cutting Devices (AREA)
  • Knives (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 実用上十分に硬い刃先を有するチタン又はチ
タン合金製の刃物及びその製造方法を提供する。 【構成】 チタン又はチタン合金の素材の刃先形成予定
領域に窒素ガスを含むシールドガスの雰囲気下でレーザ
ビーム3を照射し、この部分を溶融凝固させて硬化処理
する。必要に応じてこの硬化処理を複数回繰り返し、そ
の後、この部分を刃先に成形する。これにより、極めて
高硬度の刃先を有するチタン又はチタン合金製刃物を得
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、産業用、家庭用又はレ
ジャー用に使用されるチタン又はチタン合金製の刃物及
びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、チタン(Ti)又はチタン合金製
の刃物が製造販売されているが、これらの刃物は刃先が
硬化処理を受けてないため、硬度が高いとされるチタン
合金製刃物であっても、その刃先は実用に耐え得る硬度
になっていない。このため、従来のチタン又はチタン合
金製刃物はアクセサリーの域を出ていない。
【0003】而して、チタン又はチタン合金の硬化処理
方法としては、窒化処理、メッキ処理又はアーク溶融処
理等が公知である。窒化処理は、チタン又はチタン合金
材の表面を窒化させ、硬質の表面層を得るものである。
メッキ処理はチタン又はチタン合金材の表面に硬質のメ
ッキ層を形成するものである。アーク溶融処理は、シー
ルドガス中に窒素ガスを混合させた状態で、チタン又は
チタン合金材をアーク溶融させ、溶融金属に窒素を固溶
させることにより硬化させる方法である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
窒化処理による硬化方法は、処理時間が長いと共に、深
い硬化層を得ることが困難である。また、メッキ処理に
よる硬化方法は、深い硬化層を得ることができないと共
に、硬化層の密着性も刃物に使用するには問題が多い。
更に、従来のアーク溶融による硬化方法においても、単
にアーク溶融させるだけでは、刃物として必要な硬度を
得ることができない。
【0005】刃物として、実用に耐え得る硬さは、Hv
600乃至800程度である。このような硬度の硬化層
が刃先に少なくとも数mmの深さで形成されていること
が必要である。また、この硬化層に割れ等の欠陥が存在
していては刃物として実用に供し得ないことは勿論であ
る。しかしながら、前述の如く、従来の硬化処理方法を
適用しても、チタン又はチタン合金から実用に耐え得る
硬さの刃先を得ることはできない。
【0006】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、十分な硬度を有する刃先を持ち、割れ等の
欠陥が存在しないチタン製刃物及びその製造方法を提供
することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本願第1発明に係るチタ
ン製刃物は、チタン又はチタン合金からなる刃物であっ
て、その刃先が窒素ガスを含有するシールドガス中でレ
ーザ照射による溶融を一旦受けて硬化していることを特
徴とする。
【0008】本願第2発明に係るチタン製刃物は、チタ
ン又はチタン合金からなる刃物であって、その刃先が窒
素ガスを30体積%以上含有するシールドガス中でアー
クによる溶融を一旦受けて硬化していることを特徴とす
る。
【0009】本願第3発明に係るチタン製刃物の製造方
法は、チタン又はチタン合金の素材の刃先形成予定部分
を200℃以上に予熱する工程と、窒素ガスを含有する
シールドガス中で前記刃先形成予定部分にレーザ照射し
て局部的に溶融させた後凝固させる工程と、この凝固部
に刃先を成形する工程とを有することを特徴とする。本
願第4発明に係るチタン製刃物の製造方法は、チタン又
はチタン合金の素材の刃先形成予定部分を200℃以上
に予熱する工程と、窒素ガスを30体積%以上含有する
シールドガス中で前記刃物形成予定部分にアークを形成
して局部的に溶融させた後凝固させる工程と、この凝固
部に刃先を成形する工程とを有することを特徴とする。
【0010】
【作用】レーザビームによる溶融凝固処理 本願第1発明及び第3発明においては、チタン又はチタ
ン合金素材の刃先形成予定部分に窒素を含有するシール
ドガス中でレーザビームを照射して、この部分を一旦溶
融させ、凝固させることにより、硬化させる。これによ
り、前記素材の厚さ方向に深い硬化層を得ることができ
る。
【0011】レーザビームの照射により刃先形成予定部
分を溶融させる際に、通常のレーザ溶接のように、シー
ルドガスとしてHeガス又はArガスを使用したので
は、レーザ溶融部は硬化しない。このため、シールドガ
スとして、純窒素ガス又は窒素ガスとアルゴンガスとの
混合ガス等のように窒素を少なくとも含有するガスを使
用する。しかし、純窒素ガスの方がチタン又はチタン合
金を高効率で硬化させることができるので、純窒素ガス
を使用することが好ましい。このように、窒素を少なく
とも含有するシールドガス中でレーザビームにより溶融
させることにより、素材の溶融部にシールドガス中の窒
素が固溶し、この部分が硬化される。
【0012】レーザ溶融においては、アーク溶融に比し
て、溶湯とシールドガスとの間の反応時間が短いため、
シールドガス条件等にもよるが、1回の溶融及び凝固で
は刃物に要求される硬さが得られないことがある。この
ため、同一部分を複数回照射して、溶融凝固を複数回繰
り返すことが好ましい。このように、複数回溶融凝固を
繰り返すことにより、硬度が次第に高まり、所望の硬度
を得ることができる。レーザ溶融により刃先部分を硬化
させる本願第3発明においては、先ず、チタン又はチタ
ン合金の素材を200℃以上の温度に予熱する。レーザ
ビームにより溶融凝固処理した部分の硬度がHv600
以上になると、この溶融凝固処理した部分に、割れが発
生し易くなる。このため、レーザビームの照射に先立
ち、少なくとも刃先形成予定部分を200℃以上に予熱
する必要がある。
【0013】次いで、図1に示すように、チタン又はチ
タン合金の素材1を銅の当金2で四方から囲み、雰囲気
を窒素ガス又は窒素ガスを含む混合ガスとし、素材1の
上端面に、レーザビーム3を照射する。これにより、素
材1の上端面を溶融させ、次いで、レーザビーム3の照
射を停止してこの溶融部分を凝固させる。
【0014】このようにして、素材1の上端面にレーザ
ビーム3を照射して溶融凝固させた場合に形成されるビ
ード4の形状を図2に示す。レーザビーム3の照射条件
は、この図2に示すビード4の形状が残る程度のもので
あり、レーザビームの照射条件が強すぎて素材1の上端
部が溶け落ちてしまわないようにする必要がある。な
お、レーザビーム3の照射が不足すると、素材1の厚さ
方向に十分な溶融部を形成することができないことは勿
論である。このようなレーザビーム3による溶融及び凝
固処理を複数回繰り返す。
【0015】次いで、図3に示すように、素材1の上端
部のレーザビームの照射を受けた部分を通常のグライン
ダを使用して研削し、刃先5を成形する。これにより、
刃先5がレーザビーム3による溶融凝固処理を受けて硬
化した刃物が製造される。この刃物は、図2に示すよう
に、レーザビームによる溶融によってビード4が比較的
深く形成されるため、図3に示すように、その刃先5の
比較的広範囲が硬化処理を受けた領域となり、耐久性が
優れた刃物が得られる。アークによる溶融凝固処理 次に、本願第2発明及び第4発明について説明する。こ
の第2発明及び第4発明においては、レーザビームの替
わりにアークを形成して素材の上端面を溶融させる。具
体的な方法は、レーザビームの場合と同様である。ま
た、シールドガス中に、少なくとも窒素ガスを30体積
%以上含有させる。これにより、素材の溶融部に窒素が
固溶して、この部分が硬化する。
【0016】この場合に、この溶融凝固部を十分に硬化
させるために、窒素ガスを少なくとも30体積%含有す
るシールドガスを使用する。また、アーク溶接において
は、溶湯とシールトガスとの反応時間が長いので、純窒
素ガスをシールドガスとして使用すると、溶融凝固部に
窒素が過剰に添加され、この溶融凝固部に脆弱なTiN
化合物が生成する。これにより、刃先部が脆化するた
め、好ましくない。従って、シールドガス中の窒素含有
量は30乃至70体積%とする。
【0017】本願第4発明においても、硬化処理部の割
れ発生を防止するため、アーク溶融に先立ち、少なくと
もこの刃先形成予定領域を200℃以上に予熱する。
【0018】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。実施例1(レーザビームによる硬化処理) 先ず、チタン合金をレーザビームにより硬化処理した実
施例について説明する。使用した素材は、Ti−6重量
%Ar−4重量%V合金である。この素材の厚さは5m
m、幅が30mm、長さが200mmである。この素材
を図1に示す装置により、板厚中央部を溶融凝固処理し
た。下記表1はレーザ照射条件を示す。溶融凝固を1回
又は複数回繰り返した場合の硬化処理部の硬度を測定し
た結果を下記表2に示す。但し、表2において、硬度の
測定値は溶融凝固部で3点測定したときの平均値であ
る。
【0019】
【表1】
【0020】
【表2】
【0021】この表2から明らかなように、シールドガ
スが30%N2の場合よりも50%N2の方が硬化は効率
的に進行し、更に50%N2よりも100%N2の方が高
効率で硬化が進行する。また、硬化処理の回数が増加す
るにつれて、硬化部の硬度が上昇する。刃物として、所
望の硬度を得るためには、この条件では、3回以上硬化
処理を行うことが好ましい。特に、シールドガスが10
0%N2の場合には、硬化処理を3回以上繰り返すこと
により、Hv600以上の硬度を得ることができる。
【0022】図4はこの実施例のNo.8の条件で製造し
た刃物について、横軸に刃先先端からの距離をとり、縦
軸に硬度をとってその硬度分布を示すグラフ図である。
この図に示すように、刃先先端から極めて長い距離にわ
たって高い硬度を保持し、硬化処理された部分が極めて
広いことを示している。即ち、硬化処理表面から深さ方
向に5mm以上の距離にわたって硬度Hvが600以上
であり、表面に近いほど高硬度となっていて、刃物の刃
先として極めて好ましい分布を示している。実施例2(アークによる硬化処理) 使用した素材の組成及び形状は実施例1の場合と同様で
ある。素材の上端面の溶融は、TIG(Tungsten Inert
Gas)溶接法を応用し、タングステンを電極とするアー
ク溶融により硬化処理した。使用したシールドガスは不
活性(inert)ガスではなく、下記表3に示すように、純
窒素ガス又は窒素ガスを含むものである。下記表3にT
IG溶融条件を示す。また、各硬化処理における得られ
た硬化部の硬度測定結果を下記表4に示す。この測定結
果は、溶融凝固部の3点の測定結果の平均値である。
【0023】
【表3】
【0024】
【表4】
【0025】この表4から明らかなように、シールドガ
ス中の窒素ガスが20%の場合には、十分な硬度が得ら
れない。一方、30%又は50%の窒素ガスを混合した
シールドガスを使用し、1回又は2回硬化処理を施すこ
とにより、高硬度の硬化部を得ることができた。しかし
ながら、100%N2ガスをシールドガスとした場合に
は、高硬度の硬化部を得ることができるものの、溶融凝
固部に割れが発生し、刃物の刃先として不適であった。
【0026】図5はこのアーク溶融による硬化処理を行
った場合の硬度分布を、横軸に表面からの距離をとり、
縦軸に硬度Hvをとって示すグラフ図である。この図か
ら明らかなように、硬化部の深さは、レーザビームによ
る溶融凝固処理の場合に比して浅く、表面から2mmま
での部分で硬化していた。しかし、表面部においては、
Hv750以上の極めて高い硬度が得られた。
【0027】なお、本発明はTIG溶融に限らず、種々
のアーク溶融を適用することができる。また、素材とし
ては、上記実施例はチタン合金であるが、これに限ら
ず、純チタンを素材としてもよく、同様に高硬度の刃先
を得ることができる。
【0028】
【発明の効果】本発明によれば、所定のシールドガスの
もとで、レーザビーム又はアークにより溶融凝固処理を
施すので、極めて高硬度の刃先を得ることができ、チタ
ン又はチタン合金本来の優れた性質を生かして、実用性
が優れた刃物を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法を説明するための模式図である。
【図2】本発明方法により形成された溶融ビードを示す
模式図である。
【図3】本発明方法により得られた刃先を示す模式図で
ある。
【図4】レーザビーム溶融の場合の硬度分布を示すグラ
フ図である。
【図5】アーク溶融の場合の硬度分布を示すグラフ図で
ある。
【符号の説明】
1;素材 2;銅当金 3;レーザビーム 4;ビード 5;刃先

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 チタン又はチタン合金からなる刃物であ
    って、その刃先が窒素ガスを含有するシールドガス中で
    レーザ照射による溶融を一旦受けて硬化していることを
    特徴とするチタン製刃物。
  2. 【請求項2】 チタン又はチタン合金からなる刃物であ
    って、その刃先が窒素ガスを30乃至70体積%以上含
    有するシールドガス中でアークによる溶融を一旦受けて
    硬化していることを特徴とするチタン製刃物。
  3. 【請求項3】 チタン又はチタン合金の素材の刃先形成
    予定部分を200℃以上に予熱する工程と、窒素ガスを
    含有するシールドガス中で前記刃先形成予定部分にレー
    ザ照射して局部的に溶融させた後凝固させる工程と、こ
    の凝固部に刃先を成形する工程とを有することを特徴と
    するチタン製刃物の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記刃先形成予定部分をレーザ照射によ
    り局部的に溶融させて凝固させる工程は、これを複数回
    繰り返すことを特徴とする請求項3に記載のチタン製刃
    物の製造方法。
  5. 【請求項5】 チタン又はチタン合金の素材の刃先形成
    予定部分を200℃以上に予熱する工程と、窒素ガスを
    30乃至70体積%以上含有するシールドガス中で前記
    刃物形成予定部分にアークを形成して局部的に溶融させ
    た後凝固させる工程と、この凝固部に刃先を成形する工
    程とを有することを特徴とするチタン製刃物の製造方
    法。
JP23736391A 1991-08-23 1991-08-23 チタン製刃物及びその製造方法 Pending JPH0551628A (ja)

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