JPS6123071B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超硬合金と鋼材または鋳鉄からなる複
合耐摩部材の製造法に関するものである。

従来、WC−Co、WC−TiC−Co等で代表され
る超硬合金は切削工具、耐摩耗部材、耐衝撃工具
材等に広く利用されているが、特に耐摩耗部材と
して熱間圧延ロールや線引ダイス等では超硬合金
の靭性が鋼材に較べて低いために超硬ソリツドで
用いるとすれば必要以上に寸法を大きくして安全
係数を高めている。しかしながら、超硬合金は主
成分としてのWCやTiC、TaCが高価であり製品
としては極めて高くなり、省資源の上でも問題が
あつた。

この問題を解決するために通常は耐摩耗性を要
する部分のみに超硬合金を使用して鋼や鋳鉄との
複合部材として利用されている。この複合部材を
製造するには、超硬合金リングの内面に鋳ぐるみ
鋳造により接合し、その内側に鋼製リングを冷し
嵌め等により嵌合する方法や超硬合金と鋼製部材
の間にAg等のロー材を入れて全体を600〜900℃
で加熱することによつて両者をロー付けする方法
がある。しかし、前者の方法では鋳ぐるみ鋳造が
作業性悪く加工性に劣り、また接合面の強度が不
充分である。また後者の方法では全体を高温で加
熱するために超硬合金の熱膨張係数が鋼材の約1/
２であることから、ロー付面に熱応力が残り使用
中に割れるとか、大きなものの製造が困難などの
問題があつた。前者の方法でも熱応力の問題は同
様である。またロー付け法のものは、ロー付層が
高温での疲労強度が弱く使用時にロー付はずれ等
の現象があり耐熱性が劣る。

本発明は超硬合金と鋼材の接合法の改良により
上述の如く熱応力が発生せず、耐熱性が高い複合
耐摩部材の製造コストを大巾に引き下げられる製
造法を提供するものであり、従来不可能であつた
大型部品も製造可能にするものである。

本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、鋼材と超
硬合金の接合において接合面を１〜２mmの巾で溶
解すれば完全接合が可能であり、接合面に中間層
を設けることなく直接接合することが可能であ
り、この方法による複合部材は従来のものに較べ
て性能上も優れていることを見出したものであ
る。

また、接合面を１〜２mmの巾で溶解させる方法
として、アーク溶接、Tig溶接等各種の方法があ
るが、電子ビーム、レーザービーム等の高エネル
ギービームを使用すれば熱伝導率の関係で当接面
の鋼材側を優先的に溶解し、超硬合金側の当接面
はほとんど溶解させないことを見出したものであ
る。

金属の接合方法として電子ビーム等を用いるこ
とは特開昭56−45288号等に見られるように既に
知られているが、上記に記されているように接合
すべき一方の金属当接面に電子ビームを照射して
溶融接合するか、両方の当接面を溶融接合するか
によつて行われているのが特徴である。

本発明の特徴は超硬と鋼の当接面に高エネルギ
ービームを当てるが、超硬側を溶解せず、鋼を溶
解して接合することにある。すなわち、高エネル
ギービームで超硬側を溶解しようとすると高融点
である超硬合金に多量のエネルギーを与える必要
がある。超硬合金は熱衝撃にてキレツが生成し、
さらに溶接時の引張応力により割れが発生する。

一方鋼材側のみに高エネルギービームを照射し
鋼材の溶解により接合する方法であると、超硬合
金の温度が上らず接合しない。

本発明者らは超硬と鋼の接合において、キレツ
の発生もなく、高強度接合が可能となる溶接方法
を研究した結果、以下の結論を得た。

高エネルギービームのビーム径は例えば電子ビ
ームの場合直径0.3mmとされている。0.3mm以内は
温度が2500℃以上に上るとされ、鋼等の溶解する
範囲としてビーム中心から0.5mm位である。した
がつて、電子ビームが超硬と鋼の当接面から0.5
mm以内は超硬合金の表面温度が1300℃以上、すな
わち液相が生成する温度まで上げることが可能と
なり、超硬合金と鋼の接合が可能となる。よつて
電子ビームの場合、超硬と鋼の接合面の鋼側の
0.5mm以内にビームを入れることにより、鋼の溶
解と超硬合金の液相生成により完全接合が可能と
なることが分つた。

しかし、超硬合金と鋼材の場合は、電子ビーム
を超硬合金側当接面のみに照射しても溶融が不完
全であり、鋼材側当接面から0.5mm以上に照射す
れば溶融巾が広くなり、超硬合金側の加熱がない
ので接合強度が著しく低下する。本発明は電子ビ
ーム等の高エネルギービームを超硬合金と鋼材の
当接面から0.5mm以内の両方に当るように照射す
ることが必要であり、これによつて超硬合金側に
液相生成のための加熱効果、鋼材側に適度の溶融
巾が得られて始めて高強度の接合が可能である。
従つてまた、照射すべき当接面は、焼嵌め、冷し
嵌め、加圧等によつて充分に密着するように当接
させておくことも重要である。

本発明による複合部材は全体を高温にすること
もないので熱膨張率の差による応力が発生しない
ので使用時の変形、割れも発生せず、超硬合金と
鋼製部材の直接接合であるため疲労強度も高く圧
壊強度も高い。また溶解層が鋼材のみに発生し、
超硬合金は完全溶解させないため、超硬合金と鋼
（Fe）との反応により脆化層（Fe₃W₃C）が生成
しないことも特徴である。

次に本発明の実施態様について説明する。

超硬合金と鋼材が比較的小さい場合、即ち接合
面が小さい場合は第１図に示す如く当接面の全面
にわたり鋼材側を１〜２mm巾で溶融して接合する
が、熱間圧延ロール（モルガンロール等）の如く
大型耐摩部品の場合は接合端面の20mm以下の深さ
で溶融させれば充分であることが種々の実験によ
り判明した。普通の場合１〜15mmの溶接面で充分
である。第２図は熱間圧延ロールについての実施
例を示す断面図であり、超硬合金リング５の内側
にSCM２１の如き鋼材リング６を冷し嵌めによ
り嵌合し、両者の当接面Ａの端部に電子ビーム３
を照射し、鋼材側当接面に溶融層７を形成せしめ
超硬合金リング５と鋼材リング６とを接合してい
る。このようにすれば最も応力のかゝる中央部は
超硬合金と鋼材との直接接合であり接合層による
キレツの発生の心配がなく、全体として疲労強度
も高くなる。

また接合すべき鋼製部材としては超硬合金との
接合面は密着性、歪み吸収の点で較質の方がよ
く、炭素量が0.5重量％以下の鋼材が望ましく、
接合面以外は浸炭、焼き入れによつて硬度を上げ
て耐摩耗性を増大した方が、圧延ロール等の場合
好ましい結果が得られた。

これは溶接面で急冷による硬度上昇ならびに脆
化を防止することができ、一方工具として使用す
る場合、耐摩耗性が要求され部分ではHRc50〜60
程度にすることができるからである。

仮に超硬と鋼の当接面における鋼の炭素量制御
が困難な場合、超硬と鋼の溶接面のみNi、Co、
Cu等の純金属を挿入し、超硬側と純金属、純金
属と鋼の２回溶接を行い、超硬側と接する鋼の炭
素量を0.5％以下にすることが望ましい。これは
超硬と鋼の溶接により引張応力が発生するのに対
し、鋼が冷却時に塑性変形しないと、超硬合金に
クラツクを発生させるためである。

次に接合面に高エネルギービームを照射して当
接面を部分的に溶融していく場合、鋼材が溶解
し、鋼材中の炭素と酸素が反応してガスを発生す
る場合があり、この場合は鋼製部材を予め加工す
る時に脱ガス用の溝を設けると効果的であり、接
合層中のブローホールを除去することが可能であ
る。第３図は上記の圧延ロールの場合の鋼製部材
の外観図と、その１部拡大断面図であり、８が溶
接ビーム先端部に位置する溝であり、９，９′が
接合溶融層内から発生するガスを外部に排出する
ためのガス抜き溝である。

本発明は超硬合金部材と複数個の鋼製部材とを
複合する場合も有効である。

圧延ロールやスリツターの場合、超硬合金リン
グと鋼材リングの中間に別種の鋼材リング、鋳鉄
リングを介在させた複合部材が要求されることが
多い。その１つは、超硬合金リングの内側に300
℃までの熱膨張係数が３〜10×10^-6cm/℃の鋼材
を接合し、その鋼材リングの内側に中間の鋼材リ
ングより耐摩耗性の鋼材リングを接合する場合で
あり、もう１つは、超硬合金リングの内側に比較
的軟質で熱膨張を吸収し得る弾性限50Kg/mm²以下
の鋳鉄リングあるいは純金属リングを接合し、該
鋳鉄あるいは純金属の内側に鋼材リングを接合す
る場合であるが、いずれの場合においても、超硬
合金部材と中間に接合すべき鋼材リング又は鋳鉄
リング純金属の接合に上述の本発明の方法を適要
した結果、従来の方法による３層複合のロールや
スリツターに較べて寿命の長いものが得られた。
上記熱膨張係数の特定の材料としてはFe−Ni合
金、あるいはコバール等でもよい。特に熱の影響
を受け易い使用条件では有益である。

尚当接面に照射する高エネルギービームとして
は電子ビーム、レーザービームが接合精度の上で
好ましく、鋼材、超硬合金の酸化防止のため非酸
化性雰囲気又は真空中が必要であり、特にガス抜
きの点で真空中が望ましい。

実施例 外径159mmφ、内径87mm、厚み70mmの第２図の
如きモルガンロールにおいて、超硬合金部分を外
径159mmφ、内径123mmφに加工し、鋼材
（SCM21）を外径123mmφ、内径87mmφに加工し
た。この鋼材リングの外周面のみを滲炭しないよ
うに保護して、内周および上下面を滲炭焼入れ
し、鋼材面をHRc55とした。なお鋼材リングは滲
炭焼入れする前に第３図に示す如く溝とガス抜き
溝を設けておいた。次に、超硬合金リングと滲炭
焼入れした鋼材リングとを嵌合代0.015mmにて冷
し嵌めし、両者を当接密着せしめた。この当接面
Ａの端面円周状に、電子ビームを、電圧60KV、
電流90mmＡ、速度800mm／分、真空の条件でビー
ムが、超硬合金側と鋼材側当接面に当るように照
射した。得られたロールの鋼材側に1.0〜1.5mmの
巾、深さ15mmの溶接層が見られ、超硬合金側当接
面は全然溶解することなく両者は完全に接合して
いた。次にこのロールの圧環強度を測定したとこ
ろ、51.3トンであつた。なお従来のロー付け法に
よつて製造した同寸法の複合ロールの圧環強度は
27トンであり約２倍の強度であつた。以上述べた
如く、本発明により密着強度が強く、接合後の応
力が存在しない耐摩耗部材が精度高くしかも安価
に製造することが出来た。

本発明を利用し得る範囲としては超硬合金と鋼
材又は鋳鉄部材とを接合した複合工具のすべてに
適用可能であり、熱間圧延ロール、鋼材切断用ス
リツターは勿論、ドリル、パンチ、バイト、ホブ
等の工具にも適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を説明する超硬合金円柱
と鋼製円柱の複合部材の断面図、第２図は本発明
の実施例の１つを示す複合ロールの断面図、第３
図は同様本発明の実施例における鋼材リングの外
観図イとその一部断面図ロである。 １，５：超硬合金部材、２，６，６′：鋼製部
材、３：高エネルギービーム、４，７：溶接面、
８，８′，９，９′：溝、１０：溶接界面、Ａ：当
接面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超硬合金と鋼製部材からなる複合耐摩部材の
   製造において、超硬合金と鋼製部材を嵌合などで
   直接密着させ、その当接面端部の超硬合金と鋼製
   部材の両方又は少くとも鋼材側0.5mm以内に当る
   ように高エネルギー・ビームを非酸化性雰囲気又
   は真空中で照射して、鋼製部材の当接面の一部ま
   たは全面をスリツト状溶融、凝固させ超硬合金と
   溶接接合することを特徴とする複合耐摩部材の製
   造法。 ２ 超硬合金リングの内側に、300℃までの熱膨
   張係数が３〜10×10^-6cm/℃である鋼材リングま
   たは弾性限が50Kg/mm²以下の鋳鉄リングあるいは
   Cu、Ni、Coリングを当接密着させ、その当接面
   端部の超硬合金と鋼材の両方に当るように高エネ
   ルギービームを非酸化性雰囲気又は真空中で照射
   して、鋼材リングの当接面の一部または全面を溶
   融、凝固することによつて超硬合金と溶接接合
   し、更に該鋼材リングの内側に高硬度、耐摩耗性
   の鋼材リングを当接し、当接面を高エネルギービ
   ームによつて溶接接合することを特徴とする複合
   耐摩耗部材の製造法。 ３ 高エネルギービームが電子ビームまたはレー
   ザービームであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項、第２項記載の複合耐摩部材の製造法。 ４ 特許請求の範囲第１項、第２項において、鋼
   製部材の超硬合金との当接面にガス抜き用溝を設
   け両者を当接し高エネルギービームで照射して、
   接合面内のガスを除きながら溶接することを特徴
   とする複合耐摩部材の製造法。 ５ 特許請求の範囲第１項、第２項において、超
   硬合金がWCが85重量％以上であり、鋼製部材の
   炭素量が0.5重量％以下であることを特徴とする
   複合耐摩部材の製造法。