超硬合金と異種金属の接合
世界に羽ばたく新技術


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世界初!特許、原子の結合による超硬と鋼の接合
             異なる金属を結合する話
地球にはダイヤモンドをはじめ多くの宝石がある。これは超高温と超高圧をかけて生成される。この原理は摩擦圧接にもあてはまる。ここにタングステンを主原料とする超硬合金が出現して80年にもなる。鉄鋼材を削る切削工具や鉱山、土木機械に使用する掘削工具の刃先は殆ど超硬合金やダイアモンド、CBNが使用されている。硬いものほど脆い性質があり、Coの配分により靱性をもたせている。また、鋼材を接合して強度を保つが、超硬合金が刃先で鋼材が保持具である。例外として、高速切削時に振動防止と複雑な刃先構成にハイスを刃先とし、超硬合金を保持具とすることもある。
従来、超硬と鋼の接合にはロウ付けが常識とされてきた。真空中でプラズマ溶接や電子ビーム溶接では接合可能であるが、大気中で中間材を使用した摩擦圧接による拡散接合で、超硬と鋼に共有する原子を高摩擦熱により、部材を溶かさずに固相のまま接合する。自己発熱による省エネの機械で、高強度・高耐熱性、希少金属(レアメタル)の省資源に貢献する接合技術は、全世界が求めるニーズに答えるものと言っても過言ではない。今話題のCo2削減にも貢献するものである。

高強度・信頼性を実現させる

 異種材料の接合技術とその応用

当社の接合技術では、異種金属の接合が鉄系・非鉄系に限らず金属同志であれば、自由に接合可能である。例えばアルミと超硬、黄銅と鋼・アルミ・鋼など完全に接合する。特にアルミと超硬の接合は、自動車部品などの軸ものの軽量化に向けて提案したい。即ち、摩耗する先端に超硬を接合し、中間をアルミ端部に鋼を接合したりできる。強度に問題なければ中間にパイプも可能である。ここで問題になるのは、接合強度であるが、原子と原子の結合故に、絶対に接合部の破断はなく脆い超硬合金が破断する。さる学会の文献に接合強度を数値化したものがあるが、圧接の場合測定不能でナンセンスである。また超硬同士の接合を行なったが、超硬と鋼同様全く問題なく接合している。高温での接合で超硬に変形が見られた。この方法では、異なる材質の選択によりいろんな応用が可能である。

超硬と鋼の接合  (特許第4017992号
前項にも記したように、超硬と鋼の接合にはプラズマ溶接やろう付けが常識とされてきた。当社が摩擦圧接で直接接合しようと試みたが失敗し、施行錯誤の上、接合に成功した。直接できなければ、双方に共通する原子がある筈と想定し、調べた結果2個も出てきた。早速市販の材料を探したら、希望の材質があった。小躍りしてテストしたが、想定どおりの結果がでた。早速、高度計測センターに引っ張り試験や曲げ試験など数十回依頼したが、結果はいずれも超硬が破断した。前述のとおりである。平成22年のノーベル化学賞で触媒(パラジューム)を介して異なる炭素化合物を都合させた原理と全く同じで、触媒が中間材に相当する。

 従来の超硬のろう付け方法


1.ろう材料
  ろうには銅ろうが多く用いられた.銅は靱性に富み流動性もよく超硬合金となじみもよいが、1083℃と融点が高く、ろう付け作業が高温になり、鋼材が劣化するので、現在は特に切削熱が高く、超硬チップの緩みを生じるおそれのある強力切削を除いては用いられることが少なくなった。真鍮ろうは銅に比して低温で溶け、入手も容易であるが、ろう付けの接合強度に信頼性に乏しく、強度を要する切削工具には推奨されない。最近では切削工具ろう材としては銀を主成分とした特殊銀ろうが主で作業温度は650℃前後で、ろう付け性、信頼度がよくろう付け強度も強い。

2.ろう付け方法
  まず鋼シャンクを超硬チップに合わせてテーパ穴やVカットと称するX型の溝の加工をしなければならない。この際、加工精度に限度があるので、何個か同じ材料を用意し、接合面がよいものを選びろう付けする。次に溶剤を使って部品を洗浄し、フラックスを塗って酸化防止する。それからろうをシャンクに固定し、超硬チップを合わせて固定し、ガスバーナーや高周波により加熱、ろうが固まるまるのを待って徐冷する。

 摩擦圧接による金属の接合方法

(1) 固相接合法
   固相接合法の最もシンプルな形が鍛接で、昔の刀鍛冶が高温に熱した2枚の鋼材を重ねて金槌で打ち延ばして接合する方法で、靱性の高い鉄で切刃の硬いハガネを挟んで、叩きあげる。この方法はろう付けと並んで最も古い接合法で、現在でも刃物の製作には広く用いられている。固相接合法は文字通り母材を溶かさないで固相のまま接合する方法の総称である。

(2) 固相接合法の種類
   
この方法には拡散接合法、摩擦圧接法、冷間圧接法、爆発圧接法(通称:爆着法、ガス圧接法、超音波圧接法、熱間圧接法などがある。
(3) 摩擦圧接法
  
 摩擦圧接法は機械エネルギーを用いる比較的新しい接合技術であり、固相接合法に分類される。1957年に旧ソ連で金属接合法として開発された。いわば旋盤で超硬バイトで鋼材を削るとき、高温になって切削粉がバイトの刃先に焼き付き超硬チップが脱落(チッピング)着目されたとの話もあるが、実は当社もそれをヒントに超硬と鋼材の接合に取り組んだ。たまたまある圧接機メーカーに頼まれて機械営業に駆けずり回ったのが縁で、すっかり圧接にのめりこんだ。摩擦圧接は、熱エネルギーは他の熱源を必要とせず、自己発熱による合理的な接合機であり、公害もない。同種金属はもとより異種金属の接合にも優れている。

摩擦圧接の原理
摩擦圧接は回転により金属同志を接触させ、発熱により圧力をかけて接合する方法である。

摩擦圧接による
原子の結合(原理

   
圧接部             拡大図                           
     
  
                                        
                                                          接合部の組織写真(左、100倍、右、1000倍)

摩擦圧接による金属の接合方法

(1)固相接合法
  固相接合法の最もシンプルな形が鍛接で、昔の刀鍛冶が日本刀を作るときに、高温に熱した2枚の鋼材を重ねて金槌で打ち延ばして接合する方法で、靱性の高い鉄で切刃の硬いハガネを挟んで、叩き上げる。この方法はろう付け並んで最も古い接合法で、現在でも刃物の製作には広き用いられている。固相接合法は文字通り母材を溶かさないで固相のまま接合する方法の総称である。
(2)固相接合法の種類
  この方法には、拡散接合法、摩擦圧接法、冷間圧接法、爆発圧接法(通称・爆着法)、ガス圧接法、超音波圧接法、熱間圧接法などがある。

(2)摩擦圧接法
  摩擦圧接法は機械エネルギーを用いる比較的新しい接合技術であり、固相接合法に分類される。1957年に旧ソ連で金属接合として「開発された。旋盤で超硬バイトで鋼材を削るとき、高温になって切削粉がバイトに焼き付きチッピングを起こす。これがヒントで超硬と鋼材の摩擦圧接による接合に成功したのである。高温と高圧が最も重要な条件である。摩擦圧接は熱エネルギーは他の熱源を必要とせず、自己発熱による合理的な接合であり、公害もない。



圧接とろう付けの相違
ろう付けは前に述べたとおり、前加工・洗浄・ろう・外部加熱などして接合するが、650℃前後で溶け、完全に分離する。また接合強度が低く、強い衝撃に耐えられず超硬が脱落する。圧接は1200℃以上で接合するので、同程度の高温になっても解けるこたはなく、純粋な接合面は原子の結合により存在しない
(組織写真、参照)

異種金属の接合
  この特許技術を利用して、すべての異なる金属の接合が可能である。しかも原子の結合だから他の接合法とは比較にならいほど接合力がある。例えば、
棒材で磨耗する先端部を超硬にし、中間部をアルミ、端部に鋼を接合する。鉄、非鉄金属で組み合わせ自由であり、溶接やプラズマなどでできない接合が面いいくらいに接合できる画期的な接合技術である。

摩擦圧接機

ワークのセット
一般的には、主軸回転側にチャックを取り付け、スライドテーブル側にバイスを取り付ける。即ち、圧接しようとする二つの部材の片方を主軸チャックに固定し、片方をスライド側バイスに固定する。軸方向に加圧するのでロッドを固く締めつけ長さを調整する。
摩擦発熱工程
主軸を回転させテーブルをスライドしながら部材を接触させて一次圧をかけ、発熱させる。
アプセット加圧工程
高温になり所定の温度に達したら、二次圧(アプセット)をかけて一定時間保持させると、部材は高温・高圧により固相接合ができる。
接合後の熱処理
1300℃もの高温をかけた後で、そのまま放置すれば、必ずクラックを発生する。そこでワークを取り外しすぐに熱処理炉に入れて一定温度で徐冷する。特に超硬と鋼の場合、熱膨張係数が異なり、必ず徐冷しなければならない。




超硬と鋼の接合実例

                                                     トンネル用自由断面掘削機の試験削岩状況
偏摩耗した従来型ろう付けビット



 左、使用後の状態。右、使用前。

 超硬ドリル・シャンク側鋼                                             上部、SKH ,下部、超硬
    


ロードカッターコニカルビット

          左、圧接品。中央、従来のろう付け品。右、圧接前部品。

解説 従来のろう付け工具は衝撃によりチップが脱落したり、圧接と同条件ですぐに偏摩耗するが、圧接品はまだ十分に使用できる。圧接品は耐摩耗に優れ、長寿命のため交換回数が少なく、ひいては工期短縮につながり、大きなコストダウンとなる。また、先端部が摩耗した場合、切断して代替え品を接合 てリサイクルができる。                                                                  


 用 途
1.切削工具      ドリル ・エンドミル・リーマ                                                                         
2.掘削工具      ロードカッター用コニカルビット・トンネル掘削用ラウンドピック                                                                
3.機械部品      棒状の製品                                                                         
4.自動車部品     ロッド類  (両端に超硬または鋼を、中間にアルミで軽量化)                               
                                       

何でも接合


材料超硬と鋼 超硬+非鉄金属 超硬+超硬 (全ての金属の組み合わせ自由)

形状丸棒同士・丸棒と異形材・丸棒と板材(いずれも旋盤のチャックに取り付け可能なもの)
寸法・最小径 φ5、最大径 φ50

かながわ技術展示会 in NISSAN (左端、本田)
 

超硬圧接発表一覧

平成13年12月 第53回神奈川県発明考案展覧会 かながわ夢・アイディア展
           

平成17年11月 第57回 同 

平成14年 2月 日刊工業新聞 記事掲載
平成17年11月   同

平成14年11月 かながわビジネスオーディション 入選

平成19年 3月 大河出版社 ツールエンジニア 3月号 論文発表

平成19年10月 日本テクノセンター 講演 主題 異種金属の接合

平成17年 7月 テクノトランスファーinかわさき 出展・セミナー開催
平成18年 7月    同
平成20年 7月    同
平成19年 2月 テクニカルショーよこはま 出展・セミナー開催
平成20年 2月 同
平成21年 2月 同
平成22年 2月 出展
平成21年11月 パテントソリューシアフェア2009 東京国際展示場
平成22年11月 パテントソリュションフェア2010 東京国際展示場
主催 特許庁・関東経済観光局・広域関東圏知的財産戦略本部

平成22年11月産業交流展2010 出展


受賞一覧

平成13年12月 第53回神奈川県発明考案展覧会 発明協会神奈川県支部長賞 受賞
平成17年12月 第57回神奈川県発明考案展覧会 横浜市長賞 受賞

平成18年11月 かながわビジネスオーディション2006 入選

〒241−0001 横浜市旭区上白根町891 16−7−302
有限会社 ホンダマシン
TEL/FAX045−951−9365

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財団法人 日本特許情報機構 特許流通データベース・ライセンス番号L2007007671
神奈川県産学公データベース登録番号:001189:異種金属の接合


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