JP2008100348A - ガラスチョップドストランド製造用切断刃の製造方法及びガラスチョップドストランド製造用切断刃 - Google Patents

Abstract

【課題】刃部と基体部を接合する合金層に残留する応力が小さいため刃部と基体部を良好に接合でき、また合金層自体の強度が高いため刃部の折損が少ないガラスチョップドストランド製造用切断刃の製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明のガラスチョップドストランド製造用切断刃の製造方法は、超硬合金からなる刃部１ａと、炭素工具鋼からなる基体部１ｂをニッケル箔又はコバルト箔Ｎを介して整合させた後、その整合部をレーザー照射Ｒすることによって、刃部１ａと基体部１ｂとを合金層１ｃを介して接合する。また本発明のガラスチョップドストランド製造用切断刃は、本発明のガラスチョップドストランド製造用切断刃の製造方法により製造されたものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガラス繊維を一定の長さに切断するのに適したガラスチョップドストランド製造用切断刃に関する。

ガラス繊維の製造は、溶融ガラスを、ブッシング底部に形成された多数のノズルから引き出して、連続した細いガラスフィラメントとして紡出し、これを水スプレーで冷却し、さらに、サイジング剤を表面にコーティングして、数百本乃至数千本集束することによりガラスストランドとし、ガラスストランドをワインダーで巻取ってケーキと称される粗糸巻を形成する。巻取られたガラスストランドは、撚糸工程を経てヤーンとして、あるいは合糸工程を経てガラスロービングとして、それぞれ長繊維のまま使用されるほか、チョップ工程を経て一定の長さのガラスチョップドストランドとしてＦＲＴＰやＧＲＣ（ガラス繊維強化セメントの略称）等に使用されている。

上記チョップ工程で、ガラスストランドの切断に使用される繊維切断装置としては、一般に、図３に示すような装置が使用されている。この装置は、複数の切断刃１を等間隔で放射状に取り付けたカッターローラ２と、外周面にゴムを装着したゴムローラ３とを備えてなり、カッターローラ２とゴムローラ３との間にガラスストランドＧを送り込むことによって所定の長さ（例えば１．５〜１２ｍｍ）に切断するようにしている。

従来、この種のカッターローラ２に取り付ける切断刃１としては、耐衝撃性に優れているという理由から、焼入れ焼き戻しを施し、Ｈｖ．８００程度のビッカース硬度を有する炭素工具鋼の先端を研磨して刃付け加工を施したものが一般に使用されている。しかしながら、このような炭素工具鋼からなる切断刃１は、使用時間の経過とともに刃部が磨耗して切れなくなる。特にガラス繊維は、有機繊維等に比べて硬いため、刃部の摩耗が激しく、切断刃を数時間毎に交換する必要があり、これが生産効率を低下させる原因となっていた。

また、従来から耐磨耗性に優れている金属として超硬合金が知られており、超硬合金は磨耗しても研磨すれば再使用が可能といった長所を有するが、耐衝撃性の点では劣るという欠点がある。このため、超硬合金で作製したガラスチョップドストランド製造用切断刃１をカッターローラ２に取り付けた切断装置で、カッターローラ２を高速回転させた際に、切断刃１に過大な衝撃荷重が加わると、折損して飛散する虞れがあるため、カッターローラ２の回転を低速にしなければならず、これが生産効率の向上にとって障害となっていた。

上記の問題に対処するために、本出願人は、特許文献１において、刃部が超硬合金から形成され、基体部が焼入れ焼戻しを施した炭素工具鋼から形成され、刃先と基体部がニッケル合金層を介して接合されてなる繊維用切断刃を提案している。

上記の繊維用切断刃は、刃部が超硬合金で形成されているため耐磨耗性に優れ、また基体部が焼入れ焼戻しを施した炭素工具鋼で形成されているため耐衝撃性に優れており、繊維の切断時に基体部が振動を吸収するため刃部の折損を抑えることができる。さらに、この繊維用切断刃は、刃部と基体部とがニッケル合金層を介して接合されており、このニッケル合金層は、ニッケルが炭素工具鋼及び超硬合金に溶け込んだものであり、刃部の材料である超硬合金の熱膨張係数に近似した熱膨張係数を有しているため、刃部と基体部との接合部の残留応力が小さくなり、接合部に変形が発生せず高い強度を実現することができるといった長所を備えている。
特開平１１−１２３６９３号公報

特許文献１には、炭素工具鋼にニッケルを溶射して被覆した後、その被覆部と超硬合金の一端を整合させた状態でレーザー溶接することによって繊維用切断刃を作製する方法が開示されているが、このような方法で作製された切断刃は、接合部に残留する熱応力が大きくなりすぎたり、合金層自体の強度が不足することがあった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、刃部と基体部を接合する合金層に残留する応力が小さいため刃部と基体部を良好に接合でき、また合金層自体の強度が高いため刃部の折損が少ないガラスチョップドストランド製造用切断刃を提供することにある。

本発明のガラスチョップドストランド製造用切断刃の製造方法は、超硬合金からなる刃部と、炭素工具鋼からなる基体部をニッケル箔又はコバルト箔を介して整合させた後、その整合部をレーザー照射することによって、刃部と基体部とを合金層を介して接合することを特徴とする。

また本発明のガラスチョップドストランド製造用切断刃の製造方法は、レーザー照射がニッケル箔へ向けて照射されるＹＡＧレーザーによるものであることを特徴とする。

また本発明のガラスチョップドストランド製造用切断刃の製造方法は、ニッケル箔の厚みが０．２〜０．５ｍｍであることを特徴とする。

本発明のガラスチョップドストランド製造用切断刃は、本発明のガラス繊維用切断刃の製造方法によって製造されたものであることを特徴とする。

本発明において、合金層の幅方向の長さを、合金層の断面方向の長さの０．７〜３．５倍にすることが好ましい。その理由は、次の通りである。図１に示すように、本発明の繊維用切断刃は、超硬合金からなる刃部１ａと、炭素工具鋼からなる基体部１ｂとが合金層１ｃを介して接合されてなるが、合金層の幅方向の長さｔ１が、その断面方向の長さｔ２の０．７倍未満であると、刃部１ａと基体部１ｂとの接合部の残留応力が大きくなりすぎて、接合部に変形を生じ、強度が低下する。一方、合金層１ｃの幅方向の長さｔ１が、その断面方向の長さｔ２の３．５倍を超えると、合金層の強度が低下し、カッターローラを高速回転させた際に合金層自体に折損が生じる。ｔ１／ｔ２の好ましい範囲は、０．７５〜２．５、より好ましい範囲は、０．８〜２である。

合金層の幅方向の長さが、合金層の断面方向の長さの０．７〜３．５倍となるようにするためには、超硬合金からなる刃部と、炭素工具鋼からなる基体部をニッケル箔又はコバルト箔を介して整合させた後、その整合部をレーザー照射することによって、刃部と基体部をニッケル合金層又はコバルト合金層で接合すれば良い。つまり従来のように基体部にニッケルを溶射する方法では、ニッケルの付着状態が不安定となり、ニッケル合金層の形状を制御することが困難であるが、本発明のように、基体部の一端にニッケル又はコバルトからなる金属箔を整合し、金属箔に刃部の後端を整合させた後、その整合部にレーザーを照射して加熱すると、ニッケル又はコバルトが、炭素工具鋼の主成分である鉄と固溶すると共に、超硬合金に溶け込むことによって合金層が形成されるが、金属箔の厚みを選択することによって、合金層の寸法比を制御することが可能となる。

本発明の刃部を形成する超硬合金としては、金属元素炭化物の粉末と金属の粉末とを配合して焼結させた極めて硬い合金が使用可能であり、この合金は耐磨耗性に優れ、また磨耗しても研磨すれば再使用が可能である。具体的には、ＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系の合金が使用でき、これらの合金の熱膨張係数は、２５〜２００℃の温度域において４８〜６２×１０^-7／℃である。

また本発明の基体部を形成する炭素工具鋼は、炭素を含有する鉄に焼入れ焼戻しを施したものであり、耐衝撃性に優れている。具体的には、ＳＫ−５、ＳＫ−２等が使用でき、これらの熱膨張係数は、２５〜２００℃の温度域において１００〜１２０×１０^-7／℃である。

本発明では、刃部と基体部を接合する合金層が、ニッケル合金層又はコバルト合金層であることが好ましい。つまり刃部と基体部の間にニッケル又はコバルトを配置し、これを溶接すると、ニッケルやコバルトが炭素工具鋼及び超硬合金に溶け込み、一体化する。特にニッケル合金層は、超硬合金の熱膨張係数に近似した熱膨張係数を有するため、残留応力が発生し難く、材料費が安価であり、加工性にも優れているため好適である。

本発明に係るガラスチョップドストランド製造用切断刃の厚さは０．３〜４．５ｍｍであることが好ましい。切断先の厚さが０．３ｍｍ未満であると強度が低下し、また、切断刃の厚さが４．５ｍｍを超えると繊維の切断長を短くすることが困難になる。実用上、切断刃のより好ましい厚さは、０．３〜１．５ｍｍである。

また本発明に係るガラスチョップドストランド製造用切断刃は、刃部のビッカース硬度が、基体部のビッカース硬度の２．０〜３．０倍となるように構成することが望ましい。その理由は、刃部のビッカース硬度が、基体部のビッカース硬度の２．０倍未満になると、繊維の切断時に切断刃全体が過度に変形し（粘り）やすくなり、特にゴムローラが損耗してきた場合には、繊維に対して刃先が正確に当たらず、誤切断（ミスカット）が発生しやすく、逆に３．０倍超であると、両者の熱膨張係数差が大きくなり、安定して接合することが困難とあるからである。

さらに本発明に係るガラスチョップドストランド製造用切断刃は、基体部の接合端から他端までの長さ（基体部の幅）が、刃部の接合端から刃先までの長さ（刃部の幅）の２〜５倍となるように構成することが望ましい。その理由は、基体部の幅が、刃部の幅の２倍未満であると、カッターローラを高速回転させた際に基体部が振動を十分に吸収することが困難となり、逆に５倍超であると、繊維用切断刃の取付寸法による制限により刃部の幅が相対的に短くなり、刃部の研磨代が少なくなるからである。

次に、本発明のガラスチョップドストランド製造用切断刃の作製方法を説明する。

まず、刃部として、平均粒径が０．５〜１．０μｍで８５〜９５質量％のタングステンカーバイド（ＷＣ）粉末と、５〜１５質量％のコバルト（Ｃｏ）粉末とを配合して焼結させることによって所定の寸法形状（例えば刃部の接合端から刃先までの長さを３〜７ｍｍにする）に成形した超硬合金と、基体部として、０．８〜１．３質量％の炭素（Ｃ）を含有する鉄（Ｆｅ）に焼入れ焼戻しを施すことによって所定の寸法形状（例えば基体部の接合端から他端までの長さを１２〜２０ｍｍにする）に成形した炭素工具鋼とを準備する。次に、炭素工具鋼からなる基体部の先端にニッケル箔（厚み０．２〜０．５ｍｍ）を整合させ、ニッケル箔で整合された基体部の先端に超硬合金からなる刃部の後端を整合させた後、ニッケル箔にレーザーを照射して加熱する。これにより、ニッケルと炭素工具鋼及び
超硬合金とが局部的に加熱されてニッケル合金層を形成し、このニッケル合金層によって刃部と基体部とが接合される。このニッケル合金層（熱膨張係数は３０〜３００℃の温度域において４０〜４７×１０^-7／℃）は、ニッケルが炭素工具鋼の成分である鉄に固溶し、また超硬合金に溶け込んだものであり、また刃部の材料である超硬合金（熱膨張係数：２５〜２００℃の温度域において４８〜６２×１０^-7／℃）に近似した熱膨張係数を有するため、刃部と基体部との接合部に残留する熱応力が小さく、この接合部に変形を生じることなく刃部と基体部とが強固に接合される。こうして刃部と基体部とを接合した後、刃部の先端に刃付け加工を施すことによって繊維用切断刃が得られる。またニッケル箔に代えてコバルト箔を使用し、これに向けてレーザー照射することにより刃部と基体部を接合
することも可能である。

本発明のガラスチョップドストランド製造用切断刃を搭載した繊維切断装置は、カッターローラの表面に上記の切断刃の複数本を放射状に取り付けたものであり、刃部の摩耗が少ないため、ガラス繊維のような硬い繊維の切断に好適であり、しかもこの装置は、カッターローラを高速回転させても、基体部が振動を十分に吸収するため、刃先が折損することが少なく、ガラスチョップドストランドの生産性を大幅に向上させることが可能である。尚、カッターローラに対する切断刃の取り付けは、各切断刃が等間隔となるようにすれば良い。

また本発明のガラスチョップドストランド製造用切断刃を搭載した繊維切断装置において、各切断刃を近距離（例えば３ｍｍ間隔）で配置する場合、切断刃同士が接触して徐々に摩耗し、破損することがあるが、切断刃の両面にゴム（例えば厚み０．２〜０．５ｍｍ）等の緩衝材や金属製スペーサを取り付けると、切断刃が破損し難くなるため好ましい。

以上説明したように、本発明のガラスチョップドストランド製造用切断刃は、刃部と基体部を接合する合金層に残留する応力が小さいため刃部と基体部を良好に接合でき、また合金層自体の強度が高く、しかも刃部の磨耗が少ないため長時間に亘って使用することができ、耐衝撃性に優れているためカッターローラを高速回転させても折損が少なく、生産効率の大幅な向上を図ることができる。

また本発明のガラスチョップドストランド製造用切断刃を搭載した繊維切断装置は、切断刃の刃部の摩耗が少ないため、ガラス繊維のような硬い繊維の切断に好適であり、ガラスチョップドストランドの生産性を大幅に向上させることができる。

以下、本発明のガラスチョップドストランド製造用切断刃の実施例を図面に基づき詳細に説明する。

図１は本発明のガラスチョップドストランド製造用切断刃を示す説明図であって、（Ａ）は正面図を、（Ｂ）は（Ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。

ガラスチョップドストランド製造用切断刃１は、平均粒径が０．５μｍで９０質量％のタングステンカーバイド（ＷＣ）と、１０質量％のコバルト（Ｃｏ）とからなり、ビッカース硬度がＨｖ．１７００である超硬合金（２５〜２００℃の温度域における熱膨張係数５７×１０^-7／℃）により形成された刃部１ａ（肉厚１．２ｍｍ、幅５ｍｍ）と、９８質量％の鉄（Ｆｅ）と０．８質量％の炭素（Ｃ）を含有し、焼入れ焼戻しを施した、ビッカース硬度がＨｖ．８００である炭素工具鋼（ＳＫ−５：２０〜２００℃の温度域における熱膨張係数１１２．５×１０^-7／℃）により形成された基体部１ｂ（肉厚１．２ｍｍ、幅１３ｍｍ）とを備えている。刃部１ａと基体部１ｂとはニッケル合金層１ｃ（３０〜３００℃の温度域における熱膨張係数４０〜４７×１０^-7／℃）を介して接合され、この合金層の幅方向の長さｔ１は１．０ｍｍ、合金層の断面方向の長さｔ２は１．２ｍｍである。尚、ｔ１は、合金層の表面部の長さを測定し、またｔ２は、合金層の表面部同士の間隔を測定したものである。

上記のガラスチョップドストランド製造用切断刃１は、次のようにして作製した。

まず、図２（Ａ）に示すように、Ｃｏをバインダとして含むタングステンカーバイト（ＷＣ）の微粒を焼成した後、ＨＩＰ（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃｓ Ｐｒｅｓｓ）処理して、板状の超硬合金からなる刃部材１ａ′を作製した。また焼入れ焼戻しを施した炭素工具鋼を作製し、刃部材１ａ′の端面形状に合わせて加工して基体部１ｂを作製した。

次に、図２（Ｂ）に示すように、基体部１ｂの先端近傍に、厚さ約０．３ｍｍのニッケル箔Ｎを整合し、ニッケル箔Ｎで整合された基体部１ｂの先端に刃部材１ａ′の後端を整合させた状態で、ニッケル箔Ｎに向けてＹＡＧレーザーを照射した。このＹＡＧレーザー照射によりニッケル箔Ｎと基体部１ｂとが加熱され、図２（Ｃ）に示すように、主にニッケルが炭素工具鋼の成分である鉄に固溶し、また同時に超硬合金にも溶け込むことによってニッケル合金層１ｃ′が形成される。

こうして刃部材１ａ′と基体部１ｂを接合した後、図２（Ｄ）に示すように、刃部材１ａ′の先端に刃付け加工を施すことによって、刃部１ａと基体部１ｂがニッケル合金層１ｃを介して接合された繊維用切断刃１を形成した。

こうして得られた切断刃１の複数枚を、図３に示すようにカッターローラ２の周囲に等間隔で放射状に取付けて繊維用切断装置とした。この繊維用切断装置を用いて、カッターローラ２を周速度５００ｍ／分で回転させ、ガラスストランドＧを３ｍｍの長さに切断したところ、約６０時間が経過しても刃部１ａに折損は認められず、問題なく使用することができた。

これに対し、比較例として、ニッケル合金層の幅方向の長さｔ１が０．８ｍｍである以外は、全て実施例と同じ条件で切断刃を形成した。この切断刃を複数枚取り付けたカッターローラ２を用いて上記と同じ条件でガラスストランドＧを切断したところ、約３０時間が経過した時点で、基体部１ｂとニッケル合金層１ｃの境界付近に亀裂が生じているのが確認された。

また他の比較例として、ニッケル合金層の幅方向の長さｔ１が４．３ｍｍである以外は、全て実施例と同じ条件で切断刃を形成した。この切断刃を複数枚取り付けたカッターローラ２を用いて上記と同じ条件でガラスストランドＧを切断したところ、約１５時間が経過した時点で、ニッケル合金層１ｃの中央部に亀裂が生じているのが確認された。

また本発明におけるビッカース硬度は、ＪＩＳ Ｚ２２５１に準じて測定したものである。

本発明のガラスチョップドストランド製造用切断刃を示す説明図であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。 本発明のガラスチョップドストランド製造用切断刃を作製する工程を示す説明図である。 ガラス繊維切断装置を示す概略説明図である。

符号の説明

１ ガラスチョップドストランド製造用切断刃
１ａ 刃部
１ｂ 基体部
１ｃ ニッケル合金層
２ カッターローラ
３ ゴムローラ
Ｇ ストランド
Ｎ ニッケル箔
Ｒ レーザー照射方向
ｔ１ 合金層の幅方向の長さ
ｔ２ 合金層の断面方向の長さ

Claims (4)

1. 超硬合金からなる刃部と、炭素工具鋼からなる基体部をニッケル箔又はコバルト箔を介して整合させた後、その整合部をレーザー照射することによって、刃部と基体部とを合金層を介して接合することを特徴とするガラスチョップドストランド製造用切断刃の製造方法。
2. レーザー照射がニッケル箔へ向けて照射されるＹＡＧレーザーによるものであることを特徴とする請求項１に記戴のガラスチョップドストランド製造用切断刃の製造方法。
3. ニッケル箔の厚みが０．２〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記戴のガラスチョップドストランド製造用切断刃の製造方法。
4. 請求項１から請求項３に記戴のガラス繊維用切断刃の製造方法によって製造されたものであることを特徴とするガラスチョップドストランド製造用切断刃。

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