浸炭ロウ付け法
【課題】クロム系ステンレス鋼からなるスラブ搬送装置の掴み爪を最大９３０℃の高温域で浸炭焼き入れする工程において、浸炭焼き入れと同時に掴み爪にステライト丸棒を銀ロウ付けするためには少なくとも９３０℃の高温域で安定して銀ロウ付け状態が維持できることが必要であった。
【解決手段】１００％フッ化物の液体フラックスと銀ロウの組み合わせにて、浸炭温度の９３０℃までフッ素が出続けることでロウ材とロウ付け面のシール作用、清浄作用、表面張力除去作用が可能となり信頼性の高い浸炭ロウ付けが可能になった。
【解決手段】１００％フッ化物の液体フラックスと銀ロウの組み合わせにて、浸炭温度の９３０℃までフッ素が出続けることでロウ材とロウ付け面のシール作用、清浄作用、表面張力除去作用が可能となり信頼性の高い浸炭ロウ付けが可能になった。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鋼部材に対して浸炭とロウ付けを同時に行う鋼部材の浸炭ロウ付け法に関する。また、浸炭ロウ付け法の応用として、スラブ搬送クレーンなどに装備されている吊りトングの先端部のトング爪（トング爪の挟持部もしくは丸型回転爪）の浸炭ロウ付けに関する。特開昭５７−１１８６号広報や特開２００９−１３２５３２号広報に示すようにトング爪を球状に形成するとともにその回転軸を中心にして表面に輪状突出歯（多重リング爪）を複数輪段設けたトング爪に耐摩耗材を浸炭ロウ付けする方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常鋼部材の浸炭処理は９００℃前後の温度にて一定時間保持される。９００℃前後で使用可能なロウ材は銀ロウ、黄銅ロウ、銅マンガンロウ、青銅ロウなどが考えられる。銀ロウは高価であるがフラックスの工夫によりアルミニウムやマグネシウム以外の鉄、非鉄金属のロウ付けに広く使用されている。黄銅ロウ、銅マンガンロウ、青銅ロウはそれぞれ問題がある。（１）黄銅ロウは成分としての亜鉛の蒸気圧が高いため容易に気化して浸炭処理の雰囲気にとって有害である。（２）銅マンガンロウはマンガンが極めて酸化しやすいためロウ付けした製品の品質が不安定となる。（３）青銅ロウはスズの含有量が１５ｗｔ％以下のため融点が９００℃以上と高く浸炭ロウ付けを同時に行うことができない。融点を下げるためにスズ含有量を１５ｗｔ％以上にすることも考えられるが金属間化合物が析出して素材が脆くなり加工性が損なわれ線材に加工できない問題がある。昭５８−１６１７７２号広報には、鋼部材のロウ付けと浸炭とを同時に行う方法において銅を主成分とする材料とスズを主成分とする材料を近接してロウ付けする方法が提案されている。
【０００３】
特開平１−２３７０９６号広報には、浸炭とロウ付けを同時に行うために銅を主成分としてスズ５〜１０ｗｔ％、銀２０〜３０ｗｔ％のロウ材が提案されている。
【０００４】
特開２００１−２７６９９８号広報には、当接された金属部材の加熱と並行して行われるロウ付けに使用されるロウ付け用フラックスであって、ホウ酸、ホウ酸塩、フッ化物を含有し、さらに０．２〜３．０ｗｔ％の金属ホウ素を含有することを特徴とするロウ付け用フラックスが提案されている。銅マンガンロウ付け用のフラックス中に金属ホウ素（Ｂ）を入れて、金属ホウ素を炉中の未燃焼酸素と反応させて酸化ホウ素とすることでフラックス機能を持たせるようにしたものである。この反応式は、４Ｂ＋３Ｏ２→２Ｂ２Ｏ３（酸化ホウ素）として表わされる。金属ホウ素を添加したフラックスはホウ酸塩が餅のように熱膨張して体積が増大する問題があり、非貫通穴に耐摩耗材を挿入してロウ付けする場合は耐磨耗材が浮き上がってしまう問題があった。
【０００５】
一般的にスラブ搬送クレーンは熱間スラブと冷間スラブを搬送するように対応している。８５０〜１０００℃の熱間スラブと冷間スラブを混在して搬送する場合、輪状突出歯の先端は入熱と放熱が繰り返され約６２５±５０℃で平衡する。特開昭５７−１１８６号広報において本発明者は輪状突出歯を有するトング爪と輪状突出歯の肉盛方法について発明したが、輪状突出歯の先端が高温で座屈しやすいことから形状修復のため短周期で旋盤加工せざるを得ない。従来の輪状突出歯の材料である１３クロム系の肉盛が座屈に耐えるのは最大７００℃までである。１６Ｃｒ−１６Ｍｎのオーステナイト系の肉盛は比較的熱間スラブに強いが加工硬化するため再生する際の旋盤加工が難しい問題がある。ステライト肉盛は１３クロム系の５倍以上の長寿命であるが疲労するとクラックがはいり、輪状突出歯がスラブに喰い込んだ際にクラックの一部がスラブに食い込んで残留するため後工程のロールを傷めたり製品に圧延疵を形成したりする問題があった。また加工硬化した肉盛材はクラックが母材近くまで進行している場合が多く肉盛再生は不可能であり廃棄せざるをえずコスト高になっていた。特開２００９−１３２５３２号広報の発明による丸型回転歯（トング爪）は輪状突出歯の再生加工のために特開昭５７−１１８６号広報の丸型回転歯（トング爪）の交換を容易にしたものである。
【０００６】
トング爪の輪状突出歯の表面に複数の穴を形成し、この穴にステライトなどの耐摩耗材を圧入し銅マンガンロウ付けする方法が考えられるが、耐摩耗材を銅マンガンロウ付けする際の温度は８００〜８５０℃の高温であり、従来多用されている硬ロウ付け用フラックスは高温酸化雰囲気では使用できない問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５７−１１８６号広報 「回転爪と肉盛」
【特許文献２】特開２００９−１３２５３１号広報 「丸型爪を収納する顎」
【特許文献３】特開昭５８−１６１７７２号広報 「浸炭ロウ付けのロウ材」
【特許文献４】特開平１−２３７０９６号広報 「浸炭ロウ付けのロウ材」
【特許文献５】特開２００１−２７６９９８号広報 「浸炭ロウ付けのフラックス」
【特許文献６】特開２００９−０９０３６８号広報 「ガス切断用気化フラックス」
【特許文献７】特開２００９−２９７７８２号広報 「液体フラックスと製造装置」
【特許文献８】特開２０１０−１００４４１号広報 「液体フラックスと製造装置」
【特許文献９】特開２００９−２５５１０５号広報 「気化装置」
【特許文献１０】特願２０１０−１６５５６５号広報 「液体フラックス」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
浸炭焼き入れと並行してロウ付けを可能にするために、ロウ材及びロウ付け用フラックス及びロウ付け方法を具現化する。このロウ付け方法を採用してスラブ搬送クレーンのトングトング爪の輪状突出歯の寿命を延長する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の解決手段は特許請求項１に示すように、鋼母材の浸炭処理と前記鋼母材と金属材のロウ付けを同時に行う浸炭ロウ付け法において、前記鋼母材に穿孔し、該孔に前記金属棒を挿入するとともにロウ材と液体フラックスを充填して浸炭炉に入れて加熱して前記鋼母材の浸炭と前記金属材のロウ付けを同時に行う浸炭ロウ付け法である。
【００１０】
第２の解決手段は特許請求項２に示すように、前記液体フラックスは、カリウム（Ｋ）、ホウ素（Ｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、カルシウム（Ｃａ）、ケイ素（Ｓｉ）、アルミニウム（ＡＬ）、窒素（Ｎ）のいずれかを含むフッ化物の中から１種または２種以上のフッ化物を選択し、フッ素（Ｆ）含有量が３０〜７０ｗｔ％となるように調合した調合フッ化物をアルコールもしくはアセトンなどの溶媒に溶解した液体フラックスである浸炭ロウ付け法である。
【００１１】
第３の解決手段は特許請求項３に示すように、前記調合フッ化物は、フッ化水素（ＨＦ）、酸性フッ化カリ（ＫＨＦ２）、ケイフッ化カリウム（Ｋ２ＳｉＦ６）、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）、フッ化カリウム（ＫＦ）、カリ氷晶石（Ｋ３ＡｌＦ６）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ３）、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）である浸炭ロウ付け法である。
【００１２】
第４の解決手段は特許請求項４に示すように、前記ロウ材は銀ロウである浸炭ロウ付け法である。
【００１３】
第５の解決手段は特許請求項５に示すように、前記鋼母材はスラブ搬送クレーンのトング爪であり、該トング爪の材質は１３クロム系ステンレスであり、前記金属棒はステライトである浸炭ロウ付け法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による効果は、（１）浸炭と並行してロウ付けができる、（２）フラックスから生じるフッ化水素、フッ化カリウムなどのガスにより鋼母材の孔内面や金属棒表面の酸化膜や不動態膜を確実に除去できる、（３）スラブ搬送クレーンのトング爪の寿命を延長できるのでクレーンの稼働率を向上できることである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】浸炭前に鋼母材に金属棒を埋め込んだ横断面図
【図２】トング爪の横断面図
【図３】トング爪の平面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態を図１、図２、図３に基づいて説明する。
【００１７】
第１の解決手段は特許請求項１に示すように、鋼母材１０の浸炭処理と前記鋼母材１０と金属材２０のロウ付けを同時に行う浸炭ロウ付け法において、前記鋼母材１０に穿孔し、該孔１１に前記金属棒２０を挿入するとともにロウ材３０と液体フラックス４０を充填して浸炭炉に入れて加熱して前記鋼母材１０の浸炭と前記金属材２０のロウ付けを同時に行う浸炭ロウ付け法である。
【００１８】
金属棒３０を挿入するために鋼母材１０に穿孔する。この孔１１の最奥には１２０°の皿もみ空間が錐のすくい角として形成される。この皿もみ空間に６０〜１２０メッシュランダムのパウダー状ロウ材３０を一孔につき０．１〜１．０ｇずつ小さじなどで投入する。さらに液体フラックス４０を注射器やスポイトなどで０．１〜１．０ｃｃ入れてから金属棒２０を挿入する。液体フラックス４０は６５〜７０％がアルコールやアセトンの揮発性溶媒のため蒸発する。蒸発を助けるため金属棒２０にはエア抜き用のＶ溝２１を設けてもよい。液体フラックス４０の溶媒が蒸発した後には液体フラックス４０の含有成分である複数のフッ化物が孔１１の底面に粉体状に残留する。この複数の粉体フッ化物は浸炭炉が常温から９５０℃程度に温度上昇する間に、それぞれの固有の温度領域でフッ素ガスを発生させ酸化防止すると同時に金属棒２０や鋼母材１０の不動態膜を除去する。不動態膜は鋼母材１０と金属棒２０のギャップや金属棒２０のＶ溝２１からフッ化水素（ＨＦ）ガスとともに孔１１から排出される。ロウ材３０は所定の溶融温度に達すると瞬時に鋼母材１０と金属棒２０の隙間に浸透してロウ付けが完了する。浸炭炉に入れる前に再度Ｖ溝２１に注射針やスポイトなどにて液体フラックス４０を０．１ｃｃ程度注入することでフッ化物を補助的に添加できるのでシールを完全にすることができる。液体フラックス４０であるためこのような追加注入が可能である。
【００１９】
液体フラックス４０は特開２００９−０９０３６８号広報、特開２００９−２９７７８２号広報、特開２０１０−１００４４１号広報にて製造できる。
【００２０】
鋼母材１０は１３クロム系ステンレスや炭素鋼などが使用できる。金属棒２０はステンレス、炭素鋼、超硬、ステライトなどが使用できる。
【００２１】
ロウ材３０は銀ロウや銅マンガンロウなどが使用できる。
【００２２】
第２の解決手段は特許請求項２に示すように、前記液体フラックス４０は、カリウム（Ｋ）、ホウ素（Ｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、カルシウム（Ｃａ）、ケイ素（Ｓｉ）、アルミニウム（ＡＬ）、窒素（Ｎ）のいずれかを含むフッ化物の中から１種または２種以上のフッ化物を選択し、フッ素（Ｆ）含有量が３０〜７０ｗｔ％となるように調合した調合フッ化物をアルコールもしくはアセトンなどの溶媒に溶解した液体フラックス４０である浸炭ロウ付け法である。
【００２３】
従来１００％フッ化物だけから構成される液体フラックス４０は無かったが、本発明者は特願２０１０−１６５５６５号広報の発明で具現化した。
【００２４】
フッ化物の最大の特長はアルカリ金属及びアルカリ土類元素と結合することで還元元素と清浄作用と表面張力除去が同時にできることである。液体フラックスの溶媒が蒸発した後の残留フッ化物からフッ化ガスが１００〜９３０℃まで連続して出ることで、浸炭炉中の一酸化炭素や酸素からロウ材やロウ付け部表面を保護できるので酸化の問題はなく８００℃近辺で一瞬にしてロウ付け完了する。ホウ酸塩の最大の特長は耐熱、酸化防止であるが、今回のように９９％は孔１１の中に隠れたロウ付けであれば酸化対策はほとんど必要ないことからホウ酸塩は不要である。
【００２５】
特開２００１−２７６９９８号広報の発明は鋼母材１０の浸炭処理と並行的に行われるロウ付けにおいて、ロウ材３０としては２０〜４５ｗｔ％のマンガンと残部が銅から成っている銅マンガンロウ材、フラックスとしてはホウ酸、ホウ酸塩、フッ化物、０．２〜３．０％の金属ホウ素を含有するフラックスを使用したものである。しかしながら、マンガン含有量が３０ｗｔ％よりも多くなると通常ロウ材３０として採用されているような線材の形にすることは困難でありさらに粉末にすることはマンガンの酸化が激しいため一層困難である。金属ホウ素の融点は２３００℃であり非常に高く浸炭炉温度９３０℃ではまず溶解しない。金属ホウ素の含有範囲を０．２〜３％の範囲で抑えているが現実的には上限値は３％ではなくせいぜい０．８％〜１％というところである。浸炭炉で２〜３時間加熱されることで炉中の未燃焼酸素と金属ホウ素が反応してホウ酸ガラスになることで好結果を出していると推定される。浸炭ガス中の酸化防止対策のため金属ホウ素を入れることは高温化におけるフラックスの耐熱性を向上させることになる。浸炭炉が能力的に１００％還元燃焼したら１００％のＣＯ２ガスであり金属ホウ素は全く反応せずホウ酸ガラスが生成することもないので金属ホウ素を入れることは無駄である。金属ホウ素を生かすには浸炭炉に過剰酸素を流すなどの工夫が必要である。本発明のように、金属棒２０を孔１１に挿入するようなロウ付けの場合は、炉中ガスにさらされる面積が少ないので高価な金属ホウ素を使用するのは無駄である。むしろ金属ホウ素の餅状膨らみにより金属棒２０が孔１１から浮き上がる現象が生じる。銅やマンガンは単独元素では安価であるが銅マンガンロウ材となると銀ロウ並みの価格となり高コストであるため無理に銀ロウに対抗して使うほどの効果は無い
【００２６】
特開２００１−２７６９９８号広報おけるフラックスは、還元ガスとしての水素ガス発生量が１．７４％と低いことは母材に対する還元力としては不足している。またフッ素ガスの１７．９７％は清浄作用と表面張力除去作用としては不足である。銅マンガンロウのロウ付け温度は最大９００℃であるが浸炭炉温度はさらに９３０℃まで上昇する。従来の硬ロウフラックスはこの高熱、酸化雰囲気の中でロウ付け面をシールするために最大５０％のホウ酸塩元素で酸化物を還元し結果として生成するホウ酸ガラスなどのスラグによって、二次的に表面をシールして酸化を防ぐという考え方に基づくものである。むしろ浸炭炉の中で必要なのは（１）炉内ガス中でも常に活性化すること、（２）ロウの流動性を保持すること、（３）スラグが表面に浮き上がりロウ付け部の二次的シール性が生まれること、（４）ロウ付け過程で生成するスラグが簡単に除去できることである。このためには、常温から９３０℃まで次第に温度が上昇する過程で連続してシール性を発揮するフラックスであることが最重要である。フッ化物の最大の特長はアルカリ金属及びアルカリ土類元素と結合することで還元元素と清浄作用と表面張力除去が同時にできることである。ホウ酸塩の最大の特長は耐熱、酸化防止である。今回のように鋼母材１０の孔１１の中に挿入した金属棒２０のロウ付けであれば酸化対策はほとんど必要ないし耐熱性は最大９３０℃以内である。
【００２７】
第３の解決手段は特許請求項３に示すように、前記調合フッ化物は、フッ化水素（ＨＦ）、酸性フッ化カリ（ＫＨＦ２）、ケイフッ化カリウム（Ｋ２ＳｉＦ６）、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）、フッ化カリウム（ＫＦ）、カリ氷晶石（Ｋ３ＡｌＦ６）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ３）、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）である浸炭ロウ付け法である。
【００２８】
フッ化物でも１０００℃以上に耐えるフッ化アルミニウム（Ｋ３ＡｌＦ６）はＫＦ（８５９．５℃）＋ＡｌＦ３（１０４０℃）の形に分解し、ケイフッ化カリウム（Ｋ２ＳｉＦ４）はＫＦ（８５９．５℃）＋ＳｉＦ４（−９５．７℃）の形で分解する。ＫＨＦ２は融点２２５℃で２７０℃にてフッ化水素（ＨＦ）に分解する。このような反応をうまく組み合わせることで高温域でのロウ付けをフッ化物の組み合わせで可能にした。ＫＢＦ４は融点２００℃、沸点５００℃である。ＫＦは融点８５９．５℃、沸点は１５０５℃である。液体フラックス４０はこのようなフッ化物だけで構成されておりしかも全くホウ酸塩が含まれていないためホウ酸塩の膨張により金属棒２０が孔１１から浮き上がることは無い。
【００２９】
第４の解決手段は特許請求項４に示すように、前記ロウ材３０は銀ロウである浸炭ロウ付け法である。
【００３０】
銀ロウは硬ロウの１種で銅、亜鉛、カドミウムなどの合金である。ロウ付け温度は７１０〜９００℃の温度範囲である。アルミニウムやマグネシウム以外の鉄、非鉄金属のロウ付けに広く使用されている。銀ロウはＢＡＧ−８を使用するのが望ましい。ＢＡＧ−８（銀７１〜７３％、銅残部）は固相線温度７７９℃、液相線温度７７９℃のためロウ付けは７８５±３℃近辺で一瞬に完了する。２元共晶合金のためロウ付け隙間が狭いほど効果が大である。ＢＡＧ−８のような２元共晶合金は隙間の狭い物体のロウ付けで還元炉や真空炉溶接専用として開発されたロウ材である。銀含有量が高いため高価であるが熱伝導率は銀ロウ中最高であり、２元合金ロウの最大の特長として液相と固相温度が同じのため一回溶解したものは７７９℃以上でないと溶解しない。このため７７９℃以下で使用するロウ材として多く採用されている。１００〜１０００℃の各温度領域でフッ化物が分解するように配合することでホウ酸塩を使う必要はない。
【００３１】
第５の解決手段は特許請求項５に示すように、前記鋼母材１０はスラブ搬送クレーンのトング爪５０であり、該トング爪５０の材質は１３クロム系ステンレスであり、前記金属棒２０はステライト棒２０である浸炭ロウ付け法である。
【００３２】
トング爪５０の材料は１３クロム系を採用するのが望ましい。金属棒２０はステライト棒２０を選択するのが望ましい。トング爪５０の表面には球面状に輪状突出歯１２を設けている。トング爪５０の形状は特開昭５７−１１８６号広報に示されているように表面に輪状突出歯１２を設けた回転式のトング爪５０が望ましい。
【００３３】
ステライト丸棒Φ４．８の先端部に約１０°のテーパを形成し、このステライト丸棒２０を挿入するためのΦ４．９の錐孔１１をＵＳ４０３などの１３クロム系に形成する。この錐孔１１の最奥には１２０°の皿もみ空間が錐のすくい角として形成される。この皿もみ空間にＢＡＧ−８のパウダー６０〜１２０メッシュランダムを一孔につき０．３ｇ小さじにて投入し、さらに液体フラックス４０を注射器やスポイトなどで０．２ｃｃ入れてΦ４．８×長さ２６ｍｍのステライト丸棒２０をハンマーにて打ち込みステライト丸棒２０を挿入する。液体フラックス４０は６５〜７０％がメチルアルコールのため１〜２日程度でエア抜き用のピッチ６ｍｍ、深さ０，３ｍｍのＶ溝より１００％蒸発する。トング爪５０の孔底には溶媒が蒸発した後に３〜４種類のフッ化物が１５０〜３００メッシュのパウダー状に底面に残留する。この粉体フッ化物が常温から９５０℃程度に温度上昇する間に、各温度にて蒸発するフッ化物の中のフッ素ガスが出ることで酸化防止すると同時にステライト丸棒２０の不動態膜を除去する。除去された不動態膜や酸化膜はギャップ０．０５ｍｍよりフッ化水素（ＨＦ）ガスにてエア抜きのＶ溝を伝って孔１１表面に運び出される。このようなメカニズムで孔１１内面やステライト丸棒２０の表面は清浄化されるので、ＢＡＧ−８の２元銀ロウが７９９℃に達した際に瞬時に銀ロウ完了する。浸炭炉に入る前に念のため、０．３ｍｍのＶ溝２１に注射針にて再度液体フラックス４０を０．１ｃｃ程度注入することでピッチ６のＶ字溝２１全部を液体フラックス４０が埋めることで１００％シールすることができる。液体フラックス４０のためこのような追加注入が可能である。
【００３４】
浸炭キャリアガスのメタンガス、ブタンガス中のＣＯ２、ＣＯ、Ｏ２ガスがロウ付け部に浸入するのを防ぐには孔１１の内圧を正圧に維持する必要がある。液体フラックスの残留成分であるフッ化物はフッ化水素などのガスを発生させて孔１１の中を正圧に保つ。フッ化水素ガス（ＨＦ）がＨとＦに高温分解する過程でステライト丸棒２０表面の不動態膜及び１３クロム系の鋼母材１０の酸化クロム膜を除去する。ＢＡＧ−８の二元銀ロウを流すための表面張力除去を最大３時間キープすることである。液体フラックス４０中のアルコール蒸発後に残留する超微粒子のフッ化物が孔１１底部及び孔１１とステライト棒２０の隙間０．０５ｍｍの間に残ることが重要である。そのためにもアルコールの蒸発後再度液体フラックスを空気抜きのＶ溝に沿って注射針などで注入する。浸炭とロウ付けを同時に並行して施工する分２回の液体フラックス４０注入作業が必要である。
【００３５】
銀ロウ材３０としてはＢＡＧ−８（銀７１〜７３％、銅残部）望ましい。ＢＡＧ−８は固相線温度７７９℃、液相線温度７７９℃のためロウ付けは７８５±３℃近辺で一瞬に完了する。２元共晶合金のためロウ付け隙間が狭いほど効果が大である。そのため１３クロム系の回転式のトング爪５０にΦ４．９の孔１１を穿孔して、Φ４．８ステライト丸棒２０を挿入する。孔とステライト丸棒の隙間は片側０．０５ｍｍであり、この隙間をフッ化ガスが１００〜９３０℃まで連続して出ることで炉中に一酸化炭素や酸素があっても８００℃近辺で一瞬にしてロウ付け完了するため酸化防止の必要もない。
【００３６】
銀ロウのＢＡＧ−８のような２元共晶合金は隙間の狭い物体のロウ付けで還元炉や真空炉溶接専用として開発された銀ロウで銀含有量が高いため高価であるが、液相と固相温度が同じのため一回溶解したものは７７９℃以上でないと溶解しない。トング爪５０で高温スラブと低温スラブを無作為に搬送する場合でもトング爪５０の輪状突出歯１２は６２７℃で入熱と放熱が釣り合うためステライト丸棒２０の抜け落ちは無い。
【００３７】
トング爪５０の場合の浸炭処理は９３０℃で２時間浸炭、拡散２．５〜３時間、８５０℃にて油焼き入れ後１５０〜１８０℃にて２時間の焼き戻しをする。キャリアガスはメタン（Ｃ４Ｈ１０）２Ｎｍ３＋（Ｏ２）３〜４Ｎｍ３であり浸炭とロウ付けを同時にするためには十分な熱量と保持時間である。２元合金の銀ロウ材３０であるＢＡＧ−８が７７９〜８００℃のところで一瞬に溶解しロウ付けするためにはロウ付け部隙間にキャリアガスが入らぬよう液体フラックス４０の残留フッ化物が内圧保持することである。液体フラックス４０の主成分がフッ化物のため発生ガスはフッ素ガスであり、１３クロム系の孔とステライト丸棒の表面の酸化膜を破る。
【００３８】
ステライト丸棒２０はモールドダイス押し出し法で製造するため、表面には不動態膜としてクロム、コバルト、モリブデンなどの酸化膜（ＣｒＯ２、ＣｏＯ２、ＭｏＯ２など）が薄く張り付いている。これを除去するには強力な酸が必要であり、最適なのはフッ化水素（ＨＦ）である。酸性フッ化カリは２７０℃にて、ＫＨＦ２→ＫＦ＋ＨＦとなる。フッ化水素（ＨＦ）は融点−８４、沸点１９．５４℃である。フッ化カリウム（ＫＦ）の融点は８５９．５℃、沸点は１５０５℃である。ケイフッ化カリウムは、Ｋ２ＳｉＦ６→２ＫＦ＋ＳｉＦ４となる。四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）の融点は−８６℃、沸点は−９５．５℃である。カリ氷晶石（Ｋ３ＡｌＦ６）は、Ｋ３ＡｌＦ６→３ＫＦ＋ＡｌＦ３となる。ＡｌＦ３の融点は１０４０℃、沸点は１２６０℃である。この組み立てにて各温度レベルで連続的に発生するフッ素ガスやＨＦ、ＫＦ、ＳｉＦ４の働きにてステライト棒２０表面の不動態膜を除去する。従来の硬ロウフラックスにはホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）、ホウ砂（Ｎａ２Ｂ４Ｏ７）などのホウ酸塩が４５〜５５％含まれていた。代表的な硬ロウの例として、フッカカリウム（ＫＦ）２０ｗｔ％、酸性フッ化カリウム（ＫＨＦ２）２０ｗｔ％、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）１０ｗｔ％、ホウ砂（Ｎａ２Ｂ４Ｏ７）１０ｗｔ％、ホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）４０ｗｔ％の配合割合の物がある。このような代表的な硬ロウでも５０％のホウ酸塩にて構成されている。むしロウ浸炭炉の中で必要なのは（１）炉内ガス中でも常に活性化すること、（２）ロウの流動性を保持すること、（３）スラグが表面に浮き上がりロウ付け部の二次的シール性が生まれること、（４）ロウ付け過程で生成するスラグが簡単に除去できることである。このためには、常温から９３０℃まで次第に温度が上昇する約３時間の過程で連続してシール性を発揮するフラックスであることが最重要である。
【００３９】
表１は上段が特開２００１−２７６９９８号広報の固体フラックスの成分例を示し、下段は本発明による液体フラックス４０の成分例を示す。
【表１】
本発明の液体フラックス４０は、酸性フッ化カリウム（ＫＨＦ４）、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）、フッ化カリウム（ＫＦ）、ケイフッ化ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＦ６）、氷晶石（Ｎａ３ＡｌＦ６）を溶媒に溶解したものである。還元作用の元素はＫ、Ｎａ、Ｂ、Ｈ、Ａｌ、Ｓｉであり４２．５１％含有している。清浄作用と表面張力除去作用の元素はＦであり４７．４９％含有している。比較例と本発明ではフッ素で約３．２倍、還元元素で１．０７倍多くなっている。浸炭炉中ロウ付けの清浄効果とステライト丸棒２０の酸化膜除去を目的とするためである。特開２００１−２７６９９８号広報の還元ガスとしての水素ガス発生量が１．７４％と低いことは鋼母材１０に対する還元力としては不足している。またフッ素ガスの１７．９７％は清浄作用と表面張力除去作用としては不足である。銅マンガンロウのロウ付け温度は最大９００℃であるが浸炭炉温度はさらに９３０℃まで上昇する。従来の硬ロウフラックスはこの高熱、酸化雰囲気の中でロウ付け面をシールドするために最大５０％のホウ酸塩元素で酸化物を還元し結果として生成するホウ酸ガラスなどのスラグによって、二次的に表面をシールして酸化を防ぐという考え方に基づくものである。
【００４０】
スラブ搬送クレーンは機械的な緩みや走行レール及びランウェイガーターの劣化により年数がたつほど揺れが大きくなる。レール振動吸収のゴムパットやレール押さえのスプリング構造及び皿バネ押さえと起重機側もそれなりの対策をとっても振動は抑えきれずスラブの落下の危険性は増す。まして無人運転が多くなるためスラブ山搬送中の落下はスラブ積載山の荷崩れに繋がるため選別スラブのコンピュータの処理搬送のため一回積層崩れを起こすとシステム復旧に多大の手間を要する。運転マンの乗ったクレーンは経験的に輪状突出歯１２の摩耗や座屈によるスラブの滑りを判断できるため適正なタイミングにおける輪状突出歯１２の交換が可能であるが、コンピュータによる自動運転クレーンは一回荷崩れを起こすとシステム復旧に手間がかかる。従ってトング爪５０の輪状突出歯１２の摩耗対策は極めて重要である。
【００４１】
スラブ搬送クレーンの最大のネックはトング爪５０である。金属は５００℃を境として急激に硬度降下するので、常時６２７±５０℃近辺で使用されるトング爪５０の輪状突出歯１２は通常２週間に一回取り外して旋盤加工して再生する。輪状突出歯１２は回転歯のため旋盤加工が容易であるため従来の直歯に代わって採用されている。直歯は剪断力とスラブ曲がりによるモーメントを受けるため約３００ｍｍの直線歯が欠ける事故も頻発するので、そのたびにトング一台につき１セット４個交換するのに２〜３名で半日を要していた。旋回可能な輪状突出歯１２とすることで直歯に比べ寿命が長くなりしかも運転マン一人で３０分以内に交換が可能である。近年省エネのために連鋳機より加熱炉まで８００〜１０００℃でスラブを流す生産様式が採用されることが多くなり、スラブ搬送クレーンのトング爪５０の輪状突出歯１２はその分使用条件が厳しくなっており再生加工や交換周期が短くなっている。
【００４２】
１３クロム系を採用した場合輪状突出歯１２の硬度とステライト丸棒２０の硬度はどちらもＨｓ６５±２とほぼ同じであるが、１３クロム系の輪状突出歯１２は５００℃を境として急激な硬度低下の傾向があるが、ステライト丸棒２０の硬度低下量は小さいためスラブに表面に確実に食い込んでスラブを掴むことができる。回転式のトング爪５０の最大の特長はスラブ搬送クレーンがレールの上を走る時の上下、左右の振動に対しても輪状突出歯１２がスラブに食い込んだまま回転して衝撃的な剪断力やモーメントを逃がすことが可能でありスラブが落下することはないことである。１３クロム系の熱膨張係数は１０．４×１０Ｅ−６であり、ステライト丸棒の熱膨張係数は１３．８〜１４．９×１０Ｅ−６であることからステライト丸棒２０が孔１１から抜け落ちることはない。かつ銀ロウ３０の熱膨張係数は１５．５×１０Ｅ−６であり略ステライト丸棒２０と同等のためステライト丸棒２０は長期にわたり安定的にロウ付け状態が維持される。
【００４３】
輪状突出歯１２に埋め込まれたステライト丸棒２０を輪状突出歯１２の中心軸側に対して５〜１０°傾斜することで歯先が０．４２〜０．８４ｍｍ傾斜して突き出ているためスラブに食い込んだステライト丸棒が偏心している角度だけ回転力を生む。スラブキャッチの際の強制的回転力に生まれ変わりスラブに喰い込むため均一な摩耗となる。微速回転のため一回につき２〜３ｍｍであるが結果的に３６０°回転する。スラグ表面の酸化膜は内側から順にＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４と酸化膜は成長している。傾斜歯先のΦ４．８のステライト丸棒傾斜歯がこれら酸化膜に点当たりして食い込むため酸化スケールが集中応力を受けた状態となりスラブ表面酸化スケールにクラックが入りスケールが脱落しやすくなる。ステライト丸棒２０は０．４〜０．８ｍｍ出た分常にスラブに食い込むが硬度は低下しない。一方、１３クロム輪状突出歯１２の表面は硬度が低下するため磨耗が早いので結果的にステライト丸棒２０は輪状突出歯１２表面から常に０．４２ｍｍは飛び出すことになりサメの歯のように常に適正な食い込み形状が維持される。
【符号の説明】
【００４４】
１０：鋼母材
１１：孔
１２：輪状突出歯
２０：金属棒
２１：Ｖ溝
３０：ロウ材
４０：液体フラックス
５０：トング爪
【技術分野】
【０００１】
本発明は鋼部材に対して浸炭とロウ付けを同時に行う鋼部材の浸炭ロウ付け法に関する。また、浸炭ロウ付け法の応用として、スラブ搬送クレーンなどに装備されている吊りトングの先端部のトング爪（トング爪の挟持部もしくは丸型回転爪）の浸炭ロウ付けに関する。特開昭５７−１１８６号広報や特開２００９−１３２５３２号広報に示すようにトング爪を球状に形成するとともにその回転軸を中心にして表面に輪状突出歯（多重リング爪）を複数輪段設けたトング爪に耐摩耗材を浸炭ロウ付けする方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常鋼部材の浸炭処理は９００℃前後の温度にて一定時間保持される。９００℃前後で使用可能なロウ材は銀ロウ、黄銅ロウ、銅マンガンロウ、青銅ロウなどが考えられる。銀ロウは高価であるがフラックスの工夫によりアルミニウムやマグネシウム以外の鉄、非鉄金属のロウ付けに広く使用されている。黄銅ロウ、銅マンガンロウ、青銅ロウはそれぞれ問題がある。（１）黄銅ロウは成分としての亜鉛の蒸気圧が高いため容易に気化して浸炭処理の雰囲気にとって有害である。（２）銅マンガンロウはマンガンが極めて酸化しやすいためロウ付けした製品の品質が不安定となる。（３）青銅ロウはスズの含有量が１５ｗｔ％以下のため融点が９００℃以上と高く浸炭ロウ付けを同時に行うことができない。融点を下げるためにスズ含有量を１５ｗｔ％以上にすることも考えられるが金属間化合物が析出して素材が脆くなり加工性が損なわれ線材に加工できない問題がある。昭５８−１６１７７２号広報には、鋼部材のロウ付けと浸炭とを同時に行う方法において銅を主成分とする材料とスズを主成分とする材料を近接してロウ付けする方法が提案されている。
【０００３】
特開平１−２３７０９６号広報には、浸炭とロウ付けを同時に行うために銅を主成分としてスズ５〜１０ｗｔ％、銀２０〜３０ｗｔ％のロウ材が提案されている。
【０００４】
特開２００１−２７６９９８号広報には、当接された金属部材の加熱と並行して行われるロウ付けに使用されるロウ付け用フラックスであって、ホウ酸、ホウ酸塩、フッ化物を含有し、さらに０．２〜３．０ｗｔ％の金属ホウ素を含有することを特徴とするロウ付け用フラックスが提案されている。銅マンガンロウ付け用のフラックス中に金属ホウ素（Ｂ）を入れて、金属ホウ素を炉中の未燃焼酸素と反応させて酸化ホウ素とすることでフラックス機能を持たせるようにしたものである。この反応式は、４Ｂ＋３Ｏ２→２Ｂ２Ｏ３（酸化ホウ素）として表わされる。金属ホウ素を添加したフラックスはホウ酸塩が餅のように熱膨張して体積が増大する問題があり、非貫通穴に耐摩耗材を挿入してロウ付けする場合は耐磨耗材が浮き上がってしまう問題があった。
【０００５】
一般的にスラブ搬送クレーンは熱間スラブと冷間スラブを搬送するように対応している。８５０〜１０００℃の熱間スラブと冷間スラブを混在して搬送する場合、輪状突出歯の先端は入熱と放熱が繰り返され約６２５±５０℃で平衡する。特開昭５７−１１８６号広報において本発明者は輪状突出歯を有するトング爪と輪状突出歯の肉盛方法について発明したが、輪状突出歯の先端が高温で座屈しやすいことから形状修復のため短周期で旋盤加工せざるを得ない。従来の輪状突出歯の材料である１３クロム系の肉盛が座屈に耐えるのは最大７００℃までである。１６Ｃｒ−１６Ｍｎのオーステナイト系の肉盛は比較的熱間スラブに強いが加工硬化するため再生する際の旋盤加工が難しい問題がある。ステライト肉盛は１３クロム系の５倍以上の長寿命であるが疲労するとクラックがはいり、輪状突出歯がスラブに喰い込んだ際にクラックの一部がスラブに食い込んで残留するため後工程のロールを傷めたり製品に圧延疵を形成したりする問題があった。また加工硬化した肉盛材はクラックが母材近くまで進行している場合が多く肉盛再生は不可能であり廃棄せざるをえずコスト高になっていた。特開２００９−１３２５３２号広報の発明による丸型回転歯（トング爪）は輪状突出歯の再生加工のために特開昭５７−１１８６号広報の丸型回転歯（トング爪）の交換を容易にしたものである。
【０００６】
トング爪の輪状突出歯の表面に複数の穴を形成し、この穴にステライトなどの耐摩耗材を圧入し銅マンガンロウ付けする方法が考えられるが、耐摩耗材を銅マンガンロウ付けする際の温度は８００〜８５０℃の高温であり、従来多用されている硬ロウ付け用フラックスは高温酸化雰囲気では使用できない問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５７−１１８６号広報 「回転爪と肉盛」
【特許文献２】特開２００９−１３２５３１号広報 「丸型爪を収納する顎」
【特許文献３】特開昭５８−１６１７７２号広報 「浸炭ロウ付けのロウ材」
【特許文献４】特開平１−２３７０９６号広報 「浸炭ロウ付けのロウ材」
【特許文献５】特開２００１−２７６９９８号広報 「浸炭ロウ付けのフラックス」
【特許文献６】特開２００９−０９０３６８号広報 「ガス切断用気化フラックス」
【特許文献７】特開２００９−２９７７８２号広報 「液体フラックスと製造装置」
【特許文献８】特開２０１０−１００４４１号広報 「液体フラックスと製造装置」
【特許文献９】特開２００９−２５５１０５号広報 「気化装置」
【特許文献１０】特願２０１０−１６５５６５号広報 「液体フラックス」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
浸炭焼き入れと並行してロウ付けを可能にするために、ロウ材及びロウ付け用フラックス及びロウ付け方法を具現化する。このロウ付け方法を採用してスラブ搬送クレーンのトングトング爪の輪状突出歯の寿命を延長する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の解決手段は特許請求項１に示すように、鋼母材の浸炭処理と前記鋼母材と金属材のロウ付けを同時に行う浸炭ロウ付け法において、前記鋼母材に穿孔し、該孔に前記金属棒を挿入するとともにロウ材と液体フラックスを充填して浸炭炉に入れて加熱して前記鋼母材の浸炭と前記金属材のロウ付けを同時に行う浸炭ロウ付け法である。
【００１０】
第２の解決手段は特許請求項２に示すように、前記液体フラックスは、カリウム（Ｋ）、ホウ素（Ｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、カルシウム（Ｃａ）、ケイ素（Ｓｉ）、アルミニウム（ＡＬ）、窒素（Ｎ）のいずれかを含むフッ化物の中から１種または２種以上のフッ化物を選択し、フッ素（Ｆ）含有量が３０〜７０ｗｔ％となるように調合した調合フッ化物をアルコールもしくはアセトンなどの溶媒に溶解した液体フラックスである浸炭ロウ付け法である。
【００１１】
第３の解決手段は特許請求項３に示すように、前記調合フッ化物は、フッ化水素（ＨＦ）、酸性フッ化カリ（ＫＨＦ２）、ケイフッ化カリウム（Ｋ２ＳｉＦ６）、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）、フッ化カリウム（ＫＦ）、カリ氷晶石（Ｋ３ＡｌＦ６）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ３）、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）である浸炭ロウ付け法である。
【００１２】
第４の解決手段は特許請求項４に示すように、前記ロウ材は銀ロウである浸炭ロウ付け法である。
【００１３】
第５の解決手段は特許請求項５に示すように、前記鋼母材はスラブ搬送クレーンのトング爪であり、該トング爪の材質は１３クロム系ステンレスであり、前記金属棒はステライトである浸炭ロウ付け法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による効果は、（１）浸炭と並行してロウ付けができる、（２）フラックスから生じるフッ化水素、フッ化カリウムなどのガスにより鋼母材の孔内面や金属棒表面の酸化膜や不動態膜を確実に除去できる、（３）スラブ搬送クレーンのトング爪の寿命を延長できるのでクレーンの稼働率を向上できることである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】浸炭前に鋼母材に金属棒を埋め込んだ横断面図
【図２】トング爪の横断面図
【図３】トング爪の平面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態を図１、図２、図３に基づいて説明する。
【００１７】
第１の解決手段は特許請求項１に示すように、鋼母材１０の浸炭処理と前記鋼母材１０と金属材２０のロウ付けを同時に行う浸炭ロウ付け法において、前記鋼母材１０に穿孔し、該孔１１に前記金属棒２０を挿入するとともにロウ材３０と液体フラックス４０を充填して浸炭炉に入れて加熱して前記鋼母材１０の浸炭と前記金属材２０のロウ付けを同時に行う浸炭ロウ付け法である。
【００１８】
金属棒３０を挿入するために鋼母材１０に穿孔する。この孔１１の最奥には１２０°の皿もみ空間が錐のすくい角として形成される。この皿もみ空間に６０〜１２０メッシュランダムのパウダー状ロウ材３０を一孔につき０．１〜１．０ｇずつ小さじなどで投入する。さらに液体フラックス４０を注射器やスポイトなどで０．１〜１．０ｃｃ入れてから金属棒２０を挿入する。液体フラックス４０は６５〜７０％がアルコールやアセトンの揮発性溶媒のため蒸発する。蒸発を助けるため金属棒２０にはエア抜き用のＶ溝２１を設けてもよい。液体フラックス４０の溶媒が蒸発した後には液体フラックス４０の含有成分である複数のフッ化物が孔１１の底面に粉体状に残留する。この複数の粉体フッ化物は浸炭炉が常温から９５０℃程度に温度上昇する間に、それぞれの固有の温度領域でフッ素ガスを発生させ酸化防止すると同時に金属棒２０や鋼母材１０の不動態膜を除去する。不動態膜は鋼母材１０と金属棒２０のギャップや金属棒２０のＶ溝２１からフッ化水素（ＨＦ）ガスとともに孔１１から排出される。ロウ材３０は所定の溶融温度に達すると瞬時に鋼母材１０と金属棒２０の隙間に浸透してロウ付けが完了する。浸炭炉に入れる前に再度Ｖ溝２１に注射針やスポイトなどにて液体フラックス４０を０．１ｃｃ程度注入することでフッ化物を補助的に添加できるのでシールを完全にすることができる。液体フラックス４０であるためこのような追加注入が可能である。
【００１９】
液体フラックス４０は特開２００９−０９０３６８号広報、特開２００９−２９７７８２号広報、特開２０１０−１００４４１号広報にて製造できる。
【００２０】
鋼母材１０は１３クロム系ステンレスや炭素鋼などが使用できる。金属棒２０はステンレス、炭素鋼、超硬、ステライトなどが使用できる。
【００２１】
ロウ材３０は銀ロウや銅マンガンロウなどが使用できる。
【００２２】
第２の解決手段は特許請求項２に示すように、前記液体フラックス４０は、カリウム（Ｋ）、ホウ素（Ｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、カルシウム（Ｃａ）、ケイ素（Ｓｉ）、アルミニウム（ＡＬ）、窒素（Ｎ）のいずれかを含むフッ化物の中から１種または２種以上のフッ化物を選択し、フッ素（Ｆ）含有量が３０〜７０ｗｔ％となるように調合した調合フッ化物をアルコールもしくはアセトンなどの溶媒に溶解した液体フラックス４０である浸炭ロウ付け法である。
【００２３】
従来１００％フッ化物だけから構成される液体フラックス４０は無かったが、本発明者は特願２０１０−１６５５６５号広報の発明で具現化した。
【００２４】
フッ化物の最大の特長はアルカリ金属及びアルカリ土類元素と結合することで還元元素と清浄作用と表面張力除去が同時にできることである。液体フラックスの溶媒が蒸発した後の残留フッ化物からフッ化ガスが１００〜９３０℃まで連続して出ることで、浸炭炉中の一酸化炭素や酸素からロウ材やロウ付け部表面を保護できるので酸化の問題はなく８００℃近辺で一瞬にしてロウ付け完了する。ホウ酸塩の最大の特長は耐熱、酸化防止であるが、今回のように９９％は孔１１の中に隠れたロウ付けであれば酸化対策はほとんど必要ないことからホウ酸塩は不要である。
【００２５】
特開２００１−２７６９９８号広報の発明は鋼母材１０の浸炭処理と並行的に行われるロウ付けにおいて、ロウ材３０としては２０〜４５ｗｔ％のマンガンと残部が銅から成っている銅マンガンロウ材、フラックスとしてはホウ酸、ホウ酸塩、フッ化物、０．２〜３．０％の金属ホウ素を含有するフラックスを使用したものである。しかしながら、マンガン含有量が３０ｗｔ％よりも多くなると通常ロウ材３０として採用されているような線材の形にすることは困難でありさらに粉末にすることはマンガンの酸化が激しいため一層困難である。金属ホウ素の融点は２３００℃であり非常に高く浸炭炉温度９３０℃ではまず溶解しない。金属ホウ素の含有範囲を０．２〜３％の範囲で抑えているが現実的には上限値は３％ではなくせいぜい０．８％〜１％というところである。浸炭炉で２〜３時間加熱されることで炉中の未燃焼酸素と金属ホウ素が反応してホウ酸ガラスになることで好結果を出していると推定される。浸炭ガス中の酸化防止対策のため金属ホウ素を入れることは高温化におけるフラックスの耐熱性を向上させることになる。浸炭炉が能力的に１００％還元燃焼したら１００％のＣＯ２ガスであり金属ホウ素は全く反応せずホウ酸ガラスが生成することもないので金属ホウ素を入れることは無駄である。金属ホウ素を生かすには浸炭炉に過剰酸素を流すなどの工夫が必要である。本発明のように、金属棒２０を孔１１に挿入するようなロウ付けの場合は、炉中ガスにさらされる面積が少ないので高価な金属ホウ素を使用するのは無駄である。むしろ金属ホウ素の餅状膨らみにより金属棒２０が孔１１から浮き上がる現象が生じる。銅やマンガンは単独元素では安価であるが銅マンガンロウ材となると銀ロウ並みの価格となり高コストであるため無理に銀ロウに対抗して使うほどの効果は無い
【００２６】
特開２００１−２７６９９８号広報おけるフラックスは、還元ガスとしての水素ガス発生量が１．７４％と低いことは母材に対する還元力としては不足している。またフッ素ガスの１７．９７％は清浄作用と表面張力除去作用としては不足である。銅マンガンロウのロウ付け温度は最大９００℃であるが浸炭炉温度はさらに９３０℃まで上昇する。従来の硬ロウフラックスはこの高熱、酸化雰囲気の中でロウ付け面をシールするために最大５０％のホウ酸塩元素で酸化物を還元し結果として生成するホウ酸ガラスなどのスラグによって、二次的に表面をシールして酸化を防ぐという考え方に基づくものである。むしろ浸炭炉の中で必要なのは（１）炉内ガス中でも常に活性化すること、（２）ロウの流動性を保持すること、（３）スラグが表面に浮き上がりロウ付け部の二次的シール性が生まれること、（４）ロウ付け過程で生成するスラグが簡単に除去できることである。このためには、常温から９３０℃まで次第に温度が上昇する過程で連続してシール性を発揮するフラックスであることが最重要である。フッ化物の最大の特長はアルカリ金属及びアルカリ土類元素と結合することで還元元素と清浄作用と表面張力除去が同時にできることである。ホウ酸塩の最大の特長は耐熱、酸化防止である。今回のように鋼母材１０の孔１１の中に挿入した金属棒２０のロウ付けであれば酸化対策はほとんど必要ないし耐熱性は最大９３０℃以内である。
【００２７】
第３の解決手段は特許請求項３に示すように、前記調合フッ化物は、フッ化水素（ＨＦ）、酸性フッ化カリ（ＫＨＦ２）、ケイフッ化カリウム（Ｋ２ＳｉＦ６）、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）、フッ化カリウム（ＫＦ）、カリ氷晶石（Ｋ３ＡｌＦ６）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ３）、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）である浸炭ロウ付け法である。
【００２８】
フッ化物でも１０００℃以上に耐えるフッ化アルミニウム（Ｋ３ＡｌＦ６）はＫＦ（８５９．５℃）＋ＡｌＦ３（１０４０℃）の形に分解し、ケイフッ化カリウム（Ｋ２ＳｉＦ４）はＫＦ（８５９．５℃）＋ＳｉＦ４（−９５．７℃）の形で分解する。ＫＨＦ２は融点２２５℃で２７０℃にてフッ化水素（ＨＦ）に分解する。このような反応をうまく組み合わせることで高温域でのロウ付けをフッ化物の組み合わせで可能にした。ＫＢＦ４は融点２００℃、沸点５００℃である。ＫＦは融点８５９．５℃、沸点は１５０５℃である。液体フラックス４０はこのようなフッ化物だけで構成されておりしかも全くホウ酸塩が含まれていないためホウ酸塩の膨張により金属棒２０が孔１１から浮き上がることは無い。
【００２９】
第４の解決手段は特許請求項４に示すように、前記ロウ材３０は銀ロウである浸炭ロウ付け法である。
【００３０】
銀ロウは硬ロウの１種で銅、亜鉛、カドミウムなどの合金である。ロウ付け温度は７１０〜９００℃の温度範囲である。アルミニウムやマグネシウム以外の鉄、非鉄金属のロウ付けに広く使用されている。銀ロウはＢＡＧ−８を使用するのが望ましい。ＢＡＧ−８（銀７１〜７３％、銅残部）は固相線温度７７９℃、液相線温度７７９℃のためロウ付けは７８５±３℃近辺で一瞬に完了する。２元共晶合金のためロウ付け隙間が狭いほど効果が大である。ＢＡＧ−８のような２元共晶合金は隙間の狭い物体のロウ付けで還元炉や真空炉溶接専用として開発されたロウ材である。銀含有量が高いため高価であるが熱伝導率は銀ロウ中最高であり、２元合金ロウの最大の特長として液相と固相温度が同じのため一回溶解したものは７７９℃以上でないと溶解しない。このため７７９℃以下で使用するロウ材として多く採用されている。１００〜１０００℃の各温度領域でフッ化物が分解するように配合することでホウ酸塩を使う必要はない。
【００３１】
第５の解決手段は特許請求項５に示すように、前記鋼母材１０はスラブ搬送クレーンのトング爪５０であり、該トング爪５０の材質は１３クロム系ステンレスであり、前記金属棒２０はステライト棒２０である浸炭ロウ付け法である。
【００３２】
トング爪５０の材料は１３クロム系を採用するのが望ましい。金属棒２０はステライト棒２０を選択するのが望ましい。トング爪５０の表面には球面状に輪状突出歯１２を設けている。トング爪５０の形状は特開昭５７−１１８６号広報に示されているように表面に輪状突出歯１２を設けた回転式のトング爪５０が望ましい。
【００３３】
ステライト丸棒Φ４．８の先端部に約１０°のテーパを形成し、このステライト丸棒２０を挿入するためのΦ４．９の錐孔１１をＵＳ４０３などの１３クロム系に形成する。この錐孔１１の最奥には１２０°の皿もみ空間が錐のすくい角として形成される。この皿もみ空間にＢＡＧ−８のパウダー６０〜１２０メッシュランダムを一孔につき０．３ｇ小さじにて投入し、さらに液体フラックス４０を注射器やスポイトなどで０．２ｃｃ入れてΦ４．８×長さ２６ｍｍのステライト丸棒２０をハンマーにて打ち込みステライト丸棒２０を挿入する。液体フラックス４０は６５〜７０％がメチルアルコールのため１〜２日程度でエア抜き用のピッチ６ｍｍ、深さ０，３ｍｍのＶ溝より１００％蒸発する。トング爪５０の孔底には溶媒が蒸発した後に３〜４種類のフッ化物が１５０〜３００メッシュのパウダー状に底面に残留する。この粉体フッ化物が常温から９５０℃程度に温度上昇する間に、各温度にて蒸発するフッ化物の中のフッ素ガスが出ることで酸化防止すると同時にステライト丸棒２０の不動態膜を除去する。除去された不動態膜や酸化膜はギャップ０．０５ｍｍよりフッ化水素（ＨＦ）ガスにてエア抜きのＶ溝を伝って孔１１表面に運び出される。このようなメカニズムで孔１１内面やステライト丸棒２０の表面は清浄化されるので、ＢＡＧ−８の２元銀ロウが７９９℃に達した際に瞬時に銀ロウ完了する。浸炭炉に入る前に念のため、０．３ｍｍのＶ溝２１に注射針にて再度液体フラックス４０を０．１ｃｃ程度注入することでピッチ６のＶ字溝２１全部を液体フラックス４０が埋めることで１００％シールすることができる。液体フラックス４０のためこのような追加注入が可能である。
【００３４】
浸炭キャリアガスのメタンガス、ブタンガス中のＣＯ２、ＣＯ、Ｏ２ガスがロウ付け部に浸入するのを防ぐには孔１１の内圧を正圧に維持する必要がある。液体フラックスの残留成分であるフッ化物はフッ化水素などのガスを発生させて孔１１の中を正圧に保つ。フッ化水素ガス（ＨＦ）がＨとＦに高温分解する過程でステライト丸棒２０表面の不動態膜及び１３クロム系の鋼母材１０の酸化クロム膜を除去する。ＢＡＧ−８の二元銀ロウを流すための表面張力除去を最大３時間キープすることである。液体フラックス４０中のアルコール蒸発後に残留する超微粒子のフッ化物が孔１１底部及び孔１１とステライト棒２０の隙間０．０５ｍｍの間に残ることが重要である。そのためにもアルコールの蒸発後再度液体フラックスを空気抜きのＶ溝に沿って注射針などで注入する。浸炭とロウ付けを同時に並行して施工する分２回の液体フラックス４０注入作業が必要である。
【００３５】
銀ロウ材３０としてはＢＡＧ−８（銀７１〜７３％、銅残部）望ましい。ＢＡＧ−８は固相線温度７７９℃、液相線温度７７９℃のためロウ付けは７８５±３℃近辺で一瞬に完了する。２元共晶合金のためロウ付け隙間が狭いほど効果が大である。そのため１３クロム系の回転式のトング爪５０にΦ４．９の孔１１を穿孔して、Φ４．８ステライト丸棒２０を挿入する。孔とステライト丸棒の隙間は片側０．０５ｍｍであり、この隙間をフッ化ガスが１００〜９３０℃まで連続して出ることで炉中に一酸化炭素や酸素があっても８００℃近辺で一瞬にしてロウ付け完了するため酸化防止の必要もない。
【００３６】
銀ロウのＢＡＧ−８のような２元共晶合金は隙間の狭い物体のロウ付けで還元炉や真空炉溶接専用として開発された銀ロウで銀含有量が高いため高価であるが、液相と固相温度が同じのため一回溶解したものは７７９℃以上でないと溶解しない。トング爪５０で高温スラブと低温スラブを無作為に搬送する場合でもトング爪５０の輪状突出歯１２は６２７℃で入熱と放熱が釣り合うためステライト丸棒２０の抜け落ちは無い。
【００３７】
トング爪５０の場合の浸炭処理は９３０℃で２時間浸炭、拡散２．５〜３時間、８５０℃にて油焼き入れ後１５０〜１８０℃にて２時間の焼き戻しをする。キャリアガスはメタン（Ｃ４Ｈ１０）２Ｎｍ３＋（Ｏ２）３〜４Ｎｍ３であり浸炭とロウ付けを同時にするためには十分な熱量と保持時間である。２元合金の銀ロウ材３０であるＢＡＧ−８が７７９〜８００℃のところで一瞬に溶解しロウ付けするためにはロウ付け部隙間にキャリアガスが入らぬよう液体フラックス４０の残留フッ化物が内圧保持することである。液体フラックス４０の主成分がフッ化物のため発生ガスはフッ素ガスであり、１３クロム系の孔とステライト丸棒の表面の酸化膜を破る。
【００３８】
ステライト丸棒２０はモールドダイス押し出し法で製造するため、表面には不動態膜としてクロム、コバルト、モリブデンなどの酸化膜（ＣｒＯ２、ＣｏＯ２、ＭｏＯ２など）が薄く張り付いている。これを除去するには強力な酸が必要であり、最適なのはフッ化水素（ＨＦ）である。酸性フッ化カリは２７０℃にて、ＫＨＦ２→ＫＦ＋ＨＦとなる。フッ化水素（ＨＦ）は融点−８４、沸点１９．５４℃である。フッ化カリウム（ＫＦ）の融点は８５９．５℃、沸点は１５０５℃である。ケイフッ化カリウムは、Ｋ２ＳｉＦ６→２ＫＦ＋ＳｉＦ４となる。四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）の融点は−８６℃、沸点は−９５．５℃である。カリ氷晶石（Ｋ３ＡｌＦ６）は、Ｋ３ＡｌＦ６→３ＫＦ＋ＡｌＦ３となる。ＡｌＦ３の融点は１０４０℃、沸点は１２６０℃である。この組み立てにて各温度レベルで連続的に発生するフッ素ガスやＨＦ、ＫＦ、ＳｉＦ４の働きにてステライト棒２０表面の不動態膜を除去する。従来の硬ロウフラックスにはホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）、ホウ砂（Ｎａ２Ｂ４Ｏ７）などのホウ酸塩が４５〜５５％含まれていた。代表的な硬ロウの例として、フッカカリウム（ＫＦ）２０ｗｔ％、酸性フッ化カリウム（ＫＨＦ２）２０ｗｔ％、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）１０ｗｔ％、ホウ砂（Ｎａ２Ｂ４Ｏ７）１０ｗｔ％、ホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）４０ｗｔ％の配合割合の物がある。このような代表的な硬ロウでも５０％のホウ酸塩にて構成されている。むしロウ浸炭炉の中で必要なのは（１）炉内ガス中でも常に活性化すること、（２）ロウの流動性を保持すること、（３）スラグが表面に浮き上がりロウ付け部の二次的シール性が生まれること、（４）ロウ付け過程で生成するスラグが簡単に除去できることである。このためには、常温から９３０℃まで次第に温度が上昇する約３時間の過程で連続してシール性を発揮するフラックスであることが最重要である。
【００３９】
表１は上段が特開２００１−２７６９９８号広報の固体フラックスの成分例を示し、下段は本発明による液体フラックス４０の成分例を示す。
【表１】
本発明の液体フラックス４０は、酸性フッ化カリウム（ＫＨＦ４）、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）、フッ化カリウム（ＫＦ）、ケイフッ化ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＦ６）、氷晶石（Ｎａ３ＡｌＦ６）を溶媒に溶解したものである。還元作用の元素はＫ、Ｎａ、Ｂ、Ｈ、Ａｌ、Ｓｉであり４２．５１％含有している。清浄作用と表面張力除去作用の元素はＦであり４７．４９％含有している。比較例と本発明ではフッ素で約３．２倍、還元元素で１．０７倍多くなっている。浸炭炉中ロウ付けの清浄効果とステライト丸棒２０の酸化膜除去を目的とするためである。特開２００１−２７６９９８号広報の還元ガスとしての水素ガス発生量が１．７４％と低いことは鋼母材１０に対する還元力としては不足している。またフッ素ガスの１７．９７％は清浄作用と表面張力除去作用としては不足である。銅マンガンロウのロウ付け温度は最大９００℃であるが浸炭炉温度はさらに９３０℃まで上昇する。従来の硬ロウフラックスはこの高熱、酸化雰囲気の中でロウ付け面をシールドするために最大５０％のホウ酸塩元素で酸化物を還元し結果として生成するホウ酸ガラスなどのスラグによって、二次的に表面をシールして酸化を防ぐという考え方に基づくものである。
【００４０】
スラブ搬送クレーンは機械的な緩みや走行レール及びランウェイガーターの劣化により年数がたつほど揺れが大きくなる。レール振動吸収のゴムパットやレール押さえのスプリング構造及び皿バネ押さえと起重機側もそれなりの対策をとっても振動は抑えきれずスラブの落下の危険性は増す。まして無人運転が多くなるためスラブ山搬送中の落下はスラブ積載山の荷崩れに繋がるため選別スラブのコンピュータの処理搬送のため一回積層崩れを起こすとシステム復旧に多大の手間を要する。運転マンの乗ったクレーンは経験的に輪状突出歯１２の摩耗や座屈によるスラブの滑りを判断できるため適正なタイミングにおける輪状突出歯１２の交換が可能であるが、コンピュータによる自動運転クレーンは一回荷崩れを起こすとシステム復旧に手間がかかる。従ってトング爪５０の輪状突出歯１２の摩耗対策は極めて重要である。
【００４１】
スラブ搬送クレーンの最大のネックはトング爪５０である。金属は５００℃を境として急激に硬度降下するので、常時６２７±５０℃近辺で使用されるトング爪５０の輪状突出歯１２は通常２週間に一回取り外して旋盤加工して再生する。輪状突出歯１２は回転歯のため旋盤加工が容易であるため従来の直歯に代わって採用されている。直歯は剪断力とスラブ曲がりによるモーメントを受けるため約３００ｍｍの直線歯が欠ける事故も頻発するので、そのたびにトング一台につき１セット４個交換するのに２〜３名で半日を要していた。旋回可能な輪状突出歯１２とすることで直歯に比べ寿命が長くなりしかも運転マン一人で３０分以内に交換が可能である。近年省エネのために連鋳機より加熱炉まで８００〜１０００℃でスラブを流す生産様式が採用されることが多くなり、スラブ搬送クレーンのトング爪５０の輪状突出歯１２はその分使用条件が厳しくなっており再生加工や交換周期が短くなっている。
【００４２】
１３クロム系を採用した場合輪状突出歯１２の硬度とステライト丸棒２０の硬度はどちらもＨｓ６５±２とほぼ同じであるが、１３クロム系の輪状突出歯１２は５００℃を境として急激な硬度低下の傾向があるが、ステライト丸棒２０の硬度低下量は小さいためスラブに表面に確実に食い込んでスラブを掴むことができる。回転式のトング爪５０の最大の特長はスラブ搬送クレーンがレールの上を走る時の上下、左右の振動に対しても輪状突出歯１２がスラブに食い込んだまま回転して衝撃的な剪断力やモーメントを逃がすことが可能でありスラブが落下することはないことである。１３クロム系の熱膨張係数は１０．４×１０Ｅ−６であり、ステライト丸棒の熱膨張係数は１３．８〜１４．９×１０Ｅ−６であることからステライト丸棒２０が孔１１から抜け落ちることはない。かつ銀ロウ３０の熱膨張係数は１５．５×１０Ｅ−６であり略ステライト丸棒２０と同等のためステライト丸棒２０は長期にわたり安定的にロウ付け状態が維持される。
【００４３】
輪状突出歯１２に埋め込まれたステライト丸棒２０を輪状突出歯１２の中心軸側に対して５〜１０°傾斜することで歯先が０．４２〜０．８４ｍｍ傾斜して突き出ているためスラブに食い込んだステライト丸棒が偏心している角度だけ回転力を生む。スラブキャッチの際の強制的回転力に生まれ変わりスラブに喰い込むため均一な摩耗となる。微速回転のため一回につき２〜３ｍｍであるが結果的に３６０°回転する。スラグ表面の酸化膜は内側から順にＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４と酸化膜は成長している。傾斜歯先のΦ４．８のステライト丸棒傾斜歯がこれら酸化膜に点当たりして食い込むため酸化スケールが集中応力を受けた状態となりスラブ表面酸化スケールにクラックが入りスケールが脱落しやすくなる。ステライト丸棒２０は０．４〜０．８ｍｍ出た分常にスラブに食い込むが硬度は低下しない。一方、１３クロム輪状突出歯１２の表面は硬度が低下するため磨耗が早いので結果的にステライト丸棒２０は輪状突出歯１２表面から常に０．４２ｍｍは飛び出すことになりサメの歯のように常に適正な食い込み形状が維持される。
【符号の説明】
【００４４】
１０：鋼母材
１１：孔
１２：輪状突出歯
２０：金属棒
２１：Ｖ溝
３０：ロウ材
４０：液体フラックス
５０：トング爪
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼母材の浸炭処理と前記鋼母材と金属材のロウ付けを同時に行う浸炭ロウ付け法において、前記鋼母材に穿孔し、該孔に前記金属棒を挿入するとともにロウ材と液体フラックスを充填して浸炭炉に入れて加熱して前記鋼母材の浸炭と前記金属材のロウ付けを同時に行うことを特徴とする浸炭ロウ付け法。
【請求項２】
前記液体フラックスは、カリウム（Ｋ）、ホウ素（Ｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、カルシウム（Ｃａ）、ケイ素（Ｓｉ）、アルミニウム（ＡＬ）、窒素（Ｎ）のいずれかを含むフッ化物の中から１種または２種以上のフッ化物を選択し、フッ素（Ｆ）含有量が３０〜７０ｗｔ％となるように調合した調合フッ化物をアルコールもしくはアセトンなどの溶媒に溶解した液体フラックスあることを特徴とする請求項１記載の浸炭ロウ付け法。
【請求項３】
前記調合フッ化物は、フッ化水素（ＨＦ）、酸性フッ化カリ（ＫＨＦ２）、ケイフッ化カリウム（Ｋ２ＳｉＦ６）、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）、フッ化カリウム（ＫＦ）、カリ氷晶石（Ｋ３ＡｌＦ６）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ３）、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）である浸炭ロウ付け法である。
【請求項４】
前記ロウ材は銀ロウであることを特徴とする請求項１及び請求項２及び請求項３記載の浸炭ロウ付け法。
【請求項５】
前記鋼母材はスラブ搬送クレーンのトング爪であり、該トング爪の材質は１３クロム系ステンレスであり、前記金属棒はステライトであることを特徴とする請求項１及び請求項２及び請求項３及び請求項４記載の浸炭ロウ付け法。
【請求項１】
鋼母材の浸炭処理と前記鋼母材と金属材のロウ付けを同時に行う浸炭ロウ付け法において、前記鋼母材に穿孔し、該孔に前記金属棒を挿入するとともにロウ材と液体フラックスを充填して浸炭炉に入れて加熱して前記鋼母材の浸炭と前記金属材のロウ付けを同時に行うことを特徴とする浸炭ロウ付け法。
【請求項２】
前記液体フラックスは、カリウム（Ｋ）、ホウ素（Ｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、カルシウム（Ｃａ）、ケイ素（Ｓｉ）、アルミニウム（ＡＬ）、窒素（Ｎ）のいずれかを含むフッ化物の中から１種または２種以上のフッ化物を選択し、フッ素（Ｆ）含有量が３０〜７０ｗｔ％となるように調合した調合フッ化物をアルコールもしくはアセトンなどの溶媒に溶解した液体フラックスあることを特徴とする請求項１記載の浸炭ロウ付け法。
【請求項３】
前記調合フッ化物は、フッ化水素（ＨＦ）、酸性フッ化カリ（ＫＨＦ２）、ケイフッ化カリウム（Ｋ２ＳｉＦ６）、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）、フッ化カリウム（ＫＦ）、カリ氷晶石（Ｋ３ＡｌＦ６）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ３）、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）である浸炭ロウ付け法である。
【請求項４】
前記ロウ材は銀ロウであることを特徴とする請求項１及び請求項２及び請求項３記載の浸炭ロウ付け法。
【請求項５】
前記鋼母材はスラブ搬送クレーンのトング爪であり、該トング爪の材質は１３クロム系ステンレスであり、前記金属棒はステライトであることを特徴とする請求項１及び請求項２及び請求項３及び請求項４記載の浸炭ロウ付け法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−５５９２１（Ｐ２０１２−５５９２１Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２００４９０（Ｐ２０１０−２００４９０）
【出願日】平成２２年９月８日（２０１０．９．８）
【出願人】（５０４１３２９６２）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月８日（２０１０．９．８）
【出願人】（５０４１３２９６２）
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