CN105102660A - 刀具用钢及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

提供具有显著改进的碳化物密度的刀具用钢和其生产方法。刀具用钢具有包括0.55质量％至0.8质量％的C、1.0质量％以下的Si、1.0质量％以下的Mn、12.0质量％至14.0质量％的Cr、以及由Fe和不可避免的杂质组成的剩余部分的金属组成，其中刀具用钢的铁素体结构中的碳化物的数量为100μm2区域中大于600个且1000个以下。

Description

刀具用钢及其生产方法
技术领域
本发明涉及可用于剃刀等的刀具用钢(steelforblades)，并涉及其生产方法。
背景技术
现在，包含12.0质量％至14.0质量％的Cr的马氏体系不锈钢已逐渐且广泛地用作用于剃刀等的刀具用钢。通过包括淬火和回火的热处理将马氏体系不锈钢硬化至剃刀刀具的硬度范围620HV至650HV。在防锈性和耐腐蚀性方面，马氏体系不锈钢优异于高碳钢。
剃刀用马氏体系不锈钢通常由热轧、冷轧和退火的组合来生产，将带状剃刀用钢供给至后续工序。后续工序中，进行打孔之后，通过连续炉将马氏体系不锈钢进行包括淬火和回火的热处理，然后进行磨利刀刃(bladeedging)和表面修整(surfacefinishing)来生产最终产品。
马氏体系不锈钢退火之后的金属结构为碳化物分散在铁素体结构中的状态。碳化物的粒度和分布状态很大地影响马氏体系不锈钢作为已进行热处理的剃刀刀具的性质。
已有对于剃刀用不锈钢的大量提案。其中，作为通过增加碳化物的数量来显著改进淬火性(quenchability)的发明，可提到本发明的申请人的JP3354163B(专利文献1)。该专利文献1公开了包括0.55质量％至0.73质量％的C、1质量％以下的Si、1质量％以下的Mn、12质量％至14质量％的Cr、和余量的Fe及杂质，并且在通过连续炉的退火状态下的碳化物密度为140至600个碳化物/100μm2，具有优良的短时间淬火性的剃刀用不锈钢。需要注意的是，专利文献1中示出的碳化物的密度通过在剃刀用带状不锈钢的冷轧之前或期间，在将钢插入温度设定为高于钢的相变温度Ac1的连续炉中退火的状态下测量来获得。
现有技术文献
专利文献
[专利文献1]JP3354163B
发明内容
发明要解决的问题
专利文献1中公开的剃刀用不锈钢通过显著增加碳化物密度来实现优良的淬火性。如果上述专利文献1中公开的碳化物密度可进一步改进，则可获得进一步改进的优良的淬火性。
本发明的目的为提供具有显著改进的碳化物密度的刀具用钢和其生产方法。
用于解决问题的方案
本发明的发明人已发现通过将具有特定金属结构的冷轧用材料在Ac1转变点以上退火，并随后进行几次冷轧和在Ac1转变点以上的退火，可实现碳化物的密度的显著改进，并且可实现极优异的淬火性，从而完成本发明。
根据本发明的方面，提供具有包括0.55质量％至0.8质量％的C、1.0质量％以下的Si、1.0质量％以下的Mn、12.0质量％至14.0质量％的Cr、和余量的Fe及不可避免的杂质组成的金属组成的刀具用钢，其中刀具用钢的铁素体结构中的碳化物的数量为每100μm2区域中600个至1,000个。
根据本发明的另一方面，提供具有包括0.55质量％至0.8质量％的C、1.0质量％以下的Si、1.0质量％以下的Mn、12.0质量％至14.0质量％的Cr、和余量的Fe及不可避免的杂质的金属组成的刀具用钢的生产方法，所述方法包括：将冷轧用材料连续退火5至30分钟的连续退火步骤，该材料已加热至金属组成的Ac1转变点以上；和将已进行连续退火步骤的材料冷轧的冷轧步骤，其中连续退火步骤和连续退火步骤之后的冷轧步骤重复至少两次。
发明的效果
根据本发明，可实现优良的淬火性，这是因为可改进刀具用钢的铁素体结构中的碳化物密度。
附图说明
[图1]图1为示出实施例1的刀具用钢的碳化物形态的截面图的电子显微镜照片。
[图2]图2为示出实施例2的刀具用钢的碳化物形态的截面图的电子显微镜照片。
[图3]图3为示出实施例3的刀具用钢的碳化物形态的截面图的电子显微镜照片。
[图4]图4为示出常规例的刀具用钢的碳化物形态的截面图的电子显微镜照片。
具体实施方式
限制根据本发明的刀具用钢的金属组成的原因如下所述。
首先，碳(C)的含量为0.55质量％至0.8质量％。C为不仅用于产出本发明所必需的碳化物密度、而且用于决定通过在淬火奥氏体化温度下溶解在来自碳化物的基质中淬火而制备的马氏体的硬度的重要元素。为了获得刀具用钢的足够高的硬度并且获得在铁素体结构中的碳化物密度为6个碳化物/μm2至10个碳化物/μm2，C的含量必须大于0.55质量％。此外，在马氏体不锈钢中，根据C和Cr的含量之间的平衡，固化期间大型的共晶碳化物结晶。如果此类大型碳化物包含在刀具用钢中，例如特别是具有约0.1mm厚度和锐利刀片的剃刀替刃材料(razorsubstituteedgematerial)中，则可发生刀具崩刃(bladechipping)。为了防止这种情况，考虑到与Cr含量的平衡，C含量的上限为0.8质量％。C含量的下限优选0.60质量％，更优选0.63质量％。C含量的上限优选0.78质量％，更优选0.75质量％。确定这些限制，从而更确实地获得C的效果。
硅(Si)的含量为1.0质量％以下。Si为用作刀具用钢的精制中的脱氧剂，并且还防止低温回火期间钢中固溶体的软化的元素。如果添加过量的Si，Si可作为硬内容物如SiO2残存在刀具用钢中，并且可引起刀具崩刃和锈斑，并且为了防止这种情况，Si含量的上限为1.0质量％。为了确实地获得Si抵抗低温回火期间可能发生的软化的效果并防止硬内容物的生成，Si含量优选0.1质量％至0.7质量％。此外，Si含量的下限优选0.15质量％，更优选0.5质量％。确定Si的这些限制，从而更可靠地产生Si的效果。
锰(Mn)的含量为1.0质量％以下。类似于Si，Mn可用作刀具用钢的精制中的脱氧剂。如果Mn的含量超过1.0质量％，可劣化热加工性，并且为了防止这种情况，Mn的含量为1.0质量％以下。需要注意的是，如果Mn用作脱氧剂，没有少量Mn残存在刃具钢(cuttingsteel)。因此，Mn的下限高于0质量％。Mn含量的优选范围为0.1质量％至0.9质量％。确定这些限制，从而更可靠地产生Mn的效果。
铬(Cr)的含量为12.0质量％至14.0质量％。铬为用于维持刀具用钢的优良的耐腐蚀性、并与C形成碳化物的元素。Cr为获得对于将铁素体结构中的碳化物的密度控制为6个碳化物/μm2至10个碳化物/μm2所必须的Cr系碳化物的重要元素。为了获得上述Cr的效果，至少12.0质量％的Cr是必须的。另一方面，如果Cr的含量超过14.0质量％，可增加共晶碳化物的结晶量，例如当刀具用钢用作剃刀时，这可引起刀具崩刃。为了防止这种情况，Cr的含量在12.0质量％至14.0质量％的范围内。为了更可靠地获得上述Cr添加的效果，Cr的下限为12.5质量％，且Cr的上限优选13.5质量％。确定这些限制，从而更确实地产生Cr的效果。
根据本发明的实施方案的刀具用钢包括上述元素、余量的Fe和不可避免的杂质。不可避免的杂质典型地包括P、S、Ni、Cu、Al、Ti、N和O，且这些元素的含量分别在下述范围内。如果这些元素的含量在下述范围内，则不抑制上述元素的效果。
P≤0.03质量％、S≤0.005质量％、Ni≤1.0质量％、Cu≤0.5质量％、Al≤0.1质量％、Ti≤0.1质量％、N≤0.05质量％和O≤0.05质量％。
接下来，以下将描述金属结构，其具有本发明的最重要特性。作为刀具用钢的金属结构，铁素体结构中的碳化物的密度为大于6个碳化物/μm2且10个碳化物/μm2以下。提供上述金属结构作为最终退火和冷轧之后获得的铁素体结构的金属结构。在退火状态下，根据本发明的刀具用钢呈现出碳化物分散在铁素体结构中的形态。将该铁素体结构进行淬火以制备马氏体系不锈钢。
如果根据本发明的刀具用钢用作例如剃刀，将刀具用钢进行淬火和回火以制备马氏体系不锈钢。该工序中，为了通过增加淬火期间的通板速度(platepassingspeed)来增加生产率，并且为了在与常规方法相同的通板速度下容易增加刀具用钢的硬度，碳化物即刻且充分地形成固溶体并且增加基质的碳含量是必要的。如果微细的碳化物在淬火和回火前的退火状态下以高密度分散在铁素体结构中，通过淬火使碳化物即刻溶解在铁中。结果，可改进生产性并可增加刀具用钢的硬度。
本发明中，刀具用钢的铁素体结构中的碳化物的数量为100μm2区域中600至1,000个。通过进行下述本发明的生产方法，铁素体结构中碳化物的数量可增加至100μm2区域中大于600个。即使施用下述本发明的生产方法，碳化物的数量的上限也可几乎不变为大于1,000个。如果试图在100μm2区域中获得大于1,000个碳化物，必须改变C含量和Cr含量。在这种情况下，在由淬火等引起的溶解期间，可形成粗大的共晶碳化物，这可引起刀具崩刃。为了防止这种情况，碳化物的数量的上限设定为1,000个。
同时，根据专利文献1，认为如果在通过连续炉的退火状态下的碳化物的密度超过600个碳化物/100μm2，即6个碳化物/μm2，冷轧可能需要大量工时(labor-intensive)，并且可增加冷轧期间钢带(steelstrip)断裂的可能性。然而，已新发现，根据下述本发明的生产方法，如果铁素体结构中的碳化物的密度变得高达100μm2区域中大于600个，则减少各碳化物的尺寸，从而降低从碳化物开始的龟裂的扩展(propagation)，因此将没有由带钢断裂所引起的任何特殊问题。
本发明中，碳化物密度通过其中观察100μm2区域的金属结构并通过使用电子显微镜测定的方法来测定。具体地，通过其中将由电子显微镜观察的图像进行图像分析并测定碳化物的数量和各碳化物的圆当量直径的方法来进行测量。该测量中，如果电子显微镜的加速电压变得过高，有可能检测出存在于基质中的碳化物。相比之下，如果电子显微镜的加速电压变得过低，可劣化分辨率，因此加速电压可设定为15kv用于观察。优选观察区域为100μm2。这是因为在100μm2的区域中足够测量碳化物的密度，因为如果在超过100μm2的区域中测量碳化物的密度，测量结果将不会有很大不同。
碳化物的最大尺寸优选0.6μm。本发明中，在100μm2的观察区域中碳化物的密度为600至1,000。因此，各碳化物是细小的。如果碳化物的尺寸变得过大，可减少剃刀刀刃的锐度，并且变得不太容易增加刀具用钢的硬度。因此，碳化物的最大尺寸设定为0.6μm。如果碳化物的最大尺寸为0.6μm以下，可缩短用于生产刀具的淬火的时间，其可改进生产刀具的生产率。另外，如果碳化物的最大尺寸为0.6μm以下，生产的刀具的性能可能不会有变化。碳化物的最大尺寸碳化物优选0.55μm以下，更优选0.50μm以下。这是因为如果将碳化物的最大尺寸控制为如上所述，可更增加刀刃的锐度。
碳化物的平均尺寸优选0.05μm至0.3μm。这是因为为了在短时间内获得充分高的淬火性能，如果各碳化物尽可能细小则是优选的。因此，本发明中，碳化物的平均尺寸设定为0.05μm至0.3μm。
关于碳化物的尺寸和平均尺寸的观察和测量，使用扫描电子显微镜。将加速电压设为15kv，将通过使用电子显微镜在100μm2观察区域中观察的图像进行图像分析，测定碳化物的数量和各碳化物的圆当量直径(周长圆当量直径)，从而测定碳化物的密度和碳化物的尺寸。本发明中，碳化物的最大尺寸指在100μm2区域中观察的碳化物的圆当量直径的最大值。平均尺寸为在100μm2区域中观察的全部碳化物的圆当量直径的平均值。
常规地，认为如果刀具用钢的铁素体结构中碳化物的数量在100μm2区域中大于600，冷轧可能需要大量工时，并且冷轧期间钢带断裂的可能性高。然而，通过使用上述碳化物形态，可增加碳化物的密度并且刀具用钢带断裂的可能性低。
接下来，将说明本发明生产方法的实例。关于材料，具有包括0.55质量％至0.8质量％的C、1.0质量％以下的Si、1.0质量％以下的Mn、12.0质量％至14.0质量％的Cr、余量的Fe和不可避免的杂质的金属结构的热轧材料用作冷轧用材料。将该冷轧用材料加热至Ac1相变温度以上的温度，随后在Ac1相变温度以上的温度下对冷轧用材料进行连续退火5至30分钟(连续退火步骤)。连续退火步骤之后，将冷轧用材料冷轧(冷轧步骤)。连续退火步骤和连续退火步骤之后的冷轧步骤重复至少两次。将冷轧用材料预先进行在Ac1转变点以上的连续退火，并且在多次冷轧步骤的间隙进行在Ac1转变点以上的连续退火，从而使铁素体结构中的碳化物的密度控制为6个碳化物/μm2至10个碳化物/μm2。为了例如将碳化物的最大尺寸控制为0.6μm以下并将碳化物的平均尺寸控制在0.05μm至0.3μm的范围内，进行一次或多次的在冷轧步骤期间进行的在Ac1转变点以上的连续退火，即连续退火步骤和连续退火步骤之后的冷轧步骤重复至少两次，更加可靠。
不特别限制在多次冷轧步骤的间隙进行的连续退火次数的上限，然而，连续退火的次数的上限为5次是足够的，这是因为如果在冷轧步骤的间隙进行的连续退火至多进行5次，铁素体结构中碳化物的密度变为大于6个碳化物/μm2且10个碳化物/μm2以下。对于连续退火，将钢带穿过已加热至退火的特定温度的退火炉。该步骤中，特定温度为刀具用钢的Ac1相变温度以上。如果连续退火时间过短，无法获得其中铁素体结构中的碳化物的密度为6个碳化物/μm2至10个碳化物/μm2的碳化物形态，因此连续退火时间的下限为5分钟。此外，如果连续退火时间设定为30分钟，铁素体结构中的碳化物的密度变为6个碳化物/μm2至10个碳化物/μm2。如果连续退火时间超过30分钟，将不会增加碳化物的微细化(refining)效果，并且会存在由延长的退火时间所引起的生产率降低的风险，因此，退火时间的上限为30分钟。
在多次冷轧步骤的间隙进行的连续退火的退火时间优选10分钟以下。这是因为通过进行10分钟以下的退火，可充分获得碳化物的微细化效果。
实施例
参考实施例和常规例将更具体地描述本发明。然而，本发明不以任何方式限制于下述实施例。
(实施例1)
参考专利文献1中描述的实施例测定合金组成和热轧材料的厚度。表1说明热轧材料的金属组成。热轧材料的厚度为1.7mm。表1示出的金属组成中，"常规例"为在专利文献1的实施例描述的钢中具有最高的碳化物密度的No.C钢。本发明的实施例1意欲具有与No.C钢相同的金属组成的钢。
[表1]
(质量％)
根据实施例1的热轧材料用作冷轧用材料，并且在将该冷轧用材料加热至850℃之后，将材料进给至具有加热区域的连续炉并进行连续退火10分钟。需要注意的是，对于实施例1和常规例二者，表1示出刀具用钢的Ac1转变点为800℃。
接下来，将预先形成在表面的氧化物层除去以进行冷轧。进行第一次冷轧以使轧制率(rollingratio)为50％以上。随后，将材料进一步加热至850℃，并在850℃进行连续退火10分钟，并进行第二次冷轧以使轧制率为50％以上。将材料进一步加热至850℃，并在850℃进行连续退火10分钟，然后进行最后的冷轧以使产品的厚度变为0.1mm，从而生产实施例1的刀具用钢。冷轧期间未发生如断裂材料(crackedmaterial)等故障。
将描述常规例的生产方法。将具有如表1所示的金属组成和1.7mm厚度的热轧材料进给至具有设定为850℃×20分钟的加热区域的连续炉中，在其中进行退火，然后进行冷轧、780℃×5分钟的退火、冷轧、780℃×5分钟的退火、和冷轧的步骤，从而生产厚度为0.1mm的刀具用钢。
从如上所述获得的实施例1的刀具用钢和常规例的刀具用钢中取样用于观察碳化物的密度的试验片，并通过使用电子显微镜测量碳化物密度。通过使用砂纸将观察面磨削成平坦面，然后进行电解研磨并用硝酸酒精溶液(Nitalsolution)腐蚀以露出碳化物。将扫描电子显微镜用于试验片的碳化物的观察。关于测量条件，加速电压为15kv，并将通过使用电子显微镜在100μm2的观察区域中观察的图像进行图像分析。根据图像分析的结果测定碳化物的数量和各碳化物的圆当量直径，并测定碳化物的密度、碳化物的尺寸和碳化物的平均尺寸。
图1说明通过使用根据实施例1的刀具用钢观察的碳化物形态的电子显微镜照片。根据实施例1的碳化物的密度非常高，并且各碳化物的尺寸细小，因此图1示出的电子显微镜照片的放大率为30,000×。如图1所示，了解到最大为0.5μm的细小碳化物1均匀分散。通过使用能量分散型X射线分析仪测定碳化物的组成，结果，碳化物为Cr系碳化物。
图4说明通过使用根据常规例的刀具用钢观察碳化物形态的电子显微镜照片。放大率为4,000×。图4中，观察到最大尺寸为1μm的碳化物。可知碳化物密度低于图1示出的碳化物密度。
表2示出基于100μm2区域中碳化物的数量测定的实施例1的碳化物密度和常规例的碳化物密度。
[表2]
如表2所示，可知在实施例1的刀具用钢中，每100μm2观察到大于800个的碳化物。作为测量的结果，实施例1的碳化物的最大尺寸为0.5μm。作为测量的结果，实施例1的碳化物的平均尺寸为0.15μm。对于常规例的刀具用钢，观察到最大尺寸为1.0μm的碳化物。还观察到大于0.6μm的大量碳化物。
(实施例2和3)
接下来，在与实施例1不同的热处理条件下进行试验。合金组成与实施例1的相同，并且热轧材料的厚度为1.7mm，类似于实施例1中的厚度。
将与实施例1相同的热轧材料用作起始材料，将起始材料加热至850℃，然后将材料进给至具有加热区域的连续炉，并在850℃进行连续退火12分钟，从而制备实施例2的冷轧用材料。将已在850℃进行连续退火15分钟的材料用作实施例3的冷轧用材料。
接下来，将预先形成在表面的氧化物层除去以进行冷轧。进行第一次冷轧以使轧制率为50％以上。随后，将材料进一步加热至850℃，并在850℃进行连续退火10分钟，并进行第二次冷轧以使轧制率为50％以上。将材料进一步加热至850℃，并在850℃进行连续退火10分钟，然后进行最后的冷轧以使产品的厚度为0.1mm，从而生产实施例2和3的刀具用钢。冷轧期间未发生如断裂材料等故障。
从如上所述获得的实施例2和3的刀具用钢和常规例的刀具用钢中取样用于观察碳化物的密度的试验片，并通过使用电子显微镜测量碳化物密度。通过使用砂纸将观察面磨削成平坦面，然后进行电解研磨并用硝酸酒精溶液腐蚀以露出碳化物。将扫描电子显微镜用于试验片的碳化物的观察。关于测量条件，加速电压为15kv，并将通过使用电子显微镜在100μm2的观察区域中观察的图像进行图像分析。根据图像分析的结果测定碳化物的数量和各碳化物的圆当量直径，并测定碳化物的密度、碳化物的尺寸和碳化物的平均尺寸。
图2示出通过使用根据实施例2的刀具用钢观察的碳化物形态的电子显微镜照片。图3示出通过使用根据实施例3的刀具用钢观察的碳化物形态的电子显微镜照片。根据实施例2和3的碳化物的密度非常高，并且各碳化物的尺寸细小，因此图2和图3示出的电子显微镜照片的放大率分别为30,000×。如图2和图3所示，了解到最大为0.5μm的细小的碳化物1均匀分散。通过使用能量分散型X射线分析仪测定碳化物的组成，结果，碳化物为Cr系碳化物。表3示出基于100μm2区域中碳化物的数量测定的实施例2和实施例3的碳化物密度。
[表3]
如表3所示，可知在实施例2和3的刀具用钢中，每100μm2获得大于700个碳化物。作为测量的结果，实施例2和3二者的碳化物的最大尺寸为0.5μm。作为测量的结果，实施例2和3二者的碳化物的平均尺寸为0.15μm。
如上所述，因为大于600个的碳化物存在于根据本发明的刀具用钢的100μm2的区域中，可理解为根据本发明的刀具用钢具有优良的淬火性。
产业上的可利用性
根据本发明的刀具用钢最适用作剃刀用钢，因此，其在工业上有用。如果刀具用钢用作剃刀，优选的是，与上述实施例类似的，刀具用钢的厚度为0.1mm以下。
附图标记说明
1：碳化物

Claims (7)

1.一种刀具用钢，其具有包括0.55质量％至0.8质量％的C、1.0质量％以下的Si、1.0质量％以下的Mn、12.0质量％至14.0质量％的Cr、和余量的Fe及不可避免的杂质的金属组成，其中所述刀具用钢的铁素体结构中的碳化物的数量为每100μm2区域中600个至1,000个。
2.根据权利要求1所述的刀具用钢，其中所述刀具用钢的铁素体结构中的碳化物的数量为6个碳化物/μm2至10个碳化物/μm2。
3.根据权利要求1所述的刀具用钢，其中所述碳化物的最大尺寸为0.6μm以下。
4.根据权利要求1或2所述的刀具用钢，其中所述碳化物的平均尺寸为0.05μm至0.3μm。
5.一种刀具用钢的生产方法，所述刀具用钢具有包括0.55质量％至0.8质量％的C、1.0质量％以下的Si、1.0质量％以下的Mn、12.0质量％至14.0质量％的Cr、和余量的Fe以及不可避免的杂质的金属组成，所述方法包括：
在5至30分钟期间将冷轧用材料连续退火的连续退火步骤，所述材料已加热至所述金属组成的Ac1转变点以上；和
将已进行所述连续退火步骤的材料冷轧的冷轧步骤，
其中所述连续退火步骤和所述连续退火步骤之后的所述冷轧步骤重复至少两次。
6.根据权利要求5所述的刀具用钢的生产方法，其中在所述冷轧步骤之间进行的所述连续退火步骤中，连续退火的时间为15分钟以内。
7.一种刀具用钢的生产方法，所述刀具用钢具有包括0.55质量％至0.8质量％的C、1.0质量％以下的Si、1.0质量％以下的Mn、12.0质量％至14.0质量％的Cr、和余量的Fe及不可避免的杂质的金属组成，
所述方法的特征在于，将所述刀具用钢用的冷轧用材料在Ac1转变点以上的温度下连续退火，冷轧多次并在所述冷轧之间连续退火，所述冷轧之间的所述连续退火在Ac1转变点以上的温度下进行至少一次，以使所述刀具用钢的铁素体结构中的碳化物的数量为每100μm2区域中600个至1,000个。
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