CN109563584A - 刀具用原材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有高强度的刀具用原材料。一种刀具用原材料，以质量％计，C：0.5％～0.8％、Si≦1.0％、Mn≦1.0％、Cr：11％～15％、V：0.1％～0.8％，剩余部分为Fe及不可避免的杂质，并且厚度为0.5mm以下，其中，对表面进行研磨后观察到的组织具有铁氧体及碳化物，所述碳化物的平均粒径为0.5μm以下，所述碳化物中，包含V的碳化物的比例以视野面积率计为50％以下。而且，通过对所述刀具用原材料实施淬火及回火的热处理，可制成金属组织呈现马氏体组织，拉伸强度为2050MPa以上的刀具用原材料。

Description

刀具用原材料
技术领域
本发明涉及一种刀具用原材料。
背景技术
一般来说，对菜刀或剃刀等刀具使用马氏体钢。尤其是适量添加有Cr，耐腐蚀性得到提升的马氏体系不锈钢因日常容易获得，而作为刀具用钢受到广泛使用，并且至今为止进行了大量研究。
作为刀具，具有足够的锋利程度是重要的条件，同时，锋利程度可长久维持也非常重要。此处，作为耐久性优异的刀具用合金，例如报告了专利文献1或专利文献2那样的示例。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2000-273587号公报
专利文献2：日本专利特开2002-212679号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在专利文献1、专利文献2中记载有：作为可长时间维持锋利程度而不会产生崩刃或卷刃等的刀具用钢，均使碳化物为5μm以下。
然而，本发明人等为了进行合金改良以提升刀具的耐久性，对作为实际的刀具的剃刀进行长时间使用，并对使用后的刀刃进行了仔细的观察，结果发现，崩刃或卷刃实际上几乎不会发生，反而作为导致锋利程度劣化的因素，刀刃的弯曲为主要因素。
这即意味着只要可抑制刀刃的弯曲，刀具的寿命便会延长，因此，认为有效的是提升合金基体本身的机械强度。
本发明的目的在于提供一种具有高强度的刀具用原材料。
解决问题的技术手段
本发明者对适合于刀具用钢的高强度化的合金元素进行了探索，发现有效果的是：使其含有V以利用V的固溶强化现象。但是，V容易引起刀具钢的合金组织中所含的金属碳化物的增加及粗大化，结果存在容易产生刀刃的缺损这一课题。因此，对机械特性及碳化物的析出形态进行了积极调查，完成了本发明。
即，本发明为一种刀具用原材料，以质量％计，C：0.5％～0.8％、Si≦1.0％、Mn≦1.0％、Cr：11％～15％、V：0.1％～0.8％，剩余部分为Fe及不可避免的杂质，并且厚度为0.5mm以下。
在所述发明中，优选：对表面进行研磨后观察到的组织具有铁氧体及碳化物，所述碳化物的平均粒径为0.5μm以下。
在所述发明中，优选：所述碳化物中，包含V的碳化物的比例以视野面积率计为50％以下。
在所述发明中，也可为：对表面进行研磨后观察到的组织具有马氏体(martensite)组织，并且拉伸强度为2050MPa以上。
发明的效果
本发明可提供一种作为刀具使用时不易产生刀刃的弯曲，结果能够延长刀具的寿命的机械强度优异的刀具用原材料。
附图说明
图1是表示刀具用原材料中所含的碳化物的个数密度与V量的关系的图。
图2是表示刀具用原材料中所含的碳化物的平均粒径与V量的关系的图。
图3是表示刀具用原材料中所含的碳化物的面积率与V量的关系的图。
图4是表示刀具用原材料的C与V的元素映射(elemental mapping)的一例的图。
图5是表示刀具用原材料的拉伸强度与V量的关系的图。
图6是表示刀具用原材料的硬度与V量的关系的图。
具体实施方式
如上所述，本发明的重要的特征是使作为刀具用原材料的刀具用钢适量含有V。
在本发明的刀具用原材料中，对各元素的含量的范围进行规定的理由如下。另外，只要无特殊记载则以质量％来记述。
C：0.5％～0.8％
使C含量为0.5％～0.8％是为了达成作为刀具的充分的硬度，并且将铸造·凝固时的共晶碳化物的结晶抑制为最低限度。若C不足0.5％，则作为刀具无法获得充分的硬度。而且，若超过0.8％，则因与Cr量的平衡而共晶碳化物的结晶量增加，从而导致刃磨时的崩刃。为了更切实地获得所述C的效果，C的下限优选设为0.6％，上限优选设为0.7％。
Si≦1.0％
Si是作为精炼时的脱氧剂而添加。若Si超过1.0％，则夹杂物量增加从而导致刃磨时的崩刃，所以将上限设为1.0％。另一方面，并不特别设置下限，但若想获得充分的脱氧效果，则要残存0.2％以上的Si。因此，优选的Si的范围为0.2％～1.0％。
Mn≦1.0％
Mn也与Si同样地作为精炼时的脱氧剂而添加。若Mn超过1.0％，则热加工性下降，所以将上限设为1.0％。另一方面，并不特别设置下限，但若想获得充分的脱氧效果，则要残存0.4％以上的Mn。因此，优选的Mn的范围为0.4％～1.0％。
Cr：11％～15％
将Cr设为11％～15％是为了达成充分的耐腐蚀性并且将铸造·凝固时的共晶碳化物的结晶抑制为最低限度。若Cr不足11％，则作为不锈钢无法获得充分的耐腐蚀性，若超过15％，则共晶碳化物的结晶量增加，从而导致刃磨时的崩刃。为了更切实地获得所述Cr的效果，Cr的下限优选设为12.5％，上限优选设为13.5％。
V：0.1％～0.8％
V是本发明的刀具用原材料中最重要的元素。V通过固溶于合金的金属基体，而通过固溶强化起到提升机械强度的效果。通常，在钢的制造工序中，V是作为不可避免的杂质而混入，在其量非常微量的情况下V的强化机制不发挥作用，所以在本发明中，必须含有下限0.1％的V。另一方面，V与C的亲和性极高，所以在本发明的高碳钢中容易形成V碳化物(VC)。在形成有VC的情况下，不仅V对金属基体的固溶强化机制不会发挥作用，还会将原本已固溶于金属基体的C固定为VC，所以会使作为刀具而所需的金属基体的硬度下降。而且，在形成有粗大的碳化物的情况下，有时会导致刃磨时或使用过程中的崩刃，就所述方面来看也不宜过度地含有V。因此，将V的范围设为0.1％～0.8％。为了更切实地获得所述V的效果，V的下限优选设为0.15％。优选的V的上限为0.7％，进而优选的上限为0.5％。
以上所叙述的元素以外为Fe及杂质。
作为代表性的杂质元素，有P、S、Ni、Cu、Al、Ti、N及O，这些元素为不可避免地混入的元素，作为不妨碍本发明的效果的范围，优选限制为以下的范围。
P≦0.03％、S≦0.005％、Ni≦0.15％、Cu≦0.1％、Al≦0.01％、Ti≦0.01％、N≦0.05及O≦0.05％。
而且，本发明为刀具用原材料，所以其厚度设为0.5mm以下。更优选的厚度为0.3mm以下。关于厚度的下限并无特别规定，但若考虑到为了制成最终的厚度而应用冷轧、若过薄则刀具用原材料的刚性会下降，则为大致0.05mm左右。
本发明的刀具用原材料是通过以高频溶解为代表的一般的溶解工艺来制造，所以作为减少厚度的工序，优选进行兼使金属基体的结晶粒微细化并提升强度的以压延为代表的塑性加工。尤其优选将溶解后的钢块经由热锻、热轧，最后通过冷轧而制成期望的厚度。另外，可在进行冷加工的过程中，以材料的软化及碳化物尺寸的调整为目的，以700℃～900℃左右、30秒～1小时左右适当进行退火。
其次，在本发明的合金组成中，溶解～压延的工序中的金属组织呈现铁氧体+碳化物的组织。所述碳化物的平均粒径优选为0.5μm以下。若碳化物微细，则在制造刀具时的淬火工序中容易产生碳化物的固溶，从而具有容易以更短时间完成淬火的优点。而且，若碳化物的平均粒径超过0.5μm而粗大化，则即使在淬火后也容易残留粗大的碳化物，并容易导致刃磨工序或使用过程中的崩刃。因此，碳化物的平均粒径优选为微细，进而优选为0.45μm以下。另外，就本发明合金的机械特性的观点来说，碳化物的平均粒径越小越好，下限并无特别限定，但因随着微细化的推进，制造工序上的负荷会过度变大，所以现实的是0.1μm左右。
而且，在本发明中，V是为了金属基体的固溶强化而含有的元素，所以碳化物中越包含V，金属基体的固溶强化机制越不易发挥。因此，在本发明的刀具用原材料中，碳化物中包含V的碳化物的比例的上限优选以视野面积率计为50％以下。进而优选为20％以下。而且，碳化物中的包含V的比例以少为佳，所以下限并无特别限定，其比例可为0％。
此处，碳化物中包含V的碳化物的比例可通过以下的步骤来计算。
首先，针对C及V，进行铁氧体+碳化物的金属组织下的元素映射。本发明的刀具用原材料中可形成碳化物的元素为Cr及V。即，元素映射中产生了C的浓化的部位被认为是存在Cr碳化物或V碳化物的任一者或者两者。另一方面，V或固溶于金属基体或形成V碳化物，所以产生了V的浓化的部位被认为是V碳化物。因此，可通过下式以视野面积率求出碳化物中的包含V的碳化物的比例。
[数1]
此处，“产生C的浓化的面积”是C浓化的各部分(也称为C浓化粒子)的面积的合计，“产生V的浓化的面积”是也产生了V的浓化的C浓化粒子的面积的合计。另外，V理想的是如后所述固溶于金属基体中，而不存在V碳化物的状态以视野面积率计为0％，所以不特别设置下限。
此处，在元素映射中优选使用具有波长分散型X射线分析装置(WavelengthDispersive X-ray Spectrometer，WDX)的分析设备。这是因为C为轻元素，所以难以利用能量分散型X射线分析装置(Energy dispersive X-ray spectrometer，EDX)进行清晰的识别。而且，如前所述，本发明的刀具用原材料中，碳化物非常微细，所以例如在将观察倍率设为5000倍以上的情况下，优选观察两视野以上，对其平均值进行测量。对产生C或V的浓化的面积进行测量的代表性的步骤如下。首先，通过金属基体部为黑(明度0)、C或V的最浓化部为白(明度255)的共计256等级的灰阶(Gray Scale)来表示测定出的元素映射。继而，将明度64以上的区域设为产生C或V的浓化的区域，对其面积进行测量。
而且，就作为刀具而需要具有充分的硬度、强度的观点来说，本发明的刀具用原材料在实际使用时，其金属组织需要呈现马氏体组织。
如前所述，本发明的刀具用原材料钢在溶解～压延工艺中呈现铁氧体+碳化物的金属组织，所以需要实施用以向马氏体组织转换的适当的淬火-回火。
首先，通过淬火工序使碳化物固溶并使马氏体组织形成，但若淬火温度过低，则不会促进碳化物的固溶，而且，若温度过高，则碳化物的固溶会进行得太快而引起在之后的工序中残留奥氏体量增加或晶粒粗大化的问题，结果产生拉伸强度或硬度的下降。因此，作为淬火条件，优选以1050℃～1200℃保持15秒～5分钟后进行骤冷。此处，在骤冷工序中，优选对本发明的刀具用原材料的温度从淬火温度起至室温为止以50℃/秒以上的速度进行冷却。
优选在淬火处理后进行深冷(Deep freezing)处理。这是为了通过使残留奥氏体转换为马氏体组织而获得充分的拉伸强求、硬度。深冷处理是在-70℃以下进行，例如进行以下操作即可：浸渍于干冰与醇的混合冷却剂或液体氮、利用由液体氮进行了冷却的金属的块体进行夹持等。另外，处理时间只要为将本发明的刀具用原材料均匀冷却的程度即可，根据其板厚进行30秒～30分钟左右便足够。另外，在通过深冷处理进行冷却的工序中，只要可获得满足所述骤冷工序的冷却速度，则也可在将本发明的刀具用原材料保持为淬火温度规定的时间后，直接供于深冷处理。
最后进行回火处理，恢复马氏体组织的韧性。若在过高的温度下进行回火，则变得无法获得作为刀具用原材料的充分的硬度，所以作为理想的回火条件，优选以150℃～400℃保持15秒～1小时。
另外，除所述回火之外，其他热处理工序的温度高，所以为了防止本发明的刀具用原材料的氧化，优选在氮或氢等非氧化性气体中或者真空中进行处理。
而且，本发明的刀具用原材料可通过进行所述淬火、回火(视需要在淬火后进行深冷处理)，而使金属组织成为马氏体组织。金属组织例如可通过利用光学显微镜进行观察而确认到成为了马氏体组织。
为了抑制刀刃的弯曲，具有马氏体组织的刀具用原材料优选拉伸强度为2050MPa以上。这是因为若拉伸强度成为2050MPa以上，则能够延长刀具的寿命。在测定拉伸强度时，可在考虑本发明为刀具用原材料而制成期望的厚度之后，适当进行淬火、回火等热处理，使金属组织成为马氏体组织，之后制作以压延方向为试验方向的试验片，其后依据日本工业标准(Japanese Industrial Standards，JIS)-Z2241通过板拉伸试验进行测定。
实施例
利用以下的实施例对本发明进行更详细的说明。
利用真空溶解制作10kg钢块，并进行热锻。其后，切出厚度1mm的板材，反复进行退火与冷轧，制作厚度0.1mm的试验原材料。将化学组成示于表1。
[表1]
(质量％)
No C Si Mn Cr V 剩余部分 备考
1 0.70 0.27 0.73 13.3 0.20 Fe及不可避免的杂质 本发明
2 0.69 0.26 0.68 13.3 0.47 同上 本发明
11 0.69 0.28 0.71 13.3 0.94 同上 比较例
12 0.70 0.27 0.73 13.2 0.02 同上 比较例
首先，将所制作的试验原材料在H2中以770℃加热30秒，制造退火材。为了进行碳化物的评价，在将退火材的表面利用电解研磨制成镜面后，利用氯化铁溶液进行腐蚀，并利用扫描型电子显微镜实施组织观察。在利用观察倍率10000倍对各试样各进行了五视野观察之后，通过图像解析对在视野面积100μm2中所观察到的碳化物的面积率、个数、平均粒径(各碳化物的圆当量直径的个数平均)进行测量。作为测定对象的碳化物为可利用10000倍识别到的圆当量直径0.1μm以上的碳化物。将碳化物的评价结果示于图1～图3。
根据图1～图3的评价结果，每100μm2的碳化物的个数表现出了随着V的增加而减少的倾向，但平均粒径相反观察到了增加的倾向。而且，面积率也观察到了与V量一起增加的倾向，这推测是V与C的亲和性高，尤其是当V超过0.5％时形成包含V的碳化物(VC)而导致碳化物的粗大化。
继而，使用用于碳化物解析的试样，利用具有WDX的FE-EPMA对合金中的V的分布进行调查。考虑V会固溶于金属基体或作为包含V的碳化物(VC)而析出，所以以与C的分布一起的方式在图4中示出元素映射的一例，并在利用所述记载的手法测量出的表2中以视野面积率来表示碳化物中的包含V的比例。
根据表2的结果，随着V的增加，碳化物中的包含V的比例增加，认为是形成了包含V的碳化物(VC)。
[表2]
继而，对所制作的退火材进行热处理，使金属组织成为马氏体组织。首先，将退火材在Ar中以1100℃加热40秒，之后利用常温的铁制平板将试验片夹入，进行淬火处理。继而，在-77℃下保持30分钟进行深冷处理，之后在大气中以150℃保持30秒，进而在350℃下保持30分钟进行回火，制作回火材。
继而，从所制作的回火材选取各种试验片。拉伸试验片是以压延方向成为试验方向的方式选取JIS14B号试验片，针对各组成分别对各两枚在常温下进行拉伸试验。而且，将回火材的表面利用电解研磨制成镜面，实施维氏硬度测定(负载300g、平均5点)。将它们的结果示于图5、图6。
根据图5、图6的结果，本发明合金的拉伸强度均为2050MPa以上，且含有0.1％以上的V，由此，与比较例相比，拉伸强度显著地得到了提升。但是，当所述V量超过0.2％时，拉伸强度稍微减少。继而，关于硬度，在V量为0.47时表现出了最高的结果，但V量为0.94％时大幅减少。这些现象被认为是与上述包含V的碳化物(VC)的析出相关。
即，因V非金属基体而作为包含V的碳化物(VC)析出，所以V的固溶强化机制不再发挥作用，而且已固溶于金属基体中的C也变少，所以马氏体基体的硬度下降。
产业上的可利用性
本发明的淬火(quenching)后硬度及拉伸强度优异，所以作为菜刀、刀、剃刀等各种刀具用原材料而较佳。

Claims (4)

1.一种刀具用原材料，其特征在于，以质量％计，C：0.5％～0.8％、Si≦1.0％、Mn≦1.0％、Cr：11％～15％、V：0.1％～0.8％，剩余部分为Fe及不可避免的杂质，并且厚度为0.5mm以下。
2.根据权利要求1所述的刀具用原材料，其特征在于，对表面进行研磨后观察到的组织具有铁氧体及碳化物，所述碳化物的平均粒径为0.5μm以下。
3.根据权利要求2所述的刀具用原材料，其特征在于，所述碳化物中，包含V的碳化物的比例以视野面积率计为50％以下。
4.根据权利要求1所述的刀具用原材料，其特征在于，对表面进行研磨后观察到的组织具有马氏体组织，并且拉伸强度为2050MPa以上。
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