JP2015086399A

JP2015086399A - 超音波振動カッター用刃物鋼および超音波振動カッター用加工刃

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Publication number: JP2015086399A
Application number: JP2013223116A
Authority: JP
Inventors: 公亜矢野; Kimitsugu Yano
Original assignee: Nippon Koshuha Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Koshuha Steel Co Ltd
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2033-10-28
Also published as: JP5509383B1

Abstract

【課題】低コストで製造できるとゝもに、耐久性があり、高速で切断することを可能とする超音波振動カッター用の刃物鋼を提供する。【解決手段】焼入焼戻し後の組織中の炭化物のうち、円相当径で1μmを超えるＭ6Ｃ型とＭＣ型炭化物の面積率の合計が 6〜20％、かつ平均粒径が1.2〜7.0μmであり、更にはこれら炭化物の最大粒径が円相当径で 5μm以上22μm以下である超音波振動カッター用刃物鋼。【選択図】なし

Description

本発明は、ＣＦＲＰなどの繊維強化プラスチックを高速で切断することを可能とする超音波振動カッター用の刃物鋼及びこれを用いた超音波振動カッター用加工刃に関する。

ＣＦＲＰなどの繊維強化プラスチックは強度の高い繊維と樹脂で構成されており、切削性が非常に悪く、工具寿命や加工速度が問題となっている。

従来、繊維強化プラスチックの切断に適した刃物用材として、刃物用ステンレス鋼でＦｅ−Ａｌ金属間化合物を挟んで３層としたクラッド材（特許文献１参照）や、超音波振動カッターによるプリプレグの切断方法（特許文献２参照）が提案されている。また、超音波振動カッターとしては、刃先部分にダイヤモンドチップなどの硬質粒子を固定した加工刃を備えたもの（特許文献３参照）が提案されている。

特開平９−２９６８４号公報特開平３−２２８５９７号公報特開２００１−３３４４９４号公報

しかしながら、クラッド材の刃物による切断は、刃物に対する抵抗が大きく働くため加工速度が遅く、工具磨耗が著しいこと、刃物形状が薄板に限定されるといった問題点がある。また、超音波振動カッターによる切断方法は、一般的な刃物による切断に比べて加工速度は速いが、加工刃に一般的な炭素鋼やステンレス鋼を用いた場合、刃先が早期に磨耗して切断できなくなるため加工速度が低下し、頻繁に交換作業が必要となり、能率が悪いといった問題点がある。

また、超音波振動カッターに用いる加工刃の刃先部分にダイヤモンドチップなどの硬質粒子を固定したものは、工具寿命は長いがコスト高となるといった問題点がある。本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、低コストで耐久性があり、高速で切断することを可能とする超音波振動カッター用の刃物鋼およびこれを用いた超音波振動カッター用加工刃を提供することを目的としたものである。

上記の目的を達成するため、発明者は繊維強化プラスチックの切断に適した超音波振動カッター用刃物鋼の組成成分と鋼材中に生成する硬質粒子、つまり一次炭化物の大きさとその生成量の目安である面積率について適正化を図った。炭素繊維の太さはおよそ 5〜18μm であり、これを平滑な刃先形状の加工刃で切断するには繊維を断ち切る際の抵抗が大きい（図１参照) 。発明者は、刃先に炭素繊維の太さ以上の大きさをもった鋸刃のような微細な凹凸を設けることにより、超音波振動の動きによってこの凹凸部に繊維を断ち切る作用が働き（図２参照) 、平滑な刃先に比べて高速で切断加工ができることを見出した。

これには、刃物鋼中に炭素繊維の太さ以上の大きさを持った一次炭化物が存在すれば、加工刃の刃先を鋭利に研磨することで一次炭化物の欠落と残留が適度に存在し、刃先に微細な凹凸を形成することがわかった（図３参照) 。また、一次炭化物が大きく多量に存在するほど、工具磨耗が抑制されることはいうまでもないが、ある一定以上の大きさの炭化物が多量に生成した場合、刃先の大きな欠損を招き、かえって切断性を損なうとともに、工具寿命を低下させることがわかった（図４参照）。

さらに、刃物鋼の焼入条件や焼入焼戻し硬さについて検討を行ったところ、溶融点（Ｔｓ）直下で焼入を行い、マトリックス組織に炭素を最大限固溶させるよりも溶融点よりも30℃以上低い温度で焼入れし、63ＨＲＣ以上の硬さとなるよう焼戻しすることにより、刃先の大きな欠損と磨耗を抑制し、さらに工具寿命を延長することを可能とした。

また、発明者は、超音波振動カッターの加工速度には鋼材の材質以外に刃先の研磨粗さが影響することを見出した。刃先の研磨粗さは粗い方が切断時に発生する摩擦熱が低く、熱可塑性樹脂の軟化や溶融が抑えられることから、より高速で加工することが可能であることを見出した。

すなわち、本発明は、焼入焼戻し後の組織中の炭化物のうち、円相当径で 1μm を超えるＭ₆Ｃ型とＭＣ型炭化物の面積率の合計が 6〜20％、かつ平均粒径が 1.2〜 7.0μm であり、更にはこれら炭化物の最大粒径が円相当径で 5μm 以上22μm 以下であることを特徴とする超音波振動カッター用刃物鋼である。

また、刃物鋼の組成は、質量％でＣ：0.80〜1.30％、Ｓｉ：0.01〜0.70％、Ｍｎ：0.10〜0.40％、Ｃｒ：3.50〜5.00％、Ｍｏ：5.00〜7.50％、Ｗ：5.00〜7.50％、Ｖ：1.20〜3.00％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成が望ましく、Ｆe の一部はＣｏ：10.00 ％以下、および／またはＬａ，Ｃｅ，Ｈｆ，Ｙのうちの１種または２種以上を0.02〜0.07％で置換してもよく、更にはＴｉ+ Ｎを0.2 ％以下に制限してもよい。

また、焼入焼戻し後の硬さが63ＨＲＣ以上で、焼入温度が溶融点 (Ｔs)より30℃以上低いことで、より望ましい特性が得られるとともに、本発明鋼による超音波振動カッター用の加工刃は、刃先の研磨粗さをＲa:0.10μm 〜1.50μm とすることが望ましい。

以下に、個々の限定理由について述べる。
Ｃ：0.80〜1.30％
Ｃは、炭化物形成元素と結合して炭化物を形成するとともに、マトリックスに固溶し
て、刃物鋼として必要な強度、硬さおよび耐摩耗性等を確保するのに重要な元素である
。これらの効果を得るために0.80％以上必要とするが、多すぎると炭化物の粗大化と過
剰な炭化物の生成、およびマトリックスの靭性低下により加工刃の刃先の欠損を招くた
め、上限を1.30％とする。
Ｓｉ：0.01〜0.70％
Ｓｉは脱酸剤として作用するとともに、マトリックスの固溶強化に寄与する元素であ
る。しかしながら、添加が多すぎると偏析を助長し、炭化物の分布が不均一になり、耐
摩耗性を損なうと共に靭性が低下するため、上限を0.70％とする。
Ｍｎ：0.10〜0.40％
Ｍｎもまた、脱酸, 脱硫剤として添加する。しかしながら、多量に入れすぎるとＳと
ともにＭｎＳを形成し、鍛伸方向に長く伸びて靭性を低下させるため、0.10〜0.40％と
する。
Ｃｒ：3.50〜5.00％
ＣｒはＣと結合して複炭化物を形成し、焼入焼戻し硬さを高めて耐摩耗性に寄与する
とともに、焼入性を向上させる。このためには少なくとも3.50％以上添加させる必要が
あるが、5.0％を越えると著しい効果が認められないことから上限を5.0％とする。
Ｍｏ：5.00〜7.50％
ＭｏはＣと結びついてＭ₆Ｃ，Ｍ₂Ｃ炭化物を形成する。凝固過程で晶出するＭ₆Ｃ炭
化物は耐摩耗性に寄与するとともに、加工刃の刃先に存在した場合、刃先を鋭利に研磨
した際に脱落し、刃先に微細な凹凸を形成することで、繊維強化樹脂の高速切断を可能
とする本発明の大きな特徴を持つものである。また、熱処理時に析出する二次炭化物は
マトリックスの強度に寄与するため、重要な元素である。これらの効果を得るには少な
くとも5.00％以上を必要とする。しかしながら、7.50％を越えると炭化物の粗大化と過
剰な炭化物の生成を招くことから、上限を7.50％とする。
Ｗ：5.00〜7.50％
ＷもまたＭｏと同様、Ｃと結びついてＭ₆Ｃ炭化物を形成し、前記特性を達成するた
めに重要な元素である。しかしながら、多すぎると粗大炭化物を生成するため、範囲を
5.00〜7.50％とする。
Ｖ：1.20〜3.00％
ＶはＣとともに非常に硬度の高いＭＣ型炭化物を形成する。凝固過程で晶出するＭＣ
型炭化物はＭｏやＷによって形成する炭化物と同様、前記特性に大きく寄与するととも
に、熱処理時に析出する二次炭化物はマトリックスの強度に寄与するため重要な元素で
ある。これらの効果を得るには少なくとも1.2％含有させる必要があるが、3.0％を越え
るとＭＣ型炭化物が粗大化するとともに、非常に硬質なため、刃物鋼の被加工性を阻害
するため、上限を3.00％とする。
Ｃｏ：10.00 ％以下
Ｃｏはマトリックスを強化して熱処理硬さを高めるとともに、耐熱性を付与する元素
であり、マトリックスの高温軟化とそれに伴う摩耗を低減させる。超音波振動カッター
は切断時に摩擦熱が発生するためＣｏの添加は有効である。しかしながら、多量に添加
するとマトリックスの靭性が低下するとともに、熱間加工性を損なうため、上限を10.0
0％とする。
Ｌａ，Ｃｅ，Ｈｆ，Ｙのうちの１種または２種以上：0.02〜0.07％
Ｌａ，Ｃｅ，Ｈｆ，ＹにはＭＣ型炭化物の晶出温度を低め、ＭＣ型炭化物の粒径を微
細にする効果がある。ＭＣ型炭化物は加工刃の耐摩耗性に寄与するとともに、一定の範
囲内の粒径を維持すれば刃先に微細な凹凸を形成し、切断速度の高速化に寄与するが、
大きすぎると刃物鋼の被加工性を阻害するため、Ｌａ，Ｃｅ，Ｈｆ，Ｙのうちの１種ま
たは２種以上を添加してもよい。このためには少なくとも0.02％以上添加させる必要が
あるが、0.07％を越えると著しい効果が認められないことから上限を0.07％とする。
Ｔｉ＋Ｎ：0.2 ％以下
ＴｉおよびＮはＭＣ型炭化物の生成核となり、ＭＣ型炭化物の晶出温度を高め、ＭＣ
型炭化物の粒度に大きく影響する。少ない方が好ましいが、希土類元素（Ｌａ，Ｃｅ，
Ｈｆ，Ｙ）とのバランスによって、ＭＣ型炭化物を適度な大きさと量にコントロールす
る目的で0.2％を上限に添加してもよい。

また、繊維強化プラスチックを切断するには、超音波振動を利用して高速で繊維を断ち切る超音波振動カッターが適しているが、より高速で加工するには加工刃の刃先形状が重要である。前述のとおり、炭素繊維の太さはおよそ 5〜18μmであり、平滑な形状の加工刃では繊維を断ち切る際の抵抗が大きいため、発明者は、加工刃の刃先に炭素繊維の太さ以上の大きさをもった鋸刃のような微細な凹凸を設けることにより、超音波振動の動きによって前記微細な凹凸に繊維を断ち切る作用が働き、平滑な加工刃に比べて高速で切断加工ができることを見出した。これには、刃物鋼中に炭素繊維の太さ以上の大きさを持った一次炭化物が存在すれば、加工刃の刃先を薄く鋭利に研磨することで一次炭化物の欠落と残留が適度に存在し、微細な凹凸を形成することがわかった。

これより、刃先に存在する一次炭化物の最大粒径は、円相当径で 5μm以上22μm以下とするのが望ましい。また、一次炭化物が大きく、多量に存在するほど工具磨耗が抑制されるが、ある一定以上の大きさの炭化物が多量に生成した場合、刃先の大きな欠損を招き、かえって切断性を損なうとともに、工具寿命を低下させることがわかった。発明者は、工具寿命と高速切断を両立する一次炭化物の大きさと生成量のバランスを検討した結果、円相当径で 1μmを超えるＭ₆Ｃ型とＭＣ型炭化物の面積率の合計が 6〜20％であり、平均粒径が1.2〜7.0μmの範囲が適していることを見出した。

さらに、刃物鋼の焼入条件や焼入焼戻し硬さについて検討を行ったところ、溶融点（Ｔｓ）直下で焼入を行い、マトリックスに炭素を最大限固溶させるよりも、溶融点よりも30℃以上低い温度で焼入れし、63ＨＲＣ以上の硬さとなるよう焼戻しすることにより、刃先の大きな欠損と磨耗を抑制し、さらに工具寿命を延長することを可能とした。

また発明者は、超音波振動カッターの加工速度には刃先の研磨粗さは粗い方が切断時に発生する摩擦熱が低く、熱可塑性樹脂の軟化や溶融が抑えられることから、より高速で加工することが可能であることを見出した。これには刃先の研磨粗さをＲa:0.10μm 〜1.50μmとすることが好ましい。

加工刃の形状について特に限定はなく、図５に示すように、超音波振動カッターのホーンの先端に取り付ける薄刃（図５（Ａ）は両刃タイプ、図５（Ｂ）、（Ｃ）は片刃タイプ）や、図６に示すように、ホーンと薄刃を同一刃物鋼で一体に成形したホーン一体型にも適用可能である。

以上のように、本発明によると、以下のような諸効果が得られる。
（１）ＣＦＲＰなどの繊維強化プラスチックを高速で切断することが可能となる。
（２）安価なコストで、工具寿命に優れた加工刃を製造することができる。
（３）一体物で、厚みのあるものや複雑な形状の加工刃も成形できる。

平滑刃による炭素繊維切断のイメージ図である。鋸刃による炭素繊維切断のイメージ図である。鋭利に研磨することで、一次炭化物が脱落して微小な凹凸を形成した加工刃の刃先の写真である。粗大な一次炭化物が多量に存在することにより、大きく欠損した加工刃の刃先の写真である。超音波振動カッターの加工刃の一例で、（Ａ）は薄刃の両刃タイプ、（Ｂ）、（Ｃ）は薄刃の片刃タイプである。超音波振動カッターの加工刃の一例で、ホーンと薄刃が一体となったホーン一体型である。

以下、本発明の実施例について説明する。

表１に実施例 1乃至10、比較例11乃至15の化学成分を示す。
供試料は、2 〜 3ｔの誘導炉および真空誘導炉にて溶製し、600kg の鋳型に鋳込んだ。
600kg 鋼塊は1,100 〜1,140 ℃に加熱して65mm厚に熱間鍛造および焼なまし(860℃）を施し、さらに1,140 〜1,170 ℃に加熱して4.5mm 厚まで熱間圧延・焼なまし(860℃）を繰返した後、500 ℃に加熱して 2mm厚まで温間圧延、焼なまし(860℃）を実施した。

この素材を17mm幅に切断し、それぞれの成分から算出した溶融 (Ｔs)をもとに焼入温度を決定し、真空焼入炉にて焼入を実施後、540〜600℃にて 2〜 3回の焼戻しを行った。各供試料の溶融点 (Ｔs)と焼入温度、焼入焼戻し後の硬さを表２に示す。溶融点 (Ｔs)は、算出式 Ts(℃)=5/9*（2310-200（C%）+ 40（V%)+8(W%)+ 5（Mo%)-32)より求めた。

この焼入焼戻しした各供試料の炭化物を画像解析し、Ｍ₆Ｃ型とＭＣ型炭化物の面積率および粒径を測定した結果を表３に示す。

画像解析の方法としては、10％シュウ酸電解腐食および村上試薬腐食により試験片の縦断面（鍛伸，圧延方向と平行な断面）を検鏡し、 1μmを超える炭化物の円相当径と面積率を求めた。ここで言う円相当径とは粒径であり、断面の個々の炭化物の面積を測定し、それらを真円に置き換えた場合の円の直径を指す。また、面積率とは炭化物の生成量であり、検鏡面積を占める炭化物の面積の割合を指す。

一方で、先の焼入焼戻しした各供試料より、幅15mm、厚さ1mm 、長さ35mmの図５（Ａ）に示す両刃タイプの薄刃を製作した。刃先の厚さは、最も薄いところで10μm以下まで鋭利に研磨を施した。

ここで、実施例 7乃至10、比較例14および15は同一鋼材であり、薄刃の刃先の研磨粗さのみ変えたものである。供試料の刃先の粗さは表４に示す。この薄刃を超音波振動カッターに取り付け、ＣＦＲＰシート材の切断試験を行った。
切断試験の条件は、以下のとおりである。
周波数：40kHz
超音波出力：400W
ワーク材：厚さ0.8mm のCFRPシート材
（基材…ポロプロピレン、太さ7μmの炭素繊維30％含有）

（切断試験１）
加工刃の寿命延長の効果を確認するため、切断の加工速度は100mm/sec 一定とし、加
工刃が寿命になるまでワーク材の切断を行い、切断距離を比較した。ここでいう加工速
度とは、加工刃の送り速度のことをいう。加工刃の寿命は、ワーク材の切断面にデラミ
ネーションが認められた時点で寿命と判断した。この時の切断距離と寿命に至った時の
刃先の損傷状態を表４に示す。この結果より、本発明による加工刃は、高い耐久性を有
することがわかった。

（切断試験２）
次に、各加工刃でどこまで加工速度を上げられるか確認するため、ワーク材を 10m切
断毎に加工速度を20mm/secずつ段階的に上げていき、加工限界を確認した。この時の加
工限界を表４に示す。ここで加工限界は、ワーク材にデラミネーションが認められた時
点と判断した。この結果より、本発明による加工刃は高能率で加工でき、刃先の加工粗
さＲa を0.10μm〜1.50μmとすることにより、さらに加工速度を上げることが可能とわ
かった。

Claims

焼入焼戻し後の組織中の炭化物のうち、円相当径で1μmを超えるＭ₆Ｃ型とＭＣ型炭化物の面積率の合計が 6〜20％、かつ平均粒径が1.2〜7.0μmであり、更にはこれら炭化物の最大粒径が円相当径で 5μm以上22μm以下であることを特徴とする超音波振動カッター用刃物鋼。
質量％でＣ：0.80〜1.30％、Ｓｉ：0.01〜0.70％、Ｍｎ：0.10〜0.40％、Ｃｒ：3.50〜5.00％、Ｍｏ：5.00〜7.50％、Ｗ：5.00〜7.50％、Ｖ：1.20〜3.00％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成を有する請求項１に記載の超音波振動カッター用刃物鋼。
Ｆｅの一部をＣｏ：10.00 ％以下で置換した請求項２に記載の超音波振動カッター用刃物鋼。
Ｆｅの一部をＬａ，Ｃｅ，Ｈｆ，Ｙのうちの１種または２種以上0.02〜0.07％で置換、および／またはＴｉ+ Ｎを0.2％以下とすることを特徴とした請求項２または３に記載の超音波振動カッター用刃物鋼。
焼入焼戻し後の硬さが63ＨＲＣ以上で、焼入温度が溶融点 (Ｔs)より30℃以上低いことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波振動カッター用刃物鋼。
Ts (℃)=5/9*（2310-200（C%）+ 40（V%)+8(W%)+ 5（Mo%)-32)
刃先の研磨粗さがＲa ：0.10μm 〜1.50μm であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の刃物鋼を用いた超音波振動カッター用加工刃。