JP2018522139A

JP2018522139A - 刃物用帯鋼

Info

Publication number: JP2018522139A
Application number: JP2017564152A
Authority: JP
Inventors: 範英福澤; 友典上野; シュー，ミン・ローラ; ホワイト，サミュエル・チャールズ
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2016-06-07
Publication date: 2018-08-09
Anticipated expiration: 2036-06-07
Also published as: PL3307920T3; WO2016199932A1; KR102009702B1; EP3307920A1; JP6798508B2; US10196718B2; EP3307920B1; KR20180004253A; US20160362770A1

Abstract

質量％で、Ｃ：０．４５〜０．５５％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：１２〜１４％を含有し、更にＭｏを含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物である組成を有する刃物用帯鋼において、前記Ｍｏの含有量が２．１〜２．８％である刃物用帯鋼は、焼戻しによって析出するＭ_３Ｃの形成量を低減させ、曲げ加工性を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は刃物用帯鋼に関するものである。

現在、刃物用途として、用いられているマルテンサイト系ステンレス鋼は、焼入れ及び焼戻しの熱処理により必要な硬さを得る。特に、１３質量％程度のＣｒを含む高炭素マルテンサイト系ステンレス鋼は、広く用いられている。

この刃物用の材料には、従来から種々の提案がなされている。このうち、特に耐食性と高い硬さの両立を目的にＭｏを含有する提案がなされている。例えば、特開平５−１１７８０５号公報には、高い耐食性と高い硬さを両立させたマルテンサイト系ステンレス鋼の刃物用鋼として、質量％で、Ｃ：０．４５〜０．５５％、Ｓｉ：０．４〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｃｒ：１２〜１４％およびＭｏ：１．０〜１．６％を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる発明が記載されている。

一方で、国際公開第２０１２／００６０４３号パンフレットでは、刃物用帯鋼に曲げ加工が施されること、及び、曲げ加工時に刃物に亀裂や割れが生じるといった問題が報告されている。

特開平５−１１７８０５号公報国際公開第２０１２／００６０４３号パンフレット

しかしながら、このような曲げ加工において、合金組成の調整によって良好な曲げ加工性を得ようとする試みは、なされていないのが現状である。

本発明の目的は、刃物に必要とされる硬さと曲げ加工性を兼備するマルテンサイト系ステンレス帯鋼を提供することである。

本発明者らは、曲げ加工が焼入れ、焼戻し後の状態で帯鋼に曲げ加工がなされると、初めに折り曲げられた箇所の外周側に亀裂が形成され、その後、形成された亀裂が厚み方向に進展していくことによって、最終的に破断に至ることに着目した。そこで、表面で発生する亀裂の状態と焼入れ焼戻しの熱処理後の金属組織との関係に着目して検討を行った。

その結果、焼入れ焼戻しの熱処理後の刃物用帯鋼において、焼戻しによって結晶粒界に析出するＭ_３Ｃの形成量が曲げ加工時の亀裂形成に影響を与えていることを突き止めた。そして、組成の改良によって、結晶粒界のＭ_３Ｃ量を減少させることによって、焼入れ焼戻し後の素材の曲げ加工性を改善することができることを見いだし本発明に到達した。

即ち本発明は、質量％で、Ｃ：０．４５〜０．５５％、Ｓｉ：０．４〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｃｒ：１２〜１４％の組成に加え、更にＭｏを含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる刃物用帯鋼において、前記Ｍｏは２．１〜２．８％である刃物用帯鋼である。

本発明の刃物用帯鋼は、焼入れ焼戻し後において、十分な硬さと曲げ加工時の割れ発生や破断といった問題を解決することが可能となる。

刃物用帯鋼の金属組織を示す電子顕微鏡写真である。Ｍ_３Ｃの電子顕微鏡写真である。曲げ加工試験後の刃物用帯鋼表面を示す電子顕微鏡写真である。刃物用帯鋼の金属組織を示す電子顕微鏡写真である。曲げ加工試験後の刃物用帯鋼表面を示す電子顕微鏡写真である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態を示し、これにより本発明をより詳細に説明するが、本発明は、様々な態様に具体化することができ、本明細書に示される実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が綿密でかつ完成したものであり、本開示によって本発明の範囲が当業者に十分に伝わるように提供するものである。

本明細書における発明の詳細な説明で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的のためだけのものであって、本発明を限定するものではない。発明の詳細な説明および添付する特許請求の範囲において使用される、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈上明らかに示されている場合を除き、複数形も含むものとする。別に定義されない限り、説明で使用される技術用語および科学用語を含む全ての用語は、本発明が属する技術分野の通常の知識を有する者に一般に理解されるものと同じ意味を有する。引用する全ての文献は、本明細書の一部をなすものとする。

本発明で規定する刃物用帯鋼に基本的な特性を付与する合金組成について説明する。なお、各元素の含有量は質量％である。

Ｃ：０．４５〜０．５５％
Ｃの含有量を０．４５〜０．５５％としたのは、刃物として十分な硬度を達成し、かつ、鋳造・凝固時の共晶炭化物の晶出を最低限に抑制するためである。Ｃの含有量が０．４５％未満では刃物として十分な硬度が得られない。一方、０．５５％を超えるとＣｒ量とのバランスで共晶炭化物の晶出量が増加し、刃付け時の刃欠けの原因となる。そのため、Ｃの含有量は０．４５〜０．５５％とする。このようなＣの効果を得るためのＣの含有量の好ましい下限は０．４８％であり、好ましい上限は０．５２％である。

Ｓｉ：０．２〜１．０％
Ｓｉは精錬時の脱酸剤として添加する。十分な脱酸効果を得ようとすると、Ｓｉが０．２％以上は残存することとなる。一方、Ｓｉの含有量が１．０％を超えると介在物量が増加し、刃付け時の刃欠けの原因となる。そのため、Ｓｉの含有量は０．２〜１．０％とする。Ｓｉの含有量の好ましい下限は０．４０％であり、好ましい上限は０．６０％である。

Ｍｎ：０．２〜１．０％
ＭｎもＳｉと同様に精錬時の脱酸剤として添加する。十分な脱酸効果を得ようとすると、Ｍｎが０．２％以上は残存することとなる。一方、Ｍｎの含有量が１．０％を超えると熱間加工性が低下する。そのためＭｎの含有量は０．２〜１．０％とする。Ｍｎの含有量の好ましい下限は０．６０％であり、好ましい上限は０．９０％である。

Ｃｒ：１２〜１４％
Ｃｒの含有量を１２〜１４％としたのは、十分な耐食性を達成し、かつ、鋳造・凝固時の共晶炭化物の晶出を最低限に抑制するためである。Ｃｒの含有量が１２％未満ではステンレス鋼として十分な耐食性は得られない。一方、Ｃｒの含有量が１４％を超えると共晶炭化物の晶出量が増加し、刃付け時の刃欠けの原因となる。そのため、Ｃｒの含有量は１２〜１４％とする。このようなＣｒの効果を得るためのＣｒの含有量の好ましい下限は１３．２％であり、好ましい上限は１４％である。

Ｍｏ：２．１〜２．８％
Ｍｏの含有量を２．１％以上としたのは、焼戻し炭化物（Ｍ_３Ｃ）を減少させると共に、そのサイズの微細化効果を得るためである。これは、Ｍｏが独自の炭化物を形成する元素のひとつであり、Ｍ_３Ｃに固溶しにくいという性質がある。焼戻し温度域では、Ｃのみの拡散により、Ｍ_３Ｃが生じるが、Ｍｏが基地中に特定量存在すると、Ｍ_３Ｃの凝集、粗大化するのを阻害する（すなわち、ＭｏがＭ_３Ｃを微細化する）と考えられる。

後述する実施例で示すように、Ｍｏの含有量を２．１％とすると、０．１μｍ以上のサイズのＭ_３Ｃはほぼ観察されなくなることから、Ｍｏの含有量の下限は２．１％とする。しかし、Ｍｏの含有量が２．８％を超えると変形抵抗が高くなって、熱間加工性を劣化させるため、Ｍｏの含有量の上限を２．８％とする。そのため、Ｍｏの含有量は２．１〜２．８％とする。このようなＭｏの効果を得るためのＭｏの含有量の好ましい下限は２．３％であり、好ましい上限は２．６％である。

この焼戻しによって析出するＭ_３Ｃはマルテンサイト母相よりも硬質なため、曲げ応力が加わった時に、Ｍ_３Ｃとマルテンサイト母相の硬度の差により、Ｍ_３Ｃとマルテンサイト母相の境界で亀裂が発生しやすい。Ｍ_３Ｃは粒内および結晶粒界に沿って連なって析出する。特に、粒界に形成されるＭ_３Ｃは曲げ加工時の亀裂形成の起点となりやすく、粒界のＭ_３Ｃを減少させることが亀裂形成抑制に有利であると考えられる。

以上、述べた元素以外の残部はＦｅおよび不純物である。

代表的な不純物元素としては、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｖ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、ＮおよびＯがある。これらの元素は不可避的に混入するものであるが、本発明で添加する各元素の効果を阻害しない範囲として、以下の範囲に規制することが好ましい。
Ｐ≦０．０３％、Ｓ≦０．００５％、Ｎｉ≦０．１５％、Ｖ≦０．２％、Ｃｕ≦０．１％、Ａｌ≦０．０１％、Ｔｉ≦０．０１％、Ｎ≦０．０５％、およびＯ≦０．０５％。

なお、本発明の曲げ加工に優れた刃物用帯鋼の好ましい厚さは０．１０ｍｍ以下のものに対して有効であり、特に有効な厚さは０．０８ｍｍ以下である。

以下の実施例により本発明をさらに詳しく説明する。

［実施例１］
真空溶解により、表１に示す化学成分を有する鋼塊（素材）を作製した。

作製した鋼塊は、鍛伸され、焼鈍と冷間圧延を繰り返し、０．０７４ｍｍの厚みの刃物用帯鋼とした。

前述の刃物用帯鋼から組織観察用試験片、硬さ測定用試験片、曲げ試験片を採取した。各試験片に、刃物作製時を模擬実験する条件のもとで熱処理を行った。この熱処理は１１００℃×４０秒の後、室温までの急冷する焼入れと、−７５℃×３０分の深冷処理、及び、３５０℃×３０分の焼戻しである。

組織観察結果を図１に示す。なお、金属組織の観察は以下のように実施した。組織観察用試験片を鏡面研磨した後、塩化第二鉄水溶液で腐食させ、その後、走査型電子顕微鏡を用いて組織観察を行った。

図１で見られる球状や０．２μｍを超えるような大きな炭化物は一次炭化物（１）である。Ｍｏの添加量が０．０１％のＮｏ．Ａの試験片では白色の微細なＭ_３Ｃが析出しているのがわかる。Ｍ_３Ｃは結晶粒内で微細に分散した状態（２）と結晶粒界に沿った状態（３）の２通りの状態で存在していることがわかる。このＭ_３ＣはＭｏ量が増加するに伴って減少しており、そのサイズもやや微細となっていることがわかる。透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察でみられたＭ_３Ｃを図２に示す。暗視野像にて、Ｎｏ．Ａ及びＮｏ．Ｃの試験片において、走査型電子顕微鏡で見られた炭化物（４）が観察され、その回折パターンよりそれがＭ_３Ｃであることが確認された。また、Ｎｏ．Ｅの試験片においては透過型電子顕微鏡において、Ｍ_３Ｃは観察されなかった。

次に、厚み０．０７４ｍｍ、長さ２０ｍｍ、幅６ｍｍの試験片を作製し、同一の装置を用いて９０°の曲げ加工試験を行った。折り曲げ部の直上から走査型電子顕微鏡を用いて亀裂の有無を観察して、曲げ性を評価した。その結果を図３に示す。

図３から、以下のことを観察することができた。Ｍｏの添加量が０．０１％のＮｏ．Ａの試験片や０．６５％のＮｏ．Ｂの試験片では、大きく深い亀裂（５）が観察された。Ｍｏが１．３０％のＮｏ．Ｃの試験片では、亀裂（６）は小さく浅くなっていた。Ｍｏ添加量増加とともに亀裂は浅くなっており、Ｍｏを２．５７％としたＮｏ．Ｅの試験片（本発明）では亀裂は全く見られなかった。微細な亀裂が広く形成されたＮｏ．Ｃ及びＮｏ．Ｄの試験片において、形成された亀裂間の間隔は１０μｍ程度であった。これはＳＥＭで観察された結晶粒径とほぼ一致していた。このことから、曲げ加工の際に、粒界に沿って析出したＭ_３Ｃを起点に優先的に亀裂が形成されるということが示唆される。Ｍｏ量が増加すると、粒界のＭ_３Ｃが減少することで、亀裂形成が抑制されたと考えられる。

次に、表２に硬さおよび残留オーステナイト量の測定結果を示す。残留オーステナイト量測定はサンプルの表面部に鏡面研磨を施し、さらに電解研磨を行った後、エックス線回折を行った。エックス線回折におけるＦＣＣ相量の測定には、株式会社リガク製のＲＩＮＴ２５００を使用し、線源にはＣｏを用いて、電圧４０ｋＶ、電流２００ｍＡの条件下で（２００）α、（２１１）α、（２００）γ、（２２０）γ、（３１１）γのそれぞれの面から得られる回折線強度比を用いて算出した。

表２から、Ｎｏ．Ｅ（本発明）では６３５ＨＶの硬さを有し、刃物として十分な硬さが得られていることが分かる。

［実施例２］
次に大型の鋼塊を用いて実験した。

大型鋼塊の組成を表３に示す。

作製した鋼塊は、熱間圧延、焼鈍と冷間圧延を繰り返し、０．０７４ｍｍの厚みの刃物用帯鋼とした。

前述の刃物用帯鋼から組織観察用試験片、硬さ測定用試験片を採取した。各試験片に熱処理を行い、組織調査および硬さ試験を行った。この熱処理は１１００℃×４０秒の焼入れ後、室温まで急冷する焼入れと、−７５℃×３０分の深冷処理、及び、３５０℃×３０分の焼戻しである。

組織観察結果を図４に示す。なお、金属組織の観察は以下のように実施した。組織観察用試験片を鏡面研磨した後、塩化第二鉄水溶液で腐食させ、その後、走査型電子顕微鏡を用いて組織観察を行った。

Ｍｏの添加量が１．２５％のＮｏ．Ｆの試験片よりも、Ｍｏ量を増加させたＮｏ．Ｇ、Ｎｏ．Ｈ、及びＮｏ．Ｉの試験片でＭ_３Ｃ（７）は減少し、そのサイズも微細となっていた。

続いて、厚み０．０７４ｍｍ、長さ２０ｍｍ、幅６ｍｍの試験片を作製し、同一の装置を用いて９０°の曲げ加工試験を行った。その結果を図５に示す。Ｍｏ量の増加とともに、形成された亀裂（８）がより小さく、より浅くなったことがわかった。Ｍｏの添加量が１．２５％のＮｏ．Ｆの試験片では大きく深い亀裂が確認された。しかしながら、Ｍｏが２．３１％のＮｏ．Ｇの試験片では亀裂は細かく浅くなった。Ｍｏ添加量の増加とともに亀裂は浅くなることがわかる。

次に、表４に硬さの測定結果を示す。表４から、本発明の試験片は６３０ＨＶ以上の硬さを有し、刃物として十分な硬さが得られていることが分かる。

以上の結果から、本発明の刃物用帯鋼においては、刃物として十分な硬さを維持したまま、曲げ加工時の亀裂発生が抑制されることが確認された。

本発明の刃物用帯鋼を用いて製造した刃物は十分な硬さを有しており、且つ、曲げによる割れが発生しにくく、加工性の向上が期待できる。特に板厚の薄い刃物用帯鋼として最適である。

本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、添付する特許請求の範囲によって規定されるものであり、上述の説明における特定のディテールに限定されるものではないし、添付する特許請求の範囲で規定する本発明の精神および範囲を逸脱することなく多くの種々の変形例が可能であることを理解すべきである。

Claims

質量％で、Ｃ：０．４５〜０．５５％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：１２〜１４％を含有し、更にＭｏを含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物である組成を有する刃物用帯鋼であって、前記Ｍｏの含有量が２．１〜２．８％である刃物用帯鋼。