JP3880705B2

JP3880705B2 - 耐久性に優れたダイヤモンドソー用基板及びダイヤモンドソーの製造方法

Info

Publication number: JP3880705B2
Application number: JP26337097A
Authority: JP
Inventors: 勝之飯原; 勝藤原
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2017-09-29
Also published as: JPH11100634A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、耐久性に優れたダイヤモンドソー用基板及びダイヤモンドソーの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
道路工事，建材等として使用される石材，コンクリート，アスファルト，レンガ，ガラス，鋳鉄管の切断や、半導体，磁性材料，セラミックス等の精密部材の切断にダイヤモンドソーが使用されている。ダイヤモンドソーは、金属基板に砥粒層を接合することにより製造される。
金属基板としては、ＪＩＳに規定されているＳＫ５等の炭素工具鋼，ＳＫＳ５等の合金工具鋼，ＳＣＭ４３５等の機械構造用合金鋼が多用されており、また特殊用途や高級品用途にはステンレス鋼が一部用いられている。砥粒層は、ダイヤモンド砥粒とＣｕ，Ｎｉ，Ｃｏ等の非鉄金属系粉末結合剤を混合した圧粉成形体を焼結することにより製造される。砥粒層と金属基板との接合には、ろう付けやレーザ溶接による方法，金属基板と砥粒層とを同時に加熱（焼結）して拡散接合する方法等が採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ろう付け，レーザ溶接等で金属基板に砥粒層を接合するとき、金属基板に焼入れ・焼戻し等の熱処理を施して硬さを上げることにより、金属基板の強度を確保している。しかし、金属基板と砥粒層との接合界面近傍では、ろう付けやレーザ溶接時の熱影響で金属基板が軟質化又は脆化するため、ダイヤモンドソーの耐久性が劣化する傾向がある。
他方、金属基板に砥粒層を拡散接合する方法では、砥粒層を含めてダイヤモンドソー全体が焼結炉内で加熱されるため、金属基板の全体が熱影響を受ける。たとえば、焼結時の加熱温度がＡ_C1変態点に近くなると金属基板の軟質化が促進され、硬さレベルが大幅に低下する。また、Ａ_C1変態点を超える温度に金属基板が加熱されると、加熱状態から冷却される段階で冷却速度によっては焼結前の金属基板よりも硬さレベルが低下し、或いは組織変化によって硬さレベルが部分的に増加することがある。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、昇温による硬さの低下が小さく且つ加熱後の冷却速度による影響が小さくなる成分設計を採用することにより、強度，靭性，耐久性等が高レベルに安定維持されるダイヤモンドソーを提供すること目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その目的を達成するため、ダイヤモンド砥粒層が接合されるダイヤモンドソーの基板として使用される鋼基板であって、Ｃ：０．４〜０．８重量％，Ｓｉ：０．５〜２．５重量％，Ｍｎ：０．３〜２．０重量％，Ｃｒ：０．１〜１．５重量％，Ｍｏ：０．１〜１．５重量％，酸可溶Ａｌ：０．０１〜０．１０重量％，残部：Ｆｅ及び不可避的不純物の組成をもち、式（１）で定義されるＸ値が０．９〜１．５の範囲にあり、式（２）で定義されるＹ値が５〜５０の範囲にあることを特徴とする。
Ｘ＝［Ｃ％］＋０．２８×［Ｓｉ％］・・・・（１）
Ｙ＝（０．２８×［Ｃ％］＋０．０８３）
×（０．７０×［Ｓｉ％］＋１．０）
×（３．３３×［Ｍｎ％］＋１．０）
×（２．１６×［Ｃｒ％］＋１．０）
×（３×［Ｍｏ％］＋１．０）・・・・（２）
鋼基板は、更にＶ：０．０５〜０．５重量％，Ｎｂ：０．０１〜０．３重量％，Ｔｉ：０．０１〜０．３重量％の１種又は２種以上を含むことができる。
鋼基板にダイヤモンド砥粒と結合用金属からなる層を配置した後、６５０〜９００℃の温度域に３〜１８０分保持することによりダイヤモンド砥粒層を焼結すると共にダイヤモンド砥粒層を鋼基板に拡散接合し、次いで冷却速度１〜５０℃／分で室温まで冷却することにより、ダイヤモンドソーが製造される。使用される鋼基板としては、焼結前の反り量が３００ｍｍ長さ当り１．０ｍｍ以下のものが好ましい。
【０００５】
【作用】
本発明で使用される鋼基板は、焼結時の加熱温度がＡ_c1変態以下の場合には加熱による硬さの低下が少なく、焼結時の加熱温度がＡ_c1変態点を超える場合には組織変化によって硬さを向上させる成分設計を採用している。すなわち、Ａ_c1変態点以下の温度域では炭化物の粗大化を抑制し、Ａ_c1変態点を超える温度域ではマルテンサイト，ベイナイトへの組織変化が促進されるように、各合金成分を定量的に定めると共に、成分相互間の関係を規制している。
以下、本発明に従った鋼基板に含まれる合金成分，含有量等を説明する。
【０００６】
Ｃ：０．４〜０．８重量％
硬さを確保する上で有効な合金成分であり、焼結時にＡ_c1変態点以下の温度に加熱される鋼基板についてはフェライト組織の強度を確保し、Ａ_c1変態点を超える温度に加熱される鋼基板についてはマルテンサイト，ベイナイト等の組織を硬質にする作用を呈する。このような作用は、０．４重量％以上のＣ含有量で顕著になる。しかし、０．８重量％を超える多量のＣが含まれると、靭性が劣化し易い。
Ｓｉ：０．５〜２．５重量％
焼結時にＡ_c1変態点以下の温度に加熱される鋼基板ではフェライト組織の強度を確保する作用を呈し、０．５重量％以上の添加でＳｉの効果が顕著になる。Ｓｉは、脱酸剤としても有効な成分である。しかし、２．５重量％を超える多量のＳｉが含まれると、鋼基板の内部酸化や脱炭が生じ易くなり、熱間圧延，焼鈍等の基板製造過程で黒鉛化の問題が生じる。
【０００７】
Ｍｎ：０．３〜２．０重量％
鋼基板の焼入れ性を向上させる合金成分であり、０．３重量％以上の含有によって焼結温度がＡ_c1変態点の上下に拘らず高い強度が得られる。Ｍｎは、また脱酸剤としても働く。しかし、２．０重量％を超える多量のＭｎが含まれると、鋼基板の靭性が著しく低下する。
Ｃｒ：０．１〜１．５重量％
Ｓｉ添加に起因する黒鉛化や内部酸化を抑制すると共に、Ｍｎと同様に鋼基板の焼入れ性を向上させる作用を呈する。このような効果は、０．１重量％以上のＣｒ含有量で顕著になる。しかし、１．５重量％を超える多量のＣｒを含ませると、鋼基板の靭性が著しく低下する。
【０００８】
Ｍｏ：０．１〜１．５重量％
Ｍｎ，Ｃｒ等の添加により焼入れ性は向上するものの、靭性が劣化し易い。
そこで、本発明にあっては、０．１重量％以上のＭｏを添加することにより靭性の劣化を抑制している。しかし、１．５重量％を超える多量のＭｏが含まれると、却って靭性が低下する。
酸可溶Ａｌ：０．０１〜０．１０重量％
鋼の脱酸剤として添加される成分であり、鋼中のＮと結合しＡｌＮを形成する。ＡｌＮは、Ａ_c1変態点を超える焼結温度に鋼基板が加熱されたとき、オーステナイト結晶粒の粗大化を抑制するインヒビターとして働き、鋼基板の靭性劣化を防止する作用を呈する。このような効果は、０．０１重量％以上のＡｌ添加で顕著になる。しかし、０．１０重量％を超える多量のＡｌを添加すると、製造コストが上昇するばかりでなく、圧延時，加工時等に表面疵が発生し易くなる。
【０００９】
Ｖ：０．０５〜０．５重量％ ┐
Ｎｂ：０．０１〜０．３重量％ │の１種又は２種以上
Ｔｉ：０．０１〜０．３重量％ ┘
鋼基板のＡ_c1変態点を超える温度に加熱して焼結する場合、焼結後の冷却過程で生成する硬質のマルテンサイト，ベイナイト等によって鋼基板の靭性が低下し易いが、Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ等の添加によって靭性の低下が抑制される。これは、焼結時のオーステナイト組織において未溶解の炭化物がオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制することに原因があるものと考えられる。Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ等は、強度の向上にも有効な成分であり、それぞれＶ≧０．０５重量％，Ｎｂ≧０．０１重量％，Ｔｉ≧０．０１重量％で添加効果が顕著になる。しかし、Ｖ＞０．５重量％，Ｎｂ＞０．３重量％，Ｔｉ＞０．３重量％の量で添加しても、靭性低下を防止する作用は飽和し、粗大な炭化物が形成されるようになるので、却って靭性が劣化し易くなる。
【００１０】
Ｘ値：０．９〜１．５
式（１）で定義されるＸ値は、靭性を低下させることなく、強度を確保する上で重要な指標である。Ｘ値を０．９〜１．５の範囲に維持するとき、Ａ_c1変態点以下の焼結温度においても、フェライト組織の強度が確保され、鋼基板の軟化が抑制される。これに対し、Ｘ値が０．９未満では、焼結後に鋼基板の硬さが低下し、ダイヤモンドソーとしての耐久性も低下する。逆に１．５を超えるＸ値では、靭性低下，内部酸化，表面欠陥等の品質低下が生じるので、安定したダイヤモンドソーの耐久性が得られない。
【００１１】
Ｙ値：５〜５０
式（２）で定義されるＹ値は、本発明者等により実験結果から求められた関係であって、Ａ_c1変態点以下の温度域ではフェライト組織の強度を確保し、Ａ _c1変態点を超える温度域では強度上昇に有効な組織変化を促進させる指標として使用される。すなわち、Ｙ値を５〜５０の範囲に維持するとき、Ａ_c1変態点以下の強度上昇が期待できない焼結条件においても鋼基板の強度が確保され、Ａ_c1変態点を超える焼結条件では冷却速度の影響を受けることなく焼結温度からの過程でマルテンサイト，ベイナイト等への組織変化によって強度が上昇する。Ｙ値が５未満になると、組織変化による強度上昇が難しくなり、焼結後の冷却速度を大きくすること等が必要とされる。逆に５０を超えるＹ値では、強度が大きくなりすぎ靭性も大きく低下するため、ダイヤモンドソーの耐久性が向上しない。
【００１２】
このように成分設計された鋼は、鋳片を熱間圧延した後、酸洗，冷間圧延，焼鈍等の工程を経て、打抜き等の加工により所定寸法をもつ鋼基板に製造される。鋼基板に砥粒層を接合するに際しては、鋼基板に対する砥粒層の接合強度を高めるため、予め鋼基板の外周部に機械加工を施し、或いはＣｕめっき等を施すことができる。
【００１３】
焼結条件：６５０〜９００℃×３〜１８０分
本発明に従ったダイヤモンドソーは、鋼基板と砥粒層とを拡散接合することにより製造される。砥粒には、ダイヤモンドの外にＣＢＮ（立方晶窒化硼素）等を使用することもできる。結合剤には、青銅，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｗ等の金属を主成分としたメタルボンドがある。これらの砥粒と結合剤との混合粉末は圧粉されると共に、鋼基板の外周部に接触した状態で治具により固定される。
砥粒層が設けられた鋼基板は、Ａ_c1変態点以下の温度域、或いはＡ_c1変態点を超える温度域に加熱されても十分な強度をもつダイヤモンドソーとなるように成分設計されているので、拡散接合で十分な接合強度が得られるように焼結温度を６５０〜９００℃の範囲に設定できる。焼結時の加熱温度が６５０℃に達しないと、或いは３分に満たない短時間加熱では、鋼基板と砥粒層との間の接合強度が十分でない。しかし、９００℃を超える焼結温度や１８０分を超える長時間加熱では、鋼基板の組織が脆くなり、靭性が劣化し、ダイヤモンドソーの耐久性も劣化する。
【００１４】
冷却速度：１〜５０℃／分
砥粒層を焼結し鋼基板に接合した後、１〜５０℃／分の冷却速度で常温まで冷却される。冷却速度を１℃／分以上に設定することにより、マルテンサイト，ベイナイト等の組織変化が利用され、Ａ_c1変態点を超える焼結条件であっても強度の高いダイヤモンドソーが得られる。しかし、５０℃／分を超える冷却速度では、鋼基板の組織に占める硬質なマルテンサイトの割合が増加し、靭性の低下を招く。
焼結前の鋼基板の反り量：３００ｍｍ長さ当り１．０ｍｍ以下
焼結前の鋼基板の反り量は、砥粒層との接合強度に影響を及ぼし、３００ｍｍ長さ当り１．０ｍｍ以下（好ましくは３００ｍｍ長さ当り０．６ｍｍ以下）の反り量にすると鋼基板と砥粒層との接合強度が上昇し、ダイヤモンドソーの耐久性が更に向上する。反り量が大きくなると砥粒層を接合できないこともあり、３００ｍｍ長さ当り１．０ｍｍを超える反り量があると接合強度の低下が
顕著になる。
【００１５】
【実施例】
実施例１：
表１に示した成分・組成の鋼鋳片を熱間圧延して板厚３．５ｍｍの熱延板にした後、冷間圧延，焼鈍工程を経て板厚１．０ｍｍの焼きなまし鋼板を製造した。各焼きなまし鋼板を打抜き加工し、ダイヤモンドソー用の鋼基板を用意した。得られた鋼基板には、ダイヤモンド砥粒層と鋼基板との整合強度を高めるために、基板外周部を機械加工してＣｕめっきを施した。ダイヤモンド砥粒としては粒径４０μｍ以下の人造ダイヤモンドを、結合剤にはメタルボンドを用いた。
【００１６】

【００１７】
鋼基板の外周部にダイヤモンド砥粒を配置した状態で、鋼基板のＡ_c1変態点以下の温度である７００℃及びＡ_c1変態点を超える温度８５０℃に加熱して２０分間保持した後、冷却速度３０℃／分で室温まで冷却した。冷却された鋼基板の硬さをビッカース硬さ試験（荷重１０ｋｇ）で測定し、ダイヤモンドソーの強度を調査した。また、ＪＩＳＺ２２０２の４号サブサイズ試験片（Ｖノッチ）を用いてシャルピー衝撃試験で衝撃値を測定した。
表２の測定結果にみられるように、試験鋼種Ｇ，Ｊでは、Ｃ，Ｓｉ量が本発明で規定した範囲より低く、且つＸ値，Ｙ値共に本発明で規定した下限値を下回るため、７００℃加熱，８５０℃加熱の何れにおいても硬さ（強度）及び衝撃値（靭性）が低い値を示した。
【００１８】
試験鋼種Ｈも同様に、７００℃加熱，８５０℃加熱の何れにおいても硬さ（強度）及び衝撃値（靭性）が低い値を示した。これは、焼入れ性を向上させるＭｎ，Ｃｒ，Ｍｏ等の含有量が本発明で規定した範囲より低く、且つＸ値，Ｙ値共に本発明で規定した下限値を下回るためであると考えられる。
試験鋼種Ｉでは、Ｃ，Ｓｉ量及びＸ値が本発明で規定した範囲にあるため、７００℃加熱では本発明に従った鋼基板Ａ〜Ｆと同様の硬さが得られている。しかし、Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏ量が本発明で規定した範囲を超え、且つＹ値が本発明で規定した上限値を超えているため、８５０℃加熱では本発明に従った鋼基板Ａ〜Ｆに比較して硬くなりすぎ、衝撃値が低下していた。
試験鋼種Ｋでは、Ｃ，Ｓｉ量及びＸ値が本発明で規定した範囲を超えるため、７００℃加熱では本発明に従った鋼基板Ａ〜Ｆと同等以上の硬さが得られているものの、衝撃値が低下していた。
【００１９】
これに対し、各合金成分の含有量，Ｘ値及びＹ値が本発明で規定した条件を満足する鋼基板Ａ〜Ｆでは、焼結時の加熱温度がＡ_c1変態点以下の７００℃であっても鋼基板の硬さが２００ＨＶ以上に確保されており、衝撃値も１８Ｊ／ｃｍ² 以上で耐久性に優れていることが判る。また、焼結時にＡ_c1変態点を超える８５０℃に加熱された場合でも、鋼基板の硬さが３４０ＨＶ以上，衝撃値が２５Ｊ／ｃｍ² 以上となっていた。
以上の結果から、本発明に従って合金成分の含有量，Ｘ値及びＹ値を規制するとき、加熱条件に影響されることなく耐久性に優れたダイヤモンドソーが得られることが確認された。
【００２０】

【００２１】
実施例２：
表１の試験鋼種Ｅを鋼基板とし、反り量がそれぞれ異なった鋼基板の外周部にダイヤモンド砥粒層を配置して焼結した。焼結後、鋼基板と砥粒層との接合部に曲げ応力を加え、破断に至ったときのトルク値で鋼基板に対する砥粒層の接合強度を測定した
表３の測定結果にみられるように、焼結前の鋼基板の反り量を３００ｍｍ長さ当り１．０ｍｍ以下にした本発明例１〜３では、何れもトルク値が１．５ｋＮ・ｃｍ以上と高い接合強度を示した。整合強度は、反り量が０．６ｍｍ以下の本発明例２，３にみられるように、反り量の低下に応じて大きくなっていることが判る。
これに対し、焼結前に鋼基板に３００ｍｍ長さ当り１．７５ｍｍの反りがある比較例４では低いトルク値を示し、反り量２．８３ｍｍの比較例５では更に低いトルク値０．７ＫＮ・ｃｍを示した。また、４ｍｍを超える大きな反り量の比較例６では、砥粒層が鋼基板に密着せず、焼結による接合ができなかった。
【００２２】

【００２３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明で使用されるダイヤモンドソー用鋼基板は、Ａ_c1変態点以下の温度域では炭化物の粗大化が抑制され、Ａ_c1変態点を超える温度域ではマルテンサイト，ベイナイト等への組織変化が促進されるように成分設計されている。そのため、砥粒層を焼結して鋼基板に拡散接合する際に厳格な温度管理を必要とすることなく、強度及び靭性に優れたダイヤモンドソーが得られる。

Claims

ダイヤモンド砥粒層が接合されるダイヤモンドソーの基板として使用される鋼基板であって、Ｃ：０．４〜０．８重量％，Ｓｉ：０．５〜２．５重量％，Ｍｎ：０．３〜２．０重量％，Ｃｒ：０．１〜１．５重量％，Ｍｏ：０．１〜１．５重量％，酸可溶Ａｌ：０．０１〜０．１０重量％，残部：Ｆｅ及び不可避的不純物の組成をもち、式（１）で定義されるＸ値が０．９〜１．５の範囲にあり、式（２）で定義されるＹ値が５〜５０の範囲にある耐久性に優れたダイヤモンドソー用基板。
Ｘ＝［Ｃ％］＋０．２８×［Ｓｉ％］・・・・（１）
Ｙ＝（０．２８×［Ｃ％］＋０．０８３）
×（０．７０×［Ｓｉ％］＋１．０）
×（３．３３×［Ｍｎ％］＋１．０）
×（２．１６×［Ｃｒ％］＋１．０）
×（３×［Ｍｏ％］＋１．０）・・・・（２）
鋼基板が更にＶ：０．０５〜０．５重量％，Ｎｂ：０．０１〜０．３重量％，Ｔｉ：０．０１〜０．３重量％の１種又は２種以上を含む請求項１記載のダイヤモンドソー用基板。
請求項１又は２記載の鋼基板にダイヤモンド砥粒と結合用金属からなる層を配置した後、６５０〜９００℃の温度域に３〜１８０分保持することによりダイヤモンド砥粒層を焼結すると共にダイヤモンド砥粒層を鋼基板に拡散接合し、次いで冷却速度１〜５０℃／分で室温まで冷却することを特徴とするダイヤモンドソーの製造方法。
焼結前の反り量が３００ｍｍ長さ当り１．０ｍｍ以下である鋼基板を使用する請求項３記載のダイヤモンドソーの製造方法。