JP5354202B2

JP5354202B2 - チタンクラッド鋼刃物及びその製造方法

Info

Publication number: JP5354202B2
Application number: JP2009274186A
Authority: JP
Inventors: 廣一福岡; 準作中島; 克彦荒木; 博実三木
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-12-02
Also published as: JP2011115309A

Description

本発明は、熱処理を施してもクラッド接合部より剥離を起こさないチタンクラッド鋼刃物およびその製造方法に関するものである。

現在、錆びずに軽量な刃物としてチタン合金やセラミックの刃物が市販されている。チタン合金刃物は刃先の硬度が低いため切れ味が悪く、またセラミック刃物は硬度は高いが、欠けや割れに弱く、これらは使い難い刃物である。

そこで切刃には硬度の高いステンレス刃物鋼、それ以外のところには軽量性と耐食性に優れたチタン系材料で構成した使い易い刃物が使われている。

しかし、ただ単にチタン系材料とステンレス刃物鋼を直接クラッド接合したのでは熱間圧延時に硬くて脆い金属間化合物がクラッド接合境界部に生じ、接合部分より剥離を起こしてしまう問題がある。

そこで金属間化合物の生成を防ぐために、接合部にＮｂやＴａ等の金属薄層を挿入すればチタンクラッド刃物鋼を製造する事が出来るが、切刃にステンレス刃物鋼を使用している為、このチタンクラッド刃物鋼を刃物として使用するためには１０００℃以上の高温での焼き入れ硬化等の熱処理が必要である。この高温の熱処理によりステンレス刃物鋼とチタン系材料の接合境界部に硬質で脆弱な金属間化合物が生じ易くなることから、焼き入れ硬化処理を短時間に行なう必要があるが、時間が長くなると接合部より剥離を起こす為、今までは熱処理が非常に難しかった。例えば特許文献１ではＮｂとＮｉを金属薄層とするチタンクラッド鋼材の製造方法を述べており、焼き入れ時の炭素拡散を防止し、さらに金属間化合物の生成も防いでいる。また、特許文献２では上記文献１を基に製作した刃物材について述べている。しかし、焼鈍及び焼き入れ工程の各処理温度が低く、その処理時間も短いことから刃物としての充分な硬度が得られにくい。さらに、熱間圧延前に真空脱気による酸素の除去（層間剥離の防止）処理はなされていない。また特許文献３では軽量で、耐食性と強度に富み、切れ味に優れたチタン合金を刃材とした純チタン−チタン合金クラッド刃物の製造について述べており、軽量で折損無く金属イオンに起因したアレルギー弊害の無い刃物が得られ、錆の発生が無く衛生的で人体にも優しいが、刃物表面硬度はかなり低い。

また、チタン系材料とステンレス刃物鋼との間に挿入する金属薄層の材質ならびにその組み合わせを各種変更する、熱処理条件を変更する等の試行がなされているが、何れも、金属薄層間の剥離がないチタンクラッド刃物鋼を実現することが困難である。例えば特許文献４では、Ｍｏ薄層を中間層とした接合強度の優れたチタンクラッド鋼板を熱間圧延にて製造する方法を示しているが、刃物用としての具体的な実現手段である熱処理は行っていない。

また、特許文献５では、中間層としての金属薄層として、Ｎｂ、Ｎｉなどを２段階の熱間圧延でチタンクラッド鋼板を製造して優れた接合強度と曲げ加工性を得ているが、クラッド後の熱処理温度が低温（625℃）のため硬度が低く、刃物用としての具体的な実現手段としては不向きである。

特許第２８９６４８９号公報特許第３４０８１５９号公報特許第３４０３１５０号公報特開昭６０−２６１６８３号公報特開昭５８−０２９５８９号公報

本発明は、前記従来のチタンクラッド刃物鋼の問題を解決するためになされた発明であり、刃物として使用するために焼き入れ硬化処理を行っても、クラッド接合部から層間剥離を起こさない軽量性と耐食性に優れたチタン材料で構成した、使い易いチタンクラッド刃物鋼を実現することにある。

そこで本発明は、ステンレス刃物鋼材と、チタン系材料で構成する刃物外皮材と、前記ステンレス刃物鋼材と前記刃物外皮材との間に、ステンレス刃物鋼材ならびに刃物外皮材とは異なる複数の材料を重ね合わせたクラッド材を加工したチタンクラッド鋼刃物であって、前記ステンレス刃物鋼材ならびに刃物外皮材とは異なる複数の材料は、ステンレス刃物鋼材側から、銅合金、元素周期表第VI族元素金属の一つであるＭｏ、元素周期表第Ｖ族元素金属の順に重ね合わせた構成とするものである。

更に、前記銅合金は白銅であり、前記Ｖ族元素金属は、Ｔａ、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂのいずれかで構成するチタンクラッド鋼刃物とするものである。

また、ステンレス刃物鋼材と、刃物外皮材のチタン系材料と、前記ステンレス刃物鋼材と前記刃物の外皮材との間に、ステンレス刃物鋼材ならびに刃物外皮材のチタン系材料とは異なる複数の材料である銅合金、Ｍｏ、Ｖ族元素金属を、ステンレス刃物鋼材側から刃物外皮材側へ順に重ね合わせ、その後、溶接、脱気、熱間圧延の処理工程を行って製造したチタンクラッド刃物鋼を冷間仕上圧延、打ち抜き、焼き入れ、研削加工して製造するチタンクラッド鋼刃物の製造方法である。

更に、前記脱気処理工程は、真空度が１〜５×１０^−１Ｐaに到達するまで脱気するチタンクラッド鋼刃物の製造方法である。

本発明のチタンクラッド鋼刃物およびその製造方法によれば、つぎの効果を得ることができる。

１）ステンレス刃物鋼とＴｉとの間の金属中間層として、白銅−Ｍｏ−Ｔａ、白銅−Ｍｏ−Ｎｂ、あるいは、白銅−Ｍｏ−Ｖの組合せとすることで、白銅は、ステンレス刃物鋼からの炭素の拡散を防止し、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖは、ステンレス刃物鋼とＴｉとの間の金属間化合物の生成を抑制することができる。

２）また、金属中間層の白銅は、Ｍｏの熱間加工性の不良による層切れを回避して、ステンレス刃物鋼とＴｉとの直接の接触を防ぐことにより、脆い金属間化合物の形成によるチタンクラッド刃物鋼の材質劣化、層間剥離を防止することができる。

３）また、金属中間層のＭｏによって、Ｔｉに対する金属中間層との親和性を向上させることができる。

４）さらに、チタン系材料については、純チタン材又はチタン合金材とすることで、層間剥離のないチタンクラッド鋼刃物を実現できる。

５）一方、製造方法においては、チタンクラッド刃物鋼の熱間圧延処理の前に、脱気処理を行なうことによって、チタンクラッド刃物鋼の構成材の間の酸素を除去することで酸化物の発生を防止し、層間剥離を防止することができる。

６）以上の効果を踏まえ、刃物として使用するためのチタンクラッド刃物鋼の焼き入れ熱処理を行なっても層間剥離の無い、軽量性と耐食性及び耐久性に優れた使い易いチタンクラッド鋼刃物が得られる。

本発明におけるチタンクラッド刃物鋼の構成の一実施例を示す断面図である。本発明におけるチタンクラッド鋼刃物の製造方法の一実施例を示すフローチャートである。本発明のチタンクラッド刃物鋼のステンレス刃物鋼材と最外層（Ｔｉ層）との境界部のＥＰＭＡ分析結果を示す構成元素分布図である。

本発明のチタンクラッド鋼刃物ならびにその製造方法の全体構成について、図１、図２を基に説明する。

図１は、チタンクラッド刃物鋼を模式的に示したものであり、ステンレス刃物鋼材１を中心にして、両側に金属中間層２、３、４、刃物外皮（チタン材）５を配置した例を示したものである。すなわち本発明のチタンクラッド鋼刃物に加工するチタンクラッド刃物鋼は、ステンレス刃物鋼材１と、チタン系材料で構成する刃物外皮材５と、前記ステンレス刃物鋼材１と前記刃物外皮材５との間に、前記ステンレス刃物鋼材１ならびに刃物外皮材５とは異なる複数の材料を重ね合わせてクラッド材とした構成である。

前記ステンレス刃物鋼材１ならびに刃物外皮材５とは異なる複数の材料、いわゆる金属中間層は、ステンレス刃物鋼材１側から、第３中間層２としての銅合金の層、第２中間層３としてのＭｏの層、そして、第１中間層４としてのＴａ、Ｖ、ＮｂのいずれかのＶ族元素金属の層の順に重ね合わせる。

つぎに、チタンクラッド刃物鋼の製造方法は、ステンレス刃物鋼材１と、刃物外皮材５としてのチタン系材料と、前記ステンレス刃物鋼材１と前記刃物外皮材５との間に、ステンレス刃物鋼材１ならびに刃物外皮材５のチタン系材料とは異なる複数の材料である第３中間層（銅合金）２、第２中間層（Ｍｏ）３、第１中間層（Ｖ族元素金属）４を、ステンレス刃物鋼材１側から刃物外皮材５側へ順に重ね合わせ、その後、短方向両側を密閉する補助材６をＴｉｇ溶接（溶接部７）し、さらに、脱気パイプ８を溶接（溶接部９）し、脱気、熱間圧延、焼鈍の処理工程を行ないチタンクラッド刃物鋼を製造する構成である。

そして、チタンクラッド鋼刃物は、前記チタンクラッド刃物鋼を冷間仕上圧延、打ち抜き、焼き入れ・焼き戻し、研削加工することによって製造する。

図２は、チタンクラッド鋼刃物の製造工程の概要を示すフローチャートである。

ステップＳ１
前記チタンクラッド刃物鋼の構成材として、ステンレス刃物鋼材１を中心に、両側に銅合金を使用した第３中間層２、Ｍｏを使用した第２中間層３、そして、Ｔａ、Ｖ、ＮｂのいずれかのＶ族元素金属を使用した第１中間層４、さらに、最外層にチタンを使用した刃物外皮材５を配置する。

ステップＳ２
これらの構成材料を、良好な接合を得るために、その合わせ面（各構成材料の両面）の洗浄を行ない、汚れ、異物等を除去する。

ステップＳ３
洗浄後の各種構成材料を、前記ステップＳ１の順に重ね合わせる。

ステップＳ４
重ね合わせた各種構成材料に対して、短方向を密閉する補助材６、さらには脱気パイプ８を揃える。

ステップＳ５
重ね合わせた各種構成材料と補助材６の外周をＴｉｇ溶接（溶接部７）し、さらに、脱気パイプ８を溶接（溶接部９）してチタンクラッド刃物鋼構成材料組物を形成する。

ステップＳ６
その後、内部の酸化物の発生を防ぐため、チタンクラッド刃物鋼材の構成材料間を真空脱気し、酸素を除去する。

ステップＳ７
その後、脱気した状態を維持するために、脱気パイプ８を加締によって密閉する。

ステップＳ８
さらに、所定の圧延条件で熱間圧延を行ない、チタンクラッド刃物鋼を製造する。

ステップＳ９
その後、内部ひずみを除去するため、チタンクラッド刃物鋼を焼鈍により適当に軟化させる。

ステップＳ１０
所定の厚さに冷間仕上圧延する。

ステップＳ１１
刃物鋼を刃物形状に合わせて打ち抜く。

ステップＳ１２
刃物に適する硬さを得るために焼き入れ処理をし、さらに焼き戻しを行って金属組織を安定させる。

ステップＳ１３
刃物の刃先部を設ける研削を行なう。

ステップＳ１４
チタンクラッド鋼刃物を得る。

前記ステップＳ６の脱気工程は、真空度が１〜５×１０^−１Ｐaに到達するまで脱気することが重要であり、層間剥離のないチタンクラッド刃物鋼を実現するためには不可欠な条件である。

つぎに、本発明の実施例について、以下説明する。

本発明者等のこれまでの知見、ならびに従来技術を踏まえて、本発明の実施例１ならびに比較例１を、表１に記載のように、ステンレス刃物鋼を中心に、外部に向かって金属中間層、最外層のように配列してチタンクラッド刃物鋼を構成した。金属中間層においては、ステンレス刃物鋼側に第３中間層、最外層側に第１中間層を置き、第３中間層と第１中間層の間に第２中間層を置く構成とした。各部の寸法についても、発明者等の知見に基づき、表１の右のような寸法とした。

ここで、ステンレス刃物鋼は、ＣｒとＣとの成分調整比を構成して機械的性質（抗折、降伏点、伸び、絞り、衝撃値）を大きく改善した研削性や火造り鍛造性の良い武生特殊鋼材株式会社製のＶ金２（炭素０．６０〜０．７０％、ケイ素０．５０％以下、マンガン０．５０％以下、リン０．０３％以下、硫黄０．０３％以下、クロム１３．０〜１５．０％、モリブデン０．１０〜０．２０％、鉄残部）を採用した。また、最外層である刃物外皮材の金属は、一般に入手しやすい、一般に純チタンと称されるＴｉのＴＰ３４０（窒素０．０３％、炭素０．０８％、水素０．０１％、鉄０．１％、酸素０．０８％、チタン残部、引っ張り強さ３４３〜４８１ＭＰａ、伸び２５％）を採用した。金属中間層は、表２に記載のように、第２中間層Ｍｏとし、第３中間層３に、銅合金である白銅を配置し、第１中間層にはＴａ、Ｖ、ＮｂのいずれかのＶ族元素金属を配置することとした。

具体的には、実施例１として、共通的にはステンレス刃物鋼をＶ金２、最外層である刃物外皮材をＴｉ（ＴＰ３４０）、第２中間層をＭｏとした。

第３中間層と第１中間層については、サンプルＡでは、白銅とＴａ、サンプルＢでは、白銅とＶ、サンプルＣでは、白銅とＮｂ、サンプルＤでは、ＮｉとＮｂとした。

この実施例１の比較例１としては、第２中間層のＭｏを使用せず、第３中間層に銅合金である白銅、第１中間層にＴａ、Ｎｂ、Ｖ等のＶ族元素金属を配置した。具体的には、比較例１の第１中間層を、サンプルＥではＴａ、サンプルＦではＮｂ、サンプルＧではＶとした。

これらの実施例１、比較例１の組合せを図１に記載のように配置し、図２のステップＳ１〜ステップＳ９の製造工程を経て、チタンクラッド刃物鋼の総厚が、５６ｍｍから７ｍｍとなるまで熱間圧延し、焼鈍を行った。その時の製造条件はつぎに示す通りである。

１）溶接条件：Ｔｉｇ溶接（アルゴンガス）
２）脱気工程の真空度：４．５×１０^−１Ｐa
３）熱間圧延条件：加熱８５０℃で２時間、圧下率は８７．５％
４）焼鈍条件：加熱温度８６０℃、加熱時間９０分
これらの条件で熱間圧延、焼鈍したクラッド刃物鋼材をのこぎり切断し、サンプルとして、厚さ７ｍｍ×幅２０ｍｍ×長さ５０ｍｍを各１０個ずつ準備し、５個を焼き入れ前の接合強度、残り５個を焼き入れ後の接合強度の評価を行なうものとしてサンプルＡ〜Ｇとした。

焼き入れについては、前記サンプルＡ〜Ｇの各５個をつぎの条件で行った。
〔焼き入れ条件〕
１）焼き入れ温度１０２０℃、
２）焼き入れ時間７分
具体的な接合強度の評価は、せん断強度で行なうこととし、後述するせん断強度測定方法によってチタンクラッド刃物鋼の焼き入れ処理の前後のせん断強度を測定した。

実施例１のサンプルＡ〜Ｄ、比較例１のサンプルＥ〜Ｇの測定結果を表２の下段に示す。この結果から、第３中間層２−第２中間層３−第１中間層４の組合せが、白銅−Ｍｏ−Ｔａ（サンプルＡ）、白銅−Ｍｏ−Ｖ（サンプルＢ）及び白銅−Ｍｏ−Ｎｂ（サンプルＣ）であると、焼き入れ後のせん断強度はＮｂ中間層のサンプルＣがサンプルＡ及びＢより大きな値を示し、いずれも、焼き入れ前のせん断強度の約６０％〜８０％程度にまで低下するが剥離は起こさないことが判った。その他のサンプルＤ〜Ｇでは、焼き入れ後のせん断強度は、剥離発生のため測定出来なかった。

なお、表２に記載のせん断強度は、各サンプルの５個の平均値で表したものである。

その時のステンレス刃物鋼と最外層（チタン層）との境界部のＥＰＭＡ分析結果を図３に示す。

図３のａ）は、上記せん断強度試験で剥離がないサンプルＡを分析したものである。金属境界部でのＦｅ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔａが、いずれも層状に分布し、異常な金属間化合物が発生していないことを示している。

一方、図３のｂ）は、焼き入れ後で剥離を起こしたサンプルＤを分析したものである。金属境界部に、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｎｉ層ではいずれもドーナツ形状の異常が見られる。また、同位置のＭｏ、Ｎｂの層では、いずれも層状分布が見られずに、異常が発生しており、この位置で金属間化合物が発生していることがわかる。

前述の接合強度の評価に使用するせん断強度試験は、「ＪＩＳＧ０６０１クラッド鋼の試験方法」に準拠して行なった。

実施例１において、層間剥離のない、安定したチタンクラッド刃物鋼について説明したが、さらに、ステンレス刃物鋼材を高性能化し、焼き入れ前後のせん断強度も併せて増加させた試行を実施例２として、以下説明する。

本実施例２は、刃物としての性能向上を図るために、ステンレス刃物鋼材を、実施例1のＶ金２からＣｒ、Ｍｏ、Ｃｏを添加し、素地（マトリックス）を強化し、炭化物の脱落防止効果を一層高めた武生特殊鋼材株式会社製のＶ金１０（炭素０．９５〜１．０５％、ケイ素０．３５％以下、マンガン０．３０〜０．５０％、リン０．０３％以下、硫黄０．０３％以下、クロム１４．５〜１５．５％、モリブデン０．８０〜１．２０％、バナジウム０．２５〜０．３５％、コバルト１．３０〜１．８０％、鉄残部）に変更した。また、Ｖ金１０の刃物鋼材は、高温強度が強く、実施例１で採用したＴｉ（ＴＰ３４０）は熱間圧延時にＴｉが延びすぎるため、このＴｉ（ＴＰ３４０）に代えて、Ｆｅや酸素の含有量を高め、高温時の強度が大きいチタン合金である新日本製鐵株式会社製ＴｉのＴＩＸ８００（窒素０．０１％、炭素０．０８％、水素０．０１５％、鉄０．８０〜１．２０％、酸素０．３０〜０．４０％、チタン残部、引っ張り強さ７００ＭＰａ以上、伸び１５％以上）を使用した。

実施例２の具体的な金属中間層は、実施例１において剥離のない組合せであったサンプルＡ〜Ｃを参考とし、サンプルＨは白銅−Ｍｏ−Ｔａ、サンプルＩは白銅−Ｍｏ−Ｎｂとした。比較例２として、サンプルＪはＭｏを除いた白銅−Ｎｂの組合せとした。

これらのサンプルＨ〜Ｊを、実施例１と同様な製造条件においてチタンクラッド刃物鋼として製造し、焼き入れ前後のせん断強度による評価を行なった。

すなわち、実施例２ではＶ金１０及びＴＩＸ８００を用い、実施例1の脱気条件や焼き入れ条件を変えることにより、層間剥離の無い、高せん断強度のクラッド材のＨ、Ｉを得た。さらに焼き入れ前後のせん断強度は実施例１の傾向と同様に、Ｎｂ中間層のサンプルＩがＴａ中間層のサンプルＨよりかなり大きい。なお、第２中間層Ｍｏは層間剥離の防止に寄与している。

詳細な製造条件はつぎの通りである。

まず、接合強度を向上するために実施例1よりも脱気工程の真空度をより高真空とし、さらに焼き入れ温度もより高温で行った。各サンプルの形状、その他の製造条件、せん断強度測定方法等については実施例１と同等とした。

１）溶接条件：Ｔｉｇ溶接（アルゴンガス）
２）脱気工程の真空度：９×１０^−２Ｐa
３）熱間圧延条件：加熱８５０℃で２時間、圧下率８７．５％
４）焼鈍条件：加熱温度８６０℃、加熱時間９０分
５）焼き入れ条件：焼き入れ温度１０６０℃、焼き入れ時間７分
実施例１と同様な試験方法によるせん断強度の評価結果を表３の下部に示す。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、特許請求の範囲の記載内で種々の変更が可能である。例えば、第１〜第３金属中間層の各々の厚さについては、第1中間層及び第３中間層では０．１〜０．３ｍｍ、第２中間層では０．１〜０．２ｍｍの範囲内である限り、必ずしも表１に記載されている厚さである必要はない。

上記の実施例１および実施例２で製造した厚さ５６ｍｍのチタンクラッド刃物鋼は、熱間圧延、焼鈍の後、厚さ７ｍｍとし、刃物としての厚み２ｍｍに調整する冷間圧延、刃物形状に合わせた切断、刃先を構成させる焼き入れ、刃物として最終仕上げを行なう成形等の工程を経て、最終的なチタンクラッド鋼刃物を完成させる。

以上に述べた実施例１〜２によるチタンクラッド刃物鋼として、金属中間層にＭｏと白銅の両方を使用し、さらに、金属中間層のチタン側に、Ｔａ、Ｖ、ＮｂのいずれかのＶ族元素金属を使用し、かつ、熱間圧延前の真空脱気により、クラッド接合部からの層間剥離を起こさない、軽量性と耐食性に優れたチタン材料で構成した使い易い刃物を実現することができる。

１…ステンレス刃物鋼材
２…第３中間層
３…第２中間層
４…第１中間層
５…外皮材（チタン材）
６…補助材
７…Ｔｉｇ溶接部
８…脱気パイプ
９…脱気パイプ溶接部

Claims

ステンレス刃物鋼材と、チタン系材料で構成する刃物外皮材と、前記ステンレス刃物鋼材と前記刃物外皮材との間に、ステンレス刃物鋼材ならびに刃物外皮材とは異なる複数の材料を重ね合わせてクラッド材としたチタンクラッド刃物鋼を加工したチタンクラッド鋼刃物であって、
前記ステンレス刃物鋼材ならびに刃物外皮材とは異なる複数の材料は、ステンレス刃物鋼材側から、銅合金、Ｍｏ、そして、元素周期表第Ｖ族元素金属の順に重ね合わせたことを特徴とするチタンクラッド鋼刃物。
前記銅合金は白銅であり、また前記Ｍｏは元素周期表第VI族元素金属の一つであり、更に前記Ｖ族元素金属は、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のチタンクラッド鋼刃物。
ステンレス刃物鋼材と、刃物外皮材のチタン系材料と、前記ステンレス刃物鋼材と前記刃物の外皮材との間に、ステンレス刃物鋼材ならびに刃物外皮材のチタン系材料とは異なる複数の材料である銅合金、Ｍｏ、Ｖ族元素金属を、ステンレス刃物鋼材側から刃物外皮材側へ順に重ね合わせ、その後、溶接、脱気、熱間圧延の処理工程を行って製造したチタンクラッド刃物鋼を冷間仕上圧延、打ち抜き、焼き入れ、研削加工して製造することを特徴とするチタンクラッド鋼刃物の製造方法。
前記脱気処理工程は、真空度が１〜５×１０^−１Ｐaに到達するまで脱気することを特徴とする請求項３に記載のチタンクラッド鋼刃物の製造方法。