JP6430503B2 - 鋼材からなるストリップを製造するための方法、特に、改善された耐用寿命を有する切断または切削工具を製造するための鋼材からなるストリップを製造するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載されているような、鋼材からなるストリップを製造するための方法、特に、改善された耐用寿命を有する切断または切削工具を製造するための鋼材からなるストリップを製造するための方法に関する。

このような種類の切断または切削工具は、たとえば、工業用もしくは個人向けの分野で使用されるナイフの刃や鋸の刃であり得る。

通常、切断または切削工具には、高い硬度と耐摩耗性によって特徴づけられる、炭素が豊富なマルテンサイト系鋼材からなる薄板が用いられる。約０．４〜１．２５重量％の比較的高い炭素含有率に加えて、硬度をより向上させるためにクロムがしばしば鋼材に添加され、クロムはカーバイド形成剤として機能する。このような利用分野では、たとえば鋼材−鉄−素材シートに記載されている鋼材１００Ｃｒ６については、１．５重量％のクロム含有率が普通である。また、鋼材がステンレスであるべき場合、特許文献１によると１１〜１６重量％の量でクロムが追加される。

切断工具や切削工具の硬度は、工具がオーステナイト化温度まで加熱されて急冷され、引き続いて焼戻しされる調質プロセスの結果としてもたらされる。より高い炭素含有率に加えて、合金元素クロムはクリティカルな冷却速度の低減を引き起こし、かつ、カーバイド形成の結果として硬度の大幅な向上を引き起こす。

切断工具や切削工具のための鋼材の典型的な製造方法は、インゴットキャスティング法や連続鋳造法である。しかし、インゴットキャスティングで知られている粗いカーバイド析出物は、細かく分散して析出するカーバイドに比べて低い強度向上作用をもたらし、そのため、より高いＣｒ含有率が必要となる。しかしながら、より高いＣｒ含有率は切欠き靭性をさらに引き下げてしまう。

さらに、０．８０％のＣを明らかに上回る特別に高炭素含有率の鋼材、ならびにカーバイド形成をする合金元素を含む高炭素含有率の鋼材（たとえばＣｒおよびＭｏならびにカーバイド形成をしない元素Ｓｉが合計で１．５％を上回る）は、従来式の連続鋳造技術によっては、確実かつ不具合なしにブルームとして製作することができないことが一般に知られている。このような鋼材タイプの不良リスクは不釣合いに高い。その原因は、鋳造直後のストリップが曲げられたり曲げ戻されたりするときの素材の不十分な延性にあり、このことは亀裂形成につながりかねない。このことは基本的に、０．８％を超える高い炭素の質量割合を含む鋼材タイプにも当てはまる。

特許文献１より、切断工具を製造するために、反対方向へ回転するローラの間での垂直方向のストリップキャスティングにより製作され、引き続いて圧延される鋼材を使用することが公知である。垂直方向のストリップキャスティングは、インゴットキャスティングと比べたとき、鋼材が凝固するときに発生する一次カーバイドがインゴットキャスティングの場合よりもはるかに小さいので、ナイフの刃やカミソリの刃を研いだときに、切れ刃のところでエッジ破損が起こる危険が明らかに低減されるという利点を有しているとされる。連続鋳造によるこのような種類の鋼材の製造も知られている。鋳造されたストリップが引き続いて熱間圧延され、次いで、求められる最終厚みまで冷間圧延される。

切断工具または切削工具を製造するための鋼材ストリップのための公知の製造方法で欠点となるのは、インゴットキャスティング、連続鋳造、垂直方向のストリップキャスティングにおいては、凝固に起因して、ちょうど後に切れ刃となる領域で残留凝固が中心部で行われることにある。問題の要は、産業用および家庭用の刃が主として対称の形状を有し、したがって、製作される鋼材ストリップの中核領域すなわち中心部に切れ刃の領域がくるという点にある。

実験が明らかにしているところでは、通常、この領域では凝固中に収縮空洞（引け巣）がいっそう多く生じるだけでなく、大きな析出物（硫化物、カーバイド）を含む粗い凝固組織も生じる。

さらに実験は、このような製造方法における偏析領域の存在および析出物のライン状の構造の存在も裏づけていて、刃や鋸のエッジで生じるような静的な引張負荷、せん断負荷および周期的な負荷のもとで、これらが亀裂の開始点となり得る。

残留凝固ゾーンの中心部の配置によって、かつこれと結びついて早期に発生する欠け、亀裂等による摩減によって、工具の耐用寿命が引き下げられ、相応のコスト負担を伴う早期の交換が必要となる。

ドイツ特許出願公開第１１ ２０１０ ００４ ９２５ Ｔ５号明細書

したがって本発明の課題は、公知の方法の欠点を回避し、鋼材ストリップを製造するときの凝固組織に影響を及ぼして、そこから製造される切断または切削工具の顕著な耐用寿命向上が公知の方法に比べて達成されるような、鋼材からなるストリップを製造するための方法、特に、切断または切削工具を製造するための鋼材からなるストリップを製造するための方法を提供することにある。

本発明の開示によると、硬化可能な鋼材の溶融液から鋳造法によりプレストリップが作製され、次いでプレストリップはホットストリップを形成するように圧延され、必要な場合には、次いで焼なましプロセスと冷間圧延プロセスが施される、ストリップを製造する方法が提供される。該方法は、プレストリップが水平方向のストリップキャスティング設備で製作され、その際には、溶融液が供給容器から、２つの方向転換ロールを介して循環運動する冷却されたコンベヤベルトの上に送り込まれ、流動が沈静化された条件下で、曲げなしに、６〜４０ｍｍの範囲内でプレストリップを形成するように鋳込まれ、次いで、プレストリップはホットストリップをなすように少なくとも５０％の変形度で圧延され、プレストリップの上面と下面における冷却速度はプレストリップの残留凝固の偏心的な位置となるようにそれぞれ異なるように設定されることを特徴とする。

本発明による水平方向に連続したストリップキャスティング法は、切断工具や切削工具を製造するためのストリップの作製には従来適用されておらず、切断工具が製造される鋼材ストリップのこれまで知られている製造方法と比べたとき、鋳造されるストリップの残留凝固の線がもはやストリップ平面の中心に位置するのではなく偏心的に位置し、それにより、切れ刃の領域が残留凝固の範囲外に位置することになり、それに伴って、公知の方法の中心に位置する凝固領域という上述した欠点を回避するという利点を有している。それによって切断工具の耐用寿命と刃先耐久性が明らかに改善される。

それと同時に、水平方向のストリップキャスティングで実現可能なストリップの高い冷却速度は、たとえばカーバイドなどの析出物が非常に細かく均一に分布することをもたらし、このことは、切断工具や切削工具の刃先耐久性と長期耐久性に好ましく作用する。場合によっては、たとえばクロムのようなカーバイド形成剤の割合もそれによって減らすことができ、このことは製造コストも減少させる。

より細かい組織および細かく分散した析出物の結果により、強度を大幅に向上させることができ、それにより、インゴットキャスティング法に比べてクロム、モリブデンなどの合金元素を節約することができ、連続鋳造の観点からは亀裂形成による不良リスクを明らかに低減することができる。

プレストリップを熱間圧延するときの少なくとも５０％の変形度は、できる限り細かい粒子の均一な組織を作製するために必要である。作製されるべきホットストリップの厚みや合金組成に応じて、変形度が７０％を超えることもあり得る。

したがって本発明による方法は、特にカーバイド形成をする合金元素（たとえばクロムおよびモリブデンならびにカーバイド形成をしない元素のケイ素が合計で１．５％を上回る）と０．８０％を上回る炭素含有率との組合せにより、ブルームとして不具合なく連続鋳造することができない、切断工具のための硬化可能な鋼材タイプの製作にも特に適している。

さらに本発明による方法では、プレストリップの残留凝固の平面の位置は、プレストリップの上面と下面とでそれぞれ異なる冷却条件によって制御可能であり、ストリップ面のうちの一方はたとえば水によって加速度的に冷却され、他方はたとえば静止した空気で冷却される。たとえばプレストリップの下面は、キャスターベルトとも呼ばれるコンベヤベルトの下面の集中的な水冷を通じて間接的に実現することができ、それに対してプレストリップの上面は空気で冷却される。

本発明の方法において、残留凝固の領域が「幾何学的な中心」から上方に向かって移り、ストリップ上面から約１／３のところに位置することを示した図である（左図）。連続鋳造設備を通る従来の製造ルートやインゴットキャスティングで発生する可能性がある粗いカーバイドや引け巣を示した図である（右図）。 本発明の方法において、切れ刃が残留凝固の線の領域に位置することがないことを示した図である。 本発明で使用されるプレストリップを製造する装置を模式的に示した図である。

本発明の方法によって製造されるホットストリップを、下に掲げる表１に示すさまざまな合金組成で実験した。

表１ａは、１．２５重量％のＣ含有率と０．３５重量％のＣｒ含有率とを有する鋼材１２５Ｃｒ１を示している。

表１ｂでは、鋼材は特に１．５０重量％という高いクロム含有率を有し、それに対して表１ｃの鋼材は２．７０重量％という他の鋼材に比べて明らかに高いＳｉ含有率を有している。

いずれの合金バリエーションでも、非常に細かい粒子の均等な組織を生成することができ、ストリップ平面における残留凝固の位置は的確にストリップ中心部の範囲外に、すなわち後に切れ刃となる位置の範囲外に調整することができた。

本発明による方法は、プレストリップの上面と下面についてそれぞれ異なる冷却戦略を適用するものであり、これらがそれぞれ別様に冷却される。１つの好ましい実施形態では、プレストリップの下面は水冷式のコンベヤベルト（キャスターベルトとも呼ばれる）によって加速度的に冷却され、それに対してストリップ上面は保護ガス雰囲気のもとでより遅い速度で冷却される。その結果として、残留凝固の領域が「幾何学的な中心」から上方に向かって移り、ストリップ上面から約１／３のところに位置する（図１、左図）。

さらに別の利点は、連続鋳造設備を通る従来の製造ルートやインゴットキャスティングで発生する可能性がある粗いカーバイドや引け巣（図１、右図）を回避しながら細かい組織を生じさせる、本発明のニアネットシェイプ鋳造法における高い冷却速度からもたらされる。

このように、引け巣、粗い析出物、たとえば粗いカーバイドなどを特に切れ刃の領域で回避するという鋼材消費者の要求を、本発明による水平方向のストリップキャスティングにより、ストリップの上面と下面でそれぞれ異なる冷却戦略が具体化されることによって、いっそう良好に満たすことができる。

対称な刃では切れ刃をそのまま中央に製作することができ、ないしは、非対称の切れ刃では相応に向かい合う側で製作することができ、それによって切れ刃が残留凝固の線の領域に位置することがない（図２）。

特に、鋳造されるストリップの偏心的な凝固は、同時に幾何学的なストリップ中心（コア）に関してカッターの切れ刃領域を中心に位置させながら、あらゆる欠点（粗いカーバイド、引け巣）をもたらす残留凝固の領域を回避することを可能にする。切れ刃領域が偏心的な位置にあるカッターでは、鋳造されたストリップの上面と下面の位置を的確に考慮して、残留凝固の領域の範囲外に切れ刃領域を位置させることができる。残留凝固のゾーンに対する切れ刃の位置は、仕上研削によっても変化することがない。切れ刃の加工性も同じく改善され、引け巣や粗い析出物によって切れ刃が破損する危険が回避される。

特に粗いクロムカーバイドは、カッターが衝撃的な負荷を受けたときに刃の局所的な破壊を引き起こし、頻繁な再研削あるいは一式の取替を必要とするが、本発明の方法ではそれが回避される。

産業用カッターのための用途の他、これに加えて、木材やプラスチックを切削するための鋸板としての利用も可能である。ストリップキャスティングを通じて可能になる高い炭素およびケイ素の質量割合は、場合により縁部領域で、鋸刃の場合における硬質金属切れ刃の使用の省略を可能にする。分析によると、基本素材が既に、硬質で耐摩耗性の層の適用を可能とするからである。特に細かく分散して分布するカーバイドを含む均一な組織は、少ない取替回数と結びついた大幅に長い耐用寿命を可能にする。

図３には、偏心的な凝固が行われ、引き続いて要求されるストリップ厚みを製作するために熱間圧延プロセスが行われる、プレストリップを製造する装置が模式的に示されている。

熱間圧延プロセスの前に、循環するコンベヤベルト２と、２つの方向転換ロール３，３’とで構成される水平方向のストリップキャスティング設備１による鋳造法が行われる。塗布された溶融液５がコンベヤベルト２から左右へ流れ落ちるのを防止する側方シール材４も示されている。溶融液５は取鍋６によってストリップキャスティング設備１へ運ばれ、取鍋の底面に設けられた開口部７を通って供給容器８へと流れる。この供給容器８はオーバーフロー容器のように構成されている。

コンベヤベルト２の上側車間部の下面を集中的に冷却するための装置Ｋ、ならびに、相応の保護ガス雰囲気を含むストリップキャスティング設備１の全面的なハウジング１１も同じく図示されている。

循環運動をするコンベヤベルト２の上に溶融液５が送り込まれた後、集中的な冷却の結果としてプレストリップ９の凝固と形成がなされ、コンベヤベルト２の最後のところではほとんどの部分で完全に凝固する。冷却装置Ｋにより、本発明に基づき、プレストリップ９の上面と比較したときに、プレストリップ９の偏心的な凝固（冶金学的な中心）が実現されるように、的確に冷却に影響を及ぼすことができる。

温度調整と応力除去をするため、ストリップキャスティング設備１に均一化ゾーン１０が後続している。この均一化ゾーン１０は断熱性のハウジング１１と、ここには図示しないローラテーブルとで成り立っている。

その次に後続する第１のフレーム１２は、場合により小さなパスを有する純粋な駆動集成装置としてのみ構成されるか、または所定のパスを有する圧延集成装置として構成される。

これに続いて中間加熱部が、好ましくは誘導加熱部として、たとえばコイル１３の形態で構成されている。本来の熱間成形は後続のフレーム編成部１４で行われ、最初の３つのフレーム１５，１５’，１５’’が本来のパス圧下を惹起し、それに対して最後のフレーム１６は平滑ローラ機構として構成されている。

最後のパスの後には、完成したホットストリップが巻取温度まで冷却される冷却区間１７が続いている。

冷却区間１７の端部と巻取機１９，１９’との間にはハサミ２０が配置されている。このハサミ２０には、両方の巻取機１９，１９’のうちの一方が最後まで巻き付けられるとただちに、ホットストリップ１８を横方向に分割するという役割がある。そして後続するホットストリップ１８の先頭部が、空いている第２の巻取機１９，１９’の上で案内される。それにより、ストリップの進行がストリップ長さ全体にわたって維持されたまま保たれることが保証される。このことは、特に薄いホットストリップを製作するときに意義がある。

任意選択のホットストリップの焼なましや冷間圧延をするための設備部品は、図面には図示していない。

１ ストリップキャスティング設備
２ コンベヤベルト
３，３’ 方向転換ロール
４ 側方シール材
５ 溶融液
６ 取鍋
７ 開口部
８ 供給容器
９ プレストリップ
１０ 均一化ゾーン
１１ ハウジング
１２ 第１のフレーム
１３ 誘導コイル
１４ フレーム編成部
１５，１５’，１５’’ 圧延フレーム
１６ 平滑化フレーム
１７ 冷却区間
１８ 完成したホットストリップ
１９，１９’ 巻取機
２０ ハサミ
Ｋ 冷却装置

Claims (13)

1. 鋼材からなるストリップを製造するための方法、特に、改善された耐用寿命を有する切断工具または切削工具を製造するための鋼材からなるストリップを製造するための方法であって、硬化可能な鋼材の溶融液から鋳造法によりプレストリップが作製され、次いで前記プレストリップがホットストリップを形成するように圧延され、必要な場合には、次いで焼なましされて冷間圧延される、方法であって、
   前記プレストリップが水平方向のストリップキャスティング設備で製作され、ここで、溶融液が、供給容器から、２つの方向転換ロールを介して循環運動する冷却されたコンベヤベルトの上に送り込まれ、前記溶融液の流動が沈静化された条件下で、６〜４０ｍｍの範囲内の曲げのないプレストリップを形成するように、鋳込まれ、次いでホットストリップを形成するように少なくとも５０％の変形度で前記プレストリップが圧延され、
   前記プレストリップの上面と下面の冷却速度は、ストリップ断面における残留凝固が生じる位置が後の切れ刃となる位置の範囲外になるようにそれぞれ異なるように設定されることを特徴とする、方法。
2. 前記プレストリップの下面は前記プレストリップの上面よりも強力に冷却されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記プレストリップの下面の冷却は、前記プレストリップがその上に載置されているコンベヤベルトの下面の冷却によって間接的に行われることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記コンベヤベルトの下面の冷却は水によって冷却され、前記プレストリップの上面は静止した空気または保護ガス雰囲気中で冷却されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 凝固の後かつ更なる処理の開始前に前記プレストリップが均一化ゾーンを通過することを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記更なる処理は前記プレストリップの板状への切断であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 板状への切断の後に板が圧延温度まで加熱され、次いで圧延されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記更なる処理は前記プレストリップのコイル巻取りであることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
9. 前記プレストリップがコイル巻取りの後にコイル巻出しされ、圧延温度まで加熱され、次いで圧延されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記プレストリップがコイル巻出しの前に再加熱されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
11. 前記プレストリップがインライン方式で圧延プロセスにかけられ、次いでコイル巻取りされることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 熱間圧延の際の変形度が＞７０％であることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記ホットストリップが冷却後に冷間圧延されることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法。

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