JPH09316595A - 打抜性と焼入性に優れた高炭素鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】打抜性と焼入性の両方に優れた高炭素鋼を提供
することにある。 【解決手段】上記課題は、重量％でＣを０．２％以上含
み、フェライトおよび炭化物を主体とし、炭化物粒径が
２μｍ以下、フェライト粒径が０．５〜１μｍである高
炭素鋼によって解決される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工具や刃物への加
工に適する、打抜性と焼入性に優れた高炭素鋼にに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】工具や刃物に使用される高炭素鋼には、
高い加工性と焼入性が要求される。これらのうち焼入性
が要求されるのは焼入れ作業の低コスト化であり、焼入
れ作業のコスト低減には、加熱温度の低温化と均熱保持
時間の短時間化が有効である。そこで、低温短時間保持
で十分に焼きが入る材料が望まれている。成分一定の場
合、焼入性を左右するのは均熱保持中に固溶する炭化物
量であり、短時間保持でより多くの炭化物を固溶させる
には炭化物の大きさを微細にすることが有効である。こ
のような炭化物の微細化による焼入性の向上について
は、特公昭５７−４３６２１号公報、特開平２−２５９
０１３号公報に開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
公報に開示された技術は焼入性向上のみに注目している
ため、加工性、特に打抜性については十分には考慮され
ておらず、実際、打抜性は不十分である。

【０００４】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であって、打抜性と焼入性の両方に優れた高炭素鋼を提
供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】打抜性は以下の２つの観
点のバランスで決まる。一つは打ち抜いた際のバリの高
さ、形状、割れの有無などの打抜製品の品質である。他
は生産性に直接関わるもので、連続で打ち抜くことがで
きる回数で決まる型寿命である。しかし、これら二つの
観点を満足するために材料に必要とされる特性は互いに
相反するものである。すなわち、単打抜時のバリは材料
が硬いほど発生し難いが、型寿命の観点からは軟質の材
料のほうが打抜型の摩耗が少なく、長寿命となる。

【０００６】一方、高炭素鋼の組織はフェライト粒およ
び球状化炭化物を主体としている。従来、これらのうち
打抜性に影響を及ぼすのは炭化物の大きさや分布である
と考えられ、上述した焼入性を向上させた組織に打抜性
が付随するものとされていた。

【０００７】これに対して、本発明者らが上記２つの観
点に基づいて打抜性について鋭意研究を重ねた結果、微
細な炭化物の大きさは打抜性に全く影響を及ぼさず、打
抜性に影響を及ぼす組織はフェライト粒径であり、フェ
ライト粒径を特定の範囲に規定することにより打抜性を
優れたものとすることができることを見出した。

【０００８】本発明は、このような本発明者らの知見に
基づいてなされたものであり、重量％でＣを０．２％以
上含み、フェライトおよび炭化物を主体とし、炭化物粒
径が２μｍ以下、フェライト粒径が０．５〜１μｍであ
ることを特徴とする、打抜性と焼入性に優れた高炭素鋼
を提供するものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の高炭素鋼は、重量％でＣ
を０．２％以上含み、フェライトおよび炭化物を主体と
し、炭化物粒径が２．０μｍ以下、フェライト粒径が
０．５〜１μｍである。

【００１０】以下、本発明におけるＣ含有量、炭化物粒
径およびフェライト粒径の限定理由について説明する。

【００１１】（１）Ｃ含有量 Ｃは、炭化物を形成させ、良好な焼入性を得るために必
要な元素であり、このような効果を得るために重量％で
０．２％以上とする。ただし、過剰に添加した場合には
焼入れ時に過剰に硬化し、焼き割れを生じるおそれがあ
ることから２％以下が望ましい。

【００１２】（２）炭化物粒径 炭化物粒径は、低温短時間保持条件下における焼入性に
大きく影響を及ぼす。均熱時間内に速やかに炭化物がオ
ーステナイトに固溶することが、低温短時間保持条件下
において良好な焼入性を有する条件である。炭化物がオ
ーステナイトに速やかに固溶するためには、炭化物が微
細であることが望ましい。すなわち、鋼中に炭化物を微
細に析出させることにより、炭化物の全体積に対する表
面積が大きくなり、加熱保持中に炭化物の固溶が促進さ
れる。

【００１３】以下、このことを実証する実験について説
明する。

【００１４】Ｃ≒０．６５％、Ｓｉ≒０．０５％、Ｍｎ
≒０．５５％、Ｐ≒０．０１０％、Ｓ≒０．００８％の
組成を有する連続鋳造スラブを１２５０℃に加熱し、仕
上げ温度８５０℃、巻取温度３５０〜６５０℃の条件で
熱間圧延を行い、次に冷延率１０〜８５％で冷間圧延、
５００〜７４０℃で焼鈍を行って板厚１．２ｍｍの鋼板
を作製した。

【００１５】このようにして製造した鋼板を５０×１０
０ｍｍの大きさに切断後、加熱炉で７５０℃に昇温し、
１０秒間保持後に約１０℃の菜種油中へ焼入れした。な
お、加熱温度については、ＪＩＳ Ｇ４４０１におい
て、７６０〜８２０℃と規定されているが、本実験にお
いては焼入性の優劣を明確にするためにＪＩＳで規定さ
れている下限値よりも１０℃低い温度に保持した。

【００１６】このようにして焼入れた後の試験片の板面
における硬さを、ロックウェルＣスケール（ＨＲＣ）で
測定し、焼入性を評価した。焼入性の評価はＪＩＳおよ
び需要家のニーズ等を考慮して、ＨＲＣ６３以上を◎、
６３未満５９以上を○、５９未満５５以上を△、５５未
満を×とした。この際の炭化物粒径と焼入性の評価結果
とを表１に示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】表１に示すように、炭化物粒径が２μｍ以
下であれば焼入性が良好となることから、炭化物粒径を
２μｍ以下に規定した。さらに良好な焼入性を得るため
には０．８μｍ以下が望ましい。

【００１９】（３）フェライト粒径 フェライト粒径は打抜性を支配するものであり、本発明
において最も重要である。従来、高炭素鋼が硬質であっ
てその打抜性が良好でない理由は、炭化物の粒径や形状
によるものであると考えられてきた。ところが、本発明
者らは、炭化物の粒径や形状ではなく、フェライト粒径
こそが打抜性に影響を及ぼすことを初めて明らかにし
た。

【００２０】フェライト径が大きいほど鋼は軟質化する
から型寿命が延びる。これは、フェライト粒径が大きい
場合、結晶中の転位の移動を阻害する粒界の面積が少な
くなるため軟質化し、打抜型の摩耗が少なくなることに
よる。ただし、この場合型寿命は長くなるものの打抜破
断時のバリの高さが高くなる。一方、フェライト径が小
さくなると鋼は硬質化しバリ高さが小さくなるが、型の
摩耗が激しくなり型寿命が短くなる。

【００２１】したがって、本発明では打抜製品の品質お
よび型寿命を両立させるために、フェライト粒径を特定
の範囲に規定する。

【００２２】以下、このことを示す実験結果について説
明する。

【００２３】Ｃ≒０．６％、Ｓｉ≒０．１１％、Ｍｎ≒
０．６５％、Ｐ≒０．０１６％、Ｓ≒０．０１２％の組
成を有する連続鋳造スラブを１２００℃に加熱し、仕上
げ温度８５０℃、巻取温度４００〜６５０℃の条件で熱
間圧延を行い、次に冷延率３０〜９５％で冷間圧延、５
５０〜７５０℃で焼鈍を行って板厚１．２ｍｍの鋼板を
作製した。

【００２４】このように製造した鋼板のフェライト粒径
と炭化物粒径を測定し、さらに打抜性の評価を行った。
打抜形状はφ３０ｍｍの円形孔抜きとした。型のクリア
ランスはＣ／ｔ＝０．０５とした。フェライト粒径およ
び炭化物粒径ならびに打抜性すなわちバリ高さおよび型
寿命の結果を表２に示す。評価は、バリ高さ０．０１ｍ
ｍ以下のものを○、０．０１ｍｍ越え０．１ｍｍ以下の
ものを△、０．１ｍｍを越えるものを×とした。また、
型寿命については、連続で打抜を行い、バリ高さが０．
１ｍｍとなった時点で型寿命と定義し、１００００回以
上連続で打ち抜いてもバリ高さが０．１ｍｍ以下のもの
を○、１００００回未満で８０００回以上打ち抜いた時
点でバリ高さが０．１ｍｍを越えたものを△、８０００
回未満のものを×とした。また、フェライト粒径と打抜
性との関係を図１に示す。

【００２５】

【表２】

【００２６】これらから、炭化物粒径に関係なくフェラ
イト粒径のみでバリ高さや型寿命が決まることが理解さ
れる。また、打抜型寿命の観点からフェライト粒径を
０．５μｍ以上にすればよく、バリ高さの観点からフェ
ライト粒径と１μｍ以下にすればよいことがわかる。す
なわち、打抜寿命とバリ高さとがいずれも良好となるの
はフェライト粒径が０．５〜１μｍの範囲であることが
判明した。したがって、本発明では平均のフェライト粒
径を０．５〜１μｍとした。

【００２７】なお、本発明では鋼の組織はフェライトと
炭化物の混合組織であるが、炭化物によりフェライト粒
界が明確に観察されない場合があり、実際のフェライト
粒径が明確にならないことがある。そこで、本発明では
フェライト粒径を以下のように定義する。

【００２８】(1) フェライト粒界が炭化物によりとぎれ
ず観察されるものについては、その粒界で囲まれた範囲
をフェライト粒の粒径と定義する。

【００２９】(2) 炭化物によりフェライト粒界が観察さ
れない場合には、図１に示すようにフェライト粒界およ
び炭化物粒界によって囲まれた範囲をフェライト粒の占
める面積とし、その面積と等価な円の直径をフェライト
粒径と定義する。

【００３０】(3) 図２に示すように、フェライト粒内に
炭化物が存在する場合には、その炭化物の面積はフェラ
イト粒の占める面積に含まない。

【００３１】(4) 図３に示すように、炭化物がフェライ
ト粒を横切り、フェライト粒界と接している場合、炭化
物により分けられたフェライト粒部分はそれぞれ独立し
たフェライト粒とする。

【００３２】炭化物粒径についても同様に、等価な面積
を持つ円の直径を炭化物粒径と定義する。

【００３３】フェライト粒径および炭化物粒径の測定方
法については特に限定されるものではないが、サンプル
の板厚断面を研磨・腐食後、１５００〜５０００倍の走
査型電子顕微鏡写真を撮影し、その写真からフェライト
粒径および炭化物粒径を測定することが望ましい。実際
にサンプルのフェライト粒径を求めるに際しては、写真
に全体が撮影されている粒の粒径の平均をもってその視
野の粒径とし、これを２視野以上行った後にさらにそれ
らの平均をとり、これをサンプルのフェライト粒径とす
る。炭化物の粒径も同様にして求める。写真撮影に関し
ては、少なくとも３０個以上の粒が存在する倍率となる
ように行うことが望ましい。また、腐食液としては、フ
ェライト粒径を測定する場合にはナイタール腐食液を、
炭化物粒径を測定する場合にはピクラール腐食液を用い
るのがよい。測定結果の一例を図４に示す。図４はナイ
タール腐食液で腐食したものであり、この図におけるフ
ェライト粒径は０．９μｍである。

【００３４】なお、本発明は、重量％でＣを０．２％以
上含み、上記特定の範囲の粒径を有するフェライトおよ
び炭化物を主体とする組織であれば所期の効果を発揮す
るものであり、他の成分については特に規定する必要は
なく、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｎなどの元素が通常
の範囲で含有されていても問題はない。ただし、Ｍｎは
炭化物の固溶抑制効果による焼入性低下を引き起こす傾
向があることから２％以下が望ましい。また、Ｓｉにつ
いては、炭化物を粗大化し、焼入性を阻害する傾向があ
ることから２％以下が望ましい。Ｐ、Ｓについては、過
剰に含有すると延性が低下するため、ともに０．０３％
以下が望ましい。Ａｌについては、過剰に含有すると焼
入性を低下させるため、０．０８％以下が望ましい。Ｎ
についても、過剰に含有した場合には延性の低下をもた
らすため、０．０１％以下が望ましい。また、目的に応
じて、通常添加される範囲でＢ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍ
ｏ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｖ、Ｚｒなど各種元素を添加して
もよい。これら元素は本発明の効果になんら影響を及ぼ
さない。また、製造過程でＳｎ、Ｐｂなどの各種元素が
不純物として混入する場合があるが、このような不純物
も本発明の効果になんら影響を及ぼすものではない。

【００３５】次に、本発明に係る高炭素鋼の好ましい製
造方法について説明する。

【００３６】まず、本発明範囲内の成分に調整された溶
鋼を、造塊後分塊処理または連続鋳造によってスラブと
する。

【００３７】次に熱間圧延を行うが、その際のスラブ加
熱温度は、スケール発生による表面状態の変化と圧延負
荷の点から１０００〜１２５０℃が適正範囲であり、仕
上げ温度は圧延負荷の点から７５０℃以上とするのが望
ましい。巻取温度は炭化物の微細析出のために６００℃
以下とし、冷圧負荷の点から４００℃以上とすることが
望ましい。

【００３８】冷延板として使用する場合には、その後、
冷間圧延を行うが、その際の冷圧率は、焼鈍時の炭化物
を微細化するために２０％以上であることが好ましい
が、圧延率が過剰であると圧延後のフェライト粒が微細
になりすぎるため８５％以下が好ましい。

【００３９】その後の焼鈍については、フェライト粒を
適度に成長させるため６００℃以上であることが必要で
あるが、炭化物の過剰な成長を抑制するために（Ａｃ₃
−３０）℃以下とする。焼鈍方法は連続焼鈍でも箱焼鈍
でも問題はない。なお、冷間圧延と焼鈍を２回以上組合
わせてもよい。

【００４０】その後、必要に応じて調質圧延を行うが、
調質圧延については焼入性に影響を及ぼさないことか
ら、その条件に制限はない。

【００４１】なお、本発明鋼の成分調整には、転炉およ
び電気炉のどちらも使用可能であり、熱間圧延時に粗圧
延を省略して仕上げ圧延を行っても全く問題はない。ま
た、本発明鋼は熱延鋼板でも冷延鋼板でもよく、いずれ
の場合にも本発明の効果を同様に奏することができる。

【００４２】

【実施例】以下本発明の実施例について説明する。

【００４３】（第１実施例）表３に示す組成の炭素量
０．７％の連続鋳造スラブを１１５０℃に加熱し、仕上
げ温度８６０℃、巻取温度３５０〜７００℃の条件で熱
間圧延を行い、次に冷延率１５〜９５％で冷間圧延、５
００〜７００℃で５５時間の箱焼鈍を行って板厚１ｍｍ
の鋼板を作製した。それぞれの鋼板に対し焼入れ試験お
よび打抜試験を行い、焼入性と打抜性を評価した。試験
条件を以下に示す。

【００４４】〈焼入性試験〉以上のようにして作製した
鋼板を５０×１００ｍｍの大きさに切断後、加熱炉で７
５０℃に昇温し、１０秒間保持後に約１０℃の菜種油中
へ焼入れした。焼入れ後の試験片の硬さを、ロックウェ
ルＣスケール（ＨＲＣ）で測定し、焼入性を評価した。
評価はＨＲＣ６３以上を◎、６３未満５９以上を○、５
９未満５６以上を△、５６未満を×とした。

【００４５】〈打抜性〉プレス機に打抜型を装着し、打
抜性試験を行った。型のクリアランスはＣ／ｔ＝０．０
５とした。打抜形状はφ３０ｍｍの円とした。評価は、
バリ高さ０．０１ｍｍ以下のものを○、０．０１ｍｍ越
え０．１ｍｍ以下のものを△、０．１ｍｍを越えるもの
を×とした。また、型寿命については、連続で打抜を行
い、バリ高さが０．１ｍｍとなった時点で型寿命と定義
し、１００００回以上連続で打ち抜いてもバリ高さが
０．１ｍｍ以下のものを○、１００００回未満で８００
０回以上打ち抜いた時点でバリ高さが０．１ｍｍを越え
たものを△、８０００回未満のものを×とした。

【００４６】これら焼入性試験および打抜試験の結果を
表４に示した。

【００４７】

【表３】

【００４８】

【表４】

【００４９】表４に示すように、フェライト粒径が０．
５μｍ以上１．０μｍ以下のときに、打抜性および型寿
命が良好であり、炭化物粒径が２μｍ以下のときに焼入
性が良好であった。すなわち、本発明の範囲であれば、
優れた打抜性と焼入性とを兼備することが確認された。

【００５０】（第２実施例）表５に示す組成の炭素量
０．４％の連続鋳造スラブを１０８０℃に加熱し、仕上
げ温度８４０℃、巻取温度３００〜７００℃の条件で熱
間圧延を行い、次に冷延率２０〜９５％で冷間圧延、５
００〜７８０℃で連続焼鈍を行って板厚１ｍｍの鋼板を
作製した。それぞれの鋼板に対し焼入れ試験および打抜
試験を行い、焼入性と打抜性を評価した。

【００５１】これらの試験条件は基本的に第１実施例と
同様とし、打抜性の評価についても第１実施例と同様と
したが、焼入性の評価については第１実施例と異なり、
ＨＲＣ５４以上を◎、５４未満５０以上を○、５０未満
４６以上を△、４６未満を×とした。

【００５２】焼入性試験および打抜試験の結果を表６に
示した。

【００５３】

【表５】

【００５４】

【表６】

【００５５】表６からも、フェライト粒径が０．５μｍ
以上１．０μｍ以下のときに、打抜性および型寿命が良
好であり、炭化物粒径が２μｍ以下のときに焼入性が良
好であることが導かれ、本発明の範囲であれば、優れた
打抜性と焼入性とを兼備することが確認された。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
焼入性に注目して炭化物を微細にするのみならず、加工
性、特に打抜性がフェライト粒に大きく影響を受けるこ
とに着目してフェライト粒径を制御するので、打抜性と
焼入性の両方に優れた高炭素鋼を提供することができ
る。このように本発明に係る高炭素鋼は打抜性と焼入性
に優れることから、安価でかつ品質の安定した刃物や工
具を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明でいうフェライト粒径を説明するための
模式図。

【図２】本発明でいうフェライト粒径を説明するための
模式図。

【図３】本発明でいうフェライト粒径を説明するための
模式図。

【図４】フェライト粒径の測定結果の一例を示す顕微鏡
写真。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％でＣを０．２％以上含み、フェラ
   イトおよび炭化物を主体とし、炭化物粒径が２μｍ以
   下、フェライト粒径が０．５〜１μｍであることを特徴
   とする、打抜性と焼入性に優れた高炭素鋼。