TWI464280B - 高速度工具鋼、刀刃用材料及切斷工具、以及刀刃用材料的製造方法 - Google Patents

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Description

高速度工具鋼、刀刃用材料及切斷工具、以及刀刃用材料的製造方法
本發明是有關於一種適合作為用於切斷金屬的鋸刃等切斷工具的刀刃用材料的素材的高速工具鋼、刀刃用材料、切斷工具以及刀刃用材料的製造方法。
目前，以帶鋸或圓鋸等鋸刃為代表的切斷工具一直用於切斷鋼材等金屬材料。一般來說，鋸刃經由下述步驟製造。首先，對調整為規定的成分組成的熔鋼(Molten Steel)進行鑄造並製成鋼塊或鋼片等素材，或對藉由霧化法(atomization method)等而自該熔鋼中所得到的粉末進行熱高壓成形而製成素材，對該些素材進行熱加工，之後經過各種的加工與熱處理，而製造具有扁線(Flat line)等形狀的刀刃用材料。接著，使用電子束熔接或雷射熔接等將刀刃用材料與主體材熔接，進行刃磨(sharpening)加工並施行淬火回火(quenching and tempering)，而完成最終製品的鋸刃。於上述的刀刃用材料的素材中，廣泛應用於JIS G 4403中規定的高速度工具鋼SKH59(相當於ISO 4957所規定的HS 2-9-1-8)。SKH59為赤 熱硬度(red hardness)優異且切斷耐久性優異的素材，具有作為鋸刃的刀刃用材料的素材的優異特性。例如，於專利文獻1中揭示一種採用SKH59作為刀刃用材料的素材的帶鋸刃及其製造方法的發明。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2010-280022號公報
由於刀刃是由SKH59所製造的鋸刃具有優異的切斷耐久性，因此用於切斷各種鋼材。然而，已知根據使用條件，會產生早期的刀刃磨耗、碎屑(chipping)等的僅限於刀刃的損耗形態。接著，作為該些損耗的對策而進行刀刃形狀或硬度、稱為表面處理的刀刃設計的改良，但依然有碎屑在早期就產生的情形。除了刀刃設計的事項以外，於產生上述碎屑的原因中，還有刀刃用材料的組織中含有的粗大碳化物。亦即，若刀刃用材料的組織中包含很多明顯粗大的碳化物，例如剖面組織中包含很多絕對最大長度為25μm以上的碳化物，則該明顯粗大的碳化物亦會殘留在淬火回火後的刀刃組織中，而刀刃的韌性下降。接著，破壞使用中的刀刃所需要的應力(破壞應力)會下降，並產生以粗大的碳化物為起點的破壞。因此，使刀刃用材料的組織中的碳化物尺寸變小對抑制碎屑有效。
可實現高硬度的SKH59的成分組成為於組織中會形成 大量碳化物的合金設計。接著，於上述成分組成的高速度工具鋼的情形時，在鋼塊或鋼片等素材的時間點上，該鑄造組織中容易形成明顯粗大化的塊狀共晶碳化物。一般來說，鑄造組織中的共晶碳化物(M2 C)為板狀，而可藉由熱加工使其變化為粒狀的碳化物(M6 C)。然而，若共晶碳化物為明顯粗大的塊狀，則即使於刀刃用材料的製造步驟中經由持續的熱加工(線材加工)亦不可使碳化物變化為完全的粒狀，且於刀刃用材料的退火(annealed)組織中，存在很多上述絕對最大長度為25μm以上的明顯粗大的碳化物。接著，退火組織中不能微小化的碳化物，即使經過熔接及刃磨步驟，於最終步驟的淬火回火中亦不會變得微小。其結果，就刀刃組織中含有很多粗大碳化物的鋸刃而言，即使可賦予優異的耐磨耗性，但耐碎屑性則成為劣化的主要原因。
然而，於目前技術的刀刃用材料中，並不一定容易使組織中的碳化物尺寸變小。其理由為，由於在實際作業中為了要求效率，必須加大鋼塊或鋼片等素材的重量，而讓熔鋼凝固時的冷卻速度變慢，因此凝固後的素材的鑄造組織中形成有不良的粗大共晶碳化物，而該粗大共晶碳化物會殘存至後製程。
本發明的目的為提供可維持SKH59的優異特性，且於實際作業的等級下亦可使凝固組織中的碳化物尺寸微細化的高速度工具鋼與使用該高速度工具鋼而製成的刀刃用材料、切斷工具。而且，提供刀刃用材料的製造方法。
本發明者為了解決上述的課題，而再次詳細地研究 SKH59的成分組成。其結果，得知了藉由在不實質地改變SKH59的成分組成的狀態下，使其在最適當範圍含有特定的元素種類，而可維持SKH59的優異特性且可使鑄造組織中的共晶碳化物微小化。接著，使作為該特定的元素種類的Ca及N的成分範圍明確化，從而完成了本發明。
亦即，本發明為一種高速度工具鋼，其以質量%計含有C：0.5%~1.5%、Si：1.0%以下、Mn：1.0%以下、Cr：3.0%~5.0%、根據W及Mo中的1種或2種以計算式(W+2Mo)所算出的含量：15.0%~25.0%、V：1.0%~未達1.5%、Co：5.0%~10.0%、剩餘部分為Fe以及雜質，其特徵在於：此高速度工具鋼更含有Ca：0.0005%~0.004%以及N：0.005%~0.015%的N。接著是包含所述高速度工具鋼的刀刃用材料。所述刀刃用材料的剖面組織中含有的碳化物的絕對最大長度較佳為未達25μm。接著是將上述刀刃用材料熔接於主體材而成的切斷工具。
而且，本發明為一種刀刃用材料的製造方法，其為將以質量%計含有C：0.5%~1.5%、Si：1.0%以下、Mn：1.0%以下、Cr：3.0%~5.0%、根據W及Mo中的1種或2種以計算式(W+2Mo)所算出的含量：15.0%~25.0%、V：1.0%~未達1.5%、Co：5.0%~10.0%、剩餘部分為Fe以及雜質的高速度工具鋼鑄造成鋼塊，並對所述鋼塊進行熱加工，其特徵在於：所述高速度工具鋼的鋼塊更含有Ca：0.0005%~0.004%及N：0.005%~0.015%。
藉由本發明，可以有效率的手法使包含高速度工具鋼的各種製品的組織中的碳化物微小化。接著，於用作切斷工具的刀刃時的耐碎屑性優異，因此可提供適合作為各種切斷工具的刀刃用材料，特別是鋸刃的刀刃用材料的高速度工具鋼。接著，可提供所述刀刃用材料的製造方法。
本發明的特徵在於可藉由成分組成的改良而抑制下述 現象，所述現象為於SKH59的成分組成中作為課題的經由鑄造組織中的共晶碳化物的塊狀化，而造成碳化物尺寸粗大化。本發明提到的所謂「塊狀共晶碳化物」，僅是指於鑄造組織的觀察面上，以板狀(層狀)的型態觀察到的共晶碳化物中，其各層最大的厚度為3μm以上的共晶碳化物。以下對於本發明的高速度工具鋼的成分組成的限制理由加以敘述。(僅將「質量%」記載為「%」)
‧C：0.5%~1.5%
C為與Cr、W、Mo、V鍵結形成碳化物，而提高淬火回火硬度，並提升耐磨耗性的元素。然而，若C過多則韌性下降。因此，在使其與後述的Cr、W、Mo、V的含量達成平衡的方面上，C設定為0.5%~1.5%。較佳為0.9%以上，而且較佳為1.2%以下。
‧Si：1.0%以下
Si通常用作熔解步驟中的脫氧劑。然而，若Si過多則韌性下降，因此Si設定為1.0%以下。較佳為0.1%以上，而且較佳為0.6%以下。
‧Mn：1.0%以下
Mn與Si同樣用作熔解步驟中的脫氧劑。然而，若Mn過多則韌性下降，因此Mn設定為1.0%以下。較佳為0.1%以上，而且較佳為0.5%以下。
‧Cr：3.0%~5.0%
Cr為有效賦予淬火性、耐磨耗性、耐氧化性等的元素。然而，若Cr過多則使韌性、高溫強度、耐回火軟化特性下降。因此，Cr 設定為3.0%~5.0%。較佳為3.5%以上，而且較佳為4.5%以下。
‧根據W及Mo中的1種或2種以計算式(W+2Mo)所算出的含量：15.0%~25.0%
W及Mo會與C鍵結形成特殊的碳化物，而賦予耐磨耗性、耐燒接性等的元素。而且，回火時的2次硬化作用很大，使高溫強度亦提升。然而，若W與Mo過多則會阻礙熱加工性。因此，將根據W與Mo中的1種或2種以(W+2Mo)的關係式所算出的含量設定為15.0%~25.0%。較佳為18.0%以上，而且較佳為23.0%以下。
‧V：1.0%以上而未達1.5%
V與C鍵結形成硬質的碳化物，而有助於耐磨耗性的提升。然而，若V過多則韌性下降，因此v設定為1.0%~未達1.5%。較佳為1.1%以上，而且較佳為1.3%以下。
‧Co：5.0%~10.0%
Co會於基地中固溶並使回火麻田散鐵的硬度提升，而賦予耐磨耗性的提升。而且，會使製品的強度或耐熱性提升。然而，若Co過多則韌性下降，因此Co設定為5.0%~10.0%。較佳為6.0%以上，而且較佳為9.3%以下。
接著，對本發明的高速度工具鋼而言，重要的是相對於以上說明的相當於SKH59的成分組成的高速度工具鋼，而含有調整為適當含量的Ca及N。
‧Ca：0.0005%~0.0004%
Ca會對鑄造組織中的共晶碳化物的形態起很大的作用，因此對本發明來說，Ca是上下限的管理很重要的元素。首先，於凝固時形成的共晶碳化物在主要元素中含有V時，推測在凝固速度慢的實際作業中共晶起始點的液相中的V量具有減少的傾向。接著本發明者推測：該結果，共晶碳化物的成核減少(變得稀疏)，而共晶碳化物為了填滿該間隔而成長為塊狀。於此，若將Ca添加至該高速度工具鋼，則發現液相中的V量增加，且共晶碳化物的成核增加(間隔變得狹小)，並於實際上抑制共晶碳化物成長為塊狀。於是，得到Ca的添加量自0.001%的附近開始，使上述的效果飛躍性地上升的結果。
另一方面，本發明者發現下述現象：Ca的添加量自超過0.003%的附近開始，轉變為塊狀碳化物增加的傾向。其被認為是上述液相中的V量於本次中減少而產生。而且，若Ca的添加量成為0.01%，則得到下述結果：與上述添加0.001%Ca時相比，抑制共晶碳化物的塊狀化的效果大大減弱。若共晶碳化物變得極端大，則於後續的熱加工中亦成為無法變化為粒狀的碳化物而殘留，並使製品的韌性下降。從以上結果來看，將本發明的Ca設定為0.0005%~0.004%十分重要。較佳為0.001%以上，而且較佳為0.003%以下。
‧N：0.005%~0.015%
而且，N亦是作為會對鑄造組織中的共晶碳化物的形態起很大的作用的元素，而為上下限的管理很重要的元素。於高速度工具鋼 中，通常不可避免地含有0.03%左右的N。而且，就含有過多的N量，例如於素材中形成氮化釩而阻礙素材的熱加工性而言，因此提出使N自上述0.03%左右的含量開始減少。然而，本發明者得知，即使使N減少，但若使其減少過多，則會大大阻礙上述的Ca添加所帶來的效果，而明顯助長共晶碳化物的塊狀化。而且，本發明者得知即使反過來N量很多，該阻礙效果亦變得顯著。因此，本發明的N量有最適當的範圍。而且，確認了該最適當範圍在0.01%的附近。因此，將本發明的N設定為0.005%~0.015%十分重要。關於下限，較佳為0.007%以上，進一步更佳為0.009%以上。而且，關於上限，較佳為0.013%以下，進一步更佳為0.012%以下。
除此之外，於本發明的高速度工具鋼中，可能含有不可避免的雜質元素的S及P。若S過多，則除了其自身會阻礙熱加工性，更會與上述的Ca鍵結而阻礙本發明的Ca添加所帶來的效果，因此較佳為限制在0.01%以下。更佳為0.005%以下。若P過多，則韌性劣化，因此較佳為限制在0.05%以下。更佳為0.025%以下。
藉由將本發明的高速度工具鋼鑄造成鋼塊並對其進行熱加工，可得到上述熱加工後的退火組織中的碳化物尺寸小的刀刃用材料。較佳為剖面組織中含有的碳化物的絕對最大長度為未達25μm的刀刃用材料。接著，將該刀刃用材料熔接至主體材後，進行刃磨加工，並實施淬火回火而製造出的切斷工具具有以下特性：該刀刃組織中的粗大碳化物減少，而具有優異的耐碎屑性。
圖1為表示分佈於本發明例的高速度工具鋼的鑄造組織中的共晶碳化物的一例的顯微鏡照片。
圖2為表示分佈於本發明例的高速度工具鋼的鑄造組織中的共晶碳化物的一例的顯微鏡照片。
圖3為表示分佈於本發明例的高速度工具鋼的鑄造組織中的共晶碳化物的一例的顯微鏡照片。
圖4為表示分佈於比較例的高速度工具鋼的鑄造組織中的共晶碳化物的一例的顯微鏡照片。
圖5為說明高速度工具鋼的鋼塊中含有的Ca量及N量與塊狀共晶碳化物量的關係的圖。
圖6為將以掃描式電子顯微鏡觀察到的本發明例及比較例的高速度工具鋼的退火組織的剖面進行二值化(thresholding)處理後的影像，且為表示分佈於該退火組織的剖面中的粗大碳化物的圖面替換照片。
 [實施例1]
準備調整成規定的成分組成的熔鋼。藉由真空精煉與投入CrN合金調整熔鋼的N量。藉由投入Ca-Si合金調整熔鋼的Ca量。接著，以相當於實際作業等級的10℃/分左右的冷卻速度對上述熔鋼進行鑄造，並製備具有表1的成分組成的高速度工具鋼的鋼塊。
接著，藉由倍率為500倍的光學式顯微鏡觀察位於該些鋼塊的組織中的板狀共晶碳化物的分佈狀況。觀察共晶碳化物的鋼塊位置為在相對於鋼塊的高度(H)的H/10的鋼塊上部中，相對於直徑(D)的D/8的位置(亦即，自外圍開始往內D/8的位置)。將 觀察面於鏡面拋光(mirror polishing)後，藉由可使共晶碳化物腐蝕、著色的村上腐蝕劑進行腐蝕。本發明例的鋼塊No.1~No.3及比較例的鋼塊No.9的光學式顯微鏡照片表示於圖1~圖4。於各圖中，僅包含板狀(層狀)的黑色部分為共晶碳化物。
並且，於上述共晶碳化物中，測定各層的最大厚度為3μm以上的塊狀共晶碳化物於組織中所佔的面積量。於面積的定量中，使用美國國立衛生研究所(NIH)提供的影像處理軟體imageJ(http：//imageJ.nih.gov/ij/)，與作為該軟體的增益(add-in)軟體且可對塊狀碳化物的局部厚度進行解析的boneJ(http：//boneJ.org/)。觀察面的總面積約為327000μm2 (具體來說為326890.3μm2 )。結果示於表2。
如圖1~圖3，本發明例的高速度工具鋼於鑄造組織中的共晶碳化物的各層厚度薄，且共晶碳化物整體受到微小化。相對於此，如圖4，目前的高速度工具鋼(No.9)於鑄造組織中的共晶碳化物的各層厚度厚，且形成有很多最大厚度為3μm以上的塊狀共晶碳化物。其中，亦存在很多最大厚度達到7μm以上的塊狀共晶碳化物。接著，從表2來看，相對於觀察面的總面積，本發明例的高速度工具鋼的最大厚度為3μm以上的塊狀共晶碳化物的面積量為約0.6面積%以下的等級，與目前的高速度工具鋼(No.9)的塊狀共晶碳化物的面積量相比之下變得很少。
圖5為藉由與Ca量及N量的關係，將本發明例及比較例的高速度工具鋼No.1~No.13的塊狀共晶碳化物的面積量的測定結果加以整理後的圖。就將N量調整至100ppm(0.01%)附近的高速度工具鋼而言，即使不添加Ca，塊狀共晶碳化物的形成似乎亦受到抑制(No.8)。然而，相對於作為塊狀共晶碳化物的指標的上述3μm以上的厚度，其各層的厚度為如同No.9的高速度工具鋼(圖4)般厚者。接著，與No.8的高速度工具鋼相比，可得知於將N量調整至100ppm(0.01%)附近後，進一步添加本發明量的Ca的本發明例的高速度工具鋼(No.2、No.5)具有以下特性：塊狀共晶碳化物的形成進一步得到抑制且其各層的厚度亦變薄，而使共晶碳化物整體微小化的效果顯著。接著，若Ca超過本發明量，則可得知塊狀共晶碳化物轉變為增加的傾向。
[實施例2]
假定將本發明的高速度工具鋼用於切斷工具的刀刃時的形態，並施行用於評價將本發明的高速度工具鋼用於切斷工具的刀刃時的耐碎屑性的3點彎折的彎曲試驗。藉由以下要點製備彎曲試驗片。首先，準備調整為規定的成分組成的熔鋼。藉由除氣精煉調整熔鋼的N量。藉由投入Ca-Si合金調整熔鋼的Ca量。接著，以相當於實際作業等級的10℃/分左右的冷卻速度對上述熔鋼進行鑄造，並製備具有表3的成分組成的高速度工具鋼的鋼塊。關於該些鋼塊，共晶碳化物於鋼塊No.14及鋼塊No.15的組織中的分佈狀況分別與實施例1的鋼塊No.2及鋼塊No.9的組織中的分佈狀況大致相同。
接下來，對上述的鋼塊進行熱加工，而得到包含直徑為5mm的退火狀態的線圈線材的刀刃用材料。而且，於此時間點觀察碳化物於線圈線材的退火組織中的分佈狀況。於該觀察中，使用倍率為150倍的掃描式電子顯微鏡。並且，對線圈線材的長度方向的剖面(縱剖面)觀察約546000μm2 (具體而言為546133μm2 )的視野，並測量絕對最大長度為10μm以上的碳化物的個數。碳 化物的測量根據以下要點。首先，經由對藉由掃描式電子顯微鏡產生的反射電子影像進行僅根據形成粗大碳化物時的主要為C、W、Mo及V的含量的二值化處理，而得到表示分佈於剖面組織中的粗大碳化物的二值化影像(binary image)。圖6為本發明例的No.14及比較例的No.15的二值化影像(碳化物以黑點的分佈表示)。接著，將絕對最大長度為10μm以上的碳化物自二值化影像中抽出，並測量該碳化物的個數。測量的結果示於表4。
接著，假定施加於實際的刀刃上的條件的淬火回火，並對上述退火狀態的線圈線材進行如下的熱處理：自沃斯田鐵化溫度的1190℃開始的淬火與3次於560℃下保持1小時的回火。接著，對該熱處理後的試驗片施加3點彎折的彎曲試驗。就彎曲試驗而言，試驗片的尺寸為直徑4mm×長度60mm。而且，試驗時的跨距(span)為50mm，而測定試驗片到破斷為止的最大彎折應力，亦即橫向破裂強度(transverse rupture strength)。結果示於表5。
[表5]
於本發明例的高速度工具鋼的情形時，淬火回火前的退火組織中的粗大碳化物少，且於剖面組織中未確認到絕對最大長度為25μm以上的碳化物。接著，本發明例的高速度工具鋼於淬火回火後的製品的狀態下，顯示出高的橫向破裂強度。相對於此，於比較例的高速度工具鋼中，被認為分佈於退火組織中的粗大碳化物即使於淬火回火後的組織中亦仍殘留，且橫向破裂強度比本發明例低。

Claims (5)

  1. 一種高速度工具鋼，包括：以質量%計含有C：0.5%~1.5%、Si：1.0%以下、Mn：1.0%以下、Cr：3.0%~5.0%、根據W及Mo中的1種或2種以計算式(W+2Mo)所算出的含量：15.0%~25.0%、V：1.0%~未達1.5%、Co：5.0%~10.0%、剩餘部分為Fe以及雜質，其特徵在於：所述高速度工具鋼更含有Ca：0.0005%~0.004%以及N：0.005%~0.015%。
  2. 一種刀刃用材料，其特徵在於：所述刀刃用材料包括如申請專利範圍第1項所述的高速度工具鋼。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的刀刃用材料，其中剖面組織中含有的碳化物的絕對最大長度未達25μm。
  4. 一種切斷工具，其特徵在於：所述切斷工具為將申請專利範圍第2項或第3項所述的刀刃用材料熔接於主體材而成。
  5. 一種刀刃用材料的製造方法，包括將高速度工具鋼鑄造成鋼塊，並對所述鋼塊進行熱加工，所述高速度工具鋼以質量%計含有C：0.5%~1.5%、Si：1.0%以下、Mn：1.0%以下、Cr：3.0%~5.0%、根據W及Mo中的1種或2種以計算式(W+2Mo)所算出的含量：15.0%~25.0%、V：1.0%~未達1.5%、Co：5.0%~10.0%、剩餘部分為Fe以及雜質，其特徵在於：所述高速度工具鋼的鋼塊更含有Ca：0.0005%~0.004%以及N：0.005%~0.015%。
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