JP6044870B2 - 刃物用鋼帯の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、剃刀、カッター、包丁、ナイフなどに用いられる刃物用鋼帯の製造方法に関するものである。

従来、マルテンサイト系ステンレス鋼は、剃刀、カッター、包丁、ナイフ等の刃物用の材料として広く使用されてきた。特に、１３質量％程度のＣｒと０．６５％程度のＣを含む高炭素マルテンサイト系ステンレス鋼の刃物用鋼帯は、剃刀用の材料として最適であることが知られている。このような用途に用いられる高炭素マルテンサイト系ステンレス鋼の刃物用鋼帯は、通常焼入れ焼戻しを施して使用されるものであり、使用時の硬度、耐食性と言った特性が求められている。

刃物用鋼帯は通常以下の製造工程を経て製造される。
まず、原料を溶解、鋳造して素材を製造する。次に、素材を熱間圧延して刃物用鋼帯を製造する。素材に対して熱間鍛造や熱間圧延による分塊工程を経る場合もある。一般的には、刃物用鋼帯は焼鈍を行い、金属組織、特に、炭化物制御を行った焼鈍材とする。さらに、必要に応じて、焼鈍材は冷間圧延とそれに続く歪除去焼鈍とを必要な回数だけ繰り返し、目的とする厚さを有する冷間圧延鋼帯を製造する。そして、冷間圧延鋼帯に焼入れ焼戻しを施して、刃物用ステンレス鋼が完成する。
さらに、刃物用ステンレス鋼は刃付けや切断などの加工工程を経て最終製品となる。なお、刃物用ステンレス鋼の市場における取引は、一般に、焼鈍材又は冷間圧延鋼帯のいずれかの形態でなされる場合が多い。

上述した刃物用鋼帯において、炭化物の存在形態は、素材の特性に大きな影響を及ぼすため、炭化物の存在形態を製造工程で制御することに関して、従来から種々の提案がなされている。例えば、代表的な例として、特開平１−１８４２２８号公報（特許文献１）ではホットストリップミルにおける加熱温度を制御することで安定的に均一で微細な炭化物組織を生成させることが提案されている。また、特開平９−２０９２３号公報（特許文献２）では、熱間圧延後の巻き取り温度や焼鈍温度を制御することで炭化物を制御し靭性を付与することが提案されている。

特開平１−１８４２２８号公報 特開平９−２０９２３号公報

特許文献１に記されるように、刃物用の高炭素含有マルテンサイト系ステンレス鋼は、焼入れ硬度の向上および刃こぼれの防止の観点より、炭化物サイズをできるだけ均一かつ微細にすることが望ましい。そこで、上述したように、刃物用鋼帯について炭化物の形態を制御するために、熱間圧延条件や焼鈍条件に着目した技術に関しては、従来から種々の提案がなされている。
ところで、近年、刃物用鋼帯の熱間圧延工程についてステッケルミル圧延等に代表されるような圧下率の高い圧延を行う粗圧延機を用いた第一の熱間圧延工程と圧下率はあまり大きく無いが狙いの板厚に圧延を行う仕上圧延機を用いた第二の熱間圧延工程とを連続して併用することで一定の厚みに効率よく仕上げる熱間圧延技術が採用されるようになった。
しかしながら、このような従来にはない熱と歪みの履歴を受けた刃物用鋼帯において炭化物がどのような形態で存在しているかについて必ずしも十分な知見が得られているとは言えなかった。このため、上記の二段階の熱間圧延工程を採用した場合に、炭化物の形態が刃物用鋼帯に最適な形態に必ずしも制御されていないという課題があった。
本発明は、第一および第二の熱間圧延を行い一定の厚みに仕上げる熱間圧延工程において、各圧延での圧延条件を最適化し、均一で微細な炭化物組織を有する刃物用ステンレス鋼を得ることを目的とするものであり、そのための刃物用鋼帯の製造方法を提供するものである。

本発明者らは、上記の課題に鑑み、刃物用ステンレス鋼の炭化物の形態のうち、特に、炭化物のサイズと分布に着目して、第一および第二の熱間圧延を行い一定の厚みに仕上げる熱間圧延工程の熱間圧延条件を検討した。
まず、第一の熱間圧延工程で、結晶粒界に析出した炭化物の成長を極力抑制する温度で熱間圧延を行い、その後の第二の熱間圧延工程では、粒内での変態が起こる温度で熱間圧延を行うことで、焼鈍後の炭化物サイズを均一かつ微細にすることが可能であることを見いだし本発明に到達した。
すなわち本発明は、質量％でＣ：０．４６〜０．７２％、Ｓｉ：０．１５〜１．０％、Ｍｎ：０．４５〜１．０％、Ｃｒ：１２．５〜１３．９％、Ｍｏ：０〜１．５％、残部はＦｅ及び不純物でなる刃物用鋼帯の製造方法において、
前記組成を有する熱間圧延用材を１０００〜１３００℃に加熱し、圧延終了温度は９００℃を超える第一の熱間圧延を行う第一の熱間圧延工程と、
前記第一の熱間圧延工程に引き続き行う第二の熱間圧延は、７００〜８５０℃の温度域で熱間圧延を行う第二の熱間圧延工程、
を含む刃物用鋼帯の製造方法である。
また、本発明では、上記の第二の熱間圧延工程で得られた熱間圧延材を用いて、７００〜９００℃で１〜１００時間の焼鈍する焼鈍工程を行うことが好ましい。

本発明によれば、ステッケルミル圧延等に代表される、粗圧延機を用いた第一の熱間圧延工程と仕上圧延機を用いた第二の熱間圧延工程の圧延条件の最適化により、均一で微細な炭化物組織を有する刃物用ステンレス鋼を得ることが可能となる。

熱間圧縮試験条件を示す図である。 金属組織観察位置を示す図である。 熱間圧縮試験条件１（熱間圧縮試験まま）における試料の断面組織を表す顕微鏡写真である。 熱間圧縮試験条件２（熱間圧縮試験まま）における試料の断面組織を表す顕微鏡写真である。 熱間圧縮試験条件３（熱間圧縮試験まま）における試料の断面組織を表す顕微鏡写真である。 熱間圧縮試験条件４（熱間圧縮試験まま）における試料の断面組織を表す顕微鏡写真である。 熱間圧縮試験条件１（焼鈍後）における試料の断面組織を表す顕微鏡写真である。 熱間圧縮試験条件２（焼鈍後）における試料の断面組織を表す顕微鏡写真である。 熱間圧縮試験条件３（焼鈍後）における試料の断面組織を表す顕微鏡写真である。 熱間圧縮試験条件４（焼鈍後）における試料の断面組織を表す顕微鏡写真である。

上述したように、本発明の重要な特徴は、第一および第二の熱間圧延工程を行い一定の厚みに仕上げる熱間圧延工程の熱間圧延条件を最適化することで、刃物用鋼帯の炭化物サイズを均一かつ微細に制御を行ったことである。
先ず、本発明で規定する基本的な特性を付与する合金組成について説明する。なお、各元素の含有量は質量％である。
Ｃ：０．４６〜０．７２％
Ｃを０．４６〜０．７２％としたのは、刃物として十分な硬度を達成し、かつ、鋳造・凝固時の共晶炭化物の晶出を最低限に抑制するためである。Ｃが０．４６％未満であれば刃物として十分な硬度が得られない。また、０．７２％を超えるとＣｒ量とのバランスで共晶炭化物の晶出量が増加し刃付け時の刃欠けの原因となる。好ましいＣ量の下限は、０．５０％であり、さらに好ましくは、０．６５％である。また、好ましいＣ量の上限は、０．７０％である。

Ｓｉ：０．１５〜１．０％
Ｓｉは精錬時の脱酸剤として添加する。十分な脱酸効果を得ようとすると、Ｓｉが０．１５％以上は残存することとなる。一方、Ｓｉが１．０％を超えると介在物量が増加し刃付け時の刃欠けの原因となる。そのため、Ｓｉは０．１５〜１．０％とする。また、Ｓｉは焼戻し軟化抵抗を高める効果がある。Ｓｉの０．２０％以上の添加が刃物として十分な硬度を得ることができる。そのため、好ましいＳｉ量の下限は０．２０％である。また、好ましいＳｉ量の上限は、０．３５％である。
Ｍｎ：０．４５〜１．０％
ＭｎもＳｉと同様に精錬時の脱酸剤として添加する。十分な脱酸効果を得ようとすると、Ｍｎが０．４５％以上は残存することとなる。一方、Ｍｎが１．０％を超えると熱間加工性が低下する。そのためＭｎは０．４５〜１．０％とする。好ましいＭｎ量の下限は、０．６５％である。また、好ましいＭｎ量の上限は、０．８５％である。

Ｃｒ：１２．５〜１３．９％
Ｃｒを１２．５〜１３．９％としたのは、十分な耐食性を達成し、かつ、鋳造・凝固時の共晶炭化物の晶出を最低限に抑制するためである。Ｃｒが１２．５％未満であればステンレス鋼として十分な耐食性は得られず、１３．９％を超えると共晶炭化物の晶出量が増加し刃付け時の刃欠けの原因となる。好ましいＣｒ量の下限は１３．０％である。また、好ましいＣｒ量の上限は１３．６％である。
Ｍｏ：０〜１．５％
Ｍｏは耐食性を向上させる元素であるため必要に応じて１．５％を上限として添加することができる。しかし、Ｍｏが１．５％を超えると固溶強化が強くなり、変形抵抗が高くなって熱間加工性を劣化させるためＭｏの含有量を０〜１．５％とする。
以上、述べた元素以外はＦｅ及び不純物とする。
代表的な不純物元素として、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｗ、Ｖ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎ及びＯがあり、これらの元素は以下の範囲に規制することが好ましい。
Ｐ≦０．０３％、Ｓ≦０．００５％、Ｎｉ≦０．１５％、Ｗ≦０．０５％、Ｖ≦０．２％、Ｃｕ≦０．１％、Ａｌ≦０．０１％、Ｔｉ≦０．０１％、Ｎ≦０．０５％及びＯ≦０．０５％。

次に、本発明の刃物用鋼帯の製造方法について説明をする。
まず、刃物用鋼帯の素材を溶解・鋳造により製造する。溶解は、真空溶解、大気溶解、真空アーク再溶解、エレクトロスラグ再溶解等の方法を適用することが可能である。鋳造は、鋳型への鋳造や連続鋳造等により素材を得ることが出来る。必要に応じて得られた素材に均質化熱処理を行っても良い。さらに、熱間鍛造や熱間圧延による分塊工程を加えても良い。
その後、前記素材を熱間圧延することにより刃物用鋼帯を製造する。熱間圧延は、熱間圧延用材を１０００〜１３００℃に加熱し、圧延終了温度は９００℃を超える第一の熱間圧延工程を行い、引き続き行う第二の熱間圧延工程は、９００℃未満で熱間圧延を行う。

第一の熱間圧延工程
第一の熱間圧延工程にて加熱温度を１０００〜１３００℃としたのは、この温度域では変形抵抗が比較的低く、優れた熱間加工性を有するため、圧延率を高く設定して短時間で熱間圧延することができるためである。加熱温度が１３００℃を超えると、延性が極端に低下する温度域となり、熱間加工時に割れが発生しやすくなる。一方、加熱温度が１０００℃未満では、圧延終了温度が９００℃以下となる可能性が高くなる。第一の熱間圧延にて圧延終了温度が９００℃以下となると熱間加工性が低下し、高い圧下率の圧延を行いたい第一の熱間圧延工程での効率が低下する。好ましい第一の熱間圧延工程の加熱温度の上限は１２５０℃である。また、好ましい第一の熱間圧延工程の加熱温度の下限は１１００℃である。
第二の熱間圧延工程の温度を７００〜８５０℃の温度域としたのは、この温度域においては、結晶粒内での炭化物析出がおこり易くなり、その後の焼鈍工程での炭化物サイズの均一化および微細化が促進されるためである。なお、第二の熱間圧延工程の温度の下限としては、過度に熱間圧延の温度を低くすると、加工性の低下の問題や割れが生じるため、第二の熱間圧延工程の温度を７００℃以上とする。第二の熱間圧延工程の加熱温度の上限は８５０℃である。また、好ましい第二の熱間圧延工程の加熱温度の下限は７５０℃である。

焼鈍工程
本発明の好ましい実施形態では、上述の第二の熱間圧延工程で得られた熱間圧延材を用いて、７００〜９００℃で１〜１００時間の最初の焼鈍を行うことにより、金属組織、特に、炭化物を均一、微細に制御した刃物用鋼帯を製造することができる。焼鈍工程の温度が９００℃を超えると粗粒となる。一方、焼鈍工程の温度が７００℃未満となると十分な焼鈍組織が得られない。好ましい第二の熱間圧延工程の加熱温度の上限は８６０℃である。また、好ましい第二の熱間圧延工程の加熱温度の下限は８００℃である。
また、焼鈍工程で炭化物を均一、微細に制御するには少なくとも１時間の保持が必要となる。一方、１００時間を超えて保持しても、さらなる炭化物の均一、微細とする効果は望めないことから、１００時間を上限とする。好ましい保持時間の下限は３時間であり、好ましい保持時間の上限は５０時間である。

上述した焼鈍工程を行った焼鈍材の刃物用鋼帯を用いて、厚さが１．０ｍｍ以下の刃物用ステンレス鋼の冷間圧延鋼帯を得る場合には、冷間圧延と焼鈍を繰り返すことにより、製造が可能となる。
上述した刃物用鋼帯は、焼入れ、焼き戻し、刃付けを行い刃物とする場合は、必要に応じて焼入れ後にサブゼロ処理を行うことや、焼き戻し後表面にコーティングを行うこともある。

以下の実施例で本発明をさらに詳しく説明する。
先ず、本発明では、次の予備実験を行って、本発明で規定する熱間圧延条件と焼鈍条件の効果の確認を行った。
真空溶解で１０ｋｇ鋼塊（素材）を作製した。鋼塊の化学成分を表１に示す。

鋼塊を１１００℃に加熱した熱間鍛造により、幅４５ｍｍ×長さ１０００ｍｍ×厚さ２０ｍｍの評価用素材を作製した。
これらの評価用素材から、直径１０ｍｍ×長さ１２ｍｍの試験片を割出して、熱間圧縮試験で、粗圧延機を用いた第一の熱間圧延工程と仕上圧延機を用いた第二の熱間圧延工程を行うことで一定の厚みに仕上げる熱間圧延工程を模擬した実験を行った。熱間圧縮試験条件を図１に示す。また、第一熱間圧延工程の温度および第二熱間圧延工程の温度は表２に示す。なお、第一の熱間圧延工程の模擬温度は、圧延温度、圧延終了温度に相当し、第二の熱間圧延工程の模擬温度は熱間圧延温度に相当する。

熱間圧縮試験を行った各試験片の金属組織観察を実施した。
金属組織観察の観察位置は、図２に示すように、厚みの１／４、直径の１／４の位置を観察した。金属組織観察は、試験片１を鏡面に研磨した後、塩化第二鉄水溶液で腐食を行い、走査型電子顕微鏡を用いて観察を行った。熱間圧縮試験条件１〜４の熱間圧縮試験後の試験片の金属組織をそれぞれ図３〜６に示す。
図３〜６より、第二熱間圧延温度を９００℃未満にすることにより、変態が促進していることが確認される。

次に、熱間圧縮試験を行った各試験片を用いて焼鈍工程の効果を確認した。熱間圧縮試験を行った各試験片を用いて、８４０℃×５時間の焼鈍を行った。
焼鈍を行った各試験片の金属組織観察を実施した。金属組織観察の観察位置は、図２に示すように、厚みの１／４、直径の１／４の位置を観察した。金属組織観察は、試験片１を鏡面に研磨した後、塩化第二鉄水溶液で腐食を行い、走査型電子顕微鏡を用いて観察を行った。焼鈍を行った熱間圧縮試験条件１〜４の試験片の金属組織をそれぞれ図７〜１０に示す。
図７〜１０より、第二熱間圧延温度を９００℃未満にした試験片を焼鈍することにより、炭化物サイズを均一かつ微細になっていることが確認される。
以上の予備実験より、第一および第二の熱間圧延を行い一定の厚みに仕上げる熱間圧延工程において各圧延での圧延条件を最適化することで、均一で微細な炭化物組織を有する刃物用鋼帯を得ること可能であることが確認される。

本発明は、刃物用鋼帯の炭化物サイズを均一かつ微細に制御可能な熱間圧延工程であるため、刃物用鋼帯の製造への適用が期待できる。

１ 試験片

Claims (2)

1. 質量％でＣ：０．４６〜０．７２％、Ｓｉ：０．１５〜１．０％、Ｍｎ：０．４５〜１．０％、Ｃｒ：１２．５〜１３．９％、Ｍｏ：０〜１．５％、残部はＦｅ及び不純物でなる組成を有する刃物用鋼帯の製造方法において、
   前記組成を有する熱間圧延用材を準備する工程と、
   前記熱間圧延用材を１０００〜１３００℃に加熱する工程と、
   加熱された前記熱間圧延用材を９００℃を超える温度域で熱間圧延する第一の熱間圧延工程と、
   前記第一の熱間圧延工程に引き続き前記熱間圧延用材を７００〜８５０℃の温度域で熱間圧延して熱間圧延材となす第二の熱間圧延工程と、
   を含むことを特徴とする刃物用鋼帯の製造方法。
2. 前記熱間圧延材を７００〜９００℃で１〜１００時間焼鈍する焼鈍工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の刃物用鋼帯の製造方法。