(57)【要約】  プレス打ち抜き性と疲労特性を向上させ、各種バネ材や弁材等に用いるのに適した炭素工具鋼鋼帯を提供する。  質量％で、Ｃ：０．８〜１．２％を含有する炭素工具鋼組成を有し、厚さが１ｍｍ以下の炭素工具鋼鋼帯において、前記炭素工具鋼鋼帯は、ビッカース硬度が５００〜６５０（Ｈｖ）であり、かつ、前記炭素工具鋼鋼帯の圧延面に対して直角方向で、且つ、炭素工具鋼鋼帯の長さ方向が観察面として、炭素工具鋼鋼帯の板厚中心部の断面を見たとき、金属組織中に存在する炭化物のうち、円相当径で０．５μｍ以上の炭化物の面積率が０．５０〜４．３０％の炭素工具鋼鋼帯。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．８〜１．２％を含有する炭素工具鋼組成を有し、厚さが１ｍｍ以下の炭素工具鋼鋼帯において、前記炭素工具鋼鋼帯は、ビッカース硬度が５００〜６５０ＨＶであり、かつ、前記炭素工具鋼鋼帯の圧延面に対して直角で、且つ、炭素工具鋼鋼帯の長さ方向に平行な面を観察面として炭素工具鋼鋼帯の板厚中心部の断面を見たとき、金属組織中に存在する炭化物のうち円相当径で０．５μｍ以上の炭化物の面積率が０．５０〜４．３０％であることを特徴とする炭素工具鋼鋼帯。
【請求項２】
前記円相当径で０．５μｍ以上の炭化物の面積率が１．５０〜４．００％であることを特徴とする請求項１に記載の炭素工具鋼鋼帯。
【請求項３】
厚さが０．１〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の炭素工具鋼鋼帯。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ショックアブソーバーやフラッパーバルブ等の各種バネや弁材に用いるのに適した炭素工具鋼鋼帯に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、バネや弁等に用いるのに適した炭素工具鋼の鋼帯は、所定の板厚まで圧延を行った後、焼入れ・焼戻しを行い、狙いの特性に調整を行い、その後、プレス打ち抜き等の加工手段により狙いの形状として使用される。
このように焼入れ・焼戻しをして使用する炭素工具鋼においては、例えば、特開２００６−６３３８４号公報（特許文献１）には、炭素鋼の金属組織中の残留炭化物の量を制御することで衝撃特性を改善させる提案がなされている。ここに提案されている高炭素鋼部材は、母相中に含まれる未溶解炭化物の体積％（Ｖｆ）を８．５＜１５．３×Ｃ％−Ｖｆ＜１０．０の範囲に制御することで、衝撃特性を改善するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−６３３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、バネ材や弁材等に用いられる炭素工具鋼鋼帯には、衝撃特性以外にも、バネや弁の形状に打ち抜くためのプレス打ち抜き性や、高い疲労特性などの特性に優れていることが求められる。しかしながら、バネや弁として使用する場合に必要となる疲労特性や、製造過程で重要となるプレス打ち抜き性を両立するために炭素工具鋼鋼帯として如何なる金属組織が適正なのかについては十分な検討がなされていなかった。
本発明の目的は、プレス打ち抜き性と疲労特性を向上させ、各種バネ材や弁材等に用いるのに適した炭素工具鋼鋼帯を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、炭素工具鋼鋼帯においてバネや弁等に用いるのに適した硬度を適正化したうえで、更に、疲労特性とプレス打ち抜き性の両立を可能とできる適正な炭化物の形態を見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、質量％で、Ｃ：０．８〜１．２％を含有する炭素工具鋼組成を有し、厚さが１ｍｍ以下の炭素工具鋼鋼帯において、前記炭素工具鋼鋼帯は、ビッカース硬度が５００〜６５０ＨＶであり、かつ、前記炭素工具鋼鋼帯の圧延面に対して直角方向で、且つ、炭素工具鋼鋼帯の長さ方向に平行な面を観察面として、炭素工具鋼鋼帯の板厚中心部の断面を見たとき、金属組織中に存在する炭化物のうち、円相当径で０．５μｍ以上の炭化物の面積率が０．５０〜４．３０％の炭素工具鋼鋼帯の発明である。
前述の円相当径で０．５μｍ以上の炭化物の面積率は、１．５０％〜４．００％の範囲であることが好ましい。また、本発明の炭素工具鋼鋼帯は、厚さが０．１〜０．５ｍｍが好ましい。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の炭素工具鋼鋼帯は、硬度を適正化したうえで、更に、疲労特性とプレス打ち抜き性を両立することが可能なため、特に、厚さが０．１〜０．５ｍｍの各種バネ材や弁材への適用に最適である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の炭素工具鋼鋼帯断面の電子顕微鏡写真である。
【図２】炭素工具鋼鋼帯断面の金属組織の観察面を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
上述したように、本発明の重要な特徴は、焼入れ・焼戻し後における一定以上の大きさの炭化物の面積率を一定の範囲に調整し、更に、炭素工具鋼鋼帯の硬度を適正化したうえで、疲労特性とプレス打ち抜き性の両立を可能とするものである。
そのため、本発明に係る炭素工具鋼鋼帯は、バネや弁としての必要特性を兼備するものである。これらのバネや弁等に適用可能なように、その厚さを１ｍｍ以下に限定する。
先ず、本発明の炭素工具鋼鋼帯の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：０．８〜１．２％
Ｃは焼入れ・焼戻し後の硬度や適度な耐摩耗性や耐衝撃性といった機械的な性質を得るため必要な元素である。また、硬度と炭化物の形態を適正な範囲とするために必要な元素である。そのため、０．８％以上のＣ量が必要であるが、１．２％を超えるＣ量は、Ｍｓ点の低下による残留オーステナイトの増加や残留炭化物量の増加による特性劣化の原因となるため、０．８〜１．２％とした。好ましいＣの下限は０．９％を超える範囲であり、好ましいＣの上限は１．１％である。
本発明の炭素工具鋼鋼帯の組成は、前述のＣ以外は特に限定するものでなく、ＪＩＳ−Ｇ−３３１１（みがき特殊帯鋼）で規定される炭素工具鋼の組成を有するものであればよい。中でも、以下に示す組成のものが好ましい。
【０００９】
Ｓｉ：０．１〜０．３５％
Ｓｉは精錬時の脱酸材として添加する。０．１％未満では脱酸効果が十分でない場合があり、０．３５％を超えると機械的性質の劣化の原因となる場合があるため、Ｓｉの範囲は０．１〜０．３５％の範囲が好ましい。更に好ましいＳｉの下限は０．１５％であり、好ましいＳｉの上限は０．３０％である。
Ｍｎ：０．１〜０．５％
Ｍｎは焼入れ性改善に効果がある。０．１％未満では改善効果が十分でない場合があり、０．５％を超えると靭性が劣化する場合があるため、０．１〜０．５％の範囲が好ましい。好ましくいＭｎの下限は０．３５％であり、好ましいＭｎの上限は０．４８％である。
Ｃｒ：０．０５〜０．３％
Ｃｒは焼入れ性改善に効果がある。そのため、０％を超えて添加するのが好ましいが、０．３％を超えるとパーライト組織となり易くなって、打ち抜き性を阻害する。そのためＣｒの好ましい範囲は０％を超えて０．３％以下である。なお、焼入れ性改善効果をより確実に得るには、Ｃｒの下限を０．０５％とするのが好ましい。また、Ｃｒの添加により、焼入れ・焼戻し時に酸化被膜を形成し易くなるため、Ｃｒの好ましい上限は０．２５％である。
以上、述べた元素以外はＦｅ及び不純物でよい。
【００１０】
次に本発明で規定する炭化物の面積率について説明する。
上述した組成を有する炭素工具鋼鋼帯において、焼入れ・焼戻し後には金属組織のマトリックスはマルテンサイト組織となっており、残留オーステナイトやパーライトの存在が多くなると機械的性質は劣化する。
本発明においては、このマルテンサイト組織を主体とする金属組織中に存在する円相当径で０．５μｍ以上の炭化物の面積率が０．５０〜４．３０％とする。円相当径で０．５μｍ以上の炭化物は、疲労亀裂の発生源となり易い。そのため、疲労特性を高めるためには、円相当径で０．５μｍ以上の炭化物は極力少ない方が良い。一方で、プレス成型を行う際、円相当径で０．５μｍ以上の炭化物は亀裂発生源となり打ち抜き荷重を低減する効果がある。
このため、円相当径で０．５μｍ以上の炭化物の面積率は疲労特性およびプレス打ち抜き性の双方に影響を及ぼすことから、疲労特性とプレス打ち抜き性を両立する好適な範囲がある。具体的には、金属組織中に存在する円相当径で０．５μｍ以上の炭化物の面積率が０．５０％未満の場合はプレス打ち抜き性が著しく悪くなり、４．３０％を超えると疲労特性が著しく劣化することから、本発明では、金属組織中に存在する円相当径で０．５μｍ以上の炭化物の面積率が０．５０〜４．３０％と規定する。特に好ましくは面積率の下限は１．５０％であり、好ましい面積率の上限は４．００％である。なお、炭化物サイズの上限は特に規定しないが、例えば、５μｍを超えるような炭化物が存在すると疲労き裂の発生源となりやすく、疲労特性が著しく劣化することがあることから、炭化物サイズ上限を円相当径で５μｍとするのが好ましい。
【００１１】
上記の炭化物の面積を評価する場合は、図２に示すように焼入れ・焼戻しを行った炭素工具鋼鋼帯の板厚の中心部を長さ方向が観察面となるように観察する。これは、板厚が薄いため、表面付近の金属組織観察は試験片調整時の影響を受けてしまい、金属組織のばらつきが大きいためである。
炭化物を評価する試験片は、図２に示すように、圧延面２に対して直角方向で、且つ、炭素工具鋼鋼帯１の長さ方向が観察面３と平行になるように樹脂埋めを行い、鏡面研磨を行った後、８０〜１００℃に加熱したピクリン酸ソーダ・アルカリ液に約１０分浸漬し炭化物を着色し、走査型電子顕微鏡を用いて、前記観察面３の中心部を２０００倍の反射電子像で６０００μｍ２の面積を観察し、観察された炭化物のうち円相当径で０．５μｍ以上の炭化物のみを識別し面積率を測定するような画像処理で評価が可能となる。
【００１２】
また、炭素工具鋼鋼帯のビッカース硬度を５００〜６５０ＨＶとしたのは、５００ＨＶ未満では十分なバネ性が確保できず、６５０ＨＶを超えると強度が強くなり過ぎることによりバネや弁として機能しない。好ましいビッカース硬度の下限は５２０ＨＶであり、好ましいビッカース硬度の上限は６２５ＨＶである。
以上、詳述した炭素工具鋼鋼帯は、厚さを０．１〜０．５ｍｍとすることにより、バネや弁に用いることが好適となる。
【００１３】
本発明において、金属組織中に存在する円相当径で０．５μｍ以上の炭化物の面積率が０．５０〜４．３０％となる炭化物形態とするためには、従来行われている焼入れ温度よりも若干高めとし、更に焼戻し温度も高めとする焼入れ条件を選択することが好ましい。具体的な焼入れ条件としては、焼入れ温度を８３０〜９４０℃とし、加熱・保持時間を２０〜１７０秒とすることが好ましい。焼入れ時の温度が８３０℃より低いと炭化物の固溶が不十分となり、上記の炭化物形態を得ることが困難となる。また、焼入れ温度が９４０℃を超えると炭化物が固溶し過ぎ残留炭化物が少なくなるという問題が生じやすくなる。好ましい焼入れ温度の下限は８５０℃であり、好ましい焼入れ温度の上限は９２０℃である。また、焼入れの加熱・保持時間が２０秒より短くても、或いは、１７０秒よりも長くても、０．５μｍ以上の炭化物の面積率が０．５０〜４．３０％となり難くなる。
なお、焼入れ時における急冷方法としては、ソルトバス、溶融金属、ミスト等を用いて２００〜３５０℃まで冷却した後、更に、水で冷却したＣｕや鋳鉄製の２つの定盤の間に鋼帯を挟み込み、形状を矯正しながら更に冷却を行って、マルテンサイト変態を完了させるのが好ましい。
【００１４】
また、焼戻しは適正な硬さを付与するため、適切な焼戻し条件を選択することが好ましい。具体的には、焼戻しの温度は３１０〜４４０℃の範囲が好ましい。焼戻し温度が３１０℃より低いと硬度が高くなり、また、焼戻しの温度が４４０℃を超えると硬度が低くなるという問題が生じやすい。更に好ましい焼戻し温度の下限は３５０℃であり、更に好ましい焼戻し温度の上限は４００℃である。また、焼戻し時間は３０〜３００秒が好ましい。焼戻し時間が３０秒より短いと硬度が高くなるという問題が生じやすくなり、焼戻し時間が３００秒より長くなると硬度が低下し過ぎる。
【００１５】
なお、本発明の炭素工具鋼鋼帯において、より確実に疲労強度を高めるには、炭素工具鋼鋼帯の表面粗さをＪＩＳ−Ｂ−０６０１で規定される十点平均粗さ（Ｒｚ）を０．５μｍ以下、算術平均粗さ（Ｒａ）を０．０８μｍ以下とするのがよい。この表面粗さの範囲であれば、炭素工具鋼鋼帯表面のきず等の表面欠陥を起点とした疲労破壊をより確実に防止することができる。なお、炭素工具鋼鋼帯の表裏面で表面粗さが異なる場合があるため、表面と裏面との粗さの違いが十点平均粗さを測定したとき０．１５μｍ以内（好ましくは０．１０μｍ以内）、算術平均粗さ（Ｒａ）では０．０１５μｍ以内（好ましくは０．０１２μｍ以内）であればより好ましい。
上述の表面粗さを得るには、焼入れ・焼戻し後の炭素工具鋼鋼帯の表裏面を物理的に除去すればよい。具体的には、例えば、アルミナ砥粒やシリカ砥粒を使用したバフ研磨で行うことが可能である。
【実施例】
【００１６】
以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
炭素鋼素材を溶解・鋳造後、熱間圧延した熱延素材に冷間圧延と焼鈍を繰り返すことにより、厚さが０．３０ｍｍの炭素工具鋼鋼帯の冷間圧延材Ａおよび厚さが０．２０ｍｍの炭素工具鋼鋼帯の冷間圧延材Ｂを用意した。
表１に冷間圧延材ＡおよびＢの厚さと化学成分を記載する。【００１７】
【表１】
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【００１８】
この冷間圧延材ＡおよびＢに焼入れ・焼戻しを行うことにより炭素工具鋼鋼帯を作製した。
焼入れの条件により、金属組織中に存在する円相当径で０．５μｍ以上の炭化物の面積率を変化させた。焼入れ・焼戻し条件を表２に示す。
なお、焼入れと焼戻しは、表２に示した温度に設定し、各時間炉内で保持を行った。また、焼入れ時の急冷は、水冷された定盤に挟み込んで行った。
また、焼戻しを行った炭素工具鋼鋼帯に対して、アルミナ砥粒を使用したバフ研磨で炭素鋼鋼帯の表裏面を研磨した。【００１９】
【表２】
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【００２０】
作製した炭素工具鋼鋼帯から金属組織観察用試験片を割出た。切断した個所は図２の破線である。そして、図２に示すように炭素工具鋼鋼帯１の圧延面２に対して直角方向で、且つ、炭素工具鋼鋼帯の長さ方向が観察面３と平行になるように樹脂埋めを行い、鏡面研磨を行った後、８０〜１００℃に加熱したピクリン酸ソーダ・アルカリ液に約１０分浸漬し炭化物を着色し、走査型電子顕微鏡を用いて、板厚の中心部を２０００倍の反射電子像で６０００μｍ２の面積を観察し画像処理し、０．５μｍ以上の炭化物の面積率を評価した。
次に、各試料の観察部付近より５点平均のビッカース硬度の測定を行った。また、疲労特性の評価として、圧延方向から疲労特性評価用試験片を採取し、両振り曲げ応力を負荷しＳ−Ｎ曲線を作成し、繰り返し数が１０７回で破断する１０７時間強さを求めた。
また、プレス打ち抜き性の評価として、１０ｍｍ幅の試験片を１０ｍｍ角のポンチとダイスで打ち抜く際の荷重を測定した。測定結果を表３に示す。【００２１】
前記の炭化物観察面の２０００倍の反射電子像として試料２の反射電子像を図１に示す。図１の黒色部が炭化物である。なお図１の横方向が炭素工具鋼鋼帯の長さ方向と対応する。０．５μｍ以上の炭化物が好適な面積率で存在することがわかる。また、図１に示すように、試料２の炭化物の最大サイズは円相当径で３μｍ程度である。その他の本発明の各試料の炭化物最大サイズも円相当径で２〜３μｍ程度であった。
なお、上記の炭化物観察面の位置と同様な位置から金属組織観察用試験片を割出して樹脂に試験片の埋め込みを行い、鏡面研磨を行った後、ナイタール（硝酸＋エタノールの混合溶液）にてエッチングを行って光学顕微鏡でミクロ組織観察を行ったところ、炭素工具鋼鋼帯の金属組織のマトリックスはほぼマルテンサイト組織であることを確認した。
また、バフ研磨の表面粗さを測定したところ、表面Ｒｚ：０．３９μｍ、裏面Ｒｚ：０．３３μｍ、表面Ｒａ：０．０６８μｍ、裏面Ｒａ：０．０６１μｍであり、平滑な表面粗さを有していることを確認した。【００２２】
【表３】
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【００２３】
表３より、金属組織中に存在する円相当径で０．５μｍ以上の炭化物の面積率が本発明で規定する範囲内の炭素工具鋼鋼帯は、硬度が５５０ＨＶおよび１０７時間強さが１０００ＭＰａを超え、且つ、厚さが０．３ｍｍの素材ではプレス荷重が８．５（ｋＮ）以下、また、厚さが０．２ｍｍの素材ではプレス荷重が６．０ｋＮ以下の低い荷重であることがわかる。
このことより、金属組織中に存在する円相当径で０．５μｍ以上の炭化物の面積率が０．５０〜４．３０％とした炭素工具鋼鋼帯は機械的性質のバランスに優れることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の炭素工具鋼鋼帯は、硬度および疲労特性といった製品特性とプレス打ち抜き性を両立することが可能なため、特に、厚さが０．１〜０．５ｍｍのバネや弁への適用が期待できる。
【符号の説明】
【００２５】
１  炭素工具鋼鋼帯
２  圧延面
３  観察面
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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