(57)【要約】【課題】優れた硬さおよび優れた硬さ−靱性バランスを有する高炭素鋼板部材を提供する。【解決手段】Ｃ：０．８０質量％〜１．１０質量％、Ｓｉ：０．０５質量％〜０．４０質量％、Ｍｎ：０．０５質量％〜０．５０質量％、Ｃｒ：０．０１質量％〜０．３５質量％、Ｐ：０．０３質量％以下（０質量％を含む）、Ｓ：０．０３質量％以下（０質量％を含む）、を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる高炭素鋼板部材であって、鋼組織が、ベイナイト：９０面積％以上、円相当径０．２μｍ以上の炭化物：１．０〜４．０面積％および残留オーステナイト：０．５面積％以上を含み、旧オーステナイトの平均粒径が８μｍ以下であり、ベイナイトブロック幅が２．５μｍ以下であり、前記炭化物の平均粒径が０．３μｍ以上２μｍ以下であり、ＥＢＳＤで測定したＫＡＭの平均値が０．５５〜０．８０であり、旧オーステナイト粒界上の炭化物占有率が５％以下である、高炭素鋼板部材である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ  ：０．８０質量％〜１．１０質量％、
Ｓｉ：０．０５質量％〜０．４０質量％、
Ｍｎ：０．０５質量％〜０．５０質量％、
Ｃｒ：０．０１質量％〜０．３５質量％、
Ｐ  ：０．０３質量％以下（０質量％を含む）、
Ｓ  ：０．０３質量％以下（０質量％を含む）、
を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる高炭素鋼板部材であって、
鋼組織が、ベイナイト：９０面積％以上、円相当径０．２μｍ以上の炭化物：１．０〜４．０面積％および残留オーステナイト：０．５面積％以上を含み、
旧オーステナイトの平均粒径が８μｍ以下であり、
ベイナイトブロック幅が２．５μｍ以下であり、
前記炭化物の平均粒径が０．３μｍ以上２μｍ以下であり、
ＥＢＳＤで測定したＫＡＭの平均値が０．５５〜０．８０であり、
旧オーステナイト粒界上の炭化物占有率が５％以下である、高炭素鋼板部材。
【請求項２】
前記炭化物の平均粒径が、１μｍ超、２μｍ以下である、請求項１に記載の高炭素鋼板部材。
【請求項３】
前記旧オーステナイトの平均粒径が６μｍ以下であり、かつ前記炭化物の平均粒径が、０．３μｍ以上１μｍ以下である、請求項１に記載の高炭素鋼板部材。
【請求項４】
請求項１に記載の成分を有する鋼板を球状化焼鈍し、炭化物の平均粒径Ｒｃが０．２〜３．０μｍである焼鈍鋼板を得る工程と、
前記焼鈍鋼板を、下記（１）式を満たすように、温度Ｔ１：８００〜９２０℃および時間ｔ１：０．１〜５０分で保持してオーステナイト化する工程と、
前記オーステナイト化の後、前記焼鈍鋼板を、温度Ｔ３＝２７０〜３３０℃まで５０℃／秒以上の平均冷却速度で冷却し、下記（２）式満たすように、前記オーステンパ温度Ｔ３および時間ｔ３＝３〜１５分で保持してオーステンパ処理する工程と、
を含む、高炭素鋼板部材の製造方法。
１５３００≦（Ｔ１＋２７３）×（１５＋ｌｏｇｔ１）−（Ｒｃ＋％Ｃ）×４００≦１６８００    （１）
８７００≦（Ｔ３＋２７３）×（１５＋ｌｏｇｔ３）≦９２００    （２）
但し、ｌｏｇは１０を底とする常用対数である。
【請求項５】
前記炭化物の平均粒径Ｒｃが２．０〜３．０μｍである、請求項４に記載の高炭素鋼板部材の製造方法。
【請求項６】
前記炭化物の平均粒径Ｒｃが０．２〜２．０μｍである、請求項４に記載の高炭素鋼板部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炭素鋼板部材およびその製造方法に関し、とりわけ刃物および工具などに使用される部材として有用な高炭素鋼板部材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
丸鋸、バンドソーおよびカーター等の各種刃物、ぜんまい、バネおよび工具等に用いられる部材には、優れた硬さと同時に、使用時において刃先等が折れないように、優れた靱性が求められていれる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、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を０．５０〜４．３０％とすることにより、ビッカース硬さが５００〜６５０ＨＶである、各種バネ材および弁材として用いられる炭素工具鋼鋼帯が得られることが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、Ｃ添加量に応じた未固溶炭化物量を規定することにより、６００〜９００ＨＶの優れた硬さを有しながら、衝撃特性にも優れた高炭素鋼部材が得られることが開示されている。
【０００５】
さらに、特許文献３には、Ａｃ３点以上の温度で加熱および保持した後（すなわちオーステナイト化後）、マルテンサイト変態温度（Ｍｓ点)以上５００℃以下の温度まで急速冷却して、その温度で保持する、いわゆるオーステンパ処理によりベイナイト組織を得ることにより、硬さと疲労特性に優れた鋼材を製造している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２０１３／１３３２９５号公報
【特許文献２】特開２００６−６３３８４号公報
【特許文献３】特開平６−２７１９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、刃物、ぜんまい、ばねおよび工具等の各種用途において、優れた硬さを有するだけでなく、優れた硬さ−靱性バランスを有することが求められている。
硬さおよび硬さ−靱性バランスについて、具体的には以下のことが求められている。
【０００８】
硬さについては、５５０ＨＶ以上であることが求められている。
硬さ−靱性バランスについては、硬さ（ＨＶ）と、ＶＤＡ曲げ試験により求まる曲げ角度（°）との積により評価することができ、（硬さ−１７０）×ＶＤＡ基準の曲げ角度（ＨＶ・°）が１２５００超であることが求められている。
【０００９】
しかし、特許文献１〜３が開示する鋼材では、これらの要求の両方ともを満足することは困難であり、これらの要求の両方ともを満足できる鋼板部材が求められていた。
【００１０】
本発明は、このような要求に応えるためになされたものであって、その目的の一つは、優れた硬さおよび優れた硬さ−靱性バランスを有する高炭素鋼板部材を提供することであり、別の一つの目的は、優れた硬さおよび優れた硬さ−靱性バランスを有する高炭素鋼板部材の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の態様１は、
Ｃ  ：０．８０質量％〜１．１０質量％、
Ｓｉ：０．０５質量％〜０．４０質量％、
Ｍｎ：０．０５質量％〜０．５０質量％、
Ｃｒ：０．０１質量％〜０．３５質量％、
Ｐ  ：０．０３質量％以下（０質量％を含む）、
Ｓ  ：０．０３質量％以下（０質量％を含む）、
を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる高炭素鋼板部材であって、
鋼組織が、ベイナイト：９０面積％以上、円相当径０．２μｍ以上の炭化物：１．０〜４．０面積％および残留オーステナイト：０．５面積％以上を含み、
旧オーステナイトの平均粒径が８μｍ以下であり、
ベイナイトブロック幅が２．５μｍ以下であり、
前記炭化物の平均粒径が０．３μｍ以上２μｍ以下であり、
ＥＢＳＤで測定したＫＡＭの平均値が０．５５〜０．８０であり、
旧オーステナイト粒界上の炭化物占有率が５％以下である、高炭素鋼板部材である。
【００１２】
本発明の態様２は、
前記炭化物の平均粒径が、１μｍ超、２μｍ以下である、態様１に記載の高炭素鋼板部材である。
【００１３】
本発明の態様３は、
前記旧オーステナイトの平均粒径が６μｍ以下であり、かつ前記炭化物の平均粒径が、０．３μｍ以上１μｍ以下である、態様１に記載の高炭素鋼板部材である。
【００１４】
本発明の態様４は、
態様１に記載の成分を有する鋼板を球状化焼鈍し、炭化物の平均粒径Ｒｃが０．２〜３．０μｍである焼鈍鋼板を得る工程と、
前記焼鈍鋼板を、下記（１）式を満たすように、温度Ｔ１：８００〜９２０℃および時間ｔ１：０．１〜５０分で保持してオーステナイト化する工程と、
前記オーステナイト化の後、前記焼鈍鋼板を、温度Ｔ３＝２７０〜３３０℃まで５０℃／秒以上の平均冷却速度で冷却し、下記（２）式満たすように、前記オーステンパ温度Ｔ３および時間ｔ３＝３〜１５分で保持してオーステンパ処理する工程と、
を含む、高炭素鋼板部材の製造方法である。
１５３００≦（Ｔ１＋２７３）×（１５＋ｌｏｇｔ１）−（Ｒｃ＋％Ｃ）×４００≦１６８００    （１）
８７００≦（Ｔ３＋２７３）×（１５＋ｌｏｇｔ３）≦９２００    （２）
但し、ｌｏｇは１０を底とする常用対数である。
【００１５】
本発明の態様５は、
前記炭化物の平均粒径Ｒｃが２．０〜３．０μｍである、態様４に記載の高炭素鋼板部材の製造方法である。
【００１６】
本発明の態様６は、
前記炭化物の平均粒径Ｒｃが０．２〜２．０μｍである、態様４に記載の高炭素鋼板部材の製造方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の１つの実施形態では、優れた硬さおよび優れた硬さ−靱性バランスを有する高炭素鋼板部材を提供することができ、別の１つの実施形態では優れた硬さおよび優れた硬さ−靱性バランスを有する高炭素鋼板部材の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明者らは鋭意検討した結果、所定の成分を有する鋼において、鋼組織（金属組織）が、ベイナイト：９０面積％以上、円相当径０．２μｍ以上の炭化物：１．０〜４．０面積％および残留オーステナイト：０．５面積％以上を含み、旧オーステナイトの平均粒径：８μｍ以下、ベイナイトブロック幅：２．５μｍ以下、前記炭化物の平均粒径：０．３μｍ以上２μｍ以下、ＥＢＳＤで測定したＫＡＭの平均値：０．５５〜０．８０、旧オーステナイト粒界上の炭化物占有率：５％以下、とすることで、硬さおよび硬さ−靱性バランスが何れも高いレベルにある高炭素鋼板部材を得ることができることを見出したのである。
以下に、本発明の実施形態に係る高炭素鋼板およびその製造方法の詳細を示す。
【００１９】
１．組織パラメータ
（１）鋼組織
以下に本発明の高炭素鋼板部材の鋼組織の詳細を説明する。
本発明の実施形態に係る高炭素鋼板部材の鋼組織は、ベイナイト：９０面積％以上、円相当径０．２μｍ以上の炭化物：１．０〜４．０面積％および残留オーステナイト：０．５面積％以上を含む。
以下の鋼組織の説明では、そのような組織を有することにより各種の特性を向上できるメカニズムについて説明している場合がある。これらは本発明者らが現時点で得られている知見により考えたメカニズムであるが、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに留意されたい。
【００２０】
（１−１）ベイナイト：９０面積％以上
鋼組織の主体をベイナイトとすることにより、工具および刃物として必要な硬さを確保することができ、また硬さ−靱性バランスを向上することができる。鋼組織におけるベイナイト分率が９０面積％以上であれば、このような効果を発揮することができる。ベイナイト分率は、好ましくは９２面積％以上９８面積％以下、より好ましくは９４面積％以上９６面積％以下である。
【００２１】
（１−２）円相当径０．２μｍ以上の炭化物：１．０〜４．０面積％
未固溶炭化物を一定量確保することにより、オーステナイト化のための加熱中におけるオーステナイト粒径の粗大化を抑制することができ、硬さ−靱性バランスを向上することができる。また、未固溶炭化物を一定量確保することにより、オーステナイト中の固溶Ｃ量が低減され、熱処理後のベイナイトの靱性を高めることができる。
【００２２】
なお、熱処理後の鋼板部材の靱性への影響は、主に円相当径０．２μｍ以上の炭化物によるものが大きい。炭化物の円相当径が０．２μｍ以上であれば、外部から曲げ応力などの力が作用した際に破壊の起点になる悪影響を有するためである。一方、炭化物の円相当径が０．２μｍ未満であれば、破壊の起点になりにくいので、靱性への影響は無視できる程度である。よって、未固溶炭化物の定量評価として、円相当径０．２μｍ以上の炭化物の量（面積率）を測定すればよい。本明細書において、“未固溶炭化物”と単に記載する場合は、円相当径０．２μｍ以上の炭化物を意味する。
【００２３】
上述した未固溶炭化物が１．０面積％以上であれば、上述した効果を得ることができる。未固溶炭化物量は、好ましくは１．３面積％以上、より好ましくは１．８面積％以上である。
一方、未固溶炭化物量が多すぎると、靱性を低下させる。よって、未固溶炭化物量は、４．０面積％以下であり、好ましくは３．７面積％以下、より好ましくは３．３面積％以下である。
【００２４】
（１−３）残留オーステナイト：０．５面積％以上
残留オーステナイトは、加工誘起変態によって応力を緩和するという効果を発揮することができる。このような効果を確実に得るためには、残留オーステナイト量が０．５面積％以上であり、好ましくは１．０面積％以上、より好ましくは２．０面積％以上である。
【００２５】
なお、本実施形態に係る鋼組織は、残部は基本的にはベイナイトであるが、上述した組織以外に、パーライト、フェライトおよび粒界酸化層等の不可避的に生成するその他の組織を少量含んでもよい。すなわち、ベイナイト：９０面積％以上、円相当径０．２μｍ以上の炭化物：１．０〜４．０面積％および残留オーステナイト：０．５面積％以上が含まれていれば、これ以外に、例えばパーライト、フェライトおよび粒界酸化層の様な他の組織を含んでいてもよい。
【００２６】
ベイナイト量、円相当径０．２μｍ以上の炭化物量および残留オーステナイト量は、例えば、次のように測定することができる。
例えば、熱処理後の非試験物の長手方向に平行で板面に垂直な断面を削りだし、厚さ方向の１／４位置である面を研磨して、分解能１ｎｍのＥＢＳＤにより４００μｍ×幅方向４００μｍの１視野を測定することで、ベイナイト量、円相当径０．２μｍ以上の炭化物量、残留オーステナイト量を求めることができる。ＳＥＭ画像の解析には、例えば、ＭｅｄｉａＣｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ社製の画像解析ソフトＩｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓを用いてもよい。
【００２７】
（２）旧オーステナイトの平均粒径：８μｍ以下
旧オーステナイトの平均粒径が８μｍを超えると、外部から曲げ応力などの力が作用した際に破壊の起点になってしまうので、靱性が急激に低下する。よって、旧オーステナイトの平均粒径は８μｍ以下であり、好ましくは６μｍ以下である。
【００２８】
旧オーステナイトの平均粒径は、例えば、次のように測定することができる。
例えば、ピクリン酸飽和水溶液に界面活性剤を１％混ぜた腐食液で、観察面をエッチングし、旧オーステナイト粒界を現出させた上で光学顕微鏡を用いて、適宜１００〜４００倍の倍率で観察し、ＪＩＳ−Ｇ０５５１の標準図との比較により、旧オーステナイト粒径を測定することができる。
【００２９】
（３）ベイナイトブロック幅：２．５μｍ以下
ベイナイトブロックとは、方位差１５°以上の境界で囲まれた領域であり、ベイナイトブロック幅とは、ベイナイトブロックの短径を意味する。ベイナイトブロック幅は靱性に影響し、２．５μｍを超えると靱性が急激に低下する。そのため、ベイナイトブロック幅は、２．５μｍ以下であり、好ましくは２．２μｍ以下、より好ましくは２．０μｍ以下である。
【００３０】
ベイナイトブロック幅は、例えば、上述したＥＢＳＤにより、方位差１５度以上の粒界をブロックサイズとしてその短径をブロック幅と定義して平均値を求めることができる。
【００３１】
（４）炭化物の平均粒径：０．３μｍ以上２μｍ以下
円相当径０．２μｍ以上の炭化物の平均円相当径（単に、炭化物の平均粒径、と記載することがある）が０．３μｍより小さくなると、焼入れ加熱時において、完全に固溶しやすくなり、結果として、旧γ（オーステナイト）粒径が粗大化したり、ベイナイトブロック幅が粗大化し、ベイナイト中の固溶Ｃ量が増えて靱性が低下する。よって炭化物の平均粒径は０．３μｍ以上である。
一方、炭化物の平均粒径が２．０μｍより大きくなると、大きな炭化物そのものに起因して、靱性が低下する。よって、炭化物の平均粒径は２．０μｍ以下である。
【００３２】
好ましい実施形態において、炭化物の平均粒径は、１μｍ超、２μｍ以下である。通常の炉加熱による熱処理では、炭化物が小さすぎると加熱中に固溶してしまいやすく、旧オーステナイト粒径の微細化効果がなくなるとともに、べイナイト中の固溶炭素が増えて靭性が低下する可能性がある。一方、２．０μｍを越えるとそれ自体が起点となって靭性を低下させる可能性がある。そのため、炭化物の平均粒径を、１μｍ超、２μｍ以下とすることにより靭性を向上することができる。炭化物の平均粒径は、より好ましくは１．２μｍ以上１．８μｍ以下である。
【００３３】
また別の好ましい実施形態では、炭化物の平均粒径は、０．３μｍ以上１μｍ以下である。炭化物の平均粒径がこのような範囲であれば、微細急速短時間加熱処理において靭性をより向上することができる。急速短時間加熱処理で冷却した場合には、小さめの炭化物であっても完全には固溶しにくい。そのため、もとの炭化物を細かくしておくことにより、熱処理後の炭化物を微細分散して旧オーステナイト粒径を微細化し、炭化物自体も微細化して靭性低下を極力抑制することが可能となる。炭化物の平均粒径は、より好ましくは０．５μｍ以上０．８μｍ以下である。
【００３４】
炭化物の平均粒径は、例えば、上述したＥＢＳＤにより、円相当径０．２μｍ以上のセメンタイトを未固溶炭化物として、その平均粒径を求めることができる。
【００３５】
（５）ＥＢＳＤで測定したＫＡＭ値の平均値：０．５５〜０．８０
ＫＡＭ値（Kernel Average Misorientation値）は、対象となる測定点とその周囲の測定点との間における結晶回転量（結晶方位差）の平均値であり、この値が大きいと結晶中の歪が大きいことを示す。
【００３６】
本発明においては、対象となる測定点と隣接する周囲の８点の全てで、測定点との方位差を算出し、その８つの方位差の平均を求めて、測定点におけるＫＡＭ値としている。この際、隣接する８点のうち、その方位差が１５°以上である点については、ＫＡＭ解析から除外した。すなわち、隣接する８点のうち、方位差が１５°未満の点における方位差の平均を求め、ＫＡＭ値とした。
【００３７】
ＫＡＭ値はまた、硬さおよび靱性とも関係がある。ＫＡＭ値の平均値が高いほど、ベイナイト変態によって導入された歪（転位）が多く残存していることに対応しており、硬化している状態であるので、硬さが向上するが靱性が低下し、硬さ−靱性バランスが悪くなる。良好の硬さ−靱性バランスを得るためには、ＥＢＳＤで測定したＫＡＭ値は０．８０以下であり、好ましくは０．７５以下、より好ましくは０．７０以下である。
一方、ＫＡＭ値の平均値が低すぎると、ベイナイトが高い温度で焼き戻された状態に対応し、硬さが低すぎて所望の硬さが得られなくなるので、靱性は向上するが硬さが低下し、硬さ−靱性バランスが低下する。よって良好の硬さ−靱性バランスを得るためには、ＥＢＳＤで測定したＫＡＭ値は０．５５以上であり、好ましくは０．６０以上、より好ましくは０．６５以上である。
【００３８】
ＫＡＭ値については、例えば、上述のＥＢＳＤで測定したデータをもとにＫＡＭ値を算出した。
【００３９】
（６）旧オーステナイト粒界上の炭化物占有率：５％以下
旧オーステナイト粒界上に存在する炭化物量が多いと、靱性が低下する。よって、旧オーステナイト粒界上の炭化物占有率は５％以下であり、好ましくは４％以下、より好ましくは３％以下である。
【００４０】
旧オーステナイト粒界上の炭化物占有率は、例えば、観察面をピクラールで腐食したのち、ＦＥ−ＳＥＭ観察により、１万倍で５視野観察し、旧オーステナイト粒界の長さと、そのうち旧オーステナイト粒界上に存在するセメンタイトが存在する部分の長さを測定し、占有率を求めることができきる。
【００４１】
２．組成
以下に本発明に係る高炭素鋼板部材の組成について説明する。まず、基本となる元素、Ｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｎ、ＰおよびＳについて説明し、さらに選択的に添加してよい元素について説明する。
なお、成分組成について単位の％表示は、すべて質量％を意味する。
【００４２】
（１）Ｃ：０．８０〜１．１０質量％
Ｃは、熱処理後の硬さを向上させるために必要な元素である。そのため、Ｃ含有量は０．８０質量％以上、好ましくは０．８２質量％以上、より好ましくは０．８４質量％以上である。しかし、Ｃ含有量が多すぎると、靱性および衝撃特性に悪影響を及ぼす粗大な未固溶炭化物量多くなる。そのため、Ｃ含有量は１．１０質量％以下、好ましくは１．０７質量％以下、より好ましくは１．０４質量％以下である。
【００４３】
（２）Ｓｉ：０．０５〜０．４０質量％
Ｓｉは脱酸剤として作用する元素である。このような作用を有効に発揮させるためには、Ｓｉ含有量は０．０５質量％以上必要である、好ましくは０．１質量％以上、より好ましくは０．２０質量％以上とする。一方、Ｓｉ含有量が多すぎると加工性が劣化するおそれがある。そのため、Ｓｉ含有量は０．４０質量％以下、好ましくは０．３０質量％以下、より好ましくは０．２５質量％以下である。
【００４４】
（３）Ｍｎ：０．０５〜０．５０質量％
Ｍｎは、固溶強化を向上させ、焼入れ性を向上させてベイナイトが生成しやすくする効果を有する。このような効果を有効に発揮するためには、Ｍｎ含有量は、０．０５質量％以上、好ましくは０．１０質量％以上、より好ましくは０．２０質量％以上である。
しかし、Ｍｎ含有量が過剰になると、残留γ量が必要以上に増えてしまい靭性と硬さのバランスが劣化するおそれある。そのため、Ｍｎ含有量は、０．５０質量％以下、好ましくは０．４５質量％以下、より好ましくは０．４０質量％以下である。
【００４５】
（４）Ｃｒ：０．０１〜０．３５質量％
Ｃｒは、焼入れ性を向上させてベイナイトが生成しやすくする効果を有する。このような効果を有効に発揮させるためには、Ｃｒ含有量は０．０１質量％以上、好ましくは０．０５質量％以上、より好ましくは０．１０質量％以上である。一方、Ｃｒ含有量が過剰になると、靭性が劣化するおそれがある。そのため、Ｃｒ含有量は０．３５質量％以下、好ましくは０．３０質量％以下、より好ましくは、０．２５質量％以下である。
【００４６】
（５）Ｐ：０．０３質量％以下（０質量％を含む）
Ｐは不純物元素として不可避的に存在し、結晶粒界に偏析して曲げ加工性（靱性）を劣化させる。そのため、Ｐ含有量は０．０３質量％以下、好ましくは０．０２５質量％以下、より好ましくは０．０２質量％以下である。
【００４７】
（６）Ｓ：０．０３質量％以下（０質量％を含む）
Ｓは不純物元素として不可避的に存在し、硫化物を形成して曲げ加工性（靱性）を劣化させる。そのため、Ｓ含有量は０．０３質量％以下、好ましくは０．０２５質量％以下、より好ましくは０．０２質量％以下である。
【００４８】
（７）残部
好ましい１つの実施形態では、残部は、鉄および不可避不純物である。不可避不純物としては、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる微量元素（例えば、Ａｓ、Ｓｂ、Ｓｎなど）の混入が許容される。なお、例えば、ＰおよびＳのように、通常、含有量が少ないほど好ましく、従って不可避不純物であるが、その組成範囲について上記のように別途規定している元素がある。このため、本明細書において、残部を構成する「不可避不純物」という場合は、別途その組成範囲が規定されている元素を除いた概念である。
【００４９】
しかし、この実施形態に限定されるものではない。本発明の高炭素鋼板部材の特性を維持できる限り、任意のその他の元素を更に含んでよい。そのように選択的に含有させることができるその他の元素を以下に例示する。
【００５０】
必要に応じて、以下の元素から選択される１種以上を添加してよい。
Ｍｏ：０質量％超０．５質量％以下、Ｎｉ：０質量％超０．５質量％以下、Ｖ：０質量％超０．３５質量％以下、Ｎｂ：０質量％超０．３０質量％以下、Ｔi：０質量％超０．２０質量％以下およびＮ：０質量％超０．０２質量％以下。
【００５１】
３．機械的特性
上述のように本発明の高炭素鋼板部材は、硬さおよび硬さ−靱性バランスが何れも高いレベルにある。本発明の高炭素鋼板部材のこれらの特性について以下に詳述する。
【００５２】
（１）硬さ
本発明の高炭素鋼板部材は、５５０ＨＶ以上の硬さを有する。これにより、十分な硬さを確保できる。
【００５３】
硬さの測定は、例えば、鋼板部材の板厚さ方向１／４位置において、ＪＩＳ  Ｚ２２４４（２００９年改訂版）の規定に準拠してビッカース硬さ試験を行い、試験荷重５ｋｇｆで５点測定し、その平均値を求めることにより決定することができる。
【００５４】
（２）硬さ−靱性バランス
本発明の高炭素鋼板部材は、優れた硬さを有すると同時に優れた靱性を有しており、すなわち、硬さ−靱性バランスに優れている。そのため、本発明の高炭素鋼板部材を刃物・工具に用いた場合、使用による刃先等の破損を抑制することができる。
硬さ−靱性バランスは、上述した硬さ試験により得られる硬さ（ＨＶ）と、ＶＤＡ曲げ試験により求まる曲げ角度（°）とにより評価することができる。
ＶＤＡ試験は、例えばドイツ自動車工業会で規定されたＶＤＡ基準（ＶＤＡ２３８−１００）に基づいて行ってよい。
【００５５】
本発明に係る高炭素鋼板部材は、（硬さ−１７０）×ＶＤＡ基準の曲げ角度（ＨＶ・°）が１２５００超である。これにより、刃物・工具に適用するのに十分なレベルの硬さ−靱性バランスを提供できる。硬さ−靱性バランスは、好ましくは１３５００以上である。なお、本発明者らは、硬さとＶＤＡ基準の曲げ角度とを単純に掛け合わせるのではなく、硬さから１７０を差し引いた数値と曲げ角度を掛け合わせることにより、硬さとじん性の寄与度を適切に配分してトータルの特性バランスを評価できることを、他の多くの事例研究から見出した。そのため、本願においては、硬さから１７０を差し引いた数値と曲げ角度を掛け合わせることにより、硬さと靱性とのバランスの評価を評価している。
【００５６】
４．製造方法
次に本発明の実施形態に係る高炭素鋼板部材の製造方法を説明する。
【００５７】
（１）圧延用の鋼材
上記成分組成を有する圧延用の鋼材（スラブ）を作製する。スラブは既知の任意の方法により準備してよい。下記の方法を例示できる。
上記成分組成を有する鋼を溶製し、造塊または連続鋳造により、圧延用の鋼材として、スラブを作成する。なお、必要に応じて造塊または連続鋳造により得た鋳造材を分塊圧延してスラブを得てよい。
【００５８】
（２）熱間圧延
次に上述のスラブを用いて熱間圧延を行い、鋼板を得る。熱間圧延は、既知の任意の条件により行ってよい。その後、表面状態や板厚精度等の必要条件に応じて、さらに、酸洗、冷間圧延（スキンパス）を施してもよい。下記の方法を例示できる。
熱間圧延は、例えば、熱間圧延前の加熱温度を１１５０〜１３００℃として行う。粗圧延温度は、以後の仕上げ圧延における温度確保も考慮して９００〜１１００℃とし、仕上げ圧延温度が８００℃以上になるように行う。仕上げ圧延後、５５０℃超６５０℃以下で巻き取ってもよい。
【００５９】
（３）球状化焼鈍
次に、得られた鋼板に球状化焼鈍を施し、上記成分組成を有する鋼板であって、炭化物の平均粒径Ｒｃが０．２〜３．０μｍである焼鈍鋼板を得る。
このような平均粒径Ｒｃの炭化物を有する焼鈍鋼板を用いることにより、後にオーステナイト化して得られる鋼板部材において、安定的に未固溶炭化物を残すことができる。
【００６０】
炭化物の平均粒径が０．２μｍ未満であると、オーステナイト化の際に炭化物が固溶しすぎるため、靱性が低下する。一方、炭化物の平均粒径が３μｍを超えると、オーステナイト化後の鋼板部材において粗大な未固溶炭化物が残りやすくなり、靱性が低下する。
よって、本実施形態にかかる製造方法では、炭化物の平均粒径Ｒｃは０．２〜３．０μｍである焼鈍鋼板を用いる。
【００６１】
炭化物の平均粒径Ｒｃが０．２〜３．０μｍである焼鈍鋼板は、圧延材に対して、例えば以下の条件により球状化焼鈍を行うことにより得ることができる。
【００６２】
圧延材を、６８５℃以上７８０℃以下の加熱温度で１時間〜１０時間保持し、その後、６８０℃までを１０℃／時間以下の冷却速度で冷却する。これにより、炭化物の平均粒径Ｒｃが０．２〜３．０μｍである焼鈍鋼板を得ることができる。
【００６３】
好ましい実施形態において、炭化物の平均粒径Ｒｃが２〜３．０μｍである焼鈍鋼板を得てもよい。このような平均粒径Ｒｃの炭化物を有する焼鈍鋼板を用いることにより、後にオーステナイト化して得られる鋼板部材において、より安定的に未固溶炭化物を残すことができ、通常の熱処理においても旧γ粒径とベイナイトブロック幅の小さい靭性に優れたベイナイト組織とすることができる。
【００６４】
炭化物の平均粒径Ｒｃが２〜３．０μｍである焼鈍鋼板は、圧延材に対して、例えば以下の条件により球状化焼鈍を行うことにより得ることができる。
【００６５】
圧延材を、７４５℃以上７８０℃以下の加熱温度で１時間〜１０時間保持し、その後、６８０℃までを１０℃／時間以下の冷却速度で冷却する。これにより、炭化物の平均粒径Ｒｃが２〜３．０μｍである焼鈍鋼板を得ることができる。
また、このような球状化焼鈍を２回繰り返すことによって、平均粒径が大きめの球状炭化物組織を得ることができる。また、熱間圧延後に酸洗し、冷間圧延をしてから球状化焼鈍することによっても比較的大きめの球状化炭化物組織を得ることができる。
【００６６】
また、別の好ましい実施形態において、炭化物の平均粒径Ｒｃが０．２〜２．０μｍである焼鈍鋼板を得てもよい。このような平均粒径Ｒｃの炭化物を有する焼鈍鋼板を用いることにより、後にオーステナイト化して得られる鋼板部材において、より安定的に未固溶炭化物を残すことができ、通常の熱処理においても旧γ粒径とベイナイトブロック幅の小さい靭性に優れたベイナイト組織とすることができる。
【００６７】
炭化物の平均粒径Ｒｃが０．２〜２．０μｍである焼鈍鋼板は、圧延材に対して、例えば以下の条件により球状化焼鈍を行うことにより得ることができる。
【００６８】
圧延材を、６８５℃以上７４５℃未満の加熱温度で１時間〜１０時間保持し、その後、６８０℃までを１０℃／時間以下の冷却速度で冷却する。これにより、炭化物の平均粒径Ｒｃが０．２〜２．０μｍである焼鈍鋼板を得ることができる。
【００６９】
（４）オーステナイト化
球状化焼鈍後の焼鈍鋼板を、下記（１）式を満たすように、オーステナイト化温度Ｔ１：８００〜９２０℃で、時間ｔ１：０．１〜５０分で保持してオーステナイト化する。
１５３００≦（Ｔ１＋２７３）×（１５＋ｌｏｇｔ１）−（Ｒｃ＋％Ｃ）×４００≦１６８００    （１）
但し、ｌｏｇは１０を底とする常用対数である。
【００７０】
改良焼入れパラメータＭ１’（すなわち、（１）式の（Ｔ１＋２７３）×（１５＋ｌｏｇｔ１）−（Ｒｃ＋％Ｃ）×４００）が１５３００を下回ると、未固溶炭化物量が多くなりすぎ、靭性が低下する。よって、改良焼入れパラメータＭ１’は１５３００以上であり、１５４００以上が好ましく、１５５００以上がより好ましい。
一方、改良焼入れパラメータＭ１’が１６８００を上回る場合、旧オーステナイト粒径が大きくなり靭性が低下する。よって、改良焼入れパラメータＭ１’は１６８００以下であり、１６４００以下が好ましく、１６０００以下がより好ましい。
【００７１】
（５）オーステンパ処理
上述のオーステナイト化後、オーステンパ処理を行うことにより、高炭素鋼板部材の完成品を得る。
オーステンパ処理は、オーステナイト化後、オーステンパ温度Ｔ３＝２７０〜３３０℃まで５０℃／秒以上の平均冷却速度で冷却し、下記（２）式を満たすように、前記オーステンパ温度Ｔ３で、時間ｔ３＝３〜１５分で保持する。
８７００≦（Ｔ３＋２７３）×（１５＋ｌｏｇｔ３）≦９２００    （２）
但し、ｌｏｇは１０を底とする常用対数である。
【００７２】
オーステンパパラメータＭ３（すなわち、（２）式の（Ｔ３＋２７３）×（１５＋ｌｏｇｔ３））が８７００を下回ると、ＫＡＭ値が本発明の規定を外れ、硬さ−靭性バランスが低下する。よって、オーステンパパラメータＭ３は８７００以上であり、好ましくは８８００以上、より好ましくは８９００以上である。
一方、オーステンパパラメータＭ３が９２００を上回ると、ＫＡＭ値が本発明の規定を外れ、硬さ−靭性バランスが低下する。よって、オーステンパパラメータＭ３は９２００以上、好ましくは９１８０以下、より好ましくは９１６０以下である。
【００７３】
以上の熱処理により本発明の実施形態に係る高炭素鋼板部材を得ることができる。
なお、本明細書中に規定される熱処理温度Ｔ１およびＴ３は、通常は熱処理を行う熱処理炉の炉内温度を用いて管理してよい。また、必要に応じて、熱処理を行う材料の表面に熱電対等の温度計測手段を配置し、材料温度を測定することで管理してよい。
【実施例】
【００７４】
１．サンプル作成
表１に記載した化学組成を含有する６種類の鋼板を球状化焼鈍し、この鋼板を用いて、２０ｍｍ×６０ｍｍの試験片Ｎｏ．１〜３０を作製した。試験片Ｎｏ．１〜３０に対して表２の条件で熱処理して、ビッカース硬さ試験およびＶＤＡ曲げ試験を行った。ＶＤＡ曲げ試験は、靱性を評価するものである。
なお、表１、表２および後述する表３において、下線を付した数値は本発明の実施形態の範囲から外れていることを示す。
【００７５】
【表１】
2018048374.tif 000002
【００７６】
【表２】
2018048374.tif 000003
【００７７】
２．組織パラメータの測定
［鋼組織の測定］
ベイナイト量、円相当径０．２μｍ以上の炭化物量、残留オーステナイト量は以下のように測定した。
【００７８】
熱処理後の曲げ試験片の長手方向に平行で板面に垂直な断面を削りだし、厚さ方向の１／４位置である面を研磨して、分解能１ｎｍのＥＢＳＤにより４００μｍ×幅方向４００μｍの１視野を測定することで、ベイナイト量、残留オーステナイト量および残留オーステナイトの平均円相当径、円相当径０．２μｍ以上のセメンタイト量を求めた。ＳＥＭ画像の解析には、ＭｅｄｉａＣｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ社製の画像解析ソフトＩｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓを用いた。
【００７９】
［旧オーステナイトの平均粒径］
旧オーステナイトの平均粒径は、ピクリン酸飽和水溶液に界面活性剤を１％混ぜた腐食液で、試験片の観察面をエッチングし、旧オーステナイト粒界を現出させた上で光学顕微鏡を用いて、適宜１００〜４００倍の倍率で観察し、ＪＩＳ−Ｇ０５５１の標準図との比較により、旧オーステナイト粒径を測定した。
【００８０】
［ベイナイトブロック幅］
ベイナイトブロック幅は、上述のＥＢＳＤにより、方位差１５度以上の粒界をブロックサイズとしてその短径をブロック幅と定義して平均値を求めた。
【００８１】
［未固溶炭化物の平均粒径］
未固溶炭化物の平均粒径は、上述のＥＢＳＤにより、円相当径０．２μｍ以上のセメンタイトを未固溶炭化物としてその平均粒径を求めた。
【００８２】
［ＥＢＳＤで測定したＫＡＭの平均値］
ＥＢＳＤで測定したＫＡＭの平均値は、上述のＥＢＳＤで測定したデータをもとにＫＡＭ値を算出した。
【００８３】
［旧オーステナイト粒界上の炭化物占有率］
旧オーステナイト粒界上の炭化物占有率は、観察面をピクラールで腐食したのち、ＦＥ−ＳＥＭ観察により、１万倍で５視野観察し、旧オーステナイト粒界の長さと、そのうち旧オーステナイト粒界上に存在するセメンタイトが存在する部分の長さを測定し、占有率を求めた。
【００８４】
３．機械的特性の測定
得られたサンプルについて、機械的特性を評価した。
【００８５】
（硬さ）
各サンプルについて、厚さ方向の１／４位置において、ＪＩＳ  Ｚ２２４４（２００９年改訂版）の規定に準拠してビッカース硬さ試験を行い、試験荷重５ｋｇｆで５点測定し、その平均値を求めた。
【００８６】
（硬さ−靱性バランス）
靱性は、ＶＤＡ曲げ試験により評価した。具体的には、ドイツ自動車工業会で規定されたＶＤＡ基準（ＶＤＡ２３８−１００）に基づいて以下の測定条件で評価を行った。本発明では曲げ試験で得られる最大荷重時の変位をＶＤＡ基準で角度に変換し、曲げ角度を求めた。結果を表中の「ＶＤＡ曲げ角度（°）」に記載した。
（測定条件）
試験方法：ロール支持、ポンチ押し込み
ロール径：φ３０ｍｍ
ポンチ形状：先端Ｒ＝０．４ｍｍ
ロール間距離：３．２ｍｍ
押し込み速度：６ｍｍ／ｍｉｎ
試験片寸法：６０ｍｍ×２０ｍｍ
曲げ方向：圧延直角方向
試験機：島津製作所製万能試験機ＡＧ−ＩＳ    ５０ｋＮ
【００８７】
本発明では、測定したビッカース硬さＨＶが５５０以上であり、かつ（硬さ−１７０）×ＶＤＡ基準の曲げ角度（ＨＶ・°）が１２５００超の場合は、硬さ−靱性バランスに優れるとして合格（○）とし、それ以外の場合は不合格（×）と評価した。結果を表３に示す。
【００８８】
【表３】
2018048374.tif 000004
【００８９】
４．まとめ
本発明の条件を満たす実施例サンプルである、Ｎｏ.１〜５、９〜１１、１６〜１８および２１〜２５は、いずれも５５０ＨＶ以上の硬さ、１２５００°・ＨＶ以上の（硬さ−１７０）×ＶＤＡ基準の曲げ角度を達成している。
【００９０】
これに対して、サンプルＮｏ．６、７はいずれも、ベイナイト生成熱処理（オーステンパ処理）における温度と時間の設定（オーステンパパラメータＭ３）が不適切なため、Ｎｏ．６はベイナイトブロック幅が大きく、ＫＡＭ値が小さくなり、Ｎｏ．７は、ＫＡＭ値が大きくなった。そのため、Ｎｏ．６、７はいずれも、硬さ−靱性バランスが劣っていた。
【００９１】
Ｎｏ．８は、改良焼入れパラメータＭ１’が大きすぎるため、旧オーステナイト粒径が粗大化し、さらに未固溶炭化物も減少した。そのため、（硬さ−１７０）×ＶＤＡ基準の曲げ角度の値が目標値に未達であった。
【００９２】
Ｎｏ．１２および１３はいずれも、ベイナイト生成熱処理（オーステンパ処理）における温度と時間の設定（オーステンパパラメータＭ３）が不適切なため、ＫＡＭ値が小さくなり、硬さ−靱性バランスが劣っていた。
【００９３】
Ｎｏ．１４および１５はいずれも、通常の焼入れ焼戻し処理を行ったものであり、硬さは適正であるが、ベイナイト主体の鋼組織ではなく、旧オーステナイト粒界上の炭化物も多く、残留オーステナイト量が少ないため、（硬さ−１７０）×ＶＤＡ基準の曲げ角度の値が小さくなり、硬さ−靱性バランスが劣っていた。
【００９４】
Ｎｏ．１９および２０は、Ｃ量が本発明の範囲から外れていたため、結果的に未固溶炭化物量が本発明の範囲から外れ、硬さ−靱性バランスが劣っていた。
【００９５】
Ｎｏ．２６は、ベイナイト生成熱処理（オーステンパ処理）における温度と時間の設定（オーステンパパラメータＭ３）が不適切なため、ベイナイトブロック幅が大きくなり、ＫＡＭ値が小さくなり、硬さ−靱性バランスが劣っていた。
【００９６】
Ｎｏ．２７は、改良焼入れパラメータＭ１’およびオーステンパパラメータＭ３が不適切であり、ベイナイト分率および未固溶炭化物量が本発明の範囲から外れる他、ベイナイト分率が低いので、硬さ−靱性バランスが劣っていた。
【００９７】
Ｎｏ．２８は、改良焼入れパラメータＭ１’が不適切であり、未固溶炭化物量が少なくなり、旧γ粒径が大きくなって硬さ−靱性バランスが劣っていた。
【００９８】
Ｎｏ．２９は、改良焼入れパラメータＭ１’およびオーステンパパラメータＭ３が不適切であり、未固溶炭化物量が多すぎることに加えてＫＡＭ平均値が小さくなり、硬さ−靱性バランスが劣っていた。
【００９９】
Ｎｏ．３０は、オーステンパパラメータＭ３が不適切であり、ベイナイト分率が小さくなり、ＫＡＭ値が大きくなり、硬さ−靱性バランスが劣っていた。