(57)【要約】【課題】本発明の課題は、高靭性及び高耐磨耗性を備える工具鋼からなる、鋼板を切削しても長期に亘り刃先の欠けが少ないスリッタ刃と、該スリッタ刃の製造方法を提供することである。【解決手段】本発明のスリッタ刃は、主成分としてのＦｅと、０．７質量％以上０．９質量％以下のＣと、０．１５質量％以上０．３５質量％以下のＳｉと、２質量％以下のＭｎと、５質量％以上６質量％以下のＣｒと、２．５質量％以上３．５質量％以下のＭｏと、１．８質量％以上２．３質量％以下のＶと、を含有するマトリックスハイス鋼からなることを特徴とする。【選択図】        図１
2004323874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主成分としてのＦｅと、
０．７質量％以上０．９質量％以下のＣと、
０．１５質量％以上０．３５質量％以下のＳｉと、
２質量％以下のＭｎと、
５質量％以上６質量％以下のＣｒと、
２．５質量％以上３．５質量％以下のＭｏと、
１．８質量％以上２．３質量％以下のＶと、
を含有するマトリックスハイス鋼からなることを特徴とするスリッタ刃。
【請求項２】
前記マトリックスハイス鋼において、該鋼中に存在するＭＣ炭化物とＭ６Ｃ炭化物は、観察される断面組織上において、前記Ｍ６Ｃ炭化物が占める面積をＡ、前記ＭＣ炭化物が占める面積をＢとしたとき、面積比Ａ／（Ａ＋Ｂ）は０．２５以下であることを特徴とする請求項１に記載のスリッタ刃。
【請求項３】
前記マトリックスハイス鋼において、該鋼中に存在する前記ＭＣ炭化物は、断面組織上において観察される外形線に接する最大幅平行線の間隔をＣ、最小幅平行線の間隔をＤとしたとき、最小最大幅比Ｄ／Ｃが０．４以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のスリッタ刃。
【請求項４】
前記マトリックスハイス鋼において、該鋼中に存在する前記ＭＣ炭化物のうち、前記最大幅平行線の間隔Ｃが５μｍ以上４０μｍ以下のものは、断面組織上における視野面積０．０１ｍｍ２当たり２０個以上存在することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のスリッタ刃。
【請求項５】
請求項３または４に記載のスリッタ刃の製造方法であって、請求項１に記載の成分を含有する鋳造または鍛造された鋼に対し、１１５０℃以上１２８０℃以下の温度で１０時間以上１００時間以下の時間保持する熱処理を行い、前記マトリックスハイス鋼を得る工程を含むことを特徴とするスリッタ刃の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、スリッタ刃及びその製造方法に関し、更に詳細には、鋼板を切削しても長期に亘り刃先の欠けが少ないスリッタ刃と、該スリッタ刃の製造方法とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、スリッタ刃、特に鋼板の切削用等のスリッタ刃には、工具の中でも取り分け、刃先の欠け難さや長寿命が要求されている。そのため、スリッタ刃の材料となる工具鋼には、切削のために必要な高硬度に加えて、更に高靭性及び高耐磨耗性が求められる。
【０００３】
また、一般に工具鋼の用途に応じた選定は、ロックウェルＣスケール硬さが例えばＨＲＣ６０程度の高硬度を有する炭素鋼、高Ｃｒ鋼及び高速度工具鋼（いわゆるハイス鋼）のうち、所望の靭性及び耐磨耗性を有するものの中から行われている。これらのうち、特に耐磨耗性が要求される用途には、凝固状態で形成される晶出炭化物を積極的に利用する鋼が用いられており、その代表としては、Ｍ７Ｃ３炭化物を利用する高Ｃ高Ｃｒ系冷間ダイス鋼（ＪＩＳ：ＳＫＤ１１他）、Ｍ６Ｃ及びＭＣ炭化物を利用する高速度工具鋼（ＪＩＳ：ＳＫＨ５１他）が挙げられる。一方、特に靭性が要求される用途には、高速度工具鋼の基地組成を主成分としたマトリックス型の鋼（以下、マトリックスハイス鋼という）が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、スリッタ刃のように、高靭性及び高耐磨耗性が同時に要求される用途には、それに適した工具鋼がなく、それに対応するため、高靭性を有するマトリックスハイス鋼中のＣや炭化物形成元素であるＭｏ、Ｗなどの元素の含有量を、高速度工具鋼（いわゆるハイス）の組成に近づけ、硬度及び耐磨耗性を強化させるという試みがなされていたが、この場合マトリックスハイス鋼の本来の靭性を損ねてしまい、実用に耐え得るものを得ることができなかった。
【０００５】
また、耐磨耗性を向上させるにはそれに見合う硬度が必要とされるため、硬度を高めることが不可欠である。だが、今日の焼入れ焼戻し処理は真空熱処理炉で行われる場合が一般的であり、真空焼入れに対応する焼入れ性を改善し、硬度を高めるためにＣｒの増量が図られているが、この場合Ｍｏ−Ｗ系の晶出炭化物が粗大化してしまい、これによっても靭性が低下してしまうという問題があった。
以上のように、工具鋼において高靭性及び高耐磨耗性を両立させることは困難であり、スリット刃の材料として適した工具鋼がないのが現状であった。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、高靭性及び高耐磨耗性を備える工具鋼からなる、鋼板を切削しても長期に亘り刃先の欠けが少ないスリッタ刃と、該スリッタ刃の製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・発明の効果】
上記課題を解決するため、スリッタ刃に好適に用いることができる工具鋼に関して本発明者等が鋭意研究を重ねた結果、ＳＫＨ５１の高速度工具鋼の基地組成を主成分としたマトリックスハイス鋼（以下、ＳＫＨ５１系マトリックスハイス鋼という）をベースに、Ｍ６Ｃ炭化物の晶出を低減させ、ＭＣ炭化物の晶出を増大させることが可能で、そして且つ、硬度向上のために増量させたＣｒによる晶出炭化物の粗大化を阻止することも可能なマトリックスハイス鋼の組成を見出した。
【０００８】
すなわち、本発明のスリッタ刃は、
主成分としてのＦｅと、
０．７質量％以上０．９質量％以下のＣと、
０．１５質量％以上０．３５質量％以下のＳｉと、
２質量％以下のＭｎと、
５質量％以上６質量％以下のＣｒと、
２．５質量％以上３．５質量％以下のＭｏと、
１．８質量％以上２．３質量％以下のＶと、
を含有するマトリックスハイス鋼からなることを特徴とする。
【０００９】
上記マトリックスハイス鋼では、溶融状態から直接晶出する一次炭化物として、ＭＣ炭化物とＭ６Ｃ炭化物が存在する。ＭＣ炭化物はＭ６Ｃ炭化物よりも高硬度であるため、高靭性を有するマトリクスハイスにおいて、晶出する一次炭化物のうち、Ｍ６Ｃ炭化物の割合をより小さく、ＭＣ炭化物の割合をより大きくさせることで、鋼の硬度及び耐磨耗性を補強することができ、これによって高硬度、高靭性及び高耐磨耗性を備え、スリッタ刃に好適に用いることができるマトリックスハイス鋼を得ることができる。また、ＭＣ炭化物の中でも、Ｖを含むもの（いわゆるＶＣ炭化物）は特に高硬度を有するため、ＶＣ炭化物を積極的に増加させることで、鋼の硬度及び耐磨耗性を更に補強することが可能となる。
【００１０】
具体的には、上記マトリックスハイス鋼において、鋼中に存在するＭＣ炭化物とＭ６Ｃ炭化物は、観察される断面組織上において、Ｍ６Ｃ炭化物が占める面積をＡ、ＭＣ炭化物が占める面積をＢとしたとき、面積比Ａ／（Ａ＋Ｂ）は０．２５以下である。
【００１１】
断面組織上を観察する手段としては、例えば公知のＳＥＭ−ＥＤＸ装置、すなわちＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：走査型電子顕微鏡）とＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：エネルギ−分散型Ｘ線分析装置）とが組み合わされた装置を用いることで行うことができる。これにより、表面における組成の二次元マッピングが可能となるため、ＭＣ炭化物とＭ６Ｃ炭化物の区別を行うことが可能であり、そしてそれら炭化物の形態を知ることができる。
【００１２】
さらに、本発明者等は、上述の晶出したＭＣ炭化物の形状について、負荷が加わったときに応力集中が少ない球形状に近い場合に、鋼の耐磨耗性を向上させることが可能なことを見出し、またそのような形状とするためには、鋼に高温ソーキングを施すことが有効であるとの知見を得た。
【００１３】
具体的には、上記マトリックスハイス鋼において、鋼中に存在するＭＣ炭化物は、断面組織上において観察される外形線に接する最大幅平行線の間隔をＣ、最小幅平行線の間隔をＤとしたとき、最小最大幅比Ｄ／Ｃが０．４以上となる場合である。このように、ＭＣ炭化物の形状が球状に近づくことで、負荷が加わった場合の応力集中を低減できることになる。また、最小最大幅比Ｄ／Ｃは０．６以上である場合がより好ましい。
【００１４】
また、晶出炭化物は余りに大き過ぎる場合、鋼の靭性を低下させる原因となるが、上記マトリックスハイス鋼において、靭性に影響を及ぼさない程度の大きさのＭＣ炭化物のうち（例えば、上記最大幅平行線の間隔Ｃが４０μｍ以下で規定される）、より大きいもの（例えば、上記最大幅平行線の間隔Ｃが５μｍ以上で規定される）はそれよりも小さいものと比べて、より球状に近い形状であることが分かった。そして、そのような範囲の大きさ（応力集中をより低減できる形状）のＭＣ炭化物が、適度に鋼中に分散していることにより鋼の耐磨耗性の更なる向上が可能となる。具体的には、上記マトリックスハイス鋼において、鋼中に存在するＭＣ炭化物のうち、上記最大幅平行線の間隔Ｃが５μｍ以上４０μｍ以下のものが、断面組織上における視野面積０．０１ｍｍ２当たり２０個以上存在する場合に、耐磨耗性がより向上する。また、より好ましくは５０個以上である。
【００１５】
また、ＭＣ炭化物を上記のような形態にするには、高温ソーキングを必要とするが、具体的には、上記成分を含有する鋳造または鍛造された鋼に対し、１１５０℃以上１２８０℃以下の温度で１０時間以上１００時間以下の時間保持する熱処理を行う。このような熱処理を施すことにより、鋼中のＭＣ炭化物は、オストワルド成長（析出物粒子のうち、小さい粒径の粒子が消滅し、大きい粒径の粒子が成長する）するため、上記のように最小最大幅比Ｄ／Ｃが増大して球状に近づき、また比較的大きい粒径（最大幅平行線の間隔Ｃが５μｍ以上４０μｍ以下）のものの数が増え、且つ適度に分散されたと考えられる。また、より好ましくは１１８０℃以上１２４０℃以下の温度で２０時間以上５０時間以下の時間保持する熱処理を行う。
【００１６】
以下、本発明における各数値範囲の限定理由を説明する。
本発明のスリッタ刃に用いるマトリックスハイス鋼の組成限定理由は以下の通りである。
・Ｆｅ（鉄）：主成分
上記マトリックスハイス鋼は、スリッタ刃としての機能が発揮されることを基礎としており、Ｆｅは鋼を構成するのに必須の成分であるため、主成分として含有させる。
【００１７】
・Ｃ（炭素）：０．７質量％以上０．９質量％以下
Ｃは、マトリックスに固溶することによって鋼の焼入性を高め、焼入れ時のマルテンサイトの硬さを高めるために必要な元素である。また、同時に添加されるＣｒ、Ｍｏ、Ｖの炭化物形成元素と結合して一次炭化物を晶出させるとともに、焼戻しにより微細な二次炭化物をマトリックス中に析出させてこれを析出強化させるためにも必要な元素である。これらの効果を得るためには０．７質量％以上の含有が必要であるが、０．９質量％を超えて含有させると靭性の低下を招くため、上記の含有量とする。以上の効果を主として、上記マトリックスハイス鋼は、高硬度（例えば、ＨＲＣ６０程度以上）のものとなる。
【００１８】
Ｓｉ（ケイ素）：０．１５質量％以上０．３５質量％以下
Ｓｉは、合金溶製時に脱酸元素として添加され、またマトリックス中に固溶しることで高温焼戻し硬さ向上に寄与する効果がある。これらの効果を得るためには０．１５質量％以上の含有が必要であるが、０．３５質量％を超えて含有させると高靱性を得ることができなくなるため、上記の含有量とする。
【００１９】
Ｍｎ（マンガン）：２質量％以下
Ｍｎは、合金溶製時に脱酸元素として添加され、また焼入性を高めて硬度を向上させる効果も有する。しかし、２質量％を超えて含有させると、熱処理時に焼割れを生じたり、多量の残留オーステナイトを生成して鋼を脆化させたりするので、上記の含有量とする。
【００２０】
Ｃｒ（クロム）：５質量％以上６質量％以下
Ｃｒは、焼入れ時にマトリックス中に固溶して焼入性を高めるとともに、Ｃｒ炭化物を形成して耐摩耗性を向上させるために含有させる元素である。また、焼戻し時に微細な二次炭化物を析出させ、硬度を上昇させる効果も有する。これらの効果を得るためには５質量％以上の含有が必要であるが、６質量％を超えて含有させると、固液共存温度幅の増加により、粗大な炭化物の形成量が多くなってしまい、鋼の靭性を低下させてしまうので、上記の含有量とする。また、より好ましい含有量は４．５質量％以上６質量％以下である。
【００２１】
Ｍｏ（モリブデン）：２．５質量％以上３．５質量％以下
Ｍｏは、焼入れ時にマトリックスに固溶させるとともに、炭化物を形成して硬度及び耐摩耗性を向上させるために含有させる元素である。また、焼入れ焼戻しにおける軟化抵抗性を高める効果も有する。これらの効果を得るためには２．５質量％以上の含有が必要であるが、３．５質量％を超えて含有させると粗大な炭化物の形成量が多くなってしまい、鋼の靭性を低下させてしまうので、上記の含有量とする。また、より好ましい含有量は２．７質量％以上３．２質量％以下である。
【００２２】
Ｖ（バナジウム）：１．８質量％以上２．３質量％以下
Ｖは、高硬度のＭＣ炭化物（いわゆるＶＣ炭化物）を形成し、鋼の硬度及び耐磨耗性を向上させるため、本発明において積極的に含有させる元素である。また、マトリックスのオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する効果も有する。これらの効果を得るためには１．８質量％以上の含有が必要であるが、２．３質量％を超えて含有させると粗大なＭＣ炭化物が増大し、鋼の靭性が低下してしまうため、上記の含有量とする。また、より好ましい含有量は１．９質量％以上２．２質量％以下である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のスリッタ刃の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１はスリッタ刃１の主面を表す模式図であり、図２はスリッタ刃１の断面を表す模式図である。スリッタ刃１はディスク状に構成されている。その外周縁２にはテーパ形状が施され、鋭角部２１と鈍角部２２とを有し、該鋭角部２１が刃先とされる。スリッタ刃１の中心には、スリッタ刃１を外周縁２に沿う方向（図中の矢印方向）に回転させるための回転軸部（図示せず）が挿通される挿通孔３が形成されている。また、挿通孔３には、回転軸部に設けられた凸部に係合し、スリッタ刃１を回転軸部に対し、回転方向に固定する凹部３１が形成されている。
【００２４】
スリッタ刃１は、例えば、直径Ｗ１が７５ｍｍ、挿通孔３の直径Ｗ２が３０ｍｍ、厚さＤが７ｍｍで構成される。また、刃先となる鋭角部２１は角度θが例えば４５°で構成される。
【００２５】
裁断に際しては、図３に示すように、挿通孔３に回転軸部４ａ、４ｂがそれぞれ挿通された２つのスリッタ刃１が、互いに平行に、且つ、鋭角部２１を互いに近接させて配置される。該鋭角部２１が近接した領域を裁断領域６とする。そして、回転軸部４ａ、４ｂに対して、例えば図中の矢印に示すごとく、回転軸部４ａを時計回り、回転軸部４ｂを反時計回りといったように、一方の回転方向とは逆方向の回転を与えることにより、２つのスリッタ刃１をそれぞれ逆方向に回転させ、裁断領域６にて例えば鋼板５等を裁断する。本発明のスリッタ刃１は、上述のように、高硬度であるうえ、さらに高靭性及び高耐磨耗性も有するので、鋼板等の高硬度部材の裁断にも好適に用いることができる。
【００２６】
上記の２つのスリッタ刃１の配置は、具体的には図４に示すように、主面に沿った方向において、スリッタ刃１の鋭角部２１側の主面の一部の領域が互いに重なるよう配される。重なった領域の径方向の長さＯＲは、例えば５ｍｍである。また、厚さ方向においては、２つのスリッタ刃１は接触しないようにされており、その間隔Ｓは例えば切断しようとする材料板厚さの５〜１０％である。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の効果を確認するために行った実験結果について説明する。
上述した本発明の実施形態のスリッタ刃、及び該スリッタ刃を構成する鋼材の試験品を得るため、表１に示す成分組成を有する１５０ｋｇの鋳塊を、真空炉で溶解後、φ８０となるよう熱間で鍛伸し、焼なましを施した後、φ７５×φ３０×８Ｌの形状のスリッタと、各種試験片とをそれぞれ製造し、表２中に示す条件の熱処理後に仕上げ研削した。また、実施鋼４及び５、比較鋼１４は表２に示す条件で高温ソーキングを施している。なお、比較鋼１１〜１６のそれぞれの含有元素において、請求項１に記載の組成から外れているものは印を付けている。
【００２８】
【表１】
2004323874.tif 000003
【００２９】
【表２】
2004323874.tif 000004
【００３０】
上記実施鋼１〜５及び比較鋼１１〜１６の試験品に対し、以下の特性評価を行った。
・硬さ評価
前記試験品の外周面のロックウェルＣスケール硬さＨＲＣを、ＪＩＳ：Ｚ２２４５に規定された方法により測定した。
・靭性評価
シャルピー衝撃試験により実施した。試験片は、前記試験品の長手方向から切り出した１０Ｒ・Ｃ型ノッチ試験片（ノッチ深さ２ｍｍ、Ｒ径１０ｍｍ）とし、ＪＩＳ：Ｚ２２４２に規定された方法によりシャルピー衝撃試験を行って、シャルピー衝撃値を測定した。
・耐磨耗性評価
焼なまし材で製造したφ３０、幅３ｍｍのスリッタ刃のリング円周面を、リング外周の回転速度を１ｍ／ｓｅｃとして、平板試験片（ＳＣＭ４２５鋼）に荷重１００ｋｇｆで２００ｍこすりつけ、摩耗幅から算定した摩耗体積により耐摩耗性を評価した。
以上の評価結果を表３に示す。
【００３１】
また、上記実施鋼１〜５及び比較鋼１１〜１６からなるスリッタ刃に対して、以下の条件の寿命試験を行った。厚さ０．５ｍｍのＳＰＣＣ鋼を、スリッタ刃により一定のバリが発生するまで切断し、その切断長さを測定した。条件は、加圧１ｔ、回転数１００ｒｐｍである。なお、各々の測定値は比較鋼１１の切断長さを１００としたときの、比で表している。
以上の試験結果を表３に示す。
【００３２】
さらに、上記実施鋼１〜５及び比較鋼１１〜１６の試験品に対し、硝酸アルコールにより表面のエッチングを行い、ＳＥＭ−ＥＤＸ装置（元素分析機器付き走査型電子顕微鏡）を用いて表面における炭化物組織の形態観察を行った。具体的には、観察視野において以下のパラメータを測定した。
・Ｍ６Ｃ炭化物が占める面積をＡ、ＭＣ炭化物が占める面積をＢとしたときの面積比Ａ／（Ａ＋Ｂ）。
・ＭＣ炭化物の外形線に接する最大幅平行線の間隔をＣ、最小幅平行線の間隔をＤとしたときの最小最大幅比Ｄ／Ｃ。
・最大幅平行線の間隔Ｃが５μｍ以上４０μｍ以下のＭＣ炭化物の個数（視野面積０．０１ｍｍ２当たり）
表４に観察結果を示す。
【００３３】
【表３】
2004323874.tif 000005
【００３４】
【表４】
2004323874.tif 000006
【００３５】
表３の評価結果によると、ロックウェルＣスケール硬さにおいて、実施鋼１〜５の平均がＨＲＣ５９、比較鋼１１〜１６の平均がＨＲＣ５７、と実施鋼の方が若干の高硬度を有する。靭性を表すシャルピー衝撃値では、実施鋼の方が、比較鋼１１〜１５よりも大きく、高靭性を有することがわかる。耐磨耗性を表す摩耗体積では、実施鋼の方が、比較鋼１１、１２、１４〜１６よりも小さく、高耐磨耗性を有することがわかる。これによると、実施鋼では高靭性及び高耐磨耗性が両立しており、本発明のスリッタ刃に好適に用いることができると予想される。なお、比較鋼について、靭性が優れている比較鋼１６は耐磨耗性に劣り、また耐磨耗性が優れている比較鋼１３は靭性に劣るという結果になっており、靭性と耐磨耗性の両立がなされていない。また、スリッタ刃の寿命試験は、実施鋼からなるスリッタ刃の方が比較鋼のものよりも、２．０５〜１３．３３倍程度大きく、長寿命であることがわかる。つまり、上記実施鋼の高靭性及び高耐磨耗性を証明する結果となっている。
【００３６】
また、実施鋼４及び５と比較鋼１４の高温ソーキングを施した鋼材は、高温ソーキングを施してないものと比べて、更に靭性、耐磨耗性、及びスリッタ刃の寿命が向上していることがわかる。これによって、高温ソーキングが鋼の靭性及び耐磨耗性の向上に寄与していると考えられる。
【００３７】
表４の炭化物の形態観察結果によると、面積比Ａ／（Ａ＋Ｂ）は、実施鋼では全て０．２５以下となっており、比較鋼１４〜１６と比べて、Ｍ６Ｃ炭化物が少なく、ＭＣ炭化物が多く生成している。また、最小最大幅比Ｄ／Ｃは、実施例では全て０．４５以上となっており、全ての比較例と比べて、より球状に近い形態となっている。さらに、高温ソーキングを施した発明鋼４、５は、施していない発明鋼１〜３と比べてもＤ／Ｃが大きく、より球状に近い形態となっている。また、視野面積０．０１ｍｍ２当たりにおける最大幅平行線の間隔Ｃが５μｍ以上４０μｍ以下のＭＣ炭化物の個数は、実施例では全て２０個を超えており、比較鋼１１、１２、１４〜１６と比べて多くなっている。さらに、高温ソーキングを施した発明鋼４、５は、施していない発明鋼１〜３と比べても個数が多い。
【００３８】
以上の結果から、高温ソーキングにより、ＭＣ炭化物の形状がより球状化し、また靭性に影響を及ぼさない程度の大きさのＭＣ炭化物が適度に分散することがわかる。これらは、オストワルド成長によるものと推測される。これにより、高温ソーキングはＭＣ炭化物を球状化且つ径大化させるため、鋼の靭性及び耐磨耗性を向上させることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スリッタ刃の主面を表す模式図
【図２】スリッタ刃の断面を表す模式図
【図３】スリッタ刃を用いた裁断を表す模式図
【図４】図３における２つのスリッタ刃の近接した部分を拡大した図
【符号の説明】
１    スリッタ刃
２    外周縁
２１  鋭角部（刃先）
３    挿通孔
３１  凹部
４ａ、４ｂ  回転軸部
５    裁断される鋼板
６    裁断領域
【図１】
2004323874.tif 000007
【図２】
2004323874.tif 000008
【図３】
2004323874.tif 000009
【図４】
2004323874.tif 000010