JP2005171303A - 園芸機械用刈刃 - Google Patents
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Abstract
【課題】 折損や破片の飛散がない安全条件下で使用され、長期にわたり良好な切れ味を呈する園芸機械用刈刃を提供する。
【解決手段】 駆動源からの動力を受けて高速で往復動する園芸機械用刈刃であり、Ｃ：０.５〜０.７質量％，Ｓｉ：０.５質量％以下，Ｍｎ：０.１〜２.０質量％，Ｃｒ：１.５質量％以下，Ｍｏ：０.５質量％以下及び／又はＶ：０.５質量％以下を含み、残部が実質的にＦｅで、Ｘ＝３.５Ｍｎ＋４.２Ｃｒ＋３.３Ｍｏ＋４.８Ｖ＋０.６Ｎｉで定義されるＸ値が３〜８に調整された組成をもち、硬さ：５０ＨＲＣ以上の熱処理鋼板で刈刃基板が作製されている。更にＮｉ：０.１〜２.０質量％，Ｔｉ：０.０１〜０.１質量％，Ｎｂ：０.０１〜０.１質量％，Ｂ：０.０００３〜０.０１質量％の１種又は２種以上を含む熱処理鋼板も使用可能である。
【選択図】 なし
【解決手段】 駆動源からの動力を受けて高速で往復動する園芸機械用刈刃であり、Ｃ：０.５〜０.７質量％，Ｓｉ：０.５質量％以下，Ｍｎ：０.１〜２.０質量％，Ｃｒ：１.５質量％以下，Ｍｏ：０.５質量％以下及び／又はＶ：０.５質量％以下を含み、残部が実質的にＦｅで、Ｘ＝３.５Ｍｎ＋４.２Ｃｒ＋３.３Ｍｏ＋４.８Ｖ＋０.６Ｎｉで定義されるＸ値が３〜８に調整された組成をもち、硬さ：５０ＨＲＣ以上の熱処理鋼板で刈刃基板が作製されている。更にＮｉ：０.１〜２.０質量％，Ｔｉ：０.０１〜０.１質量％，Ｎｂ：０.０１〜０.１質量％，Ｂ：０.０００３〜０.０１質量％の１種又は２種以上を含む熱処理鋼板も使用可能である。
【選択図】 なし
Description
本発明は、ヘッジトリマー，バリカン等の園芸機械に装着され、切れ味，耐久性に優れた刈刃に関する。
園芸機械には、通常、草木用と小枝，茶葉等用とで刈刃を区別している。草刈刃は比較的柔らかい草木を対象としているので、高速回転するディスク状刈刃が通常使用されている。草木に比べて硬い小枝，茶葉等を対象とする場合、ディスク状刈刃をもつ園芸機械では刃先に過剰な負荷がかかって破損しやすいので、ディスク状刈刃に比較して低速で刈刃を往復動させるヘッジトリマー型，バリカン型等の園芸機械が使用される。
ヘッジトリマーは、公園，道路分離帯，茶畑等における小枝の刈込みに使用され、作業者を起点として刈刃を前後に往復動させるタイプである。バリカンも同様な小枝の刈込みに使用されるが、作業者の左右方向に刈刃が往復動する。小枝の刈込み作業は、刃先の切れ味に作業効率が大きく影響される。この点、草刈刃では４７ＨＲＣ程度の刈刃基板（特許文献１）が使用可能であったが、ヘッジトリマーやバリカンではより硬質の５０ＨＲＣ以上に調質された刈刃基板が必要となる。
特開平11-229081号公報
小枝の刈込みに際し、コンクリート，壁等の障害物に刈刃が誤って接触すると、刈刃が欠けて飛散する。垣根等の中に紛れ込んでいる針金等も、刈刃を破損，折損させる原因である。ある程度の強度，剛性をもつ刈刃基板に靭性，延性を付与することにより、刈刃の破損，折損を少なくできる。そのため、焼入れで硬質化した刈刃基板を焼き戻すことにより、４７〜５２ＨＲＣ程度の硬さを維持しながら靭性，延性を回復させている。
刈刃基板の折損や破片の飛散は、園芸機械使用者にとって非常に危険な事態である。そのため、刈刃基板の硬さを犠牲にしても靭性，延性の回復に主眼を置きがちである。使用者の安全性を高めるため、刃先の角度を緩くすることにより刃欠けや折損を防止することもある。しかし、刈刃基板の硬度低下は刃物にとって最も重要な切れ味が低下することを意味し、剛性の低下は刈刃基板が使用できなくなる程度に捩れ変形しやすくなる原因である。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、刈刃基板に使用する鋼板の成分及び金属組織を適正管理することにより、刈刃に必要な切れ味を維持しながらも、強度，剛性，靭性，延性，耐摩耗性の全てにおいて優れた特性を呈する園芸機械用刈刃を提供することを目的とする。
本発明の園芸機械用刈刃は、駆動源からの動力を受けて前後方向又は左右方向に高速往復動する刈刃であり、Ｃ：０.５〜０.７質量％，Ｓｉ：０.５質量％以下，Ｍｎ：０.１〜２.０質量％，Ｃｒ：１.５質量％以下，Ｍｏ：０.５質量％以下及び／又はＶ：０.５質量％以下を含み、Ｘ＝３.５Ｍｎ＋４.２Ｃｒ＋３.３Ｍｏ＋４.８Ｖ＋０.６Ｎｉで定義されるＸ値が３〜８に調整された組成をもち、硬さ：５０ＨＲＣ以上に調質された熱処理鋼板で刈刃基板が作製されていることを特徴とする。
熱処理鋼板は、更にＮｉ：０.１〜２.０質量％，Ｔｉ：０.０１〜０.１質量％，Ｎｂ：０.０１〜０.１質量％，Ｂ：０.０００３〜０.０１質量％の１種又は２種以上を含むことができる。
熱処理鋼板は、更にＮｉ：０.１〜２.０質量％，Ｔｉ：０.０１〜０.１質量％，Ｎｂ：０.０１〜０.１質量％，Ｂ：０.０００３〜０.０１質量％の１種又は２種以上を含むことができる。
刈刃基板に従来から使用されているＳＫＳ５，ＳＫＳ５１等の鋼材は、強度（硬さ），耐摩耗性を確保するためＣ含有量を０.７５質量％以上に調節している。熱処理後の強度が同じであっても、Ｃ含有量が低いほど靭性，延性が向上する。しかし、耐摩耗性に有効な炭化物の形成にＣを利用しているので、極端なＣの低下は耐摩耗性の面から好ましくない。耐摩耗性に悪影響を及ぼさないＣ低下は、Ｃ：０.５〜０.７質量％の範囲にある。
そこで、Ｃ：０.５〜０.７質量％の系を前提に、合金成分，熱処理条件が強度，耐摩耗性，靭性，延性に及ぼす影響を調査した。所望の硬さに調質する焼戻し温度は低Ｃ化に伴って低下するが、過度に低い焼戻し温度ではプレステンパー等の形状修正にとって好ましくない。そこで、適量のＣｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｉ等を添加することにより、焼戻し軟化抵抗を高めている。Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｉ等は、Ｍｎと共に鋼材の焼入れ性を改善する上でも有効な成分である。
このような刈刃基板の要求特性を考慮し、Ｘ＝３.５Ｍｎ＋４.２Ｃｒ＋３.３Ｍｏ＋４.８Ｖ＋０.６Ｎｉと定義されるＸ値を３〜８の範囲に調節した成分設計を採用すると、調質硬さを５０ＨＲＣ以上に高めても、従来材と同等以上の靭性，延性が確保されることがわかった。しかも、耐摩耗性に優れているので、良好な切れ味が長期間にわたって維持される園芸機械用刈刃が得られる。関係式：Ｘ＝３.５Ｍｎ＋４.２Ｃｒ＋３.３Ｍｏ＋４.８Ｖ＋０.６Ｎｉは、本発明者等による多数の実験結果から見出され、刈刃基板の要求特性を満足する合金設計の重要な指標である。
以下、刈刃基板に使用される鋼材の成分，含有量等を説明する。
以下、刈刃基板に使用される鋼材の成分，含有量等を説明する。
Ｃ：０.５〜０.７質量％
園芸機械用刈刃に必要な強度，耐摩耗性を確保し、切れ味を持続させるため０.５質量％以上が必要であるが、Ｃ含有量の増加に伴い靭性，延性が低下するので０.７質量％に上限を設定した。
Ｓｉ：０.５質量％以下
製鋼段階で溶鋼の脱酸剤として添加される成分であり、焼戻しによる軟化を抑制する作用も呈する。しかし、過剰添加すると脱酸生成物ＳｉＯ2が鋼中に残存し、鋼の清浄度，靭性を低下させるので０.５質量％を上限とした。
園芸機械用刈刃に必要な強度，耐摩耗性を確保し、切れ味を持続させるため０.５質量％以上が必要であるが、Ｃ含有量の増加に伴い靭性，延性が低下するので０.７質量％に上限を設定した。
Ｓｉ：０.５質量％以下
製鋼段階で溶鋼の脱酸剤として添加される成分であり、焼戻しによる軟化を抑制する作用も呈する。しかし、過剰添加すると脱酸生成物ＳｉＯ2が鋼中に残存し、鋼の清浄度，靭性を低下させるので０.５質量％を上限とした。
Ｍｎ：０.１〜２.０質量％
焼入れ性の向上に有効な成分であり、０.１質量％以上でＭｎの添加効果がみられる。しかし、過剰添加は延性，靭性を低下させるので、２.０質量％を上限とした。
Ｐ：０.０２質量％以下
焼入れ時にオーステナイト粒界に偏析して靭性，延性を低下させる有害成分であり、可能な限りＰ含有量を下げることが好ましいが、上限を０.０２質量％とすることによりＰ起因の悪影響が抑制される。
焼入れ性の向上に有効な成分であり、０.１質量％以上でＭｎの添加効果がみられる。しかし、過剰添加は延性，靭性を低下させるので、２.０質量％を上限とした。
Ｐ：０.０２質量％以下
焼入れ時にオーステナイト粒界に偏析して靭性，延性を低下させる有害成分であり、可能な限りＰ含有量を下げることが好ましいが、上限を０.０２質量％とすることによりＰ起因の悪影響が抑制される。
Ｓ：０.０１質量％以下
亀裂の起点となるＭｎＳを鋼中に生成して靭性，延性を低下させる有害成分であるが、上限を０.０１質量％とすることにより実質的な悪影響がなくなる。
Ｃｒ：１.５質量％以下
Ｍｎと同様に焼入れ性の向上に有効な成分であり、耐摩耗性改善効果もある。焼入れ性の改善には０.１質量％以上のＣｒが好ましい。しかし、過剰添加は未溶解炭化物が多量生成する原因であり、未溶解炭化物を起点とする亀裂が生じやすく、靭性，延性に悪影響を及ぼすので、Ｃｒ含有量の上限を１.５質量％に設定した。
亀裂の起点となるＭｎＳを鋼中に生成して靭性，延性を低下させる有害成分であるが、上限を０.０１質量％とすることにより実質的な悪影響がなくなる。
Ｃｒ：１.５質量％以下
Ｍｎと同様に焼入れ性の向上に有効な成分であり、耐摩耗性改善効果もある。焼入れ性の改善には０.１質量％以上のＣｒが好ましい。しかし、過剰添加は未溶解炭化物が多量生成する原因であり、未溶解炭化物を起点とする亀裂が生じやすく、靭性，延性に悪影響を及ぼすので、Ｃｒ含有量の上限を１.５質量％に設定した。
Ｍｏ：０.５質量％以下
焼入れ性，焼戻し軟化抵抗に有効な成分であり、Ｍｎ，Ｃｒの過剰添加に起因する靭性低下を抑制するために補助的に添加される。しかし、高価な元素であり、過剰添加は鋼材コストの上昇を招くので、上限を０.５質量％とした。
Ｖ：０.５質量％以下
焼入れ時に結晶粒を微細化し、刈刃基板の靭性を向上させるが、過剰添加は鋼材コストの上昇を招くので、上限を０.５質量％とした。
焼入れ性，焼戻し軟化抵抗に有効な成分であり、Ｍｎ，Ｃｒの過剰添加に起因する靭性低下を抑制するために補助的に添加される。しかし、高価な元素であり、過剰添加は鋼材コストの上昇を招くので、上限を０.５質量％とした。
Ｖ：０.５質量％以下
焼入れ時に結晶粒を微細化し、刈刃基板の靭性を向上させるが、過剰添加は鋼材コストの上昇を招くので、上限を０.５質量％とした。
Ｎｉ：０.１〜２.０質量％
必要に応じて添加される成分であり、焼入れ性，靭性の向上に有効である。Ｎｉの添加効果は０.１質量％以上でみられるが、２.０質量％で飽和し、それ以上添加しても鋼材コストが上昇するだけである。
Ｔｉ：０.０１〜０.１質量％
必要に応じて添加される成分であり、Ｎと結合して窒化物を形成し、焼入れ時にオーステナイト粒の粗粒化を抑え、焼入れ性向上に有効な固溶Ｂが窒化物として消費されることを防止する。Ｔｉの添加効果は０.０１質量％以上でみられるが、旧オーステナイト粒の微細化には０.１質量％で十分である。
必要に応じて添加される成分であり、焼入れ性，靭性の向上に有効である。Ｎｉの添加効果は０.１質量％以上でみられるが、２.０質量％で飽和し、それ以上添加しても鋼材コストが上昇するだけである。
Ｔｉ：０.０１〜０.１質量％
必要に応じて添加される成分であり、Ｎと結合して窒化物を形成し、焼入れ時にオーステナイト粒の粗粒化を抑え、焼入れ性向上に有効な固溶Ｂが窒化物として消費されることを防止する。Ｔｉの添加効果は０.０１質量％以上でみられるが、旧オーステナイト粒の微細化には０.１質量％で十分である。
Ｎｂ：０.０１〜０.１質量％
必要に応じて添加される成分であり、炭窒化物を形成して焼入れ時にオーステナイト粒の粗粒化を抑え、焼入れ性向上に有効な固溶Ｂが窒化物として消費されることを防止する。Ｎｂの添加効果は０.０１質量％以上でみられるが、旧オーステナイト粒の微細化には０.１質量％で十分である。
Ｂ：０.０００３〜０.０１質量％
必要に応じて添加される成分であり、焼入れ性，靭性の向上に有効な成分であり、０.０００３質量％以上でＢの添加効果がみられる。しかし、多量添加しても効果が飽和するので、Ｂ含有量の上限を０.０１質量％に設定した。
必要に応じて添加される成分であり、炭窒化物を形成して焼入れ時にオーステナイト粒の粗粒化を抑え、焼入れ性向上に有効な固溶Ｂが窒化物として消費されることを防止する。Ｎｂの添加効果は０.０１質量％以上でみられるが、旧オーステナイト粒の微細化には０.１質量％で十分である。
Ｂ：０.０００３〜０.０１質量％
必要に応じて添加される成分であり、焼入れ性，靭性の向上に有効な成分であり、０.０００３質量％以上でＢの添加効果がみられる。しかし、多量添加しても効果が飽和するので、Ｂ含有量の上限を０.０１質量％に設定した。
Ｘ値（Ｘ=３.５Ｍｎ+４.２Ｃｒ+３.３Ｍｏ+４.８Ｖ+０.６Ｎｉ）：３〜８
焼入れ性，焼戻し軟化抵抗に合金成分が及ぼす影響を表し指標であり、Ｘ値を３〜８の範囲に調整することにより刈刃基板の要求特性を満足する鋼材が得られる。３未満のＸ値では、焼入れ性が十分でなく、しかも所望の硬さに調質した場合に焼戻し温度が低くなってプレステンパーによる形状修正が困難になる。すなわち、園芸機械用刈刃は焼戻しと同時にプレステンパーによって形状修正するが、３未満のＸ値ではプレステンパー後に良好な形状が得られがたい。逆に８を超えるＸ値では、靭性，延性が低下する。
焼入れ性，焼戻し軟化抵抗に合金成分が及ぼす影響を表し指標であり、Ｘ値を３〜８の範囲に調整することにより刈刃基板の要求特性を満足する鋼材が得られる。３未満のＸ値では、焼入れ性が十分でなく、しかも所望の硬さに調質した場合に焼戻し温度が低くなってプレステンパーによる形状修正が困難になる。すなわち、園芸機械用刈刃は焼戻しと同時にプレステンパーによって形状修正するが、３未満のＸ値ではプレステンパー後に良好な形状が得られがたい。逆に８を超えるＸ値では、靭性，延性が低下する。
表１に示す鋼材を溶製し、仕上げ温度：８５０℃，巻取り温度：５７０℃の熱延で板厚２.５ｍｍの熱延板を製造した。熱延板に７３０℃×２０時間の焼鈍を施した後、８００〜８５０℃×均熱５分→水焼入れで焼き入れし、３０分の焼戻しで硬さを調質した。硬さは、焼戻し温度を２５０〜４５０℃の温度範囲で変更することにより調整した。
熱処理後の鋼材（板厚：２.５ｍｍ）から試験片を切り出し、曲げ試験，引張試験，衝撃試験，摩耗試験，プレステンパー試験に供した。
曲げ試験では、圧延方向に直交する方向に沿って採取した幅３０ｍｍ，長さ２００ｍｍの試験片を用い、Ｖブロック上に載置した試験片にポンチを押し当てて９０度曲げした。ポンチの先端半径によって試験片の曲げ半径を変え、ｎ＝５枚で割れなければ限界曲げ半径として評価した。そして、先端曲げ半径が７ｔ以下（ｔ：試験片の板厚）を割れのない刈刃基板と判定した。
曲げ試験では、圧延方向に直交する方向に沿って採取した幅３０ｍｍ，長さ２００ｍｍの試験片を用い、Ｖブロック上に載置した試験片にポンチを押し当てて９０度曲げした。ポンチの先端半径によって試験片の曲げ半径を変え、ｎ＝５枚で割れなければ限界曲げ半径として評価した。そして、先端曲げ半径が７ｔ以下（ｔ：試験片の板厚）を割れのない刈刃基板と判定した。
引張試験では、Ｌ方向に沿って採取したJIS 13号B試験片を用い、JIS Z2241に準拠した引張試験で０.２％耐力を測定した。０.２％耐力の測定値を剛性の指標とし、０.２％耐力：１４５０Ｎ／ｍｍ2以上を剛性の高い刈刃基板と判定した。
衝撃試験では、Ｃ方向に沿って採取した２ｍｍＶノッチ試験片をJIS Z2242に準拠して衝撃値を測定した。衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ2以上を靭性の高い刈刃基板と判定した。
衝撃試験では、Ｃ方向に沿って採取した２ｍｍＶノッチ試験片をJIS Z2242に準拠して衝撃値を測定した。衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ2以上を靭性の高い刈刃基板と判定した。
摩耗試験では、幅６０ｍｍ，長さ１００ｍｍの試験片を回転軸に装着し、径３ｍｍ，６５ＨＲＣのショットグリットを充填したドラム中に埋没させ、３００ｒｐｍの速度で回転させた。回転を２００時間継続した後、ドラムから取り出した試験片を重量測定した。試験前後の重量から試験片の摩耗減量を質量比として算出し、摩耗減量２.０質量％以下を耐摩耗性に優れた刈刃基板と判定した。
プレステンパー試験では、幅３０ｍｍ，長さ２００ｍｍの曲げ試験片を定盤で挟み、熱処理された試験片の平坦度をディプスゲージで測定した。試験片長さ２００ｍｍについて測定した高低差をもって平坦度とし、１.０ｍｍ以下の平坦度をプレステンパーによる形状修正が良好な刈刃基板と判定した。
プレステンパー試験では、幅３０ｍｍ，長さ２００ｍｍの曲げ試験片を定盤で挟み、熱処理された試験片の平坦度をディプスゲージで測定した。試験片長さ２００ｍｍについて測定した高低差をもって平坦度とし、１.０ｍｍ以下の平坦度をプレステンパーによる形状修正が良好な刈刃基板と判定した。
表２の試験結果にみられるように、本発明で規定した成分条件を満足する鋼Ｄ，Ｇ，Ｇ-2，Ｎ，Ｏ，Ｑから作製された刈刃基板は、５０ＨＲＣ以上の硬さでありながら何れも剛性，平坦度，靭性，延性が良好で、刃物として最も重要な特性である耐摩耗性にも極めて優れている。したがって、長期にわたって良好な切れ味を維持する園芸機械用刈刃として使用されることが判る。
これに対し、Ｃ量の低い鋼Ａから作製した刈刃基板は、強度，靭性，延性が良好であるものの、平坦度が悪く、耐摩耗性にも劣っていた。Ｃ，Ｍｎが不足しＸ値が低い鋼Ｂ，Ｋから作製した刈刃基板は、焼き入れ不良で調質硬さを確保できず、強度，剛性が不足し、耐摩耗性，平坦度にも劣っていた。また、鋼Ｋ-2では、調質硬さを確保するため低温で焼き戻した結果、平坦度が非常に悪化していた。Ｐ，Ｓ，Ｓｉを過剰に含む鋼Ｃ，Ｐ，Ｌから作製された刈刃基板は、鋼中介在物に起因して靭性，延性に劣っていた。Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏ等の過剰量を添加した鋼Ｅ，Ｆ，Ｈ，Ｉ，Ｍは、調質後の硬さが高いものの靭性，延性に劣っていた。Ｘ値が高すぎる鋼Ｊから作製された刈刃基板も、靭性，延性に劣っていた。成分的には本発明で規定した条件を満足しても調質硬さが低い鋼Ｇ-3，Ｌ-2から作製した刈刃基板は、低い調質硬さのため強度，剛性が不足し、耐摩耗性にも劣っていた。
以上に説明したように、本発明の園芸機械用刈刃は、５０ＨＲＣ以上の高硬度であるにも拘らず、靭性，延性に優れているため、使用中の破損やチッピングが抑制される。耐摩耗性にも優れているので長期にわたり良好な切れ味が維持され、小枝，茶葉等の刈込みが高い作業効率でしかも安全に行われる。
Claims (2)
- 駆動源からの動力を受けて前後方向又は左右方向に高速往復動する刈刃であり、Ｃ：０.５〜０.７質量％，Ｓｉ：０.５質量％以下，Ｍｎ：０.１〜２.０質量％，Ｃｒ：１.５質量％以下，Ｍｏ：０.５質量％以下及び／又はＶ：０.５質量％以下を含み、Ｘ＝３.５Ｍｎ＋４.２Ｃｒ＋３.３Ｍｏ＋４.８Ｖ＋０.６Ｎｉで定義されるＸ値が３〜８に調整された組成をもち、硬さ：５０ＨＲＣ以上に調質された熱処理鋼板で刈刃基板が作製されていることを特徴とする園芸機械用刈刃。
- 熱処理鋼板が更にＮｉ：０.１〜２.０質量％，Ｔｉ：０.０１〜０.１質量％，Ｎｂ：０.０１〜０.１質量％，Ｂ：０.０００３〜０.０１質量％の１種又は２種以上を含む請求項１記載の園芸機械用刈刃。
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