JP4510542B2

JP4510542B2 - 刃物及びその製造方法

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Publication number: JP4510542B2
Application number: JP2004222853A
Authority: JP
Inventors: 修高橋
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: JP2006037206A

Description

本発明は、耐食性、耐摩耗性、強度、靭性に優れてなおかつ非磁性である刃物及びその製造方法に関するものである。

従来、海水などの腐食環境下で使うダイバー用ナイフ、海釣り用ナイフなどの刃物は、ステンレス鋼、Ｔｉ合金、金属間化合物を析出させたＮｉ基合金などを用いて製造されていた（例えば、特許文献１参照）。

また、非磁性を必要とする刃物、例えば、磁気影響を嫌う磁気テープの裁断用刃物としては、セラミック、Ｔｉ合金、Ｔｉ合金へのイオンプレーティングなどの表面処理、ＮｉＴｉ金属間化合物を析出させたＮｉＴｉ合金刃物などが知られていた（例えば、特許文献２参照）。
特開平５−１１７８２８公報（第２項から第３項）特開平５−３１８３８０公報（第２項から第３項）

ステンレス鋼やＴｉ合金製刃物は、耐食性に優れているが硬度や強度が低く、すぐに切れ味が悪くなったり、折れ曲がったり、破断したりして、満足できるものではなかった。金属間化合物を析出させたＮｉ基合金を用いた刃物もあるが析出硬化処理時間が長くかかるなどの課題があった。

非磁性刃物として、セラミックは靭性が低いために刃が欠けやすく、Ｔｉ合金は硬度が不十分のために刃の磨耗が早く、Ｔｉ合金へのイオンプレーティングは硬化層が剥離しやすいなどの問題があった。また、ＮｉＴｉ金属間化合物を析出させたＮｉＴｉ合金刃物は、セラミックやＴｉ合金製刃物に比べ優れているが、さらなる硬度、強度の向上が求められていた。

本発明は、耐食性、引張り強度、靭性に優れてなおかつ非磁性である刃物を提供することを目的とする。

本発明に係る刃物は、Ｃｏ−Ｎｉ基合金を用いる。Ｃｏ−Ｎｉ基合金の組成は、質量％で少なくとも、Ｃｏ３０〜４０％、Nｉ３０〜３５％、Ｃｒ１８〜２６％、Mｏ６〜１１％、かつＮｂ又はＷの少なくとも一方を質量％で０≦Nｂ≦２％、０≦Ｗ≦８％の範囲で含む。

本発明は、前記Ｃｏ−Ｎｉ基合金を熱間圧延する工程と、溶体化処理する工程と、冷間塑性加工を施す工程と、時効処理する工程と、研磨する工程とからなる。

好ましくは、Ｃｏ−Ｎｉ基合金の冷間塑性加工の加工率は７０％以上である。

また、用途によっては刃物の刃先よりも峰の加工率が低くなるように塑性加工を施すことにより、刃先のみを高硬度にして、刃物全体は適度な靭性を有して刃物を破断し難くしても良い。

本発明によれば、従来の耐食性刃物に比べ、耐磨耗性、強度に優れているため、刃先が磨耗したり欠けたりし難く、強靭で破断し難い刃物を実現できる。例えば、ダイバー用、海釣り用のレジャーナイフなどとして適している。

また、本発明に係る刃物は非磁性であるため、非磁性を必要とする刃物、例えば、磁気テープの裁断用刃物に適している。磁気テープに磁気影響を与えず、耐摩耗性に優れて刃先の鋭利さを長く保つため、再研磨するまでの使用時間、すなわちランニングタイムを長くすることができる効果がある。

本発明に係る刃物に用いるＣｏ−Ｎｉ基合金の組成は、質量％で少なくとも、Ｃｏ３０〜４０％、Nｉ３０〜３５％、Ｃｒ１８〜２６％、Mｏ６〜１１％、ＮｂもしくはＷの少なくとも一方を含み、前記元素の質量％が０≦Nｂ≦２％、０≦Ｗ≦８％である。このＣｏ−Ｎｉ基合金は、硬度、強度、耐食性に優れ、非磁性である。この合金を好ましくは真空溶解にて溶製し、インゴットに鋳造する。そのインゴットを用いて鍛造、熱間圧延加工を行い、１１００℃〜１２００℃で溶体化処理し、その後、冷間塑性加工を施す。

この合金の母相はオーステナイト単一相であり、冷間塑性加工を施すことにより母相内に微細なΣ３変形双晶が形成され加工硬化させ、その後、時効処理を施すことによりひずみ時効硬化させて硬度、強度をさらに増大させる。この合金の母相は非常に安定したオーステナイト相であるために、冷間塑性加工を施しても加工誘起マルテンサイト相などのような磁性相の生成がない。加工硬化、時効硬化は全てオーステナイト相内で起こるので、非磁性を維持したまま強度を増大することができる。

刃物としての十分な硬度、強度を得るためには、７０％以上、好ましくは８０％以上の塑性加工を施す。ただし、加工率が高くなりすぎると靭性は低下してくるので、用途によっては刃物の峰の加工率が４０％以上、刃先の加工率が７０％以上になるように塑性加工を施す。刃先の加工率を峰の部分より高くすることにより、刃先のみを高硬度にして、刃物全体は適度な靭性を有して刃物を破断し難くくすることが可能である。

塑性加工は通常の圧延、鍛造などでよい。この合金は冷間塑性加工率を高めても加工誘起マルテンサイト相のような磁性相を生じることはない。その後、時効処理を施すことによりひずみ時効硬化して、さらに硬度、強度が増大する。ひずみ時効硬化は母相内で溶質原子が積層欠陥に偏析して転位を固着することにより硬化するものである。このように、冷間塑性加工や時効処理を施して合金の硬度や強度を刃物に適するまで増大させても、母相はオーステナイト相のままであり非磁性を維持する。時効処理は４００℃〜６５０℃、好ましくは５００℃〜６００℃の温度範囲で１〜２時間行う。４００℃未満の温度での時効処理では十分な時効硬化が得られず、６５０℃を越える温度での時効処理では焼鈍領域に入ってしまい硬度が低下するからである。時効処理後、各種刃物に適した形状に研磨して仕上げる。

なお、刃物全体を前記Ｃｏ−Ｎｉ基合金で作製しても良いし、Ｔｉ合金など他の非磁性耐食合金と組み合わせたクラッド構造にして刃先のみを前記Ｃｏ−Ｎｉ基合金にしても良い。

次に、合金の組成を前記の範囲とした理由を述べる。

Ｃｏ３０〜４０％、Ｎｉ３０〜３５％としたのは、安定したオーステナイト相を形成し、良好な塑性加工性と高い加工硬化能を得るための最適範囲であることによる。Ｃｒは耐食性を向上させる効果、及び積層欠陥エネルギーを低下させて加工硬化能を高める効果があるが、優れた耐食性を得るためには１８％以上必要であり、２６％を越えると金属間化合物のσ相を析出して脆くなる危険性があることから、１８〜２６％が最適範囲である。Ｍｏはオーステナイト相を固溶強化する効果、及びＣｒと共に用いることにより耐食性を向上させる効果がある。十分な効果を得るためには６％以上必要であるが、１１％を越えると金属間化合物のσ相を析出して脆くなる危険性があることから、６％〜１１％が最適範囲である。Ｎｂはひずみ時効硬化能を高める効果があるが、２％を越えると塑性加工性が低下するため、０≦Ｎｂ≦２％が最適範囲である。Ｗはオーステナイト相を固溶強化する効果があるが、８％を越えると塑性加工性が低下するため、０≦Ｗ≦８％が最適範囲である。

以下実施例により詳細に説明する。
（実施例１〜１４）
高周波誘導式の真空溶解炉を用いて各種組成のＣｏ−Ｎｉ基合金を溶製して２０ｋｇのインゴットを鋳造し、鍛造、溶体化、熱間圧延、焼鈍の工程を経た後、圧延加工率４０％、６０％、７０％、８０％の冷間圧延により厚さ２ｍｍに仕上げ、その後、３５０℃〜７５０℃の各温度で２時間の時効処理を行った。

表１に本発明に係る合金a〜合金iの組成を示す。

Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金、ＮｉＴｉ合金、Ｎｉ基合金（１４Ｃｒ−１６Ｍｏ−４Ｗ−５Ｆｅ−残Ｎｉ）を用いて作製した従来例１〜３の製造条件と各測定結果も合わせて表２に示す。

実施例１〜５は本発明に係るＣｏ−Ｎｉ基合金を用いており鋭利な刃物として望ましい硬度Ｈｖ５５０以上を示している。

実施例６〜１４は、圧延加工率が７０％以上で、かつ時効処理温度が４００℃〜６５０℃の間で２時間処理したものである。
実施例６〜１４は、実施例１〜５に比べ更に硬度が高く、特に鋭利な刃物として望ましい硬度Ｈｖ６５０以上を示していた。特に圧延加工率が８０％で、温度が５００℃、及び６００℃で2時間時効処理したものはＨｖ７００を越える高い硬度を示している。実施例６〜１４の引張り強さは全て２６００ＭＰａ以上の高い値を示している。従来例に比べて、硬度、引っ張り強さが高く、刃物として優れており、容易に刃が磨耗したり欠けたりしないことを示している。飽和磁束密度は０．０１ｋＧ前後の値を示しており非磁性である。

一方の従来例１、従来例２は硬度が低く刃物には不適である。従来例３は、硬度は高いものの引張り強さが弱く、やはり刃物に適していない。
（実施例１５）
曲げ負荷に対しての破断し難さを重視した刃物が実施例１５である。
実施例１５として、合金ｂ製の厚さ６ｍｍの焼鈍材を用いて、冷間圧延により図１に示す厚さイ（３．６ｍｍ）、厚さハ（１．８ｍｍ）、幅ロ（２０ｍｍ）の楔形断面の異形材に加工した。
イ：楔形刃物の峰の厚さ
ロ：楔形刃物の幅
ハ：楔形刃物の刃先の厚さ
ニ：楔形刃物の峰の断面硬度測定部
ホ：楔形刃物の峰と刃先の中間の断面硬度測定部
ヘ：楔形刃物の刃先の断面硬度測定部
このときのイの圧延加工率は４０％で、ハの圧延加工率は７０％である。その後、５００℃で２時間時効処理を施し、研磨して楔形断面の刃物に仕上げた。刃物の楔形断面における峰付近ニ部、峰と刃先の中間付近ホ部、刃先付近ヘ部の硬度（Ｈｖ）、および刃物を刃物の長手方向と直角に９０度折り曲げたときの破断の有無を表３に記した。実施例１５は、刃先付近の硬度はＨｖ７２５と刃物として十分の硬度になっているが、峰部付近の硬度はＨｖ４６６と低いため、９０度曲げに対して柔軟性があり破断しなかった。比較として前述の実施例８の刃物について同様の折り曲げを行ったが、こちらは破断してしまった。刃物の刃先よりも峰の加工率が低くなるように塑性加工を施すことにより、刃先のみを高硬度にして刃物全体は適度な靭性を有することにより、刃物の硬度と折れ難さを両立した。

（実施例１６）
刃先のみを本発明のＣｏ−Ｎｉ基合金で作り、残りの刃物の部分をＴｉ合金と組み合わせたクラッド構造にしたものが実施例１６である。図２に実施例１６の断面図を示す。刃物１の先端の刃先２が本発明のＣｏ−Ｎｉ基合金で作られており、残りの刃物の部分をＴｉ合金作製した。高耐食性であり、かつ非磁性の刃物が得られた。

本発明の刃物の断面図である。本発明の刃物の断面図である。

符号の説明

１刃物
２刃先

Claims

合金の組成がＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの元素を含み、前記合金の組成の質量％がＣｏ３０〜４０％、Nｉ３０〜３５％、Ｃｒ１８〜２６％、Mｏ６〜１１％、及びＮｂ、Ｗのうち一種類以上の元素を質量％で各々、Nｂ≦２％、Ｗ≦８％の範囲で含み、残部が不可避不純物よりなるＣｏ−Ｎｉ基合金を用いて、熱間圧延する工程と、溶体化処理する工程と、冷間塑性加工を施す工程と、時効処理する工程と、研磨する工程を含む刃物の製造方法であって、
前記冷間塑性加工は、前記刃物の刃先よりも峰の加工率を低く加工し、前記刃先の冷間塑性加工率は７０％以上であり、前記峰の冷間塑性加工率は４０％以上であることを特徴とする刃物の製造方法。
前記時効処理を行う工程は、時効処理温度が４００℃〜６５０℃で１〜２時間行うことを特徴とする請求項１に記載の刃物の製造方法。
前記時効処理を行う工程は、時効処理温度が５００℃〜６００℃で１〜２時間行うことを特徴とする請求項１に記載の刃物の製造方法。
合金の組成がＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの元素を含み、前記合金の組成の質量％がＣｏ３０〜４０％、Nｉ３０〜３５％、Ｃｒ１８〜２６％、Mｏ６〜１１％、及びＮｂ、Ｗのうち一種類以上の元素を質量％で各々、Nｂ≦２％、Ｗ≦８％の範囲で含み、残部が不可避不純物よりなるＣｏ−Ｎｉ基合金を用いた刃物であって、
前記刃物の合金母相がオーステナイト単一相であり、母層内に微細な変形双晶が形成されていることを特徴とする刃物。
前記刃物の刃先の硬度が峰の硬度よりも高いことを特徴とする請求項４に記載の刃物。
硬度が５５３Ｈｖから７２８Ｈｖである請求項４または５に記載の刃物。
引張り強さが２４１３ＭＰａから２７１４ＭＰａである請求項４から６のいずれか一項に記載の刃物。
飽和磁束密度が０．００８ｋＧから０．０１３ｋＧである請求項４から７のいずれか一項に記載の刃物。
前記刃物の刃先部分以外の両側面にＴｉ合金を組み合わせてクラッド構造としたことを特徴とする請求項４から請求項８のいずれか一項に記載の刃物。