JP6304025B2 - 炭素工具鋼鋼帯 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
2 圧延面
3 観察面
Claims (4)
- 質量%で、C:0.8〜1.2%、Si:0.1〜0.35%、Mn:0.1〜0.5%、Cr:0.05〜0.3%、残部はFe及び不純物からな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の冷間圧延材に、焼入れ温度850〜940℃で20〜170秒の焼入れを行い、
次いで、焼戻し温度310〜400℃で30〜300秒の焼戻しを行って、
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%の炭素工具鋼鋼帯とする炭素工具鋼鋼帯の製造方法。 - 前記円相当径で0.5μm以上の炭化物の面積率が1.50〜4.00%である請求項1に記載の炭素工具鋼鋼帯の製造方法。
- 前記炭素工具鋼鋼帯の厚さが0.1〜0.5mmである請求項1または請求項2に記載の炭素工具鋼鋼帯の製造方法。
- 前記炭素工具鋼鋼鋼帯の表面粗さが、JIS−B−0601で規定される十点平均粗さ(Rz)で0.5μm以下、算術平均粗さ(Ra)で0.08μm以下である請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の炭素工具鋼鋼帯の製造方法。
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