JP2017155262A

JP2017155262A - 園芸機械用刃物

Info

Publication number: JP2017155262A
Application number: JP2016037683A
Authority: JP
Inventors: 勝藤原; Masaru Fujiwara; 大宮脇; Masaru Miyawaki; 寛典久保; Hironori Kubo
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2017-09-07

Abstract

【課題】耐摩耗性および靭性が良好な園芸機械用刃物を提供する。【解決手段】０．６０質量％以上１．２５質量％以下のＣ、０．５０質量％以下のＳｉ、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のＭｎ、０．０３質量％以下のＰ、０．０３質量％以下のＳ、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のＣｒ、および、０．１０質量％以上０．５０質量％以下のＮｂを含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼板で形成されている。また、粒子径０．５μｍ以上のＮｂ含有炭化物が、３０００個／ｍｍ２以上９０００個／ｍｍ２以下の密度でマトリックス中に存在する。【選択図】なし

Description

本発明は、耐摩耗性および靭性に優れる園芸機械用刃物に関する。

例えば、家庭、公園、道路分離帯、茶畑およびゴルフ場等にて、植物の幹や枝の切断または剪定に用いられるヘッジトリマおよびバリカン等の園芸機械用の刃物は、草刈等に用いられる刃物（草刈刃）より切れ味および耐摩耗性が要求される。そのため、園芸機械用刃物に用いられる鋼板は、焼入れおよび焼戻しを行うことによって、草刈刃より硬質な５０〜５３ＨＲＣに調質される。

なお、近年、南方系の比較的軟らかい木から、北方系の針葉樹へ転換される傾向があり、このような北方系の針葉樹を切断または剪定する場合は、南方系の木よりも、刃先への負担が増大して摩耗が生じやすい。

一方、園芸機械用刃物は、使用中に外壁、石および幹等との接触による刃欠けや折損を防止するために、耐摩耗性とは相反する靭性も要求されている。

そして、靭性を向上するために、切れ味や耐摩耗性を犠牲にして、硬さやＣ量を低下しているのが現状であり、摩耗した刃物は再研磨して繰り返し使用することが多い。

この種の園芸機械用刃物としては、例えば特許文献１ないし５に示すものが知られている。

特許文献１では、成分を所定の範囲（例えばＣ：０．６〜１．０質量％およびＮｂ：０．１〜０．５質量％等）で調整し、粒子径２μｍ以上のＮｂ含有炭化物が３００〜１０００個／ｍｍ^２となるようにコントロールすることで、耐摩耗性と靭性のバランスを調整している。

特許文献２では、成分を所定の範囲（例えばＣ：０．６〜１．３質量％およびＮｂ：０．３質量％以下等）で調整し、未溶解θ体積率を規定することで、硬さを維持しながら、衝撃特性を向上させている。

特許文献３では、成分を所定の範囲（例えばＣ：０．５〜０．７質量％等）で調整し、プレステンパーによる形状修正の指標をＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＶおよびＮｉの含有量に基づく計算値であるＸ値で規定することで、硬さを維持しながら、所定の靭性および延性を確保している。

特許文献４では、成分を所定の範囲（例えばＣ：０．４〜０．７５質量％およびＮｂ：０〜０．５質量％等）で調整し、旧オーステナイト粒径が１５μｍ以下で、円相当径１．５μｍ以上の未溶解炭化物が０．１ｍｍ^２あたり４０個以下とすることで、耐摩耗性および靭性のバランスを調整している。

特許文献５では、硬さを５９ＨＲＣ以上とし、Ｍ_６Ｃ型の未溶解炭化物により耐摩耗性を向上させている。

特開２０１０−１３８４５３号公報特開２００６−６３３８４号公報特開２００５−１７１３０３号公報特開２００９−１６１８０９号公報特開平８−２４６１０３号公報

上述のように、園芸機械用刃物では、耐摩耗性および靭性の両方が要求されているが、特許文献１ないし５のいずれも、良好な耐摩耗性および靭性の両立が困難であり、耐摩耗性および靭性が良好な園芸機械用刃物が求められていた。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、耐摩耗性および靭性が良好な園芸機械用刃物を提供することを目的とする。

請求項１に記載された園芸機械用刃物は、Ｃ：０．６０質量％以上１．２５質量％以下、Ｓｉ：０．５０質量％以下、Ｍｎ：０．３０質量％以上１．２０質量％以下、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｃｒ：０．３０質量％以上１．５０質量％以下およびＮｂ：０．１０質量％以上０．５０質量％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、粒子径０．５μｍ以上のＮｂ含有炭化物が、３０００個／ｍｍ^２以上９０００個／ｍｍ^２以下の密度でマトリックス中に存在するものである。

請求項２に記載された園芸機械用刃物は、請求項１記載の園芸機械用刃物において、Ｔｉ：０質量％（無添加を含む。）以上０．５０質量％以下およびＢ：０質量％（無添加を含む。）以上０．００５質量％以下を含有するものである。

請求項３に記載された園芸機械用刃物は、請求項１または２記載の園芸機械用刃物において、Ｍｏ：０質量％（無添加を含む。）以上０．５０質量％以下、Ｖ：０質量％（無添加を含む。）以上０．５０質量％以下およびＮｉ：０質量％（無添加を含む。）以上２．０質量％以下のうちの少なくとも１種を含有するものである。

請求項４に記載された園芸機械用刃物は、請求項１ないし３いずれか一記載の園芸機械用刃物において、植物の幹および枝の剪定に用いられるものである。

本発明によれば、成分の範囲において、粒子径０．５μｍ以上のＮｂ含有炭化物が、３０００個／ｍｍ^２以上９０００個／ｍｍ^２以下の密度でマトリックス中に存在するため、耐摩耗性および靭性を向上できる。

衝撃試験に用いる衝撃試験片の形状を示す模式図である。

以下、本発明の一実施の形態の構成について詳細に説明する。

一実施の形態に係る園芸機械用刃物は、０．６０質量％以上１．２５質量％以下のＣ（炭素）、０．５０質量％以下のＳｉ（ケイ素）、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のＭｎ（マンガン）、０．０３質量％以下のＰ（リン）、０．０３質量％以下のＳ（硫黄）、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のＣｒ（クロム）、および、０．１０質量％以上０．５０質量％以下のＮｂ（ニオブ）を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼板で形成されている。

また、必要に応じて、０質量％（無添加を含む。）以上０．５０質量％以下のＴｉ（チタン）、および、０質量％（無添加を含む。）以上０．００５質量％以下のＢ（ホウ素）を含有することが好ましい。

さらに、必要に応じて、０質量％（無添加を含む。）以上０．５０質量％以下のＭｏ（モリブデン）、０質量％（無添加を含む。）以上０．５０質量％以下のＶ（バナジウム）および０質量％（無添加を含む。）以上２．０質量％以下のＮｉ（ニッケル）のうちの少なくとも１種を含有することが好ましい。

Ｃは、鋼板の強度の向上に必要な元素であり、園芸機械用刃物に使用するためには０．６０質量％以上添加する必要がある。しかし、Ｃの含有量が１．２５質量％を超えると粗大な未溶解炭化物が多くなり、衝撃特性などの劣化要因となってしまう可能性がある。したがって、Ｃの含有量は、０．６０質量％以上１．２５質量％以下とする。

Ｓｉは、製鋼段階で脱酸材として添加されるが、無添加でも脱酸不良は生じない。また、Ｓｉの含有量が多くなると靭性が劣化し、０．５０質量％を超えると園芸機械用刃物に使用するための靭性を確保できない可能性がある。したがって、Ｓｉの含有量は、０．５０質量％以下（無添加を含む。）とし、好ましくは０．３０質量％以下である。

Ｍｎは、鋼の焼入性向上に有効な元素であり、含有量が０．３０質量％未満では焼入性を十分に向上できない。しかし、Ｍｎを１．２０質量％を超えて多量に添加すると、硬質化を招き、製造性や靭性を損なう原因となる。したがって、Ｍｎの含有量は、０．３０質量％以上１．２０質量％以下とする。

ＰおよびＳは、どちらも靭性に悪影響を及ぼすので、できるだけ含有量が少ないほうが好ましい。したがって、Ｐの含有量およびＳの含有量は、いずれも０．０３質量％以下とする。

Ｃｒは、鋼の焼入性を向上させる作用、鋼板の強度を向上させる作用、鋼板の耐摩耗性を向上させる作用、および、焼鈍の際におけるセメンタイトの粗大化を抑制する作用を奏する元素である。そして、Ｃｒによる上記各作用を奏するには、Ｃｒの含有量を０．３０質量％以上とする必要がある。しかし、Ｃｒは焼入処理の加熱保持においてセメンタイトの溶体化を妨げるという悪影響を及ぼす場合があり、Ｃｒの含有量が１．５０質量％を超えると、焼入処理の際の未溶解セメンタイト量を増大させる要因となりうる。したがって、Ｃｒの含有量は、０．３０質量％以上１．５０質量％以下とする。

Ｎｂは、鋳造後の冷却過程にて鋼中に非常に硬質なＮｂ含有炭化物を形成し、耐摩耗性、特に耐アブレシブ摩耗性の向上に寄与する。また、Ｎｂは、焼入の際の結晶粒を微細化させて、靭性の向上に寄与する。Ｎｂによるこれら各作用を奏するには、Ｎｂの含有量を０．１０質量％以上とする必要がある。しかし、Ｎｂを多量に添加すると、Ｎｂ含有炭化物が過剰に生成され、このＮｂ含有炭化物が破壊の起点および亀裂伝播経路となり、靭性が劣化する要因となる。また、Ｃ含有レベルが比較的高い用途において調質熱処理後の良好な靭性を確保するには、Ｎｂの含有量を０．５０質量％以下に抑えることが重要である。したがって、Ｎｂの含有量は、０．１０質量％以上０．５０質量％以下とする。

Ｔｉは、Ｎｂと同様に鋳造後の冷却過程にて鋼中に非常に硬質なＴｉ含有炭化物を形成し、耐摩耗性に寄与する。また、熱間圧延の際などに再固溶し、熱間圧延中または冷却中に析出したＴｉＣは焼入の際に結晶粒を微細化し、靭性の向上に寄与する。さらに、ＴｉとＮとの結合力が強いため、Ｂを添加した場合にＢＮの生成を防止し、Ｂの焼入性向上作用を引き出すうえで有効である。したがって、必要に応じてＴｉを添加することが好ましく、Ｔｉによる上記各作用を奏するには、Ｔｉの含有量を０．０１質量％以上とすると効果的である。しかし、Ｔｉの含有量が０．５０質量％を超えると、Ｔｉ系炭化物が鋼板中に多量に存在して靭性劣化を招きやすい。したがって、Ｔｉを含有させる場合のＴｉの含有量は、０質量％（無添加を含む。）以上０．５０質量％以下とする。

Ｂは、焼入性の向上に有効な元素であり、必要に応じて添加することが好ましい。この焼入性向上作用を奏するには、Ｂの含有量を０．０００３質量％以上とすると効果的である。なお、Ｂによる焼入性向上作用は、Ｂの含有量が０．００５質量％にて飽和する。したがって、Ｂを含有させる場合のＢの含有量は、０質量％（無添加を含む。）以上０．００５質量％以下とする。

ＭｏおよびＶは、いずれも靭性向上に有効な元素であり、必要に応じて添加することが好ましい。ＭｏおよびＶによる靭性向上作用を奏するには、含有量をそれぞれ０．１０質量％以上とすると効果的である。しかし、ＭｏおよびＶは、比較的高価な元素であり、過剰な添加はコストの上昇を招くため、Ｍｏを含有させる場合のＭｏの含有量は、０質量％（無添加を含む。）以上０．５０質量％以下とし、Ｖを含有させる場合のＶの含有量は、０質量％（無添加を含む。）以上０．５０質量％以下とする。

Ｎｉは、焼入性および低温靭性の向上に有効な元素であり、必要に応じて添加することが好ましい。Ｎｉによる焼入性向上作用および低温靭性向上作用を奏するには、Ｎｉの含有量を０．１０質量％以上にすると効果的である。しかし、Ｎｉの過剰添加は経済性を損ねる要因となるため、Ｎｉを添加する場合のＮｉの含有量は、０質量％（無添加を含む。）以上２．０質量％以下とする。

上記範囲で成分が調整された鋼板を園芸機械用刃物として耐摩耗性を向上させるためには、Ｎｂを含有する炭化物による作用を利用する。なお、Ｔｉを含有する場合にはＴｉの炭化物も耐摩耗性の向上に有効である。ただし、園芸機械用刃物に使用するための靭性を確保するためには、炭化物の粒径を制御する必要がある。

具体的には、調質熱処理後の最終的な部材である園芸機械用刃物は、ＮｂまたはＮｂとＴｉとを含有する粒子径０．５μｍ以上のＮｂ含有炭化物が、３０００個／ｍｍ^２以上９０００個／ｍｍ^２以下の密度でマトリックス中に存在する金属組織であると、耐摩耗性が向上するとともに、靭性を損なう弊害を回避できる。

なお、Ｎｂを含有する炭化物とは、ＮｂＣを主成分とする硬質炭化物であり、ＮｂとＴｉとを含有する炭化物とは、（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｃ等を主成分とする硬質炭化物である（以下、これらのＮｂを含有する炭化物やＮｂとＴｉとを含有する炭化物を硬質炭化物とする。）。

鋼中に含有される析出粒子が硬質炭化物に該当するか否かは、ＥＤＸ等による微視的分析によって確認できる。また、このように確認した硬質炭化物について、それぞれの面積を測定して同じ面積を有する真円の直径を算出し、この直径を硬質炭化物の粒子径とする。

鋼中の硬質炭化物は、粒子径０．５μｍ以上のものが３０００個／ｍｍ^２未満であると、硬質炭化物による耐摩耗性向上作用が不十分で、園芸機械用刃物として十分な耐摩耗性を確保できない可能性がある。また、粒子径０．５μｍ以上の硬質炭化物が９０００個／ｍｍ^２より多いと、これら硬質炭化物が破壊の起点および亀裂伝播経路となって靭性劣化の原因となってしまう。したがって、園芸機械用刃物は、粒子径０．５μｍ以上の硬質炭化物（Ｎｂ含有炭化物）が、３０００個／ｍｍ^２以上９０００個／ｍｍ^２以下の密度でマトリックス中に存在するものとする。

そして上記園芸機械用刃物は、草刈等に用いられるものとは異なり、例えば、家庭および農業全般において、木の幹および枝等の剪定や、造園等のガーデニングを行う際に用いられるヘリッジトリマおよびバリカン等に用いられる。

次に、上記園芸機械用刃物の製造方法を説明する。

園芸機械用刃物に用いられる鋼板は、鋳造、熱間圧延および冷間圧延、調質熱処理を経て製造される。

鋳造工程では、冷却過程において鋼中に硬質炭化物を析出させる。この析出する硬質炭化物の粒子径および密度を調整するには、Ｃ含有量と、Ｎｂ含有量と、鋳造の際の冷却速度とを厳密に制限することが重要である。

このように製造された鋼板を園芸機械用刃物に加工する。園芸機械用刃物の代表例として、ヘッジトリマ刃の製造方法の一例を説明する。

まず、鋼板をレーザーカットまたは打抜き加工により、所定の形状に加工する。

所定形状に加工した鋼板を、８３０℃で５〜１０分加熱し油冷した後、プレステンパー処理を施す。

プレステンパー処理は、鋼板を２０〜５０枚重ねた状態で、２００〜５００ｋｇの荷重を加えた状態で、３００℃で３〜８時間保持する。

そして、グラインダ等にて刃先形状を成形し、Ｃｒめっきを施して、ヘッジトリマ刃とする。

次に、上記一実施の形態の効果を説明する。

上記一実施の形態に係る園芸機械用刃物によれば、上記成分の範囲において、Ｎｂを含有する粒子径０．５μｍ以上の硬質炭化物が、３０００個／ｍｍ^２以上９０００個／ｍｍ^２以下の密度でマトリックス中に存在するため、Ｎｂを含有する硬質炭化物による耐摩耗性向上作用を確保できるとともに、硬質炭化物の過剰生成による靭性の劣化を防止できる。したがって、耐摩耗性および靭性が良好である。

また、必要に応じてＴｉを含有させることにより、Ｔｉを含有する硬質炭化物による耐摩耗性向上作用および靭性向上作用で、耐摩耗性および靭性を向上できる。

さらに、必要に応じてＢを含有させることにより、焼入性を向上できる。なお、Ｂを含有させる場合には、Ｔｉを含有させることによりＢとＮとの結合によるＢＮの生成を防止でき、Ｂによる焼入性向上作用を奏しやすい。

また、必要に応じてＭｏ、ＶおよびＮｉの少なくとも１種を含有させることにより、靭性や焼入性や低温靭性を向上できる。

以下、本実施例および比較例について説明する。

表１には、園芸機械用刃物の母材となる鋼板の化学成分を示す。

表１に示す各鋼スラブを溶製し、溶融および凝固実験用の３０ｋｇ鋼塊を切り出した。また、その鋼塊をるつぼ炉中で溶融させて溶鋼とし、鋳片を模擬した凝固塊（模擬鋳片）を得た。

各模擬鋳片を用いて、熱間圧延、焼鈍、冷延、および焼鈍の順に処理し、板厚２．２ｍｍの摩耗試験片および衝撃試験片を製造した。

さらに、摩耗試験片および衝撃試験片を調質熱処理によって、調質硬さ５０〜５３ＨＲＣに調質した。

なお、熱間圧延は、加熱温度を１２５０〜１３５０℃として６０分保持後、仕上温度を８５０℃とし、巻取温度を５９０℃として、熱延板厚３．５ｍｍ（研削加工にて３．０ｍｍに調整）の熱延板を得た。焼鈍では、６９０℃に加熱し、１８時間保持した。

調質熱処理は、調質熱処理は、既に調整されている硬質炭化物の分布状態が崩れることがないように溶体化温度を１０００℃以下とする以外は、一般的な条件で行った。具体的には、８３０℃で１５分加熱処理した後、６０℃に油冷して、調質硬さが５０〜５３ＨＲＣの調質材を得た。

ここで、調質熱処理前の鋼板について、圧延方向および板厚方向に平行な断面（Ｌ断面）を鏡面研磨した後、村上試薬（赤血塩のアルカリ溶液）にてエッチングし、共焦点レーザ顕微鏡にて観察した。また、その画像を処理して、視野面積中に存在するＮｂ含有炭化物（硬質炭化物）の数量を測定し、その存在密度を算出した。

Ｎｂを含有する硬質炭化物は、観察面積９０×６０μｍで２０視野中に存在する粒子径０．５μｍ以上の粒子の個数をカウントして、１ｍｍ^２あたりの個数に換算した。このＮｂ含有炭化物の個数（個／ｍｍ^２）の測定結果を表２に示す。

なお、粒径は粒子面積の円相当径の値であり、粒径０．５μｍ以上の粒子を画像処理にてピックアップした。

摩耗試験は、φ５ｍｍで酸化スケールを除去した摩耗試験片を用いて、ピンオンディスク型摩耗試験機にて行った。

また、摩耗試験では、摩耗材として♯４００のエメリー紙（炭化ケイ素）を用い、試験荷重を２０Ｎとし、摩擦速度を０．６６ｍ／秒とし、摩擦距離を３００ｍとした。

そして、摩耗試験前後に摩耗試験片の板厚差に基づいて、摩耗によって消失した材料の体積を算出して、摩耗減量Ｗ（ｍｍ^３）とした。

また、比摩耗量（ｍｍ^３／Ｎ・ｍ）＝摩耗減量Ｗ／（試験荷重Ｆ×摩擦距離Ｌ）の式から算出した比摩耗量が１．５×１０^−４ｍｍ^３／Ｎ・ｍ以下のものを、園芸機械用刃物として耐摩耗性が良好である（合格）と評価した。この耐摩耗試験の結果を表２に示す。

靭性は金属材料のシャルピー衝撃試験方法（ＪＩＳＺ２２４２）で評価した。衝撃試験片には、板厚が２．２ｍｍ、幅方向の長さが１０ｍｍ、長手方向の長さが５５ｍｍ、長手方向中心部に深さが２ｍｍ、先端部１ｍｍのＲのＵノッチを設けた。図１に試験片形状の模式図を示す。そして、このような試験片を用いて、シャルピー衝撃試験を実施し、衝撃値が３０Ｊ・ｃｍ^−２以上のものを、園芸機械用刃物としての靭性（衝撃特性）が良好である（合格）と評価した。この衝撃試験の結果を表２に示す。

表２に示すように、所定の成分の範囲にて、粒径０．５μｍ以上の硬質炭化物（Ｎｂ含有炭化物）の個数が３０００〜９０００個／ｍｍ^２に調整した本実施例は、いずれも耐摩耗性に優れているとともに、靭性に優れ高い衝撃特性を有していた。

比較例であるＮｏ．２１、Ｎｏ．２２、Ｎｏ．２６〜３２は、Ｎｂを含有していないため、Ｎｂ含有炭化物が存在せず、耐摩耗性が著しく低かった。

比較例であるＮｏ．２３は、Ｎｂの含有量が少なかったため、Ｎｂ含有炭化物の個数が３０００個／ｍｍ^２未満であり、耐摩耗性が不十分であった。

比較例であるＮｏ．２４およびＮｏ．２５は、Ｎｂの含有量が過剰であるため、Ｎｂ含有炭化物が過剰に残存し、衝撃特性が著しく低かった。

Claims

Ｃ：０．６０質量％以上１．２５質量％以下、Ｓｉ：０．５０質量％以下、Ｍｎ：０．３０質量％以上１．２０質量％以下、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｃｒ：０．３０質量％以上１．５０質量％以下およびＮｂ：０．１０質量％以上０．５０質量％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
粒子径０．５μｍ以上のＮｂ含有炭化物が、３０００個／ｍｍ^２以上９０００個／ｍｍ^２以下の密度でマトリックス中に存在する
ことを特徴とする園芸機械用刃物。
Ｔｉ：０質量％（無添加を含む。）以上０．５０質量％以下およびＢ：０質量％（無添加を含む。）以上０．００５質量％以下を含有する
ことを特徴とする請求項１記載の園芸機械用刃物。
Ｍｏ：０質量％（無添加を含む。）以上０．５０質量％以下、Ｖ：０質量％（無添加を含む。）以上０．５０質量％以下およびＮｉ：０質量％（無添加を含む。）以上２．０質量％以下のうちの少なくとも１種を含有する
ことを特徴とする請求項１または２記載の園芸機械用刃物。
植物の幹および枝の剪定に用いられる
ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか一記載の園芸機械用刃物。