JPH08260093A

JPH08260093A - 溶接部の疲労強度に優れたメタルバンドソー胴材およびメタルバンドソー

Info

Publication number: JPH08260093A
Application number: JP7065522A
Authority: JP
Inventors: Katsuaki Fukushima; 捷昭福島; Yoshihiro Minaki; 義博三奈木; Kunio Taira; 邦夫平
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1995-03-24
Filing date: 1995-03-24
Publication date: 1996-10-08
Also published as: CN1132261A; CN1043478C; KR0175178B1; KR960033623A

Abstract

(57)【要約】【目的】胴材本体の高い疲労強度を確保すると共に、
特に溶接部および熱影響部の疲労強度が良好なメタルバ
ンドソー胴材およびメタルバンドソーを提供する。【構成】重量％でＣ 0.40〜0.50%、Ｓi 1.0%以下、Ｍ
n 1.5%以下、Ｃr 1.0〜1.5%、ＭoとＷの１種または２種
をＭo＋1/2Ｗで0.5〜0.9%、Ｖ 0.1〜0.5%、Ａl 0.01〜
0.1%を含み、残部Ｆeおよび不純物からなることを特徴
とする溶接部の疲労強度に優れたメタルバンドソー胴材
であり、上記組成にＮb 0.2%以下を添加することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速度鋼を刃材とし、
この刃材と溶接されるメタールバンドソー胴材およびメ
タルバンドソーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】メタルバンドソーは、高速度鋼刃材と低
廉な低級鋼の胴材を電子ビーム溶接、レザービーム溶
接、イナートガス溶接等を施して高価な高速度鋼の節約
が計られ、刃材と胴材を一体とした後、刃切りおよび刃
材の高速度鋼に合わせた熱処理、つまり約1200〜1220℃
の焼入れ、540〜570℃付近の焼戻しが行なわれる。胴材
としては、高速度鋼と同一熱処理を施しても、結晶粒の
粗大化等がなく、靭性が高く、疲労強度が高いことが望
まれる。この要求に対して本願特許出願人は、高速度鋼
と同一熱処理条件においても十分な特性が確保できる材
質を検討し、特公昭49-16008号、特公昭54-5366号、特
公昭55-32778号、特公昭56-11744号、特公昭59-10991
号、特公昭61-12022号、特開平02-115353号、特開平04-
354852号に開示された新しい合金鋼を開発し、実用化し
てきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】通常メタルバンドソー
は、刃材と胴材を溶接し、次いで刃切りを行なった後、
熱処理された帯状の胴材の両端同士を突き合わせて溶接
を行ない、エンドレス状にしたうえで、溶接部を局部的
に焼なましを行ない仕上げられる。メタルバンドソーの
作動は、切断機に設けられた２つのホイール間を回転し
ながらホイール間に固持された被切断材（主として鋼
材）を切断するものである。メタルバンドソーには、被
切断材に切曲りがないように、ホイール間に張力が負荷
されると同時に、駆動時にはホイールに沿って繰返し曲
げ応力を受ける。また、ホイールは水平に対して傾斜し
ており、メタルバンドソーにはホイールの傾斜に応じた
ねじり応力も受ける。したがって、メタルバンドソー胴
材は、駆動中に引張応力と曲げ応力、およびねじりの繰
返し応力を受ける過酷な条件にさらされる。特に最近の
鋸盤においては、切り曲り防止、コンパクト化、切断能
力の向上等のため、メタルバンドソーにかかる応力はさ
らに大きくなってきた。

【０００４】本願特許出願人は、これ等の過酷な応力に
対し高い疲労強度を得る胴材として、前述の各公報に示
された鋼を開発し実用化してきた結果、メタルバンドソ
ーの破断寿命は大幅な改善が行なわれた。しかし、最近
のメタルバンドソーは、胴材本体の開発が進められた結
果、胴材自身の疲労強度が向上した反面、エンドレス状
に溶接した溶接部（より詳しくは溶着部と、その周辺部
である熱影響部：以下代表して溶接部と記す）の破断が
50%を占めるに至っているのが現状である。一般に、メ
タルバンドソーをエンドレス状に溶接するには、胴材の
両端同士を突合せ、強電流を通じて溶融・強圧して溶着
接合させるバット溶接を行なった後、短時間の低温焼な
ましが行なわれる。この溶接部の疲労強度を良好に保つ
ためには、溶接部の健全性が重要である。

【０００５】前述のように、メタルバンドソーをエンド
レス状に溶接するには、同じ材料の胴材の両端同士が互
いに溶け合って溶着させるが、バット溶接部の特性は、
胴材の組成に大きく左右される。発明者は、胴材の疲労
強度を低下させないで、刃材と胴材との溶接時にブロー
ホールの発生がなく、さらに胴材の両端を溶接してエン
ドレス状にする時のバット溶接部の健全性、つまり溶接
に続く短時間低温焼なまし後に、胴材本体の硬さと溶接
部の硬さとの硬度差が小さくなる組成の組合せが重要で
あることに着目して開発を行なった。

【０００６】以下、特に断りがない場合には、溶接部と
は胴材の両端同士の接合部を意味する。上記溶接部をよ
り詳しく観察すると、溶接後の溶接部には、溶融層、前
記溶融層に近接して溶融熱の影響が最も大きい再焼入
層、および前記再焼入れ層周辺の高温焼戻し層の各層が
存在し、それぞれ異なった硬さ分布を示す。そして、溶
接に続いて、実施される局部的な短時間焼なましによ
り、上記の各層は軟化して硬さが低下する。その際、最
も望ましい状態は、適正な硬さに調整された胴材本体の
硬さと、上記の各層間の硬さレベルが揃い、しかも微小
部分の硬さのバラツキを小さくすることである。

【０００７】このような観点から、従来のメタルバンド
ソー胴材の開発材を見直してみると、主として胴材本体
の強化や疲労強度の改善に注力され、高合金化の方向に
進んだ結果、溶接条件や局部の焼なまし条件を調整して
胴材本体の硬さと胴レベルの硬さにしても、溶接部の各
層間の微小部分には、硬さにバラツキが生じ、溶接部の
早期破損の原因になっていたことがわかった。本発明の
目的は、胴材本体の高い疲労強度を確保すると共に、特
に溶接部の硬度差が胴材本体の平均硬さと同等でバラツ
キが小さく、疲労強度が良好なメタルバンドソー胴材お
よびメタルバンドソーを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の溶接部の疲労強
度に優れたメタルバンドソー胴材は、刃材の高速度鋼と
同一条件の熱処理により、少なくともビッカース硬さ45
0HV以上を確保し、かつ高い疲労強度を示すことが必要
である。そのために胴材は、高温の焼入れに対しても、
結晶粒の粗大化が抑制でき、かつ高速度鋼の焼戻し条件
である540〜570℃付近の焼戻しを行なった後に、450〜5
50HVの硬さが得られる化学組成が求められている。本発
明ではさらに、前記熱処理後の胴材の両端をバット溶接
し、次いで低温短時間の局部焼なましされた状態の溶接
部が健全であること、また胴材本体と溶接部の硬度差を
最小とするためには、上述した胴材本体の熱処理条件と
硬さ特性を同時に満足させる組成だけでは達成できず、
さらに厳しい成分組成の制限が必要である。

【０００９】このように製造するうえで大きく制約を受
ける本願発明のメタルバンドソー胴材は、最小限のＶを
必須添加し、必要に応じて添加される少量のＮｂととも
にＭＣ型の炭化物を形成させて、高温の焼入れにおいて
も、結晶粒の粗大化を防止させることである。また、刃
材の高速度鋼の焼戻し条件となる540〜570℃付近の焼戻
しを行なった後に、メタルバンドソーとして使用上適正
な硬さである450〜550HVの硬さと、適度な耐摩耗性を付
与させるために、炭化物を形成させ、かつ焼戻し軟化抵
抗を高めるために、Ｃ，Ｃｒ，(Ｍｏ，Ｗ）の添加が必
要である。

【００１０】さらに、前記Ｃ，Ｃｒ，(Ｍｏ，Ｗ）の各
元素は、胴材の両端同士を溶接する際、溶融熱によって
溶融層周辺の胴材が高温焼戻しを受けても、なお胴材本
体の硬さより低下しない程度の焼戻し軟化抵抗を高める
最小限の添加を必要とする。一方、溶接後に実施する局
部短時間焼なましにより、溶融層および再焼入層を胴体
本体の硬さと同等に軟化できる、適度な焼戻し軟化抵抗
を付与させるため、Ｃ，Ｃｒ，(Ｍｏ，Ｗ）の各元素の
含有量を狭い範囲に制限する必要がある。特に、これら
元素の添加量が増加すると、溶融層や再焼入層部の硬さ
が、本体の硬さより高くなり、そのために局部焼なまし
条件を高温または長時間に条件変更すると、逆に溶接部
周辺の高温焼戻しを受けた部分の硬さが本体の硬さより
低くなり過ぎる問題があるため、含有量の上限も厳しく
制限される。すなわち、上述の特性をすべて満足させる
範囲として、Ｃは0.40〜0.50%、Ｃｒは1.0〜1.5%、Ｍｏ
とＷの１種または２種をＭo＋1/2Ｗで0.5〜0.9%の範囲
に制限されることを見出した。

【００１１】さらに、多くの実用化胴材に靭性を付与さ
せる目的で添加されるＮｉが、溶接後に残留オーステナ
イトを生成し、その後の短時間焼なましで不安定なマル
テンサイト組織に変態するため、溶接部の硬さが胴材本
体に比較して局部的に硬くなることが見出され、本発明
の胴材にはＮｉを添加しないことも特徴である。本発明
では、このような厳格な組成範囲の制限により、胴材の
両端同士を付合わせ溶接し、続いて局部焼なましを行な
った後の溶接部の硬さと胴材本体の平均硬さとの硬度差
が±30HV以下であるメタルバンドソーを初めて生み出し
たものである。

【００１２】すなわち、本発明の第１発明は、重量％で
Ｃ 0.40〜0.50%、Ｓi 1.0%以下、Ｍn 1.5%以下、Ｃr 1.
0〜1.5%、ＭoとＷの１種または２種をＭo＋1/2Ｗで0.5
〜0.9%、Ｖ 0.1〜0.5%、Ａl 0.01〜0.1%を含み、残部Ｆ
eおよび不純物からなることを特徴とする溶接部の疲労
強度に優れたメタルバンドソー胴材であり、第２発明
は、重量％でＣ 0.40〜0.50%、Ｓi 1.0%以下、Ｍn 1.5%
以下、Ｃr 1.0〜1.5%、ＭoとＷの１種または２種をＭo
＋1/2Ｗで0.5〜0.9%、Ｖ 0.1〜0.5%、Ａl 0.01〜0.1%、
Ｎb 0.2%以下を含み、残部Ｆeおよび不純物からなるこ
とを特徴とする溶接部の疲労強度に優れたメタルバンド
ソー胴材である。

【００１３】第３発明は、胴材の両端同士を付合わせ溶
接し、続いて局部焼なましを行なった後の溶接部の硬さ
と胴材本体の平均硬さとの硬度差が±30HV以下であるこ
とを特徴とする溶接部の疲労強度に優れたメタルバンド
ソーであり、第４発明は、第１発明または第２発明に記
載の組成からなる胴材の両端同士を付合わせ溶接し、続
いて局部焼なましを行なった後の溶接部の硬さと胴材本
体の平均硬さとの硬度差が±30HV以下であることを特徴
とする溶接部の疲労強度に優れたメタルバンドソーであ
る。

【００１４】

【作用】以下に化学成分の限定理由について述べる。Ｃ
は、胴材本体と溶接部の強度、靭性を確保し、溶接部の
焼なまし組織を安定なマルテンサイト相にする上で重要
な元素である。またＣは、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂな
どの炭化物形成元素と結合して540〜570℃付近の焼戻し
において微細炭化物として析出せしめ、焼戻しに対する
軟化抵抗を高める効果を有する。さらに胴材の焼戻しに
おいて、450HV以上の硬さが得られ、かつ胴材本体に比
較して、焼なまし後の溶接部の硬さを低下させないため
に、Ｃは最低0.40%以上必要である。

【００１５】一方、0.50%を越えるＣの添加は、540〜57
0℃付近の焼戻しにおいて、550HV以上の硬さになるた
め、胴材本体の疲労強度が低下するだけでなく、溶接部
の残留オーステナイト量が多くなり、焼なまし状態の硬
さが得られなくなるので、0.50%を上限とする。Ｓｉは
溶製時の脱酸剤として、また焼戻し軟化抵抗を高める効
果を有する。多過ぎる添加は、特にバット溶接時の溶接
部の短時間低温焼なまし後の硬さが高くなるため、Ｓｉ
の上限を1.0%とする。望ましいＳｉの範囲は0.6%以下で
ある。

【００１６】ＭｎはＳｉ同様、溶製時の脱酸剤として添
加されるが、多過ぎると胴材の冷間加工性を害するた
め、Ｍｎの上限を1.5%以下とする。望ましいＭｎの範囲
は1.0%以下である。Ｃｒは、胴材本体の焼入れ性を高
め、上述したように540〜570℃付近の焼戻し軟化抵抗を
高めて450℃以上の硬さを確保するとともに、溶接部の
硬さ低下を防止する効果を有する。そのため、Ｃｒは最
低1.0%が必要であるが、多過ぎると熱影響部のうちの再
焼入れ層部が焼なまし処理を行なっても硬さの高い部分
を生じ、熱影響部全体が不均一な硬さ分布となることか
ら、その上限を1.5%とする。

【００１７】ＭｏとＷは、ともに胴材の焼戻し軟化抵抗
を高めて、高速度鋼と同時に熱処理を行なった場合にお
いても、高硬度を確保するうえで有効であり、さらにバ
ット溶接による溶接部の硬さ低下を防止するうえで重要
な元素で、１種または２種を添加することが必要であ
る。このうち、Ｍｏは靭性の向上、Ｗは耐摩耗性の向上
に効果的な元素で、Ｍｏ＋1/2Ｗで0.5〜0.9%の範囲内で
適宜選択することができる。上記効果を得るためには、
Ｍｏ＋1/2Ｗで0.5%以上が必要である。しかし、多量の
添加は、２次硬化におけるＭｏやＷの炭化物が凝集し易
く、靭性の低下をまねき、さらに溶接部の硬さが高くな
り過ぎるため、上限をＭｏ＋1/2Ｗで0.9%とする。

【００１８】Ｖは、ＭＣ型の特殊炭化物を生成し、高速
度鋼の焼入れ温度においても全量が基地中に溶け込ま
ず、焼入れ処理時の結晶粒の粗大化を防止し、また焼戻
し軟化抵抗の増大に顕著な効果を有し、胴材の強度や溶
接部の硬さの低下を防止するうえで重要な元素である。
本発明の特徴の一つは、Ｖを必須添加する一方、Ｃｒ，
Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂなどの焼戻し軟化抵抗を高める元素の添
加量を最低限に制御することで、メタルバンドソー胴材
の適正硬さを確保すると共に、バット溶接による溶接部
の硬さの差がより小さく制御できる点にある。上記Ｖの
効果を発揮させるためには、最低0.1%を必要とするが、
多くの添加は凝固時に晶出するＭＣ型の一次炭化物が凝
集し易くなり、胴材本体の靭性を低下させ、また溶接部
の硬さが高くなり過ぎるため、Ｖの上限を0.5%とする。

【００１９】Ａｌは、強力な脱酸剤であり、胴材の溶製
時に生成する非金属介在物の形態を変える元素である。
すなわち、溶製時の溶湯中に生成するＭｎやＳｉの酸化
物系介在物をＡｌの添加によって還元してＡｌ₂Ｏ₃とす
ることにより、刃材と胴材との溶接時に発生するブロー
ホールを防止する効果を有する。さらにＡｌは溶湯中の
Ｎと結合して微細なＡｌＮを形成し、結晶粒の粗大化を
抑制するのに有効な元素である。上記のＡｌの効果を得
るには、最低0.01%を必要とするが、多過ぎると生成す
るＡｌ₂Ｏ₃が粗大となって靭性を低下させるため上限を
0.1%とする。Ｎｂは、高融点のＭＣ型炭化物を形成し、
高速度鋼の刃材と同時焼入時に胴材の結晶粒が粗大化す
るのを防止する効果が有るため、必要に応じて添加され
る。しかし、多過ぎるとＭＣ型の炭化物が凝集し易いた
め、上限を0.2%とするのがよい。

【００２０】Ｎｉは通常の鍛造、圧延等で塑性加工され
た材料では、焼入性の向上、靭性の向上に有効な元素で
あるが、本発明の胴材のように、胴材同士を溶接した場
合、溶融層にＮｉ濃度の高い微細な偏析が生成し易く、
この偏析部が残留オーステナイトとなる。続いて、短時
間焼なましを行なうと、この残留オーステナイト部がマ
ルテンサイト変態して、溶融層部の微小硬さのバラツキ
が大きくなる不安定な組織となるため、本発明の胴材に
はＮｉを無添加とする。また、本発明のメタルバンドソ
ーは、後述する実施例で行なった溶接部の切欠疲労試験
結果、および溶接部の微小硬度分布を測定した結果か
ら、局部焼なまし後の溶接部の硬さと胴材本体の平均硬
さとの硬度差が±30HVを越えると溶接部の疲労強度が低
下するために、硬度差を±30HV以下とする。さらに上記
メタルバンドソーの望ましい組成は、第１発明または第
２発明の組成からなる胴材を用いるのがよい。

【００２１】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。（実施例１）本発明に係るメタルバンドソー胴材（以下
本発明鋼という）を評価するため、表１に示す本発明
鋼、従来鋼および比較鋼を溶解した。特に比較鋼は本特
許の成分限定が明確になるようＮｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃを
変更した材料について検討した。

【００２２】

【表１】

【００２３】本発明鋼、従来鋼、および比較鋼は、それ
ぞれ20kg溶解して造塊した後、分塊を行ない、続いて熱
間圧延、焼なまし、冷間圧延、焼なましを行ない、厚さ
1.0mm、幅 30mmの平材に仕上げた。次いで本材を1200
℃焼入れ、560℃焼戻しを行ない、硬さ、疲労特性、バ
ット溶接部の硬さ分布、バット溶接部の疲労特性を調査
し、これらの結果を表２に示す。なお、バット溶接後に
は溶接で生じたバリ(膨らみ部)を除去し、局部的に700
℃ 20秒の通電による焼なましを行ない、表面を研磨し
て実験に供した。胴材本体の疲労試験は、図１に示す形
状の試験片を用い、また溶接部の疲労試験は図２に示す
ように、胴材本体の試験片と同じ形状とし、ノッチ底部
と溶接部が一致するようにしたものを用いた。また、硬
さ測定は、図３に示すように平材の縁面を長さ方向に溶
接部を横断するように測定した。

【００２４】

【表２】

【００２５】疲労試験は、294N/mm²の引張応力と、882N
/mm²の引張応力間を正弦荷重を掛けて破断までの繰返し
数により評価し、同じ条件で５回試験を行なった値の平
均値で示した。また、バット溶接部の硬さ分布は、図３
に示すように板厚中心部断面をマイクロビッカース 1kg
により胴材本体−熱影響部−溶融部−熱影響部−胴材本
体の硬さ分布を測定し、胴材本体に対し、硬さ上昇部を
＋Δ、硬さ下降部を−Δとして示した。表２から、本発
明鋼は溶接部の硬さ変化が小さく、溶接部の疲労強度が
高く、また胴材の疲労強度との差異が少なく、溶接部破
断の少ない鋼であることがわかる。

【００２６】このうち、Ｎｉを0.75%含有し、Ｃｒが本
発明鋼より多く添加された従来鋼１１は、本体硬さに比
較して溶接部の硬さが高硬度側のバラツキが大きく、本
発明鋼のようにＮｉを無添加とし、かつＣｒ含有量を1.
5%以下にするとよいことがわかる。また、比較鋼Ｎo.21
〜24から、本発明鋼の組成範囲から外れる元素がある場
合、溶接部の硬さのバラツキが大きく疲労強度の低下に
影響している。

【００２７】（実施例２）上述の実験結果を確認するた
めに、Ｎo.1,3の本発明鋼とＮo.11,12の従来鋼につい
て、実際のバンドソーを製作し、鋸盤にセットして張力
を一定量増した状態で、空転させて、破断するまでの時
間を調査した結果を表２に示す。その結果、本発明鋼Ｎ
o.1が3本の平均で62.7時間、Ｎo.3が66.9時間であり、
いずれも胴材本体部で破断した。一方、従来鋼Ｎo.11で
は、3本の平均が51.3時間(このうち溶接部破断が2本)、
また、Ｎo.12では54.9時間(このうち溶接部破断が1本)
であった。上記の結果から、本発明鋼がメタルバンドソ
ー胴材としても優れていることがわかる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の胴材は高
速度鋼の刃材と同一熱処理を施しても、結晶粒の粗大化
がなく、また所定の硬さが得られることから胴材本体の
疲労強度が高く、さらにバット溶接部の硬さの変動が小
さく、胴材本体と同等な硬さが得られる。その結果、従
来材に比較して疲労強度に優れたメタルバンドソーとし
て有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】平材(板厚 1mm)の疲労試験片の形状を示す図で
ある。

【図２】平材(板厚 1mm)溶接部の疲労試験片の形状を示
す図である。

【図３】溶接部の硬さ測定位置、および測定結果の１例
を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でＣ 0.40〜0.50%、Ｓi 1.0%以
下、Ｍn 1.5%以下、Ｃr 1.0〜1.5%、ＭoとＷの１種また
は２種をＭo＋1/2Ｗで0.5〜0.9%、Ｖ 0.1〜0.5%、Ａl
0.01〜0.1%を含み、残部Ｆeおよび不純物からなること
を特徴とする溶接部の疲労強度に優れたメタルバンドソ
ー胴材。
【請求項２】重量％でＣ 0.40〜0.50%、Ｓi 1.0%以
下、Ｍn 1.5%以下、Ｃr 1.0〜1.5%、ＭoとＷの１種また
は２種をＭo＋1/2Ｗで0.5〜0.9%、Ｖ 0.1〜0.5%、Ａl
0.01〜0.1%、Ｎb 0.2%以下を含み、残部Ｆeおよび不純
物からなることを特徴とする溶接部の疲労強度に優れた
メタルバンドソー胴材。
【請求項３】胴材の両端同士を付合わせ溶接し、続い
て局部焼なましを行なった後の溶接部の硬さと胴材本体
の平均硬さとの硬度差が±30HV以下であることを特徴と
する溶接部の疲労強度に優れたメタルバンドソー。
【請求項４】請求項１または２に記載の組成からなる
胴材の両端同士を付合わせ溶接し、続いて局部焼なまし
を行なった後の溶接部の硬さと胴材本体の平均硬さとの
硬度差が±30HV以下であることを特徴とする溶接部の疲
労強度に優れたメタルバンドソー。