特開 2022-164959 マルテンサイト系ステンレス鋼製刃物

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022164959

(43)【公開日】2022-10-31

(54)【発明の名称】マルテンサイト系ステンレス鋼製刃物

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20221024BHJP

   C22C 38/52 20060101ALI20221024BHJP

【ＦＩ】

C22C38/00 302Z

C22C38/52

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021070081

(22)【出願日】2021-04-19

(71)【出願人】

【識別番号】000238348

【氏名又は名称】武生特殊鋼材株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000005197

【氏名又は名称】株式会社不二越

(74)【代理人】

【識別番号】230124763

【弁護士】

【氏名又は名称】戸川 委久子

(72)【発明者】

【氏名】河野 通郎

(72)【発明者】

【氏名】坪川 翼

(72)【発明者】

【氏名】藤島 真一

(72)【発明者】

【氏名】田嶋 良樹

(57)【要約】

【課題】刃物の切れ味を維持しつつ、耐食性を確保したマルテンサイト系ステンレス鋼製の刃物を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．７５～０．８４％、Ｓｉ：０．２５～０．４５％、Ｍｎ：０．６５～０．７５％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：１７．００～１９．００％、Ｎｉ：０．３０％以下、Ｃｕ：０．２５％以下、Ｍｏ：１．５０～１．９０％、Ｗ：０．４０％以下、Ｖ：０．２０～０．４０％、Ｃｏ：０．３０％以下、Ａｌ：０．２０％以下、Ｎ：０．１６～０．２５％であり、残余がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ、Ｃ＋Ｎ≧１．００％であるマルテンサイト系ステンレス鋼から形成される刃物とする。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量％で、Ｃ：０．７５～０．８４％、Ｓｉ：０．２５～０．４５％、Ｍｎ：０．６５～０．７５％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：１７．００～１９．００％、Ｎｉ：０．３０％以下、Ｃｕ：０．２５％以下、Ｍｏ：１．５０～１．９０％、Ｗ：０．４０％以下、Ｖ：０．２０～０．４０％、Ｃｏ：０．３０％以下、Ａｌ：０．２０％以下、Ｎ：０．１６～０．２５％であり、残余がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ、Ｃ＋Ｎ≧１．００％であるマルテンサイト系ステンレス鋼から形成されることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼製刃物。

【請求項2】

表面硬さがロックウェルＣスケールで６２ＨＲＣ以上であることを特徴とする請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼製刃物。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼製の刃物に関する。

【背景技術】

【0002】

包丁に代表される一般的な刃物は、物を切断するために刃先が鋭利であることが要求される。言い換えると、刃先が鋭利であれば、刃物の切れ味が良くなり、物を切る（切断する）時により小さな力で切れる事になる。そのため、素材中の炭素を比較的に多く含有したマルテンサイト系ステンレス鋼が多用される（特許文献１および２参照）。

【0003】

中でも、ＳＵＳ４２０Ｊ２よりも多量の炭素を含有したＳＵＳ４４０Ｃが使用されている。鋼材中に炭素を多量に含有するため、素材の硬度が高くなり、刃物を仕上げる際もより鋭利に仕上げることができるので、切断性能が向上する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００２－２１２６７９号公報

【特許文献2】特開２０１１－１６１０６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、素材に多量の炭素を含有することで、その耐食性はむしろ低下することになる。例えば、炭素を多量に含有したマルテンサイト系ステンレス鋼製の包丁を食洗機で洗浄する場合、包丁が高温かつ酸性雰囲気下になるので、錆が発生しやすいという問題があった。さらに、酸性の強い食材や調味料などが付着することでも錆びが発生しやすくなるという問題があった。これらを要因として、一旦、包丁の表面に小さな錆が発生すると、物を切断する際にそれらの錆が抵抗になり、包丁の切れ味にも影響を及ぼすことになる。

【0006】

一方、酸性の強い食材が付着したり、食洗機で洗浄したりしても腐食しにくい耐食性の高い包丁の刃先を鋭利に仕上げると、炭素を多く含有するマルテンサイト系ステンレス鋼に比べて材料の強度は低下するので、包丁としての切れ味が低下してしまう問題があった。つまり、包丁の耐食性と切れ味とは相反する特性であった。この耐食性と切れ味の両立の問題は、包丁に限らず、物を切断する刃を有する物に共通の問題である。

【0007】

そこで、本発明において刃物の切れ味を維持しつつ、耐食性を確保したマルテンサイト系ステンレス鋼製の刃物を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前述した課題を解決するために、本発明の刃物の素材であるマルテンサイト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．７５～０．８４％、Ｓｉ：０．２５～０．４５％、Ｍｎ：０．６５～０．７５％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：１７．００～１９．００％、Ｎｉ：０．３０％以下、Ｃｕ：０．２５％以下、Ｍｏ：１．５０～１．９０％、Ｗ：０．４０％以下、Ｖ：０．２０～０．４０％、Ｃｏ：０．３０％以下、Ａｌ：０．２０％以下、Ｎ：０．１６～０．２５％であり、残余がＦｅおよび不可避不純物から構成される。

【0009】

また、当該マルテンサイト系ステンレス鋼のＣ（炭素）とＮ（窒素）の各含有量の総和は、Ｃ＋Ｎ≧１．００％（単位：質量％）とする。さらに、表面硬さについては、ロックウェルＣスケールで６２ＨＲＣ以上とする。

【0010】

ここで、本発明における「刃物」とは、包丁やナイフ等の調理器具としての刃物のみならず、工具のカッターやドリル等、物を切断する刃を備えたもの全てを含むものとする。

【発明の効果】

【0011】

本発明においては、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼に対して、所定量のＣ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｃｒ（クロム）をそれぞれ含有させることで、刃物の耐食性を維持しつつ、高硬度とすることで鋭利に研ぎあげる事ができるため刃物の切れ味（切断特性）の向上を図ることができる。また、充分な靭性や延性、耐疲労強度を確保することで刃先の欠損等がしにくくなるため、良好な切れ味を持続させることができる。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼製刃物の一実施形態を説明する。本発明の刃物を構成するマルテンサイト系ステンレス鋼の各化学成分に関して、所定の範囲に規定した理由を成分（元素）ごとに説明する。

【0013】

まず、Ｃ（炭素）は０．７５～０．８４％とする。０．７５％を下回ると、組織中の硬質な炭化物の形成量が少なくなり、結果として焼入焼戻し後の硬さが確保できない。また、０．８４％を上回ると、組織中の炭化物の形成量が多量になり、母相中のＣｒ、Ｍｏ等の固溶量が低下するので、耐食性が低下する。また、組織中の巨大炭化物が析出して、靭性や疲労強度も低下させる。

【0014】

Ｓｉ（ケイ素）は０．２５～０．４５％とする。Ｓｉは、脱酸元素であり、靭性や延性の著しい低下を招くＡｌＮ（窒化アルミニウム）の生成を抑制するため、同様の脱酸元素であるＡＬに代えて添加する。０．２５％を下回ると、脱酸素材としての効果が発揮出来ず、酸素が多く残存することとなり、靭性や延性が低下する。また、０．４５％を上回ると、マルテンサイト系ステンレス鋼としての熱間および冷間での加工性が低下して、靭性も低下する。また、Ｍｎ（マンガン）は０．６５～０．７５％とする。Ｍｎは、Ｎ（窒素）の固溶量を増加させるために有効な元素である。また、脱酸、脱硫元素としても有効である。０．６５％を下回ると、充分なＮの固溶量を確保できない。また、０．７５％を上回ると、残留オーステナイト量を増大させ、焼戻し硬さの低下や耐食性の低下を招く。

【0015】

Ｐ（リン）は０．０３５％以下とする。０．０３５を上回ると、結晶粒界に偏析が起こり、靭性が低下する。また、Ｓ（硫黄）は０．０１０％以下とする。０．０１０％を上回ると、組織中に硫化物を形成して、靭性が低下する。

【0016】

Ｃｒ（クロム）は１７．００～１９．００％とする。１７．００％を下回るとマルテンサイト系ステンレス鋼として十分な耐食性が得られない。また、１９．００％を上回ると、組織中に巨大炭化物が析出して、靭性が低下する。

【0017】

Ｎｉ（ニッケル）は０．３０％以下とする。０．３０％を上回ると、組織中に残留オーステナイト量が増加して、寸法の経年変化を起こす。また、冷間での加工性も低下する。また、Ｃｕ（銅）は０．２５％以下とする。０．２５％を上回ると、組織中の残留オーステナイト量が増加して、寸法の経年変化を起こす。また、熱間での加工性も低下する。

【0018】

Ｍｏ（モリブデン）は１．５０～１．９０％とする。１．５０％を下回ると耐食性が低下し、併せて焼戻し２次硬化も充分に得られない。また、１．９０％を上回ると、組織中に巨大炭化物が析出して、靭性が低下する。Ｗ（タングステン）は０．４０％以下とする。０．４０％を上回ると、組織中に巨大炭化物が析出して、靭性が低下する。

【0019】

Ｖ（バナジウム）は０．２０％～０．４０％とする。０．２０％を下回ると、焼戻し２次硬化が充分に得られない。また、０．４０％を上回ると、組織中に巨大炭化物が析出して、靭性が低下する。

【0020】

Ｃｏ（コバルト）は０．３０％以下とする。０．３０％を上回ると材料費用の増加を招き、製造費用が上昇する。また、Ａｌ（アルミニウム）は０．２０％以下とする。０．２０％を上回ると組織中にＯ（酸素）と結合して粗大な酸化物を形成したり、Ｎ（窒素）と結合して窒化アルミニウムを形成したりして、靭性や疲労強度が低下する。

【0021】

Ｎ（窒素）は０．１６～０．２５％（質量ｐｐｍで１６００～２５００ｐｐｍ）とする。０．１６％を下回ると耐食性や焼入焼戻し硬さが充分に得られない。また、０．２５％を上回ると、材料内部においてブローホール（鋳巣）が発生する。

【0022】

マルテンサイト系ステンレス鋼全体におけるＣ（炭素）とＮ（窒素）の各含有量の総和は、Ｃ＋Ｎ≧１．００％（単位：質量％）とする。１．００％未満となると、刃物にした場合における切れ味と耐食性の両立が困難となる。

【0023】

なお、熱処理として、焼入れ処理後、サブゼロ処理をすることにより、残留オーステナイトを低減させ、焼戻し処理をすることにより、靭延性が付与され、良好な切れ味と耐食性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の実施例３における塩水噴霧試験後の研磨面の写真である。

【実施例0025】

（実施例１）
マルテンサイト系ステンレス鋼を含めた各材質による刃物の切れ味を評価するために、本多式切れ味試験を行ったので、その試験結果について説明する。「本多式切れ味試験」とは、試験をする刃物（試験片）の刃先を上方にした状態で専用の機械（本多式切れ味試験機）に固定し、一定の荷重をかけた紙の束を刃先に載せる。

【0026】

その後、同試験機の電源を入れることで紙束が前後一往復して、刃先に載せた紙の束を切る。その際に、切れた紙の枚数（切断枚数）によって刃物の切れ味を定量的に評価する試験方法である。

【0027】

本試験に使用した刃物の材質は、マルテンサイト系ステンレス鋼である発明材（１鋼種）およびＳＵＳ４４０ＣやＳＵＳ４２０Ｊ２等の従来鋼種を含めた比較材１～９（計９鋼種）を含めた計１０鋼種である。これら１０鋼種の化学成分（単位は質量％）を表１に示す。

【0028】

【表1】

【0029】

また、その他の試験条件については以下の通りとした。
・紙束の移動距離：２０ｍｍ
・使用した紙の幅：７．５ｍｍ
・負荷荷重：７５０ｇ
本試験で使用した試験片ごとの試験結果を表２に示す。

【0030】

【表2】

【0031】

表２に示す試験結果より、本発明材を用いた刃物は１１１枚の紙を切断した。これに対して、Ｃの割合を低くしてＣ＋Ｎを１％未満とした比較材５では５９枚であり、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼製の刃物を使用した比較材７の場合でも最多枚数として８４枚の紙を切断した結果となった。したがって、本発明材の刃物は従来鋼種の刃物に比べて、刃物の切れ味（切断特性）の向上を確認することができた。

【0032】

（実施例２）
次に、刃物材としての耐久性を確認するために前述の鋼種ごとに耐摩耗性試験を行ったので、その試験結果について説明する。前述の実施例１で使用した１０鋼種についての焼入および焼戻し処理後の試験片（縦２ｍｍ×横１０ｍｍ×高さ３５ｍｍ）を鋼種ごとに作製し、その試験片ごとに研磨機で回転数２００ｒｐｍ、約２００Ｎの荷重下において、エメリー紙（＃８０）を相手材として１５分間の研磨を実施した。

【0033】

前述した試験条件で１５分間の研磨を終了した後、試験片ごとの損失重量を測定することでその減少量（摩耗量）を比較した。その試験片ごとの表面硬さ（ロックウェルＣスケール：ＨＲＣ）および摩耗量（単位：ｇ）を表３に示す。

【0034】

【表3】

【0035】

本実施例の試験結果は、表３に示すように、ＨＲＣ６２．１と最も高い硬さを示す本発明材の摩耗量は２．０５ｇであった。一方、比較材の試験結果は、比較的摩耗量の少ない比較材５であっても、摩耗量は２．１８ｇであった。以上の試験結果より、本発明材は他の９鋼種に比べて、耐摩耗性の点においても優位であることがわかった。

【0036】

（実施例３）
次に、刃物材としての耐食性を確認するために、塩水噴霧試験を行った。本試験に使用した刃物の材質は、実施例１および２に使用した発明材、Ｃの割合を低くしてＣ＋Ｎを１％未満とした比較材５、ＳＵＳ４２０Ｊ２である比較材６、およびＳＵＳ４４０Ｃである比較材７を含めた計４鋼種である。

【0037】

本試験において、本発明材および比較材５は１０６０℃、比較材６は１０３０℃、比較材７は１０５０℃による焼入れを行った後、サブゼロ処理をし、さらに本発明材および比較材５は１８０℃、比較材６および比較材７は１５０℃で焼戻しをしたものを用いている。

【0038】

そして、各鋼材は、前記熱処理後には、１８ｍｍ×１８ｍｍの試験板に加工し、エポキシ樹脂に埋入して端面を粗さ１０００番で研磨したものを試験片としている。評価にあたっては、試験片の研磨面の稜線部を除く１４ｍｍ×１４ｍｍの範囲の孔食個数およびその深さを計測した。

【0039】

また、その他の試験条件については以下の通りとした。
・試験片数：Ｎ＝３
・使用溶液：５％のＮａＣｌ水溶液
・噴霧条件：３５℃、７５ｋＰａで２４時間連続噴霧

【0040】

本試験後の各鋼材の研磨面の写真を図１に示す。図１(a)は発明材であり、図１(b)は比較材５、図１(c)は比較材６（ＳＵＳ４２０Ｊ２）、図１(d)は比較材７（ＳＵＳ４４０Ｃ）の写真である。

【0041】

Ｎ＝３における孔食の合計数およびその深さを評価した結果、発明材は3点であり、最も深いもので4.9umであった。それに対し、比較材５は１点であり、最も深いもので2.7umであった。比較材６（ＳＵＳ４２０Ｊ２）は101点であり、最も深いもので30umであった。比較材７（ＳＵＳ４４０Ｃ）は87点であり、最も深いもので108umであった。以上の試験結果より、本発明材は比較材５と同等の耐食性を有しており、比較材６および比較材７と比べて、優れた耐食性を有していることがわかった。

【図1】