JP2010174319A - プラスチック成形金型用鋼およびプラスチック成形金型 - Google Patents

プラスチック成形金型用鋼およびプラスチック成形金型 Download PDF

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Abstract

【課題】従来鋼種に比較して、熱伝導性、耐食性、硬度のバランスに優れたプラスチック成型金型用鋼を提供する。
【解決手段】質量%で、C:0.22%〜0.35%、Si:0.01%〜0.40%、Mn:0.10%〜1.20%、P:0.030%以下、Cu:0.05%〜0.20%、Ni:0.05%〜1.00%、Cr:5.0%〜10.0%、Mo:0.10%〜1.00%、V:0.50%超〜0.80%、N:0.01%〜0.2%、O:0.0100%以下、および、Al:0.050%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなる鋼とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、プラスチック成形金型用鋼およびプラスチック成形金型に関するものである。
近年、様々な分野において、プラスチック成形品が使用されている。一般に、プラスチック成形品は、例えば、射出成形金型、プレス成形金型等のプラスチック成形金型を用いて、所望形状に成形される。
従来、プラスチック成形金型用の鋼種としては、析出硬化系、SUS系等の鋼種が知られている。
また、特許文献1には、重量%で、C:0.25〜0.50%、Si:0.005〜0.5%、Mn:0.1〜2.0%、Cr:8.0〜10.0%、Mo:0.05〜2.0%、酸可溶Al:0.005〜0.050%、全窒素:0.002〜0.035%であり、V:0.01〜0.50%、Nb:0.005〜0.25%、および、W:0.01〜0.25%のうち少なくとも2種を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなるプラスチック成形用工具鋼が開示されている。
また、特許文献2には、重量%で、C:0.30〜0.55%、Si:0.01〜1.0%、Mn:0.1〜3.0%、Cr:7〜12%、Mo:0.05〜3.0%、Sol.Al:0.005〜0.10%、TN:0.002〜0.05%を含有し、さらにV:0.01〜0.50%、Nb:0.005〜0.50%、W:0.01〜0.50%のうち2種以上を含み、かつ、S:0.01〜0.15%、Pb:0.01〜0.10%、Te:0.005〜0.20%のうち1種以上を含むプラスチック成形金型用鋼が開示されている。
特開平2−93043号公報 特開平4−116139号公報
近年のプラスチック成形では、成形品の品質向上、生産性等を考慮して、成形タイミングに合わせて金型の温調が行われることが多い。
例えば、成形用樹脂の流動性を高めてウェルドラインの発生を抑制し、表面品質を向上させる等の目的で、ウェルドライン発生部に対応する金型部位が加熱される。また、成形用樹脂の冷却時間を短くし、生産性を向上させる等の目的で、金型が冷却される。
上述した金型の温調を行うためには、熱伝導性に優れた鋼種を使用することが望ましい。しかしながら、上記析出硬化系の鋼種は、加工性を確保するために耐食性に有効なCrの添加が抑えられている。そのため、加熱媒体や冷却媒体を環流させる加熱孔や冷却孔に錆が発生しやすく、この錆に起因して熱伝導性が低下しやすい。一方、上記SUS系の鋼種は、耐食性に優れるため、錆の発生はほとんどないが、そもそも熱伝導性に劣る。
また、成形用樹脂として硬質な樹脂を使用する場合、金型の硬度が不足していると、成形品取り出し時の接触やバリかみ等により金型に傷が発生し、金型寿命が低下してしまう。
このように、近年のプラスチック成形金型用鋼には、熱伝導性、耐食性、硬度に優れていることが要求されるが、全ての要求を十分に満たす鋼種が存在しないのが現状であった。
そこで本発明が解決しようとする課題は、従来鋼種に比較して、熱伝導性、耐食性、硬度のバランスに優れたプラスチック成型金型用鋼を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明に係るプラスチック成形金型用鋼は、質量%で、C:0.22%〜0.35%、Si:0.01%〜0.40%、Mn:0.10%〜1.20%、P:0.030%以下、Cu:0.05%〜0.20%、Ni:0.05%〜1.00%、Cr:5.0%〜10.0%、Mo:0.10%〜1.00%、V:0.50%超〜0.80%、N:0.01%〜0.2%、O:0.0100%以下、および、Al:0.050%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなることを要旨とする。
ここで、上記プラスチック成形金型用鋼は、7≦Cr+3.3Moを満たしていることが好ましい。
また、上記プラスチック成形金型用鋼は、質量%で、S:0.001%〜0.20%、Se:0.001%〜0.3%、Te:0.001%〜0.3%、Ca:0.0002%〜0.10%、Pb:0.001%〜0.20%、および、Bi:0.001%〜0.30%から選択される1種または2種以上をさらに含有していても良い。
また、上記プラスチック成形金型用鋼は、質量%で、Ta:0.001%〜0.30%、Ti:0.20%以下、および、Zr:0.001%〜0.30%から選択される1種または2種以上をさらに含有していても良い。
本発明に係るプラスチック成形金型は、上記プラスチック成形金型用鋼を材料として用いていることを要旨とする。
本発明に係るプラスチック成形金型用鋼は、上記化学組成を採用したことにより、従来鋼種に比較して、熱伝導性、耐食性、硬度のバランスに優れる。
ここで、7≦Cr+3.3Moを満たしている場合には、十分な耐食性が得られる。
また、特定量のS、Se、Te、Ca、Pb、および、Biから選択される1種または2種以上をさらに含有する場合には、靱性の低下を抑制しつつ、被削性を向上させることができる。そのため、金型製造時の加工性に優れる。
また、特定量のTa、Ti、および、Zrから選択される1種または2種以上をさらに含有する場合には、CやNと結合して炭窒化物を形成しやすくなり、結晶粒の粗大化が抑制される。そのため、高強度化を図りやすく、また、鏡面性に優れる。
本発明に係るプラスチック成形金型は、上述したプラスチック成形金型用鋼を材料として用いている。そのため、金型の温調性、水等の温調媒体に対する耐食性、金型強度に優れる。また、これら特性を有することから金型寿命にも優れる。
Cr+3.3Moの値と発錆した面積率との関係を示した図である。 0.1×(10×Si)+5×Ni+Cr+Moの値と熱伝導率(比較鋼2の熱伝導率を100としたとき)との関係を示した図である。
以下に、本発明の一実施形態に係るプラスチック成形金型用鋼(以下、「本金型用鋼」ということがある。)、プラスチック成形金型(以下、「本金型」ということがある。)について詳細に説明する。
1.本金型用鋼
本金型用鋼は、以下のような元素を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなる。その添加元素の種類、成分割合および限定理由などは、以下の通りである。なお、成分割合の単位は、質量%である。
・C:0.22%〜0.35%
Cは、強度、耐摩耗性を確保するのに必要な元素である。Cは、Cr、Mo、W、V等の炭化物形成元素と結合して炭化物を形成し、Cr、Mo、W、VとNとともに炭窒化物を形成する。Cは、焼入れ時に母相中に固溶し、マルテンサイト組織化することによって硬度を確保するためにも必要である。その効果を得るため、C含有量の下限を0.22%以上とする。C含有量の下限は、好ましくは、0.26%以上であると良い。
C含有量が過剰になると、上記炭化物形成元素とCとが結合してCrやMoを含む炭化物を形成し、母相中のCr、Moの固溶量を低下させ、耐食性が低下する。そのため、C含有量の上限を0.35%以下とする。C含有量の上限は、好ましくは、0.30%以下であると良い。
・Si:0.01%〜0.40%
Siは、主に脱酸剤、または、金型製造時の被削性を向上させる元素として添加される。その効果を得るため、Si含有量の下限を0.01%以上とする。Si含有量の下限は、好ましくは、0.10%以上、より好ましくは、0.20%以上であると良い。
Si含有量が過剰になると、熱伝導性が低下する。これを防止する観点から、Si含有量の上限を0.40%以下とする。Si含有量の上限は、好ましくは、0.30%以下であると良い。
・Mn:0.10%〜1.20%
Mnは、焼入れ性の向上またはオーステナイトの安定化のために添加される。また、不可避的にSが含有された場合に、Mnは、靱性の低下を抑制するのに有効である。その効果を得るため、Mn含有量の下限を0.10%以上とする。
Mn含有量が過剰になると、熱間加工性が低下する。これを防止する観点から、Mn含有量の上限を1.20%以下とする。
P:0.030%以下
Pは、鋼中に不可避的に含まれる。Pは、結晶粒界に偏析し、靱性を低下させる原因となる。そのため、P含有量の上限は、0.030%以下とする。
・Cu:0.05%〜0.20%
Cuは、オーステナイトを安定化させる元素である。その効果を得るため、Cu含有量の下限を0.05%以上とする。
Cu含有量が過剰になると、熱間加工性が低下する。これを防止する観点から、Cu含有量の上限を0.20%以下とする。
・Ni:0.05%〜1.00%
Niは、オーステナイト生成元素である。その効果を得るため、Ni含有量の下限を0.05%以上とする。
Ni含有量が過剰になると、焼き鈍し性が低下し、硬度の調整が困難になる。これを防止する観点から、Ni含有量の上限を1.00%以下とする。Ni含有量の上限は、好ましくは、0.50%以下、より好ましくは、0.20%以下であると良い。
・Cr:5.0%〜10.0%
Crは、耐食性を向上させる元素である。その効果を得るため、Cr含有量の下限を5.0%以上とする。Cr含有量の下限は、好ましくは、7%以上であると良い。
Cr含有量が過剰になると、熱伝導性、靱性が低下する。これを防止する観点から、Cr含有量の上限を10.0%以下とする。Cr含有量の上限は、好ましくは、9%以下であると良い。
・Mo:0.10%〜1.00%
Moは、耐食性を向上させる元素である。また、Cと結合することで材料の2次硬化に寄与する。その効果を得るため、Mo含有量の下限を0.10%以上とする。
Mo含有量が過剰になると、晶出炭化物が生成しやすくなり、衝撃値と鏡面性の低下を招く。これを防止する観点から、Mo含有量の上限を1.00%以下とする。Mo含有量の上限は、好ましくは、0.60%以下であると良い。
・V:0.50%超〜0.80%
Vは、C、Nと結合して炭窒化物を形成する。この炭窒化物は、焼き入れ時の結晶粒径の粗大化抑制に寄与する。その効果を得るため、V含有量の下限を0.50%超とする。V含有量の下限は、好ましくは、0.55%以上であると良い。
V含有量が過剰になると、粗大な炭窒化物の成長が促進され、炭窒化物粒径が大きくなって鏡面性が低下する。これを防止する観点から、V含有量の上限を0.80%以下とする。V含有量の上限は、好ましくは、0.70%以下であると良い。
・N:0.01%〜0.2%
Nは、侵入型元素であり、マルテンサイト組織の硬さを向上させるのに寄与する。同じ侵入型元素であるCに比べ、γ安定化能が大きい。また、Nは、固溶状態で耐食性の向上に寄与する。さらに、Nは、C、Vと化合して炭窒化物を形成する。この炭窒化物は焼入れ処理時の結晶粒径の粗大化を抑制する。これらの効果を得るため、N含有量の下限を0.01%以上とする。
N含有量が過剰になると、粗大な炭窒化物の成長が促進され、炭窒化物粒径が大きくなって鏡面性が低下する。これを防止する観点から、N含有量の上限を0.2%以下とする。
・O:0.0100%以下
Oは、溶鋼中に不可避的に含まれる元素である。但し、Oが過剰になると、Si、Alと結合して粗大な酸化物を生じ、これが介在物となって、靱性、鏡面性が低下する。これを防止する観点から、O含有量の上限を0.0100%以下とする。
・Al:0.050%以下
Alは、脱酸剤として添加される元素である。但し、Al含有量が過剰になると、粗大な窒化物が生じやすくなり、鏡面性が低下する。これを防止する観点から、Al含有量の上限を0.050%以下とする。Al含有量の上限は、好ましくは、0.020%以下であると良い。
本金型用鋼は、上述した必須元素に加えて、さらに、以下の元素から選択される1種または2種以上の元素を任意に含有していても良い。各元素の成分割合、限定理由などは、次の通りである。
・S:0.001%〜0.20%、Se:0.001%〜0.3%、Te:0.001%〜0.3%、Ca:0.0002%〜0.10%、Pb:0.001%〜0.20%、Bi:0.001%〜0.30%
S、Se、Te、Ca、Pb、Biは、いずれも被削性を向上させるために添加することができる。その効果を得るため、S含有量の下限を、0.001%以上とする。同様に、Se含有量の下限を、0.001%以上とする。Te含有量の下限を、0.001%以上とする。Ca含有量の下限を、0.0002%以上とする。Pb含有量の下限を、0.001%以上とする。Bi含有量の下限を、0.001%以上とする。
S、Se、Te、Ca、Pb、Biの各含有量が過剰になると、靱性の低下を招く。これを防止する観点から、S含有量の上限を、0.20%以下とする。同様に、Se含有量の上限を、0.3%以下とする。Te含有量の上限を、0.3%以下とする。Ca含有量の上限を、0.10%以下とする。Pb含有量の上限を、0.20%以下とする。Bi含有量の上限を、0.30%以下とする。
・Ta:0.001%〜0.30%、Ti:0.20%以下、Zr:0.001%〜0.30%
Ta、Ti、Zrは、C、Nと結合して炭窒化物を形成し、結晶粒の粗大化を抑制して鏡面性を向上させるのに有効な元素である。その効果を得るため、Ta含有量の下限を、0.001%以上とする。同様に、Zr含有量の下限を、0.001%以上とする。なお、Ti含有量の下限は特に限定されない。
Ta、Ti、Zrの各含有量が過剰になると、被削性の劣化を招く。これを防止する観点から、Ta含有量の上限を、0.30%以下とする。同様に、Ti含有量の上限を、0.20%以下とする。Zr含有量の上限を、0.30%以下とする。
ここで、本金型用鋼は、7≦Cr+3.3Moの条件を満足していることが好ましい。金型温調のために金型に形成される加熱孔や冷却孔に環流される加熱媒体や冷却媒体に対して、十分な耐食性を発揮させることが可能となるからである。当該条件は、JIS G 0577に基づいて孔食電位を測定し、元素の効果で整理することにより求めることができる。
また、合金元素の添加は、基本的に熱伝導性を低下させるため、金型の温調性低下の原因となりやすい。各成分元素の添加量を変化させて作製した試料の熱伝導率を測定し、熱伝導率に及ぼす各成分元素の添加量の影響を調査したところ、Si、Niは、熱伝導性への影響が大きな元素であること、また、Cr、Moも金型の温調媒体に対する耐食性を向上させる上では必須の元素であるものの、過剰の添加は熱伝導性を低下させることなどが判明した。上記調査結果の回帰から得られる0.1×(10×Si)+5×Ni+Cr+Mo≦15の条件を本金型用鋼が満足している場合には、良好な熱伝導性を発揮させることが可能となるため好ましい。
なお、上記熱伝導率λは、レーザーフラッシュ法により試料の比熱Cp・熱拡散率αを測定し、別に求めた密度ρを用いて以下の通り算出できる。
すなわち、試料(試料重量:M、試料の厚さ:L)の表面にレーザー光を照射して熱エネルギーQを与え、その時の試料の裏面の温度変化ΔTを熱電対により測定する。試料の比熱Cpは、Cp=Q/(M×ΔT)[J/(kg・K)]より算出する。また、試料表面側に設置した赤外線検出器により、試料の温度変化の最大値の半分に達する時間(t1/2)を測定する。試料の熱拡散率αは、α=0.1388×L/(t1/2)[m/s]より算出する。これにより、試料の熱伝導率λは、λ=Cp×α×ρ[W/(m・K)]より算出することができる。
本金型用鋼の化学成分については、以上の通りである。本金型用鋼は、熱処理状態にもよるが、最終的に金型として使用する際に、その硬さが、好ましくは、49HRC以上、より好ましくは、53HRC以上となることが好ましい。
上述した本金型用鋼は、例えば、以下のようにして好適に製造することができる。すなわち、先ず、上述した化学組成を有する鋼を真空誘導炉等にて溶製後、インゴットを鋳造する。
次いで、得られたインゴットを、熱間鍛造および/または熱間圧延して必要な寸法の鋼材に調整する。
次いで、上記熱間加工後、必要に応じて、1種または2種以上の熱処理を行う。熱処理の種類としては、焼入れ焼戻し、サブゼロ処理、球状化焼鈍しなどを挙げることができる。
焼入れ焼戻しは、具体的には、例えば、1000〜1200℃で0.5〜1.5時間加熱後、急冷して焼入れをし、その後、必要に応じて、例えば、−196℃もしくは−76℃で0.5〜1時間サブゼロ処理を行い、その後、200〜700℃で0.5〜1.5時間加熱後、空冷して焼戻しをする方法などを例示することができる。
また、球状化焼鈍しは、具体的には、例えば、850〜900℃で3〜5時間加熱後、10〜20℃/時間の速度で600℃付近まで炉冷し、その後空冷する方法などを例示することができる。
2.本金型
本金型は、上述した本金型用鋼を材料として用いている。
本金型は、耐摩耗性、鏡面性等の観点から、その硬さが、好ましくは、49〜53HRCの範囲内にあると良い。なお、本金型の硬さは、金型素材(母材)そのものの硬さであり、冷間加工による加工硬化や各種表面処理の影響を受けていない部分から測定される。
以下、本発明を実施例を用いてより具体的に説明する。
表1に示す化学組成(質量%)の鋼を真空誘導炉で溶製した後、50kgのインゴットを鋳造した。
鋳造後のインゴットを熱間鍛造し、60mm角の棒材を製造した。その後、各種試験片作製時の加工性を確保するため、900℃で4時間保持後、700℃まで15℃/時間の条件で上記棒材の焼き鈍しを行った。
次いで、上記焼き鈍し後の棒材から各種試験片を切り出し、以下の熱伝導性(熱伝導率、サイクルタイム特性)、耐食性、硬さ測定、耐衝撃性、鏡面性の試験を行った。なお、熱伝導性、耐食性、耐衝撃性、鏡面性の試験に用いる試験片については、焼入れ(1000℃〜1100℃で1時間保持)、焼戻し(150〜600℃で1時間保持し、室温に冷却する処理を2回)を行った後、精加工を行った。また、耐衝撃性、鏡面性の結果は参考データである。
<熱伝導性>
上述したレーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定した。なお、後述する表2の各熱伝導率の値は、比較鋼2の熱伝導率を100としたときの値である。
また、水冷孔(直径8mm)を形成した試験片を作製し、上記水冷孔に通水(水温40℃、流量3.5リットル/分)を行い、通水後の試験片の表面を高周波加熱コイルで300℃まで加熱し、100℃までの冷却に要した時間を測定した。なお、後述する表2では、通水後1日目のデータおよび30日後のデータを示している。
<耐食性>
貫通孔(直径8mm)を形成した試験片を作製し、上記貫通孔に通水(水温40℃、流量3.5リットル/分、24時間)後、試験片断面を写真撮影し、錆の発生面積率(%)を画像解析により測定した。
<硬さ>
上記棒材から1辺10mmの立方体のブロックを切り出し、測定面と接地面を#400まで研磨した後、ロックウェルCスケールにより硬さを測定した。
<耐衝撃性>
上記棒材からJIS3号試験片が採取可能な大きさのサンプルを切り出し、上述の熱処理を行った。その後、精加工を行い、JIS3号試験片を作製し、シャルピー衝撃試験を行った。
<鏡面性>
上記棒材から50mm×45mm×12mmの板材を加工し、上述の熱処理を行った後、機械研磨により#8000まで研磨し、試験片を作製した。得られた試験片について、JIS B0633に準拠して表面粗さRyを測定した。
表1に、開発鋼、比較鋼の化学組成を示す。表2に、各種試験結果を示す。図1に、Cr+3.3Moの値と発錆した面積率との関係を示す。図2に、0.1×(10×Si)+5×Ni+Cr+Moの値と熱伝導率(比較鋼2の熱伝導率を100としたとき)との関係を示す。
Figure 2010174319
Figure 2010174319
表1および表2、図1および図2を比較すると、以下のことが分かる。すなわち、比較鋼1は、C、Crの含有量が本発明の規定範囲の下限を下回っている。そのため、硬度、衝撃値が低く、耐食性も悪い。
比較鋼2は、Crの含有量が本発明の規定範囲の上限を上回っている。そのため、耐食性に優れるものの、熱伝導率、衝撃値が低い。
比較鋼3は、C、Crの含有量が本発明の規定範囲の下限を下回っている。また、Si、Niの含有量が本発明の規定範囲の上限を上回っている。そのため、硬度、熱伝導率、衝撃値が低く、耐食性も不足している。
比較鋼4は、Cの含有量が本発明の規定範囲の下限を下回っている。そのため、硬度が低い。
これら比較鋼に対し、開発鋼は、何れも、熱伝導性、耐食性、硬度のバランスに優れる。また、図1によれば、化学組成の割合および7≦Cr+3.3Moの条件を満たす場合には、十分な耐食性が得られやすくなると言える。このため、7≦Cr+3.3Moの条件を満たさない開発鋼1は、若干ながら耐食性が劣っている。さらに、図2によれば、化学組成の割合および0.1×(10×Si)+5×Ni+Cr+Mo≦15の条件を満たす場合には、良好な熱伝導性を発揮しやすくなると言える。
上記結果から、これら開発鋼をプラスチック成形用金型の材料として用いれば、温調性、水等の温調媒体に対する耐食性、強度に優れたプラスチック成形用金型が得られることが確認できた。
以上、本発明の実施形態、実施例について説明した。本発明は、これらの実施形態、実施例に特に限定されることなく、種々の改変を行うことが可能である。

Claims (5)

  1. 質量%で、
    C :0.22%〜0.35%、
    Si:0.01%〜0.40%、
    Mn:0.10%〜1.20%、
    P :0.030%以下、
    Cu:0.05%〜0.20%、
    Ni:0.05%〜1.00%、
    Cr:5.0%〜10.0%、
    Mo:0.10%〜1.00%、
    V :0.50%超〜0.80%、
    N :0.01%〜0.2%、
    O :0.0100%以下、および、
    Al:0.050%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなることを特徴とするプラスチック成形金型用鋼。
  2. 7≦Cr+3.3Moを満たすことを特徴とする請求項1に記載のプラスチック成形金型用鋼。
  3. 質量%で、
    S :0.001%〜0.20%、
    Se:0.001%〜0.3%、
    Te:0.001%〜0.3%、
    Ca:0.0002%〜0.10%、
    Pb:0.001%〜0.20%、および、
    Bi:0.001%〜0.30%から選択される1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載のプラスチック成形金型用鋼。
  4. 質量%で、
    Ta:0.001%〜0.30%、
    Ti:0.20%以下、および、
    Zr:0.001%〜0.30%から選択される1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のプラスチック成形金型用鋼。
  5. 請求項1から4のいずれか1項に記載のプラスチック成形金型用鋼を材料として用いたプラスチック成形金型。
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