JP2015168859A - 金型用鋼 - Google Patents
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Abstract
Description
から選択される1種または2種以上を含有してもよい。
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、金型用鋼の硬度を向上させる。また、Cは、Cr、Mo、V等とともに、炭化物や炭窒化物を形成し、金型用鋼の強度を向上させる。
Siは、脱酸剤としての効果、また金型製造時の被削性を向上させる効果を有する。Siの含有量は、金型に求められる被削性を確保するために、0.07%<Siとする。Si≦0.07%とした場合には、被削性が著しく低くなるのみならず、熱処理を経ても、金型に求められる高硬度(おおむね49HRC)を得にくくなる。他の特性とのバランスの観点から、好ましくは、0.09%<Siであるとよい。
Crは、不動態膜を形成することで、耐食性を向上させる元素である。図1(a)にCrの添加量と耐食性との関係を示す。ここでは、0.32C−0.23Si−0.60Mo−0.60V−0.015Nを基本成分とし、MnとCrの含有量を変化させた鋼材の耐食性を湿潤試験によって評価している。つまり、鏡面研磨した試験片を湿度98%、温度50℃の環境に24時間放置した後の発錆状況を目視観察し、ほとんど錆が発生していないか、錆がわずかしか発生していない場合を「○」、錆がかなり目立つ、あるいは非常に多い場合を「×」として示してある。図1(a)によると、Mnの含有量の全領域にわたり、7.00%<Crを満たす条件で、「○」が得られており、高い耐食性が獲得されている。
Mnの含有量は、焼入れ速度が遅い場合(緩速焼入れ時)の衝撃値および熱伝導率に影響を与えるが、その影響の程度は、Crの含有量にも依存する。本実施形態にかかる金型用鋼において、MnおよびCrの含有量は、−0.1Cr+1.10<Mn<−0.1Cr+1.50の関係を満たす。
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。0.25%<Moとすることで、熱処理を経た際に、金型に要求される高硬度を安定して得ることができる。好ましくは、他の特性とのバランスの観点から、0.35%<Moであるとよい。
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、焼入れ時のγ結晶粒の粗大化抑制に寄与し、衝撃値を向上させる。0.50%<Vとすることで、焼入れ時のγ結晶粒の粗大化が効果的に抑制され、金型に要求される衝撃値を達成しやすくなる。他の特性とのバランスの観点から、好ましくは、0.52%<Vであるとよい。
Nは焼入れ時の残留炭化物(および炭窒化物)の固溶温度を高めるため、Nの含有量を多くするほど、残留炭化物(および炭窒化物)が増え、焼入れ時の結晶粒粗大化を抑制し、γ結晶粒を微細化することができる。この効果を十分に得るため、0.0005%<Nとする。
Wは、炭化物の析出によって金型用鋼の強度を上げる。また、Coは、母相への固溶によって強度を上昇させるとともに、炭化物形態の変化を介して、析出硬化にも寄与する。本実施形態にかかる金型用鋼は、Crを多く含有するため、軟化抵抗が低く、焼戻し温度が高い場合には高強度を確保することが難しくなる。そこで、WやCoを添加することで、焼戻し温度が高い場合にも、強度確保を図ることができる。W、Coとも、含有量の下限値は、強度確保に効果を有する含有量として規定され、上限値は、特性の飽和とコスト増の抑制の観点から規定されている。特に好適な含有量の範囲は、それぞれ、0.30%≦W≦3.00%、0.30%≦Co≦2.00%である。
Nb、Ta、Ti、Zrは、微細な析出物として析出し、オーステナイト結晶粒の粗大化を抑制することができる。予期せぬ設備トラブルなどによって、焼入れ時や熱処理時の加熱温度が高くなったり、加熱時間が長くなったりすることがあれば、オーステナイト結晶粒の粗大化が進行し、各種特性が低下する可能性がある。そのような場合に備え、Nb、Ta、Ti、Zrから選択される1種または2種以上を添加しておけばよい。各元素の含有量の下限値は、オーステナイト結晶粒の粗大化抑制の効果が得られる含有量として規定され、上限値は、炭化物や窒化物、酸化物の過度の析出による衝撃値や鏡面研磨性の低下を抑制する観点から規定されている。なお、これらの元素は、後述するように、BNの形成を抑制する効果も有する。
Alは、Nと結合してAlNを形成し、オーステナイト結晶粒界の移動による粒成長を抑制する効果を有する。よって、上記のNb、Ta、Ti、Zrと同様に、オーステナイト結晶粒の粗大化の抑制に寄与する。また、Alは鋼中で窒化物を形成して析出強化に寄与するため、金型用鋼に窒化処理が施される際に、表面硬さを高くする作用を有する。よって、高い耐摩耗性を求めて窒化処理をする金型においては、Alを添加することが特に有効である。含有量の下限値は、それらの効果が得られる含有量として規定され、上限値は、粗大なAl酸化物の生成による鏡面研磨性の低下を抑制する観点から規定されている。
NiおよびCuはともに、鋼中でオーステナイトを安定に生成させ、焼入れ性を向上させる効果を有する。上記のように、近年の樹脂製品の大型化によって、成形用の金型のサイズが大きくなる傾向にある。大きな金型は冷却されにくいので、焼入れ性の低い金型用鋼で金型を形成して焼入れを行うと、焼入れ中にパーライト、粗大ベイナイトが析出して、各種特性が低下する可能性がある。本実施形態にかかる金型用鋼は、フェライトおよびパーライトの析出が抑制されていることや、高衝撃値を有すること等により、非常に高い焼入れ性を有しているものの、非常に大型の金型を形成し、小さい冷却速度で焼入れを行う場合にも高い焼入れ性を確保するために、NiやCuを添加して焼入れ性をさらに高めておくことが有効である。さらに、Niは、Alと結合して金属間化合物として析出し、硬度を高める効果も有する。一方、Cuには、時効析出で硬度を高める効果もある。各元素の含有量の下限値は、焼入れ性向上の効果が得られる含有量として規定され、上限値は、偏析による鏡面研磨性の低下を抑制する観点から規定されている。特に好適な含有量の範囲は、それぞれ、0.50%≦Ni≦3.0%、0.50%≦Cu≦1.2%である。なお、NiとCuには、δフェライトを析出させにくくする効果も有する。
Bを添加することで、金型用鋼の焼入れ性をさらに向上することができる。含有量の下限値は、焼入れ性向上の効果を得られるように規定されている。ただし、BがNと結合してBNを形成すると、焼入れ性の向上効果が損なわれるので、Bを鋼中に単独で存在させる必要がある。BNの形成を抑制する観点で、Bの含有量に上限値が規定されている。BNの形成は、BよりもNとの親和力が強い元素に窒化物を形成させることでも抑制することができる。そのような元素としては、Nb、Ta、Ti、Zrを挙げることができる。これらの元素によるBN形成抑制の効果は、不可避的不純物として含有されるレベルの量でも得られるが、特にNの量が多い場合に、上記のような含有量範囲(0.004〜0.100%)でこれらの元素が意図的に添加されることで、BNの形成を効果的に抑制することができる。
S、Se、Te、Ca、Pb、Biはいずれも、金型用鋼の被削性を向上させる効果を有する。本実施形態にかかる金型用鋼は、従来の金型用鋼と比べて、比較的Siの含有量が少ないため、機械加工性がそれほど高くないが、これらの元素を添加することで、被削性を改善することができる。各元素の含有量の下限値は、被削性改善の効果が得られる含有量として規定されている。一方、上記各元素を過剰に添加すると、被削性向上の効果が飽和するとともに、熱間加工性の低下、衝撃値や鏡面研磨性の低下を招くため、これらの特性の低下を回避する観点から、含有量の上限値が規定されている。
15mm×15mm×25mmの角棒を試験片として切り出し、焼戻し硬さ試験を行った。具体的には、試験片を1030℃に加熱して60分間保持した後に急冷して焼入れを行った後、450〜600℃で2時間の焼戻しを行った。ロックウェルCスケール(HRC)によって硬さを測定し、焼戻し時の温度範囲において得られた最大硬さを、焼戻し硬さとした。
パーライトの析出のしにくさを、金型の焼入れを模擬した試験にて評価した。具体的には、φ4mm×10mmの概略形状を有する試験片を、1030℃に加熱して15分保持した後、所定の冷却速度で室温まで冷却した。そして、冷却後の試験片を切断して、切断面の組織を観察し、パーライトの有無を判定した。パーライトの析出が観察された最大の冷却速度A(℃/分)に基づいて、パーライトの析出しにくさを評価した。つまり、A<5の場合を特に析出しにくい(◎)とし、5≦A<10の場合を析出しにくい(○)とし、10≦A<30の場合をやや析出しやすい(△)とし、30≦Aの場合を析出しやすい(×)として、判定を行った。
大きな金型を能力の低い設備で焼入れた場合を模擬した試験にて、衝撃値を評価した。具体的には、11mm×11mm×60mmの角棒を試験片として、1030℃から550℃までを50℃/分、550℃から100℃までを2℃/分で冷却して焼入れを行った後、450〜600℃で2時間、焼戻しを行った。焼戻し温度としては、それぞれの鋼種において最大硬さが得られる温度を選択した。このような処理を経た角棒を用いて、ノッチ(先端R部の半径が1mm)を有する概寸10mm×10mm×55mmの試験片に加工し、シャルピー衝撃試験によって、室温における衝撃値E(J/cm2)を測定した。得られた衝撃値Eについて、E≧35の場合を特に高い(◎)とし、35>E≧20の場合を高い(○)とし、20>E≧10の場合を低い(△)とし、10>Eの場合を非常に低い(×)として、評価を行った。
δフェライトの析出のしにくさ、耐食性、鏡面研磨性、シボ加工性、熱伝導率の評価用試験片には、急速焼入れと焼戻しを施した。具体的には、1030℃で1時間の均熱後に急冷して焼入れを行い、450〜600℃で2時間の焼戻しを行った。焼戻し温度としては、それぞれの鋼種の最大硬さが得られる温度を選択した。
上記のような急速焼入れと焼戻しを行った試料片に対し、湿潤試験を行って、耐食性を評価した。具体的には、鏡面研磨した試験片を湿度98%、温度50℃の環境に24時間放置した後の発錆状況を目視観察した。各鋼種の耐食性を、ほとんど錆びが発生していない場合を非常に高い(◎)とし、僅かな錆び発生している場合を高い(○)とし、錆が目立つ場合を低い(△)とし、錆が非常に多い場合を非常に低い(×)として評価した。
上記のような急速焼入れと焼戻しを行った試料片に対し、砥粒番手#50000までの研磨を行い、ウネリやピンホール等、不具合とみなされる構造の有無を観察した。これらの構造がほぼない場合を鏡面研磨性が非常に高い(◎:金型として優れている)とし、少ない場合を鏡面研磨性が高い(○:金型として使用できる)とし、目立つ場合を鏡面研磨性が低い(△:金型として使用できない場合が多い)とし、非常に多い場合を鏡面研磨性が非常に低い(×:金型としては使用できない)として、評価を行った。
上記のような急速焼入れと焼戻しを行った試料片を鏡面研磨した後、薬液で腐食し、シボ加工を施した。この際のシボの状態を観察し、シボムラがなければシボ加工性が良い(○)とし、シボムラが少しあればシボ加工性がやや悪い(△)とし、シボムラが多くあればシボ加工性が悪い(×)として評価した。
熱伝導率λ(W/m/K)を、レーザーフラッシュ法によって測定した。すなわち、試験片にレーザー光を照射し、その時の試験片裏面の温度変化ΔTを熱電対によって測定した。そして、試験片の質量をM、厚さをLとし、レーザー照射によって試験片に与えられる熱エネルギーをQとして、試料の比熱Cpを、Cp=Q/(M・ΔT)[J/(kg・K)]の関係より算出した。さらに、試験片の表面側に設置した赤外線検出器により、試験片の温度変化の最大値の半分に達する時間(t1/2)を測定し、試験片の熱拡散率αを、α=0.1388×L2/(t1/2)[m2/s]の関係より算出した。そして、試料の熱伝導率λを、λ=Cp・α・ρ[W/(m・K)]として算出した。測定は、25℃において行った。λ≧22の場合を非常に高い(◎)とし、20≦λ<22の場合を高い(○)とし、19≦λ<20の場合を低い(△)とし、λ<19の場合を非常に低い(×)として、熱伝導率を評価した。
Claims (9)
- 質量%で、
0.27%<C<0.36%、
0.07%<Si<0.40%、
7.00%<Cr<8.80%、
0.25%<Mo<0.80%、
0.50%<V<0.75%、および
0.0005%<N<0.05%と、
Mnを含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなり、
−0.1Cr+1.10<Mn<−0.1Cr+1.50を満たすことを特徴とする金型用鋼。 - N<−0.04V+0.050
を満たすことを特徴とする請求項1に記載の金型用鋼。 - さらに、質量%で、
0.10%<W≦4.00%、および
0.10%<Co≦3.00%
から選択される1種または2種を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の金型用鋼。 - さらに、質量%で、
0.004%<Nb≦0.100%、
0.004%<Ta≦0.100%、
0.004%<Ti≦0.100%、および
0.004%<Zr≦0.100%
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項に記載の金型用鋼。 - さらに、質量%で、
0.10%<Al<1.2%を含有することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の金型用鋼。 - さらに、質量%で、
0.30%<Ni≦3.5%、および
0.30%<Cu≦1.5%
から選択される1種または2種を含有することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の金型用鋼。 - さらに、質量%で、
0.0001%<B≦0.0050%を含有することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の金型用鋼。 - さらに、質量%で、
0.003%<S≦0.050%、
0.0005%<Ca≦0.2000%、
0.03%<Se≦0.50%、
0.005%<Te≦0.100%、
0.01%<Bi≦0.50%、および
0.03%<Pb≦0.50%
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7のいずれか1項に記載の金型用鋼。 - 25℃における熱伝導率が20W/m/K以上であることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の金型用鋼。
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