JP3837094B2 - 鏡面性および被削性に優れたプラスチック成型金型用鋼 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鏡面性および耐食性に優れかつ良好な被削性を備えたプリハードンタイプの高清浄度のプラスチック成型金型用鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラスチック製品成型用金型材としては、安価な炭素鋼やＣｒ−Ｍｏ系低合金鋼が使用され、また製品成型時に塩素等のハロゲンガスが発生する場合など耐食性が要求される場合にはステンレス鋼が使用されている。
またこれ以外にも用途によってはＮｉ−Ａｌ系金属間化合物やＣｕによる析出を利用しＨＲＣ３５以上への硬度調整が可能な高級鋼が使用され、その多くはプリハードン鋼として提供される。これはあらかじめ調質熱処理により所定の硬度に調整され、機械加工後に金型として使用されるものである。そのためプリハードン型の金型用鋼は、調質状態で良好な被削性を有し、同時に金型としての使用に際して必要とされる硬度および靭性を兼備しなくてはならない。
【０００３】
これに加えて金型における重要な要求特性として鏡面性があげられる。鏡面性を阻害する要因は鋼材中に含まれる非金属介在物の存在であり、鏡面研磨時にピンホール欠陥の起点となる。これらはＡｌ_２Ｏ_３に代表される酸化物およびＭｎＳが主なものであるが、ＭｎＳは一方で被削性向上という役割も有している。
【０００４】
これまでに被削性と鏡面性（高清浄度化）の両立を目指すプラスチック成型金型用鋼としては、特開２００１−１５２２７８号公報、２０００−８７１７８号公報、２０００−２９７３５３号公報などに記されているものがある。さらに特開２０００−２９７３５３号公報では耐食性（防錆性）改善のために一定量のＣｒ添加がされた鋼材が提案されている。
【０００５】
介在物低減の方策としてはＳ、Ｏ、Ｎ量の低下がもっとも有効である。なお、ＮはＡｌと結合してＡｌＮを生成し、上述のＡｌ_２Ｏ_３およびＭｎＳ等と同様に鏡面性を低下させるとされている。上記の特開２０００−２９７３５３号公報および２００１−１５２２７８号公報に示された金型用鋼は、ともにＯ、Ｎ量に上限を設けて規制することで、高い鏡面性と良好な被削性を達成しようとするものである。具体的には前者が質量％で０≦０．００３％、Ｎ≦０．０２％、後者がＯ≦０．００１５％、Ｎ≦０．０１５０％としている。さらに、特開２０００−８７１７８号公報ではＳ量低減に関する規定もあり、Ｓ≦０．００４％、Ｏ≦０．００１５％、Ｎ≦０．００３０％と設定されている。この場合にはＭｎＳ低減に伴う被削性低下を快削元素であるＣｕ添加量増加により補うという方法をとっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のようにＭｎＳは鏡面性を低下させる一方で、その生成量は被削性向上の重要な支配因子であるため、Ｓ添加量は諸特性のバランスを考慮した上で決められているのが実情である。そのため高清浄度化はＯもしくはＮの規制によるものが主であり、高い鏡面性の実現には限界がある。また特開２０００−８７１７８、平２−２６３９５３および昭６３−１１４９４２ではＳ量の低減（Ｓ＜０．００４）が明記されているが、光学レンズの成形など極めて高い鏡面性を要求される場合ではこれによっても十分な清浄度を確保できるとは言い難い。
【０００７】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、優れた鏡面性と被削性を兼ね備えたプラスチック成型金型用鋼を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の鏡面性および被削性に優れたプラスチック成型金型用鋼のうち、請求項１記載の発明は、質量％にて、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：２．０〜６．０％、Ｎｉ：２．０〜５．０％、Ｃｕ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．５〜２．０％、Ｂ：０．００１〜０．０１％を含有し、さらにＭｏ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下のうち１種もしくは２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ不可避不純物中でＳ：０．００２％以下、Ｏ：０．００１５％以下、Ｎ：０．０１％以下に規制したことを特徴とする。
【００１１】
すなわち、本発明では、特に鋼中Ｓ含有量については０．００２％以下という非常に低いレベルに低減し、同時にＯ、Ｎ含有量についてもそれぞれ０．００１５％以下、０．０１％以下に制限することにより、非常に非金属介在物の少ない鏡面性に優れた金型用鋼が得られる。加えて快削元素であるＢの添加により鏡面性を損なうことなく、被削性を補うことが可能であり、鏡面性と被削性という相反する性質を両立させることができる。
【００１２】
次に、本発明で成分範囲を限定した理由を以下に説明する。
【００１３】
Ｃ：０．０１〜０．１５％
Ｃは焼入性を向上させる元素であり、また目的の硬度調整ためにも０．０１％以上の添加が必要である。一方多量に添加した場合、Ｃｒなどと結合し炭化物が生成することで被削性が低下し、また溶接性も劣化させることからその上限を０．１５％とする。上記と同様の理由により、より好ましくはその添加量を０．０３〜０．１％とする。
【００１４】
Ｓｉ：０．５〜２．０％
Ｓｉは溶製時に脱酸材として添加するものであり、被削性を向上させる効果を有する。そのためには０．５％以上の添加を要する。一方添加量が多い場合、成分偏析が発生し鏡面性を低下させ、また過度の靭性低下をもたらすため、その添加量上限を２．０％とする。上記と同様の理由により、より好ましくはその上限を１．５％とするのが良い。
【００１５】
Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｍｎは焼入性向上に効果的な元素であり、添加により良好な機械的性質を得ることができる。その効果を得るためには０．３％以上の添加が必要である。ただし、過度の添加は延靭性を増し、被削性を低下させてしまうため、上限を２．０％とした。上記と同様の理由により、より好ましくは０．３〜１．５％とする。
【００１６】
Ｎｉ：２．０〜５．０％
ＮｉはＣ、Ｍｎと同様に焼入性を向上させ、良好な強度および靭性を実現するために有効な元素である。またＡｌと結合しＮｉ−Ａｌ系金属間化合物を形成することで析出硬化をもたらす。その作用を得るためには２．０％以上の添加が必要である。一方、多量に添加すると過度に靭性が向上し、被削性を低下させるため、上限を５．０％とする。上記と同様の理由により、より好ましくは２．５〜４．５％とする。
【００１７】
Ｃｒ：２．０〜６．０％
Ｃｒは耐食性向上に最も有効な元素であり、また焼入性の向上という作用も同時にもたらす。添加量を増加させるほど耐食性（耐孔食性、防錆性）は向上するが、一方で靭性が向上し被削性が低減する。そのため添加量を２．０〜６．０％に調整する必要がある。上記と同様の理由により、また過度の靭性向上を避けるため、より好ましくはその添加量を３．０〜５．０％とするのが良い。
【００１８】
Ｃｕ：０．５〜２．０％
Ｃｕは時効処理によりＮｉ−Ａｌ系金属間化合物同様に基地中に微細分散し、析出硬化をもたらし、ＨＲＣ４０前後の高硬度への調整が可能となる。また被削性向上に効果的な元素であり、これらの効果を得るためには少なくとも０．５％以上の添加が必要である。一方で添加量が多すぎると熱間延性を低下させるため、２．０％を上限とする。上記と同様の理由により、より好ましくは０．５〜１．５％とする。
【００１９】
Ａｌ：０．５〜２．０％
ＡｌはＳｉ、Ｍｎ同様、鋼塊溶製時に脱酸材として用いられ、また時効処理によりＮｉと結合し金属間化合物を形成し、析出硬化をもたらす。これらの作用を得るためには０．５％以上の添加を要する。一方で多量の添加は酸化物系非金属介在物を生成し、鏡面性を低下させることから、その上限を２．０％とする。さらに上記と同様の理由により、その上限を１．５％とするのが望ましい。
【００２０】
Ｂ：０．００１〜０．０１％
Ｂは快削元素であり、本発明では低Ｓ化による被削性低減を補うものである。また焼入性を向上させる効果も有しており、添加により良好な機械的性質を得ることができる。一方で過度に添加した場合、熱間加工性を阻害し、溶接時の割れ感受性を高めるため、その上限を０．０１％とする。なお、同様の理由で上限をさらに０．００５％に定めるのが望ましい。また、上記作用を十分に得るために、Ｂ含有量は０．００１％以上とする。
【００２１】
Ｓ：０．００２％以下、Ｏ：０．００１５％以下、Ｎ：０．０１％以下
Ｓ量規制は本発明の最重要項目である。ＳはＭｎと結合しＭｎＳを形成することで、被削性向上に寄与する。一方で、高級磨きの際にはピンホール欠陥として現出し、また塩素ガスなどの腐食雰囲気では孔食の起点となる。そのため極力含有量を低減させることとし、その上限を０．００２％とする。また、望ましくは上限をさらに０．００１％に規制する。Ｏ、ＮはそれぞれＡｌ等と結合し非金属介在物を形成し、鏡面性に加えて被削性をも低減させるため、それぞれ０．００１５％以下、０．０１％以下とする。また、望ましくは上限をさらにＯ：０．００１％、Ｎ：０．００８％に規制する。
【００２２】
Ｍｏ、Ｗ：１．０％以下
ＭｏはＣｒ同様に耐食性、特に耐孔食性の向上に効果を有する元素である。また時効処理時に微細な炭化物を形成し、硬度調整の役割を果たしている。一方で焼入性の向上をもたらすことから過剰な添加は避け、その上限を１．０％とする。Ｗも時効処理による炭化物形成が認められ、同様に所望により添加することができる。ただし、過剰に添加しても添加の効果向上が認められないため１．０％を上限とする。なお、上記作用を十分に得るためには、それぞれＭｏ：０．１％以上、Ｗ：０．１％以上含有させるのが望ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の金型用鋼は、常法により溶製することができるが、Ｓ、Ｏ、Ｎを厳格に規制するという点で、エレクトロスラグ再溶解法を採用するのが望ましい。該溶解法では、所望の組成のエレクトロスラグ再溶解鋳塊が得られるように成分を設定した電極を用いて溶製がなされる。
好適にはエレクトロスラグ再溶解法により溶製された鋳塊は、必要に応じて鍛造等の加工を施し、さらに調質処理を行う。鍛造、調質等は、常法により行うことができ、本発明としては特に処理条件が限定されるものではない。
上記調質によりプリハードンされた金型用鋼は、必要に応じて切削加工、鏡面研磨が行われる。該切削加工では本発明の金型用鋼は、良好な被削性を示し、切削加工を円滑かつ高品質で行うことができる。また、鏡面研磨においては、優れた鏡面性を示す。
上記により得られた金型は、プラスチック成型用として用いられ、良好な硬度と靱性を有し、優れた耐久性を示す。
【００２４】
【実施例】
以下に本発明の実施例を以下に示す。表１に各供試材の化学成分を示す。なお、供試材としては、本発明の成分範囲になる発明鋼と、本発明の成分範囲を外れた比較鋼とを用意した。
上記で説明したように極低Ｓ化を実現するため、比較鋼７、８、９以外の供試材を得る際の二次溶解にエレクトロスラグ再溶解法を用いた。ついで鍛造により所定寸法に加工後、調質処理を施し、硬度ＨＲＣ４０に調整した。このように製作した供試材より試験片を採取し、確性試験を実施した。
【００２５】
被削性試験には径１０ｍｍのコバルトハイスエンドミルを用い、各供試材に対し所定距離を加工した後の工具逃げ面摩耗幅を測定し、単位切削距離あたりの工具摩耗量を算出した。また塩素ガス雰囲気中での腐食試験（２００℃×連続８時間）を実施し、試験後光顕観察（５０倍、１０視野）にてピット個数を計測（１視野あたりの平均値を算出）し、耐食性を評価した。これらに加えて鏡面性評価として磨き試験を行った。各供試材を機械磨きにて一面を限界仕上げし、５０ｍｍ四辺の正方形面試材中に現出した、目視で確認できるピンホール欠陥個数を測定した。これらの結果を表２および図１に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【表２】

【００２８】
上記試験結果から、本発明の供試材は高硬度で被削性、耐食性、鏡面性の全てにおいて優れた特性を有しており、比較鋼では、これら特性のいずれかが劣っていることが確認された。
なお、上記試験において、供試材中、発明鋼１〜５および比較鋼３ではＣｒ、ＭｏおよびＷを変化させており、これらの比較で特に耐食性と被削性と添加量の関係をみることができる。Ｃｒ、ＭｏおよびＷの添加量が少ない場合には良好な被削性が認められているものの、一方で耐食性低下のため、腐食試験における孔食の発生が多くなる傾向があり、これらの添加量に適正な範囲があることが明らかである。また比較鋼２ではＣｒ添加量が高いため、他鋼種と比較して低硬度となっている。なお、これらの鋼種はいずれも極低Ｓ、Ｏ、Ｎ化しているため、高い鏡面性を有している点で共通している。
【００２９】
また発明鋼２、６、比較鋼４においてはＢ量を変化させている。上述のようにＢは快削元素であるが、同時に高靭性化（焼入性を向上）に有効な元素である。その効果は相殺されるものの、添加量が多くなると若干高靭性化の効果が勝り、約１５０ｐｐｍでは被削性低下が認められた。また若干耐食性および鏡面性が低下する傾向が認められたが、Ｂの窒化物が生成している可能性がある。
【００３０】
発明鋼２、７、比較鋼５、６ではＣ量を変化させている。Ｃ量が０．２０％を越えると炭化物析出に伴い、高硬度となりやすいため工具摩耗量の増加が認められた。かつＣｒおよびＭｏとの結合により耐食性低下が起こる。
【００３１】
比較鋼７〜９については、不純物量の制御のためエレクトロスラグ溶解を適用せず、真空下での高周波誘導溶解のみで溶製した。Ｓ量低減の効果は比較鋼７〜９にてみることができる。Ｓ量が増加するに従い被削性は良好となるが、一方でＭｎＳが孔食の起点となり耐食性が低下し、かつ鏡面性も劣化している。比較鋼７はこれらのうちでＳ量が最も低く、これらの比較鋼のうちでは非金属介在物は少量であるが、それでも発明鋼２と比較すると十分な諸特性は得られておらず、本発明による極低Ｓ化の効果が明らかとなった。
【００３２】
比較鋼１０〜１２はＮ、Ｏを変化させたものである。溶解を低真空で行ったため、脱酸反応によりＳｉ、Ａｌが低くなり、比較鋼１１、１２は低硬度となっている。Ｎ量が１４８ｐｐｍですでにＡｌＮ生成およびＯ含有量上昇によると思われる、諸特性の低下が認められている。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の鏡面性および被削性に優れたプラスチック成型金型用鋼によれば、質量％にて、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：２．０〜６．０％、Ｎｉ：２．０〜５．０％、Ｃｕ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．５〜２．０％、Ｂ：０．００１〜０．０１％を含有し、さらにＭｏ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下のうち１種もしくは２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ不可避不純物中でＳ：０．００２％以下、Ｏ：０．００１５％以下、Ｎ：０．０１％以下に規制したので、優れた被削性と鏡面性を兼ね備え、さらに高硬度で耐食性に優れたプラスチック成型金型が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例における、鏡面性評価のための磨き試験結果を示すグラフである。

Claims (1)

1. 質量％にて、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：２．０〜６．０％、Ｎｉ：２．０〜５．０％、Ｃｕ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．５〜２．０％、Ｂ：０．００１〜０．０１％を含有し、さらにＭｏ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下のうち１種もしくは２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ不可避不純物中でＳ：０．００２％以下、Ｏ：０．００１５％以下、Ｎ：０．０１％以下に規制したことを特徴とする鏡面性および被削性に優れたプラスチック成型金型用鋼。

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