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
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Description
【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Al2O3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Al2O3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)
- 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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