JP4605695B2

JP4605695B2 - ダイカスト金型用プリハードン鋼

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Publication number: JP4605695B2
Application number: JP2004123115A
Authority: JP
Inventors: 民樹柳澤; 邦夫並木; 公造尾崎; 弘晃小山; 道治長谷川; 清柴田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2004-04-19
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2024-04-19
Also published as: JP2005307242A

Description

本発明は、ダイカスト金型用プリハードン鋼に関する。

従来、５Ｃｒ系熱間ダイス鋼（例えばＪＩＳ−ＳＫＤ６１）がダイカスト金型の素材として用いられていたが、この場合、焼きなまし状態の鋼を粗加工してから熱処理により所望の硬さにし、この後に仕上加工して金型に仕上げていた。このため、５Ｃｒ系熱間ダイス鋼の金型は、製作に時間及びコストがかかるという問題があった。
かかる問題を解決したダイカスト金型用の素材として、プリハ−ドン鋼が知られている（例えば、特許文献１）。プリハ−ドン鋼は、予め熱処理された鋼材であって、粗加工と仕上加工との間で熱処理する必要がなく、５Ｃｒ系熱間ダイス鋼に比べて、金型の製作納期及び費用の点で優れている。
特開２００３−１３８３４２号公報

しかしながら、従来のプリハードン鋼のダイカスト金型は、５Ｃｒ系熱間ダイス鋼のダイカスト金型に比べて寿命の点で満足できる水準になかった。
本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、ダイカスト金型の長寿命化を可能にするダイカスト金型用プリハードン鋼を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明者らは種々の検討を重ねる中で、粒界酸化と耐ヒートチェック性との相関に着目し、本発明に想到した。
請求項１の本発明によれば、質量含有率で、０．１５％以上０．３５％以下のＣと、０．０５％以上０．２０％未満のＳｉと、０．０５％以上１．５０％以下のＭｎと、０．０２０％以下のＰと、０．０１３％以下のＳと、０．１０％以下のＣｕと、０．２０％以下のＮｉと、０．２０％以上２．５０％以下のＣｒと、０．５０％以上３．００％以下のＭｏと、合わせて０．０５％以上０．３０％以下のＶ及びＮｂと、０．０２０％以上０．０４０％以下のＡｌと、０．００３％以下のＯと、０．０１０％以上０．０２０％以下のＮとを含有して残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、３０以上４０以下のロックウェルＣ硬さを有することを特徴とするダイカスト金型用プリハードン鋼が提供される。

この構成では、Ｓｉ、Ｃｒ及びＭｎ含有率の上限を規制したことにより、特に、Ｓｉ含有率の上限を０．２０％にすることで、粒界酸化による粒界の脆化が防止され、耐ヒートチェック性が向上する。
請求項２の本発明は、好適な態様として、０．０００２％以上０．００２０％以下のＢを更に含有することを特徴とし、この構成ではＢにより焼入性が向上する。

請求項３の本発明は、好適な態様として、０．０００５％以上０．０１００％以下のＣａと、０．０１％以上０．１５％以下のＳｅと、０．０１％以上０．１５％以下のＴｅと、０．００３％以上０．２０％以下のＺｒとのうちいずれか１種以上を含有することを特徴としている。
この構成では、Ｃａ、Ｓｅ、Ｔｅ及びＺｒにより被削性が向上するとともに、これらＣａ、Ｓｅ、Ｔｅ及びＺｒが鋼中の硫化物（ＭｎＳ）を球状化するので靭性が等方的になり、更に耐ヒートチェック性が向上する。

上述したように、請求項１〜３のダイカスト金型用プリハードン鋼によれば、耐ヒートチェック性の向上により金型における表面疵の発生が防止され、金型の長寿命化を達成することができる。
また、請求項２のダイカスト金型用プリハードン鋼は、焼入性が向上しているので大きなダイカスト金型の製造に好適する。

そして、請求項３のダイカスト金型用プリハードン鋼によれば、被削性の向上により容易に粗加工及び仕上加工ができるとともに、靭性の等方化により更に耐ヒートチェック性が向上しているので、金型の一層の長寿命化を達成することができる。

以下、本発明の第１実施形態のダイカスト金型用プリハードン鋼について説明する。
このプリハードン鋼は、所定の組成を有する鋳塊を鍛造又は圧延して鋼材にし、得られた鋼材に、熱処理により３０ＨＲＣ以上４０ＨＲＣ以下のロックウェル硬さを付与したものである。
ＨＲＣ硬さの下限を３０にしたのは、このプリハードン鋼をダイカスト金型に適用したときに、このダイカスト金型に必要とされる強度を付与するためである。一方、ＨＲＣ硬さの上限を４０にしたのは、粗加工及び仕上加工におけるプリハードン鋼の被削性を確保するためである。このため、このプリハードン鋼によれば、切削加工の能率が確保され、金型の製造時間及びコストを低減することができる。

以下、プリハードン鋼の組成について説明する。
このプリハードン鋼は質量含有率で、０．１５％以上０．３５％以下のＣ（炭素）と、０．０５％以上０．２０％未満のＳｉ（シリコン）、０．０５％以上１．５０％以下のＭｎ（マンガン）と、０．０２０％以下のＰ（リン）と、０．０１３％以下のＳ（硫黄）と、０．１０％以下のＣｕ（銅）と、０．２０％以下のＮｉ（ニッケル）と、０．２０％以上２．５０％以下のＣｒ（クロム）と、０．５０％以上３．００％以下のＭｏ（モリブデン）と、合わせて０．０５％以上０．３０％以下のＶ（バナジウム）及びＮｂ（ニオブ）と、０．０２０％以上０．０４０％以下のＡｌ（アルミニウム）と、０．００３％以下のＯ（酸素）と、０．０１０％以上０．０２０％以下のＮ（窒素）とを含有して残部が実質的にＦｅ（鉄）からなる。

プリハードン鋼における各元素の含有率、即ち、含有量を上記範囲に設定したのは以下の理由による。
Ｃ：０．１５％以上０．３５％以下
Ｃ含有量の下限を０．１５％にしたのは、プリハードン鋼に硬さを付与するためである。一方、Ｃ含有量の上限を０．３５％にしたのは、プリハードン鋼の溶接割れ感受性が高くなるのを防止するためと、プリハードン鋼が硬くなりすぎて被削性が低下するのを防止するためである。なお、Ｃ含有量の好適な下限は０．２０％である一方、Ｃ含有量の好適な上限は０．３０％であり、Ｃ含有量の好適な範囲は０．２０％以上０．３０％以下である。

Ｓｉ：０．０５％以上０．２０％未満
Ｓｉ含有量の下限を０．０５％にしたのは、鋳塊溶製時における脱酸と、鋼材の焼入性及びプリハードン鋼の被削性の向上のためである。一方、Ｓｉ含有量の上限を０．２０％にしたのは、Ｓｉ含有量が０．２０％以上になると粒界酸化が顕著となって粒界が脆化し易くなり、プリハードン鋼の耐ヒートチェック性が低下するからである。

Ｍｎ：０．０５％以上１．５０％以下
Ｍｎ含有量の下限を０．０５％にしたのは、鋳塊溶製時における脱酸と、鋼材の焼入性向上のためである。一方、Ｍｎ含有量の上限を１．５０％にしたのは、Ｍｎ含有量が１．５０％を超えると粒界酸化が激しくなって粒界が脆化し易くなり、プリハードン鋼の耐ヒートチェック性が低下するからである。なお、Ｍｎ含有量の好適な下限は０．１０％である一方、Ｍｎ含有量の好適な上限は１．００％であり、Ｍｎ含有量の好適な範囲は、０．１０％以上１．００％以下である。

Ｐ：０．０２０％以下
Ｐはプリハードン鋼の靭性を低下させるのでＰ含有量は小さいほど好ましく、このためＰ含有量の下限を設けていない。一方、Ｐ含有量の上限を０．０２０％にしたのは、Ｐ含有量が０．０２０％以下であればプリハードン鋼の靭性に与える影響が少ないからである。

Ｓ：０．０１３％以下
Ｓは硫化物を生成し、この硫化物がヒートクラックの起点となるとともにクラックの伸展を助長してプリハードン鋼の耐ヒートチェック性を低下させるので、Ｓ含有量の上限は０．０１３％にする。一方、Ｓ含有量の下限は０であってもよいが、Ｓを微量でも含有すればプリハードン鋼の被削性が向上することから、Ｓ含有量の好適な範囲は０．００３％以上０．０１３％である。

Ｃｕ：０．１０％以下，Ｎｉ：０．２０％以下
Ｃｕ及びＮｉの各々は、鋳塊溶製時に原料等から混入する不純物であってプリハードン鋼の必須成分ではない。このため、Ｃｕ含有量の上限を０．１０％とし、Ｎｉ含有量の上限を０．２０％とする。
Ｃｒ：０．２０％以上２．５０％以下
Ｃｒ含有量の下限を０．２０％にしたのは、鋳塊溶製時における脱酸と、鋼材の焼入性を高くするためである。一方、Ｃｒ含有量の上限を２．５０％にしたのは、Ｃｒ含有量が２．５０％を超えると、粒界酸化が顕著となって粒界が脆化し易くなり、プリハードン鋼の耐ヒートチェック性が低下するからである。また、Ｃｒ含有量が２．５０％を超えると、鋳塊の熱間加工性が低下するとともに、プリハードン鋼の６００℃以上での軟化抵抗性が低下し、高温強度の低下が顕著になり、被削性、溶接性及び熱伝導率も低下し、そして、原料コストも高くなるからである。なお、Ｃｒ含有量の好適な下限は０．５０％である一方、Ｃｒ含有量の好適な上限は２．００％であり、Ｃｒ含有量の好適な範囲は、０．５０％以上２．００％以下である。

Ｍｏ：０．５０％以上３．００％以下
Ｍｏ含有量の下限を０．５０％にしたのは、鋼材の焼入性を高くするとともにプリハードン鋼における６００℃以上での焼戻し軟化抵抗性を確保するためである。一方、Ｍｏ含有量の上限を３．００％にしたのは、Ｍｏ含有量が３．００％を超えるとプリハードン鋼の被削性及び熱伝導率が低下するとともに原料コストが高くなるからである。なお、Ｍｏ含有量の好適な下限は０．８０％である一方、Ｍｏ含有量の好適な上限は２．５０％であり、Ｍｏ含有量の好適な範囲は０．８０％以上２．５０％以上である。

Ｖ及びＮｂ：合わせて０．０５％以上０．３０％以下
Ｖ及びＮｂは共に、プリハードン鋼における焼戻し軟化抵抗性の確保及び結晶粒の微細化のための元素であり、このためプリハードン鋼におけるＶ及びＮｂの含有量を、これらＶ及びＮｂの含有量の和で設定している。従って、この含有量の和の下限を０．０５％にしたのは、プリハードン鋼における焼戻し軟化抵抗性を確保するとともに結晶粒を微細化するためである。一方、この含有量の和の上限を０．３０％にしたのは、この和が０．３０％を超えるとプリハードン鋼の被削性、靭性及び熱伝導率が低下するとともに原料コストが高くなるからである。なお、この含有量の和の好適な下限は０．０８％である一方、この含有量の和の好適な上限は０．１５％であり、この含有量の和の好適な範囲は、０．０８％以上０．１５％以下である。

Ａｌ：０．０２０％以上０．０４０％以下
Ａｌ含有量の下限を０．０２％にしたのは、鋳塊溶製時の脱酸のためと、窒化物（ＡｌＮ）の生成により結晶粒を微細化し、プリハードン鋼の耐ヒートチェック性を向上するためである。一方、Ａｌ含有量の上限を０．０４０％にしたのは、Ａｌ含有量が０．０４０％を超えると脱酸生成物（Ａｌ₂Ｏ₃）及び窒化物によりプリハードン鋼の被削性が低下するからである。なお、Ａｌ含有量の好適な上限は０．０３０％であり、Ａｌ含有量の好適な範囲は、０．０２０％以上０．０３０％以下である。

Ｏ：０．００３％以下
Ｏ含有量の上限を０．００３％にしたのは、Ｏは不純物であり、鋳塊溶製時の脱酸剤として添加されるＡｌと化合してＡｌ₂Ｏ₃を生成し、Ａｌ₂Ｏ₃により被削性が低下するからである。
Ｎ：０．０１０％以上０．０２０％以下
Ｎ含有量の下限を０．０１０％にしたのは、Ｎは上述したようにＡｌと結合して窒化物を生成し、この窒化物により結晶粒が微細化してプリハードン鋼の耐ヒートチェック性が向上するからである。一方、Ｎ含有量の上限を０．０２０％にしたのは、Ｎ含有量が０．０２０％を超えると炭窒化物が生成してプリハードン鋼の被削性が低下するからである。

上述したプリハードン鋼は、Ｓｉ、Ｃｒ及びＭｎ含有量の上限、とりわけＳｉ含有量の上限を適当な値にしたことにより、粒界酸化による粒界の脆化が防止され、耐ヒートチェック性が向上している。
また、このプリハードン鋼では、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶ含有量がそれぞれ上述した含有量の範囲内にあることで、熱膨張率に対する熱伝導率の比が高くなっている。このため、このプリハードン鋼では熱衝撃特性が向上し、耐ヒートチェック性が向上している。

かくして、このプリハードン鋼からなるダイカスト金型にあっては、繰り返し鋳造を行うことにより加熱と冷却が繰り返されても、プリハードン鋼が優れた耐ヒートチェック性を有するので金型表面にクラック等の疵が発生し難く、従来のプリハードン鋼のダイカスト金型に比べて寿命が長い。
また、このプリハードン鋼からなるダイカスト金型にあっては、熱伝導率が高いことから、この金型を用いて鋳造される鋳物表面のチル層の厚さが均一且つ厚くなる。このようなチル層を有する鋳物では、表層の硬度が増大して強度も向上し、また、その鋳造時にチル層を介して鋳物内部の冷却効率も向上するので、鋳物の内部組織も微細化して品質が向上する。

上述したプリハードン鋼は、通常の方法により製造することができる。例えば、まず、上記した組成となるように配合した原料を電気炉又は取鍋精錬により溶解して鋳塊にする。この鋳塊を鍛造又は圧延して厚み１００〜４００ｍｍ、幅３００〜１０００ｍｍ及び長さ４０００ｍｍの矩形形状の鋼材にする。そして、この鋼材を熱処理（９５０℃での焼入れ及び６５０℃での焼戻し）して、ＨＲＣ硬さ３０〜４０のプリハードン鋼にする。

上述のプリハードン鋼は、例えば４面フライスを用いて粗加工及び仕上加工を順次施すことにより、所望形状のダイカスト金型に成形される。このダイカスト金型は、例えば、Ａｌ合金からなる鋳物の鋳造に適用される。
本発明は上述の一実施形態に制約されるものではなく種々の変形が可能であり、例えば、プリハードン鋼は、耐ヒートチェック性が低下しない範囲で、換言すれば不純物レベルで上記した以外の他の元素を含んでいてもよい。

また、上述の一実施形態のプリハードン鋼は、更に、０．０００２％以上０．００２０％以下のＢを含有するのが好ましい。Ｂは鋼材の焼入性を高めるので、Ｂ含有量を０．００２％以上にすれば、大型のダイカスト金型用のプリハードン鋼を製造する際、熱処理すべき鋼材が大型であっても、鋼材が十分に焼入される。一方、Ｂ含有量の上限を０．００２０％にしたのは、Ｂ含有量が０．００２０％を超えると、鋼材の焼入性を高める効果が飽和するとともにプリハードン鋼の溶接割れ感受性が高くなるからである。

そして、上述の一実施形態のプリハードン鋼は、更に、０．０００５％以上０．０１００％以下のＣａ、０．０１％以上０．１５％以下のＳｅ、０．０１％以上０．１５％以下のＴｅ及び０．００３％以上０．２０％以下のＺｒのうちいずれか1種以上を含有しているのが好ましい。
Ｃａ、Ｓｅ、Ｔｅ及びＺｒは、いずれもプリハードン鋼の被削性を向上させるとともに、硫化物(ＭｎＳ)を球状化させて靭性を等方性にするからであり、このためにＣａ、Ｓｅ、Ｔｅ及びＺｒ含有量の下限を、それぞれ０．０００５％、０．０１％、０．０１％及び０．００３％にする。なお、Ｃａ、Ｓｅ、Ｔｅ及びＺｒ含有量の上限を、それぞれ０．０１０％、０．１５％、０．１５％及び０．２０％にしたのは、これらの上限を超えるとプリハードン鋼の靭性、硬さ及び耐ヒートチェック性が低下するとともに、鋳塊の熱間加工性が低下するからである。

実施例１〜２０、比較例１〜３
１．プリハードン鋼の製造
表１に示した組成の鋳塊を溶製し、各鋳塊を鍛造して鋼材とした。これら鋼材を熱処理（焼入れ焼戻し）して表２に示したＨＲＣ硬さを付与した。その後、各鋼材を切削加工して、後述する評価試験のための試験片を作製した。なお、比較例１はＳＫＤ６１に相当し、比較例２及び３は従来のプリハードン鋼に相当する。

２．評価試験
（１）衝撃試験
衝撃試験は、鋼材断面（厚さ３００ｍｍ，幅７００ｍｍ）の中心部からＪＩＳ３号試験片を採取し、各試験片を３０Ｊ（ジュール）のシャルピー衝撃試験機にて試験した。この結果を表２に示す。
（２）粒界酸化層深さ測定
２０ｍｍ角の試験片を温度９００℃の大気雰囲気下にて焼入れし、焼入れ表層の断面組織を金属顕微鏡で観察することにより、粒界酸化層の深さ（厚み）を測定した。この結果を表２に示す。
（３）ヒートチェック試験
高周波加熱・水冷方式のヒートチェック試験機を用いて、各試験片に室温から７００℃まで加熱して再び室温まで冷却する加熱冷却サイクルを１０００回施し、この後、試験片の横断面にてクラックの最大長さを測定した。これらの結果を表２に示す。
なお、試験片は外径φ１５ｍｍ、内径φ５ｍｍＸ厚み５ｍｍの環状をなし、ヒートチェック試験機は、図１に示したように、試験片１０をその中央孔を貫通して支持するロッド１２を備えている。試験片１０の外周は、高周波加熱用のコイル１４により囲まれ、このコイル１４の内周面には、試験片１０を水冷するためのスプレー１６が設けられている。また、試験片１０の近傍には、温度測定用の熱電対１８が配置されている。

（４）熱疲労試験
熱疲労試験は、高周波加熱・ガスブロー冷却方式の熱疲労試験機を用いて、各試験片に両端部を拘束した状態で、２００℃から６００℃まで加熱して再び２００℃まで冷却する加熱冷却サイクルを施し、試験片が破断するまでのサイクル数を測定した。この結果を表２に示す。なお、試験片は、引張り試験片と同じ形状をなし、φ１０ｍｍ、長さ２０ｍｍの平行部を有する。試験片の拘束は、最高温度による端部完全拘束（拘束率：１００％）とした。熱疲労試験機は、図２に示したように、試験片２０の両端部を拘束するチャック２２と、試験片２０を囲む高周波加熱用のコイル２４と、試験片２０を空冷するためのエアブローユニット（図示せず）とを備えている。
（５）熱衝撃特性評価
各試験片の熱伝導率Ｋを室温（２０℃）で測定するとともに、各試験片の熱膨張率αを室温（２０℃）から温度１００℃までの間で測定し、これらの結果を表２に示した。また、試験片のヤング率Ｅを測定するとともに、ＨＲＣ硬さから強度σ_Bを見積もった。これらの結果から、熱衝撃特性Ｐｈｓ（＝σ_B・Ｋ／Ｅ・α）を求めて表２に示した。

表２からは以下のことが明らかである。
（１）実施例１〜２０（プリハードン鋼）は、比較例１〜３に比べて、衝撃値が大きい。
（２）実施例１〜２０は、粒界酸化層の深さが１５μｍ以下であり、比較例１〜３に比べて粒界酸化層が薄く、特に、ＳＫＤ６１に相当する比較例１に比べて薄い。
（３）実施例１〜２０は、比較例１〜３に比べて、ヒートチェック試験での最大クラック長さが短く、特に、従来のプリハードン鋼に相当する比較例２及び３に比べて短い。これより、実施例１〜２０は、比較例１〜３に比べて耐ヒートチェック性が高い。
（４）実施例１〜２０は、比較例２及び３に比べて、熱疲労試験において試験片が破断するまでのサイクル数が２倍以上であり、耐ヒートチェック性が高い。また、実施例１〜２０（実施例１３を除く）は、比較例１に比べても破断するまでのサイクル数が多く、耐ヒートチェック性が高い。
（５）実施例１〜２０の鋼材（プリハードン鋼）は、比較例１〜３に比べて、熱伝導率Ｋ及び熱膨張率αが大きい。このため、実施例１〜２０の鋼材（プリハードン鋼）は、熱衝撃特性Ｐｈｓが大きく、耐ヒートチェック性が高い。
（６）表２の結果をより詳細に解析すると、熱伝導率Ｋは、Ｃ含有量、Ｃｒ含有量、Ｍｏ含有量及びＶ含有量をそれぞれκ、λ、μ及びνとしたときに、式：
Ｋ≒31.3+0.01κ-1.93λ-0.22μ-1.82ν) …（１）
で近似される。一方、熱膨張率αは、式：
α≒13.3+0.06κ-0.33λ-0.07μ-0.14ν …（２）
で近似される。

つまり、これら近似式（１）及び（２）によれば、熱伝導率Ｋ及び熱膨張率αは、Ｃ含有量、Ｃｒ含有量、Ｍｏ含有量及びＶ含有量に依存しており、実施例１〜２０のプリハードン鋼は、各々のＣ含有量、Ｃｒ含有量、Ｍｏ含有量及びＶ含有量に依存して熱伝導率Ｋ及び熱膨張率αが大きくなっている。このため、ＨＲＣ硬さが３３〜３４の実施例１〜２０は、熱衝撃特性が１００００を超え、優れた耐ヒートチェック特性を有する。

プリハードン鋼のヒートチェック試験機の概略構成図である。プリハードン鋼の熱疲労試験機の概略構成図である。

符号の説明

１０試験片
１２ロッド
１４コイル
１６スプレー
１８熱電対

Claims

質量含有率で、
０．１５％以上０．３５％以下のＣと、
０．０５％以上０．２０％未満のＳｉと、
０．０５％以上１．５０％以下のＭｎと、
０．０２０％以下のＰと、
０．０１３％以下のＳと、
０．１０％以下のＣｕと、
０．２０％以下のＮｉと、
０．２０％以上２．５０％以下のＣｒと、
０．５０％以上３．００％以下のＭｏと、
合わせて０．０５％以上０．３０％以下のＶ及びＮｂと、
０．０２０％以上０．０４０％以下のＡｌと、
０．００３％以下のＯと、
０．０１０％以上０．０２０％以下のＮと
を含有して残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
３０ＨＲＣ以上４０ＨＲＣ以下のロックウェル硬さを有する
ことを特徴とするダイカスト金型用プリハードン鋼。
０．０００２％以上０．００２０％以下のＢを更に含有することを特徴とする請求項１記載のダイカスト金型用プリハードン鋼。
０．０００５％以上０．０１００％以下のＣａと、
０．０１％以上０．１５％以下のＳｅと、
０．０１％以上０．１５％以下のＴｅと、
０．００３％以上０．２０％以下のＺｒと
のうちいずれか１種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２記載のダイカスト金型用プリハードン鋼。