JP5126773B2

JP5126773B2 - プラスチック成形金型用鋼材およびその製造方法

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Publication number: JP5126773B2
Application number: JP2007159681A
Authority: JP
Inventors: 毅城; 正英海野; 知暁瀬羅
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-06-18
Filing date: 2007-06-18
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2027-06-18
Also published as: JP2008308751A

Description

本発明は、プラスチックを成形するための金型に使用するのに好適な鋼材およびその製造方法に関する。

自動車等のバンパー、インスツルメントパネル等に用いられるプラスチック部材の成形は、射出成形法によって行われるのが一般的である。射出成形法では、樹脂を加熱により軟化させた後、金型に圧入し、これを冷却して、所定形状のプラスチック部材が成形される。プラスチック成形用金型には、用途に応じて様々な鋼材が用いられるが、上述のバンパー等大型金型には、Ｓ５５Ｃ等の炭素鋼、ＳＣＭ４４０、Ｐ２０等の中炭素低合金鋼などのプリハードン鋼を用いるのが一般的である。

金型用鋼材には、一般的な特性として、機械的性質（硬さ、耐力、延性、靱性等）、放電加工性、金型の補修再生に必要な溶接性（溶接補修性）などの特性が求められる。また、プラスチック製品の意匠性の向上を目的として、金型用鋼材の磨き研磨性、梨地模様のような表面を得るためのシボ加工性（被エッチング性）などの向上も求められている。更に、成形サイクルタイムを短縮するべく、金型用鋼材には熱伝導率の高いものが求められている。

これらの特性の中で最も重要なものの一つは、硬さである。これは、金型の寿命を向上させるためには型締め力がかかるパーティングライン（ＰＬ）面の変形（へたり）を抑える必要があり、そのため鋼材の硬さを高くする必要があるからである。また、金型には優れた加工精度が求められる。これは、金型により製造されるプラスチック製品の寸法精度に大きな影響を与えるからである。また、金型の機械加工費が金型用鋼材の価格の大半を占めているので、金型用鋼材には被削性の向上が強く要求されている。同じく加工精度の観点から、金型加工時の加工歪みを低減することが求められる。

金型の加工歪みは、鋼の残留応力を低減することにより改善できる。残留応力を低減する方法としては、下記のような発明が提案されている。

特許文献１には、所定の化学組成を有する鋳片または鋼片を１１５０〜１３５０℃の温度に加熱後、圧下比３以上の圧延を行い、次いで、Ａｃ₃〜（Ａｃ₃＋１００℃）の温度から水焼入れし、６００〜７２０℃の温度で焼戻しする被削性の優れた硬さ（ロックウエルＣ硬さ）２７以上を有する金型用鋼の製造方法に関する発明が提案されている。この発明は、焼戻し温度が７２０℃を超えると、２７以上という硬さを達成できず、一方、６００℃未満では残留歪み除去が不完全となることから、焼戻し温度を６００〜７２０℃の温度範囲に限定したものである。

特許文献２には、硬さ（ロックウエルＣ硬さ）が２５以上の鋼材を得るために、Ｃを始めとする添加元素の含有量の範囲と溶接時に最大応力が加わる溶接境界部の母材側硬さ（ヴィッカース硬さ）の値を意味するＢＨ値を特定した溶接性に優れたプラスチック成形金型用鋼に関する発明が提案されている。この発明でも６００℃程度（実施例では６２０℃）の焼戻し処理を実施して、焼入れ時の残留応力を除去することとしている。

特開平６−２９９２３５公報特開平８−１６５５４２号公報

一般に、プリハードン鋼の場合、炭素鋼では焼ならし焼戻し処理がなされ、ＣｒＭｏ鋼やＰ２０鋼では焼ならし焼戻し処理もしくは焼入れ焼戻し処理がなされる。焼ならしおよび焼入れは、鋼材を変態点以上の温度から冷却することによって調質する工程であり、鋼材の組織はオーステナイトからフェライト・パーライト組織、フェライト・ベイナイト組織、ベイナイト組織に変態する。その変態に伴って体積の収縮が生じるが、鋼材の表層部と中央部との間には冷却条件の違いによる収縮差が生じる。その結果、鋼材の表層部には圧縮応力が、中心部には引張応力がそれぞれ残留することになる。

特に、焼ならしまま、焼入れままの鋼材の残留応力は、非常に高いため、焼割れ防止および残留応力低減を目的として、焼戻し処理が実施される。前掲の特許文献１および２に記載の発明は、いずれも６００℃以上の高温で焼戻しを行い、残留応力を除去するものである。しかしながら、高温で焼戻しを行えば、硬さを低下させるので、鋼材の耐久性が低下する。

本発明は、従来技術では困難であった加工歪み低減と耐久性の向上とを両立させたプラスチック成形金型用鋼材およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、このような課題を解決するために鋭意研究を行った結果、下記の知見を得た。

（ａ）ＰＬ面に必要な硬さを確保するためには、鋼材の加工面（切削加工などによりプラスチック成形体の形状に対応した形状を加工する面）の硬さは、ロックウエルＣ硬さで、２５以上とする必要がある。

（ｂ）金型の加工歪の量は、裏面（加工面の反対面）の圧縮残留応力による影響が大きい。従って、金型の加工歪の低減には、鋼材の裏面のみを高い温度で焼戻しして、金型の裏面の残留応力のみを下げるのが効果的である。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、下記の（１）に示すプラスチック成形金型用鋼材ならびに下記（２）に示すプラスチック成形金型用鋼材の製造方法を要旨とする。

（１）質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．５５％、Ｓｉ：０．１〜０．５％、
Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｃｒ：０．５０〜１．７０％、
Ｍｏ：０．２５〜０．５０％、Ｖ：０．０３〜０．１０％、
Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０５０％以下、
Ａｌ：０．０２％以下およびＯ（酸素）：０．０３０％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、ロックウエルＣ硬さで、加工面の硬さが２５以上で、裏面の硬さが２２〜２８であり、かつ加工面の硬さが裏面の硬さより３以上硬いプラスチック成形金型用鋼材。

（２）鋼材の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．５５％、Ｓｉ：０．１〜０．５％、
Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｃｒ：０．５０〜１．７０％、
Ｍｏ：０．２５〜０．５０％、Ｖ：０．０３〜０．１０％、
Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０５０％以下、
Ａｌ：０．０２％以下およびＯ（酸素）：０．０３０％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなるプラスチック成形金型用鋼材を、裏面の加熱温度が加工面より３０℃以上高い条件で焼戻しするプラスチック成形金型用鋼材の製造方法。

本発明のプラスチック成形金型用鋼材は、加工歪みが低いので、加工精度に優れており、しかも、パーティングラインにおける硬度が高いので、耐久性に優れる。

１．鋼材の硬さ
鋼材の加工面の硬さは、ロックウエルＣ硬さで、２５以上とする必要がある。加工面には、金型形状が加工され、加工外周部が成形時の型締めの際に圧力を受けるＰＬ面となる。そのため、ＰＬ面を構成する加工面の硬さが２５未満の場合、金型の耐久性が不十分となる。

鋼材の裏面（加工面の反対面）の硬さは、高すぎると、加工面に金型形状を加工するに際し、歪みが生じ、加工精度の低下を招来する。従って、裏面の硬さは２８以下とした。裏面硬さは低いのがよいが、低硬度を実現するためには焼戻し温度を更に上昇させる必要が生じ、製造コストの上昇を招来する。従って、裏面の硬さは２２以上とした。

鋼材の加工面の硬さは、裏面の硬さより３以上硬いことが必要である。既に述べたように、加工面の硬さは耐久性の観点から極力高いことが望ましいが、鋼材全体の硬さを高めると残留応力が生じ、加工時の歪みを招く。本発明では、このような歪みを取り除くため、裏面のみ硬さを低下させることとしているが、鋼材の加工面と裏面での硬さの差が３未満では、歪み除去の効果が不十分となる。従って、鋼材の加工面の硬さは、裏面の硬さより３以上硬くなるように調整する必要がある。

２．鋼材の化学組成
Ｃ：０．０５〜０．５５％
Ｃは鋼の耐力を高めるのに有効な元素である。しかし、その含有量が０．０５％未満では、鋼の耐力を確保することが難しい。一方、０．５５％を超えると、中心部まで十分な焼入れ性を確保するために大量の焼入れ性元素の添加が必要となる。このため、金型材のコストが上昇すると共に、熱伝導率が低下する。従って、Ｃの含有量は０．０５〜０．５５％とするのが望ましい。

なお、Ｃが低いと、添加元素を増加させなければならない場合もあるので、Ｃ含有量の下限は０．２５％とするのが望ましい。また、Ｃの含有量が多いと、熱伝導率を下げる傾向があるので、Ｃの含有量の上限は０．４０％とするのが望ましい。

Ｓｉ：０．１〜０．５％
Ｓｉは、溶鋼の脱酸剤であるとともに、被削性を改善するのに有効な元素である。この効果が顕著となるのは、Ｓｉ含有量が０．１０％以上の場合である。しかし、Ｓｉは、熱伝導率を低下させるので、０．５０％以下に制限するのがよい。従って、Ｓｉの含有量は０．１〜０．５％とするのが望ましい。

Ｍｎ：０．１０〜１．５０％
Ｍｎは、鋼の熱間加工性および焼入性を向上させるのに有効な元素である。この効果はＭｎの含有量が０．１０％以上の場合に顕著となる。しかし、Ｍｎ含有量が１．５％を超えると、熱伝導率を低下させる。従って、Ｍｎ含有量は０．１０〜１．５０％とするのが望ましい。

Ｃｒ：０．５０〜１．７０％
Ｃｒは、鋼の熱間加工性および焼入性を向上させるのに有効な元素である。この効果は、Ｃｒの含有量が０．５０％以上の場合に顕著となる。しかし、Ｃｒ含有量が１．７％を超えると、熱伝導率を低下させる。従って、Ｃｒの含有量は０．５０〜１．７０％とするのが望ましい。

Ｍｏ：０．２５〜０．５０％
Ｍｏは、少量の添加で焼入性の向上および焼戻し脆化の防止を実現できる元素である。この効果は、Ｍｏの含有量が０．２５％以上の場合に顕著となる。しかし、Ｍｏは高価であり、他の焼入れ性元素同様に鋼の熱伝導率を低下させる作用もある。従って、Ｍｏの含有量は０．２５〜０．５０％とするのが望ましい。なお、バンパー用途等の大型金型の場合には、そのサイズとコストを考慮して、下限は０．３０％、上限は０．４０％とすることが好ましい。

Ｖ：０．０３〜０．１０％
Ｖは、高価な元素であるが、少量で鋼の焼戻し軟化抵抗を向上できる元素である。この効果は、Ｖの含有量が０．０３％以上の場合に顕著となる。しかし、その含有量が多すぎると、鋼の被削性の低下および靱性の低下を招く。従って、Ｖの含有量は０．０３〜０．１０％とするのが望ましい。なお、バンパー用途等の大型金型の場合には、そのサイズとコストを考慮して、下限は０．０５％、上限は０．０７％とすることが好ましい。

Ｐ：０．０３５％以下
Ｐは、鋼の靱性を害するので、その含有量はできる限り低いことが望ましい。通常の工業的な精錬方法で製造できる範囲として、その含有量は０．０３５％以下に制限するのが望ましい。

Ｓ：０．０５０％以下
Ｓは、被削性の向上に有効な元素である。しかし、Ｓの含有量が過剰な場合には、鋼の靱性には有害であり、また、溶接割れを起こしやすくする。従って、Ｓ含有量は、０．０５０％以下とするのが望ましい。ただし、通常の不純物レベルでもよい。

Ａｌ：０．０２％以下
Ａｌは、溶鋼の脱酸剤として有効な元素であるが、その脱酸生成物であるＡｌ₂Ｏ₃系介在物が鋼中に残る。このＡｌ₂Ｏ₃系介在物は、硬質であり、被削性を低下させ、しかも意匠面の磨きの際にピンホールの原因となる。従って、鋼中のＡｌ含有量は少ない方が望ましい。従って、Ａｌ含有量は０．０２％とするのが望ましい。なおＡｌ含有量は、ｓｏｌ．Ａｌを含む全Ａｌ含有量である。

Ｏ（酸素）：０．０３０％以下
Ｏは、ＡｌまたはＳｉと結合して酸化物となり、磨き工程でのピンホールの原因となる。よって鋼中のＯ量は少ない方が望ましい。従って、Ｏの含有量は０．０３０％以下に制限するのが望ましい。なお、好ましい含有量は０．０１５％以下である。

３．鋼材の製造方法
本発明のプラスチック成形金型用鋼材は、焼戻し処理以外の工程は、通常工業的に用いられている製造設備および製造方法で製造することができる。例えば、アーク式電気炉で原料を溶解して精錬した後、所定の化学組成になるように合金元素を添加して成分調整し、造塊法よって鋼塊に鋳造する。電気炉の代わりに転炉を用いることもできるし、造塊法の代わりに連続鋳造法を採用してもよい。鋳塊を熱間鍛造により所定形状とし、焼鈍し、その後、焼入れ焼戻し処理を行う。鍛造後の鋼材の形状は直方体、凹形等いずれの形状でも良い。また、焼入れは水焼入れおよび油焼入れのいずれでもよい。

本発明のプラスチック成形金型用鋼材の製造方法においては、焼戻し処理において、裏面の加熱温度が加工面より３０℃以上高い条件とすることを最大の特徴とする。これは、ＰＬ面を構成しない鋼材の裏面側は、硬さを犠牲にしても、圧縮残留応力を除去することが重要であり、圧縮残留応力を取り除くことにより、加工歪みを低減することができるからである。焼戻し温度と硬さの関係は、鋼種毎に異なるが、加工面の温度は５８０℃以上６３０℃未満、裏面の温度は６３０℃以上が目安となる。

焼戻しは、電気炉、ガス炉等のいずれの炉を用いても良いが、電気炉の場合、例えば、側面ヒータで雰囲気温度の管理を行い、鋼材の裏面側に位置するヒータの温度をコントロールすればよい。ガス炉の場合、鋼材の裏面側から熱するなどの方法により加熱すればよい。なお、精度よくコントロールするには電気炉を用いるのが望ましい。

表１に示す化学組成を有する鋼を溶製して得た鋳塊を１２００℃に加熱した後、鍛錬比６で鍛造して、６００×１０００×２０００ｍｍ（質量９．４Ｔｏｎ）の金型用鋼材を製造した。これらの鋼材を９００℃×１２時間の条件で焼鈍し、黒皮のまま９００℃で１２時間加熱後、油焼入れをし、その後、電気炉を用いて様々な条件で焼戻しした。

焼戻し時の温度分布は、側面ヒータで雰囲気温度の管理を行い、鋼材の裏面側に位置するヒータの温度をコントロールして調整した。なお、それぞれの鋼材には、加工面およびその裏面の中央部に深さ２０ｍｍの穴を空け、Ｋ型シース熱電対を取り付けて焼戻し時の温度分布を測定した。

鋼材を焼戻しした後、鋼材の全ての面について、２．５ｍｍ以上面削し、鍛造時の凹凸、焼入れ時の歪を除去した。面削は、平面度が０．１ｍｍ以下となるまで繰り返し行った。なお、平面度は、マシニングにダイヤルゲージを取り付けて測定した。

その後、鋼材の上面および下面の中心部における硬さを測定した。鋼材表面には、脱炭層が残っている可能性があるため、グラインダを用いて、面削した表面からさらに５ｍｍで掘り下げ、その部位のショア硬さＨＳＤ（ＪＩＳＺ２２４６）を測定し、ＪＩＳＳＡＥＪ４１７硬さ換算表を用いて、ロックウエルＣ硬さに換算した。

上記測定を終えた鋼材をインパネ用金型可動型形状に加工し、加工時の歪み量を測定した。加工時の歪み量は、マシニングセンタにダイヤルゲージを取り付け、外周４辺および対角２辺にダイヤルゲージを走らせ、加工前後の鋼材裏面全面の平面度を測定し、加工前後における平面度の差から算出した。

表１に示すように，本発明例１〜４では、いずれも加工歪０．５ｍ以下と良好であったが、硬さが本発明で規定される範囲を外れる比較例５〜８では、歪み量が大きく、加工精度が劣化した。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．５５％、
Ｓｉ：０．１〜０．５％、
Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、
Ｃｒ：０．５０〜１．７０％、
Ｍｏ：０．２５〜０．５０％、
Ｖ：０．０３〜０．１０％、
Ｐ：０．０３５％以下、
Ｓ：０．０５０％以下、
Ａｌ：０．０２％以下および
Ｏ（酸素）：０．０３０％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、
ロックウエルＣ硬さで、加工面の硬さが２５以上で、裏面の硬さが２２〜２８であり、かつ加工面の硬さが裏面の硬さより３以上硬いことを特徴とするプラスチック成形金型用鋼材。
鋼材の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．５５％、
Ｓｉ：０．１〜０．５％、
Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、
Ｃｒ：０．５０〜１．７０％、
Ｍｏ：０．２５〜０．５０％、
Ｖ：０．０３〜０．１０％、
Ｐ：０．０３５％以下、
Ｓ：０．０５０％以下、
Ａｌ：０．０２％以下および
Ｏ（酸素）：０．０３０％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなるプラスチック成形金型用鋼材を、裏面の加熱温度が加工面より３０℃以上高い条件で焼戻しすることを特徴とするプラスチック成形金型用鋼材の製造方法。