JP5912231B2 - プラスチック成形金型用鋼 - Google Patents

Description

本発明は、硬さがロックウェルＣスケール硬さで４０ＨＲＣクラスであるプラスチック成形に使用される金型用鋼に関する。

近年、自動車部品をはじめ、事務機器部品、精密機械部品、電気部品、光学機器部品など多岐にわたる分野で製品のプラスチック化が進んでいる。そのため、これらの製品の製造に用いるプラスチック成形用の金型は、複雑な金型形状に加工されることも多くなってきている。そこで、これらに使用されるプラスチック成形用の金型用鋼には、耐割れ性が求められている。

また、製造されるプラスチック製品には、金型表面の形状が、そのまま製品表面に現れるので、例えば、光学レンズのような透明なプラスチック製品を成形する金型には、極めて高度な鏡面性が求められている。

そこで、極めて高度な鏡面性を得るためには、硬さは、ロックウェルＣスケール硬さで凡そ３７ＨＲＣ以上が必要である。また金型全体の硬さが均一である方が良いので、均一な硬さが得られるプリハードン鋼が多く用いられている（例えば、特許文献１参照。）。さらに、金型表面に介在物が存在すると、硬さが金型母材と違うため、研磨時に金型表面に磨きムラができる。また、この介在物が金型表面を研磨するときに脱落することで、金型表面にピンホールを発生させ、鏡面性を低下させる原因となる。このため、金型の鋼材内に存在する介在物の量を低減することが求められている。

これらの介在物は主にＡｌ₂Ｏ₃に代表される酸化物や、ＭｎＳおよびＡｌＮなどが挙げられる。これらの介在物を低減の方策としては、例えば、鏡面性向上すなわち鋼の高清浄度化を目指すプラスチック成型金型用鋼としては、例えば、特許文献２あるいは特許文献３などに記されているものがある。特許文献２矢特許文献３に示されたプラスチック成型用の金型用鋼は、Ｏ量、Ｎ量およびＳ量の低減に関する規定があり、非金属介在物の原因となる元素量を低く規制することで、高い鏡面性を達成しようとしている。

しかし、上記の特許文献２や特許文献３で提案されている合金成分では、非金属介在物は少なくなっているが、時効処理後のミクロ組織を観察したところ、結晶粒界に炭化物が凝集しており、その炭化物が金型の耐割れ性を低下し、さらに鏡面性を悪化させる原因となっていることが判明した。

特開２００１−１５２２４６号公報 特開２００４−０５９９９３号公報 特開２０００−０８７１７８号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、従来のプラスチック成形用の金型用鋼より粒界炭化物が少ない靭性に優れたプラスチック成形用の金型用鋼を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の手段では、プラスチック成型用に使用するための金型用鋼としては、質量％で、Ｃ：０.０５〜０.２０％、Ｓｉ：０．５２〜２．００％、Ｍｎ：０．５０〜２．５０％、Ｃｕ：０．６８〜２．００％、Ｎｉ：２．００〜４．００％、Ｃｒ：０．５０〜３．００％、Ｍｏ：０．０１〜２．００％、Ａｌ：０．５０〜２．００％、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．０１５％以下、Ｏ：０．０１％以下を含有し、かつ、Ｆ（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ）＝０．５Ｃ＋０．７Ｓｉ＋５.１Ｍｎ＋０．４Ｎｉ＋２．２Ｃｒ＋３Ｍｏ＋０．４Ｃｕの値がＦ≧１２．０を満たし、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、３９〜４１ＨＲＣの硬さを有し、結晶粒界に現出している長さ３μｍ以上の粒界炭化物が１μｍ²当たり０．００４個未満であることを特徴とするプラスチック成型用に使用するための金型用鋼である。

本発明の組成の金型用鋼は、３９〜４１ＨＲＣの硬さを有し、結晶粒界に析出する炭化物もしくは粒界炭化物群の個数が抑制された、特に長さが３μｍ以上の粒界炭化物が１μｍ²当たり０．００４個未満である金型用鋼であるので、シャルピー衝撃値に優れており、したがって、この金型鋼を使用して鏡面性と耐割れ性に優れた金型を作製することができる。

本発明鋼および比較鋼の典型的な時効処理後のミクロ組織を観察した顕微鏡写真である。

本発明のプラスチック成形するために用いる金型用鋼について説明する。先ず、本発明者らは、結晶粒界に炭化物が析出することを抑制するために、従来の鋼成分について数多くの改良研究を重ねた結果、結晶粒界に凝集している炭化物は、溶体化処理時にオーステナイト域まで加熱し、その後冷却するときに、オーステナイト結晶粒界の一部にマトリクスと異なる硬さのベイナイトとして析出したものであり、このベイナイトが時効硬化処理後も残っているため、鏡面性および耐割れ性を悪化させていることを知見した。この知見に基づいて、発明者らは、焼入性を高め、粒界炭化物の析出を抑える効果がある元素について、Ｆ（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ）＝０．５Ｃ＋０．７Ｓｉ＋５.１Ｍｎ＋０．４Ｎｉ＋２．２Ｃｒ＋３Ｍｏ＋０．４Ｃｕの値がＦ≧１２．０を満たすとき、溶体化処理したときにベイナイトが析出するのを抑えることが出来る。さらに、時効硬化処理後の結晶粒界に現出している長さ３μｍ以上の粒界炭化物が１μｍ²当たり０．００４個未満となることで、金型の耐割れ性の低下および鏡面性の悪化を抑制することが出来ることを見出した。

次に、本発明のプラスチック成形に用いる金型用鋼の成分組成を特定する理由を説明する。なお、以下の成分における％はすべて質量％である。

Ｃ：０.０５〜０.２０％
Ｃ は、必要な硬さを確保して焼入性を向上させる効果があり、そのためには、０．０５％以上の添加が必要である。ただし、過度の添加は、被削性の低下を招くため、０．２０％を上限とする。

Ｓｉ：０．５２〜２．００％
Ｓｉは、溶製時の脱酸剤であるとともに焼入性を高める効果があり、そのためには、Ｓｉは０．３０％以上の添加が必要である。ただし、過剰な添加は、ＣｒやＭｏ等の偏析を助長し、靭性の低下を招くため、２．００％を上限とする。望ましくは０．４０〜１．５０％である。ただし、表１の本発明鋼のＮｏ．７の記載に基づきＳｉの下限値は０．５２％とするので、Ｓｉは０．５２〜２．００％とする。

Ｍｎ：０．５０〜２．５０％
Ｍｎは、必要な硬さを確保して焼入性を向上させる効果があり、そのためには、０．５０％以上の添加が必要である。ただし、過剰な添加は、靭性の低下を招くため、２．５０％を上限とする。

Ｃｕ：０.６８〜２．００％
Ｃｕは、時効硬化熱処理により時効硬化をおこす元素である。Ｃｕ添加により、Ｎｉ量が少なくても時効硬化を起こすことが知られており、原材料費を低減させるためにもＣｕ添加が望ましい。硬さの観点からの効果を得るためには、０．５０％以上の添加が望ましい。ただし、過剰な添加は、熱間加工性を害するため、２．００％を上限とする。ただし、表１の本発明鋼のＮｏ．２の記載に基づきＣｕの下限値は０．６８％とするので、Ｃｕは０．６８〜２．００％とする。

Ｎｉ：２．００〜４．００％
Ｎｉは、時効硬化鋼として必須の元素であり、Ａｌの添加も必須の元素である。Ｎｉは、硬さの観点からの効果を得るためには、２．００％以上の添加が必要である。ただし、過剰な添加は、加工性の低下を招くため、４．００％を上限とする。

Ｃｒ：０．５０〜３．００％
Ｃｒは、Ｍｎと同様、必要な硬さを確保して焼入性を向上させる効果があり、そのためには、０．５０％以上の添加が必要である。しかし、過剰な添加は被削性の低下を招くため、３．００％を上限とする。望ましくは０．７０％〜２．３０％とする。

Ｍｏ：０．０１〜２．００％
Ｍｏは、硬さ得るために必要な元素であり、さらに組織調整のために添加することができる元素である。そのような効果を得るためには、０．０１％以上の添加が必要である。ただし、過剰な添加は、炭化物の形成を促進して被削性の低下を招くため、２．００％を上限とする。

Ａｌ：０．５０〜２．００％
Ａｌは、脱酸作用を有する元素であり、さらにＮｉと同時に添加することで、時効硬化が得られる元素である。Ａｌは硬さの観点からの効果を得るためには、０．５０％以上の添加が必要である。しかし、過剰な添加は靭性の低下を招くため、２．００％を上限とする。

Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．０１５％以下、Ｏ：０．０１％以下
Ｓ、ＮおよびＯの３元素は、鋼中に不可避的に含まれる元素である。これらの元素は他の元素と結合して硫化物や酸化物や窒化物を形成する。特にＡｌ酸化物とＡｌ窒化物が形成されると問題になる場合が多い。これらの化合物は鋼中に介在物として存在し、シャルピー衝撃値の低下、被削性の低下、鏡面性の低下などの様々な特性を劣化させる原因となる。そこで、これらの化合物を減らすためには、鋼中に含まれるこれらの元素の量を減少させることが必要である。そこで、Ｓは０．０３０以下、Ｎ は０．０１５％以下、Ｏは０．０１％以下が必要である。製造コストとの兼ね合いであるが、望ましくは、Ｎ：０．０１％以下、Ｏ：０．００５％以下とするのが良い。

Ｆ（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ）＝０．５Ｃ＋０．７Ｓｉ＋５.１Ｍｎ＋０．４Ｎｉ＋２．２Ｃｒ＋３Ｍｏ＋０．４Ｃｕ：Ｆ≧１２．０
Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕはいずれも焼入性を向上させる元素である。Ｆの値が１２．０よりも小さい場合、固溶化処理において、オーステナイト化温度まで加熱後、冷却しているときに粒界炭化物が多量に発生し、鏡面性および耐割れ性が悪化する。そのため、Ｆ≧１２．０とする必要がある。

以下、本発明の実施例を表１に示し、本発明の範囲から外れる比較例と比較して、発明の効果について具体的に説明する。
表１に示したＮｏ．２、Ｎｏ．４〜７の組成からなる本発明鋼と、これらと比較する比較例のＮｏ．８〜１４の組成からなる比較鋼について、それぞれ１００ｋｇの真空誘導溶解炉にて溶製し、平均径１９０ｍｍの鋳塊にそれぞれ鋳込んだ。これらの鋳塊を１５ｍｍ×１５ｍｍの角材（以下、「角１５ｍｍ」という。）に鍛伸し、時効硬さが３９〜４１ＨＲＣとなるよう、溶体化処理を８４０℃〜９００℃、焼戻しを５２０℃〜５６０℃で行い、次いで後述する形状に機械加工して供試材とし、各供試材の特性についてそれぞれ試験した。なお、表１における本発明鋼のＮｏ．２、Ｎｏ．４〜７のＦの値は、１２．０以上であり、請求項１を満足している。表１における比較鋼のＮｏ．８〜１４のＦの値は、１２．０未満であり、請求項１に係る発明を満足していない。

各試験方法を次に示す。
（１）ミクロ組織観察は角１５ｍｍで、長さ１５ｍｍの試験片の中心部における、縦１５０μｍ、横１００μｍの範囲において、長さ３μｍ以上の粒界炭化物が観測されるかどうかを観察し、粒界炭化物が６０個以上（１μｍ²当たり０．００４個以上）観測されなければ、良いの◎とし、粒界炭化物が６０個以上観測されれば、悪いの×として評価した。なお、図は顕微鏡写真によるミクロ組織の代表例であり、図１の（ａ）は出願時のＮｏ．１の本発明鋼を示し、粒界炭化物は見られないが、図１の（ｂ）はＮｏ．９の比較鋼を示し、粒界炭化物が見られる。

（２）シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳ３号角１０ｍｍ、長さ５５ｍｍで、Ｕノッチの試験片に加工し、常温で衝撃試験を行って衝撃値を測定した。
表２に示すように、Ｎｏ．２、Ｎｏ．４〜７の発明鋼はいずれの鋼種もミクロ観察結果は◎で、衝撃値は５６．７〜７０．８Ｊ／ｃｍ²であった。これに対して、Ｎｏ．８〜１４の比較鋼はミクロ観察結果は×で、衝撃値は１０．８〜３０．４Ｊ／ｃｍ²であった。

この結果、本発明鋼はミクロ観察結果、衝撃値ともに比較鋼のそれらに比して優れているので、これらの鋼成分からなる工具鋼は鏡面性に優れたプラスチック成形用の金型として使用し得る優れた工具鋼である。

Claims (1)

1. 質量％ で、Ｃ：０.０５〜０.２０％、Ｓｉ：０．５２〜２．００％、Ｍｎ：０．５０〜２．５０％、Ｃｕ：０．６８〜２．００％、Ｎｉ：２．００〜４．００％、Ｃｒ：０．５０〜３．００％、Ｍｏ：０．０１〜２．００％、Ａｌ：０．５０〜２．０％０、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．０１５％以下、Ｏ：０．０１％以下を含有し、かつ、Ｆ（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ）＝０．５Ｃ＋０．７Ｓｉ＋５.１Ｍｎ＋０．４Ｎｉ＋２．２Ｃｒ＋３Ｍｏ＋０．４Ｃｕの値がＦ≧１２．０を満たし、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、３９〜４１ＨＲＣの硬さを有し、結晶粒界に現出している長さ３μｍ以上の粒界炭化物が１μｍ²当たり０．００４個未満であることを特徴とするプラスチック成型用に使用するための金型用鋼。