JPH0293043A

JPH0293043A - プラスチック成形用工具鋼

Info

Publication number: JPH0293043A
Application number: JP24618088A
Authority: JP
Inventors: Nakatsugu Abe; 安部　仲継
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1988-09-30
Filing date: 1988-09-30
Publication date: 1990-04-03
Also published as: JPH0572463B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、ＶＴＲのトップカバー等の家電製品、ＯＡ
機器、エンジニアリングプラスチック、日用雑貨、玩具
等、プラス・チックの成形用に使用される金型用工具鋼
に関する。

［従来の技術］プラスチック成形用金型としては、従来、材料メーカか
ら供給された鋼材を金型メーカが加工した後に焼入れ・
焼戻しする熱処理タイプのものが一般的であった。しか
し、プラスチック成形用金型は彫り込みが深くかつ複雑
形状のものが多いため、加工後の熱処理の際に焼入れひ
ずみに起因する寸法変化が生じやすい。このようなこと
から、材料メーカで調質し、金型メーカでは加工のみと
する材料、所謂ブリハードン系金型材の要求が高まって
いる。従って、現在プラスチック成形金型用工具鋼とし
ては、熱処理タイプのもの、及び前述したブリハードン
系のものの２種類ある。

前述のブリハードン系ではＪＩＳ　　Ｇ４０５１Ｓ４５
ＣＳＪＩＳ　　Ｇ４１０５　　ＳＣＭ４４０（０，４％
Ｃ−１％Ｃｒ−０．２％ＭＯ）、及び０．１５％Ｃ−３
％Ｎｉ−１％Ｃｕ−１％Ａｌ−０，１％Ｓのものが主体
であり、また、熱処理タイプではＪＩＳ　　Ｇ４４０４
　　ＳＫＤ６１（０，４％Ｃ−５％Ｃｒ−１　％ＭＯ−
１％Ｖ）、及び５ＫＤＩＩ　（１，５％Ｃ−１２％Ｃ「
−１％Ｍｏ−０，４％Ｖ）が主体である。また、成形す
るプラスチックが例えば塩化ビニルのように腐蝕性の場
合には、耐食性が良好な析出硬化タイプのＪ　ｌ５Ｇ４
３０３　（０，０５％Ｃ−４％Ｎｉ−１７％Ｃｒ−４％
Ｃｕ−０，３０％Ｎｂ）が使用されている。

［発明が解決しようとする課題］ところで、金型業界は、その納入先が競争の激しい電器
、電子、及び自動車産業を主体としており、低コスト化
、高精度化、及び短納期であることが要求されているた
め、金型加工の自動化が進められている。この自動化の
要求に伴い、金型の加工方法として放電加工の採用が増
加し、所謂バイトでの切削加工は少なくなりつつある。

ワイヤ放電加工により金型を加工する場合には、急熱・
急冷により熱応力が発生するので、被加工物の金型に焼
入れ焼戻しに伴う内部ひずみが残存していると、この内
部ひずみとワイヤ放電加工による熱応力とが重畳して金
型材に著しいひずみが生じ、寸法変化又は割れ等の原因
となってしまい、また、放電加工による切断により内部
ひずみが順次解放され、同様に寸法変化等が生じてしま
う。

更に、放電加工により加熱された部材はその熱影響で材
質が変化しやすい。特に、加工後に熱処理をしないブリ
ハードン系の場合にこの傾向が著しいが、熱処理タイプ
の場合にも熱処理後に更にワイヤ放電加工により精密加
工が行われることが多いことから、同様の問題点が生じ
る。

従って、プラスチック成形用の金型材においては、ｓ、
ｐｂ等の元素を添加した快削性の金型材よりも、内部ひ
ずみが小さく、放電加工の際に高温にさらされても材質
変化が小さいものが要求されるようになってきている。

ところが、金型材の変態温度が低い場合には、放電加工
の際に材料の変態点温度以上に加熱されることにより、
部分的にオーステナイト相が生成し１、これが焼入れの
際に急冷されてマルテンサイト組織になることから、変
態に伴う内部応力が生じ、これが内部ひずみの原因とな
る。また、焼戻し温度が低い金型材の場合には、焼戻し
によってその内部ひずみを有効に解放することが困難で
あり、しかも焼戻し温度以上に加熱された部分は硬度が
低下してしまう。

従って、この種の金型材は、高変態温度を有し、高温焼
戻しが可能なことが要求される。

また、プラスチック成形用金型に用いられる工具鋼は、
−船釣に焼入れを空冷で行なうことが要求される。油焼
入れではこのような複雑形状のものを焼入れる場合に、
油の温度及び冷却速度の管理等が繁雑であり、焼入れ材
の硬度を確保することが困難であると共に不均一な組織
になりやすく、また、水焼入れでは焼きが不均一に入り
、焼き割れが生じやすいからである。特に、熱処理タイ
プの金型材については、前述のようにプラスチック成形
用の金型は彫りが深くかつ形状が複雑なものが多いため
、空冷焼入れが必須である。

しかしながら、前述した従来の材料は上述のプラスチッ
ク成形用金型に要求される特性を十分に満足していると
は言えない。

すなわち、ブリハードン系として使用されている５　４
５　Ｃ％及びＳＣＭ４４０は一般に焼入れ性が小さいた
め、板厚が大きい場合には、空冷焼入れで所定の硬度（
２８〜４０ＨＲｃ）を確保することが困難である。また
、ＳＣＭ４４０は、場合によっては焼入れのままで使用
されるような材料であり、焼戻し温度の上限か５００℃
であって、高温焼戻しに適さない。

０．１５％Ｃ−３％Ｎｉ−１％Ｃｕ−１％Ａｌ−１％Ｓ
系の鋼種は、８５０〜９００℃に加熱後空冷焼入し、そ
の後５００℃で時効処理を施して硬度を確保するもので
あるが、成分としてＮｉが多いためＡ（１点（すなわち
変態点）が約６５０℃と低いという欠点がある。

熱処理用のＳ　ＩＣＤ　６１及び５ＫＤＩＩについては
、ある程度の特性を保持しているが、生産性向上の観点
から更に特性が優れたものが要求されている。

析出硬化タイプの鋼についても、耐食性以外の特性が十
分とはいえない。

また、ブリハードンタイプ、熱処理タイプ、及び耐食性
のもの全てに都合のよい材料は未だ開発されていない。

この発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって
、変態点温度が高く、高温焼戻しが可能で、空冷焼入れ
が可能で、耐食性が優れたプラスチック成形用工具鋼を
提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段及び作用］この発明に係る
プラスチック成形用工具鋼は、重量％で、炭素が０．２
５乃至０．５０％、珪素が０．００５乃至０，５％、マ
ンガンが０．１乃至２．０％、クロムが８．０乃至１０
．０％、モリブデンが０．０５乃至２．０％、酸可溶ア
ルミニウムが０．００５乃至０．０５０％、全窒素が０
．００２乃至０．０３５％であり、０．０１乃至０．５
０％のＶ、０．００５乃至０．２５％のＮｂ、及び０．
０１乃至０．２５％のＷのうち少なくとも２種を含み、
残部が鉄及び不可避不純物からなることを特徴とする。

以下、この発明について詳細に説明する。

前述したように、プラスチック成形用金型に用いられる
工具鋼に特に要求される特性は、■変態点温度が高いこ
と、■高温焼き戻しが可能なこと、■空冷焼入れが可能
なこと、■耐食性が優れていることの４つである。

先ず、変態点温度すなわちＡ（１点については、鋼に添
加される成分との関係において以下に示す式が広く知ら
れている。

Ａｃ＋　（”Ｃ）−７２３＋２２Ｓ　１−１４Ｍｎ−１
４，４Ｎｉ＋２３．３Ｃｒこの式から明らかなように、変態点温度を上昇させるた
めには、Ｓｉ又はＣ「を多量に添加することが有効であ
る。これらの元素中Ｃｒは、ここで要求されている耐食
性をも向上させる元素であり、Ｃｒの添加量を増加させ
て変態温度を高めることが現実的である。Ｃｒを多量に
含有させて変態点温度を上昇させたものとして、例えば
、５ＵＳ４２０Ｊ２　（Ｃが０．２６〜０．４０％、Ｃ
「が１２．０〜１４．０％）がある。従って、本願発明
についても基本的にＣｒ含有量を多くしている。しかし
、Ｃｒｆｆ１が多過ぎると、圧延加熱温度においてα＋
γ相となり、α相が熱間加工性を劣化させると共に、室
温においてδフェライトとなって硬度低下の原因となる
ので、Ｃｒ量の上限を１０％としている。

一方、前述したようにプラスチック成形用金型の加工方
法がバイトによる切削加工からワイヤカット放電加工等
へと移行しつつあり、金型材が加工中に熱履歴を受ける
。この熱履歴による不都合を解消するために、高温焼戻
しを行なって、安定な炭化物を析出させると共に内部ひ
ずみを少なくすることが必要である。

しかし、上述の５ＵＳ４２０Ｊ２等の高Ｃｒ鋼は確かに
変態温度が高いが、高温焼戻しを行なった場合に、凝集
・粗大化したＣｒ系のＭ２３Ｃ６型の炭化物が析出する
ため、所望の硬度を確保することが困難であるという問
題点を有している。そして、従来はこの種の鋼として高
温焼戻しが可能なものを得ることができなかった。

その理由は、プラスチック成形用金型材として工具鋼と
いう枠内でしか考えていなかったためである。すなわち
、従来の工具鋼は、焼入れ時の未固溶炭化物、又は低温
焼戻しにより析出する二次硬化炭化物によって耐摩耗性
を維持することを意図したものであり、共析鋼又は過共
析鋼の範囲の高Ｃｎ４であるが、このような高Ｃ鋼にお
いてワイヤ放電加工温度である６００〜７００℃程度の
高温焼戻しを行なえば、前述のような炭化物の凝集・粗
大化が生じ硬度低下は免れないのである。

従来の工具鋼においては、１５０〜３００℃という低温
焼戻しが一般的であり、このような低温焼戻しでは、マ
ルテンサイトが十分に焼戻されないことにより、必要な
硬度を維持しているのであって、極めて不安定な状態で
ある。このような工具鋼は、その硬化機構からして、焼
戻し温度以上に加熱された場合に必要な硬度を維持する
ことができないことは明らかである。また、この種の工
具鋼は、加工時に温度が上がらないことを前提として開
発されたものであるが、使用時に摩擦等により温度があ
がることも考えられ、使用中の硬度低下による寿命低下
の要因ともなる。

本願発明者は、従来の工具鋼における未固溶炭化物又は
二次硬化炭化物で鋼を硬化させるという考え方ではなく
、Ｃｍをより低減した領域において高温焼き戻しによっ
ても安定した炭化物を維持するためにはとうすべきかと
いう観点から鋭意研究を進めた。つまり、高温焼戻しを
行なうことにより、焼入れ時に生じたひずみが十分に解
放されるという利点を有するが、マルテンサイトの硬さ
の低下は免れない。しかし、高温焼戻しにより安定な炭
化物を析出させることができれば、その析出硬化により
、必要な硬度を確保することができる。

このような観点から、鋼を軟化させずに高温焼戻しする
ことを可能にするためには、第１に、焼入れ加熱温度に
おいて未固溶炭化物を極力なくすることが必要であり、
工業的に可能な焼入れ温度である１２００℃前後におい
て十分に炭化物が固溶することができるように、Ｃｍ及
び炭化物生成元素の量を設定する必要がある。第２に、
高温焼戻しによってＣｒ系炭化物が凝集・粗大化しない
ように、Ｖ、Ｎｂ、Ｗ等のＣとの結合力がＣｒよりもは
るかに強い元素を添加する必要がある。

冷間工具鋼の高温焼戻しに関しては、伊藤らの論文（伊
藤、須藤、常陸、松田＝　「高Ｃ・高Ｃｒ系冷間工具鋼
の高温焼戻し硬さに及ぼすＣ及びＣｒ量の影響」、電気
製鋼第５５巻第４号２４８〜２５６ページ）が知られて
いる。

この論文において示されている鋼は、第１表に示すよう
な組成を有している。

この第１表に示すように、ここに示されている鋼はＣｌ
ａが０．６〜１．４３％と本願発明よりも高く、また、
安定な炭化物を生成するための元素がＶのみである。こ
のようにＣｍが多いので、前述したように高温焼戻しに
より炭化物の凝集・粗大化が生じやすく、しかも炭化物
安定化元素がＶのみであるので安定な炭化物の生成量が
少ないと考えられる。この論文においては、本願発明に
おいて意図するような６００〜７００℃という高温の焼
き戻しは行なっていないが、ここで示されている鋼を６
００〜７００℃程度の高温焼戻しをすることにより、■
より添加量が圧倒的に多いＣｒとＣとが主に結合するの
で、Ｖ系の炭化物が少なく、軟化抵抗が低下すると推測
される。事実、第３図に示すように、伊藤らの論文に示
されている鋼は、いずれも焼戻し温度が５２０℃で硬さ
のピークを生じており、５６０℃では急激に硬度が低下
している。従って、焼戻し温度か６００℃。

７００°Ｃと上昇した際には硬度低下が著しいことは明
白である。

この発明においては、Ｃ量をこの論文の示されている範
囲よりも少なくし、また、炭化物安定化元素としてＶ、
Ｎｂ、Ｗのうち２種以上を適当量添加するので、６００
〜７００℃という高温焼戻しにおいて、凝集・粗大化し
た炭化物の生成を抑制することができ、しかも安定な炭
化物の生成量を多くすることができる。従って、高温焼
戻しによっても必要な硬度を維持することができる。

第３に要求される「空冷焼入れが可能なこと」を達成す
るためには、焼入れ性が良好であることが必須である。

このため、Ｃ，Ｍｎ、Ｍｏの含有量の下限を焼入れ性を
低下させない観点から決定した。

次に、組成の限定理由について説明する。

Ｃ量は０．２５〜０．５０重量％である。Ｃｆ１が０．
２５％より少ないと必要な焼入れ性を確保することがで
きなくなり、０．５０％よりも多いと不必要な未固溶炭
化物が増加する。未固溶炭化物が増加すると、靭性が低
下すると共に、高温焼戻しにより炭化物の凝集・粗大化
が生じる。また、Ｃｆａが多い場合には、炭化物を固溶
させるために、焼入れ加熱温度を著しく上昇させなけれ
ばならない。

ＳｉＱは０．００５〜Ｏ，Ｄ５ｆｆｉ’量％である。

Ｓｉ量が０．００５％よりも少ないと脱酸が不十分とな
り、０．０５％よりも多いと必要以上に焼入れ性が増加
して靭性が低下してしまう。

Ｍ　ｎ　Ｑは０，１〜２，０重量％である。下限を０．
１％としたのは焼入れ性を確保するためである。また、
２．０％より多くなると、必要以上に硬度が上昇して靭
性が低下してしまい、また、焼入れ時の残留オーステナ
イトが増加してしまう。

Ｃｒは、前述したようにこの発明の重要なポイントであ
り、その量は８．０〜１０．０重量％である。８．０％
よりも少ない場合には、変態温度か低過ぎ、また耐食性
が不十分となる。また、１０．０％より多い場合には、
前述したようにＣｒ系炭化物の凝集・粗大化を招きやす
くなり、α十γの二相凝固が生じやすくなる。

Ｍｏ量は０．０５〜２．０重量２６である。下限の０．
０５％は、焼入れ性を確保するためと、ＭＯ系炭化物を
確保するために必要な量であり、上限の２．０％は、こ
れを超えても硬度上昇が飽和することと、経済性とを考
慮して決定した。

ＡＩ及びＮは、ＡＩＮを形成して焼入れ時のオーステナ
イト粗大化を抑制するために必要な元素である。すなわ
ち、焼入れ加熱時に炭化物を完全固溶させるためには、
焼入れ温度を高める必要があるが、そうするとオーステ
ナイト粒が粗大化してマトリックスの靭性劣化を招くた
め、これを防止するためにＡＩＮを形成するＡＩ及びＮ
が必要となる。

ｉＷ可溶Ａ　Ｉ　ノａハｏ、　００５〜０．　０５ｆｆ
ｌｆｆｉ％である。この量が０．００５％より少なけれ
ば必要量のＡＩＮを確保することができず、０．０５％
より多ければＡＩ系の介在物が増加してしまう。

全窒素量は０．００２〜０．０３５重量％である。この
量が０．００２％より少なければ必要量のＡＩＮを確保
することができず、０．０３５％より多ければＡＩＮが
粗大化してしまいピーニング効果が消失する。

Ｖ、Ｎｂ、Ｗは、前述したように、炭化物形成元素とし
てこの発明において重要な役割を果たすものである。こ
の発明においては、０．０１〜０．５０重量％のＶ、０
．００５〜０．２５重二％のＮｂ、０．０１〜０．２５
重二％のＷのうち２種以上を含んでいることが必須であ
る。焼戻し段階では、先ずＭ２３Ｃ６型のＣｒ系炭化物
が形成されるが、上述の範囲でＶ、Ｎｂ、Ｗのうち少な
くとも２種が含まれていると、これらの炭化物が生成す
ることによりＣｒ系炭化物の生成が抑制され、結果的に
炭化物の凝集・粗大化を防止する。

上述したこれら元素の下限より含有量が少ない場合には
必要な量の炭化物を確保することができず、上限を超え
ると炭化物を完全固溶させるための焼入れ加熱温度が著
しく上昇してしまう。

以上説明したように成分を調整することにより、前述し
たように、変態温度が高く、高温焼戻しが可能で、空冷
焼入れが可能であり、耐食性に優れたプラスチック成形
用工具鋼を得ることができる。

［実施例］以下、この発明の実施例について具体的に説明する。

第２表に検討したサンプルの組成及び厚みを示す。

第２表中サンプル１〜９はこの発明の組成範囲内である
実施例であり、サンプル１０〜１２はこの発明の組成範
囲から外れる比較例である。なお、比較のため、従来材
である５ＫＤ６１及びＳ　Ｋ　Ｄｌｌの組成についても
示す。

第１図は、横軸に焼戻しパラメータをとり、縦軸に硬度
（ＨＲｃ　）をとって、これらの間の関係を示す図であ
る。図中白丸は第２表における実施例を示し、四角は５
ＫＤ６１を示す。また、黒丸、黒三角及びＸは、夫々比
較例であるサンプル１０゜１１．１２を示す。なお、図
中に焼戻しパラメータにおける焼戻し保持時間及び焼戻
し温度を示した。また、焼戻しパラメータＰは、温度を
Ｔ１焼戻し保持時間をｔとすると、Ｐ−Ｔ・　（ｌｏｇ
ｔ＋２０）ＸＩＯ−３で示される。

この図に示すように、この発明の実施例の場合には、焼
戻し温度が高くても、図中破線で示す範囲のブリハード
ン鋼として適した硬度を得ることができることが確認さ
れた。例えば、この図に示すようにブリハードン鋼とし
てＨＲＣ−４０を確保したい場合には焼戻し保持時間２
時間で焼戻し温度が６００〜６５０℃、Ｈｎｃ＝３１を
確保したい場合には焼戻し温度が７００℃と、焼戻し温
度を極めて高くすることができる。これに対し、比較例
及び従来材は、焼戻し温度が６００〜７００℃と高くな
ると、極端に硬度が低下している。

第２図は、実施例のサンプル４における焼入れ加熱温度
と硬度（ＨＲＣ）との関係を示す図である。この図に示
すように、焼入れ加熱温度が１２００℃で十分な硬度特
性を得ることができることから、圧延のま゛まの状態か
ら焼入れでも硬度特性上十分であり、上述の第１図をも
とにブリハードン鋼として要求される所定の硬度にする
ための焼戻し条件を設定することができる。

耐食性については、この発明の実施例であるサンプル２
．４．５．９を耐食鋼の５ＵＳ４２０Ｊ２と比較した。

その結果を第３表に示す。

第　　３　　表第　　　４　　　表ここで耐食性は、０．５％ＨＣＩ中に４時間、及び０．
５Ｈ２ＳＯ４に１時間保持した後の腐蝕減量によって評
価した。なお、液温は２５℃とした。この第３表に示す
ように、本発明の範囲内であれば１３Ｃｒ系の耐食ｆｒ
ＡｓＵｓ４２０Ｊ２と同程度の耐食性を保持しているこ
とが確認された。

第４表には、この発明の範囲内であるサンプル５．９、
及び５ＫＤ６１，５ＫＤＩＩにおける熱処理条件と衝撃
試験値とを示す。なお、衝撃値は、長さ２ｍｍのＵノツ
チを形成した試験片でシャルピー衝撃試験を行なうこと
により求めた。

この表から明らかなように、５ＫＤ６１．１１は焼戻し
温度６００℃、５００℃で極めて衝撃値が低いのに対し
、サンプル５，９では焼戻し温度が６５０℃でも高い衝
撃値を示した。これは、本発明の範囲内であれば粗大な
未固溶炭化物が存在せず、マルテンサイトが十分焼戻し
されているためである。

［発明の効果］この発明によれば、変態温度が高く、高温焼戻しにおい
ても炭化物が凝集・粗大化せず、空冷焼入れが可能であ
り、しかも耐食性が優れた項を得ることができる。従っ
て、極めて特性が優れたプラスチック成形用工具鋼を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は焼戻しパラメータと硬度との関係を示すグラフ
、第２図は焼入れ温度と硬度との関係を示すグラフ、第
３図は伊藤らの文献における焼戻し温度と硬度との関係
を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

重量％で、炭素が０．２５乃至０．５０％、珪素が０．
００５乃至０．５％、マンガンが０．１乃至２．０％、
クロムが８．０乃至１０．０％、モリブデンが０．０５
乃至２．０％、酸可溶アルミニウムが０．００５乃至０
．０５０％、全窒素が０．００２乃至０．０３５％であ
り、０．０１乃至０．５０％のＶ、０．００５乃至０．
２５％のＮｂ、及び０．０１乃至０．２５％のＷのうち
少なくとも２種を含み、残部が鉄及び不可避不純物から
なることを特徴とするプラスチック成形用工具鋼。