CN1717503A - 塑料成形膜具用钢 - Google Patents

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Abstract

一种塑料成形模具用钢，是可使切削性与导热系数并存的廉价的塑料成形模具用钢，以质量％计含有C：0.25～0.45％，Si：不足于0.3％，Mn：0.5～2％，S：0.01～0.05％，sol.Al：0.02％以下，其余部分由Fe和杂质组成。金属组织是15～30面积％的铁素体和珠光体的2相组织，而且JISG0551中规定的奥氏体结晶粒度序号为3以上。这种钢也可含有直至0.5％的Cr或/和不足于0.2％的V。

Description

塑料成形模具用钢
技术领域
本发明是关于塑料的注塑成形等方面所使用的模具用钢。
背景技术
将汽车用仪表面板和保险杠、家电用电视机和空调机的机壳等大型塑料制品注塑成形时所使用的模具，使用着JIS G 4051中规定的S 55C级的通用钢。该IS G 4051是关于日本工业标准的「机械构造用炭素钢钢材(Carbon Steel for Machine Structure Use)」的标准。
对塑料成形模具所要求的特性是，良好的切削性和高导热系数等。
作为切削性得到改善的钢，有如特许第3141735号公报及特开2002-12941号公报中所提出的钢。此外，作为导热系数得到提高的钢，有如特开平8-209298号公报以及特开平10-96049号公报中所公开的钢。
上述特许第3141735号公报中公开的钢含有多量的硫化物，而且Si的含量在0.5％以上。特开2002-12941号公报中公开的钢，其Si含量在0.30％以上，而且金属组织为铁素体占15～40％面积的铁素体和珠光体的二相组织。此外，特开平8-209298号公报以及特开平10-96049号公报中公开的钢是使C以下的各成分的含量得以平衡，而且使金属组织为马氏体单相或马氏体与贝氏体的2相组织的钢。
但是，特许第3141735号公报以及特开2002-12941号公报中所公开的钢对导热系数完全没有考虑，有导热系数低的缺点。此外，特开平8-209298号公报以及特开平10-96049号公报中所公开的钢由于金属组织为马氏体单相或马氏体与贝氏体的2相组织，因而有切削性不够好的缺点。
这样，使切削性与导热系数同时并存是困难的，希望开发使此二者同时并存的廉价的模具用钢。
发明内容
本发明是有鉴于上述实际情况而做出的，其目的在于提供使切削性和导热系数并存的廉价的塑料成形模具用钢。
具体而言，以提供如下性能的塑料成形模具用钢为目的，即，硬度按JIS Z 2243中所规定的HBW(10/3000)为180～210，在下述条件下的铣刀加工的切削试验中的工具最大磨耗量VBmax(mm)为0.40以下，而且100℃时的导热系数λ(W/m·℃)为45以上。
切削试验的条件
转速(N)：2720rpm，
进刀速度(F)：600mm/min
切入深度(Ad)：5mm
切入宽度(Rd)：25mm
切削长度(L)：3m
使用工具：JIS B 4053中规定的P30的单刃刀具。工具最大磨耗量VBmax(mm)为工具的后隙面的最大磨耗宽度。
JIS Z 2243是关于日本工业标准的「布氏硬度试验法(Method ofBrinell hardness test)」的规定。HBW(10/3000)为Z2343的表1中所示的硬度记号之一。
本发明的要点在于下述(1)及(2)的塑料成形模具用钢。
(1)以质量％计，含有0.25～0.45％的C、不足0.3％的Si、0.5～2％的Mn、0.01～0.05％的S、0.02％以下的sol.Al、其余为Fe和杂质，金属组织是按面积％计15～30％为铁素体而其余部分为珠光体的2相组织，而且JIS G 0551中规定的奥氏体结晶粒度序号为3以上的塑料成形模具用钢。
(2)上述(1)中记载的成分之外，按质量％另含有0.1～0.5％的Cr及0.03以上且小于0.2％的V中的一种或两种，其余部分由Fe及杂质组成，金属组织是按面积％计15～30％为铁素体而其余部分为珠光体的2相组织，而且JIS G 0551中规定的奥氏体结晶粒度序号为3以上的塑料成形模具用钢。
JIS G 0551为日本工业标准的「钢的奥氏体结晶粒度试验方法(Methodof austenite grain determination test for steel)」中的标准。此标准对应于ISO 643(Steel-Micrographic determination of the ferriticor austenitic grain size)。
本发明者们为了达到上述目的，以前面提到的通用钢S55C为基础进行实验，获知如下情况，完成了上述本发明。
(a)合金元素的增量，不论何种元素均使钢的导热系数降低。因此，不论何种元素，其含量均应尽量低。其中Si的影响较大，因此Si含量需要限制在不到0.3％。
图1为将后述实施例的结果，用Si含量与导热系数的关系加以整理而做出的图。由此图显然可知，Si是对导热系数有大影响的元素。
(b)C、Mn以及sol.Al的含量需要分别限制在0.25～0.45％，0.5～2％以及0.02％以下。
(c)切削性可通过使金属组织成为铁素体和珠光体的2相组织而得以改善。特别是当金属组织为铁素体比率占15～30面积％的铁素体·珠光体的2相组织而且JIS G 0551所规定的奥氏体结晶粒度序号为3以上时，切削性显著提高。
表1是以后述实施例中提供的钢中的钢No.1作为对象，使其铁素体·珠光体组织(铁素体面积比率22％)的奥氏体有各种不同的结晶粒度序号，来进行上述条件的铣刀加工切削试验后，将工具最大磨耗量VBmax的结果列出的表。
由表1可知，在奥氏体结晶粒度序号为3以上的情况中，工具最大磨耗量VBmax在0.4mm以下，能确保良好的切削性。
                            表1
  钢No.   奥氏体结晶粒度序号   工具最大磨耗量VBmax(mm)
  1   6   0.09
  2   3.5   0.27
  5   2   0.47
附图说明
图1是表示Si含量与导热系数关系的图。
图2是表示铁素体比率与工具最大磨耗量关系的图。
具体实施方式
以上述方式规定了本发明的塑料成形模具用钢，现对其理由做详细说明。另外，若无事先特做说明，「％」即指「质量％」。
1、关于化学组成
C：0.25-0.45％
在确保钢的强度方面，C是重要的元素，最低也需要0.25％的含量。另一方面，若其含量超过0.45％，珠光体量就会增加，得不到后述的铁素体量，不可能确保所希望的切削性。因此将C含量定为0.25～0.45％。优选是0.28～0.45％，更优选是0.35～0.43％。
Si：不足0.3％
Si可使钢的切削性能提高，从另一方面讲，也是使导热系数显著降低的元素。但是若要提高事实上取决于化学组成的导热系数，确保所希望的切削性和导热系数，如上所述，需要使Si含量不足0.3％。在仅以提高导热系数为目的的情况中，Si含量越少越好。但是过于少时，会产生难以确保切削性的情况。因而其含量优选为0.15～0.25％。
Mn：0.5～2％
与上述C相同，Mn在确保钢的强度方面也是重要的元素，最低也需要0.5％的含量。从另一方面讲，若含量超过2％，则会导致韧性降低。因此，Mn含量定为0.5～2％。更优选的范围是0.8～1.5％，最优选的范围是1～1.3％。
S：0.01～0.05％
在确保钢的切削性方面，S是重要的元素，最低也需要0.01％的含量。从另一方面讲，若其含量超过0.05％，韧性、延展性以及焊接性就会降低。因而S含量应为0.01-0.05％。更优选的是0.02～0.04％，最优选的是0.025～0.04％。
sol.Al：0.02％以下
Al是做为钢的脱氧剂而添加的。再者，Al会形成AlN，是对晶粒细化有贡献的元素。为了使这些效果充分发挥，sol.Al含量最好在0.001％以上，但是过剩的Al会形成铝系氧化物，会使钢的纯净度变坏，招致发纹的问题。此外，还会使切削性和导热系数降低。因而在以提供使切削性和导热系数两者都得以提高的钢为目的的本发明中，Al含量越少越好；而在通过上述Si或/和Mn充分进行了脱氧的情况下，在钢中未必含有。因此，Al含量按照sol.Al设定为0.02％以下。更优选的上限为0.01％，最优选的上限为0.005％。
本发明的塑料成形模具用钢之一，是在上述成分之外，其余为由Fe及杂质构成的钢。本发明的钢的另一种，是在上述成分之外，还含有下述元素中的一种或两种的钢。
Cr、V：
Cr及V都是具有提高钢的淬硬性而改善强度的作用。因而在想取得该效果的情况下，可添加其中的一种或二种。以0.1％以上的Cr含量，以0.03％以上的V含量可获得上述效果。但是若Cr含量超过0.5％，珠光体的强度变得过高，不仅切削性降低，导热系数也降低。再有，若V含量达到0.2％以上时，V的炭化物的量就会增加，同时铁素体的强度变得过高，不仅使切削性降低，导热系数也会降低。尤其是V比Cr使切削性降低的作用更显著。因此，在添加这两种元素时，Cr含量应为0.1～0.5％，V应为0.03％以上但不足0.2％。更优选是Cr含量为0.1～0.35％，V含量为0.03～0.1％。
2.关于金属组织
如上所述，金属组织中以面积％计，铁素体占15～30％，其余必定是珠光体的铁素体·珠光体的2相组织。这是因为有如下的理由。
珠光体是在原奥氏体的晶粒内生成的，而铁素体是在原奥氏体的晶界上生成的。于是珠光体比铁素体更不易产生剪切变形。因而如果原奥氏体晶粒大，则珠光体块就大，剪切变形就不易。从另一方面讲，若原奥氏体晶粒小，则珠光体块就小，珠光体周围的铁素体发生变形，其剪切变形就变得容易。换言之，切削性得到提高。
但是在铁素体量不足15面积％的情况下，珠光体多，硬度过高而切削性降低。另一方面，若铁素体量的面积％超过30％，不仅确保其强度变得困难，而且因为硬度不足，从而使模具所需要的耐磨耗性不足。因此，在本发明中，使其金属组织成为铁素体的面积％为15～30％而其余为珠光体的铁素体·珠光体的2相组织。
又，本发明中所说的铁素体的面积％，是以如下方式求得的数值。
取任意大小的试样按照JIS G 0552中规定的方法处理，依照JIS G0552中规定的方法，对处理后的试样的处理表面做显微镜观察，用数码像机摄影。将所得到的图像中的黑色部分(珠光体)譬如作为「1」，将白色部分(铁素体)譬如作为「0」来进行二值化图像处理，从摄像面积「S1」中减去判定为「1」的部分的总面积「S2」，将减去后的值除以摄像面积「S1」，将所求得的值乘以100，即可求得铁素体的面积％。即：
铁素体的面积％＝{(S1-S2)/S1}×100
JIS G 0552是关于日本工业标准的「钢的铁素体结晶粒度试验方法(Method of ferrite grain determination test for steel)」的标准。此标准也与ISO 643相对应。
如上所述，结晶粒度必须是按照JIS G 0551中所规定的奥氏体结晶粒度序号为3以上的细晶粒。这是因为如上述表1中所示，在奥氏体结晶粒度序号不足3的情况下，做为目的工具的最大磨耗量VBmax得不到保证，不能确保所期望的切削性。此外，结晶粒度希望是细晶粒的，因此不规定结晶粒度序号的上限。
本发明中规定的上述金属组织可通过以下过程来获得。即对具有本发明中规定的化学组成的钢施行譬如锻造温度为1000～1300℃，锻造终止温度为1000℃以下，锻造比为3以上的热加工，然后加热到850～1000℃，在奥氏体化之后，施行以450℃/h以下的冷却速度冷却的正火处理，随后进行在500～700℃下回火的热处理。结晶粒度的调整可通过锻造比、锻造终止温度以及正火处理温度的调整来进行。
以下根据实施例来说明本发明。
实施例
利用高频熔炉将具有表2中所示成分的27种钢熔炼，将获得的铸块加热到1200℃，然后在锻造比为2～5、锻造终了温度为800～1000℃的情况下进行热锻造，做成厚度与宽度均为110mm的试验材料。
所获得的试验材料，设想需要用以进行实际的塑料注射成形模具的制造，在850～1000℃经1～3小时加热保持后，实施以90℃/h的冷却速度进行冷却的正火和在580℃加热保持4小时的回火，调整为奥氏体结晶粒度序号、铁素体比率、组织、硬度(HBW)以及导热系数λ为表2中所示数值的试验材料。
调整后的试验材料则供给到进行与上述条件相同的铣刀加工的切削试验，来检验工具最大磨耗量VBmax(mm)。将其结果一并示于表2中。
铁素体比率是通过上述方法测定的，导热系数λ是用激光闪光法在100℃下测定的值。
如表2所示，满足本发明中规定条件的No.1～4的本发明的钢，其导热系数均在45以上，工具最大磨耗量VBmax均在0.40mm以下，导热系数及切削性都良好。
与以上情况对比来看，化学组成、奥氏体结晶粒度序号、铁素体比率以及组织中的任意一项以上不在本发明中规定的范围之内的No.5～27的比较用钢，它们的导热系数λ或/和工具最大磨耗量VBmax没有达到本发明的目标值，不兼备高导热系数和良好的切削性。
                                   表2
  类别   钢No.                            化学组成(单位：质量％、其余：Fe和杂质)   粒度序号   铁素体比率(面积％) 组织   硬度(HBW)   导热系数λ(W/m·℃)   工具最大磨耗量VBmax(mm)
  C   Si   Mn   P   S   Cr   V   sol.Al
  本发明钢   1   0.38   0.21   1.19   0.011   0.037   -   -   0.001   6   22   F+P   190   46.9   0.09
  2   0.38   0.21   1.19   0.011   0.037   -   -   0.001   3.5   22   F+P   190   46.9   0.27
  3   0.38   0.19   1.25   0.010   0.030   0.30   -   0.001   5   29   F+P   1B1   46.6   0.25
  4   0.37   0.21   1.20   0.011   0.040   -   0.09   0.001   4   16   F+P   189   46.6   0.39
  比较钢   5   0.38   0.21   1.19   0.011   0.037   -   -   0.001   2*   22   F+P   190   46.9   0.47*
  6   0.39   0.21   1.20   0.011   0.040   0.19   0.20*   0.001   8   18   F+P   192   46.2   0.71*
  7   0.56*   0.25   1.00   0.015   0.016   0.21   -   0.013   4   17   F+P   205   46.4   ×*
  8   0.25   1.05*   1.21   0.012   0.015   0.12   -   0.001   5   56*   F+P   172*   34.6*   0.18
  9   0.38   0.19   0.81   0.012   0.033   0.83*   0.10   0.001   7.5   19   F+P   187   46.1   0.51*
  10   0.15*   0.28   1.50   0.011   0.054*   1.38*   0.10   0.002   4   40*   B+F*   210   43.6*   0.62*
  11   0.43   0.10   1.47   0.012   0.026   0.20   -   0.001   5   6*   F+P   201   45.8   ×*
  12   0.25   0.98*   0.83   0.012   0.019   1.47*   0.09   0.002   6.5   38*   F+P   205   32.2*   0.52*
  13   0.36   1.51*   0.77   0.016   0.020   0.34   0.05   0.001   4   43*   F+P   188   28.2*   0.34
  14   0.38   0.49*   0.92   0.019   0.030   0.51*   -   0.010   8   29   F+P   1g4   42.6*   0.37
  15   0.48*   0.28   0.80   0.019   0.029   0.15   0.08   0.043*   7.5   12*   F+P   187   43.8*   0.62*
  16   0.34   1.00*   1.21   0.017   0.036   -   -   0.003   7   33*   F+P   182   35.5*   0.31
  17   0.30   1.01*   1.50   0.018   0.033   -   -   0.005   7   35*   F+P   1B8   34.4*   0.35
  18   0.25   0.99*   1.25   0.017   0.033   1.01*   -   0.005   7   46*   F+P   193   32.3*   0.37
  19   0.26   0.99*   1.24   0.018   0.035   1.01*   0.10   0.009   7   43*   F+P   199   32.1*   0.25
  20   0.40   0.59*   0.39*   0.011   0.024   1.03*   0.19   0.005   8   13*   F+P   195   39.7*   ×*
  21   0.47*   0.19   0.39*   0.012   0.028   1.04*   0.19   0.006   7   12*   F+P   199   45.7   ×*
  22   0.46*   0.56*   0.39*   0.012   0.029   1.08*   0.09   0.001   5.5   5*   F+P   215*   40.3*   ×*
  23   0.40   0.20   0.39*   0.012   0.026   1.33*   0.20*   0.001   7   8*   F+P   192   44.3*   ×*
  24   0.38   0.20   1.21   0.011   0.025   0.19   0.20*   0.001   8   30   F+P   186   46.3   0.46*
  25   0.36   0.40*   1.24   0.011   0.040   0.20   0.10   0.001   8   27   F+P   185   43.5*   0.46*
  26   0.38   0.39*   1.13   0.010   0.035   0.19   0.10   0.001   7   24   F+P   191   44.1*   0.49*
  27   0.25   0.20   1.22   0.011   0.031   0.83*   0.15   0.001   8   36*   F+P   174*   44.4*   0.54*
  注1)*标记表示超出本发明中规定的范围或目标值。注2)粒度序号为奥氏体结晶粒度序号数。注3)组织栏中的F表示铁素体，P表示珠光体，B表示贝氏体。注4)硬度(HBW)栏中数值为HBW(10/3000)的值。注5)工具最大磨耗量栏中的×标记表示切削中发生异常，中止切削试验。
工业上的利用可能性
本发明的塑料成形模具用钢具有高导热系数和良好的切削性。此外，本发明的模具用钢不一定需要添加Cr、V的合金元素，因而价廉。因此，使用本发明的塑料成形模具用钢，能够用一种材料来制造大型模具，可降低模具的制造成本。

Claims (2)

1.一种塑料成形模具用钢，其特征在于：以质量％计，含有0.25～0.45％的C、不足于0.3％的Si、0.5～2％的Mn、0.01～0.05％的S、0.02％以下的sol.Al、其余由Fe和杂质组成；金属组织是按面积％计15～30％为铁素体而其余部分为珠光体的2相组织，而且JIS G 0551中规定的奥氏体结晶粒度序号为3以上。
2.一种塑料成形模具用钢，其特征在于：以质量％计，含有0.25～0.45％的C、不足0.3％的Si、0.5～2％的Mn、0.01～0.05％的S、0.02％以下的sol.Al、以及0.1～0.5％的Cr和0.03％以上但不足0.2％的V之中的一种或两种、其余由Fe和杂质组成；金属组织是按面积％计15～30％为铁素体而其余部分为珠光体的2相组织，而且JIS G 0551中规定的奥氏体结晶粒度序号为3以上。
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