JP2001220646A

JP2001220646A - プラスチック成形金型用プリハードン鋼

Info

Publication number: JP2001220646A
Application number: JP2000035692A
Authority: JP
Inventors: Eiji Nakatsu; 英司中津; Isao Tamura; 庸田村
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2000-02-08
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2001-08-14

Abstract

(57)【要約】【課題】プラスチックの射出成形金型における被切削
性の向上と高寿命化の双方を達成するプリハードン鋼を
提供する。【解決手段】プラスチック成形金型用プリハードン鋼
において、重量％で、Ｃ：０．０１〜０．０７％、Ｍ
ｏ：０．４〜１．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍ
ｎ：０．５〜２．０、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．３
％以下、Ｎｉ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：１．０％以
下、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：０．７〜２．５、
残部実質的にＦｅの組成とする。特にＣ：０．０３％未
満、あるいは、Ｍｏ：１.０％超１．５％以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明はプリハードン鋼、特
にプラスチック射出成形金型に適用されるプリハードン
鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】プラスチック用の射出成形金型において
は、その金型の製作期間を短縮して効率的に生産を行う
こと、及び長期間にわたって使用可能であることが望ま
れる。従って、このような金型に適用されるプリハード
ン鋼としては、優れた被切削性を有し、同時に強度や耐
摩耗性に優れ適度の靱性を有するものが望ましい。しか
しながら、被切削性と靱性とは相反する性質であり、双
方を十分に満足するものは得られていない。

【０００３】本発明者は先に、上述した性質をある程度
満足するプラスチック成形金型用プリハードン鋼とし
て、ＡｌとＮｉの金属間化合物を析出させるとともに、
Ｃｕを２％程度に含有させ、Ｆｅ-Ｃｕ固溶体を微細析
出させることによって硬さと被切削性とを兼備した低Ｃ
-Ｍn-Ｎｉ-(Ｍo,Ｗ)-高Ｃu-Ａl系合金を特開昭６３−１
１４９４２号公報および特開昭６３−１８３１５８号公
報において開示している。

【０００４】さらに、上記低Ｃ-Ｍn-Ｎｉ-Ｍo(Ｗ)-Ｃu-
Ａl系合金に対して、Ｓｉを０．１％以下に規定するこ
とによって、縞状偏析の発生を低減し、炭化物を細粒に
することにより強度の異方性を改善する技術が特開平５
−７０８８８号公報等において開示されている。また、
結晶粒度を粒度番号４〜６の範囲とすることによって靱
性および被削性を兼備させる技術が特開平５−７０８８
７号公報において開示されている。これらの技術におけ
る鋼の組織は、Ｃを低く規定することによって均一な上
部ベイナイト組織に調製されており、この上部ベイナイ
ト組織により被削性が確保されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、金型の製造コ
ストの削減、すなわち被切削性の向上に対する要求は近
年ますます高まってきており、上述した各技術をもって
してもその要求を十分に満足することが困難となってき
た。しかも同時に、金型の高寿命化に対する要求も高ま
っており、被切削性と高寿命化という相反する特性の双
方をより一層向上させる必要性が生じてきた。

【０００６】そこで本発明の課題は、上述した要求に鑑
み、プラスチックの射出成形金型における被切削性の向
上と高寿命化の双方を達成するプリハードン鋼を提供す
ることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段〕本発明者
は、前記低Ｃ-Ｍn-Ｎｉ-Ｃu-Ａl系合金の組成について
種種検討し、その結果、Ｃの含有量を低めた場合、また
さらにＭｏの含有量を増加した場合において、従来と同
様の硬さであっても、被切削性の著しい向上が達成でき
ることを見いだした。【０００８】すなわち本発明のプラスチック成形金型用
プリハードン鋼は、重量％で、Ｃ：０．０１〜０．０７
％、Ｍｏ：０．４〜１．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０
％、Ｍｎ：０．５〜２．０、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：
０．３％以下、Ｎｉ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：１．０
％以下、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：０．７〜２．
５、残部実質的にＦｅの組成を有することを特徴とす
る。これにより、鋼の被切削性が向上し、金型の製造が
容易かつ効率的になる。また鋼の硬さが確保され、得ら
れる金型の寿命が向上する。

【０００９】また本発明のプラスチック成形金型用プリ
ハードン鋼は、重量％で、Ｃ：０．０３％未満、Ｍｏ：
０．４〜１．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：
０．５〜２．０、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．３％以
下、Ｎｉ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：１．０％以下、Ａ
ｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：０．７〜２．５、残部実
質的にＦｅの組成を有することを特徴とする。これによ
り、鋼の被切削性が向上し、金型の製造が容易かつ効率
的になる。また鋼の硬さが確保され、得られる金型の寿
命が向上する。

【００１０】また本発明のプラスチック成形金型用プリ
ハードン鋼は、重量％で、Ｃ：０．０１〜０．０７％、
Ｍｏ：１.０％超１．５％以下、Ｓｉ：０．１〜１．０
％、Ｍｎ：０．５〜２．０、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：
０．３％以下、Ｎｉ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：１．０
％以下、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：０．７〜２．
５、残部実質的にＦｅの組成を有することを特徴とす
る。これにより、鋼の被切削性が向上し、金型の製造が
容易かつ効率的になる。また鋼の硬さが確保され、得ら
れる金型の寿命が向上する。

【００１１】また本発明のプラスチック成形金型用プリ
ハードン鋼は、Ｃｒの含有量が重量％で０．５％以下で
あることを特徴とする。これにより、鋼の耐食性が向上
し、金型が高寿命化する。また被被切削性が向上し、金
型の製造が容易かつ効率的になる。

【００１２】また本発明のプラスチック成形金型用プリ
ハードン鋼は、Ｓの含有量が重量％で０．００４％以下
であることを特徴とする。これにより、鋼の被被切削性
が向上し、金型の製造が容易かつ効率的になる。

【００１３】本発明の根幹をなす特徴の一つは、含有さ
れるＣの量を低下し、さらにＭｏを適正量添加すること
により、被切削性の向上と、硬さの確保による高寿命化
を同時に実現する点にある。

【００１４】Ｃは、炭化物を生成して基本的な硬さを確
保する元素である。Ｃを増加していくと、固溶Ｃによっ
て焼入れ時の変態時の歪み量が増加し、ミクロ組織の微
細化や転位強化が起こることによって硬さを高くして寿
命の向上を達成することができる。しかし、Ｃの量が一
定以上増加すると被削性を著しく低下してしまうという
問題がある。そこで、Ｃの含有量をできるだけ低減し、
その分Ｍｏの含有量を増加することによって硬さの確保
を行うものである。本発明者の検討によれば、Ｍｏによ
る硬さの確保は、析出強化によるものであり、Ｃによる
硬さの向上とは異なるメカニズムである。そして、この
ようにＣを極力低減しＭｏの析出強化による硬さの確保
によって、優れた被切削性と硬さの確保とを同時に実現
することが可能となる。

【００１５】以下Ｃ、Ｍｏ、及び他の各元素の規定範囲
と、それらの作用について詳しく説明する。

【００１６】Ｃは、上述したように、炭化物を生成して
基本的な硬さを確保する元素であり、低Ｃ-Ｍn-Ｎｉ-Ｍ
o(Ｗ)-Ｃu-Ａl系のプラスチック成形プリハードン金型
用鋼の焼入組織をマルテンサイトやベイナイト組織に保
ち、かつ焼戻しにおけるＣu-Ｆe固溶体、Ｎi-Ａl金属間
化合物やＭo、Ｗ炭化物の析出に基づく析出硬化をもた
らすための基質を与えるための基本的添加元素である。
Ｃが多すぎると、固溶Ｃによって焼入れ時の変態時の歪
み量が増加し、基地のミクロ組織の微細化や転位強化が
起こることによって被切削性を減じ、また過度の炭化物
を形成して被切削性を低下させる。

【００１７】Ｍｏは、本発明でもっとも重要な元素であ
り、５００℃を越える高温焼戻し(時効)処理において微
細炭化物を析出し、析出(時効)硬化により硬さを確保す
るための元素である。また、微細炭化物の均一分散によ
って、切削加工時の切り屑の分断性を促進させ、工具へ
の溶着を低減させて被切削加工性を向上させる。さら
に、微細炭化物として析出することによって、より固溶
Ｃを減少させて、被切削性に対するミクロ組織的要因を
極力低減する。また使用時の雰囲気に対する耐食性を高
める作用を有する元素である。しかし、添加量が多すぎ
ると被切削性の低下をまねく。

【００１８】本発明者は、Ｃ及びＭｏの含有量について
上記観点から検討を行った。その結果、Ｃの含有量を
０．０１〜０．０７重量％、Ｍｏの含有量を０．４〜
１．５重量％に規定することにより、得られる鋼の被切
削性及び硬さの双方を高めることが可能であることが明
らかとなった。また、特にＣの含有量を０．０３重量％
未満に規定した場合、あるいはＭｏの含有量を増加させ
て１．０重量％超１．５重量％以下とした場合には、上
記の被切削性及び硬さの双方を高める効果が顕著である
ことが明らかとなった。

【００１９】Ｃrは鋼の耐食性を高め、また窒化時の硬
さを高め、さらに研磨加工時あるいは金型保管時の発錆
を抑制する。多すぎるとマルテンサイトやベイナイト組
織を微細化し被削性を劣化するため、１．０％以下とし
た。特に被切削性が要求されるプラスチック成形用の金
型にとっては０．５％以下とすることが望ましい。

【００２０】Ｓiは使用時の雰囲気に対する耐食性を高
めるために添加される。多すぎるとフェライトの生成を
まねき、また被切削性を低下させるので１．０％以下と
する。Ｓｉを低減すると異方性が低減され、また縞状偏
析が低減され、優れた鏡面加工性が得られるため、好ま
しくは０．４％以下である。少なすぎると、切削加工時
の酸化皮膜による切り屑の潤滑性が得られないため、
０．１％以上とすることが好ましい。

【００２１】Ｍｎは基本的には基地の靱性を高める元素
であり、０．５％以上必要である。またＭｎはマルテン
サイトやベイナイト焼入れ性を高める元素である。その
ため好ましくは１．０重量％以上、さらに望ましくは
１．２５重量％以上添加する。またＭｎはフェライトの
生成を抑制し、適度の焼入れ焼戻し（時効）硬さを与え
るという効果もある。Ｍｎは多すぎると靱性が高くなり
すぎ、被切削性を損なうため、２．０重量％以下とする
ことが望ましい。

【００２２】Ｐは一般的には不純物として扱われ、かつ
熱間の靱性を阻害する元素である。また、溶接割れ感受
性にとって有害であるため、極力除去したいが、製造コ
ストとの関連で、熱間加工性を阻害しない限界として
０．０３％を上限とした。

【００２３】Ｎiはマルテンサイトやベイナイト焼入性
を高め、またフェライトの生成を抑制し、さらに焼戻し
(時効)の際、Ｎi-Ａl金属間化合物を析出させ、所要の
硬さを得るとともに延性を適度に低下させ、被切削性の
向上を得るために添加される。多すぎるとマルテンサイ
トやベイナイト変態温度を低下させ、マルテンサイトや
ベイナイト組織を過度に微細化させ、また基地の粘さを
上げて被切削性を低下させるので３．５重量％以下と
し、低すぎると上記添加の効果が得られないので２．５
重量％以上とする。好ましくは２．６重量％以上であ
る。

【００２４】Ａlは焼戻し(時効)処理においてＮi-Ａl金
属間化合物の微細析出による析出(時効)硬化をもたら
し、優れた被切削性を形成させる元素の一つである。ま
たＡｌは所要硬さを得るための添加元素でもある。ま
た、Ａｌは窒化時の窒化硬さを上昇させる効果をもたら
すものである、多すぎるとアルミナ系介在物の生成量が
増加し、鏡面仕上性を低下させ、また耐孔食性を低下さ
せ、さらに延性の過度の低下をまねくので１．５重量％
以下とし、低すぎると被切削性が低下するため０．５重
量％以上とすることが望ましい。好ましくは、マルテン
サイトや下部ベイナイト組織としたときの被削性をより
高めるため０．９５重量％以上とする。

【００２５】Ｃuは本発明鋼の焼戻し(時効)処理におい
て、Ｆe-Ｃu固溶体の微細析出による析出(時効)硬化を
もたらし、本発明鋼の基本的な被切削性を付与するため
の、また所要の硬さを得るための元素である。またＣｕ
は優れた耐食性をもたらすものである。多すぎると熱間
加工性を低下させ、またマルテンサイトやベイナイトを
微細化させ、かえって被切削性を低下させるので２．５
重量％以下とし、低すぎると上記添加の効果が得られな
いので０．７重量％以上とする。好ましくは１．８重量
％以上として、Ｆｅ−Ｃｕ固溶体による被削性をより高
めることが望ましい。

【００２６】Ｗは、上述したＭoと同様の効果を示すの
で、1/2Ｗ＋Ｍo としてＭｏの規定範囲で代替すること
も可能である。

【００２７】ＢｅおよびＢから選ばれる少なくとも１種
の元素は、大型の金型における焼入れ性を改善する元素
として同様の作用を有する元素である。これらの元素
は、多量に添加しても効果は少なく、かえって加工性を
劣化させるため、Ｂｅは０．５重量％以下、Ｂは０．０
１重量％以下とする。また、Ｐｂ，Ｂｉ，Ｓｅ，Ｔｅか
ら選ばれる少なくとも１種の元素は、被削性を改善する
元素として同様の作用を有する。これらの元素を多量に
添加すると靱性が劣化するため、総量で０．５重量％以
下とする。

【００２８】また本発明においては、特に被削性を高め
るためにＳを０．３重量％以下添加することが望まし
い。しかし、Ｓの添加によって鏡面加工性が劣化するた
め、鏡面性が特に要求される場合は、不純物としてその
利用を０．００４重量％以下に低減することが望まし
い。また、４Ａ、５Ａ族の元素であるＶ，Ｎｂ，Ｔａ，
Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆより選ばれる少なくとも１種の元素
は、結晶粒を微細化し、靱性を高めるという点で同様の
作用を有する元素である。多量の添加は、溶体化硬さお
よび時効硬さを必要以上に高めて、被削性や靱性を低下
することになるため、添加する場合は０．５重量％以下
にする必要がある。

【００２９】

【実施例】本発明の実施例を比較例とともに以下に示
し、説明する。各実施例及び比較例として

【表１】及び

【表２】において示す成分のプリハードン鋼を被切削性
の評価に供する。各実施例として供される鋼はいずれ
も、Ｃの含有量が０．０１〜０．０７重量％、Ｍｏの含
有量が０．４〜１．５重量％の範囲にある点に特徴を有
する。これに対し、比較例として供される鋼（従来用い
られてきたプリハードン鋼）は、各実施例の鋼に比較し
てＣの含有量が多く、Ｍｏの含有量が少ないものであ
る。また

【表２】において示されるプリハードン鋼は、Ｓの含有
量が０．００４重量％以下の低Ｓプリハードン鋼であ
る。

【表１】

【表２】

【００３０】これらの供試鋼はいずれも、３０Ｋｇ高周
波真空溶解炉にて溶解し、４０ｍｍ×４０ｍｍの角棒に
鍛伸した後、９００℃のオーステナイト領域まで加熱
し、冷却速度として半冷７０分のベイナイト処理を施
し、主に上部ベイナイト組織を得て、これを５４０〜５
９０℃の温度範囲において焼戻しを行い、硬さがＨＲＣ
３８〜４２の範囲となるように調整した。実施例１〜６
及び比較例１については、硬さの実測値を

【表１】に併記する。なお、半冷（時間）とは、焼入れ
温度から（焼入れ温度＋室温）／２の温度までに冷却す
る時間である。

【００３１】被切削性の評価は、エンドミル切削試験を
実施したときの工具の刃先磨耗幅を測定することにより
行った。切削条件は、２枚刃Φ１０ハイス・エンドミ
ル、切削速度２３ｍ／ｍｉｎ、送り速度０．０６ｍｍ／
刃とし、湿式で切削した。

【００３２】上記の切削試験における切削長２ｍ、４
ｍ、及び６ｍのときの刃先工具磨耗幅測定結果につい
て、

【表１】に示した試料に関しては

【表３】及び

【図１】に、

【表２】に示した試料に関しては

【表４】及び

【図２】に示す。これらによれば、各実施例における刃
先工具磨耗幅は比較例よりも小さく、各実施例のプリハ
ードン鋼が被切削性にすぐれることが明らかである。

【表３】

【表４】

【００３３】ここで、プリハードン鋼におけるＣの含有
量と被切削性との関係をより明確にするために、

【図３】及び

【図４】を示す。すなわち

【図３】は

【表１】に示した試料に関して、

【図４】は

【表２】に示した試料に関して、それぞれＣ含有量と刃
先工具磨耗幅との関係をグラフ化して示したものであ
る。これらにより、Ｃ含有量が少ないほど刃先工具磨耗
幅が小さくなり、被切削性が向上するという相関関係が
明らかである。また特に

【表２】の低Ｓプリハードン鋼については、比較例２に
対して各実施例の被切削性向上が顕著である。

【００３４】またプリハードン鋼におけるＭｏの含有量
と被切削性との関係をより明確にするために、

【図５】及び

【図６】を示す。すなわち

【図５】は

【表１】に示した試料に関して、

【図６】は

【表２】に示した試料に関して、それぞれＭｏ含有量と
刃先工具磨耗幅との関係をグラフ化して示したものであ
る。これらにより、Ｍｏの含有量が多いほど刃先工具磨
耗幅が小さくなり、被切削性が向上するという相関関係
が明らかである。また特に

【００３５】このように、本発明のプリハードン鋼にお
いては、（１）従来と同等の硬さ、すなわち強度と、
（２）より優れた被切削性とが同時に実現されることが
明らかとなった。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、一定以上
の硬さを有して強度に優れるとともに、被切削性におい
ても優れたプラスチック成形金型用プリハードン鋼を得
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例及び比較例における切削長と刃
先工具磨耗幅との関係を示す図である。

【図２】本発明実施例及び比較例のうち低Ｓプリハー
ドン鋼における切削長と刃先工具磨耗幅との関係を示す
図である。

【図３】プリハードン鋼におけるＣ含有量と被切削性
との関係を示す図である。

【図４】低Ｓプリハードン鋼におけるＣ含有量と被切
削性との関係を示す図である。

【図５】プリハードン鋼におけるＭｏ含有量と被切削
性との関係を示す図である。

【図６】低Ｓプリハードン鋼におけるＭｏ含有量と被
切削性との関係を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：０．０１〜０．０７％、
Ｍｏ：０．４〜１．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍ
ｎ：０．５〜２．０、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．３
％以下、Ｎｉ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：１．０％以
下、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：０．７〜２．５、
残部実質的にＦｅの組成を有することを特徴とするプラ
スチック成形金型用プリハードン鋼。
【請求項２】重量％で、Ｃ：０．０３％未満、Ｍｏ：
０．４〜１．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：
０．５〜２．０、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．３％以
下、Ｎｉ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：１．０％以下、Ａ
ｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：０．７〜２．５、残部実
質的にＦｅの組成を有することを特徴とするプラスチッ
ク成形金型用プリハードン鋼。
【請求項３】重量％で、Ｃ：０．０１〜０．０７％、
Ｍｏ：１.０％超１．５％以下、Ｓｉ：０．１〜１．０
％、Ｍｎ：０．５〜２．０、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：
０．３％以下、Ｎｉ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：１．０
％以下、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：０．７〜２．
５、残部実質的にＦｅの組成を有することを特徴とする
プラスチック成形金型用プリハードン鋼。
【請求項４】Ｃｒの含有量が重量％で０．５％以下で
あることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に
記載のプラスチック成形金型用プリハードン鋼。
【請求項５】Ｓの含有量が重量％で０．００４％以下
であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項
に記載のプラスチック成形金型用プリハードン鋼。