【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の金型、具体的にはプラスチック成形金型に最適な金型用鋼材に関し、特にプリハードン状態での被削性や磨き性に優れた金型用鋼材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばプラスチック製品を成形するための金型材分野には、あらかじめ硬さが調整されたプリハードン型合金鋼材が用いられている。プリハードン型合金鋼材は、通常、その高硬さ状態にて切削・研磨といった機械加工が施され、金型製品に仕上げられることから、プリハードン状態での被削性、そして磨き性に優れることが重要となる。
【０００３】
このような金型用鋼材については多数の提案がなされており、例えば特開昭６３−０７６８５５号は、時効後の硬さが３５〜４５ＨＲＣである時効硬化型金型用鋼を対象に、そのシボ加工性、耐食性、窒化特性に優れ、熱間加工時のヘゲの発生がない金型用鋼を提案するものである。そして、被削性については、ＳもしくはＰｂを添加することにより、それを改善するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特開昭６３−０７６８５５号に開示される合金鋼は、時効硬化特性を確保しつつ、被削性を改善する点で優れた手段である。しかし、プラスチック成形金型に代表される、特に高品位の鏡面加工肌が要求される金型の場合、磨き性の向上が重要であって、介在物（主として酸化物）に起因するピンホール（鏡面研磨した金型製品肌に目視で確認できるサイズの小孔）が発生すると、製品品位に悪影響を与え、これは＃３０００以上の高いランクの磨き性を実用化する上で大きな課題となる。更に、被削性に関しては、機械加工の無人化の普及によって作業工程上の不具合発生頻度を低減する必要があり、研削屑の分断がよい快削性の向上も要求課題である。
【０００５】
一般的に、鋼の脱酸素精錬工程では脱酸材にＡｌが用いられる。Ａｌは塊状の介在物を生成しやすく、Ａｌ２Ｏ３、もしくはＡｌ２Ｏ３−ＭｇＯといった、Ａｌ２Ｏ３を主体とする粗大な介在物を生成し、これが鋼中に残存すると、鏡面研磨中に脱落することで容易に目視確認できるピンホールが発生し、製品の磨き性に悪影響を与える。特に、Ａｌ２Ｏ３、およびＡｌ２Ｏ３−ＭｇＯは界面エネルギーが大きく凝集しやすい特徴がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記酸化物の形成に起因するピンホールの発生を抑制し、さらに高い被削性と磨き性を具備した、プリハードン鋼材としての使用に最適な、金型用鋼材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、酸化物に起因するピンホールの発生について、その酸化物種による被削性や磨き性への影響、そしてそれらの生成挙動を詳細に見直した。その結果、適量のＭｇを添加した、最適な成分バランスを有する合金の構成を採用することで磨き性、および被削性を大きく改善できることを見いだし、本発明に到達した。
【０００８】
すなわち、本発明は、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１％未満、Ｓｉ≦１．５％、Ｍｎ≦１．０％、Ｃｒ：３．０〜８．０％、Ｎｉ≦４．０％、Ａｌ：０．１超〜１．５％、Ｓ：０．００３〜０．０５％未満、Ｍｇ：０．００１超〜０．０２％を含有する鋼であって、不可避的に存在するＮを０．０１％以下に規制したことを特徴とする金型用鋼材である。好ましくは、質量％で、Ｏ≦０．００３％に規制した金型用鋼材である。
【０００９】
あるいはさらに、上記の金型用鋼材に、質量％で、Ｃｕ≦３．５％、Ｍｏ≦１．０％、Ｃｏ≦１．０％の１種以上を含有してもよい。そして、これら金型用鋼材について、マルテンサイトを主体とする組織を有し、表面硬さが３８ＨＲＣを超えることを特徴とする金型用鋼材である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
上述したように、本発明の特徴は、磨き性と被削性を向上させるための根幹手段にＭｇの添加を採用し、そのＭｇの効果に影響を及ぼす相互元素との関係を明らかにすることで、Ｍｇの効果が十分に発揮される最適な組成バランスを見いだしたところにある。
【００１１】
精錬工程において、強脱酸剤として用いられるＡｌを添加した際に生成する酸化物（Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ）は、鋼中の酸素量に伴ってサイズや数が増減するが、塊状になりやすいため、Ｏ≦０．０１％にまで脱酸精錬を行なっても、依然、粗大なサイズの酸化物として鋼中に残存し、ピンホールの生成原因となる。また、Ａｌは析出硬化作用により金型用鋼材としての硬さを確保する作用を所有しているので、その成分量自体を安易に下げることはできない。しかも、ＡｌはＮとも結合しやすく、鋼中のＮ量に比例してサイズが大きな硬質の晶出窒化物（ＡｌＮ）を形成し、やはりピンホールの生成原因となる。
【００１２】
そこで、Ａｌを含有した鋼であっても、そのＭｇを利用した成分調整を行なえば、組織中に生成される酸化物をＭｇＯ、もしくはＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３といった、ＭｇＯが主体の酸化物へ改質でき、これによって酸化物の塊状化が抑制され小型化できる。そして、この介在物の改質は、ＡｌおよびＭｇと、Ｎの規制による成分バランスを最適に調整することで達成でき、Ａｌ本来の作用・効果も損なわれないことから、高硬さでの磨き性の向上を達成できる。
【００１３】
一方、被削性の向上においては、本発明では組織中に硫化物を形成・分散させる手法を採用する。ここで、軟質の晶出硫化物（ＭｎＳ）はＳ量に比例して粗大化しやすいが、ＭｇがＳと結合して形成する硫化物（ＭｇＳ）であれば、それは微細化しやすい性質を持つ。微細化分布したＭｇＳはドリル加工における切断屑の切断における応力起点となり、粗大でまばらに存在するＭｎＳに対して、快削性を向上させる作用がある。加えて、硫化物は酸化物を核として生成しやすい性質を持ち、核である酸化物が粗大化しやすいＡｌ２Ｏ３やＡｌ２Ｏ３−ＭｇＯである場合には、著しく成長し粗大化する。
【００１４】
この作用において、本発明の金型用鋼材では組織中の介在物をＭｇＯ、もしくはＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３といった、ＭｇＯが主体の酸化物へ改質しているので、上述した通りの磨き性に優れることに加え、硫化物も微細に分散させることが可能であるから、被削性にも優れた金型用鋼材とすることができる。そして、このような組織形態に制御するために、ＡｌとＭｇ、そしてＮ，Ｍｎ，ＳやＯ間での成分バランスが重要であって、以下、本発明が規定する化学組成について詳細に説明する。
【００１５】
Ｃ：０．００５〜０．１％未満
Ｃは、フェライトの生成を防ぎ、硬さ、強度向上に有効な元素でもあり、０．００５％以上は必要な元素である。しかし、Ｃが多くなると、炭化物を形成し、切削時の工具摩耗を増長する原因となったり、基地中のＣｒ量が減じるため耐食性を劣化するので、０．１％未満とする。
さらに望ましくは，上述の作用を害せず被削性をさらに向上させるために０．０５％未満とする。
【００１６】
Ｓｉ≦１．５％
Ｓｉは、通常脱酸剤として使用されるが、一方、靭性を低下させる反面、被削性を改善する。したがって両者の作用バランスを考慮して１．５％以下が好ましい。さらに望ましくは、上述の両者の作用バランスを害せず基地の硬さを向上させるために、０．０５超〜１．５％とする。
【００１７】
Ｍｎ：１．０％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸剤として使用されるほか、焼入れ性を高めてフェライトの生成を阻止する作用がある。そして、硫化物形成元素として被削性に関与する重要元素でもある。多すぎると組織に延性を増し被削性を低下するので１．０％以下とした。なお、被削性の向上効果を得るのに、０．１％以上の含有が好ましい。
【００１８】
Ｃｒ：３．０〜８．０％
Ｃｒは、耐食性を付与するのに有効な元素であるとともに、被削性に優れた組織を得るために規制する必要のある元素である。Ｃｒは約３％未満、そして約８％以上で初析フェライトがマルテンサイト変態前に析出するため、被削性が低下する。また、この初析フェライトの析出時には固溶Ｃがマトリックス中に排出されるため、マトリックス中の固溶Ｃ量が増加して、続いて残りのオーステナイトがマルテンサイトに変態する時に、変態歪みが大きくなる。そのため、マルテンサイトの組織単位であるパケットのサイズが小さくなり、さらに被削性を低下させる。したがって、本発明においては、Ｃｒ：３．０〜８．０％と規定した、好ましくは、Ｃｒ：３．５〜７．０％である。
【００１９】
Ｎｉ≦４．０％
Ｎｉは、変態点を下げ、冷却時に主体組織であるマルテンサイト組織を均一に生成させる作用と、Ａｌとの金属間化合物を形成して析出させて硬さを高める作用がある。しかし、この作用は、４．０％を超えても、その添加量の割りには顕著にならず、また、オーステナイトを生成し、必要以上に粘くなり被削性を劣化させるので、４．０％以下とする。好ましくは、上記の効果を得ることも踏まえて、３．０〜３．８％である
【００２０】
Ａｌ：０．１超〜１．５％
Ａｌは、Ｎｉと結合し金属間化合物ＮｉＡｌを形成して析出させ、硬さを高める作用があり、本発明では、その効果を十分に得るために０．１％を超える量を必要とする。しかし、含有量が増すと、酸化物系の粗大かつ硬い介在物を形成し工具摩耗の原因となり、鏡面研摩性、シボ加工性なども害するので０．１超〜１．５％とした。より硬さを安定して出現させ、軟化抵抗の低下を抑制させるためには、０．５〜１．５％とする。
【００２１】
Ｓ：０．００３〜０．０５％未満
Ｓは、Ｍｎ、そしてＭｇと結合して硫化物を形成し、被削性を向上させる。しかし、Ｓの増加はＭｎＳの粗大化を助長し、そして、ＭｎＳは孔食の起点となり易く耐食性を劣化させる。よって、Ｍｇの添加による効果を採用する本発明においては、Ｓを０．００３〜０．０５％未満に調整することが重要である。なお、被削性を向上させる硫化物量を十分に確保し、また、＃３０００以上の高いランクの鏡面研磨においても欠陥が発生し難い範囲を考慮して、好ましくは０．００４％〜０．０１％とする。
【００２２】
Ｍｇ：０．００１超〜０．０２％
Ｍｇは、Ｏ（酸素）との親和力がＡｌよりも大きいため、鋼中のＯと結合してＭｇＯ系の酸化物を生成し、磨き性の劣化の原因となるＡｌ２Ｏ３の生成を抑制する。また、ＭｇＯ系介在物は凝集し難く、鋼中に残留しても、鋼中で凝集・粗大化しやすいＡｌ２Ｏ３と比較して、介在物の微細化効果が図れる。
【００２３】
また、ＭｇはＳと結合して、ＭｇＳ系の介在物を生成する。従来、Ｍｎ含有鋼種では、組織中にＭｎＳを析出させることによって被削性を向上させているが、ＭｎＳは微細化し難く、被削性を向上させるためには多量のＭｎとＳの添加が必要となる。そうすると、硫化物に起因するピンホールが発生しやすくなり、磨き性が低下する。しかし、ＭｇＳ系の介在物は微細・分散化しやすいので、研削屑の切断起点となる硫化物を少量の添加で生成・分布させることができる。ただし、Ｍｇは成分系におけるＯとＳに見合った以上に添加すると、熱間加工性が劣化する。以上より、本発明では、Ｍｇを０．００１超〜０．０２％とする。好ましくは、０．００５超〜０．０２％とする。
【００２４】
Ｎ≦０．０１％
Ｎは、鋼中において窒化物を形成する元素で、とくに本発明のようにＡｌを含む場合には、ＡｌＮの形成によって金型の靭性、被削性および磨き性を著しく劣化する。よって、本発明においては０．０１％以下、好ましくは０．００５％以下、より好ましくは０．００２％以下に規制することが重要である。
【００２５】
なお、鋼中のＮの固溶度はＣｒ含有量に大きく左右され、Ｃｒの増加により溶鋼中のＮの固溶度は増加する。例えば、２％程度のＣｒ量では１５００℃において２２０ｐｐｍ程度の固溶限であるが、３％程度では２８０ｐｐｍ程度にまで増加し、５％では３００ｐｐｍを越えるまでに固溶限が大きくなってしまう。したがって、Ｃｒを３．０％以上と比較的多量に含有させる本発明の鋼材において、Ｎを低く規制する管理は重要である。
【００２６】
Ｏ：０．００３％以下
Ｏは、鋼中に不可避的に存在し、酸化物を形成する元素であり、冷間塑性加工性および磨き性を著しく劣化させるので、上限を０．００３％に規制することが好ましい。より望ましくは、磨き性を向上させるため０．００１％以下とする。
【００２７】
Ｃｕ≦３．５％
Ｃｕは、少量のＦｅを固溶した固溶体（ε相）を生成するとされ、Ｎｉと同様に析出硬化に寄与する。しかし、Ｃｕは、反面靭性を低下させたり、高温で母材の結晶粒界に浸潤して、熱間加工性を害する作用をするため、上記の効果を得る場合であっても、３．５％以下とすることが望ましい。添加する場合に好ましくは、０．３〜３．５％とする。
【００２８】
Ｍｏ≦１．０％
Ｍｏは、基地中に固溶して不動態皮膜を強化し耐食性を向上させるのに極めて有効である。また、Ｍｏは、Ｃと結合して微細な複合炭化物を形成することにより、Ｃｒが主体となって形成されるＭ７Ｃ３型の炭化物の粗大化を抑制する著しい効果があり、靭性向上やピンホールの生成要因が軽減される。しかし、過剰に含有すると多量の炭化物を形成して工具摩耗を増加させるので、含有する場合であっても、上限を１．０％とすることが望ましい。より好ましくは、上述の効果を有効に出現させるため、０．１％以上添加することが望ましい。
【００２９】
Ｃｏ≦１．０％
Ｃｏは、基地中に固溶して２次硬化性と耐食性を向上させるとともに、Ｃｒが主体となって形成されるＭ７Ｃ３型の炭化物の粗大化を抑制し、この炭化物および金属間化合物（Ｎｉ−Ａｌ）を基地中に微細に析出させて、靱性を改善する。しかし、多すぎると靭性の低下、被削性の劣化および焼入れ性の低下をまねき、また経済性も考慮して、含有する場合であっても上限は１．０％とすることが望ましい。上述の効果を有効に出現させるのに好ましくは、０．１％以上である。
【００３０】
本発明の金型用鋼材であれば、高硬さでの被削性、磨き性に優れることから、例えば焼入れ・焼戻し熱処理（固溶・時効処理）により表面硬さを３８ＨＲＣ超、更には４０ＨＲＣ以上といった硬さ域に調整した場合であっても実用化が可能である。よって、硬さの高いマルテンサイトを主体とする組織を有したプリハードン鋼を金型材料にすることができ、機械的特性の優れた金型を、製造工程の簡略化を達成して提供することができる。
【００３１】
【実施例】
次に実施例により、本発明を詳細に説明する。
まず、３０ｋｇ高周波真空溶解炉にて溶解・成分調整した、表１の組成を有する溶製材（残部：Ｆｅおよび不可避的不純物）を準備した。これを断面寸法４０ｍｍ×４０ｍｍの角棒に鍛伸後、熱処理を施し、所定の硬さのマルテンサイト組織に調整して、供試材とした。ここで熱処理は、硬さ４０ＨＲＣ±５を得るように、焼入れは１０００℃で１時間加熱してから空冷し、その後焼戻しとして５２０℃から５８０℃の２０℃刻みの適正温度で１時間加熱後空冷するものである。
【００３２】
【表１】
【００３３】
そして、これら供試材について、被削性および磨き性を評価した。被削性の評価は、エンドミル切削試験とドリル切削試験の２種類を行った。エンドミル切削試験は、切削長６ｍ時での工具逃げ面の最大摩耗巾（Ｖｂｍａｘ［ｍｍ］）を測定した。切削条件は、２枚刃φ１０ｍｍのハイス製エンドミルにて、切削速度２３ｍ／ｍｉｎ、送り速度０．０６ｍｍ／刃の湿式切削で行なった。また、ドリル切削試験は、穴数計３穴での平均切屑個数で切削分断性を評価した。切削条件はφ８ｍｍハイス製ドリルにて切削速度１６ｍ／ｍｉｎ、送り速度０．２ｍｍ／ｒｅｖ、穴深さ１０ｍｍの湿式で行なった。
【００３４】
磨き性の評価は、供試材をグラインダー→ペーパー→ダイヤモンドコンパウンド方式にて＃３０００レベル、および＃６０００レベルに鏡面仕上げを行い、１０倍の拡大鏡を用いて微細なピット発生個数をカウントして、ピット数が４個未満のものを◎、４〜７個未満のものを○、７〜１０個未満のものを△、それ以上のものを×とした。以上の評価結果を表２に示す。
【００３５】
【表２】
【００３６】
表２の結果より、本発明材は優れた被削性と磨き性が達成されており、特に本発明材Ｎｏ．３は磨き性に優れることが分かる。本発明材Ｎｏ．１、Ｎｏ．４、Ｎｏ．９はＳが高いために硫化物が多数分布し、被削性は良好であったが、磨き性が多少劣る結果となった。Ｍｇ量の低い比較材Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１３はＡｌ，ＮもしくはＯが高いために、組織中に粗大なＡｌ２Ｏ３系介在物とＡｌＮ系介在物が多く分布して、被削性および磨き性に劣る結果となった。
【００３７】
また、これらの結果から、Ａｌが高いほど析出物による硬化作用によって被削性が低下し、Ｓが高くなるに従って硫化物の生成による軟化作用が増加し、被削性が向上する傾向にあることが分かる。そして、Ｍｇ，Ａｌ，Ｓ、特にＭｇとＡｌの含有量バランスを最適に調整することで、優れた被削性と磨き性を達成できることが分かる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、精錬工程において除去が困難であった粗大な酸化物を改質することによって、被削性を損なうことなく、磨き性を飛躍的に改善することができ、＃３０００以上の高ランクの鏡面研磨を行なう金型材の実用化にとって欠くことのできない技術となる。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a mold steel material most suitable for various molds, specifically, a plastic molding mold, and more particularly to a mold steel material excellent in machinability and polishability in a pre-hardened state.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in the field of mold materials for molding plastic products, for example, pre-hardened alloy steel materials whose hardness has been adjusted in advance have been used. Pre-hardened alloy steel materials are usually subjected to machining such as cutting and polishing in their high hardness state and finished into mold products, so it is important to have excellent machinability and polishability in the pre-hardened state. It becomes.
[0003]
Numerous proposals have been made for such mold steels. For example, JP-A-63-076855 discloses an age-hardened mold steel having a hardness after aging of 35 to 45 HRC. An object of the present invention is to propose a mold steel excellent in graining workability, corrosion resistance, and nitriding properties, and free of burrs during hot working. The machinability is improved by adding S or Pb.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The alloy steel disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-076855 is an excellent means in improving the machinability while ensuring age hardening characteristics. However, in the case of a mold represented by a plastic mold, particularly a mold that requires a high-quality mirror-finished surface, it is important to improve the polishability, and pinholes caused by inclusions (mainly oxides) The generation of small holes of a size that can be visually confirmed on the mirror-polished mold product skin has an adverse effect on the product quality, and this is a major problem in putting a high-grade # 3000 or higher polishability into practical use. Further, with regard to machinability, it is necessary to reduce the frequency of occurrence of inconveniences in the work process due to the spread of unmanned machining, and it is also a required issue to improve free machinability in which grinding chips are well separated.
[0005]
Generally, Al is used as a deoxidizing material in the deoxidizing and refining process of steel. Al is easy to generate inclusions massive, Al 2 O 3, or such Al 2 O 3 -MgO, generates a coarse inclusions mainly composed of Al 2 O 3, when it remains in the steel, mirror polished Dropping into the inside causes pinholes that can be easily visually checked, adversely affecting the polishing properties of the product. In particular, Al 2 O 3 and Al 2 O 3 —MgO have a feature that the interfacial energy is large and they are easily aggregated.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to suppress the occurrence of pinholes due to the formation of the oxide, and further provide high machinability and polishability, and to provide a steel material for a mold that is optimal for use as a pre-hardened steel material. To provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has reviewed in detail the occurrence of pinholes caused by oxides on the machinability and polishability of the oxide species and the generation behavior thereof. As a result, it has been found that the polishability and machinability can be greatly improved by adopting an alloy composition having an optimal component balance to which an appropriate amount of Mg is added, and the present invention has been achieved.
[0008]
That is, in the present invention, C: 0.005 to less than 0.1%, Si ≦ 1.5%, Mn ≦ 1.0%, Cr: 3.0 to 8.0%, Ni ≦ 4 by mass%. 0.0%, Al: more than 0.1 to 1.5%, S: 0.003 to less than 0.05%, and Mg: more than 0.001 to 0.02%. A steel material for a mold, wherein the existing N is regulated to 0.01% or less. Preferably, it is a steel material for a mold whose mass% is regulated to O ≦ 0.003%.
[0009]
Alternatively, the steel material for a mold may further contain one or more of Cu ≦ 3.5%, Mo ≦ 1.0%, and Co ≦ 1.0% by mass%. And these mold steel materials have a structure mainly composed of martensite, and have a surface hardness exceeding 38 HRC.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As described above, the feature of the present invention is to adopt the addition of Mg as a fundamental means for improving the polishability and machinability, and to clarify the relationship with the mutual element that affects the effect of Mg. Thus, an optimum composition balance in which the effect of Mg is sufficiently exhibited is found.
[0011]
In the refining process, oxides (Al 2 O 3 , Al 2 O 3 —MgO) generated when Al used as a strong deoxidizer is added, the size and number of the oxides increase and decrease with the amount of oxygen in the steel. However, since it tends to be a lump, even if deoxidizing and refining to O ≦ 0.01%, it still remains in the steel as a coarse-sized oxide, causing pinholes. In addition, since Al has a function of securing hardness as a steel material for a mold by a precipitation hardening function, the amount of the component itself cannot be easily reduced. In addition, Al easily bonds with N, and forms hard crystallized nitride (AlN) having a large size in proportion to the amount of N in steel, which also causes pinholes.
[0012]
Therefore, even in the case of steel containing Al, if the component adjustment using Mg is performed, the oxide generated in the structure can be converted into MgO or MgO-Al 2 O 3 , which is mainly composed of MgO. It can be reformed, whereby the agglomeration of the oxide is suppressed and the size can be reduced. The modification of the inclusions can be achieved by optimally adjusting the component balance due to the regulation of Al and Mg and N, and the original operation and effect of Al are not impaired. The improvement of the property can be achieved.
[0013]
On the other hand, to improve machinability, the present invention employs a method of forming and dispersing sulfides in the tissue. Here, the soft crystallized sulfide (MnS) tends to coarsen in proportion to the amount of S, but if it is a sulfide (MgS) formed by combining Mg with S, it has the property of being easily refined. The finely distributed MgS serves as a stress starting point in cutting of cutting chips in drilling, and has an effect of improving free cutting properties with respect to coarse and sparse MnS. In addition, sulfides have a property of being easily generated with an oxide as a nucleus, and when the oxide as a nucleus is Al 2 O 3 or Al 2 O 3 —MgO, which is liable to be coarsened, the sulfide significantly grows and coarsens. .
[0014]
In this operation, in the mold steel material of the present invention, inclusions in the structure are modified into oxides mainly composed of MgO such as MgO or MgO-Al 2 O 3 , so that the polishing property as described above is improved. In addition to being excellent, it is also possible to finely disperse sulfides, so that a mold steel excellent in machinability can be obtained. In order to control to such a structure form, it is important to balance components between Al and Mg, and N, Mn, S and O. Hereinafter, the chemical composition defined by the present invention will be described in detail. .
[0015]
C: 0.005 to less than 0.1% C is also an element that prevents the formation of ferrite and is effective in improving hardness and strength, and 0.005% or more is a necessary element. However, when C is increased, carbides are formed, which causes an increase in tool wear during cutting and a decrease in the amount of Cr in the matrix deteriorates corrosion resistance.
More desirably, the content is less than 0.05% in order to further improve the machinability without impairing the above operation.
[0016]
Si ≦ 1.5%
Si is usually used as a deoxidizing agent, but on the other hand, it reduces the toughness but improves the machinability. Therefore, it is preferably 1.5% or less in consideration of the balance between the two. More desirably, the content is more than 0.05 to 1.5% in order to improve the hardness of the base without impairing the balance of the above-mentioned actions.
[0017]
Mn: 1.0% or less Mn is used as a deoxidizing agent like Si, and also has the effect of increasing the hardenability and preventing the formation of ferrite. And it is also an important element involved in machinability as a sulfide forming element. If the amount is too large, the ductility increases in the structure and the machinability decreases. In order to obtain the effect of improving machinability, the content of 0.1% or more is preferable.
[0018]
Cr: 3.0 to 8.0%
Cr is an element effective for imparting corrosion resistance and an element that needs to be regulated in order to obtain a structure excellent in machinability. When Cr is less than about 3% and about 8% or more, proeutectoid ferrite precipitates before martensitic transformation, so that machinability decreases. Also, during the precipitation of pro-eutectoid ferrite, solid solution C is discharged into the matrix, so that the amount of solid solution C in the matrix increases, and when the remaining austenite subsequently transforms to martensite, the transformation strain increases. Become. Therefore, the size of the packet, which is the organizational unit of martensite, is reduced, and the machinability is further reduced. Therefore, in the present invention, the content of Cr is specified to be 3.0 to 8.0%, and preferably, the content of Cr is 3.5 to 7.0%.
[0019]
Ni ≦ 4.0%
Ni has a function of lowering the transformation point and uniformly generating a martensite structure which is a main structure at the time of cooling, and a function of forming an intermetallic compound with Al to precipitate and increase the hardness. However, even if this action exceeds 4.0%, the effect is not remarkable in proportion to the amount of addition, and austenite is formed, which is excessively viscous and deteriorates machinability. 0% or less. Preferably, the content is 3.0 to 3.8% in view of obtaining the above effects.
Al: more than 0.1 to 1.5%
Al combines with Ni to form and precipitate an intermetallic compound, NiAl, and has an effect of increasing the hardness. In the present invention, an amount exceeding 0.1% is required to sufficiently obtain the effect. However, when the content increases, coarse and hard oxide-based inclusions are formed, which causes tool wear, and also impairs mirror polishing, graining, and the like. In order to make the hardness appear more stably and to suppress the decrease in softening resistance, the content is set to 0.5 to 1.5%.
[0021]
S: 0.003 to less than 0.05% S combines with Mn and Mg to form a sulfide, thereby improving machinability. However, an increase in S promotes coarsening of MnS, and MnS easily becomes a starting point of pitting corrosion and deteriorates corrosion resistance. Therefore, in the present invention employing the effect of the addition of Mg, it is important to adjust S to 0.003 to less than 0.05%. The amount of sulfide for improving machinability is sufficiently ensured, and preferably 0.004% to 0.01 in consideration of a range in which defects are unlikely to occur even in mirror polishing of a high rank of # 3000 or more. %.
[0022]
Mg: more than 0.001 to 0.02%
Since Mg has a greater affinity for O (oxygen) than Al, it combines with O in steel to form an MgO-based oxide and suppresses the generation of Al 2 O 3 which causes deterioration of polishing properties. I do. Further, MgO-based inclusions are less likely to agglomerate, and even if they remain in the steel, the effect of making the inclusions finer can be achieved as compared with Al 2 O 3, which tends to agglomerate and coarsen in the steel.
[0023]
Also, Mg combines with S to generate MgS-based inclusions. Conventionally, in a Mn-containing steel type, machinability is improved by precipitating MnS in the structure, but MnS is hard to be refined, and a large amount of Mn and S must be added to improve machinability. It becomes. Then, pinholes due to sulfides are likely to be generated, and polishability is reduced. However, since the MgS-based inclusions are easily made fine and dispersed, sulfides serving as cutting starting points of grinding chips can be generated and distributed with a small amount of addition. However, if Mg is added in excess of O and S in the component system, the hot workability deteriorates. As described above, in the present invention, Mg is set to more than 0.001 to 0.02%. Preferably, it is more than 0.005 to 0.02%.
[0024]
N ≦ 0.01%
N is an element that forms a nitride in steel. Particularly when Al is contained as in the present invention, the formation of AlN significantly deteriorates the toughness, machinability and polishability of the mold. Therefore, in the present invention, it is important to regulate the content to 0.01% or less, preferably 0.005% or less, and more preferably 0.002% or less.
[0025]
The solid solubility of N in steel is greatly affected by the Cr content, and the increase of Cr increases the solid solubility of N in molten steel. For example, when the Cr content is about 2%, the solid solubility limit is about 220 ppm at 1500 ° C., but when it is about 3%, it increases to about 280 ppm, and when it is 5%, the solid solubility limit becomes large until it exceeds 300 ppm. Therefore, in the steel material of the present invention in which Cr is contained in a relatively large amount of 3.0% or more, it is important to control the N content to be low.
[0026]
O: 0.003% or less O is inevitably present in steel and forms an oxide, and significantly deteriorates cold plastic workability and polishability. Therefore, the upper limit is restricted to 0.003%. Is preferred. More desirably, the content is 0.001% or less in order to improve the polishing property.
[0027]
Cu ≦ 3.5%
Cu is considered to form a solid solution (ε phase) in which a small amount of Fe is dissolved, and contributes to precipitation hardening like Ni. However, Cu, on the other hand, lowers the toughness or infiltrates the crystal grain boundary of the base material at a high temperature and acts to impair the hot workability. % Is desirable. When adding, it is preferably set to 0.3 to 3.5%.
[0028]
Mo ≦ 1.0%
Mo is extremely effective in forming a solid solution in the matrix to strengthen the passive film and improve the corrosion resistance. In addition, Mo has a remarkable effect of suppressing the coarsening of M 7 C 3 type carbide formed mainly by Cr, by forming a fine composite carbide by combining with C, and improving toughness. Pinhole generation factors are reduced. However, if it is contained excessively, a large amount of carbide is formed and tool wear is increased. Therefore, even if it is contained, it is desirable to set the upper limit to 1.0%. More preferably, it is desirable to add 0.1% or more in order to make the above-mentioned effects appear effectively.
[0029]
Co ≦ 1.0%
Co forms a solid solution in the matrix to improve the secondary hardenability and corrosion resistance, and also suppresses the coarsening of M 7 C 3 type carbide formed mainly by Cr. (Ni-Al) is finely precipitated in the matrix to improve toughness. However, if the content is too large, the toughness, machinability and hardenability may be reduced, and the upper limit is preferably set to 1.0% even in the case where it is contained in consideration of economy. Preferably, the content is 0.1% or more so that the above effects can be effectively exhibited.
[0030]
Since the steel for molds of the present invention is excellent in machinability and polishability at a high hardness, the surface hardness is more than 38 HRC by quenching and tempering heat treatment (solid solution / aging treatment), and furthermore, 40 HRC. Practical application is possible even when the hardness is adjusted to the above range. Therefore, a prehardened steel having a structure mainly composed of high martensite can be used as a mold material, and a mold having excellent mechanical properties can be provided by achieving a simplified manufacturing process. Can be.
[0031]
【Example】
Next, the present invention will be described in detail with reference to examples.
First, a smelting material having the composition shown in Table 1 (remainder: Fe and inevitable impurities) prepared by melting and adjusting the components in a 30 kg high-frequency vacuum melting furnace was prepared. This was forged into a square bar having a cross-sectional dimension of 40 mm × 40 mm, and then heat-treated to adjust the martensite structure to a predetermined hardness to obtain a test material. Here, in the heat treatment, quenching is performed by heating at 1000 ° C. for 1 hour and then air-cooling so as to obtain a hardness of 40 HRC ± 5. Is what you do.
[0032]
[Table 1]
[0033]
Then, these test materials were evaluated for machinability and polishability. The evaluation of the machinability was performed by two types of end mill cutting test and drill cutting test. In the end mill cutting test, the maximum wear width (Vbmax [mm]) of the tool flank at a cutting length of 6 m was measured. The cutting conditions were wet cutting at a cutting speed of 23 m / min and a feed speed of 0.06 mm / blade using a high-speed end mill made of high-speed steel with a two-blade diameter of 10 mm. In the drill cutting test, the cutting severability was evaluated based on the average number of chips in three holes. The cutting conditions were a wet type of φ8 mm high-speed steel drill with a cutting speed of 16 m / min, a feed speed of 0.2 mm / rev, and a hole depth of 10 mm.
[0034]
Evaluation of polishability was performed by grinding the test material to # 3000 level and # 6000 level using a grinder → paper → diamond compound method and counting the number of fine pits generated using a 10x magnifying glass. ◎: less than 4 pits, ◎: less than 4 to 7 pits, Δ: less than 7 to 10 pits, and x: more. Table 2 shows the above evaluation results.
[0035]
[Table 2]
[0036]
From the results shown in Table 2, the material of the present invention achieved excellent machinability and polishability. 3 shows that the polishing property is excellent. The material No. 1, No. 4, no. In No. 9, a large amount of sulfide was distributed due to high S, and the machinability was good, but the polishability was somewhat poor. Comparative material No. with low Mg content. 11, No. In No. 13, since Al, N or O is high, coarse Al 2 O 3 -based inclusions and AlN-based inclusions are largely distributed in the structure, resulting in inferior machinability and polishability.
[0037]
Also, from these results, the higher the Al, the lower the machinability due to the hardening action by the precipitates, and the higher the S, the more the softening action due to the formation of sulfides tends to improve the machinability. I understand. It can be seen that excellent machinability and polishability can be achieved by optimally adjusting the content balance of Mg, Al, and S, especially Mg and Al.
[0038]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, polishability can be drastically improved without impairing machinability by modifying coarse oxide which was difficult to remove in the refining process. This is an indispensable technology for practical use of a mold material that performs high-rank mirror polishing.
