JP2005163123A - 工具鋼およびプラスチック金型鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 工具鋼およびプラスチック金型鋼から、最終製品を製作するための素材（通常は平角材または棒線材）を製造するに当たり、熱間加工後の熱処理段階において、オーステナイト化完了時の結晶粒が従来のものより微細になり、しかも、その微細なオーステナイト結晶粒の成長が遅く、粗大化しにくいものが得られる製造方法を提供すること。
【解決手段】 熱間加工後の冷却によってマルテンサイト（Ｍ）またはＭとベイナイト（Ｂ）からなる組織となる鋼を、１）オーステナイト（γ）単相で熱間加工し、引き続き、２）熱間加工することによってγ組織の再結晶を妨げ、３）いったん冷却して平均結晶粒径が３０μｍ以下の微細組織とし、４）再度焼入れまたは溶体化処理をしてから冷却することにより、ＭまたはＢを主体とする組織としたものを、さらに５）熱処理（焼戻しまたは時効処理）する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、工具鋼またはプラスチック金型鋼から、工具またはプラスチック成形金型を製造する素材となる、平角材や棒線材などを製造する方法に関する。

工具やプラスチック金型は、硬質な材料や高温の物質と接触するので、それにより劣化しない特性をもっていなければならない。具体的には、使用時の欠けや割れが少なく、摩耗に耐えることである。そこで、そうした要求に応えるよう、合金組成を選択するとともに、最終製品に加工する素材を製造する工程を改善することが試みられている。通常、素材の製造工程は、代表的には圧延または鍛造である熱間加工に続いて、工具鋼は焼入れ・焼戻し、プラスチック金型鋼は溶体化・時効処理を行なっている。

上記の工程で、熱間加工後の冷却により、または焼入れにより、鋼の組織はマルテンサイト（以下「Ｍ」と略記する）またはベイナイト（以下「Ｂ」と略記する）を主体としたものになる。欠けや割れを軽減するには、マルテンサイト変態に先立つオーステナイト（以下「γ」と略記する）組織の粒径を微細にして、靱性を高めることが有効である。この観点から、これまで、熱間加工の工程で、または焼入れ時にγ組織が微細になりやすい合金が開発されてきた（特許文献１）。

しかし、既存の工具鋼およびプラスチック金型鋼は、γ組織の微細化が十分でなく、製品に高い靱性を実現することは容易でない。この、熱間加工−焼入れ・焼戻しまたは熱間加工−溶体化・時効処理、という加工工程で実現するγ組織の平均結晶粒径は、１００μｍ内外の粗大なものである。そこで、改良法として、熱間加工後の粗大な組織を溶体化処理して、再度低温でγ化することにより、微細化効果を得ることが企てられた（特許文献２）。これにより、γ組織の平均結晶粒径は５０μｍ程度に微細化されるが、それにもかわらず、靱性が期待した値を大きく下回ることがある。そうなると、工具もプラスチック成形金型も、早期に使用不能になってしまう。

上述の改良法が採用していた工具鋼またはプラスチック金型鋼の製造方法の工程は、概念的に示せば、図１にみるとおりである。熱間加工によってγ組織は微細化されるが、温度が高いために再結晶化が速やかに進行し、圧延製品中のＭまたはＢの組織は、それほど微細にならない。熱間加工に続く溶体化処理において、材料は再び加熱されるが、そこで生じるγ結晶の平均粒径は、上記のように、通常は５０μｍ程度、よくても３０μｍ程度である。このγ組織が変態して生じるＭまたはＢの組織もまた、したがって、あまり微細であることは期待できない。
特開平９−１６５６４９号公報 特開２００１−１５２２４６号公報

本発明の目的は、既知の工具鋼およびプラスチック金型鋼から、最終製品を製作するための素材、通常は平角材または棒線材の形態の素材、を製造するに当たり、熱間加工後の熱処理段階において、オーステナイト化完了時の結晶粒が従来のものより微細になり、しかも、その微細なオーステナイト結晶粒の成長が遅く、粗大化しにくいものが得られる、工具鋼またはプラスチック金型鋼の製造方法を提供することにある。

本発明の工具鋼またはプラスチック金型鋼の製造方法は、熱間加工後の冷却によってＭまたはＢを主体とする組織となる工具鋼またはプラスチック金型鋼から、平角材または棒線材のような加工用の素材を製造する方法であって、下記の諸工程からなり、結晶粒径が微細で靱性の高い鋼材を得る製造方法である。
１）鋼材を実質的にオーステナイト単相の状態で熱間加工すること、
２）引き続き熱間加工することによって、未再結晶オーステナイト組織の状態を得ること、
３）いったん冷却して、マルテンサイトまたはベイナイトを主体とする微細組織とすること、
４）加熱して、工具鋼はオーステナイト中に析出物を分散させた状態に、プラスチック金型鋼は実質的にオーステナイト単相の状態にすること、および
５）冷却して、マルテンサイトまたはベイナイトを主体とする組織としたものを、さらに熱処理すること。

上述した本発明の製造方法を、従来技術と対比して概念的に図示すると、図２のようになる。工程１）において、鋼材は、たとえば１０００〜１３００℃で熱間圧延することにより、γ組織が細分化されるが、温度が高いため、放っておくと再結晶して、図１に示したように粗大のものになるから、温度を、たとえば８００〜６００℃に下げて、再結晶化が進行しない状態で熱間加工を続ける。これを一口でいえば、従来は「再結晶したγのＭまたは（Ｍ＋Ｂ）変態」が行なわれていたのに対し、本発明によるときは、「再結晶が未完了なγのＭまたは（Ｍ＋Ｂ）変態」が行なわれることになる。後者の変態により生じるＭまたは（Ｍ＋Ｂ）組織は、転位密度が高いから、溶体化処理によって微細なγ組織を与える。

すなわち、熱間加工によって微細化されたγ組織を、工程２）において温間加工により加工硬化させ、高い転位密度の状態にし、工程３）において、冷却によりＭまたは（Ｍ＋Ｂ）組織とする結果、工程５）における熱処理、たとえば焼入れ時の加熱によって、歪みの蓄積されたマトリクスに微細な炭化物が均一に分散するようになり、焼戻し時の再加熱により、γ化の核生成速度が高まるとともに核生成サイトが増大し、γ化完了時の結晶粒径が微細になる。上記の微細な炭化物は、粒界の移動を抑制する働きがあるから、このようにして得られた微細結晶粒が維持される。このようにして、本発明の方法によるときは、γ組織の平均結晶粒径が３０μｍ未満、通常１５μｍ程度、好適な場合は５μｍまで微細になり、高い靱性が実現する。

本発明の方法は、熱間加工後の冷却によってＭまたは（Ｍ＋Ｂ）を主体とする組織となる工具鋼またはプラスチック金型鋼に適用可能であるが、具体的な合金組成としては、つぎのようなものが挙げられる。

工具鋼としては、重量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｃｒ：２．０〜６．０％およびＶ：０．１〜２．２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなる組成の合金である。これら合金成分に加えて、さらに、Ｍｏ：０．２〜３．５％、Ｗ：０．５〜１０．０％およびＣｏ：１．０〜５．０％の１種または２種以上を、強化元素として添加してもよい。工具鋼の場合、熱間加工後の熱処理は、通常、焼入れ・焼戻し処理である。

プラスチック金型鋼としては、重量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｓ：０．００１〜０．２０％、Ｎｉ：１．０〜５．０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％、Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ｃｕ：０．５〜１．５％およびＡｌ：０．５〜１．５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなる組成の合金である。これら合金成分に加えて、さらに、Ｗ：０．５〜１０．０％およびＣｏ：１．０〜５．０％の１種または２種を、強化元素として添加してもよい。プラスチック金型鋼場合、熱間加工後の熱処理は、溶体化・時効処理である。

工具鋼およびプラスチック金型鋼の熱処理は、この種の鋼に関して知られている技術に従って条件を選択し、実施することができる。適切な条件の例を、下に示す。
（工具鋼）
焼入れ：１０００〜１０５０℃で１〜４時間保持、焼戻し：５３０〜６３０℃で１〜４時間保持、空冷
（プラスチック金型鋼）
溶体化処理：８５０〜８９０℃で１時間。比較的低温で短時間の実施が好ましい。
時効処理：５４０℃程度で５時間位の処理を行なう。

［実施例１］
工具鋼として、ＪＩＳで規定されたＳＫＤ６１を使用
表１の合金組成（重量％）の工具鋼を溶製し、９４mm角の鋼片に分塊した。
表１
Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｃｒ Ｍｏ Ｖ Ｆｅおよび不純物
0.38 1.02 0.35 5.0 1.25 0.95 残部
この鋼片を加熱温度１１５０℃で圧延して６８mm角とし、続いて、６５０℃（No.１）または６００℃（No.２）で圧延し、３４mm径の丸棒として、素材のサンプルを得た。減面率（加工率）は８０％である。比較のため、後半の圧延を前半と同じ１１５０℃で行なったサンプルもつくった（No.６）。

上記のサンプルについて、組織とオーステナイト再結晶率を調べた。その結果は、表２に示すとおりである。
表２
No. 組 織 再結晶率
１ 伸長したγから変態したＭまたはＢ ０％
２ 伸長したγから変態したＭまたはＢ ０
６ 等軸のγから変態したＭまたはＢ １００

各素材サンプルを焼入れ・焼戻しして（１０３０℃×１時間、空冷−５９０℃×４時間）、オーステナイト結晶粒径を調べ、引張り特性（０．２％耐力および引張り強さ）および靱性（シャルピー衝撃値）を測定した。結果を、表３に示す。
表３
No. 結晶粒径 ０．２％耐力 引張り強さ 衝撃値
１ １．０〜２０μｍ １３８０ＭＰａ １５３０ＭＰａ ５０Ｊ／cm²
２ ０．５〜１５ １４３０ １５１０ ７０
６ ３０〜２００ １２００ １５２０ １０

［実施例２］
プラスチック金型鋼として、大同特殊鋼製の材料「ＮＡＫ８０」を使用
表４の合金組成（重量％）のプラスチック金型鋼を溶製し、実施例１と同様の条件で、鋼片への分塊および熱間圧延を行なった。後半の圧延を、６５０℃（No.３）または６００℃（No.４）で、それぞれ実施した。比較のため、後半の圧延を１１５０℃で行なったサンプル（No.７）もつくった。

表４
ＮＡＫ８０ Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｃｒ Ｎｉ Ｍｏ Ｃｕ Ａｌ Ｆｅおよび不純物
0.15 0.3 1.5 0.3 3.0 0.3 1.0 1.0 残部

上記のサンプルについて、組織とオーステナイト再結晶率を調べた。その結果は、表５に示すとおりである。
表５
No. 組 織 再結晶率
３ 伸長したγから変態したＭまたはＢ ０％
４ 伸長したγから変態したＭまたはＢ ０
７ 等軸のγから変態したＭまたはＢ １００

各素材サンプルを溶体化（８７０℃×１時間）および時効処理（５４０℃×５時間）して、オーステナイト結晶粒径を調べ、引張り特性（０．２％耐力および引張り強さ）および靱性（シャルピー衝撃値）を測定した。結果を、表６に示す。
表６
No. 結晶粒径 ０．２％耐力 引張り強さ 衝撃値
３ １０〜２０μｍ １０５０ＭＰａ １２８０ＭＰａ ６０Ｊ／cm²
４ ５〜１０ １２００ １３００ ７５
７ ５０〜１００ ８００ １２５０ １５

本発明の製造方法は、工具の分野においては、熱間工具鋼、冷間工具鋼、高速度工具鋼およびガラス金型鋼から、工具製造用の素材を得るときに適用して、有用である。プラスチック成形金型の分野においては、プラスチック金型鋼から、各種の熱可塑性および熱硬化性の合成樹脂の射出成形をはじめとする成形用の金型を製造するための素材を得るときに適用して、有用である。

工具鋼およびプラスチック金型鋼の製造に当たって、従来実施されてきた方法を概念的に示す図。 本発明の工具鋼およびプラスチック金型鋼の製造方法を概念的に示す、図１に対応する図。

Claims (5)

1. 熱間加工後の冷却によってマルテンサイトまたはベイナイトを主体とする組織となる、工具鋼またはプラスチック金型鋼の加工用の素材を製造する方法であって、下記の諸工程からなり、結晶粒径が微細で靱性の高い鋼材を得る、工具鋼またはプラスチック金型鋼の製造方法：
   １）鋼材を実質的にオーステナイト単相の状態で熱間加工すること、
   ２）引き続き熱間加工することによって、未再結晶オーステナイト組織の状態を得ること、
   ３）いったん冷却して、マルテンサイトまたはベイナイトを主体とする微細組織とすること、
   ４）加熱して、工具鋼はオーステナイト中に析出物を分散させた状態に、プラスチック金型鋼は実質的にオーステナイト単相の状態にすること、および
   ５）冷却して、マルテンサイトまたはベイナイトを主体とする組織としたものを、さらに熱処理すること。
2. 工具鋼として、重量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｃｒ：２．０〜６．０％およびＶ：０．１〜２．２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなる組成の合金を使用し、熱間加工後の加熱処理が焼入れ・焼戻し処理である請求項１の工具鋼の製造方法。
3. 請求項２に記載の合金成分に加えて、さらに、Ｍｏ：０．２〜３．５％、Ｗ：０．５〜１０．０％およびＣｏ：１．０〜５．０％の１種または２種以上を含有する工具鋼を使用して実施する請求項２の工具鋼の製造方法。
4. プラスチック金型鋼として、重量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｓ：０．００１〜０．２０％、Ｎｉ：１．０〜５．０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％、Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ｃｕ：０．５〜１．５％およびＡｌ：０．５〜１．５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなる組成の合金を使用し、熱間加工後の加熱処理が溶体化・時効処理である請求項１のプラスチック金型鋼の製造方法。
5. 請求項４に記載の合金成分に加えて、さらに、Ｗ：０．５〜１０．０％およびＣｏ：１．０〜５．０％の１種または２種を含有する工具鋼を使用して実施する請求項４のプラスチック金型鋼の製造方法。
   

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