JP2006504868A - 鋼及びこの鋼でつくられたプラスチック物質用の成型工具 - Google Patents
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Abstract
0.43〜0.60C、トレース量〜1.5Si、トレース量〜1.5(Si+Al)、0.1〜2.0Mn、3.0〜7.0Cr、1,5〜4.0(Mo+)、但し最大1.0W、0.30〜0.70V、Nb,Ti,Zrの各々最大0.1、最大2.0Co、最大2.0Ni、バランス:本質的に鉄と不可避不純物のみ。焼入れと520℃〜560℃での高温焼戻し後、この鋼は56〜58HRCの鋼度を有する。
Description
* 良好な延性/靭性、
* 少なくとも350mmまでの厚みを有する製品の真空炉中での慣用の焼入れに関して無芯焼入れを可能にする良好な焼入れ性、
* 焼入れ及び高温焼戻し後、塑性変形に対して高耐性を示す十分な硬度、少なくとも54HRC、好ましくは少なくとも56HRC、及び、少なくともある用途に関する限りは、例えばPVD-又はCVD-法による炭化チタン及び/又は窒化チタン又は類似物での窒化又は表面コーティングなしで十分な耐摩耗性、
* 特に工具の良好な耐摩耗性を必要とする用途用に、材料の硬度を低下させることなく例えば前記方法のいづれかによって炭化チタン及び/又は窒化チタンなどによる窒化又は表面コーティングを可能にするための良好な耐焼戻し性。
* 良好な熱処理特性、
* 良好な研削性、切削操作による機械加工性、スパーク機械加工性、及び艶出し性。
他の重要な製品特徴は次のものである:
* 熱処理中の良好な寸法安定性、
* 疲労寿命の長いこと、
特に、本発明は、プラスチック物質の成型工具用として使用できるマトリクス鋼、すなわち本質的に1次炭化物の存在しない、使用状態で焼戻しマルテンサイトからなるマトリクスを有する鋼を提供することを目的とする。
50kgの質量を有する実験室インゴットの形で8つの鋼合金を製造した。実験室規模で製造したこれらのインゴットの化学組成を表1、鋼1A〜8A、に示す。鋼1A〜6Aは実験鋼であり、鋼7A及び8Aは参考鋼である。表1には、実験鋼の目標組成、1R〜6R、及び参考材料の公称組成、鋼7N及び8N、及び序文に述べた市販鋼の1つの公称組成、鋼9N、も示されている。製造技術の限界のため、大部分の実験室加熱物で、50kgインゴットの硫黄含量を所望の低レベルに維持できなかった。すべての実験鋼において、チタンの含量は30ppmのオーダーであり、ニオブの含量は10ppmのオーダーであった。ジルコニウムの含量は10ppm未満であった。次の操作を適用した:
1270℃/空気で10時間均質化処理、φ60×60mmに鍛造、1050℃/2時間/空気で再生処理、及び850℃/2時間でソフト焼きなまし、10℃/時で600℃に冷却、次いで大気中にフリー冷却にする。
合金1A〜8Aのソフト焼きなまし硬度、ブリネル硬度(HB)を表3に示す。表1及び3は、シリコン含量が低いとソフト焼きなまし硬度を低下させることを示す。
合金1R〜8Rのミクロ構造を、55〜58HRCの硬度に熱処理後ソフト焼きなましした状態で試験した。ミクロ構造は、鋼の焼入れ及び焼戻しした状態で焼戻したマルテンサイトからなっていた。1次炭化物は存在しなかった。どの合金にも炭化チタン、窒化チタン、及び/又はチタン炭素窒化物が全く検出されなかった。
鋼1A〜6Aを1000〜1050℃間の異なる温度で30分間加熱することによってオーステナイト化し、一方、参考鋼7A及び8Aはそれぞれ960℃及び1050℃で30分間加熱してオーステナイト化した。これらの温度はこれら既知鋼の最適オーステナイト化温度である。鋼1A〜6Aの硬度に対するオーステナイト化温度の影響を図1に示す。図にはまた、前記オーステナイト化処理後の参考材料7A及び8Aの硬度も示されている。
2時間焼戻した。鋼6Aが、試験材料中550℃の焼戻し温度までの最良の耐焼戻し性を示した。鋼2Aは、参考材料8Aのそれと同じぐらい良好な、525℃までの耐焼き戻し性を有し、鋼1A及び3A〜5Aは、鋼8Aの耐焼戻し性より低レベルの耐摩耗性を有していたが、鋼7Aの耐焼戻し性よりも著しく高かった。したがって実験合金1A〜6Aの耐焼戻し性は良好であると考えてもよく、これはある工具用途に必要な耐摩耗性を得るため約500℃までの温度で表面コーチングを必要とするマトリクス鋼にとって重要なことである。換言すれば、450〜600℃の間の温度、より正確には500〜560℃の間の温度で、MC炭化物の析出によって明確な2次焼入れが得られる。耐摩耗性は高シリコン含量によって有利となるが、またもしシリコン含量が鋼5Aでのように低くても、約540℃までの高温焼戻し後、56HRC超の硬度が維持できる。これは、工具の硬度が過度に低くならないようにして広い温度範囲内で表面処理を実施可能にするので有利である。
試験合金1A〜8Aに対しCCT線図からプロットしたデータを使用して、ビッカー硬度(HV10)対800℃から500℃への冷却に要する時間、による焼入れ性の比較を図3に示す。チャートから明らかなように、すべての実験鋼1A〜6Aが参考鋼7A及び8Aよりも良好な焼入れ性を有する。特に鋼5Aが極めて良好な焼入れ性を有し、一方参考鋼8Aは、t8〜5=1000秒での焼入れ状態で52HRCにしか達しない。参考鋼7Aは55HRCに達するのに対し、すべての実験鋼1A〜6Aは前記冷却速度で硬度が>56HRCに達する。
真空炉中で冷却された合金1A〜8Aのロッドに対し、20℃における非切り欠き試験ロッドの吸収した衝撃エネルギーで表わした800℃から500℃への冷却時間に対する延性を図4に示す。掲示の冷却時間は、プラスチック成型用のフルサイズ成型工具に対する現実の冷却時間である。すべての鋼を目標とした値の55HRCに焼戻しする。最良の延性が、約0.1%〜約0.2%Si、および約0.5%Vを含む実験合金3A,4Aおよび5Aによって得られた。これはまた、真空炉で焼入れし、t8〜5=1190秒に相当する速度で冷却して55±0.8HRCの硬度に焼戻した20℃での非切り欠き試験ロッドの吸収した衝撃エネルギーによる延性を示す図4に示されている。より低含量のバナジウムを有する相当する変形の延性はより低い。破断表面(破面)の比較検討により、低含量のバナジウムを有する変形の方がより大きなサイズのオーステナイト結晶粒を有することがわかる(図5)。これは、これらの合金が、バナジウムの含量がやや高い変形のものよりも、マトリクス中のオーステナイト結晶粒成長を防止する炭化バナジウムの含量が少ないと云う事実によって説明できる。図5及び6は、それぞれ合金1A及び3Aでつくった試験ロッドの破面を示す。図6のミクロ写真は、良好な延性の前提である微細なオーステナイト結晶粒サイズを有し、本発明にしたがう十分な合金組成を有する鋼でつくった試験ロッドの延性破壊を示す。
試験合金1A〜8Aについて研磨摩耗剤としてSiO2によるピン-対-ピンテストを行った。鋼7Aの耐摩耗性が最も低かった。同等の硬度では他の鋼も同等に良好な耐摩耗性を有していた。しかし、高シリコン含量を有する合金は幾らか良好な耐摩耗性を有していた。
本発明の開発に関連して行った研究の目的は、表5の左欄に示したような所望の特徴の組み合わせを有する鋼を実現することである。表中、1〜3のマークが使用され、1は最低、3は最良を示している。理想に最も近い実験合金は鋼5Aである。この鋼が参考材料8Aと比較されている。この比較で、プラスチック成型用の成型工具への使用の点で鋼5Aには重大な欠点がないのみならず、多くの利益を達成する可能性がある。参考材料7Aと比較して、本鋼が高温焼戻しできることが重要な利点であり、一方鋼7Aは、スパーク機械加工に関連して熱処理後の残留高張力を、および表面処理の選択に関する限りは制限(条件)を与えるという公知の欠点を有する低温焼戻しを必要とする。疲労寿命に対するマークは鋼の清潔さに関して計算される。圧力強度は、焼戻し温度と焼戻し後の材料の硬度を基準にして計算する。研削性、機械加工性及び艶出し性は、延性、ソフト焼きなまし硬度、及び材料の炭化物含量を基準にして計算されている。熔接性は炭素含量及び合金元素含量に関係する。生産の経済性は慣用の方法で問題なく本鋼を製造することの可能性に関して、考慮された。
本発明による鋼10Pを電弧炉中で製造した。目的とした組成は表6による組成であった。加熱物は65トンの重量であった。分析した組成は目的とした組成とほとんど違わなかった。所与標準の範囲外にあった元素は硫黄と窒素のみであり、その含量は最大0.010%の代わりに、それぞれ0.011%と0.013%であった。鋼10Pの完全な組成を表7に示す。表中にはまた最も重要な不純物も記載されている。同表に出願人の製造物から採取した3個の試験参考材料、7P、8P、及び9Pの組成も記載されている。これらの鋼は、表1に記載の公称組成を有する鋼、7N、8N、及び9Nに相当する。参考材料も65トン加熱物として電弧炉中で製造した。加熱物はすべてインゴットの形にボトムキャストした。鋼9PでつくったインゴットはさらにESR再熔融によって精製した。インゴット(ESRインゴットを含む)を種々の寸法を有するバーの形に鍛造した。バーは、試験サンプルを採る前に種々の熱処理にかけた。試験したバーの寸法と熱処理を表8に示す。
TL2はフラットなバーからの試験ロッドを意味し、それ以外の点ではCR2に同じ。 LT2はフラットなバーからの試験ロッドを意味し、それ以外の点ではCL2に同じ。 ST2はバーの中央、最短直角方向で採った、縦方向に衝撃方向を有する、フラットバーからの試験ロッドを意味する(最も条件がよくない)。
Claims (32)
- 鋼が、重量%で次ぎの化学組成を有することを特徴とする鋼:
0.43〜0.60C、
トレース量〜1.5Si、
トレース量〜1.5(Si+Al)、
0.1〜2.0Mn、
3.0〜7.0Cr、
1.5~4.0(Mo+W/2)、 但し最大1.0W、
0.30〜0.70V
Nb,Ti及びZrのそれぞれ最大0.1、
最大2.0Co、
最大2.0Ni、
バランス:本質的に鉄と不可避不純物のみ。 - 鋼が、少なくとも0.44、好適には少なくとも0.46Cを含む、請求項1記載の鋼。
- 鋼が、最大0.55、好適には最大0.53Cを含む、請求項2記載の鋼。
- 鋼が、少なくとも0.40、好適には少なくとも0.45Vを含む、請求項1ないし3のいづれか1項に記載の鋼。
- 鋼が、最大0.65、好適には最大0.60Vを含む、請求項4に記載の鋼。
- 鋼が、約0.49C及び約0.52Vを含む、請求項1ないし5のいづれか1項に記載の鋼。
- 鋼が、少なくとも0.05、で最大1.0Siを含む、請求項1ないし6のいづれか1項に記載の鋼。
- 鋼が、少なくとも0.1、好ましくは少なくとも0.2で最大0.5Siを含む、請求項7記載の鋼。
- 鋼が、最大1.0、好ましくは最大0.3、好適には最大0.1、最も好都合には最大0.03Alを含む、請求項1ないし8のいづれか1項に記載の鋼。
- 鋼が、少なくとも1.8で最大3.2Moを含む、請求項1ないし9のいづれか1項に記載の鋼。
- 鋼が、少なくとも2.1で最大2.6Moを含む、請求項10記載の鋼。
- 鋼が、最大0.3、好適には最大0.1Wを含む、請求項10又は11に記載の鋼。
- 鋼が、不純物量を超えるタングステンを含まない、請求項12記載の鋼。
- 鋼が、最大0.7Coを含む、請求項1ないし13のいづれか1項に記載の鋼。
- 鋼が、不純物量を超えるコバルトを含まない、請求項14記載の鋼。
- 鋼が、最大1.0Niを含む、請求項1ないし15のいづれか1項に記載の鋼。
- 鋼が、最大0.7Niを含む、請求項16記載の鋼。
- 鋼が、0.3〜0.7Niを含む、請求項17記載の鋼。
- 鋼が、不純物レベルを超えるニッケルを含まない、請求項17記載の鋼。
- チタン、ジルコニウム及びニオブの各元素含量が0.1%を超えない、請求項1ないし19のいづれか1項に記載の鋼。
- チタン、ジルコニウム及びニオブの各元素含量が0.03%を超えない、請求項20に記載の鋼。
- チタン、ジルコニウム及びニオブの各元素の含量が0.01%、好ましくは0.005%を超えない、請求項21記載の鋼。
- 鋼が、最大0.035%、好ましくは最大0.015%、好適には最大0.010%を超えるPを含まない、請求項1ないし22のいづれか1項に記載の鋼。
- 鋼が、最大20ppm、好ましくは最大10ppmのOを含む、請求項1ないし23のいづれか1項に記載の鋼。
- 鋼が、最大30ppm、好ましくは最大15ppm、好適には最大10ppmのNを含む、請求項1ないし24のいづれか1項に記載の鋼。
- 鋼が、最大0.03%、好ましくは最大0.01%、好適には最大30ppmのSを含む、請求項1ないし25のいづれか1項に記載の鋼。
- 鋼が、0.10〜0.30%のSを含む、請求項1ないし25のいづれか1項に記載の鋼。
- 鋼が、5〜75ppmのCa及び50〜100ppmのO、好ましくは5〜50ppmのCa及び好ましくは60〜90ppmのOを含む、請求項27に記載の鋼。
- 鋼が、焼入れ及び500〜570℃、好ましくは520〜560℃における高温焼戻し後、54〜59HRC、好ましくは56〜58HRCの硬度を有する、請求項1ないし28のいづれか1項に記載の鋼。
- 鋼が、ESR再熔融されている、請求項1ないし29のいづれか1項に記載の鋼。
- 請求項1ないし30のいづれか1項に記載の鋼で製造される、プラスチック成型用の成型工具。
- 成型工具が、焼入れ及び500〜570℃、好ましくは520〜560℃における高温焼戻し後、54〜59HRC、好ましくは56〜58HRCの硬度を有する、請求項31記載のプラスチック成型用成型工具。
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