JP2012229474A

JP2012229474A - 靭性と耐食性、及び鏡面性に優れたプラスチック成形用金型鋼

Info

Publication number: JP2012229474A
Application number: JP2011099084A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sasaki; 剛佐々木; Yusuke Yanagisawa; 祐介柳沢; Tatsuya Takahashi; 達也高橋
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2012-11-22
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: JP5645218B2

Abstract

【課題】靭性と耐食性を同時に満たしつつ、かつ鏡面性に優れた金型鋼を提供する。
【解決手段】Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：２．０〜６．０％、Ｎｉ：２．０〜５．０％、Ａｌ：０．０５〜０．５％、Ｂ：０．００１〜０．０１％、ＭｏとＷを単独もしくは複合でＭｏ＋１／２Ｗ：０．４〜１．３％含有し、さらに所望によりＶ０．３％以下含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ不可避不純物中でＣｕ：０．２５％以下、Ｓ：０．００２％以下、Ｏ：０．００１５％以下、Ｎ：０．０１％以下に規制することで、良好な硬度、鏡面性を確保した上で、靱性を顕著に向上させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、鏡面性及び耐食性に優れ、かつ高靭性を備えたプリハードンタイプの高清浄度のプラスチック成形金型鋼に関するものである。

プラスチック成形では、プラスチックが充填される金型の意匠面がプラスチックに転写されることから、金型の表面肌を管理する必要があり、鏡面磨き性は金型鋼として重要な特性の一つである。金型の鏡面磨き性に作用する因子の一つとして金型鋼の硬さが挙げられ、一般的に金型鋼の硬さが高いほど鏡面性は良くなる。これは、素地と、工業的に鋼を製造する上で不可避に生成する硬質な非金属介在物などとの硬さの差異が、小さくなるためなどとして解釈されている。

プラスチック製品の種々の鏡面性の要求に応えるために、様々な硬さを有する鋼種が金型鋼として製品化されている。たとえば、研磨材の粒度が＃２０００程度の比較的低い鏡面性で足りる場合には、ショア硬さが３０ＨＳ程度の炭素鋼が、また、＃１００００以上の高い鏡面性が必要な場合には、５０ＨＳを超えるマルテンサイト系ステンレス鋼などが使われている。
また、マルテンサイトもしくはベイナイトの素地に、鋼の製造工程において負荷される熱処理によってＮｉ−Ａｌ系金属間化合物及びＣｕなどを時効析出させ、硬さをロックウェル硬さで４０ＨＲＣ（５４ＨＳ）程度に調整して出荷されるプリハードンタイプの金型鋼がある。

特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４には、前記した析出硬化タイプの金型鋼の耐食性を改善するために、一定量のＣｒが添加された鋼種が提案されている。耐食性は、塩化ビニルにおける塩素ガスなどのように、高腐食性のガスが発生する樹脂を用いる場合に必要である。また、金型内の溶融樹脂の合流部分において発生するウェルドラインを防止するために、近年になって金型の意匠面を急速加熱・冷却するウェルドレス成形法が開発された。この方法において、意匠面近傍に設けた配管内に蒸気や液体を通して加熱や冷却を行う場合、配管内表面に錆が生じれば金型への伝熱効率が低下するので、この点からも耐食性が必要である。

一方で、金型形状の複雑化に伴って型に薄肉部が多く発生するようになり、これらの部位の加工時に割れが生じるケースがある。これを防ぐために金型鋼への靭性要求が高まっており、特許文献５や特許文献６には、前記した析出硬化タイプの金型鋼の靭性を改善した鋼種が提案されている。

特開昭６１−１６３２４８号公報特開２０００−０５４０６８号公報特開２０００−２９７３５３号公報特開２００４−０５９９９３号公報特開昭６３−１１４９４２号公報特開２０００−０８７１７８号公報

上記した耐食性向上型の析出硬化タイプの金型鋼では、いずれも靭性があまり高くないという課題がある。特許文献３には、ＪＩＳＺ２２４２で規定されているノッチ深さ２ｍｍのＵノッチ試験片で実施した室温でのシャルピー衝撃試験結果が開示されているが、発明鋼中のほとんどの衝撃値は１０〜３０Ｊ／ｃｍ^２であり、前述した型の薄肉部加工時における欠けを防止する目的としては十分な値ではない。また、特許文献２や特許文献４では、靭性に関する試験値が開示されていない。

一方、上記した靭性向上型の析出硬化タイプの金型鋼では、いずれも耐食性が十分ではないという課題がある。鋼中にＣｒが存在するとＣｒが環境中の酸素と結びついて酸化物を形成し、これが保護作用を示すために、Ｃｒ添加量が増加すると耐食性は向上する。特許文献５や特許文献６では、Ｃｒ量の上限を０．６０質量％と規定しており、これでは十分な耐食性を得ることができない。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、靭性と耐食性を同時に満たしつつ、かつ鏡面性に優れた金型鋼を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の靭性と耐食性、及び鏡面性に優れたプラスチック成形用金型鋼のうち、第１の本発明は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：２．０〜６．０％、Ｎｉ：２．０〜５．０％、Ａｌ：０．０５〜０．５％、Ｂ：０．００１〜０．０１％、ＭｏとＷを単独もしくは複合でＭｏ＋１／２Ｗ：０．４〜１．３％含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ不可避不純物中でＣｕ：０．２５％以下、Ｓ：０．００２％以下、Ｏ：０．００１５％以下、Ｎ：０．０１％以下に規制したことを特徴とする。

第２の本発明の靭性と耐食性、及び鏡面性に優れたプラスチック成形用金型鋼は、前記第１の本発明において、質量％で、さらにＶを０．３％以下含有することを特徴とする。

第３の本発明の靭性と耐食性、及び鏡面性に優れたプラスチック成形用金型鋼は、前記第１または第２の本発明において、硬さが３７ＨＲＣ以上で、かつ室温におけるＵノッチ試験片のシャルピー衝撃値が４０Ｊ／ｃｍ^２以上であることを特徴とする。

すなわち、本発明では、２．０〜６．０％のＣｒを添加することにより、優れた耐食性を具備させている。さらに、従来の耐食性向上型の析出硬化タイプの金型鋼とは異なり、Ｃｕ量を不純物レベルに抑えた上でＡｌを０．０５〜０．５％の範囲に限定することにより、優れた靭性と鏡面性が得られることを見出した。また、Ｖを０．３％以下の範囲で添加しても、優れた靭性と鏡面性が得られることを見出した。

次に、本発明で成分範囲を限定した理由を以下に説明する。
Ｃ：０．０１〜０．１５％
Ｃは焼入れ性を向上させる元素であり、また目的の硬さに調整するためにも０．０１％以上の含有が必要である。一方、多量に含有した場合にはＣｒと結合して炭化物を形成し、素地のＣｒ濃度低下に伴って耐食性が低下するとともに、溶接性も劣化することから、その上限を０．１５％とする。上記と同様の理由により、より好ましくは、その含有量を下限で０．０３％、上限で０．１％とする。

Ｓｉ：０．５〜２．０％
Ｓｉは溶製時に脱酸剤として作用するとともに、被削性を向上させる効果も有する。そのためには、０．５％以上の含有を要する。一方、含有量が多い場合は、成分偏析が生じて鏡面性を劣化させるとともに、過度の靭性低下を招くので、その含有量の上限を２．０％とする。上記と同様の理由により、より好ましくはその上限を１．５％とする。

Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｍｎは焼入れ性向上に効果的な元素であり、添加により良好な機械的性質を得ることができる。その効果を得るためには、０．３％以上の含有が必要である。ただし、過度の含有は靭性の低下を招くので、上限を２．０％とした。上記と同様の理由により、より好ましくは下限を０．３％、上限を１．５％とする。

Ｃｒ：２．０〜６．０％
Ｃｒは耐食性向上に最も有効な元素であり、また焼入れ性の向上という作用も同時にもたらす。含有量を増加させるほど耐食性は向上するが、一方で過度の含有は熱伝導率の低下をもたらすことから、含有量を２．０〜６．０％に調整する必要がある。上記と同様の理由により、より好ましくはその含有量を下限で３．０％、上限で５．０％とするのが良い。

Ｎｉ：２．０〜５．０％
ＮｉはＭｎと同様に焼入れ性を向上させ、良好な強度及び靭性を実現するために有効な元素である。また、Ａｌと結合して、Ｎｉ−Ａｌ系金属間化合物を形成することで析出硬化をもたらす。その作用を得るためには、２．０％以上の含有が必要である。一方、多量に添加しても含有量の割には上記効果が顕著には現れないことに加えて、熱伝導率が低下してプラスチックの成形時間の長時間化を招くことから、上限を５．０％とする。上記と同様の理由により、より好ましくは下限を２．５％、上限を４．５％とする。

Ａｌ：０．０５〜０．５％
ＡｌはＳｉと同様に鋼塊溶製時に脱酸剤として用いられ、また、時効処理によりＮｉと結合して金属間化合物を形成し、析出硬化をもたらすので、これらの作用を得るために０．０５％以上の含有を要する。一方で多量の含有は、金属間化合物の過度の増加をもたらして靭性を劣化させることから、その上限を０．５％とする。上記と同様の理由により、より好ましくは下限を０．１％、上限を０．４％とする。

Ｂ：０．００１〜０．０１％
Ｂは焼入れ性の向上効果を有するに加えて、被削性を付与させる作用もあるため、０．００１％以上の含有が必要である。一方で過度に含有した場合は、熱間加工性を阻害することに加えて溶接時の割れ感受性を高めるために、その上限を０．０１％とする。また、同様の理由で上限を０．００５％にするのが望ましい。

Ｃｕ：０．２５％以下
Ｃｕは時効処理によって析出し、素材を硬化させる作用を有するものの、靭性を著しく劣化させる。また、Ｃｕ添加鋼を製造した場合、鋼塊製造用の設備がＣｕで汚染されて、同一設備を使って製造するその後の製品にＣｕが混入する可能性がある。Ｃｕは熱間加工性の著しい低下をもたらすので、Ｃｕ添加鋼を製造した後に、比較的Ｃｕ感受性が低い鋼を釜洗いの目的で製造するなどの制約が生じる。したがって、Ｃｕ含有量は極力低減させる必要があり、上限を０．２５％に規制する。なお、同様の理由でさらに上限を０．２％に規制するのが望ましく、０．１％以下に規制するのが一層望ましい。

Ｓ：０．００２％以下、Ｏ：０．００１５％以下、Ｎ：０．０１％以下
ＳはＭｎ、ＯはＳｉやＡｌなど、ＮはＡｌなどと結合して非金属介在物を形成する。これらは、鏡面研磨時に脱落してピンホール欠陥の原因になりうるため、鏡面性を高める上での障害となる。また、腐食環境下での錆の起点ともなりうる。これらの理由から、上記した非金属介在物はできるだけ少なくするのが望ましく、そのためには、Ｓ、Ｏ、Ｎの含有量を極力低減させることが必要である。このため、Ｓ、Ｏ、Ｎの上限は、それぞれ０、００２％、０．００１５％、０．０１％とする。また、望ましくは、上限をさらにＳで０．００１％、Ｏで０．００１％、Ｎで０．００８％に規制する。

Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．４〜１．５％
ＭｏとＷは、溶体化処理後の冷却時あるいは時効処理時に微細な炭化物を形成し、硬さ向上の役割を果たすが、過剰に添加すると靭性の低下をもたらすことから、上限及び下限を定めることが必要である。ここでＷは、Ｍｏに対して質量％でほぼ倍の量で同様の効果が認められることから、Ｍｏ＋１／２Ｗの計算式で、下限を０．４％、上限を１．５％に規制する。なお、ＭｏはＣｒと同様に耐食性向上効果も有することから、その下限を０．３％にするのが望ましい。

Ｖ：０．３％以下
Ｖは焼戻し軟化抵抗性を高めると共に、硬質の炭化物を微細に形成して耐摩耗性を向上させる効果があるので所望により含有させる。ただし、多すぎると金型加工時の工具の摩耗を増加させるとともに、多量の炭化物の析出による靭性低下を招くので、０．３％以下とする。なお、上記効果を得るために、０．０５％以上含有するのが望ましい。

以上説明したように、本発明によれば、Ｃｒ含有によって優れた耐食性を具備し、さらにＣｕ量を不純物レベルに抑えた上でＡｌを適量含有することにより優れた靭性と鏡面性が得られる効果がある。

本発明の実施例におけるシャルピー衝撃値と耐食性試験のピット数の関係を示すグラフである。

本発明の金型鋼は常法により溶製することができるが、Ｓ、Ｏ、Ｎを厳格に規制するという点では、工レクトロスラグ再溶解法を採用するのが望ましい。また、エレクトロスラグ再溶解法では、緻密な組織が得られるために、この点からも鏡面性に対して有利である。該溶解法では、任意の組成のエレクトロスラグ再溶解鋳塊が得られるように成分設計した電極を用いて溶製される。
好適には、エレクトロスラグ再溶解法により溶製された鋳塊は、必要に応じて鍛造などの加工を施し、さらに熱処理を行う。鍛造、熱処理は常法により行うことができるが、本発明としては特に処理条件を限定するものではない。
上記した熱処理によりプリハードンされた金型鋼は、良好な鏡面研磨性や耐食性、そして靭性を示す。

本発明の実施例を以下に説明する。
表１には、供試材として用意した本発明の成分範囲になる発明鋼と、本発明の成分範囲を外れた比較鋼の化学成分（残部Ｆｅおよびその他の不可避不純物）を示す。
上記で説明したように極低Ｓ化を実現するため、比較鋼Ｎｏ．１８以外については、鋳塊製造過程において工レクトロスラグ再溶解法を用いた。鋳塊溶製後、鍛造により所定寸法への加工を行い、焼ならし、溶体化、時効処理を行い、硬さを約４０ＨＲＣに調整した。

なお、マルテンサイトやベイナイト組織では、溶体化処理における冷却速度の低下に伴って、一般的に、硬さと靭性のバランスが悪化する場合がある。
本実施例では、最もバランスが悪化する可能性がある金型中心部における硬さと靭性のバランスを把握するために、溶体化処理の冷却速度は、厚さが３５０ｍｍの金型鋼を油冷した場合の厚さ方向の中心を想定した速度とした。

このように製作した供試材より試験片を採取し、以下に記す各種特性を調査した。
まず、靭性については、ＪＩＳＺ２２４２で規定されているノッチ深さ２ｍｍのＵノッチ試験片を用い、シャルピー衝撃試験を室温にて実施して衝撃値を求めた。
次に耐食性については、２００℃の塩素ガス雰囲気中にて８時間曝露した試験片を、光学顕微鏡を用いて５０倍にて１０視野観察し、認められたピットの総数を１視野当たりの平均値として表した。
また、鏡面研磨性については、５０ｍｍ四方の試験片に対して＃８０００までの磨きを行い、目視で確認できるピンホール数を測定した。

これらの結果を表２及び図１に示す。
本発明の供試材は靭性、鏡面性、耐食性の全てにおいて優れた特性を示すのに対し、比較鋼ではこれら特性のいずれかが劣っていることが確認された。
まず、比較鋼Ｎｏ．９、１０、１１、１２、１４、１５、１６、１７では、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｖ、Ｍｏ＋ｌ／２Ｗのいずれか、あるいは複数が前記した規制値上限を上回ったため、シャルピー衝撃値が低下した。このうち、比較鋼Ｎｏ．９は前述した従来の耐食性向上型の析出硬化タイプ相当鋼であり、Ａｌ量及びＣｕ量が、ともに規制値上限を上回っている。また、比較鋼Ｎｏ．１４はＣｕ量が規制値を上回っており、Ｃｕ量が比較的高い場合には、Ａｌ量を規制範囲内に収まるように比較的低くしても、靱性が向上しないことがわかる。
次に、比較鋼Ｎｏ．１０及び比較鋼Ｎｏ．１３では、塩素ガス曝露後のピット数が多く、耐食性が不良であった。比較鋼Ｎｏ．１０ではＣが本発明範囲の上限を超えて含有されているため、前述したように、ＣがＣｒと結びついて炭化物を形成した結果、素地中のＣｒ濃度が低下したためと推察される。
比較鋼Ｎｏ．１３は、前述した従来の靭性向上型の析出硬化タイプ相当鋼であるが、Ｃｒが本発明範囲の下限を下回っているため、耐食性が不良であったと考えられる。さらに、比較鋼Ｎｏ．１８においては、Ｓが本発明の規制値上限を上回ったために粗大なＭｎＳ数が増加し、研磨時にこれらが脱落して多くのピンホールが現出したために鏡面性が低下した。加えて、これらは腐食環境下において錆の起点となるため、ビット数が増加して耐食性が劣化した。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：２．０〜６．０％、Ｎｉ：２．０〜５．０％、Ａｌ：０．０５〜０．５％、Ｂ：０．００１〜０．０１％、ＭｏとＷを単独もしくは複合でＭｏ＋１／２Ｗ：０．４〜１．３％含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ不可避不純物中でＣｕ：０．２５％以下、Ｓ：０．００２％以下、Ｏ：０．００１５％以下、Ｎ：０．０１％以下に規制したことを特徴とする靭性と耐食性、及び鏡面性に優れたプラスチック成形用金型鋼。
質量％で、さらにＶを０．３％以下含有することを特徴とする請求項１に記載の靭性と耐食性、及び鏡面性に優れたプラスチック成形用金型鋼。
硬さが３７ＨＲＣ以上で、かつ室温におけるＵノッチ試験片のシャルピー衝撃値が４０Ｊ／ｃｍ^２以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の靭性と耐食性、及び鏡面性に優れたプラスチック成形用金型鋼。