JP2016145407A - 鋼の粉末及びこれを用いた金型 - Google Patents
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Abstract
Description
またこれら金型では、内部に冷却回路を設けてそこに冷却水を流通させることで、金型を冷却することが一般に行われている。
冷却効率を高める方法として、冷却回路を金型内部で縦横無尽に複雑に曲りくねった形状とし、冷却回路の全体的な形状,レイアウト等により冷却能力を高めるといったことも考えられるが、金型を機械加工により削って製造する方法では、冷却回路をそのような複雑形状に形成することは技術的に実現できない。
積層造形法は、3次元モデルデータを材料の付着によって実体化する加工法で、この積層造形法では、先ず3次元CADデータで表現される形状を、予め定められた軸に直交する多数の面でスライスして生じる薄片の断面形状を計算して、その薄片を実際に作製及びこれを積み重ね、貼り合せることで計算機表現された形状を実体化する。
粉末を用いる方法では、粉末を層状(一層の厚みは例えば数十μm)に敷き均し、ある領域に熱エネルギー照射、例えばレーザービームや電子ビーム照射して粉末層を溶融凝固或いは焼結させ、そしてこれを一層一層積み重ねて行くことで全体の形状を造形する。
例えばこの種積層造形法にて金型を製造する例が、下記特許文献1,特許文献2に開示されている。
まず、(1)低熱伝導率の問題について述べる。一般に積層造形には18Niマルエージング鋼やSUS420J2系の粉末が使われているが、これらの鋼は熱伝導率が低い。従っていかに冷却回路を効率的に配したとしても、金型内(意匠面と冷却回路の間)での熱移動が早くないため冷却効率の向上には限界がある。
逆に言えば、高熱伝導率と高耐食性とを両立した鋼の粉末を用いて積層造形された金型や部品があれば、上記の問題は解決される。
即ち、金型となったときに高温強度に加えて、耐食性及び熱伝導性能においても十分な性能を実現することのできる金型用の鋼は従来提供されていない。
−0.0125×[Cr]+0.125≦Mn≦−0.100×[Cr]+1.800・・式(1)(但し式(1)中[Cr]はCrの含有質量%を表す)
0.01≦Mo≦1.80,
−0.00447×[Mo]+0.010≦V≦−0.1117×[Mo]+0.901・・式(2)(但し式(2)中[Mo]はMoの含有質量%を表す)
0.0002≦N≦0.3000,残部がFe及び不可避的不純物の組成を有することを特徴とする。
尚本発明において、「金型」には金型本体はもとより、これに組み付けられて使用されるスプールコア等の金型部品も含まれる。更に、本発明の鋼からなる金型で、表面処理が施されたものも含まれる。
粉末を用いた積層造形法では、粉末を敷き並べた層に熱エネルギーを加えて粉末を固める際に、これを溶融凝固又は焼結させる。
その際に粉末は溶融状態等の高温状態から急速冷却され、焼入れが自動的に行われる。その際の焼入れは速い冷却速度の下で急速に行われる。即ち焼入れが粉末の積層成形過程で逐次的に同時に行われて行く。
また樹脂やゴム等の射出成形、鍛造、更には鋼板のホットプレスに用いる金型や部品に適用しても高い性能を発揮し得る。
尚、当該の金型や部品の全体を積層造形で製造する必要はない。例えば通常の製法(溶製材のブロックから機械加工)で作成した部材を土台とし、曲がった3次元冷却回路を有する部位のみを本発明の鋼の粉末を用いて積層造形法により製造しても良い。
尚各化学成分の値は何れも質量%である。
1)<請求項1の化学成分について>
0.10≦C<0.25
C<0.10では、金型に必要な30HRC以上の硬さが積層造形後に焼戻しがある場合に得られない。一方、0.25≦Cでは熱伝導率が低下する。また0.25≦Cでは積層造形ままの硬さが50HRCを超え、積層造形ままで使う場合に大割れの危険が増す。
好適なCの範囲は、諸特性のバランスに優れた0.11≦C<0.24であり、より好ましくは0.12≦C<0.23である。
Si<0.005では被削性の劣化が著しい。一方、0.600<Siでは熱伝導率の低下が著しい。好適なSiの範囲は、諸特性のバランスに優れた0.010≦Si≦0.550であり、より好ましくは0.020≦Si≦0.200である。
Cr<2.00では耐食性が不足し、水冷回路の錆びや割れの原因になる。更に、Cr<2.00では、マルテンサイト変態点が高くなり、組織が粗大化して硬さや靭性が不足する。一方、6.00<Crでは熱伝導率が低下する。好適なCrの範囲は、諸特性のバランスに優れた2.05≦Cr≦5.90であり、より好ましくは2.10≦Cr≦5.70である。
Mn<−0.0125×[Cr]+0.125では変態点が高くなり、組織が粗大化して硬さや靭性が不足する。一方、−0.100×[Cr]+1.800<Mnでは熱伝導率が低下する。
組織が粗大化して硬さや靭性が不足する傾向は特にCrが低い場合に著しい。また熱伝導率の低下は特にCrが高い場合に著しい。
Mo<0.01では、高温強度が不足する。またMo<0.01では、積層造形後にAc1点以下での加熱処理がある場合に30HRC以上の硬さを確保することが難しくなる。
一方、1.80<Moでは破壊靭性値の低下が大きい。好ましい範囲は0.05≦Mo≦1.70である。更に好ましい範囲は0.10≦Mo≦1.60である。
V<−0.00447×[Mo]+0.010では、高温強度が不足する。また、積層造形後にAc1点以下での加熱処理がある場合に、30HRC以上の硬さを確保することが難しくなる。更にV<−0.00447×[Mo]+0.010では、積層造形後にAc3点以上加熱する焼入れがある場合に結晶粒が粗大化して靭性が低下する。
一方、−0.1117×[Mo]+0.901<Vでは上記の効果が飽和傾向であるうえ、著しいコスト上昇を招く。
N<0.0002では、30HRC以上の硬さを確保することが難しくなる。またN<0.0002では、耐食性を改善する効果に乏しい。更にN<0.0002では、積層造形後に焼入れがある場合に結晶粒が粗大化する。
一方、0.3000<Nでは高強度化や耐食性向上の効果が飽和傾向を示すと同時に、精錬コストが著しく増加する。また0.3000<Nでは積層造形時に窒素が溶融部から抜け出すことがある。こうなると積層造形部に穴が形成され、靭性などの特性が満たされない。好ましい範囲は0.0003≦N≦0.2500である。更に好ましい範囲は0.0004≦N≦0.2000である。
P≦0.05
S≦0.003
Cu≦0.30
Ni≦0.30
Al≦0.10
W≦0.10
O≦0.05
Co≦0.10
Nb≦0.004
Ta≦0.004
Ti≦0.004
Zr≦0.004
B≦0.0001
Ca≦0.0005
Se≦0.03
Te≦0.005
Bi≦0.01
Pb≦0.03
Mg≦0.02
REM≦0.10
本発明鋼は、積層造形後に焼入れを受ける場合がある。焼入れ時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制するため
0.10<Al≦1.20
を含有させることが出来る。
AlはNと結合してAlNを形成し、オーステナイト結晶粒界の移動(すなわち粒成長)を抑制する効果を有する。
また、Alは鋼中で窒化物を形成して析出強化に寄与するため、窒化処理された鋼材の表面硬さを高くする作用も有する。より高い表面硬さを求めて窒化処理をする金型(金型の一部を構成している部品も含む)には、Alを含む鋼材を使う事が有効である。
本発明鋼は、積層造形後に焼入れを受ける場合がある。焼入れ性が悪いと、焼入れ中にフェライトやパーライトや粗大ベイナイトが析出して各種特性が劣化する。そのような懸念に対しては、Cu,Niを選択的に添加して焼入れ性を高めて対応すればよい。具体的には、
0.30<Ni≦3.50
0.30<Cu≦2.00
の少なくとも1種を含有させれば良い。
焼入れの有無によらず、Ac1点以下の温度への加熱処理がある場合、NiにはAlと結合して金属間化合物を析出し、硬度を高める効果がある。CuにもAc1点以下の温度へ加熱した場合に、時効析出で硬度を高める効果がある。好適な範囲は、
0.50≦Ni≦3.00
0.50≦Cu≦1.80
である。いずれの元素も、所定量を越えると熱伝導性や靭性を低下させる。
焼入れ性の改善策として、Bの添加も有効である。具体的には、
0.0001<B≦0.0100
を含有させる。
なお、BはBNを形成すると焼入れ性の向上効果が無くなるため、鋼中にB単独で存在させる必要がある。具体的には、BよりもNとの親和力が強い元素で窒化物を形成させ、BとNを結合させなければ良い。そのような元素の例としては、Nb,Ta,Ti,Zrなどがある。これらの元素は不純物レベルで存在してもNを固定する効果はあるが、N量によっては後述する請求項6の範囲で添加する場合もある。Bが鋼中のNと結合してBNが形成されても、余剰のBが鋼中に単独で存在すれば、それが焼入れ性を高める。
Bはまた切削性や研削性の改善にも有効である。本発明鋼による金型や部品は積層造形後に切削や研削を受ける場合がある。切削性や研削性を改善する場合には、BNを形成させれば良い。BNは性質が黒鉛に類似しており、切削や研削の抵抗を下げると同時に切屑破砕性を改善する。
尚、鋼中にBとBNがある場合には、焼入れ性と被削性・研削性が同時に改善される。
本発明鋼はSi量が少ないため、機械加工性がやや悪い。加工性の改善策として、以下のS,Ca,Se,Te,Bi,Pbを選択的に添加すれば良い。具体的には、
0.003<S≦0.250
0.0005<Ca≦0.2000
0.03<Se≦0.50
0.005<Te≦0.100
0.01<Bi≦0.50
0.03<Pb≦0.50
の少なくとも1種を含有させれば良い。
いずれの元素も、所定量を越えた場合は衝撃値の低下を招く。
積層造形後に焼入れがある場合、予期せぬ設備トラブルなどによって焼入れ加熱温度が高くなったり焼入れ加熱時間が長くなれば、結晶粒の粗大化による各種特性の劣化が懸念される。そのような場合に備え、Nb,Ta,Ti,Zrを選択的に添加し、これらの元素が形成する微細な析出物でオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制することが出来る。具体的には、
0.004<Nb≦0.100
0.004<Ta≦0.100
0.004<Ti≦0.100
0.004<Zr≦0.100
の少なくとも1種を含有させれば良い。
いずれの元素も、所定量を越えると炭化物や窒化物や酸化物が過度に生成し、衝撃値の低下を招く。
C<0.25と金型用の鋼としては低Cの本発明鋼を高強度化するには、WやCoを選択的に添加すればよい。
Wは、炭化物の微細析出によって強度を上げる。Coは、母材への固溶によって強度を上げると同時に、炭化物形態の変化を介して析出硬化にも寄与する。具体的には、
0.10<W≦5.00
0.10<Co≦3.00
の少なくとも1種を含有させれば良い。
いずれの元素も、所定量を越えると特性の飽和と著しいコスト増を招く。Coは所定量を超えると熱伝導率を低下させる。好適な範囲は、
0.30≦W≦4.50
0.30≦Co≦2.50
である。
尚、表1に記載した鋼の粉末には、表中で示されていない元素が不純物として規定した量の範囲内で含まれている場合がある。
また表1における比較鋼1はJIS SKD61、比較鋼2は18Niマルエージング鋼、比較鋼3はマルテンサイトステンレス鋼SUS420J2、比較鋼4は機械構造用鋼SCM435である。各比較鋼は少なくとも2元素が本発明の規定範囲外となっている。
積層造形用の粉末として好ましいのは直径の平均値が400μm以下、直径のヒストグラムをとった場合に全体の80%以上が直径400μm以下となる微細な粉末である。
比較鋼1,比較鋼3,比較鋼4については積層造形ままでは硬さが高すぎて靭性が非常に低いため、300〜650℃の範囲で1Hr焼戻して金型に適した硬さに調整した。
これら評価試験の結果を表2に示す。
金型の表面温度(最高温度)は、一般に410℃以下であれば不具合(焼き付き,鋳造組織不良,サイクルタイムの延長,ヒートチェック)が生じ難い。
表2によれば、金型の表面温度が鋳造初期の10ショット目で既に好ましくない410℃超に到達しているのは比較鋼の1〜3であり、何れも熱伝導率が24W/m/K以下と低い。これら比較鋼では金型の過熱による不具合が懸念される。
これに対し、29W/m/K以上の高熱伝導率である発明鋼1〜30は、何れも10ショット目で410℃を超えていない。経験的に熱伝導率が28W/m/K以上あれば高い冷却効率が得られるが、確かにこれらの発明鋼では過熱が抑制されている。
このような観点でみればCr量が非常に低い比較鋼2と比較鋼4は、30000ショット目の金型最高温度が10ショット目よりも大幅に高温度化しており、水冷孔に錆びが発生したことをうかがわせる。
比較鋼4は、10ショット目の金型表面温度が394℃だったが30000ショット目では410℃を超えている。
一方、比較鋼3はCr量が非常に高く非常に耐食性が良いため、30000ショット目の金型表面温度が10ショット目の金型表面温度と変わっていない。但し比較鋼3は10ショット目から410℃以上となっており、耐食性が高いだけでは十分でなく高熱伝導率でなければ金型の過熱を効果的に抑制できないことは明らかである。
尚、発明鋼5,8,26のようにCr量が比較的低いものほど10ショット目との温度差は大きい傾向があり、水冷孔に僅かに錆びが発生したことをうかがわせる。但し高熱伝導率で冷却効率が高いため、錆びによる冷却能の低下はさほど顕著ではない。金型の温度を安定して低温に維持するには高耐食性と高熱伝導率が必要であることを確認した。
次に、30000ショット後の金型の意匠面のヒートチェックを観察した。ヒートチェックが発生し易い条件は金型の高温強度が低く(初期硬さが低い、軟化抵抗が低い)、作用する熱応力が高い(熱伝導率が低い)場合である。
比較鋼1は高温強度が高く、比較鋼の中では比較的高熱伝導率のためヒートチェックは中程度であった。好ましくないこの状態を△とする。
比較鋼2は高温強度が低く(初期硬さが低い)低熱伝導率のため極めて重度のヒートチェックが発生し、×と評価した。
比較鋼3は高温強度こそ高いものの、低熱伝導率のため著しいヒートチェックを生じ、×と評価した(但し比較鋼2より多少は軽度である)。
比較例4は高温強度が低いため、高熱伝導率であっても比較鋼3と同程度のヒートチェックが生じ、×と評価した。
今回は30000ショットで鋳造テストを終えたが、更に数万ショットは鋳造可能と思われるほどヒートチェックは少ない状況であった。ヒートチェックを抑制するには高熱伝導率が必要であることを確認した。
次に、30000ショット鋳造した金型を切断し、冷却回路の水冷孔の錆びと割れを確認した。
錆びについては金型表面温度の結果と対応し、比較鋼2と比較鋼4では著しい錆びが発生した。ステンレス鋼の比較鋼3では錆びがほとんど発生しておらず、また比較鋼1の錆びは軽度であった。比較鋼1はステンレス鋼ではないがCrが5%と高くかなりの耐食性があった。
発明鋼についてもCr量の高い水準ほど錆びは少ない傾向であった。
比較鋼1は、比較的高耐食性で亀裂の起点となる腐食部は少なかったものの、低熱伝導率のため深さ5mm程度の亀裂が進展しており、これを△と評価した。意匠面への亀裂の貫通が直ぐに起こるほどではないが深い亀裂であることには変わりなく好ましい状態ではない。
比較鋼2は、耐食性も熱伝導率も低いため10mmを超える亀裂に成長していた。意匠面と水冷孔の距離は15mmであり、意匠面への亀裂の貫通による水漏れが懸念される非常に危険な状態である。当然ながら評価は×である。
比較鋼3は、非常に耐食性が高いため亀裂の起点となる腐食部がほとんど無く、亀裂もほとんど観察されなかった。低熱伝導率ではあるが亀裂の起点発生を抑制すれば、水冷孔割れは抑制できることが分かる。
比較鋼4は、高熱伝導率であるが耐食性が低いため亀裂の発生は抑制できず、結果的に5mmほど亀裂が進展しており、△と評価した。
表2の結果より高耐食性と高熱伝導率の両立が金型における冷却性能の向上、ヒートチェックの抑制、水冷孔割れ軽減に有効であることを確認した。
ところで、高耐食性の比較鋼3は10ショット目と30000ショット目の金型最高温度が変わらないという安定した冷却性能を有している。そこで比較鋼3の鋼の粉末を用いて水冷孔を意匠面から10mmの位置に近接させた金型を製造し、表2の鋳造テストと同条件で評価テストを行った。水冷孔を意匠面に近接させる薄肉化によって意匠面の熱応力は低減するため、ヒートチェック改善効果も期待できる。その結果を表3に示す。
しかしながら、水冷孔割れについては表2の○から×へと劣化した。この例のように意匠面と水冷孔を近接させると、意匠面の熱応力は減少するが、水冷孔表面の熱応力は逆に増加する。このため亀裂の起点となる腐食部が少なくても(高耐食性でも)、亀裂の進展が加速されたと考えられる。亀裂深さは5mmを超えており、意匠面と水冷孔の距離が10mmであることから意匠面への亀裂の貫通による水漏れが懸念される非常に危険な状態である。
このように冷却能向上のため水冷孔を意匠面に近接させると水冷孔割れが顕在化する。
このため熱伝導率,耐食性の何れか一方だけ高めても低温度化(冷却能向上)、ヒートチェック抑制、水冷孔割れ軽減の3項目同時実現は難しい。
これに対し発明鋼は耐食性と熱伝導率が共に高いため、これら3項目を同時実現が可能である。
さらに本発明の成分からなる鋼を、棒状や線状やワイヤー状にして溶接材として使えば、積層造形ままと同様に、溶接ままで適正硬さが得られ、高熱伝導率で高耐食性という特性を生かすことができる。溶接も一種の積層造形である。勿論、通常の溶接材のように硬さ調整、歪みや応力の除去、を目的とした再加熱を溶接後に行なっても良い。
また、本発明の鋼による金型を表面改質(ショットブラスト,サンドブラスト,窒化,PVD,CVD,メッキ,など)と組合せることも有効である。
その他本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。
Claims (8)
- 質量%で
0.10≦C<0.25
0.005≦Si≦0.600
2.00≦Cr≦6.00
−0.0125×[Cr]+0.125≦Mn≦−0.100×[Cr]+1.800・・式(1)
(但し式(1)中[Cr]はCrの含有質量%を表す)
0.01≦Mo≦1.80
−0.00447×[Mo]+0.010≦V≦−0.1117×[Mo]+0.901・・式(2)
(但し式(2)中[Mo]はMoの含有質量%を表す)
0.0002≦N≦0.3000
残部がFe及び不可避的不純物の組成を有することを特徴とする鋼の粉末。 - 質量%で
0.10<Al≦1.20
を更に含有することを特徴とする請求項1に記載の鋼の粉末。 - 質量%で
0.30<Ni≦3.50
0.30<Cu≦2.00
の少なくとも1種を更に含有することを特徴とする請求項1,2の何れかに記載の鋼の粉末。 - 質量%で
0.0001<B≦0.0100
を更に含有することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の鋼の粉末。 - 質量%で
0.003<S≦0.250
0.0005<Ca≦0.2000
0.03<Se≦0.50
0.005<Te≦0.100
0.01<Bi≦0.50
0.03<Pb≦0.50
の少なくとも1種を更に含有することを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の鋼の粉末。 - 質量%で
0.004<Nb≦0.100
0.004<Ta≦0.100
0.004<Ti≦0.100
0.004<Zr≦0.100
の少なくとも1種を更に含有することを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の鋼の粉末。 - 質量%で
0.10<W≦5.00
0.10<Co≦3.00
の少なくとも1種を更に含有することを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の鋼の粉末。 - 請求項1〜7の何れかに記載の材料を用いた積層造形法により製造された部位を有する金型。
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