JP2020063508A - 金型用鋼及び金型 - Google Patents
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Abstract
Description
金型は表面の形状や性状(表面粗さや模様パターン)を製品に転写する役割を負う。その中でも、製品の表面に滑らかさが求められる場合は、表面を滑らかに磨き上げておく必要がある。これを鏡面研磨という。
鏡面研磨した金型を使い始めるまでの期間、あるいは生産の中断期間のように放置される期間があると、金型表面に錆が発生することがある。錆の発生した金型をそのまま使うと、製品の表面に錆の部分が転写されて表面品質が悪くなり、商品価値を失う。そこで、錆びた金型は再研磨が必要であるが、この研磨に要する費用と工数は莫大である。金型には、放置されても錆びないだけの耐食性が必要である。
金型には、射出成形中に割れないことも求められる。この理由は、割れた金型の交換による生産中断、新たに金型を製作することによる製造コストの上昇を避けるためである。衝撃値が高くなると、射出成形中に金型が割れる危険性は低下する。そこで、鋼材成分や焼入れ方法の適正化によって金型の高衝撃値化が図られている。室温(21〜27℃)における衝撃値(Uノッチ、ノッチ底半径1mm、ノッチ下高さ8mm)が50J/cm2以上だと、金型が射出成形中に割れる危険性は非常に低くなる。ところが、射出成形金型の衝撃値は38HRCで10〜80J/cm2であることが多い。このため、割れの危険性を安定して充分に下げることができていない。なお、ここで衝撃値とは、吸収エネルギー[J]を試験片の断面積[0.8cm2]で除した値である。
P≦0.10,S≦0.008,Cu≦0.30,W≦0.30,O≦0.05,Co≦0.30,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などである。
なお、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ピン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、表面処理やシボ加工が施されたものも含まれる。
「請求項1の化学成分について」
0.045≦C≦0.090
諸特性のバランスを取るため、C量の範囲を非常に狭く規定したことが本発明の特徴の1つである。C<0.045では、焼入れ時の未固溶炭化物が減少し、結晶粒が粗大化しやすい。焼戻し温度が高い場合や、粉末の積層造形に適用した場合に32HRC以上を得ることが難しい。C<0.045では、デルタフェライトが析出して鏡面研磨性や衝撃値に悪影響を及ぼす。またマルテンサイト変態点が高くなり粗大な焼入れ組織となるため、衝撃値が低下する。
一方、0.090<Cでは、溶接性が低下する。また熱伝導率の低下も大きい。硬さの焼戻し温度依存性が顕在化し、焼戻し硬さの調整が難しくなる。また、炭化物が増え、鏡面研磨性に悪影響を及ぼす。
Si<0.01では、機械加工時の被削性が著しく劣化する。焼入れ時の未固溶炭化物がVCである場合、その量が減少して結晶粒が粗大化しやすい。焼戻し温度が高い場合に32HRC以上を安定して得にくい。
一方、0.50<Siでは、熱伝導率の低下が大きい。デルタフェライトが析出して鏡面研磨性や衝撃値に悪影響を及ぼす。
好ましいSiの範囲は、0.05≦Si≦0.46であり、より好ましくは0.10≦Si≦0.42である。
Mn<0.10では、焼入れ性が不足し、フェライトの混入による硬さ不足を招く。また焼入れ性が不足し、ベイナイトの混入による靭性の低下を招く。マルテンサイト変態点が高くなり粗大な焼入れ組織となるため、衝撃値が低下する。特に室温以下での衝撃値が低下する。
一方、0.60<Mnでは、焼鈍性が非常に劣化し、軟質化させる熱処理が複雑かつ長時間となって製造コストを増加させる。また熱伝導率の低下も大きい。焼戻し温度が高い場合に、室温での衝撃値が低下する(SiやPが高い場合に顕著である)。
好ましいMnの範囲は、0.15≦Mn≦0.55であり、より好ましくは0.20≦Mn≦0.50である。
Ni<0.80では、焼入れ性が不足し、フェライトの混入による硬さ不足を招く。また焼入れ性が不足し、ベイナイトの混入による靭性の低下を招く。マルテンサイト変態点が高くなり粗大な焼入れ組織となるため、衝撃値が低下する。特に室温以下での衝撃値が低下する。Alとの化合物の析出による硬さ上昇の効果が小さい。
一方、1.10<Niでは、焼鈍性が非常に劣化し、軟質化させる熱処理が複雑かつ長時間となって製造コストを増加させる。熱伝導率の低下も大きい。またコスト上昇が大きい。
好ましいNiの範囲は、0.84≦Ni≦1.08であり、より好ましくは0.88≦Ni≦1.06である。
Cr<6.60では、2次硬化量が不足し、32HRC以上を安定して得にくい。高温強度が低くなる。焼入れ性が不足し、ベイナイトの混入による靭性の低下を招く。マルテンサイト変態点が高くなり粗大な焼入れ組織となるため、衝撃値が低下する。耐食性が悪くなるため、金型を放置した際に錆びやすい。また、金型内部の水冷孔が顕著に錆び、そこからの割れを誘発する。
一方、8.60<Crでは、熱伝導率の低下が大きい。硬さの焼戻し温度依存性が顕在化し、焼戻し硬さの調整が難しくなる。デルタフェライトが析出して鏡面研磨性や衝撃値に悪影響を及ぼす。
好ましいCrの範囲は、7.20≦Cr≦8.40であり、より好ましくは7.80≦Cr≦8.20である。
Mo<0.01では、焼入れ性が不足することから、フェライトが析出し、鏡面研磨性や衝撃値に悪影響を及ぼす。2次硬化の寄与が小さく、焼戻し温度が高い場合に32HRC以上を安定して得ることが困難となる。高温強度が不足する。耐食性を改善する効果に乏しい。
一方、0.70<Moでは、焼鈍性が非常に低下し、軟質化させる熱処理が複雑かつ長時間になって製造コストを増加させる。また、破壊靭性が低下し金型が割れやすくなる。また、素材コストの上昇が顕著となる。
好ましいMoの範囲は、0.10≦Mo≦0.65であり、より好ましくは0.20≦Mo≦0.60である。
V<0.001では、窒化物や炭窒化物が少なくなるため、焼入れ時に結晶粒の粗大化を抑制する効果に乏しく、粗粒化による衝撃値の低下を招く。2次硬化の寄与が小さく、焼戻し温度が高い場合に32HRC以上を安定して得ることが困難となる。
一方、0.200<Vでは、多量のVと結合するのに十分なC量がないため、過添加は実益がなく、コスト増を招くのみである。C量が請求項の上限に近い場合には、粗大な窒化物や炭窒化物が増加し、それが亀裂の起点となるため衝撃値が低下する。
好ましいVの範囲は、0.008≦V≦0.180であり、より好ましくは0.015≦V≦0.150である。
Al量の範囲を狭く規定したことが本発明の特徴の1つである。Al<0.007を回避する最大の理由は、衝撃値の高位安定化である。Al量が過少であると衝撃値が著しく低くなる。また、AlNが少なくなるため焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制する効果に乏しく、粗粒化による衝撃値の低下を招く。
一方、0.150<Alでは、AlNが過度に増え粗大化するため、破壊の起点が増えて衝撃値が50J/cm2未満となる。また鏡面研磨時に脱落する大きな異物が増えてピンホールができやすい。また、熱伝導率の低下が大きい。
好ましいAlの範囲は、0.050<Al≦0.150であり、より好ましくは0.050<Al≦0.120である。
即ち、衝撃値および鏡面研磨性を考慮した好ましいAlの範囲は、0.050<Al≦0.150である。
N<0.0002では、AlNが少なくなるため、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制する効果に乏しく、粗粒化による衝撃値の低下を招く。
0.0500<Nでは、N添加に要する精錬の時間とコストが増加し、素材コストの上昇を招く。粗大なAlNが増加し、それが亀裂の起点となるため衝撃値が低下する。また、粗大なAlNは鏡面研磨性も低下させる。
好ましいNの範囲は、0.0010≦N≦0.0400であり、より好ましくは0.0020≦N≦0.0300である。
0.30<Cu≦1.50
低Cである本発明鋼は、結晶粒界の移動を抑制する炭化物も少ないため、焼入れ時の結晶粒が粗大化しやすい。そこでsolute drag効果に優れるCuを添加し、焼入れ時の粗粒化を防止することが有効である。本発明鋼は、Mn−Ni−Crが少ない場合には焼入れ性がやや不足するが、Cuは焼入れ性を高める効果もある。また、本発明は2次硬化に寄与するC−Mo−Vといった元素が少ないため、焼戻し硬さも極端に高くならないが、Cuの析出硬化を利用して焼戻し硬さをかなり高めることができる。
一方、Cuが過多では、コスト増や熱間加工時の割れが問題となる。
工具鋼としてはMoやVが少ない本発明鋼は、高温強度があまり高くない。高温強度の確保には、WやCoの選択的な添加が有効である。Wは炭化物の析出や固溶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。また、これらの元素はsolute drag効果によって焼入れ時のオーステナイト結晶粒の成長を抑制する効果もある。具体的には、
0.30<W≦4.00
0.30<Co≦3.00
の少なくとも1種(1元素)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。
焼入れ時のオーステナイト結晶粒の成長を抑制するには、Nb−Ta−Ti−Zrの選択的な添加も有効である。これらの元素との結合によって生成した炭化物や窒化物や炭窒化物が結晶粒界の移動を抑制する。具体的には、
0.004<Nb≦0.200
0.004<Ta≦0.200
0.004<Ti≦0.200
0.004<Zr≦0.200
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、それが金型の破壊起点となる。
Bには、焼入れ性向上と粒界強化の効果がある。この結果、衝撃値が高位安定化する。具体的には、
0.0001<B≦0.0050
を含有させれば良い。
なお、添加したBがBNを形成すると、B添加の本来の目的を果たせない。そこで、BよりもNとの親和力が強い元素で窒化物を形成させてNを固定し、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が挙げられる。これらの元素は不純物レベルで存在してもNを固定する効果がある。
また、B添加は被削性の改善にも有効である。被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、切削抵抗を下げると同時に切屑破砕性を改善する。なお、B、FeとBの化合物、BNなどが鋼中に共存していても良い。その場合は、鋼中にBがどのような状態であるかによって、焼入れ性や衝撃値や被削性などが改善される。
被削性の改善には、S−Ca−Se−Te−Bi−Pbを選択的に添加することも有効である。具体的には、
0.008<S≦0.050
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、所定量を越えると熱間加工性や衝撃値が大きく低下する。
なお、比較鋼1は市販品であり、樹脂(プラスチックやビニール)の射出成形やブロー成形に汎用的に用いられる金型用鋼である。比較鋼2は、5Cr系ダイス鋼のJIS SKD61である。比較鋼3は、高強度ステンレス鋼のJIS SUS420J2である。比較鋼4は、高強度ステンレス鋼であり、JIS SUS630として知られている。これら比較鋼は、少なくとも4種の主要元素において本発明の請求範囲を外れている。
焼戻し材から、51mm×31mm×101mmの板を切り出し、真空中での焼入れ焼戻し処理によって36〜38HRCに調質した。焼入れ温度は、発明鋼18種と比較鋼1が870℃、比較鋼2と比較鋼3が1030℃、比較鋼4が1050℃である。各焼入れ温度で1時間保持した後、6barの窒素ガス冷却により焼入れを行なった。焼戻しとしては、500〜650℃で3時間保持する処理を複数回おこなった。
焼戻し後の板を研削加工で50mm×30mm×100mmとし、50mm×100mmの面の表面粗さは▽▽▽Gとした。
異物(炭化物、酸化物、窒化物)の脱落によるピンホールがなければ「S」、ピンホールが1〜2か所であれば「A」、ピンホールが3か所以上であれば「B」。
焼戻し材から、41mm×26mm×13mmの板を切り出し、真空中での焼入れ焼戻しによって36〜38HRCに調質した。焼入れ焼戻し条件は、鏡面研磨性の試験片と同様である。焼戻し後の板を研削加工で40mm×25mm×12mmとし、6面すべてを研磨して鏡面状態に仕上げた。
錆びた箇所がなければ「S」、1〜3か所であれば「A」、4〜10か所であれば「B」、10か所を超えていれば「C」。
焼戻し材から、11mm×11mm×55mmの角棒を切り出し、真空中での焼入れ焼戻しによって36〜38HRCに調質した。焼入れ焼戻し条件は、鏡面研磨性の試験片と同様である。焼戻し後の角棒から、10mm×10mm×55mmの衝撃試験片を切り出した。ノッチ形状はU字、ノッチ底半径1mm、ノッチ下高さ8mmである。試験は室温(21〜27℃)でおこない、吸収エネルギーを断面積の0.8cm2で割って衝撃値とし、以下の基準に従い評価した。
衝撃値が100J/cm2を超えていれば「S」、50J/cm2を超え100J/cm2以下であれば「A」、50J/cm2以下であれば「B」。
以上より、発明鋼の衝撃値は、樹脂(プラスチックやビニール)の射出成形やブロー成形の金型に汎用的に用いられる比較鋼1よりも更に高いことが確認できた。
得られた結果を下記表2に総括して示す。なお、表2で示すコストは、樹脂(プラスチックやビニール)の射出成形やブロー成形の金型に汎用的に用いられる比較鋼1を基準の「A」とし、それよりも安いものを「S」、比較鋼1より高いものを「B」と評価した。
Claims (7)
- 質量%で
0.045≦C≦0.090
0.01≦Si≦0.50
0.10≦Mn≦0.60
0.80≦Ni≦1.10
6.60≦Cr≦8.60
0.01≦Mo≦0.70
0.001≦V≦0.200
0.007≦Al≦0.150
0.0002≦N≦0.0500
を含有し、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金型用鋼。 - 請求項1において、質量%で
0.30<Cu≦1.50
を更に含有することを特徴とする金型用鋼。 - 請求項1,2の何れかにおいて、質量%で
0.30<W≦4.00
0.30<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金型用鋼。 - 請求項1〜3の何れかにおいて、質量%で
0.004<Nb≦0.200
0.004<Ta≦0.200
0.004<Ti≦0.200
0.004<Zr≦0.200
の少なくとも1種を更に含有することを特徴とする金型用鋼。 - 請求項1〜4の何れかにおいて、質量%で
0.0001<B≦0.0050
を更に含有することを特徴とする金型用鋼。 - 請求項1〜5の何れかにおいて、質量%で
0.008<S≦0.050
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金型用鋼。 - 請求項1〜6の何れかに記載の鋼から成り、硬さが32〜44HRCであることを特徴とする金型。
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