JP2020070473A - 金型用鋼及び金型 - Google Patents
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Abstract
【課題】被削性およびシボ加工性に優れた汎用の金型用鋼と同等の被削性およびシボ加工性を備え、且つ耐食性を改善させた金型用鋼を提供する。【解決手段】金型用の鋼を、質量％で０．０９≦Ｃ≦０．１７，１．００≦Ｓｉ≦２．００，０．１５≦Ｍｎ≦０．８５，０．７８≦Ｃｕ≦１．０８，２．４０≦Ｎｉ≦２．９０，０．７８≦Ａｌ≦１．０８，２．５０≦Ｃｒ≦３．００，０．１５≦Ｍｏ≦０．４５を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成を有するものとする。【選択図】 なし
Description
この発明は、プラスチックの射出成形等に用いる金型に適用して好適な金型用鋼及び金型に関する。
例えば、射出成形用金型（金型の一部を構成する部品も含む）は、溶解→精錬→鋳造→均質化熱処理→熱間加工→焼準→焼鈍（焼戻し）→焼入れ・焼戻し→切削加工→鏡面研磨さらに必要に応じてシボ加工、の工程を経て製造される。金型用の材料には様々な特性が求められるが、特に射出成形用金型に用いられる材料には、プリハードン状態での良好な被削性、金型が放置されても錆びないだけの耐食性のほか、シボ加工が施される場合にはシボ加工性に優れていることが求められる。
（被削性について）
樹脂の射出成形では、溶融状態の樹脂を金型内に高速で圧入し、金型で熱を奪って樹脂を固化させ、金型形状が転写された樹脂製品を製造する。生産の速度は、樹脂が固化する時間に律速される。所定時間内に多くの製品を製造するためには、樹脂が早く冷えて固化することが好ましい。
樹脂の射出成形では、溶融状態の樹脂を金型内に高速で圧入し、金型で熱を奪って樹脂を固化させ、金型形状が転写された樹脂製品を製造する。生産の速度は、樹脂が固化する時間に律速される。所定時間内に多くの製品を製造するためには、樹脂が早く冷えて固化することが好ましい。
樹脂を早く固化させるためには、金型で熱を奪う速度を大きくする必要がある。このため、金型の内部には冷却水を流すための孔（水冷孔）が数多く設けられている。この水冷孔はドリル加工であけられる。金型を効率良く製造するには、ドリルで水冷孔を高速であけてゆく必要がある。このため、水冷孔のドリル加工では金型材の被削性が非常に重要となる。そのため、加工速度を大きくできる「被削性の良い金型材」が求められる。
（シボ加工性について）
樹脂の射出成形金型に対し、その表面に特定の模様（例えば、皮革の表皮に似た微細なシワ状の凹凸模様）を腐食液によるエッチングで付与することがある。このような工法をシボ加工という。ドリル被削性だけでなくシボ加工の良さも、樹脂の射出成形金型用鋼に求められる特性である。シボ加工は耐食性と背反し、耐食性が悪い鋼材はシボ加工性が良くなる。
樹脂の射出成形金型に対し、その表面に特定の模様（例えば、皮革の表皮に似た微細なシワ状の凹凸模様）を腐食液によるエッチングで付与することがある。このような工法をシボ加工という。ドリル被削性だけでなくシボ加工の良さも、樹脂の射出成形金型用鋼に求められる特性である。シボ加工は耐食性と背反し、耐食性が悪い鋼材はシボ加工性が良くなる。
（耐食性について）
製造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射出成形に使うと、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、錆びた金型には研磨やシボ加工を再度行う必要が生じるが、この作業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。
製造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射出成形に使うと、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、錆びた金型には研磨やシボ加工を再度行う必要が生じるが、この作業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。
そこで、耐食性がより高い鋼を射出成形金型に用いることがある。例えば、（１）Ｃ量が０．１８〜０．２８％でＣｒ量が２．２〜２．５％の鋼、（２）Ｃ量が０．３８％でＣｒ量が５％の鋼（ＳＫＤ６１）、（３）Ｃ量が０．１％以下でＣｒ量が３〜８％の鋼、（４）Ｃｒ量が１２％以上のステンレス鋼、などである。このうち（１）の鋼では、シボ加工性が良いものの耐食性が依然として不足気味である。（２）〜（４）の鋼では、耐食性は実用的に充分であるもののシボ加工性が充分でない。また、Ｃｒ量の増加によってドリル被削性は悪くなる。
なお、下記特許文献１には、優れた被削性と鏡面性を備え、更に耐食性に優れたプラスチック成型用金型が得られる金型用鋼が開示されている。しかしながら、特許文献１の実施例で開示された鋼は、Ｃｒ量が２．０５％以下もしくは３．７０％以上であり、引用文献１には、本発明の請求項を満たす化学組成の実施例の開示はない。またシボ加工性と耐食性の両立についての言及もなされておらず、本発明とは異なるものである。
本発明は以上のような事情を背景とし、被削性およびシボ加工性に優れた汎用の金型用鋼と同等の被削性およびシボ加工性を備え、且つ耐食性を改善させた金型用鋼及び金型を提供することを目的としてなされたものである。
而して請求項１は、金型用鋼に関するもので、質量％で０．０９≦Ｃ≦０．１７，１．００≦Ｓｉ≦２．００，０．１５≦Ｍｎ≦０．８５，０．７８≦Ｃｕ≦１．０８，２．４０≦Ｎｉ≦２．９０，０．７８≦Ａｌ≦１．０８，２．５０≦Ｃｒ≦３．００，０．１５≦Ｍｏ≦０．４５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。
なお、金型用鋼において、下記に示す成分が下記範囲で不可避的不純物として含まれ得る。
Ｐ≦０．０５，Ｓ≦０．００８，Ｖ≦０．０３，Ｎ≦０．０５，Ｏ≦０．０５，Ｗ≦０．３０，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。
Ｐ≦０．０５，Ｓ≦０．００８，Ｖ≦０．０３，Ｎ≦０．０５，Ｏ≦０．０５，Ｗ≦０．３０，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。
請求項２のものは、請求項１において、質量％で０．０３＜Ｖ≦１．００，０．３０＜Ｗ≦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３のものは、請求項１，２の何れかにおいて、質量％で０．３０＜Ｃｏ≦１．００を更に含有することを特徴とする。
請求項４のものは、請求項１〜３の何れかにおいて、質量％で０．００８＜Ｓ≦０．２００，０．０００５＜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５のものは、請求項１〜４の何れかにおいて、質量％で０．０５＜Ｐ≦０．２０を更に含有することを特徴とする。
請求項６のものは、請求項１〜５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。
請求項７のものは、請求項１〜６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。
請求項８は、金型に関するものであって、請求項１〜７の何れかに記載の鋼から成り、室温における硬さが３２〜４４ＨＲＣであることを特徴とする。
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。
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。
本発明者は、上記課題を解決するため、被削性、耐食性およびシボ加工に及ぼす鋼材成分の影響を調査した結果、Ｃｒ量２．５〜３％の高Ｃr化であれば、シボ加工性はそれほど悪化しないこと、更に、一般には被削性が低下すると言われている高Ｃｒ化（Ｃｒ量が２．５〜３％）においても、Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｌの調整でドリル被削性を良好なレベルに維持できることを見出した。
本発明はこのような知見の下になされたもので、Ｃｒ量を狭い範囲（２．５〜３．０％）に規定するとともに、Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｌの量を適正化したものである。比較対象である被削性およびシボ加工性に優れた汎用の金型用鋼のＣｒ量が０．３％であるのに対して、本発明鋼のＣｒ量は２．５〜３．０％であるため、耐食性が良い。更に、Ｃｒ量が３％超の鋼で問題となるシボ加工性の悪さも本発明鋼には無い。
また、本発明の鋼から成り、硬さを３２〜４４ＨＲＣに調整された本発明の金型によれば、焼入れ・焼戻し処理後のプリハードン状態で良好な被削性およびシボ加工性が発揮されるため、製造工程の簡略化が実現できる。また、金型使用時においては、樹脂成形時の摩耗や割れの発生が抑制され、金型の寿命を高めることができる。一方、金型が一定期間放置された場合でも金型表面は錆びにくいため、低Ｃｒ鋼から成る金型の場合に行われていた再研磨を廃止もしくは軽減することができる。
以上のような本発明の金型用鋼および金型は、樹脂（プラスチックやビニール）の射出成形やブロー成形、ゴムの成形や加工、炭素繊維強化プラスチックの成形や加工等の用途に用いて好適である。
次に本発明における各化学成分の限定理由等を以下に説明する。なお、各化学成分の値は何れも質量％である。
「請求項１の化学成分について」
０．０９≦Ｃ≦０．１７
Ｃ＜０．０９では、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。
一方、０．１７＜Ｃでは、溶接性が低下する。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。
好ましいＣの範囲は、０．０９≦Ｃ≦０．１６であり、より好ましくは０．１０≦Ｃ≦０．１５である。
「請求項１の化学成分について」
０．０９≦Ｃ≦０．１７
Ｃ＜０．０９では、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。
一方、０．１７＜Ｃでは、溶接性が低下する。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。
好ましいＣの範囲は、０．０９≦Ｃ≦０．１６であり、より好ましくは０．１０≦Ｃ≦０．１５である。
１．００≦Ｓｉ≦２．００
Ｓｉ＜１．００では、ドリル被削性が著しく劣化する。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、２．００＜Ｓｉでは、熱伝導率の低下が大きい。インゴットから熱間加工で成形してゆく際に割れを生じやすくなる。
好ましいＳｉの範囲は、１．０５≦Ｓｉ≦１．９０であり、より好ましくは１．１０≦Ｓｉ≦１．８０である。
Ｓｉ＜１．００では、ドリル被削性が著しく劣化する。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、２．００＜Ｓｉでは、熱伝導率の低下が大きい。インゴットから熱間加工で成形してゆく際に割れを生じやすくなる。
好ましいＳｉの範囲は、１．０５≦Ｓｉ≦１．９０であり、より好ましくは１．１０≦Ｓｉ≦１．８０である。
０．１５≦Ｍｎ≦０．８５
Ｍｎ＜０．１５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。
一方、０．８５＜Ｍｎでは、熱伝導率の低下が大きい。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、０．２５≦Ｍｎ≦０．７５であり、より好ましくは０．３０≦Ｍｎ≦０．７０である。
Ｍｎ＜０．１５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。
一方、０．８５＜Ｍｎでは、熱伝導率の低下が大きい。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、０．２５≦Ｍｎ≦０．７５であり、より好ましくは０．３０≦Ｍｎ≦０．７０である。
０．７８≦Ｃｕ≦１．０８
Ｃｕ＜０．７８では、ドリル被削性が低下する。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に欠ける。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。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、１．０８＜Ｃｕでは、熱伝導率の低下が大きい。インゴットから熱間加工で成形してゆく際に割れを生じやすくなる。またコスト上昇が大きい。
好ましいＣｕの範囲は、０．８０≦Ｃｕ≦１．０５であり、より好ましくは０．８２≦Ｃｕ≦１．０２である。
Ｃｕ＜０．７８では、ドリル被削性が低下する。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に欠ける。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。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、１．０８＜Ｃｕでは、熱伝導率の低下が大きい。インゴットから熱間加工で成形してゆく際に割れを生じやすくなる。またコスト上昇が大きい。
好ましいＣｕの範囲は、０．８０≦Ｃｕ≦１．０５であり、より好ましくは０．８２≦Ｃｕ≦１．０２である。
２．４０≦Ｎｉ≦２．９０
Ｎｉ＜２．４０では、Ａｌとの金属間化合物の量が減少して、３２ＨＲＣ以上を安定して得にくいうえ、ドリル被削性が低下する。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。熱間加工時の割れ（Ｃｕの粒界偏析が原因）を防止する効果が小さい。
一方、２．９０＜Ｎｉでは、熱伝導率の低下が大きい。またコスト上昇が大きい。
好ましいＮｉの範囲は、２．４６≦Ｎｉ≦２．８３であり、より好ましくは２．５２≦Ｎｉ≦２．７６である。
Ｎｉ＜２．４０では、Ａｌとの金属間化合物の量が減少して、３２ＨＲＣ以上を安定して得にくいうえ、ドリル被削性が低下する。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。熱間加工時の割れ（Ｃｕの粒界偏析が原因）を防止する効果が小さい。
一方、２．９０＜Ｎｉでは、熱伝導率の低下が大きい。またコスト上昇が大きい。
好ましいＮｉの範囲は、２．４６≦Ｎｉ≦２．８３であり、より好ましくは２．５２≦Ｎｉ≦２．７６である。
０．７８≦Ａｌ≦１．０８
Ａｌ＜０．７８では、Ｎｉとの金属間化合物の量が減少して、３２ＨＲＣ以上を安定して得にくいうえ、ドリル被削性が低下する。ＡｌＮが少なくなるため焼入れ時の結晶粒が粗大化しやすく、衝撃値の低下を招く。
一方、１．０８＜Ａｌでは、多量に生成する酸化物や窒化物が異物となり、鏡面研磨性や衝撃値を低下させる。また、熱伝導率の低下が大きい。
好ましいＡｌの範囲は、０．８０≦Ａｌ≦１．０５であり、より好ましくは０．８２≦Ａｌ≦１．０２である。
Ａｌ＜０．７８では、Ｎｉとの金属間化合物の量が減少して、３２ＨＲＣ以上を安定して得にくいうえ、ドリル被削性が低下する。ＡｌＮが少なくなるため焼入れ時の結晶粒が粗大化しやすく、衝撃値の低下を招く。
一方、１．０８＜Ａｌでは、多量に生成する酸化物や窒化物が異物となり、鏡面研磨性や衝撃値を低下させる。また、熱伝導率の低下が大きい。
好ましいＡｌの範囲は、０．８０≦Ａｌ≦１．０５であり、より好ましくは０．８２≦Ａｌ≦１．０２である。
２．５０≦Ｃｒ≦３．００
耐食性とシボ加工性を両立させるためには、特にＣr量の範囲が重要である。
Ｃｒ＜２．５０では、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。また、Ｃｒ＜２．５０では、２次硬化量が不足し、３２ＨＲＣ以上を安定して得にくい。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。
一方、３．００＜Ｃｒでは、シボ加工性が悪化する。また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。
好ましいＣｒの範囲は、２．６０≦Ｃｒ≦２．９５であり、より好ましくは２．６５≦Ｃｒ≦２．９０である。
耐食性とシボ加工性を両立させるためには、特にＣr量の範囲が重要である。
Ｃｒ＜２．５０では、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。また、Ｃｒ＜２．５０では、２次硬化量が不足し、３２ＨＲＣ以上を安定して得にくい。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。
一方、３．００＜Ｃｒでは、シボ加工性が悪化する。また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。
好ましいＣｒの範囲は、２．６０≦Ｃｒ≦２．９５であり、より好ましくは２．６５≦Ｃｒ≦２．９０である。
０．１５≦Ｍｏ≦０．４５
Ｍｏ＜０．１５では、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、０．４５＜Ｍｏでは、Ｃ量が少ないため、２次硬化による硬さ増加の効果が飽和に近づく。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、０．１７≦Ｍｏ≦０．４２であり、より好ましくは０．２０≦Ｍｏ≦０．４０である。
Ｍｏ＜０．１５では、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、０．４５＜Ｍｏでは、Ｃ量が少ないため、２次硬化による硬さ増加の効果が飽和に近づく。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、０．１７≦Ｍｏ≦０．４２であり、より好ましくは０．２０≦Ｍｏ≦０．４０である。
以上のように各元素の量を適正化した結果、ドリル被削性と耐食性とシボ加工性を高バランスで確保しただけでなく、本発明鋼の焼戻し硬さを３２〜４４ＨＲＣとすることに成功した。
「請求項２の化学成分について」
工具鋼としてはＣｒやＭｏ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、ＶやＷの選択的な添加が有効である。ＶやＷは炭化物の析出や固溶によって強度を上げる。ＶはＶＣによるピンニング効果によって、Ｗは固溶した際のsolute drag効果によって、それぞれ焼入れ時のオーステナイト結晶粒の成長を抑制し、衝撃値や破壊靭性値を高める効果も有する。具体的には、
０．０３＜Ｖ≦１．００
０．３０＜Ｗ≦２．００
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超えると特性の飽和と著しいコスト増を招く。
工具鋼としてはＣｒやＭｏ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、ＶやＷの選択的な添加が有効である。ＶやＷは炭化物の析出や固溶によって強度を上げる。ＶはＶＣによるピンニング効果によって、Ｗは固溶した際のsolute drag効果によって、それぞれ焼入れ時のオーステナイト結晶粒の成長を抑制し、衝撃値や破壊靭性値を高める効果も有する。具体的には、
０．０３＜Ｖ≦１．００
０．３０＜Ｗ≦２．００
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超えると特性の飽和と著しいコスト増を招く。
「請求項３の化学成分について」
工具鋼としてはＣｒやＭｏ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、Ｃｏの添加も有効である。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、Ｃｏ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＜Ｃｏ≦１．００
を含有させれば良い。
但し、Ｃｏが所定量を超えると特性の飽和と著しいコスト増を招く。
工具鋼としてはＣｒやＭｏ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、Ｃｏの添加も有効である。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、Ｃｏ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＜Ｃｏ≦１．００
を含有させれば良い。
但し、Ｃｏが所定量を超えると特性の飽和と著しいコスト増を招く。
「請求項４の化学成分について」
本発明鋼は、Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｌの適正化でドリル被削性を確保しているが、被削性の更なる向上には、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≦０．２００
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、所定量を超えると熱間加工性や衝撃値が大きく低下する。
本発明鋼は、Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｌの適正化でドリル被削性を確保しているが、被削性の更なる向上には、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≦０．２００
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、所定量を超えると熱間加工性や衝撃値が大きく低下する。
「請求項５の化学成分について」
本発明鋼は、Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｌの適正化でドリル被削性を確保しているが、被削性の更なる向上には、Ｐを添加することも有効である。Ｐには鋼を脆くして被削性を改善する効果がある。具体的には、
０．０５＜Ｐ≦０．２０
を含有させれば良い。
但し、Ｐが所定量を超えると衝撃値の低下が著しい。
本発明鋼は、Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｌの適正化でドリル被削性を確保しているが、被削性の更なる向上には、Ｐを添加することも有効である。Ｐには鋼を脆くして被削性を改善する効果がある。具体的には、
０．０５＜Ｐ≦０．２０
を含有させれば良い。
但し、Ｐが所定量を超えると衝撃値の低下が著しい。
「請求項６の化学成分について」
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。Ｎ量が多い場合は、このような措置を講じる。そのための添加元素の例としては、後述する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。
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。Ｎ量が多い場合は、このような措置を講じる。そのための添加元素の例としては、後述する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。
「請求項７の化学成分について」
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。
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。
表１に示す発明鋼および比較鋼（計２０鋼種）について、ドリル被削性・シボ加工性・耐食性を評価する試験を行った。
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用いられる金型用として一般的なＣｕ−Ｎｉ−Ａｌ系の鋼材である。比較鋼２は、比較鋼１と同様にＣｕ−Ｎｉ−Ａｌ系の鋼材である。シボ加工性を確保しつつ耐食性を高めるためＣｒ量が２．７％に高められている。比較鋼３は更に耐食性を高めた４％Ｃｒ鋼である。比較鋼４は比較鋼１と同様に市販されている金型用鋼であり、Ｃｒ量が２．２％である。
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。
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用いられる金型用として一般的なＣｕ−Ｎｉ−Ａｌ系の鋼材である。比較鋼２は、比較鋼１と同様にＣｕ−Ｎｉ−Ａｌ系の鋼材である。シボ加工性を確保しつつ耐食性を高めるためＣｒ量が２．７％に高められている。比較鋼３は更に耐食性を高めた４％Ｃｒ鋼である。比較鋼４は比較鋼１と同様に市販されている金型用鋼であり、Ｃｒ量が２．２％である。
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。
表１に示す２０鋼種をそれぞれ１５０ｋｇのインゴットに鋳込み、鋼塊を製造した。この鋼塊に１２４０℃で２４時間の均質化処理を施した後、鋼塊を熱間鍛造によって６０ｍｍ×４５ｍｍの矩形断面の棒状に成形し、この棒鋼を１００℃以下まで冷却した。引き続き、棒鋼には、６００℃で８時間の焼鈍を施し３２ＨＲＣ以下に軟質化させた。この焼鈍材から各種の試験片（ドリル被削性、シボ加工性、耐食性）を作製し、焼入れ焼戻しを行なった。焼入れ温度は９２０〜９７０℃で、Ａｃ３変態点に応じて鋼種によって適正な温度を選定した。焼戻し温度は４７５〜５７５℃の範囲内で鋼種に応じて変化させ、全ての鋼種を３８ＨＲＣに調質した。
＜ドリル被削性についての評価＞
３８ＨＲＣに調質した試験片の形状は、５５ｍｍ×２８ｍｍ×２００ｍｍである。この試験片の５５ｍｍ×２００ｍｍの面に、深さ２０ｍｍの孔を、直径５ｍｍのＳＫＨ５１製ドリルで、（潤滑は水溶性の切削油を用い）次々にあけてゆき、ドリルの摩耗や折損までに加工できた孔の数Ａを評価するドリル穿孔試験を行なった。このＡに孔の深さである２０ｍｍを乗じた２０Ａ[ｍｍ］を切削距離と定義し、孔をあける速度（ドリルの送り速度）に対して切削距離を評価した。
３８ＨＲＣに調質した試験片の形状は、５５ｍｍ×２８ｍｍ×２００ｍｍである。この試験片の５５ｍｍ×２００ｍｍの面に、深さ２０ｍｍの孔を、直径５ｍｍのＳＫＨ５１製ドリルで、（潤滑は水溶性の切削油を用い）次々にあけてゆき、ドリルの摩耗や折損までに加工できた孔の数Ａを評価するドリル穿孔試験を行なった。このＡに孔の深さである２０ｍｍを乗じた２０Ａ[ｍｍ］を切削距離と定義し、孔をあける速度（ドリルの送り速度）に対して切削距離を評価した。
このようにして得られる結果の一例を図１に示す。ドリルの送り速度（切削速度）が小さくなるほど、切削距離は長くなる。１つの鋼種について、上記ドリル穿孔試験をｎ＝８〜１３回実施し、送り速度と切削距離の相関を示す近似線より、切削距離が１０００ｍｍ（あけた孔の数が５０個）となるドリルの送り速度をＶＬ１０００として求め、ドリル被削性の指標とした。ここでは、ＶＬ１０００が大きいほど、高い効率で孔をあけられるため好ましい。鋼種ごとに求めたＶＬ１０００を表２に示す。先述の通り、いずれの鋼種も硬さは３８ＨＲＣで共通である。
比較鋼１はＶＬ１０００が２５ｍ／ｍｉｎと大きく、ドリル被削性の目標（ＶＬ１０００が２５ｍ／ｍｉｎ以上）を達成した。
比較鋼２は、ＶＬ１０００が１９ｍ／ｍｉｎと小さく、比較鋼１よりも被削性が低下している。比較鋼１，２のように低Ｓｉの場合、Ｃｒ量を増加させると被削性の低下が顕著に認められる。
比較鋼３は、ＶＬ１０００が比較鋼１と同じ２５ｍ／ｍｉｎである。比較鋼３はドリル被削性の目標を達成した。
比較鋼３は、ＶＬ１０００が比較鋼１と同じ２５ｍ／ｍｉｎである。比較鋼３はドリル被削性の目標を達成した。
比較鋼４は、ＶＬ１０００が比較鋼１より大きい２９ｍｉｎである。Ｓが添加されていることからＭｎＳが多量に分散しており、これが被削性を大きく改善している。比較鋼４もドリル被削性の目標を達成した。
一方、１６種の発明鋼はＶＬ１０００が２５〜３４ｍ／ｍｉｎで、比較鋼１と同等かそれより大きなＶＬ１０００を確保しており、ドリル被削性の目標を達成した。快削元素を含む発明鋼１２と発明鋼１３は特にＶＬ１０００が大きい。Ｐの含有量が多い比較鋼１４もＶＬ１０００は大きめである。
＜シボ加工性についての評価＞
３８ＨＲＣに調質した試験片の形状は、５５ｍｍ×５５ｍｍ×２０ｍｍである。５５ｍｍ×５５ｍｍの面を鏡面研磨後、通常の薬液で皮革模様をシボ加工した。この時、所要の模様が形成されたかどうかを目視で評価した。所要の模様が形成された場合を合格でＳ（Superior)、そうでない場合を不合格でＩ(Inferior)とした。シボ加工性評価の結果を下記表３に示す。
３８ＨＲＣに調質した試験片の形状は、５５ｍｍ×５５ｍｍ×２０ｍｍである。５５ｍｍ×５５ｍｍの面を鏡面研磨後、通常の薬液で皮革模様をシボ加工した。この時、所要の模様が形成されたかどうかを目視で評価した。所要の模様が形成された場合を合格でＳ（Superior)、そうでない場合を不合格でＩ(Inferior)とした。シボ加工性評価の結果を下記表３に示す。
比較鋼１は「Ｓ」である。比較鋼１は低Ｃｒ（０．２１％）のため薬液の腐食による加工が容易である。
比較鋼２と比較鋼４も「Ｓ」である。Ｃｒ量が２．７％程度までは通常の薬液で問題なくシボ加工できることが分かった。一方で、比較鋼３は「Ｉ」となり、Ｃｒ量が４％になるとシボ加工性に難があることが分かった。
比較鋼２と比較鋼４も「Ｓ」である。Ｃｒ量が２．７％程度までは通常の薬液で問題なくシボ加工できることが分かった。一方で、比較鋼３は「Ｉ」となり、Ｃｒ量が４％になるとシボ加工性に難があることが分かった。
比較鋼の結果から想像される通り、Ｃｒ量２．５〜３％の発明鋼１６種は、全てシボ加工性が「Ｓ」である。比較鋼１と同様に、発明鋼がドリル被削性とシボ加工性に優れていることを確認した。
＜耐食性についての評価＞
３８ＨＲＣに調質した試験片の形状は、４５ｍｍ×２５ｍｍ×１５ｍｍである。この直方体の試験片の６面すべてを鏡面研磨した後、試験片を温度５０℃で湿度９８％の環境中に１５分晒した。湿潤試験は、金型が高温湿潤な地域で使われた場合の耐食性を加速的に評価する方法である。ここでは、１５分間の暴露で錆の発生がない、あってもわずかであれば合格で「Ｓ」、錆が目立つ場合は不合格で「Ｉ」と評価した。評価の結果を下記表４に示す。
３８ＨＲＣに調質した試験片の形状は、４５ｍｍ×２５ｍｍ×１５ｍｍである。この直方体の試験片の６面すべてを鏡面研磨した後、試験片を温度５０℃で湿度９８％の環境中に１５分晒した。湿潤試験は、金型が高温湿潤な地域で使われた場合の耐食性を加速的に評価する方法である。ここでは、１５分間の暴露で錆の発生がない、あってもわずかであれば合格で「Ｓ」、錆が目立つ場合は不合格で「Ｉ」と評価した。評価の結果を下記表４に示す。
比較鋼１は評価が「Ｉ」である。Ｃｒ量が０．３％と低く、シボ加工性の良さの代償として耐食性の悪いことが再確認できた。
比較鋼２と比較鋼３は評価が「Ｓ」である。これらはＣｒ量が２．７〜４％で、湿潤環境下での耐食性が充分に高いことが分かった。
比較鋼４は、Ｃｒ量が２．２１％と充分でなくＣ量も高めであること、更にＳを０．０３５％含有していることから比較鋼１ほどではないが錆が発生し、評価は「Ｉ」である。
比較鋼の結果から想像される通り、Ｃｒを２．５〜３％含有する発明鋼１６種は、いずれも耐食性の評価が「Ｓ」である。
＜特性のまとめ＞
得られた結果を下記表５に総括して示す。ドリル被削性は、ＶＬ１０００が３０ｍ／ｍｉｎ以上を「Ｓ」、２５ｍ／ｍｉｎ以上で３０ｍ／ｍｉｎ未満を「Ａ」、２５ｍ／ｍｉｎ未満を「Ｉ」とした。
得られた結果を下記表５に総括して示す。ドリル被削性は、ＶＬ１０００が３０ｍ／ｍｉｎ以上を「Ｓ」、２５ｍ／ｍｉｎ以上で３０ｍ／ｍｉｎ未満を「Ａ」、２５ｍ／ｍｉｎ未満を「Ｉ」とした。
表５に示すように、比較鋼１を含め比較鋼は、３つの特性のうち1つが「Ｉ」で、ある特性を高めると別の特性が低下することが分かる。
これに対し、発明鋼は「Ｓ」と「Ａ」であり、「Ｉ」はない。以上より、発明鋼がドリル被削性とシボ加工性と耐食性に優れることを確認した。換言すれば、発明鋼は被削性とシボ加工性の良さを維持したまま、耐食性を高めており、市場のニーズに応えた鋼種である。
これに対し、発明鋼は「Ｓ」と「Ａ」であり、「Ｉ」はない。以上より、発明鋼がドリル被削性とシボ加工性と耐食性に優れることを確認した。換言すれば、発明鋼は被削性とシボ加工性の良さを維持したまま、耐食性を高めており、市場のニーズに応えた鋼種である。
以上、本発明の実施例を詳述したがこれはあくまで一例示である。例えば、本発明の鋼及び金型は、ショットピーニング，窒化処理，ＰＶＤ処理，ＣＶＤ処理，ＰＣＶＤ処理，メッキ処理，ＤＬＣコーティング処理などの表面改質処理と組み合わせて使用することも有効である。また、本発明の鋼を棒状や線状として、金型や部品の溶接補修材として使用することも可能である。あるいは、本発明の鋼を板や粉末として、それらの積層造形によって金型や部品を製造することも可能である等、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
０．０９≦Ｃ≦０．１７
１．００≦Ｓｉ≦２．００
０．１５≦Ｍｎ≦０．８５
０．７８≦Ｃｕ≦１．０８
２．４０≦Ｎｉ≦２．９０
０．７８≦Ａｌ≦１．０８
２．５０≦Ｃｒ≦３．００
０．１５≦Ｍｏ≦０．４５
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
０．０３＜Ｖ≦１．００
０．３０＜Ｗ≦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金型用鋼。 - 請求項１，２の何れかにおいて、質量％で
０．３０＜Ｃｏ≦１．００
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
０．００８＜Ｓ≦０．２００
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１〜４の何れかにおいて、質量％で
０．０５＜Ｐ≦０．２０
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
０．０００１＜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１〜６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１〜７の何れかに記載の鋼から成り、室温における硬さが３２〜４４ＨＲＣであることを特徴とする金型。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018205947A JP2020070473A (ja) | 2018-10-31 | 2018-10-31 | 金型用鋼及び金型 |
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|---|---|---|---|---|
| WO2021205939A1 (ja) | 2020-04-09 | 2021-10-14 | ミネベアミツミ株式会社 | 信号処理回路 |
-
2018
- 2018-10-31 JP JP2018205947A patent/JP2020070473A/ja active Pending
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