JP2020117802A - 金型セット及びダイセット用の経済的なプラスチックツーリングコア - Google Patents

金型セット及びダイセット用の経済的なプラスチックツーリングコア Download PDF

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Abstract

【課題】ツーリングセットのキャビティ側と併せて使用される、プラスチック射出成形ツーリングセットのコア側を提供すること。【解決手段】コア側は、質量パーセントで、以下の組成：炭素０．２５〜０．５５％、マンガン０．７０〜１．５０％、ケイ素最大０．８０％、クロム１．４０〜２．００％、モリブデン０．１０〜０．５５％、アルミニウム最大０．０４０％、リン最大０．０２５％、イオウ最大０．２０％、鉄残余、及び偶発的な不純物を含むことができる。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１２０条に従って、２０１６年２月１日に出願された米国特許出願第１４／９９８６６９号の一部継続出願である。
本発明は、最終使用者に見える部品と成形接触する、金型部材及びダイ部材に欠陥のない表面をもたらすことに関連する、プラスチックツーリング産業の問題に対処する。本発明はまた、極めて経済的コストで、高品質の最終生成物を生みだす、プラスチックツーリングのセット用のコア及びキャビティの半体の、様々な合金組成の金型材料及びダイ材料を提供するという、継続的な問題にも対処する。
プラスチックツーリングの金型又はダイのセットを構成する２つの半体は、約２０インチ以上の高品質の部品を低コストで製造するために、様々な組成及び作動特性をもたねばならないことが明らかになった。特に、プラスチックツーリングのセットのキャビティ側は、一般に、成形部品の、最終欠陥のない表面をもたらす、高品質の鋼を必要とする。対照的に、ツーリングセットのコア側は、ツーリングセットのキャビティ半体の規格ほど厳密な表面仕上規格を必要としないが、上記コア半体が供される厳密な作動条件と等しくなければならない。
以下の公称組成：
Ｃ ０．２８〜０．４０
Ｍｎ ０．６０〜１．００
Ｓｉ ０．２０〜０．８０
Ｃｒ １．４０〜２．００
Ｍｏ ０．３０〜０．５５
Ｃｕ ０．２５
Ｐ ０．０３０
Ｓ ０．０３０
を有する標準鋼、例えばＰ−２０は、ツーリングセットのキャビティ側で、作動中に、優れていることが明らかになった。しかし、この等級及び同様の等級は、こうした鋼の加工属性が、ツーリングセットのコア側に必要な属性を、実質的に超えるという意味で、ツーリングセットのコア側に使用するには非経済的である。したがって、今日の非常にコスト意識の高い環境における部品製造業者にとって、ツーリングセットのコア側に上記の等級を使用することは、十分に有効な合金であるが、より低いコストと比較して不要なコストとなる。工具部品は、部品製造業者にとって、高いコスト因子であるので、上記の合金ほど高価でないが、上記の合金と併せて使用される場合、特に、深さ少なくとも２０インチの工具セットで、完全に満足のいくように作動する、プラスチック成形工具セットのコア側の合金鋼が必要である。
特に重要なのは、ツーリングセットによって、数千の部品が製造された後、ツーリングセットのキャビティに形成された表面は、部品製造の開始時に製造された部品と同じように、輝き、欠陥がないことである。しかし、コア側は見えないので、コア側を製造する鋼は、キャビティ側のように、強い光沢を帯びることができなくてもよい。コア側は、審美的に完全な仕上げを必要としない。
ツーリングセットのキャビティ側の分割線（すなわち、セットの２つの半体を分離する線）を保つために、セットのコア側の分割線で、わずかにより低い硬度を有することが望ましいと明らかになった。したがって、摩耗が生じる場合、圧力下で、プラスチックを射出した後生じる鋳ばりは、ツーリングセットのキャビティ側には現れないであろう。
これらの問題に対処する試みにおいて、以下の組成
Ｃ ０．３８〜０．４３
Ｍｎ ０．７５〜１．００
Ｃ ０．１５〜０．３０
Ｍｏ ０．１５〜０．２５８
Ｃｒ ０．８０〜１．１０
Ｐ ０．０３５ｘ
Ｓ ０．０４０ｘ
を有する鋼が、ツーリングセットのコア側に使用されてきた。しかし、この組成は、約２０インチまでの断面にのみ好適なものである。この厚さを超えると、この組成は、深さ方向に期待される機械的特性を維持することができない。具体的には、２０インチを超える厚さで、この鋼は、分割線で、非常に大きな硬度の低下を示す。これは、２０インチを超える部品の急冷での質量効果による可能性がある。
したがって、プラスチック射出成形ツーリングの、２０インチ以上の断面のコアブロック鋼のために、２０インチ以上の、金型及びダイのツーリングセットに必要な、全ての物理的性質及び機械的特性を有するが、従来利用可能な材料よりも低コストである、新規の組成が、プラスチックツーリングのセットのコア側に必要である。
本開示の一態様によれば、コア側及びキャビティ側を備えるプラスチック射出鋼ツーリングのセットが開示される。セットのコア側は、質量パーセントで、以下の組成：炭素０．２５〜０．５５％、マンガン０．７０〜１．５０％、ケイ素最大０．８０％、クロム１．４０〜２．００％、モリブデン０．１０〜０．５５％、アルミニウム最大０．０４０％、リン最大０．０２５％、イオウ最大０．２０％、鉄残余、及び偶発的な不純物を含むことができる。
本開示の他の態様によれば、ツーリングセットのキャビティ側と併せて使用される、プラスチック射出成形ツーリングセットのコア側が開示される。コア側は、質量パーセントで、以下の組成：炭素０．２５〜０．５５％、マンガン０．７０〜１．５０％、ケイ素最大０．８０％、クロム１．４０〜２．００％、モリブデン０．１０〜０．５５％、アルミニウム最大０．０４０％、リン最大０．０２５％、イオウ最大０．２０％、鉄残余、及び偶発的な不純物を含むことができる。
本開示の、これらの態様及び特徴、並びに他の態様及び特徴は、添付の図面と併せて読まれる場合、より容易に理解されるであろう。
プラスチックツーリングのセットのコア側の斜視図である。 プラスチックツーリングの上記セットのキャビティ側の斜視図である。 単純化した金型セットの一部の断面図である。 図３の詳細４の拡大図である。 プラスチックツーリングのセットのコア側を製造するのに含まれ得る、一連の工程のフロー図である。
初めに図１を参照すると、プラスチックツーリングセットのコア側は、全般的に１０で示され、コアが１１で、分割線面が１２で示される。
次に図２を参照すると、プラスチックツーリングセットのキャビティ側は、全般的に２０で示され、キャビティが２１で、分割線面が２２で示される。コア側１０及びキャビティ側２０が、成形係合である場合、分割線面１２及び分割線面２２は、当接係合になり、分割線２３（図３参照）を形成し、コア側１１をキャビティ２１で受けることになると理解されるであろう。
コア１１の寸法は、キャビティ２１の寸法よりも、わずかに小さいので、部品は、コアとキャビティとの間の空間２４で形成されることになる（図４参照）。２つの半体１０及び２０は、示されていないが、当分野で周知の、好適な方法によって閉じる場合、当然、固定位置で保たれることになる。
図４を詳細に参照すると、コア側１０の表面及びキャビティ側２０の表面が接触する場合、分割線２３が、境界の、明確な線を形成することが明らかになる。相当な圧力下で、溶融プラスチックのショットを、金型キャビティ２４に注入する場合、上記プラスチックは、コア側１０とキャビティ側２０の両方の表面に接触することになる。しかし、コア側１０は、キャビティ側２０の鋼よりも柔らかい鋼から形成されるので、上記コア側１０は、キャビティ側２０に先立って浸食されることになる。例示的な実施形態において、コア側１０の浸食領域を図４の１３に示す。図は、均一な、浸食の深さを示すものの、一部の地点は、隣接した地点よりも柔らかいことがあり、したがって浸食領域は、点から点へ不規則な深さものになるであろうことを理解されたい。しかし、コア側１０を形成する鋼は、キャビティ側２０を形成する鋼よりも常に柔らかく、したがってキャビティ鋼よりも浸食され易い。結果として、コア側は、常に、多くのサイクル後にもたらされ得る鋳ばりを何であれ含むことになる。しかし、成形部品のコア側表面は、観察者には見えないので、コア側１０の領域１３で示される鋳ばりは、商業的に許容される。
次にコア１０のみを参照すると、本発明の上記コアは、質量パーセントで、以下の広範な組成：
炭素 ０．２５〜０．５５％
マンガン ０．７０〜１．５０％
ケイ素 最大０．８０％
クロム １．４０〜２．００％
モリブデン ０．１０〜０．５５％
アルミニウム 最大０．０４０％
リン 最大０．０２５％
イオウ 最大０．２０％
鉄 残余、及び偶発的な不純物
を含む鋼から形成される。
上記の範囲内で、コア１０の組成は、質量パーセントで、以下：
炭素 ０．３０〜０．５０％
マンガン １．０５〜１．４５％
ケイ素 最大０．６０％
クロム １．５０〜２．００％
モリブデン ０．１０〜０．４５％
アルミニウム 最大０．０３５％
リン 最大０．０２０％
イオウ ０．０５〜０．１５％
鉄 残余、及び偶発的な不純物
であってもよい。
上記の範囲内で、コア１０の組成は、質量パーセントで、以下：
炭素 ０．３０〜０．４５％
マンガン １．１５〜１．３５％
ケイ素 最大０．４０％
クロム １．５０〜１．９０％
モリブデン ０．１０〜０．３０％
アルミニウム 最大０．０３０％
リン 最大０．０１５％
イオウ ０．０５〜０．１０％
鉄 残余、及び偶発的な不純物
であってもよい。
炭素は、求められる硬度及び耐摩耗性をもたらすのに必要である。炭素が、０．５５質量％よりも著しく多い場合、金型ブロックは、低い被削性及び低い研磨特性を示すことになる。好ましくは、良好な被削性を確実なものにするために、炭素最大０．５０質量％が用いられる。実質的に、炭素０．２５質量％未満が用いられる場合、耐摩耗性及び機械的特性は、金型ブロックが供される作動条件に適さないであろう。好ましくは、許容される耐摩耗性、硬度、及び機械的特性を確実なものにするために、炭素０．３０質量％の下限値が用いられる。最も好ましくは、０．４０質量％を目標に、０．３５質量％〜０．４５質量％の範囲の炭素を用いるべきである。
マンガンは、製鋼法において、焼入性のために、且つ脱酸剤として、必須である。マンガンはまた、鍛造作業の硫化物を制御するように作用する。他の合金化元素と組み合わせて、１．５０質量％よりも著しく多く含まれる場合、残留オーステナイトが存在する危険性があるであろう。実質的に、マンガン０．７０質量％未満が含まれる場合、金型ブロックの焼入性は、低下することになる。更に、イオウ制御を確実なものにするために、マンガン含有量は、イオウ含有量の少なくとも２０倍の量であるべきである。マンガンは、他の炭化物形成体よりも少ない程度であるが、耐摩耗性にも寄与する。好ましくは、マンガンは、１．０５質量％〜１．４５質量％の範囲、最も好ましくは１．ｌ５質量％〜１．３５質量％で含まれることになる。
ケイ素は、製鋼法において、その脱酸能のために指定される。指定されるよりも実質的に多い量で含まれる場合、最終生成物で脆化しやすい傾向があるであろう。
クロムは、炭化物形成のために、焼入性のために、耐摩耗性のために必要である。実質的に、クロム最大２．００質量％より多く含まれる場合、焼入れ温度は、通常の製造の熱処理法には高すぎるであろう。指定された下限値、クロム１．４０質量％未満では、耐摩耗性は、悪影響を及ぼされ得る。好ましくは、クロムは、１．５０質量％〜２．００質量％の量、最も好ましくは、１．５０質量％〜１．９０質量％の量で含まれる。
モリブデンは、強い炭化物形成体であることによって、焼入性及び耐摩耗性に寄与する、重要な元素である。効果は、０．１０質量％〜０．５５質量％の範囲で有効であるが、好ましくは０．１０質量％〜０．４５質量％のより低域で、最も好ましくは０．１０質量％〜０．３０質量％の範囲で維持されることである。
アルミニウムは、望ましくない不純物である、アルミン酸塩の存在をもたらすことによって、鋼の品質に悪影響を及ぼし得るが、結晶粒微細化のために望ましい。したがって、最終溶融組成物中の、アルミニウムの添加を、最大０．０４０質量％まで最小限にすることが重要である。最も好ましくは、アルミニウム０．０２０質量％の目標が、結晶粒微細化を成し遂げるであろう。
リンは、被削性を増すことがあるが、工具鋼におけるこの元素の悪影響、例えば、延性−脆性遷移温度の上昇は、任意の有益な効果を上回る。したがって、リン含有量は、指定された最大０．０２５質量％よりも多くてはならず、最も好ましくは０．０１５質量％よりも少なくあるべきである。
イオウは、被削性のために重要な元素であり、一般に、工具鋼の０．０４５質量％よりも高い含有量が、許容される被削性をもたらすことになると考えられる。しかし、加工処理中の硫化物の制御を維持することは、イオウ０．２０質量％を超える含有量を避けるのに必要なことになる。イオウは、０．０５質量％〜０．１５質量％の量で、最も好ましくは０．０５質量％〜０．１０質量％の範囲で、０．０７質量％を目標として、含まれるべきである。
要求される作動特性を得るために、最終組成物を水焼き入れすることが必要である。しかし、コア及びキャビティの部分は、ツーリングセットのコア側が、キャビティ側よりも低い硬度をもつことを確実にするために、異なる硬度に製造しなければならない。
したがって、キャビティ側の好適な硬度範囲はＢＨＮ２７７〜３２１であり、コア側の好適な硬度範囲はＢＨＮ２６９〜２７７であり、コア側の硬度は、キャビティ側の硬度よりも常に低い。コアの半体がキャビティの半体よりも柔らかい、２つの半体の間の異なる硬度を維持することによって、キャビティの分割線は保持され、すなわち、キャビティ側の分割線ではなく、コア側の分割線の摩耗が好ましい。結果として、キャビティ側の、輝き、欠陥のない表面が、最終成形部品に反映されることになり、したがって、部品のキャビティ側の、後の成形加工処理を最小限とするか、又は必要としないことになる。
次に図５を参照すると、厚さ２０インチ以上の、金型又はダイのコア側の、低合金鋼ブロックを製造する方法は、以下の通りである：
鋼の溶融物を、電気アーク炉で、
ａ 合金成分の大部分を含む鋼組成物の塊を溶融させて、レセプタクルに出銑するのに好適な鋼溶融物を生成する工程（ブロック２０２）と、
ｂ その後、ヒートを加熱し、合金にし、精製して、ヒートをその最終組成物にする工程（ブロック２０４）と、
ｃ むくり上げ方案（ｂｏｔｔｏｍ ｐｏｕｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ）によって、ギア（ｇｅａｒ）を真空脱ガス処理し、注入し、鋳造して、インゴットを形成する工程（ブロック２０６）と、
ｄ インゴットを熱間加工して、低合金の、金型又はダイのブロックを形成する工程（ブロック２０８）と、
ｅ その後、水焼き入れ及び焼き戻しによって、金型又はダイのブロックを熱処理して、熱間加工生成物を生成する工程（ブロック２１０）と
によって、製造する。
前述の方法で鋼を加工処理した後、熱間加工生成物を、温度８００〜９００℃でオーステナイト化する工程（ブロック２１２）、水焼き入れする工程（ブロック２１４）、及び温度５００〜７００℃で焼き戻しする工程（ブロック２１６）に供するべきである。
上記の処理の後、得られた生成物は、ブロックの厚さの１／４よりもより深いところにある、主にベイナイト及び場合により、ベイナイトとパーライトとの混合物を含む微細構造を示すことになる。
１０ コア側
１１ コア
１２ 分割線面
１３ コア側１０の浸食領域
２０ キャビティ側
２１ キャビティ
２２ 分割線面
２３ 分割線
２４ 充填されるキャビティ

Claims (9)

  1. コア側及びキャビティ側を備えるプラスチック射出鋼ツーリングのセットであって、前記セットの前記コア側が、質量パーセントで、以下：
    Ｃ ０．２５〜０．５５％、
    Ｍｎ ０．７０〜１．５０％、
    Ｓｉ 最大０．８０％、
    Ｃｒ １．４０〜２．００％、
    Ｍｏ ０．１０〜０．５５％、
    Ａｌ 最大０．０４０％、
    Ｐ 最大０．０２５％、
    Ｓ 最大０．２０％、及び
    Ｆｅ 残余、並びに偶発的な不純物
    の組成を含む、プラスチック射出鋼ツーリングのセット。
  2. 前記セットの前記コア側が、質量パーセントで、以下：
    Ｃ ０．３０〜０．５０％、
    Ｍｎ １．０５〜１．４５％、
    Ｓｉ 最大０．６０％、
    Ｃｒ １．５０〜２．００％、
    Ｍｏ ０．１０〜最大０．４５％、
    Ａｌ 最大０．０３５％、
    Ｐ 最大０．０２０％、
    Ｓ ０．０５〜０．１５％、及び
    Ｆｅ 残余、並びに偶発的な不純物
    の組成を含む、請求項１に記載のプラスチック射出鋼ツーリングのセット。
  3. 前記セットの前記コア側が、質量パーセントで、以下：
    Ｃ ０．３５〜０．４５％、
    Ｍｎ １．１５〜１．３５％、
    Ｓｉ 最大０．４０％、
    Ｃｒ １．５０〜１．９０％、
    Ｍｏ ０．１０〜０．３０％、
    Ａｌ 最大０．０３０％、
    Ｐ 最大０．０１５％、
    Ｓ ０．０５〜０．１０％、及び
    Ｆｅ 残余、並びに偶発的な不純物
    の組成を含む、請求項１に記載のプラスチック射出鋼ツーリングのセット。
  4. ツーリングセットのキャビティ側と併せて用いられる、プラスチック射出成形ツーリングセットのコア側であって、質量パーセントで、以下：
    Ｃ ０．２５〜０．５５％、
    Ｍｎ ０．７０〜１．５０％、
    Ｓｉ 最大０．８０％、
    Ｃｒ １．４０〜２．００％、
    Ｍｏ ０．１０〜０．５５％、
    Ａｌ 最大０．０４０％、
    Ｐ 最大０．０２５％、
    Ｓ 最大０．２０％、及び
    Ｆｅ 残余、並びに偶発的な不純物
    の組成を含む、プラスチック射出成形ツーリングセットのコア側。
  5. 質量パーセントで、以下：
    Ｃ ０．３０〜０．５０％、
    Ｍｎ １．０５〜１．４５％、
    Ｓｉ 最大０．６０％、
    Ｃｒ １．５０〜２．００％、
    Ｍｏ ０．１０〜０．４５％、
    Ａｌ 最大０．０３５％、
    Ｐ 最大０．０２０％、
    Ｓ ０．０５〜０．１５％、及び
    Ｆｅ 残余、並びに偶発的な不純物
    の組成を含む、請求項４に記載のプラスチック射出成形ツーリングセットのコア側。
  6. 質量パーセントで、以下：
    Ｃ ０．３５〜０．４５％、
    Ｍｎ １．１５〜１．３５％、
    Ｓｉ 最大０．４０％、
    Ｃｒ １．５０〜１．９０％、
    Ｍｏ ０．１０〜０．３０％、
    Ａｌ 最大０．０３０％、
    Ｐ 最大０．０１５％、
    Ｓ ０．０５〜０．１０％、及び
    Ｆｅ 残余、並びに偶発的な不純物
    の組成を含む、請求項５に記載のプラスチック射出成形ツーリングセットのコア側。
  7. 前記コア側が、深さ少なくとも２０インチである、請求項４に記載のプラスチック射出成形ツーリングセットのコア側。
  8. ａ 合金成分の大部分を含む鋼組成物の塊を溶融させて、レセプタクルに出銑するのに好適な鋼溶融物を生成する工程と、
    ｂ その後、ヒートを出銑し、加熱し、合金にし、精製して、ヒートをその最終組成物にする工程と、
    ｃ むくり上げ方案によって、ヒートを真空脱ガス処理し、注入し、鋳造して、インゴットを形成する工程と、
    ｄ 前記インゴットを熱間加工して、低合金の、金型又はダイのブロックを形成する工程と、
    ｅ その後、水焼き入れ及び焼き戻しによって、前記金型又はダイのブロックを熱処理して、最終の熱間加工生成物を形成する工程と
    によって、電気アーク炉で製造される鋼の溶融物から製造される、請求項７に記載のプラスチック射出成形ツーリングセットのコア側。
  9. 前記最終の熱間加工生成物を、引き続いて、
    温度８００〜９００℃でオーステナイト化する工程と、
    水焼き入れする工程と、
    温度５００〜７００℃で焼き戻して、前記コア側が形成されるブロックの厚さの１／４よりも深いところにある、大部分がベイナイト又はベイナイトとパーライトとの混合物からなる微細構造を形成する工程と
    に供する、請求項８に記載のプラスチック射出成形ツーリングセットのコア側。
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