JP3301439B2 - 析出硬化性工具鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラスチック成形工具を
製造するための析出硬化性工具鋼に関する。工具鋼は溶
液加熱処理及び室温への冷却後で工具製造時及び時効処
理による硬化前は、ロックウェルかたさ４０ＨＲＣ未満
であるが、工具製造及び続く時効硬化処理後、即ち析出
硬化状態においては、ロックウェルかたさ４５ＨＲＣ以
上である。鋼は非常に耐腐食性及びプラスチック成形工
具として十分な強靭さも有する。

【０００２】

【従来の技術】工具鋼から製造される工具（型）は、プ
ラスチック製品の成形例えば射出成形及び圧縮成形に使
用される。これらの工具はしばしば非常に大きいと同時
に、非常に複雑な形状でありうる。プラスチック成形作
業中、工具は非常に大きなストレス（応力）：最初に機
械的応力、更に化学的侵食を受ける。これは特に下記の
ような、様々なタイプの工具の損傷の原因となる。 −摩耗 −塑性変形 −破壊（疲労）、及び −腐食

【０００３】工具鋼の特性は、これらの損傷に対する工
具の抵抗性にとって非常に重要性がある。主として、完
璧な工具鋼は、高容量であると同時に高信頼性を有する
プラスチック成形工具を製造するためには硬く、強靭で
耐腐食性であるべきである。他の重要なことは複雑な工
具が、比較的単純な方法、例えば切断作業で製造できる
ことであろう。これは、工具鋼がもし可能ならば、以下
の条件を満足することを意味する。 ・工具が製造されるとき（即ち初期条件）柔らかである
（ロックウェルかたさ４０ＨＲＣ未満）。 ・完成工具の簡単な熱処理手段によって、複雑な調整が
必要な工具の寸法あるいは形を変化させることなく鋼を
硬く（ロックウェルかたさ４５ＨＲＣ以上）することが
できる。

【０００４】これらの全ての点を考慮すると、プラスチ
ック成形用の理想的工具鋼には、下記望ましい特性の組
み合わせが列記される。 １．初期条件でロックウェルかたさ４０ＨＲＣ未満。 ２．簡単な熱処理でロックウェルかたさ４５ＨＲＣ以
上、好ましくは約５０ＨＲＣ以上、が達成される。 ３．非常に大きな寸法（大きな工具）の場合にも同一の
硬度を有することが可能である。 ４．硬度の上昇は、形または容量の複雑な変化を伴わず
に達成される。 ５．鋼は、高耐食性、即ちステンレス型、である。 ６．鋼は、十分強靭である。 ７．鋼は、例えば簡単な表面処理などで非常に良好な耐
摩耗性を有する。

【０００５】良好な耐食性は主要な要件なので、この型
の鋼は、ステンレス鋼を含む鋼のカテゴリー（即ちクロ
ム含量が１０％以上を有する鋼）に見出されなければな
らない。今日、非常に多くの市販の既成ステンレス鋼が
ある。既存の鋼型の徹底的技術評価は、所望特性に関す
る限り、以下のようにまとめることができる。 − オーステナイト、フェライト及びフェライト−オー
ステナイトステンレス鋼は、析出硬化性変化でなくと
も、硬度（２）に関する限り要件を満たす資質をもって
いない。 − 炭素マルテンサイトを基材とするマルテンサイトス
テンレス鋼（いわゆる１３％クロム鋼など）はより優れ
た条件を有し、所望の特性の組合わせを提供する。これ
らの鋼は硬度（１及び２）に関する要件を満たすために
焼入れ及び焼戻しをしなければならないという事実のた
め、形状及び寸法安定性（４）に関する要件を満足しな
いだろう。その上、これらの鋼は通常耐食性が低い。 − 低炭素マルテンサイトを基材とする析出硬化性ステ
ンレス鋼（いわゆるＰＨ・鋼）は、一般に所望の特性組
み合わせを満たすための最も近い条件を持っている。今
日、少なくとも約２０種のこれらのタイプの鋼がある。
一般には、主要な３つのタイプ１７−４ＰＨ，１７−７
ＰＨ及び１５−５ＰＨがあり、最初の数字がクロム含量
を示し、２番目の数字がニッケル含量を示す。通常、析
出硬化性合金添加物として銅またはアルミニウムが使用
される。一般にこれらの鋼は優れた耐食性を持ってい
る。しかし、既成のＰＨ−鋼の研究は、事実として、現
在のところ上記の要件をすべて満足しうる鋼は存在しな
いことを示している。これらの鋼の共通の欠点は、通常
析出硬化効果を提供することができない。即ち、それら
は重要な硬化条件（２）を満たすことができないことで
ある。

【０００６】このように本発明以前には、すべての所望
の特性を満足させうる入手可能な好適な鋼はない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、新規
な、特に、上記の全ての要件（１−７）を満足させう
る、低炭素マルテンサイトを基材とするステンレス析出
硬化性鋼を提供することである。

【０００８】硬度に関する要件（上記１〜４）を満たす
ために、鋼は以下の特性を有する。 ・高温（９００℃以上）でオーステナイトマトリックス ・低含有量の第一フェライト（δ−フェライト）、即ち
５％未満そして好ましくは測定不能量の第一フェライ
ト。 ・非常に高い硬化性、即ち、製品が非常に大きい寸法を
持つ場合でさえも、高温からの冷却によってマルテンサ
イトを形成しうる能力。 ・非焼戻し条件で得られたマルテンサイトの十分低い硬
度（ロックウェルかたさ４０ＨＲＣ以下） ・非焼戻しマルテンサイトの簡単な熱処理（例えば、か
なり低い温度での時効処理）によって十分な硬度（ロッ
クウェルかたさ４５ＨＲＣ以上）が達成しうる。 ・十分な強靭さを有するために時効処理された条件にお
いて、残っているオーステナイトの好適含量、好ましく
は５〜２０％。

【０００９】高すぎるフェライト含量は、特に工具鋼が
大きな寸法をもつ場合に鋼の熱間加工（鍛造，ローリン
グ）における問題とともに不均一な硬度の原因となる。
一方、残留オーステナイト含量が高すぎる場合は非常に
低い硬度の原因となり、残留オーステナイト含量が低す
ぎる場合は強靭さが不充分となる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】優れた耐食性とともに上
記の所望の特性を全て達成するには、いくつかの重要な
合金成分と鋼の組織中のそれらの含量の最適性との間に
複雑な相互作用を有する必要がある。一番大きな問題は
この最適性を有することであるが、以下の組成により十
分に達成された：最高０.０８Ｃ，最高１Ｓi，最高２Ｍ
n，９−１３Ｃr，７−１１Ｎi，最高１Ｍo，１.４〜２.
４Ａl及び残りは主として鉄、通常量の微量元素及び不
純物のみ。

【００１１】

【実施例】鋼中の異なる合金成分は相乗作用として定義
されうる方法で相互に作用するので、各々の単独成分の
重要性と評価するのは難しい。それにも拘わらずこのよ
うな分析をする試みが以下の如くなされている。

【００１２】炭素 炭素含量は、初期状態の鋼の硬化性、即ち、高温の作業
温度域から室温に冷却すると得られる非焼戻しマルテン
サイトの硬度、にとって非常に重要である。硬度は炭素
含量を増やすと非常に増加する。この理由により炭素含
量は低く保たれなければならず、０.０８％を超えては
ならず、好ましくは０.０６％を超えない。しかし、鋼
製造に関する冶金上の理由から、そして鋼が柔らかくな
いようにというためにもある程度の量の炭素は鋼中に存
在するべきである。従って鋼は少なくとも０.０１％の
炭素を含むであろう。炭素は、好ましいフェライトの形
成も妨げる、最適な炭素含量は０.０２〜０.０６％であ
る。

【００１３】ケイ素 この成分は本発明にあまり重要性は持たないが、ステン
レス鋼製造実務の慣用法において、溶融鋼に脱酸化剤と
して添加されうる。しかし、ケイ素は強力なフェライト
安定剤である。従ってケイ素含量は約１％未満に制限さ
れるべきである。

【００１４】マンガン マンガンは本発明の鋼において重要ではないもう１つの
成分である。マンガンはニッケル同様オーステナイト安
定剤であることは事実であるが、ニッケルほどの効果は
ない。更にマンガンはニッケルよりもＭs及びＭf温度を
低下させ、そのことも好ましくない。従って鋼中のマン
ガンの役割は、それ自体公知であるスルホン酸マンガン
を形成することによる脱硫剤としての使用に限られる。
しかし、合金がイオウとの合金を意図するのであれば
（それは、鋼の切断性を改良する常套手段である）、マ
ンガン含量を増やすことが考慮されるだろう。従って本
発明の鋼は、微量から２％までのマンガンを含むであろ
う。

【００１５】クロム 鋼中のクロムの最も重要な目的は、鋼に優れた耐食性と
優れた硬化性を与えることである。鋼に十分な耐食性を
与えるには、少なくとも９％のクロムが必要であり、好
ましくは少なくとも１０％であり、この量は同時に高い
硬化性に対する基礎を与える。しかし、鋼中の合金成分
としてのクロムは、高温でのフェライト安定化であり、
低温での（Ｍs点及びＭf点を減ずる）マルテンサイトへ
のオーステナイトの転換にも作用する。これはクロムが
好ましくない方法で残っているオーステナイトとδ−フ
ェライトを増加させる傾向があることを意味する。この
理由から、クロム含量は最高１３％に制限されなければ
ならない。クロム含量の最適含量は１１〜１２％であ
る。

【００１６】ニッケル ニッケルは鋼中で複数の目的を持つ成分である。クロム
のように、ニッケルは硬化性を増し、耐食性を改善す
る。更にマルテンサイトの強靱さは本成分の添加によっ
て上昇する。しかし、本発明によればニッケルの使用を
必須にするものは、一方で、鋼中のδ−フェライト量を
減少させるというオーステナイト安定効果であり、他方
では、ニッケルとアルミニウムとの組み合わせは析出硬
化性に重要である点である。これはニッケル含量の下限
を設定する。しかし、クロム同様ニッケルも残留オース
テナイトを増加させるＭs 点及びＭf 点を減ずる。これ
が、予測的にニッケル含量の上限を設定する。ニッケル
のδ−フェライトと残留オーステナイトの存在に対する
効果は、それぞれ表２（それぞれ鋼１−４及び６〜７と
比較）に示されている。従って本発明によればニッケル
含量の有効範囲は、７〜１１％、好ましくは８〜１０
％、より好ましくは８.５〜９.５％と狭い。

【００１７】モリブデン モリブデンはケイ素同様、比較的強いフェライト安定剤
であり、この点が、この成分の含量を最高１％に制限す
る。しかし、存在しないと時効処理中にマルテンサイト
構造の破壊（再生）を妨げるので、モリブデンの少量の
添加は好ましい。従って本発明の鋼は好ましくは０.１
〜０.６％のモリブデンを含有する。

【００１８】アルミニウム この成分とニッケルとの組み合わせは、金属間相（Ｎi
Ａl）を形成しうる。この相はオーステナイトに高い溶
解性を持つが、時効処理によりマルテンサイト及びフェ
ライトに強力な析出硬化性効果（硬度の増加）をひきお
こす優れた分散析出物を与える。これが、本発明におい
てアルミニウムを重要成分にし、アルミニウム含量の下
限を少なくとも１.４％、好ましくは少なくとも１.６％
にする。しかし、アルミニウムはフェライトを安定化
し、従って鋼中に望ましくない量のδ−フェライトが存
在する危険を容易に高める。これがアルミニウム含量を
強く制限する。従って鋼は、最高２.２％より多いアル
ミニウム、好ましくは最高２.０％より多いアルミニウ
ムは含むべきではない。

【００１９】チッ素 チッ素は、鋼がプラスチック成形工具の製造に使用され
る場合に好ましくない、鋼の研磨性を損なう硬いチッ化
物を形成するので、製造中に不可避的に溶解される以上
の量のチッ素を鋼は含んではならない。

【００２０】ニオブ，チタン，タンタル，ジルコニウム ニオブ，チタン，タンタル，ジルコニウムのように強い
炭化物及びチッ化物形成による鋼の安定化は、非常に硬
い炭化物粒子及びチッ化物粒子の形成をひきおこす。こ
のような粒子はプラスチック成形工具としての鋼の使用
目的には好ましくない。工具は優れた表面仕上げとなる
ようにみがかれうるべきだからである。従って、鋼は不
可避な極微量より多いニオブ，チタン，タンタルまたは
ジルコニウムを含んではならない。

【００２１】イオウ イオウは、それ自体は公知であるように鋼の切断性を改
良するためにできるだけ鋼に含まれるだろう。しかし、
イオウ含量は０.１％を超えるべきではない。

【００２２】銅 回収スクラップとして再使用するのを難しくする成分を
鋼が含まないことは経済的な観点から重要である。銅は
この点から鋼には望ましくない成分である。事実鋼に銅
を添加することなく前文で述べた特性（１−７）を提供
することが本発明の目的である。銅は析出硬化性に効果
的な強い影響を与えるという事実に拘わらず、鋼が不可
避な不純物として以上に銅を含まないことが本発明の特
長である。

【００２３】実験及び結果 試験した鋼の組成を表１に示した。表に記載した合金成
分以外には鋼は鉄、不純物及び通常量の微量元素のみを
含む。合金は５０kg実験溶融物の形で製造され、５０kg
インゴットに鋳造された。 インゴットは、約１２００
℃から熱いうちに鍛造し、断面が１２５×４０mmの平た
い棒状にした。その後棒を大気中に放置し室温に冷却し
た。

【００２４】 表１ 試験した鋼合金の化学組成（重量％） 鋼 Ｃ Ｓi Ｍn Ｃr Ｎi Ｍo Ａl Ｃu ──────────────────────────────────── 1 0.054 0.41 0.33 11.5 7.3 0.51 2.13 - 2 0.052 0.33 0.31 11.5 8.3 0.32 2.10 - 3 0.053 0.31 0.30 11.5 9.3 0.32 2.06 - 4 0.051 0.28 0.28 11.4 10.4 0.31 2.04 - 5 0.060 0.43 0.34 11.6 9.2 0.32 1.77 - 6 0.024 0.38 1.03 11.4 9.3 0.26 2.00 - 7 0.025 0.39 0.37 11.5 11.4 0.26 2.10 - 8 0.053 0.37 0.35 11.2 6.3 0.54 1.50 2.91 9 0.025 0.39 1.08 11.8 8.3 0.26 1.80 3.01 10 0.052 0.37 0.32 9.7 7.2 0.50 2.20 - 11 0.038 0.30 0.32 11.2 9.3 0.30 1.40 - 鋼合金の硬度は初期条件（鍛造及び室温に空冷）、次い
で時効処理条件（５００〜５２５℃／２ｈ、次に室温に
空冷）で測定した。更に、合金中のフェライト及び残留
オーステナイトの量を測定した。測定値を表２に示し
た。

【００２５】 表２ 試験した鋼合金の硬度及びフェライト及び残留オーステナイト量 Ｕ＝初期条件 Ａ＝時効処理条件 鋼 硬 度 硬 度 フェライト 残留オーステナイト （Ｕ） （Ａ） （Ｕ） （Ｕ） ＨＲＣ ＨＲＣ ％ ％ 1 37 49 14 1 2 37 51 3 3 3 36 51 2 12 4 30 43 ＞0.5 25 5 34 46 0.5 17 6 30 50 ＞0.5 12 7 28 40 ＞0.5 30 8 39 51 1 4 9 31 50 ＞0.5 18 10 37 50 8 3 11 35 47 ＞0.5 15

【００２６】本発明の組成を有する合金が硬度に関して
要求（上記１−３）を満たしうることは表２から明らか
である。他の要求（上記４−７）も満たしうるかどうか
を試験するために、主に表１のNo.2及び 3の鋼につい
て、時効処理、腐食試験、強靱さ試験及びチッ素実験に
ついては容量を変えて測定した。その結果は以下のよう
にまとめられる。

【００２７】時効処理は全方向０．１０％以下（典型的
には０．０５％）のほぼ均一な収縮をもたらす。これは
鋼が硬化、高温にさらされた従来の工具鋼に比較して非
常に優れた寸法安定性を持つことを示す。

【００２８】塩霧チャンバ(salt-fog-chamber）内での
腐食試験及びタイプ記録式分極グラフ(type registerin
g polarization graph)の腐食試験は、本発明の鋼が非
常に優れた腐食耐性、例えば１７％クロム含有の１７−
４ＰＨ級よりも優れた腐食耐性を有する。この驚くほど
高い腐食耐性は、本発明を特徴づけるＣｒ，Ｎｉ及びＡ
ｌ含量の特異な組み合わせの好ましい相乗効果になるよ
うである。

【００２９】衝撃強度試験は３８−５１ＨＲＣの範囲で
のいろいろな硬度について時効処理の後で行った。衝撃
強度は普通の鋼の様に硬度が高くなるにつれ低くなっ
た。強靱さのレベルは、通常のレベル（例えば、強靱
鋼）であり、プラスチック成形工具に使用するには全く
十分である。

【００３０】ガスチッ化（簡単なそして確立された表面
処理方法である）を試験した。結果は本発明による鋼は
非常に優れたチッ化力を有しかつ非常に硬い（ビッカス
かたさ１４００ＨＶ）耐摩耗性チッ化層が形成されうる
ことを示している。ステンレス鋼のこの特異な特徴の原
因は、アルミニウム含量が多いことであり、それは事実
本発明の鋼をステンレス“チッ化鋼”にする。

【００３１】本発明による鋼の耐摩耗性を上昇させる方
法としてチッ化を用いることの興味深い点は、時効処理
とチッ化が多くの応用例で実質的に簡素化を意味する一
工程として行いうることである。

【００３２】本鋼の最適組成（特許請求の範囲に記載し
た含量で表わされる）では、実験が比較的小規模の実験
室規模でなされたことを考慮した。量産段階ではより大
きい寸法が低い析出硬化効果、即ち、表２に示したのよ
りいく分低い時効処理後の硬度を与えるであろうことを
理解しなければならない。例えば、鋼製品が大きい寸法
であるならば表１，２の鋼No.11は硬度（ロックウェル
かたさ４５ＨＲＣ以上）に関して要求を満たしていな
い。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−57745（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−63210（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−259921（ＪＰ，Ａ) 特公 昭57−19738（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60 C21D 6/00 - 6/04

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱処理及び室温への冷却後、工具製造
   時及び時効処理による硬化前は、ロックウェルかたさ４
   ０ＨＲＣ未満の硬度であるが、工具製造後及び、続く時
   効硬化処理後、即ち、析出硬化状態においてはロックウ
   ェルかたさ４５ＨＲＣより硬く、高い耐食性及びプラス
   チック成形工具として十分な強靱さを有し、 を含み、残りは鉄及び不純物であり、不可避な不純物で
   存在する以上の量のＮｂ、Ｔｉ、Ｔａ及びＺｒからなる
   群から選ばれる元素を含まず、析出硬化処理後、５〜２
   ０％の残留オーステナイト及び５％未満のフェライトを
   含む実質的にマルテンサイト構造を有する、プラスチッ
   ク成形工具製造用析出硬化性工具鋼。
2. 【請求項２】 ０.０１〜０.０７重量％Ｃを含む、請求
   項１記載の鋼。
3. 【請求項３】 少なくとも、１０重量％Ｃrを含む、請
   求項１記載の鋼。
4. 【請求項４】 １１〜１２重量％Ｃrを含む、請求項１
   記載の鋼。
5. 【請求項５】 ８〜１０重量％Ｎiを含む、請求項１記
   載の鋼。
6. 【請求項６】 ８.５〜９.５重量％Ｎiを含む、請求項
   ５記載の鋼。
7. 【請求項７】 ０.１〜０.６重量％Ｍoを含む、請求項
   １記載の鋼。
8. 【請求項８】 １.６〜２.０重量％Ａlを含む、請求項
   １記載の鋼。
9. 【請求項９】 鋼の切断性を改善するために最高０.１
   ％の量のイオウを含む、請求項１から８のいずれか１項
   記載の鋼。
10. 【請求項１０】 ４７５〜５５０℃の温度で少なくとも
    ３０分そして４時間未満の時効により析出処理後、５〜
    ２０％の残留オーステナイト及び５％未満のフェライト
    を含む実質的にマルテンサイト構造を有する、請求項１
    から８のいずれか１項記載の鋼。
11. 【請求項１１】 請求項１から１０のいずれか１項記載
    の鋼で製造されたプラスチック成形工具。
12. 【請求項１２】 請求項１０記載の鋼で製造されたプラ
    スチック成形工具。
13. 【請求項１３】 硬い耐摩耗性チッ化表面層を有する請
    求項１１記載の工具。
14. 【請求項１４】 硬い耐摩耗性チッ化層を有する請求項
    １２記載の工具。