JP3360926B2 - プラスチック成形用プリハードン鋼およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極めて優れた靭性を有
し、さらに被切削性と硬さを兼ね備えた新しいプリハー
ドンタイプのプラスチック成形用鋼およびその製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】主として金型として使用されるプラスチ
ック成形用プリハードン鋼は金型等の製作期間の短縮と
使用寿命の向上の観点から、被切削性と同時に、強度、
耐摩耗性に優れ適度の靭性が必要とされるものである。
しかし、これらの要求特性は相反する性質であり、どの
特性も十分に満足のいく鋼は得られていない。本願出願
人は、上述した性質をある程度満足するプラスチック成
形用プリハードン鋼として、ＡｌとＮｉの金属間化合物
を析出させるとともに、Ｃｕを２％程度に含有させ、Ｆ
ｅ−Ｃｕ固溶体を微細析出させることによって硬さと被
切削性を兼備した低Ｃ-Ｍn-Ｎi-(Ｍo,Ｗ)-高Ｃu-Ａl系
合金を特開昭６３−１１４９４２号および特開昭６３−
１８３１５８号に提案している。

【０００３】また、最近では低Ｃ-Ｍn-Ｎi-Ｍo(Ｗ)-Ｃu
-Ａl系合金に対して、Ｓｉを０．１％以下に規定するこ
とによって、縞状偏析の発生を低減し、炭化物を細粒に
することにより強度の異方性を改善する提案が特開平５
−７０８８８号等になされている。また、結晶粒度を粒
度番号４〜６の範囲とすることによって靭性および被削
性を兼ね備えるという提案が特開平５−７０８８７号に
なされている。これらに提案された鋼の組織は、Ｃを低
く規定することによって均一な上部ベイナイト組織に調
製されており、この上部ベイナイト組織により被削性を
確保するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した提案はそれぞ
れ、プラスチック成形用プリハードン鋼の性能向上に貢
献する一つの手段を提供しているものである。しかし、
最近は金型の使用コスト削減の要求が極めて高く、従来
の金型の性能を維持したまま、金型寿命の延長化を行な
う必要が生じてきており、上述した従来の金型では満足
できる寿命が得られていない。本発明の目的は、上述し
た要求に鑑み、プリハードン鋼の性能を維持しつつ金型
等の工具寿命の延長化が達成できるプラスチック成形用
プリハードン鋼およびその製造方法を提供することであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段〕本発明者
は、低Ｃ-Ｍn-Ｎi-(Ｍo,Ｗ)-Ｃu-Ａl系合金の組成およ
び組織と被切削性および靭性との関係を詳細に検討した
ところ、被切削性を向上するために必須の組織と考えら
れていた上部ベイナイト組織ではなく、下部ベイナイト
組織に調製することによって、被削性と靭性を兼ね備え
たプラスチック成形金型用鋼を見出した。 【０００６】すなわち本発明は、重量％でＣ 0.05〜0.
17%、Ｓi 0.60%以下、Ｍn 0.5〜2.0%、Ｎi 2.5〜3.5
%、Ａl 0.5〜1.5%、Ｃu 0.7〜2.5%、残部Ｆeおよび不
可避的不純物よりなる組成を有し、組織が下部ベイナイ
ト組織であることを特徴とするプラスチック成形プリハ
ードン金型用鋼である。

【０００７】とくに好ましくは、重量％でＣ 0.08〜0.
17%、Ｓi 0.60%以下、Ｍn 1.25〜1.70%、Ｎi 2.6〜
3.5%、Ａl 0.95〜1.50%、Ｃu 1.8〜2.5%に規制する。

【０００８】また本発明の他の発明は、上記鋼のいずれ
かを基本組成としてＦｅの一部をＭo、Ｗを単独または
複合で1/2Ｗ＋Ｍo 0.7%以下で置換し、組織を下部ベイ
ナイト組織としたことを特徴とするプラスチック成形用
プリハードン鋼である。また本発明の他の発明は上記鋼
のいずれかを基本組成としてＦｅの一部をＣｒ0.5%以下
で置換し、組織を下部ベイナイト組織としたことを特徴
とするプラスチック成形用プリハードン鋼である。

【０００９】また本発明の他の発明は上記鋼のいずれか
を基本組成としてＦｅの一部をＳ0.3%以下で置換し、組
織を下部ベイナイト組織としたことを特徴とするプラス
チック成形用プリハードン鋼である。また本発明の他の
発明は上記鋼のいずれかを基本組成としてＦｅの一部を
４Ａ族元素および５Ａ族元素より選ばれる少なくとも１
種で0.5%以下で置換し、組織を下部ベイナイト組織とし
たことを特徴とするプラスチック成形用プリハードン鋼
である。

【００１０】また本発明の他の発明は上記鋼のいずれか
を基本組成としてＦｅの一部をＢｅ0.5%以下およびＢ
0.01%以下から選ばれる少なくとも１種で置換し、組織
を下部ベイナイト組織としたことを特徴とするプラスチ
ック成形用プリハードン鋼である。また本発明の他の発
明は上記鋼のいずれかを基本組成としてＦｅの一部をＰ
ｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｔｅから選ばれる少なくとも１種で0.
5%以下の範囲で置換し、組織を下部ベイナイト組織とし
たことを特徴とするプラスチック成形用プリハードン鋼
である。

【００１１】また本発明の製造方法は、上述した重量％
でＣ 0.05〜0.17%、Ｓi 0.60%以下、Ｍn 0.5〜2.0
%、Ｎi 2.5〜3.5%、Ａl 0.5〜1.5%、Ｃu 0.7〜2.5%
を基本合金成分とし、残部Ｆeを主体とする合金を、オ
ーステナイト領域まで加熱した後、下部ベイナイト領域
へ冷却する下部ベイナイト生成熱処理を行なうことを特
徴とするプラスチック成形用プリハードン鋼の製造方法
である。

【００１２】

【作用】本発明の根幹をなす特徴の一つは、低Ｃ-Ｍn-
Ｎi-(Ｍo,Ｗ)-Ｃu-Ａl系のプラスチック成形プリハード
ン金型用鋼において、組織を下部ベイナイト組織とした
ことである。上述したように、従来の低Ｃ-Ｍn-Ｎi-(Ｍ
o,Ｗ)-Ｃu-Ａl系合金をプラスチック成形プリハードン
金型用鋼として使用する場合には、その被削性を確保す
るために、上部ベイナイト組織に調製されていた。しか
し、上部ベイナイト組織は、被削性の優れた組織ではあ
るが、反面靭性の低い組織である。本発明者は、上部ベ
イナイト組織を靭性の高い下部ベイナイト組織に変える
ことによって、金型寿命の延長化が達成できることを見
出したものである。

【００１３】本発明で規定する下部ベイナイト組織は、
組成を決めるだけで得られるものではなく、鋼のＣＣＴ
曲線におけるベイナイトノーズの下部、すなわちベイナ
イトノーズの先端より低温側で変態させる熱処理を行う
必要がある。なお、ベイナイトノーズよりも速くなる急
冷熱処理を行なうと組織がマルテンサイトになり、被削
性が著しく劣化するため好ましくない。

【００１４】また、本発明の望ましい組成の特徴は、高
ＣｕによりＦｅ−Ｃｕ固溶体を微細に析出させることに
よって、硬さと被削性を兼備させた低Ｃ-Ｍn-Ｎi-(Ｍo,
Ｗ)-高Ｃu-Ａl系のプラスチック成形用プリハードン鋼
において、Ａｌを増加して被削性を改善するとともに、
Ｍｎを高めた組成とすることにより、組織が下部ベイナ
イト組織であっても極めて優れた靭性と被削性を兼備さ
せたことにある。

【００１５】以下、本発明で規定する組成の規定理由に
ついて述べる。Ｍｎは本発明において、靭性の高い下部
ベイナイト組織を基地としたプラスチック成形プリハー
ドン金型用鋼にとって、最も重要な元素である。Ｍｎは
基本的には基地の靭性を高める元素であり、0.5%以上必
要である。またＭｎはベイナイト焼入れ性を高め本発明
の組織の特徴である下部ベイナイト組織を得やすくする
元素である。そのため好ましくは1.0%以上、さらに望ま
しくは1.25%以上添加する。またＭｎはフェライトの生
成を抑制し、適度の焼入れ焼戻し（時効）硬さを与える
という効果もある。Ｍｎは多すぎると靭性が高くなりす
ぎ、Ａｌ添加によって得られる優れた被切削性を保つこ
とができなくなるため、2.0%以下に規定する。

【００１６】Ａlは焼戻し(時効)処理においてＮi-Ａl金
属間化合物の微細析出による析出(時効)硬化をもたら
し、本発明の優れた被切削性を形成させる重要な元素の
一つである。またＡｌは所要硬さを得るための添加元素
でもある。また、Ａｌは窒化時の窒化硬さを上昇させる
効果をもたらすものである、多すぎるとアルミナ系介在
物の生成量が増加し、鏡面仕上性を低下させ、また耐孔
食性を低下させ、さらに延性の過度の低下をまねくので
1.5%以下とし、低すぎると被切削性が低下するため0.5%
以上とする。好ましくは、下部ベイナイト組織としたと
きの被削性をより高めるため0.95%以上とする。

【００１７】Ｃは低Ｃ-Ｍn-Ｎi-Ｍo(Ｗ)-Ｃu-Ａl系のプ
ラスチック成形プリハードン金型用鋼の焼入組織をベイ
ナイト組織に保ち、かつ焼戻しにおけるＣu-Ｆe固溶
体、Ｎi-Ａl金属間化合物やＭo、Ｗ炭化物の析出に基づ
く析出硬化をもたらすための基質を与えるための基本的
添加元素である。多すぎると基地をマルテンサイト組織
化して被切削性を減じ、また過度の炭化物を形成して被
切削性を低下させる。そのため本発明においては0.05〜
0.17%に規定した。好ましくは0.08%以上とする。Ｓiは
使用時の雰囲気に対する耐食性を高めるために添加され
る。多すぎるとフェライトの生成をまねき、また被切削
性を低下させるので0.6%以下とする。Ｓｉを低減すると
異方性の低減され、また縞状偏析が低減され、優れた鏡
面加工性が得られるため、好ましくは0.4%以下、より好
ましくは0.1%以下である。

【００１８】Ｎiはベイナイト焼入性を高め、またフェ
ライトの生成を抑制し、さらに焼戻し(時効)の際、Ｎi-
Ａl金属間化合物を析出させ、所要の硬さを得るととも
に延性を適度に低下させ、被切削性の向上を得るために
添加される。多すぎるとベイナイト変態温度を低下さ
せ、ベイナイト組織を過度に微細化させ、また基地の粘
さを上げて被切削性を低下させるので3.5%以下とし、低
すぎると上記添加の効果が得られないので2.5%以上とす
る。好ましくは2.6%以上である。

【００１９】Ｃuは本発明鋼の焼戻し(時効)処理におい
て、Ｆe-Ｃu固溶体の微細析出による析出(時効)硬化を
もたらし、本発明鋼の基本的な被切削性を付与するため
の、また所要の硬さを得るための元素である。またＣｕ
は優れた耐食性をもたらすものである。多すぎると熱間
加工性を低下させ、またベイナイトを微細化させ、かえ
って被切削性を低下させるので2.50%以下とし、低すぎ
ると上記添加の効果が得られないので0.7%以上とする。
好ましくは1.8%以上として、Ｆｅ−Ｃｕ固溶体による被
削性をより高めることが望ましい。

【００２０】Ｃrは本発明鋼の耐食性を高め、また窒化
時の硬さを高め、さらに研磨加工時あるいは金型保管時
の発錆を抑制するため、目的、用途により添加してもよ
い。多すぎるとベイナイト組織を微細化し被削性を劣化
するため、とくに被切削性が要求されるプラスチック成
形用の金型にとっては0.50%以下とする必要がある。
Ｗ、Ｍoは本発明鋼の500℃を越える高温焼戻し(時効)処
理において、微細炭化物を析出し、析出(時効)硬化をも
たらし、また使用時の雰囲気に対する耐食性を高める作
用を有する元素であり、目的、用途により添加してもよ
い。本用途の場合、多量の添加は必要なく、多すぎると
被切削性の低下をまねくので、1/2Ｗ＋Ｍo 0.70%以下
とし、上記添加の効果を特に得ようとする場合には、好
ましくは1/2Ｗ＋Ｍoで0.10%以上とする。

【００２１】また本発明において特に被削性を高めるた
めにはＳを0.3%以下添加する。Ｓの添加は被削性の向上
には極めて有効であるが、添加によって鏡面加工性が劣
化するため、鏡面性が特に要求される場合は、不純物と
してその利用を0.004%以下に低減することが望ましい。
また、４Ａ、５Ａ族の元素であるＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔ
ｉ，Ｚｒ，Ｈｆより選ばれる少なくとも１種の元素は、
結晶粒を微細化し、靭性を高めるという点で同様の作用
を有する元素である。多量の添加は、溶体化硬さおよび
時効硬さを必要以上に高めて、被削性や靭性を低下する
ことになるため、添加する場合は0.5%以下にする必要が
ある。

【００２２】ＢｅおよびＢから選ばれる少なくとも１種
の元素は、大型の金型における焼入れ性を改善する元素
として同様の作用を有する元素である。これらの元素
は、多量に添加しても効果は少なく、かえって加工性を
劣化させるため、Ｂｅ0.5%以下およびＢ0.01%以下とす
る。また、Ｐｂ，Ｂｉ，Ｓｅ，Ｔｅから選ばれる少なく
とも１種の元素は、被削性を改善する元素として同様の
作用を有する。これらの元素の多量の添加は靭性を劣化
するため、総量で0.5%以下とする。

【００２３】本発明のプラスチック成形用プリハードン
鋼は、ＨＲＣ27ないしそれ以上の硬さのプリハードン
(調質)状態(一般に焼入後400℃以上の焼戻し)で供給さ
れるものである。本発明のプラスチック成形用プリハー
ドン鋼はそのまま型彫加工→研磨加工、さらに高度の鏡
面仕上やシボ加工処理等を施して使用されるものであ
る。

【００２４】

【実施例】

（実施例１）表１に示す化学成分を有する合金Ａ−Ｇを
熱間圧延した後、９００℃のオーステナイト領域まで加
熱し、冷却速度として合金ＡおよびＢは半冷５分、合金
Ｃ、ＤおよびＥは半冷１５分、合金ＦおよびＧは、半冷
６０分の条件によりベイナイト熱処理を施し、下部ベイ
ナイト組織を得、５４０〜５９０℃の温度範囲で焼戻し
を行ない、硬さをＨＲＣ３８〜４０に調製した。なお、
半冷(時間)とは、焼入れ温度から、（焼入れ温度＋室
温）／２の温度まで冷却するに要する時間である。ま
た、比較例として同一組成の試験片を９００℃のオース
テナイト領域から、合金ＡおよびＢは半冷１５分、合金
Ｃ、ＤおよびＥは半冷６０分、合金ＦおよびＧは、半冷
１２０分の条件によりベイナイト熱処理を施し、上部ベ
イナイト組織を得、５００〜５６０℃の温度範囲で焼戻
しを行ない、硬さをＨＲＣ３８〜４０に調製した。

【００２５】得られた試料から本発明の典型的な組織と
して、合金Ｄを用いたときの本発明の下部ベイナイト組
織を図１に示す。また比較例として、おなじ合金Ｄを用
いた時の上部ベイナイト組織を図２に示す。本発明にお
ける下部ベイナイト組織は、図３に示す基準組織と同等
もしくはそれ以上の粒内析出炭化物が存在する組織であ
る。次に、それぞれの試料の機械的特性、被削性を評価
した。被削性は、ＪＩＳＳＫＨ５９のＣｏ含有高速度工
具鋼のエンドミルを用いた切削試験を行ないエンドミル
の逃げ面の摩耗量を測定し、０．３ｍｍの摩耗が進行す
るまでの切削距離として評価した。

【００２６】また鏡面加工性は、エメリー番号 ＃４０
００のダイヤモンドペーストによる研磨を行い評価し
た。この鏡面加工性の評価は極めて微妙なものであり、
定量することが難しく、本実施例では下部ベイナイト組
織を有する本発明鋼Ｎｏ．７を基準として、これよりも
明らかにピットの発生の少ないものを秀、同等のものを
良、やや劣るものを可、金型としては不適であると判断
できるものを不可として評価した。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】表２に示すように、下部ベイナイト組織に
調製した本発明鋼は、上部ベイナイトに調製した比較鋼
に比べて大幅に靭性に優れたものとなることが分かる。
鏡面加工性は、本発明鋼と比較鋼との差異はなく、プラ
スチック成形用プリハードン金型用鋼としては、優れた
鏡面加工性を有するものであった。なお、Ｍｎ量が１．
２５％未満の合金Ａ，Ｂでは、下部ベイナイト組織を有
する本発明鋼Ｎｏ．１および３の被削性は、上部ベイナ
イト組織を有する比較鋼Ｎｏ．２および４に対してやや
低下する結果となった。一方、Ｍｎ量を１．２５％以上
添加した合金Ｃ〜Ｇでは、下部ベイナイト組織に調製し
た本発明鋼は、上部ベイナイト組織を有する比較鋼と同
等の被削性を有しながら、極めて靭性の高いものとなる
ことがわかる。

【００３０】（実施例２）表３に示す化学成分を有する
合金Ｈ〜Ｚを熱間圧延した後、９００℃のオーステナイ
ト領域まで加熱し、冷却速度として半冷２０分の条件に
よりベイナイト熱処理を施し、下部ベイナイト組織を
得、５４０〜５９０℃の温度範囲で焼戻しを行ない、硬
さをＨＲＣ３８〜４０に調製した。また、比較例として
同一組成の試験片を９００℃のオーステナイト領域か
ら、半冷９０分の条件によりベイナイト熱処理を施し、
上部ベイナイト組織を得、５００〜５６０℃の温度範囲
で焼戻しを行ない、硬さをＨＲＣ３８〜４０に調製し
た。実施例１と同様に機械的特性、被削性および鏡面加
工性を評価した。結果を表４および表５に示す

【００３１】

【表３】

【００３２】

【表４】

【００３３】

【表５】

【００３４】表４および表５に示すように、下部ベイナ
イト組織に調製した本発明鋼は、上部ベイナイトに調製
した比較鋼に比べて大幅に靭性に優れたものとなること
がわかる。表３、表４および表５より、Ｓｉの低い合金
Ｈを使用した試料Ｎｏ．１５および１６は、優れた鏡面
加工性が得られている。また、Ｃｕ量の少ない合金Ｉを
使用した試料Ｎｏ．１７および１８は、Ｃｕ量の高い試
料に比べて被削性が劣る結果となった。また特にＳを添
加した合金Ｊ，Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｕを使用した試料は、被削
性に対して極めて優れた結果が得られ、被削性を高めた
鋼として有効であることがわかる。なお、Ｓを添加する
合金Ｊ，Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｕは、被削性は優れるものの、鏡
面加工性はやや劣るものとなるため、特に鏡面加工性が
要求される場合にＳ量は低減すべきであることがわか
る。

【００３５】

【発明の効果】本発明鋼は、従来のプラスチック成形用
プリハードン鋼にはない優れた靭性を有し、被削性も兼
ね備えている。したがって、他の特性を大きく劣化させ
ず、プラスチック成形用の工具寿命の延長化が達成でき
極めて有効である。また本発明鋼は靭性が高いため、金
型などの加工に伴う熱応力によっても割れが発生しにく
く、より精密な金型加工を行なうのに特に適したものと
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の金属ミクロ組織の一例を示す写真であ
る。

【図２】比較例の金属ミクロ組織の一例を示す写真であ
る。

【図３】下部ベイナイト金属組織を説明するための写真
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−70827（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−114942（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−13848（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−258787（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−77562（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−5822（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−162811（ＪＰ，Ａ) 特公 平４−2659（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％でＣ 0.05〜0.17%、Ｓi 0.60%
   以下、Ｍn 0.5〜2.0%、Ｎi 2.5〜3.5%、Ａl 0.5〜1.
   5%、Ｃu 0.7〜2.5%、残部Ｆeおよび不可避的不純物よ
   りなる組成を有し、組織が下部ベイナイト組織であるこ
   とを特徴とするプラスチック成形用プリハードン鋼。
2. 【請求項２】 重量％でＣ 0.08〜0.17%、Ｓi 0.60%
   以下、Ｍn 1.25〜1.70%、Ｎi 2.6〜3.5%、Ａl 0.95
   〜1.50%、Ｃu 1.8〜2.5%に規制したことを特徴とする
   請求項1に記載のプラスチック成形用プリハードン鋼。
3. 【請求項３】 Ｆｅの一部をＭo、Ｗを単独または複合
   で1/2Ｗ＋Ｍo 0.7%以下で置換したことを特徴とする請
   求項１ないし２のいずれかに記載のプラスチック成形用
   プリハードン鋼。
4. 【請求項４】 Ｆｅの一部をＣｒ 0.5%以下で置換した
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の
   プラスチック成形用プリハードン鋼。
5. 【請求項５】 Ｆｅの一部をＳ 0.3%以下で置換したこ
   とを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のプ
   ラスチック成形用プリハードン鋼。
6. 【請求項６】 Ｆｅの一部を４Ａ族元素および５Ａ族元
   素より選ばれる少なくとも１種で0.5%以下で置換したこ
   とを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のプ
   ラスチック成形用プリハードン鋼。
7. 【請求項７】 Ｆｅの一部をＢｅ 0.5%以下およびＢ
   0.01%以下から選ばれる少なくとも１種で置換したこと
   を特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のプラ
   スチック成形用プリハードン鋼。
8. 【請求項８】 Ｆｅの一部をＰｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｔｅか
   ら選ばれる少なくとも１種で0.5%以下の範囲で置換した
   ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の
   プラスチック成形プリハードン金型用鋼。
9. 【請求項９】 重量％でＣ 0.05〜0.17%、Ｓi 0.60%
   以下、Ｍn 0.5〜2.0%、Ｎi 2.5〜3.5%、Ａl 0.5〜1.
   5%、Ｃu 0.7〜2.5%、残部Ｆeを主体とする鋼を、オー
   ステナイト領域まで加熱した後、下部ベイナイト領域へ
   冷却する下部ベイナイト生成熱処理を行なうことを特徴
   とするプラスチック成形プリハードン金型用鋼の製造方
   法。