JP3386525B2 - 金型用鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は極めて優れた被切削性を
有することを特徴とし、かつ優れた研磨仕上性および耐
摩耗性を兼備し、主としてプラスチック成形に使用され
る金型用鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】プラスチック成形金型用鋼としては、 (1) 鏡面仕上性が良く、ピンホールやその他微細ピッ
トの発生傾向が小さい。 (2) シボ加工性が良いこと。 (3) 耐食、耐発錆性が良いこと。 (4) 強度、耐摩耗性、靭性が良いこと。 (5) 被切削性が良いこと。 などが要求される。従来、プラスチック成形用金型用鋼
にはＳＣＭ４４０などの中Ｃ-Ｍn-Ｃr-Ｍo-Ｆe系が使用
されていたが、上記要求が高まり、なかでも近年におい
ては、製作納期の短縮が特に重要な顧客要求として強く
提起されている。この要求に応えて加工工数を低減する
目的から、例えば特公昭52-1372号に提案される低Ｃ-Ｍ
n-Ｃr-Ｍo-Ｓ-Ｆe系や、これに焼入性を補うためにＮi
を添加した特公昭 56-21063号の鋼などが、さらにＳ無
添加でＣuを含有させて被切削性を改良した特公昭60-41
700号や特開昭60-204869号などに開示される鋼が一般に
使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述の低Ｃ-
Ｍn-Ｃr-Ｍo-Ｓ-Ｆe系、あるいは低Ｃ-Ｍn-Ｎi-Ｃr-Ｍo
-Ｓ-Ｆe系のプラスチック成形用鋼で、たとえば最大長
さが2ｍ程度の大形の金型を製造した場合、硫化物等の
偏析により研磨仕上性、耐摩耗性および靭性などが劣化
するため、十分な型寿命が得られない問題があった。ま
た、Ｓ無添加の特公昭60-41700号に開示される低Ｃ-Ｍn
-Ｃr-Ｃu-Ｆe系では焼入焼もどしにおける軟化抵抗が小
さく、550℃前後において窒化処理した場合などには硬
さの低下が見られ、特開昭60-204869号に示される低Ｃ-
Ｍn-Ｎi-Ｃr-Ｍo(1/2Ｗ)-Ｃu-Ｆe系はＣが低いため、十
分な析出強化が得られず、必ずしも満足できるものでは
なかった。本発明は、上記プラスチック成形金型用鋼の
諸要求を大形の金型を製造した場合においても満し、か
つＣr、Ｍo(1/2Ｗ)、Ｃu、およびＶによる十分な析出強
化により、極めて優れた強度と被切削性を有する金型用
鋼の提供を目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明鋼のうち、第１の
発明は、重量％で、Ｃ 0.13〜0.25%、Ｓi 1.00%以
下、Ｍn 2.00%以下、Ｃr 1.05〜2.50%、ＭoとＷは単
独または複合でＭo＋1/2Ｗ 0.25〜1.00%、Ｖ 0.03〜
0.15%、Ｃu 0.10〜1.00%、Ｓ 0.015〜0.048%、残部Ｆ
eおよび不可避的不純物からなることを特徴とする金型
用鋼であり、第２の発明は、重量％で、Ｃ 0.13〜0.25
%、Ｓi 1.00%以下、Ｍn 2.00%以下、Ｎi2.0%以下、Ｃ
r 1.05〜2.50%、ＭoとＷは単独または複合でＭo＋1/2
Ｗ 0.25〜1.00%、Ｖ 0.03〜0.15%、Ｃu 0.10〜1.00
%、Ｓ 0.015〜0.048%、残部Ｆeおよび不可避的不純物
からなることを特徴とする金型用鋼である。また、上記
第１または第２の発明の金型用鋼は、必要に応じてＣa
を0.0005〜0.010%添加することができ、あるいはさら
に、窒化処理をして使用することができる。

【０００５】以下、本発明をさらに詳細に説明する。本
発明鋼は、低Ｃ-Ｍn-Ｃr-Ｍo(Ｗ)-Ｖ-Ｃu-Ｆe合金系、
あるいは低Ｃ-Ｍn-Ｎi-Ｃr-Ｍo(Ｗ)-Ｖ-Ｃu-Ｆe合金系
を基本成分とし、Ｓの適切な抑制とＣu添加による硫化
物の均一分散化の促進を狙った合金である。これらの合
金は焼入により均一な上部ベイナイト組織を生成し、さ
らに550℃以上の高温焼もどしで30HRC前後の硬さに調整
することにより、Ｆe-Ｃu固溶体およびＣr,Ｍo(Ｗ)、Ｖ
炭化物を析出させ、さらにこれらを凝集させることによ
り、高い強度を付与するとともに、適度に脆化を起こさ
せ、基地自体に極めて良好な被切削性を付与する。した
がって、通常、鋼に快削性を付与する手段として多量に
添加されるＳが少量に限定されても、極めて優れた被切
削性を得ることが可能なため、本発明鋼はＳを0.015〜
0.048％とした点が特徴である。またＳを0.015〜0.048
％、さらにはＣａ添加により、硫化物の偏析に起因し
た、溶接時のピンホール発生や放電加工面の肌荒れ、さ
らには研磨仕上性、耐摩耗性および靭性の劣化等の諸問
題は回避され、Ｃr、Ｍo、Ｗ、ＣuあるいはさらにＮiの
含有とあいまって優れた耐食性、耐発錆性が得られる。

【０００６】このように基地自体に良好な被削性を付与
して、Ｓを低減した点において特公昭52-1372号と著し
い差異がある。本発明におけるＭoとＷは単独または複
合で添加し、Ｍo量と1/2Ｗ量は等価の添加効果がある。
本発明においてＭoやＷは、焼入焼もどし時の軟化抵抗
を高め、さらに金型表面のＦe-Ｃr酸化皮膜、またはＣr
酸化皮膜中に固溶して皮膜を強化して金型の耐食性を向
上させるので重要な元素である。本発明鋼は、30HRC前
後の硬さのプリハードン状態(一般に焼入後550℃以上の
焼もどし)で供給され、そのまま型彫加工の後、研磨仕
上を施して使用されるものである。したがって、型彫加
工後の熱処理を要せず、良好な被切削性、優れた研磨仕
上性をもたらし、また大形の金型においても、へたり、
摩耗の懸念を要せず、長寿命を与えることを可能にする
新しい金型用鋼である。

【０００７】本発明鋼は、Ｓなどの快削元素の低減を図
っているため、金型の大形化にともなう著しい偏析発生
を心配する必要がない。したがって本発明鋼は小物用の
金型だけでなく、特にサイズの大きい金型、例えば金型
の一辺の最大長さが2000mm程度の金型に適用すると有効
である。

【０００８】

【作用】次に本発明鋼の成分限定の理由について述べ
る。Ｃは本発明鋼の焼入組織を被切削性の良好な上部ベ
イナイト組織に保ち、かつ焼もどしにおけるＣr、Ｍo
(Ｗ)、Ｖ炭化物の析出による強化をもたらすために必要
な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、かつ過度の炭化物を
形成して被切削性を低下させるので0.25%以下とし、低
すぎるとフェライトの析出をまねくので0.13%以上とす
る。Ｍnは本発明鋼の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、適度の焼入、焼もどし硬さを
与えるために添加される。多すぎるとベイナイト組織を
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2.00%以下とする。

【０００９】Ｓiは金型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
成をまねくので1.00%以下とする。Ｃrは本発明鋼の耐食
性を高め、また研磨加工時あるいは金型保管時の発錆を
抑制するとともに、窒化時の窒化層の硬さを高めるため
に、また焼もどし処理において微細炭化物を析出、凝集
させ、本発明鋼の強度を形成するために添加される。多
すぎるとベイナイト組織を微細化させ、基地の粘さを上
げて被切削性を低下させ、また低すぎると上記添加の効
果が得られないのでその範囲を1.05〜2.50%とした。前
述のように、金型の強度を向上させるためにはＣrを多
目に添加すれば良いが、Ｃr量が多くなるほど被切削性
を低下させるので、Ｃr添加には限度がある。また、金
型に窒化処理をして使用することを考えると、550℃以
上の焼もどし軟化抵抗性を保証する必要があり、この点
においてもＣr添加のみでは不十分であり、さらにＭoや
Ｗの添加が必要である。

【００１０】そこで本発明におけるＭo、Ｗの作用効果
は焼もどし処理において微細炭化物を析出、凝集させ、
本発明鋼の強度を向上させ、焼入焼もどしにおける軟化
抵抗を大きくさせるために、単独または複合で添加され
る。さらにＭoやＷの一部は、金型表面の酸化皮膜中に
一部固溶して、金型を使用中に、例えばプラスチックか
ら発生する腐食性ガスに対しての耐食性を向上するとい
う作用もある。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、Ｍo＋1/2Ｗで
0.25〜1.00%とした。Ｖは焼もどし軟化抵抗を高めると
ともに結晶粒の粗大化を抑制し靭性向上に寄与する。ま
た、硬質の炭化物を微細に形成して耐摩耗性を向上させ
る効果がある。このためには少なくとも0.03%以上を必
要とするが、多すぎると被切削性の低下をまねくので0.
15%以下とした。

【００１１】Ｃuは本発明鋼の焼もどし処理において、
Ｆe-Ｃu固溶体を析出、凝集させ、上部ベイナイト組織
とあいまって本発明鋼に優れた被切削性を付与するため
に、また優れた耐食性をもたらすために添加される。多
すぎると熱間加工性を低下させ、またベイナイト組織を
微細化させ、かえって被切削性を低下させるので1.00%
以下とし、低すぎると上記添加の効果が得られないので
0.10%以上とする。Ｎiは本発明鋼のベイナイト焼入性を
高め、またフェライトの生成を抑制するため、必要に応
じて添加される。多すぎるとベイナイト組織を過度に微
細化させ、基地の粘さを上げて被切削性を低下させるの
で2.00%以下とするのがよい。本発明鋼は、従来被切削
性を改善する目的で添加されていたＳの硫化物等の偏析
によって生じる研磨仕上性、耐摩耗性、靭性などの劣化
から回避することができ、さらに焼もどし軟化抵抗や耐
食性が大きいので、上述の組成とベイナイト焼入処理と
の組み合わせにより、例えば最長部が2000mmにも及ぶ大
形のプラスチック成形用金型においても、被切削性が良
好で、かつ使用上の要求特性も十分満足することができ
る。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づき説明する。表
１に本発明鋼の実施例と従来鋼の化学組成を示す。従来
鋼Ｕ、Ｖはそれぞれ前述の特公昭52-1372号および特公
昭60-41700号相当鋼のプラスチック金型用鋼である。従
来鋼ＷはＳＣＭ４４０である。表１に本発明鋼を30〜32
HRCを目標に熱処理し、エンドミルにより切削したとき
の被切削性指数を、従来鋼ＷのＳＣＭ４４０を基準(10
0)として示す。表２に本発明鋼および従来鋼の耐発錆
性、研磨仕上性を表わす表面粗さおよび耐摩耗性の比較
を示す。

【００１３】Ｓは、非金属介在物ＭｎＳとして存在し、
0.015%以上で被切削性の向上に大きな効果がある。しか
し、多量のＭｎＳ存在は、溶接時のピンホール発生、研
磨工程でのピンホール発生、放電加工面の肌荒れなど、
型加工時の弊害だけでなく、発錆の起点となったり、機
械的性質の異方性を助長するなど金型自体の性能をも低
下させる要因となる。特に大型の金型ではＭｎＳの偏析
による上記弊害が特に顕著となる。従ってこれらの問題
を抑制するためには少なくとも0.048%以下にＳを限定す
る必要がある。Ｃａは、酸化物としてＭｎＳ晶出時の核
として作用し、偏析を抑制するとともに、ＭｎＳの微細
化、均一分散化の効果があり、必要に応じて添加され
る。特に大きな金型でＭｎＳによる弊害要因の解消の実
効を上げるためには、Ｓ量の制限とともにＣａ添加が有
効であり、このためには少なくとも0.0005%以上を必要
とする。しかし、0.010%以上ではＣａ酸化物単独として
存在するようになり、逆に被切削性を害するようになる
ためこれを上限とするのがよい。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【表２】

【００１６】

【表３】

【００１７】耐発錆性は、主に塩素イオンに対する耐食
性を評価するもので、塩水雰囲気中における耐発錆試験
の結果である。試料の25mm×25mmの面をエメリー紙研磨
の後、バフ鏡面仕上し、これらを塩水噴霧試験機中に2
時間暴露した場合の発錆個数を従来鋼Ｕの発錆個数を10
0として指数で示したものである。表面粗さは金型の研
磨仕上性を評価するもので、#8000ダイヤモンドコンパ
ウンド仕上後の最大面粗さ比(従来鋼Ｕを100とする)を
示した。耐摩耗性は、砂中回転摩耗試験の摩耗減量比
(従来鋼Ｕを100とする)を示した。摩耗試験は3mm×15mm
×70mmの試験片を1280rpmで細粒(9.2メッシュ以下)な砂
中で1時間回転させた。

【００１８】本発明鋼は従来鋼Ｕと比較して、耐発錆
性、表面粗さに示される研磨仕上性、および耐摩耗性が
優れている。これは、従来鋼Ｕには硫化物系の非金属介
在物が多く含まれているためであり、この硫化物が腐食
孔の発生の原因となっている。また硫化物は基地に比べ
て非常に軟らかく、研磨時にはそこからピットが発生し
やすくなり、このことは耐摩耗性についても同様であり
摩耗の進行を促進する箇所となる。

【００１９】表３に、本発明鋼Ｂ、Ｑと従来鋼Ｕについ
て、断面寸法 50mm×150mmの鍛伸材を用いて、30〜32HR
Cを目標に焼入焼もどし後、試験片を鍛伸方向に対し平
行(Ｌ)および直角(Ｔ)方向に採取して引張試験およびシ
ャルピー衝撃試験(2mmUノッチ)を行なった結果を示す。
本発明鋼Ｂ、Ｑは従来鋼Ｕと比較して試験片の方向によ
る靭性のバラ付きは少なく、従来鋼Ｕは鍛伸方向と直角
方向で靭性の差異が大きい。これは本発明鋼Ｂ、Ｑに比
較して従来鋼Ｕは硫化物系の非金属介在物が多く含ま
れ、鍛伸方向に繊維状に分布するために鍛伸方向の靭性
に比べて垂直方向の靭性が著しく低下することがわか
る。

【００２０】硫化物の偏析度合は、金型が大形になるほ
ど大きくなる傾向があり、Ｓ添加の鋼の場合には靭性の
方向性はさらに拡大することが予想されるので、Ｓ量の
適正化とより均一分散化を図った本発明鋼の靭性向上の
効果は大型の金型で特に発揮される。表４には本発明
Ｂ、Ｑと、従来鋼Ｖについて、570℃でガス窒化処理を
行ない、窒化処理の前後の硬さ変化を測定した結果を示
す。本発明鋼はいずれもＣr以外に、Ｍo、Ｗ、さらには
Ｖが添加されており、焼もどし軟化抵抗が大きいので、
窒化処理後の硬さ低下がなく、従来鋼より大きく改善さ
れていることがわかる。

【００２１】

【表４】

【００２２】

【発明の効果】以上に詳述するように、本発明鋼は基地
組織および析出生成物の適切な組合せ、そして熱処理に
おいて30HRC程度に硬さを調整することにより、Ｓなど
の快削元素を多量に添加しなくても極めて優れた被切削
性を保持するとともに、優れた耐発錆性、耐摩耗性、研
磨仕上性を有している。また、大形の金型の場合に問題
になる偏析も、Ｓ量の適正化と均一分散化により著しく
軽減される。本発明鋼は焼もどし軟化抵抗が大きいの
で、金型に窒化処理をしても硬さの低下がなく、十分な
強度と耐摩耗性を有するので、また特に大形のプラスチ
ック金型などに効果を発揮することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−115523（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−182860（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−299235（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｃ 0.13〜0.25%、Ｓi 1.00
   %以下、Ｍn 2.00%以下、Ｃr 1.05〜2.50%、ＭoとＷは
   単独または複合でＭo＋1/2Ｗ 0.25〜1.00%、Ｖ 0.03
   〜0.15%、Ｃu 0.10〜1.00%、Ｓ 0.015〜0.048%、残部
   Ｆeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする金
   型用鋼。
2. 【請求項２】 重量％で、Ｃ 0.13〜0.25%、Ｓi 1.00
   %以下、Ｍn 2.00%以下、Ｎi 2.0%以下、Ｃr 1.05〜
   2.50%、ＭoとＷは単独または複合でＭo＋1/2Ｗ 0.25〜
   1.00%、Ｖ 0.03〜0.15%、Ｃu 0.10〜1.00%、Ｓ 0.01
   5〜0.048%、残部Ｆeおよび不可避的不純物からなること
   を特徴とする金型用鋼。
3. 【請求項３】 Ｆeの一部をＣa 0.0005〜0.010%で置換
   する請求項１または２に記載の金型用鋼。
4. 【請求項４】 窒化処理をして使用することを特徴とす
   る請求項１ないし３のいずれかに記載の金型用鋼。