JP3737298B2

JP3737298B2 - 被削性及び溶接性に優れたプラスチック成形用大型金型用鋼及びその製造方法

Info

Publication number: JP3737298B2
Application number: JP34336998A
Authority: JP
Inventors: 晋介羽田; 康彦保元; 泰正吉田; 俊幸南出
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1998-12-02
Filing date: 1998-12-02
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2018-12-02
Also published as: JP2000169932A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被削性および溶接性に優れたプラスチック成形金型用鋼及びその製造方法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は、プラスチック成形金型用鋼を切削加工により所定形状に機械加工し、シボ模様の形成や鏡面仕上げを行って作製される。従来、かかるプラスチック成形金型、特に大型の金型としては、Ｓ５５Ｃなどの炭素鋼やＳＣＭなどの中低炭素鋼が用いられてきた。上記成形金型の作製工程において、まず機械加工の能率を高めるには被削性の向上が望まれるところであるが、従来用いられてきたＳ５５Ｃなどの金型用鋼は被削性が十分とは言い難い。また特開昭６２−２０２０５０号公報では、被削性を向上させるために特定量のＳを添加する技術が提案されているが、かかる技術でも被削性が十分とは言えない。
【０００３】
また金型作製においては加工の誤りや設計変更のため、溶接による補修が施されることがあり、溶接割れ防止のために当該補修にはかなり高い予熱、後熱が必要である。ところが均一な加熱のためには専用の加熱炉が必要となり、また金型が大きいほど予熱に長時間を要するという問題がある。
【０００４】
また最近はプラスチック製品の意匠性の向上にともなって、金型用鋼に対してシボ加工性の向上も求められる。このため、特に大型の金型には鍛造により製造された均質な鋼が望まれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題に鑑みなされたものであり、被削性および溶接性に優れるとともに予熱および後熱が不要なプラスチック成形金型用鋼及びその製造方法を提供することをその目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、重量％で、Ｃ：０．０７〜０．２０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｃｒ：１．５〜２．５％、Ｍｏ：０．０１〜１．０％、Ｖ：０．０１〜０．２％、Ｓ：０．１％以下（０％を含む）、Ｓｉ：０．３８〜０．９０％を含み、残部鉄及び不可避不純物である鋼であって、フェライト＋ベイナイト又はフェライト＋パーライト＋ベイナイトである組織を有し、焼き入れ又は焼きならし時の５００℃までの平均冷却速度をＲ（℃／ｍｉｎ）、下記式から算出した値をＰとした場合に、
Ｐ＝Ｔ（２０＋ｌｏｇｔ）×１０^-3
（式中、Ｔは焼き戻し温度（Ｋ）、ｔは焼き戻し時間（ｈｒ））
下記式（１）から算出される計算硬さ（ＨＢ）が、Ｐ＝２０、Ｒ＝１０のとき（ＨＢ）≦２４０を満足し、かつＰ＝１７、Ｒ＝０．３のとき（ＨＢ）≧１６０を満足するのが望ましい。
（ＨＢ）＝７９３．５［Ｃ］＋９．７［Ｓｉ］＋１８８．５［Ｍｏ］＋３９．７［Ｃｒ］＋４４．８（ｌｏｇＲ）−１９．４Ｐ＋３３０．７・・・・・（１）
（式中、［元素］は、鋼中の各元素の含有率（％）を表す）
【０００７】
また本発明によれば、重量％で、Ｃ：０．０７〜０．２０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｃｒ：１．５〜２．５％、Ｍｏ：０．０１〜１．０％、Ｖ：０．０１〜０．２％、Ｓ：０．１％以下（０％を含む）、Ｓｉ：０．３８〜０．９０％を含み、残部鉄及び不可避不純物である鋼を用いて、熱間加工工程において鍛錬比が２以上となるよう鍛錬を行い、次に割れ防止のために２００〜３５０℃で保持した後、８００〜９５０℃に再加熱・保持して焼きならしを行い、空冷した後５５０〜６８０℃に再加熱して焼き戻しを行うことによって、焼き入れ又は焼きならし時の５００℃までの平均冷却速度をＲ（℃／ｍｉｎ）、下記式から算出した値をＰとした場合に、
Ｐ＝Ｔ（２０＋ｌｏｇｔ）×１０^-3
（式中、Ｔは焼き戻し温度（Ｋ）、ｔは焼き戻し時間（ｈｒ））
上記式（１）から算出される計算硬さ（ＨＢ）が、
Ｐ＝２０、Ｒ＝１０のとき（ＨＢ）≦２４０を満足し、かつ
Ｐ＝１７、Ｒ＝０．３のとき（ＨＢ）≧１６０を満たすようにする
被削性及び溶接性に優れたプラスチック成形用大型金型用鋼の製造方法が提供される。
【０００８】
このとき前記鋼の残部は実質的にＦｅ及び不可避不純物であることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、被削性および溶接性に優れたプラスチック成形金型用鋼が得られないか鋭意検討した結果、Ｃ含有量を低く抑えると共に、Ｓｉ含有量を従来よりも多くした化学組成とし、また組織をフェライト＋ベイナイト又はフェライト＋パーライト＋ベイナイトとし、さらに特定の製造条件のときの計算硬さ（ＨＢ）を特定範囲とすることによって、被削性および溶接性に優れるプラスチック成形金型用鋼が得られることを見出し、本発明をなすに至った。
【００１０】
本発明のプラスチック成形金型用鋼において、各合金元素のはたらきと組成範囲の限定理由を示せば、次の通りである。
【００１１】
Ｓｉ：０．３８〜０．９０％
Ｓｉは、溶製時の脱酸性元素として作用し、また強度を高める上で重要な元素であり、また高Ｓｉ鋼では、ＳｉＯ₂ を主体とする融点の低い酸化膜が生成され、かかる酸化膜が切削工具と被切削材との間で潤滑剤としての作用を果たし、切削工具の摩耗を減少させる。また靭性を若干減少させる作用もあり、これにより切削時の切り屑の処理を向上させる。かかる作用を有効に発揮させるには０．３８％以上含有させる必要がある。一方、多量に含有させると鋼の硬度が増し、被削抵抗が大きくなるという問題があるから、０．９０％以下にする必要がある。より好ましい範囲としては０．３８〜０．８０％である。
【００１２】
Ｃ：０．０７〜０．２０％
Ｃは鋼の強化元素として強度を確保すると共に焼き入れ性を高める上で欠くことができない元素であり、Ｃ量が０．０７％未満では十分な強度が得られない。一方Ｃ量が過度に多くなると、溶接性を阻害し、また鋼塊中の偏析を助長し、さらには炭化物が生成して被削性が悪くなるので、Ｃ量は０．２０％以下に抑えることが必要である。硬さ、強度、溶接性、被削性をすべて満足するには、Ｃ量は０．１０〜０．１７％の範囲とすることがより好ましい。
【００１３】
Ｍｎ：０．５〜２．０％
Ｍｎは、鋼の脱酸と焼き入れ性の向上に有効に作用する元素であり、また鋼中に不可避的に混入してくるＳを固定し被削性を向上させるうえでも有効に作用する。こうした作用を有効に発揮させるには０．５％以上含有させなければならない。一方含有量が多いと鋼組織を硬化させ被削性を悪くするので、２．０％以下に抑える必要がある。Ｍｎのより好ましい含有率は０．８〜１．９％である。
【００１４】
Ｃｒ：１．５〜２．５％
Ｃｒは、焼き入れ性の向上に有効な元素であり、加えて本願発明ではＣ量を少なくしたことによる強度不足の補完をする元素であるから、１．５％以上含有させる必要がある。一方Ｃｒ量が多すぎると鋼が硬質化して被削性が低下するので２．５％以下に抑える必要がある。焼き入れ性、補強作用、被削性などをすべて満足するには、１．７〜２．１％の範囲がより好ましい。
【００１５】
Ｍｏ：０．０１〜１．０％
Ｍｏは、Ｃｒと同様焼き入れ性を高めて高強度化に寄与する元素であるから、０．０１％以上含有させる必要がある。一方、Ｍｏを多量に含有させると多量の炭化物を生成し被削性を悪くするので、Ｃｒ量との関係で１．０％以下に抑える必要がある。より好ましい範囲としては０．０５〜０．５％である。
【００１６】
Ｖ：０．０１〜０．２％
Ｖは、焼き戻し軟化抵抗性の向上を図り、必要な硬さの確保に有効である。また結晶粒の微細化効果もある。かかる効果を発揮させるには０．０１％以上含有させる必要がある。一方、多量に含有させすぎると炭化物を多量に生成し被削性を悪くさせるので０．２％以下に抑える必要がある。より好ましい範囲としては０．０３〜０．１％である。
【００１７】
Ｓ：０．１％以下（０％を含む）
前述のようにＭｎと反応してＭｎＳを生成し、被削性の向上に寄与するが、大型金型材のしぼむら等を考慮すればなるべく少量に抑える必要があり、０．１％以下にする必要がある。より好ましくは０．０７％以下である。
【００１８】
また本発明の金型用鋼は、上記成分組成の要件を満たすという条件の下で、フェライト＋ベイナイト又はフェライト＋パーライト＋ベイナイトの組織を有していることも重要である。軟質なフェライト組織を含んだ２相組織または３相組織とすることにより被削性の向上が図れる。一層の被削性向上を図るには、フェライトの面積率は１０〜５０％の範囲であるのがよい。
【００１９】
また前記式（１）から算出される計算硬さ（ＨＢ）が、Ｐ＝２０、Ｒ＝１０のとき２４０以下で、Ｐ＝１７、Ｒ＝０．３のとき１６０以上となるように化学組成を規定範囲内で調整することが望ましい。
【００２０】
前記式（１）は、種々の組成の鋼において熱処理条件を種々変化させて得た鋼の硬さと組成との実験的に得られた関係式であり、調質後の硬さを示す指標となる。この式によれば、焼き入れ又は焼きならし時の５００℃までの平均冷却速度Ｒ、焼き戻し時の温度と時間から算出されるＰから最適な化学成分の範囲を決定することができる。ここでＰが２０、１７のときの硬さを算出するようにしているのは、Ｐが１７〜２０の範囲が、実際に工業的に製造可能な範囲だからであり、Ｐが１７のときは最も硬くなる焼き戻し条件、Ｐが２０のときは最も軟らかくなる焼き戻し条件である。また、平均冷却速度Ｒが１０、０．３のときの硬さを算出するようにしているのは、鍛鋼製の金型用鋼の場合、一般に厚さは１００〜１，０００ｍｍの範囲であり、これに対応する平均冷却速度は１０〜０．３℃／ｍｉｎの範囲だからであり、Ｒが０．３のときは最も軟らかくなる冷却速度、Ｒが１０のときは最も硬くなる冷却速度である。以上から理解されるように、Ｐ＝２０、Ｒ＝１０及びＰ＝１７、Ｒ＝０．３のときとは、厚さ１００〜１，０００ｍｍの範囲の鋼の硬さが最も硬くなる条件及び最も軟らかくなる条件である。
【００２１】
請求項１の組成において、フェライト＋ベイナイト又はフェライト＋パーライト＋ベイナイトの組織とするには下記に説明する製造方法によるのが望ましい。すなわち、熱間加工工程において鍛錬比が２以上となるよう鍛錬を行い、次に２００〜３５０℃で保持した後、８００〜９５０℃に再度加熱・保持して焼きならしを行い、空冷した後５５０〜６８０℃に再加熱して焼き戻しを行う方法が望ましい。
【００２２】
まず熱間加工工程において鍛錬比が２以上になるまで鍛錬することにより、鋼塊内部の空隙が圧着され、十分な強度と靭性が得られる。
【００２３】
次に２００〜３５０℃の範囲で温度保持することにより未変態組織（硬質部分）に起因する割れなどが防止される。このとき保持温度が２００℃未満では、
低温割れ発生の可能性があり、他方保持温度が３５０℃を超えるとベイナイト変態が終了しないという問題が生じる。保持時間に特に限定はないが、２０〜５０時間が望ましい。
【００２４】
また８００〜９５０℃まで再加熱・保持して焼きならしを行うことで、組織が細かくなり所定の強度を得ることができる。焼きならしの温度が８００℃未満では結晶粒の分布が不均一になるという問題が生じ、他方焼きならし温度が９５０℃を超えると結晶粒が粗大化が起こるという問題が生じる。焼きならしの時間は特に限定はないが、２〜３０時間が望ましい。
【００２５】
さらに空冷後に５５０〜６８０℃まで再加熱して焼き戻しすることで硬度が低下し、所望の被削性を得ることができる。焼き戻し温度が５５０℃未満では、硬度が高く被削性が悪くなり、また残留応力が大きくなるという問題が生じ、他方焼き戻し温度が６８０℃を超えると必要とする硬さが得られないという問題が生じる。焼き戻しの時間は特に限定はないが、２〜３０時間が望ましい。
【００２６】
【実施例】
以下に実験例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら実験例により何ら限定されるものではない。
【００２７】
実験例１〜１１
表１に示す化学組成を有する鋼塊を電気炉で溶製した後、鍛錬比２となるように熱間鍛錬を行った。つぎに２７０℃で２４時間保持した後８８０℃まで加熱し保持して焼きならしを行い、空冷した後６００℃まで再度加熱し焼き戻しを行い、供試材を作製した。
【００２８】
かかる金型用鋼の実測硬さ（ＨＢ）、計算硬さ（ＨＢ）、被削性、溶接最高硬さ、予熱・後熱なしの場合の溶接割れの有無を下記に示すように測定・調査した。結果を表２に示す。
【００２９】
（実測硬さ（ブリネル硬さ））
ＪＩＳＺ−２２４３に準拠して測定した。
【００３０】
（被削性試験）
１．直径１０ｍｍのハイスエンドミルを用いて、切削速度２１ｍ／ｍｉｎ、送り速度２６０ｍｍ／ｍｉｎの条件で供試材の切削を行い、逃げ面の摩耗量（ｍｍ）を測定した。
２．直径３０ｍｍの超硬エンドミルを用いて、切削速度９９ｍ／ｍｉｎ、送り速度２６０ｍｍ／ｍｉｎの条件で供試材の切削を行い、逃げ面の摩耗量（ｍｍ）を測定した。
【００３１】
（溶接最高硬さ（ＨＶ））
ＪＩＳＺ３１０１に準拠して溶接最高硬さを測定した。
【００３２】
（溶接割れ）
Ｌ字材料のコーナー部に溶接を施し、割れ発生の有無を調査した。
【００３３】
実験例１２
表１に示す化学組成を有する実際の製品相当の大型鋼塊を電気炉で溶製後、熱間にて鍛錬比２となるよう鍛錬し、その後２００〜３５０℃で２４時間保持した後、８００〜９５０℃に加熱し焼きならしを行う。その後５５０〜６８０℃で焼き戻しを行った。実験例１〜１１と同様に物性を測定・評価した。結果を表２に示す。
【００３４】
【表１】

【００３５】
【表２】

【００３６】
本発明で規定する元素組成及び組織を有し、所定の硬さを有する実験例１〜５の金型用鋼は、ハイスエンドミルを用いた切削性試験では逃げ面の摩耗量が０．０７ｍｍ以下と良好な結果を示し、超硬エンドミルを用いた切削試験でも逃げ面の摩耗量は０．１８ｍｍ以下と優れた結果を示した。また溶接最高硬さは５０５以下と低く、そしてまた溶接割れも発生しなかった。
【００３７】
これに対して、Ｓｉの含有割合が本発明の規定範囲より少ない実験例６〜１１の金型用鋼は、ハイスエンドミルを用いた切削性試験では逃げ面の摩耗量が０．０９ｍｍ以上で、超硬エンドミルを用いた切削試験でも実験例６，９，１０では逃げ面の摩耗量は０．２０ｍｍ以上となり、Ｓｉ含有割合が少ないと摩耗量が多くなっている。またＣ含有割合が本発明の規定範囲より多い実験例１０，１１の金型用鋼は、溶接最高硬さが７００，８５０と高く、そして溶接割れも発生した。
【００３８】
実際に製品相当の大型鋼塊を用いて金型用鋼を作製した実験例１２では、鍛錬時の未圧着に伴うＵＴ不良、鍛錬後の熱扱いによる割れなどは認められず、硬さ、摩耗量、溶接最高硬さの諸物性も良好なものであった。これにより、金型に施されるシボ加工や放電加工も良好なものであった。さらに断面の硬さ分布も均一なものであった。
【００３９】
【発明の効果】
本発明のプラスチック成形金型用鋼は、被削性および溶接性に優れるとともに予熱および後熱がなくても溶接割れが発生することがない。

Claims

重量％で、
Ｃ：０．０７〜０．２０％、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、
Ｃｒ：１．５〜２．５％、
Ｍｏ：０．０１〜１．０％、
Ｖ：０．０１〜０．２％、
Ｓ：０．１％以下（０％を含む）
Ｓｉ：０．３８〜０．９０％
を含み、残部鉄及び不可避不純物である鋼であって、
フェライト＋ベイナイト又はフェライト＋パーライト＋ベイナイトである組織を有し、焼き入れ又は焼きならし時の５００℃までの平均冷却速度をＲ（℃／ｍｉｎ）、下記式から算出した値をＰとした場合に、
Ｐ＝Ｔ（２０＋ｌｏｇｔ）×１０^-3
（式中、Ｔは焼き戻し温度（Ｋ）、ｔは焼き戻し時間（ｈｒ））
下記式（１）から算出される計算硬さ（ＨＢ）が、
Ｐ＝２０、Ｒ＝１０のとき（ＨＢ）≦２４０を満足し、かつ
Ｐ＝１７、Ｒ＝０．３のとき（ＨＢ）≧１６０を満足する被削性及び溶接性に優れたプラスチック成形用大型金型用鋼。
（ＨＢ）＝７９３．５［Ｃ］＋９．７［Ｓｉ］＋１８８．５［Ｍｏ］＋３９．７［Ｃｒ］＋４４．８（ｌｏｇＲ）−１９．４Ｐ＋３３０．７・・・・・（１）
（式中、［元素］は、鋼中の各元素の含有率（％）を表す）
前記請求項１に記載のプラスチック成形用大型金型用鋼を製造する方法であって、
重量％で、
Ｃ：０．０７〜０．２０％、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、
Ｃｒ：１．５〜２．５％、
Ｍｏ：０．０１〜１．０％、
Ｖ：０．０１〜０．２％、
Ｓ：０．１％以下（０％を含む）
Ｓｉ：０．３８〜０．９０％
を含み、残部鉄及び不可避不純物である鋼を用いて、熱間加工工程において鍛錬比が２以上となるよう鍛錬を行い、次に２００〜３５０℃で保持した後、８００〜９５０℃に再度加熱・保持して焼きならしを行い、空冷した後５５０〜６８０℃に再加熱して焼き戻しを行うことによって、
焼き入れ又は焼きならし時の５００℃までの平均冷却速度をＲ（℃／ｍｉｎ）、下記式から算出した値をＰとした場合に、
Ｐ＝Ｔ（２０＋ｌｏｇｔ）×１０ ^-3
（式中、Ｔは焼き戻し温度（Ｋ）、ｔは焼き戻し時間（ｈｒ））
下記式（１）から算出される計算硬さ（ＨＢ）が、
Ｐ＝２０、Ｒ＝１０のとき（ＨＢ）≦２４０を満足し、かつ
Ｐ＝１７、Ｒ＝０．３のとき（ＨＢ）≧１６０を満たすようにする
被削性及び溶接性に優れたプラスチック成形用大型金型用鋼の製造方法。
（ＨＢ）＝７９３．５［Ｃ］＋９．７［Ｓｉ］＋１８８．５［Ｍｏ］＋３９．７［Ｃｒ］＋４４．８（ｌｏｇＲ）−１９．４Ｐ＋３３０．７・・・・・（１）
（式中、［元素］は、鋼中の各元素の含有率（％）を表す）