JP4258371B2 - 加工性に優れたプラスチック成形金型用鋼 - Google Patents

Description

本発明は、Ｔｉ炭硫化物を含有している加工性に優れたプラスチック成形金型用鋼の改良に関するものである。

日用雑貨品、家電製品外装・内装・部品、ＯＡ機器外装・内装・部品、携帯電話外装、自動車やオートバイ等の内装部品や外装部品、ライト類の反射板、光学レンズ、食品容器、医療機器、化粧容器、受板、ペットボルト、ゴム型類、樹脂類、導光板、治工具類など、プラスチック或いはプラスチックと同等の成形品を成形する金型に好適に用いられる鉄鋼材料として、低硬度のプレハードン鋼が多用されている。例えばＳＣＭ４２０系の構造用鋼はその一例で、大型サイズのものに至るまで十分な焼入れ性が確保されるような成分であり、非調質状態でもベイナイト組織で、プレハードン鋼に必要なＨＲＣ（ロックウェルＣスケール硬さ）３２前後の硬さと単一組織を得ている。

一方、類似成分で低硬さのプレハードン鋼では、被削性の向上の観点で、一般にベイナイト組織よりもフェライト＋パーライト組織の方が被削性は優位となることが知られているが、被削性は硬さや成分の影響に敏感であるため、硬さや成分によっては、フェライト＋パーライト組織としたからといって必ずしも被削性が向上するとは限らない。すなわち、焼入れ性が高い従来鋼でフェライト＋パーライト組織を得るためには成分調整を行なうことが最も安易な手段であるが、被削性が向上するかどうかは個々の成分によって異なる。

また、快削化手法として、快削化元素を添加することも可能である。しかし、通常の快削化元素の添加ではＭｎ硫化物を形成するため、鏡面性の低下、靱性の低下を招く。

更に、近年では金型の加工に際して放電加工が行なわれるようになってきており、放電加工後の表面粗さを低減することも金型に要求される項目となっている。放電加工による表面粗さは快削化元素を添加し、通常のＭｎ硫化物を形成した場合、添加量に応じて表面粗さが劣化することが特許文献１で知られている。そのため、快削化元素の添加は特性が劣化しない必要最低限までに留められており、快削化効果を十分に得ることができない。

これに対し、快削化手法として快削化元素を添加するが、利用する非金属介在物としてＴｉ炭硫化物を用いることが、特許文献２で提案されている。すなわち、Ｔｉ炭硫化物は、Ｍｎ硫化物に比較して粒子が小さいため面粗さが向上し、鏡面性の低下や靱性の低下を抑制しつつ被削性を向上させることができるのである。なお、Ｔｉ炭硫化物は、ＴｉをＶやＺｒに置き換えたり、ＳをＳｅやＴｅに置き換えたりすることができるため、本明細書ではＴｉ、Ｖ、およびＺｒから選ばれた少なくともＴｉを含む１または２種以上の元素と、Ｃと、Ｓ、Ｓｅ、およびＴｅから選ばれた１または２種以上の元素と、の種々の化合物をＴｉ炭硫化物と総称し、例えば（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ）₄ Ｃ₂ （Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）₂ と表記できるとともに、一般にＴｉ₄ Ｃ₂ Ｓ₂ を含んで構成される。

特開２００１−２９４９７３号公報 特開２００２−３３２５３９号公報

しかしながら、このようにＴｉ炭硫化物を利用した鋼材においても、従来の成分ではＴｉ炭硫化物だけでなく他の介在物も形成されるため、放電加工を行なった際に十分な表面粗さが得られない場合があった。すなわち、従来の放電加工では加工面の面粗さが粗い（平均面粗さ１００μｍ以上）ため、従来鋼のように非金属介在物を含んでいてもその部分は目立つことが無かったが、近年の放電加工技術の進歩に伴い、加工面の面粗さが飛躍的に向上したため、放電加工中に非金属介在物が抜け落ちたり溶融したりして生じるピット（穴や溝）が目立つようになったのである。例えば、Ｍｎ硫化物は幅が１０μｍ程度で長さが５０μｍ程度のものが殆どであり、しかも融点が低いため、放電加工時にＭｎ硫化物部分が局所的に溶融したりして、比較的大きなピットが発生する。

また、プラスチック成形では、僅かな表面粗さでプラスチックの透明性が損なわれるため、用途によっては金型表面についても高い表面粗さ精度が要求されることがあるが、鏡面仕上げ（研削や研磨など）を行なった場合でも、上記非金属介在物に起因して十分に満足できる鏡面性（面粗さ）が得られ難い場合があった。すなわち、金型の成形面を放電加工する場合でもエンドミル等により切削加工する場合でも、非金属介在物の脱落や溶融などに起因して比較的大きなピットが発生するため、鏡面仕上げを行なってもそれ等のピットに起因して十分に満足できる表面粗さが得られ難いとともに、鏡面仕上げに多くの工数や費用が掛かるのである。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、放電加工や鏡面仕上げ加工等において一層高い表面粗さが得られるプラスチック成形金型用鋼を提供することにある。

かかる目的を達成するために、種々の研究、実験を重ねたところ、Ｍｎ硫化物等の他の介在物を減らしてＴｉ炭硫化物をできる限り単独形成させるためには、Ｍｎの含有量を低減することが有効であるとともに、Ｔｉ炭硫化物が単独に近ければ近い程、被削性と鏡面性、靱性等のバランスに優れたプラスチック成形金型用鋼が得られ、Ｍｎの含有量を０．４wt％未満にすると、放電加工性すなわち放電加工の面粗さが格段に向上することを見出した。また、Ｍｎの含有量を低減すると、従来添加できないＳを添加しても、特性を劣化させずに快削化できる。

また、被削性が向上するようにフェライト＋パーライト組織とするため、焼入れ性が低下するように成分調整を行なうに際して、焼入れ性に寄与し且つＴｉ炭硫化物の形成を阻害するＭｎ元素を低減することで目的の組織に調整することが可能であることを見出した。組織の差による被削性の向上効果は大きく、成分の影響は殆どないと考えられる。但し、成分によっては、ベイナイト組織でも被削性や鏡面性、放電加工性の向上効果が得られる。

本発明はかかる知見に基づいて為されたもので、第１発明は、加工性に優れたプラスチック成形金型用鋼であって、(a) ０．１０≦Ｃ≦０．３５wt％、０．１≦Ｓｉ≦２．０wt％、０．０１≦Ｍｎ＜０．４０wt％、１．０≦Ｃｒ≦５．０wt％、および０．０１≦Ｍｏ≦１．０wt％と、(b) ０．０１≦Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ≦０．８０wt％を満足し、且つ０．１≦Ｔｉ／（Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ）≦１．０を満足するＴｉ、Ｖ、およびＺｒから選ばれた少なくともＴｉを含む１または２種以上の元素と、(c) ０．００５≦Ｓ＋０．４１Ｓｅ＋０．２５Ｔｅ≦０．２０wt％を満足するＳ、Ｓｅ、およびＴｅから選ばれた１または２種以上の元素と、を基本成分として含有し、(d) Ｃ／（Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ）が０．２〜１５．０の範囲内で、且つ（Ｓ＋０．４１Ｓｅ＋０．２５Ｔｅ）／（Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ）が０．２０〜０．７０の範囲内であるとともに、(e) 残部がＦｅ及び不可避的不純物から成り、(f) 前記Ｔｉ、Ｖ、およびＺｒから選ばれた少なくともＴｉを含む１または２種以上の元素と、前記Ｃと、前記Ｓ、Ｓｅ、およびＴｅから選ばれた１または２種以上の元素と、の化合物（すなわちＴｉ炭硫化物）を含む非金属介在物が、材料断面積の面積率で０．０１〜４．０％含み、(g) ロックウェルＣスケール硬さ（ＨＲＣ）が２６．０〜３６．０の範囲内であることを特徴とする。

第２発明は、第１発明の基本成分に加えて、０．００１≦Ｃｕ≦０．５０wt％、０．００５≦Ｎｉ≦０．５０wt％、０．００１≦Ｃｏ≦０．５０wt％、および０．０００５≦Ｂ≦０．０１０wt％の何れか１種以上を更に含有していることを特徴とする。

第３発明は、第１発明または第２発明の基本成分に加えて、０．００１≦Ｗ≦０．５０wt％、０．００１≦Ｎｂ≦０．３０wt％、および０．００１≦Ｔａ≦０．３０wt％の何れか１種以上を更に含有していることを特徴とする。

第４発明は、第１発明〜第３発明の何れかの基本成分に加えて、０．０００５≦Ｍｇ≦０．１０wt％、０．０００５≦Ａｌ≦０．０５０wt％、０．０００３≦Ｏ≦０．０１５wt％、０．０００５≦Ｎ≦０．０２５wt％、０．００１≦ＲＥＭ（希土類金属）≦０．１０wt％、および０．０００２≦Ｈ≦０．０１０wt％の何れか１種以上を更に含有していることを特徴とする。

第５発明は、第１発明〜第４発明の何れかの基本成分に加えて、０．００１≦Ｐ≦０．０３０wt％、０．００１≦Ｓｎ≦０．０５０wt％、０．０００２≦Ｃａ≦０．１０wt％、０．００１≦Ｐｂ≦０．２０wt％、および０．００１≦Ｂｉ≦０．３０wt％の何れか１種以上を更に含有していることを特徴とする。

第６発明は、第１発明〜第５発明の何れかのプラスチック成形金型用鋼において、フェライト＋パーライト組織であることを特徴とする。

このような本発明のプラスチック成形金型用鋼によれば、硬さＨＲＣ２６．０〜３６．０で優れた被削性が得られるとともに、Ｍｎ硫化物等のＴｉ炭硫化物以外の非金属介在物の形成が抑制されて放電加工等の加工面粗さが向上する。特に、放電加工では、Ｍｎの含有量が０．４０wt％以上の場合に比較して加工面粗さが格段に向上し、加工条件にもよるが例えば数μｍ程度の非常に高い面粗さが得られるようになる。これにより、金型製作の納期短縮、加工費用の低減、鏡面加工費用の低減、金型修正費用の低減、金型の耐久性向上等の種々の効果が得られる。

放電加工性について具体的に説明すると、Ｍｎ硫化物や炭化物、窒化物、酸化物等のＴｉ炭硫化物以外の非金属介在物は、放電加工中に抜け落ちたり溶融したりして面粗さを損なう一方、ワイヤーカット時にはワイヤーが引っ掛かって切断を引き起こす原因となる場合もある。これ等は何れも介在物のサイズが大きいことが要因となっている。これに対し、Ｔｉ炭硫化物は非常にサイズが小さい（約２〜１０μｍ程度）ため、放電加工中に抜け落ち難いとともに、抜け落ちてもピットの大きさが小さく、優れた加工面粗さが得られるのである。また、Ｔｉ炭硫化物を多く鋼中に含むことが可能で、Ｔｉ炭硫化物による快削化の効果も十分に得ることができる。また、放電加工では介在物の融点が影響するが、融点が低いＭｎ硫化物は放電加工時に溶融し易いが、融点が高いＴｉ炭硫化物は融け難く、この点でも放電加工性（表面粗さ）が向上する。

先ず、含有成分の範囲について具体的に説明する。
〔０．１０≦Ｃ≦０．３５wt％〕
Ｃ（炭素）は、プレハードン状態でＨＲＣ２６〜３６の硬さを確保するため、０．１０wt％以上の添加が必要である。但し、過度の添加は、必要以上の硬度となるだけでなく、被削性低下や不要な炭化物の晶出を招くため０．３５wt％を上限とする。

〔０．１≦Ｓｉ≦２．０wt％〕
Ｓｉ（珪素）は、脱酸剤として０．１wt％以上の添加となる。多く添加することで硬さ向上にも寄与する。Ｃｒ（クロム）やＭｏ（モリブデン）等の偏析を助長するため、２．０wt％を上限とする。更に被削性向上を目的とした場合、意図的に０．５wt％以上添加することができる。

〔０．０１≦Ｍｎ＜０．４０wt％〕
Ｍｎ（マンガン）は、焼入れ性を向上させる目的で添加されるが、多量に添加するとＴｉ炭硫化物の形成を阻害し、Ｍｎ硫化物の形成を招くため、放電加工性の観点から０．４０wt％未満に調整する必要がある。

〔１．０≦Ｃｒ≦５．０wt％〕
Ｃｒ（クロム）は、Ｍｎと同様に必要硬さ、組織調整のために添加する。Ｔｉ炭硫化物を形成するためにＭｎ量を低減するため、Ｍｎ分の焼入れ性や硬さを補填するために多く添加することができる。炭化物を形成して、基地の強化（硬さの向上）や耐摩耗性を向上させる効果もある。しかし、多過ぎると被削性が低下するので、上限を５．０wt％とする。また、３．０wt％以上の添加により耐錆性を付与することも可能である。

〔０．０１≦Ｍｏ≦１．０wt％〕
Ｍｏ（モリブデン）は、Ｍｎと同様に必要硬さ、組織調整のために添加する。Ｃｒと同様にＭｎ分の焼入れ性や硬さを補填するために多く添加することができる。但し、過剰の添加は炭化物の形成を促進し、被削性が低下するため１．０wt％を上限とする。

〔０．０１≦Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ≦０．８０wt％、且つ０．１≦Ｔｉ／（Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ）≦１．０〕
上記Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒは、何れもそれ等の元素のwt％である。Ｔｉ（チタン）は、Ｔｉ炭硫化物の形成に重要な元素で、例えば０．０１≦Ｔｉ≦０．８０wt％のＴｉを添加することが可能である。Ｔｉの代替として、Ｖ（バナジウム）やＺｒ（ジルコニウム）を利用することも可能で、上記範囲はＴｉ当量で規定したものである。Ｔｉ（ＶおよびＺｒを含む）がＣやＳに対して過剰、或いは過小である場合、意図しない非金属介在物を形成したり鋼中に残ったりするため、ＣとＳとのバランスが重要である。特にＳ量との兼ね合いであるが、０．８０wt％を上限とする。

〔０．００５≦Ｓ＋０．４１Ｓｅ＋０．２５Ｔｅ≦０．２０wt％〕
上記Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅは、何れもそれ等の元素のwt％である。Ｓ（硫黄）は、Ｔｉ炭硫化物の形成に重要な元素で、例えば０．００５≦Ｓ≦０．２０wt％のＳを添加することが可能である。Ｓの代替としてＳｅ（セレン）やＴｅ（テルル）を利用することも可能で、上記範囲はＳ当量で規定したものである。Ｓ（ＳｅおよびＴｅを含む）がＣやＴｉ（チタン）に対して過剰、或いは過小である場合、Ｓ（ＳｅおよびＴｅを含む）が鋼中に残ったり意図しない非金属介在物を形成したりするため、ＣやＴｉとのバランスが重要である。Ｓ（ＳｅおよびＴｅを含む）を添加する場合、Ｔｉ炭硫化物を過剰に含ませても被削性向上の効果が得られなくなるため、上限を０．２０wt％とする。

〔０．２≦Ｃ／（Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ）≦１５．０、０．２０≦（Ｓ＋０．４１Ｓｅ＋０．２５Ｔｅ）／（Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ）≦０．７０〕
上記Ｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅは、何れもそれ等の元素のwt％である。Ｔｉ炭硫化物の形成は、ＣとＳ（ＳｅおよびＴｅを含む）、Ｔｉ（ＶおよびＺｒを含む）のバランスが重要で、０．２≦Ｃ／（Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ）≦１５．０、０．２０≦（Ｓ＋０．４１Ｓｅ＋０．２５Ｔｅ）／（Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ）≦０．７０の範囲を外れる程、Ｔｉ炭硫化物以外の非金属介在物が増加するため、被削性、放電加工性、鏡面性といった特性の劣化に繋がる。（Ｓ＋０．４１Ｓｅ＋０．２５Ｔｅ）／（Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ）については、０．２５以上で且つ０．４０以下であることが望ましい。

〔０．０１≦Ｔｉ炭硫化物を含む非金属介在物の面積率≦４．０％〕
Ｔｉ炭硫化物の面積率については、被削性向上の効果を得るため０．０１％以上含まれていることが必要で、逆に多過ぎると放電加工性の劣化を招くため４．０％を上限とし、Ｔｉ炭硫化物が単独で形成されることが望ましい。なお、Ｔｉ炭硫化物以外の非金属介在物が含まれる場合でも、Ｔｉ炭硫化物を含む非金属介在物の面積率が上記の範囲内で、その面積率のうちの９０％以上がＴｉ炭硫化物であれば効果を得ることができる。Ｔｉ炭硫化物以外の非金属介在物としては、Ｍｎ硫化物、Ｃｒ硫化物、酸化物、窒化物などである。

上記面積率の測定方法について具体的に説明すると、鋼材中から適当な大きさの試験片を採取し、幅１５ｍｍ×長さ１５ｍｍの面を鏡面研磨する。鏡面研磨は、♯１００→♯４００→♯８００→♯１０００→♯１５００→ダイヤモンド砥粒１μｍ（バフ）の順に実施する。鏡面研磨後、光学顕微鏡の倍率２００倍を用いて、ランダムに１０視野撮影する。そして、１視野毎のＴｉ炭硫化物の介在物の面積率を測定し、１０視野の平均値を最終的な面積率とする。

〔０．００１≦Ｃｕ≦０．５０wt％、０．００５≦Ｎｉ≦０．５０wt％、０．００１≦Ｃｏ≦０．５０wt％、０．０００５≦Ｂ≦０．０１０wt％〕
これ等の元素Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｂ（ホウ素）は、焼入れ性を向上させるために添加することができる。過度の添加は必要以上に焼入れ性を向上させ、硬さ向上にも寄与するため、それぞれ上記上限値以下に調整する必要がある。

〔０．００１≦Ｗ≦０．５０wt％、０．００１≦Ｎｂ≦０．３０wt％、０．００１≦Ｔａ≦０．３０wt％〕
これ等の元素Ｗ（タングステン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）は、炭化物を形成し、結晶粒粗大化抑制に効果がある。金型特性として靱性低下は大きな特性劣化となるため、添加することは可能であるが、過剰に添加すると硬さの向上や被削性の劣化に繋がるため、それぞれ上記上限値以下に調整する必要がある。

〔０．０００５≦Ｍｇ≦０．１０wt％、０．０００５≦Ａｌ≦０．０５０wt％、０．０００３≦Ｏ≦０．０１５wt％、０．０００５≦Ｎ≦０．０２５wt％、０．００１≦ＲＥＭ≦０．１０wt％、０．０００２≦Ｈ≦０．０１０wt％〕
これ等の元素Ｍｇ（マグネシウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）、ＲＥＭ（希土類金属）、Ｈ（水素）は、不純物元素として鋼中に含まれるが、これ等の元素の含有量が増えると、酸化物（アルミナ、ＭｇＯ等）や窒化物（ＡｌＮ等）を形成する。これ等の化合物は、特に放電加工後の表面粗さを粗くし、或いは鏡面性を低下させるため、それぞれ上記上限値以下に規制する必要がある。製造コストの兼ね合いであるが、望ましくはＯ≦０．００５wt％、Ｎ≦０．０１５wt％にするのが良い。

〔０．００１≦Ｐ≦０．０３０wt％、０．００１≦Ｓｎ≦０．０５０wt％、０．０００２≦Ｃａ≦０．１０wt％、０．００１≦Ｐｂ≦０．２０wt％、０．００１≦Ｂｉ≦０．３０wt％〕
これ等の元素Ｐ（燐）、Ｓｎ（錫）、Ｃａ（カルシウム）、Ｐｂ（鉛）、Ｂｉ（ビスマス）は、Ｔｉ炭硫化物による快削化効果以外に、更に被削性を向上させる目的で添加することができる。過度に添加した場合、被削性向上の効果に比べ、靱性の低下や鏡面性の低下等、他の特性の劣化が大きくなるため、それぞれ上記上限値以下に規制する必要がある。

また、本発明は、プラスチック或いはプラスチックと同等の成形品を成形するための金型用鋼に好適に適用される。

次に、図１の手順に従って表１に示す各鋼材（従来鋼１〜４、比較鋼１〜７、発明鋼１〜１７）の試験片を作成し、被削性試験、放電加工性試験、鏡面性評価試験、およびシャルピー衝撃試験を行なった結果を説明する。なお、発明鋼１〜１７は、何れも非金属介在物の面積率が０．０１〜４．０％の範囲内で、そのうちの９０％以上がＴｉ炭硫化物である。また、表１の網掛け部分は、本発明の必須成分である請求項１の基本成分について、本発明の数値範囲から外れている項目を表している。表１の「Ｃ／Ｔｉ」欄、「Ｓ／Ｔｉ」欄は、厳密にはそれぞれ「Ｃ／（Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ）」、「（Ｓ＋０．４１Ｓｅ＋０．２５Ｔｅ）／（Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ）」である。

図１の溶解工程は、大気誘導炉により溶解し、各鋼材について５０ｋｇのインゴットを製造する。鍛造工程では、１２００℃に加熱保持した後、断面３０×５０の大きさに鍛造加工する。熱処理工程はプレハードンに相当するもので、９８０℃で３０分保持した後、空冷（冷却速度１〜０．０１℃／秒）し、６５０℃で１時間保持した後、再び空冷する。硬さ測定では、所定のプレハードン硬さ（ＨＲＣ２６〜３６）に調整されているか否かを確認する。試験片精加工では、被削性試験用、放電加工性試験用、鏡面性評価試験用、およびシャルピー衝撃試験用の各試験片を作成する。被削性試験用試験片は２５×４５×２５０ｍｍ、放電加工性試験用試験片は２５×４５×１５０ｍｍ、鏡面性評価試験用試験片は２５×４５×１０ｍｍの大きさで、シャルピー衝撃試験用試験片はＪＩＳに規定の３号試験片を用いる。

被削性試験は、工具径がφ１０でＴｉＡｌＮコーティングが施された超硬ソリッドエンドミルを使用して、以下の加工条件で切削加工を行い、工具の最大摩耗幅が４００μｍに達した時を工具寿命と判断して、工具寿命に達するまでの加工長さ（ｍ）を測定した。したがって、この数値が大きい程被削性が優れていることを意味する。
（加工条件）
切削方法：側面切削（ダウンカット）
深さ：１０ｍｍ
切り込み幅：１．２ｍｍ
切削速度：１９０ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．１３ｍｍ／刃
潤滑方法：乾式

放電加工性試験は、長さ１５０ｍｍ×幅３０ｍｍ×深さ５ｍｍを放電加工し、加工後の表面状態のまま、任意に選んだ部位５箇所について、５０ｍｍ測長で、ＪＩＳ Ｂ０６０１（１９９４）の規定により算術平均粗さＲa （μｍ）を測定した。この値が小さい程、面粗さが優れていることを意味する。

また、鏡面性評価試験は、機械研磨により♯１５０→♯４００→♯８００→♯１５００→♯３０００で鏡面加工を行い、任意に選んだ部位５箇所について、１０ｍｍ測長で、ＪＩＳ Ｂ０６０１（１９９４）の規定により算術平均粗さＲa （μｍ）を測定した。放電加工性試験と同様に、この値が小さい程、面粗さが優れていることを意味する。

シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳ Ｚ２２４２の規定に従って常温で行い、靱性（吸収エネルギー）を求めた。この値が大きい程、ねばりがあって型が割れ難いことを意味する。

表２は、各鋼材の組織および調整硬さ（ＨＲＣ）と共に、上記被削性試験、放電加工性試験、鏡面性評価試験、およびシャルピー衝撃試験の結果を示したものである。組織の欄の「Ｂ」はベイナイト、「Ｆ＋Ｐ」はフェライト＋パーライト、「Ｍ」はマルテンサイトを意味している。また、網掛け部分は、所定の合格範囲から外れている項目を表しており、発明鋼１〜１７は何れも被削性、放電加工性、鏡面性、および靱性の総てについて満足できる良好な結果が得られた。

図２の手順に従って表３に示す各鋼材（従来鋼５、発明鋼１８〜１９）を製造し、金型に加工して被削性および放電加工性を調べるとともに、その金型を用いて実際に射出成形を行なって靱性および耐久性について調べた結果を説明する。なお、発明鋼１８、１９は、何れも非金属介在物の面積率が０．０１〜４．０％の範囲内で、そのうちの９０％以上がＴｉ炭硫化物である。また、表１の網掛け部分は、本発明の必須成分である請求項１の基本成分について、本発明の数値範囲から外れている項目を表している。表１の「Ｃ／Ｔｉ」欄、「Ｓ／Ｔｉ」欄は、厳密にはそれぞれ「Ｃ／（Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ）」、「（Ｓ＋０．４１Ｓｅ＋０．２５Ｔｅ）／（Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ）」である。

図２の溶解工程は、大気誘導炉により溶解し、各鋼材について３ｔｏｎのインゴットを製造する。圧延工程では、１２３０℃に加熱保持した後、断面１５０×３００の大きさに圧延する。熱処理工程はプレハードンに相当するもので、９８０℃で９０分保持した後、空冷（冷却速度１〜０．０１℃／秒）し、６５０℃で２時間保持した後、再び空冷する。硬さ測定では、所定のプレハードン硬さ（ＨＲＣ２６〜３６）に調整されているか否かを確認する。金型形状加工は、自動車車内のダッシュボードを成形するための金型形状に加工するもので、以下の３種類の加工を行なった。
加工１：位置決め、吊り穴用のドリル加工
加工２：放電加工による粗加工
加工３：エンドミルでの精加工

そして、上記加工１については、消耗ドリル本数で被削性を評価した。加工２については、加工後にＪＩＳ Ｂ０６０１（１９９４）の規定により算術平均粗さＲa （μｍ）を測定して放電加工性を評価した。加工３については、工具の摩耗量を検査して被削性を評価した。

射出成形テストでは、総ショット数５０００回を実施し、その後に金型表面を観察して割れおよび摩耗状態を検査した。

表４は、各鋼材の組織および調整硬さ（ＨＲＣ）と共に、上記消耗ドリル本数、放電加工性（平均粗さＲa ）、工具摩耗量、使用後の金型の割れ（靱性）および摩耗量を示したもので、従来鋼５を基準にして評価した。かかる表４から明らかなように、消耗ドリル本数、工具摩耗に関する被削性、および放電加工性については、発明鋼１８、１９の方が従来鋼５に比較して優れている。また、割れ（靱性）については、従来鋼５と同程度か優れており、金型の摩耗については従来鋼５と同程度であった。

図３は、前記表１の従来鋼１および発明鋼１を基本として、そのＳ（硫黄）およびＴｉ（チタン）の含有率を種々変化させることにより、従来鋼１についてはＭｎ硫化物の量を、発明鋼１についてはＴｉ炭硫化物の量を、それぞれ変化させて鋼材を製造するとともに、放電加工を行なって平均面粗さＲa （μｍ）を測定して、それ等のＭｎ硫化物、Ｔｉ炭硫化物の面積率をパラメータとして表にしたものである。Ｍｎ硫化物およびＴｉ炭硫化物の面積率の測定方法は、鋼材中から適当な大きさの試験片を採取し、幅１５ｍｍ×長さ１５ｍｍの面を鏡面研磨した後、光学顕微鏡の倍率２００倍を用いてランダムに１０視野撮影し、１視野毎の非金属介在物の面積率を測定して、１０視野の平均値を最終的な面積率とした。但し、発明鋼１に関しては、Ｍｎの含有率などから非金属介在は総てＴｉ炭硫化物と見做し、従来鋼１については総てＭｎ硫化物と見做した。また、鏡面研磨は、♯１００→♯４００→♯８００→♯１０００→♯１５００→ダイヤモンド砥粒１μｍ（バフ）の順で実施した。

この図３から明らかなように、Ｍｎ硫化物、Ｔｉ炭硫化物の面積率が同じでも、Ｔｉ炭硫化物が形成される本発明鋼の方が放電加工性（面粗さＲa ）が優れている。しかし、Ｔｉ炭硫化物の面積率が４％を越えると、放電加工性が急に悪くなるため、本発明ではＴｉ炭硫化物の面積率を４％以下とし、その程度のＴｉ炭硫化物が形成されるようにＳ（硫黄）等の含有率が定められている。

図４は、前記表１の本発明鋼１を基本として、そのＭｎの含有率を種々変化させて放電加工性（面粗さＲa ）への影響を調べたもので、Ｍｎの含有率が０．４wt％以上になると放電加工性が急に悪くなるため、本発明ではＭｎの含有率を０．４wt％未満にしている。

以上、本発明の実施例を詳細に説明したが、これはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

本発明鋼および従来鋼、比較鋼を用いて各種の試験を行なった実施例１の手順を説明する図である。 本発明鋼および従来鋼を用いて各種の試験を行なった実施例２の手順を説明する図である。 Ｍｎ硫化物およびＴｉ炭硫化物の面積率と放電加工性との関係を調べた結果を示す図である。 Ｍｎの含有率と放電加工性との関係を調べた結果を示す図である。

Claims (6)

1. ０．１０≦Ｃ≦０．３５wt％、０．１≦Ｓｉ≦２．０wt％、０．０１≦Ｍｎ＜０．４０wt％、１．０≦Ｃｒ≦５．０wt％、および０．０１≦Ｍｏ≦１．０wt％と、
   ０．０１≦Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ≦０．８０wt％を満足し、且つ０．１≦Ｔｉ／（Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ）≦１．０を満足するＴｉ、Ｖ、およびＺｒから選ばれた少なくともＴｉを含む１または２種以上の元素と、
   ０．００５≦Ｓ＋０．４１Ｓｅ＋０．２５Ｔｅ≦０．２０wt％を満足するＳ、Ｓｅ、およびＴｅから選ばれた１または２種以上の元素と、
   を基本成分として含有し、
   Ｃ／（Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ）が０．２〜１５．０の範囲内で、且つ（Ｓ＋０．４１Ｓｅ＋０．２５Ｔｅ）／（Ｔｉ＋０．９４Ｖ＋０．５３Ｚｒ）が０．２０〜０．７０の範囲内であるとともに、
   残部がＦｅ及び不可避的不純物から成り、
   前記Ｔｉ、Ｖ、およびＺｒから選ばれた少なくともＴｉを含む１または２種以上の元素と、前記Ｃと、前記Ｓ、Ｓｅ、およびＴｅから選ばれた１または２種以上の元素と、の化合物を含む非金属介在物が、材料断面積の面積率で０．０１〜４．０％含み、
   ロックウェルＣスケール硬さ（ＨＲＣ）が２６．０〜３６．０の範囲内である
   ことを特徴とする加工性に優れたプラスチック成形金型用鋼。
2. 請求項１の基本成分に加えて、０．００１≦Ｃｕ≦０．５０wt％、０．００５≦Ｎｉ≦０．５０wt％、０．００１≦Ｃｏ≦０．５０wt％、および０．０００５≦Ｂ≦０．０１０wt％の何れか１種以上を更に含有している
   ことを特徴とする加工性に優れたプラスチック成形金型用鋼。
3. 請求項１または２の基本成分に加えて、０．００１≦Ｗ≦０．５０wt％、０．００１≦Ｎｂ≦０．３０wt％、および０．００１≦Ｔａ≦０．３０wt％の何れか１種以上を更に含有している
   ことを特徴とする加工性に優れたプラスチック成形金型用鋼。
4. 請求項１〜３の何れか１項の基本成分に加えて、０．０００５≦Ｍｇ≦０．１０wt％、０．０００５≦Ａｌ≦０．０５０wt％、０．０００３≦Ｏ≦０．０１５wt％、０．０００５≦Ｎ≦０．０２５wt％、０．００１≦ＲＥＭ（希土類金属）≦０．１０wt％、および０．０００２≦Ｈ≦０．０１０wt％の何れか１種以上を更に含有している
   ことを特徴とする加工性に優れたプラスチック成形金型用鋼。
5. 請求項１〜４の何れか１項の基本成分に加えて、０．００１≦Ｐ≦０．０３０wt％、０．００１≦Ｓｎ≦０．０５０wt％、０．０００２≦Ｃａ≦０．１０wt％、０．００１≦Ｐｂ≦０．２０wt％、および０．００１≦Ｂｉ≦０．３０wt％の何れか１種以上を更に含有している
   ことを特徴とする加工性に優れたプラスチック成形金型用鋼。
6. フェライト＋パーライト組織であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の加工性に優れたプラスチック成形金型用鋼。

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