JP4938658B2 - 射出成形用金型および射出成形用金型枠のためのマルテンサイトステンレス鋼 - Google Patents

Description

本発明は、プラスチック材料の射出成形用の金型および金型枠の製造のためのマルテンサイトステンレス鋼に関する。

プラスチック材料の射出成形は、強い注入圧力から起因する大きな力に耐えることができる高い機械的強度を有する鋼からなる金型および金型枠の使用を必要とする。金型および金型枠の製造には、フライス削りや穿孔などといった多数かつ長時間の機械加工作業が必要であり、したがって鋼に良好な機械加工性が必要とされる。さらに、金型および金型枠は、成形品に関して形状的な機能だけでなく冷却性の機能をも有しているため、金型および金型枠を構成する鋼が、金型の構造を通じての伝導による熱の除去を促進するため、好ましくは良好な熱伝導率を有していなければならない。最後に、金型は、注入されるプラスチック材料が腐食性である場合には、それらプラスチックによる腐食、冷却回路の冷却流体による腐食、あるいは金型の成形部分の研磨仕上げされた空洞の大気による酸化による腐食に、抗することができなければならない。

これらの要件のすべてを満足するため、さらにステンレスの高強度鋼の使用が試みられている。これは、マルテンサイト系のステンレス鋼、さらに詳しくはＡＩＳＩ ４２０〜４４０系列のマルテンサイト系ステンレス鋼、またはこれらの鋼に類似する鋼の探求を促している。

しかしながら、これらマルテンサイトステンレス鋼は、０．１０％〜０．５％程度、あるいはそれ以上の比較的高い炭素含有量を有し、腐食への耐性があまり優れておらず、とりわけ機械加工作業にきわめて不向きであるという欠点を有している。加えて、高すぎる炭素含有量は、金型の構成部品にとって、特に再度の機械加工が必要とされる場面においてそれら構成部品の溶接による補修を可能にするために重要な特性である、溶接性を悪化させる。

これらの種々の欠点を克服するため、特に米国特許第６，３５８，３３４号明細書において、プラスチック材料の射出成形用金型の製造を目的とするマルテンサイトステンレス鋼であって、炭素含有量が０．０８％を超えず、機械加工性を向上させるために、０．０６％〜０．３％という大量の硫黄の添加を含む、マルテンサイトステンレス鋼が提案されている。この鋼は、基本的には、１２％〜１４％のクロム、０．０３％〜０．０６％の炭素、１％〜１．６％のマンガン、０．２５％〜１％のケイ素、０．０１％〜０．１％のバナジウム、０．０２％〜０．０８％の窒素を含有し、鋼の熱伝導率を改善するため、さらに０．５％〜１．３％の銅の添加を含む。この鋼は、ＡＩＳＩ ４２０〜４４０系列のマルテンサイトステンレス鋼と比べ、金型または金型枠の構成部品の製造により適した特性を有しており、さらに約３００ＨＢ程度の硬さを有しているが、２つの欠点を有している。一方では、熱間鍛造性があまり良好でないため、熱間圧延での成形が困難である。他方では、炭素の含有量が、ステンレス鋼廃棄物の平均的な炭素含有量よりもかなり多いため、リサイクルがあまり容易でない。

本発明の目的は、プラスチック材料の射出成形のための金型または金型枠の製造に適した高性能なステンレス鋼であって、機械加工および溶接の両者が容易であり、腐食によく耐え、良好な熱伝導率を有し、製造上の問題が少なく、特に可鍛性およびリサイクル性の問題が少ない鋼を提案することによって、これらの欠点を克服することにある。

この目的のため、本発明は、プラスチック材料の射出成形のための金型または金型枠の構成部品であって、該構成部品が、マルテンサイトステンレス鋼からなり、該マルテンサイトステンレス鋼の組成（重量％）が、
０．０２％≦Ｃ≦０．０９％
０．０２５％≦Ｎ≦０．１２％
（ただし、０．０５≦Ｃ＋Ｎ≦０．１７％）
Ｓｉ≦０．３４％
Ａｌ≦０．０８０％
（ただし、Ｓｉ＋２３Ａｌ≧０．２０％、
Ｓｉ＋０．６Ａｌ≦０．２５％、かつ
０．０００２５≦Ａｌ×Ｎ≦０．００２０）
０．５５％≦Ｍｎ≦１．８％
１１．５％≦Ｃｒ≦１６％
を含み、
任意により最大で０．４８％の銅、最大で０．９０％のＭｏ＋Ｗ／２、最大で０．９０％のニッケル、最大で０．０９０％のバナジウム、最大で０．０９０％のニオブ、最大で０．０２５％のチタニウムを含み、任意により最大０．２５％の硫黄を含んでおり、
残りが、鉄および製造作業に起因する不純物であって、
さらに、
６．５≦Ｆ＝（Ｃｒ＋Ｍｏ）＋２（Ｓｉ＋Ｖ＋Ｎｂ）−２７（Ｃ＋Ｎ）−（Ｎｉ＋Ｍｎ／２＋Ｃｕ／３）≦１３
を満足する、構成部品に関する。

好ましくは、マルテンサイトステンレス鋼の組成が、以下の条件、すなわち
Ｓｉ＋０．６Ａｌ＜０．２５％
Ｃｕ≦０．４％
Ａｌ×Ｎ≧０．０００５０
のうちの１つ以上を満足する。

好ましくは、マルテンサイトステンレス鋼の組成が、以下の条件、すなわち
Ｎｉ≧０．１０％
Ｖ≧０．０１５％
Ｍｏ＋Ｗ／２≧０．１０％
のうちの少なくとも１つを満足する。

マルテンサイトステンレス鋼の組成が、研磨についてきわめて良好な適性が求められる場合には、
７．０≦Ｆ≦８．９
であってよく、そうでない場合には、
９．０≦Ｆ≦１１．５
を満足する。

プラスチック材料の射出のための金型または金型枠の構成部品は、焼き入れおよび焼き戻しされた、本発明によるマルテンサイトステンレス鋼からなる。

好ましくは、構成部品を構成している鋼の構造が、２０％未満のδフェライトを含有し構成されており、残りがマルテンサイトである。鋼の構造が、１０％未満のδフェライトを含有し、残りがマルテンサイトであるとさらに好ましい。

以下で、本発明をさらに詳しく説明するが、これらはあくまで例による説明であり、本発明を限定するものではない

本発明者らは、マルテンサイトステンレス鋼において、熱伝導率についての銅の有利な効果を、ケイ素含有量の大幅な低減によって置き換えることができ、腐食についての銅の有利な効果を、モリブデンまたは窒素の含有量を増すことによって補償できることを、新規なかつ予想外の態様で見出した。

これらの所見から出発し、本発明者らは、金型の構成部品の製造に関して満足できる特性を有するとともに、さらに良好な可鍛性をも有しているマルテンサイトステンレス鋼を、銅の含有量を大幅に減らし、ケイ素含有量を大幅に減らし、さらに任意によりモリブデンまたは窒素、あるいはこれら２つの元素の組み合わせを添加することによって、得ることができることを見出した。

これらの所見を念頭に、本発明による鋼は、その組成が重量に従って以下に規定の含有物を含んでいる、マルテンサイト系のステンレス鋼である。

硬化に寄与するよう、０．０２％よりも多く、好ましくは０．０３％よりも多いが、腐食への耐性を悪化させることがないよう、０．０９％以下、好ましくは０．０６％以下、さらに好ましくは０．０５％以下の炭素。

鋼の機械的強度および腐食に対する耐性を向上させるために、少なくとも０．０２５％、好ましくは０．０３５％であるが、望ましくないチッ化クロムの形成の傾向を少なくするため、０．１２％未満、好ましくは０．１０％未満、さらに好ましくは０．０７５％未満の窒素。これらのチッ化クロムは、脆化作用を有するとともに、遊離クロムの含有量が少なくして腐食への耐性を損なう傾向にある。

炭素および窒素の含有量は、すぐ上で規定した限界の範囲内において、炭化物およびチッ化物の形成による焼き戻し時の硬化への充分な寄与が確保されるよう、炭素および窒素の含有量の合計が、０．０５％以上であり、好ましくは０．０７％以上でありながら、ここで検討中の用途にとって過剰な硬化につながることがなく、靱性の低下を避けることができ、さらには一部が炭窒化物の形態で固定されてクロムの含有量が局所的に少なくなることで、腐食への耐性が過剰に低下することがないよう、炭素および窒素の含有量の合計が、好ましくは０．１７％を超えず、より好ましくは０．１４％を超えず、さらに好ましくは０．１１％を超えないように、調節される。

特にフライス削りおよび穿孔に関して機械加工性を向上させるため、特に表面品質の要求（磨き仕上げ品質、または粒状表面）が高くなく、とりわけ鋼が、金型枠、または審美的要求の低いプラスチック材料を成形するための空洞を製作するために使用される場合に、硫黄を加えることが可能である。その場合、硫黄の含有量は、好ましくは少なくとも０．０５％、より好ましくは少なくとも０．０７５％、さらに好ましくは少なくとも０．１０％でなければならない。しかしながら、鋼の可鍛性、腐食への耐性、および靱性を損なうことがないよう、硫黄の最大含有量は、０．２５％未満、好ましくは０．２０％未満、さらに好ましくは０．１５％未満でなければならない。

ケイ素およびアルミニウムは、鋼の槽の良好な脱酸の確保に役立つ元素であり、この観点から、それらの存在が望ましい。特に、ケイ素およびアルミニウムの含有量について、Ｓｉ＋２３×Ａｌ≧０．２０％、好ましくは≧０．３５％のようであることが必要である。しかしながら、本発明者らは、ケイ素の含有量を可能な限り低い水準へと減らし、アルミニウムの含有量をより少ない程度まで減らすことで、クロムの含有量の多さが鋼の熱伝導率に及ぼすきわめて不利な影響を、部分的ではあるが、きわめて有意な態様で補償できることを見出した。この高クロム鋼の熱伝導率の小ささは、注入されたプラスチック材料からなる物品を速やかに固化させることができるよう、熱の効果的な除去が使用時の重要な機能の１つを構成している、プラスチック材料の射出成形のための金型の用途において、特に不利である。

したがって、良好な熱伝導率を得るために、ケイ素およびアルミニウムの含有量に関しては、Ｓｉ＋０．６Ａｌ≦０．２５％、さらに好ましくは≦０．１７％のようであることが望ましい。

さらに、圧延および鍛造のための満足できる適性を保証するため、すなわち換言すると、中間での加熱を必要としない１回の加熱操作での圧延をおおむね可能にする、充分に広い熱間成形温度範囲をもたらすため、アルミニウムおよび窒素の含有量は、Ａｌ≦０．００２０／Ｎ、好ましくは≦０．００１０／Ｎのようでなければならない。さらに、熱処理の際に粒子のサイズを抑制すべく粒子の成長を管理し、したがって品質処理の実行後に満足できる粒子サイズを保証するため、アルミニウムおよび窒素の含有量は、Ａｌ≧０．０００２５／Ｎ、好ましくは≧０．０００５０／Ｎのようでなければならない。

マンガンは、硫黄が鋼の脆性にもたらす不都合な働きを抑えるため、硫化マンガンの形態で硫黄を固定するために特に望ましい。したがって、マンガンの含有量は、好ましくはＭｎ≧０．３％＋５×Ｓのようでなくてはならない。

さらに、マンガンは、焼き入れ性を向上させるとともに、焼き入れ後に得られる事実上のマルテンサイト構造においてフェライトの含有量を少なくする。

この理由のため、マンガンの含有量は、０．５５％以上、より好ましくは０．７５％以上、さらに好ましくは１．０５％以上である。しかしながら、マンガンの含有量が多すぎる場合、この元素が靱性を低下させる。したがって、マンガンの含有量は、１．８％以下、好ましくは１．６％以下でなければならない。

腐食への耐性をもたらすクロムの含有量は、１１．５％以上、好ましくは１２％以上でなければならない。しかしながら、焼き入れ後に得られる構造中の柔らかい構成成分であるδフェライトの存在を制限するため、クロムの含有量は、１６％以下、好ましくは１５％以下、より好ましくは１４％以下、さらに好ましくは１３％以下でなければならない。

銅の含有量は、熱間での変形への適性を損なうことがなく、かつリサイクルがあまり困難でない廃棄物が生じるよう、０．４８％以下、好ましくは０．４％以下であり、さらには所望の限り少なくてもよい。

上述のように、銅は、腐食への耐性およびデルタフェライトの含有量について有利な効果を有しているが、本発明者らは、特にモリブデンを添加し、ケイ素の含有量を可能な限り少なくすることで、高い銅含有量の利点を保持でき、あるいは強化することさえ可能であることを見出した。

しかしながら、銅は、金属くず中に残留物として存在することが多く、したがって、きわめて低い銅含有量を達成するために、必要となるくずの選別に関する余分なコストを抑えるために、金属くずによって持ち込まれる銅の含有量として、０．１％を超え、実際には０．２％を超え、さらには０．３１％を超え、さらに好ましくは０．３５％を超える含有量を、受け入れることができる。

モリブデンは、焼き入れ性を改善するという利点を有しており、引っ張り強度と靱性との間の折衷を最適にするために望ましいマルテンサイト微細構造の生成を促す。

さらに、この元素は、焼き戻し時の軟化に対して強力な耐性を促す。最後に、腐食への耐性に大いに貢献する。しかしながら、きわめて高価であるとともに、δフェライトの形成を促す。したがって、モリブデンの最大含有量は、０．９０％を超えず、好ましくは０．４８％を超えず、さらに好ましくは０．３５％を超えない。この元素の存在は、不可欠というわけではなく、最少の含有量は、単純に０％または痕跡程度であってよい。しかしながら、モリブデンの最少含有量については、少なくとも０．１０％、好ましくは少なくとも０．２０％、さらに好ましくは０．３０％が好ましい。

モリブデンを、任意により、１％のモリブデンにつき２％のタングステンの割合にて、タングステンで置き換えてもよい。しかしながら、特にタングステンのコストがきわめて高いという理由で、タングステンによるモリブデンの置き換えは望ましくない。

同様に、類似の効果を有するコバルトを、添加することが可能である。しかしながら、これは望ましくなく、したがってこの元素の含有量は、好ましくは０．０１０％以下である。すなわち換言すると、この元素は、痕跡または不純物の状態にある。

ニッケルは、靱性に有利な元素である。さらに、補償されるべき腐食への耐性を強化するために加えられたアルファ生成元素の効果を有効にするガンマ生成元素である。したがって、その存在は必須ではないが、この元素を加えることができる。したがって、最少のニッケル含有量は、０％または痕跡程度であってよいが、０．１０％以上、さらに好ましくは０．２０％以上であると有利である。しかしながら、高コストゆえ、０．９５％を超える含有量は望ましくない。好ましくは、ニッケルの含有量は、０．４８％以下である。

バナジウムは、残留物の状態で存在してもよい。鋼中のクロムの含有量を念頭におくと、電気炉を使用する通常の経路による製造は、管理された最小値の保証がない場合、最大約０．０５％の残留物含有量を生じることがある。しかしながら、バナジウムを、焼き戻しの際の硬化機能を理由に、管理された添加物として０．０１５％の最小含有量で任意により使用することができる。しかしながら、特にコストおよび機械加工性への不利な影響ゆえ、バナジウムの含有量は０．０９０％を超えないことが望ましい。

ニオブは、バナジウムと類似の効果を有しており、やはりその含有量は、０．０９０％を超えてはならない。さらに、この元素は可鍛性にとって有害である。したがって、この元素については、含有量が０．０２０％未満、より好ましくは０．０１０％未満、さらに好ましくはわずかに痕跡量であることが望ましい。

チタニウムの存在は、チッ化チタニウムまたは炭化チタニウム構成部品の硬さが、機械加工性を大きく悪化させる可能性があるため、望ましくない。しかしながら、熱処理の過程における粒子の成長を抑えるため、任意によりこの元素を加えてもよい。その場合、チタニウムの含有量は、０．００２５％を超えてはならず、好ましくは０．０１０％〜０．０２０％であるべきである。

さらには、チッ化チタニウムのサイズを小さくし、特に約１ミクロン未満であるようにするため、チタニウムについては、スラグへの添加から出発する漸進的な態様で、きわめて漸進的な金属／チッ化物の接触への移行によって、製造時に液状の鋼の槽へと加えることが強く望まれる。

組成の残りは、鉄および不純物で構成される。

各元素の含有量に関してたった今示した条件の他に、マルテンサイトへの変換が不可能であって、その存在が研磨仕上げ性、強度、および腐食への耐性にとって不利である、δフェライトの含有量を抑えるようなやり方で、組成を調節することが望ましい。特に、δフェライトの割合は、基本的にマルテンサイトである構造において２０％以下、さらに好ましくは１０％以下であることが望ましい。

その目的で、組成は以下の条件、すなわち
６．５≦Ｆ≦１３、
さらに好ましくは、７．０≦Ｆ≦１１．５
を満足しなければならず、ここで
Ｆ＝（Ｃｒ＋Ｍｏ）＋２（Ｓｉ＋Ｖ＋Ｎｂ）−２７（Ｃ＋Ｎ）−（Ｎｉ＋Ｍｎ／２＋Ｃｕ／３）
である。

これらの限界において、２つの部分範囲を区別することができる。一方は、金属の良好な一様性および良好な研磨仕上げ性にとってより有利である、７．０〜８．９のＦに対応する部分範囲であり、他方は、９．０〜１１．５のＦに対応する範囲である。興味深い折衷は、８．５以下から１０．５以下のＦに対応する。

一般的に、この鋼は、例えば電気炉を使用して知られている方法によって製造される。任意により、チタニウムを加えるために、この元素がスラグへと加えられ、チタニウムがスラグ金属との接触によって液状の鋼の槽へと移され、液状の鋼が、スラブまたはバーの形態に鋳造され、これらが、圧延または鍛造によって熱間成形される。次いで、熱処理が実行されるが、熱処理は、約９５０°でのオーステナイト化で構成され、オーステナイトをマルテンサイトに変換する冷却操作（約１００ｍｍ未満の厚さについての単純な気中での冷却、または他の任意の焼き入れ手段であってよい）、および２５０ＨＢ〜４００ＨＢ、典型的には約３００ＨＢの硬さを得るための５００℃〜５５０℃の好ましい温度での焼き戻しが続く。次いで、金型構成部品または金型枠構成部品が、機械加工される。

例として、表１に記入の化学的組成の鋼を製造することができる。

得られたδフェライトの割合、５２０℃での焼き戻しからなる熱処理後に得られたＨＢ硬さ、鋼の熱伝導率、およびＣｒ＋３．３Ｍｏ＋Ｃｕ＋３０Ｎに等しい腐食指数も、この表に記入されている。

この表において、１行目の鋼は、従来技術に相当する比較用の鋼であり、その他の鋼が、本発明による鋼である。

表に見られるように、δフェライトの含有量は、常に２０％未満であり、従来技術の鋼と同様に、おおむね約１０％である。鋼のＨＢ硬さは２９５ＨＢ〜３５０ＨＢの範囲にあり、耐食性指数は１４．５〜１８．２の範囲にあり、この最後の値は、比較用の鋼の耐食性指数よりもきわめて顕著に高い。最後に、熱伝導率は、２２．８Ｗ／ｍ／℃〜２６．１Ｗ／ｍ／℃の範囲にあり、いずれの場合も比較用の鋼の熱伝導率よりも高く、かなり高いものもある。さらに、本発明による鋼は、熱間成形に関してなんら困難を伴うことなく使用され、可鍛性は常にきわめて満足できるものである。０．４３％以下である銅の含有量が、金属くずにおいてよく見られる含有率に近く、ゆえに本発明による鋼からの廃棄物を、困難を伴うことなくリサイクルできることを、理解できるであろう。

Claims (10)

1. プラスチック材料の射出成形のための金型または金型枠の構成部品であって、
   該構成部品が、焼き入れおよび焼き戻しされたマルテンサイトステンレス鋼からなり、該マルテンサイトステンレス鋼の組成（重量％）が、
   ０．０２％≦Ｃ≦０．０９％
   ０．０２５％≦Ｎ≦０．１２％
   （ただし、０．０５％≦Ｃ＋Ｎ≦０．１７％）
   Ｓｉ≦０．２５％
   Ａｌ≦０．０８０％
   （ただし、Ｓｉ＋２３Ａｌ≧０．２０％、
   Ｓｉ＋０．６Ａｌ≦０．２５％、かつ
   ０．０００２５≦Ａｌ×Ｎ≦０．００２０）
   ０．５５≦Ｍｎ≦１．８％
   １１．５％≦Ｃｒ≦１６％
   を含み、
   任意により最大で０．４８％の銅、最大で０．９０％のＭｏ＋Ｗ／２、最大で０．９０％のニッケル、最大で０．０９０％のバナジウム、最大で０．０９０％のニオブ、最大で０．０２５％のチタニウムを含み、任意により最大０．２５％の硫黄を含んでおり、
   残りが、鉄および製造作業に起因する不純物であって、
   さらに、
   ６．５≦Ｆ＝（Ｃｒ＋Ｍｏ）＋２（Ｓｉ＋Ｖ＋Ｎｂ）−２７（Ｃ＋Ｎ）−（Ｎｉ＋Ｍｎ／２＋Ｃｕ／３）≦１３を満足する、前記構成部品。
2. Ｃｕ≦０．４％
   であることを特徴とする、請求項１に記載の構成部品。
3. Ａｌ×Ｎ≧０．０００５０
   であることを特徴とする、請求項１または２に記載の構成部品。
4. 組成が、以下の条件、すなわち
   Ｎｉ≧０．１０％
   Ｖ≧０．０１５％
   Ｍｏ＋Ｗ／２≧０．１０％
   のうちの少なくとも１つを満足することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の構成部品。
5. 組成が、
   ７．０≦Ｆ≦８．９
   の条件を満足することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の構成部品。
6. 組成が、
   ９．０≦Ｆ≦１１．５
   の条件を満足することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の構成部品。
7. Ｎｂ＜０．０２０％
   であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の構成部品。
8. 鋼の構造が、２０％未満のδフェライトを含有しており、残りがマルテンサイトであることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の構成部品。
9. 鋼の構造が、１０％未満のδフェライトを含有しており、残りがマルテンサイトであることを特徴とする、請求項８に記載の構成部品。
10. Ｃ＋Ｎ≦０．１４％
    であることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の構成部品。