JP5043529B2 - 鏡面性に優れたプラスチック成形金型用鋼 - Google Patents

Description

本発明は、鏡面性に優れたプリハードンタイプのプラスチック成型金型用鋼に関するものである。

近年、家電をはじめ、自動車、ＯＡ機器、精密機械、光学機器など、多くの分野で製品のプラスチック化が進んでいる。プラスチック成型用金型材としては、安価な炭素鋼やＣｒ−Ｍｏ系低合金鋼が使用されており、その多くはプリハードン鋼として提供される。これは予め調質熱処理により所定の硬度に調整され、機械加工後に金型として使用されるものである。また、金型表面の形状が、成形したプラスチック製品の表面に現れるので、例えば、光学レンズのような透明なプラスチック製品を成形する金型には、極めて高度な鏡面仕上げ性が不可欠である。鏡面性を阻害する要因の一つは鋼材中に含まれる非金属介在物の存在であり、鏡面研磨時にピンホール欠陥の起点となる。該非金属介在物としては、Ａｌ_２Ｏ_３に代表される酸化物およびＭｎＳが主なものである。

これまでに鏡面性向上（高清浄度化）を目指すプラスチック成型金型用鋼としては、特許文献１〜３などに記されているものがある。介在物低減の方策としてはＳ、Ｏ、Ｎ量の低下がもっとも有効である。特許文献１に示されたプラスチック成型金型用鋼は、Ｏ、Ｎ量に上限を設けて規制することで、高い鏡面性を達成しようとするものである。具体的には、０≦０．００１５％、Ｎ≦０．０１５％としている。さらに、特許文献２、３に示されたプラスチック成型金型用鋼は、Ｏ、Ｎの規定に加えて、ともにＳ量低減に関する規定があり、前者が質量％でＳ≦０．００２％、０≦０．００１５％、Ｎ≦０．００１％、後者がＳ≦０．００４％、Ｏ≦０．００１５％、Ｎ≦０．００３％としている。
特開平１１−３３５７７５号公報 特開２００４−０５９９９３号公報 特開２０００−０８７１７８号公報

しかし、上述のようにＳ、Ｏ、Ｎ量を低減して金型用鋼の高清浄度化を図る際には、通常の真空溶解法にエレクトロスラグリメルティング法のような特殊溶解法を追加する必要があり、その製造費用が高くなる問題がある。
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、特に鋼中Ｓ、Ｎ、Ｏ含有量についてその規制を緩和して製造を容易にし、製造費用を抑えるとともに、合金元素含有量を適正化することで、非金属介在物の生成を厳しく制限することなく優れた鏡面性を実現することを目的とする。

すなわち本発明の鏡面性に優れたプラスチック成形金型用鋼のうち、請求項１記載の発明は、質量割合で、Ｃ：０．２０〜０．４０％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｎｉ：１．０〜１．５％、Ｃｒ：１．０〜１．５％、Ｍｏ：０．２〜０．５％、Ｖ：０．０２〜０．１０％、Ｃｕ：０．２５〜０．３５％、Ａｌ：０．１％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｏ：３０ｐｐｍ以下、Ｎ：０．０２％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。

請求項２記載の鏡面性に優れたプラスチック成形金型用鋼の発明は、請求項１記載の発明において、焼き入れ条件を８９０℃〜９００℃で加熱してから水冷とすることで、整粒かつフルべイナイト組織とし、焼戻し条件を６００℃〜６１０℃で加熱してから炉冷とすることで、焼戻し後の硬さが２８〜３２ＨＲＣであることを特徴とする。

本発明によれば、適正な成分設定により、適正な焼入れ及び焼戻しを施すと整粒かつフルベイナイト組織を得ることができ、非金属介在物の生成を厳しく制限しなくても優れた鏡面性を得ることができる。以下に、本発明で規定する成分等の規定理由について説明する。なお、以下における成分量はいずれも質量割合で示されている。

Ｃ：０．２０〜０．４０％
Ｃは焼入性を向上させる元素であり、目的の硬度を得るためにも０．２０％以上の添加とする。また、多すぎると溶接が困難になるとともに、硬さが高くなり過ぎて被削性を低下させるので、０．４０％以下とする。

Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉは製鋼工程における脱酸剤として使われ、被削性を向上させる効果もあるが、多すぎると靭性を低下させるため１．０％以下とする。

Ｍｎ：０．５〜２．０％
Ｍｎは、焼入れ性を向上させ強度を高める効果があり、０．５％以上は必要である。また、多すぎると靭性を低下させるため２．０％以下とする。なお、同様の理由で下限を０．７％、上限を１．３％とするのが望ましい。

Ｎｉ：１．０〜１．５％、Ｃｒ：１．０〜１．５％、Ｍｏ：０．２〜０．５％、
これらの元素は金型の焼入れ性を高め、硬さ、靱性を向上させるのに有効である。しかし、それぞれ上限値を越えて含有させてもその効果は小さく、鏡面性や被削性を悪化させる要因となり、いたずらにコスト増を招くため、各合金元素の含有量は上述の範囲とする。なお、同様の理由で、Ｎｉにおいて下限を１．１％とするのが望ましく、Ｃｒにおいて下限を１．１％とするのが望ましい。

Ｖ：０．０２〜０．１０％
Ｖは結晶粒の微細化に効果があり、焼戻し軟化抵抗を高める効果がある。多すぎると被削性及び靭性の低下を招くため０．１０％以下とする。なお、上記作用を十分に得るために、下限を０．０２％とする。

Ｃｕ：０．２５〜０．３５％
ＣｕはＮｉ、Ａｌとともに微細析出による析出硬化をもたらすとともに、被削性向上にも有効であるため含有させる。上記作用を得るためには、０．２５％以上は必要である。また、結晶粒のバラつきを抑制し、鏡面性を向上させるため上限を０．３５％とする。

Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、粗大な硫化物系介在物を形成した場合には研磨時のピンホール発生の原因となり、鏡面性を低下させるので、０．０３０％以下とする。

Ｏ：３０ｐｐｍ以下、Ｎ：０．０２％以下
Ｏ、ＮはそれぞれＡｌ等と結合し非金属介在物を形成し、鏡面性に加えて被削性をも低減させるため、Ｏで３０ｐｐｍ％以下、Ｎで０．０２％以下とする。

Ａｌ：０．１％以下
Ａｌは脱酸剤として添加されるが、Ａｌ_２Ｏ_３系介在物が鋼中に残留し被削性や鏡面性を悪化させる原因となるため、０．１％以下とする。

［硬さの限定理由］
硬さ：２８〜３２ＨＲＣ
本発明鋼は、使用条件から選ばれる適当な硬さ（ＨＲＣ２８〜３２）の範囲に焼入、焼戻しが行われ、最後に仕上げ加工が施されることによりプリハードン鋼として供される。硬さがＨＲＣ２８より低いと型寿命が低下し、また、硬さがＨＲＣ３２より高いと被削性および靭性が低下してくるので、本発明鋼の硬さはＨＲＣ２８〜３２を目標値に設定する。

以上述べたように、本発明の鏡面性に優れたプラスチック成形金型用鋼によれば、質量割合で、Ｃ：０．２０〜０．４０％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｎｉ：１．０〜１．５％、Ｃｒ：１．０〜１．５％、Ｍｏ：０．２〜０．５％、Ｖ：０．０２〜０．１０％、Ｃｕ：０．２５〜０．３５％、Ａｌ：０．１％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｏ：３０ｐｐｍ以下、Ｎ：０．０２％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるので、製造コストを抑えた上で鏡面性を向上させることができ、高品質化とコスト削減に貢献する効果がある。

以下に、本発明の一実施形態を説明する。
本発明のプラスチック成形金型用鋼は、常法により溶製することができる。Ｓ、Ｏ、Ｎを規制する製法としては、真空溶解法、電気炉溶解法、取鍋精錬法、エレクトロスラブ再溶解法などがあるが、本発明では、これらの規制値は、厳格に行う必要がなく、コストの低い製法を採用することができる。
溶製により得られる鋼塊は、必要に応じて鍛造等の加工を行い、さらに調質を行う。これらの鍛造等や調質は常法により行うことができる。ただし、調質においては、焼き入れ条件、焼戻し条件を適正に定めるのが望ましい。
焼き入れに際しては、８９０℃〜９００℃に加熱してから水冷するのが最適である。これにより、整粒なフルベイナイト組織が得られる。整粒であるか否かは、ＪＩＳＧ０５５１”鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法”によって判定することができ、光学顕微鏡観察などの測定方法を経て上記判定を行うことができる。また、フルベイナイト組織は、光学顕微鏡観察を経て上記判定を行うことができる。

上記焼き入れ後に、適正な焼戻しを行うことで、所望の硬さが得られる。該焼戻しの条件としては、６００℃〜６１０℃で加熱してから炉冷するのが最適である。該焼戻しによって２８〜３２ＨＲＣという適度な硬さを得ることができる。
このプリハードン金型用鋼は、必要に応じて切削加工、鏡面研磨が行われる。切削加工においては、良好な被削性を示し、切削加工を円滑かつ高品質に行うことができる。また、鏡面研磨によっては、非金属介在物を厳しく制限することなく優れた鏡面性を示す。

以下に、本発明の実施例を比較例と比較して説明する。
表１に各供試材の化学成分（残部Ｆｅおよびその他不可避不純物）を示す。供試材としては、本発明の成分範囲になる発明鋼と、本発明の成分範囲を外れた比較鋼とを用意した。供試材はすべて整粒なフルベイナイト組織となるように、焼入れを８４０℃〜９００℃、焼戻しを６００℃、６３０℃とする熱処理を施した。表２に熱処理後の硬さ測定結果および旧γ結晶粒測定結果を示す。供試材Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４のすべてで焼戻し後の硬さが目標の２８〜３２ＨＲＣとなるのは、焼入れ温度が８８０℃および９００℃、焼戻し温度が６００℃の条件とした場合である。さらに、旧γ結晶粒が整粒となるのは焼入れ温度が９００℃、焼戻し温度が６００℃の条件とした場合である。

以上の結果から、焼入れを９００℃、焼戻しを６００℃とした各供試材より１００ｍｍ四辺の正方形面試材を採取し、磨き試験（＃３０００研磨）を行った。表３に発明材と比較材の鏡面性評価を示す。鏡面仕上げ性は輝度やオレンジピール（研磨時に生じる凹凸）について目視により比較し、鏡面仕上げ性が良好であるものから、優れる：○、劣る：△とした。観察の結果、発明鋼であるＮｏ．１が最も優れた性質を示し、Ｎｏ．２とＮｏ．３はＮｉとＣｒが過剰な添加となり鏡面性を低下させている。
また、図１にＮｏ．１とＮｏ．４の旧γ結晶粒観察写真を、図２に結晶粒度測定結果を示す。Ｃｕ量を規定範囲としたＮｏ．１ではＮｏ．４よりも結晶粒のばらつきが小さく、より均一な粒度分布となっており、このことが鏡面性を向上させていると考えられる。

本発明鋼および比較鋼の典型的な旧γ結晶粒の図面代用観察写真である。 本発明鋼および比較鋼の旧γ結晶粒分布を示すグラフである。

Claims (2)

1. 質量割合で、Ｃ：０．２０〜０．４０％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｎｉ：１．０〜１．５％、Ｃｒ：１．０〜１．５％、Ｍｏ：０．２〜０．５％、Ｖ：０．０２〜０．１０％、Ｃｕ：０．２５〜０．３５％、Ａｌ：０．１％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｏ：３０ｐｐｍ以下、Ｎ：０．０２％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする鏡面性に優れたプラスチック成形金型用鋼。
2. 焼き入れ条件を８９０℃〜９００℃で加熱してから水冷とすることで、整粒かつフルべイナイト組織とし、焼戻し条件を６００℃〜６１０℃で加熱してから炉冷とすることで、焼戻し後の硬さが２８〜３２ＨＲＣであることを特徴とする請求項１に記載のプラスチック成形金型用鋼。