JP6647771B2 - Mold steel and mold - Google Patents

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Description

この発明は高温強度と熱伝導性能ともに優れた金型用鋼及び金型に関する。   The present invention relates to a mold steel and a mold excellent in both high-temperature strength and heat conduction performance.

樹脂やゴム等の射出成形金型,ダイカスト金型,ホットプレス(ホットスタンプやダイクエンチとも呼ばれる)金型等には高い高温強度が求められる。これら金型(金型の一部を構成している部品も含む)において、高温強度はショットを繰返し行った場合に金型の摩耗を抑制する上で必要且つ重要な特性である。
高温強度の求められる金型用の材料として、従来、熱間金型用工具鋼の代表鋼種であるJIS SKD61,或いはSUS420J2やマルエージング鋼等が広く用いられている。
High-temperature strength is required for injection molding dies, die-casting dies, hot press (also called hot stamping and die quench) dies such as resin and rubber. In these molds (including parts constituting a part of the mold), high-temperature strength is a necessary and important characteristic in suppressing the wear of the mold when shots are repeatedly performed.
Conventionally, JIS SKD61, SUS420J2, maraging steel, etc., which are representative steel types of tool steel for hot dies, have been widely used as materials for dies requiring high-temperature strength.

これら金型にあっては、内部に冷却回路を設けてそこに冷却水を流通させることで金型を冷却することが一般に行われているが、その際の冷却水による冷却効率の良し悪しは製品の生産性を直接左右する点で重要である。   In these molds, it is common practice to cool the mold by providing a cooling circuit inside and circulating cooling water therethrough.However, the cooling efficiency of cooling water at that time is good or bad. This is important because it directly affects product productivity.

即ち、冷却効率が低ければ製品成形のサイクルタイムが長くなって製品の生産性が低くなる一方、冷却効率が高ければ製品成形のサイクルタイムを短縮化し得てハイサイクル化により生産性を高めることができ、製品コストを低減することができる。   In other words, if the cooling efficiency is low, the product molding cycle time will be longer and the product productivity will be lower.On the other hand, if the cooling efficiency is higher, the product molding cycle time can be shortened and the productivity can be increased by increasing the cycle. And product cost can be reduced.

冷却効率を高める端的な方法は、冷却回路を金型の成形面(意匠面)に近づけることである。
但しそのようにすると、冷却回路と成形面との間の距離が短くなることにより、また発生する熱応力が大きくなることにより金型が水冷孔割れ(水冷孔から成形面にまで到る貫通した割れ)を生じ易くなり、型寿命が短寿命化する原因となる。
従って冷却回路を成形面に近づけるにしても、そこには自ずと限界がある。
A simple way to increase the cooling efficiency is to bring the cooling circuit closer to the mold surface (design surface) of the mold.
However, in such a case, the mold becomes smaller due to a shorter distance between the cooling circuit and the molding surface, and a larger thermal stress is generated. Cracks) are likely to occur, which causes the mold life to be shortened.
Therefore, even if the cooling circuit is brought closer to the molding surface, there is naturally a limit there.

冷却効率を高める他の方法は金型の熱伝導率を高めること、即ち熱伝導率の高い金型用鋼を用いることである。
金型の熱伝導率が高ければ、同一の冷却回路,冷却条件の下でも金型の温度低下を加速することができ、冷却効率を高めることが可能である。
熱伝導率の高さは、金型における熱応力の低減による疲労亀裂(いわゆるヒートチェック)の抑制や速やかな温度低下により焼付きを軽減する等のためにも必要である。
Another way to increase the cooling efficiency is to increase the thermal conductivity of the mold, i.e. to use mold steel with high thermal conductivity.
If the heat conductivity of the mold is high, the temperature decrease of the mold can be accelerated even under the same cooling circuit and cooling conditions, and the cooling efficiency can be increased.
The high thermal conductivity is also necessary for suppressing fatigue cracks (so-called heat check) by reducing the thermal stress in the mold and reducing seizure by rapidly lowering the temperature.

ところが従来用いられている上記のJIS SKD61やSUS420J2,マルエージング鋼等の金型用鋼は、高温強度を有するものの母相中に固溶し易いSiやCrやNiやCo等の元素が多く含有されているために熱伝導率が低く、熱伝導率によって冷却効率を高めるといったことは難しい。   However, mold steels such as JIS SKD61, SUS420J2, and maraging steel that are conventionally used have high temperature strength, but contain a large amount of elements such as Si, Cr, Ni, and Co that are easily dissolved in the matrix. Therefore, the heat conductivity is low, and it is difficult to increase the cooling efficiency by the heat conductivity.

冷却効率を高めるための他の方法として、冷却回路を金型内部で縦横無尽に複雑に曲りくねった形状とし、冷却回路の全体的な形状,レイアウト等により冷却能力を高めるといったことも考えられる。
但し従来の金型の製造方法は、一般に鋼を溶製してインゴットを造り、その後鍛造や圧延を施してブロックや平角材を造り、それを機械加工で削って金型の形状とし、その後に焼入れ,焼戻し等の熱処理を施して金型を製造するものであり、そのような製造方法の下で、金型内部で縦横無尽に複雑に曲りくねった形状の冷却回路を加工形成するといったことは現実には困難である。
As another method for increasing the cooling efficiency, it is conceivable that the cooling circuit is formed in a mold in an infinitely complex manner inside and outside the mold, and the cooling capacity is increased by the overall shape and layout of the cooling circuit.
However, the conventional mold manufacturing method is generally to ingot steel by making ingots, and then forging or rolling to make blocks or rectangular bars, which are then machined to form the shape of the mold, and then A mold is manufactured by performing heat treatment such as quenching and tempering. Under such a manufacturing method, it is not possible to process and form a cooling circuit having an intricately meandering shape inside and outside the mold. In reality it is difficult.

このような状況の下で近年、金型を積層造形法(3次元積層造形法)で造形する技術が注目されている。
積層造形法は、3次元モデルデータを材料の付着によって実体化する加工法で、この積層造形法では、先ず3次元CADデータで表現される形状を、予め定められた軸に直交する多数の面でスライスして生じる薄片の断面形状を計算して、その薄片を実際に作製及びこれを積み重ね、貼り合せることで計算機表現された形状を実体化する。
Under these circumstances, in recent years, a technique of forming a mold by a layered manufacturing method (three-dimensional layered manufacturing method) has attracted attention.
The additive manufacturing method is a processing method in which three-dimensional model data is materialized by attaching materials. In the additive manufacturing method, first, a shape represented by three-dimensional CAD data is converted into a plurality of surfaces orthogonal to a predetermined axis. Calculates the cross-sectional shape of a slice generated by slicing, slices are actually produced, stacked and laminated, and the shape expressed by a computer is materialized.

この積層造形法には材料として粉末を用いる場合と、板を用いる場合とがある。
粉末を用いる方法では、粉末を層状(一層の厚みは例えば数十μm)に敷き均し、ある領域に熱エネルギー照射、例えばレーザービームや電子ビーム照射して粉末層を溶融凝固或いは焼結させ、そしてこれを一層一層積み重ねて行くことで全体の形状を造形する。
In the additive manufacturing method, there are a case where a powder is used as a material and a case where a plate is used.
In the method using powder, the powder is spread in layers (the thickness of one layer is, for example, several tens of μm), and a certain area is irradiated with heat energy, for example, a laser beam or an electron beam, so that the powder layer is melt-solidified or sintered. Then, the whole shape is formed by further stacking these.

一方材料として板を用いる積層造形では、3次元形状データをCAD中でスライスして生じた個々のパーツ(板)を実際に機械加工等で製造し、そしてそのパーツを積み上げて拡散接合等することで全体の3次元形状を造形する。
例えばこの種積層造形法にて金型を製造する例が、下記特許文献1,特許文献2に開示されている。
On the other hand, in additive manufacturing using a plate as a material, individual parts (plates) generated by slicing three-dimensional shape data in CAD are actually manufactured by machining, etc., and the parts are stacked and diffusion bonded etc. Forms the entire three-dimensional shape.
For example, Patent Documents 1 and 2 disclose an example of manufacturing a mold by this kind of additive manufacturing method.

詳しくは、下記特許文献1には「粉末焼結積層用金属粉末、それを用いた三次元形状造形物の製造方法および得られる三次元形状造形物」についての発明が示され、そこにおいて析出硬化型金属成分の粉末材料に光ビームを照射して、所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成するとともに、これにより得られた固化層の上に更に固化層を形成することを繰り返して三次元形状造形物を製造する点が開示されている。   Specifically, Patent Document 1 below discloses an invention relating to “metal powder for powder sintering and lamination, a method for producing a three-dimensionally shaped object using the same, and a three-dimensionally shaped object to be obtained”. Irradiating a light beam to the powder material of the mold metal component to sinter or melt-solidify the powder at a predetermined location to form a solidified layer, and further form a solidified layer on the solidified layer obtained by this; Is repeated to produce a three-dimensionally shaped object.

また下記特許文献2には「金型用入れ子、金型用入れ子の製造方法及び樹脂成形用金型」についての発明が示され、そこにおいて内部にスパイラル状の冷却路を有する入れ子を製造する際、そのスライスデータに基づいて、複数の金属板にそれぞれ冷却路を形成する溝を加工し、溝加工された金属板を所定の順番に積層してこれを拡散接合し、得られた金属ブロックを形状加工する点が開示されている。   Patent Literature 2 below discloses an invention relating to “a mold nest, a method of manufacturing a mold nest, and a resin molding mold”, in which a nest having a spiral cooling path therein is manufactured. On the basis of the slice data, grooves for forming cooling paths are formed in the plurality of metal plates, the grooved metal plates are laminated in a predetermined order, and diffusion-bonded, and the obtained metal block is formed. The point of shaping is disclosed.

以上のような積層造形法は、材料を積み重ねて全体の形状を造形するものであり、切削加工では到底できないような縦横無尽に曲りくねった複雑な冷却回路でも容易に加工形成することができ、冷却回路を敢えて金型の成形面に必要以上に近づけなくても、冷却効率を従来の機械加工による切削によって造られる金型のそれよりも効果的に高めることができる。   The above-mentioned additive manufacturing method is to form the entire shape by stacking the materials, and it is possible to easily process and form even a complicated cooling circuit winding endlessly vertically and horizontally which can not be achieved by cutting work, Even if the cooling circuit is not intentionally brought closer to the molding surface of the mold than necessary, the cooling efficiency can be more effectively improved than that of the mold produced by cutting by conventional machining.

積層造形法によって造られた金型では、冷却回路を自由自在に複雑形状にすることができ、従って金型材料としてマルエージング鋼や析出硬化型ステンレス鋼を用いたものであっても、積層造形で冷却回路を複雑形状とすることで、その冷却回路の形状効果により冷却の効率を上げることができるが、材料自体の熱伝導率が低いために、冷却効率を十分なレベルまで高めることは難しい。
また当然に、積層造形によらず、従来一般の製造方法で金型を製造した場合には、冷却(熱交換)の効率は更に不十分となる。
In a mold made by additive manufacturing, the cooling circuit can be freely made into a complicated shape.Thus, even if the mold material is made of maraging steel or precipitation hardening stainless steel, it can be made by additive manufacturing. Although the cooling circuit can be made into a complicated shape, the cooling effect can be increased by the shape effect of the cooling circuit, but it is difficult to increase the cooling efficiency to a sufficient level due to the low thermal conductivity of the material itself. .
Also, naturally, when a mold is manufactured by a conventional general manufacturing method without depending on additive manufacturing, the efficiency of cooling (heat exchange) becomes further insufficient.

他方、熱伝導性能の高い(熱伝導率の高い)鋼として、炭素鋼や機械構造用鋼等がある。これらの鋼は、母相中に固溶し易いSiやCrやNiやCoなどの元素の含有量が少なく、低合金鋼であるために高い熱伝導率を示す。
しかしながらこれらの鋼は高温強度が低く、金型となったときの寿命が短い問題がある。
即ち、積層造形法にて金型を造形する、しないに拘らず、金型となったときに高温強度及び熱伝導性能ともに十分な性能を実現することのできる金型用鋼は従来提供されていなかった。
On the other hand, as steel having high heat conduction performance (high heat conductivity), there are carbon steel and steel for machine structural use. These steels have a low content of elements such as Si, Cr, Ni, and Co which are easily dissolved in the matrix, and exhibit high thermal conductivity because they are low alloy steels.
However, these steels have a problem that their high-temperature strength is low and their life when formed into a mold is short.
That is, regardless of whether or not a mold is formed by the additive manufacturing method, a mold steel that can realize sufficient high-temperature strength and heat conduction performance when formed into a mold has been conventionally provided. Did not.

尚、本発明に対する他の先行技術として、下記特許文献3には「熱間工具鋼」についての発明が示され、そこにおいてC:0.28〜0.55%、Si:0.15〜0.80%、Mn:0.40〜0.85%、P:0.020%以下、S:0.018%以下、Cr:2.5〜5.7%、Mo:1.4〜2.8%、V:0.20〜0.90%、W:0.01〜1.65%、Co:0.03〜0.89%、Ni:0.01〜1.65%を含有し、残部が実質的にFe及び不可避的不純物からなり、不可避的不純物のNを0.009%以下、Tiを0.003%以下、Bを0.012%以下に規制し、非金属介在物の清浄度がJIS dA0.005%以下で、d(B+C)0.020%以下であると共に、熱処理後のマルテンサイト組織の方向性が17〜33%の範囲である熱間工具鋼が開示されている。   As another prior art to the present invention, Patent Document 3 listed below discloses an invention relating to “hot tool steel”, in which C: 0.28 to 0.55%, Si: 0.15 to 0.80%, Mn: 0.40 to 0.85%, P: 0.020% or less, S: 0.018% or less, Cr: 2.5 to 5.7%, Mo: 1.4 to 2.8%, V: 0.20 to 0.90%, W: 0.01 to 1.65%, Co: 0.03 to 0.89%, Ni: 0.01 to 1.65%, the balance substantially consisting of Fe and unavoidable impurities. N of the unavoidable impurities is restricted to 0.009% or less, Ti is regulated to 0.003% or less, and B is regulated to 0.012% or less. A hot work tool steel is disclosed in which the cleanliness of inclusions is JIS dA 0.005% or less, d (B + C) 0.020% or less, and the directionality of the martensite structure after heat treatment is in the range of 17 to 33%. ing.

更に他の先行技術として、下記特許文献4には「破砕用刃物用鋼および破砕刃の製造方法」についての発明が示され、そこにおいてC:0.3〜0.5%、Si:0.2〜0.5%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:4.0〜6.0%、MoおよびWの内の1種または2種をMo+1/2W:0.8〜2.5%、VおよびNbの内の1種または2種をV+1/2Nb:0.3〜1.0%、を基本成分として含有し、残部をFeと不可避的不純物からなる破砕用刃物用鋼が開示されている。   As still another prior art, Patent Literature 4 listed below discloses an invention relating to “a method for manufacturing steel for crushing knife and crushing blade”, wherein C: 0.3 to 0.5%, Si: 0.2 to 0.5%, Mn. : 0.1 to 1.0%, Cr: 4.0 to 6.0%, one or two of Mo and W are Mo + 1 / 2W: 0.8 to 2.5%, and one or two of V and Nb are V + 1 / 2Nb: Disclosed is a steel for a crushing knife, which contains 0.3 to 1.0% as a basic component, and the balance is Fe and inevitable impurities.

更に他の先行技術として、下記特許文献5には「熱間鍛造金型及びその製造方法」についての発明が示され、そこにおいてC:0.32〜0.42%、Si:0.3%以下、Mn:0.3〜1.5%、Ni:0.5%以下、Cr:4.0〜6.0%、V:0.2〜1.0%、Mo+1/2W:0.8〜2.0%、及び、N:0.005〜0.04%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる熱間鍛造金型が開示されている。   As still another prior art, Patent Literature 5 listed below discloses an invention relating to “a hot forging die and a method for manufacturing the same”, wherein C: 0.32 to 0.42%, Si: 0.3% or less, and Mn: 0.3 to 0.3%. 1.5%, Ni: 0.5% or less, Cr: 4.0-6.0%, V: 0.2-1.0%, Mo + 1 / 2W: 0.8-2.0%, and N: 0.005-0.04%, the balance being Fe and inevitable A hot forging die made of impurities is disclosed.

更に他の先行技術として、下記特許文献6には「熱間加工用金型」についての発明が示され、そこにおいて、C:0.30%以上0.50%未満、Si:0.10〜0.5%、Mn:0.30〜1.0%、P:0.02%以下、S:0.005%以下、Cr:4.0〜8.0%、Mo:0.2%以上1.5%未満、V:0.05〜1.0%、Al:0.03%以下、N:0.0150%以下およびO:0.0030%以下を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、不純物としてのNiおよびWがいずれも0.7%未満の化学組成および900MPa以上の引張強度を有する熱間加工用金型であって、少なくとも被加工材と接する面に硬化深さが200μmを超える窒化層を備えるとともに、この窒化層の深さが30μm以上の位置での硬さがビッカース硬さで900以下である熱間加工用金型が開示されている。   As still another prior art, Patent Document 6 listed below discloses an invention relating to a “die for hot working”, wherein C: 0.30% or more and less than 0.50%, Si: 0.10-0.5%, Mn: 0.30%. 1.0%, P: 0.02% or less, S: 0.005% or less, Cr: 4.0 to 8.0%, Mo: 0.2% to less than 1.5%, V: 0.05 to 1.0%, Al: 0.03% or less, N: 0.0150% or less And O: 0.0030% or less, the balance being Fe and impurities, wherein Ni and W as impurities each have a chemical composition of less than 0.7% and a tensile strength of 900 MPa or more. For hot working, a nitrided layer having a hardening depth exceeding 200 μm is provided on at least a surface in contact with the workpiece, and a hardness at a position where the depth of the nitrided layer is 30 μm or more is Vickers hardness of 900 or less. A mold is disclosed.

更に他の先行技術として、下記特許文献7には「熱間鍛造金型用鋼」についての発明が示され、そこにおいてC:0.25〜0.45%、Si:0.50%以下、Mn:0.20〜1.0%、P:0.015%以下、S:0.005%以下、Ni:0.5〜2.0%、Cr:2.8〜4.2%、Mo:1.0〜2.0%、V:0.1〜0.5%を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物よりなる熱間鍛造金型用鋼が開示されている。   As still another prior art, Patent Document 7 listed below discloses an invention of "steel for hot forging die", wherein C: 0.25 to 0.45%, Si: 0.50% or less, Mn: 0.20 to 1.0%. , P: 0.015% or less, S: 0.005% or less, Ni: 0.5 to 2.0%, Cr: 2.8 to 4.2%, Mo: 1.0 to 2.0%, V: 0.1 to 0.5%, the balance being Fe and inevitable A hot forging die steel comprising impurities is disclosed.

更に他の先行技術として、下記特許文献8には「熱間工具鋼」についての発明が示され、そこにおいてC:0.25〜0.40%、Si:0.50%以下、Mn:0.30〜1.00%、P:0.015%以下、S:0.005%以下、Ni:0.50〜2.00%、Cr:2.70〜5.50%、Mo:1.00〜2.00%、V:0.40〜0.80%、B:0.0005〜0.0100%、Al:0.015〜0.10%、N:0.015%以下、を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる合金鋼で、室温での破壊靭性値(KQ)が250Kgf/mm3/2以上、高温(600℃)での耐力(0.2%PS)が60Kgf/mm2以上を有する熱間工具鋼が開示されている。 As still another prior art, Patent Document 8 listed below discloses an invention relating to “hot tool steel”, wherein C: 0.25 to 0.40%, Si: 0.50% or less, Mn: 0.30 to 1.00%, P: 0.015% or less, S: 0.005% or less, Ni: 0.50 to 2.00%, Cr: 2.70 to 5.50%, Mo: 1.00 to 2.00%, V: 0.40 to 0.80%, B: 0.0005 to 0.0100%, Al: 0.015 to 0.10 %, N: 0.015% or less, the balance being an alloy steel comprising Fe and unavoidable impurities, a fracture toughness (KQ) at room temperature of 250 kgf / mm 3/2 or more, and a high temperature (600 ° C.) A hot work tool steel having a proof stress (0.2% PS) of 60 kgf / mm 2 or more is disclosed.

しかしながら、これら特許文献3〜8には本発明の請求項を満たす化学組成の実施例の開示はなく、更に熱伝導率についての言及は全くなされていない点で本発明とは異なっている。   However, these patent documents 3 to 8 are different from the present invention in that no examples of chemical compositions satisfying the claims of the present invention are disclosed, and further, no mention is made of the thermal conductivity.

国際公開WO2011/149101号公報International Publication WO2011 / 149101 特開2010−194720号公報JP 2010-194720 A 特開2003−268486号公報JP 2003-268486 A 特開2007−297691号公報JP 2007-297691 A 特開2008−308745号公報JP 2008-308745 A 特開2010−65280号公報JP 2010-65280 A 特開平6−256897号公報JP-A-6-256897 特開平8−269625号公報JP-A-8-269625

本発明は以上のような事情を背景とし、積層造形法を適用して金型を製造するに際して、高温強度をJIS SKD61と同等程度に維持しつつ高熱伝導率を実現可能な金型用鋼及び金型を提供することを目的としてなされたものである。 The present invention is the background of the above circumstances, when applying the layered manufacturing method for manufacturing a mold, the high temperature strength of JIS SKD61 equivalent of about feasible high thermal conductivity while maintaining the mold steel And a mold.

而して請求項1は金型用鋼に関するもので、質量%で0.15<C<≦0.30,0.20<Si<0.52,5.32<Cr<5.72,
-0.05814×[Cr]+0.4326<Mn<-0.2907×[Cr]+2.4628・・式(1)
(但し式(1)中[Cr]はCrの含有質量%を表す)
0.72<Mo<1.60,0.20<V≦0.58,残部がFe及び不可避的不純物の組成を有する鋼の粉末から成り、積層造形法によって金型を造形するための材料として用いられることを特徴とする。
Claim 1 relates to a mold steel, which is expressed by mass% of 0.15 <C < ≦ 0.30 , 0.20 <Si <0.52, 5.32 <Cr <5.72,
-0.05814 × [Cr] +0.4326 <Mn <-0.2907 × [Cr] + 2.4628..Formula (1)
(However, [Cr] in the formula (1) represents the content% of Cr)
0.72 <Mo <1.60,0.20 <V ≦ 0.58, made from a powder of the steel balance to have a composition of Fe and inevitable impurities, characterized in that it is used as a material for shaping a mold by laminate shaping method .

請求項2のものは、請求項1において、質量%で0.10<Al<1.20を更に含有することを特徴とする。   Claim 2 is characterized in that in claim 1, 0.10 <Al <1.20 is further contained in mass%.

請求項3のものは、請求項1,2の何れかにおいて、質量%で0.30<Cu≦1.5を更に含有することを特徴とする。 Those of claim 3, in any one of claims 1, characterized in that it further contains 0 .30 <Cu ≦ 1. 5 mass%.

請求項4のものは、請求項1〜3の何れかにおいて、質量%で0.0001<B≦0.0050を更に含有することを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the composition further contains 0.0001 <B ≦ 0.0050 by mass%.

請求項5のものは、請求項1〜4の何れかにおいて、質量%で0.003<S≦0.250,0.0005<Ca≦0.2000,0.03<Se≦0.50,0.005<Te≦0.100,0.01<Bi≦0.50,0.03<Pb≦0.50の少なくとも1種を更に含有することを特徴とする。   Claim 5 relates to any one of claims 1 to 4, wherein 0.003 <S ≦ 0.250, 0.0005 <Ca ≦ 0.2000, 0.03 <Se ≦ 0.50, 0.005 <Te ≦ 0.100, 0.01 <Bi ≦ 0.50, It is characterized by further containing at least one of 0.03 <Pb ≦ 0.50.

請求項6のものは、請求項1〜5の何れかにおいて、質量%で0.004<Nb≦0.100,0.004<Ta≦0.100,0.004<Ti≦0.100,0.004<Zr≦0.100の少なくとも1種を更に含有することを特徴とする。   Claim 6 further includes at least one of 0.004 <Nb ≦ 0.100, 0.004 <Ta ≦ 0.100, 0.004 <Ti ≦ 0.100, 0.004 <Zr ≦ 0.100 by mass% in any one of claims 1 to 5. It is characterized by doing.

請求項7のものは、請求項1〜6の何れかにおいて、質量%で0.10<W≦4.00,0.10<Co≦3.00の少なくとも1種を更に含有することを特徴とする。   A seventh aspect of the present invention is characterized in that, in any one of the first to sixth aspects, at least one of 0.10 <W ≦ 4.00 and 0.10 <Co ≦ 3.00 by mass% is further contained.

請求項8のものは、請求項1〜7の何れかにおいて、溶製により製造した前記組成を有する鋼のブロックから作成した熱伝導率測定用の試験片に対し、レーザーフラッシュ法によって評価した25℃における熱伝導率が24.0W/m/K以上であることを特徴とする。 According to the eighth aspect of the present invention, a test piece for measuring thermal conductivity made from a steel block having the above-described composition manufactured by smelting according to any one of the first to seventh aspects is evaluated by a laser flash method. The thermal conductivity at 2 ° C. is 24.0 W / m / K or more.

請求項9は金型(金型の一部を構成している部品を含む)に関するもので、請求項1〜8の何れかに記載の鋼の粉末を用いた積層造形法により製造して成ることを特徴とする。
Claim 9 relates to a mold (including parts constituting a part of the mold), and is manufactured by an additive manufacturing method using a steel powder according to any one of claims 1 to 8. It is characterized by the following.

本発明は、高い高温強度,高熱伝導率の両特性を備えた金型用鋼が従来提供されていない状況の下で、マルエージング鋼やステンレス鋼等の高合金鋼に対し熱伝導率を低下させる合金成分の含有量を少なくする一方、機械構造用鋼に対し高温強度を高める合金元素の含有量を多くし、それら合金成分を適正にバランスさせることで、摩耗抑制に必要な高温強度をJIS SKD61と同等程度に維持しつつ高熱伝導率を実現可能としたものである。   The present invention reduces the thermal conductivity of high alloy steels such as maraging steel and stainless steel under the circumstances where mold steel having both high temperature strength and high thermal conductivity has not been provided. While reducing the content of alloying components to be reduced, the content of alloying elements that increase high-temperature strength relative to steel for machine structural use is increased, and by appropriately balancing these alloying components, the high-temperature strength required for wear control is reduced to JIS. High thermal conductivity can be realized while maintaining the same level as SKD61.

本発明は、積層造形法による造形で金型製造する際に用いられる粉末材料に適用する。詳しくは、本発明では金型用鋼を粉末となしておき、これら材料を用いて積層造形法で金型を造形することができる。
積層造形法、特に粉末を用いた積層造形法では、粉末を敷き並べた層に熱エネルギーを加えて粉末を固める際に、これを溶融凝固又は焼結させる。
その際に粉末は溶融状態等の高温状態から急速冷却され、焼入れが自動的に行われる。その際の焼入れは速い冷却速度の下で急速に行われる。即ち焼入れが粉末の積層成形過程で逐次的に同時に行われて行く。
The invention applies to powder materials for use in manufacturing molds in molding by layered manufacturing method. Specifically, in the present invention the die steel leave without a flour powder, it is possible to manufacture a mold in layered manufacturing method using these materials.
In the additive manufacturing method, particularly the additive manufacturing method using powder, when heat energy is applied to a layer in which the powder is laid to solidify the powder, the powder is melt-solidified or sintered.
At that time, the powder is rapidly cooled from a high temperature state such as a molten state, and quenching is automatically performed. The quenching takes place rapidly under a high cooling rate. That is, quenching is performed sequentially and simultaneously in the process of laminating and molding the powder.

上記のように焼入れは速い冷却速度の下で行われるため、予め鋼の成分として焼入性向上成分の含有量を少なく抑えておいても、積層造形時に焼入れが良好に行われる。
発明の金型用鋼は、積層造形用の材料として用いるものであるが、参考例として、鋼の塊から機械加工による切削にて金型形状を造形し金型製造を行う場合の材料としても使用可能である。このときには含有元素に応じて焼入れ等の熱処理条件を定めれば良い。
Since quenching is performed at a high cooling rate as described above, quenching can be performed well during additive manufacturing, even if the content of the hardenability improving component as a steel component is kept low in advance.
The steel for molds of the present invention is used as a material for additive manufacturing.However, as a reference example, as a material for forming a mold shape by cutting a lump of steel by machining to manufacture a mold. Can also be used. At this time, heat treatment conditions such as quenching may be determined according to the contained elements.

次に本発明における各化学成分の限定理由を以下に説明する。
尚各化学成分の値は何れも質量%である。
1)<請求項1の化学成分について>
0.15<C≦0.30
0.15<Cであることによって、溶製材から切削加工による造形で製造した金型を熱処理すると、金型に必要な硬さ30〜57HRCを得ることができる。また、積層造形で製造したままの金型においても30〜57HRCが得られる。更に積層造形後の金型を熱処理した場合においても30〜57HRCが得られる。これら何れの製法においても、C≦0.15では硬さが不足する。一方、過度な添加は熱伝導率が低下する。
Next, the reasons for limiting each chemical component in the present invention will be described below.
In addition, the value of each chemical component is mass%.
1) <Chemical component of claim 1>
0.15 <C ≦ 0.30
When 0.15 <C, when the mold manufactured by molding from the ingot by cutting is heat-treated, a hardness of 30 to 57 HRC required for the mold can be obtained. In addition, 30 to 57 HRC can be obtained in a mold as manufactured by additive manufacturing. Furthermore, when the mold after the lamination molding is heat-treated, 30 to 57 HRC is obtained. In any of these production methods, hardness is insufficient when C ≦ 0.15. On the other hand , excessive addition lowers the thermal conductivity.

0.20<Si<0.52
Si≦0.20では被削性の劣化が著しい。また、Si≦0.20では硬さ(すなわち強度)の確保が困難である。一方0.52≦Siでは熱伝導率の低下が著しい。特に好ましい範囲は0.28<Si<0.52である。
0.20 <Si <0.52
When Si ≦ 0.20, the machinability deteriorates remarkably. When Si ≦ 0.20, it is difficult to secure hardness (ie, strength). On the other hand, when 0.52 ≦ Si, the thermal conductivity significantly decreases. A particularly preferred range is 0.28 <Si <0.52.

5.32<Cr<5.72
Cr≦5.32では耐食性が不足する。更に、Cr≦5.32では、溶製材からの切削加工による造形で製造した金型を焼入れる場合の、あるいは積層造形で製造した金型を焼入れる場合の焼入性が不足する。一方5.72≦Crでは熱伝導率が低下する。
5.32 <Cr <5.72
When Cr ≦ 5.32, the corrosion resistance is insufficient. Further, when Cr ≦ 5.32, the hardenability when quenching a mold manufactured by molding from the ingot material or by quenching a mold manufactured by additive molding is insufficient. On the other hand, when 5.72 ≦ Cr, the thermal conductivity decreases.

-0.05814×[Cr]+0.4326<Mn<-0.2907×[Cr]+2.4628・・式(1)
Mn≦-0.05814×[Cr]+0.4326では焼入性が不足する。焼入性の不足は、特にCrが低い場合に著しい。-0.2907×[Cr]+2.4628≦Mnでは熱伝導率が低下する。熱伝導率の低下は特にCrが高い場合に著しい。Mn量の下限に関しては、特に好ましい範囲は0.19<Mnである。
-0.05814 × [Cr] +0.4326 <Mn <-0.2907 × [Cr] + 2.4628..Formula (1)
When Mn ≦ −0.05814 × [Cr] +0.4326, hardenability is insufficient. Lack of hardenability is remarkable especially when Cr is low. When −0.2907 × [Cr] + 2.4628 ≦ Mn, the thermal conductivity decreases. The decrease in thermal conductivity is remarkable especially when Cr is high. As for the lower limit of the amount of Mn, a particularly preferred range is 0.19 <Mn.

式(1)に示すようにMnの含有量をCrの含有量の関数として、即ちCrの含有量との関係において規定しているのは次のような理由による。
0.32C-0.50Si-1.25Mo-0.58Vを基本成分とする鋼のCrとMnを変化させた場合の熱伝導率を調査した。これらの鋼のブロックを溶製によって製造し、そこから切り出したφ11mm×100mmの円柱を1030℃から20℃/minの冷却速度で焼入れ、550〜620℃での焼戻しによって43HRCに調整した。調質された円柱からφ10mm×2mmの熱伝導率測定用の試験片を作成した。熱伝導率の測定はレーザーフラッシュ法により、25℃において測定した。そして、熱伝導率が24.0W/m/K未満を×、24.0W/m/K以上を○、として熱伝導率を評価した。
The reason for defining the Mn content as a function of the Cr content, that is, in relation to the Cr content, as shown in the equation (1), is as follows.
The thermal conductivity of a steel containing 0.32C-0.50Si-1.25Mo-0.58V as a basic component when Cr and Mn were changed was investigated. These steel blocks were manufactured by smelting, and φ11 mm × 100 mm cylinders cut out of the steel blocks were quenched at a cooling rate of 1030 ° C. to 20 ° C./min, and adjusted to 43 HRC by tempering at 550 to 620 ° C. Test pieces of φ10 mm × 2 mm for measuring thermal conductivity were prepared from the tempered cylinder. The thermal conductivity was measured at 25 ° C. by a laser flash method. The thermal conductivity was evaluated as x when the thermal conductivity was less than 24.0 W / m / K, and as ○ when the thermal conductivity was 24.0 W / m / K or more.

図1(A)は、CrとMnが熱伝導率に及ぼす影響を示す。CrとMnが共に多いほど熱伝導率は低く「×」となることが分かる。逆に、CrとMnが共に少ないほど熱伝導率は高く「○」となる。この×と○の境界と推定される直線が、Mn=-0.2907×[Cr]+2.4628であり、この直線より下の領域では安定して○が得られる。そこでMnの上限をMn<-0.2907×[Cr]+2.4628と規定した。なお、先述の通り、Crの範囲は5.32<Cr<5.72である。   FIG. 1A shows the effect of Cr and Mn on the thermal conductivity. It can be seen that the thermal conductivity becomes lower and becomes “x” as both Cr and Mn increase. Conversely, the smaller the amount of both Cr and Mn, the higher the thermal conductivity becomes, and the result becomes “○”. The straight line estimated as the boundary between x and ○ is Mn = −0.2907 × [Cr] +2.4628, and ○ is stably obtained in a region below this straight line. Therefore, the upper limit of Mn is defined as Mn <−0.2907 × [Cr] +2.4628. As described above, the range of Cr is 5.32 <Cr <5.72.

0.32C-0.50Si-1.25Mo-0.58Vを基本成分とする鋼のCrとMnを変化させた場合の衝撃値を調査した。これらの鋼のブロックを溶製によって製造し、そこから切り出した11mm×11mm×60mmの角棒を1030℃から20℃/minで550℃まで冷却後、引き続き3℃/minで室温まで冷却して焼入れした。この焼入れパターンは、溶製材のブロックから機械加工で作成した大きな金型を焼入れる時の金型内部の冷却履歴を模擬している。この角棒を、550〜610℃での焼戻しによって45HRCに調整した。調質された角棒から10mm×10mm×55mmの衝撃試験片を作成した。ノッチ半径が1mmのJIS3号試験片である。
衝撃値は25℃において測定した。そして、衝撃値が20J/cm未満を×、20J/cm以上を○、として評価を行った。
The impact value of a steel containing 0.32C-0.50Si-1.25Mo-0.58V as a basic component when Cr and Mn were changed was investigated. These steel blocks were manufactured by smelting, and 11 mm × 11 mm × 60 mm square bars cut out of the steel blocks were cooled from 1030 ° C. to 550 ° C. at 20 ° C./min, and then cooled to room temperature at 3 ° C./min. Hardened. This quenching pattern simulates the cooling history inside the mold when quenching a large mold created by machining from a block of ingot material. The square bar was adjusted to 45 HRC by tempering at 550-610 ° C. An impact test piece of 10 mm × 10 mm × 55 mm was prepared from the tempered square bar. It is a JIS No. 3 test piece with a notch radius of 1 mm.
Impact values were measured at 25 ° C. The impact value was evaluated less than 20 J / cm 2 ×, as ○, a 20 J / cm 2 or more.

図1(B)は、CrとMnが衝撃値に及ぼす影響を示す。CrとMnが共に多いほど衝撃値は高く「○」となることが分かる。逆に、CrとMnが共に少ないほど衝撃値は低く「×」となる。この○と×の境界と推定される直線が、Mn=-0.05814×[Cr]+0.4326であり、この直線より上の領域では安定して○が得られる。そこでMnの下限をMn>-0.05814×[Cr]+0.4326と規定した。なお、先述の通り、Crの範囲は5.32<Cr<5.72である。   FIG. 1B shows the effect of Cr and Mn on the impact value. It can be seen that the more Cr and Mn are both, the higher the impact value is and becomes “○”. Conversely, the smaller the Cr and the Mn are, the lower the impact value is, and the result is “X”. The straight line estimated to be the boundary between ○ and × is Mn = −0.05814 × [Cr] +0.4326, and ○ is stably obtained in a region above this straight line. Therefore, the lower limit of Mn is defined as Mn> −0.05814 × [Cr] +0.4326. As described above, the range of Cr is 5.32 <Cr <5.72.

0.72<Mo<1.60
Mo≦0.72では、焼戻した際の2次硬化による硬さ確保が難しく、高温強度も不十分となる。一方1.60≦Moでは破壊靭性値の低下が大きい。好ましい範囲は0.72<Mo<1.51である。更に好ましい範囲は1.10<Mo<1.51である。
0.72 <Mo <1.60
If Mo ≦ 0.72, it is difficult to secure hardness by secondary hardening at the time of tempering, and the high-temperature strength becomes insufficient. On the other hand, when 1.60 ≦ Mo, the decrease in fracture toughness value is large. A preferred range is 0.72 <Mo <1.51. A more preferred range is 1.10 <Mo <1.51.

0.20<V≦0.58
V≦0.20では、焼入れがある場合のオーステナイト結晶粒の粗大化が問題となる。また、V≦0.20では焼戻した際の2次硬化による硬さ確保が難しく、高温強度も不十分となる。
一方、過度な添加は上記の効果が飽和傾向であるうえ、コスト上昇を招く。また、通常の製法(溶解→精錬→鋳造→熱間加工)で製造した場合に、凝固時に晶出する粗大なVCが多くなり、金型となった場合の破壊の起点となる恐れが増す。特に好ましい範囲は、0.32<V≦0.58である。
0.20 <V ≦ 0.58
When V ≦ 0.20, coarsening of austenite crystal grains in the case of quenching becomes a problem. Further, when V ≦ 0.20, it is difficult to secure hardness by secondary hardening at the time of tempering, and the high-temperature strength becomes insufficient.
On the other hand , excessive addition tends to saturate the above-mentioned effects and causes an increase in cost. Further, when prepared in the usual method (dissolution → refining → casting → hot working), coarse VC crystallizing is increased during solidification, a possibility increases that become starting points of fracture in the case of a mold . A particularly preferred range is 0.32 <V ≦ 0.58 .

尚本発明の鋼において、通常、下記に示す成分が不可避的不純物として下記量で含まれ得る。
N≦0.05
P≦0.05
S≦0.003
Cu≦0.30
Ni≦0.30
Al≦0.10
W≦0.10
O≦0.01
Co≦0.10
Nb≦0.004
Ta≦0.004
Ti≦0.004
Zr≦0.004
B≦0.0001
Ca≦0.0005
Se≦0.03
Te≦0.005
Bi≦0.01
Pb≦0.03
Mg≦0.02
In the steel of the present invention, the following components can be usually contained as inevitable impurities in the following amounts.
N ≦ 0.05
P ≦ 0.05
S ≦ 0.003
Cu ≦ 0.30
Ni ≦ 0.30
Al ≦ 0.10
W ≦ 0.10
O ≦ 0.01
Co ≦ 0.10
Nb ≦ 0.004
Ta ≦ 0.004
Ti ≦ 0.004
Zr ≦ 0.004
B ≦ 0.0001
Ca ≦ 0.0005
Se ≦ 0.03
Te ≦ 0.005
Bi ≦ 0.01
Pb ≦ 0.03
Mg ≦ 0.02

2)<請求項2の化学成分について>
本発明鋼は、積層造形後に焼入れを受ける場合がある。焼入れ時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制するため
0.10<Al<1.20
を含有させることが出来る。
AlはNと結合してAlNを形成し、オーステナイト結晶粒界の移動(すなわち粒成長)を抑制する効果を有する。
また、Alは鋼中で窒化物を形成して析出強化に寄与するため、窒化処理された鋼材の表面硬さを高くする作用も有する。より高い耐摩耗性を求めて窒化処理をする金型(金型の一部を構成している部品も含む)には、Alを含む鋼材を使う事が有効である。
2) <Chemical component of claim 2>
The steel of the present invention may undergo quenching after additive manufacturing. To suppress coarsening of austenite grains during quenching
0.10 <Al <1.20
Can be contained.
Al combines with N to form AlN, and has an effect of suppressing the movement of austenite crystal grain boundaries (that is, grain growth).
In addition, since Al forms nitrides in steel and contributes to precipitation strengthening, it also has an effect of increasing the surface hardness of the nitrided steel material. It is effective to use a steel material containing Al for a mold (including parts constituting a part of the mold) which is subjected to nitriding treatment for higher wear resistance.

3)<請求項3の化学成分について>
近年、金型部品の大型化や一体化によって、金型のサイズは大きくなる傾向にある。大きな金型は冷却され難い。このため、焼入れ性が低い鋼材の大きな金型を焼入れると、焼入れ中にフェライトやパーライトや粗大ベイナイトが析出して各種特性が劣化する。そのような懸念に対しては、Cuを選択的に添加して焼入れ性を高めて対応すればよい。具体的には、
0.30<Cu≦1.5
含有させれば良い。
Cuには、時効析出で硬度を高める効果もある。好適な範囲は、
0.50≦Cu≦1.2
である。但し、所定量を越えると偏析が顕著となり,鏡面研磨性の低下を招く。
3) <Chemical component of claim 3>
In recent years, the size of a mold tends to increase due to enlargement and integration of mold parts. Large molds are difficult to cool. For this reason, when quenching a large mold of a steel material having low quenchability, ferrite, pearlite, and coarse bainite precipitate during quenching, and various characteristics deteriorate. Such concerns may be dealt with by selectively adding Cu to enhance the hardenability. In particular,
0 .30 <Cu ≦ 1.5
The may be contained.
The C u, has the effect of increasing the hardness in aging precipitation. The preferred range is
0 .50 ≦ Cu ≦ 1.2
It is. However , when the amount exceeds a predetermined amount, segregation becomes remarkable, and the mirror polishing property is reduced.

4)<請求項4の化学成分について>
焼入れ性の改善策として、Bの添加も有効である。具体的には必要に応じて
0.0001<B≦0.0050
を含有させる。
なお、BはBNを形成すると焼入れ性の向上効果が無くなるため、鋼中にB単独で存在させる必要がある。具体的には、BよりもNとの親和力が強い元素で窒化物を形成させ、BとNを結合させなければ良い。そのような元素の例としては、Nb,Ta,Ti,Zrなどがある。これらの元素は不純物レベルで存在してもNを固定する効果はあるが、N量によっては後述する請求項6の範囲で添加すると良い場合がある。
4) <Chemical component of claim 4>
As a measure for improving the hardenability, the addition of B is also effective. Specifically, if necessary
0.0001 <B ≦ 0.0050
Is contained.
Since B has no effect of improving hardenability when BN is formed, B alone needs to be present in steel. Specifically, it is only necessary to form a nitride with an element having a higher affinity for N than B and not to combine B and N. Examples of such elements include Nb, Ta, Ti, Zr, and the like. Although these elements have the effect of fixing N even if they are present at the impurity level, depending on the amount of N, it may be preferable to add them within the range of claim 6 described later.

5)<請求項5の化学成分について>
本発明鋼はSi量が少ないため、機械加工性がやや悪い。加工性の改善策として、以下のS,Ca,Se,Te,Bi,Pbを選択的に添加すれば良い。具体的には、
0.003<S≦0.250
0.0005<Ca≦0.2000
0.03<Se≦0.50
0.005<Te≦0.100
0.01<Bi≦0.50
0.03<Pb≦0.50
の少なくとも1種を含有させれば良い。
いずれの元素も、所定量を越えた場合は被削性の飽和と熱間加工性の劣化、衝撃値や鏡面研磨性の低下を招く。
5) <Chemical component of claim 5>
Since the steel of the present invention has a small amount of Si, the machinability is slightly poor. As a measure for improving workability, the following S, Ca, Se, Te, Bi, and Pb may be selectively added. In particular,
0.003 <S ≦ 0.250
0.0005 <Ca ≦ 0.2000
0.03 <Se ≦ 0.50
0.005 <Te ≦ 0.100
0.01 <Bi ≦ 0.50
0.03 <Pb ≦ 0.50
May be contained.
If any of the elements exceeds a predetermined amount, it leads to saturation of machinability, deterioration of hot workability, impact value and mirror polishing property.

6)<請求項6の化学成分について>
予期せぬ設備トラブルなどによって、焼入れ加熱温度が高くなったり焼入れ加熱時間が長くなれば、結晶粒の粗大化による各種特性の劣化が懸念される。そのような場合に備え、Nb,Ta,Ti,Zrを選択的に添加し、これらの元素が形成する微細な析出物でオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制することが出来る。具体的には、
0.004<Nb≦0.100
0.004<Ta≦0.100
0.004<Ti≦0.100
0.004<Zr≦0.100
の少なくとも1種を含有させれば良い。
いずれの元素も、所定量を越えると炭化物や窒化物や酸化物が過度に生成し、衝撃値や鏡面研磨性の低下を招く。
6) <Chemical component of claim 6>
If the quenching heating temperature is increased or the quenching heating time is prolonged due to unexpected equipment trouble or the like, deterioration of various characteristics due to coarsening of crystal grains is concerned. In preparation for such a case, Nb, Ta, Ti, and Zr are selectively added, and coarsening of austenite crystal grains can be suppressed by fine precipitates formed by these elements. In particular,
0.004 <Nb ≦ 0.100
0.004 <Ta ≦ 0.100
0.004 <Ti ≦ 0.100
0.004 <Zr ≦ 0.100
May be contained.
When any of the elements exceeds a predetermined amount, carbides, nitrides, and oxides are excessively generated, and the impact value and the mirror polishing property are reduced.

7)<請求項7の化学成分について>
高強度化にはC増量が有効であるが、過度のC増量は炭化物の増加による特性(衝撃値や機械疲労特性)の劣化を招く。このような不具合を招くことなく高強度化するには、WやCoを選択的に添加すればよい。
Wは、炭化物の微細析出によって強度を上げる。Coは、母材への固溶によって強度を上げると同時に、炭化物形態の変化を介して析出硬化にも寄与する。具体的には、
0.10<W≦4.00
0.10<Co≦3.00
の少なくとも1種を含有させれば良い。
いずれの元素も、所定量を越えると特性の飽和と著しいコスト増を招く。好適な範囲は、
0.30≦W≦3.00
0.30≦Co≦2.00
である。
7) <Chemical component of claim 7>
An increase in C is effective for increasing the strength. However, an excessive increase in C causes deterioration of characteristics (impact value and mechanical fatigue characteristics) due to an increase in carbide. In order to increase the strength without causing such a problem, W or Co may be selectively added.
W increases the strength by fine precipitation of carbides. Co increases the strength by solid solution in the base material, and also contributes to precipitation hardening through change in carbide morphology. In particular,
0.10 <W ≦ 4.00
0.10 <Co ≦ 3.00
May be contained.
When any of the elements exceeds a predetermined amount, the characteristics are saturated and the cost is significantly increased. The preferred range is
0.30 ≦ W ≦ 3.00
0.30 ≦ Co ≦ 2.00
It is.

以上のような本発明によれば、JIS SKD61と同等程度の摩耗抑制に必要な高い高温強度を維持しつつ、高熱伝導率を併せ備えた金型用鋼及び金型を提供することができる。   According to the present invention as described above, it is possible to provide a mold steel and a mold having high thermal conductivity while maintaining high high-temperature strength required for suppressing wear equivalent to JIS SKD61.

(A)CrとMnが熱伝導率に及ぼす影響を示した図である。(B)CrとMnが衝撃値に及ぼす影響を示した図である。(A) is a diagram showing the effect of Cr and Mn on thermal conductivity. (B) is a diagram showing the effect of Cr and Mn on the impact value. 本発明の一実施形態のスプールコアを有するダイカスト金型の断面図である。It is sectional drawing of the die-casting die which has a spool core of one Embodiment of this invention. スプールコアの摩耗状態を示した図である。It is a figure showing a worn state of a spool core.

次に本発明の実施形態を以下に詳述する。
表1に示す化学組成の34種の鋼の粉末をガスアトマイズ法にて製造し、この粉末を用いてレーザー照射による3次元積層造形法で図2に示すダイカスト金型10の一部である部分型としてのスプールコア12を製造した。このスプールコア12には冷却回路14が内部に形成されている。ここで冷却回路14は螺旋状の3次元的に複雑な形状をなしている。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail below.
Powders of 34 steels having the chemical compositions shown in Table 1 were produced by a gas atomization method, and a three-dimensional additive manufacturing method using a laser irradiation was performed using the powders to form a partial mold that was part of the die casting mold 10 shown in FIG. Was manufactured. The spool core 12 has a cooling circuit 14 formed therein. Here, the cooling circuit 14 has a spiral three-dimensionally complicated shape.

表1中、比較例1は熱間ダイス鋼SKD61,比較例2は18Niマルエージング鋼,比較例3はマルテンサイトステンレス鋼SUS420J2,比較例4は機械構造用鋼SCM435である。
尚、表1中の各発明例には不可避量の不純物成分が含まれることがあるが、表中には記載していない。
In Table 1, Comparative Example 1 is hot die steel SKD61, Comparative Example 2 is 18Ni maraging steel, Comparative Example 3 is martensitic stainless steel SUS420J2, and Comparative Example 4 is mechanical structure steel SCM435.
In addition, although each of the invention examples in Table 1 may contain an unavoidable amount of impurity components, they are not described in the table.

図2において、ダイカスト金型10は固定型16と可動型18とを有している。それらの間に製品の成形空間としてのキャビティ20と湯道22とが設けられ、それらが狭小の湯口24で繋がっている。
上記スプールコア12は、プランジャ26とともに鋳造品の最終凝固位置である円筒状のビスケット部28を挟む位置に配置されている。湯道22は、このビスケット部28から延び出している。
スプールコア12には溝が形成されており、この溝にて湯道22の一部が形成されている。
In FIG. 2, the die casting mold 10 has a fixed mold 16 and a movable mold 18. A cavity 20 as a molding space for the product and a runner 22 are provided between them, and they are connected by a narrow gate 24.
The spool core 12 is arranged at a position sandwiching a cylindrical biscuit portion 28 which is a final solidification position of a casting together with the plunger 26. The runner 22 extends from the biscuit portion 28.
A groove is formed in the spool core 12, and a part of the runner 22 is formed in the groove.

上記の手順で得た金型を100〜650℃の範囲に加熱(焼戻しや時効)して43HRCに調質した。この加熱は、残留応力の除去も兼ねている。化学成分によっては焼戻しや時効がなくても所望の特性になるが、その場合は残留応力の除去が100〜650℃の加熱の主目的となる。もちろん、積層造形ままで所望の特性が得られ、かつ残留応力も問題とならない場合には積層造形後の加熱は不要である。
その後、機械加工で最終の金型形状に仕上げた。金型は、135tonダイカストマシンのスプールコア12である。金型構造に占めるスプールコア12の位置が図2に示してある。ここで図2はダイカストの金型構造を横から見た断面図である。
The mold obtained by the above procedure was heated (tempered or aged) in the range of 100 to 650 ° C. and tempered to 43 HRC. This heating also serves to remove residual stress. Depending on the chemical components, the desired characteristics can be obtained without tempering or aging. In that case, removal of residual stress is the main purpose of heating at 100 to 650 ° C. Of course, when desired characteristics can be obtained as it is, and there is no problem with residual stress, heating after the additive manufacturing is unnecessary.
Then, it was finished to the final mold shape by machining. The die is a spool core 12 of a 135-ton die casting machine. The position of the spool core 12 in the mold structure is shown in FIG. Here, FIG. 2 is a cross-sectional view of a die-casting mold structure as viewed from the side.

ダイカストのサイクルは、型締め→射出→ダイタイマー→型開き→製品取出し→エアブロー→離型剤噴霧→エアブロー、の繰り返しである(図2はダイタイマーの過程を表している)。
まず、可動型18が固定型16に接触して型締め状態となる。この時、製品の成形空間としてのキャビティ20が形成される。その状態でスリーブ30にラドルでアルミニウム合金(以下アルミ合金とする)の溶湯を注ぎ、その溶湯を高速で移動するプランジャ26で射出する。
射出された溶湯は湯道22を通って移動し、湯口24から液状・粒状・霧状になってキャビティ20内へ流入する。水鉄砲や霧吹きをイメージすれば理解し易い。やがて、溶湯でキャビティ20が充填される。そして、キャビティ20を満たした溶湯に圧力をかけて固化するまで待つ。
The cycle of die casting is a cycle of mold clamping → injection → die timer → mold opening → product removal → air blow → release agent spray → air blow (FIG. 2 shows the process of the die timer).
First, the movable mold 18 comes into contact with the fixed mold 16 to be in a mold clamped state. At this time, a cavity 20 is formed as a product molding space. In this state, a molten metal of an aluminum alloy (hereinafter, referred to as an aluminum alloy) is poured into the sleeve 30 with a ladle, and the molten metal is injected by the plunger 26 moving at a high speed.
The injected molten metal moves through the runner 22 and flows into the cavity 20 from the gate 24 in a liquid, granular, or mist state. It is easy to understand if you imagine a water gun or spray. Eventually, the cavity 20 is filled with the molten metal. Then, pressure is applied to the molten metal that fills the cavity 20 to wait until it is solidified.

これがダイタイマーと呼ばれる過程で,図2はこの様子を示している。溶湯が固化して製品になると、可動型18を移動させて型を開く。製品を押出しピンやマニプレータを使って取り出す。高温のアルミ合金と接触していた金型は温度が高くなっているため,エアブローと離型剤噴霧で冷却する。これがダイカストの1サイクルである。   This is a process called a di-timer, and FIG. 2 shows this state. When the molten metal is solidified into a product, the movable mold 18 is moved to open the mold. The product is removed using an extrusion pin or manipulator. The mold that has been in contact with the high-temperature aluminum alloy has a high temperature, and is cooled by air blowing and spraying a release agent. This is one cycle of die casting.

上記過程の中で、ダイタイマー(金型内で溶湯を固化させている過程)の短縮を検討した。スプールコア12の冷却能が高いと、ビスケット部28が早く凝固するためダイタイマーを短くでき、したがって全体のサイクルタイムを短縮することができる。サイクルタイムの短縮は、生産性向上の観点から非常に好ましい。   In the above process, shortening of the die timer (the process of solidifying the molten metal in the mold) was studied. If the cooling capacity of the spool core 12 is high, the die timer can be shortened because the biscuit portion 28 solidifies quickly, and therefore the overall cycle time can be shortened. Reducing the cycle time is very preferable from the viewpoint of improving productivity.

テストには型締め力135tonのダイカストマシンを用い、ダイタイマーが充分に長い状態(ビスケット部28が完全に固化した状態)から1秒ずつダイタイマーを短くしてゆき、型開き時にビスケット部28が固化していれば合格、していなければ不合格と判定した。そして、合格となる最短のダイタイマーを評価した。
ビスケット部28の形状はφ50×40mm、スプールコア12の冷却回路14の水冷孔と表面との距離は15mmである。溶湯は730℃のADC12で、鋳造品の質量は660gである。また、10000ショット鋳造後のスプールコア12に顕著な摩耗が認められるかどうかも評価した。高温強度が不足すると、湯流れによる摩耗が顕著となり、金型寿命が確保できない。
For the test, a die casting machine with a mold clamping force of 135 tons was used. From the state where the die timer was sufficiently long (the state where the biscuit part 28 was completely solidified), the die timer was shortened by one second, and the biscuit part 28 was opened when the mold was opened. It was judged as pass if solidified and failed if not. Then, the shortest die timer that passed was evaluated.
The shape of the biscuit part 28 is φ50 × 40 mm, and the distance between the water cooling hole of the cooling circuit 14 of the spool core 12 and the surface is 15 mm. The melt is ADC12 at 730 ° C., and the mass of the casting is 660 g. Further, it was also evaluated whether or not remarkable wear was observed on the spool core 12 after the 10,000 shot casting. If the high-temperature strength is insufficient, wear due to the flow of the molten metal becomes remarkable, and the life of the mold cannot be ensured.

テストの結果を表2に示した。目標は、ダイタイマーについては10[秒]以下、摩耗については10000ショット後に深さ0.2mm以上の摩耗が無いことである。
比較例1〜比較例3のダイタイマーは12〜14[秒]と長い。これは、熱伝導率が24.0[W/m/K]未満と低く、熱交換が行われ難いためである。
その一方で、10000ショット鋳造後のスプールコア12には顕著な摩耗は無かった。これは充分な高温強度を有するためである。
Table 2 shows the test results. The goal is that there is no wear with a depth of 0.2 mm or more after 10,000 shots for the die timer and 10 [seconds] or less.
The die timers of Comparative Examples 1 to 3 are as long as 12 to 14 seconds. This is because the heat conductivity is as low as less than 24.0 [W / m / K], and heat exchange is difficult to be performed.
On the other hand, there was no remarkable wear on the spool core 12 after the 10,000 shot casting. This is because they have sufficient high-temperature strength.

熱伝導率が38.4[W/m/K]と高い比較例4の場合は、ダイタイマーが7[秒]と短く好ましい結果であるが、高温強度が低いために10000ショット後には顕著な摩耗が観察され、型寿命の確保は難しいと判断された。この様子を図3に示している。湯道22の一部を形成する溝Mのうち、溶湯の流動の方向が急激に変わる角部k付近に、摩耗によってダレた肌が観察される。   In the case of Comparative Example 4 having a high thermal conductivity of 38.4 [W / m / K], the die timer was as short as 7 [seconds], which is a preferable result. Wear was observed, and it was judged that securing the life of the mold was difficult. This is shown in FIG. In the groove M that forms a part of the runner 22, near the corner k where the direction of the flow of the molten metal changes abruptly, dripping skin is observed due to wear.

30種類の発明例は、ダイタイマーがいずれも10[秒]以下と短く、目標を達成した。これは、熱伝導率が24.0[W/m/K]以上と高く、熱交換が行われ易いためである。また、充分な高温強度を有するため、10000ショット鋳造後のスプールコア12に顕著な摩耗は無かった。なお、比較例にも発明例にも冷却回路14の水冷孔からの割れは無かった。   In each of the 30 invention examples, the die timer was as short as 10 seconds or less, and the target was achieved. This is because the thermal conductivity is as high as 24.0 [W / m / K] or more, and heat exchange is easily performed. In addition, since the spool core 12 had sufficient high-temperature strength, there was no significant wear on the spool core 12 after 10,000 shot casting. There were no cracks from the water cooling holes of the cooling circuit 14 in both the comparative example and the invention example.

次に、比較例1〜3でもダイタイマーを10秒以下にできないか検証した。具体的には、熱交換を促進するため、水冷孔と表面の距離を10mmと小さくしたスプールコア12を作って表2のテストと同条件でテストを行った。結果を表3に示す。
ダイタイマーは表2の発明例と同等まで短縮された。水冷孔を表面に近接させる金型構造は、ダイタイマーの短縮に極めて有効である。
Next, it was verified whether the die timer could be set to 10 seconds or less even in Comparative Examples 1 to 3. Specifically, in order to promote heat exchange, a spool core 12 in which the distance between the water cooling hole and the surface was reduced to 10 mm was produced, and a test was performed under the same conditions as the test in Table 2. Table 3 shows the results.
The die timer was shortened to the same level as the invention example in Table 2. A mold structure in which water cooling holes are brought close to the surface is extremely effective for shortening the die timer.

その一方で、10000ショット鋳造が完了する前に水冷孔からの割れが表面に貫通して寿命となった。亀裂の貫通距離が短くなったことに加え、熱応力が増大したためである。ダイタイマーが短縮されても、これではダイカストの生産性向上は難しい(金型交換に長時間を要するため)。なお、10000ショットは未達であるが、表2のテストの場合と同様に、摩耗は顕著ではなかった。   On the other hand, before the 10,000-shot casting was completed, cracks from the water-cooled holes penetrated the surface, and the life was extended. This is because the thermal stress increased in addition to the shortening of the crack penetration distance. Even if the die timer is shortened, it is difficult to improve the productivity of die casting (since it takes a long time to change the mold). Although 10,000 shots were not achieved, the wear was not remarkable as in the case of the test in Table 2.

以上から分かるように、発明例では、摩耗や水冷孔割れを防止して型寿命を確保しつつ、ダイタイマー短縮が実現される。比較例では、型寿命を確保するとダイタイマーが長くなり、ダイタイマーを短くすると金型寿命が確保できない。発明例が型寿命確保とダイタイマー短縮を両立できる理由は、高温強度と熱伝導率が共に高いためである。   As can be seen from the above, in the invention example, the die timer can be shortened while preventing the abrasion and the water cooling hole cracks and ensuring the mold life. In the comparative example, if the die life is ensured, the die timer becomes longer, and if the die timer is shortened, the die life cannot be ensured. The reason why the invention example can achieve both the securing of the mold life and the shortening of the die timer is that both the high-temperature strength and the thermal conductivity are high.

また、発明例の特徴である熱伝導率の高さは、ヒートチェック抑制による型寿命の確保にも効果的である。ダイカストでは、溶湯による加熱と離型剤噴霧による冷却の熱サイクルが金型表面に与えられるが、この加熱や冷却によって発生する熱応力が、熱伝導率の高い発明例では低くなる。熱応力による熱疲労が軽減される結果、発明例ではヒートチェック(金型表面の割れ)が発生しにくくなり、型寿命が確保されるのである。   Further, the high thermal conductivity, which is a feature of the invention, is also effective in securing the mold life by suppressing the heat check. In the die casting, a heat cycle of heating by the molten metal and cooling by spraying the release agent is given to the mold surface. However, the thermal stress generated by the heating and cooling becomes low in the invention example having high thermal conductivity. As a result of reducing the thermal fatigue due to the thermal stress, in the example of the invention, the heat check (crack on the mold surface) hardly occurs and the mold life is secured.

一連の鋳造テストにおいても、10000ショット後の金型表面を観察したところ、熱伝導率の低い比較例1・比較例2・比較例3では既に微細なヒートチェックが発生していた。さらに数千ショットの鋳造を継続すれば、ヒートチェックが顕在化して金型が寿命に達した恐れがある。これに対し、発明例では、10000ショット後にもヒートチェックの発生は全く認められず、滑らかな金型表面を維持していた。さらに数万ショットの鋳造を継続しても、金型寿命は確保できることが期待される。   In a series of casting tests, when the surface of the mold after 10,000 shots was observed, a minute heat check had already occurred in Comparative Examples 1, 2 and 3 having low thermal conductivity. If the casting of several thousand shots is continued, the heat check may become apparent and the mold may reach the end of its life. In contrast, in the invention example, no heat check was observed even after 10,000 shots, and a smooth mold surface was maintained. It is expected that the mold life can be ensured even if the casting of tens of thousands of shots is continued.

以上本発明の実施例を詳述したがこれはあくまで一例示である。
熱伝導率と高温強度の高さを両立した本発明鋼は、ダイカストの金型以外にも樹脂の射出成形の金型用としても好適である。また、鋼板のホットプレス(ホットスタンプやダイクエンチとも呼ばれる)の金型等としても高い性能を発揮する。その際、積層造形ではなく、通常の機械加工と熱処理によって本発明鋼を金型製造に適用しても、同様の製法で作られた同一形状の従来鋼の金型より、型寿命確保とサイクル短縮に有効である。
さらに、本発明鋼による金型を表面改質(ショットブラスト,サンドブラスト,窒化,PVD,CVD,メッキ,など)と組合せることも有効である。
また、本発明鋼は、棒材や線材の状態の溶接材として使用することもできる。具体的には、本発明にかかる金型用鋼の溶接材を用い、積層造形法により製造した金型に、あるいはインゴットを加工して得た材料に対し機械加工による切削にて製造した金型に、溶接補修することも可能である。この場合、補修される金型の化学成分は、本発明鋼の範囲とは異なっても良いし、本発明鋼の範囲内であっても良い。いずれにせよ、本発明鋼の溶接材で補修された部分は、本発明鋼の成分で発揮される高い高温強度と高い熱伝導率を有する。
その他本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。
The embodiment of the present invention has been described above in detail, but this is merely an example.
The steel of the present invention, which has both high thermal conductivity and high-temperature strength, is suitable not only for a die-casting die but also for a resin injection-molding die. It also exhibits high performance as a mold for hot pressing (also called hot stamping or die quench) of steel sheets. At this time, even if the steel of the present invention is applied to mold manufacturing by ordinary machining and heat treatment instead of additive manufacturing, the mold life is ensured and cycle is improved compared to the conventional steel mold of the same shape made by the same manufacturing method. It is effective for shortening.
Further, it is also effective to combine the metal mold of the present invention with surface modification (shot blast, sand blast, nitriding, PVD, CVD, plating, etc.).
Further, the steel of the present invention can be used as a welding material in a state of a rod or a wire. Specifically, using the welding material for mold steel according to the present invention, a mold manufactured by additive manufacturing, or a mold manufactured by machining a material obtained by processing an ingot by machining. Alternatively, welding repair can be performed. In this case, the chemical composition of the mold to be repaired may be different from the range of the steel of the present invention, or may be within the range of the steel of the present invention. In any case, the part repaired by the welding material of the steel of the present invention has high high-temperature strength and high thermal conductivity exhibited by the components of the steel of the present invention.
In addition, the present invention can be implemented in a form in which various changes are made without departing from the spirit thereof.

10 ダイカスト金型
12 スプールコア
14 冷却回路
10 Die casting mold 12 Spool core 14 Cooling circuit

Claims (9)

質量%で
0.15<C≦0.30
0.20<Si<0.52
5.32<Cr<5.72
-0.05814×[Cr]+0.4326<Mn<-0.2907×[Cr]+2.4628・・式(1)
(但し式(1)中[Cr]はCrの含有質量%を表す)
0.72<Mo<1.60
0.20<V≦0.58
残部がFe及び不可避的不純物の組成を有する鋼の粉末から成り、
積層造形法によって金型を造形するための材料として用いられることを特徴とする金型用鋼。
By mass%
0.15 <C ≦ 0.30
0.20 <Si <0.52
5.32 <Cr <5.72
-0.05814 × [Cr] +0.4326 <Mn <-0.2907 × [Cr] + 2.4628..Formula (1)
(However, [Cr] in the formula (1) represents the content% of Cr)
0.72 <Mo <1.60
0.20 <V ≦ 0.58
The balance consists of steel powder with the composition of Fe and unavoidable impurities,
Mold steel, which is used as a material for forming a mold by an additive manufacturing method.
質量%で
0.10<Al<1.20
を更に含有することを特徴とする請求項1に記載の金型用鋼。
By mass%
0.10 <Al <1.20
The steel for molds according to claim 1, further comprising:
質量%で
0.30<Cu≦1.5
を更に含有することを特徴とする請求項1,2の何れかに記載の金型用鋼。
By mass%
0.30 <Cu ≦ 1.5
The mold steel according to any one of claims 1 and 2, further comprising:
質量%で
0.0001<B≦0.0050
を更に含有することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の金型用鋼。
By mass%
0.0001 <B ≦ 0.0050
The mold steel according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
質量%で
0.003<S≦0.250
0.0005<Ca≦0.2000
0.03<Se≦0.50
0.005<Te≦0.100
0.01<Bi≦0.50
0.03<Pb≦0.50
の少なくとも1種を更に含有することを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の金型用鋼。
By mass%
0.003 <S ≦ 0.250
0.0005 <Ca ≦ 0.2000
0.03 <Se ≦ 0.50
0.005 <Te ≦ 0.100
0.01 <Bi ≦ 0.50
0.03 <Pb ≦ 0.50
The mold steel according to any one of claims 1 to 4, further comprising at least one of the following.
質量%で
0.004<Nb≦0.100
0.004<Ta≦0.100
0.004<Ti≦0.100
0.004<Zr≦0.100
の少なくとも1種を更に含有することを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の金型用鋼。
By mass%
0.004 <Nb ≦ 0.100
0.004 <Ta ≦ 0.100
0.004 <Ti ≦ 0.100
0.004 <Zr ≦ 0.100
The mold steel according to any one of claims 1 to 5, further comprising at least one of the following.
質量%で
0.10<W≦4.00
0.10<Co≦3.00
の少なくとも1種を更に含有することを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の金型用鋼。
By mass%
0.10 <W ≦ 4.00
0.10 <Co ≦ 3.00
The mold steel according to any one of claims 1 to 6, further comprising at least one of the following.
溶製により製造した前記組成を有する鋼のブロックから作成した熱伝導率測定用の試験片に対し、レーザーフラッシュ法によって評価した25℃における熱伝導率が24.0W/m/K以上であることを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の金型用鋼。 The thermal conductivity at 25 ° C. evaluated by the laser flash method is 24.0 W / m / K or higher for a test piece for measuring thermal conductivity made from a steel block having the above composition manufactured by melting. The mold steel according to any one of claims 1 to 7, characterized in that: 請求項1〜8の何れかに記載の鋼の粉末を用いた積層造形法により製造して成る金型。 A mold manufactured by an additive manufacturing method using the steel powder according to claim 1.
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