JP6794043B2

JP6794043B2 - 加工性および鏡面性に優れたプラスチック成形金型用鋼

Info

Publication number: JP6794043B2
Application number: JP2016240267A
Authority: JP
Inventors: 前田　雅人; 雅人前田
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2036-12-12
Also published as: JP2018095906A

Description

この出願は、金型加工時の被削性が良く、また鏡面に磨くことが容易でシボ加工性にも優れたプラスチック成形金型用鋼に関する。

プラスチック金型の製作コストにおいて、金型の機械加工費が占める割合が大きいため、プラスチック金型用鋼としては、加工し易さ、すなわち被削性が求められる。ところで、従来の自動車の内装やバンパーなどに用いられるプラスチック部材の成形用金型鋼としては、Ｓ５５ＣやＳＣＭ４４０などの中炭素鋼や機械構造用合金鋼のプリハードン鋼が用いられている。これらのプラスチック部材の成形用金型鋼には、一般的な硬さ、靱性などの機械的特性に加えプラスチック製品の意匠性や機能性をもたせるためのシボ加工性が求められており、さらに、より被削性が向上することが求められている。

さらに、近年では製品に求められる精度が上がってきており、より高い鏡面性や精度の良いシボ加工性も求められるようになってきている。また、微細な意匠のシボ加工を行うことも増えてきており、加工時の圧力によって、欠けや割れが生じないように、靱性も必要とされてきている。

快削性を上げる方法としては、ＳおよびＭｎ、Ｓｅ、Ｔｅといった硫化物を形成する成分を添加する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。これらの硫化物は切削工具が鋼材に切り込んできたときに応力集中源となることで、削れやすくなり、また、切り屑の分断を促進させることで、工具の摩耗が抑制され、寿命を延ばすことが可能である。しかし、添加量を増やすことで、被削性は向上するが、増やしすぎると粗大な硫化物を形成し、鏡面性やシボ加工性を低下させてしまうだけでなく、靭性を低下させ、金型に割れや欠けが生じてしまう恐れがある。また、被削性を向上するための特殊な潤滑剤を適用させる方法もあるが、潤滑剤が高価になるため、製作コスト低減の効果が少ない。

さらに、シボ加工性や鏡面性を上げるために、鋼材内部の元素偏析を少なくして、均質性を向上させるという方法も考えられている（例えば、特許文献２参照。）。この発明は、シボ加工性と被削性に優れたプラスチック金型用鋼であるが、しかし、偏析だけを考慮するだけでは、シボ加工性が悪化する場合があり、不十分である。

特開２００３−３２３４号公報特許第４２５８３７１号公報

本発明が解決しようとする課題は、上記した従来の発明の問題に鑑みてなされたものであり、優れた被削性と鏡面性、シボ加工性とを兼備したプラスチック金型用鋼を提供することを目的とする。

被削性および鏡面性、シボ加工性が悪化する原因について発明者らが検討を行ったところ、ＳＣ５５などの鋼はフェライトとパーライトの混合組織となっているが、これらのどちらか一方が多いとシボ加工後にムラが生じ、さらにフェライトとパーライトのどちらかの面積が大きすぎると被削性が悪化することが判明した。そこで、靭性や鏡面性、シボ加工性を悪化させることなく、被削性を向上させるため、鋭意開発を進めた結果、熱間脆化を起こすとして、添加が避けられてきたＳｎを限定的に添加することで、熱間脆化を起こすことなく、また、靭性や鏡面性、シボ加工性を悪化させることなく、被削性を向上させ得ることを見出した。すなわち、請求項に示す化学成分の範囲およびフェライト面積率、硫化物面積率、硫化物の最大面積の条件を満たすことで、加工性および鏡面性に優れたプラスチック成形金型用鋼が得られることを見出した。

上記の課題を解決するための、第１の手段は、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．２０〜０．４９％、Ｍｎ：０．６１〜１．５０％、Ｓ：０．００５〜０．１４０％、Ｃｒ：０．１０〜０．９０％、Ｍｏ＋Ｗ／２（Ｍｏ、Ｗのうち１種または２種からなる）：≦０．１０％、Ａｌ：≦０．０３０％、Ｓｎ：０．００２〜０．１００％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、該鋼のフェライト・パーライト組織中のフェライト面積率：３５〜６５％で、該鋼の硫化物の最大面積：≦２０００μｍ²であることを特徴とする加工性および鏡面性に優れたプラスチック成形金型用鋼である。

第２の手段は、第１の手段の構成要件に加えて、硫化物面積率：０．０１〜０．１５％であることを特徴とする加工性および鏡面性に優れたプラスチック成形金型用鋼である。

金型加工時の被削性が良く、また鏡面に磨くことが容易であり、シボ加工性にも優れているプラスチック成形金型用鋼である。

発明を実施するための形態を記載するに先立って、本願の発明鋼の化学成分ならびに該鋼のフェライトの面積率、硫化物の最大面積、硫化物の面積率の限定理由について説明する。なお、化学成分は質量％で示す。

Ｃ：０．３５〜０．５５％
Ｃは、鋼中に硬質炭化物を形成し、硬さ、耐摩耗性を向上させるとともに、焼入性を高める元素である。その効果を得るためには、Ｃは少なくとも０．３５％必要である。一方、Ｃは０．５５％より多く含有されると、鋼中に粗大な炭化物を形成し、靱性を悪化し、偏析を助長するため鏡面性およびシボ加工性を悪化する。そこで、Ｃは０．３５〜０．５５％とし、望ましくは、Ｃは０．４０〜０．５０％とする。

Ｓｉ：０．２０〜０．４９％
Ｓｉは、精錬時の脱酸剤であり、鋼の基地の硬さを得るために必要な元素である。そのためには、Ｓｉは少なくとも０．２０％必要である。一方、Ｓｉは０．４９％より多いと固溶強化が進み、靱性が悪化する。そこで、Ｓｉは０．２０〜０．４９％とし、望ましくはＳｉは０．２５〜０．４５％とする。

Ｍｎ：０．６１〜１．５０％
Ｍｎは、精錬時の脱酸剤であり、鋼の焼入性を得るために必要であり、また、硫化物を形成し、応力集中源となることで被削性を向上させる元素である。そのために、Ｍｎは少なくとも０．６１％必要である。一方、Ｍｎは１．５０％より多いと、マトリックスを脆化させ、靱性を悪化し、かつ偏析を助長するため、鏡面性およびシボ加工性を悪化する。そこで、Ｍｎは０．６１〜１．５０％とし、望ましくはＭｎは０．１０〜０．５０％とする。

Ｓ：０．００５〜０．１４０％
Ｓは、被削性は向上するが、増やしすぎると粗大な硫化物を形成し、鏡面性やシボ加工性を低下させてしまうだけでなく、靭性を低下させ、金型に割れや欠けが生じてしまう恐れがある。そこで、Ｓは被削性を向上するため少なくとも０．００５％とする。しかし、Ｓは０．１４０％より多いと、粗大な硫化物を形成し、鏡面性やシボ加工性を低下させてしまい、靭性を低下させ、金型に割れや欠けが生じるものとなる。そこで、Ｓは０．００５〜０．１４０％とし、望ましくは、０．０２０〜０．０６０％とする。

Ｃｒ：０．１０〜０．９０％
Ｃｒは、硬質炭化物を形成し、硬さ、耐摩耗性を向上させるとともに焼入性を高めるために、必要な元素である。そのためには、Ｃｒは少なくとも０．１０％必要である。一方、Ｃｒは０．９０％より多いと、粗大な炭化物を形成し、靱性を悪化し、さらに偏析を助長するため、鏡面性、シボ加工性を悪化する。そこで、Ｃｒは０．１０〜０．９０％とし、望ましくは、０．１０〜０．５０％とする。

Ｍｏ＋Ｗ／２（ただし、Ｍｏ、Ｗのうち１種または２種）：≦０．１０％
Ｍｏ、Ｗは、硬質炭化物を形成し、硬さ、耐摩耗性を向上させるとともに焼入性、焼戻し軟化抵抗性を高める元素であるが、Ｍｏ＋Ｗ／２は０．１０％より多いと、粗大な炭化物を形成して磁性を悪化し、偏析を助長するため、鏡面性およびシボ加工性を悪化する。そこで、Ｍｏ＋Ｗ／２（ただし、Ｍｏ、Ｗのうち１種または２種）は≦０．１０％とする。

Ａｌ：≦０．０３０％
Ａｌは、脱酸剤として添加されるが、酸化物を形成し、鏡面性を悪化する元素である。そこで、Ａｌは０．０３０％以下とする。望ましくは、Ａｌは０．００４〜０．０２５％である。

Ｓｎ：０．００２〜０．１００％
Ｓｎは、ＳｎＳ₂を形成し、応力集中源となることで、被削性を向上させる元素である。また、ＳｎＳ₂はＭｎＳと結晶構造が違うため、ＳｎＳ₂とＭｎＳは結合して粗大化することがなく、靱性や鏡面性、あるいはシボ加工性が悪化するのを抑制できる。さらに、Ｓｎ自体やＳｎＳ₂は切削刃の表面に付着することで、潤滑剤として働くため、切削時に潤滑剤が十分に供給されないような場合でも、切削抵抗を小さくして焼きつきを抑制し、被削性を向上させる。そのためには、Ｓｎは少なくとも０．００２％必要である。一方、Ｓｎは０．１００％より多く添加しすぎると、熱間脆性による割れが発生して、製造が困難になる。そこで、Ｓｎは０．１００％以下とする。望ましくは、Ｓｎは０．００２〜０．０５０％とする。

フェライト・パーライト組織中のフェライト面積率：３５〜６５％
フェライト・パーライト組織中のフェライト面積率は、３５％より少なくなると、硬いセメンタイトを含むパーライト組織が多くなるため、被削性が低下する。逆にフェライトが６５％より多くなると、延展性が高くなり切削抵抗が高くなる。また、フェライト・パーライト組織中のフェライト面積率が３５〜６５％となることで、鏡面加工時およびシボ加工時に、腐食ムラが発生しない。

硫化物の最大面積：≦２０００μｍ²
硫化物の面積は、２０００μｍ²より大きすぎると、鏡面加工時およびシボ加工時に、ムラを発生させる原因となる。そこで、硫化物の最大面積は２０００μｍ²以下とする。

硫化物の面積率：好ましくは０．０１〜０．１５％
硫化物の面積率は、０．０１％より少なくなりすぎると、応力集中源となることができず、被削性が低下する。一方、硫化物の面積率は、多くなりすぎると、鏡面加工時およびシボ加工時にムラを発生させる原因となりうることから０．１５％以下としておくと、被削性と鏡面性、シボ加工性とのバランスが安定的に良好となる。そこで、硫化物の面積率を勘案する場合には、０．０１〜０．１５％とすることが好ましい。

ここで、本願発明の実施の形態について以下に記述することとする。

真空誘導溶解炉にて、表１に示すＮｏ．１〜２１の発明鋼および比較鋼のＮｏ．２２〜３６の各１００ｋｇ鋼塊を溶製し、該鋼を５０ｍｍ×５０ｍｍに鍛伸した後、砂冷し、次いで８５０℃で１．５時間保持した後、空冷する焼準しを行った後、６００℃で６時間保持して、空冷する焼戻しを行った。この処理で得られた供試材の硬さは、８５〜１０５ＨＲＢであった。

上記で溶製した鋼を、シャルピー衝撃試験片であるＪＩＳ規格の角１０ｍｍ、長さ５５ｍｍとして、２ｍｍＵノッチの試験片に加工し、常温でシャルピー衝撃試験を行って、シャルピー衝撃値を測定した。機械構造用炭素鋼のＳ５５Ｃのシャルピー衝撃値は３０Ｊ／ｃｍ²であるため、これを基準とし、シャルピー衝撃値は、３０Ｊ／ｃｍ²と同じであるか、もしくは高いと良いと評価し、３０Ｊ／ｃｍ²より低いと、悪いと評価した。

さらに、該鋼の被削性の評価は、ドリル穿孔試験による切削のし易さ、および工具摩耗のしにくさで評価した。すなわち、これらは試験片のＬ面に対して１本のＳＫＨ５１製ドリルを用いて、１０ｍｍの穿孔を５回繰り返して穿孔し、１０ｍｍの穿孔をするまでにかかった時間の平均で、切削のし易さを、また１回目の穿孔時間と５回目の穿孔時間の差で工具摩耗のしにくさをそれぞれ評価した。ドリル穿孔には、新品のφ８ｍｍのＳＫＨ５１製ドリルを使い、回転速度：２３．２ｍ／ｍｉｎ、推力：７０ｋｇ、潤滑油なしの条件で行った。機械構造用炭素鋼のＳ５５Ｃの平均の穿孔時間は１５秒であり、穿孔時間の差は３秒あったことから、平均の穿孔時間が１４秒以下、かつ、穿孔時間の差が２秒以内あれば、被削性が良い、と評価し、平均の穿孔時間が１５秒より遅いかもしくは穿孔時間の差が３秒以上の場合は、被削性が悪い、として評価した。

目視による鏡面性の評価として、鍛伸材の中心部の長手方向に水平な面から３０ｍｍ×３０ｍｍの試験片を切り出し、３０ｍｍ×３０ｍｍの面を研磨ペーパーで＃３０００番まで研磨した後、目視により表面にピンホールやムラの有無を確認し、ピンホールやムラが無い場合は、良いとして〇と評価し、ピンホールやムラがある場合は悪いとして×と評価した。

目視によるシボ加工後のムラのシボ加工性の評価として、鍛伸材の中心部の長手方向に水平な面から３０ｍｍ×３０ｍｍの試験片を切り出し、３０ｍｍ×３０ｍｍの面を研磨ペーパーで＃３０００番まで研磨した後、プラスチック成型用金型におけるシボ加工を模擬するため、表面を腐食させるシボ加工によって梨地模様を施し、それらの試験片について、帯状のムラや意匠以外の凹凸が発生することなく、均質な凹凸ができているか否かについて観察した。シボ加工が均質な状態となっている場合は、良いとして○と評価し、シボ加工が不均一な状態となっている場合は、悪いとして×と評価した。

１００ｍｍ²中のフェライト面積率、硫化物面積率、および硫化物の最大面積については、鍛伸材の中心部より１５ｍｍ×１５ｍｍ×１５ｍｍの試験片を割出し、長手方向に水平な面を鏡面研磨し、光学顕微鏡により１００倍の倍率で１０視野を写真撮影し、画像解析装置により、硫化物の面積率および硫化物の最大面積を測定した。さらに、試験片をナイタル腐食液で腐食させた後、光学顕微鏡により１００倍の倍率で１０視野を写真撮影し、画像解析装置によりフェライト組織の面積率を測定した。

試験材の化学成分ならびにフェライト面積率、硫化物面積率、および硫化物の最大面積の測定結果を表１に示す。

試験材のシャルピー衝撃値、ドリル穿孔試験の平均時間、ドリル穿孔試験の穿孔時間の差、鏡面性、シボ加工性の測定結果を表２に示す。

Ｎｏ．２２は、高Ｃにより炭化物が粗大となり、偏析もきついため靱性低下、鏡面磨き後にムラが有り、シボ加工不均一になった。
Ｎｏ．２３は、低Ｃによりフェライト面積率が大となり、切削抵抗が上がったため切削性が低下し穿孔時間が長くなった。
Ｎｏ．２４は、高Ｓｉにより基地が硬化し、靱性が低下した。
Ｎｏ．２５は、低ＭｎによりＭｎＳ硫化物が殆ど形成されず、切削性が低下し穿孔時間が長くなった。
Ｎｏ．２６は、高Ｍｎにより基地が硬化し、偏析もきついため、靱性が低下し、鏡面磨き後にムラが有り、シボ加工不均一になった。
Ｎｏ．２７は、低Ｓにより硫化物が殆ど形成されず、切削性が低下し穿孔時間が長くなった。
Ｎｏ．２８は、高Ｓであるため硫化物面積率も多くなり、靱性が低下し、鏡面磨き後にピンホールが有り、シボ加工不均一になった。
Ｎｏ．２９は、高Ｓであるため硫化物面積率が多くなり、最大面積も大きくなったため、靱性が極端に低下し、鏡面磨き後にピンホールが有り、シボ加工不均一になった。
Ｎｏ．３０は、高Ｃｒにより炭化物が粗大となり、偏析もきついため靱性低下、鏡面磨き後にムラが有り、シボ加工不均一になった。
Ｎｏ．３１は、高Ｍｏにより炭化物が粗大となり、偏析もきついため靱性低下、鏡面磨き後にムラが有り、シボ加工不均一になった。
Ｎｏ．３２は、高Ａｌにより酸化物が粗大となり、鏡面磨き後にピンホールが有った。
Ｎｏ．３３は、Ｓｎが含有されていないことにより潤滑効果が得られず、穿孔時間の差が大きくなった。
Ｎｏ．３４およびＮｏ．３５はフェライト面積率が範囲外となり、切削性が低下し穿孔時間が長くなり、鏡面磨き後にムラが有り、シボ加工不均一になった。
Ｎｏ．３６は硫化物の最大面積が大きくなったため、靱性が低下し、鏡面磨き後にピンホールが有り、シボ加工不均一になった。

Claims

質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．２０〜０．４９％、Ｍｎ：０．６１〜１．５０％、Ｓ：０．００５〜０．１４０％、Ｃｒ：０．１０〜０．９０％、Ｍｏ＋Ｗ／２（Ｍｏ、Ｗのうち１種または２種からなる）：≦０．１０％、Ａｌ：≦０．０３０％、Ｓｎ：０．００２〜０．１００％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、該鋼のフェライト・パーライト組織中のフェライト面積率：３５〜６５％で、該鋼の硫化物の最大面積：≦２０００μｍ²であることを特徴とする加工性および鏡面性に優れたプラスチック成形金型用鋼。
請求項１の構成要件に加えて、硫化物面積率：０．０１〜０．１５％であることを特徴とする加工性および鏡面性に優れたプラスチック成形金型用鋼。