JP7050423B2

JP7050423B2 - プラスチック射出成形金型工具およびその製造方法

Info

Publication number: JP7050423B2
Application number: JP2017076829A
Authority: JP
Inventors: アルギルダス・アンデリース
Original assignee: エイ・フィンクル・アンド・サンズ・カンパニー
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2037-04-07
Also published as: JP2018176487A

Description

本発明は、現在入手可能な市販品とは対照的な、広い断面において著しく増加した硬化および硬化特性を有する低炭素金型鋼から形成されたプラスチック射出成形金型工具、および大型鍛造物に関する。上記属性は、同等の、またはより良好な機械加工性および改善された金型分割線磨耗と共に得られる。二重溶融プロセスと関連して製造された場合、本発明は、研磨特性および工具セットにおける成形部品の他の属性を大幅に改善し得る。

プラスチックは未来の高性能でより低燃費の車に重要であるため、自動車産業におけるプラスチックの位置付けは極めて高くなっている。プラスチックは、軽量および多用途設計、ならびにより低い製造コストを提供することにより、設計者およびエンジニアに多くの利点を提供する。プラスチックの多用途性は、現在可能な広範囲の形状および表面仕上げにより示され得る。しかしながら、この多用途性は、高品質のプラスチック射出成形金型鋼がなければ可能とならない。低燃費車に対する需要の増加によって、設計者は、より空気力学的な車を創出することを余儀なくされており、これは一方で、バンパー、ダッシュボードおよびドアパネル等のより大型の複雑なプラスチック部品を必要とする。他の産業においても、例えば屋外家具等、プラスチック部品に対する同様の要件が存在する。プラスチック射出成形はペースの速い製造に使用され、工具鋼はこの用途に使用される。高品質プラスチック射出成形金型鋼の特性は、金型製造者から最終使用者に至るまで様々である。良好な機械加工性および良好な表面仕上げを提供する能力は、金型製造者にとって重要な側面である。

しかしながら、均一な硬度は、最終使用者が形状の歪みのない部品を製造するために重要である。部品のサイズが増加すると、金型もより大型となる必要があるが、それでも断面全体にわたりこれらの特性を示す必要がある。

本発明の主な目的は、現在入手可能なプラスチック射出成形工具セットとは対照的な、増加した硬化性および硬度を有すると共に、（１）同等またはより良好な機械加工性、（２）増加した清浄性および良好な衝撃値、ならびに、（３）最も重要なことには増加した硬化性を有する、プラスチック射出成形工具セットを提供することである。

別の目的は、重量パーセントで以下の幅広い組成を有する金型ブロックからプラスチック射出工具セットを提供することである。

より好ましくは、本発明の目的は、重量で以下の組成を有する金型ブロックからプラスチック射出工具セットを提供することである。

別の目的は、重量パーセントで以下の最も好ましい組成を有する金型ブロックから工具セットを提供することである。

本発明のさらなる目的は、本明細書において開示される合金構成要素を有する工具セットのためのプラスチック射出成形金型およびダイブロックを製造する低コストで効率的な方法を提供することである。

他の目的および利点は、以下の説明から明らかとなる。

炭素は、必要な硬度および耐摩耗性を提供するために必要である。炭素が０．４０％を大幅に超える場合、金型ブロックは、低い機械加工性および研磨特性を示す。好ましくは、良好な機械加工性を確保するために、最大０．３５％の炭素が使用される。０．１５％を実質的に下回る炭素が使用された場合、耐摩耗性および機械的特性は、金型ブロックが受ける使用条件に好適ではない。好ましくは、許容される耐摩耗性、硬度および機械的特性を確保するために、最低０．２０％の炭素が使用される。最も好ましくは、０．２５％から０．０３５％の範囲内の炭素が使用されるべきである。

マンガンは、硬化性のために、また製鋼プロセスにおける脱酸素剤として不可欠である。マンガンはまた、他の合金元素と組み合わせると、鍛造操作において硫化物を制御するように作用する。１．１０％を大幅に超える量で存在する場合、残留オーステナイトが存在する危険性がある。０．６０％を実質的に下回るマンガンが存在する場合、金型ブロックの硬化性が低下する。さらに、硫黄の制御を確実とするために、マンガン含量は、硫黄含量の少なくとも２０倍の量で存在すべきである。マンガンはまた耐摩耗性に寄与するが、他の炭化物形成物質よりも程度は低い。好ましくは、マンガンは、０．７０％から１．１０％、最も好ましくは０．８０％から１．１０％の範囲内で存在する。

ケイ素は、製鋼プロセスにおけるその脱酸素能力が指摘される。０．６０％を実質的に超える量で存在する場合、最終生成物の脆化の傾向がある。

クロムは、硬化性および耐摩耗性のためのカーバイン形成に必要である。最大２．００％を実質的に超えるクロムが存在する場合、硬化温度が通常の製造における熱処理プロセスには過度に高くなる。１．００％の指定最小値未満では、耐摩耗性が悪影響を受ける。好ましくは、クロムは、１．１０％から２．００％、最も好ましくは１．２０％から２．００％の量で存在する。

ニッケルは、フェライトを強化し、金型ブロックに靭性を提供するために必要である。１．００％を実質的に超える量で存在する場合、残留オーステナイトおよび機械加工性の低下の危険性がある。また、過剰のニッケルは、鍛造プロセス中にスカーフィングおよび／または調整を必要とする高温へアライン亀裂を促進し得る。ニッケルが０．３０％の指定最小値を実質的に下回る場合、金型ブロックは、硬化性が低減し、使用中の靭性が不足する。ニッケルは、好ましくは０．２０％から０．９０％の範囲内、最も好ましくは０．３０％から０．８０％の範囲内で存在すべきである。

モリブデンは、強い炭化物形成物質であることから、硬化性および耐摩耗性に寄与する重要な元素である。その有益な効果は、０．２０％から０．５５％モリブデンの範囲内で効果的であるが、好ましくは、モリブデンは、０．３０％から０．５５％モリブデンの範囲の上方幅、最も好ましくは０．３５％から０．５５％モリブデンの範囲内で維持される。

バナジウムは、重要な元素であり、硬化性、耐摩耗性および細粒化特性に対するその高い効果が指摘される。適切な熱処理と組み合わせた０．０５％から０．２０％の指定範囲内のバナジウムの添加は、特に少なくとも２０インチの広い断面における硬化性を大幅に改善し得ることが発見されている。表１に示されるように、バナジウムを除いて統計的に一定の合金構成成分を有する鋼試料の試験では、バナジウムの添加が硬化性を大幅に増加させることが示された。

鋼Ｘ０の場合、モリブデンおよびマンガンを含有するカーバインの１種が主に存在した。Ｘ２０は、同じ炭化物を示したが、バナジウムを含有する炭化物の第２の種類を追加した。炭化バナジウムファミリーは、炭化クロムと比較して、経時変化に対しはるかに安定である。全ての特性に対して最適な効果を有するためには、好ましくは、バナジウムは、０．０７％から０．２０％の範囲内、最も好ましくは０．１０％から０．２０％の範囲内で存在し、図に示されるように目標は０．１５％である。バナジウムはまた、耐摩耗性および機械加工性に対して大きな影響を有する。

アルミニウムは、細粒化には望まししいが、望ましくない不純物であるアルミン酸塩の存在をもたらすことで鋼の品質に有害な効果を及ぼし得る。したがって、アルミニウムの添加を、最終溶融組成物中最大０．０４０％に最小限化することが重要である。最も好ましくは、０．０２０％のアルミニウムの目標値が、細粒化を達成する。

リンは、機械加工性を増加させることができるが、工具鋼中のこの元素の有害な効果、例えば延性－脆性遷移温度の増加が、いかなる有益な効果よりも重要となる。したがって、リン含量は、０．０２５％の指定最大値を超えるべきではなく、最も好ましくは０．０１５％未満となるべきである。

硫黄は、機械加工性に重要な元素であり、一般に、工具鋼中Ｅ０．０４５％までの含量が、許容される機械加工性をもたらすと考えられている。しかしながら、硫黄はまた、この種類の鋼において、処理中の赤熱脆性ならびに研磨およびテクスチャ化特性の低減を含む、いくつかの有害な効果を有する。炭化物サイズに対するバナジウムの効果は、機械加工性に大きな影響を与えるため、硫黄を０．０２５％未満、好ましくは０．０１５％未満、最も好ましくは０．００５％未満の値に維持することが望ましい。

２０インチ以上の金型およびダイブロック断面における、コア対硬度試験の比較では、材料片の硬化性が、断面全体にわたり実質的に均一であることが明らかとなっている。これは、そのような大きな断面の硬化度が中心部近くで低下する傾向を有する現在入手可能な鋼から作製された工具セットに勝る、著しい改善である。

本発明の工具セットのための金型およびダイブロックを製造する好ましい方法は、以下の通りである。

加熱ユニット、好ましくは電気アーク炉内で鋼溶融物が形成されるが、溶融物は、必要な合金の全てではないがその大多数を含有し、例えば、アルミニウムは、プロセスの最後に近づくまで保留される。

溶融物は、形成された後、底部注入取鍋等の容器に移され、それにより融解物（ｈｅａｔ）を形成する。その後、合金が均一に分散し、融解物の合金組成が仕様となるまで、融解物の加熱、さらなる合金化およびアルゴンパージによる精錬が行われる。

その後、融解物は、真空アルゴン脱気が施され、次いで、下注ぎ鋳造によりインゴット金型に注入される。

固化後、得られた低合金鋼を金型およびダイブロックとして形成するために、インゴットが熱間加工される。

その後、ブロックは、好ましくは水中での急冷により熱処理され、調質される（ｔｅｍｐｅｒｅｄ）。

本明細書において本発明の具体例が開示されたが、当業者には、本発明の精神および範囲内で修正が行われてもよいことが明らかである。したがって、本発明の範囲は、関連先行技術を考慮して解釈される場合、以下に付属する特許請求の範囲によってのみ制限されることが意図される。

Claims

２０インチ以上の断面において優れた均一な硬化性を有するプラスチック射出成形金型およびダイブロック工具を製造する方法であって、
（１）合金成分の一部を有する加熱ユニット内で、鋼溶融物を形成するステップと、
（２）前記溶融物を容器に移し、それにより融解物を形成するステップと、
（３）前記融解物を加熱し、さらに合金化し、合金組成物のアルゴンパージにより仕様まで精錬するステップと、
（４）前記融解物を真空アルゴン脱気、注入および鋳造し、下注ぎ鋳造によりインゴットを形成するステップと、
（５）前記インゴットを熱間加工して、前記低合金鋼を、２０インチ以上の断面を有する前記金型およびダイブロックとして形成するステップであって、前記金型およびダイブロックは、均一な高い硬化性を有し、重量パーセントで以下の組成：
C 0.26よりも大きく、.40まで
Mn .60-1.10
Si 0.60最大
Cr 1.00-2.00
Ni .15-1.00
Mo .20-.55
V .05-.20
Al .040最大
P .025最大
S .025最大
を有するステップと、
（６）急冷および調質（ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）により熱処理するステップと、
（７）前記急冷および調質されたブロックから、プラスチック射出成形工具を形成するス
テップと
を含む方法。
金型およびダイブロックが、重量パーセントで以下の組成：
C 0.26よりも大きく、.35まで
Mn .70-1.10
Si .15-.50
Cr 1.10-2.00
Ni .20-.90
Mo .30-.55
V .07-.20
Al .040最大
P .020最大
S .015最大
を有することをさらに特徴とする、請求項１に記載のプラスチック射出成形金型およびダイブロック工具を製造する方法。
金型およびダイブロックが、重量パーセントで以下の組成：
C 0.26よりも大きく.33まで
Mn .80-1.10
Si .20-.45
Cr 1.20-2.00
Ni .30-.80
Mo .35-.55
V .10-.20
Al .020最大
P .015最大
S .005最大
を有することをさらに特徴とする、請求項２に記載のプラスチック射出成形金型およびダイブロック工具を製造する方法。
２０インチ以上の断面において均一な高い硬化性を有し、重量パーセントで以下の組成：
C 0.26よりも大きく、.40まで
Mn .60-1.10
Si 0.60最大
Cr 1.00-2.00
Ni .15-1.00
Mo .20-.55
V .05-.20
Al .040最大
P .025最大
S .025最大
を有する、プラスチック射出成形金型。
重量パーセントで以下の組成：
C 0.26よりも大きく、.35まで
Mn .70-1.10
Si .15-.50
Cr 1.10-2.00
Ni .20-.90
Mo .30-.55
V .07-.20
Al .040最大
P .020最大
S .015最大
を有することをさらに特徴とする、請求項４に記載のプラスチック射出成形金型。
重量パーセントで以下の組成：
C 0.26よりも大きく、.33まで
Mn .80-1.10
Si .20-.45
Cr 1.20-2.00
Ni .30-.80
Mo .35-.55
V .10-.20
Al .020最大
P .015最大
S .005最大
を有することをさらに特徴とする、請求項５に記載のプラスチック射出成形金型。