JPH04263014A - 高硬度の成形金型用鋼およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は成形金型、特にプラスチ
ック成形金型が主たる用途である析出硬化型構造用鋼お
よびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、時効硬化性プラスチック金型
用鋼に関しては、例えば、電気製鋼Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ
．１，２７〜３３頁（大同製鋼研究会発行）、特殊鋼第
２０巻，第４号，５８〜６１頁（特殊鋼倶楽部発行）、
特公昭５９−３７７４４号、特公昭６１−２２０２５号
、特開昭６０−６７６４１号などにおいて、Ｍｎ−Ｎｉ
−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｏ系の時効硬化性プラスチック金型用
鋼が開示されている。これらの鋼は、処理工程の概念図
である図１（ａ）に示されるような、溶体化熱処理の後
に時効処理を施すことによって得られるもので、フォー
トエッチング加工性等に優れた特性を有するものである
。

【０００３】また、最近では特に厚肉の成形用金型材と
して、図１（ｂ）に示されるような、すなわち特定温度
で特定量の圧下を加える熱間圧延の後に時効処理するこ
とによって得られるＭｎ−Ｎｉ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｏ系析
出硬化鋼が特開昭６３−１６２８１１号によって提案さ
れている。

【０００４】そして、このような従来の析出硬化鋼は、
いずれも時効温度が略４５０〜５５０℃に設定されてお
り、その時効処理によってＨＲＣ硬度値で４０前後の硬
度が得られていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような状況の中、
本発明者らは成形金型用鋼材として、上記従来の析出硬
化鋼よりも高い硬度が得られる鋼および高温域の時効処
理によっても高硬度が得られる鋼を本出願とは別にそれ
ぞれ提案している。これは、図１（ｃ）に示されるよう
に、圧延あるいは鍛造などの熱間加工条件とその後の冷
却条件を制御することおよび所定の温度域で時効処理す
ることにより、所望の硬度が得られるＭｎ−Ｎｉ−Ａｌ
−Ｃｕ−Ｍｏ系鋼である。

【０００６】しかし、これらの提案鋼は、上述のように
製造条件について特徴を有しているものであるが、成分
組成については従来の鋼とあまり変わりがなく、このた
め所望の硬度を維持しつつ元素低減からのコスト減を図
ることが１つの課題となっている。一方、前記特開昭６
３−１６２８１１号では低Ｎｉであって、高硬度の析出
硬化型鋼について示されている。

【０００７】そこで、本発明者らはこの従来鋼の成分組
成を参考に、特にＮｉに着目して、提案鋼の製造条件を
検討した結果、高Ｃｕではあるが低Ｎｉ型のＭｎ−Ｎｉ
−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｏ系鋼において従来鋼と同等の硬度の
鋼が得られた。

【０００８】本発明は、以上のような経緯によって創案
されたものであり、ＨＲＣ値で４０ポイント前後の硬度
が得られる低Ｎｉ−高Ｃｕ系の析出硬化鋼およびその製
造方法の提供を目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述したように、本発明
者らは従来の析出硬化鋼を参考にして、別に提案してい
る鋼の改良をすべく各種実験・研究を行った結果、圧延
あるいは鍛造などの熱間加工条件とその後の冷却条件を
制御することで低Ｎｉ−高Ｃｕ化したＭｎ−Ｎｉ−Ａｌ
−Ｃｕ−Ｍｏ鋼の組織と析出を制御し、４００℃以上５
５０℃以下の温度で時効処理を施すことにより少なくと
も従来鋼と同等の高い硬度を得ることに成功した。

【００１０】すなわち本発明者らは、構成成分およびそ
の組成範囲が、重量％でＣ：０．０５〜０．２０％、Ｓ
ｉ：０．１０〜１．０％、Ｍｎ：０．８〜２．０％、Ｎ
ｉ：１．８〜２．５％未満、Ａｌ：０．５〜１．５％、
Ｃｕ：１．７％超〜２．５％、Ｍｏ：０．１〜０．５％
　、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるものを、図１
（ｃ）に示すような工程、具体的には加熱した後熱間加
工するに際し７００℃以上で加工を終了し、その後直ち
に空冷以上５０℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で４００℃以
下まで冷却し、さらに４００℃以上５５０℃以下の温度
で１〜１００時間時効処理することにより、ＨＲＣ値で
４０前後の硬度の鋼を得ることに成功したものである。

【００１１】以下、この発明について詳細に説明する。

【００１２】まず、本発明鋼の成分限定理由は次の通り
である。

【００１３】Ｃ：Ｃは本発明鋼を熱間加工後に空冷また
は制御冷却した場合、マルテンサイトやベイナイト組織
の生成を容易ならしめる効果があるため重量％で（以下
同じ）０．０５〜０．２０％添加する。０．０５％を下
回ると組織制御の効果が認められなくなるのでこれを下
限とした。また、０．２０％を超える添加は、鋼の被削
性を害し、時効後の靱性を低下させるのでこれを上限と
した。

【００１４】Ｓｉ：Ｓｉは硬度を確保するために０．１
０〜１．０％の範囲で添加する。０．１０％を下回ると
硬度が確保できないのでこれを下限とした。また、１．
０％を上回ると延靱性と被削性を劣化させるのでこれを
上限とした。

【００１５】Ｍｎ：ＭｎはＣやＳｉと同様に硬度を確保
するために０．８〜２．０％の範囲で添加する。０．８
％を下回ると硬度が確保できないのでこれを下限とした
。また、２．０％を上回ると延靱性と被削性を劣化させ
るのでこれを上限とした。

【００１６】Ｎｉ：本発明鋼においてＮｉはその一部が
Ｃｕと全率固溶して熱間加工における赤熱脆性を防ぎ、
熱間圧延後の冷却状態で焼入れ性を増加し硬度を確保す
る。また時効状態ではＡｌとともにＮｉＡｌ相を形成し
高硬度を確保する必須成分であるため１．８〜２．５％
未満添加する。１．８％を下回ると硬度が確保できない
のでこれを下限とした。また、２．５％以上添加すると
延靱性と被削性に悪影響があるのでこれを上限とした。

【００１７】Ａｌ：ＡｌはＮｉとともに時効状態でＮｉ
Ａｌ相を析出させるための必須成分であり、０．５〜１
．５％添加する。 ０．５％を下回ると硬度への効果が小さくなるのでこれ
を下限とした。また、１．５％を上回ると製造性、鏡面
仕上げ性および延靱性を害するためこれを上限とした。

【００１８】Ｃｕ：Ｃｕは時効状態においてε−Ｃｕ相
を析出させるための核として重要な役割を持つほか、被
削性の改善に効果があるので１．７％を超え２．５％以
下を添加する。１．７％以下になるとこれらの効果が小
さくなるのでこれを下限とした。また、２．５％を上回
ると製造時の表面疵や経済性などの点で不利になるので
これを上限とした。

【００１９】Ｍｏ：Ｍｏは組織の均一化および強度・靱
性の改善を目的として０．１〜０．５％添加する。０．
１％を下回るとこれらの効果が認められなくなるのでこ
れを下限とした。また、０．５％を上回ると硬度が高く
なりすぎ被削性や延靱性に悪影響があるのでこれを上限
とした。

【００２０】本発明鋼はＨＲＣ４０前後の硬度で金型に
加工されるため被削性を確保することが必要である。そ
のためにＳを０．３％まで添加しても良い。

【００２１】なお、大型の金型に本発明鋼を適用する場
合、焼入性を確保するために、Ｃｒ：０．２１〜２．５
０％、Ｗ：０．５％以下、Ｃｏ：０．５％以下、Ｂｅ：
０．５％以下、Ｂ：０．０１％以下の少なくとも一種ま
たは二種以上選択して添加しても良い。また、時効後の
硬度を確保するためにＶを０．１２％以下添加しても良
い。また、結晶粒度を微細化して靱性を向上させるため
にＴｉ：０．５％以下、Ｎｂ＋Ｔａ：０．３％以下、Ｚ
ｒ：０．５％以下の少なくとも一種または二種以上選択
して添加しても良い。さらに、被削性を向上させるため
に、Ｐｂ：０．０３〜０．４％、Ｓｅ：０．０３〜０．
５％、Ｔｅ：０．０１〜０．３％、Ｂｉ：０．０２〜０
．３％の少なくとも一種または二種以上選択して添加し
ても良い。

【００２２】次に、製造条件について説明する。

【００２３】前述した組成の鋼を加熱するに当たっては
加熱温度を１３００〜９５０℃の範囲とするのが好まし
い。９５０℃未満では各種成分の固溶が十分でなく時効
後の硬度が低下する可能性がある。また、１３００℃を
超えるとスケール生成または粒界溶融による熱間加工性
の低下の恐れがあるためである。

【００２４】熱間圧延するに際し７００℃以上で加工を
終了するのは、加工仕上り温度がこの温度を下回ると、
変態点近傍の冷却の効果が少なくなり組織制御の効果が
認められなくなるためと材質の異方性が増すためこれを
下限とした。

【００２５】加工率については時効時の析出サイトの分
散効果を確保するため少なくとも５％の加工率が必要で
ある。

【００２６】熱間加工後に直ちに空冷以上５０℃／ｓｅ
ｃ以下の冷却速度で冷却するのは、鋼の組織をマルテン
サイトあるいはベイナイトなどの組織にするためと、加
工後の冷却中にＮｉ、Ａｌ、Ｃｕなどの析出硬化型元素
が一部析出することを抑制し、その後の時効時の析出硬
化に、より有効に寄与させるためである。空冷より小さ
な冷却速度では、上記の効果が認められないためこれを
下限とした。５０℃／ｓｅｃを超える冷却速度では焼割
れなどの製造上の問題点が生ずるためこれを上限とした
。

【００２７】時効温度は、本発明の高温時効の観点から
４００〜５５０℃に限定した。４００℃を下回ると十分
な硬度が得られないためこれを下限とした。また、５５
０℃を上回ると過時効となり硬度が低くなるのでこれを
上限とした。

【００２８】時間については、１時間以上であれば充分
である一方で、１００時間を超えると過時効になるので
、１〜１００時間の範囲とした。

【００２９】

【実施例】以下、この発明の実施例について具体的に説
明する。

【００３０】下表に試験に用いた鋼材の組成、製造条件
と硬度を示す。そのうち、表１には鋼材の成分組成を、
表２には本発明材と比較材の製造条件と硬度をそれぞれ
示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】表１中鋼Ａ〜Ｄはいずれも本発明の組成範
囲に合致するものであり、また表２中番号１〜１２は本
発明の製造条件をすべて満足させる実施例である。同表
からも明らかなように、本発明材は全てＨＲＣ値が４０
前後となっている。

【００３４】表２中番号１３〜１９は、いずれかの製造
条件が本発明の範囲外となる比較例である。このうち、
番号１３以降は比較鋼材であり、番号１３は時効温度が
本発明範囲より高く設定された比較鋼材であるが、過時
効となり硬度が低い。番号１４は時効時間が長く設定さ
れた比較鋼材であり、やはり過時効のため硬度が低い結
果となっている。番号１５は時効処理をしない比較鋼材
であるが硬度が不充分である。番号１６〜１８は、従来
の製造方法によって得られた鋼材、すなわち固溶化熱処
理を施しその後時効した比較鋼材であるが硬度がＨＲＣ
値で３９〜４０の値である。番号１９は熱間圧延後に等
温保持した比較鋼材である。この場合にはＨＲＣ値で３
８ポイント得られていることが分かる。

【００３５】以上の本発明材１〜１２および比較鋼材１
３〜１９について、時効温度と硬度（ＨＲＣ値）との相
関関係を図２に示す。同図より、本発明の時効温度範囲
であれば、固溶化熱処理材１６、１７、１８と同等の硬
度となっていることが分かる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、低
Ｎｉ−高Ｃｕの析出硬化型の鋼を時効することによりＨ
ＲＣ値で４０ポイント前後の硬度の鋼材を得るこができ
、金型加工時や使用時の精度、寿命を確保しつつコスト
の点で大きな効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋼の製造条件を示す概念図であり、（ａ）およ
び（ｂ）は従来の析出硬化型鋼、（ｃ）は本発明鋼の製
造条件を示す図である。

【図２】時効温度とＨＲＣ値との相関関係を示す図であ
る。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　重量％でＣ：０．０５〜０．２０％、
   Ｓｉ：０．１０〜１．０％、Ｍｎ：０．８〜２．０％、
   Ｎｉ：１．８〜２．５％未満、Ａｌ：０．５〜１．５％
   、Ｃｕ：１．７％超〜２．５％、Ｍｏ：０．１〜０．５
   ％　、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、加熱した
   後熱間加工するに際し７００℃以上で加工を終了し、そ
   の後直ちに空冷以上５０℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で４
   ００℃以下まで冷却し、さらに４００℃以上５５０℃以
   下の温度で１〜１００時間時効処理することによって得
   られることを特徴とする高硬度の成形金型用鋼。
2. 【請求項２】　　重量％でＣ：０．０５〜０．２０％、
   Ｓｉ：０．１０〜１．０％、Ｍｎ：０．８〜２．０％、
   Ｎｉ：１．８〜２．５％未満、Ａｌ：０．５〜１．５％
   、Ｃｕ：１．７％超〜２．５％、Ｍｏ：０．１〜０．５
   ％　、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を、加熱
   した後熱間加工するに際し７００℃以上で加工を終了し
   、その後直ちに空冷以上５０℃／ｓｅｃ以下の冷却速度
   で４００℃以下まで冷却し、さらに４００℃以上５５０
   ℃以下の温度で１〜１００時間時効処理することを特徴
   とする高硬度の成形金型用鋼の製造方法。