JPH0463261A - 耐用性金型の製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、金型に関し、特に種々のプラスチック製品（
自動車用部品、精密機械部品、家庭用又は各種事業用の
電気機器部品）などを成型するための金型であって、金
型の製作加工時に良好な切削性を有し製作加工終了後、
熱処理によって金型全体の硬さを上昇させることと同時
に表面層の窒化による硬さの上昇を行わしめた金型であ
り、更に詳しくは成型時に金型の腐蝕が問題となる難燃
樹脂、塩化ビニール、ＡＢＳ樹脂、ポリアセタールなど
の成型用として、母材の硬さが堀削加工時はＨＲＣ３５
以下、堀削加工後の熱処理でＨＲＣ３５〜４５を有し、
更に表面の硬さがＨｖ　１０００以上を有すると共に熱
処理による寸法変化の少ない耐用性金型の製造法に係る
ものである。

（従来の技術） 金型、特にプラスチック成型用金型は、電気機器、精密
機械部品、自動車、化粧品容器、カメラボディ、各種エ
ンプラ製品（ギア等）、レンズ等各種プラスチック成型
品の需要増大を背景として、その生産量が急速に伸びて
おり、技術的にも量産化、精密化の傾向が著しい。

特に昨今では、使用するのプラスチックの種類も増加し
、中には腐食性を有するプラスチックの成型により腐食
による金型の寿命低下も起こるようになっている。この
問題に対しては、硬質クロムメツキでの対応や、ＪＩＳ
　　５ＫＤＩＩといったステンレス系の金型用鋼が使用
されているか、このような従来の方法によると、寸法精
度の問題や、寿命、製作工程の増加、納期などの点で不
具合を生じているのが現状である。特に５ＫＤＩＩは、
巨大炭化物の析出のために、鏡面加工性や耐摩耗性はあ
るものの、被削性などが著しく劣ることや、又靭性が劣
り、ノツチ部や尖鋭加工部が比較的簡単に衝撃的にこわ
れることなどの問題点があった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は上記したような問題点を解決するものであって
、基本的にはＣｒの大量添加によって耐食性を維持し、
鋼中の炭素量を低減せしめて焼入れ又は焼準後の切削性
を改良し、金型としての堀削加工を施した上で所定の温
度で窒化処理を施し、併せて同時に金属間化合物や炭化
物の析出による硬さの上昇を図ると共に、熱処理による
寸法変化を極小にしうる耐用性の高い金型の製造方法を
提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明は、重量比で、Ｃ：０．
０３％〜０．１２％、Ｓ　ｉ　：０．３％以下、Ｍｎ：
１．５％以下、Ｃｒ：８〜１４％、Ｍｏ：Ｏ１１〜１．
０％、Ｎｉ：２．５〜３．５％、ｌ：０．３〜１．５％
を含有し、更に必要に応じて０．２〜３．０％のＣｕ、
０．０５〜０．３％のＶの単独又は両方を含み、残部が
Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼を８５０〜１１００
℃に加熱した後、所定の金型に堀削加工し、その後に５
００〜５７０℃に加熱して表層の窒化処理を行うと共に
、微細な金属間化合物及び炭・窒化物を析出させたこと
を特徴とする耐用性金型の製造方法を要旨とするもので
ある。

以下に本発明の詳細な説明する。

本発明金型の素材鋼は、基本的には低炭素ベイナイト及
び低炭素マルテンイトであり、そして加工後、窒化処理
を５００〜５７０℃で行った際に、析出した微細な金属
間化合物及び炭・窒化物を含むものであって、表面をＨ
ｖ　１０００以上、内部母材の硬さをＨＲＣ３５〜４５
を確保する。

すなわち、本発明においては基本的に、低炭素ベイナイ
ト及びマルテンサイト組織を持つ鋼の良好な切削性を生
かすと共に、Ｃｒ添加量を適正量に増加すことにより、
高温における窒化処理による表層の窒素侵入層の硬さを
著しく向上させると同時に同一処理工程において、前工
程での焼準または焼入時に固溶したＮｉとｌの微細な金
属間化合物の析出や、更にＭｏ、Ｃｒ、Ｖなどの炭・窒
化物の析出やあるいは必要に応じてＣｕ−Ｆｅ金属間化
合物を析出させることによる硬度の上昇を狙い、結果的
に高硬度の耐摩耗性を良好ならしめた金型である。

この際、金型としての掘削下降の後の窒化及び析出硬化
熱処理によって寸法の変化か小さいことが必須条件であ
るが、本発明では析出硬化の硬化機構は主としてＮｉ−
Ａｌの金属間化合物によるため、従来のほぼ同一のＣｕ
含有ステンレス鋼に比して寸法変化が小さい。

又、一方Ｍｎの含有量を適正にし、かつＭｏを適量添加
することで熱間加工時の未再結晶域を拡大し、再結晶に
よるオーステナイト粒度を適正粒度とすることでシボ加
工性、鏡面仕上性を付与したものである。

次に、本発明鋼の成分範囲を限定した理由について述べ
る。

Ｃは、本発明の基本的組織である低炭素ベイナイトおよ
び低炭素マルテンサイトを得るためや、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ
などを結合して炭・窒化物を形成し、硬さを確保するた
めの基本元素であり、これらの目的のために必要な下限
量は、００３％である。

又過度に多くなると焼入れ後の硬さが過度に太きくなり
Ｃｒの焼入れ性とも相俟って焼割れを生じ易くなったり
、又、耐食性元素であるＣｒと結合して、Ｃｒの巨大炭
化物を生成し、耐食性を劣化させると同時に切削性や鏡
面仕上性も著しく劣化させる。又、溶接性も著しく損な
う。この限界が０−１２％であり、これを上限とした。

Ｓｌは脱酸元素であるが、本発明鋼は基本的に０．５〜
１．５％のＡＩを含有するため精練上の脱酸は十分であ
る。従って、むしろ５ｉＣｈ　などの介在物となり易い
Ｓｉは、シボ加工性や鏡面仕上性確保の上で、少い方が
望ましい。０．３％以下としたのはこれを踵えるの量の
場合、鋼の清浄性が確保されにくく、シボ加工性が大き
いからである。

Ｍｎは、焼入れ性を高め、又要求される硬さレベルに応
じて硬さを調整し、フェライトの生成を抑制する。又熱
間鍛造又は熱間圧延時の未再結晶域を拡げオーステナイ
トの細粒化を促進する。しかし多量に含有すると被削性
、彫刻性を害するのでその上限を１．５％とした。

Ｃｒは耐食性を高める元素で、本発明鋼の基本元素であ
る。８．０％未満では耐食性が充分でなく、１４％まで
の添加で金型用鋼としての耐食性は充分である。これを
越えて添加しても耐食性はそれ程向上せずむしろ経済的
観点からマイナス面が大きい。従って上限を１４％とし
た。Ｃｒはまた窒化処理時の窒化効果を高め処理後の硬
さを上昇させる。

目標とする硬さＨｖ　１０００以上を得るためには８％
以上必要である。

Ｍｏは、５００℃以上の高温焼戻しにおいて微細炭化物
を析出して析出硬化をもたらし、又、焼入れの際のフェ
ライトの析出を抑制してベイナイト組織化を促進する。

又、使用時の雰囲気に対する耐食性、特に孔食を防止す
るのに有効な元素である。多すぎると被削性、靭性の低
下を招くので、１．０％以下とし、低すぎると、上記効
果が得られないので、下限を０．１％とした。

Ｎｉは、変態点を下げ、冷却時にベイナイト組織及びマ
ルテンサイト組織を均一に晶出させる目的と、Ａｔとの
金属間化合物を造って焼鈍時鋼中にこれを析出させ、硬
化させる目的で添加するが、２．５％未満ではこの効果
が充分でなく、３．５％を越えてもその効果は添加量の
割りには顕著にならず、経済的でない。従って、２．５
〜３．５％とした。

ＡＩは溶解精練時の脱酸元素としての働きと、Ｎｉとの
結合により、金属間化合物を析出させ硬化をもたらすた
めに添加する。添加量が０．５％未満では、充分な析出
硬化を得ることができず、又１．５％を越えても、Ｎｉ
とのバランス上析出硬化に効果が期待できないこと、又
、Ａｌｌ　ｘ　０１　　などの非金属介在物となって、
鏡面加工性や、シボ加工性も劣化させることで、限界値
を０．５〜１．５％とした。

又本発明鋼は、これらの基本元素の他にＣｕ、■を添加
しても同様な効果が得られるが、Ｃｕは０．２％以上で
その溶解度との関係から効果が現われ、焼鈍時にＣｕ−
Ｆｅの金属間化合物を析出し、硬化に寄与する。その効
果は、Ｃｕの量に応じて増加するが、３％を越えても、
その効果は添加量の割合程には期待できない。従って限
界量は０．２〜３．０％とした。

■は、微細度・窒化物として焼戻し焼鈍時に析出し、析
出効果現象により、鋼を硬化させる。この効果を充分に
生かせる最低添加量は０．０５％であり、従って下限を
０．０５％としたが、多すぎると炭・窒化物を粗大化し
、肌荒れによる鏡面仕上性を低下させて問題である。こ
の上限が０．３％である。

金型材料は、最終的には機械切削による金型としての工
作を行うが、この際、特に精巧な仕上げを要するために
切削性のよいことが必要である。

本発明では、切削性を良好によるための手段として、基
地組織を低炭素のベイナイト及びマルテンサイトとして
おり、焼串又は焼入れままの硬さは極力抑制している。

機械切削や放電加工による金型としての工作はこの時点
（焼串又は焼入れ後）で行い、加工終了後に５００〜５
７０℃の温度で表面の窒化処理を行う。

窒化処理はイオン窒化やタフトライド処理、ガス窒化処
理などがあるが、金型仕上面の肌荒れやコスト的な面な
どを考慮するとガス窒化が好ましく、真空炉による拡散
窒化処理（ＨＤＣ処理）が望ましい。窒化による表面硬
さの上昇度合は、ＡＩとＣｒの含有量に大きく関係し本
発明の目的とするＨｖ　１０００以上の硬さを得るため
には、ＣｒとＡＩの適正量が必要で前述のような限定を
行った。

窒化処理は５００〜５７０℃で行うため、本発明では同
時にＮ　１−ＡＩの金属間化合物やＣｒ、Ｍｏ、Ｖ等の
炭・窒化物の析出硬化が起り母材部の硬さを上昇させる
。この場合母材内部の硬さの上限をＨＲＣ４５としたの
は、手直し等による切削を考えて切削性を確保できるこ
と、および金型に必要な靭性を確保することを目的とす
るためであり、一方、下限の硬さをＨＲ，：３５とした
のは、表面窒化層との硬さの差を少くするためと、表面
窒化層が摩滅した後もある程度の耐摩耗性を確保するた
めである。

このように、本発明による金型の素材は５００〜５７０
℃での焼戻し析出時効硬化と表面窒化硬化を同一処理に
行わしめるように、化学成分と金型としての掘削機械加
工前の熱処理を規定し、原則としてこの熱処理は焼串又
は焼入れを行って供されるがこの金型加工後の５００〜
５７０℃の温度での処理で寸法変化が小さなものでなけ
ればならない。

本発明を構成する化学成分であれば、充分に寸法変化を
小さくすることができる。

（実施例） 第１表に示す化学成分を有する鋼を５０Ｋｇ真空溶解炉
で溶製し、１２０ｍｍφのインゴットに鋳造した後、２
５ｍｍ厚に圧延した。その後１０２０℃に１時間加熱し
てから油冷しく焼入れ）、金型としての切削加工を想定
して表面の切削を行った後５４０℃×２ｈｒの加熱状態
でアンモニアを主成分とする窒化促進ガスを送り込み、
持続剤、窒素発生剤、粘着防止剤を含む活性物質の働き
により母材に窒素を拡散させ、同時に含有元素と反応さ
せて表面に窒化鉄の形成を促進させて硬化層を生成せし
めた。母材および表面の硬さは焼入後及び窒化処理後に
それぞれ測定し、その結果を第１表に併記した。

表中、Ｎｏ−１〜Ｎ０１４は本発明対象の金型であり、
Ｎｏ、　５〜Ｎｏ、　６は比較例である。

本発明例Ｎｏ、　１〜Ｎｏ、　４はいずれも本発明の目
的とする硬さを充分に満足しているか比較の２例は窒化
後の硬さが低く、本発明を構成する値に達していない。

第１図は本発明例であるＮｏ、４について、別途試験片
を製作し１０２０℃で油焼入後、各温度に加熱したもの
と、更に最後に５４０℃で表面の窒化処理を行ったもの
についての長さ方向の寸法変化を測定した結果を示した
ものである。図中Ａは本発明のＮｏ、４、Ｂは比較の為
に行った５ＵＳ４２０Ｊ２系［Ｊ　Ｉ　Ｓ　Ｇ４３０４
　（１３％Ｃｒ系）コの鋼の例である。

本発明の金型の素材Ａは熱処理による寸法変化が少＜Ｏ
，ＯＳ％以内の変化量に収まっており、金型としての精
密加工後に熱処理を行っても支障がないことがわかる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明は炭素含有量を低くし、Ｍｎ
、Ｍｏ、Ｎ　ｉ、Ａ／　ＳＣｕ、Ｖなどの各種成分を調
整することと、所定の温度で焼入又は焼串後に金型とし
ての堀削加工を行い、しかるのちに所定の温度で表面の
窒化と、母材の析出効果を同時に行わしめて、熱処理に
よる寸法変化の少い金型を得るものであり、しかも耐食
性と耐摩耗性などの耐用性に優れており、極めて有用な
旦精度の高いプラスチック金型、ガラス金型等の金型を
製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の金型に使用する素材及び比較材につ
いて焼入後、各種温度に加熱した後の寸法変化及び最後
に５４０℃で窒化処理を行った後の寸法変化を変化率で
示した図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、Ｃ：０．０３％〜０．１２％、Ｓｉ：
   ０．３％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：８〜１４％
   、Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ｎｉ：２．５〜３．５％、
   Ａｌ：０．５〜１．５％、を含有し残部Ｆｅ及び不可避
   的不純物より成る化学成分を有する鋼を８５０〜１１０
   ０℃で加熱冷却後、所定の金型の形状に堀削加工し、そ
   の後５００〜５７０℃に加熱して炭・窒化物及び金属間
   化合物の析出による硬化とガス窒化による表面の硬化を
   同時に行わしめ、表面の硬さをＨｖで１０００以上、内
   部母材の硬さＨ＿Ｒ＿Ｃ３５〜４５の範囲にしたことを
   特徴とする耐用性金型の製造方法。
2. （２）重量％で、Ｃ：０．０３％〜０．１２％、Ｓｉ：
   ０．３％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：８〜１４％
   、Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ｎｉ：２．５〜３．５％、
   Ａｌ：０．５〜１．５％を含有し、更に０．２〜３．０
   ％のＣｕ、０．０５〜０．３％のＶの何れか一方又は両
   方を含み残部Ｆｅ及び不可避的不純物より成る化学成分
   を有する鋼とすることを特徴とする請求項（１）記載の
   耐用性金型の製造方法。