JPS5937744B2 - 時効硬化性プラスチツク金型用鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は肉盛溶接後、時効処理することにより溶着鋼
部、および熱影響部が母材部と同様に均一なフオートエ
ッチング加工が可能な性質をもつことを特徴とするＭｎ
−Ｎｉ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｏ系時効硬化性プラスチック金
型用鋼に強靭性焼入性改善合金成分群、細粒化促進合金
成分群のうち、いずれかの合金成分群を単独または複合
金有せしめたプラスチック金型用鋼に関するものである
。

従来、プラスチック金型用鋼として、炭素鋼や低合金
構造用鋼が多く使用されているが、プラスチック金型用
鋼には被削性、被研削性、鏡面仕上げ姓、フオートエッ
チング性、溶接性、放電加工性、圧縮強度、耐食性、耐
摩耗性、寸法安定性などの各種の特性の良好なことが要
求されるが、現用金型鋼に対して、これらの特性を完備
させることは至難であった。 これらの諸性質の中には
互に相反するものおよび本質的に回避できないものが含
まれている。

一方、最近のプラスチック金型のカタサは高くなる趨
勢にあるが、カタサを高くすると被削性が低下し、マル
テンサイト変態型の鋼では溶接後に熱影響部のカタサの
不連続部を解消する７こと、この部分を均一にフオート
エッチングすること、放電加工面のカタサ上昇を抑制す
ること、熱処理時の変形を阻止することなどは本質的に
不可能である。熱処理時の変形は被削性をある程度犠牲
にしたプレハーデン鋼を用いて回避しているものの、被
削性の低下により金型製作工数が増大し、生産性が低下
する。

とくに溶接後フオートエッチング加工をする場合には、
繰返し焼入れ焼戻しを行なって溶接部とその熱影響部の
組織を母材部のそれと均質化するも不充分となり均一な
フオートエッチング加工が困難である。

このほか均質化のための熱処理によるスケールや歪の発
生などにより良品金型の製造はかなり困難である。

よって肉盛溶接後均一なフオートエッチングが可能な金
型材料がプラスチック金型の生産性の向上の点から強く
要望されている。プラスチック成形金型において金型内
面に所望の図柄をもつ耐食膜を写真的手法によって形成
するフオートエッチングまたはケミカルミリング法が採
用されているが、均一なフオートエッチング面を確保す
るためには部分的に型面を肉盛溶接補修することを回避
しなければならないが、型面の模様、図納の複雑化とと
もに回避が至難となりつつある。

この場合肉盛溶接の溶着鋼部と母材部とに硬度差を生じ
、その后のフオートエッチング面の均一性確保が至難と
なる。このため各種金型材料について調査した結果、金
属組織が均等で、しかもカタサのバラツキが少ない場合
らフオートエッチング性が優れていることがわかった。
従来、マルテンサイト組織鋼の溶接後の金属組織は、溶
着鋼部、熱影響部、母材部にわたりマルテンサイト→ベ
ーナイト→トルースタイト→ソルバイト→母材組織で構
成されている。

この金属組織およびカタサをともに均等化するには再焼
入れ、再焼戻しを行なう以外に方法がない。しかし、肉
盛溶接を行なう時点ではキャビテイかほゾ完成している
ので、キャビテイの酸化、変形を生じ再焼入れしても効
果的ではない。本発明鋼はＨＲＣ約４０以上に時効硬化
した状態で金型加工し、または肉盛溶接後でも容易に金
型加工を行なうことができるうえに約５００℃附近の温
度で再時効硬化処理を行なうことによって、酸化および
変形なしに均一なフオートエッチング加工を行なうこと
ができる。

本発明鋼の構成成分およびその組成範囲はＣ：０．０５
〜０．１８％， Ｓｉ： ０．１５〜１．０％，Ｍｎ：
１．０〜２．０％，Ｎｉ：２．５〜３．５％，Ａｌ ：
０．５〜１．５％， Ｃｕ： ０．７〜１．７％，ＭＯ
：０．１〜０．４％、残余Ｆｅおよび不純物よりなる基
本成分組成の鋼に、（１） Ｃｒ： ０．２１〜２．
５０％，Ｗ：０．５％以下、ＣＯ：０．５％以下、Ｂｅ
：０．５％以下、Ｂ：０．０１％以下、のうちから選ば
れた少なくとも１種または２種以上の強靭性焼入性改善
合金成分。

（２） Ｃｒ： ０．２１〜２．５０％，Ｗ：０．５
％以下、ＣＯ：０．５％以下、Ｂｅ：０．５％以下、Ｂ
：０．０１％以下のうちから選ばれた少くとも１種また
は２種以上と、Ｔｉ：０．５％以下、Ｖ二０．５％以下
、Ｎｂ＋Ｔａ： ０．３％以下、Ｚｒ：０．５％以下の
うちから選ばれた少くとも１種または２種以上。

を添加含有せしめた鋼である。即ち本発明鋼は溶接後再
時効を行なうことにより溶着鋼および溶接熱影響部が母
材部と同様に均一なフオートエッチング加工が可能であ
る特徴を有するＭｎ−Ｎｉ−ＡＩ−Ｃｕ−ＭＯ系時効硬
化性プラスチック金型用鋼に、（１）前記の基地鉄の強
靭性、焼入性改善合金成分（２）前記の基地鉄の強靭性
、焼入性改善合金成分および細粒化促進合金成分の両者
を添加含有せしめ一層その性能を改善せるＭｎ−Ｎｉ−
Ａ１１−Ｃｕ−ＭＯ系時効硬化性プラスチック金型用鋼
である。

次に本発明鋼の構成成分およびその組成範囲の限定理由
に関し逐次説明する。

（１）炭素 Ｃは本発明鋼を溶体化温度から比較的速かに冷却した場
合、マルテンサイトないしベーナイト組織の生成を容易
ならしめる効果がある。

一方過度添加は溶体化処理状態の熱間加工性、被削性を
害し、時効後の靭性を低下させる。このためＣは０．０
５〜０．１８％に限定することが必要である。（２）シ
リコン Ｓｉは本発明鋼の溶体化カタサ調整元素として添加する
が鋼材の質量が大きい場合、マンガンのみでは溶体化カ
タサを調整できないため、時効処理後の延靭性を害さな
い範囲で０．１５〜１．０％含有せしめる。

（３）マンガン 本発明鋼にＭｎを含有させることにより溶体化、時効の
両状態のカタサに影響をおよぼす。

ＭｎはＣとともに溶体化温度から冷却の際に焼入性を増
大し、時効カタサを高められる。時効カタサを少なくと
もＨ？Ｃ約４０またはそれ以上に調整するためにはＭｎ
：１．０〜２．０％の範囲で含有せしめる必要がある。
なおＭｎは１０％以下ではその効果が少なく、また２．
０％以上添加含有させると靭性を害するので好ましくな
い。（４）ニッケル 本発明鋼に於て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、溶体化状態ではその後
の時効処理でＮｉＡｌ相析出の核となるε相をＣｕと共
に構成する。

また時効状態ではＡＩとともにα相を形成する必須成分
である。また後述する如く、フオートエッチング性を確
保するためにも必要なため２．５〜３，５％の範囲に限
定する必要があり、この範囲外では効果が少ない。

（５）アルミニウム Ａ１はＮｉとともに時効状態でＮｉＡｌ相を析出させる
ための必須成分であり、後述するごとくフオートエッチ
ング性を確保する必要があるため少なくとも０．５％以
上添加含有せしめる必要がある。

また多量の添加は製造性、鏡面仕上げ性および延靭性を
害するため、上限を１．５％に限定する。（６）銅 Ｃｕは本発明鋼の時効状態においてα相を析出させるた
めの核として重要な役割をもち、とくにＮｉ，ＡＩ含有
量の低い場合に効果的である。

また本発明鋼の熱間加工によって切欠靭性を改善するに
あたりＣｕは不可欠の合金成分である。またＣｕは溶体
化状態の被削性改善に有効であるから少なくとも０．７
％以上含有させる必要があるが、１７％以上の過剰添加
は熱間脆性および経済性の点で不利となる。

従ってＣｕ量は０．７〜１．７％の範囲に限定する必要
がある。（７）モリブデン本発明鋼に於でＭＯは強靭性
の改善および優れたフオートエッチング性を確保するた
めの必須合金成分である。

特に適当の少量のＭＯは均一なミクロ組織を呈せしめ優
れたフオートエッチング性を確保する特性を有する。そ
のためには少くとも０，１％以上を必要とし、また最高
は０．４％以下であることが不可欠の条件である。而し
て若しＭＯを０．４％以上例えば０．５％以上のように
多くすると、カタサが上昇し、プラスチック金型用鋼と
しては好ましくない。またフオートエッチング性の効果
も減少し且つ高価になる等の欠点を生ずる。それ故ＭＯ
は０．１〜０，４％を限定範囲とする。（８） クロ
ム、タングステン、コバルト、ベリリウム ボロン大型
の金型に本発明鋼を使用する場合、その強靭性、焼入性
の改善にＣｒ： ０．２１〜２．５０％，Ｗ：０．５％
以下、ＣＯ；０．５％以下、Ｂｅ：０．５％以下、Ｂ
： ０．０ｉ％以下の適量を少なくとも１種または２種
以上選択して積極的に添加含有させることが効果的であ
る。

Ｃｒの場合は、０．２１％以上、２．５０％以下の範囲
に限定することが必要である。これらの成分の添加によ
り溶体化カタサ、時効カタサの調整にも役立つが、上記
限定量以上の多量添加は材料価格を高め効果が少ないの
で限定量以下となすことが必要である。

（９）チタン、バナジウム、ニオブ＋タンタル、ジルコ
ニウムこれらの合金成分を本発明鋼に添加含有せしめる
と結晶粒度を微細化して強靭化できるほか、切欠靭性の
改善に有効であるが、多量添加は時効力タサ、溶体化カ
タサを必要以上に高めるためＴｉ二０．５％以下、Ｖ：
０．５％以下、Ｎｂ＋Ｔａ：０．３％以下、Ｚｒ：０．
５％以下、の範囲で少なくとも１種または２種以上を選
択して積極的に添加含有せしめる。

本発明鋼は通常製造される鋼と全く同様に製造すればよ
く、たとえばアーク炉で溶解した鋼塊を圧延又は鍛造に
より所望の形状に仕上げて製品とし時効硬化処理を施し
て使用する。

時効処理状態において金型削成加工またはその場合必要
に応じて肉盛溶接しとくに肉盛溶接後には再時効処理し
ても、寸法変化（熱処理歪）が小さく、且つＨＲＣ約４
０以上のカタサが得られるうえに優れたフオートエッチ
ング性確保のために溶着鋼部、溶接熱影響部と母材間の
硬度差をＨＲＣ約２以下となるように上記各合金成分を
調整したもので、・下記の如＜ Ｍｎ−Ｎｉ−ＡＩ−Ｃ
ｕ−ＭＯ系時効硬化性基本合金成分鋼に強靭性焼入性改
善合金成分群、細粒化促進合金成分群のうち、いずれか
の合金成分群を単独または複合添加含有せしめた時効硬
化性プラスチック金型用鋼である。而して強靭性焼入性
改善合金成分群、細粒化促進合金成分群の各群に属する
種々の成分は各々の限定範囲内に於ては殆んど類似効果
を有する均等物と見做し得るものである。

第１表は本発明鋼の一例および比較材の化学成分を示す
ものである。

つぎに現用プラスチック金型鋼（第１表鋼Ｙ）を肉盛溶
接後、６５０℃×３ｈｒ焼戻しを施し、さらに第５図に
示す工程によってフオートエッチング加工を行なったも
のの表面肌を図６に示す。

この写真に明らかな通り、フオートエッチング表面の１
１むら１１は溶着鋼部を中心に母材の熱影響部にまでお
よんでいる。１′エツチングむら１１があらわれている
部分と母材とはエツチング面の腐食度（粗度）が異なっ
ており、プラスチック製品成形時に、これが表面肌に転
写される結果、肌不良を生ずる。

つぎに従来の時効硬化性金型鋼（第１表鋼Ａ）を肉盛溶
接後、５００℃Ｘ５ｈｒ時効処理を施し、さらにフオー
トエッチング加工を行ったものの表面肌を図７に示す。

この写真に示すごとく、やはり１１エツチングむらＩ′
が熱影響部に残存することが認められた。比較材のその
他の鋼ＮＯについてもエツチングむらがあらわれた。

一方、本発明の時効硬化性金型鋼（第１表鋼１２）を前
記鋼Ａと同様に処理した場合は図８に示すように、１１
エツチングむら１１はほぼ完全に解消できることを確認
できた。

この１＋エツチングむら１１の発生原因を冶金学的に解
明するために母材部と溶接熱影響部の硬度を測定した結
果は第１図に示すごとくである。本発明材のその他の鋼
ＮＯについてもエツチングむらは認められなかった。

肉盛溶接→時効処理によって均一なフオートエッチング
性を得るために熱影響部のカタサ低下域の巾ｄを１．０
ｍｒｎ以下とし、前記両部のカタサの差（△Ｈ）をＨＲ
Ｃ２以下にすれば充分であることがわかる。

本発明鋼の場合溶着鋼部、熱影響部と母材部とのカタサ
の差がフオートエッチング性に影響があることが確認で
きた。

また、従来の時効硬化性金型用鋼（第１表鋼Ａ）では１
１エツチングむら１１が生じているが、本発明鋼（第１
表鋼１２）では殆んど解消できたこと、つまりフオート
エッチング性が優れていることを第１表の化学成分で対
比するに、ＭＯの有無が影響しているものと認められる
。

本発明鋼においてＭＯはベーナイ斗変態開始温度を低く
シ、時効硬化性を助長し、過時効温度を高温側へ移動さ
せる効果があり、第２図に示すように、均一なフオート
エッチング性確保の指標となる前記溶着鋼部、溶接熱影
響部と母材部とのカタサの差をＨＲＣ２以下になし、か
つ該影響部のカタサ低下域の巾を約１ｍｍ以下にするた
めにはＭＯは少なくとも０．１％またはそれ以上添加す
ればよいことも確認できた。

つぎに、同様な観点からＣの影響を第３図に示す。

時効処理状態（フオートエッチング加工前）における溶
着鋼部と母材部とのカタサの差が最も少ない範囲はＣ：
０．０５〜０．１５％であることが認められた。さらに
本発明鋼において優れたフオートエッチング性を確保す
るために、溶接熱影響部と母材部間の硬度差に注目して
ＭＯを添加含有せしめたが、その効果は特定範囲のＭｎ
，Ｎｉ，ＡＩ，Ｃｕを含有していることによるものであ
ることも確認できた。

第４図はＭＯ：０．２％含有する本発明鋼において、再
時効後の前記硬度差がＨＲＣ２以下となる限界をＣｕ量
をパラメーターとして示した図である。

すなわち、フオートエッチング性の点で最適量のＭＯ（
約０．２％）を含有する場合、前記硬度差ＨｌＣ２以下
とするには第４図に示すように、Ｎｉ，ＡＩおよびＣｕ
の下限はそれぞれ２．５％，０．５％，０．７％が好適
である。また第５図はフオートエッチング加工処理条件
においてフオートエッチング図案の作成工程、製版工程
、エツチング工程を図示したものである。さらに本発明
の基本成分鋼に前記せる限定範囲内において、強靭性焼
入性改善合金成分群あるいは細粒化促進合金成分群に属
する種々の合金成分の添加は基地鉄の強靭化、細粒化等
本発明基本成分鋼の諸性能を一層改善するものであるこ
とは確かである。

而してこれら基地鉄の強靭性焼入性改善合金成分群、細
粒化促進合金成分群は各々その限定範囲内に於で、各群
内に於て１種または２種以上を選択使用するほか、更に
各群各々単独にあるいは組合せ複合添加し一層その性能
を向上せしめ得るものである。

尚、本発明鋼はプラスチック金型に使用する外、これに
類似の用途に広く活用し得るは勿論である。

本発明は以上のごとく従来のものに比し極めて高性能を
有し新規にして工業的価値大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は焼戻しまたは時効処理後の肉盛溶接の熱影響部
と母材部との硬度差と、該熱影響部の硬度低下域の巾と
の関係曲線図、第２図は前記硬度低下域の巾とＭＯ量と
の関係曲線図、第３図は前記硬度差とＣ量との関係曲線
図、第４図は前記硬度差をＨＲＣ２以下にするためのＮ
ｉ，ＡＩ，Ｃｕ含有量のバランスを示す曲線図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｃ：０．０５〜０．１８％、Ｓｉ：０．１５〜１．
   ０％、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｎｉ２．５〜３．５％
   、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：０．７〜１．７％、
   Ｍｏ：０．１〜０．４％よりなる基本合金成分に対し、
   さらにＣｒ：０．２１〜２．５０％、Ｗ：０．５％以下
   、Ｃｏ：０．５％以下、Ｂｅ：０．５％以下、Ｂ：０．
   ０１％以下のうちから選ばれた少なくとも１種または２
   種以上の強靭性、焼入性改善合金成分を含有させ、残余
   Ｆｅおよび不純物からなり、溶接後時効を行った場合も
   、溶着鋼および溶接熱影響部が母材部と同様に、均一な
   フォートエッチング加工が可能であるという特徴をもつ
   Ｍｎ−Ｎｉ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｏ系時効硬化性プラスチッ
   ク金型用鋼。 ２ Ｃ：０．０５〜０．１８％、Ｓｉ：０．１５〜１．
   ０％、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｎｉ：２．５〜３．５
   ％、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：０．７〜１．７％
   、Ｍｏ：０．１〜０．４％よりなる基本合金成分に対し
   、さらにＣｒ：０．２１〜２．５０％、Ｗ：０．５％以
   下、Ｃｏ：０．５％以下、Ｂｅ：０．５％以下、Ｂ：０
   ．０１％以下のうちから選ばれた少なくとも１種または
   ２種以上の強靭性、焼入性改善合金成分と、Ｔｉ：０．
   ５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｎｂ＋Ｔａ：０．３％以
   下、Ｚｒ：０．５％以下のうちから選ばれた少なくとも
   １種または２種以上の細粒化促進合金成分とを含有させ
   、残余Ｆｅおよび不純物からなり、溶接後時効も行った
   場合も、溶着鋼および溶接熱影響部が母材部と同様に、
   均一なフォートエッチング加工が可能であるという特徴
   をもつＭｎ−Ｎｉ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｏ系時効硬化性プラ
   スチック金型用鋼。