JPS647126B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本発明はプラスチツク金型用プレハードン鋼の
製造方法に関する。 （従来の技術） 一般に、プラスチツク金型には、主として機械
構造用炭素鋼（SC鋼）が用いられているが、
S55C鋼でも表面硬さがH_RC15程度しかなく、繰り
返し使用回数の多い金型としては寿命の点で十分
ではない。また、耐摩耗性の点からも、精密金型
には適していない。 そこで、長寿命及び高精度を要求される金型に
は、SC鋼よりも硬度の高い焼入れ焼戻し鋼、プ
レハードン鋼等の低合金鋼が用いられている。し
かし、焼入れ焼戻し鋼は、型彫り後に焼入れ焼戻
しを施して所定の硬度を付与するので、焼入れ時
の熱処理変形が避けられず、寸法精度が悪い。一
方、プレハードン鋼は、予め調質、即ち、熱処理
によつて、H_RC25以上に硬さを調整してなる鋼を
いい、金型に加工後の調質が不必要であるので、
型仕上の寸法精度が高い。 一般に、プレハードン鋼は、焼入れ焼戻し型と
析出硬化型とに大別される。焼入れ焼戻し型は、
H_RC25以上の硬さを得るために、Ｃ量0.4％程度の
高Ｃ鋼を焼入れ焼戻しして製造されるが、この場
合、焼き割れを防止するために、油焼入れが行な
われる。しかし、油焼入れは、水焼入れよりも冷
却速度が小さいので、厚物材の場合には、Cr、
Mo等の焼入れ向上元素が多量に添加されている
ことが必要であり、鋼価格が高いものとなる。ま
た、高Ｃ鋼であるため、設計変更等の理由で金型
を溶接補修する場合に、溶接割れが生じやすい。 他方、析出硬化型は、Cu、Ni、Al等の析出硬
化を利用した鋼であつて、Ｃ量が0.15％程度と低
く、焼入れ焼戻し型鋼のように焼き割れのおそれ
はないが、析出硬化型元素を多量に添加するの
で、鋼価格が非常に高い。 かかる問題を解決するために、既に本発明者ら
は、Ｃ量を0.35％以下に低減した鋼を熱間圧延
し、水焼入れした後、焼戻して、金型用プレハー
ドン鋼を製造する方法を提案しており（特願昭59
−156875号）、この方法によれば、水焼入れ焼戻
しによつて鋼を効果的に焼入れすることができる
ため、合金元素の添加量を低減でき、製造費用も
低廉であると共に、低Ｃであるので、溶接性も良
好である。しかし、このプレハードン鋼において
も、溶接性を損なわずに、中心部まで焼きが入る
板厚は精々200mm程度であつて、金型用鋼として
は寸法的に制約を受ける点に尚、問題がある。 更に、別の問題として、自動車や電気製品等の
急速な多様化を背景として、プラスチツク金型の
多品種少量生産が一般化しつつあるため、製品に
占める金型費用が増大しており、また、製品のラ
イフサイクルの短縮化によつて、リードタイムが
大幅に短くなつている。従つて、金型用鋼の製造
費用の低減及び製造期間の短縮が強く要望されて
いる。 （発明の目的） 本発明者らは上記した問題を解決するために鋭
意研究した結果、金型用鋼の製造において、直接
焼入れを採用することによつて、焼入れのための
再加熱を省略して製造費用を低減すると共に、製
造期間の短縮を可能とし、且つ、直接焼入れによ
る焼入れ性向上効果と析出硬化量の増大を活用す
ることによつて、板厚の拡大と溶接性の改善を図
ることができることを見出して、本発明に至つた
ものである。 従つて、本発明は、直接焼入れ法による靭性、
加工性及び溶接性にすぐれたH_RC25以上のプラス
チツク用プレハードン鋼を提供することを目的と
する。 （発明の構成） 本発明による直接焼入れによるプレハードン鋼
の製造方法は、重量％で、 (a) Ｃ 0.10〜0.25％、 Si 0.05〜0.80％、 Mn 0.50〜2.00％、 Ｐ 0.030％以下、 Cr 0.50〜2.50％ Mo 0.05〜1.00％、 Ｖ 0.01〜0.10％、 Al 0.005〜0.080％、 Ti 0.005〜0.10％、 Ｂ 0.0005〜0.0030％、 Ｎ 0.0060％以下、及び Ｏ 0.0050％以下を含むと共に、 (b) Ｓ 0.04〜0.07％、 Zr 0.05〜0.15％、 Ca 0.001〜0.05％、及び Pb 0.10〜0.30％、 よりなる群から選ばれる少なくとも１種の被削
性向上元素を含み、 残部鉄及び不可避不純物よりなる鋼片を1150〜
1350℃に加熱し、熱間圧延した後、Ar₃点以上の
温度から直接焼入れし、その後、500〜720℃の温
度で焼戻すことを特徴とし、H_RC25以上であつ
て、且つ、靭性、加工性及び溶接性にすぐれる。 先ず、本発明鋼における化学成分の限定理由を
説明する。 Ｃは、Nb又はＶの炭窒化物を形成させ、H_RC
25以上の硬度を確保するために、少なくとも0.10
％の添加を必要とする。しかし、過多に添加する
ときは、水焼入れ時に焼き割れが発生しやすくな
ると共に、溶接性が劣化するので、添加量の上限
を0.25％とする。 Siは、脱酸元素として製鋼時に不可欠の元素で
あり、少なくとも0.05％が添加される。しかし、
過多に添加するときは、靭性を劣化させるので、
その上限を0.80％とする。 Mnは、脱酸及び焼入れ性向上のために、0.50
％以上を添加することを要する。また、Mnは、
硫化物形成元素として、被削性を高める効果も有
する。しかし、2.00％を越えて過多に添加すると
きは、靭性を劣化させるので、上限を2.00％とす
る。 Ｐは、偏析を助長し、鋼板内部に局部的な硬度
上昇を引き起こして、機械加工性を劣化させるの
で、上限を0.030％とする。 Crは、厚肉材の内部まで焼入れるために必要
不可欠の元素として、0.50％以上添加する必要が
ある。しかし、過剰に添加するときは、Cr炭化
物の析出による脆化を招来し、靭性を低下させ、
かくして、精密加工時に微小部の欠損を起こしや
すいので、2.50％を上限とする。 Moは、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高める
ために0.05％以上添加することを要する。しか
し、非常に高価な元素であるので、実用的な観点
からその上限を1.00％とする。 Ｖは、析出硬化による硬度調整元素として、少
なくとも0.01％以上の添加が必要であるが、過多
に添加しても、その効果が飽和し、製造費用を高
くするので、0.10％以下の範囲で添加される。 Alは、強力な脱酸元素及び結晶粒度調整元素
として添加されるが、添加量が0.005％よりも少
ないときは、これらの効果に乏しい。しかし、過
多に添加するときは、アルミナを増加させ、地疵
や加工性不良の原因となるため、上限を0.080％
とする。 Tiは、結晶粒を微細化させて、靭性の向上を
図るために有効な元素であり、少なくとも0.005
％以上の添加が必要であるが、過多量の添加は却
つて靭性を劣化させるので、0.10％以下の範囲で
添加される。 Ｂは、少量の添加によつて焼入れ性を向上させ
るが、その添加量が0.0005％よりも少ないときは
その効果が乏しく、一方、0.0030％を越えて過剰
に添加すると、却つて焼入れ性が低下するので、
上限を0.0030％とする。 Ｎは、Alと結合して、窒化物を形成し、オー
ステナイト粒を微細化し、均一な焼入れ性を確保
する効果がある。しかし、過剰に添加するとき
は、粗大なAlNやBNを析出し、焼入れ性の劣化
を招くので、上限を0.0060％とする。 Ｏは、酸化物系介在物を形成し、地疵の発生
や、被削性、鏡面加工性等の低下を招くので、で
きる限り低減することが望ましいが、反面、極端
に低減することは、製鋼上、大幅な費用増加とな
るので、本発明においては、許容し得る上限を
0.0050％とする。 本発明による鋼は、上記した元素に加えて、更
に、Ｓ、Zr、Ca及びPbよりなる群から選ばれる
１種又は２種以上の被削性向上元素を所定の範囲
内で含有する。 Ｓは、被削性を付与するために有効であるが、
添加量が0.04％よりも少ないときはその効果が乏
しく、一方、過多に添加するときは、清浄度を悪
化させるので、添加量の上限を0.07％とする。 Zr及びCaは、いずれも単独にて、或いは複合
して添加することにより、被削性を改善すると共
に、硫化物の形態を制御して、機械的性質の異方
性を改善する。このような効果を有効に発揮させ
るためには、少なくともZrは0.05％、Caは0.001
％、の添加を必要とする。過多に添加するとき
は、却つて被削性を阻害するので、それぞれの上
限は、Zrについては0.15％、Caについては0.05％
とする。 Pbは、鋼中に均一に分散して、被削性を高め
るのに有効な元素であるが、少なくとも0.10％以
上必要である。しかし、過多量の添加は、鏡面加
工性やシボ加工性を劣化させるので、0.30％をそ
の上限とする。 本発明鋼には、必要に応じて、上記した元素に
加えて、Ni、Cu及びNbよりなる群から選ばれる
少なくとも１種の元素を添加することができる。 Niは、鋼の焼入れ性及び靭性を共に向上させ
る効果を有し、かかる効果を有効に得るために
は、少なくとも0.05％の添加を要する。しかし、
高価な元素であるので、主として実用的な観点か
ら、2.00％以下の範囲で添加される。 Cuは、焼入れ性を高める効果を有し、0.05％以
上の範囲で添加される。しかし、過多に添加する
ときは、熱間加工時に割れが発生しやすいので、
添加量の上限は0.20％とする。 Nbは、析出硬化による硬度の調整に有用であ
り、少なくとも0.005％以上の添加を要する。し
かし、過多に添加するときは粗大な炭窒化物を形
成し、加工性を劣化させるため、その上限を0.10
％とする。 本発明によるプレハードン鋼は、上記した化学
組成を有する鋼片を1150〜1350℃に加熱し、熱間
圧延した後、Ar₃点以上の温度から直接焼入れ
し、その後、500〜720℃の温度で焼戻すことによ
つて製造することができる。 上記鋼片の加熱温度は、ＣやＰ等の偏析を拡散
によつて軽減するためには、高温であるほどよい
が、しかし、1350℃を越えるときは、鋼板の表面
にスケールが多量に発生し、鋼板の表面疵の原因
となる。他方、1150℃よりも低いときは、上記元
素の偏析拡散の効果が乏しい。従つて、本発明に
おいては、鋼片の加熱温度は1150〜1350℃の範囲
とする。 次に、本発明の方法においては、熱間圧延後の
焼入れは、初析フエライトの析出を防止し、靭性
の良好なマルテンサイトと下部ベイナイトを得る
ために、Ar₃点以上の温度から焼入れする。 焼戻し温度は、残留応力除去の観点からは高い
方がよいが、720℃を越えるときは、軟化が著し
くなり、プレハードン鋼として必要なH_RC25以上
の硬さを得ることができない。他方、500℃より
も低いときは、残留応力の除去が不十分であるた
め、型彫り時に反りや曲がり等が生じる。 （発明の効果） 以上のように、本発明の方法は、金型用プレハ
ードン鋼の製造において、直接焼入れを適用する
ものであり、その結果、焼入れのための再加熱を
必要としないので、製造に要する期間を短縮する
ことができ、更に、鋼の焼入れ性が向上するの
で、特に、厚物の場合には、再加熱焼入れ焼戻し
型鋼に比較して焼きがよく入り、同一板厚の場合
には、従来の再加熱焼入れ型鋼に比較して、被削
性、磨き性、シボ加工性等の加工性を著しく改善
し、また、板厚を拡大することができる。 また、本発明によれば、Nb及びＶは析出硬化
によつて、その分だけＣ量及びその他の合金元素
量を低減し得るので、溶接性を向上させることも
できる。 （実施例） 以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本
発明はこれら実施例により何ら限定されるもので
はない。 実施例 第１表に示す化学成分を有する鋼片を所定温度
に加熱し、板厚150mm又は350mmに熱間圧延した
後、930℃の温度から直接焼入れ、再加熱水焼入
れ又は油焼入れし、更に、610〜660℃の範囲の所
定の温度で焼戻して、第２表に示すように、表面
硬度をほぼ一定とした本発明によるプレハードン
鋼１〜７及び比較鋼８〜１０を製造した。 (1) 焼入れ向上効果 第１図に焼入れまま材の板厚方向の硬さ分布を
示す。本発明鋼１と比較鋼８及び１０は、化学成
分及び板厚が同一である熱間圧延板をそれぞれ直
接焼入れ、水焼入れ及び油焼入れして製造したプ
レハードン鋼であつて、油焼入れ、水焼入れ、直

【表】

【表】

【表】

【表】 接焼入れの順序で板厚中心部の硬度が高くなつて
おり、直接焼入れによつて焼入れ性が向上してい
ることが明らかである。 (2) 析出硬化量の増大効果 第２図に本発明鋼１及び比較鋼８の焼入れ焼戻
し後の板厚方向の硬さ分布を示す。直接焼入れに
よる本発明鋼の方がＶによる析出硬化が著しいこ
とが明らかである。 (3) 母材性能の向上効果 本発明鋼及び比較鋼の板厚方向の硬度、靭性及
び溶接性を第２表に示す。最高硬さ試験はJIS Ｚ
3101に準拠した。シヤルピー試験片はJIS Ｚ
2202の３号試験片（２mmＵノツチ）を用い、20℃
にて試験した。 同一の板厚の場合、表面と中心部の硬度差は本
発明鋼が小さい。同一成分である本発明鋼１〜３
と比較鋼８及び９を比較すると、直接焼入れによ
る本発明鋼の方が板厚方向の硬度差が小さい。 更に、本発明鋼１〜７は、いずれも０℃におけ
る吸収エネルギーが大きく、比較鋼８〜１０より
靭性がすぐれている。この理由は、本発明に従つ
て直接焼入れを行なうことによつて、再加熱焼入
れによる鋼にみられる粗大ベイナイトの生成が抑
制され、微細ベイナイトとマルテンサイトとから
なる靭性のすぐれた混合組織が得られるからであ
ろう。 また、析出硬化を利用して、低Ｃ化を図つた本
発明鋼４〜７は、最高硬さHv350〜397を有し、
比較鋼８〜１０は最高硬さHv444〜451に比べて
硬化の程度が小さく、溶接性が大幅に改善されて
いる。 (4) 加工性の改善効果 次に、金型用鋼としての加工性を第３表に示
す。本発明鋼によれば、被削性、磨き性、シボ加
工性共に比較鋼よりもすぐれている。 ドリル穴あけ試験の条件は、工具として
SKH51（ストレートドリル穴径５mm）を用い、切
削油を用いず、送り0.135mm／回転、切削速度20
ｍ／分及び穴深さ15mm（全厚）であり、判定は工
具溶損或いは破損時の穴あけ個数により判定し
た。供試材としては板厚中心より採取した板厚15
mm材を使用した。 磨き性は、＃1800相当のダイヤモンドコンパウ
ンドで仕上た後目視により判定した。シボ加工性
は梨地のシボ加工を行なつて、シボ加工面の状態
を目視により判定した。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明鋼１、比較鋼８及び１０につ
いて、焼入れ後の板厚方向の硬さ分布を示すグラ
フ、第２図は、本発明鋼１及び比較鋼８につい
て、焼入れ焼戻し後の板厚方向の硬さ分布を示す
グラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量％で (a) Ｃ 0.10〜0.25％、 Si 0.05〜0.80％、 Mn 0.50〜2.00％、 Ｐ 0.030％以下、 Cr 0.50〜2.50％、 Mo 0.05〜1.00％、 Ｖ 0.01〜0.10％、 Al 0.005〜0.080％、 Ti 0.005〜0.10％、 Ｂ 0.0005〜0.0030％、 Ｎ 0.0060％以下、及び Ｏ 0.0050以下を含むと共に、 (b) Ｓ 0.04〜0.07％、 Zr 0.05〜0.15％、 Ca 0.001〜0.05％、及び Pb 0.10〜0.30％、 よりなる群から選ばれる少なくとも１種の被削
   性向上元素を含み、 残部鉄及び不可避的不純物よりなる鋼片を1150
   〜1350℃に加熱し、熱間圧延した後、Ar₃点以上
   の温度から直接焼入れし、その後、500〜720℃の
   温度で焼戻すことを特徴とする靭性、加工性及び
   溶接性にすぐれたH_RC25以上のプラスチツク金型
   用プレハードン鋼の製造方法。 ２ 重量％で (a) Ｃ 0.10〜0.25％、 Si 0.05〜0.80％、 Mn 0.50〜2.00％、 Ｐ 0.030％以下、 Cr 0.50〜2.50％、 Mo 0.05〜1.00％、 Ｖ 0.01〜0.10％、 Al 0.005〜0.080％、 Ti 0.005〜0.10％、 Ｂ 0.0005〜0.0030％、 Ｎ 0.0060％以下、及び Ｏ 0.0050％以下を含むと共に、 (b) Ｓ 0.04〜0.07％、 Zr 0.05〜0.15％、 Ca 0.001〜0.05％、及び Pb 0.10〜0.30％、 よりなる群から選ばれる少なくとも１種の被削
   性向上元素と、 (c) Ni 0.05〜2.00％、 Cu 0.05〜0.20％、及び Nb 0.005〜0.10％以下 よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素
   とを含み、 残部鉄及び不可避的不純物よりなる鋼片を1150
   〜1350℃に加熱し、熱間圧延した後、Ar₃点以上
   の温度から直接焼入れし、その後、500〜720℃の
   温度で焼戻すことを特徴とする靭性、加工性及び
   溶接性にすぐれたH_RC25以上のプラスチツク金型
   用プレハードン鋼の製造方法。