図面 (/)

技術 熱間加工性に優れた金型用鋼

出願人 日立金属株式会社
発明者 菅野隆一朗遠山文夫
出願日 2010年12月6日 (10年0ヶ月経過) 出願番号 2010-271184
公開日 2011年7月28日 (9年4ヶ月経過) 公開番号 2011-144449
状態 特許登録済
技術分野
  • -
主要キーワード 切欠効果 耐発錆性 鏡面仕上げ性 磨き性 発錆試験 冷間塑性加工性 プラスチック成形金型 研磨仕上
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2011年7月28日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (3)

課題

優れた被切削性耐発錆性熱間加工性兼備し、かつ金型製品として満足する強度と靭性を有した金型用鋼を提供する。

解決手段

質量%で、C:0.1〜0.2%未満、Si:0超〜1.2%、Mn:1.2〜2.0%、S:0.01〜0.1%、Ni:0.5〜1.5%、Cr:12.0〜13.0%、Mo:0.3〜0.8%、V:0.07〜0.3%、Cu:0.1〜1.0%、Al:0.05%以下、N:0.03〜0.1%であり、残部Feおよび不可避的不純物からなる金型用鋼である。好ましくは、Siは0.1〜0.8%、Sは0.05〜0.1%、Nは0.04〜0.1%とし、不可避的不純物であるOは0.02%以下とする。あるいはさらに、金型用鋼の硬さが30〜45HRCである。

概要

背景

従来、プラスチック等を成形する金型においては、それを構成する金型用鋼には優れた被切削性が要求されている。そして、これら金型の全体においては、その外枠を形成するホルダには、金型本体となる入れ子を緊合保持するための大きな「入れ子穴」が加工される。よって、金型用鋼の中でも、特にホルダ用鋼には、より優れた被切削性が要求されている。また、このホルダには、成形サイクルを短縮するための水冷穴が設けられることから、水などに対する優れた耐発錆性も要求される。

上記のホルダ用鋼には、JIS−SCM440などの低合金である中C−Mn−Cr−Mo−Fe系の鋼が使用されてきた。そして近年では、製作納期の短縮や加工費の削減などの強い要望に応じて、快削性付与元素であるSを添加し、被切削性を向上した金型用鋼が一般に使用されている(特許文献1)。また、Sを添加した上では、さらに耐発錆性の改善を目的として、低Cとした工具鋼が提案されている(特許文献2、3)。

概要

優れた被切削性、耐発錆性、熱間加工性兼備し、かつ金型製品として満足する強度と靭性を有した金型用鋼を提供する。 質量%で、C:0.1〜0.2%未満、Si:0超〜1.2%、Mn:1.2〜2.0%、S:0.01〜0.1%、Ni:0.5〜1.5%、Cr:12.0〜13.0%、Mo:0.3〜0.8%、V:0.07〜0.3%、Cu:0.1〜1.0%、Al:0.05%以下、N:0.03〜0.1%であり、残部Feおよび不可避的不純物からなる金型用鋼である。好ましくは、Siは0.1〜0.8%、Sは0.05〜0.1%、Nは0.04〜0.1%とし、不可避的不純物であるOは0.02%以下とする。あるいはさらに、金型用鋼の硬さが30〜45HRCである。

目的

本発明は、従来の金型用鋼が全てを満たし得なかった個々の特性、つまり金型用鋼としての強度や靭性と、特にはプラスチック成形金型のホルダ用鋼に要求される被切削性および耐発錆性を維持した上では、その鋼材製造を容易にするための優れた熱間加工性こそを兼備した金型用鋼を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

該当するデータがありません

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

質量%で、C:0.1〜0.2%未満、Si:0超〜1.2%、Mn:1.2〜2.0%、S:0.01〜0.1%、Ni:0.5〜1.5%、Cr:12.0〜13.0%、Mo:0.3〜0.8%、V:0.07〜0.3%、Cu:0.1〜1.0%、Al:0.05%以下、N:0.03〜0.1%であり、残部Feおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱間加工性に優れた金型用鋼

請求項2

質量%で、Si:0.1〜0.8%であることを特徴とする請求項1に記載の熱間加工性に優れた金型用鋼。

請求項3

質量%で、S:0.05〜0.1%であることを特徴とする請求項1または2に記載の熱間加工性に優れた金型用鋼。

請求項4

質量%で、N:0.04〜0.1%であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の熱間加工性に優れた金型用鋼。

請求項5

不可避的不純物であるOは、質量%で、0.02%以下であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の熱間加工性に優れた金型用鋼。

請求項6

硬さが30〜45HRCであることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の熱間加工性に優れた金型用鋼。

技術分野

0001

本発明は、例えばプラスチックゴム成形用金型係り、そのキャビティ部などを構成する入れ子や、入れ子を保持するホルダなどの金型部品に使用される金型用鋼に関するものである。

背景技術

0002

従来、プラスチック等を成形する金型においては、それを構成する金型用鋼には優れた被切削性が要求されている。そして、これら金型の全体においては、その外枠を形成するホルダには、金型本体となる入れ子を緊合保持するための大きな「入れ子穴」が加工される。よって、金型用鋼の中でも、特にホルダ用鋼には、より優れた被切削性が要求されている。また、このホルダには、成形サイクルを短縮するための水冷穴が設けられることから、水などに対する優れた耐発錆性も要求される。

0003

上記のホルダ用鋼には、JIS−SCM440などの低合金である中C−Mn−Cr−Mo−Fe系の鋼が使用されてきた。そして近年では、製作納期の短縮や加工費の削減などの強い要望に応じて、快削性付与元素であるSを添加し、被切削性を向上した金型用鋼が一般に使用されている(特許文献1)。また、Sを添加した上では、さらに耐発錆性の改善を目的として、低Cとした工具鋼が提案されている(特許文献2、3)。

先行技術

0004

特開平03−097829号公報
特開平05−279800号公報
特表2008−505786号公報

発明が解決しようとする課題

0005

特許文献1の金型用鋼は、被切削性に優れる。しかしながら、質量%にて(以下、%と表記)、C:0.20%以上かつCr:14%以上の中C−高Crの成分組成であることから、粗大な炭化物析出すると熱間加工性が悪くなり、安定した製品の製造が困難になるという懸念があった。

0006

これに対し、特許文献2の金型用鋼は、Cを0.1%のレベルに低めて、炭化物による被切削性の低下を抑制したものであり、熱間加工性についても良好である。しかし、低C化による硬さの低下はNiAl金属間化合物の析出で補うことから、0.5%以上のAl添加を必要とする。よって、硬質アルミナ非金属介在物が形成されると、被切削性や靭性の低下が懸念される。特にプラスチック成形金型用鋼にとって基地中のアルミナ系非金属介在物は、ピンホールの形成要因となり、鏡面仕上げ性劣化させるので、排除すべき因子である。

0007

特許文献3の金型用鋼は、Cを0.09%以下にまで極端に低減しているため、熱間加工性や耐発錆性には優れるものの、例えば30HRC以上の高硬度となると、それを安定して得ることが困難である。

0008

そこで本発明は、従来の金型用鋼が全てを満たし得なかった個々の特性、つまり金型用鋼としての強度や靭性と、特にはプラスチック成形金型のホルダ用鋼に要求される被切削性および耐発錆性を維持した上では、その鋼材製造を容易にするための優れた熱間加工性こそを兼備した金型用鋼を提供する。

課題を解決するための手段

0009

本発明者は、金型用鋼が従来の被切削性と耐発錆性を損なわずに優れた熱間加工性を達成し得る手法を見直した。その結果、熱間加工性を低下させる主要因は粗大な炭化物やMnS介在物にあり、これらを微細化することが有効である知見を得た。そして、炭化物を微細化するには、それに最適な狭範囲でなるC含有量Cr含有量の関係があること、またSは添加するとしても、そのMnS介在物の微細化のためには従来ほどの添加量許容できないことを見いだした。そして、これらの知見に従っては、CおよびCr含有量の低減に伴う硬さの低下は、その他のSi、Mo、V、Cuの含有量を調整することで補うことができ、十分な被切削性および耐発錆性と、優れた熱間加工性を兼備した金型用鋼に到達した。

0010

すなわち本発明は、質量%で、C:0.1〜0.2%未満、Si:0超〜1.2%、Mn:1.2〜2.0%、S:0.01〜0.1%、Ni:0.5〜1.5%、Cr:12.0〜13.0%、Mo:0.3〜0.8%、V:0.07〜0.3%、Cu:0.1〜1.0%、Al:0.05%以下、N:0.03〜0.1%であり、残部Feおよび不可避的不純物からなることを特徴とする熱間加工性に優れた金型用鋼である。好ましくは、Siは0.1〜0.8%、Sは0.05〜0.1%、Nは0.04〜0.1%とし、不可避的不純物であるOは0.02%以下とする。あるいはさらに、金型用鋼の硬さが30〜45HRCである。

発明の効果

0011

本発明であれば、強度、靭性、被切削性、耐発錆性に加えて、その鋼材製造に係る熱間加工性という、従来の金型用鋼が全てを満たし得なかった個々の特性を兼備することから、金型製作時の加工工数の大幅低減と、金型としての特性向上に寄与する。よって、金型の技術向上にとって有効な技術となる。

図面の簡単な説明

0012

実施例1の耐発錆試験において、本発明鋼1〜4および比較鋼1〜6の鏡面仕上面に生じた発錆の状況を示す図である。
実施例2において、本発明鋼3および比較鋼3の焼戻し硬さを説明する図である。

0013

本発明の金型用鋼は、低C−Mn−Ni−Cr−Fe系の合金を基本成分とする。その中でも、Cは0.1〜0.2%未満としたことで、例えば550℃以上の高温焼もどしにより30〜45HRCの高硬度を達成する。また、Crは12.0〜13.0%の高含有量としたことで、多量のCrを基地中に固溶させ、緻密な酸化膜を形成して優れた耐発錆性を付与する。優れた耐発錆性は、金型としての使用時には、上記水冷穴の発錆を防止するので、冷却効果が長く持続して、金型寿命の向上に寄与する。

0014

そして、被切削性に優れる本発明の金型用鋼は、例えば上記の30〜45HRCのプリハードン状態で供給できる。つまり、所定の部品形状に対しては、その硬さ状態にて切削などの機械加工を行った後、研磨仕上を施して該形状に整え、使用されるものである。したがって、上記加工後の熱処理を省略できることから、厳しい寸法精度が要求される金型部品にも対応できる。

0015

以下、本発明鋼の成分限定の理由について述べる。
Cは、金型強度を維持するための、好ましくは30〜45HRC程度の焼入れ焼戻し硬さを維持するために必要な基本的添加元素である。そして、切削加工時などに発生する加工歪を抑制するためには、鋼中の残留応力を低減しておくことが望ましく、このためには上記の焼戻し温度は高くできることが必要である。そこで、本発明鋼では、例えば550℃以上の焼戻しでも30HRC以上の硬さを安定して達成できるだけの、十分なC量を添加することが重要である。しかし多すぎると巨大残留炭化物を形成して、被切削性や熱間加工性を低下させる。よって、0.1〜0.2%未満とする。

0016

Siは、鋼塊製造時に脱酸剤として添加される元素である。そして、本発明鋼においては、含有することで被切削性の向上に効果を有する元素である。多すぎると、靭性等の機械的性質の低下をまねくので1.2%以下とする。好ましくは0.1%以上および/または0.8%以下である。

0017

Mnは、本発明鋼の焼入性を高め、またフェライトの生成を抑制して、適度の焼入れ焼戻し硬さを与えるために添加される重要な元素である。しかし多すぎると、基地の粘さを上げて被切削性を低下させる。よって、1.2〜2.0%とする。好ましくは1.7%以下である。

0018

Sは、非金属介在物MnSとして組織中に存在させることで、被切削性の向上に大きな効果がある。しかし、多量のMnSの存在は、機械的特性、特に靭性の異方性を助長するなど、金型自体の性能を低下させる要因となる。また、鋼材の製造過程においても、粗大なMnSは熱間加工性を阻害する。よって、本発明鋼においては、Sは0.01〜0.1%とする。被切削性の向上のためには0.05%以上の含有が好ましい。

0019

Niは、基地の粘さを上げ、靭性の向上のために重要な元素である。しかし、多すぎると過度に粘くなって、靭性と被切削性のバランスが悪くなる。よって、0.5〜1.5%とする。好ましくは0.8%以上および/または1.3%以下である。

0020

Crは、基地中に固溶して、本発明鋼の耐発錆性を高める極めて重要な元素である。また、焼戻し処理においては、Cr系の炭化物を生成して、本発明鋼の強度を形成するために添加される。多すぎると熱間加工性と被切削性の劣化をまねく。よって、12.0〜13.0%とする。

0021

Moは、焼戻し時に微細炭化物を析出、凝集させて、本発明鋼の強度と焼戻し軟化抵抗を向上させる。更にMoの一部は、金型表面の酸化皮膜中に固溶することで、金型使用中の、例えばプラスチックから発生する腐食性ガスに対しての耐食性を向上する作用効果もある。しかし一方では、多すぎると被切削性の低下要因となる。よって、0.3〜0.8%とした。好ましくは0.4%以上および/または0.6%以下とする。

0022

Vは、焼戻し軟化抵抗を高めるとともに、結晶粒の粗大化を抑制して、靭性の向上に寄与する。また、硬質の炭化物を微細に形成して、耐摩耗性を向上させる効果がある。このためには少なくとも0.07%以上を必要とするが、多すぎると被切削性の低下を招くので0.3%以下とした。好ましくは0.25%以下である。

0023

Cuは、一部が基地中に固溶することで、上記のCrによる効果と相まって、本発明鋼の耐発錆性を一層向上する。また一部は基地中より析出させることで、基地の延性を適度に低下させ、優れた被切削性を付与する。しかし多すぎると、熱間加工性を低下させる他には、被切削性も返って低下する。よって、0.1〜1.0%とする。好ましくは0.2%以上および/または0.6%以下である。

0024

Alは、通常、溶製時の脱酸元素として用いられるが、その結果として生成されるアルミナ系非金属介在物(Al2O3)は、それが鋼中に多く残存すると鏡面加工性や熱間加工性を低下させる。よって、本発明では0.05%以下に規制する必要がある。好ましくは0.04%以下である。

0025

N(窒素)は、その添加により耐発錆性を高める効果を有する。また、鋼中に微細な窒化物を形成する元素であり、本発明鋼の硬さを高める効果を有する。さらに、切削加工においては、鋼中に微細な窒化物が形成された場合、これらが切屑形成時の切欠効果(notch effect)を高めるため、被切削性を向上させる効果も発現する。しかし過剰に窒素を添加すると、粗大な窒化物が過多に形成されるため、これが金型の靭性、被切削性および磨き性を著しく劣化する要因となる。よって本発明鋼のNは、0.03〜0.1%とする。好ましくは、0.04%以上である。

0026

不可避的不純物であるO(酸素)は、鋼中に酸化物を形成する元素であり、これは冷間塑性加工性および磨き性を著しく劣化させる要因となる。そして、特に本発明では、上記のAl2O3の形成を抑えることが重要であることから、Oは低く管理することが好ましい。よって、好ましい上限を0.02%とし、更に0.01%以下、そして0.005%以下を好ましい順とする。なお、同時にはAlの低減管理も行う本発明にとっては、その製造の容易性を考慮すれば、O量が0.001%程度であっても本発明の効果は発揮される。

0027

表1に本発明鋼および比較鋼の化学組成を示す。なお比較鋼1、2は、前述の特許文献1の金型用鋼に、比較鋼3は特許文献2の金型用鋼に、そして、比較鋼4は特許文献3の金型用鋼に、それぞれ相当する。

0028

0029

これらの試料に1030℃からの焼入れ処理を行った後、40HRCの硬さを目標に焼戻し処理を行って、所定の硬さに調質した。そして、調質した本発明鋼および比較鋼に対しては、その機械的特性の評価と、以下の被切削試験および耐発錆試験を実施した。機械的特性は、2mmUノッチシャルピー衝撃試験による衝撃値と、1100℃での引張試験による引張強さ、伸び絞りを測定した。引張試験は、その鋼材製造に係る熱間加工性を評価するものである。

0030

被切削試験は、上記調質後の試料にφ1mmのドリル加工を実施して、そのドリル寿命時の穴数を、比較鋼1を100とした指数で評価した(同指数が大きいほど、被切削性に優れる)。耐発錆試験は、上記の試料を鏡面仕上げした20mm×40mmの面に、35℃の5%NaCl水溶液を3時間噴霧して、その発錆面積を、比較鋼1を100とした指数で評価した(同指数が小さいほど耐発錆性に優れる)。その際の本発明鋼および比較鋼の発錆状況図1の通りである。そして、以上の結果を表2に纏めて示す。

0031

0032

表2より、本発明鋼1〜4は、比較鋼1と同等の優れた被切削性を維持しながらも、その熱間加工性は改善され、靱性は40HRCを超える硬さに調質した本発明鋼3、4であっても十分に優れている。そして特に、N量の高い本発明鋼1〜3は、耐発錆性が格段に優れている。

0033

これに対して、比較鋼2は、本発明鋼よりも高C、高Crであることから、残留炭化物が多くなり、熱間加工性が低下している。そしてさらに、N量も少ないことから、切屑形成時の切欠効果が低く、被切削性が低下している。

0034

比較鋼3は、靭性、熱間加工性、被切削性、耐発錆性のいずれにおいても十分な特性を示している。しかし、後述する実施例2の通り、30HRC以上の硬度を得るための熱処理条件に制限がある。

0035

比較鋼4は、C量の最適化によって耐発錆性には優れる。しかし、高めに管理されたCr量と、低いCuおよびN量に併せては、そもそもS量自体が低いことから、被切削性に劣る。そして、過多のNiおよびAl量については、比較例4が、NiとAlの相互添加により微細なNi3Al金属間化合物を析出させることで硬さを付与した金型用鋼であることから、これが靭性を極端に低下させた要因となっている。

0036

比較鋼5、6は、金型用鋼の主要成分においては最適な組成を有するものである。しかし、比較鋼5は、AlおよびN量が過多のため、硬質の非金属介在物であるAl2O3や粗大なAlNが形成されて、靭性、熱間加工性、被切削性が低下している。そして、比較鋼6は、N量が少ないため、切削加工における切屑形成時の切欠効果が低下し、被切削性が低下している。

実施例

0037

表1の本発明鋼3および比較鋼3を1030℃から焼入れ処理した。そして、これらを各温度で焼戻し処理したことで、このときの焼戻し温度による硬さの変化を測定した。結果の焼戻し曲線図2に示す。0.1%以上のC量を添加している本発明鋼3は、550℃以上の焼戻し温度でも安定して30HRC以上の硬さを達成できる。これに対して、C量が0.1%に満たない比較鋼3は、同焼戻し温度では30HRCの硬さを安定して達成できないことがわかる。

0038

本発明の金型用鋼は、その優れた機械的特性と被切削性を有することから、その他の精密加工を求められる製品にも適用が可能である。

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

該当するデータがありません

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

該当するデータがありません

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

この 技術と関連性が強い技術

該当するデータがありません

この 技術と関連性が強い法人

該当するデータがありません

この 技術と関連性が強い人物

該当するデータがありません

この 技術と関連する社会課題

該当するデータがありません

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ