JPH04263041A - 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を施す
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】ところで、プラスチッ
ク金型では加工時に溶接補修を受けたり、あるいは使用
時には長期間２５０℃前後に加熱されるため、耐温度性
を高めるべく時効処理における時効温度はより高いこと
が望ましい。

【０００６】しかし、従来の析出硬化鋼においては、そ
れが時効処理の析出により高硬度を確保するものであり
、あまりに高温での時効処理は逆に軟化を招いてしまう
という問題があった。このため、従来より高い硬度を損
うことなく耐温度性に優れた析出硬化型鋼が望まれてい
た。

【０００７】本発明は、以上のような問題に鑑み創案さ
れたもので、高温時効処理によっても従来の高硬度の析
出硬化鋼と同程度の硬度を有する鋼およびその製造方法
を提供しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来の析
出硬化鋼および図１（ａ）および（ｂ）に示される製造
法を参考にして各種実験・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Ｍｎ−Ｎｉ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｏ−Ｖ鋼の組織
と析出を制御し、高温域での時効処理を施した場合であ
っても従来の時効材と同様の高い硬度を得ることに成功
した。この高温時効により、溶接時あるいは使用時の各
種の耐温度性を高めることが可能となる。

【０００９】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：２．５〜３．５％、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ
：０．７〜１．７％、Ｍｏ：０．１〜０．５％　、Ｖ：
０．５％超〜１．２％、残部Ｆｅおよび不可避不純物か
らなるものを、図１（ａ）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５７０℃超〜
６２０℃の温度で１〜１００時間時効処理することによ
り、ＨＲＣ値で４０以上の硬度の鋼を得ることに成功し
たものである。

【００１０】以下、この発明について詳細に説明する。

【００１１】まず、本発明鋼の成分限定理由は次の通り
である。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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２．５〜３．５％
添加する。２．５％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、３．５％を上回ると延靱性と
被削性に悪影響があるのでこれを上限とした。

【００１６】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。

【００１７】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０．７〜１．７％添加する
。０．７％を下回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、１．７％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。

【００１８】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。

【００１９】Ｖ：Ｖは時効状態での硬度を確保するため
に０．５％を超え１．２％以下の範囲で添加する。０．
５％以下では硬度の確保が困難になるのでこれを下限と
した。また、１．２％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。

【００２０】本発明鋼はＨＲＣの値が４０近辺の硬度で
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、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、Ｚｒ：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：０．０
１〜０．３％、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
５７０℃超〜６２０℃に限定した。５７０℃以下となる
と耐温度性が低下するのと硬度が高くなり被削性が低下
するのでこれを下限とした。また、６２０℃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時間以上であれば十分
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〜Ｆ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１〜１３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、本発明材は高温の時効処理にも
かかわらず、全てＨＲＣ値が４０以上の優れた硬度とな
っている。

【００３４】表２中番号１４〜２３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１４は時効温度が本発明の範囲より低く設定される
比較鋼材であるが、ＨＲＣ値は５０となっている。しか
し、これは耐温度性で本発明材より劣ることが予想され
、また被削性を損う可能性もある。一方、番号１５は時
効温度が高く設定された比較鋼材であるがＨＲＣ値は４
０を下回っている。番号１６は時効時間が長く設定され
る比較鋼材であるが、やはり硬度が低い。番号１７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１８〜２１は、図１（ａ）　に示すような従来の製
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ものである。これらのうち番号１８
、２０、２１のように時効温度が高い場合には硬度が低
くなることが分かる。固溶化熱処理を前提とする場合に
は番号１９のように時効温度を低く設定する必要がある
。番号２２、２３は図１（ｂ）に示すような熱間圧延後
に等温保持した比較鋼材である。この場合にもやはり、
時効温度が高くなると番号２３のように硬度低くなるこ
とが分かる。

【００３５】以上の本発明材１〜１３および比較鋼材１
４〜２３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、本発明材は、時効温度
が５７０℃超〜６２０℃の範囲に設定されかつ熱処理条
件が本発明と異なる比較鋼材１６、１８、２０、２１と
比較してＨＲＣ値が格段に高くなっていることに加え、
時効温度が本発明の範囲より低く（５００〜５２０℃）
設定される高硬度の比較鋼材１９、２２とＨＲＣ値が同
程度もしくはそれ以上の値となっていることが明らかで
ある。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、固
溶化熱処理を省略した上で高温時効処理による高硬度の
鋼を得るこができ、金型加工時や使用時の耐温度性が増
し精度、寿命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：２．５〜３．５％、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃ
   ｕ：０．７〜１．７％、Ｍｏ：０．１〜０．５％　、Ｖ
   ：０．５％超〜１．２％、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４００℃以下まで冷却し、さらに５７
   ０℃超〜６２０℃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：２．５〜３．５％、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃ
   ｕ：０．７〜１．７％、Ｍｏ：０．１〜０．５％　、Ｖ
   ：０．５％超〜１．２％、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℃／ｓ
   ｅｃ以下の冷却速度で４００℃以下まで冷却し、さらに
   ５７０℃超〜６２０℃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
   。