JPH04263042A - 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５００℃前後での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４５０〜５５０
℃の温度範囲に１〜１００時間保持することによって得
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、
前者が溶体化処理後に、後者が熱間圧延後にそれぞれ略
４５０〜５５０℃で時効処理がなされるものであるが（
図１（ａ）および（ｂ）参照）、いずれもその硬度はＨ
ＲＣ硬度値で４０前後となっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、最近のプラス
チック樹脂の種類あるいはプラスチック製品の多様化に
伴い、成形金型鋼材もより高硬度のものが要求されてき
ている。特に、最近ではガラス繊維などを含むプラスチ
ックを成形する金型としてＨＲＣ値で４５を上回る硬度
が要求される場合も出ており、従って従来の析出硬化鋼
ではプラスチック成形用金型として十分対応できない状
況にある。

【０００６】本発明は、以上のような問題に鑑み創案さ
れたもので、高い硬度を有し、特に近時のプラスチック
成形用金型として十分対応し得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。

【０００７】

【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
してＭｎ−Ｎｉ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｏ鋼の組織と析出を制
御すること、および４５０℃以上５２５℃以下の温度で
時効処理することにより従来材に比べ高硬度の鋼を得る
ことに成功した。

【０００８】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％　、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４５０℃以上５２５℃以下の温度で１〜１
００時間時効処理することにより、ＨＲＣ値で４３を超
える硬度の鋼を得ることに成功したものである。

【０００９】以下、この発明について詳細に説明する。

【００１０】まず、本発明鋼の成分限定理由は次の通り
である。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】本発明鋼はＨＲＣ４３を超える硬度で金型
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。

【００１９】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。

【００２０】次に、製造条件について説明する。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】時効温度は、本発明の高温時効の観点から
４５０〜５２５℃に限定した。これは時効温度と硬度と
の相関関係を示す図２より明らかなように、４５０℃を
下回ると十分な硬度が得られないためこれを下限とする
一方で、５２５℃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。

【００２６】時間については、１時間であれば十分であ
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。

【００２７】

【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。

【００２８】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。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】表１中鋼Ａ〜Ｄ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１〜１２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、本発明材は全てＨＲＣ値が４３
以上となっており、特に番号４、１１、１２の鋼材はＨ
ＲＣ値が４５と高硬度となっている。

【００３２】表２中番号１３〜１９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１３は時効温度が本発明の範囲より低く設定された
比較鋼材である。同表、および時効温度と硬度との相関
関係を示す上述の図２より明らかなように、この比較鋼
材は本発明材よりＨＲＣ値が下回っている。次に、番号
１４は時効時間が長く設定される比較鋼材であるが、や
はり過時効のため硬度が低い結果となっている。番号１
５は時効処理をしない比較鋼材であるがやはり硬度が不
充分である。次に、番号１６〜１８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比較鋼材であるが
硬度がＨＲＣ値で３８〜４０と低い値である。また番号
１９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。この場合もやはり、時効温度が５２
０℃では低い硬度しか得られないことが分かる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、固
溶化処理温度を省略した上、析出硬化型鋼を時効するこ
とによってＨＲＣ値で４３ポイント以上の高い硬度の鋼
材を得ることができ、金型使用時の鏡面性、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％　、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４５０℃以上５２５℃以下の温度
   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％　、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℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で４００
   ℃以下まで冷却し、さらに４５０℃以上５２５℃以下の
   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。