JPS6122025B2 - - 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、および溶接熱影響部が母材部と同様に
均一なフオートエツ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系プ
ラスチツク金型用鋼に関するものである。 従来、プラスチツク金型用鋼として、炭素鋼低
合金構造用鋼が多く使用されているが、プラスチ
ツク金型用鋼には被削性、被研削性、鏡面仕上げ
性、フオートエツチング性、溶接性、放電加工
性、反縮強度、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
とは至難であつた。 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、最近のプラスチツク金型のカタサは高く
なる超熱にあるが、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こと、こ
の部分を均一にフオートエツチングすること、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性にした
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ツチング加工をする場
合には、繰返し焼入れ焼戻しを行なつて溶接部と
その溶接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ツチング加
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。よつて肉盛溶接後均一なフオートエツ
チングが可能な金型材料がプラスチツク金型の生
産性の向上の点から強く要望されている。 プラスチツ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つて形成す
るフオートエツチングまたはケミカルミリング法
が採用されているが、均一なフオートエツチング
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、図柄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、その後のフオートエツチング面
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にフオートエ
ツチング性が優れていることがわかつた。 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、溶接熱影響部、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ヤビテイがほぼ
完成しているので、キヤビテイの酸化、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つて、酸
化および変形なしに均一なフオートエツチング加
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、重
量で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％、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、残余Feおよび不純物よりな
る基本成分組成の鋼である。 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
一なフオートエツチング加工が可能である特徴を
有するMn−Ni−Al−Cu−Mo系時効硬化性プラ
スチツク金型用鋼である。 次に本発明鋼の構成成分およびその組成範囲の
限定理由に関し遂次説明する。 (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
方過変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、0.05〜0.18％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0.15〜10％
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HRC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1.0％以下
ではその効果が少なく、また2.0％を超えて添
加含有させると靭性を害するので好ましくな
い。 (4) ニツケル 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Al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、フオートエツチング加工
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 Al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
オートエツ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，Al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つて切欠靭性
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％を超える過剰添加は熱間脆性お
よび経済性の点で不利となる。 従つて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 本発明鋼に於てMoは強靭性の改善および優
れたフオートエツチング加工性を確保するため
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
エツチング加工性を確保する特性を有する。そ
のためには少なくとも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
チツク金型用鋼としては好ましくない。またフ
オートエツチング加工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) 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
は時効カタサ、溶体化カタサを必要以上に高め
るためTi：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。そして時
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40以上のカタサが得られるうえ
に優れたフオートエツ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以上となるように上記各合金成分を調整したも
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。

【表】

【表】 つぎに現用プラスチツク金型鋼（第１表鋼Ｙ）
を肉盛溶接後、650℃×3hr焼戻しを施し、さらに
第２図に示す工程によつてフオートエツチング加
工を行なつたものの表面肌はフオートエツチング
表面の“むら”は溶着鋼部を中心に母材部、溶接
熱影響部にまでおよんでいる。“エツチングむ
ら”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）が異なつており、プラスチツ
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℃×5hr時効処理を施し、さら
にフオートエツチング加工を行つたものの表面肌
はやはり“エツチングむら”が溶接熱影響部に残
存することが認められた。 一方、本発明の時効硬化性金型鋼（第１表３）
を前記鋼Ａと同様と処理した場合は“エツチング
むら”はほぼ完全に解消できることを確認でき
た。この“エツチングむら”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。 第１図において本発明鋼はハツチングのない部
分に位置している。すなわち、肉盛溶接→時効処
理によつて均一なフオートエツチング性を得るた
めに熱影響部のカタサ低下域の巾ｄを1.0mm以下
とし、前記両部のカタサの差（△Ｈ）をHRC2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、溶接熱影響部と母材
部とのカタサの差がフオートエツチング性に影響
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“エツチングむら”が生じているが、本
発明鋼（第１表鋼３）では殆んど解消できたこ
と、つまりフオートエツ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はベーナイト変態開始温
度を低くし、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ることも確認でき
た。 さらに本発明鋼において優れたフオートエツチ
ング加工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Ｃ，Mn，Ni，Al，
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。 圧延された製品から試験片を採用しJISに規定
された結晶粒度測定法で測定したところ、本発明
材（第１表のNo.１〜10）の平均粒度はNo.8.5であ
り、比較材（第１表のNo.Ｈ，Ｋ）のそれは7.5で
細粒化の効果が出ていた。 また第２図はフオートエツチング加工処理条件
においてフオートエツ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。 尚、本発明鋼はプラスチツク金型に使用する
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図はフオート
エツチング加工処理条件を各工程別に図示したも
の。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 重量で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％、さらに
   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、残余Feおよび不純物
   からなり、溶接後時効を行つた場合も溶着鋼およ
   び溶接熱影響部が母材部と同様に、均一なフオー
   トエツ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ツ
   ク金型用鋼。