(57)【要約】      （修正有）【課題】所定の硬さに調質された後に、良好な鏡面研磨性と、５％Ｃｒ鋼と１２％Ｃｒ鋼の中間の耐食性を有し、更に高衝撃値な金型用鋼を提供する。【解決手段】金型用の鋼を、質量％で０．０４５≦Ｃ≦０．０９０，０．０１≦Ｓｉ≦０．５０，０．１０≦Ｍｎ≦０．６０，０．８０≦Ｎｉ≦１．１０，６．６０≦Ｃｒ≦８．６０，０．０１≦Ｍｏ≦０．７０，０．００１≦Ｖ≦０．２００，０．００７≦Ａｌ≦０．１５０，０．０００２≦Ｎ≦０．０５００を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成を有するものとする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で
０．０４５≦Ｃ≦０．０９０
０．０１≦Ｓｉ≦０．５０
０．１０≦Ｍｎ≦０．６０
０．８０≦Ｎｉ≦１．１０
６．６０≦Ｃｒ≦８．６０
０．０１≦Ｍｏ≦０．７０
０．００１≦Ｖ≦０．２００
０．００７≦Ａｌ≦０．１５０
０．０００２≦Ｎ≦０．０５００
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成を有することを特徴とする金型用鋼。
【請求項２】
請求項１において、質量％で
０．３０＜Ｃｕ≦１．５０
を更に含有することを特徴とする金型用鋼。
【請求項３】
請求項１，２の何れかにおいて、質量％で
０．３０＜Ｗ≦４．００
０．３０＜Ｃｏ≦３．００
の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする金型用鋼。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、質量％で
０．００４＜Ｎｂ≦０．２００
０．００４＜Ｔａ≦０．２００
０．００４＜Ｔｉ≦０．２００
０．００４＜Ｚｒ≦０．２００
の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする金型用鋼。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかにおいて、質量％で
０．０００１＜Ｂ≦０．００５０
を更に含有することを特徴とする金型用鋼。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかにおいて、質量％で
０．００８＜Ｓ≦０．０５０
０．０００５＜Ｃａ≦０．２０００
０．０３＜Ｓｅ≦０．５０
０．００５＜Ｔｅ≦０．１００
０．０１＜Ｂｉ≦０．５０
０．０３＜Ｐｂ≦０．５０
の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする金型用鋼。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載の鋼から成り、硬さが３２〜４４ＨＲＣであることを特徴とする金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プラスチックの射出成形等に用いる金型に適用して好適な金型用鋼及び金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、プラスチック製品を射出成形する金型（金型の一部を構成する部品も含む）は、溶解→精錬→鋳造→均質化熱処理→熱間加工→焼準→焼鈍（焼戻し）→焼入れ・焼戻し→切削加工→鏡面研磨、の工程を経て製造される。金型用の材料には様々な特性が求められるが、特にプラスチック製品を射出成形する金型に用いられる材料には鏡面研磨性の高いことが求められる。また、金型が放置されても錆びないだけの耐食性と、使用中に割れ難い高衝撃値が求められる。
【０００３】
（鏡面研磨性について）
金型は表面の形状や性状（表面粗さや模様パターン）を製品に転写する役割を負う。その中でも、製品の表面に滑らかさが求められる場合は、表面を滑らかに磨き上げておく必要がある。これを鏡面研磨という。
【０００４】
鏡面研磨性を悪くする要因の１つに「ピンホール」がある。ピンホールとは、研磨した金型の表面に発生する小さな穴や傷である。ピンホールの発生した金型をそのまま使うと、製品の表面にピンホールの部分が転写されて表面品質が悪くなり、商品価値を失う。従って、鏡面研磨においてはピンホールを発生させてはならない。
【０００５】
ピンホールには、研磨の砥粒が刺さったもの（研磨起因）と、鋼材内部の異物が脱落したもの（鋼材起因）の２種類がある。鋼材起因のピンホールを減らすため、異物（炭化物や酸化物や窒化物）の少ない金型用鋼が求められる。鋼材の精錬や鋳造においては、このような異物を減らす工夫が凝らされている。また、金型の硬さが低いとピンホールが発生しやすいため、ある程度以上の硬さを確保できる化学成分（特に、Ｃ）の調整も必須となる。しかし、Ｃ量が多すぎると異物となる炭化物も増えるため、硬さとのバランス取りが難しい。
【０００６】
（耐食性について）
鏡面研磨した金型を使い始めるまでの期間、あるいは生産の中断期間のように放置される期間があると、金型表面に錆が発生することがある。錆の発生した金型をそのまま使うと、製品の表面に錆の部分が転写されて表面品質が悪くなり、商品価値を失う。そこで、錆びた金型は再研磨が必要であるが、この研磨に要する費用と工数は莫大である。金型には、放置されても錆びないだけの耐食性が必要である。
【０００７】
金型の耐食性はＣｒ量でほぼ決まる。射出成形金型には、Ｃｒ量が０．２〜３％の鋼が使われていることが多い。低Ｃｒ鋼は耐食性が非常に低いため、このような鋼の金型は放置されると錆びやすい。そこで、５％Ｃｒダイス鋼（ＳＫＤ６１など）を用いる場合もあるが、５％Ｃｒ鋼では高温湿潤な環境下での耐食性が不足する。十分な耐食性を確保したい場合は、金型にステンレス鋼（１２％≦Ｃｒ）が用いられる。例えば、ＳＵＳ４２０Ｊ２やＳＵＳ６３０といった高価な鋼である。しかし多くの場合、Ｃｒ量１２％以上の高い耐食性は不要である。ステンレス鋼を使えば、過度の耐食性に高い費用を払うことになる。
【０００８】
このように、Ｃｒ量が５％では不足だが１２％以上では過多である。高硬度を得るためにＣ量が高い８〜１７％Ｃｒ鋼もあるが、このような鋼は炭化物が非常に多くなり、鏡面研磨性や衝撃値が下がる弊害もある。また、Ｃ量の高いステンレス鋼は炭化物としてＣｒを消費するため、Ｃｒ量から期待されるほど耐食性も高くない。
【０００９】
（衝撃値について）
金型には、射出成形中に割れないことも求められる。この理由は、割れた金型の交換による生産中断、新たに金型を製作することによる製造コストの上昇を避けるためである。衝撃値が高くなると、射出成形中に金型が割れる危険性は低下する。そこで、鋼材成分や焼入れ方法の適正化によって金型の高衝撃値化が図られている。室温（２１〜２７℃）における衝撃値（Ｕノッチ、ノッチ底半径１ｍｍ、ノッチ下高さ８ｍｍ）が５０Ｊ／ｃｍ2以上だと、金型が射出成形中に割れる危険性は非常に低くなる。ところが、射出成形金型の衝撃値は３８ＨＲＣで１０〜８０Ｊ／ｃｍ2であることが多い。このため、割れの危険性を安定して充分に下げることができていない。なお、ここで衝撃値とは、吸収エネルギー[Ｊ]を試験片の断面積[０．８ｃｍ2]で除した値である。
【００１０】
以上のように、鏡面研磨性が良く、５％Ｃｒ鋼と１２％Ｃｒ鋼の中間の耐食性を有し、高衝撃値という金型用鋼は未だ開発されていない。このため、表面を綺麗に磨くことができ、使用しない期間中の保管においても錆び難く、使用中に割れ難い、という金型を安く入手することに苦慮していた。
【００１１】
なお、下記特許文献１には、金型用鋼材において、ピンホール生成の原因となる酸化物を改質し小型化するように合金成分をバランスさせ、磨き性および被削性を改善させた点が開示されている。しかしながら、これを具体化した引用文献１に記載の実施例における成分組成は、本発明の金型用鋼に比べ、低Ｃ且つ高Ａｌであり、本発明とは異なっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−９１８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は以上のような事情を背景とし、所定の硬さに調質された後に、良好な鏡面研磨性と、５％Ｃｒ鋼と１２％Ｃｒ鋼の中間の耐食性を有し、更に高衝撃値な金型用鋼及び金型を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
而して請求項１は、金型用鋼に関するもので、質量％で０．０４５≦Ｃ≦０．０９０，０．０１≦Ｓｉ≦０．５０，０．１０≦Ｍｎ≦０．６０，０．８０≦Ｎｉ≦１．１０，６．６０≦Ｃｒ≦８．６０，０．０１≦Ｍｏ≦０．７０，０．００１≦Ｖ≦０．２００，０．００７≦Ａｌ≦０．１５０，０．０００２≦Ｎ≦０．０５００を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成を有することを特徴とする。
【００１５】
なお、金型用鋼において、下記に示す成分が下記範囲で不可避的不純物として含まれ得る。
Ｐ≦０．１０，Ｓ≦０．００８，Ｃｕ≦０．３０，Ｗ≦０．３０，Ｏ≦０．０５，Ｃｏ≦０．３０，Ｎｂ≦０．００４，Ｔａ≦０．００４，Ｔｉ≦０．００４，Ｚｒ≦０．００４，Ｂ≦０．０００１，Ｃａ≦０．０００５，Ｓｅ≦０．０３，Ｔｅ≦０．００５，Ｂｉ≦０．０１，Ｐｂ≦０．０３，Ｍｇ≦０．０２，ＲＥＭ≦０．１０などである。
【００１６】
請求項２のものは、請求項１において、質量％で０．３０＜Ｃｕ≦１．５０を更に含有することを特徴とする。
【００１７】
請求項３のものは、請求項１，２の何れかにおいて、質量％で０．３０＜Ｗ≦４．００，０．３０＜Ｃｏ≦３．００の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする。
【００１８】
請求項４のものは、請求項１〜３の何れかにおいて、質量％で０．００４＜Ｎｂ≦０．２００，０．００４＜Ｔａ≦０．２００，０．００４＜Ｔｉ≦０．２００，０．００４＜Ｚｒ≦０．２００の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする。
【００１９】
請求項５のものは、請求項１〜４の何れかにおいて、質量％で０．０００１＜Ｂ≦０．００５０を更に含有することを特徴とする。
【００２０】
請求項６のものは、請求項１〜５の何れかにおいて、質量％で０．００８＜Ｓ≦０．０５０，０．０００５＜Ｃａ≦０．２０００，０．０３＜Ｓｅ≦０．５０，０．００５＜Ｔｅ≦０．１００，０．０１＜Ｂｉ≦０．５０，０．０３＜Ｐｂ≦０．５０の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする。
【００２１】
請求項７は、金型に関するものであって、請求項１〜６の何れかに記載の鋼から成り、硬さが３２〜４４ＨＲＣであることを特徴とする。
なお、本発明において「金型」には金型本体はもとより、これに組み付けられて使用されるピン等の金型部品も含まれる。更に、本発明の鋼からなる金型で、表面処理やシボ加工が施されたものも含まれる。
【００２２】
本発明者は、上記課題を解決するため、鏡面研磨性、耐食性および衝撃値に及ぼす鋼材成分の影響を調査した結果、Ｃ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ−Ａｌ−Ｎの調整で所望の特性が得られることを見出した。本発明はこのような知見の下になされたもので、極低Ｃで且つ略７〜８％のＣrを含有させて耐食性を効果的に高めるとともに、特に、衝撃値に高位安定化におけるＡｌ量の重要性を見出し、Ａｌ量を特定の範囲（０．００７〜０．１５０％）に規定した点に特徴を有するものである。かかる本発明の金型用鋼によれば、所定の硬さに調質された後に、良好な鏡面研磨性と、５％Ｃｒ鋼と１２％Ｃｒ鋼の中間の耐食性を有し、更に高衝撃値を実現することができる。また、鏡面研磨性が要求される樹脂成形用金型に用いられていた従来の鋼と比較して安価である。
【００２３】
また、本発明の鋼から成り、硬さを３２〜４４ＨＲＣに調整された本発明の金型によれば、焼入れ・焼戻し処理後のプリハードン状態で切削および研磨の加工が可能となるため、製造工程の簡略化が実現できる。また、金型使用時においては、樹脂成形時の摩耗や割れの発生が抑制され、金型の寿命を高めることができる。一方、金型が一定期間放置された場合でも金型表面は錆びにくいため、低Ｃｒ鋼から成る金型の場合に行われていた再研磨を廃止もしくは軽減することができる。
【００２４】
以上のような本発明の金型用鋼および金型は、樹脂（プラスチックやビニール）の射出成形やブロー成形、ゴムの成形や加工、炭素繊維強化プラスチックの成形や加工等の用途に用いて好適である。
【００２５】
次に本発明における各化学成分の限定理由を以下に説明する。なお、各化学成分の値は何れも質量％である。
「請求項１の化学成分について」
０．０４５≦Ｃ≦０．０９０
諸特性のバランスを取るため、Ｃ量の範囲を非常に狭く規定したことが本発明の特徴の１つである。Ｃ＜０．０４５では、焼入れ時の未固溶炭化物が減少し、結晶粒が粗大化しやすい。焼戻し温度が高い場合や、粉末の積層造形に適用した場合に３２ＨＲＣ以上を得ることが難しい。Ｃ＜０．０４５では、デルタフェライトが析出して鏡面研磨性や衝撃値に悪影響を及ぼす。またマルテンサイト変態点が高くなり粗大な焼入れ組織となるため、衝撃値が低下する。
一方、０．０９０＜Ｃでは、溶接性が低下する。また熱伝導率の低下も大きい。硬さの焼戻し温度依存性が顕在化し、焼戻し硬さの調整が難しくなる。また、炭化物が増え、鏡面研磨性に悪影響を及ぼす。
【００２６】
０．０１≦Ｓｉ≦０．５０
Ｓｉ＜０．０１では、機械加工時の被削性が著しく劣化する。焼入れ時の未固溶炭化物がＶＣである場合、その量が減少して結晶粒が粗大化しやすい。焼戻し温度が高い場合に３２ＨＲＣ以上を安定して得にくい。
一方、０．５０＜Ｓｉでは、熱伝導率の低下が大きい。デルタフェライトが析出して鏡面研磨性や衝撃値に悪影響を及ぼす。
好ましいＳｉの範囲は、０．０５≦Ｓｉ≦０．４６であり、より好ましくは０．１０≦Ｓｉ≦０．４２である。
【００２７】
０．１０≦Ｍｎ≦０．６０
Ｍｎ＜０．１０では、焼入れ性が不足し、フェライトの混入による硬さ不足を招く。また焼入れ性が不足し、ベイナイトの混入による靭性の低下を招く。マルテンサイト変態点が高くなり粗大な焼入れ組織となるため、衝撃値が低下する。特に室温以下での衝撃値が低下する。
一方、０．６０＜Ｍｎでは、焼鈍性が非常に劣化し、軟質化させる熱処理が複雑かつ長時間となって製造コストを増加させる。また熱伝導率の低下も大きい。焼戻し温度が高い場合に、室温での衝撃値が低下する（ＳｉやＰが高い場合に顕著である）。
好ましいＭｎの範囲は、０．１５≦Ｍｎ≦０．５５であり、より好ましくは０．２０≦Ｍｎ≦０．５０である。
【００２８】
０．８０≦Ｎｉ≦１．１０
Ｎｉ＜０．８０では、焼入れ性が不足し、フェライトの混入による硬さ不足を招く。また焼入れ性が不足し、ベイナイトの混入による靭性の低下を招く。マルテンサイト変態点が高くなり粗大な焼入れ組織となるため、衝撃値が低下する。特に室温以下での衝撃値が低下する。Ａｌとの化合物の析出による硬さ上昇の効果が小さい。
一方、１．１０＜Ｎｉでは、焼鈍性が非常に劣化し、軟質化させる熱処理が複雑かつ長時間となって製造コストを増加させる。熱伝導率の低下も大きい。またコスト上昇が大きい。
好ましいＮｉの範囲は、０．８４≦Ｎｉ≦１．０８であり、より好ましくは０．８８≦Ｎｉ≦１．０６である。
【００２９】
６．６０≦Ｃｒ≦８．６０
Ｃｒ＜６．６０では、２次硬化量が不足し、３２ＨＲＣ以上を安定して得にくい。高温強度が低くなる。焼入れ性が不足し、ベイナイトの混入による靭性の低下を招く。マルテンサイト変態点が高くなり粗大な焼入れ組織となるため、衝撃値が低下する。耐食性が悪くなるため、金型を放置した際に錆びやすい。また、金型内部の水冷孔が顕著に錆び、そこからの割れを誘発する。
一方、８．６０＜Ｃｒでは、熱伝導率の低下が大きい。硬さの焼戻し温度依存性が顕在化し、焼戻し硬さの調整が難しくなる。デルタフェライトが析出して鏡面研磨性や衝撃値に悪影響を及ぼす。
好ましいＣｒの範囲は、７．２０≦Ｃｒ≦８．４０であり、より好ましくは７．８０≦Ｃｒ≦８．２０である。
【００３０】
０．０１≦Ｍｏ≦０．７０
Ｍｏ＜０．０１では、焼入れ性が不足することから、フェライトが析出し、鏡面研磨性や衝撃値に悪影響を及ぼす。２次硬化の寄与が小さく、焼戻し温度が高い場合に３２ＨＲＣ以上を安定して得ることが困難となる。高温強度が不足する。耐食性を改善する効果に乏しい。
一方、０．７０＜Ｍｏでは、焼鈍性が非常に低下し、軟質化させる熱処理が複雑かつ長時間になって製造コストを増加させる。また、破壊靭性が低下し金型が割れやすくなる。また、素材コストの上昇が顕著となる。
好ましいＭｏの範囲は、０．１０≦Ｍｏ≦０．６５であり、より好ましくは０．２０≦Ｍｏ≦０．６０である。
【００３１】
０．００１≦Ｖ≦０．２００
Ｖ＜０．００１では、窒化物や炭窒化物が少なくなるため、焼入れ時に結晶粒の粗大化を抑制する効果に乏しく、粗粒化による衝撃値の低下を招く。２次硬化の寄与が小さく、焼戻し温度が高い場合に３２ＨＲＣ以上を安定して得ることが困難となる。
一方、０．２００＜Ｖでは、多量のＶと結合するのに十分なＣ量がないため、過添加は実益がなく、コスト増を招くのみである。Ｃ量が請求項の上限に近い場合には、粗大な窒化物や炭窒化物が増加し、それが亀裂の起点となるため衝撃値が低下する。
好ましいＶの範囲は、０．００８≦Ｖ≦０．１８０であり、より好ましくは０．０１５≦Ｖ≦０．１５０である。
【００３２】
０．００７≦Ａｌ≦０．１５０
Ａｌ量の範囲を狭く規定したことが本発明の特徴の１つである。Ａｌ＜０．００７を回避する最大の理由は、衝撃値の高位安定化である。Ａｌ量が過少であると衝撃値が著しく低くなる。また、ＡｌＮが少なくなるため焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制する効果に乏しく、粗粒化による衝撃値の低下を招く。
一方、０．１５０＜Ａｌでは、ＡｌＮが過度に増え粗大化するため、破壊の起点が増えて衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ2未満となる。また鏡面研磨時に脱落する大きな異物が増えてピンホールができやすい。また、熱伝導率の低下が大きい。
好ましいＡｌの範囲は、０．０５０＜Ａｌ≦０．１５０であり、より好ましくは０．０５０＜Ａｌ≦０．１２０である。
【００３３】
従来、樹脂（プラスチックやビニール）の射出成形やブロー成形、ゴムの成形や加工、炭素繊維強化プラスチックの成形や加工に使われる金型用鋼は、Ａｌが少ない方が良いと考えられていた。この理由は、Ａｌ量が過多であると酸化物や窒化物が多量に生成し、鏡面研磨性や衝撃値を低下させるためである。ところが、特殊な成分系である本発明の鋼においては、Ａｌ量が過少であると衝撃値が著しく低くなるという特異な現象が発現する。この発見を基に、本発明ではＡｌ量を狭い範囲で規定している。
【００３４】
図１は、２４℃での衝撃値（Ｕノッチ、ノッチ底半径１ｍｍ、ノッチ下高さ８ｍｍ）に及ぼすＡｌ量の影響を示す。０．０６０Ｃ−０．３０Ｓｉ−０．３５Ｍｎ−０．９５Ｎｉ−７．９５Ｃｒ−０．４５Ｍｏ−０．１０Ｖ−０．０１２Ｎの鋼を基本成分として、Ａｌ量を変化させた。これらの鋼を８７０℃から焼入れ、焼戻しで３６．５ＨＲＣに調質した。図１（Ａ）に示すように、Ａｌ＝０．００３では、衝撃値は１４〜２７Ｊ／ｃｍ2と非常に低い。Ａｌ＝０．００７では、バラつきは目立つものの５０Ｊ／ｃｍ2をほぼ確保できる。また、過度にＡｌが多い場合には、図１（Ｂ）に示すように、介在物の増加によって衝撃値は減少に転じる。このようなデータから、０．００７≦Ａｌ≦０．１５０を請求範囲とした。また、０．０５０＜Ａｌ≦０．１５０とすれば、衝撃値を安定して５０Ｊ／ｃｍ2以上とすることができる。
【００３５】
図２は、Ａｌ量を変化させた場合の鋼材の組織を示した顕微鏡写真の図である。０．０６３Ｃ−０．２９Ｓｉ−０．３１Ｍｎ−０．９６Ｎｉ−７．９８Ｃｒ−０．４５Ｍｏ−０．０８８Ｖ−０．０２７４Ｎの鋼を基本成分として、Ａｌ量を変化させた。これらの鋼を８７０℃から焼入れ、焼戻しで３６．５ＨＲＣに調質した。同図に示すように、Ａｌ＝０．０５６では、Ａｌ＝０．００８よりも結晶粒が微細であることが分かる。結晶粒が微細であれば、鏡面研磨で滑らかな表面を得ることができる。
即ち、衝撃値および鏡面研磨性を考慮した好ましいＡｌの範囲は、０．０５０＜Ａｌ≦０．１５０である。
【００３６】
０．０００２≦Ｎ≦０．０５００
Ｎ＜０．０００２では、ＡｌＮが少なくなるため、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制する効果に乏しく、粗粒化による衝撃値の低下を招く。
０．０５００＜Ｎでは、Ｎ添加に要する精錬の時間とコストが増加し、素材コストの上昇を招く。粗大なＡｌＮが増加し、それが亀裂の起点となるため衝撃値が低下する。また、粗大なＡｌＮは鏡面研磨性も低下させる。
好ましいＮの範囲は、０．００１０≦Ｎ≦０．０４００であり、より好ましくは０．００２０≦Ｎ≦０．０３００である。
【００３７】
「請求項２の化学成分について」
０．３０＜Ｃｕ≦１．５０
低Ｃである本発明鋼は、結晶粒界の移動を抑制する炭化物も少ないため、焼入れ時の結晶粒が粗大化しやすい。そこでsolute drag効果に優れるＣｕを添加し、焼入れ時の粗粒化を防止することが有効である。本発明鋼は、Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒが少ない場合には焼入れ性がやや不足するが、Ｃｕは焼入れ性を高める効果もある。また、本発明は２次硬化に寄与するＣ−Ｍｏ−Ｖといった元素が少ないため、焼戻し硬さも極端に高くならないが、Ｃｕの析出硬化を利用して焼戻し硬さをかなり高めることができる。
一方、Ｃｕが過多では、コスト増や熱間加工時の割れが問題となる。
【００３８】
「請求項３の化学成分について」
工具鋼としてはＭｏやＶが少ない本発明鋼は、高温強度があまり高くない。高温強度の確保には、ＷやＣｏの選択的な添加が有効である。Ｗは炭化物の析出や固溶によって強度を上げる。Ｃｏは母材への固溶によって強度を上げると同時に、炭化物形態の変化を介して析出硬化にも寄与する。また、これらの元素はsolute drag効果によって焼入れ時のオーステナイト結晶粒の成長を抑制する効果もある。具体的には、
０．３０＜Ｗ≦４．００
０．３０＜Ｃｏ≦３．００
の少なくとも１種（１元素）を含有させれば良い。
いずれの元素も所定量を越えると特性の飽和と著しいコスト増を招く。
【００３９】
「請求項４の化学成分について」
焼入れ時のオーステナイト結晶粒の成長を抑制するには、Ｎｂ−Ｔａ−Ｔｉ−Ｚｒの選択的な添加も有効である。これらの元素との結合によって生成した炭化物や窒化物や炭窒化物が結晶粒界の移動を抑制する。具体的には、
０．００４＜Ｎｂ≦０．２００
０．００４＜Ｔａ≦０．２００
０．００４＜Ｔｉ≦０．２００
０．００４＜Ｚｒ≦０．２００
の少なくとも１種を含有させれば良い。
いずれの元素も、所定量を越えると炭化物や窒化物や酸化物が過度に生成し、それが金型の破壊起点となる。
【００４０】
「請求項５の化学成分について」
Ｂには、焼入れ性向上と粒界強化の効果がある。この結果、衝撃値が高位安定化する。具体的には、
０．０００１＜Ｂ≦０．００５０
を含有させれば良い。
なお、添加したＢがＢＮを形成すると、Ｂ添加の本来の目的を果たせない。そこで、ＢよりもＮとの親和力が強い元素で窒化物を形成させてＮを固定し、ＢとＮを結合させなければ良い。そのような元素の例としては、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒが挙げられる。これらの元素は不純物レベルで存在してもＮを固定する効果がある。
また、Ｂ添加は被削性の改善にも有効である。被削性を改善する場合にはＢＮを形成させれば良い。ＢＮは性質が黒鉛に類似しており、切削抵抗を下げると同時に切屑破砕性を改善する。なお、Ｂ、ＦｅとＢの化合物、ＢＮなどが鋼中に共存していても良い。その場合は、鋼中にＢがどのような状態であるかによって、焼入れ性や衝撃値や被削性などが改善される。
【００４１】
「請求項６の化学成分について」
被削性の改善には、Ｓ−Ｃａ−Ｓｅ−Ｔｅ−Ｂｉ−Ｐｂを選択的に添加することも有効である。具体的には、
０．００８＜Ｓ≦０．０５０
０．０００５＜Ｃａ≦０．２０００
０．０３＜Ｓｅ≦０．５０
０．００５＜Ｔｅ≦０．１００
０．０１＜Ｂｉ≦０．５０
０．０３＜Ｐｂ≦０．５０
の少なくとも１種を含有させれば良い。
いずれの元素も、所定量を越えると熱間加工性や衝撃値が大きく低下する。
【発明の効果】
【００４２】
以上のような本発明によれば、所定の硬さに調質された後に、良好な鏡面研磨性と、５％Ｃｒ鋼と１２％Ｃｒ鋼の中間の耐食性を有し、更に高衝撃値な金型用鋼及び金型を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】Ａｌ量と衝撃値との関係を示した図である。
【図２】Ａｌ量を変化させた場合の鋼材の組織を示した顕微鏡写真の図である。
【実施例】
【００４４】
表１に示す発明鋼および比較鋼（計２２鋼種）について、鏡面研磨性・耐食性・衝撃値を評価する試験を行った。
なお、比較鋼１は市販品であり、樹脂（プラスチックやビニール）の射出成形やブロー成形に汎用的に用いられる金型用鋼である。比較鋼２は、５Ｃｒ系ダイス鋼のＪＩＳ ＳＫＤ６１である。比較鋼３は、高強度ステンレス鋼のＪＩＳ ＳＵＳ４２０Ｊ２である。比較鋼４は、高強度ステンレス鋼であり、ＪＩＳ ＳＵＳ６３０として知られている。これら比較鋼は、少なくとも４種の主要元素において本発明の請求範囲を外れている。
【００４５】
【表１】
2020063508.tif 000002
【００４６】
表１に示す２２鋼種をそれぞれ１５０ｋｇのインゴットに鋳込み、鋼塊を製造した。この鋼塊に１２４０℃で２４時間の均質化処理を施した後、鋼塊を熱間鍛造によって６０ｍｍ×４５ｍｍの矩形断面の棒状に成形し、この棒鋼を１００℃以下まで冷却した。引き続き、棒鋼を１０２０℃に加熱して１００℃以下まで冷却する焼ならしを行なった。さらに、棒鋼には焼戻しを施した。焼戻し条件は、比較鋼１と比較鋼４が６００℃で１２時間保持、その他の鋼は６８０℃で８時間保持である。この焼戻し材から各種の試験片を作製した。
【００４７】
＜鏡面研磨性についての評価＞
焼戻し材から、５１ｍｍ×３１ｍｍ×１０１ｍｍの板を切り出し、真空中での焼入れ焼戻し処理によって３６〜３８ＨＲＣに調質した。焼入れ温度は、発明鋼１８種と比較鋼１が８７０℃、比較鋼２と比較鋼３が１０３０℃、比較鋼４が１０５０℃である。各焼入れ温度で１時間保持した後、６ｂａｒの窒素ガス冷却により焼入れを行なった。焼戻しとしては、５００〜６５０℃で３時間保持する処理を複数回おこなった。
焼戻し後の板を研削加工で５０ｍｍ×３０ｍｍ×１００ｍｍとし、５０ｍｍ×１００ｍｍの面の表面粗さは▽▽▽Ｇとした。
【００４８】
鏡面研磨性の評価として、５０ｍｍ×１００ｍｍの面を砥粒の番手を上げて研磨してゆき、最終的に＃８０００の番手で鏡面に仕上げた。研磨面を目視観察し、ピンホールの有無を以下の基準に従い評価した。
異物（炭化物、酸化物、窒化物）の脱落によるピンホールがなければ「Ｓ」、ピンホールが１〜２か所であれば「Ａ」、ピンホールが３か所以上であれば「Ｂ」。
【００４９】
評価の結果は、発明鋼１２種と比較鋼１と比較鋼４が「Ｓ」、比較鋼２が「Ａ」、比較鋼３が「Ｂ」であった。比較鋼２よりも比較鋼３の方が、ピンホールが多い理由は、粗大なＣｒ系炭化物やアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）が多いためである。
【００５０】
以上より、発明鋼の鏡面研磨性は、樹脂（プラスチックやビニール）の射出成形やブロー成形の金型に汎用的に用いられる比較鋼１と同等であることが確認できた。発明鋼は非常に優れた鏡面研磨性を有している。また、比較鋼２と比較鋼３にピンホールが発生しやすいとの市場評価も、この実験によって裏付けられた。
【００５１】
＜耐食性についての評価＞
焼戻し材から、４１ｍｍ×２６ｍｍ×１３ｍｍの板を切り出し、真空中での焼入れ焼戻しによって３６〜３８ＨＲＣに調質した。焼入れ焼戻し条件は、鏡面研磨性の試験片と同様である。焼戻し後の板を研削加工で４０ｍｍ×２５ｍｍ×１２ｍｍとし、６面すべてを研磨して鏡面状態に仕上げた。
【００５２】
耐食性は湿潤試験で評価した。温度５０℃で湿度９８％の環境中に鏡面研磨した試験片を４０時間静置し、錆の発生状況を比較し、以下の基準に従い評価した。
錆びた箇所がなければ「Ｓ」、１〜３か所であれば「Ａ」、４〜１０か所であれば「Ｂ」、１０か所を超えていれば「Ｃ」。
【００５３】
耐食性の結果は、比較鋼４が「Ｓ」、発明鋼１８種と比較鋼３は「Ａ」、比較鋼２は「Ｂ」、比較鋼１は「Ｃ」であった。発明鋼は、低Ｃの１７％Ｃｒステンレス鋼（比較鋼４）には及ばないものの、高Ｃの１２％Ｃｒステンレス鋼（比較鋼３）と同等である。また、発明鋼は５％Ｃｒダイス鋼（比較鋼２）よりも優れている。以上より、発明鋼の耐食性は５％Ｃｒ鋼と１２％Ｃｒ鋼の間に位置し、かなりステンレス鋼に近いことが確認できた。
【００５４】
＜衝撃値についての評価＞
焼戻し材から、１１ｍｍ×１１ｍｍ×５５ｍｍの角棒を切り出し、真空中での焼入れ焼戻しによって３６〜３８ＨＲＣに調質した。焼入れ焼戻し条件は、鏡面研磨性の試験片と同様である。焼戻し後の角棒から、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍの衝撃試験片を切り出した。ノッチ形状はＵ字、ノッチ底半径１ｍｍ、ノッチ下高さ８ｍｍである。試験は室温（２１〜２７℃）でおこない、吸収エネルギーを断面積の０．８ｃｍ2で割って衝撃値とし、以下の基準に従い評価した。
衝撃値が１００Ｊ／ｃｍ2を超えていれば「Ｓ」、５０Ｊ／ｃｍ2を超え１００Ｊ／ｃｍ2以下であれば「Ａ」、５０Ｊ／ｃｍ2以下であれば「Ｂ」。
【００５５】
衝撃値の結果は、発明鋼１２種が「Ｓ」、比較鋼２と比較鋼４は「Ａ」、比較鋼１と比較鋼３は「Ｂ」であった。比較鋼１はＮｉとＡｌの金属間化合物を析出するタイプで脆い。比較鋼３は粗大な炭化物が多いために衝撃値が低い。
以上より、発明鋼の衝撃値は、樹脂（プラスチックやビニール）の射出成形やブロー成形の金型に汎用的に用いられる比較鋼１よりも更に高いことが確認できた。
【００５６】
＜特性のまとめ＞
得られた結果を下記表２に総括して示す。なお、表２で示すコストは、樹脂（プラスチックやビニール）の射出成形やブロー成形の金型に汎用的に用いられる比較鋼１を基準の「Ａ」とし、それよりも安いものを「Ｓ」、比較鋼１より高いものを「Ｂ」と評価した。
【００５７】
【表２】
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【００５８】
表２に示すように、発明鋼は「Ｓ」と「Ａ」であり、「Ｂ」以下はない。一方で、比較鋼には「Ｂ」や「Ｃ」が含まれる。以上より発明鋼においては、鏡面研磨性に優れ、耐食性が高く、衝撃値が高いことを確認した。また、発明鋼は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌといった高価な元素の添加量が少なく抑えられており、コストを上昇させることなく上記の優れた特性を実現させていることが分かる。
【００５９】
以上、本発明の実施例を詳述したがこれはあくまで一例示である。例えば、本発明の鋼及び金型は、ショットピーニング，窒化処理，ＰＶＤ処理，ＣＶＤ処理，ＰＣＶＤ処理，メッキ処理，ＤＬＣコーティング処理などの表面改質処理と組み合わせて使用することも有効である。本発明の金型（部品を含む）の表面に、機械加工や腐食によって特定の模様（凹凸）を設けるシボ加工を追加することも本発明の付加価値を高める手法として有効である。また、本発明の鋼を棒状や線状として、金型や部品の溶接補修材として使用することも可能である。あるいは、本発明の鋼を板や粉末として、それらの積層造形によって金型や部品を製造することも可能である等、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。
【図１】
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【図２】
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