(57)【要約】【課題】  特開２００７−１４６２７８号からなる金型の補修に最適な溶接材料を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：２．００％以下、Ｎｉ：０．６０〜１．５０％、Ｃｒ：１．００超〜２．５０％以下、ＭｏとＷは単独または複合でＭｏ＋１／２Ｗ：０．１０〜１．００％、Ｖ：０．０３〜０．１５％、Ｃｕ：０．５０〜２．００％、Ｓ：０．００７〜０．０５％、残部はＦｅおよび不可避的不純物の鋼からなる金型に対しては、質量％で、Ｃ：０．０７〜０．２５％、Ｓｉ：０．４０〜１．００％、Ｍｎ：２．００％以下、Ｎｉ：０．４０〜１．５０％、Ｃｒ：０．８０超〜２．５０％以下、ＭｏとＷは単独または複合でＭｏ＋１／２Ｗ：０．０８〜１．００％、Ｖ：０．０２〜０．１５％、Ｃｕ：０．１０〜０．４５％、Ｓ：０．００５％以下、残部はＦｅおよび不可避的不純物の鋼からなる金型補修用溶接材料である。【選択図】図１
2010051982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：２．００％以下、Ｎｉ：０．６０〜１．５０％、Ｃｒ：１．００％を超え２．５０％以下、ＭｏとＷは単独または複合でＭｏ＋１／２Ｗ：０．１０〜１．００％、Ｖ：０．０３〜０．１５％、Ｃｕ：０．５０〜２．００％、Ｓ：０．００７〜０．０５％、残部はＦｅおよび不可避的不純物の鋼からなる金型を補修するための溶接材料であり、
該溶接材料の成分組成は、質量％で、Ｃ：０．０７〜０．２５％、Ｓｉ：０．４０〜１．００％、Ｍｎ：２．００％以下、Ｎｉ：０．４０〜１．５０％、Ｃｒ：０．８０％を超え２．５０％以下、ＭｏとＷは単独または複合でＭｏ＋１／２Ｗ：０．０８〜１．００％、Ｖ：０．０２〜０．１５％、Ｃｕ：０．１０〜０．４５％、Ｓ：０．００５％以下、残部はＦｅおよび不可避的不純物の鋼からなることを特徴とする金型補修用溶接材料。
【請求項２】
金型の硬さが３４〜４５ＨＲＣであることを特徴とする請求項１に記載の金型補修用溶接材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極めて優れた靭性、および被切削性と硬さを有し、かつ優れた研磨仕上性および耐摩耗性をも兼備した、主としてプラスチック成形に使用される金型用鋼を用いたことで、その金型を溶接補修する際に使用してこそ、優れた補修特性を発揮する溶接材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラスチック成形金型用鋼としては、
（１）鏡面仕上性が良く、ピンホールやその他微細ピットの発生傾向が小さいこと、
（２）シボ加工性が良いこと、
（３）耐食、耐発錆性が良いこと、
（４）強度、耐摩耗性、靭性が良いこと、
（５）被切削性が良いこと、
などが要求される。そこで、本出願人は、これらの特性を高いレベルで兼備した金型用鋼を提案している（特許文献１参照）。これは、３４〜４５ＨＲＣの硬さのプリハードン状態で供給すれば、そのまま型彫加工の後、研磨仕上げを施すことで、金型として使用できるものである。
【０００３】
プラスチック成形金型は、その自身の補修や設計変更の際には、溶接補修を行うことが比較的多い。よって、金型用鋼としては、その優れた溶接性も重要となる。ここで優れた溶接性とは、溶接時に割れが生じないことは当然のことながら、その溶接後も優れた鏡面仕上性やシボ加工性が維持されることを言う。そして、溶接補修後の金型表面が、その成形使用時には摩耗するとしても、摩耗が均一に進むことが重要である。つまり、溶接による熱影響部分の硬さが調質（狙い）硬さに対して高くなったり低くなったりし難いことである。そこで、特許文献１に記載の金型用鋼は、その適格な合金設計によって、優れた溶接性をも兼ね備えている。
【０００４】
よって、本件のプラスチック成形金型の分野においては、上記の溶接特性に優れた金型用鋼に対しても、その特性を最大限に発揮し得る（つまり、溶接部の硬さが、金型の調質硬さに収まり得る）最適な溶接補修材との組合せが重要である。そこで、金型の補修等の際に使用する溶接材料には、溶接部の特性と金型母材の特性との間に差が出ないという配慮から、金型とは近似した成分組成の材料を用いることもある。
【特許文献１】特開２００７−１４６２７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本出願人が提案した特許文献１の鋼からなる金型に対しては、上記の技術思想に従って、同一の成分組成を有した材料で溶接補修を行った場合、溶接時の割れも確認されず、溶接後の鏡面仕上げにおいても優れた鏡面が維持された。しかしながら、極精細な部分を溶接したときには、溶接部が急速で凝固され、金型母材よりは若干硬さが高くなった事例も認められた。このような硬さの異なる溶接部は、凸模様となって、成形品の表面仕上性を落とす。さらには、その硬度差の程度によっては、シボ加工時のムラや、そして上記した金型摩耗の不均一進行の発生も懸念されることから、特に透明部品等の高級な表面仕上性が要求される分野においては、溶接材の選定に改良の余地がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上述した要求に鑑み、本出願人の提案した特許文献１からなる金型に限定して、その補修等に最適な組合せの溶接材料を提供することである。具体的には、該金型の性能を維持しつつ、その溶接後においても優れた鏡面仕上性を有し、更にはシボ加工時のムラや成形時の不均一摩耗も抑制できるための、溶接部の硬さと金型母材の硬さを同等にできる溶接材料の提供である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
最初に、本発明者は、特許文献１で提案した金型（用鋼）として、その本発明の溶接補修対象となる成分組成を具体的にした。そして、この金型に対しては、それと溶接材料の組成、及び溶接後の組織と硬さの関係を詳細に検討した。その結果、溶接材料は、Ｓ量規制による割れ感受性の低減、及びＳｉ量最適化による湯流れ性の改善を図った上では、本発明の根幹目的である溶接部の硬さ調整と、そして重ねての割れ感受性の低減のためにこそ、Ｃｕ量の低減が重要であることを知見した。そして、これに加えては、他元素についても、その含有量を金型のそれより若干低減させる微調整が有効であることを見出し、本発明に到達した。
【０００８】
すなわち、本発明は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：２．００％以下、Ｎｉ：０．６０〜１．５０％、Ｃｒ：１．００％を超え２．５０％以下、ＭｏとＷは単独または複合でＭｏ＋１／２Ｗ：０．１０〜１．００％、Ｖ：０．０３〜０．１５％、Ｃｕ：０．５０〜２．００％、Ｓ：０．００７〜０．０５％、残部はＦｅおよび不可避的不純物の鋼からなる金型を補修するための溶接材料であり、該溶接材料の成分組成は、質量％で、Ｃ：０．０７〜０．２５％、Ｓｉ：０．４０〜１．００％、Ｍｎ：２．００％以下、Ｎｉ：０．４０〜１．５０％、Ｃｒ：０．８０％を超え２．５０％以下、ＭｏとＷは単独または複合でＭｏ＋１／２Ｗ：０．０８〜１．００％、Ｖ：０．０２〜０．１５％、Ｃｕ：０．１０〜０．４５％、Ｓ：０．００５％以下、残部はＦｅおよび不可避的不純物の鋼からなることを特徴とする金型補修用溶接材料である。
【０００９】
そして、上記に好ましくは、その金型の狙い硬さを３４〜４５ＨＲＣとすることで、本発明の作用効果を最大限に発揮するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、透明樹脂部品や転写性の良い樹脂等の成形用途など、金型への要求品質の厳しさから、従来溶接補修が厳禁とされ、交換時には金型を新たに作製せざるを得なかった場合でも、溶接補修による再生が可能であり、近年のコスト低減の強い要求に応え得ることができる。さらに、成形時の不均一摩耗が発生し難いため、溶接補修により、従来よりも金型の長寿命化を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の根幹をなす特徴は、上述の通り、特許文献１よりなる金型の成分組成に対しては、溶接材料の成分組成、とりわけＳ量の規制とＳｉ量の最適化、そしてＣｕ量の低減管理を行ったことで、種々の溶接性の向上、特には溶接部の硬さ制御を達成できたところにある。
【００１２】
最初に、本発明の溶接補修の対象となる、金型について述べておく。本発明に供する金型は、本願出願人自身が既に提案したものであって、その成分組成は、特許文献１に記載される通りの“公知”である。つまり、特許文献１の金型用鋼は、その適格な合金設計によって、極めて優れた靭性、および被切削性と硬さを有しており、かつ優れた研磨仕上性および耐摩耗性と、しかも溶接性をも兼備している。そこで本発明では、この公知の金型に対してこそ、その補修に最適な溶接材料をも提供することで、諸特性に優れた金型の長寿命化を達成するものである。
【００１３】
本発明に供する金型の成分組成は、質量％にて、以下とする。
Ｃ  ：０．１０〜０．２５％、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：２．００％以下、
Ｎｉ：０．６０〜１．５０％、
Ｃｒ：１．００％を超え２．５０％以下、
ＭｏとＷは単独または複合で、Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．１０〜１．００％、
Ｖ  ：０．０３〜０．１５％、
Ｃｕ：０．５０〜２．００％、
Ｓ  ：０．００７〜０．０５％、
残部：Ｆｅおよび不可避的不純物
【００１４】
以下、本発明の金型補修用溶接材料の成分限定（質量％）の理由について述べる。
Ｃは、溶接部の割れ感受性を含め、基本的な凝固硬さを左右する元素である。したがって、金型のＣ量（０．１０〜０．２５％）に対しては、急速に凝固する溶接部の割れ感受性の低減化と、過度の硬化防止のために、０．０７〜０．２５％とする。好ましくは、金型のＣ量０．１３〜０．２０％に対し、０．１０〜０．２０％である。本発明の溶接材料のＣ量は、その金型のＣ量に対しては、同等か、もしくは低減させることが、より望ましい。
【００１５】
Ｓｉは、湯流れ性を良くし、また、耐食性を高めることから、溶接材料にとってこそ重要な元素である。つまり、金型のＳｉ量（１．００％以下）に対しては、それに同様、機械的特性を低下させることから、やはり１．００％以下とし、この範囲内での調整が可能であるものの、少なすぎると上記の効果が得られない。そこで、本発明のＳｉは、０．４０〜１．００％とする。好ましくは、０．５０〜１．００％である。
【００１６】
Ｍｎは、金型のＭｎ量（２．００％以下）に対しては、同様に、組織、硬さなどを調整する元素であり、２．００％以下として、この範囲内での調整が可能である。好ましくは、金型のＭｎ量１．００〜２．００％に対し、０．８０〜２．００％、より好ましくは、同１．２０〜２．００％に対し、１．００〜２．００％である。本発明の溶接材料のＭｎ量は、その金型のＭｎ量に対しては、同等か、もしくは低減させることが、より望ましい。
【００１７】
Ｎｉは、金型のＮｉ量（０．６０〜１．５０％）に対しては、溶接部の組織、靱性などを調整する元素として、０．４０〜１．５０％とし、この範囲内での調整が可能である。好ましくは、金型のＮｉ量０．６０〜１．２０％に対し、０．４０〜１．２０％である。本発明の溶接材料のＮｉ量は、その金型のＮｉ量に対しては、同等か、もしくは低減させることが、より望ましい。
【００１８】
Ｃｒは、金型のＣｒ量（１．００超〜２．５０％）に対しては、溶接部の組織、硬さおよび耐食性などの主特性を調整する元素として、０．８０越〜２．５０％とし、この範囲内での調整が可能である。好ましくは、金型のＣｒ量１．４０〜２．２０％に対し、１．２０〜２．２０％、より好ましくは、同１．６０〜２．００％に対し、１．４０〜２．００％である。本発明の溶接材料のＣｒ量は、その金型のＣｒ量に対しては、同等か、もしくは低減させることが、より望ましい。
【００１９】
Ｍｏおよび／またはＷは、金型のＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗの関係で０．１０〜１．００％）に対しては、溶接部の硬さおよび耐食性などを調整する元素として、同じくＭｏ当量にて０．０８０〜１．００％とし、この範囲内での調整が可能である。好ましくは、金型のＭｏ当量０．１０〜０．７０％に対して、０．０８〜０．７０％である。本発明の溶接材料のＭｏ当量は、その金型のＭｏ当量に対しては、同等か、もしくは低減させることが、より望ましい。
【００２０】
Ｖは、金型のＶ量（０．０３〜０．１５％）に対しては、結晶粒の粗大化を抑制し、溶接部の靱性および耐摩耗性などを調整する元素として、０．０２〜０．１５％とし、この範囲内での調整が可能である。好ましくは、金型のＶ量０．０５〜０．１２％に対して、０．０３〜０．１２％である。本発明の溶接材料のＶ量は、その金型のＶ量に対しては、同等か、もしくは低減させることが、より望ましい。
【００２１】
Ｃｕは、本発明の溶接材料にとっては、その溶接部の割れ感受性を高め、また、溶接部の硬さを高める作用が高いことから、金型母材−溶接部間の硬さ調整に強く影響を及ぼす重要元素である。そこで、金型のＣｕ量（０．５０〜２．００％）に対しては、溶接材料のＣｕ量は低減する必要がある。そして、本発明においては、０．４５％以下という、金型のＣｕ下限を下回る量にまで規制する。しかし、少なすぎると、金型の狙い組織（下部ベイナイト）とは異なった組織（上部ベイナイト）に近づき、さらには耐食性の低下も招くことから、０．１０％以上とする。好ましくは０．２０％以上である。
【００２２】
Ｓは、割れ感受性を高める元素である。ここで、本発明に供される金型にとっては、その被削性と鏡面仕上性の兼備のためには、ある程度のＳ量が必要であるが、本発明の溶接部自体には、さほどの被削性は要求されない。よって、金型のＳ量（０．００７〜０．０５％）に対しては、溶接材料のそれは、割れ感受性の低減を優先するからこそ規制する必要がある。従って、本発明の溶接材料のＳ量は、０．００５％以下の、金型のＳ下限を下回る量にまで規制する。望ましくは０．００４％以下である。
【００２３】
また、本発明に供される金型においては、その優れた冷間塑性加工性、鏡面加工性、そして被削性や磨き性などの維持・向上のためには、Ａｌ、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）を規制することが望ましい。そして、本発明の溶接材料においても、同様に規制することが好ましい。
【００２４】
Ａｌは、通常、溶製時の脱酸元素として用いられるが、本発明の金型および／または溶接材料においては、その鋼中に存在するＡｌ２Ｏ３が鏡面加工性を低下させるので、０．１０％以下に規制することが好ましい。より好ましくは０．０５％以下、そして０．０１％以下であり、更に好ましくは０．００２％以下である。
【００２５】
Ｏ（酸素）は、鋼中に酸化物を形成する元素であり、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。特に本発明の金型および／または溶接材料にとっては、上記のＡｌ２Ｏ３の形成を抑えることが有効であることから、Ｏの上限を０．００５％、好ましくは０．００３％に規制することが好ましい。そして、磨き性の向上にとっては、更に低く、例えば０．００１％以下にまで規制管理することも望ましい。ただし、Ａｌ２Ｏ３の低減を狙うにおいては、既に上記のＡｌ低量管理を採用したのであれば、これに加えて、Ｏ量そのものの低量管理までは特に厳しく求めない。よって、０．００１％を超えることも十分に許容される。
【００２６】
Ｎは、鋼中において窒化物を形成する元素である。窒化物は過多に形成されると、金型や溶接材料の靭性、被削性および磨き性を著しく劣化する。したがって、鋼中のＮを低く規制することは有効であり、本発明の金型および／または溶接材料では、０．０６％以下に規定することが好ましい。より好ましくは０．０２％以下、さらに好ましくは０．００５％以下である。
【００２７】
その他、本発明の溶接材料は、金型も同様、Ｎｂ：０．５％以下（好ましくは０．０１〜０．１％）、Ｔｉ：０．１５％以下、Ｚｒ：０．１５％以下、Ｔａ：０．１５％以下のうちの、いずれか１種以上を添加することができる。
【００２８】
また、Ｚｒ：０．００３〜０．２％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、Ｐｂ：０．０３〜０．２％、Ｓｅ：０．０３〜０．２％、Ｔｅ：０．０１〜０．１５％、Ｂｉ：０．０１〜０．２％、Ｉｎ：０．００５〜０．５％、Ｃｅ：０．０１〜０．１％のうちの、いずれか１種以上を添加することができる。
【００２９】
更に、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍおよび、その他のＲＥＭ元素を、合計にて０．０００５〜０．３％含有させることもできる。
【００３０】
本発明の溶接材料であれば、その使用による溶接部は、３４〜４５ＨＲＣの硬さに調質された金型に対して、特にその硬さ域への調整が容易である。
【実施例】
【００３１】
まず、本発明に供される金型として、硬さを３８．６ＨＲＣに調質した１５ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍの母材を準備した。そして、溶接材料として、前記母材と同一素材より作製した２．０ｍｍ×２．０ｍｍ×３００ｍｍＬの溶接棒Ｂ（比較例）と、別の素材より作製したΦ２．５ｍｍ×３００ｍｍＬの溶接棒Ａ（本発明例）を用意した。それぞれの成分を表１に示す。
【００３２】
【表１】
2010051982.tif 000003
【００３３】
次に、図１に示す通り、母材に半径３ｍｍの半円加工を２ヶ所施して、その加工部分に上記の溶接棒Ａ、Ｂを用いたＴＩＧ溶接による肉盛溶接を行った。溶接条件は、予熱２５０℃、後熱４００℃、溶接電流８０−１２０Ａ、Ａｒガス流量１０Ｌ／ｍｉｎである。そして、平行研磨により余分な肉盛部を除去し、一般的な鏡面加工であるペーパー→ダイヤモンドコンパウンド方式にて鏡面仕上げを行ってから、全体の鏡面性の評価、および、その鏡面仕上面の母材部・熱影響部・溶接部のビッカース硬さ（荷重：３００ｇ）を測定した。鏡面性の評価は、鏡面仕上性の要求レベルが厳しい透明樹脂分野の成形金型を基準において、その使用上問題のないレベルを○、使用可能レベルを△、使用できないレベルを×とする、３段階評価で行った。
【００３４】
また、上記と同様に平行研磨後の試料を用意して、＃８００のペーパー研磨後、微細梨地シボ加工を行い、シボ加工性を評価した。評価方法は、シボ加工性の要求レベルが厳しい艶無し樹脂分野の成形金型を基準において、その使用上問題のないレベルを○、使用可能レベルを△、使用できないレベルを×とする、３段階評価で行った。以上の試験結果を表２にまとめる。
【００３５】
【表２】
2010051982.tif 000004
【００３６】
表２の通り、本発明である溶接棒Ａを使用した場合、母材部〜溶接部に亘る硬さにほとんど差が生じず、そして鏡面仕上性、及びシボ加工性も良好であった。一方、溶接棒Ｂを使用した場合、鏡面仕上性、及びシボ加工性については許容範囲内であったが、溶接部の硬さが若干高くなった。なお、溶接部の割れについては、どちらの溶接棒を使用した場合も、その発生は確認されなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の金型補修用溶接材料は、特許文献１からなる金型との組合せのみならず、例えば、金型と同一もしくは近似の成分でなければならないほどの、厳しい特性が要求される分野でなければ、その他の金型の溶接材料としても使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例で用いた溶接方法を説明する図である。
【図１】
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