(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶製法により製造され、焼入れ後の焼戻し温度が４５０℃以上である高硬度高耐食性ＩＣモールド用金型鋼において、重量%で、Ｃ：１．０〜１．６％、Ｓｉ：０．７〜１．５％、Ｍｎ：１．６６％以下、Ｃｒ：１２．０〜２０．０％、Ｍｏ：１．４％以上３．０％未満、Ｖ：０．１〜１．５％を含み、かつ２５×Ｃ％＋Ｃｒ％の値が４０〜５６、Ｃｒ／Ｃの値が１０〜１７であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、不純物元素のうち、Ｐ：０．０２０％以下に制限され、かつ前記金型の硬さが６０ＨＲＣ以上であることを特徴とする高硬度高耐食性ＩＣモールド用金型鋼。
【請求項２】
溶製法により製造され、焼入れ後の焼戻し温度が４５０℃以上である高硬度高耐食性ＩＣモールド用金型鋼において、重量%で、Ｃ：１．０〜１．６％、Ｓｉ：０．７〜１．５％、Ｍｎ：１．６６％以下、Ｃｒ：１２．０〜２０．０％、Ｍｏ：１．４％以上３．０％未満、Ｗ：２．０％以下、Ｖ：０．１〜１．５％を含み、かつ２５×Ｃ％＋Ｃｒ％の値が４０〜５６、Ｃｒ／Ｃの値が１０〜１７であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、不純物元素のうち、Ｐ：０．０２０％以下に制限され、かつ前記金型の硬さが６０ＨＲＣ以上であることを特徴とする高硬度高耐食性ＩＣモールド用金型鋼。
【請求項３】
請求項１または２に記載の不純物元素のうち、特にＰ：０．０１５％以下に制限したことを特徴とする高硬度高耐食性ＩＣモールド用金型鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金型鋼、特に半導体の樹脂封止工程に用いられるＩＣモールド用金型鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の樹脂封止工程に用いられる金型には、通常その特性として耐摩耗性や耐食性に優れていること、ピンホールのないこと、また熱処理変形が均一で小さいことなどが要求され、従来ＳＵＳ４４０Ｃ，ＳＫＤ１１相当などの溶製材が用いられてきた。しかしＳＵＳ４４０Ｃでは、５８ＨＲＣ以上の硬さを安定して確保するのが困難であること、またＳＫＤ１１クラスでは、耐食性が必ずしも満足できず、さらに変形を嫌うため高温焼戻しを行うと硬さも得難いなどの問題があった。そのため、上記特性を満足するためには、さらに高合金化が必要となり、特開昭６２―２９４１４９号、特開昭６３―１６９３５８号や特開平３―２７７７４７号に開示されるような粉末冶金法による金型が提案されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記各公報に提案されるような粉末法においては、ピンホールの原因となる非金属介在物の低減に高度の技術を必要とすること、また製造コストが高いなどの問題がある。
本発明の目的は、高硬度で耐摩耗性、耐食性が従来材のＳＵＳ４４０ＣやＳＫＤ１１に比較して同等以上であり、しかも粉末法によらずとも、溶製法で安価に製造が可能な金型鋼を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１発明は、溶製法により製造され、焼入れ後の焼戻し温度が４５０℃以上である高硬度高耐食性ＩＣモールド用金型鋼において、重量%で、Ｃ：１．０〜１．６％、Ｓｉ：０．７〜１．５％、Ｍｎ：１．６６％以下、Ｃｒ：１２．０〜２０．０％、Ｍｏ：１．４％以上３．０％未満、Ｖ：０．１〜１．５％を含み、かつ２５×Ｃ％＋Ｃｒ％の値が４０〜５６、Ｃｒ／Ｃの値が１０〜１７であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、不純物元素のうち、Ｐ：０．０２０％以下に制限され、かつ前記金型の硬さが６０ＨＲＣ以上であることを特徴とする高硬度高耐食性ＩＣモールド用金型鋼である。
【０００５】
また、第２発明は、溶製法により製造され、焼入れ後の焼戻し温度が４５０℃以上である高硬度高耐食性ＩＣモールド用金型鋼において、重量%で、Ｃ：１．０〜１．６％、Ｓｉ：０．７〜１．５％、Ｍｎ：１．６６％以下、Ｃｒ：１２．０〜２０．０％、Ｍｏ：１．４％以上３．０％未満、Ｗ：２．０％以下、Ｖ：０．１〜１．５％を含み、かつ２５×Ｃ％＋Ｃｒ％の値が４０〜５６、Ｃｒ／Ｃの値が１０〜１７であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、不純物元素のうち、Ｐ：０．０２０％以下に制限され、かつ前記金型の硬さが６０ＨＲＣ以上であることを特徴とする高硬度高耐食性ＩＣモールド用金型鋼である。上記金型鋼の熱間加工性を高めるために、不純物元素のうち、特にＰの含有量を０．０１５％以下に制限するのが好ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
Ｃ：１．０〜１．６％
Ｃは、熱処理による硬さを確保するとともに、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなどの炭化物形成元素と結合して硬い炭化物を生成し、金型に必要な耐摩耗性を維持するに必要な元素である。このような効果を発揮するためには、１．０％以上が必要であるが多すぎると炭化物が熱間加工性や金型の靭性が劣化するので１．６％を上限とした。
Ｓｉ：０．７〜１．５％
Ｓｉは、通常は脱酸剤として添加するが、その他の効果として焼戻し工程でセメンタイトの析出を阻止して、焼戻し２次硬化することにより硬さを増大させるのに有効な元素である。このような効果を得るために、Ｓｉは０．７％以上が必要であるが、過剰になると加工性が著しく劣化するので、１．５％を上限とした。
Ｍｎ：１．６６％以下
Ｍｎは、通常Ｓｉと同じく脱酸剤として用いられる。また、焼入れ性にも効果があるが１．６６％を越えると焼きなまし硬さが下がり難く、また熱間加工性も低下するので１．６６％を上限に、好ましくは１．５％を上限とする。
【０００７】
Ｃｒ：１２．０〜２０．０％
Ｃｒは、Ｃと結合して硬い炭化物を生成して耐摩耗性を向上させると同時に、基地中にも固溶して緻密な不働態皮膜を形成し耐食性を保持したり、焼入れ性を増大させる重要な元素である。
Ｃｒが１２％未満では、耐食性が低下したり炭化物量が不足し耐摩耗性が劣化すなど上記効果が十分得られず、逆にＣｒが２０．０％を越えると、固溶Ｃが不足して焼入れ焼戻し硬さが下がるので、その範囲を１２．０〜２０．０％に限定した。また、Ｃｒの作用はＣ量との関係により左右されるので、上記のＣｒの範囲だけにとどまらず、以下に示すＣｒとＣとの関係を同時に満足させることが必要である。すなわち、本発明鋼の耐食性を保持するためにはＣｒ／Ｃの値が１０以上必要であるが、１７を越えると焼入れ焼戻し硬さが下がるのでＣｒ／Ｃの値を１０〜１７に限定する。さらに一次炭化物の量の指標となる２５Ｃ＋Ｃｒの値は、十分な耐摩耗性を付与するために４０以上が必要であるが、５６を越えると、炭化物が多くなり過ぎて加工性を著しく害し金型の製造が困難となるので、２５Ｃ＋Ｃの値を４０〜５６に制限する。
【０００８】
Ｍｏ：１．４％以上３．０％未満
Ｍｏは、Ｃと結合して微細な複合炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。また、これらの微細炭化物の存在により、Ｃｒが主体となって形成されるＭ7Ｃ3型の炭化物の粗大化を抑制する効果があり、これによりピンホールの生成要因が軽減される。また、Ｍｏは、基地中に固溶して不働態皮膜を強化し耐食性を向上させるのに有効な元素であり、これらの効果を発揮するためには、１．４％以上が必要であるが、過剰に含有すると熱間加工性を著しく劣化させるので上限は３．０％未満に限定した。Ｍｏの望ましい範囲は１．６〜２．８％である。
Ｗ：２．０％以下
Ｗは、必ずしも添加する必要はないが、Ｍｏと同様にＣと結合して硬い炭化物を形成する元素であり、また２次硬化性に寄与し、焼入れ焼戻し硬さを高める作用を有するので、Ｍｏを必須添加したうえで、必要に応じて添加される。しかし、Ｗを添加する場合には、多量に含有すると熱間加工性を害するので上限を２．０％とするのがよい。
【０００９】
Ｖ：０．１〜１．５％
Ｖは、少量添加でオーステナイト結晶粒の粗大化防止による靭性向上の効果があり、このためには０．１％以上が必要である。そのほか焼入れ性を良くしたり、炭化物形成による耐摩耗性増大の効果もある元素であるが多量に含有すると、基地中のＣ量が減少するため焼入れ硬さが低下したり、また加工性も劣化するので上限を１．５％とした。
【００１０】
Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは、一般には不純物として扱われ、かつ熱間の靭性を阻害する元素である。したがって、Ｐは低いほど望ましいが製造コストとの関連で、熱間加工性を阻害しない限界として０．０２０％を上限に、好ましくは０．０１5％を上限とした。
本発明の金型の硬さが６０ＨＲＣ以上は高耐摩耗性を維持するに必要条件であり、焼入れ焼戻し、あるいは、深冷処理を含む焼入れ焼戻しにより達成される。また、本発明の最大の特徴は、溶製法により製造されることでである。前述のように、本発明組成範囲の材料は粉末法によれば公知のものであるが、粉末法技術に関わるコスト的理由が普及を妨げているのが実状であることから、本発明は、経済的観点より溶製法により製造することにより目的を達成できたものである。
【００１１】
【実施例】
（実施例）
次に実施例により、本発明を詳細に説明する。
表１に実施例に用いた本発明鋼および従来鋼、比較鋼の化学成分を示す。
各試料は真空誘導溶解炉にて溶製後、分塊―仕上鍛造を経て２５ｍｍ角の棒状に鍛伸した。なお、鍛伸中に割れの発生具合を観察し、その結果を○印（良好）、△印（少し傷）、×印（割れ大）、××印（割れ非常に大、試験片採れず）の４段階で評価をした。その後、８５０℃で焼きなましを施し、次いで試験片に加工した後、焼入れ焼戻しを施した試料について、硬さ測定と耐食性試験を行った。
【００１２】
熱処理条件は、本発明鋼、比較鋼については、焼入れを１１２５℃加熱空冷し、−７５℃（ドライアイス＋アルコール）で深冷処理したのち４８０℃加熱で焼戻しする場合と、１１００℃加熱空冷焼入れ後、そのまま５４０℃で焼戻しする場合の両方を実施した。
従来鋼については、従来の熱処理条件にしたがって、Ｎｏ．３１は、焼入れは１０７５℃加熱空冷後、５２０℃で焼戻しした。また、Ｎｏ．３２は焼入れ１０５０℃加熱空冷後、５２０℃焼戻しと１１００℃加熱空冷焼入れ後−７５℃で深冷処理したのち４８０℃で焼戻しする場合の両方を行なった。なお、焼戻しはいずれも同一温度で２回繰り返し加熱を実施した。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
耐食性試験は、試験片を鏡面研磨したのち、２．５％硝酸溶液中に常温で１２０分浸漬し、腐食の度合いにより○印は良、△印は中間、×印は不良、とする３段階で評価をした。これらの結果を表２に示す。
【００１５】
【表２】
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【００１６】
表１に示す本発明鋼は、鋼の組成を適正に組合せることにより、いずれも２５，ｍｍ角までの鍛伸が可能であった。また焼入れ後、４５０℃以上の高温焼戻しでも６０ＨＲＣ以上の硬さが確保出来、さらに深冷処理を導入する場合は、６２ＨＲＣ以上の硬さも得ることができた。これらの硬さは、従来材であるＳＵＳ４４０Ｃをはるかに凌駕するものであるが、耐食性は同等レベルのもである。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、粉末法によらずとも溶製法により、高硬度でかつ耐食性にすぐれた金型鋼を提供するものであり、耐摩耗性、耐食性を必要とする金型、治工具に適するが、特にＩＣモールド型に適用されてその効果を発揮するものである。