(57)【要約】【課題】  ３５ＨＲＣ前後で鏡面加工しても介在物起因によるピットで鏡面性が低下せず、４０ＨＲＣクラスと同等の鏡面性が確保できるプラスチック金型用鋼を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｎｉ：２．０〜４．０％、Ｃｕ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．５〜２．０％、Ｔｉ／Ｎ：０．１〜１．０、Ｏ：２０ｐｐｍ以下、Ｎ：１５０ｐｐｍ以下、Ｓ：０．００５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする鏡面性に優れたプラスチック金型用鋼。また、上記に加えて、硬さ３０〜４２ＨＲＣで、ＡｌＮ介在物の大きさが極値統計法（√ＡＲＥＡmax ）により推定をしたときに５０μｍ以下である鏡面性に優れたプラスチック金型用鋼。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．２０％、
Ｓｉ：０．１〜２．０％、
Ｍｎ：０．５〜２．５％、
Ｎｉ：２．０〜４．０％、
Ｃｕ：０．５〜２．０％、
Ａｌ：０．５〜２．０％、
Ｔｉ／Ｎ：０．１〜１．０、
Ｏ：２０ｐｐｍ以下、
Ｎ：１５０ｐｐｍ以下、
Ｓ：０．００５％以下、
残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする鏡面性に優れたプラスチック金型用鋼。
【請求項２】
硬さ３０〜４２ＨＲＣで、ＡｌＮ介在物の大きさが極値統計法（√ＡＲＥＡmax ）により推定をしたときに５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の鏡面性に優れたプラスチック金型用鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐割れ性、鏡面性に優れたプラスチック金型用鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、プラスチック部品およびプラスチック製品成形用の金型は、自動車部品を始め、事務機器部品、精密機械部品、電気部品、光学機器部品などに到るまで、種々の部品、製品を製造するために、鏡面加工が加えられ、使用されている。特に光学レンズや注射器などの医療機器等の透明なプラスチック製品などは、それらの表面は極めて平滑な表面肌が求められている。従って、その形成に用いる金型用鋼は高度な鏡面仕上げ性が要求されている。
【０００３】
また、最近、プラスチック成形用金型用鋼においても多品種少量生産の傾向があると同時に、全体の費用に占める金型製作費の比率上昇に伴い、金型製作の簡便化、切削工具の寿命延長による低コスト化、高精密化等の厳しい条件が求められるようになって来ているのが実情である。このような技術背景のもとに、一方で硬さ４０ＨＲＣ前後で使用されるプラスチック金型用鋼は、鏡面性および被削性などが必要とされる。
【０００４】
また、近年では、複雑な金型形状に加工されるため、耐割れ性も要求される場合が多くなっている。この耐割れ性の向上に対しては、組織を変化させるか、硬度を下げるなどの対策が採られているが、しかしながら、組織を変化させる場合は特殊な熱処理が必要となる。さらに、硬度を下げた場合には、介在物によるピットが発生し易くなるため、鏡面性が低下するという問題がある。そのため、３５ＨＲＣ前後で使用した場合でも通常の４０ＨＲＣクラスと同等の鏡面性が確保できるプラスチック金型用鋼が望まれてきた。
【０００５】
上記した背景のもとに、例えば、特開昭６０−６７６４１号公報（特許文献１）に開示されているように、Ｎｉ−Ｃｕ−Ａｌ系析出硬化鋼で、鏡面性に悪影響を及ぼすＡｌ2 Ｓ3 等の硫化物を低減するため、Ｓを０．０１５％以下としている。また、特開２０００−２９７３５３号公報（特許文献２）に開示されているように、Ｎｉ−Ｃｕ−Ａｌ系析出硬化鋼で、耐食性のためＣｒが添加されている。また、鏡面性に悪影響を及ぼす酸化物、窒化物を低減するため、Ｎを０．０２％以下、Ｏを０．００３％以下に規制している。
【０００６】
さらに、特開２００４−５９９９３号公報（特許文献３）に開示されているように、Ｎｉ−Ｃｕ−Ａｌ系析出硬化鋼で、被削性のためにＢが添加されている。また、鏡面性に悪影響を及ぼす硫化物、酸化物、窒化物を低減するため、Ｓを０．００２％以下、Ｏを０．００１５％以下、Ｎを０．０１％以下に規制している。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６０−６７６４１号公報
【特許文献２】特開２０００−２９７３５３号公報
【特許文献３】特開２００４−５９９９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した特許文献１での鋼材では、４０ＨＲＣで使用されるため、硬さを３５ＨＲＣ前後に下げた場合に特に問題となるＡｌＮなどの硬質窒化物については何らの考慮もされていない。また、特許文献２での鋼材では、３８〜４５ＨＲＣで使用されるため、硬さを３５ＨＲＣ前後に下げた場合に特に問題となるＡｌＮの大きさについては何らの考慮もされていない。さらに、特許文献３での鋼材では、４０ＨＲＣで使用され、本発明で課題としたＡｌＮの大きさについては何らの考慮もされていない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、鏡面仕上げ性と耐割れ性を兼備し、３０〜４２ＨＲＣの範囲で、特に３５ＨＲＣ前後で鏡面加工しても介在物起因によるピットで鏡面性が低下せず、４０ＨＲＣクラスと同等の鏡面性が確保できるプラスチック金型用鋼を提供するものである。その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｎｉ：２．０〜４．０％、Ｃｕ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．５〜２．０％、Ｔｉ／Ｎ：０．１〜１．０、Ｏ：２０ｐｐｍ以下、Ｎ：１５０ｐｐｍ以下、Ｓ：０．００５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする鏡面性に優れたプラスチック金型用鋼。
（２）硬さ３０〜４２ＨＲＣで、ＡｌＮ介在物の大きさが極値統計法（√ＡＲＥＡmax ）により推定をしたときに５０μｍ以下であることを特徴とする前記（１）に記載の鏡面性に優れたプラスチック金型用鋼にある。
【発明の効果】
【００１０】
以上述べたように、本発明はＴｉを添加し、粗大ＡｌＮの生成を抑制するために、Ｎを１５０ｐｐｍ以下とし、Ｔｉ／Ｎ：０．１〜１．０とすること、さらに加えて、ＡｌＮの大きさを限定することで、耐割れ性、鏡面仕上げ性に優れた優れたプラスチック金型用鋼によりコストダウンを図ることを可能とした鋼にある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る耐割れ性、鏡面仕上げ性に優れたプラスチック金型用鋼の化学成分の組成範囲限定理由について説明する。
Ｃ：０．０５〜０．２０％
Ｃは、硬さおよび焼入れ性を確保するために必要が元素である。その効果を有効に得るためには０．０５％必要である。しかし、過剰に添加した場合には、被削性を低下させ、加えて時効硬化後の靱性および溶接性を低下させるので、その上限を０．２０％とする。好ましくは０．０８〜０．１５％とする。
【００１２】
Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｓｉは、溶製時の脱酸剤として必要不可欠な元素である。そのためには、０．１％が必要であるが、しかし、多すぎると時効硬化後の靱性を低下させるので、その上限を２．０％とする。好ましくは１．０％以下とする。
Ｍｎ：０．５〜２．５％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に、溶製時の脱酸剤としての元素である。そのためには、０．５％が必要であるが、しかし、多すぎると被削性および時効硬化後の靱性を低下させるので、その上限を２．５％とする。好ましくは１．０〜２．０％とする。
【００１３】
Ｎｉ：２．０〜４．０％
Ｎｉは、焼入れ性を高め、また、時効処理時に高硬度を得、さらに、プラスチック金型に必要な加工性を得るための靱性を確保させるために有効な元素である。そのためには２．０％の添加が必要である。しかし、多すぎると被削性を低下させるために、その上限を４．０％とする。好ましくは２．５〜３．５％とする。
【００１４】
Ｃｕ：０．５〜２．０％
Ｃｕは、微細析出による析出硬化をもたらす時効硬さを確保する有効な元素である。そのためには、０．５％の添加が必要である。しかし、多すぎる添加は熱間加工性を低下させるために、その上限を２．０％とする。好ましくは０．８〜１．２％とする。
Ａｌ：０．５〜２．０％
Ａｌは、時効硬さを確保する上で必須の元素である。そのためには、０．５％の添加が必要である。しかし、多すぎる添加は硬質介在物ＡｌＮを生成させ鏡面性を低下させるだけでなく、靱性を低下させるために、その上限を２．０％とする。好ましくは０．８〜１．５％とする。
【００１５】
Ｔｉ／Ｎ：０．１〜１．０
Ｎは、硬質介在物ＡｌＮを生成し、鏡面仕上げ性を低下させるため、できるだけ低くすることが望ましいとされてきた。しかしながら、時効硬さを確保するため、Ａｌを多量に添加していることから、Ｎを低くするだけでは、粗大ＡｌＮの生成を確実に抑制することは困難である。また、Ｎを低くするには、製造上多大な労力を必要とし、製造コストの上昇を招くという問題点があった。そこで、本発明では、Ｎが一定量以下であれば、Ｔｉを利用することで、粗大ＡｌＮの生成を抑制できることを見出した。
Ｔｉ／Ｎは、本発明の最大の特徴とするＡｌＮを生成する前にＴｉ添加によって微細ＴｉＮを生成し、粗大ＡｌＮ生成の抑制を図るものである。そのためには、Ｔｉ／Ｎを０．１以上とする必要がある。一方、Ｔｉ／Ｎが１．０を超えると粗大ＴｉＮが生成し、鏡面性に悪影響を及ぼすことから、その範囲を０．１〜１．０とする。好ましくは０．３〜０．８とする。なお、Ｔｉの添加は１０〜５０ｐｐｍとすることが好ましい。
【００１６】
Ｏ：２０ｐｐｍ以下
Ｏは、本発明に係る鏡面仕上げ性に優れたプラスチック成形金型用鋼を得るために、その溶製時に２０ｐｐｍ以下とすることが必要となる。これを超えると鏡面仕上げ性が低下するためである。好ましくは１２ｐｐｍ以下とする。
Ｎ：１５０ｐｐｍ以下
Ｎは、Ａｌと窒化物を生成し、オーステナイト粒を微細化し、均一な組織が得られるが、硬質介在物ＡｌＮを生成し易く、鏡面仕上げ性を低下させるため、少ない方が望ましい。しかし、単にＮ量を減らすだけでは粗大ＡｌＮの生成抑制に対する効果は小さく、Ｔｉを利用し、Ｔｉ／Ｎで一定範囲内とすることで粗大ＡｌＮの抑制が可能である。しかし、Ｎが多すぎるとＴｉ添加の効果も無く硬質の粗大な窒化物を生成し、鏡面仕上げ性の低下を招くこととなるため、１５０ｐｐｍ以下とする。好ましくは１００ｐｐｍ以下とする。
【００１７】
Ｓ：０．００５％以下
Ｓは、Ｏと同様に、本発明に係る鏡面仕上げ性に優れたプラスチック成形金型用鋼を得るために、その溶製時に０．００５％以下とすることが必要となる。これを超えると鏡面仕上げ性が低下するためである。好ましくは０．００２％以下とする。
硬さ３０〜４２ＨＲＣ
硬さは、鏡面仕上げ性を確保するためであり、そのためには３０ＨＲＣ以上必要である。しかし、４２ＨＲＣを超えると被削性および耐割れ性が低下することから、その硬さを、３０〜４２ＨＲＣとする。
【００１８】
ＡｌＮ介在物の大きさが極値統計法（√ＡＲＥＡmax ）により推定をしたときに５０μｍ以下
ＡｌＮ介在物の大きさが５０μｍを超えると、鏡面性を確保することが出来ない。従って、鏡面性を確保するためには、ＡｌＮ介在物の大きさが５０μｍ以下にする必要がある。ここで、極値統計法とは、ある母集団から複数個の試験片を採取し、個々の試験片に存在する最大介在物（硬質の介在物で、鏡面性および被削性に影響を及ぼす硫化物系介在物を除く非金属介在物）の大きさを測定し、それを極値確率紙にプロットすることにより、母集団あるいは任意の体積（面積）中に存在する最大の介在物の大きさ（√ＡＲＥＡmax ）を予測するものであり、他の介在物評価方法と同様に量産材の介在物評価に用いられており、特に今回の供試材においては、１視野の面積を１０ｍｍ×１０ｍｍとし、各供試材につき３０視野毎に介在物の測定を行ない予測面積を３００００ｍｍ2 として、極値統計法により最大介在物の大きさを推定したものである。
【００１９】
本発明に係る耐割れ性、鏡面仕上げ性に優れたプラスチック金型用鋼において、極値統計法（√ＡＲＥＡmax ）により推定をしたときの最大のＡｌＮ硬質介在物の大きさが５０μｍ以下であることが必要となる。ここでＡｌＮ硬質介在物の大きさを５０μｍ以下としたのは、ＡｌＮ硬質介在物の大きさがこれ以上となると、鏡面仕上げ性が低下するためである。また、本発明に係るプラスチック金型用鋼は、圧延もしくは鍛造を行った後、８００〜１０００℃で溶体化処理および４５０〜６００℃での時効硬化処理を行ない、時効硬化を利用したプラスチック金型用鋼にある。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１に示す化学成分組成を有するプラスチック成形金型用鋼を６０ｔ電気炉で溶解し、取鍋にてＮ2 ガス流入量を変化させて取鍋精錬を行ない、引続きＲＨ脱ガスした後インゴットに鋳造した鋳片を１３００℃に加熱し、角１００×１００×１００ｍｍに鍛伸し、８７０℃の温度にて焼鈍した後、９８０℃での溶体化処理を行ない、引続き５００〜６００℃に加熱した後、時効硬化処理し供試材を作成した。この供試材を熱処理後の硬さ、極値統計法（√ＡＲＥＡmax ）により推定されたＡｌＮ硬質介在物の大きさ、鏡面仕上げ性、およびシャルピー衝撃値による靱性特性を評価した。この結果を表２に示す。
【００２１】
【表１】
2006077274.tif 000002
【００２２】
表２に示す硬質窒化物ＡｌＮの極値統計法による評価方法は、上述した方法により√ＡＲＥＡmax で表す。また、鏡面性評価方法は、自動研磨装置で研磨を行った後、鏡面加工面のピットの個数を計測し、ピット個数が特に少ないものから、
◎：優れる、○：良い、×劣る、の３段階で評価した。                            さらに、耐割れ性評価としては、２ｍｍＵノッチシャルピー試験片を作製し、シャルピー衝撃試験により評価した。
【００２３】
【表２】
2006077274.tif 000003
【００２４】
表２に示すＮｏ．１〜１１は、本発明例であり、Ｎｏ．１２〜１７は、比較例である。Ｎｏ．１２は表１に示すように、Ｔｉ／Ｎ比の値が大きいために、ＴｉＮ介在物によるピットが発生し鏡面仕上げ性が劣る。Ｎｏ．１３はＴｉ／Ｎ比の値が小さいために、√ＡＲＥＡmax の値が大きく、かつ鏡面仕上げ性が劣る。Ｎｏ．１４はＮ量が多いために√ＡＲＥＡmax の値が大きく、かつ鏡面仕上げ性が劣る。すなわち、粗大ＡｌＮの生成が見られた。
【００２５】
Ｎｏ．１５は硬さ（ＨＲＣ）が大きいために、鏡面仕上げ性は優れているものの、シャルピー衝撃値が劣る。すなわち、耐割れ性が劣る。Ｎｏ．１６は硬さ（ＨＲＣ）が小さいために、鏡面仕上げ性が劣る。Ｎｏ．１７はＳ量が多いために、ＭｎＳ介在物によるピットが発生し鏡面仕上げ性が劣り、かつシャルピー衝撃値が劣る。これに対し、本発明例であるＮｏ．１〜１１はいずれの特性においても優れていることが判る。
【００２６】
以上述べたように、耐割れ性を高めるため、硬さを３５ＨＲＣ程度まで下げると介在物によるピットが発生し易くなる。特に、ＡｌＮなどの硬質介在物はピットになり易くなる。これを極値統計法により、その大きさを制限することにより、鏡面性が確保出来、しかも、ＡｌＮの大きさは、ただＮを下げるだけでなく、ＴｉをＴｉ／Ｎ：０．１〜１．０の範囲で添加することにより、ＡｌＮの大きさを限定することが可能となり、耐割れ性、鏡面仕上げ性に優れたプラスチック金型用鋼を安価に製造することが出来るものである。
特許出願人  山陽特殊製鋼株式会社
代理人  弁理士    椎  名    彊