(57)【要約】【課題】  鏡面仕上性に優れたプラスチック成形金型用鋼を提供する【解決手段】  質量比で、Ｎｉ：１．０〜５．０％、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：０．１〜２．５％であり、Ｚｒ：０．０１〜０．４％を含有し、Ｓは０．０２％以下の析出硬化型鋼であって、Ｏを２０ｐｐｍ以下、Ｎを５０ｐｐｍ以下に規制したプラスチック成形金型用鋼である。好ましくは、Ａｌ：０．６％以上、あるいはさらにＣａ：５ｐｐｍ以下、Ｍｇ：３０ｐｐｍ以下に規制する。これらの金型用鋼については、エレクトロンビームボタン溶解により鋼中の酸化物を浮上させ、その酸化物の浮上面を観察した時の、全酸化物に占めるＺｒＯ２の割合が、９５面積％以上であることが望ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量比で、Ｎｉ：１．０〜５．０％、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：０．１〜２．５％であり、Ｚｒ：０．０１〜０．４％を含有し、Ｓは０．０２％以下の析出硬化型鋼であって、Ｏを２０ｐｐｍ以下、Ｎを５０ｐｐｍ以下に規制したことを特徴とする鏡面仕上性に優れたプラスチック成形金型用鋼。
【請求項２】
質量比で、Ａｌ：０．６％以上であることを特徴とする請求項１に記載の鏡面仕上性に優れたプラスチック成形金型用鋼。
【請求項３】
質量比で、Ｃａ：５ｐｐｍ以下、Ｍｇ：３０ｐｐｍ以下に規制したことを特徴とする請求項１または２に記載の鏡面仕上性に優れたプラスチック成形金型用鋼。
【請求項４】
エレクトロンビームボタン溶解により鋼中の酸化物を浮上させ、その酸化物の浮上面を観察した時の全酸化物に占めるＺｒ酸化物の割合が、９５面積％以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の鏡面仕上性に優れたプラスチック成形金型用鋼。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかの元素種に加えて、質量比で、Ｃ：０．４％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｃｒ：１８％以下、Ｍｏ：４％以下であり、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請求項１ないし４のいずれかに記載の鏡面仕上性に優れたプラスチック成形金型用鋼。
【請求項６】
質量比で、Ｃ：０．１５％以下であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の鏡面仕上性に優れたプラスチック成形金型用鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高度の鏡面仕上性を要求される、プラスチック製品の射出成形などに用いて最適な金型用鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、家電製品、ＯＡ機器の筐体や食品容器、医療機器等の高度の鏡面仕上（例えばダイヤモンドコンパウンドの砥粒メッシュ番号で８０００、又はそれ以上）を要求されるプラスチック製品の成形用途には、高清浄度のＪＩＳ−ＳＵＳ４２０Ｊ２又はそれに類似するステンレス鋼を５０ＨＲＣ程度に焼入れ焼戻しした金型が用いられるか、又はＡＩＳＩ−Ｐ２１に代表されるＮｉ，Ａｌ，Ｃｕを添加した析出硬化鋼で切削前に予め４０ＨＲＣ前後の使用硬さに調質した鋼による金型が用いられてきた。特に後者の金型材は４０ＨＲＣの高硬度の割に被切削性に優れ、また粗加工後に熱処理を必要としないことから、ユーザサイドでの熱処理工数ならびに熱処理歪の修正等の工数を省くことが出来るため、広範囲に使用されてきた。
【０００３】
ＡＩＳＩ−Ｐ２１の切削性や鏡面仕上性を改良した鋼としては、例えば質量％にてＣ約０．１％，Ｎｉ約３％，Ａｌ約１％，Ｃｕおよそ１〜２％を含み、Ｃｒを特に添加しない鋼種が最も一般的に使用されている（特許文献１）。更に適量のＣｒを含んで耐食性を改良した鋼種も市場に供されている（特許文献２）。また、Ａｌ２Ｏ３といった非金属介在物の大きさを５０μｍ以下にしたプラスチック成形金型用鋼とすることで、被削性と鏡面仕上げ性を向上する手法が提案されている（特許文献３）。
【特許文献１】特開昭６３−１１４９４２
【特許文献２】特開平１１−２２０８９１
【特許文献３】特開平１１−３３５７７５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したＡＩＳＩ−Ｐ２１改良の鏡面仕上金型用鋼は、通常電気炉で溶製後に真空精錬するか、または真空誘導炉によっても製造されるところ、最近では電気炉で溶製された材料を電極とするエレクトロスラグ再溶解法や真空再溶解法によって製造されている。これは通常の電気炉溶製法のみでは、添加されているＡｌが溶湯中で硬質酸化物を形成し、鋳造時に凝集しやすく、この凝集したＡｌの酸化物（アルミナ）が鏡面仕上性を著しく害し得ることから、再溶解法によってこうした酸化物を低減し且つサイズ的にも小さくするためである。しかしながら、再溶解法の適用は製造上、工数及び歩留の観点からは大幅なコスト増要因となり得る。
【０００５】
上記の再溶解工程を省く為に、例えば特許文献３などで見られるように電気炉溶解時の精錬、鋳造工程で徹底的な脱酸を行なう方法も検討されてきた。こうした方法は確かに酸化物を低減するには有効であるが、完全に酸化物を除去することは難しく、また鋳造時にその凝集を完全に防ぐことを保証できない問題点があった。本発明者の経験では現実に１ｐｐｍレベルに酸素量を抑えた場合でもそれだけでは上記＃８０００レベルの鏡面仕上性を十分に保証することは出来なかった。アルミナが原因である。
【０００６】
また、上記以外の方法で、析出硬化の作用を得るには重要ではあるものの、その酸化物の形成が懸念される、特に０．５％以上の高いＡｌが添加された高度の鏡面仕上金型用鋼について、鏡面仕上性を十分に保証しつつ、再溶解工程を省く方法は未だかつて提案されていない。
【０００７】
本発明の目的は、従来より安価にかつ高度の鏡面仕上性を付与して製造することの出来る、Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｕを添加した析出硬化型プラスチック成形金型用鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記の問題を検討した結果、０．５％以上のＡｌ添加鋼であっても適量のＺｒの添加した上で、調整の容易な他の条件さえ揃えれば、鋼中の酸化物の大半をＺｒの酸化物に取って変わらせることが可能で、その場合Ｚｒの酸化物がピンホールなどの鏡面仕上性の阻害要因とはならないことを見いだした。また、Ｚｒは酸化物を形成するだけでなく、硫化物や微量の硬質の炭窒化物も形成するが、これらが一定の条件下では鏡面仕上性に悪影響を及ぼさないことも見いだし、本発明に到達した。
【０００９】
すなわち本発明は、質量比で、Ｎｉ：１．０〜５．０％、Ａｌ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：０．１〜２．５％であり、Ｚｒ：０．０１〜０．４％を含有し、Ｓは０．０２％以下の析出硬化型鋼であって、Ｏを２０ｐｐｍ以下、Ｎを５０ｐｐｍ以下に規制したことを特徴とする鏡面仕上性に優れたプラスチック成形金型用鋼である。ここでＳは添加してもよい元素であるが、０．０２％以下に規制するものである。そして好ましくは、Ａｌ：０．６％以上、あるいはさらにＣａ：５ｐｐｍ以下、Ｍｇ：３０ｐｐｍ以下に規制するものである。
【００１０】
そして、上記の金型用鋼については、エレクトロンビームボタン溶解により鋼中の酸化物を浮上させ、その酸化物の浮上面を観察した時の、全酸化物に占めるＺｒ酸化物の割合が、９５面積％以上であることが望ましい。
【００１１】
本発明のプラスチック成形金型用鋼の成分組成は、上記の規定元素に加えては、質量比で、Ｃ：０．４％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｃｒ：１８％以下、Ｍｏ：４％以下であり、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるものとでき、好ましい一形態である。以上の本発明のプラスチック成形金型用鋼は、好ましい一形態も合わせて、Ｃが０．１５％以下であることがさらに望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、鏡面仕上性に優れる高硬度のプリハードン金型材を、再溶解工程なしに安価に供給することが可能となり、高級プラスチック製品の製造に欠くことのできない技術となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
上述したように、本発明の重要な特徴は、０．５％以上の高いＡｌ添加のされた析出硬化型鋼にとっては従来困難と考えられてきた、その製造での再溶解工程なしに高度の鏡面仕上性を付与することが可能であって、その為の合金鋼設計についての必要条件を見いだしたことにある。
【００１４】
まず、本発明の成分組成について説明する。なお、その含有する質量比の表記については、断わりのない限り“％”および“ｐｐｍ”で示す。
・Ｎｉ：１．０〜５．０％，Ａｌ：０．５〜１．５％，Ｃｕ：０．１〜２．５％
ＮｉとＡｌは主要な析出硬化相Ｎｉ３Ａｌ等の構成元素であり、Ｃｕはその析出サイトを提供する重要な元素である。一般的には上記析出硬化相が多い方が被切削性が向上するが、多過ぎると靱性を低下させるので、相互に適量の範囲が存在する。Ｎｉは１．０％未満では必要な硬度（約４０ＨＲＣ）が得られにくく、５．０％を超えると硬化への寄与が得られずかえって切削加工性を害するので、１．０〜５．０％とする。Ａｌは０．５％未満ではやはり必要な硬度（約４０ＨＲＣ）が得られにくく、１．５％を超えると靱性を著しく低下させるため、０．５〜１．５％とする。なお好ましい範囲は０．６〜１．５％である。Ｃｕは０．１％未満では均質な硬さが得られにくくなり、２．５％を超えると靱性や熱間加工性を大幅に低下させるので、０．１〜２．５％とする。
【００１５】
・Ｚｒ：０．０１〜０．４％
Ｚｒは本発明の課題の解決を可能とした最も重要な元素である。即ち、鏡面磨き時にピンホールの要因となるアルミナ、そして更にはＭｇ酸化物（マグネシア）等を還元し、ピンホールになりにくいＺｒ酸化物（ジルコニア）を形成する。なお、同時にＺｒは硫化物、炭窒化物も形成するので、これらの量との関係で必要添加量が決まってくるが、下記の酸素および窒素に規制することで、本発明のＡｌそしてＮｉやＣｕの範囲にあっては０．０１％以上で一定の効果が得られる。しかし、０．４％を超えると靱性に悪影響を及ぼすので、０．０１〜０．４％とする。望ましい範囲は０．０３〜０．２％であり、さらに望ましくは０．０５〜０．１５％である。
【００１６】
・Ｓ：０．０２％以下
Ｓは被削性を向上する上で添加してもよいが、Ｍｎと或いはＺｒと化合物を形成して鏡面仕上の際のオレンジピール（ゆず肌）の発生要因となる。また、多すぎるとＺｒがＡｌ２Ｏ３を還元する効力が著しく減じられることから、本発明にとっては上限管理の必要な元素である。添加する場合であっても、０．０２％以下に規制することにより優れた鏡面仕上性を達成しやすくしている。
【００１７】
・Ｏ（酸素）：２０ｐｐｍ以下
Ｏは本発明の課題を解決する為に規定が不可欠の元素である。即ち、Ｏが過剰に存在する場合、Ｚｒの添加効果は十分でなくなり、鋼中には鏡面仕上に有害なＡｌ２Ｏ３やＭｇＯが多く生成してしまう。本発明のＡｌ，Ｎｉ，ＣｕとＺｒのバランスにおいては、Ｏは多くとも２０ｐｐｍ以下でなければならない。望ましい範囲は５ｐｐｍ以下である。
【００１８】
・Ｎ（窒素）：５０ｐｐｍ以下
Ｎは、上述の通り、Ｚｒ，Ｃとともに硬質の炭窒化物、ＺｒＣＮを形成し、これは鏡面仕上性に悪影響を及ぼす。よって、本発明における鋼中のＮは、５０ｐｐｍ以下である必要がある。望ましくは２０ｐｐｍ以下である。
【００１９】
以上、本発明の効果を達成するのに必要不可欠な元素規定につき述べたが、さらに鏡面仕上性を向上するのに好ましい条件を述べる。
・Ｃａ：５ｐｐｍ以下
Ｃａは、鋼中に不可避に存在するか、あるいは必要に応じて添加のされるＳと化合物を生成し、鏡面磨き時にピンホール要因となる。よって、５ｐｐｍ以下に規制しておくことが望ましい。少なければ少ないほど望ましい。
【００２０】
・Ｍｇ：３０ｐｐｍ以下
Ｍｇは、上記の通りのＭｇＯとして他の酸化物、硫化物と複合化合物を形成し、鏡面磨き時にピンホール要因となり得る。よって、３０ｐｐｍ以下に規制しておくことが望ましい。より望ましくは１０ｐｐｍ以下である。
【００２１】
・エレクトロンビームボタン溶解により鋼中の酸化物を浮上させ、その酸化物の浮上面を観察した時の全酸化物に占めるＺｒ酸化物の割合：９５面積％以上
上記の適切な合金配合により、組織中の酸化物の大半をジルコニアとすることができ、鏡面仕上性に有害なアルミナやマグネシアを極少化することが可能である。そして、この作用効果は、エレクトロンビームボタン溶解により鋼中の酸化物を浮上分離して、その酸化物の浮上面を観察（走査型電子顕微鏡，元素マップ分析）することより、全浮上酸化物に占めるジルコニアの面積割合を調べることで、評価が可能である。そして好ましくは、その観察した時の全酸化物に占めるジルコニアの割合が９５面積％以上であり、更に望ましくは９９％以上である。
【００２２】
なお、本発明の評価に用いるエレクトロンビームボタン溶解とは、５ｇ程度の試料を真空チャンバ中で電子ビームを用いて溶解したのち、球状に凝固させ、最上面に介在物を浮上させて計測可能とするものである。
【００２３】
次に、上述の析出硬化型鋼にとって、本発明の用途に適した望ましい具体的な成分組成を示す。なお、これらに述べる元素種の望ましい範囲は、上述の根幹あるいは好ましい成分組成を満たしたプラスチック成形金型用鋼に加えて、単独あるいは複数でも適用することができる。
【００２４】
Ｃは、適度の添加により時効硬さの向上や結晶粒微細化、粒界強度向上などの作用があるが、過剰に加える必要はなく、過剰に添加すれば硬質炭化物を形成して切削加工性の悪化や鏡面仕上性の低下をもたらす。本発明においてはＺｒとの炭化物、炭窒化物の形成防止に注意が必要であり、多くとも０．４％以下であることが望ましい。なお、更に好ましくは０．０３〜０．１５％である。
【００２５】
Ｓｉは、鋼の高速切削加工時に工具表面に酸化物を形成して潤滑効果（ベラーグ効果）を発現させる作用があり、切削加工性の向上に重要な元素である。時効軟化抵抗を与える効果もある。但し、高すぎると靱性の低下等を招くので、２．０％以下とすることが望ましい。
【００２６】
Ｍｎは、鋼の脱酸剤として働き、Ｓの固定の為にも重要だが、高すぎると切削加工性の低下を招くので２．０％以下とすることが望ましい。
【００２７】
Ｐは、靱性を低下させるが、０．０３％以下の含有なら実用上有害でなく、０．０３％以下とすることが望ましい。
【００２８】
Ｃｒは、耐食性向上に有効な元素であるが、この添加の必要性や添加量は成形樹脂の種類などの用途上の必要によって決めるべきものである。但し、１８％を超えて添加すると靱性が低下するので、１８％以下とすることが望ましい。
【００２９】
Ｍｏは、時効硬化に寄与する元素の一つであり、本発明のＮｉＡｌによる析出硬化に加えて、更に硬度を増加させたい場合に使用することができる。但し、この効果において４％を超えても特性への有効性は低いので、４％以下とすることが望ましい。
【００３０】
なお、上記以外の残部については、Ｆｅと他の不可避的不純物としてもよいが、例えばＷ：１％以下、Ｖ：１％以下、Ｃｏ：３％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｔａ：０．５％以下、Ｔｉ：０．５％以下、Ｂ：０．１％以下といった中からの１種以上を、必要に応じて添加しても良い。
【実施例】
【００３１】
電気炉溶解法により得た鋼塊を熱間加工して、表１に示す化学成分の、残部Ｆｅおよび不可避的不純物でなる試料を準備した。そして、これら試料に熱処理（溶体化および時効処理）を行なって、所定の硬さに調質した。そして、調質後の各試料について、上記の要領に従うエレクトロンビームボタン溶解試験による浮上酸化物中のジルコニアの割合調査と、＃８０００砥粒による鏡面仕上磨き試験（ピンホールおよびオレンジピールの有無評価）を行なった。その結果を、調質硬さと共に、表２に示す。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
【表２】
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【００３４】
本発明鋼は、Ａｌ量が多いにも関わらず、酸素、窒素および硫黄の適正管理と、Ｚｒの適正量添加により、酸化物のほとんどをジルコニア化できており、＃８０００鏡面仕上が問題なく可能であった。本発明鋼１および比較鋼６，７のジルコニア分布は、それぞれ図１，２，３に示す浮上介在物の走査型電子顕微鏡像およびＯ、Ｚｒ、Ａｌ元素のマップ分析結果の通りである。図１〜３のマップ像においては、白色（淡色）を呈している部位が各分析元素の濃化部である。本発明鋼１の場合（図１）、分析マップ上にはアルミナが１点のみ認められているが、数は少なく、凝集していない。また、ジルコニアの個々のサイズは小さく、凝集しにくい状況も認められる。
【００３５】
比較鋼６は、Ａｌ量に比して、Ｚｒ量の不足により、酸化物の多くが凝集アルミナとなり、＃８０００鏡面仕上でこれが破砕、脱落しピンホールが発生した。比較鋼７は、本発明鋼と同量のＺｒを添加したにもかかわらず、Ｓが０．０５１％と高いために、ＺｒによるＡｌ２Ｏ３を還元する作用が減じられ、Ｚｒ酸化物への改質が十分ではなく、結果、アルミナによるピンホールが発生した。また、硫化物によるオレンジピールも発生した。
【００３６】
比較鋼８は、本発明量のＡｌを添加しない試料であるが、この場合は０．００７％と低いＺｒ量であっても、酸化物の全量ジルコニア化が達成されている。しかし、析出硬化作用の不足により高硬さが得られないことから、十分に平滑な磨き面が得がたく、結果、Ｓ量が低いにもかかわらず、オレンジピール状肌となった。Ａｌ量の低い比較鋼９は、Ｚｒの添加により酸化物のジルコニア化が達成されてはいる。しかし、比較鋼８ほどではないものの、析出硬化元素の不足から十分な硬度が得られず、若干のオレンジピールが発生した。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】エレクトロンビームボタン溶解により本発明の一例のプラスチック成形金型用鋼中の酸化物を浮上分離し、その酸化物の浮上面を観察した、走査型電子顕微鏡像およびＯ、Ｚｒ、Ａｌ元素のマップ分析像である。
【図２】エレクトロンビームボタン溶解により比較のための一例のプラスチック成形金型用鋼中の酸化物を浮上分離し、その酸化物の浮上面を観察した、走査型電子顕微鏡像およびＯ、Ｚｒ、Ａｌ元素のマップ分析像である。
【図３】エレクトロンビームボタン溶解により比較のための一例のプラスチック成形金型用鋼中の酸化物を浮上分離し、その酸化物の浮上面を観察した、走査型電子顕微鏡像およびＯ、Ｚｒ、Ａｌ元素のマップ分析像である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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