(57)【要約】【課題】離型剤の塗布による金型温度の低下が小さいダイカストに適用して、ダイカスト金型の低コスト化、ダイカストのサイクル短縮、鋳造品の高品位化を同時に実現することが可能なダイカスト金型用鋼を提供する。【解決手段】ダイカスト金型用の鋼は、質量％で０．１６≦Ｃ≦０．２６，０．００１≦Ｓｉ≦０．８０，１．２０≦Ｍｎ≦２．００，２．４１≦Ｃｒ≦２．７３，０．４８≦Ｍｏ≦０．９７，０．００３≦Ｖ≦０．２８，０．０００５≦Ａｌ≦０．１５，０．０００２≦Ｎ≦０．０５０を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成を有し、硬さが２６〜４３ＨＲＣであり、レーザーフラッシュ法を用いて測定した２５℃における熱伝導率λ［Ｗ／ｍ／Ｋ］が２７．０≦λである。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で
０．１６≦Ｃ≦０．２６
０．００１≦Ｓｉ≦０．８０
１．２０≦Ｍｎ≦２．００
２．４１≦Ｃｒ≦２．７３
０．４８≦Ｍｏ≦０．９７
０．００３≦Ｖ≦０．２８
０．０００５≦Ａｌ≦０．１５
０．０００２≦Ｎ≦０．０５０
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成を有し、
硬さが２６〜４３ＨＲＣであり、レーザーフラッシュ法を用いて測定した２５℃における熱伝導率λ［Ｗ／ｍ／Ｋ］が２７．０≦λであることを特徴とするダイカスト金型用鋼。
【請求項２】
請求項１において、質量％で
０．３０＜Ｃｕ≦１．５０
０．３０＜Ｎｉ≦１．５０
の少なくとも１種を更に含有することを特徴とするダイカスト金型用鋼。
【請求項３】
請求項１，２の何れかにおいて、質量％で
０．０００１＜Ｂ≦０．００５０
を更に含有することを特徴とするダイカスト金型用鋼。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、質量％で
０．３０＜Ｗ≦４．００
０．１０＜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ダイカスト金型用鋼。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかにおいて、質量％で
０．００４＜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ダイカスト金型用鋼。
【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ダイカスト金型用鋼。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載の鋼から成ることを特徴とするダイカスト金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、離型剤を微量塗布するダイカストに適用して好適なダイカスト金型用鋼及びダイカスト金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイカストは、溶融金属をキャビティ（製品形状をした金型の隙間）に短時間で圧入し、凝固させ、効率良く鋳物を製造する技術である。ダイカスト鋳造品の９割近くは自動車用途であり、ダイカストは自動車の高品位化を支え続けている。
【０００３】
ダイカスト金型の表面は、溶融金属との接触による急加熱と、離型剤塗布による急冷却に晒される。この結果、金型表面には圧縮応力と引張応力が周期的に作用し、鋳造ショット数が増加してゆくと「ヒートチェック」と呼ばれる熱疲労亀裂が金属表面に発生する。
【０００４】
ヒートチェックの軽減はダイカストの重要課題である。その理由は、ヒートチェックが鋳造品の表面に転写されて製品の商品価値を損なうこと、ヒートチェックが大割れ（金型を貫通する深い亀裂）の起点となること、による。
【０００５】
ヒートチェックは離型剤塗布時の冷却が弱いほど、つまり離型剤塗布時の引張応力が弱いほど軽減される。このため近年ではヒートチェックの軽減を目的として、離型剤の塗布量を減らす「微量塗布」が行われる傾向にある。どの程度の塗布量を、微量と扱うかについて明確な規定は無いが、何れにせよ離型剤塗布による金型表面の急冷を回避すべく行なわれるものである。
【０００６】
離型剤の微量塗布ではヒートチェックが発生し難くなるため、従来の金型よりも高温強度が不要になる。従って強度を確保するための合金元素は少なくて済み、また金型の調質硬さを下げることも可能である。このような「省合金化」と「低硬度化」は金型のコスト低減に有効である。
【０００７】
一方で、離型剤を微量塗布するダイカストでは、金型の高温度化によるサイクルタイムの延長や鋳造品質の低下が問題となる。塗布する離型剤の量が少ないことから、金型表面があまり冷却されず高温で維持されるため、圧入された溶融金属の凝固に時間が掛かり（サイクルタイムの延長）、またゆっくり凝固した鋳造品の組織は粗いためである。これらの問題を解決するためには金型の冷却を速める必要があり、これには金型の熱伝導率を高くすることが有効である。
【０００８】
２５℃における熱伝導率で比較すると、汎用のダイカスト金型用鋼ＪＩＳ  ＳＫＤ６１は約２４［Ｗ／ｍ／Ｋ］と低い。そこで熱伝導率を２７［Ｗ／ｍ／Ｋ］程度に高めた高性能５Ｃｒ鋼が開発されている。しかし、これでも熱伝導率は不足気味であり、サイクルタイムの延長や鋳造品質の低下の問題は依然として未解決である。
【０００９】
また、樹脂の射出成形金型に用いられる鋼（以下、プラ型用鋼と称する場合がある）を、離型剤を微量塗布するダイカストの金型に流用することも不可能ではない。しかしプラ型用鋼では、あまりにも高温強度が低いこと、焼入れ性が低くフェライトやベイナイトを生じやすいこと、衝撃値が低いため大割れの心配があること、からダイカスト金型への適用は実際には困難である。
【００１０】
なお、下記特許文献１には、耐ヒートチェック性を向上させる合金元素の添加量を最小限とし、焼入れ性と高熱伝導性とを重視した成分バランスとしたダイカスト金型用鋼が開示されている。しかしながら特許文献１に記載のものは、Ｃｒ−Ｍｏの成分範囲が本発明とは異なっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１７−４３８０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は以上のような事情を背景とし、離型剤の塗布による金型温度の低下が小さいダイカストに適用して、ダイカスト金型の低コスト化、ダイカストのサイクル短縮、鋳造品の高品位化を同時に実現することが可能なダイカスト金型用鋼及びダイカスト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】
【００１３】
而して請求項１のものは、ダイカスト金型用鋼に関するもので、質量％で０．１６≦Ｃ≦０．２６，０．００１≦Ｓｉ≦０．８０，１．２０≦Ｍｎ≦２．００，２．４１≦Ｃｒ≦２．７３，０．４８≦Ｍｏ≦０．９７，０．００３≦Ｖ≦０．２８，０．０００５≦Ａｌ≦０．１５，０．０００２≦Ｎ≦０．０５０を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成を有し、
硬さが２６〜４３ＨＲＣであり、レーザーフラッシュ法を用いて測定した２５℃における熱伝導率λ［Ｗ／ｍ／Ｋ］が２７．０≦λであることを特徴とする。
【００１４】
なお、ダイカスト金型用鋼において、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≦０．０５０，Ｓ≦０．００８，Ｃｕ≦０．３０，Ｎｉ≦０．３０，Ｗ≦０．３０，Ｏ≦０．０５，Ｃｏ≦０．１０，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。
【００１５】
請求項２のものは、請求項１において、質量％で０．３０＜Ｃｕ≦１．５０，０．３０＜Ｎｉ≦１．５０の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする。
【００１６】
請求項３のものは、請求項１，２の何れかにおいて、質量％で０．０００１＜Ｂ≦０．００５０を更に含有することを特徴とする。
【００１７】
請求項４のものは、請求項１〜３の何れかにおいて、質量％で０．３０＜Ｗ≦４．００，０．１０＜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５のものは、請求項１〜４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。
【００２０】
請求項７のものは、ダイカスト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、表面処理が施されたものも含まれる。
【００２１】
本発明者は、上記課題を解決するため、強度や熱伝導率や衝撃値に及ぼす鋼材成分の影響を調査した。その結果、Ｃ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ−Ｎを狭い範囲内に規定した場合に、上記課題が解決されることを見出した。また、その基本成分に選択元素を加えることで、特性をより安定化できることも確認した。
【００２２】
このようにして完成させた本発明を以下に説明する。
汎用の５Ｃｒダイス鋼ＳＫＤ６１は、４．５０≦Ｃｒ≦５．５０，１．００≦Ｍｏ≦１．５０，０．８０≦Ｖ≦１．２０である。これに対し本発明鋼では、２．４１≦Ｃｒ≦２．７３，０．４８≦Ｍｏ≦０．９７，０．００３≦Ｖ≦０．２８とＳＫＤ６１対比で希少金属を大幅に低減した。高性能５Ｃｒダイス鋼のＭｏは１．８０％以上であるが、これと比較すればＭｏの低減効果は更に大きくなる。
【００２３】
本発明鋼では、このような省合金成分でもフェライトやベイナイトを析出し難くするため、Ｍｎを１．２０≦Ｍｎ≦２．００とし、５Ｃｒダイス鋼の０．２０≦Ｍｎ≦１．２０よりも高めた。Ｍｎは安価な元素であるため、Ｍｎの増量によるコスト上昇は非常に小さく、ＣｒとＭｏとＶを低減したコスト削減効果の方が勝っている。また、結晶粒度と調質硬さの観点から、本発明鋼のＮは、ＳＫＤ６１と同等量の０．０００２≦Ｎ≦０．０５００とした。
【００２４】
このように本発明鋼は、省合金化で金型用鋼のコストが下がる。さらに所定硬さ（２６〜４３ＨＲＣ）に調質した本発明鋼は、従来、荒加工と精加工に分けて行われていた機械加工を一括して行なうことが可能である。すなわち、従来の、荒の機械加工や焼入れ焼戻しが不要となり、この工程省略においても金型のコストが下がる。また焼入れ時の割れや変形の問題も無くなるため、そのような不具合による金型の再作製も不要となり、この点においても金型のコストが下がる。以上に述べた内容に関して、金型の製造工程を比較すれば以下の通りである。
従来は、金型素材(焼鈍状態)→ドリル加工→機械加工(荒)→焼入れ焼戻し（43〜52HRC）→機械加工(精)、であったのに対し、
本発明では、金型素材(26〜43HRC)→ドリル加工−−−−−−−−−−→機械加工(一括)、とすることができる。
【００２５】
４３ＨＲＣ調質材の２５℃における熱伝導率は、ＳＫＤ６１が２３〜２４［Ｗ／ｍ／Ｋ］、高熱伝導率タイプの５Ｃｒ系ダイス鋼は２７［Ｗ／ｍ／Ｋ］程度である。これに対し、２５℃における本発明鋼の熱伝導率は２７［Ｗ／ｍ／Ｋ］以上と高い。マトリクス中に固溶する元素と、炭化物や窒化物や炭窒化物として析出する元素のバランスを適正化し、このように高い熱伝導率を実現した。本発明鋼によれば、離型剤塗布による金型温度の低下が小さいダイカストに適用して、十分な耐ヒートチェック性を有し、且つダイカストのサイクル短縮および鋳造品の高品位化も実現することができる。
【００２６】
次に本発明における各化学成分等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」
０．１６≦Ｃ≦０．２６
Ｃ＜０．１６では、焼戻し温度が高い場合に２６ＨＲＣ以上を安定して得にくい。粉末の積層造形に適用した場合に２６ＨＲＣ以上を得ることが難しい。また耐アルミ溶損性が著しく低下する。一方、０．２６＜Ｃでは溶接性が低下する。また熱伝導率の低下が大きい。好ましいＣの範囲は、０．１７≦Ｃ≦０．２５であり、より好ましくは０．１８≦Ｃ≦０．２４である。
【００２７】
０．００１≦Ｓｉ≦０．８０
Ｓｉ＜０．００１では、機械加工時の被削性が著しく劣化する。また焼戻し温度が高い場合に２６ＨＲＣ以上を安定して得にくい。一方、０．８０＜Ｓｉでは、熱伝導率の低下が大きく、また衝撃値の低下が大きい。好ましいＳｉの範囲は、０．００５≦Ｓｉ≦０．７０であり、より好ましくは０．０１０≦Ｓｉ≦０．６０である。
【００２８】
下記の表１は、２５℃での熱伝導率に及ぼすＳｉ量の影響を示す。
０．２６Ｃ−１．６７Ｍｎ−２．４１Ｃｒ−０．７３Ｍｏ−０．１６Ｖ−０．００８４Ｎを基本成分とし、Ｓｉ量を変化させた鋼材を用い、焼入れ後に３６ＨＲＣに焼戻した。この焼戻し材の２５℃における熱伝導率をレーザーフラッシュ法によって測定した。
表１で示すように、Ｓｉ量が０．８％で熱伝導率λは２７［Ｗ／ｍ／Ｋ］であり、０．８０＜Ｓｉでは２７≦λを満たしていない。これがＳｉの上限を０．８％に規定する１つの理由である。
【００２９】
【表１】
2019199634.tif 000002
【００３０】
１．２０≦Ｍｎ≦２．００
Ｍｎ＜１．２０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や、ベイナイトの混入による靭性の低下を招く。一方、２．００＜Ｍｎでは焼鈍性が非常に劣化し、焼鈍を行った場合に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、２．００＜Ｍｎでは熱伝導率の低下が大きい。更に焼き戻し温度が高い場合に衝撃値が低下する。特にＳｉやＰの含有量が多い場合に顕著である。
好ましいＭｎの範囲は、１．３０≦Ｍｎ≦１．９５であり、より好ましくは１．４０≦Ｍｎ≦１．９０である。
【００３１】
下記の表２は、２５℃での熱伝導率に及ぼすＭｎ量の影響を示す。
０．２６Ｃ−０．６０Ｓｉ−２．７３Ｃｒ−０．７３Ｍｏ−０．１６Ｖ−０．００８４Ｎを基本成分とし、Ｍｎ量を変化させた鋼材を用い、焼入れ後に３６ＨＲＣに焼戻した。この焼戻し材の２５℃における熱伝導率をレーザーフラッシュ法によって測定した。
表２で示すように、Ｍｎ量が２．００％で熱伝導率λは２７［Ｗ／ｍ／Ｋ］であり、２．００＜Ｍｎでは２７≦λを満たしていない。これがＭｎの上限を２．００％に規定する１つの理由である。
【００３２】
【表２】
2019199634.tif 000003
【００３３】
２．４１≦Ｃｒ≦２．７３
Ｃｒ＜２．４１では高温強度が低くなる。また焼入れ性が不足し、フェライトの混入による硬さ不足や、ベイナイトの混入による靭性の低下を招く。また耐食性が極端に悪くなり、金型内部の水冷孔が顕著に錆びる。一方、２．７３＜Ｃｒでは熱伝導率の低下が大きい。また、焼戻し硬さの温度依存性が大きくなり、素材断面内の全部位の硬さを狭い範囲に収めることが困難になる。好ましいＣｒの範囲は、２．４３≦Ｃｒ≦２．７０であり、より好ましくは２．４５≦Ｃｒ≦２．６８である。
【００３４】
下記の表３は、２５℃での熱伝導率に及ぼすＣｒ量の影響を示す。
０．２６Ｃ−０．６５Ｓｉ−１．７６Ｍｎ−０．７３Ｍｏ−０．１６Ｖ−０．００８４Ｎを基本成分とし、Ｃｒ量を変化させた鋼材を用い、焼入れ後に３６ＨＲＣに焼戻した。この焼戻し材の２５℃における熱伝導率をレーザーフラッシュ法によって測定した。
表３で示すように、Ｃｒ量が２．７３％で熱伝導率λは２７［Ｗ／ｍ／Ｋ］であり、２．７３＜Ｃｒでは２７≦λを満たしていない。これがＣｒの上限を２．７３％に規定する１つの理由である。
【００３５】
【表３】
2019199634.tif 000004
【００３６】
またＣｒの上限は、焼入れ硬さの調整し易さも考慮して定めた。焼入れる素材のサイズは小さいものから大きなものまで様々である。焼入れ速度は、小さな素材で大きく（急冷となり）、大きな素材で小さくなる（緩冷となる）。また焼入れ速度は、素材の表面で大きく（急冷となり）、内部で小さくなる（緩冷となる）。このように、焼入れの速度が急冷と緩冷で異なる場合、同一条件で焼戻しても焼戻し硬さが異なってくる。この理由は急冷で得られるマルテンサイトと緩冷で得られるベイナイトでは焼戻し軟化抵抗が異なるためである。その一例を図１に示す。
【００３７】
ここで重要なパラメータは、焼入れ速度によらず狙い硬さ３３〜３７ＨＲＣが得られる「温度幅」である（図１参照）。一般に、この「温度幅」は極端には広くないため、焼入れ速度が異なる品を焼戻す場合には、全ての品の断面内全部位を狙い硬さに納めることが難しい。
更に狙い硬さに収めることを難しくする要因として、焼戻し炉の温度変動と炉内の位置による温度差がある。通常、所定温度に保持されている炉は、温度が時間に対して完全に一定ではなく、±５℃程度の変動がある。つまり最低時と最高時とで１０℃程度の差を生じる。また、炉内の場所（中央か／端か）の違いによってやはり５〜１５℃の差が生じることがある。
以上の経緯から、焼入れ速度やサイズが異なる品を全て狙い硬さに収めるためには、「温度幅」が１５℃以上の鋼が望ましいと言える。図２は、その温度幅と鋼材のＣｒ量の相関を示したものであり、おおよそＣｒ≦２．７３で温度幅が１５℃以上になることが分かる。このような理由からも、Ｃｒの上限を２．７３％としている。
【００３８】
０．４８≦Ｍｏ≦０．９７
Ｍｏ＜０．４８では、２次硬化の寄与が小さく、焼戻し温度が高い場合に２６ＨＲＣ以上の高硬度を安定して得ることが難しい。また、Ｍｏ＜０．４８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や、ベイナイトの混入による靭性の低下を招く。一方、０．９７＜Ｍｏでは衝撃値や破壊靭性が低下し、金型が大割れする危険性が増す。また素材コストの上昇も著しい。好ましいＭｏの範囲は、０．５０≦Ｍｏ≦０．９５であり、より好ましくは０．５２≦Ｍｏ≦０．９０である。
【００３９】
ところで、本発明鋼は「プレハードン鋼材」に該当する。焼入れ焼戻しによって、直接の一括加工が可能な２６〜４３ＨＲＣの低硬度に調質（プレハードン）した鋼材である。例えば、図３に示すように、金型ユーザは、鋼材１０から金型２０を削り出すのであるが、形態的に鋼材１０の内部１０ａを金型２０の表面として露出させることになる。
ここで図４に示すように、焼入れの際、焼入れ速度が小さい鋼材の内部１０ａは、焼入れ速度が大きい鋼材１０の表面側（例えば図３の角部１０ｂ）よりもフェライトを析出する可能性が高い。鋼材１０の内部１０ａでフェライトを析出すると、先述の通り、機械加工によってその箇所が金型表面として露出する。この状態でダイカスト鋳造を行うと、低強度であるフェライト部には亀裂が容易に発生し、金型寿命が著しく短くなる。従って本発明のプレハードン鋼には、焼入れ速度の小さい鋼材内部でもフェライトが析出しない焼入れ性が必要である。
【００４０】
一般に大きな鋼材の内部は、９℃／ｍｉｎ程度まで焼入れ速度が低下するため、９℃／ｍｉｎでもフェライトを析出しないことが必達要件となる。フェライトの析出抑制にはＭｏの添加が効果的であり、この様子を図５に示す。
ここでは、０．１６Ｃ−０．２Ｓｉ−１．３５Ｍｎ−２．４１Ｃｒ−０．１９Ｖ−０．００９２Ｎを基本成分とし、Ｍｏ量を変化させた鋼材を用い、フェライトが析出する焼入れ速度を調査した。図５において、「○」はフェライト未析出、「×」はフェライトが析出したことを意味する。当然ながら「○」が好ましい。０．４８≦Ｍｏでは、焼入れ速度が２℃／ｍｉｎであっても結果「○」となることから、本発明では０．４８≦Ｍｏと規定している。
【００４１】
０．００３≦Ｖ≦０．２８
Ｖ＜０．００３では、窒化物や炭窒化物が少なくなるため、オーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する効果が乏しく、粗粒化により衝撃値の低下を招く。また２次硬化の寄与が小さく、焼戻し温度が高い場合に２６ＨＲＣ以上を安定化して得ることが困難となる。一方、０．２８＜Ｖではコスト増が著しい。また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や疲労強度が低下する。好ましい範囲は０．００８≦Ｖ≦０．２７である。
【００４２】
０．０００５≦Ａｌ≦０．１５
Ａｌ＜０．０００５では、ＡｌＮが少なくなるため、オーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する効果が乏しく、粗粒化により衝撃値の低下を招く。表面処理に窒化を用いた場合に、表層の硬化が不十分となりやすい。一方、０．１５＜Ａｌでは熱伝導率が低下する。またＡｌの酸化物が増加し、それが亀裂の起点となるため衝撃値や疲労強度が低下する。好ましい範囲は、０．０００８≦Ａｌ≦０．１３であり、より好ましくは０．００１≦Ａｌ≦０．１１である。
【００４３】
０．０００２≦Ｎ≦０．０５０
Ｎ＜０．０００２では、窒化物や炭窒化物が少なくなるため、オーステナイト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、０．０５０＜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。更に、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や疲労強度が低下する。好ましいＮの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．０００８≦Ｎ≦０．０４０であり、より好ましくは０．００１２≦Ｎ≦０．０３０である。
【００４４】
熱伝導率λ［Ｗ／ｍ／Ｋ］が２７．０以上
製品を速く冷却したり、熱応力による金型損傷を軽減するには、金型を高熱伝導率化する必要がある。ダイカストなどに用いられる汎用鋼ＳＫＤ６１の２５℃における熱伝導率λは、約２４［Ｗ／ｍ／Ｋ］である。製品を速く冷却したり、金型損傷を軽減するには、熱伝導率λは、２７［Ｗ／ｍ／Ｋ］以上である必要がある。さらに好ましくは、２８［Ｗ／ｍ／Ｋ］以上である。なお、熱伝導率λの上限値は特に限定するものではないが、４４［Ｗ／ｍ／Ｋ］を超えて高熱伝導率化してもその効果が飽和するため実益に乏しい。
【００４５】
硬さが２６〜４３ＨＲＣ
金型には、摩耗し難さや変形し難さが求められる。そのため、金型には、硬さが必要である。硬さが２６ＨＲＣを超えていれば、離型剤の塗布による金型温度の低下が小さいダイカストに適用して、摩耗や変形の問題は起き難い。さらに好ましくは、２７ＨＲＣ以上である。一方、硬さが高すぎると、鋼材から金型を削り出す加工が非常に困難となる。そのため、硬さは、４３ＨＲＣ以下にする必要がある。
【００４６】
「請求項２の化学成分について」
本発明鋼は、ダイカスト金型の汎用鋼であるＳＫＤ６１と比較してＭｎとＣｒの合計量が少ない。このため本発明鋼は、焼入れ性があまり高くない。焼入れ性の向上には、ＣｕやＮｉの添加が有効である。具体的には、
０．３０＜Ｃｕ≦１．５０
０．３０＜Ｎｉ≦１．５０
の少なくとも１種を含有させれば良い。
これらの元素はフェライトノーズだけでなく、ベイナイトノーズも長時間側へシフトさせ、安定して焼入れ性を高める。
Ｃｕ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有する。但し、Ｃｕの過多では、熱間加工時の割れ、コスト増が問題となる。Ｎｉが過多でもコスト増が問題となる。
【００４７】
「請求項３の化学成分について」
焼入れ性の改善策として、Ｂの添加も有効である。具体的には、
０．０００１＜Ｂ≦０．００５０
を含有させる。
Ｂは、微量添加でフェライトノーズを長時間側へシフトさせる効果が大きい。一方、ベイナイトノーズの位置にはあまり影響しない。
Ｂは、ＢＮを形成すると焼入れ性の向上効果が無くなるため、鋼中にＢ単独で存在させる必要がある。具体的には、ＢよりもＮとの親和力が強い元素で窒化物を形成させ、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を固定する効果はあるが、Ｎ量によっては請求項５に規定する範囲で添加する場合もある。
Ｂが鋼中のＮと結合してＢＮが形成されても、余剰のＢが鋼中に単独で存在すればそれが焼入れ性を高める。Ｂはまた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、鋼中にＢとＢＮがある場合には焼入れ性と被削性が同時に改善される。
【００４８】
「請求項４の化学成分について」
本発明鋼は、ダイカスト金型の汎用鋼であるＳＫＤ６１と比較しＣｒやＭｏやＶが少ない。このため本発明鋼は、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。具体的には、
０．３０＜Ｗ≦４．００
０．１０＜Ｃｏ≦３．００
の少なくとも１種を含有させれば良い。
Ｗは炭化物の析出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有する。但し、何れの元素も所定量を超えると特性の飽和と著しいコスト増を招く。
【００４９】
「請求項５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ためには、Ｎｂ−Ｔａ−Ｔｉ−Ｚｒを選択的に添加することも有効である。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。
これらの元素との結合によって生成した炭化物や炭窒化物はオーステナイト結晶粒界の移動を抑制する。但し、いずれの元素も所定量を超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。
【００５０】
「請求項６の化学成分について」
ダイカスト金型の汎用鋼であるＳＫＤ６１と比較してＳｉが低い本発明鋼は、被削性があまり高くない。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、
０．００８０＜Ｓ≦０．０５００
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、所定量を越えた場合は熱間加工性や衝撃値が大きく低下する。
【発明の効果】
【００５１】
以上のような本発明によれば、離型剤の塗布による金型温度の低下が小さいダイカストに適用して、ダイカスト金型の低コスト化、ダイカストのサイクル短縮、鋳造品の高品位化を同時に実現することが可能なダイカスト金型用鋼及びこれを用いたダイカスト金型を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】焼戻し温度と焼戻し硬さとの関係を示した図である。
【図２】狙い硬さが得られる焼戻し温度の幅とＣｒ量との関係を示した図である。
【図３】プレハードン鋼材からの金型削り出し加工を説明する図である。
【図４】本発明の金型用鋼の連続冷却変態図を模式的に示した図である。
【図５】フェライトの析出抑制に対するＭｏの効果を示した図である。
【図６】金型表面の温度推移を示した図である。
【実施例】
【００５３】
下記の表４に示す発明鋼１６種および比較鋼５種（計２１鋼種）について素材コストおよび特性を評価した。なお、比較鋼１は、ＪＩＳ  ＳＣＭ４２０である。ダイカスト金型には使われないが、Ｃｒ−Ｍｏ系材料の代表として評価に加えた。比較鋼２は、３Ｃｒ系のＪＩＳ  ＳＫＤ７である。比較鋼３は、ダイカスト金型用の汎用鋼ＪＩＳ  ＳＫＤ６１である。比較鋼４は、ダイカスト金型用の高性能鋼（市販品）である。比較鋼５は、他の比較鋼よりも本発明に近い鋼種である。
【００５４】
【表４】
2019199634.tif 000005
【００５５】
＜素材コストについての評価＞
素材コストについては、コストに直結するＣｒ＋Ｍｏ＋Ｖの量で評価した。Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖの量が２．０未満である場合を「◎」、２．０〜５．０未満である場合を「○」、一方、ＳＫＤ６１（比較例３）と略同等もしくはこれよりも多い５．０以上である場合を「×」と判断した。
その結果を下記の表５に示す。本発明鋼は、ダイカスト金型用の汎用鋼ＪＩＳ  ＳＫＤ６１（比較例３）と比較して、素材コストの点で優れていることが分かる。
【００５６】
【表５】
2019199634.tif 000006
【００５７】
特性の評価は、少量溶解材に対する各種の基礎特性、工業サイズの素材を用いたダイカスト試験、と手順を踏んで行なった。
まず、少量溶解材に対する各種の基礎特性について述べる。溶鋼を１５０ｋｇのインゴットに鋳込んだ後、１２４０℃で２４時間の均質化処理を施した。そして熱間鍛造によって６０ｍｍ×４５ｍｍの矩形断面の棒状に仕上げた。引き続き１０２０℃に加熱して室温まで冷却する焼きならしと、６９０℃で１２時間保持する焼戻しを施した。この焼戻し材から試験片を作製して評価を行った。
【００５８】
＜焼入れ時のフェライト析出についての評価＞
先述の素材から切り出した外形Φ４ｍｍ×１０ｍｍの試験片を焼入れ温度に加熱し、６０分保持後に１２℃／ｍｉｎで１００℃以下まで冷却した。焼入れ温度は発明鋼１６種と比較鋼１，５が９００℃、比較鋼２〜比較鋼４は１０３０℃である。
冷却速度１２℃／ｍｉｎは、幅５３０ｍｍ×厚さ２５０ｍｍ×長さ６５０ｍｍの鋼材を衝風で焼き入れた時の、冷却が最も遅い中心部の高温域における冷却速度に相当する。冷却後は試験片を切断して、その断面を腐食して組織を観察し、フェライト相の有無を確認した。フェライト相の発生が認められなかった場合を「○」、フェライト相の発生が認められた場合を「×」と判断した。
【００５９】
結果は表５に示す通りである。比較鋼１と比較鋼５でフェライトが析出していた。フェライトの量は焼入れ性が著しく不足している比較鋼１で非常に多い。比較鋼５のフェライト量も金型となった場合に悪影響を及ぼすレベルである。比較鋼１と比較鋼５が大断面のプレハードン鋼材に適さないことは明らかである。比較鋼１と比較鋼５が大断面をプレハードン焼入れすると内部にフェライトが析出し、プレハードン鋼材から金型を彫り出した際、そのフェライト析出部が金型の意匠面（鋳造で溶融と接触する面）となり、フェライト部を起点としてヒートチェックが早期に発生するであろう。
【００６０】
他の鋼にはフェライトが皆無であり、大断面のプレハードン鋼材に適した焼入れ性を備えていることが分かる。以下の評価では、大断面のプレハードン鋼材に適さない比較鋼１と比較鋼５を対象から除外した。
【００６１】
＜焼戻し硬さについての評価＞
先述の素材から切り出した１５ｍｍ×１５ｍｍ×２０ｍｍの小ブロックを焼入れ温度に加熱し、６０分保持後に１２℃／ｍｉｎで１００℃以下まで冷却した。焼入れ温度は発明鋼１６種が９００℃、比較鋼２〜比較鋼４は１０３０℃である。更に、小ブロックを６２０℃で２Ｈｒ保持した後に室温まで冷却する焼戻しを施し、ＨＲＣ硬さを測定した。
【００６２】
結果は表５に示す通りである。全ての鋼種（評価しない比較鋼１と比較鋼５を除く）でプレハードン鋼材に適した３４ＨＲＣ以上となった。つまり焼戻しを更に高温・長時間としても２６ＨＲＣ以上が得られる。もちろん焼戻しを低温・短時間とすれば４３ＨＲＣの高硬度も得られる。発明鋼は焼戻し条件の調整で２６〜４３ＨＲＣにできる。
【００６３】
＜熱伝導率についての評価＞
上記の焼戻した小ブロックに対して様々な条件で追加の焼戻しを施し、３４ＨＲＣに調質した。この小ブロックからΦ１０ｍｍ×２ｍｍの熱伝導率測定用の試験片を作製した。この試験片の２５℃における熱伝導率をレーザーフラッシュ法によって測定した。金型の長寿命化や鋳造品質の向上の観点から熱伝導率は高いほど好ましく、熱伝導率［Ｗ／ｍ／Ｋ］の値が３２を超えた場合を「◎」、２７を超え３２以下であった場合を「〇」、２４を超え２７以下であった場合を「△」、２４以下であった場合を「×」、と判断した。
【００６４】
結果は表５に示す通りである。（表中ではこれら◎、○、△、×の評価と併せて、括弧書きで実際に測定された熱伝導率［Ｗ／ｍ／Ｋ］も併せて示してある。）
ダイカスト金型用の既存鋼である比較鋼３と比較鋼４は熱伝導率が低い。特にＳｉ含有量の多い比較鋼３は２４Ｗ／ｍ／Ｋを未達である。これに対し発明鋼は、およそ３０〜４４Ｗ／ｍ／Ｋの高い熱伝導率を有していた。
【００６５】
＜衝撃値についての評価＞
先述の素材から切り出した１１ｍｍ×１１ｍｍ×５５ｍｍの角棒を焼入れ温度に加熱し、６０分保持後に１２℃／ｍｉｍで１００℃以下まで冷却した。焼入れ温度は、発明鋼１６種が９００℃、比較鋼２〜比較鋼４が１０３０℃である。更に様々な焼戻し条件で３４ＨＲＣに調質した。その後１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍの衝撃試験片（Ｕノッチ底半径１ｍｍ、ノッチ下高さ８ｍｍ、ノッチ下の横断面０．８ｃｍ2）に加工した。衝撃値は衝撃試験における吸収エネルギー[Ｊ]を試験片の断面積[０．８ｃｍ2]で除した値を意味する。室温での衝撃値を試験片１０本の平均値で評価した。
衝撃値が７０Ｊ／ｃｍ2以上あれば、金型設計の問題がない限り大割れはほぼ起こらないため、平均値で評価した衝撃値[Ｊ／ｃｍ2]が、７０以上であった場合を「○」、６０〜７０未満であった場合を「△」、６０未満であった場合を「×」と判定した。
【００６６】
結果は表５に示す通りである。（表中ではこれら○、△、×の評価と併せて、括弧書きで実際に測定された衝撃値[Ｊ／ｃｍ2]も併せて示してある。）
比較鋼２は焼入れ性を高めるＭｎ＋Ｃｒが低めで、且つ靭性を低下させるＭｏが約３％と多いため、衝撃値が低かった。比較鋼３は、衝撃値が極端に低いというわけではないが、７０Ｊ／ｃｍ2を超えておらず大割れが懸念される。これに対し、発明鋼は８３Ｊ／ｃｍ2以上の高衝撃値であった。
【００６７】
＜ドリル被削性についての評価＞
先述の素材から切り出した４０ｍｍ×５５ｍｍ×２００ｍｍのブロックを焼入れ温度に加熱し、６０分保持後に１２℃／ｍｉｍで１００℃以下まで冷却した。焼入れ温度は、発明鋼１６種が９００℃、比較鋼２〜比較鋼４が１０３０℃である。更に様々な焼戻し条件で３４ＨＲＣに調質した。
このブロックに深さ２０ｍｍの穴をΦ５ｍｍのハイス鋼ドリルで次々にあけてゆき、ドリルが折れた時点をドリル寿命と扱った。このドリル寿命を穴あけ速度を様々に変えて評価した。そして穴の累積深さが１０００ｍｍ（つまり穴５０個分）となる穴あけ速度を求め、この速度をＶＬ１０００としてドリル被削性の指標とした。
ＶＬ１０００が加工の効率であることから、ＶＬ１０００の値が３０を超えた場合を「◎」、２３を超え３０以下であった場合を「○」、２１を超え２３以下であった場合を「△」、２１以下であった場合を「×」と判定した。
【００６８】
結果は表５に示す通りである。（表中ではこれら◎、○、△、×の評価と併せて、括弧書きで実際に測定されたＶＬ１０００の値も併せて示してある。）
各発明鋼は、ＶＬ１０００の値が２４ｍ／ｍｉｎ以上と大きく被削性に優れている。特にＳを含む発明鋼１６は被削性に優れていた。発明鋼の金型を機械加工する際、同じ硬さの既存鋼と比較して切削工具の寿命が極端に短くなることはないと考えられる。比較鋼４は、高温強度を高めるＣｒ＋Ｍｏの量が多いため被削性が悪かった。
【００６９】
上記５つの基礎特性を確認した後、引き続き、工業サイズの素材を用いたダイカスト試験で実用性能を評価した。評価の対象は、表４における１９鋼種（比較鋼１および比較鋼５を除く）である。これらの鋼の溶鋼を１０ｔｏｎのインゴットに鋳込んで、このインゴットを１２４０℃で２４時間保持する均質化の後、鍛造で５７０ｍｍ×２７０ｍｍの矩形断面に成形した。この鍛造材を成分に応じた焼入れ温度に加熱し（発明鋼１６種が９００℃、比較鋼２〜４は１０３０℃）、６０℃の湯中に浸漬して焼入れた。続いて、成分に応じた焼戻し条件で３４ＨＲＣに調質してプレハードン鋼材とした。
【００７０】
＜耐ヒートチェック性についての評価＞
上記のプレハードン鋼材の内部（中心付近）から、可動型および固定型からなる一対のダイカスト金型を製作し、この金型を型締力１３５ｔｏｎのダイカストマシンに組み込み、鋳造テストとして質量６００ｇの鋳造品を５０００ショット鋳造した時の金型のヒートチェックを評価した。なお、溶湯は７００℃のＡＤＣ１２である。ヒートチェック抑制のため、離型剤の塗布量を少なめとした。離型剤は水溶性タイプを用い、１サイクルあたり３ｃｃをミスト状にして塗布した。塗布量３ｃｃは、離型剤を塗布するノズル１本当りではなく、全部のノズルから、一対の金型の意匠面に塗布される量の合計を指す。
【００７１】
このように塗布量が少なめであるため、サーモビューワーによる最表面温度の評価にて、金型温度は、定常状態において、溶湯と接触する金型表面の最低到達温度（離型剤の塗布後）は２０１℃以上の高温で推移した。
また、金型表面の温度推移を図６に示した。こちらは装入した熱電対による、表面から深さ１ｍｍ位置での温度であるが、細い射抜きピンであるため温度が定常状態に達するのも早く、およそ７ショットでほぼ定常状態（最高温度も最低温度もある値に収斂した状態）に達している。７ショット以降の定常状態において、最低到達温度は２００℃を超えている。なお、離型剤の塗布量が多い通常のダイカストでは、溶湯と接触する金型表面の最低到達温度が定常状態で１５０℃未満の低温になることも珍しくない。
【００７２】
金型表面には凸部があり、応力集中部となる凸部の基部にヒートチェックが発生したかどうかを評価した。ヒートチェックの判定は、金型に浸透探傷法を用いると同時に、鍛造品へのヒートチェックの転写を触診することにより行ない、ヒートチェックの発生が認められなかった場合を「◎」、発生が軽微な場合を「○」、発生がかなり目立つが、製品への悪影響はない場合を「△」、損傷が顕著で製品への転写が問題になるレベルを「×」とした。
【００７３】
結果は表５に示す通りである。比較鋼３と比較鋼４はヒートチェックがかなり発生し、特に熱伝導率が低い比較鋼３は損傷が顕著であった。これに対し、発明鋼の耐ヒートチェック性は非常に良く、凸部の基部にヒートチェックは発生していない。但し、熱伝導率が低めであった発明鋼３と発明鋼１０にはごく僅かにヒートチェックが発生した。
【００７４】
＜サイクル短縮についての評価＞
上記の鍛造において、サイクル短縮の検討も行なった。比較鋼３のＪＩＳ  ＳＫＤ６１の金型を用いた場合、射出から型開きまでは１０秒が必要であった。これより早く型を開くと、未凝固部から溶湯が流れ出たり、未凝固部に巻き込まれていた空気が減圧によって膨張して未凝固部が破裂する場合がある。
ここでは金型の鋼種を変えて、射出から型開きまでの時間を短縮する評価を行なったところ、発明鋼については射出から型開きまでの時間をＪＩＳ  ＳＫＤ６１の場合よりも２秒以上短縮しても、上記の問題は発生しなかった。比較鋼４でも多少のサイクル短縮は可能であったが効果は不十分であった。
【００７５】
＜鋳造組織についての評価＞
上記の鋳造において、サイクルを短縮した鋳造品の組織を評価した。鋳造組織の判定は、鋳巣のサイズや数が非常に少なく、組織も非常に微細な場合を「◎」、鋳巣があるものの小さく、組織も微細である場合を「○」、鋳巣は小さいが組織が粗大な場合を「△」、大きな鋳巣が多くあり、組織も粗大である場合を「×」とした。
【００７６】
結果は表５に示す通りである。比較鋼３のＪＩＳ  ＳＫＤ６１の金型を用いた場合、鋳造品の組織は粗大で鋳巣も多く、機械的性質や気密性に問題があると懸念される。一方、発明鋼の金型を用いた場合は、鋳造サイクルを短縮しているにもかかわらず、鋳造品の組織が微細化した。特に、熱伝導率の高い発明鋼において組織微細化の効果が大きい。比較鋼４でも鋳造品の組織は、多少は微細化されたが改善効果は不十分であった。
【００７７】
以上の評価の結果によれば、発明鋼は、コストに直結するＣｒ＋Ｍｏ＋Ｖの量が少なく安価であるにもかかわらず、特性評価の全項目で○あるいは◎が得られている。本発明鋼であれば、素材コストおよび耐ヒートチェック性に優れておりダイカスト金型の低コスト化が可能であり、併せてダイカストのサイクル短縮、鋳造品の高品位化も同時に実現可能であることが分かる。また、本発明鋼は省合金であることから環境負荷の軽減にも貢献できる。
一方、Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖの量が多い比較鋼には、×や△が目立ち、高コストの割りに特性が低いことが分かる。
【００７８】
以上本発明の実施例を詳述したように、本発明は離型剤塗布による金型表面の温度低下が小さいダイカストに好適である。このようなダイカストでは、通常のダイカストよりも金型が高温度化する。本発明が特に効果を発揮するのは、金型温度が定常状態において、「溶湯と接触した金型表面」の温度が離型剤塗布後に１５０℃以上の場合である。なお、溶湯と接触した金型表面とは、鋳造品のうち製品となる部分と接触していた金型の表面を意味する。鋳造品にある「ランナーやオーバーフローやバリ」は、「製品となる部分ではない」ため、ランナーやオーバーフローやバリの部分に該当する金型表面は、「溶湯と接触した金型表面」には含まれない。
【００７９】
上記実施例では、離型剤として「水溶性の液状」タイプを選定し、これを少なめにミスト状に塗布する（金型の表面を急冷却しない）場合を示し、溶湯と接触する金型表面の最低到達温度が１５０℃以上の高温で推移した。
一方、同じく「金型の表面を急冷却しない離型剤の塗布方法」として、油性の液状タイプの離型剤を少なめにミスト状に塗布する場合や、粉体タイプの離型剤を塗布する場合であっても、溶湯と接触する金型表面の最低到達温度が１５０℃以上の高温であれば、本発明鋼を用いることで、上記実施例の場合と同様の効果が得られる。
【００８０】
本発明鋼に、ショットピーニング，窒化処理，ＰＶＤ処理，ＣＶＤ処理，ＰＣＶＤ処理，メッキ処理その他の表面改質処理を施して使用することも有効である。本発明鋼は炭化物が少ないために、溶融金属を反応しやすいが、表面改質によって溶融金属との反応を抑制することができる。また本発明鋼は、粉末や板の積層造形による金型作成に使う粉末や板にも適用でき、棒線状として金型の本体や部品の溶接補修に使用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】
2019199634.tif 000007
【図２】
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【図３】
2019199634.tif 000009
【図４】
2019199634.tif 000010
【図５】
2019199634.tif 000011
【図６】
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