(57)【要約】【課題】高硬度，偏析の少なさ，パーライトの析出し難さ，高耐食性の各特性をともに満たし得る、温度５００℃以下で使用される金型のための金型用鋼を提供する。【解決手段】金型表面が５００℃以下の温度で使用される金型用の鋼を、質量％でO.30＜Ｃ＜O.50，1.OO＜Si＜2.00，0.30＜Mn＜1.20，6.50＜Cr＜9.50，0.20＜Mo＜2.OO，O.50＜Ｖ＜O.90，0.O03＜Ｎ＜O.200を含有し、残部がFe及び不可避的不純物の組成を有するものとする。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型表面が５００℃以下の温度で使用される金型用の鋼であって、質量％で
O.30＜Ｃ＜O.50
1.OO＜Si＜2.00
0.30＜Mn＜1.20
6.50＜Cr＜9.50
0.20＜Mo＜2.OO
O.50＜Ｖ＜O.90
0.O03＜Ｎ＜O.200
を含有し、残部がFe及び不可避的不純物の組成を有することを特徴とする金型用鋼。
【請求項２】
請求項１において、質量％で
O.10＜Ｗ≦4.00
0.10＜Co≦3.OO
の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする金型用鋼。
【請求項３】
請求項１，２の何れかにおいて、質量％で
0.O04＜Nb≦0.100
O.O04＜Ta≦O.100
0.O04＜Ti≦0.100
O.O04＜Zr≦0.100
の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする金型用鋼。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、質量％で
O.1＜Al＜1.2
を更に含有することを特徴とする金型用鋼。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかにおいて、質量％で
O.30＜Ni≦3.5
0.30＜Cu≦1.5
の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする金型用鋼。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかにおいて、質量％で
0.0001＜Ｂ≦O.O050
を更に含有することを特徴とする金型用鋼。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかにおいて、質量％で
O.O03＜Ｓ≦O.050
0.OO05＜Ca≦O.2000
0.03＜Se≦O.50
0.O05＜Te≦O.100
0.O1＜Bi≦O.50
0.03＜Pb≦O.50
の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする金型用鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は金型用鋼に関し、詳しくは５００℃以下の温度で使用される金型に用いられる金型用鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
ここで５００℃以下の温度で使用されるとは、表面温度が５００℃以下で用いられる金型の意味である。
この種の金型として「樹脂の射出成形金型」があり、その他に「ゴムの射出成形若しくは他の方法による成形用や加工用の金型」，「鋼板の冷間プレス成形」や「鋼板のホットスタンプ（プレスクエンチやダイクエンチとも呼ばれる）」や「薬剤の粉末を錠剤に固める工具（打錠杵）」の金型等がある。
【０００３】
「樹脂の射出成形金型」はこの種金型の代表的なものである。
一般に射出成形される樹脂の温度は３５０℃以下である。樹脂の流動性を上げるため、射出成形される樹脂の温度は高くなる傾向にあるが、それでも５００℃を超えるような温度となることはまず無い。５００℃を超えるような高温度になると樹脂が熱分解してしまうからである。
従って射出成形時の金型や部品の表面も５００℃未満で推移する。
それ故樹脂の射出成形金型や部品においては５００℃を超える温度での特性、例えば１０００℃以上で使用されるような熱間工具用鋼等に求められる高温強度のような特性はそれほど重要ではない。
【０００４】
一方で樹脂の射出成形金型（具体的にはそのための金型用鋼）には高硬度，偏析の少なさ，パーライトの析出し難さ，高耐食性が求められる。
以下にこの点を詳しく説明する。
近年、樹脂製品にあっては高強度化のために硬質なガラス繊維を混入させたものが増えて来ている。
このような樹脂の射出成形においては、金型の摩耗が問題となる。金型が摩耗すると製品形状が変化し、寸法精度を外れる。金型は摩耗しない事が重要である。従って、金型には耐摩耗性を確保するための高硬度が要求される。
また、硬い金型ほど、炭化物や介在物の脱落による微小な穴(ピンホール)が出来にくく、靭性が低下して研磨時のムシレ（小さな欠損）が発生しにくい。この結果、硬い金型ほど鏡面研磨性が良くなる傾向がある。鏡面研磨性の観点からも、高硬度は重要な金型特性である。
【０００５】
一般に樹脂製品の表面は滑らかであることが求められる。樹脂製品の表面を滑らかに成形するには、鏡面研磨された金型表面に微小な凹凸(ウネリ)があってはならない。ウネリが製品に転写されて、表面の意匠性を損ねるからである。ウネリは金型素材（金型用鋼）の偏析に起因して発生する。従って、金型用鋼には良好な鏡面研磨性を確保すべく偏析の少なさが要求される。
【０００６】
偏析の少なさは、シボ加工される金型においても重要である。
樹脂製品の中には、皮革の表面に似た微細なシワ状の凹凸模様を表面に施したものがある。この場合、金型表面に皮革様の凹凸模様を薬品で腐食して与えることになる。皮革模様を「シボ」と呼称し、薬品によるエッチングでシボを付与する工程がシボ加工である。
このシボ加工性は、偏析の影響を大きく受ける。その理由は、化学成分の部位間差（偏析）によって、エッチングの程度に差を生じるためである。このような不具合を「シボムラ」と呼称する。シボムラを発生させないという観点からも、偏析の少なさは重要である。
【０００７】
焼入れ性が非常に悪い素材（鋼）の大きな金型を焼入れると、パーライトが析出する事がある。パーライトが析出すると、金型の鏡面研磨時、パーライトの部分が優先的に削られて（パーライト部の炭化物が脱落して）ピンホールになり易い。ピンホールは製品に凸として転写され、表面の意匠性を損ねる。したがって、金型（具体的には金型用鋼）には鏡面研磨性を確保するためのパーライトの析出し難さ（焼入れ性の良さ）が要求される。
【０００８】
また、焼入れ性が悪い素材（鋼）の場合、焼入れ速度が大きい型表面ではパーライトが析出しなくても、焼入れ速度が小さい金型内部でパーライトが析出する。使用中の金型には、型締めや射出で機械応力が繰返し負荷されるが、このような繰返し負荷による金属疲労においてパーライトは破壊の起点となり、金型が内部から破壊し易くなる。したがって、金型用鋼にはパーライトの析出し難さ（焼入れ性の良さ）が要求される。
【０００９】
樹脂を迅速に冷却して固化するため、樹脂の射出成形金型の内部には、冷却水を流通させる水冷回路が設けられている。耐食性の悪い金型材の場合、水冷回路が錆びて狭くなることによって流量が減少し、冷却能が低下する。また、錆びが深く浸食した部位を起点として割れが発生することもある。したがって、金型には冷却能維持と腐食割れ防止のため高耐食性が要求される。
なお、水冷回路の内表面にパーライトが析出していた場合には、そこが亀裂の起点となる。この意味でも、パーライトの析出し難さは重要である。
以上のように硬質樹脂の射出成形型には、高硬度・偏析の少なさ・パーライトの析出し難さ・高耐食性が求められるが、現状これらの要求を全て満たすような鋼は存在しない。
【００１０】
例えば、Crを13％と多く添加したステンレス鋼SUS 420J2を金型用鋼として用いた場合、Crの多量添加によって高耐食性を付与することができるが、一方で高Cr，高Ｃ（Ｃ＝0.4％）によって粒界炭化物やパーライトが析出し易くなってしまう。
【００１１】
他方このような高Crによる問題を改善すべくCrを8％程度まで少なくし、併せてＣ量を0.3％程度まで低量とした鋼、例えば0.3Ｃ-0.25Si-8Cr-0.5Mo-0.6Ｖの組成を有する鋼（この組成の鋼は、後述の特許文献１に開示のプラスチック成形金型用鋼に属するものである）を用いると、粒界炭化物やパーライトの問題については改善できるものの硬さが不足してしまい、またそのことによって鏡面研磨性や耐摩耗性も悪化してしまう。
【００１２】
尚、本発明に対する先行技術として下記特許文献１には、「プラスチック成形金型用鋼およびプラスチック成形金型」についての発明が示され、そこにおいて「Ｃ：0.22％〜0.35％，Si：0.01％〜0.40％，Mn：0.10％〜1.20％，Ｐ：0.030％以下，Cu：0.05％〜0.20％，Ni：0.05％〜1.00％，Cr：5.0％〜10.0％，Mo：0.10％〜1.00％，Ｖ：0.50％超〜0.80％，Ｎ：0.01％〜0.2％，Ｏ：0.0100％以下、および、Al：0.050％以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなることを特徴とするプラスチック成形金型用鋼」が開示されている。
しかしこの特許文献１に開示のものは、熱伝導率の低下を防止するためにSi含有量が0.01〜0.40％と低含有量とされており、本発明とは異なったものである。
【００１３】
一方、下記特許文献２には「プラスチック成形用工具鋼」についての発明が示され、そこにおいて「重量％で、炭素が0.25乃至0.50％，珪素が0.005乃至0.5％，マンガンが0.1乃至2.0％，クロムが8.0乃至10.0％，モリブデンが0.05乃至2.0％，酸可溶アルミニウムが0.005乃至0.050％，全窒素が0.002乃至0.035％であり、0.01乃至0.50％のＶ，0.005乃至0.25％のNb，及び0.01乃至0.25％のＷのうち少なくとも２種を含み、残部が鉄及び不可避不純物からなることを特徴とするプラスチック成形用工具鋼」が開示されている。
この特許文献２に開示のものは、放電加工により生じる内部歪みを有効に開放できるように高温焼戻しを可能とすべく、Ｃ量を少なくし、炭化物安定化元素Ｖ，Nb，Ｗを適量添加したもので、Siについては過剰添加による靭性低下を防ぐため、含有量の上限を0.5％とする低含有量のもので、本発明とは異なる。
【００１４】
他方、特許文献３には「被削性に優れたプラスチック成形用金型鋼」についての発明が示され、そこにおいて「重量％で、Ｃ：0.30〜0.55％，Si：0.01〜1.0％，Mn：0.1〜3.0％，Cr：7〜12％，Mo：0.05〜3.0％，Sol.Al：0.005〜0.10％，ＴＮ：0.002〜0.05％を含有し、更にＶ：0.01〜0.50％，Nb：0.005〜0.50％，Ｗ：0.01〜0.50％のうち２種以上を含み、且つＳ：0.01〜0.15％，Pb：0.01〜0.10％，Te：0.005〜0.20％のうちの１種以上を含むことを特徴とする被削性に優れたプラスチック成形用金型鋼」が開示されている。
この特許文献３に開示のものは、特許文献２に開示のものとほぼ同様にSiの含有量が0.01〜1.0％と低含有量であり、本発明と異なる。
【００１５】
次に特許文献４には「工具鋼」についての発明が示され、そこにおいて「重量比で、Ｃ：0.35〜0.55％，Si：0.5〜3％，Mn：2％以下，Cr：6〜14％，Mo：0.2〜4％，Cu：0.1〜3％を含有し、かつＣとCrとの関係がCr(％)＋15.5Ｃ(％)≦20を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなる高硬度耐食工具鋼」が開示されている。
この特許文献４に開示のものは、プラスチック成形用金型に求められる高硬度，高鏡面性，耐食性を満たすべくＣと炭化物形成元素Crの成分バランスを調整し、巨大炭化物の生成を阻止するようになしたものであるが、Ｖが鏡面性を低下させるとして添加成分から除外されており、この点で本発明とは異なっている。
【００１６】
次に特許文献５には「鋼、金型用鋼及びこれを用いた金型」についての発明が示され、そこにおいて「質量％で、Si：0.02〜2.50％，Mo：0.20〜4.00％，及び、Ｃ：0.15〜0.55％を含有し、更に、質量％で、次式(１)〜次式(２)を満たすＣ，Ｖ，Cr，Mn，Ni，Cuを含有する残部がFe及び不可避の不純物からなることを特徴とする鋼。0.729−1.01Ｃ≦Ｖ≦1.718−1.65Ｃ[％]・・式(１)、7.382−2.79Ｘ≦Cr≦10.395−3.69Ｘ[％]（但し、Ｘ＝Mn＋0.38(Ni＋Cu)[％]、0.30≦Ｘ≦2.10[％]）・・式(２)」が開示されている。
但しこの特許文献５に記載のものにあっては、実施例の何れもが本発明の条件を満たすものではなく、本発明とは別異のものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２０１０−１７４３１９号公報
【特許文献２】特開平２−９３０４３号公報
【特許文献３】特開平４−１１６１３９号公報
【特許文献４】特開昭５９−１７９７６１号公報
【特許文献５】特開２００９−２４２８１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は以上のような事情を背景とし、高硬度，偏析の少なさ，パーライトの析出し難さ，高耐食性の各特性をともに満たし得る、温度５００℃以下で使用される金型のための金型用鋼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】
【００１９】
而して請求項１のものは、金型表面が５００℃以下の温度で使用される金型用の鋼であって、質量％でO.30＜Ｃ＜O.50，1.OO＜Si＜2.00，0.30＜Mn＜1.20，6.50＜Cr＜9.50，0.20＜Mo＜2.OO，O.50＜Ｖ＜O.90，0.O03＜Ｎ＜O.200を含有し、残部がFe及び不可避的不純物の組成を有することを特徴とする。
【００２０】
尚、通常、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≦O.05，Ｓ≦O.O03，Cu≦O.30，Ni≦O.30，Al≦0.10，Ｗ≦O.10，Ｏ≦0.01，Co≦O.1O，Nb≦O.O04，Ta≦O.O04，Ti≦O.O04，Zr≦O.O04，Ｂ≦O.OO01，Ca≦O.OO05，Se≦O.03，Te≦O.O05，Bi≦0.01，Pb≦O.03，Mg≦O.02などである。
【００２１】
請求項２のものは、請求項１において、質量％でO.10＜Ｗ≦4.00，0.10＜Co≦3.OOの少なくとも１種を更に含有することを特徴とする。
【００２２】
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.O04＜Nb≦0.100，O.O04＜Ta≦O.100，0.O04＜Ti≦0.100，O.O04＜Zr≦0.100の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする。
【００２３】
請求項４のものは、請求項１〜３の何れかにおいて、質量％でO.1＜Al＜1.2を更に含有することを特徴とする。
【００２４】
請求項５のものは、請求項１〜４の何れかにおいて、質量％でO.30＜Ni≦3.5，0.30＜Cu≦1.5の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする。
【００２５】
請求項６のものは、請求項１〜５の何れかにおいて、質量％で0.0001＜Ｂ≦O.O050を更に含有することを特徴とする。
【００２６】
請求項７のものは、請求項１〜６の何れかにおいて、質量％でO.O03＜Ｓ≦O.050，0.OO05＜Ca≦O.2000，0.03＜Se≦O.50，0.O05＜Te≦O.100，0.O1＜Bi≦O.50，0.03＜Pb≦O.50の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする。
【００２７】
以上のような本発明は、Ｃ-Si-Moの適正化で高硬度を達成し、耐摩耗性と鏡面研磨性とを高め得た点、13Cr含有のSUS 420J2に比べて6.50＜Cr＜9.50％と少なくして粒界炭化物，パーライト析出を抑制した点、一方でこのようなCr量の下でSi-Moの適正化で、13Cr鋼に近い耐食性を確保可能とした点を特徴としたものである。
【００２８】
本発明によれば、Ｃ含有量が同等であるSUS 420J2に比べてSiの含有量が多いことによって、またMo，Ｖの２次硬化によって、更にはCrの低量化によって（Crは２次硬化の際の硬さを低下させる作用がある）耐摩耗性，鏡面研磨性にとって望ましい硬さである５３ＨＲＣ（ショア硬さに換算すれば７１）以上を、より望ましい硬さの５５ＨＲＣ（ショア硬さに換算すれば７４）以上を実現することが可能である。
【００２９】
以上の本発明は、特に樹脂の射出成形金型用鋼や射出成形を含むゴム成形金型用鋼として適したものであるが、鋼板の冷間プレス成形金型，鋼板のホットスタンプ金型，薬剤の粉末を錠剤に固める打錠杵金型等の金型用鋼としても好適なものである。
これらの金型用の鋼としては、高硬度であり、偏析が少なく、パーライトが析出し難く、高耐食性を有する鋼を有利に用いることができる。
【００３０】
次に本発明における各化学成分の限定理由を以下に説明する。
「請求項１の化学成分について」
O.30＜Ｃ＜O.50
Ｃ≦O.30では、高い耐摩耗性の確保に必要な高硬度（≧５３ＨＲＣ）が得られない。O.50≦Ｃでは、耐食性や溶接性が低下する。また一般に、Ｃが増えると炭化物も増加する結果、硬質樹脂の射出成形用としたときには必要な特性(偏析の少なさ、パーライト析出し難さ、高耐食性)は劣化する。
この意味では、必要な硬さが得られる範囲内でＣは少ない方が良い。好適なＣの範囲は、諸特性のバランスに優れた0.30＜Ｃ＜0.40であり、より好ましくは0.32＜Ｃ＜0.40であり、一層好ましくは0.34＜Ｃ＜0.40である。
【００３１】
1.OO＜Si＜2.OO
Si≦1.OOでは、被削性の劣化が著しいだけでなく、高い耐摩耗性の確保に必要な高硬度(≧５３ＨＲＣ)を得にくい。2.00≦Siでは被削性や硬度が飽和に近付く。また、2.OO≦Siでは、熱伝導率の低下が大きく、金型の冷却能が低下してしまうだけでなく、熱間加工(金型用素材製造)時に工具が著しく摩耗する。さらに、2.OO≦Siではデルタフェライトを生じやすい。デルタフェライトは、金型の機械的性質や鏡面研磨性に悪影響を及ぼす。好適なSiの範囲は、これらの特性のバランスに優れた1.OO＜Si＜1.57であり、より好ましくは1.00＜Si＜1.45であり、一層好ましくは1.00＜Si＜1.35である。
【００３２】
図1は、被削性に及ぼすSi量の影響を示す。
O.38Ｃ-O.7Mn-8Cr-1.OMo-O.55Ｖを基本成分とし、SiをO.1〜2.3で変化させた鋼種群を切削加工し、工具寿命に到るまでの切削距離を評価した。切削距離の大きい方が望ましい。Siが1.O以下では切削距離が急減する。Siが2.O以上では、切削距離の増加はほぼ飽和する。なお、これらの鋼種は、軟質化された焼きなまし状態で評価した。
【００３３】
図２は、焼戻しの最大硬さに及ぼすSi量の影響を示す。
O.31Ｃ-O.7Mn-8Cr-O.5Mo-O.55Ｖを基本成分とし、SiをO.1〜2.3で変化させた鋼種群を１０３０℃から焼入れ、５００〜５２５℃で焼戻した場合の最大硬さを評価した。
Siが1.O以下では高い耐摩耗性の確保に必要な５３ＨＲＣ以上が得られない。Siが2.O以上では、硬さの増加はほぼ飽和する。
【００３４】
O.30＜Mn＜1.20
Mn≦O.30では焼入れ性が不足し、大きな金型を焼入れた場合にパーライトが析出しやすくなる。1.20≦Mnでは、熱伝導率の低下が著しいだけでなく、焼きなましで充分に軟質化させることが困難になる。また、1.20≦Mnでは、凝固時におけるMnの偏析が顕著となり、金型の鏡面研磨性に悪影響を及ぼす。好適なMnの範囲は、これらの特性のバランスに優れたO.40≦Mn≦1.10である。
【００３５】
6.50＜Cr＜9.50
Cr≦6.50では、耐食性を改善する効果が小さい。9.50≦Crでは、熱伝導率の低下が顕著である。また、9.50≦Crでは、凝固時におけるCrの偏析が顕著となり、鏡面性（鏡面研磨性。以下単に鏡面性とすることがある）やシボ加工性を劣化させるだけでなく、デルタフェライトを生じやすい。好適なCrの範囲は、これらのバランスに優れた7.39≦Cr≦9.42である。
【００３６】
O.20＜Mo＜2.OO
Mo≦O.20では、必要な硬さ５３ＨＲＣ以上を、特に焼戻し温度が高い場合に得にくい。また、Mo≦O.20では耐食性を改善する効果に乏しい。一方、2.OO≦Moでは破壊靭性値の低下が著しい。また、2.OO≦Moでは偏析が顕著になるだけでなく、デルタフェライトを生じやすい。好適なMoの範囲は、0.40≦Mo≦1.80である。
【００３７】
O.50＜Ｖ＜O.90
Ｖ≦O.50では、高い鏡面性の確保に必要な高硬度(≧５３ＨＲＣ)を、特に焼戻し温度が高い場合に得にくい。また、Ｖ≦O.50では、焼入れ時の炭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が粗大化し易く、焼戻し後の機械的性質に悪影響を及ぼす。0.90≦Ｖでは、粗大な炭化物や炭窒化物を生じやすく、やはり機械的性質に悪影響を及ぼす。好適なＶの範囲は、これらのバランスに優れたO.52≦Ｖ≦O.80である。
【００３８】
0.O03＜Ｎ＜O.200
Ｎ≦O.003では、焼入れ時の炭化物や窒化物が少なくなるためオーステナイト結晶粒が粗大化し易く、焼戻し後の機械的性質に悪影響を及ぼす。また、Ｎ≦O.O03では窒素の固溶硬化による硬度増加が少ない。O.200≦Ｎでは、粗大な炭化物や炭窒化物を生じやすく、機械的性質に悪影響を及ぼす。好適なＮの範囲は、これらのバランスに優れたO.O05≦Ｎ≦O.180である。
【００３９】
「請求項２の化学成分について」
本発明鋼はCrを多く含有するため軟化抵抗が低く、焼戻し温度が高い場合には５３ＨＲＣの確保が難しい。そのような場合には、ＷやCoを選択的に添加し、強度確保を図ればよい。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。具体的には、
0.10＜Ｗ≦4.OO
O.1O＜Co≦3.OO
の少なくとも１種（１元素）を含有させれば良い。
いずれの元素も、所定量を越えると特性の飽和と著しいコスト増を招く。好適な範囲は、
O.30≦Ｗ≦3.OO
O.30≦Co≦2.OO
である。
【００４０】
「請求項３の化学成分について」
予期せぬ設備トラブルなどによって、焼入れ加熱温度が高くなったり焼入れ加熱時間が長くなれば、結晶粒の粗大化による各種特性の劣化が懸念される。そのような場合に備え、Nb-Ta-Ti-Zrを選択的に添加し、これらの元素が形成する微細な析出物でオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制することが出来る。具体的には、
O.O04＜Nb≦O.100
0.O04＜Ta≦O.100
0.004＜Ti≦O.1O0
0.O04＜Zr≦O.1O0
の少なくとも１種を含有させれば良い。
いずれの元素も、所定量を越えると炭化物や窒化物や酸化物が過度に生成し、衝撃値や鏡面研磨性の低下を招く。
【００４１】
「請求項４の化学成分について」
同様に、オーステナイト結晶粒の粗大化を抑制するため
O.1＜A1＜1.2
を含有させることが出来る。AlはＮと結合してAlＮを形成し、オーステナイト結晶粒界の移動(すなわち粒成長)を抑制する効果を有する。
また、Alは鋼中で窒化物を形成して析出強化に寄与するため、窒化処理された鋼材の表面硬さを高くする作用も有する。より高い耐摩耗性を求めて窒化処理をする金型には、Alを含む鋼材を使う事が有効である。
【００４２】
「請求項５の化学成分について」
近年、部品の大型化や一体化によって、金型のサイズは大きくなる傾向にある。大きな金型は冷却され難い。このため、焼入れ性が低い鋼材の大きな金型を焼入れると、焼入れ中にフェライトやパーライトや粗大ベイナイトが析出して各種特性が劣化する。本発明鋼はかなり高い焼入れ性を有しており、そのような懸念は少ない。しかし、非常に大きな金型を冷却強度の弱い焼入れ方案で処理した場合にも備え、Cu-Niを選択的に添加して焼入れ性を更に高めることが出来る。具体的には、
O.30＜Ni≦3.5
0.30＜Cu≦1.5
の少なくとも１種を含有させれば良い。NiにはAlと結合して金属間化合物を析出し、硬度を高める効果もある。Cuには、時効析出で硬度を高める効果もある。好適な範囲は、
O.50≦Ni≦3.O
O.50≦Cu≦1.2
である。いずれの元素も、所定量を越えると偏析が顕著となり、鏡面研磨性の低下を招く。
【００４３】
「請求項６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、
O.OO01＜Ｂ≦O.O050
を含有させる。
なお、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、請求項３に掲げる元素が挙げられる。請求項３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３に規定する範囲で添加することができる。
【００４４】
「請求項７の化学成分について」
本発明鋼は、望ましい硬度として調質後の硬度が５３ＨＲＣ以上となるため、金型形状への機械加工や穴開けが難しい。そのような間題への対処として、Ｓ-Ca-Se-Te-Bi-Pbを選択的に添加し、被削性を改善すれば良い。具体的には、
O.O03＜Ｓ≦O.050
0.OO05＜Ca≦O.2000
0.03＜Se≦O.50
0.O05＜Te≦O.100
0.01＜Bi≦O.50
0.03＜Pb≦O.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被削性の飽和と熱間加工性の劣化、衝撃値や鏡面研磨性の低下を招く。
【発明の効果】
【００４５】
以上のような本発明によれば、高硬度，偏析の少なさ，パーライトの析出し難さ，高耐食性の各特性を全て満たし得る金型用鋼、詳しくは５００℃以下の温度で使用される金型用の鋼を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】被削性に及ぼすSi量の影響を示した図である。
【図２】焼戻しの最大硬さに及ぼすSi量の影響を示した図である。
【実施例】
【００４７】
表１に示す２９鋼種を用いて金型の素材を以下の手順で製造した。まず、溶鋼を７ｔｏｎのインゴットに鋳込んだ後、１２５０℃で均質化処理を施した。そして、熱間鍛造によって３００ｍｍ×７００ｍｍの矩形断面のブロックに仕上げた。引き続き、１０５０℃に加熱して急冷する焼き入れと、７００℃の加熱による焼戻しを施した。さらに、９３０℃に加熱した後に徐冷して焼きなました。
【００４８】
【表１】
2015081356.tif 000002
【００４９】
上記のブロックが金型の素材となる。ここでは、ブロックを金型形状に粗加工する際の切削性、および金型となった場合の特性を系統的かつ正確に見積もるため、当該ブロックの中心付近から試験片を切り出し、各種の試験を行った。具体的には、被削性、焼入れ性(パーライトの析出)、耐食性、耐摩耗性、鏡面性、を評価する試験を行った。
【００５０】
被削性は、１５０ｍ／分の速度で２０ｍ切削した際の工具（エンドミル使用）の摩耗量（横逃げ面摩耗量）ｄ(ｍｍ)で評価した。ｄ≦O.15を「◎」、O.15＜ｄ≦O.25を「○」、O.25＜d≦O.35を「△」、O.35＜ｄを「×」とした。
【００５１】
パーライトの析出は、金型の焼入れを模擬した実験で評価した。試験片の概略形状はφ４ｍｍ×１０ｍｍで、これを１０３０℃に加熱して１５分保持した後、様々な冷却速度で室温まで冷却した。冷却後は試験片を切断して組織を観察し、パーライトの有無を判定した。評価は、パーライトが析出した最大の冷却速度Ａ(℃／分)でおこない、Ａ≧30を「×」、30＞Ａ≧lOを「△」、10＞Ａ≧5を「○」、5＞Ａを「◎」とした。「×」はパーライトが非常に析出し易く、当該鋼が金型となった場合に、鏡面性劣化や水冷孔割れや疲労破壊の危険が高い事を意味する。逆に、「◎」の鋼ではこのような危険性が低い。
【００５２】
耐食性、耐摩耗性、鏡面性の評価用試験片には焼入れ焼戻しを施した。具体的には、１０３０℃で１Ｈｒの均熱後に急冷して焼入れ、４５０〜６００℃で２Ｈｒ焼戻した。焼戻し温度は、その鋼種の最大硬さが得られる温度を選択した。
【００５３】
耐食性は湿潤試験で評価した。試験片を湿度９８％で５０℃の環境に２４Ｈｒ晒した後の発錆状況を目視観察し、ほとんど錆びが発生していない場合を「◎」、僅かな錆びが発生すれば「○」、錆びがかなり目立てば「△」、錆びが非常に多い場合は「×」、とした。
【００５４】
耐摩耗性は大越式の摩耗試験で評価した。６．３ｋｇｆの負荷を与えた試験片にJIS SCM415の回転円盤を距離２００ｍ接触させた後の試験片の比摩耗量Ｗ(ｍｍ３／ｋｇｆ・ｍｍ)を測定した。Ｗ＜1×1O−６を「◎」、1×lO−６≦Ｗ＜2×10−６を「○」、2×10−６≦Ｗ＜6×10−６を「△」、6×10−６≦Ｗを「×」の判断とした。
【００５５】
鏡面性は、砥粒番手50000まで磨いた時の不具合（ウネリ、クモリ、ピンホール等)の程度で判断した。不具合がほぼ無ければ「◎」、少なければ「○」(金型として使える状態)、目立てば「△」(金型として使えない場合が多い)、非常に多い場合を「×」(金型としては使えない)、と評価した。
【００５６】
これらの結果が表１に併せて示してある。以下では、まず比較鋼の結果を説明する。
鋼２５は、パーライトこそ析出し難いものの、低Crのため耐食性が悪く、低硬度のため耐摩耗性も鏡面性も悪い。低Siであるため被削性も良くない。
鋼２６は更に低Siであるため、被削性が悪い。また、硬度が低目のため耐摩耗性と鏡面性に難がある。
ただし、Ｃ量が略O.3％と低めでCr量が略8％であることから、パーライトが析出し難く耐食性も良い。
鋼２７はSUS 420J2相当材で、略13％Crかつ高硬度なので耐食性・耐摩耗性・鏡面性が良い。
【００５７】
一方で、Ｃ量が略O.4％と高めでCr量が略13％と高いためにパーライトが非常に析出し易い。また、炭化物が増えるため、被削性も低めである。
鋼２８は、諸特性のバランスが比較的に良いが、Cr量が略5％とそれほど高くないため耐食性に難がある。
【００５８】
鋼２９は非常に硬いため、耐摩耗性に優れる。
しかしＣ量が略1％と非常に高く、Cr量も略8％と高めであるため、パーライト析出・耐食性・鏡面性に難がある。炭化物が多いことから被削性も良くない。また硬い割に鏡面性が悪いが、これはCr系の粗大な炭化物が多いためである。
また、ＣとCrの多い鋼材は、熱処理条件によっては結晶粒界に炭化物が析出して、鏡面性や耐食性が低下する事もある。いずれにせよ、比較鋼ではいずれかの特性に「△」あるいは「×」があり、少なくとも２種類の化学成分が本発明の範囲を外れている。
【００５９】
次に、発明鋼について説明する。いずれの発明鋼も「△」や「×」は１つも無く、パーライトの析出し難さ(焼入れ性の良さ)・耐食性・耐摩耗性・鏡面研磨性を高い次元で同時実現している。特に、鏡面性と耐摩耗性に優れる点が注目される。
O.3％を超えるＣ量と1％を超えるSi量でマトリックスの硬度を確保し、MoとＶの２次硬化と併せて５５ＨＲＣ以上の硬度を実現している。
一部の比較鋼のように、Ｃ-Cr-Ｖが過度に高いという事も無いため、粗大な炭化物が無く特性が安定している。
なお、鋼１２と鋼１３のみ鏡面性が「○」とやや劣る理由は、被削性を向上させる粒子がピンホールの起点となる場合があるためである。
【００６０】
以上本発明の実施形態を詳述したがこれはあくまで一例示である。
例えば本発明の鋼は表面ショットブラスト，窒化処理，ＰＶＤ処理，ＣＶＤ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等、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】
2015081356.tif 000003
【図２】
2015081356.tif 000004