(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で
０．３５＜Ｃ＜０．５５
０．０１＜Ｓｉ＜０．２０
１．５０＜Ｍｎ＜１．８０
１．８０＜Ｃｒ＜２．００
０．９０＜Ｍｏ＜１．３０
０．６１＜Ｖ＜１．２０
０．０００４＜Ｎ＜０．０５００
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成を有する金型用鋼であって、硬さが２５〜５５ＨＲＣであり、変態前の旧オーステナイト結晶粒度番号が５以上であり、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２９≦λ≦４２であ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
０．３０＜Ｗ≦５．００
０．１０＜Ｃｏ≦４．００
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
０．００４＜Ｎｂ≦０．１００
０．００４＜Ｔａ≦０．１００
０．００４＜Ｔｉ≦０．１００
０．００４＜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
０．１０＜Ａｌ≦１．５０
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
０．３０＜Ｃｕ≦３．００
０．３０＜Ｎｉ≦４．００
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≦０．００５０
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
０．００３＜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金型用鋼。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかに記載の鋼から成ることを特徴とする金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は金型用鋼及び金型に関し、特に焼入れ加熱時に粗粒化し難く、且つ熱伝導性能に優れた金型用鋼及び金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来よりダイカストの金型や部品には、耐エロージョン性を確保するための硬さと、耐割れ性を確保するための靭性とが必要とされており、これら金型や部品は焼入れ焼戻し状態で使用されている。その際の焼入れの加熱条件は温度１０３０℃、その温度での保持時間１〜３Ｈｒである場合が多い。
焼入れ加熱時、鋼はオーステナイトと残留炭化物の混合組織となる（オーステナイト単相の場合もある）。その後、冷却によってオーステナイトはマルテンサイトを主体とする組織に変態し、焼戻しとの組合せによって硬さと靭性が付与される。
【０００３】
ここで靭性を考えると、焼入れ時のオーステナイト結晶粒度番号は大きいほうが望ましい。換言すれば、金型や部品としては、微細なオーステナイトから変態した組織が望ましい。この理由は、これら金型等の結晶粒が微細な方が亀裂が伝播し難くなり、割れを抑制する効果が大きいためである。
【０００４】
焼入れ時のオーステナイト結晶粒度は、加熱温度と保持時間で決まる。オーステナイト結晶粒度番号が大きく（結晶粒が微細に）なるのは、加熱温度が低く保持時間が短い場合である。このため、焼入れにおいては加熱温度が過度に高くならないよう、また保持時間が過度に長くならないように注意を払う必要がある。
また結晶粒の粗大化を防止するため、オーステナイト中に残留炭化物を分散させる手法が採られることもあり、この場合はＣ量と炭化物形成元素量を最適化させた成分系の鋼とする。
残留炭化物にはオーステナイト結晶粒界の移動を抑制する効果があり、この結果、オーステナイト結晶粒の粗大化が防止される（大きな結晶粒度番号が維持される）。
【０００５】
ところで、焼入れでは大きい金型と小さい金型とを一緒に加熱する「混載」が一般的である。混載する理由は金型を１個ずつ処理していたのでは、生産性が上がらないためである。
図３は、混載の場合における加熱時の炉温と炉内に装入された金型の温度の推移を模式的に示したものである。先述の通り、焼入れ温度での保持時間は１〜３Ｈｒ必要であるが、大きい金型がこの条件になるよう炉温の保持時間を設定すると、温度上昇が速い小さい金型では焼入れ温度での保持時間が最長で５Ｈｒ近くとなり、結晶粒が粗大化してしまう（結晶粒度番号が小さくなる）。
【０００６】
また、近年ダイカストのサイクルタイム短縮や焼付き軽減のため、冷却効率に優れた高熱伝導率鋼をダイカストの金型や部品に使う場合が増えてきている。ダイカスト金型の汎用鋼であるＳＫＤ６１の熱伝導率が２３〜２８Ｗ／ｍ／Ｋであるのに対し、高熱伝導率鋼は２９Ｗ／ｍ／Ｋ以上の熱伝導率を有する。このような鋼は、熱伝導率を高くするため低Ｃｒ化（Ｃｒ＜３％）されている。
【０００７】
ところが、このような鋼は１０３０℃の焼入れ時に残留する炭化物が少ないかほぼ無い。そこで焼入れ時の結晶粒の粗大化を防止するため（オーステナイト結晶粒度番号≧５とするため）には、焼入れ温度を１０２０℃以下に低くしなければならず、そうすると、その鋼の金型だけが他の金型と焼入れ温度が違うため、個別に焼入れ処理をしなければならなくなる。つまり、大きな炉にその鋼の金型１個だけを装入して処理することになり、非常に生産性が低くなってしまう。
尚、高熱伝導率鋼のなかにはＣｒをほとんど含有しないことで熱伝導率が４２Ｗ／ｍ／Ｋを超える鋼もあるが、そのような鋼は高温強度が低いため、ダイカストの金型や部品に使うことは推奨されない。また、非常に焼入れ性が悪く、金型に必要な硬さを熱処理で得ること自体が難しい。
【０００８】
以上をまとめると、熱伝導率が２９〜４２Ｗ／ｍ／Ｋの低Ｃｒ鋼であって、１０３０℃で５Ｈｒ保持してもオーステナイト結晶粒度番号が５以上の鋼が存在すれば、以下の３点の同時実現が可能となる。
(1)焼入れの生産性向上（１０３０℃で焼入れする大きな金型との混載が可能となるため）。
(2)ダイカストのサイクルタイム短縮や焼付き軽減（高熱伝導率とすることで冷却効率が高くなるため）。
(3)ダイカスト金型の割れ防止（焼入れ時のオーステナイト結晶粒を微細化することで靭性を高めることができるため）。
しかしながら現状ではこのような鋼は存在せず、焼入れ時に粗粒化し難い高熱伝導率鋼を求める産業界のニーズは非常に強い。
【０００９】
本発明に対する先行技術として、下記特許文献１には「金型用鋼」についての発明が示され、そこにおいて鋼の熱伝導率を効果的に所望の値以上確保するとともに、併せて被削性及び衝撃値をも十分に確保するようになした金型用鋼を提供することを目的として、鋼の組成を「質量％で、０．３５＜Ｃ≦０．５０，０．０１≦Ｓｉ＜０．１９，１．５０＜Ｍｎ＜１．７８，２．００＜Ｃｒ＜３．０５，０．５１＜Ｍｏ＜１．２５，０．３０＜Ｖ＜０．８０，０．００４≦Ｎ≦０．０４０，残部Ｆｅ及び不可避的不純物」とした点が開示されている。
しかしながらこの特許文献１に開示のものは、Ｃｒの含有量が２．０％超であり、かかる特許文献１に開示のものはＣｒ含有量において本発明とは異なった別異のものである。
【００１０】
また下記特許文献２には「熱疲労特性に優れた金型用鋼」についての発明が示され、そこにおいて熱疲労特性及び軟化抵抗を高めることによってヒートチェック，水冷孔割れを抑制し、金型寿命を高寿命化することのできる金型用鋼を提供することを目的として、鋼の組成を「質量％で、Ｃ：０．１〜０．６，Ｓｉ：０．０１〜０．８，Ｍｎ：０．１〜２．５，Ｃｕ：０．０１〜２．０，Ｎｉ：０．０１〜２．０，Ｃｒ：０．１〜２．０，Ｍｏ：０．０１〜２．０，更にＶ，Ｗ，Ｎｂ及びＴａのうち１種類若しくは２種以上を合計で：０．０１〜２．０，Ａｌ：０．００２〜０．０４，Ｎ：０．００２〜０．０４，Ｏ：０．００５以下，残部Ｆｅ及び不可避的不純物」とした点が開示されている。
しかしながらこの特許文献２に開示のものは、熱伝導率への着眼がなされているものの、本発明の請求項を満たす化学組成の実施例の開示はなく、また焼入れ時の結晶粒粗大化防止についての言及もなされていない点で本発明とは異なっている。
【００１１】
また下記特許文献３には、「球状化焼鈍性及び焼入れ性に優れた金型用鋼」についての発明が示され、そこにおいて焼入れ性が良好で所要の衝撃値が得られ、金型寿命を高寿命化し得るとともに、球状化焼鈍性も良好で切削加工が容易な質量５００ｋｇ以上の大型の金型に適用される金型用鋼を提供することを目的として、金型用鋼を「質量％で、Ｃ：０．２〜０．６％，Ｓｉ：０．０１〜１．５％，Ｍｎ：０．１〜２．０％，Ｃｕ：０．０１〜２．０％，Ｎｉ：０．０１〜２．０％，Ｃｒ：０．１〜８．０％，Ｍｏ：０．０１〜５．０％，ＶとＷとＮｂとＴａのうち１種若しくは２種以上の合計：０．０１〜２．０％，Ａｌ：０．００２〜０．０４％，Ｎ：０．００２〜０．０４％，残部Ｆｅ及び不可避的不純物」の組成を有するものとした点が開示されている。
しかしながらこの特許文献３に開示のものは、請求の範囲で規定する化学成分の範囲では本発明の金型用鋼と成分が部分的に重複しているものの、本発明で規定する範囲内のCrを含有したものが実施例中で開示されていない。加えてこの特許文献３に開示のものは、添加成分と熱伝導率との関係や、更には添加成分と焼入れ時の結晶粒粗大化防止との関係についての言及もなされておらず、本発明とは別異のものである。
【００１２】
また下記特許文献４には、希少金属の含有量が少ないにも拘らず軟化抵抗が高く、熱疲労特性や耐摩耗性に優れた型材用鋼を提供することを目的として、型材用鋼の組成を、「質量％で、Ｃ：０．１５〜０．５５％，Ｓｉ：０．０１〜２．０％，Ｍｎ：０．０１〜２．５％，Ｃｕ：０．０１〜２．０％，Ｎｉ：０．０１〜２．０％，Ｃｒ：０．０１〜２．５％，Ｍｏ：０．０１〜３．０％、及び、Ｖ及びＷからなる群から選ばれる少なくとも１種の総量：０．０１〜１．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物」の組成とした点が開示されている。
しかしながらこの特許文献４に開示のものには、本発明で規定する範囲内のＭｎ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖを含有したものが実施例中に開示されていない。加えて熱伝導率や焼入れ時の結晶粒粗大化防止についての言及もなされておらず、この特許文献４に開示のものも本発明とは別異のものである。
【００１３】
更に下記特許文献５には、「工具鋼」についての発明が示され、そこにおいて鋼の組成を「重量％で、Ｃ：０．２６〜０．５５％，Ｃｒ：２．％未満，Ｍｏ：０〜１０％，Ｗ：０〜１５％，ＴｉとＺｒとＨｆとＮｂとＴａを単独または合計で０〜３％，Ｖ：０〜４％，Ｃｏ：０〜６％，Ｓｉ：０〜１．６％，Ｍｎ：０〜２％，Ｎｉ：０〜２．９９％，Ｓ：０〜１％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物」とした点が開示されている。
しかしながら特許文献５に開示のものは、室温での熱伝導率を４２Ｗ／ｍ／Ｋよりも大きくしたものであり、本発明とは熱伝導率の範囲が異なっている。加えて本発明で規定する範囲内のＭｏ，Ｖ，Ｍｎを含有したものが実施例中に開示されておらず、本発明とは別異のものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１１−９４１６８号公報
【特許文献２】特開２００８−５６９８２号公報
【特許文献３】特開２００８−１２１０３２号公報
【特許文献４】特開２００８−１６９４１１号公報
【特許文献５】特開２０１４−１１１８３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は以上のような事情を背景とし、焼入れ加熱時にオーステナイト結晶粒の粗粒化を防止して焼入れ焼戻し後の靭性を高くし得て、且つ熱伝導性能に優れた金型用鋼及び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】
【００１６】
而して請求項１のものは、金型用鋼に関するもので、質量％で０．３５＜Ｃ＜０．５５，０．０１＜Ｓｉ＜０．２０，１．５０＜Ｍｎ＜１．８０，１．８０＜Ｃｒ＜２．００，０．９０＜Ｍｏ＜１．３０，０．６１＜Ｖ＜１．２０，０．０００４＜Ｎ＜０．０５００を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成を有する金型用鋼であって、硬さが２５〜５５ＨＲＣであり、変態前の旧オーステナイト結晶粒度番号が５以上であり、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２９≦λ≦４２であることを特徴とする。
【００１７】
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≦０．０５，Ｓ≦０．００３，Ｃｕ≦０．３０，Ｎｉ≦０．３０，Ａｌ≦０．１０，Ｗ≦０．３０，Ｏ≦０．０１００，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。
【００１８】
請求項２のものは、請求項１において、質量％で０．３０＜Ｗ≦５．００，０．１０＜Ｃｏ≦４．００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３のものは、請求項１，２の何れかにおいて、質量％で０．００４＜Ｎｂ≦０．１００，０．００４＜Ｔａ≦０．１００，０．００４＜Ｔｉ≦０．１００，０．００４＜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。
【００２０】
請求項４のものは、請求項１〜３の何れかにおいて、質量％で０．１０＜Ａｌ≦１．５０を更に含有することを特徴とする。
【００２１】
請求項５のものは、請求項１〜４の何れかにおいて、質量％で０．３０＜Ｃｕ≦３．００，０．３０＜Ｎｉ≦４．００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６のものは、請求項１〜５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。
【００２３】
請求項７のものは、請求項１〜６の何れかにおいて、質量％で０．００３＜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。
【００２４】
請求項８のものは、金型に関するものであって、請求項１〜７の何れかに記載の鋼から成ることを特徴とする。
尚本発明において、「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。
【００２５】
以上のような本発明は、硬さを確保するためにＣとＭｏとＶを、高熱伝導率を維持するためにＳｉとＣｒを、焼入れ性を確保するためにＭｎを、更に焼入れ時のオーステナイト結晶粒を微細とする（結晶粒度番号を大きくする）ためにＣとＶとＮを、それぞれ最適化したものである。
かかる本発明の鋼は、ダイカスト金型の汎用鋼であるＳＤＫ６１よりも高い熱伝導率を有する一方で、焼入れ加熱時オーステナイト結晶粒の粗粒化を防止することができるため焼入れ焼戻し後の靭性が高く、金型や部品に用いた場合の耐割れ性を確保することができる。
特に本発明の鋼は、Ｃｒ＜２．００％の低Ｃｒ鋼であるにも拘らず１０３０℃で５Ｈｒ保持する焼入れでもオーステナイト結晶粒度番号が５以上である（結晶粒の粗粒化を防止することができる）ため、１０３０℃で焼入れする大きな金型との混載が可能であり、焼入れの生産性を高めることができる。
更に本発明の鋼では、焼入れ焼戻し後に最大で５５ＨＲＣの硬さが得ることができる。
【００２６】
以上のような本発明の鋼はダイカストの金型や部品に適用すると、金型や部品の割れ防止、ダイカストのサイクルタイム短縮を実現することができる。
プラスチックを射出成形する金型や部品に適用した場合もダイカストの場合と同様の効果を得ることができる。また温間鍛造，亜熱間鍛造，熱間鍛造等の金型に適用することも可能である。
更に本発明の鋼を棒状や線状にし、金型や部品の溶接補修材として使用することもできる。あるいは粉末や板の積層造形によって製造される金型や部品に適用することもできる。この場合、金型や部品に複雑な内部冷却回路を設ければ、本発明の高熱伝導率の効果が更に大きく発揮される。
【００２７】
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」
０．３５＜Ｃ＜０．５５
Ｃ≦０．３５では、焼入れ速度が小さく、且つ焼戻し温度が高い場合に硬さ２５ＨＲＣ以上を安定して得にくい。０．５５≦Ｃでは粗大な炭化物が増加し、それが亀裂の起点となるため靭性が低下する。また０．５５≦Ｃでは残留オーステナイトが増え、それが焼戻しで粗大なベイナイトになるため靭性が低下する。更に０．５５≦Ｃでは溶接性が低下する。
好適なＣの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．３６＜Ｃ＜０．５４であり、より好ましくは０．３７＜Ｃ＜０．５３である。
【００２８】
０．０１＜Ｓｉ＜０．２０
Ｓｉ≦０．０１では機械加工時の被削性が著しく劣化する。一方、０．２０≦Ｓｉでは熱伝導率の低下が大きい。
好適なＳｉの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．０２＜Ｓｉ＜０．１９であり、より好ましくは０．０３＜Ｓｉ＜０．１８である。
【００２９】
１．５０＜Ｍｎ＜１．８０
Ｍｎ≦１．５０では焼入れ性が不足し、ベイナイトの混入による靭性の低下を招く。１．８０≦Ｍｎでは焼鈍性が劣化し、軟質化させる熱処理が複雑で長時間となって製造コストを増加させる。また１．８０≦Ｍｎでは熱伝導率の低下も大きい。
好適なＭｎの範囲は、諸特性のバランスに優れた１．５２＜Ｍｎ＜１．７８であり、より好ましくは１．５４＜Ｍｎ＜１．７６である。
【００３０】
１．８０＜Ｃｒ＜２．００
Ｃｒ≦１．８０では焼入れ性が不足する。またＣｒ≦１．８０では耐食性が極端に悪くなる。一方、２．００≦Ｃｒでは熱伝導率の低下が大きい。
好適なＣｒの範囲は、諸特性のバランスに優れた１．８１＜Ｃｒ＜１．９９であり、より好ましくは１．８２＜Ｃｒ＜１．９８である。
【００３１】
０．９０＜Ｍｏ＜１．３０
Ｍｏ≦０．９０では、２次硬化の寄与が小さく、焼戻し温度が高い場合に硬さ２５ＨＲＣ以上を安定的に得ることが困難となる。
一方、１．３０≦Ｍｏでは焼鈍性が悪化する。また１．３０≦Ｍｏでは素材コストが上昇する。
好適なＭｏの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．９２＜Ｍｏ＜１．２８であり、より好ましくは０．９４＜Ｍｏ＜１．２６である。
【００３２】
０．６１＜Ｖ＜１．２０
Ｖ≦０．６１では、焼入れ時にオーステナイト結晶粒度番号を大きく（微細なオーステナイト結晶粒を維持）する効果に乏しい。
オーステナイト結晶粒度番号に及ぼすＶの影響を図１に示す。０．４４Ｃ−０．０７Ｓｉ−１．６１Ｍｎ−１．９０Ｃｒ−１．１１Ｍｏ−０．０１８Ｎを基本成分としＶ量の異なる鋼を、１０３０℃で５Ｈｒ保持し、急冷してマルテンサイト変態させ、腐食液で変態前の旧オーステナイト結晶粒界を現出させて結晶粒度番号を評価した。判定はＪＩＳ Ｇ０５５１に準じた。
【００３３】
図１に示すように、高Ｃ高Ｎということもあり、Ｖ量が多い領域では安定して結晶粒度番号が大きい（結晶粒が微細）。この理由はオーステナイト結晶粒界の移動を抑制する残留ＶＣの粒子が多量に存在するためである。Ｖの減少につれて残留ＶＣも少なくなるため結晶粒度番号は小さくなり（結晶粒は粗大化し）、Ｖ≦０．６１では粒度番号５以上を維持できなくなる。
１．２０≦Ｖでは、微細結晶粒を維持する効果が飽和するだけでなくコスト増を招く。また、１．２０≦Ｖでは粗大な晶出炭化物（凝固時に析出するもの）が増加し、それが亀裂の起点となるため靭性が低下する。
好適なＶの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．６２＜Ｖ＜１．１５であり、より好ましくは０．８０＜Ｖ＜０．９８である。
０．８０＜Ｖでは結晶粒度番号が６以上となり、靭性が極めて高位安定化する。
【００３４】
０．０００４＜Ｎ＜０．０５００
Ｎ≦０．０００４では、焼入れ時にオーステナイト結晶粒度番号を大きく（微細なオーステナイト結晶粒を維持）する効果に乏しい。オーステナイト結晶粒度番号に及ぼすＮの影響を図２に示す。０．４６Ｃ−０．１２Ｓｉ−１．６２Ｍｎ−１．９５Ｃｒ−１．１２Ｍｏ−０．９８Ｖを基本成分としＮ量の異なる鋼を、１０３０℃で５Ｈｒ保持し、急冷してマルテンサイト変態させ、腐食液で変態前の旧オーステナイト結晶粒界を現出させて結晶粒度番号を評価した。判定はＪＩＳ Ｇ０５５１に準じた。
【００３５】
図２に示すように、高Ｃ高Ｖということもあり、Ｎ量が多い領域では安定して結晶粒度番号が大きい（結晶粒が微細）。この理由はオーステナイト結晶粒界の移動を抑制する残留ＶＣの粒子が多量に存在するためである。Ｎの減少につれて残留ＶＣも少なくなるため結晶粒度番号は小さくなり（結晶粒は粗大化し）、Ｎ≦０．０００４では粒度番号５以上を維持できなくなる。このようにＮは残留ＶＣの量に大きな影響を及ぼしている。
０．０５００≦Ｎでは、微細な結晶を維持する効果が飽和する。また０．０５００≦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０．０５００≦Ｎでは粗大な窒化物が増加し、それが亀裂の起点となるため靭性が低下する。
好適なＮの範囲は、諸特性のバランスに優れた０．００１０＜Ｎ＜０．０４００であり、より好ましくは０．００３０＜Ｎ＜０．０３５０である。
０．００１０＜Ｎでは結晶粒度番号が６以上となり、靭性が極めて高位安定化する。
【００３６】
「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などと比較してＭｎとＣｒの合計量が少ないため、焼入れ性もそれほど高くない。このため焼入れ速度が小さく、且つ高温で焼戻した場合には硬さ２５ＨＲＣ以上の確保が難しい。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、
０．３０＜Ｗ≦５．００
０．１０＜Ｃｏ≦４．００
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。
【００３７】
「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、
０．００４＜Ｎｂ≦０．１００
０．００４＜Ｔａ≦０．１００
０．００４＜Ｔｉ≦０．１００
０．００４＜Ｚｒ≦０．１００
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、靭性の低下を招く。
【００３８】
「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
０．１０＜Ａｌ≦１．５０
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。
但し、Ａｌが所定量を超えると、熱伝導率や靭性の低下を招く。
【００３９】
「請求項５の化学成分について」
先述の通り、本発明鋼は焼入れ性がそれほど高くない。このため焼入れ速度が小さく、且つ高温で焼戻しした場合には硬さ２５ＨＲＣ以上の確保が難しいだけでなく、靭性の低下も懸念される。そのような場合にはＣｕやＮｉを選択的に添加し、焼入れ性を向上させれば良い。具体的には、
０．３０＜Ｃｕ≦３．００
０．３０＜Ｎｉ≦４．００
の少なくとも１種を含有させれば良い。Ｃｕには時効析出で硬度を高める効果もある。いずれの元素も所定量を越えると熱伝導率低下と素材コスト上昇が著しい。
【００４０】
「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、
０．０００１＜Ｂ≦０．００５０
を含有させる。
尚、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。尚、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。
【００４１】
「請求項７の化学成分について」
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、
０．００３＜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】
【００４２】
以上のような本発明によれば、焼入れ加熱時にオーステナイト結晶粒の粗粒化を防止して焼入れ焼戻し後の靭性を高くし得て、且つ熱伝導性能に優れた金型用鋼及び金型を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】結晶粒度番号に及ぼすＶ量の影響を示した図である。
【図２】結晶粒度番号に及ぼすＮ量の影響を示した図である。
【図３】焼入れ加熱時における金型の温度推移を示した模式図である。
【実施例】
【００４４】
表１に示す１９種類の鋼材について、旧オーステナイト結晶粒度番号，焼入れ焼戻し後の硬さ、熱伝導率を調査した。表中の比較鋼１はダイカスト金型の汎用鋼ＪＩＳ ＳＫＤ６１である。比較鋼２は本発明の範囲からＶ量が下限に外れる鋼である。
これら１９種類の鋼材は以下の手順で製造した。まず、溶鋼を５０ｋｇのインゴットに鋳込んだ後、１２４０℃で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℃に加熱して急冷する焼きならしと、６７０℃に加熱する焼戻しを施した。更に８２０℃〜９００℃に加熱した後に１５℃／Ｈｒで６００℃まで強制冷却し、１００℃以下まで放冷した後、引き続き６８０℃に加熱する焼鈍を行った。この棒鋼から試験片を切出し、各種の調査に用いた。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
＜旧オーステナイト結晶粒度番号＞
先述の素材から切り出した１５ｍｍ×１５ｍｍ×２５ｍｍの小さいブロックを試験片とした。このブロックを１０３０℃に加熱して５Ｈｒ保持した後に２０℃／ｍｉｎの速度で冷却してマルテンサイト変態させた後、腐食液で変態前の旧オーステナイト結晶粒界を現出させて、結晶粒度番号を評価した。判定はＪＩＳ Ｇ０５５１に準じ、その結果を表２に示す。
比較鋼２は、本発明のＶ量が下限に外れた水準であり、焼入れ時のオーステナイト結晶粒界をピン止めするＶＣ粒子が少ないため、粒度番号は５未満である。比較鋼４はフェライトが析出しており、変態前のオーステナイト結晶粒度の正確な評価は難しく参考値である。但し明らかに粒度番号は５より小さかった。これに対し各発明鋼の粒度番号は、安定して７を超えている。
【００４７】
【表２】
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【００４８】
＜硬さと熱伝導率＞
結晶粒の粗大化特性を調査した小さいブロックを６２５℃×２Ｈｒで焼戻し、室温でＨＲＣ硬さを測定した。更にそのブロックから直径φ１０ｍｍ×２ｍｍの小さい円盤状試験片を作成した。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で測定した。
即ち、レーザー発振器から発射したレーザー光を２５℃の上記試験片に対して直角に照射、そのとき試験片の背面から放射される熱量を赤外線検出器で測定して比熱と熱拡散率を求め、最終的に熱伝導率λ（＝比熱×熱拡散率×密度）を算出した。これらの結果を表３に示す。
焼入れ焼戻し後の硬さについては、比較鋼４でフェライトが析出しており、金型に必要な２５ＨＲＣ以上の硬さが得られない。他の鋼種は４２ＨＲＣ以上となっている。
一方熱伝導率については、Ｃｒ量の多い比較鋼１と比較鋼３が目標とする２９Ｗ／ｍ／Ｋ以上の値を満足していない。他鋼種の熱伝導率は安定して２９Ｗ／ｍ／Ｋ以上である。
【００４９】
【表３】
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【００５０】
以上の調査結果を総括すれば表４の通りである。
１０３０℃×５Ｈｒで加熱した場合の旧オーステナイト結晶粒度番号については５以上を○、５未満を×とした。
焼入れ焼戻し後の硬さについては２５〜５５ＨＲＣの範囲を○、それ以外を×とした。
熱伝導率については２９〜４２Ｗ／ｍ／Ｋの範囲を○、それ以外を×とした。
【００５１】
比較鋼については、いずれかの項目に×がある。比較鋼２と比較鋼４は結晶粒度番号が小さい（結晶粒が大きい）ため、実際に金型を焼き入れる場合にも同様の現象が起こり、ダイカストに使用中の金型が割れることが懸念される。
加えて比較鋼４については熱伝導率が４３Ｗ／ｍ／Ｋと高い一方で硬さは低く、この鋼をダイカスト金型とした場合の耐久性が懸念される。
また比較鋼１と比較鋼３は熱伝導率に難があり、この鋼の金型をダイカストに適用した場合にはサイクルタイム短縮が困難と予想される。
これに対し各発明鋼は、結晶粒度番号にも熱伝導率にも問題は無い。従って発明鋼を実際の金型に適用した場合にも、割れ難く、サイクルタイム短縮ができると期待される。
尚、比較鋼４を除けば比較鋼も発明鋼も４２ＨＲＣ以上得られており金型として充分な硬さの範囲であった。
【００５２】
【表４】
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【００５３】
以上本発明の実施例を詳述したがこれはあくまで一例示である。
硬度、靭性、熱伝導性能に優れた本発明鋼は、ダイカストの金型以外にもプラスチックを射出成形する金型用としても好適である。また温間鍛造，亜熱間鍛造，熱間鍛造等の金型に適用することも可能である。
更に、本発明鋼は表面改質（ショットブラスト，サンドブラスト，窒化処理，ＰＶＤ処理，ＣＶＤ処理，メッキ処理など）と組み合わせることも有効である。
また本発明鋼を棒状や線状にし、金型や部品の溶接補修材として使用することもできる。あるいは粉末や板の積層造形によって製造される金型や部品に適用することもできる。この場合、金型や部品に複雑な内部冷却回路を設ければ、本発明鋼の高熱伝導率の効果が更に大きく発揮される。
その他本発明は、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】
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【図２】
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【図３】
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