(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１２〜０．３０％、Ｓｉ：０．２６〜０．３７％、Ｍｎ：１．１０〜１．８０％、Ｓ：０．００５〜０．０５０％、Ｃｒ：１．３５〜２．９０％、Ｍｏ：０．１０〜０．２４％、Ｖ：０．０１〜０．０４％、Ｎ：≦０．０１８０％、Ａｌ：≦０．０２５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、かつ、これら鋼中に含有される硫化物中に占めるＣａ、Ｃｒの割合は、Ｃａ：≦５．０％、Ｃｒ：≦２５．０％、かつ（Ｃａ＋Ｃｒ）：≦２８．０％で、これら鋼中に含有される硫化物の面積率：０．０５〜０．２０％で、１ｍｍ2当たりの硫化物の個数：≧９個で、全硫化物の個数の中で５０μｍ2以上の面積を有する硫化物の個数の割合は：２〜４２％で、さらに硫化物の平均アスペクト比：≦９であることを特徴とする被削性および鏡面加工性に優れた高靭性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】
本発明はプラスチックの射出成形、圧縮成形、トランスファ成形など、各種の成形の金型として用いられるプラスチック成形金型用鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の内装やバンパー等に用いられるプラスチック部材の成型に用いられる金型には２５〜３５ＨＲＣの硬さが必要とされることから、ＪＩＳ  ＳＣＭ４４０あるいはＡＩＳＩのＴｙｐｅのＰ２０などの中炭素鋼のプリハードン鋼が用いられている。これらの金型には、一般的な硬さや靭性などの機械的特性に加え、プラスチック製品の意匠性や機能性を持たせるためのシボ加工性が求められる。しかし、中炭素鋼は硬さや靭性はあるものの、ＣやＭｏが多く含まれているために偏析がきつく、被削性を悪化させると共に、鏡面加工性を低下させ、また、シボ加工を行ったときにシボムラを発生させる原因となる。さらに、被削性を向上させるために、Ｓを多量に添加する方法があるが、靭性や鏡面加工性が低下する場合がある。
【０００３】
従来の技術として、被削性に優れたプラスチック成型金型用の開発鋼が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この開発鋼はＣａＯの含有量が８〜６２質量％の酸化物系介在物が芯となり、その周囲を１．０質量％以上のＣａを含有する硫化物系介在物が取り囲んだ二重構造介在物であり、硫化物系介在物の占有面積が視野面積３．５ｍｍ2当たり２．０×１０-4ｍｍ2以上である介在物を含有する鋼である。この提案の鋼は、Ｖ量が多いために成分偏析が生じやすく、偏析部と非偏析部の硬さの違いから、鏡面加工時にうねりが生じることがあった。さらに、硫化物のアスペクト比が大きい個所では、被削性が低下してしまい、常に優れた被削性であるとは言えなかった。
【０００４】
また、極めて優れた被切削性を有し、かつ優れた研磨仕上性および耐摩耗性を兼備し、主としてプラスチック成形に使用される金型用鋼が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。しかし、この提案の鋼も特許文献１の鋼と同様に、Ｍｏ量が多いために成分偏析が生じやすく、鏡面加工時にうねりが生じることがあった。さらに、硫化物の分布がばらついていたり、またアスペクト比が大きい硫化物があったりすることで、常に優れた被削性であるとは言えなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３２３４号公報
【特許文献２】特許３３８６５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、被削性に優れ、また鏡面加工性にも優れた高靭性プラスチック成形金型用鋼の提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述したような先行技術の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、請求項に示す合金成分範囲、硫化物面積率、硫化物中のＣａ量、硫化物中のＣｒ量および硫化物中の（Ｃａ＋Ｃｒ）量、硫化物の単位面積あたりに占める個数、５０μｍ2以上の面積を有する硫化物の個数割合、およびアスペクト比を制限することで、被削性および鏡面加工性に優れた高靭性のプラスチック成形金型用の鋼が得られることを見出した。
【０００８】
そこで、上記の課題を解決するための本発明の手段では、第１の手段は、質量％で、Ｃ：０．１２〜０．３０％、Ｓｉ：０．２６〜０．３７％、Ｍｎ：１．１０〜１．８０％、Ｓ：０．００５〜０．０５０％、Ｃｒ：１．３５〜２．９０％、Ｍｏ：０．１０〜０．２４％、Ｖ：０．０１〜０．０４％、Ｎ：≦０．０１８０％、Ａｌ：≦０．０２５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼である。かつ、これら鋼中に含有される硫化物中に占めるＣａ、Ｃｒの割合は、Ｃａ：≦５．０％、Ｃｒ：≦２５．０％、かつ（Ｃａ＋Ｃｒ）≦２８．０％で、これら鋼中に含有される硫化物の面積率：０．０５〜０．２０％で、１ｍｍ2当たりの硫化物の個数：≧９個で、全硫化物の個数の中で５０μｍ2以上の面積を有する硫化物の個数の割合は：２〜４２％で、さらに硫化物の平均アスペクト比：≦９であり、被削性および鏡面加工性に優れた高靭性のプラスチック成形金型用鋼である。
【発明の効果】
【０００９】
本願発明の金型鋼は、請求項に記載の化学成分を含有し、かつ、その鋼に含有の、硫化物中のＣａ量、Ｃｒ量および（Ｃａ＋Ｃｒ）量、ならびに硫化物の面積率、１ｍｍ2当たりの硫化物の個数、５０μｍ2以上の面積を有する硫化物の個数の割合、硫化物の平均アスペクト比が請求項に規定する範囲とすることにより、このプラスチック成形金型用鋼は自動車の内装やバンパー等に用いられるプラスチック部材の射出成形や圧縮成形やトランスファ成形などのプラスチック成形において優れた靱性、被削性および鏡面加工性を有して加工することできる鋼となっている。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
発明を実施するための形態の記載に先立って、本願の請求項に係る鋼の構成要件である各化学成分の含有される限定理由および該鋼中に含有される硫化物の各特性の限定理由について記載する。なお、化学成分における％は質量％である。
【００１１】
Ｃ：０．１２〜０．３０％
Ｃは、鋼中に硬質炭化物を形成し、鋼の硬さおよび耐摩耗性を向上させるとともに焼入性を高める元素である。これらの効果を得るためには、Ｃは０．１２％以上が含有される必要がある。一方、Ｃは０．３０％より多く鋼中に含有されると、粗大な炭化物を形成して、靱性を悪化し、さらに鏡面加工性を悪化し、また、鋼中に偏析帯を形成しやすく、シボムラが発生する要因となる。そこで、Ｃは０．１２〜０．３０％とする。
【００１２】
Ｓｉ：０．２６〜０．３７％
Ｓｉは、精錬時の脱酸剤であり、さらに鋼の硬さを得るために必要な元素である。このためには、Ｓｉは０．２６％以上含有される必要がある。一方、Ｓｉは０．３７％より多いと、鋼の靱性が悪化する。そこで、Ｓｉは０．２６〜０．３７％とする。
【００１３】
Ｍｎ：１．１０〜１．８０％
Ｍｎは、精錬時の脱酸剤であり、さらに鋼の焼入性を得るために必要な元素であり、また、硫化物を形成して鋼の被削性を向上させる元素である。これらの効果を得るためには、Ｍｎは１．１０％以上を含有する必要がある。一方、Ｍｎは１．８０％より多く鋼中に含有されると、マトリックスを脆化し、靱性や被削性が悪化する。そこで、Ｍｎは１．１０〜１．８０％とする。
【００１４】
Ｓ：０．００５〜０．０５０％
Ｓは、切削中の応力集中源となる硫化物を鋼中に形成し、被削性を向上させる元素である。これらの効果を得るためには、Ｓは０．００５％以上含有される必要がある。一方、Ｓは０．０５０％以上含有されると、鋼中に含有される硫化物が粗大となり、靱性の低下を招き、また鋼の鏡面加工時にピットやうねりを鏡面中に発生させる原因となる。そこでＳは０．００５〜０．０５０％とする。
【００１５】
Ｃｒ：１．３５〜２．９０％
Ｃｒは、鋼中に硬質炭化物を形成して、鋼の硬さおよび耐摩耗性を向上させるとともに、焼入性を高めるために必要であり、また、鋼中に硫化物を形成して被削性を向上させる元素である。これらの効果を得るために、Ｃｒは１．３５％以上を含有させる必要がある。一方、Ｃｒは２．９０％より多いと、鋼中に粗大な炭化物を形成して鋼の靱性および被削性を悪化する。そこで、Ｃｒは１．３５〜２．９０％とする。
【００１６】
Ｍｏ：０．１０〜０．２４％
Ｍｏは、鋼中に硬質炭化物を形成して、鋼の硬さおよび耐摩耗性を向上させるとともに、焼入性および焼戻し軟化抵抗性を高める元素である。これらの効果を得るために、Ｍｏは０．１０％以上を含有させる必要がある。一方、Ｍｏは０．２４％より多いと、鋼中に粗大な炭化物を形成し、靱性を悪化し、鏡面加工時にピットを形成しやすくし、また、シボムラが発生する要因となる。そこで、Ｍｏは０．１０〜０．２４％とする。
【００１７】
Ｖ：０．０１〜０．０４％
Ｖは、鋼中に硬質炭窒化物を形成して、鋼の焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制する効果があり、靱性の向上に寄与する元素である。これらの効果を得るために、Ｖは０．０１％以上を含有させる必要がある。一方、Ｖは０．０４％より多いと、鋼中に粗大な看過物を生成し、靱性を悪化し、鋼の鏡面加工時にピットを形成し易くする。また、偏析帯を形成しやすく、シボムラが発生する原因となる。そこで、Ｖは０．０１〜０．０４％とする。
【００１８】
Ｎ：≦０．０１８０％
Ｎは、鋼中に窒化物を形成して結晶粒の粗大化を防止し、靱性の低下に寄与する元素である。このためには、Ｎは０．０１８０％以下とする必要がある。一方、Ｎは０．０１８０％より多いと、粗大な窒化物を形成して靱性を悪化し、鋼の鏡面加工時にピットを形成しやすくする。そこで、Ｎは０．０１８０％以下とする。
【００１９】
Ａｌ：≦０．０２５％
Ａｌは、鋼の精錬時の脱酸の働きを有するが、０．０２５％より多いと、粗大な酸窒化物を形成して鋼の靱性および鏡面加工性を悪化する。そこで、Ａｌは０．０２５％以下とする。
【００２０】
硫化物に占めるＣａ、Ｃｒの割合は、Ｃａ：≦５．０％、Ｃｒ：≦２５．０％、かつ（Ｃａ＋Ｃｒ）：≦２８．０％
硫化物に占めるＣａ、Ｃｒは、硫化物の形状を球状にし、また粗大にする効果があり、さらに鋼の被削性を向上させる効果を有する。しかし、硫化物中のＣａが５．０％より多く、Ｃｒが２５．０％より多く、かつＣａとＣｒの合計で２８％より多いと、硫化物が粗大になりすぎ、鋼の靱性が低下し、シボ加工ムラや鏡面加工性の悪化を招く。そこで、硫化物中に占めるＣａ、Ｃｒの割合は、Ｃａは５．０％以下、Ｃｒは２５．０％以下、かつ（Ｃａ＋Ｃｒ）は２８．０％以下とする。
【００２１】
鋼中に含有される硫化物の面積率：０．０５〜０．２０％
鋼中に含有される硫化物の面積率は、鋼の被削性を示す値である。この硫化物の面積率が０．０５％より小さいと鋼は良好な被削性を得られない。一方、硫化物の面積率が０．２０％より大きいと鋼の靱性が低下し、シボ加工ムラや鏡面加工性の悪化を招く。そこで、鋼中に含有される硫化物の面積率は０．０５〜０．２０％とする。
【００２２】
１ｍｍ2当たりの硫化物の個数：≧９個
１ｍｍ2当たりの硫化物の個数は、９個より少なく、硫化物の分布が一定で存在しないので、良好な被削性が得られない。そこで、１ｍｍ2当たりの硫化物の個数は９個以上とする。
【００２３】
５０μｍ2以上の面積の硫化物の個数の割合：２〜４２％
５０μｍ2以上の面積の硫化物の個数の割合は、良好な被削性を得るために必要な値である。良好な被削性を得るためには、５０μｍ2以上の面積の硫化物の個数の割合は２％以上とする。一方、５０μｍ2以上の面積の硫化物の個数の割合が４２％を超えると、鋼の靱性が低下し、シボ加工ムラを生じ、さらに鏡面加工時にピットを形成しやすくなる。そこで、５０μｍ2以上の面積の硫化物の個数の割合は２〜４２％とする。
【００２４】
硫化物中の平均アスペクト比：≦９
硫化物中の平均アスペクト（縦横）比は、鋼の被削性の向上を左右する値である。アスペクト比が９より大きいと、硫化物が細長くなりすぎ、切削中の応力集中源になりにくく、したがって被削性を向上させる効果が得られない。そこで、硫化物中の平均アスペクト比は９以下とする。
【００２５】
ここで、発明を実施するための形態について、表を参照して以下に説明する。
【００２６】
の表１に示す化学成分からなる発明鋼のＮｏ．１〜１９および比較鋼のＮｏ．２０〜３４の各１００ｋｇを真空誘導溶解炉にて溶製した。得られた各鋼を鍛伸して縦横の各辺が５０ｍｍからなる角材とした。これらの角材を８５０〜９００℃に加熱した後、空冷により焼入れした。次いで、５００〜６００℃に加熱した後、空冷する焼戻し処理を少なくとも２回行なって、これら角材の焼入焼戻し硬さを３０ＨＲＣとなるように調整し、プラスチック製品成形用の金型に要求される硬さとした。なお、表１における化学成分は％で示している。
【００２７】
【表１】
0006566841.tif 000002
【００２８】
上記の発明鋼のＮｏ．１〜１９および比較鋼のＮｏ．２０〜３４の各鋼の焼入焼戻し後の各角材を用いて、各角材の中心部から縦横が１０ｍｍ×３０ｍｍ角で長さが３０ｍｍからなる各試材を割り出した。これらの発明鋼のＮｏ．１〜１９および比較鋼のＮｏ．２０〜３４の各試料の３０ｍｍ×３０ｍｍの面を鏡面研磨し、これらの鏡面研磨した面の１０箇所を光学顕微鏡により６５０μｍ×９００μｍの視野として写真に撮影した。次いで、これらの１０か所の顕微鏡写真から、硫化物の面積率、１ｍｍ2当たりの硫化物の個数、５０μｍ2以上の面積を有する硫化物の個数の割合、および硫化物の平均アスペクト比をそれぞれ求めた。
【００２９】
上記の発明鋼のＮｏ．１〜１９および比較鋼のＮｏ．２０〜３４の各鋼の焼入焼戻し後の各角材を用いて、各角材の中心部から縦横が５ｍｍ×１５ｍｍ角で長さが１５ｍｍからなる各試料を形成した。これらの発明鋼のＮｏ．１〜１９および比較鋼のＮｏ．２０〜３４の各試料の１５ｍｍ×１５ｍｍ面を鏡面研磨し、ＥＤＳを用いて各発明鋼および比較鋼のそれぞれの研磨面で観測された硫化物の２０個をランダムに選んで、その部分の硫化物中のＣａ量の％、硫化物中のＣｒ量の％、および硫化物中の（Ｃａ＋Ｃｒ）量の％を測定し、それらの平均値を求めた。
【００３０】
さらに、発明鋼のＮｏ．１〜１９および比較鋼のＮｏ．２０〜３４の各鋼について、それらの鋼中に占める硫化物の面積率の％、それらの各鋼の１ｍｍ2当たりの硫化物の個数、それらの各鋼の５０μｍ2以上の面積を有する硫化物の個数割合の％、さらにそれらの各鋼に含まれる硫化物の平均アスペクト（縦横）比を求めた。
【００３１】
また、さらに、発明鋼のＮｏ．１〜１９および比較鋼のＮｏ．２０〜３４の各鋼の焼入焼戻し後の各角材を用いて、その角材の中心部から１０ｍｍ×１０ｍｍ角で長さが５５ｍｍの試料を割り出した。この試料を２ｍｍＵノッチを有するシャルピー試験片に加工して、衝撃値の測定を行った。ＡＩＳＩのＴｙｐｅのＰ２０では、プラスチック製品成形用の金型で必要とされる３０ＨＲＣで、２０Ｊ／ｃｍ2の衝撃値が得られるとされている。そこで、本願の発明では、２０Ｊ／ｃｍ2を基準として、２５Ｊ／ｃｍ2より高い衝撃値が得られれば、靱性は優れているとして○とし、２０Ｊ／ｃｍ2以下の衝撃値であれば、靱性は悪いとして×として評価した。
【００３２】
さらに、発明鋼のＮｏ．１〜１９および比較鋼のＮｏ．２０〜３４の各鋼の焼入焼戻し後の各角材を用いて、これらの角材からなる試料の幅５０ｍｍで長さ１５０ｍｍの面をドリルで穿孔していき、穿孔できた穴数で被削性を評価した。この場合、ドリルはＳＫＨ５１製のφ８ストレートドリルを用いた。切削条件は、回転数を６４０ｒｐｍ、送りを５６ｍｍ／ｍｉｎ、穿孔深さを４０ｍｍとし、潤滑油をかけながら穿孔した。ＡＩＳＩのＴｙｐｅのＰ２０をこの方法で評価した結果、９０穴開けることができたことから、１００穴以上開けられる場合は被削性は優れているとして○と評価し、１００穴未満開けられる場合は被削性は悪いとして×と評価した。
【００３３】
また、さらに、発明鋼のＮｏ．１〜１９および比較鋼のＮｏ．２０〜３４の各鋼の焼入焼戻し後の各角材を用いて、試料の中心部から縦横１０ｍｍ×３０ｍｍで長さ３０ｍｍの試料を割出し、３０ｍｍ×３０ｍｍ面を＃１８０〜＃８０００までの研磨紙で研磨した。目視により研磨後の表面に研磨面に歪みが発生した状態の磨きムラやピットがないかを観察した。さらに３０ｍｍ×３０ｍｍの面にシボ加工を行って、帯状のムラや意匠以外の凹凸が発生することなく、均質な凹凸ができているかについて観察した。この結果、磨きムラやピットはなく、シボ加工が均質な状態となっている場合は、鏡面加工性は優れているとして○と評価し、磨きムラやピットがあったりして、シボ加工が不均一な状態となっている場合は、鏡面加工性は悪いとして×と評価した。
【００３４】
以上、発明鋼のＮｏ．１〜１９および比較鋼のＮｏ．２０〜３４の各鋼に関して、上記した硫化物中のＣａ量、硫化物中のＣｒ量、硫化物中の（Ｃａ＋Ｃｒ）量、鋼中の硫化物の面積率、鋼の１ｍ2当たりの硫化物の個数、５０μｍ2以上の面積を有する硫化物の個数の割合、および、これらの鋼の靱性、被削性ならびに鏡面加工性の評価を表２に記載した。
【００３５】
【表２】
0006566841.tif 000003
【００３６】
本願の発明鋼のＮｏ．１〜１９の各鋼の全ての鋼は、表１に示すように、請求項に規定する範囲の各化学成分を有している。さらに、表２に示すように、本願の発明鋼のＮｏ．１〜１９の各鋼に含有される硫化物中の、Ｃａの量は５．０％以下、Ｃｒの量は２５．０％以下、および（Ｃａ＋Ｃｒ）の量は２８．０％以下である。さらに本願の発明鋼のＮｏ．１〜１９の各鋼に対する硫化物の面積率の割合は０．０５〜０．２０％である。また、さらに本願の発明鋼のＮｏ．１〜１９の各鋼における、１ｍｍ2当たりの硫化物の個数は９個以上、全硫化物の個数中で５０μｍ2以上の面積を有する硫化物の個数の割合は２〜４２％、および硫化物の平均アスペクト比は９以下である。これらの結果、本願の発明鋼のＮｏ．１〜１９の各鋼の靱性、被削性および鏡面加工性はいずれも○と評価されて優れている。
【００３７】
本願の発明鋼のＮｏ．１〜１９に対して、比較鋼のＮｏ．２０〜３４の各鋼では、表１に示すように、比較鋼において、Ｎｏ．２０はＣおよびＭｏが、Ｎｏ．２１はＡｌが、Ｎｏ．２２はＣが、Ｎｏ．２３はＮが、Ｎｏ．２４はＳｉが、Ｎｏ．２５はＳが、Ｎｏ．２７はＭｎが、Ｎｏ．２８はＣｒが、Ｎｏ．２９はＭｎおよびＣｒが、Ｎｏ．３２はＶが、Ｎｏ．３３はＣおよびＳが、比較鋼のＮｏ．２６、Ｎｏ．３０、Ｎｏ．３１およびＮｏ．３４の４件を除いて、本願の請求項に係る化学成分の範囲を外れている。一方、表２に示すように、比較鋼のＮｏ．２５は、硫化物の面積率が０．０１％で発明鋼の硫化物の面積率の０．０５〜０．２０％の範囲より小さく、１ｍｍ2当たりの硫化物の個数が６個で発明鋼の１ｍｍ2当たりの硫化物の９個以上より少なく、かつ５０μｍ2以上の面積を有する硫化物の個数割合が１％で発明鋼の２〜４２％より低いものである。比較鋼のＮｏ．２６は、硫化物中のＣａが６．３％で発明鋼の硫化物中のＣａが５．０％より大きく、硫化物中の（Ｃａ＋Ｃｒ）が２９．２％で発明鋼の（Ｃａ＋Ｃｒ）が２８．０％より大きいものである。比較鋼のＮｏ．３０は、５０μｍ2以上の面積を有する硫化物の個数割合が５３％で発明鋼の２〜４２％より高いものである。比較鋼のＮｏ．３１は、硫化物の平均アスペクト比が１１で発明鋼の硫化物の平均アスペクト比の９以下よりも多いものである。比較鋼のＮｏ．３３は、硫化物の面積率が０．５６％で発明鋼の硫化物の面積率の０．０５〜０．２０％の範囲より大きいものである。比較鋼のＮｏ．３４は、硫化物中のＣｒが２６．０％で発明鋼の硫化物中のＣｒが２５．０％より大きく、硫化物中の（Ｃａ＋Ｃｒ）が３０．２％で発明鋼の（Ｃａ＋Ｃｒ）が２８．０％より大きいものである。
【００３８】
以上のように、比較鋼は表１に示す化学成分と表２に示す硫化物中のＣａ、硫化物中のＣｒ、硫化物中の（Ｃａ＋Ｃｒ）あるいは硫化物の面積率、１ｍｍ2当たりの硫化物の個数、５０μｍ2以上の面積を有する硫化物の個数割合、硫化物の平均アスペクト比の、いずれかが発明鋼のそれらの範囲と相違しており、このために比較鋼は靱性、被削性、鏡面加工性が×となっている。しかし、本願の発明鋼は靱性、被削性、鏡面加工性ともに○であって被削性および鏡面加工性に優れた高靱性のプラスチック成形金型用鋼である。