(57)【要約】【課題】  極めて優れた被削性を有し、さらに靭性と硬さを兼ね備えた、プラスチック成形に使用される金型用鋼に最適な、プリハードン鋼を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．１０〜０．１４％、Ｓｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：１．２〜１．６％、Ｓ：０．００２〜０．００５％、Ｎｉ：２．８〜３．２％、Ｃｒ：０．３５〜０．８５％、Ｍｏ：０．２〜０．４％、Ｖ：０．０３％未満（０％を含む）、Ｃｕ：１．３〜１．８％、Ａｌ：０．８〜１．２％、Ｎ：０．０１％未満、Ｏ：０．００２％未満、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、好ましくは１．２×Ｍｎ％＋１．３×Ｃｒ％＋Ｃｕ％による値が３．５０〜４．１６、さらに好ましくは、３．５８〜４．０８を満足し、硬さが３４〜４５ＨＲＣのプリハードン鋼である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．１４％、Ｓｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：１．２〜１．６％、Ｓ：０．００２〜０．００５％、Ｎｉ：２．８〜３．２％、Ｃｒ：０．３５〜０．８５％、Ｍｏ：０．２〜０．４％、Ｖ：０．０３％未満（０％を含む）、Ｃｕ：１．３〜１．８％、Ａｌ：０．８〜１．２％、Ｎ：０．０１％未満、Ｏ：０．００２％未満、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする被削性および靭性に優れたプリハードン鋼。
【請求項２】
質量％で、３．５０≦１．２×Ｍｎ％＋１．３×Ｃｒ％＋Ｃｕ％≦４．１６を満たすことを特徴とする請求項１に記載の被削性および靭性に優れたプリハードン鋼。
【請求項３】
質量％で、３．５８≦１．２×Ｍｎ％＋１．３×Ｃｒ％＋Ｃｕ％≦４．０８を満たすことを特徴とする請求項１に記載の被削性および靭性に優れたプリハードン鋼。
【請求項４】
硬さが３４〜４５ＨＲＣ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被削性および靭性に優れたプリハードン鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極めて優れた被削性を有し、さらに靭性と硬さを兼ね備えた新しいプリハードンタイプの、主としてプラスチック成形用金型に使用される工具用鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
主として、プラスチック成形用金型として使用されるプリハードン鋼は、金型等の製作期間の短縮と使用寿命の向上の観点から、被削性と同時に、強度、耐摩耗性に優れ適度の靭性が必要とされるものである。しかし、これらの要求特性は相反する性質であり、どの特性も十分に満足のいく鋼は得られているとは言えない。
【０００３】
上記の要求に対しては、例えば、低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｍｏ（Ｗ）−Ｃｕ−Ａｌ系合金に対して、結晶粒の大きさを粒度番号４〜６の範囲とすることによって被削性および靭性を兼ね備えるという提案がなされている（特許文献１を参照）。この鋼の組織は、主にＣを低く規定することによって均一な上部ベイナイト組織に調整されており、この上部ベイナイト組織により被削性を確保するものである。一方で、本願出願人は、主にＭｎ量を適正化し、均一な下部ベイナイト組織に調整することによって、被削性および靭性を兼ね備えた低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｍｏ（Ｗ）−高Ｃｕ−Ａｌ系合金を提案している（特許文献２を参照）。
【特許文献１】特開平０５−０７０８８７号公報
【特許文献２】特開平０７−２７８７３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した提案はそれぞれ、プラスチック成形用プリハードン鋼の性能向上に貢献する一つの手段を提供しているものである。しかし、特許文献１の上部ベイナイト組織は被削性には優れているものの、靭性が十分であるとは言えない。一方、特許文献２の下部ベイナイト組織は靭性には優れているものの、被削性が若干劣っており、やはり十分とは言い難い。この通り、従来の金型用鋼材では、金型制作期間の短縮および使用寿命の向上の要求を十分満足することにおいては、特性の改善に余地のあるものであった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上述した要求に鑑み、金型の制作期間の短縮および使用寿命の向上を共に達成できることで、特にはプラスチック成形用金型に供して最適な、プリハードン鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−（Ｍｏ，Ｗ）−Ｃｕ−Ａｌ系合金や、低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−（Ｍｏ，Ｗ）−高Ｃｕ−Ａｌ系合金の組成および組織と、被削性および靭性との関係を詳細に検討したところ、まず、その基本組成は、低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−中Ｃｕ−Ａｌ系合金とすることが優れた被削性、および靭性の兼備において必須の要件であることを見出した。また、これらの一方では、上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織は、上部ベイナイトの単相組織よりも優れた被削性、および下部ベイナイトの単相組織と同等の靭性を兼備できることを知見した。そして、これらの知見に従った最適な混合組織は、前提となる低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−中Ｃｕ−Ａｌ系の中でも限られた狭組成でなる合金とすることで、比較的管理が容易な熱処理条件においても達成できることを見出し、本発明に到達した。
【０００７】
すなわち本発明は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．１４％、Ｓｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：１．２〜１．６％、Ｓ：０．００２〜０．００５％、Ｎｉ：２．８〜３．２％、Ｃｒ：０．３５〜０．８５％、Ｍｏ：０．２〜０．４％、Ｖ：０．０３％未満（０％を含む）、Ｃｕ：１．３〜１．８％、Ａｌ：０．８〜１．２％、Ｎ：０．０１％未満、Ｏ：０．００２％未満、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする被削性および靭性に優れたプリハードン鋼である。
【０００８】
好ましくは、上記鋼を基本組成として、質量％で、３．５０≦１．２×Ｍｎ％＋１．３×Ｃｒ％＋Ｃｕ％≦４．１６を満たすプリハードン鋼、さらに好ましくは、３．５８≦１．２×Ｍｎ％＋１．３×Ｃｒ％＋Ｃｕ％≦４．０８を満たすプリハードン鋼である。あるいはさらに、上記鋼に好ましくは、硬さが３４〜４５ＨＲＣのプリハードン鋼である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明鋼は、従来のプリハードン鋼にはない高いレベルで、優れた被削性および靭性を兼備する。したがって、他の特性を大きく劣化させず、例えばプラスチック成形用の工具寿命の延長化が達成でき極めて有効である。また本発明鋼は靭性が高いため、金型などの加工に伴う熱応力によっても割れが発生しにくく、より精密な金型加工を行うのに特に適したものとなる。さらに、熱処理の際の管理条件が比較的容易であるため、製造の際にも時間、労力、コストを削減できるメリットもある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の根幹をなす特徴の一つは、まず、その鋼の基本成分としては、低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−中Ｃｕ−Ａｌ系合金を採用しなければならないところである。すなわち、優れた被削性と靱性を兼備させるという課題に対しては、本発明は組織制御を重要とはするものの、この基本組成、特にＣｕといった根幹元素においては上記の基本系を外れると、いくら狙いとする組織制御が達成できたとしても、本特性の達成が困難となるのである。
【００１１】
そして、低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−中Ｃｕ−Ａｌ系合金とは言っても、その中には、比較的管理が容易な熱処理条件においても、被削性と靱性の両特性に特に優れる上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合ミクロ組織に調整できる最適な狭組成域があるのであって、すなわち、本発明のもう一つの特徴は、この狭組成域をも具体的に特定したところにある。
【００１２】
上述したように、従来の低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−（Ｍｏ，Ｗ）−Ｃｕ−Ａｌ系合金や低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−（Ｍｏ，Ｗ）−高Ｃｕ−Ａｌ系をプリハードン鋼として使用する場合には、その被削性を確保するために、上部ベイナイト組織や下部ベイナイト組織の単相組織を狙って調製されていた。しかし、上部ベイナイト組織は、被削性の優れた組織ではあるが、反面靭性の低い組織であり、また、下部ベイナイト組織は、逆に靭性の優れた組織ではあるが、被削性が若干劣る組織であった。
【００１３】
そこで、本発明者は、組織と被削性および靭性の関係を詳細に調査したところ、被削性に優れた上部ベイナイト組織に異なった組織である下部ベイナイト組織を２０〜８０％混合し、切削時に適度に脆化させることによって、均一な上部ベイナイト組織よりも優れた被削性および靭性を得ることができることを見出した。さらに、被削性は下部ベイナイト組織が６０〜７０％の時に最も優れるとともに、下部ベイナイト組織相当の靭性が得られることをも見出した。そして、本発明鋼は、低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−中Ｃｕ−Ａｌ系合金とすることを必須要件として、その中でも狭組成域に制御することで、比較的管理が容易な熱処理条件において、安定して狙いである上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織を得ることができ、金型の製作期間の短縮と使用寿命の向上を共に達成できることを見出したものである。
【００１４】
なお、鋼組織におけるベイナイトとは、オーステナイトを冷却した時に生ずる変態生成物の一つであり、パーライト生成温度とマルテンサイト生成温度との中間の温度範囲で生ずるものを言う。そして、パーライト変態温度近くで生じたものは羽毛状（塊状）、マルテンサイト生成温度近くで生じたものは針状を示し、前者を上部ベイナイト、後者を下部ベイナイトと言う。
【００１５】
また、所定の鋼組織、とりわけ本発明のような、上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織は、鋼組成を決めるだけで得られるものではなく、通常、焼入れ時の冷却速度といった熱処理条件によっても大きく左右されるものである。しかしながら、本発明鋼は、特にＭｎ、Ｃｒ、Ｃｕの元素量を最適化することによって、その成分組成が十分な最適狭域に調整されているため、まず、成分変動による組織への影響度が、極力低く抑えられている。そして、もう一方の、熱処理条件による組織への影響度は、本発明の狙いである上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織を達成するための熱処理条件を鑑みて、それが実に管理容易な条件となるよう、成分域を狭く設定しているのである。つまり、例えば、オーステナイト領域まで加熱した後、空冷（放冷）を行うことによっても、上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織を安定して得ることができる。さらに、熱間加工後直ちに焼入れを行う直接焼入れの際の冷却速度が空冷（放冷）であっても、安定して上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織を得ることができる。
【００１６】
以下、本発明で規定する鋼組成の規定理由について述べる。
Ｃは、低Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−中Ｃｕ−Ａｌ系のプリハードン鋼の焼入れ組織をベイナイト組織に保ち、かつ焼戻しにおけるＣｕ−Ｆｅ固溶体、Ｎｉ−Ａｌ金属間化合物やＭｏ炭化物の析出に基づく析出硬化をもたらすための基質を与える基本的添加元素である。多すぎると基地をマルテンサイト組織化して被削性を減じ、また過度の炭化物を形成して被削性、および鏡面加工性を低下させる。そのため本発明においては０．１０〜０．１４％に規定した。
【００１７】
Ｓｉは、鋼製品として使用時の雰囲気に対する耐食性を高める元素である。しかし、多すぎるとフェライトの生成をまねき、また被削性を低下させるので０．１〜０．５％とする。Ｓｉを低減すると機械的性質の異方性が低減され、また縞状偏析が低減され、優れた鏡面加工性が得られるため、好ましくは０．４％以下である。
【００１８】
Ｍｎは、靭性の高い混合組織のプリハードン鋼にとって、最も重要な元素のうちの一つである。Ｍｎは基本的には基地の靭性を高める元素であり、フェライトの生成を抑制し、適度の焼入れ焼戻し（時効）硬さを与えるという効果がある。さらに、Ｍｎはベイナイト焼入れ性を高め、本発明の望ましい組織の特徴である上部／下部ベイナイト混合組織を比較的容易な熱処理で得やすくする元素である。しかしながら、Ｍｎは多すぎると靭性が高くなりすぎ、優れた被削性を保つことができなくなる。以上より、Ｍｎは１．２〜１．６％に規定する。
【００１９】
Ｓは、非金属介在物ＭｎＳを形成させることで、被削性の向上には極めて有効であるが、多すぎると鏡面加工性が劣化する。微量添加でも十分被削性向上の効果が得られるため、０．００２〜０．００５％とする。
【００２０】
Ｎｉは、ベイナイト焼入性を高め、またフェライトの生成を抑制し、さらに焼戻し（時効）の際、Ｎｉ−Ａｌ金属間化合物を析出させ、所要の硬さを得るとともに延性を適度に低下させ、被削性の向上を得るために添加される。低すぎると左記添加の効果が得られないので２．８％以上とするが、多すぎるとベイナイト変態温度を低下させ、ベイナイト組織を過度に微細化させ、さらにマルテンサイト変態化に働き、また基地の粘さを上げて被削性を低下させるので３．２％以下とする。
【００２１】
Ｃｒは、上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織を得るために最も重要な元素のうちの一つである。つまり、焼入れの熱処理工程時における条件管理が比較的容易な冷却速度範囲であっても、適度にベイナイト組織を微細化させる効果がある。また、耐食性を高め、窒化する場合の硬さを高め、さらに研磨加工時あるいは製品保管時の発錆を抑制する効果もある。しかし、多すぎるとベイナイト組織を過度に微細化し、さらにマルテンサイト変態化にも働いて被削性を劣化するため、０．３５〜０．８５％とする。
【００２２】
Ｍｏは、本発明鋼の焼戻し（時効）処理、特には５００℃を越える高温焼戻し（時効）処理において、微細炭化物を析出し、析出（時効）硬化をもたらし、また製品使用時の雰囲気に対する耐食性を高める作用を有する元素である。本発明の場合、多量の添加は必要なく、多すぎると被削性の低下をまねくので、０．２〜０．４％とする。なお、ＷはＭｏと同様の効果があると知られているが、ＷはＭｏに比べて拡散速度が遅いので焼入れ処理時や熱間加工時に未固溶炭化物が残留する可能性が高くなるため、本発明鋼はＭｏのみを用いている。
【００２３】
Ｖは、焼戻し軟化抵抗を高めると共に、結晶粒の粗大化を抑制する効果があるが、多すぎると硬質炭化物によって鏡面加工性や被削性に悪影響を及ぼすため、０．０３％未満とする（０％を含む）。より好ましくは、０．０２％未満である。
【００２４】
Ｃｕは、上記Ｃｒと同様に、上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織を得るために最も重要な元素のうちの一つであり、やはり、焼入れの熱処理工程時における条件管理が比較的容易な冷却速度範囲であっても、適度にベイナイトを微細化させる効果がある。また、焼戻し（時効）処理において、Ｆｅ−Ｃｕ固溶体の微細析出による析出（時効）硬化をもたらし、本発明鋼の基本的な被削性と靭性を付与するための、また所要の硬さを得るための元素であり、さらに、優れた耐食性をもたらすものである。しかし、多すぎると熱間加工性を低下させ、またベイナイトを過度に微細化させ、さらにマルテンサイト変態化にも働いて、かえって被削性を低下させるので、１．３〜１．８％以下とする。
【００２５】
Ａｌは、焼戻し（時効）処理においてＮｉ−Ａｌ金属間化合物の微細析出による析出（時効）硬化をもたらし、本発明の優れた被削性を形成させる重要な元素の一つである。またＡｌは、所要硬さを得るための添加元素でもあり、窒化を行うとなればその時の窒化硬さを上昇させる効果をもたらすものである。多すぎるとアルミナ系介在物の生成量が増加し、鏡面加工性を低下させ、また耐孔食性を低下させ、さらに延性の過度の低下をまねくので１．２％以下とし、低すぎると上記効果が得られないため０．８％以上とする。好ましくは、被削性をより高めるため０．９５％以上とする。
【００２６】
Ｎは、鋼中において窒化物を形成する元素である。窒化物は過多に形成されると、金型の靭性、被削性、鏡面加工性を著しく劣化させるため、Ｎは０．０１％未満に規制する。好ましくは、０．００８％未満である。
【００２７】
Ｏは、鋼中において酸化物を形成する元素である。酸化物は、冷間塑性加工性、鏡面加工性を著しく劣化させるため、Ｏは０．００２％未満に規制する。好ましくは、０．００１％未満である。
【００２８】
このような成分範囲を満たす本発明鋼において、より好ましくは、３．５０≦１．２×Ｍｎ％＋１．３×Ｃｒ％＋Ｃｕ％≦４．１６を満たすことが更に望ましい。すなわち、ベイナイト混合組織への調整を作用効果の根幹とする本発明鋼にとっては、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｕの含有量の調整が重要であることは上述の通りであるが、更にはこれら元素間の組織への影響度差をも考慮して、最適な成分組成に調整することが望ましい。そして、このための関係式として、本発明者は「１．２×Ｍｎ％＋１．３×Ｃｒ％＋Ｃｕ％」による指数管理が有効であることを見出した。そして、上記式が３．５０未満であると、若干上部ベイナイト組織が多くなり、靭性が若干劣る可能性があり、逆に４．１６を超えると若干下部ベイナイト組織が多くなり、被削性が若干劣る可能性がある。さらに好ましくは、３．５８≦１．２×Ｍｎ％＋１．３×Ｃｒ％＋Ｃｕ％≦４．０８を満たすとよい。
【００２９】
本発明鋼は、例えば３４〜４５ＨＲＣの硬さのプリハードン状態で供給され、そのまま製品形状に加工、金型であれば型彫加工の後、研磨加工、さらに高度な鏡面仕上げやシボ加工等を施して使用されるものである。３４ＨＲＣ未満であると使用時（金型としての成形時）に摩耗等の損傷の問題が起こり、また、４５ＨＲＣを超えると被削性に悪影響を及ぼすため、望ましい硬さは３４〜４５ＨＲＣとした。しかし、本発明鋼は、３４ＨＲＣ未満の低い硬さとすることで、さらに優れた被削性と靭性を達成するのであって、よって本程度の低硬さでの使用が許されるのであれば、当然にそれを除外するものではない。
【実施例】
【００３０】
（実施例１）
表１に示す化学成分の残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる試料１〜５を熱間圧延した後、８８０℃のオーステナイト領域まで加熱後、空冷（放冷）を行い、５００〜５９０℃の温度範囲で焼戻しを行った。そして、これを供試材として用い、被削性および靭性の評価を行った。
【００３１】
【表１】
2008038219.tif 000002
【００３２】
被削性の評価は、ドリル加工、Φ１２５ｍｍの正面フライス加工を実施した。ドリル加工の評価は、高速度鋼製のΦ２ｍｍドリルで、切削速度が１５ｍ／ｍｉｎ、送り速度が１２０ｍｍ／ｍｉｎ、加工深さが２０ｍｍの加工条件において、５０個の孔を加工した後での、工具摩耗量を測定した。正面フライス加工の評価は、サーメット製の切削チップを用い、切削速度が１５０ｍ／ｍｉｎ、送り速度が０．１３ｍｍ／刃、切りこみが２（深さ）×１００（幅）ｍｍ、切刃数が１枚の加工条件において、４９．７分間切削した時の工具摩耗量を測定した。
【００３３】
靭性の評価は、２ｍｍＵノッチ試験片（ＪＩＳ３号試験片）を用いてシャルピー試験を実施し、室温でのシャルピー衝撃値を測定した。以上の結果を表２に示す。
【００３４】
【表２】
2008038219.tif 000003
【００３５】
表４より、本発明鋼である試料１は、オーステナイト領域からの冷却速度が比較的管理が容易な空冷であっても、上部ベイナイトと下部ベイナイトの混合組織（被顕面において比率３０：７０）を得られたことから、工具摩耗量が少なく、高い衝撃値が得られ、被削性と靭性を兼備していることが分かる。しかし、比較鋼の試料２は、組織としては理想のベイナイト混合組織こそ呈しており、被削性は本発明鋼より若干劣る程度であるが、前提かつ重要となる基本組成系においてＣｕが１％と少なく、靭性が低い。試料３、４はＣｒが多い、あるいはＣｕが多いことから、若干下部ベイナイト主体となり、靭性には優れるが、被削性が劣る結果であった。試料５は、ＣｒやＣｕ、Ｎｉが低く、上部ベイナイトが支配する組織となっているが、焼戻し時の硬さが低いため、被削性および靭性は比較的良好である。しかし、上記に加えては、Ｎｉ、Ａｌ量が低いことから、３２．０ＨＲＣの最高硬さまでしか得られず、摩耗等の損傷が起こりやすい使用環境の場合は、その使用が困難である。
【００３６】
（実施例２）
表３に示す化学成分の残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる試料６、７を熱間圧延した後、冷却速度が空冷（放冷）の直接焼入れを行い、５００〜５９０℃の温度範囲で焼戻しを行った。そして、これを供試材として用い、被削性および靭性の評価を行った。
【００３７】
【表３】
2008038219.tif 000004
【００３８】
被削性の評価は、２種類のドリル加工、およびΦ１００ｍｍの正面フライス加工を実施した。ドリル加工の評価は、高速度鋼製のΦ５ｍｍドリルで、切削速度が２０ｍ／ｍｉｎ、送り速度が６３．３５ｍｍ／ｍｉｎ、加工深さが２５ｍｍの加工条件において、１００個の孔を加工した後での、工具摩耗量を測定した。また、卓上ボール盤を用い、高速度鋼製のΦ４ｍｍドリルで、切削速度が１７．６ｍ／ｍｉｎ、送り速度は手送り、加工深さが２０ｍｍの加工条件において、継続切削不可までの加工穴数においても評価した。正面フライス加工の評価は、サーメット製の切削チップを用い、切削速度が１５０ｍ／ｍｉｎ、送り速度が０．１３ｍｍ／刃、切りこみが２（深さ）×８０（幅）ｍｍ、切刃数が１枚の加工条件において、２９分間切削した時の工具摩耗量を測定した。靭性の評価は、実施例１と同様に行った。以上の結果を表４に示す。
【００３９】
【表４】
2008038219.tif 000005
【００４０】
表４より、本発明鋼と比較鋼を比較すると、ドリル加工の工具摩耗量は変わらないが、フライス加工の工具摩耗量およびドリル加工可能穴数では、本発明鋼の方が明らかに優れている。また、衝撃値においても比較鋼の約２倍の値である。従って、本発明鋼は優れた被削性と靭性を兼備していることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
被削性および靭性に優れた本発明のプリハードン鋼は、例えばプラスチック成形に使用される金型用鋼に最適である他には、射出成形機用スクリュ等、硬さが必要で切削性も重視される機械部品等にも適用が可能である。