(57)【要約】【課題】酸化物の形成に起因するピンホールの発生を抑制し、さらに高い被削性と磨き性を具備した金型用鋼材を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１％未満、Ｓｉ≦１．５％、Ｍｎ≦１．０％、Ｃｒ：３．０〜８．０％、Ｎｉ≦４．０％、Ａｌ：０．１超〜１．５％、Ｓ：０．００３〜０．０５％未満、Ｍｇ：０．００１超〜０．０２％を含有する鋼であって、不可避的に存在するＮを０．０１％以下に規制した金型用鋼材である。好ましくは、Ｏ≦０．００３％に規制し、あるいはさらに、Ｃｕ≦３．５％、Ｍｏ≦１．０％、Ｃｏ≦１．０％の１種以上を含有してもよい。そして、これら金型用鋼材について、マルテンサイトを主体とする組織を有し、表面硬さが３８ＨＲＣを超える金型用鋼材である。【選択図】　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１％未満、Ｓｉ≦１．５％、Ｍｎ≦１．０％、Ｃｒ：３．０〜８．０％、Ｎｉ≦４．０％、Ａｌ：０．１超〜１．５％、Ｓ：０．００３〜０．０５％未満、Ｍｇ：０．００１超〜０．０２％を含有する鋼であって、不可避的に存在するＮを０．０１％以下に規制したことを特徴とする被削性および磨き性に優れた金型用鋼材。
【請求項２】
質量％で、Ｏ≦０．００３％に規制したことを特徴とする請求項１に記載の被削性および磨き性に優れた金型用鋼材。
【請求項３】
質量％で、Ｃｕ≦３．５％を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の被削性および磨き性に優れた金型用鋼材。
【請求項４】
質量％で、Ｍｏ≦１．０％を含有す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磨き性に優れた金型用鋼材。
【請求項５】
質量％で、Ｃｏ≦１．０％を含有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の被削性および磨き性に優れた金型用鋼材。
【請求項６】
マルテンサイトを主体とする組織を有し、表面硬さが３８ＨＲＣを超えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の被削性および磨き性に優れた金型用鋼材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の金型、具体的にはプラスチック成形金型に最適な金型用鋼材に関し、特にプリハードン状態での被削性や磨き性に優れた金型用鋼材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばプラスチック製品を成形するための金型材分野には、あらかじめ硬さが調整されたプリハードン型合金鋼材が用いられている。プリハードン型合金鋼材は、通常、その高硬さ状態にて切削・研磨といった機械加工が施され、金型製品に仕上げられることから、プリハードン状態での被削性、そして磨き性に優れることが重要となる。
【０００３】
このような金型用鋼材については多数の提案がなされており、例えば特開昭６３−０７６８５５号は、時効後の硬さが３５〜４５ＨＲＣである時効硬化型金型用鋼を対象に、そのシボ加工性、耐食性、窒化特性に優れ、熱間加工時のヘゲの発生がない金型用鋼を提案するものである。そして、被削性については、ＳもしくはＰｂを添加することにより、それを改善するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特開昭６３−０７６８５５号に開示される合金鋼は、時効硬化特性を確保しつつ、被削性を改善する点で優れた手段である。しかし、プラスチック成形金型に代表される、特に高品位の鏡面加工肌が要求される金型の場合、磨き性の向上が重要であって、介在物（主として酸化物）に起因するピンホール（鏡面研磨した金型製品肌に目視で確認できるサイズの小孔）が発生すると、製品品位に悪影響を与え、これは＃３０００以上の高いランクの磨き性を実用化する上で大きな課題となる。更に、被削性に関しては、機械加工の無人化の普及によって作業工程上の不具合発生頻度を低減する必要があり、研削屑の分断がよい快削性の向上も要求課題である。
【０００５】
一般的に、鋼の脱酸素精錬工程では脱酸材にＡｌが用いられる。Ａｌは塊状の介在物を生成しやすく、Ａｌ２Ｏ３、もしくはＡｌ２Ｏ３−ＭｇＯといった、Ａｌ２Ｏ３を主体とする粗大な介在物を生成し、これが鋼中に残存すると、鏡面研磨中に脱落することで容易に目視確認できるピンホールが発生し、製品の磨き性に悪影響を与える。特に、Ａｌ２Ｏ３、およびＡｌ２Ｏ３−ＭｇＯは界面エネルギーが大きく凝集しやすい特徴がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記酸化物の形成に起因するピンホールの発生を抑制し、さらに高い被削性と磨き性を具備した、プリハードン鋼材としての使用に最適な、金型用鋼材を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、酸化物に起因するピンホールの発生について、その酸化物種による被削性や磨き性への影響、そしてそれらの生成挙動を詳細に見直した。その結果、適量のＭｇを添加した、最適な成分バランスを有する合金の構成を採用することで磨き性、および被削性を大きく改善できることを見いだし、本発明に到達した。
【０００８】
すなわち、本発明は、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１％未満、Ｓｉ≦１．５％、Ｍｎ≦１．０％、Ｃｒ：３．０〜８．０％、Ｎｉ≦４．０％、Ａｌ：０．１超〜１．５％、Ｓ：０．００３〜０．０５％未満、Ｍｇ：０．００１超〜０．０２％を含有する鋼であって、不可避的に存在するＮを０．０１％以下に規制したことを特徴とする金型用鋼材である。好ましくは、質量％で、Ｏ≦０．００３％に規制した金型用鋼材である。
【０００９】
あるいはさらに、上記の金型用鋼材に、質量％で、Ｃｕ≦３．５％、Ｍｏ≦１．０％、Ｃｏ≦１．０％の１種以上を含有してもよい。そして、これら金型用鋼材について、マルテンサイトを主体とする組織を有し、表面硬さが３８ＨＲＣを超えることを特徴とする金型用鋼材である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
上述したように、本発明の特徴は、磨き性と被削性を向上させるための根幹手段にＭｇの添加を採用し、そのＭｇの効果に影響を及ぼす相互元素との関係を明らかにすることで、Ｍｇの効果が十分に発揮される最適な組成バランスを見いだしたところにある。
【００１１】
精錬工程において、強脱酸剤として用いられるＡｌを添加した際に生成する酸化物（Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ）は、鋼中の酸素量に伴ってサイズや数が増減するが、塊状になりやすいため、Ｏ≦０．０１％にまで脱酸精錬を行なっても、依然、粗大なサイズの酸化物として鋼中に残存し、ピンホールの生成原因となる。また、Ａｌは析出硬化作用により金型用鋼材としての硬さを確保する作用を所有しているので、その成分量自体を安易に下げることはできない。しかも、ＡｌはＮとも結合しやすく、鋼中のＮ量に比例してサイズが大きな硬質の晶出窒化物（ＡｌＮ）を形成し、やはりピンホールの生成原因となる。
【００１２】
そこで、Ａｌを含有した鋼であっても、そのＭｇを利用した成分調整を行なえば、組織中に生成される酸化物をＭｇＯ、もしくはＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３といった、ＭｇＯが主体の酸化物へ改質でき、これによって酸化物の塊状化が抑制され小型化できる。そして、この介在物の改質は、ＡｌおよびＭｇと、Ｎの規制による成分バランスを最適に調整することで達成でき、Ａｌ本来の作用・効果も損なわれないことから、高硬さでの磨き性の向上を達成できる。
【００１３】
一方、被削性の向上においては、本発明では組織中に硫化物を形成・分散させる手法を採用する。ここで、軟質の晶出硫化物（ＭｎＳ）はＳ量に比例して粗大化しやすいが、ＭｇがＳと結合して形成する硫化物（ＭｇＳ）であれば、それは微細化しやすい性質を持つ。微細化分布したＭｇＳはドリル加工における切断屑の切断における応力起点となり、粗大でまばらに存在するＭｎＳに対して、快削性を向上させる作用がある。加えて、硫化物は酸化物を核として生成しやすい性質を持ち、核である酸化物が粗大化しやすいＡｌ２Ｏ３やＡｌ２Ｏ３−ＭｇＯである場合には、著しく成長し粗大化する。
【００１４】
この作用において、本発明の金型用鋼材では組織中の介在物をＭｇＯ、もしくはＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３といった、ＭｇＯが主体の酸化物へ改質しているので、上述した通りの磨き性に優れることに加え、硫化物も微細に分散させることが可能であるから、被削性にも優れた金型用鋼材とすることができる。そして、このような組織形態に制御するために、ＡｌとＭｇ、そしてＮ，Ｍｎ，ＳやＯ間での成分バランスが重要であって、以下、本発明が規定する化学組成について詳細に説明する。
【００１５】
Ｃ：０．００５〜０．１％未満
Ｃは、フェライトの生成を防ぎ、硬さ、強度向上に有効な元素でもあり、０．００５％以上は必要な元素である。しかし、Ｃが多くなると、炭化物を形成し、切削時の工具摩耗を増長する原因となったり、基地中のＣｒ量が減じるため耐食性を劣化するので、０．１％未満とする。
さらに望ましくは，上述の作用を害せず被削性をさらに向上させるために０．０５％未満とする。
【００１６】
Ｓｉ≦１．５％
Ｓｉは、通常脱酸剤として使用されるが、一方、靭性を低下させる反面、被削性を改善する。したがって両者の作用バランスを考慮して１．５％以下が好ましい。さらに望ましくは、上述の両者の作用バランスを害せず基地の硬さを向上させるために、０．０５超〜１．５％とする。
【００１７】
Ｍｎ：１．０％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸剤として使用されるほか、焼入れ性を高めてフェライトの生成を阻止する作用がある。そして、硫化物形成元素として被削性に関与する重要元素でもある。多すぎると組織に延性を増し被削性を低下するので１．０％以下とした。なお、被削性の向上効果を得るのに、０．１％以上の含有が好ましい。
【００１８】
Ｃｒ：３．０〜８．０％
Ｃｒは、耐食性を付与するのに有効な元素であるとともに、被削性に優れた組織を得るために規制する必要のある元素である。Ｃｒは約３％未満、そして約８％以上で初析フェライトがマルテンサイト変態前に析出するため、被削性が低下する。また、この初析フェライトの析出時には固溶Ｃがマトリックス中に排出されるため、マトリックス中の固溶Ｃ量が増加して、続いて残りのオーステナイトがマルテンサイトに変態する時に、変態歪みが大きくなる。そのため、マルテンサイトの組織単位であるパケットのサイズが小さくなり、さらに被削性を低下させる。したがって、本発明においては、Ｃｒ：３．０〜８．０％と規定した、好ましくは、Ｃｒ：３．５〜７．０％である。
【００１９】
Ｎｉ≦４．０％
Ｎｉは、変態点を下げ、冷却時に主体組織であるマルテンサイト組織を均一に生成させる作用と、Ａｌとの金属間化合物を形成して析出させて硬さを高める作用がある。しかし、この作用は、４．０％を超えても、その添加量の割りには顕著にならず、また、オーステナイトを生成し、必要以上に粘くなり被削性を劣化させるので、４．０％以下とする。好ましくは、上記の効果を得ることも踏まえて、３．０〜３．８％である
【００２０】
Ａｌ：０．１超〜１．５％
Ａｌは、Ｎｉと結合し金属間化合物ＮｉＡｌを形成して析出させ、硬さを高める作用があり、本発明では、その効果を十分に得るために０．１％を超える量を必要とする。しかし、含有量が増すと、酸化物系の粗大かつ硬い介在物を形成し工具摩耗の原因となり、鏡面研摩性、シボ加工性なども害するので０．１超〜１．５％とした。より硬さを安定して出現させ、軟化抵抗の低下を抑制させるためには、０．５〜１．５％とする。
【００２１】
Ｓ：０．００３〜０．０５％未満
Ｓは、Ｍｎ、そしてＭｇと結合して硫化物を形成し、被削性を向上させる。しかし、Ｓの増加はＭｎＳの粗大化を助長し、そして、ＭｎＳは孔食の起点となり易く耐食性を劣化させる。よって、Ｍｇの添加による効果を採用する本発明においては、Ｓを０．００３〜０．０５％未満に調整することが重要である。なお、被削性を向上させる硫化物量を十分に確保し、また、＃３０００以上の高いランクの鏡面研磨においても欠陥が発生し難い範囲を考慮して、好ましくは０．００４％〜０．０１％とする。
【００２２】
Ｍｇ：０．００１超〜０．０２％
Ｍｇは、Ｏ（酸素）との親和力がＡｌよりも大きいため、鋼中のＯと結合してＭｇＯ系の酸化物を生成し、磨き性の劣化の原因となるＡｌ２Ｏ３の生成を抑制する。また、ＭｇＯ系介在物は凝集し難く、鋼中に残留しても、鋼中で凝集・粗大化しやすいＡｌ２Ｏ３と比較して、介在物の微細化効果が図れる。
【００２３】
また、ＭｇはＳと結合して、ＭｇＳ系の介在物を生成する。従来、Ｍｎ含有鋼種では、組織中にＭｎＳを析出させることによって被削性を向上させているが、ＭｎＳは微細化し難く、被削性を向上させるためには多量のＭｎとＳの添加が必要となる。そうすると、硫化物に起因するピンホールが発生しやすくなり、磨き性が低下する。しかし、ＭｇＳ系の介在物は微細・分散化しやすいので、研削屑の切断起点となる硫化物を少量の添加で生成・分布させることができる。ただし、Ｍｇは成分系におけるＯとＳに見合った以上に添加すると、熱間加工性が劣化する。以上より、本発明では、Ｍｇを０．００１超〜０．０２％とする。好ましくは、０．００５超〜０．０２％とする。
【００２４】
Ｎ≦０．０１％
Ｎは、鋼中において窒化物を形成する元素で、とくに本発明のようにＡｌを含む場合には、ＡｌＮの形成によって金型の靭性、被削性および磨き性を著しく劣化する。よって、本発明においては０．０１％以下、好ましくは０．００５％以下、より好ましくは０．００２％以下に規制することが重要である。
【００２５】
なお、鋼中のＮの固溶度はＣｒ含有量に大きく左右され、Ｃｒの増加により溶鋼中のＮの固溶度は増加する。例えば、２％程度のＣｒ量では１５００℃において２２０ｐｐｍ程度の固溶限であるが、３％程度では２８０ｐｐｍ程度にまで増加し、５％では３００ｐｐｍを越えるまでに固溶限が大きくなってしまう。したがって、Ｃｒを３．０％以上と比較的多量に含有させる本発明の鋼材において、Ｎを低く規制する管理は重要である。
【００２６】
Ｏ：０．００３％以下
Ｏは、鋼中に不可避的に存在し、酸化物を形成する元素であり、冷間塑性加工性および磨き性を著しく劣化させるので、上限を０．００３％に規制することが好ましい。より望ましくは、磨き性を向上させるため０．００１％以下とする。
【００２７】
Ｃｕ≦３．５％
Ｃｕは、少量のＦｅを固溶した固溶体（ε相）を生成するとされ、Ｎｉと同様に析出硬化に寄与する。しかし、Ｃｕは、反面靭性を低下させたり、高温で母材の結晶粒界に浸潤して、熱間加工性を害する作用をするため、上記の効果を得る場合であっても、３．５％以下とすることが望ましい。添加する場合に好ましくは、０．３〜３．５％とする。
【００２８】
Ｍｏ≦１．０％
Ｍｏは、基地中に固溶して不動態皮膜を強化し耐食性を向上させるのに極めて有効である。また、Ｍｏは、Ｃと結合して微細な複合炭化物を形成することにより、Ｃｒが主体となって形成されるＭ７Ｃ３型の炭化物の粗大化を抑制する著しい効果があり、靭性向上やピンホールの生成要因が軽減される。しかし、過剰に含有すると多量の炭化物を形成して工具摩耗を増加させるので、含有する場合であっても、上限を１．０％とすることが望ましい。より好ましくは、上述の効果を有効に出現させるため、０．１％以上添加することが望ましい。
【００２９】
Ｃｏ≦１．０％
Ｃｏは、基地中に固溶して２次硬化性と耐食性を向上させるとともに、Ｃｒが主体となって形成されるＭ７Ｃ３型の炭化物の粗大化を抑制し、この炭化物および金属間化合物（Ｎｉ−Ａｌ）を基地中に微細に析出させて、靱性を改善する。しかし、多すぎると靭性の低下、被削性の劣化および焼入れ性の低下をまねき、また経済性も考慮して、含有する場合であっても上限は１．０％とすることが望ましい。上述の効果を有効に出現させるのに好ましくは、０．１％以上である。
【００３０】
本発明の金型用鋼材であれば、高硬さでの被削性、磨き性に優れることから、例えば焼入れ・焼戻し熱処理（固溶・時効処理）により表面硬さを３８ＨＲＣ超、更には４０ＨＲＣ以上といった硬さ域に調整した場合であっても実用化が可能である。よって、硬さの高いマルテンサイトを主体とする組織を有したプリハードン鋼を金型材料にすることができ、機械的特性の優れた金型を、製造工程の簡略化を達成して提供することができる。
【００３１】
【実施例】
次に実施例により、本発明を詳細に説明する。
まず、３０ｋｇ高周波真空溶解炉にて溶解・成分調整した、表１の組成を有する溶製材（残部：Ｆｅおよび不可避的不純物）を準備した。これを断面寸法４０ｍｍ×４０ｍｍの角棒に鍛伸後、熱処理を施し、所定の硬さのマルテンサイト組織に調整して、供試材とした。ここで熱処理は、硬さ４０ＨＲＣ±５を得るように、焼入れは１０００℃で１時間加熱してから空冷し、その後焼戻しとして５２０℃から５８０℃の２０℃刻みの適正温度で１時間加熱後空冷するものである。
【００３２】
【表１】
2004091840.tif 000002
【００３３】
そして、これら供試材について、被削性および磨き性を評価した。被削性の評価は、エンドミル切削試験とドリル切削試験の２種類を行った。エンドミル切削試験は、切削長６ｍ時での工具逃げ面の最大摩耗巾（Ｖｂｍａｘ［ｍｍ］）を測定した。切削条件は、２枚刃φ１０ｍｍのハイス製エンドミルにて、切削速度２３ｍ／ｍｉｎ、送り速度０．０６ｍｍ／刃の湿式切削で行なった。また、ドリル切削試験は、穴数計３穴での平均切屑個数で切削分断性を評価した。切削条件はφ８ｍｍハイス製ドリルにて切削速度１６ｍ／ｍｉｎ、送り速度０．２ｍｍ／ｒｅｖ、穴深さ１０ｍｍの湿式で行なった。
【００３４】
磨き性の評価は、供試材をグラインダー→ペーパー→ダイヤモンドコンパウンド方式にて＃３０００レベル、および＃６０００レベルに鏡面仕上げを行い、１０倍の拡大鏡を用いて微細なピット発生個数をカウントして、ピット数が４個未満のものを◎、４〜７個未満のものを○、７〜１０個未満のものを△、それ以上のものを×とした。以上の評価結果を表２に示す。
【００３５】
【表２】
2004091840.tif 000003
【００３６】
表２の結果より、本発明材は優れた被削性と磨き性が達成されており、特に本発明材Ｎｏ．３は磨き性に優れることが分かる。本発明材Ｎｏ．１、Ｎｏ．４、Ｎｏ．９はＳが高いために硫化物が多数分布し、被削性は良好であったが、磨き性が多少劣る結果となった。Ｍｇ量の低い比較材Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１３はＡｌ，ＮもしくはＯが高いために、組織中に粗大なＡｌ２Ｏ３系介在物とＡｌＮ系介在物が多く分布して、被削性および磨き性に劣る結果となった。
【００３７】
また、これらの結果から、Ａｌが高いほど析出物による硬化作用によって被削性が低下し、Ｓが高くなるに従って硫化物の生成による軟化作用が増加し、被削性が向上する傾向にあることが分かる。そして、Ｍｇ，Ａｌ，Ｓ、特にＭｇとＡｌの含有量バランスを最適に調整することで、優れた被削性と磨き性を達成できることが分かる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、精錬工程において除去が困難であった粗大な酸化物を改質することによって、被削性を損なうことなく、磨き性を飛躍的に改善することができ、＃３０００以上の高ランクの鏡面研磨を行なう金型材の実用化にとって欠くことのできない技術となる。