(57)【要約】【課題】被削性と熱伝導率とを両立させた安価なプラスチック成形金型用鋼の提供。【解決手段】Ｃ：０．２５〜０．４５％、Ｓｉ：０．３％未満、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｓ：０．０１〜０．０５％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０２％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、金属組織が１５〜３０面積％のフェライトとパーライトとの２相組織で、且つＪＩＳ  Ｇ  ０５５１に規定されるオーステナイト結晶粒度番号が３以上のプラスチック成形金型用鋼。この鋼は、０．５％までのＣｒおよび０．２％未満のＶの１種以上を含んでもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．２５〜０．４５％、Ｓｉ：０．３％未満、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｓ：０．０１〜０．０５％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０２％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、金属組織が面積％で１５〜３０％のフェライトと残部パーライトの２相組織で、且つＪＩＳ  Ｇ  ０５５１に規定されるオーステナイト結晶粒度番号が３以上であることを特徴とするプラスチック成形金型用鋼。
【請求項２】
請求項１に記載の成分に加えて、さらに、質量％で、Ｃｒ：０．１〜０．５％およびＶ：０．０３％以上で０．２％未満のうちの１種以上を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、金属組織が面積％で１５〜３０％のフェライトと残部パーライトの２相組織で、且つＪＩＳ  Ｇ  ０５５１に規定されるオーステナイト結晶粒度番号が３以上であることを特徴とするプラスチック成形金型用鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラスチックの射出成形等に使用される金型用鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用インストルメントパネルやバンパー、家電用テレビやエアコンの筺体等のような大型のプラスチック製品を射出成形するのに用いられる金型には、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５１に規定されるＳ５５Ｃクラスの汎用鋼が使用されている。
【０００３】
プラスチック成形金型に要求される特性としては、被削性が良好なこと、熱伝導率が高いこと、等である。
【０００４】
被削性を向上させた鋼としては特許文献１および２に示される鋼があり、熱伝導率を高めた鋼としては特許文献３および４に示される鋼がある。
【０００５】
即ち、特許文献１に示される鋼は、硫化物の量を多くするとともに、Ｓｉの含有量を０．５％以上とした鋼である。また、特許文献２に示される鋼は、Ｓｉの含有量を０．３０％以上にするとともに、金属組織をフェライトが１５〜４０面積％のフェライトとパーライトの２相組織とした鋼である。さらに、特許文献３および４に示される鋼は、Ｃ以下の各成分の含有量をバランスさせるとともに、金属組織をマルテンサイト単相またはマルテンサイトとベイナイトの２相組織とした鋼である。
【０００６】
しかし、特許文献１および２に示される鋼は、熱伝導率については全く考慮されておらず、熱伝導率が低いという欠点を有している。また、特許文献３および４に示される鋼は、金属組織がマルテンサイト単相またはマルテンサイトとベイナイトの２相組織であるために、被削性が十分でないという欠点を有している。
【０００７】
このように、被削性と熱伝導率とを両立させることは困難であり、これを両立させた安価な金型用鋼の開発が望まれていた。
【０００８】
【特許文献１】
特許第３１４１７３５号公報
【特許文献２】
特開２００２−１２９４１号公報
【特許文献３】
特開平８−２０９２９８号公報
【特許文献４】
特開平１０−９６０４９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の実状に鑑みてなされたもので、被削性と熱伝導率とを両立させた安価なプラスチック成形金型用鋼を提供することを目的とする。具体的には、硬さがＪＩＳ  Ｚ  ２２４３に規定されるＨＢＷ（１０／３０００）で１８０〜２１０であり、下記の条件のフライス加工による切削試験における工具最大摩耗量ＶＢｍａｘ（ｍｍ）が０．４０ｍｍ以下で、且つ１００℃における熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・℃）が４５以上であるプラスチック成形金型用鋼を提供することを目的とする。
【００１０】
切削試験の条件；回転数（Ｎ）：２７２０ｒｐｍ、送り速度（Ｆ）：６００ｍｍ／ｍｉｎ、切り込み深さ（Ａｄ）：５ｍｍ、切り込み幅（Ｒｄ）：２５ｍｍ、切削長さ（Ｌ）：３ｍ、使用工具：ＪＩＳ  Ｂ  ４０５３に規定されるＰ３０の一枚刃。なお、工具最大摩耗量ＶＢｍａｘ（ｍｍ）とは、工具の逃げ面の最大摩耗幅のことである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）および（２）のプラスチック成形金型用鋼にある。
【００１２】
（１）  質量％で、Ｃ：０．２５〜０．４５％、Ｓｉ：０．３％未満、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｓ：０．０１〜０．０５％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０２％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、金属組織が面積％で１５〜３０％のフェライトと残部パーライトの２相組織で、且つＪＩＳ  Ｇ  ０５５１に規定されるオーステナイト結晶粒度番号が３以上であるプラスチック成形金型用鋼。
【００１３】
（２）  上記（１）に記載の成分に加えて、さらに、質量％で、Ｃｒ：０．１〜０．５％およびＶ：０．０３％以上で０．２％未満のうちの１種以上を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、金属組織が面積％で１５〜３０％のフェライトと残部パーライトの２相組織で、且つＪＩＳ  Ｇ  ０５５１に規定されるオーステナイト結晶粒度番号が３以上であるプラスチック成形金型用鋼。
【００１４】
本発明者らは、上記の課題を達成するために、前記の汎用鋼Ｓ５５Ｃをベースに種々実験を行い、次のことを知得し、上記の本発明を完成させた。
【００１５】
（ａ）  合金元素の増量は、いずれの元素も熱伝導率λを低下させる。従って、いずれの元素もその含有量はできるだけ低くするのがよい。なかでも、Ｓｉの影響が特に大きく、Ｓｉ含有量は０．３％未満に制限する必要がある。
【００１６】
図１は、後述する実施例の結果を、Ｓｉ含有量と熱伝導率λについて整理して示した図である。この図から明らかなように、Ｓｉが熱伝導率λに大きな影響を及ぼす元素であることがわかる。
【００１７】
（ｂ）  また、Ｃ、Ｍｎおよびｓｏｌ．Ａｌの含有量は、それぞれ、０．２５〜０．４５％、０．５〜２％および０．０２％以下に制限する必要がある。
【００１８】
（ｂ）  被削性は、金属組織をフェライトとパーライトの２相組織とした方がよく、特にフェライト率が１５〜３０面積％のフェライト・パーライト２相組織で、且つＪＩＳ  Ｇ  ０５５１に規定されるオーステナイト結晶粒度番号が３以上の金属組織にすると、被削性が格段に向上する。
【００１９】
表１は、後述する実施例に供した鋼のうちの鋼Ｎｏ．１を対象に、そのフェライト・パーライト組織（フェライト面積率２２％）のオーステナイト結晶粒度番号を種々異ならせて前記条件のフライス加工による切削試験を行って工具最大摩耗量ＶＢｍａｘ  を調べた結果を示す表である。表１から明らかなように、オーステナイト結晶粒度番号が３以上の場合に工具最大摩耗量ＶＢｍａｘが０．４０ｍｍ以下となり、良好な被削性が確保されることがわかる。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のプラスチック成形金型用鋼を上記のように定めた理由について詳細に説明する。なお、以下において、「％」は特に断らない限り「質量％」を意味する。
【００２２】
１．化学組成について、
Ｃ：０．２５〜０．４５％
Ｃは、強度を確保する上で重要な元素であり、最低でも０．２５％の含有量が必要である。一方、その含有量が０．４５％を超えると、パーライト量が増加し、後述する量のフェライト量が得られなくなくなり、所望の被削性が確保できなくなる。このため、Ｃ含有量は０．２５〜０．４５％とする。好ましいのは０．２８〜０．４５％、より好ましいのは０．３５〜０．４３％である。
【００２３】
Ｓｉ：０．３％未満
Ｓｉは、被削性を向上させる反面、熱伝導率を著しく低下させる元素であるが、組成によりその特性値が事実上決まる熱伝導率を向上させ、所望の被削性と熱伝導率を確保するためには、前述したように、Ｓｉは０．３％未満にする必要がある。なお、熱伝導率を向上させる観点のみからはＳｉ含有量は少ないほどよいが、あまり少なくしすぎると被削性の確保が困難になる場合があるので、その含有量は０．１５〜０．２５％とするのが望ましい。
【００２４】
Ｍｎ：０．５〜２％
Ｍｎは、上記のＣと同様に、強度を確保する上で重要な元素であり、最低でも０．５％の含有量が必要である。一方、その含有量が２％を超えると、靱性低下を引き起こす。このため、Ｍｎ含有量は０．５〜２％とする。好ましい範囲は０．８〜１．５％、より好ましい範囲は１〜１．３％である。
【００２５】
Ｓ：０．０１〜０．０５％
Ｓは、被削性を確保するうえで重要な元素であり、最低でも０．０１％の含有量が必要である。一方、その含有量が０．０５％を超えると、靱性、延性および溶接性が低下する。従って、Ｓ含有量は０．０１〜０．０５％とする。好ましいのは０．０２〜０．０４％、より好ましいのは０．０２５〜０．０４％である。
【００２６】
ｓｏｌ．Ａｌ：０．０２％以下
Ａｌは、脱酸剤として添加される。また、ＡｌはＡｌＮを形成して細粒化に寄与する元素でもある。これらの効果を十分に発揮させるためには、ｓｏｌ．Ａｌ含有量で０．００１％以上とするのが望ましい。しかし、過剰なＡｌはアルミナ系の酸化物を形成し、鋼の清浄度を悪くして地疵の問題を招くだけでなく、被削性および熱伝導率をも低下させる。従って、被削性と熱伝導率の両方を向上させた鋼の提供を目的とする本発明においては、Ａｌの含有量は少ないほどよく、上記のＳｉまたは／およびＭｎによって脱酸が十分に行われ場合には、鋼中には必ずしも含まれなくてもよい。このため、Ａｌの含有量はｓｏｌ．Ａｌで０．０２％以下とした。好ましい上限は０．０１％、より好ましい上限は０．００５％である。
【００２７】
残部は実質的にＦｅ、言い換えれば残部はＦｅおよび不純物であるが、本発明のプラスチック成形金型用鋼は、上記の成分に加えて、下記の３元素のうちの１種以上を含有させた鋼であってもよい。
【００２８】
Ｃｒ、Ｖ：
ＣｒおよびＶは、いずれも、鋼の焼入れ性を高めて強度を向上させる作用を有する。このため、その効果を得たい場合には１種以上を添加することができ、前記の効果は、Ｃｒでは０．１％以上、Ｖでは０．０３％以上の含有量で得られる。しかし、Ｃｒは、０．５％を超えると、パーライトの強度が高くなりすぎて被削性が低下するだけでなく、熱伝導率も低下する。また、Ｖは、０．２％以上になると、Ｖの炭化物量が増加するとともに、フェライトの強度が高くなりすぎて、被削性が低下するだけでなく、熱伝導率も低下する。特に、ＶはＣｒに比べ、被削性を低下させる作用が著しい。このため、添加する場合のこれら元素の含有量は、Ｃｒは０．１〜０．５％、好ましくは０．１〜０．３５％、Ｖは０．０３％以上で０．２％未満、好ましくは０．０３〜０．１％とするのがよい。
【００２９】
２．金属組織について、
組織は、前述したように、面積％で、フェライトが１５〜３０、残部がパーライトのフェライト・パーライトの２相組織でなければならない。これは、次の理由による。
【００３０】
パーライトは旧オーステナイトの粒内に生じ、フェライトは旧オーステナイトの粒界に生じる。また、パーライトはフェライトに比べて剪断変形しにくい。このため、旧オーステナイト粒が大きいと、パーライトの塊が大きくなり、剪断変形しにくくなる。一方、旧オーステナイト粒が小さいと、パーライトの塊が小さくなり、パーライトの周辺のフェライトが変形し、剪断変形しやすくなる。言い換えれば、被削性が向上する。
【００３１】
しかし、フェライト量が１５面積％未満では、パーライトが多く、硬度が高すぎて被削性が低下する。一方、３０面積％を超えると、強度の確保が困難になるだけでなく、硬度が不足して金型に必要な耐摩耗性の確保が困難になる。このため、本発明では、その金属組織をフェライトが１５〜３０面積％、残部がパーライトのフェライト・パーライトの２相組織とした。
【００３２】
なお、本発明にいうフェライトの面積％とは、次のようにして求められる値のことである。
【００３３】
任意な大きさの試料を、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５２に規定される方法に準じて処理し、処理後の試料の処理表面を、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５２に規定される方法に従って顕微鏡観察してデジタルカメラで撮影し、得られた画像中の黒色部分（パーライト）を例えば「１」、白色部分（フェライト）を例えば「０」とする二値化画像処理し、撮像面積から「１」と判定された部分の総面積を差し引いた値を撮像面積で除して求められた値に１００を乗じて求められる値のことである。
【００３４】
また、結晶粒度は、前述したように、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５１に規定されるオーステナイト結晶粒度番号で３以上の細粒でなければならない。これは、前記の表１に示すように、オーステナイト結晶粒度番号が３未満では、目標とする工具最大摩耗量ＶＢｍａｘが確保されず、所望の被削性が確保できないからである。なお、結晶粒度は細粒であるほど好ましいので、その上限は規定しない。
【００３５】
本発明で規定する上記の金属組織は、本発明で規定する化学組成を有する鋼に、例えば、鍛造温度１１００〜１３００℃、鍛造終止温度１０００℃以下、鍛錬比３以上の熱間加工を施した後、８５０〜１０００℃に加熱し、オーステナイト化した後に４５０℃／ｈ以下の冷却速度で冷却する焼準処理を施し、次いで、５００〜７００℃で焼戻す熱処理により得られ、結晶粒度の調整は、鍛錬比、鍛造終止温度および焼準処理温度の調整により行えばよい。
【００３６】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００３７】
【実施例】
表２に示す化学組成を有する２７種類の鋼を高周波溶解炉を用いて溶製し、得られた鋳塊を１２００℃に加熱後、鍛錬比２〜５、終止温度８００〜１０００℃で熱間鍛造し、厚さと幅がいずれも１１０ｍｍの試験材とした。
【００３８】
得られた試験材は、実機のプラスチック射出成形金型の製造を想定し、８５０〜１０００℃に１〜３時間加熱保持した後に９０℃／ｈの冷却速度で冷却する焼準と、５８０℃に４時間加熱保持する焼戻しの熱処理を施し、オーステナイト結晶粒度番号、フェライト率、組織、硬さ（ＨＢＷ）、および熱伝導率λが表２に示す値の試験材に調整した。
【００３９】
調整後の試験材は、前述したのと同じ条件のフライス加工による切削試験に供して工具最大摩耗量ＶＢｍａｘ（ｍｍ）を調べ、その結果を表２に併せて示した。
【００４０】
なお、フェライト率は前述した方法により測定し、熱伝導率λは１００℃における値をレーザフラッシュ法により測定した。
【００４１】
表２に示すように、本発明で規定する条件を満たす鋼Ｎｏ．１〜４の本発明鋼は、いずれも、熱伝導率λが４５以上、工具最大摩耗量ＶＢｍａｘが０．４０ｍｍ以下で、熱伝導率および被削性ともに良好である。
【００４２】
これに対し、化学組成、オーステナイト結晶粒度番号、フェライト率および組織のいずれか１つ以上が本発明で規定する範囲を外れる鋼Ｎｏ．５〜２７の比較鋼は、熱伝導率λまたは／および工具最大摩耗量ＶＢｍａｘが本発明の目標値に達しておらず、高い熱伝導率と良好な被削性の両方を兼ね備えていない。
【００４３】
【表２】
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【００４４】
【発明の効果】
本発明のプラスチック成形金型用鋼は、高い熱伝導率と良好な被削性を有している。また、本発明の金型用鋼は、ＣｒやＶの合金元素の添加を必ずしも必要としないので安価である。従って、本発明のプラスチック成形金型用鋼によれば、大型の金型を１つの材料で製作することが可能で、金型の製作コストおよび原単位を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｓｉ含有量と熱伝導率との関係を示す図である。
【図２】フェライト率と工具最大摩耗量との関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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