(57)【要約】【課題】廉価で、比較的高い温度条件での、耐摩耗性、特に耐スラリー摩耗性、耐靱性、耐食性、高硬度性等を有する工具鋼及び射出成形機用のスクリュー部品及びその組立部品を提供。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．９〜１．４％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：７．０〜９．０％、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．３〜２．５％、Ｖ：２．０〜２．５％を含有し、さらにＮｂ：０．１〜０．２％、Ｔｉ：０．０１〜０．１％、Ｚｒ：０．０１〜０．１％のうち１種ないし２種以上を合計量で０．３％以下含有し、残部Ｆｅならびに不可避的に混入する不純物元素からなり、さらにＣ量がＣｅｑ＝（１．１−０．０６Ｃｒ）＋０．２［Ｖ＋（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｚｒ）］からなる式で示される化学的当量値を満たし、かつＣ量がＣｅｑ−０．１から＋０．１５の範囲である工具鋼とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．９〜１．４％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：７．０〜９．０％、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．３〜２．５％、Ｖ：２．０〜２．５％を含有し、さらにＮｂ：０．１〜０．２％、Ｔｉ：０．０１〜０．１％、Ｚｒ：０．０１〜０．１％のうち１種ないし２種以上を合計量で０．３％以下含有し、残部Ｆｅならびに不可避的に混入する不純物元素からなり、さらにＣ量がＣｅｑ＝（１．１−０．０６Ｃｒ）＋０．２［Ｖ＋（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｚｒ）］からなる式で示される化学的当量値を満たし、かつＣ量がＣｅｑ−０．１から＋０．１５の範囲であることを特徴とする工具鋼。
【請求項２】
請求項１記載の工具鋼を用いたことを特徴とする射出成形機用スクリュー部品およびその組立部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摩耗性と耐食性、さらに高靭性が要求される射出成形機用スクリュー部品およびその組立部品であるスクリューヘッド、チェックリング、シート、ノズル及びかかる部品に適合した工具鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、プラスチック射出成形機の部品材料には、従来より高Ｃ（炭素）高Ｃｒ（クロム）合金鋼であるＪＩＳ  ＳＫＤ１１やＳＵＳ４４０Ｃが用いられてきた。しかしながら、近年の成形樹脂の高機能化や超高速高圧射出による超薄肉成形、複合層射出成形のような新たな射出成形法が次々開発されるにともない、高温の腐食環境下において、より一層の耐摩耗性と靭性が要求されるようになってきた。また、金属粉末やセラミック粉末のような硬質粒子の成形も盛んに行われるようになってきている。しかし、従来の合金鋼では、十分な効果が得られない。また、靭性を補う材料として粉末鋼も使用されているが、価格の点で問題がある。さらに、近年の成形樹脂の高機能化にともない、樹脂には難燃材やガラス繊維などの多くの硬質粒子が含有されている。成形はかなりの高温条件下で行われるため、熱分解によりＨ2Ｓ，  Ｃｌ2，  ＨＣｌ，  ＮＦ，  ＮＯ2  などの大量の腐食性ガスが発生し、この腐食環境下での樹脂中の硬質粒子に対する耐摩耗性、成形時に負荷される高圧力に耐えうる靭性が要求されている。さらに、金属粉末やセラミックス粉末のような硬質粒子を成形する機械の部品としても要求がある。そこで、特許文献１や特許文献２に記載の材料が使用されてきた。しかし、特許文献１，２のものは、価格の高いＣｏが添加されており経済性に劣るという問題があった。一方、本出願人が出願した特許文献３においては、Ｃｏを含有しない耐靱性、耐摩耗性が優れた冷間工具鋼等がある。
【特許文献１】特公平２−３９５８２号公報
【特許文献２】特許番号第２５６４６５７号公報
【特許文献３】特公昭６４−１１１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献３のものは、耐摩耗性、耐靱性に優れているが、耐食性については開示されておらず、また、このものは冷間工具鋼用であり、射出成形機のような比較的温度の高い部分に用いることは想定されていなかった。特に射出成形機のスクリュー部品においては、高温高圧下でフィラーを含む樹脂に接触し、スラリー摩耗が生じやすく、また、熱分解による腐食ガスが発生するという問題があった。本発明の課題はかかる問題点に鑑みて、Ｃｏを含有しなくても廉価で、比較的高い温度条件での、耐摩耗性、特に耐スラリー摩耗性、耐靱性、耐食性、高硬度性等を有する工具鋼及びかかる工具鋼を用いた射出成形機用のスクリュー部品及びその組立部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者等は、前述した特許文献３の合金について、射出成形機用スクリューへの適用について研究を行った。その結果、化学当量式Ｃｅｑ＝（１．１−０．０６Ｃｒ）＋０．２［Ｖ＋（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｚｒ）］により表されるＣ量について、耐靱性については、図１に示すように、従来と同様Ｃ−Ｃｅｑの値が−０．１〜０のときピークで、−１．５〜１．５の範囲が好ましい。一方、成形樹脂中のガラス繊維による摩耗を想定したスラリー摩耗特性においては、図２に示すように−０．１〜０．１５が良好であることを見出した。さらに、耐食性については、図３に示すように、耐塩酸性については、特許文献１、２の従来のものとほぼ同等であるが、耐硫酸性については＋０．１５以下で従来のものより良好であり、これらの理由よりＣ量の範囲はＣ−Ｃｅｑの値が−０．１から＋０．１５の範囲が好ましいことを知得した。他、成分について種々研究知得した。
【０００５】
この知得により、本発明においては、質量％で、Ｃ：０．９〜１．４％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：７．０〜９．０％、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．３〜２．５％、Ｖ：２．０〜２．５％を含有し、さらにＮｂ：０．１〜０．２％、Ｔｉ：０．０１〜０．１％、Ｚｒ：０．０１〜０．１％のうち１種ないし２種以上を合計量で０．３％以下含有し、残部Ｆｅならびに不可避的に混入する不純物元素からなり、さらにＣ量がＣｅｑ＝（１．１−０．０６Ｃｒ）＋０．２［Ｖ＋（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｚｒ）］からなる式で示される化学的当量値を満たし、かつＣ量がＣｅｑ−０．１から＋０．１５の範囲である工具鋼を提供することにより、上記課題を解決した（請求項１）。また、かかる工具鋼を用いた射出成形機用スクリュー部品およびその組立部品を提供することにより上記課題を解決した（請求項２）。
【０００６】
以下に、前述したＣ−Ｃｅｑの値の他の化学成分組成の限定理由を述べる。Ｃ量の下限は、特許文献３の場合は０．７％が下限であるが、射出成形機の部品用材料として十分な硬さ、耐摩耗性を得るためには、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒのバランスから最低０．９％必要であり、Ｃ量の上限は上記当量式の上限から求めた特許文献３と同じ１．４％とした。これ以上のＣ量では本発明の特徴である高靭性が得られにくい。
【０００７】
また、Ｃｒは、Ｃと結合してＭ７Ｃ３炭化物を形成して耐摩耗性を向上し、さらに基地に固溶して耐食性を向上することから、耐食性を確保するため特許文献３より添加量を多くし、下限を７．０％とし、９．０％を越えると巨大炭化物が生成しやすく靭性が劣化し、また焼入性が低下するので上限を特許文献３と同じ９．０％とした。
【０００８】
さらに、Ｍｏ＋Ｗ／２は炭化物と基地の両方に存在して耐摩耗性と耐食性を向上させるが、本発明では、耐食性を向上させるため下限を特許文献３の１．０％より多い１．３％とした。また、巨大炭化物が増大し、靭性の劣化を防止するため上限を特許文献３の３．０％より低い２．５％とした。
【０００９】
Ｖは硬質なＭＣ炭化物を形成し、著しく耐摩耗性を向上させる。また、Ｖの添加量を増していくと被研削性を劣化させることや２．５％を越えても耐摩耗性の著しい向上が認められず上限を特許文献３と同じ２．５％とした。Ｖが２．０％より少ないとスラリー摩耗特性を十分に発揮することができないのでＶの下限を特許文献３の１．５％より上げて２．０％とした。
【００１０】
なお、その他の成分限定理由については、特許文献３と同様であり、Ｓｉは、製鋼工程における脱酸剤として添加されるが、０．１％以下では脱酸の効果がなく、２．０％を越えると靭性の低下をもたらすため０．１％〜２．０％の範囲に定めた。
【００１１】
Ｍｎは、Ｓｉと同じく脱酸剤として用いられ、焼入性の向上にも寄与する。しかしながら過度の添加は靭性を劣化させたり、熱間加工性を低下させるため、上限を１．０％とした。また、少なすぎると効果が得られないので下限を０．１％とした。
【００１２】
ＮｂはＭＣ炭化物を形成し、焼入加熱による基地への溶解量が少なく、オーステナイト結晶粒の粗大化を防止する成分であり、本発明鋼の特徴を生かすために不可欠である。０．１％以下では効果が小さく、０．２％以上では効果の向上が小さいのでその範囲を０．１〜０．２％とした。
【００１３】
Ｔｉ、ＺｒはＮｂと同様にＭＣ炭化物を形成し、またオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する成分であるが、０．０１％以下では効果が小さく、０．１％以上では効果の向上が小さい。また、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒの合計量で０．３％をこえるとその効果の向上が小さく、しかも経済性に劣るので合計量を０．３％以下の範囲とした。
【００１４】
即ち、ＳＫＤ１１はＭ７Ｃ３を主体とした炭化物を形成し耐摩耗性を得るが、粗大なＭ７Ｃ３炭化物は靭性を劣化させるばかりか、表面の不動態被膜が破壊される起点となり耐食性も劣化させる。この問題を解決するために、本発明においては、Ｍ７Ｃ３炭化物の量と形状を制御した。すなわち、特許文献３に示されている総Ｃ量のＣｅｑ＝Ｃｅｐ（１）＋Ｃｅｑ（２）＝（１．１−０．０６Ｃｒ）＋０．２［Ｖ＋（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｚｒ）］となる式を用いて適正な成分バランスを満足させ、さらに、Ｃ量の良好な範囲を、抗折力とスラリー摩耗特性を考慮して、Ｃｅｑ−０．１から＋０．１５の幅としたのである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、Ｃｅｑ＝（１．１−０．０６Ｃｒ）＋０．２［Ｖ＋（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｚｒ）］の化学当量式を狙いとし、さらに、Ｃ量の範囲を、Ｃ−Ｃｅｑが−０．１から＋０．１５の幅で許容されるようにし、焼入加熱によるＭ７Ｃ３炭化物の形と量を制御し、また、ＭＣ炭化物を微細に多く分布させることにより、抗折力とスラリー摩耗特性、耐食性を満足するものとなった。従って、本発明は冷間工具鋼用としてばかりでなく、従来鋼の耐摩耗性不足、あるいは欠けや割れなどの諸問題を解決し、腐食環境下での部品用材料として高寿命を保証することができるものとなった。しかも、従来鋼に比べてＣｏを含有しておらず、経済的に優位な耐スラリー摩耗性、耐靱性、耐食性、高硬度性等を有する工具鋼を提供するものとなった。さらに、かかる工具鋼を用いた射出成形機用のスクリュー部品及びその組立部品を提供し、長寿命の射出成形機用部品を提供するものとなった。
【実施例】
【００１６】
次に本発明鋼の実施例について以下に述べる。表１は本発明鋼Ａ〜Ｃ、従来鋼Ｄ〜Ｆ、比較鋼Ｇ〜Ｊの化学成分とＣｅｑおよびＣ−Ｃｅｑの値を示す表、表２は供試材とした各鋼種の熱処理条件と硬さおよび抗折力を示す表、図１は各鋼種のＣ−Ｃｅｑ値と抗折力との関係を示す図である。表１に示すように、比較鋼は（Ｃ−Ｃｅｑ）の絶対値が大きな値となるように、本発明鋼の基本成分であるＣ、Ｃｒ、Ｖ、（Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ）を変動させたものである。従来鋼は、ＳＫＤ１１、特許文献１、特許文献２相当材の３鋼種とした。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
【表２】
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【００１９】
表１、２及び図１に示すように、本発明鋼の抗折力はＣｏを含む従来鋼およびＣｏを含まない比較鋼に比べ著しく優れた値を示している。特に、Ｃ−Ｃｅｑが±０．１５の範囲にある発明鋼は、この範囲から外れた比較鋼、従来鋼に比べて著しく優れた値を示している。このＣ−Ｃｅｑ値に対する抗折力の優秀性は特許文献３にて周知であるが、本発明においては、抗折力に加え、さらに射出成形機用部品に必要な耐スラリー摩耗性、耐食性について検証した。
【００２０】
表３は耐スラリー摩耗性を比較した結果と各酸溶液中での耐食性を示し、図２はＣ−Ｃｅｑ値とスラリー摩耗減量との関係を示す図である。耐スラリー摩耗性は、硅砂（ＳｉＯ2）と水（Ｈ2Ｏ）を混合させたスラリー中で試験片を１００時間回転させたときの摩耗減量で評価した。なお、摩耗減量は次の式にて求めた。
【００２１】
【表３】
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【００２２】
摩耗減量（％）＝（試験前の試験片重量（ｇ）−試験後の試験片重量（ｇ））／試験前の試験片重量（ｇ）×１００
【００２３】
表３及び図２に示すように、Ｃ−Ｃｅｑ値が同じ場合は、従来鋼が最も摩耗が大きく、ついで比較鋼の摩耗が大きく、本発明鋼が最も摩耗が小さい。さらに、全体をみてもＣ−Ｃｅｑ値が−０．１から＋０．１５の間でスラリー摩耗特性が最小値を示す傾向があり、特にＣ−Ｃｅｑ値が−０．１から＋０．１５の範囲である本発明鋼でスラリー摩耗特性は最も良好な結果を示している。この結果、本発明では、抗折力とスラリー摩耗特性の両方が良好な結果を示すＣ−Ｃｅｑの範囲が−０．１から＋０．１５の範囲であることを見出した。また、従来鋼Ｅ、Ｆについては、Ｃ−Ｃｅｑの範囲が−０．１から＋０．１５の範囲に入っているにもかかわらず、抗折力、スラリー摩耗特性が本発明鋼に比べ劣っている。これは、本発明鋼の適正な成分範囲限定の特異な作用・効果を示すものである。
【００２４】
図３はＣ−Ｃｅｑ値と腐食減量との関係を示す図である。耐食性については４０℃の１０％塩酸、１０％硫酸溶液中で１０時間浸漬したときの腐食減量で評価した。表３及び図３に示すように、腐食減量が少ない塩酸中ではＣ−Ｃｅｑ値に対する腐食減量の変化は小さく、各鋼の腐食減量に大きな差はなく同等と考えられる。一方、腐食減量が多い硫酸中ではＣ−Ｃｅｑ値に対する変化は小さく、従来鋼と比較鋼との腐食減量に大きな差はないが、本発明鋼は明らかに腐食減量が従来鋼及び比較鋼と比較して小さな値となっている。これは、本発明鋼がＣｒとＭｏの基地中への固溶と微細炭化物析出により耐食性が高められたものである。また、本発明鋼の耐硫酸性においては、Ｃ−Ｃｅｑが０．１５以下が従来のものより良好である。
【００２５】
表４に本発明鋼を射出成形機用部品として使用した実用試験結果を示す。
【００２６】
【表４】
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【００２７】
表４に示すように、従来鋼のスクリュー及びノズル部品では３ヶ月で摩耗が発生したのに対し、本発明鋼のスクリュー及びノズル部品では６ヶ月経過しても摩耗の発生がなく２倍以上の寿命を確保できた。また、従来鋼のチェックリングは１ヶ月で割れが発生したのに対し、本発明鋼のチェックリングは２ヶ月経過後も割れの発生は認められず、２倍以上の寿命を確保できた。このように、本発明鋼を用いた射出成形機用部品は従来鋼を用いた部品より非常に優れた耐摩耗性、耐久性を有していることが明らかであり、著しく寿命を延長できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明鋼および従来鋼、比較鋼のＣ−Ｃｅｑ値と抗折力との関係を示す図である。
【図２】本発明鋼および従来鋼、比較鋼のＣ−Ｃｅｑ値とスラリー摩耗減量との関係を示す図である。
【図３】本発明鋼および従来鋼、比較鋼のＣ−Ｃｅｑ値と腐食減量との関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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