(57)【要約】【課題】  鏡面成形性に優れた金型およびその製造方法を提供する【解決手段】  プラスチックまたはガラス部品を成形するための金型であって、質量％でＣ：０．１５％以下、Ｃｒ：６．０〜１２．０％、Ｓ：０．００３％以下であり、Ｓｉ：１．５〜５．０％を含有するステンレス鋼からなる金型である。好ましくは、上記のステンレス鋼は、質量％でＭｎ：０．０５〜３．０％、Ｎｉ：４．０〜１０．０％、Ｍｏ：０．２〜８．０％、Ｃｕ：６．０％以下、Ｎｂ：５．０％以下、Ｔａ：８．０％以下、Ａｌ：２．０％以下、Ｔｉ：３．０％以下、Ｃｏ：２０．０％以下のうちの１種または２種以上を含む。本発明の金型の製造方法は、上記のステンレス鋼を消耗電極式再溶解法により得た後、５６ＨＲＣ以上の硬さに調質して、成形面を機械加工する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチックまたはガラス部品を成形するための金型であって、質量％でＣ：０．１５％以下、Ｃｒ：６．０〜１２．０％、Ｓ：０．００３％以下であり、Ｓｉ：１．５〜５．０％を含有するステンレス鋼からなることを特徴とする鏡面成形性に優れた金型。
【請求項２】
ステンレス鋼は、質量％でＭｎ：０．０５〜３．０％、Ｎｉ：４．０〜１０．０％、Ｍｏ：０．２〜８．０％、Ｃｕ：６．０％以下、Ｎｂ：５．０％以下、Ｔａ：８．０％以下、Ａｌ：２．０％以下、Ｔｉ：３．０％以下、Ｃｏ：２０．０％以下のうちの１種または２種以上を含むことを特徴とする請求項１に記載の鏡面成形性に優れた金型。
【請求項３】
成形面の硬さが５６ＨＲＣ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の鏡面成形性に優れた金型。
【請求項４】
プラスチックまたはガラス部品を成形するための金型の製造方法であって、消耗電極式再溶解法を行なうことにより得た、質量％でＣ：０．１５％以下、Ｃｒ：６．０〜１２．０％、Ｓ：０．００３％以下であり、Ｓｉ：１．５〜５．０％を含有するステンレス鋼を、５６ＨＲＣ以上の硬さに調質し、機械加工を行なって成形面とすることを特徴とする鏡面成形性に優れた金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐食性に優れたステンレス鋼の鏡面性を向上させたことで、特に光ディスクや光学レンズ等の、極めて高い表面精度を要求されるプラスチックやガラス部品の鏡面成形に最適な金型と、その製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＣＤ、ＤＶＤメディア等の光ディスク樹脂成形の分野、光学レンズ用樹脂又はガラス成形の分野、液晶導光板等の光学部品用樹脂成形の分野には、ＪＩＳ鋼種のＳＵＳ４２０Ｊ２又はそれに類似するステンレス鋼を切削加工及び研削加工した金型が用いられていた。プラスチックの光学部品など極めて精度の要求される場合には、上記ＳＵＳ４２０Ｊ２相当鋼にＮｉ−Ｐなどのアモルファスめっきを行ったのち、ダイヤモンドバイトによる切削加工を行なって成形面に仕上げる場合もあった。不純物の少ない銅合金を同様に切削加工して仕上げる場合もあった。
【０００３】
一方、耐食性と硬度を両立させる材料として、例えばＣが０．０８質量％（以下、％と示す）以下でＳｉを２．０〜５．０％、Ｃｒを６．０〜１０．０％含む析出硬化系ステンレスが提案されている。そして、このステンレス鋼に、さらに適量のＭｎ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｃｏを添加して、高硬度の達成を目的とした改良鋼が提案されている（特許文献１）。この改良鋼は高硬度と高耐食性の両立という点で優れた材料である。
【特許文献１】特開２００１−１０７１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した光ディスクや光学部品成形用の金型のうち、ＳＵＳ４２０Ｊ２からなるものは耐食性と高硬度の点である程度のレベルが得られる点では有利であるものの、達成される硬度はせいぜい５５ＨＲＣが限界であり、成形ショットを重ねる場合の鏡面度の維持が不十分であるという問題があった。Ｎｉ−Ｐめっきや銅合金を適用したものでは更に硬さが低く、長期安定成形に不利となる。
【０００５】
また、ＳＵＳ４２０Ｊ２レベルの耐食性は、水冷を要する光ディスク成形用の金型の場合だと、長期量産する為に十分とはいえない問題もあった。更に、ＳＵＳ４２０Ｊ２は組織中にミクロンオーダーのクロム炭化物析出を伴う為、成形面には厳密な平滑鏡面が得られにくい問題点もあった。この問題は、サブナノオーダーの平均面粗さを目指す次世代高密度光ディスクを実用化する上で大きな問題となる。
【０００６】
本発明の目的は、極めて高い表面精度が要求されるプラスチックまたはガラス部品を成形するための、特殊な金型分野において、従来のＳＵＳ４２０Ｊ２の超鏡面仕上性の上記問題点を解決し、さらに、ＳＵＳ４２０Ｊ２以上の耐食性と高硬度の特性を具備した、鏡面成形性に優れた金型およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記の問題を検討した結果、耐食性と高硬度、そして他の金型用途には類のない極めて平滑鏡面の成形面こそが求められる、このような特殊な金型材料にこそ、最適量のＳｉ量が添加されたステンレス鋼が最適であることを突きとめた。そして、５６ＨＲＣ以上の硬さが達成できる成分組成を見いだすと共に、該硬さに調質し、切削加工又は研削・研磨加工やラッピング加工等の機械加工を施して成形面とすることで、その成形面の超鏡面仕上性と成形時の鏡面維持性を大きく改善できることを見いだした。そして、このステンレス鋼は、消耗電極式再溶解法により得ることが、本発明の金型に最適であることも見いだし、本発明に到達した。
【０００８】
すなわち本発明は、プラスチックまたはガラス部品を成形するための金型であって、質量％でＣ：０．１５％以下、Ｃｒ：６．０〜１２．０％、Ｓ：０．００３％以下であり、Ｓｉ：１．５〜５．０％を含有するステンレス鋼からなることを特徴とする鏡面成形性に優れた金型である。好ましくは、上記のステンレス鋼は、質量％でＭｎ：０．０５〜３．０％、Ｎｉ：４．０〜１０．０％、Ｍｏ：０．２〜８．０％、Ｃｕ：６．０％以下、Ｎｂ：５．０％以下、Ｔａ：８．０％以下、Ａｌ：２．０％以下、Ｔｉ：３．０％以下、Ｃｏ：２０．０％以下のうちの１種または２種以上を含むことを特徴とする鏡面成形性に優れた金型である。そして、更に好ましくは、成形面の硬さが５６ＨＲＣ以上であることを特徴とする鏡面成形性に優れた金型である。
【０００９】
そして、本発明の金型の製造方法は、プラスチックまたはガラス部品を成形するための金型の製造方法であって、消耗電極式再溶解法を行なうことにより得た、質量％でＣ：０．１５％以下、Ｃｒ：６．０〜１２．０％、Ｓ：０．００３％以下であり、Ｓｉ：１．５〜５．０％を含有するステンレス鋼を、５６ＨＲＣ以上の硬さに調質し、機械加工を行なって成形面とすることを特徴とする鏡面成形性に優れた金型の製造方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、耐食性に優れる金型の超鏡面仕上性と鏡面維持性を飛躍的に改善することができ、光ディスクや光学レンズ等の極めて表面精度を要求されるプラスチックまたはガラス部品の長期安定成形の実用化にとって欠くことのできない技術となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
上述したように、本発明の重要な特徴は、優れた耐食性に加えて、最適量のＳｉ量を添加したステンレス鋼とし、更には他の構成元素の種類および最適量をも見直した金型とすることで、成形面の高硬さと超鏡面仕上性、そして成形時の鏡面維持性をも大きく改善できること、更には、このステンレス鋼に最適な製造方法をも見いだしたことにある。
【００１２】
まず、本発明の成分組成について説明する。Ｃを０．１５％以下に規定することによって、金型組織中の硬質炭化物の析出サイズをサブミクロンオーダーに抑え、超鏡面仕上性を実現することができる。好ましくは０．０８％以下である。Ｃｒはステンレス鋼の耐食性を確保するための不可欠な成分であって、本発明の金型用途の場合、６．０％未満では耐食性が不十分である。しかし、１２．０％を超えると所定の硬度、望ましくは５６ＨＲＣ以上の硬度が得られにくくなるため為、Ｃｒは６．０〜１２．０％とした。
【００１３】
Ｓｉは本発明の金型に強度を与える主要な元素である。そして本発明の金型用途にとってこそ重要な鏡面仕上性を実現するための根幹元素である。即ち、従来の微細炭化物による析出強化機構に頼らずに、マトリックスの焼戻し軟化抵抗を高めて高温焼戻し時の高硬度を達成することにより、優れた鏡面仕上性を得るものである。１．５％未満ではその効果が不十分であるが、５．０％を越えると靭性等に悪影響を及ぼす為、本発明では１．５〜５．０％と規定した。好ましくは２．０％以上である。
【００１４】
ＳはＭｎと軟質化合物を形成し、超鏡面仕上性に悪影響を及ぼすことから、やはり本発明にとっての調整が重要な主要元素である。本発明では、０．００３％以下に規制することによって鏡面仕上性を達成している。
【００１５】
次に、上述のステンレス鋼にとっての望ましい成分組成として、本用途に適した具体的な成分組成を示す。Ｍｎは鋼の脱酸剤として働き、０．０５％以上の含有が好ましいが、多すぎると金型組織中のオーステナイト量が増加しすぎて所定の硬度が得られにくくなる。よって、Ｍｎは０．０５〜３．０％が好ましい。Ｎｉは鋼に耐食性を付与するとともに、Ｃｒとのバランスで鋼の相変態を望ましい特性、すなわち固溶化熱処理冷却時にオーステナイト単相から低炭素マルテンサイト単相へと変態させるのに望ましい特性とする為、４．０％以上が好ましい。しかし、１０．０％を越えるとオーステナイト量が増大しすぎて所定の硬度が得られにくくなる為、Ｎｉは４．０〜１０．０％が好ましい。
【００１６】
Ｍｏは耐食性を向上させると同時に、固溶化および時効処理による硬さ調質（焼入れ焼戻し）の際の時効硬化に寄与する主要な元素の一つである。上記の効果を得る場合、０．２％未満であると効果が不十分であるが、８．０％を越えて添加しても特性への有効性は低い為、Ｍｏは０．２％〜８．０％とすることが好ましい。更に望ましくは２．０％以下である。Ｃｕは時効の際の析出硬化に寄与する主要な元素であり、耐食性も向上させる。しかし、６．０％を超えると熱間加工性が損なわれるので、Ｃｕは６．０％以下が望ましい。なお、特に本発明に望ましい調質硬さである５６ＨＲＣ以上を付与する為にはＣｕの添加は好ましいものであり、３．０％以上の添加が有効である。
【００１７】
Ｎｂはステンレス鋼の時効硬さを上昇させる効果があるが、５．０％を越えると熱間加工性に悪影響が生ずるので、添加あるいは含有するとしても５．０％以下が望ましい。更に望ましくは０．５％以下である。ＴａもＮｂ同様にステンレス鋼の時効硬さを上昇させる効果があるが、やはり８．０％を越えると熱間加工性に悪影響が生ずるので、添加あるいは含有するとしても８．０％以下が望ましい。そして、Ａｌ，Ｔｉも析出硬化に寄与する元素であるが、Ａｌにおいては２．０％を越えると、そしてＴｉにおいては３．０％を超えると靭性を低下させるので、Ａｌは２．０％以下、Ｔｉは３．０％以下にそれぞれ調整することが望ましい。Ｔｉについては２．０％以下とすることが更に望ましい。
【００１８】
Ｃｏは耐食性の改善に加えて、マトリックスの固溶強化により、金型使用時の硬さ上昇に寄与する重要な元素である。しかし、２０．０％を越えると機械加工性（切削，研削，ラッピング加工性）が損なわれるので、添加する場合であっても、２０．０％以下とすることが望ましい。
【００１９】
本発明の金型は、このような成分組成を満たすステンレス鋼からなるものであって、残部を実質的にＦｅとする鋼とすることができる。例えば上述の元素種以外はＦｅと他の元素は総計で１０％以下、５％以下といったステンレス鋼や、残部はＦｅおよび不可避的不純物で構成されるステンレス鋼であれば、優れた耐食性と高硬度、そして鏡面成形性および維持性を達成できる。
【００２０】
更に上述したように、本発明の金型は、その成形面の硬さが５６ＨＲＣ以上のものを採用し、そして達成しているところにも重要な特徴がある。成形面における５６ＨＲＣ以上の硬度は鏡面磨きの粗研磨時にキズをつけ難くし、鏡面仕上を容易にすると同時に成形中の鏡面維持性をも改善できるものである。そして、このような高硬さを達成するためにも、上記のステンレス鋼の成分組成は重要な要素である。
【００２１】
そして、本発明の金型は、それを構成するステンレス鋼の成分組成に加えて、例えばそれが消耗電極式再溶解法により得られたものであることが望ましい。すなわち、真空アーク再溶解法（ＶＡＲ）やエレクトロスラグ再溶解法（ＥＳＲ）といった消耗電極式再溶解法を行なうことにより得られたステンレス鋼は、それを機械加工する際には、鏡面仕上時のピンホール発生要因となるアルミナ等の非金属介在物が低減されており、より安定した超鏡面仕上性を実現できる。消耗電極式再溶解法は１回又は複数回行なってもよく、それにより得られた鋼塊には鍛造や圧延等による熱間加工を行なってもよい。
【実施例】
【００２２】
まず、真空アーク再溶解法により得た鋼塊を熱間加工して、表１に示す化学成分の、残部Ｆｅおよび不可避的不純物でなる試料を準備した。そして、これら試料に熱処理を行なって、所定の硬さに調質した。熱処理条件と硬さは表２に示す。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
【表２】
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【００２５】
そして、これら調質後の試料に、光ディスク用金型の成形面加工に適用されている鏡面研磨条件での鏡面加工を施し、その加工面を評価した。表３には、その加工前の各試料における非金属介在物の測定結果を示しておく。
【００２６】
【表３】
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【００２７】
図１および表４は、本発明および従来鋼の鏡面加工結果であって、その加工面のプロファイルより得られるものである。鏡面の高さプロファイルを見れば、従来鋼のＳＵＳ４２０Ｊ２系の試料は微細な凹凸が多いが、本発明はそれが少ないことが判る。この凸部は硬質炭化物やその他の硬質化合物の存在を示しており、よって本発明であれば、金型成形面に超平滑鏡面を得られやすいので、成形品の表面は乱反射を抑えることが可能であり、高密度光ディスクや光学レンズ、光学部品の成形に適した金型とすることができる。
【００２８】
【表４】
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【産業上の利用可能性】
【００２９】
高度の耐食性と高硬度を有する本発明の金型は、光ディスクや光学レンズに加えて、同様の特性を必要とするガラス繊維等の強化剤を含有するＰＰＳ樹脂など、所謂スーパーエンプラの成形用金型としても適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】鏡面加工後のステンレス鋼の表面プロファイルであり、本発明の効果の一例を示す図である。
【図１】
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