(57)【要約】【課題】  焼入性と靭性が従来のＤＩＮ規格１．２７３８鋼並みで、合金元素の偏析の無い、鏡面仕上げ性に優れたプラスチック成形金型用鋼を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．２６〜０．４０％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜３．５％、Ｃｒ：１．５〜４．０％、Ｍｏ：０．２５％以下、Ａｌ：０．００５〜０．１％、Ｎ：０．００５〜０．１％、Ｏ：０．００３０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、下記式（１）に示すように、焼入れ指数が１４以上で、焼戻し硬さが３５０ＨＢＷより高い、プラスチック成形金型用鋼である。  焼入れ指数＝０．３６７｛（［Ｃ％］）×（１＋０．７×［Ｓｉ％］）×（１＋３．３３×［Ｍｎ％］）×（１＋２．１６×［Ｃｒ％］）×（１＋３．０×［Ｍｏ％］）×（１＋１．７７×［Ａｌ％］）｝≧１４・・・・・（１）【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．２６〜０．４０％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜３．５％、Ｃｒ：１．５〜４．０％、Ｍｏ：０．２５％以下、Ａｌ：０．００５〜０．１％、Ｎ：０．００５〜０．１％、Ｏ：０．００３０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、下記式（１）に示すように、焼入れ指数が１４以上で、焼戻し硬さが３５０ＨＢＷより高いことを特徴とする靱性および鏡面仕上げ性に優れたプラスチック成形金型用鋼。
焼入れ指数＝０．３６７｛（［Ｃ％］）×（１＋０．７×［Ｓｉ％］）×（１＋３．３３×［Ｍｎ％］）×（１＋２．１６×［Ｃｒ％］）×（１＋３．０×［Ｍｏ％］）×（１＋１．７７×［Ａｌ％］）｝≧１４・・・・・（１）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は高い鏡面仕上げ性を有するプラスチック成形用の金型に用いる鋼、すなわちプラスチック成形金型用鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、家電をはじめ、自動車、ＯＡ機器など、多くの分野で製品のプラスチック化が進み、プラスチック製品の高精密化、大型化が進んでいる。硬さが３７０ＨＢＷクラスのプラスチック成形金型用鋼は、光学レンズのような透明なプラスチック製品を成形する金型にも用いられるため、極めて高度な鏡面仕上げ性が不可欠である。また、この金型用鋼は複雑な金型形状を持った大型の金型にも用いられる。そのため、金型表面から中心まで均一な鏡面仕上げとなるように、高い焼入性が必要である。また、加工時に金型に掛かる応力で金型に割れが発生しないように耐割れ性も必要である。硬さが３７０ＨＢＷクラスのプラスチック成形金型用鋼の中でも、比較的焼入性、耐割れ性を持つ鋼種としては、例えばＤＩＮ規格の１．２７３８鋼（ＪＩＳ−ＳＮＣＭ系に相当）があり、この鋼種をベースにした開発が広く行われている。しかし、この従来の開発鋼種には、強度を上げるために合金元素として、ＭｏおよびＶが多く含まれており、これら元素は炭化物の偏析帯を形成する。この偏析帯はマトリックスとは硬さが異なり、研磨後の金型表面に偏析帯に沿った凹凸（以下、「うねり」と呼ぶ。）を生じさせ、鏡面仕上げ性を悪化させる原因となっている。
【０００３】
ところで、従来のプラスチック成形金型用鋼と同等の金型に必要な一般的な性質を有すると共に、従来のものよりも微細なピットおよび凹凸の少ない鏡面性に優れたプラスチック成形金型用鋼が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。このピットとは、研磨時に鋼材中の介在物が脱落して出来た穴や窪みのことである。この特許文献１では、微細なピットおよび凹凸を作り出して鏡面仕上げ性を悪化させる原因として、Ａｌ2Ｏ3−ＣａＯからなるＡｌ系介在物を取り上げ、このＡｌ系介在物の大きさを制御することで鏡面仕上げ性の向上を図っている。しかしながら、上記特許文献１で提案されている改良鋼は偏析合金元素であるＭｏやＶを多く含んでおり、鏡面磨き後に偏析帯による金型表面の凹凸からなるうねりが生じるため、鏡面仕上げ性は悪化してしまう。
【０００４】
他方、十分な強度、耐磨耗性、耐腐蝕性を有しつつ、精密加工性、鏡面加工性に優れたプラスチック成形金型用鋼が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。これは、Ｃを減らし、Ｎを増やすことで、偏析の原因となる焼入れ時の未固溶炭化物を低減させる方法である。しかし、ＭｏやＶの偏析帯は解消されないので不十分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３６３６９０号公報
【特許文献２】特開２００７−００９３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、焼入性と靭性が従来のＤＩＮ規格１．２７３８鋼並みでありながら、合金元素の偏析が解消されて、鏡面仕上げ性の向上したプラスチック成形金型用鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の手段では、質量％で、Ｃ：０．２６〜０．４０％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜３．５％、Ｃｒ：１．５〜４．０％、Ｍｏ：０．２５％以下、Ａｌ：０．００５〜０．１％、Ｎ：０．００５〜０．１％、Ｏ：０．００３０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなっており、さらに、下記式（１）で示すように、焼入れ指数が１４以上であり、焼戻し硬さが３５０ＨＢＷより高い、靱性および鏡面仕上げ性に優れたプラスチック成形金型用鋼である。
焼入れ指数＝０．３６７｛（［Ｃ％］）×（１＋０．７×［Ｓｉ％］）×（１＋３．３３×［Ｍｎ％］）×（１＋２．１６×［Ｃｒ％］）×（１＋３．０×［Ｍｏ％］）×（１＋１．７７×［Ａｌ％］）｝≧１４・・・・・（１）
【０００８】
本発明のプラスチック成形金型用鋼の化学成分の限定理由を説明する。なお、％は質量％である。
【０００９】
Ｃ：０．２６〜０．４０％
Ｃは、硬さおよび焼入性を得るために必要な元素で、プラスチック成形金型用鋼として少なくとも０．２６％必要である。しかし、Ｃが０．４０％を超えると靱性および被削性が低下し、また溶接割れ感受性が高くなる。そこで、Ｃ：０．２６〜０．４０％とする。望ましくは０．２７〜０．３５％とする。
【００１０】
Ｓｉ：０．２〜１．０％
Ｓｉは、脱酸性および焼入性を得るために必要な元素で、プラスチック成形金型用鋼として少なくとも０．２％必要である。しかし、Ｓｉが１．０％を超えると溶接割れ感受性が高くなり、また偏析が大きくなり、一方、靱性が低下する。そこで、Ｓｉ：０．２〜１．０％とする。望ましくは０．３〜０．８％とする。
【００１１】
Ｍｎ：１．０〜３．５％
Ｍｎは、焼入性および熱間加工性を得るために必要な元素で、プラスチック成形金型用鋼として少なくとも１．０％必要である。しかし、Ｍｎが３．５％を超えると靱性および被削性が低下する。そこで、Ｍｎ：１．０〜３．５％とする。望ましくは１．２〜２．５％とする。
【００１２】
Ｃｒ：１．５〜４．０％
Ｃｒは、焼入性を得るために必要な元素で、プラスチック成形金型用鋼として少なくとも１．５％必要である。しかし、Ｃｒが４．０％を超えると溶接性、被削性および熱間加工性を悪化し、さらに偏析を助長する。そこで、Ｃｒ：１．５〜４．０％とする。望ましくは１．８〜３．５％とする。
【００１３】
Ｍｏ：≦０．２５％
Ｍｏは、焼入性を得るために添加しても良い元素である。しかし、Ｍｏが０．２５％を超えると偏析で鏡面仕上げ性を悪化する。そこで、Ｍｏ：≦０．２５％とする。
【００１４】
Ａｌ：０．００５〜０．１％
Ａｌは、脱酸剤であり、焼入性を得るために必要な元素で、また靱性悪化の原因となるオーステナイト粒の粗大化を抑制するＡｌＮ生成のために必要な元素であり、少なくとも０．００５％必要であり、望ましくは０.０１％以上とする。しかし、Ａｌが０．１％より多くなると、ＡｌＮが粗大になり易くなり、鏡面仕上げ研磨時に脱落しやすくなることで鏡面仕上げ性が低下するため、上限を０．１％とする。
【００１５】
Ｎ：０．００５〜０．１％
Ｎは、オーステナイト粒の粗大化を抑制するＡｌＮ生成のために必要な元素であり、少なくとも０．００５％必要であり、望ましくは０.０１％以上とする。しかし、Ｎが０．１％より多くなると、凝固中における窒素の濃化により、鋼中への窒素の溶解限界を超えて窒素ガスが発生してしまう。そのため、インゴット製造時に、インゴット中に多数の微細なホールを生じやすくなり、鋼の鏡面仕上げ性を阻害する。これを防止する観点から、Ｎ含有量の上限を０．１％とする。
【００１６】
Ｏ：≦０．００３０％
Ｏは、０．００３０％より多く含有されると、鏡面仕上げ性の悪化の原因となるＡｌ2Ｏ3の生成を抑制することができず、また、Ａｌ2Ｏ3が出来ることでＡｌＮの生成も阻害される。そこで、Ｏ：≦０．００３０％とする。望ましくはＯ：≦０．００２５％とする。
【００１７】
本発明の鋼成分の不可避不純物としてＰ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ、ＣａやＢ等の元素が含有されているが、これらは通常の電気炉による溶製で含有されるレベルである。
【００１８】
さらに、本発明の焼入れ指数の限定理由と焼戻し硬さの限定理由について説明する。
【００１９】
焼入れ指数：１４以上
焼入れ指数は、高い鏡面仕上げ性を得るために必要な値で少なくとも１４が必要である。従来のＤＩＮ規格１．２７３８鋼でも９〜１９の値が得られるが、この焼入れ指数が１４未満の鋼材に焼入れを行ったとき、中心部の焼きが入りにくい。そうなると焼戻し後の中心部の硬さは外周部に比べて低下し、鋼材中で硬度差が生じてしまう。この硬度差がある状態の面に対して鏡面仕上げを行うと、中心部が研磨されやすく、研磨面の中で磨かれ方にムラがある状態（以下、「磨きムラ」と呼ぶ。）になり、設計どおりの鏡面を作ることが出来なくなる。そのため、焼入れ指数を１４以上とする。
【００２０】
焼戻し硬さ：＞３５０ＨＢＷ
３５０ＨＢＷより高い焼戻し硬さは、高い鏡面仕上げ性を得るために必要な値で、３５０ＨＢＷより硬い鋼材を＃８０００以上の研磨剤で磨くと、鋼材表面が少しずつ削られていき、表面疵の無い鏡面に仕上げることが出来る。しかし焼戻し硬さが３５０ＨＢＷ以下の軟らかい鋼材を♯８０００以上の研磨剤で磨くと、研磨剤が鋼材表面に食い込んでしまい、そのまま研磨し続けることで、食い込んだ研磨剤が表面を引っ掻き続けて表面に疵を付けてしまうので、鏡面に仕上げることは困難である。そのため、焼戻し硬さ：＞３５０ＨＢＷとする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の手段としたことで、本発明のプラスチック成形金型用鋼は、焼入性と靭性が従来のＤＩＮ規格１．２７３８鋼並みでありながら、焼戻し硬さが３５０ＨＢＷより高く、合金元素の偏析の無い、表面が平滑であり、表面疵、うねり、磨きムラ、ピットが無く、したがって鏡面仕上げ性に優れた効果を奏する。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本願のＮｏ．１〜Ｎｏ．１１の１１種の発明鋼とＮｏ．１２〜Ｎｏ．１９の８種の比較鋼の化学成分を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物である鋼組成を表１に示す。
【００２３】
【表１】
2013010983.tif 000002
【００２４】
表１の各Ｎｏ．の鋼をそれぞれ１００ｋｇずつＶＩＭ（真空誘導溶解）法で溶解し、これらの溶鋼をインゴットに鋳造し、これらのインゴットを１２００℃に加熱して角３０ｍｍの素材に鍛伸した。次いで、８５０℃に加熱して３０分保持した後、油冷して焼入処理した後、５２５℃で１時間保持した後空冷する焼戻し処理を２回行った。長さ３５ｍｍに切断後、３０ｍｍ×３０ｍｍの面を研磨し、ブリネル硬さ試験器で素材表面の中心のブリネル硬さを測定した。さらに、靱性を評価するために、ＪＩＳ規格の２ｍｍ−Ｕノッチを有するシャルピー試験片に加工して、シャルピー衝撃試験を実施し、その評価を下記の表２に示した。なお、シャルピー衝撃値の評価は従来のＤＩＮ規格１．２７３８鋼で得られる衝撃エネルギーである２０Ｊ／ｃｍ2を基準とした。本発明の表２において、○は衝撃エネルギーが２０Ｊ／ｃｍ2以上を示し、×は衝撃エネルギーが２０Ｊ／ｃｍ2未満を示す。
【００２５】
さらに試験片として、長さ３５ｍｍで切断し、３０ｍｍ×３０ｍｍの面および３０ｍｍ×３５ｍｍの面の両面とも＃１８０〜＃８０００の研磨剤で研磨し、目視による研磨面の鏡面仕上げ性、すなわち、表面疵、うねり、磨きムラ、ピットの有無を確認した。上記２面における鏡面仕上げ性の評価結果を表２に示す。表２において、○は表面疵、うねり、磨きムラ、またはピットが無く、平滑な研磨面であった状態を示す。×は表面疵、うねり、磨きムラ、またはピットが有り、平滑な研磨面でなかった状態を示す。
【００２６】
【表２】
2013010983.tif 000003
【００２７】
焼入性に関する成分が低く外れた比較材は、焼入れ指数が１４より低く、さらに焼戻し硬さが３５０ＨＢＷより低くなりやすく、３５０ＨＢＷより低い硬さの比較鋼の研磨面には表面疵が確認された。また、外周と中心で硬さが相違による、磨きムラも確認された。
【００２８】
Ｍｏ量が０．２５％より多い鋼材では偏析によるうねりが発生していた。Ｏ量が０．００３０％より多いと、Ａｌ2Ｏ3ができ、ＡｌＮが殆ど析出せず、靭性が悪化した。また、研磨時にＡｌ2Ｏ3が落下し、ピットが発生していた。ＡｌおよびＮ量が０．１％より多いと、粗大化したＡｌＮの落下によるピットが発生しており、またブローホールによるピットも一部見られた。さらにＡｌ量が０．００５％より少ないと、ＡｌＮが殆ど析出せず、靭性が悪化した。