(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記化学組成（重量組成）：
0.24 ％≦Ｃ≦0.28％
1 ％≦Mn≦1.3 ％
0.3 ％≦Cr≦1.5 ％
0.3 ％≦Mo＋W/2 ≦0.4 ％
Ni≦0.5 ％
0 ＜Ｖ≦0.3 ％
Si≦0.5 ％
0.002％≦Ｂ≦0.005 ％
0.005％≦Al≦0.1 ％
0 ＜Ti≦0.1 ％
Ｐ≦0.02％
Cu≦0.5％
を有し、残部は鉄と不可避不純物であり、さらに、下記の式：
Ｕ＝409(％Ｃ)＋19.3［％Cr＋(％Mo＋％W/2)＋％Ｖ］＋29.4（％Si）＋10（％Mn）＋7.2（％Ni）＜ 200、かつ
Ｒ＝3.82（％Ｃ）＋9.79（％Si）＋3.34（％Mn）＋11.94（％Ｐ）＋2.39（％Ni）＋1.43（％Cr）＋1.43（％Mo＋％W/2）＜ 11.14  を満足するプラスチックまたはゴム材料用金型用低合金鋼。
【請求項２】
Si≦0.1 重量％である請求項１に記載のプラスチックまたはゴム材料用金型用低合金鋼。
【請求項３】
請求項１または２に記載の組成に加えて、0.８重量％≦Ni≦2.5 重量％かつ0.5重量％≦Cu≦２重量％を添加してなるプラスチックまたはゴム材料用金型用低合金鋼。
【請求項４】
請求項１〜３のいづれか一項に記載の組成に、Nb、Zr、Ｓ、Se、Te、Bi、Ca、Sb、Pb、Inおよび希土類からなる群の中から選択される少なくとも１種の元素を 0.1重量％以下の量でさらに含む、請求項１〜３のいづれか一項に記載のプラスチックまたはゴム材料用金型用低合金鋼。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の低合金鋼の、少なくとも１回焼入れした鋼ブロックを切削加工して得られるプラスチックまたはゴム材料用金型の製造での使用。
【請求項６】
硬度が270ＨＢ〜350ＨＢの焼入れした鋼ブロックを切削加工して得られるプラスチックまたはゴム材料用金型の製造での請求項５に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特にプラスチックまたはゴム用の金型を製造するために使用される低合金鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラスチックまたはゴム用金型は金属ブロック（厚さは一般に500mm 以上）を切削加工して製造される。大抵の場合、成形品の表面に所望の外観を与えるために切削加工で得られる成形空間(empreinte) の表面は研磨されるか、化学的に粗面化(graine)される。金型の摩耗をできる限り阻止するためには、金型表面は高い硬度、一般には 250〜400 ＨＢ、多くの場合は 270〜350ＨＢを有している必要かある。さらに、耐衝撃性および耐変形性を与えるために金型表面は高い降伏強度と優れた衝撃強度とを有する必要がある。
切削操作は金型製造の全コストの70％を占める非常に重要な操作であるので、金属はできる限り切削性の良いものでなければならないが、通常の添加物、例えば硫黄や鉛の量が多過ぎるため十分な切削性が得られないことがしばしばある。これらの添加物は金属の被研磨性および被粗面化性を悪くする。
また、金型の修理は溶接で行われることが多いので、使用する金属はできるだけ溶接性の良いものでなければならない。
しかも、プラスチックやゴムは高温で成形されるので、成形の生産性に大きく影響する熱伝達を良くするためには、使用する金属はできるだけ熱伝導率の良いものでなければならない。
【０００３】
金型の製造には、一般に焼入れ・焼戻しした十分な硬度、高い降伏強度および優れた靭性を有するマルテンサイト組織またはマルテンサイト−ベイナイト組織となる焼入性の良い低合金鋼のブロックが用いられる。
最も広く用いられている鋼はＡＩＳＩ規格のＰ20鋼または WERKSTOFFドイツ規格ではＷ1.2311またはＷ1.2738である。
Ｐ20鋼は0.28〜0.4 重量％の炭素と、0.2 〜0.8 重量％の珪素と、0.6 〜１重量％のマンガンと、1.4 〜２重量％のクロムと、0.3 〜0.55重量％のモリブデンとを含み、残りは鉄と製錬で入る不可避不純物である。
Ｗ1.2311およびＷ1.2738鋼は0.35〜0.45重量％の炭素と、0.2 〜0.4 重量％の珪素と、1.3 〜1.6 重量％のマンガンと、1.8 〜2.10重量％のクロムと、0.15〜0.25重量％のモリブデンとを含み、Ｗ1.2738はさらに0.9 〜1.2 重量％のニッケルを含み、残りは鉄と不可避不純物である。
【０００４】
これらの鋼は優れた摩耗耐性を有するが、溶接性、切削性、靭性および熱伝導率は不十分である。
溶接性を改良するために、欧州特許第 0,431,557号では0.1 〜0.3 重量％の炭素と、0.25重量％以下の珪素と、0.5 〜3.5 重量％のマンガンと、２重量％以下のニッケルと、１〜３重量％のクロムと、0.03〜２重量％のモリブデンと、0.01〜１重量％のバナジウムと、0.002 重量％以下の硼素（この元素は好ましくない不純物とみなされる) とを含み、残りは主に鉄である鋼が提案されている。この鋼はさらに下記の式を満足しなければならない：
ＢＨ＝ 326 +847.3(％Ｃ)+18.3 (％Si)-8.6(％Mn)- 12.5(％Cr) ≦460
この式から炭素含有量は0.238 ％以下でなければならなくなる。この鋼は優れた溶接性と許容可能な切削性を有するものの、熱伝導率が十分でない。
【０００５】
当業者は、厚さが400mm を越える金型を製造することが可能になる十分な焼入性を得るために、上記範囲内で組成を選択しているが、各構成元素を同時に上記範囲の下限にすることはできない。その結果得られる鋼の熱伝導率は全て 35 Ｗ／ｍ／Ｋ以下である。金型内に熱伝導率の高い部分を設ける必要のある場合にはその部分には熱伝導率が40Ｗ／ｍ／Ｋ以上の銅／アルミニウム／鉄合金を入れている。しかし、この方法は金型が複合材料となり、構造が複雑になり、使用する合金が鋼よりも高価であるという欠点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、公知の鋼と少なくとも同じ程度の切削性および機械特性を有し、総鋼製金型の製造を可能にする熱伝導率が40Ｗ／ｍ／Ｋ以上のプラスチックまたはゴム材料用金型の製造で用いられる鋼を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記化学組成（重量組成) ：
0.24 ％≦Ｃ≦0.35％
1 ％≦Mn≦2.5 ％
0.3 ％≦Cr≦2.5 ％
0.1 ％≦Mo＋W/2 ≦0.8 ％
Ni≦2.5 ％
Ｖ≦0.3 ％
Si≦0.5 ％
0.002％≦Ｂ≦0.005 ％
0.005％≦Al≦0.1 ％
Ti≦0.1 ％
Ｐ≦0.02％
Cu≦２％
を有し、必要に応じてNb、Zr、Ｓ、Se、Te、Bi、Ca、Sb、Pb、Inおよび希土類からなる群の中から選択される少なくとも１種の元素を 0.1％重量以下の量さらに含み、残部は鉄と不可避不純物であり、さらに、下記の式：
Ｕ＝409(％Ｃ) ＋19.3［％Cr＋ (％Mo＋％W/2)＋％Ｖ］＋29.4（％Si）＋10（％Mn）＋ 7.2（％Ni）＜200 、かつ
Ｒ＝3.82（％Ｃ）＋9.79（％Si）＋3.34（％Mn）＋ 11.94（％Ｐ）＋2.39（％Ni）＋1.43（％Cr）＋1.43（％Mo＋％W/2）＜11.14
を満足することを特徴とするプラスチックまたはゴム材料用金型の製造で用いられる低合金鋼を提供する。
【０００８】
上記鋼は下記を満足するのが好ましい：
0.24％≦Ｃ≦0.28％
1 ％≦Mn≦1.3 ％
1 ％≦Cr≦1.5 ％
0.3 ％≦Mo＋W/2 ≦0.4 ％
0.03％≦Ｖ≦0.1 ％
【０００９】
本発明の鋼のシリコン含有率は 0.1％以下であるのが好ましい。
焼戻し時にさらに硬化させるために銅をさらに添加してもよい。その場合、鋼は0.8 ％〜２％のニッケルと0.5 〜2.5 ％の銅を含む必要がある。
硬度は 0.1％以下の量のニオブを添加して向上させることができる。切削性は硫黄、テルル、セレン、ビスマス、カルシウム、アンチモン、鉛、インジウム、ジルコニウムまたは希土類を 0.1％以下の含有量で添加することによって向上させることができる。
【００１０】
本発明の他の対象は、本発明鋼の焼入れ・焼戻しで得られる硬度が270〜350ＨＢである鋼ブロックの切削加工への応用にある。
以下、図１のテイラー法による孔明け切削性測定グラフを参照して本発明を説明する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の鋼は基本的に下記のものを含む低合金鋼である：
1)  炭素：500 ℃以上で焼入および焼戻しした時に 270ＨＢ以上の硬度を得るためには0.24重量％以上、さらに溶接性を過度に損なわず且つ切削性、研磨性および粗面化性にとって好ましくない偏析程度を抑えるためには0.35重量％以下にする。炭素含有率は0.24重量％〜0.28重量％にするのが好ましい。
2)  マンガン：鋼の焼入性を増加させるためには１％以上、しかし鋼の熱伝導率を低下させ過ぎないためには2.5 重量％以下、好ましくは1.3 重量％以下にする。
3)  クロム：同様に鋼の焼入性を良くし、研磨性にとって好ましくないフェライト−パーライト層の形成を防ぐためには0.3 重量％以上、溶接性を損なわず且つ切削性にとって好ましくないクロムカーバイドの過剰な生成を防ぐためには2.5 重量％以下にする。クロム含有率は１〜1.5 重量％にするのが好ましい。
【００１２】
4)  モリブデン：焼入性を増加させ、焼戻し時の軟化の割合を低下させるためには0.1 重量％以上にする。しかし、モリブデンの量が多過ぎると非常に硬い炭化物ができる。この炭化物は切削性にとって好ましくなく、偏析して研磨性および粗面化にとって好ましくないベイニングを生じる傾向が強く、切削加工時に工具の破損を引き起こすこともあるので0.8 重量％以下、好ましくは0.4 重量％以下にする。モリブデンは１％のモリブデンに対して２％のタングステンの割合にして全体または一部をタングステンで置換できる。従って、考慮すべき含有率はMo＋W/2 となる。
5)  バナジウム：焼戻し時の二次硬化を起こすため、０〜0.3 重量％、好ましくは0.03〜0.1 重量％にする。
【００１３】
6)  硼素：その他の特性を損なわずに焼入れ性を向上させるためには0.002 ％〜0.005 重量％にし、同時に0.005 〜0.1 重量％のアルミニウムと０〜0.1 重量％のチタンを使用する。アルミニウムとチタンは常に存在している窒素と硼素が結合するのを防ぐ働きをする。アルミニウムとチタンの量は硼素の保護に必要な程度にする。アルミニウムとチタンの添加を効果的なものにするためには、炭素含有率が50ppm 以上の場合、チタンの含有率が0.005 重量％以下ならばアルミニウム含有率は0.05重量％以上にしなければならず、チタンの含有率が0.015重量％以上ならばアルミニウム含有率は0.03重量％以下でもよい。好ましくは0.020 重量％から0.030 重量％の間にする。
7)  燐：0.02重量％以下にする。これは脆弱化の原因となる不純物である。
【００１４】
上記の主要な元素に加えて本発明の鋼は珪素、銅、ニッケル等の元素を不純物としてまたは追加合金元素として含んでいてもよい。特に、スクラップ鉄から製造された鋼は少量の銅とニッケルとを含んでいる。ニッケルの量が少ない場合、銅の含有率が高過ぎると、銅が結晶粒界を脆弱化するために高温圧延や高温鍛造時に欠陥を生じる。特別に添加するニッケルおよび銅の含有率はそれぞれ0.5 重量％以下にする。
焼入れ性を良くするためには2.5 重量％以下のニッケルを添加することができる。
析出硬化効果を得るために銅を添加することもできる。この場合、銅含有率は0.5 重量％から２重量％の間でなければならず、同時に0.8 〜2.5 重量％のニッケルを含有させなければならない。
【００１５】
硬度もまた0.1 重量％以下のニオブを添加することによって調節することができる。
研磨性や粗面化性の条件が許すならば、硫黄、テルル、セレン、ビスマス、
カルシウム、アンチモン、鉛、インジウム、ジルコニウムまたは希土類を0.1 重量％未満の量で添加することによって切削性を向上させることができる。
【００１６】
本出願人らは上記化学組成の範囲内で下記条件であれば、Ｐ20タイプの鋼に比べて切削性が大幅に改良されることを見出した：
Ｕ＝409(％Ｃ) ＋19.3［％Cr＋ (％Mo＋％W/2)＋％Ｖ］＋29.4（％Si）＋10（％Mn）＋7.2 （％Ni）＜200
十分に高い熱伝導率を得るためには下記条件が必要である：
Ｒ＝3.82（％Ｃ）＋9.79（％Si）＋3.34（％Mn）＋11.94 （％Ｐ）＋2.39 （％Ni）＋1.43（％Cr）＋1.43（％Mo＋％W/2）＜11.14
すなわち、上記の化学組成はＵ＜200 かつＲ＜11.14となるように選択しなければならない。この場合の熱伝導率は40Ｗ／ｍ／ｋ以上になる。
【００１７】
金型製造時には、珪素を用いた予備脱酸を行った後にアルミニウムで脱酸し、次いでチタンと硼素とを添加して本発明の鋼を製錬する。得られた液体金属をインゴット、スラブまたはビレット等の半製品に鋳造する。この半製品を好ましくは 1,300℃以下に再加熱し、鍛造または圧延して棒鋼または薄鋼板を作る。その後、棒鋼または薄鋼板を急冷して全体をマルテンサイトまたはマルテンサイト−ベイナイト構造にする。急冷は圧延終了時または鍛造終了時の温度が 1,000℃以下であれば圧延または鍛造後に直接行うか、Ａｃ3 以上、好ましくは 1,000℃以下の温度でオーステナイト化後に行ってもよい。
空気中、油中または水中での急冷の後、寸法に応じて棒鋼または薄鋼板を500 ℃以上、好ましくは 550℃以上の温度で焼戻し、棒鋼または薄鋼板の全ての場所で硬度を 270ＨＢ〜350 ＨＢ、好ましくは約 300ＨＢにし、急冷中に生じた内部応力を緩める。次いで、ブロックを所望寸法に切断し、金型に切削加工し、成形空間を作る。最後に、金型空間の表面を研磨、粗面化等で表面処理して所望の表面外観とし、必要に応じて窒化またはクロム化する。
【００１８】
【実施例】
例として下記組成（重量％）の鋼Ａを用いて金型を製造した：
Ｃ＝0.25％
Si＝0.25％
Mn＝1.1 ％
Cr＝1.3 ％
Mo＝0.35％
Ni＝0.25％
Ｖ＝0.04％
Cu＝0.30％
Ｂ＝0.0027％
Al＝0.025 ％
Ti＝0.020 ％
Ｓ＝0.001 ％
Ｐ＝0.010 ％
厚さ400 mmのブロックを作り、900 ℃で１時間オーステナイト化し、水で急冷後、550 ℃で１時間焼戻し・放冷してマルテンサイト−ベイナイト構造にした。その硬度は全ての場所で 300ＨＢ〜318 ＨＢであった。降伏強度Ｒｅは883 MPa で、引張強度Ｒｍは 970 MPaすなわちＲｅ／Ｒｍ比は約0.91であり、＋20℃における衝撃強度ＫＣＶは60Ｊ／cm2 のオーダーであった。
【００１９】
ＩＩＷ式を用いて計算されるこの鋼の炭素当量等は下記の通り：
Ｃeq＝Ｃ＋Mn／６＋（Cr＋Mo＋Ｖ）／５＋（Ni＋Cu）／15＝0.808
ＢＨ数        ：ＢＨ＝508
切削性指数    ：Ｕ＝155.0
熱伝導率      ：λ＝41Ｗ. ｍ-1Ｋ-1である。
【００２０】
比較のため、下記組成：
Ｃ＝0.34％
Si＝0.45％
Mn＝0.95％
Cr＝1.85％
Ni＝0.3 ％
Mo＝0.38％
を有するＰ20タイプの鋼を900 ℃でオーステナイト化し、水で急冷した後に580 ℃で１時間焼戻して得られた同じ寸法のブロックを作った。
【００２１】
得られた製品の硬度は同等で、300 ＨＢ付近に集中していた。降伏強度Ｒｅは825 MPa で、引張強度Ｒｍは1010MPa すなわちＲｅ／Ｒｍ比は約0.82で、＋20℃における衝撃強度ＫＣＶは20Ｊ／cm2 のオーダーであり、下記の値を得た：
炭素等量  ：    Ｃeq＝0.964 ；
ＢＨ係数  ：    ＢＨ＝591
切削性指数：    Ｕ＝207
熱伝導率  ：    λ＝35Ｗ／ｍ／Ｋ
【００２２】
両者の鋼は切削性指数Ｕが異なるため、図１に示すように被切削性に差が生じる。図１は鋼Ａと比較例のＰ20鋼との孔明け加工に関するテイラー(Taylor)曲線を示したもので、この図から、同じ切削速度では鋼Ａに形成される孔の深さはＰ20鋼の約10倍であり、同じ深さの穴を切削するための許容切削速度は鋼Ａの場合Ｐ20鋼に比べて25％速いことが分かる。
炭素当量が低い程あるいはＢＨ係数が低い程、溶接性は高くなるので、本発明の鋼はＰ20鋼よりも優れた溶接性を有するということができる。
鋼Ａの熱伝導率はＰ20鋼よりも17％高く、降伏強度と衝撃強度とははるかに優れている。
【００２３】
同様に、比較のために下記組成：
Ｃ＝0.17％
Si＝0.09％
Mn＝2.15％
Cr＝1.45％
Mo＝1.08％
Ｖ＝0.55％
Ｂ＝0.0007％
を有する鋼から同じ寸法のブロックを製造し、 900℃でオーステナイト化し、水急冷し、570 ℃で焼戻しした。得られたブロックの硬度はどの部分でも300 ＨＢであり、また、下記結果を得た：
炭素当量  ：    Ｃeq＝1.144
ＢＨ係数  ：    ＢＨ＝435
切削性指数Ｕ：  Ｕ＝153
熱伝導率  ：    λ＝35Ｗ/ ｍ/ Ｋ
この鋼は鋼Ａよりも優れたＢＨ数を示すが、炭素当量が劣る。この鋼の切削性指数は鋼Ａに匹敵するものであったが、熱伝導率は15％低かった。
【００２４】
さらに、本発明の鋼Ｂを920 ℃でオーステナイト化し、水中で急冷し、560 ℃で焼戻し、その後放冷して厚さ400 mmのブロックを製造した。このブロックの硬度は全ての場所で300 ＨＢ〜315 ＨＢであった。降伏強度Ｒｅは878 MPa で、引張強度Ｒｍは969 MPa すなわちＲｅ／Ｒｍ比が0.91であった。
【００２５】
この鋼の組成と特性は以下の通り：
Ｃ＝0.25％
Si＝0.1 ％
Mn＝1.3 ％
Cr＝1.3 ％
Mo＝0.4 ％
Ｖ＝0.01％
Ｂ＝0.0025％
Al＝0.055 ％
Ｓ＝0.002 ％
Ｐ＝0.015 ％
Ni＝0.8 ％
Cu＝0.35％。
炭素等量  ：    Ｃeq＝0.83；
ＢＨ係数  ：    ＢＨ＝512 ；
切削性指数：    Ｕ＝156.9 ；
熱伝導率  ：    λ＝44Ｗ／ｍ／Ｋ
この鋼Ｂの組成は主として珪素とニッケルの含有率の点で鋼Ａの組成と異なっているが、鋼Ａと同様な利点を有し、より優れた熱伝導率を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】  テイラー法による孔開け切削性テストのグラフ。
【図１】
0003845805.tif 000002