JP4189776B2

JP4189776B2 - プラスチック材料用金型を製造するための低合金鋼

Info

Publication number: JP4189776B2
Application number: JP12172597A
Authority: JP
Inventors: ベギノジャン; プリモンジルベール; シェヌフレデリック
Original assignee: アンダスティール（フランス）
Priority date: 1996-04-29
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2017-04-24
Also published as: ES2186851T3; CA2203488C; CN1174896A; US5855845A; KR100429050B1; MX9703092A; EP0805220A1; CA2203488A1; PT805220E; AU1903897A; DE69716806T2; FR2748036B1; TW426746B; AU708786B2; FR2748036A1; ATE227354T1; JPH1096049A; EP0805220B1; CN1074059C; KR970070229A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋼、特にプラスチック材料用金型の製造で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の金型は金属ブロックの切削加工で作られる。金属ブロックの厚さは 1,500mm以上になることがある。この切削加工の目的は被成形品と同じ形状を有するキャビティを形成することにある。キャビティの表面は、被成形品表面に所望の外観を与えるために艶出し加工または化学的エッチングされることが多い。成形時には加圧された高温のプラスチックが射出され、金型はプラスチックの圧力に変形なしに耐えなければならず、プラスチックから熱を取り除かねばならず、また、キャビティ表面に対するプラスチックの摩擦による磨耗に耐えなければならない。金型となる鋼は上記のような条件を満たす性質を備えていなければならない。さらに、この鋼は金型使用中安定、すなわち成形操作中の温度変化に対して安定でなければならない。すなわち、成形操作で生じる温度サイクルの影響を受けず、しかも、最大厚さの部分を含めてできるだけ均質性を維持しなければならない。プラスチックの射出成形用金型の製造で用いられる鋼で、上記の全ての条件を満足する鋼は、硬度が極めて高く、切削加工性に優れた、艶出し性または化学エッチング性に優れ、熱伝導性に優れ、最も厚い部分でもこれらの性質が極めて均質であることが必要があろう。しかし、そのような理想の鋼は存在しない。
【０００３】
一般に、金型製造では、焼入れ・アニーリング後に十分な硬度、高い降伏点および高い靱性を有するマルテンサイトまたはベイナイト構造となる十分な焼入れ性を備えた低合金鋼のブロックが使用される。最も広く使用されている鋼はＡＩＳＩ規格の P20鋼と、German Werkstoff 規格のW1.2311 またはW1.2738 鋼である。
【０００４】
P20 鋼は質量比で0.28％〜0.4 ％の炭素と、0.2 ％〜0.8 ％の珪素と、0.6 ％〜１％のマンガンと、1.4 ％〜２％のクロムと、0.3 ％〜0.55％のモリブデンとを含み、残部は鉄および不可避不純物である。
W1.2311 およびW1.2738 鋼は質量比で0.35％〜0.45％の炭素と、0.2 ％〜0.4
％の珪素と、1.3 ％〜1.6 ％のマンガンと、1.8 ％〜2.10％のクロムと、0.15％〜0.25％のモリブデンとを含み、W1.2738 鋼はさらに0.9 ％〜1.2 ％のニッケルを含み、残部は鉄および不可避不純物である。
【０００５】
これらの鋼は優れた耐磨耗性を有しているが、発明者達はこれらの鋼は熱伝導性と焼入れ性(tempabilite) との組合せが良くないということを確認した。すなわち、鋼W1.2738 は鋼W1.2311 よりも焼入れ性がよいが、鋼W1.2311 は鋼P20 よりも焼入れ性がよい。しかし、鋼W1.2738 の熱伝導性は鋼W1.2311 よりかなり低く、鋼W1.2311 の熱伝導性は鋼P20 よりもかなり低い。熱伝導率が最高の時には焼入れ性は最低になり、逆も真であるため、これらの鋼で熱伝導性に優れた大型の金型を製造することはできない。これらの鋼で熱伝導性に優れた寸法の大きな金型を製造する場合には、鋼W1.2738 の代わりに鋼P20 を用い、しかも、大きな単一部品にする代わりに複数の相対的に小さな部品にする必要がある。しかし、この方法はかなり複雑になり、金型の製造費が増えるという欠点があるため、現実には使用されておらず、考えられていない。事実、成形品表面に跡が残らないようにするためには各部品の組み合わせを完全にしなければならないが、そのようなことは実際には不可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は上記問題点を解決して金型製造用の鋼に望ましい基本的特徴を有する鋼すなわち耐磨耗性に優れ、しかも従来の鋼に比べて焼入れ性と熱伝導性との組合せに優れた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、下記化学質量組成を有することを特徴とするプラスチックまたはゴム材料の射出成形用金型を製造するための鋼を提供する：
0.35％≦C ≦0.5 ％
０％＜Si≦0.1 ％
0.2 ％≦Mn≦2.5 ％
０％＜Ni≦４％
０％＜Cr≦４％
０％＜Mo≦２％
０％≦Ｖ≦0.5 ％
0.005 ％≦Al≦0.2 ％
０％≦B ≦0.015 ％
残部は鉄と製錬に起因する不純物であり、
さらに、下記関係を満足する：
Cr＋３×Mo＋10×Ｖ≧１
Ｒ＝ 3.8×C ＋10×Si＋ 3.3×Mn＋ 2.4×Ni＋ 1.4×(Cr＋Mo) ≦11
Qu＝3.8×C＋1.1×Mn＋0.7×Ni＋0.6×Cr＋1.6×Mo＋kB≧３
(B≧0.0005％の場合には kB ＝0.5 、B ＜0.0005％の場合にはkB＝０)
Ｒ≦ Max (2.33×Qu-1,0.9×Qu＋4)
(B≧0.0005％の場合には kB ＝0.5 、B ＜0.0005％の場合にはkB＝０)
Ｒ≦ Max (2.33×Qu-1,0.9×Qu＋4)
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明鋼は下記関係を満足するのが好ましい：
Mo ≧0.4 ％
本発明鋼はさらにSi≦0.1 ％を満足する。ホウ素含有率は0.0005％以上にする。
本発明鋼はさらに下記関係を満足するように選択しなければならない：
Ｒ≦９、且つ、必要な場合にさらに Qu≧4.3
【０００９】
上記条件は本発明鋼が下記化学質量組成および関係を満足する場合に特に有利に得られる：
0.37％≦C ≦0.45％
０％＜Si≦0.1％
0.2 ％≦Mn≦1.5 ％
０％＜Ni≦0.5 ％
０％＜Cr≦2.5 ％
０％＜Mo≦１％
０≦Cu≦１％
０％≦Ｖ≦0.2 ％
0.005 ％≦Al≦0.2 ％
0.0005％≦B ≦0.015 ％
０％≦Ti≦0.3 ％
Ｒ≦2.33×Qu-2.4
【００１０】
本発明鋼がチタンまたはジルコニウムを含む好ましい例の場合には、製造時にチタンまたはジルコニウムを液体鋼中に除々に導入して、窒化チタンまたは窒化ジルコニウムの極めて微細な析出物にするのが望ましい。この場合、チタン、ジルコニウムおよび窒素の含有率（質量％）は下記関係式を満足するのが好ましい：
0.00003 ≦ (N)×(Ti ＋Zr/2) ≦0.0016
この条件では、固体状態で、顕微鏡断面１mm²当たり 0.1μｍ以上の窒化チタン析出物または窒化ジルコニウム析出物の数は窒化物の形で析出したチタン全含有率（％の1000倍で表す）の総量と窒化物の形で析出したジルコニウム全含有率（％の1000倍で表す）の半分との和の４倍以下である。
【００１１】
本発明はさらに、特徴寸法(dimension caracteristique) 約20〜1500mmで、全ての点で鋼がマルテンサイトまたはベイナイト組織を有し、基本的にフェライトを含まない、全ての点で硬度が 250〜370 ブリネル、好ましくは 270〜350 ブリネルである本発明の化学組成を有する鋼のブロックに関するものである。
本発明はさらに、本発明鋼の鋳造技術を用いたプラスチック用金型の製造での使用にある。
以下、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明が下記の記載に限定されるものではない。
【００１２】
プラスチックの射出成形用金型を製造するのに必要な全ての使用特性を得るために、本発明鋼は以下の元素を含む必要がある（質量％）：
(1) 十分な硬度と極めて優れた耐磨耗性とを同時に得るためには炭素は0.35％以上にする。硬度が同じ場合、炭素含有率が高ければ高い程、耐磨耗性はそれに比例して良くなる。しかし、十分な切削性と強靱性とを保持するためには炭素含有率は高すぎないようにして0.5 ％以下にする必要があり、好ましくは0.37〜0.45％にしなければならない。
(2) 焼入れ性、特にベイナイト領域の範囲を広げて、特徴の均質性に優れた厚いブロックを得るためにモリブデンを入れる。モリブデンの含有率は0.4 ％以上にするのが好ましい。モリブデンはさらに耐アニール性を高めるという利点と、同じ強度で耐磨耗性を高める炭素との炭化物を形成するという利点があるが、この元素は高価で、しかも切削性および艶出し性に不都合な偏析を促進するので、モリブデン含有率は２％以下に制限され、１％以下に制限するのが好ましい。モリブデンの代わりに、その全部または一部にタングステンを、１％のモリブデンに２％のタングステンの比率で使うことができる。その場合、これら２種の元素の分析値は (Mo＋W/2)で定義される。
【００１３】
(3) 焼入れ性を高め、さらに熱伝導性を過度に損なわずに耐軟化性および耐磨耗性を高めるためにクロムを入れる。クロムの含有率は４％以下にし、好ましくは1.5 〜2.5 ％にする。
(4) 硬度を良くし、耐磨耗性を高めるために、必要に応じてバナジウムを０〜0.5％、好ましくは0.2 ％以下で含むことができる。
(5) マンガンは硫黄を固定し、焼入れ性を高める利点を有するので0.2 ％以上にするが、鋼の熱伝導性をかなり低下させる欠点があるので2.5 ％以下、好ましくは 1.5％以下に制限する。
(6) 珪素は液体鋼の脱酸素で使用するが、鋼の熱抵抗を大幅に上げる欠点があり、しかも寸法の大きいブロックに準偏析を形成する欠点があるので 0.1 ％以下にする。
(7) 焼入れ性を高めるためにニッケルを入れる。ニッケルの含有率は４％以下にするが、熱伝導率を下げ過ぎないようにするためには0.5 ％以下にする。この元素は、鋼を鉄屑から製造した場合に残留元素として存在していることがある。
(8) 必要に応じて、原料から導入される残留元素である銅は０〜１％含むことができ、この元素はニッケルを加えた場合には優れた硬化作用を示す。
(9) アルミニウムは鋼の脱酸素と、必要な場合には焼入れ性のホウ素の保護に必要で、0.005 〜0.2 ％にする。
【００１４】
(10) チタンおよびジルコニウムから選択される少なくとも１種の元素は鋼に常に含まれる窒素（これはホウ素の作用を無くす）を減らすために、チタン含有率とジルコニウム含有率の半分との和で 0.3％以下で含むことができる。本発明鋼がチタンまたはジルコニウムを含む場合は、チタン、ジルコニウムおよび窒素の含有率（窒素は不純物として少なくとも数ppm 〜数百ppm の含有率で常に存在している）が下記関係式を満たすのが好ましい：
0.00003≦ (N)×(Ti ＋Zr/2) ≦0.0016
さらに、例えばチタンまたはジルコニウムを脱酸素されていない鋼に添加し、次いでアルミニウム等の強い還元剤を加えることで、チタンまたはジルコニウムを酸化チタンまたは酸化ジルコニウムの相で除々に溶解して鋼に導入するのが望ましい。これらの条件によって、強靱性、切削性および艶出性に優れた窒化チタンの極めて微細な分散物が得られる。この好ましい方法でチタンまたはジルコニウムを導入した場合の、固体鋼の顕微鏡断面1-mm²当たり0.1 μｍ以上の窒化チタン析出物または窒化ジルコニウム析出物の数は窒化物の形で析出したチタン全含有率（％の1000倍で表す）の総量と窒化物の形で析出したジルコニウム全含有率（％の1000倍で表す）の半分との和の４倍以下である。
(11) ホウ素は鋼の熱伝導性を損なわずに焼入れ性を高めるために、必要に応じて０〜0.015 ％、好ましくは0.0005％以上、さらに好ましくは0.002 ％以上の比率で添加できる。
(12) 硫黄は不純物として、すなわち0.005 ％以下で含むことができ、それに、必要に応じて、セレンまたはテルルをさらに含むことができる。切削性を高めるために、硫黄、セレンおよびテルルの含有率の和は0.2 ％以下にする。切削性を鉛またはビスマスを0.2 ％以下で添加するか、カルシウムを0.1 ％以下で添加して高めることもできる。
残部は鉄と製錬に起因する不純物である。
【００１５】
上記組成範囲内で、各元素の含有率は下記条件に従う必要がある：
Ｒ≦11、好ましくはＲ≦９
Qu≧３、好ましくはQu≧4.3
ここで、Ｒは本発明鋼の熱抵抗の量を表し、Quは本発明鋼の焼入れ性を表し、これらの表記ではＲおよびQuは下記式を用いて計算した無次元の係数である：
Ｒ＝3.8 ×C ＋10×Si＋3.3 ×Mn＋2.4 ×Ni＋1.4 ×(Cr ＋Mo＋W/2)
Qu＝3.8 ×C ＋1.1 ×Mn＋0.7 ×Ni＋0.6 ×Cr＋1.6 ×(Mo ＋W/2)＋kB
（ここで、B ≧0.0005％の場合にはkB＝0.5 、B ＜0.0005％の場合にはkB＝０）
【００１６】
これらの条件によって、焼入れ後、基本的にフェライトを含まない（フェライトは望ましくないが、少量の残部は残る）、マルテンサイトまたはベイナイト組織にするため（混合マルテンサイトベイナイトにすることもできる）、十分な焼入れ性を得ることができ、本発明鋼の熱伝導性が得られ、射出成形設備の生産効率を上げることができる。
【００１７】
各元素に対して上記の２つの式から係数の比を計算すると、珪素、ニッケルおよびある程度までのマンガンは不都合な元素で、これらの含有量は種々の冶金上の制約に合わせた最低量に調節しなければならないことが分かる。また、ホウ素、モリブデン（またはタングステン）、炭素およびクロムをこの順番で加えるのが好ましい。これらの元素は熱抵抗上の所定作用での焼入れ性の点から見て極めて都合が良い。ＲおよびQuの式中の係数の比をモリブデン、炭素およびクロムの係数に対して計算すると、本発明鋼の化学組成は下記関係を満足する：
Ｒ≦Max (2.33 ×Qu-1, 0.9×Qu＋4)
この表記はＲが 2.33 ×Qu-1および 0.9×Qu＋4 の２つの値の内、大きい値より小さいか、同じでなければならないことを意味している。
【００１８】
さらに、500 ℃以上でアニールした後に本発明鋼の特性である優れた安定性と十分な衝撃強度とを得るのに必要な 250 BH 以上の硬度を得るためには、モリブデンおよびバナジウムの含有率は下記関係を満足する必要がある：
Cr＋３×Mo＋10×Ｖ ≧１
上記の関係式は全て同時に満足しなければならない。
【００１９】
こうして定義された組成部分において、下記条件から好ましい部分を決定することができる：
0.37％≦C ≦0.45％
０％＜Si≦0.1％
0.2 ％≦Mn≦1.5 ％
０％＜Ni≦0.5 ％
０％＜Cr≦2.5 ％
０％＜Mo ≦１％
０≦Cu≦１％
０％≦Ｖ≦0.2 ％
0.005 ％≦Al≦0.2 ％
0.005％≦B ≦0.015 ％
０％≦Ti≦0.3 ％
Cr＋３×Mo＋10×Ｖ ≧１
Ｒ≦2.33×Qu-2.4
この鋼に上記の他の元素（硫黄、セレン、テルル、ビスマス、鉛およびカルシウム）を添加することができ、好ましくは上記の方法でチタンを導入する。
【００２０】
炭素含有率が約0.4 ％の鋼は一般に溶接が難しいが、本発明鋼で製造された金型は約 300℃以上の予備加熱および後加熱をすることにより溶接によって修復することができる。この観点では、本発明で選択された組成部分は、ベース金属と溶接金属のＺＡＨとの硬度の差ΔＨが中硬度（100 BH以下）で、この差は同じ焼入れ性の場合、そのＺＡＨと従来の鋼を用いたベース金属との硬度差よりもはるかに小さいので修復後の処理（切削、艶出、エッチング）が容易になるという利点がある。
【００２１】
金型の製造で使用可能な鋼ブロックを製造するには、液体鋼を製造し、インゴットまたはスラブのような半製品の形に鋳造し、次いでこの半製品を圧延または鍛造してブロック、例えば鋼板にする。次いで、半製品を焼入れおよびアニールで処理して基本的に切削性に不都合なフェライトを含まないマルテンサイトまたはベイナイト組織にする。一般にブロックは平行六面体の形をしており、焼入れ媒体の種類と芯の冷却速度を決める特徴寸法ｄ（一般には最小寸法）とを有している。芯の組織がフェライトを含まないようにするためには、フェライトの現れる臨界速度が芯の冷却速度より遅くなるように鋼の焼入れ性を十分にする必要がある。アニールは500 ℃以上、好ましくは550 ℃以上で且つ鋼のAc₁点以下で行わなければならない。
【００２２】
本発明鋼は鋳造法を用いた金型の製造に特に有利である。本発明鋼で作られる金型は錬鋼の代わりに鋳造鋼で作られる。この場合には、大きな平行六面体ブロックに冷却水循環用溝を形成し、金型キャビティを切削する代わりに、鋳造によって金型キャビティのブランクと、十分な機械的強度を有する適当な形状の外側部分とからなる金型ブランクを製造する。この外側部分は大きいブロックからキャビティを切削して得られる壁よりもはるかに薄い壁でよい。この金型ブランクを仕上げ切削し、熱処理して金型が得られる。この金型は壁が相対的薄いので熱伝導性に極めて優れた本発明鋼を使用することで金型の壁に開けた冷却水循環溝を減らすか、無くすことができ、金型の外側部分の回りにガスを循環させて金型を冷却することもできる。キャビティ切削で外観が多孔質になり易いが、これは溶接で修復することができる。この操作は本発明鋼の優れた溶接性によって容易である。熱処理は溶接鋼で作られた金型に実施される熱処理と同じであるが、粒子を細かくするために、オーステナイト化を予め１回または数回行うことができる。
【００２３】
【実施例】
本発明の鋼Ａ、Ｂ、ＣおよびＤと、従来の鋼Ｅ、ＦおよびＧを製造した。下記の〔表１〕は質量％の1000倍で表した化学組成である：
【００２４】
【表１】

【００２５】
これら鋼をアニールし、焼入れして金型の製造に使用可能なブロックを製造した。ブロックの厚さ（特徴寸法ｄ）、焼入れ法、アニール条件および熱抵抗係数Ｒおよび焼入れ係数Qu、熱伝導率の値、得られた硬度およびＺＡＨとベース金属との硬度の差ΔＨは下記の〔表２〕に示してある：
【表２】

伝導率＝熱伝導率 W/m/kを表す
硬度はブリネルで表示
【００２６】
〔表２〕の結果から、本発明鋼Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは、従来鋼ＥおよびＦに匹敵する焼入れの値を有するが、熱伝導率の値ははるかに（ほぼ30％）高く、従来鋼Ｇは鋼Ｂ、ＣおよびＤに匹敵する熱伝導率を有しているが、焼入れ性はこれらの鋼よりはるかに低いことが分かる。この低い焼入れ性のために、製造可能な最大厚さは200 mm以下で、焼入れは必ず水冷で行なわなければならない。これは薄さに伴う欠点である。
本発明鋼Ａ〜ＤではＺＡＨとベース金属との硬度の差ΔＨは55 BH 以下で、鋼ＥよびＦは100 BH以上である。従来鋼ＧはΔＨは低い（44 BH ）が、焼入れ性も中程度である。
【００２７】
本発明鋼は、特徴寸法が20mmから少なくとも1500mmの間で、基本的にフェライトを含まない、全ての点で鋼がマルテンサイトまたはベイナイト組織を有し、全ての点で硬度が250 〜370 ブリネルであるブロックの製造に使用することができる。これらのブロックは成形温度が好ましくは約500 ℃以下であるプラスチックまたはゴムあるいは他の任意材料の射出成形用金型の製造に利用することができる。
金型を溶接で修復する場合に用いる補充の鋼はベース金属と同じ組成を有しているのが望ましい。従って、本発明の鋼は溶接用ワイヤまたは溶接電極製造用ワイヤの形に製造することができる。

Claims

下記化学質量組成を有することを特徴とするプラスチックまたはゴム材料の射出成形用金型を製造するための鋼：
0.35％≦C ≦0.5 ％
０％＜Si≦0.1 ％
0.2 ％≦Mn≦2.5 ％
０％＜Ni≦４％
０％＜Cr≦４％
０％＜Mo≦２％
０％≦Ｖ≦0.5 ％
0.005 ％≦Al≦0.2 ％
０％≦B ≦0.015 ％
残部は鉄と製錬に起因する不純物であり、
さらに、下記関係を満足する：
Cr＋３×Mo＋10×Ｖ≧１
Ｒ＝ 3.8×C ＋10×Si＋ 3.3×Mn＋ 2.4×Ni＋ 1.4×(Cr＋Mo) ≦11
Qu＝3.8×C＋1.1×Mn＋0.7×Ni＋0.6×Cr＋1.6×Mo＋kB≧３
(B≧0.0005％の場合には kB ＝0.5 、B ＜0.0005％の場合にはkB＝０)
Ｒ≦ Max (2.33×Qu-1,0.9×Qu＋4)
(B≧0.0005％の場合には kB ＝0.5 、B ＜0.0005％の場合にはkB＝０)
Ｒ≦ Max (2.33×Qu-1,0.9×Qu＋4)
Ｒ≦９である請求項１に記載の鋼。
Qu≧4.3 である請求項１または２に記載の鋼。
下記化学質量組成を満足する請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼：
0.37％≦C ≦0.45％
０％＜Si≦0.1％
0.2 ％≦Mn≦1.5 ％
０％＜Ni≦0.5 ％
０％＜Cr≦2.5 ％
０％＜Mo≦１％
０％≦Ｖ≦0.2 ％
0.005 ％≦Al≦0.2 ％
0.0005％≦B ≦0.015 ％
０％≦Ti≦0.3 ％且つ
Ｒ≦2.33×Qu-2.4
特徴寸法が20〜1500mmであり、全ての点で鋼がマルテンサイトまたはベイナイト組織であり、全ての点で硬度が 250〜370 ブリネルである請求項１〜４のいずれか一項に記載の鋼のブロック。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の鋼のプラスチック用金型製造での使用。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の鋼からなる溶接用ワイヤまたは溶接電極製造用ワイヤ。