JP5213168B2 - 熱伝導性に優れたプラスチック成形金型用鋼およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱伝導性に優れたプリハードンタイプのプラスチック成形金型用鋼およびその製造方法に関するものである。

近年、家電をはじめ、自動車部品、ＯＡ機器など、多くの分野で製品のプラスチック化が進んでいる。プラスチック成形用金型材としては、安価な炭素鋼や低合金鋼が使用されており、その多くはプリハードン鋼として提供される。これはあらかじめ調質熱処理により所定の硬度に調整され、機械加工後に金型として使用されるものである。該金型は、溶融したプラスチックを冷却して成形する際には金型温度が上昇するが、熱伝導率が高い金型では成形サイクル時間を短縮でき、生産性の向上が期待できる。
これまでに高熱伝導率を目指す鋼としては、特許文献１および特許文献２に示される鋼がある。
特許文献１に示される鋼はＳｉ量を０．３％未満まで低減することで、熱伝導率を向上させている。また、特許文献２に示される鋼は熱伝導性に優れるフェライト組織を３０％以上とすることで、熱伝導率を向上させている。

しかしながら、特許文献１に示される鋼は被削性とのバランスを考慮した成分設計となっており、熱伝導率に関しては十分なものとはいえない。特許文献２に示される鋼は、板厚２００ｍｍを超えるような大型の製品に関しては焼ならし後の冷却速度が遅いことから、プラスチック成形金型用鋼に必要な硬さを確保できないという問題点がある。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、被削性を損なうことなく優れた熱伝導率を示し、さらにはプラスチック成形金型用鋼として良好な硬さを有するプラスチック成形金型用鋼およびその製造方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の熱伝導性に優れたプラスチック成形金型用鋼のうち、第１の本発明は、質量割合で、Ｃ：０．４５超〜０．６０％、Ｓｉ：０．０５〜０．２０％、Ｍｎ：０．３〜０．７％、Ｎｉ：０．２〜０．５％、Ｃｒ：０．２〜０．５％、Ｖ：０．０３〜０．１％、Ａｌ：０．０１〜０．０３％、Ｓ：０．０１０％未満、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．０２％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ不可避不純物中でＰ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｍｏ：０．２０％以下に規制した組成を有し、フェライト・パーライト二相組織からなり、４８Ｗ／ｍ・℃以上の熱伝導率を有することを特徴とする。

第２の本発明の熱伝導性に優れたプラスチック成形金型用鋼は、前記第１の本発明において、焼戻し後の硬さが１８０〜２２０ＨＶであることを特徴とする。

第３の本発明の熱伝導性に優れたプラスチック成形金型用鋼の製造方法は、前記第１の本発明に示された組成を有する鋼を、９００℃〜１０５０℃に加熱してから空冷する焼ならしによってフェライト・パーライト二相組織とし、その後、５００℃〜６５０℃で加熱してから炉冷する焼戻しを行って、焼戻し後の硬さを１８０〜２２０ＨＶとすることを特徴とする。

以下に、本発明で規定する組成、製造条件の限定理由について説明する。
先ず、本発明における成分限定理由を述べる。なお、各含有量はいずれも質量割合で示されている。

Ｃ：０．４５超〜０．６０％
Ｃは焼入性を向上させる元素であり、目的の硬度を得るためにも０．４５％超の添加とする。また、多すぎると溶接が困難になるとともに、硬さが高くなり過ぎて被削性を低下させ、パーライト量の増加により熱伝導率も低下するので、０．６０％以下とする。なお、同様の理由で、上限を０．５５％とするのが望ましい。

Ｓｉ：０．０５〜０．２０％
Ｓｉは製鋼工程における脱酸剤として使われ、被削性を向上させる効果があることから、最低でも０．０５％の含有量が必要である。しかし、Ｓｉの添加は熱伝導率を低下させるため０．２０％以下とする。なお、同様の理由で、上限を０．１０％とするのが望ましい。

Ｍｎ：０．３〜０．７％
Ｍｎは、焼入れ性を向上させ強度を高める効果があり、最低でも０．３％の含有量が必要である。一方、Ｓｉと同様に熱伝導率を低下させるため０．７％以下とする。

Ｎｉ：０．２〜０．５％、Ｃｒ：０．２〜０．５％
Ｎｉ、Ｃｒはそれぞれ金型の焼入れ性を高め、硬さ、靱性を向上させるのに有効である。本鋼種では熱伝導率を向上させるためＳｉ、Ｍｎを低く抑えており、不足する強度を補うためにもＮｉは０．２％以上、Ｃｒは０．２％以上の添加が必要である。しかし、それぞれ上限値を越えて含有させても、鏡面性や被削性を低下させる要因となることから、各元素の上限値を、Ｎｉは０．５％、Ｃｒは０．５％とする。

Ｓ：０．０１０％未満
Ｓは被削性を向上させる元素であるが、粗大な硫化物系介在物を形成した場合には研磨時のピンホール発生の原因となり鏡面性を低下させるので、０．０１０％未満とする。なお、同様の理由で、上限を０．００７％とするのが望ましい。しかし、少なすぎると被削性が悪化することから、下限を０．００１％にすることが望ましい。

Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．０２％以下
Ｏ、ＮはそれぞれＡｌ等と結合し非金属介在物を形成し、鏡面性に加えて被削性をも低下させるため、Ｏは０．００３０％以下、Ｎは０．０２％以下とする。なお、同様の理由で、Ｏの上限を０．００２０％、Ｎの上限を０．０１％とするのが望ましい。

Ａｌ：０．０１〜０．０３％
Ａｌは脱酸剤として添加され、本鋼種では熱伝導率を向上させるためＳｉを低く抑えていることから、最低でも０．０１％の含有量が必要である。しかし、多すぎるとＡｌ_２Ｏ_３系介在物が鋼中に残留し被削性や鏡面性を悪化させる原因となるため、０．０３％以下とする。なお、同様の理由で、上限を０．０２％とするのが望ましい。

Ｖ：０．０３〜０．１％以下
Ｖは結晶粒の微細化に効果があり、焼戻し軟化抵抗を高める効果があることから、最低でも０．０３％の含有量が必要である。一方、多すぎると被削性及び靭性の低下を招くため０．１％以下とする。

Ｐ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｍｏ：０．２０％以下
Ｐは鋼の靱性を低下させるために極力低減する方がよく、０．０１５％以下とする。Ｃｕは硬さ確保に有効な元素であるが、多すぎると被削性を低下させるため不純物として扱い、０．３０％以下とする。Ｍｏは炭化物となり、熱伝導率および被削性を低下させる元素であることから０．２０％以下とする。なお、同様の理由で、Ｐの上限を０．００５％、Ｃｕの上限を０．２０％、Ｍｏの上限を０．１０％とするのが望ましい。

焼ならし：９００〜１０５０℃加熱、空冷
上記組成の鋼に、９００〜１０５０℃で加熱後、空冷する焼ならしを行うことで、フェライト・パーライトの二相組織が得られる。ここで、加熱温度が９００℃未満であると、十分な硬さが得られない。一方、１０５０℃を超えると結晶粒が粗大化し靭性などが悪化する要因となる。
加熱後の冷却では、空冷（概ね冷却速度５０〜２００℃／時間）で行うことで、上記二相組織が得られる。冷却速度が過大になると、フェライト・パーライト二相組織が得られず、一方、冷却速度が過小になると、目的とする硬さを確保できない。

焼戻し：５００〜６５０℃加熱、炉冷
上記焼ならし後、５００〜６５０℃での加熱、炉冷による焼戻しを行うことで、上記二相組織を有し、かつビッカース硬さで１８０〜２２０ＨＶの適度な硬さを有するプラスチック成形金型用鋼が得られる。

以上説明したように、本発明の熱伝導性に優れたプラスチック成形金型用鋼によれば、質量割合で、Ｃ：０．４５超〜０．６０％、Ｓｉ：０．０５〜０．２０％、Ｍｎ：０．３〜０．７％、Ｎｉ：０．２〜０．５％、Ｃｒ：０．２〜０．５％、Ｖ：０．０３〜０．１％、Ａｌ：０．０１〜０．０３％、Ｓ：０．０１０％未満、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．０２％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ不可避不純物中でＰ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｍｏ：０．２０％以下に規制した組成を有し、フェライト・パーライト二相組織からなるので、被削性を損なうことなく優れた熱伝導率を有し、さらにはプラスチック成形金型用鋼として良好な硬さが得られる効果がある。すなわち高品質化とコスト削減に貢献する効果がある。

また、本発明の熱伝導性に優れたプラスチック成形金型用鋼の製造方法は、前記本発明に示された組成を有する鋼を、９００℃〜１０５０℃に加熱してから空冷する焼ならしによってフェライト・パーライト二相組織とし、その後、５００℃〜６５０℃で加熱してから炉冷する焼戻しを行って、焼戻し後の硬さを１８０〜２２０ＨＶとするので、被削性、熱伝導率、硬さが良好なプラスチック成形金型用鋼を確実に得られる効果がある。

本発明のプラスチック成形金型用鋼は、常法により溶製することができる。Ｓ、Ｏ、Ｎなどを規制する製法としては、真空溶解法、電気炉溶解法、取鍋精錬法、エレクトロスラグ再溶解法などがあるが、本発明では、これらの製法を適宜採用することで、所定の組成に調整する。
溶製により得られる鋼塊は、必要に応じて鍛造等の加工を行い、さらに熱処理を行う。鍛造等の加工は常法により行うことができる。ただし、熱処理においては、焼ならし、焼戻しにより行うものとし、それぞれの条件を適正に定めるのが望ましい。
焼ならしに際しては、９００℃〜１０５０℃に加熱してから空冷するのが最適である。これにより、フェライトとパーライトとが混在する二相組織が確実に得られる。

上記焼ならし後に、適正な焼戻しを行うことで、所望の硬さが得られる。該焼戻しの条件としては、５００℃〜６５０℃で加熱してから炉冷するのが最適である。該焼戻しによって１８０〜２２０ＨＶという、プリハードンタイプのプラスチック成形金型鋼として適度な硬さを得ることができる。
このプリハードン金型用鋼は、必要に応じて切削加工、鏡面研磨が行われる。切削加工においては、良好な被削性を示し、切削加工を円滑かつ高品質に行うことができる。また、鏡面研磨によっては、優れた鏡面性を示す。

以下に、本発明の実施例を従来材と比較して説明する。表１に各供試材の化学成分（残部：Ｆｅおよびその他の不純物）を示す。供試材としては、本発明の成分範囲になる発明鋼と、本発明の成分範囲を外れた比較鋼とを用意した。

上記各供試材の成分となるように調整し、真空誘導溶解法（ＶＩＭ法）により溶製した２０ｋｇおよび５０ｋｇ鋼塊を、１１００℃〜１３００まで加熱して熱間鍛造を行い、幅１３０ｍｍ、厚さ３０ｍｍの鍛造板を製作した。供試材のミクロ組織はすべてフェライト・パーライト組織とし、比較鋼１〜５については所定の硬さ（１８０〜２２０ＨＶ）を得るために８８０℃の焼鈍を施し、焼鈍では硬さの確保が難しい本発明鋼および比較鋼６、比較鋼７については、８８０℃〜１０２０℃加熱、空冷の焼ならし、及び５８０℃加熱、炉冷の焼戻しを施した。

本鋼種においては、焼ならし一焼戻し熱処理における硬さはほぼ焼ならし条件により決定され、焼戻しは大型部材における残留応力除去などを目的とするものである。このように製作した各供試材より熱伝導率試験片を採取し、熱伝導率測定を行った。熱伝導率は以下の式で表され、密度はアルキメデス法により求め、比熱はセイコーインスツルメンツ製ＤＳＣ２２０Ｃを用いて示差走査熱量（ＤＳＣ）法により求め、熱拡散率はアルバック理工製ＴＣ７０００を用いてレーザーフラッシュ法により求めた。

熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）＝密度（ｋｇ／ｍ^３）×比熱（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）×熱拡散率（ｍ^２／ｓ）

表２に本発明鋼と比較鋼の熱処理条件と硬さおよび熱伝導率を示す。また、図１にＳｉ量と熱伝導率の関係を、図２にＭｎ量と熱伝導率の関係を示す。これら成分と熱伝導率との間には、ほぼ比例関係が認められる。本発明鋼はＳｉおよびＭｎを低減することで熱伝導率を向上させており、化学組成が本発明で規定する範囲を外れている比較鋼１〜６に比べて、熱伝導率が４８Ｗ／ｍ・℃以上と優れている。また、熱処理条件を焼ならし−焼戻しとすることでプラスチック成形金型用鋼に必要な硬さを確保しており、化学組成が本発明で規定する範囲を外れている比較鋼７では硬さが本発明の目標値（１８０〜２２０ＨＶ）を満足できないという結果が得られた。

Ｓｉ含有量と熱伝導率との関係を示す図である。 Ｍｎ含有量と熱伝導率との関係を示す図である。

Claims (3)

1. 質量割合で、Ｃ：０．４５超〜０．６０％、Ｓｉ：０．０５〜０．２０％、Ｍｎ：０．３〜０．７％、Ｎｉ：０．２〜０．５％、Ｃｒ：０．２〜０．５％、Ｖ：０．０３〜０．１％、Ａｌ：０．０１〜０．０３％、Ｓ：０．０１０％未満、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．０２％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ不可避不純物中でＰ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｍｏ：０．２０％以下に規制した組成を有し、フェライト・パーライト二相組織からなり、４８Ｗ／ｍ・℃以上の熱伝導率を有することを特徴とする熱伝導性に優れたプラスチック成形金型用鋼。
2. 焼戻し後の硬さが１８０〜２２０ＨＶであることを特徴とする請求項１記載の熱伝導性に優れたプラスチック成形金型用鋼。
3. 請求項１記載の組成を有する鋼を、９００℃〜１０５０℃に加熱してから空冷する焼ならしによってフェライト・パーライト二相組織とし、その後、５００℃〜６５０℃で加熱してから炉冷する焼戻しを行って、焼戻し後の硬さを１８０〜２２０ＨＶとすることを特徴とする熱伝導性に優れたプラスチック成形金型用鋼の製造方法。

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