JP2013177669A - Steel for forming die having excellent thermal conductivity, mirror polishability, weatherability, toughness, and machinability - Google Patents
Steel for forming die having excellent thermal conductivity, mirror polishability, weatherability, toughness, and machinability Download PDFInfo
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Abstract
Description
この発明は熱伝導性能と鏡面研磨性と耐候性と靭性及び被削性に優れた成形用金型用鋼に関し、特にプラスチック成形金型用材料として好適な成形用金型用鋼に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a molding die steel excellent in heat conduction performance, mirror polishing, weather resistance, toughness, and machinability, and more particularly to a molding die steel suitable as a plastic molding die material.
プラスチック製品を成形する金型用の材料には様々な特性が求められるが、特にプラスチック製品が表面平滑で光沢を有し、美観の求められるものである場合には、金型を構成したときに成形面を鏡面状に平滑に仕上げることのできる鏡面研磨性の高いことが求められる。 Various materials are required for mold materials for molding plastic products. Especially when plastic products are smooth and glossy and require aesthetics, when the mold is constructed It is required that the molding surface be highly mirror-polished so that the molding surface can be finished into a mirror surface.
更に近年、プラスチック製品の生産性向上の要請が強く、これを実現するためにプラスチック製品の成形のハイサイクル化、即ち成形1サイクル当りのサイクルタイムの短縮化が強く求められており、プラスチック製品を成形する金型用材料としてはこうした要請を満たすことが求められる。 Furthermore, in recent years, there has been a strong demand for improving the productivity of plastic products, and in order to achieve this, there is a strong demand for a high cycle molding of plastic products, that is, a reduction in cycle time per molding cycle. It is required that mold materials to be molded satisfy these requirements.
一方で金型に要するコスト低減の要求は益々強く、これに応えるべく材料コスト,加工コストの低減が強く求められている。
また金型寿命が長ければ製品1個当りに占める金型コストを低減できる(つまり製品コストを低減できる)ため、金型を高寿命とするのに必要な靭性も求められる。
On the other hand, there is an increasing demand for reducing the cost required for molds, and in order to meet this demand, reduction of material cost and processing cost is strongly demanded.
In addition, if the mold life is long, the die cost per product can be reduced (that is, the product cost can be reduced), so that the toughness necessary for extending the life of the mold is also required.
ここでプラスチック製品には様々なものがあるが、その1つとして、外観上の美麗さが求められるテレビ画面の4周の枠体があり、近年この枠体は、最近におけるテレビ画面の大型化に伴って大形化しており、これを成形する金型も必然的に大型化してきている。
例えばこのような成形品を成形する金型は、幅が1m強で厚みが数10cm以上にも及ぶ大型のものとなることがある。
このような大型の金型用材料としては焼入性の高いものでなければならない。
従来からある金型用材料ではこうした要請に対して十分に応えられていないのが実情である。
There are various plastic products here, and one of them is the four-frame frame of the TV screen, which requires a beautiful appearance. In recent years, this frame has become a larger TV screen. Along with this trend, the size of the mold is inevitably increased.
For example, a mold for molding such a molded product may be a large mold having a width of over 1 m and a thickness of several tens of cm or more.
Such a large mold material must have a high hardenability.
The actual situation is that conventional mold materials do not sufficiently meet these requirements.
金型を、詳しくはその成形面を綺麗な鏡面状に仕上げるためには、金型用材料が高い鏡面研磨性を有することが必要である。
そのためには、金型用材料に添加するC量を低量とする必要がある。
In order to finish the mold, specifically, the molding surface into a beautiful mirror surface, it is necessary that the mold material has high mirror polishing properties.
For this purpose, it is necessary to reduce the amount of C added to the mold material.
C量が多いと鋼材内に生成する炭化物も多くなる。このような鋼材から製造した金型表面には炭化物が現れやすく、この場合、金型表面を鏡面研磨したときその炭化物が脱落して、そこに脱落痕としての穴(ピンホール)が生じる。その穴はプラスチック製品を成形したときに製品側に転写されてしまい、製品表面の美観を損ね、商品価値を無くしてしまう不具合を発生させる。 When the amount of C is large, the amount of carbide generated in the steel material also increases. Carbide is likely to appear on the surface of a mold manufactured from such a steel material. In this case, when the mold surface is mirror-polished, the carbide is dropped, and a hole (pinhole) is formed as a drop mark. When the plastic product is molded, the holes are transferred to the product side, causing a problem that the appearance of the product surface is lost and the product value is lost.
但しC量を少なくすると、金型として必要な硬さが得られ難くなる。
そこでC量を低量とした上で、硬さを確保する手段としてCuやNi,Alの金属間化合物を析出させ、その析出硬化によって金型の硬さを確保するようにした材料が近年開発されている。
However, if the amount of C is reduced, it becomes difficult to obtain the hardness necessary for the mold.
Therefore, a material has been developed in recent years, in which the amount of C is reduced and the intermetallic compounds of Cu, Ni, and Al are deposited as a means of ensuring hardness, and the hardness of the mold is ensured by precipitation hardening. Has been.
例えば下記特許文献1には、「耐食性プラスチック成形金型用鋼」についての発明が示され、そこにおいてC量を0.02〜0.2%と少なくした上で、焼戻し時にCuやNi,Alの金属間化合物を析出させることで硬さを高めるようにした点が開示されている。
しかしながらこの特許文献1に開示のものは、Ni,Alを多く同時添加して多量の金属間化合物を析出させるようにしており、この場合、合金成分の添加量が多くなることによってコストが高くなるのに加え、Ni,Alの金属間化合物の析出による脆化作用で靭性を低下させてしまう。
靭性が低下すれば金型が割れ等を生じ易くなり、金型寿命の低下に繋がる。
For example, the following
However, the one disclosed in
If the toughness is lowered, the mold is liable to be cracked and the like, leading to a reduction in the mold life.
またこの特許文献1に開示のものは、製品成形のハイサイクル化(サイクルタイムの短縮化)のために重要となる、金型の冷却性能を高める点について言及はなく、そのための対策も特に講じられていない。
具体的には、金型の冷却に際して重要な働きをするSiの含有量が多い(請求項では1.5%以下としているものの、実施例では0.3%が下限で、これよりも少ないものは開示されていない)。
Siが0.3%以上多く含有されていると、射出後の金型の冷却性能が不足し、従来に増してのハイサイクル化を実現することが難しい。
加えてこの特許文献1に開示のものでは、Ni-Al金属間化合物の多量析出により金型の靭性の不足を加速してしまう。
In addition, the one disclosed in
Specifically, the content of Si, which plays an important role in cooling the mold, is large (in the claims, 1.5% or less, but in the examples, 0.3% is the lower limit, and less than this is disclosed) Absent).
If Si is contained in a large amount of 0.3% or more, the cooling performance of the mold after injection is insufficient, and it is difficult to realize a higher cycle than before.
In addition, the one disclosed in
また下記特許文献2には、「被削性に優れた高強度金型用鋼材」についての発明が示され、そこにおいてプラスチック製品などの成形用の金型用鋼材として、C量を0.005〜0.1%と少なくした上で、Cuの析出効果やNi,Alによる金属間化合物の析出によって硬さを高めるようにした点が開示されている。
Further, the following
この特許文献2に開示のものもまた、NiとAlの金属間化合物を多量に析出させるようにしている。
更にCuについても、請求項では3.5%以下とされているものの、実施例での下限は0.77%で、何れの実施例もCu量はこれよりも多い。
Cu量が多いと鋼中で縞状の偏析を生じ易く、このような偏析が生じると鋼材の鏡面研磨性が損なわれてしまう。
The one disclosed in
Further, although Cu is also set to 3.5% or less in the claims, the lower limit in the examples is 0.77%, and the Cu amount in each of the examples is larger than this.
If the amount of Cu is large, striped segregation is likely to occur in the steel, and if such segregation occurs, the mirror polishability of the steel will be impaired.
更にこの特許文献2に開示のものにおいても、製品成形のハイサイクル化のために重要となる金型の冷却性能を高める点について言及はなく、このための対策も特に講じられていない。
具体的にはこの特許文献2に開示のものにおいても、Siが多く含有されている(請求項では1.5%以下としているものの、実施例では0.28%が下限でこれよりも少ないものは開示されていない)。
Furthermore, even in the one disclosed in
Specifically, even the one disclosed in
尚、本発明に対する他の先行技術として下記特許文献3,特許文献4に開示されたものがある。
特許文献3はプラスチック成形金型用鋼に関するもので、Mo:0.05〜1.00%,V:0.03〜0.50%含有し、またAl,Niを同時添加してそれらの金属間化合物を時効析出させるといったものではないが、Cuを添加せず、Crの添加量が4.0%以下と添加量が少ない等の点で本発明と異なる。
In addition, there exist some which were disclosed by following
特許文献4に開示のものは、主としてプラスチック成形用として用いられる金型用鋼に関するもので、Moを単独若しくはWと複合で(Mo+1/2W):1.00%以下含有するとともに、Cr及びCuを含有するものであるが、Cの含有量が0.10%以上と多い点で本発明と基本的に異なる。
更にCrの含有量が4.00%以下と低く、またCuの含有量が0.61%以上と多い(請求の範囲では0.50%以上とされているが、実施例に開示のものは最少でも0.61%で他は何れもこれより多い)点でも本発明と異なる。
The thing disclosed in
Furthermore, the Cr content is as low as 4.00% or less, and the Cu content is as large as 0.61% or more (in the claims, it is said to be 0.50% or more, but those disclosed in the examples are at least 0.61% and others) Are different from the present invention in that both are more than this).
本発明は以上のような事情を背景とし、熱伝導性能が高く鏡面研磨性に優れるとともに、耐候性,靭性及び被削性に優れた成形用金型用鋼を提供することを目的としてなされたものである。 The present invention has been made for the purpose of providing a steel for a mold for molding having high heat conduction performance and excellent specular polishing properties, and excellent weather resistance, toughness, and machinability. Is.
而して請求項1のものは、質量%で、0.040<C<0.100,0.03<Si<0.27,0.30<Mn<1.80,0.30<Cu<0.61,4.00<Cr<9.00であり、更に、0.04<Mo<1.00,0.02<V<0.50の少なくとも1種を含み、残部Fe及び不可避的不純物の組成を有することを特徴とする。
なお、通常、成形用金型用鋼において、下記に示す成分とその範囲は、不可避的不純物として含まれ得る。
P≦0.03,S≦0.003,Ni≦0.30,Al≦0.10,V≦0.02,W≦0.30,O≦0.01,N≦0.02,Co≦0.30,Nb≦0.004,Ta≦0.004,Ti≦0.004,Zr≦0.004,B≦0.0001,Ca≦0.0005,Se≦0.03,Te≦0.005,Bi≦0.01,Pb≦0.03,Mg≦0.02
Thus, in the present invention, the mass% is 0.040 <C <0.100, 0.03 <Si <0.27, 0.30 <Mn <1.80, 0.30 <Cu <0.61, 4.00 <Cr <9.00, and 0.04 < It contains at least one of Mo <1.00, 0.02 <V <0.50, and has a composition of the balance Fe and inevitable impurities.
In addition, normally, in the steel for forming molds, the following components and their ranges can be included as inevitable impurities.
P ≦ 0.03, S ≦ 0.003, Ni ≦ 0.30, Al ≦ 0.10, V ≦ 0.02, W ≦ 0.30, O ≦ 0.01, N ≦ 0.02, Co ≦ 0.30, Nb ≦ 0.004, Ta ≦ 0.004, Ti ≦ 0.004, Zr ≦ 0.004, B ≦ 0.0001, Ca ≦ 0.0005, Se ≦ 0.03, Te ≦ 0.005, Bi ≦ 0.01, Pb ≦ 0.03, Mg ≦ 0.02
請求項2のものは、請求項1において、質量%で、0.30<W≦4.00,0.30<Co≦3.00の少なくとも1種を更に含有することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, the method according to the first aspect further includes at least one of 0.30 <W ≦ 4.00 and 0.30 <Co ≦ 3.00 by mass%.
請求項3のものは、請求項1,2の何れかにおいて、質量%で、0.004<Nb≦0.100,0.004<Ta≦0.100,0.004<Ti≦0.100,0.004<Zr≦0.100の少なくとも1種を更に含有することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in any one of the first and second aspects, at least one of 0.004 <Nb ≦ 0.100, 0.004 <Ta ≦ 0.100, 0.004 <Ti ≦ 0.100, 0.004 <Zr ≦ 0.100 in mass% is further added. It is characterized by containing.
請求項4のものは、請求項1〜3の何れかにおいて、質量%で、0.0001<B≦0.0050を更に含有することを特徴とする。 A fourth aspect of the present invention is characterized in that, in any one of the first to third aspects, 0.0001 <B ≦ 0.0050 is further contained in mass%.
請求項5のものは、請求項1〜3の何れかにおいて、質量%で、0.30<Ni≦1.50を更に含有することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the mass% further contains 0.30 <Ni ≦ 1.50.
請求項6のものは、請求項1〜5の何れかにおいて、質量%で、0.003<S≦0.050,0.0005<Ca≦0.2000,0.03<Se≦0.50,0.005<Te≦0.100,0.01<Bi≦0.30,0.03<Pb≦0.50の少なくとも1種を更に含有することを特徴とする。 A sixth aspect of the present invention is the method according to any one of the first to fifth aspects, wherein the mass% is 0.003 <S ≦ 0.050, 0.0005 <Ca ≦ 0.2000, 0.03 <Se ≦ 0.50, 0.005 <Te ≦ 0.100, 0.01 <Bi ≦ 0.30. , 0.03 <Pb ≦ 0.50.
請求項7のものは、請求項1〜6の何れかにおいて、室温における平均硬さが35〜45HRCの範囲内であることを特徴とする。
ここで平均硬さとは、ランダムに選定した鋼の3部位を切り出して研磨し、ロックウエル硬度計で各部位に5個所打痕し、その3部位5個所の測定値(合計15打痕)を平均した硬さを意味する。
According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the first to sixth aspects, the average hardness at room temperature is in the range of 35 to 45 HRC.
Here, the average hardness means that three randomly selected steel parts were cut out and polished, and five indentations were made in each part with a Rockwell hardness meter, and the measured values (total 15 indentations) at the three parts were averaged. Means hardness.
請求項8のものは、請求項7において、レーザーフラッシュ法で測定した熱伝導率が100℃において26W/m/K以上であることを特徴とする。 An eighth aspect of the present invention is characterized in that the thermal conductivity measured by the laser flash method is 26 W / m / K or more at 100 ° C. in the seventh aspect.
請求項9のものは、請求項7,8の何れかにおいて、質量%で、4.60<Mn+Cr+0.5Ni<6.20であることを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, in any one of the seventh and eighth aspects, the mass% is 4.60 <Mn + Cr + 0.5Ni <6.20.
請求項10のものは、請求項7〜9の何れかにおいて、質量%で、0.19<0.5Mo+V<0.53であることを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, in any one of the seventh to ninth aspects, the mass% is 0.19 <0.5Mo + V <0.53.
本発明はCの添加量を少量とし、Mo,V添加に基づく2次硬化を効かせつつ、Cuの時効析出によって鋼の硬さを確保するようにした点を1つの特徴としたものである。
時効析出を利用して鋼の硬さを確保するようにした従来の鋼では、Cuと併せてNi,Alを同時添加し、Ni-Al金属間化合物を時効析出させるものが提案されているが、本発明では鋼の硬さ確保、強化機構としてNi-Alの金属間化合物の時効析出を利用していない。
The present invention is characterized in that the amount of C added is small and the hardness of steel is secured by aging precipitation of Cu while effecting secondary hardening based on the addition of Mo and V. .
In the conventional steel that uses aging precipitation to secure the hardness of the steel, it is proposed that Ni and Al are added together with Cu to age the Ni-Al intermetallic compound. In the present invention, the aging precipitation of Ni—Al intermetallic compounds is not used as a mechanism for ensuring the hardness and strengthening of steel.
Ni,Alを同時添加するものにあっては、必然的にコスト増大を招くとともに、併せてNi-Al金属間化合物の析出により靭性の低下を招く。靭性の低下は金型寿命の高寿命化に対しては当然に不利となる。 In the case of adding Ni and Al at the same time, the cost is inevitably increased, and at the same time, the toughness is reduced by the precipitation of the Ni-Al intermetallic compound. Naturally, the decrease in toughness is disadvantageous for the extension of the mold life.
本発明は、Cの添加を少量に抑えるとともにCu,Mnの添加量を低く抑えることで、鋼の鏡面研磨性を高めている点を他の1つの特徴としている。
Cu,Mnは鋼中で縞状に偏析を生じ易い元素で、それらの偏析が生じると鋼にCu,Mn等の濃い部分と薄い部分とが交互に生じる。
この場合、CuやMnの濃い部分と薄い部分とで硬さや靭性等の機械的性質が異なるため、鏡面研磨したときに鋼に縞状(筋状)の凹凸を生ぜしめてしまう。
Another feature of the present invention is that the mirror polishability of steel is improved by suppressing the addition of C to a small amount and suppressing the addition amounts of Cu and Mn to a low level.
Cu and Mn are elements that are easily segregated in stripes in steel. When these segregations occur, dark and thin parts such as Cu and Mn occur alternately in the steel.
In this case, since the mechanical properties such as hardness and toughness are different between the dark portion and the thin portion of Cu or Mn, stripe-like irregularities are formed in the steel when mirror polishing.
従ってこのような鋼にて金型を構成したとき、この縞状の凹凸がプラスチック製品等の成形品に転写されてしまい、製品の美観を大きく損なってしまい、商品価値を落としてしまう。
本発明ではこれらCu,Mnの上限を低く規制することで、こうした問題の発生防止を図っている。
Cuはまた、添加量が多くなると靭性を低下させる。
本発明ではCuの添加量の上限を抑えることで高い靭性を確保している。
Therefore, when a metal mold is made of such steel, the striped irregularities are transferred to a molded product such as a plastic product, which greatly impairs the aesthetic appearance of the product and lowers the commercial value.
In the present invention, the upper limit of these Cu and Mn is restricted to prevent such problems from occurring.
Cu also reduces toughness with increasing amounts.
In the present invention, high toughness is ensured by suppressing the upper limit of the amount of Cu added.
本発明は、更に他の特徴としてSiの添加量を低量としており、このことで鋼の熱伝導率を高く確保している点を大きな特徴としている。
熱伝導率の高い(熱伝導性能の高い)鋼を用いて射出成形用の金型を構成したとき、金型の冷却性能が高まり、射出成形時における金型の熱引きが良くなって、成形1サイクル当りの時間を短縮化することができる。即ち射出形成による製品成形をハイサイクル化でき、生産性を高めることができる。
Another feature of the present invention is that the amount of Si added is low, and this makes it a great feature that the heat conductivity of the steel is ensured to be high.
When a mold for injection molding is constructed using steel with high thermal conductivity (high thermal conductivity), the cooling performance of the mold is improved, and the heat drawing of the mold during injection molding is improved, so that molding is performed. The time per cycle can be shortened. That is, product molding by injection molding can be made high cycle, and productivity can be increased.
本発明は、鋼の鏡面研磨性を高めるのと併せて、Cの低量化とCrの4.0%超の多量添加により優れた耐食性,耐候性を確保している点を更に他の1つの特徴としている。
たとえ鋼が鏡面研磨性に優れていたとしても、研磨後に暫く放置しておくと研磨した鏡面に腐食のピットが生じてしまうようなものでは、せっかく鏡面仕上げしてもその後に再び研磨のし直しをしなければならなくなる。
従って鏡面研磨性の求められる鋼においては、併せて研磨面をしばらく放置しておいても容易には錆を生じないような高い耐候性,耐食性が求められる。
Another feature of the present invention is that it has excellent corrosion resistance and weather resistance by lowering the amount of C and adding a large amount of over 4.0% of Cr in addition to enhancing the mirror polishability of steel. Yes.
Even if steel is excellent in mirror polishability, if it is left for a while after polishing, corrosion pits will occur on the polished mirror surface. Even if it is mirror finished, it will be polished again afterwards. Will have to do.
Accordingly, steels that require mirror polishability are required to have high weather resistance and corrosion resistance that do not easily rust even if the polished surface is left for a while.
その他本発明は、Siを一定量以上含有させることで、またCu添加によって鋼の被削性を高めている点をその他の特徴として有している。 Others The present invention has another feature in that the machinability of steel is enhanced by adding a certain amount of Si or more by adding Cu.
尚、本発明の鋼はプラスチック製品を成形する金型用材料として特に好適であるが、プラスチック成形用金型以外の金型用材料として、例えば、ゴム製品を製造(成形)する金型用材料としても適している。 The steel of the present invention is particularly suitable as a mold material for molding a plastic product. However, as a mold material other than a plastic mold, for example, a mold material for manufacturing (molding) a rubber product. Also suitable.
次に本発明の化学成分の限定理由を以下に詳述する。
[C]:0.040<C<0.100
C≦0.040では、高い鏡面性の確保に必要な硬さ35HRC以上を特に焼戻し温度が高い場合に得にくい。0.100≦Cでは、耐食性が低下し溶接性も悪い。更に0.100≦Cでは、炭化物が増えるため鏡面研磨性の低下を招く。好適な範囲は、硬さと鏡面性と耐食性と溶接性のバランスに優れた0.055<C<0.095である。
Next, the reasons for limiting the chemical components of the present invention will be described in detail below.
[C]: 0.040 <C <0.100
When C ≦ 0.040, it is difficult to obtain a hardness of 35 HRC or more necessary for ensuring high specularity particularly when the tempering temperature is high. When 0.100 ≦ C, the corrosion resistance is lowered and the weldability is also poor. Further, when 0.100 ≦ C, the amount of carbides increases, resulting in a decrease in mirror polishability. A preferable range is 0.055 <C <0.095, which is excellent in balance among hardness, specularity, corrosion resistance, and weldability.
図1は、C量が異なる8種類の0.22Si-1.10Mn-0.50Cu-4.05Cr-0.55Mo-0.12V-C鋼の角棒を、50℃で湿度98%の湿潤環境下に72Hr晒した後の錆びの発生量を示している。角棒は、900℃で3Hr均熱した後に焼入れ、450〜560℃で5Hr焼戻して38〜42HRCに調質し、その後機械加工して得たものを用いた。硬度調整の都合上、高C鋼ほど焼戻し温度を高めた。また、錆びの面積率は画像処理によって求めた。 Fig. 1 shows that eight types of 0.22Si-1.10Mn-0.50Cu-4.05Cr-0.55Mo-0.12V-C square bars with different C contents were exposed for 72 hours in a humid environment at 50 ° C and 98% humidity. It shows the amount of rust generated later. The square bar used was obtained by soaking at 900 ° C. for 3 hours, quenching, tempering at 450 to 560 ° C. for 5 hours and tempering to 38 to 42 HRC, and then machining. For the sake of adjusting the hardness, the tempering temperature was increased for the higher C steel. The area ratio of rust was obtained by image processing.
詳しくは、錆びの発生した角棒表面のカラー画像を、画像解析ソフトを用いて(ここでは三谷商事(株)社製の「WinROOF」を使用)、金属光沢部が白、錆の発生している部分が黒の領域となるように2値化変換して、画像全体に占める黒の領域の面積率を求めて、錆びの面積率とした。 Specifically, the color image of the rusted square bar surface using the image analysis software (here, “WinROOF” manufactured by Mitani Corporation) is used, the metallic luster is white, rust is generated The binarization conversion was performed so that the existing area became a black area, and the area ratio of the black area in the entire image was obtained to obtain the area ratio of rust.
耐食性が低いと、鏡面研磨した型の表面に腐食部が発生し易く、このような金型は再研磨しなければならない。コストや納期の問題から再研磨は好ましくない。従って金型には耐食性の良さが求められる。 If the corrosion resistance is low, a corroded part is likely to occur on the surface of the mirror-polished mold, and such a mold must be re-polished. Re-polishing is not preferred due to cost and delivery time issues. Accordingly, the mold is required to have good corrosion resistance.
図1に示しているように、C量の増加によって錆びの発生量は増加している。即ち耐食性は低下している。この理由は、炭化物を形成するCr量が増加し、結果として耐食性に寄与するCr量が減少するためである。従ってC量は少ない方が好ましい。錆びの量はC量0.1%で急変し、これを境として耐食性は大きく変化する。従って本発明ではC<0.10としている。 As shown in FIG. 1, the amount of rust generated increases as the amount of C increases. That is, the corrosion resistance is reduced. This is because the amount of Cr that forms carbides increases, and as a result, the amount of Cr that contributes to corrosion resistance decreases. Therefore, it is preferable that the amount of C is small. The amount of rust changes drastically when the C content is 0.1%, and the corrosion resistance changes greatly at this point. Therefore, in the present invention, C <0.10.
なお、8鋼種の基本成分はFe-0.22Si-1.10Mn-0.51Cu-4.05Cr-0.55Mo-0.12Vであるが、製造上、厳密には同じに出来ない。このため、やむを得ない範囲で基本成分に差を生じる。しかし、基本成分は目標とする値にほぼ等しく(例えば,Siは目標0.22に対して0.21〜0.23の範囲、Mnは目標1.10に対し1.08〜1.12,など)制御されていた。したがって、これら8鋼種の比較によって、Cの影響のみを評価できている。 In addition, although the basic composition of 8 steel types is Fe-0.22Si-1.10Mn-0.51Cu-4.05Cr-0.55Mo-0.12V, it cannot be made exactly the same in manufacturing. For this reason, a difference is generated in the basic components within an unavoidable range. However, the basic component was controlled to be almost equal to the target value (for example, Si was in the range of 0.21 to 0.23 with respect to the target 0.22, Mn was controlled to 1.08 to 1.12 with respect to the target 1.10, etc.). Therefore, only the influence of C can be evaluated by comparing these eight steel types.
[Si]:0.03<Si<0.27
Si≦0.03では、被削性の劣化が著しい。0.27≦Siでは、熱伝導率の低下が大きい。好適な範囲は、被削性と熱伝導率のバランスに優れた0.05<Si<0.26である。
図2と表1は,Si量が異なる18種類の0.071C-1.10Mn-0.48Cu-4.02Cr-0.53Mo-0.12V-Si鋼を900℃で3Hr均熱した後に焼入れ,510℃で5Hr焼戻した後の被削性をSi量に対して示している。
[Si]: 0.03 <Si <0.27
When Si ≦ 0.03, machinability is significantly deteriorated. When 0.27 ≦ Si, the decrease in thermal conductivity is large. A preferable range is 0.05 <Si <0.26, which is excellent in the balance between machinability and thermal conductivity.
Figure 2 and Table 1 show that 18 kinds of 0.071C-1.10Mn-0.48Cu-4.02Cr-0.53Mo-0.12V-Si steels with different Si contents were soaked at 900 ° C for 3Hr, quenched and tempered at 510 ° C for 5Hr. The machinability after annealing is shown with respect to the Si content.
被削性評価用素材は,硬さが39〜42HRC,形状は55mm×55mm×200mmの角棒で,切削工具の横逃げ面最大磨耗量が300μmとなった時点を寿命(被削性)と判定した。図2及び表1中の切削距離が大きいほど良く削れて好ましい。
Si≦0.03では、切削距離が極端に小さい。切削工具の摩耗を安定して抑制するには、0.03<Siが必要である。0.05<Siなら、更に安定して摩耗を抑制できる。
The material for machinability evaluation is a square bar with a hardness of 39 to 42 HRC and a shape of 55 mm x 55 mm x 200 mm. The life (machinability) is defined when the maximum wear amount of the side flank of the cutting tool reaches 300 μm. Judged. The larger the cutting distance in FIG.
When Si ≦ 0.03, the cutting distance is extremely small. 0.03 <Si is necessary to stably suppress the wear of the cutting tool. If 0.05 <Si, wear can be more stably suppressed.
なお、18鋼種の基本成分はFe-0.071C-1.10Mn-0.48Cu-4.02Cr-0.53Mo-0.12Vであるが、製造上、厳密には同じに出来ない。このため、やむを得ない範囲で基本成分に差を生じる。しかし、図1の鋼の場合と同様に、Mnなどの他元素は狙いの基本成分にほぼ等しくなっていた。したがって、これら18鋼種の比較によって、Siの影響のみを評価できたのである。 In addition, although the basic composition of 18 steel types is Fe-0.071C-1.10Mn-0.48Cu-4.02Cr-0.53Mo-0.12V, it cannot be made exactly the same in manufacturing. For this reason, a difference is generated in the basic components within an unavoidable range. However, as in the case of the steel of FIG. 1, other elements such as Mn were almost equal to the target basic component. Therefore, only the influence of Si could be evaluated by comparing these 18 steel types.
図3と表2は,54種類の発明鋼を900℃で3Hr均熱した後に焼入れ、510℃で5Hr焼戻した後の100℃における熱伝導率をSi量に対して示している。鋼は以下の3グループである。
鋼S1グループ:0.072C-1.10Mn-0.47Cu-0.52Mo-0.11V---4.05Cr---Si鋼
鋼S2グループ:0.072C-1.10Mn-0.47Cu-0.52Mo-0.11V---5.21Cr---Si鋼
鋼S3グループ:0.072C-1.10Mn-0.47Cu-0.52Mo-0.11V---7.98Cr---Si鋼
耐食性に影響する重要な元素Crは3種の添加レベルとし、Siの影響と併せて評価した。
FIG. 3 and Table 2 show the thermal conductivity at 100 ° C. with respect to the amount of Si after 54 types of invention steels were soaked at 900 ° C. for 3 Hr, quenched, and tempered at 510 ° C. for 5 Hr. Steel is the following three groups.
Steel S1 Group: 0.072C-1.10Mn-0.47Cu-0.52Mo-0.11V --- 4.05Cr --- Si Steel Steel S2 Group: 0.072C-1.10Mn-0.47Cu-0.52Mo-0.11V --- 5.21 Cr --- Si steel S3 group: 0.072C-1.10Mn-0.47Cu-0.52Mo-0.11V --- 7.98Cr --- Si steel Cr is an important element that affects corrosion resistance. It was evaluated together with the influence of Si.
熱伝導率評価用素材は、硬さが39〜42HRC,形状はφ10mm×2mmの小円盤とした。測定は100℃においてレーザーフラッシュ法で測定した。即ち、レーザー発振器から発射したレーザー光を試験片に対して直角に照射し、そのとき試験片の背面から放射される熱量を赤外線検出器で測定して、比熱と熱拡散率を求め、最終的に熱伝導率(=比熱×熱拡散率×密度)を算出した。
熱伝導率が大きいほど、金型となった場合の冷却能に優れるため好ましい。Crのレベルによって熱伝導率は異なるが、Siの減少で高熱伝導率化する傾向は同じである。
The material for thermal conductivity evaluation was a small disk having a hardness of 39 to 42 HRC and a shape of φ10 mm × 2 mm. The measurement was performed by a laser flash method at 100 ° C. That is, the laser beam emitted from the laser oscillator is irradiated at right angles to the test piece, and at that time, the amount of heat radiated from the back of the test piece is measured with an infrared detector to determine the specific heat and the thermal diffusivity. The thermal conductivity (= specific heat × thermal diffusivity × density) was calculated.
Higher thermal conductivity is preferable because of excellent cooling ability when it becomes a mold. Although the thermal conductivity differs depending on the Cr level, the tendency to increase the thermal conductivity with the decrease of Si is the same.
何れの鋼種系においても、Si量0.27を変極点と見なし得、Si<0.27で熱伝導率は急増している。即ち、その成分系の熱伝導率を高く保つには、Si<0.27が必要である。Si<0.26であれば、高い熱伝導率を更に安定して得られる。Si≦0.05では、熱伝導率が飽和傾向を示す。
なお、各鋼種の元素量が厳密には基本成分と一致しないものの、ほぼ基本成分通りであった点は、図1〜図2の場合と同じである。したがって、各グループ内(18鋼種)の比較によってSiの影響のみを評価でき、グループ間の比較によってCrの影響のみを評価できる。
In any steel type, Si amount of 0.27 can be regarded as an inflection point, and the thermal conductivity increases rapidly when Si <0.27. That is, Si <0.27 is necessary to keep the thermal conductivity of the component system high. If Si <0.26, high thermal conductivity can be obtained more stably. When Si ≦ 0.05, the thermal conductivity tends to be saturated.
In addition, although the element amount of each steel type does not correspond with a basic component strictly, it is the same as the case of FIGS. Therefore, only the influence of Si can be evaluated by comparing within each group (18 steel types), and only the influence of Cr can be evaluated by comparing between groups.
金型となった場合の冷却能が大きいか否かを判断する目安は、100℃における鋼材の熱伝導率が26W/m/K以上であることである。本発明では、100℃で28W/m/K以上の熱伝導率を持つ鋼材が好ましいが、熱伝導率が26W/m/K以上でも冷却能はかなり大きい。強度や耐食性などの問題から高合金化する成分系では熱伝導率は低目になるが、それでも100℃で26W/m/K以上の熱伝導率を持たせることが好ましい。 A criterion for determining whether or not the cooling ability when the mold is formed is that the thermal conductivity of the steel at 100 ° C. is 26 W / m / K or more. In the present invention, a steel material having a thermal conductivity of 28 W / m / K or more at 100 ° C. is preferable, but the cooling ability is considerably large even if the thermal conductivity is 26 W / m / K or more. Although the thermal conductivity is low in a component system that is highly alloyed due to problems such as strength and corrosion resistance, it is still preferable to have a thermal conductivity of 26 W / m / K or more at 100 ° C.
本発明の適用分野である樹脂の射出成型では、生産性向上のニーズが強い。そのためには、製品1個の固化時間を短くする必要がある。すなわち、金型を速く冷やさなければならない、そこで、金型内部の冷却回路適正化が図られてきた。しかし、金型構造の問題から冷却孔を設置できない場合もある。また、冷却孔を金型表面に近づけ過ぎると、金型の早期割れの一因となる。 In resin injection molding, which is an application field of the present invention, there is a strong need for productivity improvement. For that purpose, it is necessary to shorten the solidification time of one product. That is, the mold must be cooled quickly. Therefore, the cooling circuit inside the mold has been optimized. However, the cooling hole may not be installed due to the problem of the mold structure. Also, if the cooling hole is too close to the mold surface, it will contribute to the early cracking of the mold.
一方、粉末や板の積層(焼結や接合)によって、従来では冷却孔を設置できない個所に冷却回路を設け、金型の冷却能を飛躍的に向上させる試みもある。しかし、製造に特殊な設備が必要となりコストもかかる。また、冷却孔を金型表面に近づけ過ぎると、金型の早期割れの一因となる。 On the other hand, there is an attempt to dramatically improve the cooling ability of the mold by providing a cooling circuit at a place where a cooling hole cannot be conventionally installed by laminating (sintering or joining) powder and plates. However, special equipment is required for manufacturing, which is expensive. Also, if the cooling hole is too close to the mold surface, it will contribute to the early cracking of the mold.
本発明では、以上の課題を解決し、効率的に金型を冷却することができる。即ち、金型の熱伝導率を高めることで、冷却孔を金型表面に極端に近付けなくても充分な冷却効果が得られる。このため、金型の早期割れの問題は起こり難い。また、金型製造に特殊な設備は不要で,従来と同工程で金型を製造することが可能である。このように、熱伝導率と他特性のバランスを図ったことが、本発明の大きな特徴である。
当然であるが、本発明の鋼を「粉末や板の積層(焼結や接合)によって金型を製造する」方案に適用すれば、更に大きな冷却効果が得られる。
In this invention, the above subject can be solved and a metal mold | die can be cooled efficiently. That is, by increasing the thermal conductivity of the mold, a sufficient cooling effect can be obtained without making the cooling holes extremely close to the mold surface. For this reason, the problem of early cracking of the mold is unlikely to occur. In addition, no special equipment is required for mold manufacture, and it is possible to manufacture a mold in the same process as before. Thus, the balance between the thermal conductivity and other characteristics is a major feature of the present invention.
Needless to say, if the steel of the present invention is applied to a method of “manufacturing a metal mold by laminating (sintering or joining) powders and plates”, an even greater cooling effect can be obtained.
[Mn]:0.30<Mn<1.80
Mn≦0.30では、焼入れ性が不足して硬さや靭性が不十分となる。1.80≦Mnでは、熱伝導率の低下が著しい。また、1.80≦Mnでは偏析が顕著となる。Mnは凝固時に偏析し易く、著しい偏析は金型となった場合の鏡面研磨性に悪影響を及ぼす。この理由は、Mnの濃い部分と薄い部分で硬さや靭性などの機械的性質が異なるため、鏡面研磨した時の削られ方がMnの濃化部と希薄部で異なり、その結果として偏析に対応した縞模様(凹凸)が型表面に形成されるためである。
凹凸が製品に転写されると、製品の表面品質が大きく低下し、商品価値を失う。すなわち、偏析に起因した凹凸が表面にある金型では良品が製造できない。
好適な範囲は、焼入れ性と熱伝導率と鏡面研磨性のバランスに優れた0.65<Mn<1.50である。
[Mn]: 0.30 <Mn <1.80
When Mn ≦ 0.30, the hardenability is insufficient and the hardness and toughness are insufficient. When 1.80 ≦ Mn, the thermal conductivity is remarkably lowered. Further, segregation becomes significant when 1.80 ≦ Mn. Mn tends to segregate during solidification, and significant segregation has an adverse effect on the mirror polishability when it becomes a mold. The reason for this is that the mechanical properties such as hardness and toughness are different between the thick and thin parts of Mn, so the way of shaving when mirror polishing is different between the concentrated part and the diluted part of Mn, and as a result, it corresponds to segregation. This is because a striped pattern (unevenness) is formed on the mold surface.
When the unevenness is transferred to the product, the surface quality of the product is greatly deteriorated and the commercial value is lost. That is, a good product cannot be produced with a mold having unevenness due to segregation on the surface.
A preferable range is 0.65 <Mn <1.50, which is excellent in balance between hardenability, thermal conductivity, and mirror polishing.
[Cu]:0.30<Cu<0.61
Cuは400〜600℃の加熱によって鋼中に時効析出し、鋼の強度を高め、被削性を改善し、衝撃値を低下させる。Cu≦0.30では、Cuの時効析出による高強度化の効果が小さい。0.61≦Cuでは、熱間加工時の割れが発生し易い。また、0.61≦Cuでは衝撃値の低下が顕著となる。好適な範囲は、高強度化と熱間加工性と衝撃値のバランスに優れた0.40<Cu<0.55である。
[Cu]: 0.30 <Cu <0.61
Cu is aged in steel by heating at 400 to 600 ° C., increases the strength of the steel, improves the machinability, and lowers the impact value. When Cu ≦ 0.30, the effect of increasing the strength due to aging precipitation of Cu is small. When 0.61 ≦ Cu, cracking during hot working is likely to occur. In addition, when 0.61 ≦ Cu, the impact value decreases significantly. A preferable range is 0.40 <Cu <0.55 which is excellent in balance between high strength, hot workability and impact value.
図4は、Cu量が異なる15種類の0.070C-0.22Si-1.10Mn-4.02Cr-0.43Mo-0.09V-Cu鋼を900℃で3Hr均熱した後に焼入れ、550℃で5Hr焼戻した後のHRC硬さをCu量に対して示している。高い鏡面性の確保に必要な硬さ35HRC以上を得るには、0.30<Cuが必要である。0.40<Cuであれば、硬さを更に安定して得られる。 Fig. 4 shows the results after 15 kinds of 0.070C-0.22Si-1.10Mn-4.02Cr-0.43Mo-0.09V-Cu steel with different Cu contents were soaked at 900 ° C for 3 hours, quenched and tempered at 550 ° C for 5 hours. HRC hardness is shown with respect to Cu content. In order to obtain a hardness of 35 HRC or higher necessary for ensuring high specularity, 0.30 <Cu is necessary. If 0.40 <Cu, the hardness can be obtained more stably.
図5は、図4と同じ発明鋼を900℃で3Hr均熱した後に焼入れ、500℃で5Hr焼戻した後、JIS 3号衝撃試験片を用いてシャルピー衝撃試験を行って評価した衝撃値をCu量に対して示している。衝撃値が高いほど、金型になった場合の大割れが発生し難いため望ましい。Cuを1%以上含有する鋼は既に存在するが、これらの鋼においては衝撃値の低下が問題となる。同様にCuを添加する本鋼では、この問題を解決するため低Cu化を検討した。衝撃値はCuの減少によって上昇し、Cu量0.6辺りの変極点を境として、これよりもCu量が少ない領域で衝撃値は飛躍的に増大する。本発明ではCu<0.61をCu添加量の適正範囲と判断した。Cuが0.55未満であれば,高い衝撃値を更に安定して得られる。 FIG. 5 shows the impact value evaluated by conducting a Charpy impact test using a JIS No. 3 impact test piece after quenching the steel of the same invention as FIG. 4 for 3 Hr soaking at 900 ° C. and then tempering at 500 ° C. for 5 Hr. Shows against quantity. A higher impact value is desirable because large cracks are less likely to occur when a mold is formed. Steels containing 1% or more of Cu already exist, but in these steels, a reduction in impact value becomes a problem. Similarly, in this steel to which Cu is added, low Cu was investigated to solve this problem. The impact value rises due to the decrease of Cu, and the impact value increases dramatically at the inflection point around the Cu amount of about 0.6 in the region where the Cu amount is smaller than this. In the present invention, Cu <0.61 was determined to be an appropriate range of Cu addition amount. If Cu is less than 0.55, a high impact value can be obtained more stably.
なお、15鋼種の基本成分はFe-0.070C-0.22Si-1.10Mn-4.02Cr-0.43Mo-0.09Vであるが、製造上、厳密には同じに出来ない。このため、やむを得ない範囲で基本成分に差を生じる。しかし、図1〜図3の場合と同様に、SiやMnなどの他元素は狙いの基本成分にほぼ等しくなっていた。したがって、これら15鋼種の比較によって、Cuの影響のみを評価できたのである。 The basic component of 15 steel types is Fe-0.070C-0.22Si-1.10Mn-4.02Cr-0.43Mo-0.09V, but it cannot be made exactly the same in manufacturing. For this reason, a difference is generated in the basic components within an unavoidable range. However, as in the case of FIGS. 1 to 3, other elements such as Si and Mn were almost equal to the target basic component. Therefore, only the influence of Cu could be evaluated by comparing these 15 steel types.
低C鋼は焼戻し温度が高いと強度を得にくい。これは、炭化物の2次析出による強化の程度が小さいためである。Cuの時効析出は、低C鋼の強度確保に有効な手段である。特に、表面処理などの後工程上の問題から、焼戻し温度を高くせざるを得ない場合の強度確保に対してCu添加が効果的である。 Low C steel is difficult to obtain strength when tempering temperature is high. This is because the degree of strengthening due to secondary precipitation of carbide is small. Cu aging precipitation is an effective means for securing the strength of low C steel. In particular, the addition of Cu is effective for securing the strength when the tempering temperature must be increased due to problems in subsequent processes such as surface treatment.
Cuの時効析出を利用する既存鋼では、1〜3%のCuを含有する事が多い。本発明では、このように多量のCuを使わないため45HRCを越える硬さの達成は難しいが、高い鏡面性の確保に必要な35HRC以上を得ることは出来る。更に、1〜3%のCuを含有する鋼は靭性の低下が顕著であるが、本発明はCuを0.61%未満とすることで靭性を確保している。 Existing steels that utilize Cu aging precipitation often contain 1-3% Cu. In the present invention, since a large amount of Cu is not used in this way, it is difficult to achieve a hardness exceeding 45 HRC, but it is possible to obtain 35 HRC or more necessary for ensuring high mirror surface properties. Further, steel containing 1 to 3% of Cu has a remarkable decrease in toughness, but the present invention secures toughness by making Cu less than 0.61%.
また、低C鋼の強度確保には、NiとAlから成る金属間化合物を析出させることも有効である。このため、Ni-Al系や(Cuは不純物レベル)、Cu-Ni-Al系の鋼も存在する。このような鋼は、2〜3%のNiと1〜2%のAlを含有する事が多い。本発明は、NiとAlの双方を多量に含まない点において、既存のCu-Ni-Al系の鋼とは異なる。 In order to secure the strength of the low C steel, it is also effective to precipitate an intermetallic compound composed of Ni and Al. For this reason, there are Ni-Al based steels (Cu is an impurity level) and Cu-Ni-Al based steels. Such steels often contain 2-3% Ni and 1-2% Al. The present invention differs from existing Cu-Ni-Al steels in that it does not contain a large amount of both Ni and Al.
[Cr]:4.00<Cr<9.00
Cr≦4.00では、耐食性を改善する効果が小さい。9.00≦Crでは、熱伝導率の低下が顕著である。好適な範囲は、耐食性と熱伝導率のバランスに優れた4.03<Cr<6.00である。耐食性が重要な場合には、熱伝導率はやや低下するものの、6.00≦Cr<8.60が好ましい。
[Cr]: 4.00 <Cr <9.00
When Cr ≦ 4.00, the effect of improving the corrosion resistance is small. In 9.00 ≦ Cr, the decrease in thermal conductivity is significant. A preferable range is 4.03 <Cr <6.00, which is excellent in the balance between corrosion resistance and thermal conductivity. When corrosion resistance is important, the thermal conductivity is slightly lowered, but 6.00 ≦ Cr <8.60 is preferable.
図6は,8種類の0.08C-0.22Si-1.10Mn-0.49Cu-0.47Mo-0.12V-Cr鋼の角棒を、50℃で湿度98%の湿潤環境下に72Hr晒した後の錆びの発生量を示している。角棒は900℃で3Hr均熱した後に焼入れ、510℃で5Hr焼戻して38〜42HRCに調質し、その後機械加工したものを用いた。また錆びの面積率は画像処理により上記と同様の手法に従って求めた。
耐食性が低いと、鏡面研磨した型の表面に腐食部が発生し易く、このような金型は再研磨しなければならない。コストや納期の問題から再研磨は好ましくない。したがって、金型には耐食性の良さが求められる。
Fig. 6 shows the results of rusting after exposure of eight types of 0.08C-0.22Si-1.10Mn-0.49Cu-0.47Mo-0.12V-Cr steel bar to 72Hr in a humid environment of 98% humidity at 50 ° C. The amount generated is shown. The square bar was soaked after heating at 900 ° C. for 3 hours, tempered at 510 ° C. for 5 hours and tempered to 38 to 42 HRC, and then machined. The area ratio of rust was determined by image processing according to the same method as described above.
If the corrosion resistance is low, a corroded part is likely to occur on the surface of the mirror-polished mold, and such a mold must be re-polished. Re-polishing is not preferred due to cost and delivery time issues. Therefore, the mold is required to have good corrosion resistance.
Cr量の減少によって錆びの発生量は増加、すなわち耐食性は低下する。したがって、Cr量は多い方が好ましい。錆びの量が急変する変極点はCr量4%付近にあり、これを境として耐食性は大きく変化することが分かる。以上より4.00<Crが好ましい範囲と判断した。 As the amount of Cr decreases, the amount of rust generated increases, that is, the corrosion resistance decreases. Therefore, it is preferable that the amount of Cr is large. The inflection point at which the amount of rust changes abruptly is around 4% of the Cr content, and it can be seen that the corrosion resistance changes greatly at this point. From the above, 4.00 <Cr was judged to be a preferable range.
なお、8鋼種の基本成分はFe-0.08C-0.22Si-1.10Mn-0.49Cu-0.47Mo-0.12Vであるが、製造上、厳密には同じに出来ない。このため、やむを得ない範囲で基本成分に差を生じる。しかし、図1〜図5の場合と同様に、SiやMnなどの他元素は狙いの基本成分にほぼ等しくなっていた。したがって、これら8鋼種の比較によって、Crの影響のみを評価できたのである。 In addition, although the basic composition of 8 steel types is Fe-0.08C-0.22Si-1.10Mn-0.49Cu-0.47Mo-0.12V, it cannot be made exactly the same in manufacturing. For this reason, a difference is generated in the basic components within an unavoidable range. However, as in the case of FIGS. 1 to 5, other elements such as Si and Mn were almost equal to the target basic component. Therefore, only the influence of Cr could be evaluated by comparing these 8 steel types.
[Mo]:0.04<Mo<1.00
Mo≦0.04では、必要な硬さ35HRC以上を、特に焼戻し温度が高い場合に得にくい。1.0≦Moでは、破壊靭性値の低下が著しい。好適な範囲は、硬さと破壊靭性値のバランスに優れた0.10<Mo<0.90である。
[Mo]: 0.04 <Mo <1.00
When Mo ≦ 0.04, it is difficult to obtain a required hardness of 35 HRC or more, particularly when the tempering temperature is high. When 1.0 ≦ Mo, the fracture toughness value decreases significantly. A preferable range is 0.10 <Mo <0.90 which is excellent in balance between hardness and fracture toughness value.
[V]:0.02<V<0.50
V≦0.02では、高い鏡面性の確保に必要な硬さ35HRC以上を、特に焼戻し温度が高い場合に得にくい。0.50≦Vでは、衝撃値や機械疲労強度の低下が著しい。この理由は、亀裂発生の起点となる炭化物や窒化物や炭窒化物が増加するためである。また、これらの異物は亀裂発生の起点となるだけでなく、鏡面研磨時に脱落して穴(ピンホール)を生じることもある。好適な範囲は、硬さと衝撃値と機械疲労強度と鏡面研磨性のバランスに優れた0.05<V<0.40である。
[V]: 0.02 <V <0.50
When V ≦ 0.02, it is difficult to obtain a hardness of 35 HRC or more necessary for ensuring high specularity, particularly when the tempering temperature is high. When 0.50 ≦ V, the impact value and mechanical fatigue strength are significantly reduced. The reason for this is that the number of carbides, nitrides, and carbonitrides that are the starting points for cracks increase. In addition, these foreign substances not only become the starting point of cracking, but may fall off during mirror polishing to form holes (pinholes). A preferable range is 0.05 <V <0.40, which is excellent in the balance of hardness, impact value, mechanical fatigue strength, and mirror polishability.
[請求項2の化学成分について]
本発明鋼は低Cのため、焼戻し温度によっては強度の確保が難しい。そのような場合には、WやCoを選択的に添加し、強度の維持を図ればよい。Wは、炭化物の析出によって強度を上げる。Coは、母材への固溶によって強度を上げると同時に、炭化物形態の変化を介して析出硬化にも寄与する。具体的には、
0.30<W≦4.00
0.30<Co≦3.00
の少なくとも1元素を含有させれば良い。
何れの元素も、所定量を越えると特性の飽和と著しいコスト増を招く。好適な範囲は、0.40≦W≦3.00,0.40≦Co≦2.00である。
[Chemical component of claim 2]
Since the steel of the present invention is low C, it is difficult to ensure strength depending on the tempering temperature. In such a case, W or Co may be selectively added to maintain the strength. W increases the strength by precipitation of carbides. Co increases strength by solid solution in the base material, and at the same time contributes to precipitation hardening through changes in carbide morphology. In particular,
0.30 <W ≦ 4.00
0.30 <Co ≦ 3.00
It is sufficient to contain at least one element.
If any element exceeds a predetermined amount, saturation of characteristics and significant cost increase are caused. Preferred ranges are 0.40 ≦ W ≦ 3.00 and 0.40 ≦ Co ≦ 2.00.
[請求項3の化学成分について]
本発明鋼では、焼入れ時のオーステナイト結晶粒の成長を抑制する分散粒子がそれほど多くない。このため、予期せぬ設備トラブルなどによって、焼入れ加熱温度が高くなったり焼入れ加熱時間が長くなれば、結晶粒の粗大化による各種特性の劣化が懸念される。そのような場合に備え、Nb,Ta,Ti,Zrを選択的に添加し、これらの元素が形成する微細な析出物でオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制することが出来る。具体的には、
0.004<Nb≦0.100
0.004<Ta≦0.100
0.004<Ti≦0.100
0.004<Zr≦0.100
の少なくとも1元素を含有させれば良い。
何れの元素も、所定量を越えると炭化物や窒化物や酸化物が過度に生成し、衝撃値や鏡面研磨性の低下を招く。
[Chemical component of claim 3]
In the steel of the present invention, there are not so many dispersed particles that suppress the growth of austenite crystal grains during quenching. For this reason, if the quenching heating temperature becomes high or the quenching heating time becomes long due to unexpected equipment troubles, there is a concern about deterioration of various characteristics due to coarsening of crystal grains. In preparation for such a case, it is possible to selectively add Nb, Ta, Ti, and Zr, and to suppress the coarsening of the austenite crystal grains with fine precipitates formed by these elements. In particular,
0.004 <Nb ≦ 0.100
0.004 <Ta ≦ 0.100
0.004 <Ti ≦ 0.100
0.004 <Zr ≦ 0.100
It is sufficient to contain at least one element.
When any element exceeds a predetermined amount, carbides, nitrides, and oxides are excessively generated, and the impact value and the mirror polishability are lowered.
[請求項4の化学成分について]
近年、部品の大型化や一体化によって、金型のサイズは大きくなる傾向にある。大きな金型は冷却され難い。このため、焼入れ性が低い鋼材の大きな金型を焼入れると、焼入れ中にフェライトやパーライトや粗大ベイナイトが析出して各種特性が劣化する。
本発明鋼はかなり高い焼入れ性を有しており、そのような懸念は少ない。しかし、非常に大きな金型を冷却強度の弱い焼入れ方案で処理した場合にも備え、Bを添加して焼入れ性を更に高めることが出来る。具体的には、
0.0001<B≦0.0050
を含有させる。
なお、BはBNを形成すると焼入れ性の向上効果が無くなるため、鋼中にB単独で存在させる必要がある。具体的には、BよりもNとの親和力が強い元素で窒化物を形成させ、BとNを結合させなければ良い。そのような元素の例としては、請求項3が挙げられる。請求項3の元素は不純物レベルで存在してもNを固定する効果はあるが、N量によっては請求項3の範囲を添加する場合もある。
[Chemical component of claim 4]
In recent years, the size of molds tends to increase as parts become larger and integrated. Large molds are difficult to cool. For this reason, when quenching a large metal mold of steel with low hardenability, ferrite, pearlite, and coarse bainite are precipitated during quenching, and various properties deteriorate.
The steel of the present invention has a considerably high hardenability, and there are few such concerns. However, even when a very large mold is processed by a quenching method with low cooling strength, B can be added to further improve the hardenability. In particular,
0.0001 <B ≦ 0.0050
Containing.
Note that when B forms BN, the effect of improving the hardenability is lost, and therefore B needs to be present alone in the steel. Specifically, it is sufficient that nitride is formed with an element having an affinity for N stronger than B, and B and N are not bonded. An example of such an element includes
[請求項5の化学成分について]
焼入れ性や低温靭性を高める手段として、Niの添加も有効である。請求項4の鋼では、形成された窒化物が金型の研磨中に脱落して穴(ピンホール)が出来ることもあり、これは金型の表面品質、ひいては製品の表面品質を大きく低下させる原因になる。一方、Ni添加では窒化物が形成されないため、ピンホール抑制と焼入れ性改善に適している。具体的には、
0.30<Ni≦1.50
を含有させる。
Niが所定量を越えるとコスト増と熱伝導率の低下を招く。また、Niは凝固時に偏析し易く、著しい偏析は金型を研磨した場合に表面の縞模様となって鏡面研磨性を悪化させる。この点、先述のMnと同じである。好適な範囲は、焼入れ性と熱伝導率と鏡面研磨性のバランスに優れた0.40<Ni<1.20である。
[Chemical component of claim 5]
Addition of Ni is also effective as a means for improving hardenability and low temperature toughness. In the steel of
0.30 <Ni ≦ 1.50
Containing.
When Ni exceeds a predetermined amount, the cost increases and the thermal conductivity decreases. Ni is easily segregated at the time of solidification, and the remarkable segregation becomes a striped pattern on the surface when the mold is polished, thereby deteriorating the mirror polishability. This is the same as Mn described above. A preferable range is 0.40 <Ni <1.20, which is excellent in balance between hardenability, thermal conductivity, and mirror polishing.
[請求項6の化学成分について]
本発明鋼は、被削性の非常に良い鋼(0.4<Si)よりもSiが低目である。このため、金型形状への機械加工や穴開けが難しくなることも懸念される。そのような場合は、S,Ca,Se,Te,Bi,Pbを選択的に添加し、被削性を改善すれば良い。具体的には、
0.003<S≦0.050
0.0005<Ca≦0.2000
0.03<Se≦0.50
0.005<Te≦0.100
0.01<Bi≦0.30
0.03<Pb≦0.50
の少なくとも1元素を含有させれば良い。
何れの元素も、所定量を越えた場合は被削性の飽和と熱間加工性(金型用素材製造時)の劣化、衝撃値や鏡面研磨性の低下を招く。
[Chemical component of claim 6]
The steel of the present invention has lower Si than steel with very good machinability (0.4 <Si). For this reason, there is a concern that machining and drilling into the mold shape will be difficult. In such a case, S, Ca, Se, Te, Bi, and Pb may be selectively added to improve machinability. In particular,
0.003 <S ≦ 0.050
0.0005 <Ca ≦ 0.2000
0.03 <Se ≦ 0.50
0.005 <Te ≦ 0.100
0.01 <Bi ≦ 0.30
0.03 <Pb ≦ 0.50
It is sufficient to contain at least one element.
If any element exceeds a predetermined amount, machinability is saturated, hot workability (when a mold material is manufactured), impact value and mirror surface polishability are reduced.
[請求項9の化学成分について]
本発明において、Mn+Cr+0.5Niが最小となる組成のものではMn+Cr+0.5Ni=4.31となるが、焼入れ性が特に要求される場合は4.60<Mn+Cr+0.5Niとする。これによって、焼入れ冷却中にフェライトやパーライトや粗大ベイナイトが析出する危険性を更に低減できる。
また本発明において、Mn+Cr+0.5Niが最大となる組成のものではMn+Cr+0.5Ni=11.53となるが、熱伝導率が特に要求される場合はMn+Cr+0.5Ni<6.20とする。焼入れ性と熱伝導率のバランスに特に優れた範囲は、4.60<Mn+Cr+0.5Ni<6.20である。更に好適な範囲は、4.80<Mn+Cr+0.5Ni<6.05である。この範囲であれば、適正な焼入れ組織を安定して得ることができ、かつ100℃における熱伝導率は28W/m/K以上となる。
[Chemical component of claim 9]
In the present invention, the composition having the minimum Mn + Cr + 0.5Ni is Mn + Cr + 0.5Ni = 4.31, but if hardenability is particularly required, 4.60 <Mn + Cr + 0.5Ni. This can further reduce the risk of precipitation of ferrite, pearlite, and coarse bainite during quenching cooling.
In the present invention, Mn + Cr + 0.5Ni = 11.53 when the composition has the maximum Mn + Cr + 0.5Ni, but Mn + Cr + 0.5Ni <6.20 if thermal conductivity is particularly required. A particularly excellent range for the balance between hardenability and thermal conductivity is 4.60 <Mn + Cr + 0.5Ni <6.20. A more preferable range is 4.80 <Mn + Cr + 0.5Ni <6.05. If it is this range, an appropriate hardening structure can be obtained stably and the heat conductivity in 100 degreeC will be 28 W / m / K or more.
図7は、17種類の発明鋼を900℃で3Hr均熱した後に焼入れ、520℃で5Hr焼戻して39〜41HRCとした状態の室温におけるシャルピー衝撃試験の衝撃値(2mmUノッチ)をMn+Cr+0.5Ni量に対して示す。全17鋼種は以下の通りである。
鋼L:0.071C-0.20Si-0.48Cu-0.51Mo-0.12V---4.01Cr-0.31Mn-0.02Ni鋼
鋼M:0.068C-0.21Si-0.50Cu-0.47Mo-0.11V---8.99Cr-1.79Mn-1.50Ni鋼
鋼R1グループ:0.068C-0.22Si-0.47Cu-0.46Mo-0.13V---4.05Cr-Mn-Ni鋼
鋼R2グループ:0.070C-0.24Si-0.54Cu-0.52Mo-0.10V---5.50Cr-Mn-Ni鋼
鋼R3グループ:0.068C-0.20Si-0.50Cu-0.55Mo-0.09V---8.20Cr-Mn-Ni鋼
鋼LはMn+Cr+0.5Niが最小となる組成、鋼MはMn+Cr+0.5Niが最大となる組成のものである。また鋼R1〜R3グループは、請求項9の規定範囲内でMnとNiを任意に添加した15鋼種からなるものである。各グループ5鋼種の成分は、狙いとする基本成分の値と厳密には一致しないが、ほぼ基本成分通りであった。これは、図1に示した8種類の鋼種などの場合と同様である。
FIG. 7 shows the impact value (2 mmU notch) of the Charpy impact test at room temperature in a state where 17 types of invention steel were soaked at 900 ° C. for 3 Hr soaking and tempered at 520 ° C. for 5 Hr to 39 to 41 HRC. It shows against 0.5Ni amount. All 17 steel types are as follows.
Steel L: 0.071C-0.20Si-0.48Cu-0.51Mo-0.12V --- 4.01Cr-0.31Mn-0.02Ni Steel Steel M: 0.068C-0.21Si-0.50Cu-0.47Mo-0.11V --- 8.99 Cr-1.79Mn-1.50Ni steel R1 group: 0.068C-0.22Si-0.47Cu-0.46Mo-0.13V --- 4.05Cr-Mn-Ni steel R2 group: 0.070C-0.24Si-0.54Cu-0.52 Mo-0.10V --- 5.50Cr-Mn-Ni steel R3 group: 0.068C-0.20Si-0.50Cu-0.55Mo-0.09V --- 8.20Cr-Mn-Ni steel Steel L has minimum Mn + Cr + 0.5Ni The steel M has a composition that maximizes Mn + Cr + 0.5Ni. Further, the steel R1 to R3 groups are made of 15 steel types in which Mn and Ni are arbitrarily added within the prescribed range of claim 9. The components of each
ここで、衝撃試験片の焼入れは大断面型を模擬した工程としている。すなわち冷却速度は、900℃から600℃までが15℃/min、600℃から室温までは3℃/minとした。このような緩速焼入れでも高衝撃値が得られる素材は、焼入れ性に優れ、大きな金型にも安心して使う事ができる。
図7を見ると、鋼Lでも衝撃値22J/cm2と比較的に高位であり、発明鋼の成分系は焼入れ性に優れる事が分かる。市販材の中には15J/cm2以下の鋼も少なくない。ここで、4.60<Mn+Cr+0.5Niに注目すると、おおよそ25J/cm2以上と見なせ、焼入れ性が特に良い領域である事は明らかである。4.80<Mn+Cr+0.5Niでは、更に安定して高衝撃値を得られる。
Here, quenching of the impact test piece is a process simulating a large cross-section type. That is, the cooling rate was 15 ° C./min from 900 ° C. to 600 ° C., and 3 ° C./min from 600 ° C. to room temperature. A material that can obtain a high impact value even with such slow quenching is excellent in hardenability and can be used safely in large molds.
FIG. 7 shows that steel L has a relatively high impact value of 22 J / cm 2, and it can be seen that the component system of the inventive steel is excellent in hardenability. There are many steels of 15 J / cm 2 or less among commercially available materials. Here, when attention is paid to 4.60 <Mn + Cr + 0.5Ni, it can be regarded as approximately 25 J / cm 2 or more, and it is clear that the hardenability is a particularly good region. When 4.80 <Mn + Cr + 0.5Ni, a high impact value can be obtained more stably.
図8は、100℃における熱伝導率とMn+Cr+0.5Niの関係を示す。鋼種は図7と同じ17種類である。一般に、熱伝導率は合金元素の増加によって低下する。鋼Mでも24.6W/m/Kと比較的に高位であり、発明鋼の成分系は熱伝導率に優れる事が分かる。市販材の中には24W/m/K以下の鋼も少なくない。ここで、Mn+Cr+0.5Ni<6.20に注目すると、おおよそ28W/m/K以上と見なせ、特に高熱伝導率の領域である事は明らかである。
Mn+Cr+0.5Ni<6.05では、更に安定して高熱伝導率を得られる。
一方、耐食性や窒化などのニーズによっては4.50<Crとし、6.20≦Mn+Cr+0.5Niでも良い。その場合の焼入れ性はやや過度とも言えるが、衝撃値は高くなるうえ、より大きな金型でも安心して焼入れが出来る。ただし、Mn+Cr+0.5Ni<6.20である鋼よりも熱伝導率は低くなる。それでも、100℃で26W/m/K以上の熱伝導率であれば、金型としての冷却能は充分に大きい。すなわち、6.20≦Mn+Cr+0.5Niについては、熱伝導率が100℃で26W/m/K以上になる成分系を選択すれば良い。
FIG. 8 shows the relationship between thermal conductivity at 100 ° C. and Mn + Cr + 0.5Ni. There are 17 steel types as in FIG. In general, the thermal conductivity decreases with an increase in alloying elements. Steel M is also relatively high at 24.6 W / m / K, and it can be seen that the component system of the inventive steel is excellent in thermal conductivity. There are many steels of 24 W / m / K or less among commercially available materials. Here, when attention is paid to Mn + Cr + 0.5Ni <6.20, it can be considered that it is approximately 28 W / m / K or more, and it is clear that it is a region having a particularly high thermal conductivity.
When Mn + Cr + 0.5Ni <6.05, high thermal conductivity can be obtained more stably.
On the other hand, depending on needs such as corrosion resistance and nitriding, 4.50 <Cr and 6.20 ≦ Mn + Cr + 0.5Ni are acceptable. In that case, the hardenability can be said to be somewhat excessive, but the impact value is high, and even larger molds can be hardened with peace of mind. However, the thermal conductivity is lower than that of steel with Mn + Cr + 0.5Ni <6.20. Nevertheless, if the thermal conductivity is 26 W / m / K or more at 100 ° C., the cooling ability as a mold is sufficiently large. That is, for 6.20 ≦ Mn + Cr + 0.5Ni, a component system having a thermal conductivity of 26 W / m / K or more at 100 ° C. may be selected.
[請求項10の化学成分について]
本発明において、0.5Mo+Vが最小となる組成のものでは0.5Mo+V=0.06となるが、硬さを安定して得るには0.19<0.5Mo+Vとする。これによって、35HRC以上の硬さを更に得やすくなる。また本発明において、0.5Mo+Vが最大となる組成のものでは0.5Mo+V=0.99となるが、破壊靭性値や衝撃値や機械疲労強度が特に要求される場合は、0.5Mo+V<0.53とする。上記特性のバランスに特に優れた範囲は、0.19<0.5Mo+V<0.53である。更に好適な範囲は、0.24<0.5Mo+V<0.48である。この範囲であれば、35HRC以上の硬さを安定して得る事ができ、かつ破壊靭性値や衝撃値や機械疲労強度の顕著な低下も無い。
一方、窒化などの後工程上、どうしても高温で焼戻さなければならない事がある。そのような場合には0.53≦0.5Mo+Vでも良い。
[Chemical component of claim 10]
In the present invention, 0.5Mo + V = 0.06 is obtained for a composition having a minimum of 0.5Mo + V, but in order to obtain a stable hardness, 0.19 <0.5Mo + V. This makes it easier to obtain a hardness of 35 HRC or higher. In the present invention, 0.5Mo + V = 0.99 for the composition having the maximum of 0.5Mo + V, but when the fracture toughness value, impact value and mechanical fatigue strength are particularly required, 0.5Mo + V <0.53. To do. A range particularly excellent in the balance of the above characteristics is 0.19 <0.5Mo + V <0.53. A more preferable range is 0.24 <0.5Mo + V <0.48. If it is this range, the hardness more than 35HRC can be obtained stably, and there will be no remarkable fall of fracture toughness value, impact value, and mechanical fatigue strength.
On the other hand, there is a case where tempering at a high temperature is unavoidable due to a subsequent process such as nitriding. In such a case, 0.53 ≦ 0.5 Mo + V may be satisfied.
図9は、発明鋼を900℃で3Hr均熱した後に焼入れ、535℃で5Hr焼戻した後の室温におけるHRC硬さを0.5Mo+V量に対して示す。素材は、
鋼L2:0.069C-0.20Si-1.11Mn-0.46Cu-4.04Cr---0.05Mo-0.03V鋼
鋼M2:0.073C-0.24Si-1.15Mn-0.50Cu-4.11Cr---0.99Mo-0.49V鋼
鋼V1グループ:0.066C-0.24Si-1.13Mn-0.53Cu-4.06Cr---0.14Mo-V鋼
鋼V2グループ:0.070C-0.21Si-1.13Mn-0.48Cu-4.09Cr---0.38Mo-V鋼
鋼V3グループ:0.073C-0.20Si-1.15Mn-0.47Cu-4.03Cr---0.64Mo-V鋼
鋼V4グループ:0.069C-0.23Si-1.12Mn-0.51Cu-4.06Cr---0.88Mo-V鋼
の全22鋼種である。鋼L2は0.5Mo+Vが最小となる組成,鋼M2は0.5Mo+Vが最大となる組成のものである。また鋼V1〜V4グループは、請求項10の規定範囲内でVを任意に添加した20鋼種からなるものである。
図9を見ると、鋼L2でも35HRCを越えており、発明鋼の成分系は金型に必要な硬さを安定して得られる事が分かる。ここで、0.19<0.5Mo+Vに注目すると、硬さ上昇の変極点を越えた領域と見なせ、望ましい領域である事は明らかである。0.24<0.5Mo+Vでは、更に安定して硬さ(およそ36HRC以上)を得られる。
FIG. 9 shows the HRC hardness at room temperature after quenching the invention steel at 900 ° C. for 3 Hr and then tempering at 535 ° C. for 5 Hr with respect to the amount of 0.5 Mo + V. The material is
Steel L2: 0.069C-0.20Si-1.11Mn-0.46Cu-4.04Cr --- 0.05Mo-0.03V Steel M2: 0.073C-0.24Si-1.15Mn-0.50Cu-4.11Cr --- 0.99Mo-0.49 Steel V Group V: 0.066C-0.24Si-1.13Mn-0.53Cu-4.06Cr --- 0.14Mo-V Steel Group V2: 0.070C-0.21Si-1.13Mn-0.48Cu-4.09Cr--0.38 Mo-V steel V3 group: 0.073C-0.20Si-1.15Mn-0.47Cu-4.03Cr --- 0.64 Mo-V steel V4 group: 0.069C-0.23Si-1.12Mn-0.51Cu-4.06Cr-- -All 22 types of 0.88 Mo-V steel. Steel L2 has a composition that minimizes 0.5Mo + V, and steel M2 has a composition that maximizes 0.5Mo + V. Further, the steel V1 to V4 group is composed of 20 steel types in which V is arbitrarily added within the specified range of
FIG. 9 shows that steel L2 also exceeds 35 HRC, and that the component system of the inventive steel can stably obtain the hardness required for the mold. Here, when focusing on 0.19 <0.5 Mo + V, it can be regarded as a region beyond the inflection point of hardness increase, and it is clear that this is a desirable region. When 0.24 <0.5 Mo + V, hardness (approximately 36 HRC or more) can be obtained more stably.
図10は、衝撃値とMo+Vの関係を示す。鋼種は図9と同じ22種類である。図7〜図9と比較して、相関は単純でない。この理由は、組織微細化やマトリックス脆化や晶出物の影響が重畳するからである。Moを増量する場合、ある添加量までは組織が微細化するため高衝撃値化する。一方、固容量の増加はマトリックスを脆化させるため、Moの過添加で衝撃値は低下する。Vを添加すると、ある添加量までは結晶粒が微細化するため高衝撃値化する。Vが過添加になると、鋼塊製造の凝固時にVやCやNを主体とした粗大な晶出物が生じ、これが起点となるため衝撃値は低下する。更に、Vが過多な鋼は焼入れの冷却時にVCがγ粒界に析出し、これも衝撃値低下の一因となる。
しかし、MoとVの量によっては低衝撃値化するとは言え、何れの水準も25J/cm2を越えている。市販材の中には15J/cm2以下の鋼も少なくない。発明鋼は安定して高靭性であることも分かる。
発明鋼の衝撃値は26〜32J/cm2の範囲で安定していると見ることもできるが、ここで、Mo+V<0.53に注目すると、衝撃値が安定する領域と見なせる。Mo+V<0.48では、この傾向が更に顕著となる。
FIG. 10 shows the relationship between the impact value and Mo + V. There are 22 types of steel as in FIG. Compared to FIGS. 7-9, the correlation is not simple. This is because the influence of refinement of the structure, matrix embrittlement, and crystallized substances is superimposed. When increasing the amount of Mo, the structure becomes finer up to a certain addition amount, so the impact value is increased. On the other hand, since the increase in solid volume causes embrittlement of the matrix, the impact value decreases with the excessive addition of Mo. When V is added, the crystal grains become finer up to a certain addition amount, so that the impact value is increased. When V is excessively added, coarse crystallized substances mainly composed of V, C, and N are formed during solidification in the production of the steel ingot, and this is the starting point, so the impact value is lowered. Furthermore, in steels with excessive V, VC precipitates at the γ grain boundaries during quenching cooling, which also contributes to a reduction in impact value.
However, depending on the amount of Mo and V, although the impact value is lowered, both levels exceed 25 J / cm 2 . There are many steels of 15 J / cm 2 or less among commercially available materials. It can also be seen that the inventive steel is stable and high toughness.
Although it can be considered that the impact value of the invention steel is stable in the range of 26 to 32 J / cm 2 , when attention is paid to Mo + V <0.53, it can be regarded as a region where the impact value is stable. This tendency becomes more remarkable at Mo + V <0.48.
ところで、プラスチック製品の射出成形型には,生産時間の短縮(ハイサイクル化)を目的として、多くの水冷孔が設けられている。水冷孔の内部は水による腐食環境にあり、加えて引張応力が作用する。引張応力の源は,樹脂を射出した際の熱応力や,型締めや射出時の金型の撓みによる機械応力である。 By the way, an injection mold for plastic products is provided with many water cooling holes for the purpose of shortening the production time (high cycle). The inside of the water cooling hole is in a corrosive environment caused by water, and in addition, tensile stress acts. The sources of tensile stress are thermal stress when resin is injected, and mechanical stress due to mold clamping during mold clamping and injection.
このように、腐食環境下で引張応力が作用し続けると、腐食部を起点に亀裂が発生し意匠面(成形面)に向かって進展してゆく。亀裂が意匠面に達すると水漏れが起こり、樹脂の射出成型が出来なくなる。
この現象は水冷孔割れと呼ばれる。水冷孔割れを起こした金型は交換することになり、金型費の増加や生産性の低下を招く。すなわち、水冷孔割れは重大なトラブルであり、回避しなければならない。
As described above, when tensile stress continues to act in a corrosive environment, a crack is generated starting from the corroded portion and progresses toward the design surface (molded surface). When the crack reaches the design surface, water leaks and resin injection molding cannot be performed.
This phenomenon is called water-cooled hole cracking. Molds that have cracked water-cooled holes will be replaced, leading to increased mold costs and reduced productivity. That is, water-cooled hole cracking is a serious trouble and must be avoided.
以上の理由から、金型用鋼の水冷孔割れの感受性を評価する事が重要となる。以下では、水冷孔割れを模擬した試験について説明する。 For the above reasons, it is important to evaluate the sensitivity of water-cooled hole cracking in mold steel. Below, the test which simulated water-cooled hole crack is demonstrated.
図11は、腐食環境下で引張応力が作用した場合に、鋼材が割れ易いか否かを試験する方法を示す。試験片は直径6mmの円柱状で、中央付近にノッチが設けられている。ノッチ部の直径は4mmである。
素材は、後述する発明鋼1、比較鋼2、比較鋼3と同じ合金成分である。
試験片を片持ち状態に支持した後、固定側とは反対の端部側に錘を吊り下げて試験片に曲げの力を付加する。この時、ノッチ部の上側には引張応力が常時作用する。そしてこの状態でノッチ部に水を滴下し続ける。
以上により、水による腐食環境下で引張応力が作用する状況が作り出される。これが、金型の水冷孔割れを模擬しているのである。
FIG. 11 shows a method for testing whether a steel material is easily cracked when a tensile stress is applied in a corrosive environment. The test piece has a cylindrical shape with a diameter of 6 mm, and is provided with a notch near the center. The diameter of the notch is 4 mm.
The material is the same alloy component as
After supporting the test piece in a cantilever state, a bending force is applied to the test piece by hanging a weight on the end side opposite to the fixed side. At this time, tensile stress always acts on the upper side of the notch portion. In this state, water continues to be dripped onto the notch.
As described above, a situation in which tensile stress acts in a corrosive environment with water is created. This simulates the water-cooled hole cracking of the mold.
この試験方法では、錘を吊り下げてから試験片が破断するまでの時間を評価する。破断までの時間が長い程、水冷孔割れを起こし難い優れた金型材と判断できる。 In this test method, the time from when the weight is suspended until the test piece breaks is evaluated. It can be determined that the longer the time to break, the better the mold material that is less likely to cause water-cooled hole cracking.
実験に際しては、5台の試験機に1本づつ試験片をセットし、同一鋼種の評価を全5台で並行する。そして、5本中の1本が破断した時間を「破断時間」として記録し、試験を終了する(残り4本が未破断であっても)。 In the experiment, test pieces are set one by one on five test machines, and the evaluation of the same steel type is performed in parallel on all five machines. Then, the time at which one of the five pieces breaks is recorded as “breaking time”, and the test is terminated (even if the remaining four pieces are not broken).
図12は、39HRCに調質した3鋼種に,44[N]を負荷した場合の破断時間を示す。発明鋼1は、比較鋼2の約1.3倍,比較鋼3の200倍以上の破断時間である。すなわち、腐食環境下で引張応力が作用した場合に発明鋼1は破壊し難く、したがって水冷孔割れを起こし難い優秀な金型材と判断できる。
FIG. 12 shows the rupture time when 44 [N] is loaded on three steel grades tempered to 39HRC.
このように、本発明の鋼は水冷孔割れを起こし難い特徴を有する。これは、耐食性が高く腐食部が発生し難いこと、靭性が高く亀裂が急速進展し難いこと、による。また、水から侵入した水素によって鋼材は脆化し、破壊が助長されるが、この水素をトラップして無害化する析出物(炭化物,MnS,時効析出したCu等)の種類と量が適正であることも、本発明の鋼が破壊し難い大きな理由である。 As described above, the steel of the present invention has a feature that hardly causes water-cooled hole cracking. This is due to the fact that the corrosion resistance is high and the corroded portion is difficult to occur, and the toughness is high and the crack is difficult to progress rapidly. In addition, the steel material becomes brittle and breakage is promoted by hydrogen that penetrates from water, but the type and amount of precipitates (carbide, MnS, aging-precipitated Cu, etc.) that trap and detoxify this hydrogen are appropriate. This is also a major reason why the steel of the present invention is difficult to break.
また、本発明の鋼は、熱処理硬さを調整し易く、厳しい硬さ規格を外れ難いと言う特徴を有する。ここでは、37〜39HRCの狭い範囲の硬さ規格を要求された場合を例に説明する。
素材は、後述する発明鋼1、比較鋼1と同じ合金成分である。
Further, the steel of the present invention is characterized in that it is easy to adjust the heat treatment hardness and is difficult to deviate from strict hardness standards. Here, a case where a hardness standard in a narrow range of 37 to 39 HRC is required will be described as an example.
The material is the same alloy component as
図13は、発明鋼1と比較鋼1の焼戻し温度に対する硬さの変化を示す。比較鋼1では,37〜39HRCの規格を満たすために、560〜570℃の10℃の範囲に鋼材を均熱する必要がある。したがって、設定すべき焼戻し条件は565℃×5Hrである。
FIG. 13 shows the change in hardness of the
一般に、熱処理炉には均熱中の温度変動が5〜15℃ある。また、均熱中の温度変動が非常に小さい場合にも、炉内の位置による温度差が5〜15℃生じる。両者の温度差が加算されると、最大で30℃程度の温度差を生じることになる。 Generally, the heat treatment furnace has a temperature fluctuation of 5 to 15 ° C. during soaking. Further, even when the temperature fluctuation during soaking is very small, a temperature difference of 5 to 15 ° C. depending on the position in the furnace occurs. When the temperature difference between the two is added, a temperature difference of about 30 ° C. at maximum is generated.
したがって、比較鋼1は565℃での均熱を狙っても、実際には550〜580℃に加熱されることになる。この加熱条件は、図13を見れば36〜41HRCを与える条件に相当する。すなわち、比較鋼1を37〜39HRCの狭い範囲に調質することは非常に難しく、断面内硬さは36〜41HRCとなる。
鋼材の部位によって硬さが異なると、被削性や鏡面研磨性を劣化させるため好ましくない。
Therefore, even if the
If the hardness varies depending on the part of the steel material, it is not preferable because the machinability and the specular polishing are deteriorated.
一方、発明鋼1では、37〜39HRCの規格を満たすために、551℃以下の温度域に加熱すれば良い。設定すべき焼戻し条件は、例えば530℃×5Hrである。先述の炉温バラツキの問題から、実際には515〜545℃に発明鋼は加熱されるが、それでもほぼ38HRCの硬さが得られる。
On the other hand, the
このように、本発明の鋼は、硬さを狭い範囲に管理し易い特徴を有する。これは,C-Cr-Mo-V-Cuのバランスを調整することによって、CrやMoやVを含む炭化物、析出するCu、の量を適正化し、焼戻し温度に対する硬さの変化を緩やかにしている効果である。 Thus, the steel of the present invention has a characteristic that the hardness can be easily managed in a narrow range. By adjusting the balance of C-Cr-Mo-V-Cu, the amount of carbide containing Cr, Mo and V, and the amount of precipitated Cu are optimized, and the change in hardness with respect to the tempering temperature is moderated. It is an effect.
表3に示す40種の鋼(表3中の空欄は化学成分が不純物レベルであることを示す)を大気中で溶解し、それぞれ7tonのインゴットに鋳込んだ。各鋼材のインゴットは、1200〜1300℃における均質化熱処理鋼の後、表面温度900〜1250℃の範囲で210×1020×3500(mm)のブロック形状に鍛造した。
このブロックを900℃に再加熱し、3Hrの保持後、40〜100℃の油中に浸漬して焼き入れた。さらに、350〜560℃の温度域で5Hr保持して硬さを35〜43HRCに調質した。
調質後のブロック中心付近から切り出した素材で、被削性,衝撃値,熱伝導率,鏡面性,溶接性,耐食性,水冷孔割れの感受性,硬さのバラツキを評価した。また、製造コストも評価した。
Forty types of steel shown in Table 3 (the blanks in Table 3 indicate that the chemical component is at the impurity level) were dissolved in the atmosphere and cast into 7 ton ingots. Each steel ingot was forged into a block shape of 210 × 1020 × 3500 (mm) at a surface temperature of 900 to 1250 ° C. after homogenized heat-treated steel at 1200 to 1300 ° C.
This block was reheated to 900 ° C., held for 3 hours, then immersed in oil at 40 to 100 ° C. and quenched. Furthermore, the hardness was tempered to 35 to 43 HRC by maintaining 5 hours in a temperature range of 350 to 560 ° C.
The materials cut from the block center after tempering were evaluated for machinability, impact value, thermal conductivity, specularity, weldability, corrosion resistance, sensitivity to water-cooled hole cracking, and hardness variations. The production cost was also evaluated.
熱伝導率は、レーザーフラッシュ法によって100℃で測定した値である。この数字が大きいほど、金型になった場合の冷却能に優れて好ましい。
鏡面研磨性は、研磨剤の番手を変えて鋼材を磨いた時に、面に不具合(ウネリ,クモリ,ピンホール等)が発生しない上限の番手である。この数字が大きいほど研磨剤の砥粒が小さく、綺麗に磨けることを意味しており、より高品位の金型に使えるため好ましい。
他の特性は、熱伝導率と鏡面研磨性ほどではないが、金型の製造性やメンテナンス性さらには費用に関わるため重要である。これらは、相対比較の記号で示した.◎→○→△→×となるに従って評価は下がる。
The thermal conductivity is a value measured at 100 ° C. by a laser flash method. The larger this number, the better the cooling ability when it becomes a mold.
Mirror surface polishability is the upper limit count that does not cause defects (unery, spider, pinhole, etc.) on the surface when the steel material is polished by changing the count of the abrasive. Larger numbers indicate that the abrasive grains are smaller and can be polished more finely, and are preferred because they can be used for higher quality molds.
Other properties are important because they are not as good as thermal conductivity and mirror polish, but are related to mold manufacturability, maintainability and cost. These are indicated by relative comparison symbols. The evaluation decreases as ◎ → ○ → △ → x.
被削性は、切り込み量や送り速度を共通として切削距離1000mmを削った時の切削工具の損耗状態で判断した。切削工具の摩耗量が少なく(≦150μm)かつ定常摩耗であれば◎、定常摩耗量が多い(<300μm)場合を○、摩耗量が更に増加し(≧300μm)異常摩耗も見られる場合を△、異常摩耗に加えて欠けが発生した場合を×とした。 The machinability was judged based on the state of wear of the cutting tool when the cutting distance and the feed rate were common and the cutting distance was 1000 mm. If the wear amount of the cutting tool is small (≦ 150 μm) and steady wear, ◎, if the steady wear amount is large (<300 μm), ○, if the wear amount further increases (≧ 300 μm) and abnormal wear is also seen In addition to abnormal wear, the case where chipping occurred was marked as x.
衝撃値は、2mmUノッチ試験片(JIS 3号)での室温における値で判断した。すなわち、衝撃値が40J/cm2以上を◎、30〜40未満J/cm2未満を○、20〜30未満J/cm2を△、20J/cm2未満を×とした。 The impact value was judged by the value at room temperature using a 2 mm U notch test piece (JIS No. 3). That is, the impact value is 40 J / cm 2 or more ◎, less than 30-40 less than J / cm 2 ○, 20-30 less than J / cm 2 △, was × less than 20 J / cm 2.
溶接性は、C量に応じた適正な溶接棒で多層盛りし、溶接部を切断して硬さ分布と割れを調査した結果から判断した。すなわち、割れが無く硬さの著しく低下した部位も無ければ◎、割れは無いが硬さの低下した領域がある場合は○、割れは無いが硬さの大きく低下した領域がある場合は△、割れが発生した場合を×とした。 Weldability was judged from the results of multi-layering with an appropriate welding rod corresponding to the amount of C, cutting the welded portion, and examining the hardness distribution and cracks. That is, if there is no crack and there is no part where the hardness is remarkably reduced, ◎, if there is no crack but there is a region with reduced hardness, ○, if there is no crack but there is a region with greatly reduced hardness, Δ, The case where cracking occurred was marked as x.
耐食性(耐候性)は、鏡面研磨した素材を海岸部かつ雨ざらしの環境で1カ月放置した時の錆び方から判断した。すなわち、ほとんど錆びないあるいは点状の腐食部が僅かであれば◎、点状の腐食部が目立つ状態は○、腐食部同士が連結し広範囲に錆びが広がった場合を△、錆びの領域が更に広がって金属光沢部が少ない場合を×とした。
結果が表4に示してある。
Corrosion resistance (weather resistance) was judged from the rust when a mirror-polished material was left for 1 month in a coastal and rainy environment. In other words, ◎ if there is almost no rust or few spot-like corroded parts, ◯ if the spot-like corroded parts are conspicuous, △ if the corroded parts are connected and the rust spreads over a wide area, rust area further The case where it spreads and there are few metal gloss parts was set as x.
The results are shown in Table 4.
水冷孔割れの感受性は、先に述べた試験方法で評価した。いずれの材料にも、曲げ破断強度の90%の負荷を与えて試験した。この場合の破断時間を、水冷孔割れの感受性として評価した。 The sensitivity of water-cooled hole cracking was evaluated by the test method described above. All materials were tested with a load of 90% of the bending break strength. The breaking time in this case was evaluated as the sensitivity of water-cooled hole cracking.
硬さバラツキは、ブロック材の表面5個所(4個所の角部付近と中央部)におけるHRC硬さの、最大値と最小値の差である。
ブロック材各部位の硬さは、炉内温度バラツキの影響を受けて同一にはならない。先に述べた「硬さ調節のし易さ」の指標として、ここでは硬さバラツキを評価した。硬さバラツキが小さい程、炉温が変動しても硬さが狭い範囲に収まることを意味し、硬さ調整がし易い鋼材ということになる。
Hardness variation is the difference between the maximum value and the minimum value of the HRC hardness at five locations on the surface of the block material (near the four corners and at the center).
The hardness of each part of the block material does not become the same due to the influence of the temperature variation in the furnace. Here, the hardness variation was evaluated as an index of the “ease of adjusting the hardness” described above. As the hardness variation is smaller, it means that the hardness falls within a narrow range even if the furnace temperature fluctuates, and the steel material is easy to adjust the hardness.
まず、発明鋼に関して説明する。特筆すべきは熱伝導率の高さで、安定して26W/m/K以上である。特に、鋼23〜鋼26以外は28W/m/K以上を確保している。すなわち、金型の冷却能不足が起こり難い。
また、鏡面研磨性も番手8000以上をクリアしており、表面品質レベルの高い金型に使うことができる。
他の特性は記号による定性評価であるが、発明鋼には「×」が皆無であり、諸特性のバランスが良いことは一目瞭然である。被削性、衝撃値やコストに「△」も極一部あるが、他特性とのバランスで見れば何ら問題はない。
すなわち、熱伝導率と鏡面研磨性の高さを基本性能とし、他特性やコストパフォーマンスにも優れる鋼が本発明である。また、室温における平均硬さも35〜45HRCの範囲内となっている。
First, the invention steel will be described. What should be noted is the high thermal conductivity, which is stably 26 W / m / K or more. In particular, 28 W / m / K or more is secured except for steel 23 to steel 26. In other words, it is difficult for the mold to cool down.
In addition, the mirror polishability also clears the count of 8000 or more, and can be used for a mold having a high surface quality level.
The other characteristics are qualitative evaluation by symbols, but the invention steel has no “x”, and it is obvious that the various characteristics are well balanced. There are some “Δ” in machinability, impact value, and cost, but there is no problem in view of balance with other characteristics.
That is, the present invention is a steel that has high thermal conductivity and high specular polishing properties as well as excellent other characteristics and cost performance. Also, the average hardness at room temperature is in the range of 35 to 45 HRC.
さらに、発明鋼は、全て水冷孔割れを模擬した試験における破断時間が80Hrを超えている。数時間あるいは数十時間で破断するような発明鋼は無く、水冷孔割れを起こし難いと考えられる。
また、硬さバラツキは3以内に収まっている。特に,発明鋼22〜発明鋼26を除けば、全てが硬さバラツキ2以内である。すなわち、狭い硬さ規格を要求された場合にも対応可能である。
Furthermore, all the inventive steels have a fracture time exceeding 80 Hr in a test simulating water-cooled hole cracking. There is no invention steel that breaks in several hours or tens of hours, and it is considered that water-cooled hole cracking is unlikely to occur.
Moreover, the hardness variation is within 3 or less. In particular, except the invention steel 22 to the invention steel 26, all are within 2 hardness variations. That is, it is possible to cope with a case where a narrow hardness standard is required.
以下では、比較鋼に関して説明する。
比較鋼1は鏡面研磨性に優れ、熱伝導率と被削性も高い。一方、衝撃値と耐食性に難があり、割れや錆が問題になる。
比較鋼2は鏡面研磨性に優れ、溶接性も良い。一方、熱伝導率と衝撃値に難があり、金型の冷却能不足や割れが問題になる。
比較鋼3はかなりバランスの良い鋼材である。ただし、熱伝導率が低いため、金型の冷却能が不足する。ハイサイクル化が要求される昨今、これは致命的な欠点である。また、コストも安くはなく、鋼材特性の割には高価な位置づけとなる。
比較鋼4は、熱伝導率が高く被削性も良い。一方、耐食性と鏡面研磨性に難があり、適用範囲はかなり制限される。
比較鋼5は、鏡面研磨性に優れ、耐食性も良い。一方、被削性と熱伝導率に難があり、型加工の難しさや金型の冷却能不足が問題になる。
比較鋼6は、鏡面研磨性に優れ、耐食性も良い。一方、被削性と溶接性と熱伝導率に難があり、型の加工や補修の難しさ、さらには金型の冷却能不足が問題になる。
比較鋼7は、鏡面研磨性に優れ、溶接性と耐食性も良い。一方,熱伝導率に難があり、金型の冷却能不足が問題となる。また、衝撃値も低いため、金型の割れが懸念される。
Hereinafter, the comparative steel will be described.
The
The
The
The
The
さらに、水冷孔割れを模擬した試験における破断時間が40Hr未満という極端に短い比較鋼がある。このような鋼は、水冷孔割れを起こす危険性が高いと考えられる。
また、硬さバラツキが3を超える比較鋼もあり、このような鋼材は狭い硬さ規格を要求された場合の対応が困難である。
Furthermore, there are comparative steels with extremely short break times of less than 40 hours in a test that simulates water-cooled hole cracking. Such steel is considered to have a high risk of causing water-cooled hole cracking.
Further, there are comparative steels having hardness variations exceeding 3, and such steel materials are difficult to cope with when a narrow hardness standard is required.
以上のように、比較鋼では特性やコストに問題を抱えている。発明鋼は、35HRC以上の硬さを確保しつつ熱伝導率と鏡面研磨性の高さを有し、他特性やコストパフォーマンスにも優れている。これは、C,Si,Cu,Crを適正化し、NiとAlの双方を同時に多量に含まないこと、による効果である。 As described above, the comparative steel has problems in characteristics and cost. The invention steel has high thermal conductivity and high specular polishing properties while ensuring a hardness of 35 HRC or more, and is excellent in other characteristics and cost performance. This is an effect of optimizing C, Si, Cu, and Cr and not containing a large amount of both Ni and Al at the same time.
Claims (10)
0.040<C<0.100
0.03<Si<0.27
0.30<Mn<1.80
0.30<Cu<0.61
4.00<Cr<9.00
であり、更に
0.04<Mo<1.00
0.02<V<0.50
の少なくとも1種を含み、残部Fe及び不可避的不純物の組成を有することを特徴とする熱伝導性能と鏡面研磨性と耐候性と靭性及び被削性に優れた成形用金型用鋼。 In mass%
0.040 <C <0.100
0.03 <Si <0.27
0.30 <Mn <1.80
0.30 <Cu <0.61
4.00 <Cr <9.00
And more
0.04 <Mo <1.00
0.02 <V <0.50
A mold steel having excellent thermal conductivity, specular polishing, weather resistance, toughness and machinability, characterized by comprising at least one of the following, and the balance Fe and inevitable impurities.
0.30<W≦4.00
0.30<Co≦3.00
の少なくとも1種を更に含有することを特徴とする熱伝導性能と鏡面研磨性と耐候性と靭性及び被削性に優れた成形用金型用鋼。 In Claim 1, in mass%
0.30 <W ≦ 4.00
0.30 <Co ≦ 3.00
A mold steel excellent in heat conduction performance, mirror polishability, weather resistance, toughness and machinability, characterized by further containing at least one of the following.
0.004<Nb≦0.100
0.004<Ta≦0.100
0.004<Ti≦0.100
0.004<Zr≦0.100
の少なくとも1種を更に含有することを特徴とする熱伝導性能と鏡面研磨性と耐候性と靭性及び被削性に優れた成形用金型用鋼。 In any one of Claims 1 and 2,
0.004 <Nb ≦ 0.100
0.004 <Ta ≦ 0.100
0.004 <Ti ≦ 0.100
0.004 <Zr ≦ 0.100
A mold steel excellent in heat conduction performance, mirror polishability, weather resistance, toughness and machinability, characterized by further containing at least one of the following.
0.0001<B≦0.0050
を更に含有することを特徴とする熱伝導性能と鏡面研磨性と耐候性と靭性及び被削性に優れた成形用金型用鋼。 In any one of Claims 1-3, In mass%
0.0001 <B ≦ 0.0050
A mold metal having excellent thermal conductivity, specular polishing, weather resistance, toughness, and machinability, further comprising:
0.30<Ni≦1.50
を更に含有することを特徴とする熱伝導性能と鏡面研磨性と耐候性と靭性及び被削性に優れた成形用金型用鋼。 In any one of Claims 1-3, In mass%
0.30 <Ni ≦ 1.50
A mold metal having excellent thermal conductivity, specular polishing, weather resistance, toughness, and machinability, further comprising:
0.003<S≦0.050
0.0005<Ca≦0.2000
0.03<Se≦0.50
0.005<Te≦0.100
0.01<Bi≦0.30
0.03<Pb≦0.50
の少なくとも1種を更に含有することを特徴とする熱伝導性能と鏡面研磨性と耐候性と靭性及び被削性に優れた成形用金型用鋼。 In any one of Claims 1-5 in mass%
0.003 <S ≦ 0.050
0.0005 <Ca ≦ 0.2000
0.03 <Se ≦ 0.50
0.005 <Te ≦ 0.100
0.01 <Bi ≦ 0.30
0.03 <Pb ≦ 0.50
A mold steel excellent in heat conduction performance, mirror polishability, weather resistance, toughness and machinability, characterized by further containing at least one of the following.
4.60<Mn+Cr+0.5Ni<6.20
であることを特徴とする熱伝導性能と鏡面研磨性と耐候性と靭性及び被削性に優れた成形用金型用鋼。 In any one of Claims 7 and 8, in mass%
4.60 <Mn + Cr + 0.5Ni <6.20
A mold steel excellent in heat conductivity, mirror polishing, weather resistance, toughness and machinability, characterized by being
0.19<0.5Mo+V<0.53
であることを特徴とする熱伝導性能と鏡面研磨性と耐候性と靭性及び被削性に優れた成形用金型用鋼。 In any one of Claims 7-9 in mass%
0.19 <0.5Mo + V <0.53
A mold steel excellent in heat conductivity, mirror polishing, weather resistance, toughness and machinability, characterized by being
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