JP2016069661A - Steel for mold and mold - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は金型用鋼及び金型に関し、特に硬度と耐食性に優れた金型用鋼及び金型に関する。 The present invention relates to a mold steel and a mold, and more particularly to a mold steel and a mold excellent in hardness and corrosion resistance.
近年、プラスチック製品にあっては、高強度化のために硬質なガラス繊維を混入させたものが増えて来ている。このようなプラスチック製品の射出成形においては、金型の摩耗が顕在化する。金型が摩耗すると、それが製品に転写されて製品の表面品質を悪化させる。表面品質の悪い製品は商品にならず、廃棄処分となる。従って、金型は摩耗しないことが重要であり、耐摩耗性を確保するため、金型には高硬度が求められる。
従来、硬質なガラス繊維を混入させたプラスチックの射出成形に使用される金型の硬度は45〜55HRCがメインである(加工性の観点から、上記よりも硬さの低い状態に調質して使う場合もある)。
In recent years, plastic products in which hard glass fibers are mixed to increase the strength have been increasing. In the injection molding of such plastic products, the wear of the mold becomes obvious. As the mold wears, it is transferred to the product and degrades the surface quality of the product. Products with poor surface quality are not commodities and are discarded. Therefore, it is important that the mold does not wear, and the mold is required to have high hardness in order to ensure wear resistance.
Conventionally, the hardness of a mold used for injection molding of plastic mixed with hard glass fibers is mainly 45 to 55 HRC (from the viewpoint of workability, the hardness is tempered to a lower hardness than the above. Sometimes used).
プラスチック製品を成形する金型にあっては、一般にその内部に温度調整用の流路を設け、その流路に冷水・温水・蒸気などを流して金型の温度調節を行う。しかし耐食性の低い金型では流路が錆びで狭くなり、所定の流量(冷水・温水・蒸気など)を確保できなくなって温度調節に支障をきたすことになる。更に錆びが進行した場合には流路が錆びで詰まってしまい、流路が用をなさなくなってしまう。また、耐食性の低い金型では錆びの部分を起点として亀裂が発生し、その進展によって金型が割れたり、意匠面に貫通した亀裂から冷水・温水・蒸気などが漏れて樹脂製品に悪影響を及ぼすことがある。このような理由から金型には高耐食性が求められる。 In general, a mold for molding a plastic product is provided with a temperature adjusting flow path therein, and cold water, hot water, steam, or the like is supplied to the flow path to adjust the temperature of the mold. However, in a mold having low corrosion resistance, the flow path becomes narrow due to rust, and it becomes impossible to secure a predetermined flow rate (cold water, hot water, steam, etc.), which hinders temperature control. Furthermore, when rust progresses, the flow path is clogged with rust, and the flow path becomes useless. In addition, molds with low corrosion resistance have cracks starting from the rusted part, and the cracks are caused by the progress of the mold, or cold water, hot water, steam, etc. leak from the cracks that penetrate the design surface, which adversely affects resin products. Sometimes. For this reason, the mold is required to have high corrosion resistance.
プラスチック射出成形用の、硬度と耐食性が要求される金型(金型の一部を構成する部品も含む)は一般に、溶解→精錬→鋳造→均質化熱処理→熱間加工→中間熱処理→焼鈍→機械加工1(粗加工)→焼入れ→焼戻し→機械加工2(仕上げ加工)→鏡面研磨あるいはシボ加工の工程を経て製造する。
また必要に応じて表面改質(PVD、CVD、窒化、ショットブラスト、ショットピーニングなど)を適用する場合もある。
Molds that require hardness and corrosion resistance for plastic injection molding (including parts that constitute part of the mold) are generally melting → refining → casting → homogenization heat treatment → hot working → intermediate heat treatment → annealing → Manufactured through a process of machining 1 (rough machining) → quenching → tempering → machining 2 (finishing) → mirror polishing or embossing.
Further, surface modification (PVD, CVD, nitriding, shot blasting, shot peening, etc.) may be applied as necessary.
この製造工程において金型用鋼は、(1)焼鈍性が良いこと、(2)中間熱処理で粒界炭化物を析出しないこと、(3)焼入れ時にパーライトが析出しないこと、が求められる。
焼鈍性が悪い場合、軟質化のために複雑で長時間に亘る焼鈍条件が必要となり、素材コストの上昇を招く。従って金型用鋼には、簡単な熱処理で上記機械加工1が可能な状態にまで軟質化する「焼鈍性の良さ」が求められる。
In this manufacturing process, the mold steel is required to be (1) good annealing, (2) no precipitation of grain boundary carbides during intermediate heat treatment, and (3) no pearlite precipitation during quenching.
When the annealing property is poor, complicated and long annealing conditions are required for softening, which leads to an increase in material cost. Accordingly, the mold steel is required to have “good annealing” that is softened to a state where the machining 1 can be performed by a simple heat treatment.
上記製造工程では中間熱処理として通常、焼きならし及び焼戻しを行う。
この焼きならし及び焼戻しでは、熱間加工で生じた粗大な粒界炭化物(熱間加工後の冷却速度が小さいため析出してしまう)を溶かすことができるが、場合によっては粗大な粒界炭化物を十分に解消できず、また、焼きならしによって新たに粒界炭化物が(焼きならし後の冷却速度が小さいため)析出してしまう。
このようにして生じた粒界炭化物は、後続する熱処理(焼鈍、焼入れ、焼戻し)で解消することができない。
また同様に焼入れでパーライトが析出した場合、そのパーライトもその後の焼戻しで解消することができない。
一般にプラスチック製品の表面は滑らかであることが求められるが、上記のようにして生じた粒界炭化物やパーライトは、マトリックスに分散する異物となり、鏡面研磨によって均一で滑らかな表面を得る際の障害となる。
また粒界炭化物やパーライトは、金型使用中での繰り返し応力による破壊の起点にもなる。
従ってプラスチック射出成形用の金型用鋼においては、「粒界炭化物やパーライトの析出し難さ」が求められる。
In the above manufacturing process, normalizing and tempering are usually performed as an intermediate heat treatment.
In this normalization and tempering, coarse grain boundary carbides generated by hot working (which precipitate due to a low cooling rate after hot working) can be dissolved, but in some cases coarse grain boundary carbides In addition, the grain boundary carbides are newly precipitated by normalization (because the cooling rate after normalization is small).
The grain boundary carbide generated in this way cannot be eliminated by the subsequent heat treatment (annealing, quenching, tempering).
Similarly, when pearlite is precipitated by quenching, the pearlite cannot be eliminated by subsequent tempering.
In general, the surface of plastic products is required to be smooth, but the grain boundary carbides and pearlite generated as described above become foreign substances dispersed in the matrix, which is an obstacle to obtaining a uniform and smooth surface by mirror polishing. Become.
Grain boundary carbides and pearlite also serve as starting points for fracture due to repeated stresses during use of the mold.
Accordingly, in mold steel for plastic injection molding, “difficult to precipitate grain boundary carbide and pearlite” is required.
従来、硬度と耐食性が要求される金型や部品には、JIS SUS420J2が多用される。その成分は、0.4C−0.9Si−0.4Mn−0.2Ni−13Cr−0.015Nである。このSUS420J2は上記(1)焼鈍性が良いことの条件を満たし、850〜950℃から30℃/Hrで650℃まで冷却し以降は放冷、という簡単な焼鈍処理をするだけで87〜96HRBに軟質化する。
しかしながら、SUS420J2は上記(2)(3)の条件を満たさない。
即ち、中間熱処理で場合によっては顕著な粒界炭化物を生じ、鏡面研磨性を阻害する。
また、SUS420J2は焼入れ温度の1030℃から50℃/minという高速で焼入れ冷却してもパーライトが析出する。
一般に金型内部の焼入れ冷却速度は、パーライトが析出する550〜850℃の温度域で、10〜40℃/minであることから、SUS420J2の金型内部ではパーライトの析出が不可避である。
このようにして生じたパーライトもまた鏡面研磨性を阻害する。加えて析出したパーライトが起点となり金型使用中に破壊の危険性が高まる。
Conventionally, JIS SUS420J2 is frequently used for molds and parts that require hardness and corrosion resistance. The component is 0.4C-0.9Si-0.4Mn-0.2Ni-13Cr-0.015N. This SUS420J2 satisfies the condition of (1) good annealing property, and it is cooled to 650 ° C. from 850 to 950 ° C. to 30 ° C./Hr and then left to cool to 87 to 96HRB. Soften.
However, SUS420J2 does not satisfy the above conditions (2) and (3).
That is, in some cases, a remarkable grain boundary carbide is generated in the intermediate heat treatment, and the mirror polishability is hindered.
In addition, SUS420J2 precipitates pearlite even when quenched and cooled at a quenching temperature of 1030 ° C. to 50 ° C./min.
In general, the quenching cooling rate inside the mold is 10 to 40 ° C./min in the temperature range of 550 to 850 ° C. where pearlite is precipitated, and therefore pearlite is inevitably deposited inside the SUS420J2 mold.
The pearlite produced in this way also impairs the mirror polishability. In addition, the precipitated pearlite serves as a starting point, increasing the risk of breakage during use of the mold.
以上のように、プラスチックを射出成形する金型には、高硬度と高耐食性のほかに(1)優れた焼鈍性や、(2)中間熱処理で粒界炭化物を析出しないこと、(3)焼入れ時にパーライトが析出しないこと、の特性が求められるが、従来これらの特性を満たす金型用鋼及び金型は提供されていない。 As described above, in addition to high hardness and high corrosion resistance, the mold for plastic injection molding has (1) excellent annealing, (2) no precipitation of grain boundary carbides during intermediate heat treatment, and (3) quenching. The property that pearlite does not precipitate is sometimes required, but conventionally, steel for molds and molds satisfying these properties have not been provided.
尚、本発明の範囲である10.5〜12.5Crを含む鋼が、下記の特許文献1から特許文献7に開示されている。しかしながら以下に示すように、これらの鋼はいずれもプラスチックの射出成形金型用鋼ではなく、本発明とは用途が異なっている。また、必須元素や着目する特性も異なっている。 In addition, the steel containing 10.5-12.5Cr which is the range of this invention is disclosed by the following patent document 1-patent document 7. FIG. However, as shown below, these steels are not plastic injection mold steels, and have different uses from the present invention. In addition, essential elements and characteristics of interest are also different.
特許文献1には40〜47HRCの快削工具鋼が開示されている。しかしながら特許文献1に記載のものは、高硬度,高耐食性のプラスチックの射出成形金型としての言及がなく、また快削化のためSを必須添加としている点、硬さレベルが本発明より低い点で本発明とは異なっている。仮にこの鋼をプラスチックの射出成形金型に適用すれば、快削成分の影響で所定の鏡面性を確保できないこと、耐磨耗性に劣ること、が容易に推定される。
また、Crを7.05〜15.0%の範囲で含有した実施例は開示されておらず、同範囲内でCrを含有することの効果が証明されていない。焼鈍性や粒界炭化物及びパーライトの析出についての着眼もない。
Patent Document 1 discloses 40 to 47 HRC free cutting tool steel. However, the material described in Patent Document 1 is not mentioned as an injection mold for plastics with high hardness and high corrosion resistance, and S is an essential addition for free cutting, and the hardness level is lower than that of the present invention. This is different from the present invention. If this steel is applied to a plastic injection mold, it is easily estimated that a predetermined mirror property cannot be secured due to the influence of free cutting components and that the wear resistance is inferior.
Moreover, the Example which contained Cr in the range of 7.05 to 15.0% is not disclosed, and the effect of containing Cr within the same range is not proved. There is no focus on annealing and precipitation of grain boundary carbides and pearlite.
特許文献2には45〜63HRCの快削工具鋼が開示されている。しかしながら特許文献2に記載のものも、高硬度,高耐食性のプラスチックの射出成形金型としての言及がなく、快削化のためSを必須添加としている点で本発明とは異なっている。仮にこの鋼をプラスチックの射出成形金型に適用すれば、快削成分の影響で所定の鏡面性を確保できないこと、が容易に推定される。焼鈍性や粒界炭化物及びパーライトの析出についての着眼もない。
特許文献3には熱間加工用合金鋼が開示されている。しかしながら特許文献3に記載のものも、高硬度,高耐食性のプラスチックの射出成形金型としての言及がなく、基本成分がCとSiとREMとNの場合もあり、これでは焼きが入らないうえ耐食性も得られないことが容易に推定される。また、選択元素としてのCrについては、2.5〜13.0Crの範囲内の実施例の開示がなく、同範囲内でCrを含有することの効果が実施例で証明されていない。焼鈍性や粒界炭化物及びパーライトの析出についての着眼もない。 Patent Document 3 discloses an alloy steel for hot working. However, the one described in Patent Document 3 is not mentioned as an injection mold for plastics with high hardness and high corrosion resistance, and there are cases where the basic components are C, Si, REM, and N. It is easily estimated that corrosion resistance is not obtained. Moreover, about Cr as a selection element, there is no indication of the Example in the range of 2.5-13.0Cr, and the effect of containing Cr within the same range is not proved by the Example. There is no focus on annealing and precipitation of grain boundary carbides and pearlite.
特許文献4には炭化物の面積率が5.5〜30%で溶損性に優れたダイカスト金型用鋼が開示されている。しかしながら特許文献4に記載のものは、Niが必須ではなく、添加されても0.2%(実施例)と低く、高Niの効果が証明されていない点、Mo+0.5Wは必須だが最低でも1.95%(実施例)と多く、低Moの効果が証明されていない点で本発明と異なっている。また、多量の炭化物を形成させるためCが非常に多い。プラスチックの射出成形金型に適用すれば、炭化物の影響で鏡面性や耐食性の低下、炭化物を起点にした破壊が起こると容易に推定される。焼鈍性や粒界炭化物及びパーライトの析出についての着眼もない。
特許文献5にはバネ用の直径4.5〜20mmの鋼線が開示されている。しかしながら特許文献5に記載のものは、プラスチックの射出成形金型としての言及がなく、またVが必須でない点で本発明とは異なっている。
Vは選択添加された場合でも0.5%(実施例)と多く、低Vの効果が証明されていない。当然ながら直径4.5〜20mmの鋼線では金型に適用することはできない。焼鈍性や粒界炭化物及びパーライトの析出についての着眼もない。
Even when V is selectively added, it is as high as 0.5% (Example), and the effect of low V has not been proved. Of course, a steel wire having a diameter of 4.5 to 20 mm cannot be applied to a mold. There is no focus on annealing and precipitation of grain boundary carbides and pearlite.
特許文献6及び特許文献7では油井用ステンレス鋼管が開示されている。これら特許文献に記載のものは、プラスチックの射出成形金型としての言及がない点、Ni,Mo,Vが必須でない点で本発明とは異なっている。また、Siは0.31%(実施例)以下と低く、高Siの効果が証明されていない。選択添加のNiは最低でも1.63%(実施例)と高く、低Niの効果が証明されていない。選択添加のMoは最低でも0.75%(実施例)と高く、低Moの効果が証明されていない。当然ながら鋼管では金型に適用することはできない。焼鈍性や粒界炭化物及びパーライトの析出についての着眼もない。 Patent Documents 6 and 7 disclose stainless steel pipes for oil wells. Those described in these patent documents are different from the present invention in that there is no mention as a plastic injection mold and Ni, Mo, and V are not essential. Moreover, Si is as low as 0.31% (Example) or less, and the effect of high Si has not been proved. The selectively added Ni is as high as 1.63% (Example) at the minimum, and the effect of low Ni has not been proved. The selectively added Mo is as high as at least 0.75% (Example), and the effect of low Mo has not been proved. Of course, steel pipes cannot be applied to molds. There is no focus on annealing and precipitation of grain boundary carbides and pearlite.
一方、プラスチックの射出成形金型用の高Cr鋼については下記の特許文献8及び特許文献9に開示されている。しかしながらこれら特許文献に記載のものは、Cr添加量が12.5%以上と高く、本発明とは異なっている。
On the other hand, high Cr steel for plastic injection molds is disclosed in
また、Crの添加量が本発明と重複するプラスチックの射出成形金型用鋼については、特許文献10に開示されている。しかしながら本発明は、この特許文献10の実施例として開示の無いSi・Mn・Ni・Moの成分範囲を対象としており、この特許文献に開示の技術には無い効果を見出している。
本発明は以上のような事情を背景とし、高硬度,高耐食性を確保したうえで、更に良好な焼鈍性,粒界炭化物の析出し難さ,パーライトの析出し難さ、を備えた金型用鋼及び金型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 is based on the circumstances as described above, and after securing high hardness and high corrosion resistance, a mold having better annealing, difficulty in precipitation of grain boundary carbides, and difficulty in precipitation of pearlite. It was made for the purpose of providing steel and molds.
而して請求項1のものは、金型用鋼に関するもので、質量%で0.200<C<0.380,0.40<Si<1.50,0.50<Mn<1.50,0.40<Ni<1.40,10.50<Cr<12.50,0.01<Mo<0.29,0.002<V<0.32,0.001<N<0.200,0.230<C+N<0.460を含有し、残部が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。 Accordingly, the first aspect relates to a mold steel, and is 0.200 <C <0.380, 0.40 <Si <1.50, 0.50 <Mn <1.50 in mass%. , 0.40 <Ni <1.40, 10.50 <Cr <12.50, 0.01 <Mo <0.29, 0.002 <V <0.32, 0.001 <N <0.200 0.230 <C + N <0.460, with the balance having the composition of Fe and inevitable impurities.
尚、通常、金型用鋼において、下記に示す成分が下記範囲で不可避的不純物として含まれ得る。
P≦0.05,S≦0.003,Cu≦0.30,Al≦0.10,W≦0.10,O≦0.01,Co≦0.10,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,REM≦0.10などである。
Normally, in the steel for molds, the following components can be included as inevitable impurities within the following ranges.
P ≦ 0.05, S ≦ 0.003, Cu ≦ 0.30, Al ≦ 0.10, W ≦ 0.10, O ≦ 0.01, Co ≦ 0.10, 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, REM ≦ 0.10, and the like.
請求項2のものは、請求項1において、質量%で0.10<W≦5.00,0.10<Co≦4.00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, in the first aspect of the present invention, at least one of 0.10 <W ≦ 5.00 and 0.10 <Co ≦ 4.00 is further contained 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, 0.004 <Nb ≦ 0.100, 0.004 <Ta ≦ 0.100, 0.004 <Ti ≦ 0.100 in mass%. It further contains at least one of 0.004 <Zr ≦ 0.100.
請求項4のものは、請求項1〜3の何れかにおいて、質量%で0.10<Al<1.20を更に含有することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the composition further contains 0.10 <Al <1.20 in mass%.
請求項5のものは、請求項1〜4の何れかにおいて、質量%で0.30<Cu≦3.0を更に含有することを特徴とする。 A fifth aspect of the present invention is characterized in that in any one of the first to fourth aspects, 0.30 <Cu ≦ 3.0 is further contained in mass%.
請求項6のものは、請求項1〜5の何れかにおいて、質量%で0.0001<B≦0.0050を更に含有することを特徴とする。 A sixth aspect of the present invention is characterized in that in any one of the first to fifth aspects, 0.0001 <B ≦ 0.0050 is further contained in mass%.
請求項7のものは、請求項1〜6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≦0.50,0.03<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。 In a seventh aspect of the present invention, in any one of the first to sixth aspects, 0.003 <S ≦ 0.050, 0.0005 <Ca ≦ 0.2000, 0.03 <Se ≦ 0.50 in mass%. It further contains at least one of 0.005 <Te ≦ 0.100, 0.01 <Bi ≦ 0.50, 0.03 <Pb ≦ 0.50.
請求項8のものは、金型に関するものであって、請求項1〜7の何れかに記載の鋼から成ることを特徴とする。
尚本発明において、「金型」には金型本体はもとより、これに組み付けられて使用されるピン等の金型部品も含まれる。更に、本発明の鋼からなる金型で、表面処理が施されたものも含まれる。
An eighth aspect of the present invention relates to a mold, and is made of the steel according to any one of the first to seventh aspects.
In the present invention, the “mold” includes not only the mold body but also mold parts such as pins that are assembled and used. Furthermore, the metal mold | die which consists of steel of this invention and the surface-treated thing is contained.
以上のような本発明は、SUS420J2に対して低C化、低Cr化、高Mn化、高Ni化及びMo添加を行い、粒界炭化物及びパーライトの析出を抑制した点を特徴としたものである。
かかる本発明によれば、硬度,耐食性,焼鈍性をSUS420J2並みに確保したうえで、粒界炭化物及びパーライトの析出を抑制することができる。
SUS420J2において、析出する炭化物はCr系炭化物であることから、炭化物の析出を抑制するためにはCrの低量化が有効であるが、反面、Crを過度に減らすと耐食性や焼鈍性が悪化してしまう。
そこで本発明では、Crを過度に減らすことなく10.50<Cr<12.50とし、このCr量の下でMn,Ni,Moを適量添加することで、良好な焼鈍性を確保しつつ粒界炭化物及びパーライトの析出を抑制した。
The present invention as described above is characterized in that SUS420J2 is reduced in C, reduced in Cr, increased in Mn, increased in Ni and added with Mo to suppress precipitation of grain boundary carbides and pearlite. is there.
According to the present invention, it is possible to suppress precipitation of grain boundary carbides and pearlite while ensuring hardness, corrosion resistance, and annealing properties as in SUS420J2.
In SUS420J2, since the precipitated carbide is Cr-based carbide, it is effective to reduce Cr in order to suppress the precipitation of carbide, but on the other hand, if Cr is excessively reduced, the corrosion resistance and annealing properties deteriorate. End up.
Therefore, in the present invention, 10.50 <Cr <12.50 is set without excessively reducing Cr, and by adding an appropriate amount of Mn, Ni, and Mo under this Cr amount, the grains can be obtained while ensuring good annealing. Sedimentation of boundary carbide and pearlite was suppressed.
本発明では、低C化による硬度低下を補うため、高N化した。更にMo添加によりMoの2次硬化で硬度を補う効果をもたせた。
またSUS420J2並みの焼鈍性は、Mn,Ni,Moを過度に高めないことで確保し、SUS420J2並みの耐食性は、低C化と、Crについては過度に減らさないことで確保した。
本発明では、更に、焼入れ時にオーステナイト粒界を炭化物でピン止めし、微細な結晶粒を維持するためにVを添加した。CとCrを低減したことによる焼入れ時のCr系炭化物の減少をV系炭化物で補うためである。尚、焼入れ時に固溶する一部のVは2次硬化によって硬度を補う効果を発揮する。
In the present invention, the N content is increased to compensate for the decrease in hardness due to the lower C content. Furthermore, the effect of supplementing the hardness was obtained by the secondary hardening of Mo by adding Mo.
Moreover, the annealing property comparable to SUS420J2 was ensured by not excessively increasing Mn, Ni, and Mo, and the corrosion resistance comparable to SUS420J2 was ensured by low C and not excessively reducing Cr.
In the present invention, V is further added to pin the austenite grain boundaries with carbides during quenching and maintain fine crystal grains. This is to compensate for the decrease in Cr-based carbides during quenching due to the reduction of C and Cr with V-based carbides. In addition, a part of V that dissolves during quenching exhibits the effect of supplementing the hardness by secondary curing.
以上の本発明は、特にプラスチックの射出成形金型用鋼や射出成形を含むゴム成形金型用鋼として適したものであるが、鋼板の冷間プレス成形金型,鋼板のホットスタンプ金型,薬剤の粉末を錠剤に固める打錠杵金型等の金型用鋼としても好適なものである。 The present invention as described above is particularly suitable as a steel for plastic injection molds and steels for rubber molds including injection molding, and is a cold press mold for steel sheets, a hot stamp mold for steel sheets, It is also suitable as a steel for molds such as a tableting mold for solidifying drug powder into tablets.
次に本発明における各化学成分の限定理由を以下に説明する。
「請求項1の化学成分について」
0.200<C<0.380
C≦0.200では、高い耐摩耗性の確保に必要な高硬度(45HRC以上)を安定して得にくい。0.380≦Cでは、耐食性や溶接性が低下する。また0.380≦Cでは粒界炭化物やパーライトが析出し易くなる。
好適なCの範囲は、諸特性のバランスに優れた0.205<C<0.370であり、より好ましくは0.210<C<0.360である。
Next, the reasons for limiting each chemical component in the present invention will be described below.
“Chemical composition of claim 1”
0.200 <C <0.380
When C ≦ 0.200, it is difficult to stably obtain high hardness (45 HRC or more) necessary for ensuring high wear resistance. In 0.380 <= C, corrosion resistance and weldability will fall. Further, when 0.380 ≦ C, grain boundary carbides and pearlite are likely to precipitate.
A preferable range of C is 0.205 <C <0.370, which is excellent in the balance of characteristics, and more preferably 0.210 <C <0.360.
0.40<Si<1.50
Si≦0.40では機械加工時の被削性が劣化する。またSi≦0.40では高い耐摩耗性の確保に必要な高硬度(45HRC以上)を得にくい。低Si化によって焼鈍状態の金属組織における炭化物分布のムラが大きくなるという不都合もある。
一方、1.50≦Siでは熱伝導率の低下が大きい。射出成形の生産性を高めるには金型内に射出されたプラスチックの固化時間を短くする必要がある。しかしながら金型の熱伝導率が低下すれば固化時間は長くなり生産性が低下してしまう。
加えて1.50≦Siでは粒界炭化物やパーライトが析出しやすくなる。またデルタフェライトも生じやすい。デルタフェライトが残存すると、鏡面研磨性に悪影響を及ぼし、金型の破壊の起点となる恐れもある。デルタフェライトは高温になるほど析出しやすくなるため、高Cr高Si鋼はデルタフェライトを避けるために低温での均質化熱処理や熱間加工をせざるを得ず、低温度化によって偏析の軽減が困難となり、鏡面研磨性やシボ加工性に悪影響を及ぼす。
好適なSiの範囲は、これらの特性のバランスに優れた0.55<Si<1.35であり、より好ましくは0.83<Si<1.25である。
0.40 <Si <1.50
When Si ≦ 0.40, the machinability during machining deteriorates. Further, when Si ≦ 0.40, it is difficult to obtain a high hardness (45 HRC or more) necessary for ensuring high wear resistance. There is also an inconvenience that unevenness of carbide distribution in the annealed metal structure becomes large due to low Si.
On the other hand, when 1.50 ≦ Si, the thermal conductivity is greatly reduced. In order to increase the productivity of injection molding, it is necessary to shorten the solidification time of the plastic injected into the mold. However, if the thermal conductivity of the mold decreases, the solidification time becomes longer and the productivity decreases.
In addition, when 1.50 ≦ Si, grain boundary carbides and pearlite are likely to precipitate. Delta ferrite is also likely to occur. If the delta ferrite remains, it will adversely affect the mirror polishability and may be a starting point for mold destruction. Delta ferrite tends to precipitate at higher temperatures, so high Cr high Si steels must be homogenized and hot worked at low temperatures to avoid delta ferrite, and it is difficult to reduce segregation by lowering the temperature. This adversely affects mirror polishability and texture processing.
A preferable Si range is 0.55 <Si <1.35, which is excellent in the balance of these characteristics, and more preferably 0.83 <Si <1.25.
図1は切削性に及ぼすSi量の影響を示す。
0.33C−0.93Mn−0.93Ni−12.3Cr−0.12Mo−0.12V−0.020Nを基本成分とし、Si量を変化させた素材を、機械加工し、加工工具が磨耗によって寿命となるまでの切削距離を評価した。切削距離が大きいほど、素材の切削性が良く好ましい。
図1で示すように、切削性はSiの増加につれて向上し、特に0.40<Siでの改善が顕著である。そこで本発明では0.4<Siと規定した。
FIG. 1 shows the influence of Si content on machinability.
0.33C-0.93Mn-0.93Ni-12.3Cr-0.12Mo-0.20V-0.020N as a basic component, material with varying Si content is machined, and the processing tool is worn The cutting distance until the end of life was evaluated. The larger the cutting distance, the better the material machinability.
As shown in FIG. 1, the machinability is improved with an increase in Si, and the improvement is particularly remarkable when 0.40 <Si. Therefore, in the present invention, 0.4 <Si is specified.
0.50<Mn<1.50
Mn≦0.50ではオーステナイトを安定化して粒界炭化物やパーライトの析出を抑制する効果が小さい。
一方、1.50≦Mnでは焼鈍性が悪化する。また1.50≦Mnでは熱伝導率の低下も大きい。
好適なMnの範囲は、諸特性のバランスに優れた0.55<Mn<1.30であり、より好ましくは0.83<Mn<1.20である。
オーステナイトの安定化(粒界炭化物やパーライトの析出抑制)に対しては、高Cr鋼の場合Ni添加が非常に効果的である。ただしNiの多量添加は著しいコスト上昇を招く。そこでNiと同様にオーステナイトを安定化する元素で、且つ安価なMnを利用することで、素材コストの上昇を抑制している。
0.50 <Mn <1.50
When Mn ≦ 0.50, the effect of stabilizing austenite and suppressing precipitation of grain boundary carbides and pearlite is small.
On the other hand, if 1.50 ≦ Mn, the annealability deteriorates. Further, when 1.50 ≦ Mn, the thermal conductivity is greatly reduced.
A preferable range of Mn is 0.55 <Mn <1.30, which is excellent in the balance of various properties, and more preferably 0.83 <Mn <1.20.
For the stabilization of austenite (suppression of precipitation of grain boundary carbides and pearlite), Ni addition is very effective in the case of high Cr steel. However, a large amount of Ni causes a significant cost increase. Therefore, an increase in material cost is suppressed by using Mn, which is an element that stabilizes austenite as in Ni and is inexpensive.
図2はパーライト析出の臨界冷却速度に及ぼすMn量の影響を示す。
0.33C−0.93Si−0.71Ni−12.3Cr−0.23Mo−0.22V−0.021Nを基本成分として、Mn量を変化させた素材に対して、1030℃からの冷却速度を変化させた時、パーライトが析出しなくなる最低の冷却速度を評価した。臨界冷却速度が小さいほど、パーライトが析出し難く好ましい。
図2で示すように、臨界冷却速度はMnの増加につれて低下し、0.50Mnで10℃/minとなる。一般に金型内部の焼入れ速度は、パーライトが析出する550〜850℃の温度域で10〜40℃/minであることから、パーライト析出の臨界冷却速度が10℃/minであれば、実際の金型の焼入れでもパーライトを生じる危険性は非常に少なくなる。そこで本発明では0.50<Mnと規定した。
FIG. 2 shows the influence of the amount of Mn on the critical cooling rate of pearlite precipitation.
0.33C-0.93Si-0.71Ni-12.3Cr-0.23Mo-0.22V-0.021N as a basic component, the cooling rate from 1030 ° C. is applied to the material whose amount of Mn is changed. When the temperature was changed, the lowest cooling rate at which perlite did not precipitate was evaluated. The smaller the critical cooling rate, the more preferable it is because pearlite is less likely to precipitate.
As shown in FIG. 2, the critical cooling rate decreases as Mn increases and reaches 10 ° C./min at 0.50 Mn. In general, the quenching speed inside the mold is 10 to 40 ° C./min in the temperature range of 550 to 850 ° C. where pearlite precipitates. Therefore, if the critical cooling rate of pearlite deposition is 10 ° C./min, the actual mold There is very little risk of pearlite formation even when the mold is quenched. Therefore, in the present invention, 0.50 <Mn is specified.
0.40<Ni<1.40
Ni≦0.40ではオーステナイトを安定化して粒界炭化物やパーライトの析出を抑制する効果が小さい。またデルタフェライトを抑制する効果も小さい。
一方、1.40≦Niでは焼鈍性が悪化する。また熱伝導率の低下も大きい。
好適なNiの範囲は、諸特性のバランスに優れた0.60<Ni<1.20であり、より好ましくは0.85<Ni<1.08である。
0.40 <Ni <1.40
When Ni ≦ 0.40, the effect of stabilizing austenite and suppressing precipitation of grain boundary carbides and pearlite is small. Also, the effect of suppressing delta ferrite is small.
On the other hand, if 1.40 ≦ Ni, the annealability deteriorates. In addition, the thermal conductivity is greatly reduced.
A preferable Ni range is 0.60 <Ni <1.20, which is excellent in the balance of various characteristics, and more preferably 0.85 <Ni <1.08.
図3はパーライト析出の臨界冷却速度に及ぼすNi量の影響を示す。
0.33C−0.94Si−1.01Mn−12.3Cr−0.23Mo−0.22V−0.021Nを基本成分として、Ni量を変化させた素材に対して、1030℃からの冷却速度を変化させた時、パーライトが析出しなくなる最低の冷却速度を評価した。
図3で示すように、臨界冷却速度はNiの増加につれて低下し、0.40Niで10℃/minとなる。そこで本発明では0.40<Niと規定した。
FIG. 3 shows the effect of Ni content on the critical cooling rate of pearlite precipitation.
0.33C-0.94Si-1.01Mn-12.3Cr-0.23Mo-0.22V-0.021N as a basic component, the cooling rate from 1030 ° C. is applied to the material in which the amount of Ni is changed. When the temperature was changed, the lowest cooling rate at which perlite did not precipitate was evaluated.
As shown in FIG. 3, the critical cooling rate decreases with an increase in Ni and becomes 10 ° C./min at 0.40 Ni. Therefore, in the present invention, 0.40 <Ni is specified.
10.50<Cr<12.50
Cr≦10.50では耐食性が悪化する。またCr≦10.50では焼鈍性も悪化する。
一方、12.50≦Crでは粒界炭化物やパーライトが析出しやすくなり、鏡面研磨性が悪化する。またデルタフェライトも析出しやすくなる。
好適なCrの範囲は、諸特性のバランスに優れた10.75<Cr<12.48であり、より好ましくは11.00<Cr<12.46である。
10.50 <Cr <12.50
When Cr ≦ 10.50, the corrosion resistance deteriorates. On the other hand, when Cr ≦ 10.50, the annealability is also deteriorated.
On the other hand, when 12.50 ≦ Cr, grain boundary carbides and pearlite are likely to precipitate, and the mirror polishability deteriorates. Also, delta ferrite is likely to precipitate.
A preferable Cr range is 10.75 <Cr <12.48, which is excellent in the balance of various properties, and more preferably 11.00 <Cr <12.46.
0.01<Mo<0.29
Mo≦0.01では、パーライトの析出を抑制する効果に乏しい。また、Mo≦0.01では2次硬化の寄与がほとんどないため、高温で焼戻した場合に45HRC以上の硬度を安定して得ることが困難となる。
一方、0.29≦Moでは焼鈍性が悪化する。またデルタフェライトが析出しやすくなる。
好適なMoの範囲は、諸特性のバランスに優れた0.02<Mo<0.28であり、より好ましくは0.03<Mo<0.27である。
0.01 <Mo <0.29
When Mo ≦ 0.01, the effect of suppressing the precipitation of pearlite is poor. In addition, when Mo ≦ 0.01, there is almost no contribution of secondary curing, so that it is difficult to stably obtain a hardness of 45 HRC or higher when tempering at a high temperature.
On the other hand, if 0.29 ≦ Mo, the annealability deteriorates. Also, delta ferrite is likely to precipitate.
A preferable range of Mo is 0.02 <Mo <0.28, which is excellent in the balance of various characteristics, and more preferably 0.03 <Mo <0.27.
図4はデルタフェライト面積率に及ぼすMo量の影響を示す。
0.33C−1.04Si−0.56Mn−0.42Ni−12.4Cr−0.22V−0.011Nを基本成分として、Mo量を変化させた素材に対して、1030℃から急冷して焼きを入れ550℃で焼戻した組織のデルタフェライトの面積率を評価した。
図4で示すように、デルタフェライトはMoが少なくなると析出し難くなり、0.29Moで面積率がゼロになる。そこで本発明ではMo<0.29と規定した。
FIG. 4 shows the influence of the amount of Mo on the delta ferrite area ratio.
0.33C-1.04Si-0.56Mn-0.42Ni-12.4Cr-0.22V-0.011N The area ratio of delta ferrite of the structure tempered at 550 ° C. was evaluated.
As shown in FIG. 4, delta ferrite hardly precipitates when Mo is reduced, and the area ratio becomes zero at 0.29 Mo. Therefore, in the present invention, Mo <0.29 is specified.
0.002<V<0.32
V≦0.002では、焼入れ時に微細なオーステナイト結晶粒を維持する効果に乏しく、靭性の低下によって金型が使用中に破壊する危険性が高まる。またV≦0.002では2次硬化の寄与がほとんどないため、高温で焼戻した場合に45HRC以上を安定して得ることが困難となる。
一方、0.32≦Vでは微細結晶粒を維持する効果が飽和するだけでなくコスト増を招く。またVの窒化物が析出しやすくなり、かえって靭性を低下させる。さらにこの場合Nが高強度化に寄与しなくなるため、N添加の効果は非常に小さくなってしまう。
好適なVの範囲は、諸特性のバランスに優れた0.005<V<0.31であり、より好ましくは0.008<V<0.30である。
0.002 <V <0.32
When V ≦ 0.002, the effect of maintaining fine austenite crystal grains during quenching is poor, and the risk of the mold breaking during use due to a decrease in toughness increases. Further, when V ≦ 0.002, there is almost no contribution of secondary curing, so that it is difficult to stably obtain 45 HRC or more when tempering at a high temperature.
On the other hand, when 0.32 ≦ V, the effect of maintaining the fine crystal grains is saturated and the cost is increased. Further, the nitride of V is liable to precipitate, and on the contrary, the toughness is lowered. Further, in this case, since N does not contribute to the increase in strength, the effect of adding N becomes very small.
A preferable V range is 0.005 <V <0.31, which is excellent in the balance of various characteristics, and more preferably 0.008 <V <0.30.
0.001<N<0.200
N≦0.001では、硬度を高める効果に乏しく45HRC以上を安定して得ることが困難となる。また、NはV系炭化物の固溶温度に大きく影響し、低NであるほどV系炭化物は低温で固溶するため、N≦0.001では焼入れ時に微細なオーステナイト結晶粒を維持する効果にも乏しい。
0.200≦Nでは、高強度化や微細結晶粒を維持する効果が飽和する。また0.200≦NではN添加に要する精錬の時間とコストが増加し、素材コストの上昇を招く。更に0.200≦NではVの窒化物が析出しやすくなり靭性が低下する。
好適なNの範囲は、諸特性のバランスに優れた0.004<N<0.195であり、より好ましくは0.007<N<0.190である。
0.001 <N <0.200
When N ≦ 0.001, the effect of increasing the hardness is poor, and it is difficult to stably obtain 45 HRC or more. Further, N greatly affects the solid solution temperature of the V-based carbide, and the lower the N, the more the V-based carbide dissolves at a lower temperature. Therefore, when N ≦ 0.001, the effect of maintaining fine austenite crystal grains during quenching is achieved. Is also scarce.
When 0.200 ≦ N, the effects of increasing the strength and maintaining fine crystal grains are saturated. Further, when 0.200 ≦ N, the refining time and cost required for N addition increase, leading to an increase in material cost. Further, when 0.200 ≦ N, V nitride is liable to precipitate and the toughness is lowered.
A preferable range of N is 0.004 <N <0.195, which is excellent in the balance of various characteristics, and more preferably 0.007 <N <0.190.
0.230<C+N<0.460
C+N≦0.230では硬度を高める効果に乏しく、45HRC以上を安定して得ることが困難となる。また焼入れ時のV系炭化物が少なくなるため、微細なオーステナイト結晶粒を維持する効果にも乏しい。
一方、0.460≦C+Nでは、高強度化や微細結晶粒維持の効果が飽和する。また0.460≦C+NではN添加に要する精錬の時間とコストが増加し、素材コストの上昇を招く。特に0.200≦Nでは粗大なV系炭化物が増加するのに加え、Vの窒化物も析出しやすくなるため、靭性が低下する。
好適なC+Nの範囲は、諸特性のバランスに優れた0.235<C+N<0.450であり、より好ましくは0.240<C+N<0.445である。
0.230 <C + N <0.460
When C + N ≦ 0.230, the effect of increasing the hardness is poor, and it is difficult to stably obtain 45 HRC or more. Further, since V-based carbides during quenching are reduced, the effect of maintaining fine austenite crystal grains is poor.
On the other hand, when 0.460 ≦ C + N, the effects of increasing strength and maintaining fine crystal grains are saturated. If 0.460 ≦ C + N, the refining time and cost required for N addition increase, leading to an increase in material cost. In particular, when 0.200 ≦ N, coarse V-based carbides increase and V nitrides are also likely to precipitate, resulting in a decrease in toughness.
A preferable C + N range is 0.235 <C + N <0.450 which is excellent in the balance of various characteristics, and more preferably 0.240 <C + N <0.445.
「請求項2の化学成分について」
本発明鋼はCrを多く含有するため軟化抵抗が低く、焼戻し温度が高い場合には45HRC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、強度確保を図ればよい。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、
0.10<W≦5.00
0.10<Co≦4.00
の少なくとも1種(1元素)を含有させれば良い。
いずれの元素も、所定量を越えると特性の飽和と著しいコスト増を招く。
“Chemical composition of
Since the steel of the present invention contains a large amount of Cr, the softening resistance is low, and it is difficult to ensure 45 HRC when the tempering temperature is high. In such a case, W or Co may be selectively added to ensure strength. W increases strength by precipitation of carbides. Co increases the strength by solid solution in the base material, and at the same time contributes to precipitation hardening through a change in carbide form. In particular,
0.10 <W ≦ 5.00
0.10 <Co ≦ 4.00
It is sufficient to contain at least one kind (one element).
If any element exceeds a predetermined amount, saturation of characteristics and significant cost increase are caused.
「請求項3の化学成分について」
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種を含有させれば良い。
いずれの元素も、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 composition of claim 3”
If the quenching heating temperature becomes high or the quenching heating time becomes long due to unexpected equipment troubles, etc., there is a concern about deterioration of various characteristics due to coarsening of crystal grains. In such a case, Nb—Ta—Ti—Zr can be selectively added, and coarsening of austenite crystal grains can be suppressed by 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
What is necessary is just to contain at least 1 sort (s) of these.
When any element exceeds a predetermined amount, carbides, nitrides, and oxides are excessively generated, and the impact value and the mirror polishability are reduced.
「請求項4の化学成分について」
同様に、オーステナイト結晶粒の粗大化を抑制するため
0.10<Al<1.20
を含有させることが出来る。AlはNと結合してAlNを形成し、オーステナイト結晶粒界の移動(すなわち粒成長)を抑制する効果を有し、微細粒の維持に有効である。
また、Alは鋼中で窒化物を形成して析出強化に寄与するため、窒化処理された鋼材の表面硬さを高くする作用も有する。より高い耐摩耗性を求めて窒化処理をする金型には、Alを含む鋼材を使う事が有効である。
但し、Alが所定量を超えると、熱伝導率や靭性の低下を招く。
“Chemical component of
Similarly, in order to suppress the coarsening of the austenite crystal grains, 0.10 <Al <1.20
Can be contained. Al combines with N to form AlN, has the effect of suppressing the movement of austenite grain boundaries (ie, grain growth), and is effective in maintaining fine grains.
Moreover, since Al forms nitrides in steel and contributes to precipitation strengthening, it also has the effect of increasing the surface hardness of the nitriding steel. It is effective to use a steel material containing Al for a mold for nitriding for higher wear resistance.
However, when Al exceeds a predetermined amount, the thermal conductivity and toughness are reduced.
「請求項5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、Cu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、
0.30<Cu≦3.0
を含有させれば良い。Cuには時効析出で硬度を高める効果もある。Cuが所定量を越えると偏析が顕著となり、鏡面研磨性やシボ加工性の低下を招く。
“Chemical component of
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 a low cooling strength, Cu can be added to further improve the hardenability. In particular,
0.30 <Cu ≦ 3.0
May be contained. Cu also has the effect of increasing hardness by aging precipitation. When Cu exceeds a predetermined amount, segregation becomes prominent, leading to a decrease in specular polishing properties and embossing properties.
「請求項6の化学成分について」
焼入れ性の改善策として、Bの添加も有効である。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に掲げる元素が挙げられる。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に規定する範囲で添加する場合もある。Bが鋼中のNと結合してBNが形成されても、余剰のBが鋼中に単独で存在すればそれが焼入れ性を高める。
Bはまた被削性の改善にも有効である。被削性を改善する場合にはBNを形成させれば良い。BNは性質が黒鉛に類似しており、切削抵抗を下げると同時に切屑破砕性を改善する。尚、鋼中にBとBNがある場合には焼入れ性と被削性が同時に改善される。
“Chemical component of claim 6”
Addition of B is also effective as a measure for improving 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. Examples of such elements include the elements listed in claim 3. Even if the element of claim 3 is present at the impurity level, it has an effect of fixing N, but depending on the amount of N, it may be added within the range specified in claim 3. Even if B is combined with N in steel to form BN, if surplus B is present alone in the steel, it enhances hardenability.
B is also effective in improving machinability. In order to improve machinability, BN may be formed. BN is similar in nature to graphite and lowers cutting resistance while improving chip friability. In addition, when B and BN exist in steel, hardenability and machinability are improved at the same time.
「請求項7の化学成分について」
被削性の改善には、S−Ca−Se−Te−Bi−Pbを選択的に添加することも有効である。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≦0.50
0.03<Pb≦0.50
の少なくとも1種を含有させれば良い。
いずれの元素も、所定量を越えた場合は被削性の飽和と熱間加工性の劣化、衝撃値や鏡面研磨性の低下を招く。
“Chemical component of claim 7”
For improving the machinability, it is also effective to selectively add S-Ca-Se-Te-Bi-Pb. 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 ≦ 0.50
0.03 <Pb ≦ 0.50
What is necessary is just to contain at least 1 sort (s) of these.
If any element exceeds a predetermined amount, machinability is saturated, hot workability is deteriorated, impact value and specular polishing are deteriorated.
以上のような本発明によれば、硬度,耐食性,焼鈍性,粒界炭化物の析出し難さ,パーライトの析出し難さ,の各特性を全て満たし得る金型用鋼及び金型を提供することができる。 According to the present invention as described above, there are provided a mold steel and a mold that can satisfy all the characteristics of hardness, corrosion resistance, annealing, difficulty of precipitation of grain boundary carbides, and difficulty of precipitation of pearlite. be able to.
表1に示す20鋼種について、焼入れ焼戻し硬さ・耐食性・焼鈍性・粒界炭化物の析出し難さ・パーライトの析出し難さを評価する試験を行った。
尚、比較鋼の5鋼種は何れも硬度や耐食性を必要とする用途で使われるもので、比較鋼1はJIS SUS420J2、比較鋼2はJIS SUS403、比較鋼3はJIS SUH1、比較鋼4はJIS SUH600、比較鋼5は市中で販売されていた鋼である。
表1に示す20鋼種の素材は以下の手順で製造した。まず、溶鋼を50Kgのインゴットに鋳込んだ後、1240℃で均質化処理を施した。そして熱間鍛造によって60mm×45mmの矩形断面の棒状に仕上げた。引き続き1020℃に加熱して急冷する焼きならしと、670℃の加熱による焼戻しを施した。更に860℃あるいは930℃に加熱した後に30℃/Hrで徐冷して焼鈍した。この棒鋼から試験片を切出し、各種試験に用いた。
The 20 steel types shown in Table 1 were subjected to tests to evaluate the quenching and tempering hardness, corrosion resistance, annealing, difficulty of precipitation of grain boundary carbides, and difficulty of precipitation of pearlite.
The five types of comparative steels are used for applications that require hardness and corrosion resistance. Comparative steel 1 is JIS SUS420J2,
The materials of 20 steel types shown in Table 1 were manufactured by the following procedure. First, molten steel was cast into a 50 kg ingot, and then homogenized at 1240 ° C. And it was finished in the shape of a bar with a rectangular cross section of 60 mm × 45 mm by hot forging. Subsequently, normalizing by heating to 1020 ° C. and quenching and tempering by heating at 670 ° C. were performed. Furthermore, after heating to 860 degreeC or 930 degreeC, it annealed by annealing slowly at 30 degreeC / Hr. Test pieces were cut out from the steel bars and used for various tests.
<焼入れ焼戻し硬さ>
15mm×15mm×25mmのブロックを試験片とした。このブロックを1030℃に加熱して60分保持した後に100℃/minで急冷して焼きを入れた後、470〜520℃で2Hr焼戻した。この焼戻し温度の範囲において得られた最大硬さを評価した。焼入れ焼戻し硬さは耐摩耗性を確保するため45HRC以上であることが好ましい。
結果は表2に示す通りである。比較鋼2と比較鋼4は低Cであるため45HRC以上の硬度は得られないが、他の鋼種は全て45HRC以上である。即ち発明鋼については耐摩耗性の確保に必要な45HRC以上が得られている。尚、当然ながら焼戻し条件を調整すれば低硬度にすることも可能である。
<Hardening and tempering hardness>
A 15 mm × 15 mm × 25 mm block was used as a test piece. The block was heated to 1030 ° C. and held for 60 minutes, then rapidly cooled at 100 ° C./min and baked, and then tempered at 470 to 520 ° C. for 2 hours. The maximum hardness obtained in this tempering temperature range was evaluated. The quenching and tempering hardness is preferably 45 HRC or more in order to ensure wear resistance.
The results are as shown in Table 2. Since the
<耐食性>
試験片については上記焼入れ焼戻し硬さを評価したものを流用した。硬さ測定後の試験片を鏡面研磨し、湿度98%で50℃の環境に24Hr晒した後の発錆状況を写真撮影し、画像処理で錆びの面積率を評価した。錆びの面積率が1%以下であれば合格で「○」、錆びの面積率が1%を超えていれば不合格で「×」とした。
結果は表2に示す通りである。比較鋼3は高C低Crであるため耐食性が悪い。他の比較鋼と発明鋼は高Crであるため高い耐食性を有している。
表2に示す焼入れ焼戻し硬さ及び耐食性の結果から、発明鋼15鋼種と比較鋼1,比較鋼5が高硬度と高耐食性を併せ持つことを確認した。実際に金型を製造しても熱処理条件が適正であれば、これらの鋼種は高硬度と高耐食性を発揮すると考えられる。
<Corrosion resistance>
About the test piece, what evaluated the said quenching tempering hardness was diverted. The specimen after the hardness measurement was mirror-polished, the rusting state after being exposed to an environment of 98% humidity and 50 ° C. for 24 hours was photographed, and the area ratio of rust was evaluated by image processing. If the area ratio of rust was 1% or less, the test was “O”, and if the area ratio of rust was more than 1%, the test was rejected and “X”.
The results are as shown in Table 2. Since the comparative steel 3 is high C and low Cr, its corrosion resistance is poor. Other comparative steels and inventive steels have high corrosion resistance due to high Cr.
From the results of quenching and tempering hardness and corrosion resistance shown in Table 2, it was confirmed that the
<焼鈍性>
15mm×15mm×25mmのブロックを試験片とした。このブロックを860℃(比較鋼2・比較鋼3.比較鋼4)あるいは930℃(他の鋼種)に加熱して240分保持した後、30℃/Hrで650℃まで冷却し、以降は放冷とした。その後、試験片のHRB硬さを測定し、機械加工が容易に出来る硬さまで軟化しているかどうかを確認した。100HRB以下であれば合格で「○」、100HRBを超えていれば不合格で「×」とした。
結果は表3に示す通りである。比較鋼3と比較鋼5は、焼鈍後の硬さが100HRBを超えており軟化が十分でなく「×」である。比較鋼3は高Siのため固溶硬化の寄与が大きく焼鈍後においても高硬度となった。比較例5は高Niで焼入れ性が良いため、球状化炭化物とフェライトの組織にならず、ベイナイトとなったために高硬度となった。
比較鋼3と比較鋼5については、実際の金型製造時においても金型の粗加工で工具寿命が短くなる、あるいは加工効率が下がる可能性が高い。
これに対し発明鋼を含む他の鋼種については、焼鈍後の硬さが100HRB以下で、このような問題は生じないと考えられる。
<Annealing>
A 15 mm × 15 mm × 25 mm block was used as a test piece. The block was heated to 860 ° C. (
The results are as shown in Table 3. The comparative steel 3 and the
With regard to the comparative steel 3 and the
On the other hand, for other steel types including the inventive steel, the hardness after annealing is 100 HRB or less, and it is considered that such a problem does not occur.
<粒界炭化物の析出し難さ>
工場の製造工程を模擬した実験で評価した。15mm×15mm×25mmのブロックを試験片とし、このブロックに熱間加工と中間熱処理に準じた条件を与えた。
粒界炭化物が最も析出しやすい条件Aとして、1240℃の加熱と2℃/minの冷却を与え、焼きならしの模擬として1020℃の加熱と2℃/minの冷却を与え、100℃から焼戻しで670℃に加熱し、室温まで冷却した。
また粒界炭化物が最も析出し難い条件Bとして、1240℃の加熱と50℃/minの冷却を与え、焼きならしの模擬として1100℃の加熱と50℃/minの冷却を与え、250℃から焼戻しで670℃に加熱し、室温まで冷却した。
これら2水準の試験片の金属組織を撮影し、粒界炭化物の析出の程度を評価した。具体的には結晶粒界の長さの何%を炭化物が覆っているかを算出し、30%以下であれば粒界炭化物の析出が軽微であるとして合格で「○」、30%を超えていれば炭化物が目立つとして不合格で「×」とした。
<Difficulty of precipitation of grain boundary carbide>
This was evaluated by an experiment simulating the factory manufacturing process. A block of 15 mm × 15 mm × 25 mm was used as a test piece, and conditions according to hot working and intermediate heat treatment were given to this block.
As condition A where grain boundary carbides are most likely to precipitate, heating at 1240 ° C. and cooling at 2 ° C./min are given, and heating at 1020 ° C. and cooling at 2 ° C./min are given as simulation of normalization, and tempering from 100 ° C. To 670 ° C. and cooled to room temperature.
Further, as Condition B in which the grain boundary carbide hardly precipitates, heating at 1240 ° C. and cooling at 50 ° C./min are given, and heating at 1100 ° C. and cooling at 50 ° C./min are given as simulation of normalization. Heated to 670 ° C. by tempering and cooled to room temperature.
The metal structures of these two-level test pieces were photographed and the degree of precipitation of grain boundary carbides was evaluated. Specifically, it is calculated what percentage of the grain boundary length is covered by the carbide, and if it is 30% or less, the precipitation of the grain boundary carbide is considered to be slight, and “O” exceeds 30%. If this is the case, it will be rejected as “x” because the carbides will be conspicuous.
結果は表4に示す通りである。高Cの比較鋼1と比較鋼3は粒界にフィルム状あるいは点列状の炭化物が顕著に観察され「×」となっている。この傾向は高Crの比較鋼1で顕著である。
判定「×」の鋼は粒界炭化物が析出し難い条件Bにおいても相当量の炭化物が粒界に存在している。比較鋼1と比較鋼3は実際の金型の製造工程でも粒界炭化物が顕著になり、鏡面研磨性の悪化や、金型使用中での割れが懸念される。
一方、発明鋼を含む他の鋼種については、粒界炭化物が析出しやすい条件Aにおいても析出は軽微であり、実際の金型においても粒界炭化物の析出の程度は軽微であると判断される。即ち、鏡面研磨性の低下や割れの危険性も低いと考えられる。
The results are as shown in Table 4. In the high C comparative steel 1 and the comparative steel 3, film-like or point-sequence-like carbides are remarkably observed at the grain boundaries, and the result is “x”. This tendency is remarkable in the high Cr comparative steel 1.
In the steel of the judgment “x”, a considerable amount of carbide exists in the grain boundary even under the condition B in which the grain boundary carbide hardly precipitates. In comparative steel 1 and comparative steel 3, grain boundary carbides become conspicuous even in the actual mold manufacturing process, and there is concern about deterioration of mirror surface polishing and cracking during use of the mold.
On the other hand, for other steel types including the invention steel, the precipitation is slight even under the condition A where the grain boundary carbide is likely to precipitate, and the degree of precipitation of the grain boundary carbide is judged to be slight even in the actual mold. . That is, it is considered that the mirror polishability is lowered and the risk of cracking is low.
<パーライトの析出し難さ>
φ4mm×10mmに切り出したものを試験片とし、これを1030℃に加熱して60分保持した後、様々な冷却速度(9〜80℃/min)で室温まで冷却した。冷却後は試験片を切断して、断面の金属組織を400倍の倍率で観察し、パーライト析出の有無を確認した。パーライトが析出していなければ合格で「○」、わずかでも析出が認められれば不合格で「×」とした。
結果は表5に示す通りである。比較鋼1と比較鋼3は焼入れ冷却速度が小さい場合に「×」である。金型内部の焼入れ冷却速度は、パーライトが析出する550〜850℃の温度域で10〜40℃/minであることから、比較鋼1又は比較鋼3を用いた金型の内部ではパーライトの析出が不可避となり、鏡面研磨性が悪化する。また金型使用中の破壊の危険性も高まる。
一方、発明鋼を含む他の鋼種については、いずれの冷却速度でもパーライトの析出はなく、実際に金型を焼入れる場合においてもパーライトの析出は起こらないと判断できる。
<Difficult to deposit pearlite>
A specimen cut into φ4 mm × 10 mm was used as a test piece, heated to 1030 ° C. and held for 60 minutes, and then cooled to room temperature at various cooling rates (9 to 80 ° C./min). After cooling, the test piece was cut and the cross-sectional metal structure was observed at a magnification of 400 times to confirm the presence or absence of pearlite precipitation. If pearlite did not precipitate, it was accepted as “◯”, and even if slight precipitation was observed, it was rejected as “x”.
The results are as shown in Table 5. The comparative steel 1 and the comparative steel 3 are “x” when the quenching cooling rate is low. The quenching and cooling rate inside the mold is 10 to 40 ° C./min in the temperature range of 550 to 850 ° C. where pearlite is precipitated, so that pearlite is precipitated inside the mold using comparative steel 1 or comparative steel 3. Becomes inevitable, and the mirror polishability deteriorates. There is also an increased risk of destruction while the mold is in use.
On the other hand, with regard to other steel types including the inventive steel, it can be determined that pearlite does not precipitate at any cooling rate, and pearlite does not precipitate even when the mold is actually quenched.
表6は以上の評価結果をまとめたものである。
比較鋼2,比較鋼3,比較鋼4は高硬度と高耐食性という基本性能の何れかに難がある。
比較鋼1は特に大きな金型で粒界炭化物やパーライトが析出し易いと判断でき、鏡面研磨性の悪化や割れの危険性が増加する問題がある。
比較鋼5は焼鈍性に難があり、機械加工における工具寿命や生産性が低下する問題がある。このように何れの比較鋼にも少なくとも1項目に問題がある。
これに対し発明鋼15種は何れの項目にも問題はない。発明鋼は高硬度と高耐食性という基本性能を確保した上で、焼鈍性,粒界炭化物の析出し難さ,パーライトの析出し難さを具備している。従って実際の金型においても、高硬度と高耐食性に加え鏡面性の高さや割れ難さを発揮することが期待できる。
Table 6 summarizes the above evaluation results.
The
The comparative steel 1 can be judged to be easy to precipitate grain boundary carbides and pearlite in a particularly large mold, and there is a problem that the mirror polishability deteriorates and the risk of cracking increases.
The
On the other hand, the
以上本発明の実施形態を詳述したがこれはあくまで一例示である。
例えば本発明の鋼は表面ショットブラスト,窒化処理,PVD処理,CVD処理,メッキ処理その他の表面改質処理を施して使用することも有効である。
また粉末や板の積層造形による金型作成に使う粉末や板にも適用でき、棒線状として金型の本体や部品の溶接補修に使用することも可能である等、その趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。
Although the embodiment of the present invention has been described in detail above, this is merely an example.
For example, it is also effective to use the steel of the present invention after being subjected to surface shot blasting, nitriding treatment, PVD treatment, CVD treatment, plating treatment or other surface modification treatment.
It can also be applied to powders and plates used to make molds by additive molding of powders and plates, and can be used for repairing welding of die bodies and parts as rods, etc. The present invention can be implemented with various modifications.
Claims (8)
0.200<C<0.380
0.40<Si<1.50
0.50<Mn<1.50
0.40<Ni<1.40
10.50<Cr<12.50
0.01<Mo<0.29
0.002<V<0.32
0.001<N<0.200
0.230<C+N<0.460
を含有し、残部が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金型用鋼。 0.200 <C <0.380 by mass%
0.40 <Si <1.50
0.50 <Mn <1.50
0.40 <Ni <1.40
10.50 <Cr <12.50
0.01 <Mo <0.29
0.002 <V <0.32
0.001 <N <0.200
0.230 <C + N <0.460
And the balance has a composition of Fe and unavoidable impurities.
0.10<W≦5.00
0.10<Co≦4.00
の少なくとも1種を更に含有することを特徴とする金型用鋼。 In Claim 1, In mass%, 0.10 <W <5.00
0.10 <Co ≦ 4.00
A mold steel 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金型用鋼。 In any one of Claim 1, 2, 0.004 <Nb <= 0.100 in the mass%.
0.004 <Ta ≦ 0.100
0.004 <Ti ≦ 0.100
0.004 <Zr ≦ 0.100
A mold steel characterized by further containing at least one of the following.
0.10<Al<1.20
を更に含有することを特徴とする金型用鋼。 In any one of Claims 1-3, 0.10 <Al <1.20 in the mass%
Furthermore, it contains steel for metal mold | die characterized by the above-mentioned.
0.30<Cu≦3.0
を更に含有することを特徴とする金型用鋼。 In any one of Claims 1-4, 0.30 <Cu <= 3.0 by mass%
Furthermore, it contains steel for metal mold | die characterized by the above-mentioned.
0.0001<B≦0.0050
を更に含有することを特徴とする金型用鋼。 In any one of Claims 1-5, 0.0001 <B <= 0.0050 in the mass%
Furthermore, it contains steel for metal mold | die characterized by the above-mentioned.
0.003<S≦0.050
0.0005<Ca≦0.2000
0.03<Se≦0.50
0.005<Te≦0.100
0.01<Bi≦0.50
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金型用鋼。 In any one of Claims 1-6, 0.003 <S <= 0.050 in the mass%.
0.0005 <Ca ≦ 0.2000
0.03 <Se ≦ 0.50
0.005 <Te ≦ 0.100
0.01 <Bi ≦ 0.50
0.03 <Pb ≦ 0.50
A mold steel characterized by further containing at least one of the following.
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