塑料成形模具用鋼的製作方法
2023-06-01 01:27:56
專利名稱：塑料成形模具用鋼的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種塑料成形模具用鋼。
背景技術：
近年來，在各個領域中使用各種塑料成形品。例如，塑料成形品一般使用射出成形用模具等塑料成形模具，成形為所要求的形狀。
但是，基於加入主要成分樹脂而使成形品的強度得以提高等的觀點，在塑料成形材料中，往往有添加玻璃纖維等填充材料的情形。此種添加物將使模具摩損，因而所得到的塑料成形品的尺寸精度將降低，導致模具壽命降低。
另外，塑料成形材料在其混攪過程等中，因樹脂的分解而產生腐蝕性氣體。此種腐蝕性氣體若在模具內被壓縮而成為高溫、高壓，將造成模具腐蝕，發生所得到的塑料成形品的表面粗糙、溢料等。
因而，針對塑料成形模具的材料，必須使用高硬度、耐摩損性、耐腐蝕性優異的金屬材料。
作為此種金屬材料，例如公知SUS440C或其改良材料等馬氏體(Martensite)類不鏽鋼。
另外，例如，在專利文獻1中公開一種塑料成形模具用合金，其以重量％表示，包含C0.25～1.0、Si最多為1.0、Mn最多為1.6、N0.10～0.35、Al最多為1.0、Co最多為2.8、Cr14.0～25.0、Mo0.5～3.0、Ni最多為3.9、V0.04～0.4、W最多為3.0、Nb最多為0.18、Ti最多為0.20，C與N的濃度之和至少為0.5、最多為1.2，餘量由Fe與不可避免的雜質構成。
專利文獻1 日本專利第3438121號發明內容然而，公開在專利文獻1的合金，由於製造階段容易生成粗大的析出碳氮化物，由於所生成的粗大的析出碳氮化物與母相的硬度差異，存在雕模加工時發生加工不均勻等、精加工精度不佳的問題。
另外，基於使成形品的表面形狀優異化的觀點，大多在塑料成形模具中進行模具內面的鏡面加工，但是，公開在專利文獻1中的合存在因粗大的析出碳氮化物而導致鏡面加工性降低的問題。
不過，在專利文獻1的合金中，認為通過單純地使C量減少，難以生成粗大的析出碳氮化物，若根據該方式進行的話，將發生耐摩損性變差的問題。
因此，本發明目的在於，提供一種塑料成形模具用鋼，不但具有充分的硬度、耐摩損性、耐腐蝕性，同時，精密加工性、鏡面加工性均優異。
為了解決上述問題，本發明的塑料成形模具用鋼，其主要成分包含C0.80重量％以下；Si0.01重量％以上、低於1.40重量％；Mn0.05重量％以上、2.0重量％以下；Ni0.005重量％以上、1.00重量％以下；Cr13.0重量％以上、20.0重量％以下；Mo+1/2W0.20重量％以上、4.0重量％以下；V0.01重量％以上、1.00重量％以下；N0.36重量％以上、0.80重量％以下；O0.02重量％以下；及Al0.80重量％以下；
餘量實質上由Fe與不可避免的雜質構成。
由於本發明的塑料成形模具用鋼由上述成分組成，尤其，使C的含量減少，同時使N的含量增加，因而確保了必要的硬度。因此，具有充分的硬度、耐摩損性。
另外，通過使N的含量增加，氮將固溶在母相中，並且，由於所形成的碳氮化物為微細的，耐摩損性也優異。
再者，通過使上述C的含量減少，在製造階段難以生成粗大的析出碳氮化物。另外，淬火時的未固溶碳氮化物也變少，經淬火、回火所得到的微細碳氮化物將均勻分散。因此，精密加工性、鏡面加工性特別優異。
具體實施例方式
以下，針對本發明的一實施方式詳加說明。本發明的塑料成形模具用鋼包含下列的元素，餘量實質上由Fe與不可避免的雜質構成。將所含的元素種類、其含量予以特定的理由如下所示(1)C0.80重量％以下。
C是為了確保強度、耐摩損性所必要的元素，並與Cr、Mo、W、V、Nb等形成碳化物的元素相結合而生成碳化物。另外，C還是通過在淬火時固溶在母相中，進行馬氏體組織化而確保硬度所必要的元素。
但是，若C的含量變得過多的話，便容易與上述形成碳化物的元素結合而析出大量的碳化物，粗大的碳化物將殘留。基於防止上述現象的觀點，具體而言，C的含量為0.8重量％以下，較宜為0.65重量％以下，最好為低於0.25重量％。
不過，在本專利申請中，由於能夠通過增多N的含量以使硬度得以提高，因而期望通過儘可能地減少C的含量，使粗大的析出碳化物的量、淬火時的未固溶碳化物的量均降低，並使經淬火、回火所得到的微細碳化物得以均勻分散。
(2)Si0.01重量％以上、低於1.40重量％。
Si與如後所述的Al具有同樣脫氧元素的功能。然而，Al與N反應後生成AlN，使母相中的N固溶量降低，同時，由於所生成的粗大的AlN而導致精密加工性、鏡面加工性降低。因而，為了抑制鋼中Al的含量，較宜使用Si作為脫氧元素。具體而言，Si的含量為0.01重量％以上，較宜為0.05重量％以上，最好為0.10重量％以上。
但是，若Si的含量變得過多的話，熱加工性、韌性將降低。基於防止上述現象的觀點，具體而言，Si的含量低於1.40重量％，較宜為0.75重量％以下，最好為0.25重量％以下。
(3)Mn0.05重量％以上、2.0重量％以下。
Mn作為使淬火性提升的元素而進行添加。另外，在不可避免地含S時，Mn對於抑制韌性的降低是有效的。具體而言，Mn的含量為0.05重量％以上。
但是，若Mn的含量變得過多的話，熱加工性將降低。因而，Mn的含量為2.0重量％以下。
(4)Ni0.005重量％以上、1.00重量％以下。
Ni使N的溶解量增加。具體而言，Ni的含量為0.005重量％以上。
但是，若Ni的含量變得過多的話，殘留奧氏體(Austenite)將增加，引起尺寸的時效變化。因而，具體而言，Ni的含量為1.00重量％以下。
(5)Cr13.0重量％以上、20.0重量％以下。
Cr使N的溶解量增加，同時使耐腐蝕性得以提高。另外，形成碳氮化物。具體而言，Cr的含量為13.0重量％以上。
但是，若Cr的含量變得過多的話，即使進行零下處理，殘留γ相也增加，硬度將降低。另外，成本也將變高。因而，具體而言，Cr的含量為20.0重量％以下。
(6)Mo+1/2W0.20重量％以上、4.0重量％以下。
Mo、W使N的溶解量增加。另外，使淬火性得以提高。為了得到此作用，具體而言，以Mo+1/2W表示Mo、W的含量為0.20重量％以上。
但是，若Mo、W的含量變得過多的話，析出碳氮化物的生成將被加速，衝擊值將降低。因而，具體而言，以Mo+1/2W表示Mo、W的含量為4.0重量％以下。
(7)V0.01重量％以上、1.00重量％以下。
V使N的溶解量增加。另外，形成碳氮化物，通過此阻塞效果以使結晶粒得以微細化，並使強度得以提高。具體而言，V的含量為0.01重量％以上。
但是，若V的含量變得過多的話，便容易生成粗大的碳氮化物，精密加工性、鏡面加工性將降低。因而，具體而言，V的含量為1.00重量％以下。
(8)N0.36重量％以上、0.80重量％以下。
N是填隙式元素，有助於使馬氏體組織的硬度得以提高。為了得到此效果，具體而言，N的含量為0.36重量％以上。此N的含量遵循西弗茨(Sieverts)定律，可以通過加壓溶解而進行添加。
但是，若N的含量變得過多的話，由於凝固中的N稠化，便容易產生N造成的吹孔(以下，稱為「N吹孔」。)，因加壓所造成的N吹孔的抑制將變得困難。因而，具體而言，N的含量為0.80重量％以下。
(9)O0.02重量％以下。
O是在鋼水中不可避免含有的元素。若O的含量變多，與Si、Al產生粗大的氧化物，此氧化物成為夾雜物，使韌性、精密加工性、鏡面加工性降低。因此，期望O的含量為極低。具體而言，O的含量為0.02重量％以下，較宜為0.01重量％以下。
(10)Al0.80重量％以下。
Al與Si同樣地發揮脫氧元素的功能。但是，若Al的含量變得過多的話，便容易生成粗大的AlN，精密加工性、鏡面加工性將顯著降低。因而，具體而言，Al的含量為0.80重量％以下。
另外，除了上述必要元素的外，本發明的塑料成形模具用鋼也可以進一步任意地包含由下列元素中選出的一種或二種以上的元素。將這些元素的含量予以特定的理由如下所示1P0.030重量％以下；S0.030重量％以下。
P、S不可避免地含在鋼中。P向晶界進行偏析，S形成硫化物，二者均使韌性降低。因而，P、S的含量較宜至多為0.030重量％以下。
2Cu0.001重量％以上、0.50重量％以下；Co0.001重量％以上、0.50重量％以下；B0.0005重量％以上、0.010重量％以下。
不論Cu、Co、B的任一種均有助於淬火性的提升。具體而言，Cu的含量為0.001重量％以上。具體而言，Co的含量為0.001重量％以上。具體而言，B的含量為0.0005重量％以上。
但是，即使使Cu、Co、B的含量變得過多，淬火性的效果將飽和。另外，成本也將提高。因而，具體而言，Cu的含量為0.50重量％以下。具體而言，Co的含量為0.50重量％以下。具體而言，B的含量為0.010重量％以下。
3Se0.001重量％以上、0.30重量％以下；Te0.001重量％以上、0.30重量％以下；Ca0.001重量％以上、0.10重量％以下；Pb0.001重量％以上、0.20重量％以下；Bi0.001重量％以上、0.30重量％以下。
Se、Te、Ca、Pb、Bi有助於提高被切削性。具體而言，Se的含量為0.001重量％以上。具體而言，Te的含量為0.001重量％以上。具體而言，Ca的含量為0.001重量％以上。具體而言，Pb的含量為0.001重量％以上。具體而言，Bi的含量為0.001重量％以上。
但是，若Se、Te、Ca、Pb、Bi的含量變得過多的話，韌性將降低。因而，具體而言，Se的含量為0.30重量％以下。具體而言，Te的含量為0.30重量％以下。具體而言，Ca的含量為0.10重量％以下。具體而言，Pb的含量為0.20重量％以下。具體而言，Bi的含量為0.30重量％以下。
4Ti0.20重量％以下；Nb0.001重量％以上、0.30重量％以下；Ta0.001重量％以上、0.30重量％以下；Zr0.001重量％以上、0.30重量％以下。
Ti、Nb、Ta、Zr與C、N結合而形成碳氮化物，有助於抑制晶粒的粗大化。具體而言，Ti的含量為0.01重量％以上。具體而言，Nb的含量為0.001重量％以上。具體而言，Ta的含量為0.001重量％以上。具體而言，Zr的含量為0.001重量％以上。
但是，若Ti、Nb、Ta、Zr的含量變得過多的話，韌性將降低。因而，具體而言，Ti的含量為0.20重量％以下。具體而言，Nb的含量為0.30重量％以下。具體而言，Ta的含量為0.30重量％以下。具體而言，Zr的含量為0.30重量％以下。
另外，上述塑料成形模具用鋼所含的碳氮化物的粒徑為4.0μm以下，較宜為3.5μm以下，更佳為3.0μm以下。這是由於精密加工性、鏡面加工性特別優異。
還有，所謂碳氮化物的粒徑，是指利用腐蝕液腐蝕已完成精磨的試樣測定面，再利用光學顯微鏡、掃描式電子顯微鏡等觀察此測定面，所觀察到的碳氮化物總數的90％以上在其值以下的粒徑代表值。
接著，針對上述塑料成形模具用鋼的製造方法的一例加以說明。
可列舉的方法為利用可進行加壓的高頻感應電爐等熔融爐，將具有上述組成的塑料成形模具用鋼加以熔融而鑄造成鋼錠等，之後，對這些鋼錠等進行熱鍛或熱軋而製成需要尺寸的鋼材的方法等。
如下表示相對於上述塑料成形模具用鋼的熱處理一例。具體而言，退火能夠通過例如在850～900℃下進行3～5小時加熱後，以10～20℃/小時的速度，爐冷至600℃附近，之後，再通過空冷等而進行。另外，具體而言，例如，淬火、回火能夠進行如下在1000～1200℃下進行0.5～1.5小時加熱後，經油冷淬火，之後，在-196℃或-76℃下進行0.5～1小時的零下處理，其後，在200～700℃下進行0.5～1.5小時加熱後，空冷回火。
實施例以下，利用實施例具體說明本發明。
利用可進行加壓的高頻感應電爐，熔煉在表1表示的化學組成的鋼(實施例1～實施例16的鋼、比較例1～比較例6的鋼)之後，鑄造成50kg，通過熱鍛以分別製造60mm四方形棒材。
表1
接著，針對實施例、比較例的各鋼，如表2所示，在1030℃至1150℃下進行淬火，進一步針對實施例1～16的鋼，在-76℃或-196℃下進行零下處理後，在200℃至475℃的溫度下進行回火。評估這些各熱處理後的試樣的各特性如下。
表2
碳氮化物的粒徑
從各棒材切出1邊為15mm的立體方塊，在進行熱處理後，將測定面研磨至#1500為止。接著，使用1μm的金剛石磨膏加以拋光研磨，並進行精磨。接著，使用維萊拉腐蝕液以進行測定面的腐蝕。接著，通過光學顯微鏡拍攝測定面(以400倍、10個視野)，以所觀察到的碳氮化物總數的90％以上在其值以下的粒徑數值作為代表值。將碳氮化物的粒徑為4.0μm以下的判定為合格。
硬度
從各棒材切出1邊為10mm的立體方塊，在進行熱處理後，將測定面與接地面研磨至#400為止，根據洛氏(Rockwell)C表度測定硬度。將硬度為HRC55以上的判定為合格。
耐摩損性
利用Pin-on-Disc摩擦摩損測試機，進行耐摩損性的評估。亦即，從各棒材切出二根φ8mm的針後進行熱處理。碟片使用由S45C所切出的碟片。測試條件設為滑動速度1.6m/s、滑動距離5000m、推壓載重10.5kgf、無潤滑油。在測試前後，測定針的重量，據此以測定摩損重量。還有，在表3，將比較例1的鋼(SUS440C)的摩損量設為100時，表示實施例的鋼與有關其餘比較例的鋼的摩損重量比。將摩損重量比低於130的判定為合格。
耐腐蝕性
從各棒材加工出φ15mm×60mm的圓棒，進行熱處理後，通過精加工以使表面相當於#400。接著，根據JIS Z 2371而進行鹽水噴霧測試，確認發生鏽蝕狀態。另外，在表3中，將未發生鏽蝕表示為A，稍微發生鏽蝕表示為B，明顯發生鏽蝕表示為C，整面發生鏽蝕表示為D，將B以上判定為合格。
精密加工性
從各棒材製作60mm×60mm×100mm的測試片，工具使用φ10mm的超硬整體式端銑刀(endmill)(6片刀刃)，以速度120m/分鐘、進給量0.06mm/rev、切入寬度0.5mm、切入高度10mm的條件進行加工。接著，根據JIS B0633測定加工面的最大表面粗糙度Ry。此時，將最大表面粗糙度Ry為2.0μm以下的判定為合格。
鏡面加工性
從各棒材加工出50mm×45mm×12mm板材，在進行熱處理後，通過機械研磨以研磨至#14000為止。接著，進行化學蝕刻，製作測試片，接著，根據JIS B0633而測定測試片的表面粗糙度Ra。此時，將表面粗糙度Ra為0.05μm以下的判定為合格。
將以上的評估結果表示在表3。
表3
根據表3，得知下列結論。亦即，比較例1的鋼，由於存在粗大的析出碳氮化物，精密加工性、鏡面加工性變差。另外，腐蝕性也變差。
另外，比較例2、4的鋼，由於N的含量較規定量少，無法得到足夠的硬度，耐摩損性變差。
另外，比較例3的鋼，因為O的含量較規定量多，形成粗大的氧化物，另外，比較例4的鋼，因為Al的含量較規定量多，形成粗大的AlN。因此，這些鋼的精密加工性變差。
另外，比較例5的鋼，因為V的含量較規定量多，形成粗大的VN。因此，精密加工性、鏡面加工性變差。
另外，比較例6的鋼，因為O的含量較規定量多，形成粗大的氧化物。因此，精密加工性、鏡面加工性變差。
相對這些比較例1～6的鋼，本發明1～16的鋼，任一種均具有充分的硬度、耐摩損性、耐腐蝕性，確認了精密加工性、鏡面加工性為優異。
因而，上述本發明的鋼，適用於作為塑料成形用模具的材料。
權利要求
1.一種塑料成形模具用鋼，包含C0.80重量％以下、Si0.01重量％以上、低於1.40重量％；Mn0.05重量％以上、2.0重量％以下；Ni0.005重量％以上、1.00重量％以下；Cr13.0重量％以上、20.0重量％以下；Mo+1/2W0.2重量％以上、4.0重量％以下；V0.01重量％以上、1.00重量％以下；N0.36重量％以上、0.80重量％以下；O0.02重量％以下；及Al0.80重量％以下；餘量實質上由Fe與不可避免的雜質所構成。
2.如權利要求1所述的塑料成形模具用鋼，還包含由P0.030重量％以下；及S0.030重量％以下中選出的一種或二種以上的元素。
3.如權利要求1所述的塑料成形模具用鋼，還包含由Cu0.001重量％以上、0.50重量％以下；Co0.001重量％以上、0.50重量％以下；及B0.0005重量％以上、0.010重量％以下中選出的一種或二種以上的元素。
4.如權利要求2所述的塑料成形模具用鋼，還包含由Cu0.001重量％以上、0.50重量％以下；Co0.001重量％以上、0.50重量％以下；及B0.0005重量％以上、0.010重量％以下中選出的一種或二種以上的元素。
5.如權利要求1所述的塑料成形模具用鋼，還包含由Se0.001重量％以上、0.30重量％以下；Te0.001重量％以上、0.30重量％以下；Ca0.001重量％以上、0.10重量％以下；Pb0.001重量％以上、0.20重量％以下；及Bi0.001重量％以上、0.30重量％以下中選出的一種或二種以上的元素。
6.如權利要求2所述的塑料成形模具用鋼，還包含由Se0.001重量％以上、0.30重量％以下；Te0.001重量％以上、0.30重量％以下；Ca0.001重量％以上、0.10重量％以下；Pb0.001重量％以上、0.20重量％以下；及Bi0.001重量％以上、0.30重量％以下中選出的一種或二種以上的元素。
7.如權利要求3所述的塑料成形模具用鋼，還包含由Se0.001重量％以上、0.30重量％以下；Te0.001重量％以上、0.30重量％以下；Ca0.001重量％以上、0.10重量％以下；Pb0.001重量％以上、0.20重量％以下；及Bi0.001重量％以上、0.30重量％以下中選出的一種或二種以上的元素。
8.如權利要求4所述的塑料成形模具用鋼，還包含由Se0.001重量％以上、0.30重量％以下；Te0.001重量％以上、0.30重量％以下；Ca0.001重量％以上、0.10重量％以下；Pb0.001重量％以上、0.20重量％以下；及Bi0.001重量％以上、0.30重量％以下中選出的一種或二種以上的元素。
9.如權利要求1所述的塑料成形模具用鋼，還包含由Ti0.20重量％以下；Nb0.001重量％以上、0.30重量％以下；Ta0.001重量％以上、0.30重量％以下；及Zr0.001重量％以上、0.30重量％以下中選出的一種或二種以上的元素。
10.如權利要求2所述的塑料成形模具用鋼，還包含由Ti0.20重量％以下；Nb0.001重量％以上、0.30重量％以下；Ta0.001重量％以上、0.30重量％以下；及Zr0.001重量％以上、0.30重量％以下中選出的一種或二種以上的元素。
11.如權利要求3所述的塑料成形模具用鋼，還包含由Ti0.20重量％以下；Nb0.001重量％以上、0.30重量％以下；Ta0.001重量％以上、0.30重量％以下；及Zr0.001重量％以上、0.30重量％以下中選出的一種或二種以上的元素。
12.如權利要求4所述的塑料成形模具用鋼，還包含由Ti0.20重量％以下；Nb0.001重量％以上、0.30重量％以下；Ta0.001重量％以上、0.30重量％以下；及Zr0.001重量％以上、0.30重量％以下中選出的一種或二種以上的元素。
13.如權利要求5所述的塑料成形模具用鋼，還包含由Ti0.20重量％以下；Nb0.001重量％以上、0.30重量％以下；Ta0.001重量％以上、0.30重量％以下；及Zr0.001重量％以上、0.30重量％以下中選出的一種或二種以上的元素。
14.如權利要求6所述的塑料成形模具用鋼，還包含由Ti0.20重量％以下；Nb0.001重量％以上、0.30重量％以下；Ta0.001重量％以上、0.30重量％以下；及Zr0.001重量％以上、0.30重量％以下中選出的一種或二種以上的元素。
15.如權利要求7所述的塑料成形模具用鋼，還包含由Ti0.20重量％以下；Nb0.001重量％以上、0.30重量％以下；Ta0.001重量％以上、0.30重量％以下；及Zr0.001重量％以上、0.30重量％以下中選出的一種或二種以上的元素。
16.如權利要求8所述的塑料成形模具用鋼，還包含由Ti0.20重量％以下；Nb0.001重量％以上、0.30重量％以下；Ta0.001重量％以上、0.30重量％以下；及Zr0.001重量％以上、0.30重量％以下中選出的一種或二種以上的元素。
全文摘要
本發明提供一種塑料成形模具用鋼，其不但具有充分的硬度、耐摩損性、耐腐蝕性，且精密加工性、鏡面加工性均優異。依本發明的塑料成形模具用鋼，包含C0.80wt％以下；Si0.01wt％以上、低於1.40wt％；Mn0.05wt％以上、2.0wt％以下；Ni0.005wt％以上、1.00wt％以下；Cr13.0wt％以上、20.0wt％以下；Mo+1/2W0.20wt％以上、4.0wt％以下；V0.01wt％以上、1.00wt％以下；N0.36wt％以上、0.80wt％以下；O0.02wt％以下；及Al0.80wt％以下；剩餘部分實質上為由Fe與不可避免的不純物所構成的。
文檔編號C22C38/50GK1876881SQ200610092368
公開日2006年12月13日 申請日期2006年6月1日 優先權日2005年6月2日
發明者伊吹基宏, 濱野修次, 古賀猛 申請人:大同特殊鋼株式會社