專利名稱：塑料成形膜具用鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于塑料的注塑成形等方面所使用的模具用鋼。
背景技術(shù)：
將汽車用儀表面板和保險(xiǎn)杠、家電用電視機(jī)和空調(diào)機(jī)的機(jī)殼等大型塑料制品注塑成形時(shí)所使用的模具，使用著JIS G 4051中規(guī)定的S 55C級(jí)的通用鋼。該IS G 4051是關(guān)于日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的「機(jī)械構(gòu)造用炭素鋼鋼材(Carbon Steel for Machine Structure Use)」的標(biāo)準(zhǔn)。
對(duì)塑料成形模具所要求的特性是，良好的切削性和高導(dǎo)熱系數(shù)等。
作為切削性得到改善的鋼，有如特許第3141735號(hào)公報(bào)及特開2002-12941號(hào)公報(bào)中所提出的鋼。此外，作為導(dǎo)熱系數(shù)得到提高的鋼，有如特開平8-209298號(hào)公報(bào)以及特開平10-96049號(hào)公報(bào)中所公開的鋼。
上述特許第3141735號(hào)公報(bào)中公開的鋼含有多量的硫化物，而且Si的含量在0.5％以上。特開2002-12941號(hào)公報(bào)中公開的鋼，其Si含量在0.30％以上，而且金屬組織為鐵素體占15～40％面積的鐵素體和珠光體的二相組織。此外，特開平8-209298號(hào)公報(bào)以及特開平10-96049號(hào)公報(bào)中公開的鋼是使C以下的各成分的含量得以平衡，而且使金屬組織為馬氏體單相或馬氏體與貝氏體的2相組織的鋼。
但是，特許第3141735號(hào)公報(bào)以及特開2002-12941號(hào)公報(bào)中所公開的鋼對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)完全沒有考慮，有導(dǎo)熱系數(shù)低的缺點(diǎn)。此外，特開平8-209298號(hào)公報(bào)以及特開平10-96049號(hào)公報(bào)中所公開的鋼由于金屬組織為馬氏體單相或馬氏體與貝氏體的2相組織，因而有切削性不夠好的缺點(diǎn)。
這樣，使切削性與導(dǎo)熱系數(shù)同時(shí)并存是困難的，希望開發(fā)使此二者同時(shí)并存的廉價(jià)的模具用鋼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是有鑒于上述實(shí)際情況而做出的，其目的在于提供使切削性和導(dǎo)熱系數(shù)并存的廉價(jià)的塑料成形模具用鋼。
具體而言，以提供如下性能的塑料成形模具用鋼為目的，即，硬度按JIS Z 2243中所規(guī)定的HBW(10/3000)為180～210，在下述條件下的銑刀加工的切削試驗(yàn)中的工具最大磨耗量VBmax(mm)為0.40以下，而且100℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)λ(W/m·℃)為45以上。
切削試驗(yàn)的條件轉(zhuǎn)速(N)2720rpm，進(jìn)刀速度(F)600mm/min切入深度(Ad)5mm切入寬度(Rd)25mm切削長(zhǎng)度(L)3m使用工具JIS B 4053中規(guī)定的P30的單刃刀具。工具最大磨耗量VBmax(mm)為工具的后隙面的最大磨耗寬度。
JIS Z 2243是關(guān)于日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的「布氏硬度試驗(yàn)法(Method ofBrinell hardness test)」的規(guī)定。HBW(10/3000)為Z2343的表1中所示的硬度記號(hào)之一。
本發(fā)明的要點(diǎn)在于下述(1)及(2)的塑料成形模具用鋼。
(1)以質(zhì)量％計(jì)，含有0.25～0.45％的C、不足0.3％的Si、0.5～2％的Mn、0.01～0.05％的S、0.02％以下的sol.Al、其余為Fe和雜質(zhì)，金屬組織是按面積％計(jì)15～30％為鐵素體而其余部分為珠光體的2相組織，而且JIS G 0551中規(guī)定的奧氏體結(jié)晶粒度序號(hào)為3以上的塑料成形模具用鋼。
(2)上述(1)中記載的成分之外，按質(zhì)量％另含有0.1～0.5％的Cr及0.03以上且小于0.2％的V中的一種或兩種，其余部分由Fe及雜質(zhì)組成，金屬組織是按面積％計(jì)15～30％為鐵素體而其余部分為珠光體的2相組織，而且JIS G 0551中規(guī)定的奧氏體結(jié)晶粒度序號(hào)為3以上的塑料成形模具用鋼。
JIS G 0551為日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的「鋼的奧氏體結(jié)晶粒度試驗(yàn)方法(Methodof austenite grain determination test for steel)」中的標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)于ISO 643(Steel-Micrographic determination of the ferriticor austenitic grain size)。
本發(fā)明者們?yōu)榱诉_(dá)到上述目的，以前面提到的通用鋼S55C為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲知如下情況，完成了上述本發(fā)明。
(a)合金元素的增量，不論何種元素均使鋼的導(dǎo)熱系數(shù)降低。因此，不論何種元素，其含量均應(yīng)盡量低。其中Si的影響較大，因此Si含量需要限制在不到0.3％。
圖1為將后述實(shí)施例的結(jié)果，用Si含量與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系加以整理而做出的圖。由此圖顯然可知，Si是對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)有大影響的元素。
(b)C、Mn以及sol.Al的含量需要分別限制在0.25～0.45％，0.5～2％以及0.02％以下。
(c)切削性可通過使金屬組織成為鐵素體和珠光體的2相組織而得以改善。特別是當(dāng)金屬組織為鐵素體比率占15～30面積％的鐵素體·珠光體的2相組織而且JIS G 0551所規(guī)定的奧氏體結(jié)晶粒度序號(hào)為3以上時(shí)，切削性顯著提高。
表1是以后述實(shí)施例中提供的鋼中的鋼No.1作為對(duì)象，使其鐵素體·珠光體組織(鐵素體面積比率22％)的奧氏體有各種不同的結(jié)晶粒度序號(hào)，來進(jìn)行上述條件的銑刀加工切削試驗(yàn)后，將工具最大磨耗量VBmax的結(jié)果列出的表。
由表1可知，在奧氏體結(jié)晶粒度序號(hào)為3以上的情況中，工具最大磨耗量VBmax在0.4mm以下，能確保良好的切削性。
表1



圖1是表示Si含量與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系的圖。
圖2是表示鐵素體比率與工具最大磨耗量關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式
以上述方式規(guī)定了本發(fā)明的塑料成形模具用鋼，現(xiàn)對(duì)其理由做詳細(xì)說明。另外，若無事先特做說明，「％」即指「質(zhì)量％」。
1、關(guān)于化學(xué)組成C0.25-0.45％在確保鋼的強(qiáng)度方面，C是重要的元素，最低也需要0.25％的含量。另一方面，若其含量超過0.45％，珠光體量就會(huì)增加，得不到后述的鐵素體量，不可能確保所希望的切削性。因此將C含量定為0.25～0.45％。優(yōu)選是0.28～0.45％，更優(yōu)選是0.35～0.43％。
Si不足0.3％Si可使鋼的切削性能提高，從另一方面講，也是使導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低的元素。但是若要提高事實(shí)上取決于化學(xué)組成的導(dǎo)熱系數(shù)，確保所希望的切削性和導(dǎo)熱系數(shù)，如上所述，需要使Si含量不足0.3％。在僅以提高導(dǎo)熱系數(shù)為目的的情況中，Si含量越少越好。但是過于少時(shí)，會(huì)產(chǎn)生難以確保切削性的情況。因而其含量?jī)?yōu)選為0.15～0.25％。
Mn0.5～2％與上述C相同，Mn在確保鋼的強(qiáng)度方面也是重要的元素，最低也需要0.5％的含量。從另一方面講，若含量超過2％，則會(huì)導(dǎo)致韌性降低。因此，Mn含量定為0.5～2％。更優(yōu)選的范圍是0.8～1.5％，最優(yōu)選的范圍是1～1.3％。
S0.01～0.05％在確保鋼的切削性方面，S是重要的元素，最低也需要0.01％的含量。從另一方面講，若其含量超過0.05％，韌性、延展性以及焊接性就會(huì)降低。因而S含量應(yīng)為0.01-0.05％。更優(yōu)選的是0.02～0.04％，最優(yōu)選的是0.025～0.04％。
sol.Al0.02％以下Al是做為鋼的脫氧劑而添加的。再者，Al會(huì)形成AlN，是對(duì)晶粒細(xì)化有貢獻(xiàn)的元素。為了使這些效果充分發(fā)揮，sol.Al含量最好在0.001％以上，但是過剩的Al會(huì)形成鋁系氧化物，會(huì)使鋼的純凈度變壞，招致發(fā)紋的問題。此外，還會(huì)使切削性和導(dǎo)熱系數(shù)降低。因而在以提供使切削性和導(dǎo)熱系數(shù)兩者都得以提高的鋼為目的的本發(fā)明中，Al含量越少越好；而在通過上述Si或/和Mn充分進(jìn)行了脫氧的情況下，在鋼中未必含有。因此，Al含量按照sol.Al設(shè)定為0.02％以下。更優(yōu)選的上限為0.01％，最優(yōu)選的上限為0.005％。
本發(fā)明的塑料成形模具用鋼之一，是在上述成分之外，其余為由Fe及雜質(zhì)構(gòu)成的鋼。本發(fā)明的鋼的另一種，是在上述成分之外，還含有下述元素中的一種或兩種的鋼。
Cr、VCr及V都是具有提高鋼的淬硬性而改善強(qiáng)度的作用。因而在想取得該效果的情況下，可添加其中的一種或二種。以0.1％以上的Cr含量，以0.03％以上的V含量可獲得上述效果。但是若Cr含量超過0.5％，珠光體的強(qiáng)度變得過高，不僅切削性降低，導(dǎo)熱系數(shù)也降低。再有，若V含量達(dá)到0.2％以上時(shí)，V的炭化物的量就會(huì)增加，同時(shí)鐵素體的強(qiáng)度變得過高，不僅使切削性降低，導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)降低。尤其是V比Cr使切削性降低的作用更顯著。因此，在添加這兩種元素時(shí)，Cr含量應(yīng)為0.1～0.5％，V應(yīng)為0.03％以上但不足0.2％。更優(yōu)選是Cr含量為0.1～0.35％，V含量為0.03～0.1％。
2.關(guān)于金屬組織如上所述，金屬組織中以面積％計(jì)，鐵素體占15～30％，其余必定是珠光體的鐵素體·珠光體的2相組織。這是因?yàn)橛腥缦碌睦碛伞?br> 珠光體是在原奧氏體的晶粒內(nèi)生成的，而鐵素體是在原奧氏體的晶界上生成的。于是珠光體比鐵素體更不易產(chǎn)生剪切變形。因而如果原奧氏體晶粒大，則珠光體塊就大，剪切變形就不易。從另一方面講，若原奧氏體晶粒小，則珠光體塊就小，珠光體周圍的鐵素體發(fā)生變形，其剪切變形就變得容易。換言之，切削性得到提高。
但是在鐵素體量不足15面積％的情況下，珠光體多，硬度過高而切削性降低。另一方面，若鐵素體量的面積％超過30％，不僅確保其強(qiáng)度變得困難，而且因?yàn)橛捕炔蛔?，從而使模具所需要的耐磨耗性不足。因此，在本發(fā)明中，使其金屬組織成為鐵素體的面積％為15～30％而其余為珠光體的鐵素體·珠光體的2相組織。
又，本發(fā)明中所說的鐵素體的面積％，是以如下方式求得的數(shù)值。
取任意大小的試樣按照J(rèn)IS G 0552中規(guī)定的方法處理，依照J(rèn)IS G0552中規(guī)定的方法，對(duì)處理后的試樣的處理表面做顯微鏡觀察，用數(shù)碼像機(jī)攝影。將所得到的圖像中的黑色部分(珠光體)譬如作為「1」，將白色部分(鐵素體)譬如作為「0」來進(jìn)行二值化圖像處理，從攝像面積「S1」中減去判定為「1」的部分的總面積「S2」，將減去后的值除以攝像面積「S1」，將所求得的值乘以100，即可求得鐵素體的面積％。即鐵素體的面積％＝{(S1-S2)/S1}×100JIS G 0552是關(guān)于日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的「鋼的鐵素體結(jié)晶粒度試驗(yàn)方法(Method of ferrite grain determination test for steel)」的標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)也與ISO 643相對(duì)應(yīng)。
如上所述，結(jié)晶粒度必須是按照J(rèn)IS G 0551中所規(guī)定的奧氏體結(jié)晶粒度序號(hào)為3以上的細(xì)晶粒。這是因?yàn)槿缟鲜霰?中所示，在奧氏體結(jié)晶粒度序號(hào)不足3的情況下，做為目的工具的最大磨耗量VBmax得不到保證，不能確保所期望的切削性。此外，結(jié)晶粒度希望是細(xì)晶粒的，因此不規(guī)定結(jié)晶粒度序號(hào)的上限。
本發(fā)明中規(guī)定的上述金屬組織可通過以下過程來獲得。即對(duì)具有本發(fā)明中規(guī)定的化學(xué)組成的鋼施行譬如鍛造溫度為1000～1300℃，鍛造終止溫度為1000℃以下，鍛造比為3以上的熱加工，然后加熱到850～1000℃，在奧氏體化之后，施行以450℃/h以下的冷卻速度冷卻的正火處理，隨后進(jìn)行在500～700℃下回火的熱處理。結(jié)晶粒度的調(diào)整可通過鍛造比、鍛造終止溫度以及正火處理溫度的調(diào)整來進(jìn)行。
以下根據(jù)實(shí)施例來說明本發(fā)明。
實(shí)施例利用高頻熔爐將具有表2中所示成分的27種鋼熔煉，將獲得的鑄塊加熱到1200℃，然后在鍛造比為2～5、鍛造終了溫度為800～1000℃的情況下進(jìn)行熱鍛造，做成厚度與寬度均為110mm的試驗(yàn)材料。
所獲得的試驗(yàn)材料，設(shè)想需要用以進(jìn)行實(shí)際的塑料注射成形模具的制造，在850～1000℃經(jīng)1～3小時(shí)加熱保持后，實(shí)施以90℃/h的冷卻速度進(jìn)行冷卻的正火和在580℃加熱保持4小時(shí)的回火，調(diào)整為奧氏體結(jié)晶粒度序號(hào)、鐵素體比率、組織、硬度(HBW)以及導(dǎo)熱系數(shù)λ為表2中所示數(shù)值的試驗(yàn)材料。
調(diào)整后的試驗(yàn)材料則供給到進(jìn)行與上述條件相同的銑刀加工的切削試驗(yàn)，來檢驗(yàn)工具最大磨耗量VBmax(mm)。將其結(jié)果一并示于表2中。
鐵素體比率是通過上述方法測(cè)定的，導(dǎo)熱系數(shù)λ是用激光閃光法在100℃下測(cè)定的值。
如表2所示，滿足本發(fā)明中規(guī)定條件的No.1～4的本發(fā)明的鋼，其導(dǎo)熱系數(shù)均在45以上，工具最大磨耗量VBmax均在0.40mm以下，導(dǎo)熱系數(shù)及切削性都良好。
與以上情況對(duì)比來看，化學(xué)組成、奧氏體結(jié)晶粒度序號(hào)、鐵素體比率以及組織中的任意一項(xiàng)以上不在本發(fā)明中規(guī)定的范圍之內(nèi)的No.5～27的比較用鋼，它們的導(dǎo)熱系數(shù)λ或/和工具最大磨耗量VBmax沒有達(dá)到本發(fā)明的目標(biāo)值，不兼?zhèn)涓邔?dǎo)熱系數(shù)和良好的切削性。
表2

工業(yè)上的利用可能性本發(fā)明的塑料成形模具用鋼具有高導(dǎo)熱系數(shù)和良好的切削性。此外，本發(fā)明的模具用鋼不一定需要添加Cr、V的合金元素，因而價(jià)廉。因此，使用本發(fā)明的塑料成形模具用鋼，能夠用一種材料來制造大型模具，可降低模具的制造成本。
權(quán)利要求
1.一種塑料成形模具用鋼，其特征在于以質(zhì)量％計(jì)，含有0.25～0.45％的C、不足于0.3％的Si、0.5～2％的Mn、0.01～0.05％的S、0.02％以下的sol.Al、其余由Fe和雜質(zhì)組成；金屬組織是按面積％計(jì)15～30％為鐵素體而其余部分為珠光體的2相組織，而且JIS G 0551中規(guī)定的奧氏體結(jié)晶粒度序號(hào)為3以上。
2.一種塑料成形模具用鋼，其特征在于以質(zhì)量％計(jì)，含有0.25～0.45％的C、不足0.3％的Si、0.5～2％的Mn、0.01～0.05％的S、0.02％以下的sol.Al、以及0.1～0.5％的Cr和0.03％以上但不足0.2％的V之中的一種或兩種、其余由Fe和雜質(zhì)組成；金屬組織是按面積％計(jì)15～30％為鐵素體而其余部分為珠光體的2相組織，而且JIS G 0551中規(guī)定的奧氏體結(jié)晶粒度序號(hào)為3以上。
全文摘要
一種塑料成形模具用鋼，是可使切削性與導(dǎo)熱系數(shù)并存的廉價(jià)的塑料成形模具用鋼，以質(zhì)量％計(jì)含有C0.25～0.45％，Si不足于0.3％，Mn0.5～2％，S0.01～0.05％，sol.Al0.02％以下，其余部分由Fe和雜質(zhì)組成。金屬組織是15～30面積％的鐵素體和珠光體的2相組織，而且JISG0551中規(guī)定的奧氏體結(jié)晶粒度序號(hào)為3以上。這種鋼也可含有直至0.5％的Cr或/和不足于0.2％的V。
文檔編號(hào)C22C38/24GK1717503SQ200380104348
公開日2006年1月4日 申請(qǐng)日期2003年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月29日
發(fā)明者瀨羅知曉, 海野正英, 城毅 申請(qǐng)人:住友金屬工業(yè)株式會(huì)社