本发明涉及用于成型高镜面的塑料制品的高镜面的模具用钢。
背景技术：
近年来的电子设备或生活用品的容器和透镜等所使用的塑料制品要求表面为镜面、强度高等。因此，对于用于成型如上所述的高镜面塑料制品的模具，要求模具表面的镜面度高、耐磨损性优异和耐腐蚀性优异等。作为具有如上所述的特征的金属材料，使用SUS420系钢等马氏体不锈钢。
特别是为了得到高镜面度，需要镜面研磨时的表面粗糙的凹凸和弯曲极小，以及针孔等缺陷极少。例如，在专利文献1中，为了减少粗大的结晶碳氮化物，公开了以下塑料成型模具用钢，其含有C：0.80质量%以下、Si：0.01质量%以上且低于1.40质量%、Mn：0.05质量%以上且2.0质量%以下、Ni：0.005质量%以上且1.00质量%以下、Cr：13.0质量%以上且20.0质量%以下、Mo+1/2W：0.20质量%以上且4.0质量%以下、V：0.01质量%以上且1.00质量%以下、N：0.36质量%以上且0.80质量%以下、O：0.02质量%以下和Al：0.80质量%以下，余量实质上由Fe和不可避免的杂质构成。另外，在专利文献2中，为了减少非金属夹杂物，公开了以下塑料注射成型用模具材料，其具有以下组成：按重量比计含有C：0.30~0.80%、Si：1%以下、Mn：1%以下、Ni：1%以下、Mo：1%以下、Cr：6.0~15.0%、Cu：1%以下、V：0.50%以下，并且按面积百分率计含有的非金属夹杂物的上限为0.015%，余量由Fe和不可避免的杂质构成；其可在HRC45以上的硬度、0.010μmRmax以下的加工粗糙度下使用。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-9321号公报
专利文献2：日本特许第2580186号公报。
技术实现要素：
发明所要解决的课题
但是，专利文献1中记载的模具用钢的目的在于使粒径为4.0μm以下的碳氮化物的总数为90%以上，虽然为了提高镜面度而限制碳氮化物的粒径，但无法防止对模具进行镜面研磨时表面产生弯曲和凹凸。另外，由于添加N，所以无法进行VAR (真空电弧重熔)等重熔，因此无法进行脱氧处理，由此氧化物系夹杂物增多，容易产生针孔等缺陷，在这一点上也有无法得到高镜面度的问题。
另外，专利文献2中记载的模具用钢进行电炉熔化+ESR (电渣重熔)+VAR的三重熔制，因此有成品率差、成本升高的问题。另外，为了提高镜面度，虽然限制了非金属夹杂物的上限值，但无法防止对模具进行镜面研磨时表面产生弯曲和凹凸，因此有无法得到高镜面度的问题。
本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于，通过限制与碳化物密集带有关的材料颗粒(材料目)的大小，提供提高了镜面度的高镜面塑料模具用钢。
解决课题的手段
本发明的高镜面塑料模具用钢的特征在于，其是含有C：0.20~0.50质量%、Cr：10.50~20.00质量%的钢材，在将以下结构定义为材料颗粒时，该材料颗粒的最大长度为1000μm以下，并且材料颗粒的面积率为2.0%以下，所述结构是所述钢材中存在的碳化物密集带，并且按当量圆直径计构成该密集带的碳化物的粒径为5μm以上，碳化物间距离为30μm以下，该碳化物密集带的面积为1000μm2以上。
在该高镜面塑料模具用钢中，例如，其特征在于，所述钢材进一步含有S：0.009质量%以下、O：30ppm以下，就所述钢材中存在的非金属夹杂物而言，按当量圆直径计粒径为25μm以上的夹杂物的数量为5个/200mm2以下，并且按当量圆直径计粒径为10~24μm的夹杂物的数量为25个/200mm2以下。
所述钢材可进一步制成具有如下组成的钢材：含有Si：0.30~1.30质量%、Mn：0.30~1.50质量%、Mo：0.05~0.50质量%、V：0.05~0.50质量%、Al：0.035质量%以下，并且余量由Fe和不可避免的杂质构成。
发明的效果
根据本发明，镜面研磨时表面粗糙的凹凸和弯曲变小，抑制针孔的产生，提高镜面度。另外，根据本发明，可低成本地得到高耐腐蚀性和高耐磨损性的模具用钢。
附图说明
图1为表示材料颗粒的显微镜组织照片，(a)表示材料颗粒和材料颗粒的长度，(b)表示碳化物间距离。
具体实施方式
本发明人等发现，为了提高模具用钢的镜面度，需要减小钢材的表面粗糙的凹凸和弯曲。具体而言，着眼于碳化物密集带，首先将材料颗粒定义为以下结构，所述结构是钢材中存在的碳化物密集带，并且按当量圆直径计构成该密集带的碳化物的粒径为5μm以上，碳化物间距离为30μm以下，该碳化物密集带的面积为1000μm2以上。换句话说，将以下结构定义为本发明中着眼的材料颗粒，所述结构是较大的碳化物以较短的间隔存在的碳化物密集带，并且该密集带的面积较大。
然后，本发明将该材料颗粒的最大长度和面积率分别限制在1000μm以下、2.0%以下。本发明人发现，如此使材料颗粒的最大长度为1000μm以下，并且使材料颗粒的面积率为2.0%以下，由此，钢材的表面粗糙的凹凸和弯曲变小，镜面度显著提高。在本发明中，按当量圆直径计粒径低于5μm的碳化物不考虑作为材料颗粒。其原因在于，若碳化物粒径低于5μm，则即使碳化物间距离为30μm以下，在制备塑料制品时，在塑料的表面也不转印凹凸。但是，若碳化物粒径为5μm以上，则在塑料的表面转印凹凸，因此着眼于粒径为5μm以上的碳化物。另外，在碳化物间距离超过30μm而碳化物大幅分散开的情况下，变为各个碳化物点在的状态，难以产生凹凸向塑料表面的转印。由此，着眼于碳化物间距离为30μm以下而碳化物密集的状态。此外，即使碳化物间距离为30μm以下，在碳化物密集带的面积低于1000μm2的情况下，在制备塑料制品时，即使在塑料表面转印碳化物的凹凸，也无法通过目视来识别。但是，若碳化物密集带的面积为1000μm2以上，则变为可通过目视来识别塑料表面的碳化物的凹凸的大小。因此，着眼于面积为1000μm2以上的碳化物密集带。
需说明的是，该材料颗粒可通过控制热锻和热轧中的加热温度条件和加工后的冷却条件等加工条件来限制。
另外，就钢材中存在的非金属夹杂物而言，在按当量圆直径计粒径为25μm以上的夹杂物的数量为5个/200mm2以下，并且按当量圆直径计粒径为10μm以上的夹杂物的数量为25个/200mm2以下的情况下，可进一步减少镜面研磨时的针孔的数量。
另外，为了低成本地提供非金属夹杂物低的模具用钢，优选重新考虑其组成和熔化方法。
因此，本发明的高镜面塑料模具用钢含有C：0.20~0.50质量%和Cr：10.50~20.00质量%。此外，本发明的高镜面塑料模具用钢希望具有如下组成：含有Si：0.30~1.30质量%、Mn：0.30~1.50质量%、Mo：0.05~0.50质量%、V：0.05~0.50质量%、Al：0.035质量%以下，并且余量由Fe和不可避免的杂质构成。
接着，对本发明的材料颗粒的数值限定理由、组成限定理由和成分添加理由以及非金属夹杂物的大小的限定理由进行说明。
“材料颗粒：最大长度为1000μm以下，面积率为2.0%以下”
就本发明的塑料模具用钢而言，钢材中存在的材料颗粒的最大长度为1000μm以下。模具的材料颗粒在制备塑料制品时作为凹凸转印在塑料表面，若最大长度超过1000μm，则变为可通过目视确认的水平，镜面度不充分，损害外观。另外，就本发明的塑料模具用钢而言，钢材中存在的材料颗粒的面积率为2.0%以下。若模具的材料颗粒的面积率大，则在制备塑料制品时，将模具的弯曲转印在塑料制品上，塑料制品产生弯曲。若模具的材料颗粒的面积率超过2.0%，则变为弯曲可通过目视确认的水平，模具的镜面度不充分，损害外观。若模具的镜面度不充分，则成型的塑料制品的镜面度也不充分。
“C：0.20~0.50质量%”
C是得到模具的硬度、强度和耐磨损性所需要的元素。若C含量比0.20质量%少，则模具的硬度降低，耐磨损性降低。另外，若C含量比0.50质量%多，则大量地产生材料颗粒，弯曲变大。因此，C的含量设为0.20~0.50质量%。
“Cr：10.50~20.00质量%”
Cr可提高耐腐蚀性，所以是作为模具用钢最重要的含有元素。若Cr的含量比10.50质量%少，则耐腐蚀性降低。另外，若Cr的含量比20.00质量%多，则相对于耐腐蚀性的成本比例升高而浪费。因此，Cr的含量设为10.50~20.00质量%。
“Si：0.30~1.30质量%”
Si与下述的Al相同地具有作为脱氧剂的作用。另外，Si具有电炉熔化时的精炼反应中的脱硫活化功能。若Si的含量比0.30质量%少，则脱氧和脱硫效果变小。另外，若Si含量比1.30质量%多，则热加工性和韧性降低。因此，Si的含量优选设为0.30~1.30质量%。
“Mn：0.30~1.50质量%”
Mn是对于提高淬火性最重要的元素。若Mn的含量比0.30质量%少，则淬火性降低。另外，若Mn的含量比1.50质量%多，则热加工性降低。因此，Mn的含量优选设为0.30~1.50质量%。
“Mo：0.05~0.50质量%”
Mo是提高模具的耐腐蚀性所需要的元素。若Mo的含量比0.05质量%少，则耐腐蚀性降低。若Mo的含量比0.50质量%多，则在热处理尺寸变化变大的同时，成本升高。因此，Mo的含量优选设为0.05~0.50质量%。
“V：0.05~0.50质量%”
V是形成碳化物、防止淬火时晶粒粗大化所需要的元素。若V的含量比0.05质量%少，则晶粒粗大化。若V的含量比0.50质量%多，则形成粗大的碳化物，降低切削性和镜面加工性。因此，V的含量优选设为0.05~0.50质量%。
“Al：0.035质量%以下”
Al是作为脱氧材料最重要的元素。Al与O结合形成Al2O3，但若Al含量过多而作为Al2O3非金属夹杂物残留，则在镜面研磨时导致针孔。因此，Al的含量优选设为0.035质量%以下。
“S：0.009质量%以下”
S是钢液中不可避免地含有的元素，是杂质。S通过与Mn结合形成MnS，若S含量多而作为MnS非金属夹杂物残留，则在镜面研磨时导致针孔。因此，S的含量优选设为0.009质量%以下。
“O：25ppm以下”
O是钢液中不可避免地含有的元素，是杂质。O与Al结合形成Al2O3，但若作为Al2O3非金属夹杂物残留，则导致针孔。因此，O的含量优选设为25ppm以下。
“钢材中存在的非金属夹杂物：按当量圆直径计粒径为25μm以上的夹杂物的数量为5个/200mm2以下，按当量圆直径计粒径为10~24μm的夹杂物的数量为25个/200mm2以下”
若非金属夹杂物的数量多，则粗大的针孔的产生率升高。具体而言，就非金属夹杂物而言，若按当量圆直径计粒径为25μm以上，则容易产生由夹杂物本身的脱落等导致的针孔，另外若按当量圆直径计粒径为10~24μm，则在研磨时会产生以非金属夹杂物为起点的瑕疵作为针孔。因此，就非金属夹杂物的数量而言，按当量圆直径计粒径为25μm以上的夹杂物的数量设为5个/200mm2以下，按当量圆直径计粒径为10~24μm的夹杂物的数量设为25个/200mm2以下。更优选按当量圆直径计粒径为25μm以上的夹杂物的数量设为3个/200mm2以下，并且按当量圆直径计粒径为10~24μm的夹杂物的数量设为20个/200mm2以下。需说明的是，非金属夹杂物的个数可通过无腐蚀地利用光学显微镜观察试验片来求得。即，将200mm2的观察面的镜检面积放大为100倍进行观察，通过图像分析测定粒径为25μm以上的大的非金属夹杂物和粒径为10~24μm的小的非金属夹杂物的数量，由此可求得属于各粒径范围的非金属夹杂物的数量。
接着，对本发明的塑料模具用钢的制备方法的一个实例进行说明。对于具有上述组成的塑料模具用钢，在电炉等中使用溶剂等熔化，制备钢锭。此外，优选在进行钢锭的表面清理后，进一步进行重熔，制备钢锭，由此可低成本地抑制非金属夹杂物的生成。在热锻或热轧时，例如将材料加热至1000~1200℃进行热加工后，将材料颗粒等碳化物析出温度范围的400~1000℃内的冷却速度设为5~10℃/分钟，并且将马氏体转变温度范围的100℃~400℃内的冷却速度设为200℃/h以下，由此在抑制材料颗粒的产生的同时，控制为适合的马氏体组织。
实施例
以下，与偏离本发明的范围的比较例进行比较，具体地说明本发明的实施例的效果。用电炉或感应熔炼炉将下述表1所示的组成的实施例和比较例的材料熔化，制备2t的钢锭。
[表1]
对于实施例1~10和比较例1~4，然后通过VAR (真空电弧重熔)或ESR (电渣重熔)进行熔化，制备钢锭。另外，对于比较例5，在IF (感应熔炼炉)中熔化后，进一步进行ESR和VAR，制备钢锭。需说明的是，在VAR的情况下，真空度为30mTorr以下。在ESR中，使用碱度为1.0~2.0的熔渣。在将实施例和比较例的钢锭加热为1000~1200℃后，锻造为200mm×200mm的平角，以400~1000℃的冷却速度为3~10℃/min且100℃~400℃的冷却速度为200℃/h以下的条件冷却，进行退火。将该制备条件(熔化方法)示于下述表2。
接着，从该材料采集显微镜组织观察用试验片、粗糙度试验片、盐水喷雾试验片和光泽度试验片。在采集各试验片后，实施淬火处理(1000℃~1100℃)、高温退火处理(450℃~550℃)，将硬度调整为48~54HRC。对于显微镜组织观察用试验片，采用厚度15mm×宽度20mm×长度30mm的大小，用#80~#1500的砂纸研磨20mm×30mm的观察面，精加工使用3μm的金刚石研磨颗粒，研磨约60秒钟。用苦醇腐蚀该试验片，用光学显微镜以100倍观察200mm2的观察面的镜检面积，并拍照。用拍摄的照片进行图像分析，如图1所示，测定材料颗粒的最大长度和面积率。将其结果一并示出于下述表2中。
对于非金属夹杂物的个数通过无腐蚀地利用光学显微镜将200mm2的观察面的镜检面积放大为100倍观察显微镜组织观察用试验片来求得。通过图像分析测定粒径为25μm以上的大的非金属夹杂物和粒径为10~24μm的小的非金属夹杂物的数量。将其结果一并示出于下述表2中。
[表2]
另外，对于粗糙度试验片，采用厚度15mm×宽度35mm×长度40mm的部分，用#80~#1500的纸研磨35mm×40mm的测定面，精加工是使用3μm的金刚石研磨颗粒研磨约60秒。然后，依据JIS B0633测定粗糙度。另外，测定数为n＝5。由材料颗粒导致的表面的凹凸用Ra评价，将0.02μm以下计为合格(○)。另外，表面的弯曲用Pt评价，将0.30μm以下计为合格(○)。除此之外计为不合格(×)。将其结果示出于下述表3中。
对于盐水喷雾试验，采用直径18mm×长度15mm的圆柱状试验片，依据JIS Z2371，评价生锈状态。将4小时后的腐蚀面积率为30%以下且8小时后的腐蚀面积率为50%以下的情况计为合格(◎)，将4小时后的腐蚀面积率为31%以上且低于50%、且8小时后的腐蚀面积率为50%以下的情况计为合格(○)。除此之外计为不合格(×)。将其结果一并示出于下述表3中。
对于针孔，无腐蚀地利用显微镜将200mm2的观察面的镜检面积放大为100倍观察显微镜组织观察用试验片。通过图像分析测定针孔的大小和产生数。将以当量圆直径计10~24μm的针孔产生数为20个以下且以当量圆直径计25μm以上的针孔产生数为1个以下计为合格(◎)，将以当量圆直径计10~24μm的针孔产生数为20个以下、且以当量圆直径计25μm以上的针孔产生数为2~4计为合格(○)。除此之外计为不合格(×)。将该结果一并示出于下述表3中。
此外，镜面度用光泽度评价。将其结果一并示出于下述表3中。采用厚度15mm×宽度35mm×长度40mm的试验片，用#80~#1500的砂纸研磨35mm×40mm的测定面，精加工使用3μm的金刚石研磨颗粒，研磨约180秒钟。对于光泽度，用紫外可见近红外分光光度计测量该试验片的测定面，测定经反射接受的光的比例。测定范围设为可见光，将可见光的波长为400~700nm的范围且平均值为50%以上的光泽度的情况评价为合格(◎)，将49~45%的光泽度评价为(○)，将光泽度为44%以下评价为(×)。
如表3所示，对于比较例1和比较例3~5，由于材料颗粒的最大长度为1000μm以上，所以在表面的凹凸Ra超过0.02μm而不合格(×)的同时，光泽度也不合格(×)。
对于比较例1~3和比较例5，由于材料颗粒的面积率为2.0%以上，所以表面的弯曲Pt超过0.30μm而不合格(×)，光泽度也不合格(×)。
对于实施例1~6，其满足权利要求1~3，粗糙度和针孔产生数在合格范围内，光泽度为50%以上，光泽度合格(◎)。
对于实施例8，虽然偏离权利要求3的范围，但是由于满足权利要求1和权利要求2，所以粗糙度和针孔产生数合格(◎)，光泽度为50%以上而合格(◎)。
对于实施例7，虽然满足权利要求1~3，但由于权利要求2所规定的粒径为25μm以上的非金属夹杂物的数量在上限值(5个)附近，所以虽然粗糙度合格(○)，但是针孔产生数在合格范围内(○)、光泽度为45~49%而在合格范围(○)内，这些评价均比实施例1~6和8的(◎)低。对于实施例9和实施例10，虽然满足权利要求1和权利要求3，但由于偏离权利要求2，所以虽然粗糙度合格(○)，但是针孔产生数在合格范围内(○)、光泽度为45~49%而在合格范围(○)内，这些评价均比实施例1~6和实施例8的(◎)低。
即，对于满足权利要求1的实施例，表面的凹凸Ra和弯曲Pt合格，镜面度高，而且对于满足权利要求2和3的实施例，光泽度、针孔产生数、盐水喷雾试验结果也优异。
产业上的可利用性
因此，本发明的高镜面塑料模具用钢可适合用作要求镜面度的塑料模具用钢。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.高镜面塑料模具用钢，其特征在于，其是具有以下组成的钢材：含有C：0.20~0.50质量%、Cr：10.50~20.00质量%、Si：0.30~1.30质量%、Mn：0.30~1.50质量%、Mo：0.03~0.50质量%、V：0.03~0.50质量%、Al：0.035质量%以下，并且余量由Fe和不可避免的杂质构成，在将以下结构作为材料颗粒时，所述材料颗粒的最大长度为1000μm以下，并且材料颗粒的面积率为2.0%以下，所述结构是所述钢材中存在的碳化物密集带，并且按当量圆直径计构成所述密集带的碳化物的粒径为5μm以上，碳化物间距离为30μm以下，所述碳化物密集带的面积为1000μm2以上。
2.权利要求1的高镜面塑料模具用钢，其特征在于，所述钢材进一步含有S：0.009质量%以下、O：25ppm以下，就所述钢材中存在的非金属夹杂物而言，按当量圆直径计粒径为25μm以上的夹杂物的数量为5个/200mm2以下，并且按当量圆直径计粒径为10~24μm的夹杂物的数量为25个/200mm2以下。