(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量比にしてC:0.40〜2.40%、Si:1.20%以下、Mn:1.20%以下、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cu:0.25%以下、Ni:0.50%以下、Cr:15%以下、Mo:5%以下と、W:2%以下、V:0.5%以下のうち１種又は２種を含有し残部がFe及び不純物元素からなる鋼を930〜1200℃の温度で焼入した後、150〜450℃の温度で第１段階の焼もどしを少なくとも１回以上施し、さらに480 〜550℃の温度で第２段階の焼もどしを施すことを特徴とする熱処理後の寸法変化が著しく少ない冷間工具鋼の製造方法。
【請求項２】
重量比にしてC:0.40〜2.40%、Si:1.20%以下、Mn:1.20%以下、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cu:0.25%以下、Ni:0.50%以下、Cr:15%以下、Mo:5%以下と、W:2%以下、V:0.5%以下のうち１種又は２種を含有し残部がFe及び不純物元素からなる鋼を930〜1200℃の温度で焼入した後、480 〜550℃の温度で第１段階の焼もどしを施し、さらに150〜450℃の温度で第２段階の焼もどしを少なくとも１回以上施すことを特徴とする熱処理後の寸法変化が著しく少ない冷間工具鋼の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、480〜550℃の温度での焼もどし処理（Ｘ）を施した直後に、Ｘの処理温度−40℃〜Ｘの処理温度の範囲の温度にて少なくとも１回以上焼もどしを施すことを特徴とする熱処理後の寸法変化が著しく少ない冷間工具鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼入焼もどし処理後の寸法変化が著しく少ない冷間工具鋼の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＳＫＤ１、ＳＫＤ１１  、ＳＫＤ１２  等の冷間用合金工具鋼は、ＨＲＣ６０  程度以上の高い硬さを得るために１５０  〜２００  ℃程度の低い温度で焼もどしを行っていた。しかしながら、低い温度での焼もどしでは、焼入処理によって材料内に発生した残留応力を十分に除去することができず、熱処理後にワイヤカット等で切断した時に歪が生じたり、割れが発生するという問題があった。
【０００３】
この問題を解決するために最近では、ＳＫＤ１１  やその改良鋼において、１０００℃程度の温度で焼入処理後、４８０  〜５５０  ℃程度の従来に比べかなり高い温度での焼もどしを２〜３回繰返す処理が行われている。また、１９８３年には合金工具鋼の規格であるＪＩＳＧ４４０４に対し、ＳＫＤ１１  の焼もどし温度に５００  〜５３０  ℃の処理の追加と高温焼もどし処理を追加することに伴い、焼入焼もどし硬さをＨＲＣ６１  以上からＨＲＣ５８  以上へ変更する等を内容とする改定も行われている。
【０００４】
この高い焼もどし温度は、Ｍｏ、Ｖ  、Ｗ  等の炭化物形成元素による析出硬化によって、いわゆる二次硬化と呼ばれる強度向上効果が得られる温度域であり、焼もどし温度が高くてもＨＲＣ５８  程度以上の高い硬さを確保できるために選択されたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記したように高い温度で焼もどし処理した場合には、予想できなかった次の問題が起きることに新規に発見したものである。すなわち、冷間加工用金型にとって、最も厳しく要求される品質の１つとして型の寸法精度があるが、本発明者等が詳細に調査した結果、前記したように高い温度で焼もどしした場合において、熱処理後の時間の経過とともに、少しずつ材料が膨張し、安定した寸法を確保できないことに気がついたものである。従来の熱処理条件の設定は硬さ、靱性を考えるだけの熱処理であり、熱処理後の材料の安定性まで考慮されていなかったものである。
【０００６】
このように、熱処理後に材料が少しずつ膨張する場合には、様々な問題が発生する。例えば高速摺動型で機械式の駆動ではなく空気圧により型を摺動させる場合、空気漏れを考慮してクリアランスを小さくする必要があるが、時間とともに型が膨張すると、突然型が焼きついて動かなくなる可能性がある。
【０００７】
また、半導体基板等のように板に多数の孔をあける場合には、型にも多数の孔をあけ、その孔の中に基板用板素材の上からピンで打ち抜き加工する場合があるが、型が膨張するとピンの位置と型の孔の位置が合わなくなって、使用不可となる場合がある。
【０００８】
さらに、本発明の対象としている工具鋼をゲージ用鋼として用いる場合には、寸法の基準となる素材自身の寸法が変化してしまっては、精度が大きく低下するものである。
【０００９】
本願発明は、このような問題を全て解決し、使用中に寸法変化が起きることのなく、かつ素材内に残留応力が小さくワイヤカット等の加工が容易な新しい冷間工具鋼及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
合金工具鋼の熱処理において、焼もどし後の温度を上げていくと、５００  ℃程度の温度で炭化物形成元素の析出に伴う二次硬化によって硬さ向上効果が得られるが、それ以上に温度を上げると、急激に硬さが低下する。従って、焼もどし温度の上限は、硬さが急激に低下する直前の温度に設定されているので、焼もどしによって残留オーステナイトが完全には分解せず、熱処理条件によってその量は変化するが、大体５〜３０％程度のオーステナイトが残留した状態となっている。従って、前記した使用中の膨張の原因は、残留オーステナイトが非常にゆっくりではあるが、分解することによって起こるものと推定される。
【００１１】
また、より高い温度にて焼もどし処理すれば、残留オーステナイトが減少し、寸法変化が少なくなると予想される。しかしながら、所定の硬さを確保するためには、これ以上焼もどし温度を高く設定することは不可能である。
【００１２】
本発明者等は、限られた焼もどし温度の範囲内で、熱処理後の寸法変化を抑えられる条件がないかどうか詳細に調査した。その結果、焼もどし処理の最初又は最後のいずれか一方で少なくとも１回以上１５０  〜４５０  ℃の温度で焼もどしを施すこと、すなわち低温焼もどしを最初か最後に１回以上行い、かつ４８０  〜５５０  ℃の高温焼もどしも１回以上施すことによって、材料内の残留応力を除去しつつ、熱処理後に起きる寸法変化が著しく小さく抑えられることを新規に見出したものである。
【００１３】
以上説明した検討の結果得られた本願の第１発明は、重量比にしてC:0.40〜2.40%、Si:1.20%以下、Mn:1.20%以下、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cu:0.25%以下、Ni:0.50%以下、Cr:15%以下、Mo:5%以下と、W:2%以下、V:0.5%以下のうち１種又は２種を含有し残部がFe及び不純物元素からなる鋼を930 〜1200℃の温度で焼入した後、150〜450℃の温度で第１段階の焼もどしを少なくとも１回以上施し、さらに480〜550℃の温度で第２段階の焼もどしを施すことにより、熱処理後の寸法変化を著しく少なく抑えたことを特徴とする冷間工具鋼の製造方法であり、第２発明は、第１発明と高温焼もどしと低温焼もどしの順序を逆にしたことを特徴とする冷間工具鋼の製造方法である。
【００１４】
また、第１〜４発明において、４８０  〜５５０  ℃の温度での焼もどし処理（Ｘ）を施すと、Ｘの処理によって処理前に存在した残留オーステナイトの一部が分解し、冷却時にマルテンサイトが生成して靱性が低下するので、その直後に、Ｘの処理温度−４０℃〜Ｘの処理温度の範囲の温度にて少なくとも１回以上焼もどしを施すことが好ましい。従って、この焼もどしは、第１、３発明においては第２段階の焼もどし処理直後に、第２、４発明においては、第１段階の焼もどし直後であって、第２段階の焼もどし処理前に施されることとなる。
【００１５】
また、全ての発明について共通して言えることであるが、４８０  〜５５０  ℃の温度での焼もどしを行った後、所定の硬さが得られなかった場合には、もう１度４８０  〜５５０  ℃の温度範囲でかつ前の温度よりも少し高い温度で焼もどし処理して硬さを調整することもできる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本願発明における化学成分、焼入温度の限定理由について説明する。
本願発明では、ＪＩＳＧ４４０４で規定された冷間金型用合金工具鋼や、今までに数多く開発され、特許出願されている冷間金型用鋼で、前記ＪＩＳ  規格鋼を改良した鋼も対象としている。本願発明は非常に広い範囲の成分の鋼に対し共通して利用できる新しい焼もどし方法である。
【００１７】
なお、本願発明ではＭｏ、Ｗ  、Ｖ  等の炭化物形成元素を含有させ、２次硬化の得られる鋼を対象としており、具体的には前記した請求の範囲に記載した通りである。そして、本願発明は鋼成分のみには新規な特徴はなく、各化学成分の範囲は、本願発明の熱処理が適用できる成分の範囲を示したものである。
【００１８】
次に、焼入温度の範囲を930〜1200℃としたのは、930℃未満では、炭化物が十分に溶け込まないために必要な焼入硬さが得られないものであり、逆に1200℃を超えると結晶粒が粗大化して靭性が低下するからである。なお、焼入温度は、鋼種によっても最適な範囲が異なるので、前記した範囲内で鋼種毎に適切な範囲を選択すれば良い。例えばSKD11であれば従来から普通に行われている1000〜1050℃の条件で行い、その後本願発明の焼もどし条件で熱処理を施すことによっても、十分に目的とする効果を得ることができる。
【００１９】
次に本願発明において新規な特徴である焼もどし条件について説明する。
本願発明の焼もどし処理において従来にない特徴は、１５０  〜４５０  ℃の温度での処理である低温焼もどしと４８０  〜５３０  ℃における高温焼もどしをそれぞれ１回以上同時に施すことである。材料内部の残留応力を小さく抑えるために、高温焼もどしを行ったのみでは、熱処理後に寸法変化が生じるが、高温焼もどし処理の前か後のいずれかに１５０  〜４５０  ℃にて低温焼もどし処理を行うことによって、寸法変化を防止することができる。以下、温度範囲の限定理由について説明する。
【００２０】
低温焼もどし処理の温度範囲を１５０  〜４５０  ℃としたのは、１５０  ℃未満では焼もどし効果が全く得られず、高温焼もどし処理のみ施した場合と全く同じ状態となって、寸法変化を防止することができないためであり、逆に４５０  ℃を超えると高温焼もどし処理と同じ影響を素材に与え、この場合も寸法変化を防止することができなくなるためである。なお、寸法変化を小さく抑えるためには、上限を４００  ℃とするのが好ましい。
【００２１】
高温焼もどし処理の温度範囲を４８０  〜５５０  ℃としたのは、４８０  ℃未満では、炭化物形成元素の析出硬化による二次硬化が得られないため、硬さが不足するものであり、５５０  ℃を超えると急激に硬さが低下し、４８０  ℃未満で処理した場合と同様に目的とする硬さが得られないためである。
【００２２】
なお、高温焼もどし処理（Ｘ）を行うと、焼もどし処理によって残留オーステナイトの一部が分解し、冷却時に新たに脆いマルテンサイトが生成して靱性が低下するので、再度その直後にＸの処理温度−４０℃〜Ｘの処理温度の範囲内で、焼もどし処理を行うと良い。この結果優れた靱性が確保される。
【００２３】
また、前記高温焼もどし処理Ｘを行った結果所定の硬さが得られなかった場合には、再度Ｘに比べ少し高い温度で焼もどしすれば、２次硬化によって所定の硬さを得ることができる。但しこのような熱処理のやり直しをしなくてもすむように、使用する鋼種に応じて狙いとする硬さの得られる最適な焼もどし温度をあらかじめ把握しておくことが望ましい。このような焼もどしのやり直しを行った直後においても、前記したように新たに脆いマルテンサイトが生成するので、その直後に若干低い温度〜同じ温度にて焼もどし処理を行うことにより靱性の改善を図ることができる。
【００２４】
【実施例】
次に本発明の特徴を実施例でもって明らかにする。表１は、実施例に用いた供試材の化学成分を示すものである。
【００２５】
【表１】
0003603427.tif 000002
【００２６】
表１において、１鋼はＳＫＤ１１  、２、３鋼はＳＫＤ１１  の硬さ、靱性等を改良するために開発された鋼であり、４鋼はＡＩＳＩ規格のＭ５０  を改良した鋼に相当する鋼である。
【００２７】
表１に示す供試材を電気炉にて溶製し、鍛伸によって直径４５ｍｍの丸棒とした後、機械加工により直径４０ｍｍ、長さ５０ｍｍの試験片を作製した。そして、後述する表２に示す各種条件で焼入焼もどしを行った後、最後の焼もどし処理後常温まで冷却した直後に１個の試験片で６箇所、１条件で３個の試験片を準備し合計１８箇所の直径を測定した。その後１００日間の間定期的に前記した測定箇所と全く同じ位置で測定し直径の変化について調査した。なお、室温の変化による測定結果のばらつきを防止するため、測定は全て２０℃の室内で測定した。結果を表２〜４に示す。表２〜４に示した値は、１８箇所の測定値の平均値である。
【００２８】
【表２】
0003603427.tif 000003
【００２９】
【表３】
0003603427.tif 000004
【００３０】
【表４】
0003603427.tif 000005
【００３１】
表２〜４から明らかなように、試験Ｎｏ．４４  〜５４のように高温焼もどし処理のみしか行わない場合には、熱処理直後から少しずつ膨張が進み、１００日後に直径で最高１３．６μｍ  膨張していることが確認された。それに対し、焼入処理後最初か最後のいずれか一方で低温焼もどし処理を行っている試験Ｎｏ．１〜４３の場合には、直径にほとんど変化がなく、測定誤差程度の変化しか認められなかった。また、試験Ｎｏ．５５  〜５７は従来行われていたような低温焼もどし処理のみ行った場合であるが、この場合も本願発明と同様に測定誤差程度の変化しか認められなかった。しかし、この場合には、後述するように残留応力が大きく残存するものである。
【００３２】
次に、熱処理後の残留応力の変化について確認した別の実施例について説明する。試験は、前記した寸法変化の測定に使用したものと同じ試験片（熱処理の仕方等全て同じ）を準備し、試験片の高さ方向で１／２  の位置における円周方向の表面の残留応力をＸ線を用いて測定したものである。なお、測定は表面から厚さ２ｍｍ  分を電解研磨によって除去した後に行った。結果を表５に示す。
【００３３】
【表５】
0003603427.tif 000006
【００３４】
表５から明らかなように、全て低温で焼もどし処理を行った試験Ｎｏ．６１  〜６３では、２００Ｎ／ｍｍ２程度の高い引張応力が残留していることがわかる。それに対し、本願発明のように１回以上高温で焼もどし処理を行った場合には、従来のように全て高温で焼もどし処理を施した場合と、ほぼ同等の残留応力に低減されることが明らかである。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本願発明のように焼入後低温焼もどし処理と高温焼もどし処理をそれぞれ１回以上行うことによって、熱処理後の寸法変化を著しく小さく抑えることができる。また、高温焼もどし処理により焼入処理によって発生する残留応力も問題にならない程度に小さく抑えることができるので、熱処理後にワイヤカット等を行っても歪んだり、割れたりすることがない。
従って、課題の箇所にて説明した、クリアランスを小さくしなければならない型に用いる材料や、半導体基板用金型用材料等寸法変化によって多大の悪影響が生じる用途に用いる場合でも、安心して使用することができる。