(57)【要約】【課題】  表面に複雑な凹凸を有する金型にも適用可能な焼入れ方法として、歪を飛躍的に低減し、ベイナイト域を急冷することによりベイナイト組織の生成を極力抑えることができると同時に、高い靭性を得ることができる金型の熱処理方法を提供する。【解決手段】  金型の焼入れ方法であって、金型の表面温度が８００〜５５０℃となるまで冷却ガスを吹き付けて冷却を行う工程の後、前記金型を油槽内の油に投入し、次いで雰囲気の減圧を開始し、金型の表面温度が４００〜３００℃の範囲に冷却された時に前記油槽を４００Ｐａ以下に減圧し、金型の表面温度が３００℃未満に低下後に大気圧に復圧を開始する金型の焼入れ方法である。好ましくは、油中冷却中の金型の表面温度が４００℃から２５０℃まで冷却する冷却時間を３０分以内とする金型の焼入れ方法である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製の金型の焼入れ方法であって、金型の表面温度が８００〜５５０℃となるまで冷却ガスを吹き付けて冷却を行う工程の後、前記金型を油槽内の油に投入し、次いで雰囲気の減圧を開始し、金型の表面温度が４００〜３００℃の範囲に冷却された時に前記油槽を４００Ｐａ以下に減圧し、金型の表面温度が３００℃未満に低下後に大気圧への復圧を開始することを特徴とする金型の焼入れ方法。
【請求項２】
金型の表面温度が４００℃から２５０℃まで冷却する冷却時間を３０分以内とすることを特徴とする請求項１に記載の金型の焼入れ方法。
【請求項３】
油を流速０．０５〜１ｍ／秒で強制攪拌することを請求項１または２に記載の金型の焼入れ方法。
【請求項４】
１００℃における油の動粘度が６〜２０ｍｍ２／秒であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の金型の焼入れ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼入れ歪が少なく、高い靭性を得ることが可能な鋼製の金型の焼入れ方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属材料の焼入れ歪を低減する方法は種々の提案がなされている。焼入れ歪を低減する方法としては直接処理材を冷却液に浸漬すると、過度に歪が加わることは避けられない。そのため、直接油中に処理材を浸漬しない方法として特開２００１−３１６７２２号（特許文献１参照）に示された方法は、焼入処理における油冷段階において、処理材を１００℃における動粘度が６〜５０ｍｍ２／秒である焼入油に投入する際の焼入油面圧を１〜３００Ｔｏｒｒに減圧し、その後該処理材の表面が蒸気膜段階または沸騰段階にある状態で不活性ガスあるいは空気を導入して焼入油面圧が３００Ｔｏｒｒを超える値とする熱処理方法が開示されている。
この方法では、例えば処理材が浸炭処理した歯車のようなものである場合、処理材の焼入歪みを防止するために、蒸気膜段階を長くして、一旦、蒸気膜で処理材を包むことで冷却特性を調整するものである。
【特許文献１】特開２００１−３１６７２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
鋼製の金型（以下、金型と記す）は表面に複雑な凹凸を有するものであり、上述した特開２００１−３１６７２２号公報に記載された焼入れ方法をそのまま金型の焼入れ方法として適用しようとした場合、減圧された状態においても、安定した蒸気膜を得ることは難しく、表面の複雑な凹凸、浸漬位置によって蒸気膜中での冷却の調整が困難となる。その結果、焼入れ歪が大きくなったり、金型の硬さを調整することが困難である。
本発明の目的は、表面に複雑な凹凸を有する金型にも適用可能な焼入れ方法として、歪を飛躍的に低減し、ベイナイト域を急冷することによりベイナイト組織の生成を極力抑えることができると同時に、高い靭性を得ることができる金型の熱処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものである。
すなわち本発明は、金型の焼入れ方法であって、金型の表面温度が８００〜５５０℃となるまで冷却ガスを吹き付けて冷却を行う工程の後、前記金型を油槽内の油に投入し、次いで雰囲気の減圧を開始し、金型の表面温度が４００〜３００℃の範囲に冷却された時に前記油槽を４００Ｐａ以下に減圧し、金型の表面温度が３００℃未満低下後に大気圧への復圧を開始する金型の焼入れ方法である。
好ましくは、油中冷却中の金型の表面温度が４００℃から２５０℃まで冷却する冷却時間を３０分以内とする金型の焼入れ方法である。
更に好ましくは、油を流速０．０５〜１ｍ／秒で強制攪拌する金型の焼入れ方法である。
更に好ましくは、油の動粘度が６〜２０ｍｍ２／秒である金型の焼入れ方法である。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、表面形状によらず均一な冷却速度で焼入が可能となり、金型の焼入れ歪を低減させることができる。また、焼入油浸漬中の沸騰段階を長くすることにより、ベイナイト域まで冷却速度が速く、ベイナイトの析出が抑えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明は金型の歪を最小限に抑え、同時に靭性に優れた熱処理方法を提供するものである。
一般の熱処理方法では低歪を重視すると冷却速度が遅くなり靭性は低くなる。逆に靭性を高めようとして冷却速度を大きくすると歪が大きくなり易い。本発明は焼入れ冷却段階での冷却方法の組合わせにより低歪と高靭性を同時に実現したことに特徴がある。
以下に冷却方法の詳細について説明する。
先ず、本発明においては、加熱された金型の表面温度が少なくとも８００〜５５０℃となるまで冷却ガスを吹き付けて冷却を行う。本発明は熱処理後の歪を最小限に抑えることを一つの特徴としているが、冷却段階の初期（８００〜５５０℃の範囲）に、且つ冷却ガスを用いて冷却を行うと、金型の歪を小さくするのに著しい効果がある。
冷却ガスを吹き付けての冷却は風向き、風量、風を処理材に当てる個所を自在に調整することができる。金型は上述のように表面形状が複雑なため、局部的に冷却速度が変化しないようにする必要があるため、これを最も調整し易い冷却ガスを吹き付ける冷却を必要とする。これは、水、油等の沸騰型媒体だと、蒸気膜の影響により、場所により蒸気膜の壊れる時間にバラツキがあり、冷却速度が不均一になるため、本発明では均一に冷却可能な冷却ガスを吹き付ける冷却とした。
冷却ガスの種類は、例えば真空雰囲気にて冷却ガスを吹き付けて冷却する場合では窒素、ヘリウム、アルゴン等のガスを吹き付けることができる。また、大気中にて冷却ガスを吹き付けて冷却する場合では空気を冷却ガスとして吹き付けることができる。
なお、ここでの冷却ガスを吹き付けての冷却での金型表面の冷却速度は５℃／分以上が良い。
【０００７】
上記冷却ガスを吹き付けて冷却を行う工程の後、前記金型を油槽内の油に投入する。このとき、油槽は後に減圧するため、例えば油槽自体が密封できる構造のものを用いるか、或いは、密封容器の中に油槽を設ける構造としても良い。
この時に用いる油としては好ましくは１００℃における油の動粘度が６〜２０ｍｍ２／秒のものを用いると良い。この油の動粘度が２０ｍｍ２／秒以下であれば、沸騰段階が低温まで続き、ベイナイト域の冷却速度が速くなるという効果を得ることができるためである。但し、６ｍｍ２／秒よりも小さいと高温で蒸気膜が安定となるため、油に浸漬した時に蒸気膜が壊れにくく冷却ムラが発生しやすくなる。そのため、本発明で用いる好ましい油の動粘度を１００℃における油の粘度が６〜２０ｍｍ２／秒の範囲とした。
【０００８】
そして、油槽中に投入された金型の表面温度が４００〜３００℃の範囲に冷却された時に前記油槽を４００Ｐａ以下になるように減圧する。
本発明において金型の表面温度の上限を４００℃〜３００℃としたのは、この温度範囲が沸騰段階であるという理由である。対流段階への移行時間をできるだけ遅くして、４００〜２５０℃のベイナイト生成域を急冷する必要がある。単に油に浸漬するだけでは処理材のベイナイト域での変態潜熱による冷却が緩慢になるが、減圧することにより低温まで沸騰段階の状態が維持され冷却能力が著しく向上する。ベイナイト域を急冷することにより、ベイナイトの生成が抑止され、本発明の特徴である靭性を高めるのに大きな効果がある。
そして、油槽を４００Ｐａ以下に減圧としたのは沸騰段階を下げるのに効果があるためである。減圧すればするほど良いが、工業的には４００Ｐａ以下で十分な効果が得られる。なお、減圧するタイミングは油に浸漬後から減圧を開始し、表面温度が４００〜３００℃に到達するまでに４００Ｐａに到達すれば良い。好ましくは、少なくとも金型とした鋼のベイナイト生成温度の上限温度プラスマイナス２０℃の範囲で４００Ｐａに到達するのが良く、さらに好ましくは金型とした鋼のベイナイト生成温度の上限温度〜ベイナイト生成温度の上限プラス２０℃の範囲にて４００Ｐａに到達すれば良い。
【０００９】
そして、金型の表面温度が３００℃未満に低下後に大気圧への復圧を開始する。
この理由は３００℃未満までの領域を急冷し続けると金型のコーナー部から焼ワレのリスクが高くなるためである。
好ましくは３００℃未満〜２００℃の範囲内にて復圧すれば焼き割れをより確実に抑制でき、さらに好ましくはベイナイト生成領域の下限温度プラス１５℃〜ベイナイト生成領域の下限温度マイナス２０℃以下の温度にて復圧すると良く、さらに好ましくはベイナイト生成領域の下限温度〜ベイナイト生成領域の下限温度マイナス１５℃の範囲で復圧を開始すれば、ベイナイト生成をより確実に抑制でき、且つ焼き割れの防止もより確実に行うことができる。
【００１０】
本発明において好ましくは、焼入油冷却中の金型の表面温度が４００℃から２５０℃まで冷却する冷却時間を３０分以内とすれば、ベイナイト生成が抑止され高い靭性値が得られる。
衝撃値を高めるにはベイナイト域を急冷することが最も効果的であり、材質によって若干異なるものの金型用として用いられる鋼の場合、４００〜２５０℃の範囲内にベイナイト生成領域がある。そのため、４００〜２５０℃の範囲の冷却時間は速ければ速いほど良く、特に金型最大肉厚部の中心部で最も冷却速度の遅い部分で、この範囲の冷却時間が３０分以内が好ましい。
【００１１】
また本発明において更に好ましくは、油を流速０．０５〜１ｍ／秒で強制攪拌すると良い。これは撹拌をすると、減圧との相乗効果で冷却能力が高まるためである。
流速は速いほど冷却能力は高まるが工業的には流速が１ｍ／秒までで、この範囲で十分な冷却効果が得られる。一方、撹拌効果を十分に得るためにはレイノルズ数を高めて乱流にする必要があるが、流速０．０５ｍ／秒を下回ると乱流状態が得られにくい。好ましい流速は０．１〜０．５ｍ／秒の範囲である。
なお、強制攪拌するには乱流が得られれば、攪拌装置はどの向きにつけてもよい。撹拌効率が高いのはプロペラ撹拌であり、通常、油に浸漬した時に下から上向きに流れを制御する。この場合、下面に流れが集中するので、揺動、また形状によっては整流板を側面に取り付け金型全体に均一な流速が得られるようにするとよい。
【００１２】
上述した金型は例えば熱間ダイス鋼、アルミダイカスト用の金型であれば本発明の効果を十分えることができる。
また、表面温度の測定方法は、放射温度計やシース熱電対を用いて測定すると良い。シース熱電対はダイカスト金型には冷却孔の孔が多数空けられており、表面に近い部分の孔に熱電対を挿入して測温する。また焼入油への投入温度、引き上げ温度については放射温度計やテンピルステイックを用いて確認、測定してもよい。
なお、上述した本発明の焼入方法適用後に焼戻しを行う。この時の条件は５５０〜６５０℃、保持時間は最大肉厚１ｍｍあたり１〜３分（好ましくは1．２〜２．５分）を目安に、その前後１時間の範囲内で焼戻しを行うと良い。また、焼入れ以後の金型は割れが発生しやすいため、焼戻し処理は焼入れ処理後、直ちに行うのが好ましい。
【実施例】
【００１３】
以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
まず表１に示す組成（ＳＫＤ６１：ベイナイト生成領域３２０〜２７０℃）の金型材料を準備し、図１に示すような３００ｍｍ×３００ｍｍ×１００ｍｍ厚さで、３００ｍｍ×３００ｍｍの面に２００ｍｍ×２００ｍｍ×１００ｍｍ高さの突起部(2)を有するダイカスト用の金型(1)を加工した。突起部にて表面温度を測定するために突起部の裏側から測定用の孔を突部表面近傍まで空けた。シース熱電対を測定孔に挿入し金型の表面温度を測定した。なお、図１は模式図であって、金型表面に加工された微細な凹凸形状は図から割愛した。
この金型を真空焼入炉で１０３０℃に９０分間加熱した後、表２に示す条件で冷却を行った。冷却開始は真空炉の中で５ｂａｒに加圧した窒素ガスを冷却ファンで吹き付けながら冷却を行った後、真空焼入炉から金型を取り出し油タンクの中に投入した。
油タンクは８００ｍｍ丸で深さ１５００ｍｍの円柱状のシュートを持つタンクで、プロペラ撹拌機により、タンク下面から上面に向かって均一な流速が得られるようにした。流速については周波数により表２に示す速度に調整した。焼入油は粘度の異なる油を３種類用意した。油温は１００℃に調整した。
【００１４】
油へ投入後タンクを密閉し、減圧を開始する。表２に金型表面温度が４００〜３００℃範囲に冷却されたの時の最大到達真空度を示した。なお、本発明においては、ベイナイト生成領域の上限（３２０℃）にて４００Ｐａに到達するように調整した。
そして、金型表面温度が３００℃未満になったら復圧し、金型を油タンクから引き上げ、そのまま表面温度が１５０〜１００℃になるまで放冷し、焼戻しを行った。焼戻しは５８０℃に加熱し、所定の温度に達してから５時間の保持を行った。これを２回繰り返し行った。
熱処理完了後、定盤の上に金型を積載して、金型の両端部に生じる隙間を隙見ゲージにより求めた。次に金型の表面から５０ｍｍの位置で２ｍｍＵノッチのシャルピー試験片を採取し、衝撃試験を実施した。これらの結果を表３に示す。
なお、焼入れ後の金型での焼入れ歪量の測定は、金型が割れる危険性が高まるため、焼戻し後の金型にて焼入れ歪量の測定を行った。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
【表２】
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【００１７】
【表３】
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【００１８】
Ｎｏ．１は比較例である。Ｎｏ．１は、油への投入温度が８００℃を越えており、浸漬時に金型表面に蒸気膜が生成したと考えられ、冷却ムラにより反りが大きい結果となった。ベイナイト域の減圧により冷却速度が速く十分な靭性は得られているが、歪が大きい。
一方、本発明の方法を適用したＮｏ．２〜８、１１〜１３は、いずれも歪、靭性ともに良好な結果が得られている。また焼入れ時の冷却割れの発生もなく良好であった。
Ｎｏ．３〜５は無撹拌の状態で油に浸漬し、その投入温度、４００℃での油面圧力を変化させた。投入温度が下がるにつれて、到達減圧度が小さく、歪は小さいが、冷却速度が遅くなる傾向にあった。
Ｎｏ．２、Ｎｏ．６〜８は撹拌の効果を確認したものである。
撹拌速度が大きくなるにつれて、４００〜２５０℃のベイナイト域の冷却速度は速くなり、最も撹拌速度の大きいＮｏ．８は、シャルピー衝撃値が最も優れていた。
【００１９】
Ｎｏ．９及び１０は油面圧が大きい場合の比較例の冷却方法である。
冷却曲線を作成すると２８０〜３００℃でベイナイト変態潜熱により冷却速度が極端に遅くなっており、衝撃値が著しく低下する。
Ｎｏ．１１〜１３は本発明の油の動粘度が高い場合の条件である。
低粘度油に比べると冷却速度は少し遅くなっているが、従来方法の比較例と比べると、減圧効果によりベイナイト域の通過時間は短い。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明によれば、複雑な形状を有する金型の焼入れ歪を低減させ、さらにベイナイトの生成を抑制し靭性を高めることができる。金型以外の複雑な形状品においても同様な効果を得ることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】金型の構成図である。
【符号の説明】
【００２２】
１．  金型
２．  突起部
【図１】
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