(57)【要約】【課題】たとえばＳＫＤ６１鋼製の、熱間鍛造金型、熱間プレス金型、ダイカスト金型、熱間押出し金型の大型のものを、焼割れを避けて焼入れし、低い熱処理歪みと高い靱性とを兼ね備えた金型を得る方法を提供する。【解決手段】焼入れ温度への加熱に続く冷却を、冷却が最も遅い位置、すなわち金型の最も肉厚が厚い部分の中心の冷却速度が、焼入れ温度から６００℃までの高温領域は２０〜５℃／分以上、４００℃から２００℃までの低温領域は１〜１５℃／分となるように実施する。金型の表面温度が４００〜６００℃の中温領域にある間に、金型をこの領域の温度に一時的に保持するか、または徐冷することにより、金型の表面と内部で温度差が３００℃を超えないようにして冷却を進めることが好ましい。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
大物金型の焼入れ方法であって、焼入れ温度への加熱に続く冷却を、冷却が最も遅い部分の冷却速度が、焼入れ温度から６００℃までの高温領域は２０〜５℃／分以上、４００℃から２００℃までの低温領域は１〜１５℃／分となるように実施することにより、焼き割れを避けて、低歪みかつ高靱性の金型を得ることを特徴とする焼入れ方法。
【請求項２】
冷却の過程において、金型の表面温度が６００℃より低いが４００℃より高い中温領域にある間に、金型をこの領域の温度に一時的に保持するか、または徐冷することにより、金型の表面と冷却が最も遅い部分との温度差が３００℃を超えないようにして冷却を進める請求項１の焼入れ方法。
【請求項３】
焼入れ温度への加熱を大気圧の雰囲気炉を用いて行ない、冷却は、高温領域においては大気中の空冷または衝風冷却により、低温領域においては４０〜２００℃の油に投入することにより１〜１５℃／分の冷却速度を確保するように実施する請求項１または２の焼入れ方法。
【請求項４】
焼入れ温度への加熱を真空または不活性ガス雰囲気の炉を用いて行ない、冷却は、大気圧の、または加圧下の不活性ガス雰囲気において実施する請求項１または２の焼入れ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大物金型の焼入れ方法の改良に関する。ここで「大物金型」とは、代表的にはＪＩＳ−ＳＫＤ６１鋼で製造する熱間鍛造金型、熱間プレス金型、ダイカスト金型、熱間押出し金型のような、大型で重量が数百キログラム〜数トンに及ぶ金型を指す。「冷却が最も遅い部分」は、金型の最も肉厚が厚い部分の中心と考えられる。
【背景技術】
【０００２】
上記のような熱間で使用される金型は、焼入れ・焼戻しのような熱処理を施してから使用に供されるが、加熱された被鍛造材や金属溶湯との接触および分離により、金型表面が繰り返し加熱冷却されるため、ヒートチェックが発生することが多い。このようなヒートチェックの防止策としては、金型の硬さを増すことが効果的であるが、硬すぎる金型は靱性が低く耐衝撃性に劣るため、ヒートチェック部や金型形状に伴う切り欠き部を起点として、大割れが生じることがある。そこで、硬さを高くしても高い耐衝撃性が得られるような熱処理方法が望まれている。このような見地から、金型の焼入れ時の冷却速度と耐衝撃性との関係を調べた結果、冷却速度が速い方が、耐衝撃性が良好であることがわかった。
【０００３】
一方、近年、従来は複数の部材を組み合わせて製造していた部品を、はじめから一体に製造することにより、生産能率の向上、軽量化、コスト削減を図る傾向が高くなっている。それに伴い、部品を製造する金型もいきおい大型化してくる。そのような大物金型は、耐衝撃性を高めようとして焼入れ時の冷却を強化すると、焼割れが生じたり、熱処理歪みが大きく金型として使用できないものになったりするという問題が出てくる。このため、大物金型では、焼入れ時の冷却は比較的緩やかな条件で行なわざるを得ない。そうなると、焼入れ効果が低くなって、焼割れ防止と低歪みとは実現するものの、高靱性をこれらに両立させることは困難になる。
【０００４】
このような事態を打開する手段として、焼入れ時の高温領域における冷却を緩やかにすることにより歪みを低減するが、ＣＣＴ（低温域連続冷却）曲線が与えるベイナイトノーズに接触しない短い時間で焼入れを完了することにより、ベイナイトの生成を防いで耐衝撃性を向上させ、低歪みと耐衝撃性を両立させることが提案されている（特許文献１、特許文献２）。しかし、ＳＫＤ６１を代表とする熱間ダイス鋼のベイナイトノーズは約３０〜６０分のあたりに存在するため、ベイナイトの生成を避けて冷却するには、高温域の冷却速度をある程度以上に高める必要があって、熱処理歪みを十分に低くすることは望みが薄い。
【０００５】
焼入れ温度までの加熱を減圧された加熱室内で行ない、高温域の冷却を不活性ガス雰囲気とくに加圧雰囲気で行ない、金型表面が９００〜５００℃になったところで炉から出して油冷し、脱炭を防止しながら低い歪みと高い衝撃値とを両立させるという試みもある（特許文献３）。しかし、この方法は、高温で炉の雰囲気を変更する必要があり、炉体の寿命を短くする危険がある。加熱および冷却は、大気圧雰囲気炉による加熱と大気中での冷却によるか、または真空炉中での加熱と不活性ガスまたはその加圧雰囲気における冷却により、一貫して行なうことが好ましい。
【０００６】
高温域の冷却を衝風により行ない、低温域の冷却をポリマー液への投入によって行ない、冷却速度を高めて耐衝撃性を確保するという方策も考えられている（特許文献４）。この方策では、耐衝撃性の向上には有効であるが、その一方で、ポリマー液の冷却能は焼入れ油にくらべて大きいから、大物金型では焼割れの危険が大きくなる。
【特許文献１】特公平６−１０４８５１
【特許文献２】特開平８−２２５８３０
【特許文献３】特開平２００１−１８１７３５
【特許文献４】特開平９８−１８２９４８
【０００７】
このような技術の現状にかんがみ、発明者らは、焼入れ時の冷却速度と、衝撃値、焼入れ歪みおよび焼割れとの関係を調べて、つぎのような知見を得た。
【０００８】
１）冷却速度が衝撃値に及ぼす影響は、高温領域では小さく、６００℃以上の領域において、冷却が最も遅い部分の冷却速度を５℃／分以上、すなわちパーライト析出が生じない速度で冷却すれば、衝撃値の顕著な低下はみられない。しかし、低温領域では影響が大きく、冷却速度が低いと衝撃値が低く、冷却速度が高まれば衝撃値も高くなる。このとき、冷却が最も遅い部分の冷却速度が１℃／分以下になると、衝撃値が大幅に低下するので、この限界を確保する必要がある。すなわち、熱処理歪みを低減するためにＣＣＴ曲線のベイナイトノーズより遅くなるように高温域の冷却を行なっても、低温域を十分速やかに冷却することにより、高い衝撃値が得られる。
【０００９】
２）焼割れは、大物金型で低温域の冷却速度が速いほど生じる可能性が高くなる。これは、金型の表面と内部との、マルテンサイトおよびベイナイト変態開始の時間差に起因するもので、時間差が大きいほど、すなわち焼入れ直前の表面と中心部の温度差が大きいほど割れやすくなるということである。また、金型が大物になるほど、高温域を緩やかに冷却しても、低温域の急冷直前の段階における、内外の温度差が大きくなる。さまざまな冷却パターンを実験した結果、４００〜６００℃の温度領域ではパーライト析出やベイナイト変態などの現象が著しく遅く、工業的に有限な時間、この温度範囲に保持しても、衝撃値には影響がないことがわかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、発明者が得た上述の知見を基礎とし、大物金型の焼入れ方法において、焼割れを避けて焼入れを行ない、低い熱処理歪みと高い靱性とを兼ね備えた金型を得る方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成する本発明の大物金型の焼入れ方法は、基本的には、焼入れ温度への加熱に続く冷却を、冷却が最も遅い位置、すなわち金型の最も肉厚が厚い部分の中心の冷却速度が、焼入れ温度から６００℃までの高温領域は２０〜５℃／分以上、４００℃から２００℃までの低温領域は１〜１５℃／分となるように実施することにより、焼割れを避けて、低歪みかつ高靱性の金型を得ることを特徴とする焼入れ方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の焼入れ方法により大物金型の焼入れを行なえば、焼入れ時に焼割れが生じることはなく、かつ、熱処理歪みを最小限に抑えて、高い靱性をもった大物金型を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、上記した焼入れの条件について説明する。まず、高温領域すなわち焼入れ温度から６００℃までの範囲では２０〜５℃／分以上としたのは、前述のように、この温度域では冷却速度が衝撃値にあまり影響を与えないが、パーライトが析出する５℃／分未満になると衝撃値の低下が顕著になるから、この冷却速度が下限となる一方、熱処理歪みに関しては、あまり急冷すると歪みが大きくなるため、なるべく遅く冷却することが好ましく、２０℃／分がこの観点からの上限となる、という理由に基づく限定である。
【００１４】
つぎに、低温領域すなわち４００℃から２００℃までの間の冷却速度を１〜１５℃／分としたのは、これも前述のように、この領域では冷却速度の大小に衝撃値の大小が比例するから、なるべく速やかに冷却したいが、一方であまり大きい冷却速度では金型の表面と内部との温度差にもとづく焼き割れが生じるから、それを避けるため１５℃／分を上限とし、下限側は、衝撃値が低すぎない限界という観点から、１℃／分を下限とした。５℃／分以上あることが好ましい。
【００１５】
冷却の過程において、金型の表面温度が６００℃より低いが４００℃より高い中温領域にある間に、金型をこの領域の温度に一時的に保持するか、または徐冷することにより、金型の表面と冷却が最も遅い部分との温度差が３００℃を超えないようにして冷却を進めることが好ましい。４００〜６００℃では、パーライト変態およびベイナイト変態の開始時間が非常に遅く、この温度領域に保持することにより、組織の変化を生じることなく金型の表面と内部との温度差を低減することが可能である。
【００１６】
４００〜６００℃の温度域における一時的な保持または徐冷を、上記のように、金型の表面と冷却が最も遅い部分との温度差が３００℃を超えないようにするのは、この温度差が大きいと、後続の工程である急冷により表面がマルテンサイトまたはベイナイトに変態して、著しく脆くなったのちに中心部がマルテンサイトまたはベイナイト変態して膨張する現象が起こるまでの時間差が大きくなり、焼割れが避けがたくなるからである。
【００１７】
本発明の焼入れ方法を実施するひとつの態様は、焼入れ温度への加熱を大気圧の雰囲気炉を用いて行ない、冷却は、高温領域においては大気中の空冷または衝風冷却により、低温領域においては４０〜２００℃の油に投入することにより１〜１５℃／分の冷却速度を確保するようにしたものである。低温域の冷却速度をこの１〜１５℃／分にするには、焼入れ油の温度を４０〜２００℃の範囲内で、適切に調節することが必要である。焼入れ油の温度が４０℃未満では、冷却が急激になって焼割れを生じやすくなるし、２００℃を超える高温にすると、必要な冷却速度が得られなくなる可能性がある。
【００１８】
焼入れ温度への加熱は、上記した大気圧の不活性ガス雰囲気の炉を用いて行なってもよいし、真空中で行なってもよい。冷却は、大気中や上述の油焼入れなどを選択できるが、それ以外にも、大気圧の、または加圧下の不活性ガス雰囲気で実施してもよい。
【実施例】
【００１９】
ＳＫＤ６１鋼の球状化焼鈍し材を、図１に示すように、３００mm×３００mm×３００mmの立方体に切り出し、その一面に幅が５０mmで深さも５０mmの溝を機械加工により設けた試験片を用意し、１０３０℃に加熱後、種々の条件で焼入れした。このとき、試験片の表面と中心部との温度を、それぞれ熱電対で測定した。冷却の条件を、表１に掲げる
【００２０】
その後、４８ＨＲＣに焼戻しして、焼割れの有無（溝の隅を観察）、中心部のシャルピー衝撃値および焼入れ歪みの量を測定した。シャルピー試験片は、鍛伸方向と直角方向に、２mmのＵノッチを設けたものである。焼入れ歪み量の測定方法は、図２に示すとおりである。測定結果を、熱処理の方法とともに、表１に示す。熱処理の方法は、下記の２種である。
Ａ：真空中または不活性ガス雰囲気中で焼入れ温度まで加熱し、つづいて不活性ガス雰囲気またはその加圧雰囲気中で冷却。
Ｂ：大気圧の不活性ガス雰囲気中で焼入れ温度まで加熱し、加熱炉から出して大気中で空冷または衝風冷却。低温域は２００〜４０℃の油に焼入れ。
【００２１】
【表１】
2006342377.tif 000002
【００２２】
表１のデータは、下記の事実を示している。すなわち、本発明の条件に従う焼入れを行なった実施例においては、焼割れが生じることなく、衝撃値が高く、歪みも小さい結果が得られた。比較例Ａは、高温域の冷却速度が速すぎたために熱処理歪みが大きく、かつ、低温域急冷直前（４００℃で測定）の表面と内部の温度差が大きいため、焼入れ中に焼割れを生じた。比較例Ｂは、高温域の冷却速度が遅すぎため、冷却中にパーライトが析出して、衝撃値が低下した。比較例Ｃは、低温域の冷却速度が遅すぎたために、十分な衝撃値が確保できていない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例において使用した試験片の形状を示す図であって、Ａは平面図、Ｂはその下方から視た側面図。
【図２】図１の試験片を用いた熱処理歪み量の測定方法を示す説明図。
【図１】
2006342377.tif 000003
【図２】
2006342377.tif 000004