(57)【要約】【課題】大型の金型などの鋼部材であっても、確実に強靱化でき且つ歪や割れが生じにくい焼き入れ工程を含む鋼部材の熱処理方法を提供する。【解決手段】少なくとも、０．２０〜１．５ｗｔ％の炭素と、０．５〜２５ｗｔ％の炭化物生成元素とを含むと共に、重量が５０ｋｇ以上の工具鋼からなる鋼部材に対し、以下の冷却ステップを施す焼き入れ工程を含む、鋼部材の熱処理方法。  第１冷却ステップ：焼き入れ温度（１０３０℃）から６００℃までの高温度帯ｈｔにおいて、パーライト相およびフェライト相の析出が回避できる３℃／分超の平均冷却速度Ｃ１で冷却する。  第２冷却ステップ：５００℃以下で且つ１３０℃までの低温度帯ｌｔにおいて、１℃／分以上の平均冷却速度ＣＴで冷却する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、０．２０〜１．５ｗｔ％の炭素と０．５〜２５ｗｔ％の炭化物生成元素とを含むと共に、重量が５０ｋｇ以上である鋼部材に対し、以下の冷却ステップを施す焼き入れ工程を含む、ことを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
第１冷却ステップ：焼き入れ温度からパーライト変態およびフェライト変態の少なくとも一方が開始し得る温度までの高温度帯において、パーライト相およびフェライト相の析出が回避できる平均冷却速度で冷却する。
第２冷却ステップ：ベーナイト変態開始温度からベーナイト変態終了温度およびマルテンサイト変態終了温度よりも低温度までの低温度帯において、１℃／分以上の平均冷却速度で冷却する。
【請求項２】
少なくとも、０．２０〜１．５ｗｔ％の炭素と、０．５〜２５ｗｔ％の炭化物生成元素とを含むと共に、重量が５０ｋｇ以上である鋼部材に対し、以下の冷却ステップを施す焼き入れ工程を含む、ことを特徴とする鋼部材の熱処理方法。
第１冷却ステップ：焼き入れ温度から６００℃までの高温度帯において、パーライト相およびフェライト相の析出が回避できる３℃／分超の平均冷却速度で冷却する。
第２冷却ステップ：５００℃以下で且つ１３０℃までの低温度帯において、１℃／分以上の平均冷却速度で冷却する。
【請求項３】
前記第２冷却ステップにおける低温度帯のうち、５００℃からベーナイト変態開始温度およびマルテンサイト変態開始温度の何れか一方までの温度帯では、ベーナイト変態およびマルテンサイト変態の少なくとも一方が、４００℃〜マルテンサイト変態開始温度の範囲で開始するような冷却速度で冷却し、且つ変態開始後は１℃／分以上の平均冷却速度で冷却する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の鋼部材の熱処理方法。
【請求項４】
前記第１冷却ステップの高温度帯と第２冷却ステップの低温度帯との間おける中間温度帯または６００℃〜５００℃の間では、焼き入れすべき鋼部材の断面における最高温度部位と最低温度部位との差が２００℃以下となるように制御する、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の鋼部材の熱処理方法。
【請求項５】
前記焼き入れ工程の後に、前記焼き入れを施された鋼部材を、５０〜７５０℃に加熱および保持する焼戻し工程を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の鋼部材の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、工具鋼からなり所定以上の重量を有するダイカスト金型、熱間鍛造用金型、あるいはダイスなどの鋼部材の熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱間ダイス鋼の焼き入れは、マルテンサイト単相化を図るため、以下の条件が必要とされていた。
（１）焼き入れ温度から６００℃付近までは、粒界炭化物の析出とパーライト変態とを回避するため、一定以上の冷却速度で急冷する。
（２）更に、ベーナイト変態を回避するため、２５０〜１５０℃まで急冷する。
例えば、焼き入れによる歪みや割れを防ぎ、ヒートクラックが生じにくい靭性の高い鋼製の金型を得るため、焼き入れ温度から６５０〜３００℃の温度帯までは、トルースタイトまたは粒界炭化物が析出する冷却速度よりも速い速度で冷却し、その後ポリマー液中で冷却することで、ベーナイトの析出を抑制する金型の焼き入れ方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１８２９４８号公報（第１〜１２頁）
【０００４】
しかし、大型化する金型では、冷却速度を速く且つ均一にしにくいため、前記（１）焼き入れ温度から６００℃付近まで、粒界炭化物の析出とパーライト変態とを回避するための急冷、および（２）ベーナイト変態を回避するための２５０〜１５０℃までの急冷、の双方を満たすことは、困難であった。このため、大型の金型を焼き入れにより強靱化することは、至難であった。
しかも、上記（１）、（２）の双方の条件を満たす焼き入れは、金型の変形量（歪）が大きくなる傾向にあるため、その後で仕上げ加工による修正のための工数が増加する、という問題もあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、背景技術において説明した問題点を解決し、大型の金型などの鋼部材であっても、確実に強靱化でき且つ歪や割れが生じにくい焼き入れ工程を含む鋼部材の熱処理方法を提供する、ことを課題とする。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００６】
即ち、本発明による鋼部材の熱処理方法（請求項１）は、少なくとも、０．２０〜１．５ｗｔ％の炭素と０．５〜２５ｗｔ％の炭化物生成元素とを含むと共に、重量が５０ｋｇ以上である鋼部材に対し、以下の冷却ステップを施す焼き入れ工程を含む、ことを特徴とする。
第１冷却ステップ：焼き入れ温度からパーライト変態およびフェライト変態の少なくとも一方が開始し得る温度までの高温度帯において、パーライト相およびフェライト相の析出が回避できる平均冷却速度で冷却する。
第２冷却ステップ：ベーナイト変態開始温度からベーナイト変態終了温度およびマルテンサイト変態終了温度よりも低温度までの低温度帯において、１℃／分以上の平均冷却速度で冷却する。
【０００７】
また、本発明による鋼部材（ＪＩＳ：ＳＫＤ６１）の熱処理方法（請求項２）は、少なくとも、０．２０〜１．５ｗｔ％の炭素と、０．５〜２５ｗｔ％の炭化物生成元素とを含むと共に、重量が５０ｋｇ以上である鋼部材に対し、以下の冷却ステップを施す焼き入れ工程を含む、ことを特徴と表すこともできる。
第１冷却ステップ：焼き入れ温度から６００℃までの高温度帯において、パーライト相およびフェライト相の析出が回避できる３℃／分超の平均冷却速度で冷却する。
第２冷却ステップ：５００℃以下で且つ１３０℃までの低温度帯において、１℃／分以上の平均冷却速度で冷却する。
前記各温度は、処理すべき鋼部材の断面において冷却速度が最少となる部位での温度が望ましく、係る部位は、数値シュミレーションによる推定、熱電対の挿入による実則、あるいは経験則などから求められる。
【０００８】
前記各方法によれば、第１冷却ステップの高温度帯では、パーライト相およびフェライト相が析出し始めるパーライト変態およびフェライト変態の開始温度および開始時間（ノーズタイム）を回避できる冷却速度（３℃／分超）で急冷されるため、焼き入れ温度時と同じオーステナイト相を母層として、上記高温度帯を通過できる。この結果、パーライト相およびフェライト相の析出を防ぎ、後述する低温度帯での変態よって、強靱化を図ることが可能となる。尚、第１冷却ステップでは、炭化物が上記オーステナイト相中に析出することがある。
更に、前記第２冷却ステップの低温度帯では、１℃／分以上の平均冷却速度で冷却するため、４００℃〜マルテンサイト変態開始温度の間で、マルテンサイト変態またはベーナイト変態が開始され易くなる。また、１３０℃になるまで上記速度で冷却するため、残留オーステナイト相を低減できる。この結果、５００℃〜４００℃超の温度帯での変態を防止できる。即ち、粗大な結晶粒のマルテンサイト相またはベーナイト相が析出する事態を防止できるので、後述する焼き戻し工程を施すことで、鋼部材の強靱化を図ることができる。
従って、例えば、重量が数１００ｋｇ〜１トンに達するダイカスト金型などの比較的大型の鋼部材を、確実に強靱化でき且つ変形や割れを生じずに熱処理できるため、当該処理後においてヒートクラックなどを予防することが可能となる。
【０００９】
尚、鋼部材が、０．２０〜１．５ｗｔ％の炭素と、０．５〜２５ｗｔ％の炭化物生成元素とを含むのは、適量の炭化物を生成させ、強靱化を図るためである。炭素が０．２０ｗｔ％未満で且つ炭化物生成元素が０．５ｗｔ％未満になると、炭化物の生成量が不足して高強度化に寄与できず、一方、炭素が１．５ｗｔ％超で且つ炭化物生成元素が２５ｗｔ％超になると、炭化物の生成量が過多となるため、高靱化に寄与できず、且つコスト高になる。これらを防ぐため、炭素および炭化物生成元素の添加量の範囲を前記範囲に規制したものである。
また、前記炭化物生成元素には、Ｖ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｒなどが含まれ、これらと炭素とによって、ＶＣ、ＷＣ、ＴｉＣ、ＮｂＣ、Ｃｒ７Ｃ３などの炭化物が生成される。これらの他に、熱処理すべき鋼部材に求められる特性に応じて、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓなどを更に添加してもよい。
更に、本発明の対象となる鋼部材を重量で５０ｋｇ以上としたのは、比較的小さな鋼部材の場合、前記（１）、（２）の条件を同時に満たす焼き入れが容易であるため、冷却速度を速くし且つ均一にしにくい大型の金型などの鋼部材を対象とものである。熱処理を施す鋼部材は、ダイカスト金型のように複雑な形状を呈するが、上記５０ｋｇ以上の重量である鋼部材を仮に立方体で表現すれば、体積が６３３０ｃｍ３で、各辺の長さは１８．５ｃｍである。
【００１０】
また、本発明には、前記第２冷却ステップにおける低温度帯のうち、５００℃からベーナイト変態開始温度およびマルテンサイト変態開始温度の何れか一方までの温度帯では、ベーナイト変態およびマルテンサイト変態の少なくとも一方が、４００℃〜マルテンサイト変態開始温度の範囲で開始するような冷却速度で冷却し、且つ変態開始後は１℃／分以上の平均冷却速度で冷却する、鋼部材の熱処理方法（請求項３）も含まれる。
これによれば、低温度帯のうち上記温度帯では、１℃／分以上の平均冷却速度で冷却し、且つ４００℃〜マルテンサイト変態開始温度の間で、マルテンサイト変態、ベーナイト変態、あるいはこれらの双方が開始される。この結果、４００℃超の温度帯で変態が開始された際に、粗大な結晶粒のマルテンサイト相またはベーナイト相が析出する事態を防止できるので、鋼部材の強靱化を確実に図ることができる。
【００１１】
更に、本発明には、前記第１冷却ステップの高温度帯と第２冷却ステップの低温度帯との間おける中間温度帯または６００℃〜５００℃の間では、焼き入れすべき鋼部材の断面における最高温度部位と最低温度部位との差が２００℃以下となるように制御する、鋼部材の熱処理方法（請求項４）も含まれる。
これによれば、鋼部材の内部における冷却温度の差が２００℃以下に抑制されるため、各部位間にわたる冷却による変形量（歪）を、０．２％以下に低減することができる。この結果、例えば、鋼部材が一辺の長さが５００〜１０００ｍｍの大型の金型であっても、多大の工数の矯正工程が不要となるため、コストダウンが可能となる。尚、前記断面内部の温度差を１５０℃以下にした場合には、鋼部材の変形量を０．１％以下に抑制することが可能である。
【００１２】
加えて、本発明には、前記焼き入れ工程の後に、前記焼き入れを施された鋼部材を、５０〜７５０℃に加熱および保持する焼き戻し工程を有する、鋼部材の熱処理方法（請求項５）も含まれる。
これによれば、前記熱処理工程の後でも残った残留オーステナイト相を分解し、且つ微細な炭化物を排出した安定した前記マルテンサイト相またはベーナイト相の組織になるため、当該鋼種本来の特性を発揮させることができる。
尚、上加熱温度が５０℃未満では、残留オーステナイト相が分解できず、一方７５０℃を越えると、前記オーステナイト相に逆変態するおそれが高くなるので、係る温度範囲を除いたものである。例えば、鋼部材がＪＩＳ：ＳＫＤ６１の場合、好ましい焼き戻しの条件は、５５０〜６５０℃×１〜２時間であるが、係る条件の焼き戻しを２〜５回程度繰り返し行っても良い。
【００１３】
付言すれば、前記鋼部材が、工具鋼からなる金型である、鋼部材の熱処理方法も本発明に含まれ得る。これによる場合、重量が数１００ｋｇであるダイカスト金型などの比較的大型の鋼部材を、確実に強靱化でき且つ変形や割れを生じずに焼処理でき、使用時においてヒートクラックなどを予防することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明と比較例とにおける焼き入れ工程の概略を示す温度−時間グラフ、図２は、本発明の焼き入れ工程および焼き戻し工程の温度履歴を示すグラフである。以下において、熱処理の対象とした鋼部材は、ＪＩＳ：ＳＫＤ６１からなり、サイズが１０．５×１０．５×５６ｍｍの試験片である。
図１，図２に示すように、本発明例の鋼部材は、１０３０℃の焼き入れ温度に加熱され、約２時間保持することで均熱化され、平均結晶粒径がｄγのオーステナイト相（γ相）となる。
上記鋼部材を例えば、例えば油中に挿入し、図１中のカーブした実線で示すように、１０３０℃（焼き入れ温度）からパーライト変態およびフェライト変態の少なくとも一方の変態終了温度（線）Ｐｆ，Ｆｆ（具体的には、６００℃）までの高温度帯ｈｔにおいて、パーライト相およびフェライト相の析出が回避できる平均冷却速度Ｃ１で冷却（急冷）する第１冷却ステップを行う。係る平均冷却速度Ｃ１は、具体的には３℃／分超であり、例えば、放置冷却、衝風冷却、高温冷媒中での冷却などの方法が用いられる。
【００１５】
図３のグラフは、前記平均冷却速度Ｃ１を変化させて熱処理方法を施した複数の前記試験片から切り出した１０×１０×５５ｍｍのＪＩＳ３試験片について、室温での衝撃試験を行った結果を示す。これによれば、平均冷却速度Ｃ１が３℃／分超では、高いレベルの衝撃値（Ａ）であった。これは、高温度帯ｈｔでの冷却中において、オーステナイト相の粒界に、例えば、図１中で示すＶＣ（炭化物）が析出するが、靭性への悪影響は小さいことを示している。一方、３℃／分以下では、衝撃値（Ｂ）が急激に低下した。これは、平均冷却速度Ｃ１が低過ぎたため、パーライト相が析出したことによる。
以上の結果から、平均冷却速度Ｃ１は、３℃／分超としたものである。尚、高温度帯ｈｔで最も重要なことは、フェライト相やパーライト相の析出を回避することであり、炭化物のある程度の析出は、許容し得ることが分かった。
また、衝撃値を高めるには、図４，図５のグラフに示すように、後述する焼き戻し工程後の硬度（ＨＲＣ）を下げると共に、焼き入れ温度におけるオーステナイト相の平均結晶粒径ｄγを小さくすると良い、ことも確認された。
【００１６】
一方、図１中の右側にカーブした一点鎖線で示すように、パーライト変態またはフェライト変態の開始線Ｐｓ，Ｆｓに抵触する比較例Ａは、パーライト相またはフェライト相が析出するため、本発明から外れる。
また、重量が５０ｋｇ未満の比較的小型の鋼部材を対象とする比較例Ｂは、図１中の左側にカーブした二点鎖線線で示すように、本発明例よりも、速い冷却速度で冷却しても、鋼部材全体がほぼ均一に冷却されるため、焼き割れや変形を生じにくい。また、係る比較例Ｂの小型の鋼部材は、高温度帯ｈｔにおける炭化物の析出も回避し易いので、強靱化は比較的容易である。これらのため、本発明は、重量が５０ｋｇ以上の鋼部材を対象としたものである。
【００１７】
引き続いて冷却される本発明例の前記鋼部材は、図１に示すように、６００〜５００℃の中間温度帯ｍｔでは、その断面における最高温度部位と最低温度部位との差が２００℃以下となるような平均冷却速度、例えば３℃／分で冷却するように制御される。この結果、中間温度帯ｍｔにおいて、冷却に伴う鋼部材の変形量を０．２％以下に抑制でき、次の第２冷却ステップを良好に行うことも可能となる。尚、上記温度差が１５０℃以下では、変形量を０．１％以下に抑制できた。
次に、ベーナイト変態開始温度Ｂｓからベーナイト変態終了温度Ｂｆおよびマルテンサイト変態終了温度Ｍｆよりも低い制御冷却終了温度Ｔｆまで、即ち、前記鋼部材では、５００℃以下で且つ制御終了温度の１３０℃までの低温度帯ｌｔにおいては、図２に示すように、１℃／分以上の平均冷却速度ＣＴで冷却される。
【００１８】
前記平均冷却速度ＣＴは、図２に示すように、厳密には、５００℃からマルテンサイト変態開始温度Ｍｓ（あるいは、ベーナイト変態開始温度Ｂｓ）までの平均冷却速度Ｃ２Ｕと、これからマルテンサイト変態終了温度Ｍｆ（あるいは、ベーナイト変態終了温度Ｂｆ）である制御冷却終了温度Ｔｆ（例えば１３０℃）までの平均冷却速度Ｃ２Ｌとの２段階に区分される。
以下では、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓは、単にＭｓとし、ベーナイト変態開始温度Ｂｓは、単にＢｓと記する。
上記平均冷却速度Ｃ２Ｕは、マルテンサイト変態およびベーナイト変態の少なくとも一方が、４００℃〜Ｍｓの範囲で開始するような値、例えば２℃／分以上である。この結果、４００℃超の温度帯で変態が開始された際に、析出する粗大な結晶粒のマルテンサイト相またはベーナイト相の混入を防止できる。
【００１９】
ここで、対象とする鋼部材（ＪＩＳ：ＳＫＤ６１）における変態開始温度（ＭｓあるいはＢｓ）の影響を調べた。
先ず、前記オーステナイト相の平均結晶粒径ｄγと平均冷却速度Ｃ１とを一定として、前記平均冷却速度Ｃ２Ｕと変態開始温度（ＭｓあるいはＢｓ）との関係を、図６のグラフで示す。これによれば、平均冷却速度Ｃ２Ｕが小さいほど、変態開始温度は高くなり、特に平均冷却速度Ｃ２Ｕが５℃／分未満になると、変態開始温度は著しく高くなることが判明した。従って、上記速度Ｃ２Ｕは、５℃／分以上が推奨される。
また、前記平均結晶粒径ｄγ、平均冷却速度Ｃ１、平均冷却速度Ｃ２Ｌ、および、制御終了温度Ｔｆを一定として、変態開始温度（ＭｓまたはＢｓ）と焼き戻し工程後の硬度（ＨＲＣ）との関係を、図７のグラフで示す。これによれば、変態開始温度（ＭｓまたはＢｓ）が高く且つ上記硬度が高いほど、衝撃値は低くなるので、衝撃値を高めるには、変態開始温度（ＭｓまたはＢｓ）を４００℃以下にし、且つ上記硬度を下げる必要があることが判明した。
【００２０】
更に、前記平均冷却速度Ｃ１、平均冷却速度Ｃ２Ｌ、制御終了温度Ｔｆ、および、焼き戻し工程後の硬度（ＨＲＣ）を一定として、前記オーステナイト相の平均結晶粒径ｄγと変態開始温度（ＭｓまたはＢｓ）との関係を、図８のグラフで示す。これによれば、上記平均結晶粒径ｄγが小さく且つ変態開始温度（ＭｓまたはＢｓ）が低くなるとほど、衝撃値を高められることが判明した。
以上の図６〜図８のグラフの結果から、変態開始温度（ＭｓまたはＢｓ）を、４００℃〜Ｍｓの間にする必要があることが判明した。尚、変態開始温度（ＭｓまたはＢｓ）を、４００℃〜Ｍｓの間で開始させる冷却方法には、比較的低温（２０〜２００℃）の冷媒中での冷却が有効である。係る冷媒には、水、油、水溶性焼き入れ剤などが含まれる。また、本発明の鋼部材は、その組成や冷却条件などにより、図１中のカーブした実線で示すように、低温度帯ｌｔでは、マルテンサイト変態またはベーナイト変態の何れかを生じる。
【００２１】
変態が４００℃〜Ｍｓの間で開始されても、それ以降の平均冷却速度Ｃ２Ｌを、１℃／分以上にしないと、焼き戻し工程後において強靱な鋼部材を得られなくなる。その理由は、特にベーナイト変態中での平均冷却速度Ｃ２Ｌが低いと、新たに析出する変態相（マルテンサイト相、ベーナイト層、またはこれらの混合層、以下同じ）が粗大となり、焼き戻し後における鋼部材の強靱化を妨げるためである。
ここで、上記変態開始後の平均冷却速度Ｃ２Ｌの影響を調べた。
先ず、前記平均結晶粒径ｄγ、平均冷却速度Ｃ１，Ｃ２Ｕ、および、制御終了温度Ｔｆを一定として、上記変態開始後の平均冷却速度Ｃ２Ｌと、焼き戻し後の衝撃値および硬度（ＨＲＣ）との関係を図９のグラフに示す。
【００２２】
これによれば、平均冷却速度Ｃ２Ｌが高くなり、且つ上記硬度（ＨＲＣ）が低くなるほど、衝撃値は高くなり、特に１℃／分以上では著しく高くなることが判明した。これは、新たに析出する変態相が微細化されるためであり、特にベーナイト変態中のベーナイト相では顕著であった。
また、前記平均冷却速度Ｃ１，Ｃ２Ｕ、制御終了温度Ｔｆ、および、焼き戻し後の硬度（ＨＲＣ）を一定として、上記変態開始後の平均冷却速度Ｃ２Ｌと前記平均結晶粒径ｄγと衝撃値との関係を、図１０のグラフに示す。これによれば、平均冷却速度Ｃ２Ｌが高くなり、且つ平均結晶粒径ｄγが小さくなるほど、衝撃値は高くなることが判明した。
以上の結果から、鋼部材の衝撃値を高めるには、前記平均結晶粒径ｄγを小さくし、且つ平均冷却速度Ｃ２Ｌを１℃／分以上とすると共に、焼き戻し後の硬度（ＨＲＣ）を下げる必要があることが判明した。
尚、上記平均冷却速度Ｃ２Ｌを得る方法は、比較的低温の冷媒（水、油、水溶性焼き入れ剤）中での冷却が有効である。
【００２３】
引き続いて、前記平均冷却速度Ｃ２Ｌで冷却される本発明例の鋼部材は、図１，図２に示すように、上記速度Ｃ２Ｌによる制御冷却を、マルテンサイト変態終了温度Ｍｆあるいはベーナイト変態終了温度Ｂｆ（以下、単にＭｆあるいはＢｆと記載する）または、これよりも低温の１３０℃以下まで継続する。その理由は、１℃／分以上の平均冷却速度Ｃ２Ｌによる制御冷却が終了した時点で、オーステナイト相が多く残留していると、その後の工程で、係る残留オーステナイト相が粗大なベーナイト相となって、鋼部材の強靱化を阻害するためである。尚、鋼の成分にもよるが、上記Ｍｆの代表値は、約１３０℃であり、上記Ｂｆの代表値は、２５０〜１３０℃の範囲内である。
【００２４】
ここで、対象とする鋼部材（ＪＩＳ：ＳＫＤ６１）における制御冷却終了温度Ｔｆの影響を調べた。先ず、前記平均結晶粒径ｄγ、平均冷却速度Ｃ１，ＣＴ（Ｃ２Ｕ，Ｃ２Ｌ）を一定として、鋼部材の衝撃値と制御冷却終了温度Ｔｆと焼き戻し後の硬度（ＨＲＣ）との関係を、図１１のグラフに示す。これによれば、制御冷却終了温度Ｔｆが低くなるほど、衝撃値は高くなり、特に１３０℃以下で著しく高くなった。また、焼き戻し後の硬度（ＨＲＣ）が低いほど、衝撃値は高くなる傾向も示した。
更に、前記平均冷却速度Ｃ１，ＣＴ（Ｃ２Ｕ，Ｃ２Ｌ）と、焼き戻し後の硬度（ＨＲＣ）とを一定として、鋼部材の衝撃値と制御冷却終了温度Ｔｆと前記平均結晶粒径ｄγとの関係を、図１２のグラフに示す。これにても、制御冷却終了温度Ｔｆが低くくなるほど、衝撃値は高くなり、特に１３０℃以下で著しかった。また、前記平均結晶粒径ｄγが小さいほど、衝撃値は高くなる傾向も示した。
以上の結果から、マルテンサイト変態（あるいは、ベーナイト変態）開始後では、平均冷却速度Ｃ２Ｌによる制御冷却を１３０℃以下の制御冷却終了温度Ｔｆまで、維持する必要があることが判明した。
【００２５】
尚、前記平均冷却速度ＣＴが１℃／分以上であっても、これを構成する平均冷却速度Ｃ２Ｕ，Ｃ２Ｌの双方が１℃／分以上でないと、鋼部材の衝撃値が低下する。即ち、平均冷却速度Ｃ２Ｕ，Ｃ２Ｌの一方が１℃／分未満になると、変態が高温で始まることで、変態相が粗大となったり、あるいは、新たに析出する変態相が粗大となって、衝撃値を低下させる。このため、平均冷却速度Ｃ２Ｕ，Ｃ２Ｌの双方を１℃／分以上にする必要がある。
また、焼き入れ工程の直後に、鋼部材に残留するオーステナイト相は、その後の緩冷（１３０℃から室温までの間、あるいは焼き戻し工程後の冷却中）により、粗大なベーナイト相に分解するが、その量が４０vol％未満であれば、衝撃値への悪影響は極く小さいことも判明した。係る結果から、焼き入れ時に存在したオーステナイト相の６０vol％以上が、１３０℃以下の制御冷却終了温度Ｔｆに至った時点でマルテンサイト相またはベーナイト相に相変態していることが望ましい。
【００２６】
そして、焼き入れ工程を経て室温まで冷却された鋼部材は、図２に示すように、５０〜７５０℃の温度Ｔｔに加熱され、且つ１〜２時間保持した後、室温まで冷却する焼き戻し工程を施される。鋼部材がＪＩＳ：ＳＫＤ６１の場合、５５０〜６５０℃×１〜２時間の条件で焼き戻す。これにより、鋼部材中の残留オーステナイト相は分解し、組織全体が安定したマルテンサイト相またはベーナイト相となり、鋼種ごとの本来の特性を顕在化でき、且つ硬度（ＨＲＣ）を４０〜５０にすることができる。尚、係る焼き戻し工程は、複数回繰り返して行っても良い。
以上のような焼き入れ工程および焼き戻し工程を経る本発明の熱処理方法によれば、例えば、ダイカスト金型などの大型の鋼部材であっても、確実に強靱化でき且つ変形や焼き割れを生じずに熱処理できるため、当該熱処理後の使用時において、ヒートクラックなどの予防も可能となる。
【実施例】
【００２７】
以下において、本発明の具体的な実施例を比較例と併せて説明する。
実機検証には、ＪＩＳ：ＳＫＤ６１からなり、重量が７５０ｋｇで、９００×４５０×２１０ｍｍのダイカスト用金型であって、中央部に窪みがあり、四隅に４本の脚を有する形態のものを複数個用意した。予め、係る金型の断面内に熱電対を１２本挿入し、各種の焼き入れ工程における温度履歴をサンプリングした。
上記複数の金型を１０３０℃（焼き入れ温度）に３０分間均熱し、表１に示す種々の冷却パターン（平均冷却速度Ｃ１，Ｃ２Ｕ，Ｃ２Ｌなど）による焼き入れ・焼き戻し工程をそれぞれに施した。尚、焼き入れと焼き戻しの均熱時間は、全て共通とし、焼き入れ工程では、５００℃の炉中に各金型を挿入し、それらの断面内における最大温度差を小さくする方法を用いた。
また、焼き戻し工程後の硬度（ＨＲＣ）は、焼き戻し条件を制御することで、全ての金型をＨＲＣ４５になるように調整した。更に、各金型を、実際のダイカスト鋳造に同じ条件で適用し、それらの寿命を相対的な比によって表１に示した。
【００２８】
表１に示すように、本発明による実施例１〜１２では、焼き戻し後の変形量が０．２％以下、衝撃値は２６Ｊ／ｃｍ２以上、寿命比は、最長の実施例１，７を１とした場合の比で、０．９２以上となった。また、焼き割れも皆無であった。
係る結果から、実施例１〜１２によれば、熱処理中における変形量が小さいため、矯正などの後工程や再作製が不要となり、衝撃値も比較的高いので、大きな金型であるにも拘わらず、長寿命で優れた耐久性を奏することが確認できた。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
一方、表１に示すように、比較例１〜５は、変形量が０．１７％以下と小さいにも拘わらず、衝撃値が１４Ｊ／ｃｍ２以下と低く、型寿命比も０．７８以下と短くなった。その原因は、比較例１では、平均冷却速度Ｃ１が２．１℃／分と低く、比較例２では、制御冷却終了温度Ｔｆが２００℃と高く、比較例３では、変態開始温度Ｍｓ（Ｂｓ）が４０８℃高く、比較例４では、平均冷却速度Ｃ２Ｌが０．９℃／分と低いことによる。更に、比較例５は、平均冷却速度Ｃ１、平均冷却速度Ｃ２Ｌ、態開始温度Ｍｓ（Ｂｓ）、および、平均冷却速度Ｃ２Ｌが本発明の規定範囲から外れていたため、前記のように衝撃値と寿命とが最も低下したものである。
以上のような実施例１〜１２の結果により、本発明の効果が確認された。
【００３１】
本発明は、以上において説明した実施の形態および実施例に限定されない。
例えば、本発明は、前記炭素および炭化物生成元素を含み且つ重量が５０ｋｇ以上の鋼部材であれば、工具鋼以外の鋼種からなるものや、ダイスなどの金型に限らず、適用することが可能である。
また、冷却方法は、焼き入れ工程での前記平均冷却速度Ｃ１，ＣＴ，Ｃ２Ｕ，Ｃ２Ｌや、焼き戻しの冷却速度を遵守できのであれば、水冷、油冷、衝風冷却、水溶性媒体中への浸漬など、各種の方法が適宜選択される。
尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々に改変することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の熱処理方法における焼き入れ工程を示す温度−時間グラフ。
【図２】本発明の焼き入れ工程および焼き戻し工程の温度履歴を示すグラフ。
【図３】焼き入れ工程中の平均冷却速度Ｃ１と衝撃値との関係を示すグラフ。
【図４】焼き戻し後の硬度の区分による図３と同種のグラフ。
【図５】焼き入れ時の平均結晶粒径ｄγの区分による図３と同種のグラフ。
【図６】変態開始温度と平均冷却速度Ｃ２Ｕとの関係を示すグラフ。
【図７】焼き入れ工程中の変態開始温度と衝撃値との関係を示すグラフ。
【図８】焼き入れ時の平均結晶粒径ｄγの区分による図７と同種のグラフ。
【図９】焼き戻し後の硬度の区分による図７と同種のグラフ。
【図１０】平均冷却速度Ｃ２Ｌと衝撃値との関係を示すグラフ。
【図１１】制御冷却終了温度Ｔｆと衝撃値との関係を示すグラフ。
【図１２】焼き入れ時の平均結晶粒径ｄγの区分による図１１と同種のグラフ。
【符号の説明】
【００３３】
ｈｔ………………………………高温度帯
ｍｔ………………………………中間温度帯
ｌｔ………………………………低温度帯
Ｐｆ………………………………パーライト変態終了温度
Ｆｆ………………………………フェライト変態終了温度
Ｍｓ………………………………マルテンサイト変態開始温度
Ｂｓ………………………………ベーナイト変態開始温度
Ｃ１，ＣＴ，Ｃ２Ｕ，Ｃ２Ｌ…平均冷却速度
Ｔｆ………………………………制御冷却終了温度
Ｔｔ………………………………焼き戻し温度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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