(57)【要約】【課題】濃化層が冷却孔の表面近傍にムラ無く均一に形成された成形用部材を提供すること。水冷孔割れを抑制することができる成形用部材を提供すること。【解決手段】金型１は、質量％で、Ｃ：０．２１〜０．８０％、Ｃｕ：０．０１〜２．０％、Ｎｉ：０．０２〜５．０％を含有する鋼材からなる。この金型１は、冷却液の流路となる冷却孔２を備え、その冷却孔２の表面近傍には、Ｃｕ及びＮｉが濃化された濃化層Ｑが形成され、その濃化層Ｑは、その厚さδが１μｍ≦δ≦１５μｍである。また、濃化層Ｑに含有される元素Ｘ（Ｃｕ及びＮｉ）の濃度βは、鋼材に含有される元素Ｘの濃度αの１．２倍以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．２１〜０．８０％、Ｃｕ：０．０１〜２．０％、Ｎｉ：０．０２〜５．０％を含有する鋼材からなる成形用部材であって、
冷却液の流路となる冷却孔を備え、
前記冷却孔の表面近傍には、前記鋼材のＣｕ及びＮｉが濃化された濃化層が形成され、
前記濃化層は、その厚さδが１μｍ≦δ≦１５μｍであることを特徴とする成形用部材。
【請求項２】
前記濃化層が含有するＣｕ量及びＮｉ量は、それぞれ、前記鋼材が含有するＣｕ量及びＮｉ量の１．２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の成形用部材。
【請求項３】
前記濃化層は、質量％で、Ｃｕ：０．０２５〜５．０％、Ｎｉ：０．０５〜１５．０％を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の成形用部材。
【請求項４】
前記冷却孔のうち少なくとも一の冷却孔は、被成形材に接触する意匠面から当該冷却孔の内壁面までの冷却孔深さＬが、Ｌ＜２５ｍｍであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の成形用部材。
【請求項５】
前記鋼材が、質量％で、Ｃ：０．０７〜０．８０％を含有することを特徴とする請求項４に記載の成形用部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイカスト、鍛造、プラスチックやゴムの射出成形に用いて好適な成形用部材に関し、更に詳しくは、ハイサイクル化を行っても水冷孔割れの意匠面への貫通が起こりにくい成形用部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイカストとは、溶融金属、例えば、溶融アルミ合金を、金型の隙間に注入して、それを固めると同時にその金型の形を転写して鋳物を製造することをいう。そして、ダイカスト品とは、ダイカストによって生産された製品をいい、単位時間当たりにダイカスト品が何個生産できるかをダイカスト品の生産サイクル（鋳造サイクルともいう）という。近年、ダイカスト品の生産サイクルを上げたい、すなわち、単位時間当たりに生産できるダイカスト品の数を増加させたいという要望が高まっている。これは、ハイサイクル化と呼ばれている。
【０００３】
しかしながら、ダイカストで用いられた金型は、溶融アルミ合金から熱を奪って溶融アルミ合金を固めるものである。従って、ハイサイクル化を行うと、熱を奪って高温になった金型の冷却時間が不十分となる。そうすると、金型の温度が高いまま次のダイカストがなされる。冷却が不十分な高温金型を用いた溶融アルミ合金の冷却は、溶融アルミ合金が固まったときの組織を粗くし、ダイカスト品の品質特性（強度、衝撃値）を損なう。すなわち、ハイサイクル化を行うと、ダイカストが終わってから次のダイカストを行うまでに金型の温度を十分下げることができないという問題があった。
【０００４】
そこで、図８に示すように、従来より金型の内部冷却を強化するために、金型１の内部に水冷孔２を開け、この中で冷却水を循環させて、金型の冷却が行われている。ちなみに、冷却水の温度は１０〜８０℃（循環部位や季節により異なる）であり、溶融アルミ合金の温度は６２０〜７２０℃程度である。
【０００５】
さて、水冷孔２とハイサイクル化との関係であるが、ハイサイクル化を行うときは、金型の温度を早く下げるために水冷孔２を意匠面３（意匠面とは被成形材に金型の形状を転写する面をいう）に近づける（図８中矢示Ａ参照）ことにより、内部冷却が強化されている。水冷孔２が意匠面３に近ければ、溶融アルミ合金と接触している高温の意匠面３の温度を早く冷やすことができるからである。早く冷やすことができれば、ダイカスト品の品質特性を損なうこともない。
【０００６】
しかしながら、水冷孔２と意匠面３とを近づけると、図９（ａ）に符号４で示す水冷孔割れの問題が生じる。水冷孔割れ４は、同図矢示Ｂで示すように、水冷孔２の内壁面から意匠面３に向かうクラックであり、これが貫通すると、その金型寿命が終わる。従って、水冷孔割れ４の意匠面３への貫通は、ダイカスト業者にとって致命的である。また、水冷孔割れ４の意匠面３への貫通は、水冷孔２の内壁面から意匠面３へのクラックが貫通するまで目視で確認できない。従って、水冷孔割れ４の定期的な補修ができないという問題があった。
【０００７】
水冷孔割れ４の原因についてであるが、ダイカストにおいては、所定の生産サイクルで意匠面３に溶融アルミ合金を流し（金型加熱）、水冷孔２に冷却水を流す（金型冷却）という加熱冷却が繰り返し行われる。すると、水冷孔２の内壁面に引張力が作用する。また、水冷孔２は、２４時間、１０〜８０℃の冷却水が循環するため通常錆びている。すると、その錆びの腐食のピット（図９（ｂ）参照）が起点になってクラックが発生する。そして、加熱冷却に伴う引張力がそのクラックに作用する。また、クラックに水素イオンが侵入すると（図９（ｃ）参照）、これがそのクラックの進展を助長する。これらが、図９（ａ）に示す水冷孔割れ４を意匠面３へ貫通させる原因と考えられている。
【０００８】
水冷孔割れを防ぐために、第一に、ステンレス鋼等の耐食性の高い材料が使用されている。錆びを防止すれば、水冷孔腐食を防止することができ、クラックの起点が生じないと考えられるからである。
第二に、冷却水としてアルカリ系統水の使用が行われている。アルカリ系統水を使用すれば、水素イオンが発生しにくいため腐食を抑制でき、また、たとえクラックの起点となる腐食のピットができたとしても、水素イオンが発生しにくいためクラックの進展を抑制できると考えられるからである。
【０００９】
第三に、水素イオンの侵入防止のために冷却孔の内壁面に防錆メッキが行われている。防錆メッキが水素イオン侵入の防止バリアになって、水素イオンが金型内部へ侵入しないと考えられるからである。
【００１０】
第四に、鋼材そのものの耐食性を向上させるために表面近傍にＮｉ等の濃化層形成が行われている。これもまた、水素イオン侵入の防止バリアになると考えられるからである。例えば、特許文献１には、耐候性鋼の耐食性をさらに向上して流れ錆びの発生を抑制できる安価な高耐食鋼を提供することを目的として、Ｃ：０．０１〜０．２０質量％、Ｎｉ：０．０４〜４．０質量％、Ｃｕ：０．１〜１．０質量％等を含有し残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有する地鉄の表面近傍に厚さ３μｍ以上のＮｉ濃化層を形成した高耐食鋼が開示されている。
また、特許文献２には、耐食性向上元素の過剰な添加による機械的特性及び溶接性の低下をきたすことなく、優れた耐食性を有することができる高耐食性鋼材を提供することを目的として、Ｃｕ：０．０５〜３．０質量％、Ｎｉ：０．０５〜６．０質量％、Ｃ：０．０２〜０．２０質量％等を含有し、鋼材最表面から深さ５００μｍまでの領域に、Ｃｕ量＋Ｎｉ量が「鋼材のＣｕ量＋Ｎｉ量の１．２倍以上であり、且つ、１．０質量％以上」であるＣｕ＋Ｎｉ濃化層を有し、その濃化層の厚さが１μｍ以上である高耐食性鋼材が開示されている。
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２８１８４０
【特許文献２】特開２００６−１６９６２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記のステンレス鋼の採用やアルカリ冷却水の使用は、コスト高となるという問題があった。また、防錆メッキは、金型の水冷孔の位置によってメッキ厚さが異なるという問題があった。金型内部は非常に複雑な形状をしているため、全ての水冷孔においてメッキ液の圧力を均一にすることは非常に困難だからである。冷却孔の位置によってメッキ厚さが異なると、メッキが薄い部分は当然水素イオンが侵入しやすい。従って、一旦、メッキが薄い部分に腐食のピットが形成されると、そこからクラックが進展して水冷孔割れにつながる。
【００１３】
また、特許文献１の高耐食鋼では、Ｃの含有量が０．０１〜０．２０質量％であり、特許文献２の高耐食性鋼材では、Ｃの含有量が０．０２〜０．２０質量％であるため、加熱冷却を繰り返し行う環境下で用いる金型に、特許文献１や２に開示された鋼を用いると強度が低いという問題があった。
【００１４】
更に、ダイカストのハイサイクル化に適合させるべく意匠面から水冷孔の内壁面までの冷却孔深さＬ（図４参照）を最適化した例は開示されていない。
【００１５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その第一の目的は、Ｃｕ及びＮｉの濃化層が冷却孔の表面近傍にムラ無く均一に形成され、優れた品質特性を備えた成形用部材を提供することにある。
本発明の第二の目的は、水冷孔割れの意匠面への貫通を抑制することができる成形用部材を提供することにある。
本発明の第三の目的は、ダイカストのハイサイクル化が可能な成形用部材を低コストで提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために本発明に係る成形用部材は、質量％で、Ｃ：０．２１〜０．８０％、Ｃｕ：０．０１〜２．０％、Ｎｉ：０．０２〜５．０％を含有する鋼材からなるものであって、
冷却液の流路となる冷却孔を備え、
前記冷却孔の表面近傍には、前記鋼材のＣｕ及びＮｉが濃化された濃化層が形成され、
前記濃化層は、その厚さδが１μｍ≦δ≦１５μｍであることを要旨とするものである。
【００１７】
この場合に、前記濃化層が含有するＣｕ量及びＮｉ量は、それぞれ、前記鋼材が含有するＣｕ量及びＮｉ量の１．２倍以上であればよい。
この場合に、前記濃化層は、質量％で、Ｃｕ：０．０２５〜５．０％、Ｎｉ：０．０５〜１５．０％を含有することが望ましい。
この場合に、前記冷却孔のうち少なくとも一の冷却孔は、被成形材に接触する意匠面から当該冷却孔の内壁面までの冷却孔深さＬが、Ｌ＜２５ｍｍであることが望ましい。
この場合に、前記鋼材は、質量％で、Ｃ：０．０７〜０．８０％を含有するものでもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る成形用部材は、質量％で、Ｃ：０．２１〜０．８０％、Ｃｕ：０．０１〜２．０％、Ｎｉ：０．０２〜５．０％を含有する鋼材からなり、鋼材のＣｕ及びＮｉが濃化された濃化層が形成されたものであるから、Ｃｕ及びＮｉの濃化層が冷却孔の表面近傍にムラ無く均一に形成される。また、本発明に係る成形用部材は、質量％で、Ｃ：０．２１〜０．８０％、Ｃｕ：０．０１〜２．０％、Ｎｉ：０．０２〜５．０％を含有する鋼材からなるものであるから、成形用部材として適度な強度及び衝撃値を備える。
【００１９】
本発明に係る本発明に係る成形用部材は、質量％で、Ｃ：０．２１〜０．８０％、Ｃｕ：０．０１〜２．０％、Ｎｉ：０．０２〜５．０％を含有する鋼材からなり、鋼材のＣｕ及びＮｉが濃化された濃化層の厚さδが、１μｍ≦δ≦１５μｍであるため、成形用部材として適度な強度及び衝撃値を備えるとともに、水冷孔割れを抑制することができる。
【００２０】
本発明に係る成形用部材は、濃化層が含有するＣｕ量及びＮｉ量が、それぞれ、質量％で鋼材が含有するＣｕ量及びＮｉ量の１．２倍以上であるため、水冷孔割れを引き起こすクラックの進展を助長する水素イオンの侵入をブロックすることができる。また、本発明に係る成形用部材は、濃化層が、質量％で、Ｃｕ：０．０２５〜５．０％、Ｎｉ：０．０５〜１５．０％を含有するため水冷孔割れを引き起こすクラックの進展を助長する水素イオンの侵入をブロックすることができる。
【００２１】
本発明に係る成形用部材は、被成形材に接触する意匠面から少なくとも一の冷却孔の内壁面までの冷却孔深さＬが、Ｌ＜２５ｍｍであるため、ダイカストでハイサイクル化を行っても当該成形用部材の温度を適当な温度まで早く冷却することができる。従って、本発明に係る成形用部材によれば、品質特性に優れたダイカスト品が得られる。
また、本発明に係る成形用部材は、高コストな鋼材を用いるものではないため、低コストで生産することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、本発明の一実施形態に係る成形用部材の一例としての金型について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る金型１の側面を模式的に示し、図２は水冷孔２の表層から内部を拡大して示す。図１に示した金型１は、質量％で、Ｃ：０．２１〜０．８０％、Ｃｕ：０．０１〜２．０％、Ｎｉ：０．０２〜５．０％等を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼材からなる金型である。金型１は、冷却液の流路となる冷却孔として水冷孔２を備える。水冷孔２は、その表面近傍には、Ｃｕ及びＮｉが濃化された濃化層が均一に形成されている。濃化層の厚さδは、１μｍ≦δ≦１５μｍである。
【００２３】
「冷却液」は、約６０℃の水であるが、これに限定されるものではない。冷却液としては、アルカリ系の水質が好ましい。水冷孔割れを引き起こすクラックの進展を助長する水素イオンの発生を抑制するためである。
水冷孔２は、冷却液の流路であり、φ８〜φ３０程度である。水冷孔２は、その最外表面（冷却液に接する表面）に酸化スケールＰが形成され、その内層側に、濃化層Ｑが形成されている。濃化層Ｑは、Ｃｕ及びＮｉ等が濃化されているが、それより内層側の金型内部は、鋼材そのものの組成を有する。
【００２４】
「表面近傍」とは、図２に示したように、酸化スケールＰと濃化層Ｑとの界面、すなわち、地鉄表面から内層側２００μｍ程度の深さまでの部位をいう。尚、水冷孔２の酸化スケールＰは、金型１の焼入れ時に形成され、削らずに用いられる。その理由は、水冷孔２が金型１の冷却のために用いられること、及び、酸化スケールＰの有無がダイカスト品に特に悪影響を与えないことによる。尚、意匠面３は、切削研磨がなされ、酸化スケール及び濃化層が除去される。
【００２５】
濃化層Ｑは、Ｃｕ及びＮｉ等が濃化され、図１及び図２に示したように、冷却孔２の内表面に形成される酸化スケールＰの内層側に形成される層である。具体的には、図１（ｂ）に示したように、濃化層Ｑは、「Ｃｕ及びＮｉ（元素Ｘ）の濃度β」が、「鋼材のＣｕ及びＮｉの濃度α」の１．２倍以上となっている層であり、その厚さδは、１μｍ≦δ≦１５μｍであるが、特に限定されない。特に好ましい厚さδは、２μｍ≦δ≦１２μｍである。濃化層Ｑは、焼入れにおいて酸化スケールが形成されるときに鋼材中のＦｅが消費されるため、Ｆｅ以外の元素、例えば、ＣｕやＮｉが濃化することにより形成される。
【００２６】
鋼材の組成及び濃化層の組成の限定理由は、次の通りである。
Ｃ：０．０７〜０．８０質量％
Ｃは、鋼が成形用部材（例えば、金型や工具）となった場合の硬さを支配する元素である。鋼材のＣの含有量が過小であると、強度（硬さ）が不足する。一方、鋼材のＣの含有量が過多であると粗大な炭化物が多くなり、成形用部材（例えば、金型や工具）の衝撃値や疲労強度を低下させる。そこで、鋼材のＣの含有量は、０．０７〜０．８０質量％が好ましく、０．１〜０．８０質量％がより好ましい。強度がそれほど要求されない成型用部材としての金型や工具（例えば、プラスチックの射出成形用金型）の場合には、Ｃの含有量は、０．０７〜０．２０質量％であってもよい。より好ましいＣの含有量は、０．２１〜０．８０％、更に好ましくは、調質後にＨＲＣ３６〜ＨＲＣ５２が得られる０．２１〜０．５０質量％である。更に好ましいＣの含有量は、０．３０〜０．４５％である。
【００２７】
Ｃｕ：０．０１〜２．０質量％
Ｃｕは、成形用部材（例えば、金型や工具）を焼入れる時に表面近傍に濃化する元素である。濃化層は、水素イオンの侵入を防止するバリアとなり、例えば、ダイカスト用金型では水冷孔割れを防止する。焼入れの時にＣｕの濃化層を形成するためには、鋼材のＣｕの含有量は、０．０１質量％以上であることが好ましい。一方で、Ｃｕは、鋼の熱間加工性を劣化させる元素であり、鋼材のＣｕの含有量が過多になると金型素材の歩留まりを著しく低下させる。そこで、鋼材のＣｕの含有量は、０．０１〜２．０質量％が好ましい。より好ましい鋼材のＣｕの含有量は、十分な厚さの濃化層が形成され、熱間加工性への悪影響が小さい０．４〜１．５質量％である。
【００２８】
また、濃化層においては、［濃化層のＣｕ量］≧［鋼材のＣｕ量］×１．２の関係を満たせばよい。具体的には、濃化層のＣｕの含有量は、０．０２５〜５．０質量％であればよい。この程度のＣｕ含有量であれば、水素イオンの進入に対するバリアとして充分な濃化層の厚さδが得られるからである。表面近傍のＣｕ濃化層は、そのＣｕ濃度が高いほど水素侵入のバリアとしての機能に優れるが、［濃化層のＣｕ量］≧［鋼材のＣｕ量］×１．２という関係を満足させるためには、焼入れ時における酸化スケールの形成（濃化層の形成と同時に形成される）のために表面近傍のＦｅを比較的多く消費させる必要がある。その結果として濃化層自体が厚くなり、充分な濃化層の厚さδが得られる。
尚、特に好ましい濃化層のＣｕ量は、０．６０〜３．０質量％である。その理由は、０．６０質量％以上で非常に優れたバリア効果が発揮されるためである。また、３．０質量％以下としたのは、濃化層中のＣｕが多いほど水素イオン進入のバリア効果に優れるが、Ｃｕが３．０質量％を超えるとその効果は飽和傾向を示し、素材コストや熱処理コストの増大を招くからである。
【００２９】
Ｎｉ：０．０２〜５．０質量％
Ｎｉは、成形用部材（例えば、金型や工具）を焼入れる時に表面近傍に濃化する元素である。濃化層は、水素イオンの侵入を防止するバリアとなり、ダイカスト用金型では水冷孔割れを防止する。焼入れの時にＮｉの濃化層を形成するためには、鋼材のＮｉの含有量は、０．０２質量％以上であることが好ましい。一方で、Ｎｉは、鋼の焼鈍性を劣化させる元素であり、鋼材のＮｉの含有量が過多になると素材を軟化させるためコストの著しい増大を招く。また、鋼材のＮｉの添加自体が素材コストを大きく引き上げる。そこで、鋼材のＮｉの含有量は、０．０２〜５．０質量％が好ましい。より好ましい鋼材のＮｉの含有量は、十分な厚さの濃化層が形成され、焼鈍性やコストへの悪影響が小さい０．４〜３．５質量％である。
【００３０】
濃化層においては、［濃化層のＮｉ量］≧［鋼材のＮｉ量］×１．２の関係を満たせばよい。具体的には、濃化層のＮｉ含有量は０．０５〜１５．０質量％であればよい。この程度のＮｉ含有量であれば、水素イオンの侵入に対するバリアとして充分な濃化層の厚さδが得られるからである。表面近傍のＮｉ濃化層は、そのＮｉ濃度が高いほど水素侵入のバリアとしての機能に優れるが、［濃化層のＮｉ量］≧［鋼材のＮｉ量］×１．２という関係を満足させるためには、焼入れ時における酸化スケールの形成（濃化層の形成と同時に形成される）のために表面近傍のＦｅを比較的多く消費させる必要がある。その結果として濃化層自体が厚くなり、充分な濃化層の厚さδが得られる。
尚、特に好ましい濃化層のＮｉ量は、０．６０〜８．０質量％である。その理由は、０．６質量％以上で非常に優れたバリア効果が発揮されるためである。また、８．０質量％以下としたのは、濃化層中のＮｉが多いほど水素イオン進入のバリア効果に優れるが、Ｎｉが８．０質量％を超えるとその効果は飽和傾向を示し、素材コストや熱処理コストの増大を招くのみだからである。
【００３１】
濃化層の厚さδの限定理由は次の通りである。
δ：１μｍ≦δ≦１５μｍ
水素イオンの侵入を防止するバリアとなるＣｕ及びＮｉの濃化層は、その厚さが薄すぎると水素イオンの侵入を防ぐ効果が無く、厚すぎてもその効果が飽和する。
これについて、図３を参照して説明する。同図は、ダイカスト型寿命と濃化層厚さδとの相関を示すグラフである。このグラフは、乗用車用アルミホイールのダイカスト用金型を対象として、水冷孔表面のＮｉ濃化層の厚さδを調整して調査した結果である。この調査では、被成形材に接触する意匠面から冷却孔の内壁面までの水冷孔深さＬ（図４参照）は、２５ｍｍとした。また、型寿命は、水冷孔割れが意匠面に貫通したショット数で表した。図３に示したように、濃化層の厚さδが１μｍ未満だと濃化層による水冷孔割れ防止効果は殆どなかった。一方で、濃化層の厚さδが１５μｍを超えると濃化層による水冷孔割れ防止効果は飽和した。そこで、濃化層の厚さδは、１μｍ≦δ≦１５μｍの範囲とした。尚、濃化層の厚さδが厚くなる分には何ら問題はないが、１５μｍを超える厚さδの形成は、ＣｕやＮｉの多量添加や調質条件の変更が必要となり、莫大なコスト高となるため実益がない。
【００３２】
水冷孔深さＬの限定理由は次の通りである。
Ｌ：Ｌ＜２５ｍｍ
図４は、水冷孔深さＬを模式的に示したものである。同図に示したように、水冷孔深さＬとは、被成形材に接触する意匠面３から冷却孔の内壁面までの最短距離をいう。意匠面３の形状や冷却孔２の形状は問わない。ダイカストのハイサイクル化のためには、ダイカスト型の意匠面の温度を効率的に下げる必要がある。従って、水冷孔深さＬは、短い方が好ましい。本実施形態においては、水冷孔深さＬは、Ｌ＜２５ｍｍであればよい。
【００３３】
これについて、図５及び図６を参照して説明する。図５は、Ｎｉ濃化層が形成されていないダイカスト用金型についての、意匠面の温度と水冷孔深さＬとの相関を示したものである。図６は、Ｎｉ濃化層が形成されていないダイカスト用金型についての、金型寿命と水冷孔深さＬとの相関を示したものであり、型寿命は、水冷孔割れが意匠面に貫通したショット数で表した。これらは、いずれも乗用車用アルミホイールのダイカスト型（水冷孔表面のＮｉの濃化層は存在しない）を対象として、意匠面に最も近い水冷孔の位置を調整して調査した結果である。水冷孔深さＬが短いほど、意匠面の温度が効率的に冷却できるという利点があるのに対して（図５参照）、少ないショット数で水冷孔割れが意匠面に貫通し、型寿命となる（図６参照）ことが明らかである。従って、意匠面温度を下げるために、水冷孔深さＬを短くすることは有効な手段ではあるが、水冷孔割れの問題への配慮が必要である。そのため、濃化層が形成されていないダイカスト用金型においては、一般的に、水冷孔深さＬの下限値は２５ｍｍとされている。この２５ｍｍという水冷孔深さＬの値は、ダイカスト品質、生産性、金型コストのバランスが最適となる工業的な経験値でもある。
【００３４】
従って、濃化層が形成されていないものでも水冷孔深さＬの下限値が２５ｍｍであるから、濃化層を形成すれば、水冷孔深さＬとして、Ｌ＜２５ｍｍを達成しうる。例えば、濃化層のＣｕ及びＮｉの濃度及びその厚さδとして本実施形態に係る既述の値をとるダイカスト用金型の場合、水冷孔深さＬとして、特に、２ｍｍ≦Ｌ≦２０ｍｍが好ましく、更に好ましくは、２ｍｍ≦Ｌ≦１５ｍｍである。水冷孔深さＬを短くすればするほど、意匠面温度の引き下げ効果は顕著になり、ハイサイクル化への大きな貢献が期待できるからである。
【００３５】
（製造方法）
次に、本実施形態に係る金型の製造方法について図７を参照して説明する。同図に示したように、本実施形態に係る金型は、素材ブロック製作→切削加工（粗加工）→焼入れ→焼戻し→切削加工（精加工）という工程を経て製造される。
【００３６】
素材ブロック製作は、以下のようにして行われる。すなわち、素材ブロック（鋼材）は、所定の成分に調整された溶湯を固化させてインゴットとし、それを圧延や鍛造等の手段で成形する工程によって製造される。素材ブロック（鋼材
は、Ｃ、Ｃｕ及びＮｉが所定量含有されていれば、その組成は特に限定されない。例えば、素材ブロック（鋼材）には、衝撃値や高温強化を目的としてＭｏ、Ｖ、Ｃｏ等が含有されていても良い。
【００３７】
切削加工（粗加工）では、素材ブロック（鋼材）が金型の大体の形状に切削される。
【００３８】
焼入れでは、素材ブロック（鋼材）がＡｃ１変態点以上（多くのダイカスト用鋼では１０１０〜１０５０℃が好ましい）に加熱され、その焼入れ温度に保つため、所定時間（１〜６００分）、加熱された後、急冷される。Ｃｕ及びＮｉの濃化層は、この焼入れ時に酸化スケールが形成されるのと同時に形成される。従って、Ｃｕ及びＮｉの濃化層を得るには、酸化スケールが形成される雰囲気下で焼入れを行えばよい。
焼入れ温度に到達した素材ブロック（鋼材）をその温度に保つための加熱時間は、１〜６００分であればよい。１分より短い加熱時間では酸化スケールが十分に形成されず、濃化層の厚さδも１μｍに達せず、６００分より長い加熱時間では生産性の低下を招き水冷孔割れ防止の効果を更に高めるには到らないからである。１〜６００分であれば、Ｃｕ及びＮｉの濃化層の厚さδとして好適な１μｍ≦δ≦１５μｍが得られる。好ましい加熱時間は、３０〜２４０分である。炭化物をオーステナイト相中に十分に固溶させ、焼戻し後の強度と衝撃値を得るためである。濃化層の厚さδは、焼入れ時の加熱時間が短いと薄く、加熱時間が長いと厚くなり、酸化スケールの厚さと正の相関を持つことから、所望の濃化層の厚さδが得られるように、加熱時間は調節すればよい。
【００３９】
焼戻しでは、焼入れで生じたマルテンサイト組織をＡ１点以下の温度に加熱した後、冷却する操作がなされる。好ましい焼戻しの温度は、５５０〜６５０℃である。５５０℃を下回ると靭性が出ず、６５０℃を超えると強度が出ないからである。焼戻しを行うのは、Ａｃ１変態点以上の温度に加熱後の金型は、冷却によって焼入れられるが、このままでは硬さが高すぎて靭性が低いため、使用することができないからである。すなわち、焼戻しでは、硬さを少し低下させると同時に靭性を高める。
【００４０】
切削加工（精加工）では、実生産で使用すべく、意匠面が金型商品の形状に切削され、研磨される。しかしながら、冷却孔は、切削や研磨はなされず焼入れ焼戻しがなされたままの状態（酸化スケール及び濃化層がある状態）とされる。冷却孔の表面を切削したり研磨したりすると、Ｃｕ及びＮｉの濃化層が除去されてしまうからである。
以上の工程を経て、本実施形態に係る金型が得られる。
【００４１】
（作用）
次に、本実施形態に係る金型の作用について説明する。本実施形態に係る金型は、質量％で、Ｃ：０．２１〜０．８０％、Ｃｕ：０．０１〜２．０％、Ｎｉ：０．０２〜５．０％を含有する鋼材からなるものであるから、ダイカスト用金型として要求される品質特性として適正な強度や衝撃値を有する。
また、本実施形態に係る金型の冷却孔の表面近傍に形成されるＣｕ及びＮｉの濃化層は、鋼材のＣｕ及びＮｉが濃化されたものであるからムラ無く均一なものになる。そして、その濃化層には、鋼材のＣｕ及びＮｉ量の１．２倍量以上のＣｕ及びＮｉが含有され、又は、Ｃｕが質量％で０．０２５〜５．０％、Ｎｉが質量％で０．０５〜１５．０％含有されている。また、濃化層の厚さδは、１μｍ≦δ≦１５μｍである。従って、濃化層の存在により水冷孔割れの起点となる錆びそのものが抑制されるとともに、Ｎｉ濃化層により水冷孔割れの進展を助長する水素イオンがブロックされるため意匠面へ貫通するクラックへの進展が抑制される。
本実施形態に係る金型は、被成形材に接触する意匠面から冷却孔の内壁面までの水冷孔深さＬが、Ｌ＜２５ｍｍであるため、１５％程度のハイサイクル化がなされても、金型は鋳造サイクル毎に冷却液によって十分に冷却されるため、ダイカスト品は、従来通りの品質特性となる。また、従来のダイカストの生産サイクルで生産を行った場合には、金型は従来よりも低い温度まで冷却されるため、ダイカスト品の品質特性が向上する。
【実施例】
【００４２】
次に、本発明の一実施形態に係る供試金型を製作し、その評価を行ったのでそれについて説明する。尚、この実施例は単なる例示にすぎず、本発明を限定するものではない。
【００４３】
（評価試験及びその結果−その１）
（供試金型の製作）
表１に示す実施例１〜９及び比較例１〜６について、同表に示す組成（単位は質量％、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる）の鋼材を用いて、表２に示す製造条件（熱処理条件等）で重量が約５００ｋｇのダイカスト用の供試金型を製作した。供試金型の製作は、次の手順（表２及び図７参照）により行った。焼鈍状態にある実施例１〜９及び比較例１〜６の鋼材を粗加工して供試金型とし、その後、これらの供試金型を大気雰囲気下（比較例６は真空下）で焼入れた。焼入れでは、各供試金型を１０３０℃に加熱し、１２０分間（比較例４は７００分間）、焼入れ温度に均熱保持した後、各供試金型を冷却した。次の焼戻しでは、各供試金型を５９５℃で３ｈｒ保持した後、５８５℃で３ｈｒ保持した。これにより、各供試金型をＣ量に応じた適正な硬さに調節した（尚、この焼戻しが終わった時点で、表３に示す強度及び衝撃値、濃化層中のＣｕ及びＮｉの濃度、濃化層の厚さの測定を行った）。最後の精加工では、各供試金型にダイカスト用金型の仕上げ精加工を施した。
【００４４】
【表１】
2008126310.tif 000003
【００４５】
【表２】
2008126310.tif 000004
【００４６】
（強度及び衝撃値の測定及び評価）
焼入れ焼戻しが済んだ精加工前の実施例１〜９及び比較例１〜６の各供試金型の強度及び衝撃値を測定した。試験片にはＪＩＳ  ３号のタイプを用い（Ｕノッチ）、吸収エネルギー［Ｊ］を試験片の断面積で割った値を衝撃値［Ｊ／ｃｍ２］としている。その結果を表３に示す。実施例１〜９は、ダイカスト用金型又は工具として必要な強度及び衝撃値を備えていることがわかった。ダイカスト用金型又は工具として要求される強度は、ＨＲＣ３７が許容限度である。Ｃ量を最も少なくした実施例８の強度が全ての実施例を通じて最低であるＨＲＣ３７．２であったことから、Ｃ量は、好ましくは、０．１質量％以上、更に好ましくは、０．２１質量％以上含有させる必要があることがわかった。
【００４７】
（濃化層中のＣｕ及びＮｉの濃度の測定）
焼入れ焼戻しが済んだ精加工前の実施例１〜９及び比較例１〜６の鋼材の濃化層中のＣｕ及びＮｉの濃度を測定した。濃化層は、Ｎｉ及びＣｕが鋼材（濃化層ではない部分）のＮｉ及びＣｕの濃度の１．２倍以上になっている部分とした（図１参照）。濃化層の同定にはＥＰＭＡを用いた。濃化層中のＣｕ及びＮｉの濃度は、ＥＰＭＡによる線分析の数値から判断した。その結果、濃化層は、ムラ無く均一に形成されていた。また、表３にその結果を示す。
【００４８】
（濃化層の厚さδの測定）
次に、上記のＥＰＭＡで同定した濃化層（Ｎｉ及びＣｕが鋼材（濃化層ではない部分）のＮｉ及びＣｕの濃度の１．２倍以上になっている部分）の厚さδを測定した。表３にその結果を示す。実施例１〜９は、酸化スケールの下に７〜１４μｍの厚さの濃化層が均一に形成されていた。一方、比較例１、２は、濃化層の厚さが０．３μｍと薄く、比較例３、６は、濃化層が形成されていなかった。また、比較例４、５は、厚い濃化層が形成されていた。
【００４９】
（水冷孔の亀裂深さＤの測定及び評価）
次に、精加工が済んだ実施例１〜９及び比較例１〜６の各供試金型をダイカストに適用した場合の水冷孔割れに対する耐性を評価するために、水冷孔の亀裂深さＤを測定した。この測定は次の手順で行った。各供試金型を型締力２０００ｔｏｎのダイカストマシンに組み付け、ダイカスト製品（自動車用シリンダーブロック）の鋳造を行った。鋳造で用いた湯材は、アルミダイカストＡＬＣ１２で、湯温（溶解保持炉内）は６７０℃であった。ダイカスト製品は、自動車用シリンダーブロックとした。１サイクル６５秒の鋳造を実施し、５００００ショット（累積で約一ヶ月）が終了した時点で型を切断、意匠面から１５ｍｍの位置にある水冷孔の亀裂深さＤを測定した。その結果を表３に示す。
【００５０】
実施例１〜９は、亀裂深さＤが、Ｄ≦２００μｍという良好な結果が得られた。２００μｍを良否の判断基準とした理由は、意匠面から遠いところ（水冷孔深さＬが４０ｍｍ以上）に位置する水冷孔でもクラックは発生するが、そのクラック深さが２００μｍを大きく超えることはないからである。実施例１〜９では、水冷孔深さＬが１５ｍｍであるにも拘わらず、亀裂深さＤが２００μｍ未満であったため、水冷孔割れに対して非常に優れた耐性を有するものと考えられる。従って、実施例１〜９の場合には、鋳造のショット数を更に増やしても、クラックが意匠面に到達する可能性は低いと考えられる。
【００５１】
一方、濃化層が殆ど形成されていない比較例１、３、６は、亀裂深さＤ＞１０ｍｍであった。従って、これらの比較例では、ショット数をもう少し多くするとクラックが意匠面に到達し、冷却水がそのクラックから噴出するおそれがあると考えられる。尚、比較例２、４、５では、亀裂深さＤが短い。しかしながら、比較例２ではステンレス鋼であるためコスト高となり、更に、局部腐食による応力腐食割れが懸念され、比較例４では加熱時間が長すぎて生産性が悪くなり、比較例５ではＮｉが多すぎて素材コストが高くなることから大量生産には向かない。尚、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ等の濃化も認められたが、これらは水冷孔割れを防止する効果がない。また、実施例及び比較例においては、これらの鋼材成分が同じであるため、評価対象からは除外した。
【００５２】
以上のことから、適当な厚さの、Ｃｕ及びＮｉが濃化された濃化層を形成することが水冷孔割れの防止やその進展の抑制に有効であることが判明した。
【００５３】
【表３】
2008126310.tif 000005
【００５４】
（評価試験及びその結果−その２）
実施例１〜９の結果より、濃化層の形成が水冷孔割れ防止に有効であることが判明したため、そのうちの１鋼種を対象として、ハイサイクル化への有効性を検証した。
（供試金型の製作）
表４に示す実施例１０、１１、参考例１、２及び比較例７〜１０について、同表に示す組成（単位は質量％、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる）の鋼材を用いて、重量が約５００ｋｇのダイカスト用の供試金型を製作した。すなわち、実施例１０、１１の供試金型は、表１に示す実施例２と同じ素材を用いて、実施例２と同じ熱処理を経て得られたものである。また、参考例１、２及び比較例７〜１０の供試金型も、それぞれ、実施例２と同じ素材を用いて、実施例２と同じ熱処理を経て得られたものである。尚、参考例１、２は、実施例１０、１１に準ずるものであるが、後述する表５に示した水冷孔深さＬとして従来の標準位置を採用したために、実施例とはしていない。
【００５５】
【表４】
2008126310.tif 000006
【００５６】
（ハイサイクル化試験及び評価）
実施例１０、１１、参考例１、２及び比較例７〜１０の供試金型に設けた水冷孔の水冷孔深さＬ、水冷孔への精加工の有無、水冷孔の濃化層の有無は、表５に示す通りとした。
そして、実施例１０、１１、参考例１、２及び比較例７〜１０の供試金型を型締力２０００ｔｏｎのダイカストマシンに組み付け、ダイカスト製品（自動車用シリンダーブロック）の鋳造を行った。鋳造で用いた湯材は、アルミダイカストＡＬＣ１２で、湯温（溶解保持炉内）は、６７０℃とした。また、実施例１０、１１、参考例１、２及び比較例７〜１０の鋳造サイクル（１サイクル）及び意匠面温度は、表５に示した通りとした。尚、意匠面温度は、ダイカスト品を取り出すために、型が開いた後、スプレーによって意匠面が冷却され、更に離型剤の塗布後、型が閉まる直前のものであり、サーモビュアーによって測定した。そして、意匠面への水冷孔割れの有無を観察した（水冷孔割れが生じなかったものについては、５００００ショット（累積で約一ヶ月）が終了した時点で鋳造を停止した）。その結果を表５に併せて示す。
【００５７】
【表５】
2008126310.tif 000007
【００５８】
実施例１０及び１１は、水冷孔を、意匠面からその水冷孔の内壁面までの距離（水冷孔深さＬ）が１０ｍｍという近接した位置に設けたにもかかわらず、水冷孔割れが意匠面に貫通しなかった。そのうち、実施例１０は、鋳造サイクルを標準（６５秒）としたため、意匠面温度を十分に冷却することができ、冷却効率が良かった。実施例１１は、実施例１０の供試金型を用いてハイサイクル化（５５秒）したものであり、１５％のサイクル短縮を行っても従来レベルの意匠面温度を実現することができた。実施例１０、１１については、更に、水冷孔内面の亀裂深さＤを確認したところ、亀裂深さは２００μｍを下回った。この値は、意匠面からの距離が遠く水冷孔割れが全く問題にならない水冷孔に発生する亀裂深さと同程度である。従って、実施例１０、１１では、水冷孔を意匠面に近接して配置しても、水冷孔割れが意匠面に貫通する危険性が極めて少ないことがわかった。以上から、実施例１０→実施例１１のようなハイサイクル化ができることがわかった。
【００５９】
一方、参考例１は、水冷孔を、意匠面からその水冷孔の内壁面までの距離（水冷孔深さＬ）が４０ｍｍという従来の標準位置に設けたものであり、鋳造サイクルも標準的であったため、水冷孔割れが意匠面に貫通しなかった。参考例２は、参考例１の供試金型を用いてハイサイクル化を行った例であり、意匠面温度が著しく上昇した。参考例２のように、意匠面温度が著しく上昇すると、凝固速度の低下による鋳造品質が劣化するため実用化ができない。このことから、参考例１のような従来位置に水冷孔を設けていては、ハイサイクル化ができないことがわかった。
【００６０】
比較例７は、濃化層のない状態で水冷孔を意匠面に近接させた、従来における標準的な例であり、約３００００ショットで水冷孔割れが意匠面に貫通し、金型の寿命となった。比較例７では、意匠面温度の低下の効果が大きいが金型寿命の観点から実用化ができない。比較例８も同様である。比較例９は、鋳造サイクルと水冷孔深さを従来における標準的な条件にしたものであり、濃化層は存在しないにも拘わらず意匠面に貫通する水冷孔割れは発生していないが、参考例１と比較すると、水冷孔内面の亀裂深さが長い。比較例１０は、比較例９でハイサイクル化を行った例であり、意匠面温度が著しく上昇した。従って、比較例１０は、凝固速度の低下による鋳造品質の劣化が問題となるため実用化ができない。また、比較例９と同様に、濃化層の存在する参考例１よりも水冷孔内面の亀裂深さが長かった。従って、比較例１０は、水冷孔割れに進展する危険性が有り実用化ができない。
【００６１】
以上から、適当な厚さのＣｕ及びＮｉの濃化層を形成しておけば、水冷孔を意匠面に近づけても水冷孔割れの意匠面への貫通が抑制され、ハイサイクル化ができることがわかった。更に、ハイサイクル化は、高コストな材料を用いることなく、低コストで実現することができることがわかった。
本実施形態に係る金型は、ハイサイクル化を行っても意匠面温度を従来レベルに下げることができ、しかも、水冷孔割れの貫通が起こらなかったことから、熱疲労特性に優れることがわかった。
【００６２】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変や応用が可能である。例えば、本発明は、上記実施形態では、成形用部材の一例としてのダイカスト用金型として用いる例を示したが、樹脂やガラスの射出成形、更に鍛造や圧延といった塑性加工等の工具にも適用することができ、実施形態に示した用途に限定されるものではない。また、本発明は、実施例で示した焼入れと焼戻しの条件によって得られた成形用部材（例えば、金型や工具）に限定されるものではなく、鋼材の化学成分に応じた焼入れと焼戻しの条件によって得られた成形用部材（例えば、金型や工具）も、本発明の範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明に係る成形用部材は、熱疲労特性に優れているため、多くの需要が見込まれ、ダイカスト、鍛造、プラスチックやゴムの射出成形用の金型及び工具の製造メーカーや、本発明に係る成形用部材を使用してダイカスト品を製造するメーカーにとって利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】濃化層を説明するための図であり、（ａ）は金型１の側面を模式的に示し、（ｂ）は元素Ｘの濃度と冷却孔表面からの距離との相関を示す図である。
【図２】水冷孔深さＬを説明するための図であり、水冷孔の表層から内部を拡大して示す図である。
【図３】濃化層厚さδとダイカスト用金型の型寿命との相関を示すグラフである。
【図４】冷却孔の表面近傍を説明するための図である。
【図５】水冷孔深さＬと意匠面温度との相関を示すグラフである。
【図６】水冷孔深さＬと金型寿命の相関を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施形態に係る金型の製造工程を示す図である。
【図８】一般的な金型の側面を水冷孔とともに示した図である。
【図９】水冷孔割れの現象を説明するための図である。
【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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