(57)【要約】【課題】寸法精度と衝撃値が共に高い合金鋼の製造方法を提供すること。【解決手段】（ａ）合金鋼を、その中心温度が焼入れ開始温度Ｔａ（但し、Ｔａ≧ＡＣ３点）に到るまで加熱した後、（ｂ）合金鋼を、その中心温度が温度Ｔ３F（Ｔ３F≦Ｍｓ点−２０℃）に到るまで熱伝達係数Ｈを段階的に高めて冷却し、（ｃ）その中心温度が温度Ｔ３Ｆに到った後、温度Ｔ４Ｆ（Ｔ４F≦２００℃）に到るまでの熱流速Ｑが、その中心温度が温度Ｔ３Ｆに到った時の熱流速Ｑよりも小さくなるように冷却する。ただし、Ｑ［ｃａｌ／ｓ／ｍ２］＝Ｈ［Ｗ／ｍ２／Ｋ］・（ＴＳ−ＴＱ）［Ｋ］（ここで、Ｑは、任意の時点における熱流速を示す。Ｈは、その任意の時点の熱伝達係数を示す。ＴＳは、その任意の時点の合金鋼の表面温度を示す。ＴＱは、その任意の時点の冷媒温度を示す。）【選択図】図４
2008088532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金鋼を、その中心温度が焼入れ開始温度Ｔａ（但し、Ｔａ≧ＡＣ３点）に到るまで加熱する加熱工程と、
その中心温度が焼入れ開始温度Ｔａに到った後、前記合金鋼を、その中心温度が温度Ｔ１Ｆに到るまで、当該第一工程におけるその中心部の平均冷却速度ＣＲ１が、フェライト及び／又はパーライトが析出しない冷却速度Ｃとなるように冷却する第一工程と、
その中心温度が前記温度Ｔ１Fに到った後、前記合金鋼を、その中心温度が温度Ｔ２Ｆ（Ｔ２Ｆ≧Ｍｓ点、かつ、Ｔ２Ｆ≧ベイナイト変態開始温度）に到るまで、当該第二工程における熱伝達係数Ｈ２が、前記第一工程における熱伝達係数Ｈ１よりも高くなるように冷却する第二工程と、
その中心温度が前記温度Ｔ２Fに到った後、前記合金鋼を、その中心温度が温度Ｔ３Ｆ（Ｔ３Ｆ≦Ｍｓ点−２０℃）に到るまで、当該第三工程における熱伝達係数Ｈ３が、前記熱伝達係数Ｈ２よりも高くなるように冷却する第三工程と、
その中心温度が前記温度Ｔ３Ｆに到った後、前記合金鋼を、その中心温度が温度Ｔ４Ｆ（Ｔ４Ｆ≦２００℃）に到るまで、当該第四工程における熱流速Ｑ４が、前記第三工程における熱流速Ｑ３よりも小さくなるように冷却する第四工程と、からなることを特徴とする合金鋼の製造方法。
ただし、
Ｑｎ［ｃａｌ／ｓ／ｍ２］＝Ｈｎ［Ｗ／ｍ２／Ｋ］・（ＴＳｎ−ＴＱｎ）［Ｋ］
＝Ｈｎ［Ｗ／ｍ２／Ｋ］・ΔＴＳＱｎ［Ｋ］…（１）式
（ここで、［］内は単位を示す。ｎは、自然数であり、その値が第何工程かを示す。Ｑｎは、第ｎ工程における任意の時点における熱流速を示す。Ｈｎは、第ｎ工程におけるその任意の時点の熱伝達係数を示す。ＴＳｎは、第ｎ工程におけるその任意の時点の合金鋼の表面温度を示す。ＴＱｎは、第ｎ工程におけるその任意の時点の冷媒温度を示す。ΔＴＳＱｎは、ＴＳｎと、ＴＱｎとの差を示す。）
【請求項２】
前記熱流速Ｑ４は、
（ａ）前記熱伝達係数Ｈ４を前記熱伝達係数Ｈ３よりも小さくすること、
（ｂ）前記冷媒温度ＴＱ４を冷媒温度ＴＱ３よりも高くすること、又は、
（ｃ）前記熱伝達係数Ｈ４を前記熱伝達係数Ｈ３よりも大きくするとともに、前記冷媒温度ＴＱ４を冷媒温度ＴＱ３よりも高くすること、
により前記熱流速Ｑ３よりも小さくなるように冷却するものであることを特徴とする請求項１に記載の合金鋼の製造方法。
【請求項３】
（ａ）前記温度Ｔ１Ｆは、５５０℃≦Ｔ１Ｆ≦８００℃であり、前記温度Ｔ２Ｆは、３８０℃≦Ｔ２Ｆ＜５５０℃である（但し、２０℃≦Ｔ１Ｆ−Ｔ２Ｆ≦２５０℃）、又は、
（ｂ）前記温度Ｔ１Ｆは、４５０℃≦Ｔ１Ｆ≦８００℃であり、前記温度Ｔ２Ｆは、３８０℃≦Ｔ２Ｆ＜６００℃である（但し、２０℃≦Ｔ１Ｆ−Ｔ２Ｆ≦２５０℃）ことを特徴とする請求項１又は２に記載の合金鋼の製造方法。
【請求項４】
前記熱伝達係数Ｈ１は、１０≦Ｈ１≦１０００［Ｗ／ｍ２／Ｋ］、前記熱伝達係数Ｈ２は、３０≦Ｈ２≦５０００［Ｗ／ｍ２／Ｋ］、及び、前記熱伝達係数Ｈ３は、５０≦Ｈ３≦３００００［Ｗ／ｍ２／Ｋ］の条件のうち少なくともいずれかの条件を満たすことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の合金鋼の製造方法。
【請求項５】
前記平均冷却速度ＣＲ１は、５≦ＣＲ１≦３０［℃／ｍｉｎ］、前記第二工程における前記合金鋼の中心部の平均冷却速度ＣＲ２は、３≦ＣＲ２≦２７［℃／ｍｉｎ］、及び、前記第三工程における前記合金鋼の中心部の平均冷却速度ＣＲ３は、２≦ＣＲ３≦２５［℃／ｍｉｎ］の条件のうち少なくともいずれかの条件を満たすことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の合金鋼の製造方法。
【請求項６】
合金鋼を、その中心温度が焼入れ開始温度Ｔａ（但し、Ｔａ≧ＡＣ３点）に到るまで加熱した後、当該合金鋼を、その中心温度がＭｓ点−２０℃以下に到るまで熱伝達係数を段階的に高めて冷却し、その中心温度がＭｓ−２０℃以下に到った時点で、当該合金鋼の中心温度とその表面温度との温度差が５０℃以上である場合には、その中心温度がＭｓ点−２０℃に到った後、２００℃以下に到るまでの熱流速が、その中心温度がＭｓ点−２０℃に到った時の熱流速よりも小さくなるように冷却することを特徴とする合金鋼の製造方法。
ただし、
Ｑ［ｃａｌ／ｓ／ｍ２］＝Ｈ［Ｗ／ｍ２／Ｋ］・（ＴＳ−ＴＱ）［Ｋ］
＝Ｈ［Ｗ／ｍ２／Ｋ］・ΔＴＳＱ［Ｋ］…（２）式
（ここで、［］内は単位を示す。Ｑは、任意の時点における熱流速を示す。Ｈは、その任意の時点の熱伝達係数を示す。ＴＳは、その任意の時点の合金鋼の表面温度を示す。ＴＱは、その任意の時点の冷媒温度を示す。ΔＴＳＱは、ＴＳと、ＴＱとの差を示す。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合金鋼の製造方法に関し、更に詳しくは、金型や工具に用いられる合金鋼の熱処理技術、特に、大断面の熱間ダイス鋼に好適な焼入方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金型や工具に用いられる合金鋼を製造する場合、一旦、鋼をオーステナイト組織に加熱した後、各種冷却剤中で急冷する操作、すなわち、「焼入れ」が行われる。周知の焼入れ方法として、単純な一工程の冷却による焼入れ方法、例えば、炉から鋼を出してそのまま油冷を行う単純急冷方法が知られている。しかしながら、この単純急冷方法では、金型材質が極めて良いものが得られても、熱変形が起こり、金型形状が悪くなる、すなわち、鋼の反りが極めて大きく割れも酷くなるという問題があった。
【０００３】
図８（ａ）は、その従来の単純急冷方法（油冷）における合金鋼の冷却履歴を示したものである。合金鋼としては一辺が３００ｍｍのサイコロ（重量は２１１ｋｇ）を用いている。同図は、このサイコロを１０３０℃に加熱して、炉から取り出し、油冷設備へ運搬（運搬のため５００秒の空冷が入る（図中ＡＣで示す））して、油冷（油温：１３０℃、図中ＯＱで示す）したときの温度推移を示したものである。
【０００４】
同図に示したように、合金鋼の中心部（太実線）の温度変化は緩やかであるが、合金鋼の表面部（細実線）の温度変化は急激である。この中心温度と表面温度との温度差ΔＴの変化を図８（ｂ）に示すが、油冷を開始してから少したったところで、その温度差ΔＴは、最大温度差ΔＴmax（６６８℃）になる。この最大温度差ΔＴmax＝６６８℃は極めて高い温度差であり、そのサイコロに非常に強い熱応力を発生させる。もっともサイコロは単純な形状であるから変形はさほど問題にならないが、複雑な形状をした金型の場合には、かなりの熱変形（反りや割れ）が生ずる虞がある。従って、最大温度差ΔＴmaxが大きすぎると、金型形状に影響する寸法精度が維持できないという問題があった。
【０００５】
単純な一工程による他の冷却方法としては、単純緩冷が周知である。単純緩冷は、炉から鋼を出して放冷又は衝風冷を行う方法である。この冷却方法によれば、冷却速度を遅くすることができるため、反りが小さく割れのない合金鋼ができる。しかしながら、冷却速度が遅いと高温域ではパーライトやフェライトが析出する。また、ベイナイト変態が比較的高温側で起こりブロックサイズが大きくなるため、得られる合金鋼の衝撃値が低くなり、強靱化が図れないという金型材質上の問題があった。そして、金型材質の低さに付随して金型寿命が短くなり鍛造やダイカストにおける生産性の低下やそれに起因するコスト高を招くという問題があった。
【０００６】
更に、単純な急冷における反りや割れを修正するための工数増加及び再製作や、単純緩冷における短い金型寿命に起因する再製作が積み重なると、多くの電力や原材料を使用するため、環境負荷が増大するという問題もあった。
【０００７】
そこで、これらの問題を解決するために、特許文献１〜４に示すように、焼入れ工程を二工程に分けた複合冷却方法が提案されている。これらはいずれも、一工程目で緩い冷却を行って単純急冷で最も問題となる最大温度差ΔＴmaxを小さくする一方で、二工程目で強い冷却を行って単純緩冷で最も問題となる比較的高温側でのベイナイト変態を回避したものである。すなわち、これらの複合冷却方法は、最大温度差ΔＴmaxを小さくして反りや割れを回避しつつ、比較的高温側でのベイナイト変態を回避して衝撃値を高め強靱化を図ろうとした方法である。
【０００８】
まず、特許文献１及び２に開示された熱間ダイス鋼の焼入れ方法は、空冷ないし衝風冷却（緩い冷却）を行う工程と、油冷（強い冷却）を行う工程の二工程からなるものである。この焼入れ方法は、より具体的には、オーステナイト化温度まで熱間ダイス鋼を加熱した後、加熱された熱間ダイス鋼をベイナイト領域のノーズに向かう速度で空冷ないし衝風冷却により緩冷後、ベイナイト領域のノーズを避ける冷却速度で油冷により急冷する方法である。
【０００９】
特許文献３に開示された金型の焼入れ方法は、衝風冷却を行う工程（緩い冷却）と、油冷よりもベイナイト域での冷却速度が大きい「ポリマー液に浸漬する冷却」を行う工程（強い冷却）の二工程からなるものである。すなわち、この焼入れ方法は、金型の表面温度が６５０℃ないし３００℃の温度範囲に到達するまで「粒界炭化物が析出する冷却速度」よりも速い冷却速度で冷却し、次いでポリマー液中で冷却する方法である。
【００１０】
特許文献４に開示された金型の焼入れ方法は、全工程を通じて冷却ガスを吹き付けて冷却する方法であるが、金型がベイナイト変態を開始する前に、二工程目として冷却ガスの圧力を高める方法（二工程目で強い冷却）である。
【００１１】
このような特許文献１から４に開示された二段階冷却による複合冷却方法は、金型の寸法精度と材質の両者を満足のいくものとすることができる点で、小型金型にも適用しうるが、特に、従来の大型金型に効果的な方法である。
【００１２】
【特許文献１】特開平３−０２８３１８号公報
【特許文献２】特開平８−２２５８３０号公報
【特許文献３】特開平９−１８２９４８号公報
【特許文献４】特開平１０−０８０７４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、金型が更に大型化すると、従来の二段階冷却による複合冷却でも不十分だった。その理由は、特許文献１から４に開示された二段階冷却による焼入れ方法は、高温域（概ね、焼入れ温度と５００〜６００℃との間程度）での一工程目では比較的緩い冷却でも、中温域（概ね、５００〜６００℃と３８０℃との間程度）から低温域（概ね３８０℃〜室温程度）にわたる二工程目では強い冷却を行う方法であるため、大断面・大重量の金型の場合には、中温域における最大温度差ΔＴmaxを十分に小さくすることができず、最大温度差ΔＴmaxに起因する熱応力によって、反りや割れが発生し、金型形状を損なうという問題があったからである。
【００１４】
そして、これらの問題に付随して次のような問題もあった。まず、最大温度差ΔＴmaxに起因して反りが出ると、沿った部分を平面にするために、合金鋼の切削や余肉盛りをする必要があった。すると、切削工程や余肉盛り工程に人件費や時間がかかり、納期遅れやコスト高を招くという問題があった。また、割れが発生すると、材料の手配から始めて、溶解も行う、すなわち、最初から再製作しなければならず、納期遅れやコスト高を招くという問題があった。
【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、パーライトやフェライトが析出せず、かつ、寸法精度と衝撃値が共に高い強靱化された合金鋼の製造方法を提供することにある。これによって、寸法精度と衝撃値が共に優れた金型や工具を製造しようとするものである。
本発明の第二の目的は、金型や工具を高効率で製造でき、納期遅延を解消し、コスト高を回避することができる合金鋼の製造方法を提供することにある。
本発明の第三の目的は、環境負荷が低い合金鋼の製造方法を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、本発明に係る合金鋼の製造方法は、
合金鋼を、その中心温度が焼入れ開始温度Ｔａ（但し、Ｔａ≧ＡＣ３点）に到るまで加熱する加熱工程と、
その中心温度が焼入れ開始温度Ｔａに到った後、前記合金鋼を、その中心温度が温度Ｔ１Ｆに到るまで、当該第一工程におけるその中心部の平均冷却速度ＣＲ１が、フェライト及び／又はパーライトが析出しない冷却速度Ｃとなるように冷却する第一工程と、
その中心温度が前記温度Ｔ１Fに到った後、前記合金鋼を、その中心温度が温度Ｔ２Ｆ（Ｔ２Ｆ≧Ｍｓ点、かつ、Ｔ２Ｆ≧ベイナイト変態開始温度）に到るまで、当該第二工程における熱伝達係数Ｈ２が、前記第一工程における熱伝達係数Ｈ１よりも高くなるように冷却する第二工程と、
その中心温度が前記温度Ｔ２Fに到った後、前記合金鋼を、その中心温度が温度Ｔ３Ｆ（Ｔ３Ｆ≦Ｍｓ点−２０℃）に到るまで、当該第三工程における熱伝達係数Ｈ３が、前記熱伝達係数Ｈ２よりも高くなるように冷却する第三工程と、
その中心温度が前記温度Ｔ３Ｆに到った後、前記合金鋼を、その中心温度が温度Ｔ４Ｆ（Ｔ４Ｆ≦２００℃）に到るまで、当該第四工程における熱流速Ｑ４が、前記第三工程における熱流速Ｑ３よりも小さくなるように冷却する第四工程と、からなることを要旨とするものである。
ただし、
Ｑｎ［ｃａｌ／ｓ／ｍ２］＝Ｈｎ［Ｗ／ｍ２／Ｋ］・（ＴＳｎ−ＴＱｎ）［Ｋ］
＝Ｈｎ［Ｗ／ｍ２／Ｋ］・ΔＴＳＱｎ［Ｋ］…（１）式
（ここで、［］内は単位を示す。ｎは、自然数であり、その値が第何工程かを示す。Ｑｎは、第ｎ工程における任意の時点における熱流速を示す。Ｈｎは、第ｎ工程におけるその任意の時点の熱伝達係数を示す。ＴＳｎは、第ｎ工程におけるその任意の時点の合金鋼の表面温度を示す。ＴＱｎは、第ｎ工程におけるその任意の時点の冷媒温度を示す。ΔＴＳＱｎは、ＴＳｎと、ＴＱｎとの差を示す。）
【００１７】
この場合において、熱流速Ｑ４は、
（ａ）前記熱伝達係数Ｈ４を前記熱伝達係数Ｈ３よりも小さくすること、
（ｂ）前記冷媒温度ＴＱ４を冷媒温度ＴＱ３よりも高くすること、又は、
（ｃ）前記熱伝達係数Ｈ４を前記熱伝達係数Ｈ３よりも大きくするとともに、前記冷媒温度ＴＱ４を冷媒温度ＴＱ３よりも高くすること、
により前記熱流速Ｑ３よりも小さくなるように冷却するものであればよい。
【００１８】
この場合において、（ａ）前記温度Ｔ１Ｆは、５５０℃≦Ｔ１Ｆ≦８００℃であり、前記温度Ｔ２Ｆは、３８０℃≦Ｔ２Ｆ＜５５０℃である（但し、２０℃≦Ｔ１Ｆ−Ｔ２Ｆ≦２５０℃）、又は、
（ｂ）前記温度Ｔ１Ｆは、４５０℃≦Ｔ１Ｆ≦８００℃であり、前記温度Ｔ２Ｆは、３８０℃≦Ｔ２Ｆ＜６００℃である（但し、２０℃≦Ｔ１Ｆ−Ｔ２Ｆ≦２５０℃）ことが望ましい。
ここで示した温度範囲は、多くの鋼種・形状・重量の場合に適用しうるものであるが、特定の鋼種・形状・重量の場合に限定するものではない。ここで示した温度範囲は、鋼種としてはＳＫＤ６１などの熱間ダイス鋼、ＳＫＤ１１などの冷間工具鋼、ＳＫＨ５１などの高速度工具鋼、ＳＮＣＭ４３９などの強靱鋼に好適である。また、ここで示した温度範囲は、形状・重量としては単純形状・小断面・軽量のものから複雑形状・大断面・大重量の合金鋼に好適である。
【００１９】
この場合において、前記熱伝達係数Ｈ１は、１０≦Ｈ１≦１０００［Ｗ／ｍ２／Ｋ］、前記熱伝達係数Ｈ２は、３０≦Ｈ２≦５０００［Ｗ／ｍ２／Ｋ］、及び、前記熱伝達係数Ｈ３は、５０≦Ｈ３≦３００００［Ｗ／ｍ２／Ｋ］の条件のうち少なくともいずれかの条件を満たすものであればよい。
【００２０】
この場合において、前記平均冷却速度ＣＲ１は、５≦ＣＲ１≦３０［℃／ｍｉｎ］、前記第二工程における前記合金鋼の中心部の平均冷却速度ＣＲ２は、３≦ＣＲ２≦２７［℃／ｍｉｎ］、及び、前記第三工程における前記合金鋼の中心部の平均冷却速度ＣＲ３は、２≦ＣＲ３≦２５［℃／ｍｉｎ］の条件のうち少なくともいずれかの条件を満たすものであればよい。
【００２１】
尚、本発明に係る合金鋼の製造方法において、冷却方法は、特に限定されるものではなく、合金鋼の中心温度がＴ３Ｆに到るまでに行われる第一工程から第三工程においては熱伝達係数を段階的に高くし（Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈ３）、合金鋼の中心温度が前記温度Ｔ３Ｆに到った後、その中心温度が温度Ｔ４Ｆに到るまでに行われる第四工程（Ｔ３Ｆ≧合金鋼の中心温度≧Ｔ４Ｆ）においてはその熱流速Ｑ４を第三工程における熱流速Ｑ３よりも遅くするものであればよい。
【００２２】
この制約を満たす限り、各工程における冷却方法は、それぞれ、互いに同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。例えば、前記第一工程における冷却方法は、放冷、衝風冷、加熱ガス冷又は加圧ガス冷のいずれかを用いるのが好ましい。また、前記第二工程における冷却方法は、衝風冷、加熱ガス冷、加圧ガス冷又は油冷のいずれかを用いるのが好ましい。前記第三工程における冷却方法は、油冷、衝風冷、加熱ガス冷、加圧ガス冷、水冷又はポリマー液を用いた冷却のいずれかを用いるのが好ましい。前記第四工程における冷却方法は、放冷、衝風冷、油冷、加熱ガス冷、加圧ガス冷、水冷又はポリマー液を用いた冷却のいずれかを用いるのが好ましい。
要するに、所望の熱伝達係数や冷却速度、熱流速を得られるものであれば、各工程における冷却方法は特に限定されるものではない。
【００２３】
また、本発明に係る合金鋼の製造方法が適用される合金鋼の重量は特に限定されるものではないが、１５０ｋｇ以上の大断面・大重量の合金鋼に好ましい。また、得られる合金鋼の用途は、特に限定されるものではないが、高い寸法精度や材質が要求される金型又は工具に好ましい。
【００２４】
また、本発明に係る合金鋼の製造方法は、合金鋼を、その中心温度が焼入れ開始温度Ｔａ（但し、Ｔａ≧ＡＣ３点）に到るまで加熱した後、当該合金鋼を、その中心温度がＭｓ点−２０℃以下に到るまで熱伝達係数を段階的に高めて冷却し、その中心温度がＭｓ−２０℃以下に到った時点で、当該合金鋼の中心温度とその表面温度との温度差が５０℃以上である場合には、その中心温度がＭｓ点−２０℃に到った後、２００℃以下に到るまでの熱流速が、その中心温度がＭｓ点−２０℃に到った時の熱流速よりも小さくなるように冷却するものでもよい。
ただし、
Ｑ［ｃａｌ／ｓ／ｍ２］＝Ｈ［Ｗ／ｍ２／Ｋ］・（ＴＳ−ＴＱ）［Ｋ］
＝Ｈ［Ｗ／ｍ２／Ｋ］・ΔＴＳＱ［Ｋ］…（２）式
（ここで、［］内は単位を示す。Ｑは、任意の時点における熱流速を示す。Ｈは、その任意の時点の熱伝達係数を示す。ＴＳは、その任意の時点の合金鋼の表面温度を示す。ＴＱは、その任意の時点の冷媒温度を示す。ΔＴＳＱは、ＴＳと、ＴＱとの差を示す。）
尚、式（１）及び式（２）は、式（１）が工程を明確にしているのに対して、式（２）が工程を特に限定しない点で異なる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る合金鋼の製造方法は、第一工程において、合金鋼を、その中心部の平均冷却速度ＣＲ１がフェライト及び／又はパーライトが析出しない冷却速度Ｃとなるように冷却し、第二工程において、合金鋼の中心温度が温度Ｔ２Ｆ（Ｔ２Ｆ≧Ｍｓ点、かつ、Ｔ２Ｆ≧ベイナイト変態開始温度）に到るまで、第一工程における熱伝達係数Ｈ１よりも高いが第三工程における熱伝達係数Ｈ３よりも低い熱伝達係数Ｈ２（Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈ３）（すなわち、低すぎず高すぎない熱伝達係数）で冷却するものであるから、温度差ΔＴが大きくならず「過大な温度差ΔＴによる熱応力」に起因する熱変形（反りや割れ）を最小限に抑えることができる。従って、第一工程及び第二工程においては、フェライト及び／又はパーライトが析出せず、しかも、反り軽減と割れ回避がなされるため寸法精度を高めることができる。
【００２６】
また、第三工程においては、合金鋼を、その中心温度が温度Ｔ２Fに到った後、温度Ｔ３Ｆ（Ｔ３Ｆ≦Ｍｓ点−２０℃）に到るまで、第三工程における熱伝達係数Ｈ３が、熱伝達係数Ｈ２よりも高くなるように（Ｈ２＜Ｈ３）冷却するものであるから、ベイナイト変態を比較的低温で開始させ、又は、マルテンサイト変態させることができる。更に、第三工程では熱伝達係数Ｈ３を熱伝達係数Ｈ２より高くしているので、比較的速い冷速で冷却することができる。しかも、温度Ｔ２Fに到った後、温度Ｔ３Ｆ（Ｔ３Ｆ≦Ｍｓ点−２０℃）に到るまでの温度域における変態発熱がもっとも顕著になり、この温度域における変態によって最終的に得られる合金鋼の組織が決まる。そのため、第三工程によって、金型材質に係るブロックサイズを小さくでき、衝撃値を高め、強靱化を図ることができる。また、金型形状に係る反りや割れについては、第三工程においては、Ｈ３＞Ｈ２と、熱伝達係数を更に高くするが、合金鋼が既に有る程度冷却されているため、温度差ΔＴが大きくならず、やはり、「過大な温度差ΔＴによる熱応力」に起因する熱変形（反りや割れ）を最小限に抑えることができる。従って、第三工程によって、反り軽減、割れ回避及び強靱化を同時に実現することができる。
【００２７】
更に、第四工程においては、合金鋼を、その中心温度が前記温度Ｔ３Ｆ（Ｔ３Ｆ≦Ｍｓ点−２０℃）に到った後、温度Ｔ４Ｆ（Ｔ４Ｆ≦２００℃）に到るまで、第四工程における熱流速Ｑ４が、第三工程における熱流速Ｑ３よりも小さくなるように冷却するものであるから、合金鋼の表面から逃げる「単位時間に単位面積から奪われる熱量」を少なくすることができる。従って、第四工程は、合金鋼の中心温度と表面温度との温度差ΔＴを必要以上に大きくすることなく、均熱度を高めることができ、「変態後の残留応力による体積膨張」に起因する熱変形（反りや割れ）を最小限に抑えることができる。従って、第四工程は、金型形状に係る反り軽減や割れ回避に有効である。特に、第四工程は、第三工程をそのまま行ってしまう場合に比べて反りを軽減し割れを減少させることができる点で有効である。
以上から、本発明に係る合金鋼の製造方法によれば、寸法精度と衝撃値が共に優れた合金鋼が得られる。
【００２８】
以上のことから、本発明に係る合金鋼の製造方法によれば、金型形状及び金型材質の両者の点で優れた合金鋼が得られる。そして、更に、本発明に係る合金鋼の製造方法によれば、良好な金型形状が得られるため、反り部分の切削や余肉盛りに要する労力や時間を著しく減少させることができ、金型や工具の納期遅延を解消し、コスト高を回避することができる。更に、本発明に係る合金鋼の製造方法によれば、良好な金型材質が得られるため、合金鋼の再生産等を回避でき、環境負荷をかけないという効果がある。
【００２９】
本発明に係る合金鋼の製造方法は、第一工程→第二工程→第三工程と進むにつれて、フェライトやパーライトの析出や温度差ΔＴに起因する反りや割れを回避しながら、熱伝達係数を高くし、得られる合金鋼の材質を決める変態終了温度Ｍｓ点−２０℃以下になったところで、第四工程に入り、熱流速を第三工程における熱流速より小さくしているため、「変態後の残留応力による体積膨張」に起因する反りを軽減し割れを回避することができ、合金鋼の割らず反らさず強靱化することを同時に実現することができる。
【００３０】
また、第四工程で熱流速を遅くしている関係で、全体としての処理時間は、第四工程を行わずに第三工程を冷却終了まで行った場合に比べて落ちるとはいえ、第一〜第三工程で熱伝達係数を段階的に高めているため、従来鋼に比べれば処理時間の短縮化が図られ、高効率での製造を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に、本発明の一実施形態に係る合金鋼の製造方法について図面を参照して詳細に説明する。
本発明に係る合金鋼の製造方法は、加熱工程と、第一工程と、第二工程と、第三工程と、第四工程とを備える。
本発明に係る合金鋼の製造方法は、第一工程から第三工程にかけて、すなわち、合金鋼の冷却開始から合金鋼の中心温度が温度Ｔ３Ｆ（Ｔ３Ｆ≦Ｍｓ点−２０℃）に冷却されるまでは、冷却強度を段階的に高めていく方法、すなわち、熱伝達係数［Ｗ／ｍ２／Ｋ］を第一工程→第二工程→第三工程と進むに連れて段階的に高める一方、合金鋼の中心温度が温度Ｔ３Ｆに到ったときに、第四工程に切り替え、合金鋼の中心温度が温度Ｔ４Ｆ（Ｔ４Ｆ≦２００℃）に冷却されるまで、第四工程における熱流速Ｑ４が、第三工程における熱流速Ｑ３よりも小さくなるように、すなわち、第四工程における「合金鋼の表面から逃げる熱量」を第三工程におけるそれよりも少なくして合金鋼断面の均熱度を高めながら冷却する方法である。
【００３２】
尚、以下の説明において、「高温域」は、焼入れ開始温度Ｔａと温度Ｔ１F（すなわち、第一工程の終了温度）との間の温度範囲及びこれと同視される温度範囲を指す。
「中温域」は、温度Ｔ１Fと温度Ｔ２F（Ｔ２Ｆ≧Ｍｓ点、かつ、Ｔ２Ｆ≧ベイナイト変態開始温度、すなわち、第二工程の終了温度）との間の温度範囲及びこれと同視される温度範囲を指す。
「低温域」は、「低温変態域」と「低温膨張域」からなり、全体として温度Ｔ２Ｆと温度Ｔ４Ｆ（Ｔ４Ｆ≦２００℃、すなわち、第四工程の終了温度）との間の温度範囲及びこれと同視される温度範囲を指す。そのうち「低温変態域」は、温度Ｔ２Fと温度Ｔ３F（Ｔ３Ｆ≦Ｍｓ点−２０℃、すなわち、第三工程の終了温度）との間の温度範囲及びこれと同視される温度範囲を指す。「低温膨張域」は、温度Ｔ３Fと温度Ｔ４F（Ｔ４Ｆ≦２００℃、すなわち、第四工程の終了温度）との間の温度範囲及びこれと同視される温度範囲を指す。
「温度差ΔＴＳＱ」とは（これについては後述するが）、任意の時点における合金鋼の表面温度と、その時点における冷媒温度との差を示す。
「温度差ΔＴ」とは、任意の時点における合金鋼の断面内の温度差を示し、具体的には、任意の時点における合金鋼の中心温度と表面温度との温度差を示す。
【００３３】
（加熱工程)
「加熱工程」は、合金鋼を、その中心温度が焼入れ開始温度Ｔａ（但し、Ｔａ≧ＡＣ３点）に到るまで加熱する工程である。
「合金鋼」は、不可避の不純物以外にも焼き入れ性向上元素を有するものをいい、合金鋼に含まれる添加元素の種類及び量は特に限定されるものではない。このような合金鋼としては、具体的には、ＳＫＤ６１などの熱間ダイス鋼、ＳＫＤ１１などの冷間工具鋼、ＳＫＨ５１などの高速度工具鋼、ＳＮＣＭ４３９などの強靱鋼などがある。本発明は、これらのいずれの鋼種に対しても適用することができる。特に、金型や工具などに用いられる合金鋼に対して本発明を適用すると、高い効果が得られる。本発明は、小断面の小型材にも当然に適用できるが、大断面の大型材に適用すると、高い効果が得られる。特に、その重量が１５０ｋｇ以上、２００ｋｇ以上又は１０００ｋｇ以上である大型材に対して本発明を適用すると、従来の方法では得られない高い寸法精度が得られ強靱化がなされる。
【００３４】
「合金鋼の中心温度」とは、合金鋼の中心部の温度をいう。尚、「合金鋼の表面温度」とは、合金鋼の表面部の温度をいう。
「中心部」は、合金鋼の形状によって決まり、特に限定されるものではない。例えば、簡単なサイコロ形状であれば重心及びその付近である。また、複雑な形状であれば、単に重心ということはできず、ある肉厚部分の中央面又は中心線及びそれらの付近である。すなわち、「中心部」は、冷却しようとする合金鋼の断面の温度が最も高い部分ないし高い部分並びにそれらの付近、又は、冷却しようとする合金鋼の最も冷却されにくい部分ないし冷却されにくい部分並びにそれらの付近である。
「焼入れ開始温度Ｔａ」は、ＡＣ３点（すなわち、平衡状態図のオーステナイト域とオーステナイト＋フェライト２相域とが接する温度であって加熱時に観察される温度）以上の温度をいう。この焼入れ開始温度Ｔａは合金鋼の鋼種によって異なるが、ＳＫＤ６１の場合、１０１０℃〜１０５０℃が好ましい。
【００３５】
「加熱」する方法は、特に限定されるものではなく、合金鋼の組成に応じて最適なものを選択すれば良い。例えば、焼入れ開始温度Ｔａが低い場合又は合金鋼の大きさが小さい場合、合金鋼をそのまま焼入れ開始温度Ｔａに加熱すればよい。一方で、例えば、焼入れ開始温度Ｔａが高い場合又は合金鋼の大きさが大きい場合には、焼入れ開始温度Ｔａにそのまま加熱すると、オーステナイトへの変態開始時が合金鋼の内部で大きく異なり、更に熱応力も大きくなるので、合金鋼の反りや割れが生じる虞が高まる。更に、オーステナイトの粒成長をも助長する場合がある。従って、このような場合には、Ａ１点直下の任意の温度で保持して温度を均一化した後、焼入れ開始温度Ｔａまで加熱し、適当な時間保持するのが好ましい。尚、Ａ１点より低温側と高温側で複数回の均熱保持工程を加えても良い。このような措置をとることで，合金鋼の反りや割れの虞を更に低下させることができる。
【００３６】
（第一工程)
「第一工程」は、合金鋼の中心温度が焼入れ開始温度Ｔａに到った後、その合金鋼を、その中心温度が温度Ｔ１Ｆに到るまで、当該第一工程におけるその中心部の平均冷却速度ＣＲ１が、フェライト及び／又はパーライトが析出しない冷却速度Ｃとなるように冷却する工程である。
「温度Ｔ１Ｆ」は、５５０℃≦Ｔ１Ｆ≦８００℃、又は、４５０℃≦Ｔ１Ｆ≦８００℃の範囲の温度であれば、多くの鋼種・形状・重量の場合に適用しうるが、この温度範囲に限定されるものではない。従って、「温度Ｔ１Ｆ」は、具体的な鋼種・形状・重量によって最適な値が選択される。
例えば、ＳＫＤ６１の場合には、５００℃≦Ｔ１Ｆ≦７５０℃が望ましく、ＳＫＤ１１の場合には、４００℃≦Ｔ１Ｆ≦６５０℃が望ましく、ＳＫＨ５１の場合には、４００℃≦Ｔ１Ｆ≦７５０℃が望ましく、ＳＮＣＭ４３９の場合には、５５０℃≦Ｔ１Ｆ≦７５０℃が望ましい。
また、上記温度範囲であれば、単純な金型形状はもとより、複雑な金型形状にも適用でき、更に、小断面・軽量のものから大断面・大重量のものまで適用しうる。
【００３７】
温度Ｔ１Ｆが高すぎる場合、次の第二工程における「第一工程よりも強い冷却」が広い温度範囲に渡って行われることになるため、温度差ΔＴが大きくなり、「過大な温度差ΔＴによる熱応力」に起因する熱変形（反りや割れ）を生ずる虞がある。この傾向は、特に大断面・大重量の合金鋼の場合に顕著となる。一方、温度Ｔ１Ｆが低すぎる場合、低温域で生じさせるべきベイナイト変態が比較的高温側で生じ、粗大なブロックが形成される場合がある。この場合には、得られる合金鋼は、低い衝撃値しか得られず、強靱化もなされない。そこで、上記の温度範囲としている。
【００３８】
「平均冷却速度ＣＲ１」は、焼入れ開始温度Ｔａ（第一工程の冷却開始温度Ｔ１ｓ）と温度Ｔ１Ｆとの差を第一工程における冷却時間で除した値をいう。
「冷却速度Ｃ」は、フェライト及び／又はパーライトが析出しない冷却速度、換言すれば、その最小の冷却速度（臨界冷却速度）以上の冷却速度である。尚、臨界冷却速度は鋼種に依存する。
【００３９】
第一工程における冷却は、合金鋼の中心部の平均冷却速度ＣＲ１が冷却速度Ｃになるように行う、すなわち、臨界冷却速度以上になるように行う必要がある。その理由は、フェライト及び／又はパーライトの析出を回避するためである。しかしながら、その必要にかられて、合金鋼の中心部の平均冷却速度ＣＲ１を過度に大きくすると、高温域を急冷することになるため、温度差ΔＴを大きくしてしまう。そこで、その必要を満たしつつ温度差ΔＴはできる限り小さくなるようにする。そのためには、第一工程における熱伝達係数Ｈ１［Ｗ／ｍ２／Ｋ］は、１０≦Ｈ１≦１０００［Ｗ／ｍ２／Ｋ］であることが好ましい。また、合金鋼の中心部の平均冷却速度ＣＲ１は、５≦ＣＲ１≦３０［℃／ｍｉｎ］であることが好ましい。
【００４０】
第一工程において「冷却」する方法は、熱伝達係数Ｈ１や合金鋼の中心部の平均冷却速度ＣＲ１が上記所定範囲を満たすものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、例えば、放冷、衝風冷、加熱ガス冷又は加圧ガス冷がある。
【００４１】
（第二工程)
「第二工程」は、合金鋼の中心温度が温度Ｔ１Fに到った後、その合金鋼を、その中心温度が温度Ｔ２Ｆ（Ｔ２Ｆ≧Ｍｓ点、かつ、Ｔ２Ｆ≧ベイナイト変態開始温度）に到るまで、当該第二工程における熱伝達係数Ｈ２が、第一工程における熱伝達係数Ｈ１よりも高くなるように冷却する工程である。
「温度Ｔ２Ｆ」は、Ｍｓ点及びベイナイト変態開始温度よりも高い温度をいい、３８０℃≦Ｔ２Ｆ＜５５０℃、又は、３８０℃≦Ｔ２Ｆ＜６００℃の範囲の温度であれば、多くの鋼種・形状・重量の場合に適用しうるが、この温度範囲に限定されるものではない。従って、「温度Ｔ２Ｆ」は、具体的な鋼種・形状・重量によって最適な値が選択される。
例えば、ＳＫＤ６１の場合には、３８０℃≦Ｔ２Ｆ≦５００℃が望ましく、ＳＫＤ１１の場合には、２５０℃≦Ｔ２Ｆ≦４００℃が望ましく、ＳＫＨ５１の場合には、２５０℃≦Ｔ２Ｆ≦４００℃が望ましく、ＳＮＣＭ４３９の場合には、４００℃≦Ｔ２Ｆ≦５５０℃が望ましい。
また、上記温度範囲であれば、単純な金型形状はもとより、複雑な金型形状にも適用でき、更に、小断面・軽量のものから大断面・大重量のものまで適用しうる。
【００４２】
尚、温度Ｔ１Ｆ（換言すれば、第二工程の開始の温度Ｔ２Ｓ）と温度Ｔ２Ｆとの関係についてであるが、２０℃≦Ｔ１Ｆ−Ｔ２Ｆ≦２５０℃であることが好ましい。第二工程における作用効果を確実にするためである。
【００４３】
温度Ｔ２Ｆが高すぎる場合、次の第三工程における「第二工程よりも強い冷却」が広い温度範囲に渡って行われることになるため、温度差ΔＴを大きくし、「過大な温度差ΔＴによる熱応力」に起因する熱変形（反りや割れ）の原因になる。この傾向は、特に大断面・大重量の合金鋼の場合に顕著となる。一方、温度Ｔ２Ｆが相対的に低すぎる場合、比較的高温側で、合金鋼の中心部だけでなく表面においても、ベイナイト変態を生じさせ、ブロックの粗大化や低衝撃値、低い靱性の原因になる。そこで、温度Ｔ２Ｆは上記の温度範囲としている。
【００４４】
第二工程における冷却は、「熱伝達係数Ｈ２」が、第一工程における熱伝達係数Ｈ１よりも高くなるように行うが、第三工程における熱伝達係数Ｈ３よりも低くなるように冷却を行う（Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈ３）。
【００４５】
まず、Ｈ２＞Ｈ１とする理由は、熱伝達係数Ｈ２を小さくしすぎると、処理時間が長引くと同時に、比較的高温側でベイナイト変態を生じさせ、ブロックの粗大化や低衝撃値、低い靱性の原因になるからである。例えば、温度Ｔ１Ｆ〜温度Ｔ２Ｆの温度域（例えば、中心温度が３８０℃〜５５０℃）を第一工程の熱伝達係数Ｈ１で引き続き冷却すると、表面側は比較的に高い温度でマルテンサイト変態やベイナイト変態を起こし、ブロックの粗大化や低衝撃値の原因となる。そこで、熱伝達係数Ｈ２を熱伝達係数Ｈ１よりも大きくして表面側など比較的に冷却されやすい部位を第二工程において早く冷却し、組織の微細化と強靭化を図る。こうすることによって、合金鋼の中心部のみならず表面側でも強靭化を図ることができる。
【００４６】
一方、Ｈ２＜Ｈ３とする理由は、熱伝達係数Ｈ２を大きくしすぎると、断面内での過大な温度差ΔＴが発生し反りや割れの原因になるからである。Ｈ２＜Ｈ３とすることは、第二工程における過大な温度差ΔＴの発生を抑制するのみならず、更に、後述する第三工程における均熱度をできるだけ高める（すなわち、温度差ΔＴをできるだけ小さくする）ための、断面内の温度分布の制御としても重要である。そのために、第二工程においては、熱伝達係数Ｈ２を熱伝達係数Ｈ３よりも小さくすることにより、過度に強い冷却をせずに効率的に中心温度を下げる。これによって、第二工程が終了した時点の均熱度を高めておき、後述する第三工程においては、低下せざるを得ない均熱度を最大限に高くしようとするものである。
【００４７】
そこで、断面内での過大な温度差ΔＴを発生させず、材質も良くし、処理時間も短縮できるようにするためには、第二工程における熱伝達係数Ｈ２は、３０≦Ｈ２≦５０００［Ｗ／ｍ２／Ｋ］であることが好ましい。また、合金鋼の中心部の平均冷却速度ＣＲ２は、３≦ＣＲ２≦２７［℃／ｍｉｎ］であることが好ましい。尚、「平均冷却速度ＣＲ２」は、温度Ｔ１F（換言すれば、第二工程の開始の温度Ｔ２Ｓ）と温度Ｔ２Ｆとの温度差を第二工程における冷却時間で除した値をいう。温度差ΔＴを大きくすることなく、処理時間を短縮するためには、既述のように、温度Ｔ２Ｓと温度Ｔ２Ｆとの温度差は、２０〜２５０℃が好ましい。
【００４８】
既述のように、第二工程では、第一工程よりも冷却強度、すなわち、熱伝達係数を高める必要がある。但し、合金鋼の中心部においては、第二工程の方が第一工程よりも平均冷却速度が大きくなるとは限らない点に注意が必要である。この理由は、一般に、温度が低下するほど平均冷却速度が小さくなるためである。このような状況下でも中心部の平均冷却速度を従来の単純緩冷よりも相対的に大きく（もっとも従来の単純急冷よりはその平均冷却速度を相対的に小さくすることが前提であるが）する目的で、熱伝達係数Ｈ２を熱伝達係数Ｈ１よりも大きくするのである。
第二工程において「冷却」する方法は、熱伝達係数Ｈ２や合金鋼の中心部の平均冷却速度ＣＲ２が上記所定範囲を満たすものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、例えば、衝風冷、加熱ガス冷、加圧ガス冷又は油冷がある。
【００４９】
（第三工程)
「第三工程」は、合金鋼の中心温度が温度Ｔ２Ｆ（Ｔ２Ｆ≧Ｍｓ点、かつ、Ｔ２Ｆ≧ベイナイト変態開始温度）に到った後、合金鋼を、その中心温度が温度Ｔ３Ｆ（Ｔ３Ｆ≦Ｍｓ点−２０℃）に到るまで、すなわち、低温変態域において、当該第三工程における熱伝達係数Ｈ３が、熱伝達係数Ｈ２よりも高くなるように冷却する工程である。尚、Ｍｓ点は、鋼種や成分組成に依存する。
「温度Ｔ３Ｆ」は、Ｔ３Ｆ≦Ｍｓ点−２０℃である。第三工程においては、合金鋼の中心温度が温度Ｔ３Ｆに到るまで、第二工程における熱伝達係数Ｈ２より大きい熱伝達係数Ｈ３で急冷するが、この温度範囲を急冷することによって、合金鋼の材質を決定づけるには十分な程度のマルテンサイト変態やベイナイト変態をほぼ終了させる。これにより、材質面の強化、すなわち、ブロックサイズを小さくして組織の微細化を図り、衝撃値を高め、強靱化を図る。
尚、大断面の金型中心部は、もともと冷えにくいうえに、変態発熱も加味され冷却速度が非常に小さくなる。従って、熱伝達係数が小さいと変態発熱の影響を受け、中心部は高温域に長期滞在することになり、その間に変態が進行し、粗い組織の割合が増えて低靭性になる。合金鋼の冷却時に生じる相変態は、高温で変態するほど、ブロックサイズが大きな粗い組織で低靭性になるからである。このような事態を避けるために、上記の低温変態域においては、熱伝達係数を高めて急冷を行い、少しでも低い温度で変態させる。
【００５０】
そこで、低温変態域でベイナイト変態を開始させ、又は、マルテンサイト変態させ、これにより、衝撃値を高め強靱化を図り、かつ、処理時間も短縮できるようにするためには、第三工程における熱伝達係数Ｈ３は、５０≦Ｈ３≦３００００［Ｗ／ｍ２／Ｋ］であることが好ましい。また、合金鋼の中心部の平均冷却速度ＣＲ３は、２≦ＣＲ３≦２５［℃／ｍｉｎ］であることが好ましい。尚、「平均冷却速度ＣＲ３」は、温度Ｔ２Ｆ（換言すれば、第三工程の開始の温度Ｔ３Ｓ）と温度Ｔ３Ｆとの差を第三工程における冷却時間で除した値をいう。
【００５１】
既述のように、第三工程は、第二工程よりも冷却強度、すなわち、熱伝達係数を高める必要がある。但し、合金鋼の中心部においては、第三工程の方が第二工程よりも平均冷却速度が大きくなるとは限らない点に注意が必要である。この理由は、一般に、温度が低下するほど冷却速度が小さくなるためである。このような状況下でも中心部の平均冷却速度を従来の複合冷却とほぼ同等又はそれよりも大きくする目的で、第三工程の冷却強度、すなわち、熱伝達係数Ｈ３を第二工程の冷却強度、すなわち、熱伝達係数Ｈ２よりも大きくするのである。
第三工程において「冷却」する方法は、熱伝達係数Ｈ３や合金鋼の中心部の平均冷却速度ＣＲ３が上記所定範囲を満たすものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、例えば、油冷、衝風冷、加熱ガス冷、加圧ガス冷、水冷又はポリマー液を用いた冷却がある。
【００５２】
（第四工程)
「第四工程」は、合金鋼の中心温度が温度Ｔ３Ｆ（Ｔ３Ｆ≦Ｍｓ点−２０℃）に到った後、合金鋼を、その中心温度が温度Ｔ４Ｆ（Ｔ４Ｆ≦２００℃）に到るまで、すなわち、低温膨張域において、第四工程における熱流速Ｑ４が、第三工程における熱流速Ｑ３よりも小さくなるように冷却する工程である。
【００５３】
「温度Ｔ４Ｆ」は、Ｔ４Ｆ≦２００℃であり、１６０℃付近が実用的である。尚、「合金鋼の表面温度」とは、合金鋼の表面部の温度をいう。また、「熱伝達係数Ｈ４」とは、第四工程における熱伝達係数をいう。「平均冷却速度ＣＲ４」は、温度Ｔ３Ｆと温度Ｔ４Ｆとの差を第四工程における冷却時間で除した値をいう。
「熱流速」は、単位時間に単位面積から奪われる熱量を示し、式（１）に示したように、第ｎ工程での任意の時点における熱伝達係数Ｈｎと、その第ｎ工程での任意の時点における合金鋼の表面温度ＴＳｎと冷媒温度ＴＱｎとの差ΔＴＳＱｎとを乗算して得られる。熱流速は、これを調整することにより合金鋼の断面の均熱度を調整することができる。例えば、熱流速を小さくすれば、合金鋼断面の均熱度を良くする（温度差ΔＴを小さくする）ことができ、熱流速を大きくすれば、合金鋼断面の均熱度を悪くする（温度差ΔＴを大きくする）ことができる。
Ｑｎ［ｃａｌ／ｓ／ｍ２］＝Ｈｎ［Ｗ／ｍ２／Ｋ］・（ＴＳｎ−ＴＱｎ）［Ｋ］
＝Ｈｎ［Ｗ／ｍ２／Ｋ］・ΔＴＳＱｎ［Ｋ］…（１）式
（ここで、［］内は単位を示す。ｎは、自然数であり、その値が第何工程かを示す。Ｑｎは、第ｎ工程における任意の時点における熱流速を示す。Ｈｎは、第ｎ工程におけるその任意の時点の熱伝達係数を示す。ＴＳｎは、第ｎ工程におけるその任意の時点の合金鋼の表面温度を示す。ＴＱｎは、第ｎ工程におけるその任意の時点の冷媒温度を示す。ΔＴＳＱｎは、ＴＳｎと、ＴＱｎとの差を示す。）
【００５４】
第四工程において、合金鋼の中心温度が、温度Ｔ３Ｆ（Ｔ３Ｆ≦Ｍｓ点−２０℃）に到った後、温度Ｔ４Ｆ（Ｔ４Ｆ≦２００℃）に到る間においては、得られる合金鋼の材質に殆ど影響を与えない程度の相変態は続くため、できるだけ冷却強度（例えば、熱伝達係数）は高めた方が材質的には良いが、この温度範囲においては、第三工程における相変態が終了した後の「変態後の残留応力による体積膨張」に起因する熱変形（反りや割れ）が懸念される。反りや割れが生じた場合、合金鋼の再製作を余儀なくされるからである。そこで、その反りや割れを回避するために、材質や処理時間を多少犠牲にするが、第四工程における熱流速Ｑ４を第三工程における熱流速Ｑ３よりも小さくなるように均熱度を高めて冷却する。もっとも、第三工程において温度Ｔ３Ｆ（Ｔ３Ｆ≦Ｍｓ点−２０℃）までを急冷しておけば、それより低い低温膨張域の冷却は、比較的に緩速冷却であっても、温度自体が低いため、変態の進行によって得られる組織はブロックサイズが小さく微細で強靱化が図られたものとなる。
【００５５】
（作用）
次に、本発明に係る合金鋼の製造方法の作用について説明する。
図１（ａ）（ｂ）は、各種の冷却方法を行った場合の各温度域における熱伝達係数の変化をまとめて示した模式図であり、本実施形態に係るのは、同図（ｂ）の複合冷却Ｅである。図２は、各種の冷却方法を行った場合の合金鋼の中心温度と処理時間との関係をまとめて示した模式図である。図１（ｂ）及び図２に示す温度域Ｔ３、Ｔ４（図２中の下側）は、複合冷却Ｅについての温度域の分け方を示す。これらの図中、Ａが焼入れ開始温度から直接油冷する単純急冷を示し、Ｂが焼入れ開始温度からそのまま放冷する単純緩冷を示し、Ｃが高温域を放冷（徐冷）→中温域を油冷（急冷）→低温域を衝風冷（緩冷）する複合冷却を示し、Ｄが高温域を放冷（徐冷）→中温域を衝風冷（緩冷）→低温域を油冷（急冷）する複合冷却を示し、Ｅが高温域を放冷（徐冷）→中温域を衝風冷（緩冷）→低温変態域を油冷（急冷）→変態膨張域を放冷（徐冷）又は衝風冷（緩冷）する複合冷却を示す。表１は、本発明に係る合金鋼の製造方法を適用する場合の各工程における各温度域における生じうる現象等をまとめて示したものである。
【００５６】
【表１】
2008088532.tif 000003
【００５７】
（加熱工程）
加熱工程において、合金鋼は、Ａｃ３点以上の焼入れ開始温度Ｔａ［℃］に加熱される。
【００５８】
（第一工程）
第一工程（高温域）において、合金鋼は、例えば、図１（ｂ）に示したように放冷により、その中心部の平均冷却速度ＣＲ１が、冷却速度Ｃとなるように、すなわち、臨界冷却速度以上となるように冷却される。これは、実際には、炭化物の粒界析出による靱性の低下は顕著でない場合が多く、ここではフェライト及び／又はパーライトの析出回避が最も重要だからである。従って、第一工程では、合金鋼は、パーライト及びフェライトの析出がなく、炭化物の過度な粒界析出もない。第一工程においては、図１に示したように、単純急冷Ａよりも熱伝達係数Ｈ１を小さくしているため（同図（ａ）（ｂ）は、本来一つにまとめるべきであるが、見やすさを考慮して二つに分けたものである。従って、複合冷却Ｅの熱伝達係数と、その他の冷却Ａ〜Ｄの熱伝達係数との大小比較は、単純に同図（ａ）（ｂ）を重ねて行えばよい。以下同じ。）、図２に示したように単純急冷Ａよりも合金鋼の中心温度が高くなるが、その分、温度差ΔＴが小さくなり、「過大な温度差ΔＴによる熱応力」に起因する熱変形（反りや割れ）が小さくてすむ。処理時間も過渡に長くならない。
【００５９】
（第二工程）
合金鋼の中心温度が温度Ｔ１Ｆに到った後、第二工程が開始される。
第二工程（中温域）において、合金鋼は、例えば、図１（ｂ）に示したように衝風冷却により、その中心温度が温度Ｔ２Ｆ（Ｔ２Ｆ≧Ｍｓ点、かつ、Ｔ２Ｆ≧ベイナイト変態開始温度、具体的には、３８０℃≦Ｔ２Ｆ＜５５０℃、又は、３８０℃≦Ｔ２Ｆ＜６００℃）に到るまで、第一工程における熱伝達係数Ｈ１よりも高いが第三工程よりも低い熱伝達係数Ｈ２（Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈ３）で冷却される。すなわち、第二工程では、合金鋼は、図１に示したように、単純緩冷Ｂよりも高い熱伝達係数で冷却されるため、図２に示したように、合金鋼の中心温度が単純緩冷Ｂよりも低くなり、処理時間の短縮化が図られる。同時に、第二工程では、合金鋼は、図１に示したように、単純急冷Ａや複合冷却Ｃよりも低い熱伝達係数で冷却されるため、図２に示したように、合金鋼の中心温度は、単純急冷Ａや複合冷却Ｃよりも高くなるが、その分、温度差ΔＴが小さくなり、「過大な温度差ΔＴによる熱応力」に起因する熱変形（反りや割れ）が小さくてすむ。
また、温度Ｔ２Ｆは、Ｍｓ点及びベイナイト変態開始温度よりも高い温度であるから、第二工程においては、合金鋼の中心部ではマルテンサイト変態やベイナイト変態が生じない。従って、これらの変態に伴うブロックの粗大化は生じず、靭性に影響を与えない。
【００６０】
（第三工程）
合金鋼の中心温度が温度Ｔ２Fに到った後、第三工程が開始される。
第三工程（低温変態域）において、合金鋼は、例えば、図１（ｂ）に示したように、その中心温度が温度Ｔ２F（Ｔ２Ｆ≧Ｍｓ点、かつ、Ｔ２Ｆ≧ベイナイト変態開始温度）に到った後、油冷により、温度Ｔ３Ｆ（Ｔ３Ｆ≦Ｍｓ点−２０℃）に到るまで、第二工程における熱伝達係数Ｈ２よりも高い熱伝達係数Ｈ３（Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈ３）で冷却される。従って、合金鋼は、ベイナイト変態が比較的低温で始まり、又は、マルテンサイト変態する。このとき、第三工程では熱伝達係数Ｈ３を熱伝達係数Ｈ２より高くしているので、合金鋼は、比較的速い冷速で冷却されながら、変態が進行する。この温度域は、Ｍｓ点を挟む温度域であるため、合金鋼は、変態発熱がもっとも顕著になり、この温度域における変態によって最終的に得られるその組織が決まる。第三工程では、合金鋼がこのように冷却されるので、金型材質に係るブロックサイズが小さくなり、衝撃値が高まり、強靱化がなされる。また、金型形状に係る反りや割れについては、第三工程ではＨ３＞Ｈ２と、熱伝達係数が高く変態発熱も伴うが、合金鋼は、既にある程度冷却されているため（第三工程では、合金鋼は、図１に示したように、単純緩冷Ｂや複合冷却Ｃよりも高い熱伝達係数Ｈ３で冷却されるため、図２に示したように、合金鋼の中心温度は、最初から急冷を行う単純急冷Ａよりは高いが単純緩冷Ｂや複合冷却Ｃよりは低い。）、温度差ΔＴが大きくならず、「過大な温度差ΔＴによる熱応力」に起因する熱変形（反りや割れ）が最小限に抑えられる。従って、第三工程において、合金鋼は、反りや割れを回避しながら、強靱化がなされる。
尚、第三工程では熱伝達係数Ｈ３が高いため、合金鋼断面内で最大温度差ΔＴmaxを示しうるが、単純急冷Ａや複合冷却Ｃの最大温度差ΔＴmaxに比べれば小さくて済む。また、急冷により、合金鋼は、その処理時間の短縮化が図られる。
【００６１】
（第四工程）
合金鋼の中心温度が温度Ｔ３Ｆ（Ｔ３Ｆ≦Ｍｓ点−２０℃）に到った後、第四工程が開始される。
第四工程（低温膨張域）において、合金鋼は、その中心温度が温度Ｔ４Ｆ（Ｔ４Ｆ≦２００℃）に到るまで、第四工程における熱流速Ｑ４が、第三工程における熱流速Ｑ３よりも小さくなるように冷却される。具体的には、例えば、図１（ｂ）に示したように放令や衝風冷による冷却、又は、熱伝達係数を熱伝達係数Ｈ４（Ｈ４＞Ｈ３）に増すとともに冷媒温度も高くした冷却が行われる。
従って、第四工程では、第三工程に比べると合金鋼の表面から逃げる「単位時間に単位面積から奪われる熱量」が少なくなる。そのため、合金鋼は、その中心部とその表面部との温度差ΔＴが大きならず均熱度が高まる。よって、合金鋼は、「変態後の残留応力による体積膨張」に起因する熱変形（反りや割れ）が最小限に抑えられる。特に、第三工程が引き続き行われる場合（図２のＤ参照）に比べて反りや割れが確実に減少する。処理時間は若干長くなるが、第三工程が引き続き行われる場合（図２のＤ参照）に比べると数十分から長くても１時間程度であるため問題ない。
【００６２】
（他の実施形態）
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図３は、複合冷却Ｆにおける各温度域での熱伝達係数の変化を示した模式図である。複合冷却Ｆが、図１（ｂ）の複合冷却Ｅと異なるのは、全ての工程において冷却方法として衝風冷却を採用したことである。このように、全ての冷却工程で衝風冷却を用いても、第一工程から第三工程では風速を高めていくことによって、冷却強度、すなわち、熱伝達係数を段階的に増すことができるし、第三工程から第四工程へ切り替えるときには風速を落とすことによって、「単位時間に単位面積から奪われる熱量」、すなわち、熱流速を下げることができる。従って、同一の冷却方法を全ての温度領域において採用した場合であっても図１（ｂ）に示した場合と同様の作用効果を得ることができる。例えば、ガス冷却を行うときは、ガスの種類・ガスの温度・ガスの圧力を変化させることによって、第一工程から第四工程を実施することができる。液体を用いた冷却を行うときも同様である。
【実施例】
【００６３】
次に、本発明の一実施形態に係る合金鋼の製造方法を用いて供試金型を製作し、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。
【００６４】
（供試金型の製作）
各実施例及び各比較例についてＳＫＤ６１（Ｍｓ点＝３２３℃）のブロック材５３０ｋｇを準備し、これらを４本脚付きで中央部に凹部がある概形４５０ｍｍ×６５０ｍｍ×２３５ｍｍの直方体形状の金型に加工した（図７参照）。これらを「供試金型」とした。
【００６５】
（供試金型の焼入れ及び冷却履歴の測定）
実施例１〜３及び比較例１〜３の供試金型を焼入れ開始温度Ｔａ（１０３０℃≧Ａｃ３点）まで加熱した。
次に、表２に示した焼入れ工程を各実施例及び各比較例について行った。
【００６６】
【表２】
2008088532.tif 000004
【００６７】
そして、表３〜表８に、表２に示す焼入れ工程による冷却履歴を示す。実施例１〜３の冷却履歴は、それぞれ、表３〜表５に示し、比較例１〜３の冷却履歴は、それぞれ、表６〜表８に示す。
これらの表において、ｔｉｍｅ［Ｈｒ］は冷却開始からの経過時間を示し、中心とあるのは合金鋼の中心温度［℃］を示し、表面とあるのは合金鋼の表面温度［℃］を示し、ΔＴとあるのは温度差ΔＴ［Ｋ］を示し、Ｈとあるのは熱伝達係数［Ｗ／ｍ２／Ｋ］を示し、ＣＲとあるのは平均冷却速度［℃／ｍｉｎ］を示し、冷却工程とあるのは第何冷却を行っているのかを示す。これらの表に示したように、焼入れ（冷却）は、各金型が約１６０℃（＝Ｍｓ点−１６３℃）に達したところで終了した。各工程の切り替えタイミングやその時の中心温度や表面温度、温度差ΔＴ、熱伝達係数Ｈ、平均冷却速度ＣＲは、同表に示した通りである。
【００６８】
【表３】
2008088532.tif 000005
【００６９】
【表４】
2008088532.tif 000006
【００７０】
【表５】
2008088532.tif 000007
【００７１】
【表６】
2008088532.tif 000008
【００７２】
【表７】
2008088532.tif 000009
【００７３】
【表８】
2008088532.tif 000010
【００７４】
また、表９は、表３〜表８に示した結果に基づいて作成した第三工程と第四工程の任意の測定時での熱流速Ｑ３，Ｑ４に関連するパラメータ、処理時間、第四工程への切替時、及び、合金鋼の中心温度等をまとめて示したものである。
【００７５】
【表９】
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【００７６】
表３〜表９に示したことから明らかなように、実施例１及び２は、熱伝達係数Ｈ４を熱伝達係数Ｈ３よりも小さくすることにより熱流速Ｑ４を熱流速Ｑ３より小さくしたものである。また、実施例３は、冷媒温度ＴＱ４を冷媒温度ＴＱ３よりも高くすることにより熱流速Ｑ４を熱流速Ｑ３より小さくしたものである。尚、実施例３は、瞬間的にではあるが、熱伝達係数Ｈ４を熱伝達係数Ｈ３よりも大きくするとともに、冷媒温度ＴＱ４を冷媒温度ＴＱ３よりも高くすることにより熱流速Ｑ４を熱流速Ｑ３より小さくしたものにも該当する。
【００７７】
（熱伝達係数）
実施例及び比較例の評価を行う前に、表３〜表８の冷却履歴に示した熱伝達係数の求め方について説明する。熱伝達係数は、次の（１）〜（４）の手順によって求めた。
（１）加熱したＳＵＳ３１６Ｌの円柱（直径３５ｍｍ×長さ２１０ｍｍ）を１０５０℃に均熱し、炉から取り出して、各種の冷媒中で急冷して中心部と表面部の時間に対する温度推移を測定した（熱電対は２本使用し、１本は円柱の中心部に挿入し、もう１本は円柱の表面に溶接した。）。
（２）ＳＵＳ３１６Ｌの円柱の熱物性値や冷却時の環境温度を実測した。
（３）有限要素法を用いて、上記（１）（２）のサンプリングで得られたデータに基づいて円柱の冷却挙動を軸対象モデルによってシミュレートした。
（４）有限要素法での計算温度が熱電対による実測温度と一致する熱伝達係数を求めた。
【００７８】
図６は、このようにして同定した熱伝達係数の一例を示し、冷媒温度が５０℃の各種冷媒を用いたときの熱伝達係数と試験片の表面温度との相関を示す。上記実施例及び比較例で用いた各種冷媒について全て上記（１）〜（４）の手順を行って、熱伝達係数を求めた（図示省略）。尚、熱伝達係数を求める実験において、変態発熱を伴うＳＫＤ６１を用いなかったのは、試験片内部で発熱があると温度分布が複雑になり、断面内温度の見積もり精度、ひいては熱伝達係数の見積もり精度が低下するためである。また、熱伝達係数には、素材の化学成分に影響されない特徴があるため、実際の金型の素材となるＳＫＤ６１を熱伝達係数を求める実験に使う必要は、必ずしも無いのである。
【００７９】
（評価１）
目視による確認レベルでは、実施例では反りが軽減され割れの無いものが得られたが、比較例では反りが大きく割れの有るものが得られた。
表２〜表９、図４及び図５から、この点について考察する。実施例では、第三工程で１５０〜１８０℃前後の温度差ΔＴ（最大温度差ΔＴmaxは１８２℃程度）を約２０分弱の間、継続して示すが、第四工程で温度差ΔＴが小さくなり均熱度が高い状態で冷却が終了したことがわかる。一方、比較例１では最大温度差ΔＴは実施例とさほど変わりないが冷却終了時の均熱度が低い。また、比較例２や３では温度差ΔＴが大きすぎ、冷却終了時の均熱度も低い。また、熱流速は、実施例では第三工程から第四工程へ切り替わったときに極めて小さくなっているが、比較例では当然に予想される程度の変化に止まった。また、図４及び図５を見ると、実施例の方が全体として中心温度と表面温度との温度差ΔＴが小さい。特に、冷却終了前の約３０分では、温度差Δに関して、実施例はあまり差がないのに対して、比較例は顕著な差が見られる。これらの差が割れの有無に影響したものと考えられる。「変態後の体積膨張による熱応力」に起因する熱変形（反りや割れ）が顕著であったといえる。以上が、実施例は反りが軽減され割れが無い一方、比較例では反りが大きく割れた理由と考えられる。
そこで、これらの結果を確認するため次の評価試験を行った。
【００８０】
（評価試験及び評価２）
焼入れ終了後、各実施例及び各比較例で得られた供試金型を５９５〜６１５℃の温度域で１ｈｒ保持する焼戻し工程を二度繰り返し、硬さをＨＲＣ４５に調整し、これについて評価試験を行った。
表１０に、評価試験の結果をまとめて示す。尚、同表において、反り［％］は、焼戻し後（ＨＲＣ４５に調整後）の反り［％］を示し、反り［％］＝（１００×ｄ［ｍｍ］（反り最大距離）／６５０［ｍｍ］（供試金型の長手方向の長さ））［％］により求めた。ここで、ｄ［ｍｍ］は、図７に示したように、所定の形状を有する試験片を焼入れ焼戻ししたときに生ずる、水平面から試験片の底面までの最大距離である。衝撃値は、焼戻し後の金型中央部から切り出した供試金型の衝撃値（ＪＩＳ３号試験片を使用）である。粒界炭化物、ブロックサイズ、反り及び割れについてはカラーチェックを実施して目視で観察した。尚、カラーチェックとは、浸透剤（赤色）を塗布後に現出剤（白色）を塗布すると、割れの部位から浸透剤が染み出してきて割れ部が赤く見えるため、これによって割れの有無を判断する試験方法である。
【００８１】
【表１０】
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【００８２】
表１０に示した結果から、実施例１〜３の供試金型は、粒界炭化物の過度な析出がなく、反りが非常に小さく、割れが全く無いものとなったことがわかった。実施例１〜３は、高温域（第一工程）での合金鋼の中心部の平均冷却速度ＣＲ１が極端に遅くないため、粒界炭化物の析出が抑えられるからである。また、実施例１〜３は、高温域（第一工程）から中温域（第二工程）に切り替えられるときに熱伝達係数がＨ１→Ｈ２（Ｈ１≦Ｈ２）と高くされているが、高温域及び中温域での平均冷却速度ＣＲ１，ＣＲ２が極端に速くないため、温度差ΔＴが大きくならず（約１００〜１２５℃程度、表３〜表５及び図４参照）、「過大な温度差ΔＴによる熱応力」に起因する反りや割れが回避されている。
【００８３】
また、実施例１〜３の供試金型は、ブロックサイズが微細なものとなり、反りの数値が低くて良好であり（比較例１〜３の約六分の一〜約二分の一）、割れが全く生じなかった（比較例１〜３では全て割れた）。実施例１〜３の供試金型のブロックサイズを微細なものとすることができたのは、低温変態域（第三工程）である温度Ｔ２Ｆ〜温度Ｔ３Ｆにおいて、熱伝達係数を更に上げてＨ２→Ｈ３（Ｈ２≦Ｈ３）冷却を行ったため、比較的低温でベイナイト変態を開始させ、又は、マルテンサイト変態させることができたからである（表３〜表８、図４及び図５参照）。また、実施例１〜３の供試金型の反りの数値が低くなり、割れが全く生じなかったのは、温度Ｔ３Ｆを下回ってから速やかに（時間にして１５分以内、中心部の冷却温度差にして３０〜４０℃以内）、第四工程に切り替え、熱流速Ｑ４を熱流速Ｑ３よりも小さくして（約二分の一〜約１６分の一）、「単位時間に単位面積から奪われる熱量」を少なくして、均熱度を高めて冷却を行ったからである（表３〜表８、図４及び図５参照）。換言すれば、「変態後の残留応力による体積膨張」に起因する熱変形（反りや割れ）を抑えることができたからである。
【００８４】
一方、比較例１〜３では、第四工程を行わず、第三工程の強い冷却を冷却終了温度（約１６０℃）まで行ったため、「変態後の残留応力による体積膨張」に起因する反りが大きくなり、再製作を余儀なくされる割れが生じた。また、比較例でも熱流速が下がってはいるが、実施例ほどの急激な下がり方ではなく、均熱度を上げるためには不十分な下がり方しかしていない（表３〜表８、図４及び図５参照）。
また、処理時間については、実施例１〜３の供試金型では、約２．５〜２．７時間かかるのに対して、比較例１〜３の供試金型では、約２．０〜２．３時間とこれより短くて済むが、実作業において問題になる差ではない（表３〜表８、図４及び図５参照）。
【００８５】
以上から、実施例１〜３の供試金型は、割らず・反らさず・強靱化するという同時実現が困難な特性が最大限引き出されたものといえる。尚、実施例１〜３の供試金型において衝撃値を高めるには、第四工程を始めるタイミングを遅くすれば良いが、そうすると、反りが大きくなり割れが生じる虞が高まる。要求特性に応じて第四工程の開始タイミングを決めればよい。
【００８６】
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が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明に係る合金鋼の製造方法は、熱間ダイス鋼等の合金鋼からなる大断面の合金鋼の熱処理方法として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】各種の冷却方法を行った場合の各温度域における熱伝達係数の変化をまとめて示した模式図である。
【図２】各種の冷却方法を行った場合の合金鋼の中心温度と処理時間との関係を示した模式図である。
【図３】風速を変更することにより熱伝達係数を制御した場合の各温度域における熱伝達係数の変化をまとめて示した模式図である。
【図４】実施例１〜実施例３についての合金鋼の冷却履歴を示し、その中心及び表面温度と処理時間との関係を示すグラフである。
【図５】比較例１〜比較例３についての合金鋼の冷却履歴を示し、その中心及び表面温度と処理時間との関係を示すグラフである。
【図６】熱伝達係数の求め方を説明するためのグラフである。
【図７】反りの測定方法を説明するための図である。
【図８】同図（ａ）は従来の単純急冷における合金鋼の冷却履歴を示し、その中心及び表面温度と処理時間との関係を示すグラフであり、同図（ｂ）は合金鋼の中心温度と表面温度との温度差ΔＴと時間との関係を示すグラフである。
【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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