(57)【要約】【課題】  金型用合金工具鋼を母材とし、窒化処理が施されている金型の寿命予測方法を提供する。【解決手段】  合金工具鋼に窒化処理を施した金型において、表面の窒化処理を施した箇所と窒化処理が施されていない箇所のα相から得られる回折角の差δ２θから金型表面の劣化を評価して、金型交換の必要の有無を判別する金型の寿命予測方法。また、半価幅δＷの差で評価して金型を交換する金型の寿命予測方法。さらに、上記合金工具鋼を残留オーステナイトの格子定数で評価して、金型交換の必要の有無を判別する金型の寿命予測方法。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金工具鋼に窒化処理を施した金型において、表面の窒化処理を施した箇所と窒化処理が施されていない箇所のα相から得られる回折角の差δ２θから金型表面の劣化を評価して、金型交換の必要の有無を判別することを特徴とする金型の寿命予測方法。
【請求項２】
請求項１において使用中に測定した金型の回折角の差δ２θが、使用前または使用初期に測定した金型の回折角の差δ２θに対して１／２〜１／３になったときに金型を交換することを特徴とする金型の寿命予測方法。
【請求項３】
半価幅δＷの差で評価して金型を交換することを特徴とする請求項１または請求項２に記載した金型の寿命予測方法。
【請求項４】
請求項１において、残留オーステナイトの格子定数で評価して、金型交換の必要の有無を判別することを特徴とする金型の寿命予測方法。
【請求項５】
請求項４において使用中に測定した金型の残留オーステナイトの格子定数が、使用前または使用初期に測定した金型の残留オーステナイトの格子定数０．００１０ｎｍ以上０．００１５ｎｍ以下減少したときに金型を交換することを特徴とする金型の寿命予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金型用合金工具鋼を母材とし、窒化処理が施されている金型の寿命予測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に熱間金型用合金工具鋼を母材とする熱間金型には、圧縮と冷却が繰り返し加わることにより金型表面にクラックが発生し、熱間金型の寿命を低下させている。このため、熱間金型の成形時に金型表面に窒化処理を施し、金型における圧縮残留応力を高める方法が行われている。この窒化処理後の金型は、窒化処理を施さない場合に比して金型の長寿命化を図ることができるが、金型の使用頻度に応じて当然に疲労する。そのため、疲労した窒化処理金型に対して再窒化処理を施して、さらに金型の長寿命化を図ることが提案されている。
【０００３】
一方、窒化処理することによって、金型が大割れする危険性も高まるため、金型の寿命を予測し、適切に交換する必要があるが、現在のところ経験的に行われている場合が多い。その金型の寿命の予測する方法の一つとして、例えば特許第３３９６２１９号公報（特許文献１）に開示されているように、電気的に疲労度を検出し得る技術が提案されている。すなわち、その熱間金型の疲労度検出方法は、熱間金型用合金工具鋼を母材とし、その表面に窒化処理が施されている熱間金型に対して電磁センサにより交流磁場を与え、その熱間金型より電磁センサが得られる所定サイクル毎に反作用磁束測定データ値を疲労判定値と相関する値として事前に決定しておくと共に、所定サイクル毎に発生される反作用磁束測定データ値と事前に決定された熱間金型の疲労判定値との比較を行い、その比較された値から疲労を判定して再窒化処理の必要の有無を判別する方法および装置が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特許第３３９６２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された、表面に窒化した熱間金型に対して、電磁センサにより交換磁場を与え、その反作用磁束の値を疲労判定値として利用することにより、再窒化処理の必要の有無を判別する方法は、熱間金型に限定されたものであること、また、特殊な装置を必要とすることなどの問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意研究を重ねた結果、窒化した金型において、Ｘ線回折角、半価幅が変化することが寿命予測、判定に利用できることを見出した。すなわち、窒化した金型の初期状態では、金型表面のα相からの回折角が内部で得られる回折角よりも低角側に角度が移行し、半価幅が広がり、金型を使用すると、金型表面と内部における回折角、半価幅の差は小さくなることから、その比較された値から金型の寿命を予測、交換時期の判定を行う金型の寿命予測方法を提供するものである。
【０００７】
その発明の要旨とするところは、
（１）合金工具鋼に窒化処理を施した金型において、表面の窒化処理を施した箇所と窒化処理が施されていない箇所のα相から得られる回折角の差δ２θから金型表面の劣化を評価して、金型交換の必要の有無を判別することを特徴とする金型の寿命予測方法。
（２）前記（１）において使用中に測定した金型の回折角の差δ２θが、使用前または使用初期に測定した金型の回折角の差δ２θに対して１／２〜１／３になったときに金型を交換することを特徴とする金型の寿命予測方法。
【０００８】
（３）半価幅δＷの差で評価して金型を交換することを特徴とする前記（１）または（２）に記載した金型の寿命予測方法。
（４）前記（１）において、残留オーステナイトの格子定数で評価して、金型交換の必要の有無を判別することを特徴とする金型の寿命予測方法。
（５）前記（４）において使用中に測定した金型の残留オーステナイトの格子定数が、使用前または使用初期に測定した金型の残留オーステナイトの格子定数０．００１０ｎｍ以上０．００１５ｎｍ以下減少したときに金型を交換することを特徴とする金型の寿命予測方法にある。
【発明の効果】
【０００９】
以上述べたように、本発明により、金型の寿命予測を検知し、金型に再窒化処理を施して金型の長寿命を図ることができる優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明について図面に従って詳細に説明する。                              本発明に係る金型用合金工具鋼としては、ＪＩＳ−ＳＫＤ１１などの冷間工具鋼やＪＩＳ−ＳＫＤ６１などの熱間工具鋼、更にはこれらのＪＩＳ鋼種に各種元素を添加し改良を加えた工具鋼について用いることができる。この金型用合金工具鋼の金型使用前の初期状態をＸ線回折法を利用して、窒化処理が施されている金型表面と窒化処理が施されていない箇所のα相から得られる回折角と半価幅を測定した。図１は、Ｘ線回折によるα−Ｆｅ（フェライト）とγ−Ｆｅ（オーステナイト）のＸ線回折パターンの一例を示す図である。横軸に回折角（２θ度）、縦軸に強度をとったとき、この図に示すように、ピーク値がα（２００）、γ（２２０）、α（２１１）、およびγ（３１１）の順に現れていることが判る。本発明では、この測定されたピーク値であるα（２００）面、（２１１）面を用いた。
【００１１】
図２は、Ｘ線回折によるピーク値での回折角および半価幅を示す図である。ここで、回折角とは、材料にＸ線を当てると、材料特有の格子面でＸ線は回折し、図に示すように、Ｘ線回折パターンが得られる。このＸ線回折パターンによる最大ピーク高さが得られる角度を回折角という。また、このＸ線回折パターンによる最大ピーク高さの半分の位置でのピーク幅を半価幅（Ｗ）という。図３は、Ｘ線回折によるピーク値での回折角および半価幅の変化状態を示した図である。図３（ａ）は材料の内部状態によって、回折角がずれたりする状態を示している。また、図３（ｂ）は材料の内部状態によって、半価幅が広がったりする状態を示している。
【００１２】
上記したように、材料の内部状態によって回折角がずれたり半価幅が広がったりする。そこで、初期状態では、金型表面のα相からの回折角は、窒化処理がされていない箇所よりも低角側に１°以上移行し、半価幅が０．８°以上広がっていることを確認した。また、金型を使用して、使用サイクル数の増加に伴い、窒化処理がされている金型表面と窒化処理がされていない箇所のα相から得られる回折角と半価幅の差は小さくなる。初期状態と比較した値から金型表面の劣化を判定して、金型交換の必要の有無を判別するものである。このように、金型表面の劣化状態を金型使用前の初期状態と金型を使用して、その使用回数を重ねた後の劣化状態を寿命と相関する値として事前に検出しておき、所定サイクル毎に検出された値との比較を行い、この比較された値から金型表面の劣化を判定して、金型交換の必要の有無を判別するものである。
【００１３】
具体的には、表面の窒化処理を施した箇所と窒化処理が施されていない箇所のα相から得られる回折角の差δ２θから金型表面の劣化を評価して、金型交換の必要の有無を判別するものであり、また、使用中に測定した金型の回折角の差δ２θが、使用前または使用初期に測定した金型の回折角の差δ２θに対して１／２〜１／３になったときに金型を交換する。すなわち、金型表面のα相からの回折角を金型寿命と相関する値として事前に検出した結果、その値が１／２〜１／３を基準として、この値となったときに金型を交換することが望ましい。さらには、回折角と同様に、半価幅δＷの差においても金型寿命と相関する関係があり、この半価幅δＷの差で評価して金型を交換するこのが可能である。
【００１４】
また、金型の靱性を高めるために、残留オーステナイトを利用する場合は、上述した方法に加えて、残留オーステナイトの格子定数をＸ線法により測定することで、金型表面劣化状態を判定するもので、この場合は、その格子定数を金型寿命と相関する値として事前に検出しておき、所定サイクル毎に検出された値との比較を行い、その比較された値から金型表面の劣化を判定して、金型交換の必要の有無を判別するものである。その場合に特に、格子定数を金型寿命と相関する値として事前に検出した結果、金型の残留オーステナイトの格子定数０．００１０ｎｍ以上０．００１５ｎｍ以下減少したときをもって、金型寿命と判断して金型を交換することが望ましい。
【実施例】
【００１５】
（実施例１）
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
φ１２０ｍｍの金型鋼（ＳＫＤ６１またはＳＫＴ４）を用い、熱間鍛造用の金型を作製した。熱処理は１０３０℃から焼入れ後、６００℃で２回の焼もどし処理を施した後の硬さを約５０ＨＲＣとした。金型はイオン窒化による窒化処理を施したものと、施さないものの２種類作成した。窒化処理は窒素：水素比が５：５の雰囲気下で５３０℃で５ｈ処理した。被加工材にはＳ４５Ｃを用い、１１００℃に加熱後、φ５０×４０ｍｍの形状に鍛造した。Ｘ線測定は（株）理学電器製を用い、金型使用前、各サイクル毎に測定を行った。回折線は、通常の鉄鋼材料に用いるα（２００）面とα（２１１）面回折角を測定した。    
【００１６】
図４は、サイクル数とα（２００）面回折角との関係を示す図である。この図に示す曲線は金型材としてＪＩＳ−ＳＫＤ６１を用い、イオン窒化した３個の金型の実験を行ったもので、○印は１個目、△印は２個目、×印は３個目の結果をプロットした回折角（度）の曲線である。この図に示すように、１個目〜３個目のいずれも１２０００サイクルまでは大割れが起こらなかった。しかし、２個目および３個目においては１４０００サイクル時点で割れが発生したことが判る。このことから、１２０００サイクルまでは安全に使用することが可能で、その後のサイクルにおいて交換時期を設定すればよいことが予測可能となった。窒化を施さなかった金型では、回折角の変化は見られず、金型の寿命を予測することはできなかった。
【００１７】
図５は、サイクル数とα（２００）面半価幅との関係を示す図である。この図に示す曲線は金型材として、ＪＩＳ−ＳＫＴ４を用い、イオン窒化した３個の金型の実験を行ったもので、○印は１個目、△印は２個目、×印は３個目の結果をプロットした半価幅（度）の曲線である。この図に示すように、１個目〜３個目のいずれも１２０００サイクルまでは大割れが起こらなかった。しかし、２個目および３個目においては１４０００サイクル時点で割れが発生したことが判る。このことから、図４と同様に、１個目〜３個目のいずれも１２０００サイクルまでは安全に使用することが可能で、その後のサイクルにおいて交換時期を設定すればよいことが予測可能となった。窒化を施さなかった金型では、半価幅の変化は見られず、金型の寿命を予測することはできなかった。
【００１８】
（実施例２）
次に、５０×１００ｍｍの金型鋼（ＳＫＤ１１）を用い、シャー刃を製作した。熱処理は１０３０℃から焼入れ後、４７０℃で２回の焼もどし処理を施した後の硬さを約５８ＨＲＣ、残留オーステナイトを約２０ｖｏｌ％とした。窒化処理は窒素：水素比が３：７の雰囲気下で４５０℃で３ｈ処理した。被加工材にはＳ５５Ｃを用い、φ２０ｍｍの棒鋼を切断した。Ｘ線測定は（株）理学電器製を用い、金型使用前、各サイクル毎に測定を行った。回折線は、通常の鉄鋼材料に用いるα（２００）面とα（２１１）面回折角、γ（２２０）面と（３１１）面回折角を用いた。
【００１９】
図６は、サイクル数と残留オーステナイトの格子定数との関係を示す図である。この図に示す曲線は金型材として、ＪＩＳ−ＳＫＤ１１を用い、この金型をシャー刃として使用した場合のイオン窒化した３個の実験を行ったもので、○印は１個目、△印は２個目、×印は３個目の結果をプロットした金型使用サイクル数での残留オーステナイトの格子定数（ｎｍ）を示した曲線である。この曲線から、３００００サイクルを交換時期に設定後割れが起こらなかった。しかし、２個目および３個目においては、３３０００サイクル時点で割れが発生したことが判る。このような測定結果から、窒化処理を施したものは長寿命が図られることが判り、かつ、各鋼種での寿命の予測が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】Ｘ線回折によるα−Ｆｅ（フェライト）とγ−Ｆｅ（オーステナイト）のＸ線回折パターンの一例を示す図である。
【図２】Ｘ線回折によるピーク値での回折角および半価幅を示す図である。
【図３】Ｘ線回折によるピーク値での回折角および半価幅の変化状態を示した図である。
【図４】サイクル数とα（２００）面回折角との関係を示す図である。
【図５】サイクル数とα（２００）面半価幅との関係を示す図である。
【図６】サイクル数と残留オーステナイトの格子定数との関係を示す図である。                                      特許出願人  山陽特殊製鋼株式会社
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005331477.tif 000006
【図５】
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【図６】
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