(57)【要約】【課題】相対的に厚い化合物層を容易に形成することができ、焼付きが起きにくいダイカスト金型用鋼、及び、これを用いたダイカスト用金型を提供すること。【解決手段】０．２５≦Ｃ≦０．５０ｍａｓｓ％、０．０００５≦Ｓｉ≦０．３０ｍａｓｓ％、０．４０≦Ｍｎ≦２．００ｍａｓｓ％、１．５０≦Ｃｒ≦３．００ｍａｓｓ％、Ｍｏ≦２．００ｍａｓｓ％、Ｖ≦０．６０ｍａｓｓ％、Ｗ≦３．００ｍａｓｓ％、及び、Ａｌ≦３．００ｍａｓｓ％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、窒素保有量（＝[Ｓｉ]＋[Ｃｒ]＋[Ｍｏ]／２＋[Ｖ]＋[Ｗ]＋[Ａｌ]。但し、[]は、各元素の含有量（ｍａｓｓ％）。）が６．００ｍａｓｓ％以下であり、少なくとも溶湯と接する面にＦｅ−Ｎ系化合物を主相とする厚さ１０μｍ以上の化合物層を形成した状態で用いられるダイカスト金型用鋼及びこれを用いたダイカスト用金型。【選択図】図１
2012153919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の構成を備えたダイカスト金型用鋼。
（１）前記ダイカスト金型用鋼は、
０．２５≦Ｃ≦０．５０ｍａｓｓ％、
０．００５≦Ｓｉ≦０．３０ｍａｓｓ％、
０．４０≦Ｍｎ≦２．００ｍａｓｓ％、
１．５０≦Ｃｒ≦３．００ｍａｓｓ％、
Ｍｏ≦２．００ｍａｓｓ％、
Ｖ≦０．６０ｍａｓｓ％、
Ｗ≦３．００ｍａｓｓ％、及び、
Ａｌ≦３．００ｍａｓｓ％を含み、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。
（２）前記ダイカスト金型用鋼は、（ａ）式で表される窒素保有量が６．００ｍａｓｓ％以下である。
窒素保有量＝[Ｓｉ]＋[Ｃｒ]＋[Ｍｏ]／２＋[Ｖ]＋[Ｗ]＋[Ａｌ]  ・・（ａ）
但し、[]は、各元素の含有量（ｍａｓｓ％）。
（３）前記ダイカスト金型用鋼は、少なくとも溶湯と接する面にＦｅ−Ｎ系化合物を主相とする厚さ１０μｍ以上の化合物層を形成した状態で用いられる。
【請求項２】
Ｎｉ≦０．５０ｍａｓｓ％をさらに含む請求項１に記載のダイカスト金型用鋼。
【請求項３】
Ｃｏ≦２．００ｍａｓｓ％をさらに含む請求項１又は２に記載のダイカスト金型用鋼。
【請求項４】
室温における熱伝導率が３０（Ｗ／ｍ／Ｋ）以上である請求項１から３までのいずれかに記載のダイカスト金型用鋼。
【請求項５】
少なくとも溶湯と接する面に請求項１から４までのいずれかに記載のダイカスト金型用鋼が用いられ、
少なくとも前記溶湯と接する面にＦｅ−Ｎ系化合物を主相とする厚さ１０μｍ以上の化合物層が形成されたダイカスト用金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイカスト金型用鋼及びダイカスト用金型に関し、さらに詳しくは、耐焼き付き性に優れたダイカスト金型用鋼及びこれを用いたダイカスト用金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイカストとは、金型内に溶融金属を圧入し、鋳造品を得る方法をいう。ダイカストは、（１）製品の寸法精度が高い、（２）製品の表面が平滑である、（３）同一形状の製品の大量生産が容易である、等の利点がある。ダイカスト用金型には、一般に、高温における機械的特性に優れた熱間工具鋼（例えば、ＪＩＳ  ＳＫＤ６１）が用いられている。
【０００３】
しかしながら、ダイカスト用金型の表面は、溶湯との接触による加熱と、離型剤の塗布による冷却が繰り返されるため、金型表面には、熱疲労に起因するクラックが発生しやすい。金型表面に形成されたクラックは、そのまま製品に転写されるため、製品の表面品質を低下させる原因となる。
また、特にＡｌダイカストでは、溶湯と金型が反応しやすいため、鋳造ショット数の増加につれて、金型表面にＡｌが付着しやすくなる。Ａｌが金型に強く付着する、いわゆる「焼付き」が生ずると、製品を取り出すのが困難となる。また、製品の取り出しにおいては、焼き付いた部分を強引に引きちぎることになる。その結果、製品の表面品質や寸法精度が低下し、製品の不良率は増加する。
【０００４】
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．５５％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．０１〜２．０％、Ｃｒ：０．３〜１．５％、Ｍｏ：０．８〜２．０％、Ｖ＋Ｗ：０．０５〜０．５％、Ｃｕ：０．０１〜２．０％、及び、Ｎｉ：０．０１〜２．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる工具鋼が開示されている。
同文献には、合金組成を最適化することによって軟化抵抗及び熱伝導率が高くなる点、並びに、このような工具鋼を低圧鋳造型に適用しても熱疲労による亀裂が発生しにくくなる点が記載されている。
【０００５】
特許文献２には、重量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｓ：０．０１〜０．０５％、Ｃｒ：１．０〜３．０％、Ｍｏ及びＷを単独又は複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：２．０％以下、Ｖ：０．０１〜１．０％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなるダイカスト金型用鋼が開示されている。
同文献には、快削元素の添加を必要最小限に抑えることにより耐ヒートクラック性が向上する点、及び、窒化処理を施すと、さらにヒートクラック寿命が向上する点が記載されている。
【０００６】
特許文献３には、重量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：＜０．８０％、Ｍｎ：≦３．０％、Ｃｒ：２．０〜７．０％未満、１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．３〜５．０％、Ｖ：＜０．５％、Ｎ：０．０５超〜０．５０％、Ｃ＋Ｎ：０．２０〜０．６０％、Ｏ：≦０．０１００％、Ｐ：≦０．０５０％、Ａｌ：≦０．０５０％を満たし、残部が実質的にＦｅからなる熱間工具鋼が開示されている。
同文献には、Ｎ量を増加し、Ｖ量を低減し、かつ、Ｃ＋Ｎ量を一定の幅に制限することによって、耐ヒートチェック性を損なうことなく耐Ａｌ溶損性が向上する点が記載されている。
【０００７】
特許文献４には、重量％で、Ｃ：０．３０〜０．５５％、Ｓｉ：１．２０％以下、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｃｒ：２．５５〜６．５０％、ＷとＭｏの１種又は２種を１／２Ｗ＋Ｍｏで１．０〜４．５％、Ｖ：０．２〜１．５％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、少なくとも作業面に窒化層を有し、かつ窒化層の表面から２５μｍ内部での硬さがＨＶ８００以下であり、さらに基地の硬さより高い硬化層の深さが１００μｍ以下である熱間加工用金型が開示されている。
同文献には、金型表面に窒化層を形成する場合において、窒化層の硬さの勾配を最適化すると、耐ヒートクラック性が向上する点が記載されている。
【０００８】
特許文献５には、表面にクロム窒化物及びクロム炭窒化物の少なくとも一方を有する表面硬化層が形成されたダイカスト用金型が開示されている。
同文献には、金型表面にＣｒ系の表面硬化層を形成すると、摩耗や浸食が著しく少なくなる点が記載されている。
【０００９】
さらに、特許文献６には、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．５５％、Ｓｉ：０．０２〜０．６０％、Ｍｏ：０．３０〜４．００％、及び、Ｖ：０．０３〜１．００％を含有し、更にＣｒ、Ｍｎ、Ｎｉ及びＣｕを所定量含有し、残部がＦｅ及び不可避の不純物からなる金型用鋼が開示されている。
同文献には、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ及びＣｕの含有量を所定の範囲とすると、焼入れ性が向上し、かつ、高熱伝導率化できる点が記載されている。
【００１０】
ダイカストにおいて焼付きが発生した場合、装置を停止し、焼付きを除去しなければならない。焼付き除去の間は鋳造ができないため、生産性は低下する。すなわち、焼付きは、鋳造品の不良率を増加させるだけでなく、生産性を低下させる重大なトラブルである。
焼付きの回避には、窒化処理によって金型表面に窒化物の層（化合物層）を形成することが有効でである。しかしながら、従来の材料からなる金型表面に窒化処理を施しても、表面に形成される化合物層は、極めて薄い。そのため、溶湯の流速が大きい部位では、摩耗によって化合物層が早期に消失し、焼付き回避の効果も消滅する。
さらに、ダイカスト用金型には、良好な耐焼き付き性だけでなく、所定の硬さを得るための良好な焼入れ性、ヒートクラックの原因となる熱応力を低減するための高熱伝導性などが求められる。しかしながら、耐焼き付き性、焼入れ性、及び、高熱伝導性を兼ね備えた材料が提案された例は、従来にはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−１３４６５号公報
【特許文献２】特開２０００−２９７３５１号公報
【特許文献３】特開２００４−１９００１号公報
【特許文献４】特開平６−８８１６６号公報
【特許文献５】特開２００１−２５８５６号公報
【特許文献６】特開２００９−２４２８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、相対的に厚い化合物層を容易に形成することができ、焼付きが起きにくいダイカスト金型用鋼、及び、これを用いたダイカスト用金型を提供することにある。
本発明が解決しようとする他の課題は、耐焼き付き性に加えて、焼入れ性及び高熱伝導性に優れたダイカスト金型用鋼、及び、これを用いたダイカスト用金型を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために本発明に係るダイカスト金型用鋼は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記ダイカスト金型用鋼は、
０．２５≦Ｃ≦０．５０ｍａｓｓ％、
０．００５≦Ｓｉ≦０．３０ｍａｓｓ％、
０．４０≦Ｍｎ≦２．００ｍａｓｓ％、
１．５０≦Ｃｒ≦３．００ｍａｓｓ％、
Ｍｏ≦２．００ｍａｓｓ％、
Ｖ≦０．６０ｍａｓｓ％、
Ｗ≦３．００ｍａｓｓ％、及び、
Ａｌ≦３．００ｍａｓｓ％を含み、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。
（２）前記ダイカスト金型用鋼は、（ａ）式で表される窒素保有量が６．００ｍａｓｓ％以下である。
窒素保有量＝[Ｓｉ]＋[Ｃｒ]＋[Ｍｏ]／２＋[Ｖ]＋[Ｗ]＋[Ａｌ]  ・・（ａ）
但し、[]は、各元素の含有量（ｍａｓｓ％）。
（３）前記ダイカスト金型用鋼は、少なくとも溶湯と接する面にＦｅ−Ｎ系化合物を主相とする厚さ１０μｍ以上の化合物層を形成した状態で用いられる。
【００１４】
本発明に係るダイカスト用金型は、
少なくとも溶湯と接する面に本発明に係るダイカスト金型用鋼が用いられ、
少なくとも前記溶湯と接する面にＦｅ−Ｎ系化合物を主相とする厚さ１０μｍ以上の化合物層が形成されていることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１５】
焼入れ・焼戻しが行われた鋼を窒化処理すると、表面から内部に向かって窒素が拡散し、窒素が固溶した拡散層が形成される。窒素の拡散がさらに進行し、窒素の固溶量が限界を超えると、鋼の表面に、γ'−Ｆｅ4Ｎ、ε−Ｆｅ2-3Ｎ等のＦｅ−Ｎ系化合物を主相とする化合物層が形成される。
この時、鋼中にＳｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ａｌ等の窒化物を形成しやすい元素が相対的に多量に含まれている場合（例えば、ＪＩＳ  ＳＫＤ６１の場合）、鋼中に拡散した窒素がこれらの非鉄系の窒化物の生成に優先的に消費される。その結果、鋼の表面にＦｅ−Ｎ系化合物からなる化合物層を厚く形成するのが困難となる。
これに対し、鋼中のＳｉ等の窒化物形成元素を所定量以下に制限すると、非鉄系の窒化物の形成に消費される窒素量が減少する。その結果、窒化処理によって鋼の表面に相対的に厚い化合物層を形成することができる。
【００１６】
さらに、Ｆｅ−Ｎ系化合物を主相とする化合物層は、溶湯（特に、Ａｌ又はＡｌ合金からなる溶湯）との反応性が低い。そのため、所定の成分を含み、かつ、表面に相対的に厚い化合物層が形成された鋼をダイカスト用金型に適用すると、溶湯の焼付きを抑制することができる。また、化合物層が厚く形成されているため、溶湯の流速が大きい部位であっても、焼付き回避の効果を長期間に渡って持続させることができる。
さらに、成分元素を最適化すると、焼入れ性及び熱伝導性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】化合物層厚さと５００ショット後の離型抵抗との関係を示す図である。
【図２】窒素保有量と化合物層厚さとの関係を示す図である。
【図３】Ｃｒ量と化合物層厚さの関係、及び、Ｃｒ量と焼入れ性（緩冷材衝撃値）との関係を示す図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、それぞれ、実施例１及び比較例１で作製した入れ子ピンの５００ショット後の外観写真である。図４（ｃ）及び図４（ｄ）は、それぞれ、実施例１及び比較例１で作製した入れ子ピンの窒化処理直後の断面写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１．  ダイカスト金型用鋼］
［１．１．  主構成元素］
本発明に係るダイカスト金型用鋼は、以下のような元素を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
【００１９】
（１）  ０．２５≦Ｃ≦０．５０ｍａｓｓ％。
Ｃは、焼入れ焼戻しによるマルテンサイトの硬さの向上、並びに、合金炭化物の析出硬化による強度及び硬さの向上に寄与する。このような効果を得るためには、Ｃ含有量は、０．２５ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ｃ含有量は、さらに好ましくは、０．３２ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｃ含有量が過剰になると、マルテンサイトへのＣの過飽和固溶量が過剰となり、靱性や熱伝導率が低下する。従って、Ｃ含有量は、０．５０ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ｃ含有量は、さらに好ましくは、０．４０ｍａｓｓ％以下である。
【００２０】
（２）  ０．００５≦Ｓｉ≦０．３０ｍａｓｓ％。
Ｓｉは、地鉄中に固溶し、固溶硬化に寄与する。Ｓｉ含有量が過少であると、充分な軟化抵抗が得られない。従って、Ｓｉ含有量は、０．００５ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ｓｉ含有量は、さらに好ましくは、０．１０ｍａｓｓ％以上である。
軟化抵抗を確保するには、Ｓｉ含有量は、多いほど良い。しかしながら、Ｓｉ含有量が過剰になると、熱伝導率への影響が非常に大きくなる。また、Ｓｉは、窒化時に侵入した窒素を窒化物形成に消費するため、Ｆｅ−Ｎ系化合物を主相とする化合物層の成長を妨げる。従って、Ｓｉ含有量は、０．３０ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ｓｉ含有量は、さらに好ましくは、０．１５ｍａｓｓ％以下である。
【００２１】
（３）  ０．４０≦Ｍｎ≦２．００ｍａｓｓ％。
Ｍｎは、焼入れ性の向上に寄与する。このような効果を得るためには、Ｍｎ含有量は、０．４０ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ｍｎ含有量は、さらに好ましくは、０．６０ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｍｎ含有量が過剰になると、軟化抵抗及び熱伝導率を劣化させる。加えて、球状化焼き鈍し処理に長時間を要し、製造性を低下させる。従って、Ｍｎ含有量は、２．００ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ｍｎ含有量は、さらに好ましくは、１．０ｍａｓｓ％以下である。
【００２２】
（４）  １．５０≦Ｃｒ≦３．００ｍａｓｓ％。
Ｃｒは、焼入れ性を向上させるだけでなく、炭化物を形成して鋼を高強度化する元素として有用である。このような効果を得るためには、Ｃｒ含有量は、１．５０ｍａｓｓ％以上である必要がある。
一方、Ｃｒ含有量が過剰になると、軟化抵抗、高温強度及び熱伝導率を低下させる。また、Ｃｒは、他の合金元素に比べ、窒化物ＣｒＮを形成しやすい。そのため、過剰のＣｒは、窒化時に侵入した窒素を多量に消費し、化合物層の成長を著しく妨げる。従って、Ｃｒ含有量は、３．００ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ｃｒ含有量は、さらに好ましくは、１．８０ｍａｓｓ％以下である。
【００２３】
（５）  Ｍｏ≦２．００ｍａｓｓ％。
Ｍｏは、高温強度を向上させるのに有効な元素である。このような効果を得るためには、Ｍｏ含有量は、０．３０ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｍｏ含有量が過剰になると、破壊靱性が低下する。また、Ｍｏは、窒化時に侵入した窒素をＭｏ2Ｎの形成に消費するため、化合物層の成長を妨げる．従って、Ｍｏ含有量は、２．００ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ｍｏ含有量は、さらに好ましくは、１．３５ｍａｓｓ％以下である。
【００２４】
（６）  Ｖ≦０．６０ｍａｓｓ％。
Ｖは、靱性に大きく影響を及ぼす元素であり、焼入れ時の結晶粒粗大化を抑制して耐衝撃性の低下を防ぐ。このような効果を得るためには、Ｖ含有量は、０．１０ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｖ含有量が過剰になると、ソーキングにより溶解しきれない粗大な晶出ＶＣが残留し、疲労強度、耐衝撃性を大幅に低下させる。また、Ｖは、窒化時に侵入した窒素をＶＮの形成に消費するため、化合物層の成長を妨げる。従って、Ｖ含有量は、０．６０ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ｖ含有量は、さらに好ましくは、０．３０ｍａｓｓ％以下である。
【００２５】
（７）  Ｗ≦３．００ｍａｓｓ％。
Ｗは、焼入れ性を向上させるだけでなく、炭化物を形成して鋼を高強度化する元素として有用である。特に、軟化抵抗を高める効果が大きい。
一方、Ｗ含有量が過剰になると、特性の飽和と素材コストの増大を招くだけでなく、鋳造時に粗大な炭化物を生じやすい。粗大な炭化物は、破壊の起点になりやすく、疲労強度や衝撃値を低下させる原因となる。さらに、Ｗは、窒化時に侵入した窒素をＷＮの形成に消費するため、化合物層の成長を妨げる．従って、Ｗ含有量は、３．００ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ｗ含有量は、さらに好ましくは、０．９０ｍａｓｓ％以下である。
【００２６】
（８）  Ａｌ≦３．００ｍａｓｓ％。
Ａｌは、ＡｌＮを形成して、焼入れにおける結晶粒の粗大化を防止する元素である。金属間化合物を形成して析出し、分散強化にも寄与する。
一方、Ａｌ含有量が過剰になると、特性の飽和と製造コストの増大を招くだけでなく、介在物であるアルミナを増すことになる。介在物であるアルミナは、破壊の起点となりやすく、疲労強度や衝撃値を低下させる原因となる。さらに、Ａｌは、窒化時に侵入した窒素をＡｌＮの形成に消費するため、化合物層の成長を妨げる。従って、Ａｌ含有量は、３．００ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ａｌ含有量は、さらに好ましくは、０．０１ｍａｓｓ％以下である。
【００２７】
［１．２．  副構成元素］
本発明に係るダイカスト金型用鋼は、上述した主構成元素に加えて、以下のような１種又は２種以上の副構成元素をさらに含んでいても良い。添加元素の種類及びその限定理由は、以下の通りである。
【００２８】
（９）  Ｎｉ≦０．５０ｍａｓｓ％。
Ｎｉは、焼入れ性及び耐衝撃性の向上に寄与する。
一方、Ｎｉ含有量が過剰になると、焼鈍しに長時間を要する。従って、Ｎｉ含有量は、０．５０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００２９】
（１０）  Ｃｏ≦２．００ｍａｓｓ％。
Ｃｏは、固溶強化による高温強度の向上に寄与する。
一方、Ｃｏ含有量が過剰になると、Ｃｏは高価な元素であるため、製造コストの増加を引き起こす。従って、Ｃｏ含有量は、２．００ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ｃｏ含有量は、さらに好ましくは、１．００ｍａｓｓ％以下である。
【００３０】
［１．３．  窒素保有量］
本発明に係るダイカスト金型用鋼は、各成分元素が上述の範囲にあることに加えて、（ａ）式で表される窒素保有量が所定の範囲にある必要がある。
窒素保有量＝[Ｓｉ]＋[Ｃｒ]＋[Ｍｏ]／２＋[Ｖ]＋[Ｗ]＋[Ａｌ]  ・・（ａ）
但し、[]は、各元素の含有量（ｍａｓｓ％）。
窒素保有量は、鋼に侵入した窒素が非鉄系の窒化物として蓄えられる量の指標となる。窒素保有量が少ないほど、Ｆｅ−Ｎ系化合物を主相とする化合物層が形成されやすいことを表す。現実的な窒化処理時間内において厚さ１０μｍ以上の化合物層の形成を可能とするためには、窒素保有量は、６．００ｍａｓｓ％以下である必要がある。窒素保有量は、さらに好ましくは、５．００ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、４．００ｍａｓｓ％以下である。
【００３１】
［１．４．  特性］
成分元素及び窒素保有量を最適化すると、相対的に厚い化合物層の形成が容易となるだけでなく、熱伝導性及び焼入れ性が向上する。
具体的には、成分元素及び窒素保有量を最適化すると、室温における熱伝導率が３０（Ｗ／ｍ／Ｋ）以上であるダイカスト金型用鋼が得られる。
また、成分元素及び窒素保有量を最適化すると、焼入れ性（緩冷材衝撃値）が１５Ｊ／ｃｍ2以上であるダイカスト金型用鋼が得られる。
【００３２】
［１．５．  用途］
本発明に係る鋼は、ダイカスト用金型の材料として特に好適である。本発明に係る鋼をダイカスト用金型に用いる場合、少なくとも溶湯と接する面にＦｅ−Ｎ系化合物を主相とする厚さ１０μｍ以上の化合物層を形成した状態で用いられる。
ここで、「化合物層」とは、鋼の表面に形成されたＦｅ−Ｎ系化合物を主相とする層をいう。
「Ｆｅ−Ｎ系化合物」とは、ＦｅとＮからなる化合物（例えば、γ'−Ｆｅ4Ｎ、ε−Ｆｅ2-3Ｎなど）をいう。
「Ｆｅ−Ｎ系化合物を主相とする」とは、化合物層中に含まれるＦｅ−Ｎ系化合物の割合が５０ｖｏｌ％以上であることを言う。通常、化合物層中には、Ｆｅ−Ｎ系化合物だけでなく、Ｓｉ、Ｃｒ等の窒化により生成する非鉄系の窒化物が含まれる。
【００３３】
［２．  ダイカスト用金型］
本発明に係るダイカスト用金型は、
少なくとも溶湯と接する面に本発明に係るダイカスト金型用鋼が用いられ、
少なくとも前記溶湯と接する面にＦｅ−Ｎ系化合物を主相とする厚さ１０μｍ以上の化合物層が形成されていることを特徴とする。
【００３４】
本発明において、「ダイカスト用金型」というときは、例えば、鋳抜きピン、押出ピン、中子、入子、スプルコアなども含まれる。これらの中でも、湯口付近に設置される入れ子、中子、鋳抜きピンなどは、溶湯と直に、かつ、強く接触し、焼付きを起こしやすいので、本発明に係る鋼の用途として特に好適である。
【００３５】
本発明に係るダイカスト用金型は、構成部品のすべてに本発明に係る鋼を用いても良いが、少なくとも溶湯と接する面に本発明に係る鋼が用いられていれば良い。本発明に係る鋼は、特に溶湯の流速が大きい部位（例えば、入れ子ピン）に用いるのが好ましい。
また、化合物層は、本発明に係る鋼を用いた構成部品の全面に形成されていても良いが、少なくとも溶湯と接する面に化合物層が形成されていれば良い。
【００３６】
［３．  ダイカスト金型用鋼の製造方法］
本発明に係るダイカスト金型用鋼は、所定の組成となるように配合された原料を溶解・鋳造することにより製造することができる。溶解・鋳造方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の方法を用いることができる。通常、溶解・鋳造後に、晶出した粗大な炭化物を固溶させるために、均質化熱処理が行われる。
【００３７】
［４．  ダイカスト用金型の製造方法］
本発明に係るダイカスト用金型は、
（１）均質化熱処理が行われた鋼を所定の形状に加工し、
（２）加工された素材の焼入れ、焼戻しを行い、
（３）素材表面を仕上げ加工し、
（４）素材表面を窒化処理する、
ことにより製造することができる。
【００３８】
窒化処理は、表面に化合物層を形成するために行われる。現実的な処理時間内に相対的に厚い化合物層を形成するためには、窒化方法は、鋼中への窒素の導入速度が速い方法が好ましい。このような窒化方法としては、例えば、塩浴軟窒化、ガス軟窒化、ガス浸硫窒化などがある。プラズマ窒化やイオン窒化は、鋼中への窒素の導入速度が遅いため、本発明に係る鋼の窒化処理方法には適さない。
【００３９】
窒化温度は、特に限定されるものではなく、窒化方法に応じて最適な温度を選択する。一般に、窒化温度が高くなるほど、窒素の導入速度が速くなるので、化合物層が生成しやすくなる。窒化温度は、具体的には、５２０℃以上が好ましい。
一方、窒化温度が高くなりすぎると、母材の軟化や変形のおそれがある。従って、窒化温度は、６００℃以下が好ましい。窒化温度は、さらに好ましくは５８０℃以下である。
【００４０】
［５．  ダイカスト金型用鋼及びダイカスト用金型の作用］
焼入れ・焼戻しが行われた鋼を窒化処理すると、表面から内部に向かって窒素が拡散し、窒素が固溶した拡散層が形成される。窒素の拡散がさらに進行し、窒素の固溶量が限界を超えると、鋼の表面に、γ'−Ｆｅ4Ｎ、ε−Ｆｅ2-3Ｎ等のＦｅ−Ｎ系化合物を主相とする化合物層が形成される。
この時、鋼中にＳｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ａｌ等の窒化物を形成しやすい元素が相対的に多量に含まれている場合（例えば、ＪＩＳ  ＳＫＤ６１の場合）、鋼中に拡散した窒素がこれらの非鉄系の窒化物の生成に優先的に消費される。その結果、鋼の表面にＦｅ−Ｎ系化合物からなる化合物層を厚く形成するのが困難となる。
これに対し、鋼中のＳｉ等の窒化物形成元素を所定量以下に制限すると、非鉄系の窒化物の形成に消費される窒素量が減少する。その結果、窒化処理によって鋼の表面に相対的に厚い化合物層を形成することができる。
【００４１】
さらに、Ｆｅ−Ｎ系化合物を主相とする化合物層は、溶湯（特に、Ａｌ又はＡｌ合金からなる溶湯）との反応性が低い。そのため、所定の成分を含み、かつ、表面に相対的に厚い化合物層が形成された鋼をダイカスト用金型に適用すると、溶湯の焼付きを抑制することができる。また、化合物層が厚く形成されているため、溶湯の流速が大きい部位であっても、焼付き回避の効果を長期間に渡って持続させることができる。
さらに、成分元素を最適化すると、焼入れ性及び熱伝導性が向上する。
【実施例】
【００４２】
（実施例１〜２２、比較例１〜８）
［１．  試料の作製］
表１に示す組成の合金を高周波誘導炉で溶解し、５０ｋｇのインゴットを得た。溶製したインゴットに対し、熱間鍛造後、１２８０℃で２４時間の均質化熱処理、１０２０℃の焼ならし、８７０℃の球状化焼鈍しを実施した後、入れ子ピン形状に切削加工した。切削加工した材料に対し、さらに焼入れ・焼戻しを行った。焼入れ条件は、１０３０℃とした。また、焼戻し条件は、５９０〜６３０℃で２回以上とした。
次に、焼入れ・焼戻し後の材料に対し、仕上げ切削加工を実施後、窒化処理（化合物形成処理）を施した。窒化処理は、塩浴軟窒化（５５０℃×３ｈｒ）、又は、ガス軟窒化（５５０℃×３〜４ｈｒ）により行った。
【００４３】
［２．  試験方法］
［２．１．  熱伝導率］
鍛造加工後の材料からφ１０×２ｍｍの試料を切り出した。この試料を用いて、レーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定した。
［２．２．  化合物層厚さ］
窒化処理後の材料の断面を顕微鏡で観察し、無作為に選んだ５箇所において、化合物層の厚さを測定し、その平均値を算出した。
【００４４】
［２．３．  離型抵抗］
入れ子ピンが挿入された金型を用いて、Ａｌ系合金（ＡＤＣ１２）のダイカストを５００ショット行った。溶湯温度は、７００℃とした。また、１ショットのサイクルタイムは３０〜６０秒とし、ショット毎に離型剤を金型意匠面に２秒間スプレーした。鋳造品を離型させる際（すなわち、鋳造品に埋没している入れ子ピンの先端を抜き取る際）に、離型用の押し出しピンにかかる荷重をロードセルで測定した。５００ショットの最後の５ショットの離型荷重の平均値を算出し、これを「離型抵抗」とした。
［２．４．  焼入れ性（緩冷材衝撃値）］
上記球状化焼鈍後の材料からＪＩＳ  シャルピー衝撃試験片  ３号試験片（２ｍｍＵノッチ）を切り出した。この試験片を大型材料中心部の焼入れを模擬するため、１０３０℃で１時間加熱保持後、５５０℃までを２０℃／ｍｉｎ、５５０℃〜１５０℃までを０．３℃／ｍｉｎで冷却した。その後、仕上げ加工を施し、シャルピー衝撃試験により衝撃値を測定した。
【００４５】
［３．  結果］
表１に、結果を示す。なお、表１には、合金組成及び化合物形成方法も併せて示した。表１より、以下のことがわかる。
（１）比較例１〜８の場合、化合物層厚さは、いずれも１０μｍ以下であった。これは、窒素保有量が６．０ｍａｓｓ％を超えているためと考えられる。これに対し、実施例１〜２２の場合、化合物層厚さは、いずれも１０μｍ以上であった。
（２）比較例１、２の場合、室温における熱伝導率は、いずれも２０Ｗ／ｍ／Ｋ以下であった。これは、過剰のＳｉ、Ｃｒを含むためと考えられる。これに対し、実施例１〜２２の場合、室温における熱伝導率は、いずれも３０Ｗ／ｍ／Ｋ以上であった。
（３）比較例１〜８の場合、５００ショット後の離型抵抗は、いずれも２００Ｎを超えている。これは、化合物層厚さが薄すぎるためと考えられる。これに対し、実施例１〜２２の場合、５００ショット後の離型抵抗は、いずれも１００Ｎ以下であった。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
図１に、化合物層厚さと５００ショット後の離型抵抗との関係を示す。また、図２に、窒素保有量と化合物層厚さとの関係を示す。なお、図１及び図２は、表１の結果をプロットしたものである。
図１及び図２より、
（１）化合物層厚さが１０μｍ未満になると、５００ショット後の離型抵抗が急激に増加する、
（２）所定の窒化処理条件下において１０μｍ以上の化合物層を形成するためには、窒素保有量を６ｍａｓｓ％以下にする必要がある、
ことがわかる。
【００４８】
図３に、Ｃｒ量と化合物層厚さの関係、及び、Ｃｒ量と焼入れ性（緩冷材衝撃値）との関係を示す。図３より、Ｃｒ量を１．５〜３．０ｍａｓｓ％とすると、化合物層厚さが１０μｍ以上となり、かつ、焼入れ性が向上する（緩冷材衝撃値が１５Ｊ／ｃｍ2以上になる）ことがわかる。なお、本関係は、Ｃ：０．４ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．４５ｍａｓｓ％、Ｍｏ：１．２ｍａｓｓ％、Ｖ：０．５ｍａｓｓ％、Ｗ：０．０１ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．００１ｍａｓｓ％で合金組成を固定し、Ｃｒ量を変化させた試験結果から求めた。
【００４９】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に、それぞれ、実施例１及び比較例１で作製した入れ子ピンの５００ショット後の外観写真を示す。図４（ｃ）及び図４（ｄ）に、それぞれ、実施例１及び比較例１で作製した入れ子ピンの窒化処理直後の断面写真を示す。
図４より、
（１）実施例１の入れ子ピンは、比較例１に比べて化合物層厚さが厚い、
（２）実施例１の入れ子ピンは、比較例１に比べてＡｌ溶湯の焼付きが少ない、
ことがわかる。
【００５０】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係るダイカスト金型用鋼は、Ａｌ合金などのダイカストに用いられる金型の材料として用いることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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