(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材を減圧された加熱室内で焼入れ温度に加熱した後、その表面温度が９００〜７００℃となるまでの第１段階の冷却を前記加熱室または該加熱室に附設した冷却室内で、鋼材の表面に不活性ガスによる１〜４ｂａｒの加圧冷却によって行い、続いて前記加熱室または前記冷却室の外に取り出して、前記第１段階の冷却を継続する場合よりも高い冷却速度で第２段階の冷却を行うことを特徴とする鋼材の焼入れ方法。
【請求項２】
鋼材はＣｒを２．０質量％以上含有する金型用である請求項１の鋼材の焼入れ方法。
【請求項３】
第２段階の冷却のうち、鋼材の表面温度が４００℃以下の範囲の冷却は、液体の吹き付け、液体と気体の混合物の吹き付けもしくは液中による冷却、またはこれらの組合わせによるものである請求項１または２の鋼材の焼入れ方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は真空炉による鋼材の焼入れ方法の技術分野に属し、脱炭が少なく高い靭性を付与するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
金型等、機械加工した鋼材の熱処理の際、脱炭やスケールの生成を防止する目的で、処理過程の少なくとも一部を真空中で処理する、真空炉による方法が採用されている。近年、ダイカスト金型等に対し使用条件の苛酷化に伴い、これに耐え得る高性能の金型のニーズが高まっており、熱処理技術の革新による金型特性の向上は、材質面にもまして強くに迫られている。また最近では低コスト化の要求により、仕上加工代の低減、形状の複雑化が進み、不均一冷却による変形や寸法変化による不良発生が生じ易くなってきた。
優れた機械的特性を保持させる熱処理法としては、焼入れ時の冷却速度を速める必要があるが、反面、緩冷却に比較して冷却途中や冷却後の割れの発生、変形や寸法変化による不良発生等の危険が増加する。
【０００３】
このため、従来、真空炉による焼入れにおいて、減圧中での加熱完了後、直ちに被処理鋼材を真空炉外に取り出して、オーステナイト化温度から衝風冷却し、冷却途中で被処理品への衝風のあて方をコントロールして変形、寸法変化や割れの発生を防止しつつ冷却する古典的方法が行われてきた。
このような衝風冷却では低温域の冷却速度が遅くなり易く、また、高温域の冷却過程において脱炭が発生する。仕上げ加工代よりも深い脱炭が生じると、被処理品の表面に脱炭層が残存し、熱間加工金型の場合下記に述べるようにヒートクラックの生成を早めて金型の寿命を低下させるというポテンシャルを生じる。
【０００４】
特に、ダイカスト金型の表面は、溶湯の鋳込みによりキャビティ表面のみが急激に加熱され昇温・膨張しようとするが、下部の低温の部分に拘束されるため膨張できず、型表面に圧縮の熱応力が発生する。これにより表面に塑性の圧縮変形を生じた場合、冷却時には引張応力を発生する。このような応力・変形の繰り返しによりヒートクラックが発生するが、脱炭によりこれが早期化するのである。
また、キャビティー近傍の水冷孔内部では、加熱冷却による温度差が大きく、また、機械加工肌のまま使用されるので応力集中の起点が多く存在し、さらに脱炭層が除去されることなくそのまま残存するため、大割れに繋がることが多い。熱処理後、表面に引張応力が残留する場合は、さらにクラックや割れが促進される。そして、早期割れが発生すると、生産上大きな損害を被る。
【０００５】
このためダイカスト金型の焼入れにおいても、近年、真空炉内で冷却する方法が適用される等、熱処理における脱炭防止技術が進んできた。
真空炉内での冷却には、窒素ガスに代表される不活性ガスが用いられているが、最近では設備の進歩が目覚しく、冷却能力を高めるために加圧ガスで冷却する技術が進み、圧力が６〜１０ｂａｒの高圧の冷却ガスを使用することも珍しくなくなってきた。
【０００６】
真空炉内でダイカスト金型を冷却する方法としては、ガス冷却と油冷却を組合わせて、真空炉内で冷却する方法が提案されている（特開平８−６７９０９）。この方法は、加熱室、ガス冷却室および油冷却装置を有する真空炉を使用し、冷却はガス冷却と油冷却を任意に組合わせるもので、高温側を徐冷し低温側を急冷することもできるが、装置自体が大がかりとなり設備が非常に高価格化し、大型の金型等の熱処理用には不向きである。また特開平１０−８０７４６のように、真空炉内に導入する冷却ガスを、一次冷却が１〜４ｂａｒ、二次冷却が４〜１０ｂａｒと圧力を変化させる方法も提案されているが、加圧ガスでは冷却能力に限界があるため、被熱処理品が大型になるほど冷却速度不足による機械的特性低下が顕著となり易い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
鋼材の焼入れにおいて、前述のように一般に冷却速度が遅くなるほど靭性が低下することが知られている。この冷却速度の違いによる組織・靱性に与える影響は、（１）高温域(オーステナイト化温度〜５００℃)：冷却速度が低下すると粒界炭化物の析出が生ずるが靱性低下への影響は少ない。（２）低温域(４００〜２５０℃)：冷却速度が低下すると上部ベイナイト化やべーナイトの粗大化がおこり靱性低下が著しい。
そこで本発明は、ダイカスト金型等大型の被処理品に対しても、装置の大型化、高価格化を防止して、型彫り面のみならず水冷孔内部の脱炭を抑制しつつ、冷却速度不足による機械的特性低下の問題を解決可能な鋼材の焼入れ方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は鋭意研究の結果、実際面で有効な脱炭防止法を見出し、また、大型金型に対しても装置の大型化、高価格化を防止し得る冷却方法を見出した。
本発明は、脱炭反応が起こる温度域を不活性雰囲気中で冷却処理することで脱炭を防止し、続いて真空炉外で冷却することで、靭性等の機械的特性を得るに十分な冷却速度を容易に実現するものである。
すなわち本発明は、鋼材を減圧された加熱室内で焼入れ温度に加熱した後、その表面温度が９００〜７００℃となるまでの第1段階の冷却を前記加熱室または該加熱室に附設した冷却室内で、鋼材の表面に不活性ガスによる１〜４ｂａｒの加圧冷却によって行い、続いて真空炉、つまり加熱室または冷却室、外に取り出して、前記第1段階の冷却を継続する場合よりも高い冷却速度で第２段階の冷却を行う鋼材の焼入れ方法である。
【０００９】
Ｃｒを２．０質量％以上含有する鋼材は適正焼入れ温度が１０００℃程度またはそれ以上と高温であり、焼入れ過程で脱炭を生じ易い。したがって、本発明において、鋼材はＣｒを２．０質量％以上含有する鋼材、特に金型用に有効であり、また、真空炉外での第２段階の冷却のうち、被処理鋼材の表面温度が４００℃以下の範囲の冷却は、液体の吹き付け、液体と気体の混合物の吹き付けもしくは液中による冷却、またはこれらの組合せとすることが望ましい。
【００１０】
本発明者等は、まず脱炭発生のメカニズム等について様々な調査を行い、従来方法による大型金型に残存する脱炭は、焼入れ温度で金型を真空炉外へ取出した後に発生することを突き止めた。また、熱間ダイス鋼に代表されるＣｒを２．０質量％以上含有する材料においては、実験室的には約７００℃以上で脱炭反応が起こること、しかし、実際面では短時間であれば７００℃よりも高い温度においても、金型寿命や大割れに影響を及ぼすような有害な脱炭を生じないこと、大型の金型において表面温度が９００℃以下になるまで不活性雰囲気中で冷却した後、第２段階の冷却方法として、真空炉外へ取出して冷却すれば、第１段階の冷却をそのまま継続する場合よりも高い冷却速度が容易に実現でき、その結果金型表面のみらなず、それりより高温である水冷孔内部も、上記のような有害な脱炭を生じることはないことが実験の結果明らかになった。
本発明において第２段階の冷却に移行するとき金型表面温度が９００℃を越えると、金型表面や水冷孔内部に有害な脱炭を生じやすくなり、５００℃未満では靭性の低下が顕著となる。
【００１１】
次に、第２段階の冷却のうち特に、低温域（４００〜２５０℃）の冷却については、前述の上部ベイナイト生成、および粗大化を極力抑える必要があるので急速に冷却をしなければならないが、この温度域では、鋼材の表面温度と冷却媒体や冷却環境との温度差が縮小して冷却速度が次第に低下するため、前記第１段階の冷却を継続する場合よりも高い冷却速度で第２段階の冷却を行うことが必要である。このために、本発明では表面温度７００℃以上の炉内におけるガス冷却等による第１段階の冷却を中止して、鋼材を真空炉外に取出して第２段階の冷却を行うのである。これにより、大量の大気の使用や、衝風、油、ソルト、ミストといった液体、もしくはこれらの液体と気体の混合した冷却媒体を用いることが可能となり、格段に高い冷却速度の実現が可能となる。なお、前記のうちの液体分は真空炉内での冷却で飛散、蒸発、発煙等真空炉の操業に対して有害な現象を伴うが、本発明により真空炉外に取出して第２段階の冷却を行うのには支障はない。
なお、本発明において、減圧は酸化防止のため１３．３Ｐａ以下とすることが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
脱炭の起こりやすさは、処理する金型の大きさや成分によって異なるので注意を要する。冷却方法を変更する温度、つまり鋼材を真空炉外に取出して冷却を第１段階から第２段階へ移行させる温度は、脱炭や変形防止という観点からは極力低くすべきであり、靱性低下防止、作業工数、冷却時間の短縮等の観点からは逆に高くすべきであるから、移行は、表面温度が９００〜７００℃の範囲内で、材質、形状等の条件に応じて最適な温度を選択すべきである。
【００１３】
第１段階の冷却、つまり高温域の冷却においては、粒界炭化物の析出を防止するため、金型表面において５℃／分以上の速度で冷却することが望ましい。したがって、真空中での冷却よりも、窒素等の不活性ガスを導入して冷却し、１〜４ｂａｒの加圧ガス下とすることにより冷却能力を高める方法である。
また、第２段階の冷却において、油冷の場合、均一に冷却されやすいことや油の種類を選択することで、媒体温度が４０℃〜２００℃位まで可変であるため、金型の大きさ、形状に合わせて油温を調整することが可能となる。その場合、ベイナイト変態域の温度を金型表面において３℃／分以上の速度で冷却するのが望ましい。
【００１４】
【実施例】
次に具体的な実施例に基づいて、本発明を詳細に説明する。
まず、表１に示す組成のＳＫＤ６１金型材料から、それぞれ図１に示すような４００ｍｍ×４００ｍｍ×３００ｍｍ厚さのブロックを５個機械加工して準備した。各ブロックは４００ｍｍ×４００ｍｍの面の一方の面の中心部に厚さ方向にφ１４ｍｍ×１５０ｍｍ深さの疑似冷却孔、他方の面の中心部にφ５．５ｍｍ×３０ｍｍ深さおよびφ５．５ｍｍ×１５０ｍｍ深さの熱電対挿入用の孔を各々あけ、後者はそれぞれ金型表面温度および冷却速度の確認用とした。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
得られた各ブロックは、熱電対挿入孔にシース熱電対をそれぞれ挿入され、有効容量がおよそ２ｍ３の真空炉を用いて個別に焼入れ処理された。
焼入れ温度は１０２０℃、この時の真空度は、１．３３Ｐａ（１０−２ｔｏｒｒ）であり、所定の時間保持した後、比較例４以外は金型に窒素ガスを吹き付け、窒素ガスの圧力を１．３ｂａｒとして室内に設置されたファンで攪拌して冷却した。
本発明の実施例（３例）は、ブロックの表面が、それぞれ９００、８００、７００℃の各温度まで冷却した時点で真空炉より大気中に取り出しされ、その後衝風冷却し、表面温度が４００℃に達した時点で焼入れ油中に浸漬して冷却した。
【００１７】
また、比較例は、焼入れ温度において真空加熱室より大気中に取出し、直ちに衝風冷却し、表面温度が４００℃に達した時点以後本発明と同様に油冷却するもの（比較例４）、および２００℃まで真空加熱室内で１．３ｂａｒで加圧ガス冷却するもの（比較例５）とした。
焼入れ完了後、いずれも６００℃で２回焼戻しをして、概ね４５ＨＲＣに調質して金型の最表面および疑似冷却孔の脱炭を測定した。
なお、本発明実施例の真空炉外への取り出し後の冷却速度は、真空炉内でそのまま冷却を継続する比較例５に比較して十分高いことが確認された。
【００１８】
脱炭測定は、全脱炭：硬さ値が中心部硬さ値の９０％よりも低い部分、フェライト脱炭：炭化物が析出していないフェライトのみの部分、として評価した。
最表面および疑似冷却孔内面でブロックの表面から４０ｍｍ、７５ｍｍ、１１５ｍｍ、１５０ｍｍ深さの点の測定結果を表２に示す。
表２から、疑似冷却孔内面のうち、金型表面からの深さが深い部分、つまり金型の中心に近く高温である部分は脱炭し易いことが分る。また表２から、焼入れ温度から即、大気中に取出した比較例４は、最表面（型彫り面相当）では全脱炭０．３ｍｍ、フェライト脱炭０．１ｍｍであり、疑似冷却孔内面では最大で全脱炭が０．６ｍｍ、フェライト脱炭が０．２ｍｍである。これに対し、本発明の実施例は、真空加熱室から取出す温度が最高温である９００℃の場合でも、最表面および疑似冷却孔の４０ｍｍ深さでは全脱炭、フェライト脱炭とも無く、疑似冷却孔の全脱炭は７５ｍｍ深さで０．１ｍｍ、１１５ｍｍおよび１５０ｍｍ深さで０．１５ｍｍであり、８００℃以下ではフェライト脱炭、全脱炭とも発生しないことが分る。
この結果より、金型寿命や大割れに影響を及ぼす恐れのあるフェライト脱炭は、焼入れ加熱後、真空炉内において不活性雰囲気で９００℃以下まで冷却することにより防止できることが明らかになった。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
次に、金型の表面から１５０ｍｍの位置、すなわち中心部よりテストピースを切出しシャルピー値の測定を行なった。その結果を１０２０〜２００℃の冷却時間および４００〜２５０℃の平均冷却速度とともに表３に示す。
本発明に従い、９００〜７００℃まで炉内で冷却した後炉外へ取出し、特にベイナイト変態域を急冷したものについては、シャルピー値が３０Ｊ／ｃｍ２以上と大型金型にしては極めて良好な値が得られた。比較例５として２００℃まで炉内でガス冷却を続けたものは、１３Ｊ／ｃｍ２と本発明材の１／２にも満たない値となった。この時の４００〜２５０℃の冷却速度は、本発明を適用して急冷したものが４．２℃／ｍｉｎ以上であったのに対し、比較例５は、２．８℃／ｍｉｎと遅く、また、１０２０〜２００℃の冷却時間も２７０ｍｉｎ長くなり、その時間は、本発明材の２倍近くであった。
以上のことより、真空炉を用いて加熱し、第１段階の冷却として所定表面温度範囲まで不活性雰囲気中でガス冷却を施した後、第２段階の冷却として炉外に取出して急冷をした金型は、低温まで継続してガス冷却したものよりも、シャルピー値が２倍以上であり、また大型金型にしては極めて良好な高い靱性値のものが得られ、また冷却時間を短縮することができることが明らかになった。
【００２１】
【表３】
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【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、大型の金型等を焼入れする際に真空炉を用いて加熱し、第１段階として炉内不活性雰囲気中で冷却を施した後、特定の温度範囲で第２段階として炉外に取出して前記第１段階の冷却を継続する場合よりも高い冷却速度で第２段階の冷却を行うものであり、金型表面および冷却孔における脱炭を防止し、且つ靱性の低下も防ぐことができ、その結果、金型使用中にヒートクラックの発生や大割れの発生が無く、安定した長寿命の金型を提供するもので、工業上、有効な発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例および比較例に使用したダイカスト金型の寸法形状を示す平面図である。
【図１】
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