JP2008207279A

JP2008207279A - 金型の表面改質方法および金型

Info

Publication number: JP2008207279A
Application number: JP2007046359A
Authority: JP
Inventors: Daien Yokoi; 大円横井; Yasushi Haruna; 靖志春名
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-09-11

Abstract

【課題】金型の内部に靱性の高い残留オーステナイトを残存させることにより、耐割れ性を向上させ、金型寿命の延長を図ることを可能とした金型およびその方法を提供する。
【解決手段】硬さ４０〜６８ＨＲＣ、残留オーステナイトが１〜３０ｖｏｌ％からなる金型材に、粒径０．０５〜２．０ｍｍ、硬さ４００〜１０００ＨＶの投射材を用い、ショットピーニングを施す金型の表面改質方法。および上記にさらに加え、１００〜５００℃の温度域でショットピーニングを施す金型の表面改質方法およびその金型。
【選択図】なし

Description

本発明は、金型寿命の改善方法およびその方法によって寿命を改善した金型に関するものである。

近年、自動車、家電などの部品を製造するに当たり、金型寿命の向上は重要な課題となってきている。その金型寿命には、型材だけでなく、潤滑条件、型設計などの様々な要因が影響している。そこで金型の面では、型材、熱処理、表面処理での取組みが進められてきた。その表面処理はその処理自体が単独で開発されることが多く、型材と表面処理を組み合わせた方法は殆ど知られていない。

一方で表面に硬度、圧縮残留応力を付与する表面処理としてのショットピーニングは幅広く適用されている。このショットピーニングにより金型表面の硬化、圧縮残留応力の付与が可能であるが、しかし、高硬度の金型に対し、ショットピーニングの効果を得るためには、高硬度の投射材をショットすることが必要であるが、金型表面の粗さ低下が問題となり、これを回避するためには、特殊な投射材、投射装置を必要とする。

そこで、例えば特開平１０−１０００６９号公報（特許文献１）に開示されているように、複数段のショットピーニングのうち、少なくとも１段を、粒径が３０〜２５０μｍで硬度が８００〜２０００ＨＶで概ね球形状で比重が１１〜２０である投射材を投射するショットピーニング方法が提案されている。また、特開平１０−２１７１２２号公報（特許文献２）に開示されているように、熱処理した金型の表面に対して、硬度が熱処理後の金型表面のビッカース硬度ＨＶの８０〜１６０％であり、かつ粒子径が３０〜１５０μｍであるほぼ球径の投射材を速度２０〜１５０ｍ／ｓで投射する金型表面の処理方法が提案されている。

また、特開２００２−３６１１５号公報（特許文献３）に開示されているように、ビッカース硬さＨｖが９００乃至１１００、かつ、ヤング率が２０００００ＭＰＡ以下のピーニング材を用いてショットピーニング処理方法が提案されている。さらに、特開２００３−１９１１６６号公報（特許文献４）に開示されているように、金型材料に対して高硬度かつ低ヤング率のアモルファス投射材によりショットピーニングする金型寿命を改善する方法が提案されている。
特開平１０−１０００６９号公報特開平１０−２１７１２２号公報特開２００２−３６１１５号公報特開２００３−１９１１６６号公報

上述したように、ショットピーニングは簡易な表面処理法であり、表面に硬度と圧縮残留応力を付与することができるため、自動車部品などで幅広く適用されてきた。また、高硬度の金型材でも適用されているが、ピーニング効果を得るためには、高硬度の投射材を高速度でショットする必要がある。しかし、表面粗さが低下するという課題がある。さらには、金型材の硬さが高い場合、所要の硬さ、圧縮残留応力が得られないことも問題であった。

そこで、表面粗さの低下を極力小さくするために、上述した特許文献が提案されている。すなわち、特許文献１は、高硬度、高比重の投射材を用い、複数段のショットピーニングを施す方法であるが、しかしながら、型材の組織については全く考慮されていないし、特殊な投射材を必要とするという問題がある。また、特許文献２は、処理面の粗さを極小にするショットピーニング法であって、上記特許文献１と同様に、型材の組織については全く考慮されていない。

また、特許文献３は、高硬度、低ヤング率のアモルファス系投射材を用いる方法であって、上記特許文献１と同様に、金型材の組織については全く考慮されていないし、特殊な投射材を必要とするという問題がある。さらに、特許文献４は、特許文献３と同様に、高硬度、低ヤング率のアモルファス系投射材を用いる法であって、やはり型材の組織については全く考慮されていないし、特殊な投射材を必要とするという問題がある。このように、粒径の小さい投射材や低ヤング率の投射材など特殊の投射材、投射装置を用いることが提案されてきたが、ショットピーニング方法のみで課題解決を図っており、金型材の組織との関係をも考慮されていない。

上述したような問題を解消するために発明者らは鋭意開発を進めた結果、型材中に残留オーステナイトを残存させた状態でショットピーニングすることにより、表面粗さを低下させることなく、金型表面に硬度、圧縮残留応力を付与する。すなわち、残留オーステナイトを残存させた状態でショットピーニングすると残留オーステナイトが微細組織（ナノ結晶、局部的にはアモルファス化）を有するマルテンサイトに変態し、金型表面の硬度上昇、圧縮残留応力の増加に付与する。金型の内部に靱性の高い残留オーステナイトを残存させることにより、耐割れ性が向上するものである。

その発明の要旨とするところは、
（１）硬さ４０〜６８ＨＲＣ、残留オーステナイトが１〜３０ｖｏｌ％からなる金型材に、粒径０．０５〜２．０ｍｍ、硬さ４００〜１０００ＨＶの投射材を用い、ショットピーニングを施すことを特徴とする金型の表面改質方法。
（２）前記（１）に加え、１００〜５００℃の温度域でショットピーニングを施すことを特徴とする金型の表面改質方法。
（３）前記（１）または（２）に記載の表面改質方法によって得られた金型にある。

以上述べたように、金型材中に残留オーステナイトを残存させた状態でショットピーニングすることにより、表面粗さを低下させることなく、金型表面に硬度、圧縮残留応力を付与し、金型寿命向上により、トータルコスト低減を図ることができる極めて優れた効果を奏するものである。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明に係る金型としては耐摩耗性、強度が必要であるため、硬さ４０〜６８ＨＲＣとした。４０ＨＲＣ未満では耐摩耗性および強度を得るには十分でなく、６８ＨＲＣを超えるとピーニング効果が十分得られなくなることから、硬さの上限を６８ＨＲＣとした。

また、残留オーステナイトが１〜３０ｖｏｌ％からなる金型材とした理由は、残留オーステナイトは母材の靱性の向上に寄与する。ショットピーニングによって微細組織（ナノ結晶、局所的にはアモルファス化）を有するマルテンサイトに変態し、金型表面の硬度上昇、圧縮残留応力の増加に寄与する。その効果を得る下限は１ｖｏｌ％とした。残留オーステナイトが多過ぎると、使用中に径年変化を生じる。また、ピーニング効果を逆に緩和するので、その上限を３０ｖｏｌ％とした。初期の残留オーステナイト量は焼入温度、焼戻温度によりコントロールできる。好ましくは、１０〜２０ｖｏｌ％とする。

投射材粒径は小さいほど金型表面の粗さは小さくなるが、小さ過ぎるとピーニング効果が得られないため、下限を０．０５ｍｍとした。粒径が大きくなると金型表面の粗さが大きくなるため、その上限を２．０ｍｍとした。また、投射材硬さはピーニング効果を得るため、投射材の硬さの下限は４００ＨＶとした。硬さが高過ぎると金型表面の粗さが大きくなるために、その上限を１０００ＨＶとした。

次に、投射材形状は表面粗さを小さくするため、望ましくは、投射材形状は球状とする。さらに、加工温度は加工発熱が生じるので、金型材の加工開始時点の温度は室温であれば十分である。しかし、金型材の温度を上げるとピーニング効果が高くなることから、金型材の加工開始時点の温度は１００℃以上であれば望ましい。一方、加工開始時点の温度が高過ぎると逆に圧縮残留応力が緩和されるために、上限は５００℃とした。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１に示す化学成分の各種の金型用鋼を用いて粗加工し、作製した金型を表２に示すような、それぞれ焼入れ、焼戻しの熱処理を行い残留オーステナイトを残存させるように熱処理を行い、仕上加工して試験金型を得た。その後、エアノズルを用い、かつ圧縮エアの圧力を種々変えて、かつ加工開始時点の金型の温度を変化させ、それぞれの金型に投射材粒径および投射材硬さの相違する各種投射材によってそれぞれショットピーニングを行った。投射材は全てほぼ球形状で、比重７〜９、投射圧力は０．４〜０．８ＭＰａの条件下で行った。

その時の母材硬さを表２に、初期残留オーステナイト量、ショット後の金型表面の残留オーステナイト量および最大表面粗さ、表面硬さおよび圧縮残留応力を表３に示した。なお、残留オーステナイト量、残留応力はＸ線回折法により測定した。表面粗さは粗さ計にて測定した。また、使用外径は８０ｍｍ、内径は４０ｍｍのダイスの割れ発生までの寿命を測定した金型寿命を表３に示す。なお、表１に示すＳＫＤ６１ダイスは、被加工材Ｓ４５Ｃ、１２００℃熱間加工を行った。また、ＳＫＤ１１ダイスは、被加工材Ｓ４５Ｃであり、ＳＫＨ５１ダイスは、被加工材ＳＵＪ２、冷間加工を行った。

表２および表３に示すように、鋼種を３つに区分し、それぞれの区分による本発明例と比較例との特性を示す。Ｎｏ．１〜８は鋼種ＳＫＤ６１の場合であって、Ｎｏ．１〜３、Ｎｏ．５、８は比較例であり、Ｎｏ．４、Ｎｏ．６〜７は本発明例である。比較例Ｎｏ．１は、母材硬さが低いために、金型の表面硬さ、圧縮残留応力が低く、金型寿命が劣る。比較例Ｎｏ．２は、初期残留オーステナイト量およびショット後金型表面の残留オーステナイト量がないために、金型の表面硬さ、圧縮残留応力が低く、金型寿命が劣る。

比較例Ｎｏ．３は、ショット投射材の投射材硬さが低いために、金型の表面硬さ、圧縮残留応力が低く、金型寿命が劣る。比較例Ｎｏ．５は、ショット投射材の投射材粒径が大きいために、金型の最大表面粗さが大きく、かつ圧縮残留応力が低く、金型寿命が劣る。比較例Ｎｏ．８は、ショット投射材の投射材硬さが大きいために、金型の最大表面粗さが大きく、かつ金型寿命が劣る。これに対し、本発明例であるＮｏ．４、Ｎｏ．６〜７は、いずれも、本発明の条件を満足していることから、いずれの特性も上記比較例に比較して優れていることが分かる。

また、Ｎｏ．９〜１４は鋼種ＳＫＤ１１の場合であって、Ｎｏ．９、１２〜１４は本発明例であり、Ｎｏ．１０〜１１は本発明例である。比較例Ｎｏ．１０は、ショット投射材の投射材硬さが低いために、金型の圧縮残留応力が低い。比較例Ｎｏ．１１は、ショット投射材の投射材粒径が小さいために、金型の圧縮残留応力が低い。これに対し、本発明例であるＮｏ．９、Ｎｏ．１２〜１４は、いずれも、本発明の条件を満足していることから、いずれの特性も上記比較例に比較して優れていることが分かる。

さらに、Ｎｏ．１５〜２０は鋼種ＳＫＨ５１の場合であって、Ｎｏ．１５〜１６、１８は本発明例であり、Ｎｏ．１７、１９〜２０は比較例である。比較例Ｎｏ．１７は、初期残留オーステナイト量が多いために、金型の圧縮残留応力がやや低く、金型寿命が劣る。比較例Ｎｏ．１９は、母材硬さが高いために、金型の圧縮残留応力が低く、金型寿命が劣る。比較例Ｎｏ．２０は、ショットの投射温度が高いために、金型の最大表面粗さが大きく、かつ圧縮残留応力が低く、金型寿命が劣る。これに対し、本発明例である、Ｎｏ．１５〜１６、１８のいずれも、本発明の条件を満足していることから、いずれの特性も上記比較例に比較して優れていることが分かる。

上述したように、金型材中に残留オーステナイトを残存させた状態でショットピーニングすることにより、表面粗さを低下させることなく、金型表面に硬度、圧縮残留応力を付与することができ、金型の内部に靱性の高い残留オーステナイトが残存し、耐割れ性が向上し、金型寿命の延長を図ることができ、その結果、トータルコストの低減を図ることができる極めて工業的に優れている金型を提供することにある。

特許出願人山陽特殊製鋼株式会社
代理人弁理士椎名彊

Claims

硬さ４０〜６８ＨＲＣ、残留オーステナイトが１〜３０ｖｏｌ％からなる金型材に、粒径０．０５〜２．０ｍｍ、硬さ４００〜１０００ＨＶの投射材を用い、ショットピーニングを施すことを特徴とする金型の表面改質方法。
請求項１に加え、１００〜５００℃の温度域でショットピーニングを施すことを特徴とする金型の表面改質方法。
請求項１または２に記載の表面改質方法によって得られた金型。