JP2013132659A - Method of manufacturing die component - Google Patents

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Shintaro Kimura
新太郎 木村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a die component which is excellent in high strength and low temperature toughness, and for suppressing an alloy cost and reducing dispersion of a structure in a thickness direction after quenching and tempering by controlling the condition of a forging step.SOLUTION: In the method of manufacturing the die component by hot-forging an ingot, hot forging includes: a first term forging step of heating the ingot to 1,100°C or higher, then forging it above 950°C and granulating a metal structure; and a latter term forging step of successively forging the ingot below 950°C and miniaturizing the metal structure. A hammering ratio of the hot forging is 3.5 or higher.

Description

本発明は、金型部品の製造方法に関する。   The present invention relates to a mold part manufacturing method.

遠心圧縮機等の回転機械は高速回転、または低温域で使用されるため、それを構成する金型部品であるインペラの素材には高強度に加え、低温靭性の特性向上が求められている。そして、このようなインペラ素材として、近年では、低合金鋼であるニッケル・クロム・モリブデン鋼の高強度材が用いられている。
このような高強度材の最終特性値は鍛造後の焼入れ焼戻しにより決定される。しかし、焼戻しの前段階である焼入れ処理が不十分な場合では、組織内にパーライトまたはフェライトの割合が増加し、適正な焼戻しを施したとしても強度及び低温靭性が劣化するおそれがある。そのため、このような高強度材の焼入れ性に着目し、強度を確保するとともに、低温靭性を向上させる方法が提案されている。
Since a rotary machine such as a centrifugal compressor is used at high speed or in a low temperature range, an impeller material which is a mold part constituting the rotary machine is required to have high strength and low temperature toughness characteristics. As such an impeller material, in recent years, a high-strength material of nickel / chromium / molybdenum steel, which is a low alloy steel, has been used.
The final characteristic value of such a high-strength material is determined by quenching and tempering after forging. However, in the case where the quenching process, which is the pre-tempering stage, is insufficient, the ratio of pearlite or ferrite increases in the structure, and even if proper tempering is performed, the strength and low temperature toughness may be deteriorated. Therefore, paying attention to the hardenability of such a high-strength material, a method for securing the strength and improving the low-temperature toughness has been proposed.

十分な焼入れ性を確保するためには、合金元素の添加を行うことにより、臨界冷却速度をなるべく小さくすることが考えられるが、合金元素の過剰添加はコストアップまたは低温靭性の低下を招くおそれがある。一方、合金元素の過少添加は焼入れ性が損なわれ、強度が劣化するおそれがある。
このような問題に対して、特許文献1には、焼入れ性が良好で、臨界冷却速度が小さい化学成分範囲とし、焼入れ後の金属組織の80%以上をベイナイト相、又はベイナイト相及びマルテンサイト相とすることにより、強度および低温靭性を両立させる方法が開示されている。
In order to ensure sufficient hardenability, it is conceivable to reduce the critical cooling rate as much as possible by adding alloy elements. However, excessive addition of alloy elements may increase costs or decrease low-temperature toughness. is there. On the other hand, if the alloy element is added too little, the hardenability is impaired and the strength may be deteriorated.
In order to solve such a problem, Patent Document 1 discloses a chemical component range in which hardenability is good and the critical cooling rate is small, and 80% or more of the metal structure after quenching is a bainite phase, or a bainite phase and a martensite phase. Thus, a method for achieving both strength and low temperature toughness is disclosed.

特開2011−127203号公報JP 2011-127203 A

しかしながら、特許文献1は、化学成分範囲を規定することで焼入れ性を調整しているのみであり、前工程である鍛造工程については検討されていない。そのため、高強度と優れた低温靭性の双方を両立させることは不安定であった。   However, Patent Document 1 only adjusts the hardenability by defining the chemical component range, and the forging process, which is the previous process, has not been studied. Therefore, it was unstable to achieve both high strength and excellent low temperature toughness.

また、上述したように、高強度材の最終特性値は鍛造後の焼入れ焼戻しにより決定されるため、強度と低温靭性を確保するためには焼入れ処理を十分に施すことが有効である。しかしながら、焼入れ処理の前工程である鍛造処理が不十分であった場合には、オーステナイト粒径が粗大となるため、焼きが入りやすくなり強度に関しては確保できる一方、焼戻し後の最終組織も粗大となり、その結果、低温靭性が劣化する問題がある。
また従来の鍛造工程では、図2に示すように、要求された製品寸法、つまり最終的な金型部品(素材)の形状のみで鍛造条件を評価・決定しており、金属組織を制御して材質を造りこむといった指標を規定していなかった。さらには、鍛造温度についても組織制御という観点では規定されていなかった。
As described above, since the final characteristic value of the high strength material is determined by quenching and tempering after forging, it is effective to sufficiently perform a quenching treatment in order to ensure strength and low temperature toughness. However, when the forging process, which is the pre-quenching process, is insufficient, the austenite grain size becomes coarse, so that it is easy to quench and the strength can be secured, while the final structure after tempering is also coarse. As a result, there is a problem that the low temperature toughness deteriorates.
In the conventional forging process, as shown in FIG. 2, the forging conditions are evaluated and determined only by the required product dimensions, that is, the shape of the final mold part (material), and the metal structure is controlled. It did not stipulate the index of building the material. Furthermore, the forging temperature was not specified from the viewpoint of structure control.

さらに、このような問題は素材肉厚が厚くなるほど顕著となる。素材の肉厚が厚いと素材中心までの鍛造が不十分となり、焼戻し後の最終金属組織が、素材中心部と表面部とでオーステナイト粒径の差が大きい混粒組織となってしまう。したがって、素材中心部と表面とで特性の差が生じてしまい、強度と低温靭性を確保することが不安定となり、高品質な素材を安定して製造することは困難であった。   Furthermore, such a problem becomes more prominent as the material thickness increases. If the thickness of the material is thick, forging to the center of the material becomes insufficient, and the final metal structure after tempering becomes a mixed grain structure with a large difference in austenite grain size between the material center and the surface. Therefore, a difference in characteristics occurs between the center of the material and the surface, and it becomes unstable to secure strength and low temperature toughness, and it is difficult to stably manufacture a high quality material.

本発明は、このような実情に鑑み、鍛造工程を、金属組織の再結晶後において結晶粒が成長しにくくなる温度を境界として、その温度より高温域側にて結晶粒を整粒する工程と、低温側にて微細化する工程との二つの工程に区分して施し、さらに鍛造工程の鍛錬比を制御することにより、素材中心部まで鍛造を十分に入れ、肉厚方向の金属組織のばらつきを抑えるものである。本発明は、特に、金型部品としての素材の合金コストを抑えるとともに、鍛造工程の条件を制御することで、焼入れ焼き戻し後の肉厚方向の組織のばらつきを低減させ、高強度ならびに低温靭性に優れた金型部品の製造方法を提供することを課題としたものである。   In the present invention, in view of such circumstances, the forging step is a step of sizing the crystal grains at a temperature higher than the temperature at the temperature at which the crystal grains are difficult to grow after recrystallization of the metal structure. The process is divided into two processes, the process of refining on the low temperature side, and by further controlling the forging ratio in the forging process, the forging is fully introduced to the center of the material, and the metal structure varies in the thickness direction. It is what suppresses. In particular, the present invention suppresses the alloy cost of the raw material as a mold part and controls the conditions of the forging process, thereby reducing the variation in the structure in the thickness direction after quenching and tempering, and providing high strength and low temperature toughness. It is an object of the present invention to provide a mold part manufacturing method excellent in the above.

本発明者らは、鍛造処理を好適な条件で行い、焼入れ焼戻し処理の前に予め結晶粒を整粒・微細化しておくことにより、肉厚方向中心まで鍛造を入れることができるとともに、素材表面部及び中心部との組織の差を抑制することができ、その結果、焼入れ後の低温靭性を安定かつ十分に確保できる、との知見に基づく技術的思想により、本発明に到ったものである。
上記課題を解決することを目的とした本発明の要旨は、以下のとおりである。
The present inventors perform forging treatment under suitable conditions, and by preliminarily crystallizing and refining the crystal grains before quenching and tempering treatment, forging can be put to the center in the thickness direction, and the surface of the material It is possible to suppress the difference in structure between the central part and the central part, and as a result, the present invention has been reached by a technical idea based on the knowledge that low-temperature toughness after quenching can be secured stably and sufficiently. is there.
The gist of the present invention aimed at solving the above problems is as follows.

本発明の金型部品の製造方法は、鋳塊を熱間鍛造することにより金型部品を製造する方法であって、前記熱間鍛造が、前記鋳塊を1100℃以上まで加熱した後に、950℃超で鍛造して金属組織を整粒化する前記鍛造工程と、引き続き、前記鋳塊を950℃以下で鍛造して前記金属組織を微細化する後期鍛造工程と、を備え、前記熱間鍛造の鍛錬比が3.5以上であることを特徴とする。   The mold part manufacturing method of the present invention is a method of manufacturing a mold part by hot forging an ingot, and after the hot forging heats the ingot to 1100 ° C. or higher, 950 The hot forging comprising: the forging step forging the metal structure by forging at a temperature exceeding ℃; and the subsequent forging step for forging the ingot at 950 ° C. or less to refine the metal structure. The training ratio is 3.5 or more.

また、本発明の金型部品の製造方法は、前記前期鍛造工程の鍛錬比が1.5以上であり、前記後期鍛造工程の鍛錬比が2.0以上であることが好ましい。   In the method for manufacturing a mold part of the present invention, it is preferable that the forging ratio in the first forging step is 1.5 or more and the forging ratio in the latter forging step is 2.0 or more.

また、本発明の金型部品の製造方法において、前記鋳塊は、質量%で、C:0.29〜0.35%、Si:0.15〜0.35%、Mn:0.60〜0.90%、Ni:1.60~2.00%、Cr:0.77〜1.00%、Mo:0.15~0.30%、をそれぞれ含み、残部が鉄及び不可避的不純物からなることが好ましい。   Moreover, in the manufacturing method of the metal mold components of this invention, the said ingot is the mass%, C: 0.29-0.35%, Si: 0.15-0.35%, Mn: 0.60 0.90%, Ni: 1.60 to 2.00%, Cr: 0.77 to 1.00%, Mo: 0.15 to 0.30%, and the balance from iron and inevitable impurities It is preferable to become.

本発明によれば、鍛造工程を、金属組織の再結晶後において結晶粒が成長しにくくなる温度を境界として、その温度より高温域側にて結晶粒を整粒する工程と、低温側にて微細化する工程との二つの工程に区分して施し、さらに鍛造工程の鍛錬比を制御することにより、素材中心部まで鍛造を十分に入れ、肉厚方向の金属組織のばらつきを抑えることができる。特に、金型部品としての素材の合金コストを抑えるとともに、鍛造工程の条件を制御することで、焼入れ焼き戻し後の肉厚方向の組織のばらつきを低減させ、高強度ならびに十分な低温靭性を得ることができる。   According to the present invention, the forging step includes a step of adjusting the crystal grains on the high temperature side from the temperature at which the crystal grains are difficult to grow after recrystallization of the metal structure, and the low temperature side. It is divided into two processes, the process of miniaturization, and by further controlling the forging ratio of the forging process, it is possible to sufficiently forge up to the center of the material and suppress the variation in the metal structure in the thickness direction. . In particular, by controlling the forging process conditions while reducing the alloy costs of the raw materials as mold parts, the variation in the structure in the thickness direction after quenching and tempering is reduced, and high strength and sufficient low temperature toughness are obtained. be able to.

本実施形態の熱間鍛造の工程における鋳塊の温度変化を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the temperature change of the ingot in the process of the hot forging of this embodiment. 従来の熱間鍛造の工程における鋳塊の温度変化を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the temperature change of the ingot in the process of the conventional hot forging. 本実施例の鍛造後における素材表面部及び中心部それぞれのオーステナイト粒径のばらつきを示すグラフである。It is a graph which shows the dispersion | variation in the austenite particle size of each of the raw material surface part and center part after the forge of a present Example.

以下、本実施形態の金型部品の製造方法について説明するが、まず、本発明に至った本発明者らの知見について説明する。   Hereinafter, although the manufacturing method of the mold component of this embodiment is demonstrated, the knowledge of the present inventors who led to this invention is demonstrated first.

本実施形態の金型部品の製造方法は、鋳塊を熱間鍛造することにより金型部品(以下、単に素材ともいう)を製造する方法であって、熱間鍛造が、鋳塊を1100℃以上まで加熱した後に、950℃超で鍛造して金属組織を整粒化する前期鍛造工程と、引き続き、鋳塊を950℃以下で鍛造して金属組織を微細化する後期鍛造工程と、を備え、熱間鍛造の鍛錬比が3.5以上であることを特徴とする。なお、熱間鍛造の鍛錬比は、(後期鍛造工程後の素材断面積)/(前期鍛造工程前の鋳塊断面積)により求めることができる。
以下、本実施形態に係る熱間鍛造の各工程について図1を用いて詳細に説明する。
The method of manufacturing a mold part according to the present embodiment is a method of manufacturing a mold part (hereinafter also simply referred to as a material) by hot forging the ingot, and the hot forging is performed at 1100 ° C. After heating up to above, forge process for forging above 950 ° C. to refine the metal structure, and subsequently forging process for forging the ingot at 950 ° C. or less to refine the metal structure The forging ratio of hot forging is 3.5 or more. In addition, the forging ratio of hot forging can be calculated | required by (the raw material cross-sectional area after a late forging process) / (ingot cross-sectional area before a pre-forging process).
Hereafter, each process of the hot forging which concerns on this embodiment is demonstrated in detail using FIG.

図1は、本実施形態の熱間鍛造の工程における鋳塊の温度変化を示す模式図である。
本実施形態の係る熱間鍛造工程は、まず上述したように、鋳塊を1100℃以上まで加熱する。これは、後に施す鍛造を鋳塊の金属組織がオーステナイト単相になる温度、即ちオーステナイト域で行い、鍛造の結晶粒径を微細にするためである。結晶粒径の粗大化抑制のためには、鍛造前の加熱温度を1150℃以上とすることが好ましい。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a temperature change of the ingot in the hot forging process of the present embodiment.
In the hot forging process according to this embodiment, first, as described above, the ingot is heated to 1100 ° C. or higher. This is because the forging to be performed later is performed at a temperature at which the metal structure of the ingot becomes an austenite single phase, that is, an austenite region, and the crystal grain size of the forging is made fine. In order to suppress the coarsening of the crystal grain size, the heating temperature before forging is preferably 1150 ° C. or higher.

次に、1100℃以上まで加熱された鋳塊に対し、950℃超で鍛造して金属組織を整粒化する前期鍛造工程と、950℃以下で鍛造して金属組織を微細化する後期鍛造工程とを順に備えた熱間鍛造を施す。また、本発明においては、熱間鍛造の鍛錬比を3.5以上とする必要がある。
このように、鍛錬比を3.5以上とすることにより、肉厚方向中心にも十分なひずみを導入することができる。つまり、鍛造後において、素材表面部だけではなく、肉厚方向中心部の金属組織も十分に微細化させることができる。その結果、その後の焼入れ焼戻し処理によって、安定かつ十分な低温靭性を確保できる。
以下、熱間鍛造における各工程について説明する。
Next, an early forging process in which the ingot heated to 1100 ° C. or higher is forged at a temperature exceeding 950 ° C. to refine the metal structure, and a late forging process in which the metal structure is forged at 950 ° C. or lower to refine the metal structure And then forging in order. In the present invention, the forging ratio of hot forging needs to be 3.5 or more.
Thus, by setting the forging ratio to 3.5 or more, sufficient strain can be introduced also in the center in the thickness direction. That is, after forging, not only the surface portion of the material but also the metal structure in the central portion in the thickness direction can be sufficiently refined. As a result, stable and sufficient low temperature toughness can be secured by the subsequent quenching and tempering treatment.
Hereinafter, each process in hot forging will be described.

<前期鍛造工程>
鋳塊を1100℃以上まで加熱した後に、図1に示すように、950℃超の温度範囲にて鍛造を行う。このように、950℃超の高温域にて前期鍛造工程を行うことにより、オーステナイト粒を整粒化させることができるため、鍛造後に焼入れ焼戻しを施して得られる素材の金属組織を均一なものとすることができ、その結果、素材の低温靭性を安定して確保することができる。
なお、前期鍛造工程の鍛造温度を950℃超と規定した理由は、950℃というのが鋳塊の金属組織の再結晶後において結晶粒が成長しにくくなる温度に相当するためである。また、本実施形態において、前期鍛造工程の上限温度は1050℃以下とすることが好ましい。1050℃超の高温域で鍛造すると、粒成長の影響が大きくなり、後工程においてオーステナイト粒を微細化することが困難となるおそれがあるためである。
<First forging process>
After the ingot is heated to 1100 ° C. or higher, as shown in FIG. 1, forging is performed in a temperature range exceeding 950 ° C. As described above, since the austenite grains can be sized by performing the forging process in a high temperature region exceeding 950 ° C., the metal structure of the material obtained by quenching and tempering after forging is made uniform. As a result, the low-temperature toughness of the material can be stably secured.
The reason why the forging temperature in the first forging step is specified to be higher than 950 ° C. is that 950 ° C. corresponds to a temperature at which crystal grains hardly grow after recrystallization of the metal structure of the ingot. Moreover, in this embodiment, it is preferable that the upper limit temperature of a previous forging process shall be 1050 degrees C or less. This is because if forging in a high temperature region exceeding 1050 ° C., the influence of grain growth becomes large, and it may be difficult to refine the austenite grains in a subsequent process.

また、本実施形態において、上記前期鍛造工程の鍛錬比は、オーステナイト粒の整粒化の観点から、1.5以上とすることが好ましい。このように前期鍛造工程の鍛錬比を1.5以上とすることにより、肉厚方向中心部の組織をより整粒化させることができる。なお、前期鍛造工程の鍛錬比は、(前期鍛造工程後の鋳塊断面積)/(前期鍛造工程前の鋳塊断面積)により求めることができる。
前期鍛造工程の鍛錬比の上限は特に規定しないが、設備コスト等の観点から2.0以下とすることが好ましい。
Moreover, in this embodiment, it is preferable that the forge ratio of the said forge process is 1.5 or more from a viewpoint of the granulation of austenite grain. Thus, by setting the forging ratio in the first forging step to 1.5 or more, the structure of the central portion in the thickness direction can be further sized. The forging ratio in the first forging process can be obtained by (ingot cross-sectional area after the first forging process) / (ingot cross-sectional area before the first forging process).
Although the upper limit of the forging ratio in the first forging process is not particularly defined, it is preferably set to 2.0 or less from the viewpoint of equipment cost and the like.

<後期鍛造工程>
引き続き、上記前期鍛造工程を行った後に950℃以下の温度範囲にて鍛造を行う。このように、950℃以下の低温域にて後期鍛造工程を行うことにより、前期鍛造工程にて整粒化させた金属組織を微細化させることができる。そのため、後に施す焼入れ焼戻しにより低温靭性を十分に得ることができる。
なお、後期鍛造工程の鍛造温度を950℃以下と規定した理由は、前期鍛造工程における温度の規定と同様に、金属組織の再結晶後において結晶粒が成長しにくくなり、組織内部にひずみが蓄積しやすくなる温度に相当するためである。なお、オーステナイト粒微細化の温度依存性は小さいこと、また低温になればなるほど鋳塊の変形抵抗が増大すること、を考慮すると、組織の微細化を目的とする後期鍛造工程の鍛造温度は950℃直下近傍であることが好ましい。
<Late forging process>
Subsequently, forging is performed at a temperature range of 950 ° C. or lower after performing the above-described forging step. Thus, by performing the late forging process in a low temperature region of 950 ° C. or lower, the metal structure that has been grain-sized in the early forging process can be refined. Therefore, low temperature toughness can be sufficiently obtained by quenching and tempering performed later.
The reason why the forging temperature in the late forging process is defined as 950 ° C. or lower is the same as the temperature in the early forging process, because the crystal grains are difficult to grow after recrystallization of the metal structure, and strain is accumulated inside the structure. This is because it corresponds to a temperature at which it is easy to perform. In consideration of the fact that the temperature dependence of austenite grain refinement is small and that the deformation resistance of the ingot increases as the temperature becomes lower, the forging temperature in the late forging process aimed at refinement of the structure is 950. It is preferable that the temperature is in the vicinity of ℃.

また、本実施形態において、後期鍛造工程の鍛錬比は、オーステナイト粒の微細化の観点から、2.0以上とすることが好ましい。このように後期鍛造工程の鍛錬比を2.0以上とすることにより、素材の表面部だけではなく、肉厚方向中心部のオーステナイト粒までさらに微細化することができる。その結果、素材肉厚方向における低温靭性の特性のばらつきを抑制することができる。なお、前期鍛造工程の鍛錬比は、(後期鍛造工程後の素材断面積)/(前期鍛造工程後の鋳塊断面積)により求めることができる。
また、後期鍛造工程の鍛錬比の上限は特に規定しないが、設備コストや素材組織の微細化効果の飽和等の観点から2.5以下とすることが好ましい。
In the present embodiment, the forging ratio in the late forging step is preferably 2.0 or more from the viewpoint of refining austenite grains. Thus, by setting the forging ratio in the late forging process to 2.0 or more, not only the surface portion of the material but also the austenite grains in the center portion in the thickness direction can be further refined. As a result, it is possible to suppress variations in low temperature toughness characteristics in the thickness direction of the material. The forging ratio in the early forging process can be determined by (material cross-sectional area after late forging process) / (ingot cross-sectional area after early forging process).
In addition, the upper limit of the forging ratio in the late forging process is not particularly specified, but is preferably set to 2.5 or less from the viewpoint of the equipment cost and the saturation of the material structure refinement effect.

ここで、本発明に係る熱間鍛造工程では、金属組織の整粒化を目的とした前期鍛造工程と、微細化を目的とした後期鍛造工程とに区分し、これら前期・後期鍛造工程を順次施すことを特徴とし、上述したように前期鍛造工程及び後期鍛造工程それぞれの鍛錬比は、1.5以上及び2.0以上とすることが好ましいが、これら前期・後期鍛造工程それぞれの鍛錬比は同一であっても構わず、さらには、前期鍛造工程の鍛錬比よりも後期鍛造工程の鍛錬比の方が大きくても構わない。つまり、本発明では、金属組織を整粒化する前期鍛造工程と、このように整粒化させた金属組織を微細化する後期鍛造工程との2段階の鍛造を順に施す熱間鍛造を行い、この熱間鍛造の鍛錬比を3.5以上とすることが非常に重要であり、前期・後期鍛造工程それぞれの鍛錬比が同一、もしくは前期鍛造工程の鍛錬比よりも後期鍛造工程の鍛錬比の方が大きい条件で熱間鍛造を施しても、本発明の効果は十分に享受することが可能である。   Here, in the hot forging process according to the present invention, it is divided into an early forging process for the purpose of sizing the metal structure and a late forging process for the purpose of miniaturization, and these early and late forging processes are sequentially performed. As described above, the forging ratios of the early forging process and the late forging process are preferably 1.5 or more and 2.0 or more, respectively. It may be the same, and further, the training ratio in the late forging process may be larger than the training ratio in the early forging process. That is, in the present invention, hot forging is performed in which two stages of forging are sequentially performed, a first forging step for sizing the metal structure and a second forging step for refining the metal structure thus sized, It is very important that the forging ratio of this hot forging is 3.5 or more, and the forging ratios of the first and second forging processes are the same, or the forging ratio of the latter forging process is higher than the forging ratio of the first forging process. Even if hot forging is performed under larger conditions, the effects of the present invention can be fully enjoyed.

また、本実施形態においては、後期鍛造工程後から焼入れ処理前までの冷却速度は遅くすることが好ましい。焼入れ前のオーステナイト粒径は低温靭性に影響を及ぼす。すなわち、焼入れ前のオーステナイト粒径が小さいと、マルテンサイトの発生基点となるオーステナイト粒の粒界面積が多くなる。したがって、より優れた低温靭性を得るためにが、後期鍛造工程後から焼入れ処理前までの冷却は、炉冷または空冷とすることが好ましい。   Moreover, in this embodiment, it is preferable to slow down the cooling rate after a late forging process and before quenching process. The austenite grain size before quenching affects the low temperature toughness. That is, if the austenite grain size before quenching is small, the grain interfacial area of austenite grains serving as the starting point of martensite increases. Therefore, in order to obtain more excellent low temperature toughness, it is preferable that the cooling after the late forging process and before the quenching process is furnace cooling or air cooling.

また、本実施形態において、図1に示すように、後期鍛造工程後に焼入れ処理を施すが、その条件は特に規定しない。本実施形態では上述したように、熱間鍛造工程の条件を規定して金属組織を制御することにより、肉厚方向中心部まで組織の整粒化・微細化を予め図ることができるため、通常行われる焼入れ処理を行うことで素材の低温靭性を、肉厚方向にばらつきなく安定して確保することができる。
また、焼戻しは、素材を550〜650℃に加熱して行われる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a quenching process is performed after the late forging step, but the conditions are not particularly defined. In the present embodiment, as described above, by regulating the metal structure by defining the conditions of the hot forging process, the structure can be sized and refined in advance to the center in the thickness direction. By performing the quenching process to be performed, the low temperature toughness of the material can be secured stably without variation in the thickness direction.
Tempering is performed by heating the material to 550 to 650 ° C.

ここで、本実施形態における各冷却速度は鋳塊または得られた素材の肉厚中心における平均速度とし、加熱温度等の各温度は鋳塊または素材の平均温度とする。
温度の測定方法については、例えば、放射温度計にて鋳塊または素材表面温度を数箇所測定する方法が挙げられる。
Here, each cooling rate in the present embodiment is an average speed at the center of the thickness of the ingot or the obtained material, and each temperature such as a heating temperature is an average temperature of the ingot or the material.
As a method for measuring the temperature, for example, there is a method of measuring several ingot or material surface temperatures with a radiation thermometer.

次に、本実施形態に係る鋳塊の合金組成について詳細に説明する。なお以下、%は質量%を意味する。   Next, the alloy composition of the ingot according to the present embodiment will be described in detail. Hereinafter,% means mass%.

本実施形態に係る鋳塊は、ニッケル・クロム・モリブデン鋼であることが好ましく、具体的には、質量%で、C:0.29〜0.35%、Si:0.15〜0.35%、Mn:0.60〜0.90%、Ni:1.60~2.00%、Cr:0.77〜1.00%、Mo:0.15~0.30%、をそれぞれ含み、残部が鉄及び不可避的不純物からなる合金鋼であることが好ましい。
以下、本実施形態の鋳塊の成分を限定した理由について説明する。
The ingot according to the present embodiment is preferably nickel / chromium / molybdenum steel, and specifically, by mass%, C: 0.29 to 0.35%, Si: 0.15 to 0.35. %, Mn: 0.60 to 0.90%, Ni: 1.60 to 2.00%, Cr: 0.77 to 1.00%, Mo: 0.15 to 0.30%, The balance is preferably an alloy steel made of iron and inevitable impurities.
Hereinafter, the reason which limited the component of the ingot of this embodiment is demonstrated.

(C:0.29〜0.35%)
Cは、インペラに要求される強度を向上させるのに有効な元素である。また、鍛造後の十分な焼きを確保するために、C含有量を0.29%以上とすることが好ましい。一方で、C含有量が多くなりすぎると、溶接性が劣化するとともに、焼入れ後の組織中に占めるベイナイト組織の量が少なくなるので、C含有量を0.35%以下とすることが好ましい。なお、より好ましいC含有量は0.30〜0.35%であり、さらに好ましい含有量は0.30〜0.34%である。
(C: 0.29 to 0.35%)
C is an element effective for improving the strength required for the impeller. Moreover, in order to ensure sufficient baking after forging, it is preferable to make C content into 0.29% or more. On the other hand, if the C content is too large, weldability deteriorates and the amount of bainite structure in the structure after quenching decreases, so the C content is preferably 0.35% or less. In addition, more preferable C content is 0.30 to 0.35%, and still more preferable content is 0.30 to 0.34%.

(Si:0.15〜0.35%)
Siは、脱酸や強度向上に有用な元素である。これらの効果を得るために、Si含有量を0.15%以上とすることが好ましい。しかし、必要以上にSiを含有させると偏析による靭性劣化を及ぼす可能性があるため、上限を0.35%とすることが好ましい。
(Si: 0.15-0.35%)
Si is an element useful for deoxidation and strength improvement. In order to obtain these effects, the Si content is preferably 0.15% or more. However, if Si is contained more than necessary, the toughness deterioration due to segregation may occur, so the upper limit is preferably made 0.35%.

(Mn:0.60〜0.90%)
MnはSiと同様に脱酸剤として用いられ、かつ焼入れ性を向上させる元素である。そのため本発明はMn含有量を0.60%以上とすることが好ましい。しかし、必要以上に含有させると粒界脆化現象が生じ、遅れ破壊の発生促進、粒界強度低下が生じる危険があるので上限を0.90%とすることが好ましい。
(Mn: 0.60 to 0.90%)
Mn is an element that is used as a deoxidizing agent and improves the hardenability like Si. Therefore, in the present invention, the Mn content is preferably 0.60% or more. However, if it is contained more than necessary, a grain boundary embrittlement phenomenon occurs, and there is a danger that delayed fracture will be accelerated and the grain boundary strength may be lowered. Therefore, the upper limit is preferably made 0.90%.

(Ni:1.60~2.00%)
Niは基地に固溶して固溶強化するとともに靭性を付与する。また、鍛造後の十分な焼きを確保するために、Ni含有量を1.60%以上とすることが好ましい。一方で、Ni含有量が多くなっても、溶接性が劣化するとともに、固溶強化の効果が飽和してコストアップとなるので、Ni含有量を2.00%以下とすることが好ましい。より好ましいNi含有量は1.65〜1.95%であり、さらに好ましい含有量は1.70〜1.90%である。
(Ni: 1.60 to 2.00%)
Ni forms a solid solution in the base and strengthens the solid solution, and imparts toughness. Moreover, in order to ensure sufficient baking after forging, the Ni content is preferably 1.60% or more. On the other hand, even if the Ni content increases, the weldability deteriorates and the effect of solid solution strengthening is saturated to increase the cost. Therefore, the Ni content is preferably set to 2.00% or less. A more preferable Ni content is 1.65 to 1.95%, and a more preferable content is 1.70 to 1.90%.

(Cr:0.77〜1.00%)
Crは、Mnと同様に焼入れ性を高め、かつCとともに炭化物を形成して強度、耐摩耗性を付与する。また、鍛造後の十分な焼きを確保するために、Cr含有量を0.77%以上とすることが好ましい。しかし、多く含有させても、溶接性が劣化するとともに、焼入れ性の効果が飽和してコストアップになるので、Cr含有量を1.00%以下とすることが好ましい。より好ましいCr含有量は0.77〜0.95%であり、さらに好ましい含有量は0.77〜0.90%である。
(Cr: 0.77 to 1.00%)
Cr, like Mn, enhances hardenability and forms carbides with C to impart strength and wear resistance. Moreover, in order to ensure sufficient baking after forging, the Cr content is preferably 0.77% or more. However, even if it is contained in a large amount, the weldability deteriorates and the effect of hardenability is saturated and the cost is increased, so the Cr content is preferably made 1.00% or less. A more preferable Cr content is 0.77 to 0.95%, and a still more preferable content is 0.77 to 0.90%.

(Mo:0.15~0.30%)
Moは、鋼の変態応力を緩和するとともに焼入れ性と、靭性および焼もどし軟化抵抗を高める。また、基地中に微細な炭化物を生成して耐摩耗性を向上させる効果を有する。これらの効果を得るためにMo含有量は0.15%以上とすることが好ましい。しかし、Mo含有量が増えると焼割れ発生が促進されるとともに、焼入れ性の効果が飽和してコストアップになるので、Mo含有量は0.30%以下とすることが好ましい。より好ましいMo含有量は0.17〜0.27%であり、さらに好ましい含有量は0.20〜0.27%である。
(Mo: 0.15-0.30%)
Mo relieves the transformation stress of steel and enhances hardenability, toughness and temper softening resistance. Moreover, it has the effect of producing fine carbides in the base and improving wear resistance. In order to obtain these effects, the Mo content is preferably 0.15% or more. However, when the Mo content increases, the occurrence of cracking is promoted and the effect of hardenability is saturated and the cost is increased, so the Mo content is preferably set to 0.30% or less. More preferable Mo content is 0.17 to 0.27%, and still more preferable content is 0.20 to 0.27%.

また、本実施形態においては、上記した元素以外の残部は実質的にFeからなり、不可避不純物をはじめ、本発明の作用効果を害さない元素を微量に添加することができる。   Further, in the present embodiment, the balance other than the above-described elements is substantially made of Fe, and it is possible to add a trace amount of elements that do not impair the effects of the present invention, including inevitable impurities.

なお、本実施形態における金型部品の肉厚は限定されるものではないが、200〜400mmで特に有効である。   Note that the thickness of the mold part in the present embodiment is not limited, but 200 to 400 mm is particularly effective.

本発明に係る金型部品の製造方法によれば、熱間鍛造条件を制御することにより、金型部品(素材)の中心部まで鍛造を十分に入れることができ、素材肉厚方向に均一に金属組織を整粒化・微細化させることができる。特に、素材の合金コストを抑えるとともに、鍛造工程の条件を制御することのみで、焼入れ焼き戻し後の肉厚方向の組織のばらつきを低減させ、高強度ならびに十分な低温靭性を安定して得ることができる。   According to the method of manufacturing a mold part according to the present invention, by controlling the hot forging conditions, the forging can be sufficiently inserted to the center part of the mold part (material), and uniformly in the thickness direction of the material. The metal structure can be sized and refined. In particular, by suppressing the alloy costs of the raw materials and controlling the conditions of the forging process, the variation in the structure in the thickness direction after quenching and tempering can be reduced, and high strength and sufficient low temperature toughness can be stably obtained. Can do.

以下、実施例により本発明の効果を説明するが、本発明は、以下の実施例で用いた条件に限定されるものではない。   Hereinafter, the effects of the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited to the conditions used in the following examples.

本実施例では、まず、表1に示す化学成分を有する鋼を溶製し、常法に従い、鋳造した後に、熱間鍛造工程を行い、表2に示す肉厚を有する素材(金型部品)を製造した。なお、熱間鍛造工程における前期鍛造工程の鍛造温度、鍛錬比、そして後期鍛造工程における鍛造温度、鍛錬比、ならびに、熱間鍛造工程全体の鍛錬比(トータル鍛錬比)は表2に示すような条件とした。なお、熱間鍛造を施す前の加熱温度は1100〜1150℃とした。
また、本実施例では、後期鍛造工程後から焼入れ処理までの冷却方法を炉冷または空冷とし、常法に従い焼入れ処理を施した。その後に、得られた素材を再度加熱して焼戻しを行った。
In this example, first, steel having chemical components shown in Table 1 is melted and cast according to a conventional method, and then a hot forging process is performed, and a material having a thickness shown in Table 2 (mold part). Manufactured. Table 2 shows the forging temperature and forging ratio in the first forging process in the hot forging process, and the forging temperature and forging ratio in the latter forging process, and the forging ratio (total forging ratio) in the entire hot forging process. Condition. In addition, the heating temperature before performing hot forging was 1100-1150 degreeC.
Further, in this example, the cooling method from the late forging process to the quenching process was furnace cooling or air cooling, and the quenching process was performed according to a conventional method. Thereafter, the obtained material was heated again and tempered.

Figure 2013132659
Figure 2013132659

Figure 2013132659
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なお、本実施例では、上記焼入れ処理後における金属組織の整粒化及び微細化を評価すべく、上記焼戻し処理を施す前に、オーステナイト粒径(γ粒径)を測定した。
具体的には、上記熱間鍛造工程により製造した素材に上記焼入れ処理を施した後、素材表面部及び肉厚方向中心部それぞれのミクロ組織を光学顕微鏡によって観察し、平均γ粒径を測定した。
更に、オーステナイト粒の整粒化を評価するために、(素材表面部のγ粒径/肉厚方向中心部のγ粒径)を求め、焼入れ処理後の金属組織のばらつきを評価した。
以上の結果を表2及び図3に示す。
なお、オーステナイト粒の微細化については、良好な低温靭性値の確保の観点から、γ粒径が80μm以下を良好とし、60μm以下を特に良好と評価した。また、オーステナイト粒の整粒化については、上記(素材表面部のγ粒径/肉厚方向中心部のγ粒径)が0.8以上を良好として評価した。
In this example, the austenite particle size (γ particle size) was measured before the tempering treatment in order to evaluate the sizing and refinement of the metal structure after the quenching treatment.
Specifically, after subjecting the material produced by the hot forging process to the quenching treatment, the microstructure of the material surface portion and the thickness direction center portion was observed with an optical microscope, and the average γ particle size was measured. .
Furthermore, in order to evaluate the size regulation of the austenite grains, (γ grain size of the material surface portion / γ grain size in the center in the thickness direction) was obtained, and the variation of the metal structure after quenching was evaluated.
The above results are shown in Table 2 and FIG.
In addition, about refinement | miniaturization of the austenite grain, from the viewpoint of ensuring a favorable low-temperature toughness value, the γ grain size was evaluated as 80 μm or less, and 60 μm or less was evaluated as particularly favorable. In addition, regarding the agglomeration of austenite grains, the above (gamma grain size of the raw material surface portion / gamma grain size of the central portion in the thickness direction) was evaluated as good when 0.8 or more.

製造No.3〜5は本発明例であり、オーステナイト粒径は、素材の表面部及び肉厚方向中心部においても80μm以下と良好な結果であった。また熱間鍛造工程において、前期鍛造工程及び後期鍛造工程それぞれの鍛錬比を1.5以上、2.0以上として施したため、特に微細な金属組織を得ることができた。
また、製造No.3〜5のオーステナイト粒のばらつきについては、いずれも良好であった。
Production No. Nos. 3 to 5 are examples of the present invention, and the austenite grain size was a good result of 80 μm or less even in the surface portion of the material and the central portion in the thickness direction. Further, in the hot forging process, the forging ratios of the early forging process and the late forging process were respectively set to 1.5 or more and 2.0 or more, so that a particularly fine metal structure could be obtained.
In addition, production No. All the variations of 3 to 5 austenite grains were good.

一方、製造No.1、2はともに熱間鍛造工程のトータル鍛錬比が低く、図3にも示すように、表面部、中心部ともにγ粒径が粗大化してしまい、特に製造No.2の場合は、オーステナイト粒のばらつきも大きくなってしまった。これは、トータル鍛錬比は製造No.2よりも大きく、表面部には十分なひずみを導入することができ微細化させることができたが、肉厚方向中心部へのひずみの導入が不十分であったためと考えられる。   On the other hand, production No. Nos. 1 and 2 both have a low total forging ratio in the hot forging step, and as shown in FIG. In the case of 2, the variation of austenite grains also became large. This is because the total training ratio is the production number. It is considered that the strain was larger than 2 and sufficient strain could be introduced into the surface portion and miniaturized, but the strain was not sufficiently introduced into the central portion in the thickness direction.

Claims (3)

鋳塊を熱間鍛造することにより金型部品を製造する方法であって、
前記熱間鍛造が、
前記鋳塊を1100℃以上まで加熱した後に、950℃超で鍛造して金属組織を整粒化する前記鍛造工程と、
引き続き、前記鋳塊を950℃以下で鍛造して前記金属組織を微細化する後期鍛造工程と、
を備え、
前記熱間鍛造の鍛錬比が3.5以上であることを特徴とする金型部品の製造方法。
A method of manufacturing a mold part by hot forging an ingot,
The hot forging is
After heating the ingot to 1100 ° C. or higher, the forging step forging the metal structure by forging above 950 ° C .;
Subsequently, a late forging step of forging the ingot at 950 ° C. or less to refine the metal structure,
With
A die part manufacturing method, wherein the hot forging forging ratio is 3.5 or more.
前記前期鍛造工程の鍛錬比が1.5以上であり、前記後期鍛造工程の鍛錬比が2.0以上であることを特徴とする請求項1に記載の金型部品の製造方法。   2. The method for producing a die part according to claim 1, wherein a forging ratio in the first forging step is 1.5 or more and a forging ratio in the second forging step is 2.0 or more. 前記鋳塊は、質量%で、
C:0.29〜0.35%、
Si:0.15〜0.35%、
Mn:0.60〜0.90%、
Ni:1.60~2.00%、
Cr:0.77〜1.00%、
Mo:0.15~0.30%、
をそれぞれ含み、残部が鉄及び不可避的不純物からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の金型部品の製造方法。
The ingot is mass%,
C: 0.29 to 0.35%,
Si: 0.15-0.35%,
Mn: 0.60 to 0.90%,
Ni: 1.60 to 2.00%,
Cr: 0.77 to 1.00%,
Mo: 0.15 to 0.30%,
The mold part manufacturing method according to claim 1, wherein the balance is made of iron and inevitable impurities.
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