JP2015178643A - 金型の焼入方法および金型の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 金型の製品形状面の割れを抑制できる金型の焼入方法と、金型の製造方法を提供する。
【解決手段】 オーステナイト域の焼入れ温度に加熱した金型を冷却して、金型の組織をマルテンサイト変態させる金型の焼入方法において、前記冷却では、金型の製品形状面の反対面である金型裏面の最も温度の高い領域Ａの温度が少なくともマルテンサイト変態点から前記マルテンサイト変態点−７０℃までの温度範囲を通過するときに、前記温度範囲の一部または全部で、金型内部の最も温度の高い領域Ｂが前記金型裏面側に移行しているように冷却する金型の焼入方法である。好ましくは、前記領域Ｂの温度がマルテンサイト変態点＋５０℃から前記マルテンサイト変態点までの温度範囲を通過するときに、前記領域Ｂを３．０℃／分を超える冷却速度で冷却する。そして、上記金型の焼入方法によって焼入れされた金型を、焼戻しする金型の製造方法である。
【選択図】図６

Description

本発明は、金型の焼入方法および金型の製造方法に関するものである。

オーステナイト域の焼入れ温度に加熱した金型を冷却して、金型の組織をマルテンサイト変態させる金型の焼入れでは、通常、金型内部より金型表面の方が速く降温する（つまり、金型内部より金型表面の方が先にマルテンサイト変態する）。よって、金型表面が先にマルテンサイト変態した後に、金型内部が遅れてマルテンサイト変態することで、マルテンサイト変態がほぼ完了した金型表面は冷却の進行とともに引続き熱収縮する一方、金型内部は変態膨張して、前記金型表面には引張応力が発生する。そして、金型表面のうちでも、製品（成形品）の形状を構成するように彫り込まれたことで、凹凸状の複雑な形状を有する金型の製品形状面では、その凹部または凸部の段差の根元部分に応力が集中して、割れを生じやすい。

上記した焼入れ時の割れを抑制する手法として、例えば、マルテンサイト変態点の付近の温度に達した金型の全体を、該温度に一時的に保持することや、冷却速度の遅い衝風冷却で冷却すること等で、金型全体の温度を均一に保ちながら冷却する金型の焼入方法が提案されている（特許文献１）。

特開２００６−３４２３７７号公報

特許文献１の金型の焼入方法は、前記焼入れ時における金型の製品形状面の割れの抑制に有効である。しかし、金型全体の温度を均一にするためには、焼入れ時の冷却速度を遅くする必要がある。そして、冷却速度が遅くなった結果、金型組織のマルテンサイト変態が不十分になり（例えば、ベイナイト組織が多く生成し）、金型の靱性劣化の要因となり得る。

本発明の目的は、冷却速度を遅くしなくても、金型の製品形状面の割れを抑制できる金型の焼入方法と、金型の製造方法を提供することである。

本発明は、オーステナイト域の焼入れ温度に加熱した金型を冷却して、金型の組織をマルテンサイト変態させる金型の焼入方法において、前記冷却では、金型の製品形状面の反対面である金型裏面の最も温度の高い領域Ａの温度が少なくともマルテンサイト変態点から前記マルテンサイト変態点−７０℃までの温度範囲を通過するときに、前記温度範囲の一部または全部で、金型内部の最も温度の高い領域Ｂが前記金型裏面側に移行しているように冷却することを特徴とする金型の焼入方法である。

そして、本発明は、オーステナイト域の焼入れ温度に加熱した金型を冷却して、金型の組織をマルテンサイト変態させる金型の焼入方法において、前記冷却では、金型の製品形状面の反対面である金型裏面の最も温度の高い領域Ａの温度が少なくともマルテンサイト変態点から前記マルテンサイト変態点−７０℃までの温度範囲を通過するときに、前記温度範囲の一部または全部で、前記製品形状面を冷却するのに用いられる冷却媒体と該製品形状面との間の熱伝達係数が、前記金型裏面を冷却するのに用いられる冷却媒体と該金型裏面との間の熱伝達係数より大きくなるように冷却することを特徴とする金型の焼入方法である。

上記金型の焼入方法において、好ましくは、前記領域Ｂの温度がマルテンサイト変態点＋５０℃から前記マルテンサイト変態点までの温度範囲を通過するときに、前記領域Ｂを３．０℃／分を超える冷却速度で冷却することである。また、本発明は、上記本発明の金型の焼入方法によって焼入れされた金型を、焼戻しすることを特徴とする金型の製造方法である。

本発明によれば、金型の製品形状面に応力が集中しやすい金型の焼入れにおいて、金型表面に発生する引張応力を軽減して、表面の割れを抑制することができる。そして、焼入れ時の冷却速度を速めても、金型の製品形状面の割れを抑制できるので、金型の靱性を維持することもできる。

従来例の焼入方法を実施したときの、冷却開始からの冷却時間の経過に対する試料の芯部および裏面の実測温度の変化と、試料の形状面のコーナー部に生じている最大主応力の変化を示すグラフ図である。 従来例の焼入方法を実施したときの、冷却中における試料の温度分布およびマルテンサイト変態分率の分布を示すマッピング図である。 別の従来例の焼入方法を実施したときの、冷却開始からの冷却時間の経過に対する試料の芯部および裏面の実測温度の変化と、試料の形状面のコーナー部に生じている最大主応力の変化を示すグラフ図である。 別の従来例の焼入方法を実施したときの、冷却中における試料の温度分布およびマルテンサイト変態分率の分布を示すマッピング図である。 本発明例の焼入方法を実施したときの、冷却開始からの冷却時間の経過に対する試料の芯部および裏面の実測温度の変化と、試料の形状面のコーナー部に生じている最大主応力の変化を示すグラフ図である。 本発明例の焼入方法を実施したときの、冷却中における試料の温度分布およびマルテンサイト変態分率の分布を示すマッピング図である。 実施例で用いた焼入れ用試料の仕様を示す図である。

本発明の特徴は、金型の製品形状面に割れが発生するタイミングである金型内部のマルテンサイト変態時の前から、予め、前記金型内部のマルテンサイト未変態の領域を製品形状面の反対面に位置する金型裏面側に移動させておくところにある。これにより、金型内部の前記領域が遅れてマルテンサイト変態するときに、製品形状面に発生する引張応力を相対的に軽減して、製品形状面の割れを抑制することができる。

つまり、上記において、予め、金型内部のマルテンサイト未変態の領域を「金型裏面側に移動させておく」ということは、前記領域を「製品形状面から遠ざけておく」ということである。具体的には、前記領域を「製品形状面の凹部または凸部の段差の根元部分から遠ざけておく」ということである。そして、このことによって、前記製品形状面は先に降温してマルテンサイト変態をほぼ完了し、金型内部の前記領域がマルテンサイト変態を開始したときでも、該領域が前記金型裏面側に移動した状態（つまり、相対的に、該領域が前記製品形状面から離れている状態）が維持されている。そして、この状態の維持によって、前記凹部または凸部の段差の根元部分への応力集中を軽減できて、製品形状面の割れを抑制することができる。以下、本発明の要件について説明する。

前述の通り、通常の金型の焼入れ過程では、金型表面が先にマルテンサイト変態した後に、金型内部が遅れてマルテンサイト変態する。そして、この金型表面と金型内部との間での変態のタイミング差が、金型表面に引張応力を生じさせて、特に、応力集中のしやすい製品形状面の前記段差の根元部分に割れを誘発する。そこで、本発明では、金型内部のマルテンサイト変態が進行する前から、「予め」前記金型内部のマルテンサイト未変態の領域（つまり、金型内部の最も温度の高い領域Ｂ）を製品形状面から遠ざけて、かつ、金型裏面側に移行させておく。そして、この事前の調整によって、製品形状面に遅れて前記領域Ｂのマルテンサイト変態が進む時に、製品形状面側に作用する金型内部の変態膨張を前記金型裏面側に移行できていて、本来、製品形状面に働くはずであった引張応力を低減することができる。そして、このマルテンサイト未変態の領域の制御によって、金型裏面に働く引張応力が増すことになるとしても、金型裏面は専ら平面形状であるから、製品形状面に比して形状に起因する割れの可能性は非常に低い。

そして、本発明では、前記「予め」に対応する時期を「金型表面が少なくともマルテンサイト変態点に到達してから前記マルテンサイト変態点−７０℃までの温度範囲を通過するとき」とする。なお、このときの「金型表面」については後述する。
マルテンサイト変態点とは、冷却中の金型（つまり、金型を構成する鋼）がマルテンサイト変態を開始する温度である（以下、Ｍｓ点と記す）。本発明の場合、金型表面のマルテンサイト変態の進行から遅れて、金型内部の領域Ｂがマルテンサイト変態を進行する時にこそ、そのマルテンサイト変態中の領域Ｂが金型裏面側に移行していればよい。言い換えれば、前記領域Ｂが製品形状面から相対的に離れていればよい。よって、前記領域ＢがＭｓ点に到達するかなり前の時点であり、金型表面がＭｓ点に到達する前の時点から、マルテンサイト未変態の状態にある領域Ｂの位置を前記金型裏面側に移行しておく必要はない。そして、前記領域ＢがＭｓ点に近づいた時点であり、金型表面がＭｓ点に到達した時点からは、該金型表面が少なくともＭｓ点−７０℃に到達するまでの温度範囲のうちで、領域Ｂが金型裏面側に移行しているように調整しておけば、後に前記領域ＢがＭｓ点に到達した時も、該領域Ｂは前記金型裏面側に移行された状態を維持しており、製品形状面に働く引張応力の低減効果を十分に発揮できる。

さらに、本発明では、前記「金型表面が少なくともマルテンサイト変態点に到達してから前記マルテンサイト変態点−７０℃までの温度範囲を通過するとき」において、その温度範囲の通過を確認する「金型表面」の領域を、「製品形状面の反対面である金型裏面の最も温度の高い領域Ａ」とする。
まず、前記「金型表面」を「製品形状面の反対面である金型裏面」とするのは、製品形状面よりも、金型裏面の方が、その全面における正確な温度分布を把握しやすいからである。つまり、製品形状面は複雑な凹凸を有し、温度分布が複雑であるのに対して（一般的に、凸部の温度は低めであり（冷却速度が速く）、凹部の温度は高めである（冷却速度が遅い））、金型裏面は形状が平らで、温度分布は比較的単純である。よって、前記温度分布の把握は、温度分布が単純であり、温度測定が容易な該金型裏面で行えばよい。加えて、実際の熱処理現場で金型の焼入れ作業を実施するにおいて、本発明の金型の焼入方法の再現性を高めるためには、温度測定の容易な金型裏面を前記温度範囲の通過を確認する基準面にするのが好ましい。

そして、前記温度範囲の通過を確認する「金型表面」を前記「金型裏面」に特定した上で、その確認のための温度測定を行う具体的な領域を「最も温度の高い領域Ａ」とするのは、前記最も温度の高い領域ＡがＭｓ点に到達した時には、金型内部の前記領域Ｂは未だＭｓ点に到達していないからである。つまり、金型裏面の最も温度の高い領域Ａの温度がＭｓ点に到達した時点を目安にして、前記領域Ｂが金型裏面側に移行しているように冷却すれば、製品形状面の割れの要因となる前記領域Ｂを、そのマルテンサイト変態の前から、より効果的に製品形状面から遠ざけておくことができる。

なお、本発明において、金型内部の前記領域Ｂの位置を、予め、金型裏面側に移行させるておくことを開始する時期は、前記領域Ａの温度がＭｓ点に到達する前からでも、Ｍｓ点に到達した後からでも構わない。すなわち、前記領域Ａの温度が「少なくとも」Ｍｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過するときに、金型内部の最も温度の高い領域Ｂが前記金型裏面側に移行しているように冷却すればよい。

そして、本発明において、金型内部の前記領域Ｂの位置を、予め、金型裏面側に移行させておく期間は、前記領域Ａの温度がＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過しているときの全部の範囲である必要はない。つまり、前記領域Ｂがマルテンサイト変態するときに製品形状面に発生する引張応力を低減できるのであれば、前記領域ＡがＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過しているときの間で、適当な一部または全部の温度範囲を選択して、前記領域Ｂが金型裏面側に移行しているように冷却すればよい。好ましくは、前記温度範囲の全部の範囲で、領域Ｂが金型裏面側に移行しているように冷却することである。より好ましくは、前記領域Ａが、さらにＭｓ点−１００℃に到達するまでの全部の範囲で、領域Ｂが金型裏面側に移行しているように冷却することである。

さらに、本発明において、金型内部の前記領域Ｂの位置を、予め、金型裏面側に移行させておく程度は、所定の焼入れ冷却で金型表面に割れの発生が懸念されるときの前記領域Ｂと前記金型裏面との距離を基準にして、この基準の距離よりも短い距離になるように移行させておけばよい。そして、前記領域Ｂが金型裏面に位置する程度にまで移行させておくことが好ましい。一具体的には、前記領域Ｂがマルテンサイト変態の開始温度（Ｍｓ点）に到達したときに、金型裏面の少なくとも一部がマルテンサイト変態を完了していない状態である。前記領域Ｂの位置を製品形状面から十分に離すことで、金型裏面との間で、該製品形状面に相対的に発生する引張応力をより軽減することができる。そして、前記領域Ｂが金型裏面と同じ位置になっていても、金型裏面は専ら平面形状であるから、金型裏面に割れの発生する可能性は非常に小さい。

上述した、本発明に係る焼入れ冷却中の変態分布（温度分布）は、例えば、製品形状面を金型裏面より速く冷却することで達成できる。すなわち、本発明は、前記金型裏面の最も温度の高い領域Ａの温度が少なくともマルテンサイト変態点から前記マルテンサイト変態点−７０℃までの温度範囲を通過するときに、前記温度範囲の一部または全部で、前記製品形状面を冷却するのに用いられる冷却媒体と該製品形状面との間の熱伝達係数が、前記金型裏面を冷却するのに用いられる冷却媒体と該金型裏面との間の熱伝達係数より大きくなるように冷却する金型の焼入方法である。製品形状面と金型裏面とを前記熱伝達係数の関係で冷却することで、製品形状面は金型裏面より速く冷却されて、金型内部への抜熱の進行は、金型裏面からよりも、製品形状面からの方が速くなる。その結果、金型内部の最も温度の高い領域は、その位置が製品形状面から金型裏面に向けて「下がる」こととなり、前記領域Ｂを前記金型裏面側に移行させることができる。よって、前述に従えば、金型裏面の前記領域ＡがＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過しているときに、前記熱伝達係数の関係による製品形状面と金型裏面との冷却を行えば、前記領域Ｂの位置を、そのマルテンサイト変態前から、より確実に、金型裏面側に移行させておくことができる。

そして、製品形状面を金型裏面より速く冷却するための具体的な手法には、冷却中の製品形状面を相対的に急冷する手法や、冷却中の金型裏面を相対的に保温する手法が適用できる。例えば、油を冷却媒体とした油冷を適用する場合は、製品形状面に接する油の流速を速める手法を適用できる。冷却媒体を各種ガスとした高圧ガス冷却を適用する場合は、金型裏面に接する冷却ガスの流速を弱めたり、または、冷却ガスの噴出時間を短くしたり、あるいは、冷却ガスの流入自体を止めたりするといった手法を適用できる。また、冷却媒体として、金型裏面に断熱材を配してもよい。そして、靱性の維持が可能な冷却速度の範囲で、衝風冷却も適用できる。

なお、製品形状面と金型裏面とを前記熱伝達係数の関係で冷却することについて（言い換えれば、製品形状面を金型裏面より速く冷却することについて）、その実施のタイミングは、金型裏面の前記領域Ａがマルテンサイト変態しているときであり、前記領域ＡがＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過しているときに、金型内部の前記領域Ｂの位置が金型裏面側に移行しているのであれば、前記領域Ａがマルテンサイト変態を開始する前、つまり、Ｍｓ点に到達する前からでも、マルテンサイト変態を開始した後からでも構わない。すなわち、前記領域Ａの温度が「少なくとも」Ｍｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過するときに、前記製品形状面を冷却するのに用いられる冷却媒体と該製品形状面との間の熱伝達係数が、前記金型裏面を冷却するのに用いられる冷却媒体と該金型裏面との間の熱伝達係数より大きくなるように冷却すればよい。

そして、前記熱伝達係数の関係による冷却の実施は、金型裏面の前記領域ＡがＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過しているときの全範囲に亘って継続する必要もない。つまり、前記領域ＡがＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過しているときの間で、金型内部の前記領域Ｂの位置を金型裏面側に移行させておくのに適当な一部または全部の温度範囲を選択して、その一部または全部の温度範囲で前記熱伝達係数の関係による冷却を実施すればよい。そして、好ましくは、前記熱伝達係数の関係による冷却の実施は、前記領域ＡがＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過しているときの全部の範囲で継続することである。より好ましくは、前記領域Ａが、さらにＭｓ点−１００℃に到達するまでの全部の範囲で継続することである。

本発明であれば、焼入れ冷却中の製品形状面の凹凸部に応力が集中しやすい金型、例えば、製品形状面が大きな段差を有する金型や、金型の重心が製品形状面側に寄っている金型を焼入れする場合でも、製品形状面に発生する引張応力を軽減して、表面の割れを抑制できる。そして、本発明は、金型の各領域における冷却速度を「相対的に」調整することで達成が可能なので、金型全体の温度を均一に保ちながら冷却する必要がなく、冷却速度の絶対値を大きくすることができる。具体的には、金型内部の最も温度の高い領域Ｂがマルテンサイト変態点の直上付近（マルテンサイト変態点＋５０℃から前記マルテンサイト変態点までの温度範囲）を通過するときに、前記領域Ｂを３．０℃／分を超える速い冷却速度で冷却することが可能である。好ましくは、３．５℃／分以上の速い冷却速度で冷却することが可能である。例えば、ＪＩＳ−ＳＫＤ６１等の熱間工具鋼の場合、前記冷却速度が、一般的に３．０℃／分以下になると、ベイナイト組織が生成して、靱性が低下しやすい。これにより、ベイナイト組織が多く生成されることを抑制して、金型の靱性を維持できつつ、製品形状面の割れを抑制できる。また、十分なマルテンサイト変態によって、製品形状面と金型裏面との間で硬さの差異や変動が少ない金型を達成できる。なお、前記冷却速度の上限は特に要しないが、例えば、３０℃／分としてもよい。

焼入れ後の金型は、続いて焼戻しに供されることとなる。このとき、本発明の金型の焼入方法を実施した後の金型は、金型全体の温度がＭｓ点に比して十分に低くなるまで放置してから、焼戻しのための加熱に移行してもよい。あるいは、焼戻しのための加熱に費やされるエネルギーの削減等を考慮すれば、金型内部の領域Ｂが、例えばＭｓ点−７０℃の温度より下がったタイミングで、焼戻しのための加熱に移行してもよい。
前記焼戻しの後に、金型の変形等を修正する必要があるならば、前記修正のための仕上げの機械加工を施してもよい。また、必要であれば、金型の製品形状面に、各種の表面処理や、物理蒸着法、化学蒸着法等の被覆処理を施してもよい。

＜実験要領＞
ＪＩＳ−ＳＫＤ６１改良材の熱間工具鋼を素材に用いて、３００×３００×３００ｍｍ角のブロックを作製した。ブロックの全表面にはフライス加工を行った。本素材のマルテンサイト変態点（Ｍｓ点）は２８５℃である。次に、このブロックを加工して、金型の製品形状面に相当した深さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍの凹形状の溝を形成し、金型の形状を模した図７の焼入れ用試料を作製した。前記溝底のコーナー部のＲ（曲率半径）は、片側が１ｍｍＲに、その反対側が３ｍｍＲに加工されている。また、前記溝底の中央から試料裏面に向けて、さらに、９０ｍｍの深さの位置Ｃ（つまり、試料の芯部）と、１９５ｍｍの深さの位置Ｓ（つまり、実質、試料裏面の中央位置）には、該位置の温度を実測するための熱電対の挿入孔を形成した。

そして、上記の焼入れ用試料を複数個準備して、これらの試料に様々な冷却条件による焼入れを実施した。まず、試料を真空加熱炉に装入した。次に、途中、６００℃および８００℃での予熱過程を経て、試料を１０２５℃の焼入れ温度にまで加熱した。そして、前記焼入れ温度で保持した後の前記複数個の試料のそれぞれに、後述（表１）の冷却条件１〜４による焼入れを実施した。また、このとき、前記焼入れの実施で得た実測データ（温度、冷却速度）を用いて、冷却条件１〜４のそれぞれにおける冷却媒体と試料表面との間の熱伝達係数も求めた（表１）。なお、本実施例では、試料の位置Ｃ（芯部）の温度が２００℃に達した時点で焼入れを終了した。そして、前記焼入れを終了した試料を焼戻しのための加熱炉に移動させて、５９０℃で焼戻しを行い、前記焼戻し後の試料表面に浸透探傷検査（カラーチェック）を行って、試料表面の割れの発生状況を確認した。以下に、冷却条件１〜４の詳細を示す。

（冷却条件１）
試料を真空加熱炉から取り出した後、試料の変形を防止すべく、試料の全体が均一に冷却されるように、試料を回転させながら、試料に衝風冷却を行った。そして、試料の位置Ｃ（芯部）が６５０℃に到達した以降は、試料の全体を油冷した。
（冷却条件２）
冷却条件１と同様、試料を真空加熱炉から取り出した後、試料を回転させながら、試料に衝風冷却を行った。そして、試料の位置Ｃが６５０℃に到達した以降も、前記衝風冷却を継続した。
（冷却条件３）
冷却条件１と同様、試料を真空加熱炉から取り出した後、試料を回転させながら、試料に衝風冷却を行った。そして、試料の位置Ｃが６５０℃に到達した以降は、試料の裏面を上にした状態で（つまり、試料の形状面を下にした状態で）、試料の全体を油槽に浸漬して油冷した。そして、試料裏面の位置Ｓの温度がＭｓ点（２８５℃）に達したときに、前記裏面のみが油槽から露出するように試料を油槽から引き上げ、冷却を続けた。
（冷却条件４）
真空加熱炉が有するガス冷却機能を使用して、炉内（冷却室内）の上下から、試料の形状面（溝面）および裏面に向けて、１分間隔で交互に窒素ガスを導入させつつ、冷却室内を４００ｋＰａまで加圧して、試料の全体を冷却した。そして、試料の位置Ｃの温度（Ｔｃ）が６５０℃に到達した以降は、冷却室内をさらに６００ｋＰａまで加圧しながらも、試料の裏面に向けての窒素ガスの導入は中止して、試料の形状面に向けての窒素ガスの導入のみを維持して、試料を冷却した。

そして、前記冷却条件１〜４による実際の焼入れを実施した一方で、同条件による焼入れ冷却を想定したときのＣＡＥ解析も実施した。具体的には、冷却中における試料全体の温度分布およびマルテンサイト変態分率の分布を解析した。マルテンサイト変態分率とは、マルテンサイト変態の進行度を、例えば０から１（または、０％から１００％）の間の値で示すものである。そして、マルテンサイト変態分率の計算には、一般的に使用されているＫｏｉｓｔｉｎｅｎ−Ｍａｒｂｕｒｇｅｒ則の式（１−ｅｘｐ｛−α（Ｍｓ−Ｔ）｝；ここで、α＝０．０２、Ｍｓ＝２８５）を用いた。また、金型の靱性に影響を及ぼす因子として、試料内部の最も温度の高い領域Ｂがマルテンサイト変態点の直上付近（３３５℃から２８５℃までの間）を通過するときの前記領域Ｂにおける冷却速度を求めた。そして、前段で求めた熱伝達係数を使用して、試料の形状面に形成された前記溝底のコーナー部に生じている最大主応力も算出した。

＜実験結果＞
前記冷却条件１〜４による実際の焼入れを経て、焼戻しされた後の試料について、その形状面の前記溝底のコーナー部に認められる割れの発生有無を、表２に示す。また、表２には、試料内部の最も温度の高い領域ＢがＭｓ点の直上付近（３３５℃から２８５℃までの間）を通過するときの前記領域Ｂにおける冷却速度、および、試料の形状面に割れが発生するタイミングである前記領域ＢがＭｓ点に達したときの、前記溝底のコーナー部に働いている最大主応力（引張応力である）の値も示す。

（冷却条件１について）
冷却条件１は、従来の焼入方法に相当する。図１は、冷却開始からの冷却時間の経過に対する試料の位置Ｃ（芯部）および位置Ｓ（裏面中央）の実測温度の変化を示すグラフ図である。また、図１には、前記ＣＡＥ解析で得た形状面のコーナー部に生じている最大主応力の変化も示す。そして、図２は、前記ＣＡＥ解析で得た冷却中における試料全体の温度分布およびマルテンサイト変態分率の分布を示すマッピング図である。ただし、正確に言えば、図２で示しているのは、試料の全体の一部である。これは、図７の試料の全体を、その２つの対称面で縦に４分割したうちの一つのモデルであり、試料の一部を対称的に示したモデルである。そして、図２の投影状態において、一番手前に位置する縦方向の一辺が、試料の中心軸である。

図２の詳細を説明する。まず、図２（ａ）は、試料裏面の最も温度の高い領域Ａの温度がＭｓ点（２８５℃）に到達したときの、試料全体の温度分布である。次に、図２（ｂ）は、図２（ａ）から冷却が進んで、前記領域Ａの温度がＭｓ点−７０℃（２１５℃）に到達したときの、試料全体の温度分布である。図２（ａ）および（ｂ）は、本来、カラーでマッピングされているものを白黒で示したものである。この場合、各領域における温度は図中の温度ゲージに従うが、概ね色が薄くなる程、温度が高い。そして、図２（ａ）から（ｂ）に至るまでの冷却時間で、つまり、前記領域Ａの温度がＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過する間で、試料内部の最も温度の高い領域Ｂの位置と試料裏面の前記領域Ａとの距離は約１１０ｍｍに保たれていた（すなわち、前記領域Ｂと試料形状面の前記溝底との距離は約９０ｍｍであった）。

そして、図２（ｃ）は、試料内部の前記領域ＢがＭｓ点に到達したときの、試料全体のマルテンサイト変態分率の分布である。図２（ｃ）は、本来、カラーでマッピングされているものを白黒で示したものである。この場合、各領域におけるマルテンサイトの変態分率は図中の変態分率ゲージに従うが、概ね色が薄くなる程、マルテンサイト変態分率が高く、マルテンサイト変態が進行している状態を指す。図２（ｃ）によれば、このときの前記領域Ｂの温度（Ｍｓ点）と試料裏面の領域Ａとの温度差は７７℃であり、先にマルテンサイト変態を開始していた前記領域Ａは、領域Ｂの温度がＭｓ点に到達したときにおいても、マルテンサイト変態が進行中である結果を得た。

図１、２のＣＡＥ解析の結果を用いて、表１、２の結果を評価する。まず、焼入れ冷却が開始されると、試料の表面は内部より速く降温して、２８５℃のＭｓ点に到達し、試料の形状面や裏面が先にマルテンサイト変態を開始する。そして、このときの内部との温度差、つまり、マルテンサイト変態の進行差によって生じる試料形状面のコーナー部の応力は、コーナー部自身の変態塑性の効果によってさほど大きくならず（圧縮応力である）、この時点でコーナー部に割れが生じることはない。しかし、冷却条件１による従来の焼入方法の場合、この試料裏面の領域ＡがＭｓ点に到達した時点で、未だマルテンサイト変態を開始していない試料内部の領域Ｂと試料形状面の前記コーナー部との距離が近く（つまり、前記領域Ｂが試料の裏面側に移行しておらず）、かつ、これ以降も該距離が近いことから、前記領域Ｂが遅れてマルテンサイト変態を開始したときも、領域Ｂと前記コーナー部との距離が近いままである。その結果、領域Ｂがマルテンサイト変態を開始したときの前記コーナー部に働く応力（引張応力である）は、ＣＡＥ解析による最大主応力で９８５ＭＰａにも達して、焼戻し後の前記コーナー部の１ｍｍＲ側に割れが発生した。

（冷却条件２について）
冷却条件２も、従来の焼入方法に相当する。図３は、冷却開始からの冷却時間の経過に対する試料の位置Ｃおよび位置Ｓの実測温度の変化を示すグラフ図である。図３には、前記ＣＡＥ解析で得た形状面のコーナー部に生じている最大主応力の変化も示している。そして、図４は、前記ＣＡＥ解析で得た冷却中における試料全体の温度分布およびマルテンサイト変態分率の分布を示すマッピング図である。なお、図４の詳細は、前出の図２と同様である。図４（ａ）は、試料裏面の領域Ａの温度がＭｓ点（２８５℃）に到達したときの、試料全体の温度分布である。図４（ｂ）は、前記領域Ａの温度がＭｓ点−７０℃（２１５℃）に到達したときの、試料全体の温度分布である。そして、図４（ａ）から（ｂ）に至るまでの冷却時間で、試料内部の最も温度の高い領域Ｂの位置と前記領域Ａとの距離は、冷却条件１と同様、約１１０ｍｍであった（すなわち、前記領域Ｂと形状面の溝底との距離は約９０ｍｍであった）。図４（ｃ）は、試料内部の前記領域ＢがＭｓ点に到達したときの、試料全体のマルテンサイト変態分率の分布である。これによれば、このときの領域Ｂの温度（Ｍｓ点）と試料裏面の領域Ａとの温度差は４４℃であり、前記領域Ａを含む試料裏面の広範囲で、未だマルテンサイト変態が進行中である結果を得た。

図３、４のＣＡＥ解析の結果を用いて、表１、２の結果を評価する。冷却条件２による焼入方法では、冷却の最初から最後まで、試料の全体が均一に冷却されるように、冷却速度の遅い、つまり、熱伝達係数が低い衝風冷却を行った。よって、試料の全体に亘って、温度差が小さい。したがって、試料裏面の領域ＡがＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過する全部の間で、試料内部の領域Ｂと試料形状面のコーナー部との距離が近く、前記領域Ｂが試料の裏面側に移行していなくても、前記領域Ｂがマルテンサイト変態を開始したときの前記コーナー部に働く引張応力は８１７ＭＰａであり、冷却条件１による値よりも小さかった。そして、この結果、焼戻し後の前記コーナー部に割れは確認されなかった。しかし、従来の冷却条件２による焼入方法では、金型の靱性に影響を与える冷却速度が遅くなった。

（冷却条件３について）
冷却条件３は、本発明の焼入方法である。図５は、図１、３と同様、冷却開始からの冷却時間の経過に対する試料の位置Ｃおよび位置Ｓの実測温度の変化と、形状面のコーナー部に生じている最大主応力の変化を示すグラフ図である。図５において、位置Ｃの曲線と位置Ｓの曲線は、ほぼ重なっている。そして、図６は、図２、４と同様、冷却中における試料全体の温度分布およびマルテンサイト変態分率の分布を示すマッピング図である。図６（ａ）および（ｂ）より、試料裏面の領域Ａの温度がＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過する間で、試料内部の最も温度の高い領域Ｂの位置と前記領域Ａとの距離は約４０ｍｍに保たれていた（すなわち、前記領域Ｂと形状面の溝底との距離は約１６０ｍｍであった）。そして、図６（ｃ）より、領域Ｂの温度がＭｓ点に到達したときは、前記領域Ｂの温度（Ｍｓ点）と領域Ａとの温度差は殆どなく、試料裏面の領域Ａと試料内部の領域Ｂとが、ほぼ同時にマルテンサイト変態を開始している結果を得た。

図５、６のＣＡＥ解析の結果を用いて、表１、２の結果を評価する。冷却条件３による焼入方法では、試料裏面の領域ＡがＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過するときの全部で、試料の形状面における熱伝達係数が、試料の裏面における熱伝達係数よりも大きくなるように冷却した。この結果、領域Ａが前記温度範囲を通過する間で、試料内部の領域Ｂと試料形状面のコーナー部との距離は、従来の冷却条件１、２による焼入方法のときよりも離れて、前記領域Ｂの位置が試料の裏面側に移行していた。そして、前記領域Ｂが遅れてマルテンサイト変態を開始したときにも、領域Ｂの試料裏面側への前記移行は保たれていた。そして、形状面および試料裏面における前記熱伝達係数の差が大きかったことに起因して、その移行の程度は、さらに進んで、領域Ａと領域Ｂとが試料裏面の同じ位置になっていた。そして、そのときの前記コーナー部に働いている引張応力は、最大主応力で７３３ＭＰａにまで低減されていて、焼戻し後の前記コーナー部に割れは生じていなかった。また、領域ＢにおけるＭｓ点の直上付近を通過するときの冷却速度も３．０℃／分を超えており、冷却条件２の衝風冷却のときより速かった。

（冷却条件４について）
冷却条件４は、本発明の焼入方法である。冷却条件４による焼入方法では、試料裏面の領域ＡがＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過するときの全部の間で、試料の形状面における熱伝達係数が、試料裏面における熱伝達係数よりも大きくなるように冷却した。そして、冷却条件４においては、前記図１〜６のようなグラフ図やマッピング図を示さないが、領域Ａが前記温度範囲を通過する間で、試料内部の領域Ｂと試料形状面のコーナー部との距離が離れていて、前記領域Ｂの位置が試料の裏面側に移行していたことを確認済みである。その移行の程度は、前記領域Ｂの位置と前記領域Ａとの距離が約５０ｍｍであった（すなわち、前記領域Ｂと形状面の溝底との距離は約１５０ｍｍであった）。そして、領域Ｂが遅れてマルテンサイト変態を開始したときも、領域Ｂの前記移行は保たれていて、かつ、このときの前記コーナー部に働いている引張応力は、最大主応力で７２０ＭＰａにまで低減されていた。そして、焼戻し後の前記コーナー部に割れは生じていなかった。また、領域ＢにおけるＭｓ点の直上付近を通過するときの冷却速度も３．０℃／分を大きく超えており、冷却条件２の衝風冷却のときより速かった。

Claims (4)

1. オーステナイト域の焼入れ温度に加熱した金型を冷却して、金型の組織をマルテンサイト変態させる金型の焼入方法において、
   前記冷却では、金型の製品形状面の反対面である金型裏面の最も温度の高い領域Ａの温度が少なくともマルテンサイト変態点から前記マルテンサイト変態点−７０℃までの温度範囲を通過するときに、前記温度範囲の一部または全部で、金型内部の最も温度の高い領域Ｂが前記金型裏面側に移行しているように冷却することを特徴とする金型の焼入方法。
2. オーステナイト域の焼入れ温度に加熱した金型を冷却して、金型の組織をマルテンサイト変態させる金型の焼入方法において、
   前記冷却では、金型の製品形状面の反対面である金型裏面の最も温度の高い領域Ａの温度が少なくともマルテンサイト変態点から前記マルテンサイト変態点−７０℃までの温度範囲を通過するときに、前記温度範囲の一部または全部で、前記製品形状面を冷却するのに用いられる冷却媒体と該製品形状面との間の熱伝達係数が、前記金型裏面を冷却するのに用いられる冷却媒体と該金型裏面との間の熱伝達係数より大きくなるように冷却することを特徴とする金型の焼入方法。
3. 金型内部の最も温度の高い領域Ｂの温度がマルテンサイト変態点＋５０℃から前記マルテンサイト変態点までの温度範囲を通過するときに、前記領域Ｂを３．０℃／分を超える冷却速度で冷却することを特徴とする請求項１または２に記載の金型の焼入方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかの記載の金型の焼入方法によって焼入れされた金型を、焼戻しすることを特徴とする金型の製造方法。