JP2914133B2 - 耐ヒートチェック性および耐塑性流動性に優れた鍛造用金型 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐ヒートチェック性な
らびに耐塑性流動性に優れていることが要求される熱間
あるいは温間鍛造用の金型に利用するのに好適な耐ヒー
トチェック性および耐塑性流動性に優れた鍛造用金型に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、鍛造用金型は、表層部において
耐ヒートチェック性ならびに高温強度に優れていること
が特に要求され、金型全体を硬化させたり、各種炭・窒
化物を形成させることによって表層部のみを更に硬化さ
せたりすることが、諸特性の改善に有効であることがよ
く知られている。そして、そのための手法として、従来
から、焼入れ・焼戻しを行ったり、その後更にガス窒
化，イオン窒化，プラズマ窒化，塩浴窒化あるいは浸硫
窒化などの各種窒化処理を施すことが広く行われてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、金型全
体の焼入れ・焼戻しのみでは、表層部の硬さおよび高温
強度が十分でないため、塑性流動およびそれに起因する
表面割れが発生しやすく、また、摩耗の進行が比較的早
いことなどから、廃却に至る寿命が長くは望めないとい
う問題点があった。

【０００４】一方、金型に焼入れ・焼戻しを施した後更
に各種窒化処理を行った場合においては、表面にＨｖ９
５０〜１１００もの硬い窒化物層が形成されるので、耐
焼付き性，耐摩耗性には優れるものの、鍛造による高温
下での繰り返し衝撃荷重および大きなせん断荷重によっ
て、窒化物層へのクラックの発生ないし窒化物層の剥
離、あるいはこれらに起因する内部へのクラック進展お
よび塑性流動などの現象によって、廃却に至る寿命が十
分とは言えないなどの問題点があった。したがって、こ
れらの問題点を解決することが課題であった。

【０００５】

【発明の目的】本発明は、鍛造用金型における被加工物
との接触部において、上記問題点、すなわち表層部のク
ラックの発生・進展ならびに塑性流動を起こしにくい表
面硬化層を有する鍛造用金型を提供することを目的とし
ている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、鍛造用金型に
おける被加工物との接触部断面において、最表面の窒化
物層厚さを０．００５ｍｍ以下とし、表面から少なくと
も０．２ｍｍまではＨｖ７５０以上の硬さを有しかつ
０．１重量％以上の窒素を含有し、さらに表面から少な
くとも０．７ｍｍまでは母材芯部硬さに比し１０％以上
高い硬さを示す表面硬化層を有する鍛造用金型の構成と
したことを特徴としており、このような鍛造用金型の構
成を前述した従来の課題を解決するための手段としてい
る。

【０００７】このような鍛造用金型の構成を前述した従
来の課題を解決するための手段としている。

【０００８】

【発明の作用】本発明は、鍛造用金型における被加工物
との接触部の断面において、最表面の窒化物層厚さが
０．００５ｍｍ以下であり、最表面から少なくとも０．
２ｍｍまではＨｖ７５０以上の硬さを有しかつ０．１重
量％以上の窒素を含有し、更に最表面から少なくとも
０．７ｍｍまでは母材芯部硬さに比し１０％以上高い硬
さを示す表面硬化層を有するものとしている。

【０００９】ところで、寿命に至った熱・温間鍛造用金
型について、そのヒートクラック，割れおよび摩耗の外
観形状、断面組織、硬さ変化について詳細に調査・検討
した結果、以下のことを見いだした。すなわち、金型の
寿命を向上させるためには、まず、最表面の靭性を向上
させてヒートクラックの発生・進展を軽減する必要があ
り、そのためには、最表面の窒素化合物層厚さを０．０
０５ｍｍ以下にまで減少しあるいは消失させること、さ
らに、最も塑性流動現象の発生しやすい表層部から０．
２ｍｍまでの深さにおいて塑性変形抵抗性を高めるため
にＨｖ７５０以上の硬さを確保した上で高濃度の窒素を
固溶させる必要があり、その窒素量は０．１重量％以上
とすることが必要であることなどが明らかになった。そ
して、上記硬化層を支える下地としては少なくとも表面
から０．７ｍｍまでは確保し、その硬度は母材芯部硬さ
の１０％以上高い硬さを有するものとする必要のあるこ
とが明らかになった。

【００１０】このような表面層を得る処理法としては、
窒化処理を行った後、金型の表面層のみを加熱して、窒
素化合物を熱的に分解させさらに窒素を内部に拡散させ
ることが必要であり、より具体的には、ガス（軟）窒
化，イオン窒化，プラズマ窒化あるいは浸硫窒化などの
各種窒化処理を行った後、高周波による表層部の加熱を
行って焼入れ処理を施すことが代表的であるが、この他
にも、窒化処理を行った後塩浴にて加熱処理する方法も
ある。

【００１１】なお、本発明においては、前記の寿命向上
に有効な硬化層を得ることが主眼であり、その方法につ
いては特に限定しない、そして、本発明による硬化層を
構成することによって、表層部のクラックの発生・進展
ならびに塑性流動を起こしにくい耐ヒートチェック性お
よび耐塑性流動性に優れた鍛造用金型となる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

【００１３】＜実施例１＞試料として、組成が、重量％
で、Ｃ；０．５％、Ｓｉ；０．１％、Ｍｎ；０．５％、
Ｃｒ；４．５％、Ｗ；１．５％、Ｖ；１．０％、Ｃｏ；
１．０％、残部Ｆｅおよび不純物からなる工具鋼を大気
溶解により溶製し、直径５０ｍｍの丸棒に鍛伸した後、
８７０℃にて４時間の焼鈍を行った。引き続き、直径３
７ｍｍ×長さ５０ｍｍに機械加工し、真空炉にて１１４
０℃で３０分間加熱後焼入れを行い、５６０℃で１．５
時間焼戻した後、塩浴にて５６５℃×１０時間浸硫窒化
処理を行った。その後、２００ｋＨｚの高周波による加
熱を行って焼入れした。その際、加熱時間を変えた試験
片を４種と、浸硫窒化処理のみの試験片２種の合計６種
を作製した。

【００１４】以上のようにして作製した各試験片の断面
組織、硬さ、窒素量を測定した結果を表１に示す。

【００１５】

【表１】

【００１６】表１において、試験片Ａ〜Ｄは、浸硫窒化
後に高周波焼入れしたあと、５６０℃×１Ｈｒの焼戻し
をしたものであり、試験片Ｅ，Ｆは、浸硫窒化処理のみ
のものである。

【００１７】表１より明らかなように、試験片Ａ，Ｂ，
Ｃは、いずれも最表面の窒化物層厚さが０．００５ｍｍ
以下、０．２ｍｍ深さ位置での硬さが７５０以上、窒素
濃度０．１重量％以上であり、また、０．７ｍｍ深さ位
置での硬さは芯部硬さに比し１０％以上高いものとなっ
ていて、本発明で限定する表面硬化層を有するものとな
っていた。

【００１８】一方、試験片Ｄ，Ｅは、最表面の窒化物層
厚さが０．００５ｍｍよりも大きく、０．２ｍｍ深さ位
置での窒素濃度が０．１重量％よりも低いものとなって
いる。また、試験片Ｆは、最表面での窒化物層厚さが大
きいが、窒素濃度は０．１重量％以上である。

【００１９】また、これらの試験片の軟化抵抗を調査す
るため、６５０℃×１Ｈｒで焼戻しを行い、表面から
０．２ｍｍ深さ位置での硬さと焼戻し前の窒素濃度との
関係を調査した。その結果、図１に示すように、６５０
℃での焼戻し前の０．２ｍｍ深さ位置での窒素濃度の増
加とともに焼戻し後の硬さが上昇し、試験片Ａ，Ｂ，
Ｃ，Ｆは、試験片Ｄ，Ｅに比べてかなり高い値を示すこ
とが分かった。

【００２０】次に、以上の試験片Ａ〜Ｆについて、ヒー
トチェック性を評価するためにヒートサイクル試験を行
った。このヒートサイクル試験では、ヒーターにて５０
０〜６００℃に加熱したブロックによって試験片を一定
時間加熱し、水噴射によって冷却するサイクルを繰り返
すことによって、試験片の接触面に発生したクラックの
単位面積当たりの総長さを測定した。その結果を図２に
示す。

【００２１】図２より明らかなように、本発明で限定す
る表面硬化層を有する試験片Ａ，Ｂ，Ｃは、最表面の窒
化物層厚さが０．００５ｍｍより大きい試験片Ｄ，Ｅ，
Ｆの場合に比べてクラック総長さが著しく小さいことが
分かった。

【００２２】以上により、本発明で限定する表面硬化層
を有する試験片Ａ，Ｂ，Ｃは、高温焼戻し硬さ、すなわ
ち耐塑性流動性および耐ヒートチェック性にきわめて優
れるものであることが確認できた。

【００２３】＜実施例２＞等速ジョイントのアウターレ
ース温間鍛造用工法押出しパンチ（実施例１の試験片と
同一組成を有するもの）について、焼入れ・焼戻しを行
った後、実施例１での試験片Ｃと全く同一の条件にて浸
硫窒化処理ならびに高周波焼入れ処理を行った。このよ
うにして作製した金型と、比較のため浸硫窒化処理のみ
として作製した金型の２種類を用いて、その廃却に至る
までの寿命の比較テストを行った。

【００２４】鍛造条件 鍛造温度：約７００℃ 被鍛造材：Ｓ５５Ｃ鋼 パンチ形状：直径８４ｍｍ×長さ２５０ｍｍ このテスト結果を表２に示す。

【００２５】

【表２】

【００２６】表２に示した結果より明らかなように、本
発明で限定する表面硬化層を有する本発明処理品は、型
寿命においても従来の浸硫窒化処理品に比べ２０％程度
向上することが確認できた。

【００２７】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明では、
鍛造用金型における被加工物との接触部断面において、
最表面の窒化物層厚さを０．００５ｍｍ以下とし、表面
から少なくとも０．２ｍｍまではＨｖ７５０以上の硬さ
を有しかつ０．１重量％以上の窒素を含有し、さらに表
面から少なくとも０．７ｍｍまでは母材芯部硬さに比し
１０％以上高い硬さを示す表面硬化層を有するものとし
たから、従来の各種窒化処理のみを施したものに比べ
て、耐ヒートクラック性ならびに耐塑性流動性を著しく
向上させることが可能であって、特に耐ヒートチェック
性ならびに耐塑性流動性に優れていることが要求される
熱間あるいは温間鍛造用の金型に適したものであり、こ
の種の金型の寿命向上に多大な貢献をきたすことができ
るものであるという顕著な効果が得られる

【図面の簡単な説明】

【図１】６５０℃での焼戻し後の表面から０．２ｍｍ深
さでの硬さにおよぼす焼戻し前の窒素濃度の影響を示す
グラフである。

【図２】各実施例のヒートチェック試験結果においてヒ
ートサイクル数と単位面積当たりのクラック総長さとの
関係を示すグラフである。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加工物との接触部断面において、最表
   面の窒化物層厚さを０．００５ｍｍ以下とし、表面から
   少なくとも０．２ｍｍまではＨｖ７５０以上の硬さを有
   しかつ０．１重量％以上の窒素を含有し、さらに表面か
   ら少なくとも０．７ｍｍまでは母材芯部硬さに比し１０
   ％以上高い硬さを示す表面硬化層を有することを特徴と
   する鍛造用金型。