JP3911750B2

JP3911750B2 - 熱間加工用ダイスの製造方法

Info

Publication number: JP3911750B2
Application number: JP01059697A
Authority: JP
Inventors: 武博大木; 民樹柳沢; 清英林; 坂一石川
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1997-01-23
Filing date: 1997-01-23
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2017-01-23
Also published as: JPH10202331A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は熱間ダイス鋼とよばれる鋼を材料として、種々の金属の熱間加工用ダイスを製造する方法の改良に関する。本発明はまた、そのような方法で熱間加工用ダイスに加工するに適した鋼合金にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえばアルミニウム合金のダイカストや熱間押出し、鋼の熱間プレスなどに使用する熱間加工用ダイスは、ＳＫＤ６１鋼を代表とする熱間ダイス鋼を材料とし、型彫り−熱処理−切削・研削・研磨の諸工程を経て製造されている。
【０００３】
熱処理は、最適には１０００〜１０５０℃に２０分間〜１時間加熱したダイス素材を空冷することによって行なうのがふつうである。空冷に代えて油冷を行ない冷却速度を高くした方が、強靭なダイスが得られ、型寿命が長くて好ましいが、一方で冷却により生じる歪みの量が大きくなり、また、ワレを生じるという悩みがある。歪みが大きくなれば、所定の寸法の製品ダイスを得るためには多量の切削・研削を行なわなければならず、製作コストが高くなって長寿命の利益が帳消しになるから、実際上、油冷はあまり行なわれていない。歪みを見込んだ型彫りを行なうことが試みられているが、所望の結果を得るには困難がある。通常の油冷より冷却速度を下げる手段として、たとえば２００℃に加熱した油を用いることがあり、それ自体はある程度有効といえるが、折衷的な対策でしかない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、冷却の中途で冷却媒体を変更するという手法を利用して、冷却効果を高く得るとともに、冷却材中での冷却により生じた歪みを続く空冷時にできるだけ除去して、高靱性と低歪みとを両立させること、それによって長寿命の熱間加工用ダイスを低コストで提供できるようにすることにある。この目的に適した鋼合金を提供することもまた、本発明の目的に含まれる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱間加工用ダイスの製造方法は、熱間加工用のダイスを製造する方法において、下記の諸工程を順次実施することを特徴とする。
Ａ）熱間ダイス鋼をダイス形状に加工してダイス素材を得ること、
Ｂ）得られたダイス素材を焼入れ温度に加熱したのち、冷却材中に投入して冷却することにより焼入れすること、
Ｃ）焼入れされたダイス素材を、マルテンサイト変態点に到達する以前に冷却材から引き揚げること、および
Ｄ）引き揚げたダイス素材を、冷却時に生じた歪みが矯正される条件下に置いて常温まで冷却すること。
この過程を図示すれば、図１に示すとおりである。
【０００６】
冷却材としては、空冷より速い冷却速度が得られるもの、たとえばソルト、鉛、油、ソルブル等の液体が好ましい。冷却材をＭｓ点以下の温度に加熱しておくことにより、冷却能力を調整することもできる。
【０００７】
冷却により生じた歪みは、代表的なダイカスト用金型に例をとると、鋼ブロックに型彫りを行なって図２Ａにみるような断面形状のダイス素材（１Ａ）を製造した場合、このダイス素材は加熱−冷却により、若干誇張して示せば図２Ｂにみるような反りを生じたもの（１Ｂ）となる。この反りを図２Ｃに示すような断面形状のもの(１Ｃ)に戻すことが矯正である。このような歪みを矯正するための条件は、種々の方法により実現することができる。最も直接的なものは、空冷中のダイス素材に機械的応力を与えることであって、図３に示すように、上面板(２)とテーブル(３)を有するプレスにはさんだ状態で空冷すれば、矯正の目的を達することができる。
【０００８】
別の手法は、機械的応力に代えて熱的応力を与えることであって、たとえば図４に示すように、冷し金(４)を歪んだ素材(１Ｂ)に当てて、伸びた側を早く冷却する。上記プレス作業のテーブル(３)に、冷し金としてのはたらきを期待することもできる。冷し金の使用と同様の効果は、図５に示すように、反対側に保温材(５)たとえば「カオウール」製のマットを当てることによっても得られる。両者を併用すればさらに効果的であることは、いうまでもない。
【０００９】
温度条件について説明すれば、材料とする鋼合金はＭｓ点が３００℃以上のものが、冷却時の割れが少なくて好ましい。一般にＭｓ点が低いほど、マルテンサイト変態時の膨脹の度合が大きく、それが割れの原因となるからである。在来のＳＫＤ６１のＭｓ点は、２８０〜３００℃の範囲にある。また、ベイナイト開始時間Ｂｓすなわち冷却開始からベイナイト発生がはじまるまでの時間が長いほど、ベイナイトの生成を避けて空冷を実施することができ、好ましい。在来の熱間ダイス鋼のＢｓ時間は、６０分程度である。焼入れのための加熱温度は、ＳＫＤ６１鋼に常用されている１０００〜１０５０℃、代表的にはその中央の１０３０℃が好適である。冷却材中に投入したのち空冷に移行するのは、冷却されつつあるダイス素材の表面温度がマルテンサイト変態点＋２００℃を下回った直後、マルテンサイト変態点−１００℃に至らないうちが適切である。上記の範囲より高い温度で冷却材から引き揚げてしまうと、焼きが不十分で強いダイスが得られないし、上記の範囲を大きく下回る温度まで冷却してしまうと、冷却歪みが大きくなり矯正が困難になる上、割れの危険も生じる。冷却材中のダイス素材の表面温度の測定は、接触温度計を用いれば比較的容易に、かつ精度よく行なえる。
【００１０】
本発明により熱間加工用ダイスにする材料として適切な鋼は、下記の合金組成を有する。すなわち、重量％で、Ｃ：０.２５〜０.５０％、Ｓｉ：０．１０％以下、好ましくは０．０５％以下、Ｍｎ：０．５〜１．０％、好ましくは０．５〜０．７％、Ｃｒ：５.０〜６.０％、好ましくは５.４〜５.７％、Ｍｏ：２．５〜３．５％、好ましくは２.９〜３.１％、およびＶ：０.８〜１.２％を含有し、Ｐ：０.０１０％以下、Ｓ：０.０２０％以下、Ｏ：０．０２０％以下、かつＮ：０．０２０％以下であって、残部が実質上Ｆｅからなる。
【００１１】
この鋼のＭｓ点は前記のように約３１０℃であり、またＢｓ時間は約１３０分間ある。
【００１２】
上記の鋼は、ベイナイト開始時間を短縮しない限度で、さらに、Ｃｕ，ＮｉおよびＷの１種または２種以上を、それぞれ２．０％以下、含有してもよい。
【００１３】
【発明の実施態様】
本発明の代表的な実施条件は、つぎのとおりである：
ａ）マルテンサイト変態点が３００℃以上である熱間ダイス鋼を材料として使用すること、
ｂ）得られたダイス素材を１０００〜１０５０℃に加熱したのち、冷却材中に投入すること、および
ｃ）ダイス素材の表面温度がマルテンサイト変態点＋２００℃を通過した直後であって、マルテンサイト変態点−１００℃に至らないうちに冷却材から引き揚げること。
型彫りされた素材は、代表的には１０３０℃である加熱温度から冷却材中に投入され、比較的速い冷却速度で冷却されることによって焼きが入り、適度な硬さと靭性をそなえる。マルテンサイト変態点＋２００℃から−１００℃の範囲で冷却材から引き揚げられ、空冷に移され、以後の冷却を比較的ゆっくりと行なうから、焼き割れが生じる心配はない。空冷の間、冷却歪みに対抗して機械的または熱的な応力が加えられる結果、常温に冷却するころには、歪みがほとんど矯正されている。
【００１４】
前記の鋼において、合金組成の選択理由はつぎのとおりである。
【００１５】
Ｃ：０．２５〜０．５０％、好ましくは０．３２〜０．４２％
ダイスに適度な硬さと靱性をもたせるため、中炭素領域でもとくに上記の含有量をえらぶ。
【００１６】
Ｓｉ：０．１０％以下、好ましくは０．０５％以下
常用のＳＫＤ６１鋼の規格に定められた量はＳｉ：２．０％以下であるが、本発明においては、ソーキングによる一次炭化物の固溶を容易にし、均一な組織を得るという観点から、Ｓｉ量を低く抑えた。
【００１７】
Ｍｎ：０．５〜１．０％、好ましくは０．５〜０．７％
Ｃｒ：２．５〜６．０％、好ましくは５．４〜５．７％
Ｍｏ：２．５〜３．５％、好ましくは２．９〜３．１％
これらは、焼入れ性を高めてダイスに要求される強靱性を確保するとともに、Ｍｓ点を高め、ベイナイトノーズを長時間側に置く上で有用であって、それぞれ上記下限値以上の量添加する。上限値を超えて添加しても効果が飽和するし、コスト高を招く。
【００１８】
Ｖ：０．８〜１．２％
焼戻し抵抗を高め、熱間で使用されるダイスの使用中の硬度低下を防ぐ。
【００１９】
Ｐ：０．０１０％以下
Ｓ：０．０２０％以下
Ｏ：０．０２０％以下
Ｎ：０．０２０％以下
これらの不純物は、極力その量を低減したい。Ｐは偏析を防ぐ上で上記の限界を設けた。ＳおよびＯは、地疵の発生を防ぐとともに型彫り時の切削性を良好にする上で、上記の限度内におさまるようにする。Ｎは窒化物を形成してダイス性能を損なうので、やはり上記の限界を超えてはならない。
【００２０】
任意添加元素であるＣｕ，Ｎｉ，Ｗ（いずれも２．０％以下）は、それぞれ耐候性（Ｃｕ）や焼入性（Ｎｉ，Ｗ）、硬さ（Ｗ）の向上を意図して、所望により適量添加する。多量に加えると、ベイナイトノーズを短時間側に移動させて好ましくない。
【００２１】
【実施例１】
下記の合金組成の熱間ダイス鋼（Ｍｓ点３１０℃、Ｂｓ時間約１３０分）を溶製し、鋳造後、鍛造した：

重量％、ただしＰ，Ｓ，Ｏ，Ｎはppm 。残部Ｆｅ。
【００２２】
鍛造して得た鋼材から機械加工によりブロックを切り出し、放電加工によりアルミダイカスト用金型素材に型彫りした。この金型素材は、重量約２００kgあった。これを１０３０℃に１時間加熱してから、２００℃のソルト中に投入した。
【００２３】
表面温度が４５０℃を下回ったところで直ちにソルトから引き上げ、図４に示すように冷し金を当て、かつ図３に示すようにプレスで挟んだまま放置して常温まで冷却した。ソルト冷中の平均冷却速度は、約１２０℃/minであり、空冷中（１５０℃に至るまで）は約３℃/minである。
【００２４】
得られた金型素材は、キャビティ形状がほとんど目的とする寸法に一致していたので、表面を軽く研摩するだけで使用に供することができた。
【００２５】
【実施例２】
実施例１で製造した熱間ダイス鋼の鍛造材から、１４０〜６５０mmの範囲の種々の対角寸法をもつブロックを切り出し、ダイス形状に加工した。それらのダイス素材の一部は実施例と同じ条件、すなわち１０３０℃×１時間→２００℃ソルト投入→空冷の条件で冷却し、(実施例）一部は単に空冷した（比較例)。
【００２６】
各ダイス素材の歪み量（反りの高さ）を対角寸法と関連させて示すと、図６のとおりである。このデータから、本発明に従ってソルト冷却→空冷を行なっても、歪み量は単なる空冷と同等であるかまたはそれより小さくすることができ、急冷による高靱性・高硬度と小さい歪みとを両立させ得ることがわかる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明により、高靱性・高硬度で長寿命の熱間加工用ダイスが、製造時の割れの心配なく、かつコストを高めることなく製造可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱間加工用ダイスの製造方法の工程を示す概念的な図。
【図２】本発明の製造方法において、冷却歪みの矯正の原理を説明するダイス素材の断面図。Ａは素材に型彫り加工をした段階を示し、Ｂは冷却歪みが生じた段階を示し、Ｃは歪みが矯正された段階を示す。
【図３】冷却歪みを矯正する手段のひとつの例として、プレスを使用した場合を示す図。
【図４】冷却歪みを矯正する手段の別の例として、冷し金を使用した場合を示す図。
【図５】冷却歪みを矯正する手段のさらに別の例として、保温材を使用した場合を示す図。
【図６】本発明の実施例のデータであって、種々の対角寸法をもつダイス素材をソルト冷却後空冷したときの歪み量を、単なる空冷の場合と比較して示したグラフ。
【符号の説明】
１Ａ型彫りした素材（焼入れ前）
１Ｂ歪んだ素材（焼入れ後）
１Ｃ矯正された素材（同）
２（プレスの）上面板
３（プレスの）テーブル
４冷し金
５保温材

Claims

熱間加工用のダイスを製造する方法において、下記の諸工程を順次実施することを特徴とする製造方法：
Ａ）熱間ダイス鋼をダイス形状に加工してダイス素材を得ること、
Ｂ）得られたダイス素材を焼入れ温度に加熱したのち、冷却材中に投入して冷却することにより焼入れすること、
Ｃ）焼入れされたダイス素材を、マルテンサイト変態点に到達する以前に冷却材から引き揚げること、および
Ｄ）引き揚げたダイス素材を、冷却時に生じた歪みが矯正される条件下に置いて常温まで冷却すること。
冷却により生じた歪みが矯正される条件を、ダイス素材に対して機械的応力を加えることにより実現しつつＤ工程を実施する請求項１の製造方法。
冷却により生じた歪みが矯正される条件を、局部的冷却、もしくは局部的保温、またはそれらを併用して熱的応力を加えることにより実現しつつＤ工程を実施する請求項１の製造方法。
請求項１ないし３のいずれかに記載の熱間加工用のダイスを製造する方法において、下記の諸条件を特徴とする製造方法：
ａ）マルテンサイト変態点が３００℃以上である熱間ダイス鋼を材料として使用すること、
ｂ）得られたダイス素材を１０００〜１０５０℃に加熱したのち、冷却材中に投入すること、および
ｃ）ダイス素材の表面温度がマルテンサイト変態点＋２００℃を通過した直後であって、マルテンサイト変態点−１００℃に至らないうちに冷却材から引き揚げること。