JP4230025B2 - 熱間プレス用クラッド金型およびその製造方法 - Google Patents
熱間プレス用クラッド金型およびその製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、型寿命向上を図った熱間プレス用クラッド金型およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱間プレス用金型の寿命を向上させるために、熱間プレス用金型用工具鋼の耐高温軟化抵抗性・耐摩耗性向上などの材質改善がなされている。このような改善により、金型の寿命は１０〜２０％、最大で５０％程度向上しているが、しかしながら熱間プレス用金型に用いられる工具鋼は、非鍛造材（ビレット）との接触により、その表面が６００〜６５０℃の高温に昇温し、加熱軟化による摩耗などの損傷が生じるため、飛躍的な寿命向上は期待できないのが実状である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した金型摩耗を抑制するため、例えば特開平６−２３４４８号公報に示されているように、耐高温軟化抵抗性・耐摩耗性に優れた肉盛材を肉盛溶接した金型が開発されているが、しかし、肉盛溶接は溶接欠陥が生じやすく、また、多層盛をすると溶接割れを生じやすいため、肉盛溶接した金型では必ずしも型寿命を向上させ得るわけではない。
また、特開平５−２６９５３８号公報に示されているように、工具鋼の表面にニッケル基またはコバルト基合金をＨＩＰにより拡散接合し、ニッケル基またはコバルト基合金を型彫面として金型に供するものであり、その実施例に挙げる工具鋼にはＪＩＳ規格のＳＫＴ４、ＳＫＤ６１、ＳＫＤ６２あるいはその改良材を用いると示している。
【０００４】
しかし、ＳＫＤ６１、ＳＫＤ６２ではＣｒ含有量が高いため焼入性が良く、ＨＩＰ処理による徐冷においても４５ＨＲＣ以上の硬さとなり、加工性が悪くＨＩＰ処理のままの状態では使用することが出来ない。実際、この実施例では、焼入焼戻を施しており、再熱処理を要するため経済性に劣る。また、金型全体がニッケル基またはコバルト基合金により構成されているが、この場合、耐摩耗性には優れるが、ニッケル基またはコバルト基合金は靱性が低いため耐衝撃性が低く金型が大割れする危険性があると言う問題がある。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、型彫面材に耐高温軟化抵抗性・耐摩耗性に優れた粉末工具鋼を用いることにより、熱間プレス用金型の耐高温軟化抵抗性・耐摩耗性の向上を図り、金型の寿命向上を図ることのできる熱間プレス用クラッド金型およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明である熱間プレス用クラッド金型およびその製造方法は、
（１）重量％で、Ｃ：０．７〜２．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：３．０〜６．０％、の必須成分と、Ｍｏ：３．０〜１０．０％、およびＷ：１．０〜２０．０％のいずれか一方または双方の第１選択成分と、Ｖ：０．８〜２５．０％、およびＮｂ：０．１〜５．０％のいずれか一方または双方の第２選択成分と、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる粉末工具鋼を金型の型彫面材料とし、同じく重量％で、
Ｃ：０．１〜０．５５％、Ｓｉ：１．２％以下、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｎｉ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：１．０〜４．０％、および、Ｍｏ：０．２〜３．０％、Ｗ：０．４〜６．０％の１種または２種以上（ＭｏとＷは、１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．２〜３．０％）を含有し、さらに、Ｖ：０．０５〜０．７％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる溶製あるいは粉末製熱間工具鋼を金型母材とし、これら型彫面材と母材をクラッド化したことを特徴とする熱間プレス用クラッド金型。
【０００６】
（２）重量％で、Ｃ：０．７〜２．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：３．０〜６．０％、の必須成分と、Ｍｏ：３．０〜１０．０％、およびＷ：１．０〜２０．０％のいずれか一方または双方の第１選択成分と、Ｖ：０．８〜２５．０％、およびＮｂ：０．１〜５．０％のいずれか一方または双方の第２選択成分と、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる粉末工具鋼を金型の型彫面材料とし、同じく重量％で、
Ｃ：０．１〜０．５５％、Ｓｉ：１．２％以下、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｎｉ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：１．０〜４．０％、および、Ｍｏ：０．２〜３．０％、Ｗ：０．４〜６．０％、または２種以上（ＭｏとＷは、１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．２〜３．０％）を含有し、さらに、Ｖ：０．０５〜０．７％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％の１種または２種以上と、Ｃｏ：０．２〜３．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる溶製あるいは粉末製熱間工具鋼を金型母材とし、これを型彫面材と母材をクラッド化したことを特徴とする熱間プレス用クラッド金型。
【０００７】
（３）重量％で、Ｃ：０．７〜２．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：３．０〜６．０％、の必須成分と、Ｍｏ：３．０〜１０．０％、およびＷ：１．０〜２０．０％のいずれか一方または双方の第１選択成分と、Ｖ：０．８〜２５．０％、およびＮｂ：０．１〜５．０％のいずれか一方または双方の第２選択成分と、Ｃｏ：４．０〜１２．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる粉末工具鋼を金型の型彫面材料とし、同じく重量％で、
Ｃ：０．１〜０．５５％、Ｓｉ：１．２％以下、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｎｉ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：１．０〜４．０％、および、Ｍｏ：０．２〜３．０％、Ｗ：０．４〜６．０％の１種または２種以上（ＭｏとＷは、１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．２〜３．０％）を含有し、さらに、Ｖ：０．０５〜０．７％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる溶製あるいは粉末製熱間工具鋼を金型母材とし、これを型彫面材と母材をクラッド化したことを特徴とする熱間プレス用クラッド金型。
【０００８】
（４）重量％で、Ｃ：０．７〜２．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：３．０〜６．０％、の必須成分と、Ｍｏ：３．０〜１０．０％、およびＷ：１．０〜２０．０％のいずれか一方または双方の第１選択成分と、Ｖ：０．８〜２５．０％、およびＮｂ：０．１〜５．０％のいずれか一方または双方の第２選択成分と、Ｃｏ：４．０〜１２．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる粉末工具鋼を金型の型彫面材料とし、同じく重量％で、
Ｃ：０．１〜０．５５％、Ｓｉ：１．２％以下、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｎｉ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：１．０〜４．０％、および、Ｍｏ：０．２〜３．０％、Ｗ：０．４〜６．０％の１種または２種以上（ＭｏとＷは、１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．２〜３．０％）を含有し、さらに、Ｖ：０．０５〜０．７％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％の１種または２種以上と、Ｃｏ：０．２〜３．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる溶製あるいは粉末製熱間工具鋼を金型母材とし、これを型彫面材と母材をクラッド化したことを特徴とする熱間プレス用クラッド金型。
【０００９】
（５）（１）〜（４）に記載の型彫面材と母材をクラッドする際、これら型彫面材と母材をＨＩＰ（熱間静水圧圧縮）によりクラッド化し、ＨＩＰ処理したままの状態で使用することを特徴とする熱間プレス用クラッド金型の製造方法。
（６）（１）〜（５）に記載の型彫面材と母材をクラッドする際、型彫面材は金型の表面部分、すなわち摩耗による損傷が激しい部位に相当する部分とし、それよりも内部、すなわち金型の凹部は母材部分となるように型彫面材料の厚さを設計することを特徴とする熱間プレス用クラッド金型の製造方法にある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明における型彫面材の各種成分の限定理由について説明する。
Ｃ：０．７〜２．５％
Ｃは、耐摩耗性に寄与するＣｒ，Ｖ，Ｍｏ，ＷおよびＮｂの炭化物形成に不可欠であり、マトリックスに固溶し十分な硬さを与えるため少なくとも０．７％の添加が必要であるが、２．５％を超えるとＨＩＰ後の硬さが高くなりすぎて加工性が劣化するため、ＨＩＰ処理のままの状態での使用が不可能になる。よって、Ｃの成分範囲は０．７〜２．５％とした。
Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは、主に脱酸剤として添加されるが、２．０％を超えて添加すると靱性の劣化を起こす。よって、Ｓｉの成分範囲は２．０％以下とした。
【００１１】
Ｍｎ：１．５％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸剤として添加されるが、１．５％を超えて添加すると靱性が低下する。よって、Ｍｎの成分範囲は１．５％以下とした。
Ｃｒ：３．０〜６．０％
Ｃｒは、十分な耐摩耗性を得るために最低限３．０％が必要であるが、Ｃｒ炭化物は凝集粗大化しやすいため、６．０％を超えて添加することは好ましくない。よって、Ｃｒの成分範囲は３．０〜６．０％とした。
【００１２】
Ｖ：０．８〜２５．０％
Ｖは、固溶しにくい安定なＭＣ型の炭化物を形成し、結晶粒を微細化させ靱性の向上に役立つとともに、耐摩耗性を著しく向上させる。０．８％未満では、耐摩耗性の向上効果が小さく、２５％を超えると巨大共晶炭化物を形成し靱性を劣化させる。よって、Ｖの成分範囲は０．８〜２５．０％とした。
【００１３】
Ｍｏ：３．０〜１０．０％、Ｗ：１．０〜２０．０％
ＭｏとＷは、ともに微細な炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させるが、この効果はＭｏの方が大きくＷの約２倍の影響力をもつ。Ｍｏは耐摩耗性とともに焼入性も高く、これらの効果を得るには少なくとも３．０％は必要であるが、１０．０％を超えると炭化物が粗大化する。また、Ｗは耐摩耗性を向上させるために少なくとも１．０％が必要であるが、Ｍｏより炭化物が粗大化しにくいため、上限値をＭｏの２倍に設定した。
【００１４】
Ｃｏ：４．０〜１２．０％
Ｃｏは、耐熱性を向上させるため目的に応じて添加する。Ｃｏはマトリックス中に固溶し、炭化物の凝集粗大化を抑制し焼戻時の軟化抵抗を大きくする。この効果を得るためには、少なくとも４．０％が必要であるが、１２．０％を超えて添加してもその効果は高まらない。よって、Ｃｏの成分範囲は４．０〜１２．０％とした。
Ｎｂ：０．１〜５．０％
Ｎｂは、靱性を向上させるために添加される。Ｎｂは安定な炭化物を形成し、結晶粒の粗大化を阻止するが、０．１％未満ではその効果が現れず、５．０％を超えると焼戻時の軟化抵抗の低下や靱性の劣化をもたらす。よって、Ｎｂの成分範囲は０．１〜５．０％とした。
【００１５】
続いて、本発明における金型母材の各種成分の限定理由を説明する。
Ｃ：０．１〜０．５５％
Ｃは、焼入性、高温硬さの維持に必要な元素であり、また、Ｃｒ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ等と結合し炭化物を形成し、硬さ、結晶粒の微細化効果、耐摩耗性等を得るために必要な元素である。０．１％未満であると金型として最低限の硬さが得られず、また、０．５５％を超えると過度の炭化物の析出をまねき靱性を劣化させ、さらに、ＨＩＰによる高温加熱−徐冷後においてもＨＲＣ４５を超える硬さになり切削等の機械加工が困難になるため、本発明の特徴であるＨＩＰ処理のままの利用が可能となる。よって、Ｃの成分範囲は０．１〜０．５５％とした。
【００１６】
Ｓｉ：１．２％以下
Ｓｉは、マトリックス中に固溶しマトリックス強度を高めるとともに脱酸の効果があるが、１．２％を超えて添加すると靱性が劣化するため、その添加量は１．２％以下とした。
Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｍｎは、焼入性を向上させ金型母材に必要な硬さを得るために必要な元素であるが、０．３％未満であるとその効果は少なく、２．０％を超えるとその効果は飽和するため、Ｍｎは０．３〜２．０％とした。
【００１７】
Ｃｒ：１．０〜４．０％
Ｃｒは、焼入性を向上させるとともにＣと結合して硬い炭化物を形成し耐摩耗性に寄与する元素である。１．０％未満であると上記効果が得られず、４．０％を超えると高温加熱−徐冷後においてもＨＲＣ４５を超える硬さになり、ＨＩＰ処理のままの利用が不可能となる。よって、Ｃｒは１．０〜４．０％とした。
Ｖ：０．０５〜０．７％
Ｖは、固溶しにくい炭化物を形成し、耐摩耗性や耐軟化抵抗性を高める元素である。耐摩耗性向上を得るためには、少なくとも０．０５％が必要であり、０．７％を超えて添加すると靱性が低下するので、Ｖは０．０５〜０．７％とした。
【００１８】
Ｎｉ：０．３〜２．０％
Ｎｉは、マトリックス自体の靱性を高める元素であり、少なくとも０．３％は必要であるが、２．０％を超えて添加すると、その効果は飽和するため、Ｎｉは０．３〜２．０％とした。
Ｃｏ：０．２〜３．０％
Ｃｏは、高温での炭化物凝集粗大化を抑制し、特に耐軟化抵抗製に有効な元素である。これらの効果を得るためには、少なくとも０．２％必要であり、３．０％を超えて添加すると靱性が低下するため、Ｃｏは０．２〜３．０％とした。
【００１９】
Ｍｏ：０．２〜３．０％、Ｗ：０．４〜６．０％の１種または２種（２種の場合、１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．２〜３．０％）
ＭｏおよびＷは、共に微細な炭化物を形成し、耐摩耗性や耐軟化抵抗性を改善する元素である。その効果はＭｏの方がＷよりも２倍強く、同じ効果を得るのにＷはＭｏの２倍必要である。両元素は、あまり多く添加すると靱性や耐ヒートチェック性を劣化させるので、上限をＭｏ当量（１／２Ｗ＋Ｍｏ）で、３％とした。また、上記効果を得るためには少なくともＭｏ当量で０．２％が必要である。よって、Ｍｏ当量（１／２Ｗ＋Ｍｏ）は０．２〜３．０％とした。
【００２０】
以下、本発明における熱間プレス用クラッド金型およびその製造方法を説明する。
図１は本発明の金型の母材となる溶製あるいは粉末製工具鋼と、型彫面材となる耐高温軟化抵抗性・耐摩耗性に優れた粉末工具鋼とをＨＩＰにより拡散接合させるための方法を示す図であり、同図において、３は軟鋼板によるＨＩＰ用の缶である。１は金型の母材を構成する溶製あるいは粉末製工具鋼であり、ＨＩＰ用缶３内に二枚の溶製あるいは粉末製工具鋼１を設置し、その間に粉末工具鋼の粉末材２を充填する。このとき、最終工程で分割したときに、型彫面材が摩耗による損傷が激しくなる部位にのみ相当するように、粉末材２を充填する幅、すなわち、二枚の溶製あるいは粉末製工具鋼１の隙間を設置しておく。充填後、脱気缶４より真空加熱脱気した後、脱気管４を封じ、ＨＩＰにより加熱加圧する。ＨＩＰは、加圧１０００〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ2 、加熱温度１０００〜１２００℃の条件で行い、その後徐冷を行う。ＨＩＰ処理後、粉末材２は充分に緻密化し、且つ溶製あるいは粉末製工具鋼１と拡散接合される。その後、ＨＩＰ用缶３を機械加工によって除去する。
【００２１】
図２はＨＩＰ処理後、ＨＩＰ用缶３を除去した状態を示す。図中の粉末材の中央部分を放電加工により切断を行うことにより、図３に示すような母材を溶製あるいは粉末製工具鋼とし、型彫面側に耐高温軟化抵抗性・耐摩耗性に優れた粉末工具鋼をクラッド化した熱間プレス用金型が二つ製造され、粉末工具鋼２の表面に放電加工や切削加工によって型彫りを行ない鍛造に供する。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の特徴を実施例を挙げて説明する。
表１に供試金型の化学成分を示す。発明金型Ａは本発明における製造方法により、型彫面に粉末工具鋼、母材に熱間工具鋼の溶製材を用いて製造されている。また、比較金型Ｂはクラッド金型ではなく焼入焼戻しした単体の溶製工具鋼ＳＫＤ６１であり、従来熱間プレス金型に用いられている工具鋼である。
表２は発明金型ＡのＨＩＰ処理後における硬さを示したものであるが、同表から本発明金型はＨＩＰままでの硬さが熱間プレス金型として使用するに十分なＨＲＣ３８以上であり、且つ型彫りにおける切削が容易に行うことができるＨＲＣ４５以下を得ている。
【００２３】
【表１】
【００２４】
【表２】
【００２５】
つぎに、図４にＨＩＰまま状態の発明金型Ａの型彫面となる粉末材部分と比較金型Ｂについての高温軟化特性を示す。試験には、それぞれの部位から５ｍｍ×５ｍｍ×２０ｍｍの試験片を採取し、６００℃で各時間保持後空冷したときの硬さを測定して評価したところ、発明金型Ａの型彫面である粉末工具鋼は初期硬さはＳＫＤ６１（比較金型Ｂ）よりも低いが長時間保持しても軟化の度合が小さく、保持時間10時間を越えると比較金型Ｂよりも硬さが高くなり、発明金型Ａは金型表面が６００℃以上に昇温加熱される熱間プレス金型に使用しても、高温軟化による型面のヘタリや摩耗による損傷が、従来金型と比較して抑制されることは明らかである。
【００２６】
また、図５は発明金型Ａの母材および比較金型Ｂ（ＳＫＤ６１）の各部位からＪＩＳ３号シャルピー試験片を採取し、衝撃試験を行った結果であるが、熱間プレス金型は通常使用前に予熱され、予熱された時のおよその内部温度である２００℃において、発明金型Ａの母材工具鋼の靱性は比較金型であるＳＫＤ６１の靱性よりも優れ、金型母材の靱性としては十分な靱性を有している。
【００２７】
このように、本発明における型彫面材に用いる耐高温軟化抵抗性・耐摩耗性に優れた粉末工具鋼は、金型の凹部はＨＩＰによる高温加熱−徐冷後においても十分な靱性をもつ母材部分となるように型彫面材の厚さを設計するため、金型の凹部からの大割れを抑制することが可能であり、さらなる寿命向上が期待できる。このように、従来の方法に比較して、本発明はより安価な粉末工具鋼をＨＩＰ処理ままの状態で使用可能なように成分設計がなされている点で異なり、また、型彫面材の厚さを設計することにより、寿命向上の改善がなされてるものである。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、金型寿命向上と金型作製費用削減の両観点から、非常に経済性に優れた熱間プレス用金型の製造方法を提供することが可能である。また、実施例に掲載した発明金型のように、型彫面、母材ともに材質選定をうまく行うことにより、ＨＩＰ処理後に焼入焼戻等の熱処理を行わずＨＩＰままで使用することが可能な熱間プレス金型を製造することが可能であり、熱処理工程を省くことにより金型製造費用の更なる削減と短納期化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による工具鋼と粉末材を拡散接合する方法の説明図である。
【図２】ＨＩＰ処理後、ＨＩＰ用缶を除去した状態を示す図である。
【図３】金型の母材となる工具鋼と、型彫面材となる粉末工具鋼とをＨＩＰにより拡散接合させた熱間プレス用金型の斜視図である。
【図４】本発明金型Ａの型彫面となる粉末材部分と比較金型Ｂについての高温軟化特性を示す図である。
【図５】本発明金型Ａの母材および比較金型Ｂ（ＳＫＤ６１）のシャルピー衝撃特性を示す図である。
【符号の説明】
１ 溶製あるいは粉末製工具鋼
２ 粉末工具鋼
３ ＨＩＰ用缶
４ 脱気管
【発明の属する技術分野】
本発明は、型寿命向上を図った熱間プレス用クラッド金型およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱間プレス用金型の寿命を向上させるために、熱間プレス用金型用工具鋼の耐高温軟化抵抗性・耐摩耗性向上などの材質改善がなされている。このような改善により、金型の寿命は１０〜２０％、最大で５０％程度向上しているが、しかしながら熱間プレス用金型に用いられる工具鋼は、非鍛造材（ビレット）との接触により、その表面が６００〜６５０℃の高温に昇温し、加熱軟化による摩耗などの損傷が生じるため、飛躍的な寿命向上は期待できないのが実状である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した金型摩耗を抑制するため、例えば特開平６−２３４４８号公報に示されているように、耐高温軟化抵抗性・耐摩耗性に優れた肉盛材を肉盛溶接した金型が開発されているが、しかし、肉盛溶接は溶接欠陥が生じやすく、また、多層盛をすると溶接割れを生じやすいため、肉盛溶接した金型では必ずしも型寿命を向上させ得るわけではない。
また、特開平５−２６９５３８号公報に示されているように、工具鋼の表面にニッケル基またはコバルト基合金をＨＩＰにより拡散接合し、ニッケル基またはコバルト基合金を型彫面として金型に供するものであり、その実施例に挙げる工具鋼にはＪＩＳ規格のＳＫＴ４、ＳＫＤ６１、ＳＫＤ６２あるいはその改良材を用いると示している。
【０００４】
しかし、ＳＫＤ６１、ＳＫＤ６２ではＣｒ含有量が高いため焼入性が良く、ＨＩＰ処理による徐冷においても４５ＨＲＣ以上の硬さとなり、加工性が悪くＨＩＰ処理のままの状態では使用することが出来ない。実際、この実施例では、焼入焼戻を施しており、再熱処理を要するため経済性に劣る。また、金型全体がニッケル基またはコバルト基合金により構成されているが、この場合、耐摩耗性には優れるが、ニッケル基またはコバルト基合金は靱性が低いため耐衝撃性が低く金型が大割れする危険性があると言う問題がある。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、型彫面材に耐高温軟化抵抗性・耐摩耗性に優れた粉末工具鋼を用いることにより、熱間プレス用金型の耐高温軟化抵抗性・耐摩耗性の向上を図り、金型の寿命向上を図ることのできる熱間プレス用クラッド金型およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明である熱間プレス用クラッド金型およびその製造方法は、
（１）重量％で、Ｃ：０．７〜２．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：３．０〜６．０％、の必須成分と、Ｍｏ：３．０〜１０．０％、およびＷ：１．０〜２０．０％のいずれか一方または双方の第１選択成分と、Ｖ：０．８〜２５．０％、およびＮｂ：０．１〜５．０％のいずれか一方または双方の第２選択成分と、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる粉末工具鋼を金型の型彫面材料とし、同じく重量％で、
Ｃ：０．１〜０．５５％、Ｓｉ：１．２％以下、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｎｉ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：１．０〜４．０％、および、Ｍｏ：０．２〜３．０％、Ｗ：０．４〜６．０％の１種または２種以上（ＭｏとＷは、１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．２〜３．０％）を含有し、さらに、Ｖ：０．０５〜０．７％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる溶製あるいは粉末製熱間工具鋼を金型母材とし、これら型彫面材と母材をクラッド化したことを特徴とする熱間プレス用クラッド金型。
【０００６】
（２）重量％で、Ｃ：０．７〜２．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：３．０〜６．０％、の必須成分と、Ｍｏ：３．０〜１０．０％、およびＷ：１．０〜２０．０％のいずれか一方または双方の第１選択成分と、Ｖ：０．８〜２５．０％、およびＮｂ：０．１〜５．０％のいずれか一方または双方の第２選択成分と、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる粉末工具鋼を金型の型彫面材料とし、同じく重量％で、
Ｃ：０．１〜０．５５％、Ｓｉ：１．２％以下、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｎｉ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：１．０〜４．０％、および、Ｍｏ：０．２〜３．０％、Ｗ：０．４〜６．０％、または２種以上（ＭｏとＷは、１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．２〜３．０％）を含有し、さらに、Ｖ：０．０５〜０．７％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％の１種または２種以上と、Ｃｏ：０．２〜３．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる溶製あるいは粉末製熱間工具鋼を金型母材とし、これを型彫面材と母材をクラッド化したことを特徴とする熱間プレス用クラッド金型。
【０００７】
（３）重量％で、Ｃ：０．７〜２．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：３．０〜６．０％、の必須成分と、Ｍｏ：３．０〜１０．０％、およびＷ：１．０〜２０．０％のいずれか一方または双方の第１選択成分と、Ｖ：０．８〜２５．０％、およびＮｂ：０．１〜５．０％のいずれか一方または双方の第２選択成分と、Ｃｏ：４．０〜１２．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる粉末工具鋼を金型の型彫面材料とし、同じく重量％で、
Ｃ：０．１〜０．５５％、Ｓｉ：１．２％以下、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｎｉ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：１．０〜４．０％、および、Ｍｏ：０．２〜３．０％、Ｗ：０．４〜６．０％の１種または２種以上（ＭｏとＷは、１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．２〜３．０％）を含有し、さらに、Ｖ：０．０５〜０．７％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる溶製あるいは粉末製熱間工具鋼を金型母材とし、これを型彫面材と母材をクラッド化したことを特徴とする熱間プレス用クラッド金型。
【０００８】
（４）重量％で、Ｃ：０．７〜２．５％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：３．０〜６．０％、の必須成分と、Ｍｏ：３．０〜１０．０％、およびＷ：１．０〜２０．０％のいずれか一方または双方の第１選択成分と、Ｖ：０．８〜２５．０％、およびＮｂ：０．１〜５．０％のいずれか一方または双方の第２選択成分と、Ｃｏ：４．０〜１２．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる粉末工具鋼を金型の型彫面材料とし、同じく重量％で、
Ｃ：０．１〜０．５５％、Ｓｉ：１．２％以下、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｎｉ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：１．０〜４．０％、および、Ｍｏ：０．２〜３．０％、Ｗ：０．４〜６．０％の１種または２種以上（ＭｏとＷは、１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．２〜３．０％）を含有し、さらに、Ｖ：０．０５〜０．７％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％の１種または２種以上と、Ｃｏ：０．２〜３．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる溶製あるいは粉末製熱間工具鋼を金型母材とし、これを型彫面材と母材をクラッド化したことを特徴とする熱間プレス用クラッド金型。
【０００９】
（５）（１）〜（４）に記載の型彫面材と母材をクラッドする際、これら型彫面材と母材をＨＩＰ（熱間静水圧圧縮）によりクラッド化し、ＨＩＰ処理したままの状態で使用することを特徴とする熱間プレス用クラッド金型の製造方法。
（６）（１）〜（５）に記載の型彫面材と母材をクラッドする際、型彫面材は金型の表面部分、すなわち摩耗による損傷が激しい部位に相当する部分とし、それよりも内部、すなわち金型の凹部は母材部分となるように型彫面材料の厚さを設計することを特徴とする熱間プレス用クラッド金型の製造方法にある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明における型彫面材の各種成分の限定理由について説明する。
Ｃ：０．７〜２．５％
Ｃは、耐摩耗性に寄与するＣｒ，Ｖ，Ｍｏ，ＷおよびＮｂの炭化物形成に不可欠であり、マトリックスに固溶し十分な硬さを与えるため少なくとも０．７％の添加が必要であるが、２．５％を超えるとＨＩＰ後の硬さが高くなりすぎて加工性が劣化するため、ＨＩＰ処理のままの状態での使用が不可能になる。よって、Ｃの成分範囲は０．７〜２．５％とした。
Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは、主に脱酸剤として添加されるが、２．０％を超えて添加すると靱性の劣化を起こす。よって、Ｓｉの成分範囲は２．０％以下とした。
【００１１】
Ｍｎ：１．５％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸剤として添加されるが、１．５％を超えて添加すると靱性が低下する。よって、Ｍｎの成分範囲は１．５％以下とした。
Ｃｒ：３．０〜６．０％
Ｃｒは、十分な耐摩耗性を得るために最低限３．０％が必要であるが、Ｃｒ炭化物は凝集粗大化しやすいため、６．０％を超えて添加することは好ましくない。よって、Ｃｒの成分範囲は３．０〜６．０％とした。
【００１２】
Ｖ：０．８〜２５．０％
Ｖは、固溶しにくい安定なＭＣ型の炭化物を形成し、結晶粒を微細化させ靱性の向上に役立つとともに、耐摩耗性を著しく向上させる。０．８％未満では、耐摩耗性の向上効果が小さく、２５％を超えると巨大共晶炭化物を形成し靱性を劣化させる。よって、Ｖの成分範囲は０．８〜２５．０％とした。
【００１３】
Ｍｏ：３．０〜１０．０％、Ｗ：１．０〜２０．０％
ＭｏとＷは、ともに微細な炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させるが、この効果はＭｏの方が大きくＷの約２倍の影響力をもつ。Ｍｏは耐摩耗性とともに焼入性も高く、これらの効果を得るには少なくとも３．０％は必要であるが、１０．０％を超えると炭化物が粗大化する。また、Ｗは耐摩耗性を向上させるために少なくとも１．０％が必要であるが、Ｍｏより炭化物が粗大化しにくいため、上限値をＭｏの２倍に設定した。
【００１４】
Ｃｏ：４．０〜１２．０％
Ｃｏは、耐熱性を向上させるため目的に応じて添加する。Ｃｏはマトリックス中に固溶し、炭化物の凝集粗大化を抑制し焼戻時の軟化抵抗を大きくする。この効果を得るためには、少なくとも４．０％が必要であるが、１２．０％を超えて添加してもその効果は高まらない。よって、Ｃｏの成分範囲は４．０〜１２．０％とした。
Ｎｂ：０．１〜５．０％
Ｎｂは、靱性を向上させるために添加される。Ｎｂは安定な炭化物を形成し、結晶粒の粗大化を阻止するが、０．１％未満ではその効果が現れず、５．０％を超えると焼戻時の軟化抵抗の低下や靱性の劣化をもたらす。よって、Ｎｂの成分範囲は０．１〜５．０％とした。
【００１５】
続いて、本発明における金型母材の各種成分の限定理由を説明する。
Ｃ：０．１〜０．５５％
Ｃは、焼入性、高温硬さの維持に必要な元素であり、また、Ｃｒ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ等と結合し炭化物を形成し、硬さ、結晶粒の微細化効果、耐摩耗性等を得るために必要な元素である。０．１％未満であると金型として最低限の硬さが得られず、また、０．５５％を超えると過度の炭化物の析出をまねき靱性を劣化させ、さらに、ＨＩＰによる高温加熱−徐冷後においてもＨＲＣ４５を超える硬さになり切削等の機械加工が困難になるため、本発明の特徴であるＨＩＰ処理のままの利用が可能となる。よって、Ｃの成分範囲は０．１〜０．５５％とした。
【００１６】
Ｓｉ：１．２％以下
Ｓｉは、マトリックス中に固溶しマトリックス強度を高めるとともに脱酸の効果があるが、１．２％を超えて添加すると靱性が劣化するため、その添加量は１．２％以下とした。
Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｍｎは、焼入性を向上させ金型母材に必要な硬さを得るために必要な元素であるが、０．３％未満であるとその効果は少なく、２．０％を超えるとその効果は飽和するため、Ｍｎは０．３〜２．０％とした。
【００１７】
Ｃｒ：１．０〜４．０％
Ｃｒは、焼入性を向上させるとともにＣと結合して硬い炭化物を形成し耐摩耗性に寄与する元素である。１．０％未満であると上記効果が得られず、４．０％を超えると高温加熱−徐冷後においてもＨＲＣ４５を超える硬さになり、ＨＩＰ処理のままの利用が不可能となる。よって、Ｃｒは１．０〜４．０％とした。
Ｖ：０．０５〜０．７％
Ｖは、固溶しにくい炭化物を形成し、耐摩耗性や耐軟化抵抗性を高める元素である。耐摩耗性向上を得るためには、少なくとも０．０５％が必要であり、０．７％を超えて添加すると靱性が低下するので、Ｖは０．０５〜０．７％とした。
【００１８】
Ｎｉ：０．３〜２．０％
Ｎｉは、マトリックス自体の靱性を高める元素であり、少なくとも０．３％は必要であるが、２．０％を超えて添加すると、その効果は飽和するため、Ｎｉは０．３〜２．０％とした。
Ｃｏ：０．２〜３．０％
Ｃｏは、高温での炭化物凝集粗大化を抑制し、特に耐軟化抵抗製に有効な元素である。これらの効果を得るためには、少なくとも０．２％必要であり、３．０％を超えて添加すると靱性が低下するため、Ｃｏは０．２〜３．０％とした。
【００１９】
Ｍｏ：０．２〜３．０％、Ｗ：０．４〜６．０％の１種または２種（２種の場合、１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．２〜３．０％）
ＭｏおよびＷは、共に微細な炭化物を形成し、耐摩耗性や耐軟化抵抗性を改善する元素である。その効果はＭｏの方がＷよりも２倍強く、同じ効果を得るのにＷはＭｏの２倍必要である。両元素は、あまり多く添加すると靱性や耐ヒートチェック性を劣化させるので、上限をＭｏ当量（１／２Ｗ＋Ｍｏ）で、３％とした。また、上記効果を得るためには少なくともＭｏ当量で０．２％が必要である。よって、Ｍｏ当量（１／２Ｗ＋Ｍｏ）は０．２〜３．０％とした。
【００２０】
以下、本発明における熱間プレス用クラッド金型およびその製造方法を説明する。
図１は本発明の金型の母材となる溶製あるいは粉末製工具鋼と、型彫面材となる耐高温軟化抵抗性・耐摩耗性に優れた粉末工具鋼とをＨＩＰにより拡散接合させるための方法を示す図であり、同図において、３は軟鋼板によるＨＩＰ用の缶である。１は金型の母材を構成する溶製あるいは粉末製工具鋼であり、ＨＩＰ用缶３内に二枚の溶製あるいは粉末製工具鋼１を設置し、その間に粉末工具鋼の粉末材２を充填する。このとき、最終工程で分割したときに、型彫面材が摩耗による損傷が激しくなる部位にのみ相当するように、粉末材２を充填する幅、すなわち、二枚の溶製あるいは粉末製工具鋼１の隙間を設置しておく。充填後、脱気缶４より真空加熱脱気した後、脱気管４を封じ、ＨＩＰにより加熱加圧する。ＨＩＰは、加圧１０００〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ2 、加熱温度１０００〜１２００℃の条件で行い、その後徐冷を行う。ＨＩＰ処理後、粉末材２は充分に緻密化し、且つ溶製あるいは粉末製工具鋼１と拡散接合される。その後、ＨＩＰ用缶３を機械加工によって除去する。
【００２１】
図２はＨＩＰ処理後、ＨＩＰ用缶３を除去した状態を示す。図中の粉末材の中央部分を放電加工により切断を行うことにより、図３に示すような母材を溶製あるいは粉末製工具鋼とし、型彫面側に耐高温軟化抵抗性・耐摩耗性に優れた粉末工具鋼をクラッド化した熱間プレス用金型が二つ製造され、粉末工具鋼２の表面に放電加工や切削加工によって型彫りを行ない鍛造に供する。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の特徴を実施例を挙げて説明する。
表１に供試金型の化学成分を示す。発明金型Ａは本発明における製造方法により、型彫面に粉末工具鋼、母材に熱間工具鋼の溶製材を用いて製造されている。また、比較金型Ｂはクラッド金型ではなく焼入焼戻しした単体の溶製工具鋼ＳＫＤ６１であり、従来熱間プレス金型に用いられている工具鋼である。
表２は発明金型ＡのＨＩＰ処理後における硬さを示したものであるが、同表から本発明金型はＨＩＰままでの硬さが熱間プレス金型として使用するに十分なＨＲＣ３８以上であり、且つ型彫りにおける切削が容易に行うことができるＨＲＣ４５以下を得ている。
【００２３】
【表１】
【表２】
つぎに、図４にＨＩＰまま状態の発明金型Ａの型彫面となる粉末材部分と比較金型Ｂについての高温軟化特性を示す。試験には、それぞれの部位から５ｍｍ×５ｍｍ×２０ｍｍの試験片を採取し、６００℃で各時間保持後空冷したときの硬さを測定して評価したところ、発明金型Ａの型彫面である粉末工具鋼は初期硬さはＳＫＤ６１（比較金型Ｂ）よりも低いが長時間保持しても軟化の度合が小さく、保持時間10時間を越えると比較金型Ｂよりも硬さが高くなり、発明金型Ａは金型表面が６００℃以上に昇温加熱される熱間プレス金型に使用しても、高温軟化による型面のヘタリや摩耗による損傷が、従来金型と比較して抑制されることは明らかである。
【００２６】
また、図５は発明金型Ａの母材および比較金型Ｂ（ＳＫＤ６１）の各部位からＪＩＳ３号シャルピー試験片を採取し、衝撃試験を行った結果であるが、熱間プレス金型は通常使用前に予熱され、予熱された時のおよその内部温度である２００℃において、発明金型Ａの母材工具鋼の靱性は比較金型であるＳＫＤ６１の靱性よりも優れ、金型母材の靱性としては十分な靱性を有している。
【００２７】
このように、本発明における型彫面材に用いる耐高温軟化抵抗性・耐摩耗性に優れた粉末工具鋼は、金型の凹部はＨＩＰによる高温加熱−徐冷後においても十分な靱性をもつ母材部分となるように型彫面材の厚さを設計するため、金型の凹部からの大割れを抑制することが可能であり、さらなる寿命向上が期待できる。このように、従来の方法に比較して、本発明はより安価な粉末工具鋼をＨＩＰ処理ままの状態で使用可能なように成分設計がなされている点で異なり、また、型彫面材の厚さを設計することにより、寿命向上の改善がなされてるものである。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、金型寿命向上と金型作製費用削減の両観点から、非常に経済性に優れた熱間プレス用金型の製造方法を提供することが可能である。また、実施例に掲載した発明金型のように、型彫面、母材ともに材質選定をうまく行うことにより、ＨＩＰ処理後に焼入焼戻等の熱処理を行わずＨＩＰままで使用することが可能な熱間プレス金型を製造することが可能であり、熱処理工程を省くことにより金型製造費用の更なる削減と短納期化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による工具鋼と粉末材を拡散接合する方法の説明図である。
【図２】ＨＩＰ処理後、ＨＩＰ用缶を除去した状態を示す図である。
【図３】金型の母材となる工具鋼と、型彫面材となる粉末工具鋼とをＨＩＰにより拡散接合させた熱間プレス用金型の斜視図である。
【図４】本発明金型Ａの型彫面となる粉末材部分と比較金型Ｂについての高温軟化特性を示す図である。
【図５】本発明金型Ａの母材および比較金型Ｂ（ＳＫＤ６１）のシャルピー衝撃特性を示す図である。
【符号の説明】
１ 溶製あるいは粉末製工具鋼
２ 粉末工具鋼
３ ＨＩＰ用缶
４ 脱気管
Claims (6)
- 重量％で、
Ｃ：０．７〜２．５％、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｃｒ：３．０〜６．０％、
の必須成分と、Ｍｏ：３．０〜１０．０％、およびＷ：１．０〜２０．０％のいずれか一方または双方の第１選択成分と、Ｖ：０．８〜２５．０％、およびＮｂ：０．１〜５．０％のいずれか一方または双方の第２選択成分と、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる粉末工具鋼を金型の型彫面材料とし、同じく重量％で、
Ｃ：０．１〜０．５５％、
Ｓｉ：１．２％以下、
Ｍｎ：０．３〜２．０％、
Ｎｉ：０．３〜２．０％、
Ｃｒ：１．０〜４．０％、
および、Ｍｏ：０．２〜３．０％、
Ｗ：０．４〜６．０％
の１種または２種以上（ＭｏとＷは、１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．２〜３．０％）を含有し、さらに、
Ｖ：０．０５〜０．７％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１５％
の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる溶製あるいは粉末製熱間工具鋼を金型母材とし、これら型彫面材と母材をクラッド化したことを特徴とする熱間プレス用クラッド金型。 - 重量％で、
Ｃ：０．７〜２．５％、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｃｒ：３．０〜６．０％、
の必須成分と、Ｍｏ：３．０〜１０．０％、およびＷ：１．０〜２０．０％のいずれか一方または双方の第１選択成分と、Ｖ：０．８〜２５．０％、およびＮｂ：０．１〜５．０％のいずれか一方または双方の第２選択成分と、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる粉末工具鋼を金型の型彫面材料とし、同じく重量％で、
Ｃ：０．１〜０．５５％、
Ｓｉ：１．２％以下、
Ｍｎ：０．３〜２．０％、
Ｎｉ：０．３〜２．０％、
Ｃｒ：１．０〜４．０％、
および、Ｍｏ：０．２〜３．０％、
Ｗ：０．４〜６．０％
の１種または２種以上（ＭｏとＷは、１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．２〜３．０％）を含有し、さらに、
Ｖ：０．０５〜０．７％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１５％
の１種または２種以上と、Ｃｏ：０．２〜３．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる溶製あるいは粉末製熱間工具鋼を金型母材とし、これを型彫面材と母材をクラッド化したことを特徴とする熱間プレス用クラッド金型。 - 重量％で、
Ｃ：０．７〜２．５％、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｃｒ：３．０〜６．０％、
の必須成分と、Ｍｏ：３．０〜１０．０％、およびＷ：１．０〜２０．０％のいずれか一方または双方の第１選択成分と、Ｖ：０．８〜２５．０％、およびＮｂ：０．１〜５．０％のいずれか一方または双方の第２選択成分と、Ｃｏ：４．０〜１２．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる粉末工具鋼を金型の型彫面材料とし、同じく重量％で、
Ｃ：０．１〜０．５５％、
Ｓｉ：１．２％以下、
Ｍｎ：０．３〜２．０％、
Ｎｉ：０．３〜２．０％、
Ｃｒ：１．０〜４．０％、
および、Ｍｏ：０．２〜３．０％、
Ｗ：０．４〜６．０％
の１種または２種以上（ＭｏとＷは、１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．２〜３．０％）を含有し、さらに、
Ｖ：０．０５〜０．７％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１５％
の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる溶製あるいは粉末製熱間工具鋼を金型母材とし、これを型彫面材と母材をクラッド化したことを特徴とする熱間プレス用クラッド金型。 - 重量％で、
Ｃ：０．７〜２．５％、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｃｒ：３．０〜６．０％、
の必須成分と、Ｍｏ：３．０〜１０．０％、およびＷ：１．０〜２０．０％のいずれか一方または双方の第１選択成分と、Ｖ：０．８〜２５．０％、およびＮｂ：０．１〜５．０％のいずれか一方または双方の第２選択成分と、Ｃｏ：４．０〜１２．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる粉末工具鋼を金型の型彫面材料とし、同じく重量％で、
Ｃ：０．１〜０．５５％、
Ｓｉ：１．２％以下、
Ｍｎ：０．３〜２．０％、
Ｎｉ：０．３〜２．０％、
Ｃｒ：１．０〜４．０％、
および、Ｍｏ：０．２〜３．０％、
Ｗ：０．４〜６．０％
の１種または２種以上（ＭｏとＷは、１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．２〜３．０％）を含有し、さらに、
Ｖ：０．０５〜０．７％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１５％
の１種または２種以上と、Ｃｏ：０．２〜３．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とからなる溶製あるいは粉末製熱間工具鋼を金型母材とし、これを型彫面材と母材をクラッド化したことを特徴とする熱間プレス用クラッド金型。 - 請求項１〜４に記載の型彫面材と母材をクラッドする際、これら型彫面材と母材をＨＩＰ（熱間静水圧圧縮）によりクラッド化し、ＨＩＰ処理したままの状態で使用することを特徴とする熱間プレス用クラッド金型の製造方法。
- 請求項１〜５に記載の型彫面材と母材をクラッドする際、型彫面材は金型の表面部分、すなわち摩耗による損傷が激しい部位に相当する部分とし、それよりも内部、すなわち金型の凹部は母材部分となるように型彫面材料の厚さを設計することを特徴とする熱間プレス用クラッド金型の製造方法
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