JP4432012B2 - ダイカスト金型の製造方法、およびダイカスト金型 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた被削性、溶接補修性を有する、試作用と量産用の両方に使用されるダイカスト金型用鋼を用いてなる耐ヒートクラック性に優れたダイカスト金型の製造方法、そしてダイカスト金型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダイカスト金型においては、アルミ合金などの溶湯との接触による加熱と、水溶性離型剤などによる冷却が繰返し行われるため、その金型表面には圧縮および引張の熱応力が負荷される。実操業においては、この熱応力が繰り返し負荷されるため、金型表面に熱疲労クラックが発生すれば、被加工材に転写されるようになる。このクラックの転写は徐々に激しくなり、金型が使用できなくなると廃却となる。
【０００３】
このような熱応力負荷のもとで、量産用のダイカスト金型は数万〜十数万ショットの使用に耐えなければならず、素材としては高温強度、靭性に優れる材料が必要となり、一般的にはＪＩＳ ＳＫＤ６１が使用される。ＳＫＤ６１は焼入れ焼戻し状態では十分な被削性が得られないため、その金型製作は焼きなまし状態で粗加工を行ってから、焼入れ焼戻し処理により４０〜５０ＨＲＣの硬さとして、最後に仕上げ加工が行われる工程となっている。
【０００４】
一方、シリンダーブロック、トランスミッションケース類等の自動車用アルミダイカスト部品を新規に立ち上げる場合、その使用される金型の製作においては、まず“１番型”として試作用金型が製作され、それによる試験鋳造が行われる。これによって、初期のデザイン設計からのデザイン変更が行われることが頻繁にある。また、試験鋳造の結果、鋳造方案の面から意図したダイカスト製品が得られないとなれば、１番型は肉盛溶接補修と機械加工により金型形状が大幅に作り替えられることも日常的に行われる。
【０００５】
このような試作用金型に限定すれば、それはＳＫＤ６１で得られる程の寿命をさして必要としない一方で、新規製品の立上げ期間をなるべく短くするために、その製作リードタイムを短縮することが求められる。すなわち、焼入れ焼戻しにより硬さ調質した後に、粗加工から仕上げ加工までを行なう工程とする必要があり、被削性に優れたプリハードン対応の金型材料が使用されている。
【０００６】
加えて、ＳＫＤ６１のように比較的Ｃ量の高い金型材料は、その肉盛溶接補修を行なうとなれば、Ａ1変態点以上に昇温して焼入れされた部分の硬さが高くなるため、溶接割れが起こりやすい。よって、溶接の前後の予熱が必要となり溶接作業が煩雑であったり、そして、肉盛部の仕上加工も困難になるという問題から、試作用金型材料としては適用に難しい。
【０００７】
よって、量産用のダイカスト金型を製作するにおいては、まず良好な被削性や溶接性を有するに適当な材料にて試作用金型を製作し、試験鋳造等を経て、試作用金型で最終形状が決定されてから、次にＳＫＤ６１を用いた前記工程での量産用金型の製作が一般的なやり方であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記した量産用金型の製作工程の場合、それには試作用金型と量産用金型で２つの金型材が必要となり、また図４に示すように、計９つの金型製作工程が必要である。よって、被削性および溶接性に優れた試作用金型材とする一方で、その製作された試作用金型の熱疲労クラック寿命をＳＫＤ６１並みに改善することができれば、金型製作の工程の合理化、コスト低減に大きな効果が得られる。
【０００９】
被削性に優れた金型材料としては、一般的にＳＫＤ６１等をベースにＳなどの快削性元素を多く添加した鋼が４０ＨＲＣ前後に調質されて使用されている。しかし、この場合、ＭｎＳなどの介在物が多く分布した組織となっており、それら介在物は素材製造時の鍛造により鍛伸方向に細長く伸びた形態となっていることから、被削性は良好である反面、介在物を起点としたヒートクラックが発生し易く、靭性も低いという欠点がある。このためヒートクラックが早期に発生し、そして、介在物に沿って急速に深く進展してしまい、目標とする寿命を十分に達成するには困難である。
【００１０】
このため、硬さ３５ＨＲＣ以下の予備調質にて被削性が良く、溶接性も良好な低Ｃ系の射出成形用金型材を使用することが提案されている。しかし、この材料の場合、熱処理によって得られる硬さが低いため前記の熱疲労クラックが早期に発生してしまい、数万〜十数万ショットの鋳造が必要な量産用ダイカスト金型としては不十分である。
【００１１】
ここで、寿命を向上させるために金型の成形面（型彫面）に窒化処理を施すという方法も提案されているが、窒化による強度改善が可能な金型表層深さはせいぜい０．３ｍｍが限界である一方、熱疲労クラックは１ｍｍ前後の深さまで生成するため、その効果は十分と言い難い。そこで本発明は、優れた被削性、溶接補修性を有することで、試作用と量産用の両方に使用できるダイカスト金型用鋼を用いてなる耐ヒートクラック性に優れたダイカスト金型の製造方法、そしてダイカスト金型を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、量産用のダイカスト金型を得るにあたり、まず試作用金型として必要な被削性、溶接性の面では不可欠である低Ｃ材で試作用金型を製作し、その形状変更が完了した時点で次には、量産用の金型としての熱疲労クラックが発生する表層部、具体的には成形面（型彫面）の表層部に浸炭処理によってＣを富化させることで、必要な熱疲労強度を得る手段に着想した。そして、この着想に基づいて、試作用金型、量産用金型に必要な両方の特性を与えることができる金型用鋼としての成分組成について鋭意研究を行った結果、本発明に到達した。
【００１３】
すなわち、本発明のダイカスト金型の製造方法については、まずそれに用いる本発明のダイカスト金型用鋼は、質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：１．０〜３．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．０〜２．０％、Ｖ：０．０１〜１．０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるものである。そして、質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：１．０〜３．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．０〜２．０％、Ｖ：０．０１〜１．０％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるものである。
【００１４】
また、上記の金型用鋼について、Ｆｅの一部をＮｉ：２．０％以下、またはＰ：０．０２０〜０．０５０％で置換したダイカスト金型用鋼、あるいは、Ｆｅの一部をＣａ：０．０１％以下、Ｔｅ：０．２％以下、Ｚｒ：０．２％以下、Ｓｅ：０．０５％以下、Ｃｅ：０．１％以下、Ｐｂ：０．２％以下、Ｂｉ：０．２％以下、Ｓｎ：０．０５％以下、Ｓｂ：０．０５％以下のうちの１種あるいは２種以上で置換したダイカスト金型用鋼である。
【００１５】
そして、本発明のダイカスト金型の製造方法は、上記の本発明のダイカスト金型用鋼を焼入れ焼戻し後、あるいは３５ＨＲＣ以下の硬さに調質後加工して試作用ダイカスト金型を製作し、該試作用ダイカスト金型を用いてその製作すべきダイカスト金型の最終形状を決定し、該試作用ダイカスト金型を前記最終形状に整えた後、浸炭処理を行なうものである。浸炭処理としてはプラズマ浸炭法が適用でき、さらには、このような浸炭処理によって、その表面より少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部位を４２０〜６００ＨＶの硬さとするダイカスト金型の製造方法である。
【００１６】
そして、上記の本発明のダイカスト金型用鋼を用いて製作したダイカスト金型である。具体的には、その硬さが３５ＨＲＣ以下のダイカスト金型であって、さらには、その上に浸炭層を有するダイカスト金型である。望ましくは、浸炭層はその表面より少なくとも０．５ｍｍ内部までの部位が４２０〜６００ＨＶの硬さのダイカスト金型である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴は、試作用金型として必要な被削性、溶接性の面では不可欠である低Ｃ材で試作用金型を製作し、その形状変更が完了した時点で次には、量産用の金型としての熱疲労クラックが発生する表層部、具体的には成形面の表層部に浸炭処理によってＣを富化させることで、必要な熱疲労強度を得る手段に着想したところにある。
【００１８】
加えて、上記の着想にも従い、被削性に優れた予備調質鋼として試作用金型の製作リードタイムを短縮でき、かつ溶接性に優れることで金型の形状修正が容易であって、さらにはその浸炭処理によって、量産用金型としての使用も可能なダイカスト金型用鋼と、その熱疲労特性に優れるダイカスト金型を見いだしたところにも特徴を有する。これにより、１つの量産用金型を製作するにあたって、その金型製作工程を６工程にまで減らすことができ、金型作製費用と期間を大幅に削減することができる。
【００１９】
つまり、本発明のダイカスト金型の製造方法（図１に一例を示す）は、まず、焼入れ焼戻しにより硬さを調質した所定の金型用鋼を機械加工して試作用ダイカスト金型を製作することから、このためにも被削性に優れたプリハードン対応の金型用鋼が要求される。次に、その試作用ダイカスト金型を用いた試験鋳造を行なって量産用金型としての最終形状を決定するが、その最終形状とすべく試作用ダイカスト金型を改造するとなれば、機械加工に合わせ、肉盛溶接のための溶接補修性、その後の被削性にも優れた金型用鋼としても要求される。
【００２０】
そして、優れた耐ヒートクラック性をも付与すべく、改造された上記金型に浸炭焼入れ・焼戻しを行なうものであるが、この場合、これら金型製作の効率化を達成できる本発明の製造方法に適したダイカスト金型用鋼の提供が重要となる。
【００２１】
これら適した金型用鋼とするためには、基本組成自体を低Ｃにして溶接性を良好にする必要がある。そして、焼入れにより上部ベイナイト組織を生成させ、かつ焼戻しにてＣｒ，ＭｏまたはＷ，Ｖ炭化物を析出・凝集させて、強度を付与すると共に適度の脆化を起こさせることにより、基地に良好な被削性を与えることが重要となる。
【００２２】
さらには、本発明の製造方法の浸炭処理によって高Ｃ化した時に常温の硬さが増すだけでなく、熱疲労特性に必要な高温強度と常温近傍での延性をもSＫＤ６１と同等とすることが必要である。そこで、本発明者は、これら作用を達成できる成分組成について鋭意研究を行った結果、本発明のダイカスト金型用鋼に到達したのである。以下、本発明鋼の成分限定の理由について述べる。
【００２３】
Ｃは、本発明鋼の焼入れ組織を被切削性の良好な上部ベイナイト組織に保ち、かつ焼戻しにおけるＣｒ，ＭｏまたはＷ，Ｖ炭化物の析出による強化をもたらすために必要な基本的添加元素である。多過ぎると基地をマルテンサイト組織化し、組織単位が微細となり過ぎて、被削性を低下させるので０．３％以下とし、低過ぎるとフェライトの生成を招くので０．１％以上とする。
【００２４】
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤であるが、多過ぎるとフェライトの生成を招くので１．０％以下とする。
【００２５】
Ｍｎは、焼入性を高め、フェライトの生成を抑制し、適度の焼入れ焼戻し硬さを得る効果がある。多過ぎるとベイナイト組織を過度に微細化させ、また基地の粘さを上げて被削性を低下させるので３．０％以下とする。なお、上記の効果を得るに好ましくは０．３％以上である。
【００２６】
Ｓは、非金属介在物ＭｎＳとして存在し、被削性の向上に大きな効果があるので、場合によっては添加することができる。多量に含有すると細長く伸びたＭｎＳが多く存在する組織となり、上述のごとくヒートクラックの起点になり易く、さらに靭性の低下によりクラックが進展してしまうので、０．０５％以下に限定する。
【００２７】
Ｃｒは、焼戻しにより微細炭化物を析出・凝集させて強度を付与するために添加される。本効果を得るためには１．０％以上が必要であるが、多過ぎるとベイナイト組織を微細化させ基地の粘さを上げて被削性を低下させるので３．０％以下とした。
【００２８】
ＭｏおよびＷは、焼戻しにより微細炭化物を析出・凝集させて強度を付与し、高温強度を向上させるために単独または複合で添加される。少な過ぎるとＦｅを主体としたセメンタイト系の炭化物が凝集し、高温強度が得られないばかりでなく、耐ヒートクラック性へのもう一つの重要な特性である延性も低下する。上記の効果を得るために単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）にて１．０％以上添加する。本用途の場合、多量の添加は不要で、多過ぎると被削性の低下を招くので、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）で２．０％以下とした。
【００２９】
Ｖは、焼戻し軟化抵抗を高めると共に結晶粒の粗大化を抑制し、靭性向上に寄与する。この効果を得るためには０．０１％以上を必要とするが、多過ぎると被削性の低下を招くので１．０％以下とした。
【００３０】
以下、本発明を構成するその他の有効な成分元素について述べる。
Ｃｕは、焼戻しによりＦｅ−Ｃｕ固溶体を析出・凝集させ、ダイカスト金型として必要な硬さを付与すると共に、被削性を向上させるため、必要に応じて添加される。多過ぎるとベイナイト組織を微細化させ被削性が低下し、また熱間加工性を低下させるので１．０％以下とする。低過ぎると上記の効果が得られないので、好ましくは０．１％以上とする。
【００３１】
Ｎｉは、焼入性を高め、フェライトの生成を抑制するため、必要に応じて添加される。多過ぎるとベイナイト組織を過度に微細化させ、基地の粘さを上げて被削性を低下させるので２．０％以下とする。好ましくは０．２％以上である。
【００３２】
Ｐは、焼戻し脆化により適度に靭性を低下させ、被削性を改善することが可能である。この効果を得るために必要に応じて０．０２０％以上を添加するが、多過ぎると著しく靭性を悪化させ、耐ヒートクラック性を低下させるので０．０５０％以下とする。
【００３３】
Ｃａ，Ｔｅ，Ｚｒ，Ｓｅ，Ｃｅ，Ｐｂ，Ｂｉ、Ｓｎ、Ｓｂは、何れも被削性を付与するための元素であり、必要に応じて１種あるいは２種以上を添加する。多過ぎると靭性を低下させるので、それぞれＣａ：０．０１％以下、Ｔｅ：０．２％以下、Ｚｒ：０．２％以下、Ｓｅ：０．０５％以下、Ｃｅ：０．１％以下、Ｐｂ：０．２％以下、Ｂｉ：０．２％以下、Ｓｎ：０．０５％以下、Ｓｂ：０．０５％以下とする。
【００３４】
以上述べた金型用鋼であれば、優れた被削性と溶接性を備えることから、焼入れ焼戻しのプリハードン状態にて機械加工により試作用ダイカスト金型の製作ができ、その用いた試験鋳造により決定される最終形状に、肉盛溶接、機械加工にて改造することもできる。そして、その製作された金型には、浸炭処理によって量産に十分耐え得る耐ヒートクラック性を付与することが可能である。本発明の場合、その浸炭処理はガス浸炭を始めとするいずれの浸炭処理でも良いが、プラズマ浸炭処理が最も適当である。これは、本発明鋼の標準的焼入加熱温度である９００℃で、比較的短時間に本発明の深い硬化層が得られるからである。本発明のダイカスト金型においては、その成形面ともなる表面より少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部位を４２０〜６００ＨＶの硬さとすることが望ましい。
【００３５】
なお、上記加工の際には、基地に更なる被削性を付与するために３５ＨＲＣ以下に調質することが好ましい。これにおいては焼入れ後の高温焼戻しにてその硬さの付与が可能であり、本発明であれば、その硬さによるダイカスト金型への適用にも十分対処できるものである。なお、その優れた被削性と金型としての十分な硬さを得るに好ましくは３０ＨＲＣ以上である。
【００３６】
【実施例】
本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
表１に焼入れ・焼戻しにて所定の硬さに調整した本発明鋼Ａ〜Ｔおよび比較鋼Ｕ（ＪＩＳ ＳＫＤ６１），Ｖの化学成分と、それら各鋼のエンドミル切削を行った場合の被削性指数を示す。被削性指数は、工具摩耗量が０．３ｍｍの時の切削長について、その比較鋼Ｖでの結果を１００とした場合のそれに対する比である。
【００３７】
【表１】
【００３８】
比較鋼Ｖは射出成形用金型として広く使用され、その快削性が評価されている材料であるが、本発明鋼は良好な被削性を示し、比較鋼Ｖと同等以上となっている。なお、比較鋼Ｕ（ＳＫＤ６１）は同様の硬さ３２ＨＲＣでは明らかに被削性が劣る。
【００３９】
（実施例２）
次に、表１の硬さによる本発明鋼Ａ、比較鋼Ｕについて溶接性を評価した。評価は、溶接棒ＪＩＳ ＹＧＴ１ＣＭを使ったＴＩＧ溶接にて、溶接電流１３０Ａ、Ａｒガス流量１３リットル／ｍｉｎとし、予熱・後熱なしの条件で、深さ１０ｍｍ、幅２５ｍｍを溶接した時の、その両鋼の熱影響部（ＨＡＺ）の硬さ測定に依った。その結果を表２に示す。
【００４０】
【表２】
【００４１】
本発明鋼Ａは熱影響部の硬さが低く、溶接補修後の機械加工が容易であるにの対して、比較鋼Ｕの熱影響部は硬さが５００ＨＶを超え、機械加工が容易ではない。さらにＪＩＳ Ｚ３１５８に準拠した斜めＹ型溶接割れ試験を予熱・後熱なしで行ったところ、本発明鋼Ａでは割れがなかったのに対し、比較鋼Ｕでは溶接部との境界付近で割れが発生した。比較鋼Ｕは含有Ｃ量が高いことから、熱影響部の硬さが高くなり、溶接後の冷却過程における熱応力の発生で割れが生じる結果となった。なお、溶接熱影響部の硬さは含有Ｃ量に依存するため、比較鋼Ｕを除いては、本発明のＣ含有量を満たす本発明鋼Ｂ以下は硬さが４００ＨＶを越えることはなく、本発明鋼Ａを始め、割れが発生することもなかった。
【００４２】
（実施例３）
次に、表１の硬さによる本発明鋼Ａ，Ｐおよび比較鋼Ｖについて浸炭焼入れを行った。まず、９００℃で３０分間、８０Ｐａの減圧下でＡｒ：Ｈ２＝１：１の割合のガスを流し、スパッタリングにより表面を洗浄した後、９００℃で６０分間、１００ＰａでＨ２：ＣＨ４＝１：４の割合のガスを流して浸炭処理を行った。その状態から、ＣＨ４ガスを止め、９８０℃に昇温して、３０分間保持した後、Ｎ２ガスを用いて冷却して焼入れした。その後、５２０℃で焼戻しを行い、表層部の硬さをビッカース硬度計で測定した。その結果を図２に示す。
【００４３】
ダイカスト金型に使用すべく調質されたＳＫＤ６１の一般的な焼入れ焼戻し硬さは４００〜５００ＨＶであるが、本発明鋼Ａ，Ｐ、比較鋼Ｖともに、表面から１ｍｍ前後の深さにわたってその硬さが得られている。前記のようにダイカスト金型の場合、表面から０．５ｍｍを超えた深さの範囲にもヒートクラックが発生するが、これを抑制するための強度向上策として、表面から０．３ｍｍ前後が限界である窒化処理に比べて、本浸炭処理であればヒートクラックに対する耐久性が期待できる。また、本発明鋼の場合、例えば９５０℃のガス浸炭法によっても同様の硬化層が得られた。もちろん真空浸炭や固体浸炭法でも同様の硬化層が得られる。なお、本発明鋼の成分範囲内であれば、浸炭によって得られる硬化層の硬さ分布は組成によらず浸炭条件によってほぼ一定であり、本発明鋼Ｂ〜Ｔでも同様のヒートクラック耐久性が期待できる。
【００４４】
（実施例４）
次に、表１の本発明鋼Ａ，Ｐと比較鋼Ｕ，Ｖより図３に示す寸法３８０ｍｍ×３１０ｍｍ×７０ｍｍの試験用金型を作製して鋳造実験を行った。この試験用金型には０．２Ｒ，０．５Ｒ，１．０Ｒの異なるコーナーＲを持ったＶ溝を湯口より計５箇所設けてある。実際の金型であればヒートクラック発生による金型寿命は５万サイクルを超え、１０万サイクル以上に及ぶ場合もある。よって、このような実金型での寿命試験を行なえば、評価に２年以上を要することになるので、本実施例においては、試験用金型として、その設けた応力集中部でのヒートクラック発生サイクルを確認することで、加速寿命の評価を行うこととした。
【００４５】
まず、比較鋼Ｕ（ＳＫＤ６１）を焼入れ焼戻しして４６ＨＲＣに調質した上記の試験用金型を準備した。これは量産用金型に適用されている一般の条件である。次に、射出成形用金型として一般に使用されている比較鋼Ｖの上記試験用金型（硬さ３２ＨＲＣ）を準備した。これは予備調質された試作用金型として実際に使用されている金型条件である。
【００４６】
そして、これらとは別に、同じく硬さ３２ＨＲＣに調質した本発明鋼Ａ，Ｐ、そして比較鋼Ｖを機械加工して金型形状とした後、プラズマ浸炭焼入れ焼戻しして仕上げた試験用金型を準備した。なお、上記プラズマ浸炭処理した表面硬さは５００ＨＶであって、比較鋼Ｖのものも併せ、その表面より少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部位が４２０〜６００ＨＶの硬さ範囲内であることも確認済みである。
【００４７】
これら準備した５種類の試験用金型を１つづつ型絞力３５０ｔのダイカストマシンに取り付け、アルミ溶湯による鋳造試験を行った。アルミの溶湯温度は６８０℃とした。そして、２５０サイクル毎に金型の溝部を観察して、ヒートクラックが発生しているか否かを観察し、ヒートクラックが初めて観察された鋳造サイクル数を測定、その結果を表３に示す。
【００４８】
【表３】
【００４９】
４６ＨＲＣの硬さを持つ比較鋼Ｕ（ＳＫＤ６１）の金型に比べて、３２ＨＲＣの硬さである比較鋼Ｖの金型（射出成形用金型。浸炭処理なし）のヒートクラック発生サイクル数はその１／３〜１／４程度であり、試作用金型としては使用できても量産用金型としての使用には耐え難いことが判る。
【００５０】
これに対して、浸炭処理を施した本発明鋼Ａの金型はヒートクラックに対する耐久性がＳＫＤ６１のものに迫り、あるいは溝によってはそれ以上であることが判る。また、表１に挙げる本発明鋼の中で最も被削性が良好な本発明鋼Ｐの金型についても、同等の耐久性が得られている。しかし、比較鋼Ｖの金型の場合、同じように浸炭処理が施された金型であっても、そのヒートクラック耐久性は著しく劣り、かえって浸炭しない場合にも劣る結果であった。
【００５１】
以前、本発明者は「熱間工具鋼のヒートチェック特性に及ぼす機械的性質の影響，CAMP-ISIJ vol.7(1994)-1730」にて下記の事項を報告している。なお、本報告で使用しているヒートチェックとは、本発明でのヒートクラックに同義である。ダイカスト金型に発生するヒートチェックは金型表層部に作用する熱応力の繰返しによる熱疲労現象である。つまり、高温下での強度の大きい金型であれば、作用する熱応力が小さくなり、ヒートチェックの発生は高サイクル側へ移行する、すなわち金型のヒートチェック寿命は長寿命となる。一方、金型表層部に引張応力が作用するのは、表面が水溶性潤滑剤で冷却された時であり、一般の疲労現象と同様、延性値の高い金型の方が寿命の向上に有利となる。よって、高温強度が高く、かつ常温付近の延性値が高い金型であれば、具体的には金型としての表層部であれば、ヒートチェックが発生し難いものと言える。
【００５２】
そこで、表３に示した金型耐久試験で使用された金型、特にはその同様に浸炭処理を行なったにもかかわらずヒートクラック耐久性に差が生じた金型（本発明鋼Ａ，比較鋼Ｖ）について、その引張特性を調べた。この場合、浸炭層の引張試験は不可能であるため、その評価にあたっては、それぞれの金型用鋼Ａ，ＶのＣ量をその浸炭層のＣ量に相当する約０．４％に調整した試料を別途作製して、相当に調質し、それより引張試験片を作製した。表４に示すのは、本発明鋼Ａの浸炭層に相当する鋼Ｗ、そして比較鋼Ｖの浸炭層に相当する鋼Ｘの成分組成である。引張試験結果を表５に示す。
【００５３】
【表４】
【００５４】
【表５】
【００５５】
まず、比較鋼Ｖに浸炭処理を施さないままの金型は、比較鋼ＵすなわちＳＫＤ６１の金型に対してその硬さ自体が低いことから、ダイカスト金型の昇温時に相当する６００℃における耐力値すなわち強度が低いため、ヒートクラックが早期に発生している。
【００５６】
また、比較鋼Ｖに浸炭処理を施した金型の場合、その浸炭層に相当する鋼Ｘは、調質硬さこそ比較鋼Ｕの金型より高いものの、高温強度、常温の延性は低く、ヒートクラック耐久性には劣るものである。これは、焼戻し過程にてＣとの結合による極微細炭化物が形成されるが、高温強度を付与するに十分なＭｏ量自体が不足すること、さらには、そのＭｏの不足によりＦｅを主体としたセメンタイト系の炭化物が生成され、これが凝集粗大化したため、延性も低下したものである。
【００５７】
一方、本発明鋼Ａに浸炭処理を施した金型において、その浸炭層に相当する鋼Ｗは、Ｍｏが増量され、比較鋼Ｕによる金型の高温強度を上回り、そして延性も大きく低下していない。これらのことが、表３に示した比較鋼Ｖを浸炭処理して作製した金型のヒートクラック耐久性が良くない一方で、本発明鋼Ａを浸炭して作製した金型のヒートクラック耐久性が比較鋼Ｕ製のダイカスト金型のそれと比肩し、量産用金型として十分使用可能な耐久性を達成できる理由と判断できる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明であれば、量産用金型の製作にあたって、量産用金型とは別に試作用金型のためのもう１つの金型用鋼が必要かつ、９つの金型製作工程もが必要であった従来に比して、本発明の金型用鋼と浸炭処理を利用することで、１つの金型用鋼および金型製作工程も６工程にまで減らすことができる。よって、金型製作費用と期間を大幅に削減することができ、工業的価値は高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の量産用金型の製作工程の一例を示す図である。
【図２】 本発明の浸炭層の一例を説明するための図である。
【図３】 本発明の実施例に使用した試験用金型を示す図である。
【図４】 従来の量産用金型の製作工程を示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた被削性、溶接補修性を有する、試作用と量産用の両方に使用されるダイカスト金型用鋼を用いてなる耐ヒートクラック性に優れたダイカスト金型の製造方法、そしてダイカスト金型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダイカスト金型においては、アルミ合金などの溶湯との接触による加熱と、水溶性離型剤などによる冷却が繰返し行われるため、その金型表面には圧縮および引張の熱応力が負荷される。実操業においては、この熱応力が繰り返し負荷されるため、金型表面に熱疲労クラックが発生すれば、被加工材に転写されるようになる。このクラックの転写は徐々に激しくなり、金型が使用できなくなると廃却となる。
【０００３】
このような熱応力負荷のもとで、量産用のダイカスト金型は数万〜十数万ショットの使用に耐えなければならず、素材としては高温強度、靭性に優れる材料が必要となり、一般的にはＪＩＳ ＳＫＤ６１が使用される。ＳＫＤ６１は焼入れ焼戻し状態では十分な被削性が得られないため、その金型製作は焼きなまし状態で粗加工を行ってから、焼入れ焼戻し処理により４０〜５０ＨＲＣの硬さとして、最後に仕上げ加工が行われる工程となっている。
【０００４】
一方、シリンダーブロック、トランスミッションケース類等の自動車用アルミダイカスト部品を新規に立ち上げる場合、その使用される金型の製作においては、まず“１番型”として試作用金型が製作され、それによる試験鋳造が行われる。これによって、初期のデザイン設計からのデザイン変更が行われることが頻繁にある。また、試験鋳造の結果、鋳造方案の面から意図したダイカスト製品が得られないとなれば、１番型は肉盛溶接補修と機械加工により金型形状が大幅に作り替えられることも日常的に行われる。
【０００５】
このような試作用金型に限定すれば、それはＳＫＤ６１で得られる程の寿命をさして必要としない一方で、新規製品の立上げ期間をなるべく短くするために、その製作リードタイムを短縮することが求められる。すなわち、焼入れ焼戻しにより硬さ調質した後に、粗加工から仕上げ加工までを行なう工程とする必要があり、被削性に優れたプリハードン対応の金型材料が使用されている。
【０００６】
加えて、ＳＫＤ６１のように比較的Ｃ量の高い金型材料は、その肉盛溶接補修を行なうとなれば、Ａ1変態点以上に昇温して焼入れされた部分の硬さが高くなるため、溶接割れが起こりやすい。よって、溶接の前後の予熱が必要となり溶接作業が煩雑であったり、そして、肉盛部の仕上加工も困難になるという問題から、試作用金型材料としては適用に難しい。
【０００７】
よって、量産用のダイカスト金型を製作するにおいては、まず良好な被削性や溶接性を有するに適当な材料にて試作用金型を製作し、試験鋳造等を経て、試作用金型で最終形状が決定されてから、次にＳＫＤ６１を用いた前記工程での量産用金型の製作が一般的なやり方であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記した量産用金型の製作工程の場合、それには試作用金型と量産用金型で２つの金型材が必要となり、また図４に示すように、計９つの金型製作工程が必要である。よって、被削性および溶接性に優れた試作用金型材とする一方で、その製作された試作用金型の熱疲労クラック寿命をＳＫＤ６１並みに改善することができれば、金型製作の工程の合理化、コスト低減に大きな効果が得られる。
【０００９】
被削性に優れた金型材料としては、一般的にＳＫＤ６１等をベースにＳなどの快削性元素を多く添加した鋼が４０ＨＲＣ前後に調質されて使用されている。しかし、この場合、ＭｎＳなどの介在物が多く分布した組織となっており、それら介在物は素材製造時の鍛造により鍛伸方向に細長く伸びた形態となっていることから、被削性は良好である反面、介在物を起点としたヒートクラックが発生し易く、靭性も低いという欠点がある。このためヒートクラックが早期に発生し、そして、介在物に沿って急速に深く進展してしまい、目標とする寿命を十分に達成するには困難である。
【００１０】
このため、硬さ３５ＨＲＣ以下の予備調質にて被削性が良く、溶接性も良好な低Ｃ系の射出成形用金型材を使用することが提案されている。しかし、この材料の場合、熱処理によって得られる硬さが低いため前記の熱疲労クラックが早期に発生してしまい、数万〜十数万ショットの鋳造が必要な量産用ダイカスト金型としては不十分である。
【００１１】
ここで、寿命を向上させるために金型の成形面（型彫面）に窒化処理を施すという方法も提案されているが、窒化による強度改善が可能な金型表層深さはせいぜい０．３ｍｍが限界である一方、熱疲労クラックは１ｍｍ前後の深さまで生成するため、その効果は十分と言い難い。そこで本発明は、優れた被削性、溶接補修性を有することで、試作用と量産用の両方に使用できるダイカスト金型用鋼を用いてなる耐ヒートクラック性に優れたダイカスト金型の製造方法、そしてダイカスト金型を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、量産用のダイカスト金型を得るにあたり、まず試作用金型として必要な被削性、溶接性の面では不可欠である低Ｃ材で試作用金型を製作し、その形状変更が完了した時点で次には、量産用の金型としての熱疲労クラックが発生する表層部、具体的には成形面（型彫面）の表層部に浸炭処理によってＣを富化させることで、必要な熱疲労強度を得る手段に着想した。そして、この着想に基づいて、試作用金型、量産用金型に必要な両方の特性を与えることができる金型用鋼としての成分組成について鋭意研究を行った結果、本発明に到達した。
【００１３】
すなわち、本発明のダイカスト金型の製造方法については、まずそれに用いる本発明のダイカスト金型用鋼は、質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：１．０〜３．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．０〜２．０％、Ｖ：０．０１〜１．０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるものである。そして、質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：１．０〜３．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．０〜２．０％、Ｖ：０．０１〜１．０％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるものである。
【００１４】
また、上記の金型用鋼について、Ｆｅの一部をＮｉ：２．０％以下、またはＰ：０．０２０〜０．０５０％で置換したダイカスト金型用鋼、あるいは、Ｆｅの一部をＣａ：０．０１％以下、Ｔｅ：０．２％以下、Ｚｒ：０．２％以下、Ｓｅ：０．０５％以下、Ｃｅ：０．１％以下、Ｐｂ：０．２％以下、Ｂｉ：０．２％以下、Ｓｎ：０．０５％以下、Ｓｂ：０．０５％以下のうちの１種あるいは２種以上で置換したダイカスト金型用鋼である。
【００１５】
そして、本発明のダイカスト金型の製造方法は、上記の本発明のダイカスト金型用鋼を焼入れ焼戻し後、あるいは３５ＨＲＣ以下の硬さに調質後加工して試作用ダイカスト金型を製作し、該試作用ダイカスト金型を用いてその製作すべきダイカスト金型の最終形状を決定し、該試作用ダイカスト金型を前記最終形状に整えた後、浸炭処理を行なうものである。浸炭処理としてはプラズマ浸炭法が適用でき、さらには、このような浸炭処理によって、その表面より少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部位を４２０〜６００ＨＶの硬さとするダイカスト金型の製造方法である。
【００１６】
そして、上記の本発明のダイカスト金型用鋼を用いて製作したダイカスト金型である。具体的には、その硬さが３５ＨＲＣ以下のダイカスト金型であって、さらには、その上に浸炭層を有するダイカスト金型である。望ましくは、浸炭層はその表面より少なくとも０．５ｍｍ内部までの部位が４２０〜６００ＨＶの硬さのダイカスト金型である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴は、試作用金型として必要な被削性、溶接性の面では不可欠である低Ｃ材で試作用金型を製作し、その形状変更が完了した時点で次には、量産用の金型としての熱疲労クラックが発生する表層部、具体的には成形面の表層部に浸炭処理によってＣを富化させることで、必要な熱疲労強度を得る手段に着想したところにある。
【００１８】
加えて、上記の着想にも従い、被削性に優れた予備調質鋼として試作用金型の製作リードタイムを短縮でき、かつ溶接性に優れることで金型の形状修正が容易であって、さらにはその浸炭処理によって、量産用金型としての使用も可能なダイカスト金型用鋼と、その熱疲労特性に優れるダイカスト金型を見いだしたところにも特徴を有する。これにより、１つの量産用金型を製作するにあたって、その金型製作工程を６工程にまで減らすことができ、金型作製費用と期間を大幅に削減することができる。
【００１９】
つまり、本発明のダイカスト金型の製造方法（図１に一例を示す）は、まず、焼入れ焼戻しにより硬さを調質した所定の金型用鋼を機械加工して試作用ダイカスト金型を製作することから、このためにも被削性に優れたプリハードン対応の金型用鋼が要求される。次に、その試作用ダイカスト金型を用いた試験鋳造を行なって量産用金型としての最終形状を決定するが、その最終形状とすべく試作用ダイカスト金型を改造するとなれば、機械加工に合わせ、肉盛溶接のための溶接補修性、その後の被削性にも優れた金型用鋼としても要求される。
【００２０】
そして、優れた耐ヒートクラック性をも付与すべく、改造された上記金型に浸炭焼入れ・焼戻しを行なうものであるが、この場合、これら金型製作の効率化を達成できる本発明の製造方法に適したダイカスト金型用鋼の提供が重要となる。
【００２１】
これら適した金型用鋼とするためには、基本組成自体を低Ｃにして溶接性を良好にする必要がある。そして、焼入れにより上部ベイナイト組織を生成させ、かつ焼戻しにてＣｒ，ＭｏまたはＷ，Ｖ炭化物を析出・凝集させて、強度を付与すると共に適度の脆化を起こさせることにより、基地に良好な被削性を与えることが重要となる。
【００２２】
さらには、本発明の製造方法の浸炭処理によって高Ｃ化した時に常温の硬さが増すだけでなく、熱疲労特性に必要な高温強度と常温近傍での延性をもSＫＤ６１と同等とすることが必要である。そこで、本発明者は、これら作用を達成できる成分組成について鋭意研究を行った結果、本発明のダイカスト金型用鋼に到達したのである。以下、本発明鋼の成分限定の理由について述べる。
【００２３】
Ｃは、本発明鋼の焼入れ組織を被切削性の良好な上部ベイナイト組織に保ち、かつ焼戻しにおけるＣｒ，ＭｏまたはＷ，Ｖ炭化物の析出による強化をもたらすために必要な基本的添加元素である。多過ぎると基地をマルテンサイト組織化し、組織単位が微細となり過ぎて、被削性を低下させるので０．３％以下とし、低過ぎるとフェライトの生成を招くので０．１％以上とする。
【００２４】
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤であるが、多過ぎるとフェライトの生成を招くので１．０％以下とする。
【００２５】
Ｍｎは、焼入性を高め、フェライトの生成を抑制し、適度の焼入れ焼戻し硬さを得る効果がある。多過ぎるとベイナイト組織を過度に微細化させ、また基地の粘さを上げて被削性を低下させるので３．０％以下とする。なお、上記の効果を得るに好ましくは０．３％以上である。
【００２６】
Ｓは、非金属介在物ＭｎＳとして存在し、被削性の向上に大きな効果があるので、場合によっては添加することができる。多量に含有すると細長く伸びたＭｎＳが多く存在する組織となり、上述のごとくヒートクラックの起点になり易く、さらに靭性の低下によりクラックが進展してしまうので、０．０５％以下に限定する。
【００２７】
Ｃｒは、焼戻しにより微細炭化物を析出・凝集させて強度を付与するために添加される。本効果を得るためには１．０％以上が必要であるが、多過ぎるとベイナイト組織を微細化させ基地の粘さを上げて被削性を低下させるので３．０％以下とした。
【００２８】
ＭｏおよびＷは、焼戻しにより微細炭化物を析出・凝集させて強度を付与し、高温強度を向上させるために単独または複合で添加される。少な過ぎるとＦｅを主体としたセメンタイト系の炭化物が凝集し、高温強度が得られないばかりでなく、耐ヒートクラック性へのもう一つの重要な特性である延性も低下する。上記の効果を得るために単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）にて１．０％以上添加する。本用途の場合、多量の添加は不要で、多過ぎると被削性の低下を招くので、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）で２．０％以下とした。
【００２９】
Ｖは、焼戻し軟化抵抗を高めると共に結晶粒の粗大化を抑制し、靭性向上に寄与する。この効果を得るためには０．０１％以上を必要とするが、多過ぎると被削性の低下を招くので１．０％以下とした。
【００３０】
以下、本発明を構成するその他の有効な成分元素について述べる。
Ｃｕは、焼戻しによりＦｅ−Ｃｕ固溶体を析出・凝集させ、ダイカスト金型として必要な硬さを付与すると共に、被削性を向上させるため、必要に応じて添加される。多過ぎるとベイナイト組織を微細化させ被削性が低下し、また熱間加工性を低下させるので１．０％以下とする。低過ぎると上記の効果が得られないので、好ましくは０．１％以上とする。
【００３１】
Ｎｉは、焼入性を高め、フェライトの生成を抑制するため、必要に応じて添加される。多過ぎるとベイナイト組織を過度に微細化させ、基地の粘さを上げて被削性を低下させるので２．０％以下とする。好ましくは０．２％以上である。
【００３２】
Ｐは、焼戻し脆化により適度に靭性を低下させ、被削性を改善することが可能である。この効果を得るために必要に応じて０．０２０％以上を添加するが、多過ぎると著しく靭性を悪化させ、耐ヒートクラック性を低下させるので０．０５０％以下とする。
【００３３】
Ｃａ，Ｔｅ，Ｚｒ，Ｓｅ，Ｃｅ，Ｐｂ，Ｂｉ、Ｓｎ、Ｓｂは、何れも被削性を付与するための元素であり、必要に応じて１種あるいは２種以上を添加する。多過ぎると靭性を低下させるので、それぞれＣａ：０．０１％以下、Ｔｅ：０．２％以下、Ｚｒ：０．２％以下、Ｓｅ：０．０５％以下、Ｃｅ：０．１％以下、Ｐｂ：０．２％以下、Ｂｉ：０．２％以下、Ｓｎ：０．０５％以下、Ｓｂ：０．０５％以下とする。
【００３４】
以上述べた金型用鋼であれば、優れた被削性と溶接性を備えることから、焼入れ焼戻しのプリハードン状態にて機械加工により試作用ダイカスト金型の製作ができ、その用いた試験鋳造により決定される最終形状に、肉盛溶接、機械加工にて改造することもできる。そして、その製作された金型には、浸炭処理によって量産に十分耐え得る耐ヒートクラック性を付与することが可能である。本発明の場合、その浸炭処理はガス浸炭を始めとするいずれの浸炭処理でも良いが、プラズマ浸炭処理が最も適当である。これは、本発明鋼の標準的焼入加熱温度である９００℃で、比較的短時間に本発明の深い硬化層が得られるからである。本発明のダイカスト金型においては、その成形面ともなる表面より少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部位を４２０〜６００ＨＶの硬さとすることが望ましい。
【００３５】
なお、上記加工の際には、基地に更なる被削性を付与するために３５ＨＲＣ以下に調質することが好ましい。これにおいては焼入れ後の高温焼戻しにてその硬さの付与が可能であり、本発明であれば、その硬さによるダイカスト金型への適用にも十分対処できるものである。なお、その優れた被削性と金型としての十分な硬さを得るに好ましくは３０ＨＲＣ以上である。
【００３６】
【実施例】
本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
表１に焼入れ・焼戻しにて所定の硬さに調整した本発明鋼Ａ〜Ｔおよび比較鋼Ｕ（ＪＩＳ ＳＫＤ６１），Ｖの化学成分と、それら各鋼のエンドミル切削を行った場合の被削性指数を示す。被削性指数は、工具摩耗量が０．３ｍｍの時の切削長について、その比較鋼Ｖでの結果を１００とした場合のそれに対する比である。
【００３７】
【表１】
比較鋼Ｖは射出成形用金型として広く使用され、その快削性が評価されている材料であるが、本発明鋼は良好な被削性を示し、比較鋼Ｖと同等以上となっている。なお、比較鋼Ｕ（ＳＫＤ６１）は同様の硬さ３２ＨＲＣでは明らかに被削性が劣る。
【００３９】
（実施例２）
次に、表１の硬さによる本発明鋼Ａ、比較鋼Ｕについて溶接性を評価した。評価は、溶接棒ＪＩＳ ＹＧＴ１ＣＭを使ったＴＩＧ溶接にて、溶接電流１３０Ａ、Ａｒガス流量１３リットル／ｍｉｎとし、予熱・後熱なしの条件で、深さ１０ｍｍ、幅２５ｍｍを溶接した時の、その両鋼の熱影響部（ＨＡＺ）の硬さ測定に依った。その結果を表２に示す。
【００４０】
【表２】
本発明鋼Ａは熱影響部の硬さが低く、溶接補修後の機械加工が容易であるにの対して、比較鋼Ｕの熱影響部は硬さが５００ＨＶを超え、機械加工が容易ではない。さらにＪＩＳ Ｚ３１５８に準拠した斜めＹ型溶接割れ試験を予熱・後熱なしで行ったところ、本発明鋼Ａでは割れがなかったのに対し、比較鋼Ｕでは溶接部との境界付近で割れが発生した。比較鋼Ｕは含有Ｃ量が高いことから、熱影響部の硬さが高くなり、溶接後の冷却過程における熱応力の発生で割れが生じる結果となった。なお、溶接熱影響部の硬さは含有Ｃ量に依存するため、比較鋼Ｕを除いては、本発明のＣ含有量を満たす本発明鋼Ｂ以下は硬さが４００ＨＶを越えることはなく、本発明鋼Ａを始め、割れが発生することもなかった。
【００４２】
（実施例３）
次に、表１の硬さによる本発明鋼Ａ，Ｐおよび比較鋼Ｖについて浸炭焼入れを行った。まず、９００℃で３０分間、８０Ｐａの減圧下でＡｒ：Ｈ２＝１：１の割合のガスを流し、スパッタリングにより表面を洗浄した後、９００℃で６０分間、１００ＰａでＨ２：ＣＨ４＝１：４の割合のガスを流して浸炭処理を行った。その状態から、ＣＨ４ガスを止め、９８０℃に昇温して、３０分間保持した後、Ｎ２ガスを用いて冷却して焼入れした。その後、５２０℃で焼戻しを行い、表層部の硬さをビッカース硬度計で測定した。その結果を図２に示す。
【００４３】
ダイカスト金型に使用すべく調質されたＳＫＤ６１の一般的な焼入れ焼戻し硬さは４００〜５００ＨＶであるが、本発明鋼Ａ，Ｐ、比較鋼Ｖともに、表面から１ｍｍ前後の深さにわたってその硬さが得られている。前記のようにダイカスト金型の場合、表面から０．５ｍｍを超えた深さの範囲にもヒートクラックが発生するが、これを抑制するための強度向上策として、表面から０．３ｍｍ前後が限界である窒化処理に比べて、本浸炭処理であればヒートクラックに対する耐久性が期待できる。また、本発明鋼の場合、例えば９５０℃のガス浸炭法によっても同様の硬化層が得られた。もちろん真空浸炭や固体浸炭法でも同様の硬化層が得られる。なお、本発明鋼の成分範囲内であれば、浸炭によって得られる硬化層の硬さ分布は組成によらず浸炭条件によってほぼ一定であり、本発明鋼Ｂ〜Ｔでも同様のヒートクラック耐久性が期待できる。
【００４４】
（実施例４）
次に、表１の本発明鋼Ａ，Ｐと比較鋼Ｕ，Ｖより図３に示す寸法３８０ｍｍ×３１０ｍｍ×７０ｍｍの試験用金型を作製して鋳造実験を行った。この試験用金型には０．２Ｒ，０．５Ｒ，１．０Ｒの異なるコーナーＲを持ったＶ溝を湯口より計５箇所設けてある。実際の金型であればヒートクラック発生による金型寿命は５万サイクルを超え、１０万サイクル以上に及ぶ場合もある。よって、このような実金型での寿命試験を行なえば、評価に２年以上を要することになるので、本実施例においては、試験用金型として、その設けた応力集中部でのヒートクラック発生サイクルを確認することで、加速寿命の評価を行うこととした。
【００４５】
まず、比較鋼Ｕ（ＳＫＤ６１）を焼入れ焼戻しして４６ＨＲＣに調質した上記の試験用金型を準備した。これは量産用金型に適用されている一般の条件である。次に、射出成形用金型として一般に使用されている比較鋼Ｖの上記試験用金型（硬さ３２ＨＲＣ）を準備した。これは予備調質された試作用金型として実際に使用されている金型条件である。
【００４６】
そして、これらとは別に、同じく硬さ３２ＨＲＣに調質した本発明鋼Ａ，Ｐ、そして比較鋼Ｖを機械加工して金型形状とした後、プラズマ浸炭焼入れ焼戻しして仕上げた試験用金型を準備した。なお、上記プラズマ浸炭処理した表面硬さは５００ＨＶであって、比較鋼Ｖのものも併せ、その表面より少なくとも０．５ｍｍ内部までの表層部位が４２０〜６００ＨＶの硬さ範囲内であることも確認済みである。
【００４７】
これら準備した５種類の試験用金型を１つづつ型絞力３５０ｔのダイカストマシンに取り付け、アルミ溶湯による鋳造試験を行った。アルミの溶湯温度は６８０℃とした。そして、２５０サイクル毎に金型の溝部を観察して、ヒートクラックが発生しているか否かを観察し、ヒートクラックが初めて観察された鋳造サイクル数を測定、その結果を表３に示す。
【００４８】
【表３】
４６ＨＲＣの硬さを持つ比較鋼Ｕ（ＳＫＤ６１）の金型に比べて、３２ＨＲＣの硬さである比較鋼Ｖの金型（射出成形用金型。浸炭処理なし）のヒートクラック発生サイクル数はその１／３〜１／４程度であり、試作用金型としては使用できても量産用金型としての使用には耐え難いことが判る。
【００５０】
これに対して、浸炭処理を施した本発明鋼Ａの金型はヒートクラックに対する耐久性がＳＫＤ６１のものに迫り、あるいは溝によってはそれ以上であることが判る。また、表１に挙げる本発明鋼の中で最も被削性が良好な本発明鋼Ｐの金型についても、同等の耐久性が得られている。しかし、比較鋼Ｖの金型の場合、同じように浸炭処理が施された金型であっても、そのヒートクラック耐久性は著しく劣り、かえって浸炭しない場合にも劣る結果であった。
【００５１】
以前、本発明者は「熱間工具鋼のヒートチェック特性に及ぼす機械的性質の影響，CAMP-ISIJ vol.7(1994)-1730」にて下記の事項を報告している。なお、本報告で使用しているヒートチェックとは、本発明でのヒートクラックに同義である。ダイカスト金型に発生するヒートチェックは金型表層部に作用する熱応力の繰返しによる熱疲労現象である。つまり、高温下での強度の大きい金型であれば、作用する熱応力が小さくなり、ヒートチェックの発生は高サイクル側へ移行する、すなわち金型のヒートチェック寿命は長寿命となる。一方、金型表層部に引張応力が作用するのは、表面が水溶性潤滑剤で冷却された時であり、一般の疲労現象と同様、延性値の高い金型の方が寿命の向上に有利となる。よって、高温強度が高く、かつ常温付近の延性値が高い金型であれば、具体的には金型としての表層部であれば、ヒートチェックが発生し難いものと言える。
【００５２】
そこで、表３に示した金型耐久試験で使用された金型、特にはその同様に浸炭処理を行なったにもかかわらずヒートクラック耐久性に差が生じた金型（本発明鋼Ａ，比較鋼Ｖ）について、その引張特性を調べた。この場合、浸炭層の引張試験は不可能であるため、その評価にあたっては、それぞれの金型用鋼Ａ，ＶのＣ量をその浸炭層のＣ量に相当する約０．４％に調整した試料を別途作製して、相当に調質し、それより引張試験片を作製した。表４に示すのは、本発明鋼Ａの浸炭層に相当する鋼Ｗ、そして比較鋼Ｖの浸炭層に相当する鋼Ｘの成分組成である。引張試験結果を表５に示す。
【００５３】
【表４】
【表５】
まず、比較鋼Ｖに浸炭処理を施さないままの金型は、比較鋼ＵすなわちＳＫＤ６１の金型に対してその硬さ自体が低いことから、ダイカスト金型の昇温時に相当する６００℃における耐力値すなわち強度が低いため、ヒートクラックが早期に発生している。
【００５６】
また、比較鋼Ｖに浸炭処理を施した金型の場合、その浸炭層に相当する鋼Ｘは、調質硬さこそ比較鋼Ｕの金型より高いものの、高温強度、常温の延性は低く、ヒートクラック耐久性には劣るものである。これは、焼戻し過程にてＣとの結合による極微細炭化物が形成されるが、高温強度を付与するに十分なＭｏ量自体が不足すること、さらには、そのＭｏの不足によりＦｅを主体としたセメンタイト系の炭化物が生成され、これが凝集粗大化したため、延性も低下したものである。
【００５７】
一方、本発明鋼Ａに浸炭処理を施した金型において、その浸炭層に相当する鋼Ｗは、Ｍｏが増量され、比較鋼Ｕによる金型の高温強度を上回り、そして延性も大きく低下していない。これらのことが、表３に示した比較鋼Ｖを浸炭処理して作製した金型のヒートクラック耐久性が良くない一方で、本発明鋼Ａを浸炭して作製した金型のヒートクラック耐久性が比較鋼Ｕ製のダイカスト金型のそれと比肩し、量産用金型として十分使用可能な耐久性を達成できる理由と判断できる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明であれば、量産用金型の製作にあたって、量産用金型とは別に試作用金型のためのもう１つの金型用鋼が必要かつ、９つの金型製作工程もが必要であった従来に比して、本発明の金型用鋼と浸炭処理を利用することで、１つの金型用鋼および金型製作工程も６工程にまで減らすことができる。よって、金型製作費用と期間を大幅に削減することができ、工業的価値は高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の量産用金型の製作工程の一例を示す図である。
【図２】 本発明の浸炭層の一例を説明するための図である。
【図３】 本発明の実施例に使用した試験用金型を示す図である。
【図４】 従来の量産用金型の製作工程を示す図である。
Claims (16)
- 質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：１．０〜３．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．０〜２．０％、Ｖ：０．０１〜１．０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるダイカスト金型用鋼を焼入れ焼戻し後加工して試作用ダイカスト金型を製作し、該試作用ダイカスト金型を用いてその製作すべきダイカスト金型の最終形状を決定し、該試作用ダイカスト金型を前記最終形状に整えた後、浸炭処理を行なうことを特徴とするダイカスト金型の製造方法。
- 質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：１．０〜３．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．０〜２．０％、Ｖ：０．０１〜１．０％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるダイカスト金型用鋼を焼入れ焼戻し後加工して試作用ダイカスト金型を製作し、該試作用ダイカスト金型を用いてその製作すべきダイカスト金型の最終形状を決定し、該試作用ダイカスト金型を前記最終形状に整えた後、浸炭処理を行なうことを特徴とするダイカスト金型の製造方法。
- 質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：１．０〜３．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．０〜２．０％、Ｖ：０．０１〜１．０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるダイカスト金型用鋼を３５ＨＲＣ以下の硬さに調質後加工して試作用ダイカスト金型を製作し、該試作用ダイカスト金型を用いてその製作すべきダイカスト金型の最終形状を決定し、該試作用ダイカスト金型を前記最終形状に整えた後、浸炭処理を行なうことを特徴とするダイカスト金型の製造方法。
- 質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：１．０〜３．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．０〜２．０％、Ｖ：０．０１〜１．０％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるダイカスト金型用鋼を３５ＨＲＣ以下の硬さに調質後加工して試作用ダイカスト金型を製作し、該試作用ダイカスト金型を用いてその製作すべきダイカスト金型の最終形状を決定し、該試作用ダイカスト金型を前記最終形状に整えた後、浸炭処理を行なうことを特徴とするダイカスト金型の製造方法。
- ダイカスト金型用鋼は、質量％で、Ｆｅの一部をＮｉ：２．０％以下で置換したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のダイカスト金型の製造方法。
- ダイカスト金型用鋼は、質量％で、Ｆｅの一部をＰ：０．０２０〜０．０５０％で置換したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のダイカスト金型の製造方法。
- ダイカスト金型用鋼は、質量％で、Ｆｅの一部をＣａ：０．０１％以下、Ｔｅ：０．２％以下、Ｚｒ：０．２％以下、Ｓｅ：０．０５％以下、Ｃｅ：０．１％以下、Ｐｂ：０．２％以下、Ｂｉ：０．２％以下、Ｓｎ：０．０５％以下、Ｓｂ：０．０５％以下のうちの１種あるいは２種以上で置換したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のダイカスト金型の製造方法。
- 浸炭処理をプラズマ浸炭法で行なうことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のダイカスト金型の製造方法。
- 浸炭処理された表層部は、その表面より少なくとも０．５ｍｍ内部までの部位を４２０〜６００ＨＶの硬さとすることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のダイカスト金型の製造方法。
- 質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：１．０〜３．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．０〜２．０％、Ｖ：０．０１〜１．０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるダイカスト金型用鋼を用いて製作したダイカスト金型であって、浸炭層を有することを特徴とするダイカスト金型。
- 質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：１．０〜３．０％、ＭｏおよびＷは単独または複合で（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：１．０〜２．０％、Ｖ：０．０１〜１．０％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるダイカスト金型用鋼を用いて製作したダイカスト金型であって、浸炭層を有することを特徴とするダイカスト金型。
- 硬さが３５ＨＲＣ以下であることを特徴とする請求項１０または１１に記載のダイカスト金型。
- 浸炭層は、その表面より少なくとも０．５ｍｍ内部までの部位が４２０〜６００ＨＶの硬さであることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれかに記載のダイカスト金型。
- ダイカスト金型用鋼は、質量％で、Ｆｅの一部をＮｉ：２．０％以下で置換したことを特徴とする請求項１０ないし１３のいずれかに記載のダイカスト金型。
- ダイカスト金型用鋼は、質量％で、Ｆｅの一部をＰ：０．０２０〜０．０５０％で置換したことを特徴とする請求項１０ないし１４のいずれかに記載のダイカスト金型。
- ダイカスト金型用鋼は、質量％で、Ｆｅの一部をＣａ：０．０１％以下、Ｔｅ：０．２％以下、Ｚｒ：０．２％以下、Ｓｅ：０．０５％以下、Ｃｅ：０．１％以下、Ｐｂ：０．２％以下、Ｂｉ：０．２％以下、Ｓｎ：０．０５％以下、Ｓｂ：０．０５％以下のうちの１種あるいは２種以上で置換したことを特徴とする請求項１０ないし１５のいずれかに記載のダイカスト金型。
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