JP5002081B1 - 金型の製造方法及び金型 - Google Patents

Abstract

【課題】 ワイヤーカット加工により成形され、経年変寸を抑制することができる金型の製造方法及び金型を提供する。
【解決手段】本製造方法は、金型を成形する成形工程Ｓ１と、成形工程Ｓ１の後に、経年変寸を抑制する熱処理を行う変寸抑制工程Ｓ２と、を備えている。成形工程Ｓ１は、粗加工された金型材を焼入れする焼入れ処理Ｓ１１と、焼入れ処理Ｓ１１後の金型材を焼戻す焼戻し処理Ｓ１３と、焼戻し処理Ｓ１３後の金型材をワイヤーカット加工して金型を成形する加工工程Ｓ１５と、を備えている。ワイヤーカット加工により加工表面から内部に向けて形成された熱影響部の状態を改善するために、変寸抑制工程Ｓ２では、経年変寸を抑制する熱処理として、焼戻し温度が３５０〜４００℃である中温焼戻し処理を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷間ダイス鋼により精密金型等を製造するための金型の製造方法、より詳しくは、ワイヤーカット加工により成形される金型の経年変寸を抑制することができる金型の製造方法及びその製造方法による金型に関する。

従来、冷間ダイス鋼を用いて、プレス金型など各種金型が製造されている。冷間ダイス鋼は、金型に要求される硬度等の特性を発現するために、粗加工の後、焼入れ、焼戻し等の熱処理が施された後に所定の金型形状に仕上げ加工されるが、この熱処理により不安定な残留オーステナイトが残存することになる。この残留オーステナイトが、時間の経過とともに分解しマルテンサイト変態すると、金型が膨張して寸法変化が生じてしまう。この現象は経年変寸と呼ばれている。経年変寸の起こりやすさは残留オーステナイトの量と安定性に影響され、特に高温焼戻しを行った場合に、残留オーステナイトが不安定になりやすいため、発生しやすい傾向がある。

このような経年変寸を抑制するために、熱処理や材質面からの検討が行われてきた。例えば、熱処理では、高温焼戻し後のサブゼロ処理による残留オーステナイト量の低減、低温焼戻しによる残留オーステナイトの安定化などが挙げられる。また、材質面からは例えば特許文献１には、経年変寸しにくい組成の鋼種が提案されている。

特開２０１０−１６３６４８号公報

近年、自動車関連、弱電関連で使用される部品を製造するための金型など、高度な寸法精度が要求される高品質の金型の需要が増大している。このような金型の加工方法としては、高周波電流を通電したワイヤーにより金型材表面において放電スパークさせ、溶融、除去するワイヤーカット加工が主流となりつつある。精密金型の仕上げ加工にワイヤーカット加工を用いる場合には、一般的には硬度などの要求特性発現のための熱処理をワイヤーカット加工の前に行い、ワイヤーカット加工で金型の製造工程が終了する。ここで、加工表面には微細クラックを伴う放電変質層（溶融層）が形成され、割れの原因となるため、この変質層を除去することも行われている。
昨今、高精度金型への精度要求は厳しく、経年変寸に対する要求値は数μｍ以下となっているが、ワイヤーカット加工により製造された金型に要求値を超えた経年変寸が生じ、十分満足な金型寿命を得ることができないという問題があった。
本願発明者はこの問題点について鋭意研究を行い、ワイヤーカット加工により加工表面近傍に形成される熱影響部において内部応力が発生するとともに残留オーステナイトが不安定になり、経年変寸が発生しやすくなることを見出した。更に、このような経年変寸を抑制可能な金型の製造方法を見出した。

そこで、本発明は、ワイヤーカット加工により成形され、経年変寸を抑制することができる金型の製造方法及び金型を提供することを目的とする。

本発明では、上記目的を実現するために、請求項１に記載の発明では、金型の製造方法において、焼入れ処理及び焼戻し処理を行った冷間ダイス鋼をワイヤーカット加工して金型を成形する成形工程と、ワイヤーカット加工において形成された熱影響部の経年変寸を抑制する熱処理を行う変寸抑制工程と、を備えた、という技術的手段を用いる。

請求項１に記載の発明によれば、成形工程の後に、ワイヤーカット加工において形成された熱影響部について、経年変寸を抑制する熱処理を行うことにより、熱影響部において歪を開放し、残留オーステナイトを安定化することができ、従来、生じていた経年変寸を抑制することができる。これにより、長寿命で寸法管理が容易な金型を製造することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の金型の製造方法において、前記変寸抑制工程における熱処理は、焼戻し温度が３５０〜４００℃である中温焼戻し処理である、という技術的手段を用いる。

請求項２に記載の発明のように、変寸抑制工程における熱処理として、焼戻し温度が３５０〜４００℃である中温焼戻し処理を採用すると、熱影響部において残留オーステナイトを安定化することができるので、経年変寸を効果的に抑制することができる。
熱影響部における残留オーステナイトは３５０℃より低い温度では安定化は不十分で、逆に４００℃より高温になるにつれ再度残留オーステナイトが分解を開始し、マルテンサイト化するために安定化の効果を失い経年変化を引き起す原因となるので、３５０〜４００℃で処理することが好ましい。

請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の金型の製造方法において、前記成形工程において高温焼戻しを行った場合に、焼戻し処理の後に安定化処理を行う、という技術的手段を用いる。

請求項３に記載の発明のように、成形工程において高温焼戻しを行った場合に、焼戻し処理の後に安定化処理を行うことができる。
これによれば、成形工程において、不安定な残留オーステナイトを安定化することができるので、後の変寸抑制工程において、熱影響により不安定となる残留オーステナイトを更に安定化することができ、より効果的に経年変寸を抑制することができる。

請求項４に記載の発明では、金型が、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の金型の製造方法により製造された金型である、という技術的手段を用いる。

請求項４に記載の発明のように、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の金型の製造方法により製造された金型は、経年変寸が極めて小さいので、特に精密金型として好適に用いることができる。

金型の製造方法を示す工程図である。 経年変寸を評価するための測定試料の形状を示す説明図である。 経年変寸の評価結果（ＳＫＤ１１のＸ方向）を示す説明図である。 経年変寸の評価結果（ＳＫＤ１１のＹ方向）を示す説明図である。 経年変寸の評価結果（ＳＫＤ１１改のＸ方向）を示す説明図である。 経年変寸の評価結果（ＳＫＤ１１改のＹ方向）を示す説明図である。 経年変寸の評価結果（８％Ｃｒ鋼のＸ方向）を示す説明図である。 経年変寸の評価結果（８％Ｃｒ鋼のＹ方向）を示す説明図である。

本発明の金型の製造方法について図を参照して説明する。

本発明の金型の製造方法（以下、本製造方法、という）は、ＳＫＤ１１（ＪＩＳ Ｇ ４４０４）、８％Ｃｒ系冷間ダイス鋼などの冷間ダイス鋼や冷間ダイス鋼をベースに改良された冷間ダイス鋼相当の鋼種（以下、まとめて、冷間ダイス鋼、という）から、経年変寸が極めて小さい金型を製造する方法であり、特に寸法精度が厳しい精密金型の製造に好適に採用することができるものである。

図１（Ａ）に示すように、本製造方法は、金型を成形する成形工程Ｓ１と、成形工程Ｓ１の後に、経年変寸を抑制する熱処理を行う変寸抑制工程Ｓ２と、を備えている。

図１（Ｂ）に示すように、成形工程Ｓ１は、ブロック形状の冷間ダイス鋼、例えばＳＫＤ１１、から金型形状に粗加工された金型材を焼入れする焼入れ処理Ｓ１１と、焼入れ処理Ｓ１１後の金型材を焼戻す焼戻し処理Ｓ１３と、焼戻し処理Ｓ１３後の金型材をワイヤーカット加工して金型を成形する加工工程Ｓ１５と、を備えている。

焼入れ処理Ｓ１１は、材料の硬度を増大させるための処理であり、冷間ダイス鋼に対する公知の条件、例えば、ＳＫＤ１１では、１０２０℃から常温への急冷により行われる。このとき、冷間ダイス鋼は、焼入組織に未変態の残留オーステナイトが１０〜２０％残存した組織となっている。

続く焼戻し処理Ｓ１３は、焼入組織を準安定組織とし冷間ダイス鋼の硬度を調整するとともに、焼入れ処理Ｓ１１により導入された内部応力を低減するための処理である。５００℃以上高温焼戻しを行うと、残留オ−ステナイトがマルテンサイト変態して量が減るが残存した残留オーステナイトが不安定となるため、経年変寸が生じやすい傾向があるが、ワイヤーカット加工を行う場合には、内部応力を低減し、ワイヤーカット時の歪を低減することを目的に高温焼戻しを行うことが多く、本実施形態では５０５℃で焼戻しを行う。焼戻し処理Ｓ１３により、金型材は所定の硬度、例えば、ロックウェル硬さ（ＨＲＣ）で５８〜６１に調質される。

焼入れ処理Ｓ１１と続く焼戻し処理Ｓ１３との間で、サブゼロ処理Ｓ１２を行うこともできる。サブゼロ処理Ｓ１２は、焼入れ処理Ｓ１１の材料を０℃以下に冷却し、オーステナイトの分解を促進する処理である。これにより、残留オーステナイトの量を低減することができる。

続く加工工程Ｓ１５では、焼戻し処理Ｓ１３後の材料にワイヤーカット加工を施して所定形状の金型を成形する。

ワイヤーカット加工は寸法精度が高い加工を短時間で行うことができるが、金型材表面を放電スパークさせ、溶融、除去する加工法であるため、加工表面からの入熱が大きく、加工表面に微細クラックを伴う数μｍ〜１０数μｍの放電変質層（溶融層）が形成されるとともに、溶融層直下に数μｍ程度の熱影響部が形成される。

熱影響部は、焼戻し処理Ｓ１３で形成された焼戻し組織が、過大な入熱により高温にさらされ、変質した領域であり、内部応力が増大し、残留オーステナイトが不安定になっている。つまり、熱影響部において、金型材は経年変寸しやすい状態に戻ってしまう。

このような熱影響部の状態を改善するために、変寸抑制工程Ｓ２では、経年変寸を抑制する熱処理を行う。

具体的には、変寸抑制工程Ｓ２においては、焼戻し温度が３５０〜４００℃である中温焼戻し処理を行う。

これにより、ワイヤーカット加工を施した後の熱影響部において、残留オーステナイトを安定化することができるとともに、内部応力を開放して低減することができる。従って、経年変寸の極めて少ない金型を製造することができる。

熱影響部における残留オーステナイトは３５０℃より低い温度では安定化は不十分で、逆に４００℃より高温になるにつれ再度残留オーステナイトが分解を開始し、マルテンサイト化するために安定化の効果を失い経年変化を引き起す原因となるので、３５０〜４００℃で処理することが好ましい。

焼戻し処理Ｓ１３で高温焼戻しを行った場合に、焼戻し処理Ｓ１３と加工工程Ｓ１５との間で、安定化処理Ｓ１４を行うこともできる。安定化処理Ｓ１４は、２５０〜４５０℃での焼戻し処理であり，残留オーステナイトを安定化させるための熱処理である。これによれば、成形工程Ｓ１において不安定な残留オーステナイトを安定化することができるので、後の変寸抑制工程Ｓ２において熱影響により不安定となる残留オーステナイトを更に安定化することができ、より効果的に経年変寸を抑制することができる。

［実施形態の効果］
本発明の金型の製造方法によれば、ワイヤーカット加工によって内部応力が増大し、残留オーステナイトが不安定となった熱影響部を、変寸抑制工程により内部応力が低減し、残留オーステナイトが安定化した状態とすることができるので、金型の経年変寸を抑制することができる。このような金型の製造方法により製造された金型は、経年変寸が極めて小さいので、特に精密金型として好適に用いることができる。

以下に、本発明の金型の製造方法の実施例について説明する。

（金型材）
金型材として、ＳＫＤ１１、ＳＫＤ１１の改良鋼種（以下、ＳＫＤ１１改）及び８％Ｃｒ系冷間ダイス鋼（以下、８％Ｃｒ鋼）を用い、長さ２００ｍｍ、幅１２５ｍｍ、厚さ４０ｍｍの試料ブロックを作製した。試料ブロックには、ワイヤーカット加工用の穴が形成されている。ここで、試料ブロックの長手方向が素材の圧延方向となるように作製した。

（熱処理）
試料ブロックに熱処理を行い、ロックウェル硬さで５８〜６１ＨＲＣに調質した。熱処理条件は以下の通りである。
・焼入れ処理：真空中で１０２０℃、１．５時間保持後、急冷。
・焼戻し処理：真空中で５０５℃、４時間保持後、徐冷。
・安定化処理：真空中で４００℃、４時間保持後、徐冷。

（ワイヤーカット加工）
熱処理後の試料ブロックについて、ワイヤーカット加工を行い、図２に示す測定試料１を作製した。ワイヤーカット加工は４回に分けて行い、測定試料１に、幅方向が７０ｍｍ、長手方向が７８ｍｍの矩形状の寸法測定領域１１を形成した。

（変寸抑制工程）
変寸抑制工程では、材質に応じて３５０〜４００℃の範囲の中温焼戻し処理を行った。真空中で所定の温度に４時間保持後、徐冷し、実施例の測定試料（ＳＫＤ１１−１、ＳＫＤ１１改−１及び８％Ｃｒ鋼−１を作製した。

比較例として、上記安定化処理及び変寸抑制工程を行わない測定試料（ＳＫＤ１１−２、ＳＫＤ１１改−２、８％Ｃｒ鋼−２）を作製した。

（経年変寸の評価）
測定試料１の経年変寸は、寸法測定領域１１の長手方向（Ｘ方向）の寸法及び幅方向（Ｙ方向）寸法を測定することにより評価した。寸法測定は、３次元測定機ＰＭＭ−Ｃ（Ｌｅｉｔｚ社）を用いて、２０±１℃に保たれた恒温室内で実施した。測定試料１は測定日の前日から恒温室に安置し、測定試料１と測定機との温度差が生じない条件で寸法測定を行った。

測定結果を図３ないし図８に示す。実施例、比較例ともにワイヤーカット加工後の寸法を基準とした寸法変化を示す。ここで、ワイヤーカット加工後の最初の測定を「１日目」とした。実施例では、変寸抑制工程を「２日目」に行い、変寸抑制工程後の最初の測定を「３日目」に行った。また、各図において、縦軸は寸法変化量をμｍで表したものである。

図３及び図４に示すように、比較例ＳＫＤ１１−２では、６５日後にはＸ方向では１μｍ以上、Ｙ方向では１μｍ程度変化したが、実施例ＳＫＤ１１−１ではＸ方向、Ｙ方向ともに変化量は０．３μｍ以下であった。

図５及び図６に示すように、比較例ＳＫＤ１１改−２では、６０日後にはＸ方向、Ｙ方向ともに５μｍ以上変化したが、実施例ＳＫＤ１１改−１ではＸ方向、Ｙ方向ともに変化量は１μｍ以下であった。

図７及び図８に示すように、比較例８％Ｃｒ鋼−２では、５０日後にはＸ方向、Ｙ方向ともに４μｍ程度変化したが、実施例８％Ｃｒ鋼−１ではＸ方向の変化量は１μｍ以下、Ｙ方向の変化量は１μｍ程度であった。

以上より、いずれの鋼種においても実施例の経年変寸は大きくても１μｍ程度であり、変寸抑制工程を行うことにより、経年変寸を効果的に抑制することができることが確認された。

１…測定試料
１１…寸法測定領域

Claims (4)

1. 焼入れ処理及び焼戻し処理を行った冷間ダイス鋼をワイヤーカット加工して金型を成形する成形工程と、
   ワイヤーカット加工において形成された熱影響部の経年変寸を抑制する熱処理を行う変寸抑制工程と、を備えたことを特徴とする金型の製造方法。
2. 前記変寸抑制工程における熱処理は、焼戻し温度が３５０〜４００℃である中温焼戻し処理であることを特徴とする請求項１に記載の金型の製造方法。
3. 前記成形工程において高温焼戻しを行った場合に、焼戻し処理の後に安定化処理を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金型の製造方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の金型の製造方法により製造された金型。

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