JP5288259B2 - マルテンサイト系工具鋼の焼入れ前処理方法および焼入れ処理方法 - Google Patents
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Description
例えば、本願出願人の提案による特開平9−182948号公報(特許文献1)では、靭性を改善するために冷却工程を多段とする焼入れ方法として、焼入れ温度に加熱・保持(図2:(6),(7))し、その後、冷却工程を異なる冷却速度で多段冷却(図2:(8A),(8B))する方法を提案した。また、この他にも本願出願人は、特開平11−310821号公報(特許文献2)、特開平11−350034号公報(特許文献3)中に、冷却工程を多段とすることで靭性を改善する焼入れ方法を提案した。
しかしながら、本発明者が検討したところ、多段冷却を適用したとしても、焼入れ後の結晶粒度を観察すると、部分的に結晶粒が異常に粗大化し、全体的に粗大な粒と微細な粒が混在する混粒と呼ばれる金属組織が観察される場合のあることを確認した。
かくして、本発明の目的は、焼入れ後の金属組織中の混粒化を防止し、靱性を更に向上させることのできる、マルテンサイト系工具鋼の焼入れ前処理方法および焼入れ処理方法を提供することである。
先ず、従来から行われている焼入れ時の冷却工程を種々検討したが、より確実に混粒を防止することは困難であった。そのため、焼入れ前のヒートパターンを種々検討してみたところ、焼入れ前に特定のヒートパターンを採用した場合に、焼入れ後の金属組織を均一かつ微細にできることを見出し本発明に到達した。
(a)熱間加工及び/又は焼鈍したマルテンサイト系工具鋼を、室温からA3変態点〜「A3変態点+150℃」の温度範囲にまで加熱し、その温度に保持してオーステナイト変態させる段階と、
(b)前記段階(a)に続いて、前記マルテンサイト系工具鋼を「パーライトノーズ温度±100℃」の温度範囲まで冷却し、その温度に保持して、パーライト変態させる段階とを含む、マルテンサイト系工具鋼の焼入れ前処理方法。
このマルテンサイト系工具鋼の焼入れ前処理方法の一実施形態によれば、好適には、前記段階(a)において、オーステナイト変態が始まる温度であるA1変態点からA3変態点までの昇温時間が1時間を超えない。
前記マルテンサイト系工具鋼の焼入れ前処理方法の別の実施形態によれば、好適には、マルテンサイト系工具鋼が、質量%で、C:0.10〜2.0%、Si:2.0%以下、Mn:2.0%以下、Cr:1.0〜15.0%、Mo:10.0%以下、および、Ni:4.0%以下、V:4.0%以下、W:20.0%以下およびCo:10.0%以下から成る群から選択される少なくとも1種の元素を含む。
前記マルテンサイト系工具鋼の焼入れ前処理方法の更に別の実施形態によれば、好適には、該焼入れ処理方法がマルテンサイト系工具鋼で形成された金型に適用される。
(a)熱間加工及び/又は焼鈍したマルテンサイト系工具鋼を、室温からA3変態点〜「A3変態点+150℃」の温度範囲にまで加熱し、その温度に保持してオーステナイト変態させる段階と、
(b)前記段階(a)に続いて、前記マルテンサイト系工具鋼を「パーライトノーズ温度±100℃」の温度範囲まで冷却し、その温度に保持して、パーライト変態させて室温まで冷却する段階と、
(c)冷却された前記マルテンサイト系工具鋼をA3変態点以上の温度に加熱し、その温度に保持した後、焼入れ処理を施すマルテンサイト系工具鋼の焼入れ処理方法。
本発明の第三の観点によれば、以下に示す、マルテンサイト系工具鋼の焼入れ処理方法が提供される。
(a)熱間加工及び/又は焼鈍したマルテンサイト系工具鋼を、室温からA3変態点〜「A3変態点+150℃」の温度範囲にまで加熱し、その温度に保持してオーステナイト変態させる段階と、
(b)前記段階(a)に続いて、前記マルテンサイト系工具鋼を「パーライトノーズ温度±100℃」の温度範囲まで冷却し、その温度に保持して、パーライト変態させる段階と、
(c)前記段階(b)に続いて、前記マルテンサイト系工具鋼をA3変態点以上の温度に加熱し、その温度に保持した後、焼入れ処理を施す段階とを含むマルテンサイト系工具鋼の焼入れ処理方法。
前記第二および第三の観点の下で、マルテンサイト系工具鋼の焼入れ処理方法の一実施形態によれば、好適には、前記段階(a)において、オーステナイト変態が始まる温度であるA1変態点からA3変態点までの昇温時間が1時間を超えない。
前記第二および第三の観点の下で、前記マルテンサイト系工具鋼の焼入れ処理方法の別の実施形態によれば、好適には、マルテンサイト系工具鋼が、質量%で、C:0.10〜2.0%、Si:2.0%以下、Mn:2.0%以下、Cr:1.0〜15.0%、Mo:10.0%以下、および、Ni:4.0%以下、V:4.0%以下、W:20.0%以下およびCo:10.0%以下から成る群から選択される少なくとも1種の元素を含む。
前記第二および第三の観点の下で、前記マルテンサイト系工具鋼の焼入れ処理方法の更に別の実施形態によれば、好適には、該焼入れ処理方法がマルテンサイト系工具鋼で形成された金型に適用される。
従来の焼入れ方法では、焼入れ前の工具鋼製被処理材はA1変態点以下の例えば600〜800℃の範囲まで昇温し、被処理材の表面と内部の温度差をなくすことを企図として、一旦その温度に保持する。次いで、A3変態点以上の適当な温度まで加熱し、焼入れ温度で保持する。その後、靭性を高めるに効果があるとする所望の金属組織を得るように冷却速度を調整して冷却する。
この従来方法では、焼入れ温度で保持されている時の金属組織が、オーステナイトの成長で粗粒になる場合がある。その原因として、焼入れ前に被処理材工具鋼に施された熱間加工や焼鈍等の影響により、焼入れ前の被処理材工具鋼の金属組織が混粒になっていると考えられる。
焼入れ温度において粗粒になってしまうと、冷却工程で冷却速度を調整しても、「ベイナイト+マルテンサイト」組織は混粒になり易いだけでなく、微細にもなり難い。
図1A、図1Bは、本発明の代表的なヒートパターンの一例である。図1Aは、焼入の前段階までの処理である、焼入れ前の工具鋼中間材を得る工程(図1A:(1),(2),(3),(4),(5))に引続いて、焼入れ(図1A:(6),(7),(8))を行うヒートパターンである。また、図1Bは、パーライト変態させる工程(図1B:(5))の後、冷却工程(図1B:(9))を経て、パーライト変態させた、焼入れ用の工具鋼中間材を得る場合の代表的なヒートパターンの一例である。
何れの方法においても、マルテンサイト系工具鋼を、「A3変態点〜A3変態点+150℃」の温度範囲に加熱して、保持する工程(図1A、図1B:(3),(4))により、金属組織をオーステナイト変態させる。
なお、図1Bで得られた焼入れ用の工具鋼中間材を再度A3変態点以上に加熱して、保持する焼入れを行ってもよい。
本発明においてA3変態点〜「A3変態点+150℃」の温度範囲に加熱して、その温度に保持する工程の目的は、次工程のパーライト変態させる処理により、微細なパーライトをオーステナイトの粒界および粒内に形成させるために行うものである。
そこで本発明では、オーステナイト変態させる温度(図1A、図1B:(4))をA3変態点〜「A3変態点+150℃」の温度範囲に定め、同温度まで加熱して保持することにした。この理由は、A3変態点未満の温度では、オーステナイト組織が得られず、また、「A3変態点+150℃」を超える温度域では、オーステナイト粒が粗大に成長するおそれがあるためである。オーステナイト変態させる好ましい温度はA3変態点〜「A3変態点+50℃」の温度範囲である。
なお、この時、被処理材は所定の温度にて保持を行うが、好ましい保持時間は、所定の温度に到達後0.5時間〜2時間で十分である。
また、この時、被処理材が所定の温度に到達しているかどうかを確認する場合、シース熱電対にて、直接被処理材表面に接触させて測定するとよい。
この処理により、オーステナイト粒界及び粒内にパーライトが形成され、見かけの結晶粒は微細化されることになる。この効果を得るには、「パーライトノーズ温度±100℃」の温度域に調節することが重要となる。もしも、パーライトノーズ温度より100℃を超えて高い温度域であったり、パーライトノーズ温度より100℃を超える低い温度域に冷却すると、見かけの金属組織の微細化効果を得ることが難しく、未変態で残存したオーステナイト組織がそのまま残存して、その後の焼入れ加熱保持工程において、結晶粒が粗大に成長してしまうおそれがある。
しかしながら、実際の作業中にパーライト組織に十分に変態したのかを直接確認することは困難であるため、予め試験片にて等温変態曲線を作成し、「パーライトノーズ温度±100℃」の温度域での保持時間を決定しておくことが有効である。
なお、好ましい温度域は、パーライトノーズ温度から「パーライトノーズ温度マイナス(−)100℃」の温度域であり、パーライトノーズ温度よりも低温側で保持することで、本発明の効果がより期待できる。
実際のパーライト変態させる処理後の金属組織は、例えばJIS規格SKD61では、オーステナイト粒界、粒内でパーライト組織の形態が異なる金属組織となる特徴があり、JIS SKD11では、オーステナイト粒界、粒内で均一な金属組織となる特徴がある。
本発明による焼入れ前処理方法に引き続いて、被処理材をA3変態点以上に加熱して、その温度で保持し、次いで冷却を行なう焼入れを行うことで焼入れ処理されたマルテンサイト系工具鋼を得ることができる。
焼入れは、図1Aに示すような、パーライト変態させる処理(図1A:(5))に連続して、A3変態点以上に加熱・保持(図1A:(6),(7))を行い、次いで冷却(図1A:(8))を行って、焼入れ用部材に焼入れを行う工程を適用してもよいし、図1(b)に示すように、パーライト変態させる処理(図1B:(5))の後、冷却(図1B:(9))を行って、焼入れ用の工具鋼中間材として一旦冷却した後、焼入れ用の工具鋼中間材を再度A3変態点以上の温度に加熱し、その温度で保持した後、焼入れを行ってもよいし、或いは、図2に示すように、前記A3変態点以上の温度から多段冷却の焼入れを施してもよい。
生産性を考慮すると、図1Aに示す、パーライト変態させる処理に続いて、A3変態点以上の温度に加熱し、その温度に保持した後、冷却を行って工具鋼中間材とし、引き続き焼入れを行うことが有利である。
但し、何れの方法を選択しても、予め微細なパーライト組織になっており、焼入れ温度に昇温し、その温度で保持した時には、オーステナイト生成核が増加しているため、オーステナイト結晶粒も微細且つ均一な大きさとなり、これを冷却することにより、得られるマルテンサイト組織も微細且つ均一になる。これにより、靭性を向上させることができる。
なお、焼入れの冷却速度は、通常の焼入れで行われる如く、トルースタイト若しくは粒界炭化物が析出する冷却速度より速い冷却速度で急冷すればよく、多段冷却であっても構わない。
A1変態点は一部オーステナイト組織に変態開始する温度で、A3変態点は全面がオーステナイト組織になる温度である。昇温時間が遅過ぎると結晶粒が粗大に成長し易くなるため、1時間以内とした。好ましくは30分以内である。
なお、被処理材は表面から加熱され、内部は表面よりも遅く加熱される。内部及び表面で昇温速度が異なると内部及び表面で結晶粒のばらつきが発生し易くなるため、更に好ましくは、内部及び表面ともに1時間以内で昇温させるのが望ましい。
そのため、オーステナイト変態させる温度(図1A、図1B:(4))への昇温工程(図1A、図1B:(1),(2),(3))では、「A1変態点〜A1変態点マイナス200℃」の温度範囲で一旦温度保持する(図1A、図1B:(2))のがよい。一旦保持することで、被処理材の内部温度差を低減することができ、再び、オーステナイト変態させる温度(図1A、図1B:(4))に昇温(図1A、図1B:(3))する時に、被処理材の内部温度差を小さくできる。
以下、本発明のマルテンサイト系工具鋼の好ましい組成について述べる。単位は全て質量%である。
C(炭素):0.10〜2.0%
炭素含有量を0.10%〜2.0%とした理由は、炭素量が0.10%未満では、炭素量が少なすぎて炭素が結晶粒内まで拡散せずに結晶粒内に炭化物が析出しなく、2.0%を超えると炭化物が過剰となり、靱性を低下させるためである。好ましくはC(炭素):0.20〜0.60%である。
Siは工具鋼において溶解時の脱酸剤として添加される。しかし、多量に添加すると靱性が低下する。そのため、本発明では2.0%以下とした。好ましくは0.15〜1.20%である。
Mn:2.0%以下
Mnは工具鋼において溶解時の脱酸および脱硫剤として添加される。しかし、多量に添加すると靱性が低下する。そのため、本発明では2.0%以下とした。好ましくは0.30〜1.00%である。
Cr:1.0〜15.0%
Crは工具鋼において焼入れ性を向上させ、引張り強さや靱性を改善するという目的で添加される。しかし、多量に添加すると逆に靱性が低下する。そのため本発明では1.0〜15.0%とした。好ましくは1.0〜13.0%である。
Mo:10.0%以下
Moは工具鋼において焼入れ性を向上させる。また、焼戻しにより微細な炭化物を形成し、高温引張り強さを増大させるという目的で添加される。しかし、多量に添加すると逆に靱性が低下する。そのため本発明では10.00%以下とした。好ましくは0.20〜5.00%である。
Ni:4.00%以下(ゼロ%を除く)
Niは工具鋼において焼入れ性を向上させ、靱性を改善するという目的で添加される。しかし、多量に添加すると変態点を下げ、高温強度が低下する。そのため本発明では4.00%以下とした。好ましくは2.0%以下である。
V:4.00%以下(ゼロ%を除く)
Vは工具鋼において結晶粒を細かくし靱性を向上させる。また、焼戻しにより高硬度の炭窒化物を形成し、引張強度を増大させるという目的で添加される。しかし、多量に添加すると逆に靱性が低下する。そのため本発明では4.00%以下とした。好ましくは0.10〜1.10%である。
W:20.00%以下(ゼロ%を除く)
Wは工具鋼において焼入れ性を向上させる。また、焼戻しにより微細な炭化物を形成し、高温引張り強さを増大させるという目的で添加される。しかし、多量に添加すると逆に靱性が低下する。そのため本発明では4.00%以下とした。好ましくは0.10〜1.10%である。
Co:10.00%以下(ゼロ%を除く)
Coは工具鋼において赤熱硬性を増し、高温引張強度を増大させるという目的で添加される。本発明では10.00%以下とした。
また、Alは炭素の拡散を早くする元素であり、パーライト変態で炭化物の析出を促進させる効果があるため、0.20%以下の範囲で含有させてもよい。
近年、金型材の寿命の向上が求められており、高寿命化の方法の一つとして結晶粒を微細化することで高靭性化する方法があり、本発明を適用して焼入れを行うと、金型に求められる要求特性を満足できる。
なお、金型に適用する場合は、内部の温度、表面の温度は冷却穴にシース熱電対を直接接触させ測定するとよい。
まず実験用に15mmT×15mmW×50mmLの被処理材となるマルテンサイト系の工具鋼部材を6個準備した。材質はJIS規格SKD61とし組成を表1に示す。
実験に先立って、準備した試料と同一組成の試験片にて、A1、A3変態点を測定し、また、試験片を900℃に加熱し、その後、等温変態曲線を作成し、パーライトノーズ及びパーライト変態完了までの保持時間を確認した。その結果、A1変態点は823℃、A3変態点は857℃であり、パーライトノーズは750℃で30分、及びパーライト変態完了の温度は750℃で2時間以上保持することでパーライト変態が終了することを確認した。
工具鋼部材をA1変態点以下の790℃まで加熱し(図1A:(1))、1時間後保持(図1A:(2))した後、40℃/hの加熱速度でオーステナイト変態させる温度(900℃、1000℃)まで加熱・昇温した(図1A:(3))。A1変態点は823℃、A3変態点は857℃であるため、オーステナイト変態させる温度までの昇温する際のA1変態点〜A3変態点までの昇温時間は1時間以内であった。
そして、オーステナイト変態させる温度にて1時間保持後(図1A:(4))、700℃×5h保持、750℃×5h保持、800℃×5h保持(図1A:(5))のパーライト変態させる処理を実施し、焼入れ用の工具鋼中間材とした。
次いで、上記の焼入れ用の工具鋼中間材を焼入れ所定温度1030℃まで加熱速度40℃/hで再加熱し(図1A:(6))、1時間保持後(図1A:(7))、冷却を行って(図1A:(8))焼入れし工具鋼部材を得た。その後、焼き戻しを2回行い、硬さを43±1HRCに調整し、焼戻し材を得た。
また、焼入れ−焼戻し後の金属組織写真を図3に示す。なお、図3は本発明例No.6の焼入れ−焼戻し後の金属組織写真である。
Claims (9)
- マルテンサイト系工具鋼の焼入れ前処理方法において、
(a)熱間加工及び/又は焼鈍したマルテンサイト系工具鋼を、室温からA3変態点〜「A3変態点+150℃」の温度範囲にまで加熱し、その温度に保持してオーステナイト変態させる段階と、
(b)前記段階(a)に続いて、前記マルテンサイト系工具鋼を「パーライトノーズ温度±100℃」の温度範囲まで冷却し、その温度に保持して、パーライト変態させる段階とを含む、マルテンサイト系工具鋼の焼入れ前処理方法。 - 前記段階(a)において、オーステナイト変態が始まる温度であるA1変態点からA3変態点までの昇温時間が1時間を超えない請求項1に記載されたマルテンサイト系工具鋼の焼入れ前処理方法。
- 前記マルテンサイト系工具鋼が、質量%で、C:0.10〜2.0%、Si:2.0%以下、Mn:2.0%以下、Cr:1.0〜15.0%、Mo:10.0%以下、および、Ni:4.0%以下、V:4.0%以下、W:20.0%以下およびCo:10.0%以下から成る群から選択される少なくとも1種の元素を含み、残部がFeおよび不純物である請求項1または請求項2に記載されたマルテンサイト系工具鋼の焼入れ前処理方法。
- マルテンサイト系工具鋼で形成された金型に適用される請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載されたマルテンサイト系工具鋼の焼入れ前処理方法。
- マルテンサイト系工具鋼の焼入れ方法において、
(a)熱間加工及び/又は焼鈍したマルテンサイト系工具鋼を、室温からA3変態点〜「A3変態点+150℃」の温度範囲にまで加熱し、その温度に保持してオーステナイト変態させる段階と、
(b)前記段階(a)に続いて、前記マルテンサイト系工具鋼を「パーライトノーズ温度±100℃」の温度範囲まで冷却し、その温度に保持して、パーライト変態させて室温まで冷却する段階と、
(c)冷却された前記マルテンサイト系工具鋼をA3変態点以上の温度に加熱し、その温度に保持した後、焼入れ処理を施すマルテンサイト系工具鋼の焼入れ処理方法。 - マルテンサイト系工具鋼の焼入れ方法において、
(a)熱間加工及び/又は焼鈍したマルテンサイト系工具鋼を、室温からA3変態点〜「A3変態点+150℃」の温度範囲にまで加熱し、その温度に保持してオーステナイト変態させる段階と、
(b)前記段階(a)に続いて、前記マルテンサイト系工具鋼を「パーライトノーズ温度±100℃」の温度範囲まで冷却し、その温度に保持して、パーライト変態させる段階と、
(c)前記段階(b)に続いて、前記マルテンサイト系工具鋼をA3変態点以上の温度に加熱し、その温度に保持した後、焼入れ処理を施す段階とを含むマルテンサイト系工具鋼の焼入れ処理方法。 - 前記段階(a)において、オーステナイト変態が始まる温度であるA1変態点からA3変態点までの昇温時間が1時間を超えない請求項5または請求項6に記載されたマルテンサイト系工具鋼の焼入れ処理方法。
- 前記マルテンサイト系工具鋼が、質量%で、C:0.10〜2.0%、Si:2.0%以下、Mn:2.0%以下、Cr:1.0〜15.0%、Mo:10.0%以下、および、Ni:4.0%以下、V:4.0%以下、W:20.0%以下およびCo:10.0%以下から成る群から選択される少なくとも1種の元素を含み、残部がFeおよび不純物である請求項5から請求項7までのいずれか1項に記載されたマルテンサイト系工具鋼の焼入れ処理方法。
- マルテンサイト系工具鋼で形成された金型に適用される請求項5から請求項8までのいずれか1項に記載されたマルテンサイト系工具鋼の焼入れ処理方法。
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