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
本発明は、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に関するものである。
焼入れにより金属組織をマルテンサイト単相または「マルテンサイト＋ベイナイト」の二相組織に調整するマルテンサイト系の工具鋼の靭性を向上させる熱処理方法としては、焼入れ時の冷却速度を調整して所望の金属組織とする提案が多くなされている。
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。
特開平９−１８２９４８号公報
特開平１１−３１０８２１号公報
特開平１１−３５００３４号公報
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。
前記特開平９−１８２９４８号公報、特開平１１−３１０８２１号公報、特開平１１−３５００３４号公報に開示された焼入れ方法は、焼入れの冷却過程で生成されるベイナイト組織の成長を抑えて靭性を向上させるというものである。
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。
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。
本発明者は、焼入れにより、金属組織をマルテンサイト単相または「マルテンサイト＋ベイナイト」の二相組織に調整することができるマルテンサイト系工具鋼を対象として、混粒を防止して靭性を更に向上させる方法について鋭意検討した。
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。
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。
かくして、本発明の第一の観点によれば、以下に示す、マルテンサイト系工具鋼の焼入れ前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。
本発明の第二の観点によれば、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。
（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。
本発明の、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によれば、焼入れによる結晶粒の粗大化および混粒化を抑制でき、マルテンサイト系工具鋼に高い靭性を付与することができる。さらに、結晶粒度番号で６番よりも細粒にすることも可能であり、高い靱性を有するマルテンサイト系工具鋼を得ることができる。これを適用した金型は、大割れなどの発生を抑制でき、従来の焼入れ処理を行ったものよりも寿命が向上するという効果を奏する。
本発明方法の最大の特徴は、焼入れ前にマルテンサイト系工具鋼の金属組織をパーライト変態させる点にある。
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。
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。
一方、本発明では、焼入れ前に金属組織を一旦パーライト変態させる処理を必須条件とする。本発明の具体的な一例をＪＩＳ ＳＫＤ６１について図１Ａ、図１Ｂのヒートパターンを用いて説明する。
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。
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。
この時、オーステナイト変態させる温度（図１Ａ、図１Ｂ：（４））が過度に高い場合、オーステナイト結晶粒が成長してしまい、次のパーライト化する際に、オーステナイト粒内に微細なパーライトが形成できず、未変態のままオーステナイトとして残存してしまう。結果として焼入れ温度まで昇温した時に、残存したオーステナイト粒が粗大に成長してしまい、焼入れした後の結晶粒径が粗大、混粒になる可能性があるため、オーステナイト変態させる温度と、パーライト変態させる温度が重要となる。
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。
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。
次に本発明では、「パーライトノーズ温度±１００℃」の温度域に冷却し、「パーライトノーズ温度±１００℃」の温度域にてパーライト変態させる処理（図１Ａ、図１Ｂ：（５））を行う。
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。
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。
この本発明による焼き入れ前にパーライトを形成する工程を適用することにより、熱間加工や焼鈍等の影響により、金属組織が混粒となる要因をリセットする第１の効果と、微細なパーライト組織に調整するという第２の効果を得ることができる。
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。
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。
また、本発明において、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））において、Ａ１変態点〜Ａ３変態点までの昇温時間を１時間以内で昇温することが特に好ましい。
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。
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。
ところで、本発明のマルテンサイト系工具鋼とは、焼入れにより金属組織をマルテンサイト単相或いは「マルテンサイト＋ベイナイト」の二相組織に調整することができる鋼を言う。これらの鋼は、焼入れ後に光学顕微鏡観察を行うと、視野面積率で５０％を超えてマルテンサイト組織となるものである。例えば、ＪＩＳ ＳＫＤ６１、ＳＫＤ６２、ＳＫＴ４等が含まれる。
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。
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：２．０％以下
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。
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。
以下のＮｉ、Ｖ、Ｗ、Ｃｏうちの少なくとも１種を添加する。
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。
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。
以上、説明する元素以外の残部は実質的にＦｅである。残部が実質的にＦｅの範疇には、不可避不純物も当然含まれる。また、例えばＮｂ、Ｔｉは、結晶粒を微細化するのに有効な元素であるため、靱性が劣化させない程度の０．２０％以下の範囲で含有させてもよい。
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。
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。
前記本発明は、好適に、金型に適用される。
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。
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。
以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
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。
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。
前記組成を有する６個の工具鋼部材を図１（ａ）に従って実験を行った。
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。
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。
これら実験で得られた焼戻し材にて２Ｕシャルピー衝撃試験、金属組織観察、結晶粒度を測定した。これらの結果を表２に示す。
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。
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。
表２に示すように、本発明を適用すると、焼入れ後の金属組織の混粒化を防止することができ、且つ平均結晶粒度番号で７．５番、最大結晶粒度番号で７番よりも細粒になり、靱性を大幅に向上することができる。また、図３の顕微鏡写真から、本発明の熱処理方法では微細かつ均一な金属組織を得られることも分る。
本願発明によれば、焼入れ、焼戻し後の結晶粒が微細になることから工具鋼の靱性が要求される用途に利用可能である。金型の熱処理に用いることで、高靱性化され、寿命改善の効果を期待できる。
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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