JP6326310B2

JP6326310B2 - プレス金型材

Info

Publication number: JP6326310B2
Application number: JP2014140940A
Authority: JP
Inventors: 和照友廣; 哲治高木; 洵角井
Original assignee: 友鉄工業株式会社
Priority date: 2014-07-08
Filing date: 2014-07-08
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2034-07-08
Also published as: JP2016017208A

Description

本発明は、窒化処理したCV鋳鉄からなるプレス金型材に関する。

プレス金型材として合金工具鋼鋼材が広く使用されており、特に成分にCr、MoさらにはWなどを含有するもの、例えばSKD材はプレス金型材として好適に使用されている。この一方、鋳造により目的とする金型形状に近い形状のものを成形することができ、必要な機械加工が少なくかつ被削性が良い鋳鉄をプレス金型材として使用する提案がなされている。この鋳鉄を基材とする金型は、合金工具鋼鋼材を基材とする金型よりもプレス成形にかかるトータルコストを低減することができる可能性がある。このため、鋳鉄を基材とする金型について、自動車軽量化の要請により使用量が増大している高張力鋼板を含めたプレス加工が可能な鋳鉄を基材とするプレス金型材の開発が進められている。

例えば、特許文献１に、窒化処理された球状化黒鉛鋳鉄の表面にチタン系硬質被膜が形成されており、前記表面における球状黒鉛の平均粒子径が30μm以下であることを特徴とする硬質被膜を有する球状化黒鉛鋳鉄材が提案されている。この球状化黒鉛鋳鉄材は、黒鉛が球状化された鋳鉄であれば特に限定されないが、FCD540、FCD600、FCD700等が好ましく、球状黒鉛の平均粒子径は好ましくは、20〜30μmであるとされる。平均粒子径が30μmを超える場合には、チタン系硬質被膜の密着力が著しく低下し、球状黒鉛の平均粒子径が20μm以下のものは生産が困難になる傾向があるとされる。そして、窒化層の厚みは、球状化黒鉛鋳鉄の表面からの深さが100〜200μmであることが好ましく、チタン系硬質被膜は、窒化チタン、炭化チタン、炭窒化チタン等からなり、厚みは2〜4μm程度が好ましいとされる。この球状化黒鉛鋳鉄材は、高い密着力を有する硬質皮膜が表面に形成された硬質皮膜を有するので高張力鋼板のプレス加工に好適に使用することができるとされる。

特許文献２に、フレームハード処理により表面を硬化させて使用される黒鉛球状化率が30〜70%であって、質量比で、酸素含有量5〜20ppm、パーライト率60〜100%、S含有量0.03%以下のプレス金型用鋳鉄であり、C含有量3〜4%、Si含有量1.5〜2.5%、Mn含有量0.5〜1.0%、Cr含有量0.2〜1.0%、Cu含有量0.2〜1.0%である、強度が高く、制振性、溶接性、焼き入れ性、加工性に優れたプレス金型用鋳鉄が提案されている。このプレス金型用鋳鉄は、黒鉛球状化率30〜70%において引張強度が500〜600N/mm2で黒鉛球状化率80%のものと同等の引張強度を有し、フレームハード処理後の硬さをHRC50以上にすることができるので高張力鋼板のプレス金型材としても使用できるとされる。

特許文献３に、鋳物を基材とするプレス金型に広く使用されている球状黒鉛鋳鉄FCD55は、自動車の車体部品のような大型部品のプレス金型としては所用の硬度にすることが容易でないことから、CV鋳鉄を使用したプレス金型が提案されている。すなわち、パーライト地が90％以上である組織を有し、硬度がHb180乃至250であるCV黒鉛鋼鉄からなるプレス金型が提案されている。このプレス金型においては、パーライト地が90％以上でないと硬度Hb180以上にすることができず、硬度は高い方がよいが、250を超えると金型の機械加工が困難になるとされる。そして、実施例に係る硬度がHb220のプレス金型は、硬度がHb190のFCD55を基地とするプレス金型に対し、かじり傷に要する補修時間を1/3〜1/2にすることができるとされる。

特開2010-202926号公報特開2007-138241号公報特開昭61-189833号公報

球状黒鉛鋳鉄は、普通鋳鉄に較べて引張強度は２倍以上、伸びも大きく粘りも強く耐摩性に優れるので鋳物を基材とするプレス金型として好ましい。このような球状黒鉛鋳鉄に対して、特許文献１に提案されている球状黒鉛鋳鉄材は、窒化処理をした球状黒鉛鋳鉄にさらにアークイオンプレーティング法などによりチタン系硬質皮膜を形成したものであり、高張力鋼板のプレス金型として好ましいものである。しかしながら、チタンのアークイオンプレーティングなど特殊な装置を要し、その装置による限定から利用可能な金型の形状・サイズなどが制限される恐れがある。

一方、特許文献２又は３に提案されているCV鋳鉄をプレス金型の基材として使用する方法がある。特許文献２に提案されたフレームハード（火炎焼き入れ）方法は、簡便であるが一定の品質を維持するには技能を要するという問題がある。特許文献３に提案されたプレス金型は、硬度がHb180乃至250であるため、高張力鋼板を含めたプレス加工が可能なプレス金型材としては問題がある。高張力鋼板を含めたプレス加工が可能なプレス金型材としては、特許文献２又は３に提案されているプレス金型よりもさらに硬度の高いものが要求される。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、窒化処理したCV鋳鉄により鋳物を基材とするプレス金型の特質を生かすとともに、溶接性に優れプレス成形にかかるトータルコストを低減することができるプレス金型材を提供することを目的とする。

本願発明者等は、CV鋳鉄は、普通鋳鉄と球状黒鉛鋳鉄の中間的な特性を有し、鋳造性、熱伝導性、被削性及び溶接性に優れるので、プレス金型材としての特徴を活かすことができるとともに補修も容易に行うことができることに着目し、このCV鋳鉄に一般鋼材に広く使用されている窒化処理を施すことにより高張力鋼板を含めたプレス加工が可能なプレス金型材に係る本発明を完成させた。

本発明に係るプレス金型材は、質量%で、C：3.0〜3.9、Si：1.5〜2.5、Mn：0.2〜0.8、P：0.02以下、S：0.02以下、Mg：0.01〜0.02、Cr：0.1〜1.5、Al：0.05〜1.0、不可避不純物及び残部鉄（Fe）からなるCV黒鉛鋳鉄を基地部とし、前記基地部の表面に厚さが0.05〜0.2mm、その表面硬度がビッカース硬さ（HV）550〜1000なる窒化層を有してなる。

上記発明において、基地部は、黒鉛球状化率が30〜60％、黒鉛面積率が5〜1％であるのが好ましい。

本発明によれば、高張力鋼板のプレス加工が可能で、自動車の車体部品など大型部品のプレス加工も可能なプレス金型材を提供することができる。そして、このプレス金型材は、鋳造性及び溶接性に優れ、プレス部品のコーナ部などの損耗しやすいプレス金型の補修を迅速容易に行うことができ、プレス成形にかかるトータルコストを低減することができる。

本発明に係るプレス金型材の組織を示す図面である。本発明に係るプレス金型材の球状化処理を行ったときのMg含有量と黒鉛球状化率との関係（ａ）及び引張強度との関係（ｂ）を示すグラフである。本発明に係るプレス金型材の硬さ分布を示すグラフである。本発明に係るプレス金型材の黒鉛球状化率に対する黒鉛面積率を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。本発明に係るプレス金型材は、
質量%で、C：3.0〜3.9、Si：1.5〜2.5、Mn：0.2〜0.8、P：0.02以下、S：0.02以下、Mg：0.01〜0.02、Cr：0.1〜1.5、Al：0.05〜1.0、不可避不純物及び残部鉄（Fe）からなるCV黒鉛鋳鉄を基地部とし、前記基地部の表面に厚さが0.05〜0.2mm、その表面硬度がビッカース硬さ（HV）600〜1000なる窒化層を有してなる。すなわち、本プレス金型材は、鋳鉄であって晶出黒鉛が芋虫状をしており、JIS G5505に規定するCV黒鉛鋳鉄品に属し、かつ、その組成にCrとAlを含有する。そして、本プレス金型材は、基地部表面に厚さが0.05〜0.20mmの窒化層を有し、その表面硬度はHV600〜1000の硬さを有する。

本発明に係るプレス金型材は、図１に示すように晶出黒鉛が芋虫状をしている。本プレス金型材は、その組成が球状化黒鉛鋳鉄の範疇に属するが、Cr及びAlを含有する。Cr及びAl成分は窒化層の形成に寄与する。Cr成分は、窒化層形成促進とともに基地部の強度向上に資するが、黒鉛生成を阻止しチル化傾向を有するので1.5%以下とする。Al成分は、基地部の強度を阻害するので1.0%以下とする。

また、Mg成分は、本プレス金型材の組織がCV黒鉛鋳鉄相当品になるように、以下に説明する成分範囲とする。図２に、本プレス金型材中のMg含有量に対する黒鉛球状化率（図２（ａ））と、引張強度（図２（ｂ））との関係を示す。図２（ａ）は、横軸にMg含有量、縦軸に黒鉛球状化率を示す。図２（ａ）に示すように、Mg含有量が0.01〜0.02%において、黒鉛球状化率を40〜60%にすることができる。また、図２（ｂ）は、横軸にMg含有量、縦軸に引張強さを示す。図２（ｂ）に示すように、Mg含有量が0.01〜0.02%において、引張強度を500〜600MPaにすることができ、この引張強度はほぼ一定値になっており、このMg含有量の範囲で均一な引張強度を有するプレス金型材を得ることができる。すなわち、本プレス金型材中のMg含有量は、0.01〜0.02%とする。

また、図２に示すように、本プレス金型材の引張強度は、Mg含有量が0.04%以上で黒鉛球状化率が90%以上のもの（JIS G5502に規定する球状黒鉛鋳鉄品FCD600相当であって、Cr及びAl成分を含まない。）の引張強度（500〜700MPa）とほぼ同等になっている。なお、上記、黒鉛球状化率は、JIS G5502に基づいている。

本発明に係るプレス金型材は、上記の組成を有する基材を窒化処理する。窒化処理は、ガス窒化法、塩浴窒化法、イオン窒化法などを使用することができる。図３に、本発明に係るプレス金型材の硬度測定試験例（発明例）を示す。図３に示す比較例は、上記の本プレス金型材の組成のうち、Al及びCr成分を含まない組成のものであり、発明例と同等の窒化処理を行った。図３において、横軸は表面からの距離、縦軸はビッカース硬さを示す。図３に示すように、本プレス金型材は、表面硬度がビッカース硬さで1000を超えており、表面から0.05mmまで急激に硬さが低下し、0.05mm〜0.2mmまでは硬さが緩やかに低下する。そして、表面から0.1mmの深さでもHV600を超え、0.2mmでHV550になり、0.2mm以上の深さにおいて次第に硬さが低下し、表面から3.5mmの深さで基地部と同じ硬さ（HV270〜250）になっている。窒化層の深さは、この例においては3.5mmである。なお、窒化層の深さについては、JIS G0562に基づいている。

一方、比較例の場合は、表面硬度がHV600を超え、表面から深さ0.2mmまで次第に硬さが低下し、表面から0.2mm以上の深さにおいて基地部の硬さ（HV220〜230）と同等になっている。発明例と比較例を較べると、Al及びCr成分を加えた窒化処理の効果が著しいことが分かる。

図４は、図２に示す試料と同じロットの試料の黒鉛球状化率に対する黒鉛面積率を示すグラフである。図４において、横軸は黒鉛球状化率、縦軸は黒鉛面積率を示す。図４によると、本発明に係るプレス金型材（黒鉛球状化率30〜60%）は黒鉛面積率が5%より小さく4.5〜1.5%にばらついており、平均値が3%程度である。一方、FCD600（黒鉛球状化率80〜95%）は、黒鉛面積率が7〜4.5%にばらついており、平均値が5.2%程度である。黒鉛面積率において、本発明に係るプレス金型材は、球状黒鉛鋳鉄品とは明らかに異なっている。本発明に係るプレス金型材の窒化層の厚さが球状黒鉛鋳鉄品の窒化層の厚さより厚いのは、この黒鉛面積率が小さいことが寄与しているものと推測される。

以上本発明について説明した。本発明によれば、表面硬さがHV800〜1000を超える高い硬度で、窒化層厚さが0.2mmを超える厚い窒化層を有するプレス金型材を得ることができる。

表１に示す組成の基材を作製しJIS４号引張り試験片を切り出した。そしてその試験片について、基地部及び窒化層の硬さ測定試験と、引張り強度測定試験を行った。黒鉛球状化処理は、Mg-Si-Fe合金により行った。窒化処理は、イオン窒化法により、窒素ガス雰囲気で550℃×10時間の処理を行った。なお、基材の組成において、P：0.02%以下、S：0.02%以下であった。

試験結果を表２に示す。表２において、適否判定は、基地部の硬度がブリネル硬さで250以上350以下、引張強さが300MPa以上、窒化層硬さ（表面硬度）がHV600以上であることをもって可（○）とした。表２によると、基地部のブリネル硬さが250〜350の範囲において、引張強さが600〜800MPaであることが分かる。すなわち、本発明に係るプレス金型材は、基地部がこのような250〜350のブリネル硬さ、600〜800MPaの引張強さを有し、CV黒鉛鋳鉄品（JISG5505）よりも高い硬度及び引張強強度を有する。また、球状黒鉛鋳鉄品（JISG5502）と同等以上の高い硬度及び引張強さを有する。そして、本発明に係るプレス金型材は、鋳造性、溶接性に優れプレス成形にかかるトータルコストを低減することができる。また、Cr＋Alは、0.05〜2.0%であるのが好ましいことが分かる。

Claims

質量%で、C：3.0〜3.9、Si：1.5〜2.5、Mn：0.2〜0.8、P：0.02以下、S：0.02以下、Mg：0.01〜0.02、Cr：0.1〜1.5、Al：0.05〜1.0、不可避不純物及び残部鉄（Fe）からなるCV黒鉛鋳鉄を基地部とし、
前記基地部の表面に厚さが0.05〜0.2mm、その表面硬度がビッカース硬さ（HV）600〜1000なる窒化層を有するプレス金型材。
基地部の黒鉛球状化率は、30〜60％であることを特徴とする請求項１に記載のプレス金型材。
基地部の黒鉛面積率は、5〜1%であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプレス金型材。