JP6388193B2 - Mold quenching method and mold manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、金型の焼入方法および金型の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a mold quenching method and a mold manufacturing method.
オーステナイト域の焼入れ温度に加熱した金型を冷却して、金型の組織をマルテンサイト変態させる金型の焼入れでは、通常、金型内部より金型表面の方が速く降温する（つまり、金型内部より金型表面の方が先にマルテンサイト変態する）。よって、金型表面が先にマルテンサイト変態した後に、金型内部が遅れてマルテンサイト変態することで、マルテンサイト変態がほぼ完了した金型表面は冷却の進行とともに引続き熱収縮する一方、金型内部は変態膨張して、前記金型表面には引張応力が発生する。そして、金型表面のうちでも、製品（成形品）の形状を構成するように彫り込まれたことで、凹凸状の複雑な形状を有する金型の製品形状面では、その凹部または凸部の段差の根元部分に応力が集中して、割れを生じやすい。 In the quenching of a mold that cools the mold heated to the quenching temperature in the austenite region and transforms the structure of the mold into martensite, the temperature of the mold surface usually falls faster than the inside of the mold (that is, the mold) The mold surface martensite first before the inside). Therefore, after the mold surface has undergone martensite transformation first, the inside of the mold is delayed and martensite transformation is performed, so that the mold surface where the martensite transformation is almost completed continues to heat shrink with the progress of cooling. The inside undergoes transformation expansion, and tensile stress is generated on the mold surface. And in the product shape surface of the mold having a concavo-convex complex shape by being engraved so as to constitute the shape of the product (molded product) on the mold surface, the step of the concave or convex portion Stress concentrates at the base of the lip, and cracks are likely to occur.
上記した焼入れ時の割れを抑制する手法として、例えば、マルテンサイト変態点の付近の温度に達した金型の全体を、該温度に一時的に保持することや、冷却速度の遅い衝風冷却で冷却すること等で、金型全体の温度を均一に保ちながら冷却する金型の焼入方法が提案されている（特許文献１）。 As a technique for suppressing cracking during quenching, for example, the entire mold that has reached a temperature near the martensite transformation point is temporarily held at that temperature, or by blast cooling with a slow cooling rate. There has been proposed a mold quenching method in which cooling is performed while keeping the temperature of the entire mold uniform while cooling (Patent Document 1).
特許文献１の金型の焼入方法は、前記焼入れ時における金型の製品形状面の割れの抑制に有効である。しかし、金型全体の温度を均一にするためには、焼入れ時の冷却速度を遅くする必要がある。そして、冷却速度が遅くなった結果、金型組織のマルテンサイト変態が不十分になり（例えば、ベイナイト組織が多く生成し）、金型の靱性劣化の要因となり得る。 The mold quenching method of Patent Document 1 is effective in suppressing cracks in the product shape surface of the mold during quenching. However, in order to make the temperature of the entire mold uniform, it is necessary to slow down the cooling rate during quenching. As a result of the slow cooling rate, the martensitic transformation of the mold structure becomes insufficient (for example, a large amount of bainite structure is generated), which can be a factor in deterioration of the toughness of the mold.
本発明の目的は、冷却速度を遅くしなくても、金型の製品形状面の割れを抑制できる金型の焼入方法と、金型の製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a mold quenching method and a mold manufacturing method capable of suppressing cracking of the product shape surface of the mold without slowing down the cooling rate.
本発明は、オーステナイト域の焼入れ温度に加熱した金型を冷却して、金型の組織をマルテンサイト変態させる金型の焼入方法において、前記冷却では、金型の製品形状面の反対面である金型裏面の最も温度の高い領域Ａの温度が少なくともマルテンサイト変態点から前記マルテンサイト変態点−７０℃までの温度範囲を通過するときに、前記温度範囲の一部または全部で、金型内部の最も温度の高い領域Ｂが前記金型裏面側に移行しているように冷却することを特徴とする金型の焼入方法である。 The present invention relates to a mold quenching method in which a mold heated to a quenching temperature in the austenite region is cooled to transform the structure of the mold into martensite. In the cooling, the cooling is performed on the surface opposite to the product shape surface of the mold. When the temperature of the region A having the highest temperature on the back surface of a certain mold passes at least the temperature range from the martensite transformation point to the martensite transformation point -70 ° C., the mold is partially or entirely in the temperature range. The mold quenching method is characterized in that cooling is performed such that the region B having the highest temperature inside is shifted to the mold back side.
そして、本発明は、オーステナイト域の焼入れ温度に加熱した金型を冷却して、金型の組織をマルテンサイト変態させる金型の焼入方法において、前記冷却では、金型の製品形状面の反対面である金型裏面の最も温度の高い領域Ａの温度が少なくともマルテンサイト変態点から前記マルテンサイト変態点−７０℃までの温度範囲を通過するときに、前記温度範囲の一部または全部で、前記製品形状面を冷却するのに用いられる冷却媒体と該製品形状面との間の熱伝達係数が、前記金型裏面を冷却するのに用いられる冷却媒体と該金型裏面との間の熱伝達係数より大きくなるように冷却することを特徴とする金型の焼入方法である。 The present invention provides a mold quenching method in which a mold heated to a quenching temperature in the austenite region is cooled to transform the mold structure into martensite. In the cooling, the product shape surface of the mold is opposite. When the temperature of the region A having the highest temperature on the back surface of the mold that is a surface passes through a temperature range from at least the martensitic transformation point to the martensitic transformation point -70 ° C, part or all of the temperature range, The heat transfer coefficient between the cooling medium used to cool the product shape surface and the product shape surface is such that the heat between the cooling medium used to cool the mold back surface and the mold back surface. A die quenching method characterized by cooling so as to be larger than a transmission coefficient.
上記金型の焼入方法において、好ましくは、前記領域Ｂの温度がマルテンサイト変態点＋５０℃から前記マルテンサイト変態点までの温度範囲を通過するときに、前記領域Ｂを３．０℃／分を超える冷却速度で冷却することである。また、本発明は、上記本発明の金型の焼入方法によって焼入れされた金型を、焼戻しすることを特徴とする金型の製造方法である。 In the mold quenching method, preferably, when the temperature of the region B passes through the temperature range from the martensite transformation point + 50 ° C. to the martensite transformation point, the region B is set to 3.0 ° C./min. It is to cool at a cooling rate exceeding. Moreover, this invention is a manufacturing method of the metal mold | die characterized by tempering the metal mold | die hardened by the hardening method of the metal mold | die of the said invention.
本発明によれば、金型の製品形状面に応力が集中しやすい金型の焼入れにおいて、金型表面に発生する引張応力を軽減して、表面の割れを抑制することができる。そして、焼入れ時の冷却速度を速めても、金型の製品形状面の割れを抑制できるので、金型の靱性を維持することもできる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the hardening of the metal mold | die which a stress tends to concentrate on the product shape surface of a metal mold | die, the tensile stress which generate | occur | produces on the metal mold | die surface can be reduced, and the crack of a surface can be suppressed. And even if the cooling rate at the time of quenching is increased, cracking of the product shape surface of the mold can be suppressed, so that the toughness of the mold can be maintained.
本発明の特徴は、金型の製品形状面に割れが発生するタイミングである金型内部のマルテンサイト変態時の前から、予め、前記金型内部のマルテンサイト未変態の領域を製品形状面の反対面に位置する金型裏面側に移動させておくところにある。これにより、金型内部の前記領域が遅れてマルテンサイト変態するときに、製品形状面に発生する引張応力を相対的に軽減して、製品形状面の割れを抑制することができる。 A feature of the present invention is that the martensitic untransformed region inside the mold is previously defined on the product shape surface before the martensitic transformation inside the mold, which is the timing at which cracks occur on the product shape surface of the mold. It is in a place where it is moved to the back side of the mold located on the opposite side. Thereby, when the said area | region inside a metal mold | die delays martensite transformation, the tensile stress which generate | occur | produces on a product shape surface can be reduced relatively, and the crack of a product shape surface can be suppressed.
つまり、上記において、予め、金型内部のマルテンサイト未変態の領域を「金型裏面側に移動させておく」ということは、前記領域を「製品形状面から遠ざけておく」ということである。具体的には、前記領域を「製品形状面の凹部または凸部の段差の根元部分から遠ざけておく」ということである。そして、このことによって、前記製品形状面は先に降温してマルテンサイト変態をほぼ完了し、金型内部の前記領域がマルテンサイト変態を開始したときでも、該領域が前記金型裏面側に移動した状態（つまり、相対的に、該領域が前記製品形状面から離れている状態）が維持されている。そして、この状態の維持によって、前記凹部または凸部の段差の根元部分への応力集中を軽減できて、製品形状面の割れを抑制することができる。以下、本発明の要件について説明する。 That is, in the above description, “move the martensite untransformed region inside the mold in advance to the mold back side” means “keep the area away from the product shape surface”. Specifically, the above-mentioned region is “kept away from the root of the step of the concave portion or the convex portion of the product shape surface”. And, by this, the product shape surface is first cooled down and the martensite transformation is almost completed, and even when the region inside the mold starts martensitic transformation, the region moves to the back side of the mold. (That is, a state in which the region is relatively distant from the product shape surface) is maintained. And by maintaining this state, the stress concentration on the root portion of the step of the concave portion or the convex portion can be reduced, and the crack of the product shape surface can be suppressed. Hereinafter, the requirements of the present invention will be described.
前述の通り、通常の金型の焼入れ過程では、金型表面が先にマルテンサイト変態した後に、金型内部が遅れてマルテンサイト変態する。そして、この金型表面と金型内部との間での変態のタイミング差が、金型表面に引張応力を生じさせて、特に、応力集中のしやすい製品形状面の前記段差の根元部分に割れを誘発する。そこで、本発明では、金型内部のマルテンサイト変態が進行する前から、「予め」前記金型内部のマルテンサイト未変態の領域（つまり、金型内部の最も温度の高い領域Ｂ）を製品形状面から遠ざけて、かつ、金型裏面側に移行させておく。そして、この事前の調整によって、製品形状面に遅れて前記領域Ｂのマルテンサイト変態が進む時に、製品形状面側に作用する金型内部の変態膨張を前記金型裏面側に移行できていて、本来、製品形状面に働くはずであった引張応力を低減することができる。そして、このマルテンサイト未変態の領域の制御によって、金型裏面に働く引張応力が増すことになるとしても、金型裏面は専ら平面形状であるから、製品形状面に比して形状に起因する割れの可能性は非常に低い。 As described above, in the normal mold quenching process, after the mold surface first undergoes martensitic transformation, the inside of the mold is delayed and martensitic transformed. The difference in transformation timing between the mold surface and the inside of the mold causes tensile stress on the mold surface, and in particular, cracks occur at the base of the step of the product shape surface where stress concentration tends to occur. To trigger. Therefore, in the present invention, before the martensitic transformation inside the mold proceeds, the martensitic untransformed area inside the mold (that is, the region B having the highest temperature inside the mold) is preliminarily shaped. Keep away from the surface and move to the back side of the mold. And by this advance adjustment, when the martensitic transformation of the region B proceeds behind the product shape surface, the transformation expansion inside the mold acting on the product shape surface side can be transferred to the mold back side, Originally, the tensile stress that should have worked on the product shape surface can be reduced. And even if the tensile stress acting on the back surface of the mold is increased by controlling the martensite untransformed region, the back surface of the mold is exclusively flat, resulting in the shape compared to the product shape surface. The possibility of cracking is very low.
そして、本発明では、前記「予め」に対応する時期を「金型表面が少なくともマルテンサイト変態点に到達してから前記マルテンサイト変態点−７０℃までの温度範囲を通過するとき」とする。なお、このときの「金型表面」については後述する。
マルテンサイト変態点とは、冷却中の金型（つまり、金型を構成する鋼）がマルテンサイト変態を開始する温度である（以下、Ｍｓ点と記す）。本発明の場合、金型表面のマルテンサイト変態の進行から遅れて、金型内部の領域Ｂがマルテンサイト変態を進行する時にこそ、そのマルテンサイト変態中の領域Ｂが金型裏面側に移行していればよい。言い換えれば、前記領域Ｂが製品形状面から相対的に離れていればよい。よって、前記領域ＢがＭｓ点に到達するかなり前の時点であり、金型表面がＭｓ点に到達する前の時点から、マルテンサイト未変態の状態にある領域Ｂの位置を前記金型裏面側に移行しておく必要はない。そして、前記領域ＢがＭｓ点に近づいた時点であり、金型表面がＭｓ点に到達した時点からは、該金型表面が少なくともＭｓ点−７０℃に到達するまでの温度範囲のうちで、領域Ｂが金型裏面側に移行しているように調整しておけば、後に前記領域ＢがＭｓ点に到達した時も、該領域Ｂは前記金型裏面側に移行された状態を維持しており、製品形状面に働く引張応力の低減効果を十分に発揮できる。
In the present invention, the time corresponding to the “preliminary” is defined as “when the mold surface passes through the temperature range from at least the martensitic transformation point to 70 ° C. after reaching the martensitic transformation point”. The “mold surface” at this time will be described later.
The martensitic transformation point is a temperature at which the mold being cooled (that is, the steel constituting the mold) starts martensitic transformation (hereinafter referred to as Ms point). In the case of the present invention, the region B in the martensite transformation shifts to the back side of the die only when the region B inside the die advances the martensite transformation after the progression of the martensite transformation on the die surface. It only has to be. In other words, the region B only needs to be relatively separated from the product shape surface. Therefore, it is a time point before the region B reaches the Ms point, and the position of the region B in the martensite-untransformed state is determined from the time point before the mold surface reaches the Ms point. There is no need to migrate to. And when the region B approaches the Ms point, from the time when the mold surface reaches the Ms point, in the temperature range until the mold surface reaches at least the Ms point -70 ° C, If adjustment is made so that the region B has moved to the mold back side, the region B will remain in the state of being transferred to the mold back side even when the region B reaches the Ms point later. Therefore, the effect of reducing the tensile stress acting on the product shape surface can be sufficiently exhibited.
さらに、本発明では、前記「金型表面が少なくともマルテンサイト変態点に到達してから前記マルテンサイト変態点−７０℃までの温度範囲を通過するとき」において、その温度範囲の通過を確認する「金型表面」の領域を、「製品形状面の反対面である金型裏面の最も温度の高い領域Ａ」とする。
まず、前記「金型表面」を「製品形状面の反対面である金型裏面」とするのは、製品形状面よりも、金型裏面の方が、その全面における正確な温度分布を把握しやすいからである。つまり、製品形状面は複雑な凹凸を有し、温度分布が複雑であるのに対して（一般的に、凸部の温度は低めであり（冷却速度が速く）、凹部の温度は高めである（冷却速度が遅い））、金型裏面は形状が平らで、温度分布は比較的単純である。よって、前記温度分布の把握は、温度分布が単純であり、温度測定が容易な該金型裏面で行えばよい。加えて、実際の熱処理現場で金型の焼入れ作業を実施するにおいて、本発明の金型の焼入方法の再現性を高めるためには、温度測定の容易な金型裏面を前記温度範囲の通過を確認する基準面にするのが好ましい。
Further, in the present invention, when “the mold surface passes through the temperature range from at least the martensitic transformation point to the martensitic transformation point−70 ° C.”, the passage of the temperature range is confirmed. The region of the “mold surface” is defined as “the region A having the highest temperature on the mold back surface, which is the opposite surface of the product shape surface”.
First, the “mold surface” is defined as “the mold back surface opposite to the product shape surface” in order to grasp the accurate temperature distribution on the entire surface of the mold back surface rather than the product shape surface. It is easy. In other words, the product shape surface has complex irregularities, and the temperature distribution is complex (in general, the temperature of the convex part is low (cooling rate is high), and the temperature of the concave part is high. (Slow cooling rate)), the back of the mold is flat and the temperature distribution is relatively simple. Therefore, the temperature distribution may be ascertained on the back side of the mold where the temperature distribution is simple and temperature measurement is easy. In addition, when carrying out the quenching operation of the mold at the actual heat treatment site, in order to improve the reproducibility of the mold quenching method of the present invention, the mold back surface passing through the above temperature range is easy to measure the temperature. It is preferable to use a reference plane for confirming the above.
そして、前記温度範囲の通過を確認する「金型表面」を前記「金型裏面」に特定した上で、その確認のための温度測定を行う具体的な領域を「最も温度の高い領域Ａ」とするのは、前記最も温度の高い領域ＡがＭｓ点に到達した時には、金型内部の前記領域Ｂは未だＭｓ点に到達していないからである。つまり、金型裏面の最も温度の高い領域Ａの温度がＭｓ点に到達した時点を目安にして、前記領域Ｂが金型裏面側に移行しているように冷却すれば、製品形状面の割れの要因となる前記領域Ｂを、そのマルテンサイト変態の前から、より効果的に製品形状面から遠ざけておくことができる。 Then, after specifying the “mold surface” for confirming the passage of the temperature range as the “mold back surface”, a specific region for performing temperature measurement for the confirmation is “the highest temperature region A”. This is because when the region A having the highest temperature reaches the Ms point, the region B inside the mold has not yet reached the Ms point. That is, if cooling is performed so that the region B is shifted to the back side of the mold, using the time when the temperature of the region A having the highest temperature on the back side of the mold reaches the Ms point as a guide, the product shape surface cracks. The region B that causes the above-described factor can be more effectively moved away from the product shape surface before the martensitic transformation.
なお、本発明において、金型内部の前記領域Ｂの位置を、予め、金型裏面側に移行させるておくことを開始する時期は、前記領域Ａの温度がＭｓ点に到達する前からでも、Ｍｓ点に到達した後からでも構わない。すなわち、前記領域Ａの温度が「少なくとも」Ｍｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過するときに、金型内部の最も温度の高い領域Ｂが前記金型裏面側に移行しているように冷却すればよい。 In the present invention, the time to start moving the position of the region B inside the mold to the mold back side in advance is before the temperature of the region A reaches the Ms point. It does not matter even after reaching the Ms point. That is, when the temperature of the region A passes through a temperature range from “at least” Ms point to Ms point −70 ° C., the region B having the highest temperature inside the mold is shifted to the back side of the mold. It should just cool.
そして、本発明において、金型内部の前記領域Ｂの位置を、予め、金型裏面側に移行させておく期間は、前記領域Ａの温度がＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過しているときの全部の範囲である必要はない。つまり、前記領域Ｂがマルテンサイト変態するときに製品形状面に発生する引張応力を低減できるのであれば、前記領域ＡがＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過しているときの間で、適当な一部または全部の温度範囲を選択して、前記領域Ｂが金型裏面側に移行しているように冷却すればよい。好ましくは、前記温度範囲の全部の範囲で、領域Ｂが金型裏面側に移行しているように冷却することである。より好ましくは、前記領域Ａが、さらにＭｓ点−１００℃に到達するまでの全部の範囲で、領域Ｂが金型裏面側に移行しているように冷却することである。 In the present invention, during the period in which the position of the region B in the mold is shifted to the mold back side in advance, the temperature of the region A is within the temperature range from the Ms point to the Ms point -70 ° C. It does not have to be the full range when passing. That is, if the tensile stress generated on the product shape surface when the region B undergoes martensitic transformation can be reduced, the region A passes through the temperature range from the Ms point to the Ms point -70 ° C. In the meantime, an appropriate part or all of the temperature range may be selected, and cooling may be performed so that the region B has shifted to the back side of the mold. Preferably, cooling is performed so that the region B is shifted to the mold back side in the entire temperature range. More preferably, the region A is cooled so that the region B is shifted to the back side of the mold in the entire range until the region A reaches the Ms point of −100 ° C.
さらに、本発明において、金型内部の前記領域Ｂの位置を、予め、金型裏面側に移行させておく程度は、所定の焼入れ冷却で金型表面に割れの発生が懸念されるときの前記領域Ｂと前記金型裏面との距離を基準にして、この基準の距離よりも短い距離になるように移行させておけばよい。そして、前記領域Ｂが金型裏面に位置する程度にまで移行させておくことが好ましい。一具体的には、前記領域Ｂがマルテンサイト変態の開始温度（Ｍｓ点）に到達したときに、金型裏面の少なくとも一部がマルテンサイト変態を完了していない状態である。前記領域Ｂの位置を製品形状面から十分に離すことで、金型裏面との間で、該製品形状面に相対的に発生する引張応力をより軽減することができる。そして、前記領域Ｂが金型裏面と同じ位置になっていても、金型裏面は専ら平面形状であるから、金型裏面に割れの発生する可能性は非常に小さい。 Furthermore, in the present invention, the extent to which the position of the region B inside the mold is shifted to the mold back side in advance is determined when the occurrence of cracks on the mold surface is concerned with predetermined quenching cooling. With reference to the distance between the region B and the back surface of the mold, the distance may be shorter than the reference distance. And it is preferable to make it transfer to such an extent that the said area | region B is located in a metal mold | die back surface. More specifically, when the region B reaches the martensitic transformation start temperature (Ms point), at least a part of the back surface of the mold does not complete the martensitic transformation. By sufficiently separating the position of the region B from the product shape surface, it is possible to further reduce the tensile stress generated relative to the product shape surface between the mold back surface. Even if the region B is located at the same position as the back surface of the mold, the back surface of the mold is exclusively planar, so that the possibility of cracking on the back surface of the mold is very small.
上述した、本発明に係る焼入れ冷却中の変態分布（温度分布）は、例えば、製品形状面を金型裏面より速く冷却することで達成できる。すなわち、本発明は、前記金型裏面の最も温度の高い領域Ａの温度が少なくともマルテンサイト変態点から前記マルテンサイト変態点−７０℃までの温度範囲を通過するときに、前記温度範囲の一部または全部で、前記製品形状面を冷却するのに用いられる冷却媒体と該製品形状面との間の熱伝達係数が、前記金型裏面を冷却するのに用いられる冷却媒体と該金型裏面との間の熱伝達係数より大きくなるように冷却する金型の焼入方法である。製品形状面と金型裏面とを前記熱伝達係数の関係で冷却することで、製品形状面は金型裏面より速く冷却されて、金型内部への抜熱の進行は、金型裏面からよりも、製品形状面からの方が速くなる。その結果、金型内部の最も温度の高い領域は、その位置が製品形状面から金型裏面に向けて「下がる」こととなり、前記領域Ｂを前記金型裏面側に移行させることができる。よって、前述に従えば、金型裏面の前記領域ＡがＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過しているときに、前記熱伝達係数の関係による製品形状面と金型裏面との冷却を行えば、前記領域Ｂの位置を、そのマルテンサイト変態前から、より確実に、金型裏面側に移行させておくことができる。 The transformation distribution (temperature distribution) during quenching cooling according to the present invention described above can be achieved, for example, by cooling the product shape surface faster than the mold back surface. That is, according to the present invention, when the temperature of the region A having the highest temperature on the back surface of the mold passes at least a temperature range from the martensite transformation point to the martensite transformation point -70 ° C, a part of the temperature range is obtained. Or in total, the heat transfer coefficient between the cooling medium used for cooling the product shape surface and the product shape surface is such that the cooling medium used for cooling the mold back surface and the mold back surface This is a mold quenching method for cooling so as to be larger than the heat transfer coefficient. By cooling the product shape surface and the mold back surface in the relationship of the heat transfer coefficient, the product shape surface is cooled faster than the mold back surface, and the heat removal from the mold back is more advanced from the mold back surface. However, the product shape is faster. As a result, the region with the highest temperature inside the mold is “lowered” from the product shape surface toward the mold back surface, and the region B can be shifted to the mold back surface side. Therefore, according to the above, when the region A on the back surface of the mold passes through the temperature range from the Ms point to the Ms point -70 ° C., the product shape surface and the mold back surface due to the relationship of the heat transfer coefficient If the cooling is performed, the position of the region B can be shifted to the mold back side more reliably before the martensitic transformation.
そして、製品形状面を金型裏面より速く冷却するための具体的な手法には、冷却中の製品形状面を相対的に急冷する手法や、冷却中の金型裏面を相対的に保温する手法が適用できる。例えば、油を冷却媒体とした油冷を適用する場合は、製品形状面に接する油の流速を速める手法を適用できる。冷却媒体を各種ガスとした高圧ガス冷却を適用する場合は、金型裏面に接する冷却ガスの流速を弱めたり、または、冷却ガスの噴出時間を短くしたり、あるいは、冷却ガスの流入自体を止めたりするといった手法を適用できる。また、冷却媒体として、金型裏面に断熱材を配してもよい。そして、靱性の維持が可能な冷却速度の範囲で、衝風冷却も適用できる。 Specific methods for cooling the product shape surface faster than the back surface of the mold include a method of relatively rapidly cooling the product shape surface being cooled, and a method of relatively warming the back surface of the mold being cooled. Is applicable. For example, when oil cooling using oil as a cooling medium is applied, a method of increasing the flow rate of oil in contact with the product shape surface can be applied. When applying high-pressure gas cooling using various types of cooling media, reduce the flow velocity of the cooling gas in contact with the back of the mold, shorten the cooling gas injection time, or stop the inflow of the cooling gas itself. Can be applied. Moreover, you may distribute a heat insulating material to a metal mold | die back as a cooling medium. Further, blast cooling can be applied within the range of the cooling rate capable of maintaining toughness.
なお、製品形状面と金型裏面とを前記熱伝達係数の関係で冷却することについて（言い換えれば、製品形状面を金型裏面より速く冷却することについて）、その実施のタイミングは、金型裏面の前記領域Ａがマルテンサイト変態しているときであり、前記領域ＡがＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過しているときに、金型内部の前記領域Ｂの位置が金型裏面側に移行しているのであれば、前記領域Ａがマルテンサイト変態を開始する前、つまり、Ｍｓ点に到達する前からでも、マルテンサイト変態を開始した後からでも構わない。すなわち、前記領域Ａの温度が「少なくとも」Ｍｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過するときに、前記製品形状面を冷却するのに用いられる冷却媒体と該製品形状面との間の熱伝達係数が、前記金型裏面を冷却するのに用いられる冷却媒体と該金型裏面との間の熱伝達係数より大きくなるように冷却すればよい。 In addition, about cooling the product shape surface and the mold back surface in relation to the heat transfer coefficient (in other words, cooling the product shape surface faster than the mold back surface), the timing of the implementation is When the region A is martensitic, and when the region A passes through the temperature range from the Ms point to the Ms point -70 ° C., the position of the region B inside the mold is As long as it has shifted to the mold back side, it may be before the region A starts martensitic transformation, that is, before reaching the Ms point or after starting martensitic transformation. That is, when the temperature of the region A passes through the temperature range from “at least” Ms point to Ms point −70 ° C., the cooling medium used for cooling the product shape surface and the product shape surface The heat transfer coefficient may be cooled so as to be larger than the heat transfer coefficient between the cooling medium used for cooling the mold back surface and the mold back surface.
そして、前記熱伝達係数の関係による冷却の実施は、金型裏面の前記領域ＡがＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過しているときの全範囲に亘って継続する必要もない。つまり、前記領域ＡがＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過しているときの間で、金型内部の前記領域Ｂの位置を金型裏面側に移行させておくのに適当な一部または全部の温度範囲を選択して、その一部または全部の温度範囲で前記熱伝達係数の関係による冷却を実施すればよい。そして、好ましくは、前記熱伝達係数の関係による冷却の実施は、前記領域ＡがＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過しているときの全部の範囲で継続することである。より好ましくは、前記領域Ａが、さらにＭｓ点−１００℃に到達するまでの全部の範囲で継続することである。 And it is necessary to continue the cooling by the relationship of the heat transfer coefficient over the entire range when the region A on the back surface of the mold passes through the temperature range from the Ms point to the Ms point -70 ° C. Absent. That is, it is suitable for shifting the position of the region B inside the mold to the mold back side while the area A passes through the temperature range from the Ms point to the Ms point -70 ° C. A part or all of the temperature range may be selected, and cooling based on the relationship of the heat transfer coefficient may be performed in the part or all of the temperature range. Preferably, the cooling by the relationship of the heat transfer coefficient is continued in the entire range when the region A passes through the temperature range from the Ms point to the Ms point -70 ° C. More preferably, the said area | region A is continued in the whole range until it reaches | attains Ms point-100 degreeC further.
本発明であれば、焼入れ冷却中の製品形状面の凹凸部に応力が集中しやすい金型、例えば、製品形状面が大きな段差を有する金型や、金型の重心が製品形状面側に寄っている金型を焼入れする場合でも、製品形状面に発生する引張応力を軽減して、表面の割れを抑制できる。そして、本発明は、金型の各領域における冷却速度を「相対的に」調整することで達成が可能なので、金型全体の温度を均一に保ちながら冷却する必要がなく、冷却速度の絶対値を大きくすることができる。具体的には、金型内部の最も温度の高い領域Ｂがマルテンサイト変態点の直上付近（マルテンサイト変態点＋５０℃から前記マルテンサイト変態点までの温度範囲）を通過するときに、前記領域Ｂを３．０℃／分を超える速い冷却速度で冷却することが可能である。好ましくは、３．５℃／分以上の速い冷却速度で冷却することが可能である。例えば、ＪＩＳ−ＳＫＤ６１等の熱間工具鋼の場合、前記冷却速度が、一般的に３．０℃／分以下になると、ベイナイト組織が生成して、靱性が低下しやすい。これにより、ベイナイト組織が多く生成されることを抑制して、金型の靱性を維持できつつ、製品形状面の割れを抑制できる。また、十分なマルテンサイト変態によって、製品形状面と金型裏面との間で硬さの差異や変動が少ない金型を達成できる。なお、前記冷却速度の上限は特に要しないが、例えば、３０℃／分としてもよい。 According to the present invention, a mold in which stress tends to concentrate on the uneven part of the product shape surface during quenching cooling, for example, a mold having a large step on the product shape surface, or the center of gravity of the mold is closer to the product shape surface side. Even when the mold is quenched, the tensile stress generated on the product shape surface can be reduced, and surface cracking can be suppressed. Since the present invention can be achieved by adjusting the cooling rate in each area of the mold “relatively”, it is not necessary to cool the mold while keeping the temperature uniform, and the absolute value of the cooling rate. Can be increased. Specifically, when the region B having the highest temperature inside the mold passes near the martensitic transformation point (the temperature range from the martensitic transformation point + 50 ° C. to the martensitic transformation point), the region B Can be cooled at a fast cooling rate exceeding 3.0 ° C./min. Preferably, it is possible to cool at a high cooling rate of 3.5 ° C./min or more. For example, in the case of hot tool steel such as JIS-SKD61, when the cooling rate is generally 3.0 ° C./min or less, a bainite structure is generated and the toughness tends to be lowered. Thereby, generation | occurrence | production of many bainite structures can be suppressed and the crack of a product-shaped surface can be suppressed, maintaining the toughness of a metal mold | die. In addition, due to sufficient martensitic transformation, it is possible to achieve a mold with less difference in hardness and variation between the product shape surface and the mold back surface. The upper limit of the cooling rate is not particularly required, but may be, for example, 30 ° C./min.
焼入れ後の金型は、続いて焼戻しに供されることとなる。このとき、本発明の金型の焼入方法を実施した後の金型は、金型全体の温度がＭｓ点に比して十分に低くなるまで放置してから、焼戻しのための加熱に移行してもよい。あるいは、焼戻しのための加熱に費やされるエネルギーの削減等を考慮すれば、金型内部の領域Ｂが、例えばＭｓ点−７０℃の温度より下がったタイミングで、焼戻しのための加熱に移行してもよい。
前記焼戻しの後に、金型の変形等を修正する必要があるならば、前記修正のための仕上げの機械加工を施してもよい。また、必要であれば、金型の製品形状面に、各種の表面処理や、物理蒸着法、化学蒸着法等の被覆処理を施してもよい。
The mold after quenching is subsequently subjected to tempering. At this time, the mold after performing the quenching method of the mold of the present invention is allowed to stand until the temperature of the entire mold is sufficiently lower than the Ms point, and then shifts to heating for tempering. May be. Alternatively, in consideration of reduction of energy consumed for heating for tempering, the region B inside the mold shifts to heating for tempering at a timing when the temperature falls below, for example, the Ms point of −70 ° C. Also good.
If it is necessary to correct the deformation of the mold after the tempering, finishing machining for the correction may be performed. If necessary, the product shape surface of the mold may be subjected to various surface treatments and coating treatments such as physical vapor deposition and chemical vapor deposition.
＜実験要領＞
ＪＩＳ−ＳＫＤ６１改良材の熱間工具鋼を素材に用いて、３００×３００×３００ｍｍ角のブロックを作製した。ブロックの全表面にはフライス加工を行った。本素材のマルテンサイト変態点（Ｍｓ点）は２８５℃である。次に、このブロックを加工して、金型の製品形状面に相当した深さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍの凹形状の溝を形成し、金型の形状を模した図７の焼入れ用試料を作製した。前記溝底のコーナー部のＲ（曲率半径）は、片側が１ｍｍＲに、その反対側が３ｍｍＲに加工されている。また、前記溝底の中央から試料裏面に向けて、さらに、９０ｍｍの深さの位置Ｃ（つまり、試料の芯部）と、１９５ｍｍの深さの位置Ｓ（つまり、実質、試料裏面の中央位置）には、該位置の温度を実測するための熱電対の挿入孔を形成した。
<Experiment procedure>
A 300 × 300 × 300 mm square block was prepared using JIS-SKD61 improved material hot tool steel as a raw material. The entire surface of the block was milled. The martensitic transformation point (Ms point) of this material is 285 ° C. Next, this block was processed to form a concave groove having a depth of 100 mm and a width of 50 mm corresponding to the product shape surface of the mold, and the quenching sample of FIG. 7 simulating the shape of the mold was produced. . R (curvature radius) of the corner portion of the groove bottom is processed to 1 mmR on one side and 3 mmR on the opposite side. Further, from the center of the groove bottom toward the back surface of the sample, a position C having a depth of 90 mm (that is, the core of the sample) and a position S having a depth of 195 mm (that is, substantially the center position of the back surface of the sample). ) Was formed with a thermocouple insertion hole for actually measuring the temperature at the position.
そして、上記の焼入れ用試料を複数個準備して、これらの試料に様々な冷却条件による焼入れを実施した。まず、試料を真空加熱炉に装入した。次に、途中、６００℃および８００℃での予熱過程を経て、試料を１０２５℃の焼入れ温度にまで加熱した。そして、前記焼入れ温度で保持した後の前記複数個の試料のそれぞれに、後述（表１）の冷却条件１〜４による焼入れを実施した。また、このとき、前記焼入れの実施で得た実測データ（温度、冷却速度）を用いて、冷却条件１〜４のそれぞれにおける冷却媒体と試料表面との間の熱伝達係数も求めた（表１）。なお、本実施例では、試料の位置Ｃ（芯部）の温度が２００℃に達した時点で焼入れを終了した。そして、前記焼入れを終了した試料を焼戻しのための加熱炉に移動させて、５９０℃で焼戻しを行い、前記焼戻し後の試料表面に浸透探傷検査（カラーチェック）を行って、試料表面の割れの発生状況を確認した。以下に、冷却条件１〜４の詳細を示す。 A plurality of the above quenching samples were prepared, and these samples were quenched under various cooling conditions. First, the sample was placed in a vacuum heating furnace. Next, the sample was heated to a quenching temperature of 1025 ° C. through a preheating process at 600 ° C. and 800 ° C. in the middle. Then, each of the plurality of samples after being held at the quenching temperature was subjected to quenching under cooling conditions 1 to 4 described later (Table 1). At this time, the heat transfer coefficient between the cooling medium and the sample surface in each of the cooling conditions 1 to 4 was also determined using the actual measurement data (temperature, cooling rate) obtained in the quenching (Table 1). ). In this example, quenching was completed when the temperature at the position C (core portion) of the sample reached 200 ° C. Then, the sample after the quenching is moved to a heating furnace for tempering, tempering is performed at 590 ° C., a penetration flaw inspection (color check) is performed on the sample surface after tempering, and cracks on the sample surface are observed. The occurrence status was confirmed. Details of the cooling conditions 1 to 4 are shown below.
（冷却条件１）
試料を真空加熱炉から取り出した後、試料の変形を防止すべく、試料の全体が均一に冷却されるように、試料を回転させながら、試料に衝風冷却を行った。そして、試料の位置Ｃ（芯部）が６５０℃に到達した以降は、試料の全体を油冷した。
（冷却条件２）
冷却条件１と同様、試料を真空加熱炉から取り出した後、試料を回転させながら、試料に衝風冷却を行った。そして、試料の位置Ｃが６５０℃に到達した以降も、前記衝風冷却を継続した。
（冷却条件３）
冷却条件１と同様、試料を真空加熱炉から取り出した後、試料を回転させながら、試料に衝風冷却を行った。そして、試料の位置Ｃが６５０℃に到達した以降は、試料の裏面を上にした状態で（つまり、試料の形状面を下にした状態で）、試料の全体を油槽に浸漬して油冷した。そして、試料裏面の位置Ｓの温度がＭｓ点（２８５℃）に達したときに、前記裏面のみが油槽から露出するように試料を油槽から引き上げ、冷却を続けた。
（冷却条件４）
真空加熱炉が有するガス冷却機能を使用して、炉内（冷却室内）の上下から、試料の形状面（溝面）および裏面に向けて、１分間隔で交互に窒素ガスを導入させつつ、冷却室内を４００ｋＰａまで加圧して、試料の全体を冷却した。そして、試料の位置Ｃの温度（Ｔｃ）が６５０℃に到達した以降は、冷却室内をさらに６００ｋＰａまで加圧しながらも、試料の裏面に向けての窒素ガスの導入は中止して、試料の形状面に向けての窒素ガスの導入のみを維持して、試料を冷却した。
(Cooling condition 1)
After removing the sample from the vacuum heating furnace, the sample was subjected to blast cooling while rotating the sample so that the entire sample was uniformly cooled in order to prevent deformation of the sample. And after the position C (core part) of a sample reached 650 degreeC, the whole sample was oil-cooled.
(Cooling condition 2)
As in the cooling condition 1, after removing the sample from the vacuum heating furnace, the sample was subjected to blast cooling while rotating the sample. And even after the position C of the sample reached 650 ° C., the blast cooling was continued.
(Cooling condition 3)
As in the cooling condition 1, after removing the sample from the vacuum heating furnace, the sample was subjected to blast cooling while rotating the sample. After the position C of the sample reaches 650 ° C., the entire surface of the sample is immersed in an oil bath with the back surface of the sample facing up (that is, with the shape surface of the sample facing down). did. When the temperature at the position S on the back surface of the sample reached the Ms point (285 ° C.), the sample was pulled up from the oil bath so that only the back surface was exposed from the oil bath, and cooling was continued.
(Cooling condition 4)
Using the gas cooling function of the vacuum heating furnace, while introducing nitrogen gas alternately at intervals of 1 minute from the top and bottom of the furnace (cooling chamber) toward the shape surface (groove surface) and back surface of the sample, The inside of the cooling chamber was pressurized to 400 kPa to cool the entire sample. After the temperature (Tc) at the position C of the sample reaches 650 ° C., the introduction of nitrogen gas toward the back surface of the sample is stopped while the cooling chamber is further pressurized to 600 kPa, and the shape of the sample Only the introduction of nitrogen gas towards the surface was maintained and the sample was cooled.
そして、前記冷却条件１〜４による実際の焼入れを実施した一方で、同条件による焼入れ冷却を想定したときのＣＡＥ解析も実施した。具体的には、冷却中における試料全体の温度分布およびマルテンサイト変態分率の分布を解析した。マルテンサイト変態分率とは、マルテンサイト変態の進行度を、例えば０から１（または、０％から１００％）の間の値で示すものである。そして、マルテンサイト変態分率の計算には、一般的に使用されているＫｏｉｓｔｉｎｅｎ−Ｍａｒｂｕｒｇｅｒ則の式（１−ｅｘｐ｛−α（Ｍｓ−Ｔ）｝；ここで、α＝０．０２、Ｍｓ＝２８５）を用いた。また、金型の靱性に影響を及ぼす因子として、試料内部の最も温度の高い領域Ｂがマルテンサイト変態点の直上付近（３３５℃から２８５℃までの間）を通過するときの前記領域Ｂにおける冷却速度を求めた。そして、前段で求めた熱伝達係数を使用して、試料の形状面に形成された前記溝底のコーナー部に生じている最大主応力も算出した。 And while performing the actual quenching by the said cooling conditions 1-4, the CAE analysis when quenching cooling by the said conditions was assumed was also implemented. Specifically, the temperature distribution of the whole sample and the distribution of martensitic transformation fraction during cooling were analyzed. The martensitic transformation fraction indicates the degree of progression of martensitic transformation by a value between 0 and 1 (or 0 to 100%), for example. For calculating the martensitic transformation fraction, a commonly used equation of Koistinen-Marburger rule (1-exp {−α (Ms−T)}; where α = 0.02, Ms = 285) was used. In addition, as a factor affecting the toughness of the mold, the cooling in the region B when the region B having the highest temperature inside the sample passes near the martensitic transformation point (between 335 ° C. and 285 ° C.). The speed was determined. And the maximum principal stress which has arisen in the corner part of the said groove bottom formed in the shape surface of a sample was also computed using the heat transfer coefficient calculated | required in the front | former stage.
＜実験結果＞
前記冷却条件１〜４による実際の焼入れを経て、焼戻しされた後の試料について、その形状面の前記溝底のコーナー部に認められる割れの発生有無を、表２に示す。また、表２には、試料内部の最も温度の高い領域ＢがＭｓ点の直上付近（３３５℃から２８５℃までの間）を通過するときの前記領域Ｂにおける冷却速度、および、試料の形状面に割れが発生するタイミングである前記領域ＢがＭｓ点に達したときの、前記溝底のコーナー部に働いている最大主応力（引張応力である）の値も示す。
<Experimental result>
Table 2 shows the presence or absence of cracks observed at the corners of the groove bottom of the shape surface of the sample after tempering after actual quenching under the cooling conditions 1 to 4. Table 2 also shows the cooling rate in the region B when the region B having the highest temperature inside the sample passes in the vicinity immediately above the Ms point (between 335 ° C. and 285 ° C.), and the shape surface of the sample 3 also shows the value of the maximum principal stress (which is tensile stress) acting on the corner portion of the groove bottom when the region B at which cracking occurs reaches the Ms point.
（冷却条件１について）
冷却条件１は、従来の焼入方法に相当する。図１は、冷却開始からの冷却時間の経過に対する試料の位置Ｃ（芯部）および位置Ｓ（裏面中央）の実測温度の変化を示すグラフ図である。また、図１には、前記ＣＡＥ解析で得た形状面のコーナー部に生じている最大主応力の変化も示す。そして、図２は、前記ＣＡＥ解析で得た冷却中における試料全体の温度分布およびマルテンサイト変態分率の分布を示すマッピング図である。ただし、正確に言えば、図２で示しているのは、試料の全体の一部である。これは、図７の試料の全体を、その２つの対称面で縦に４分割したうちの一つのモデルであり、試料の一部を対称的に示したモデルである。そして、図２の投影状態において、一番手前に位置する縦方向の一辺が、試料の中心軸である。
(Cooling condition 1)
Cooling condition 1 corresponds to a conventional quenching method. FIG. 1 is a graph showing changes in the measured temperature at the position C (core part) and the position S (center of the back surface) of the sample with the passage of the cooling time from the start of cooling. FIG. 1 also shows the change in the maximum principal stress generated at the corner of the shape surface obtained by the CAE analysis. FIG. 2 is a mapping diagram showing the temperature distribution and the martensitic transformation fraction distribution of the entire sample during cooling obtained by the CAE analysis. However, to be exact, what is shown in FIG. 2 is a part of the entire sample. This is one model in which the entire sample of FIG. 7 is vertically divided into four by its two symmetry planes, and is a model in which a part of the sample is shown symmetrically. In the projection state of FIG. 2, the one side in the vertical direction located at the forefront is the central axis of the sample.
図２の詳細を説明する。まず、図２（ａ）は、試料裏面の最も温度の高い領域Ａの温度がＭｓ点（２８５℃）に到達したときの、試料全体の温度分布である。次に、図２（ｂ）は、図２（ａ）から冷却が進んで、前記領域Ａの温度がＭｓ点−７０℃（２１５℃）に到達したときの、試料全体の温度分布である。図２（ａ）および（ｂ）は、本来、カラーでマッピングされているものを白黒で示したものである。この場合、各領域における温度は図中の温度ゲージに従うが、概ね色が薄くなる程、温度が高い。そして、図２（ａ）から（ｂ）に至るまでの冷却時間で、つまり、前記領域Ａの温度がＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過する間で、試料内部の最も温度の高い領域Ｂの位置と試料裏面の前記領域Ａとの距離は約１１０ｍｍに保たれていた（すなわち、前記領域Ｂと試料形状面の前記溝底との距離は約９０ｍｍであった）。 Details of FIG. 2 will be described. First, FIG. 2A shows the temperature distribution of the entire sample when the temperature of the region A having the highest temperature on the back surface of the sample reaches the Ms point (285 ° C.). Next, FIG. 2B shows the temperature distribution of the entire sample when cooling proceeds from FIG. 2A and the temperature of the region A reaches the Ms point of −70 ° C. (215 ° C.). 2A and 2B show what is originally mapped in color in black and white. In this case, the temperature in each region follows the temperature gauge in the figure, but the temperature becomes higher as the color becomes lighter. Then, during the cooling time from FIG. 2A to FIG. 2B, that is, while the temperature of the region A passes through the temperature range from the Ms point to the Ms point of −70 ° C., the highest temperature inside the sample. The distance between the position of the high region B and the region A on the back surface of the sample was kept at about 110 mm (that is, the distance between the region B and the groove bottom on the sample shape surface was about 90 mm).
そして、図２（ｃ）は、試料内部の前記領域ＢがＭｓ点に到達したときの、試料全体のマルテンサイト変態分率の分布である。図２（ｃ）は、本来、カラーでマッピングされているものを白黒で示したものである。この場合、各領域におけるマルテンサイトの変態分率は図中の変態分率ゲージに従うが、概ね色が薄くなる程、マルテンサイト変態分率が高く、マルテンサイト変態が進行している状態を指す。図２（ｃ）によれば、このときの前記領域Ｂの温度（Ｍｓ点）と試料裏面の領域Ａとの温度差は７７℃であり、先にマルテンサイト変態を開始していた前記領域Ａは、領域Ｂの温度がＭｓ点に到達したときにおいても、マルテンサイト変態が進行中である結果を得た。 FIG. 2C shows the distribution of the martensitic transformation fraction of the entire sample when the region B inside the sample reaches the Ms point. FIG. 2C shows what is originally mapped in color in black and white. In this case, the martensite transformation fraction in each region follows the transformation fraction gauge in the figure, but the thinner the color, the higher the martensite transformation fraction and the more martensitic transformation is in progress. According to FIG.2 (c), the temperature difference of the temperature (Ms point) of the said area | region B at this time and the area | region A of a sample back surface is 77 degreeC, The said area | region A which has started the martensitic transformation previously. Obtained the result that the martensitic transformation was in progress even when the temperature of the region B reached the Ms point.
図１、２のＣＡＥ解析の結果を用いて、表１、２の結果を評価する。まず、焼入れ冷却が開始されると、試料の表面は内部より速く降温して、２８５℃のＭｓ点に到達し、試料の形状面や裏面が先にマルテンサイト変態を開始する。そして、このときの内部との温度差、つまり、マルテンサイト変態の進行差によって生じる試料形状面のコーナー部の応力は、コーナー部自身の変態塑性の効果によってさほど大きくならず（圧縮応力である）、この時点でコーナー部に割れが生じることはない。しかし、冷却条件１による従来の焼入方法の場合、この試料裏面の領域ＡがＭｓ点に到達した時点で、未だマルテンサイト変態を開始していない試料内部の領域Ｂと試料形状面の前記コーナー部との距離が近く（つまり、前記領域Ｂが試料の裏面側に移行しておらず）、かつ、これ以降も該距離が近いことから、前記領域Ｂが遅れてマルテンサイト変態を開始したときも、領域Ｂと前記コーナー部との距離が近いままである。その結果、領域Ｂがマルテンサイト変態を開始したときの前記コーナー部に働く応力（引張応力である）は、ＣＡＥ解析による最大主応力で９８５ＭＰａにも達して、焼戻し後の前記コーナー部の１ｍｍＲ側に割れが発生した。 The results of Tables 1 and 2 are evaluated using the results of the CAE analysis of FIGS. First, when quenching cooling is started, the surface of the sample cools faster than the inside, reaches the Ms point of 285 ° C., and the shape surface and the back surface of the sample start martensitic transformation first. And the temperature difference from the inside at this time, that is, the stress of the corner portion of the sample shape surface caused by the progress difference of the martensite transformation does not become so large due to the effect of transformation plasticity of the corner portion itself (it is compressive stress). At this point, no cracks occur in the corners. However, in the case of the conventional quenching method under the cooling condition 1, when the region A on the back surface of the sample reaches the Ms point, the region B in the sample that has not yet started martensitic transformation and the corner of the sample shape surface. When the region B is delayed and the martensite transformation is started because the region B is close (that is, the region B has not shifted to the back side of the sample) and the distance is close thereafter. However, the distance between the region B and the corner portion remains short. As a result, when the region B starts martensitic transformation, the stress acting on the corner portion (tensile stress) reaches 985 MPa as the maximum principal stress by CAE analysis, and 1 mm R side of the corner portion after tempering. Cracks occurred.
（冷却条件２について）
冷却条件２も、従来の焼入方法に相当する。図３は、冷却開始からの冷却時間の経過に対する試料の位置Ｃおよび位置Ｓの実測温度の変化を示すグラフ図である。図３には、前記ＣＡＥ解析で得た形状面のコーナー部に生じている最大主応力の変化も示している。そして、図４は、前記ＣＡＥ解析で得た冷却中における試料全体の温度分布およびマルテンサイト変態分率の分布を示すマッピング図である。なお、図４の詳細は、前出の図２と同様である。図４（ａ）は、試料裏面の領域Ａの温度がＭｓ点（２８５℃）に到達したときの、試料全体の温度分布である。図４（ｂ）は、前記領域Ａの温度がＭｓ点−７０℃（２１５℃）に到達したときの、試料全体の温度分布である。そして、図４（ａ）から（ｂ）に至るまでの冷却時間で、試料内部の最も温度の高い領域Ｂの位置と前記領域Ａとの距離は、冷却条件１と同様、約１１０ｍｍであった（すなわち、前記領域Ｂと形状面の溝底との距離は約９０ｍｍであった）。図４（ｃ）は、試料内部の前記領域ＢがＭｓ点に到達したときの、試料全体のマルテンサイト変態分率の分布である。これによれば、このときの領域Ｂの温度（Ｍｓ点）と試料裏面の領域Ａとの温度差は４４℃であり、前記領域Ａを含む試料裏面の広範囲で、未だマルテンサイト変態が進行中である結果を得た。
(Cooling condition 2)
Cooling condition 2 also corresponds to a conventional quenching method. FIG. 3 is a graph showing changes in the measured temperature at the position C and the position S of the sample with the lapse of the cooling time from the start of cooling. FIG. 3 also shows a change in the maximum principal stress generated at the corner portion of the shape surface obtained by the CAE analysis. FIG. 4 is a mapping diagram showing the temperature distribution and the martensitic transformation fraction distribution of the entire sample during cooling obtained by the CAE analysis. The details of FIG. 4 are the same as those of FIG. FIG. 4A shows the temperature distribution of the entire sample when the temperature of the region A on the back surface of the sample reaches the Ms point (285 ° C.). FIG. 4B is a temperature distribution of the entire sample when the temperature of the region A reaches the Ms point of −70 ° C. (215 ° C.). Then, in the cooling time from FIG. 4A to FIG. 4B, the distance between the region A having the highest temperature inside the sample and the region A was about 110 mm as in the cooling condition 1. (That is, the distance between the region B and the groove bottom of the shape surface was about 90 mm). FIG. 4C shows the distribution of the martensitic transformation fraction of the entire sample when the region B inside the sample reaches the Ms point. According to this, the temperature difference between the temperature of the region B (Ms point) and the region A on the back surface of the sample at this time is 44 ° C., and the martensitic transformation is still in progress over a wide range of the sample back surface including the region A. Was obtained.
図３、４のＣＡＥ解析の結果を用いて、表１、２の結果を評価する。冷却条件２による焼入方法では、冷却の最初から最後まで、試料の全体が均一に冷却されるように、冷却速度の遅い、つまり、熱伝達係数が低い衝風冷却を行った。よって、試料の全体に亘って、温度差が小さい。したがって、試料裏面の領域ＡがＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過する全部の間で、試料内部の領域Ｂと試料形状面のコーナー部との距離が近く、前記領域Ｂが試料の裏面側に移行していなくても、前記領域Ｂがマルテンサイト変態を開始したときの前記コーナー部に働く引張応力は８１７ＭＰａであり、冷却条件１による値よりも小さかった。そして、この結果、焼戻し後の前記コーナー部に割れは確認されなかった。しかし、従来の冷却条件２による焼入方法では、金型の靱性に影響を与える冷却速度が遅くなった。 The results of Tables 1 and 2 are evaluated using the results of the CAE analysis shown in FIGS. In the quenching method according to the cooling condition 2, blast cooling with a low cooling rate, that is, a low heat transfer coefficient was performed so that the entire sample was uniformly cooled from the beginning to the end of the cooling. Therefore, the temperature difference is small over the entire sample. Therefore, the distance between the region B inside the sample and the corner portion of the sample shape surface is short between the entire region A of the sample back surface passing through the temperature range from the Ms point to the Ms point −70 ° C. Even if it did not move to the back side of the sample, the tensile stress acting on the corner portion when the region B started martensitic transformation was 817 MPa, which was smaller than the value according to the cooling condition 1. As a result, no crack was observed in the corner portion after tempering. However, in the conventional quenching method under the cooling condition 2, the cooling rate that affects the toughness of the mold is slow.
（冷却条件３について）
冷却条件３は、本発明の焼入方法である。図５は、図１、３と同様、冷却開始からの冷却時間の経過に対する試料の位置Ｃおよび位置Ｓの実測温度の変化と、形状面のコーナー部に生じている最大主応力の変化を示すグラフ図である。図５において、位置Ｃの曲線と位置Ｓの曲線は、ほぼ重なっている。そして、図６は、図２、４と同様、冷却中における試料全体の温度分布およびマルテンサイト変態分率の分布を示すマッピング図である。図６（ａ）および（ｂ）より、試料裏面の領域Ａの温度がＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過する間で、試料内部の最も温度の高い領域Ｂの位置と前記領域Ａとの距離は約４０ｍｍに保たれていた（すなわち、前記領域Ｂと形状面の溝底との距離は約１６０ｍｍであった）。そして、図６（ｃ）より、領域Ｂの温度がＭｓ点に到達したときは、前記領域Ｂの温度（Ｍｓ点）と領域Ａとの温度差は殆どなく、試料裏面の領域Ａと試料内部の領域Ｂとが、ほぼ同時にマルテンサイト変態を開始している結果を得た。
(Cooling condition 3)
Cooling condition 3 is the quenching method of the present invention. FIG. 5 shows the change in the measured temperature at the position C and the position S of the sample and the change in the maximum principal stress generated at the corner of the shape surface with the passage of the cooling time from the start of cooling, as in FIGS. FIG. In FIG. 5, the curve at position C and the curve at position S almost overlap each other. 6 is a mapping diagram showing the temperature distribution of the entire sample and the distribution of martensite transformation fraction during cooling, as in FIGS. 6A and 6B, while the temperature of the region A on the back surface of the sample passes through the temperature range from the Ms point to the Ms point -70 ° C, The distance to the area A was kept at about 40 mm (that is, the distance between the area B and the groove bottom of the shape surface was about 160 mm). 6 (c), when the temperature of the region B reaches the Ms point, there is almost no temperature difference between the temperature of the region B (Ms point) and the region A, and the region A on the back surface of the sample and the inside of the sample Thus, the martensitic transformation was started almost simultaneously with the region B.
図５、６のＣＡＥ解析の結果を用いて、表１、２の結果を評価する。冷却条件３による焼入方法では、試料裏面の領域ＡがＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過するときの全部で、試料の形状面における熱伝達係数が、試料の裏面における熱伝達係数よりも大きくなるように冷却した。この結果、領域Ａが前記温度範囲を通過する間で、試料内部の領域Ｂと試料形状面のコーナー部との距離は、従来の冷却条件１、２による焼入方法のときよりも離れて、前記領域Ｂの位置が試料の裏面側に移行していた。そして、前記領域Ｂが遅れてマルテンサイト変態を開始したときにも、領域Ｂの試料裏面側への前記移行は保たれていた。そして、形状面および試料裏面における前記熱伝達係数の差が大きかったことに起因して、その移行の程度は、さらに進んで、領域Ａと領域Ｂとが試料裏面の同じ位置になっていた。そして、そのときの前記コーナー部に働いている引張応力は、最大主応力で７３３ＭＰａにまで低減されていて、焼戻し後の前記コーナー部に割れは生じていなかった。また、領域ＢにおけるＭｓ点の直上付近を通過するときの冷却速度も３．０℃／分を超えており、冷却条件２の衝風冷却のときより速かった。 The results of Tables 1 and 2 are evaluated using the results of the CAE analysis shown in FIGS. In the quenching method according to the cooling condition 3, the heat transfer coefficient on the shape surface of the sample when the region A on the back surface of the sample passes through the temperature range from the Ms point to the Ms point of −70 ° C. is the heat on the back surface of the sample. It was cooled to be larger than the transmission coefficient. As a result, while the region A passes through the temperature range, the distance between the region B inside the sample and the corner portion of the sample shape surface is farther than in the conventional quenching method according to the cooling conditions 1 and 2, The position of the region B was shifted to the back side of the sample. And even when the region B was delayed and started martensitic transformation, the transition to the sample back side of the region B was maintained. Then, due to the large difference in the heat transfer coefficient between the shape surface and the sample back surface, the degree of the transition further progressed, and the region A and the region B were at the same position on the sample back surface. The tensile stress acting on the corner portion at that time was reduced to 733 MPa as the maximum principal stress, and no crack occurred in the corner portion after tempering. Further, the cooling rate when passing in the vicinity of the point immediately above the Ms point in the region B exceeded 3.0 ° C./min, which was faster than that in the blast cooling of the cooling condition 2.
（冷却条件４について）
冷却条件４は、本発明の焼入方法である。冷却条件４による焼入方法では、試料裏面の領域ＡがＭｓ点からＭｓ点−７０℃までの温度範囲を通過するときの全部の間で、試料の形状面における熱伝達係数が、試料裏面における熱伝達係数よりも大きくなるように冷却した。そして、冷却条件４においては、前記図１〜６のようなグラフ図やマッピング図を示さないが、領域Ａが前記温度範囲を通過する間で、試料内部の領域Ｂと試料形状面のコーナー部との距離が離れていて、前記領域Ｂの位置が試料の裏面側に移行していたことを確認済みである。その移行の程度は、前記領域Ｂの位置と前記領域Ａとの距離が約５０ｍｍであった（すなわち、前記領域Ｂと形状面の溝底との距離は約１５０ｍｍであった）。そして、領域Ｂが遅れてマルテンサイト変態を開始したときも、領域Ｂの前記移行は保たれていて、かつ、このときの前記コーナー部に働いている引張応力は、最大主応力で７２０ＭＰａにまで低減されていた。そして、焼戻し後の前記コーナー部に割れは生じていなかった。また、領域ＢにおけるＭｓ点の直上付近を通過するときの冷却速度も３．０℃／分を大きく超えており、冷却条件２の衝風冷却のときより速かった。
(Cooling condition 4)
Cooling condition 4 is the quenching method of the present invention. In the quenching method under the cooling condition 4, the heat transfer coefficient on the shape surface of the sample is the same on the back surface of the sample when the region A on the back surface of the sample passes through the temperature range from the Ms point to the Ms point −70 ° C. It cooled so that it might become larger than a heat transfer coefficient. In the cooling condition 4, the graphs and mapping diagrams as shown in FIGS. 1 to 6 are not shown, but the region B inside the sample and the corner portion of the sample shape surface while the region A passes through the temperature range. It has been confirmed that the position of the region B has shifted to the back side of the sample. As for the degree of the transition, the distance between the position of the region B and the region A was about 50 mm (that is, the distance between the region B and the groove bottom of the shape surface was about 150 mm). When the region B is delayed and martensitic transformation is started, the transition of the region B is maintained, and the tensile stress acting on the corner portion at this time is 720 MPa as the maximum principal stress. It was reduced. And the crack did not arise in the said corner part after tempering. In addition, the cooling rate when passing in the vicinity of the point immediately above the Ms point in the region B greatly exceeded 3.0 ° C./min, which was faster than that in the blast cooling of the cooling condition 2.
Claims (4)
前記冷却では、金型の製品形状面の反対面である金型裏面の最も温度の高い領域Ａの温度が少なくともマルテンサイト変態点から前記マルテンサイト変態点−７０℃までの温度範囲を通過するときに、前記温度範囲の一部または全部で、金型内部の最も温度の高い領域Ｂが前記金型裏面側に移行しているように、製品形状面を金型裏面より速く冷却することを特徴とする金型の焼入方法。 In the quenching method of the mold that cools the mold heated to the quenching temperature in the austenite region and transforms the structure of the mold to martensite,
In the cooling, when the temperature of the region A having the highest temperature on the back surface of the mold, which is the surface opposite to the product shape surface of the mold, passes at least the temperature range from the martensitic transformation point to the martensitic transformation point -70 ° C. In addition , the product shape surface is cooled faster than the back surface of the mold so that the region B having the highest temperature inside the mold moves to the back surface side of the mold in part or all of the temperature range. How to quench the mold.
前記冷却では、金型の製品形状面の反対面である金型裏面の最も温度の高い領域Ａの温度が少なくともマルテンサイト変態点から前記マルテンサイト変態点−７０℃までの温度範囲を通過するときに、前記温度範囲の一部または全部で、前記製品形状面を冷却するのに用いられる冷却媒体と該製品形状面との間の熱伝達係数が、前記金型裏面を冷却するのに用いられる冷却媒体と該金型裏面との間の熱伝達係数より大きくなるように、製品形状面を金型裏面より速く冷却することを特徴とする金型の焼入方法。 In the quenching method of the mold that cools the mold heated to the quenching temperature in the austenite region and transforms the structure of the mold to martensite,
In the cooling, when the temperature of the region A having the highest temperature on the back surface of the mold, which is the surface opposite to the product shape surface of the mold, passes at least the temperature range from the martensitic transformation point to the martensitic transformation point -70 ° C. In addition, the heat transfer coefficient between the cooling medium used to cool the product shape surface and the product shape surface is used to cool the mold back surface in part or all of the temperature range. A mold quenching method , wherein a product shape surface is cooled faster than a mold back surface so as to be larger than a heat transfer coefficient between a cooling medium and the mold back surface.
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